快速能量传输回火装置及方法 (1)技术领域
本发明有关一种快速能量传输回火装置及方法。
(2)背景技术
将薄膜晶体管(TFT)驱动元件及薄膜太阳电池整合于一玻璃或一塑胶基板是新一代薄膜晶体管(TFT)平面显示器及薄膜太阳电池的一项基本需求，由于低温多晶硅(low temperature polysilicon，简称LTPS)可整合于一玻璃或一塑胶基板，且因具有较非晶硅(amorphous silicon)高出一至二个数量级的电子迁移率，可有效改善薄膜晶体管驱动元件特性，低温多晶硅成为目前新一代平面显示器薄膜晶体管(TFT)驱动元件及薄膜太阳电池的重要材料。
薄膜液晶显示器的多晶硅(polysilicon)薄膜晶体管(TFT)面板的多晶硅薄膜部分，目前业界通常使用以下两种方法制作。
第一种方法使用激光回火技术，一般是于一玻璃(或塑胶)基板上，先沉积一二氧化硅缓冲层，续于二氧化硅缓冲层上沉积一非晶硅薄膜层；由于近紫外光能量可被非晶硅有效吸收，激光回火技术是以一近紫外光准分子激光所发射出的光子自上方以间隔短脉冲方式依序加热沉积于一玻璃(或塑胶)基板上的一非晶硅薄膜表面及浅层区域，藉具有ArF：193nm、KrF：248nm及XeCl：308nm等近紫外光成份的一稀有气体卤素准分子激光(rare-gas halogen excimer laser)所发射出的近紫外光高能量光子以间隔短脉冲照射，瞬间将非晶硅薄膜加热至1400℃左右高温，非晶硅薄膜层可快速熔解，因脉冲时间很短热量下移扩散不会太深，藉二氧化硅缓冲层的隔热保护，残余热量扩散不会造成玻璃基板软化，但激光回火技术存在下列缺点：
1.准分子激光回火装置设备十分昂贵。
2.一束激光与另一束激光间的能量密度常有不稳定的现象。
3.扫瞄式回火处理大面积基板，费时费工。
4.结晶区(grain)之间由于成长推挤效应，形成部分区域隆起、部分区域下陷的状况，导致多晶硅薄膜层表面粗糙度高及均匀度欠佳的缺失。
第二种方法是以炉管回火(furnace annealing)固相结晶(solid phasecrystallization)技术，其是将一沉积于一玻璃(或塑胶)基板上的一非晶硅薄膜层于一400℃-600℃的炉管内进行一两小时至数十小时的回火过程，于回火过程中，非晶硅薄膜层吸收炉管温度提供的能量，缓慢地转换为一多晶硅薄膜层，但炉管回火固相结晶技术存在下列缺点：
1.由于温度较低(400℃-600℃)，炉管回火方式制作多晶硅薄膜层的各别结晶区成长速率(growth rate)慢，产能受限。
2.由于温度较低(400℃-600℃)，提供的能量较低，炉管回火方式制作多晶硅薄膜层的各别结晶区较小，导电性低于以激光回火方式制作的多晶硅薄膜层。
炉管回火地另一态样为一种炉管回火金属诱发结晶(metal inducedcrystallization)技术或金属诱发横向结晶(metal induced lateralcrystallization)技术，与炉管回火固相结晶技术不同的是于非晶硅薄膜层上或下沉积或蒸镀一金属催化层，在金属催化作用下可降低非晶硅薄膜层转换成多晶硅所需的炉管温度及回火时间，但此炉管回火金属诱发结晶或金属诱发横向结晶技术制作的多晶硅薄膜层，除具有炉管回火固相结晶技术两项缺点外，金属原子扩散(diffusion)现象会导致金属残留于多晶硅薄膜层的污染问题。
(3)发明内容
因此，本发明的一目的在于提出一种快速能量传输回火装置及方法，容易且可大面积制造，并能有效使非晶硅薄膜层快速回火结晶，并能避免玻璃(或塑胶)基板受到高温伤害。
本发明的另一目的在于提供一种可快速有效吸收一光源能量、快速升温，并快速释出、传输热能的能量板，经由气体或固体介质传输能量，可提供非晶硅薄膜藉以回火转换为一多晶硅薄膜的热能的快速能量传输回火装置及方法。
本发明的又一目的在于提供一种通过散热板可保护玻璃基板免于过热受损的快速能量传输回火装置及方法。
本发明的又一目的在于提供一种可固定或随时间机动调整能量板与非晶硅薄膜间距以控制传输入非晶硅薄膜的能量的快速能量传输回火装置及方法。
本发明的再一目的在于提供一种可固定或随时间机动调整玻璃基板与散热板间距以控制玻璃基板传输出的能量的快速能量传输回火装置及方法。
本发明的另一目的在于可藉助一线性移动装置将非晶硅薄膜及玻璃基板与散热板依序通过能量板的上或下方，以扫描方式控制非晶硅薄膜层自能量板吸收热能的回火的快速能量传输回火装置及方法。
本发明的又一目的在于提供一种藉助导热层、隔热层、受热层、散热层或隔热层达成选择性结晶，或引导结晶朝特定方向成长的快速能量传输回火装置及方法。
根据本发明一方面提供一种快速能量传输回火装置，其特点是，包括：一光源单元，可快速提供主要光波能量；一能量单元，为可快速吸收光源主要波长能量并快速升温的一受热件；以及一回火单元，包含一基板及沉积于基板上的一非晶薄膜，回火单元的非晶薄膜是面对能量单元且相隔一适当距离；其中，当能量单元快速升温并释出热能，可加热非晶薄膜并将非晶薄膜转换为一多晶薄膜。
根据本发明另一方面提供一种快速能量传输回火方法，其特点是，包括以下步骤：a.提供一光源，可快速释出主要光波能量；b.提供一能量单元，为可快速吸收光源主要波长能量并快速升温的一受热件；以及c.提供一回火单元，包含一基板及沉积于基板上的一非晶薄膜，回火单元的非晶薄膜是面对能量单元且相隔一适当距离，可藉快速升温的能量单元释出的热能加热，转换为一多晶薄膜；以及d.提供一散热单元，它为一恒温或可控温的一散热件，散热单元与回火单元相隔一适当距离，以吸收基板所释出的能量。
为进一步说明本发明的目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
(4)附图说明
图1是本发明第一较佳实施例快速能量传输回火装置示意图。
图2是本发明第二较佳实施例快速能量传输回火装置示意图。
图3是本发明第三较佳实施例快速能量传输回火装置示意图。
图四是本发明第四较佳实施例快速能量传输回火装置的试片示意图。
图5A是本发明以第一较佳实施例实验的N型杂质活化试片回火前的剖面穿透式电子显微镜图像。
图5B是本发明以第一较佳实施例实验的N型杂质活化试片回火后的剖面穿透式电子显微镜图像。
图6A是本发明以第一较佳实施例实验的氢化非晶硅试片回火后的剖面穿透式电子显微镜图像。
图6B是本发明以第一较佳实施例实验的氢化非晶硅试片回火后的剖面穿透式电子绕射图像。
(5)具体实施方式
下面将结合附图说明本发明，熟悉本技术的人员须了解下文中的说明仅是作为例证用，而不用于限制本发明。
【第一较佳实施例】
图1为本发明第一较佳实施例快速能量传输回火装置30示意图，包括：固定于一承载板31上的多个石英柱32、由多个石英柱32支撑和厚度为dS的一试片33，试片包含一玻璃基板331、于玻璃基板331上依次沉积的一二氧化硅层332及一非晶硅薄膜层333；一能量板34，设于试片33上方一第一距离d1处；一散热板35，设于试片33下方一第二距离d2处，可让多个石英柱32穿过，故承载板31可上下移动、一钨丝卤素灯源36，设于能量板34上方，可提供能量板34所需的热能，能量板则由石墨、钼、单晶硅或其他可快速吸收钨丝卤素灯源36能量并快速升温的材料所构成。
第一较佳实施例快速能量传输回火装置30是藉助钨丝卤素灯源36自上方朝能量板34进行脉冲式或非脉冲式快速照射，承载板31及散热板35的位置皆可移动，故第一距离d1及第二距离d2可在回火过程中固定不变或随时间任意调整，以此随时间机动控制非晶硅薄膜的吸热与玻璃基板的散热。以传导(conduction)为例，依据热能通量(the flux of heat energy)公式，Jh1＝Kth1(Te-Ts1)/d1，Jh1(W/cm2)为由能量板34下表面经第一距离d1传导至非晶硅薄膜层333上表面的热能通量，Kth1(W/cm oC)为能量板34下表面与非晶硅薄膜层333上表面第一距离d1之间气体或固体介质的热导率(thermal conductivity)，Te为能量板34下表面的温度，Ts1为非晶硅薄膜层333上表面的温度。由能量板34下表面传输至非晶硅薄膜层333上表面的能量大小由Kth1、Te、Ts1、及d1四个参数值决定，以第一距离d1而言，第一距离d1值愈小传输的能量愈大，当d1值趋近于零，能量传输有最大值，Ts1趋近于Te，而当d1值趋近于无限大，能量传输有最小值，Jh1趋近于零，因此第一距离d1值的调整可以十分有效地由最大值至最小值控制能量板34下表面传输至非晶硅薄膜层333上表面的热能量，以使非晶硅薄膜层333转换为一多晶硅薄膜层，二氧化硅隔热层332是提供隔热功能，保护玻璃基板331免于过热(超过600℃)软化产生的损害；设于试片33下方第二距离d2处的散热板35，可为一恒温的散热板，可设定远低于能量板34的温度，如25、100、200或300℃，同理，以传导(conduction)为例，依据热能通量(the flux of heatenergy)公式，Jh2＝Kth2(Ts2-Tb)/d2，Jh2(W/cm2)为由玻璃基板331下表面经第二距离d2传导至散热板35上表面的热能通量，Kth2(W/cm oC)为玻璃基板331下表面与散热板35上表面第二距离d2之间气体或固体介质的热导率，Ts2为玻璃基板331下表面的温度，Tb为散热板35上表面的温度。由玻璃基板331下表面传输至散热板35上表面的能量大小由Kth2、Ts2、Tb、及d2四个参数值决定，以第二距离d2而言，第二距离d2值愈小传输的能量愈大，当d2值趋近于零，能量传输有最大值，Ts2趋近于Tb，而当d2值趋近于无限大，能量传输有最小值，Jh2趋近于零，因此第二距离d2值的调整可以十分有效地由最大值至最小值控制玻璃基板331下表面传输至散热板35上表面的热能量，以避免玻璃基板331因过热而受到伤害。能量板34的面积、厚度、材料、及数量，钨丝卤素灯源的峰值波长、强度、脉冲式或非脉冲式快速照射的周期、温度或时段，能量板34与试片33间的第一距离d1及试片33与散热板35间的第二距离d2，两者间的介质、气流、气温、及气压，散热板35的面积、厚度、材料、温度、及数量等诸多参数，彼此相互关连、依存、作用、影响，需以实验逐步调整、校正，以获最佳回火结晶效果。
【第二较佳实施例】
图2为本发明第二较佳实施例快速能量传输回火装置40示意图，包括：一钨丝卤素灯源46；厚度为dS的一试片43，它包含一玻璃基板431、于玻璃基板431上依次沉积的一二氧化硅层432及一非晶硅薄膜层433；一能量板44，设于试片43上方一第一距离d1处；一散热板45，它设于试片43下方一第二距离d2处。其整体结构与第一较佳实施例快速能量传输回火装置30大致相同；而第一相异处在于非晶硅薄膜层433上的一第一凸块434a，该第一凸块434a的突起导致其与能量板44间的距离d1’小于非晶硅薄膜层433与能量板44间的第一距离d1，第一凸块434a受热较多，故其下方的一第一非晶硅薄膜层区域436a吸收的热能量高于一第七非晶硅薄膜层区域439，同理，第二凸块435a下方的一第二非晶硅薄膜层区域437a吸收的热能量亦高于第七非晶硅薄膜层区域439，第一非晶硅薄膜层区域436a及第二非晶硅薄膜层区域437a所吸收较高的热能量会传导至两区域间的一第五非晶硅薄膜层区域438a，因此，第一非晶硅薄膜层区域436a、第二非晶硅薄膜层区域437a及第五非晶硅薄膜层区域438a三者的结晶速率高于第七非晶硅薄膜层区域439及非晶硅薄膜层433的其他区域；第二相异处在于玻璃基板431上的一第三凸块434b，该第三凸块434b与散热板45的距离d2’小于玻璃基板431与散热板45间的第二距离d2，第三凸块434b散热较多，同理，第四凸块435b散热亦较多，第三凸块434b上方的一第三非晶硅薄膜层区域436b及第四凸块435b上方的一第四非晶硅薄膜层区域437b散热速度高于第七非晶硅薄膜层区域439，故第三非晶硅薄膜层区域436b、第四非晶硅薄膜层区域437b及两区域之间的一第六非晶硅薄膜层区域438b散热速度高于第七非晶硅薄膜层区域439及非晶硅薄膜层433的其他区域；综上所述，非晶硅薄膜层433上的凸块可使其下方及相邻近的非晶硅薄膜层区域加快吸热而加快升温，而玻璃基板上的凸块可令其上方及相邻近的非晶硅薄膜层区域加快散热而加快降温。
【第三较佳实施例】
图3分别为本发明第三较佳实施例快速能量传输回火装置50示意图，其结构及实施方式与图1第一较佳实施例快速能量传输回火装置30大致相同，包括一钨丝卤素灯源56及一能量板54皆固定不动，所不同者是图3中，一散热板55、固定于一承载板51上的多个石英柱52、由多个石英柱52支撑的一试片53及试片53下方的一散热板55，皆可置于一输送带(图中未示出)上，同时向左移动，故试片53可随的陆续通过能量板54下方，藉能量板54释出的热能扫瞄，快速吸收能量板54释出的热能，快速升温，散热板55及承载板51皆可上下调整移动，完成类似图1第一较佳实施例快速能量传输回火装置30中所述的回火结晶制程。
【第四较佳实施例】
图四为本发明第四较佳实施例快速能量传输回火装置的一试片73示意图，包括于一玻璃(或一塑胶)基板731上方依次沉积的一如金属的导热层732、一如二氧化硅或氮化硅的隔热层733、一如非晶硅的非晶薄膜层734、一受热层735，以及于该玻璃(或塑胶)基板731下方沉积的一如金属的散热层736，其中导热层732、隔热层733及散热层736可为连续薄膜，或如线条状、格状及其他几何图案的薄膜，非晶薄膜层734亦可为连续薄膜，或如线条状、格状及其他几何图案的薄膜，受热层735可为图4中所示的几何图形，其中a1、a2、a3、a4尺寸可任意改变，调整受热层735不同区域的受热程度不同，以获得选择性结晶，其他几何图案的薄膜亦可依需求灵活应用，其原理是利用不同厚度不同的热传导及不同的热容量，导致不同区域不同的升温速率或降温速率。因此，非晶薄膜层734的结晶可选择性地在特定区域发生，控制导热方向亦可引导结晶朝特定方向成长。
以上第一较佳实施例至第三较佳实施例快速能量传输回火装置30、40、50，及第四较佳实施例快速能量传输回火装置试片73，详细描述了本发明的不同实施方式。此外，本发明以第一较佳实施例所获下列的第一实验结果，在第一距离d1＝2mm，第二距离d2＝3mm条件下，以钨丝卤素灯源自上方朝能量板进行脉冲式快速照射，其是重复五次单一脉冲，每单一脉冲的设定值是自400℃于三秒钟升温至900℃，维持900℃五秒钟，续自900℃于十秒钟降温至400℃，单一脉冲周期共持续十八秒钟，下一单一脉冲周期紧接着开始，如此周而复始、共重复五个周期，仅花费九十秒钟(18×5＝90秒)，即可将一厚度为500埃的低温多晶硅薄膜，因N型离子布植掺杂(磷(Phosphorus)：20keV，1×1015/cm2)撞击损坏所形成约400埃的非晶硅薄膜层回火成多晶硅且将杂质活化，如图5A及图5B所示分别为此N型杂质活化试片回火前及回火后的剖面穿透式电子显微镜图像，可以清楚看出回火后非晶硅薄膜层已完全转换为一多晶硅薄膜层，且其杂质活化效果良好，具有良好导电性，片电阻值约280Ω/square，此结果与一般使用激光回火的效果相当；又本发明以第一较佳实施例所获下列的第二实验结果，与第一实验不同处是以15个周期共270秒(18×15＝270秒)，即可将沉积于一玻璃基板上的一厚度为4000埃的氢化非晶硅薄膜(a-Si：H)，在未去氢条件下回火成多晶硅薄膜，没有氢爆现象，如图6A及图6B所示分别为此氢化非晶硅试片回火后的剖面穿透式电子显微镜图像及电子绕射图像，可以清楚看出回火后氢化非晶硅薄膜层已完全转换为一多晶薄膜层，且界面十分平坦，并有多晶硅的绕射图像；另外，本发明快速能量传输回火装置亦可藉助一回馈控制系统，机动调整能量板的温度，加热步骤可不受钨丝卤素或其他灯源衰退的影响，且灯源、能量板、散热板、及承载板等均可以由许多单元组合成大面积的结构，故可迅速有效的进行大面积的快速能量传输回火制程。
当然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。