ZnO薄膜晶体管真空退火设备的研究

靳丽岩，王宏杰，张 浩，赵雪峰

(1.中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原，030024；2.上海大学机电工程与自动化学院，上海200072)

在当前迅速发展的显示技术中，薄膜晶体管液晶显示器以其大容量、高清晰度和高品质全真彩色受到人们的广泛青睐。薄膜晶体管液晶显示器的显示质量和整体性能在很大程度上取决于薄膜晶体管(TFT)性能。透明的薄膜晶体管作为当前最具有商业价值的透明电子器件，即将成为有源矩阵液晶显示(AMLCD)和有机发光显示(OLED)的关键技术。ZnO因其透明性、较高的场效应迁移率，制备成本较低、工艺过程绿色环保等特性比多晶、非晶TFT有更大的优越性。

ZnO-TFT的稳定性是制约显示性能的主要因素，主要表现为：（1）在栅偏压老化过程中，阈值电压的移动；（2）温度变化引起的不稳定性。这种不稳定性在电流驱动的OLED现实中更显重要，因为它会影响像索的亮度不稳定。为了克服这种不稳定性，主要的方法是减少界面缺陷态密度，许多研究小组对不稳定性的机理、原因以及解决方法展开了探索研究。2009年Ahn等人将氧化物TFT放入氮气环境中350℃退火，结果器件的稳定性整体改善，退火后器件的阈值电压漂移由原来的5.3 V变为2.1 V，张新安等人研究了退火温度对硅衬底上制备ZnO-TFT器件电学性能的影响。

为了通过退火工艺提高ZnO-TFT的稳定性，使得ZnO-TFT驱动的显示屏能够更广泛地推向市场，特需研发适用于ZnO薄膜晶体管的退火设备。真空加热具有排除有害气体、吸附气体的保护、除气作用及净化作用，具有提高表面光亮度和力学性能的作用。为了进一步满足研究能改善ZnO薄膜晶体管性能的工艺，我所特研究开发真空ZnO薄膜晶体管真空退火设备。

1 设备结构

真空退火设备为卧式双室结构，主要由腔体部分、加热系统、传动机构、真空系统、充气系统、水冷系统等几部分组成，如图1所示。

1.1 腔体

腔体部分包括冷却室、加热室和两室隔断3部分：冷却室为侧开门的不锈钢圆筒腔体，为器件的放入和取出部分，该室进行抽真空和充气工序。冷却室装有真空接口、充气接口、观察窗、放气阀、工件偶、传动机构引入等接口。冷却室各接口安装有O型密封圈，保证抽真空和充气的密封要求。

加热室采用优质石英管，石英管两端采用法兰压紧O型密封圈密封，压紧法兰采用水套结构，通过冷却水的循环保证密封圈的密封性能。石英管外圆周安装加热系统，石英管内部两侧各安装一组隔热反射屏，使热量集中在加热区域范围。

图1 真空退火设备结构示意图

两室隔断置于冷却室和加热室之间，为不锈钢插板阀机构，通过压缩空气驱动气缸，实现两室之间的贯通和隔断。

1.2 加热系统

加热系统置于加热室石英管外侧，为外加热式结构。加热系统包括加热元件、隔热层、散热组件几部分。加热元件采用0Cr27Al7Mo2高温型铁铬铝加热丝，隔热层采用多晶莫来石复合材料，散热组件为隔热层外的圆筒结构，圆筒外壁缠绕两组冷却水管，通过冷却水降低设备外壁温度。加热系统采用三段独立加热，三段独立控温的加热方式，以满足温度均匀性的要求，如图2所示。

1.3 传动机构

传动机构是实现器件在冷却室和加热室之间自动传动的机构，由驱动装置、传动拉杆、石英盘、导向机构等组成。驱动装置采用气缸驱动，置于冷却室外侧；传动拉杆和石盘舟固定同步运动；导向机构用于导向石英盘在加热室、冷却室及隔断间顺利传动，保证石英盘稳定可靠，防止发生偏转或颠簸。传动机构由磁性开关控制，具有冷却室到位和加热室到位两个位置限定，确保传动准确，见图3所示。

图2 加热丝及保温层

图3 传动机构示意图

1.4 真空系统

真空系统由真空机组和真空测量装置组成。真空机组主泵为F-150分子泵，前级泵为DIS-501涡旋型干式真空泵，满足真空的抽速和真空度要求。真空管路采用无缝钢管并配有控制阀门和真空检测装置。

真空测量装置选用测量精度高、稳定性好的复合真空计，成都正华ZDF系列真空计，测量范围（1.0×105～1.0×10-5）Pa。ZJ-52T 低真空规管和ZJ-27高真空规管安装在同一测量点作为复合测量，见图4。

1.5 充气系统

设备充气系统具有快充和微充系统，所用介质为氮气、氩气、氧气。

图4 真空系统示意图

快充系统由管路和气动阀来完成对设备的快速充气。

微充系统由自动压强控制仪、质量流量计、电磁阀、微调阀及管路等组成，实现在额定流量气体通入时，通过自动压强控制仪调节抽气速率来调节与控制腔体内的真空度。

1.6 水冷系统

水冷系统主要对以下各部分进行水冷循环，即有：水冷密封圈法兰、加热系统外壁、真空泵等。冷却水由总进水管流经各个分配管到达各冷却部位，经循环返回总回水管。在总进水管上装有电接点水压、水温表及流量开关，用于检测冷却水情况，具有异常报警功能。

1.7 电气控制系统

电控系统由控制柜、温控仪、工控机、模拟操作面板可编程控制器及各种传感器组成，控制面板兼有手/自动操作模式，可实现手/自动转换的无扰切换。

电气控制柜的主要配置：

（1）低压电气元件。断路器、接触器、中间继电器、报警器和指示灯等主要元件选用国内外优质产品，性能可靠，使用寿命长。

（2）温控仪表。温度控制仪表采用欧陆2604系列三回路温控仪，采用PID调节的闭环控制方式，通过电力调压器自动调节输出功率。实现三区温度同步控制，仪表精度等级均为0.1级，控温精度±1℃，带有自整定功能，自动选择最合理的控制参数（自适应功能），保证炉温均匀性。仪表预留通讯接口，通过MODBUS通讯协议，与上位机进行通讯，系统可以采用手动/自动运行。加热工艺曲线的编辑、修改、存储可在上位机上进行。

（3）可编程控制器。采用OMRON公司CP1H系列可编程控制器（带AD、DA转换模块）做为系统控制核心，工艺过程有PLC全自动控制，可实现自动和单步手动控制，完成工艺过程。控制程序设有手动和自动两种操作模式，可在设备运行中随时进行切换，且不中断设备运行状态。预留通讯接口，可以实现计算机集中监控。

（4）计算机控制系统。工艺全过程可由计算机控制和操作。工业控制计算机采用ntouch TPC1262H嵌入式工控一体机，操作为触摸式操作。可实现设备的集中管理和分级管理。操作等级分为三级：操作员、工艺员、负责人。控制系统配备工业控制组态软件。上位机操作简单，与可编程控制器进行串口链接，可对设备机械动作进行操作和实时监控。所有仪表均与工控机通过串口连接，可实时显示设备及各仪表的状态，在工控机的操作界面上，可对退火工艺进行编辑、存储、修改、调用、删除、显示、查询，并具有运行、控制功能，同时可适时采集、存储设备的运行数据和报警数据，在任意时间查询、显示、下载、打印等功能，实现设备各参数的无纸记录。见图5。

图5 控制窗口及温控窗口

（5）热电偶。控温热电偶采用软质铠装N型热电偶；工件检测热电偶采用两支易插拔N型热电偶，用于检测石英工装温度。

（6）记录仪。采用浙大中控AR4506记录仪，能够同时记录真空度数值、三支控温偶的温度和两支工件偶的温度，并能查看系统运行过程各个时间段的历史数据。

2 设备达到的指标

ZnO薄膜晶体管真空退火设备经测试，达到了以下性能指标，满足了真空退火工艺的要求:

恒温区：准250 mm×250 mm；

最高温度：1100℃；

控温精度：1.0℃；

温度均匀性：±1℃；

升温时间：从室温升至1 100℃≤50 min（空炉条件下）；

极限真空：4×10-4Pa(空炉、洁净、室温、充分脱气)。

3 试验结果

设备在上海大学新型显示技术与应用集成教育部重点实验室得到实际应用。在玻璃衬底上，室温条件下制备了基于SiO2绝缘层的ZnO-TFT，在该真空退火设备中对ZnO有源层进行300℃退火处理，比较退火前后的ZnO-TFT性能，对退火前后器件的栅压稳定性进行表征。

未退火器件的饱和迁移率为2.3 cm2/V·s，阈值电压为20.8 V，而将ZnO有源层进行300℃退火30 min后，器件的性能有明显的提升，饱和迁移率变为3.12 cm2/V·s，同时，阈值电压有所减小为9.9 V。未退火器件和退火后器件的开关比都在1×106量级。见图6及表1（VGS表示栅源电压，IDS表示源漏电流）。

图6 器件的转折曲线

器件的亚阈值摆幅（S）可以表达为：

式中：S为转移曲线的最大斜率。

表1 两种器件的电学性能（其中开态电流指的是VGS=25 V时对应的源漏电流）

在25 V直流电压下施压3 600 s，未退火器件的阈值电压变化达到8 V，而退火后，器件的阈值电压变化仅有3.4 V，退火后器件的偏压稳定性大大提升。即退火处理能减小ZnO有源层在沉积过程中造成的缺陷，同时也能减小绝缘层和有源层之间的界面态，从而提升器件的电学性能及其稳定性。

图7 两种器件的阈值电压偏移量随老化时间的变化曲线

4 结 论

ZnO薄膜晶体管真空退火炉的研发达到了ZnO薄膜晶体管退火工艺的要求，提高了器件的电学性能及稳定性，促进了ZnO-TFT的研究取得进展，减弱了显示器像索亮度不稳定的缺点，为透明薄膜晶体显示器的发展提供了必要的工艺设备。

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