准分子激光退火设备关键技术研究

摘要

准分子激光退火设备是高端有源矩阵液晶显示器和有源矩阵有机发光二极管显示器的工业生产中的核心设备之一，利用该设备可以对大尺寸基板上的非晶硅薄膜进行高效、高质量地晶化，从而大幅提高显示器的性能，然而，该设备牵涉到准分子激光器、光束整形等领域的前沿技术，研发难度大。目前，仅美国的相干公司等少数机构有能力提供高性能的商品化准分子激光退火设备，而国内该设备完全依赖于进口。准分子激光退火设备建立于大能量、高重频激光技术及均匀照明等众多关键技术之上，对这些技术展开攻关，使该设备国产化，对我国显示产业的发展具有重要意义。论文以基于薄膜晶体管像素开关的液晶显示技术及有机发光二极管显示技术为出发点，首先概述了激光退火工艺，然后重点介绍了准分子激光退火设备涉及到的大体积均匀放电、高压快脉冲激励、光斑匀化、微缩投影、线形光斑监测等单元技术;对上述若干单元技术开展研究，并集成线形光束扫描退火设备原理性样机;最后采用样机输出的线形光斑对大面积非晶硅薄膜进行退火，以验证样机的技术路线和设计方法的正确性，并研究过程参数对薄膜晶化质量的影响。
　　设计并组装了一套高压快脉冲激励系统，激励回路采用了基于氢闸流管的反转倍压结构和基于磁脉冲压缩开关的能量转移结构，最终获得了峰值电压为42kV，上升沿为100ns的激励脉冲。采用张氏理论设计并加工了一套用于大体积均匀放电的电极，结合基于火花放电的预电离结构，对XeCl工作气体进行抽运，其中激活区长度为510mm，电极间距为30mm，电场不均匀度为27.8％。对工作气体组分对脉冲能量的影响进行了实验研究，当采用Ne气作为缓冲气体，HCl和Xe的含量分别为0.11％和2.86％，且总气压为2800mbar时，可以获得440mJ的308nm激光单脉冲能量;输出的激光近场光斑呈矩形，长轴宽度约为30mm，短轴宽度约为13mm。
　　分别采用几何光学与波动光学的理论对透镜阵列的激光光斑匀化作用进行了分析。提出了一种线形光束整形系统的设计方法，首先依据工况需求对短轴投影镜头进行设计;然后采用匀化尺寸、远心照明、照明孔径角、一对一原则对短轴、长轴均束系统进行约束，以期获得合理的系统参数;最后根据均束系统的要求，求解扩束或缩束系统的参数。采用上述方法分别设计了远心和非远心照明的两套线形光束整形系统，对比分析了系统结构，分析结果表明，远心系统的大部分器件具有与线形光斑相仿的长度，且系统总长度大，器件加工与系统装调难度高。
　　结合光学设计和仿真软件，讨论了阵列单元中心偏差、工作面的偏移等关键参数对线形光斑质量的影响，结果表明，在±0.3mm范围内，两套系统中的工作面偏离对线形光斑分布影响不明显，远心系统的长轴匀化光斑对工作面位置的大幅度变化不敏感。基于透镜阵列，加工并组装了一套非远心均匀照明系统;采用缩放法设计并集成了一套三片式折射型大孔径、小视场投影镜头，以20∶3的缩小倍率将视场光阑处的短轴匀化光斑投影于工件表面;此外，采用光斑转换模块使原始光束的截面横纵倒置，采用激光扩束模块对原始光束的短轴进行准直，其扩束倍率亦可限定光束尺寸，以配合均束系统的孔径。某次对样机的测试结果表明，线形光束整形系统的能量传递效率约为33％，工件表面的线形光斑尺寸为100mm×0.3mm，部分长轴光斑的均匀度可达到93.95％，平均能量密度可达到520mJ·cm-2。
　　采用线形光斑对大尺寸非晶硅薄膜进行退火处理，研究了线形光斑的能量密度、辐照脉冲数量对薄膜晶化程度的影响，讨论了制备的大尺寸多晶硅薄膜的晶化体积分数及均匀性。实验结果表明，薄膜晶化的阈值为194mJ·cm-2;薄膜的晶化体积分数随能量密度先线性增大，再缓慢减小，线性增长因子约为0.3，当能量密度为432mJ·cm-2时，晶化程度最优;当辐照脉冲数超过20次时，薄膜的晶化体积分数维持稳定;当光斑搭接率为93.7％时，制备的大尺寸多晶硅薄膜右侧区域的晶化体积分数为92.26％，相对标准差为1.56％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 显示技术的现状及未来发展方向

1．1．2 激光退火技术及其发展现状

1．2 论文的目的、意义、主要工作及创新点

第2章 准分子激光退火设备的关键技术

2．1 准分子激光概述

2．2 放电激励大能量准分子激光器的关键技术

2．2．1 大面积均匀放电技术

2．2．2 高压快脉冲激励技术

2．3 光束整形概述

2．4 准分子激光光束整形系统的关键技术

2．4．1 能量衰减技术

2．4．2 激光扩束技术

2．4．3 光斑匀化技术

2．4．4 投影技术

2．4．5 线形光斑在线监测技术

2．5 本章小结

第3章 准分子激光大能量输出设计

3．1 大激活区放电电极设计

3．2 高压快脉冲激励回路设计

3．3 大能量激光输出实验

3．4 本章小结

第4章 准分子激光线形光束整形系统的设计

4．1 线形光束整形系统总体设计方案

4．2 投影系统设计

4．3 均匀照明系统设计

4．4 本章小结

第5章 准分子激光线形光束整形系统仿真及线形光斑测试

5．1 线形光束整形系统仿真

5．2 线形光斑主要参数测试

5．3 本章小结

第6章 线形光束晶化非晶硅薄膜

6．1 实验方法

6．2 晶化阈值能量密度

6．3 晶化能量密度窗口

6．4 辐照脉冲数量的影响

6．5 大尺寸非晶硅薄膜的晶化

6．6 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果