硅退火工艺打造先进的显示器

寂静回声

利用多晶硅（poly-Si）作为薄膜晶体管材料有助于生产外观更美、速度更快、功率消耗更低的平板显示器。因此，基于这些优势，多晶硅晶体管的使用在移动设备显示器领域越来越流行。生产这些显示器的最佳方法是采用准分子激光低温多晶硅(LTPS) 退火工艺。本文旨在揭示LTPS的基本原理，以及当前该技术在显示器生产领域的使用情况。
平板显示器的基本原理
目前平板显示器最常用的两种技术是有源矩阵液晶显示器（AMLCD）及有源矩阵有机发光二极管(AMOLED) 显示器。这两类显示器利用了玻璃基质上面布满了薄膜晶体管(TFTs)的背板，以形成实际的像素电路。该薄膜采用有机硅（通常厚度50 纳米）制成，图案采用传统的集成电路（IC）制造方式，以获得所需的电路结构。
固体硅在室温下有三种形式，即多晶硅、无定形硅和单晶硅。如名字所示，在单晶硅中，所有的原子都在一个大的连续晶格中。这种结构的电子迁移率( 约等于600cm2/Vs) 和导电率最高，被用于所有类型的集成电路中。无定形硅中的原子分布非常不规则、没有一定顺序，因此其电子迁移率很低( 约等于0.5cm2/Vs)。多晶硅形式则介于两者之间，原子形成微晶体或颗粒，并且这些粒子中间不连续。多晶硅的电子特性介于上述两种硅形式之间（电子迁移率约为50-250 cm2/Vs）。
用于集成电路的硅基片是通过外延生长形成的，以获得几乎无瑕疵的单晶硅刚玉。接着，这种刚玉经切割，形成单个晶圆，用于随后的电路板制造。这种方法不适用于平板显示器产品，硅层通过低压或等离子增强化学气相沉积(LP-CVDor PE-CVD) 沉积到玻璃上。不管采用这两种方式中的哪一种，都会在玻璃基材上形成合适的无定形硅层。
遗憾的是，由于单晶硅的电子迁移率很低，因而给AMLCD和AMOLED显示器带来了明显的局限。这些局限可通过在背板中使用多晶硅予以解决。如果是AMLCD，可用多晶硅提高电路的电效率，从而使得薄膜晶体管的使用面积变小，电路印制线变窄。相应地，这些较小的电路部件就会较少地阻挡背光，显示器显得比较亮，而消耗的电力更低。因为视距较近，物理意义上较小的像素有助于当前智能手机支持像素密度介于400-900像素/英寸的小巧、高清晰度的显示器。
由于自发光像素，AMOLED显示器不带背光。但稳定的、低阻抗控制电路对于这些显示器至关重要，因为每个像素都吸引电流，使得电子迁移率和薄膜晶体管的电流稳定性变得更为关键。这样，多晶硅就变成必要的形式，并且目前被使用在所有小型至中型的AMOLED显示器上。
多晶硅退火工艺
通过气相沉积形成的无定形硅可以通过热退火，也即加热、融化、冷却的方式，被转化为多晶硅。完成这一任务最明显的方法是通过加热整个玻璃面板。但是，这个过程所需的温度是600°C。这种高温可能会损害标准的玻璃基材，因此必须使用昂贵的耐热基材。这种高温加工方式曾经用于平板显示器刚开始流行的时候。但随着显示器面板尺寸的增加，显示器行业希望找到低温替代方法，从而省去使用昂贵的石英或热玻璃基材。出现的这种替代方法便是LTPS 退火工艺

采用这种技术时，脉冲准分子激光束会扫描无定形硅薄膜，硅有效地吸收308nm准分子激光的输出。这种高吸收率，与准分子激光的高脉冲能量相结合，有望在几个脉冲之内就可以近乎完全融化薄的有机硅层。这种接近完全融化对于获得理想的晶体形式（就最终的电子性能而言）非常关键。有机硅的高吸收性同时还可以阻止紫外光大量渗透进入下方的玻璃基材，从而避免对玻璃进行任何间接加热。最终可以使用经济型的玻璃基材材料。

在生产低温多晶硅（LTPS）系统时，输出的矩形准分子激光被明显重塑为长度与面板宽度相等或长为其宽度一半的长而窄的激光束。这样，整个面板可以在激光束作用下通过一次或两次加工而成。这对于利用这一工艺，提高产量并且以经济手段生产LTPS 至关重要。
准分子激光光束的轮廓同样进行了匀质化处理，以构建整个长度和宽度方向极为均匀的的轮廓，以便熔化过程保持稳定均一，从而使整个面板表面获得一致的电子性能。
整个LTPS退火工艺在环境受控的箱体内完成。面板通过激光束进行处理和转换。面板运动与激光脉冲实现精确同步，从而使面板表面的每个点都收到相同能量的辐射。通常，相当于每个行程将近20 个脉冲。包括多个激光束监控装置、脉冲能量表等在内的现场校准工具、过程监控设备，都会持续不断地验证所有工艺参数，使之保持在目标范围内。
加工规模
大型面板上绘制了显示器电路，以便随后单独供给独立的设置使用。过去几年，显示器行业的这些玻璃面板变得越来越大，以获得更大的规模经济。由于需要一定水平的激光能量密度才能获得所需的LTPS 熔融特性，这意味着如果激光束的长度也随着面板尺寸而增大，激光功率也必须同时提高。
相干公司推出的VYPER激光器是用于下一代平板显示器的低温多晶硅(LTPS) 量产的强大的准分子激光器，其脉冲能量高达2 焦耳。这种能量水平足以满足光束长度达750mm的LTPS。但是，由于显示器行业向更大的面板方向发展，因此需要采用新的解决方案。
准分子激光器不能无限地扩展至越来越高的功率。最终，各种实际问题，如冷却、放电均匀性和光束质量都会发挥作用。我们选择了将多个激光器输出结合在一起，以达到更高功率水平的设计理念。具体来讲，单个VYPER激光器本身会含有两个输出功率为1.2kW 的独立振荡光束

TwinVYPER激光系统能提供2.4kW的功率， 足以满足LPTS加工1,300mm 宽的玻璃面板的需要。最近推出的TriVYPER 激光系统的输出功率为3.6kW，可用于加工新一代玻璃面板。重要的是，多个激光束不只是简单地首尾相联结成最后的光束，而是首先混合，然后再塑造成最后的光束形状。
之所以采取这种将光束结合在一起的方法，是因为，除了简单地提高功率外，还能改善脉冲之间的稳定性，并赋予时间脉冲更大的整形灵活性。因为每个VYPER 激光器内所包含的两只振荡器按主、从结构配置。同步和反馈电路准确地控制这两只振荡器脉冲之间的延时，使得长期的时间稳定性可以达到两纳秒的精度。这种安排实现了激光器整体脉冲长度的变化，获得介于标准脉冲宽度至两倍这个宽度的脉冲。生产商因此可以探索脉冲持续时间对晶体结构的实际影响，并对硅的整体电子性能产生影响的结果进行优化。