气体知识
欢迎莅临广州谱源气体有限公司
     

    气体知识

    您现在的位置:首页->气体知识->

    准分子激光退火LTPS ELA process

    2011-10-27 10:49:43

    0
    本文综述了当前制作LTPS TFTLCD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ELANi诱导固相结晶技术CGS进行了概述。认为LTPS TFTLCD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0.5 cm2/V S,而低温多晶硅材料(LTPS)的电子迁移率可达50200 cm2/VS,因此与传统的非晶硅薄膜晶体管液晶显示器(a-Si TFT-LCD)相比,低温多晶硅TFT-LCD具有更高分辨率、反应速度快、亮度高(开口率高)等优点,同时由于可以将周边驱动电路同时制作在玻璃基板上,达到在玻璃上集成系统(SOG)的目标,所以能够节省空间和成本。此外,LTPS技术又是发展主动式有机发光二极管(AM-OLED)的技术平台,因此LTPS技术的发展受到了广泛的重视。本文主要讲述LTPSTFT-LCD产业中的应用及进展状况。8 G) P' I( g6 [+ R( ^% |
    ~* o$ p$ _7 F
    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; [3 A

    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。
    ' D' i! F, z: d( E
    , 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450℃,用普通TFT玻璃即可。这种方法获得的p-Si材料的特性完全满足像素用TFT开关器件及周边驱动用TFT器件性能的要求。4 W! q. I: q) {& ]$ h8 M因为XeCl准分子激光器具有较好的气体稳定性和在波长30 8nma-Si薄膜具有高吸收系数(106 cm-1)的优点。所以很多厂家采用XeCl准分子激光器进行生产。最初采用点状的激光束退火a-Si薄膜,速度很慢,且得到的p-Si材料缺陷很多。如果将激光束改变为线状,则可以使雷射扫描过程变得简单。后来采用了如下的一个简单光学系统就实现了这种想法。该发明由张宏勇博士首先想到,但是当时他不知道如何实现将点状激光转化为线形激光,因此找到了当时也在日本的中科院上海光机所的陈绪山,陈绪山就提议采用图一中的简单光路实现线形雷射。由于当时没有申请专利,因此这项完全由中国人发明的技术在全世界被免费无偿使用,不得不说这是中国科技发展史上的一大损失。

    / k3 y; B" ~9 n5 S
    / 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14.1英寸15英寸LTPS,突破过去LTPS局限在中小尺寸的瓶颈。东芝与松下在新加坡兴建的全球第一条第4.5 G LTPS生产线,玻璃基板为730 mm×920 mm尺寸,月产可达5万片,可有效提供笔记型计算机、液晶显示器所需。
    $ 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3.5 G的生产线。同时统宝积极开发AM OLED技术,继先前开发出电压驱动主动式有机发光显示器后,已成功开发出2.2英寸主动式全彩有机发光显示器(AMOLED)模块。" ^, s0 S. L+ j1 {6 j9 z% _
    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。
    6 H; V9 O# h& |8 d) Y A1 u E& v]
    CGS
    技术* J5
     X, j+ b( `: v/ u+ T
    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(AlNi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SiSi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20031029发布导入三重第3工厂第2期液晶生产线的消息。新生产线的基板玻璃尺寸与第1期相同,为730 mm×920 mm。计划20043月开始运行,生产能力(2英寸型面板换算)为月产570万台。因此,包括第1期生产线的第3工厂系统液晶生产能力,从400万台向970万台倍增。包括天理工厂,整个公司的系统液晶生产能力从650万台向1220万台扩大。" ^0 V; W- h1 S) n

    1 `7 h' e- c+ g# g3 z( g
    总结

    ; m' N( h+ D% B/ o; c" o
    a-Si TFT-LCDLTPS 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。
    4 U5 h7 x5 ^ V9 c
    2 r$ z+ x4 |5 D u
    . A6 e) A R. [/ N
    作者
    9 F" n; A8 V) z0 A) C+ d$ ^: H
    姚华文 博士,19979月~20003月,于浙江大学材料科学与工程系毕业,获得硕士学位,20003月~20033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。20033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+
    相关产品
     
     
    广州谱源气体有限公司    粤ICP备08114730号
    地址:广州市增城新塘西洲大王岗工业区
    全国热线电话:137-111-76807
    公司电话:020-82797785
    公司传真:020-82797482
    联系邮箱:market@51qiti.com
    谱源气体二维码
    TOP