CN1238708C - 一种监测激光再结晶制程的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是先在基底上形成非晶硅薄膜，再利用具有照射间距的激光脉冲沿第一方向照射该薄膜使再结晶成为多晶硅薄膜，然后将测量光源聚焦成为直径小于照射间距的微光点，并使该微光点沿该第一方向且对该基底具有相对移动距离来照射该多晶硅薄膜以取得光谱。

Description

一种监测激光再结晶制程的方法

技术领域

本发明涉及一种监测(monitor)激光再结晶(laser crystallization，LC)制程的方法，特别涉及一种利用可变波长椭圆测量仪(variable wavelengthellipsometry)在线上(on-line)快速(quickly)监测激光再结晶制程的结果以及均匀性(uniformity)的方法。

背景技术

在现今平面显示器的产品中，液晶显示器(liquid crystal display，LCD)可谓其中最为热门的一项技术，凡日常生活中常见的手机、数码相机、摄像机、笔记本电脑以至于监视器均是利用此项技术所制造的商品。随着人们对于显示器视觉感受要求的提高，加上新技术应用领域不同的发展，更高画质、高解析度、高亮度且具低价位的平面显示器便成为未来显示技术发展的趋势，也造就了新的显示技术发展的原动力。而平面显示器中的低温多晶硅薄膜晶体管(low temperature polysilicon thin film transistor，LTPS TFT)液晶显示器(LCD)除了具有符合主动式驱动(actively drive)潮流的特性外，其技术也正是一个可以达到上述目标的重要技术突破。尤其是其具有将金属氧化物半导体以及低温多晶硅薄膜晶体管整合(integrated)在同一制程技术的优点，使系统面板(system on panel，SOP)的目标得以实现，因此成为各厂商所积极研究发展的对象。

但是在低温多晶硅薄膜晶体管液晶显示器的制作过程中，由于一般玻璃基板的耐热度只能到600℃左右，若在高温下直接制作多晶硅薄膜将会造成玻璃基板的扭曲变形，因此传统的多晶硅薄膜晶体管液晶显示器往往必须要使用价格昂贵的石英作为基材，应用范围因而也只能局限于小尺寸的液晶面板。目前另一种利用非晶硅(amorphous silicon，α-Si)薄膜(thin film)再结晶的低温多晶硅薄膜制作方法已应运而生并且成为主流，其中又以受激准分子激光退火(excimer laser annealing，ELA)制程格外受到重视。

请参考图1，图1为以受激准分子激光退火制程制作多晶硅薄膜的方法示意图。如图1所示，首先在玻璃基板10上沉积厚度约为500埃()的非晶硅薄膜12，接着将玻璃基板10置入一密闭的反应室(未显示)内，以进行受激准分子激光退火制程。其中，沉积非晶硅薄膜12的方法有许多种，诸如低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体辅助化学气相沉积法(PECVD)及溅射(sputtering)等，而在进行该受激准分子激光退火制程时，受激准分子激光(excimer laser，EL)的激光脉冲14可自反应室(未显示)上方透明窗口(未显示)照射至玻璃基板10表面的非晶硅薄膜12，并根据预先设定的制程范围以一种类似扫描的方式逐步扫描该制程范围内的所有区域，进而对该制程范围内的多晶硅薄膜12进行快速加热，再进行结晶(recrystallize)成为多晶硅薄膜(polysiliocon thin film，未显示)。

由于在受激准分子激光退火过程中，非晶硅薄膜会经由对激光深紫外光的吸收而达到快速的熔融再结晶，而且采用这种短时间脉冲激光所造成的快速吸收只会对非晶硅薄膜表面造成影响，所以玻璃基板能保持在低温状态而不至受到任何影响。一般来说，常用的受激准分子激光种类包含有XeCl激光、ArF激光、KrF激光以及XeF激光等，不同的分子会产生不同的波长，而所输出的能量密度则会根据非晶硅薄膜的厚度进行调整，以厚度为500埃的非晶硅薄膜为例，受激准分子激光输出的能量密度约为200至400mJ/m²。在完成该受激准分子激光退火制程之后，便可进一步进行后续液晶显示面板的其它制程，利用该多晶硅薄膜作为液晶显示器内的通道(source)或者源极/漏极(source/drain)，以构成液晶显示器面板中的驱动电路(driving circuit)或者逻辑电路(logic circuit)。

如前所述，由于非晶硅薄膜12的品质好坏对后续所形成的多晶硅薄膜特性影响很大，因此非晶硅薄膜沉积制程中的各参数(parameter)需要严格控制，使其能形成低氢含量(hydrogen content)、高膜厚均匀性(thicknessuniformity)以及低表面粗糙度(surface roughness)的非晶硅薄膜。另外在非晶硅薄膜12再结晶成为多晶硅薄膜的过程中，也有许多的变数(variables)会对再结晶完成后的晶粒大小(grain size)以及分布(distribution)有直接的影响，如激光能量密度的大小、激光能量空间上分布的均匀性、激光脉冲(pulse)的重叠(overlap)程度、进行激光退火时基板的温度以及周围的气氛(atmosphere)等。而当激光结晶过程中产生不均匀的现象时，通常会出现线条状的缺陷(strip type defect)。

有鉴于此，在完成受激准分子激光退火制程之后，通常会进行检测制程(inspection process)以监测(monitor)激光再结晶制程的结果以及均匀性。检测制程通常利用目测(visual inspection)法、利用扫描电子显微镜(SEM)观察法或者利用扩散电阻测量(spreading resistance measurement，SR measurement)法。

然而已知的监测激光再结晶制程的方法，都有其缺点。如目测法，不但无法客观评定结果，而且当基板尺寸越大时，越不适用。但利用扫描电子显微镜观察晶粒微观结构(microstructure)的方法，却又是属于一种破坏性检测(destructive inspection)，不但样品(sample)的制作与观测费时耗事，完全不具有时效性，而且对结晶的均匀性也不易作明确的判断。此外，扩散电阻测量法也是一种破坏性检测，因其为了增加薄膜导电度(filmconductivity)，故在测量时，必需在样品内掺入杂质(dope dopants)并加以活化(activated)，所以测量结果容易被杂质掺入或活化的均匀性所影响。

因此，如何能研究出一种新的监测激光再结晶制程的方法，其不仅为非破坏性检测(none destructive inspection)，更可以适用在任何尺寸的基板，而且应用在线上(on-line)时又能迅速(rapidly)且明确(definitely)地反应出再结晶制程的结果与均匀性，便成为十分重要的课题。

发明内容

本发明目的在于提供一种监测(monitor)激光再结晶(laser crystallization，LC)制程的方法，特别是一种利用可变波长椭圆测量仪(variable wavelengthellipsometry)在线上(on-line)快速(quickly)监测激光再结晶制程的结果以及均匀性(uniformity)的方法。

在本发明的最佳实施例中，先提供基底(substrate)，再在该基底上形成非晶硅薄膜，接着进行激光再结晶制程，利用激光脉冲沿第一方向照射该非晶硅薄膜以使该非晶硅薄膜再结晶成为多晶硅薄膜，且该激光脉冲具有照射间距(irradiation interval)，然后聚焦光学仪器(optical instrument)提供测量光源成为具有直径(diameter)的微光点，该微光点沿该第一方向照射该多晶硅薄膜取得至少测量光谱(measured spectra)，且该微光点对该基底具有相对移动距离，最后再进行比较步骤以比较各该测量光谱以及设定光谱(persetting spectrum)。其中该微光点的该直径小于该照射间距，且该微光点对该基底的该相对移动距离小于该照射间距。

由于本发明监测激光再结晶制程的方法，是利用生产线上所使用的可变波长椭圆测量仪，并将测量光源聚焦成为直径小于照射间距的微光点，且该微光点对基底的相对移动距离小于其照射间距，进而对多晶硅薄膜做非破坏性检测(none destructive inspection)，因此本发明不但能有效避免部分照射区间无法被取样(unable to be sampled)以及反应不出线条状缺陷的问题，而且更可方便地实施在生产线(on-line)上，并适用在任何尺寸的基板，且具有快速(rapidly)、明确(definitely)反应出再结晶制程的结果以及均匀性的优点。

附图说明

图1为以受激准分子激光退火制程制作多晶硅薄膜的方法示意图。

图2至图5为本发明受激准分子激光退火制程中制作并监测多晶硅薄膜的方法示意图。

图示的符号说明

10玻璃基板                    12非晶硅薄膜

14激光脉冲                    100绝缘基板

102非晶硅薄膜                 104承载平台

106移动装置                   108第一方向

112激光脉冲                   114第二方向

116多晶硅薄膜                 118偏振器

122测量光源                   124微型光雷管

126微光点                     128承载平台

132移动装置

具体实施方式

图2至图5为本发明受激准分子激光退火制程中制作并监测多晶硅薄膜116的方法示意图。如图2所示，首先在绝缘基板100上沉积厚度约为500埃()的非晶硅薄膜102。绝缘基板100为玻璃(glass)、石英(quartz)基板或者塑料(plastic)基板，而沉积非晶硅薄膜102的方法有许多种，诸如低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)以及溅射(sputtering)等。在形成非晶硅薄膜102之后，可另行黄光暨蚀刻制程(photo-etching-process，PEP)，以依照元件设计(device design)或者后续制程(subsequent process)的需要，而将非晶硅薄膜102蚀刻成为非晶硅图案(amorphous silicon pattern，未显示)。

如图3所示，将玻璃基板100置入密闭的反应室(未显示)内，进行受激准分子激光退火制程。其中，反应室(未显示)上方具有透明窗口(未显示)，使得受激准分子激光可自透明窗口(未显示)照射至玻璃基板100上方的非晶硅薄膜102，而受激准分子激光种类包含有XeCl激光、ArF激光、KrF激光以及XeF激光等，且不同的分子会产生不同的波长。

当进行受激准分子激光退火制程时，玻璃基板100被置放(dispose)在承载平台(carrier stage)104之上，承载平台104被移动装置(movingapparatus)106所驱动并沿第一方向108移动。由于承载平台104具有移动间距I₁(moving interval)，所以当位置固定(site fixed)的激光脉冲(laser pulse)112照射非晶硅薄膜102时，就等同于沿第二方向114(第一方向的相反方向(opposite direction))照射非晶硅薄膜102，以使非晶硅薄膜102再结晶(crystallized)成为多晶硅(polysilicon)薄膜(未显示)，同时激光脉冲112具有照射间距(irrdiation interval)I₂，而照射间距I₂相等于移动间距I₁。

当然，激光脉冲112也可以实施在预先设定的制程范围内。另外，激光脉冲112的照射间距I₂将造成特定的重叠率(overlapping ratio)，一般常采用的重叠率为90％以及95％。当激光脉冲112逐步扫过非晶硅薄膜102时，便会对非晶硅薄膜102进行快速加热，以再结晶(recrystallize)成多晶硅薄膜(未显示)。

如图4A与图4B所示，利用可变波长椭圆测量仪(variable wavelengthellipsometry，未显示)对已形成多晶硅薄膜116作检测。首先利用偏振器(polarizer)118筛选可变波长椭圆测量仪(未显示)所提供的测量光源(lightsource)122以形成偏振光(polarized light)，再利用微型光雷管(micro tube)124聚焦(focus)该偏振光成为具有直径d的微光点(micro spot)126，且微光点126的直径d小于照射间距I₂。

当进行检测时，玻璃基板100被置于承载平台128上，承载平台128被移动装置132所驱动并沿第一方向108移动。由于承载平台128具有移动距离D₁(moving distance)，所以就等同于位置固定(site fixed)的微光点126对玻璃基板100具有相对移动距离(relative moving distance)D_R。

移动距离D等于相对移动距离D_R，而相对移动距离D_R可能为正距离(positive distance)或者负距离(negative distance)，且相对移动距离D_R小于照射间距I₂。换句话说，即微光点126是沿第二方向114(第一方向的相反方向)或者第一方向108来照射多晶硅薄膜116并对多晶硅薄膜116做取样(sampling)，分别取得各样品(sample)的测量光谱(measured spectrum)。同时由于微光点126的直径d小于照射间距I₂且微光点126的相对移动距离D_R也小于照射间距I₂，故，完全不会有任何一次的激光脉冲照射间距无法被取样(unable to be sampled)，以至于线条状的缺陷无法被检测的顾虑。

取样的位置(site)以及数目多少(quantities)可依实际的需要而决定，并且被检测的基板可以为产品(product)或者测试基板(testing substrate)，如果如前所述在形成非晶硅薄膜之后另包含有该黄光暨蚀刻制程以将非晶硅薄膜蚀刻成为非晶硅图案时，微光点126可照射在基底上的测试区域(testing area，未显示)内的多晶硅薄膜116以取得测量光谱。

如图5所示，测量光谱为Cos(Delta)对光子能量的连续光谱(Cosδ-photon energy continuous spectrum)，在图5中可以很明显的看到，当非晶硅薄膜102的再结晶制程发生在最佳结晶能量密度(optimum crystallizationenergy density，Ec)时，与非晶硅薄膜102的再结晶制程发生在可接受的结晶能量密度(acceptable crystallization energy density，Ec±10mj/cm²)范围时的光谱有所不同，而此两者又与非晶硅薄膜102的再结晶制程发生在非容许结晶能量密度(not allowable crystallization energy density，Ec±20mj/cm²)范围时的光谱有所不同。

因此，在线上(on-line)操作时可以先内建代表该激光再结晶制程规格(spec)的设定光谱(pre setting spectrum)，再在进行检测制程之后进行比较步骤(comparison step)，以分别将各个测量所得的光谱与该设定光谱作比较，当测量光谱不符合规格时即代表该激光再结晶制程不被允许，进而监测(monitor)该激光再结晶制程。值得一提的是，在本发明方法中，亦可以利用外接的载子耦合照相机(external CCD camera)，收集微光点126所照射的显微结构影像(microstructure image)，进而通过影像的差异性来判断该激光再结晶制程是否被允许。

由于本发明的监测激光再结晶制程的方法，是利用可变波长椭圆测量仪，并将测量光源聚焦成为微光点，同时微光点的直径小于照射间距并且微光点对基底的相对移动距离小于照射间距。故，利用此种方法对多晶硅薄膜做检测时，不会产生任何破坏(destruction)，也不会衍生部分照射区间无法被取样(unable to be sampled)，不能反应出线条状缺陷的问题。此外，本发明方法亦能适用在实际生产的任何尺寸的基板，并可快速(rapidly)、明确(definitely)地反应出再结晶制程的结果以及均匀性，而且不论是在生产前利用测试基底来做检测，或者在生产后对测试基底或者产品做检测，均可有效地监测激光再结晶制程的效率(yield)，进而达到降低失败成本的目的。

对于已知监测激光再结晶制程的方法，本发明监测激光再结晶制程的方法，是利用生产线上所使用的可变波长椭圆测量仪，并将测量光源聚焦成为直径小于照射间距的微光点，且该微光点对基底的相对移动距离小于其照射间距，再通过测量光谱与多晶硅薄膜结晶特性间的相互关连性(correlation)以及比较的步骤，来对多晶硅薄膜做非破坏性检测(nonedestructive inspection)，因此本发明不但能有效避免部分照射区间无法被取样(unable to be sampled)以及反应不出线条状缺陷的问题，而且更可方便地实施在生产线(on-line)上，并适用在任何尺寸的基板，且具有快速(rapidly)、明确(definitely)反应出再结晶制程的结果以及均匀性的优点。

以上所述仅为本发明的最佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (16)

1.一种利用光学测量仪监测激光再结晶制程的方法，该方法包括下列步骤：

提供基底，且该基底的表面包含利用该激光再结晶所形成的多晶硅薄膜；

聚焦该光学仪器所提供的测量光源成为具有直径的微光点，使该微光点沿一个第一方向照射该多晶硅薄膜以取得至少一测量光谱，且该微光点对该基底具有相对移动距离；以及

进行比较步骤以比较该测量光谱以及设定光谱，其中该测量光谱为Cosδ-光子能量的连续光谱，并分别与代表该激光再结晶制程规格的内建的该设定光谱相比较，以监测该激光再结晶制程；

其中该微光点的该直径小于该微光点的照射间距，且该微光点对该基底的该相对移动距离小于该微光点的照射间距。

2.如权利要求1所述的方法，其中该基底包含玻璃基板、石英基板或者塑料基板。

3.如权利要求1所述的方法，其中该激光为受激准分子激光。

4.如权利要求3所述的方法，其中该受激准分子激光包含XeCl激光、ArF激光、KrF激光或者XeF激光。

5.如权利要求1所述的方法，其中形成该多晶硅薄膜的方法又包括下列步骤：

在该基底上形成非晶硅薄膜；以及

进行该激光再结晶制程，利用激光脉冲沿第一方向照射该非晶硅薄膜以使该非晶硅薄膜再结晶成为该多晶硅薄膜，且该激光脉冲具有照射间距。

6.如权利要求5所述的方法，其中形成该非晶硅薄膜的方法包括低压化学气相沉积制程、等离子体辅助化学气相沉积制程以及溅射制程。

7.如权利要求5所述的方法，其中在形成该非晶硅薄膜之后又包括黄光暨蚀刻制程，以将该非晶硅薄膜蚀刻成为非晶硅图案。

8.如权利要求7所述的方法，其中该微光点是照射该基底上的测试区域内的该多晶硅薄膜以取得各该测量光谱。

9.如权利要求5所述的方法，其中利用该激光脉冲沿该第一方向照射该非晶硅薄膜的方法又包括下列步骤：

将该基底置放在承载平台上；以及

利用移动装置驱动该承载平台沿该第一方向的相反方向移动，且该承载平台移动间距等于该照射间距。

10.如权利要求5所述的方法，其中该激光脉冲的该照射间距造成90％以上的重叠率。

11.如权利要求1所述的方法，其中该光学测量仪器为可变波长椭圆测量仪。

12.如权利要求11所述的方法，其中聚焦该测量光源成为该具有该直径的微光点的方法又包括下列步骤：

利用偏振器筛选该测量光源以形成偏振光；以及

利用微型光雷管聚焦该偏振光成为该具有该直径的微光点。

13.如权利要求1所述的方法，其中该微光点沿该第一方向照射该多晶硅薄膜并对该基底具有相对移动距离的方法又包括下列步骤：

将该基底置放在承载平台上；以及

利用移动装置驱动该承载平台沿该第一方向移动，且该承载平台的移动距离等于该相对移动距离。

14.如权利要求1所述的方法，其中该相对移动距离包括正距离或者负距离。

15.如权利要求1所述的方法，其中该微光点的该直径小于该照射间距且该微光点的该相对移动距离小于该照射间距，其用以防止各该激光脉冲的照射间距无法被取样。

16.如权利要求1所述的方法，其中该光学仪器又包括外接载子耦合照相机以撷取该多晶硅薄膜的显微结构影像。

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