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准分子激光退火LTPS ELA process
2019-6-6 15:41:02
本文综述了当前制作LTPS TFT－LCD最重要步骤低温多晶硅的各种制备方法，简要介绍了各方法的基本原理，特别是对已经产业化的准分子激光退火ELA和Ni诱导固相结晶技术CGS进行了概述。认为LTPS TFT－LCD技术将是未来显示器的发展趋势。
1 h; e3 r+ l. mp-Si材料的低温生长技术是研究的焦点。其中最有效的方法有两个，一是对电浆增强化学气相沉积(PECVD)方法制作的a-Si材料进行准分子激光退火形成p-Si材料，二是用Ni金属进行金属诱导固相结晶技术制作得到连续粒界结晶硅。
" \& ^1 I# Q, Z' J传统的非晶硅材料（a-Si）的电子迁移率只有
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制作p-Si材料的各种方法%
目前，p-Si材料的制备方法很多，其中主要包括低压化学气相沉积（LP-CVD）、小晶粒p-Si激光退火、区熔再结晶方法即微区熔炼、低压分子束磊晶（LP-MBD），a-Si准分子激光退火（ELA）及固相晶化法（SPC）等方法。表一为各种方法所制作的p-Si材料的特性比较。" y7 k3 }: F5 i; [
由于p-Si材料的晶粒尺寸与薄膜的制备温度有关，而晶粒尺寸的大小又直接影响到p-Si薄膜的载流子迁移率。因此，上述方法中大部分属于高温生成制程，随着温度的升高，薄膜的晶粒尺寸通常会增大，晶粒与晶粒之间的缺陷会减少，载流子迁移率会大幅度提高。从表一中我们可以看出，几种高温生成制程均具有较大的晶粒尺寸及载流子迁移率。但是高温生成要求衬底使用石英或其它耐高温玻璃，这使其制造成本增加，不利于p-Si材料的实用化。因此降低p-Si材料的生成温度是p-Si TFT-LCD发展过程中的一个关键问题。. ^. _1 r& [( ?9 b) f7 I
目前，p-Si材料的低温生成技术是人们研究的热点。其中最有效的方法有两个，一是对电浆增强化学气相沉积（PECVD）方法制作的a-Si材料进行准分子雷射退火形成p-Si材料，二是用Ni金属进行金属诱导固相结晶技术制备得到连续粒界结晶硅（CGS）技术，以下分别对这二种方法进行介绍。
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, z; M- B0 D o" U% @准分子激光退火技术(ELA)(
ELA制备p-Si材料的温度通常低于
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/ G1 v8 e' ?" ^& f采用线性激光结晶技术得到的p-Si晶粒均匀，操作方便，使LTPS技术真正实现了工业化。目前绝大部分厂家采用此种结晶技术，其中东芝走在最前面。东芝已经可以投产
$ L h' \1 F5 O& d& M* }: X2 n. H台湾统宝光电的LTPS技术也很发达，目前有一条
当然，ELA结晶方法也有需要改进的地方。一方面晶粒尺寸还不够大，另一方面因为一片玻璃基板通常需要雷射扫描20次左右才能形成良好的结晶。为了提高生产效率，现在有采用多路雷射同时扫描的方式。也可以采用矩形光束的方法，使雷射能量均匀集中形成一个矩形光束，对基板进行有选择的扫描。
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CGS技术* J5
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固相晶化（SPC）法的特点是非晶固体发生晶化的温度低于其熔融后结晶的温度。主要有三种改进的固相晶化法，即部分掺杂法、采用织构衬底和金属诱导固相晶化（MISPC）法。其中在TFT-LCD产业中真正已经实现了产业化的是掺杂金属Ni的金属诱导固相晶化法。
9 d/ B. q2 N7 C& @$ D, L; n金属诱导固相晶化（MISPC）法是在沉积a-Si薄膜之前或之后，用热蒸发镀上一层金属（Al、Ni等）膜，然后再用热处理的方法使其转化为多晶硅薄膜。MISPC P-Si薄膜的晶化时间、微结构和晶粒的大小与用PECVD沉积的a-Si的沉积温度、金属层厚度以及衬底的涂覆状态无关。因此，MISPC对非晶薄膜的原始状态要求不高，可以很大降低薄膜沉积的制程条件。然而，它们强烈依赖于所选用的金属种类和退火温度。对于发生低温晶化的原因，比较一致的解释是：在a-Si与诱导金属层界面处，金属原子扩散到非晶硅中，形成间隙原子，使Si－Si共价键转变为金属键，极大地降低了激发能；界面处的这种硅化物加速了金属和Si原子的相互扩散，导致金属－Si混合层的形成，在较低温度下，硅在诱导金属中的固溶度几乎可以忽略，因此金属中的超饱和的硅以核的形式在a-Si和金属的接口析出；这些固体沉淀物逐渐长大，最后形成了晶体硅和铝的混合物。但是，MISPC法一个很致命的缺点就是形成的多晶硅中含有金属原子，这很大程度破坏了半导体薄膜的性能，甚至使发生短路现象。目前可以通过控制制程条件，使金属膜最后在顶层析出，并用蚀刻技术把金属膜去掉，从而在玻璃上获得了连续的多晶硅层。
固相晶化（SPC）法的特点是非晶固体发生晶化的温度低于其熔融后结晶的温度。主要有三种改进的固相晶化法，即部分掺杂法、采用织构衬底和金属诱导固相晶化（MISPC）法。其中在TFT-LCD产业中真正已经实现了产业化的是掺杂金属Ni的金属诱导固相晶化法。
9 d/ B. q2 N7 C& @$ D, L; n金属诱导固相晶化（MISPC）法是在沉积a-Si薄膜之前或之后，用热蒸发镀上一层金属（Al、Ni等）膜，然后再用热处理的方法使其转化为多晶硅薄膜。MISPC P-Si薄膜的晶化时间、微结构和晶粒的大小与用PECVD沉积的a-Si的沉积温度、金属层厚度以及衬底的涂覆状态无关。因此，MISPC对非晶薄膜的原始状态要求不高，可以很大降低薄膜沉积的制程条件。然而，它们强烈依赖于所选用的金属种类和退火温度。对于发生低温晶化的原因，比较一致的解释是：在a-Si与诱导金属层界面处，金属原子扩散到非晶硅中，形成间隙原子，使Si－Si共价键转变为金属键，极大地降低了激发能；界面处的这种硅化物加速了金属和Si原子的相互扩散，导致金属－Si混合层的形成，在较低温度下，硅在诱导金属中的固溶度几乎可以忽略，因此金属中的超饱和的硅以核的形式在a-Si和金属的接口析出；这些固体沉淀物逐渐长大，最后形成了晶体硅和铝的混合物。但是，MISPC法一个很致命的缺点就是形成的多晶硅中含有金属原子，这很大程度破坏了半导体薄膜的性能，甚至使发生短路现象。目前可以通过控制制程条件，使金属膜最后在顶层析出，并用蚀刻技术把金属膜去掉，从而在玻璃上获得了连续的多晶硅层。
' o" `! n7 U' O7 ]目前，只有Ni金属能用于制备TFT-LCD工业中的LTPS，其它金属都不合适。Ni金属诱导固相结晶技术形成的连续粒界结晶硅通常称之为CGS。由于CGS得到的晶粒较大且比较均匀，所以得到的电子迁移率更大，实际上CGS技术由留日博士张宏勇在一次意外的实验中发现，最后该技术由半导体能源研究所转让给夏普，并且夏普公司将该技术实现产业化。当初发现这个原理时认为该发明具有重要意义，所以CGS技术在被发现5年以后才公开发表。表三说明了CGS技术的诞生与发展状况。利用CGS技术，可以将CPU直接内藏在玻璃基板上，真正实现薄板计算机（Computer on Glass）。目前已经实现将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计算机，则必须制备具有更高电子迁移率的p-Si材料，或者直接将单晶硅材料复合到玻璃基板上，相关研究都在进行中。CGS技术的专利权已经转让给夏普，所以目前只有夏普采用CGS技术生产LTPS TFT-LCD。夏普
1 `7 h' e- c+ g# g3 z( g总结
; m' N( h+ D% B/ o; c" o由a-Si TFT-LCD向LTPS TFT-LCD的发展是技术发展的趋势。LTPS TFT-LCD的优势与应用潜力使其在现在和将来都有很大的发展空间。该技术的发展必将有力地促进TFT-LCD技术的整体发展，同时也会促使更多新型高性能的以LTPS为技术平台的显示器件的出现，而这些新型组件的应用也必将会大大方便人们未来的工作与生活。
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作者
9 F" n; A8 V) z0 A) C+ d$ ^: H姚华文 博士，1997年9月～2000年3月，于浙江大学材料科学与工程系毕业，获得硕士学位，2000年3月～2003年3月在中科院上海光机所攻读博士学位，研究方向为高密度全息光存储材料。2003年3月进入上海华嘉光电技术有限公司，从事LTPS TFT研究，现为研发中心副主任兼总工程师助理+
