結晶化狀態的原位置監測方法

2023-12-04 15:11:21

專利名稱：結晶化狀態的原位置監測方法
技術領域：
本發明是關於一種為了實現在用能量束(如雷射束)進行退火處理的過程中對薄膜結晶狀態進行監測而採用的結晶化狀態的原位置監測方法和裝置，以及採用結晶化狀態的原位置監測來進行退火的方法和裝置。結晶化狀態的原位置的監測方法及裝置可以用在例如液晶顯示裝置或有機電致發光(以下稱「EL」)顯示裝置的開關組件中的薄膜電晶體的製程中，用來對於非晶半導體薄膜進行退火處理(如雷射退火處理)時的結晶化狀態進行監測。
背景技術：
現有技術中，一般用將探測光照在薄膜的退火區域內的局部一處，檢測來自照射處的反射光的強度的方法，來監測在玻璃襯底上的非晶矽薄膜的結晶化狀態，比如通過雷射退火方式結晶(請參照例如專利文獻1、專利文獻2以及非專利文獻1)。
專利文獻1特開2001-257176號公報專利文獻2特開平11-148883號公報非專利文獻1M.Hatano、S.Moon、M.Lee、K.Suzuki和C.P.Grigoropoulos所著的「在矽薄膜的熔融以及再固化中的準分子雷射誘導溫度場」(Excimer Laser-Induced Temperature Field in Meltingand Resolidification of Silicon Thin Films)，應用物理雜誌(Joumal of Applied Physics)，第87卷第36至43頁、2000年。
依據上述非專利文獻1，採用連續波雷射(Continuous Wave Laser，以下稱為「CW雷射」)作為監測光，具體而言，是採用波長為633nm的氦氖(He-Ne)雷射束照射在薄膜上，用一個響應時間為1納秒(以下稱「ns」)的帶有矽PN結光電二極體的光電探測器來檢測來自薄膜的反射光，並用一個採樣頻率為1GHz的採樣示波器對探測到的信號隨時間的變化進行測量。
在上述文獻中，採用脈衝雷射作為薄膜熔融用的退火用雷射束，具體而言，就是採用脈衝寬度為25ns(在半高全寬處(full width at half maximum，以下稱「FWHM」)下的值)，波長為248nm的紫外氪氟(krypton fluorine；KrF)準分子雷射。此外，雷射能量密度為500mJ/cm2。
除此的外，還有一種用雷射束來熔融薄膜，進行退火的結晶化的方法，採用一種脈寬為25ns，波長為308nm左右的，單脈衝能量為1J的氙氯(xenon chlorine；XeCl)準分子雷射器，將雷射束整形成帶狀的長光束(350mm×1mm＝3.5cm2)，然後用整形後的光束進行線性掃描，以約300mJ/cm2的能量密度對大面積襯底進行照射，使薄膜結晶化。
一片經過脫氫化處理的，厚度為幾十nm的非晶矽薄膜，經過一束雷射幾十到100ns的退火照射，就會融化，並產生結晶化。當矽熔融時會帶有金屬性質而增加光反射性，使矽薄膜的光反射強度增加。與上述文獻中所示的檢測結晶化的方法類似，可以用光探測器測量隨著薄膜的融化，反射光強度隨著時間的變化。

發明內容
現有的監測結晶化的方法一般是，探測光只照射到雷射退火，熔化的面積的局部(實際上就是一個點)，而且只有這個局部的反射光被探測到。
薄膜的結晶化，實際上，晶粒的生長速度，方向以及晶粒直徑，在用雷射退火的過程中，在照射區域內並不均勻。退火雷射束的能量受到薄膜圖案形狀、作為前驅物(precursor)的非晶矽(以下稱「a-Si」)薄膜的膜厚偏差等影響，不會像預先估計的那樣在薄膜內擴散。因此，結晶粒不會如預期般在薄膜內成長，在退火用雷射照射區域內薄膜的結晶化程度產生了參差。
為了要促進薄膜沿著襯底表面方向也就是側向(lateral)的結晶成長，有時會將退火雷射照射區域內的雷射能量故意分布不均勻，或是將該雷射的照射圖案做成非對稱形狀。在這種情形下，退火用雷射的能量也會受到所述的薄膜圖案形狀以及其它影響，而不會如預先估計的那樣在薄膜內擴散。因此，結晶粒不會如預期般在薄膜內均勻地成長。
由於在退火用雷射照射區域內薄膜的結晶化程度的非均勻性，會因為對於退火用雷射光照射區域也就是薄膜的熔融區域的那個部分處進行光照射，而使得查驗薄膜的結晶化的結果產生變化。
根據這種類型的錯誤的結晶化的測量結果，可能使經過雷射退火處理的具有薄膜的薄膜電晶體，具有預定的範圍以外的特性，且會在使用此薄膜電晶體作為開關組件的液晶顯示裝置上產生例如電特性方面的失效。
用這種方法，對於退火用能量束(例如雷射光束)進行薄膜的熔融的區域的實際上為1點所在處予以照射監測光，以檢測出由該反射光所獲得的信息，也即系以1個信息為基礎，而藉由光電二極體來檢測出薄膜的結晶化。
因此，現有的方法，都是通過光電二極體探測某一點的信息來測量薄膜的結晶化程度，也就是說，這種信息都是通過探測光對退火用的能量束(如雷射光束)對薄膜熔融的區域中的一點進行照射，檢測反射光所獲得的。
本發明的一個目的就在於用高時間解析度的探測光準確地觀察薄膜的結晶化狀態，這樣就能觀測在能量束照射的區域內，從熔化，固化，到結晶狀態準確的位置變化。
本發明的結晶化狀態的原位置(in-situ)監測方法，是一種在為了使薄膜結晶化以及促進薄膜結晶化程度或至少達到其中一個作用而用能量束照射進行退火處理的過程中對結晶化狀態的原位置監測方法，它包括在所述的能量束照射的前、中間以及的後，至少在中間或的後，把用來監視所述薄膜的結晶化狀態的監測光，直接地或透過所述襯底，對具有所述薄膜的表面以及背面的至少其中一面上的預定區域的多個位置，同時進行照射的監測光照射步驟；以及對來自所述監測光的所述薄膜的所述表面或所述背面的反射光以及透過光的至少其中一方的光強的時間變化進行測量，以作為對於所述監視用部位處的位置相關聯的光強度分布的測量步驟。
本發明的另一個結晶化狀態的原位置監測方法，是一種在為了使薄膜結晶化或促進薄膜結晶化程度而用能量束照射進行退火處理的過程中對結晶化狀態的原位置監測方法，它包括在所述能量線照射的前、中間以及的後，至少在中間或的後，對具有所述薄膜的表面的上的預定區域的多個位置，同時進行照射的監測光照射步驟；以及將來自所述監測光的所述薄膜的反射光或透過光的強度的時間變化進行測量，以作為與所述監視用部位處的位置相關聯的光強分布的測量步驟；其中，所述的測量步驟包括接收來自所述薄膜的反射光和透射光中的至少一束，而通過光電轉換產生與所接收的光相對應的電信號；將所產生的電信號傳遞到一個隨著時間變化的電場中；接收所通過的電信號而使與該電信號相對應的投影像成在顯示屏上；以及對所述投影像的強度分布的時間變化進行測量。
監測光至少同時照射在每個監測部位上，而且測量各監測部位上與各監測部位的位置相關的光強分布隨時間的變化情況。即使在退火用能量束照射區域內的薄膜結晶化程度分布不均勻，也可根據來自各監測部位的光，測量包括時間變化在內的，與各監測部位的位置相關的光強分布，來確認薄膜的結晶化程度的不均勻性，且可準確監視薄膜的結晶化狀態。
依據本發明，當被退火的薄膜為，例如非晶矽薄膜時，則在矽開始熔融到固化以及結晶化的前所需要的的熔融結晶化的時間和結晶生長(例如側面成長)的速度(監測部位的位置信息)將一併被測量。也就是說，可以知道矽的熔融結晶化時的固相與液相間的接口(固液接口)的位置以及移動速度。由於可正確監視矽薄膜的結晶化狀態，所以可求得用以照射能量束的條件，例如薄膜由熔融變化到固化的最佳溫度走勢以及能量束(例如準分子雷射)的最佳強度分布(最佳條件)，所以易於進行生產線上的生產管理。
此外，依據本發明，由於可準確監視矽薄膜的結晶化狀態，所以可將本發明的結晶化狀態的原位置監測方法及裝置，有效運用在開發缺陷較少的高品質的結晶化矽薄膜上。
此外，依據本發明，可以根據投影像的強度分布的時間變化，來測量包含顯示面上所形成的時間變化在內的，與各監測部位的位置相關的光強分布。而且，可以根據薄膜的結晶化或促進結晶化過程中的由熔融轉變到固化的速度來確定測量步驟中電場的時間變化的速率，這樣就可以對能量束照射區域中的薄膜從熔融前到熔融、固化以及結晶化的前的膜質變化，進行高時間分解率，實時地且極為準確地監視。
依據本發明，如果採用移相器進行能量束照射，就可以通過探測光在能量束透過移相器進行照射時晶核的形成過程的前和的間的照射，以及探測光在能量束透過移相器進行照射時晶體側向生長過程的前和的間的照射，可以觀察到能量束透過移相器進行照射時晶核的形成過程的前和的間的結晶化狀態，以及經過一段時間的薄膜側向生長後的結晶化狀態。以這些監測結果為基礎，這樣就可以薄膜的側向結晶成長所需的能量束照射的適當條件。因此，可形成大的結晶粒。例如，在薄膜電晶體的製造中，活性層或溝道可由單個結晶粒形成。也就是說，可以由單個晶粒來形成溝道區域。
所述的監測光照射步驟中的監測光照射，可將所述監測光照射到所述薄膜的狹縫狀的的照射區域，這樣所述監測光就同時照射在所述多個監測部位。因此，就可有效且準確地監視薄膜的側向生長過程。
所述能量線照射可由脈衝光進行照射。
在所述量測步驟中，可由高速條形照相機(streak camera)來檢測來自所述薄膜的所述監測光的反射光或透射光。這樣就可以以高時間解析度地獲得薄膜的熔融前、膜質從熔融到固化以及結晶化的轉變速度、以及與熔融區域與非熔融區域相關的位置信息(也就是固液接口的位置)，且可正確地監視薄膜的側向成長。
或者，也可以將所述的監測光進行整形並照射，使監測光的剖面在所述薄膜上包含所述監測部位，也可將來自所述薄膜的反射光以及透過光中的至少一方整形成帶狀，使它入射到光電轉換器的受光部。這樣的話，來自監測部位的光將以帶狀入射到光電轉換部的受光部。
或者，也可將多個所述監測光同時照射在所述的多個監測部位，且將來自所述薄膜的所述表面或所述背面的反射光以及透射光的至少一方的多個光入射到光電轉換器，使所述多個光排成一列。
而且，也可以通過一個物鏡將所述探測光照射到所述薄膜上，並且可將來自所述薄膜的反射光成像在所述光電轉換器的受光部，且將經過所述物鏡的所述反射光以及所述透射光中的至少一方，從所述監測光路中分離出來。這樣一來，監測光的在薄膜上的入射光線和從薄膜上的反射光線可以通過單獨的物鏡分別成像。
所述薄膜可由以矽為主成分的薄膜、氫化非晶矽薄膜、濺鍍矽薄膜、矽鍺薄膜、以及經脫氫處理的非晶矽薄膜中的的至少一種所構成。
所述監測光對於所述薄膜的入射角度，與所述退火處理的前以及的後的至少一方的所述薄膜的P偏振光的反射強度達到最小的角度相同，而所述監測光對於所述薄膜的入射光可設定成S偏振光或P偏振光。由於以P偏光的反射強度達到最小的角度來測定P偏光的反射光，與使用隨機偏光的情況相比，可進行更有效的測定。
而且，還可以將所述監測光的強度分布進行均化。例如，可採用均質器(homogenizer)等適當的透鏡光學裝置。此外，所述監測光也可為雷射。


圖1為本發明的結晶化狀態的原位置監測裝置的一個實施例的斜視圖；圖2為圖1中所示的結晶化狀態的原位置監測裝置的一個實施例中測量裝置的斜視圖；圖3為本發明的結晶化狀態的原位置監測裝置的另一實施例的斜視圖；圖4為本發明的結晶化狀態的原位置測量方法的另一實施例的測量時間t，位置X和監測光強I的間的關係圖；圖5為本發明的結晶化狀態的原位置監測裝置的另一實施例的斜視圖；圖6為由移相器所產生的雷射強度變化圖；
圖7為由移相器所產生的雷射強度的變化與晶核形成的關係圖；圖8(a)到圖8(k)為本發明的結晶化狀態的原位置監測方法的另一實施例中顯示薄膜的熔融前、晶核形成、熔融、固化以及達到結晶化的過程的實時監視結果。
具體實施例方式
參看圖1，採用脈衝雷射作為能量束的退火裝置10包括退火用雷射裝置12；一個可二維移動的試樣臺18，這個試樣臺的XY方向的驅動裝置圖中沒有標出；18與襯底16活動地相連接，被退火薄膜14放置在襯底16上。在圖中，試料臺18僅顯示了一部分。
退火用雷射源裝置12所使用的退火用雷射源，可採用如紅寶石雷射器(ruby laser)，釔鋁石榴石(yttrium aluminum garnet；以下稱YAG)雷射器、準分子雷射器等。
退火用雷射源裝置12為脈衝雷射光源，它輸出能將被照射薄膜熔融所需的預設的能量的雷射。退火用雷射源裝置12通常以脈衝時間20到100納秒(以下稱「ns」)產生單脈衝具有約1J的能量。在圖中，採用氪氟(以下稱「KrF」)雷射器作為退火用雷射源，例如，以每秒100次的速度產生具有約25ns的脈衝寬度的雷射。
退火用雷射源裝置12可選擇例如_5mm的照射面積，作為退火用雷射20對被退火薄膜14的照射面積，照射排列在一個平面內的多個被退火薄膜。此外，可選擇例如25ns的照射時間，以作為退火用雷射20對被退火薄膜14的照射時間。
此處雖未標出，但退火用雷射源裝置12包含一個雷射諧振腔；以及將雷射整形成適合照射的光束形狀的透鏡組。
對被退火薄膜14來說，可採用如以矽為主要成分的薄膜、氫化非晶矽薄膜、濺鍍矽薄膜、矽鍺薄膜、以及經脫氫處理的非晶矽薄膜等經過薄膜化的非晶半導體薄膜。在圖中，採用經成膜的非晶矽薄膜。對非晶矽而言，通常可採用經脫氫處理的非晶矽。這種薄膜雖然隨著膜質的不同造成膜的導電率不同，會有不同的光反射或透射性質，但薄膜的熔融、固化以及變化到結晶化時的反射光或透射光的強度變化的圖案基本相同。
對襯底16來說，可採用透明的玻璃襯底，塑料襯底或矽襯底等。在圖中，採用透明的玻璃襯底。
具有非晶矽薄膜14的玻璃襯底16活動地安裝在試樣臺18，且定位在預定的位置。在圖中，非晶矽薄膜14以及玻璃襯底16僅顯示其中的一部分。
退火裝置10在圖中，還具備有在圖中未標出的用來支持該移相器22的移相器支持體，使得移相器22能夠工作。移相器22還具有可選擇性地將經過該移相器的光的相位進行偏移的偏移部分。具有偏移部分的移相器22能對入射雷射束的光產生過濾作用但不會產生光損失(例如光量損失)，而且，將入射到偏移部分的光的強度設定為最小，且通過光強具有反轉峰值分布的光。退火用雷射20經過移相器22照射到非晶矽薄膜14，形成照射的強度分布。有關於移相器將在後面闡述。
由於非晶矽薄膜14的照射的強度分布，會使雷射20相對於該薄膜內的能量分配上產生差異，就能有效進行薄膜的結晶化及結晶化的促進。在圖中，e1和e2是雷射束20經過移相器22照射產生的照射強度比較大的區域。在區域e1、e2內，所產生的晶粒朝者如非晶矽薄膜14的e2→e1的方向，也就是朝著與襯底表面平行的箭頭24的方向生長。
結晶化狀態的原位置監測裝置26包括監測用光源裝置28；整形光學裝置30；均質器(homogenizer)32；成像用的物鏡34；反射鏡36；以及測量器38。所述的原位置監測的方法，後面將詳細介紹，就是指在薄膜的熔融到固化以及結晶化的過程中監視與膜質相關的信息。
監測用的光源裝置28的監測雷射源，可採用如Ar雷射器、氦氖(以下稱「He-Ne」)雷射器以及YAG激等。這些光源可以產生在光電轉換中的光敏面的波長敏感範圍內的雷射。
監測用光源裝置28為連續波雷射(Continuous Wave Laser，以下稱「CW雷射」)光源裝置，它可產生10mW的功率以及具有約￠5mm光束口徑的雷射。從監測用光源裝置28照射到襯底的雷射光束口徑，與退火用雷射20光束口徑相同，或是比它更小。在中，採用具有約532nm波長的YAG雷射作為監測用雷射光源。
監測用光源28與一個圖中未標出的時間調整裝置相連，這個調整裝置與退火用雷射光源裝置12相連。時間調整裝置針對退火用雷射的開始產生的時間，預先選擇性地設定監測光的開始時間，並將用來開始產生監測光的信號送到監測用光源裝置28。在圖中，與退火用雷射開始產生同時，將開始產生監測光的信號從時間調整裝置送到監測用光源裝置28。
整形光學裝置30是用來將發自監測用光源裝置28的雷射的剖面形狀整形成預定的形狀的光學裝置，它可發揮監測光整形器的作用。在圖中，整形光學裝置30將發自監測用光源裝置28的雷射，將雷射束整形成一個短邊與雷射束的區域大小相當，長邊遠大於短邊的矩形剖面形狀。
均質器32將經過整形光學裝置30的雷射，在光剖面中變換成具有均勻光強度分布的雷射。例如，在YAG雷射剖面中的光強度分布為高斯(gauss)分布，而不是均勻的強度分布。5YAG雷射經過均質器32的方式，在光剖面中變換成具有均勻光強度分布的雷射。
成像用的物鏡34將經過整形光學裝置30以及均質器32的均勻的光強分布的矩形剖面的板條狀的監測用雷射40成像在非晶矽薄膜14上，作為具有該光的剖面的短邊與長邊特定比率的矩形剖面形狀的監測光。
如圖所示，雷射束40透過玻璃襯底16照射到非晶矽薄膜14的背面，玻璃襯底16的背面，且在非晶矽薄膜14的背面，成像為具有60μm×1μm的尺寸的帶狀剖面的監測光。
監測用雷射40照射以及成像在非晶矽薄膜14的背面，該光的帶狀剖面的長度方向，與由移相器22所帶來的退火用雷射照射強度大的區域e1以及e2的長度方向成為直角。在非晶矽薄膜14的背面形成有監測用雷射40的照射區域A。
監測用雷射40的照射區域A，由作為將包含預先設定的監測用的所在處a1、a2以及a3在內的多個監測部位形成。
照射到非晶矽薄膜14的監測用雷射40的至少一部分來自非晶矽薄膜14的背面發出反射光42。監測用雷射40的反射光42的強度依賴於對於非晶矽薄膜14的入射角度；非晶矽薄膜14的折射率與衰減係數所算出的菲涅耳(Fresnel)係數；以及非晶矽薄膜14內的幹擾現象。
物鏡34還將監測用雷射40照射到非晶矽薄膜14的背面的區域A所產生的來自非晶矽薄膜14的反射光42接收。反射鏡36為可變反射方向的可動鏡，它在反射面接收經過物鏡34的反射光42，且改變反射光42的行進方向。
測量器38接收經過反射鏡36的反射光42，且使接收的光入射到光電轉換面，並用產生光電子的方式進行光電轉換，且使經光電轉換的光電子通過隨時間變化的電場中，並使所通過的電子到達顯示面例如螢光體，顯示成監測信號。也就是說，將光電子的電子強度，也就是與電子數相對應的投影像P形成在顯示面(圖中為螢光體)，且對投影像P的強度分布的時間性變化進行測量，並顯示在顯示部44。電場的時間性變化的比例由薄膜從熔融變化到固化的速度而決定。例如，如果薄膜是在10ns內從熔融變化到固化以及結晶化，則僅需決定能夠測量與10ns間的膜質變化相對應的投影像P的強度分布的時間性變化即可。
來自包含監測用雷射40的照射區域A內的監測部位a1、a2以及a3在內的所有部位的反射光的強度的時間性變化，都可進行觀測或是測量，以作為與這些位置有關聯的反射光42的光強度分布。
在圖中，以圖表將在反射光42的全測定時間T中的測定時刻t與監測部位的帶狀剖面內的長度方向的位置X間的關係顯示在顯示部44，兩者間的關係與投影像P的強度相關。在第1圖中，為易於理解起見，將全測定時間T設定為60ns，且以表示每10ns的時刻t1、t2、t3、......、t6中的反射光42的強度的情況來顯示。全測定時間T以及時刻t1、t2、...並不以此為限。
此外，在上述的圖表中，為易於理解起見，以實線來表示被退火薄膜熔融而反射光強度較大的時刻，並以虛線來表示被退火薄膜固化而反射光強度較小的時刻。也就是說，實線部顯示被退火薄膜處於熔融的液相狀態，且實線部的長度M顯示各時刻t1、t2、t3、...、t6中的被退火薄膜的熔融寬度。熔融寬度M的時間性變化顯示在顯示部44。
熔融寬度M的時間性變化顯示在顯示部44，且熔融寬度M的時間性變化以平面二維的方示同時被觀測。也就是說，有關於照射區域A內的所有的監測位置的熔融的時間性變化以平面二維方式同時被觀測。
以測量器38而言，可採用能將光學圖像變換成光電子束的圖像，且能再度變換成光學圖像的高速條形照相機(streak camera)的裝置。參照第2圖，高速條形照相機46包括開縫板48；透鏡群50；光電轉換器52；電場產生器54；螢光板56；以及圖像測量器58。
開縫板48具有接收反射光42而將反射光42的通過規範成帶狀的開縫60。透鏡群50接收經過開縫60的光，且將接收的光成像在光電轉換器52而成為開縫圖像PS。
光電轉換器52接收經過透鏡群50的光，且將與接收的光相對應的光電子釋出，而產生光電轉換信號。
高速條形照相機為了將光電子取出作為隨時間變化的信號，而具備有例如電場產生器54。電場產生器54使在光電轉換器52所產生的電子，通過依時間變化的電場。屬於靜電偏向器的電場產生器54，為了將經光電轉換的光電子迅速且有效地成像在螢光板56，它具備有一個使電子加速的加速電極62；還有一個為了根據由掃描電路64產生的觸發信號S而動作的掃描電極66，來改變加速電極62中電場E的運動方向；以及使通過掃描電極66的電子進行倍增的電子倍增管68。
實際上，在電子倍增器68形成電子的影像PE，螢光板56接收經過電子倍增器68的電子而形成與該電子相對應的投影像P。
圖像測量器58將形成在螢光板56的投影像P的強度分布予以抽出時刻t1、t2、t3、.....的數據，且對於以模擬方式測量的各時間的投影像P的強度分布進行畫像處理，再以時系方式顯示於顯示部44。
高速條形照相機46將監測用雷射4進行光電轉換成光電子，且將經光電轉換後的電子，朝與雷射40的帶狀剖面的長度方向垂直的方向進行掃描。由於投影在螢光板56的投影像P可處理成二次元信息，因此將投影像由CCD照相機進行攝影而變換成數字信息時，則可將該數字信息儲存在數字記憶裝置，或可交由計算機進行處理。也可將數字信息進行適當地顯示。
在圖中，還配置有未標出的光檢測裝置，與未標出的延遲裝置，來決定由高速條形照相機46開始測量反射光42的時間。光檢測裝置通過配置在退火用雷射的路徑的一部分的未標出的衰減過濾器，而以高速光電二極體對雷射進行檢測。延遲裝置以檢測時間為基準，而在經過預先選擇性地決定的延遲時間後，才將由反射光42的高速條形照相機46開始進行測定的觸發信號輸出。再者，針對非晶矽薄膜14由雷射的照射而熔融的部分，也可以彩色來顯示該部分的溫度。例如，600℃以綠色、700℃以黃色、800℃以紅色來表示。
其次，參照圖1，針對採用結晶化狀態的原位置監測裝置26的薄膜的結晶化狀態的原位置監測方法進行說明。
首先，將具有非晶矽薄膜14的透明的玻璃襯底16安裝在試樣臺18的預定位置，且以XY基座驅動機構而將試樣臺18移動到預定的位置。
其次，由退火用雷射光源裝置12，以每秒100次的速率且以約25ns的脈衝寬度來產生設定為預定功率密度的KrF雷射，且將該雷射經過移相器22而僅以25ns的時間照射在非晶矽薄膜14的表面。
與退火用的KrF雷射的開始產生的同時，使監測用的YAG雷射開始產生信號，從時間調整裝置送到監測用光源裝置28，且監測用光源裝置28以預定的功率密度發出約532nm的YAG雷射光。
所發出的YAG雷射經過整形光學裝置30、均質器32以及物鏡34，並透過玻璃襯底16而在非晶矽薄膜14的背面成像成為具有60μm×1μm的尺寸的帶狀剖面的監測用雷射40。
來自非晶矽薄膜14的反射光42經過物鏡34以及反射鏡36而入射到測量器38，且使與包含反射光42的時間變化在內的強度分布相對應的投影像的強度分布的時間變化顯示在顯示部44。也就是說，結晶化狀態測量作為與監視用部位處的位置有關聯的光強度分布並進行顯示。
在以上所說明的結晶化狀態的原位置監測裝置及方法上，也可將監測光對於被退火薄膜的入射角度，設定成退火處理的前以及的後的至少一方的被退火薄膜的P偏光的反射強度達到最小的角度，即為布儒斯特角(brewster angle)。在此情況下，布儒斯特角依被退火薄膜的光學常數及膜厚、基底襯底的光學常數及厚度、以及在被退火薄膜內的幹擾作用而決定。此外，監測光對於被退火薄膜的入射光也可作成S偏光及P偏光的其中的一。P偏光的反射強度的最小值小於S偏光的反射強度的最小值，而與P偏光的反射強度的最大值以及S偏光的反射強度的最大值約略相等。如對P偏光的反射強度進行測量，則由於在反射強度的最小值與最大值上可獲得較大的變化，故在提升測量中的S/N比上極為有利。
以上所說明的結晶化狀態的原位置監測方法與裝置，以及退火方法與裝置可變更如下。
退火方法及裝置雖在退火處理時採用移相器，但也可以在退火處理時不採用移相器的退火方法及裝置。
在結晶化狀態的原位置監測方法及裝置中，也可將監測光照射在與退火用能量線對於被退火薄膜的照射側相同的一側上，也就是被退火薄膜的表面，或可以照射在表背兩面上，以取代將監測光照射在與退火用能量線對於被退火薄膜的照射側的相反側，也就是被退火薄膜的背面。
在結晶化狀態的原位置監測方法及裝置中，也可如第3圖所示，將接收來自監測用光源裝置的監測光的物鏡以及接收來自監測光的被退火薄膜的反射光的物鏡，作成另外的透鏡(例如2個透鏡34a、34b)，以取代將接收來自監測用光源裝置的監測光的物鏡以及接收來自監測光的被退火薄膜的反射光的物鏡作成不同的透鏡。如第3圖所示的退火裝置10與第1圖所示的退火裝置10相同。與第1圖相同的部分標記相同符號，且為免重複不再詳細的說明。對於結晶化狀態的原位置監測裝置70與第1圖所示的結晶化狀態的原位置監測裝置26相同的部分，標記相同符號，且為免重複不再詳細的說明。
在結晶化狀態的原位置監測方法及裝置中，也可採用來自監測光的被退火薄膜的透過光來監視被退火薄膜的結晶化狀態，且也可採用具有比來自監測光的被退火薄膜的反射光小的強度，且在被退火薄膜內被散射而逸出至該薄膜的外的光來監視被退火薄膜的結晶化狀態，以取代採用來自監測光的被退火薄膜的反射光來監視被退火薄膜的結晶化狀態。
在結晶化狀態的原位置監測方法及裝置中，當來自監測光的被退火薄膜的反射光具有較大的強度時，也可將衰減過濾器配置在高速條形照相機的前方。
在結晶化狀態的原位置監測方法及裝置中，除了前述的帶狀的監測光的外，也可將監測光的帶狀剖面的長度方向與直角的方向上具有不同波長的第2監測光，照射在被退火薄膜上，且隔著分光器並採用高速條形照相機來測定其它方向的結晶成長，也即測定熔融區域。
例如，圖4所示，除了在由第1監測光來測定來自被退火薄膜的反射光或透過光的測定時刻t與在監測部位的帶狀剖面內的長度方向的位置X間的關係的外，如果由第2監測光來測量來自被退火薄膜的反射光或透過光的測定時刻t與在各監測部位的反射光強度I在實際時間的變化推移的話，則將可獲得包含來自監測光的被退火薄膜的反射光或透過光的光強度的時間性變化在內的光強度分布以作為三次元信息。此光強度的時間變化顯示由脈衝寬度25nsec間的雷射照射所產生的薄膜的熔融—固化的變化的特性。此外，此特性在薄膜的熔融期間(一般而言為數十毫微秒至數百毫微秒)所測量的。也就是說，可測量作為與監測部位的位置有關聯的光強，甚至，也可顯示此測量的結果。
在圖1中，雖將監測用雷射整形成具有60μm×1μm的帶狀剖面的光，但監測用雷射的剖面形狀在剖面積以及剖面形狀上未必以此為限。例如，在採用發出具有充分的功率的監測光的光源裝置時，或在可充分確保從光源裝置發出的監測光的功率時，也可將監測光整形成例如具有大面積的圓形或橢圓形的剖面而非帶狀或矩形的剖面的監測光，且將該整形監測光照射在被退火薄膜，且將來自該薄膜的反射光或透過光，在光電轉換器的前側予以聚光並成像成帶狀後再整形。
參看圖5，說明用來形成具有較大晶粒的(單結晶粒)的退火方法及裝置、在退火處理中的結晶化狀態的原位置監測方法及裝置。
圖5中，退火裝置72具有與圖1所示的退火裝置10相同的構造。與圖1的相同部分標記相同符號，且為免重複不再詳細的說明。
退火裝置72在圖中還具備有用以支持移相器74的未標出的移相器支持體，使得移相器74能夠工作。移相器74具有將經過移相器74的光的相位進行選擇性地偏移的偏移部分，在圖中就是段差部76。退火用雷射2系經過移相器74而照射在非晶矽薄膜14，形成照射的強度分布。
就前述的移相器進行說明。移相器在透明介質例如石英基材裡形成厚度的段差，且使在此段差的邊界入射的雷射與衍射光產生幹擾，而對於入射的雷射的強度賦予周期性的空間分布。圖6顯示由移相器所產生的雷射強度的變化。圖6中，顯示針對雷射光線20，將形成移相器74的偏移部的段差部76的位置設定成X＝0，且以此為邊界在左右加上180度的相位差的情況。也就是說，通過移相器74的較厚部分的雷射光線，比通過較薄部分(厚度t)的雷射光線遲緩。這些雷射光線間的相互幹擾與衍射的結果，可獲得如圖6所示的通過雷射光線強度分布。一般而言，如雷射的波長為λ時，則對於折射率n的透明介質加上180度的相位差的透明介質的膜厚t以下列公式表示t＝λ/2(n-1)....公式(1)例如，將KrF準分子雷射的波長設定為248nm，將在石英基材的248nm光下的折射率設定為1.508時，則加上180度的相位差所需的段差系244nm，在石英基材的預設的位置上加上244nm的段差即可。用在石英基材加上段差的方法，可由如氣相或液相的選擇蝕刻的方式而形成。在石英基材加上段差的另一方法，由等離子體CVD、減壓CVD等方法選擇性形成透光膜，例如SiO2。
入射到移相器74的雷射的一部分，由於在段差部76的相位差所產生的幹擾而使光透過量成為最小N，且穿透過成為光強度急劇下降的光強度分布的光。將顯示此最小透過光的光強度分布稱為峰值反轉圖案P。峰值反轉圖案P的特徵入射光線20不顯示過濾性的衰減。此特徵將產生薄膜的更大的單結晶化。具有此種峰值反轉圖案P的光強度分布的雷射入射到非晶矽層，且使非晶矽層的一部分達到高溫，並使周圍的低溫的矽的一部分形成晶核，在與形成相位差的段差相垂直的方向，也即橫方向上產生結晶成長，且形成大的結晶粒。前述峰值反轉圖案P大致呈楔狀(例如為U狀或V狀)。
非晶矽薄膜14在照射退火用雷射光的前處於非熔融狀態。當照射監測光而監視結晶化狀態時，則即如第8(a)圖所示顯示在測量器38的顯示部44。
以預定的脈衝寬度從退火用雷射光源裝置12來產生設定成預定的功率密度的KrF雷射，且將該雷射經過移相器74而照射在非晶矽薄膜14的表面，以進行雷射照射。由此，即可在熔點(melting point)以上的雷射照射區域下開始非晶矽薄膜14的熔融。當採取第7圖的峰值反轉圖案的雷射光強度均在熔點以上的值時，則全體將成為熔融狀態。此熔融狀態如第8(b)圖所示，由監測光顯示在測量器38的顯示部44。
參照圖7說明晶核的生成過程。通過段差部76以及其附近的雷射的強度，小於通過移相器74的其它部分的雷射光線20的強度。因此，在照射通過段差部以及其附近的雷射光線20的非晶矽薄膜14的區域S中的光強度分布如以下所示。區域78的溫度在峰值反轉圖案的最小N的照射區域下，其溫度低於非晶矽薄膜14的另一區域80的溫度，而且為最小值的前述薄膜14的熔點以下的溫度。另一區域80的溫度則為前述薄膜14的熔點以上的溫度。因此，區域78內的矽的固化將比另一區域80內的矽的固化提前開始(第8(c)圖)，的後，另一區域80內的矽即固化，且形成作為側面方向的結晶成長的起點的核82，並在側面方向開始結晶成長(第8(d)圖)。在此，核82如圖7所示，形成在非晶矽薄膜14的區域78內。與圖6相同的部分標記相同的符號，且不再詳細的說明。
其次，現就結晶化的過程更進一步詳細說明如下以每秒300次的速率且大約24ns的脈衝寬度從退火用雷射光源裝置12產生設定成預定的功率密度的KrF雷射，且將該雷射經過移相器74而僅照射在非晶矽薄膜14的表面25ns的時間。此雷射照射強度圖案的條件選擇性設定成非晶矽薄膜14的區域78內的矽的核82進行熔融的時間為最短時間或不會熔融的程度。
通過段差部76以及其附近的雷射的強度，小於通過移相器74的其它部分的雷射光線20的強度的最小光強度。照射通過段差部76以及其附近的雷射的非晶矽薄膜14的區域78的溫度，低於非晶矽薄膜14的另一區域80的溫度，使區域78內的矽的核82不會熔融或熔融時間為最短。因此，非晶矽薄膜14的另一區域80內的矽即開始熔融，且熔融區域由熱傳導而朝向形成有核82的區域78的附近擴散。另一方面，形成核82的區域78以及其附近，仍為非熔融狀態或是為極短時間的熔融狀態。在測量器38的顯示部44中，如第8(e)至(g)圖所示，顯示出熔融區域隨時間經過而擴散的情況。
之後，熔融區域的擴散達到區域78的附近，且產生從熔融到固化的變化，也即產生結晶化。以核82為起點，開始依次向該核的外側進行已熔融的矽的固化以及結晶化。也就是說，核82即成為側面方向(如圖5所示的箭頭符號24的方向)的結晶生長的起點，而且，以核82為基礎進行側面結晶成長，並形成大的結晶粒。在測量器38的顯示部44中，顯示成如第8(h)至(k)圖所示。
以這些在薄膜的熔融前、熔融、固化以及結晶化的過程中實時監視的結果為基礎，可求得薄膜的側面結晶成長所需的能量束照射的適當的條件。因此，可形成大的結晶粒。如此，對於膜厚50nm至300nm程度的非晶Si進行照射數十毫微秒的脈衝光時的由固相到熔融—結晶化的變化，實際上為瞬間的數十毫秒間的現象。此現象為在數十毫秒間的現象，現在對此現象進行測量。可以通過此測量求出最佳結晶化所需的光強分布，且對於廣泛的面積實施均勻的結晶化製程。均勻的結晶化製程最適於大畫面的液晶顯示裝置等的顯示裝置。也就是說，可進行一畫面內不會有不均勻、條紋、亮點等的顯示，且特別適於數位化以進行高品質畫面顯示。再者，由於可進行瞬間的測量，如圖6、圖7所示的峰值反轉圖案P的擴展寬度W較大的一邊可有更大的結晶化，且可求出其最佳擴展寬度W。而且，由於可進行瞬間的測量，故可由峰值反轉圖案先照射，來顯示依次變化的固液接口或測量速度。例如，在薄膜電晶體的製造上，可將活性層也就是溝道區域作成單個結晶粒。也就是說，可實際上以單結晶形成溝道區域。
本發明不限定於上述實施例，只要不脫離本發明的精神及範疇下，可進行各種改變，都屬於本發明的保護範圍。
附圖符號說明10、72退火裝置 12退火用雷射光源裝置14被退火薄膜(非晶矽薄膜)16玻璃襯底 18試樣臺20退火用雷射 22、74移相器24箭頭26、70結晶化狀態的原位置監測裝置28監測用光源裝置 30整形光學裝置32均質器(homogenizer)34物鏡36反射鏡 38測量器40監測用雷射 42反射光44顯示部 46高速條形照相機48開縫板 50透鏡組52光電轉換器 54電場產生器56螢光板 58圖像測量器60開縫 62加速電極64掃描電路 66掃描電極68電子倍增器 76段差部a1、a2、a3監測部位所在處 e1、e2、78、80區域M 熔融寬度 T 測定時間t1、t2、…t6 時刻 X 長度方向的位置
權利要求
1.一種結晶化狀態的原位置監測方法，用在為了實現薄膜的結晶化以及促進結晶化過程的至少一種過程，而進行能量束照射的退火處理的過程中，其特徵在於，它包括在所述能量束照射之前、中間以及之後的至少中間或之後，將用來監視所述薄膜的結晶化狀態的監測光，直接地或透過所述襯底，對具有所述薄膜的表面以及背面的至少其中一面的預定面積的區域的多個監測部位同時進行照射的監測光照射步驟；以及將來自所述監測光的所述薄膜的所述表面或所述背面的反射光以及透過光的至少一方的光強度的時間變化進行測量，作為與所述監測部位的位置相關的光強分布的測量步驟。
2.一種結晶化狀態的原位置監測方法，用在為了實現薄膜的結晶化以及促進結晶化過程而進行能量束照射的退火處理的過程中，其特徵在於，它包括在所述能量束照射之前、中間以及之後的至少中間或之後，將用來監測所述薄膜的結晶化狀態的監測光，對具有所述薄膜的預定面積的區域的多個監測部位同時進行照射的監測光照射步驟；以及將來自所述監測光的所述薄膜的反射光或透過光的強度的時間變化進行測量，以作為與所述監測部位處的位置相關的光強分布的測量步驟；其中，所述的測量步驟包括接收來自所述薄膜的反射光以及透過光的至少一方，而由光電轉換產生與所述所接收的光相對應的電子；使所產生的電子通過隨時間變化的電場中；接收所通過的電子而使與通過電子相對應的投影像形成在顯示面上；以及對所述投影像的強度分布的時間變化進行測量。
3.如權利要求2所述的結晶化狀態的原位置監測方法，其特徵在於，所述測量步驟中的所述電場的時間性變化的速度，與所述薄膜的在結晶化或促進結晶化過程中從熔融變化到固化的速度相等或者為更快的速度。
4.如權利要求1到3中任一項所述的結晶化狀態的原位置監測方法，其特徵在於，所述監測光照射步驟中的監測光的照射，將所述監測光照射在所述薄膜的開縫狀的照射區域，使所述監測光同時照射在所述多個監測部位。
5.如權利要求1或2中所述的結晶化狀態的原位置監測方法，其特徵在於，所述能量束照射由脈衝光照射。
6.如權利要求1所述的結晶化狀態的原位置監測方法，其特徵在於，所述量測步驟中以高6速條形照相機來檢測來自所述薄膜的所述監測光的反射光或透過光。
7.如權利要求1到5中任一項所述的結晶化狀態的原位置監測方法，其特徵在於，所述監測光照射步驟包括將所述監測光進行整形並照射，使該監測光的剖面在所述薄膜上包含所述監測部位；以及將來自所述薄膜的反射光以及透過光的至少一方的光進行整形成帶狀，而使它入射到具有光電接收的光電變換器的受光部。
8.如權利要求1到5中任一項所述的結晶化狀態的原位置監測方法，其特徵在於，所述監測光照射步驟包括將多個所述監測光同時照射在所述多個監視用部位處；以及將來自所述薄膜的所述表面或所述背面的反射光以及透過光的至少一方的多個光入射到光電變換器，使所述多個光束排成一列。
9.如權利要求6到8中任一項所述的結晶化狀態的原位置監測方法，其特徵在於，所述監測光照射步驟進一步包括由相同的物鏡使所述監測光成像在所述薄膜，並且將來自所述薄膜的反射光成像在所述光電變換器的受光部；以及將經過所述物鏡的所述反射光以及所述透過光的至少一方的光線，從所述監測光的光路分離開。
10.如權利要求1到9中任一項所述的結晶化狀態的原位置監測方法，其特徵在於，所述薄膜由以矽為主要成分的薄膜、氫化非晶矽薄膜、濺鍍矽薄膜、矽鍺薄膜、以及經脫氫處理的非晶矽薄膜中的至少一種構成。
11.如權利要求1到9中任一項所述的結晶化狀態的原位置監測方法，其特徵在於，所述監測光對於所述薄膜的入射角度，與所述退火處理之前以及之後的至少一方的所述薄膜的P偏振光的反射強度達到最小的角度相同，而所述監測光對於所述薄膜的入射光光束為S偏振光以及P偏振光的其中的一。
12.如權利要求1到11中任一項所述的結晶化狀態的原位置監測方法，其特徵在於，所述監測光照射步驟進一步包括將所述監測光的強度分布進行均勻化的步驟。
13.如權利要求1到12中任一項所述的結晶化狀態的原位置監測方法，其特徵在於，所述監測光為波長在光電面的波長敏感範圍內的雷射。
14.一種退火方法，採用如採用如權利要求1到13中任一項所述的結晶化狀態的原位置監測方法。
15.一種結晶化狀態的原位置監測裝置，用在為了實現薄膜的結晶化以及促進結晶化的至少一種過程，而進行能量束照射的退火裝置，其特徵在於，在所述能量束照射之前、中間以及之後的至少中間或之後，將用來監測所述薄膜的結晶化狀態的監測光，直接地或透過所述襯底，對具有所述薄膜的表面以及背面的至少其中一面的預定面積的區域的多個監測部位處，同時進行照射的監測光照射器；以及將來自所述監測光的所述薄膜的所述表面或所述背面的反射光以及透過光的至少其中一方的光強的時間變化進行測量，以作為與所述監測部位處的位置相關聯的光強分布的測量器。
16.一種結晶化狀態的原位置監測裝置，用於為了實現薄膜的結晶化以及促進結晶化過程而進行能量束照射的退火裝置，其特徵在於，在所述能量束照射之前、中間以及之後的至少中間或之後，將用來監測所述薄膜的結晶化狀態的監測光，對具有所述薄膜的預定面積的區域的多個監測部位，同時進行照射的監測光照射器；以及將來自所述監測光的所述薄膜的反射光或透過光的強度的時間變化進行測量，以作為與所述監測部位的位置相關聯的光強度分布的測量器，其中，所述測量器包括由光電面接收來自所述薄膜的反射光以及透過光的至少一方的光，而產生光電子的光電變換器；使所產生的光電子通過隨時間變化的電場中的電場產生器；接收所通過的光電子而將與所通過電子相對應的投影像形成的顯示面；以及對所述投影像的強度分布的時間變化進行測量的測量器。
17.如權利要求15或16所述的結晶化狀態的原位置監測裝置，其特徵在於，所述監測光照射器包括將所述監測光整形成帶狀，使該監測光的剖面在所述薄膜上包含所述多個監測部位。
18.一種退火裝置，採用如權利要求15到17中任一項的結晶化狀態的原位置監測裝置。
全文摘要
本發明提供一種結晶化狀態的原位置(in－situ)監測方法及裝置，在能量束的照射區域中，對於從熔融變換到固化以及結晶化的位置能夠進行監測，而且能將薄膜的結晶化狀態，以高時間解析度地、實時地進行正確監測。本發明結晶化狀態的原位置(in－situ)監測方法，用於達成薄膜的結晶化以及結晶化促進的至少一方而進行能量束照射的雷射退火處理，其特徵在於，在前述能量線照射之前、中間以及之後的至少中間或之後，將用來監視前述薄膜的結晶化狀態的監測光，直接地或透過前述襯底，對具有前述薄膜的表面以及背面的至少其中一面的預定面積的區域內的多個監測部位，同時進行照射，並且將來自前述監測光的前述薄膜的前述表面或前述背面的反射光以及透過光的至少一方的光強度的時間變化進行測量，作為與前述監視用部位處的位置相關聯的光強分布。
文檔編號H01L21/268GK1487577SQ03154879
公開日2004年4月7日 申請日期2003年8月20日 優先權日2002年8月29日
發明者高見芳夫 申請人:株式會社液晶先端技術開發中心