专利名称：用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置及通过该装置进行掺杂的方法
技术领域：
本发明涉及一种金属催化剂掺杂装置及掺杂方法，特别是涉及一种对涂覆于玻璃或聚合体基板上的非晶硅(a-Si)进行低温结晶化(LowTemperature poly-crystalline silicon)的过程中能够确保其重复性和稳定性的金属催化剂掺杂装置及通过该装置进行掺杂的方法。
背景技术：
一般来说，显示器领域是相继半导体存储器出现的又一个尖端科技发展的结果。现有的阴极射线管(Cathode-ray tube，CRT)因其固有的结构特性，未能克服其在空间上所受到的限制。为了克服此问题，人们通过薄膜晶体管液晶显示器(Thin Film Transistor LiquidCrystal Display，以下简称“TFT LCD”)、有机发光二极管(OrganicLight Emitting Diodes，以下简称“OLED”)、场致发射显示器(Fieldemission display，FED)、等离子显示器(Plasma display Panel，以下简称“PDP”)等多种方式不断努力试图取代CRT。最近，上述显示器中作为新一代显示器受到人们很大关注的是OLED。由于OLED利用的是薄膜的自发光源，与其它显示方式相比，其响应速度非常快，其速度可在10-6秒以内，不仅如此，其具有重量轻、厚度薄、视角宽、耗电少、可实现卷式显示器等的优点。在OLED方式中，由于有源矩阵型(active matrix，AM)OLED基本采用与TFT LCD方式相同的薄膜晶体管(Thin Film Transistor，以下简称“TFT”)，为了满足TFT的要求，需要采用一种电子移动速度比非晶硅更快的晶粒硅工程。
作为显示器基板的基础材料被广泛使用的透明材料有普通玻璃(glass)和石英(quartz)，从经济效益的角度考虑，人们更倾向于使用玻璃材料。在玻璃基板上形成晶粒硅的方法包括例如像热丝化学蒸镀(Hot Wire CVD，HWCVD)的直接方法和例如像准分子雷射退火法(Excimer Laser Annealer，ELA)的间接方法。要把非晶态硅转换成晶粒(crystal grain)硅，需要700℃以上的热能。但是玻璃的相转移温度约为640℃，低于硅的相转移温度，因此，仅利用热能要使蒸镀于玻璃基板上的非晶硅变成晶粒硅并不是一件易事。所以必须在低于玻璃转移温度的条件下制造晶粒硅，该方法被称之为低温多晶硅(以下简称“LTPS”)的结晶法。
运用LTPS结晶法，已经实现了在非晶硅薄膜单位面积上掺杂等于或小于1016个金属粒子并进行热处理的过程。但是很难获得超薄的催化金属粒子掺杂层。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题的不足而提供一种用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置及其掺杂方法，其就掺杂等于或小于1013原子/cm2金属粒子的进程而言，可在任何时候均能重复实现等于或小于0.1的预期掺杂厚度。(另外可参考构成一般物质单层表面(ML，mono-layer)的原子数为1015原子/cm2左右)。
为了达到上述目的，本发明提供一种用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置，其包括腔室；设置于所述腔室内，上部将置放基板的加热装置；设置于所述加热装置上部的平面状对向电极板；设置于所述腔室内两侧的线性驱动装置；在所述线性驱动装置的作用下线性移动的溅射枪，其中所述溅射枪包括结合于所述线性驱动装置的阴极电极；结合于所述阴极电极，并对向配置于所述对向电极板的阴极电极板。
所述溅射枪9以铰接方式结合于所述线性驱动装置7以使其靶面可向所述基板G方向旋转0°～±90°。
所述阴极电极的内部最好还设置冷却水通道。
所述溅射枪最好还包括屏蔽元件，所述屏蔽元件的配置可遮挡所述阴极电极板的侧面和上表面。
所述溅射枪最好在基板移动方向上的宽度为10～50mm，且所述阴极电极板是用镍或镍合金制成的。
并且，本发明还提供一种通过用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置进行掺杂的方法，其中所利用的掺杂装置包括腔室；设置于所述腔室内，且上部将置放基板的加热装置；设置于所述加热装置上部的平面状对向电极板；设置于所述腔室内两侧的线性驱动装置；在所述线性驱动装置的作用下线性移动的溅射枪。而其特征在于，所述溅射枪以1～6m/分的速度移动并掺杂金属催化剂。
本发明方法中，优选将所述溅射枪与所述对向电极板之间的距离设成50～100mm。
施加于所述溅射枪的动力条件为，300～1000V直流电，或13.56MHz、600W，或1.0～10KHz、200～500W。
本发明方法中，在掺杂金属催化剂时，优选将注入于所述腔室内的气体流量设为5～100sccm。
本发明方法中，在掺杂金属催化剂时，优选将注入于所述腔室内的气体压力设为5×10-3～5×10-1Torr。
本发明方法中，作为所述腔室内的注入气体，优选使用选自氩气、氖气、氮气、氦气及其混合气体中的一种。
本发明的装置，由于设置在基板表面上方的溅射枪进行等速运动的同时进行溅镀操作，因此可溅镀出更为均匀的金属物质。本发明装置不仅适用于OLED制造工程，也可适用于TET LCD、太阳能电池制造工程中需要将玻璃或聚合物表面上的非晶硅薄膜转化为多晶硅的工程中，而且其效果非常显著。
另外，本发明可在平板显示器的制造工程中发生最大瓶颈现象的多晶硅低温结晶化工程中确保重复实现性和稳定性，从而可提高生产效率。
图1是本发明的用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置第一实施例的结构示意图；图2是本发明的用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置第一实施例中溅射枪及对向电极板之间的配置关系示意图；图3是本发明实施例的等离子密度曲线图；
图4是本发明的用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置第二实施例的结构示意图；图5是本发明的用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置第二实施例中溅射枪及对向电极板之间的配置关系示意图；图6是本发明的用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置第二实施例中溅射枪的倾斜角度与溅镀率(sputtering yield)的关系曲线图。
具体实施例方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式
。
图1是本发明的用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置第一实施例的结构示意图。如图1所示，本发明的用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置包括可形成真空环境的腔室1、加热装置3、对向电极板5、发动机M等驱动源、用于在所述腔室1内传递所述驱动源动力的线性驱动装置7以及连接于所述线性驱动装置7的溅射枪9。
所述腔室1呈长方体，其内形成一定空间。所述腔室1的内部最好处于真空状态。
所述加热装置3的上部可设置基板G，并且所述加热装置3的配置面及其延长线上最好设置对向电极板5。所述加热装置3最好连接于温度控制器(图中未显示)，以此在进行掺杂时，能够将基板G均匀加热至350℃左右。并且所述对向电极板5最好与所述加热装置3的表面形成等电位，以此防止在所述溅射枪9进行线性移动时，因其阴极和所对应的电极间的距离变化而导致电场强度的变化。
本发明中，包括所述加热装置3的对向电极板5可以是通过常规设计构成的结构，其可在置放所述基板G的状态下和所述基板G一起移动。即最好将其设成能够在所述加热装置3上部置放基板G，并可实时地输送和加热所述基板G。本发明的加热装置3可以是能够并行进行对基板G的加热和输送的任何结构。
所述线性驱动装置7是用于在所述腔室1内线性移送所述溅射枪9的装置，其包括由发动机M构成的驱动源、通过所述驱动源旋转的驱动轴21、通过所述驱动轴21旋转的一对驱动轮23/驱动轮25、设置在和所述驱动轮23/驱动轮25相对应位置上的一对从动轮27/从动轮29、配置于所述驱动轮23/驱动轮25与所述从动轮27/从动轮29之间的传动带31/传动带33。所述传动带31/传动带33可采用钢质材料制成。所述线性驱动装置7可以使用能够输送所述掺杂模组即溅射枪9的通常的装置，特别是，所述线性驱动装置7凡是能够使所述基板G相对于所述溅射枪9做线性运动的均可使用。
如图2所示，所述溅射枪9包括结合于所述线性驱动装置7的阴极电极51、对向设置于所述对向电极板5一侧的阴极电极板55。特别是，优选将所述溅射枪9配置为其能够相对于所述对向电极板5进行线性运动的方向(按图2中的箭头方向或反向运动)，且其二者间保持一定距离。
所述阴极电极51的内部设有用于散热的冷却水通道51a。所述冷却水通道51a配置在所述阴极电极51的长度方向上，并且另连接有冷却水供给及循环装置(图中未显示)。所述冷却水通道51a用于通过冷却水的流动，将所述阴极电极板55(也称为“靶面”)的温度维持在一定程度，从而维持阴极电极板55的表面特性。
另外，最好在所述溅射枪9的外周面上隔开2mm的暗区间隔(darkspace，没有等离子体的空间)设置接地用屏蔽元件57，并使之在所述溅射枪9的外周面上能够覆盖住除了所述阴极电极板55所处位置之外的其余部分。由于所述屏蔽元件57和所述加热装置3的上表面及所述对向电极板5形成等电位，因此，可在靶面和玻璃基板G之间形成电场。这种溅射枪9并不在其阴极电极51上设置永久磁铁，由此可大大降低因磁场作用而导致的等离子密度的加强。如此在所述腔室1内移动型溅射枪9内不予插入永久磁铁，则可抑制因磁场作用而导致的等离子密度的上升，并可实现单一且均匀电场下的金属催化剂的掺杂。
图4是本发明的用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置第二实施例的结构示意图；而图5是图4中主要部分的结构示意图，用于说明本发明掺杂装置的另一实施例。本发明的第二实施例仅阐述了不同于第一实施例的部分，与第一实施例相同部分利用第一实施例的说明代替。
本发明装置的第二实施例中溅射枪9具有和所述第一实施例中溅射枪9相同的结构，不同点仅在于所述溅射枪9和所述包括基板G的对向电极板5相垂直。所述溅射枪9的阴极电极板55的表面所指向的方向相对于所述对向电极板5的表面所指向的方向形成不同的角，当所述阴极电极板55与玻璃基板G对向设置时的角度θ设为0°时，如图5所示，所述角度θ可在±90°(直角)的范围内调整。这种结构可获得人为地隔开阴极电极板55和基板G之间距离的效果，并可通过妨碍均匀电场的形成，使之比所述两个板间在角度为0°状态下相互对向设置时相比，可获得最大可降低一半以下的蒸镀率。因此，所述基板G和阴极电极板55所形成的角度θ最好能调节为0°、±45°和±90°等角度。即所述溅射枪9最好铰接于支撑该溅射枪9的线性驱动装置7上并可转动。这种结构表示溅射枪9的方向可倾斜，而其倾斜角度为与基板G形成的角度±θ(在图中，以垂直线为基准可左右旋转的角度)，另外，图中虽然省略了对所述溅射枪9旋转结构的详细图示，但也可以通过另行设置的电机等装置而控制其旋转。
图6是溅射枪9相对于基板表面的倾斜角度θ和溅镀率的关系曲线图，X轴表示靶面的倾斜角度，Y轴表示一般性数据倾向的随机值(arbitrary，au，根据情况，也可表示为不同角度下的蒸镀率％)。溅镀率可表示为进行掺杂时溅射枪的蒸镀率a和发生在基板G上的再溅镀率e之合的最终值d，这些数据均可通过所述溅射枪9与基板G所形成的角度函数得出。
从图中可知，溅射枪的溅镀率直接和施加于靶面的电能形成正比例关系。如果减小施加于靶面的电能，溅镀率将呈现出由图6中曲线a减少至曲线b的倾向。由此可知，即使对靶面施加某一能量值，基板的溅镀率也会随靶面和基板所形成的倾斜角度的变化而变化。。当靶面的倾角为±90°时，与靶面没有发生倾斜(即倾斜角度为0°)相比，溅镀效果减少一半。
另外，当减小施加于阴极电极板55的能量时，基板G表面上的再溅镀(re-sputterring)现象也从曲线e显著减少到曲线f，此时可获得由再溅镀值f和溅镀值b的合所表示的掺杂量曲线c。
因此在本发明中，通过掺杂量根据所述溅射枪与基板相对向形成的角度不同而具有不同值的机理，使靶面在移动时保持一定角度的同时进行金属催化剂掺杂操作。
另外，所述阴极电极板55最好是由镍制成。
下面说明，通过上述用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置，对薄膜掺杂金属催化剂的方法。
本发明的掺杂方法所适用的条件如下施加于所述溅射枪9的动力条件可以是300～1,000V的直流电，或者可以是13.56MHz、600W，或者是1.0～10KHz、200～500W。掺杂金属催化剂时，注入于所述腔室1内的气体流量最好是5～100sccm，注入于所述腔室1内的气体压力最好是5×10-3～5×10-1Torr。
下面以阴极电极板55(金属催化剂)由镍制成为例，对本发明方法进行说明。当阴极电极板55相对于基板G固定且不移动时，一般的沉积率r(deposition rate)取决于溅射枪9的动力、溅射枪9和基板G之间的距离d等。蒸镀于所述基板G上的薄膜厚度t(thickness)定义为沉积率r和基板G被暴露在等离子环境的时间s(exposetime)的相乘值。
因此，为了减小蒸镀于基板G上的实际薄膜厚度，需要在所述阴极电极板55的宽度被设成小于基板G长度的条件下，应使基板G相对于静止状态的阴极电极板55进行扫描(scan)，或者相对于静止状态的基板G，使阴极电极板以速度v进行扫描。即，假设宽度为x mm的阴极电极板55每分钟以v的速度移动并扫描静止状态的基板G整个上表面、并同时进行蒸镀，那么所述基板G实际被暴露于溅射枪9的时间就和所述阴极电极板55宽度除以所述基板G的总长度(在移动方向上)的商成正比例，并与阴极电极板55的移动速度(相对于基板G的相对速度)成反比例。
因此，经蒸镀的薄膜厚度t等于沉积率r×{阴极电极板宽度×/基板总长度l}×{基板总长度l/溅射枪的移动速度v}。为使上述数学式成立应具备如下两个前提条件第一、阴极电极板55的宽度×必须小于基板在扫描方向上的长度；第二、为了全面蒸镀基板G，阴极电极板5和基板G之间必须有相对速度v，即相对速度v具有非零值。
综上所述，控制实际蒸镀于基板G上的薄膜厚度的因素，除了取决于由阴极电极板55移动条件决定的沉积率之外，还有阴极电极板55的宽度、阴极电极板55和基板G之间的相对速度。此时，阴极电极板55的宽度×应小于基板G的长度，移动速度应为正数而非零。上述关系的数学式如下金属催化剂蒸镀厚度(t)＝沉积率(r)×暴露时间(s)其中暴露时间(s)＝(x/l)×(l/v)×l (x＜1，v≠0)其中，x阴极电极板宽度(cathode width)l基板长度(substrate length)v溅射枪的移动速度(moving speed)在所述阴极电极板55和基板G对向设置并在相对静止状态下进行镍金属的蒸镀时，沉积率一般约为4000；当阴极电极板55的宽度x为40mm的溅射枪9(阴极)以1m/分的速度经过全部基板表面并进行蒸镀时，实际蒸镀于静止状态基板G表面上的薄膜的厚度约为160左右。另外，当所述阴极电极板55的移动速度变为5m/s时，薄膜的厚度t由160减小到32。因此，本发明将阴极电极板55的宽度x设成10～50mm，将相对于基板G的阴极电极板55的移动速度设成1～6m/s。
如对所述阴极电极板55施加电压V，其与所述对向电极板5(接地板，即为和所述阴极电极板相对应的阳极电极板)就形成电位差V，从而，所述电极之间产生电场E，如图2所示。
如对所述腔室1中面积比较大的两电极板(阴极电极板，阳极电极板)之间注满5×10-3～5×10-1Torr的电离气体，并施加电压，在面积小的电极板周围就产生等离子。此时，可人为施加的要素是外部电压V；而因此要素，并因两电极板之间的距离d不同而改变的物理量是电场E。如电荷q置于电场E中，电荷q将受电荷q的电量×电场强度的电场力而被加速。由此可知，为了等离子的离子化而施加于电荷q的物理量为电场E，而为此可人为改变的因素是电压v和两电极板之间的距离d。即，等离子的密度与电场E有关，即使施加相同的电压v，只要将两平行电极板(阴极电极板55、对向电极板5)之间的距离d增加为二倍，即可获得等离子密度减一半的效果。但一般对于由阴极电极板和接地形成的溅射器来说，两电极板的面积比非常大，因此可以将阴极电极板理解为点状电极，而且如果加大两电极之间的距离，等离子的密度将以指数函数的方式急速下降。当溅射粒子以45°的角度辐射状喷射时，沉积率会进一步减少。因此，本发明将以往30～45mm的阴极电极板55和对向电极板5之间的距离增加为50～100mm，由此最终获得了沉积率从32减小到6以下。
并且，本发明可在其溅射枪9中未设置永久磁铁的状态下驱动，因此，本发明具备省略永久磁铁的溅射枪9，所述溅射枪9在无磁场而只存在电场的环境下产生等离子。这种结构只在两个电极板，即阴极电极板55和对向电极板5之间产生电场E，因此能够产生比较均匀、且密度非常小的等离子(如图3所示)，而这样产生的等离子，比起适用于所有溅射蒸镀装置上的磁控溅射枪所产生的等离子，其密度将减少至1/100以下。在此状态下，因其等离子的密度低于使用一般磁控溅射枪时产生的密度，所以其沉积率可将减少至约1/100以下。即，沉积率将由上述6减少到0.06以下。
综上所述，本发明可在上述条件下，随时可以重复实现预期掺杂水平之金属催化剂的蒸镀量，即，可以蒸镀出0.1以下的厚度。
上述说明仅是对本发明实施例的详细描述，但本发明并不限定于上述实施方式。在权利要求书和说明书及其附图所示的范围之内通过一些修饰，可实现不同的实施方式，而这种修饰应属于本发明的范围。
权利要求
1.一种用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置，其特征在于包括腔室(1)；设置于所述腔室(1)内，上端将置放基板(G)的加热装置(3)；设置于所述加热装置(3)上部的平面状对向电极板(5)；设置于所述腔室(1)内两侧的线性驱动装置(7)；在所述线性驱动装置(7)的作用下线性移动的溅射枪(9)，其中，所述溅射枪(9)包括结合于所述线性驱动装置(7)的阴极电极(51)；结合于所述阴极电极(51)，并对向配置于所述对向电极板(5)的阴极电极板(55)。
2.根据权利要求1所述的用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置，其特征在于所述溅射枪(9)以铰接方式结合于所述线性驱动装置(7)，以使其靶面可向所述基板(G)方向旋转0°～±90°。
3.根据权利要求1所述的用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置，其特征在于所述阴极电极(51)的内部设有冷却水通道(51a)。
4.根据权利要求1所述的用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置，其特征在于所述溅射枪(9)还包括屏蔽元件(57)，所述屏蔽元件(57)的配置可遮挡所述阴极电极板(55)的侧面和上表面。
5.根据权利要求1所述的用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置，其特征在于所述溅射枪(9)在基板(G)移动方向上的宽度为10～50mm，且所述阴极电极板(55)由镍或镍合金制成。
6.一种通过用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置进行掺杂的方法，其中所述用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置包括腔室(1)；设置于所述腔室(1)内，上部将置放基板的加热装置(3)；设置于所述加热装置(3)上部的平面状对向电极板(5)；设置于所述腔室(1)内两侧的线性驱动装置(7)；通过所述线性驱动装置(7)进行线性移动的溅射枪(9)，其特征在于所述溅射枪(9)是以1～6m/分的速度移动并掺杂金属催化剂。
7.根据权利要求6所述的通过用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置进行掺杂的方法，其特征在于所述溅射枪(9)与所述对向电极板(5)之间的距离为50～100mm。
8.根据权利要求6所述的通过用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置进行掺杂的方法，其特征在于施加于所述溅射枪(9)的动力条件为，300～1000V直流电，或13.56MHz、600W，或1.0～10KHz、200～500W。
9.根据权利要求6所述的通过用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置进行掺杂的方法，其特征在于在掺杂金属催化剂时，注入于所述腔室(1)内的气体流量为5～100sccm。
10.根据权利要求6所述的通过用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置进行掺杂的方法，其特征在于在掺杂金属催化剂时，注入于所述腔室(1)内的气体压力为5×10-3～5×10-1Torr。
11.根据权利要求6或9或10中任何一项所述的通过用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂掺杂装置进行掺杂的方法，其特征在于注入于所述腔室(1)内的气体为选自氩气、氖气、氮气、氦气或其混合气体中的一种。
全文摘要
本发明公开一种对涂覆于玻璃或聚合体基板上的非晶硅进行多晶硅低温结晶化的过程中可确保重复实现性和安全性的、用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂的掺杂装置及掺杂方法。本发明的用于多晶硅低温结晶化的金属催化剂的掺杂装置，包括腔室、设置于所述腔室内并在上方可置设基板的加热装置、设置于所述加热装置上方的平面状对向电极板、设置于所述腔室内两侧的线性驱动装置、在所述线性驱动装置的作用下做线性运动的溅射枪，其中，所述溅射枪包括结合于所述线性驱动装置的阴极电极、结合于所述阴极电极并与所述对向电极板相对向面设置的阴极电极板。
文档编号H01L21/02GK1908254SQ200610000678
公开日2007年2月7日 申请日期2006年1月10日 优先权日2005年8月4日
发明者许闰成, 黄允硕 申请人:Avms有限公司