CN1270367C - 多晶硅薄膜的晶粒尺寸的控制及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多晶硅薄膜的晶粒尺寸的控制及其检测方法。首先，提供一第一衬底，其上覆盖有一第一非晶硅层。接着，分别以不同能量密度的激光对第一非晶硅层实施退火处理，以形成多个第一多晶硅区。之后，藉由全光谱椭圆仪测量每一第一多晶硅区在一既定光子能量范围的光谱变化，并经由量化后得到一判断指标，以决定可形成最大多晶硅晶粒尺寸的激光能量密度。接着，提供一第二衬底，其上覆盖有一第二非晶硅层。最后，以上述激光能量密度对第二非晶硅层实施退火处理，以获得最大多晶硅晶粒尺寸，并再藉由椭圆仪检测其晶粒尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体薄膜的检测方法，特别涉及一种利用椭圆仪(ellipsometer)来检测多晶硅薄膜晶粒尺寸是否合乎规格的方法，藉以控制结晶用的激光能量密度而改善元件特性及优良率。
背景技术
目前的薄膜晶体管液晶显示器(thin film transistor-liquid crystal display，TFT-LCD)技术分为两种，一为传统的非晶硅薄膜晶体管，另一为多晶硅薄膜晶体管。由于多晶硅薄膜晶体管的电子移动速度为非晶硅薄膜晶体管的10倍到100倍之间。因此，TFT-LCD业界已开始着手进行研究及发展，以多晶硅薄膜晶体管作为像素(pixel)开关元件及LCD周边的驱动电路。
上述多晶硅薄膜晶体管的制作通常采用低温多晶硅(low temperaturepolysilicon，LTPS)工艺。所谓的LTPS工艺利用准分子激光退火处理(excimerlaser annealing，ELA)使原先的非晶硅薄膜转变成多晶硅结构。由于工艺温度在600℃以下，所以适用于透明的玻璃衬底。多晶硅薄膜晶体管的电子移动速度与多晶硅薄膜的晶粒尺寸有关。亦即，多晶硅薄膜晶体管的电子移动速度随着多晶硅薄膜的晶粒尺寸增加而增加。再者，多晶硅薄膜的晶粒尺寸与施加于非晶硅薄膜的激光能量密度有关。因此，有必要对多晶硅薄膜进行检测以决定出使用的激光能量密度，进而控制多晶硅薄膜的晶粒尺寸。
为了检测多晶硅薄膜晶粒尺寸，传统上利用500到1000倍以上的光学显微镜来观察薄膜表面粗糙度(roughness)以作为多晶硅薄膜的晶粒尺寸指标，由于此种方式十分依赖人类肉眼，因此无法获得精确的测量结果且不适用于大尺寸衬底。另外，另一传统检测方式为采用扫描电子显微镜(scanning electron beam microscope，SEM)来检测多晶硅薄膜的晶粒尺寸。然而，上述方法为破坏性(destructive)检测，且须耗费许多时间来制作样本及观测，而严重地影响产能。为了缩短测量时间，也有人建议使用原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)。尽管AFM可测量及观察晶粒尺寸，然而分析一个点也要花费30分钟而不适用于多点分析。
现今，亦有人使用椭圆仪来作检测，其在光谱测量完毕后，利用有效质量近似法(effective medium approximation，EMA)或色散定律(dispersionlaw)来作光谱回归。然而，上述方法无法精确地获得最佳的激光能量密度及结晶率(crystalline ratio)，特别是当多晶硅薄膜处于超级横向成长(superlateral growth，SLG)时。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种多晶硅薄膜的检测方法，其藉由椭圆仪测量多晶硅薄膜的光谱变化，经由量化而获得一判断指标以精确地、快速地检测多晶硅薄膜的晶粒尺寸，并取代传统离线(off-line)的破坏性检测而有效提高产能。
本发明的另一目的在于提供一种多晶硅薄膜的晶粒尺寸的控制方法，其藉由不同激光能量密度所获得的判断指标来决定出激光退火处理的最优化激光能量密度，以控制多晶硅薄膜的晶粒尺寸。
根据上述的目的，本发明提供一种多晶硅薄膜的检测方法。首先，提供一衬底，其上覆盖有一非晶硅层。然后，以具有一既定能量密度的一激光对非晶硅层实施退火处理，以将非晶硅层转变成一多晶硅层。最后，藉由一光学仪器测量多晶硅层反射的在一既定光子能量范围的光的相位差变化及光强度变化的一种，经由计算相位差变化及光强度变化的一种的曲线的最小斜率值而获得一判断指标，以藉由判断指标来监测多晶硅层的晶粒尺寸。
又根据上述的目的，本发明提供一种多晶硅薄膜的晶粒尺寸的控制方法。首先，提供一第一衬底，其上覆盖有一第一非晶硅层。接着，分别以具有不同第一既定能量密度的激光对第一非晶硅层实施退火处理，以在第一非晶硅层中形成晶粒尺寸互不相同的多个第一多晶硅区。接着，藉由一光学仪器测量这些第一多晶硅区反射的在一既定光子能量范围的光的相位差变化及光强度变化的一种，经由计算相位差变化及光强度变化的一种的曲线的最小斜率值而获得多个判断指标，以藉由这些判断指标决定一第二既定能量密度。接着，提供一第二衬底，其上覆盖有一第二非晶硅层。最后，以具有第二既定能量密度的激光对第二非晶硅层实施退火处理，以控制第二非晶硅层转变成一第二多晶硅层的晶粒尺寸。第二既定能量密度是可符合多晶硅晶粒尺寸规格的能量密度。
上述激光为一准分子激光，且第一既定能量密度在300到500mJ/cm2的范围。
既定光子能量范围在2.2到2.7电子伏特(eV)之间，且优选的既定光子能量范围在2.3到2.5电子伏特(eV)之间。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：
图1是示出根据本发明实施例的多晶硅薄膜检测方法的流程图；
图2是示出根据本发明实施例的椭圆仪检测的示意图；
图3是示出根据本发明实施例的多晶硅薄膜的晶粒尺寸的控制方法的流程图；以及
图4是示出根据本发明实施例的相位差与光子能量的关系的曲线图。
附图中的附图标记说明如下：
100～衬底； 102～多晶硅层；
200～光源产生器； 202～偏光器；
204～旋转分析仪； 206～侦测器；
L～测量光。
具体实施方式
图1是示出根据本发明实施例的多晶硅薄膜检测方法的流程图。首先，进行步骤S10，提供一衬底，例如一透明玻璃衬底，此衬底上形成有一非晶硅(α-Si)层。在本实施例中，此衬底用以制作薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)。衬底上的非晶硅层用于后续制作薄膜晶体管的通道层。此非晶硅层可藉由化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)或其他方法形成，其厚度约在300到1000埃()的范围。
接下来，进行步骤S12，以具有一既定能量密度的一激光对非晶硅层实施退火处理，例如准分子激光退火处理(ELA)，以将非晶硅层转变成一多晶硅(p-Si)层。在本实施例中，激光的既定能量密度在300到500mJ/cm2的范围。
接下来，进行步骤S14，藉由一光学仪器，例如一全光谱椭圆仪(spectroscopic ellipsometer)，来测量多晶硅层的光谱变化，例如相位差(phase difference，cos(delta))变化或光强度变化(tan(psi))。
请参照图2，其示出根据本发明实施例的椭圆仪检测的示意图。由一光源产生器200提供一测量光L，并通过一偏光器(polarizer)202形成与入射面平行的偏振光(p-polarized light)(未示出)及与入射面垂直的偏振光(s-polarized light)(未示出)投射至玻璃基底100上的多晶硅层102。两偏振光经由多晶硅层102反射至旋转分析仪(analyzer)204及侦测器206。之后，可藉由旋转分析仪204及侦测器206得知两反射偏振光在一既定光子能量(photo energy)范围的光谱变化，例如相位差(cos(delta))变化或光强度变化(tan(psi))。在本实施例中，既定光子能量范围在2.2到2.7电子伏特(eV)之间，而优选的既定光子能量范围在2.3到2.5电子伏特(eV)之间。
经由本发明人实验发现，当多晶硅层形成有最大晶粒尺寸时，两反射偏振光在上述既定光子能量范围中，光谱有明显的变化。
最后，进行步骤S16，藉由椭圆仪的测量结果来监测多晶硅层的晶粒尺寸。上述光谱变化经由量化计算可得到一判断指标。在本实施例中，以相位差变化作范例，在既定光子能量范围(例如，2.3eV～2.5eV)中，计算光谱最小的斜率值以作为判断指标。藉由此判断指标可决定多晶硅层的结晶尺寸是否合乎规格，而达到监控多晶硅层的目的。由于利用椭圆仪检测无须破坏衬底，因此可降低制造成本及缩短测量时间。再者，椭圆仪可整合于激光退火处理系统，因此可做在线(in-line)检测。当晶粒尺寸不符合工艺要求时，可以立即提出警告，使工艺人员立即检查及调整激光的能量密度以再度获得最佳的晶粒尺寸而确保后续产品的优良率。再者，激光退火工艺属于低温多晶硅工艺的前段工艺，再此到工艺检测出异常产品并及时予以报废或重制(rework)，可有效减少成本。
本发明进一步提出多晶硅薄膜的晶粒尺寸的控制方法。请参照图3，其示出根据本发明实施例的多晶硅薄膜的晶粒尺寸的控制方法的流程图。首先，进行步骤S20，提供一测试衬底，例如透明玻璃衬底，衬底上形成有一非晶硅(α-Si)层。在本实施例中，测试衬底供测量机器用。
接下来，进行步骤S22，分别以具有不同既定能量密度的激光对测试衬底上的非晶硅层实施退火处理，例如准分子激光退火处理(ELA)，以在非晶硅层中形成多个多晶硅(p-Si)区。在本实施例中，激光的既定能量密度在300到500mJ/cm2的范围。
接下来，进行步骤S24，由于施加于测试衬底上的激光能量密度不同，因此衬底上每一多晶硅区形成的晶粒尺寸亦不相同。可藉由图2的椭圆仪检测装置来测量测试衬底上的这些多晶硅区在一既定的光子能量范围的光谱变化，例如相位差(cos(delta))变化或光强度变化(tan(psi))。同样地，既定光子能量范围在2.2到2.7电子伏特之间，而优选的既定光子能量范围在2.3到2.5电子伏特之间。
举例而言，提供一测试衬底，且在300到500mJ/cm2的能量密度范围中选取不同的既定激光能量密度A、B、C、D、及E而分别对测试衬底实施退火处理，以在测试衬底上形成不同晶粒尺寸的多晶硅区。接着，测量每一多晶硅区的相位差与光子能量(2.2eV～2.7eV)的关系，其结果示于图4。
接下来，进行步骤S26，从图4中决定出退火处理的优选的激光能量密度范围。在图4中的曲线代表相位差随光子能量的变化，其经由量化可得到对应的判断指标，藉由这些判断指标以决定出退火处理的优选的激光能量密度范围。在本实施例中，判断指标由既定光子能量范围(例如，2.3eV～2.5eV)中，计算曲线的最小斜率值所得。经由量化计算求得的判断指标明显使得曲线A、B、及C与曲线D、E产生区隔。亦即，以具有既定能量密度A、B、及C的激光实施退火处理的多晶硅区，其晶粒尺寸可符合规格。因此，优选的激光能量密度范围在B与C之间。
接下来，进行步骤S28，提供一产品衬底，例如一透明玻璃衬底，其上形成有一非晶硅(α-Si)层。此处，产品衬底用于制作薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)，且非晶硅层用于后续制作薄膜晶体管的通道层。
最后，进行步骤S30，利用具有既定能量密度A的激光对产品衬底上的非晶硅层实施退火处理，藉以控制非晶硅层转变成多晶硅层的晶粒尺寸。再者，可进行图1的步骤S14到S16，以实施在线检测。当晶粒尺寸不符合工艺要求时，可以立即提出警告，使工艺人员立即检查及调整激光的能量密度以再度获得最佳的晶粒尺寸而确保后续产品的优良率。
与现有技术相比，本发明的方法可精确地在线检测多晶硅薄膜的晶粒尺寸，因此可提高优良率并增加产能。再者，由于椭圆仪进行检测为非破坏性检测，因此可降低制造成本。
虽然本发明已以优选实施例公开如上，但是其并非用以限定本发明，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可作更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以所附的权利要求所确定的为准。
Claims (15)
1.一种多晶硅薄膜的检测方法，包括下列步骤：
提供一衬底，该衬底上覆盖有一非晶硅层；
以具有一既定能量密度的一激光对该非晶硅层实施退火处理，以将该非晶硅层转变成一多晶硅层；以及
藉由一光学仪器测量该多晶硅层反射的在一既定光子能量范围的光的相位差变化及光强度变化的一种，并经由计算所述相位差变化及光强度变化的一种的曲线的最小斜率值而获得一判断指标，以藉由判断指标来监测该多晶硅层的晶粒尺寸。
2.如权利要求1所述的多晶硅薄膜的检测方法，其中该衬底是一玻璃衬底。
3.如权利要求1所述的多晶硅薄膜的检测方法，其中该激光为一准分子激光。
4.如权利要求3所述的多晶硅薄膜的检测方法，其中该既定能量密度在300到500mJ/cm2的范围。
5.如权利要求1所述的多晶硅薄膜的检测方法，其中该光学仪器为一全光谱椭圆仪。
6.如权利要求1所述的多晶硅薄膜的检测方法，其中该既定光子能量范围在2.2到2.7电子伏特之间。
7.如权利要求1所述的多晶硅薄膜的检测方法，其中该既定光子能量范围在2.3到2.5电子伏特之间。
8.一种多晶硅薄膜的晶粒尺寸的控制方法，包括下列步骤：
提供一第一衬底，该第一衬底上覆盖有一第一非晶硅层；
分别以具有不同第一既定能量密度的激光对该第一非晶硅层实施退火处理，以在该第一非晶硅层中形成晶粒尺寸互不相同的多个第一多晶硅区；
藉由一光学仪器测量该些第一多晶硅区反射的在一既定光子能量范围的光的相位差变化及光强度变化的一种，并经由计算所述相位差变化及光强度变化的一种的曲线的最小斜率值而获得多个判断指标，以藉由这些判断指标决定一第二既定能量密度；
提供一第二衬底，该第二衬底上覆盖有一第二非晶硅层；以及
以具有该第二既定能量密度的激光对该第二非晶硅层实施退火处理，以控制该第二非晶硅层转变成一第二多晶硅层的晶粒尺寸，
其中该第二既定能量密度为可符合多晶硅晶粒尺寸规格的能量密度。
9.如权利要求8所述的多晶硅薄膜的晶粒尺寸的控制方法，还包括藉由该光学仪器测量该第二多晶硅层反射的在该既定光子能量范围的光的相位差变化及光强度变化的一种，并经由计算所述相位差变化及光强度变化的一种的曲线的最小斜率值而获得一判断指标，以藉由判断指标来监测该第二多晶硅层的晶粒尺寸的步骤。
10.如权利要求8所述的多晶硅薄膜的晶粒尺寸的控制方法，其中该些第一衬底及该第二衬底为玻璃衬底。
11.如权利要求8所述的多晶硅薄膜的晶粒尺寸的控制方法，其中该激光为一准分子激光。
12.如权利要求11所述的多晶硅薄膜的晶粒尺寸的控制方法，其中该些第一既定能量密度在300到500mJ/cm2的范围。
13.如权利要求8所述的多晶硅薄膜的晶粒尺寸的控制方法，其中该光学仪器为一全光谱椭圆仪。
14.如权利要求8所述的多晶硅薄膜的晶粒尺寸的控制方法，其中该既定光子能量范围在2.2到2.7电子伏特之间。
15.如权利要求8所述的多晶硅薄膜的晶粒尺寸的控制方法，其中该既定光子能量范围在2.3到2.5电子伏特之间。
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