显示背板工艺 #07 — ELA ②：308nm 紫外线、线形光束与 Mura

上一篇我们看到了 ELA 做什么——仅在数十纳秒间熔化表面以养大晶粒。本篇讲的是实际完成这项工作的设备。沿着光从激光源到基板所经之路，我们来看"为何是这个波长""为何光学系统如此复杂"，以及现场最惧怕的条纹斑的真面目。

什么是准分子激光

ELA 的"E"即准分子（Excimer），是"受激二聚体（Excited dimer）"的缩写，指只在受激态下才能短暂存在的分子。平时并不成键的惰性气体（氙、氪等）与卤素（氯、氟等），在强电能作用下会瞬间牵手，随即分开并把这份能量吐为紫外光子。

这种"一存在便崩解"的性质，对激光反而有利。基态分子几近于无，粒子数反转自然成立，放大轻易发生。气体组合决定波长，而显示结晶所占的只是其中一格。

气体组合	波长	光子能量	主要用途
ArF	193nm	6.4eV	半导体光刻、精细加工
KrF	248nm	5.0eV	光刻、基板剥离（LLO）
XeCl	308nm	4.0eV	显示结晶化（ELA）
XeF	351nm	3.5eV	材料加工、研究用

为何偏偏是 308nm

此外还有一个实务上的理由。波长越短，光学部件的寿命越短。在 193nm 波段，透镜材料会因紫外而劣化，定期更换频繁；308nm 则相对宽容，更利于让大面积设备长时间运转。光刻机以精度为先，而结晶化设备必须不停地扫过大面积——两者需求之别，直接反映在波长的选择上。

光束抵达基板之前——光学系统的旅程

不能把激光器射出的光直接打到基板上，因为其截面强度并不均匀。如上一篇所见，最优能量窗口只有 2.5% 左右，强度参差的光束会原样成为斑纹。因此设备的大部分都是光学系统。

• 匀化器——把光束分成多路再叠合，使截面强度平坦化。相当于把凹凸的山脊压成高原。以自由曲面设计微透镜阵列以进一步提升平坦度的研究至今仍在继续。
• 光束整形光学系统——把平坦化后的光束修整为细长的线状。宽度越窄越易提高能量密度，长度越长则一次扫过的面积越大。
• 微平滑反射镜（micro-smoothing）——准分子激光的相干性较低，但光学系统内仍会产生干涉条纹。对策是用压电致动器令反射镜微微振动，在时间上把干涉条纹抹平。
• 扫描平台——精密地一点点移动基板，使线光束叠着扫过整个表面。

为何非得是细长的线，用一道简单的除法便可说明。一发脉冲的能量除以光束面积即为能量密度，而第 6 篇所见的最优区间大致在 300~450mJ/cm² 一带。

线光束尺寸	光束面积	脉冲 0.5J	脉冲 1.0J	脉冲 1.5J
465 × 0.4mm	1.9cm²	269mJ/cm²	538mJ/cm²	806mJ/cm²
750 × 0.4mm	3.0cm²	167mJ/cm²	333mJ/cm²	500mJ/cm²
1,500 × 0.4mm	6.0cm²	83mJ/cm²	167mJ/cm²	250mJ/cm²

横向读表可知光束做得越长，就需要越强的光源。线长从 465mm 增至 1,500mm 即三倍，为获得同样的能量密度，脉冲能量也须为三倍。纵向读则可见为何要把宽度压到 0.4mm 水平——宽度加倍，所需脉冲能量也随之加倍。决定大面积设备尺寸的不是平台，而是光源的脉冲能量。

也就是说，ELA 设备的本质并非"强激光"，而是"使其均匀的光学系统 + 精密移动的平台"。事实上，用于 ELA 工艺控制的监测方法本身即为专利主题，可见对光束状态的实时监视正是这类设备的核心功能。

产能的算术——ELA 为何是瓶颈

第 6 篇说重叠率是品质与产能的交换。把这一交换换成设备视角的数字便成如下。扫描速度为扫描步距 × 重复频率，故只要知道重叠率与激光每秒发射次数，结果立刻可得。

重叠率	扫描步距	300Hz	600Hz	1,200Hz	扫过 1,500mm 用时（600Hz）
90%	40μm	12.0mm/s	24.0mm/s	48.0mm/s	约 63 秒
95%	20μm	6.0mm/s	12.0mm/s	24.0mm/s	约 125 秒
98%	8μm	2.4mm/s	4.8mm/s	9.6mm/s	约 312 秒

可读出三点。其一，扫描速度不过每秒数毫米，肉眼看去几乎像停着一样缓慢爬行。其二，把重叠率从 95% 提到 98%，扫过同一张基板要多花 2.5 倍时间。其三，能弥补这一点的唯一旋钮是重复频率。放电激励 XeCl 激光的 kHz 级连续运转技术早就被研究，原因即在于此——重复频率翻倍，处理时间减半。

因此产线也从另一个方向应对：把 ELA 设备并排放置多台轮流走基板，或把一张基板分区并行处理。但增加设备会带来新的问题——设备间差异。即便设定值相同，光源的气体状态与光学系统状态不同，晶粒也会出现微妙差别，而这差别会在同一张基板上显现为分区边界的斑纹。以增加设备换取产能，等于以均匀性支付，故扩充台数并非单纯的投资决策，而是品质设计的问题。

不过提高重复频率也有代价。在同一处更频繁地击打，气体与电极的消耗会加快，逐发脉冲的能量偏差也更难压住。第 6 篇所见 2.5% 的窄窗口，随着重复频率上升会越来越难守。转得越快，均匀性越动摇——这是此类设备根本性的张力。

激光气体是消耗品

准分子激光有一个常被忽视的事实：发光的物质本身会被耗尽。与固体激光的晶体或半导体激光的芯片不同，准分子激光的发光体是充满腔室的气体混合物。

XeCl 组合中被消耗的主要是卤素。放电反复进行，氯会与电极金属或腔壁反应而逐渐消失，其位置上则堆积起反应副产物与杂质。结果表现为两点——输出缓慢下滑，同时逐发脉冲的能量偏差增大。考虑到第 6 篇的 2.5% 窗口，后者更为危险。平均输出略降可以靠提高电压补偿，而抖动增大则无从补偿。

因此运行分为两级。定期只少量补充卤素以恢复输出的部分补充，以及杂质累积后对整腔气体的完全更换。电极的更换周期要长得多，但随着磨损推进，放电会偏向一侧，使光束截面的强度分布倾斜——其结果正是前面所见与扫描方向平行的条纹。顺着斑纹的原因往上追，越过光学系统最终落到光源消耗状态上的情形并不少见。

平台精度即步距精度

光学系统再好，若搬运基板的平台晃动便无济于事。需要多高精度，把前面两个数字一乘即可得出。

重叠率 95% 时扫描步距为 20μm，某一点接受 20 发。然而步距哪怕只偏 1μm，该点接受的发数就会从 20 发变为 19 发或 21 发。以比例计为 5%。第 6 篇所见最优窗口为 2.5%，仅 1μm 的走行误差就已两倍地越出窗口。

反推可得所需规格。要把累积能量偏差控制在窗口一半的 1% 以内，步距误差须在 0.2μm 以内。而这一精度须在扫过 1,500mm 的全程中保持，相对于总行程即为百万分之一量级的走行精度。ELA 设备被称为精密平台技术之集合体的原因即在于此，振动、温度漂移、基板翘曲也因此全都成为管理对象。

ELA 斑与摩尔纹——现场最惧怕之事

ELA 工艺的代表性不良是条纹斑（ELA Mura）。表现为与扫描方向垂直的规则亮度差异，其根本原因终归只有一个——结晶结构、晶粒尺寸、晶界若因位置而异，TFT 性能便随之不同，这一差异在画面上显现为亮度差。学术文献同样报告"亮度不均的周期与扫描步距完全一致"。

这一句正是诊断的核心。斑纹有周期，而该周期指认着原因。

斑纹形态	周期	被指认的原因	首选对策
与扫描方向垂直的条纹	与扫描步距一致	脉冲间能量偏差、步距误差	稳定能量、重调步距
与扫描方向平行的条纹	沿光束长度方向的位置	线光束截面的强度分布	匀化器校准・清洁
大周期的波纹	与像素周期之差	ELA 周期与像素周期的干涉	将扫描角倾斜 1~3°
不规则斑点	无	颗粒、局部缺陷	强化前序清洗与检查

第三行即摩尔纹（Moiré）。ELA 留下的周期若与像素、掩模等其他规则图案的周期接近，两者之差会被放大，显现为大范围的波纹。两个周期完全不同没有问题，完全相同也没有问题，略微错开时才最糟——这正是摩尔纹的性质。因此对策不是"对齐周期"，而是"把扫描倾斜 1~3°，让周期明确错开"。

通入气体——名为氧的调味料

ELA 腔室内有气体流动，一般是氮这类惰性气体，而其中会刻意掺入少量氧。理由乍看颇为矛盾——为了抑制晶粒长得过大。

上一篇说大晶粒好，为何又要抑制？答案是均匀性。如第 6 篇的表所示，晶粒越大，沟道内的晶界数越少，器件间的偏差反而越大。掺入微量氧会适度抑制生长，使分布趋于整齐。事实上，控制结晶过程中氧掺入的方法也是专利的主题。

代价同样明确。氧浓度上升，电子迁移率随之下降。而气体流量、氧浓度、排气方向一旦失配，便会出现与扫描方向垂直的流水状斑纹。选择的不是"尽可能大"而是"尽可能均匀"，同时以数值管理其代价——这才是 ELA 配方的实质。

看不见的炸弹——底层颗粒

另一种失效模式是潜藏于硅层之下的颗粒。若 PI 表面或缓冲层中嵌有金属或异物颗粒，平时毫无问题，却会在 ELA 的瞬间闯祸。

机制如下。结晶化推进后硅的光学性质改变，激光透入更深，能量抵达下方的颗粒。局部过热之处会鼓起（billowing）或炸裂而使表面变形，该处在其后的掺杂工序中会被局部过掺杂，从而在比周围更低的电压下导通。结果便是画面上的亮点。前序工序（第 2、3 篇）为何在清洗与检查上如此下功夫，在数篇之后如此显现。

对策是精密调节光束焦点与强度。XeCl 光源的焦深约为 ±150μm，基板若翘曲超出该范围或平台发生晃动，能量密度便立刻越出窗口。第 5 篇所见热应力导致的基板翘曲在此再度成为问题——前序工序的管理失误，会在数级之后蚕食设备的焦点余量。

如何窥看光束

说是"监测能量密度"，可宽仅 0.4mm 的紫外线条究竟怎么测？这里同样分层次。

• 总能量——在光束路径上分出一部分，由能量计接收。每一发脉冲都出数值，故可实时看到抖动，但它并不告知这份能量在线条上如何分布。
• 截面分布——用光束轮廓仪拍摄强度的横向分布。匀化器是否称职、有没有向一侧倾斜，都在这里显现。但需停机，故属定期点检而非常态监视。
• 由结果反推——最确凿的办法是实际扫过一片试样再看其表面。结晶之处光学性质改变，反射率随之变化，斑纹的形状与周期便直接道出光束的状态。

三个层次之间的关系才是要害。总能量快而粗，截面分布精而慢，结果观察真实却已晚。因此现场把三者叠着用——常态看总能量的趋势，定期确认截面，出现斑纹时以试样收窄原因。前面的斑纹诊断表之所以真能奏效，正因为有这第三层。

现场盯着什么——三个管理要点

• 能量密度监测——ELA 的命脉。以实时输出监视与定期实测校正，使工艺不脱离狭窄的最优窗口。由于气体寿命与电极磨损会使输出缓慢下滑，比起绝对值更要看趋势。
• 晶粒尺寸与均匀度——定期取样观察断面，并在基板内对多个面板、多个位置抽样调查。目标不是"大晶粒"，而是"规定范围内均匀的晶粒"。
• 光源与光学系统状态——激光气体寿命、反射镜与透镜的污染与劣化、平台走行精度。这三者会悄然恶化，某天以斑纹的形式浮现，故预防性维护周期的管理即是品质管理。

如今基板上已备好具有大晶粒的多晶硅膜。但它还不是晶体管——必须刻入极性，标明何处是通道、何处是开关。下一篇（第 8 篇）讲掺杂。

参考资料

• US 10,121,687 — Monitoring method and apparatus for control of excimer laser annealing：用于 ELA 控制的光束实时监测
• US 6,071,796 — Method of controlling oxygen incorporation during crystallization of silicon film by excimer laser：结晶过程中氧掺入的控制
• US 6,881,615 B2 — Method for crystallizing semiconductor material without exposing it to air：结晶化气氛管理
• "Freeform microlens array homogenizer for excimer laser beam shaping," Optics Express 24, 24846 (2016)：使光束截面平坦化的匀化器光学设计
• "Continuous operation up to 3 kHz in a discharge-pumped XeCl excimer laser," Applied Physics B 63, 1 (1996)：XeCl 光源的高重复频率连续运转——本文产能表中重复频率的依据
• "Uniformity improvement of SLS poly-Si TFT AMOLED," J. Inf. Disp. 6(2), 20 (2005)：亮度不均的周期与扫描步距一致的报告
• "Low-Temperature Poly-Si TFT by Excimer Laser Annealing," MRS Proceedings 685 (2001)：ELA 条件与 TFT 特性的关系
• "A new high-performance poly-Si TFT by simple excimer laser annealing," IEDM (2001), 34.3.1：以改善结晶条件提升器件特性的实例
• "Excimer laser crystallization techniques for polysilicon TFTs," Applied Surface Science 154-155, 449 (2000)：ELA 工艺窗口与均匀性问题——本文 300~450mJ/cm² 区间的依据
• Excimer laser — Wikipedia：准分子激光按气体组合的波长——本文波长表的依据
• Excimer — Wikipedia：受激二聚体这一概念
• Moiré pattern — Wikipedia：两种周期图案干涉产生的花纹