JP2005005451A

JP2005005451A - Crystallizing method, crystallizing device, thin-film transistor, manufacturing method therefor and display device

Info

Publication number: JP2005005451A
Application number: JP2003166585A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Takami; 芳夫高見
Original assignee: Advanced LCD Technologies Development Center Co Ltd
Current assignee: Advanced LCD Technologies Development Center Co Ltd
Priority date: 2003-06-11
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2005-01-06

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a crystallizing-state monitor method by which the annealed state of the amount of a light in a trace quantity changing at a high speed, a crystallizing-state monitor, a crystallizing device, a crystallizing method and a thin-film transistor and a display device. <P>SOLUTION: The crystallizing method has a process in which a crystallized thin-film is irradiated with energy beams, and the thin-film is melted and crystallized in a temperature-drop process; a step where reflected beams generated by irradiating a place irradiated with energy beams in the crystallized thin-film or the rear of the place with monitor beams are received; the step where a received optical image is converted into an electric signal changing with time; and the step where a monitor information under the crystallized state is output from the electric signal. An information in the predetermined first direction is lengthened in the monitor information. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶化方法、結晶化装置、薄膜トランジスタの製造方法、薄膜トランジスタおよび表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明者等は、大型画面用液晶表示装置の開発を行っている。例えば、液晶表示装置の画素部用スイッチング素子は、高速動作が要求されるため結晶化シリコン薄膜に形成されている。スイッチング素子は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）により構成されている。結晶化シリコン薄膜の形成は、大型ガラス基板上に形成された非晶質シリコン薄膜を結晶化する技術である。非晶質半導体薄膜の結晶化法は、レーザアニール法が用いられ、微結晶粒からなる多結晶半導体が形成され、この多結晶粒をラテラル成長させて大粒径の結晶粒を形成する方法である。
【０００３】
大粒径の結晶粒の開発は、現在数ミクロン以上の大きさの結晶粒が開発され、一つの結晶粒に１個又は複数個の薄膜トランジスタを形成できるまでになっている。この薄膜トランジスタにより構成された液晶表示装置は、大型画面前面に渉って均一なカラー像を再生することができ、高速スイッチングできるまでになっている。このような特徴を有する大粒径の結晶粒の製造は、品質管理された信頼性の高い製造が必要である。
【０００４】
品質管理された信頼性の高い製造の手段としては、結晶化プロセスを監視しながら製造することである。結晶化シリコンの製造は、所定の基板上に非晶質シリコン薄膜を形成した後、この非晶質シリコン薄膜を結晶化するために前記非晶質シリコン薄膜にアニール用レーザ光を照射し、前記非晶質シリコン薄膜を溶融させ、溶融温度の降下工程において結晶化される。このとき、結晶化プロセスの監視手段として、前記アニール用レーザ光の照射箇所にモニタ光を照射し、該モニタ光の反射光強度を検出することにより、前記非晶質シリコン薄膜が溶融した時間を測定する方法がある（例えば、非特許文献１を参照。）。
【０００５】
【非特許文献１】
エム・ハタノ（Ｍ．Ｈａｔａｎｏ）、エス・ムーン（Ｓ．Ｍｏｏｎ）、エム・リー（Ｍ．Ｌｅｅ）、ケイ・スズキ（Ｋ．Ｓｕｚｕｋｉ）及びシー・ピー・グリゴロポラス（Ｃ．Ｐ．Ｇｒｉｇｏｒｏｐｏｕｌｏｓ）、「シリコン薄膜の溶融及び再固化におけるエキシマレーザ誘起温度場（ＥｘｃｉｍｅｒＬａｓｅｒ−ＩｎｄｕｃｅｄＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＦｉｅｌｄｉｎＭｅｌｔｉｎｇａｎｄＲｅｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｉｌｉｃｏｎＴｈｉｎＦｉｌｍｓ）」、応用物理学誌（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ）、第８７巻、第１号、第３６〜４３頁、２０００年
【０００６】
上記非特許文献１によれば、モニタ光についてのシリコン薄膜からの反射光は、１ナノ秒（以下「ｎｓ」と表記する。）の応答時間すなわち１ｎｓの時間分解能を有するシリコンＰＮ接合フォトダイオード型光検出器で検出され、検出信号波形の時間的変化が１ＧＨｚである周波数信号をサンプルするサンプリングオシロスコープで計測される。
【０００７】
前記シリコン薄膜は、数十ｎｓ〜１００ｎｓ間の前記アニール用レーザ光の照射により溶融し、その後の固化過程において結晶化しまたは結晶粒の成長が生じる。その結果、前記シリコン薄膜は非晶質から多結晶質に変化する。溶融から固化終了までの時間は数百ｎｓである。前記シリコン薄膜は、溶融により反射光強度が増し、溶融後の固化により反射光強度が減少する。溶融および固化時の前記シリコン薄膜の反射光強度の時間的変化は前記光検出器で検出され、これにより、前記シリコン薄膜の溶融時間が測定される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、非特許文献１に記載の方法では、前記シリコン薄膜の溶融時間を測定するのみである。また、非特許文献１に記載の方法は、前記モニタ光の前記シリコン薄膜における照射面積は１μｍ径程度であり、前記シリコン薄膜の局所的な一部のみについてその溶融時間を測定する方法である。
【０００９】
このため、上記非特許文献１に記載の方法によっては、アニール用レーザ光の照射により前記非晶質シリコン薄膜のどの位置に溶融が生じたか、すなわち前記非晶質シリコン薄膜の溶融領域を特定することができない。当然ながら、前記溶融領域の時間的変化を測定することもできない。このような不確かな評価をされたシリコン薄膜を有するシリコン薄膜トランジスタを液晶表示装置のスイッチング素子として用いた場合、該スイッチング素子における電気的特性に不良が生じていた。
【００１０】
さらに、非特許文献１に記載の方法では、結晶成長に重要な位置情報（ラテラル成長）１μｍ程度の面積の１ｎｓｅｃ以下の急峻な変化、微小光の変化を測定することができない。トランジスタの微細化を図り、高集積化することでより高性能なディスプレイを実現するためには、膜上の非晶質シリコン膜上のどの位置にどのような過程で結晶化するかをモニタリングすることが、プロセス開発上でも、生産管理上でも、品質管理上においても重要になる。
【００１１】
さらに、非晶質シリコン膜のレーザ結晶化時のラテラル成長のスピードは、７ｍ／ｓｅｃと推定されており、かつ現在発表されている結晶成長のサイズは、最大数μｍ程度である。従って、結晶化のラテラル成長をリアルタイムでモニタリングするためには、結晶成長に要する時間
（１０⁻ ^６ｍ／（７ｍ／ｓｅｃ）≒１０⁻ ^７ｓｅｃ＝１００ｎｓｅｃ）
の少なくとも１桁以上（１０ｎｓｅｃ以上）の時間分解能で（空間的にはサブμｍの分解能で）測定することが必要である。
【００１２】
さらに、モニタ光を結晶成長部に照射し、結晶成長部からの反射率変化法のデータによれば、相変化（固体→液体→固体）の時間は、１０ｎｓｅｃ程度である。結晶化のラテラル成長をリアルタイムでモニタリングするためには、１０ｎｓｅｃの１／１０で１ｎｓｅｃ程度の分解能が必要となる。このようにレーザ結晶化法によるラテラル成長を監視（モニタリング）するためには、非常に短い１ｎｓｅｃ以下の時間分解能での測定が可能であること、従って、監視対象が空間的に非常に狭い１μｍ以下の領域での測定が可能であること、光量が不足し、像として測定できない条件での測定が可能であることなどの課題があった。時間（秒）や距離（ｍ）での測定に比べると、光量が１０^−９×１０^−６程度の微小光であり、露光の課題があった。
【００１３】
本発明の目的は、高速で変化する微小光量のアニール状態を監視することができる結晶化状態監視方法、結晶化状態監視装置、結晶化装置、結晶化方法、薄膜トランジスタおよび表示装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決する手段】
本発明に係る結晶化方法は、被結晶化薄膜にエネルギー線を照射して溶融し、降温過程において結晶化する工程と、前記被結晶化薄膜のエネルギー線により照射された位置又は当該位置の裏面にモニタ光を照射することにより発生した反射光を受光するステップと、前記受光した光学像を径時的に変化する電気信号に変換するステップと、前記電気信号から前記結晶化状態の監視情報を出力するステップとを具備し、前記監視情報は予め定められた第１の方向の情報を伸張した情報であることを特徴とする。
【００１５】
好ましくは、前記第１の方向の情報は、比較的結晶化成長の速い方向であることを特徴とする。
【００１６】
好ましくは、前記監視情報は、比較的結晶化成長の速い方向の情報を伸張し、比較的結晶化成長の遅い方向情報を圧縮した情報であることを特徴とする。
【００１７】
好ましくは、前記監視情報は、前記反射光を受光するステップにおいてシリンドリカルレンズにより受光することを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る他の結晶化方法は、被結晶化薄膜にエネルギー線を照射して溶融し、降温過程において結晶化する工程と、前記被結晶化薄膜のエネルギー線により照射された位置又は当該位置の裏面を撮像するステップと、前記撮像した光学像を径時的に変化する電気信号に変換するステップと、前記電気信号から前記結晶化状態の監視情報を出力するステップとを具備し、前記監視情報は予め定められた第１の方向の情報を伸張した情報であることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係るさらに他の結晶化方法は、被結晶化薄膜にエネルギー線を照射して溶融し、降温過程において結晶化する工程と、前記被結晶化薄膜のエネルギー線により照射された位置又は当該位置の裏面を撮像するステップと、前記撮像した光学像を径時的に変化する電気信号に変換するステップと、前記電気信号から前記結晶化状態の監視情報を表示し記憶するステップとを具備し、前記監視情報は予め定められた第１の方向の情報を伸張した情報であることを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る結晶化装置は、被結晶化薄膜にエネルギー線を照射して溶融し、降温過程において結晶化する手段と、前記被結晶化薄膜のエネルギー線により照射された位置又は当該位置の裏面にモニタ光を照射することにより発生した反射光を受光する光学系と、前記受光した光学像を径時的に変化する電気信号に変換する手段と、前記電気信号から前記結晶化状態の監視情報を出力する手段とを具備し、前記監視情報は予め定められた第１の方向の情報を伸張した情報であることを特徴とする。
【００２１】
好ましくは、前記第１の方向の情報は、比較的結晶化成長の速い方向であることを特徴とする。
【００２２】
好ましくは、前記監視情報は、比較的結晶化成長の速い方向の情報を伸張し、比較的結晶化成長の遅い方向情報を圧縮した情報であることを特徴とする。
【００２３】
好ましくは、前記監視情報は、前記光学系においてシリンドリカルレンズにより受光することを特徴とする。
【００２４】
本発明に係る他の結晶化装置は、被結晶化薄膜にエネルギー線を照射して溶融し、降温過程において結晶化する手段と、前記被結晶化薄膜のエネルギー線により照射された位置又は当該位置の裏面を撮像する光学系と、前記撮像した光学像を径時的に変化する電気信号に変換する手段と、前記電気信号から前記結晶化状態の監視情報を出力する手段とを具備し、前記監視情報は予め定められた第１の方向の情報を伸張した情報であることを特徴とする。
【００２５】
好ましくは、前記撮像した光学像を径時的に変化する電気信号に変換する手段は、ストリークカメラであることを特徴とする。
【００２６】
本発明に係るさらに他の結晶化装置は、被結晶化薄膜にエネルギー線を照射して溶融し、降温過程において結晶化する手段と、前記被結晶化薄膜のエネルギー線により照射された位置又は当該位置の裏面を撮像する光学系と、前記撮像した光学像を径時的に変化する電気信号に変換する手段と、前記電気信号から前記結晶化状態の監視情報を表示し、記憶する手段とを具備し、前記監視情報は予め定められた第１の方向の情報を伸張した情報であることを特徴とする。
【００２７】
本発明に係る薄膜トランジスタの製造方法は、非単結晶半導体薄膜にエネルギー線を照射して溶融し、降温過程において結晶化し、この結晶化された半導体薄膜に薄膜トランジスタを形成するに際し、前記非単結晶半導体薄膜の溶融状態および結晶化状態をストリークカメラにより撮像し、結晶化状態を監視しながら非単結晶半導体薄膜の予め定められた領域を結晶化することを特徴とする。
【００２８】
本発明に係る薄膜トランジスタは、前記結晶化方法または前記結晶化装置を用いて製造されたことを特徴とする。
【００２９】
本発明に係る表示装置は、所定の間隙を介して互いに接合した一対の基板と、この間隙に保持された電気光学物質とを有し、一方の基板には対向電極を形成し、他方の基板には画素電極及びこれを駆動する薄膜トランジスタが半導体薄膜に形成された表示装置であって、前記半導体薄膜は、非単結晶半導体薄膜の溶融状態および結晶化状態をストリークカメラにより撮像し、結晶化状態を監視しながら非単結晶半導体薄膜の予め定められた領域を結晶化した半導体膜であることを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。結晶化装置の実施形態を図１を参照して説明する。図１（ａ）は、結晶化のためのエネルギー線の照射面と反対側の裏面側で結晶化状態の高速変化を監視する実施形態である。図１（ｂ）は、結晶化のためのエネルギー線の照射面と同一側の表面側で結晶化状態の高速変化を監視する実施形態である。
【００３１】
裏面側での結晶化状態の監視は、図１（ａ）に示すようにレーザアニーラ１と、結晶化状態の監視装置２とからなる。レーザアニーラ１は、エネルギー線の照射源例えばＫｒＦエキシマレーザ光源３からのレーザ光を、光学系４を介して被処理体５の表面に結像される構成になっている。被処理体５は、たとえばガラス基板上に絶縁膜を介して成膜された非晶質半導体層と、この非晶質半導体層上に形成された保護膜である酸化絶縁膜（キャップ膜）とからなる。この酸化絶縁膜上方には、近接して位相シフタ６が配設されてレーザアニーラ１が構成されている。監視装置２は、モニタ光照射光学系７ａと、モニタ光により照射された結晶化状態からの反射光を受光し、結晶化状態を監視する監視部７ｂとを備える装置である。
【００３２】
表面側での結晶化状態の監視は、図１（ｂ）に示すようにレーザアニーラ１と、結晶化状態を表面側から監視する監視装置２とからなる。図１（ｂ）には、図１（ａ）と同一部分に同一符号が付与されており、その詳細な説明は重複するので省略する。結晶化用レーザ光が照射される表面側での結晶化状態の監視を可能にするためにレーザアニーラ１の構成は、位相シフタ６と被処理基板５との間には結像光学系８が設けられている。光学系４の収束位置に位相シフタ６が設けられ、結像光学系８の収束位置に被処理基板５が設けられている。
【００３３】
監視装置２は、結晶化状態の撮像をストリークカメラにより実行するのが好適である。ストリークカメラは、エキシマレーザ光の照射を基準とする時刻と、基板上の一軸方向の反射強度変化との関係を一度の測定で取得することができる装置である。結晶化状態の監視には、結晶化状態像の水平方向又は垂直方向の一方の方向を伸張又は圧縮した撮像情報を出力する処理が行われる。上記結晶化状態像の水平方向又は垂直方向の一方の方向を伸張又は圧縮手段は、光学的手段又は電気的手段により行うことができる。上記光学的手段は、例えばレーザアニーラ１にシリンドリカルレンズを配設することである。電気的手段は、例えばストリークカメラ出力回路に伸張回路又は伸縮回路を接続することである。上記結晶化状態像の水平方向又は垂直方向の一方の方向を伸張又は圧縮手段は、例えばミクロンオーダの領域からの微小光をＳ／Ｎ比よくストリークカメラに結像させるために水平（Ｘ）方向と垂直方向（Ｙ）拡大率を変えることである。撮像情報のうち例えば横方向の情報を拡大することであり、縦方向の情報を縮小することである。この結果、ミクロンオーダの大きさの結晶化状態部からナノ秒間の時間での撮像を可能にするものである。
【００３４】
本発明に係る、アニール用レーザ光の照射によって半導体薄膜に生じた溶融領域の時間的変化を監視する方法の実施の形態について、図２を参照して説明する。薄膜１０をアニールするためのレーザ光１２を照射する。薄膜１０として、例えば、シリコンを主成分とする薄膜、水素化アモルファスシリコン薄膜、スパッタシリコン薄膜、シリコンゲルマニウム薄膜、及び脱水素処理したアモルファスシリコン薄膜等の、成膜化された非晶質（以下「アモルファス」とう。）半導体薄膜を用いることができる。レーザ光１２の照射により薄膜１０の一部は溶融し、溶融後の固化過程において薄膜が結晶化される。図２に示す例では、結晶の成長は矢印１４の方向に進行する。レーザ光１２の照射の間またはその直後に、モニタ光１６を薄膜１０に照射する。
【００３５】
モニタ光１６の一部は薄膜１０で反射される。この反射光１８を、シリンドリカルレンズ２０に通し、光電効果を利用した光電変換装置、例えばストリーク管２２の光電変換部２４の光感知面すなわち光電面２６に受ける。
【００３６】
シリンドリカルレンズ２０の断面形状（母線に直角な断面）について、図示の例では、曲率の異なる２つの曲線で形成された断面形状としている。この例では、シリンドリカルレンズ２０を通った光は、該シリンドリカルレンズ２０の断面内方向に集光される。これに代えて、シリンドリカルレンズ２０の前記断面形状について、シリンドリカルレンズ２０を通った光が該シリンドリカルレンズ２０の断面内方向に発散されるような断面形状としてもよい。このように、断面形状を適切に選択したシリンドリカルレンズ２０は、シリンドリカルレンズ２０を通った光を光電面２６の全面に入射させることができる。また、シリンドリカルレンズ２０の配置位置を変更することによっても、シリンドリカルレンズ２０を通った光を光電面２６全面に入射させることができる。
【００３７】
薄膜１０の結晶成長の測定では、薄膜１０に生じる結晶成長の方向とシリンドリカルレンズ２０の母線の方向とが一致するように、反射光１８をシリンドリカルレンズ２０に通すことにより結像させて、測定精度が向上する。図示の例では、光電面２６は、細長い矩形状の平面形状を有する。
【００３８】
光電面２６に入射した光２８は、電荷ｅ⁻を有する電子３０に変換される。電子３０は、電極板３２、３４間の電圧に依存する進路に従って電子像倍部３６の蛍光面３８に到達する。蛍光面３８には、二次元的な直交座標グラフとして、時間軸Ｔに対する結晶成長方向Ｃの情報が得られる。すなわち、光電面２６が受光２８した該光電面２６における強度分布の時間的変化は測定される。この強度分布の時間的変化に基づいて薄膜１０の溶融領域の時間的変化が特定される。
【００３９】
図２に示す例では、薄膜１０からの反射光１８はほぼ正方形の断面形状を有しており、シリンドリカルレンズ２０を通って光２８は光電面２６ではほぼ長方形の断面形状を有する。薄膜１０のｘ方向の長さＬｘとｙ方向の長さＬｙとの比は、光電面２６では例えば光電面２６のＸ方向の長さＬＸとＹ方向の長さＬＹとの比に変換される。
【００４０】
前記反射光１８は、図示の例では、シリンドリカルレンズ２０を通ることにより、薄膜１０の結晶成長の方向（矢印１４）に沿う仮想線に直交する方向に相対的に集光される。これにより、光電面２６に入射する光量が増加し、測定上のＳ／Ｎが向上し、結晶成長の速度を正確に測定することができる。
【００４１】
より一層、Ｓ／Ｎを向上させるための方法について、以下に説明する。反射光１８を利用した薄膜の横方向成長すなわちラテラル成長の測定では、薄膜１０でのモニタ光１６の反射率を１０％として、空間分解能を０．３３μｍ（測定精度に余裕をもたせるため、空間分解能１μｍの１／３の値とした。電子１０個程度の測定精度である。）、時間分解能を１ナノ秒（以下「ｎｓｅｃ」と記す。）を有する、統計誤差のみの理想的な反射光検出器を用いた場合、揺らぎ６％にて測定することができる計算式が成り立つ。しかし、この計算式では、反射光検出器自体が有するダークノイズ（暗電流）が考慮されておらず、実際の反射光測定では、揺らぎの程度が増大する。
【００４２】
図３を参照して説明する。薄膜１０の、Ｘ_Ａ［μｍ］×Ｙ_Ａ［μｍ］のほぼ長方形状の領域Ａ、例えば約１０μｍ×約１μｍのほぼ長方形状の領域Ａに、モニタ光１６が照射される場合の例について説明する。結晶成長の方向を矢印１４で示す。Ｘ_Ａ［μｍ］としては、５０μｍ程度の場合もある。
【００４３】
モニタ光１６としては、例えばレーザ光を用いることができる。モニタ光１６の照射パワーＰとしては、領域Ａの面積ａを有する部分Ａａ（例えば約１μｍ×約１μｍのほぼ正方形状を有する部分）について、例えば１ｍＷ／μｍ^２とすることができる。１ｍＷ／μｍ^２の照射パワーは、（１０^−３／４ｅ^−１９）フォトン／μｍ^２の照射パワーである。例えば約５３２ｎｍの波長を有するレーザ光を（２．５ｅ×１５フォトン）／μｍ^２、すなわち、約５３２ｎｍの波長を有するレーザ光を毎１ナノ秒当たり（２．５ｅ×６フォトン）／μｍ^２の量を照射することにより得られる。
【００４４】
モニタ光１６についての薄膜１０からの反射光１８を光学系（図示せず）により例えば３００倍に拡大された光４０に変換し、光電面２６に入射させる。光電面２６では、光４０の断面形状は、Ｘ_Ｂ［ｍｍ］×Ｙ_Ｂ［μｍ］のほぼ長方形状の領域Ｂすなわち約３ｍｍ×約３００μｍのほぼ長方形状の領域Ｂとして形成される。
【００４５】
光電面２６に入射した光４０の光電変換によって得られる電子数について、モニタ光１６の薄膜１０での反射率を１００％、光学系のレンズ透過率を１０％、光電面２６での量子効率（Ｑｕａｎｔｕｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ、以下「ＱＥ」という。）を１０％とした場合で説明する。光電面２６で発生する電子数ｎは、前記照射パワーを有するモニタ光について、毎１ナノ秒当たり（２．５ｅ×４フォトン）個／μｍ^２である。
【００４６】
したがって、１００％の反射率を有する反射面の１ｎｓｅｃ間の反射光量の統計揺らぎの値は、（（２．５ｅ^４）^１／２／（２．５ｅ^４））×１００＝０．６％である。また、１０％の反射率を有する反射面の１ｎｓｅｃ間の反射光量の統計揺らぎの値は、空間分解能を０．３３μｍとした場合、（（２．５ｅ^３）^１／２／（２．５ｅ^３））×１００＝０．０７％である。
【００４７】
測定におけるＳ／Ｎ比を向上させるためには、モニタ光１６の照射パワーを増大させることにより可能である。しかし、モニタ光照射により非晶質シリコン薄膜または多結晶シリコン薄膜の品質すなわち膜質が劣化することがないように、照射パワーには上限がある。この上限の値は、シリコン薄膜の膜質、膜厚、膜のパターンに依存する。例えば、前記パターンを有しない全面均一の１００ｎｍの膜厚を有するシリコン薄膜では、約５３２ｎｍの波長を有するレーザ光を用いた場合の照射パワーの上限値は、１μΦの照射面積当たり１ｍＷである。
【００４８】
アニール用レーザ光の照射によって半導体薄膜に生じた溶融領域の時間的変化の特定装置の一実施例について、図４を参照して説明する。図４に示す例では、本発明に係る特定装置が全体に符号４２で示され、該装置を含むレーザアニール装置が全体に符号４４で示されている。
【００４９】
レーザアニール装置４４は、アニール用のレーザ光源装置４６と、薄膜１０が形成された基板４８を取り外し可能に取り付ける試料台５０を二次元的に移動させるＸＹステージ駆動機構（図示せず）とを備える。図示の例では、試料台５０はその一部のみが示されている。
【００５０】
レーザ光源装置４６に用いるレーザとして、例えば、ルビーレーザ、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（以下「ＹＡＧ」という。）レーザ、エキシマレーザ等を用いることができる。
【００５１】
レーザ光源装置４６は、パルス発振型のレーザ光源装置であり、通常、１パルス当たり約１Ｊ／ｃｍ^２のエネルギー密度を有するレーザを、パルス時間２０〜１００ナノ秒（以下「ｎｓ」と表記する。）で発生する。図示の例では、レーザ光源としてクリプトンフッ素（以下「ＫｒＦ」という。）レーザを用い、１秒間に１００回の割合で約２５ｎｓのパルス幅を有するレーザ光を発生する。
【００５２】
レーザ光源装置４６は、薄膜１０へのアニール用のレーザ光５２の照射の箇所５４として、薄膜１０の全部、あるいはその一部、例えば３６５ｍｍ×４００μｍの帯状の領域を選択することができる。前記帯状領域への照射の間に試料台５０を前記ＸＹステージ駆動機構によって一方向に移動させることによっても薄膜１０の全部に照射することができる。レーザ光５２の薄膜１０への１回の照射時間として、例えば２５ｎｓとすることができる。
【００５３】
図示していないが、レーザ光源装置４６は、レーザ発振を生じさせる共振器と、生じたレーザ光を照射に適したビーム形状に整形するレンズ系とを含む。
【００５４】
薄膜１０として、図示の例では、成膜化された非晶質シリコン薄膜を用いている。非晶質シリコンとして、通常、脱水素処理された非晶質シリコンを用いる。
【００５５】
基板４８として、透明のガラス基板やプラスチック基板、シリコン基板等を用いることができる。図示の例では、透明のガラス基板を用いている。
【００５６】
非晶質シリコン薄膜１０が成膜されたガラス基板４８は、試料台５０に取り外し可能に取り付けられ、アニール用のレーザ光５２の照射が可能の位置に位置決めされている。図示の例では、非晶質シリコン薄膜１０及びガラス基板４８は、それらの一部のみが示されている。
【００５７】
監視装置４２は、モニタ光照射器５６と、シリンドリカルレンズ５８と、反射光測定器６０と、算出装置６２とを含む。特定装置４２は、さらに、反射鏡６４を含むものとすることができる。
【００５８】
モニタ光照射器５６は、モニタ用光源装置６６と、整形光学器６８と、ホモジナイザ７０と、集光レンズ７２とを備える。モニタ光照射器５６により、アニール用レーザ光５２が照射された薄膜１０上の箇所５４にモニタ光７４を集光するように照射する。
【００５９】
モニタ用光源装置６６は、例えば、Ａｒレーザ、ヘリウムネオン（以下「Ｈｅ−Ｎｅ」という。）レーザ及びＮｄ；ＹＡＧレーザ等を備える。
【００６０】
図示のモニタ用光源装置６６は、Ｓ偏光またはＰ偏光のレーザ光を発生する連続波レーザ（以下「ＣＷレーザ」という。）光源装置である。図示の例では、レーザとして約５３２ｎｍの波長を有するＮｄ；ＹＡＧレーザが用いられ、１ｍＷ／μｍ^２のパワーを有するレーザ光を発生する。
【００６１】
モニタ用光源装置６６は、アニール用のレーザ光源装置４６に接続された時間調整装置（図示せず）に接続されている。時間調整装置には、アニール用レーザ光の発生開始時間に対して予め選択的に決められたモニタ光の発生開始時間が設定されており、時間調整装置はモニタ光の発生開始のための信号をモニタ用光源装置６６に送る。図示の例においては、アニール用レーザ光の発生開始と同時にモニタ光の発生を開始させる信号が時間調整装置からモニタ用光源装置６６に送られる。
【００６２】
整形光学器６８は、モニタ用光源装置６６より発するレーザ光の断面形状を所定の形状に整形する。図示の例では、整形光学器６８は、モニタ用光源装置６６より発するレーザ光をこれが円形の断面形状を有するように整形する。
【００６３】
ホモジナイザ７０は、整形光学器６８を通ったレーザ光を、光の断面において均一の光強度分布を有するレーザ光に調整する。例えば、Ｎｄ；ＹＡＧレーザ光の断面における光強度分布は、ガウス分布に従う光強度分布であり、均一の強度分布ではない。Ｎｄ；ＹＡＧレーザ光は、ホモジナイザ７０を通ることにより、光の断面において均一の光強度分布を有するレーザ光に調整される。
【００６４】
集光レンズ７２は、整形光学器６８及びホモジナイザ７０を通った均一な光強度分布の円形断面を有する光をモニタ光７４として薄膜１０に集光させる。図示の例では、モニタ光７４は、ガラス基板４８を通して非晶質シリコン薄膜１０に集光するように照射される。
【００６５】
非晶質シリコン薄膜１０に照射されたモニタ光７４の少なくとも一部は、反射光７６として非晶質シリコン薄膜１０から発し、再び基板４８を通って、反射鏡６４により進行方向を変えられ、シリンドリカルレンズ５８を通って、光７８として反射光測定器６０に入射する。
【００６６】
図示の例では、シリンドリカルレンズ５８は、母線が薄膜１０と平行になるように、また、前記母線が薄膜１０に生じる結晶成長の方向に伸びるように、配置されている。反射鏡６４の鏡面の向きを調整することにより、反射光７６の進行方向を適宜に変えることができる。シリンドリカルレンズ５８を、薄膜１０に生じる結晶成長の方向と前記母線の方向とが対応して反射光７６がシリンドリカルレンズ５８を通るように配置する。反射光７６は、シリンドリカルレンズ５８を通ることにより、薄膜１０の結晶成長の方向１４に沿う仮想線に直交する方向に集光された光７８になる。
【００６７】
反射光測定器６０は、モニタ光７４についての薄膜１０からの反射光７６を受ける、実質的に連続した光感知要素を有する光感知面を有する。光感知面として、これを帯状の平面形状を有する光電面とすることができる。光電面を光電陰極として用いる場合、光感知要素である光感知材料として、光電陰極材料、例えば、銀セシウムやビスマスセシウム等のＣｓ_２Ｏを含む酸化セシウム系材料、Ｃｓ_３ＳｂやＮａ_２ＫＳｂ等のアルカリ−アンチモン金属間化合物材料、あるいは、ＧａＳｂのようなＩＩＩ−Ｖ族化合物結晶を用いることができる。
【００６８】
帯状の平面形状の光電面を有する反射光測定器６０は、光電面に受けた光７８を光感知要素で電子に変え、この電子を、時間的に変化する電界を通過させて時系列情報に変換し、さらに蛍光体に到達させて、電子強度すなわち電子数に対応する投影像を蛍光体に形成し、次に投影像の強度分布の時間的変化を測定する。
【００６９】
図５に示すように、反射光測定器６０として、例えば、光を電子に変換し、再び光に変換するストリークカメラを用いた装置とすることができる。
【００７０】
ストリークカメラ８０は、光電変換器８２と、電界発生器８４と、蛍光板８６とを備える。
【００７１】
光電変換器８２は、帯状の平面形状を有する光電面ＰＳを有し、光電面２６での光電子放出現象により入射光７８に対応する光電子を発生させる。光電面ＰＳに入射した光７８は光電子に変換される。光電子は、個々にその位置が計測され、光電子の大きさでの位置の相違が極めて高い空間分解能で検出される。
【００７２】
電界発生器８４は、時間的に変化する電界を発生させる。電界発生器８４は、トリガ信号Ｓに応じて作動する掃引回路装置８８と、この掃引回路装置８８に接続された掃引電極９０とを備える。トリガ信号Ｓの入力により、掃引回路装置８８は、掃引電極９０の電極間電圧を時間経過に従って変化させ、光電変換器８２で発生された電子Ｅの進行方向を変える。光電変換された電子は、加速電極９２によって加速され、電子増倍器９４に至る。
【００７３】
電子増倍器９４には実質的に光電子の像ＰＥが形成され、蛍光板８６は、電子増倍器９４を経た電子を受けて該電子に対応する投影像Ｐを表示する。
【００７４】
ストリークカメラ８０は、入射光７８を光電子に光電変換させ、光電変換された光電子を、入射光７８の帯状断面の長手方向と直交する方向に走査させる。蛍光板８６に表示された投影像Ｐは二次元情報として扱うことができるので、投影像Ｐを撮像手段例えばＣＣＤカメラで撮影してデジタル情報に変換すれば、そのデジタル情報を、デジタル記憶装置に記憶したり、コンピュータに処理することができる。デジタル情報を適宜に表示させることもできる。
【００７５】
ストリークカメラ８０には、光７８のストリークカメラ８０による測定の開始時刻を決定するために、光検出装置（図示せず）およびディレイ装置（図示せず）が接続されている。光検出装置は、アニール用レーザ光の経路の一部に配置された減衰フィルタ（図示せず）を通して高速フォトダイオードでレーザ光を検出する。ディレイ装置は、検出時刻を基準にして予め選択的に決められた遅延時間の経過後に入射光７８のストリークカメラ８０による測定開始のためのトリガ信号を出力する。
【００７６】
算出装置６２は、蛍光板８６に表示された複数の帯状の投影像Ｐを、時間分解能に応じた時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、…の画像データとして抽出し、アナログ的に計測された各時間の投影像Ｐの強度分布を画像処理する。この後、時系列的な処理によって入射光７８の強度分布の時間的変化を算出し、これに基づいて薄膜１０の溶融領域の時間的変化を監視し、算出装置６２の表示部９６に表示する。
【００７７】
図４および図５に示す例では、入射光７８の全測定時間Ｔにおいて測定時刻ｔと、モニタ光照射位置の長手方向の位置すなわち薄膜１０の結晶成長方向の位置Ｃとの関係を表示部９６に投影像Ｐの強度に関してグラフで表示させている。図においては、理解を容易にするために、全測定時間Ｔを６０ｎｓとし、１０ｎｓ毎の時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、…、ｔ６における入射光７８の強度を表示した場合で示している。全測定時間Ｔ及び時刻ｔ１、ｔ２、…はこれに限定されない。
【００７８】
また、上記のグラフにおいて、理解を容易にするために、被アニール薄膜が溶融して反射光強度が大きいときを実線、固化して反射強度が小さいときを点線で示している。すなわち、実線部は被アニール薄膜が溶融している液相状態にあることを示し、実線部の長さＭは各時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、…、ｔ６における被アニール薄膜の溶融幅を示している。溶融幅Ｍの時間的な変化が表示部９６に表示されている。
【００７９】
溶融幅Ｍの時間的な変化パターンが表示部９６に表示され、変化パターンは、溶融幅Ｍの時間的な変化が平面に二次元的に同時に観測される。
【００８０】
アニール用レーザ光の照射によって半導体薄膜に生じた溶融領域の時間的変化の監視装置の他の実施例について、図６を参照して説明する。図６に示す例では、本発明に係る監視装置が全体に符号９８で示され、シリンドリカルレンズ、反射光測定器および算出装置は、図４に示す例と同様であるので省略されている。
【００８１】
監視装置９８は、モニタ用光源装置１００と、整形光学器１０２と、ホモジナイザ１０４と、結像用の対物レンズ１０６と、反射鏡１０８と、シリンドリカルレンズ（図示せず）と、反射光測定器（図示せず）と、算出装置（図示せず）とを備える。
【００８２】
モニタ用光源装置１００に用いるモニタ用レーザ光源として、前記したレーザ光を発生させるレーザを用いることができる。モニタ用光源装置１００は、前記したと同様に、アニール用レーザ光源装置に接続された図示しない時間調整装置に接続されている。図示の例においては、アニール用レーザ光１１０の発生開始と同時にモニタ光１１２の発生を開始させる信号が時間調整装置からモニタ用光源装置１００に送られる。
【００８３】
整形光学器１０２は、図示の例では、モニタ用光源装置１００より発するレーザ光を、該光の断面に関して短辺と該短辺に比べて極めて長い長辺とを有する矩形の断面形状に整形する。
【００８４】
ホモジナイザ１０４は、前記したと同様に、整形光学器１０２を経たレーザ光を、光の断面において均一の光強度分布を有するレーザ光に変換する。
【００８５】
結像用の対物レンズ１０６は、整形光学器１０２及びホモジナイザ１０４を経た均一の光強度分布の矩形断面を有する板状のモニタ光１１２を、該光の断面に関して短辺と長辺との特定の比率を有する矩形断面形状の光１１４として、薄膜１０に結像させる。
【００８６】
図示の例では、光１１４は、ガラス基板４８を通して薄膜１０のガラス基板４８側に位置する裏面に照射され、薄膜１０の裏面に、例えば６０μｍ×１μｍの寸法の帯状断面を有する光として結像される。
【００８７】
薄膜１０に照射された光１１４の少なくとも一部は、反射光１１６として再び薄膜１０の裏面から発する。
【００８８】
対物レンズ１０６は、さらに、薄膜１０からの反射光１１６を受ける。反射鏡１０６は、反射面の向きを変えることができる可動ミラーであり、対物レンズ１０６を経た光１１８を反射面に受け、光１１８の進行方向を変える。進行方向を変えられた光１２０は、シリンドリカルレンズを通って、反射光測定器に入射する。
【００８９】
次に、結晶化された半導体層に薄膜半導体装置（ＴＦＴ）を形成する実施形態を図７Ａ乃至図７Ｆを参照して説明する。絶縁体物質（例えばアルカリガラス、石英ガラス、プラスチック、ポリイミド等で形成された透明な矩形の基板）の基板２０１の上に、下地層２０２を介して非単結晶半導体（例えば、非晶質又は多結晶質のシリコン）からなる例えば非晶質シリコン薄膜２０３を化学気相成長法やスパッタ法等の公知の成膜技術を用いて形成する（図７Ａ）。
【００９０】
上記下地層２０２は、例えば、５０ｎｍの厚さのＳｉＮ膜２０２ａと１００ｎｍの厚さのＳｉＯ_２膜２０２ｂとの積層膜により形成されている。上記非晶質シリコン薄膜２０３は、例えば、厚さが約５０ｎｍないし２００ｎｍであり、Ｓｉ，Ｇｅ，ＳｉＧｅのような半導体により形成される。
【００９１】
この非晶質シリコン薄膜２０３の表面に図１乃至図６で説明したように監視装置２により結晶化状態を監視しながらエネルギー線としてエキシマレーザ光２０４、例えば、ＫｒＦ，ＸｅＣｌエキシマレーザ２０４を照射して、上記非晶質シリコン薄膜２０３をアニール加工する。この結果、非晶質シリコン薄膜２０２は、結晶化又は再結晶化され例えば単結晶シリコン薄膜２０５に結晶化される。即ち、結晶化された単結晶シリコン薄膜２０５は、結晶化状態を監視しながら結晶化たので品質管理され、全ての結晶化領域は均一な結晶度に良くなる。
【００９２】
結晶化又は再結晶化された単結晶シリコン薄膜２０５は、フォトリソグラフィー等によって、島状の単結晶シリコン薄膜２０５に加工される。この後に、島状の単結晶シリコン薄膜２０５上も含む基板２０１上に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等の物質からなるゲート絶縁膜２０６を形成する（図７Ｄ）。そして、ゲート絶縁膜２０６上に、ゲート電極２０７を形成し、次にゲート電極２０７をマスクとして、リン等の不純物イオンを島状の半導体薄膜２０５に選択的に注入する（図７Ｅ）。この結果、不純物がドープされたソース領域２０９並びにドレイン領域２１０と、これら領域間に位置するチャネル領域２１１とが形成される。次に、ソース領域２０９並びにドレイン領域２１０の上の、ゲート絶縁膜２０６にコンタクトホールを形成する。ゲート絶縁膜２０６上にソース電極２１２とドレイン電極２１３とを、コンタクトホールを介して、ソース領域２０９とドレイン領域２１０とに電気的に接続するように形成する（図７Ｅ）。このようにして、トップゲート型ＴＦＴ３００が完成される。
【００９３】
次に、ＴＦＴ３００を備えた表示装置を液晶表示装置３０１に適用した実施形態について図８及び図９を参照して説明する。図１乃至図７と同一部分には、同一符号を付与し、その詳細は重複するので省略する。図８及び図９は、表示装置、例えばアクティブマトリックス型の液晶表示装置３０１を示している。なお、図８及び図９では、補助容量を省略して示している。なお、図中符号３００がＴＦＴであり、この実施形態でのＴＦＴ３００は、ボトムゲート型ＴＦＴの例である。
【００９４】
液晶表示装置３０１は、図８及び図９に示すように、前後一対の透明基板３０２，３０３、液晶層３０４、画素電極３０５、薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴという）３００、走査配線３０６、信号配線３０７、接続端子としての走査配線端子３０８、接続端子としての信号配線端子３０９、及び対向電極３１０等を備えている。
【００９５】
一対の透明基板３０２，３０３としては、例えば一対のガラス基板を用いることができる。以下、透明基板３０２，３０３をガラス基板という。これらガラス基板３０２，３０３は、図示しない枠状のシール材を介して接合されている。液晶層３０４は、一対のガラス基板３０２，３０３の間のシール材により囲まれた領域に設けられている。
【００９６】
図９に示すように、一対のガラス基板３０２，３０３のうちの一方のガラス基板、例えば後側のガラス基板（アレイ基板）３０２の内面には、行方向および列方向にマトリックス状に設けられた複数の透明な画素電極３０５と、複数の画素電極３０５と夫々電気的に接続された複数のＴＦＴ３００と、複数のＴＦＴ３００と電気的に接続された走査配線３０６及び信号配線３０７と、基体３０２の一端縁部および一側縁部にそれぞれ形成された複数の走査配線端子３０８及び複数の信号配線端子３０９とが設けられている。
【００９７】
走査配線３０６は、画素電極３０５の行に夫々沿わせて設けられている。これら走査配線３０６の一端は、後側基体３０２の一側縁部に設けられた複数の走査配線端子３０８に夫々接続されている。複数の走査配線端子３０８は夫々走査回路（図示せず）に接続されている。
【００９８】
一方、信号配線３０７は、画素電極３０５の列に夫々沿わせて設けられている。これら信号配線３０７の一端は、後側基体３０２の一端縁部に設けられた複数の信号配線端子３０９に夫々接続されている。複数の信号配線端子３０９は夫々サンプルホールド回路（図示せず）に接続されている。
【００９９】
他方のガラス基板である前側のガラス基板（対向基板）３０３の内面には、複数の画素電極３０５に対向する一枚膜状の透明な対向電極３１０が設けられている。また、前側のガラス基板３０３の内面には、複数の画素電極３０５と対向電極３１０とが互いに対向する複数の画素部に対応させてカラーフィルタを設けるとともに、前記画素部の間の領域に対応させて遮光膜を設けてもよい。
【０１００】
一対のガラス基板３０２，３０３の外側には、図示しない偏光板が設けられている。また、透過型の液晶表示装置３０１では、後側のガラス基板３０２の後側に図示しない面光源が設けられている。なお、液晶表示装置３０１は、反射型或いは半透過反射型としてもよい。
【０１０１】
図９では、例えばボトムゲート型のＴＦＴ３００を示している。ボトムゲート型のＴＦＴ３００の表面には、層間絶縁膜３１５が成膜されている。なお、ＴＦＴ３００はボトムゲート型に限定されるものではなく、例えば、トップゲート型等としてもよい。
【０１０２】
本発明は、上記実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない限り、種々変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る結晶化装置の一実施例を示す斜視図。
【図２】本発明に係る、アニール用レーザ光の照射によって半導体薄膜に生じた溶融領域の時間的変化を監視する方法の一実施例を示す斜視図。
【図３】本発明に係る、アニール用レーザ光の照射によって半導体薄膜に生じた溶融領域の時間的変化を監視する方法の他の実施例を示す斜視図。
【図４】本発明に係る、アニール用レーザ光の照射によって半導体薄膜に生じた溶融領域の時間的変化を監視するための監視装置の一実施例を示す斜視図。
【図５】図４の反射光測定器の一実施例を示す斜視図。
【図６】本発明に係る、アニール用レーザ光の照射によって半導体薄膜に生じた溶融領域の時間的変化を監視するための監視装置の他の実施例を示す斜視図。
【図７】本発明に係る半導体トランジスタの製造方法の一実施例を示し、Ａ〜Ｆは、製造工程における概略断面図を示す。
【図８】本発明に係る表示装置の一実施例を示す平面図。
【図９】本発明に係る表示装置の１実施例を示す断面図。
【符号の説明】
１レーザアニーラ、２監視装置、３ＫｒＦエキシマレーザ光源、４光学系、５被処理体、６位相シフタ、１０薄膜、１２、５２レーザ光、１６、７４、１１２モニタ光、１８、７６、１１６反射光、２０シリンドリカルレンズ、２２ストリーク管、２４光電変換部、２６光感知面（光電面）、３０電子、３２、３４電極板、３６電子像倍部、３８蛍光面、４２、９８特定装置、４４レーザアニール装置、４６レーザ光源装置、４８基板、５０試料台、５６モニタ光照射器、５８シリンドリカルレンズ、６０反射光測定器、６２算出装置、６４、１０８反射鏡、６６、１００モニタ用光源装置、６８、１０２整形光学器、７０、１０４ホモジナイザ、７２集光レンズ、８０ストリークカメラ、８２光電変換器、８４電界発生器、８６蛍光板、８８掃引回路装置、９０掃引電極、９２加速電極、９４電子増倍器、９６表示部、１０６対物レンズ、１１０アニール用レーザ光、２０１基板、２０２下地層、２０３非晶質シリコン薄膜、２０２ａＳｉＮ膜、２０２ｂ、ＳｉＯ_２膜、２０４エキシマレーザ、２０５単結晶シリコン薄膜、２０６ゲート絶縁膜、２０７ゲート電極、２０９ソース領域、２１０ドレイン領域、２１１チャネル領域、２１２ソース電極、２１３ドレイン電極、３００薄膜トランジスタ、３０１液晶表示装置、３０２，３０３透明基板、３０４液晶層、３０５画素電極、３０６走査配線、３０７信号配線、３０８走査配線端子、３０９信号配線端子、対向電極３１０、３１５層間絶縁膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a crystallization method, a crystallization apparatus, a method for manufacturing a thin film transistor, a thin film transistor, and a display device.
[0002]
[Prior art]
The present inventors have developed a liquid crystal display device for a large screen. For example, a switching element for a pixel portion of a liquid crystal display device is formed on a crystallized silicon thin film because high speed operation is required. The switching element is constituted by a thin film transistor (TFT). Formation of a crystallized silicon thin film is a technique for crystallizing an amorphous silicon thin film formed on a large glass substrate. As a method for crystallizing an amorphous semiconductor thin film, a laser annealing method is used, a polycrystalline semiconductor composed of microcrystalline grains is formed, and the polycrystalline grains are laterally grown to form large grains. is there.
[0003]
The development of crystal grains having a large grain size has been made so far that a crystal grain having a size of several microns or more has been developed, and one or a plurality of thin film transistors can be formed in one crystal grain. The liquid crystal display device constituted by the thin film transistor can reproduce a uniform color image on the front surface of a large screen and can perform high-speed switching. Production of large-sized crystal grains having such characteristics requires quality-controlled and reliable production.
[0004]
A reliable means of quality control is to manufacture while monitoring the crystallization process. In the manufacture of crystallized silicon, an amorphous silicon thin film is formed on a predetermined substrate, and then the amorphous silicon thin film is irradiated with an annealing laser beam to crystallize the amorphous silicon thin film. The amorphous silicon thin film is melted and crystallized in a step of decreasing the melting temperature. At this time, as a monitoring means of the crystallization process, the irradiation time of the laser beam for annealing is irradiated with monitor light, and the reflected light intensity of the monitor light is detected, whereby the time when the amorphous silicon thin film is melted is detected. There is a method of measuring (see, for example, Non-Patent Document 1).
[0005]
[Non-Patent Document 1]
M. Hatano, S. Moon, M. Lee, K. Suzuki, and C. P. Grigopoulos, “ Excimer Laser-Induced Temperature Field in Melting and Resiliification of Silicon Thin Films, Journal of Applied Physics (Journal of 87). 36-43, 2000
[0006]
According to Non-Patent Document 1, the reflected light from the silicon thin film for monitor light is a silicon PN junction photodiode type having a response time of 1 nanosecond (hereinafter referred to as “ns”), that is, a time resolution of 1 ns. It is measured by a sampling oscilloscope that samples a frequency signal that is detected by a photodetector and whose time change of the detection signal waveform is 1 GHz.
[0007]
The silicon thin film is melted by irradiation with the laser beam for annealing for several tens to 100 ns, and crystallizes or crystal grains grow in the subsequent solidification process. As a result, the silicon thin film changes from amorphous to polycrystalline. The time from melting to the end of solidification is several hundred ns. In the silicon thin film, the reflected light intensity increases by melting, and the reflected light intensity decreases by solidification after melting. The temporal change in the reflected light intensity of the silicon thin film during melting and solidification is detected by the photodetector, thereby measuring the melting time of the silicon thin film.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method described in Non-Patent Document 1, only the melting time of the silicon thin film is measured. The method described in Non-Patent Document 1 is a method in which the irradiation area of the monitor light on the silicon thin film is about 1 μm in diameter, and the melting time of only a part of the silicon thin film is measured.
[0009]
For this reason, depending on the method described in Non-Patent Document 1, the position where the amorphous silicon thin film is melted by irradiation with the laser beam for annealing, that is, the melting region of the amorphous silicon thin film is specified. I can't. Naturally, it is not possible to measure the temporal change of the melting region. When a silicon thin film transistor having a silicon thin film with such an uncertain evaluation was used as a switching element of a liquid crystal display device, the electrical characteristics of the switching element were defective.
[0010]
Furthermore, with the method described in Non-Patent Document 1, it is impossible to measure a rapid change of 1 nsec or less and a change of minute light in an area of about 1 μm of positional information (lateral growth) important for crystal growth. In order to realize higher performance displays by miniaturizing transistors and achieving higher integration, it is monitored at which position on the amorphous silicon film and in what process it is crystallized. This is important for process development, production control, and quality control.
[0011]
Further, the lateral growth speed during laser crystallization of the amorphous silicon film is estimated to be 7 m / sec, and the size of crystal growth currently announced is about several μm at the maximum. Therefore, in order to monitor the lateral growth of crystallization in real time, the time required for crystal growth
(10⁻ ⁶m / (7 m / sec) ≈10⁻ ⁷sec = 100nsec)
Must be measured with a time resolution of at least one digit (10 nsec or more) (spatially with a resolution of sub-μm).
[0012]
Further, the crystal growth part is irradiated with monitor light, and according to the reflectance change method data from the crystal growth part, the phase change (solid → liquid → solid) time is about 10 nsec. In order to monitor the lateral growth of crystallization in real time, a resolution of about 1 nsec is required at 1/10 of 10 nsec. In order to monitor the lateral growth by the laser crystallization method in this way, it is possible to measure with a very short time resolution of 1 nsec or less, and accordingly, the monitored object is spatially very narrow 1 μm or less. There are problems such as that it is possible to measure in this area, and that it is possible to perform measurement under conditions where the amount of light is insufficient and cannot be measured as an image. Compared to measurement in time (seconds) or distance (m), the light intensity is 10^-9× 10^-6There was a problem of exposure because of the minute light.
[0013]
An object of the present invention is to provide a crystallization state monitoring method, a crystallization state monitoring device, a crystallization device, a crystallization method, a thin film transistor, and a display device capable of monitoring an annealing state of a minute amount of light that changes at high speed. is there.
[0014]
[Means for solving the problems]
The crystallization method according to the present invention includes a step of melting a crystallized thin film by irradiating the energy thin film, and crystallizing in the temperature lowering process, a position irradiated by the energy beam of the crystallized thin film, or a back surface of the position. Receiving reflected light generated by irradiating the monitor light to the light, converting the received optical image into an electrical signal that changes with time, and monitoring information on the crystallization state from the electrical signal. And the monitoring information is information obtained by expanding information in a predetermined first direction.
[0015]
Preferably, the information on the first direction is a direction in which crystallization growth is relatively fast.
[0016]
Preferably, the monitoring information is information obtained by extending information in a relatively fast crystallization growth direction and compressing information in a relatively slow crystallization growth direction.
[0017]
Preferably, the monitoring information is received by a cylindrical lens in the step of receiving the reflected light.
[0018]
In another crystallization method according to the present invention, a thin film to be crystallized is irradiated with an energy ray to melt and crystallize in a temperature lowering process, and a position irradiated with the energy ray of the thin film to be crystallized or the position. Imaging the back surface of the substrate, converting the captured optical image into an electrical signal that changes with time, and outputting monitoring information of the crystallization state from the electrical signal, the monitoring The information is characterized by information obtained by expanding information in a predetermined first direction.
[0019]
Still another crystallization method according to the present invention includes a step of irradiating an energy beam to a thin film to be crystallized to melt and crystallizing in a temperature lowering process, a position irradiated by the energy beam of the thin film to be crystallized, Imaging the back surface of the position, converting the captured optical image into an electrical signal that changes with time, and displaying and storing monitoring information of the crystallization state from the electrical signal. The monitoring information is information obtained by expanding information in a predetermined first direction.
[0020]
The crystallization apparatus according to the present invention includes a means for irradiating an energy beam to a thin film to be crystallized to melt and crystallizing in a cooling process, a position irradiated by the energy beam of the thin film to be crystallized, or a back surface of the position. An optical system for receiving reflected light generated by irradiating the monitor light to the light, means for converting the received optical image into an electrical signal that changes with time, and monitoring information of the crystallization state from the electrical signal And the monitoring information is information obtained by expanding information in a predetermined first direction.
[0021]
Preferably, the information on the first direction is a direction in which crystallization growth is relatively fast.
[0022]
Preferably, the monitoring information is information obtained by extending information in a relatively fast crystallization growth direction and compressing information in a relatively slow crystallization growth direction.
[0023]
Preferably, the monitoring information is received by a cylindrical lens in the optical system.
[0024]
Another crystallization apparatus according to the present invention includes a means for irradiating and melting an crystallized thin film with an energy beam, and crystallizing in a temperature lowering process, and a position irradiated by the energy beam of the crystallized thin film or the position. An optical system that images the back surface of the optical system, means for converting the captured optical image into an electrical signal that changes with time, and means for outputting monitoring information of the crystallization state from the electrical signal, The monitoring information is information obtained by expanding information in a predetermined first direction.
[0025]
Preferably, the means for converting the captured optical image into an electrical signal that changes with time is a streak camera.
[0026]
Still another crystallization apparatus according to the present invention includes a means for irradiating an energy beam to a thin film to be crystallized to melt and crystallizing in a temperature lowering process, a position irradiated by the energy beam of the thin film to be crystallized, or the An optical system for imaging the back surface of the position, means for converting the captured optical image into an electrical signal that changes with time, and means for displaying and storing monitoring information of the crystallization state from the electrical signal And the monitoring information is information obtained by expanding information in a predetermined first direction.
[0027]
The method of manufacturing a thin film transistor according to the present invention includes: irradiating a non-single crystal semiconductor thin film with energy rays; melting the crystal; and crystallizing in a cooling process; forming the thin film transistor on the crystallized semiconductor thin film; The thin film is melted and crystallized by a streak camera, and a predetermined region of the non-single crystal semiconductor thin film is crystallized while monitoring the crystallized state.
[0028]
The thin film transistor according to the present invention is manufactured using the crystallization method or the crystallization apparatus.
[0029]
The display device according to the present invention includes a pair of substrates bonded to each other through a predetermined gap, and an electro-optical material held in the gap, and a counter electrode is formed on one of the substrates, and the other substrate Is a display device in which a pixel electrode and a thin film transistor for driving the pixel electrode are formed on a semiconductor thin film, and the semiconductor thin film captures a melted state and a crystallization state of a non-single crystal semiconductor thin film by a streak camera, It is a semiconductor film obtained by crystallizing a predetermined region of a non-single crystal semiconductor thin film while monitoring the above.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. An embodiment of a crystallization apparatus will be described with reference to FIG. FIG. 1A is an embodiment in which a high-speed change in the crystallization state is monitored on the back surface side opposite to the irradiation surface of the energy beam for crystallization. FIG. 1B is an embodiment in which a high-speed change in the crystallization state is monitored on the same surface side as the irradiation surface of the energy beam for crystallization.
[0031]
As shown in FIG. 1A, monitoring of the crystallization state on the back side includes a laser annealer 1 and a crystallization state monitoring device 2. The laser annealer 1 is configured to form an image of the laser beam from an energy beam irradiation source, for example, a KrF excimer laser light source 3, on the surface of the object 5 to be processed via the optical system 4. For example, the object 5 includes an amorphous semiconductor layer formed on a glass substrate via an insulating film, and an oxide insulating film (cap film) that is a protective film formed on the amorphous semiconductor layer. Consists of. Above this oxide insulating film, a phase shifter 6 is disposed close to the laser annealer 1. The monitoring device 2 is a device that includes a monitor light irradiation optical system 7a and a monitoring unit 7b that receives reflected light from the crystallization state irradiated by the monitor light and monitors the crystallization state.
[0032]
As shown in FIG. 1B, monitoring of the crystallization state on the surface side includes a laser annealer 1 and a monitoring device 2 for monitoring the crystallization state from the surface side. In FIG. 1 (b), the same parts as those in FIG. 1 (a) are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. In order to enable monitoring of the crystallization state on the surface side irradiated with the crystallization laser beam, the laser annealer 1 is configured such that an imaging optical system 8 is provided between the phase shifter 6 and the substrate 5 to be processed. It has been. A phase shifter 6 is provided at the convergence position of the optical system 4, and a substrate to be processed 5 is provided at the convergence position of the imaging optical system 8.
[0033]
It is preferable that the monitoring device 2 performs imaging of the crystallization state with a streak camera. The streak camera is a device that can acquire the relationship between the time based on the irradiation of the excimer laser beam and the change in the reflection intensity in the uniaxial direction on the substrate in one measurement. For monitoring the crystallization state, processing for outputting imaging information obtained by expanding or compressing one of the horizontal direction and the vertical direction of the crystallization state image is performed. The means for expanding or compressing one of the horizontal direction and the vertical direction of the crystallized state image can be performed by optical means or electrical means. The optical means is, for example, arranging a cylindrical lens in the laser annealer 1. The electrical means is, for example, connecting a stretching circuit or a stretching circuit to the streak camera output circuit. The means for extending or compressing one of the horizontal and vertical directions of the crystallized state image is, for example, a horizontal (X) direction in order to form a minute light from a micron-order region on a streak camera with a high S / N ratio. And changing the enlargement ratio in the vertical direction (Y). For example, the information in the horizontal direction is enlarged in the imaging information, and the information in the vertical direction is reduced. As a result, imaging can be performed in a nanosecond time from a crystallized state portion having a size on the order of microns.
[0034]
With reference to FIG. 2, an embodiment of a method for monitoring a temporal change of a molten region generated in a semiconductor thin film due to irradiation of annealing laser light according to the present invention will be described. Laser light 12 for annealing the thin film 10 is irradiated. As the thin film 10, for example, a film-formed amorphous material such as a thin film mainly composed of silicon, a hydrogenated amorphous silicon thin film, a sputtered silicon thin film, a silicon germanium thin film, and a dehydrogenated amorphous silicon thin film (hereinafter “ Amorphous ")) A semiconductor thin film can be used. A part of the thin film 10 is melted by the irradiation of the laser beam 12, and the thin film is crystallized in the solidification process after melting. In the example shown in FIG. 2, crystal growth proceeds in the direction of arrow 14. During or immediately after the irradiation of the laser beam 12, the monitor light 16 is irradiated to the thin film 10.
[0035]
A part of the monitor light 16 is reflected by the thin film 10. The reflected light 18 passes through the cylindrical lens 20 and is received by the photoelectric sensing device utilizing the photoelectric effect, for example, the light sensing surface of the photoelectric conversion unit 24 of the streak tube 22, that is, the photoelectric surface 26.
[0036]
In the illustrated example, the cross-sectional shape of the cylindrical lens 20 (cross-section perpendicular to the generatrix) is a cross-sectional shape formed by two curves having different curvatures. In this example, the light passing through the cylindrical lens 20 is collected in the cross-sectional direction of the cylindrical lens 20. Instead of this, the cross-sectional shape of the cylindrical lens 20 may be a cross-sectional shape in which light passing through the cylindrical lens 20 is diverged in the cross-sectional direction of the cylindrical lens 20. As described above, the cylindrical lens 20 having an appropriately selected cross-sectional shape can make the light passing through the cylindrical lens 20 incident on the entire surface of the photocathode 26. Also, the light passing through the cylindrical lens 20 can be incident on the entire surface of the photocathode 26 by changing the arrangement position of the cylindrical lens 20.
[0037]
In the measurement of the crystal growth of the thin film 10, the reflected light 18 is imaged by passing through the cylindrical lens 20 so that the direction of crystal growth occurring in the thin film 10 and the direction of the generatrix of the cylindrical lens 20 coincide with each other. Will improve. In the illustrated example, the photocathode 26 has an elongated rectangular planar shape.
[0038]
Light 28 incident on the photocathode 26 is charged with an electric charge e.⁻Is converted to an electron 30 having The electrons 30 reach the phosphor screen 38 of the electron image multiplying portion 36 according to a path that depends on the voltage between the electrode plates 32 and 34. Information on the crystal growth direction C with respect to the time axis T is obtained on the phosphor screen 38 as a two-dimensional orthogonal coordinate graph. That is, the temporal change in the intensity distribution on the photocathode 26 received by the photocathode 26 is measured. Based on the temporal change of the intensity distribution, the temporal change of the melting region of the thin film 10 is specified.
[0039]
In the example shown in FIG. 2, the reflected light 18 from the thin film 10 has a substantially square cross-sectional shape, and the light 28 that passes through the cylindrical lens 20 has a substantially rectangular cross-sectional shape on the photocathode 26. The ratio of the length Lx in the x direction and the length Ly in the y direction of the thin film 10 is converted into, for example, the ratio of the length LX in the X direction and the length LY in the Y direction of the photocathode 26. .
[0040]
In the example shown in the drawing, the reflected light 18 is relatively condensed in a direction orthogonal to a virtual line along the crystal growth direction (arrow 14) of the thin film 10 by passing through the cylindrical lens 20. As a result, the amount of light incident on the photocathode 26 is increased, the S / N on measurement is improved, and the rate of crystal growth can be measured accurately.
[0041]
A method for further improving the S / N will be described below. In the measurement of the lateral growth of the thin film using the reflected light 18, that is, the lateral growth, the reflectance of the monitor light 16 on the thin film 10 is 10%, and the spatial resolution is 0.33 μm (in order to provide a margin in measurement accuracy, the spatial resolution The value is 1/3 of 1 μm (measurement accuracy of about 10 electrons), and the time resolution is 1 nanosecond (hereinafter referred to as “nsec”). When a vessel is used, a calculation formula that can be measured with a fluctuation of 6% is established. However, in this calculation formula, the dark noise (dark current) of the reflected light detector itself is not taken into account, and the degree of fluctuation increases in actual reflected light measurement.
[0042]
This will be described with reference to FIG. X of thin film 10_A[Μm] x Y_AAn example in which the monitor light 16 is irradiated onto a substantially rectangular region A of [μm], for example, a substantially rectangular region A of about 10 μm × about 1 μm will be described. The direction of crystal growth is indicated by arrow 14. X_A[Μm] may be about 50 μm.
[0043]
As the monitor light 16, for example, laser light can be used. The irradiation power P of the monitor light 16 is, for example, 1 mW / μm for a portion Aa having an area a of the region A (for example, a portion having a substantially square shape of about 1 μm × about 1 μm).²It can be. 1mW / μm²The irradiation power of (10^-3/ 4e^-19) Photon / μm²Irradiation power. For example, a laser beam having a wavelength of about 532 nm is (2.5 e × 15 photons) / μm.²That is, laser light having a wavelength of about 532 nm is emitted per nanosecond (2.5 e × 6 photons) / μm.²It is obtained by irradiating the amount of.
[0044]
The reflected light 18 from the thin film 10 with respect to the monitor light 16 is converted into light 40 magnified, for example, 300 times by an optical system (not shown), and is incident on the photocathode 26. On the photocathode 26, the cross-sectional shape of the light 40 is X_B[Mm] x Y_BIt is formed as a substantially rectangular region B of [μm], that is, a substantially rectangular region B of about 3 mm × about 300 μm.
[0045]
Regarding the number of electrons obtained by photoelectric conversion of the light 40 incident on the photocathode 26, the reflectance of the monitor light 16 at the thin film 10 is 100%, the lens transmittance of the optical system is 10%, and the quantum efficiency at the photocathode 26 ( Quantum efficiency (hereinafter referred to as “QE”) is assumed to be 10%. The number n of electrons generated on the photocathode 26 is (2.5e × 4 photons) / μm per nanosecond for the monitor light having the irradiation power.²It is.
[0046]
Therefore, the statistical fluctuation value of the reflected light amount for 1 nsec of the reflecting surface having 100% reflectance is ((2.5e⁴)^1/2/(2.5e⁴)) × 100 = 0.6%. Further, the statistical fluctuation value of the reflected light amount for 1 nsec of the reflecting surface having a reflectance of 10% is ((2.5e) when the spatial resolution is 0.33 μm.³)^1/2/(2.5e³)) × 100 = 0.07%.
[0047]
In order to improve the S / N ratio in the measurement, it is possible to increase the irradiation power of the monitor light 16. However, the irradiation power has an upper limit so that the quality of the amorphous silicon thin film or the polycrystalline silicon thin film, that is, the film quality is not deteriorated by the monitor light irradiation. The upper limit value depends on the film quality, film thickness, and film pattern of the silicon thin film. For example, in the case of a silicon thin film having a uniform film thickness of 100 nm that does not have the above pattern, the upper limit of irradiation power when using laser light having a wavelength of about 532 nm is 1 mW per 1 μΦ irradiation area.
[0048]
One embodiment of a device for identifying the temporal change of the melting region generated in the semiconductor thin film by the irradiation of the annealing laser light will be described with reference to FIG. In the example shown in FIG. 4, the specific apparatus according to the present invention is generally indicated by reference numeral 42, and the laser annealing apparatus including the apparatus is generally indicated by reference numeral 44.
[0049]
The laser annealing device 44 includes a laser light source device 46 for annealing and an XY stage driving mechanism (not shown) that two-dimensionally moves a sample stage 50 to which a substrate 48 on which the thin film 10 is formed is detachably attached. . In the illustrated example, only a part of the sample stage 50 is shown.
[0050]
As the laser used in the laser light source device 46, for example, a ruby laser, an yttrium aluminum garnet (hereinafter referred to as “YAG”) laser, an excimer laser, or the like can be used.
[0051]
The laser light source device 46 is a pulse oscillation type laser light source device, and is usually about 1 J / cm per pulse.²A laser having an energy density of 20 to 100 nanoseconds (hereinafter referred to as “ns”) is generated. In the illustrated example, a krypton fluorine (hereinafter referred to as “KrF”) laser is used as a laser light source, and laser light having a pulse width of about 25 ns is generated at a rate of 100 times per second.
[0052]
The laser light source device 46 can select all or a part of the thin film 10, for example, a 365 mm × 400 μm band-like region, as the portion 54 of the laser beam 52 for annealing to the thin film 10. It is possible to irradiate the entire thin film 10 by moving the sample stage 50 in one direction by the XY stage driving mechanism during the irradiation of the band-shaped region. One irradiation time of the laser beam 52 to the thin film 10 can be set to, for example, 25 ns.
[0053]
Although not shown, the laser light source device 46 includes a resonator that generates laser oscillation and a lens system that shapes the generated laser light into a beam shape suitable for irradiation.
[0054]
As the thin film 10, an amorphous silicon thin film formed in the illustrated example is used. Usually, dehydrogenated amorphous silicon is used as the amorphous silicon.
[0055]
As the substrate 48, a transparent glass substrate, a plastic substrate, a silicon substrate, or the like can be used. In the illustrated example, a transparent glass substrate is used.
[0056]
The glass substrate 48 on which the amorphous silicon thin film 10 is formed is detachably attached to the sample stage 50 and is positioned at a position where the laser beam 52 for annealing can be irradiated. In the illustrated example, only part of the amorphous silicon thin film 10 and the glass substrate 48 are shown.
[0057]
The monitoring device 42 includes a monitor light irradiator 56, a cylindrical lens 58, a reflected light measuring device 60, and a calculation device 62. The identification device 42 may further include a reflecting mirror 64.
[0058]
The monitor light irradiator 56 includes a monitor light source device 66, a shaping optical device 68, a homogenizer 70, and a condenser lens 72. The monitor light irradiator 56 irradiates the spot 54 on the thin film 10 irradiated with the annealing laser light 52 so that the monitor light 74 is condensed.
[0059]
The monitor light source device 66 includes, for example, an Ar laser, a helium neon (hereinafter referred to as “He-Ne”) laser, an Nd; YAG laser, and the like.
[0060]
The illustrated monitor light source device 66 is a continuous wave laser (hereinafter referred to as “CW laser”) light source device that generates S-polarized or P-polarized laser light. In the illustrated example, an Nd: YAG laser having a wavelength of about 532 nm is used as the laser, and 1 mW / μm.²A laser beam having the following power is generated.
[0061]
The monitoring light source device 66 is connected to a time adjusting device (not shown) connected to the annealing laser light source device 46. The time adjustment device has a monitor light generation start time that is selectively determined in advance with respect to the generation start time of the annealing laser light, and the time adjustment device outputs a signal for starting the generation of the monitor light. This is sent to the monitor light source device 66. In the illustrated example, a signal for starting generation of monitor light is sent from the time adjustment device to the monitor light source device 66 simultaneously with the start of generation of annealing laser light.
[0062]
The shaping optical device 68 shapes the cross-sectional shape of the laser light emitted from the monitor light source device 66 into a predetermined shape. In the illustrated example, the shaping optical device 68 shapes the laser light emitted from the monitor light source device 66 so that it has a circular cross-sectional shape.
[0063]
The homogenizer 70 adjusts the laser light that has passed through the shaping optical device 68 to laser light having a uniform light intensity distribution in the light cross section. For example, the light intensity distribution in the cross section of the Nd: YAG laser light is a light intensity distribution according to a Gaussian distribution and is not a uniform intensity distribution. The Nd: YAG laser light is adjusted to laser light having a uniform light intensity distribution in the light cross section by passing through the homogenizer 70.
[0064]
The condensing lens 72 condenses light having a circular cross section with a uniform light intensity distribution that has passed through the shaping optical device 68 and the homogenizer 70 as the monitor light 74 on the thin film 10. In the illustrated example, the monitor light 74 is irradiated so as to be condensed on the amorphous silicon thin film 10 through the glass substrate 48.
[0065]
At least a part of the monitor light 74 irradiated to the amorphous silicon thin film 10 is emitted from the amorphous silicon thin film 10 as reflected light 76, passes through the substrate 48 again, and its traveling direction is changed by the reflecting mirror 64. The light enters the reflected light measuring device 60 as light 78 through the lens 58.
[0066]
In the illustrated example, the cylindrical lens 58 is arranged so that the bus bar is parallel to the thin film 10 and the bus bar extends in the direction of crystal growth occurring in the thin film 10. By adjusting the direction of the mirror surface of the reflecting mirror 64, the traveling direction of the reflected light 76 can be appropriately changed. The cylindrical lens 58 is arranged so that the reflected light 76 passes through the cylindrical lens 58 in accordance with the direction of crystal growth generated in the thin film 10 and the direction of the generatrix. The reflected light 76 becomes light 78 condensed in a direction orthogonal to a virtual line along the crystal growth direction 14 of the thin film 10 by passing through the cylindrical lens 58.
[0067]
The reflected light meter 60 has a light sensitive surface with a substantially continuous light sensitive element that receives the reflected light 76 from the thin film 10 for the monitor light 74. As the light sensing surface, this can be a photocathode having a belt-like planar shape. When the photocathode is used as a photocathode, a photocathode material, for example, Cs such as silver cesium or bismuth cesium, is used as a light sensing material that is a light sensing element.₂Cs oxide material containing O, Cs₃Sb and Na₂An alkali-antimony intermetallic compound material such as KSb or a III-V group crystal such as GaSb can be used.
[0068]
The reflected light measuring device 60 having a belt-like planar photocathode converts light 78 received on the photocathode into electrons by a light-sensing element, and passes the electrons through a time-varying electric field into time series information. Then, the light is converted to reach the phosphor, and a projection image corresponding to the electron intensity, that is, the number of electrons is formed on the phosphor.
[0069]
As shown in FIG. 5, as the reflected light measuring device 60, for example, an apparatus using a streak camera that converts light into electrons and converts it into light again can be used.
[0070]
The streak camera 80 includes a photoelectric converter 82, an electric field generator 84, and a fluorescent plate 86.
[0071]
The photoelectric converter 82 has a photocathode PS having a belt-like planar shape, and generates photoelectrons corresponding to the incident light 78 by the photoelectron emission phenomenon on the photocathode 26. The light 78 incident on the photocathode PS is converted into photoelectrons. The positions of the photoelectrons are individually measured, and the difference in position with the size of the photoelectrons is detected with a very high spatial resolution.
[0072]
The electric field generator 84 generates an electric field that changes with time. The electric field generator 84 includes a sweep circuit device 88 that operates according to the trigger signal S, and a sweep electrode 90 connected to the sweep circuit device 88. In response to the input of the trigger signal S, the sweep circuit device 88 changes the interelectrode voltage of the sweep electrode 90 with the passage of time, and changes the traveling direction of the electrons E generated by the photoelectric converter 82. The photoelectrically converted electrons are accelerated by the acceleration electrode 92 and reach the electron multiplier 94.
[0073]
A photoelectron image PE is substantially formed on the electron multiplier 94, and the fluorescent screen 86 displays the projection image P corresponding to the electrons upon receiving the electrons passed through the electron multiplier 94.
[0074]
The streak camera 80 photoelectrically converts the incident light 78 into photoelectrons, and scans the photoelectrically converted photoelectrons in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the band-shaped cross section of the incident light 78. Since the projection image P displayed on the fluorescent screen 86 can be handled as two-dimensional information, if the projection image P is photographed by an imaging means such as a CCD camera and converted into digital information, the digital information is stored in a digital storage device. Or can be processed by a computer. Digital information can be displayed as appropriate.
[0075]
A light detection device (not shown) and a delay device (not shown) are connected to the streak camera 80 in order to determine the start time of measurement of the light 78 by the streak camera 80. The light detection device detects the laser light with a high-speed photodiode through an attenuation filter (not shown) arranged in a part of the annealing laser light path. The delay device outputs a trigger signal for starting the measurement of the incident light 78 by the streak camera 80 after a lapse of a delay time selectively determined in advance with reference to the detection time.
[0076]
The calculation device 62 extracts a plurality of strip-shaped projection images P displayed on the fluorescent screen 86 as image data at times t1, t2, t3,... According to the time resolution, and projects projections at respective times measured in an analog manner. The intensity distribution of the image P is subjected to image processing. Thereafter, the temporal change of the intensity distribution of the incident light 78 is calculated by time series processing, and the temporal change of the melting region of the thin film 10 is monitored based on this, and displayed on the display unit 96 of the calculation device 62. .
[0077]
In the example shown in FIGS. 4 and 5, the display unit 96 shows the relationship between the measurement time t in the total measurement time T of the incident light 78 and the position in the longitudinal direction of the monitor light irradiation position, that is, the position C in the crystal growth direction of the thin film 10. Is displayed in a graph with respect to the intensity of the projected image P. In the figure, for easy understanding, the total measurement time T is set to 60 ns, and the intensity of the incident light 78 at times t1, t2, t3,. The total measurement time T and the times t1, t2,... Are not limited to this.
[0078]
Further, in the above graph, for easy understanding, a solid line indicates when the thin film to be annealed is melted and the reflected light intensity is high, and a solid line indicates when the reflected light intensity is low after solidification. That is, the solid line portion indicates that the thin film to be annealed is in a molten liquid state, and the length M of the solid line portion indicates the melting width of the thin film to be annealed at each time t1, t2, t3,. Yes. A change in the melt width M over time is displayed on the display unit 96.
[0079]
A temporal change pattern of the melt width M is displayed on the display unit 96, and the temporal change of the melt width M is simultaneously observed two-dimensionally on a plane.
[0080]
Another embodiment of the monitoring device for the temporal change of the melting region generated in the semiconductor thin film by the irradiation of the annealing laser light will be described with reference to FIG. In the example shown in FIG. 6, the monitoring device according to the present invention is indicated generally by the reference numeral 98, and the cylindrical lens, reflected light measuring device, and calculation device are omitted because they are the same as the example shown in FIG. 4.
[0081]
The monitoring device 98 includes a monitor light source device 100, a shaping optical device 102, a homogenizer 104, an imaging objective lens 106, a reflecting mirror 108, a cylindrical lens (not shown), and a reflected light measuring device ( And a calculation device (not shown).
[0082]
As the monitor laser light source used in the monitor light source device 100, a laser that generates the laser light described above can be used. The monitor light source device 100 is connected to a time adjusting device (not shown) connected to the annealing laser light source device, as described above. In the illustrated example, a signal for starting the generation of the monitor light 112 simultaneously with the generation start of the annealing laser light 110 is sent from the time adjustment device to the monitor light source device 100.
[0083]
In the illustrated example, the shaping optical device 102 shapes the laser light emitted from the monitoring light source device 100 into a rectangular cross-sectional shape having a short side and a long side that is extremely longer than the short side with respect to the cross section of the light. .
[0084]
As described above, the homogenizer 104 converts the laser light that has passed through the shaping optical device 102 into laser light having a uniform light intensity distribution in the cross section of the light.
[0085]
The imaging objective lens 106 is a plate-shaped monitor light 112 having a rectangular cross section with a uniform light intensity distribution that has passed through the shaping optical device 102 and the homogenizer 104, and has a specific short side and long side with respect to the cross section of the light. The thin film 10 is imaged as light 114 having a rectangular cross section having a ratio.
[0086]
In the example shown in the figure, the light 114 is irradiated on the back surface of the thin film 10 on the glass substrate 48 side through the glass substrate 48, and is imaged on the back surface of the thin film 10 as light having a strip-like cross section of, for example, 60 μm × 1 μm. The
[0087]
At least a part of the light 114 applied to the thin film 10 is emitted again from the back surface of the thin film 10 as reflected light 116.
[0088]
The objective lens 106 further receives the reflected light 116 from the thin film 10. The reflecting mirror 106 is a movable mirror that can change the direction of the reflecting surface. The reflecting mirror 106 receives the light 118 that has passed through the objective lens 106 and changes the traveling direction of the light 118. The light 120 whose traveling direction has been changed passes through the cylindrical lens and enters the reflected light measuring device.
[0089]
Next, an embodiment in which a thin film semiconductor device (TFT) is formed in a crystallized semiconductor layer will be described with reference to FIGS. 7A to 7F. A non-single-crystal semiconductor (for example, amorphous or multi-layered) is formed on a substrate 201 of an insulating material (for example, a transparent rectangular substrate formed of alkali glass, quartz glass, plastic, polyimide, or the like) with a base layer 202 interposed therebetween. For example, an amorphous silicon thin film 203 made of crystalline silicon) is formed using a known film formation technique such as chemical vapor deposition or sputtering (FIG. 7A).
[0090]
The underlayer 202 includes, for example, a 50 nm thick SiN film 202a and a 100 nm thick SiON film.₂It is formed of a laminated film with the film 202b. The amorphous silicon thin film 203 has a thickness of about 50 nm to 200 nm, for example, and is formed of a semiconductor such as Si, Ge, or SiGe.
[0091]
As described with reference to FIGS. 1 to 6, the surface of the amorphous silicon thin film 203 is irradiated with an excimer laser beam 204, for example, KrF, XeCl excimer laser 204 as an energy beam while monitoring the crystallization state by the monitoring device 2. Then, the amorphous silicon thin film 203 is annealed. As a result, the amorphous silicon thin film 202 is crystallized or recrystallized and crystallized into, for example, a single crystal silicon thin film 205. That is, since the crystallized single crystal silicon thin film 205 is crystallized while monitoring the crystallization state, quality control is performed, and all crystallized regions have a uniform crystallinity.
[0092]
The crystallized or recrystallized single crystal silicon thin film 205 is processed into an island-shaped single crystal silicon thin film 205 by photolithography or the like. Thereafter, silicon oxide (SiO 2) is formed on the substrate 201 including the island-like single crystal silicon thin film 205.₂) Or the like is formed (FIG. 7D). Then, a gate electrode 207 is formed over the gate insulating film 206, and then impurity ions such as phosphorus are selectively implanted into the island-shaped semiconductor thin film 205 using the gate electrode 207 as a mask (FIG. 7E). As a result, a source region 209 and a drain region 210 doped with impurities, and a channel region 211 located between these regions are formed. Next, contact holes are formed in the gate insulating film 206 over the source region 209 and the drain region 210. A source electrode 212 and a drain electrode 213 are formed over the gate insulating film 206 so as to be electrically connected to the source region 209 and the drain region 210 through contact holes (FIG. 7E). In this way, the top gate type TFT 300 is completed.
[0093]
Next, an embodiment in which a display device including the TFT 300 is applied to the liquid crystal display device 301 will be described with reference to FIGS. The same parts as those in FIGS. 1 to 7 are denoted by the same reference numerals, and the details thereof are omitted because they are the same. 8 and 9 show a display device, for example, an active matrix type liquid crystal display device 301. In FIG. 8 and FIG. 9, the auxiliary capacity is omitted. In the figure, reference numeral 300 denotes a TFT, and the TFT 300 in this embodiment is an example of a bottom gate type TFT.
[0094]
8 and 9, the liquid crystal display device 301 includes a pair of front and rear transparent substrates 302 and 303, a liquid crystal layer 304, a pixel electrode 305, a thin film transistor (hereinafter referred to as TFT) 300, a scanning wiring 306, a signal wiring 307, A scanning wiring terminal 308 as a connection terminal, a signal wiring terminal 309 as a connection terminal, a counter electrode 310, and the like are provided.
[0095]
As the pair of transparent substrates 302 and 303, for example, a pair of glass substrates can be used. Hereinafter, the transparent substrates 302 and 303 are referred to as glass substrates. These glass substrates 302 and 303 are joined via a frame-shaped sealing material (not shown). The liquid crystal layer 304 is provided in a region surrounded by a sealing material between the pair of glass substrates 302 and 303.
[0096]
As shown in FIG. 9, the inner surface of one of the pair of glass substrates 302 and 303, for example, the rear glass substrate (array substrate) 302, is provided in a matrix in the row and column directions. A plurality of transparent pixel electrodes 305, a plurality of TFTs 300 electrically connected to the plurality of pixel electrodes 305, a scanning wiring 306 and a signal wiring 307 electrically connected to the plurality of TFTs 300, and one end of the substrate 302 A plurality of scanning wiring terminals 308 and a plurality of signal wiring terminals 309 formed respectively at the edge and one side edge are provided.
[0097]
The scanning wiring 306 is provided along each row of the pixel electrodes 305. One ends of these scanning wirings 306 are respectively connected to a plurality of scanning wiring terminals 308 provided on one side edge of the rear base 302. The plurality of scanning wiring terminals 308 are each connected to a scanning circuit (not shown).
[0098]
On the other hand, the signal wiring 307 is provided along each column of the pixel electrodes 305. One end of each of the signal wirings 307 is connected to a plurality of signal wiring terminals 309 provided at one end edge of the rear substrate 302. The plurality of signal wiring terminals 309 are each connected to a sample hold circuit (not shown).
[0099]
On the inner surface of the front glass substrate (counter substrate) 303 which is the other glass substrate, a single film-like transparent counter electrode 310 facing the plurality of pixel electrodes 305 is provided. In addition, a color filter is provided on the inner surface of the front glass substrate 303 so as to correspond to a plurality of pixel portions where the plurality of pixel electrodes 305 and the counter electrode 310 face each other, and to correspond to a region between the pixel portions. A light shielding film may be provided.
[0100]
A polarizing plate (not shown) is provided outside the pair of glass substrates 302 and 303. In the transmissive liquid crystal display device 301, a surface light source (not shown) is provided on the rear side of the rear glass substrate 302. Note that the liquid crystal display device 301 may be a reflective type or a transflective type.
[0101]
In FIG. 9, for example, a bottom gate type TFT 300 is shown. An interlayer insulating film 315 is formed on the surface of the bottom gate type TFT 300. The TFT 300 is not limited to the bottom gate type, and may be a top gate type, for example.
[0102]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a crystallization apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing an embodiment of a method for monitoring a temporal change of a molten region generated in a semiconductor thin film by irradiation of annealing laser light according to the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing another embodiment of the method for monitoring a temporal change of a molten region generated in a semiconductor thin film by irradiation of annealing laser light according to the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing an embodiment of a monitoring device for monitoring a temporal change of a molten region generated in a semiconductor thin film by irradiation of annealing laser light according to the present invention.
5 is a perspective view showing an embodiment of the reflected light measuring device of FIG. 4. FIG.
FIG. 6 is a perspective view showing another embodiment of a monitoring device for monitoring a temporal change of a melted region generated in a semiconductor thin film by irradiation of annealing laser light according to the present invention.
FIG. 7 shows an embodiment of a method of manufacturing a semiconductor transistor according to the present invention, and A to F are schematic cross-sectional views in the manufacturing process.
FIG. 8 is a plan view showing one embodiment of a display device according to the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing one embodiment of a display device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Laser Annealer, 2 Monitoring Device, 3 KrF Excimer Laser Light Source, 4 Optical System, 5 Object, 6 Phase Shifter, 10 Thin Film, 12, 52 Laser Light, 16, 74, 112 Monitor Light, 18, 76, 116 Reflected Light , 20 Cylindrical lens, 22 Streak tube, 24 Photoelectric conversion unit, 26 Photosensitive surface (photoelectric surface), 30 electrons, 32, 34 Electrode plate, 36 Electron image multiplier, 38 Phosphor screen, 42, 98 Specific device, 44 Laser Annealing device, 46 Laser light source device, 48 Substrate, 50 Sample stage, 56 Monitor light irradiator, 58 Cylindrical lens, 60 Reflected light measuring device, 62 Calculation device, 64, 108 Reflector, 66, 100 Monitor light source device, 68 , 102 Shaping optics, 70, 104 Homogenizer, 72 Condensing lens, 80 Streak camera, 8 Photoelectric converter, 84 Electric field generator, 86 Fluorescent plate, 88 Sweep circuit device, 90 Sweep electrode, 92 Accelerating electrode, 94 Electron multiplier, 96 Display unit, 106 Objective lens, 110 Laser beam for annealing, 201 Substrate, 202 Bottom Formation, 203 amorphous silicon thin film, 202aSiN film, 202b, SiO₂Film, 204 excimer laser, 205 single crystal silicon thin film, 206 gate insulating film, 207 gate electrode, 209 source region, 210 drain region, 211 channel region, 212 source electrode, 213 drain electrode, 300 thin film transistor, 301 liquid crystal display device, 302 , 303 Transparent substrate, 304 Liquid crystal layer, 305 Pixel electrode, 306 Scanning wiring, 307 Signal wiring, 308 Scanning wiring terminal, 309 Signal wiring terminal, Counter electrode 310, 315 Interlayer insulating film

Claims

Irradiating the thin film to be crystallized by irradiating it with energy rays, and crystallizing it in the temperature lowering process;
Receiving reflected light generated by irradiating monitor light to the position irradiated by the energy rays of the thin film to be crystallized or the back surface of the position;
Converting the received optical image into an electrical signal that changes with time;
Outputting the monitoring information of the crystallization state from the electrical signal, wherein the monitoring information is information obtained by expanding information in a predetermined first direction.

2. The crystallization method according to claim 1, wherein the information on the first direction is a direction in which crystallization growth is relatively fast.

2. The crystallization method according to claim 1, wherein the monitoring information is information obtained by extending information in a relatively fast crystallization growth direction and compressing information in a relatively slow crystallization growth direction.

4. The crystallization method according to claim 1, wherein the monitoring information is received by a cylindrical lens in the step of receiving the reflected light.

Irradiating the thin film to be crystallized by irradiating it with energy rays, and crystallizing it in the temperature lowering process;
Imaging the position irradiated by the energy rays of the thin film to be crystallized or the back surface of the position;
Converting the captured optical image into an electrical signal that changes with time;
Outputting the monitoring information of the crystallization state from the electrical signal, wherein the monitoring information is information obtained by expanding information in a predetermined first direction.

Irradiating the thin film to be crystallized by irradiating it with energy rays, and crystallizing it in the temperature lowering process;
Imaging the position irradiated by the energy rays of the thin film to be crystallized or the back surface of the position;
Converting the captured optical image into an electrical signal that changes with time;
And a step of displaying and storing monitoring information of the crystallization state from the electrical signal, wherein the monitoring information is information obtained by expanding information in a predetermined first direction.

Means for irradiating the thin film to be crystallized by irradiating it with energy rays, and crystallizing in the temperature lowering process;
An optical system for receiving the reflected light generated by irradiating the monitor light to the position irradiated by the energy rays of the thin film to be crystallized or the back surface of the position;
Means for converting the received optical image into an electrical signal that changes with time;
Means for outputting monitoring information of the crystallization state from the electrical signal, wherein the monitoring information is information obtained by expanding information in a predetermined first direction.

6. The crystallization apparatus according to claim 5, wherein the information on the first direction is a direction in which crystallization growth is relatively fast.

6. The crystallization apparatus according to claim 5, wherein the monitoring information is information obtained by extending information in a relatively fast crystallization growth direction and compressing information in a relatively slow crystallization growth direction.

The crystallization apparatus according to claim 7 or 9, wherein the monitoring information is received by a cylindrical lens in the optical system.

Means for irradiating the thin film to be crystallized by irradiating it with energy rays, and crystallizing in the temperature lowering process;
An optical system for imaging the position irradiated by the energy rays of the thin film to be crystallized or the back surface of the position;
Means for converting the captured optical image into an electrical signal that changes with time;
Means for outputting monitoring information of the crystallization state from the electrical signal, wherein the monitoring information is information obtained by expanding information in a predetermined first direction.

12. The crystallization apparatus according to claim 11, wherein the means for converting the captured optical image into an electrical signal that changes with time is a streak camera.

Means for irradiating the thin film to be crystallized by irradiating it with energy rays, and crystallizing in the temperature lowering process;
An optical system for imaging the position irradiated by the energy rays of the thin film to be crystallized or the back surface of the position;
Means for converting the captured optical image into an electrical signal that changes with time;
Means for displaying and storing monitoring information of the crystallization state from the electric signal, and the monitoring information is information obtained by expanding information in a predetermined first direction. .

When a non-single crystal semiconductor thin film is irradiated with energy rays and melted and crystallized in the temperature lowering process, and a thin film transistor is formed on the crystallized semiconductor thin film,
Manufacturing a thin film transistor characterized by imaging a melted state and a crystallized state of the non-single-crystal semiconductor thin film with a streak camera and crystallizing a predetermined region of the non-single-crystal semiconductor thin film while monitoring the crystallized state Method.

A thin film transistor manufactured using the crystallization method according to any one of claims 1 to 6 or the crystallization apparatus according to any one of claims 7 to 13.

It has a pair of substrates bonded to each other through a predetermined gap and an electro-optic material held in this gap. A counter electrode is formed on one substrate, and a pixel electrode and this are driven on the other substrate. A display device in which a thin film transistor is formed on a semiconductor thin film,
The semiconductor thin film is a semiconductor film obtained by imaging a melting state and a crystallization state of a non-single crystal semiconductor thin film with a streak camera and crystallizing a predetermined region of the non-single crystal semiconductor thin film while monitoring the crystallization state. A display device.