JP5436499B2 - 粒径検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、粒径検査方法に関し、より具体的には、非晶質Ｓｉをレーザアニールして得られる多結晶Ｓｉの粒径を検査する粒径検査方法に関する。

非晶質Ｓｉをレーザアニールして得られる多結晶Ｓｉ（以下、本出願においては、特に指示しない限り単に「多結晶Ｓｉ」と呼ぶ。）は、比較的低温で作成できること、およびキャリアの移動度が大きいことから、例えば液晶表示装置（ＬＣＤ）の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の活性層として利用されている。その移動度は、多結晶Ｓｉの粒径およびその均一性に依存して変化する。一般に、その粒径が大きくかつ粒径の分布が均一であるほど移動度が大きくなる傾向がある。したがって、多結晶Ｓｉの粒径およびその分布（均一性）を検査し、管理することは重要である。

公開特許公報の2003-109902は、ポリシリコン膜粒径計測方法を開示する。この計測方法は、ポリシリコン膜にレーザ光を照射し、その散乱光強度の角度依存性を角度5度から40度以上の範囲で計測し、その角度分布情報からポリシリコン膜の粒径を求める。

公開特許公報の11-274078は、多結晶シリコン膜の製造方法を開示する。この製造方法は、多結晶シリコン膜の鏡面光沢を測定し、その鏡面光沢に基づいて、多結晶シリコン膜を選別し、あるいはシリコン膜へ照射するレーザのエネルギー密度を調整する。

特開２００３−１０９９０２号公報 特開平１１−２７４０７８号公報

特許文献１のポリシリコン膜粒径計測方法は、散乱光強度の角度分布幅が最も狭くなる状態が最も粒径が大きくなり、かつ微結晶が混在しない条件で、最も電界効果移動度が良くなることを利用して、レーザアニールの最適条件を求める。
しかし、この方法では、ポリシリコン膜の膜厚が最適粒径およびレーザアニールの最適条件に及ぼす影響を考慮した計測をおこなっておらず、その計測精度が必ずしも十分ではない。

特許文献２の多結晶シリコン膜の製造方法は、多結晶シリコン膜の膜厚が40nm〜60nmの範囲で、多結晶シリコン膜の光沢度が0〜1400の範囲で形成されることを示している。しかし、この方法でも、多結晶シリコン膜の膜厚が最適粒径およびレーザアニールの最適条件に及ぼす影響を考慮した計測をおこなっておらず、その計測精度が必ずしも十分ではない。

したがって、本発明の目的は、レーザアニールの条件（レーザ密度）のみならず多結晶Ｓｉの膜厚をも考慮して、多結晶Ｓｉ膜の粒径およびその均一性を精度よく計測することができる粒径検査方法を提供することである。

本発明は、非晶質Ｓｉをレーザアニールして得られる多結晶Ｓｉの粒径を検査する粒径検査方法である。その方法は、基板上に設けられた非晶質Ｓｉの所定の膜厚毎に、レーザ密度とレーザアニール後の多結晶Ｓｉ膜の平均輝度との関係を示す校正マップを準備するステップと、レーザアニールして得られた多結晶Ｓｉ膜の所定の領域毎に、平均輝度を測定するステップと、多結晶Ｓｉ膜の所定の領域毎の膜厚データを取得するステップと、所定の領域毎の平均輝度と膜厚データとを当該膜厚データに対応する所定の膜厚の校正マップと比較して、当該所定の領域毎の平均輝度を校正するステップと、所定の領域毎の校正後の平均輝度を被検査対象の全領域に渡って求めて、輝度マップを作成するステップと、輝度マップにおいて領域毎の校正後の平均輝度が所定範囲に入るか否かを判定して多結晶Ｓｉ膜の最適粒径範囲を決定するステップと、を含む。

本発明によれば、多結晶Ｓｉ膜の各領域の平均輝度を、膜厚情報を含む校正マップを用いて校正し、その校正後の平均輝度から検査対象の全領域の輝度マップを作成するので、その輝度マップを用いて多結晶Ｓｉ膜の最適粒径範囲を精度良く決定することができる。

本発明の一態様では、校正後の平均輝度の標準偏差が所定範囲に入るか否かを判定して多結晶Ｓｉ膜の最適粒径範囲を決定する。

本発明の一態様によれば、多結晶Ｓｉ膜の膜質状態を反映する平均輝度のばらつきをも考慮した多結晶Ｓｉ膜の最適粒径範囲の決定が可能となる。

本発明の一態様では、校正後の平均輝度が所定範囲に入り、かつ当該校正後の平均輝度の標準偏差が所定範囲に入る場合に、多結晶Ｓｉ膜の最適粒径範囲であると決定する

本発明の一態様によれば、校正後の平均輝度が所定範囲に入るか否かの判定に加えて、その平均輝度の標準偏差が所定範囲に入るか否かを判定して多結晶Ｓｉ膜の最適粒径範囲を決定するので、その最適粒径範囲の決定精度をより向上させることが可能となる。

本発明の粒径検査方法を実施する一実施形態のマクロ検査装置を示す図である。 多結晶Ｓｉの最適粒径を選定する方法を説明するための図である。 本発明の粒径検査方法の検査フローを示す図である。

図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の粒径検査方法を実施する一実施形態のマクロ検査装置１００である。図１において、円形のステージ１上に被検査物２が載る。ステージ１は、ステージ・コントローラ４の制御下で、リニアモータ３によって、回転（θ）、水平（X）あるいは垂直（Y）の方向に移動する。なお、ステージ１は、円形に限定されず、正方形、長方形、楕円形などの他の形状であってもよいことは言うまでもない。光源５は、コントローラ８の制御下で、ステッピング・モータ７によって、円弧状のレール６に沿って移動する。光源５は、ステージ１上の被検査物２の上面に対して所定の角度に設定される。所定の角度は、測定状態に応じて任意に設定可能である。光源５の明るさは、光源用の電源１０によって調整される。

ラインセンサカメラ９は、光源５と同様に、コントローラ８の制御下で、ステッピング・モータ７により、円弧状のレール６に沿って移動する。ラインセンサカメラ９の前部には、被検査物の表面からの散乱光をラインセンサ９に導くための所定の光学系１２が設けられる。なお、光学系１２は、被検査物とラインセンサとの間にあればよく、ラインセンサ９と一体型であってもよい。ラインセンサカメラ９の出力は画像処理手段１１に入る。画像処理手段１１は、ステージ・コントローラ４、コントローラ８、ラインセンサカメラ９および光源５用の電源１０を制御する。なお、図１では、光源５とラインセンサカメラ９はそれぞれ１つしか記載されていないが、被検査物のサイズや形状に応じてそれぞれ２以上配置してもよい。以上が図１の概要である。次に、図１の各構成についてさらに説明する。

ステージ１は、被検査物２の表面以外からの反射光ができるだけ発生しにくい構造を有することが望ましい。具体的には、被検査物２が透明で、かつその表面での散乱光が十分に発生する場合、ステージ１は、光源５の光（波長）に対して鏡面となる材料からなることが望ましい。被検査物２の表面が鏡面で、かつその表面での散乱光が発生しない場合、ステージ１は、光源５の光（波長）を吸収し、つや消しの材料からなることが望ましい。

被検査物２は、例えば、非晶質Ｓｉをレーザアニールして得られる多結晶Ｓｉ膜が設けられた基板である。基板には、半導体基板（半導体ウエハ）、ガラス基板、耐熱性の樹脂基板、金属基板などが用いられる。非晶質ＳｉはプラズマＣＶＤ法などによって基板上に形成される。レーザアニールは、基板上に形成した非晶質Ｓｉ膜にそれが吸収する波長のレーザ光を所定のエネルギー密度で照射しながら走査することによって、非晶質Ｓｉ膜を所定領域にわたって多結晶化する。レーザは、必要となる波長帯およびエネルギー密度を備えれば基本的にその種類を問わない。例えばエキシマレーザーが該当する。多結晶Ｓｉの粒径およびその均一性は、レーザ密度とその均一性（安定性）、レーザの走査回数、非晶質Ｓｉ膜の膜厚とその均一性などに依存して変化する。

光源５は、所定の面積に渡って指向性の無いほぼ均一な光を発するものであればよく、均一な光を発することができる面光源と呼ばれるものでもよい。光源５としては、発光源としては白熱電球やハロゲン電球などの電球型、蛍光灯型、あるいはＬＥＤやレーザダイオードなどの発光素子をアレイ上に配置したものを含めて任意に選択することができる。また、拡散効果を得るための光学系（レンズ、拡散板など）は、発光源との一体型として、あるいは発光源の出力部の外側に設置することができる。発光源の波長は、広域波長あるいは所定の波長帯を選択することができる。その選択は、被検査物の状態（材質、光特性など）、ラインセンサカメラ９および光学系１２の光学特性（波長特性など）に応じておこなわれる。

ラインセンサカメラ９は、受光素子（画素）を一列に並べることによって、１次元毎に画像を取得できるものであれば良い。ラインセンサカメラ９には、例えば１次元のＣＣＤが含まれる。その画素数は、被検査物２のサイズに応じて選択される。被検査物２のサイズが大きくて１つのラインセンサカメラ９ではカバーできない場合は、２以上のラインセンサカメラを並べて用いる。

光源５とラインセンサカメラ９は、ステッピング・モータ７によって、所定の最小制御角度Δθ単位で、被検査物２の表面に対する角度を可変することができる。ステッピング・モータ７による最小制御角度Δθは、例えば０．１度程度であればよい。その最小制御角度は一般的に小さいほうが望ましい。

光学系１２は、被検査物２の表面からの散乱光のみをできるだけラインセンサ９に導くように構成される。光学系１２は、レンズ、ナイフエッジ、遮光板などの光束の軌道を調整するための光学備品を含む。

画像処理手段１１は、所定の測定プログラムに基づき、ラインセンサカメラ９からの画像情報を処理する。画像処理手段１１は、コントローラ４、８および照明用電源１０を制御する。画像処理手段１１は、ラインセンサカメラ９の制御用のカード（回路基板）、コントローラ４、８あるいは照明用電源１０を制御するための回路基板、画像データを格納するためのメモリ等を有する。画像処理手段１１としては、例えば、画像処理結果などを表示する表示部、測定条件などを入力する入力部などを有するパーソナル・コンピュータ（ＰＣ）が該当する。

図２は、本発明の粒径検査方法において、多結晶Ｓｉの最適粒径を選定する方法を説明するための図である。図２のグラフは、同一基板上に設けた所定の膜厚の非晶質Ｓｉ膜へ照射するレーザのエネルギー密度を変化させて得られた多結晶Ｓｉ膜を準備し、各エネルギー密度での多結晶Ｓｉ膜の平均輝度を測定した結果である。図２の横軸がレーザ密度であり、縦軸が平均輝度であり、黒丸が各エネルギー密度での平均輝度の測定結果である。平均輝度は、図１の本発明の一実施形態のマクロ検査装置１００を用いて測定された。

図２のグラフから、平均輝度はレーザのエネルギー密度が増加するにつれて大きくなり、やがて下がっていく傾向があるが、点ＢとＣにおいて平均輝度の極小値が存在することがわかる。これは、レーザのエネルギー密度に応じて多結晶Ｓｉ膜の結晶化の状態、すなわち粒径やその分布等が変化し、多結晶Ｓｉ膜の表面からの散乱光が減少する状態が存在することを示している。別途行った多結晶Ｓｉ膜の膜質検査から点Ｃにおける多結晶Ｓｉ膜がキャリアの移動度が高く最適な粒径であることがわかった。したがって、図２の条件下では、極小値Ｃにおけるレーザのエネルギー密度Ｐ３が多結晶Ｓｉ膜の最適粒径を得るためのエネルギー密度であると言える。

しかし、実際の被検査対象である多結晶Ｓｉ膜を検査する場合、レーザのエネルギー密度は所定値に設定されるので、図２の極小値Ｃを見つけ出すことは困難である。したがって、例えば図２において、平均輝度Ｌ１とＬ２の間の輝度範囲ＬＷを設置し、その輝度範囲ＬＷ内における最小輝度値を多結晶Ｓｉ膜の最適粒径を示す輝度値であるして選択することが考えられる。しかし、この場合も輝度範囲ＬＷ内の最小輝度値である点Ａのエネルギー密度Ｐ１が多結晶Ｓｉ膜の最適粒径を得るためのエネルギー密度として選択されてしまう。実際にはこのエネルギー密度Ｐ１での多結晶Ｓｉ膜は最適な粒径とは言えないので、何らかの方法でこの点Ａでの平均輝度Ｌ１（エネルギー密度Ｐ１）を排除し、点Ｃ（エネルギー密度Ｐ３）およびその近傍での平均輝度（エネルギー密度）を選択するようにする必要がある。

本発明では、この最適粒径を満たす平均輝度（エネルギー密度）の選択を平均輝度およびそのバラツキを考慮しておこなう。すなわち、測定された平均輝度値の分布において、輝度値のバラツキを定量的に扱うパラメータとして各測定領域での輝度値の標準偏差を算出して、平均輝度値とその標準偏差のいずれか一方あるいは双方が所定範囲に入っているか否かで最適粒径を満たす平均輝度（エネルギー密度）を決定する。この場合の所定範囲は、多結晶Ｓｉ膜の膜質として有効な範囲をも考慮して事前に設定される。

これは、本発明者が得た知見として、最適粒径を満たす平均輝度（エネルギー密度）の場合は、その輝度値の標準偏差が最小になる、すなわち輝度値のバラツキが最小になることを見出したことに基づいている。図２のグラフでは、点Ａおよびその近傍での輝度値の標準偏差は、点Ｃおよびその近傍でのそれよりも大きいことから、点Ａを排除して点Ｃおよびその近傍での平均輝度（エネルギー密度）を選択することが可能となる。なお、ここで言う輝度値の標準偏差には、いわゆる標準偏差σのみならず標準偏差σに所定の処理、例えば、多結晶Ｓｉ膜表面に２次元座標を想定しそのＸ軸およびＹ軸方向のそれぞれでの分散値を求め、当該分散値を加算して標準偏差を求める、あるいは得られた標準偏差をさらに平均輝度で除算して正規化する、といったような処理をおこなったものを含む。

次に、本発明の粒径検査方法の検査フローについて説明する。図３は、本発明の検査フローを示す図である。図３のフローは、図１の一実施形態のマクロ検査装置１００によって実行される。

ステップＳ１１において、基板上に設けられた非晶質Ｓｉの所定の膜厚毎に、照射するレーザのレーザ密度とレーザアニール後の多結晶Ｓｉ膜の平均輝度との関係を示す校正マップを準備する。校正マップは、基板毎にあるいは製品のロット毎などに準備される。ステップＳ１２において、被検査対象である、基板上の非晶質Ｓｉ膜をレーザアニールして得られた多結晶Ｓｉ膜の所定の領域毎に、平均輝度を測定する。ステップＳ１３において、多結晶Ｓｉ膜の所定の領域毎の膜厚データを取得する。膜厚データは予め別の膜厚測定器で測定されてメモリに格納されたデータを呼び出して利用する。以下、同様に図３のフローにおいて、各データは適時メモリに格納され、必要に応じて呼び出されて利用される。

ステップＳ１４において、ステップＳ１２で得られた、多結晶Ｓｉ膜の所定の領域毎の平均輝度と、ステップＳ１３で取得された膜厚データとをステップＳ１１で準備した当該膜厚データに対応する所定の膜厚の校正マップと比較して、当該領域毎の平均輝度を校正する。この校正により、多結晶Ｓｉの膜厚のバラツキによる平均輝度値の変動（誤差）を軽減させることができ、より精度の高い平均輝度を得ることができる。

ステップＳ１５において、ステップＳ１４で校正した領域毎の平均輝度を被検査対象の全領域に渡って求めて、輝度マップを作成する。輝度マップは、所定の領域毎に平均輝度、膜厚、レーザ密度、さらには平均輝度の標準偏差などの情報を含む。なお、標準偏差は、ステップＳ１２の平均輝度の測定時に、あるいはステップＳ１３の平均輝度の校正時に算出される。

ステップＳ１６において、多結晶Ｓｉ膜の最適粒径範囲を決定する。具体的には、ステップＳ１５において得られた輝度マップのデータから、各領域の校正後の平均輝度が所定範囲に入るか否かを判定する。所定範囲は図２のグラフ情報などを参考にして、多結晶Ｓｉ膜の粒径と平均輝度との関係から予め設定される。所定範囲に入った平均輝度を含む領域が多結晶Ｓｉ膜の最適粒径範囲の候補として選定される。

次に、各領域の校正後の平均輝度の標準偏差が所定範囲に入るか否かを判定する。所定範囲は図２のグラフ情報などを参考にして、多結晶Ｓｉ膜の粒径と平均輝度の標準偏差との関係から予め設定される。所定範囲に入った平均輝度の標準偏差を含む領域が多結晶Ｓｉ膜の最適粒径範囲の候補として選定される。得られた最適粒径範囲の候補、すなわち平均輝度に基づく候補および標準偏差に基づく候補のいずれか一方の領域あるいは双方の重複領域を最終的に最適粒径範囲として決定する。後者の双方の重複領域は、校正後の平均輝度が所定範囲に入り、かつ校正後の平均輝度の標準偏差が所定範囲に入る場合に、最適粒径範囲であると決定することを意味する。なお、標準偏差には標準偏差σのみならず標準偏差σに所定の処理を施したものが含まれることは上述した通りである。

本発明の実施形態について、図１から図３を例にとり説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

１ ステージ
２ 被検査物
３ リニアモータ
４、８ コントローラ
５ 光源
６ レール
７ ステッピング・モータ
９ ラインセンサカメラ
１０ 光源用電源
１１ 画像処理装置
１００ マクロ検査装置

Claims (4)

1. 非晶質Ｓｉをレーザアニールして得られる多結晶Ｓｉの粒径を検査する粒径検査方法であって、
   基板上に設けられた非晶質Ｓｉの所定の膜厚毎に、レーザ密度とレーザアニール後の多結晶Ｓｉ膜の平均輝度との関係を示す校正マップを準備するステップと、
   被検査対象である、基板上の非晶質Ｓｉ膜をレーザアニールして得られた多結晶Ｓｉ膜の所定の領域毎に、平均輝度を測定するステップと、
   前記多結晶Ｓｉ膜の所定の領域毎のレーザアニール前の非晶質Ｓｉ膜の膜厚データを取得するステップと、
   前記所定の領域毎の前記平均輝度と膜厚データとを当該膜厚データに対応する前記所定の膜厚の前記校正マップと比較して、当該所定の領域毎の平均輝度を校正するステップと、
   前記所定の領域毎の前記校正後の平均輝度を前記被検査対象の全領域に渡って求めて、輝度マップを作成するステップと、
   前記輝度マップにおいて領域毎の前記校正後の平均輝度が所定範囲に入るか否かを判定して前記多結晶Ｓｉ膜の最適粒径範囲を決定するステップと、
   を含む粒径検査方法。
2. 前記最適粒径範囲を決定するステップは、前記校正後の平均輝度の標準偏差が所定範囲に入るか否かを判定して前記最適粒径範囲を決定することを含む、請求項１の粒径検査方法。
3. 前記最適粒径範囲を決定するステップは、前記校正後の平均輝度が所定範囲に入り、かつ当該校正後の平均輝度の標準偏差が所定範囲に入る場合に、前記最適粒径範囲であると決定することを含む、請求項２の粒径検査方法。
4. 前記平均輝度を測定するステップは、光源からの光を基板上の前記多結晶Ｓｉ膜に照射して得られる散乱光をラインセンサで受光する光学系を備えるマクロ検査装置を用いて行われる、請求項１〜３のいずれか１項の粒径検査方法。

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