準(zhǔn)分子激光退火設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、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，

2、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

3、確性，并研究過(guò)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42kV，上升沿為100ns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510mm，電極間距為30mm，電場(chǎng)不均勻度為27.8％。對(duì)工作氣體組分對(duì)脈沖能量的影

4、響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，當(dāng)采用Ne氣作為緩沖氣體，HCl和Xe的含量分別為0.11％和2.86％，且總氣壓為2800mbar時(shí)，可以獲得440mJ的308nm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30mm，短軸寬度約為13mm。
　　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、

5、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±0.3mm范圍內(nèi)，兩套系

6、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

7、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100mm×0.3mm，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520mJ·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