ZnO薄膜晶體管真空退火設備的研究

靳麗巖，王宏杰，張 浩，趙雪峰

(1.中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原，030024；2.上海大學機電工程與自動化學院，上海200072)

在當前迅速發展的顯示技術中，薄膜晶體管液晶顯示器以其大容量、高清晰度和高品質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前最具有商業價值的透明電子器件，即將成為有源矩陣液晶顯示(AMLCD)和有機發光顯示(OLED)的關鍵技術。ZnO因其透明性、較高的場效應遷移率，制備成本較低、工藝過程綠色環保等特性比多晶、非晶TFT有更大的優越性。

ZnO-TFT的穩定性是制約顯示性能的主要因素，主要表現為：（1）在柵偏壓老化過程中，閾值電壓的移動；（2）溫度變化引起的不穩定性。這種不穩定性在電流驅動的OLED現實中更顯重要，因為它會影響像索的亮度不穩定。為了克服這種不穩定性，主要的方法是減少界面缺陷態密度，許多研究小組對不穩定性的機理、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放入氮氣環境中350℃退火，結果器件的穩定性整體改善，退火后器件的閾值電壓漂移由原來的5.3 V變為2.1 V，張新安等人研究了退火溫度對硅襯底上制備ZnO-TFT器件電學性能的影響。

為了通過退火工藝提高ZnO-TFT的穩定性，使得ZnO-TFT驅動的顯示屏能夠更廣泛地推向市場，特需研發適用于ZnO薄膜晶體管的退火設備。真空加熱具有排除有害氣體、吸附氣體的保護、除氣作用及凈化作用，具有提高表面光亮度和力學性能的作用。為了進一步滿足研究能改善ZnO薄膜晶體管性能的工藝，我所特研究開發真空ZnO薄膜晶體管真空退火設備。

1 設備結構

真空退火設備為臥式雙室結構，主要由腔體部分、加熱系統、傳動機構、真空系統、充氣系統、水冷系統等幾部分組成，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：冷卻室為側開門的不銹鋼圓筒腔體，為器件的放入和取出部分，該室進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、傳動機構引入等接口。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。

加熱室采用優質石英管，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構，通過冷卻水的循環保證密封圈的密封性能。石英管外圓周安裝加熱系統，石英管內部兩側各安裝一組隔熱反射屏，使熱量集中在加熱區域范圍。

圖1 真空退火設備結構示意圖

兩室隔斷置于冷卻室和加熱室之間，為不銹鋼插板閥機構，通過壓縮空氣驅動氣缸，實現兩室之間的貫通和隔斷。

1.2 加熱系統

加熱系統置于加熱室石英管外側，為外加熱式結構。加熱系統包括加熱元件、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石復合材料，散熱組件為隔熱層外的圓筒結構，圓筒外壁纏繞兩組冷卻水管，通過冷卻水降低設備外壁溫度。加熱系統采用三段獨立加熱，三段獨立控溫的加熱方式，以滿足溫度均勻性的要求，如圖2所示。

1.3 傳動機構

傳動機構是實現器件在冷卻室和加熱室之間自動傳動的機構，由驅動裝置、傳動拉桿、石英盤、導向機構等組成。驅動裝置采用氣缸驅動，置于冷卻室外側；傳動拉桿和石盤舟固定同步運動；導向機構用于導向石英盤在加熱室、冷卻室及隔斷間順利傳動，保證石英盤穩定可靠，防止發生偏轉或顛簸。傳動機構由磁性開關控制，具有冷卻室到位和加熱室到位兩個位置限定，確保傳動準確，見圖3所示。

圖2 加熱絲及保溫層

圖3 傳動機構示意圖

1.4 真空系統

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

真空測量裝置選用測量精度高、穩定性好的復合真空計，成都正華ZDF系列真空計，測量范圍（1.0×105～1.0×10-5）Pa。ZJ-52T 低真空規管和ZJ-27高真空規管安裝在同一測量點作為復合測量，見圖4。

1.5 充氣系統

設備充氣系統具有快充和微充系統，所用介質為氮氣、氬氣、氧氣。

圖4 真空系統示意圖

快充系統由管路和氣動閥來完成對設備的快速充氣。

微充系統由自動壓強控制儀、質量流量計、電磁閥、微調閥及管路等組成，實現在額定流量氣體通入時，通過自動壓強控制儀調節抽氣速率來調節與控制腔體內的真空度。

1.6 水冷系統

水冷系統主要對以下各部分進行水冷循環，即有：水冷密封圈法蘭、加熱系統外壁、真空泵等。冷卻水由總進水管流經各個分配管到達各冷卻部位，經循環返回總回水管。在總進水管上裝有電接點水壓、水溫表及流量開關，用于檢測冷卻水情況，具有異常報警功能。

1.7 電氣控制系統

電控系統由控制柜、溫控儀、工控機、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/自動操作模式，可實現手/自動轉換的無擾切換。

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、報警器和指示燈等主要元件選用國內外優質產品，性能可靠，使用壽命長。

（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調節的閉環控制方式，通過電力調壓器自動調節輸出功率。實現三區溫度同步控制，儀表精度等級均為0.1級，控溫精度±1℃，帶有自整定功能，自動選擇最合理的控制參數（自適應功能），保證爐溫均勻性。儀表預留通訊接口，通過MODBUS通訊協議，與上位機進行通訊，系統可以采用手動/自動運行。加熱工藝曲線的編輯、修改、存儲可在上位機上進行。

（3）可編程控制器。采用OMRON公司CP1H系列可編程控制器（帶AD、DA轉換模塊）做為系統控制核心，工藝過程有PLC全自動控制，可實現自動和單步手動控制，完成工藝過程。控制程序設有手動和自動兩種操作模式，可在設備運行中隨時進行切換，且不中斷設備運行狀態。預留通訊接口，可以實現計算機集中監控。

（4）計算機控制系統。工藝全過程可由計算機控制和操作。工業控制計算機采用ntouch TPC1262H嵌入式工控一體機，操作為觸摸式操作。可實現設備的集中管理和分級管理。操作等級分為三級：操作員、工藝員、負責人。控制系統配備工業控制組態軟件。上位機操作簡單，與可編程控制器進行串口鏈接，可對設備機械動作進行操作和實時監控。所有儀表均與工控機通過串口連接，可實時顯示設備及各儀表的狀態，在工控機的操作界面上，可對退火工藝進行編輯、存儲、修改、調用、刪除、顯示、查詢，并具有運行、控制功能，同時可適時采集、存儲設備的運行數據和報警數據，在任意時間查詢、顯示、下載、打印等功能，實現設備各參數的無紙記錄。見圖5。

圖5 控制窗口及溫控窗口

（5）熱電偶。控溫熱電偶采用軟質鎧裝N型熱電偶；工件檢測熱電偶采用兩支易插拔N型熱電偶，用于檢測石英工裝溫度。

（6）記錄儀。采用浙大中控AR4506記錄儀，能夠同時記錄真空度數值、三支控溫偶的溫度和兩支工件偶的溫度，并能查看系統運行過程各個時間段的歷史數據。

2 設備達到的指標

ZnO薄膜晶體管真空退火設備經測試，達到了以下性能指標，滿足了真空退火工藝的要求:

恒溫區：準250 mm×250 mm；

最高溫度：1100℃；

控溫精度：1.0℃；

溫度均勻性：±1℃；

升溫時間：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 試驗結果

設備在上海大學新型顯示技術與應用集成教育部重點實驗室得到實際應用。在玻璃襯底上，室溫條件下制備了基于SiO2絕緣層的ZnO-TFT，在該真空退火設備中對ZnO有源層進行300℃退火處理，比較退火前后的ZnO-TFT性能，對退火前后器件的柵壓穩定性進行表征。

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有源層進行300℃退火30 min后，器件的性能有明顯的提升，飽和遷移率變為3.12 cm2/V·s，同時，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比都在1×106量級。見圖6及表1（VGS表示柵源電壓，IDS表示源漏電流）。

圖6 器件的轉折曲線

器件的亞閾值擺幅（S）可以表達為：

式中：S為轉移曲線的最大斜率。

表1 兩種器件的電學性能（其中開態電流指的是VGS=25 V時對應的源漏電流）

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定性大大提升。即退火處理能減小ZnO有源層在沉積過程中造成的缺陷，同時也能減小絕緣層和有源層之間的界面態，從而提升器件的電學性能及其穩定性。

圖7 兩種器件的閾值電壓偏移量隨老化時間的變化曲線

4 結 論

ZnO薄膜晶體管真空退火爐的研發達到了ZnO薄膜晶體管退火工藝的要求，提高了器件的電學性能及穩定性，促進了ZnO-TFT的研究取得進展，減弱了顯示器像索亮度不穩定的缺點，為透明薄膜晶體顯示器的發展提供了必要的工藝設備。

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