專利名稱：高溫液相加熱晶化方法及裝備的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于液晶顯示(LCD)、有機發光二極管(OLED)、電子紙(e-paper)和三 維集成電半導體器件用的薄膜晶體管(TFT)和太陽電池、光電子器件用的半導體薄膜的晶 化方法及相應的裝備結構。
技術背景以玻璃為基板的硅基TFT器件、太陽電池及其他光電子器件已成為當前發展的主流方向， 由它構成的TFT基板己廣泛的應用于液晶顯示屏，有機發光顯示屏，電子紙以及其它各種顯 示器和控制器件和太陽電池、光電子器件中，其性能與薄膜的晶化程度有著密切的聯系，特 別是在Si薄膜中隨著薄膜的晶化程度由非晶硅的轉化到多晶硅，其遷移率可由零點幾上升到 100cm2/VS以上。 一般為了實現非晶硅薄膜的晶化都需要達到1000度以上的高溫技術，但在 這溫度下玻璃早已軟化變形了，因此在以玻璃為襯底的硅基TFT技術中為了實現大面積的晶 化一般采用了激光退火技術和金屬誘導方法來實現低溫多晶硅的低溫技術。但這些方法也還 存在著成本高、均勻性差、工藝復雜和工藝過程中使用大量的有毒和易燃易爆氣體等缺點。 發明內容本發明的目的在于針對已有技術存在的缺陷，提供一種高溫液相加熱晶化方法及裝置， 液相加熱效率高，溫度均勻，能保持基板的平整度，工藝可簡化。 為達到上述目的，本發明的構思如下本發明用液相金屬作為一個加熱載體，把已沉積有非晶半導體層的玻璃襯底或石英或透 明陶瓷襯底的基板置于液相金屬的上表面，由于該基板的密度比液相金屬小得多，使金屬能 將該基板浮托在金屬的表面，從而使該液相金屬既起到加熱的功能，又由于金屬表面的表面 張力形成很平整的平面，因此即使加熱的溫度超過了該基板的軟化點但還是能保持基板的平 整度，不變形，而且整個襯底的受熱很均勻傳熱效率高。該液相金屬可以是下述金屬中間的 一種或幾種金屬的混合物Sn、 In、 Ga、 Ni、 Sb、 Pb、 Al、 Ag、 Au、 Pd、 Cu、 Co、 Cr、 Mo、 Ti、 Tr、 Cd、 Pt、 Ru、 Rh， Bi。其合金的比例在lppm到30%之間。還可以在液相金屬內摻入能誘導非晶半導體晶化的金屬，如對硅基薄膜可以在液相金屬 中摻雜Ni、 Al等金屬，則當把該基板上沉積的非晶半導體的面朝下與液相金屬直接接觸從而 在不太高的溫度下就能起到了金屬誘導非晶半導體半導體晶化的功能。為了保持液相金屬不被氧化，整個加熱體系被放置在惰性氣體或者還原氣體的氛圍中， 或者置于高真空系統中。為了使該系統能連續的進行晶化，因此在該系統中還有一個基片的導引系統，而且該液 相金屬槽的溫度有溫度梯度，使襯底片在移動的過程中實現由低溫攝氏200度到高溫攝氏600 度到1400度之間實現晶化然后又逐步降溫溫到攝氏200度到300度之間進行退火等的功能， 使基片在高溫區的時間在1分鐘到20小時之間。為了實現平面單晶膜，在本發明中可以調整液相金屬的局部溫度使它在液槽有一局部線 狀高溫區，它的溫度達到結晶溫度，而基板沿著與該線狀加熱區相垂直方向移動時，可以使 初始形成的子晶沿著移動方向生長形成橫向多晶甚至如果應用先形成單點或多點的種晶，然 后再擴肩最后長成單晶薄膜。根據上述發明構思，本發明采用下述技術方案一種高溫液相加熱晶化方法，其特征在于將需要晶化的由非晶薄膜和襯底組成的基板放 在一個盛高溫液體的槽中，并浮在該槽內盛有的高溫金屬或非金屬液體上面，該系統整個置 于高真空或惰性氣氛或還原氣氛下由加熱器加熱槽內的金屬或非金屬液體使之達到攝氏500 度到1000度之間，在1分鐘到20小時之間進行晶化，然后降溫到攝氏250度到300度之間， 取出基板。上述方案中，采用一個推動系統推動基板，以實現對非晶薄膜的連續不斷的晶化。上述高溫金屬為下面的任一種金屬Sn、 In、 Ga、 Ni、 Sb、 Pb、 Al、 Ag、 Au、 Pd、 Cu、 Co、 Cr、 Mo、 Ti、 Tr、 Cd、 Pt、 Ru、 Rh， Bi,或者是所列金屬之間的雙元或多元合金，其合 金的比例在lppm到30%之間。上述非金屬是金屬氧化物、或鹵素化合物、或硫化物、或氫氧化物。上述需要晶化的襯底材料是玻璃、或者石英片、或者透明陶瓷。上述需要晶化的非晶薄膜是非晶Si、或非晶Ge、或非晶III—V族半導體、或非晶氧化 物半導體、或非晶硫化物半導體、或非晶有機半導體薄膜。上述有非晶薄膜的襯底的底面與高溫的金屬或非金屬液體接觸，傳導熱來使非晶薄膜晶化。上述有非晶薄膜的襯底的非晶薄膜的面向下與高溫的金屬或非金屬液體接觸，在高溫作 用下實現金屬誘導晶化的效果。上述高溫金屬液體槽內的金屬液體是一個具有溫度可以由低到高和由高到低逐步變化 的，而在金屬表面的需要晶化的襯底是可以沿溫度變化方向移動的，從而可實現連續的生產。一種高溫液相加熱晶化裝備，應用于上述方案，包括一個盛高溫液體的槽和一個加熱器, 其特征在于在所述槽內盛有高溫的金屬或非金屬液體、在高溫金屬或非金屬液體上面有包括需要晶化的非晶薄膜和襯底組成的基板、此液體中還可以插入進行局部加熱的加熱器和絕熱 板以形成局部的高溫區、有一個推動系統包括導入輥隔離塊導出輥來推動基板移動、能使該 基板的非晶薄膜可連續不斷的進行晶化。上述的推動系統是由導入輥推動基板向前推進基板與基板之間有耐高溫的石英或者陶瓷 的隔離塊在另一端有導出輥把基板導出，形成連續生產的體系。上述由插入金屬或非金屬液體的加熱器和在它兩邊的絕熱板進行局部加熱，在所述的高 溫金屬液體槽內形成一條帶狀局部高溫區，當帶有非晶薄膜的襯底的基板沿著與帶狀局部高 溫區相垂直的方向移動，從而可以實現沿著移動方向生長單晶薄膜的目的。上述的高溫金屬液體槽內有多個隔離板和相對獨立的加熱器以形成多個不同溫度金屬液 體的溫區，以實現逐步升溫或降溫，此隔離板的高度略低與高溫金屬或非金屬的液面，使之 既能保證基板的順利通過又能隔離溫度。本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點 (1〉由于使用了液相加熱基板的方法，即使加熱的溫度高于基板的軟化點也能保持基板 的平整度，這就提高了在一般玻璃基板上加熱的溫度限制，使得用簡單的高溫處理就能得到 好的微晶、多晶甚至單晶薄膜。避免了使用激光退火或者金屬橫向誘導等的復雜工藝。(2)由于液相加熱的熱傳導好，溫度均勻因此得到的晶化薄膜的均勻性好，克服了用激 光退火或者金屬橫向誘導等工藝帶來的固有的不均勻性。(3) 由于本發明使用的高溫或中溫的晶化技術，對基板上原來的非晶半導體膜的要求相 對較低，因此該非晶膜可以用簡單的濺射法即可應用，不需要使用如PECVD， LPCVD等工 藝，這就大大的簡化了工藝，避免使用像硅烷，磷烷等有毒、可燃氣體，實現綠色工藝。(4) 在本發明中當在液相金屬中加入可誘導非晶半導體在中低溫下進行晶化的金屬，就 可以直接用該液相金屬進行金屬誘導的晶化技術，這既避免了在沉積有非晶半導體膜的基板 上沉積誘導金屬再進行熱退火最后還要除去剩余金屬等的工序，而且可以得到好的均勻性。(5) 在本發明中可以加入一線狀高溫區，并與基板移動技術結合就可以實現橫向晶化甚 至單晶薄膜。(6) 本發明還提供了一種連續的晶化的可生產的制備和工藝。
圖1是本發明一個實施例高溫液相晶化裝備的結構示意圖。圖2是本發明另一個實施例在實施高溫液相晶化時將非晶半導體層直接與高溫液相金屬 接觸時的結構示意圖。圖3是本發明第三個實施例在實施實現平面單晶膜時的結構示意圖。 圖4是本發明第四個實施例實施移動晶化時的多溫區的結構示意圖。
具體實施方式
本發明的優選實施例結合
如下實施例l圖1示出高溫液相晶化裝備的結構示意圖。在圖1中的5為由耐高溫的氧化鋁陶瓷制成 的盛液槽，在該槽的下面有加熱用的加熱器6對盛液槽進行加熱。在該槽中盛有液相金屬l， 在這里使用的是高純錫。為了便于以后能容易的把基板推出盛液槽5，此液相金屬的量正好 控制在略高于盛液槽進出口的邊緣，而依靠金屬的表面張力又不至于溢出的高度。在該液相 金屬l的上面放有要進行晶化的基板2，這基板是由襯底4這里使用的是硼硅玻璃，在襯底 的上面有一層非晶半導體層3，在本實施例中是非晶硅層。整個裝置放在高真空系統中保證 金屬和非晶硅膜不會被氧化，而且在液相金屬和基板之間沒有氣體層，這就保證了液面與基 板之間的良好接觸和平整的表面。當把液相金屬加熱到攝氏600土6 0度到1000±100度之間， 加熱時間在5小吋到3分鐘之間就能使該非晶半導體膜實現晶化，其時間的長度取決于加熱 的溫度，溫度越高需要的時間越短。然后當把溫度再降低到攝氏250土30度左右取出，即能 得到襯底仍然平整的微晶硅或多晶硅基板。 實施例2圖2示出本實施例在實施高溫液相晶化時將非晶半導體層直接與高溫液相金屬接觸時的 結構。在圖2中5為由耐高溫的氧化鋁陶瓷制成的盛液槽，在該槽的下面有加熱用的加熱器 6對盛液槽進行加熱。在該槽中盛有液相金屬l，在這里使用的是摻有0.1%到10%高純鎳與 高純錫混合體。為了便于以后能容易的把基板推出盛液槽，此液相金屬的量正好控制在略高 于盛液槽進出口的邊緣，而依靠金屬的表面張力又不至于溢出的高度。在該液相金屬l的上 面放有要進行晶化的基板2，這基板是由襯底4這里使用的是硼硅玻璃，在襯底的下面有一 層非晶半導體層3，在本實施例中是非晶硅層。整個裝置放在高真空系統中保證金屬和非晶 硅膜不會被氧化，而且在液相金屬和基板之間沒有氣體層，這就保證了液面與基板之間的良 好接觸和平整的表面。在本實施例中是把非晶半導體層直接與液相金屬層接觸由于在液相金 屬中摻有高純鎳因此它對非晶硅有金屬誘導晶化的功能，因此即使溫度在500±50度到800 ±80度之間時間在3小時到5分鐘之間也能達到使晶化的功能，可以得到好的微晶硅或多品 硅。實施例3施基板移動晶化實現平面多晶或單晶膜時的結構。在圖3中5為 由耐高溫的氧化鋁陶瓷制成的盛液槽，在該槽的下面有加熱用的加熱器6對盛液槽進行加熱。 在該槽中盛有液相金屬l，在這里使用的是摻有0.1%到10%高純鎳與高純錫混合體。為了便 于以后能容易的把基板推出盛液槽，此液相金屬的量正好控制在略高于盛液槽進出口的邊緣， 而依靠金屬的表面張力又不至于溢出的高度。在本實施例中在盛液槽5中還放有一線狀加熱 管7和在線狀加熱管7兩邊還有一對絕熱的擋熱板8使在該擋熱板之間形成一條高溫的液相 區。在本實施例中金屬液體的平均溫度在攝氏500度±50度，在高溫液相區的溫度在攝氏800 度到1000度之間。在該液相金屬1的上面放有要進行晶化的基板2，這基板是由襯底4這里 使用的是硼硅玻璃，在襯底的下面有一層非晶半導體層3，在本實施例中是非晶硅層。在盛 液槽的前端有一組傳動基板的導入輥11，由它提供動力使基板在高溫液相區滯留的時間在10 秒種到30分鐘之間，在玻璃與玻璃之間有石英或陶瓷的隔離塊10防止玻璃之間的黏合并推 動前面的基板，在盛液槽的后端有一組基板的導出輥12，導出基板并逐步降溫以實現連續生 產。實施例4圖4示出本實施例在實施基板移動晶化時的多溫區的結構。其基本結構與實施例3基本 一致就是在盛液槽5中加入了若干個隔離板9該板的高度比液面略低，使它既能讓基板順利 通過，有能保持溫度梯度并把加熱器分成若干個，使每一區的溫度能獨立控制，從而實現步 進升溫和步進降溫的功能。在本實施例中插入了兩塊隔離板9，實現3個溫區，1-1、 1-2、 1-3。 它們分別由加熱器6-l、 6-2、 6-3來控制，其溫度分別為攝氏300土30度，500±50度和300 ±50度，其推進的速度由其在高溫液相區滯留的時間決定。
權利要求
1、一種高溫液相加熱晶化方法，其特征在于將需要晶化的由非晶薄膜(3)和襯底(4)組成的基板(2)放在一個盛高溫液體的槽(5)中，并浮在該槽(5)內盛有的高溫金屬或非金屬液體(1)上面，該系統整個置于高真空或惰性氣氛或還原氣氛下由加熱器(6)加熱槽(5)內的金屬或非金屬液體(1)使之達到攝氏500度到1000度之間，在1分鐘到20小時之間進行晶化，然后降溫到攝氏250度到300度之間，取出基板(2)。
2、 根據權利要求1所述的高溫液相加熱晶化方法，其特征在于采用一個推動系統推動基板(2)，以實現對非晶薄膜的連續不斷的晶化。
3、 根據權利要求1所述的高溫液相加熱晶化方法，其特征在于所述高溫金屬為下面的任一種 金屬Sn、 In、 Ga、 Ni、 Sb、 Pb、 Al、 Ag、 Au、 Pd、 Cu、 Co、 Cr、 Mo、 Ti、 Tr、 Cd、 Pt、 Ru、 Rh， Bi，或者是所列金屬之間的雙元或多元合金，其合金的比例在lppm到30。/。 之間。
4、 根據權利要求1所述的高溫液相加熱晶化方法，其特征在于所述非金屬是金屬氧化物、鹵 素化合物、硫化物或氫氧化物。
5、 根據權利要求2所述的高溫液相加熱晶化方法，其特征在于所述需要晶化的襯底(4)材 料是玻璃、或者石英片、或者透明陶瓷。
6、 根據權利要求1所述的高溫液相加熱晶化方法，其特征在于所述需要晶化的非晶薄膜是非 晶Si、或非晶Ge、或非晶m—V族半導體、或非晶氧化物半導體、或非晶硫化物半導體、 或非晶有機半導體薄膜。
7、 根據權利要求1所述的高溫液相加熱晶化方法，其特征在于所述有非晶薄膜的襯底(4) 的底面與高溫的金屬或非金屬液體(1)接觸，傳導熱來使非晶薄膜晶化。
8、 根據權利要求1所述的高溫液相加熱晶化方法，其特征在于所述有非晶薄膜的襯底(4) 的非晶薄膜的面向下與高溫的金屬或非金屬液體(1)接觸，在高溫作用下實現金屬誘導晶化的效果。
9、 根據權利要求1所述的高溫液相加熱晶化方法，其特征在于所述的高溫金屬液體槽內的金 屬液體是一個具有溫度可以由低到高和由高到低逐步變化的，而在金屬表面的需要晶化的 襯底是可以沿溫度變化方向移動的，從而可實現連續的生產。
10、 根據權利要求1所述的高溫液相加熱晶化方法及裝備，其特征在于所述的基板(2) 是由襯底(4)和非晶薄膜層(3)以及其他的薄膜層如氧化物層，金屬層構成的多層膜結 構。
11、 一種高溫液相加熱晶化裝備，應用于根據權利要求1所述的高溫液相加熱晶化方法， 包括一個盛高溫液體的槽(5)和一個加熱器(6)，其特征在于在所述槽(5)內盛有高溫 的金屬或非金屬液體(1)、在高溫金屬或非金屬液體上面有包括需要晶化的非晶薄膜(3) 和襯底(4)組成的基板(2)、此液體中還可以插入進行局部加熱的加熱器(7)和絕熱板(8)以形成局部的高溫區、有一個推動系統包括導入輥(11)隔離塊(10)導出輥(12) 來推動基板(2)移動、能使該基板(2)的非晶薄膜(3)可連續不斷的進行晶化。
12、 根據權利要求11所述的高溫液相加熱晶化裝備，其特征在于所述的推動系統是由導 入輥(13)推動基板(2)向前推進基板與基板之間有耐高溫的石英或者陶瓷的隔離塊(10) 在另一端有導出輥把基板導出，形成連續生產的體系。
13、 根據權利要求11所述的高溫液相加熱晶化裝備，其特征在于所述由插入金屬或非金 屬液體(1)的加熱器(7)和在它兩邊的絕熱板(8)進行局部加熱，在所述的高溫金屬 液體槽內形成一條帶狀局部高溫區，當帶有非晶薄膜的襯底的基板(2)沿著與帶狀局部 高溫區相垂直的方向移動，從而可以實現沿著移動方向生長單晶薄膜的目的。
14、 根據權利要求11所述的高溫液相加熱晶化裝備，其特征在于所述的高溫金屬液體槽 (5)內有多個隔離板(9)和相對獨立的加熱器(6-1)、 (6-2)、 (6-3)以形成多個不同溫度金屬液體的溫區(1-1)、 (1-2)、 (1-3)，以實現逐步升溫或降溫，此隔離板的高度略低 與高溫金屬或非金屬的液面，使之既能保證基板的順利通過又能隔離溫度。
全文摘要
本發明涉及一種高溫液相加熱晶化方法及裝備。本裝備有一可盛高溫金屬液體的槽，在該槽內盛有高溫的金屬或非金屬液體，在此液體中還可以插入一高溫區，在高溫金屬或非金屬液體上面有包括需要晶化的襯底，襯底上面有需要晶化的非晶薄膜組成的基板，該基板有一個推動系統推動可連續晶化該非晶膜。本方法是將基板放在槽內并浮在高溫液面上面，在真空或惰性氣體或還原氣體下加熱至500度到1000度，在1分鐘到20小時之間進行晶化，然后降溫至250度到300度，取出基板。本發明能保持基板的平整度、不變形，受熱均勻，傳熱效率高。
文檔編號C30B29/06GK101591804SQ20091005388
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月26日 優先權日2009年6月26日
發明者俞東斌, 浩 張, 良 張, 張小文, 張建華, 張志林, 俊 李, 蔣雪茵 申請人:上海大學