(57)【要約】      （修正有）【課題】  半導体膜が溶融して、結晶化する状態をリアルタイムで観察することが可能であり、半導体薄膜の、例えば、成長速度及び成長方向を正確に測定することが可能な結晶化装置及び結晶化方法を提供する。【解決手段】  結晶化装置１は、基板２６に設けられた非単結晶半導体薄膜２７にエネルギー光を照射して、この非単結晶半導体薄膜２７を溶融して結晶化する結晶化用光学系２を具備する結晶化装置１であって、前記エネルギー光の光路外に配置され、測定用の照明光を照射する測定用照明光学系３０と、測定光を複数の測定光に分割する光学素子４１と、各々の測定光を光検出器の受光面に前記非単結晶半導体薄膜２７の像としてそれぞれ結像するレンズ４５Ａ，４５Ｂと、前記光検出器を含み、前記受光面の像のそれぞれを結晶化情報に変換する複数の計測器５０Ａ，５０Ｂと、前記結晶化情報を処理する画像処理装置とを具備する。【選択図】    図１
2006066462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に設けられた非単結晶半導体膜にエネルギー光を照射して、この非単結晶半導体膜を溶融して結晶化する結晶化用光学系を具備する結晶化装置であって、
前記エネルギー光の光路外に配置され、前記非単結晶半導体膜に測定用の照明光を照射する測定用照明光学系と、
前記非単結晶半導体膜からの測定光を複数の測定光に分割する光学素子と、
前記光学素子により分割された各々の測定光を拡大し、この各々の測定光を光検出器の受光面に前記非単結晶半導体膜の像としてそれぞれ結像するレンズと、
前記光検出器を含み、前記受光面に結像された前記非単結晶半導体膜の像のそれぞれを結晶化情報に変換する複数の計測器と、
前記複数の計測器からの結晶化情報を処理する画像処理装置と
を具備することを特徴とする結晶化装置。
【請求項２】
前記複数の計測器は、
前記非単結晶半導体膜の像を検出して結晶化情報に変換する第１の計測器と、
前記第１の計測器と実質的に異なる方向から前記非単結晶半導体膜の像を検出して結晶化情報に変換する第２の計測器と
を具備することを特徴とする請求項１に記載の結晶化装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の計測器は、前記非単結晶半導体膜からの前記測定光の光軸に垂直な平面内で実質的に異なる２方向から前記非単結晶半導体膜の像を検出して結晶化情報に変換することを特徴とする請求項２に記載の結晶化装置。
【請求項４】
前記複数の計測器の各々は、
前記非単結晶半導体膜の像を画像データに変換する撮像素子を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１に記載の結晶化装置。
【請求項５】
前記複数の計測器の各々は、
前記受光面である光電面に結像された前記非単結晶半導体膜の像により発生した光電子を増倍させて輝度増倍された蛍光像を形成する蛍光面を有する前記光検出器と、
前記光検出器の蛍光面上の像を画像データに変換する撮像素子とを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１に記載の結晶化装置。
【請求項６】
前記複数の計測器の各々は、
前記受光面である光電面に結像された前記非単結晶半導体膜の像により発生した光電子を増倍させて輝度増倍された蛍光像を形成する蛍光面を有する前記光検出器と、
前記光検出器の蛍光像を増倍して蛍光面に結像するイメージインテンシファイアと、
前記イメージインテンシファイアの蛍光面の像を画像データに変換する撮像素子を備えることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか１に記載の結晶化装置。
【請求項７】
前記画像処理装置は、前記複数の計測器で得られた複数の前記結晶化情報を処理して結晶成長方向若しくはこの結晶成長方向における結晶成長速度のいずれか１、あるいは両者を出力することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１に記載の結晶化装置。
【請求項８】
エネルギー光を射出する工程と、
前記エネルギー光を基板に設けられた非単結晶半導体膜に照射し、この非単結晶半導体膜を溶融して結晶化する工程と、
前記エネルギー光の照射領域を測定用照明光で照明する工程と、
前記非単結晶半導体膜からの測定光を分割する工程と、
前記分割された各々の測定光を検出する工程と、
前記検出された測定光を各々の結晶化情報に変換するする工程と、
前記結晶化情報を処理するする工程とを
具備することを特徴とする結晶化方法。
【請求項９】
前記検出する工程は、前記非単結晶半導体膜からの測定光の光軸に垂直な平面内で実質的に異なる２方向から検出することを特徴とする請求項８に記載の結晶化方法。
【請求項１０】
前記エネルギー光は、エキシマレーザー光であって、
前記エキシマレーザー光は、所定の光強度分布を有する光に位相変調され、
前記非単結晶半導体膜は、前記位相変調されたエキシマレーザー光を照射され、前記光強度分布に対応した温度分布を形成し、
前記検出する工程は、前記非単結晶半導体膜からの前記温度分布に対応した測定光を検出することを特徴とする、請求項８若しくは請求項９に記載の結晶化方法。
【請求項１１】
前記検出する工程は、前記エネルギー光の前記非単結晶半導体膜への照射中及び照射後に前記分割された各々の測定光を同時に検出することを特徴とする請求項８ないし請求項１０のいずれか１に記載の結晶化方法。
【請求項１２】
前記処理する工程は、複数の前記結晶化情報から結晶成長方向若しくはこの結晶成長方向における結晶成長速度のいずれか１、あるいは両者を求める工程を具備することを特徴とする請求項８ないし請求項１１のいずれか１に記載の結晶化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜にエネルギー光を照射して結晶化する装置及び結晶化方法に係り、例えば、非単結晶半導体膜が溶融して結晶化する状態をリアルタイムで観察することが可能であり、しかも非単結晶半導体膜が結晶化する際に結晶化情報を測定することが可能な結晶化装置及び結晶化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
任意の基板、例えばシリコン基板上に集積回路を形成できる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ:Thin Film Transistor）回路が多方面に実用されている。このＴＦＴは、現在のところ基板上に設けられた非晶質半導体膜に形成された装置が一般的であり、このＴＦＴのキャリア移動度は、０．５〜１．０ｃｍ２／Ｖｓｅｃである。高精細液晶表示装置（ＬＣＤ:Liquid-Crystal Display）を形成するためには、さらにキャリア移動度の大きなＴＦＴが要求されており、現在では多結晶化された半導体膜に形成されたＴＦＴが実用され始めている。多結晶化された半導体膜に形成されたＴＦＴは、キャリア移動度が非晶質半導体膜に形成されたものより２桁程度大きな値であり、高性能な特性を示している。
【０００３】
本発明者らは、キャリア移動度がさらに１桁程度高い結晶化半導体膜にＴＦＴを形成する技術を研究し、その工業化技術を開発している。すなわち、ＴＦＴ回路を形成する非晶質半導体膜の予め定められた領域に、大きな結晶粒を有する結晶化領域を形成する技術である。大きな結晶粒とは、少なくとも１個若しくは複数個のＴＦＴの活性領域が１個の単結晶粒内に形成できる大きさを有する結晶粒である。ＴＦＴの活性領域が１個の単結晶領域内に形成されることは、ＴＦＴの特性バラツキが制御され、品質管理されたＴＦＴ回路を形成できることである。
【０００４】
エネルギー光、例えば、大エネルギーの短パルス状レーザー光を用いて非単結晶半導体膜を溶融して、結晶化する結晶化技術は、ＴＦＴを形成する半導体膜、例えば、非晶質半導体膜を結晶化するために使用されている。このような結晶化技術の中で、特に、位相変調したエキシマレーザー光を照射する結晶化（Phase Modulated Excimer Laser Annealing：ＰＭＥＬＡ）技術が注目されている。ＰＭＥＬＡ技術では、ホモジナイズされたパルス状エキシマレーザー光を位相変調素子、例えば、位相シフタに入射して、位相変調された所定の光強度分布を有するエキシマレーザー光を形成する。このレーザー光を、例えば、大面積のガラス基板上に形成した非晶質シリコン膜若しくは多結晶シリコン膜に照射し、シリコン膜を溶融して結晶化する方法である。このＰＭＥＬＡ技術によれば、非単結晶シリコン膜は、1回の照射で数μｍから１０μｍ程度の大きさで比較的一様な結晶粒を有する品質の優れた結晶化シリコン膜に形成される。この結晶化は、瞬時、例えば、１００〜１５０ナノ秒間に完了する。この詳細は、非特許文献１に記載されている。
【０００５】
このような結晶化製造技術を工業化するためには、上記した瞬時に結晶化される状態をその場観察できる技術が要求されている。
【０００６】
結晶化された半導体薄膜の結晶性評価方法が、例えば、特許文献１に開示されている。この方法では、結晶化した後の多結晶シリコン薄膜に測定光を照射して、その反射光を分光解析して多結晶シリコン薄膜の結晶性を測定する。この特許文献１には、ここで要求されている半導体膜の結晶化過程をその場観察する技術は、開示されていない。
【特許文献１】特開２００１−２５７１７６号公報
【非特許文献１】井上弘毅、中田充、松村正清；電子情報通信学会論文誌 Vol.J85-C, No.8, pp.624-629, 2002、「シリコン薄膜の振幅・位相制御エキシマレーザー溶融再結晶化方法−新しい２−Ｄ位置制御大結晶粒形成法−」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
現在開発されているレーザー結晶化装置では、結晶粒が成長する方向を１方向に制御できていない。また、レーザー結晶化技術は、現在は、１次元的な結晶成長を行っているが、将来、より大面積の結晶粒を得るために、２次元的な結晶成長を目指すことも考えられる。
【０００８】
それゆえ、任意の方向に結晶粒が成長しても、その成長速度と成長方向との両者を正確に測定できる測定システムを開発することが課題になっている。
【０００９】
本発明の目的は、半導体膜が溶融して、結晶化する状態をリアルタイムで観察することが可能であり、しかも半導体薄膜の、例えば、成長速度及び成長方向を正確に測定することが可能な結晶化装置及び結晶化方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の課題及び問題点は、下記の結晶化装置及び結晶化方法により解決される。
【００１１】
本発明の１態様による結晶化装置は、基板に設けられた非単結晶半導体膜にエネルギー光を照射して、この非単結晶半導体膜を溶融して結晶化する結晶化用光学系を具備する結晶化装置であって、前記エネルギー光の光路外に配置され、前記非単結晶半導体膜に測定用の照明光を照射する測定用照明光学系と、前記非単結晶半導体膜からの測定光を複数の測定光に分割する光学素子と、前記光学素子により分割された各々の測定光を拡大し、この各々の測定光を光検出器の受光面に前記非単結晶半導体膜の像としてそれぞれ結像するレンズと、前記光検出器を含み、前記受光面に結像された前記非単結晶半導体膜の像のそれぞれを結晶化情報に変換する複数の計測器と、前記複数の計測器からの結晶化情報を処理する画像処理装置とを具備することを特徴とする。
【００１２】
本発明の他の１態様による結晶化方法は、エネルギー光を射出する工程と、前記エネルギー光を基板に設けられた非単結晶半導体膜に照射し、この非単結晶半導体膜を溶融して結晶化する工程と、前記エネルギー光の照射領域を測定用照明光で照明する工程と、前記非単結晶半導体膜からの測定光を分割する工程と、前記分割された各々の測定光を検出する工程と、前記検出された測定光を各々の結晶化情報に変換するする工程と、前記結晶化情報を処理するする工程とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、半導体膜が溶融して、結晶化する状態をリアルタイムで観察することが可能であり、半導体薄膜の、例えば、成長速度及び成長方向を正確に測定することが可能な結晶化装置及び結晶化方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
ＥＬＡ装置の工業化に向けた課題に、結晶化工程の歩留まり向上、安定した品質の管理などがある。これらの課題を解決するために結晶化させている（若しくは結晶化した）領域をその場で（リアルタイムに）測定することが望まれている。本発明の実施形態は、エネルギー光、例えば、パルス状エキシマレーザー光を結晶化を行う被処理基板に設けられた半導体膜の、例えば、４ｍｍ２から２５ｍｍ２程度の面積の領域に照射して、溶融、凝固させて結晶化を行う、わずか数１０ｎｓの期間におけるμｍオーダーの測定領域の状態変化をリアルタイムで測定して、結晶化情報、例えば、結晶化している結晶粒の成長速度及び成長方向を測定することが可能な結晶化装置および結晶化方法である。
【００１５】
本発明による実施形態の構成例を、以下に図面を用いて説明する。図１に示したように、本実施形態の結晶化装置１は、結晶化用光学系２及び顕微測定システム３とを備える。結晶化用光学系２は、基板２６に設けられた半導体膜２７、例えば、非晶質シリコン薄膜を溶融して、結晶化させるためのエネルギー光、例えば、エキシマレーザー光を半導体薄膜２７の所定の場所に照射する。顕微測定システム３は、半導体薄膜２７の溶融し、結晶化している部分を測定する。顕微測定システム３は、半導体薄膜２７上の測定場所に測定用照明光を照射する測定用照明光学系３０、及び半導体薄膜２７が溶融して結晶化する状態を測定する測定光学系４０とを備える。測定光学系４０は、複数の、例えば、２組の計測器５０Ａ，５０Ｂを備え、各々が、互いに実質的に異なる方向から半導体薄膜２７が結晶化する状態、すなわち結晶化情報を測定するように配置されている。結晶化の状態、例えば、結晶粒が成長する状態を２方向からリアルタイムで測定した結果を合成し、２次元プロットすることにより結晶粒の実際の成長速度、及び成長方向を正確に求めることができる。
【００１６】
まず、結晶化用光学系２について説明する。本実施形態で用いた結晶化用光学系２は、位相変調素子２４、例えば、位相シフトマスク、を縮小して半導体薄膜２７上に投影することができる、縮小投影型の光学系である。
【００１７】
結晶化用光学系２は、レーザー光源２１と、ビームエキスパンダ２２と、ホモジナイザ２３と、位相変調素子、例えば、位相シフタ２４と、結像光学系２５と、被処理基板２６を予め定められた位置に案内する基板保持ステージ２８とを具備する。レーザー光源２１からのパルス状エキシマレーザー光は、ビームエキスパンダ２２で拡大され、ホモジナイザ２３により面内の光強度が均一化され、位相シフタ２４に照射される。位相シフタ２４は、入射したエキシマレーザー光を所望の光強度分布、例えば、逆ピーク状光強度分布を有する光に変調する光学素子である。位相シフタ２４を透過したエキシマレーザー光は、結像光学系２５、例えば、エキシマ結像光学系を介して被処理基板２６上に形成された非単結晶半導体薄膜２７を照射する。
【００１８】
レーザー光源２１は、被処理基板２６に設けられた非単結晶半導体薄膜２７、例えば、非晶質若しくは多結晶半導体膜を溶融するに充分なエネルギー、例えば、１Ｊ／ｃｍ2を有するパルス状レーザー光を出力する。レーザー光は、例えば、波長２４８ｎｍのフッ化クリプトン（ＫｒＦ）エキシマレーザー光が好ましい。その他、塩化キセノン（ＸｅＣｌ）エキシマレーザー光、フッ化アルゴン（ＡｒＦ）エキシマレーザー光、アルゴン（Ａｒ）レーザー光、ＹＡＧレーザー光、イオンビーム、電子ビーム、キセノン（Ｘｅ）フラッシュランプ等のエネルギー光を使用できる。例えば、エキシマレーザー光源２１は、パルス発振型であり、発振周波数は、例えば、１００Ｈｚから３００Ｈｚであり、パルス幅は、半値幅で、例えば、２０ｎｓｅｃから１００ｎｓｅｃである。本実施形態では、半値幅が２５ｎｓｅｃのパルス状ＫｒＦエキシマレーザー光を使用している。また、半導体薄膜２７上に照射されるＫｒＦエキシマレーザー光の光エネルギーは、１Ｊ／ｃｍ２程度である。発振周波数を、例えば、１００Ｈｚとし、エキシマレーザー光の照射面積を、例えば、２ｍｍ×２ｍｍとして、被処理基板２６を基板保持ステージ２８により、例えば、２ｍｍステップで移動しながらエキシマレーザー光をステップ照射すると、被処理基板２６の移動速度は、２００ｍｍ／ｓｅｃになる。
【００１９】
ビームエキスパンダ２２は、入射されたレーザー光を拡大する。ホモジナイザ２３は、入射したレーザー光の断面ＸＹ方向の寸法を決定し、かつ決定した形状内でレーザー光の入射角度に関する均一化、及び位相シフタ２４上での面内位置に関するレーザー光強度を均一化する機能を有する。したがって、ホモジナイザ２３によりＫｒＦエキシマレーザー光は、所定の角度広がりをもち断面の光強度が均一化された照明光に調光され、位相シフタ２４を照射する。
【００２０】
位相シフタ２４は、位相変調素子の一例であり、例えば、石英ガラス基板に段差を形成したものである。この段差の境界でレーザー光の回折と干渉をおこさせ、レーザー光強度に周期的な空間分布を付与するものであり、例えば、左右で１８０°の位相差を付ける。左右で１８０°の位相差を付けた位相シフタ２４は、入射光を左右対称な逆ピーク状の光強度分布を有するレーザー光に位相変調する。段差（厚み分布）ｄは、レーザー光の波長をλ、位相シフタの透明基板の屈折率ｎとしたとき、ｄ＝λ／２（ｎ−１）で求められる。この式から位相シフタ２４は、例えば、石英ガラス基板に所定の位相差に対応する段差を形成することにより製造することができる。石英ガラス基板の厚さの変化は、選択エッチングやＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工により形成することができる。例えば、石英基板の屈折率を１．４６とすると、ＸｅＣ１エキシマレーザー光の波長が３０８ｎｍであるから、１８０°の位相差を付けるための段差は３３４．８ｎｍになる。位相シフタ２４は、入射光を位相変調して大粒径の結晶性成長を可能にする逆ピーク状光強度分布を形成するように段差が形成されている。これにより、エキシマレーザー光の位相は、位相シフト部を境に半波長だけシフトする。この結果、半導体膜を照射するパルス状エキシマレーザー光は、位相のシフト部に対応した箇所が最小光強度となる逆ピークを有する光強度分布となる。この方法によれば、他の方法で用いられるようなメタルパターンによるエキシマレーザー光の遮蔽なしに所定のビーム光強度分布を実現できる。
【００２１】
位相シフタ２４を透過したレーザー光は、収差補正されたエキシマ結像光学系２５により位相シフタ２４と共役関係に設置された被処理基板２６に形成された半導体薄膜２７上に、所定の光強度分布で結像する。結像光学系２５は、例えば、複数枚のフッ化カルシウム（ＣａＦ２）レンズ及び合成石英レンズからなるレンズ群により構成される。結像光学系２５は、例えば、縮小率：１／５、Ｎ．Ａ．：０．１３、解像力：２μｍ、焦点深度：±１０μｍ、焦点距離：５０ｍｍから７０ｍｍの性能を持つ長焦点レンズである。
【００２２】
結像光学系２５は、位相シフタ２４と半導体薄膜２７とを光学的に共役な位置に配置する。換言すれば、半導体薄膜２７は、位相シフタ２４と光学的に共役な面（結像光学系の像面）に設置されている。結像光学系２５は、レンズ間に開口絞りを備えている。
【００２３】
結晶化を行う被処理基板２６は、一般に、基板上に絶縁膜を介して被処理膜を形成し、この膜上にキャップ膜として絶縁膜を設けたものである。基板２６は、例えば、透明のガラス基板、プラスチック基板、シリコン等の半導体基板（ウェハ）が用いられる。被処理膜は、非単結晶半導体薄膜２７であり、例えば、非晶質シリコン膜、多結晶シリコン膜、スパッタされたシリコン膜、シリコンゲルマニウム膜、脱水素処理をした非晶質シリコン膜である。本実施形態で使用した被処理基板は、ガラス基板２６上に脱水素処理をした非晶質シリコン薄膜２７を絶縁膜を介して所望の厚み、例えば、５０ｎｍの厚さに形成し、この非晶質シリコン薄膜２７にキャップ膜として酸化シリコン膜を形成したものである。被処理基板は、基板２６を予め定められた位置に保持するためのＸ、Ｙ、及びＺ方向に移動可能な基板保持ステージ２８に着脱可能に保持される。
【００２４】
上述したように、このレーザー結晶化装置１は、ホモジナイズされたパルス状レーザー光を位相シフタ２４により位相変調して逆ピーク状光強度分布の結晶化用レーザー光を形成し、このレーザー光を半導体薄膜２７に照射する投影型結晶化装置である。この光パターンによって溶融したシリコン薄膜２７は、水平方向に温度勾配が形成される。レーザー光照射後の降温過程でこの温度勾配にしたがって凝固し、水平方向に結晶化が進み、例えば、５から１０μｍ程度の大粒径の単結晶粒を有する半導体膜を形成することが出来る。
【００２５】
この結晶化プロセスは、超高速の変化であり、パルス状レーザー光の照射時間を、例えば、１０ｎｓから１００ｎｓとすると、結晶化は、数１０ｎｓの極めて短時間で終了する。このパルス状レーザー光の照射中に非晶質シリコン薄膜２７は、１４００℃以上の高温に加熱され溶融する。その後、急速な冷却・凝固過程を経て、例えば、５から１０μｍ程度の大粒径の単結晶粒を有する半導体薄膜２７になる。この超高速の結晶化過程を観察・測定するために、本実施形態では、保持ステージ２８の下面側に、結晶化プロセスを顕微測定するための顕微測定システム３を設けてある。顕微測定システム３は、測定用照明光学系３０と測定光学系４０とから構成される。測定光学系４０は、複数の計測器、例えば、２組の計測器５０Ａ，５０Ｂを備える。
【００２６】
先ず、測定用照明光学系３０について説明する。測定用照明光学系３０は、結晶化用光学系２の光路外に設置される。測定用照明光学系３０は、例えば、測定用照明光源３１と、ビームエキスパンダ３３と、ホモジナイザ３５と、顕微対物レンズ３７とを含む。測定用照明光源３１から射出された測定用照明光は、ビームエキスパンダ３３により拡大され、ホモジナイザ３５により半導体薄膜２７上の照射領域での測定用照明光強度分布が均一になるように調整される。ホモジナイザ３５を出た測定用照明光は、顕微対物レンズ３７により半導体薄膜２７上の結晶化プロセス領域を照明する。ここで、結晶化プロセス領域とは、結晶化用エネルギー光に照射されて半導体薄膜２７が、溶融プロセスから凝固プロセスに移行し、結晶化を完了するまでの過程を実行している領域をいう。
【００２７】
測定用照明光源３１は、ナノ秒オーダーの時間分解能の観測を可能にするため、強度の高い光源、例えば、キセノン（Ｘｅ）フラッシュランプあるいはアルゴン（Ａｒ）レーザー光、ヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザー光等の可視レーザー光を出射する光源である。測定用照明光の照射期間は、結晶化用エネルギー光の照射期間の一部を含むことができる。測定用照明光が、結晶化用レーザー光の照射タイミングに合わせて所定のタイミングで発生されるように、測定用照明光源３１は、タイミング制御機構（図示してない）に接続されている。
【００２８】
測定用照明光源３１から射出された測定用照明光の強度分布は、通常、一様な分布ではなくガウス分布にしたがった光強度分布を持つ。結晶粒の成長は、後で述べるように、非単結晶半導体薄膜２７からの反射光若しくは透過光の強度分布を測定する。そのため、ホモジナイザ３５によって、断面内で一様な光強度分布を有する測定用照明光に変換することが好ましい。
【００２９】
次に結晶化プロセス状態を撮像し表示する測定光学系４０について説明する。ここでは、図１に示した半導体薄膜２７から反射した測定照明光を、２組の計測器５０Ａ，５０Ｂで測定する場合を例に説明する。半導体薄膜２７で反射した測定光は、結晶化プロセス領域からの反射光を拡大し結像する顕微対物レンズ３７を通り、ハーフミラー４１で分割される。ハーフミラー４１で反射され光路を変えられた一方の測定光は、結像レンズ４５Ａにより第１の計測器５０Ａの受光面にサブμｍの高分解能で結像する。ハーフミラー４１を透過した他方の測定光は、反射鏡４３で第１の計測器とは異なる方向に向きを変えられ、結像レンズ４５Ｂにより第２の計測器５０Ｂの受光面に結像する。計測器５０Ａ，５０Ｂの構成は同一であることが好ましいが、所望の機能を備えていれば異なる構成の計測器を用いることができる。
【００３０】
２組の計測器５０Ａ，５０Ｂは、図２に示したように、測定光の光軸に垂直な平面内で実質的に異なる２方向から計測するように配置してある。図２は、測定光の入射方向から見た図であり、測定光は、２重丸で示したように紙面に垂直な方向で上から下へ向かって進行する。ハーフミラー４１に入射した測定光の一部は、第１の計測器５０Ａが配置されている第１の方向へ反射され、一部は透過する。ハーフミラー４１を透過した測定光は、その下に配置された反射鏡４３によって第１の計測器５０Ａと所定の角度、例えば、４５°，９０°で配置された第２の計測器５０Ｂに向けて第２の方向に反射される。測定光が反射される第１及び第２の方向は、測定光の光軸に対して垂直な平面内であることが好ましい。
【００３１】
図３は、１つの計測器５０（ここでの説明では、Ａ，Ｂを省略する）の構成の１例を示したものである。２組の計測器５０Ａ，５０Ｂは、同一の構成とすることができる。計測器５０は、例えば、顕微対物レンズ３７及び結像レンズ４５により拡大、結像された結晶化プロセス領域の変化を検出し、表示するための手段として光検出器５２と、光検出器５２で得られた高分解能の画像を輝度増倍するイメージインテンシファイア５４と、この画像を画像データとして取り込む撮像素子５６とを含む。撮像素子５６からの画像データは、画像処理ユニット５８で画像処理される。画像処理ユニット５８は、例えば、制御回路、記憶部、表示部を備え、例えば、画像データの解析、画像データの記憶、画像データの表示部等の画像処理を実施する。画像処理ユニット５８は２つの計測器５０Ａ，５０Ｂで共通に使用される。
【００３２】
顕微対物レンズ３７により集光された結晶化プロセス領域で変化している非単結晶半導体薄膜２７の像は、光検出器５２の受光面である光電面５２ａ上に、結像レンズ４５により拡大して結像される。光電面５２ａには結晶化プロセス領域の所定の部分を所定の方向に測定するためにスリットＳが設けられている。スリットＳの大きさは、例えば、被処理基板上２６で幅１μｍ以下、長さ数１０μｍ程度の領域に制限することが好ましい。このスリットＳの長辺方向に沿って、結晶化プロセス領域からの像の任意の経過時間における光強度分布を測定する。スリットＳは、光電面５２ａ上でなくハーフミラー４１若しくは反射鏡４３と光検出器５２との間の任意の位置に設置することもできる。
【００３３】
光検出器５２は、例えば、図４に示すような光電管、例えば、ストリークカメラが好ましい。ストリークカメラとしては、例えば、入射光の像を光電子に変換した後に、再び光に変換し、１次元像を数ナノ秒の高時間分解能で時間とともに変化させることができるストリーク管を利用できる。一般的なストリーク管５２は、特殊用途の真空管であり、例えば、図４に示すような構成である。入射光の画像は、スリット状の光電面５２ａに結像されて受光される。スリット状の像は、結晶化プロセス領域の1次元像である。光電面５２ａは、この入射光の１次元像を光電子に変換する。光電面５２ａで発生した光電子線は、掃引電極５２ｂ−２を通る。掃引電極５２ｂ−２は、Ｘ又はＹ方向に光電子線を掃引するために一対の電極を離間して設けてある。掃引電極５２ｂ−２には、掃引電圧ＳＶが掃引回路５２ｂ−１から印加される。掃引回路５２ｂ−１は、タイミング制御部（図示してない）からのトリガ信号Ｐ（図４参照）により制御されるタイミングで、時間により変化する掃引電圧ＳＶ（図４参照）を掃引電極５２ｂ−２に供給する。光電子線は、掃引電圧の時間変化に応じて曲げられる量が変化し、時間により異なった位置の蛍光板５２ｃ上に光電子線の投影像Ｒを表示する。この投影像Ｒは、スリット状の１次元像を時間で掃引した２次元像になり、光電面５２ａで受光した像のナノ秒オーダーの時間変化が、蛍光板５２ｃ上の位置の変化として表示される高分解能画像である。ストリーク管５２の感度を向上させるために、加速電極５２ｄ及び電子増倍器５２ｅの少なくとも１つを一体に組み込むことができる。
【００３４】
２つの計測器５０Ａ，５０Ｂを使用する本実施形態では、両者を同期させて同じタイミングで掃引電圧ＳＶを印加している。これにより、測定結果の時間解析が容易になる。
【００３５】
ストリーク管５２の蛍光板５２ｃ上に形成され、時間で掃引された高分解能の２次元画像は、イメージインテンシファイア５４で輝度増倍され、高輝度の２次元光増幅画像を形成する。
【００３６】
イメージインテンシファイア５４の蛍光面に表示された高輝度の２次元光増幅画像は、撮像素子５６、例えば、２次元ＣＣＤ撮像素子により撮像され、画像データに変換される。この画像データは、種々の結晶化情報を含んでいる。ＣＣＤ撮像素子５６は、極めて小さな光量の画像を撮影するため、暗電流を抑制し、Ｓ／Ｎ比を向上させることが好ましい。そのため、低温（例えば、マイナス数１０℃から液体窒素温度程度）で使用する冷却ＣＣＤ撮像素子が、好ましい。
【００３７】
ＣＣＤ撮像素子５６からの画像データは、画像処理ユニット５８、例えば、パソコンの制御回路の制御によって、データ処理、記憶される。データ処理は、例えば、２つの撮像素子５６Ａ，５６Ｂからの画像データに基づいて、種々の結晶化情報、例えば、所定時間経過後の結晶粒の成長速度及び成長方向を計算する。画像データ及び計算されたデータは、画像処理ユニット５８の記憶部、例えば、メモリに記憶されると、同時に必要に応じて表示部に表示される。表示部に表示されたデータは、結晶化プロセスの担当者によって結晶化の進行状況の監視に使用することができる。さらに、記憶部に画像データが記憶されているので、制御回路の制御により所望する画像を静止画像やスロー画像として抽出し表示部に表示させることもできる。
【００３８】
このように顕微測定システム３を構成にすることにより、数ナノ秒オーダーの高時間分解能で、かつサブμｍの高空間分解能でリアルタイムの観測をすることが可能となる。
【００３９】
２つの計測器５０Ａ，５０Ｂに対するスリットＳＡ，ＳＢは、測定光の光軸に垂直な平面内で任意の方向に配置できる。例えば、スリットＳＡの長辺を、逆ピーク光強度分布を有する結晶化用レーザー光の谷の方向（以下、Ｙ方向と呼ぶ）に対して直角な方向（以下、Ｘ方向と呼ぶ）に配置し、スリットＳＢの長辺を、Ｘ方向に対して４５°ずらして配置することができる。上記のＸ方向は、レーザー光の光強度分布から結晶粒の成長する確率が最も高いとされている方向である。あるいは、２つのスリットＳＡ，ＳＢをＸ方向に対して互いに逆方向に４５°若しくは３０°、又は互いに異なる任意の角度をずらせて配置することもできる。
【００４０】
２つのスリットＳＡ，ＳＢの配置、すなわち、２つの計測器５０Ａ，５０Ｂの測定方向を実質的に異なる２方向に設定し、それぞれの計測器５０Ａ，５０Ｂに入射する測定光のなす角を所定の角度、例えば、４５°に設定する。そして測定を、所定の時間間隔、例えば、５０ナノ秒毎に繰り返し行う。このようにして得られた２つの計測器による計測結果を合成し、解析することによって、所定の期間における結晶粒の実際の成長方向及び成長速度を求めることができる。この成長速度が、所定の範囲であるかを判断し、結晶化の条件、例えば、結晶化用レーザー光の強度にフィードバックする。このようにして、所望の品質の半導体膜を安定して製造することが可能になる。
【００４１】
図５は、本実施形態によるそれぞれの計測器５０Ａ，５０Ｂによる測定結果を説明するための図である。ここでは、計測器５０Ａの測定方向、すなわちスリットＳＡをＸ方向に配置し、計測器５０Ｂの測定方向、スリットＳＢをこれに対して４５°ずらせて配置している。２つの計測器５０Ａ，５０Ｂによる結晶化プロセスの測定結果を、それぞれ図５（ａ），（ｂ）に示す。図の横軸がそれぞれのスリットＳＡ，ＳＢの測定方向に対応する。計測器５０Ａ，５０Ｂは、結晶化用レーザー光の照射タイミングに同期するように、図４に示したトリガ信号Ｐによって同時にそれぞれのストリーク管５２Ａ，５２Ｂの掃引電圧ＳＶの印加を開始する。ストリーク管５２の掃引電界発生器５２ｂは、トリガ信号Ｐを受信すると、時間とともに変化する掃引電圧ＳＶ（図４参照）を時間ｔｓの間発生するように掃引回路５２ｂ−１に指示し、掃引電極５２ｂ−２に掃引電圧ＳＶを印加する。掃引電圧の印加が終了すると、撮像素子５６は、イメージインテンシファイア５４の蛍光面上の２次元像を画像データとして取り込む。
【００４２】
図５は、前記のようにして得た画像データを説明するための図である。結晶化を行う半導体薄膜２７に、位相変調された逆ピーク状光強度分布を有する結晶化用レーザー光を照射すると、照射された半導体薄膜２７の領域は溶融する。ここで溶融した領域の温度は、与えられた光強度分布に依存し、逆ピーク状光強度分布に対応して、中央部で低くその両側で高い温度分布になる。結晶化用レーザ光が遮断されると照射領域は、降温する。この降温時の温度勾配は、理想的には、逆ピーク状光強度分布に対応した温度勾配である。したがって、凝固すなわち結晶化は、レーザー光強度分布の谷（Ｙ軸）から始まり、横方向、理想的にはＸ方向若しくは−Ｘ方向に進行する。しかし、前述したように、実際の結晶粒の成長方向は、理想的なＸ方向若しくは−Ｘ方向だけとは限らない。
【００４３】
シリコン膜は、溶融すると金属的になり可視光を透過しなくなるため測定光を反射する。一方、固体の部分（すなわち、未溶融部分及び結晶化部分）は測定光を透過する。したがって、そのコントラストの変化から結晶化部分と溶融部分とを識別できる。本実施形態では図１に示したようには、シリコン薄膜２７からの反射光を測定しているため、溶融部分は明るい像に、結晶化した部分は暗い像になる。図５において、シリコン薄膜２７の溶融領域を白領域で示し、固化（結晶化）領域を斜線領域で示している。図５（ａ），（ｂ）の中心は、レーザー光強度分布の谷の部分（Ｙ軸）に合わせてある。シリコン薄膜２７が再結晶化する際の結晶の核形成は、温度が低いこの部分から始まる確率が最も高い。図５（ａ）において横軸がＸ方向、すなわちＳＡ方向である。図５の上端が溶融直後であり、全体が明るい像（白領域）である。時間の経過とともに結晶化した暗い部分が中心から広がり、図５の下に向かって結晶化が進行している様子が観測される。図中に太い白ヌキの矢印で示した方向が、それぞれの計測器５０Ａ，５０Ｂにおける見かけ上の結晶成長方向である。
【００４４】
図５において、画像の幅は、実際には数１００μｍ以上であるが、ここではその一部を拡大してあり、例えば、２０μｍである。画像の高さは、掃引電圧ＳＶの印加時間、例えば、ｔＳ＝４００ｎｓｅｃに相当する。図中の横線は、結晶化速度を計算するために等時間間隔でデータを抽出する時間を示している。ここでは、例として、間隔を５０ｎｓｅｃとした。図５（ａ），（ｂ）を比較すると、同じ経過時間、例えば、時間ｔ４における結晶化した領域の幅は、（ｂ）の方が広い。言い換えると、計測器５０Ｂは、計測器５０Ａよりも成長している結晶粒を斜めから測定していることを示している。すなわち、計測器５０Ｂの測定方向は、計測器５０Ａの測定方向より実際の結晶粒の成長方向からのずれ角度が大きいことを示している。なお、例えば、図５（ａ）で、時間ｔ４付近から隣接するレーザー光パターンからの結晶化した領域が図の両側から斜線部として現れている。図５は、連続データであるため、データを抽出する時間間隔を任意に設定できる。
【００４５】
図６は、図５の時間ｔ１からｔ６においてデータを抽出し、画像処理によって実際の結晶粒の成長方向Ｇ、及び各時間ｔｎにおける結晶粒の成長方向での測定光の強度分布を合成した結果である。図６では、光強度分布を図５におけるＹ軸を起点として表示している。縦軸は、測定光の強度（Ｉ）を示しているが、時間毎に原点を下にずらして、グラフが重ならないように表示している。図６に示した、２つの計測器５０Ａ，５０Ｂによる測定結果を合成した結果から、結晶成長速度および結晶成長方向が求められる。
【００４６】
次に、結晶成長速度および結晶成長方向を測定する方法について、図５及び図７を参照して説明する。図７は、図６におけるＸＹ平面内で固液界面が移動する様子を説明するために示した図である。図の左上から右下に延びる線Ｓ−ｎが、ある時刻、例えばｔｎにおける固液界面のＸＹ平面内における位置を表わす。この線の右上側が溶融領域であり、左下側（原点側が結晶化領域である。また、Ｇで示した白ヌキの矢印は、実際の結晶成長方向を示す。
【００４７】
光強度分布を有するパルス状レーザー光を照射された非晶質シリコン薄膜２７の被照射部は、溶融する。この溶融部には、光強度分布に対応する温度勾配が形成される。次に、レーザー光の照射が遮断されると降温過程になり、低温部において結晶核が発生し、凝固すなわち結晶化が進行する。この凝固により生ずる固液界面は、上記温度勾配に応じて横方向（図７のＧ方向）に移動する。この固液界面の移動、すなわち結晶化が進行する状態を各サンプリング時間毎に模式的に図示したものが、直線Ｓ−１、Ｓ−２，…である。図７に、図５の測定例の各計測器５０Ａ，５０ＢのスリットＳＡ，ＳＢの方向を重ねて示してある。
【００４８】
この時、もしも計測器のスリットがＳＣのように配置され、しかも一つしかないとすると、たまたま結晶成長方向がそのスリットＳＣに対して垂直または垂直に近い方向であった場合、固液界面がそのスリットＳＣを一瞬で通過する。そのため、その測定から結晶成長速度を求めることができなくなる。そこで、計測器５０、すなわちストリーク管５２を２系統用意し、その各々の光電面５２aのスリットＳＡ，ＳＢの方向をそれぞれ実質的に異なる方向、例えば９０°異なる方向に設置する。このような配置により、結晶成長方向がどの方向であっても必ずその成長速度及び成長方向を求めることが可能になる。
【００４９】
この配置を使用すると結晶成長速度および結晶成長方向を次のようにして測定することができる。測定の手順を図８のフロー図に示す。顕微測定システム３の画像処理ユニット５８には、計測器５０Ａ，５０Ｂによる半導体薄膜２７の結晶化過程の情報が連続データとして記憶されている。
【００５０】
まず、ステップ１０２において、画像処理ユニット５８の記憶部から結晶化情報、ずなわち、図５（ａ）、（ｂ）を読み出す。そして、ステップ１０４において、ある時刻ｔ１において、計測器５０Ａの光電面ＳＡによる位置Ｌａ１と計測器５０Ｂの光電面ＳＢによる位置Ｌｂ１を測定して、画像処理ユニット５８の記憶部に時刻ｔ１におけるそれぞれの位置情報として記憶する。同様に、ステップ１０６において、時刻ｔ２において、光電面ＳＡによる位置Ｌａ２と光電面ＳＢによる測定値Ｌｂ２を測定し、記憶部に時刻ｔ２におけるそれぞれの位置情報として記憶する。図示しないが以下同様に、時刻ｔ３、ｔ４・・・におけるそれぞれの位置情報を記憶する。
【００５１】
画像処理ユニット５８の記憶部に記憶させた上記の位置情報をもとに、各々の測定器５０Ａ，５０Ｂの測定方向ＳＡ，ＳＢにおける結晶成長速度を求める。ステップ１１０において、時刻ｔ２からｔ３までの時間における計測器５０Ａの測定方向ＳＡの結晶成長速度Ｕａを式（１）から求める。
【００５２】
Ｕａ＝（Ｌａ３−Ｌａ２）／（ｔ３−ｔ２）                         式（１）
次に、ステップ１１２において、同様に時刻ｔ２からｔ３までの時間における測定器５０Ｂの測定方向ＳＢの結晶成長速度Ｕｂを式（２）から求める。
【００５３】
Ｕｂ＝（Ｌｂ３−Ｌｂ２）／（ｔ３−ｔ２）                         式（２）
したがって、実際の成長方向Ｇの結晶成長速度Ｕは、式（３）を用いて以下のように求められる（ステップ１１４）。
【００５４】
Ｕ＝（Ｕａ２＋Ｕｂ２）１／２                                   式（３）
さらに、ステップ１１６において、ＵａとＳＡ方向の結晶化情報を介して速度ベクトルＶａを及びＵｂとＳＢ方向の結晶化情報を介して速度ベクトルＶｂを求める。そして、ステップ１１８において、速度ベクトルＶａ，Ｖｂのベクトル和を求めることにより結晶成長方向Ｇを求めることができる。
【００５５】
ここで説明した方法を図５に示した例に適用すると、例えば、時間ｔ３とｔ４との間では、結晶粒の成長速度は、３０ｍ／ｓｅｃであり、実際の結晶成長方向Ｇは、Ｘ方向から１５°ずれていると求められる。
【００５６】
本発明は、前記した実施形態に限定されることなく、変形して実施することができる。また、その一部を省略して使用することもできる。
【００５７】
顕微測定システム３は、ここで説明した被処理基板２６の下側に設置することに限定されることなく、結晶化用レーザー光の光路を遮らないのであれば、被処理基板２６の上面側に設置することができる。この設置例として、例えば、結晶化プロセス中の領域に顕微測定用の照明光を斜めに照射し、ここからの反射光を測定する配置がある。あるいは、結晶化用レーザー光を通す窓穴を設けた環状光学素子を用いて顕微測定用の照明光を結晶化用レーザー光とほぼ同軸に結晶化領域に照射し、ここからの反射光若しくは透過光を測定する配置等を使用できる。
【００５８】
さらに、顕微測定システム３は、前記の構成だけでなく以下のようにその一部を省略した構成、あるいは他の構成とすることができる。１つの変形例では、ストリーク管５２が加速電極５２ｄ若しくは電子増倍器５２ｅを含み、ストリーク管５２の出力である１次像の強度が、ＣＣＤ撮像素子５６の感度に対して十分な強度を有する場合、あるいは、ＣＣＤ撮像素子５６の感度が十分に高い場合、イメージインテンシファイア５４を省略することができる。
【００５９】
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、２組の計測器を用いて実質的に異なる２方向から半導体膜が溶融し、結晶化する状態を高空間分解能かつ高時間分解能でリアルタイムで観測し、結晶粒の成長状態を測定することにより、結晶化する際に結晶粒が所定の方向でなく任意の方向に成長しても、実際の結晶粒の成長速度と成長方向を正確に求めることが可能になる。さらに、この測定結果に基づき、例えば、半導体薄膜２７を溶融し結晶化するエキシマレーザー光の出力エネルギー値を補正するようなフィードバックをすることにより、結晶化プロセスの安定化が図られ、高品質な半導体膜を効率よく結晶化することが可能なレーザー結晶化装置及び結晶化方法を提供することができる。
【００６０】
本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形をして実施することが可能である。さらに、前記の実施形態には、種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示された全ての構成要件の中から、いくつかの構成要件が削除されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、液晶表示装置や有機エレクトロルミネッセンス表示装置等に用いられる薄膜トランジスタ用材料の製造に使用できるほか、非晶質及び多結晶の半導体薄膜をレーザー光照射により溶融、再結晶化させて使用する、例えば、太陽電池用材料薄膜のレーザー結晶化にも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施形態を説明するためのシステム構成図である。
【図２】図１の測定光学系を説明するための配置図である。
【図３】図１の計測器の構成を説明するための構成図である。
【図４】図３の光検出器の一例であるストリーク管の構成を説明するための構成図である。
【図５】図５（ａ），（ｂ）は、本実施形態により観測された測定結果を説明するための図である。
【図６】図５（ａ），（ｂ）に基づいて合成した測定結果を説明するための図である。
【図７】図７は、測定結果に基づいて結晶成長速度の算出方法を説明するための図である。
【図８】図８は、結晶成長速度及び成長方向を求めるための手順を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００６３】
１…結晶化装置，２…結晶化用光学系，３…顕微測定システム，３０…測定用照明光学系，４０…測定光学系，２１…レーザー光源，２２…ビームエキスパンダ，２３…ホモジナイザ，２４…位相シフタ，２５…結像光学系，２６…被処理基板，２７…半導体薄膜，２８…基板保持ステージ，３１…測定用照明光源，３３…ビームエキスパンダ，３５…ホモジナイザ，３７…顕微顕微対物レンズ，４１…ハーフミラー，４３…反射鏡，４５…結像レンズ，５０…計測器，５２…光検出器（ストリーク管），５２ａ…光電面，５２ｂ…掃引電界発生器，５２ｂ−１…掃引回路，５２ｂ−２…掃引電極，５２ｃ…蛍光板，５４…イメージインテンシファイア，５６…撮像素子，５８…画像処理ユニット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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