ZnO薄膜晶體管真空退火設(shè)備的研究

靳麗巖，王宏杰，張 浩，趙雪峰

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原，030024；2.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072)

在當(dāng)前迅速發(fā)展的顯示技術(shù)中，薄膜晶體管液晶顯示器以其大容量、高清晰度和高品質(zhì)全真彩色受到人們的廣泛青睞。薄膜晶體管液晶顯示器的顯示質(zhì)量和整體性能在很大程度上取決于薄膜晶體管(TFT)性能。透明的薄膜晶體管作為當(dāng)前最具有商業(yè)價(jià)值的透明電子器件，即將成為有源矩陣液晶顯示(AMLCD)和有機(jī)發(fā)光顯示(OLED)的關(guān)鍵技術(shù)。ZnO因其透明性、較高的場(chǎng)效應(yīng)遷移率，制備成本較低、工藝過(guò)程綠色環(huán)保等特性比多晶、非晶TFT有更大的優(yōu)越性。

ZnO-TFT的穩(wěn)定性是制約顯示性能的主要因素，主要表現(xiàn)為：（1）在柵偏壓老化過(guò)程中，閾值電壓的移動(dòng)；（2）溫度變化引起的不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性在電流驅(qū)動(dòng)的OLED現(xiàn)實(shí)中更顯重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響像索的亮度不穩(wěn)定。為了克服這種不穩(wěn)定性，主要的方法是減少界面缺陷態(tài)密度，許多研究小組對(duì)不穩(wěn)定性的機(jī)理、原因以及解決方法展開了探索研究。2009年Ahn等人將氧化物TFT放入氮?dú)猸h(huán)境中350℃退火，結(jié)果器件的穩(wěn)定性整體改善，退火后器件的閾值電壓漂移由原來(lái)的5.3 V變?yōu)?.1 V，張新安等人研究了退火溫度對(duì)硅襯底上制備ZnO-TFT器件電學(xué)性能的影響。

為了通過(guò)退火工藝提高ZnO-TFT的穩(wěn)定性，使得ZnO-TFT驅(qū)動(dòng)的顯示屏能夠更廣泛地推向市場(chǎng)，特需研發(fā)適用于ZnO薄膜晶體管的退火設(shè)備。真空加熱具有排除有害氣體、吸附氣體的保護(hù)、除氣作用及凈化作用，具有提高表面光亮度和力學(xué)性能的作用。為了進(jìn)一步滿足研究能改善ZnO薄膜晶體管性能的工藝，我所特研究開發(fā)真空Z(yǔ)nO薄膜晶體管真空退火設(shè)備。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

真空退火設(shè)備為臥式雙室結(jié)構(gòu)，主要由腔體部分、加熱系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、真空系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等幾部分組成，如圖1所示。

1.1 腔體

腔體部分包括冷卻室、加熱室和兩室隔斷3部分：冷卻室為側(cè)開門的不銹鋼圓筒腔體，為器件的放入和取出部分，該室進(jìn)行抽真空和充氣工序。冷卻室裝有真空接口、充氣接口、觀察窗、放氣閥、工件偶、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)引入等接口。冷卻室各接口安裝有O型密封圈，保證抽真空和充氣的密封要求。

加熱室采用優(yōu)質(zhì)石英管，石英管兩端采用法蘭壓緊O型密封圈密封，壓緊法蘭采用水套結(jié)構(gòu)，通過(guò)冷卻水的循環(huán)保證密封圈的密封性能。石英管外圓周安裝加熱系統(tǒng)，石英管內(nèi)部?jī)蓚?cè)各安裝一組隔熱反射屏，使熱量集中在加熱區(qū)域范圍。

圖1 真空退火設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

兩室隔斷置于冷卻室和加熱室之間，為不銹鋼插板閥機(jī)構(gòu)，通過(guò)壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣缸，實(shí)現(xiàn)兩室之間的貫通和隔斷。

1.2 加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)置于加熱室石英管外側(cè)，為外加熱式結(jié)構(gòu)。加熱系統(tǒng)包括加熱元件、隔熱層、散熱組件幾部分。加熱元件采用0Cr27Al7Mo2高溫型鐵鉻鋁加熱絲，隔熱層采用多晶莫來(lái)石復(fù)合材料，散熱組件為隔熱層外的圓筒結(jié)構(gòu)，圓筒外壁纏繞兩組冷卻水管，通過(guò)冷卻水降低設(shè)備外壁溫度。加熱系統(tǒng)采用三段獨(dú)立加熱，三段獨(dú)立控溫的加熱方式，以滿足溫度均勻性的要求，如圖2所示。

1.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)器件在冷卻室和加熱室之間自動(dòng)傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)，由驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)拉桿、石英盤、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等組成。驅(qū)動(dòng)裝置采用氣缸驅(qū)動(dòng)，置于冷卻室外側(cè)；傳動(dòng)拉桿和石盤舟固定同步運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)向機(jī)構(gòu)用于導(dǎo)向石英盤在加熱室、冷卻室及隔斷間順利傳動(dòng)，保證石英盤穩(wěn)定可靠，防止發(fā)生偏轉(zhuǎn)或顛簸。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由磁性開關(guān)控制，具有冷卻室到位和加熱室到位兩個(gè)位置限定，確保傳動(dòng)準(zhǔn)確，見(jiàn)圖3所示。

圖2 加熱絲及保溫層

圖3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

1.4 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)由真空機(jī)組和真空測(cè)量裝置組成。真空機(jī)組主泵為F-150分子泵，前級(jí)泵為DIS-501渦旋型干式真空泵，滿足真空的抽速和真空度要求。真空管路采用無(wú)縫鋼管并配有控制閥門和真空檢測(cè)裝置。

真空測(cè)量裝置選用測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好的復(fù)合真空計(jì)，成都正華ZDF系列真空計(jì)，測(cè)量范圍（1.0×105～1.0×10-5）Pa。ZJ-52T 低真空規(guī)管和ZJ-27高真空規(guī)管安裝在同一測(cè)量點(diǎn)作為復(fù)合測(cè)量，見(jiàn)圖4。

1.5 充氣系統(tǒng)

設(shè)備充氣系統(tǒng)具有快充和微充系統(tǒng)，所用介質(zhì)為氮?dú)?、氬氣、氧氣?/p>

圖4 真空系統(tǒng)示意圖

快充系統(tǒng)由管路和氣動(dòng)閥來(lái)完成對(duì)設(shè)備的快速充氣。

微充系統(tǒng)由自動(dòng)壓強(qiáng)控制儀、質(zhì)量流量計(jì)、電磁閥、微調(diào)閥及管路等組成，實(shí)現(xiàn)在額定流量氣體通入時(shí)，通過(guò)自動(dòng)壓強(qiáng)控制儀調(diào)節(jié)抽氣速率來(lái)調(diào)節(jié)與控制腔體內(nèi)的真空度。

1.6 水冷系統(tǒng)

水冷系統(tǒng)主要對(duì)以下各部分進(jìn)行水冷循環(huán)，即有：水冷密封圈法蘭、加熱系統(tǒng)外壁、真空泵等。冷卻水由總進(jìn)水管流經(jīng)各個(gè)分配管到達(dá)各冷卻部位，經(jīng)循環(huán)返回總回水管。在總進(jìn)水管上裝有電接點(diǎn)水壓、水溫表及流量開關(guān)，用于檢測(cè)冷卻水情況，具有異常報(bào)警功能。

1.7 電氣控制系統(tǒng)

電控系統(tǒng)由控制柜、溫控儀、工控機(jī)、模擬操作面板可編程控制器及各種傳感器組成，控制面板兼有手/自動(dòng)操作模式，可實(shí)現(xiàn)手/自動(dòng)轉(zhuǎn)換的無(wú)擾切換。

電氣控制柜的主要配置：

（1）低壓電氣元件。斷路器、接觸器、中間繼電器、報(bào)警器和指示燈等主要元件選用國(guó)內(nèi)外優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，性能可靠，使用壽命長(zhǎng)。

（2）溫控儀表。溫度控制儀表采用歐陸2604系列三回路溫控儀，采用PID調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制方式，通過(guò)電力調(diào)壓器自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率。實(shí)現(xiàn)三區(qū)溫度同步控制，儀表精度等級(jí)均為0.1級(jí)，控溫精度±1℃，帶有自整定功能，自動(dòng)選擇最合理的控制參數(shù)（自適應(yīng)功能），保證爐溫均勻性。儀表預(yù)留通訊接口，通過(guò)MODBUS通訊協(xié)議，與上位機(jī)進(jìn)行通訊，系統(tǒng)可以采用手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行。加熱工藝曲線的編輯、修改、存儲(chǔ)可在上位機(jī)上進(jìn)行。

（3）可編程控制器。采用OMRON公司CP1H系列可編程控制器（帶AD、DA轉(zhuǎn)換模塊）做為系統(tǒng)控制核心，工藝過(guò)程有PLC全自動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和單步手動(dòng)控制，完成工藝過(guò)程?？刂瞥绦蛟O(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作模式，可在設(shè)備運(yùn)行中隨時(shí)進(jìn)行切換，且不中斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。預(yù)留通訊接口，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集中監(jiān)控。

（4）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。工藝全過(guò)程可由計(jì)算機(jī)控制和操作。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采用ntouch TPC1262H嵌入式工控一體機(jī)，操作為觸摸式操作?？蓪?shí)現(xiàn)設(shè)備的集中管理和分級(jí)管理。操作等級(jí)分為三級(jí)：操作員、工藝員、負(fù)責(zé)人?？刂葡到y(tǒng)配備工業(yè)控制組態(tài)軟件。上位機(jī)操作簡(jiǎn)單，與可編程控制器進(jìn)行串口鏈接，可對(duì)設(shè)備機(jī)械動(dòng)作進(jìn)行操作和實(shí)時(shí)監(jiān)控。所有儀表均與工控機(jī)通過(guò)串口連接，可實(shí)時(shí)顯示設(shè)備及各儀表的狀態(tài)，在工控機(jī)的操作界面上，可對(duì)退火工藝進(jìn)行編輯、存儲(chǔ)、修改、調(diào)用、刪除、顯示、查詢，并具有運(yùn)行、控制功能，同時(shí)可適時(shí)采集、存儲(chǔ)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)，在任意時(shí)間查詢、顯示、下載、打印等功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備各參數(shù)的無(wú)紙記錄。見(jiàn)圖5。

圖5 控制窗口及溫控窗口

（5）熱電偶?？販?zé)犭娕疾捎密涃|(zhì)鎧裝N型熱電偶；工件檢測(cè)熱電偶采用兩支易插拔N型熱電偶，用于檢測(cè)石英工裝溫度。

（6）記錄儀。采用浙大中控AR4506記錄儀，能夠同時(shí)記錄真空度數(shù)值、三支控溫偶的溫度和兩支工件偶的溫度，并能查看系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程各個(gè)時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)。

2 設(shè)備達(dá)到的指標(biāo)

ZnO薄膜晶體管真空退火設(shè)備經(jīng)測(cè)試，達(dá)到了以下性能指標(biāo)，滿足了真空退火工藝的要求:

恒溫區(qū)：準(zhǔn)250 mm×250 mm；

最高溫度：1100℃；

控溫精度：1.0℃；

溫度均勻性：±1℃；

升溫時(shí)間：從室溫升至1 100℃≤50 min（空爐條件下）；

極限真空：4×10-4Pa(空爐、潔凈、室溫、充分脫氣)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)備在上海大學(xué)新型顯示技術(shù)與應(yīng)用集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室得到實(shí)際應(yīng)用。在玻璃襯底上，室溫條件下制備了基于SiO2絕緣層的ZnO-TFT，在該真空退火設(shè)備中對(duì)ZnO有源層進(jìn)行300℃退火處理，比較退火前后的ZnO-TFT性能，對(duì)退火前后器件的柵壓穩(wěn)定性進(jìn)行表征。

未退火器件的飽和遷移率為2.3 cm2/V·s，閾值電壓為20.8 V，而將ZnO有源層進(jìn)行300℃退火30 min后，器件的性能有明顯的提升，飽和遷移率變?yōu)?.12 cm2/V·s，同時(shí)，閾值電壓有所減小為9.9 V。未退火器件和退火后器件的開關(guān)比都在1×106量級(jí)。見(jiàn)圖6及表1（VGS表示柵源電壓，IDS表示源漏電流）。

圖6 器件的轉(zhuǎn)折曲線

器件的亞閾值擺幅（S）可以表達(dá)為：

式中：S為轉(zhuǎn)移曲線的最大斜率。

表1 兩種器件的電學(xué)性能（其中開態(tài)電流指的是VGS=25 V時(shí)對(duì)應(yīng)的源漏電流）

在25 V直流電壓下施壓3 600 s，未退火器件的閾值電壓變化達(dá)到8 V，而退火后，器件的閾值電壓變化僅有3.4 V，退火后器件的偏壓穩(wěn)定性大大提升。即退火處理能減小ZnO有源層在沉積過(guò)程中造成的缺陷，同時(shí)也能減小絕緣層和有源層之間的界面態(tài)，從而提升器件的電學(xué)性能及其穩(wěn)定性。

圖7 兩種器件的閾值電壓偏移量隨老化時(shí)間的變化曲線

4 結(jié) 論

ZnO薄膜晶體管真空退火爐的研發(fā)達(dá)到了ZnO薄膜晶體管退火工藝的要求，提高了器件的電學(xué)性能及穩(wěn)定性，促進(jìn)了ZnO-TFT的研究取得進(jìn)展，減弱了顯示器像索亮度不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，為透明薄膜晶體顯示器的發(fā)展提供了必要的工藝設(shè)備。

[1]Zhou Fan，Zhang Liang，Li Jun，et al.Effect of Ta2O5 thickness on the performances of ZnO-based thin film transistors[J]，Chin.J.Lumin(發(fā)光學(xué)報(bào))，2011，32(2):188-193(in Chinese).

[2]Zhang Li ting，Wei Ling，Zhang Yang，Zhang Weifeng.Microstructures and photoluminescence properties of ZnO：V thin films and effects of post-annealing[J].Chin.J.Lumin(發(fā)光學(xué)報(bào))，2007，28(4):561-565.(in chinese)

[3]Ahn C H，Seo D K，Woo C H，et al.Influence of the thermal annealingtemperature ofthe channellayersgrown at room temperature on the device performance in the ZnO thin-film-transistors[J].Phys B Condens Matter.2009，404(23-24)：4835-4838.

[4]程松華，曾祥斌.ZnO基薄膜晶體管的研究[J].液晶與顯示，2006，21（5）：515-519.

[5]達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1991.