JP6738279B2 - エキシマレーザアニーリングの制御のための監視方法および装置 - Google Patents

エキシマレーザアニーリングの制御のための監視方法および装置 Download PDF

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Description

（関連出願の引用）
本願は、２０１４年３月３日に出願された米国特許出願第１４／１９５，６５６号の優先権の利益を主張するものであり、該米国特許出願の全体の内容は、参照により本明細書中に援用される。
本発明は、一般に、パルス状レーザ照射による薄いシリコン（Ｓｉ）層の溶融および再結晶化に関する。本方法は、特に、再結晶化された層を評価するための方法に関する。
シリコン結晶化は、多くの場合、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アクティブマトリクスＬＣＤおよび有機ＬＥＤ（ＡＭＯＬＥＤ）ディスプレイの製造において使用される、ステップである。結晶シリコンは、ディスプレイの電子回路が、従来のリソグラフィックプロセスによって形成される、半導体ベースを形成する。一般に、結晶化は、長さ方向（長軸）に沿って均一強度プロファイルを有し、また、幅方向（短軸）に均一または「トップハット」強度プロファイルを有する、長い線に成形されたパルス状レーザビームを使用して行われる。本プロセスでは、基板（および、その上のシリコン層）が、レーザ放射パルスの送達源に対して平行移動される間、ガラス基板上の非晶質シリコンの薄い層が、レーザ放射のパルスによって繰り返し溶融される。ある最適エネルギー密度（ＯＥＤ）における、繰り返しパルスを通した溶融および再固化（再結晶化）は、所望の結晶マイクロ構造が、膜内に得られるまで生じる。
光学要素が、レーザパルスを放射の線に形成するために使用され、結晶化は、放射の線の幅を有する条線において生じる。試行の度に、放射パルスの強度を線に沿って高度に均一に保つように行われる。これは、結晶マイクロ構造を条線に沿って均一に保つために必要である。光学パルスの好ましい源は、電磁スペクトルの紫外線領域内の波長を有するパルスを送達する、エキシマレーザである。エキシマレーザパルスを使用する、前述の結晶化プロセスは、通常、エキシマレーザアニーリング（ＥＬＡ）と称される。プロセスは、繊細であって、ＯＥＤの許容誤差は、数パーセントまたはさらに±０．５％程度とわずかであり得る。
ＥＬＡには、２つのモードが存在する。一方のモードでは、レーザビームに対するパネルの平行移動速度は、「トップハット部分」のビーム幅が、あるパルスから次のパルスまで９５％も重複し、したがって、任意の無限小面積が、合計約２０パルスを受信するほどに十分に低速である。高度ＥＬＡまたはＡＥＬＡと称される別のモードでは、平行移動速度は、はるかに高速であって、パネルにわたっての単回通過において、照射された「線」は、最小重複を有し、その間に非結晶化空間さえ残し得る。均等材料を生成するために、ＥＬＡプロセスにおけるもの未満であり得る合計パルス数を用いて、複数回の通過が、パネル全体が照射されるように行われる。
いずれのＥＬＡモードが採用されても、生産ラインにおけるパネル上に結晶化された膜の評価は、現在、目視検査によって、オフラインで行われている。本検査は、完全に主観的であって、その経験を通して、パネルの観察された特徴と、例えば、結晶化ビームにおける１％未満のエネルギー密度のわずかな変化とを相関させることが可能である、高度に訓練された経験の豊富な検査者に依拠する。製造環境では、視覚的分析およびプロセスエネルギー密度の変化が必要であるかどうかを確立するプロセスは、典型的には、結晶化が行われてから約１時間から１時間半の間に生じ、容認可能パネルの生産ライン処理量に対応する悪影響を伴う。
ＥＬＡプロセスの評価の客観的方法の必要性がある。好ましくは、本方法は、少なくとも、生産ライン上で実装可能であるべきである。より好ましくは、本方法は、評価によって提供されるデータに応答して、プロセスエネルギー密度を自動的に調節するために、フィードバックループ内における準リアルタイム評価のために使用可能であるべきである。
本発明は、少なくとも部分的に、層上にあるエネルギー密度を有する複数のレーザ放射パルスへの暴露によって結晶化された半導体層を評価する、方法および装置を対象とし、結晶化は、第１の方向における層上の第１の群の周期的表面特徴と、第１の方向と垂直な第２の方向における第２の群の周期的特徴とを生成し、第１の群および第２の群の周期的特徴の形成は、半導体層が暴露されたレーザ放射パルスのエネルギー密度に依存する。
本発明の一側面では、半導体層を評価する方法は、結晶化された半導体層のある面積を照明するステップと、第１の群および第２の群の周期的特徴によって照明された面積から回折された光内の照明された面積の顕微鏡画像を記録するステップとを含む。記録された画像は、それぞれ、層の照明された面積内の第１の群および第２の群の周期的特徴に対応する水平群および垂直群の周期的画像特徴を含有する。エネルギー密度は、水平群および垂直群の周期的画像特徴のうちの少なくとも１つのコントラストの測定から判定される。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
少なくとも部分的に、層上にあるエネルギー密度を有する複数のレーザ放射パルスへの暴露によって結晶化された半導体層を評価するための方法であって、前記結晶化は、第１の方向における前記層上の第１の群の周期的表面特徴と、前記第１の方向と垂直な第２の方向における第２の群の周期的特徴とを生成し、前記第１の群および第２の群の周期的特徴の形成は、前記半導体層が暴露された前記レーザ放射パルスのエネルギー密度に依存し、
前記方法は、
前記結晶化された半導体層のある面積を照明するステップと、
前記第１の群および第２の群の周期的特徴によって前記照明された面積から回折された光内の照明された面積の顕微鏡画像を記録するステップであって、前記記録された画像は、前記層の照明された面積内の前記第１の群および第２の群の周期的特徴に対応する、水平群および垂直群の周期的画像特徴を含有する、ステップと、
前記水平群および垂直群の周期的画像特徴のうちの少なくとも１つのコントラストの測定値から前記エネルギー密度を判定するステップと、
を含む、方法。
（項目２）
前記顕微鏡画像は、透過型顕微鏡画像である、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記顕微鏡画像は、画素の行および列から形成され、前記コントラストは、前記画像内の画素の全行および全列のうちの１つの振幅を測定し、前記周期的画像特徴のコントラストの測定値として平均振幅から標準偏差を求めることによって判定される、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記顕微鏡画像は、画素の行および列から形成される透過型顕微鏡画像であり、前記コントラストは、前記画像内の画素の全行および全列のうちの１つの振幅を測定し、前記周期的画像特徴のコントラストの測定値として最高測定振幅と最低測定振幅との間の差異を求めることによって判定される、項目１に記載の方法。
（項目５）
前記画像は、緑色フィルタリングされた画像である、前記項目のいずれかに記載の方法。
（項目６）
前記画像は、青色フィルタリングされた画像である、項目１〜４のいずれかに記載の方法。
（項目７）
前記測定されたコントラストの最小値は、前記結晶化の最適エネルギー密度を示す、前記項目のいずれかに記載の方法。
本明細書に組み込まれ、その一部を成す、付随の図面は、本発明の好ましい実施形態を図式的に図示し、前述の一般的説明および後述の発明を実施するための形態とともに、本発明の原理を説明する役割を果たす。
図１は、ＥＬＡ結晶化シリコン層の走査レーザ顕微鏡画像の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）に対するローリング方向および横方向におけるパルスエネルギー密度の関数として、測定されたピーク振幅を図式的に図示するグラフである。 図２は、Ａ−ＥＬＡ結晶化シリコン層の走査レーザ顕微鏡画像のＦＦＴに対するローリング方向および横方向におけるパルスエネルギー密度の関数として、測定されたピーク振幅を図式的に図示するグラフである。 図３は、Ａ−ＥＬＡ結晶化シリコン層の走査レーザ顕微鏡画像の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）に対するローリング方向および横方向におけるパルス数の関数として、測定されたピーク振幅を図式的に図示するグラフである。 図４は、ＥＬＡ結晶化シリコン層のある面積の偏光顕微鏡画像であって、結晶化の間、層のローリング方向（ＲＤ）に対して横方向かつ平行に形成されるリッジを図示する。 図５は、図４のものに類似する、結晶化された層のある面積のコノスコープ顕微鏡画像であって、それぞれ、横方向リッジおよびローリング方向リッジから回折された光によって形成された光の水平帯域および垂直帯域を描写する。 図６は、ＥＬＡ結晶化層の横方向およびローリング方向リッジから回折された光に対するパルスエネルギー密度の関数として、測定された振幅を図式的に図示するグラフである。 図７は、４１０、４１５、および４２０ｍＪ／ｃｍ２のＥＤに対するＡ−ＥＬＡ結晶化層の横方向およびローリング方向リッジから回折された光のパルス数の関数として、測定された振幅を図式的に図示するグラフである。 図８および８Ａは、ＥＬＡ結晶化層の横方向およびローリング方向リッジから回折された光の振幅を別個に測定するための、本発明による装置の一好ましい実施形態を図式的に図示する。 図８および８Ａは、ＥＬＡ結晶化層の横方向およびローリング方向リッジから回折された光の振幅を別個に測定するための、本発明による装置の一好ましい実施形態を図式的に図示する。 図９は、ＥＬＡ結晶化層の横方向およびローリング方向リッジから回折された光の測定された振幅に応答して、シリコン層上のパルスエネルギー密度を調節するために、可変減衰器と協働する図８の装置を含む、本発明によるＥＬＡ装置の一好ましい実施形態を図式的に図示する。 図１０は、図９の装置に類似するが、図８の装置が、ＥＬＡ結晶化層の横方向およびローリング方向リッジから回折された光の振幅を別個に測定するために、本発明による装置の別の好ましい実施形態によって置換される、本発明によるＥＬＡ装置の別の好ましい実施形態を図式的に図示する。 図１１Ａは、最適エネルギー密度（ＯＥＤ）を下回って結晶化されたシリコン層の面積から回折された光で記録された透過型顕微鏡画像の複製であり、画像は、層内のローリング方向および横方向に対応する水平ならびに垂直周期的特徴を含む。 図１１Ｂは、図１１Ａの画像に類似するが、最適エネルギー密度を上回るエネルギー密度において結晶化されたシリコン層の透過型顕微鏡画像の複製である。 図１２は、図１１Ｂの画像に類似する透過型顕微鏡画像の複製であって、水平距離および垂直距離の関数として、そこから水平特徴および垂直特徴のコントラストが測定されることができる光振幅のグラフである。 図１３は、図１２の画像に類似する顕微鏡画像の水平特徴における測定されたコントラスト、図２のグラフにおけるように、エネルギー密度の関数として２つの群の層特徴から回折された光の記録された振幅、ならびにエネルギー密度の関数として測定された振幅の１つの計算された傾きを図式的に図示する、グラフである。 図１４は、図１３のグラフに類似するグラフであるが、顕微鏡画像は、マイクロスムージング技法を含むレーザ結晶化プロセスによって結晶化されたシリコン層からのものである。
薄いＳｉ膜のＥＬＡ処理は、表面粗度の形成につながる。突出が、固化に応じたＳｉの拡張の結果として、形成される。突出は、特に、側方成長の際に衝突する３つまたはそれを上回る固化正面間に形成される。突出は、多くの場合、ランダムに位置しない。むしろ、それらは、集合的に、文献では、レーザ誘発周期的表面構造（ＬＩＰＳＳ）と称される、リップル形成のプロセスのため、整合される。リップルは、したがって、一連の整然と整合された突出から成る。リップル形成は、膜の部分的溶融が達成される、エネルギー密度窓（範囲）内でのみ観察される。典型的には、リップル周期性は、ＸｅＣｌエキシマレーザの場合、ほぼ入射光の波長、例えば、約２９０〜３４０である。これらの小寸法のため、リップルは、従来の光学顕微鏡検査技法を使用して分解することができない、またはできたとしても、ほとんどできない。
典型的には、光輝場型光学顕微鏡検査において観察されるものは、ＥＬＡ処理された膜の表面が、より明るい領域とともに散在した細長いより暗い着色領域から成る状態である。より暗い領域の細密検査は、それらが、より高い突出を有する、より強いリップル（秩序のある）領域から成り、一方で、あまり秩序のないおよび／またはより低い突出を有する領域が存在することを示す。より秩序のある領域は、本明細書では、リッジと称される一方、その間の領域は、谷と称される。本発明の発見は、リッジの形成が、リップルの形成に相関されて現れ、リッジの典型的配向がリップル方向に垂直な方向にあるということである。本発明の方法および装置は、ＥＬＡプロセスの結果として形成される、薄いＳｉ膜（層）内のリッジからの光回折を測定することに依拠する。本方法は、ＥＬＡプロセスを準リアルタイムで監視または制御するために使用され得る、リップルの程度の間接測定をもたらす。加えて、本方法は、リッジからの回折を測定するために使用されるより従来の光学顕微鏡検査技法と比較して、比較的に低速である顕微鏡検査技法を使用するにもかかわらず、リップル自体により直接的に目を向けるように説明される。
リップルは、一般に、一方向のみに形成されない。リップルは、主に、走査方向と平行方向と、また、走査方向と垂直方向（線方向）とに形成される。リップルは、周期的であって、本明細書では、冶金学に一般的専門用語を使用して、その周期性の方向によって説明され、ローリング方向（ＲＤ）は、走査方向に対応し、横方向（ＴＤ）は、線方向に対応する。故に、走査方向に配向されるリップルは、横方向に周期的であるため、それらは、ＴＤリップルと呼ばれる。同様に、線方向に配向されるリップルは、ローリング方向に周期的であって、ＲＤリップルと呼ばれる。
ＬＩＰＳＳ理論によると、ＴＤリップルは、光の波長にほぼ等しい間隔を有する一方、ＲＤリップルは、約λ／（１±ｓｉｎθ）離間され、λ／（１−ｓｉｎθ）間隔が、典型的には、主要であって、θは、層上へのレーザ放射の入射角であって、ＥＬＡでは、典型的には、約５度またはそれを上回る。リップル形成は、粒子構造が表面周期性に追従する傾向にあるため、均一多Ｓｉ膜を得る際に有益である。リップルが存在するとき、理想的には、主に、約λ×λ／（１−ｓｉｎθ）に定寸される長方形粒子から成る、非常に秩序のある膜が、形成される。より低いエネルギー密度（ＥＤ）では、粒子は、より小さく、より高いＥＤでは、粒子は、より大きい。本明細書では、超側方成長（ＳＬＧ）と称される、リップル領域サイズより大きい粒子が、成長されるとき、表面リフローは、突出高さの低減をもたらし、膜の秩序が徐々に失われるであろう。
リップルによって生じる表面周期性とレーザパルスのＥＤとの間の数値関係を判定するための第１の実験では、結晶化された膜のレーザ走査顕微鏡（ＬＳＭ）画像が、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって分析され、変換は、ＲＤ方向およびＴＤ方向において行われた。ＦＦＴにおけるピークは、ある表面周期性の存在を示し、ピークの場所は、表面周期性の方向に対応する。ＴＤ変換は、約１／λにおいて鋭いピークをもたらし、強いＴＤ周期性を示す。ＲＤ変換は、約（１−ｓｉｎθ）／λにおいて、あまり鋭くなく、ＴＤ変換のものより低い振幅、すなわち、約（１−ｓｉｎθ）／λ間隔を伴うあまり顕著ではないＲＤリップルとともにピークを示した。
図１は、ＥＬＡプロセスにおける合計２５の重複パルスに対するパルス中のミリジュール／平方センチメートル（ｍＪ／ｃｍ２）単位のエネルギー密度（ＥＤ）の関数として、対応するＲＤ変換ピークおよびＴＤ変換ピークの振幅を図式的に図示するグラフである。ＲＤ周期性は、ＴＤ周期性が最大であるものより若干高いＥＤにおいて、最大で現れることが分かる。ここでは、約４２０ｍＪ／ｃｍ２のＯＥＤが、示され、ＲＤ方向およびＴＤ方向の両方における周期性は、ＥＤがより高くなるのに伴って、（比較的に）急減する。ここでは、本明細書に定義されているＥＤは、ビーム中の電力を測定し、それをビームのトップハット幅で除算し、トップハットの両側のいかなる勾配も無視することを含む、業界内で一般的なアプローチを使用して判定されることに留意されたい。
図２は、図１のグラフに類似するが、２５パルスのＡ−ＥＬＡプロセスによる結晶化に対するグラフである。ここでは、ＲＤリップルは、ＥＬＡより強い周期性を示し、そのピーク周期性は、ＥＬＡプロセスの場合よりも良好に定義される。
図３は、幾分、実験的に判定されたＯＥＤより低い、４２０ｍＪ／ｃｍ２のＥＤにおけるパルス数の関数として、ＲＤピーク振幅およびＴＤピーク振幅を図式的に図示するグラフである。周期性は、約２２のパルス数まで、ＴＤ方向に安定して増加することが分かる。ＲＤ方向では、約１５パルスが送達された後まで、周期性の成長は殆ど見られない。
図４は、反射光内の偏光顕微鏡画像である。横方向に配向されるリッジ（ＲＤ方向におけるリップル、または周期性ベースの定義に従って言い換えると、「ＴＤ−リップル」に相関する）が、明らかに認められ得る。ローリング方向に配向されるリッジ（「ＲＤリップル」に相関する）は、前述のＦＦＴ分析から予期されるであろうように、あまり顕著ではないが、依然として、明白である。
リップルと異なり、リッジは、厳密には、周期性ではない。しかしながら、リッジは、典型的には、約１．５μｍ〜約３．０μｍ、またはリップル間の間隔より約１桁大きい範囲に及び得る、特性間隔を有する。リップルの専門用語に従って、リッジは、周期性の方向において参照される、すなわち、ＲＤリッジは、横方向に配向され、ＴＤリッジは、ローリング方向に配向される。
ＦＦＴ分析は、それ自体で、結晶化された層を評価する一手段を明らかに提供する。しかしながら、前述の情報を生成するために要求されるステップは、概して、低速であって、ＥＬＡまたはＡ−ＥＬＡによって結晶化された層の近リアルタイムオンライン監視もしくは評価のために、そのような分析の使用を助長しないであろう。故に、直接、リップル自体を測定する試みではなく、ＲＤリップルおよびＴＤリップルと関連付けられた垂直に配向されたリッジ群と関連付けられた回折現象を分析する可能性を調査することを決定した。
図５は、図４に描写されるもの等の層のコノスコープ顕微鏡画像である。これは、対物レンズの後焦点面の画像が記録されることを可能にするために、接眼レンズが除去された市販の顕微鏡を使用して撮影された。本実施例では、画像は、単純な携帯域電話のカメラを用いて記録された。顕微鏡は、透過光構成において使用された。第１の偏光板は、試料前方の照明光経路内に位置し、第２の偏光板（分析器）は、第１の偏光板に対して９０度における偏光方向で、試料の後方に位置付けられた。
コノスコープ画像の中心は、顕微鏡システムの光学軸に対応し、光学軸（中心スポット）からの距離は、光が進行する角度に対応する。故に、コノスコープ画像は、顕微鏡内の光の方向に関する情報を提供する。
コンデンサ絞りが、最小アパーチャに近接して設定され、試料への入射光の角度分散を限定し、その結果、アパーチャの画像をコノスコープ画像の中心に制限した。画像の残りは、結晶化によって形成されたＴＤおよびＲＤリッジ群から回折された光によって形成される。偏光板および分析器はともに、画像の残りに対する中心スポットの輝度を最小限にするように作用する。９０度の相対回転では、２つの偏光板は、コノスコープ画像において、アイソジャイアとして知られる一対の消光交差帯域を形成する。偏光板および分析器をともに試料に対して回転させることによって、アイソジャイアは、回折帯域から離れるように回転され、その帯域の消光を最小限にすることができる。
図５にグレースケールで表される実際の画像は、カラー画像である。水平帯域は、青みがかった色であって、垂直帯域は、緑がかった色である。帯域の着色は、非常に均一であり得、それらの波長では、高回折効率を、および他の波長では、低回折効率を示すと考えられる。帯域の着色の均一性は、リッジの可変間隔の結果であると考えられる。水平帯域および垂直帯域のスペクトル間に、ある程度のスペクトル重複が存在し得る。
顕微鏡対物レンズは、２０Ｘ対物レンズであった。強度勾配が高い中心スポットの断片的エッジは、画像画素サイズの指標を与える。暗色四分円中のより大きい正方形は、ＪＰＥＧ画像圧縮のアーチファクトである。
図の水平方向には、ＲＤリッジ（ＴＤリップルに関連する）による回折から生じる強い光の帯域が存在する。図の垂直方向には、ＴＤリッジ（ＲＤリップルに関連する）による回折から生じるより弱い光の帯域が存在する。透過光は、画像の中心に明るいスポットを形成する。
図１および図２のグラフから予期されるであろうように、パルスＥＤがＯＥＤを下回るにつれて、ＲＤリッジ回折帯域の輝度に対するＴＤリッジ回折帯域の相対的輝度は、ＥＤの減少に伴って、急減する。パルスＥＤがＯＥＤを上回って上昇すると、ＲＤリッジ回折帯域の輝度と比較したＴＤリッジ回折帯域の相対的輝度は、ほぼ同一のままであるが、ＥＤの増加に伴って、両方とも、急減する。回折帯域の輝度の測定は、したがって、ＥＤがＯＥＤを上回るまたは下回るかどうかと、その程度を判定する有力な方法を提供する。
図６は、ＥＬＡプロセスにおける２５の重複パルスによって結晶化されたシリコン層面積に対するパルスＥＤの関数として、ＲＤリッジ回折強度（実線曲線）およびＴＤリッジ回折強度（破線曲線）を図式的に図示するグラフである。リッジの強度は、直接、測定されなかった。代わりに、回折帯域強度の測定が、帯域が異なる色を有し、色情報が、依然として、通常顕微鏡画像内に存在するという観察に基づいて考案された。
市販のラスタグラフィックエディタが、それぞれ、ＲＤリッジおよびＴＤリッジの回折の測定として、偏光画像の青色および緑色チャネルの平均輝度を判定するために使用された。本アプローチの不利点は、画像色チャネルが、２つの信号間に非常に大きなクロスクトークが存在するような帯域輝度を認めるための最適化フィルタリングを提供しないことである。また、非回折中心スポットの信号は、より高い雑音レベルを有するように、これらの色チャネル上に重畳される。その場合でも、差異は、点曲線によって図６に描写されるように、緑色チャネル輝度と青色チャネル輝度の比率が最大に達するとき、ＯＥＤが認められる傾向を明らかに示す。
代替として、ＣＭＯＳアレイまたはＣＣＤアレイによって記録されるコノスコープ画像は、図５の画像と同様に、適切なソフトウェアを使用して、電子的に処理され、回折帯域からのみ、測定データを集めることができる。これは、空間情報が、本質的に、これから独立するため、測定が、画像内の回折された光帯域の実際の色および回折効率に鈍感となるであろうという利点を有する。実際の回折効率は、膜厚および堆積パラメータの関数となり得る。
図７は、連続して、結晶化されている層の同一の面積に送達されるパルスのパルス数およびＥＤの関数として、ＲＤリッジ回折強度（実線曲線）およびＴＤリッジ回折強度（破線曲線）を図式的に図示するグラフである。ここでの傾向は、図３のグラフに類似する。各場合における３つのＥＤ値は、４１０ｍＪ／ｃｍ２、４１５ｍＪ／ｃｍ２、および４２０ｍＪ／ｃｍ２である、すなわち、１％のＥＤにわたってほぼ間隔がなく選択される。１５パルスが堆積された後、ＥＤの１％変化は、信号振幅の約２０％の変化を引き起こすことが分かる。約２２パルスでは、回折された信号変化は、ＥＤの２％変化に対して、依然として、約５％またはそれより大きい。これは、明らかに、本発明の方法の感度を例証する。
図８は、結晶化されたシリコン層を評価するための本発明による装置の一好ましい実施形態２０を図式的に図示する。ここでは、評価されている結晶化されたシリコン層２２は、ガラスパネル２４上に支持される。Ｋｏｈｌｅｒ照明用に設定された顕微鏡２６は、白色光のビーム２９を送達するランプまたは光源２８を含む。コンデンサ絞り３０は、ビーム２９の光円錐の開口数の制御を提供する。
部分的に反射および部分的に透過性の光学要素３２（ビームスプリッタ）が、図８に描写されるように、層に対して直角入射において、ビーム２９を層２２上に指向させる。光ビームの一部３４は、層２２から反射され、一部３６Ｔは、回折される。添え字Ｔは、ここで使用されるように、光が、層の結晶の間に形成された前述の横方向（ＴＤ）リッジによって回折されることを意味する。図８Ａは、図８の平面に垂直な平面における装置２０を描写し、層の結晶化の間に形成される前述のローリング方向（ＲＤ）リッジによって回折された光３６Ｒを図示する。
反射および回折された光は、要素３２を通して透過される。反射された光は、停止部３８によって遮断される。回折された光は、停止部３８を迂回し、検出器ユニット５０内の光学検出器要素５２上に入射する。電子プロセッサ５４は、検出器ユニット５０内に提供され、検出器によって受信された回折された光の振幅を判定するために配列される。
検出器要素５２は、前述のように、ＣＣＤアレイまたはＣＭＯＳアレイ等の画素化検出器であって、回折された光のコノスコープ画像を記録することができ（図７参照）、そこから、回折された光強度が、空間分析により、プロセッサ５４によって判定されることができる。代替として、検出器要素は、１つまたはそれを上回るフォトダイオード要素であって、総回折光を記録することができる。この場合、随意のフィルタ要素３９および４０が、前述のように、ＴＤおよびＲＤ回折された光の特定の色に対応するように選択された通過帯域を有するように提供される。これらは、矢印Ａによって図８に示されるように、回折された光経路の内外を移動されることができる。
いずれの場合も、別のスペクトルフィルタ（図示せず）が、源２８からの光の帯域幅を回折されるそれらの色に限定するために提供されることができる。これは、停止部３８を迂回し、回折された光と混合可能な層２２から散乱される光（図示せず）による雑音を低減させるであろう。
図８および８Ａでは、光源２８のためのコレクタレンズ光学系、（無限補正）対物レンズ光学系、およびチューブレンズ光学系を含む、顕微鏡２６の光学系は、例証の便宜上、図示されない。加えて、顕微鏡は、コノスコープ画像を直接観察するためのＢｅｒｔｒａｎｄレンズおよび「接眼部」（または、接眼レンズ）を具備することができる。顕微鏡内のそのような光学系の形態および機能は、光学分野の当業者に周知であって、その詳細な説明は、本発明の原理を理解するために必要ではない。
反射光顕微鏡の代替として、透過光顕微鏡が、使用されてもよい。そのような顕微鏡設定は、ビームスプリッタを有していないが、試料の前方に別個の集光レンズを要求する。最良結果のために、ビーム停止部３８が、試料の後方の対物レンズの後焦点面またはその任意の共役平面に設置されてもよい。反射光顕微鏡検査の場合、ビーム停止部は、また、入射光を遮断しないように、ビームスプリッタの後方に位置する、対物レンズの後焦点面に対する共役平面に設置されるのが最良である。
リッジからの回折はまた、偏光板および／またはビーム停止部の不在下でも観察されたことに留意されたい。回折帯域はまた、依然として、対物レンズおよび／または集光レンズの除去後も観察され得る。そのようなレンズは、したがって、検査中の膜内の領域の輝度および選択性の観点から、測定を最適化するためのツールとして見なされるべきである。それらは、本明細書に説明される装置の重要要素ではない。
図９は、本発明によるエキシマレーザアニーリング装置の一好ましい実施形態６０を図式的に図示する。装置６０は、レーザビーム６５を送達するエキシマレーザ６４を含む。ビーム６５は、可変減衰器６６を通して、反射鏡７０を介して成形ビーム６９を投射光学系７２に送達する、ビーム成形光学系６８に透過される。投射光学系は、前述のように、非直角入射において、ビームを層２２上に投射する。層２２を含む、ガラスパネル２４は、投射されたレーザビームに対して方向ＲＤに、層およびパネルを移動させる、平行移動ステージ６２上に支持される。
前述の装置２０は、層２２の上方に位置付けられる。処理ユニット５４は、検出器要素５２によって観察されたＴＤリッジ回折およびＲＤリッジ回折光成分の振幅と、図６および図７の曲線等の実験曲線から作成された電子ルックアップテーブルとから、層がＯＥＤを上回るまたは下回るパルスを用いて結晶化されたかどうかを判定する。
典型的には、投射されたレーザビーム（パルスエネルギーまたはプロセスＥＤ）中のエネルギー密度は、最初は、公称ＯＥＤで制御される。しかしながら、送達されたエネルギー密度は、経時的にドリフトし得、通常、ＯＥＤの見掛けドリフトとして記録される。ＯＥＤが、公称より低い値にドリフトしたと考えられる場合、ＥＤは、ＯＥＤを下回るであろう。すなわち、前述のように、両方向に、より低い密度のリッジが存在し、故に、両回折信号は、大きさが低減されるであろう。信号は、次いで、処理ユニット５４から減衰器６６に送信され、層に送達されるパルスエネルギーを低減させる。ＯＥＤが、公称より高い値にドリフトしたと考えられる場合、ＥＤは、瞬時ＯＥＤを下回るであろう。すなわち、前述のＴＤリッジに対してより低い密度のＲＤリッジが存在し、故に、両ＲＤリッジ回折の大きさは、減少する一方、ＴＤ回折の大きさは、同一のままである。信号は、次いで、処理ユニット５４から減衰器６６に送信され、層に送達されるパルスエネルギーを適切に増加させる。
前述の補正プロセスは、当然ながら、図９のフィードバック配列を使用して、自動的に行われる必要はない。代替として、処理ユニット５４は、オペレータに対して、モニタ上に表示するために、見掛けＯＥＤドリフトに関する情報を送達することができ、オペレータは、層２２に送達されるパルスエネルギーを手動で調節することができる。
図１０は、本発明によるエキシマレーザアニーリング装置の別の好ましい実施形態６０Ａを図式的に図示する。装置６０Ａは、図９の装置６０に類似するが、その回折測定装置２０は、レーザビーム８２等の指向性光源８０を含む、代替回折測定装置２１によって置換される。レーザからの光は、図１０に描写されるように、非直角入射において、層２２上に入射し、反射ビーム８２Ｒおよび回折光８４を生成する。図８および図９の装置２０を参照して前述のように、ＴＤリッジおよびＲＤリッジから回折された光ビームが存在するであろう。反射されたビーム８２Ｒは、随意に、停止部３８によって遮断され、回折された光は、検出器要素５２によって検出され、検出器要素５２の形態に応じて、前述のように、処理ユニット５４によって処理されることができる。
本発明の方法および装置は、したがって、例えば、ＥＤ１０、５、またはさらにわずか２ｍＪ／ｃｍ２離れた、それぞれ異なるＥＤにおいて、複数回の走査を含有するパネルから、ＯＥＤを見出すために使用されてもよい。本発明による顕微鏡は、レーザアニーリング装置のアニーリングチャンバの内側に搭載されてもよい。顕微鏡は、倍率を変更するために、ズームレンズアセンブリを含んでもよい。パネルは、顕微鏡の真下で走査され、パネルが、条件あたり１つまたは複数の場所において測定されることを可能にすることができる。顕微鏡は、加えて、横方向に移動するためのステージを具備してもよい。自動集束配列が追加されてもよいが、これは、ＥＬＡプロセスより大きい焦点深度を有するため、コノスコープ画像には必要ではないであろう。完全に結晶化されたパネルはまた、さらなるパネルの結晶化が、必要に応じて、中断され得るように、プロセスの品質を検出するために、１つまたはそれを上回る場所において（オンラインまたはオフラインのいずれかにおいて）測定されることができる。十分な測定が実施される場合、欠陥（ムラ）のマップが、得られ得る。
前述の本発明の実施形態では、ＯＥＤは、例えば、図６に描写されるように相互に直交する、２つの方向のうちの１つまたはそれぞれにおけるサンプルから回折された光の測定された振幅から判定される。本方法に関する潜在的問題は、測定された振幅の変化が、ＥＤの変化以外の理由から生じ得ることである。一例として、検出構成要素の劣化は、測定された振幅を変化させ得る。さらに、サンプルにわたる結晶化の空間変動が存在し得、これは、公称上同一の結晶化のＥＤに対して測定された回折された振幅の空間変動をもたらし得る。図１１Ａおよび図１１Ｂの参照から始まり、以下に記載されるのは、前述の潜在的問題を完全に排除しなくとも、低減させ得る、代替データ取得および処理方法の説明である。
図１１Ａおよび１１Ｂは、透過における偏光顕微鏡によって撮影された結晶化サンプルの顕微鏡写真である。図１１Ａは、ＯＥＤを下回るＥＤにおいて処理（照射）されたシリコン層から作製される。図１１Ｂは、図１１のものと同一レーザビーム区画を用いるが、ＯＥＤを上回るＥＤにおいて処理されたシリコン層から作製される。顕微鏡対物レンズは、１．２５倍対物レンズであった。このため、図１１Ａおよび１１Ｂの画像は、その画像が１０倍対物レンズで撮影された図４に描写されるのを上回る面積を描写し、２０倍対物レンズで撮影された図６および７を生成するために使用された画像をはるかに上回る。
図１１Ａおよび１１Ｂの画像の水平寸法は、約９ｍｍである。そのような大きい視野を用いると、有意な口径食が、生じ得、輝度が、画像の縁に向かって徐々に減少する。ソフトウェアベースのフラットフィールド補正が、これを補正するために適用された。画像は、市販のラスターグラフィックスを使用して、フィルタリングされ、緑色チャネルを得たが、青色フィルタリングされた画像またはさらに未フィルタリング画像も、類似外観を有する。代替として、画像は、カラーフィルタが供給された顕微鏡から得られ、例えば、緑色のみまたは青色のみの光をフィルタリングすることができる。コンデンサダイヤフラムは、顕微鏡照明のために使用されなかった。画像は、高輝度を有し、カメラシャッタ時間は、１００ミリ秒（ｍｓ）未満であった。
画像は、９０度相対回転における偏光板および分析器によって遮断されたゼロ次透過光を用いて回折された光内で撮影された。サンプルに対する偏光板および分析器の回転は、前述のように、アイソジャイアが回折帯域から離れるように回転されるようなものである。これは、光を回折させる高密度のリッジを伴う層の面積と同様に光を回折させる低密度のリッジを伴う層の面積との間に超高コントラスト面積を伴う、顕微鏡画像を生成する。
前述のように、リッジ密度の差異は、リップル密度の差異に対応し、かつ粒状構造の差異に対応するであろう。故に、これらの画像のコントラストは、層内の非均一性を示す。そのような非均一性は、一般に、ムラと称される。これらの画像内の水平ストライプは、走査（ローリング）方向におけるものであって、走査ムラと称される。走査ムラは、通常、レーザビームの長軸に沿った若干のＥＤ変動の結果として現れる。そのようなＥＤ変動は、プロセス窓の局所偏移をもたらす。故に、ＯＥＤを下回るおよび上回る走査ムラコントラストは、相互に対して反転される。走査ムラストライプのコントラストは、経時的に非常に安定することが見出され、通常、ＥＬＡシステムのビーム送達システム内の光学の再整合、汚染、または洗浄の結果としてのみ変化する。画像内の垂直線は、線方向（レーザビームの長軸）におけるものであって、ショットムラと称される。ＯＥＤを下回ると、ショットムラは、大部分が幅広ストライプから成る一方、ＯＥＤを上回ると、加えて、鮮明なストライプも、典型的には、観察される。
水平線および垂直線は、本説明および添付の請求項の目的のために、周期的として説明され得るが、これは、必ずしも、周期性が規則的であることを意味するわけではない。さらに、水平および垂直という用語は、単に、相互に垂直な線の説明の便宜上使用され、実践における線の実際の配向を表すわけではない。
図１２は、画像画素の列および行の平均化された輝度が、それぞれ、画像内のショットムラおよび走査ムラの測定値として求められ得る方法を図式的に図示する。これは、図１１Ｂの画像と類似ＥＤ範囲内で撮影された画像である。図１２のグラフＧ２およびＧ１は、それぞれ、画像内の画素の全列および画素の全行の測定された振幅を図式的に描写する。それぞれに対するコントラスト値は、例えば、各場合における最低測定値を最高測定値から減算することによって、または平均振幅の周囲の振幅変動の標準偏差を求めることによって、判定されることができる。前述のように、この場合の画像は、緑色のソフトウェアベースのフィルタを使用して撮影された。これは、走査ムラのコントラストを向上させる。
図１３は、図１２の画像等の画像から導出されたＥＤの関数として走査ムラに対して測定されたコントラスト（曲線Ａ）を図式的に図示する、グラフである。本グラフは、フィルタリングされた画像から測定され、緑色チャネルのみを示す。また、比較のために図式的に描写されるのは、図６の曲線に類似する、偏光顕微鏡画像の緑色チャネル輝度（曲線Ｂ）および青色チャネル輝度（曲線Ｃ）に対するＥＤの関数として測定された回折光の大きさと、曲線Ｂの計算された傾きの絶対値（曲線Ｄ）とである。測定されたコントラスト（曲線Ａ）は、約１５ｍＪ／ｃｍ２のＥＤ（ＯＥＤ）において、非常に鮮明に画定された最小値を呈することが分かる。また、走査ムラコントラスト（曲線Ａ）は、概して、計算された傾き（曲線Ｄ）の形態に従い、これもまた、曲線Ａの最小値と同一ＥＤにおいて、鮮明に画定された最小値を呈することが分かる。
これは、走査ムラコントラストが、主に、線ビームの長軸エネルギー密度変動によって生じるという観察と一貫する。そのようなエネルギー密度変動は、輝度曲線Ｂによって描写される関係に従って、輝度変動をもたらすことが予期される。したがって、走査ムラコントラストの測定は、ＥＤ曲線の傾きに関する情報と、本関係を通して、所望のＥＤまたはＯＥＤに対する実際の処理ＥＤとをもたらす。
図１４は、図１３のグラフに類似するグラフであって、前述の図１３を参照して前述のものと同一測定および計算量を描写するが、マイクロスムージングの使用による結晶化された層に対するものである。マイクロスムージングは、走査ムラストライプのコントラストを低減させるために使用される、技法である。技法の詳細な説明は、本発明の原理を理解するために必要ではなく、故に、ここでは提示されない。マイクロスムージング技法は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第７，７２３，１６９号に詳細に説明されており、その完全開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
図１３および図１４の曲線Ａを比較することによって、測定されたコントラストが、マイクロスムージングが使用されない場合より低く、コントラストの最小値もあまり良好に画定されないことが分かる。なお、図１４の曲線ＡおよびＤを比較することによって分かるように、輝度曲線の傾きに忠実な縮尺の走査ムラコントラストが測定され得る。故に、本関係を通して、走査ムラコントラストは、結晶化プロセスの前述の監視および制御のための所望のＥＤまたはＯＥＤに対する実際の処理ＥＤの測定値として求められ得る。
ここで、コントラスト測定のための前述の偏光顕微鏡画像は、パネル上の層がＥＬＡ処理されている間でも撮影され得ることに留意されたい。ＥＬＡの間、パネルは、走査方向、すなわち、走査ムラストライプとちょうど同一方向に移動する。故に、ショットムラコントラストが、１回のカメラ暴露の間のパネル移動に悩まされ得る場合でも、走査ムラコントラストは、影響されないであろう。
走査ムラコントラストは、非常に安定するが、非常に弱くあり得る。走査ムラコントラストは、ビーム送達システム、例えば、細い金属ワイヤ内に光学欠陥を意図的に導入することによって向上され得る。そのような光学欠陥は、処理されるフィルム内に陰影および／または回折ストライプをもたらすであろう。そのような光学欠陥からのコントラストが強すぎない限り、再び、輝度曲線の傾きの測定値となり得、したがって、ＥＤドリフトを補償するために使用されることができる。レーザビームの本区画を用いて走査された面積は、あまり均一性がなく、ディスプレイアクティブマトリクスのために使用されないパネル上の場所にそれを位置付けることが望ましくあり得る。例えば、これはパネルの縁においてまたはディスプレイパネルが後にけがき処理および分離される場所において位置してもよい。代替として、走査ムラコントラストは、マイクロスムージングの一時的中止によって向上される。再び、影響を受けた面積をディスプレイを作製するために使用される面積の外側に位置付けることが望ましくあり得る。
本発明は、ＥＬＡおよびＡ−ＥＬＡ結晶化シリコン層の評価を参照して説明されたが、本発明は、他の半導体材料の結晶化された層の評価にも適用可能であることに留意されたい。一例として、ゲルマニウム（Ｇｅ）またはＧｅおよびシリコン合金の層が、評価されてもよい。
要約すると、本発明は、その好ましい実施形態を参照して前述された。しかしながら、本発明は、本明細書に説明および描写される実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、本明細書に添付の請求項によってのみ限定される。

Claims (18)

  1. 半導体層の結晶化品質を評価するための方法であって、前記半導体層は、少なくとも部分的に、前記層上にあるエネルギー密度を有する複数のレーザ放射パルスへの暴露によって結晶化され、前記結晶化は、第１の方向における前記層上の第１の群の周期的表面特徴と、前記第１の方向と垂直な第２の方向における第２の群の周期的表面特徴とを生成し、前記半導体層の前記結晶化品質は、前記第１および第２の群の周期的特徴の特性に依存し、前記第１および第２の群の周期的特徴の前記特性は、前記半導体層が暴露された前記レーザ放射パルスの前記エネルギー密度に依存し、
    前記方法は、
    前記層の表面に垂直に指向された光のビームを用いて、前記結晶化された半導体層のある面積を照明することと、
    前記第１および第２の群の周期的特徴によって前記照明された面積から回折された光を捕捉するように配列された検出器を用いて、画像を生成するように前記照明された面積から回折された前記光を記録することであって、前記画像内における輝度の変動は、前記層の前記照明された面積内の前記第１および第２の群の周期的特徴の前記特性に対応する、ことと、
    前記層の前記第１または第２の方向のうちの１つに対応する前記画像の少なくとも１つの方向に沿った輝度のコントラストの計算値と、前記画像内における鮮明なストライプの存在または不在とから、前記エネルギー密度を判定することであって、前記エネルギー密度を判定することは、前記エネルギー密度が最適エネルギー密度を上回るか下回るかを判定することを含み、前記画像内における前記鮮明なストライプの存在または不在は、前記エネルギー密度が前記最適エネルギー密度を上回るか下回るかを判定するために使用される、ことと
    を含む、方法。
  2. 前記画像は、透過型顕微鏡画像である、請求項１に記載の方法。
  3. 前記画像は、画素の行および列から形成され、前記コントラストは、前記画像内の画素の全行および全列のうちの１つの振幅を測定することと、前記測定された振幅から標準偏差を計算することとによって、計算され、前記計算された標準偏差が、周期的画像特徴のコントラストの計算値である、請求項１に記載の方法。
  4. 前記画像は、画素の行および列から形成され、前記コントラストは、前記画像内の画素の全行および全列のうちの１つの振幅を測定することと、前記測定された振幅の中の最高値と前記測定された振幅の中の最低値との間の差異を計算することとによって、計算され、前記計算された差異が、周期的画像特徴のコントラストの計算値である、請求項１に記載の方法。
  5. 前記画像は、緑色フィルタリングされた画像である、請求項１に記載の方法。
  6. 前記画像は、青色フィルタリングされた画像である、請求項１に記載の方法。
  7. 前記コントラストの計算値の最小値は、前記結晶化のための最適エネルギー密度を示す、請求項１に記載の方法。
  8. ゼロ次光の少なくとも一部は、前記検出器に到達することが遮断される、請求項１に記載の方法。
  9. 前記ゼロ次光は、９０度相対回転における偏光板および分析器の組み合わせを使用して、前記検出器に到達することが遮断される、請求項８に記載の方法。
  10. 前記ゼロ次光は、前記捕捉された光の中心軸に沿って位置付けられた停止部によって、前記検出器に到達することが遮断される、請求項８に記載の方法。
  11. 半導体層の結晶化品質を評価するための装置であって、前記半導体層は、少なくとも部分的に、前記層上にあるエネルギー密度を有する複数のレーザ放射パルスへの暴露によって結晶化され、前記結晶化は、第１の方向における前記層上の第１の群の周期的表面特徴と、前記第１の方向と垂直な第２の方向における第２の群の周期的特徴とを生成し、前記半導体層の前記結晶化品質は、前記第１および第２の群の周期的特徴の特性に依存し、前記第１および第２の群の周期的特徴の前記特性は、前記半導体層が暴露された前記レーザ放射パルスの前記エネルギー密度に依存し、
    前記装置は、
    前記結晶化された半導体層のある面積を照明するために、前記層の表面に垂直に指向された光のビームを生成するための光源と、
    画像を生成するように前記第１および第２の群の周期的特徴の両方によって前記照明された面積から回折された光を捕捉するように配列された２次元アレイ検出器であって、前記光の輝度の変動は、前記層の前記照明された面積内の前記第１および第２の群の周期的特徴の特性に対応する、２次元アレイ検出器と、
    前記第１および第２の方向のうちの少なくとも１つに沿った輝度のコントラストの計算値と、前記画像内における鮮明なストライプの存在または不在とから、前記半導体層が暴露された前記レーザ放射パルスの前記エネルギー密度を判定するためのプロセッサであって、前記エネルギー密度を判定することは、前記エネルギー密度が最適エネルギー密度を上回るか下回るかを判定することを含み、前記画像内における前記鮮明なストライプの存在または不在は、前記エネルギー密度が前記最適エネルギー密度を上回るか下回るかを判定するために使用される、プロセッサと
    を備える、装置。
  12. 前記画像は、画素の行および列から形成され、前記コントラストは、前記画像内の画素の全行および全列のうちの１つの振幅を測定することと、前記測定された振幅から標準偏差を計算することとによって、計算され、前記計算された標準偏差が、周期的画像特徴のコントラストの計算値である、請求項１１に記載の装置。
  13. 前記画像は、画素の行および列から形成され、前記コントラストは、前記画像内の画素の全行および全列のうちの１つの振幅を測定することと、前記測定された振幅の中の最高値と前記測定された振幅の中の最低値との間の差異を計算することとによって、計算され、前記計算された差異が、周期的画像特徴のコントラストの計算値である、請求項１１に記載の装置。
  14. ゼロ次光の少なくとも一部が前記検出器に到達することを遮断するための手段をさらに備える、請求項１１に記載の装置。
  15. ゼロ次光を遮断するための前記手段は、９０度相対回転における偏光板および分析器の組み合わせによって定義されている、請求項１４に記載の装置。
  16. ゼロ次光を遮断するための前記手段は、前記捕捉された光の中心軸に沿って位置付けられた停止部によって定義されている、請求項１４に記載の装置。
  17. 前記検出器の前に位置する青色フィルタをさらに含む、請求項１１に記載の装置。
  18. 前記検出器の前に位置する緑色フィルタをさらに含む、請求項１１に記載の装置。
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