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●文/王守坤、孫亮、郝昭慧、朱夏明、袁劍峰、林承武

北京京東方顯示技術有限公司

　　摘要：本文采用等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD）制得氮化硅和氫化非晶硅薄膜，對PECVD設備中基板支撐梢區(qū)域的膜質進行了研究。結果顯示基板支撐梢對氮化硅薄膜的影響是：基板支撐梢區(qū)域的膜厚（沉積速率）高于非基板支撐梢區(qū)域，氫含量及[SiH/NH]值高于非基板支撐梢；對氫化非晶硅薄膜的影響是：基板支撐梢區(qū)域的膜厚（沉積速率）小于非基板支撐梢區(qū)域，氫含量高于非基板支撐梢。并對成膜影響的機理進行了分析討論。

　　關鍵詞：等離子體增強化學氣相沉積法；基板支撐梢；氮化硅膜；氫化非晶硅膜；傅里葉紅外分析；生長機制；

　　引言

　　近年來，液晶顯示（LCD）為代表的平板顯示已取代體積笨重的CRT顯示，并占據主流地位，涵蓋了從手機到大尺寸電視的各種顯示領域。LCD的核心部件是非晶硅薄膜晶體管(thin film transistors，TFT)，在有源矩陣驅動顯示器件中發(fā)揮了重要作用。圖1為a-Si:H薄膜晶體管結構示意圖。

　　TFT柵極絕緣源層SiNx和非晶硅層a-Si:H是在RF．PECVD（射頻等離子增強型化學氣相淀積）設備完成的，反應腔室的原理示意如圖2。由于a-Si:H是TFT晶體管器件的關鍵膜層，則柵極絕緣層（gate insulator sinx）分成高速沉積（GH）和低速沉積(GL)兩次來完成，有源層非晶硅a-Si:H分為低速沉積(AL)和高速沉積（AH）來沉積。并且要保證所成膜的膜質的特性。否則會導致完成品的顯示均一性。但是在RF．PECVD設備中，玻璃基板是放置于設備腔室加熱機臺（susceptor）上進行沉積的，而加熱基臺上面被設置了空洞，內嵌升降玻璃基板的基板支撐梢（pin），從而基板支撐梢就可能導致膜質與其他區(qū)域不同，造成產品的視覺不均，影響產率。本文就是針對PECVD基板支撐梢區(qū)域的膜質進行討論分析，并給出建議。

　　1、實驗

　　1.1 樣品制備及反應機理

　　實驗設備采用射頻頻率為13.56MHz的PECVD系統(tǒng)，溫度為340℃。反應氣體為NH3、SiH4和N2及SiH4和H2的混合氣體，分別在四張玻璃基板上對應于PECVD基板支撐梢的位置，貼附硅片（si-wafer，分布如圖3），然后分別沉積高速氮化硅膜(GH），低速氮化硅膜(GL)，高速a-Si:H 膜（AH）和低速a-Si:H膜(AL)單層膜樣品。氣體流量比分別為GH (SiH4：NH3：N2=3：10：30) ,GL(SiH4：NH3：N2=1：4：33)，AL(H2：SiH4=1：10)，AH (H2：SiH4=1：7)。玻璃基板為2500mm x 2200 mm的超薄玻璃基板，等離子區(qū)功率為2100W至20000W。反應腔的氣壓為159 Pa～320 Pa，電極間的距離為17mm～25 mm。

　　反應氣體通過由許多小孔組成的擴散口（diffuser）均勻地流入反應腔中，此系統(tǒng)中沉積柵極絕緣層（gate insulator SiNx）所發(fā)生的主要反應[1]：

　　4 NH3+3 SiH4→Si3N4+12 H2   (1)

　　3 SiH4+2 N2→Si3N4+6 H2    (2)

　　反應式(1)的反應機理是NH3和SiH4的反應生成三胺基硅Si(NH2)3，三胺基硅Si(NH2)3作為氮化硅薄膜生長的主要反應基，在玻璃基板表面通過熱分解、鍵合等方式生成a-SiN ：H薄膜；反應式(2)的反應機理為SiH4和N2在等離子區(qū)電離成SiH3離子和N離子，依靠SiH3離子和N離子在基板表面的反應生成類a-Si：H的薄膜，并在生長的過程中同時被基態(tài)的N離子氮化[2]。

　　沉積非晶硅層（a-Si:H）所發(fā)生的主要反應：

　　SiH4 (g)→Si(s)+2H2(g) (3)

　　反應式(3)的反應原理是SiH4先分解成SiH3主要前驅物，然后SiH3與Si-H反應析出Si放出H2，并且反應中的H會打斷較弱的Si-Si鍵，而重新組合為更強的Si-Si鍵，形成晶核擴散到基板表面進行成膜[3]。

　　1.2 分析測試

　　薄膜厚度測量儀器(KMAC)：用來測試樣品的膜厚和折射率，其測試原理為：用一束光打在薄膜測試樣品上，一部分光在薄膜表面反射，另一部分光在薄膜和基板以及在多層面的界面之間反射，這些波長出現(xiàn)互補干涉或相消干涉，從而測量的反射光根據薄膜厚度的不同，出現(xiàn)不同形狀的波形。在知道各種薄膜結構的情況下，就可測試計算出薄膜的厚度值。

　　采用傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)分析薄膜中Si-H和N-H鍵的伸展振動模的紅外吸收光譜并計算Si-H和N-H鍵的含量。SiNx薄膜中Si-H和N-H鍵的含量可以通過紅外吸收光譜中的吸收峰的積分強度計算式(4)和式(5)得到[1][4]：

　　N=Ax∫(a/ω)dω=Ax∫ad(1nω)         (4)

　　Cx= (Nx/Ntot)* 100％= (Ax/Ntot)∫ad(1nω) (5)

　　其中x表示Si-H和N-H鍵的鍵合模式，Ax是鍵合模式 x的校準因子，a(ω)是吸收峰的吸收系數(shù)，是波數(shù)ω的函數(shù)。Ntot是薄膜的總的原子密度。

　　2、實驗測試結果

　　2.1 沉積速率及折射率測試結果

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