LTPS制程与技术发展讲义课件

第8章LTPS製程與技術發展第8章LTPS製程與技術發展1前言低溫多晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器(LowTemperaturePoly-SiliconThinFilmTransistor，LTPSTFTLCD)，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。前言低溫多晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器(LowTemper2資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所3資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所4Poly-Si/α-Si特性比較α-SiTFTLCD的結構簡單化和畫面高精細化。P-SiTFTLCD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。Poly-Si/α-Si特性比較α-SiTFTLCD的結5資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所6資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所7LTPSTFTLCD的特點LTPSTFTLCD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LTPSTFTLCD的特點LTPSTFTLCD的特點8LTPSTFTLCD的前段製程LTPSTFTLCD的前段製程9陣列電路設計(1)LTPSTFT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(1)LTPSTFT周邊電路的設計必須崁入主陣10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(V²)成比例關係陣列電路設計(2)整體電路設計時，應考慮低耗電量11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(3)電容值減低的對策12陣列電路設計(4)以一般TFT通道寬度(52μm)和通道長度(12μm)，及閘氧化膜的厚度tox=3,500A為代表性元件。陣列電路設計(4)以一般TFT通道寬度(52μm)和通道長度13陣列電路製程(1)大部分TFTLCD製造公司之LTPSTFT-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(1)大部分TFTLCD製造公司之LTPST14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α-SiTFT相同的不含鹼性離子之玻璃基板陣列電路製程(2)Poly-Si薄膜形成方法，有15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(3)高溫製程或低溫製程的使用，取決於矽薄膜形成16陣列電路製程(4)與α-SiTFT製程相比較，大部分的步驟是相類似的Poly-SiTFT的特徵，有低溫雷射退火的結晶化技術(LaserAnnealingCrystallization)低溫摻雜汲極技術(LightlyDopingDrain，LDD)氫化處理技術(Hydrogeneration)陣列電路製程(4)與α-SiTFT製程相比較，大部分的步驟17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。陣列電路製程(5)氫化處理的目的在於18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標準化製作過程(1)標準化製作過程約需要六項光罩步驟。19資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所20資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所21標準化製作過程(2)光罩製作工程：使用電子束描繪裝置(ElectronBeamLithographySystem)製作出主光罩(MasterMask)再利用微影技術(Lithography)複製工程用光罩網版標準化製作過程(2)光罩製作工程：22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(3)透明玻璃基板加工工程：23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(4)洗淨工程：分為24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(LowPressureChemicalVaporDeposition，LP-CVD)裝置，將α-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(5)矽薄膜形成工程：25標準化製作過程(6)微影曝光工程：利用輥輪被覆式(RollCoater)或旋轉被覆式(SpinCoater)塗佈光阻劑於光罩基板(MaskBlank)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(6)微影曝光工程：26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-TypeResistStrippingSystem)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(7)蝕刻工程：27標準化製作過程(8)閘極形成工程：Poly-SiTFT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(HeatOxidation)，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(8)閘極形成工程：28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)標準化製作過程(9)雷射退火結晶化技術：29資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所30資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所31資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所32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。標準化製作過程(10)摻雜工程：33資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所34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標準化製作過程(11)金屬電極膜形成工程：35資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所36資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所37標準化製作過程(12)氫化工程：為提升Poly-SiTFT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(12)氫化工程：38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標準化製作過程(13)透明電極形成工程：39LTPSTFTLCD的後段製程LTPSTFTLCD的後段製程40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(MegaSonic)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(1)洗淨工程：41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500~1,000Å使用的配向膜材料有聚胺酸(PolyamicAcid)和聚醯胺(Polyimide)，以聚醯胺類為主利用凹凸印刷方式將數百Å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(2)配向模形成工程：42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(3)面磨配向(Lapping)處理工程：43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100ºC左右的烘焙處理。液晶胞製程(4)封合劑印刷形成工程：44液晶胞製程(5)間隔物(Spacer)散佈工程：使上下兩片基板保持於5-7μm的液晶胞間隙，以便後續液晶胞注入工程進行。液晶胞製程(5)間隔物(Spacer)散佈工程：45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(6)貼合附著工程：46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(7)分割切斷工程：貼合硬化後的每片基板進行多片式47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(8)液晶注入和封止工程：48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(9)偏光膜貼合附著工程：49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液晶胞製程(10)點燈檢查工程：進行50資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所51資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所52資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所53資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所54資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所55資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所56專有名詞(1)準分子雷射(ExcimerLaser)：準分子是激發態的雙量體(Dimer)，Excimer為ExcitedDimer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(1)準分子雷射(ExcimerLaser)：57專有名詞(2)低溫多晶矽(LowTemperaturePolySilicon，LTPS)：是在600ºC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(2)低溫多晶矽(LowTemperatureP58專有名詞(3)離子植入(IonImplantation)：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(LCInjection)：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。專有名詞(3)離子植入(IonImplantation)：59演讲完毕，谢谢观看！演讲完毕，谢谢观看！60第8章LTPS製程與技術發展第8章LTPS製程與技術發展61前言低溫多晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器(LowTemperaturePoly-SiliconThinFilmTransistor，LTPSTFTLCD)，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。前言低溫多晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器(LowTemper62資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所63資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所64Poly-Si/α-Si特性比較α-SiTFTLCD的結構簡單化和畫面高精細化。P-SiTFTLCD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。Poly-Si/α-Si特性比較α-SiTFTLCD的結65資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所66資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所67LTPSTFTLCD的特點LTPSTFTLCD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LTPSTFTLCD的特點LTPSTFTLCD的特點68LTPSTFTLCD的前段製程LTPSTFTLCD的前段製程69陣列電路設計(1)LTPSTFT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(1)LTPSTFT周邊電路的設計必須崁入主陣70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(V²)成比例關係陣列電路設計(2)整體電路設計時，應考慮低耗電量71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(3)電容值減低的對策72陣列電路設計(4)以一般TFT通道寬度(52μm)和通道長度(12μm)，及閘氧化膜的厚度tox=3,500A為代表性元件。陣列電路設計(4)以一般TFT通道寬度(52μm)和通道長度73陣列電路製程(1)大部分TFTLCD製造公司之LTPSTFT-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(1)大部分TFTLCD製造公司之LTPST74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α-SiTFT相同的不含鹼性離子之玻璃基板陣列電路製程(2)Poly-Si薄膜形成方法，有75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(3)高溫製程或低溫製程的使用，取決於矽薄膜形成76陣列電路製程(4)與α-SiTFT製程相比較，大部分的步驟是相類似的Poly-SiTFT的特徵，有低溫雷射退火的結晶化技術(LaserAnnealingCrystallization)低溫摻雜汲極技術(LightlyDopingDrain，LDD)氫化處理技術(Hydrogeneration)陣列電路製程(4)與α-SiTFT製程相比較，大部分的步驟77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。陣列電路製程(5)氫化處理的目的在於78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標準化製作過程(1)標準化製作過程約需要六項光罩步驟。79資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所80資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所81標準化製作過程(2)光罩製作工程：使用電子束描繪裝置(ElectronBeamLithographySystem)製作出主光罩(MasterMask)再利用微影技術(Lithography)複製工程用光罩網版標準化製作過程(2)光罩製作工程：82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(3)透明玻璃基板加工工程：83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(4)洗淨工程：分為84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(LowPressureChemicalVaporDeposition，LP-CVD)裝置，將α-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(5)矽薄膜形成工程：85標準化製作過程(6)微影曝光工程：利用輥輪被覆式(RollCoater)或旋轉被覆式(SpinCoater)塗佈光阻劑於光罩基板(MaskBlank)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(6)微影曝光工程：86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-TypeResistStrippingSystem)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(7)蝕刻工程：87標準化製作過程(8)閘極形成工程：Poly-SiTFT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(HeatOxidation)，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(8)閘極形成工程：88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)標準化製作過程(9)雷射退火結晶化技術：89資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所90資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所91資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所92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。標準化製作過程(10)摻雜工程：93資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所94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標準化製作過程(11)金屬電極膜形成工程：95資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所96資料來源：工研院電子所資料來源：工研院電子所97標準化製作過程(12)氫化工程：為提升Poly-SiTFT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(12)氫化工程：98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標準化製作過程(13)透明電極形成工程：99LTPSTFTLCD的後段製程LTPSTFTLCD的後段製程100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(MegaSonic)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(1)洗淨工程：101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500~1,000Å使用的配向膜材料有聚胺酸(PolyamicAcid)和聚醯胺(Polyimide)，以聚醯胺類為主利用凹凸印刷方式將數百Å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(2)配向模形成工程：102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(3)面磨配向(Lapping)處理工程：103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100ºC左右的烘焙處理。液晶胞製程(4)封合劑印刷形成工程：104液晶胞製程(5)間隔物(Spacer)散佈工程：使上下兩片基板保持於5-7μm的液晶胞間隙，以便後續液晶胞注入工程進行。液晶胞製程(5)間隔物(Spacer)散佈工程：105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(6)貼合附著工程：106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(7)分割切斷工程：貼