JP2014011240A - 結晶膜の検査方法及び検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来技術では検出することができない、ポリシリコン結晶膜の膜厚が薄くなった基板の微結晶部分を検出することができるポリシリコン結晶膜の検査方法および検査装置を提供する。
【解決手段】 暗視野で撮影した画像においてレーザーの走査方向に垂直方向に積算してプロファイルを作成し、プロファイルの上位と下位について任意の数点から平均を算出し、上位の平均と下位の平均からコントラスト値を算出し、算出されたコントラスト値からパワーオーバー及びパワーアンダー部分が存在しているか判断する。
【選択図】 図１１

Description

本発明は、結晶膜の検査方法に関し、特に、エネルギー線を照射してアニール処理することによって形成されたポリシリコン結晶膜を検査する検査方法および検査装置に関する。

液晶ディスプレイのアクティブ素子などとして用いられる薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：略称「ＴＦＴ」）を製造するにあたっては、薄膜状のシリコン半導体を用いるのが一般的である。薄膜状のシリコン半導体は、非晶質シリコン、たとえばアモルファスシリコンから成る非晶質シリコン半導体と、結晶性を有するシリコンから成る結晶性シリコン半導体との２つに大別される。

非晶質シリコン半導体は、成膜温度が比較的低く、気相成長法によって比較的容易に製造することが可能であり、量産性に富むといった特徴を有するので、最も一般的に用いられている。しかし非晶質シリコン半導体は、結晶性シリコン半導体に比べて導電性などの物性が劣るので、高速特性を得るために、結晶性シリコン半導体から成るＴＦＴの製造技術の確立が強く求められている。すなわち、基板の一表面部に、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法または減圧熱化学気相成長法などによって、アモルファスシリコン薄膜が形成され、固相成長結晶化工程と、レーザーアニール結晶化工程とを順次経て、結晶性シリコン半導体膜が形成される。
レーザーアニール結晶化工程において、基板にレーザーを照射することにより基板上の結晶粒径を成長させることにより導電性などの物性が良くなるが、レーザーのパワーが一定の強度を超えると成長した結晶の粒径が小さくなる微結晶といわれる状態になり、物性が著しく悪くなる。

特開２００２−１８４７１５ 特開２００２―３１９６０６ 特開２００４−２０７２７０

基板上の結晶膜にレーザーを照射することによって結晶が成長する。しかし、レーザーのパワーが強すぎると成長した結晶が砕けてしまい微結晶となる。そこで、微結晶が発生しておらず、適切な結晶成長が行われているかを検査により確認する必要がある。

第１の従来技術は、紫外光レーザーを用いた顕微鏡により撮影された画像を用いて、レーザーパワーが最適の場合、結晶膜の表面状態が周期的かつ直線性があるようになることを利用した結晶膜の検査方法であり、Ｚ位置においてコントラストが最大の部分で基板表面の自己相関を算出し、自己相関の値により判定を行う。

第２の従来技術は、第１の従来技術に加えて、画像のコントラスト比、低コントラスト領域の面積、微結晶による連続線の長さを観測して結晶粒径の判断を行う手法である。

従来手法１は判定のために、コントラストを用いた観測場所の決定と自己相関関数の計算が必要である。従来手法２は、判定のために用いるパラメータが多く、従来手法1、２ともに処理が多くなる。
第３の従来技術では、結晶膜の表面を暗視野で撮影した際にレーザーパワーが強すぎることにより発生する微結晶部分が黒色の縞状に発生することを利用して、縞の本数をカウントすることで微結晶部分の有無の判定を行っている。しかし、製造プロセスが変わり結晶膜の膜厚が薄くなったことにより撮影した画像に微結晶の黒色部分が出にくくなったため、従来技術では正しく微結晶部分の有無の判定を行うことができない。

本発明の目的は、レーザーパワーが強すぎたり弱すぎたりする部分を、少ない計算量で検出することができるポリシリコン結晶膜の検査方法および検査装置を提供することである。

本発明は、エネルギー線を照射してアニール処理を実施することによって形成されたポリシリコン結晶膜の検査方法であって、
レーザーの走査方向に対して垂直方向に微結晶部分が発生することに加えて、レーザーの強度に応じて溶融シリコンの粒界による乱反射成分(暗視野での高輝度領域)が段階的に大きくなることを利用して、
撮影した画像についてレーザーの走査方向に対して垂直方向に平均したプロファイルを作成してシェーディング処理を行い、シェーディング処理後のプロファイルの最大と最小の値からコントラスト値を算出し、
あらかじめ定めた値の範囲とコントラスト値を比較して、コントラスト値があらかじめ定めた値より大きい場合にパワーオーバーと判定し、あらかじめ定めていた値より小さい場合にパワーアンダーと判定し、あらかじめ定めた値の範囲内の場合に良品と判断することを特徴とするポリシリコン結晶膜の検査方法である。
微結晶はレーザーのパワーが一定の値を超えた時に発生するが、従来に比べてレーザーの出力制御を細かく行うことが出来るようになったため、レーザーのパワーが微結晶になる付近の時に微結晶が離散的に現れることがある。そのように現れた微結晶を検出するために、本発明は、上記垂直方向に平均したプロファイルを作成する際に、画像をレーザーの走査方向に対して垂直方向にｍ個の画像に分割し、分割したｍ個の画像毎にプロファイルを作成してコントラスト値を算出し、分割したｍ個の画像のうちでコントラスト値が最大のプロファイルを使用して判定することを特徴とする。

照射されるレーザーのパワーをグラフにした際に矩形波になっていることが理想だが、実際はレーザー端の部分で波形がなまった形になっている。そして、レーザーの送りピッチ幅に従って、レーザーのなまった部分のパワーが基板の表面状態として現れるため、基板を暗視野で撮影した画像には明暗が周期的に現れる。よって、画像の解像度とレーザーの送りピッチから画像の明部と暗部の周期及び幅を予測することが出来る。そこで、本発明はプロファイルから明部と暗部の周期及び幅に従って抽出する点数を決めて、輝度の上位・下位それぞれで定めた点数を抽出して、上位・下位それぞれの平均からコントラスト値を算出し、あらかじめ定めた値とコントラスト値を比較して判定することを特徴とするポリシリコン結晶膜の検査方法である。
また本発明は、明部と暗部の周期及び幅をあらかじめ予測できることを利用して、レーザーの走査方向に対して平行方向に明部と暗部の出現周期及び幅に従って画素を分割して、分割した範囲内の画素をまとめて積算平均してプロファイルを作成し、コントラスト値を算出し判定することを特徴とする。

また本発明は、上記レーザーの走査方向に対して垂直方向に分割する方法と平行方向に分割する方法を同時に行うことができることを特徴とする。

また、本発明は撮影した画像のノイズ除去のために平滑化フィルタ処理を行うことを特徴とする。

本発明によれば、レーザーを照射してアニール処理を実施することによって形成されたポリシリコン結晶膜を検査するにあたって、撮影した画像から作成したプロファイルの上位と下位を抽出してコントラストを算出することにより、従来技術では検出できなかった微結晶部分を検出することができ、基板の判定を行うことが出来る。

また、本手法では判定にフーリエ変換による計算などを必要としないため、従来手法１及び２に比べて短い処理時間・少ない手順で行うことができる。

基板１を厚み方向に切断して拡大して示す断面図である。 エキシマレーザーアニール装置３と帯状部分４との関係を示す基板１の斜視図である。 本発明の一実施形態であるポリシリコン結晶膜の検査方法が実行される検査装置９の概略を示す斜視図である。 検査装置９の制御系のブロック図である。 レーザーパワーを変えて結晶成長させた基板のパワーごとの撮影画像の模式図である。 撮影した画像から作成したプロファイルの模式図である。 プロファイルからコントラストを算出するための抽出点を選ぶ際の様子である。 画像をレーザーの走査方向に対して平行方向に分割して判定を行う場合の概略図である。 画像をレーザーの走査方向に対して垂直方向にまとめてプロファイルを算出する場合の概略図である。 画像をレーザーの走査方向に対して平行方向に分割する方法と垂直方向にまとめてプロファイルを算出する方法を組み合わせた場合の概略図である。 検査装置９が実行する検査の処理手順を示したフローチャートである。

図１は、基板１を厚み方向に切断して拡大して示す断面図である。図１は、基板１の一表面部に、結晶性膜を形成した後、結晶膜２を形成する工程を段階的に示す。図２は、エキシマレーザーアニール装置３と帯状部分４との関係を示す基板１の斜視図である。

本実施形態は、たとえば液晶ディスプレイを製造する際に用いられる結晶性シリコン半導体膜、たとえばポリシリコン結晶膜（以下、単に「結晶膜」ともいう）２を検査する検査装置に、後述する検査装置９を適用した場合の一例を示す。本発明に係るポリシリコン結晶膜の検査方法は、検査装置９で実行される。

図１（ａ）に示した基板１は、平板状基材５の表面部５ａに、非晶質膜としての非晶質シリコン層６が形成されて構成される。平板状基材５は、電気絶縁性材料、たとえばガラスなどから成り、厚み方向から見て、たとえば長方形の形状である。図１（ｂ）に示した基板１は、非晶質シリコン層６の一表面部６ａに、たとえば酸化液が塗布され、この酸化液の働きによって酸化膜７が形成される。

図１（ｃ）に示した基板１は、酸化膜７の一表面部７ａに触媒堆積層８が形成され、非晶質シリコン層６の結晶化が始まる温度、たとえば摂氏約５５０度以上で加熱されて、非晶質シリコン層６の結晶化が進行する。非晶質シリコン層６の結晶化がある程度進行した後、図２に示すように、エキシマレーザーアニール装置３は、非晶質シリコン層６に対してレーザー光Ｒａを照射する。その結果、非晶質シリコン層６は、一度溶融し、冷却固化過程を経て多結晶化する。つまり、基板１の一表面部に結晶膜２が形成される。レーザー光Ｒａは、エネルギー線である。

図３は、本発明の一実施形態であるポリシリコン結晶膜の検査方法が実行される検査装置９の概略を示す斜視図である。検査装置９は、結晶膜２を検査する。検査装置９は、ｘｙステージ１０、ｘｙステージ駆動機構１１、電荷結合素子（Charge Coupled Device：以下「ＣＣＤ」という）カメラ１２、照明１３、および制御装置１４を含んで構成される。

ｘｙステージ１０は、基板１を吸着支持可能に構成されている。ｘｙステージ１０は、基板１の厚み方向に移動可能に構成されるとともに、Ｘ方向およびＹ方向に移動可能に構成されている。Ｘ方向は、長方形状のｘｙステージ１０の長手方向に沿った方向であり、Ｙ方向は、Ｘ方向および基板１の厚み方向に直交する方向である。ｘｙステージ駆動機構１１は、ＣＣＤカメラ１２および照明１３に対して、結晶膜２の任意の一部分を検査対象位置に選択的に移動駆動する機構である。ｘｙステージ駆動機構１１は、ｘｙステージ１０をＸ方向に移動駆動可能なｘ方向駆動部１１ａと、Ｙ方向に移動駆動可能なｙ方向駆動部１１ｂとを含む。

撮像部であるＣＣＤカメラ１２は、基板１の厚み方向の一方、つまり図３に示した矢符Ａ１の方向に支持され、基板１に形成された結晶膜２を撮像可能に配置して設けられている。ＣＣＤカメラ１２は、たとえば約１ｍｍ×１ｍｍの矩形領域を撮像可能に構成されている。照明１３は、たとえば、ＣＣＤカメラ１２のレンズとなる暗視野顕微鏡１２ａの暗視野照明として使用される。ＣＣＤカメラ１２は、照明１３を用いて、結晶膜２を厚み方向一方側から撮像することが可能である。

図４は、検査装置９の制御系のブロック図である。制御装置１４は、マイクロコンピュータ、バス１８、入出力インターフェース１９、および図示しない駆動回路とを含んで構成されている。マイクロコンピュータは、中央処理装置（Central Processing Unit：以下「ＣＰＵ」という）１５、読み出し専用記憶装置（ＲＯＭ：Read Only Memory ：以下「ＲＯＭ」という）１６、および読み出し書き込み記憶装置（Random Access Memory：以下、「ＲＡＭ」という）１７を含んで構成される。

ＣＰＵ１５、ＲＯＭ１６およびＲＡＭ１７は、バス１８を介して入出力インターフェース１９に電気的に接続されている。入出力インターフェース１９には、ＣＣＤカメラ１２、キーボード２０およびマウス２１がそれぞれ電気的に接続されている。また、入出力インターフェース１９には、図示しない駆動回路を介してｘｙステージ駆動機構１１、照明１３および表示装置２２がそれぞれ電気的に接続されている。ＲＯＭ１６には、ＣＰＵ１５によって実行されるプログラムが記憶されている。制御部であるＣＰＵ１５は、ＲＯＭ１６に記憶されるプログラムを実行することによって、後述する第１および第２の濃度値の分布を表す分布特性としての濃度値分布特性を求め、結晶膜２の微結晶の有無を判定するとともに、結晶膜２の結晶化不良を判定する。

エキシマレーザーアニール装置３は、予め定められるパルス数で発振されてレーザー光Ｒａを照射するように構成されている。また、エキシマレーザーアニール装置３は、照射対象の非晶質シリコン層６に対して、所定のＹ方向長さと、Ｙ方向および基板１の厚み方向に直交するＸ方向のＸ方向幅とを有する矩形状のレーザー光Ｒａを照射するように構成されている。エキシマレーザーアニール装置３は、ｘｙステージ駆動機構１１またはｘｙステージ駆動機構１１と略同等の駆動機構と協働して、非晶質シリコン層６を有する基板１をＸ方向に送りつつ、基板１にレーザー光Ｒａを照射する。

図５は、レーザー光Ｒａの強度を変えて基板に照射した後に暗視野で撮影した画像である。レーザーパワーが上がるにつれて結晶が成長し光の反射成分が大きくなることから画像が明るくなる。また、レーザーの送りピッチとレーザー端の波形のなまりによって画像には明部と暗部が周期的に現れる。そして、レーザーパワーがある値を超えると微結晶が発生し、画像に黒い部分となって現れる。

図６aは、撮影された画像をレーザーの走査方向に対して垂直方向に積算平均した図である。また、図６ｂは、図６aにシェーディング補正を行った図である。シェーディング補正によって撮影した画像の結晶成長によらない輝度の変化成分を軽減し、レーザーパワーによる結晶成長及び微結晶の状態をより高い精度で画像により評価することができる。

プロファイルからコントラストを算出する際に、上位・下位をそれぞれ何点抽出して平均化するかの実施例の一つとして、画像のプロファイルはレーザーの送りピッチで明暗が現れる周期が決まり、画像の解像度により明暗のピークが画像内にいくつ現れるかが決まる。そのため、明暗の極値の個数を抽出する個数として使う方法がある。図７はプロファイルから実際に明暗の極値の個数を抽出する個数として使った場合である。図７ａはレーザーパワーに大きな問題が無い場合のプロファイルである。抽出点が明暗の極値付近をとるため、コントラストは極大付近から極小付近でとることになる。図７ｂは一部に微結晶が発生した場合のプロファイルである。抽出点は、明部の場合はそれぞれの極大付近をとるが、暗部は微結晶が発生している部分の値をとるため、コントラストは極大付近から微結晶が発生している部分の値でとることになる。図７ｃは一部分だけレーザーのパワーが強い場合のプロファイルである。抽出点は、明部の場合はパワーの強い部分の値をとり、暗部は極小付近をとるため、コントラストは明部のパワーの強い部分から暗部の極値付近の値からとる。以上のように、明暗の周期の極大・極小から外れた部分がある場合はその部分を抽出し、明暗の周期の極大・極小から外れた部分が無い場合には極大・極小のそれぞれのピーク値を抽出するようにしてコントラスト値を算出することができる。
図８は判定を行う際に画像を分割して行う場合の図である。レーザーＲａのパワー制御は従来に比べてレーザーの出力制御を細かく行うことが出来るようになったため、判定の閾値付近のパワーでレーザーを照射した時にパワーオーバー及びパワーアンダー部分が離散的に現れる場合があり、画像を積算平均して作成したプロファイルにパワーオーバー及びパワーアンダー部分の影響が現れないことがある。そのため、画像をレーザーの走査方向に対して垂直に、任意の数に分割して、それぞれの画像毎にコントラストを算出することでパワーオーバー及びパワーアンダーの影響を観測しやすくなる。図８は画像をレーザーの走査方向に対して垂直方向に３つに分割した場合である。それぞれの画像ごとにコントラストを算出して最大のものを使用してパワーオーバー判定を行う。
また、レーザーの送りピッチと画像の解像度によってレーザーの走査方向に対して明部と暗部が出る周期と幅を予想することができる。そのため、明部と暗部を切り分けられるように画像をレーザーの走査方向に対して水平方向に分割して、分割した部分をまとめてプロファイルを作成することによりパワーオーバーの判定を行うことも出来る。図９はレーザーの走査方向に対して、ピーク値を中心になるように画像を明暗の周期の四分の一に分割した図である。分割した範囲をまとめて輝度値を積算平均してプロファイルを作成し、そのプロファイルからコントラストを算出してパワーオーバー判定を行う。
図１０はレーザーの走査方向に対して垂直方向に分割したそれぞれの画像について、レーザーの走査方向に対して水平方向に分割した範囲でプロファイルを作成する場合の分割の一例の図である。

図１１は検査の実施形態を示したフローチャートである。基板の結晶膜面をＣＣＤカメラにて暗視野で撮影を行い、ノイズを除去するために平滑化を行う。

また、必要に応じて画像を分割してプロファイルを作成して、シェーディング補正を行い、コントラストを算出する。画像を分割している場合は全画像についてプロファイル作成からコントラスト算出までを行う。

算出したコントラストから判定を行う。画像を分割した場合は分割した画像のコントラストの中で最大のものを使用して判定を行う。

１ 基板
２ 結晶膜
３ エキシマレーザーアニール装置
４ 帯状部分
５ 平板状基材
６ 非晶質シリコン層
７ 酸化膜
８ 触媒堆積層
９ 検査装置
１０ ｘｙステージ
１１ ｘｙステージ駆動機構
１２ ＣＣＤカメラ
１３ 照明
１４ 制御装置
１５ ＣＰＵ
１６ ＲＯＭ
１７ ＲＡＭ
１８ バス
１９ 入出力インターフェース
２０ キーボード
２１ マウス
２２ 表示装置

Claims (7)

1. エネルギー線を照射してアニール処理を実施することによって形成されたポリシリコン結晶膜の検査方法であって、
   アニール処理後に暗視野で撮影した画像において、アニールに使用したレーザーの走査方向に対して垂直に積算平均を行い、プロファイルを作成し、プロファイルの最大値と最小値からコントラスト値を算出して、コントラスト値をあらかじめ定めた値と比較してパワーオーバー及びパワーアンダー部分が存在するかを判定することを特徴とするポリシリコン結晶膜の検査方法。
2. 前記積算平均をして作成したプロファイルに対して、シェーディング処理を施した後にコントラスト値を算出することを特徴とする請求項１に記載のポリシリコン結晶膜の検査方法。
3. 前記暗視野で撮影した画像において、アニールに使用したレーザーの走査方向に対して垂直方向に画像をｍ個に分割し、分割した画像毎にプロファイルを作成し、プロファイル毎にコントラスト値を算出し、分割した画像のうちで最大のコントラスト値を利用してパワーオーバー及びパワーアンダー部分の存在を判定することを特徴とする請求項１、２のいずれか１つに記載のポリシリコン結晶膜の検査方法。
4. 前記作成したプロファイルに対して、任意の数の上位・下位の点を抽出し、上位・下位においてそれぞれ平均を算出し、算出した上位・下位の平均からコントラスト値を算出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のポリシリコン結晶膜の検査方法。
5. 前記暗視野で撮影した画像において、垂直に積算を行う際にレーザーの走査方向に対して水平方向に任意の画素で分割し、分割した部分ごとにまとめて積算平均を行い、プロファイルを作成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリシリコン結晶膜の検査方法。
6. 前記暗視野で撮影した画像において、ノイズ除去処理を行った後に特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のポリシリコン結晶膜の検査方法。
7. エネルギー線を照射してアニール処理を実施することによって形成されたポリシリコン結晶膜の検査装置であって、
   アニール処理後に暗視野で撮影した画像において、アニールに使用したレーザーの走査方向に対して垂直に積算平均を行う手段と、プロファイルを作成する手段と、プロファイルの最大値と最小値からコントラスト値を算出して、コントラスト値をあらかじめ定めた値と比較してパワーオーバー及びパワーアンダー部分が存在するかを判定する手段を有することを特徴とするポリシリコン結晶膜の検査装置。