（微电子学与固体电子学专业论文）激光晶化多晶硅薄膜的研究.pdf

南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位 获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文 ( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论 文，并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将 公开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检 索、文摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向 教育部指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和 中国学术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文 数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答 辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字：姚题 2 0 1 0 年5 月2 7 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目激光晶化多晶硅薄膜的研究 姓名 姚颖 学号2 1 2 0 0 7 0 2 1 5答辩日期2 0 1 0 年5 月2 4 2 5 日 论文类别博士口学历硕士一 硕士专业学位口高校教师口 同等学力硕士口 院系，所信息技术科学学院专业微电子学与固体电子学 联系电话 i3 9 2 0 4 0 5 9 9 6e m a i l d i c e 3 s o h u c o m 通信地址( 邮编) ：天津市河西区大沽南路秋润家园 备注：是否批准为非公开论文否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 怫3 幡404mmmi 舢8iiii眦y 碲 。擎徘皇茸礤珥毒妊妤非摹t 申千距搬去￥拦阜剐蟛革砚珥鲁拦妤非乳 锋固辫萃兽专露( 料丝单一) 皇辫晕勒甲。革孤珥毒明千班、千蕈l 肇鲋明士群搿稚出娶锆斟斟率：千5 显 茸砚妊髟! l | _ 吖孤摊显并 ：职蟛 圈髦眺礁 舌掣辎y 刭m 龇业棋￥：( 膨洲) 1 耳酉i 千毋砸 t u 0 0 。n t l o s e 3 3 1 pi ! b 硼丑 9 6 6 s 0 p o 乙6 ei 翘印当沛 杀了一巾勒叫r _ 杀乒即犯环牟酬办杀性半珊舀鲁鲻当捌 口+ 逾华杀筑刨口蛳磁辫掣口甜不吓牟+ 迎m ：f 、衄幽杀口+ 制n f f 椠茸砚 曰s z 。妒z 吖s 由0 【0 乙f i f 口挺辊 s l e o l o o e i z 鲁丢醚精 李辅 距抑叫潲鲜 壁智豸矶罾咪獭目凰茸砚 茸鲁晕勒革孤珥毒鬲萼搬毒￥妊阜 目( 日由of o 乙 可瓣：右蓊y 砰群磊晕坳 a 。 。拙蹋勘5 i 圈i 啦酬币延搬甲规碰翠一岳霭”斟群卓。犁群驰丁牟瓤晕刨y 牢 。西口y 卓甲凿当碍业搿蒜刨业幽晦璇一站叫脚茸砚卓彗掳斤列乒即茸砚珥杀驯革替。挺 鼠茸砚轻驰日其智勘6 i 搿毕册旧刨晰区赤赤y 妊掣可并覃砚甜杀叫y 卓：密凄y 卓 。l i j w x a p u ! l o o g ：1 9 1 0 i 5 e il z o 乙：d n q 。躯豳膨5 i 网珊豆革鬻狲乒即茸观 。茸观妊影刨暂砷i 睡兹鬻当翠堋髟砷希蕾i 睦覃普q 每叫业m 硼瓣迥哿茸嵌舛赤拄妤0 i 二 。陛砰删茸砚孕髯勒灏研并可目哿y 宰翱刨。彤砷霄粤必幂惭胚轾豳￥醉嚣取砚出鬻磉 茸观珥不鲥群y ) ；l i 其列乒印并理覃砚珥奈6 | 幽弹羊群革鬻水狲印乒币( 掣求) 胜晰半杀围七b i 睡坷距搬冒署珊性国七b 叫翁杀砰群娑劬茸砚珥杀( 争) o 茸嵌珥杀鲫妊影蕈斟甜责犁驸蝇望辚 掣赤y 妊罐犁群￥盟僻旦醵氍诽( ) 2 暂砷霄身繇丐盘禧一、焉孵茸弓茸砚谣相嘶茸、帮 料拳目茸砚讯衙丁圈圜料可旅圆甭蟛m 料静静鳕呖妨勘外闵珊能璎k 劬茸砚珥杀脚拦汤 琳相血料杀驯曰拊性i 崖杀磷k ( z ) 。捌辨骤茸弓茸拱珥杀+ 、衄制杀y 妊掣 y 孵算茸 拱斟杀千延搬拙哿材壬陴酉砚并节由斯、由缮m 滥相血珊杀( 强f 乒砷瑶卓睹由骖狮辨曰) 茸砚珥赤蕈蕾举群湃妊巧岩勘罪：f 杀( i ) ：d 胃砰m 珊茸砚料杀6 i ；i m 幽娶犁磷餮砰勘特 号阜瞰 杀y 妊掣。犁群配舄明m 胜i 挫逖) i f l 茸观甜杀干延擒￥晕杀y 拦掣堋上弓犟y 章 。到手砷硝醉谣章雪撕茸砚珥杀叫y 卓蕈鬻奈y 妊掣叫磁瞬某勘罪 甜赤+ 逾、+ 刘叫；! ； 艟群哗蕊岛晰陛i 啦姑) ；i l 茸砚甜杀干距m - j _ ￥杀y 妊掣辨诽 锋砰斟甘科萃孤珥毒毒￥妊掣 本人郑 取得的研究 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：姚题2 0 1 0 年5 月2 7 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年月日至2 0年月日 审批表编号批准日期 2 0 年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 备出 术。 本论 技术作为主要研究内容，进而提出了几种新型的激光晶化技术。希望能掌握我 国激光晶化技术的自主知识产权，同时也发展了一些新颖的激光晶化技术，为 此技术的整体发展贡献一点力量。 本论文的第二章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，发现样品本身的性质和入射激光的参数是影响晶化后薄膜质量的 两个重要因素。其中样品性质主要包括晶化前驱物状态、衬底温度等；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：提高入射激光能量密度 有提高薄膜熔化深度的效果，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，计算得出激光脉宽为1 5 0 n s 时，薄膜最大熔化深度 为9 6 5 n m 。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高于6 5 0 m j c m 2 。 本论文的第三章根据第二章仿真分析的结果，选取合适的参数对激光晶化 实验系统的进行了选型和装配。设计出的晶化系统由固体激光器、光束整形系 统和精密微动台三部分组成。其中关键部分为光束整形系统，重点设计了光路 模块，它负责将直径为3 m m 的圆形高斯光斑整形为宽约6 0 9 m 、长约5 c m 的长条 形“光刀 ，它能够提高光斑能量分布的均匀性，进而提高晶化后薄膜质量。 在第二章模拟分析的基础上，本论文的第四章从实验角度研究了激光参数 和晶化前驱物状态对y a g 激光晶化效果的影响，探索了柔性衬底上硅基薄膜的直 接激光晶化技术。实验发现：在不同激光能量密度照射下，薄膜晶化状态有所 不同，薄膜晶化率随激光能量密度升高呈先上升再下降的趋势：光斑能量高斯 分布的不均匀性，导致距光斑中心不同位置处的晶化率差异较大。进而研究了 晶化前驱物中氢含量对晶化效果的影响，发现低氢含量的微晶硅薄膜与非晶硅 薄膜相比，薄膜晶化率和晶粒尺寸都有所提高，说明降低前驱物中的氢含量有 摘要 助于提高晶化后薄膜的质量，可得到较大晶粒尺寸，还能免去晶化前的高温预 处理过程，使直接在柔性衬底上进行激光晶化制作多晶硅成为可能。 本论文的第五章进行了新型飞秒激光晶化技术的探索，从实验角度研究了 激光参数和晶化前驱物状态对飞秒激光晶化效果的影响。实验发现激光能量密 度较低时，薄膜晶化率随照射脉冲数的增加呈上升趋势；而当激光能量密度较 高时，薄膜晶化率随照射脉冲数的增加呈先上升后下降趋势，总体来说，高能 量密度激光晶化的薄膜晶化率与低能量密度激光晶化的薄膜晶化率相比有着一 定程度的提高。实验中分析得出，激光能量密度是影响晶化效果的主要因素， 采用单脉冲能量密度较高的激光去进行晶化才能获得高的晶化率；而照射脉冲 个数并不是主要影响晶化效果的因素，但合适的照射脉冲数也有促进晶化的作 用。我们根据实验得出当激光能量密度为7 0m j c m 2 至8 5m j c m 2 时，且照射脉冲 数为1 0 个时，薄膜晶化效果较佳。我们发现与y a g 激光晶化相比，飞秒激光能量 密度对激光晶化效果的影响趋势相同，但飞秒激光晶化后的薄膜晶化率较低， 进而分析了飞秒激光照射下薄膜的能量吸收机制双光子吸收机制。通过z 扫 描实验验证了薄膜在飞秒激光的照射下确实发生了双光子吸收效应。通过计算 得出非线性吸收系数随着入射激光峰值功率的提高呈现抛物线递增趋势，当入 射激光能量足够高时，薄膜双光子吸收系数趋于稳定。我们还发现在飞秒激光 晶化多晶硅的过程中存在两个阈值，一个是薄膜对飞秒激光产生双光子吸收效 应的阈值，另一个是薄膜发生晶化的阈值，推测出薄膜晶化的阈值能量密度应 大于薄膜发生双光子吸收的阈值能量密度。最后进行了柔性衬底飞秒激光晶化 技术的探索研究，实验中，当激光能量密度为4 8m j c m 2 时，激光扫描后薄膜晶 化率可达4 5 4 。得出采用飞秒激光实现对柔性衬底上非晶硅的扫描晶化是可行 的，同时分析了晶化率较低的原因并提出了可能的解决办法。 关键字：多晶硅薄膜、飞秒激光晶化、y a g 激光晶化、激光晶化系统 n k e yt e c h n o l o g i e si nl a s e rc r y s t a l l i z a t i o nf i e l d ，a n da l s od e v e l o ps o m en o v e ll a s e r c r y s t a l l i z a t i o nm e t h o d s c o n t r i b u t eo u re f f o r t st ot h ed e v e l o p m e n to ft h e l a s e r c r y s t a l l i z a t i o n 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 i f 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 搦gl a s e r 刀砖c 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 ri n c l u d ep r e c u r s o rs t r u c t u r e a 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 re n e r g yd e n s i t y a 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 ei n c r e a s e da s l 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 nt i m eo ft h e f 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 bc a r r i e do u tt h a tt h ed e e p e s t m e l t i n gd e p t hw a s 9 6 5 n mw h e nt h el a s e rp u l s ew i d t hw a sl5 0 n s t l o u g l la n a l y s i so f t h el a s e rp a r a m e t e r s w eo b t a i n e dt h a t , i nt h el a s e rc 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 , l5 0 n si 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 ，a n dt h el 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 n6 5 0 m j c m z a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i so fc h a p t e r2 ，w eh a v ed e s i g n e d o u rl a s e rc r y s t a l l i z a t i o ns y s t e m ，w h i c hh a sb e e ni l l u s t r a t e di nc h a p t e r4 f i r s t l y , s e l e c t i n g t h e a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r s o fa l lt h ep a r t so ft h es y s t e m ，a n dt h e n , a s s e m b l i n gt h es y s t e m t h es y s t e mc o m p o s e do ft h es o l i d s t a t el a s e r s ，b e a ms h a p i n g m o d u l e ，a n dp r e c i s i o nm i c r op l a t f o r m t h ek e yp a r to ft h es y s t e mi st h eb e a ms h a p i n g s y s t e m ，w h i c hi sr e s p o n s i b l ef o rs h a p i n g3 m md i a m e t e rc i r c u l a rg a u s s i a nb e a mt ot h e ”k n i f e ”b e a m ( w i d t hi s6 0 1 x m 1 e n g t hi sa b o u t5 c m ) t h em o d u l ec a ni m p r o v et h e b e a me n e r g yd i s t r i b u t i o nu n i f o r m i t y , a n dt h u si n c r e a s et h ep o l y s if i l mq u a l i t y i nt h ec h a p t e r4 t h ey a gl 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 eh a sb e e ns t u d i e df r o m t 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 ec 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 t i ! i a b s t r a e t w 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 yo ft h er e s u l t e dp o l y s i i 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 ee n e r g yn o n - u n i f o r m i t y o ft h eg a u s s i a ns h a p e dl a s e rs p o tc o u l dl c a dt oo b v i o u sc r y s t a l l i n i t yd i f f e r e n c ea t d i f f e r e n tp o s i t i o n sf r o mt h el a s e rs p o tc e n t e r f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c to fhc o n t e n ti n t h ec r y s t a l l i z a t i o np r e c u r s o ro nt h ec r y s t a l l i n i t yo fr e s u l t e dp o l y s ih a sb e e na l s o s t u d i e d i tc a l lb es e e nt h a tt h ex ca n dt h eg r a i ns i z eo ft h er e s u l t e dl x c s if i l m s i n c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s eo fhc o n t e n ti nt h ep r e c u r s o r , w h i c hi n d i c a t e dt h ef i l m q u a l i t i e sw o u l db ei m p r o v e dw i t hc o n t r o l l i n gt h eh c o n t e n to fs i b a s e dp r e c u r s o r t h i si l l u s t r a t e dt h a tt h el o w e rhc o n t e n to ft h es i b a s e dp r e c u r s o ri s t h eb e t t e r c r y s t a l l i n i t yo ft h er e s u l t e dp o l y s ii s t h en o v e lm e t h o db r o u g h tt h eh o p eo fl a s e r c r y s t a l l i z a t i o n o np l a s t i cs u b s t r a t ed i r e c t l yb e c a u s et h eh i g l lt e m p e r a t u r e d e h y d r o g e n a t i o np r o c e s sb e f o r el a s e ra n n e a l i n gc o u l db eo m i t t e db yu s i n gl o wh c o n t e n tp r e c u r s o r i nc h a p t e r5 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 ff e m t o s e c o n dl 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 t h ee f f e c t so ff e m t o s e c o n dl a s e rp a r a m e t e r sa n dt h e c 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 rh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n dt h a t ： 1 1 1 ec r y s t a l l i n i t yc o u l di n c r e a s eb yi n c r e a s i n gt h es h o tn u m b e r sw h e nl a s e re n e r g y d e n s i t yw a sl o w , h o w e v e r i tc o u l df i r s ti n c r e a s et h e nd e c l i n eb yi n c r e a s i n gt h es h o t n u m b e r sw h e nt h ei a s e re n e r g yd e n s i t yw a sh i g h o nt h ew h o l e ，c o m p a r e dt ot h e c r y s t a l l i n i t yo ft h er e s u t e dp o l y s ii r r a d i a t e db yl o wl r i s e re n e r g yd e n s i t y , t h a t i r r a d i a t e db yl a s e r 、i t l lh i g h e re n e r 目d e n s i t yw o u l db ei m p r o v e dt os o m ee x t e n t f r o mt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r a t i o no ft h e s ee x p e r i m e n t s ，w eh a v eo b t a i n e dt h e c o n c l u s i o nt h a tt h el a s e re n e r g yd e n s i t yi st h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r so fl a s e r c r y s t a l l i z a t i o n a n di n c r e a s i n gt h es h o tn u m b e ri sn o tt h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r s ，b u t a p p r o p r i a t es h o tn u m b e rc o u l dh a v et h ee f f e c to fp r o m o t i n gt h ec r y s t a l l i z a t i o n t h e r 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 y 、析t i l7 0r r d c m zt o8 5m j c i l a s e re n e r 2 yd e n s i t ya n dl0s h o tn u m b e r si r r i t a t i o n a d d i t i o n a l l y , t h ee f f e c to fl a s e r e n e r g vd e n s i t yo nt h ef e m t o s e c o n dl a s e rc r y s t a l l i z a t i o nh a v et h es a m et r e n da st h a ti n y a gl a s e rc r y s t a l l i z a t i o n ，b u tt h ef o r m e rh a dl o w e rc r y s t a l l i n i t y m o r e o v e r , t h e a b s o r p t i o n m e c h a n i s mo ft h ef e m t o s e c o n dl a s e r c r y s t a l l i z a t i o n , t w o p h o t o n a b s o r p t i o nm e c h a n i s m h a sb e e ns t u d i e d w r ep r o p o s e dt h a tat w o p h o t o na b s o r p t i o n m e c h a n i s mh a so c c u r r e di nt h ef e m t o s e c o n dl a s e rc r y s t a l l i z a t i o np r o c e s s w h i c hh a s b e e nv e r i f i e db yt h ezs c a ne x p e r i m e n t 1 r i 圮n o n l i n e a ra b s o r p t i o nt o e 伍c i e n th a da p a r a b o l i ci n c r e a s et r e n dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h el a s e rp e a kp o w e rd e n s i t y , t h e n ，i t w o u l db es t a b l ew h e nt h el a s e rp o w e rw a sh i g he n o u g h w eh a v ef o u n dt h a tt h e r e w e r et w oe n e r g yt h r e s h o l d si nt h ef e m t o s e c o n dl a s e rc r y s t a l l i z a t i o np r o c e s s o n ei s t h e t w o p h o t o na b s o r p t i o n t h r e s h o l d e n e r g yd e n s i t y , t h e o t h e ri st h el a s e r c r y s t a l l i z a t i o nt h r e s h o l de n e r g yd e n s i t y ，s u g g e s t i n gt h a tt h el a s e rc r y s t a l l i z a t i o n t h r e s h o l de n e r g yd e n s i t yo ft h ea - s it h i nf i l m sc o u l db eg r e a t e rt h a nt w o p h o t o n a b s o r p t i o nt h r e s h o l d f i n a l l y , t h ec r y s t a l l i z a t i o no np l a s t i cs u b s t r a t eb yf e m t o s e c o n d i v v 1 3 2 激光晶化技术研究现状。6 第四节选题意义及研究内容1i 第二章激光晶化温度场数值模拟1 3 第一节引言一1 3 第二节数值模拟基于的物理模型概述1 3 第三节数学理论模型的建立1 4 2 3 i 一维热传导方程1 4 2 3 2m a t l a b 偏微分方程解法1 6 2 3 3 初始和边界条件。1 7 第四节计算参量的选取1 7 第五节温度场模拟结果及分析18 2 5 i 样品对晶化效果的影响1 9 2 5 2 激光参数的影响2 2 2 5 3 薄膜的熔化深度2 8 第六节本章小结3 0 第三章激光晶化系统的设计3 2 第一节引言3 2 第二节激光晶化系统设计思路3 2 第三节激光晶化系统的选型与装配3 4 3 3 i 半导体泵浦同体激光器选型理由3 4 v i 第 第五节本章小结5 3 第五章激光晶化新技术的探索5 5 第一节引言5 5 第二节实验条件5 5 第三节实验结果及分析5 6 5 3 1 激光能量密度对薄膜结晶的影响5 6 5 3 2 激光照射脉冲数对薄膜结晶的影响6 0 5 3 3 不同晶化前驱物对薄膜结晶的影响6 6 5 3 4 晶化后薄膜形貌6 7 第四节双光子吸收效应7 0 5 4 1 晶化机制分析7 0 5 4 2z 扫描实验原理及结果分析7 l 5 4 3z 扫描实验结果及分析7 2 第五节柔性衬底超快脉冲激光晶化探索7 7 第六节本章小结7 9 第六章全文结论8 l v n 参考文 致谢 个人简 v i i i 第一章绪论 第一章绪论 第一节多晶硅材料的广阔应用 多晶硅材料被称为“微电子大厦的基石 ，广泛应用于通讯雷达、广播、自 动控制、传感器等领域；多晶硅薄膜材料因其具有较高的载流子迁移率和稳定 的光电性能，是制备大面积平板显示器以及薄膜太阳能电池的优质材料。 其中，平板显示是多晶硅薄膜应用最为广泛的领域之一。自发光的有机发 光二极管显示技术( o l e d ) 因其具有主动发光、高对比度、超薄、低功耗、无 视角限制、响应速度快等诸多优点，被认为是下一代最有发展潜力的平板显示 技术，是可以在柔性衬底上制作大尺寸、高亮度、高分辨率的自发光显示技术。 目前o l e d 显示屏已经被广泛地应用在手机、m p 3 、数码相机、仪器仪表、 医疗、工控等消费类电子产品以及工业产品中。o l e d 正处在从小尺寸向大尺寸 的突破过程中。现在世界上具有t f t 研发和制造能力的国际性大公司都看好a m o l e d 的未来，并投入大量资金进行研发。2 0 0 7 年日本索尼公司推出了1 1 英寸 的o l e d 彩色电视机，率先实现o l e d 在中大尺寸，特别是在电视领域的应用突 破，其卓越的性能彰显了o l e d 在大尺寸显示领域的巨大应用前景，进一步推动 了a m - o l e d 产业和技术发展。 2 0 0 9 年，o l e d 产业处于快速发展阶段，国际面板巨头索尼、三星、l g 电 子等纷纷投入力量进行下一代o l e d 面板技术的研发，在2 0 0 9 年1 0 月2 8 , - - - , 3 0 日于太平洋横滨会展中心举行的“f p di n t e r n a t i o n a l2 0 0 9 上，各行业巨头 们都展示其最新的技术成果，东芝移动显示器公司开发出了像素数为4 8 0 * 8 5 4 ( w v g a ) 的3 2 英寸o l e d 面板n 】，开发产品的全白亮度为2 0 0 c d m z ，峰值亮度 为4 0 0 c d m 2 ，对比度为1 0 万比l ，功耗比该公司在2 0 0 8 年开发的q v g a 产品缩 减了约3 0 ，亮度达到5 0 时的寿命超过3 万小时；台湾友达光电开发出了像 素为1 9 2 0 1 0 8 0 全高清的1 4 英寸有机o l e d 面板瞳1 ，驱动元件采用低温多晶硅 t f t ( l t p s ) ，每个像素配备2 个晶体管及1 个电容器，采用顶部发光型元件构 造，利用基于金属掩模的蒸镀法分涂r g b 三色o l e d 材料；韩国l g 电子于2 0 0 9 年8 月发布了1 5 英寸o l e d 电视并于同年1 2 月在韩国上市销售口1 ，其发光的峰 第一章绪论 值亮度为4 5 0 c d m 2 ，对比度为1 0 万：1 以上，色彩表现范围n t s c 比高达9 8 ， 并且关于其产业化，l g 公司明确表示，将分别在2 0 1 0 年量产2 0 英寸级、在2 0 1 1 年量产3 0 英寸级、在2 0 1 2 年量产4 0 英寸级大型o l e d 面板；2 0 0 9 年1 1 月，卡 西欧计算机与凸版印刷宣布成立新公司，量产用于数码相机等产品的小型o l e d 面板：三星移动显示器公司开发出了可弯曲的3 5 英寸o l e d 面板h 3 ，o l e d 元件 采用透明树脂薄膜进行封装。像素为4 8 0 * 8 0 0 ( w v g a ) ，全白亮度为3 0 0 c d m 2 ， 对比度为1 0 6 ：1 ，可显示1 6 7 0 万色，色彩表现范围n t s c 比为1 0 0 以上。根据 u bi n d u s t r yr e s e a r c h 调查，三星的o l e d 销售额在2 0 0 9 年已占到全球市场份 额的7 3 。目前，三星旗下的三星移动显示器公司拥有全球最大的o l e d 面板生 产线。从今年上半开始，三星将投资1 3 亿美元大规模兴建5 代线，用于生产中 大尺寸电视用面板，逐渐将其o l e d 的市场用途从手机过渡到电视应用上。 有源寻址o l e d ( a m o l e d ) 技术是实现高质量o l e d 的保证嘲。因为o l e d 为 电流驱动发光器件，只有有源寻址技术才能为o l e d 像素提供足够的驱动电流。 另外，由于微量的电压变化将导致电流的显著变化而影响o l e d 的亮度，这些都 给驱动o l e d 的薄膜晶体管( t f l ) 的均匀性和稳定性带来了严峻的挑战。因此， 要提高o l e d 的显示质量，就必须要提高t f ，i i 的各项性能。薄膜晶体管( t f t ) 依据有源层材料的不同可分为硅基薄膜t f l ，透明氧化物( 例如氧化锌薄膜) t f ，r 等，其中透明氧化物薄膜可以大面积生长，工艺简单，迁移率高于非晶硅薄膜， 并可发展透明衬底技术，但因为其自身的缺点，如迁移率比多晶硅低、器件稳 定性较差等，目前发展很不成熟。目前最成熟的薄膜晶体管技术当属硅基薄膜 t f t 技术。 硅基薄膜晶体管依薄膜材料的不同可分为非晶硅薄膜晶体管( a s it f t ) 和多晶硅薄膜晶体管( p o l y - s it f t ) 。非晶硅tf 1 技术优点在于制备工艺成熟， 相对简单，成品率高，适合于大面积生产。缺点是非晶硅t f l i 迁移率很低，仅 有0 5 - 1 c m 2 v s ，且非晶硅tf ，i 工作电流低，很难用于高分辨率、大尺寸的o l e d 显示屏3 。因此，只有采用迁移率较高且器件性能稳定的多晶硅t f t 才能够满足 高质量o l e d 显示基板的要求。 光伏领域是多晶硅技术另一应用广泛的领域。目前由于非晶硅薄膜电池存 在光致衰退效应( s - w 效应) 口1 ，即在受到长时间照射后光电导和暗电导性能有 所降低，而使得光照性能更为稳定的多晶硅薄膜受到关注。但由于多晶硅对可 见光部分的吸收系数较低，因此它可以与微晶硅电池或者非晶硅电池一起发展 2 第一章绪论 叠层电池。这已成国际上太阳能领域的研究热点。 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，我们将对多晶硅薄膜的各种制备工艺进行介绍。 第二节多晶硅薄膜的制备工艺 多晶硅薄膜的制备方法按成膜过程可分为两大类： 一类是在衬底上直接沉积多晶硅薄膜，如低压化学气相沉积( l p c v d ) 方法 和等离子体增强化学气相沉积( p e c v d ) 方法，l p c v d 法是集成电路中多晶硅薄 膜制备所采用的普遍方法，具有生长速率快、成膜致密、均匀等优点。但因其 沉积温度高，必须采用耐高温的石英、硅、陶瓷衬底、使制备l c d 和太阳能电 池的成本过高；p e c v d 法是通过射频电场产生辉光放电增强膜的沉积。采用甚高 频v h f 及微波的方法可大大提高薄膜的沉积速率，但其气源s i f 。气体具有强烈 的腐蚀性，特别是在沉积过程中形成的氢氟酸( h f ) 对金属仪器具有较强的腐 蚀性引。 另一类是采用两步结晶的方法，先制备非晶硅薄膜，然后通过再结晶技术 使非晶硅转化为多晶硅，如金属诱导晶化法( m i c ) 、固相晶化法( s p c ) 和激光 晶化法。金属诱导晶化法经常用于多晶硅薄膜的制备中，存在于非晶材料中的 金属与硅反应形成低温的硅化物，可以降低材料结晶所需的能量，从而使结晶 过程可以在较低的温度下进行。m i c 技术具有晶化温度低、所需时间短、晶粒尺 寸大等优点，但采用此方法制备的多晶硅薄膜中残留大量的金属，使薄膜性能 严重衰退；固相晶化技术是指在一定的温度下，通过使在固态内具有较高内能 的非晶硅薄膜无规网络中的硅原子被激活、重组，从而使非晶硅薄膜转化为多 晶硅薄膜的晶化技术。它的特点是工艺简单，可实现大面积多晶硅薄膜的制备。 但由于该过程是一个长时间的高温过程( 大于6 0 0 摄氏度，2 4 小时以上) ，不但 降低产率，也带来衬底形变等问题。而且制备的多晶硅由于晶粒尺寸较小，存 在较多晶界等缺陷态而使得材料性能不佳。激光晶化法是利用激光瞬时的高能 量入射到非晶硅薄膜表面及内部，仅在薄膜表层大约l o o n m 厚的深度产生热能 效应，使薄膜在瞬间熔融，而后冷却结晶的技术，在此过程中激光的瞬间能量 被非晶硅薄膜吸收并转化为相变能，因此不会有过多的热量传导到玻璃衬底上， 第一章绪论 即实现了多晶硅薄膜的快速制备，又满足了使用廉价的玻璃作为衬底的温度要 求，更重要得是激光晶化技术制备得到的多晶硅薄膜是目前几种制备技术中性 能最好的。表1 1 为以上几种多晶硅制备技术的优劣势比较表，从表中可以看 出，激光晶化技术具有工艺简单、电学特性好，制作出的器件性能优良的非晶 硅薄膜晶化技术。因此，激光晶化成为目前工业化低温制备多晶硅薄膜所采取 的主要途径。 表1 1 多晶硅制备工艺 易于实现晶化温度性能稳定工艺简单薄膜均匀 大面积 低性好 l p c v d p e c v d 金属诱导晶 化 固相晶化 激光晶化 第三节