LTPS制程与技术发展

• 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(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。
陣列電路製程(1)
– 利用雷射退火技術的低溫製程法
• 使用與α-Si TFT相同的不含鹼性離子之玻璃基板
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(4)
• 與α-Si TFT製程相比較，大部分的步驟是 相類似的 • Poly-Si TFT的特徵，有
資料來源：工研院電子所
LTPS TFT LCD的特點
• LTPS TFT LCD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
LTPS TFT LCD的前段製程
陣列電路設計(1)
• LTPS TFT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
•
資料來源：工研院電子所
標準化製作過程(11)
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
資料來源：工研院電子所
資料來源：工研院電子所
標準化製作過程(12)
12. 氫化工程：
• • 為提升Poly-Si TFT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
– 低溫雷射退火的結晶化技術(Laser Annealing Crystallization) – 低溫摻雜汲極技術(Lightly Doping Drain， LDD) – 氫化處理技術(Hydrogen eration)
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。
•
標準化製作過程(6)
6. 微影曝光工程：
• 利用輥輪被覆式(Roll Coater)或旋轉被覆式 (Spin Coater) 塗佈光阻劑於光罩基板(Mask Blank)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(7)
7. 蝕刻工程：
液晶胞製程(5)
5. 間隔物(Spacer)散佈工程：
• 使上下兩片基板保持於
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
•
標準化製作過程(3)
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(4)
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(5)
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(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)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
• • 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-Type Resist Stripping System) 將所剩之光阻劑，予以剝離處理並進行圖 案的檢驗工作
– 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(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(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
• • 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(13)
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
資料來源：工研院電子所
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Poly-Si/α-Si特性比較
• α-Si TFT LCD的結構簡單化和畫面高精 細化。 • P-Si TFT LCD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。
資料來源：工研院電子所
標準化製作過程(1)
• 標準化製作過程約需要六項光罩步驟。 1. 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
資料來源：工研院電子所
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標準化製作過程(2)
2. 光罩製作工程：
• 使用電子束描繪裝置(Electron Beam Lithography System)製作出主光罩(Master Mask) 再利用微影技術(Lithography)複製工程用 光罩網版
專有名詞(2)
• 低溫多晶矽(Low Temperature Poly Silicon， 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 (Recrystallization) 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(3)
• 離子植入(Ion Implantation)：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(LC Injection)：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。
• 大部分TFT LCD製造公司之LTPS TFTLCD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(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)
液晶胞製程(9)
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(10)
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
資料來源：工研院電子所
資料來源：工研院電子所
•
液晶胞製程(7)
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(8)
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
LTPS TFT LCD的後段製程
液晶胞製程(1)
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(Mega Sonic) 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(2)
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(Polyamic Acid) 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
• 低溫Poly-Si結晶化的技術主要是準分子雷 射退火法(ELA)
資料來源：工研院電子所
資料來源：工研院電子所
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標準化製作過程(10)
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。
資料來源：工研院電子所
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資料來源：工研院電子所
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專有名詞(1)
• 準分子雷射(Excimer Laser)：
– 準分子是激發態的雙量體(Dimer)，Excimer 為Excited Dimer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
液晶胞製程(3)
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(4)
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。
第8章
LTPS製程與技術發展
前言
• 低溫多晶矽薄膜電晶體液晶平面顯示器 (Low Temperature Poly-Silicon Thin Film Transistor，LTPS TFT LCD)，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。
標準化製作過程(8)
8. 閘極形成工程：
• • Poly-Si TFT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 (Heat Oxidation)，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(9)
9. 雷射退火結晶化技術：