（微电子学与固体电子学专业论文）ylf激光晶化多晶硅薄膜的研究.pdf

摘要 摘要 激光晶化制备多晶硅薄膜的技术具有晶化温度低、工艺简单，薄膜性能优 良等优点，是目前产业界主要采用的多晶硅薄膜的制备技术。但目前此项技术 主要被国外垄断，且成本很高，国内尚处于起步阶段。因此开展激光晶化技术 的研究，特别是用半导体泵浦y l f 的绿色激光器去进行激光晶化的研究，更具 有非常重要的实用价值。本论文工作以此为契机，将低成本、高效率的线形固 体激光晶化技术作为主要研究内容，并探索了新型的激光晶化技术。其主要成 果概括如下： 首先，根据项目前期的选型和装配设计，对激光晶化实验系统进行了搭建、 装配和调试。进而根据详细的系统验收方案对系统各部分的技术参数进行了验 收，验收结果基本达到设计要求，并提出系统待完善的工作。 其次，通过建立数学模型对激光晶化非晶硅薄膜的温度场进行数值模拟运 算，发现入射激光的参数是影响晶化后薄膜质量的重要因素。其入射激光参数 包括激光的能量密度和入射激光的脉冲宽度等因素：提高入射激光能量密度有 提高薄膜固化时间的效果；选择合适的扫描速度可以降低晶化阈值能量延长薄 膜固化时间的效果；增加入射激光的脉冲宽度有延长薄膜固化时间和提高薄膜 熔化深度的效果。通过对激光参数进行分析，得出在激光晶化系统的设计中， 采用1 5 0 n s 的激光脉冲宽度较为合适，并且应保证激光能量密度在4 0 0 m j c m 2 左右，激光扫描速度在6 m m s 左右。 然后，通过实验手段研究了激光参数对样品晶化效果的实际影响。实验发 现：在本设备条件下，晶化薄膜材料性质，如晶化率，随扫描速度增加近似线 性下降，薄膜霍尔迁移率随扫描速度增加先上升再下降；本激光晶化实验系统 的优化工艺条件为：能量密度为4 6 8 m j c m 2 ，扫描速度为6 m m s 。还研究了激 光光束空间能量分布的不均匀性对晶化效果的影响，并提出了重叠扫描的方法， 以此来改善样品的均匀性。实验结果显示，重叠扫描晶化法还对样品晶化率和 霍尔迁移率亦有改善作用。 最后进行了新型激光晶化技术的探索。提出了镍盐层的硅镍化合物辅助激 光晶化法。实验发现：镍盐层辅助激光的晶化薄膜晶化率与通常的激光晶化的 摘要 薄膜晶化率相比有着一定程度的提高；优化工艺条件下的能量范围得到拓展， 亦即扩展了工艺窗口。初步分析了镍盐层辅助激光晶化机制。通过观察薄膜不 同照射区域的表面形貌，发现采用该方法对晶粒均匀性有一定提高。进一步研 究了不同镍盐浓度对薄膜晶化效果的影响，初步判断该方法镍盐溶液浓度的合 适范围及最优值。通过x p s 测试检测晶化薄膜表面镍含量，与常规金属诱导晶 化( m i c ) 结果相比，没有检测到残余镍的存在，说明n i 含量应在所可能检测 的灵敏度以下，显示采用镍盐层辅助激光晶化法是可行的。该方法尚处于初探 阶段，进一步的工作还有待于继续开展。 关键字：多晶硅薄膜、y l f 固体激光器、数值模拟、激光晶化法 a bs t r a c t p o l y s it h i nf i l mc r y s t a l l i e db yl a s e rc r y s t a l l i z a t i o nh a v et h ea d v a n t a g e s o fl o w c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r e ，s i m p l ep r o c e s sa n dt h eg o o dp e r f o r m a n c e h e n c e ，i th a s b e c o m et h em a i np o l y s if a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n b u t t h i st e c h n o l o g yi sm o n o p o l i z e db yj a p a n e s ea n dk o r e a nc o m p a n i e s ，a n dt h ec o s ti s h i g h c h i n e s e i ss t i l li ni t si n f a n c ys t a g ei n t h i sf i e l d i nt h i sp a p e r , t h ek e y t e c h n o l o g i e s o fl o wc o s ta n dh i g h - e f f i c i e n c yl i n e s h a p e db e a ms o l i d l a s e r c r y s t a l l i z a t i o nh a db e e ni n v e s t i g a t e d ；f u r t h e r m o r e ，an e wl a s e rc r y s t a l l i z a t i o n m e t h o d sh a db e e ne x p l o r e d w ea b s t r a c tt h em a i na c h i e v e m e n to ft h i sp a p e ra s f o l l o w i n g ： i nc h a p t e r2 ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo fl a s e rc r y s t a l l i z a t i o no fa - s if i l mw a s f o u n d e dt os i m u l a t ea n dc a l c u l a t et h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ec r y s t a l l i z a t i o n p r e c u r s o r w ef o u n dt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc r y s t a l l i z a t i o np r e c u r s o ra n dt h el a s e r p a r a m e t e r sa r et h ek e yf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h eq u a l i t yo ft h ep o l y - s ic r y s t a l l i z e db y y a gl a s e r t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc r y s t a l l i z a t i o n p r e c u r s o ri n c l u d ep r e c u r s o r s t r u c t u r ea n ds u b s t r a t et e m p e r a t u r e t h em a i nl a s e rp a r a m e t e r si n c l u d et h el a s e r e n e r g yd e n s i t ya n dp u l s ew i d t h ，w eh a v ef o u n dt h a tm e l t i n gd e p t ho ft h ef i l m sw e r e i n c r e a s e da sl a s e re n e r g yd e n s i t yw a si n c r e a s e d t h em e l t i n gd e p t ha n ds o l i d i f i c a t i o n t i m eo ft h ef i l m sw o u l da l li n c r e a s e db yi n c r e a s i n gp u l s ew i d t h w ec a r r i e do u tt h a t t h ed e e p e s tm e l t i n gd e p t hw a s9 6 5 n mw h e nt h el a s e rp u l s ew i d t hw a s15 0 n s t h r o u g ha n a l y s i s o ft h el a s e r p a r a m e t e r s ，w e o b t a i n e d t h a t ，i n t h el a s e r c r y s t a l l i z a t i o ns y s t e m sd e s i g n ，15 0 n sl a s e rp u l s ew i d t hi sr e l a t i v e l ya p p r o p r i a t e ，t h e l a s e re n e r g yd e n s i t ys h o u l d b eal i t t l em o r eh i g h e rt h a n4 0 0 m j c m 2 ，a n dt h e s c a n n i n gs p e e ds h o u l db el o w e rt h e9 m m s i nt h ec h a p t e r3 ，t h ee f f e c to fl a s e rp a r a m e t e r st oy l fl a s e rc r y s t a l l i z a t i o n h a sb e e ns t u d i e df r o mt h ee x p e r i m e n t a lp o i n to fv i e w i tw a sf o u n dt h a t ：t h e c r y s t a l l i z a t i o ns t a t ei sd i f f e r e n tw i t ht h ed i f f e r e n tl a s e rs c a ns p e e d t h ec r y s t a l l i n i t y o ft h er e s u l t e dp o l y - s id e c l i n e ds l i g h t l y t h eh a l lm o b i l i t yo ft h er e s u l t e dp o l y - s i i i i a b s t r a c t 1 n c r e a s e df i r s t l y , t h e nd e c l i n e db yi n c r e a s i n gs c a ns p e e d t h ec r y s t a l l i z a t i o ns t a t ei s d i f f e r e n tw i t ht h ed i f f e r e n tl a s e re n e r g yi r r a d i a t i o n t h ec r y s t a l l i n i t ya n dm o b i l i t yo f t h er e s u l t e dp o l y s ib o t hi n c r e a s e df i r s t l y , t h e nd e c l i n e db yi n c r e a s i n gl a s e re n e r g y t h er e s u l t e dp o l y - s iw o u l dh a v et h er e l a t i v e l yb e s tq u a l i t yw i t h4 6 0m j c m 2 。4 7 0 m j c m 2l a s e re n e r g yd e n s i t ya n d9 5 7 o v e r l a p p i n gi r r i t a t i o n f u r t h e r m o r e 。t h e e f f e c to ft h eb e a me n e r g yd i s t r i b u t i o nn o n u n i f o r m i t yo nt h ec r y s t a l l i n i t yo f r e s u l t e d p o l y s ih a sb e e na l s os t u d i e d i nc h a p t e r4 ，an o v e ll a s e rc r y s t a l l i z a t i o nt e c h n i q u eo f n i c k e ls a l t a s s i s t a n tl a s e r c r y s t a l l i z a t i o nw a se x p l o r e d i tw a sf o u n dt h a t ：t h ec r y s t a l l i n i t yc o u l di n c r e a s eb v u s i n gt h en i 。s a l tw h e nl a s e re n e r g yw a s2 4 w a n dt h el a s e r e n e r g yr a n g ei s e x p e n d e d t h e nw ed i s c u s s e dt h ec r y s t a l l i z a t i o nm e c h a n i s mo ft h i sm e t h o d w e o b s e r v e dt h er e s u l t e dp o l y - s is u r f a c ef o r mo fd i f f e r e n ti r r a d i a t e dr e g i o n ，a n dh a v e f o u n dt h a tt h i sm e t h o dw o u l di m p r o v eu n i f o r m i t yo fc r y s t a lg r a i n si nc e r t a i n a r e a a d d i t i o n a l l y , w ei n v e s t i g a t e de f f e c to ft h er e s u l t e dp o l y - s iw i t hd i f r e r e n tn i s a i t c o n c e n t r a t i o n ，a n do b t a i n e dt h e c h a n g eo fh a l la n dx cf o l l o ww i t hn i s a i t c o n c e n t r a t i o n i n i t i a l l y , w ej u d g e da p p r o p r i a t er a n g ed i m e n s i o na n do p t i m u mv a l u e o fn 卜s a l tc o n c e n t r a t i o n w ew o u l dh a v et h er e l a t i v e l yb e s tq u a l i t yw i t h3 0 0 0 0 p p m n i s l a tc o n c e n t r a t i o n f i n a l l y , t h en io ft h er e s u l t e dp o l y - s is u r 如c ew a st e s t e db v x p s i tc o u l d n o tb eo b t a i n e df r o mt h ew i d ex p ss p e c t r u mw h i c hm e a n st h en i c o n t e n to ft h i nf i l ms u r f a c ew a s e x t r e m e l yl o w t h i sr e s u l ti l l u s t r a t e dt h ef e a s i b i l i t v o ft h el a s e rc r y s t a l l i z a t i o na s s i s t e d b yu s i n gn i s a l t b u t ，t h i sm e t h o di si u s ti n e x p l o r a t i o nc o n d i t i o n ，s om o r ec o n c l u s i o nn e e dm o r ee x p e r i m e n t k e y w o r d s ：p o l y s it h i nf i l m ，y l fs o l i d s t a t el a s e gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， l a s e rc r y s t a l l i z a t i o n i v 第一章绪论 一一一 第一章绪论 多晶硅薄膜材料由于具有优良的电学特性，与非晶硅相比，它具有更高的 载流子迁移能力以及更好的稳定性，是制备高速高质量的光电子、微电子及生 物电子器件重要的材料，是目前薄膜材料领域中的研究热点。 第一节多晶硅薄膜 1 1 1 薄膜多晶硅材料的基本特性 薄膜多晶硅是由非常多的小硅粒相互紧密连接而形成的一种固相多结构材 料。它和非晶硅的主要不同在于其材料结构具有一定的长程有序度，但各个小 晶粒之间的有序性被打乱，晶粒之间的取向各异。由于多晶硅的存在形式为固 态，小晶粒与其周围的硅原子也有着作用力。但是与完美硅格结构( 闪锌矿的 四面体) 不同的是这些原子键是取向是无序的。存在着许多晶粒间界，它们起 着复合中心的作用，光生载流子( 空穴与电子) 在晶界相遇时会复合，形成复 合电流。 图1 1 所示是不同形态硅结构的对比。 a s p o l y s l 0 一s l a m o r p h o u sp o l y - c r y s t a 1 s i n g l ec r y s t a l s j 一制一臻 叫纛舔一厂。甓 _畸童h s tr u c t ur e 乙 ￥镰莲a ! 童苎垒釜 一每，：名镰 l k k k 1 蠢：0 _ 一- m o b i l i t 矿： 豳 ，、 i 。豢、淹霉攀篱。 震麟蕤黧 r 、辫蔫。i 誊羞 誊爹誊 毒。 赞鞘e ” c m 2 v s_ 鬻鬻繁瓣攀；戮i 期鬻鎏 ? 鬻i 戮灞黼； “鬻攀赫蠢二1 1 图1 1 非晶硅、多晶硅和单晶硅【1 】 如上所述，多晶硅是一种多相材料，存在着大量的晶界。载流子在输运过 第一章绪论 一一 程中必须跨过这些像势垒一样的晶界。图1 2 是一种很形象地描述载流子在材 料中迁移的示意图。在第一种情况中，晶粒较小晶界较多，从而使多晶硅的载 流子迁移率较小。也就是说，多晶硅迁移率将受到晶界的影响。所以如图1 1 所示，迁移率在形态结构不同的硅中有较大差异。 s 图1 2 非晶硅和多晶硅电导特性比较的示意图【1 1 1 1 2 多晶硅薄膜的广阔应用 在1 9 6 4 年多晶硅薄膜以隔离介质的形式被应用于集成电路中。在1 9 6 6 年 多晶硅m o s 场效应晶体管诞生以后，在接下来的数十年中多晶硅技术已有了 长足的进步。多晶硅薄膜以其优良的电学性质而被广泛应用于高速微电子、光 电子及生物电子器件中，其中薄膜太阳能光伏电池和平板显示是多晶硅薄膜的 重要应用方向。 多晶硅薄膜应用最普遍的方向之一就是平板显示。图1 3 表明了平板显示 产品的发展方向。液晶显示器( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y l c d 在多种平板显示产 品中技术最完善，应用领域最多，现在已经成为平板显示界的主流产品。目前 由于显示技术和新材料方面的技术进步，有机发光二极管( o r g a n i cl i g h t e m i t t i n gd i o d e - o l e d ) 成为了当下显示领域的研究热点，采用自发光有机发光 二极管的显示技术拥有可实现柔性显示、双面显示、低成本、低功耗、高响应 速度、超薄、高对比度、高亮度、高清晰度、自发光和宽视角等多方面优点。 所以它被视为今后平板显示技术的发展趋势。当前在医疗器械、工业控制、仪 表仪器、数码相机、手机和m p 3 等工业用途产品和电子类消费品中，o l e d 都 已得到了广泛应用。目前有源矩阵有机发光二极体面板( a c t i v em a t r i x o r g a n i c 第一章绪论 l i g h te m i t t i n gd i o d e a m o l e d ) 的应用前景被世界上大多数在薄膜晶体管( t f t 制造和研发领域领先的大型跨国公司所看好，已经吸引了大量研发资金。与液 晶显示的工作原理不同，o l e d 采用电流驱动的工作方式，需要较高的驱动能 力，所以驱动t f t 必须具有较高的迁移率。非晶硅薄膜本身固有的局限性使其 难以满足高质量平板显示的驱动要求，因而高迁移率的多晶硅薄膜t f t 被广泛 地受到高清晰度、高性能、各种尺寸的有源发光二极管显示屏制备的需求。 舀f p dp a n e l ：t f t - l c d - - l t p s - - - ) f o l e d ) - - ) s j ：藩 9 d i o d e 一1 0 y rp r e s e n t + 5 y r+ 1 0 y r 图1 3 平板显示器件发展趋势 在硅基薄膜太阳能电池方面，多晶硅( p s i ) 、微晶硅( u c s i ) 以及非晶硅 ( a s i ) 是三种不同结构类型的吸收层材料。非晶硅电池在被光照射一段时间 以后其暗电导和光电导都会有一定程度下降，从而引起亚稳效应( s w ) 效应 睇j 。而光致衰退效应在多晶硅薄膜中则十分微弱。而且多晶硅薄膜有效扩大了 对太阳光的吸收光谱( 多晶硅具有1 1 e v 的带隙，其长波限，最高可吸收波长， 达1 1 u m ，这就使其对阳光的吸收波段扩展到了非可见光) 。这样，一种光照特 性稳定、制备功耗低且高效的理想光伏材料成为了硅基薄膜太阳能电池的一个 研究热点。 总括起来，多晶硅薄膜光伏电池既能作为光敏元器件也能作为电源应用。 它具有污染低、无噪音、高灵敏度、更广的光谱响应范围、长寿命、高效率、 第一章绪论 小体积以及重量轻等优点。这些优良的特性吸引了人们对它的研究兴趣，也使 硅基薄膜电池广泛被应用于国防建设、铁路交通、工农业生产等重要部门。 多晶硅材料不仅在太阳能电池以及平板显示领域应用广泛，也在其他电子 器件中被广泛推广。在m o s 集成电路领域中，电荷耦合器件电极、浮栅器件 的浮栅、电容器电极、电荷储存器件的极板以及m o s 随机存储器都应用了重 掺杂多晶硅。而m o s 随机储存器中的负载电阻使用的则是轻掺杂多晶硅薄膜。 在超大规模集成电路领域如e e p r o m 3 圳、d r a m 【5 、s r a m 6 1 这些常用存储器， 以及包含传感器和t f t 触点成像器件【7 】在内的非超大规模集成电路领域，多晶 硅薄膜都有广泛应用。在传感器领域，多晶硅主要被用于热电传感器、加速度 传感器、压力传感器、磁传感器 引、应变计、执行器以及指纹传感器【9 j 等方面。 我们可以看到，优质多晶硅薄膜是获得良好性能器件的基础和保证，因此， 如何高效、低成本获得优质多晶硅薄膜的技术一直以来都是人们关注的焦点和 追求目标。下面，我们将对目前多晶硅薄膜的各种制备工艺进行介绍。 1 1 3多晶硅薄膜的制备方法 多晶硅薄膜按照处理温度的不同可分为三种制备工艺：( 1 ) 低温制备：该工 艺在低温衬底上进行制备，晶粒大小大约为几十纳米，属纳晶范围内。产品处 理温度不高于6 0 0 。c 。在低温沉积硅薄膜之后晶粒用低温晶化处理来增大，或 者在塑料和不锈钢衬底上低温沉积。( 2 ) 中温制备：在5 5 0 。c 1 0 0 0 ( 2 的温度下通 过中温制备法在耐高温的衬底玻璃上低温制备多晶硅，其晶粒尺寸可达1 2 0 g m 。( 3 ) 高温制备：采用气相外延( 1 1 0 0 。c 到1 2 5 0 ) 或液相外延( 1 4 2 0 ) 在石墨、陶瓷、冶金级硅等高温衬底上沉积多晶硅薄膜，晶粒尺寸可大于1 0 0 g m 。 般情况下我们把多晶硅根据制备温度不同，可分为低温多晶硅( l t p s ， l o wt e m p e r a t u r ep o l y s i l i c o n ) 和高温多晶硅( h t p s ，h i g ht e m p e r a t u r e p o l y s i l i c o n ) 。 高温薄膜多晶硅( h t p s ) 需要采用耐高温的衬底材料，在1 0 0 0 左右的 高温条件下制备或后处理。这个温度远远超过了廉价的玻璃所能承受的温度， 因为需要采用可以耐高温的石英玻璃，这就大大增大了薄膜多晶硅的制备成本 【l 。所以目前采用h t p s 法制备的多晶硅薄膜主要在高成本的产品中使用。现 4 第一章绪论 在已有的应用的领域包括数据投影仪、数字静物相机以及相机记录仪的取景器。 这些都是小于三英寸的显示设备。 低温多晶硅薄膜( l t p s ) 可以在6 0 0 。c 以下完成制备过程，在光电子、微 电子器件中被大量使用。可以取代非晶硅使用作有源有机发光二极管显示器 ( a m o l e d ) 和有源液晶显示器( a m l c d ) 中的薄膜晶体管( t f t ) 有源层， 以及用于周边驱动集成器件的制备。采用多晶硅的显示设备具有可集成化、精 巧和高显示密度等优点【1 1 。因为低温晶化技术可在较低温度下制备出低成本多 晶硅薄膜，目前正在被业界所青睐。 目前主要采用以下几种低温工艺制备多晶硅薄膜： ( 1 ) 等离子体增强化学气象沉积法( p e c v d ) ，沉积过程是由射频电场出现 的辉光放电来实现的。为使沉积温度不高于2 0 0 ，可将s i f 4 用作气源。微波 和甚高频v h f 法可以使薄膜生长速度大大提高，晶粒具备一定的方向性。但是 在制备过程中金属装配的沉积设备会受到沉积时产生的副产物( 氢氟酸一h f ) 的腐蚀，所以需要经常去除反应室中氢氟酸导致的副产物，使反应室保持清洁。 ( 2 ) 金属诱导晶化( m e t a li n d u c e dc r y s t a l l i z a t i o n m i c ) 1 4 j 是在非晶硅薄 膜上，用真空蒸发或溅射沉积一层金属膜( a 1 、p d 、n i ) ，随后再通过退火处 理使硅原子与金属原子形成硅化物或低温共融体。这样处理之后可以使材料结 晶的阈值能量被大幅降低，从而在较低温度下实现晶化过程。这种方法虽然具 有晶粒尺寸大、晶化时间短和条件温度低等优点，但会在多晶硅薄膜中引入金 属杂质，减弱多晶硅的电学特性。 ( 3 ) ( 准分子) 激光晶化( e x c i m e rl a s e rc r y s t a l l i z a t i o n 。e l c ) i s 】是使用准 分子激光或绿色激光照射非晶硅表面，利用激光瞬间的高能量密度将热量传导 到薄膜大概1 0 0 n m 深的厚度处，利用产生的瞬间热能将非晶硅熔融，其冷却后 再结晶、形成多晶硅的晶化方法。由于非晶硅薄膜在晶化过程中将大部分激光 能量转变为相变能，时间很短( 纳秒量级) 热扩散尚不足以扩散到衬底，故玻 璃衬底的温度会维持在较低的水平上。这样就可在制各中使用价格低廉的玻璃 作为衬底，而且也实现了批量生产。相比于其他几种晶化方法，激光晶化法制 备的多晶硅薄膜电学性能最佳，因此是目前应用范围最广泛的一种多晶硅制各 技术，正是本文注重研究的方向。 第一章绪论 第二节晶化激光技术的发展及现状 1 2 1激光晶化技术的机理 激光诱导晶化( l a s e r - i n d u c e dc r y s t a l l i z a t i o n l i c ) ，简称激光晶化，是以一 定波长的激光照射非晶硅，利用非晶硅对此激光具有高的吸收率且比热较小的 特性制备多晶硅薄膜的方法。非晶硅薄膜吸收了光子的能量后、将电子从导带 跃迁到价带，产生非平衡的空穴电子对。a s i 所包含的高密度缺陷态使电子空 穴对又会发生无辐射跃迁而大量复合。这种非辐射复合过程将产生大量的热能 ( 瞬间可高达几百毫焦) ，在短暂( 纳秒级) 的脉冲激光持续时间内，可迅速加 热非晶硅薄膜使其快速升温达到甚至超过熔点。在激光脉冲结束后，熔融的硅 迅速降温，在短时间内冷却固化，从而使非晶硅转变为多晶硅。在晶化工艺中， 多晶硅晶粒的生长方向主要由熔融硅中的温度梯度决定。在准分子激光晶化中， 熔融硅的温度梯度主要存在于与薄膜垂直的方向上，晶粒首先从温度低的地方 ( 即衬底) 向高温处( 受光照的表面) 生长。亦即晶核首先在非晶硅与衬底交 界的底部产生，然后由下向上开始生长【2 2 。 在2 0 多年的发展与研究过程中，激光晶化的物理机制正在逐渐为人们所认 识。激光晶化根据熔化程度的不同可以分为三种状态： ( 1 ) 部分熔融状态：如果激光能量密度较低，非晶硅只有上面受光照的表层被 熔化，如图1 4 所示的浅蓝色部分，经历了部分熔融状态的非晶硅，晶化完成 后下层仍然是非晶硅，之后上层被晶化。晶化过程中晶粒主要从固液交界面处 开始生长，并沿着温度梯度迅速向上表面生长。这样形成的多晶硅晶粒尺寸分 布在几十纳米到一百纳米之间，成分以微晶为主。结晶尺寸与能量密度有一定 的对应关系，随着能量密度增大而增大。 第一章绪论 l a s e r j 歹 图1 4 部分熔化状态示意图 ( 2 ) 近完全熔融状态：如图1 5 所示，如果激光能量适中，可使薄膜处于部分 熔融状态与完全熔融状态中的临界状态。这样非晶硅薄膜底层仅残留有少量分 离的非晶硅颗粒。这些随机分布的非晶硅在结晶过程中可以起到晶核的作用， 晶粒以这些晶核为中心迅速生长，这一现象也称作超级横向生长( s u p e rl a t e r a l g r o w t h s l g ) ，这是理想的晶化条件。 s u p e rl a t e r a lg r o , , t h 十一l + _ _ ， 豢鋈菱絮麓囊繁霪爹? 爹 u n m e l t e dr e s i d u a s li s l a n d s 图1 5 近完全熔化状态示意图 蕊潦、 第一章绪论 ( 3 ) 完全融融状态：如图1 6 所示，当激光能量密度过高时，非晶硅层会被完 全熔化，底部没有任何残留。由于没有晶核存在，在薄膜降温过程中，熔融硅 中会随机出现大量的小晶核。这就使得晶粒的生长空间较小，最终只能形成小 晶粒。 l a s e r 丫 h o m o g e n e o u s n u c l e a t i o n 图1 6 完全熔化状态示意图 从理论上讲，上面的三种状态中，第二种状态可以形成大晶粒的多晶硅， 是激光晶化研究中一直努力实现的状态。 1 2 2 准分子激光晶化法 目前激光晶化法中的激光源主要采用的是准分子激光器，准分子激光晶化 法( e l c ) 是应用最广泛的激光晶化法( l i c ) 。这主要是由于准分子激光器的 发射功率较大，且其波长对应的非晶硅对激光的吸收率较高，所以上世纪九十 年代产业界普遍应用准分子激光器作为激光诱导晶化的激光源。通过准分子晶 化法可以制备大面积多晶硅薄膜，且多晶硅薄膜的界面状态比较理想，晶粒尺 寸大，晶化程度也很高。作为目前产业界唯一产业化的激光晶化技术【l 酬，它正 在被l g 、三星、夏普、东芝等多晶硅t f t - l c d 厂商所使用。 准分子激光器制得的多晶硅薄膜具备性能优良、晶粒均匀等优点。不过也 存在一些难以解决的问题。首先，准分子激光设备价格高、日常需要使用昂贵 的准分子气源、且设备维护费用也高。另外，由于这种属于气体发放性质，产 第一章绪论 生的激光在空间和时间上的不稳定性，该技术很难实现低成本的均匀大面积多 晶硅材料制备。 1 2 3 激光晶化技术的发展和改进 针对目前激光晶化技术成本高、难以实现大面积均匀性的缺点，业界研究 人员进行了多方面的技术改进，使新技术不断涌现：日立提出的选择性扩大激 光晶化法 1 7 , 1 8 ；三星公司研究的超横向结晶法 1 9 ，2 0 ，2 1 ，2 2 ；日本奈良科技学院研 发的双层非晶硅激光晶化法等 2 3 】，都通过精确控制激光能量密度，获得了大尺 寸晶粒而使多晶硅薄膜材料的性能不断提高；韩国成均馆大学研究的红外纤维 激光晶化技术【2 4 1 ，由于非晶硅对红外光波( 波长为1 0 6 4n m ) 几乎不吸收，所 以需要在非晶硅薄膜表面沉积具有一定折射率和厚度的介质膜作覆盖层 ( a c e o x ，a s i n x 和a s i o x ) 。此外，美国的雷德塞尔大学( d r e x e lu n i v e r s i t y ) 提出将动态透射电镜( d t e m ) 应用于非晶硅的飞秒激光晶化，从而能够根据 t e m 提供的晶化过程中的信息研究微结构演变机制【2 5 1 。 1 国内，目前有南开大学光电所在8 6 3 项目的支持下对绿光激光晶化制备多晶 硅薄膜技术进行了探索研究。孟志国等人【2 6 】提出的镍溶液基金属诱导后再用三 倍频的y a g 激光快速退火晶化法( s - m i l c ) 。中科院上海光学机械所袁志军等 也进行了激光晶化多晶硅技术的研究 2 7 , 2 8 。 另一方面，为了以更低的成本得到更大的晶粒尺寸和晶化深度并提高多晶 硅材料的均匀性，以价格更低的长波长半导体固体激光器作为激光光源的激光 晶化技术得到了国内外研究所和公司的一致关注。 日本富士通研究所的a k i t oh a r a 等【2 9 采用了一种连续激光晶化法。他们 采用的倍频半导体钒酸钇激光器( n d ：y v 0 4 ) 的输出功率为1 0 w ，波长为 5 3 2 n m 。这种激光器的输出功率具备很高的稳定性，可以使多晶硅薄膜的均匀 性得到大幅提高。且全部晶化过程可在4 5 0 。c 以下完成。由此制备的多晶硅可 用于高质量薄膜晶体管( t f t ) 的制备。其中n 型t f t 场效应迁移率可达5 6 6 c m 2 v s 。 国立台湾科技大学的c h i n g l i nf a n 等用激光二极管泵浦的固体激光器 ( d i o d e p u m p e ds o l i d - s t a t el a s e r s d p s s ) 倍频连续4 1 w 输出的n d ：y v 0 4 激光器研究了产业化中扫描速度对晶化效果的影响 3 0 】。高扫描速度意味着高生 第一章绪论 一 产能力，然而速度加快，速度偏差也随之加大，部分位置导致受热不均而产生断 裂。所以对扫描速度偏差的控制至关重要。而且在一定程度上激光输出能量增 加，晶粒也随之增大。制得薄膜晶体管的载流子迁移率可达2 3 4c m 2 v s 。 a k i t oh a r a 等还提出用倍频的固体激光器y a g 连续激光制备多晶硅薄 膜，其波长为5 3 2n l y l ，也己取得显著的成果，制备的多晶硅t f t 场效应迁移 率较容易达到3 0 0c m 2 v s ，可以制备出更高集成度的驱动电路 3 。南开大学光 电子所的刘建平等3 2 1 利用倍频n d ：y a g 脉冲激光器，对比了p e c v d 制备的 不同硅基薄膜( 非晶硅和微晶硅) 的晶化处理效果，并对晶化中激光能量的利 用等问题做了讨论分析。 选用高功率的半导体激光器作为激光源，一方面是人们对更长波长激光制 备多晶硅薄膜的探索，另一方面也是来自于产业化方面的需要。根据ga n d 绣， j b e r g m a n n 的估算【33 1 ，如果采用高输出功率的半导体激光器可以大大节约扫描 所用时间。他们在研究中采用了输出功率4 4 5w 的8 0 6n l l l 波长半导体激光器 晶化得到1n u t l 长、1 0 0i t m 宽的晶粒。 与准分子激光器相比，半导体固体激光器具有工艺窗口大，非晶硅吸收合 适，易形成大尺寸晶粒，维护费用低，整体成本较低，操作及维护简单，光斑 的面积较大，出光的时间和空间均匀性更好等优点【3 4 1 。更高功率、更长波长的 新型的半导体泵浦固体激光器的开发与应用，以及对晶化方法的改进，将成为 未来一段时间研究的重点。 第三节本论文主要研究内容 以激光晶化为核心的低温多晶硅技术可以采用相对廉价的玻璃作为基片材 料，得到的多晶硅材料性能优良，具有良好的应用前景，是目前产业界获得低 温多晶硅的主要手段。但是目前低温多晶硅的激光晶化技术主要掌握在日韩企 业手中，而且是以准分子激光晶化为主，设备十分昂贵。高质量的激光晶化硬 件系统由国外垄断，国内处于刚刚起步阶段，从而严重制约着国内激光晶化技 术的发展。 因此，本文拟以实现低成本、高质量的激光晶化多晶硅薄膜为目标，在前 期我所自主设计和装配线形半导体激光晶化系统晶化研究的基础上，以贯通、 逐步优化工艺流程为研究目的。 第一章绪论 在南开大学实际进行了如下几个方面的研究工作： 以不同激光参数在多脉冲激光照射晶化过程中对样品晶化质量的影响进行 数值模拟。使用数学模拟软件m a t l a b 分别对激光器脉宽、激光能量密度、 激光光束扫描速度对样品晶化效果进行模拟计算。通过对以上参数对晶化过 程中样品的熔融深度、结晶时间、阈值能量密度以及样品在深度方向的温差 进行模拟。为后面的实验提供了理论指导，为实验参数限定了大致的选择范 围。 - 线形半导体激光晶化实验系统的整合装配和进一步完善。如图1 7 所示，前 期的系统设计工作以及初步试验基本完成【35 i ，本论文需要做的就是将固体 激光器与光束整形系统、光束整形系统与精密微动台进行整合装配。进行工 艺改进，为激光晶化实验系统的后续实验研究的实现奠定基础。 _ y l f 激光晶化技术的研究及晶化工艺条件的优化。根据先前的理论模拟结 果的指导，研究激光晶化参数对晶化效果的影响，建立其间的多维相图关系。 优化晶化参数和条件。确定合适的晶化工艺窗口，以期得到高质量的多晶硅 薄膜材料。 一在上述设备基础上，将激光晶化与金属诱导m i c 相结合，进行了新型激光 晶化技术的探索。 运动部分 光路部分 厂一人一、 图1 7 激光晶化系统示意图 。 主机部分 笙二主鱼笙 一 1 2 第二章激光晶化过程的理论计算 第二章激光晶化过程的理论模拟计算 第一节引言 非晶硅的激光晶化就是利用非晶硅薄膜吸收的激光能量，使非晶硅熔融再 重新结晶形成多晶硅的过程。激光晶化整个过程包括吸收激光能量、热传导、 非晶硅熔融以及再结晶等四步过程。获得优质晶化的关键问题是对工艺参数的 选取问题。为了能够更好地指导随后的实验，在实验之前很有必要对激光晶化 的物理机制进行探索，并在探索过程中摸索有哪些参数对晶化效果起到关键的 影响作用、这些参数的影响方式以及最佳理论工艺参数的确定。这可以为今后 的实验提供一个方向性指导以及参数选取范围。 现阶段已有一些学者在激光晶化的数值计算方面做了一些相关的工作，但 是这些工作基本上只对前驱物自身的温度变化进行了探索 3 6 ，虽有实验给出衬 底和非晶硅之间加入不同厚度的隔热层( 如s i 0 2 ) 、研究了该层厚度的影响( 参 见图2 1 ) ，但并未就衬底和隔热层对前驱物温度变化的影响从理论予以计算。 此外前人所做的数值模拟中基本上只是对衬底温度和激光能量密度对对晶化质 量的影响做了研究。 f 辩女镑簿* 舔 翱獬 图2 1 当隔热层取不同厚度时隔热层底部温度随时间的变化 本文不但对激光能量密度进行模拟分析，还将对脉冲宽度和激光扫描速度 对晶化的影响做了较为全面的计算和分析，同时依据本论文提出的多脉冲辐照 第二章激光晶化过程的理论计算 形式进行了模拟计算，使理论模拟更加接近激光晶化的实际过程，从而为模拟 结果能对后面的实验有更强的指导意义。为此本文首先用m a t l a b 对整个晶化过 程进行了建模并做了模拟计算，希望以此来揭示晶化过程中的物理机制。而后 又对激光各个参数对激光晶化效果的影响方式分别进行了计算分析。 第二节理论计算基于的物理模型 如前所述在激光诱导晶化多晶硅工艺中，其本质就是硅在各种形态下与激 光进行能量交换以及随后自身的相变过程 3 7 】。这个过程的物理机制简单来讲具 有如下几个过程： _ 开始照射，建立热能的传递：非晶硅表面被激光扫描照射，激光的光能被吸 收转化为非晶硅的热能。非晶硅中原来处于平衡态的电子通过跃迁到高能 态，产生非平衡的电子空穴对。空穴、电子的热弛豫，以及它们之间的间接 复合过程产生的无辐射跃迁( 这是由于有大量的缺陷态存在于非晶硅材料中 而致) ，非晶硅所吸收的光能将转化为热能，从而升高非晶硅的表层温度到 致使非晶硅熔融。 _ 温度梯度建立、进而产生相变由固相变液相：一方面热能沿着温度梯度 不断沿着样品表面向样品深处传递，使热量扩散开，另一方面非晶硅表面的 温度也在不断升