寧洪龍， 鄧宇熹， 黃健朗， 羅子龍， 胡潤東， 劉賢哲， 王一平， 邱 天， 姚日暉*， 彭俊彪

(1. 華南理工大學(xué) 發(fā)光材料與器件國家重點實驗室，高分子光電材料與器件研究所，廣東 廣州 510641；2. 南京航空航天大學(xué) 機械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210016；3. 五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門 529000)

1 引 言

2019年，曲面屏和全面屏席卷了顯示市場，成為電子顯示行業(yè)的最大熱點之一。低溫、低成本及大尺寸的柔性顯示背板制備技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。薄膜晶體管(Thin Film Transistor, TFT)作為像素中的開關(guān)元器件[1]，是顯示產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)和核心技術(shù)。其中，MOTFT具有遷移率較高(10～100 cm2/V·s)、工藝簡單、低溫制備工藝、低成本、高透明、非晶結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的大面積均勻性等優(yōu)點，符合于大尺寸、柔性等未來顯示制備方向的需求[2-3]。在MOTFT的制備中，一般需要通過后退火工藝對器件進(jìn)行性能提升和穩(wěn)定化。激光退火瞬間產(chǎn)生熱效應(yīng)，使薄膜獲得與熱退火相同的熱效應(yīng)。而區(qū)別于傳統(tǒng)熱退火，激光退火有處理速度快、熱積累少和散熱快的優(yōu)點。而激光退火的短熱驅(qū)動時間還能減少襯底雜質(zhì)向薄膜的擴散[4]。同時，激光退火是自上而下的工藝，會在薄膜中形成溫度梯度[5]，薄膜表面溫度高，襯底溫度低，有效減少了退火對襯底的損傷。因此，激光退火工藝更適用于大尺寸、柔性顯示背板的制備。

本文綜述了MOTFT激光退火工藝的關(guān)鍵參數(shù)，并從薄膜到器件系統(tǒng)介紹了MOTFT激光退火的研究現(xiàn)狀，分析了激光對金屬氧化物薄膜及MOTFT的作用機理，最后總結(jié)了現(xiàn)在激光退火工藝技術(shù)存在的問題并展望了金屬氧化物薄膜和MOTFT激光退火的發(fā)展前景。

2 激光退火對薄膜的作用

激光照射金屬氧化物薄膜后，被激發(fā)的載流子會依次發(fā)生4個過程：(1)載流子激發(fā)；(2)熱弛豫；(3)載流子復(fù)合；(4)熱效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)[6]。圖1為經(jīng)過激光激發(fā)后固體中各種電子和晶格效應(yīng)的發(fā)生時間，每個綠色條代表1017～1022cm-3載流子密度下特征時間的大概范圍。這4個效應(yīng)會在激光退火過程中同時存在，其發(fā)生機理取決于退火激光的波長、能量密度、脈沖寬度等參數(shù)[7]，下面將具體介紹這些影響因素的作用。

圖1 激光激發(fā)后固體中各種電子和晶格效應(yīng)的發(fā)生時間[6]

2.1 激光波長

根據(jù)比爾-蘭伯特定律，激光的輻射強度在薄膜內(nèi)部衰減[8-9]，其衰減規(guī)律如公式(1)：

I(z)=I0e-αz

，

(1)

其中:I0是經(jīng)過反射損耗后薄膜表面以下的激光強度，I(z)是薄膜表面下深度為z的激光強度，α是薄膜的吸收系數(shù)。一定波長的激光對薄膜的穿透深度與吸收系數(shù)有關(guān)[10]，如公式(2)所示：

，

(2)

其中:δ是穿透厚度，ke是消光系數(shù)。激光對金屬氧化物薄膜的穿透厚度如圖2所示，比較不同波長的激光對金屬氧化物膜(≈1～10 μm)的光穿透厚度：λ為激光波長，A為吸收系數(shù)，δ是光穿透厚度，T是光透射率。紫外激光對金屬氧化物薄膜穿透厚度較淺[7,11-12]，適用于較薄的薄膜(<300 nm)退火。Haribabu Palneedi等人采用560 nm的激光退火4 μm的可見光半透明Pb(Zr,Ti)O3薄膜，發(fā)現(xiàn)激光會對薄膜中間層進(jìn)行直接加熱，表面和底層通過熱擴散間接加熱，不會對襯底造成損傷[13]。C.S.Sandu等人發(fā)現(xiàn)，193 nm和248 nm激光對SnO2薄膜穿透厚度不同(分別為66 nm和148 nm)，導(dǎo)致了不同的晶化效果，193 nm激光照射后薄膜有更明顯的結(jié)晶梯度[14]。

圖2 不同波長激光在金屬氧化物半導(dǎo)體膜的光穿透深度[7]

2.2 激光能量密度

激光的能量密度是脈沖激光退火的關(guān)鍵參數(shù)。一定能量密度的激光能誘導(dǎo)薄膜表面粒子產(chǎn)生熱運動，從而修復(fù)薄膜表面缺陷，使薄膜表面致密化[15-16]，達(dá)到閾值能量密度的激光還能誘導(dǎo)薄膜重結(jié)晶和非晶薄膜的晶粒生長[17-18]，修復(fù)薄膜晶界缺陷，填補內(nèi)部孔洞和微裂紋。Chien-Yie Tsay等人發(fā)現(xiàn)， 能量密度350 mJ/cm2的激光均能消除IGZO和IZO薄膜中的有機物，使其獲得均勻平整的表面[19-20]，同時兩種薄膜均保持非晶態(tài)。激光退火還能通過對薄膜表面的快速蒸發(fā)作用，改善薄膜表面形貌，使薄膜獲得更平整的表面[21-23]。Ya-Hui Yang和W. M. Tsang發(fā)現(xiàn)，激光退火能誘導(dǎo)薄膜的晶粒生長，能減少薄膜內(nèi)部缺陷和晶界對光的散射，從而提高薄膜透射率[24-25]。一定能量密度的激光對薄膜產(chǎn)生的熱效應(yīng)能通過模擬仿真進(jìn)行研究，邵景珍等人利用有限元法模擬了KrF準(zhǔn)分子激光輻照ZnO薄膜的熱效應(yīng)，給出了激光輻照后ZnO薄膜的熱流密度隨時間變化的曲線，并計算了薄膜的熔融閾值和熔融深度[26]。

2.3 激光功率

激光的功率是連續(xù)激光退火的關(guān)鍵參數(shù)。與激光能量密度相似，激光退火所產(chǎn)生的熱效應(yīng)與激光功率的大小相關(guān)。李代林等人利用有限元法研究了連續(xù)激光作用下的TiO2薄膜的三維溫度場分布，發(fā)現(xiàn)TiO2溫度場與激光功率有關(guān)，結(jié)合實驗分析了激光功率對TiO2薄膜表面形貌、晶相和顏色狀態(tài)的影響，研究表明，激光功率為6 W、光斑半徑為3 mm的連續(xù)激光輻照TiO2薄膜10 s后獲得的最優(yōu)處理效果[27]。

2.4 脈沖寬度

金屬氧化物的熱傳遞主要通過聲子熱運動進(jìn)行，而電子-聲子的耦合放熱時間τe-q與激光脈沖寬度τp有關(guān)[28-30]。當(dāng)τp>τe-q時，主要發(fā)生熱力學(xué)過程，激光誘導(dǎo)薄膜宏觀溫度的升高；當(dāng)τp<τe-q時，主要發(fā)生非熱力學(xué)過程，光子能量在晶格振動前被電子吸收，從而使固體表面瞬間升溫，這種極端非平衡態(tài)會產(chǎn)生高溫、高壓和高密度的等離子體，薄膜表面產(chǎn)生超快非熱融解和激光燒蝕等現(xiàn)象，從而影響薄膜表面形貌。

而激光處理薄膜的損傷閾值也與脈沖寬度有關(guān)，Wolfe給出了傷閾值與脈寬的關(guān)系式：

，

(3)

其中：Dth是損傷閾值，tp是脈寬。因此，損傷閾值是隨著脈寬的增大而增大的。但脈沖寬度對薄膜的作用并不都呈現(xiàn)上述關(guān)系。根據(jù)多光子吸收模型的機理解釋，當(dāng)Eg?h?時，損傷閾值與脈沖寬度無關(guān)；當(dāng)Eg?h?時，損傷閾值與脈沖寬度呈線性關(guān)系[31]。

2.5 重復(fù)頻率

重復(fù)頻率是脈沖激光退火的時間參數(shù)，影響著退火過程中熱積累和熱傳遞的過程[32]。重復(fù)頻率與激光平均功率的關(guān)系如公式(4)所示：

PM=EP×fpulse

，

(4)

其中:PM是激光平均功率，EP是脈沖能量，fpulse是脈沖重復(fù)頻率。當(dāng)重復(fù)退火激光頻率過低，會因快速熱擴散使退火區(qū)的熱效應(yīng)不足[33]。而Buerle D等人發(fā)現(xiàn)，高重復(fù)頻率激光會在輻照區(qū)形成顆粒屏蔽效應(yīng)[34]，從而影響下一次脈沖對薄膜表面的熱效應(yīng)。

2.6 退火氣氛

由于空氣中的激光退火引入的氧缺陷會增加薄膜帶尾態(tài)密度，影響TFT性能，這種缺陷往往難以通過鈍化技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，因此激光退火通常采用真空或惰性氣氛環(huán)境，從而減少空氣中水分和氧氣等對薄膜性能的影響[35-37]。而氣氛的種類和壓強等會影響薄膜激光退火后的表面形貌、顆粒大小，從而影響薄膜的光學(xué)性能[38]。其中，高熱導(dǎo)率氣體會因為激光誘導(dǎo)的熱碰撞而迅速冷卻，減少熱效應(yīng)的產(chǎn)生，從而降低薄膜的表面粗糙度和晶粒大小[39-41]。一般在熱導(dǎo)率高的氣氛下退火，薄膜的表面更平整，晶粒尺寸更小。

3 激光退火對MOTFT的作用

激光退火對MOTFT溝道層的載流子激發(fā)后，所產(chǎn)生的效應(yīng)會改變薄膜的表面形貌、化學(xué)成分和晶格結(jié)構(gòu)等，從而影響其器件性能，主要體現(xiàn)在遷移率、閾值電壓(Vth)、亞閾值擺幅(SS)等性能的改善。

3.1 表面形貌改善對TFT性能影響

由于薄膜表面缺陷多、不平整而導(dǎo)致TFT的界面缺陷多、層間接觸電阻大等問題會顯著影響TFT的性能，因此在TFT制備過程中對溝道層表面形貌的優(yōu)化尤為重要。由于激光退火是一種由上至下的工藝，熱效應(yīng)的形成一般從薄膜表面開始進(jìn)行，因此激光退火對薄膜表面的作用是顯著的，激光退火對TFT層間界面缺陷的修復(fù)與表面形貌優(yōu)化的過程相似。利用這一點可以通過激光退火提高TFT器件性能。

研究表明，溝道層薄膜表面形貌的改善與層間界面缺陷的修復(fù)有利于改善TFT遷移率、亞閾值擺幅等性能[42-44]。圖3為經(jīng)過激光退火改善表面形貌后TFT的性能變化。Hau-Yuan Huang等人發(fā)現(xiàn)，在300 mJ/cm2能量密度激光退火后IGZO-TFT的遷移率由4.7 cm2/V·s上升到17.8 cm2/V·s，SS由0.1 V/dec下降到0.075 V/dec[45]。Cihai Chen等人發(fā)現(xiàn)，通過激光誘導(dǎo)致密化可修復(fù)溝道和介電層之間的缺陷，從而優(yōu)化TFT性能，且性能隨激光能量密度上升(41～99 mJ/cm2)而提高，如IZO-TFT的遷移率由2.8 cm2/V·s上升到9.0 cm2/V·s，SS由0.9 V/dec下降到0.62 V/dec，閾值電壓負(fù)飄，由1.4 V變?yōu)?2.5 V[46-47]。Juan Paolo S. Bermundo等人發(fā)現(xiàn)，一定能量密度的激光退火能有效改善溝道表面形貌及修復(fù)界面缺陷，從而有效調(diào)節(jié)IGZO-TFT的閾值電壓[48]。

圖3 (a)IGZO薄膜的SPM圖[20]；(b)不同能量密度激光退火的IGZO-TFT的IDS-VGS特性曲線[44]；(c)KrF激光退火的Mo/Au電極TFT輸出特性曲線；(d)激光退火后Au/Mo/IGZO/SiO2/Si疊層的STEM橫截面圖像[48]。

3.2 化學(xué)成分變化對TFT性能影響

對于MOTFT而言，溝道成分中氧空位的含量是研究重點。如圖4所示，激光誘導(dǎo)形成的氧空位主要有兩個過程：一是通過對化學(xué)鍵的解離從而形成的氧空位[49-51]，因此能實現(xiàn)單光子激發(fā)的紫外激光更容易破壞金屬氧化物離子鍵的靜電平衡，誘導(dǎo)形成氧空位[52-54],在本課題組的摻硅氧化錫(STO)薄膜激光退火研究中也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律[55]。二是熱效應(yīng)導(dǎo)致氧原子的熱運動形成的氧空位，這種效應(yīng)產(chǎn)生的氧空位會隨退火氣氛中氧氣的含量而變化。激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的光輔助縮合及致密化反應(yīng)能形成更純的金屬氧化物晶格結(jié)構(gòu)，在金屬氧化物晶格中形成的氧空位能更好地促進(jìn)載流子的傳輸[46,56-58]。由公式(5)可知[59]：

圖4 (a)激光退火前后a-STO薄膜的XPS圖譜[55]；(b)和(c)分別是IZO薄膜XPS圖譜[65]和ELA前后的IZO-TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線[66]； IGZO薄膜XPS圖譜；(d)和(e)分別是藍(lán)色激光退火前后a-IGZO-TFT的NBIS圖[72]；(f)不同負(fù)偏應(yīng)力對應(yīng)的失穩(wěn)機理示意圖[70]。

，

(5)

而氧空位濃度太高可能會給TFT性能帶來負(fù)面影響。激光退火也可以通過減少溝道氧空位來提高TFT性能[64-65]。Cranton W M等人則發(fā)現(xiàn)，通過激光退火能同時降低AZO薄膜的氧空位的含量和晶粒處吸附氧的含量，從而優(yōu)化薄膜晶格結(jié)構(gòu)，使薄膜獲得更優(yōu)的電學(xué)性能[66]，進(jìn)而提高TFT的性能。這是因為，晶界處吸氧缺陷的降低能減少陷阱能級密度及降低晶粒間電子傳輸?shù)膭輭綶67-68]。Seonghyun Jin等人發(fā)現(xiàn)，電子-空穴對會影響TFT的光照負(fù)偏壓穩(wěn)定性(NBIS)，他們通過445 nm激光退火，減少了IGZO中的氧空位，從而減少了溝道處電子-空穴對含量，提高了IGZO-TFT的光照負(fù)偏壓穩(wěn)定性[69-72]。此外，氧空位的形成還會降低金屬氧化物薄膜的熱導(dǎo)率[73-74]，會影響多次脈沖照射對薄膜的熱效應(yīng)。

3.3 晶格結(jié)構(gòu)改善對TFT性能影響

激光退火誘導(dǎo)重結(jié)晶能使薄膜形成亞穩(wěn)缺陷結(jié)構(gòu)，可減小導(dǎo)帶底附近的帶尾態(tài)密度，從而提高TFT遷移率和降低閾值電壓[75-76]。激光誘導(dǎo)薄膜重結(jié)晶還能減少缺陷能級對載流子的捕獲和晶界對載流子的散射，使薄膜電導(dǎo)率升高，電阻率下降[77-78]，從而提高TFT的開態(tài)電流，提高TFT的遷移率和開關(guān)比[24,79-80]。

但激光退火誘導(dǎo)晶粒生長也可能對TFT性能造成負(fù)面影響。Mitsuru Nakata等人發(fā)現(xiàn)，激光誘導(dǎo)IGZO薄膜結(jié)晶后，載流子濃度過高，導(dǎo)致溝道耗盡層太寬，難以形成夾斷，使IGZO-TFT關(guān)態(tài)電流(Ioff)太高，開關(guān)比(Ion/Ioff)降低[81]。另一方面，激光誘導(dǎo)結(jié)晶會可能會引起溝道的體積膨脹，造成TFT的漏電流增加，F(xiàn)uminobu Hamano等人通過激光退火后的附加激光輻照工藝減少了這種膨脹效應(yīng)，降低了器件的漏電流[82]。因此，需要激光退火合理地調(diào)控載流子濃度，才能提高TFT的性能。表1總結(jié)了合適的激光退火工藝對金屬氧化物TFT性能改善的例子。

表1 激光退火的金屬氧化物TFT性能

4 結(jié) 論

激光退火的優(yōu)良特性已經(jīng)被廣泛認(rèn)識，在過去的研究中，激光退火對金屬氧化物薄膜和金屬氧化物薄膜晶體管性能的改善表現(xiàn)出優(yōu)良的前景。針對金屬氧化物薄膜及其TFT，現(xiàn)在已經(jīng)研究出一系列的激光退火工藝優(yōu)化方案，有效地提高了TFT的性能。但是激光退火技術(shù)依然存在一些問題，如：(1)退火工藝參數(shù)較復(fù)雜，導(dǎo)致退火過程的調(diào)控比較困難；(2)激光退火中，大多數(shù)討論對薄膜的熱效應(yīng)，激光光子對金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜作用的討論較少，需要進(jìn)一步研究；(3)由于高能量激光會對薄膜表面造成一定程度損傷，影響其對薄膜表面形貌的改善，具體表現(xiàn)在激光退火對TFT亞閾值擺幅的優(yōu)化不如熱退火。最近的研究中，有通過附加退火步驟、器件老化和制備新型結(jié)構(gòu)TFT等方法來優(yōu)化TFT的激光退火工藝，豐富了激光退火技術(shù)的優(yōu)化方案。因此，激光退火技術(shù)使高性能柔性、大尺寸顯示背板的制備擁有更多可能性，對推動柔性、大尺寸顯示發(fā)展具有重要意義。