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                      準分子激光退火LTPS ELA process

                      2019-6-6 15:41:02

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                      本文綜述了當前制作LTPS TFTLCD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ELANi誘導固相結晶技術CGS進行了概述。認為LTPS TFTLCD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。
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                      傳統的非晶硅材料(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50200 cm2/V?S,因此與傳統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、反應速度快、亮度高(開口率高)等優點,同時由于可以將周邊驅動電路同時制作在玻璃基板上,達到在玻璃上集成系統(SOG)的目標,所以能夠節省空間和成本。此外,LTPS技術又是發展主動式有機發光二極管(AM-OLED)的技術平臺,因此LTPS技術的發展受到了廣泛的重視。本文主要講述LTPSTFT-LCD產業中的應用及進展狀況。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; [3 A

                      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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                      準分子激光退火技術(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開關器件及周邊驅動用TFT器件性能的要求。4 W! q. I: q) {& ]$ h8 M因為XeCl準分子激光器具有較好的氣體穩定性和在波長30 8nma-Si薄膜具有高吸收系數(106 cm-1)的優點。所以很多廠家采用XeCl準分子激光器進行生產。最初采用點狀的激光束退火a-Si薄膜,速度很慢,且得到的p-Si材料缺陷很多。如果將激光束改變為線狀,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系統就實現了這種想法。該發明由張宏勇博士首先想到,但是當時他不知道如何實現將點狀激光轉化為線形激光,因此找到了當時也在日本的中科院上海光機所的陳緒山,陳緒山就提議采用圖一中的簡單光路實現線形雷射。由于當時沒有申請專利,因此這項完全由中國人發明的技術在全世界被免費無償使用,不得不說這是中國科技發展史上的一大損失。

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                      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生產線,玻璃基板為730 mm×920 mm尺寸,月產可達5萬片,可有效提供筆記型計算機、液晶顯示器所需。
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                      臺灣統寶光電的LTPS技術也很發達,目前有一條3.5 G的生產線。同時統寶積極開發AM OLED技術,繼先前開發出電壓驅動主動式有機發光顯示器后,已成功開發出2.2英寸主動式全彩有機發光顯示器(AMOLED)模塊。" ^, s0 S. L+ j1 {6 j9 z% _
                      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。
                      6 H; V9 O# h& |8 d) Y A1 u E& v]
                      CGS
                      技術* J5
                       X, j+ b( `: v/ u+ T
                      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。
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                      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SiSi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20031029發布導入三重第3工廠第2期液晶生產線的消息。新生產線的基板玻璃尺寸與第1期相同,為730 mm×920 mm。計劃20043月開始運行,生產能力(2英寸型面板換算)為月產570萬臺。因此,包括第1期生產線的第3工廠系統液晶生產能力,從400萬臺向970萬臺倍增。包括天理工廠,整個公司的系統液晶生產能力從650萬臺向1220萬臺擴大。" ^0 V; W- h1 S) n

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                      總結

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                      a-Si TFT-LCDLTPS 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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                      . A6 e) A R. [/ N
                      作者
                      9 F" n; A8 V) z0 A) C+ d$ ^: H
                      姚華文 博士,19979月~20003月,于浙江大學材料科學與工程系畢業,獲得碩士學位,20003月~20033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。20033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+
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