硅退火技術打造先進的顯示器

利用多晶硅（poly-Si）作為薄膜晶體管材料有助于生產外觀更美、速度更快、功率消耗更低的平板顯示器。因此，基于這些優勢，多晶硅晶體管的使用在移動設備顯示器領域越來越流行。生產這些顯示器的最佳方法是采用準分子激光低溫多晶硅(LTPS) 退火工藝。本文旨在揭示LTPS的基本原理，以及當前該技術在顯示器生產領域的使用情況。

平板顯示器的基本原理

目前平板顯示器最常用的兩種技術是有源矩陣液晶顯示器（AMLCD）及有源矩陣有機發光二極管(AMOLED) 顯示器。這兩類顯示器利用了玻璃基質上面布滿了薄膜晶體管(TFTs)的背板，以形成實際的像素電路。該薄膜采用有機硅（通常厚度50 納米）制成，圖案采用傳統的集成電路（IC）制造方式，以獲得所需的電路結構。

固體硅在室溫下有三種形式，即多晶硅、無定形硅和單晶硅。如名字所示，在單晶硅中，所有的原子都在一個大的連續晶格中。這種結構的電子遷移率( 約等于600cm2/Vs) 和導電率最高，被用于所有類型的集成電路中。無定形硅中的原子分布非常不規則、沒有一定順序，因此其電子遷移率很低( 約等于0.5cm2/Vs)。多晶硅形式則介于兩者之間，原子形成微晶體或顆粒，并且這些粒子中間不連續。多晶硅的電子特性介于上述兩種硅形式之間（電子遷移率約為50-250 cm2/Vs）。

用于集成電路的硅基片是通過外延生長形成的，以獲得幾乎無瑕疵的單晶硅剛玉。接著，這種剛玉經切割，形成單個晶圓，用于隨后的電路板制造。這種方法不適用于平板顯示器產品，硅層通過低壓或等離子增強化學氣相沉積(LP-CVDor PE-CVD) 沉積到玻璃上。不管采用這兩種方式中的哪一種，都會在玻璃基材上形成合適的無定形硅層。

遺憾的是，由于單晶硅的電子遷移率很低，因而給AMLCD和AMOLED顯示器帶來了明顯的局限。這些局限可通過在背板中使用多晶硅予以解決。如果是AMLCD，可用多晶硅提高電路的電效率，從而使得薄膜晶體管的使用面積變小，電路印制線變窄。相應地，這些較小的電路部件就會較少地阻擋背光，顯示器顯得比較亮，而消耗的電力更低。因為視距較近，物理意義上較小的像素有助于當前智能手機支持像素密度介于400-900像素/英寸的小巧、高清晰度的顯示器。

由于自發光像素，AMOLED顯示器不帶背光。但穩定的、低阻抗控制電路對于這些顯示器至關重要，因為每個像素都吸引電流，使得電子遷移率和薄膜晶體管的電流穩定性變得更為關鍵。這樣，多晶硅就變成必要的形式，并且目前被使用在所有小型至中型的AMOLED顯示器上。

多晶硅退火工藝

通過氣相沉積形成的無定形硅可以通過熱退火，也即加熱、融化、冷卻的方式，被轉化為多晶硅。完成這一任務最明顯的方法是通過加熱整個玻璃面板。但是，這個過程所需的溫度是600°C。這種高溫可能會損害標準的玻璃基材，因此必須使用昂貴的耐熱基材。這種高溫加工方式曾經用于平板顯示器剛開始流行的時候。但隨著顯示器面板尺寸的增加，顯示器行業希望找到低溫替代方法，從而省去使用昂貴的石英或熱玻璃基材。出現的這種替代方法便是LTPS 退火工藝（圖1）。

圖1：準分子激光LTPS退火工藝示意圖

采用這種技術時，脈沖準分子激光束會掃描無定形硅薄膜，硅有效地吸收308nm準分子激光的輸出。這種高吸收率，與準分子激光的高脈沖能量相結合，有望在幾個脈沖之內就可以近乎完全融化薄的有機硅層。這種接近完全融化對于獲得理想的晶體形式（就最終的電子性能而言）非常關鍵。有機硅的高吸收性同時還可以阻止紫外光大量滲透進入下方的玻璃基材，從而避免對玻璃進行任何間接加熱。最終可以使用經濟型的玻璃基材材料。

實用的低溫多晶硅

在生產低溫多晶硅（LTPS）系統時，輸出的矩形準分子激光被明顯重塑為長度與面板寬度相等或長為其寬度一半的長而窄的激光束。這樣，整個面板可以在激光束作用下通過一次或兩次加工而成。這對于利用這一工藝，提高產量并且以經濟手段生產LTPS 至關重要。

準分子激光光束的輪廓同樣進行了勻質化處理，以構建整個長度和寬度方向極為均勻的的輪廓，以便熔化過程保持穩定均一，從而使整個面板表面獲得一致的電子性能。

整個LTPS退火工藝在環境受控的箱體內完成。面板通過激光束進行處理和轉換。面板運動與激光脈沖實現精確同步，從而使面板表面的每個點都收到相同能量的輻射。通常，相當于每個行程將近20 個脈沖。包括多個激光束監控裝置、脈沖能量表等在內的現場校準工具、過程監控設備，都會持續不斷地驗證所有工藝參數，使之保持在目標范圍內。

加工規模

大型面板上繪制了顯示器電路，以便隨后單獨供給獨立的設置使用。過去幾年，顯示器行業的這些玻璃面板變得越來越大，以獲得更大的規模經濟。由于需要一定水平的激光能量密度才能獲得所需的LTPS 熔融特性，這意味著如果激光束的長度也隨著面板尺寸而增大，激光功率也必須同時提高。

相干公司推出的VYPER激光器是用于下一代平板顯示器的低溫多晶硅(LTPS) 量產的強大的準分子激光器，其脈沖能量高達2 焦耳。這種能量水平足以滿足光束長度達750mm的LTPS。但是，由于顯示器行業向更大的面板方向發展，因此需要采用新的解決方案。

準分子激光器不能無限地擴展至越來越高的功率。最終，各種實際問題，如冷卻、放電均勻性和光束質量都會發揮作用。我們選擇了將多個激光器輸出結合在一起，以達到更高功率水平的設計理念。具體來講，單個VYPER激光器本身會含有兩個輸出功率為1.2kW 的獨立振蕩光束（圖2）。

圖2：在最新的TwinVYPER 系統中，有四個單獨的光束結合在系統內形成單束激光。

TwinVYPER激光系統能提供2.4kW的功率， 足以滿足LPTS加工1,300mm 寬的玻璃面板的需要。最近推出的TriVYPER 激光系統的輸出功率為3.6kW，可用于加工新一代玻璃面板。重要的是，多個激光束不只是簡單地首尾相聯結成最后的光束，而是首先混合，然后再塑造成最后的光束形狀。

之所以采取這種將光束結合在一起的方法，是因為，除了簡單地提高功率外，還能改善脈沖之間的穩定性，并賦予時間脈沖更大的整形靈活性。因為每個VYPER 激光器內所包含的兩只振蕩器按主、從結構配置。同步和反饋電路準確地控制這兩只振蕩器脈沖之間的延時，使得長期的時間穩定性可以達到兩納秒的精度。這種安排實現了激光器整體脈沖長度的變化，獲得介于標準脈沖寬度至兩倍這個寬度的脈沖。生產商因此可以探索脈沖持續時間對晶體結構的實際影響，并對硅的整體電子性能產生影響的結果進行優化。

其它高功率UV 應用

準分子激光器產生高能量UV 脈沖的無可比擬的能力同時還惠及了顯示器和微電子生產領域的其它應用。例如，準分子激光器可用于微電路直接掩?？虉D等對成本敏感的應用領域，如醫療耗材。在這種情況下，準分子激光器被用于在柔性卷裝基材的薄金屬上刻制大量的一次性傳感器電路。

激光剝離技術（LLO）是另一種成就新一代柔性顯示器的很重要的應用。柔性顯示器生產的一個重大障礙是所用的薄型塑料基材太脆弱，用傳統工具很難加工，并且在一些高溫生產環境中通常會失去有限的剛性。

圖3：準分子激光器剝離加工的主要步驟

為了克服這個問題，在制造過程中將一塊玻璃基材用作臨時載體，以方便操作（圖3）。首先在該基材上涂布一層聚合物，然后在這層聚合物上構建顯示器電路。最后，由高功率準分子激光束，如相干公司特殊設計的UVblade 系列激光剝離系統，直接穿過玻璃載體（在UV 作用下足夠透明）。激光被聚合物層強烈吸收、氣化，最后從載體上釋放出完全柔性的顯示器。

結論

準分子激光器通過持續演變，發展成極高功率UV激光唯一實用的光源。獨特的性能使它們能夠完成一系列高精度加工任務，尤其是在顯示器制造、微電子和醫療器械生產中，更是如此。準分子激光器質量、可靠性、輸出性能的不斷改善，使之成為如今要求嚴苛的眾多應用領域必不可少的加工手段，也使這種高功率UV技術在未來一段時期內依然前景光明。