JP2009152632A - 表示装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大型基板上に多結晶シリコン(ポリシリコン)ＴＦＴを形成するために、基板上に形成した非晶質シリコン(アモルファスシリコン)膜をレーザ光で結晶化するプロセスにおいて、基板全面にわたり均一で大粒径の多結晶シリコンを容易に作成する。
【解決手段】基板上に形成した非晶質シリコン膜の平均膜厚を計測(ステップ201)し、この非晶質シリコン膜にレーザ光を照射(ステップ101)し、この照射で結晶化した多結晶シリコン膜の粒径分布を計測(ステップ102)し、多結晶シリコン膜の２つの点Ａ,Ｂにおける粒径の測定値(ステップ103〜105)から、適正なレーザ光照射エネルギー密度値を算出(ステップ106〜108)し、次の非晶質シリコン膜の平均膜厚を計測(ステップ110,201)し、この平均膜厚と１つ前の非晶質シリコン膜の平均膜厚とから照射するエネルギー密度値を算出(ステップ203,204)し、このエネルギー密度値をレーザ光照射系にフィードバック(ステップ109)する。
【選択図】図１３

Description

本発明は、半導体デバイス（薄膜トランジスタ（ＴＦＴ））などを備えた表示装置及びその製造方法に関する。

液晶表示装置において、駆動素子となる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の活性層としては多結晶半導体膜が、アモルファス半導体膜より優れているのは、キャリア（ｎチャネルでは電子、ｐチャネルでは正孔）の移動度が高く、セルサイズを小さくでき高精細化が可能であるためである。

さらに、通常の多結晶シリコンＴＦＴは１０００℃以上の高温プロセスが必要であるが、レーザによる半導体層のみのアニールにより基板が高温にならない低温多結晶半導体形成技術では、安価なガラス基板の使用が可能な低温プロセスにおいて、移動度の高いＴＦＴの形成が可能となる。

このレーザアニールは、図２に示すように液晶表示装置のガラス基板７上に形成した前駆体膜としての非晶質シリコン膜（アモルファスシリコン膜）７１にそれが吸収する光１１を照射しながら走査することによって基板上のアモルファスシリコン膜を全面にわたって多結晶化し多結晶シリコン膜７２にする。なお、前駆体膜としては他の非晶質半導体膜であってもよい。

図３に示すように、その多結晶シリコン粒径はレーザの照射エネルギー密度（フルエンス）によって変化（Ｒ１〜Ｒ５）するため、レーザの安定性が多結晶シリコンの粒径分布に反映する。多結晶シリコン膜のキャリア移動度は、この粒径が大きいほど高く、面内均一な高性能のＴＦＴ特性を得るためには粒径分布が均一かつ大粒径を保持する必要性がある。

大きい粒径をつくるための条件としては図３のＲ４領域のフルエンスを用いれば良いが、レーザの不安定性等によってフルエンスが高い方に変動した場合は、Ｒ５領域で示した粒径２００ｎｍ以下の微結晶を含む領域になってしまう。この場合はキャリア移動度が小さくなりデバイス不良の原因となる。

粒径は、レーザフルエンスの他にレーザアニール前のアモルファスシリコン膜厚のバラツキによっても変動する。したがって、常に一定の粒径範囲で多結晶シリコン膜をつくるためには、レーザの不安定性や基板の膜厚変動の影響を低く押さえなければならない。このためには多結晶シリコン粒径を検査し、レーザアニール条件にフィードバックして多結晶シリコン粒径を一定に管理することが重要となっている。

レーザアニールにおけるレーザ光照射エネルギー密度の制御方法に関しては下記特許文献１に記載のものがある。これは、結晶化された薄膜の結晶配向性を配向計で測定し、測定結果から照射されたレーザ光の照射エネルギー密度の過不足を判定し、これに基づいてレーザ出力を調整しようとするものである。また、多結晶シリコン粒径を光回折パターンを計測することによって評価し、レーザアニールプロセスにフィードバックするものが下記特許文献２に記載されている。

特開平１０−２９４２８９号公報 特開２００３−１０９９０２号公報

近年では、生産のスループット向上のため、ガラス基板として７３０×９２０ｍｍやこれより大きいサイズのものが用いられるようになってきている。ここで、この基板にシリコン膜を形成するのに、最初にＣＶＤ法でアモルファスシリコンを形成し、これにレーザ光を照射して多結晶化するが、ＣＶＤ法で成膜する際のプラズマの不均一などによって膜厚の不均一が生じる。この膜厚の違いによりシリコン膜の結晶化に必要なエネルギー密度の違いが生じ、基板内の位置によって結晶粒径が異なることが起こる。

ところが、上記背景技術は、面内の膜厚の不均一性を考慮したものではなく、また、基板面内において結晶粒径が図３のＲ４領域から外れる不良箇所を生じないようにすることが難しい。

また、上記背景技術では７３０ｍｍ×９２０ｍｍのような大形基板の全面の結晶状態を検査するのに、計測用の光を基板全体にわたり走査すると、長い時間がかかる。この検査を基板１枚のアニール毎に行っていると、後続の基板にフィードバックするまでにロスタイムを生じ、生産能力向上の障害となってしまう。

さらに、レーザ光の強度が最適結晶条件より大きすぎても小さすぎても粒径は小さくなるため、レーザ光を大きくすべきか小さくすべきかの判定が難しい。

さらにまた、図３のＲ４領域のマージンは狭いため、基板全体がＲ４領域となるようなレーザ光照射エネルギー密度に設定するのは容易ではない。そのため、レーザ光照射エネルギー密度の設定値を定量的かつ精度よく求める必要があるが、上記背景技術ではこの点について述べられていない。

さらにまた、上記背景技術は、既に結晶化されたシリコン膜の結晶状態を基にその後のレーザ光照射のエネルギー密度を調整するだけなので、あらかじめ膜厚変動に応じたレーザ光エネルギー密度変化を予測して、結晶性不良膜の生成を未然に防ぐことが考慮されていない。

本発明の第１の目的は、基板上のどの場所においても、結晶が図３のＲ４領域から外れないよう、レーザ光の照射エネルギー密度を設定する方法を提供することである。

本発明の第２の目的は、基板１枚あたりの結晶粒径分布の検査に要する時間を短縮し、後続基板へのフィードバックに要する時間を短縮することである。

本発明の第３の目的は、結晶粒径が小さい不良品が生じた場合、レーザ光照射エネルギー密度を上昇させるべきか下降させるべきかの判定手段を与えることである。

本発明の第４の目的は、基板全面を結晶粒径の大きな状態にするための、レーザ光照射エネルギー密度の設定値を定量的に求めることである。

本発明の第５の目的は、膜厚変動に応じてレーザ光照射エネルギー密度を予測することにより、結晶性不良膜の生成を未然に防ぐことである。

上記第１の目的を達成するために、基板面内でレーザ光照射エネルギー密度変動の影響を受けやすい複数の箇所に粒径モニタ領域を設け、これらの領域での粒径の大小関係を基に照射エネルギー密度を調整するようにした。

上記第２の目的を達成するために、結晶粒径の測定箇所を、上記モニタ領域内の複数点に限定し、これらの点における結晶粒径を基に照射エネルギー密度を調整するようにした。

上記第３の目的を達成するために、上記粒径モニタ領域相互間の粒径の大小関係からレーザ光照射エネルギー密度の変化量を算出することにした。

上記第４の目的を達成するために、上記サンプリング点の各々において、レーザ光照射エネルギー密度と結晶粒径との相関関数を求め、この関数の組み合わせることにより、基板面全体にわたる結晶の良否をレーザ光照射エネルギー密度にフィードバックさせるようにした。

上記第５の目的を達成するために、レーザ光照射前の膜の膜厚分布を測定する工程を設け、この結果に基づいて、面内及び基板毎のレーザ光照射エネルギー密度を決定することにした。

本発明によれば、低温ポリシリコンＴＦＴの生産工程において、基板全面にわたって粒径が大きくなるよう制御を行うのが容易となり、歩留や生産性を向上することが可能である。

本発明の構成図である。 基板のアニールの概要図である。 レーザ光照射エネルギー密度と結晶粒径との相関図である。 基板上に成膜したシリコン膜の膜厚分布の一例を示す図である。 シリコン膜を種々のレーザ光照射エネルギー密度でアニールした場合の結晶粒径分布図である。 レーザ光照射エネルギー密度と基板上の場所ごとの結晶化状態との相関図である。 結晶粒径測定点の配置図である。 膜厚の厚い場所と薄い場所における結晶粒径とレーザ光照射エネルギー密度との相関図(1)である。 膜厚の厚い場所と薄い場所における結晶粒径とレーザ光照射エネルギー密度との相関図(2)である。 レーザ光照射エネルギー密度調整のアルゴリズムを示すフローチャートである。 図４のシリコン膜のｘ方向膜厚分布図である。 図４のシリコン膜のレーザ光照射エネルギー密度の面内変化図である。 膜厚を考慮したレーザ光照射エネルギー密度調整のアルゴリズムを示すフローチャートである。 本発明における薄膜トランジスタを表わし、（a）はその断面図、（ｂ）は薄膜トランジスタを形成する途中の段階であって、アニール後の基板断面図である。 薄膜トランジスタの移動度の面内分布であり、（a）は本発明の場合を示す図、（ｂ）は比較例として基板への照射エネルギー密度の制御を行わない従来例を示す図である。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。なお、各実施例として液晶表示装置の場合を例に挙げて説明するが、本発明は液晶表示装置に限定されることなく、自発光型の有機エレクトロルミネッセンス表示装置等、本発明のトランジスタを表示素子のスイッチングに用いるものであれば適用可能である。

本発明の第１の実施例を図１〜６により説明する。図１は本発明の構成図、図２は基板のアニールの概要図、図３はレーザ光照射エネルギー密度と結晶粒径との相関、図４は基板上に成膜したシリコン膜の膜厚分布の一例、図５は図４のシリコン膜を種々のレーザ光照射エネルギー密度でアニールした場合の結晶粒径分布を示したものである。また、図６はレーザ光照射エネルギー密度と基板上の場所ごとの結晶化状態との関係を説明するための相関図である。以下、その詳細を説明する。

図１の１はレーザ光源、２ａは可変アッテネータ、２ｂはアッテネータコントローラ、１１はレーザ光、３は光学系、４は光センサ、５はアニーラとしてのアニールチャンバ、６は粒径計測部である粒径分布モニタ、７は液晶表示装置に用いる基板、８は制御用コンピュータ、９は膜厚測定部である。また、図１では省略しているが、アニーラ５から粒径計測部６との間で基板７を受け渡しする搬送機構を備えている。

レーザ光源１から出たレーザ光１１は光学系３によりシリコンの結晶化に必要なビーム形状に整えられた後、基板７に照射される。レーザ光源１としては例えば３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザなどが用いられる。なお、エキシマレーザに代えて固体レーザ又は他のレーザから生じる光であってもよい。

このレーザ光の強度を制御するのに、可変アッテネータ２ａを用いる。これは例えばガラスの円盤に、回転角に応じて光の透過率の異なる膜を成膜したものである。制御用コンピュータ８から指示した透過率を、アッテネータコントローラ２ｂにより回転角の値に変換して可変アッテネータ２ａを制御することにより、レーザ光照射エネルギー密度の制御を行う。

光学系３は、例えばビームを強度が均一な矩形状にするためのホモジナイザが用いられる。光学系３を出た後のレーザ光のビーム形状や強度が所望の状態となっているか否かは光センサ４によってモニタされる。これは例えばＣＣＤカメラなどを用いる。

多結晶化が終了した基板７は自動的にアニールチャンバ５から粒径分布モニタ６に搬送され、多結晶膜の粒径分布が計測される。この計測結果を制御用コンピュータ８に送り可変アッテネータ２ａの制御を行うことにより、レーザ光の照射強度にフィードバックする。これら各装置は制御用コンピュータ８によりシーケンス制御され、基板７のアニールが自動的に行われるようになっている。

図２はレーザ光１１が基板７に照射される様子を示したものである。７１は前駆体膜としての非晶質シリコン（アモルファスシリコン）膜領域、７２は多結晶半導体膜としての多結晶シリコン（ポリシリコン）膜領域である。本実施例での基板７のサイズは、一般に用いられるものとして、図の横方向に９２０ｍｍ、これと垂直な方向に７３０ｍｍの場合を例示したが、これに限定されるものではない。矩形状のレーザ光１１を照射しながら基板７を矢印方向に走査することにより、基板全面にレーザ光の照射が行われる。レーザ光１１のサイズは図の横方向に３００μｍ、これと垂直方向に３６５ｍｍである。このレーザ光１１を基板７の手前側と奥側とでそれぞれ、横方向に走査することにより、基板７の全面にわたって多結晶シリコン膜領域７２を作成することができる。

本発明では、図１のように、粒径分布モニタ６を設置し、基板７のアニールが終わる毎に結晶粒径分布を計測する。この結晶粒径分布の計測結果と膜厚測定部９の測定結果とを制御用コンピュータ８に取込み、両者を対照することにより、適正な結晶粒径分布を得るためのレーザ光照射エネルギー密度を算出し、可変アッテネータ２ａにフィードバックする。粒径分布モニタ６は特許文献２に示されているものと同じであって、多結晶シリコン膜からの光回折強度により粒径を求める方法を用いた。なお、光回折強度の代わりに、ラマンスペクトル、ＳＥＭ像、光学顕微鏡像、光反射率、光散乱強度、フォトキャリヤ寿命を用いても結晶粒径を求めることが可能であり、同様の結果が得られる。

以下にフィードバック方法の詳細を説明する。図３はレーザ光照射エネルギー密度と結晶粒径との相関で、背景技術で既に述べたものである。図４はＣＶＤ法で成膜後、多結晶化に先立ち図１の膜厚測定部９により測定したアモルファスシリコン膜の膜厚分布の例である。基板７は図２に示したものと同じで、横方向ｘに９２０ｍｍ、縦方向ｙに７３０ｍｍの大きさである。図中の線は同じ膜厚の箇所を結んだ等高線で、数値は膜厚をｎｍの単位で表している。この例は、平均膜厚は５１０ｎｍ、膜厚分布のσは９ｎｍである。基板中央部で膜厚が厚く、周辺部で薄くなったのは、ＣＶＤチャンバのプラズマ密度の不均一によるものである。この膜厚分布は、一般に個々のＣＶＤチャンバに固有の形状として現われるものであって、図４に示した膜厚分布に限定されるものではない。

図５は図４の基板にレーザ光を照射してアニールした結果の結晶粒径分布を示したものである。図の横軸と縦軸は図４と同じである。（ａ）が最もレーザ光照射エネルギー密度が大きく、（ｂ）、（ｃ）の順に小さくなる。左側のスケールに示すように、白い部分は粒径が大きい部分、斜線の部分はやや小さい部分、黒い部分は小さい部分を示す。レーザ光照射エネルギー密度が大きい（ａ）では膜厚の厚い基板中央部で粒径が大きく、膜厚の薄い周辺部で小さい。（ｂ）では基板中央部、周辺部ともに粒径が大きい。（ｃ）では、基板周辺部で粒径が大きく、中央部で小さい。
これは、一般に膜厚が厚いほど、結晶化に要するエネルギー密度が大きいために起る。シリコン膜厚が１ｎｍ変化すると、これの結晶化に必要なエネルギー密度は約１％変化することがわかっている。

図３からわかるように、大粒径の結晶化に必要なエネルギー密度より、レーザ光の照射エネルギー密度が大きすぎても小さすぎても、結晶粒径は小さくなる。すなわち、図５（ａ）では膜厚の薄い周辺部で照射エネルギー密度が過大となって、結晶粒径が小さくなり、同（ｃ）では膜厚の厚い中央部で照射エネルギー密度が過小となって結晶粒径が小さくなったのである。

図６はこれを図解で示したものである。図中２１、２２、２３はそれぞれ図５(a)中の中央部（白抜きの部分）、中央部分の周辺部（斜線部）、及び基板のコーナー部（黒塗りの部分）における、レーザ光照射エネルギー密度と結晶粒径との相関を示したものである。この相関の形状は図３に示すものと同じであるが、膜厚に従って、左右、すなわちレーザ光照射エネルギー密度の方向にシフトする。

したがって、例えば画像認識によって多結晶化後の粒径分布を図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３パターンに判定し、（ａ）の場合はエネルギー密度を現在値より下げ、（ｂ）の場合は現在のエネルギー密度を保持し、（ｃ）の場合はエネルギー密度を現在値より上げるようフィードバックすればよい。なお、同一のＣＶＤチャンバで成膜したアモルファスシリコン膜は、基板間でほぼ同じ膜厚分布を持つため、粒径分布を判定するための画像認識アルゴリズムはどの基板にも同じものを適用してかまわない。

なお、本実施例では、粒径分布を３つのパターンに判定するようにしたが、（ａ）と（ｂ）の中間、あるいは（ｂ）と（ｃ）の中間といった、さらに細かな粒径分布のパターン変化を判定できるようにすれば、エネルギー密度へのフィードバックをさらに高精度に行うことが可能である。

本発明は、以上のようにすることにより、基板の全面にわたって、粒径の大きい結晶を得るよう制御を行うことが可能である。また、レーザ光照射エネルギー密度が適正か過大か不足かを判定し、この後に光照射を行う基板でエネルギー密度が適正となるようフィードバックすることが可能である。

本発明の第２実施例を図７及び８を用いて説明する。図７は図４と同じ基板で設定した結晶粒径測定点の配置を示した図である。図中、Ａ１、Ｂ１〜４、Ｃ１〜２０は結晶粒径測定点である。Ａ１はアモルファスシリコン膜厚の厚い領域に、Ｂ１〜４は膜厚の薄い領域に、Ｃ１〜２０はその中間の膜厚の領域に配置している。本実施例は、実施例１の画像認識の代わりに、膜厚分布の特徴を表す箇所に結晶粒径測定点を配置することにより、これらの点における粒径を測定するだけでレーザ光の照射エネルギー密度へのフィードバックを行えるようにしたものである。

これら点の配置は、例えば、図１において基板をアニールチャンバ５に入れるに先立ちアモルファスシリコンの膜厚分布を膜厚測定部９で測定し、これに基づいて膜厚の厚い箇所と薄い箇所に結晶粒径が位置するようにすれば良い。また、ＣＶＤによるアモルファスシリコン膜の作成においては、基板内膜厚分布は数日の内ではそれほど変動しないため、アニールの都度膜厚分布を測定する必要はなく、１枚ないし複数枚の参照用基板で膜厚分布を測定した結果に基づいて上記Ａ１、Ｂ１〜４、Ｃ１〜２０の位置を決定しても良い。

また、Ａ１、Ｂ１〜４、Ｃ１〜２０などの点の配置を決めるのに、膜厚分布の測定結果を用いる代わりに、図５のように、複数の参照用の基板に種々のエネルギー密度でレーザ光を照射したものを作成し、エネルギー密度が過剰の場合に粒径が小さくなる領域（すなわち図５（ａ）の黒色の領域）にＢ１〜４を配置し、エネルギー密度が不足の場合に粒径が小さくなる領域（すなわち図５（ｃ）の黒色の領域）にＡ１を配置すればよい。

図８は図７のＡ１及びＢ１〜４における結晶粒径とレーザ光照射エネルギー密度との相関を示したものである。この相関は、レーザ光照射エネルギー密度を２８０ｍＪ／ｃｍ²から５５０ｍＪ／ｃｍ²まで１０ｍＪ／ｃｍ²の間隔で変えて２８枚の基板を結晶化し、各基板の点Ａ１及びＢ１〜４における粒径をレーザ光照射エネルギー密度に対してプロットしたものである。なお、レーザ光照射エネルギー密度は図１の光センサ４で測定したものである。実線は点Ａ１、点線は点Ｂ１〜４における相関を示す。また、本図では点Ｂ１〜４の各々の粒径を示す代りにこれら４点の最小値を用いている。これは、基板毎にＣＶＤ装置の状態の微妙な変化によりＢ１〜４の粒径の大小関係が変わるため、エネルギー密度が不足の場合に基板面内で最も小さい粒径を検出できるようにするためである。なお、Ｂ１〜４の粒径の大小関係がそれほど変わらない場合は最小値の代わりに平均値を用いても良い。

図８をみると、図３の曲線を左右に（すなわちレーザ光照射エネルギー密度の変化方向に）シフトさせて重ね合わせたような形状になっていることがわかる。これは、点Ａ１は点Ｂ１〜４より膜厚が厚いため、大粒径の結晶を形成するのに必要なエネルギーが大きいためであることがわかる。

そこで、点Ａ１と点Ｂ１〜４の結晶粒径がともに大きくなるようレーザ光照射エネルギーを設定するためのフィードバック方式を以下説明する。

図８中、実線と点線との交点でのレーザ光照射エネルギー密度を適正値Ｆｏｐｔとする。点Ａ１及びＢ１〜４の粒径の関係から次のようなフィードバック動作を行う。

（１）Ａ１の粒径＜Ｂ１〜４の最小粒径の場合：図８ではＦｏｐｔより左側の領域に対応する。したがって、エネルギー密度が不足であるので、エネルギー密度を上昇させるようフィードバックする。

（２）Ａ１の粒径＞Ｂ１〜４の最小粒径の場合：図８ではＦｏｐｔより右側の領域に対応する。したがって、エネルギー密度が過剰であるので、エネルギー密度を低下させるようフィードバックする。

（３）Ａ１の粒径≒Ｂ１〜４の最小粒径の場合：図８でＦｏｐｔの位置に対応する。したがって、エネルギー密度が適正であるので、このままのエネルギー密度でアニールを続ける。

このようにすれば、基板の全面の粒径を測定しなくても、基板内の数点の粒径でエネルギー密度の過不足を十分把握でき、レーザ光照射強度にフィードバックすることが可能である。

以上のように、サンプリング点数を限定して粒径を計測するようにすることや、参照基板を用いてサンプリング点を決めることで、粒径のモニタに要する時間を短縮できるので、後続基板にフィードバックする時間を短くでき、生産効率を向上することが可能である。

本発明の第３実施例を同じく図８により説明する。図８は実施例２で述べたように、膜厚の厚い場所と薄い場所における結晶粒径とレーザ光照射エネルギー密度との相関である。レーザ光照射エネルギー密度がＦｏｐｔから外れている場合、後続基板でのレーザ光照射エネルギー密度の上昇、下降量は、点Ａ１及びＢ１〜４の結晶粒径の関数で表される。

本実施例では、結晶粒径とレーザ光照射エネルギー密度との相関を１次関数で近似することにする。これは、Ｆｏｐｔからの外れ方が少ない場合、両者の相関がほぼ１次関数となるからである。点Ａ１，及び点Ｂ１〜４での粒径をそれぞれＸ（Ａ１），Ｘ（Ｂ１）〜Ｘ（Ｂ４）とおく。レーザ光照射エネルギー密度Ｆと各点での結晶粒径との相関を、Ｆｏｐｔの近傍で次のように１次式近似する。

Ｘ（Ａ１）＝αＦ＋β
Ｘ（Ｂ１）＝γＦ＋δ１
Ｘ（Ｂ２）＝γＦ＋δ２
Ｘ（Ｂ３）＝γＦ＋δ３
Ｘ（Ｂ４）＝γＦ＋δ４
(これらの式を式１とする)。

ここで、Ｂ１〜４で、いずれも傾きはγとしているが、これは、シリコン膜厚によって傾きがほとんど変わらないためである。すなわち、傾きα及びγは、複数の参照基板に種々のエネルギー密度のレーザ光を照射して結晶化させた結果から求めることができる。

次に、レーザ光照射エネルギー密度のフィードバック量の求め方について説明する。あるエネルギー密度Ｆのレーザ光を照射した時、点Ａ１及び点Ｂ１〜４における粒径がそれぞれＸ（Ａ１），Ｘ（Ｂ１）〜Ｘ（Ｂ４）であったとする。照射エネルギー密度をＦｏｐｔに補正するためのフィードバック量をΔＦとする。これは次のように求められる。図８で、Ｆｏｐｔに対応する粒径をＸｏｐｔとおく。

ΔＦ＝Ｆｏｐｔ−Ｆ
＝｛Ｘｏｐｔ−Ｘ（Ａ１）｝／α
＝［Ｘｏｐｔ−ｍｉｎ｛Ｘ（Ｂ１），Ｘ（Ｂ２），Ｘ（Ｂ３），Ｘ（Ｂ４）｝］／γ
（この式を式２とする）
である。ただし、ｍｉｎは引数のうちで最小の値を返す関数である。

これから、
α・（Ｆｏｐｔ−Ｆ）＝Ｘｏｐｔ−Ｘ（Ａ１）
γ・（Ｆｏｐｔ−Ｆ）＝Ｘｏｐｔ−ｍｉｎ｛Ｘ（Ｂ１），Ｘ（Ｂ２），Ｘ（Ｂ３），Ｘ（Ｂ４）｝
（この式を式３とする）。

Ｘｏｐｔを消去すれば、
ΔＦ＝［ｍｉｎ｛Ｘ（Ｂ１），Ｘ（Ｂ２），Ｘ（Ｂ３），Ｘ（Ｂ４）｝−Ｘ（Ａ１）］／（α−γ）
（この式を式４とする）である。

すなわち、１／（α−γ）をｋとおけば、
ΔＦ＝ｋ・［ｍｉｎ｛Ｘ（Ｂ１），Ｘ（Ｂ２），Ｘ（Ｂ３），Ｘ（Ｂ４）｝−Ｘ（Ａ１）］
（この式を式５とする）。となる。傾きαは正、γは負であるから、ｋは正である。

ｍｉｎ｛Ｘ（Ｂ１），Ｘ（Ｂ２），Ｘ（Ｂ３），Ｘ（Ｂ４）｝をＸ（Ｂ）、Ｘ（Ａ１）をＸ（Ａ）とおいて式を一般化すれば、
ΔＦ＝ｋ・［Ｘ（Ｂ）−Ｘ（Ａ）］
と表せる。すなわち、フィードバック量は点Ａと点Ｂの粒径の１次関数となる。

すなわち、膜厚の薄い点Ｂの粒径が点Ａの粒径より小さい場合はΔＦが負となり、レーザ光照射エネルギー密度を下げるようフィードバックすることになる。また、膜厚の厚い点Ａの粒径が点Ｂの粒径より小さい場合はΔＦが正となり、レーザ光照射エネルギー密度を上げるようフィードバックすることになる。

以上のように、本発明によれば大形基板の全面にわたって大きな粒径の多結晶シリコン膜を得るための最適エネルギー密度を定量的に求めることが可能である。

本発明の第４実施例を図９及び１０により説明する。本実施例は、実施例３よりさらに的確なフィードバックを行えるよう工夫したものである。図９の実線及び点線は図８と同じ相関である。この図において、実線（Ａ１）と点線（Ｂ１〜４）に対して各々閾値Ｐ及びＱを決める。例えばＰは０．４μｍ、Ｑは０．５μｍという値にする。

ここで、ＱをＰより大きい値にしたのは、Ｂ１〜４の傾きの絶対値｜γ｜がＡ１の傾きの絶対値｜α｜より大きいため、レーザ光照射エネルギー密度が増加する方がより粒径が小さくなりやすいので、Ａ１の方の粒径に余裕を持たせるためである。すなわち、Ａ１の粒径がＰより小さい場合はＢ１〜４の粒径がＱより小さい場合はエネルギー密度を減少させるよう、フィードバックを行う。

以下、フィードバックのアルゴリズムを図１０で説明する。エネルギー密度と粒径との相関は１次関数で近似することにする。

図１０において、Ｎ番目の基板は、その基板１枚毎に図１のアニールチャンバ５に導入され光照射される(ステップ１０１)。光照射の終わった基板は、粒径分布モニタ６に導入され粒径分布が計測される(ステップ１０２)。このデータのうち、点Ａ１の粒径と点Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の最小粒径とを比較して(ステップ１０３)、以下のようにフィードバック量が算出される。

ステップ１０３において、点Ａ１の粒径が点Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の最小粒径より小さい場合であって(ステップ１０３でYes)、点Ａ１の粒径がＰより小さい場合(ステップ１０４でYes)、すなわちエネルギー密度が不足の場合、フィードバック量ΔＦは次式で求められる(ステップ１０６)。

ΔＦ＝Ｆｏｐｔ−Ｆ＝｛Ｐ−Ｘ（Ａ１）｝／α
（この式を式６とする）。

この式において、傾きαは正であるので、ΔＦは正となり、エネルギー密度を上げるようフィードバックすることになる。

また、ステップ１０３において、点Ａ１の粒径が点Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の最小粒径より大きい場合であって(ステップ１０３でNo)、点Ｂ１〜４の粒径がＱより小さい場合(ステップ１０５でYes)、すなわちエネルギー密度が過剰の場合、フィードバック量は次式で求められる(ステップ１０７)。

ΔＦ＝［Ｑ−ｍｉｎ｛Ｘ（Ｂ１），Ｘ（Ｂ２），Ｘ（Ｂ３），Ｘ（Ｂ４）｝］／γ
（この式を式７とする。）
この式において、傾きγは負であるので、ΔＦは負となり、エネルギー密度を下げるようフィードバックすることになる。

ステップ１０４，１０５において、点Ａ１の粒径がＰ以上(ステップ１０４でNo)で、しかもＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の最小粒径がＱ以上である場合(ステップ１０５でNo)は、エネルギー密度は適正であるので、フィードバック量ΔＦを０とする(ステップ１０８)。

以上の結果を基に、レーザ光の照射エネルギー密度をフィードバック量ΔＦで変えた後(ステップ１０９)、次の基板に光照射を行う(ステップ１１０，ステップ１０１)。

以上のとおり、本発明によれば基板の全面にわたり多結晶シリコン膜の結晶粒径を大きくするための最適エネルギー密度を定量的に求めることが可能である。

本発明の第５実施例を図１１及び１２により説明する。本実施例は、上記各実施例のフィードバックによっても、なお基板内の小粒径の領域をなくすことができない場合に対応するものである。

このような問題の例として、多結晶化工程のスループットを上げようとして、レーザ光の照射パルス数を減少させると、結晶粒径が大きくなるエネルギー密度マージン（図３のＲ４の幅）が狭くなることがある。この場合、基板面内で膜厚が少し異なる領域でも、小粒径となってしまう。

そこで、本実施例では、上記各実施例に加えて、膜厚によるエネルギー密度の補正も行うことにした。図１１は図４に示した膜厚のｙ方向平均値のｘ方向分布を示したものである。このように、基板の左右方向に関して、中央部ガ端部と比べて約０．６ｎｍ膜厚が厚くなっている。すでに述べたように、膜厚が１ｎｍ増加するごとに、結晶化に必要なエネルギー密度が１％の割合で増加するので、基板面内で均一な結晶を得るために、面内の膜厚分布に応じてエネルギー密度を変えることにした。

図１２は、図２に示すレーザ光１１を図４におけるｘの小さい側から大きい側に向かって走査するにあたり、レーザ光照射エネルギー密度の変化の形状を示したものである。この変化は図１の可変濃度アッテネータ２ａにより行う。図のエネルギー密度（縦軸）は、中央部を１００％とした場合の、相対的なアッテネータ２ａの透過率で表した。

図１１における膜厚０．６ｎｍの変化に対応して、図１２のエネルギー密度の基板面内変化量は、アッテネータ透過率に換算して０．６％としている。なお、図１１の分布は曲線の形状であるが、レーザ光照射エネルギー密度は可変濃度アッテネータ２ａの機械的な動作を単純にするため、図１２のような直線的な変化とした。これでも、図１１の分布を十分近似可能である。

なお、図３や図６、８等では結晶粒径を用いたが、粒径に変換する前の光反射率等のパラメーター値を用いても同様の結果が得られることは言うまでもない。

同一のＣＶＤチャンバを用いてアモルファスシリコン膜を成膜する場合、数日の間では基板毎に膜厚分布はそれほど大きく変化しない場合が多い。これは、チャンバ内のプラズマの分布が、電極の形状や状態によってほぼ決まるからである。したがって、膜厚分布測定は多数の基板をアニールする前に、１枚の基板について行うだけで十分であり、この測定結果を基に図１２のようなエネルギー密度の変化の形状を作成してもよい。

このように、本発明によれば、基板内の最大−最小膜厚差が大きくても、粒径の大きい多結晶シリコン膜を作成することが可能である。

本発明の第６実施例を図１３により説明する。図１３は本実施例のフローチャートである。これは、図１０のフローチャートに膜厚による補正を加えたものである。上記実施例５に述べたように、基板面内の膜厚分布は基板毎にそれほど変化しないが、基板全体の平均膜厚は基板毎に大きく変化する。これはチャンバ内の平均プラズマ密度が、放電電圧のわずかな変動の影響を受けるからである。

そこで本実施例では、基板毎の平均膜厚の変化に応じてレーザ光照射エネルギー密度を変えることにした。面内の膜厚分布が基板毎にそれほど変化しないので、平均膜厚は基板内の１０点程度で測定した値を平均すれば十分であり、基板全面を測定する必要はない。この方法によれば、膜厚測定にかかる時間は結晶化の時間と比べて十分小さく、基板１枚毎に測定を行ってもスループットの低下を招くことはない。

以下、測定のフローを説明する。光照射の終わった基板に対して粒径分布測定を行い、フィードバック量ΔＦを求めることは、実施例４及び図１０と同一である。

本実施例では、これに加え、基板毎に光照射の前に平均膜厚計測を行う(ステップ２０１)。そして、結晶化作業開始から２番目以降の基板においては(ステップ２０２でNo)、前回光照射を行った基板との平均膜厚の差Δｔを求め(ステップ２０３)、この差の影響分をフィードバック量ΔＦに上乗せする(ステップ２０４)。図中、ｄはエネルギー密度の膜厚依存性係数である。

本実施例で用いた基板及びシリコン膜においては、実施例５に述べたように、ｄは１％／ｎｍである。以下のステップ１０９とこのステップに続くステップ１０１ないし１０８及びステップ１１０は、実施例４及び図１０で説明したものと同じである。

本実施例に述べたアルゴリズムと、実施例５に述べた基板内膜厚分布を反映したレーザ光照射エネルギー密度の制御とを組み合わせた方法により、多結晶シリコン膜の作成を行った。通常のＣＶＤ装置で成膜したアモルファスシリコン膜を多結晶化した場合、上記の方法で７３０ｍｍ×９２０ｍｍサイズ基板内の９５％以上の領域で０．４μｍ以上の粒径の結晶を得られることがわかった。

このように本実施例によれば、基板毎に膜厚が変動しても、常に粒径の大きな多結晶膜を作成することが可能である。

本発明の実施例７を図１４及び１５により説明する。図１４（ａ）は液晶表示素子に用いられる薄膜トランジスタの断面構造を拡大したものである。左側はｐチャンネル、右側はｎチャンネルである。７０は下地膜、Ｓはソース、Ｄはドレイン、Ｇはゲート、７２は多結晶シリコン膜、ＬはＬＤＤ、Ｏはゲート酸化膜、Ｍは層間膜、ＳＩＧは信号線、Ｐは保護膜である。図１４（ｂ）は図１４（ａ）の多結晶シリコン膜７２が形成された段階における断面図である。７は基板、７０は下地膜、７２は多結晶シリコン膜である。

多結晶シリコン膜７２は、最初にＣＶＤ法によってアモルファスシリコン膜を形成し、これにエキシマレーザ光を照射して多結晶化を行うことにより作成した。この多結晶化の際には、実施例６及び図１３に述べた制御方法に従い、基板面内の粒径分布をレーザ光照射エネルギー密度にフィードバックし、かつ基板毎の膜厚変化と基板内の膜厚分布に応じた照射エネルギー密度の制御を行った。
図１５（ａ）は、図４の膜厚分布をもつアモルファスシリコン膜を多結晶化した後、薄膜トランジスタを形成した段階において、画素毎に移動度を測定してその分布を求めた結果を示したものである。また図１５（ｂ）は参照データとして、上記照射エネルギー密度制御を行わずに多結晶シリコン膜７２を形成した場合の、移動度の分布を示したものである。

図１５（ａ）では移動度の面内平均値は１３０ｃｍ²／Ｖｓ、標準偏差は２０ｃｍ²／Ｖｓで、移動度ガ１００ｃｍ²／Ｖｓ以上である領域ガ全体の９６％を占めるのに対して、図１５（ｂ）では移動度の面内平均値は９０ｃｍ²／Ｖｓ、標準偏差は４０ｃｍ²／Ｖｓで、移動度ガ１００ｃｍ²／Ｖｓ以上である領域ガ全体の４５％である。

このように、本発明では照射エネルギー密度制御を行うことにより、移動度の向上及びその面内バラツキの低減に顕著な効果があることがわかる。特に、上記アモルファスシリコン膜の面内膜厚分布のため、これを多結晶化し画素を形成した段階においても多結晶シリコン膜７２の膜厚に分布を生じるが、それにも関わらず、画素数比で９５％以上において結晶粒径が０．４μｍ以上、移動度１００ｃｍ²／Ｖｓ以上を確保できることがわかった。

１…レーザ光源、２ａ…可変アッテネータ、２ｂ…アッテネータコントローラ、３…光学系、４…光検出器、５…アニールチャンバ、６…粒径分布モニタ、７…基板、８…制御用コンピュータ、９…膜厚測定部、１１…レーザ光、７１…アモルファスシリコン膜（前駆体膜）、７２…多結晶シリコン膜、Ｒ１〜５…エネルギー密度領域、Ｐ，Ｑ…閾値、Ａ１，Ｂ１〜４，Ｃ１〜２０…粒径測定点、Ｆｏｐｔ…最適レーザ光照射エネルギー密度、６１…光源、６２…入射光、６３…回折光、６４…アレイ検出器、６５，６６，６７…回折光スペクトル。

Claims (8)

1. 基板毎に、
   同一のＣＶＤチャンバを用いて前記基板上の全面に非晶質半導体膜を形成する第１工程と、
   前記非晶質半導体膜をレーザ光で照射して、多結晶膜に変える第２工程と、
   前記多結晶膜の面内に設定された複数の測定点において該多結晶膜の結晶粒径を測定する第３工程とを順次行う表示装置の製造方法であって、
   前記測定した結晶粒径を、同一基板上の異なる前記測定点の前記測定した結晶粒径と比較し、
   前記比較した結果に基づいて、前記結晶粒径を測定した基板より後に前記レーザ光の照射を行う基板への前記レーザ光のエネルギー密度を調整することを特徴とする表示装置の製造方法。
2. 請求項１において、
   前記レーザ光はエキシマレーザ、又は固体レーザであることを特徴とする表示装置の製造方法。
3. 請求項１において、
   前記非晶質半導体膜は非晶質シリコン膜であることを特徴とする表示装置の製造方法。
4. 請求項１において、
   前記第３工程において、前記結晶粒径は、光回折強度、ラマンスペクトル、ＳＥＭ像、光学顕微鏡像、光反射率、光散乱強度、及びフォトキャリヤ寿命のいずれかにより測定されることを特徴とする表示装置の製造方法。
5. 請求項１において、
   前記第２工程は前記基板上で前記レーザ光を走査する工程を含み、
   前記レーザ光のエネルギー密度を、前記非晶質半導体膜の膜厚に応じて、前記走査の方向沿いに更に調整することを特徴とする表示装置の製造方法。
6. 請求項１において、
   前記第１工程にて、前記非晶質半導体膜をＣＶＤ法により作製することを特徴とする表示装置の製造方法。
7. 請求項１において、
   結晶粒径を測定する前記基板上に形成された前記非晶質半導体膜における結晶粒径の測定点の設定について、
   （１）複数枚の参照用基板に夫々形成された非晶質の半導体膜を異なるエネルギー密度のレーザ光で照射して多結晶化し、
   （２）該参照用基板のうちの多結晶化された該半導体膜が該参照基板全域にて最大の平均結晶粒径を示すものに照射された該レーザ光のエネルギー密度を最適エネルギー密度と定義した上で、
   （３）該最適エネルギー密度より低いエネルギー密度において結晶粒径が小さくなる領域と、該最適エネルギー密度より高いエネルギー密度において結晶粒径が小さくなる領域とに、夫々前記測定点を設定することを特徴とする表示装置の製造方法。
8. レーザ光源と、
   同一のＣＶＤチャンバにてその上面全域に非晶質の半導体膜が形成された基板が導入され且つ前記レーザ光源からのレーザ光で該基板上の該半導体膜を照射して多結晶化するアニーラと、
   前記レーザ光源と前記アニーラとの間に設けられ且つ前記レーザ光のビーム形状及び強度を調整する光学系と、
   前記多結晶化された半導体膜の面内における結晶粒径の分布を計測する粒径計測部と、
   前記アニーラで多結晶化された前記半導体膜を有する前記基板を前記粒径計測部とへ搬送する搬送機構と、
   前記レーザ光源、前記アニーラ、前記粒径計測部、及び前記搬送機構を一定のシーケンスで動作させる制御部と、
   からなる表示装置の製造装置において、
   前記レーザ光源と前記光学系との間には、該レーザ光源から出射した前記レーザ光の強度を調節するアッテネータが設けられ、
   前記粒径測定部が測定した結晶粒径を、同一基板上の異なる測定点で測定した結晶粒径と比較し、前記比較した結果に基づいて、前記アッテネータは、前記結晶粒径を測定した基板より後に前記レーザ光の照射を行う基板への、前記レーザ光の強度を調整することを特徴とする表示装置の製造装置。

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