JP2009065146A - 半導体薄膜の形成方法および半導体薄膜の検査装置 - Google Patents

半導体薄膜の形成方法および半導体薄膜の検査装置 Download PDF

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Abstract

【課題】レーザアニールによる結晶化を利用した半導体薄膜の形成において、結晶質半導体薄膜に対する評価を高精度かつ簡易に行うことが可能な半導体薄膜の形成方法を提供する。
【解決手段】ｐ−Ｓｉ膜２３の検査処理の際に、ｐ−Ｓｉ膜２３が形成された透明基板２０（Ｓｉ薄膜基板２）を搭載する可動ステージ１１の裏側から、ｐ−Ｓｉ膜２３へ向けてＬＥＤ１２によって、照射光Ｌoutを照射する。また、可動ステージ１１およびｐ−Ｓｉ膜２３を透過した透過光を、対物レンズ１３を介してＣＣＤカメラ１４によって受光することにより、ｐ−Ｓｉ膜２３の透過画像（透過画像データＤ１）を取得する。そして画像処理用コンピュータ１５において、透過画像データＤ１に基づいてｐ−Ｓｉ膜２３に対する選別を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば液晶表示装置または有機ＥＬ（ElectroLuminescence）表示装置に用いられるＴＦＴ（Thin Film Transistor；薄膜トランジスタ）基板の製造に好適な半導体薄膜の形成方法およびそのような半導体薄膜の検査装置に関する。
アクティブマトリクス型の液晶表示装置や有機ＥＬ素子を用いた有機ＥＬ表示装置においては、ＴＦＴ基板が用いられる。このＴＦＴ基板は、基板上に非晶質または比較的粒径の小さな多結晶の半導体薄膜を形成すると共にこの半導体薄膜に対してレーザビームを照射してアニールすることにより結晶成長させた半導体薄膜を用いて、駆動素子としてのＴＦＴを形成したものである。
このようなレーザビームによるアニール装置の光源としては、従来より、半導体薄膜の吸収率が高く、かつ大きなパルス光出力が得られるエキシマレーザが用いられている。しかしながら、このエキシマレーザはガスレーザであるが故に、パルスごとの出力強度にばらつきがある。よって、エキシマレーザを用いて形成したＴＦＴにおいても特性のばらつきが発生してしまい、これを用いた表示装置においても表示むらが発生し易いという欠点がある。
そこで、ガスレーザにおけるパルス強度ばらつきによる画質の低下を解消することを目的として、出力の安定性が高い半導体レーザを光源に用いたアニール装置が提案されている（例えば、特許文献１）。しかしながら、半導体レーザから得られる光出力はエキシマレーザ等と比べると非常に小さいため、アニール処理の際のビームのサイズも小さくなってしまう。このため、ＴＦＴ基板の単位面積あたりのアニール処理時間が増加し、生産性の低下や製造コストの増大といった問題が生じている。
そこで、アニール処理の高スループット化を目的として、複数のレーザ光源を互いに近接して配置すると共に、それらによる複数のレーザビームを非晶質半導体薄膜上の複数の領域に対して同時に照射するようにし、走査時間を短縮して生産性を上げるようにしたアニール方法も提案されている（例えば、特許文献２）。
一方、このような半導体レーザを用いた半導体薄膜の結晶化に対する制御方法は、従来より、アニール装置に備え付けられたレーザビーム強度のモニタ手段によりなされてきた。例えば、特許文献３に示されているレーザビーム強度のモニタ方法は、複数のレーザ光学系の光路に対して単一の強度測定部を用いるのであり、一つの強度測定部を各レーザ光学系の光路上に移動させて各光路において受光可能となるようにすることにより、複数のレーザ光学系に対し、１つの強度測定部によってそれぞれの照射エネルギーを測定できるようにしたものである。
また、特許文献４には、レーザビームを照射して結晶から放射されるラマン散乱光を利用して、レーザ照射位置を解析する方法が提案されている。なお、この他にも、高速のラインカメラの反射画像を用いた欠陥検査方法および装置も提案されている。
特開２００３−３３２２３５号公報 特開２００４−１５３１５０号公報 特開２００５−１０１２０２号公報 特開２００４−３４２８７５号公報
しかしながら、上記特許文献３のように複数のレーザビームを用いてアニール処理を行う場合、個々のレーザ光源には、射出光の発散角の個体差がある。また、このような個体差を補正するために均一照射光学系を設けた場合でも、その調整誤差等が生じてしまう。よって、複数のレーザビームを用いてアニール処理を行う場合、被照射体に照射される個々のレーザ光のサイズや強度には、必然的に差異が生じてしまうことになる。
ここで、上記したように従来は、個々のレーザ光源によるレーザビームの強度（パワー）のみをモニタしているため、フォーカス位置や光学系の収差等による被照射体面上での微妙なパワー密度の差をモニタすることは不可能である。よって、このようなパワー密度の差異は被照射体（半導体薄膜）に対するアニール効果の差異となり、半導体薄膜上の位置による結晶化度の差異となるため、結果として形成されたＴＦＴの特性が、各レーザビームにより異なってしまう。そしてこのようなＴＦＴの特性差は、表示装置における表示むらの原因ともなってしまう。
なお、このような半導体薄膜に対するレーザアニール効果の差異（薄膜上の位置による効果の差異）は、上記のように複数のレーザ光源を用いてアニール処理を行う場合だけではなく、単一のレーザ光源を用いてアニール処理を行う場合にも生じうるものである。
一方、上記特許文献４の手法では、ラマン散乱光を用いているため、装置が大掛かりであり高価になってしまう。また、光源にアルゴンレーザを用いているため、ランニングコストもかかってしまう。また、複雑な光学系を必要とするため、調整に手間と時間とがかかる。さらに、ラマン光は微弱であるためにレーザ光を１μｍ程度に絞る必要が生じ、平均的な結晶性を評価するには複数の測定点を設ける必要があることから、モニタに要する時間長くなるという問題もあった。
また、上記した高速のラインカメラの反射画像を用いた欠陥検査方法では、反射画像を用いていることから、擬似欠陥と呼ばれるノイズを多く含んでおり、真偽を確認するための人の判断が必要となることが多く、測定時間および測定精度に問題があった。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、レーザアニールによる結晶化を利用した半導体薄膜の形成において、結晶質半導体薄膜に対する評価を高精度かつ簡易に行うことが可能な半導体薄膜の形成方法および半導体薄膜の検査装置を提供することにある。
本発明の半導体薄膜の形成方法は、透明基板上に非結晶質半導体薄膜を形成する工程と、この非結晶質半導体薄膜に対してレーザ光を照射して加熱処理を施すことにより、非結晶質半導体薄膜を結晶化させて結晶質半導体薄膜を形成する工程と、この結晶質半導体薄膜の検査を行う検査工程とを含むと共に、この検査工程が、透明基板の裏面側から結晶質半導体薄膜へ向けて光を照射して撮像することにより結晶質半導体薄膜の透過画像を取得する工程と、取得した透過画像に基づいて結晶質半導体薄膜に対する選別を行う選別工程とを含むようにしたものである。
本発明の半導体薄膜の形成方法では、透明基板上に非結晶質半導体薄膜が形成されたのち、この非結晶質半導体薄膜に対してレーザ光が照射されて加熱処理が施されることにより、非結晶質半導体薄膜が結晶化され、結晶質半導体薄膜が形成される。そしてそののち、この結晶質半導体薄膜に対する検査が行われる。ここで、この検査工程では、透明基板の裏面側から結晶質半導体薄膜へ向けて光が照射されて撮像がなされることにより、結晶質半導体薄膜の透過画像が取得され、この透過画像に基づいて結晶質半導体薄膜に対する選別が行われる。
本発明の半導体薄膜の検査装置は、透明基板上に非結晶質半導体薄膜を形成したのちにこの非結晶質半導体薄膜に対してレーザ光を照射して加熱処理を施すことにより結晶化されて形成された結晶質半導体薄膜において検査を行う際に、この結晶質半導体薄膜が形成された透明基板を搭載するステージと、このステージの裏側から結晶質半導体薄膜へ向けて光を照射する光源と、この光源から発せられてステージおよび結晶質半導体薄膜を透過した透過光を受光することにより、結晶質半導体薄膜の透過画像を取得する撮像手段と、この撮像手段により得られた透過画像に基づいて結晶質半導体薄膜に対する選別を行う選別手段とを備えたものである。
本発明の半導体薄膜の検査装置では、結晶質半導体薄膜が形成された透明基板を搭載するステージの裏側から、結晶質半導体薄膜へ向けて光源により光が照射され、ステージおよび結晶質半導体薄膜を透過した透過光が受光されることにより、結晶質半導体薄膜の透過画像が取得される。そしてこの透過画像に基づいて結晶質半導体薄膜に対する選別が行われる。
本発明の半導体薄膜の形成方法によれば、結晶質半導体薄膜の結晶化度を検査する検査工程において、透明基板の裏面側から結晶質半導体薄膜へ向けて光を照射して撮像することによって結晶質半導体薄膜の透過画像を取得すると共に、この透過画像に基づいて結晶質半導体薄膜に対する選別を行うようにしたので、レーザアニールによる結晶化を利用した半導体薄膜の形成において、結晶質半導体薄膜に対する評価を高精度かつ簡易に行うことが可能となる。
また、本発明の半導体薄膜の検査装置によれば、結晶質半導体薄膜が形成された透明基板を搭載するステージの裏側から結晶質半導体薄膜へ向けて光源により光を照射し、ステージおよび結晶質半導体薄膜を透過した透過光を受光することによって結晶質半導体薄膜の透過画像を取得すると共に、この透過画像に基づいて結晶質半導体薄膜に対する選別を行うようにしたので、レーザアニールによる結晶化を利用した半導体薄膜の形成において、結晶質半導体薄膜に対する評価を高精度かつ簡易に行うことが可能となる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体薄膜の検査装置（検査装置１）の全体構成を表すものである。この検査装置１は、例えば、ボトムゲート構造を有する薄膜トランジスタ（ボトムゲート型ＴＦＴ）の製造工程中に形成されるシリコン半導体膜に適用されるものである。具体的には、Ｓｉ（シリコン）薄膜基板２（後述するように、透明基板上にａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）膜（非結晶質半導体薄膜）を形成したのちに、このａ−Ｓｉ膜に対してレーザ光を照射してアニール処理を施すことにより結晶化されて形成されたｐ−Ｓｉ（ポリシリコン）膜（結晶質半導体薄膜）を有する基板）に適用される結晶化度の検査装置であり、可動ステージ１１と、ＬＥＤ（Light Emitting Diode；発光ダイオード）１２と、対物レンズ１３と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device；電荷結合素子）カメラ１４と、画像処理用コンピュータ１５と、制御用コンピュータ１６とから構成されている。
可動ステージ１１は、検査対象であるＳｉ薄膜基板２を搭載する（支持する）ものであり、後述する制御用コンピュータ１６から供給される制御信号Ｓによって、図中のＸ軸方向やＹ軸方向に任意に移動することができるようになっている。また、この可動ステージ１１は、後述するＬＥＤ１２から発せられる光（照射光Ｌout）が透過可能な材質（例えば、ガラス板）により構成されている。
ＬＥＤ１２は、可動ステージ１１の裏側（Ｓｉ薄膜基板２の搭載面とは反対側）からＳｉ薄膜基板２へ向けて光（照射光Ｌout）を照射する光源である。このＬＥＤ１２は、約５００〜６００ｎｍを中心波長とする波長領域の光である緑色光を、照射光Ｌoutとして照射するものであることが好ましい。照射対象であるｐ−Ｓｉ薄膜が透過しやすい波長領域の光であるからである。
対物レンズ１３は、ＬＥＤ１２から発せられて可動ステージ１１およびＳｉ薄膜基板２を透過した照射光Ｌout（透過光）を拡大して検出するための光学素子である。また、ＣＣＤカメラ１４は、約５００〜６００ｎｍの波長領域の光に対して高感度化されたカメラであり、内部に撮像素子としてＣＣＤイメージセンサを有することにより、Ｓｉ薄膜基板２におけるｐ−Ｓｉ薄膜の透過顕微鏡画像（透過画像）を撮像するようになっている。
画像処理用コンピュータ１５は、対物レンズ１３およびＣＣＤカメラ１３により得られたｐ−Ｓｉ膜の透過画像に基づいて後述する輝度分布を作成すると共に、この作成した輝度分布を用いて、ｐ−Ｓｉ膜に対する選別を行う（検査処理を行う）ものである。具体的には、まず、ＣＣＤカメラ１３から供給される透過画像データＤ１を取り込むと共に、その画像輝度を解析し、Ｓｉ薄膜基板２上に形成されているｐ−Ｓｉ膜の結晶化状態（結晶化度）のモニタリングを行う。そして、そのモニタリング結果に基づき、ｐ−Ｓｉ膜を生成するための半導体レーザアニール時におけるエネルギー密度の設定値を求めたり、Ｓｉ薄膜基板２上に形成されたｐ−Ｓｉ膜が良品であるか不良品であるかの判別を行うようになっている。なお、この画像処理用コンピュータ１５による検査処理の詳細については、後述する。
制御用コンピュータ１６は、制御信号Ｓに基づいて、ＬＥＤ１２による照射光Ｌoutの点灯制御や、ＬＥＤ１２、対物レンズ１３およびＣＣＤカメラ１４の移動位置の制御、ならびに対物レンズ１３の切換制御等を行うものである。このうち、移動位置の制御については、具体的には、可動ステージ１１上に搭載されたＳｉ薄膜基板２に対してＬＥＤ１２、対物レンズ１３およびＣＣＤカメラ１４を相対的に変位させるための制御を行うようになっている。
ここで、ＬＥＤ１２が、本発明における「光源」の一具体例に対応する。また、対物レンズ１３およびＣＣＤカメラ１４が、本発明における「撮像手段」の一具体例に対応する。また、画像処理用コンピュータ１５が、本発明における「輝度分布作成手段」および「選別手段」の一具体例に対応する。また、制御用コンピュータ１６が、本発明における「制御手段」の一具体例に対応する。
次に、図２〜図７を参照して、図１に示した検査装置１を用いた検査工程を含む、本発明の一実施の形態に係る半導体薄膜の形成方法について説明する。ここで、図２〜図４は、本実施の形態の半導体薄膜の形成方法の主要な工程の一部を断面図で表したものである。また、図５は、図４に続く工程（検査工程）の一例を流れ図で表したものである。
まず、図２に示したように、例えばガラス基板などの透明基板２０（基板サイズが、例えば５５０ｍｍ×６５０ｍｍ程度のもの）上に、例えばフォトリソグラフィ法を用いて、ゲート電極２１、ゲート絶縁膜２２１，２２２およびａ−Ｓｉ膜２３０を、この順に形成する。なお、ゲート電極２１は例えばモリブデン（Ｍｏ）により構成し、ゲート絶縁膜２２１は例えばシリコン窒化物（ＳｉＮＸ）により構成し、ゲート絶縁膜２２２は例えばシリコン酸化物（ＳｉＯ２）により構成する。
次に、図３に示したように、透明基板２０上のａ−Ｓｉ膜２３０に対し、図示しない半導体レーザ光源を用いてレーザ光Ｌ１を照射してアニール処理（加熱処理）を施すことにより、ａ−Ｓｉ膜２３０を結晶化させる。これにより、例えば図４に示したように、透明基板２０上にｐ−Ｓｉ膜２３を形成する。なお、このようなアニール処理の際の照射条件は、例えば、１５Ｊ／ｃｍ２とする。
次に、例えば図５中のステップＳ１０１〜Ｓ１０４に示したようにして、図１に示した検査装置１を用いることにより、透明基板２０上に形成されたｐ−Ｓｉ膜２３の結晶化状態（結晶化度）の検査を行う（検査処理を実行する）。
具体的には、まず、ｐ−Ｓｉ膜２３が形成されているＳｉ薄膜基板２を可動ステージ１１上に搭載させると共に、可動ステージ１１の裏側（Ｓｉ薄膜基板２の搭載面とは反対側）からｐ−Ｓｉ膜２３に対してＬＥＤ１２によって照射光Ｌoutを照射し、対物レンズ１３およびＣＣＤカメラ１４によって可動ステージ１１およびＳｉ薄膜基板２の透過光を受光して撮像することにより、画像処理用コンピュータ１５において、例えば図６に示したようなｐ−Ｓｉ膜２３の透過画像（透過画像データＤ１）を取得する（図５のステップＳ１０１）。なお、この際、制御用コンピュータ１６から供給される制御信号Ｓによって、可動ステージ１１上に搭載されたＳｉ薄膜基板２に対し、ＬＥＤ１２、対物レンズ１３およびＣＣＤカメラ１４を相対的に変位させることにより、ｐ−Ｓｉ膜２３上の複数のポイントでの透過画像を取得することが可能である。
ここで、図６（Ａ）は、レーザ光Ｌ１を用いたアニール処理の際に、照射面全体の結晶化に必要なエネルギー密度よりも小さなエネルギー密度のレーザ光Ｌ１が照射された場合の透過画像の一例を、図６（Ｂ）は、レーザ光Ｌ１を用いたアニール処理の際に、照射面全体の結晶化に必要なエネルギー密度のレーザ光Ｌ１が照射された場合の透過画像の一例を、図６（Ｃ）は、レーザ光Ｌ１を用いたアニール処理の際に、照射面全体の結晶化に必要なエネルギー密度よりも大きなエネルギー密度のレーザ光Ｌ１が照射された場合の透過画像の一例を、それぞれ表している。これら図６（Ａ）〜図６（Ｃ）の透過画像により、図６（Ｂ）の透過画像では画像輝度がほぼ均一化されている一方、図６（Ａ），図６（Ｃ）の透過画像では画像輝度が不均一となっていることが分かる。これは、Ｓｉ膜の結晶化度はアニール処理の際のエネルギー密度に大きく依存していると共に、Ｓｉ膜の透過率も、結晶化領域の拡大や結晶サイズの増大に伴って増加するためである。具体的には、ある一定のエネルギー密度までは照射領域の一部でのみ結晶化が進行し、そのある一定のエネルギー密度において照射領域全体で結晶化し、さらにエネルギー密度が増大すると照射領域の一部で部分的に結晶サイズが大きくなるためである。
次に、画像処理用コンピュータ１５によって、取得された透過画像（透過画像データＤ１）に基づき、例えば図７に示したような、透過画像の輝度分布（輝度値と各輝度値の頻度との関係を示した分布）を作成する（ステップＳ１０２）。ここで、図７（Ａ）は、例えば図６（Ａ），（Ｃ）に示したように、透過画像の画像輝度が不均一なものに対応する輝度分布の一例を表しており、図７（Ｂ）は、例えば図６（Ｂ）に示したように、透過画像の画像輝度がほぼ均一なものに対応する輝度分布の一例を表している。これら図７（Ａ），（Ｂ）の輝度分布により、アニール処理の際のエネルギー密度が必要なエネルギー密度よりも小さかったり必要以上に大きかったために透過画像の画等輝度が不均一となっている場合（図６（Ａ），（Ｃ））には、複数（この場合、２つ）の輝度ピークが発生している一方、アニール処理の際のエネルギー密度がほぼ必要なエネルギー密度であったために透過画像の画等輝度がほぼ均一となっている場合（図６（Ｂ））には、単一の輝度ピークが発生していることが分かる。
次に、画像処理用コンピュータ１５によって、作成した透過画像の輝度分布に基づき、輝度の標準偏差を算出する（ステップＳ１０３）。具体的には、例えば前述の図６（Ａ）に示した透過画像の輝度分布では輝度の標準偏差が例えば７．９、例えば前述の図６（Ｂ）に示した透過画像の輝度分布では輝度の標準偏差が例えば２．６、例えば前述の図６（Ｃ）に示した透過画像の輝度分布では輝度の標準偏差が例えば４．９、といったように算出する。
次に、画像処理用コンピュータ１５によって、算出した輝度の標準偏差の大きさに応じて、ｐ−Ｓｉ膜２３に対する選別（ｐ−Ｓｉ膜２３が良品であるか不良品であるかの選別）を行う（ステップＳ１０４）。具体的には、算出した標準偏差が所定の閾値（例えば、３．５）未満であるときには（例えば、図６（Ｂ）の透過画像の輝度分布に基づいて算出された標準偏差＝２．６）、ｐ−Ｓｉ膜２３の結晶化度がほぼ均一であり良品であると判定する一方、算出した標準偏差が所定の閾値（例えば、３．５）以上であるときには（例えば、図６（Ａ），図６（Ｃ）の透過画像の輝度分布に基づいて算出された標準偏差＝７．９，４．９）、ｐ−Ｓｉ膜２３の結晶化度が不均一であり不良品であると判定する。これにより、透明基板２０上に形成されたｐ−Ｓｉ膜２３の結晶化度の検査処理が終了となる。
このようにして本実施の形態では、透明基板２０上にａ−Ｓｉ膜２３０が形成されたのち、このａ−Ｓｉ膜２３０に対してレーザ光Ｌ１が照射されてアニール処理（加熱処理）が施されることにより、ａ−Ｓｉ膜２３０が結晶化され、ｐ−Ｓｉ膜２３が形成される。そしてそののち、検査装置１によって、ｐ−Ｓｉ膜２３の結晶化度が検査される（検査処理がなされる）。ここで、この検査処理では、ｐ−Ｓｉ膜２３が形成された透明基板２０（Ｓｉ薄膜基板２）を搭載する可動ステージ１１の裏側から、ｐ−Ｓｉ膜２３へ向けてＬＥＤ１２により照射光Ｌoutが照射され、可動ステージ１１およびｐ−Ｓｉ膜２３を透過した透過光が対物レンズ１３を介してＣＣＤカメラ１４により受光されることにより、ｐ−Ｓｉ膜２３の透過画像（透過画像データＤ１）が取得される。そしてこの透過画像データＤ１を取得した画像処理用コンピュータ１５では、透過画像データＤ１に基づいて輝度分布が作成され、この輝度分布を用いてｐ−Ｓｉ膜２３に対する選別が行われる。
以上のように本実施の形態では、ｐ−Ｓｉ膜２３の結晶化度の検査処理の際に、ｐ−Ｓｉ膜２３が形成された透明基板２０（Ｓｉ薄膜基板２）を搭載する可動ステージ１１の裏側からｐ−Ｓｉ膜２３へ向けてＬＥＤ１２により照射光Ｌoutを照射すると共に、可動ステージ１１およびｐ−Ｓｉ膜２３を透過した透過光を対物レンズ１３を介してＣＣＤカメラ１４により受光することによってｐ−Ｓｉ膜２３の透過画像（透過画像データＤ１）を取得し、画像処理用コンピュータ１５において、透過画像データＤ１に基づいて輝度分布を作成すると共に、この輝度分布を用いてｐ−Ｓｉ膜２３に対する選別を行うようにしたので、レーザアニールによる結晶化を利用したＳｉ薄膜の形成において、結晶化度を高精度に評価することが可能となる。よって、焦点位置の微妙な差や発散角の違いによるレーザビーム径の微妙な差、あるいは光学系の微妙な収差などから生じる被照射体（ａ−Ｓｉ膜２３０）上でのパワー密度の差等が生じているような場合であっても、アニール処理の際の半導体レーザによる結晶化の制御が可能となる。また、ｐ−Ｓｉ膜２３上の照射領域間の結晶粒の大きさその他の特性の差を軽減することができる。また、Ｓｉ薄膜基板２に対して非接触かつ非破壊により結晶化度の検査を行うことができるため、短時間に再現性の高い結晶化モニタを行うことが可能となる。
具体的には、ｐ−Ｓｉ膜２３に対する選別の際に、作成した輝度分布に基づいて輝度の標準偏差を算出すると共に、この標準偏差の大きさに応じて選別を行うようにしたので、上記のような効果を得ることができる。
また、標準偏差が所定の閾値未満であるときにはｐ−Ｓｉ膜２３が良品であると判定する（例えば、図６（Ｂ），図７（Ｂ））と共に、標準偏差が所定の閾値以上であるときにはｐ−Ｓｉ膜２３が不良品であると判定する（例えば、図６（Ａ），図６（Ｃ），図７（Ａ））ようにしたので、簡単に選別を行うことが可能となる。
また、ｐ−Ｓｉ膜２３の透明画像（透過画像データＤ１）を取得する際に、ｐ−Ｓｉ膜２３へ向けて照射する光（照射光Ｌout）として、緑色の波長領域の光を用いるようにしたので、照射対象であるｐ−Ｓｉ薄膜において、照射光Ｌoutを透過しやすくすることができる。よって、透明画像の画質を向上させ、より正確な選別を行うことが可能となる。
また、アニール処理の際に、複数のレーザ光源を用いてレーザ光Ｌ１を照射するようにした場合には、アニール処理のスループットを向上させて短時間でアニール処理を行うことが可能となる。また、このように複数のレーザ光源を用いた場合であっても、上記した検査処理を行うことにより、レーザ光の強度ばらつきの影響を抑えることができ、ｐ−Ｓｉ膜２３の特性の面内ばらつきを低減することが可能となる。
さらに、制御用コンピュータ１６から供給される制御信号Ｓによって、可動ステージ１１上に搭載されたＳｉ薄膜基板２に対し、ＬＥＤ１２、対物レンズ１３およびＣＣＤカメラ１４を相対的に変位させるようにしたので、ｐ−Ｓｉ膜２３上の複数のポイントでの透過画像を取得することができ、そのような複数ポイントでの検査を行うことが可能となる。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態では、ｐ−Ｓｉ膜２３に対する選別の際に、輝度分布に基づいて輝度の標準偏差を算出すると共にこの標準偏差の大きさに応じて選別を行う場合について説明したが、例えば、ｐ−Ｓｉ膜２３に対する選別の際に、輝度分布に基づいて輝度ピーク（例えば、図７（Ａ），（Ｂ）中の輝度ピークＰ１１，Ｐ１２，Ｐ２）のピーク幅（例えば、図７（Ａ），（Ｂ）中の半値幅Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ２）を算出すると共に、このピーク幅の大きさに応じて選別を行うようにしてもよい。具体的には、ピーク幅が所定の閾値よりも大きいときにはｐ−Ｓｉ膜２３が良品であると判定する（例えば、図７（Ｂ））と共に、ピーク幅が所定の閾値以下であるときにはｐ−Ｓｉ膜２３が不良品であると判定する（例えば、図７（Ａ））ようにしてもよい。
また、同様に例えば、ｐ−Ｓｉ膜２３に対する選別の際に、輝度分布に基づいて輝度の最小値（例えば、図７（Ａ），（Ｂ）中の最小値Ｙ１，Ｙ２）を算出すると共に、この最小値の大きさに応じて選別を行うようにしてもよい。具体的には、最小値が所定の閾値よりも大きいときにはｐ−Ｓｉ膜２３が良品であると判定する（例えば、図７（Ｂ））と共に、最小値が所定の閾値以下であるときにはｐ−Ｓｉ膜２３が不良品であると判定する（例えば、図７（Ａ））ようにしてもよい。
また、ｐ−Ｓｉ膜２３に対する選別の際に、上記したような、輝度の標準偏差や輝度ピークのピーク幅、輝度の最小値を用いる代わりに、アニール処理の際にａ−Ｓｉ膜２３０に対してレーザ光Ｌ１を照射した領域と照射していない領域との輝度のコントラストの値を用いて選別を行うようにしてもよい。
また、上記実施の形態では、検査装置１における検査処理の際に、透明基板２０上に形成されたｐ−Ｓｉ膜２３の結晶化度の検査を行う場合について説明したが、本発明の検査工程および検査装置は、そのようなものには限られない。具体的には、例えば、取得した透過画像に基づいて結晶化領域（アニール領域）の幅を求めると共に、この結晶化領域の幅の大きさに応じてｐ−Ｓｉ膜２３の結晶化状態を検査するようにしてもよい。ここで、図８（Ａ）は、レーザ光Ｌ１を用いたアニール処理の際に、照射面全体の結晶化に必要なエネルギー密度よりも小さなエネルギー密度のレーザ光Ｌ１が照射された場合の透過画像の一例を、図８（Ｂ）は、レーザ光Ｌ１を用いたアニール処理の際に、照射面全体の結晶化に必要なエネルギー密度のレーザ光Ｌ１が照射された場合の透過画像の一例を、図８（Ｃ）は、レーザ光Ｌ１を用いたアニール処理の際に、照射面全体の結晶化に必要なエネルギー密度よりも大きなエネルギー密度のレーザ光Ｌ１が照射された場合の透過画像の一例を、それぞれ表している。また、図９は、レーザ光Ｌ１のエネルギー密度と、各透過画像における透過率の高くなった部分の幅、すなわち結晶化領域の幅（アニール幅）との関係の一例を表したものである。図８および図９により、レーザ光Ｌ１を照射した際のエネルギー密度が上がるにつれて、結晶化領域の幅も次第に大きくなっていくことが分かる。したがって、このような特徴を利用して、取得した透過画像を画像処理して結晶化領域（アニール領域）の幅を求めると共に、この結晶化領域の幅の大きさに応じてｐ−Ｓｉ膜２３の結晶化状態を検査することが可能である。なお、図１０は、透過画像に基づく結晶化領域の幅の数値化手法の一例を表したものである。図１０に示した透過画像において、アニール方向と垂直な方向に沿った輝度平均値のプロファイルを、プロファイルＰ３とする。この場合、アニール方向と垂直な方向の輝度変化値から、急速に輝度変化が大きくなる点Ｐ３１と、急速に輝度変化が小さくなる点Ｐ３２とを求め、それらの２点Ｐ３１，Ｐ３２を結ぶ線分の長さを結晶化領域（アニール領域）の幅Ｗ３と定義して、この値を評価するようにすればよい。
また、例えば、取得した透過画像に基づいて、予め設定された所定の基準パターンと結晶化領域との距離および方向をそれぞれ求めると共に、これらの距離および方向に基づいてｐ−Ｓｉ膜２３の結晶化位置を検査するようにしてもよい。具体的には、例えば図１１に示したように、予め設定された基準パターンＰＴを透過画像内において検出すると共に、その基準パターンＰＴにおけるアニール方向と平行な一辺の中心点Ｐ４１と、例えば上記した手法により求めたアニール幅の中点Ｐ４２とを結ぶ線分の長さを、基準パターンＰＴと結晶化領域との距離ｄ４および方向としてそれぞれ求める。そして、このような距離ｄ４および方向を結晶化位置（アニール位置）と定義して、この値を評価するようにすればよい。
また、例えば、取得した透過画像に基づいて空間的な輝度分布を求めると共に、この空間的な輝度分布に基づいてｐ−Ｓｉ膜２３における物理的破壊箇所（アニール時のエネルギー密度の部分的過多等による物理的破壊箇所）の検査を行うようにしてもよい。具体的には、例えば図１２に示したように、透過画像におけるアニール方向と垂直な方向に沿った輝度平均値のプロファイルＰ５とすると、アニールによる物理的破壊箇所がある場所では、そのアニール幅内の平均輝度を大きく上回るピーク波形（例えば、符号Ｐ５１部分）が現れる。したがって、このようなピーク波形の発生の有無およびその位置を評価するようにすればよい。
このようにして、上記実施の形態で説明した検査装置１において、ｐ−Ｓｉ膜２３の結晶化度に加え、ｐ−Ｓｉ膜２３の結晶化状態、結晶化位置および物理的破壊箇所の検査も行うことが可能である。具体的には、画像処理用コンピュータ１５が、ｐ−Ｓｉ膜２３の透明画像データ（透過画像）から空間的な画像輝度分布を求め、その値から画像処理を行うことにより、ｐ−Ｓｉ膜２３の高輝度幅測定（アニール幅）、基準パターンＰＴと高輝度幅の中心位置（結晶化領域）との距離（アニール位置）、高輝度幅内の異常輝度ピーク（物理的破壊箇所）の有無等を評価する。これにより、ｐ−Ｓｉ膜２３の結晶化状態、結晶化位置および物理的破壊箇所の検査が行われる。なお、例えば、前述の図８（Ａ）に示した透過画像では、アニール幅が例えば１８７μｍ、前述の図８（Ｂ）に示した透過画像では、アニール幅が例えば１９６μｍ、前述の図８（Ｃ）に示した透過画像では、アニール幅が例えば２０８μｍ、といったように求められる。この場合、図８（Ｂ）は、アニール幅が管理設定値に近い画像となっている。それに対して、図８（Ａ）は、アニール幅が管理設定値より小さく、図８（Ｃ）は、アニール幅が管理設定値よりも大きい画像となっている。このようにして、撮像画像に基づいてアニール幅を求め、ｐ−Ｓｉ膜２３の結晶状態を数値化することができる。また、同様にアニール位置および物理的破壊箇所についても、モニタリングすることが可能である。これらにより、ｐ−Ｓｉ膜２３に対する評価を高精度かつ簡易に行うことが可能となる。また、照射位置ずれによる不良を低減することができると共に、アニール装置の異常を検出することが可能となり、回路設計ルールの高密度化を図ることも可能となる。
また、上記実施の形態では、ｐ−Ｓｉ膜２３の透明画像（透過画像データＤ１）を取得する際に、ｐ−Ｓｉ膜２３へ向けて照射する照射光Ｌoutとして緑色の波長領域の光を用いる場合について説明したが、照射光Ｌoutの波長領域はこれには限られない。また、取得する際の撮像手段としても、上記実施の形態で説明した対物レンズ１３およびＣＣＤカメラ１４には限られず、他の光学系によって構成してもよい。
また、上記実施の形態では、ｐ−Ｓｉ膜２３を形成する際（アニール処理の際）に、半導体レーザ光源を用いてレーザ光Ｌ１を照射する場合について説明したが、例えばエキシマレーザ等のガスレーザなど、他の種類のレーザ光源を用いるようにしてもよい。
また、上記実施の形態において説明したｐ−Ｓｉ膜２３は、例えば図１３に示したように、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置の製造に用いられるボトムゲート型の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を有するＴＦＴ基板３に適用することができる。具体的には、上記実施の形態において説明した検査処理を行ったのちのＳｉ薄膜基板２において、ｐ−Ｓｉ膜２３上に、例えばフォトリソグラフィ法によって、層間絶縁膜２５１，２５２、配線２６、平坦化膜２７および透明導電膜２８を、この順に積層形成するようにすればよい。その際、層間絶縁膜２５１は例えばシリコン窒化物（ＳｉＮＸ）により構成し、層間絶縁膜２５２は例えばシリコン酸化物（ＳｉＯ２）により構成し、配線２６は例えばアルミニウム（Ａｌ）により構成し、平坦化膜２７は例えばアクリル樹脂等により構成し、透明導電膜１２は例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide；酸化インジウム錫）により構成する。なお、図８には、ボトムゲート型のＴＦＴを有するＴＦＴ基板について示したが、例えばトップゲート型のＴＦＴを有するＴＦＴ基板についても、本発明により形成した半導体薄膜を適用することが可能である。また、本発明により形成した半導体薄膜は、このようなＴＦＴの形成に用いられるものには限られず、他の半導体素子に適用してもよい。
さらに、上記実施の形態では、非結晶質半導体薄膜および結晶質半導体薄膜の一例として、Ｓｉ薄膜（ａ−Ｓｉ膜２３０およびｐ−Ｓｉ膜２３）を挙げて説明したが、本発明は、Ｓｉ薄膜以外の半導体薄膜にも適用することが可能である。
本発明の一実施の形態に係る半導体薄膜の検査装置の全体構成を表す図である。 本発明の一実施の形態に係る半導体薄膜の形成方法の主要な工程の一部を表す断面図である。 図２に続く工程を表す断面図である。 図３に続く工程を表す断面図である。 図４に続く工程（検査工程）の一例を表す流れ図である。 図５に示した検査工程の際に得られる半導体薄膜の透過画像の一例を表す写真である。 図５に示した検査工程の際に生成される輝度分布の一例を表す特性図である。 検査工程の際に得られる半導体薄膜の透過画像の他の例を表す写真である。 エネルギー密度とアニール幅との関係の一例を表す特性図である。 検査工程の際に得られる半導体薄膜の透過画像の他の例を表す写真である。 検査工程の際に得られる半導体薄膜の透過画像の他の例を表す写真である。 検査工程の際に得られる半導体薄膜の透過画像の他の例を表す写真である。 図２ないし図５の工程により形成された半導体薄膜を含むＴＦＴ基板の構成の一例を表す断面図である。
符号の説明
１…検査装置、１１…可動ステージ、１２…ＬＥＤ、１３…対物レンズ、１４…ＣＣＤカメラ、１５…画像処理用コンピュータ、１６…制御用コンピュータ、２…Ｓｉ薄膜基板、２０…透明基板、２１…ゲート電極、２２１，２２２…ゲート絶縁膜、２３０…ａ−Ｓｉ膜、２３…ｐ−Ｓｉ膜、２４…ストッパ膜、２５１，２５２…層間絶縁膜、２６…配線、２７…配線、２８…透明導電膜、３…ＴＦＴ基板、３０…薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、Ｌout…照射光、Ｌ１…レーザ光、Ｄ１…透明画像データ、Ｓ…制御信号、Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ２…輝度ピーク、Ｐ３，Ｐ５…プロファイル、ＰＴ…基準パターン、Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ２…輝度ピークの半値幅、Ｗ３…結晶化領域の幅（アニール幅）、Ｙ１，Ｙ２…輝度の最小値、ｄ４…基準パターンと結晶化領域との距離。

Claims (19)

  1. 透明基板上に非結晶質半導体薄膜を形成する工程と、
    前記非結晶質半導体薄膜に対してレーザ光を照射して加熱処理を施すことにより、非結晶質半導体薄膜を結晶化させて結晶質半導体薄膜を形成する工程と、
    前記結晶質半導体薄膜の検査を行う検査工程と
    を含み、
    前記検査工程は、
    前記透明基板の裏面側から前記結晶質半導体薄膜へ向けて光を照射して撮像することにより、結晶質半導体薄膜の透過画像を取得する工程と、
    取得した透過画像に基づいて前記結晶質半導体薄膜に対する選別を行う選別工程とを含む
    半導体薄膜の形成方法。
  2. 前記検査工程は、前記結晶質半導体薄膜の結晶化度を検査する工程であると共に、取得した透過画像に基づいて輝度分布を作成する工程をさらに含み、
    前記選別工程では、作成した輝度分布を用いて前記結晶質半導体薄膜に対する選別を行う
    請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法。
  3. 前記選別工程において、前記輝度分布に基づいて輝度の標準偏差を算出すると共に、この標準偏差の大きさに応じて前記結晶質半導体薄膜に対する選別を行う
    請求項２に記載の半導体薄膜の形成方法。
  4. 前記選別工程において、前記標準偏差が所定の閾値未満であるときには前記結晶質半導体薄膜が良品であると判定すると共に、前記標準偏差が所定の閾値以上であるときには前記結晶質半導体薄膜が不良品であると判定する
    請求項３に記載の半導体薄膜の形成方法。
  5. 前記選別工程において、前記輝度分布に基づいて輝度ピークのピーク幅を算出すると共に、このピーク幅の大きさに応じて前記結晶質半導体薄膜に対する選別を行う
    請求項２に記載の半導体薄膜の形成方法。
  6. 前記選別工程において、前記ピーク幅が所定の閾値よりも大きいときには前記結晶質半導体薄膜が良品であると判定すると共に、前記ピーク幅が所定の閾値以下であるときには前記結晶質半導体薄膜が不良品であると判定する
    請求項５に記載の半導体薄膜の形成方法。
  7. 前記選別工程において、前記輝度分布に基づいて輝度の最小値を算出すると共に、この最小値の大きさに応じて前記結晶質半導体薄膜に対する選別を行う
    請求項２に記載の半導体薄膜の形成方法。
  8. 前記選別工程において、前記最小値が所定の閾値よりも大きいときには前記結晶質半導体薄膜が良品であると判定すると共に、前記最小値が所定の閾値以下であるときには前記結晶質半導体薄膜が不良品であると判定する
    請求項７に記載の半導体薄膜の形成方法。
  9. 前記選別工程では、取得した透過画像に基づいて結晶化領域の幅を求めると共に、この結晶化領域の幅の大きさに応じて前記結晶質半導体薄膜の結晶化状態を検査する
    請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法。
  10. 前記選別工程では、取得した透過画像に基づいて、予め設定された所定の基準パターンと結晶化領域との距離および方向をそれぞれ求めると共に、これらの距離および方向に基づいて前記結晶質半導体薄膜の結晶化位置を検査する
    請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法。
  11. 前記選別工程では、取得した透過画像に基づいて空間的な輝度分布を求めると共に、この空間的な輝度分布に基づいて前記結晶質半導体薄膜における物理的破壊箇所の検査を行う
    請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法。
  12. 前記透明画像を取得する工程において、前記結晶質半導体薄膜へ向けて照射する光として、緑色の波長領域の光を用いる
    請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法。
  13. 前記結晶質半導体薄膜を形成する工程において、複数のレーザ光源を用いて前記レーザ光を照射することにより、前記加熱処理を施す
    請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法。
  14. 前記結晶質半導体薄膜を形成する工程において、半導体レーザ光源を用いて前記レーザ光を照射する
    請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法。
  15. 前記結晶質半導体薄膜が、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）の形成に用いられるものである
    請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法。
  16. 前記結晶質半導体薄膜が、Ｓｉ（シリコン）薄膜である
    請求項１に記載の半導体薄膜の形成方法。
  17. 透明基板上に非結晶質半導体薄膜を形成したのちにこの非結晶質半導体薄膜に対してレーザ光を照射して加熱処理を施すことにより結晶化されて形成された結晶質半導体薄膜において検査を行う際に、この結晶質半導体薄膜が形成された透明基板を搭載するステージと、
    前記ステージの裏側から前記結晶質半導体薄膜へ向けて光を照射する光源と、
    前記光源から発せられて前記ステージおよび前記結晶質半導体薄膜を透過した透過光を受光することにより、結晶質半導体薄膜の透過画像を取得する撮像手段と、
    前記撮像手段により得られた透過画像に基づいて前記結晶質半導体薄膜に対する選別を行う選別手段と
    を備えた半導体薄膜の検査装置。
  18. 前記撮像手段により得られた透過画像に基づいて輝度分布を作成する輝度分布作成手段をさらに備え、
    前記選別手段は、前記輝度分布作成手段により作成された輝度分布を用いて前記結晶質半導体薄膜に対する選別を行うものであり、
    前記結晶質半導体薄膜の結晶化度を検査するための検査装置として構成されている
    請求項１７に記載の半導体薄膜の検査装置。
  19. 前記ステージ上に搭載された透明基板に対して前記光源および前記撮像手段を相対的に変位させるための制御を行う制御手段を備えた
    請求項１７に記載の半導体薄膜の検査装置。
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