KITECH 생산기술 전문지

본 연구에서는 308nm XeCl 엑시머 레이저 시스템을 활용하여 비정질 실리콘(a-Si)을 저온 다결정 실리콘(LTPS)으로 변환하는 공정 기술을 개발하고, 다양한 공정 조건에 따른 결정화 특성을 분석하였다. 기존의 Furnace 및 Rapid Thermal Annealing(RTA)과 같은 열처리 공법이 가진 열적 손상 및 긴 공정 시간의 단점을 극복하기 위해 엑시머 레이저 어닐링(Excimer Laser Annealing, ELA)을 적용하였다. 본 연구에서는 Fused Silica 기판 위에 LPCVD 공법으로 증착한 100nm 두께의 a-Si 박막을 대상으로 레이저 어닐링을 수행하였으며, GI-XRD, AFM, SEM, TEM 분석을 통해 결정립 크기 및 결정 방향성을 조사하였다.
GI-XRD 분석 결과, 레이저 어닐링 공정 이후 a-Si 박막이 111, 220, 311 방향으로 결정화된 것을 확인하였으며, AFM 및 SEM 분석을 통해 결정립계 크기가 레이저 에너지와 반복 횟수에 따라 변화함을 관찰하였다. TEM 분석에서는 강한 레이저 에너지(469mJ)와 반복 횟수(50회) 조건에서 단일 방향의 결정 성장이 유리함을 확인하였다. 연구 결과, 레이저 에너지 200~400mJ 범위와 펄스 횟수 50회가 최적의 조건임을 도출하였으며, 이를 통해 기존 공법 대비 열적 이득을 극대화하면서 더 큰 결정립계를 형성할 수 있음을 입증하였다.
본 연구는 엑시머 레이저 기술이 박막 트랜지스터(TFT) 및 능동형 유기 발광 다이오드(AMOLED) 등 고성능 반도체 및 디스플레이 소자 제조에 적용 가능함을 제시하며, 특히 유리와 같은 열적 내구성이 낮은 기판에서의 활용 가능성을 제시하였다.

키워드 반도체, 엑시머 레이저 어닐링, LTPS, 실리콘 박막, 결정화