准分子激光退火设备关键技术研究

发布时间：2020-08-04 13:19

【摘要】：准分子激光退火设备是高端有源矩阵液晶显示器和有源矩阵有机发光二极管显示器的工业生产中的核心设备之一,利用该设备可以对大尺寸基板上的非晶硅薄膜进行高效、高质量地晶化,从而大幅提高显示器的性能,然而,该设备牵涉到准分子激光器、光束整形等领域的前沿技术,研发难度大。目前,仅美国的相干公司等少数机构有能力提供高性能的商品化准分子激光退火设备,而国内该设备完全依赖于进口。准分子激光退火设备建立于大能量、高重频激光技术及均匀照明等众多关键技术之上,对这些技术展开攻关,使该设备国产化,对我国显示产业的发展具有重要意义。论文以基于薄膜晶体管像素开关的液晶显示技术及有机发光二极管显示技术为出发点,首先概述了激光退火工艺,然后重点介绍了准分子激光退火设备涉及到的大体积均匀放电、高压快脉冲激励、光斑匀化、微缩投影、线形光斑监测等单元技术;对上述若干单元技术开展研究,并集成线形光束扫描退火设备原理性样机;最后采用样机输出的线形光斑对大面积非晶硅薄膜进行退火,以验证样机的技术路线和设计方法的正确性,并研究过程参数对薄膜晶化质量的影响。设计并组装了一套高压快脉冲激励系统,激励回路采用了基于氢闸流管的反转倍压结构和基于磁脉冲压缩开关的能量转移结构,最终获得了峰值电压为42 kV,上升沿为100 ns的激励脉冲。采用张氏理论设计并加工了一套用于大体积均匀放电的电极,结合基于火花放电的预电离结构,对XeCl工作气体进行抽运,其中激活区长度为510 mm,电极间距为30 mm,电场不均匀度为27.8%。对于作气体组分对脉冲能量的影响进行了实验研究,当采用Ne气作为缓冲气体,HC1和Xe的含量分别为0.11%和2.86%,且总气压为2800 mbar时,可以获得440 mJ的308 nm激光单脉冲能量;输出的激光近场光斑呈矩形,长轴宽度约为30 mm,短轴宽度约为13 mm。分别采用几何光学与波动光学的理论对透镜阵列的激光光斑匀化作用进行了分析。提出了一种线形光束整形系统的设计方法,首先依据工况需求对短轴投影镜头进行设计;然后采用匀化尺寸、远心照明、照明孔径角、一对一原则对短轴、长轴均束系统进行约束,以期获得合理的系统参数;最后根据均束系统的要求,求解扩束或缩束系统的参数。采用上述方法分别设计了远心和非远心照明的两套线形光束整形系统,对比分析了系统结构,分析结果表明,远心系统的大部分器件具有与线形光斑相仿的长度,且系统总长度大,器件加工与系统装调难度高。结合光学设计和仿真软件,讨论了阵列单元中心偏差、工作面的偏移等关键参数对线形光斑质量的影响,结果表明,在±0.3 mm范围内,两套系统中的工作面偏离对线形光斑分布影响不明显,远心系统的长轴匀化光斑对工作面位置的大幅度变化不敏感。基于透镜阵列,加工并组装了一套非远心均匀照明系统;采用缩放法设计并集成了一套三片式折射型大孔径、小视场投影镜头,以20:3的缩小倍率将视场光阑处的短轴匀化光斑投影于工件表面;此外,采用光斑转换模块使原始光束的截面横纵倒置,采用激光扩束模块对原始光束的短轴进行准直,其扩束倍率亦可限定光束尺寸,以配合均束系统的孔径。某次对样机的测试结果表明,线形光束整形系统的能量传递效率约为33%,工件表面的线形光斑尺寸为100 mm×0.3 mm,部分长轴光斑的均匀度可达到93.95%,平均能量密度可达到520 mJ·cm 2。采用线形光斑对大尺寸非晶硅薄膜进行退火处理,研究了线形光斑的能量密度、辐照脉冲数量对薄膜晶化程度的影响,讨论了制备的大尺寸多晶硅薄膜的晶化体积分数及均匀性。实验结果表明,薄膜晶化的阈值为194mj·cm-2;薄膜的晶化体积分数随能量密度先线性增大,再缓慢减小,线性增长因子约为0.3,当能量密度为432 mJ·cm-2时,晶化程度最优;当辐照脉冲数超过20次时,薄膜的晶化体积分数维持稳定;当光斑搭接率为93.7%时,制备的大尺寸多晶硅薄膜右侧区域的晶化体积分数为92.26%,相对标准差为1.56%。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN873
【图文】：

示意图,有源矩阵液晶显示器,基本结构,像素

第１章绪论逡逑图１．１阴极射线管显示原理示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｃａｔｈｏｄｅ邋ｒａｙ邋ｔｕｂｅ邋ｄｉｓｐｌａｙ逡逑有源矩阵液晶显示技术是当前的主流显示技术［１Ｇ＿Ｉ２］，与阴极射线管显示器相逡逑比，有源矩阵液晶显示器的外形较薄，类似于一个平板，故更容易被集成到大型逡逑设备中，重量较小，功耗低，由于背光持续发光，故画面无闪烁；因为每个像素逡逑都采用薄膜晶体管作为开关器件进行控制，所以与无源液晶显示器相比，它不存逡逑在寻址过程中的交叉干扰问题，具有响应速度快、对比度高、色彩丰富等优点。逡逑有源矩阵液晶显示器像素的基本结构如图１．２所示，背光源入射到第一个偏振片逡逑上，出射光为线偏振光；经过液晶后，线偏振光入射到第二个偏振片上，因为两逡逑个偏振片的偏振方向相互垂直

多晶硅薄膜晶体管,结构示意图,多晶硅薄膜,缓冲层

图１．５典型的顶栅型多晶硅薄膜晶体管结构示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｔｙｐｉｃａｌ邋ｔｏｐ邋ｇａｔｅ邋ｐｏｌｙ－ｓｉｌｉｃｏｎ邋ｔｈｉｎ邋ｆｉｌｍ邋ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ逡逑典型的顶栅型多晶硅薄膜晶体管结构如图１．５所示［２３］，首先采用溅射或化学逡逑气相沉积的方法在基板上制备２００？４００邋ｎｍ厚的二氧化硅和氮化硅作为缓冲层；逡逑．逦然后在缓冲层上制备多晶硅薄膜，并将多晶硅薄膜刻蚀成指定图案作为有源层；逡逑再采用化学气相沉积的方法制备厚度为２００邋ｎｍ左右的栅绝缘层，最后采用沉积逡逑５逡逑

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硅薄膜晶体管的电子迁移率可达１００？４００邋ｃｍ２＊Ｖ４＿ｓ＇较非晶硅的低于１逡逑ｃｎ＾Ｖ＇ｓ—１有数百倍的提高［２８］，这为激光退火制备多晶硅薄膜晶体管技术的发展逡逑奠定了基础。图１．６所示为典型的激光退火工艺制备的多晶硅薄膜的表面形貌逡逑［２９＃］，图中线条围成的区域即为多晶硅的晶粒。逡逑■Ｍ逡逑图１．６典型的激光退火制备的多晶硅薄膜的表面形貌逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．６邋Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ邋ｏｆ邋ｐｏｌｙ－ｓｉｌｉｃｏｎ邋ｆｉｌｍｓ邋ｐｒｅｐａｒｅｄ邋ｂｙ邋ｔｙｐｉｃａｌ邋ｌａｓｅｒ邋ａｎｎｅａｌｉｎｇ邋ｐｒｏｃｅｓｓ逡逑当采用激光退火工艺制备多晶硅薄膜时，辐射到非晶硅膜表面的激光能量大逡逑体可分为三种情况［３１］：邋１）耦合进非晶硅薄膜的激光能量使薄膜完全熔化，停止逡逑激光辐照后，薄膜冷却时会出现自发成核现象，晶核数量较多，晶粒分布较均匀，逡逑６逡逑

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