TW564513B - Testing apparatus for polysilicon thin film crystal quality, test and control method thereof - Google Patents
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Description
564513 五、發明說明（1) 發明領域： 本發明係有關於一種半導體薄膜之檢測裝置及其檢測 與控制方法，特別是有關於一種多晶矽薄膜結晶品質之檢 測裝置及其檢測與控制方法，以監測多晶矽薄膜結晶品質 及調整結晶用的雷射能量密度。 相關技術說明： 目前的薄膜電晶體液晶顯示器（thin fi lm transistor-liquid crystal display，TFT-LCD)技術分 為兩種’一為傳統的非晶矽薄膜電晶體，另一為多晶矽薄 膜電晶體。由於多晶矽薄膜電晶體的電子移動速度為非晶 矽薄膜電晶體的1〇倍到100倍之間。因此，TFT-LCD業界已 開始著手進行研究及發展，以多晶矽薄膜電晶體之作為畫 素（pixel)開關元件及LCD週邊之驅動電路。 上述多晶石夕薄膜電晶體的製作通常採用低溫多晶石夕 (low temperature polysilicon，LTPS)製程。所謂的 LTPS製程係利用準分子雷射退火處理（exciffler iaser anneal ing，ELA )使原先的非晶矽薄膜轉變成多晶矽結 構。由於製程溫度在6 〇 〇 °c以下，所以適用於透明的玻璃 基板。多晶矽薄膜電晶體之電子移動速度與多晶矽薄膜之 結晶品質有關。亦即，多晶矽薄膜電晶體之電子移動速度 Ik著多晶石夕薄膜之晶粒尺寸增加而增加。再者，多晶石夕薄 膜之晶粒尺寸與施加於非晶矽薄膜的雷射能量密度有關。 因此’有必要對多晶石夕薄膜進行檢測以調整（regu 1 at e ) 施加的雷射能量，進而獲得最佳的多晶矽薄膜之結晶品質
0632-8695TW(n);AU91124;spin.ptd 564513 五、發明說明（2) -------- 〇 1 〇〇〇 ί 了檢測多晶矽薄膜結晶品質，傳統上係利用5 0 0到 "以上的光學顯微鏡來觀察薄膜表面粗糙度
此)以作為多晶矽薄膜之結晶品質指標，由於 έ士里n ^係十分仰賴人類肉眼，因此無法獲得精確地量測 為口果二:適用於大尺寸基板。再者…傳統上檢測方式 為知用知描式電子顯微鏡（scanning electr〇n MM ，croscope，SEM )來檢測多晶矽薄膜之結晶品質。然而 夕^述方法為破壞性（destructive )檢測，且須耗費許 夕4間來製作樣本及觀測，而嚴重地影響產能。 發明概述： 、有鑑於此，本發明之目的在於提供一種多晶矽薄膜之 檢測方法及其檢測裝置，以快速地、精確地檢測多晶矽薄 膜之結晶品質，並取代傳統上離線（off-line )的破壞性 檢測，而旎有效地監控多晶矽薄膜之結晶品質並提升產能 〇 、根據上述之目的，本發明提供一種多晶矽薄膜之檢測 方，。首先，提供一基板，其上覆蓋有一多晶矽層。接著 k仏具有一既疋波長之光源’並透過一分光器以形成 一第一光束及一用以照射於多晶矽層之一第二光束。偵測 第一光束及從多晶矽層反射之第二光束之光強度以獲得一 光強度比率。最後，依據光強度比率來監測多晶矽層之結 晶品質。其中，光源係一雷射光且既定波長在266 nm到 31 6 nm的範圍。
564513 五、發明說明（3) 束之分光比（intensi ty 再者’第一光束與第二 rat10 )為30〜40% : 70〜60% 。 a。ΪΪΪ上述之目的’本發明提供-種多晶石夕薄膜之結 ;置2測=檢測裝置包含-分光器、-第-摘測 且右一 ^ —偵測扃置及一控制皁元。分光器係用以接收 覆ίί”長之光源而形成一第-光束及-照射於表面 = 基；之第二光束。第-偵測裝置係用 多:ί 第二偵測裝置係用以偵測從 -及第之第—先束之先強纟。控制單元係麵接於第 偵測裝置之間，用以依據第—與第二光束之光強 ==測多晶石夕層之結晶品質。*中，光源係一雷射 光且无疋波長在266 nm到3 1 6 nm的範圍。 者第一光束與第二光束之分光比為30〜40% : 又根據上述之目的，本發明提供一種多晶矽薄膜結晶 口:¾之控制方法。t先’提供一第一基板，其上覆蓋有一 第一非晶矽層。分別以具有不同第一既定能量密度之雷射 對該第一非晶石夕層實施退火處理’以在該第一非晶矽層中 形成複數第一多晶矽區。接著，提供—具有一既定波^之 光源，並透過一分光器以形成一第一光束及一用以照射於 這些第一多晶矽區之一第二光束。然後，偵測第一光束及 從這些第一多晶矽區反射之第二光束之光強度以獲得複數 光強度比率’並依據這些光強度比率來決定一第二既定能 量密度。最後，提供一第二基板，其上覆蓋有一第二非晶
麵
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矽層，並以具有第二既定能量密度之雷射 實施退火處理，以將第二非晶矽層轉 f第一非日日矽層 。 升日日y嚐轉變成—第二多晶矽層 其中，雷射係一準分子雷射，且笛 在300到500 mJ/cm2的範圍。 且弟—既定能量密度係 的範圍 再者，光源係一雷射光且既定波長在266 nm 到 316 nm 7"二者，第-光束與第二光束之分光比為30〜權： 再者，第二既定能量密度係可形成最大多晶矽晶粒尺 寸之能量密度。 較佳實施例之詳細說明： 第1圖係繪示出根據本發明實施例之多晶矽薄膜結晶 品質之檢測方法流程圖。首先，進行步驟S丨〇，提供一基 板，例如一透明玻璃基板，此基板上形成有一非晶矽土 (a -Si )層。在本實施例中，此基板係供製作薄膜電晶 體液晶顯示器（TFT-LCD )之用。基板上的非晶石夕層係供 後續製作薄膜電晶體之通道層之用。此非晶石夕層可藉由化 學氣相沉積法（chemical vapor deposition, CVD)形成 之’其厚度約在 3 0 0 A到5 0 0 A的範圍。 接下來，進行步驟S12，以具有一既定能量密度之一 雷射對非晶矽層實施退火處理，例如準分子雷射退火處理 (E L A ) ’以將非晶石夕層轉變成一多晶石夕（p — §丨）層。在 本實施例中，雷射之既定能量密度在3〇〇到5 0 0 mJ/cm2的
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接下來，進行步驟S1 4，提供一量測光源，例如一雷 射光，並透過一分光器將量測光源分成一第一光束及一第 二光束。在本實施例中，此量測光源具有一既定波長，例 如在2 6 6 nm到316 nm的範圍。其中，第一光束與第二光束 之分光比為3 0〜4 0 % : 7 0〜6 0 %。 接下來，進行步驟S16，以第二光束照射於基板上之 多晶矽層。之後，進行步驟S18，同時偵測未經過多晶矽 層之第一光束之光強度以及從多晶矽層反射之第二光束之 ，進行 率（第 強度比 雷射退 寸）會 尺寸（ 而降低 其光強 最大晶 藉由此 量測光 偵測結 強度比 問題。 最後 光強度比 猎由此光 利用 (晶粒尺 最大晶粒 密度增加 之光束， ，於形成 而增加。 而，由於 ’而造成 法利用光 除上述之 步驟S20 一光束之 率來監測 火處理所 隨著雷射 最佳雷射 。經本發 度會隨著 粒尺寸之 一特性， 源會衰退 果的精確 率來作為 光強度/第二光束之光強度）。 多晶石夕層之結晶品質。 形成之多晶矽層，其表面粗糙度 能量密度增加而增加，且於形成 能量密度）之後’隨著雷射能量 明者實驗發現，從多晶石夕層反射 表面粗糙度增加而下降。同樣地 後，光強度會隨著晶粒尺寸下降 可監測多曰曰曰石夕層之、结曰曰曰品質。缺 f受干擾而影響偵測到的光減 二=u此，本發明之檢測方 檢測結晶品質之指標，以有效排
564513 五、發明說明（6) 夕f下來，請參照第2圖，其繪示出根據本發明實施例 之多/晶石夕薄膜結晶品質之檢測裝置示意圖。一光源產生器 200J系提供一量測光L，例如一雷射光，用以照射於一表面 覆f有一多晶矽層102之基板1〇〇，例如一玻璃基板。透過 一分光器（beam split ) 202接收量測光L將其分成一第一 光束L1灰一第一光束[2。在本實施例中，此量測光[具有 既疋波長’例如在2 6 6 n m到3 1 6 n m的範圍。其中，第一 光束L1與第二光束L2之分光比為3〇〜40% : 70〜60 %，且第 二光束L2係用以照射多晶矽層1 〇2。 一第一偵測裝置204係用以偵測第一光束L1之光強度 11，而一第二偵測裝置2 〇 6則用以偵測從多晶矽層丨〇 2反射 之第二光束L2’之光強度12，。 一控制單元2 0 8，耦接於第一偵測裝置2 〇 4及第二偵測 裝置206之間’用以依據第一光束L1與反射的第二光束l2, 之光強度比率（11/12，）來監測多晶矽層1〇2之結晶品質 〇 由於利用本發明之檢測裝置無須破壞基板i 0 0 ,因此 可降低製造成本及縮短檢測時間。再者，此檢測裝置可整 合於雷射退火處理系統，因此可做線上（丨n_丨i ne )檢測 。當晶粒尺寸不符合製程要求時，可以立即提出警告，使 製程人員立即檢查及調整雷射之能量密度以再度獲得最佳 的晶粒尺寸而確保後續產品的良率。再者，雷射回火製程 屬於低溫多晶矽製程之前段製程，再此到製程檢測出異常 產品並及時予以報廢或重製（rew〇rk)，可有效減少成本
0632-8695TWF(n);AU91124;spin.ptd 第9頁 564513 五、發明說明（7) 本發明進一步提出多晶矽薄膜結晶品質之控制方法。 請參照第3圖’其繪示出根據本發明實施例之多晶矽薄膜 結晶品質之控制方法流程圖。首先，進行步驟s 2 〇 ,提供 一測試基板，例如透明玻璃基板，基板上形成有非晶矽八 (a -S i )層。在本實施例中，測試基板係供測機之用。 接下來，進行步驟S22，分別以具有不同既定能量密 度之雷射對測試基板上的非晶矽層實施退火處理，例如準 分子雷射退火處理（ELA )，以在非晶矽層中形成複數多 晶矽（p - S i )區。在本實施例中，雷射之既定能量密度在 300到500 mJ/cm2的範圍。 又 接下來，進行步驟S24，利用第2圖之光源產生器2〇〇 提供一量測光源L，並透過分光器2 〇2將量測光源L分成一 第一光束L1及一第二光束L2。同樣地，此量測光源l具有 一既定波長，例如在266 nm到316 nm的範圍。其中，第一 光束與第二光束之分光比為30〜40% : 70〜60%。 接下來’進行步驟S26，以第二光束L2照射於測試基 板上的這些多晶矽區。之後，進行步驟S28，藉由第一偵 測裝置2 0 4及第二偵測裝置2 0 6來同時偵測未經過多晶矽層 之第一光束L1之光強度11以及從這些測試基板上之多晶石夕 層反射之第二光束L 2’之光強度12，。 接下來’進行步驟S30，由於施加於每一測試基板上 的雷射能s密度不同’因此測試基板上形成的這些多晶石夕 區之結晶品質亦不相同。可藉由控制單元2 〇 8依據偵測結
564513 五、發明說明（8) 果而獲得不同之光強度比率（11/；[2，），且由這些光強度 比率中決定出退火處理之較佳的雷射能量密度。 舉例而言，在300到400 mJ/cm2的能量密度範圍中選 取不同的既定雷射能量密度，如33 0 mj/cm2、340 mJ/cm2 、3 5 0 mJ/cm2、36 0 mJ/cm2、370 mJ/cm2、及380 mJ/cm2， 而分別對測試基板實施退火處理，以在測試基板上形成不 同結晶品質之多晶矽區。接著，檢測每一多晶矽區以獲得 光強度比率（11 / I 2，）與雷射能量密度及晶粒尺寸之關係 曲線’其結果繪示於第4圖。如第4圖所示，以具有既定能 置密度350 mJ/cm2之雷射實施退火處理之多晶矽層可具有 最大的晶粒尺寸（3 0 0 nm )。因此，可形成最大多晶矽晶 粒尺寸之較佳的雷射能量密度為35〇 mJ/cm2。 接下來’進行步驟S 3 2 ’提供一產品基板，例如一透 明玻璃基板’其上形成有一非晶矽層。此處，產品基板係 供製作薄膜電晶體液晶顯示器（TFT —LCI))之用，且非晶 石夕層係供後續製作薄膜電晶體之通道層之用。 最後，進行步驟S 3 4，利用具有既定能量密度3 5 〇 mJ/cm2之雷射對產品基板上的非晶矽層實施退火處理，藉 以控制非晶矽層轉變成多晶矽層之結晶品質。再者，可進 行第1圖之步驟S14到S20，以實施線上檢測。當晶粒尺寸 不符合製程要求時，可以立即提出警告，使製程人員立即 檢查及調整雷射之能量密度以再度獲得最佳的晶粒尺寸而 確保後續產品的良率。 相較於習知技術，本發明之方法可快速地、精確地線
564513 五、發明說明（9) ^ Ϊ測多Ϊ矽薄膜之結晶品質，因此能有效地監控多晶矽 裝罟之^晶品質並提升產能。再者，由於以本發明之檢測 =測為非破壞性檢測，因此可降低製造成本。 發明，任何熟習此；；然其並非用以 神和範圍内，當可作更動" 在不脫離本發明之精 當視後附之申請專利範圍二因此本發明之保護範圍 吗尸/Τ界疋者為準。
0632-8695TWF(n);AU91124;spin.ptd $ 12頁 564513 圖式簡單說明 為讓本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂， 下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下 第1圖係繪示出根據本發明實施例之多晶矽薄膜結晶 品質之檢測方法流程圖； 第2圖係繪示出根據本發明實施例之多晶矽薄膜結晶 品質之檢測裝置示意圖； 第3圖係繪示出根據本發明實施例之多晶矽薄膜結晶 品質之控制方法流程圖， 第4圖係繪示出根據本發明實施例之相位差與光子能 量之關係曲線圖。 [符號說明] 1 0 0〜基板； 1 0 2〜多晶矽層； 2 0 0〜光源產生器； 2 0 2〜分光器； 204〜第一偵測裝置； 2 〇 6〜第二偵測裝置； 2 0 8〜控制單元； L〜量測光源； L1〜第一光束； L2、L2’〜第二光束； II、12’〜光強度。
0632-8695TWF(n);AU91124;spin.ptd 第13頁
Claims (1)
- 564513 六、申請專利範圍 1 · 一種多晶矽薄膜結晶品質之檢測方法，包括下列步 驟： ，提供一基板，該基板上覆蓋有一多晶矽層； 提供一具有一既定波長之光源，並透過一分光器以形 成一第一光束及一用以照射於該多晶石夕層之一第二光束； 偵測該第一光束及從該多晶矽層反射之該第二光束之 光強度以獲得一光強度比率；以及 依據該光強度比率來監測該多晶石夕層之結晶品質。 2.如申請專利範圍第1項所述之多晶矽薄膜結晶品質 之檢測方法，其中該基板係一玻璃基板。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之多晶石夕薄膜結晶品質 之檢測方法，其中該光源係一雷射光且該既定波長在2 6 6 nm到31 6 nm的範圍。 4·如申請專利範圍第1項所述之多晶矽薄膜結晶品質 之檢測方法’其中该苐一光束與該第二光束之分光比為 30〜40% : 70〜60% 〇 5 · —種多晶矽薄膜結晶品質之檢測裝置，包括·· 一光源，其具有一既定波長，用以照射於一表面覆蓋 有一多晶矽層之基板； 一分光器’用以接收該光源而形成一第一光束及一照 射於該多晶矽層之第二光束； 一第一偵測裝置，用以偵測該第一光束之光強度；以 及 一第二偵測裝置，用以偵測從該多晶矽層反射之該第0632-8695TWF(n);AU91124;spin.ptd 第14頁 564513 六、申請專利範圍 二光束之光強度。 6 ·如申請專利範圍第5項所述之多晶矽薄膜結晶品質 之檢測裝置，更包括一控制單元’麵接於該第一及該第二 偵測裝置之間，用以依據該第一與該第二光束之光強度比 率來監測该多晶梦層之結晶品質。 7 ·如申請專利範圍第5項所述之多晶矽薄膜結晶品質 之檢測裝置，其中該光源係一雷射光且該既定波長在2 6 6 nm到3 1 6 nm的範圍。 8 ·如申請專利範圍第5項所述之多晶矽薄膜結晶品質 之檢測裝置，其中該基板係一玻璃基板。 9 ·如申請專利範圍第5項所述之多晶矽薄膜結晶品質 之檢測裝置，其中該第一光束與該第二光束之分光比為 30〜40% : 70〜60% 。 . 1 0. —種多晶矽薄膜結晶品質之控制方法，包括下列 步驟： 層； 提供一第一基板，該第一基板上覆蓋有—第一非晶矽 分別以具有不同第一既定能量密度之雷射對該第一非 晶矽層實施退火處理，以在該第一非晶矽層中形成複數第 一多晶矽區； 提供一具有一既定波長之光源’並透過一分光器以形 成一第一光束及一用以照射於該等第一多晶矽區之一第二 光束； 偵測該第一光束及從該等第—多晶石夕區反射之該第二第15頁 564513六、申請專利範圍 光束之光強度以獲得複數光強度比率； 依據該等光強度比率來決定一第二既定能量密度； 提供一第二基板，該第二基板上覆蓋有一第二非晶矽 層；以及 以具有该第二既定能量密度之雷射對該第二非晶碎層 實施退火處理，以將該第二非晶矽層轉變成一第二多晶矽 層。 π ·如申請專利範圍第】〇項所述之多晶矽薄膜結晶品 質之控制方法，其中該等第一基板及該第二基板係玻璃基 板。 1 2.如申請專利範圍第丨〇項所述之多晶矽薄膜結晶品 質之控制方法，其中該雷射係/準分子雷射。 1 3 ·如申請專利範圍第丨2項所述之多晶矽薄膜結晶品 質之控制方法，其中該第一既定能量密度在30 0到500 mJ/cm2的範圍。 14·如申請專利範圍第1 2項所述之多晶石夕薄膜結晶品 質之控制方法，其中該光源係/雷射光且該既定波長在 266 nm到3 1 6 nm的範圍。 1 5 ·如申請專利範圍第1 2項所述之夕曰日石夕〉專膜結晶品 質之控制方法，其中該第一光束與該第二光束之分光比為 30〜40% : 70 〜60〇/〇 〇 1 6 ·如申請專利範圍第丨2項所述之多晶矽薄膜結晶品 質之控制方法，其中該第二既定能量密度係可形成最大多 晶石夕晶粒尺寸之能量密度。0632-8695TWF(n);AU91124;spin.ptd 第16頁
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