CN101894747A

CN101894747A - 非晶硅薄膜的晶化及多晶硅薄膜的制造方法和装置

Info

Publication number: CN101894747A
Application number: CN2010102125840A
Authority: CN
Inventors: 刘萍
Original assignee: Shenzhen Danbang Investment Group Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Danbang Investment Group Co Ltd
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2030-06-29
Also published as: CN101894747B

Abstract

一种非晶硅薄膜的晶化以及多晶硅薄膜的制造方法和装置，用高能量密度的电子束作用到非晶硅薄膜上，控制电子束加速阳极电压和束流，使非晶硅融化层与玻璃基板保持极高的温度梯度，当电子束截止后，非晶硅熔化层逐渐冷却，并晶化。该装置主要包括：电子光学系统、计算机控制系统、工件室及置于工件室内的工件控制台。阴极置于负高压，非晶硅接地，电子束逐行扫描，电子束扫描的后一行与前一行的重复率可以达到99％以上，扫完一场后，截止电子束，移动工件控制台，然后再扫描下一场，如此反复。工件室可以是真空室也可以处于大气状态或一定气氛中。若在大气或惰性气体环境下，工件室与电子光学系统间有电子束引出窗。

Description

非晶硅薄膜的晶化及多晶硅薄膜的制造方法和装置

技术领域

本发明涉及一种非晶硅薄膜的晶化方法和装置，以及采用该方法和装置的多晶硅薄膜的制造方法和装置。

背景技术

有机发光二极管(OLED)因具有自发光、广视角、高响应速度、可挠曲及高亮度等优点而倍受业界关注。有机发光二极管按照驱动方式可划分为主动式有机发光二极管(AMOLED)和被动式有机发光二极管(PMOLED)。AMOLED是利用形成在透明绝缘基板上的薄膜晶体管阵列控制其有机发光层的发光状态。

低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS TFT)相比传统的非晶硅(α-Si)薄膜晶体管具有更高的电子迁移率，响应速度快，图像数据写入时间短，易于实现大面积的视频显示。另外，多晶硅还具有光敏性差(即不易受外界光影响)、工作稳定、透明性好、工艺上可实现自对准、周边驱动电路与显示区可以实现集成一体化等特点，解决了α-Si TFT AMOLED技术中引线过多、难以自动检测等一系列问题，使得多晶硅TFT在AMOLED中的应用中展现出了诱人的前景。因此，多晶硅TFT已成为目前国际上有机显示领域研究的焦点。用于制作LTPS TFT的低温多晶硅薄膜制造技术成为AMOLED显示器制作的关健技术之一。

目前为了得到多晶硅薄膜，一股利用固相晶化法或准分子激光晶化法，使非晶硅薄膜在高温下结晶成多晶硅。但固相晶化法需要较高的结晶温度，因此必须采用硅片或石英等耐高温材料作为基板，而这些材料的成本高，不利于大批量生产。工业界常利用准分子激光退火结晶法形成低温多晶硅，以便后续形成所需的薄膜晶体管结构。

图1是一种现有技术利用准分子激光晶化方法制造有机发光二极管低温多晶硅的示意图。该低温多晶硅薄膜的制造方法包括如下步骤：

提供一透明绝缘基板1，该透明绝缘基板1的材料可为玻璃或石英；清洗该透明绝缘基板1，先在基板1上形成以缓冲层2，以避免基板1中的杂质在后续工艺中向上扩散而影响TFT的品质；沉积一非晶硅薄膜3在该透明绝缘基板1表面，沉积方法可为等离子增强式化学气相沉积法；利用一准分子激光退火装置生成的激光束4照射并扫描该非晶硅薄膜3，从而将该非晶硅薄膜3熔化并使其重新结晶成为多晶硅晶粒。

在非晶硅薄膜结晶成为多晶硅薄膜的过程中，有许多的变量均对结晶完成后的晶粒大小以及分布有直接的影响，如非晶硅薄膜的成膜品质、激光能量密度的大小、激光能量空间上分布的均匀性、激光脉冲的重迭程度、进行激光退火时衬底的温度以及周围的气氛等，当工艺的控制不够理想时，结晶后有源沟道区域内会产生许多较小的多晶硅薄膜晶粒，进而衍生出数量庞大的晶粒边界，进而影响TFT的均匀性，因此激光晶化工艺复杂。

另外，准分子激光晶化有还有几个严重缺点。例如，激光系统中激光束本身的辐照热问题、激光工艺的加工范围极其有限的问题，以及，由于使用准分子激光的晶化设备复杂，成本高，且准分子激光器寿命较短，不易维护等等。

因此，亟需一种低温多晶硅薄膜的形成方法，来克服上述缺点，以简化TFT的制造工艺，大幅降低成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种非晶硅薄膜的晶化方法和装置，以及采用该方法和装置的多晶硅薄膜的制造方法和装置，节省使用成本，提升薄膜晶体管的电子迁移率等性能。

本发明的非晶硅薄膜的晶化方法是利用高能量密度的电子束作用到非晶硅薄膜上，使大量的能量在短时间里加热非晶硅层，使其温度迅速升高、融化、结晶；控制电子束加速阳极电压和束流，使电子束能量主要传到非晶硅薄膜而很少传到基板，从而使非晶硅融化层与玻璃基板保持极高的温度梯度，当电子束截止后，非晶硅熔化层逐渐冷却，并晶化。称为电子束诱导晶化方法。

进一步地，在该电子束诱导晶化方法中，其电子束穿透非晶硅层所需的能量由Grun公式给出

D＝(46/ρ)E^1.75

其中ρ为非晶硅密度，单位为g/mc³，非晶硅厚度D的单位为nm，E是入射电子束的能量，单位为KeV。

因此，电子束诱导晶化的阳极高压在500V到50KV之间。

进一步地，在该电子束诱导晶化方法中，其电子束能量由阳极高压、电子束束流和照射时间确定。电子束诱导晶化的能量密度在100mJ/cm²-500mJ/cm²之间，由此确定的电子束束流和照射时间可以满足晶化730×920mm²的玻璃基板只需要3-6分钟的时间。

进一步地，在该电子束诱导晶化方法中，其晶化过程采用电子束扫描的方式，电子束逐行扫描，电子束扫描的后一行与前一行的重复率可以达到99％以上。

进一步地，在该电子束诱导晶化方法中，其晶化过程在真空中进行，还可以减少氧化、杂质的影响。

本发明的非晶硅薄膜的晶化装置主要包括：电子光学系统、计算机控制系统、工件室及置于工件室内的工件控制台。工件控制台用于放置非晶硅薄膜(该薄膜沉积在玻璃基板上)，电子光学系统置于工件室上面，采用电子束扫描方式将高能量密度的电子束作用到非晶硅薄膜上。计算机控制系统控制高压电源、栅极、偏转线圈和工件控制台。称为实现电子束诱导晶化的装置。

其中，电子光学系统包括阴极、栅极、电子透镜、偏转线圈，阴极发射电子束，栅极控制电子束的通断，电子透镜实现电子束的聚焦，偏转线圈固定在工件室的外壁或内壁。

其中，计算机控制系统控制高压电源、栅极、偏转线圈和工件控制台。阴极置于负高压，工件接地。

在一个优选实施例中，本发明还包括以下附加特征：

所述电子束诱导晶化方法还包括如下特征：基板在电子束晶化过程中被加热，加热温度在300-500℃之间。通过基板加热，晶化所需电子束能量大大降低。

相应地，所述电子束诱导晶化装置还在工件室内设有加热器，计算机通过加热器可以控制非晶硅的温度在300-500℃间。

在另一个优选实施例中，本发明还包括以下附加特征：

其中电子束诱导晶化方法还包括如下特征：非晶硅所在的工件室处于大气或惰性气体环境中，置于电子光学系统的工件室外，从真空中引出电子束到工件室，电子束穿过气体层，轰击非晶硅薄膜，进行晶化。

相应地，其实现电子束诱导晶化的装置的电子光学系统置于工件室上面，并与工件室真空密封，采用电子束扫描方式工作。

其中，在一个实施例中，工件室上部有一个狭缝，狭缝长小于250mm，宽小于2mm。狭缝由一层薄膜密封作为电子束引出窗。

电子束引出窗符合：引出电子能量损失小、窗膜熔点高、窗体机械结构合理、窗膜不易破裂、真空密封性能好和耐强辐射等，引出窗材料可以选用铝、钛、镍等。电子束引出窗的靠工件室的一面，用大于2μm的铝、钛、镍膜覆盖，该薄膜由工件室上狭缝的两边支撑，该薄膜与工件室间焊接密封。其中，阳极高压大于20KV，工件表面距离电子束引出窗钛膜表面的距离h，由于电子束能量的损失，不能太大，h小于1cm。

本发明由于采用电子束诱导晶化非晶硅的方法，在极短时间内进行非晶硅的结晶、消除晶格缺陷、并确保晶体生长而不损害连续形成的绝缘层和基板。从而形成一种可节省使用成本，更加提升薄膜晶体管的电子迁移率的用于低温多晶硅的电子束诱导晶化装置。

为让本发明之上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为传统的低温多晶硅薄膜的激光晶化方法；

图2为使用本发明实施例形成多晶硅薄膜的电子束诱导晶化方法；

图3为使用本发明实施例的电子束诱导晶化装置；

图4为使用本发明的另一实施例电子束诱导晶化装置；

图5为使用本发明的另一实施例电子束诱导晶化装置。

具体实施方式

下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明实施例中多晶硅薄膜的制造方法包括如下步骤：提供一透明绝缘基板5，该透明绝缘基板的材料可为玻璃或石英；清洗该透明绝缘基板，先在基板上形成以缓冲层6，以避免基板中的杂质在后续工艺中向上扩散而影响TFT的品质；采用等离子增强化学气相沉积法沉积50nm厚非晶硅薄膜7在该透明绝缘基板表面，所采用的工艺参数为：硅烷流量30sccm(sccm＝standard cubic centimeter per minute标准状态毫升/分)，射频功率密度50W，衬底温度250℃，反应室气压60Pa。电子束由电子源9发射出来，电子束的通断由栅极8控制。然后进行非晶硅薄膜的晶化。晶化的具体方式与过程分为如下三个实例进行描述：

实施例1

本例中电子束晶化装置如图3所示，主要包括：电子光学系统10、计算机控制系统11、真空工件室12及置于工件室内的工件控制台13，真空工件室置于防震台23上。电子光学系统置于工件室上面，采用电子束扫描方式工作。计算机控制系统11控制高压电源14、栅极电源15、电子透镜电源16、偏转线圈控制17和工件控制台13。

其中，电子光学系统由阴极19、栅极20、电子透镜22、偏转线圈18构成，阴极发射电子束21，栅极控制电子束的通断，电子透镜实现电子束的聚焦，偏转线圈固定在工件室的外壁或内壁。

其中，计算机控制系统控制高压电源、栅极电源、偏转线圈控制和工件控制台。阴极置于负高压，工件接地，电子束逐行扫描，扫完一场后，截止电子束，移动工件控制台，然后再扫描下一场，如此反复。具体工作流程如下：

(1)在玻璃基板24上采用PECVD(增强化学气相沉积)的方法制作50nm厚的非晶硅薄膜；

(2)将带有非晶硅的玻璃基板置于工件控制台上并确定起始位置，非晶硅面向电子束；

(3)将工件室真空度抽至10^-3Pa，之后打开电子光学系统与放置工件的工件室间的真空阀门；

(4)电子枪的阴极发射电子流，由聚焦透镜汇聚成电子束，经阳极高压2KV加速后，投射到非晶硅薄膜表面。电子束斑直径调整为0.5mm，电子束流调整为2mA，电子束斑在非晶硅表面的位置由偏转线圈来移动。电子束每次扫描的扫描场尺寸不能太大，每行扫描距离为200mm，扫描完一行后，计算机控制截止电子束，电子束回扫，开始扫描第二行，第二行与第一行重叠99％，控制电子束能量密度为400mJ/cm²。在扫描完成一个扫描场200×200mm²后，由计算机工件控制台移动一个扫描场的距离再进行第二个扫描场的扫描直到完成整个非晶硅的晶化。

实施例2

本例电子束晶化装置如图4所示，主要包括：电子光学系统31、计算机控制系统40、真空工件室29及置于工件室内的工件控制台26，真空工件室置于防震台25上。电子光学系统置于真空工件室上面，采用电子束扫描方式工作。计算机控制系统控制高压电源36、栅极电源37、电子透镜电源38、偏转线圈控制39和工件控制台。

其中，电子光学系统由阴极35、栅极34、电子透镜33、偏转线圈30构成，阴极发射电子束32，栅极控制电子束的通断，电子透镜实现电子束的聚焦，偏转线圈固定在工件室的外壁或内壁。

其中，真空工件室内设有加热器28，计算机通过加热器可以控制非晶硅的温度在300-500℃间。具体工作流程如下：

(1)在玻璃基板27上采用PECVD的方法制作50nm厚的非晶硅薄膜；

(4)启动加热器，控制非晶硅温度为400℃；

(5)电子枪的阴极发射电子流，由聚焦透镜汇聚成电子束，经阳极高压2KV加速后，投射到非晶硅薄膜表面。电子束斑直径调整为0.5mm，电子束流调整为1mA，电子束斑在非晶硅表面的位置由偏转线圈来移动。电子束每行扫描距离为200mm，扫描完一行后，计算机控制截止电子束，电子束回扫，开始扫描第二行，第二行与第一行重叠99％，控制电子束能量密度为400mJ/cm²。在扫描完成一个扫描场200×200mm²后，由计算机工件控制台移动一个扫描场的距离再进行第二个扫描场的扫描直到完成整个非晶硅的晶化。

(6)由于基板加热，晶化所需电子束能量大大降低。

实施例3

本例电子束晶化装置如图5所示，主要包括：电子光学系统47、计算机控制系统56、工件室44及置于工件室内的工件控制台42。电子光学系统置于工件室上面，并与工件室间真空密封，电子光学系统采用电子束扫描方式工作。计算机控制系统控制高压电源52、栅极电源53、电子透镜电源54、偏转线圈控制55和工件控制台42。

其中，电子光学系统由阴极51、栅极50、电子透镜49、偏转线圈45构成，阴极发射电子束48，栅极控制电子束的通断，电子透镜实现电子束的聚焦，偏转线圈固定在工件室的外壁或内壁。

其中，工件室上部有一个狭缝，狭缝长小于250mm，宽小于2mm。狭缝由一层薄膜密封作为电子束引出窗46。引出窗材料可以选用铝、钛、镍等薄膜。铝、钛、镍等薄膜厚度大于2μm，薄膜由工件室上狭缝的两边支撑，薄膜与工件室间焊接密封。这样，电子光学系统与工件室间形成真空密封，工件室可以工作在真空或大气压环境下。

其中，电子束要穿透2μm厚度以上的电子束引出窗，阳极高压不能小于20KV。

其中，工件表面的非晶硅薄膜距离电子束引出窗薄膜表面的距离h，由于电子束能量的损失，不能太大，在20KV的阳极高压下，h小于1mm。

其中，电子光学系统由阴极51、栅极50、电子透镜49、偏转线圈45构成，阴极发射电子束，栅极控制电子束的通断，电子透镜实现电子束的聚焦，偏转线圈固定在工件室的外壁或内壁。

其中，计算机控制系统控制高压电源52、栅极电源53、偏转线圈控制54和工件控制台42。阴极置于负高压，工件控制台接地，电子束逐行扫描，扫完一场后，截止电子束，移动工件控制台，然后再扫描下一场，如此反复。具体工作流程如下：

(1)在玻璃基板43上采用PECVD的方法制作50nm厚的非晶硅薄膜；

(2)将带有非晶硅的玻璃基板置于工件控制台上并确定起始位置，非晶硅面向电子束，h＝0.5mm；

(3)电子枪的阴极发射电子流，由聚焦透镜汇聚成电子束，经阳极高压30KV加速后，投射到非晶硅薄膜表面，电子束能量损失约为70％。电子束斑直径调整为1mm，电子束流调整为4mA，电子束斑在非晶硅表面的位置由偏转线圈来移动。电子束每行扫描距离为200mm，扫描完一行后，计算机控制截止电子束，电子束回扫，开始扫描第二行，第二行与第一行重叠99％，控制电子束能量密度为400mJ/cm²。在扫描完成一个扫描场200×200mm²后，由计算机工件控制台移动一个扫描场的距离再进行第二个扫描场的扫描直到完成整个非晶硅的晶化。

(4)由于将电子束从真空中引出到惰性气氛或大气环境中对非晶硅进行晶化，不需要在真空环境下工作，大大提高了工作效率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种非晶硅薄膜的晶化方法，其特征是：利用电子束作用到非晶硅薄膜上，使电子束的能量加热非晶硅薄膜，使非晶硅薄膜温度升高、融化；当电子束截止后，非晶硅熔化层逐渐冷却，并晶化。

2.如权利要求1所述的非晶硅薄膜的晶化方法，其特征是：控制所述电子束的加速阳极的电压和电子束的束流，使电子束能量主要传到非晶硅薄膜而很少传到基板，从而使非晶硅薄膜的融化层与基板保持温度梯度。

3.如权利要求1或2所述的非晶硅薄膜的晶化方法，其特征是：所述电子束穿透非晶硅层所需的能量由下式给出

D＝(46/ρ)E^1.75

4.如权利要求3所述的非晶硅薄膜的晶化方法，其特征是：电子束诱导晶化的阳极高压在500V到50KV之间，电子束的能量密度在100mJ/cm²-500mJ/cm²之间，电子束束流的照射时间为3-6分钟。

5.如权利要求1或2所述的非晶硅薄膜的晶化方法，其特征是：在晶化过程采用电子束扫描的方式，电子束逐行扫描，电子束扫描的后一行与前一行可重复。

6.如权利要求1或2所述的非晶硅薄膜的晶化方法，其特征是：所述晶化过程在真空中进行，或者非晶硅薄膜处于大气或惰性气体环境中，电子光学系统处于真空内，从真空中引出电子束到非晶硅薄膜，电子束穿过气体层，轰击非晶硅薄膜，进行晶化。

7.如权利要求1或2所述的非晶硅薄膜的晶化方法，其特征是：所述非晶硅薄膜事先沉积于基板上，所述基板在电子束晶化过程中被加热，加热温度在300-500℃之间。

8.一种非晶硅薄膜的晶化装置，其特征是包括：电子光学系统、计算机控制系统、工作室及工件控制台；工件控制台用于放置非晶硅薄膜，该薄膜沉积在基板上；电子光学系统置于工件室上面，将高能量密度的电子束作用到非晶硅薄膜上；计算机控制系统控制高压电源、栅极、偏转线圈和工件控制台。

9.如权利要求8所述的非晶硅薄膜的晶化装置，其特征是：所述电子光学系统包括阴极、栅极、电子透镜、偏转线圈，所述阴极发射电子束，栅极控制电子束的通断，电子透镜实现电子束的聚焦，偏转线圈固定在工作室的外壁或内壁，实现电子束扫描。

10.如权利要求9所述的非晶硅薄膜的晶化装置，其特征是：所述计算机控制系统控制高压电源、栅极、偏转线圈和工件控制台；阴极置于负高压，工件接地。

11.如权利要求8或9所述的非晶硅薄膜的晶化装置，其特征是：还在工件室内设有加热器，计算机通过加热器控制非晶硅的温度在300-500℃间。

12.如权利要求8或9所述的非晶硅薄膜的晶化装置，其特征是：所述工件室上部有一个狭缝，狭缝长小于250mm，宽小于2mm；狭缝由一层薄膜密封作为电子束引出窗。

13.如权利要求12所述的非晶硅薄膜的晶化装置，其特征是：阳极高压大于20KV，工件表面距离电子束引出窗钛膜表面的距离h小于1cm。

14.一种多晶硅薄膜的制造方法，其特征在于：采用如权利要求1至7中任一权利要求所述的晶化方法，将事先沉积于基板上的非晶硅薄膜晶化。

15.一种多晶硅薄膜的制造装置，其特征在于：包含有如权利要求8至13中任一权利要求所述的晶化装置。