發(fā)布時(shí)間：2020-08-04 13:19

【摘要】：準(zhǔn)分子激光退火設(shè)備是高端有源矩陣液晶顯示器和有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管顯示器的工業(yè)生產(chǎn)中的核心設(shè)備之一,利用該設(shè)備可以對(duì)大尺寸基板上的非晶硅薄膜進(jìn)行高效、高質(zhì)量地晶化,從而大幅提高顯示器的性能,然而,該設(shè)備牽涉到準(zhǔn)分子激光器、光束整形等領(lǐng)域的前沿技術(shù),研發(fā)難度大。目前,僅美國(guó)的相干公司等少數(shù)機(jī)構(gòu)有能力提供高性能的商品化準(zhǔn)分子激光退火設(shè)備,而國(guó)內(nèi)該設(shè)備完全依賴于進(jìn)口。準(zhǔn)分子激光退火設(shè)備建立于大能量、高重頻激光技術(shù)及均勻照明等眾多關(guān)鍵技術(shù)之上,對(duì)這些技術(shù)展開攻關(guān),使該設(shè)備國(guó)產(chǎn)化,對(duì)我國(guó)顯示產(chǎn)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(guān)的液晶顯示技術(shù)及有機(jī)發(fā)光二極管顯示技術(shù)為出發(fā)點(diǎn),首先概述了激光退火工藝,然后重點(diǎn)介紹了準(zhǔn)分子激光退火設(shè)備涉及到的大體積均勻放電、高壓快脈沖激勵(lì)、光斑勻化、微縮投影、線形光斑監(jiān)測(cè)等單元技術(shù);對(duì)上述若干單元技術(shù)開展研究,并集成線形光束掃描退火設(shè)備原理性樣機(jī);最后采用樣機(jī)輸出的線形光斑對(duì)大面積非晶硅薄膜進(jìn)行退火,以驗(yàn)證樣機(jī)的技術(shù)路線和設(shè)計(jì)方法的正確性,并研究過程參數(shù)對(duì)薄膜晶化質(zhì)量的影響。設(shè)計(jì)并組裝了一套高壓快脈沖激勵(lì)系統(tǒng),激勵(lì)回路采用了基于氫閘流管的反轉(zhuǎn)倍壓結(jié)構(gòu)和基于磁脈沖壓縮開關(guān)的能量轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu),最終獲得了峰值電壓為42 kV,上升沿為100 ns的激勵(lì)脈沖。采用張氏理論設(shè)計(jì)并加工了一套用于大體積均勻放電的電極,結(jié)合基于火花放電的預(yù)電離結(jié)構(gòu),對(duì)XeCl工作氣體進(jìn)行抽運(yùn),其中激活區(qū)長(zhǎng)度為510 mm,電極間距為30 mm,電場(chǎng)不均勻度為27.8%。對(duì)于作氣體組分對(duì)脈沖能量的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,當(dāng)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(shí),可以獲得440 mJ的308 nm激光單脈沖能量;輸出的激光近場(chǎng)光斑呈矩形,長(zhǎng)軸寬度約為30 mm,短軸寬度約為13 mm。分別采用幾何光學(xué)與波動(dòng)光學(xué)的理論對(duì)透鏡陣列的激光光斑勻化作用進(jìn)行了分析。提出了一種線形光束整形系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,首先依據(jù)工況需求對(duì)短軸投影鏡頭進(jìn)行設(shè)計(jì);然后采用勻化尺寸、遠(yuǎn)心照明、照明孔徑角、一對(duì)一原則對(duì)短軸、長(zhǎng)軸均束系統(tǒng)進(jìn)行約束,以期獲得合理的系統(tǒng)參數(shù);最后根據(jù)均束系統(tǒng)的要求,求解擴(kuò)束或縮束系統(tǒng)的參數(shù)。采用上述方法分別設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)心和非遠(yuǎn)心照明的兩套線形光束整形系統(tǒng),對(duì)比分析了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),分析結(jié)果表明,遠(yuǎn)心系統(tǒng)的大部分器件具有與線形光斑相仿的長(zhǎng)度,且系統(tǒng)總長(zhǎng)度大,器件加工與系統(tǒng)裝調(diào)難度高。結(jié)合光學(xué)設(shè)計(jì)和仿真軟件,討論了陣列單元中心偏差、工作面的偏移等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)線形光斑質(zhì)量的影響,結(jié)果表明,在±0.3 mm范圍內(nèi),兩套系統(tǒng)中的工作面偏離對(duì)線形光斑分布影響不明顯,遠(yuǎn)心系統(tǒng)的長(zhǎng)軸勻化光斑對(duì)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(yuǎn)心均勻照明系統(tǒng);采用縮放法設(shè)計(jì)并集成了一套三片式折射型大孔徑、小視場(chǎng)投影鏡頭,以20:3的縮小倍率將視場(chǎng)光闌處的短軸勻化光斑投影于工件表面;此外,采用光斑轉(zhuǎn)換模塊使原始光束的截面橫縱倒置,采用激光擴(kuò)束模塊對(duì)原始光束的短軸進(jìn)行準(zhǔn)直,其擴(kuò)束倍率亦可限定光束尺寸,以配合均束系統(tǒng)的孔徑。某次對(duì)樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果表明,線形光束整形系統(tǒng)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(zhǎng)軸光斑的均勻度可達(dá)到93.95%,平均能量密度可達(dá)到520 mJ·cm 2。采用線形光斑對(duì)大尺寸非晶硅薄膜進(jìn)行退火處理,研究了線形光斑的能量密度、輻照脈沖數(shù)量對(duì)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?jǐn)?shù)及均勻性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,薄膜晶化的閾值為194mj·cm-2;薄膜的晶化體積分?jǐn)?shù)隨能量密度先線性增大,再緩慢減小,線性增長(zhǎng)因子約為0.3,當(dāng)能量密度為432 mJ·cm-2時(shí),晶化程度最優(yōu);當(dāng)輻照脈沖數(shù)超過20次時(shí),薄膜的晶化體積分?jǐn)?shù)維持穩(wěn)定;當(dāng)光斑搭接率為93.7%時(shí),制備的大尺寸多晶硅薄膜右側(cè)區(qū)域的晶化體積分?jǐn)?shù)為92.26%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為1.56%。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：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(shù)是當(dāng)前的主流顯示技術(shù)［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(gè)平板，故更容易被集成到大型逡逑設(shè)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?yàn)槊總�(gè)像素逡逑都采用薄膜晶體管作為開關(guān)器件進(jìn)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(yīng)速度快、對(duì)比度高、色彩豐富等優(yōu)點(diǎn)。逡逑有源矩陣液晶顯示器像素的基本結(jié)構(gòu)如圖１．２所示，背光源入射到第一個(gè)偏振片逡逑上，出射光為線偏振光；經(jīng)過液晶后，線偏振光入射到第二個(gè)偏振片上，因?yàn)閮慑义蟼�(gè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖１．５所示［２３］，首先采用濺射或化學(xué)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(xué)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(dá)１００？４００邋ｃｍ２＊Ｖ４＿ｓ＇較非晶硅的低于１逡逑ｃｎ＾Ｖ＇ｓ—１有數(shù)百倍的提高［２８］，這為激光退火制備多晶硅薄膜晶體管技術(shù)的發(fā)展逡逑奠定了基礎(chǔ)。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(dāng)采用激光退火工藝制備多晶硅薄膜時(shí)，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(jìn)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(shí)會(huì)出現(xiàn)自發(fā)成核現(xiàn)象，晶核數(shù)量較多，晶粒分布較均勻，逡逑６逡逑

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本文編號(hào)：2780599