多晶矽薄膜的晶粒尺寸的控制及其檢測方法

2023-07-14 05:12:41 2

專利名稱：多晶矽薄膜的晶粒尺寸的控制及其檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體薄膜的檢測方法，特別涉及一種利用橢圓儀(ellipsometer)來檢測多晶矽薄膜晶粒尺寸是否合乎規格的方法，藉以控制結晶用的雷射能量密度而改善元件特性及優良率。
背景技術：
目前的薄膜電晶體液晶顯示器(thin film transistor-liquid crystal display，TFT-LCD)技術分為兩種，一為傳統的非晶矽薄膜電晶體，另一為多晶矽薄膜電晶體。由於多晶矽薄膜電晶體的電子移動速度為非晶矽薄膜電晶體的10倍到100倍之間。因此，TFT-LCD業界已開始著手進行研究及發展，以多晶矽薄膜電晶體作為像素(pixel)開關元件及LCD周邊的驅動電路。
上述多晶矽薄膜電晶體的製作通常採用低溫多晶矽(low temperaturepolysilicon，LTPS)工藝。所謂的LTPS工藝利用準分子雷射退火處理(excimerlaser annealing，ELA)使原先的非晶矽薄膜轉變成多晶矽結構。由於工藝溫度在600℃以下，所以適用於透明的玻璃襯底。多晶矽薄膜電晶體的電子移動速度與多晶矽薄膜的晶粒尺寸有關。亦即，多晶矽薄膜電晶體的電子移動速度隨著多晶矽薄膜的晶粒尺寸增加而增加。再者，多晶矽薄膜的晶粒尺寸與施加於非晶矽薄膜的雷射能量密度有關。因此，有必要對多晶矽薄膜進行檢測以決定出使用的雷射能量密度，進而控制多晶矽薄膜的晶粒尺寸。
為了檢測多晶矽薄膜晶粒尺寸，傳統上利用500到1000倍以上的光學顯微鏡來觀察薄膜表面粗糙度(roughness)以作為多晶矽薄膜的晶粒尺寸指標，由於此種方式十分依賴人類肉眼，因此無法獲得精確的測量結果且不適用於大尺寸襯底。另外，另一傳統檢測方式為採用掃描電子顯微鏡(scanning electron beam microscope，SEM)來檢測多晶矽薄膜的晶粒尺寸。然而，上述方法為破壞性(destructive)檢測，且須耗費許多時間來製作樣本及觀測，而嚴重地影響產能。為了縮短測量時間，也有人建議使用原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)。儘管AFM可測量及觀察晶粒尺寸，然而分析一個點也要花費30分鐘而不適用於多點分析。
現今，亦有人使用橢圓儀來作檢測，其在光譜測量完畢後，利用有效質量近似法(effective medium approximation，EMA)或色散定律(dispersionlaw)來作光譜回歸。然而，上述方法無法精確地獲得最佳的雷射能量密度及結晶率(crystalline ratio)，特別是當多晶矽薄膜處於超級橫向成長(superlateral growth，SLG)時。

發明內容
因此，本發明的目的在於提供一種多晶矽薄膜的檢測方法，其藉由橢圓儀測量多晶矽薄膜的光譜變化，經由量化而獲得一判斷指標以精確地、快速地檢測多晶矽薄膜的晶粒尺寸，並取代傳統離線(off-line)的破壞性檢測而有效提高產能。
本發明的另一目的在於提供一種多晶矽薄膜的晶粒尺寸的控制方法，其藉由不同雷射能量密度所獲得的判斷指標來決定出雷射退火處理的最優化雷射能量密度，以控制多晶矽薄膜的晶粒尺寸。
根據上述的目的，本發明提供一種多晶矽薄膜的檢測方法。首先，提供一襯底，其上覆蓋有一非晶矽層。然後，以具有一既定能量密度的一雷射對非晶矽層實施退火處理，以將非晶矽層轉變成一多晶矽層。最後，藉由一全光譜橢圓儀測量多晶矽層在一既定光子能量範圍的光譜變化，經由量化而獲得一判斷指標，以藉由判斷指標來監測多晶矽層的晶粒尺寸。
又根據上述的目的，本發明提供一種多晶矽薄膜的晶粒尺寸的控制方法。首先，提供一第一襯底，其上覆蓋有一第一非晶矽層。接著，分別以具有不同第一既定能量密度的雷射對第一非晶矽層實施退火處理，以在第一非晶矽層中形成多個第一多晶矽區。接著，藉由一光學儀器測量這些第一多晶矽區在一既定光子能量範圍的光譜變化，經由量化而獲得多個判斷指標，以藉由這些判斷指標決定一第二既定能量密度。接著，提供一第二襯底，其上覆蓋有一第二非晶矽層。最後，以具有第二既定能量密度的雷射對第二非晶矽層實施退火處理，以控制第二非晶矽層轉變成一第二多晶矽層的晶粒尺寸。
上述雷射為一準分子雷射，且第一既定能量密度在300到500mJ/cm2的範圍。再者，第二既定能量密度是可符合多晶矽晶粒尺寸規格的能量密度。
再者，上述光譜變化是指相位差變化或光強度變化。
再者，既定光子能量範圍在2.2到2.7電子伏特(eV)之間，且優選的既定光子能量範圍在2.3到2.5電子伏特(eV)之間。


為讓本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉優選實施例，並配合附圖，作詳細說明如下圖1是示出根據本發明實施例的多晶矽薄膜檢測方法的流程圖；圖2是示出根據本發明實施例的橢圓儀檢測的示意圖；圖3是示出根據本發明實施例的多晶矽薄膜的晶粒尺寸的控制方法的流程圖；以及圖4是示出根據本發明實施例的相位差與光子能量的關係的曲線圖。
附圖中的附圖標記說明如下100～襯底； 102～多晶矽層；200～光源產生器；202～偏光器；204～旋轉分析儀；206～偵測器；L～測量光。
具體實施例方式
圖1是示出根據本發明實施例的多晶矽薄膜檢測方法的流程圖。首先，進行步驟S10，提供一襯底，例如一透明玻璃襯底，此襯底上形成有一非晶矽(α-Si)層。在本實施例中，此襯底用以製作薄膜電晶體液晶顯示器(TFT-LCD)。襯底上的非晶矽層用於後續製作薄膜電晶體的通道層。此非晶矽層可藉由化學氣相沉積法(chemical vapor deposition，CVD)或其他方法形成，其厚度約在300到1000埃()的範圍。
接下來，進行步驟S12，以具有一既定能量密度的一雷射對非晶矽層實施退火處理，例如準分子雷射退火處理(ELA)，以將非晶矽層轉變成一多晶矽(p-Si)層。在本實施例中，雷射的既定能量密度在300到500mJ/cm2的範圍。
接下來，進行步驟S14，藉由一光學儀器，例如一全光譜橢圓儀(spectroscopic ellipsometer)，來測量多晶矽層的光譜變化，例如相位差(phase difference，cos(delta))變化或光強度變化(tan(psi))。
請參照圖2，其示出根據本發明實施例的橢圓儀檢測的示意圖。由一光源產生器200提供一測量光L，並通過一偏光器(polarizer)202形成與入射面平行的偏振光(p-polarized light)(未示出)及與入射面垂直的偏振光(s-polarized light)(未示出)投射至玻璃基底100上的多晶矽層102。兩偏振光經由多晶矽層102反射至旋轉分析儀(analyzer)204及偵測器206。之後，可藉由旋轉分析儀204及偵測器206得知兩反射偏振光在一既定光子能量(photo energy)範圍的光譜變化，例如相位差(cos(delta))變化或光強度變化(tan(psi))。在本實施例中，既定光子能量範圍在2.2到2.7電子伏特(eV)之間，而優選的既定光子能量範圍在2.3到2.5電子伏特(eV)之間。
經由本發明人實驗發現，當多晶矽層形成有最大晶粒尺寸時，兩反射偏振光在上述既定光子能量範圍中，光譜有明顯的變化。
最後，進行步驟S16，藉由橢圓儀的測量結果來監測多晶矽層的晶粒尺寸。上述光譜變化經由量化計算可得到一判斷指標。在本實施例中，以相位差變化作範例，在既定光子能量範圍(例如，2.3eV～2.5eV)中，計算光譜最小的斜率值以作為判斷指標。藉由此判斷指標可決定多晶矽層的結晶尺寸是否合乎規格，而達到監控多晶矽層的目的。由於利用橢圓儀檢測無須破壞襯底，因此可降低製造成本及縮短測量時間。再者，橢圓儀可整合於雷射退火處理系統，因此可做在線(in-line)檢測。當晶粒尺寸不符合工藝要求時，可以立即提出警告，使工藝人員立即檢查及調整雷射的能量密度以再度獲得最佳的晶粒尺寸而確保後續產品的優良率。再者，雷射退火工藝屬於低溫多晶矽工藝的前段工藝，再此到工藝檢測出異常產品並及時予以報廢或重製(rework)，可有效減少成本。
本發明進一步提出多晶矽薄膜的晶粒尺寸的控制方法。請參照圖3，其示出根據本發明實施例的多晶矽薄膜的晶粒尺寸的控制方法的流程圖。首先，進行步驟S20，提供一測試襯底，例如透明玻璃襯底，襯底上形成有一非晶矽(α-Si)層。在本實施例中，測試襯底供測量機器用。
接下來，進行步驟S22，分別以具有不同既定能量密度的雷射對測試襯底上的非晶矽層實施退火處理，例如準分子雷射退火處理(ELA)，以在非晶矽層中形成多個多晶矽(p-Si)區。在本實施例中，雷射的既定能量密度在300到500mJ/cm2的範圍。
接下來，進行步驟S24，由於施加於測試襯底上的雷射能量密度不同，因此襯底上每一多晶矽區形成的晶粒尺寸亦不相同。可藉由圖2的橢圓儀檢測裝置來測量測試襯底上的這些多晶矽區在一既定的光子能量範圍的光譜變化，例如相位差(cos(delta))變化或光強度變化(tan(psi))。同樣地，既定光子能量範圍在2.2到2.7電子伏特之間，而優選的既定光子能量範圍在2.3到2.5電子伏特之間。
舉例而言，提供一測試襯底，且在300到500mJ/cm2的能量密度範圍中選取不同的既定雷射能量密度A、B、C、D、及E而分別對測試襯底實施退火處理，以在測試襯底上形成不同晶粒尺寸的多晶矽區。接著，測量每一多晶矽區的相位差與光子能量(2.2eV～2.7eV)的關係，其結果示於圖4。
接下來，進行步驟S26，從圖4中決定出退火處理的優選的雷射能量密度範圍。在圖4中的曲線代表相位差隨光子能量的變化，其經由量化可得到對應的判斷指標，藉由這些判斷指標以決定出退火處理的優選的雷射能量密度範圍。在本實施例中，判斷指標由既定光子能量範圍(例如，2.3eV～2.5eV)中，計算曲線的最小斜率值所得。經由量化計算求得的判斷指標明顯使得曲線A、B、及C與曲線D、E產生區隔。亦即，以具有既定能量密度A、B、及C的雷射實施退火處理的多晶矽區，其晶粒尺寸可符合規格。因此，優選的雷射能量密度範圍在B與C之間。
接下來，進行步驟S28，提供一產品襯底，例如一透明玻璃襯底，其上形成有一非晶矽(α-Si)層。此處，產品襯底用於製作薄膜電晶體液晶顯示器(TFT-LCD)，且非晶矽層用於後續製作薄膜電晶體的通道層。
最後，進行步驟S30，利用具有既定能量密度A的雷射對產品襯底上的非晶矽層實施退火處理，藉以控制非晶矽層轉變成多晶矽層的晶粒尺寸。再者，可進行圖1的步驟S14到S16，以實施在線檢測。當晶粒尺寸不符合工藝要求時，可以立即提出警告，使工藝人員立即檢查及調整雷射的能量密度以再度獲得最佳的晶粒尺寸而確保後續產品的優良率。
與現有技術相比，本發明的方法可精確地在線檢測多晶矽薄膜的晶粒尺寸，因此可提高優良率並增加產能。再者，由於橢圓儀進行檢測為非破壞性檢測，因此可降低製造成本。
雖然本發明已以優選實施例公開如上，但是其並非用以限定本發明，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，本領域技術人員可作更動與潤飾，因此本發明的保護範圍應當以所附的權利要求所確定的為準。
權利要求
1.一種多晶矽薄膜的檢測方法，包括下列步驟提供一襯底，該襯底上覆蓋有一非晶矽層；以具有一既定能量密度的一雷射對該非晶矽層實施退火處理，以將該非晶矽層轉變成一多晶矽層；以及藉由一光學儀器測量該多晶矽層在一既定光子能量範圍的光譜變化，並經由量化而獲得一判斷指標，以藉由判斷指標來監測該多晶矽層的晶粒尺寸。
2.如權利要求1所述的多晶矽薄膜的檢測方法，其中該襯底是一玻璃襯底。
3.如權利要求1所述的多晶矽薄膜的檢測方法，其中該雷射為一準分子雷射。
4.如權利要求3所述的多晶矽薄膜的檢測方法，其中該既定能量密度在300到500mJ/cm2的範圍。
5.如權利要求1所述的多晶矽薄膜的檢測方法，其中該光學儀器為一全光譜橢圓儀。
6.如權利要求1所述的多晶矽薄膜的檢測方法，其中該既定光子能量範圍在2.2到2.7電子伏特之間。
7.如權利要求1所述的多晶矽薄膜的檢測方法，其中該既定光子能量範圍在2.3到2.5電子伏特之間。
8.如權利要求1所述的多晶矽薄膜的檢測方法，其中該光譜變化為相位差變化及光強度變化的一種。
9.一種多晶矽薄膜的晶粒尺寸的控制方法，包括下列步驟提供一第一襯底，該第一襯底上覆蓋有一第一非晶矽層；分別以具有不同第一既定能量密度的雷射對該第一非晶矽層實施退火處理，以在該第一非晶矽層中形成多個第一多晶矽區；藉由一光學儀器測量該些第一多晶矽區在一既定光子能量範圍的光譜變化，並經由量化而獲得多個判斷指標，以藉由這些判斷指標決定一第二既定能量密度；提供一第二襯底，該第二襯底上覆蓋有一第二非晶矽層；以及以具有該第二既定能量密度的雷射對該第二非晶矽層實施退火處理，以控制該第二非晶矽層轉變成一第二多晶矽層的晶粒尺寸。
10.如權利要求9所述的多晶矽薄膜的晶粒尺寸的控制方法，還包括藉由該光學儀器測量該第二多晶矽層在該既定光子能量範圍的光譜變化，並經由量化而獲得一判斷指標，以藉由判斷指標來監測該第二多晶矽層的晶粒尺寸的步驟。
11.如權利要求10所述的多晶矽薄膜的晶粒尺寸的控制方法，其中該光譜變化為相位差變化及光強度變化的一種。
12.如權利要求9所述的多晶矽薄膜的晶粒尺寸的控制方法，其中該些第一襯底及該第二襯底為玻璃襯底。
13.如權利要求9所述的多晶矽薄膜的晶粒尺寸的控制方法，其中該雷射為一準分子雷射。
14.如權利要求13所述的多晶矽薄膜的晶粒尺寸的控制方法，其中該些第一既定能量密度在300到500mJ/cm2的範圍。
15.如權利要求9所述的多晶矽薄膜的晶粒尺寸的控制方法，其中該光學儀器為一全光譜橢圓儀。
16.如權利要求9所述的多晶矽薄膜的晶粒尺寸的控制方法，其中該既定光子能量範圍在2.2到2.7電子伏特之間。
17.如權利要求9所述的多晶矽薄膜的晶粒尺寸的控制方法，其中該既定光子能量範圍在2.3到2.5電子伏特之間。
18.如權利要求9所述的多晶矽薄膜的晶粒尺寸的控制方法，其中該光譜變化為相位差變化及光強度變化的一種。
19.如權利要求9所述的多晶矽薄膜的晶粒尺寸的控制方法，其中該第二既定能量密度為可符合多晶矽晶粒尺寸規格的能量密度。
全文摘要
本發明公開一種多晶矽薄膜的晶粒尺寸的控制及其檢測方法。首先，提供一第一襯底，其上覆蓋有一第一非晶矽層。接著，分別以不同能量密度的雷射對第一非晶矽層實施退火處理，以形成多個第一多晶矽區。之後，藉由全光譜橢圓儀測量每一第一多晶矽區在一既定光子能量範圍的光譜變化，並經由量化後得到一判斷指標，以決定可形成最大多晶矽晶粒尺寸的雷射能量密度。接著，提供一第二襯底，其上覆蓋有一第二非晶矽層。最後，以上述雷射能量密度對第二非晶矽層實施退火處理，以獲得最大多晶矽晶粒尺寸，並再藉由橢圓儀檢測其晶粒尺寸。
文檔編號G01N21/00GK1501465SQ0215144
公開日2004年6月2日 申請日期2002年11月19日 優先權日2002年11月19日
發明者林昆志, 廖龍盛, 徐振洲 申請人:友達光電股份有限公司