準(zhǔn)分子激光應(yīng)用于智能手機(jī)顯示屏生產(chǎn)

智能手機(jī)的普及推動(dòng)著智能手機(jī)市場(chǎng)的增長(zhǎng)，市場(chǎng)對(duì)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(gè)關(guān)鍵的加工工藝，準(zhǔn)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(zhǔn)分子激光器線光束系統(tǒng)能夠加工智能手機(jī)和OLED電視所需的有源矩陣驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏（AMLCD）和主動(dòng)矩陣有機(jī)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(duì)第八代面板實(shí)現(xiàn)快速退火。

智能手機(jī)市場(chǎng)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(yán)苛的要求，例如更高的分辨率、增強(qiáng)的對(duì)比度、更快的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)還要降低顯示器的功耗。



圖1、晶體隨機(jī)垂直生長(zhǎng)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(jī)和平板電腦上，高性能顯示屏的分辨率可達(dá)300像素/英寸以上——蘋果手機(jī)iPhone 5的Retina顯示屏就是一個(gè)很好的例子；該特性得益于導(dǎo)電背板具有較高的電子遷移率，而導(dǎo)電背板正是源自非晶硅。

準(zhǔn)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(diǎn)，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(jī)市場(chǎng)的增長(zhǎng)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(dǎo)體基礎(chǔ)，而TFT矩陣能夠?qū)Ω髯元?dú)立的像素進(jìn)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(shí)是非晶態(tài)的，顯示出嚴(yán)重的缺陷，因此限制了其應(yīng)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(jiǎn)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(zhǔn)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(shí)，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?yàn)門FT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(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和其他電路，并且減少外部信號(hào)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(shí)間的推移，閾值電壓會(huì)產(chǎn)生漂移，導(dǎo)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(zhǎng)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(jìn)行，308 nm準(zhǔn)分子激光退火已經(jīng)成為當(dāng)下屏制造中制備有效的多晶硅層的首選方法。因此，在準(zhǔn)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(zhǔn)分子激光器提供高達(dá)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(yùn)用諸如1.2kW、308 nm的VYPER激光器與適當(dāng)?shù)牟ㄊ纬上到y(tǒng)，如圖1所示。

加工多晶硅背板的方式：準(zhǔn)分子激光退火

在廣泛應(yīng)用的ELA技術(shù)之中，308 nm準(zhǔn)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(gè)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(yùn)動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)光束掃描運(yùn)動(dòng)（圖1）。掃描基材時(shí)，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(gè)位置進(jìn)行10到20次輻照。



圖3、308 nm高功率準(zhǔn)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(duì)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(shí)形成晶體顆粒。由于308 nm輻照的穿透深度較小，只有幾個(gè)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(yīng)變溫度。從微觀角度看，完全熔融能夠有效促進(jìn)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(jī)生長(zhǎng)的特點(diǎn)。

線光束的線形長(zhǎng)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(zhǎng)度可達(dá)750毫米，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)第八代基材的高效退火。

準(zhǔn)分子激光器的功率和穩(wěn)定性進(jìn)展

由于市場(chǎng)需要更大的面板尺寸，這要求LTPS退火采用更長(zhǎng)、更均勻的線光束。這是推動(dòng)高功率308 nm準(zhǔn)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(yīng)用中的準(zhǔn)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(jí)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(duì)射向硅背板的每個(gè)激光脈沖進(jìn)行嚴(yán)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(jìn)步使308 nm準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)分子退火的工藝窗口可以更好地被匹配。因此準(zhǔn)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(zhǎng)了四倍。

直到最近，人們已經(jīng)采用540 W準(zhǔn)分子激光器以465毫米長(zhǎng)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(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，準(zhǔn)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(zhǔn)分子激光器開創(chuàng)性地為市場(chǎng)加工出響應(yīng)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(chǎng)份額持續(xù)增長(zhǎng)，制造商采用更大型的玻璃，以便充分利用規(guī)模經(jīng)濟(jì)，生產(chǎn)出市場(chǎng)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(yīng)用在第八代大型基材的大規(guī)模生產(chǎn)之中。