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    氣體知識(shí)

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    準(zhǔn)分子激光退火LTPS ELA process

    2019-6-6 15:41:02

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    本文綜述了當(dāng)前制作LTPS TFTLCD最重要步驟低溫多晶硅的各種制備方法,簡(jiǎn)要介紹了各方法的基本原理,特別是對(duì)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的準(zhǔn)分子激光退火ELANi誘導(dǎo)固相結(jié)晶技術(shù)CGS進(jìn)行了概述。認(rèn)為LTPS TFTLCD技術(shù)將是未來顯示器的發(fā)展趨勢(shì)。

    1 h; e3 r+ l. mp-Si材料的低溫生長(zhǎng)技術(shù)是研究的焦點(diǎn)。其中最有效的方法有兩個(gè),一是對(duì)電漿增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法制作的a-Si材料進(jìn)行準(zhǔn)分子激光退火形成p-Si材料,二是用Ni金屬進(jìn)行金屬誘導(dǎo)固相結(jié)晶技術(shù)制作得到連續(xù)粒界結(jié)晶硅。
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    傳統(tǒng)的非晶硅材料(a-Si)的電子遷移率只有0.5 cm2/V S,而低溫多晶硅材料(LTPS)的電子遷移率可達(dá)50200 cm2/V?S,因此與傳統(tǒng)的非晶硅薄膜晶體管液晶顯示器(a-Si TFT-LCD)相比,低溫多晶硅TFT-LCD具有更高分辨率、反應(yīng)速度快、亮度高(開口率高)等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)由于可以將周邊驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)制作在玻璃基板上,達(dá)到在玻璃上集成系統(tǒng)(SOG)的目標(biāo),所以能夠節(jié)省空間和成本。此外,LTPS技術(shù)又是發(fā)展主動(dòng)式有機(jī)發(fā)光二極管(AM-OLED)的技術(shù)平臺(tái),因此LTPS技術(shù)的發(fā)展受到了廣泛的重視。本文主要講述LTPSTFT-LCD產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用及進(jìn)展?fàn)顩r。8 G) P' I( g6 [+ R( ^% |
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    制作p-Si材料的各種方法%

    目前,p-Si材料的制備方法很多,其中主要包括低壓化學(xué)氣相沉積(LP-CVD)、小晶粒p-Si激光退火、區(qū)熔再結(jié)晶方法即微區(qū)熔煉、低壓分子束磊晶(LP-MBD),a-Si準(zhǔn)分子激光退火(ELA)及固相晶化法(SPC)等方法。表一為各種方法所制作的p-Si材料的特性比較。" y7 k3 }: F5 i; [3 A

    由于p-Si材料的晶粒尺寸與薄膜的制備溫度有關(guān),而晶粒尺寸的大小又直接影響到p-Si薄膜的載流子遷移率。因此,上述方法中大部分屬于高溫生成制程,隨著溫度的升高,薄膜的晶粒尺寸通常會(huì)增大,晶粒與晶粒之間的缺陷會(huì)減少,載流子遷移率會(huì)大幅度提高。從表一中我們可以看出,幾種高溫生成制程均具有較大的晶粒尺寸及載流子遷移率。但是高溫生成要求襯底使用石英或其它耐高溫玻璃,這使其制造成本增加,不利于p-Si材料的實(shí)用化。因此降低p-Si材料的生成溫度是p-Si TFT-LCD發(fā)展過程中的一個(gè)關(guān)鍵問題。. ^. _1 r& [( ?9 b) f7 I
    目前,p-Si材料的低溫生成技術(shù)是人們研究的熱點(diǎn)。其中最有效的方法有兩個(gè),一是對(duì)電漿增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法制作的a-Si材料進(jìn)行準(zhǔn)分子雷射退火形成p-Si材料,二是用Ni金屬進(jìn)行金屬誘導(dǎo)固相結(jié)晶技術(shù)制備得到連續(xù)粒界結(jié)晶硅(CGS)技術(shù),以下分別對(duì)這二種方法進(jìn)行介紹。
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    準(zhǔn)分子激光退火技術(shù)(ELA)(

    ELA制備p-Si材料的溫度通常低于450℃,用普通TFT玻璃即可。這種方法獲得的p-Si材料的特性完全滿足像素用TFT開關(guān)器件及周邊驅(qū)動(dòng)用TFT器件性能的要求。4 W! q. I: q) {& ]$ h8 M因?yàn)?/span>XeCl準(zhǔn)分子激光器具有較好的氣體穩(wěn)定性和在波長(zhǎng)30 8nma-Si薄膜具有高吸收系數(shù)(106 cm-1)的優(yōu)點(diǎn)。所以很多廠家采用XeCl準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行生產(chǎn)。最初采用點(diǎn)狀的激光束退火a-Si薄膜,速度很慢,且得到的p-Si材料缺陷很多。如果將激光束改變?yōu)榫€狀,則可以使雷射掃描過程變得簡(jiǎn)單。后來采用了如下的一個(gè)簡(jiǎn)單光學(xué)系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了這種想法。該發(fā)明由張宏勇博士首先想到,但是當(dāng)時(shí)他不知道如何實(shí)現(xiàn)將點(diǎn)狀激光轉(zhuǎn)化為線形激光,因此找到了當(dāng)時(shí)也在日本的中科院上海光機(jī)所的陳緒山,陳緒山就提議采用圖一中的簡(jiǎn)單光路實(shí)現(xiàn)線形雷射。由于當(dāng)時(shí)沒有申請(qǐng)專利,因此這項(xiàng)完全由中國人發(fā)明的技術(shù)在全世界被免費(fèi)無償使用,不得不說這是中國科技發(fā)展史上的一大損失。

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    采用線性激光結(jié)晶技術(shù)得到的p-Si晶粒均勻,操作方便,使LTPS技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。目前絕大部分廠家采用此種結(jié)晶技術(shù),其中東芝走在最前面。東芝已經(jīng)可以投產(chǎn)14.1英寸15英寸LTPS,突破過去LTPS局限在中小尺寸的瓶頸。東芝與松下在新加坡興建的全球第一條第4.5 G LTPS生產(chǎn)線,玻璃基板為730 mm×920 mm尺寸,月產(chǎn)可達(dá)5萬片,可有效提供筆記型計(jì)算機(jī)、液晶顯示器所需。
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    臺(tái)灣統(tǒng)寶光電的LTPS技術(shù)也很發(fā)達(dá),目前有一條3.5 G的生產(chǎn)線。同時(shí)統(tǒng)寶積極開發(fā)AM OLED技術(shù),繼先前開發(fā)出電壓驅(qū)動(dòng)主動(dòng)式有機(jī)發(fā)光顯示器后,已成功開發(fā)出2.2英寸主動(dòng)式全彩有機(jī)發(fā)光顯示器(AMOLED)模塊。" ^, s0 S. L+ j1 {6 j9 z% _
    當(dāng)然,ELA結(jié)晶方法也有需要改進(jìn)的地方。一方面晶粒尺寸還不夠大,另一方面因?yàn)橐黄AЩ逋ǔP枰咨鋻呙?/span>20次左右才能形成良好的結(jié)晶。為了提高生產(chǎn)效率,現(xiàn)在有采用多路雷射同時(shí)掃描的方式。也可以采用矩形光束的方法,使雷射能量均勻集中形成一個(gè)矩形光束,對(duì)基板進(jìn)行有選擇的掃描。
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    固相晶化(SPC)法的特點(diǎn)是非晶固體發(fā)生晶化的溫度低于其熔融后結(jié)晶的溫度。主要有三種改進(jìn)的固相晶化法,即部分摻雜法、采用織構(gòu)襯底和金屬誘導(dǎo)固相晶化(MISPC)法。其中在TFT-LCD產(chǎn)業(yè)中真正已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化的是摻雜金屬Ni的金屬誘導(dǎo)固相晶化法。
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    金屬誘導(dǎo)固相晶化(MISPC)法是在沉積a-Si薄膜之前或之后,用熱蒸發(fā)鍍上一層金屬(AlNi等)膜,然后再用熱處理的方法使其轉(zhuǎn)化為多晶硅薄膜。MISPC P-Si薄膜的晶化時(shí)間、微結(jié)構(gòu)和晶粒的大小與用PECVD沉積的a-Si的沉積溫度、金屬層厚度以及襯底的涂覆狀態(tài)無關(guān)。因此,MISPC對(duì)非晶薄膜的原始狀態(tài)要求不高,可以很大降低薄膜沉積的制程條件。然而,它們強(qiáng)烈依賴于所選用的金屬種類和退火溫度。對(duì)于發(fā)生低溫晶化的原因,比較一致的解釋是:在a-Si與誘導(dǎo)金屬層界面處,金屬原子擴(kuò)散到非晶硅中,形成間隙原子,使SiSi共價(jià)鍵轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘冁I,極大地降低了激發(fā)能;界面處的這種硅化物加速了金屬和Si原子的相互擴(kuò)散,導(dǎo)致金屬-Si混合層的形成,在較低溫度下,硅在誘導(dǎo)金屬中的固溶度幾乎可以忽略,因此金屬中的超飽和的硅以核的形式在a-Si和金屬的接口析出;這些固體沉淀物逐漸長(zhǎng)大,最后形成了晶體硅和鋁的混合物。但是,MISPC法一個(gè)很致命的缺點(diǎn)就是形成的多晶硅中含有金屬原子,這很大程度破壞了半導(dǎo)體薄膜的性能,甚至使發(fā)生短路現(xiàn)象。目前可以通過控制制程條件,使金屬膜最后在頂層析出,并用蝕刻技術(shù)把金屬膜去掉,從而在玻璃上獲得了連續(xù)的多晶硅層。

    ' o" `! n7 U' O7 ]目前,只有Ni金屬能用于制備TFT-LCD工業(yè)中的LTPS,其它金屬都不合適。Ni金屬誘導(dǎo)固相結(jié)晶技術(shù)形成的連續(xù)粒界結(jié)晶硅通常稱之為CGS。由于CGS得到的晶粒較大且比較均勻,所以得到的電子遷移率更大,實(shí)際上CGS技術(shù)由留日博士張宏勇在一次意外的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),最后該技術(shù)由半導(dǎo)體能源研究所轉(zhuǎn)讓給夏普,并且夏普公司將該技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。當(dāng)初發(fā)現(xiàn)這個(gè)原理時(shí)認(rèn)為該發(fā)明具有重要意義,所以CGS技術(shù)在被發(fā)現(xiàn)5年以后才公開發(fā)表。表三說明了CGS技術(shù)的誕生與發(fā)展?fàn)顩r。利用CGS技術(shù),可以將CPU直接內(nèi)藏在玻璃基板上,真正實(shí)現(xiàn)薄板計(jì)算機(jī)(Computer on Glass)。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)將8CPU集成在玻璃基板上,但如果想要制造具有更高性能的薄板計(jì)算機(jī),則必須制備具有更高電子遷移率的p-Si材料,或者直接將單晶硅材料復(fù)合到玻璃基板上,相關(guān)研究都在進(jìn)行中。CGS技術(shù)的專利權(quán)已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給夏普,所以目前只有夏普采用CGS技術(shù)生產(chǎn)LTPS TFT-LCD。夏普20031029發(fā)布導(dǎo)入三重第3工廠第2期液晶生產(chǎn)線的消息。新生產(chǎn)線的基板玻璃尺寸與第1期相同,為730 mm×920 mm。計(jì)劃20043月開始運(yùn)行,生產(chǎn)能力(2英寸型面板換算)為月產(chǎn)570萬臺(tái)。因此,包括第1期生產(chǎn)線的第3工廠系統(tǒng)液晶生產(chǎn)能力,從400萬臺(tái)向970萬臺(tái)倍增。包括天理工廠,整個(gè)公司的系統(tǒng)液晶生產(chǎn)能力從650萬臺(tái)向1220萬臺(tái)擴(kuò)大。" ^0 V; W- h1 S) n

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    總結(jié)

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    a-Si TFT-LCDLTPS TFT-LCD的發(fā)展是技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。LTPS TFT-LCD的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用潛力使其在現(xiàn)在和將來都有很大的發(fā)展空間。該技術(shù)的發(fā)展必將有力地促進(jìn)TFT-LCD技術(shù)的整體發(fā)展,同時(shí)也會(huì)促使更多新型高性能的以LTPS為技術(shù)平臺(tái)的顯示器件的出現(xiàn),而這些新型組件的應(yīng)用也必將會(huì)大大方便人們未來的工作與生活。
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    作者
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    姚華文 博士,19979月~20003月,于浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程系畢業(yè),獲得碩士學(xué)位,20003月~20033月在中科院上海光機(jī)所攻讀博士學(xué)位,研究方向?yàn)楦呙芏热⒐獯鎯?chǔ)材料。20033月進(jìn)入上海華嘉光電技術(shù)有限公司,從事LTPS TFT研究,現(xiàn)為研發(fā)中心副主任兼總工程師助理+
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