JP2007520874A - 半導体装置の製造方法および半導体検査装置 - Google Patents

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Abstract

本発明に係る半導体装置の製造方法および半導体検査装置により、図２のフローに示すように、レーザ処理工程１３で、ＳＰＣ工程１２処理後の基板の中から抜き取られたモニタ基板に、異なるレーザパワーで、異なる場所にレーザ処理を行い、基板全領域に多結晶シリコン膜を形成した後、最適パワー検査抽出工程１４でモニタ基板上に形成された膜質の異なる多結晶シリコン膜を検査装置で測定し、レーザパワーの最適値が求められ、レーザ処理工程１３で後続のＳＰＣ工程処理後の基板表面に、最適なレーザパワーに設定されたレーザが照射され、基板全領域で高品質な多結晶シリコン膜が製造される。

Description

本発明は、薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴ[Thin Film Transistor]）で構成された回路を有する半導体装置の製造方法および半導体検査装置に関するものである。
多結晶シリコン膜を用いたＴＦＴは、各社が競って性能向上の開発を進め、システム化の目標例として将来のシートコンピュータ等の実現を目指し、各種システム化が進みつつある。液晶表示装置の高性能化の１つとして、ＴＦＴのキャリア移動度を向上させることが有効である。そのため、アモルファスシリコン膜に代わって、多結晶シリコン膜がＴＦＴに応用されている。多結晶シリコン膜を用いたＴＦＴ特性の高性能化に対して、重要な役割をはたす多結晶シリコン膜の性能と品質が向上する安定した製造方法の開発が必要となっている。
多結晶シリコン膜を用いたＴＦＴ製造時には、予め化学気相成長法によりガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン膜を多結晶シリコン膜に改質する方法がある。その結晶化の方法として、ガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン膜にエキシマレーザを照射して多結晶シリコン膜に改質させるレーザ処理がある。レーザ処理による多結晶化は、ガラス基板の歪点以下の低い温度で行うことができるため、耐熱性のある高価な石英基板を用いる必要がない利点があり、多くの大学や企業が開発を競っている。また、ＴＦＴ特性の更なる向上を目指して、レーザ処理による結晶化時の粒径拡大化の技術開発が進められている。
レーザ処理による結晶化時の粒径拡大化の技術として、当社では他社に先駆け、触媒を用いた多結晶シリコン膜形成法（ＣＧＳ法[Continuous Grain Silicon]）を開発している。これは、アモルファスシリコン膜に結晶化を助長する金属元素（例えばニッケル）を添加し、加熱処理を行うことで添加金属元素領域を起点として広がる結晶質シリコンを形成（ＳＰＣ工程）し、更にレーザ処理によってアモルファスシリコン膜層の略全域に結晶化を進める製造方法である。この製造方法によりキャリア移動度１００ｃｍ2／Ｖｓ以上の高性能多結晶シリコンが製造できる。
また、他の粒径拡大化の技術として、レーザ処理工程を複数回行う等の方式も開発されている。
しかし、レーザ処理を用いて結晶化を行うと、多結晶シリコン膜に例えば1μｍ以上の粒径の結晶粒界が形成され、粒径が大きくなるに従い、多結晶シリコン膜に結晶粒を押し上げるようにその結晶粒界に沿って形成される突起の量も増加し、多結晶シリコン膜の表面の凹凸量（表面粗さ）が増加する。
また、レーザ処理のレーザパワーが、レーザパワーの最適値より、小さすぎるとアモルファスシリコンの結晶化が完全に進まず、大きいと結晶化が促進されるが、レーザパワーの最適値より少しでもレーザパワーが大きくなるとアモルファスシリコン膜の再結晶化が進んで微結晶化してしまい、多結晶シリコン膜の特性が悪くなる。
また、レーザ処理装置のレーザパワーは、レーザパワー設定値から経時的に変化し、ガラス基板上に成膜されるアモルファスシリコン膜の膜質も経時的に変化するため、多結晶シリコン膜の安定製造を妨げる。
上記のようにレーザ処理により製造された多結晶シリコン膜は、レーザパワーに敏感に依存するため、適正なレーザパワーの設定が、重要な項目のとなる。
このため、製造工程にレーザパワーの最適値を決定するための工程を追加し、そのレーザパワー最適値を用いてレーザ処理工程を行うモニタリング方法が、開示・提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００１−２５７１７６号公報
確かに上記のような工程を備えた半導体装置の製造方法であれば、ある程度は最適なレーザパワー値の設定を行うことが可能かもしれない。
しかしながら、上記では、アモルファスシリコン膜の改質を行う１工程以上からなる前処理工程を経た基板に対しては、最適なレーザパワーを設定するためのモニタリング方法を記述していない。最適なレーザパワーを決定する時点でのモニタ基板の製造プロセスと、決定されたレーザパワーを用いてレーザ処理される時点での製品基板の製造プロセスフローが異なる可能性がある。例えば、図１の工程フロー図のように、触媒添加加熱するＳＰＣ工程２を経ていないアモルファスシリコン膜付きモニタ基板を用いて、最適パワー検査抽出工程４でレーザパワーを決定してしまう可能性がある。
また、従来、最適パワー検査抽出工程４での測定結果からどのように判別して最適なレーザパワーを決定するか、また基板内の分布や経時変化に対して、どのような手法で絶対評価を行い、良否判別の自動化を行うか詳細に述べられていなかった。
上記のように、実際には、最適化されたレーザパワーがレーザ処理工程で用いられて製造されているとは限らず、そのため、性能と品質が低下したまま多結晶シリコン膜が製造されていた。従って、より最適なレーザパワーの設定を行って多結晶シリコン膜を製造する必要がある。
本発明は、上記の問題点に鑑み、アモルファスシリコン膜から多結晶シリコン膜へ結晶化を行うレーザ処理工程でのレーザパワーをより最適値に合わせて、性能品質の向上した多結晶シリコン膜を安定して製造することが可能な半導体装置の製造方法および半導体検査装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上にアモル
ファスシリコン膜を形成する成膜工程と、前記アモルファスシリコン膜の多結晶化に向けて前記アモルファスシリコン膜の改質を行う１工程以上からなる前処理工程と、前記前処理工程を行い改質したアモルファスシリコン膜にレーザ処理を行って多結晶シリコン膜を製造するレーザ処理工程と、を有しており、前記前処理工程後のアモルファスシリコン膜の所定の領域に対する所定の検査に基づいて、レーザパワーを決定するレーザパワー検査抽出工程を有し、前記レーザ処理工程は、前記レーザパワー検査抽出工程で決定されたレーザパワーを用いるとよい。この方法により、従来よりも最適なレーザパワー状態で多結晶シリコン膜が製造でき、量産製品において品質向上および安定化を図ることができる。また、最適なレーザパワーは、レーザ処理前のアモルファスシリコン膜の膜厚や膜質に応じて変動するが、本発明により、製品基板ごとにより最適なレーザパワーを求めて多結晶シリコン膜を製造することが可能となる。モニタ基板を使用する場合に比べて、余分な材料や工程処理が低減され製造効率を上げることができる。
また、上記記載の半導体装置の製造方法において、前記レーザパワー検査抽出工程は、分光法を用いた検査に基づいて、レーザパワーを決定するとよい。より精度良く安定して最適なレーザパワーを決定することが可能となる。分光分析装置本体から測定ポイントまで光ファイバーを用いてコンパクトに配置することも可能である。
また、上記記載の半導体装置の製造方法において、前記分光法の測定波長に７００か
ら８００ｎｍの波長を用いるとよい。前記波長領域の分光特性は、高品質な多結晶シリコン膜に特有に観察されるため、高品質な多結晶シリコン膜が製造されているかどうか判別することが可能となる。また、例えば、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌレーザ処理光に感知することなくレーザ処理室内や近傍で測定が可能となる。
また、上記記載の半導体装置の製造方法において、レーザパワー検査抽出工程は、測定点に光を照射して測定点を対象に取得した画像を検出する画像法を用いて検査を行い、レーザパワーを決定するとよい。本発明により、より精度良く安定して最適なレーザパワーを決定することが可能となる。また、撮影された画像により膜表面の膜ムラ異常を検出することも可能である。
なお、前記画像法を用いた検査を異物や膜質異常を検査に用いてもよい。本発明により、製造された多結晶シリコン膜に異常がないか即座に検査することが可能になる。
また、上記記載の半導体装置の製造方法において、前記分光法および前記画像法を用いた検査は、測定点に対して、測定点の周囲から測定用の光を照射して検査を行うとよい。この方法により、多結晶シリコン膜の結晶性の方向が、ランダムであっても、方向性を持っていたとしても、測定される分光特性値や輝度値が一定の測定環境で測定できる。
また、上記記載の半導体装置の製造方法において、前記レーザパワー検査抽出工程は、前記レーザ処理工程でレーザ処理を行うレーザ処理装置近傍で検査が行うとよい。これにより、決定されたレーザパワーをレーザ処理装置へ早くフィードバックすることが可能になる。特に、製品基板を用いて、レーザパワーを決定した場合、即座にレーザ処理が可能となるため、レーザ処理装置の光源の経時的な不安定性を考慮することなく、多結晶シリコン膜の製造ができる。
また、上記記載の半導体装置の製造方法において、前記レーザパワー検査抽出工程で、基板上の膜の表面検査を行うとよい。レーザ処理工程後の多結晶シリコン膜のスジ模様を検査すると、レーザ処理のレーザパワーが、最適なレーザパワーに対して、過小か超過であることが判断でき、レーザパワーの経時的な変化が適切にできる。
また、上記記載の半導体装置の製造方法において、前記レーザパワー検査抽出工程で、多結晶シリコン膜の検査機能とレーザパワーを決定する検査機能の両方を備えた装置を用いて検査するとよい。これによれば、装置の設置面積の低減と製造設備投資の低減が図れる。
また、上記記載の半導体装置の製造方法において、前記レーザパワー検査抽出工程は、検査結果に測定定量値を設けるとよい。この測定定量値を多結晶シリコン膜やアモルファスシリコン膜の特性分布、特性推移、特性の良否等の判別に利用できる。
なお、前記測定定量値は、較正用基板を配置し、較正を行う機能を有した装置を用いて決定されるとよい。これにより、測定精度が向上し、特に較正用基板を配置することにより、較正用基板の装置内への出し入れ機構が不要で、測定サイクルも短縮できる。
また、上記記載の半導体装置の製造方法において、前記レーザパワー検査抽出工程は、多結晶シリコン膜の検査機能と、レーザパワーの最適値を自動決定し、その自動決定されたレーザパワーの最適値をレーザ処理装置に自動供給する機能の両方を備えた装置を用いて検査を行うとよい。本発明により、これまでは最適なレーザパワーを人が判断して、レーザ処理装置のレーザパワーを設定していたため、人為的ミスを生じることがあったが、この人為的ミスが解消される。また、レーザ処理装置にレーザパワーの設定を効率よく行うことが可能となる。
また、上記記載の半導体装置の製造方法において、前記レーザ処理工程は、前記レーザパワー検査抽出工程で決定されたレーザパワーの最適値よりも５ｍＪあるいは１０ｍＪ低いレーザパワーを用いるとよい。前記レーザパワー検査抽出工程で決定されたレーザパワーの最適値でレーザ処理を行うと、最適なレーザパワー値の面内分布の影響を受けて、レーザパワーの最適値よりも高いレーザパワーでレーザ処理される可能性がある。レーザパワーの最適値よりも高いレーザパワーでレーザ処理された場合、多結晶シリコン膜の性能品質が急激に低下する。本発明により、面内分布の影響を受けることなく、より長時間安定した多結晶シリコン膜を製造することが可能となる。
また、上記記載の半導体装置の製造方法において、前記レーザパワー検査抽出工程で、多結晶シリコン膜の多点測定検査を行うとよい。多結晶シリコン膜には、基板毎の膜厚や膜質分布による最適なレーザパワーの分布があり、複数台のレーザ処理装置毎で、例えば、レンズ等の光学部品のばらつきや調整等によって分布が生じる。最適なレーザパワーの基板内分布を計測することにより、製造条件毎やレーザ処理装置毎の最適なレーザパワーのトレンドを把握して、品質改善、装置メンテナンス時間の最適化および装置異常の発見等に役立てることができる。
また、上記記載の半導体装置の製造方法において、前記レーザパワー検査抽出工程は、レーザ処理前に基板上の膜のアモルファスシリコン膜と多結晶シリコン膜の比率を判別検査するとよく、多結晶シリコン膜の性能と品質を安定化し歩留り向上を図る事ができる。
また、上記記載の半導体装置の製造方法において、前記レーザパワー検査抽出工程は、レーザ処理後に基板上の膜のアモルファスシリコン膜と多結晶シリコン膜の比率を判別検査するとよい。レーザ処理後の結晶化していないアモルファスシリコン膜の残りを速やかに検査することにより、例えば、レーザ前処理工程での異常やレーザの光学系の異常等による性能異常を速やかに検出することができ、早期発見と対策が可能となる。
また、上記記載の半導体装置の製造方法において、前記レーザパワー検査抽出工程は、レーザ処理前後に基板上の膜のアモルファスシリコン膜と多結晶シリコン膜の比率を判別検査するとよい。本発明により、レーザ処理前後のアモルファスシリコン膜と多結晶シリコン膜の比率のデータを比較することにより、不良要因の特定に役立てることができ、量産ロスを効率的に低減できる。
また、上記目的を達成するために、本発明に係る半導体検査装置は、光を照射する発光部と、該光を反射して所定の基板に照射する照明具と、該所定の基板から反射された反射光が入射され、その入射光を拡大する拡大部と、該拡大部により拡大された該入射光を画像データに変換するカメラ部と、前記カメラ部から該画像データを読み込んで所定のデータ処理を行う処理部と、該所定のデータ処理の結果を判別して所定の値を決定するための判別条件を記憶するメモリ部と、該判別条件に従って前記所定のデータ処理の結果から所定の値を判別して決定する判別部と、外部の装置との通信の接続を確立し、前記所定の値を外部の装置に送信する送信部と、有して成る構成とされている。本発明により、ユーザが表示部に表示された測定結果から最適な値を読み取って、外部の装置にその最適な値を入力する必要がなくなるため、人為的な入力ミスを解消できるとともに、その自動化によって時間的なロスが低減できる。
また、上記構成から成る半導体検査装置の前記照明具による前記所定の基板への前記光の照射角度は、３０度から６０度を用いるとよい。本発明により、多結晶シリコン膜の結晶性による表面の突起形状を反映して安定した評価および測定を行うことができる。
また、上記構成から成る半導体検査装置は、前記所定の基板に可視光領域の複数の異なる波長の光を照射し、前記所定の基板による反射光を受光して測定された分光データを前記処理部に入力する分光装置を有して成り、前記処理部は、該分光データを該波長に対する該反射光の強度分布データに変換する処理を行う構成とされるとよい。本発明により、処理部および判別部等を分光装置と共有化することが可能になるとともに、装置をコンパクト化することができるため、その設置面積を削減することができる。また、分光装置が用いられて最適な値が自動的に外部の装置に送られるため、人為的な最適値の入力ミスを解消することができる。
また、上記構成から成る半導体検査装置は、前記基板にアモルファスシリコン膜あるいは多結晶シリコン膜が成膜されている場合には、前記波長は、７００から８００ｎｍを用いる構成とされている。前記波長領域の分光特性は、高品質な多結晶シリコン膜に特有に観察されるため、高品質な多結晶シリコン膜が製造されているかどうか判別することが可能となる。また、例えば、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌレーザ処理光を感知することがないため、レーザ処理室内や近傍で測定を行うことが可能となる。
また、上記構成から成る半導体検査装置は、前記基板にアモルファスシリコン膜あるいは多結晶シリコン膜が成膜されている場合には、前記判別部は、アモルファスシリコン膜から多結晶シリコン膜に改質させるための最適なレーザパワーの値を判別決定する構成とされている。本発明により、アモルファスシリコン膜から多結晶シリコン膜に改質させるための最適なレーザパワーの値を外部のレーザ処理装置に送信することができる。
本発明に係る半導体装置の製造方法および半導体検査装置であれば、レーザ処理工程において最適なレーザ処理を安定して行うことが可能となるため、高品質の多結晶シリコン膜を安定して製造することが可能となる。
以下では、本発明を適用した触媒を用いた多結晶シリコン膜の製造方法を例に挙げて説明を行う。図２は、本発明に係る製造方法の工程の１例を示すフロー図である。図２に示すように本実施形態の触媒を用いた多結晶シリコン膜の製造方法（ＣＧＳ法[Continuous Grain Silicon]）は、ガラス基板上に化学気相成長によりアモルファスシリコン膜を成膜するアモルファスシリコン成膜工程１１と、アモルファスシリコン膜に結晶化を助長する金属元素（例えばニッケル）を添加後、加熱処理を行うことで添加領域を起点として広がる結晶質シリコンを形成するＳＰＣ工程１２と、ＳＰＣ工程を経たアモルファスシリコン膜にレーザを照射し、基板全領域に多結晶シリコン膜を形成するレーザ処理工程１３と、ＳＰＣ工程１２に続いてレーザ処理工程１３を経たモニタ基板を用いてレーザ処理のレーザパワーの最適値を求める最適パワー検査抽出工程１４と、レーザ処理工程後にゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜成膜工程１５と、を有してなる。
最適パワー検査抽出工程１４は、レーザ処理工程１３で、ＳＰＣ工程１２を経て抜き取られたモニタ基板に、レーザ処理のレーザパワーを、例えば５または１０ｍＪずつ１０ステップ増加させたパワーで、レーザ照射を行う場所を、例えば１０ｍｍ弱のレーザ照射幅で１０ｍｍずつ移動させながらレーザ処理をされたモニタ基板表面の各レーザパワーの箇所に対して、検査装置で計測し、強度ピーク高さ（例えば後述の画像法であれば輝度）が極大となるレーザパワーをレーザ処理工程１３の最適なレーザパワーの値として求める工程である。
次に、図２の上記フローから成る触媒を用いた多結晶シリコン膜の製造方法（ＣＧＳ法）の１例を説明する。アモルファスシリコン成膜工程１１でガラス基板上に化学気相法により、アモルファスシリコン膜が例えば５０ｎｍ成膜された後、ＳＰＣ工程１２でガラス基板上のアモルファスシリコン膜に結晶化を助長する例えばニッケルが添加され、更に加熱処理を行うことによって、ニッケルの添加領域を起点として結晶質シリコンが形成される。次に、レーザ処理工程１３で、ＳＰＣ工程１２処理後の基板の中から抜き取られたモニタ基板に、レーザ処理のレーザパワーを、例えば５または１０ｍＪずつ１０ステップ増加させたレーザパワーで、レーザ照射を行う場所を、例えば１０ｍｍ弱のレーザ照射幅で１０ｍｍずつ移動させながらレーザ処理を行い、基板全領域に多結晶シリコン膜を形成した後、最適パワー検査抽出工程１４でモニタ基板上に形成された膜質の異なる多結晶シリコン膜を検査装置で測定し、レーザパワーの最適値を求める。求められたレーザパワーの最適値をレーザ処理工程１３にフィードバックして、レーザ処理工程１３で後続のＳＰＣ工程１２処理後の基板表面に、最適なレーザパワーに設定されたレーザが照射され、基板全領域に多結晶化が進行して高品質な多結晶シリコン膜が製造される。
また、実際、レーザパワーは、経時的に変化し、基板上に成膜されるアモルファスシリコン膜の膜質も経時的に変化するため、例えば１〜数ロット毎に最適パワー検査抽出工程１４を行い、レーザパワーを精密にコントロールして製造管理を行うとよい。
レーザ処理のレーザパワーの最適値を超えて少しでもレーザパワーが大きくなるとアモルファスシリコン膜の再結晶が進んで微結晶化してしまい、急激に多結晶シリコンの性能品質低下が生じる、また、最適なレーザパワーは基板内で面内分布(５〜１０ｍＪの差)があるので、面内分布の影響を考慮して、例えば、５ｍＪあるいは１０ｍＪ程度、レーザパワーを最適値から低く設定してレーザ処理工程を行う事により、より長時間安定した膜を製造することが可能となる。
なお、多結晶シリコン膜を形成する方法としてＳＰＣ工程を経るＣＧＳ法を示したが、ＳＰＣ工程の代わりにレーザ処理工程を２度経る等の他の方式もあり、他の方式においてもモニタ基板あるいは製品基板を用いて上記と同様に最終のレーザ処理工程前に最適なレーザパワーを決定してもよい。
ＴＦＴ製造完了まで説明すると、上記のレーザ処理工程１３で製造された多結晶シリコン膜に、ゲート絶縁膜成膜工程１５で多結晶シリコン膜上に、例えば１００ｎｍのゲート絶縁膜が成膜され、更に図示していない次工程でゲート絶縁膜上にゲート電極となる金属膜が成膜され、金属膜とゲート絶縁膜をパターニングし、ソース及びドレイン領域となる多結晶シリコン膜を露出させる。次に、露出部の多結晶シリコン膜に不純物をドープして、ソースおよびドレイン領域を形成してＴＦＴが製造される。
上記では、モニタ基板を用いて最適なレーザパワーを求めることを述べたが、ＳＰＣ工程１２処理後の製品基板に対して、多結晶シリコン膜を製品と使用しない基板上の部分を使用して、最適なレーザパワーを求めてもよい。これによりレーザ処理前のアモルファスシリコン膜の膜厚や膜質に応じて変動する最適なレーザパワーに影響されることなく、実製品基板の状態により近づけて求めることができる。しかも、モニタ基板を処理する場合に比べ余分な材料や工程処理が低減され製造効率が向上する。
図３は、モニタ基板の代わりに、ＳＰＣ工程後の製品基板上に検査用のレーザ処理を行う場所の１例を示す図である。ＳＰＣ工程後の製品基板２０に対し、最終的に製品として機能する機能素子部２１を除いた部分に、本例ではアモルファスシリコン膜の膜厚が安定している真中（端であってもよい）に、レーザ処理が必要なレーザパワー数の箇所にレーザパワーモニタ部２２を配置して所望のレーザパワーが照射される。
図４は、図３の製品基板２０を用いて最適なレーザパワーを求めて多結晶シリコン膜の形成することを示したフローの１例である。図４に示すような本実施形態の触媒を用いた多結晶シリコン膜の製造方法（ＣＧＳ法）は、ガラス基板上に化学気相成長によりアモルファスシリコン膜を成膜するアモルファスシリコン成膜工程２３と、アモルファスシリコン膜に結晶化を助長する金属元素（例えばニッケル）を添加後、加熱処理を行うことで添加領域を起点として広がる結晶質シリコンを形成するＳＰＣ工程２４と、ＳＰＣ工程２４を経たアモルファスシリコン膜にレーザを照射し、基板全領域に多結晶シリコン膜を形成するレーザ処理工程２５と、ＳＰＣ工程２４に続いてレーザ処理工程２５を経た製品基板２０を用いてレーザ処理のレーザパワーの最適値を求める最適パワー検査抽出工程２６と、レーザ処理工程後にゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜成膜工程２７と、を有してなる。
最適パワー検査抽出工程２６は、レーザ処理工程２５で、ＳＰＣ工程２４を経て抜き取られた製品基板２０に、レーザ処理工程２５で、製品基板２０のレーザパワーモニタ部２２の各箇所ごとに、レーザ処理のレーザパワーを、例えば５または１０ｍＪずつ１０ステップ増加させたパワーで、レーザ処理を行い、レーザパワーモニタ部２２に多結晶シリコン膜を形成した後、レーザパワーモニタ部２２の各箇所に形成された膜質の異なる多結晶シリコン膜を検査装置で計測し、強度ピーク高さが極大となるレーザパワーをレーザ処理工程２５のレーザパワーの最適値として求める工程である。
次に上記フロー図４から成る触媒を用いた多結晶シリコン膜の製造方法（ＣＧＳ法）の１例を説明する。アモルファスシリコン成膜工程２３でガラス基板上に化学気相法により、アモルファスシリコン膜が例えば５０ｎｍ成膜された後、ＳＰＣ工程２４でガラス基板上のアモルファスシリコン膜に結晶化を助長する例えばニッケルが添加され、更に加熱処理を行うことによって、ニッケルの添加領域を起点として結晶質シリコンが形成される。次に、レーザ処理工程２５で、製品基板２０のレーザパワーモニタ部２２の各箇所ごとに、レーザ処理のレーザパワーを、例えば５または１０ｍＪずつ１０ステップ増加させたパワーで、レーザ処理を行い、レーザパワーモニタ部２２に多結晶シリコン膜を形成した後、最適パワー検査抽出工程２６でレーザパワーモニタ部２２の各箇所に形成された膜質の異なる多結晶シリコン膜を検査装置で測定し、レーザパワーの最適値を求める。求められたレーザパワーの最適値をレーザ処理工程２５にフィードバックして、レーザ処理工程２５で残りのＳＰＣ工程２４処理後の製品基板２０の表面に、最適なレーザパワーに設定されたレーザが照射され、基板全領域に多結晶化が進行して高品質な多結晶シリコン膜が製造される。
また、実射レーザパワーは、経時的に変化したり、基板上に成膜されるアモルファスシリコン膜の膜質も経時的に変化したりするため、例えば１〜数ロット毎に最適パワー検査抽出工程２６を行い、レーザパワーを精密にコントロールして製造管理を行う。
レーザ処理のレーザパワーの最適値を超えて少しでもレーザパワーが大きくなるとアモルファスシリコン膜の再結晶が進んで微結晶化してしまい、急激に多結晶シリコンの性能品質低下が生じる、また、最適なレーザパワーは基板内で面内分布(５〜１０ｍＪの差)があるので、面内分布の影響を考慮して、例えば、５ｍＪあるいは１０ｍＪ程度、レーザパワーを最適値から低く設定してレーザ処理工程２５を行う事により、より長時間安定した膜を製造することが可能となる。
なお、多結晶シリコン膜を形成する方法としてＳＰＣ工程２４を経るＣＧＳ法を示したが、ＳＰＣ工程２４の代わりにレーザ処理工程を２度経る等の他の方式もあり、他の方式においてもモニタ基板あるいは製品基板を用いて上記と同様に最終レーザ処理工程前に最適なレーザパワーを決定してもよい。
次に、図２に示した最適パワー検査抽出工程１４でのレーザパワーの最適値を求める方法に重点をおいて以下に説明する。
図５は、分光法の１例であるラマン分光法による測定結果を示す。図５のＬＰＳと示したスペクトルは、アモルファスシリコン成膜工程１のみ経た基板に異なるレーザパワーで異なる箇所にレーザ処理された従来プロセスのモニタ基板（図１のフローで処理されたモニタ基板）の測定結果である。図５のＣＧＳと示したスペクトルは、ＳＰＣ工程１２まで経た基板に異なるレーザパワーで異なる箇所にレーザ処理した本発明の新プロセスモニタ基板（図２のフローで処理されたモニタ基板）の測定結果である。
図５に示すように、従来プロセスのＬＰＳスペクトルでは、ピークが２〜３点あるが、第１ピークが、最適なレーザパワーの値に最も近い値のピークであることから、最適なレーザパワーの特定が可能である。新プロセスのＣＧＳスペクトルでは、ピークが複数みられ、測定ばらつきに対してピークが特定困難で、かつ従来プロセスのＬＰＳスペクトルのようなに明確に最適なレーザパワーの値を割り出す手段が無かった。
最適なレーザパワーの値を特定できなかった原因は、ラマン分光法は微弱な光量変化を測定するため、測定ばらつきが多く、特にレーザ処理による結晶化時の粒径の拡大化が進むと、多結晶シリコン膜に結晶粒を押し上げるようにその結晶粒界に沿って形成された突起量の増加に伴い、多結晶シリコン膜の表面の凹凸量（表面粗さ）が増加したため、測定バラつきが多くなってしまったためである。
上記のようにラマン分光法測定は、測定ばらつきが多いために、１測定場所に付き１０回測定し平均化した値を測定値とする必要があり、測定に時間がかかるなどの問題点がある。
次に、上記のラマン分光法と異なる分光法によるモニタリングの１例を説明する。図６は、ラマン分光法と異なる分光法によるモニタリングの原理を説明するための図である。
図６の分光分析装置３０は、光を照射する光源ボックス３１と、反射された光を受光する分光器３２と、光を伝達する照射用および受光用光ファイバー３３と、基板へ略垂直に光を照射受光するヘッド３４を備え、照射用および受光用光ファイバー３３は、それぞれの先端の片側が１つに束ねられ、ヘッド３４に接続されている。
図７は、図６のヘッド３４先端部の拡大図を、図８は、図６のヘッド３４先端の光ファイバー配置図を示す。ヘッド３４の先端部には、中央に受光用ヘッド３４ａに受光用光ファイバー３３が配置され、その周囲に均等な角度位置に配置された光照射用ヘッド３４ｂに照射用光ファイバー３３（本実施例では６本の光ファイバーを示す）が配置されている。
上記のように、基板３６に対し略垂直に光を照射し、かつ、光照射部を測定ポイントの外周直上に均等に配置する事により、測定基板の結晶構造が異方性であっても測定システムの設置方向に対して測定誤差が生じず、また、大型ガラス基板のように多少のそりが発生し測定ポイントに垂直方向からの角度ずればらつきが生じても誤差を小さくして精度良く測定することができる。
上記には、反射型の例を示したが、基板３６と基板上の膜３５が、ガラスのように光透過材料の場合は透過型でも良い。ただし、反射型の方がヘッドやファイバーを一体化して、軸合わせが容易で、コンパクトに配置できる。
図６、図７および図８に示した分光分析装置３０の測定の原理を説明する。光源ボックス３１から照射された光は、照射用の光ファイバー３３を通して基板の表面に略垂直に光照射用ヘッド３４ｂより照射される。照射された光は、基板の表面で反射され、受光用ヘッド３４ａから受光用の光ファイバー３３を通して、分光器３２で分光されることによって、反射光の反射率の波長分布曲線が得られ、この測定結果より基板上の膜３５の結晶性を解析する方法である。
また、後述の画像法のように、基板上の膜３５の模様を検査することによりレーザパワーの過不足を判断する画像カメラ３７を有することが好ましく。例えば、画像カメラ３７は、量産装置に備えられる基板のマーカを観察して位置あわせを行うためのカメラなどと併用することによりコストや設置スペースを低減することができる。
図６に示した分光分析装置３０は、測定ポイントまで、ヘッド３４の付いた光ファイバー３３を引き回してコンパクトに配置して計測してもよく、例えば、レーザ処理装置の受入・払出部と受入れ洗浄装置との間に組込む事ができる。
しかも、レーザ処理に使用するレーザ波長と異なる分光分析波長の選択が可能なので、波長４００ｎｍ以上の可視光領域を分析光とすることで、例えばレーザ処理装置内（例えば、ＸｅＣｌレーザ、波長＝３０８ｎｍ）でレーザ処理をしながらリアルタイムで即座にレーザ処理完了部の膜質検査を精度高く測定可能である。従って、モニタ部とレーザ処理部の僅かな間隔（例えば５０ｍｍ）でレーザのＩｎｓｉｔｕｅモニタを行い、レーザパワーを最適値に制御しながらレーザ照射中の基板の量産処理をすることも可能である。実際、本測定波長は、レーザ処理のレーザ光の波長域と異なっているので、Ｉｎｓｉｔｕｅモニタが可能である。
本測定に用いる分光分析装置３０としては、照射と受光ヘッドが一体化した分光分析装置、例えば松下インターテクノ（株）取扱い・Ｆｉｌｍｍｅｔｒｉｃｓ社製Ｆ２０などがあり、照射と受光ヘッドが分離した形としてはオムロン製Ｚ５ＦＭ、ライン状の一括検査が検査でき目視判定時等に効率的な計測判定処理が可能である川鉄テクノリサーチ製ＩｍＳｐｅｃｔｅｒｏｒ等があるが、ほか何れの種類の装置であっても良い。ただし、自動検出判別を行うには後述のような判別システムプログラムを設ける必要がある。
図９は、図１のフローで製造された従来プロセスのモニタ基板上のアモルファスシリコン膜にレーザパワーを２６０ｍＪ／ｃｍ２から４５０ｍＪ／ｃｍ２まで変化させて結晶化を行った場合の多結晶シリコン薄膜について、図６の分光分析装置３０と同じ原理のＦｉｌｍｍｅｔｒｉｃｓ社製Ｆ２０を用いて分光特性を測定し表示した例である。
レーザパワーを複数段ステップアップしたときの分光特性プロファイルの推移を示している。これらのスペクトルのうち、サブピークに極大値と極小値を持つレーザパワー３６０〜３７０ｍＪ／ｃｍ２のスペクトル４０が、最適な多結晶シリコン膜の結晶状態のスペクトルである。本例のレーザパワー領域では、極小値および極大値は、４００ｎｍ強の波長に極小値、６００ｎｍ辺りに極大値のピーク値を持ち、比較的なだらかなプロファイルを示す。レーザパワーの最小値２６０ｍＪ／ｃｍ２（スペクトル３８）からレーザパワーを増加させていくと、凡そ４８０ｎｍに極大値、凡そ５２０ｎｍに最小値のサブピークが現れ、徐々にこの傾向が顕著になり、最適な結晶状態であるレーザパワー３６０〜３７０ｍＪ／ｃｍ２辺り（スペクトル４０）を超えて、またサブピークは薄れていき消えていく。このような事から、スペクトルプロファイルの比較による目視判定で、最適なレーザパワーを割り出すことが可能である（この比較判定により、光源の光量変動等によるプロファイルのシフトは無視できる）。
ただし、光源の光量劣化や分光センサの特性変動等による測定分光プロファイルの変動を考慮し、かつ、自動的に量産品で長期間、結晶化の測定判定を行うには、較正可能な定量値を定める事が好ましい。これにより、量産品の膜の特性分布、特性推移、良否を判別することも可能となる。
上記の定量値の設定としては、１）反射強度の極小値（例えば、図９に示したスペクトルの５００ｎｍ強波長辺りの極小値）、２）凹部落込み量（図１０参照）、３）凹部半値幅（図１０参照）、４）凹部の面積（図１１に示すように接線と測定曲線に囲まれた面積）、５）そのほか５００ｎｍ弱辺りの上記同様凸部の段差、半値幅、凸部面積など各種が考えられる。本発明の実証検討では、上記項目４）凹部の面積の極大値が最適結晶状態との誤差が少なく量産適用可能な事を確認している。
図１２に、図２のフローで製造された新プロセスのＳＰＣ工程１２処理後のアモルファスシリコン膜にレーザ処理工程１３でレーザパワーを２８０ｍＪ／ｃｍ２から３２０ｍＪ／ｃｍ２まで変化させて、結晶化を行った場合の多結晶シリコン薄膜について、図６の分光分析装置３０と同じ分光原理のＦｉｌｍｍｅｔｒｉｃｓ社製Ｆ２０を用いて分光特性を測定した結果を示す。図１２中のスペクトルにおいて、波長５００ｎｍ近傍の傾向は、図９の従来プロセスの多結晶シリコン膜での測定スペクトルと同様な傾向を表しており、最適なレーザパワーの判別が可能である。
また、図２のフローで製造された新プロセスの多結晶シリコン膜が、図１のフローで製造された従来プロセスの多結晶シリコン膜と異なる分光特性として、図１２の波長７５０ｎｍ辺りに凹部（極小点）を形成していることである。定量値の設定に、この波長７５０ｎｍ辺りのスペクトル変化を上記で示した定量値の方法を利用してもよい。
また、ＳＰＣ工程不良の基板が本測定に仕掛かった場合、波長７００ｎｍ〜８００ｎｍ辺りの波長領域で分析を行うと、ＳＰＣ工程不良の基板は、良品の基板とスペクトルが異なるため、最適なレーザパワー判別不可として自動認識することが可能であり、ＳＰＣ工程不良を速やかに検出できると同時に、ＳＰＣ工程不良が判別されるまで後工程に不良を流し続けるといった製造ロスを低減できる。
次に、最適パワー検査抽出工程１４でのレーザパワーの最適値を求める方法の1つである画像法の１例を説明する。図１３は、画像法を利用したモニタリング装置である。
図１３の画像法を利用したモニタリング装置５０は、画像を拡大する拡大レンズ５１と、拡大レンズ５１を前方に備えたカメラ５２と、基板表面に光を照射するＬＥＤ５３と、そのＬＥＤ５３を基板面と平行に正方形に配置した照明具５４と、を有している。
図１３の画像法を利用したモニタリング装置５０の測定原理を説明する。ＬＥＤ５３から照射された光は、照明具５４により、基板５５上の測定ポイントに対し、周辺から均等に照射される。照射された光は、基板表面に反射されて、基板面の略垂直上にある拡大レンズ５１を通して、カメラ５２で画像に変換される。その画像の所望の視野における輝度と輝線により最適なレーザパワーの値を求める方法で、輝度のピーク値が最適なレーザパワーに一致する。
カメラ５２は、基板５５の面の垂直方向から画像取得する方が結晶性の評価を正確に行え、本例では東京電子工業製ＣＳ８３２０を、拡大レンズ５１はモリテックス製ＭＴＥ−５５を使用した。有効視野サイズは１３×９．７５ｍｍ２で、数μｍオーダーの結晶核に比べて、広い視野で測定する事により測定装置の位置合わせ誤差等に影響されずに誤差少なく測定できる。
モノクロカメラなどで評価する場合、照明の色は白色が結晶性に対する画像の明るさに対して有意性があり好ましく、測定ポイントに対し照明ポイントが固定の位置に配置される必要がある。また、基板５５の面に対し斜め方向からの照射が、結晶性のよる表面の突起形状を反映して安定した評価を行え、照射角度は、凡そ３０°から６０°の範囲で、より好ましくは４５°近傍が測定の精度・安定性に優れる。図１３に示すＬＥＤ５２の配置により前記の範囲で多少照明角度がばらつくが、モリッテクス製ＫＤＢＷ−Ｑ３６０Ｃ（白色ＬＥＤは日亜化学工業製）を用い良好な結晶評価が行えた。ただし、照明材料・構造はこれに限るものではなく、蛍光灯ランプに照明位置・方向を安定させるスリットを設ける構造でも良好に評価できた。
図１４は、図２の新プロセスフローでＳＰＣ工程１２まで製造されたモニタ基板にレーザパワー３７０ｍＪ／ｃｍ２から４４０ｍＪ／ｃｍ２ｍでレーザ処理したときの多結晶シリコン膜の画像法による平均輝度と輝線数の測定結果を示す図である。最適なレーザパワーの値は、極大値を示すレーザパワー値３７０ｍＪ／ｃｍ２〜３８０ｍＪ／ｃｍ２間である。よって、画像法による輝度の測定結果からも最適なレーザパワーを判別決定することができる。
また、レーザ処理のレーザパワーの最適値を超えて少しでもレーザパワーが大きくなるとアモルファスシリコン膜の再結晶が進んで微結晶化してしまい、急激に多結晶シリコンの性能品質低下が生じる、また、最適なレーザパワーは基板内で面内分布(５〜１０ｍＪの差)があるので、面内分布の影響を考慮して、例えば、５ｍＪあるいは１０ｍＪ程度、レーザパワーを最適値から低く設定してレーザ処理工程を行う事により、より長時間安定した膜を製造することが可能となる。例えば、図１４において最適なレーザパワーＢが検出されたとき、レーザ処理工程１３のレーザパワーとしては、処理用レーザパワーＣを設定する。
次に、図１４の画像法で測定された輝線について述べる。図１６は、基板面より小さいレーザ照射幅でレーザ処理されるために生じるスジ模様の模式図である。このスジ模様は、図１４で示した輝線数として測定され、輝線数は、レーザパワーが、最適値より大きい場合にのみ顕著に増加する。よって、輝線の測定結果も最適なレーザパワーの判別に利用できる。ただし、照射輝度、自動カウントする自動画像処理ソフト、レーザーショット、および基盤処理プロセス等によりスジの本数は変化し、絶対数に関しては、あまり意義は無く、有無が有意義である。意義をもたせるには、リファレンスシステムを作ることが必要である。
また、最適のレーザパワーで処理されたときの輝度の値をリファレンスとして、新たに製造された製品基板の輝度を測定し比較することにより、最適なレーザパワーに対して過小であるか超過であるかを判別することもできる。
画像法を利用した本モニタリング装置５０も、装置本体から測定ポイントまで光ファイバーを用いて、コンパクトに配置して計測でき、例えばレーザ処理装置の受入・払出部と受入れ洗浄装置との間に組込む事ができる。
また、上記のラマン分光と異なる分光法や画像法による測定では、１条件１測定で十分なデータが得られるため、１条件につき複数回の測定が必要であったラマン分光法により、測定計測時間が短縮される利点がある。
また、図１３の画像法を利用したモニタリング装置５０は、図６に示した分光法によるモニタリング装置と、レーザパワー超過検査法（上記で説明した最適なレーザパワーを判別決定する方法）、ハード（光源など）およびソフト（データ処理や表示）とを共有してコンパクト化が可能で、インライン検査も容易となる。最適パワー検査抽出工程１４でモニタ基板と製品基板両方が、後述する画像法と分光法が共有したモニタリング装置で検査されてもよい。
上記の図１３の画像法を利用したモニタリング装置５０を、最適パワー検査抽出工程１４で、異物やＳＰＣ工程不良を検出するための画像モニタとして使用してもよく、製品基板に対して、異物やＳＰＣ工程不良があると、即座に検出することができ、製造ロスを低減できる。その画像モニタは、図１３のカメラ５２を併用する事によりコンパクトに低コストで配置する事ができるが、別でも良い。
図１５に異物やＳＰＣ工程不良を検出するための画像モニタシステムの１例を示す。画像モニタシステム５６は、５倍の対物レンズを備えたオリンパス製顕微鏡５８と、顕微鏡の像を画像に変換する東京電子工業製ＣＳ８４２０のカメラ５７と、基板表面に光を照射するリング状の蛍光管６０と、その蛍光管６０を基板面と平行に配置した照明具５９と、を有している。
画像モニタシステム５６は、蛍光管６０から照射された光は、照明具５９により、基板６１上の測定ポイントに対し、周辺から均等に照射される。照射された光は、基板表面に反射されて、基板面の略垂直上にある顕微鏡５８を通して、カメラ５７で画像に変換される。その画像を確認することで、異物やＳＰＣ工程不良を検出できる。
図２のフローで製造されたＳＰＣ工程１２を経た多結晶シリコン膜の画像モニタによる測定例として、図１６に良品の画像の模式図を、図１７にＳＰＣ工程不良の画像の模式図を示す。良品では、レーザ処理のショットによる筋模様が見られるが、ＳＰＣ工程不良では、ＳＰＣ工程処理ムラによる網目模様が見られる。
次に、最適なレーザパワーのレーザ処理装置へのフィードバックを高速化する方法を説明する。これは、レーザ処理装置近傍で分光法や画像法等の測定を行うことで可能であり、特に、モニタ基板が量産基板（すなわち、製品基板）と共通の場合は、測定後速やかに量産用レーザ処理を行うことができ、レーザ光源の経時的な不安定性を補うことができるため、その効果が大きい。最終的に多結晶シリコン膜の性能の向上と安定化が可能となる。図１８は、レーザ処理装置近傍で分光法の測定を行う場合の１例である。
図１８に示すように、レーザ処理装置７１と、レーザ処理装置７１の前に設置された基板の洗浄を行う受入れ洗浄装置７２と、の間に基板搬送用ロボット７３が設置されている。基板搬送用ロボット７３側のレーザ処理装置出入り口７１ａ近傍の空間に、例えば、図６の分光方式であれば光ファイバーで本体から引き回して測定用のヘッド３４を配置する。画像法方式の測定用ヘッドであっても良い。
また、基板搬送用ロボット７３上で基板７４を測定すれば、機種毎などに測定ポイントを自由に変えて所望の位置の測定を行う事が可能である。
また、図１９のようにレーザ処理装置７１内に、例えば、図６の分光方式の分光分析装置３０であれば光ファイバーで本体から引き回して測定用のヘッド３４を配置し、基板の出し入れ処理なく測定を行うことでより時間短縮ができる。ただし、レーザ処理装置７１のレーザ光の波長に影響されない分析可能な光の波長を選択するか、光学系の中にレーザ処理装置７１のレーザ光の波長を遮断するフィルターを介在させるか、あるいは測定ヘッド３４の周囲に遮光体７５を配置する必要がある。
さらに、より安定的に多結晶シリコン膜を製造する方法について以下に説明する。製品基板の検査機能と、図６の分光法システムや図１３の画像法システム等を用いて求められたレーザパワーの検査結果から最適なレーザパワーを自動判別決定後、レーザ処理装置７１に自動送出する機能の両方を備えた検査装置を、最適パワー検査抽出工程で用いるとよい。これによって、検査装置がコンパクト化になる利点に加え、これまで、人が測定スペクトルから最適なレーザパワーの結果を読み取り、レーザ処理のレーザパワーを設定していたが、レーザ処理装置７１が複数台ある場合や最適なレーザパワーの異なる機種を混載して同一ラインに流す場合、人為ミスを生じることがあったが、この人為ミスを解消できる。また、レーザ処理への最適なレーザパワーの設定が自動化により効率良く、反映される。
例えば、以下のような画像法と分光法の両方の検査機能が共有された２方式モニタリング装置が用いられる。図２６は、画像法を利用したモニタリング装置５０と分光分析装置３０を備えた２方式モニタリング装置の要部構成を示す図である。２方式モニタリング装置１１０は、図２６に示すように、分光分析装置３０と、画像法を利用したモニタリング装置５０と、を有して成る。
また、画像法を利用したモニタリング装置５０は、前述の入射光を拡大する拡大レンズ５１、入射した光を画像データに変換するカメラ５２、ＬＥＤ５３および照明具５４の他に、装置全体の制御を行うとともに、分光分析装置３０から入力された分光データおよびカメラ５２から読み込んだ画像データに対して、前述したような定量値化およびグラフ化等のデータ処理を行う処理部５０ａと、処理部５０ａによるデータ処理結果からレーザ処理装置７１の最適なレーザパワーの値を判別決定するための判別条件、各種制御プログラム、分光法および画像法に関するデータ処理プログラムおよび各種データを記憶するメモリ部５０ｅと、その判別条件に従って、処理部５０ａによるデータ処理結果からレーザ処理装置７１の最適なレーザパワーの値、前述のＳＰＣ工程不良および基板上の異物の有無等を判別決定する判別部５０ｂと、処理部５０ａによるデータ処理結果や判別部５０ｂにより判別決定された最適なレーザパワーの値等が表示され、２方式モニタリング装置１１０への操作入力が受け付けられる操作表示部５０ｄと、外部の装置との通信の接続を確立し、判別部５０ｂにより判別決定されたレーザ処理装置７１の最適なレーザパワーの値を外部の装置へ（例えば、レーザ処理装置７１）送信する送信部５０ｃと、を有して成る。なお、それぞれ独立した画像法を利用したモニタリング装置５０あるいは分光分析装置３０が用いられて、処理部５０ａによるデータ処理結果から判別部５０ｂにより判別決定されたレーザ処理装置７１の最適なレーザパワーの値が、送信部５０ｃから外部の装置（例えば、レーザ処理装置７１）に送信されてもよい。また、画像法を利用したモニタリング装置５０の拡大レンズ５１、カメラ５２、ＬＥＤ５３および照明具５４の代わりに、前述の図１５に示す画像モニタシステム５６における顕微鏡５８、カメラ５７、蛍光管６０および照明具５９が用いられる構成でもよい。
また、例えば、図２０のフロー図に示すように、レーザ処理工程７８で異なるレーザパワーで、異なる場所にレーザ処理されたモニタ基板を用いて、最適パワー検査抽出工程７９で、分光法を用いて測定された結果からレーザパワーの最適値が自動判別決定され、その決定されたレーザパワーの最適値が、レーザ処理工程７８のレーザ処理装置７１に自動送出される。レーザ処理工程７８で、レーザ処理装置７１は、受信したレーザパワーの最適値を用いて製品基板にレーザ処理を行い、多結晶シリコン膜が製造される。次に、レーザ処理工程７８後の製品基板は、最適パワー検査抽出工程７９で、異物や多結晶シリコン膜の検査を受ける。その検査結果は、製造にフィードバックされる。
図６の分光法システムや図１３の画像法システムは、ラマン分光法に比べ継続的に安定して測定できるが、測定値較正用のリファレンスサンプル等をシステムに配置し、測定値較正を行う事が好ましい。その際、基板測定ステージ上にリファレンス等を置くと、余分なリファレンス等の出し入れ機構が不要で、測定サイクルも短縮できる。
また、製品のプロセス変更等によっては測定定量値である特性値が大きく変動し測定ゲインが得られない場合などもあるのでプロセスや機種毎に規準となるリファンスを複数設けて測定精度を向上しても良い。あるいは基本リファレンスと条件毎の副リファレンスを併用置きする事により後者を測定時前の較正用基板とし、前者をランプ輝度変動などの経時確認の補助とし、ランプなどが切れた場合にはリファレンスとして一旦基本較正に用いても良い。
例えば、図２１に示すように、シリコン基板断片（コンパクト化のため断片化）等の酸化困難な材料からなる製造プロセスに関わらず絶対量を確認する絶対確認リファレンス基板８２、または製造プロセス毎の製造基板断片（コンパクト化のため断片化）の測定値較正用リファレンス基板８３、の１個または複数プロセス分の少なくとも一方を、基板搬送用ロボット８１に基板８４を載置するステージ８１ａ上に置き、適宜、測定ヘッド８５の下に移動して較正を行う。
このような構成により検査や基板搬送の合間に効率良く較正（照明照度較正など）作業を行え、リファレンス材搬送の機構類が不要となる。より好ましくは、絶対量用と規準プロセス毎用の較正基板の両者を置く事が好ましく、絶対量用は、環境の影響による酸化等の測定変動の少ない材料を選定し載置する。ただし、測定値が量産品の測定値とかけ離れると測定のゲイン（例えば量産品あるいは処理条件プロセスにより輝度が低下し結晶化の判別が困難となる場合がある。）が得られず測定精度が低下するので量産品の材料や処理プロセスによってはプロセス毎の基準品を合わせて載置する事がより好ましい。
また、量産基板では、基板毎の膜厚や膜質分布による最適なレーザパワーの面内分布があり、例えば、複数台のレーザ処理装置毎でも、レンズ等光学部品のバラツキや微妙な調整の差による最適なレーザパワーの分布が発生するが、図６の分光法システムや図１３の画像法システムで、量産基板に対して多点を測定する事により、製造条件毎やレーザ処理装置毎のトレンド等を把握して、品質改善やメンテ時間の最適化、例えばレーザ処理装置内のレンズへの異物付着や欠けによる突発事故（局部的不良）の見落しの低減や早期発見が容易となり、品質安定化を図る事ができる。
最適なレーザパワーの多点測定の１例として、図２２に示すように、基板９１上の最終的に製品として機能する機能素子部９２に複数ポイントの測定点９３を設定して、図６の分光法システムや図１３の画像法システムで測定を行うとよい。ここで基本的に測定点は等ピッチで設けることが好ましいが、ステージが同一材同一色であっても基板下に僅かな数ｍｍ以下深さの基板吸着固定等の溝、あるいは支持ピンなどがあると測定値が変化するので、このような溝などがある場合は、等ピッチポイントから僅かに測定ポイントをずらすことで高精度に測定でき面内分布を把握できる。
さらに、多結晶シリコン膜の製造は、工程処理中の数ある各種因子、例えば、成膜膜厚、膜質、処理温度履歴、ＳＰＣ工程の触媒散布率等を上手く制御することで、安定した製造を行えるが、図２の工程フローで製造される多結晶シリコン膜の場合は、レーザ処理前のアモルファスシリコン膜と多結晶シリコン膜の比率（面積比率）と、分光法あるいは画像法を用いた検査装置で測定されたレーザパワーの２点と、その検査装置で測定されたレーザパワーの面内分布を判別することで最も制御・安定化した製造が可能となる。例えば、最適パワー検査抽出工程でレーザ処理前にアモルファスシリコン膜と多結晶シリコン膜の比率（面積比率）検査を行い、その検査において、予め設定した一定範囲を超えた基板に対しては、次の工程に進めないという方法を用いることで、多結晶シリコン膜の特性を一定範囲に抑える事ができる。なお、製造プロセスやレーザパワーなどのバラツキ、照明光学システムや照明の経時変化および画像処理ソフトの違いにより異なる値となるが、レーザ処理前のアモルファス量が全体の５％から３０％の状態のとき、多結晶シリコン膜の特性が良好な膜が得られる。
また、レーザ処理前のアモルファスシリコン膜と多結晶シリコン膜の比率検査を実施時に、正確な面積比測定などを行う局部的なミクロ検査に追加して、基板全体の膜ムラ等の確認を行うマクロ検査を行うとより多結晶シリコン膜の特性を一定範囲に抑えて製造ができる。
図２３を用いてマクロ検査とミクロ検査方法を説明する。基板１０２の下面からアモルファスシリコン膜と多結晶シリコン膜の判別が容易になるように青色系の照明１０３を照射し、拡大レンズを備えたカメラ（ラインセンサ）１０１により、基板１０２を水平方向（図２３の矢印の方向）に直線移動させながら画像を取り込んで検査を行う。図２４に低倍で測定したマクロ写真を示し、図２５に高倍で測定したミクロ写真例を示す。なお、図２４の黒色部は、基板を固定する固定冶具１０４、基板を設置するステージのステージ枠１０５、基板を水平安定に保持する基板支持ピン１０６(図示しないガラスステージに接着固定してある)である。
また、レーザ処理後にアモルファスシリコン膜と多結晶シリコン膜の判別検査を、最適パワー検査抽出工程で行うことにより、例えば、ＳＰＣ工程での触媒散布(分布)異常やレーザの光学系異常等を速やかに判断することが可能となり、基板素子形成完了後や液晶など製品完了後の表示検査まで工程を経て特性異常等が検出される場合に比べ、早期発見対策が可能で日程や製造ロスを低減できる。なお、多結晶ポリシコン量が全体の９５％から１００％の状態で特性が良好な膜が得られている。
また、上記で説明したレーザ処理前後でのアモルファスとポリシリコンの判別検査データを比較することにより不良要因の特定が容易となり、量産ロスを効率的に低減できる。
本発明は、半導体装置の製造方法おいて、高品質な多結晶シリコン膜を安定して製造することが可能となる非常に有用で技術である。
は、従来プロセスの工程フローを示す工程フロー図である。 は、新プロセスの工程フローを示す工程フロー図である。 は、製品基板上に検査用レーザ処理を行う場所を示す図である。 は、新プロセスの工程フローを製品基板に適用した場合のフロー図である。 は、ラマン分光法測定によるピーク高さのレーザエネルギー依存性を示す図である。 は、ラマン分光法と異なる分光法を利用したモニタリング装置を説明するための図である。 は、ラマン分光法と異なる分光分析装置のヘッド先端拡大図である。 は、ラマン分光法と異なる分光分析装置ヘッド先端の光ファイバーの配置を示す図である。 は、従来プロセスのモニタ基板をラマン分光法と異なる分光法測定による反射強度の波長依存性を示す図である。 は、測定結果から定量値を求める方法の例を説明する図である。 は、測定結果から定量値を求める方法の１例を説明する図である。 は、新プロセスのモニタ基板をラマン分光法と異なる分光法測定による反射強度の波長依存性を示す図である。 は、画像法を利用したモニタリング装置の１例を説明する図である。 は、画像法を利用したモニタリング装置で測定した輝度と輝線のレーザパワー依存性を示す図である。 は、異物やＳＰＣ工程不良を検出するための画像モニタシステムの１例を示す図である。 は、画像モニタシステムで観察された良品の多結晶シリコン膜画像の模式図である。 は、画像モニタシステムで観察されたＳＰＣ工程不良の多結晶シリコン膜画像の模式図である。 は、レーザ処理装置近傍で分光法あるいは画像法による測定を行う場合の各装置配置を説明する図である。 は、レーザ処理装置内で分光法あるいは画像法による測定を行う場合の各装置配置を説明する図である。 は、最適なレーザパワーが自動決定される場合の新プロセスの工程フローを説明するための工程フロー図である。 は、搬送ロボット上にリファレンス用基板を配置した図である。 は、製品基板上の最終的に製品として機能する機能素子部の測定場所を示す図である。 は、マクロ検査方法を説明する図である。 は、レーザ処理前の基板を低倍で観察したマクロ写真を示す図である。 は、レーザ処理前の基板を高倍で観察したミクロ写真を示す図である。 は、画像法を利用したモニタリング装置５０と分光分析装置３０を備えた２方式モニタリング装置の要部構成を示す図である。
符号の説明
１ アモルファスシリコン成膜工程
２ ＳＰＣ工程
３ レーザアニール処理工程
４ 最適パワー検査抽出工程
５ ゲート絶縁膜成膜工程
１１ アモルファスシリコン成膜工程
１２ ＳＰＣ工程
１３ レーザ処理工程
１４ 最適パワー検査抽出工程
１５ ゲート絶縁膜成膜工程
２０ 製品基板
２１ 機能素子部
２２ レーザパワーモニタ部
２３ アモルファスシリコン成膜工程
２４ ＳＰＣ工程
２５ レーザ処理工程
２６ 最適パワー検査抽出工程
２７ ゲート絶縁膜成膜工程
３０ 分光分析装置
３１ 光源ボックス
３２ 分光器
３３ 光ファイバー
３４ ヘッド
３４ａ 受光用ヘッド
３４ｂ 照射用ヘッド
３５ 基板上の膜
３６ 基板
３７ 画像カメラ
３８ ２６０ｍＪ／ｃｍ２（スペクトル）
３９ ３４０ｍＪ／ｃｍ２（スペクトル）
４０ ３６０―３７０ｍＪ／ｃｍ２（スペクトル）
４１ ４５０ｍＪ／ｃｍ２（スペクトル）
５０ 画像法を利用したモニタリング装置
５１ 拡大レンズ
５２ カメラ
５３ ＬＥＤ
５４ 照明具
５５ 基板
５６ 画像モニタシステム
５７ カメラ
５８ 顕微鏡
５９ 照明具
６０ 蛍光管
６１ 基板
７１ レーザ処理装置
７１ａ レーザ処理装置出入り口
７２ 洗浄装置
７２ａ 洗浄装置出入り口
７３ 基板搬送用ロボット
７４ 基板
７５ 遮光体
７６ アモルファスシリコン成膜工程
７７ ＳＰＣ工程
７８ レーザ処理工程
７９ 最適パワー検査抽出工程
８０ ゲート絶縁膜成膜工程
８１ 基板搬送用ロボット
８１ａ ステージ
８２ 絶対確認リファレンス基板
８３ 測定値較正用リファレンス基板
８４ 基板
８５ 測定ヘッド
９１ 基板
９２ 機能素子部
９３ 測定点
１０１ カメラ
１０２ 基板
１０３ 青色系の照明
１０４ 固定冶具
１０５ ステージ枠
１０６ 基板支持ピン
１１０ ２方式モニタリング装置
５０ａ 処理部
５０ｂ 判別部
５０ｃ 送信部
５０ｄ 操作表示部
５０ｅ メモリ部

Claims (22)

  1. 基板上にアモルファスシリコン膜を形成する成膜工程と、前記アモルファスシリコン膜の多結晶化に向けて前記アモルファスシリコン膜の改質を行う１工程以上からなる前処理工程と、前記前処理工程を行い改質したアモルファスシリコン膜にレーザ処理を行って多結晶シリコン膜を製造するレーザ処理工程と、を有した半導体装置の製造方法において、
    前記前処理工程後のアモルファスシリコン膜の所定の領域に対する所定の検査に基づいて、レーザパワーを決定するレーザパワー検査抽出工程を有し、
    前記レーザ処理工程は、前記レーザパワー検査抽出工程で決定されたレーザパワーを用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記レーザパワー検査抽出工程は、分光法を用いた検査に基づいて、レーザパワーを決定することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記分光法の測定波長は、７００から８００ｎｍを用いることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記レーザパワー検査抽出工程は、測定点に光を照射して測定点を対象に取得した画像を検出する画像法を用いた検査に基づいて、レーザパワーを決定することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記画像法を用いた検査は、異物や膜質異常を検査することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記分光法および前記画像法を用いた検査は、測定点に対して、測定点の周囲から測定用の光を照射して検査を行うことを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記レーザパワー検査抽出工程は、前記レーザ処理工程でレーザ処理を行うレーザ処理装置近傍で検査が行なわれることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記レーザパワー検査抽出工程は、基板上の膜表面を検査することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記レーザパワー検査抽出工程は、多結晶シリコン膜の検査機能とレーザパワーを決定する検査機能の両方を備えた装置を用いて検査することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記レーザパワー検査抽出工程は、検査結果に測定定量値を設けることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記測定定量値は、較正用基板を配置し、較正を行う機能を有した装置を用いて決定されることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記レーザパワー検査抽出工程は、多結晶シリコン膜の検査機能と、レーザパワーの最適値を自動決定し、その自動決定されたレーザパワーの最適値をレーザ処理装置に自動供給する機能と、の両方を備えた装置を用いて検査を行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  13. 前記レーザ処理工程は、前記レーザパワー検査抽出工程で決定されたレーザパワーの最適値よりも５ｍＪあるいは１０ｍＪ低いレーザパワーを用いることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  14. 前記レーザパワー検査抽出工程は、多結晶シリコン膜を多点測定検査を行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  15. 前記レーザパワー検査抽出工程は、レーザ処理前に基板上の膜のアモルファスシリコン膜と多結晶シリコン膜の比率を判別検査することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  16. 前記レーザパワー検査抽出工程は、レーザ処理後に基板上の膜のアモルファスシリコン膜と多結晶シリコン膜の比率を判別検査することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  17. 前記レーザパワー検査抽出工程は、レーザ処理前後に基板上の膜のアモルファスシリコン膜と多結晶シリコン膜の比率を判別検査することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  18. 光を照射する発光部と、該光を反射して所定の基板に照射する照明具と、該所定の基板から反射された反射光が入射され、その入射光を拡大する拡大部と、該拡大部により拡大された該入射光を画像データに変換するカメラ部と、前記カメラ部から該画像データを読み込んで所定のデータ処理を行う処理部と、該所定のデータ処理の結果を判別して所定の値を決定するための判別条件を記憶するメモリ部と、該判別条件に従って前記所定のデータ処理の結果から所定の値を判別して決定する判別部と、外部の装置との通信の接続を確立し、前記所定の値を外部の装置に送信する送信部と、有して成ることを特徴とする半導体検査装置。
  19. 前記照明具による前記所定の基板への前記光の照射角度は、３０度から６０度を用いることを特徴とする請求項１８に記載の半導体検査装置。
  20. 前記所定の基板に可視光領域の複数の異なる波長の光を照射し、前記所定の基板による反射光を受光して測定された分光データを前記処理部に入力する分光装置を有し、
    前記処理部は、該分光データを該波長に対する該反射光の強度分布データに変換する処理を行うことを特徴とする請求項１８に記載の半導体検査装置。
  21. 前記基板にアモルファスシリコン膜あるいは多結晶シリコン膜が成膜されている場合には、前記波長は、７００から８００ｎｍを用いることを特徴とする請求項２０に記載の半導体検査装置。
  22. 前記基板にアモルファスシリコン膜あるいは多結晶シリコン膜が成膜されている場合には、前記判別部は、アモルファスシリコン膜から多結晶シリコン膜に改質させるための最適なレーザパワーの値を判別決定することを特徴とする請求項１８〜請求項２１のいずれかに記載の半導体検査装置。
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