TW201447273A - 用於檢測多晶矽層的方法 - Google Patents

用於檢測多晶矽層的方法 Download PDF

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Abstract

一種用於檢測多晶矽層的方法，包括：照射激發光至多晶矽層；以及偵測激發光所產生之光致發光訊號，其中此激發光之平均功率具有介於每平方公分1瓦至每平方公分10瓦之範圍，且此激發光之尖峰功率具有介於每平方公分100瓦至每平方公分1000瓦之範圍。

Description

用於檢測多晶矽層的方法 【0001】
本發明所述之技術一般來說涉及一種用於檢測多晶矽層的方法。特別是，本發明所述之技術一般來說涉及一種用於檢測多晶矽層之結晶度(crystallinity)及/或結晶結構的方法。
 【0002】
多數平板顯示裝置，例如有機發光二極體(OLED)顯示器、液晶顯示器(LCD)等，均包括薄膜電晶體(thin film transistor)。尤其是，具有良好的載子移動率(carrier mobility)之低溫多晶體矽薄膜電晶體(low temperature polycrystalline silicon thin film transistor, LTPS TFT)可被應用於高速運算電路中，亦可使用於CMOS電路中，因此低溫多晶體矽薄膜電晶體已被廣泛地使用。
【0003】
低溫多晶體矽薄膜電晶體包括藉由結晶非晶矽膜(amorphous silicon film)所形成之多結晶矽膜。而結晶非晶矽膜之方法包括固相結晶法、準分子雷射光束結晶法及金屬觸媒結晶法。
【0004】
雷射光束結晶法已被廣泛地使用，係因為雷射光束結晶法為一種相對較低溫之程序，且此程序減少基板之熱變形及可被用以生產具有卓越的載子移動率之多結晶矽層。
【0005】
為了判斷多晶矽層是否已適當地結晶，會照射光線於此多晶矽層上，並分析此多晶矽層放出之光線以判斷此多晶矽層是否具有瑕疵。
【0006】
而為了正確地判斷瑕疵的存在，照射於多晶矽層上之激發光之強度通常相對地較高，此舉可能會損傷此薄膜多晶矽層。
【0007】
於此先前技術之章節中所揭露之上述資訊僅是為了加強本發明所述技術之背景資訊之了解，因此其可包含不構成本發明之先前技術之資訊。
 【0008】
本發明之例示性實施例提供一種不會損傷薄膜多晶矽層之用於檢測多晶矽層之高效率方法。
【0009】
本發明之附加特性將會被闡述於後續之說明中，且其部分將由描述而顯而易見，亦或者可藉由實踐本發明而得知。
【0010】
本發明之例示性實施例提供一種用於檢測多晶矽層之方法，其包括照射激發光於多晶矽層上，以及偵測由激發光所產生之 光致發光訊號。
【0011】
其將理解的是，前述之一般性描述及後續之詳述均為例示性及解釋性描述，且意在提供本發明所主張內容之進一步解釋。
101．．．多晶矽層檢測裝置
110．．．光源
120．．．偵測器
210．．．多晶矽層
220．．．基體
225．．．隔離層
225A．．．氧化矽層
225B．．．氮化矽層
L．．．激發光
PL．．．光致發光訊號
【0012】
本發明之附圖被包括進來以提供進一步了解本發明，並被併入且構成本說明書之一部分，且此些附圖說明本發明之例示性實施例，並且與說明書一起用於說明本發明之原理。
【0013】
第1圖係為根據一例示性實施例用於檢測多晶矽層之裝置之示意圖。
【0014】
第2圖係為藉由拍攝從一例示性實施例中取得之光致發光訊號之偵測結果所取得之影像圖。
【0015】
第3圖係為藉由拍攝從一例示性實施例中取得之光致發光訊號之偵測結果所取得之影像圖。
 【0016】
以下本發明參照本發明之例示性實施例顯示之附圖而更充分地說明。如所屬技術領域具有通常知識者所理解的，本發明所述之實施例可以多種不同形式進行修改，均未背離本發明之精神與範疇。
【0017】
此外，為了例示性實施例之清楚描述，本發明省略與闡述無關之部分，且說明書中之相同的參考符號係代表相同的元件。
【0018】
於圖式中，構件之尺寸及厚度僅係為了方便說明而顯示，因此本發明並不需限制於本文所述及所顯示之闡述中。
【0019】
於圖式中，層、膜、面板及區域等之厚度係為了清晰起見而誇大。其將理解的是，當一元件，例如層、膜、面板、區域或基板被稱為於另一元件「上(on)」時，其可直接位於其他元件上，或亦可存在中介元件。
【0020】
第1圖係為根據一例示性實施例之用於檢測多晶矽層之方法所使用之裝置之示意圖。如第1圖所示，多晶矽層檢測裝置101包括光源110及偵測器120。
【0021】
多晶矽層210，其係為根據一例示性實施例之用於檢測多晶矽層之方法所使用之檢測目標物，係形成於基板220上，且係藉由例如固相結晶(solid phase crystallization)法、準分子雷射退火(excimer laser annealing, ELA)結晶法或超晶粒矽(super grain silicon, SGS)結晶法而結晶化。基板220可由介電材料所形成，且可為一種隔離層225形成於其上之玻璃基板。隔離層225可包括二氧化矽(silicon oxide, SiO2)層225A、氮化矽(silicon nitride, SiNx)層225B或其組合而成之雙層膜。隔離層225防止雜質從基板220擴散入多晶矽層210中。多晶矽層210可為1奈米至300奈米之厚度，且更詳細而言，多晶矽層210可為30奈米至100奈米之厚度。
【0022】
光源110輸出激發光L至多晶矽層210之表面。偵測器120偵測多晶矽層210所產生之光致發光訊號PL。此被偵測器120所偵測之光致發光訊號PL會被傳送至控制器(未繪示)，且係藉由使用控制器判斷光致發光訊號PL之強度及光譜以估計多晶矽層210之層狀品質。
【0023】
當多晶矽層210小於300奈米之厚度時，表面積與厚度之比例會相對地較高，使得藉由激發光L所產生之自由載子之表面複合速度相對地較快，且自由載子之壽命會變得相對較短，藉此導致光致發光訊號PL之強度大幅降低。更甚者，當使用通常應用於矽之光致發光研究之可見光或紅外線來檢測多晶矽層210時，大部分之激發光L會穿過多晶矽層210而進入基板220中。其結果為，可見光及紅外線光譜中之光吸收會相對地較低。因為這樣，所以基板220所產生之光致發光訊號PL會變得大於多晶矽層210所產生之訊號。如此一來，可能難以區別這兩種訊號。
【0024】
然而根據例示性實施例，提供一種方法，此方法為光致發光訊號PL可由形成於由介電材料所製成之基板220上之薄膜多晶矽層210所產生。特別是，此方法包括使用脈衝式紫外線雷射光束來作為照射於多晶矽層210上之激發光L。脈衝式光束具有介於每平方公分1瓦至10瓦之間之平均功率、介於每平方公分100瓦至1000瓦之間之尖峰功率，以及介於300奈米至400奈米之間之光學波長。
【0025】
為了增加光致發光訊號PL至可偵測級別之效率，激發光L所產生之自由載子不應被允許急速地消亡，且因為多晶矽層210之表面積相對於厚度之比例係相對地較高，所以激發光L所產生之自由載子之表面複合速度會相對地較快，且自由載子可能會由於此複合動作而急速地消亡。因此，為了增加光致發光訊號PL之效率，此複合動作可能被阻止，而作為複合動作之關鍵點之載子阱(carrier trap)應飽和。而為了飽和載子阱，激發光L應具有至少每平方公分170瓦之功率。基板220之熱傳導性通常低於多晶矽層210之熱傳導性。因此，若照射高功率之激發光於多晶矽層210上，則可能會熱損傷多晶矽層210或使得多晶矽層210過熱，藉此將無法提供統一的量測。
【0026】
為了解決上述及其他問題，使用於本方法的光致發光訊號PL可藉由使用具有每平方公分1瓦至10瓦之間之平均功率及介於每平方公分100瓦至1000瓦之間之尖峰功率之激發光L來產生。當平均功率大於每平方公分10瓦時，基板會被加熱而損傷到多晶矽層210。
【0027】
尖峰功率應大於每平方公分100瓦，藉以飽和位於薄膜表面上之載子阱。尖峰功率應小於每平方公分1000瓦，藉以防止多晶矽層210損傷。舉例而言，尖峰功率應介於每平方公分300瓦至500瓦之間。
【0028】
作為激發光L之脈衝式紫外線雷射光束可具有介於300奈米至400奈米範圍之波長。也就是說，為了產生自由載子，樣品應以具有光子能量之光線照射，且此光線之光子能量大於多晶矽層210之半導體能帶間隙。同時，此光線應被有效率地吸收進薄膜多晶矽層210中。當光子能量大於3電子伏特(eV)(此數值係對應於紫外線)時，矽的能帶間隙為1.12電子伏特(eV)(此數值係對應於紅外線)，且光線被有效率地吸收進厚度低於300奈米之薄膜中。因此，當使用範圍介於300奈米至400奈米之間之光線時，會產生自由載子，吸收進薄膜多晶矽層210之速率會增加，以及藉由多晶矽層210吸收大多數之光線。也就是說，大多數的激發光L會由多晶矽層210所吸收且不會到達基板220，藉此減少基板220所產生之光致發光訊號PL。
【0029】
根據一種例示性實施例，光致發光訊號PL以相當高之效率取得，且不會導致薄膜多晶矽層210的任何之熱損傷。
【0030】
後續將敘述，藉由使用根據範例1及比較範例之用以檢測多晶矽層之方法來量測從多晶矽層發出之光致發光訊號PL之測試。
【0031】
於範例1中，厚度為300奈米之氮化矽層及厚度為150奈米之二氧化矽層係堆疊於厚度為0.7毫米(mm)之基板220上，藉以形成隔離層225。多晶矽層210係藉由準分子雷射退火結晶法形成於隔離層上，其中多晶矽層210具有300奈米至600奈米之間之晶顆粒大小，且其厚度為45奈米。激發光L係照射於多晶矽層210之表面上，其中激發光L具有355奈米之波長、15奈秒(ns)之脈寬(pulse duration)時間、200千赫茲之疊代速率(iteration rate)及10毫瓦(mW)之平均光束功率，並且激發光L聚焦於1毫米之光點上(即每平方公分1瓦之平均功率)。於此，激發光L之尖峰功率為每平方公分333瓦。
【0032】
由激發光L所產生之光致發光訊號L係被偵測器120所接收。使用具有0.33之影像空間數值孔徑(numerical aperture, NA)及1:15之放大倍率之物鏡以作為偵測器120，且被冷卻至攝氏零下70度之砷化銦鎵(InGaAs)光偵測陣列(即，Xeva-1.7-320 紅外線照相機)於一秒鐘整合一訊號。如此一來，會得到明確定義之光致發光訊號PL。
【0033】
於比較範例1中，厚度為300奈米之氮化矽層及厚度為150奈米之二氧化矽層係堆疊於厚度為0.7毫米之基板220上，藉以形成隔離層225。多晶矽層210係藉由準分子雷射退火結晶法形成於其上，其中多晶矽層210具有300奈米至600奈米之間之晶顆粒大小，且其厚度為45奈米。激發光L係照射於多晶矽層210之表面上，其中激發光L具有355奈米之波長、15奈秒之脈寬(pulse duration)時間、200千赫茲之疊代速率及10毫瓦之平均功率，並且激發光L聚焦於1毫米之光點上。於此，激發光L之平均功率對應於每平方公分1瓦。
【0034】
由激發光L所產生之光致發光訊號PL係被偵測器120所接收。使用具有0.33之影像空間數值孔徑(numerical aperture, NA)及1:15之放大倍率之物鏡以作為偵測器120。被冷卻至攝氏零下70度之砷化銦鎵(InGaAs)光偵測陣列係被用以於一秒鐘整合一訊號。於比較範例1中，並不會偵測到光致發光訊號PL。
【0035】
也就是說，關於在相同條件下形成且厚度為45奈米之多晶矽層210之激發，如於範例1之情況下，即於具有平均功率為每平方公分1瓦之低能量的激發光L之情況時，尖峰功率會被設置為每平方公分100瓦至1000瓦之間，且可藉此取得明確定義之光致發光訊號PL，而於比較範例1之情況下，其係使用具有平均功率為每平方公分1瓦之激發光L，其功率係為不足的，且無法觀察到光致發光訊號PL。
【0036】
第2圖係為藉由拍攝從範例1中取得之光致發光訊號PL之偵測結果所取得之影像圖。如第2圖所示，測試面板被分割為8個區域(區域1至8)，且此測試面板以8種不同級別之雷射功率來熱處理，藉以使得多晶矽層210於各別區域可具有不同之結晶度。對於此取得之測試面板來說，激發光L係照射至多晶矽層210之表面，其中，激發光L具有355奈米之波長、15奈秒之脈寬時間、200千赫茲之疊代速率及每平方公分1毫瓦之平均功率，並且激發光L聚焦於10毫米之光點上。於此，激發光L之尖峰功率為每平方公分333瓦。
【0037】
此取得之光致發光訊號PL係於類似於例示性實施例1之情況下被偵測。藉由根據本例示性實施例之檢測方法所產生之光致發光訊號PL相當地強大，所以可得到如第2圖所示之高品質影像。於第2圖中，右邊頂端區域(區域5)表示以最高級別之雷射功率進行熱處理之部分，而左邊底部區域(區域4)指出以最低級別之雷射功率進行熱處理之部分。更甚者，測試面板之中心部分相較於其他部分，並未充分地結晶，此是因為多晶矽層210之樣品之厚度為不均勻的。如第2圖所示，結晶度的不同會清楚地從根據本例示性實施例之檢測方法所產生之光致發光訊號PL中判斷出來。
【0038】
第3圖係為藉由拍攝從範例2中取得之光致發光訊號PL之偵測結果所取得之影像圖。於範例2中，厚度為300奈米之氮化矽層及厚度為150奈米之二氧化矽層係堆疊於厚度為0.7毫米之基板220上，藉以形成隔離層225。多晶矽層210係藉由準分子雷射退火結晶法形成於其上，其中多晶矽層210具有300奈米至600奈米之間之晶顆粒大小，且其厚度為45奈米。於此範例中，執行結晶化以便測試面板可由提供給通常程序之雷射功率進行均勻地熱處理。對於取得之測試面板來說，激發光L係照射至多晶矽層210之表面且接著被偵測，其中，激發光L以355奈米之波長、15奈秒之脈寬時間、200千赫茲之疊代速率及每平方公分1毫瓦之平均功率形成，並且激發光L聚焦於10毫米之光點上。於此，激發光L之尖峰功率為每平方公分333瓦。
【0039】
取得之光致發光訊號PL係於類似於實施例1之情況下被偵測。藉由根據本例示性實施例之檢測方法所產生之光致發光訊號PL相當地強大，所以可得到如第3圖所示之高品質影像。其可由第3圖中判斷出，多晶矽層210之樣品之厚度係非均勻的，且除了中央部分以外之大部分區域係適當地結晶，其中所述之中央部分相對於其他部分並不充分地結晶化。也就是說，根據本例示性實施例，缺陷係清楚地從檢測方法所產生之光致發光訊號PL中判斷出來。
【0040】
其可從上述之例示性實施例、比較範例及應用範例中判斷出來的是，當使用根據例示性實施例之用於檢測多晶矽層的方法時，多晶矽層之缺陷狀態可於不損傷多晶矽層之情況下以高效率的檢測出來。
【0041】
對所屬技術領域具有通常知識者來說將為顯而易見的是，本發明可進行各種修改及變更，而不脫離本發明之精神與範疇。因此，其用意為使本發明涵蓋本發明落在所附申請專利範圍及其等同物的範疇之內的所提出的修正及變更。
101．．．多晶矽層檢測裝置
110．．．光源
120．．．偵測器
210．．．多晶矽層
220．．．基板
225．．．隔離層
225A．．．氧化矽層
225B．．．氮化矽層
L．．．激發光
PL．．．光致發光訊號

Claims (8)

  1. 【第1項】
    一種用於檢測多晶矽層的方法，包含：
    照射一激發光於該多晶矽層上；以及
    偵測一光致發光訊號，係藉由該激發光而於該多晶矽層中所產生，其中該激發光具有介於每平方公分1瓦至每平方公分10瓦之範圍中之一平均功率，以及介於每平方公分100瓦至每平方公分1000瓦之範圍中之一尖峰功率。
  2. 【第2項】
    如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該激發光具有介於每平方公分300瓦至每平方公分500瓦之範圍中之該尖峰功率。
  3. 【第3項】
    如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該激發光具有介於300奈米至400奈米之範圍中之一波長。
  4. 【第4項】
    如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該多晶矽層具有介於1奈米至300奈米之範圍中之一厚度。
  5. 【第5項】
    如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該多晶矽層係設置於包含一介電材料之一基板上。
  6. 【第6項】
    如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該多晶矽層及該基板之間設置有一隔離層。
  7. 【第7項】
    如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該隔離層包含二氧化矽(SiO2)層、氮化矽(SiNx)層或兼含該二氧化矽層及該氮化矽層二者。
  8. 【第8項】
    如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該基板包含玻璃。
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