【摘要】：準分子激光退火設備是高端有源矩陣液晶顯示器和有源矩陣有機發(fā)光二極管顯示器的工業(yè)生產中的核心設備之一,利用該設備可以對大尺寸基板上的非晶硅薄膜進行高效、高質量地晶化,從而大幅提高顯示器的性能,然而,該設備牽涉到準分子激光器、光束整形等領域的前沿技術,研發(fā)難度大。目前,僅美國的相干公司等少數機構有能力提供高性能的商品化準分子激光退火設備,而國內該設備完全依賴于進口。準分子激光退火設備建立于大能量、高重頻激光技術及均勻照明等眾多關鍵技術之上,對這些技術展開攻關,使該設備國產化,對我國顯示產業(yè)的發(fā)展具有重要意義。論文以基于薄膜晶體管像素開關的液晶顯示技術及有機發(fā)光二極管顯示技術為出發(fā)點,首先概述了激光退火工藝,然后重點介紹了準分子激光退火設備涉及到的大體積均勻放電、高壓快脈沖激勵、光斑勻化、微縮投影、線形光斑監(jiān)測等單元技術;對上述若干單元技術開展研究,并集成線形光束掃描退火設備原理性樣機;最后采用樣機輸出的線形光斑對大面積非晶硅薄膜進行退火,以驗證樣機的技術路線和設計方法的正確性,并研究過程參數對薄膜晶化質量的影響。設計并組裝了一套高壓快脈沖激勵系統,激勵回路采用了基于氫閘流管的反轉倍壓結構和基于磁脈沖壓縮開關的能量轉移結構,最終獲得了峰值電壓為42 kV,上升沿為100 ns的激勵脈沖。采用張氏理論設計并加工了一套用于大體積均勻放電的電極,結合基于火花放電的預電離結構,對XeCl工作氣體進行抽運,其中激活區(qū)長度為510 mm,電極間距為30 mm,電場不均勻度為27.8%。對于作氣體組分對脈沖能量的影響進行了實驗研究,當采用Ne氣作為緩沖氣體,HC1和Xe的含量分別為0.11%和2.86%,且總氣壓為2800 mbar時,可以獲得440 mJ的308 nm激光單脈沖能量;輸出的激光近場光斑呈矩形,長軸寬度約為30 mm,短軸寬度約為13 mm。分別采用幾何光學與波動光學的理論對透鏡陣列的激光光斑勻化作用進行了分析。提出了一種線形光束整形系統的設計方法,首先依據工況需求對短軸投影鏡頭進行設計;然后采用勻化尺寸、遠心照明、照明孔徑角、一對一原則對短軸、長軸均束系統進行約束,以期獲得合理的系統參數;最后根據均束系統的要求,求解擴束或縮束系統的參數。采用上述方法分別設計了遠心和非遠心照明的兩套線形光束整形系統,對比分析了系統結構,分析結果表明,遠心系統的大部分器件具有與線形光斑相仿的長度,且系統總長度大,器件加工與系統裝調難度高。結合光學設計和仿真軟件,討論了陣列單元中心偏差、工作面的偏移等關鍵參數對線形光斑質量的影響,結果表明,在±0.3 mm范圍內,兩套系統中的工作面偏離對線形光斑分布影響不明顯,遠心系統的長軸勻化光斑對工作面位置的大幅度變化不敏感�；谕哥R陣列,加工并組裝了一套非遠心均勻照明系統;采用縮放法設計并集成了一套三片式折射型大孔徑、小視場投影鏡頭,以20:3的縮小倍率將視場光闌處的短軸勻化光斑投影于工件表面;此外,采用光斑轉換模塊使原始光束的截面橫縱倒置,采用激光擴束模塊對原始光束的短軸進行準直,其擴束倍率亦可限定光束尺寸,以配合均束系統的孔徑。某次對樣機的測試結果表明,線形光束整形系統的能量傳遞效率約為33%,工件表面的線形光斑尺寸為100 mm×0.3 mm,部分長軸光斑的均勻度可達到93.95%,平均能量密度可達到520 mJ·cm 2。采用線形光斑對大尺寸非晶硅薄膜進行退火處理,研究了線形光斑的能量密度、輻照脈沖數量對薄膜晶化程度的影響,討論了制備的大尺寸多晶硅薄膜的晶化體積分數及均勻性。實驗結果表明,薄膜晶化的閾值為194mj·cm-2;薄膜的晶化體積分數隨能量密度先線性增大,再緩慢減小,線性增長因子約為0.3,當能量密度為432 mJ·cm-2時,晶化程度最優(yōu);當輻照脈沖數超過20次時,薄膜的晶化體積分數維持穩(wěn)定;當光斑搭接率為93.7%時,制備的大尺寸多晶硅薄膜右側區(qū)域的晶化體積分數為92.26%,相對標準差為1.56%。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN873
【圖文】：

第１章緒論逡逑圖１．１陰極射線管顯示原理示意圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｃａｔｈｏｄｅ邋ｒａｙ邋ｔｕｂｅ邋ｄｉｓｐｌａｙ逡逑有源矩陣液晶顯示技術是當前的主流顯示技術［１Ｇ＿Ｉ２］，與陰極射線管顯示器相逡逑比，有源矩陣液晶顯示器的外形較薄，類似于一個平板，故更容易被集成到大型逡逑設備中，重量較小，功耗低，由于背光持續(xù)發(fā)光，故畫面無閃爍；因為每個像素逡逑都采用薄膜晶體管作為開關器件進行控制，所以與無源液晶顯示器相比，它不存逡逑在尋址過程中的交叉干擾問題，具有響應速度快、對比度高、色彩豐富等優(yōu)點。逡逑有源矩陣液晶顯示器像素的基本結構如圖１．２所示，背光源入射到第一個偏振片逡逑上，出射光為線偏振光；經過液晶后，線偏振光入射到第二個偏振片上，因為兩逡逑個偏振片的偏振方向相互垂直

圖１．５典型的頂柵型多晶硅薄膜晶體管結構示意圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｔｙｐｉｃａｌ邋ｔｏｐ邋ｇａｔｅ邋ｐｏｌｙ－ｓｉｌｉｃｏｎ邋ｔｈｉｎ邋ｆｉｌｍ邋ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ逡逑典型的頂柵型多晶硅薄膜晶體管結構如圖１．５所示［２３］，首先采用濺射或化學逡逑氣相沉積的方法在基板上制備２００？４００邋ｎｍ厚的二氧化硅和氮化硅作為緩沖層；逡逑．邐然后在緩沖層上制備多晶硅薄膜，并將多晶硅薄膜刻蝕成指定圖案作為有源層；逡逑再采用化學氣相沉積的方法制備厚度為２００邋ｎｍ左右的柵絕緣層，最后采用沉積逡逑５逡逑

硅薄膜晶體管的電子遷移率可達１００？４００邋ｃｍ２＊Ｖ４＿ｓ＇較非晶硅的低于１逡逑ｃｎ＾Ｖ＇ｓ—１有數百倍的提高［２８］，這為激光退火制備多晶硅薄膜晶體管技術的發(fā)展逡逑奠定了基礎。圖１．６所示為典型的激光退火工藝制備的多晶硅薄膜的表面形貌逡逑［２９＃］，圖中線條圍成的區(qū)域即為多晶硅的晶粒。逡逑■Ｍ逡逑圖１．６典型的激光退火制備的多晶硅薄膜的表面形貌逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．６邋Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ邋ｏｆ邋ｐｏｌｙ－ｓｉｌｉｃｏｎ邋ｆｉｌｍｓ邋ｐｒｅｐａｒｅｄ邋ｂｙ邋ｔｙｐｉｃａｌ邋ｌａｓｅｒ邋ａｎｎｅａｌｉｎｇ邋ｐｒｏｃｅｓｓ逡逑當采用激光退火工藝制備多晶硅薄膜時，輻射到非晶硅膜表面的激光能量大逡逑體可分為三種情況［３１］：邋１）耦合進非晶硅薄膜的激光能量使薄膜完全熔化，停止逡逑激光輻照后，薄膜冷卻時會出現自發(fā)成核現象，晶核數量較多，晶粒分布較均勻，逡逑６逡逑

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本文編號：2780599