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廣州市譜源氣體有限公司
準分子激光退火LTPS ELA process
2019-6-6 15:41:02
本文綜述了當前制作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，特別是對已經產業化的準分子激光退火ELA和Ni誘導固相結晶技術CGS進行了概述。認為LTPS TFT－LCD技術將是未來顯示器的發展趨勢。
1 h; e3 r+ l. mp-Si材料的低溫生長技術是研究的焦點。其中最有效的方法有兩個，一是對電漿增強化學氣相沉積(PECVD)方法制作的a-Si材料進行準分子激光退火形成p-Si材料，二是用Ni金屬進行金屬誘導固相結晶技術制作得到連續粒界結晶硅。
" \& ^1 I# Q, Z' J傳統的非晶硅材料（a-Si）的電子遷移率只有
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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氣相沉積（LP-CVD）、小晶粒p-Si激光退火、區熔再結晶方法即微區熔煉、低壓分子束磊晶（LP-MBD），a-Si準分子激光退火（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; [
由于p-Si材料的晶粒尺寸與薄膜的制備溫度有關，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材料的實用化。因此降低p-Si材料的生成溫度是p-Si TFT-LCD發展過程中的一個關鍵問題。. ^. _1 r& [( ?9 b) f7 I
目前，p-Si材料的低溫生成技術是人們研究的熱點。其中最有效的方法有兩個，一是對電漿增強化學氣相沉積（PECVD）方法制作的a-Si材料進行準分子雷射退火形成p-Si材料，二是用Ni金屬進行金屬誘導固相結晶技術制備得到連續粒界結晶硅（CGS）技術，以下分別對這二種方法進行介紹。
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, z; M- B0 D o" U% @準分子激光退火技術(ELA)(
ELA制備p-Si材料的溫度通常低于
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/ G1 v8 e' ?" ^& f采用線性激光結晶技術得到的p-Si晶粒均勻，操作方便，使LTPS技術真正實現了工業化。目前絕大部分廠家采用此種結晶技術，其中東芝走在最前面。東芝已經可以投產
$ L h' \1 F5 O& d& M* }: X2 n. H臺灣統寶光電的LTPS技術也很發達，目前有一條
當然，ELA結晶方法也有需要改進的地方。一方面晶粒尺寸還不夠大，另一方面因為一片玻璃基板通常需要雷射掃描20次左右才能形成良好的結晶。為了提高生產效率，現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，對基板進行有選擇的掃描。
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CGS技術* J5
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固相晶化（SPC）法的特點是非晶固體發生晶化的溫度低于其熔融后結晶的溫度。主要有三種改進的固相晶化法，即部分摻雜法、采用織構襯底和金屬誘導固相晶化（MISPC）法。其中在TFT-LCD產業中真正已經實現了產業化的是摻雜金屬Ni的金屬誘導固相晶化法。
9 d/ B. q2 N7 C& @$ D, L; n金屬誘導固相晶化（MISPC）法是在沉積a-Si薄膜之前或之后，用熱蒸發鍍上一層金屬（Al、Ni等）膜，然后再用熱處理的方法使其轉化為多晶硅薄膜。MISPC P-Si薄膜的晶化時間、微結構和晶粒的大小與用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無關。因此，MISPC對非晶薄膜的原始狀態要求不高，可以很大降低薄膜沉積的制程條件。然而，它們強烈依賴于所選用的金屬種類和退火溫度。對于發生低溫晶化的原因，比較一致的解釋是：在a-Si與誘導金屬層界面處，金屬原子擴散到非晶硅中，形成間隙原子，使Si－Si共價鍵轉變為金屬鍵，極大地降低了激發能；界面處的這種硅化物加速了金屬和Si原子的相互擴散，導致金屬－Si混合層的形成，在較低溫度下，硅在誘導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體薄膜的性能，甚至使發生短路現象。目前可以通過控制制程條件，使金屬膜最后在頂層析出，并用蝕刻技術把金屬膜去掉，從而在玻璃上獲得了連續的多晶硅層。
固相晶化（SPC）法的特點是非晶固體發生晶化的溫度低于其熔融后結晶的溫度。主要有三種改進的固相晶化法，即部分摻雜法、采用織構襯底和金屬誘導固相晶化（MISPC）法。其中在TFT-LCD產業中真正已經實現了產業化的是摻雜金屬Ni的金屬誘導固相晶化法。
9 d/ B. q2 N7 C& @$ D, L; n金屬誘導固相晶化（MISPC）法是在沉積a-Si薄膜之前或之后，用熱蒸發鍍上一層金屬（Al、Ni等）膜，然后再用熱處理的方法使其轉化為多晶硅薄膜。MISPC P-Si薄膜的晶化時間、微結構和晶粒的大小與用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無關。因此，MISPC對非晶薄膜的原始狀態要求不高，可以很大降低薄膜沉積的制程條件。然而，它們強烈依賴于所選用的金屬種類和退火溫度。對于發生低溫晶化的原因，比較一致的解釋是：在a-Si與誘導金屬層界面處，金屬原子擴散到非晶硅中，形成間隙原子，使Si－Si共價鍵轉變為金屬鍵，極大地降低了激發能；界面處的這種硅化物加速了金屬和Si原子的相互擴散，導致金屬－Si混合層的形成，在較低溫度下，硅在誘導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體薄膜的性能，甚至使發生短路現象。目前可以通過控制制程條件，使金屬膜最后在頂層析出，并用蝕刻技術把金屬膜去掉，從而在玻璃上獲得了連續的多晶硅層。
' o" `! n7 U' O7 ]目前，只有Ni金屬能用于制備TFT-LCD工業中的LTPS，其它金屬都不合適。Ni金屬誘導固相結晶技術形成的連續粒界結晶硅通常稱之為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，實際上CGS技術由留日博士張宏勇在一次意外的實驗中發現，最后該技術由半導體能源研究所轉讓給夏普，并且夏普公司將該技術實現產業化。當初發現這個原理時認為該發明具有重要意義，所以CGS技術在被發現5年以后才公開發表。表三說明了CGS技術的誕生與發展狀況。利用CGS技術，可以將CPU直接內藏在玻璃基板上，真正實現薄板計算機（Computer on Glass）。目前已經實現將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，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合到玻璃基板上，相關研究都在進行中。CGS技術的專利權已經轉讓給夏普，所以目前只有夏普采用CGS技術生產LTPS TFT-LCD。夏普
1 `7 h' e- c+ g# g3 z( g總結
; m' N( h+ D% B/ o; c" o由a-Si TFT-LCD向LTPS TFT-LCD的發展是技術發展的趨勢。LTPS TFT-LCD的優勢與應用潛力使其在現在和將來都有很大的發展空間。該技術的發展必將有力地促進TFT-LCD技術的整體發展，同時也會促使更多新型高性能的以LTPS為技術平臺的顯示器件的出現，而這些新型組件的應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，于浙江大學材料科學與工程系畢業，獲得碩士學位，2000年3月～2003年3月在中科院上海光機所攻讀博士學位，研究方向為高密度全息光存儲材料。2003年3月進入上海華嘉光電技術有限公司，從事LTPS TFT研究，現為研發中心副主任兼總工程師助理+
