KR20060050528A

KR20060050528A - 레이저광의 단면상의 촬상방법

Info

Publication number: KR20060050528A
Application number: KR1020050075330A
Authority: KR
Inventors: 마사유키 쥬몬지; 마사키요 마츠무라; 유키오 타니구치; 마사토 히라마츠; 히로유키 오가와; 노리타카 아키타
Original assignee: 가부시키가이샤 에키쇼센탄 기쥬쓰 가이하쓰센타
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2005-08-17
Publication date: 2006-05-19
Also published as: TW200608475A; US7157677B2; US20060043258A1; CN1740760A

Abstract

단면상(광강도 분포)의 촬상이 행해지는 단면에 상당하는 높이에, 레이저광(20)을 그 단면의 일부에서 차단하도록 나이프 엣지(30)를 배치한다. 나이프 엣지(30)를 향해서 레이저광(20)을 조사하고, 레이저광의 단면상을, 촬상광학계(40)에서 확대해서 CCD(50)에서 촬상한다. 이와 같이 해서 단면상을 촬상하면서 나이프 엣지(30)에 의한 음영상의 경계부에서의 광강도의 구배가 미리 설정된 목표치 이상의 경사도가 되도록 촬상광학계(40)의 초점조정을 행한다. 계속해서, 나이프 엣지(30)를 레이저광의 광로로부터 퇴피시킨 상태에서, 레이저광을 촬상광학계(40)를 통해서 CCD(50)에 입사시켜서 그 단면상을 촬상한다.

Description

레이저광의 단면상의 촬상방법{Method of Picking Up Sectional Image of Laser Light}

도1은, 본 발명의 방법을 이용해서 레이저광의 단면상을 촬상할 때의 장치의 개략구성의 예를 나타내는 도이다.

도2는, 본 발명의 방법에서의 나이프 엣지를 이용해서 촬상 광학계를 초점조정할 때의 음영상(2차원 광강도 분포)의 예를 나타낸다.

도3a는, 도2에서의 A-A'선을 따른 광강도 분포를 나타낸다.

도3b는, 도2에 도시한 실시예에서 A-A'선을 따른 광강도 분포의 미분값을 나타낸다.

도4는, 차광박막이 피복된 투명기판을 사용할 때의 투명기판의 구성도의 일예를 나타낸다.

도5는, 차광박막이 피복된 투명기판을 사용할 때의 투명기판의 구성도의 다른 예를 나타낸다.

도6은, 본 발명의 방법을 이용해서 레이저광의 단면상을 촬상하는 장치가 편입된 레이저 어닐링장치의 신호의 블럭도이다.

도7은, 소정 단면상에 촬상 광학계의 초점을 맞추는 방법의 상세도이다.

도8은, 본 발명의 방법을 이용해서 레이저광의 단면상을 촬상하는 장치가 편 입된 프록시미티 방식에 의한 레이저 어닐링장치의 예를 나타내는 도이다.

도9는, 본 발명의 방법을 이용해서 레이저광의 단면상을 촬상하는 장치가 편입된 프로젝션 방식에 의한 레이저 어닐링장치의 예를 나타내는 도이다.

본 발명은 단면상(즉, 특정 단면상에서의 광강도 분포)의 촬상방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은, 특히, 반도체 박막의 레이저 어닐링을 할 때 이용되는 레이저광의 2차원 광강도 분포의 측정에 적합하다.

액티브 매트릭스형 액정표시장치나 유기EL 표시장치 등과 같은 표시장치에서는, 각 화소를 개별적으로 구동하기 위해서 유리나 플라스틱 등의 절연기판상에 다수의 박막 트랜지스터(TFT)가 형성된다. TFT의 소스, 드레인, 채널영역이 형성되는 비정질 실리콘(a-Si)막은 형성온도가 낮아, 기상법으로 비교적 용이하게 형성할 수 있고, 양산성도 뛰어나기 때문에, TFT에 이용하는 반도체 박막으로서 일반적으로 이용되고 있다.

그러나, 비정질 실리콘막은 도전율 등의 물성이 다결정 실리콘(poly-Si)막에 비해서 떨어진다는(a-Si의 이동도는 poly-Si의 이동도에 비해서 2자리수 이상 낮다) 결점이 있기 때문에, TFT의 동작속도를 고속화하기 위해서 다결정 실리콘막에 TFT의 소스, 드레인, 채널영역을 형성하는 기술이 요구된다.

예를 들면, 엑시머 레이저를 이용한 어닐링법(Excimer Laser Annealing;이 하, ELA법이라고 부른다)이 이용되고 있다. 이 방법은, 범용 유리기판이 사용가능한 온도범위(즉, 실온에서 500℃정도까지)에서 실시할 수 있다.

ELA법은 예를 들면 기판상에 비정질 실리콘막을 소정의 두께(예를 들면, 50nm정도)로 퇴적한 후, 이 비정질 실리콘막에 불화크립톤(KrF) 엑시머 레이저광(파장248nm)이나 염화크세논(XeCl)엑시머 레이저광(파장 308nm)등으로부터 선택된 레이저광을 조사해서 조사영역을 국부적으로 비정질 실리콘막을 용융·재결정화시켜서 다결정 실리콘막으로 바꾸는 결정화방법이다.

또한 ELA법은 레이저광의 평균강도(플루언스)를 변화시킴으로써, 그 외에도 여러가지 프로세스에 적응가능하다. 예를 들면, 가열작용만 갖는 레이저광의 강도로 하면, TFT의 불순물 활성화공정에 이용할 수 있다. 또, 레이저광의 강도를 극단적으로 올리면, 급격한 온도상승을 일으키기 때문에, TFT에서의 막의 제거에 이용할 수도 있다. 또한, 이 현상들의 이용은 TFT에만 한정되는 것이 아니라, 널리 반도체 제조 프로세스에 적용할 수 있다.

그런데, 액정표시장치나 유기EL 표시장치 등의 표시장치에서, 동작속도의 고속화를 꾀하기 위해서, 다결정 실리콘막에 TFT를 만든 경우, 각 TFT의 채널영역에 포함되는 결정립계의 수와 분포에 불균일이 발생하면, 각 TFT의 스레시홀드 전압(Vth)의 불균형을 현저히 증대시켜 표시장치 전체로서의 동작특성을 대폭 저하시키는 원인이 된다. 이때문에, 각 TFT에는 각 채널영역에서의 결정립계수를 가능한 한 균질하게 하든가, 결정립의 크기를 채널영역보다 크게 성장시키고 결정립의 위치를 제어해서 각 채널영역에서 결정립계를 배제하는 것이 요망되고 있다.

본원 발명자들은 대입경의 결정립을 가지는 실리콘을 형성하기 위한 레이저 어닐링법을 개발하였다. 이 방법에서는, 레이저광이 조사되는 광로의 도중에 레이저광의 위상을 변조시키는 「위상 시프터」라는 광학소자(위상변조소자)를 삽입해서 비정질 실리콘막상에서의 레이저광의 광강도 분포를 적절한 형상으로 조정하여 대입경의 결정립을 성장시킨다.여기서, 이 위상시프터는 미세한 평면패턴이 투명석영기판에 홈이나 돌출부를 갖춘 단차부로 형성되는 광학소자이다. 이 위상시프터는 시프터를 통과하는 레이저광에 위상차를 부여하여 레이저광의 회절과 위상차를 갖는 레이저광의 간섭에 의해 2차원의 레이저광 강도분포를 형성한다. 2차원의 레이저광 강도분포가 이러한 방식으로 조정되면 피처리기판상에는 적절한 온도분포가 생긴다. 그 결과, 2~7 미크론 정도의 큰 입경의 실리콘 단결정을 위치제어하는 것이 가능하다.

레이저 어닐링법의 개발의 결과 다음과 같은 사실이 밝혀졌다. 즉, 비정질 실리콘막에 조사되는 레이저광에 관련하여, 서브 미크론 레벨의 미소영역에서의 광강도 분포의 패턴은 대결정립을 형성하기 위한 결정립의 위치를 제어하는데 매우 중요하다. 그러나, 이러한 광강도 분포를 정확하게 측정하는 방법은 엑시머 레이저광이 자외선 영역의 비가시광선인 이유 등으로 매우 어려워 아직 확립되지 못하고 있다.

ELA법에 사용되는 레이저광의 광강도 분포를 측정하기 위한 방법으로서, 지금까지 다음과 같은 방법을 취하고 있다.

그 하나는 비정질 실리콘막에 레이저광을 조사해서 그 물성의 변화에 기초해서 레이저광의 광강도 분포를 평가하는 것이다. 즉, 처리대상이 되는 비정질 실리콘막에 결정화를 유기하는 정도의 스레시홀드값의 광강도(플루언스)로 레이저광을 조사한다, 그러면, 광강도가 강한 부분만이 다결정 실리콘이 되어, 그 물성이 부분적으로 변화된다. 따라서, 비정질 실리콘막에 레이저광을 조사한 후, 그 부분의 조직을 현미경으로 관찰함으로써, 레이저의 광강도 분포를 추정할 수 있다. 또한, 이와 같은 물성의 변화에 기초하는 평가방법에서는, 비정질 실리콘막의 결정화뿐만 아니라, 다른 재료(예를 들면, 포토 레지스트)의 물리적 성질 또는 화학적 성질의 변화를 이용할 수도 있다.

또 다른 하나의 방법은, 표면에 형광재를 도포한 전용 촬상용 기판을 사용하는 것이다(일본 특허출원 제 2004-020104호). 이 방법에서는, 레이저광의 광강도 분포를 측정하려고 하는 횡면에 형광재의 도막의 면을 일치시킨다. 상기 촬상용 기판을 유지하고, 그 상태에서, 촬상용 기판의 표면측으로부터 레이저광을 조사한다. 이 때, 형광재로부터 방사되는 형광을, 촬상 광학계를 이용해서 2차원적으로 확대해서, 레이저광의 단면상(광강도 분포)을 촬상용 기판의 뒷면측에서부터 촬상하고 있다.

여기서, 전자의 물성의 변화에 기초해서 레이저광의 광강도 분포를 측정하는 방법에는, 다음과 같은 문제가 있었다. 즉, 광강도와 물성의 변화의 관계는 물성변화의 스레시홀드값에 의해서 평가하므로, 단계적으로 조사되는 레이저광 강도를 변화시키지 않으면 안되며, 복수회의 레이저 조사와 물성평가가 필요하다. 그 결과, 레이저 조사의 조건의 불균형이 이 평가에는 포함된다. 또, 물성의 변화를 생기게 하는 재료자체에도 불균형이 있으므로, 광강도 분포를 「평면상」으로서 받아들이는(포착하는) 것은 상당히 어렵고, 그다지 정확한 평가라고 할 수 없다. 또한, 물성의 변화의 평가는 오프라인의 검사가 되므로, 결과가 얻어질때까지 시간이 걸린다.

한편, 후자의 형광으로 변환해서 레이저광의 단면상을 촬상하는 방법에는, 다음과 같은 문제가 있었다. 즉 형광이 가시광이므로, 얻어지는 단면상의 공간분해능은 형광파장인 대략 0.5㎛ 이하가 되지 않는다. 또, 일반적으로 형광물질은 유독하고, 환경에 크게 영향을 미친다.

본 발명은 이상과 같은 종래의 레이저광의 광강도 분포의 측정방법에 대한 문제점을 감안해서 이루어진 것이다.

본 발명의 목적은 레이저광의 특정단면에서의 단면상(광강도 분포)을 높은 공간 분해능으로, 정확하면서도 단시간에 촬상할 수 있는 촬상방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명은 레이저광의 단면에서의 단면상의 촬상방법으로서, 레이저광이 전파하는 방향에 대하여 상기 단면의 전방에 촬상장치를 설정하는 단계와, 상기 단면상에 상기 레이저광의 일부를 차단하도록 차광부재를 설정하는 단계와, 상기 차광부재에 의해서 일부 차단된 상기 레이저광의 강도분포를 나타내는 음영상을 상기 촬상장치에 의해 촬상하는 단계와, 상기 촬상된 음영상이 미리 정해진 조건을 만족 하도록 상기 촬상장치의 광학계의 초점을 제어하는 단계와, 상기 차광부재를 상기 레이저광의 광로로부터 퇴피시켜, 상기 단면에서 레이저광의 단면상을 상기 촬상장치에 의해 촬상하는 단계와, 를 구비한 것을 특징으로 하는 레이저광의 단면상의 촬상방법을 제공한다.

본 발명의 방법에 의하면, 레이저광의 음영상의 명부와 암부 사이의 경계면이 선명하므로 상기 촬상장치의 광학계의 초점을 단면(예를 들면, 피처리기판의 표면에 상당하는 위치)에 정확히 일치시킬 수 있다. 그것에 덧붙여, 레이저광을 직접 검출하므로, 단면에서의 레이저광의 단면상(광강도 분포)을 정확히 촬상할 수 있다.

예를 들어, 상기 차광부재는 나이프 엣지상의 부재이며, 상기 레이저광의 일부가 이 부재에 의해 차광될 때 상기 나이프 엣지상의 맨끝 부분이 상기 단면내에 위치하도록 한다.

대안으로는, 이 차광부재는 투명기판의 표면일부에 차광박막이 피복된 것이다. 더욱이, 이 차광부재는 상기 레이저광의 일부가 차광될 때 이 차광박막이 상기 단면내에 있도록 위치한다.

또, 레이저 어닐링장치에서는, 상술한 방법으로 레이저광의 강도분포를 모니터링한다. 이 경우에, 상기 레이저 어닐링장치는 피처리 기판상의 반도체박막을 광강도 구배를 가지는 광으로 조사하여 이 반도체박막을 결정화하며, 이 장치는, 상기 기판을 유지하는 시료 스테이지와, 상기 기판을 향해서 레이저광을 출사하는 레이저 광원과, 상기 레이저 광원과 시료 스테이지 사이에 배치되어 레이저광의 강도 를 감소시키는 감쇠기와, 상기 시료 스테이지가 레이저광의 광로로부터 퇴피될 때 기판과 동일 평면상에 있는 상기 레이저광의 일부를 차단하도록 설정되는 차광부재와, 상기 레이저광의 광로에 대하여 상기 시료 스테이지와 상기 차광부재를 교대로 삽입 및 퇴피시킬 수 있도록 설정된 구동기구와, 상기 레이저광의 광로에서 상기 차광부재의 배면측에 배치된 촬상장치와, 상기 차광부재에 의해 일부가 차광된 레이저광의 강도분포를 나타내는 음영상을 상기 촬상장치에 의해 촬상하여 상기 촬상장치의 광학계의 초점을 조정하는 초점조정수단을 포함한다.

이 레이저 어닐링장치에서는, 촬상장치의 광학계가 초점조정되어 레이저광의 단면상이 상술한 방법에 따라 촬상된다. 결과적으로, 피처리기판의 표면에 대응하는 위치에서 레이저광의 강도분포가 미리 설정된 조건을 만족하는 것을 확인한 후에, 시료 스테이지를 이동하여 레이저광의 광로에 피처리기판을 셋팅한다. 이 상태에서, 피처리 기판상의 반도체박막을 레이저광으로 조사한다.

바람직하게는, 상기 레이저 어닐링장치에서는, 상기 감쇠기와 시료 스테이지 사이의 레이저광의 광로에 호모지나이즈 광학계와 위상시프터를 배치한다. 호모지나이즈 광학계는 2차원상 레이저광의 강도분포를 균질화한다. 위상시프터는 호모지나이즈 광학계의 초점위치에 설치되며, 2차원상 레이저광의 강도분포를 생성한다.

본 발명의 방법이 레이저 어닐링장치에 적용되면, 피처리기판의 표면에 대응하는 위치에서 레이저광의 강도분포를 정밀하게 그리고 비교적 단시간에 측정할 수 있다. 따라서, 레이저광의 강도분포를 만족할만한 상태로 유지시킬 수 있다. 레이저광의 강도분포가 정밀하게 조정되면 목표로 하는 대입경의 실리콘 결정립을 기판 상의 비정질 실리콘박막 또는 다결정 실리콘박막으로부터 얻을 수 있다.

(실시예1)

본 발명의 방법에 기초해서 레이저광의 단면상을 촬상하는 방법에 대해서 설명하겠다.

도1은 레이저광의 단면상을 촬상하기 위한 촬상시스템의 구성을 설명하기 위한 구성도이다. 감쇠기(2), 나이프 엣지(30)(차광부재), 및 촬상장치(51)가 레이저 광원(1)으로부터 출사되는 레이저광(20)의 광로를 따라 순차적으로 배치되어 있다. 감쇠기(2)는 레이저광의 강도를 소정의 강도로 조정한다. 나이프 엣지(30)는 단면에 설치되어 레이저광(20)의 2차원 강도분포를 측정하기 위한 단면을 특정하기 위하여 레이저광(20)의 일부를 차광한다. 촬상장치(51)는 레이저광(20)의 진행방향에 대하여 나이프 엣지(30)의 전방에 배치되어, 나이프 엣지(30)의 맨끝 부분을 촬상한다. 또한, 나이프 엣지(30)가 레이저광(20)의 광로로부터 퇴피된 후에는, 레이저광(20)의 단면상이 상술한 평면에서 촬상된다.

이 촬상장치(51)는 촬상 광학계(40)와, CCD(50)로 이루어진다. 촬상 광학계(40)는 대물렌즈(41)와 광학통(42)을 포함한다. CCD(50)는 광학통(42)의 후단(하측면)에 부착된다. 대물렌즈(41)는 CCD(50)의 입사광을 결상시킨다. CCD(50)는 광전효과에 의해 입사광을 전기신호로 변환한다. 광학통(42)은 대물렌즈(41)에서 CCD(50)까지의 광로를 외부광으로부터 차단한다.

촬상장치(51)는 촬상 스테이지(60)상에서 유지된다. 촬상 스테이지(60)는 X축 방향으로 이동하는 X스테이지(61)와, X스테이지(61)상에 놓여져 Y축 방향으로 이동하는 Y스테이지(62)와, Y스테이지(62)상에 놓여져 상하(Z방향)방향으로 이동하는 Z스테이지(62)로 이루어진다. 촬상장치(51)는 X스테이지(61)와 Y스테이지(62)에 의해 레이저광(20)의 광축에 대하여 위치조정된다. 대물렌즈(41)의 초점조정은 Z스테이지(63)의 상하 움직임에 의해 이루어진다.

어떤 단면상도 촬상되지 않을 때, 즉, 피처리기판이 레이저 어닐링될 때는 나이프 엣지(30), 촬상장치(51), 및 촬상 스테이지(60)는 레이저광(20)의 광학축으로부터 신장된 선 바깥으로 퇴피가능하다.

CCD(50)의 출력회로에는 컴퓨터(80)가 접속되고, 이 컴퓨터(80)에는 입력정보나 출력정보를 선택적으로 표시하는 표시장치(81)가 접속되어 있다. 컴퓨터(80)는 레이저광원(1)의 레이저 발진제어, 감쇠기(2)의 레이저광량 제어, 나이프 엣지(30)의 음영상 정보로부터, 감쇠기제어, 촬상장치(51)의 X-Y-Z축 방향으로의 위치제어 등의 제어를 자동적으로 행한다.

다음에, 이 시스템을 사용하여 레이저광의 단면상을 촬상하는 방법에 관하여 설명하기로 한다.

레이저광의 단면상을 촬상하기 전에, 나이프 엣지(30)를 이용하여 촬상광학계(40)의 초점조정을 먼저 실시한다. 즉, 나이프 엣지(30)를 레이저광(20)의 광학축에 위치설정 및 유지하여 레이저광(20)의 일부가 상기 엣지부에 의해 차광되도록 한다. 나이프 엣지(30)의 맨끝의 높이는 레이저광(20)의 강도분포가 측정되는 단면과(따라서, 레이저광(20)을 이용하여 피처리기판의 표면과) 이 맨 끝부분이 나란하도록 정렬한다.

이 상태에서, 레이저 광원(1)으로부터 나이프 엣지(30)쪽으로 레이저광(20)이 출사되고, 나이프 엣지(30)의 음영상이 대물렌즈(41)에 의해 2차원상으로 확대되어 CCD(50)에 의해 촬상된다. CCD(50)에 의해 얻어진 데이터는 컴퓨터(80)에서 분석한다. 컴퓨터(80)는 촬상 스테이지(60), 차광부재용 스테이지(110)(도8), 감쇠기(2), 및 레이저광원(1)을 제어하고, 촬상을 반복하면서 촬상장치(51)의 시야와 초점을 조정한다. 즉, 컴퓨터(80)는, 촬상장치(51)의 시야를 나이프 엣지(30)의 맨끝과 일치시키기 위하여 X스테이지(61)와 Y스테이지(62)를 이동하고, 또 촬상장치(51)의 초점과 나이프 엣지(30)의 맨끝을 일치시키기 위하여 Z스테이지(63)를 이동한다.

그 후, 나이프 엣지(30)를 퇴피시키고, 촬상장치(51)에 의해 상술한 단면에서 레이저광(20)의 단면상을 촬상한다. 이 경우에, 컴퓨터(80)는 레이저 광원(1)의 레이저 발진 타이밍제어, 레이저광(20)의 광량조정 등의 제어를 수행한다.

촬상장치(51)의 초점조정에 관하여 보다 상세하게 설명하기로 한다. 상술한 바와 같이, 레이저광(20)의 광로상에 나이프 엣지(30)가 위치설정되면, 나이프 엣지(30)의 맨끝 부분의 영상(음영상)이 CCD(50)에 의해 촬상된다. 이러한 방식으로, 반복하여 나이프 엣지(30)의 맨끝 부분을 촬상하면서, 나이프 엣지(30)에 의한 음영상의 경계부에서의 광강도 구배가 미리 설정된 목표값 이상의 경사도가 되도록 촬상 광학계(40)의 초점을 조정한다.

구체적으로는, 도2에 도시한 2차원상에서와 같이, 나이프 엣지(30)에 의한 차광영역은 어둡게 표시되고, 다른 영역은 밝게 표시된다. 도3a는 도2의 A-A'를 따 른 규격화된 1차원 광강도분포를 나타낸다. A점에서는 암레벨(0)로 나타나지만, 나이프 엣지(30)의 영역을 벗어나면 레벨이 급격히 증대되어 A'점에서는 명레벨(1)을 나타낸다. 암레벨에서 명레벨로의 천이영역의 거리가 가장 짧을 때가 촬상장치(51)의 초점이 나이프 엣지(30)의 맨끝과 일치한다. 레이저광의 코히어런스(coherency)가 만족스러울 때 프레넬 회절효과에 의해 천이영역의 양단에서 프린지(고주파 성분)가 발생하는 경우가 있음을 주목하여야 한다. 이 경우에는 파형에 대하여 적당한 로우패스 필터를 적용하면 이 프린지를 제거할 수 있다. 초점위치를 명확히 하기 위하여, 거리(x)에 대해서 도3a의 파형을 미분한다. 그 결과 도3b에 나타내는 것과 같은 분포곡선이 얻어진다. 이 분포곡선의 최대값의 반이 되는 폭(D)이 가장 짧을 때 촬상장치(51)의 초점이 나이프 엣지(30)의 맨끝 부분과 일치한다.

이 장치를 반도체박막의 결정화장치에 이용하면, 나이프 엣지(30)의 위치가 피결정화기판을 설치하는 위치이다. 이 결정화 공정시의 레이저광의 광강도 분포를 확인할 필요가 발생한 경우, 피결정화기판을 퇴피시키고, 그 위치에 나이프 엣지(30)를 설치한다. 이 상태에서, 촬상장치(51)의 위치 및 초점 조정을 행한다. 그 후, 나이프 엣지(30)를 퇴피시킨 후, 레이저광을 발진하면, CCD(50)의 광전 변환면에는 초점위치의 단면상이 결상된다. 이렇게 하여, 피결정화기판의 단면상에 결상되는 광강도 분포의 패턴을 확인할 수 있다.

적합하게는 차광부재로서 나이프 엣지를 사용한다. 나이프 엣지를 사용한 경우에는, 나이프 엣지의 맨끝의 평탄도를 ±0.1㎛이하의 정밀도로 가공함으로써, 상기 촬상장치(51)의 초점조정의 대상이 되는 단면(단면상의 촬상이 행해지는 대상 면)을 정확히 특정할 수 있다. 또한, 나이프 엣지를 사용한 경우에는, 나이프 엣지의 바깥으로 벗어난 부분에서는 레이저광(20)의 광로상이며, 나이프 엣지의 맨끝을 지나가는 면에서 레이저광(20)의 광로를 차광하는 것이 아무것도 없다. 따라서, 상기 촬상장치의 초점을 피처리기판의 표면에 상당하는 위치에 정밀하게 맞출 수 있다.

또, 도4 및 도5에 도시한 바와 같이, 상기 차광부재로서 차광판(33)을 사용할 수도 있다. 이 차광판(33)은 투명기판(31)의 일부표면을 차광박막(32)으로 피복하여 이루어진다. 차광박막(32)은 1㎛정도 이하의 두께가 바람직하다. 도4의 배치의 경우, 초점의 대상면은 차광판(33)의 뒷면이 되고, 도5의 배치의 경우는 차광판(33)의 표면이 된다. 도5의 경우, 상기 촬상장치 초점조정을 행할 때는 차광판(33)의 두께(t)와 굴절을 고려한 후, 레이저광(20)의 광로내에서 해당 차광박막(32)의 테두리 부분이 상기 피처리기판의 표면에 상당하는 위치에 오도록, 해당 차광판(33)을 배치한다.

도6은 도1의 장치에서 제어장치의 구성을 나타낸다. 버스(82)에는 입출력수단(83)이 접속되고, 미리 정해진 조작 프로그램을 기억하는 메모리(84)가 접속되고, 메모리(84)에 기억된 조작 프로그램에 의해 제어되는 중앙제어장치(이하 CPU라고 한다)(85)가 접속되고, 입·출력정보를 표시하는 표시장치(81)가 접속되어 있다.

버스(82)에는, 또한 레이저광원(1)의 동작을 자동적으로 제어하는 프로그램이 기억된 레이저장치용 제어정보 기억장치(88), CCD(50)를 지지하는 촬상 스테이 지(60)를 제어하는 프로그램이 기억된 촬상장치용 스테이지 제어정보 기억장치(87), 피처리기판(10)을 지지하는 기판 스테이지(100)를 제어하는 프로그램이 기억된 기판 스테이지 제어정보 기억장치(89), 차광부재 스테이지 제어용 정보기억장치(90), 기판과 차광부재와 촬상장치의 3개의 스테이지를 놓는 공통 스테이지(70)를 제어하는 프로그램이 기억된 공통 스테이지 제어정보 기억장치(99)가 접속되어 있다.

또한, 이 버스(82)에는 미리 정해진 촬상·분석작업을 자동적으로 실행하기 위한 프로그램이 기억된 촬상·분석용 제어정보 기억장치(91)가 접속되어 있다.

이어서, 도6의 블럭도를 참조하면서 도1에 나타내는 장치의 자동초점 조정방법의 실시형태를 설명하겠다. 우선, 초점을 맞추기 위한 작업 전에, CPU(85)는 메모리(84)에 기억되어 있는 기본 프로그램을 읽어내어 작업을 개시한다. 다음으로 CPU(85)는 공통 스테이지 제어정보 기억장치(99)로부터 데이터를 읽어낸다. 이 데이터에 기초해서, 레이저광(20)의 광로로부터 피처리기판(10)이나 피처리기판(10)을 지지하는 스테이지(100)를 미리 정해진 퇴피위치로 이동제어한다. 이 때, CPU(85)는 기판 스테이지 제어정보 기억장치(89) 및 차광부재 스테이지 제어용 정보 기억장치(90)를 구동시킨다. CPU(85)는 퇴피제어된 확인정보가 입출력수단(83)으로 입력된 것을 인식한다.

다음으로, CPU(85)는 CCD(50)의 초점맞추는 프로세스를 자동적으로 실행한다. CPU(85)는 레이저광(20)의 광로에 피처리기판(10)이나 촬상 스테이지(60)가 없는 것을 메모리(84)에 기억하게 한다. CPU가 이것을 인식한 후, 차광부재 스테이지 제어용 정보기억장치(90)로부터 제어 프로그램을 읽어내서, 차광부재를 레이저광(20)의 일부를 차단하는 미리 정해진 위치로 이동제어한다. 동시 또는 이어서, CPU(85)는 촬상장치용 스테이지 제어정보 기억장치(87)로부터 제어정보를 읽어내어, 촬상·분석용 장치를 레이저광(20)의 미리 정해진 위치로 이동제어한다.

차광부재 및 촬상장치가 이동된 정보가 입출력수단(83)을 통해서 메모리(84)에 기억되었을 때, CPU(85)는 레이저장치용 제어정보 기억장치(88)로부터 레이저광원 제어정보를 읽어내고, 레이저광원(1)을 제어하여 레이저광을 출사한다. CPU(85)는 촬상·분석용 제어정보 기억장치(91)로부터 초점조정 제어 프로그램을 읽어내어, 촬상장치가 촬상한 차광부재의 음영신호를 메모리(84)에 기억함과 동시에 표시장치(81)에 표시한다. CPU(85)는 음영신호의 암레벨로부터 명레벨로의 천이영역의 거리가 가장 짧아지는 조건(즉, 음영신호의 거리의 미분값으로부터 얻어지는, 피크의 반치폭)을 초점위치정보로서 출력한다. 이 정보는, 메모리(85)에 기억함과 동시에 표시장치(81)의 표시화면에 표시한다.

도7을 참조해서 초점 맞추는 방법의 구체적인 흐름에 대해서 설명하겠다. 초점조정이 가장 잘된 상 데이터를 B로 한다. 상 데이터 B는 미리 메모리에 기억해 두어도 된다((a)단계). 이 데이터를 거리(X)로 미분해서 얻어진 파형의 반치폭(FWHM)을 Db로 한다((b)단계). 이 Db를 데이터 베이스로서 메모리에 기억해 두어도 좋다.

측정한 1차원 영상 데이터C는 화상입력된다((c)단계). 이 때, 앞에 서술한 프린지가 발생하면, 적절한 로우 패스필터를 걸어서 프린지를 제거한다. 1차원 영 역 데이터C를 거리(X)로 미분함으로써 1차원 영상 데이터C에 대한 반치폭(Dc)을 얻을 수 있다((d)단계). 이 Dc와 미리 기억되어 있는 Db의 차로부터 Ds를 얻는다.

이 차(Ds)가 0이 되면, 촬상 광학계는 초점위치에 있다. 그러나 Ds가 0이 아니면, 이것에 맞추어 촬상 광학계의 Z스테이지(63)를 z방향으로 보낸 양의 신호값(△z)을 산출하고, Z스테이지(63)를 이동시켜 다시 1차원 영상을 촬상한다. 이 흐름은 Ds=0이 될 때까지 행한다. 그 결과, 초점위치가 되는 촬상 광학계 Z스테이지(63)의 최적값이 결정된다. 이에 따라서, 나이프 엣지(30)의 맨끝에 의해서 특정된 높이(즉, 피처리기판의 표면에 상당하는 높이)에서 레이저광의 단면상을 직접적으로 촬상하는 준비가 완료된다.

CPU(85)는 초점위치정보를 확인한 후, 차광부재 스테이지 제어용 정보기억장치(90)로부터의 프로그램에 의해 나이프 엣지(30)를 레이저광(20)의 광로로부터 미리 정해진 퇴피위치로 퇴피시킨다. CPU(85)는 나이프 엣지(30)가 레이저광(20)의 광로로부터 퇴피한 것을, 입출력수단(83)을 통해서 확인한 후, 레이저장치용 제어정보 기억장치(88)로부터 데이터를 읽어내어, 레이저광원(1)으로부터 레이저광을 출사한다. 또한 CPU(85)는 감쇠기(2)에 의한 레이저 강도제어를 하고, 레이저광의 광강도 분포를 촬상장치에 의해 촬상한다. CPU(85)는 촬상출력신호를, 입출력 수단(83)을 통해서 메모리(84)에 기억함과 동시에 표시장치(81)에 기억한다. 이와 같이 해서 CPU(85)는 레이저광의 단면상을 촬상한다.

또한, 레이저광의 단면상을 촬상할 때는, 나이프 엣지(30), 촬상 광학계(40) 및 CCD(50)의 보호를 위해서, 레이저광의 강도는 실제의 레이저 어닐링 때에 비해 서 낮게 설정될 필요가 있다. 또한, 엑시머 레이저광을 위상 시프터(후술)를 통해서 조사했을 때의 피처리면에서의 단면상은 엑시머 레이저광의 출력을 바꾸어도 광강도의 절대값이 바뀔 뿐, 그 분포형상(빔 프로파일)은 변화되지 않는다는 사실에 주목하여야 한다.

대표적인 케이스에서, 단면상이 촬상되는 레이저광(20)의 빔 프로파일은, 한변 2mm인 사각형상의 레이저 조사영역에서 100㎛ø 정도이다. 이것이 대물렌즈(41)에서, 예를 들면 100~200배 정도로 2차원적으로 확대되며, 10~20mmø 정도의 화상으로서, CCD(50)상에 투사된다. 여기서, CCD(50) 자체의 픽셀 사이즈를, 예를 들면 10㎛이하로 하면, 피처리면의 위치에서의 공간분해능(즉, 레이저광의 빔 프로파일에 대한 공간 분해능)은 0.2~0.1㎛이하가 된다.

(실시예2)

<프록시미티 방식에 의한 레이저 어닐링장치의 예>

도8에 본 발명의 단면상의 촬상방법이 채용되는, 레이저 어닐링장치의 개략구성의 일예를 나타낸다. 이 장치에서는, 광강도를 변조한 레이저광을 피처리기판에 조사하기 위해서, 기판 바로 위에 위상 시프터(5)를 배치하는, 프록시미티 방식의 광학계를 채용하고 있다. 이 광학계의 일예는 결정화장치이다. 도1과 동일부분에는 동일부호를 부여하고, 그 상세한 설명은 중복되므로 생략하겠다.

레이저광(20)의 광로상에 감쇠기(2), 호모지나이즈 광학계(21), 거울(3), 위상 시프터(5)가 순서대로 배치되어 있다. 위상 시프터(5)는 호모지나이즈 광학계(21)와 피처리기판(10) 사이에 삽입되고, (여기에 도시되지 않은) 지시대에 의해서 피처리기판(10)으로부터 일정의 갭(d)을 가지며 유지된다. 또, 이 위상 시프터(5)는 레이저광의 광축으로부터 이동가능하여, 레이저광(20)의 광로로부터 떼어낼 수도 있다. 갭(d)은 대략 60에서 500㎛정도이다. 호모지나이즈 광학계(21)의 초점은 위상 시프터(5)의 두께분의 굴절에 의해서 변동되므로, 미리 계산을 해서 초점위치를 정하고, 그 계산된 위치에 피처리기판(10)을 배치하도록 설정해 둔다.

공통 스테이지(70)상에는, (피처리기판 스테이지(100)를 통해서) 피처리기판(10)과, (차광부재용 스테이지(110)를 통해서) 나이프 엣지(30)와, 단면상을 얻기 위한 촬상장치(40, 50, 60)가 나열되어 유지된다. 피처리기판(10)의 높이와 나이프 엣지(30)의 높이와 위상 시프터(5)의 높이는 높이측정 센서(65)에서 측정된다. 나이프 엣지(30)의 배면측에는 촬상장치(40, 50, 60)가 배치되어 있다. 촬상장치는 앞에서 도1을 이용해서 설명한 것과 동일하고, 촬상 광학계(40), CCD(50), 촬상 스테이지(60)등으로 구성되어 있다.

레이저광원(1)으로부터 조사된 레이저광(20)은 감쇠기(2)에서 감쇠된 후, 호모지나이즈 광학계(21)를 통해서 거울(3)로 전달된다. 피처리기판(10)과 나이프 엣지(30)는 위상 시프터(5)를 통하여 호모지나이즈 광학계(21)의 초점에 배치된다.

또한 위상 시프터(5)는 광의 위상을 변조함으로써, 피처리기판(10)의 표면에서 피처리기판(10)의 처리의 목적에 적합한 광강도 분포를 형성하는 광강도 변조소자이다. 위상 시프터(5)는, 예를 들면 석영기판에 에칭으로 단차를 형성함으로써 제작된다. 레이저광(20)은 위상 시프터(5)에 의해서 위상변조되고, 2차원적인 광강도 분포가 얻어지며, 피처리기판(10)의 표면에 입사되어 결상된다.

이 결상된 레이저광의 패턴을 확인하고 싶을 때, 즉 피처리기판(10)의 표면에 입사되는 레이저광의 단면상을 촬상할 때는, 우선 공통 스테이지(70), 차광부재용 스테이지(110), 촬상 스테이지(60)를 구동하고, 나이프 엣지(30), 촬상장치(40, 50, 60)를 레이저광(20)의 광축의 연장선상으로 이동한다. 그리고 위상 시프터(5)를 레이저광(20)의 광로로부터 떼어낸다. 나이프 엣지(30)의 높이 및 위치, 레이저광(20)의 광축에 대한 촬상 광학계(40) 및 CCD(50)의 얼라인먼트 등이 종료된 후, 나이프 엣지(30)에 레이저광(20)을 조사해서, 앞에 기재한 순서에 따라서 촬상 광학계(40)의 초점조정을 행한다. 촬상 광학계(40)의 초점조정이 종료된 후, 나이프 엣지(30)를 퇴피시켜 위상 시프터(5)를 레이저광(20)의 광로에 삽입하고 단면상의 촬상을 행한다.

위상 시프터(5)에 의해 위상변조된 레이저광의 패턴을 확인하고자 하는 경우는, 위상 시프터(5)를 광축으로부터 퇴피시키지 않고 촬상장치에 의해 촬상하면 된다.

레이저광의 단면상(피처리기판의 표면에 상당하는 높이에서의 광강도 분포)은 촬상 광학계(40)에 의해서 2차원적으로 확대되고, CCD(50)에서 촬상된다. CCD(50)는 촬상된 레이저광의 상을 디지털신호로 변환하고, 컴퓨터(80)로 보낸다. 처리된 데이터(즉, 촬상된 레이저광의 광강도 분포)는 표시장치(81)에 표시된다.

촬상된 단면상과, 표시장치(81)상에 미리 기억되어 있는 목표의 단면상을 비교함으로써, 양자의 차가 미리 정해져 있는 허용한도내에 들어가 있는 것을 확인한다. 양자의 차가 허용한도내에서 벗어난 경우에는, 피처리기판(10)과 위상 시프터 (5)의 거리(d)(즉, 레이저광(20)의 광축방향의 미세조정)를 조정하고, 양자의 차를 허용한도내로 한다. 또한, 이와같은 단면상의 확인 및 조정은 컴퓨터(80)를 이용해서 자동적으로 행한다.

상기와 같은 단면상의 체크는 레이저광에 의한 처리중, 피처리기판의 처리매수 또는 시간에 대한 적당한 인터벌을 설정해서 행해진다. 조정에 의해서 레이저 어닐링에 맞는 단면상(광강도 분포)인 것이 확인되면, 공통 스테이지(70) 및 피처리기판 스테이지(100)를 구동해서 레이저광(20)의 광축상에 피처리기판을 배치하고, 적절한 레이저 플루언스가 얻어지도록 감쇠기(2)를 조절한 후, 레이저 어닐링을 행한다.

또한, 비정질 실리콘박막(14)을 용융해서 결정화시킬 때의 엑시머 레이저광의 에너지(플루언스값)는 예를 들면 200mJ/cm²이며, 대입경의 실리콘 결정립을 형성하려면 예를 들면 800mJ/cm²정도의 플루언스가 필요하다. 이에 비해, 엑시머 레이저광의 단면상을 촬상할 때의 에너지는 예를 들면 10mJ/cm²~30mJ/cm²정도이다.

(실시예3)

<프로젝션 방식에 의한 레이저 어닐링장치의 예>

도9에 본 발명의 단면상의 촬상방법이 채용되는 다른 레이저 어닐링장치의 구성예를 나타낸다. 이 장치에서는 피처리기판에 레이저광을 조사하기 위해서, 프로젝션 방식의 광학계를 채용하고 있다. 도1 및 도8과 동일부분에는 동일부호를 부여하고, 그 상세한 설명은 중복되므로 생략하겠다.

공통 스테이지(70)상에는, (피처리기판 스테이지(100)를 통해서) 피처리기판(10)과, (차광부재용 스테이지(110)를 통해서) 나이프 엣지(30)와, 촬상장치(40, 50, 60)가 나열되어 유지된다. 피처리기판(10)의 높이와 나이프 엣지(30)의 높이는 높이측정 센서(65)에서 측정된다. 나이프 엣지(30)의 배면측에는 촬상장치(40, 50, 60)가 배치되어 있다. 촬상장치는 앞의 도1을 이용해서 설명한 것과 같고, 촬상 광학계(40), CCD(50), 촬상 스테이지(60)등으로 구성되어 있다.

레이저광(20)의 광로에는 감쇠기(2), 호모지나이저(21), 위상 시프터(5a), 거울(3) 및 프로젝션 렌즈(4)가 순서대로 배치되어 있다. 피처리기판(10)및 나이프 엣지(30)의 높이는 높이측정 센서(65)에서 측정된다.

레이저광원(1)으로부터 발사된 레이저광(20)은 감쇠기(2)에서 적절한 강도로 감쇠된다. 이어서, 호모지나이저(21)로 들어와서 광강도 분포가 호모지나이즈(균일화)된다. 광강도가 균일화되는 위치에 배치된 위상 시프터(5a)에 의해서 레이저광(20)은 위상변조된다. 위상변조된 레이저광(20)은 거울(3)에 도달하고, 이어서 프로젝션렌즈(4)에 들어가고, 프로젝션렌즈(4)가 갖는 배율로 변환되어 피처리기판(10)상에서 결상된다. 여기서, 광강도가 균일화되는 위치에 배치된 위상 시프터(5a)의 상은 프로젝션렌즈(4)를 통해서 기판표면위치에서 상을 다시 맺는, 공역의 관계로 되어 있다. 이 상면에 기판을 배치함으로써 위상변조된 레이저 어닐링이 행해진다. 이 상면을 촬상함으로써 프로젝션 방식의 레이저 어닐링의 제어성을 높일 수 있다.

상면을 촬상하는 방법은, 앞에 나타낸 프록시미티 방식에 의한 레이저 어닐 링장치(도8)의 경우와 유사하지만, 조정부분이 약간 다르다.

피처리기판(10)의 표면에 입사되는 레이저광의 단면상을 촬상할 때는, 우선 공통 스테이지(70), 차광부재용 스테이지(110), 촬상 스테이지(60)를 구동해서, 나이프 엣지(30), 촬상장치(40, 50, 60)를, 레이저광(20)의 광축의 연장선상으로 이동한다. 그리고 위상 시프터(5a)를 레이저광(20)의 광로로부터 떼어낸다. 나이프 엣지(30)의 높이 및 위치, 레이저광(20)의 광축에 대한 촬상 광학계(40) 및 CCD(50)의 얼라인먼트 등이 종료된 후, 나이프 엣지(30)에 레이저광(20)을 조사해서, 앞서 기재한 순서에 따라서 촬상 광학계(40)의 초점조정을 행한다. 촬상 광학계(40)의 초점조정이 완료된 후, 나이프 엣지(30)를 퇴피시켜 위상 시프터(5a)를 레이저광(20)의 광로에 삽입하고 단면상의 촬상을 행한다.

레이저광의 단면상(피처리기판의 표면에 상당하는 높이에서의 광강도 분포)은 촬상 광학계(40)에 의해서 2차원적으로 확대되고, CCD(50)에서 촬상된다. CCD(50)는 촬상된 레이저광의 상을 디지털신호로 변환해서 컴퓨터(80)로 보낸다. 처리된 데이터(즉, 측정된 레이저광의 광강도 분포)는 표시장치(81)에 표시된다.

촬상된 단면상과, 표시장치(81)상에 미리 기억되어 있는 목표의 단면상과 비교함으로써, 양자의 차가 미리 정해져 있는 허용한도내로 제한되는 것을 확인한다. 양자의 차가 허용한도내에서 벗어나 있는 경우에는, 피처리기판(10)과 위상 시프터(5a)의 배치(즉, 레이저광의 광축과 평행한 방향의 거리나 레이저광(20)의 광축과 수직인 면에서의 회전 등)를 조정하고, 양자의 차를 허용한도내로 제한한다. 또한, 이와 같은 단면상의 확인 및 조정은 컴퓨터(80)를 이용해서 자동적으로 행한다.

상기와 같은 단면상의 체크는 피처리기판의 처리매수 또는 적당한 시간적 간격을 설정해서 행해진다. 조정에 의해서 레이저 어닐링에 맞는 단면상(광강도 분포)인 것이 확인되면, 공통 스테이지(70) 및 피처리기판 스테이지(100)를 구동해서 레이저광(20)의 광축상에 피처리기판을 배치하고, 적절한 레이저 플루언즈가 얻어지되도록 감쇠기(2)를 조절한 후, 레이저 어닐링을 행한다.

본 발명의 촬상방법에 의하면, 피처리기판을 광로상에 배치하지 않은 상태에서, 상기 촬상장치의 광학계의 초점을 피처리기판의 표면에 상당하는 위치에 정확하게 일치시킬 수 있다. 그에 더해서, 레이저광을 직접적으로 검출하므로, 피처리기판의 표면에 상당하는 위치에서의 레이저광의 단면상(광강도 분포)을 정확하게 촬상할 수 있다.

본 발명의 레이저 어닐링장치에 의하면, 레이저광의 광강도 분포의 측정 및 조정을 단시간에 행할 수 있다. 따라서, 레이저광의 광강도 분포를 항상 양호한 상태로 유지할 수 있다. 또, 본 발명의 레이저 어닐링장치에 의하면, 레이저광의 광강도 분포를 정확하게 측정할 수 있으므로, 기판상에서 비정질 실리콘박막 또는 다결정 실리콘박막으로부터 목표로 하는 큰 입경의 실리콘 결정을 성장시킬 수 있다.

여기의 구현예들은 단지 예시에 불과하며 본 발명의 범위와 정신을 벗어남이 없이 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims

레이저광의 단면에서의 단면상의 촬상방법으로서,

레이저광이 전파하는 방향에 대하여 상기 단면의 전방에 촬상장치를 설정하는 단계와,

상기 단면상에 상기 레이저광의 일부를 차단하도록 차광부재를 설정하는 단계와,

상기 차광부재에 의해서 일부 차단된 상기 레이저광의 강도분포를 나타내는 음영상을 상기 촬상장치에 의해 촬상하는 단계와,

상기 촬상된 음영상이 미리 정해진 조건을 만족하도록 상기 촬상장치의 광학계의 초점을 제어하는 단계와,

상기 차광부재를 상기 레이저광의 광로로부터 퇴피시켜, 상기 단면에서 레이저광의 단면상을 상기 촬상장치에 의해 촬상하는 단계와,

를 구비한 것을 특징으로 하는 레이저광의 단면상의 촬상방법.
제1항에 있어서,

상기 차광부재는 나이프 엣지상의 부재이며, 상기 레이저광의 일부가 차광될 때 상기 나이프 엣지상의 맨끝 부분이 상기 단면내에 위치하도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저광의 단면상의 촬상방법.
제1항에 있어서,

상기 차광부재는 투명기판의 표면의 일부에 차광박막이 피복된 부재로서, 상기 레이저광의 일부가 차광될 때 상기 차광박막이 상기 단면내에 위치하도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저광의 단면상의 촬상방법.