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智能手机显示屏生产中的准分子激光系统
Ralph Delmdahl

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智能手机的普及推动着智能手机市场的增长，市场对更高规格产品的要求也在提高，包括显示屏尺寸、分辨率和电池寿命。作为一个关键的加工工艺，准分子激光退火（Excimer Laser Annealing, ELA）将非晶硅（a-Si）转变为多晶硅（p-Si），使电子迁移率提高了数百倍，由此可以提升高端薄膜晶体管或显示屏中的像素密度。准分子激光器线光束系统能够加工智能手机和OLED电视所需的有源矩阵驱动液晶显示屏（AMLCD）和主动矩阵有机发光二极管面板（AMOLED）。在最新的ELA系统中，由精巧的柱面光具传输出均匀的线形光束（尺寸为750 mm×0.4 mm），可对第八代面板实现快速退火。智能手机市场的需求平板显示器（Flat Panel Display, FPD）的制造商不得不面临着日益严苛的要求，例如更高的分辨率、增强的对比度、更快的响应时间，同时还要降低显示器的功耗。这些要求超出了常规显示屏（非晶硅背板）的性能极限。在智能手机和平板电脑上，高性能显示屏的分辨率可达300像素/英寸以上——苹果手机iPhone 5的Retina显示屏就是一个很好的例子；该特性得益于导电背板具有较高的电子迁移率，而导电背板正是源自非晶硅。准分子激光退火技术促使平板显示屏制造业从非晶硅转变到多晶硅背板。由于这一技术具有低温加工的特点，故得名“低温多晶硅”（Low Temperature Polysilicon, LTPS），它同样适用于制造新兴的OLED显示屏以及柔性显示屏。智能手机市场的增长有赖于低温多晶硅在有源矩阵平板显示屏中，硅是薄膜晶体管（TFT）矩阵的半导体基础，而TFT矩阵能够对各自独立的像素进行控制。起初，薄膜沉积是通过传统的沉积技术来处理，例如在透明玻璃基材上采用PECVD法。所得到的硅薄膜其实是非晶态的，显示出严重的缺陷，因此限制了其应用于有源矩阵控制型LCD和OLED显示屏；而多晶硅却能克服这一缺陷，或者简而言之，多晶硅具有百倍高的载流子迁移率。首先，非晶硅的电子迁移率较低，它阻碍了晶体管尺寸变得更小。只有多晶硅的电子迁移率较高时，体积更小的晶体管才能提供足够的充电功率。人们期待TFT更小，是因为TFT能提供更高的像素密度或更高的开口率，使显示屏更亮且电效率更高。其次，采用多晶硅背板，可以直接在显示屏上实现驱动和其他电路，并且减少外部信号连接的数量、减少显示屏的重量和厚度。第三，由于非晶硅的玻璃材质和不明确的结构，在本质上并不稳定；因此随着时间的推移，阈值电压会产生漂移，导致AMLCD特别是AMOLED显示屏的亮度发生改变。因此可见，多晶硅背板是高性能和可靠性的完美结合；为高分辨率AMLCD和不断增长的AMOLED显示屏提供适用的TFT矩阵。由于ELA可以在200℃的低温下进行，308 nm准分子激光退火已经成为当下屏制造中制备有效的多晶硅层的首选方法。因此，在准分子激光加工中，可采用普通的玻璃基板，甚至是柔性显示屏所用的可弯曲聚合物基材。 ELA方式要求准分子激光器提供高达2焦耳的高脉冲能量、几百赫兹的脉冲频率以及极高的能量稳定性，并运用诸如1.2kW、308 nm的VYPER激光器与适当的波束形成系统，如图1所示。加工多晶硅背板的方式：准分子激光退火在广泛应用的ELA技术之中，308 nm准分子激光器发射的矩形光束，不仅光束均匀而且可以整形，以产生线形截面的光束，并使光束能量高度均匀分布于整个光束截面上。线光束直接射向涂覆了非晶硅的背板，然后通过运动台实现光束扫描运动（图1）。扫描基材时，线光束的均匀性大约为1% rms，允许以相同能量密度（约500 mJ / cm 2）在每个位置进行10到20次辐照。（图片）图1、晶体随机垂直生长的原理图（左图）和ELA工艺中的典型晶粒模式（右图）非晶硅能够有效地吸收308纳米激光辐射，吸收系数为6×10 6 cm -1，这使得每一脉冲几乎能完全熔融材料。对激光能量的快速吸收使得非晶硅薄膜可在1400℃左右温度下熔融，然后在冷却时形成晶体颗粒。由于308 nm辐照的穿透深度较小，只有几个纳米，加之短脉冲宽度为50 ns，使得底层玻璃免受热影响，且受热温度低于其应变温度。从微观角度看，完全熔融能够有效促进晶体的形成，这归功于晶体从熔融处和固体硅之间的交界面沿着垂直方向随机生长的特点。线光束的线形长度通常是一块基材面板的宽度或是宽度的一半。采用最新的高能量激光器，其线光束长度可达750毫米，能够实现对第八代基材的高效退火。准分子激光器的功率和稳定性进展由于市场需要更大的面板尺寸，这要求LTPS退火采用更长、更均匀的线光束。这是推动高功率308 nm准分子激光源持续发展的主要因素。目前，层局部退火和其他高精度应用中的准分子激光器和紫外光束管理方案，可提供从数十瓦至千瓦级的平均功率范围，如图2所示。（图片）图2、相干公司准分子激光系统及光束管理方案在低温多晶硅退火工艺中，需要对射向硅背板的每个激光脉冲进行严格的控制，而脉冲能量稳定性则是极其重要的激光参数。过去十年内，这一领域的进步使308 nm准分子激光器的可用功率和稳定性得到大幅提升，可以大批量加工大尺寸的面板，特别是基于LTPS背板的AMOLED，如图3所示。（图片）图3、308 nm高功率准分子激光器在气体使用寿命期内的稳定性在过去十年，激光能量稳定性在脉冲标准偏差（rms）和峰-峰能量包络方面已有显著改善。由于稳定性的提升，准分子退火的工艺窗口可以更好地被匹配。因此准分子激光退火99%以上的产率是用在AMLCD和AMOLED TFT背板的大批量LTPS制造中。再结合更高的激光功率和更大的面板，使得LTPS平板制造业的产值增长了四倍。直到最近，人们已经采用540 W准分子激光器以465毫米长度的线光束加工第四代面板，生产出大量基于高性能LTPS的AMLCD和AMOLED显示屏。2011年初推出的新型VYPER / LB750系统现已广泛应用于生产现场，准分子激光退火已从第四代面板加工成功过渡到第八代面板。结论 308 nm准分子激光器开创性地为市场加工出响应速度更快、更明亮、更薄的AMLCD和AMOLED平板设备。随着基于LTPS显示屏和AMOLED显示屏的市场份额持续增长，制造商采用更大型的玻璃，以便充分利用规模经济，生产出市场所需的OLED电视面板。另一方面，ELA系统的生产效率得到极大提升，最新的750毫米线光束激光退火系统已经应用在第八代大型基材的大规模生产之中。 3/11/2013


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