CN103021821A - 位于柔性衬底上的金属或半导体结构及其退火方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体工艺技术领域，公开了一种位于柔性衬底上的金属或半导体结构及其退火方法。本发明中，通过采用微波加热方式，对位于柔性衬底上的金属或者半导体结构进行退火，由于微波加热对物质具有选择性加热的特性，使得在对位于柔性衬底上的金属或半导体结构退火时，可选择性地只对非晶硅层或者金属层加热，而柔性衬底不会吸收或基本不吸收微波能量，因此柔性衬底不会在微波退火时被加热到很高的温度，从而保证了柔性衬底不被破坏；而且微波加热能使被加热物料内外同时加热、同时升温，加热均匀，因此，本发明提供的方法能在低温下完成对位于柔性衬底上的金属或半导体结构的退火，并且加热均匀，加热能耗效率高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体工艺技术领域，特别涉及位于柔性衬底上的金属或半导体结构及其退火方法。
背景技术
与非晶硅相比，多晶硅的载流子迁移率增大2个数量级，因而广泛应用于薄膜场效应晶体管（Thin Film Transistor，简称“TFT”）的制作。多晶硅的制备方法通常为：首先在衬底上制备非晶硅层，再退火得到多晶硅。多晶硅的制备方法根据制备温度可分为高温制备和低温制备。由于在高温退火时的温度将超过1000度，众所周知，在此高温下，玻璃衬底或塑料衬底会软化熔融，根本无法正常使用。因而如何在低温下制备多晶硅成为了国内外的研究热点。与传统的高温多晶硅相比，低温多晶硅需要激光照射工序，但它采用的是准分子激光作为热源，激光经过透射***后，会产生能量均匀分布的激光束并被投射于非晶硅结构的玻璃基板上，当非晶硅结构的玻璃基板吸收准分子激光的能量后，就会转变成为多晶硅结构。由于整个处理过程是在摄氏500-600度以下完成，普通的玻璃基板也可承受，这就大大降低了制造成本。近年来，在柔性衬底上制备多晶硅受到人们的重视，用作柔性衬底一般为超薄玻璃或者聚合物材料，与采用硬衬底材料制备的器件相比，采用柔性材料制备的器件具有重量轻、可折叠和不易破碎的优点。比如说，中国专利200810237489公开了一种制备多晶硅薄膜的方法，是利用硅粉制备成溶胶，运用丝网印刷或喷涂法镀膜，并通过200~600摄氏度，退火0.1~3小时获得多晶硅薄膜。
然而，由于柔性衬底同时也存在耐高温不强的缺点，而在退火过程中采用的温度仍然过高，因此采用传统的退火方法，仍有可能对柔性衬底造成破坏，如产生气体、水蒸气等，不适合位于柔性衬底上的半导体结构的制备。而且，采用传统的退火方法操作时间长，能耗大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种位于柔性衬底上的金属或半导体结构及其退火方法，使得在对位于柔性衬底上的金属或半导体结构退火时，可选择性地只对非晶硅层或者金属层加热，而柔性衬底进行加热不会吸收或基本不吸收微波能量，因此柔性衬底不会在微波退火时被加热到很高的温度，从而保证了柔性衬底不被破坏。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种位于柔性衬底上的半导体结构的退火方法，包含以下步骤：
提供一柔性衬底；
在所述柔性衬底上制备非晶硅层；
将所述制备了非晶硅层的柔性衬底放置在微波加热设备的腔体内，对所述位于柔性衬底上的半导体结构进行加热退火；所述微波加热设备的腔体在加热时含有多模态和多频率的电磁波。
本发明的实施方式还提供了一种位于柔性衬底上的金属结构的退火方法，包含以下步骤：
提供一柔性衬底；
在所述柔性衬底上制备金属层；
将所述制备了金属层的柔性衬底放置在微波加热设备的腔体内，对所述位于柔性衬底上的金属结构进行加热退火；所述微波加热设备的腔体在加热时含有多模态和多频率的电磁波。
本发明实施方式相对于现有技术而言，采用微波加热方式，对位于柔性衬底上的金属或者半导体结构进行退火，由于微波加热对物质具有选择性加热的特性，使得在对位于柔性衬底上的金属或半导体结构退火时，可选择性地只对非晶硅层或者金属层加热，而柔性衬底不会吸收或基本不吸收微波能量，因此柔性衬底不会在微波退火时被加热到很高的温度，从而保证了柔性衬底不被破坏；此外，微波加热能使被加热物料内外同时加热、同时升温，加热均匀，因此，本发明实施方式能在低温下完成对位于柔性衬底上的金属或半导体结构的退火，并且加热均匀，加热能耗效率高。
另外，柔性衬底以任意弯曲或任意折叠的方式放置在微波加热设备的腔体内。由于进行微波加热时对被加热材料具有选择性，因此当衬底的总面积大于微波腔体内用于放置被加热件的支撑面的面积时，柔性衬底可以以任意弯曲或任意折叠的方式放置在微波加热设备的腔体内进行加热，微波腔体只会选择性地对非晶硅层或金属层进行加热，基本不会对衬底直接进行加热。因此不但避免了加热过程中对柔性衬底造成破坏，而且该柔性衬底的面积可以不受限于微波腔体内放置被加热件的支撑面面积，从而具备了广泛的应用场景。
另外，在所述柔性衬底上制备非晶硅层或者金属层之前，还可以在所述柔性衬底上制备介质层；相应地，在所述柔性衬底上制备非晶硅层或者金属层的步骤中，在所述介质层之上制备所述非晶硅层或者金属层。通过在柔性衬底上制备介质层，可以起到缓冲作用，使制备在介质层之上的非晶硅层或者金属层在进行微波加热时，尽量不将热量传导给位于介质层之下的柔性衬底。
另外，所述介质层的材料可以为二氧化硅。由于介质层选用的材料的热导率越低越好，可以使制备在介质层之上的非晶硅层或者金属层在进行微波加热时，尽量不将热量传导给位于介质层之下的柔性衬底，因此可选用二氧化硅等导热系数（热导率）较低的材料作为介质层材料。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方式的位于柔性衬底上的半导体结构的退火方法的流程图；
图2是德士通科技（DSG technologies）的微波加热设备Axom150/Axom300的结构示意图；
图3是根据本发明第二实施方式的位于柔性衬底上的金属结构的退火方法的流程图；
图4是根据本发明第三实施方式的位于柔性衬底上的金属结构的退火方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种位于柔性衬底上的半导体结构的退火方法，具体流程如图1所示。
步骤S101，提供一柔性衬底。具体地说，该柔性衬底可以由成本较低且上限使用温度较低的材料形成，例如，选用超薄玻璃或者有机聚合物材料作为该柔性衬底，其中有机聚合物材料包括但不限于：聚烯烃、聚酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺（polyimide）和含氟聚合物。衬底的上限使用温度可约等于或低于对非晶硅层进行退火时的温度。
步骤S102，在柔性衬底上制备非晶硅层。
由于柔性衬底的耐高温性能不强，因此在本实施方式中可以采用在低温下能在柔性衬底上制备非晶硅层的方法来制备非晶硅层，比如说，等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法、物理气相沉积（PVD）法或原子层沉积（ALD）法等。
步骤S103，将制备了非晶硅层的柔性衬底放置在微波加热设备的腔体内，对位于柔性衬底上的半导体结构进行加热退火，得到多晶硅层。
采用微波加热的方式对位于柔性衬底上的半导体结构进行退火时，微波的频率介于1.5GHz至20GHz之间，加热时长为1至30分钟。而且，微波加热设备的腔体在加热时含有多模态和多频率的电磁波。
具体地说，将欲进行退火的半导体结构放入微波退火设备的微波腔体内，根据被加热的位于柔性衬底上的半导体结构的特性，控制微波腔体内的气体压力、气氛种类及密度、微波频率、微波模态等，进行微波退火。如图2所示是德士通科技（DSG technologies）的微波加热设备Axom150/Axom300的结构示意图，在需要退火时，将欲进行退火的半导体结构放入微波退火设备的微波腔体内，通过该设备的人机交互界面输入控制参数之后，开启设备即可完成微波退火，操作简单。此外，值得说明的是，该微波加热设备Axom150/Axom300在进行微波加热时，微波电磁波在5.8GHz附近呈高斯分布，可以以30Hz-50Hz的间隔进行多频率加热，同时在腔体里面这些不同频率的微波同时具有多模态（multi-mode）的特征，这样可以保证微波能量在腔体内部分布的均匀性和一致性，进一步导致对衬底加热时的均匀性和一致性。
此外，由于微波对某些材料加热时呈现出如下现象：在开始几秒至几分钟的范围内温度上升很慢，但当温度上升到一定值之后，继续加热的时候，温度会急剧上升，因此，还可以在一定频率下进行微波加热一段时间之后，在接下来的一定时间内不加热，然后再进行微波加热，通过间断加热，使被加热材料不会出现温度急剧上升的现象。
微波是一种电磁波，微波加热是通过物体吸收微波能量的方式对物体进行加热，和其它的加热/热处理方式有明显的不同。通常的加热方式一般是根据热传导、对流和辐射原理使热量从外部传至物料热量，热量总是由表及里传递进行加热物料，物料中不可避免地存在温度梯度，故加热的物料不均匀，致使物料出现局部过热，影响加热技术。微波加热与传统加热方式不同，它是通过被加热体内部偶极分子高频往复运动，产生“内摩擦热”而使被加热物料温度升高，不须任何热传导过程，就能使物料内外部同时加热、同时升温，加热均匀，仅需传统加热方式的能耗的几分之一或几十份之一就可达到加热目的。从理论分析，物质在微波场中所吸收的能量产生的热量大小与物质种类及其、介电特性、极化强度等参数有很大关系，即微波对物质具有选择性加热的特性。因此，在本实施方式中，一方面在进行微波加热时，可选择性地只对非晶硅层加热，而柔性衬底不会吸收或基本不吸收微波能量，因此柔性衬底不会在微波退火时被加热到很高的温度，从而保证了柔性衬底不被破坏；另一方面，微波加热是一种整体加热物质的加热方式，能使受热体系内部均匀地被加热，具有快速、简单、均匀、高效、节能、无污染等特点，因此使本实施方式提供的退火方法具有加热均匀，加热能耗效率高的特点。
本发明的第二实施方式涉及一种位于柔性衬底上的半导体结构的退火方法。第二实施方式在第一实施方式基础上做了进一步改进，其改进之处主要在于：在本发明第二实施方式中，在柔性衬底上制备非晶硅层之前，还可以在柔性衬底上制备介质层；相应地，在柔性衬底上制备非晶硅层的步骤中，在介质层之上制备非晶硅层，如图3所示。
具体地说，首先提供一柔性衬底，即执行步骤S301。此处的柔性衬底与本发明第一实施方式中使用的柔性衬底一样，在此不再赘述。
接着，执行步骤S302和S303，在柔性衬底上依次制备介质层和非晶硅层。具体地说，在步骤S302中，在柔性衬底上制备介质层；此处介质层可以采用原子层沉积ALD法、物理气相沉积PVD法、化学气相沉积CVD法等方法制备。
在步骤S303中，在介质层上制备非晶硅层，此处制备非晶硅层与本发明第一实施方式步骤S102类似，在此不再赘述。
在制备得到非晶硅层之后，将制备了介质层和非晶硅层的柔性衬底放置在微波加热设备的腔体内，对位于柔性衬底上的半导体结构进行加热退火，得到多晶硅层，即执行步骤S304，与本发明第一实施方式的步骤S103一样，在此不再赘述。
通过在柔性衬底上制备介质层，可以起到缓冲作用，使制备在介质层之上的非晶硅层在进行微波加热时，尽量不将热量传导给位于介质层之下的柔性衬底。因此，介质层选用的材料的热导率越低越好，可以使制备在介质层之上的非晶硅层在进行微波加热时，尽量不将热量传导给位于介质层之下的柔性衬底，在实际应用中，可选用二氧化硅等导热系数（热导率）较低的材料作为介质层材料。
本发明第三实施方式涉及一种位于柔性衬底上的金属结构的退火方法，如图4所示，具体步骤如下：
步骤S401，提供一柔性衬底；此处的柔性衬底与本发明第一实施方式中使用的柔性衬底一样，在此不再赘述。
步骤S402，在柔性衬底上制备金属层；
由于柔性衬底的耐高温性能不强，因此在本实施方式中，可以采用物理气相沉积（PVD）法或者将银浆或者金属颗粒混在溶剂里，通过喷墨打印或旋涂的方法等在低温下制备金属层，所使用的金属可以为银Ag、铝Al、金Au、铂Pt等常见金属。
步骤S403，将制备了金属层的柔性衬底放置在微波加热设备的腔体内，对位于柔性衬底上的金属结构进行加热退火。
采用微波加热的方式对位于柔性衬底上的金属结构进行退火时，微波的频率介于1.5GHZ至20GHZ之间，加热时长1至30分钟。而且，微波加热设备的腔体在加热时含有多模态和多频率的电磁波。根据微波加热的特点，本实施方式在进行微波加热时，可选择性地只对金属层加热，而柔性衬底不会吸收或基本不吸收微波能量，因此柔性衬底不会在微波退火时被加热到很高的温度，从而保证了柔性衬底不被破坏，并且，还具有加热均匀、加热能耗效率高的特点。
此外，值得说明的是，微波电磁波因为频率高波长短，高导电材料（比如金属）放置到微波场内时，微波透入金属内部的深度很浅，也就是说，金属材料在微波电磁场中的趋肤深度通常都比较小。比如，在5.8GHz频率下，铜的趋肤深度为0.85μm，铝的趋肤深度为1.08μm，镍的趋肤深度为1.95μm，金的趋肤深度为1.03μm，银的趋肤深度为0.83μm，铂的趋肤深度为2.15μm。当微波电磁场作用于金属材料时，由于金属材料表面不规则或微波场不均匀等原因，及易造成局部的高电场、产生电火花、甚至可能造成金属表面的熔融，使得加热工艺失控，所以采用微波加热方式对柔性衬底上的金属结构进行退火时，需要使用多频率、多模态的微波，防止局部高电场的产生。因此，只要将将位于柔性衬底上的金属结构直接置于多频率、多模态且微波场分布均匀的微波加热设备（比如，德士通科技（DSG technologies）的微波加热设备Axom150/Axom300）的腔体内，即可实现对金属结构的微波加热处理。
本发明第四实施方式涉及一种位于柔性衬底上的金属结构的退火方法。第四实施方式在第三实施方式基础上做了进一步改进，其改进之处主要在于：在本发明第四实施方式中，在柔性衬底上制备金属层之前，还可以在柔性衬底上制备介质层；相应地，在柔性衬底上制备金属层的步骤中，在介质层之上制备金属层。
与本发明第二实施方式类似，通过在柔性衬底上制备介质层，可以起到缓冲作用，使制备在介质层之上的金属层在进行微波加热时，尽量不将热量传导给位于介质层之下的柔性衬底。因此，介质层选用的材料的热导率越低越好，可以使制备在介质层之上的金属层在进行微波加热时，尽量不将热量传导给位于介质层之下的柔性衬底，在实际应用中，可选用二氧化硅等导热系数（热导率）较低的材料作为介质层材料。
本发明第五实施方式涉及一种位于柔性衬底上的半导体结构或金属结构的退火方法。第五实施方式在第一实施方式、第二实施方式、第三实施方式或第四实施方式基础上做了进一步改进，其改进之处主要在于：在本发明第五实施方式中，放置在微波加热设备的腔体内的柔性衬底可以是任意弯曲或者任意折叠的。也就是说，当衬底的总面积大于微波腔体内用于放置被加热件的支撑面的面积时，由于衬底为柔性衬底，可以弯曲，所以可以将被加热的柔性衬底及其上的半导体结构或金属结构以任意弯曲或任意折叠的方式放置在微波加热设备的腔体内进行加热。此外，由于微波加热对被加热材料具有选择性，所以即使弯曲或折叠在一起，微波腔体也只会选择性地对非晶硅层或金属层进行加热，不会对衬底进行加热。因此不但避免了加热过程中对柔性衬底造成破坏，而且该柔性衬底的面积可以不受限于微波腔体内放置被加热件的支撑面面积，从而具备了广泛的应用场景。
上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (18)
1.一种位于柔性衬底上的半导体结构的退火方法，其特征在于，包含以下步骤：
提供一柔性衬底；
在所述柔性衬底上制备非晶硅层；
将所述制备了非晶硅层的柔性衬底放置在微波加热设备的腔体内，对所述位于柔性衬底上的半导体结构进行加热退火；所述微波加热设备的腔体在加热时含有多模态和多频率的电磁波。
2.根据权利要求1所述的位于柔性衬底上的半导体结构的退火方法，其特征在于，柔性衬底以任意弯曲或任意折叠的方式放置在所述微波加热设备的腔体内。
3.根据权利要求1所述的位于柔性衬底上的半导体结构的退火方法，其特征在于，在所述柔性衬底上制备非晶硅层的步骤中，采用等离子体增强化学气相沉积PECVD法、物理气相沉积PVD法或原子层沉积ALD法制备所述非晶硅层。
4.根据权利要求1所述的位于柔性衬底上的半导体结构的退火方法，其特征在于，在所述柔性衬底上制备非晶硅层之前，还包含以下步骤：
在所述柔性衬底上制备介质层；
在所述柔性衬底上制备非晶硅层的步骤中，在所述介质层之上制备所述非晶硅层。
5.根据权利要求4所述的位于柔性衬底上的半导体结构的退火方法，其特征在于，所述在所述柔性衬底上制备介质层的步骤中，采用原子层沉积ALD法、物理气相沉积PVD法或化学气相沉积CVD法制备所述介质层。
6.根据权利要求4所述的位于柔性衬底上的半导体结构的退火方法，其特征在于，
所述介质层的材料为二氧化硅。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的位于柔性衬底上的半导体结构的退火方法，其特征在于，
所述微波的频率在1.5GHz至20GHz之间。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的位于柔性衬底上的半导体结构的退火方法，其特征在于，
在所述将所述制备了非晶硅层的柔性衬底放置在微波加热设备的腔体内，对所述位于柔性衬底上的半导体结构进行加热退火的步骤中，加热时长为1至30分钟。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的位于柔性衬底上的半导体结构的退火方法，其特征在于，所述柔性衬底的材料为超薄玻璃或者有机聚合物材料。
10.一种位于柔性衬底上的金属结构的退火方法，其特征在于，包含以下步骤：
提供一柔性衬底；
在所述柔性衬底上制备金属层；
将所述制备了金属层的柔性衬底放置在微波加热设备的腔体内，对所述位于柔性衬底上的金属结构进行加热退火；所述微波加热设备的腔体在加热时含有多模态和多频率的电磁波。
11.根据权利要求10所述的位于柔性衬底上的金属结构的退火方法，其特征在于，柔性衬底以任意弯曲或任意折叠的方式放置在所述微波加热设备的腔体内。
12.根据权利要求10所述的位于柔性衬底上的金属结构的退火方法，其特征在于，在所述柔性衬底上制备金属层的步骤中，采用物理气相沉积PVD法制备所述金属层；
或者，将银浆或者金属颗粒混在溶剂里，通过喷墨打印或旋涂的方法制备所述金属层。
13.根据权利要求10所述的位于柔性衬底上的金属结构的退火方法，其特征在于，在所述柔性衬底上制备金属层之前，还包含以下步骤：
在所述柔性衬底上制备介质层；
在所述柔性衬底上制备金属层的步骤中，在所述介质层之上制备所述金属层。
14.根据权利要求13所述的位于柔性衬底上的金属结构的退火方法，其特征在于，所述在所述柔性衬底上制备介质层的步骤中，采用原子层沉积ALD法、物理气相沉积PVD法或化学气相沉积CVD法制备所述介质层。
15.根据权利要求13所述的位于柔性衬底上的金属结构的退火方法，其特征在于，
所述介质层的材料为二氧化硅。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的位于柔性衬底上的金属结构的退火方法，其特征在于，
所述微波的频率在1.5GHz至20GHz之间。
17.根据权利要求10至15中任一项所述的位于柔性衬底上的金属结构的退火方法，其特征在于，
在所述将所述制备了金属层的柔性衬底放置在微波加热设备的腔体内，对所述位于柔性衬底上的半导体结构进行退火的步骤中，加热时长为1至30分钟。
18.根据权利要求10至15中任一项所述的位于柔性衬底上的金属结构的退火方法，其特征在于，所述柔性衬底的材料为超薄玻璃或者有机聚合物材料。
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