LTPS制程与技术发展

第8章,LTPS製程與技術發展,前言,低溫多晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器(Low Temperature Poly-Silicon Thin Film Transistor，LTPS TFT LCD)，乃指其TFT中之半導體薄膜的結晶形態是多結晶(Polycrystalline)，並非是非結晶(Amorphous)的。,資料來源：工研院電子所,資料來源：工研院電子所,Poly-Si/-Si特性比較,-Si TFT LCD的結構簡單化和畫面高精細化。 P-Si TFT LCD是崁入不同功能的IC於玻璃基板上，減少模組工程上所使用IC的數量，換言之，模組接點減少，可靠度提升。,資料來源：工研院電子所,資料來源：工研院電子所,LTPS TFT LCD的特點,LTPS TFT LCD的特點，還有 載體的移動度(Mobility)為非晶矽的300倍 低耗電 高亮度 高解析度 輕薄短小 高品質 完美的系統整合,LTPS TFT LCD的前段製程,陣列電路設計(1),LTPS TFT周邊電路的設計必須崁入主陣列電路，整合於同一片基板玻璃上 可以減少半導體零組件的使用數量 可以減少後段工程組合時接著點的數目 使結構簡單化和工程可靠度提高,陣列電路設計(2),整體電路設計時，應考慮低耗電量 耗電量的值(P)是與 頻率(f) 電容(C) 電壓平方(V)成比例關係,陣列電路設計(3),電容值減低的對策 信號線(Busline)的線幅寬細線化 TFT的小型化 低電壓的對策 使啟動電壓減低，唯一方法是開發出新的驅動法並使驅動電壓減低 頻率減低的對策 使相對應於影像畫面產生變化，促使驅動頻率變化，達到低耗電化,陣列電路設計(4),以一般TFT通道寬度(52m)和通道長度(12m)，及閘氧化膜的厚度tox=3,500A為代表性元件。,陣列電路製程(1),大部分TFT LCD製造公司之LTPS TFT-LCD製程，是採行 頂部閘極(Top-Gate)的TFT電路結構 互補式金氧半(CMOS)的驅動電路設計 目前主流製程是需5道光罩,陣列電路製程(2),Poly-Si薄膜形成方法，有 IC製程的高溫製程法 使用的玻璃基板材料是耐熱性優且價格較貴的石英玻璃(Quartz)(尺寸限於150mm/200mm) 利用雷射退火技術的低溫製程法 使用與-Si TFT相同的不含鹼性離子之玻璃基板,陣列電路製程(3),高溫製程或低溫製程的使用，取決於矽薄膜形成之源極和汲極工程中之摻雜(Doping)工程而定。,陣列電路製程(4),與-Si TFT製程相比較，大部分的步驟是相類似的 Poly-Si TFT的特徵，有 低溫雷射退火的結晶化技術(Laser Annealing Crystallization) 低溫摻雜汲極技術(Lightly Doping Drain，LDD) 氫化處理技術(Hydrogen eration),陣列電路製程(5),氫化處理的目的在於 使矽原子的未結合鍵或未飽和鍵，能與氫原子結合而使其呈飽和狀態 可獲得高的載體移動度 使電子訊號的傳送速度變快 動態畫質顯示清晰明亮。,標準化製作過程(1),標準化製作過程約需要六項光罩步驟。 陣列電路設計工程：包含有 TFT陣列電路圖案(Pattern) 彩色濾光片圖案 配向膜圖案 封合圖案等規劃與設計,資料來源：工研院電子所,資料來源：工研院電子所,標準化製作過程(2),光罩製作工程： 使用電子束描繪裝置(Electron Beam Lithography System)製作出主光罩(Master Mask) 再利用微影技術(Lithography)複製工程用光罩網版,標準化製作過程(3),透明玻璃基板加工工程： 一定尺寸規格要求所做的切割加工 表面精密度和平坦度的要求所進行的研磨加工,標準化製作過程(4),洗淨工程：分為 陣列工程前 液晶胞工程前 液晶胞工程後等三大類,標準化製作過程(5),矽薄膜形成工程： 在玻璃或石英玻璃上，TFT電路通道(Channel)部分的形成方法，是使用濺鍍(Sputtering)裝置和低壓化學氣相沉積(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LP-CVD)裝置，將-Si薄膜堆積於上 再利用結晶化退火技術的加熱爐退火法或雷射光雷射退火，將其多結晶化處理,標準化製作過程(6),微影曝光工程： 利用輥輪被覆式(Roll Coater)或旋轉被覆式(Spin Coater) 塗佈光阻劑於光罩基板(Mask Blank)後作烘焙處理(Baking) 將光罩基板上的膜面圖案予以曝光微影和顯影處理，形成所需要的圖案,標準化製作過程(7),蝕刻工程： 在CF和TFT基板上，形成之金屬膜、絕緣膜和半導體膜等過程中作為光罩圖案 所使用的光阻劑必須利用乾式(Dry)或濕式(Wet)蝕刻裝置進行加工處理，再利用濕式剝離裝置(Wet-Type Resist Stripping System)將所剩之光阻劑，予以剝離處理並進行圖案的檢驗工作,標準化製作過程(8),閘極形成工程： Poly-Si TFT元件之閘極部分的形成工程 在Poly-Si薄膜上利用 CVD或熱氧化法(Heat Oxidation)，將絕緣性SiO2薄膜形成於上，再利用CVD將閘電極功能的Poly-Si薄膜堆積其上,標準化製作過程(9),雷射退火結晶化技術： 低溫Poly-Si結晶化的技術主要是準分子雷射退火法(ELA),資料來源：工研院電子所,資料來源：工研院電子所,資料來源：工研院電子所,標準化製作過程(10),摻雜工程： 為了Poly-Si薄膜之源極和汲極層的低電阻化，及使關閉(Off)電壓值提高，導入高濃度不純物的工程 方法： 先利用離子植入裝置、雷射摻雜裝置和電漿摻雜裝置 再將不純物的原子導入，再利用熱或雷射能量將不純物原子予以活性化。,資料來源：工研院電子所,標準化製作過程(11),金屬電極膜形成工程： 配線和電極材料的選用，以鉬(Mo)、鉭(Ta)、鉻(Cr)和鋁(Al)等金屬導電膜為主 製程以濺鍍法為主流,資料來源：工研院電子所,資料來源：工研院電子所,標準化製作過程(12),氫化工程： 為提升Poly-Si TFT之 I-V特性關係 將TFT通道區域的Poly-Si層之未飽和鍵與氫鍵結合後呈飽和狀態，促使電場效應移動度的提升 一般使用 氫退火爐裝置 電漿氫裝置：所得之活性化氫原子最有效,標準化製作過程(13),透明電極形成工程： 把開關(Switching)元件所傳送之電壓信號,傳送於LC畫像素電極和CF端的共通電極上 共通電極材料，是利用濺鍍法將ITO透明導電薄膜形成於上，並經由微影、蝕刻工程製作成所需圖案,LTPS TFT LCD的後段製程,液晶胞製程(1),洗淨工程： 洗淨技術有使用藥液、機能水和紫外線臭氣、毛刷、超音波、超高音波(Mega Sonic)和高壓噴洗等，其中以純水洗淨為主 為了去除過剩的水並達到乾燥，有旋轉乾燥法和空氣刀乾燥法,液晶胞製程(2),配向模形成工程： 配向模是有機薄膜的材料，施以面磨處理，使其上之液晶分子產生配向排列作用 一般配向膜厚度在5001,000 使用的配向膜材料有聚胺酸(Polyamic Acid)和聚醯胺(Polyimide)，以聚醯胺類為主 利用凹凸印刷方式將數百厚度的配向層形成其上，並在200-250進行熱硬化處理,液晶胞製程(3),面磨配向(Lapping)處理工程： 為使配向層有一定的方向性排列，利用附有毛布的圓筒狀輥輪來回旋轉,液晶胞製程(4),封合劑印刷形成工程： 經配向面磨處理後之Array下基板和CF上基板，任選其中一片基板之週邊封合部，將熱硬化型或紫外線硬化型環氧樹脂類的接著劑以網版印刷法或散佈法塗佈上去，然後進行100C左右的烘焙處理。,液晶胞製程(5),間隔物(Spacer)散佈工程： 使上下兩片基板保持於5-7m的液晶胞間隙，以便後續液晶胞注入工程進行。,液晶胞製程(6),貼合附著工程： 封合部分的形成和間隔物的散布等處理後之Array下基板及CF上基板，就其相互間預先設定之對應電極進行對位處理(利用光學式精密對位) 將其相互進行一邊加壓一邊加熱，或照射紫外線使其貼合緊密並達到硬化處理,液晶胞製程(7),分割切斷工程：貼合硬化後的每片基板進行多片式的分割和切斷處理，使其成為每一單片的面板半成品。,液晶胞製程(8),液晶注入和封止工程： 將每一單片面板的半成品之間隙空間抽成低壓真空狀態 將其置入盛有液晶材料的液晶皿容器內 藉由外界常壓的作用，利用毛細管現象將液晶材料填充於液晶胞的間隙空間內 然後於注入口處塗佈上紫外線硬化型樹脂類的接著劑，並以熱或紫外線照射進行硬化和封合作用,液晶胞製程(9),偏光膜貼合附著工程： 外側分別貼合附著上 具有偏光作用的偏光膜 特殊性光學補償膜 增強功能性的光學薄膜,液晶胞製程(10),點燈檢查工程：進行 人工目視檢查 自動化精密儀器檢查 使產出的最終成品是無缺陷的,資料來源：工研院電子所,資料來源：工研院電子所,資料來源：工研院電子所,資料來源：工研院電子所,資料來源：工研院電子所,資料來源：工研院電子所,專有名詞(1),準分子雷射(Excimer Laser)： 準分子是激發態的雙量體(Dimer)，Excimer為Excited Dimer的英文縮寫 稀有氣體處於能量基態時是未結合的原子，當形成激態時，則於一定時間內形成安定的結合狀態，然後將釋放出某一波長光而轉換至基態，在紫外光線的波長區域，產生高效率的雷射共振,專有名詞(2),低溫多晶矽(Low Temperature Poly Silicon，LTPS)：是在600C或更低的溫度下經由雷射退火的製程，形成多結晶狀態的矽薄膜。 再結晶(Recrystallization)：多結晶物體中，結晶粒隨著時間而與其他結晶粒相互融合，進而減少了整個的結晶粒數量，並促使其結晶粒的顆粒變大的，此種現象稱為再結晶,專有名詞(3),離子植入(Ion Implantation)：施加10keV以上的高電子伏特能量的離子，並使其入射於固體晶格中，使與晶格中的中性原子(原子核及電子)產生衝突而損失能量，進而順利植入固體晶格中的一種物理現象。 液晶注入技術(LC Injection)：利用減壓或增壓方式，將液晶材料導入兩片玻璃基板間的一種工程。,