LTPS 디스플레이 제조공정에서의 Green Laser를 이용한 Annealing 결정화에 대한 연구

Abstract

Transistor) 기술을 적용한 제품들이 많이 생산되고 있다. LTPS 공정은 디스플레이 제조에 있어 TFT 기판을 만드는 기술로서 비정질 실리콘(amorphous Silicon, a-Si)을 높은 외부 열에너지를 이용하여 다결정 실리콘(Poly Silicon, Poly-Si)으로 변화 시키는 기술이며, 디스플레이 제작 공정에서 LTPS 기술은 매우 중요하다. 이렇게 비정질 실리콘이 다결정 실리콘이 되면 전자 이동도가 비정질 실리콘보다 100배 이상 우수한 특성을 갖는다. 그래서 많은 디스플레이 제조업체에서는 LTPS 기술을 적용하는 비율이 점점 증가시키고 있다. 비정질 실리콘은 제작이 용이하고 고온의 공정이 필요하지 않기 때문에 값싼 유리 기판을 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나 비정질 실리콘은 낮은 전자 이동도 및 구동 회로와 스위칭 소자를 각각 구현해야 하는 단점을 가지고 있으며 고집적화, 대면적화 하는 시장 트랜드에 맞추어 적용하기 어려운 문제점이 있다. a-Si TFT에 비해 저 소비전력과 고해상도를 자랑하는 Poly-Si TFT는 Poly-Si으로 TFT의 채널을 형성해야 하므로 유리 기판의 변경이 없는 저온(≤600℃)에서 a-Si 박막을 결정화 시키는 기술이다. Poly-Si TFT를 제작하기 위해 사용되는 결정화 기술은 고상 결정화(Solid Phase Crystallization, SPC), Excimer Laser Annealing(ELA), Metal Induced Lateral Crustallization(MILC) 방법 등이 있으며 이러한 방법들은 각각의 단점을 보완하기 위하여 많은 연구가 진행 중이다. 이러한 방법들 중에서 현재 Excimer Laser Annealing 기술이 전자이동도가 매우 우수하여 SPC나 MILC에 비하여 TFT 결정화 공정에 많이 쓰이고 있다.[1] 현재 LTPS 제조 공정에서 비정질 실리콘을 다결정 실리콘으로 바꾸어 주는 공정은 주로 ELA 방식이 사용되고 있다. ELA 공정을 수행하기 위해서는 수소를 제거하는 작업인 탈수소화가 필요하다. 표면에 약하게 결합하고 있는 수소의 탈착을 유도하여 박막 내 수소 함량을 감소시키는 작업이다. 이 작업을 수행하지 않게 되면 PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition)에 의하여 제조된 비정질 실리콘 박막 내에 많은 수소를 함유하고 있어서 ELA를 이용한 결정화 시에 수소 폭발이라 할 수 있는 Explosive Hydrogen Eruption이 발생한다.[2] ELA는 고출력의 기체 레이저를 대면적 유리기판에 적용할 수 있도록 Line Beam의 광학계를 사용하고 있다. 결정화에 광범위하게 이용되는 이러한 ELA를 사용함에 있어서 가장 중요한 요인은 Line Beam 광학계를 디자인하는 것이다. 이와 마찬가지로 GLA (Green Laser Annealing)에서도 광학계를 잘 구성하는 것이 중요하다. Line Beam 구성을 위해서는 Cylindrical Lens를 이용하여 광 경로를 구성한다. 빔의 Source에서 출력되어 나온 빔이 Beam Expander를 거치면서 커진다. 그 다음에는 두 개의 Cylindrical Lens의 micro array를 가지고 Homogenizer를 구성하여 빔이 균일하게 Line축을 형성되도록 돕는다. Line Beam은 빔이 전체적으로 균일한 것이 매우 중요하며 이를 위해서 Lens 각각의 미세한 Align 작업이 필요하다. 이렇게 제작된 Line Beam을 가지고 결정화를 진행한다. 하지만 지금 가장 광범위하게 쓰이는 ELA 장비는 초기 투자비 및 생산을 위한 Running Cost가 매우 높기 때문에 많은 제조업체에서 대체 기술에 대한 필요성이 매우 높은 공정이지만 뚜렷한 대안은 없는 상황이다. 최근에는 Excimer Laser를 대체할 수 있는 고출력의 고체 Green Laser가 개발되고 있어 이 기술을 이용하여 LTPS Annealing 기술 방법에 대해 연구 실험을 하였다. 본 연구는 532nm의 파장을 갖는 Green Laser를 이용한 Annealing을 통해 a-Si을 Poly-Si으로 구현하였고, 기술을 검증하였다. Excimer 수준의 Poly-Si을 만들기 위해서 대기압 상태에서 Energy Density, Overlap(중첩률), Line Beam Width에 따른 Grain Size를 최적화하였고, 최적화된 Grain Size를 최적의 중첩률을 찾음으로써 ELA 수준의 Grain Uniformity 조건을 확인하였다.