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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 TFT－LCD最重要步驟低溫多晶硅的各種制備方法，簡要介紹了各方法的基本原理，特別是對已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的準(zhǔn)分子激光退火ELA和Ni誘導(dǎo)固相結(jié)晶技術(shù)CGS進(jìn)行了概述。認(rèn)為LTPS TFT－LCD技術(shù)將是未來顯示器的發(fā)展趨勢。

    1 h; e3 r+ l. mp-Si材料的低溫生長技術(shù)是研究的焦點(diǎn)。其中最有效的方法有兩個，一是對電漿增強(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。
    " \& ^1 I# Q, Z' J    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)50～200 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)，同時由于可以將周邊驅(qū)動電路同時制作在玻璃基板上，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)展主動式有機(jī)發(fā)光二極管（AM-OLED）的技術(shù)平臺，因此LTPS技術(shù)的發(fā)展受到了廣泛的重視。本文主要講述LTPS在TFT-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增大，晶粒與晶粒之間的缺陷會減少，載流子遷移率會大幅度提高。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，一是對電漿增強(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)，以下分別對這二種方法進(jìn)行介紹。
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    , z; M- B0 D o" U% @    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30 8nm處a-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單。后來采用了如下的一個簡單光學(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單光路實(shí)現(xiàn)線形雷射。由于當(dāng)時沒有申請專利，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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    / G1 v8 e' ?" ^& f    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英寸及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算機(jī)、液晶顯示器所需。
    $ L h' \1 F5 O& d& M* }: X2 n. H    臺灣統(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)動主動式有機(jī)發(fā)光顯示器后，已成功開發(fā)出2.2英寸主動式全彩有機(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矩形光束，對基板進(jìn)行有選擇的掃描。
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    CGS    技術(shù)* J5
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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。
    9 d/ B. q2 N7 C& @$ D, L; n    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（Al、Ni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Si－Si共價鍵轉(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大，最后形成了晶體硅和鋁的混合物。但是，MISPC法一個很致命的缺點(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)這個原理時認(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)薄板計算機(jī)（Computer on Glass）。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)將8位CPU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2003年10月29日發(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。計劃2004年3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。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400萬臺向970萬臺倍增。包括天理工廠，整個公司的系統(tǒng)液晶生產(chǎn)能力從650萬臺向1220萬臺擴(kuò)大。" ^0 V; W- h1 S) n

    1 `7 h' e- c+ g# g3 z( g    總結(jié)

    ; m' N( h+ D% B/ o; c" o    由a-Si TFT-LCD向LTPS TFT-LCD的發(fā)展是技術(shù)發(fā)展的趨勢。LTPS TFT-LCD的優(yōu)勢與應(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，同時也會促使更多新型高性能的以LTPS為技術(shù)平臺的顯示器件的出現(xiàn)，而這些新型組件的應(yīng)用也必將會大大方便人們未來的工作與生活。
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    作者
    9 F" n; A8 V) z0 A) C+ d$ ^: H    姚華文 博士，1997年9月～2000年3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，2000年3月～2003年3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Σ牧稀?/span>2003年3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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