TFT工艺分类& LTPS原理

　　FPD中常见的几种 TFT如 Table I1所示。

　　a-Si一般用于低端中小尺寸或大型的 TFT-LCD面板的制作, 而 LTPS则主要用于中小尺寸高分辨率的 TFT-LCD和 AMOLED面板的制作 , 最后 Oxide TFT则主要 用于大尺寸 AMOLED面板的制作 (3)。

Table I1 Type of TFT in FDP(3)

　　LTPS 全称为低温多晶硅 (Low Temperature Polycrystalline Silicon)为中小尺寸高分辨率的 TFT-LCD和 AMOLED显示屏的关键工艺。

　　与传统A-Si技术相比 , LTPS虽然工艺复杂 , 但是因为 LTPS上载流子传输速度有大幅的提高 , 则驱动电路和模组体积可以更小并最终达到减少器件的作用。

　　LTPS最终的目标是实现 System On Glass(SOG)效果 , 即通过 LTPS工艺直接在玻璃基板上制作所有的系统电路。 SONY在 SOG方向做了很多研究工作。

　　根据LTPS的制作方式可以分为CMOS和 PMOS技术：

　　• CMOS：驱动部分电路为n–MOS和p–MOS构成, 无外部IC但一般需要9次Mask。

　　• PMOS：驱动部分电路为p–MOS构成需部分IC, 一般需要5次Mask。

　　与 CMOS技术相比 , PMOS结构更为简单 , 只集成部分周边电路 , 工程理论上可以简化到 a-Si的水平。 虽然LTPS的 Mask数量理论上为 5-9次。

　　LTPS 工艺流程可以简化为 Fig I3。

Fig I3 简易流程(3)

　　脱氢时为了减少在晶化过程时因为H 含量过多, 而多晶硅表面粗糙度、颗粒大小及质量下降。一般要求制作LTPS 层前的a-Si 层含H 量要小于2%。一般PECVD 含有10-15%的H。主要的脱H方式为(3)：

　　• 批处理(Batch)：在430℃下, N2 环境中进行1Hour 热处理方式将H 含量降到2%以下。

　　• 准分子激光发：先照射100W 以下的准分子激光, 去除薄膜内氢气, 期后再增加激光能量, 使薄膜结晶。该方式不需要加热, 但是会降低准分子激光设备的利用率。

　　LTPS 晶化有4 种形式(Table I2) (3) ：

　　• 固相晶化法(SPC：Solid Phase Crystallization), 如LG Display E2。

　　• 金属诱导横向晶化法(MIC/MILC：Metal Induced(Lateral) Crystallization)。

　　• 准分子激光退火法(ELA：Excimer Laser Annealing), 如BOE B2、AUO L3D 和L4B、LG DisplayE3 和Samsung Display A1-A4。

　　• 循序性横向晶化(SLS：Sequential Lateral Solidification)。

　　现有的LTPS 工艺为LDD(Light Doped Drains)方式, 即在硅结晶后对沟道进行轻参杂。即需要对沟道进行参杂和离子注入。

　　在离子注入到薄膜内部后会对薄膜的晶格结构产生破坏, 使得薄膜内部呈现非导电性质。

　　则为了恢复完整的晶格与降低面电组, 需要进行激活处理以修复基板的应力和缺陷。

Table I2 LTPS 晶化方式(3)

Table I3 离子注入(3)

Table I4 离子激活(3)

　　Basics of LTPS-ELA Equipment

　　ELA 为现有主流LTPS 制作工艺, 并逐渐被各大生产厂商所采用。采用ELA 方式制作LTPS 的TFT时, 必须使用ELA 激光结晶炉(MILC 则需要MILC 金属诱导结晶炉)。ELA 激光结晶炉产业链如Fig I4所示。

Fig I4 ELA 激光结晶路产业链

　　AP System 主要供应Samsung Display、PRI 和JSW 供货给LG Display 而中国BOE 主要采购APSystem 的设备。Coherent (亦称为相干公司)作为核心器件的供应商(激光光源和光学镜片供应商)则处于价值链的顶端。

　　目前截至到2017 年年中为止, Coherent 在全球ELA 准分子激光退火设备所需的准分子激光源供应商处于100%垄断地位。而且因为ELA 中光学设备为消耗品, 所以需要持续性更换。

　　由此可见在ELA 设备生产价值链中, Coherent 公司作为耗材供应商, 其在不仅有较强的溢价能力的同时, 亦有较强的持续盈利能力。

　　LTPS: ELA 工艺的时长(Tack Time)除去技术挑战外还取决于ELA 工艺的时间。ELA 工艺的时间与激光光源的长度有一定的关系。截至到2017 年年中, Coherent 公司主要提供5 种长度的激光光源设备(LineBeam)。

　　据传处于行业竞争的考虑, Samsung Display 与Coherent 公司签有垄断排他性协议(2), 即Coherent 公司仅能向Samsung Display 提供LineBeam 1500 系列激光光源(有效激光长度1500 mm, 约2000 万美金), 而其他公司仅能拿到LineBeam 1300 及其以下的型号。

　　可见在6 代(1500 mm × 1800 mm)和6.5 代(1500 mm × 1850 mm)上生产LTPS 面板时, 由于垄断的优势, Samsung Display 通过采用LineBeam 1500 一次结晶的方式简化生产工艺且提高良率的同时, 降低了生产成本。

　　而其他的厂商由于激光光源供应限制, 不得不采取多次ELA 工艺结晶方法制作LTPS 面板, 多次结晶不仅仅带来的生产效率下降, 玻璃移动和重新对位亦有可能造成良率的下降。

Fig I5 Coherent LineBeam 产线用 ELA 激光设备(1)

Table I5 Coherent LineBeam 产线用 ELA 激光设备参数(1)

　　1. LineBeam, Coherent, https://www.coherent.com/lasers/laser/linebeam (2017)

　　2. Coherent Reports Massive ELA System orders for OLED makers in Korea, Japan and China, OLED-infor,Jan 30th, https://mram-info.oled-info.com/coherent-reports-massive-ela-system-orders-oled-makers-koreajapan-and-china (2016)

　　3. 申智渊, TFT-LCD 技术:结构、原理及制造技术1st Edition, ISBN 978-7-121-15335-8 (2012)#p#分页标题#e#