利用半导体蓝光二极管激光退火活化掺杂硅薄膜

日本V Technology公司利用CW半导体蓝光二极管激光器对LTPS TFT掺杂多晶硅薄膜进行了活化退火工艺（（BLDA））研究。研究发现，通过充分熔融再结晶，薄膜电阻可显著降低至传统快速-热退火（RTA）技术处理的1/3。

关键词:光纤；蓝色激光二极管；BLDA；横向生长；活化；TFT。

低温多晶硅(LTPS) TFT技术在平板显示行业取得了巨大的成功。从高分辨率液晶显示器(LCD)开始，已经扩展到OLED显示器，特别是智能手机中广泛采用的柔性OLED显示器。由于高画质和产品设计的灵活性，OLED在平板电脑、笔记本电脑、汽车等多种市场的应用正在扩大。这引发了对LTPS技术的大规模生产设施的强烈需求，这些设施使用比目前的G6更大的基板尺寸。

显示行业的另一个趋势是micro-LED显示屏的出现。与OLED相比，micro-LED既保持了OLED对比度高、色彩鲜艳、响应时间快等优点，又具有目前OLED或LCD无法达到的亮度高达10000尼特（nit）的优越性能，在汽车和户外应用中是必不可少的。LTPS技术被认为是micro-LED显示屏的关键技术。

图1：BLDA设备的组成，光学结构的配置。

在LTPS TFT制造中，离子掺杂对于TFT的Vth控制、关断漏电流的减小和通断电流的减小都是非常重要的。在目前的LTPS工艺中，离子掺杂是通过注入实现的。然而，离子注入会对多晶硅薄膜的晶体结构造成破坏，在掺杂离子的通道中产生富含非晶态的缺陷。要使离子掺杂有效地发挥TFT器件的特性，就必须减少缺陷，恢复TFT器件硅的晶体结构，这一过程称为活化。在目前的TFT制造中，采用了快速-热退火(RTA)技术，这是一项从LTPS TFT工业开始就被使用的技术。

当LTPS TFT技术应用于G8以上的大型基板时，而RTA采用热加热，耗能大，占地面积大，这急需要迫切改进。日本V Technology公司开发了利用蓝光半导体二极管激光器进行结晶的激光退火工艺（BLDA）。与使用准分子激光的传统激光退火相比，BLDA可以显著降低能耗。除了结晶外，实验表明，BLDA还可以应用于离子掺杂硅薄膜的活化。

尽管激光活化有发展潜力，但至今为止还没有引起太多关注。在半导体器件的研究中，法国研究小组报道了利用脉冲宽度为200纳秒的准分子激光进行活化的研究成果。数据表明，杂质分布随激光能量密度的变化而变化。

本文中，研究人员验证了连续波蓝光半导体二极管激光器(BLDA)的活化效应。图1显示了BLDA的设备概念。在BLDA设备中，采用波长为450nm的蓝光半导体激光二极管。激光通过一个耦合模块被吸引到光纤中。采用光纤可以更容易地构建从光源到衬底退火位置的光通道。光纤还可以作为积分器，产生均匀的光束强度分布。将多根光纤组装成光纤阵列模块，其中所有光纤的输出端设置在垂直于后续投影透镜光轴的平面上。在激光照射下，通过扫描衬底实现活化。在激光扫描后，衬底的薄膜可以被活化。

图2显示了激光束形状、用于表面电阻测量和四针电阻测量的条带。采用HIOKI 3239 DIGITAL HiTESTER进行电阻测量。

图2：电阻测量

实验中改变激光功率，研究薄片电阻与激光功率的关系如图3所示。当激光功率增大时，薄片电阻先减小，然后略有增大，再减小，最后达到饱和。使用常规RTA的样品的薄片电阻约为20 KΩ/sq。饱和区片材电阻约为7 KΩ/sq。它被还原了2/3。这可能有助于显著改善TFT的通流能力。

图3：活化退火中表面电阻与激光功率的关系

BLDA激光退火一次活化结晶

图4：经BLDA结晶活化后的硅薄膜微观结构。

图5：离子掺杂结晶非晶膜片阻与激光功率的关系

BLDA活化的机制

活化过程的机制可以通过分析吸收激光能量后杂质的释放和再结晶来解释，如图6所示。结果表明，在不同能量的激光照射下，硅薄膜电阻的变化与晶体状态的变化是一致的。在图3中，第一次减少可能是由于杂质的释放而不改变晶格。激光辐照功率越大，杂质释放量越大，薄片电阻越低。在所有杂质释放后，释放量没有增加，因此阻力首先饱和。当激光功率进一步提高时，硅晶体部分熔化再结晶，熔化导致晶格缺陷，载流子迁移率下降，导致片电阻增大。随着激光辐照能量的增加，合金的熔融再结晶率和晶粒尺寸逐渐增大，最终达到完全熔融和再结晶后的侧向结晶。迁移率随晶粒尺寸的增大而增大，薄片电阻随激光能量的增大而减小。迁移率在横向区域饱和，因此薄片电阻饱和。

图6：不同激光功率的活化模型

日本V Technology公司提出了一种利用蓝色激光二极管(BLDA)活化掺杂硅膜的新技术。实验表明，用专用的光束形状扫描CW蓝光激光照射薄膜表面可以实现活化。

新的活化技术可能会给显示器制造带来三个重要的影响。最重要的效果是改善TFT器件性能，实现更高的载波迁移率。二是降低活化过程的能耗。第三是减少量产设备的空间，这使得LTPS TFT技术的基板尺寸有可能超过G6，达到G8或G10。该技术可用于开发用于OLED显示器或micro-LED显示器的新一代LTPS TFT。