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      LTPS低溫多晶硅技術

      作者:鴻佳    點擊:1484    時間:2016-1-5
      一、LTPS 簡介

      低溫多晶硅(Low Temperature Poly-silicon;LTPS,以下以LTPS 代稱)是平板顯示器領域中的又一新技術。繼非晶硅(Amorphous-Silicon,以下以a-Si 代稱)之后的下一代技術。

      Polysilicon (多晶硅) 是一種約為0.1 至數個um 大小、以硅為基底的材料,由許多硅粒子組合而成。在半導體制造產業中,多晶硅通常經由LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 處理后, 再以高于900C 的退火程序, 此方法即為SPC (Solid Phase Crystallization) 。然而此種方法卻不適合用于平面顯示器制造產業,因為玻璃的最高承受溫度只有650℃。因此,LTPS 技術即是特別應用在平面顯示器的制造上。

      傳統的非晶硅材料(a-Si)的電子遷移率只有0.5 cm2/V.S,而低溫多晶硅材料(LTPS)的電子遷移率可達50~200 cm2/V.S,因此與傳統的非晶硅薄膜電晶體液晶顯示器(a-Si TFT-LCD)相比,低溫多晶硅TFT-LCD具有更高解析度、反應速度快、亮度高(開口率apertureratio高)等優點,同時可以將周邊驅動電路同時制作在玻璃基板上,達到在玻璃上集成系統(SOG)的目標,所以能夠節省空間和成本此外,LTPS技術又是發展主動式有機電致發光(AM-OLED)的技術平臺,因此LTPS技術的發展受到了廣泛的重視。

      二、非晶硅(a-Si)與低溫多晶硅(LTPS)的區別

      一般情況下低溫多晶硅的制程溫度應低于攝氏 600℃,尤其對LTPS區別于a-Si制造的制造程序“激光退火”(laser anneal)要求更是如此。與a-Si相比,LTPS的電子移動速度要比a-Si快100 倍,這個特點可以解釋兩個問題:首先,每個LTPS PANEL 都比a-Si PANEL反應速度快;其次,LTPS PANEL 外觀尺寸都比a-Si PANEL小。下面是LTPS與a-Si 相比所持有的顯著優點:

      1、把驅動IC的外圍電路集成到面板基板上的可行性更強;
      2、反應速度更快,外觀尺寸更小,聯結和組件更少;
      3、面板系統設計更簡單;
      4、面板的穩定性更強;
      5、解析度更高,

      解析度:
      由于p-Si TFT 比傳統的a-Si小,所以解析度可以更高。
      p-Si TFT的驅動IC合成在玻璃基板上有兩點好處:首先,與玻璃基板相連接的連接器數量減少,模塊的制造成本降低;其次,模塊的穩定性將得以戲劇性的升高。

      三、LTPS薄膜制備方法

      1、Metal Induced Crystallization (MIC):屬于SPC方法之一。然相較于傳統的SPC,此方法能在較低溫下(約500~600℃)制造出多晶硅。這是因為薄層金屬在結晶形成前即先被包覆,而金屬成分即扮演了降低結晶化的活性功能。

      2、Cat-CVD: 一種無須經由蒸汽萃取、而可直接沉積多晶薄膜(poly-film)的方法。沉積溫度可低于300℃。成長機制包含SiH4-H2混合體的catalytic cracking reaction。

      3、Laser anneal: 此為目前最廣為運用的方法。Excimer激光為主要動力,用于加熱及融化a-Si,含有低量氫成分然后再結晶為poly-film。

      低溫多晶硅技術LTPS(Low Temperature Poly-silicon)最初是日本北美的技術企業為了降低Note-PC顯示屏的能耗,令Note-PC顯得更薄更輕而研發的技術,大約在九十年代中期這項技術開始走向試用階段。由LTPS衍生的新一代有機發光液晶面板OLED也于1998年正式走上實用階段,它的最大優勢在于超薄、重量輕、低耗電,同時其自身發光的特點,因而可以提供更艷麗的色彩和更清晰的影像,而更為重要的是:生產成本只有普通液晶面板的1/3。

      目前LTPS-OLED面板并沒有獲得大多數上有液晶面板企業的支持,除了技術上的專利問題,原有的大規模液晶廠投資也不大可能放棄,這些面板企業通過研究更大型基板生產線,強化生產效益來與LTPS競爭。所以市場上大多數的液晶顯示器還是采用傳統的液晶,即主流非晶矽(Amorphous-Silicon,a-Si),傳統液晶(a-Si)技術經過10多年的發展已經非常成熟,業界無論在量產技術和面板設計技術的掌握度上都具有相當經驗,短時間內LTPS技術仍無法達到。因此盡管理論上LTPS-OLED面板的制造成本低得多,但是目前它的價格依舊沒有優勢。

      但是作為最初研發的初衷,低溫多晶矽(LTPS)的薄膜電晶體可在玻璃基板上嵌入驅動元件,大幅減少并保留驅動IC的空間,因而可以使薄膜電晶體的尺寸更小,并同時增加顯示器的亮度并減少功率消耗,從而大大提升液晶性能及可靠度,也使面板的制造成本降低,具有更高的解析度:LTPS所提供的TFT主動矩陣驅動以及驅動電路和TFT可同時整合制造,可在保持輕薄化優勢情形下,解決解析度不足的問題(因為電子在多晶矽的傳輸速度較快品質也較優良),可以使2.5寸的面板具備200ppi的高解析度。

      提高壽命和降低能耗:作為研發LTPS技術一項重要指標,降低液晶溫度對于液晶來說意味著很多事情,穩定性和壽命都獲得了提升,目前為止這還是只是一個技術上定性的結論,相信大家也很容易理解,相對較低的溫度下顯示器的工作壽命將延長;早期的Note-PC對能耗的要求非常看重,也是研發LTPS的理由之一,再降低工作溫度的同時,LTPS面板的能耗也大幅減小,當然,液晶顯示器的能耗本來就很小,這一點對于Note-PC的意義要超過PC monitor。

      縮小尺寸:盡管平面顯示器對于尺寸的要求并不高,但是對于更輕更薄液晶顯示器的追求卻一直是一個熱點,由于低溫多晶矽(LTPS)的薄膜電晶體可以直接在玻璃基板上嵌入驅動元件,所以LTPS液晶顯示器的外殼幾乎可以只保留液晶面板本身的厚度,而不需預留驅動IC的空間,最大限度的降低厚度。
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