[導讀]智能手機的普及推動著智能手機市場的增長，市場對更高規(guī)格產(chǎn)品的要求也在提高，包括顯示屏尺寸、分辨率和電池壽命。
作為一個關(guān)鍵的加工工藝，準分子激光退火（Excimer Laser Annealing， ELA）將非晶硅（a-Si）轉(zhuǎn)
智能手機的普及推動著智能手機市場的增長，市場對更高規(guī)格產(chǎn)品的要求也在提高，包括顯示屏尺寸、分辨率和電池壽命。
作為一個關(guān)鍵的加工工藝，準分子激光退火（Excimer Laser Annealing， ELA）將非晶硅（a-Si）轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч瑁╬-Si），使電子遷移率提高了數(shù)百倍，由此可以提升高端薄膜晶體管或顯示屏中的像素密度。準分子激光器線光束系統(tǒng)能夠加工智能手機和OLED電視所需的有源矩陣驅(qū)動液晶顯示屏（AMLCD）和主動矩陣有機發(fā)光二極管面板（AMOLED）。在最新的ELA系統(tǒng)中，由精巧的柱面光具傳輸出均勻的線形光束（尺寸為750 mm×0.4 mm），可對第八代面板實現(xiàn)快速退火。
智能手機市場的需求
平板顯示器（Flat Panel Display， FPD）的制造商不得不面臨著日益嚴苛的要求，例如更高的分辨率、增強的對比度、更快的響應時間，同時還要降低顯示器的功耗。
圖1、晶體隨機垂直生長的原理圖（左圖）和ELA工藝中的典型晶粒模式（右圖）
這些要求超出了常規(guī)顯示屏（非晶硅背板）的性能極限。在智能手機和平板電腦上，高性能顯示屏的分辨率可達300像素/英寸以上——蘋果手機iPhone 5的Retina顯示屏就是一個很好的例子；該特性得益于導電背板具有較高的電子遷移率，而導電背板正是源自非晶硅。
準分子激光退火技術(shù)促使平板顯示屏制造業(yè)從非晶硅轉(zhuǎn)變到多晶硅背板。由于這一技術(shù)具有低溫加工的特點，故得名“低溫多晶硅”（Low Temperature Polysilicon， LTPS），它同樣適用于制造新興的OLED顯示屏以及柔性顯示屏。
智能手機市場的增長有賴于低溫多晶硅
在有源矩陣平板顯示屏中，硅是薄膜晶體管（TFT）矩陣的半導體基礎(chǔ)，而TFT矩陣能夠?qū)Ω髯元毩⒌南袼剡M行控制。起初，薄膜沉積是通過傳統(tǒng)的沉積技術(shù)來處理，例如在透明玻璃基材上采用PECVD法。所得到的硅薄膜其實是非晶態(tài)的，顯示出嚴重的缺陷，因此限制了其應用于有源矩陣控制型LCD和OLED顯示屏；而多晶硅卻能克服這一缺陷，或者簡而言之，多晶硅具有百倍高的載流子遷移率。
圖2、相干公司準分子激光系統(tǒng)及光束管理方案。
首先，非晶硅的電子遷移率較低，它阻礙了晶體管尺寸變得更小。只有多晶硅的電子遷移率較高時，體積更小的晶體管才能提供足夠的充電功率。人們期待TFT更小，是因為TFT能提供更高的像素密度或更高的開口率，使顯示屏更亮且電效率更高。其次，采用多晶硅背板，可以直接在顯示屏上實現(xiàn)驅(qū)動和其他電路，并且減少外部信號連接的數(shù)量、減少顯示屏的重量和厚度。第三，由于非晶硅的玻璃材質(zhì)和不明確的結(jié)構(gòu)，在本質(zhì)上并不穩(wěn)定；因此隨著時間的推移，閾值電壓會產(chǎn)生漂移，導致AMLCD特別是AMOLED顯示屏的亮度發(fā)生改變。
因此可見，多晶硅背板是高性能和可靠性的完美結(jié)合；為高分辨率AMLCD和不斷增長的AMOLED顯示屏提供適用的TFT矩陣。
由于ELA可以在200℃的低溫下進行，308 nm準分子激光退火已經(jīng)成為當下屏制造中制備有效的多晶硅層的首選方法。因此，在準分子激光加工中，可采用普通的玻璃基板，甚至是柔性顯示屏所用的可彎曲聚合物基材。
ELA方式要求準分子激光器提供高達2焦耳的高脈沖能量、幾百赫茲的脈沖頻率以及極高的能量穩(wěn)定性，并運用諸如1.2kW、308 nm的VYPER激光器與適當?shù)牟ㄊ纬上到y(tǒng)，如圖1所示。
加工多晶硅背板的方式：準分子激光退火
在廣泛應用的ELA技術(shù)之中，308 nm準分子激光器發(fā)射的矩形光束，不僅光束均勻而且可以整形，以產(chǎn)生線形截面的光束，并使光束能量高度均勻分布于整個光束截面上。線光束直接射向涂覆了非晶硅的背板，然后通過運動臺實現(xiàn)光束掃描運動（圖1）。掃描基材時，線光束的均勻性大約為1% rms，允許以相同能量密度（約500 mJ / cm 2）在每個位置進行10到20次輻照。
圖3、308 nm高功率準分子激光器在氣體使用壽命期內(nèi)的穩(wěn)定性。
非晶硅能夠有效地吸收308納米激光輻射，吸收系數(shù)為6×10 6 cm -1，這使得每一脈沖幾乎能完全熔融材料。對激光能量的快速吸收使得非晶硅薄膜可在1400℃左右溫度下熔融，然后在冷卻時形成晶體顆粒。由于308 nm輻照的穿透深度較小，只有幾個納米，加之短脈沖寬度為50 ns，使得底層玻璃免受熱影響，且受熱溫度低于其應變溫度。從微觀角度看，完全熔融能夠有效促進晶體的形成，這歸功于晶體從熔融處和固體硅之間的交界面沿著垂直方向隨機生長的特點。
線光束的線形長度通常是一塊基材面板的寬度或是寬度的一半。采用最新的高能量激光器，其線光束長度可達750毫米，能夠?qū)崿F(xiàn)對第八代基材的高效退火。
準分子激光器的功率和穩(wěn)定性進展
由于市場需要更大的面板尺寸，這要求LTPS退火采用更長、更均勻的線光束。這是推動高功率308 nm準分子激光源持續(xù)發(fā)展的主要因素。目前，層局部退火和其他高精度應用中的準分子激光器和紫外光束管理方案，可提供從數(shù)十瓦至千瓦級的平均功率范圍，如圖2所示。
在低溫多晶硅退火工藝中，需要對射向硅背板的每個激光脈沖進行嚴格的控制，而脈沖能量穩(wěn)定性則是極其重要的激光參數(shù)。過去十年內(nèi)，這一領(lǐng)域的進步使308 nm準分子激光器的可用功率和穩(wěn)定性得到大幅提升，可以大批量加工大尺寸的面板，特別是基于LTPS背板的AMOLED，如圖3所示。
在過去十年，激光能量穩(wěn)定性在脈沖標準偏差（rms）和峰-峰能量包絡(luò)方面已有顯著改善。由于穩(wěn)定性的提升，準分子退火的工藝窗口可以更好地被匹配。因此準分子激光退火99%以上的產(chǎn)率是用在AMLCD和AMOLED TFT背板的大批量LTPS制造中。再結(jié)合更高的激光功率和更大的面板，使得LTPS平板制造業(yè)的產(chǎn)值增長了四倍。
直到最近，人們已經(jīng)采用540 W準分子激光器以465毫米長度的線光束加工第四代面板，生產(chǎn)出大量基于高性能LTPS的AMLCD和AMOLED顯示屏。2011年初推出的新型VYPER / LB750系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，準分子激光退火已從第四代面板加工成功過渡到第八代面板。[!--empirenews.page--]
結(jié)論
308 nm準分子激光器開創(chuàng)性地為市場加工出響應速度更快、更明亮、更薄的AMLCD和AMOLED平板設(shè)備。隨著基于LTPS顯示屏和AMOLED顯示屏的市場份額持續(xù)增長，制造商采用更大型的玻璃，以便充分利用規(guī)模經(jīng)濟，生產(chǎn)出市場所需的OLED電視面板。另一方面，ELA系統(tǒng)的生產(chǎn)效率得到極大提升，最新的750毫米線光束激光退火系統(tǒng)已經(jīng)應用在第八代大型基材的大規(guī)模生產(chǎn)之中。
作為一個關(guān)鍵的加工工藝，準分子激光退火（Excimer Laser Annealing， ELA）將非晶硅（a-Si）轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч瑁╬-Si），使電子遷移率提高了數(shù)百倍，由此可以提升高端薄膜晶體管或顯示屏中的像素密度。準分子激光器線光束系統(tǒng)能夠加工智能手機和OLED電視所需的有源矩陣驅(qū)動液晶顯示屏（AMLCD）和主動矩陣有機發(fā)光二極管面板（AMOLED）。在最新的ELA系統(tǒng)中，由精巧的柱面光具傳輸出均勻的線形光束（尺寸為750 mm×0.4 mm），可對第八代面板實現(xiàn)快速退火。
智能手機市場的需求
平板顯示器（Flat Panel Display， FPD）的制造商不得不面臨著日益嚴苛的要求，例如更高的分辨率、增強的對比度、更快的響應時間，同時還要降低顯示器的功耗。
圖1、晶體隨機垂直生長的原理圖（左圖）和ELA工藝中的典型晶粒模式（右圖）
這些要求超出了常規(guī)顯示屏（非晶硅背板）的性能極限。在智能手機和平板電腦上，高性能顯示屏的分辨率可達300像素/英寸以上——蘋果手機iPhone 5的Retina顯示屏就是一個很好的例子；該特性得益于導電背板具有較高的電子遷移率，而導電背板正是源自非晶硅。
準分子激光退火技術(shù)促使平板顯示屏制造業(yè)從非晶硅轉(zhuǎn)變到多晶硅背板。由于這一技術(shù)具有低溫加工的特點，故得名“低溫多晶硅”（Low Temperature Polysilicon， LTPS），它同樣適用于制造新興的OLED顯示屏以及柔性顯示屏。
智能手機市場的增長有賴于低溫多晶硅
在有源矩陣平板顯示屏中，硅是薄膜晶體管（TFT）矩陣的半導體基礎(chǔ)，而TFT矩陣能夠?qū)Ω髯元毩⒌南袼剡M行控制。起初，薄膜沉積是通過傳統(tǒng)的沉積技術(shù)來處理，例如在透明玻璃基材上采用PECVD法。所得到的硅薄膜其實是非晶態(tài)的，顯示出嚴重的缺陷，因此限制了其應用于有源矩陣控制型LCD和OLED顯示屏；而多晶硅卻能克服這一缺陷，或者簡而言之，多晶硅具有百倍高的載流子遷移率。
圖2、相干公司準分子激光系統(tǒng)及光束管理方案。
首先，非晶硅的電子遷移率較低，它阻礙了晶體管尺寸變得更小。只有多晶硅的電子遷移率較高時，體積更小的晶體管才能提供足夠的充電功率。人們期待TFT更小，是因為TFT能提供更高的像素密度或更高的開口率，使顯示屏更亮且電效率更高。其次，采用多晶硅背板，可以直接在顯示屏上實現(xiàn)驅(qū)動和其他電路，并且減少外部信號連接的數(shù)量、減少顯示屏的重量和厚度。第三，由于非晶硅的玻璃材質(zhì)和不明確的結(jié)構(gòu)，在本質(zhì)上并不穩(wěn)定；因此隨著時間的推移，閾值電壓會產(chǎn)生漂移，導致AMLCD特別是AMOLED顯示屏的亮度發(fā)生改變。
因此可見，多晶硅背板是高性能和可靠性的完美結(jié)合；為高分辨率AMLCD和不斷增長的AMOLED顯示屏提供適用的TFT矩陣。
由于ELA可以在200℃的低溫下進行，308 nm準分子激光退火已經(jīng)成為當下屏制造中制備有效的多晶硅層的首選方法。因此，在準分子激光加工中，可采用普通的玻璃基板，甚至是柔性顯示屏所用的可彎曲聚合物基材。
ELA方式要求準分子激光器提供高達2焦耳的高脈沖能量、幾百赫茲的脈沖頻率以及極高的能量穩(wěn)定性，并運用諸如1.2kW、308 nm的VYPER激光器與適當?shù)牟ㄊ纬上到y(tǒng)，如圖1所示。
加工多晶硅背板的方式：準分子激光退火
在廣泛應用的ELA技術(shù)之中，308 nm準分子激光器發(fā)射的矩形光束，不僅光束均勻而且可以整形，以產(chǎn)生線形截面的光束，并使光束能量高度均勻分布于整個光束截面上。線光束直接射向涂覆了非晶硅的背板，然后通過運動臺實現(xiàn)光束掃描運動（圖1）。掃描基材時，線光束的均勻性大約為1% rms，允許以相同能量密度（約500 mJ / cm 2）在每個位置進行10到20次輻照。
圖3、308 nm高功率準分子激光器在氣體使用壽命期內(nèi)的穩(wěn)定性。
非晶硅能夠有效地吸收308納米激光輻射，吸收系數(shù)為6×10 6 cm -1，這使得每一脈沖幾乎能完全熔融材料。對激光能量的快速吸收使得非晶硅薄膜可在1400℃左右溫度下熔融，然后在冷卻時形成晶體顆粒。由于308 nm輻照的穿透深度較小，只有幾個納米，加之短脈沖寬度為50 ns，使得底層玻璃免受熱影響，且受熱溫度低于其應變溫度。從微觀角度看，完全熔融能夠有效促進晶體的形成，這歸功于晶體從熔融處和固體硅之間的交界面沿著垂直方向隨機生長的特點。
線光束的線形長度通常是一塊基材面板的寬度或是寬度的一半。采用最新的高能量激光器，其線光束長度可達750毫米，能夠?qū)崿F(xiàn)對第八代基材的高效退火。
準分子激光器的功率和穩(wěn)定性進展
由于市場需要更大的面板尺寸，這要求LTPS退火采用更長、更均勻的線光束。這是推動高功率308 nm準分子激光源持續(xù)發(fā)展的主要因素。目前，層局部退火和其他高精度應用中的準分子激光器和紫外光束管理方案，可提供從數(shù)十瓦至千瓦級的平均功率范圍，如圖2所示。
在低溫多晶硅退火工藝中，需要對射向硅背板的每個激光脈沖進行嚴格的控制，而脈沖能量穩(wěn)定性則是極其重要的激光參數(shù)。過去十年內(nèi)，這一領(lǐng)域的進步使308 nm準分子激光器的可用功率和穩(wěn)定性得到大幅提升，可以大批量加工大尺寸的面板，特別是基于LTPS背板的AMOLED，如圖3所示。
在過去十年，激光能量穩(wěn)定性在脈沖標準偏差（rms）和峰-峰能量包絡(luò)方面已有顯著改善。由于穩(wěn)定性的提升，準分子退火的工藝窗口可以更好地被匹配。因此準分子激光退火99%以上的產(chǎn)率是用在AMLCD和AMOLED TFT背板的大批量LTPS制造中。再結(jié)合更高的激光功率和更大的面板，使得LTPS平板制造業(yè)的產(chǎn)值增長了四倍。
直到最近，人們已經(jīng)采用540 W準分子激光器以465毫米長度的線光束加工第四代面板，生產(chǎn)出大量基于高性能LTPS的AMLCD和AMOLED顯示屏。2011年初推出的新型VYPER / LB750系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，準分子激光退火已從第四代面板加工成功過渡到第八代面板。[!--empirenews.page--]
結(jié)論
308 nm準分子激光器開創(chuàng)性地為市場加工出響應速度更快、更明亮、更薄的AMLCD和AMOLED平板設(shè)備。隨著基于LTPS顯示屏和AMOLED顯示屏的市場份額持續(xù)增長，制造商采用更大型的玻璃，以便充分利用規(guī)模經(jīng)濟，生產(chǎn)出市場所需的OLED電視面板。另一方面，ELA系統(tǒng)的生產(chǎn)效率得到極大提升，最新的750毫米線光束激光退火系統(tǒng)已經(jīng)應用在第八代大型基材的大規(guī)模生產(chǎn)之中。
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