JP4537131B2 - レーザー結晶シリコンの検査方法及びその装置 - Google Patents

Description

この発明は、レーザー結晶シリコンの検査方法及びその装置に関し、特に低温処理ポリシリコン（ＬＴＰＳ）工程におけるレーザー結晶シリコンの形成を同時に監視するための検査レーザー結晶シリコンの検査方法と、その方法を実施する検査装置に関する。

薄膜トランジスタの製造技術の発展によって、小型、軽量、省電力および無放射の長所により、液晶表示装置（ＬＣＤ）が、電卓、携帯（情報）端末（PDAｓ）、時計、ノート型パソコン、デジタルカメラおよび携帯電話機などの各種電子製品に幅広く応用されるようになってきた。これに加え、業界では技術の研究開発に積極的な投資を行い、また大型化された生産設備を採用するようになり、生産コストの低下が、薄膜トランジスタ液晶表示装置（ＴＦＴ−ＬＣＤ）を更にポピュラーな機器にさせている。

低温処理ポリシリコン（LTPS）薄膜トランジスタ液晶表示装置が、解像度、輝度、サイズ及び電磁波に対する抗干渉特性などの点において優れているので、液晶表示装置の製造業社は、このような技術分野に次第に集中するようになってきた。薄膜の品質と量産に対するニーズを考慮すると、エキシマ・レーザー・アニ−ル（ＥＬＡ）技術は低温処理ポリシリコン製造に採用される。エキシマ・レーザーは、熱源とレーザー光として使用される。発射システムは、基板上の非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）構造上に照射される均一なエネルギー分布を持ったレーザービームを生じさせる。基板上の非晶質シリコン構造がエキシマ・レーザーのエネルギーを吸収すると、該非晶質シリコン構造はポリシリコン構造に変化する。全体のアニール工程は６００℃以下で行われ、典型的なガラス基板もしくはプラスチック基板が使用される。

上述するように、ＬＴＰＳの応用において、基板上に堆積するシリコン構造は、レーザービームを照射しスキャンニングして、レーザー結晶シリコンを形成する。レーザー結晶シリコンの品質は、その後に形成されるそれぞれの特性に直接影響を与える。しかしながら、基板上の結晶シリコンの品質を検査する目下の方法は、理想的ではない。１つは、粒子の大きさ、形状および分布を検査するためのスキャンニング式電子顕微鏡（ＳＥＭ）を利用した方法が挙げられる。このＳＥＭ方式は、サンプル分析と化学的前処理の必要のために、基板を切断しなければならないので、基板を破壊するという事実に基づいて、生産ラインで直接採用できず、サンプリング検査のためにのみにしか使用できない。もう１つは、結晶化シリコンの表面の突起の配置を検査するための、遠紫外線顕微鏡による方法が挙げられる。しかしながら、遠赤外線顕微鏡方法は、基板上の数ミクロンの結晶を検査するのに使用されるに過ぎない。なぜなら、そのサンプルを一万倍以上に拡大しなければならず、全基板を検査するのに数日を要し、そして、遠赤外線顕微鏡方法の機器が複雑で、壊れやすく、高価であるからである。

従って、低温処理ポリシリコン（LTPS）工程での現在のレーザー結晶シリコンの検査方法における改良は、レーザー結晶シリコンの満足できる検査結果を提供するために、緊急の要請である。

そこで本発明は、低温処理ポリシリコン（ＬＴＰＳ）工程に適応されるレーザー結晶シリコンの検査方法を提供することを目的とする。エキシマ・レーザー・アニール（ＥＬＡ）技術のラインスキャンングにより絶縁基板上に形成された結晶シリコンの表面の突起の配置によって引き起こされる類似のビーム割れ格子の現象によって、結晶シリコンの表面の結晶の品質を検査する簡単で迅速な方法が提供される。

本発明は、低温処理ポリシリコン（ＬＴＰＳ）工程におけるレーザー結晶シリコンの形成を同時に監視するための検査方法を提供することをもう１つの目的とする。結晶シリコンの表面を照射する可視光源および光源の反射光を捕捉するカメラは、結晶シリコンの表面の結晶化を監視するために、また、異常結晶化が発見されれば何時でもエキシマ・レーザー・アンール（ＥＬＡ）装置のレーザーエネルギーを修正および調整するために、ラインスキャニングのエキシマ・レーザー・アンール（ＥＬＡ）装置と組み合わせて使用される。

この発明は、上述する検査方法を実施する検査装置を提供することを、又もう１つの目的とする。

本発明の第１の特徴によれば、低温処理ポリシリコン（ＬＴＰＳ）工程において適用されるレーザー結晶シリコンの検査方法は、絶縁基板上の結晶化された表面を照射する白色光や緑色光のような可視光源を使用する工程と、エキシマ・レーザー・アンール（ＥＬＡ）技術のラインスキャニングによって形成された結晶シリコンの表面の突起の配置によって反射する光の変化により結晶化の品質を検査すること、から成る。例えば、反射光の変化が大きくて明確である場合、ストライプ状の模様が結晶シリコンの表面上に分布し、これは結晶の品質の悪さを意味する。

本発明の第２の特徴によれば、低温処理ポリシリコン（ＬＴＰＳ）工程のレーザー結晶シリコンの形成を同時に監視するための検査方法が開示される。この方法は、基板上の非晶質シリコンを結晶シリコンに変化させるために、ラインスキャニングにおけるエキシマ・レーザー・アンール（ＥＬＡ）技術を実施する工程、可視光源を該結晶シリコン表面に同時して照射すること、該結晶シリコンの表面の突起の配置により反射する光の変化によって結晶シリコンの結晶の品質を検査すること、および上記ＥＬＡ技術で使用するレーザービームのレーザーエネルギーが非晶質シリコンの結晶条件と調和しないかどうか、あるいはそのレーザーエネルギーが不安定化どうかを監視すること、を含む。例えば、反射光の変化が大きくてはっきりしている場合には、ストライプ状模様は結晶シリコンの表面上に分布し、これは結晶化の品質が悪く、レーザーエネルギーが不適当か不安定であることを意味する。

本発明のレーザー結晶シリコンの検査方法及びその装置は、簡易な操作で、且つ短時間で結晶シリコン表面の結晶の品質の優劣を検査できるとともに、結晶シリコン表面の結晶の状況を検査し、検査結果に異常が見られた場合、リアルタイムでレーザーエネルギーを修正することができるため、多額の設備投資を行うことなく、且つレーザー結晶シリコンの検査を容易に行うことができ、製造コストを節減し、製品の歩留まりを高めるという利点がある。

この発明は、新規なレーザー結晶シリコンの検査方法を提供するものである。結晶化すべきラインスキャン方式でエキシマ・レーザー・アニ−ル（ＥＬＡ）を通じて、レーザービームにより、例えばガラス基板のような、絶縁基板上の非晶質シリコンに照射する工程において、例えば白色光線などの可視光線が、結晶シリコンの表面を照射するのに使用され、その結晶の品質が、結晶シリコンの表面の突起の配置によって反射する光の変化によって検査される。例えば、反射光の強さが大きくてはっきりしている場合、ストライプ状模様が結晶シリコンの表面上に分布し、このことは結晶の質の悪さを意味する。さらに、ＥＬＡ技術に使用されるレーザービームのレーザーエネルギーが非晶質シリコンの結晶状態に一致するか、あるいはそのレーザーエネルギーが不安定であるかどうかが、監視できる。

図１Ａから図１Ｃ及び図２Ａから図２Ｃは、それぞれ結晶シリコンのサンプルの原子間力顕微鏡およびこれに対応する電子顕微鏡写真であり、これらの図において、電子顕微鏡のサンプルは、結晶の質を検査しやすいように、化学処理されて結晶シリコンの粒界を露出させる。

図１Ａおよび図２Ａは、不十分なレーザーエネルギーの結晶状態を示す。図１Ａにおける結晶シリコンの表面の突起が乱れた配置であり、図２Ａにおける結晶シリコンの粒界が不規則であることが分かる。レーザーエネルギーが非晶質シリコンフィルムの厚さのような非晶質シリコンの結晶状態と最適に関連して増加すると、薄膜の表面に形成される酸化シリコンの厚さ、レーザーによって結晶を生成する場合の雰囲気などの結晶の条件を最も好ましい条件に調整した場合、結晶の状況は、図１Ｂおよび図２Ｂに示すように、均一で規則的な配置を形成することができる。しかしながら、レーザーエネルギーが超過した場合、図１Ｃおよび図２Ｃに示すように、結晶の規則性が失われる。

長期の研究と観察によって、レーザーエネルギーが結晶化条件と最適に関連すると、結晶シリコンの表面に形成される突起が均一で規則的な構造であることが分かった。その配置方向はレーザースキャンニングの方向に対して垂直になり、突起の２つのラインの空間は約２５００−３３００ｎｍであり、薄膜の平面に対する突起の平均角分布は７０−８０度であった。結晶シリコンの表面に形成される突起の均一で規則的な配置により、結晶シリコンの表面は、ビーム・スプリッティング・ゲレーチング（beam splitting-gratings）に似た機能を有する。白色光源が、基板面に約１０−８５度、好ましくは１５−３０度で結晶シリコンの表面に照射するために使用される場合、結晶シリコンの表面に規則的に配置された突起によって反射される光路差が公式により５３９４−５６８４ｎｍと計算される。これは正に緑色光の波長である。それは、突起の均一で規則的な配置は、明るい緑色光の干渉による最大の強め合いとなり得る、ということである。従って、白色光の照射角の範囲以内で観察した場合、最適結晶化における結晶シリコンの表面は緑色に見える。

図３は、緑色光線の反射強度とレーザーエネルギー量との関係を示す。図３のＦ領域に見られるように、レーザーエネルギーが適当な場合、ＥＬＡレーザー光自身の不連続な出力に起因して或る変化が起こるけれども、反射する緑色光（△Ｙ／△Ｘの値）の強度変化は小さい。しかしながら、レーザーエネルギーが不適当である場合、図３の不十分なレーザーエネルギーのＥ領域と過剰なレーザーエネルギーのＧ領域に示されるように、Ｆ領域の同じレーザーエネルギーに対する反射緑色光線の強度変化は大きい。このような状況下において、基板上の異なる位置における結晶シリコン表面の反射緑色光線の強度変化は、ストライプ状模様が結晶シリコンの表面で完全に分布することは、明かである。言いかえれば、結晶シリコンの表面が、基板平面に対して約１０−８５度の角度で、白色光源によって照射された場合、もし白色光源の照射角範囲内で観察すると、結晶シリコンの表面にストライプ状の模様が見えると、レーザーエネルギーは不適当であると結論できる。さらに、ストライプ状の模様が出現するか否かを監視する最適の平面方向は、レーザーのスキャンニングの方向に垂直あるいは平行である。

現在の画像技術の進歩により、数十ｍｍ解像度を持つＣＣＤレンズなどのカメラは、肉眼の代替として使用され、反射光の画像を捕捉する。図４は、白色光により照射された後のレーザーエネルギーの異なる量により形成されたガラス基板上の結晶シリコン領域の写真を示す。この写真はカメラにより撮影された。この写真において、レーザーエネルギーは、Ｅ領域で不十分であり、領域Ｆ_１、Ｆ_２、Ｆ_３において適切であり、Ｇ領域において超過する。図４に示すように、ストライプ状模様は、不十分なレーザーエネルギーのＥ領域および過剰なレーザーエネルギーのＧ領域において、結晶シリコンの表面に一面分布する。

従って、レーザー結晶シリコンの簡易で迅速な検査方法が、上述の研究および発見により考え出された。図５に示すように、可視光源３が、プラットフォーム１上の基板面に対して１０−８５度の角度で配置され、基板２の結晶シリコンの表面を照射するのに使用される。カメラ４は、光源３の照射角の範囲内で、基板全体の結晶シリコンの表面の反射画像を撮影するのに使用される。そして、撮影された画像は、処理および分析のためにコンピューターに入力される。例えば、選択された領域の光の強度の均一性、コントラスト、もしくはグレースケールを分析することによって、選択された領域の結晶化状態は工程監視を促進するために得られる。

本発明のレーザー結晶シリコンの検査方法を実施するために必要な機器は、単なる可視光源とカメラであり、エキシマ・レーザー・アンニール（ＥＬＡ）装置に組み合わせて、異常な結晶化が観察される時にはいつでも、直ちにＥＬＡ装置のレーザーエネルギーを変更および調整できるように、低温処理ポリシリコン（ＬＴＰＳ）におけるレーザー結晶シリコンの形成を同時に検査するための、検査装置を設計することができる。本発明におけるレーザー結晶シリコンの検査方法のために、約１ｍ^２の基板上の結晶シリコンの表面の反射画像を捕捉し、それをコンピューターソフトウエアで分析するのに、たった５−１０秒を必要とするだけである。さらに、本発明のレーザー結晶シリコンの検査方法は、レーザーエネルギーが非晶質シリコンの結晶化状態に不適当であることを検査することができるだけでなく、不安定なレーザーエネルギー、すなわちレーザーエネルギーが正確にセットされるが不安定に出力される状態に起因する不均一な結晶化を検査することもできる。

従って、従来のＳＥＭ方法および遠赤外線方法に比べて、本発明の方法は、さらに迅速で使い易く、経済的であり、工程の監視に適している。

以上はこの発明の好ましい実施例であって、この発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る修正、もしくは変更であって、この発明の精神の下においてなされ、この発明に対して均等の効果を有するものは、いずれも本発明の特許請求の範囲に属するものとする。

ガラス基板上に形成されたレーザー結晶シリコンサンプルの原子間力顕微鏡写真である。 ガラス基板上に形成されたレーザー結晶シリコンサンプルの原子間力顕微鏡写真である。 ガラス基板上に形成されたレーザー結晶シリコンサンプルの原子間力顕微鏡写真である。 ガラス基板上に形成されたレーザー結晶シリコンサンプルの他の原子間力顕微鏡写真である。 ガラス基板上に形成されたレーザー結晶シリコンサンプルの他の原子間力顕微鏡写真である。 ガラス基板上に形成されたレーザー結晶シリコンサンプルの他の原子間力顕微鏡写真である。 ガラス基板上に形成されたレーザー結晶シリコンサンプルのその他原子間力顕微鏡写真である。 ガラス基板上に形成されたレーザー結晶シリコンサンプルの電子顕微鏡写真である。 ガラス基板上に形成されたレーザー結晶シリコンサンプルの他の電子顕微鏡写真である。

符号の説明

１ プラットホーム
１０ 模様
２ 基板
３ 光源
４ カメラ

Claims (11)

1. 低温処理ポリシリコン（ＬＴＰＳ）工程において、エキシマー・レーザー・アニール（ＥＬＡ）のラインスキャニングによって非晶質シリコンから変化する結晶シリコンを検査する方法であって、
   該結晶シリコンの表面に対して１０°〜８５°の照射角で結晶シリコン表面に白色光を照射し、且つ、前記照射角の範囲内で前記結晶シリコン表面からの反射画像を撮り、該結晶シリコンの表面の突起の配置により反射する光の変化によって結晶シリコンの結晶の品質を検査し、前記結晶シリコンの表面にストライプ状模様が分布したら、結晶化の品質が悪いと示す、
   ことを特徴とするレーザー結晶シリコンの検査方法。
2. 前記照射角が１５°〜３０°の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のレーザー結晶シリコンの検査方法。
3. 低温処理ポリシリコン（ＬＴＰＳ）工程におけるレーザー結晶シリコンの形成を同時に監視するレーザー結晶シリコンの検査方法であって、
   ラインスキャニング方式でエキシマー・レーザー・アニール（ＥＬＡ）を行って、基板上の非晶質シリコンを結晶シリコンに変化させ、白色光を該結晶シリコン表面に対して１０°〜８５°の照射角で同時に照射し、且つ、前記照射角の範囲内で前記結晶シリコン表面からの反射画像を撮り、該結晶シリコンの表面の突起の配置により反射する光の変化によって結晶シリコンの結晶の品質を検査し、前記ＥＬＡで使用するレーザービームのレーザーエネルギーが非晶質シリコンの結晶条件と調和するかどうかを監視し、前記結晶シリコンの表面にストライプ状模様が分布したら、結晶化の品質が悪いと示すと共に、前記ＥＬＡで使用するレーザービームのレーザーエネルギーが非晶質シリコンの結晶条件に合わないと示す、
   ことを特徴とするレーザー結晶シリコンの検査方法。
4. 前記照射角が１５°〜３０°の範囲内にあることを特徴とする請求項３に記載のレーザー結晶シリコンの検査方法。
5. 前記結晶シリコン表面からの反射画像は、基板全体の前記結晶シリコンの表面の反射画
   像であることを特徴とする請求項３に記載のレーザー結晶シリコンの検査方法。
6. 低温処理ポリシリコン（ＬＴＰＳ）工程におけるレーザー結晶シリコンの形成を同時に監視するレーザー結晶シリコンの検査方法であって、
   ラインスキャニング方式でエキシマー・レーザー・アニール（ＥＬＡ）を行って、基板上の非晶質シリコンを結晶シリコンに変化させ、白色光を該結晶シリコン表面に対して１０°〜８５°の照射角で同時に照射し、且つ、前記照射角の範囲内で前記結晶シリコン表面からの反射画像を撮り、該結晶シリコンの表面の突起の配置により反射する光の変化によって結晶シリコンの結晶の品質を検査し、前記ＥＬＡで使用するレーザービームのレーザーエネルギーが非晶質シリコンの結晶条件と調和するかどうかを監視し、前記結晶シリコンの表面にストライプ状模様が分布したら、結晶化の品質が悪いと示すと共に、前記レーザービームのレーザーエネルギーが不安定であると示す、
   ことを特徴とするレーザー結晶シリコンの検査方法。
7. 低温処理ポリシリコン（ＬＴＰＳ）工程において形成したレーザー結晶シリコンを検査する装置であって、
   基板上の非晶質シリコンをラインスキャニング方式のレーザー光によって結晶シリコンに変化させるエキシマー・レーザー・アニール（ＥＬＡ）機械と、
   前記基板上の結晶シリコンの表面に対して１０°〜８５°の照射角で照射する白色光源と、
   前記照射角の範囲内で前記結晶シリコンの表面からの反射画像を撮るカメラと、
   を備えたことを特徴とするレーザー結晶シリコンの検査装置。
8. さらに、前記結晶シリコンの表面における選択された領域の結晶状態を監視し、工程を調整するために、前記カメラで捕捉した画像を入力して分析するコンピューターを含むことを特徴とする請求項７に記載のレーザー結晶シリコン検査装置。
9. 前記コンピューターが前記選択した領域の結晶状態を監視し、該レーザー光のレーザーエネルギーを調整するために、該選択した領域における光線の強度の均一性、コントラスト、およびグレイスケールを分析することを特徴とする請求項８に記載のレーザー結晶シリコンの検査装置。
10. 前記カメラの向きが、該レーザー光のラインスキャニングの方向と垂直であることを特徴とする請求項７〜９に記載のレーザー結晶シリコンの検査装置。
11. 前記カメラの向きが、該レーザー光のラインスキャニングの方向と平行であることを特徴とする請求項７〜９に記載のレーザー結晶シリコンの検査装置。