CN104392913B - 准分子激光退火装置及低温多晶硅薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种准分子激光退火装置和一种低温多晶硅薄膜的制备方法。用于解决现有技术存在的由于低温多晶硅薄膜退火中退火时有效退火时间短，晶粒较小的问题。本发明的准分子激光退火装置，由于在待处理衬底远离所述非晶硅薄膜的一侧设有加热单元，用于对所述待处理衬底进行加热。该加热单元在对待处理衬底进行退火过程中将衬底加热，减少待处理衬底与非晶硅薄膜之间的温度差，激光照射在非晶硅薄膜产生的热量不会快速的传导至衬底，减缓非晶硅薄膜的温度降低速度、延长了退火时间，有利于将熔化的非晶硅退火形成大晶粒的多晶硅薄膜；由于本发明的低温多晶硅薄膜的制备方法采用该准分子激光退火装置，能够获得大晶粒的多晶硅薄膜，从而能够得到迁移率较高的多晶硅薄膜晶体管。

Description

准分子激光退火装置及低温多晶硅薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及显示技术领域，具体地，涉及一种准分子激光退火装置及低温多晶硅薄膜的制备方法。
背景技术
有机电致发光显示器凭据高画质、移动图像响应时间短、低功耗、宽视角及超轻超薄等优点，成为了未来显示技术的最好选择。目前有机电致发光显示器中，背板技术中多晶硅层的制作可以采用准分子激光退火，固相晶化，金属诱导晶化等多种制作方法。而采用准分子激光退火工艺，制备背板中晶体管的有源层的多晶硅薄膜是唯一已经实现量产的方法。
如图1所示，准分子激光退火装置，包括位于上方的激光产生单元1和位于下方的工艺腔室2，激光产生单元1产生的激光在工艺腔室2中对待处理衬底21进行退火处理，其中，待处理衬底21上布置有非晶硅薄膜23，待处理衬底21位于能够在三维空间中运动的工作台22上，通过工作台22的运动完成激光对待处理衬底21上液晶分子的退火；工艺腔室2中充满循环工艺气体24，例如，可以是氮气；工作台22设置与腔室基底25上，腔室基底25可以为大理石基底，另外工作台22与外部控制单元(图1中未示出)连接完成对工作台22的控制。
在过去的准分子激光退火工艺研究中，研究者一直致力于开发大晶粒的低温多晶硅，以便能够得到迁移率较高的低温多晶硅晶体管。现有技术表明准分子激光退火装置的输出波长、脉宽，能量分布及均匀性、能量密度、脉冲频率，原始非晶硅膜的制备方法及其厚度、去氢方法，退火气氛等因素，对结晶膜的质量都有一定的影响。
但退火时间对形成大晶粒的低温多晶硅影响较大，例如，如图1所示，激光的照射下非晶硅薄膜23具有较高温度(1000℃以上)，但待处理衬底21的温度较低(通常为室温)，由于非晶硅薄膜23与待处理衬底21的直接接触且两者的温度差较大，非晶硅薄膜23的热量迅速传导至待处理衬底21，并由待处理衬底21传导至工作台22，从而使非晶硅薄膜23的退火温度快速降低，有效退火时间变短，难以形成较大晶粒的低分子多晶硅。
发明内容
解决上述问题所采用的技术方案是一种准分子激光退火装置，包括：激光产生单元和工艺腔室，在所述工艺腔室中设有工作台，在所述工作台上设有加热单元。
优选的是，所述加热单元包括陶瓷加热基板。
优选的是，所述陶瓷加热基板包括高温共烧多层陶瓷基板或低温共烧多层陶瓷基板。
优选的是，所述陶瓷加热基板包括：氧化铝陶瓷基；布置于所述氧化铝陶瓷基板中的钨电阻；用于将所述钨电阻与电源连接进行供电的镍丝引线。
本发明的另一个目的是提供一种低温多晶硅薄膜的制备方法，包括以下步骤：
采用沉积的方法在衬底形成非晶硅薄膜；
对所述非晶硅薄膜进行加热；
采用准分子激光退火装的加热单元将所述衬底加热至预定温度并保温；
利用准分子激光退火装置对所述非晶硅薄膜进行退火。
优选的是，所述对所述非晶硅薄膜进行加热的步骤包括在400-500℃下，加热0.5-3h。
优选的是，所述预定温度为500-600℃。
优选的是，所述的退火包括：激光束照射并扫描该非晶硅薄膜，将所述非晶硅薄膜熔化，并使非晶硅薄膜重新结晶形成多晶硅晶粒。
优选的是，所述退火条件为：采用氯化氙激光器，波长为308nm，激光脉冲频率为500Hz，重叠率为92-98％，激光扫描速率为4-16mm/s,激光能量密度为300-500mJ/cm2。
本发明的准分子激光退火装置，由于在工作台上设有加热单元，该加热单元在对待处理衬底进行退火过程中将衬底加热，减少待处理衬底与非晶硅薄膜之间的温度差、激光照射在非晶硅薄膜产生的热量不会快速的传导至衬底，减缓非晶硅薄膜的温度降低速度、延长了退火时间，有利于将熔化的非晶硅退火形成大晶粒的多晶硅薄膜；由于本发明的低温多晶硅薄膜的制备方法采用该准分子激光退火装置，能够获得大晶粒的多晶硅薄膜，从而能够得到迁移率较高的多晶硅薄膜晶体管。
附图说明
图1为现有技术中准分子激光退火装置结构示意图；
图2为本发明实施例1和实施例2中准分子激光退火装置结构示意图；
图3为本发明实施例1或2中待处理玻璃衬底上各功能层的结构示意图；
附图标记说明：
1.激光产生单元；2.工艺腔室；21.待处理衬底(玻璃衬底)；22.工作台；23.非晶硅薄膜；24.工艺气体；25.腔室基底；26.加热单元；27.氮化硅层；28.二氧化硅层。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
如图2所示，本实施例提供一种准分子激光退火装置，包括：激光产生单元1和工艺腔室2，在所述工艺腔室2中设有工作台22，在所述工作台22上设有加热单元26。
如图3所示，待处理衬底21包括设置在缓冲层上的非晶硅薄膜23；缓冲层包括从自待处理衬底21表面依次设置的氮化硅层27和二氧化硅层28。
将待处理衬底21放置于工作台22上进行退火时，由于在工作台22设有加热单元26，该加热单元26在对待处理衬底21进行退火过程中将待处理衬底21加热，减少待处理衬底21与非晶硅薄膜23之间的温度差，激光照射(如图2中箭头所示的光路)在非晶硅薄膜23产生的热量不会快速的传导至衬底，减缓非晶硅薄膜23的温度降低速度、延长了退火时间，有利于将熔化的非晶硅退火形成大晶粒的多晶硅薄膜。
加热单元26与待处理衬底21直接接触对其加热，保证热量有效传导。
应当理解的是，也就是说当加热单元26对衬底进行加热应当保证衬底不至于软化，无法支撑在其表面设置的功能层。
优选的，所述衬底可以包括玻璃衬底或石英衬底，所述加热温度为500-600℃，保证所述衬底不被熔化。
所述工作台22设置于腔室基底25上，并在工艺腔室2中通入循环的工艺气体24，例如，氮气。
优选的，所述加热单元26包括陶瓷加热基板。应当理解的是，现有技术中的其它类型的加热单元26也是可适用的，只要能对待处理衬底21进行加热即可。
优选的，所述陶瓷加热基板包括高温共烧多层陶瓷基板或低温共烧多层陶瓷基板。应当理解的是，其它类型的陶瓷加热基板也是可行的，例如，高温熔合陶瓷基板、直接接合铜基板、直接镀铜基板等。陶瓷加热基板的制备方法为现有技术范畴在此不再一一赘述。
加热陶瓷基板主要包括氧化铝陶瓷基；布置于所述氧化铝陶瓷基板中的钨电阻；用于将所述钨电阻与电源连接进行供电的镍丝引线。加热陶瓷基板在通电后发热。在激光照射之前，陶瓷加热基板通电对玻璃衬底进行加热。加热陶瓷基板具有通电后陶瓷基板发热而不带电、且无明火、热效率高等优点。加热温度可达500-600℃，适用于对玻璃衬底进行加热，从而抑制晶硅薄膜23在激光照射后快速散热。
优选的，所述激光产生单元1包括氯化氙，氟化氪，氟化氩激光器中的任意一种。只要能将非晶硅薄膜23进行熔化并进行退火形成大晶粒的多晶硅薄膜即可。
实施例2
如图3和图2所示，本实施例提供一种低温多晶硅薄膜的制备方法，包括以下步骤：
采用沉积的方法在衬底形成非晶硅薄膜；
对所述非晶硅薄膜进行加热；
采用准分子激光退火装的加热单元将所述衬底加热至预定温度并保温；
利用准分子激光退火装置对所述非晶硅薄膜进行退火。
由于将衬底进行加热，然后对非晶硅薄膜进行退火时，熔化后的非晶硅热量不会快速地传导至衬底，导致熔化后的非晶硅温度快速下降，造成退火时间不足，无法形成大晶粒的多晶硅薄膜。
上述方法在生产过程中容易操作，工艺过程简洁并且不耗费原料。通过增大多晶硅晶粒的尺寸，最后能够得到迁移率较高的多晶硅薄膜晶体管。
具体地，如图3所示，本实施例中采用氯化氙准分子激光退火装置对非晶硅(a-Si)进行退火，从而得到多晶硅薄膜。应当理解的是，氟化氪，氟化氩等准分子激光器也是可以的。
具体步骤：
1)对玻璃衬底21进行预清洗；
第一步，先将玻璃衬底21放入双氧水中超声清洗3分钟；
第二步，将玻璃衬底21放入超纯水中超声8分钟；双氧水的质量百分比浓度为10％，
第三步，将玻璃衬底21放入丙酮中超声6分钟；
第四步，将玻璃衬底21放入乙醇中超声7分钟；
第五步，用氩气将玻璃衬底21吹干；
第六步，用干净的丝绸擦拭玻璃衬底21表面；
第七步，将玻璃衬底21放在洁净烘箱中烘烤8分钟，烘烤温度为60℃。
第八步，将玻璃衬底21放入等离子体清洗器清洗5分钟，完成清洗。
2)在玻璃衬底21之上制作薄膜层，薄膜层的具体制作过程为：采用等离子体增强化学气相沉积方法沉积缓冲层，该缓冲层包括氮化硅层27和二氧化硅层28，先沉积50-150nm的氮化硅层27，再沉积100-350nm的二氧化硅层28，之后沉积30-60nm的非晶硅薄膜23。完成非晶硅薄膜23的沉积后，于400-500℃的温度下，对非晶硅薄膜23进行0.5-3小时的加热处理。
3)如图2所示，将上述玻璃衬底21置于本发明的激光退火装置中，加热单元26即高温共烧多层陶瓷基板通电加热，将玻璃衬底21加热500-600℃，并保持该温度至退火结束。
4)开通激光产生单元1产生激光；通过如图2所示的光路照射在玻璃衬底21上，激光束(图2中箭头所示)照射并扫描该非晶硅薄膜23，将所述非晶硅薄膜23熔化，并使其重新结晶形成多晶硅晶粒。
退火条件为：采用氯化氙激光器，波长为308nm，激光脉冲频率为500Hz，重叠率为92-98％，激光扫描速率为4-16mm/s,激光能量密度为300-500mJ/cm2。
应当理解的是，上述激光退火的条件可以根据具体的应用情况进行调节。
经过上述方法制备的多晶硅的晶粒直径为500nm；若不设置加热单元26，在相同条件下退火制备的就多晶硅的晶粒直径为300nm；可见，上述的加热单元26能够有效的延长退火时间，获得大晶粒的多晶硅薄膜层，上述的大晶粒的多晶硅薄膜层可以作为薄膜晶体管的有源层，从而得到迁移率较高的多晶硅薄膜晶体管。
低温多晶硅薄膜晶体管，适用于有源矩阵有机发光二极管显示器及低温多晶硅薄膜晶体管液晶显示器等领域。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种准分子激光退火装置，包括：激光产生单元和工艺腔室，在所述工艺腔室中设有工作台，其特征在于，在所述工作台上设有加热单元；
所述加热单元包括陶瓷加热基板；
所述陶瓷加热基板包括：氧化铝陶瓷基板；布置于所述氧化铝陶瓷基板中的钨电阻；用于将所述钨电阻与电源连接进行供电的镍丝引线。
2.根据权利要求1所述的准分子激光退火装置，其特征在于，所述陶瓷加热基板包括高温共烧多层陶瓷基板或低温共烧多层陶瓷基板。
3.一种低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用沉积的方法在衬底形成非晶硅薄膜；
对所述非晶硅薄膜进行加热；
采用准分子激光退火装置的加热单元将所述衬底加热至预定温度并保温；所述预定温度为500-600℃；
利用准分子激光退火装置对所述非晶硅薄膜进行退火。
4.根据权利要求3所述低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于，所述对所述非晶硅薄膜进行加热的步骤包括在400-500℃下，加热0.5-3h。
5.根据权利要求3所述低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于，所述的退火包括：激光束照射并扫描该非晶硅薄膜，将所述非晶硅薄膜熔化，并使非晶硅薄膜重新结晶形成多晶硅晶粒。
6.根据权利要求3所述低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于，所述退火条件为：采用氯化氙激光器，波长为308nm，激光脉冲频率为500Hz，重叠率为92-98％，激光扫描速率为4-16mm/s,激光能量密度为300-500mJ/cm2。
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