CN101591804A - 高温液相加热晶化方法及装备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温液相加热晶化方法及装备。本装备有一可盛高温金属液体的槽，在该槽内盛有高温的金属或非金属液体，在此液体中还可以插入一高温区，在高温金属或非金属液体上面有包括需要晶化的衬底，衬底上面有需要晶化的非晶薄膜组成的基板，该基板有一个推动系统推动可连续晶化该非晶膜。本方法是将基板放在槽内并浮在高温液面上面，在真空或惰性气体或还原气体下加热至500度到1000度，在1分钟到20小时之间进行晶化，然后降温至250度到300度，取出基板。本发明能保持基板的平整度、不变形，受热均匀，传热效率高。

Description

高温液相加热晶化方法及装备

技术领域

本发明涉及用于液晶显示(LCD)、有机发光二极管(OLED)、电子纸(e-paper)和三维集成电半导体器件用的薄膜晶体管(TFT)和太阳电池、光电子器件用的半导体薄膜的晶化方法及相应的装备结构。

背景技术

以玻璃为基板的硅基TFT器件、太阳电池及其他光电子器件已成为当前发展的主流方向，由它构成的TFT基板已广泛的应用于液晶显示屏，有机发光显示屏，电子纸以及其它各种显示器和控制器件和太阳电池、光电子器件中，其性能与薄膜的晶化程度有着密切的联系，特别是在Si薄膜中随着薄膜的晶化程度由非晶硅的转化到多晶硅，其迁移率可由零点几上升到100cm²/VS以上。一般为了实现非晶硅薄膜的晶化都需要达到1000度以上的高温技术，但在这温度下玻璃早已软化变形了，因此在以玻璃为衬底的硅基TFT技术中为了实现大面积的晶化一般采用了激光退火技术和金属诱导方法来实现低温多晶硅的低温技术。但这些方法也还存在着成本高、均匀性差、工艺复杂和工艺过程中使用大量的有毒和易燃易爆气体等缺点。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种高温液相加热晶化方法及装置，液相加热效率高，温度均匀，能保持基板的平整度，工艺可简化。

为达到上述目的，本发明的构思如下：

本发明用液相金属作为一个加热载体，把已沉积有非晶半导体层的玻璃衬底或石英或透明陶瓷衬底的基板置于液相金属的上表面，由于该基板的密度比液相金属小得多，使金属能将该基板浮托在金属的表面，从而使该液相金属既起到加热的功能，又由于金属表面的表面张力形成很平整的平面，因此即使加热的温度超过了该基板的软化点但还是能保持基板的平整度，不变形，而且整个衬底的受热很均匀传热效率高。该液相金属可以是下述金属中间的一种或几种金属的混合物：Sn、In、Ga、Ni、Sb、Pb、Al、Ag、Au、Pd、Cu、Co、Cr、Mo、Ti、Tr、Cd、Pt、Ru、Rh，Bi。其合金的比例在1ppm到30％之间。

还可以在液相金属内掺入能诱导非晶半导体晶化的金属，如对硅基薄膜可以在液相金属中掺杂Ni、Al等金属，则当把该基板上沉积的非晶半导体的面朝下与液相金属直接接触从而在不太高的温度下就能起到了金属诱导非晶半导体半导体晶化的功能。

为了保持液相金属不被氧化，整个加热体系被放置在惰性气体或者还原气体的氛围中，或者置于高真空系统中。

为了使该系统能连续的进行晶化，因此在该系统中还有一个基片的导引系统，而且该液相金属槽的温度有温度梯度，使衬底片在移动的过程中实现由低温摄氏200度到高温摄氏600度到1400度之间实现晶化然后又逐步降温温到摄氏200度到300度之间进行退火等的功能，使基片在高温区的时间在1分钟到20小时之间。

为了实现平面单晶膜，在本发明中可以调整液相金属的局部温度使它在液槽有一局部线状高温区，它的温度达到结晶温度，而基板沿着与该线状加热区相垂直方向移动时，可以使初始形成的子晶沿着移动方向生长形成横向多晶甚至如果应用先形成单点或多点的种晶，然后再扩肩最后长成单晶薄膜。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种高温液相加热晶化方法，其特征在于将需要晶化的由非晶薄膜和衬底组成的基板放在一个盛高温液体的槽中，并浮在该槽内盛有的高温金属或非金属液体上面，该系统整个置于高真空或惰性气氛或还原气氛下由加热器加热槽内的金属或非金属液体使之达到摄氏500度到1000度之间，在1分钟到20小时之间进行晶化，然后降温到摄氏250度到300度之间，取出基板。

上述方案中，采用一个推动系统推动基板，以实现对非晶薄膜的连续不断的晶化。

上述高温金属为下面的任一种金属：Sn、In、Ga、Ni、Sb、Pb、Al、Ag、Au、Pd、Cu、Co、Cr、Mo、Ti、Tr、Cd、Pt、Ru、Rh，Bi，或者是所列金属之间的双元或多元合金，其合金的比例在1ppm到30％之间。

上述非金属是金属氧化物、或卤素化合物、或硫化物、或氢氧化物。

上述需要晶化的衬底材料是玻璃、或者石英片、或者透明陶瓷。

上述需要晶化的非晶薄膜是非晶Si、或非晶Ge、或非晶III-V族半导体、或非晶氧化物半导体、或非晶硫化物半导体、或非晶有机半导体薄膜。

上述有非晶薄膜的衬底的底面与高温的金属或非金属液体接触，传导热来使非晶薄膜晶化。

上述有非晶薄膜的衬底的非晶薄膜的面向下与高温的金属或非金属液体接触，在高温作用下实现金属诱导晶化的效果。

上述高温金属液体槽内的金属液体是一个具有温度可以由低到高和由高到低逐步变化的，而在金属表面的需要晶化的衬底是可以沿温度变化方向移动的，从而可实现连续的生产。

一种高温液相加热晶化装备，应用于上述方案，包括一个盛高温液体的槽和一个加热器，其特征在于在所述槽内盛有高温的金属或非金属液体、在高温金属或非金属液体上面有包括需要晶化的非晶薄膜和衬底组成的基板、此液体中还可以插入进行局部加热的加热器和绝热板以形成局部的高温区、有一个推动系统包括导入辊隔离块导出辊来推动基板移动、能使该基板的非晶薄膜可连续不断的进行晶化。

上述的推动系统是由导入辊推动基板向前推进基板与基板之间有耐高温的石英或者陶瓷的隔离块在另一端有导出辊把基板导出，形成连续生产的体系。

上述由插入金属或非金属液体的加热器和在它两边的绝热板进行局部加热，在所述的高温金属液体槽内形成一条带状局部高温区，当带有非晶薄膜的衬底的基板沿着与带状局部高温区相垂直的方向移动，从而可以实现沿着移动方向生长单晶薄膜的目的。

上述的高温金属液体槽内有多个隔离板和相对独立的加热器以形成多个不同温度金属液体的温区，以实现逐步升温或降温，此隔离板的高度略低与高温金属或非金属的液面，使之既能保证基板的顺利通过又能隔离温度。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

(1)由于使用了液相加热基板的方法，即使加热的温度高于基板的软化点也能保持基板的平整度，这就提高了在一般玻璃基板上加热的温度限制，使得用简单的高温处理就能得到好的微晶、多晶甚至单晶薄膜。避免了使用激光退火或者金属横向诱导等的复杂工艺。

(2)由于液相加热的热传导好，温度均匀因此得到的晶化薄膜的均匀性好，克服了用激光退火或者金属横向诱导等工艺带来的固有的不均匀性。

(3)由于本发明使用的高温或中温的晶化技术，对基板上原来的非晶半导体膜的要求相对较低，因此该非晶膜可以用简单的溅射法即可应用，不需要使用如PECVD，LPCVD等工艺，这就大大的简化了工艺，避免使用像硅烷，磷烷等有毒、可燃气体，实现绿色工艺。

(4)在本发明中当在液相金属中加入可诱导非晶半导体在中低温下进行晶化的金属，就可以直接用该液相金属进行金属诱导的晶化技术，这既避免了在沉积有非晶半导体膜的基板上沉积诱导金属再进行热退火最后还要除去剩余金属等的工序，而且可以得到好的均匀性。

(5)在本发明中可以加入一线状高温区，并与基板移动技术结合就可以实现横向晶化甚至单晶薄膜。

(6)本发明还提供了一种连续的晶化的可生产的制备和工艺。

附图说明

图1是本发明一个实施例高温液相晶化装备的结构示意图。

图2是本发明另一个实施例在实施高温液相晶化时将非晶半导体层直接与高温液相金属接触时的结构示意图。

图3是本发明第三个实施例在实施实现平面单晶膜时的结构示意图。

图4是本发明第四个实施例实施移动晶化时的多温区的结构示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例1

图1示出高温液相晶化装备的结构示意图。在图1中的5为由耐高温的氧化铝陶瓷制成的盛液槽，在该槽的下面有加热用的加热器6对盛液槽进行加热。在该槽中盛有液相金属1，在这里使用的是高纯锡。为了便于以后能容易的把基板推出盛液槽5，此液相金属的量正好控制在略高于盛液槽进出口的边缘，而依靠金属的表面张力又不至于溢出的高度。在该液相金属1的上面放有要进行晶化的基板2，这基板是由衬底4这里使用的是硼硅玻璃，在衬底的上面有一层非晶半导体层3，在本实施例中是非晶硅层。整个装置放在高真空系统中保证金属和非晶硅膜不会被氧化，而且在液相金属和基板之间没有气体层，这就保证了液面与基板之间的良好接触和平整的表面。当把液相金属加热到摄氏600±60度到1000±100度之间，加热时间在5小时到3分钟之间就能使该非晶半导体膜实现晶化，其时间的长度取决于加热的温度，温度越高需要的时间越短。然后当把温度再降低到摄氏250±30度左右取出，即能得到衬底仍然平整的微晶硅或多晶硅基板。

实施例2

图2示出本实施例在实施高温液相晶化时将非晶半导体层直接与高温液相金属接触时的结构。在图2中5为由耐高温的氧化铝陶瓷制成的盛液槽，在该槽的下面有加热用的加热器6对盛液槽进行加热。在该槽中盛有液相金属1，在这里使用的是掺有0.1％到10％高纯镍与高纯锡混合体。为了便于以后能容易的把基板推出盛液槽，此液相金属的量正好控制在略高于盛液槽进出口的边缘，而依靠金属的表面张力又不至于溢出的高度。在该液相金属1的上面放有要进行晶化的基板2，这基板是由衬底4这里使用的是硼硅玻璃，在衬底的下面有一层非晶半导体层3，在本实施例中是非晶硅层。整个装置放在高真空系统中保证金属和非晶硅膜不会被氧化，而且在液相金属和基板之间没有气体层，这就保证了液面与基板之间的良好接触和平整的表面。在本实施例中是把非晶半导体层直接与液相金属层接触由于在液相金属中掺有高纯镍因此它对非晶硅有金属诱导晶化的功能，因此即使温度在500±50度到800±80度之间时间在3小时到5分钟之间也能达到使晶化的功能，可以得到好的微晶硅或多晶硅。

实施例3

图3示出本实施例在实施基板移动晶化实现平面多晶或单晶膜时的结构。在图3中5为由耐高温的氧化铝陶瓷制成的盛液槽，在该槽的下面有加热用的加热器6对盛液槽进行加热。在该槽中盛有液相金属1，在这里使用的是掺有0.1％到10％高纯镍与高纯锡混合体。为了便于以后能容易的把基板推出盛液槽，此液相金属的量正好控制在略高于盛液槽进出口的边缘，而依靠金属的表面张力又不至于溢出的高度。在本实施例中在盛液槽5中还放有一线状加热管7和在线状加热管7两边还有一对绝热的挡热板8使在该挡热板之间形成一条高温的液相区。在本实施例中金属液体的平均温度在摄氏500度±50度，在高温液相区的温度在摄氏800度到1000度之间。在该液相金属1的上面放有要进行晶化的基板2，这基板是由衬底4这里使用的是硼硅玻璃，在衬底的下面有一层非晶半导体层3，在本实施例中是非晶硅层。在盛液槽的前端有一组传动基板的导入辊11，由它提供动力使基板在高温液相区滞留的时间在10秒种到30分钟之间，在玻璃与玻璃之间有石英或陶瓷的隔离块10防止玻璃之间的黏合并推动前面的基板，在盛液槽的后端有一组基板的导出辊12，导出基板并逐步降温以实现连续生产。

实施例4

图4示出本实施例在实施基板移动晶化时的多温区的结构。其基本结构与实施例3基本一致就是在盛液槽5中加入了若干个隔离板9该板的高度比液面略低，使它既能让基板顺利通过，有能保持温度梯度并把加热器分成若干个，使每一区的温度能独立控制，从而实现步进升温和步进降温的功能。在本实施例中插入了两块隔离板9，实现3个温区，1-1、1-2、1-3。它们分别由加热器6-1、6-2、6-3来控制，其温度分别为摄氏300±30度，500±50度和300±50度，其推进的速度由其在高温液相区滞留的时间决定。

Claims (14)

1、一种高温液相加热晶化方法，其特征在于将需要晶化的由非晶薄膜(3)和衬底(4)组成的基板(2)放在一个盛高温液体的槽(5)中，并浮在该槽(5)内盛有的高温金属或非金属液体(1)上面，该系统整个置于高真空或惰性气氛或还原气氛下由加热器(6)加热槽(5)内的金属或非金属液体(1)使之达到摄氏500度到1000度之间，在1分钟到20小时之间进行晶化，然后降温到摄氏250度到300度之间，取出基板(2)。

2、根据权利要求1所述的高温液相加热晶化方法，其特征在于采用一个推动系统推动基板(2)，以实现对非晶薄膜的连续不断的晶化。

3、根据权利要求1所述的高温液相加热晶化方法，其特征在于所述高温金属为下面的任一种金属：Sn、In、Ga、Ni、Sb、Pb、Al、Ag、Au、Pd、Cu、Co、Cr、Mo、Ti、Tr、Cd、Pt、Ru、Rh，Bi，或者是所列金属之间的双元或多元合金，其合金的比例在1ppm到30％之间。

4、根据权利要求1所述的高温液相加热晶化方法，其特征在于所述非金属是金属氧化物、卤素化合物、硫化物或氢氧化物。

5、根据权利要求2所述的高温液相加热晶化方法，其特征在于所述需要晶化的衬底(4)材料是玻璃、或者石英片、或者透明陶瓷。

6、根据权利要求1所述的高温液相加热晶化方法，其特征在于所述需要晶化的非晶薄膜是非晶Si、或非晶Ge、或非晶III-V族半导体、或非晶氧化物半导体、或非晶硫化物半导体、或非晶有机半导体薄膜。

7、根据权利要求1所述的高温液相加热晶化方法，其特征在于所述有非晶薄膜的衬底(4)的底面与高温的金属或非金属液体(1)接触，传导热来使非晶薄膜晶化。

8、根据权利要求1所述的高温液相加热晶化方法，其特征在于所述有非晶薄膜的衬底(4)的非晶薄膜的面向下与高温的金属或非金属液体(1)接触，在高温作用下实现金属诱导晶化的效果。

9、根据权利要求1所述的高温液相加热晶化方法，其特征在于所述的高温金属液体槽内的金属液体是一个具有温度可以由低到高和由高到低逐步变化的，而在金属表面的需要晶化的衬底是可以沿温度变化方向移动的，从而可实现连续的生产。

10、根据权利要求1所述的高温液相加热晶化方法及装备，其特征在于所述的基板(2)是由衬底(4)和非晶薄膜层(3)以及其他的薄膜层如氧化物层，金属层构成的多层膜结构。

11、一种高温液相加热晶化装备，应用于根据权利要求1所述的高温液相加热晶化方法，包括一个盛高温液体的槽(5)和一个加热器(6)，其特征在于在所述槽(5)内盛有高温的金属或非金属液体(1)、在高温金属或非金属液体上面有包括需要晶化的非晶薄膜(3)和衬底(4)组成的基板(2)、此液体中还可以插入进行局部加热的加热器(7)和绝热板(8)以形成局部的高温区、有一个推动系统包括导入辊(11)隔离块(10)导出辊(12)来推动基板(2)移动、能使该基板(2)的非晶薄膜(3)可连续不断的进行晶化。

12、根据权利要求11所述的高温液相加热晶化装备，其特征在于所述的推动系统是由导入辊(13)推动基板(2)向前推进基板与基板之间有耐高温的石英或者陶瓷的隔离块(10)在另一端有导出辊把基板导出，形成连续生产的体系。

13、根据权利要求11所述的高温液相加热晶化装备，其特征在于所述由插入金属或非金属液体(1)的加热器(7)和在它两边的绝热板(8)进行局部加热，在所述的高温金属液体槽内形成一条带状局部高温区，当带有非晶薄膜的衬底的基板(2)沿着与带状局部高温区相垂直的方向移动，从而可以实现沿着移动方向生长单晶薄膜的目的。

14、根据权利要求11所述的高温液相加热晶化装备，其特征在于所述的高温金属液体槽(5)内有多个隔离板(9)和相对独立的加热器(6-1)、(6-2)、(6-3)以形成多个不同温度金属液体的温区(1-1)、(1-2)、(1-3)，以实现逐步升温或降温，此隔离板的高度略低与高温金属或非金属的液面，使之既能保证基板的顺利通过又能隔离温度。

Images