CN112670212B - 一种大面积印刷与激光退火制造装置及半导体制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种大面积印刷与激光退火制造装置及半导体制造方法，其衬底材料设置于移动载台的上表面上；加热器内嵌于移动载台的内部，且处于衬底材料的正下方；位移平台与移动载台平行间隔设置，且可相对移动载台进行平行移动；印刷机构可升降地连接于位移平台上；准分子激光发射器、扩束器以及光束整形器同轴设置，且处于位移平台的斜上方；转轮振镜、汇聚透镜间隔地安装于位移平台上，转轮振镜处于汇聚透镜的正上方，汇聚透镜处于衬底材料的正上方，且位移平台能够带动转轮振镜、汇聚透镜沿衬底材料的宽度方向进行移动。该装置能够减少工艺复杂度和提高生产效率。

Description

一种大面积印刷与激光退火制造装置及半导体制造方法

技术领域

本申请涉及半导体领域，尤其涉及一种大面积印刷与激光退火制造装置及半导体制造方法。

背景技术

随着功能材料和电子科学的不断发展进步,半导体层和有机无机杂化半导体材料因其成本低廉、可大面积柔性加工以及具有良好的光电特性等优点受到了越来越广泛的关注。相比于以硅基为代表的传统无机半导体，半导体层一个重要特点是可低温制备，印刷刮涂，狭缝挤出，旋涂等都是良好的快速制备工艺。

在半导体芯片生产制备过程中，退火是一个重要的环节，经过不同条件下的退火处理，可以使得生长的半导体外延片的位错和缺陷密度降低，从而减少半导体深能级的出现，以获得更好的芯片质量。然而，传统管式退火炉退火温度较高，退火时间较长，需对炉膛内环境温度精确控制。

发明内容

本申请的目的之一在于提供一种大面积印刷与激光退火制造装置及半导体制造方法，旨在改善现有的半导体芯片生产制备过程中退火处理效率较低的问题。

本申请的技术方案是：

一种大面积印刷与激光退火制造装置，包括：

移动载台；

衬底材料，所述衬底材料设置于所述移动载台的上表面上；

加热器，所述加热器内嵌于所述移动载台的内部，且处于所述衬底材料的正下方，用于对所述衬底材料进行预热；

位移平台，所述位移平台与所述移动载台平行间隔设置，且可相对所述移动载台进行平行移动；

印刷机构，可升降地连接于所述位移平台上，用于将有机前驱体溶液均匀印刷在所述衬底材料的上表面上；

激光退火机构，包括准分子激光发射器、扩束器、光束整形器、转轮振镜以及汇聚透镜；所述准分子激光发射器、所述扩束器以及所述光束整形器同轴设置且依次间隔地设置于所述移动载台和所述位移平台之间，且处于所述位移平台的斜上方；所述转轮振镜、所述汇聚透镜间隔地安装于所述位移平台上，所述转轮振镜处于所述汇聚透镜的正上方，所述汇聚透镜处于所述衬底材料的正上方，且所述位移平台能够带动所述转轮振镜、所述汇聚透镜沿所述衬底材料的宽度方向进行移动；所述扩束器对所述准分子激光发射器发射处的准分子激光脉冲进行扩束且准直，所述光束整形器使所述准分子激光发射器输出的激光形成平顶光束，所述转轮振镜用于接收由所述光束整形器形成的所述平顶光束并制造出个体曝光图案；所述汇聚透镜用于接收由所述转轮振镜传输来的所述平顶光束并对所述平顶光束进行聚焦，用于对所述衬底材料上表面上的半导体层材料上进行线扫描，并控制所述半导体层材料的退火深度。

作为本申请的一种技术方案，所述印刷机构包括涂布机液压结构、狭缝式挤压涂布头以及可转动连接臂；所述涂布机液压结构安装于所述位移平台上，并连接于所述狭缝式挤压涂布头，所述涂布机液压结构用于调节进入到所述狭缝式挤压涂布头中的有机前驱体溶液的流速；所述可转动连接臂的一端可转动地连接于所述位移平台上，另一端连接于所述狭缝式挤压涂布头，用于驱动所述狭缝式挤压涂布头升降，并调节所述狭缝式挤压涂布头与所述衬底材料之间的倾角。

作为本申请的一种技术方案，所述转轮振镜、所述汇聚透镜均处于所述光束整形器和所述狭缝式挤压涂布头之间。

作为本申请的一种技术方案，所述汇聚透镜包括远心平场镜，所述狭缝式挤压涂布头处于所述衬底材料和所述汇聚透镜所在的平面之间。

作为本申请的一种技术方案，所述加热器与所述移动载台之间填充有隔热层，且所述加热器、所述隔热层以及所述移动载台的三者的上表面均处于同一水平面上。

作为本申请的一种技术方案，所述平顶光束为沿两个轴能量均匀分布的细长光束。

一种半导体制造方法，采用以上所述的大面积印刷与激光退火制造装置进行制造，包括以下步骤：

步骤一，将所述衬底材料转移至所述移动载台，所述移动载台将所述衬底材料传送至所述印刷机构，到达目标区域后停止移动；将所述印刷机构的可转动连接臂带动狭缝式挤压涂布头下降至设定的高度，并对准所述衬底材料的印刷端；

步骤二，打开所述加热器，对所述衬底材料进行持续预热，并达到预定温度；

步骤三，打开涂布机液压结构和涂布口，所述涂布机液压结构中的有机前驱体溶液从所述狭缝式挤压涂布头中挤出；同时，所述位移平台开始匀速移动，并带动所述狭缝式挤压涂布头移动由所述衬底材料的一端向另一端的方向进行移动，使挤出的有机前驱体溶液均匀印刷在所述衬底材料上；所述衬底材料上的涂布层迅速结晶成半导体层，所述半导体层开始沿印刷方向持续生长；

步骤四，随即打开所述准分子激光发射器，准分子激光依次经所述扩束器扩束、所述光束整形器整形并匀束，由所述转轮振镜在所述半导体层上进行线扫描，扫描区域的半导体层材料在瞬时被加热至相变温度，随后在短时间内降温固化再结晶；

步骤五，当所述印刷机构印刷至所述衬底材料的另一端时，此时溶液印刷完成，关闭所述涂布口，且所述位移平台继续向右移动，直至所述激光退火机构通过激光扫描完所述半导体层层后停止移动；

步骤六，激光退火完成后，将所述准分子激光器暂时关闭，将所述狭缝式挤压涂布头升起、所述位移平台恢复至初始位置；将所述移动载台恢复启动，并移动至冷却台，将激光退火完成的所述半导体层转移至冷却台；

步骤七，将所述移动载台恢复至初始位置，接收新的所述衬底材料，重复上述步骤一至步骤六中的工艺，进行连续集成制造。

作为本申请的一种技术方案，在步骤四中，所述转轮振镜、所述汇聚透镜以及所述印刷机构三者随所述位移平台进行同步运动，并控制转轮振镜的扫描速率，将涂布印刷与激光扫描退火同步进行。

本申请的有益效果：

本申请的大面积印刷与激光退火制造装置及半导体制造方法中，其主要包括印刷机构和激光退火机构，印刷机构与激光退火机构之间有移动载台，用于传递待处理的衬底材料；采用该装置进行半导体的制造，其能够在前驱体溶液印刷生长结晶后的短时间内对薄膜进行同步选区激光退火，从而减少工艺复杂度，还能够有效地提高生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的大面积印刷与激光退火制造装置示意图。

图标：1-大面积印刷与激光退火制造装置；2-移动载台；3-衬底材料；4-加热器；5-位移平台；6-印刷机构；7-激光退火机构；8-准分子激光发射器；9-扩束器；10-光束整形器；11-转轮振镜；12-汇聚透镜；13-涂布机液压结构；14-狭缝式挤压涂布头；15-可转动连接臂；16-隔热层；17-半导体层。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例：

请参照图1，在本实施例中，提供一种大面积印刷与激光退火制造装置1，其包括移动载台2，衬底材料3设置于移动载台2的上表面上；同时，加热器4内嵌于移动载台2的内部，且处于衬底材料3的正下方，用于对衬底材料3进行预热；此外，位移平台5与移动载台2平行间隔设置，且可相对移动载台2进行平行移动；印刷机构6则可升降地连接于位移平台5上，用于将有机前驱体溶液均匀印刷在衬底材料3的上表面上；同时，激光退火机构7设置于衬底材料3的上方，用于对衬底材料3上生成的半导体层17进行激光退火处理。

进一步地，在本实施例中，印刷机构6包括涂布机液压结构13、狭缝式挤压涂布头14以及可转动连接臂15；其中，涂布机液压结构13安装于位移平台5上，并连接于狭缝式挤压涂布头14，涂布机液压结构13用于调节进入到狭缝式挤压涂布头14中的有机前驱体溶液的流速；同时，可转动连接臂15的一端可转动地连接于位移平台5上，另一端连接于狭缝式挤压涂布头14，用于驱动狭缝式挤压涂布头14升降，并调节狭缝式挤压涂布头14与衬底材料3之间的倾角。

需要说明的是，在本实施例中，转轮振镜11、汇聚透镜12均处于光束整形器10和狭缝式挤压涂布头14之间。涂布机液压结构13采用的是现有技术中的涂布机的液压系统，其具体的结构以及工作原理在此不再赘述。

需要说明的是，在本实施例中，汇聚透镜12可以采用现有技术中的远心平场镜；同时，狭缝式挤压涂布头14处于衬底材料3和汇聚透镜12所在的平面之间。

进一步地，在本实施例中，激光退火机构7主要包括准分子激光发射器8、扩束器9、光束整形器10、转轮振镜11以及汇聚透镜12；其中，准分子激光发射器8、扩束器9以及光束整形器10同轴设置且依次间隔地设置于移动载台2和位移平台5之间，且处于位移平台5的斜上方；同时，转轮振镜11、汇聚透镜12间隔地安装于位移平台5上，转轮振镜11处于汇聚透镜12的正上方，汇聚透镜12处于衬底材料3的正上方，且位移平台5能够带动转轮振镜11、汇聚透镜12沿衬底材料3的宽度方向进行移动。

具体地，扩束器9对准分子激光发射器8发射处的准分子激光脉冲进行扩束且准直，光束整形器10使准分子激光发射器8输出的激光形成平顶光束，转轮振镜11用于接收由光束整形器10形成的平顶光束并制造出个体曝光图案；汇聚透镜12用于接收由转轮振镜11传输来的平顶光束并对平顶光束进行聚焦，用于对衬底材料3上表面上的半导体层17材料上进行线扫描，并控制半导体层17材料的退火深度。

进一步地，在本实施例中，加热器4与移动载台2之间填充有隔热层16，且加热器4、隔热层16以及移动载台2的三者的上表面均处于同一水平面上。加热器4采用的是现有技术中的结构，其具体的结构以及原理在此不再赘述；同时，隔热层16采用的是隔热材料制作而成，具有较好的隔热效果。

需要说明的是，在本实施例中，平顶光束为沿两个轴能量均匀分布的细长光束。

此外，在本实施例中，其还提供了一种半导体制造方法，其主要采用以上的大面积印刷与激光退火制造装置1进行制造，该方法包括以下步骤：

步骤一，通过机械手将衬底材料3转移至移动载台2，移动载台2将衬底材料3传送至印刷机构6，到达目标区域后停止移动；将印刷机构6的可转动连接臂15带动狭缝式挤压涂布头14下降至设定的高度，并对准衬底材料3的印刷端(即图1中衬底材料3的左端)；

步骤二，打开加热器4，对衬底材料3进行持续预热，并达到预定温度；

步骤三，打开涂布机液压结构13和涂布口，涂布机液压结构13中的有机前驱体溶液以一定速度从狭缝式挤压涂布头14中挤出；同时，位移平台5开始匀速移动，并通过可转动连接臂15带动狭缝式挤压涂布头14移动由衬底材料3的一端向另一端的方向进行移动，使挤出的有机前驱体溶液以一定厚度均匀印刷在衬底材料3上；同时，衬底材料3上的涂布层在短时间内迅速结晶成半导体层17，半导体层17开始沿印刷方向持续生长；

步骤四，随即打开准分子激光发射器8，准分子激光依次经扩束器9扩束、光束整形器10整形并匀束，由转轮振镜11在半导体层17(即结晶区)上进行线扫描，扫描区域的半导体层17材料在瞬时被加热至相变温度，随后在短时间内降温固化再结晶；

步骤五，当印刷机构6印刷至衬底材料3的另一端时，此时溶液印刷完成，关闭涂布口，且位移平台5继续向右移动，直至激光退火机构7通过激光扫描完半导体层17层后停止移动；

步骤六，激光退火完成后，将准分子激光器暂时关闭，将狭缝式挤压涂布头14升起、位移平台5恢复至初始位置；将移动载台2恢复启动，并移动至冷却台，将激光退火完成的半导体层17转移至冷却台；

步骤七，通过机械手将移动载台2恢复至初始位置，接收新的衬底材料3，重复上述步骤一至步骤六中的工艺，进行连续集成制造。

需要说明的是，在步骤四中，转轮振镜11、汇聚透镜12以及印刷机构6三者随位移平台5进行同步运动，并控制转轮振镜11的扫描速率，将涂布印刷与激光扫描退火同步进行。

综上可知，本申请的大面积印刷与激光退火制造装置1及半导体制造方法中，其主要包括印刷机构6和激光退火机构7，印刷机构6与激光退火机构7之间有移动载台2，用于传递待处理的衬底材料3；采用该装置进行半导体的制造，其能够在前驱体溶液印刷生长结晶后的短时间内对薄膜进行同步选区激光退火，从而减少工艺复杂度，还能够有效地提高生产效率。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种大面积印刷与激光退火制造装置，其特征在于，包括：

移动载台；

衬底材料，所述衬底材料设置于所述移动载台的上表面上；

加热器，所述加热器内嵌于所述移动载台的内部，且处于所述衬底材料的正下方，用于对所述衬底材料进行预热；

位移平台，所述位移平台与所述移动载台平行间隔设置，且可相对所述移动载台进行平行移动；

印刷机构，可升降地连接于所述位移平台上，用于将有机前驱体溶液均匀印刷在所述衬底材料的上表面上；

激光退火机构，包括准分子激光发射器、扩束器、光束整形器、转轮振镜以及汇聚透镜；所述准分子激光发射器、所述扩束器以及所述光束整形器同轴设置且依次间隔地设置于所述移动载台和所述位移平台之间，且处于所述位移平台的斜上方；所述转轮振镜、所述汇聚透镜间隔地安装于所述位移平台上，所述转轮振镜处于所述汇聚透镜的正上方，所述汇聚透镜处于所述衬底材料的正上方，且所述位移平台能够带动所述转轮振镜、所述汇聚透镜沿所述衬底材料的宽度方向进行移动；所述扩束器对所述准分子激光发射器发射处的准分子激光脉冲进行扩束且准直，所述光束整形器使所述准分子激光发射器输出的激光形成平顶光束，所述转轮振镜用于接收由所述光束整形器形成的所述平顶光束并制造出个体曝光图案；所述汇聚透镜用于接收由所述转轮振镜传输来的所述平顶光束并对所述平顶光束进行聚焦，用于对所述衬底材料上表面上的半导体层材料上进行线扫描，并控制所述半导体层材料的退火深度；所述印刷机构包括涂布机液压结构、狭缝式挤压涂布头以及可转动连接臂；所述涂布机液压结构安装于所述位移平台上，并连接于所述狭缝式挤压涂布头，所述涂布机液压结构用于调节进入到所述狭缝式挤压涂布头中的有机前驱体溶液的流速；所述可转动连接臂的一端可转动地连接于所述位移平台上，另一端连接于所述狭缝式挤压涂布头，用于驱动所述狭缝式挤压涂布头升降，并调节所述狭缝式挤压涂布头与所述衬底材料之间的倾角。

2.根据权利要求1所述的大面积印刷与激光退火制造装置，其特征在于，所述转轮振镜、所述汇聚透镜均处于所述光束整形器和所述狭缝式挤压涂布头之间。

3.根据权利要求1所述的大面积印刷与激光退火制造装置，其特征在于，所述汇聚透镜包括远心平场镜，所述狭缝式挤压涂布头处于所述衬底材料和所述汇聚透镜所在的平面之间。

4.根据权利要求1所述的大面积印刷与激光退火制造装置，其特征在于，所述加热器与所述移动载台之间填充有隔热层，且所述加热器、所述隔热层以及所述移动载台的三者的上表面均处于同一水平面上。

5.根据权利要求1所述的大面积印刷与激光退火制造装置，其特征在于，所述平顶光束为沿两个轴能量均匀分布的细长光束。

6.一种半导体制造方法，采用权利要求1至5中任一项所述的大面积印刷与激光退火制造装置进行制造，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将所述衬底材料转移至所述移动载台，所述移动载台将所述衬底材料传送至所述印刷机构，到达目标区域后停止移动；将所述印刷机构的可转动连接臂带动狭缝式挤压涂布头下降至设定的高度，并对准所述衬底材料的印刷端；

步骤二，打开所述加热器，对所述衬底材料进行持续预热，并达到预定温度；

步骤三，打开涂布机液压结构和涂布口，所述涂布机液压结构中的有机前驱体溶液从所述狭缝式挤压涂布头中挤出；同时，所述位移平台开始匀速移动，并带动所述狭缝式挤压涂布头移动由所述衬底材料的一端向另一端的方向进行移动，使挤出的有机前驱体溶液均匀印刷在所述衬底材料上；所述衬底材料上的涂布层迅速结晶成半导体层，所述半导体层开始沿印刷方向持续生长；

步骤四，随即打开所述准分子激光发射器，准分子激光依次经所述扩束器扩束、所述光束整形器整形并匀束，由所述转轮振镜在所述半导体层上进行线扫描，扫描区域的半导体层材料在瞬时被加热至相变温度，随后在短时间内降温固化再结晶；

步骤五，当所述印刷机构印刷至所述衬底材料的另一端时，此时溶液印刷完成，关闭所述涂布口，且所述位移平台继续向右移动，直至所述激光退火机构通过激光扫描完所述半导体层后停止移动；

步骤六，激光退火完成后，将所述准分子激光器暂时关闭，将所述狭缝式挤压涂布头升起、所述位移平台恢复至初始位置；将所述移动载台恢复启动，并移动至冷却台，将激光退火完成的所述半导体层转移至冷却台；

步骤七，将所述移动载台恢复至初始位置，接收新的所述衬底材料，重复上述步骤一至步骤六中的工艺，进行连续集成制造。

7.根据权利要求6所述的半导体制造方法，其特征在于，在步骤四中，所述转轮振镜、所述汇聚透镜以及所述印刷机构三者随所述位移平台进行同步运动，并控制转轮振镜的扫描速率，将涂布印刷与激光扫描退火同步进行。