(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜トランジスタを製造する薄膜トランジスタ製造システムにおいて、
基板上にアモルファスシリコン膜を成膜する成膜装置と、
上記アモルファスシリコン膜に対してレーザアニール処理することによってチャネル層となるポリシリコン膜を形成するレーザアニール装置と、
上記ポリシリコン膜に対して集光した紫外光を照射し、その反射光を検出する光学系と、
上記光学系により検出された反射光を撮像する撮像部と、上記基板を支持して照射光の光軸方向に移動させる支持部と、上記支持部を制御して上記ポリシリコン膜を光軸方向に対して移動させ、照射光の光軸方向の各移動方向における上記ポリシリコン膜の撮像画像のコントラストを算出し、算出したコントラストの最大値に基づき上記ポリシリコン膜の評価位置を決定し、上記評価位置で撮像された撮像画像の自己相関関数のサイドピーク値に対する極大ピーク値の比を算出して上記ポリシリコン膜の表面に隆起して形成された凸部が略一定の間隔で略平行に並んでいるかを評価する制御部とを備えた評価装置とを備え、
上記レーザアニール装置は、上記評価装置の評価に基づき、上記レーザアニール処理に用いるレーザのエネルギ密度を制御する薄膜トランジスタ製造システム。
【請求項２】
上記評価装置の制御部は、画像のエッジ部分の明るさの微分値、各画素の明るさの変調度、又は、各画素の標準偏差をコントラストとして算出する請求項１記載の薄膜トランジスタ製造システム。
【請求項３】
薄膜トランジスタを製造する薄膜トランジスタ製造方法において、
基板上にアモルファスシリコン膜を成膜する成膜ステップと、
上記成膜ステップで成膜されたアモルファスシリコン膜に対して、レーザアニール処理することによってチャネル層となるポリシリコン膜を形成するポリシリコン膜形成ステップと、
上記ポリシリコン膜形成ステップで形成されたポリシリコン膜に対して集光した紫外光を照射して反射光を検出する反射光検出ステップと、
上記反射光検出ステップで検出された反射光を撮像する撮像ステップと、
上記ポリシリコン膜が形成された基板を支持して上記反射光検出ステップで照射された照射光の光軸方向に移動させる支持部を制御して、上記ポリシリコン膜が形成された基板を照射光の光軸方向に対して移動させ、照射光の光軸方向の各移動位置における上記ポリシリコン膜の撮像画像のコントラストを算出するコントラスト算出ステップと、
上記コントラスト算出ステップで算出したコントラストの最大値に基づき上記ポリシリコン膜の評価位置を決定する評価位置決定ステップと、
上記評価位置決定ステップで決定された評価位置で撮像された撮像画像の自己相関関数のサイドピーク値に対する極大ピーク値の比を算出して上記ポリシリコン膜の表面に隆起して形成された凸部が略一定の間隔で略平行に並んでいるかを評価するシリコン膜評価ステップとを含み、
上記ポリシリコン膜形成ステップでは、上記シリコン膜評価ステップでなされた評価に基づき、上記レーザアニール処理で用いるレーザのエネルギ密度を制御する薄膜トランジスタ製造方法
【請求項４】
画像のエッジ部分の明るさの微分値、各画素の明るさの変調度、又は、各画素の標準偏差をコントラストとして算出する請求項３記載の薄膜トランジスタ製造方法。
【請求項５】
アモルファスシリコン膜に対してアニール処理をすることによって形成されたポリシリコン膜を評価する評価装置において、
上記ポリシリコン膜に対して集光した紫外光を照射し、その反射光を検出する光学系と、
上記光学系により検出された反射光を撮像する撮像部と、
上記ポリシリコン膜が形成された基板を支持して上記光学系で照射された照射光の光軸方向に移動させる支持部と、
上記支持部を制御して上記ポリシリコン膜が形成された基板を上記光学系で照射された照射光の光軸方向に対して移動させ、照射光の光軸方向の各移動位置における上記ポリシリコン膜の撮像画像のコントラストを算出し、算出したコントラストの最大値に基づき上記ポリシリコン膜の評価位置を決定し、上記評価位置で撮像された撮像画像の自己相関関数のサイドピーク値に対する極大ピーク値の比を算出して上記ポリシリコン膜の表面に隆起して形成された凸部が略一定の間隔で略平行に並んでいるかを評価する制御部と
を備えた評価装置。
【請求項６】
上記制御部は、画像のエッジ部分の明るさの微分値、各画素の明るさの変調度、又は、各画素の標準偏差をコントラストとして算出する請求項５記載の評価装置。
【請求項７】
上記制御部は、上記ポリシリコン膜を上記光学系で照射された照射光の光軸方向に移動させたときに得られるコントラストのピーク間隔に基づき、上記ポリシリコン膜の表面に隆起した凸部によって形成された複数の直線からなるパターンの間隔を算出する請求項６記載の評価装置。
【請求項８】
上記制御部は、隣接するコントラストのピークの間隔を測定し、照射光の波長と測定した上記間隔との積の平方根を演算して、上記ポリシリコン膜の表面に隆起した凸部によって形成された複数の直線からなるパターンの間隔を算出する請求項７記載の評価装置。
【請求項９】
アモルファスシリコン膜に対してアニール処理をすることによって形成されたポリシリコン膜を評価する評価方法において、
上記ポリシリコン膜に対して集光した紫外光を照射し、その反射光を検出する反射光検出ステップと、
上記反射光検出ステップで検出された反射光を撮像する撮像ステップと、
上記ポリシリコン膜が形成された基板を支持して上記反射光検出ステップで照射された照射光の光軸方向に移動させる支持部を制御して上記ポリシリコン膜が形成された基板を上記照射光の光軸方向に移動させ、照射光の光軸方向の各移動位置における上記ポリシリコン膜の撮像画像のコントラストを算出するコントラスト算出ステップと、
上記コントラスト算出ステップで算出したコントラストの最大値に基づき上記ポリシリコン膜の評価位置を決定する評価位置決定ステップと、
上記評価位置決定ステップで決定された評価位置で撮像された撮像画像の自己相関関数のサイドピーク値に対する極大ピーク値の比を算出して上記ポリシリコン膜の表面に隆起した凸部が略一定の間隔で略平行に並んでいるかを評価するシリコン評価ステップとを含む評価方法。
【請求項１０】
上記コントラスト算出ステップでは、画像のエッジ部分の明るさの微分値、各画素の明るさの変調度、又は、各画素の標準偏差をコントラストとして算出する請求項９記載の評価方法。
【請求項１１】
上記ポリシリコン膜が上記反射光検出ステップで照射された照射光の光軸方向に移動させたときに得られるコントラストのピーク間隔に基づき、上記ポリシリコン膜の表面に隆起した凸部によって形成された複数の直線からなるパターンの間隔を算出する間隔算出ステップを更に含む請求項９記載の評価方法。
【請求項１２】
上記間隔算出ステップでは、隣接するコントラストのピークの間隔を測定し、照射光の波長と測定した上記間隔との積の平方根を演算して、上記ポリシリコン膜の表面に隆起した凸部によって形成された複数の直線からなるパターンの間隔を算出する請求項１１記載の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温多結晶化プロセスを用いた薄膜トランジスタ製造システム及び方法、並びに、物体の表面の空間構造の周期性を評価する評価装置及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、チャネル層にポリシリコン膜を用いた薄膜トランジスタの実用化が進められている。チャネル層にポリシリコンを用いた場合、薄膜トランジスタの電界移動度が非常に高くなるため、例えば液晶ディスプレイ等の駆動回路として用いた場合には、ディスプレイの高精彩化、高速化、小型化等を実現することができるようになる。
【０００３】
また、エキシマレーザアニール装置を用いてアモルファスシリコンを熱処理してポリシリコン膜を形成する、いわゆる低温多結晶化プロセスも近年開発が進んでいる。このような低温多結晶プロセスを薄膜トランジスタの製造プロセスに適用することによって、ガラス基板への熱損傷が低くなり、耐熱性の大面積で安価なガラス基板を用いることができる。
【０００４】
ところで、低温多結晶プロセスにおいて用いられるエキシマレーザアニール装置は、その出力パワーが不安定であるため、形成されるポリシリコンのグレーンサイズが大きく変動する。そのため、エキシマレーザアニール装置を用いて形成されたポリシリコン膜は、常に良好なグレーンサイズとはならず、例えば、シリコン結晶が微結晶化してしまういわゆる線状不良となったり、十分大きなグレーンサイズが得られない、いわゆる書き込み不良となったりしてしまうという問題点があった。
【０００５】
そのため、一般に、このようなエキシマレーザアニール装置を用いてアニール処理を行う場合には、ポリシリコン膜へ与えられたエネルギー情報を、エキシマレーザアニール装置にフィードバックして、最適なレーザのエネルギ密度に設定する処理が行われる。
【０００６】
しかしながら、ポリシリコン膜を評価するには、従来、分光エリプソや走査型電子顕微鏡等を用いて表面画像を撮像し、その表面画像を目視して結晶の状態を判断するといった感覚的な方法しかなく、非接触で客観的に判断することができなかった。
【０００７】
そこで本出願人は、低温多結晶化プロセスを用いて形成したポリシリコン膜の状態を客観的且つ自動的に評価して、その情報に基づきレーザアニール装置から出射されるレーザのエネルギ密度の最適化を図る薄膜トランジスタ製造システムを、特願２０００−００５９９４、特願２０００−００５９９５、特願２０００−００５９９６で提案している。
【０００８】
本出願人は、アモルファスシリコン膜に対してエキシマレーザアニール処理を行いポリシリコン膜を形成したときに膜表面の空間構造に直線性や周期性が現れ、アモルファスシリコンに与えるエネルギ密度に応じてその直線性や周期性の構造が変化することを見いだした。上記各出願では、このような特性を利用し、ポリシリコン膜の表面画像を紫外光で撮像し、その撮像画像からポリシリコン膜の表面の空間構造の周期性を自己相関関数を利用して数値化し、この数値に基づき形成されたポリシリコン膜の状態を評価し、その評価結果をエキシマレーザのエネルギ密度の設定にフィードバックするようにした薄膜トランジスタの製造システムを提案している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ポリシリコン膜の表面画像を紫外光を用いて撮像した場合、ポリシリコン膜表面での反射回折の影響等から、自己相関関数を利用して膜表面の空間構造の周期性を数値化した値（ＡＣ値）が、照射する紫外光の焦点位置とポリシリコン膜の距離（紫外光の光軸方向（以下、Ｚ方向とする。）の距離）に応じて変動してしまう。このように紫外光の焦点位置とポリシリコン膜との距離に応じてＡＣ値の値が変動すると測定の再現性が確保できないため、従来は、基板を支持しているステージをＺ方向に微少に移動させ、各移動位置で上記ＡＣ値を算出し、その中で最も値が大きくなるＡＣ値を抽出することによって、再現性を確保していた。
【００１０】
しかしながら、上記ＡＣ値を算出するにはＦＦＴ演算を実行しなければならなく、従来のように各移動位置毎にＡＣ値を求めた場合、全体の演算量が膨大となり、処理時間が非常に長くなってしまう。
【００１１】
本発明は、このような実情を鑑みてなされたものであり、低温多結晶化プロセスで形成されたポリシリコン膜を評価する際に、評価結果の再現性を確保し、さらに、処理時間を短縮した薄膜トランジスタ製造システム及び方法を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、評価結果の再現性を確保し、さらに短い処理時間で、物体の表面の空間構造の周期性を評価することができる評価装置及び方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる薄膜トランジスタ製造システムは、薄膜トランジスタを製造する薄膜トランジスタ製造システムにおいて、基板上にアモルファスシリコン膜を成膜する成膜装置と、上記アモルファスシリコン膜に対してレーザアニール処理することによってチャネル層となるポリシリコン膜を形成するレーザアニール装置と、上記ポリシリコン膜に対して集光した紫外光を照射し、その反射光を検出する光学系と、上記光学系により検出された反射光を撮像する撮像部と、上記基板を支持して照射光の光軸方向に移動させる支持部と、上記支持部を制御して上記ポリシリコン膜を光軸方向に対して移動させ、照射光の光軸方向の各移動方向における上記ポリシリコン膜の撮像画像のコントラストを算出し、算出したコントラストの最大値に基づき上記ポリシリコン膜の評価位置を決定し、上記評価位置で撮像された撮像画像の自己相関関数のサイドピーク値に対する極大ピーク値の比を算出して上記ポリシリコン膜の表面に隆起して形成された凸部が略一定の間隔で略平行に並んでいるかを評価する制御部とを備えた評価装置とを備え、上記レーザアニール装置は、上記評価装置の評価に基づき、上記レーザアニール処理に用いるレーザのエネルギ密度を制御することを特徴とする。
【００１５】
本発明にかかる薄膜トランジスタ製造方法は、薄膜トランジスタを製造する薄膜トランジスタ製造方法において、基板上にアモルファスシリコン膜を成膜する成膜ステップと、上記成膜ステップで成膜されたアモルファスシリコン膜に対して、レーザアニール処理することによってチャネル層となるポリシリコン膜を形成するポリシリコン膜形成ステップと、上記ポリシリコン膜形成ステップで形成されたポリシリコン膜に対して集光した紫外光を照射して反射光を検出する反射光検出ステップと、上記反射光検出ステップで検出された反射光を撮像する撮像ステップと、上記ポリシリコン膜が形成された基板を支持して上記反射光検出ステップで照射された照射光の光軸方向に移動させる支持部を制御して、上記ポリシリコン膜が形成された基板を照射光の光軸方向に対して移動させ、照射光の光軸方向の各移動位置における上記ポリシリコン膜の撮像画像のコントラストを算出するコントラスト算出ステップと、上記コントラスト算出ステップで算出したコントラストの最大値に基づき上記ポリシリコン膜の評価位置を決定する評価位置決定ステップと、上記評価位置決定ステップで決定された評価位置で撮像された撮像画像の自己相関関数のサイドピーク値に対する極大ピーク値の比を算出して上記ポリシリコン膜の表面に隆起して形成された凸部が略一定の間隔で略平行に並んでいるかを評価するシリコン膜評価ステップとを含み、上記ポリシリコン膜形成ステップでは、上記シリコン膜評価ステップでなされた評価に基づき、上記レーザアニール処理で用いるレーザのエネルギ密度を制御することを特徴とする。
【００１７】
本発明にかかる評価装置は、アモルファスシリコン膜に対してアニール処理をすることによって形成されたポリシリコン膜を評価する評価装置において、上記ポリシリコン膜に対して集光した紫外光を照射し、その反射光を検出する光学系と、上記光学系により検出された反射光を撮像する撮像部と、上記ポリシリコン膜が形成された基板を支持して上記光学系で照射された照射光の光軸方向に移動させる支持部と、上記支持部を制御して上記ポリシリコン膜が形成された基板を上記光学系で照射された照射光の光軸方向に対して移動させ、照射光の光軸方向の各移動位置における上記ポリシリコン膜の撮像画像のコントラストを算出し、算出したコントラストの最大値に基づき上記ポリシリコン膜の評価位置を決定し、上記評価位置で撮像された撮像画像の自己相関関数のサイドピーク値に対する極大ピーク値の比を算出して上記ポリシリコン膜の表面に隆起して形成された凸部が略一定の間隔で略平行に並んでいるかを評価する制御部とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
本発明にかかる評価方法は、アモルファスシリコン膜に対してアニール処理をすることによって形成されたポリシリコン膜を評価する評価方法において、上記ポリシリコン膜に対して集光した紫外光を照射し、その反射光を検出する反射光検出ステップと、上記反射光検出ステップで検出された反射光を撮像する撮像ステップと、上記ポリシリコン膜が形成された基板を支持して上記反射光検出ステップで照射された照射光の光軸方向に移動させる支持部を制御して上記ポリシリコン膜が形成された基板を上記照射光の光軸方向に移動させ、照射光の光軸方向の各移動位置における上記ポリシリコン膜の撮像画像のコントラストを算出するコントラスト算出ステップと、上記コントラスト算出ステップで算出したコントラストの最大値に基づき上記ポリシリコン膜の評価位置を決定する評価位置決定ステップと、上記評価位置決定ステップで決定された評価位置で撮像された撮像画像の自己相関関数のサイドピーク値に対する極大ピーク値の比を算出して上記ポリシリコン膜の表面に隆起した凸部が略一定の間隔で略平行に並んでいるかを評価するシリコン評価ステップとを含むことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態として、本発明を適用したポリシリコン膜の評価装置について説明する。
【００２２】
本発明の実施の形態のポリシリコン膜の評価装置は、例えば、ボトムゲート構造を有する薄膜トランジスタ（ボトムゲート型ＴＦＴ）の製造工程中に形成されるポリシリコン膜の検査に用いられる。ボトムゲート型ＴＦＴは、例えばガラス基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ポリシリコン膜（チャネル層）が下層から順に積層された構成とされた薄膜トランジスタである。すなわち、ボトムゲート型ＴＦＴは、チャネル層となるポリシリコン膜とガラス基板との間に、ゲート電極が形成されている構成のＴＦＴである。なお、ここでは、ボトムゲート型ＴＦＴを評価する評価装置に本発明を適用した例について説明をするが、本発明はこのようなボトムゲート型ＴＦＴに限らず、ガラス基板上にポリシリコン膜（チャネル層）が形成された後、その上層にゲート電極を設けたいわゆるトップゲート型ＴＦＴを評価する評価装置に適用することも可能である。
【００２３】
ボトムゲート型ＴＦＴの構造
まず、ボトムゲート型ＴＦＴの具体的な構成例について図１を用いて説明する。
【００２４】
ボトムゲート型ＴＦＴ１は、図１に示すように、０．７ｍｍ厚のガラス基板２上に、ゲート電極３、第１のゲート絶縁膜４、第２のゲート絶縁膜５、ポリシリコン膜６、ストッパ７、第１の層間絶縁膜８、第２の層間絶縁膜９、配線１０、平坦化膜１１、透明導電膜１２が積層されて構成されている。
【００２５】
ゲート電極３は、ガラス基板２上に１００〜２００ｎｍのモリブデン（Ｍｏ）が成膜された後、異方性エッチングによりパターニングされて形成されている。
【００２６】
第１のゲート絶縁膜４は、例えば膜厚が５０ｎｍの窒化シリコン（ＳｉＮｘ）からなり、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）が、このゲート電極３が形成されたガラス基板２上に積層されて形成されている。
【００２７】
第２のゲート絶縁膜５は、例えば膜厚が２００ｎｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり、この二酸化シリコン（ＳｉＯ２）が、第１のゲート絶縁膜５上に積層されて形成されている。
【００２８】
ポリシリコン膜６は、例えば膜厚が３０〜８０ｎｍのポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）からなる。このポリシリコン膜６は、第２のゲート絶縁膜５上に積層されて形成されている。このポリシリコン膜６は、当該ボトムゲート型ＴＦＴ１のチャネル層として機能する。このポリシリコン膜６は、例えば、ＬＰＣＶＤ法等によって３０〜８０ｎｍのアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）が成膜された後、このアモルファスシリコンに対してアニール処理を行うことにより多結晶化され形成される。ポリシリコン膜６の多結晶化工程においては、紫外線レーザであるエキシマレーザを用いたレーザアニール処理が用いられる。このエキシマレーザアニール処理は、その照射面が線状とされたパルスのレーザビームを出射し、パルスビームの照射領域を移動させながら、アモルファスシリコンをポリシリコンに多結晶化させるものである。レーザビームは、その照射面の形状が、例えば長手方向の長さが２０ｃｍ、短辺方向の長さが４００μｍとされ、パルスの周波数が３００Ｈｚとされている。エキシマレーザアニール処理を行う際のレーザビームの走査方向は、線状レーザの照射面の長手方向と直交する方向（すなわち、短辺方向）に行われる。
【００２９】
そして、このポリシリコン膜６は、エキシマレーザアニールによって多結晶化されたのち、ソース／ドレイン領域を形成するために、不純物がイオンドーピングされる。このイオンドーピングは、ゲート電極３上の部分のポリシリコン膜６に不純物が注入されないように、このゲート電極３に対応する位置にストッパ７が形成された後に行われる。このストッパ７は、例えば膜厚２００ｎｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり、ゲート電極３を形成したときに用いたマスク等を用いて形成されている。
【００３０】
第１の層間絶縁膜８は、例えば膜厚が３００ｎｍの窒化シリコン（ＳｉＮｘ）からなり、この窒化シリコン（ＳｉＮｘ）が、ポリシリコン膜６上に積層されて形成されている。
【００３１】
第２の層間絶縁膜９は、例えば膜厚が１５０ｎｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり、この二酸化シリコン（ＳｉＯ２）が、第１の層間絶縁膜８上に積層されて形成されている。
【００３２】
配線１０は、ポリシリコン膜６のソース／ドレイン領域を接続するためのコンタクトホールが、第１の層間絶縁膜８及び第２の層間絶縁膜９のソース／ドレイン領域に対応する位置に開口された後、アルミニウム（Ａｌ）及びチタン（Ｔｉ）を成膜し、エッチングによってパターニングして形成されている。この配線１０は、ポリシリコン膜６上に形成された各トランジスタのソース／ドレイン領域を接続して、基板上の所定の回路パターンを形成する。
【００３３】
平坦化膜１１は、当該ボトムゲート型ＴＦＴ１の表面を平坦化するための膜で、配線１０が形成されたのち成膜され、その膜厚が２〜３μｍとされている。
【００３４】
透明導電膜１２は、例えば、ＩＴＯ等からなる透明導電材料からなり、配線１０と当該ボトムゲート型ＴＦＴ１の外部に存在する外部素子や外部配線とを接続するための導電線である。この透明導電膜１２は、コンタクトホールが平坦化膜１１に開口された後に、平坦化膜１１上に形成される。
【００３５】
以上のようなボトムゲート型ＴＦＴ１では、チャネル層にポリシリコンを用いているため、チャネル層の電界移動度が非常に高くなる。そのため、例えば液晶ディスプレイ等の駆動回路として用いた場合には、ディスプレイの高精細化、高速化、小型化等を実現することができる。また、以上のようなボトムゲート型ＴＦＴ１では、エキシマレーザアニールを用いてアモルファスシリコンを熱処理することによってポリシリコン膜６を形成する、いわゆる低温多結晶化プロセスが用いられている。そのため、多結晶化プロセスでのガラス基板２への熱損傷が少なくなり、大面積で安価なガラス基板を用いることが可能となる。
【００３６】
ポリシリコン膜の検査の必要性
ところで、ポリシリコン膜６の電界移動度を決定する重要な要素は、ポリシリコンのグレーンサイズであるといわれている。そのグレーンサイズは、エキシマレーザアニール処理時においてポリシリコン膜６に与えられるエネルギーに大きく依存する。そのため、エキシマレーザアニール処理時におけるレーザのエネルギ密度の制御やその安定化が、完成したボトムゲート型ＴＦＴ１の特性や歩留まりに大きく影響することとなる。
【００３７】
しかしながら、エキシマレーザアニール処理において用いられるエキシマレーザアニール装置は、出射するレーザのエネルギ密度の出力変動が比較的大きい。
そのため、エキシマレーザアニール装置を用いてエキシマレーザアニールを行った場合、良好なグレーンサイズを得られるエネルギーの許容範囲（ポリシリコン膜６の製造マージン）に対して、ポリシリコン膜６に与えるエネルギーの変動が大きくなってしまい、ポリシリコン膜６を安定的に製造することが難しい。
【００３８】
したがって、同一の条件でエキシマレーザアニールを行った場合でも、ポリシリコン膜６のグレーンサイズが大きく変動し、例えばレーザのエネルギが大きくなりすぎた場合には、シリコン結晶が微結晶化してしまい、また、レーザのエネルギが小さくなりすぎた場合には、十分大きなグレーンサイズが得られない為に、いづれも十分な電界移動度が得られなくなってしまい不良となってしまう。
【００３９】
しかしながら、上述したようにエキシマレーザアニール装置は、出射するレーザのエネルギ密度の出力変動が比較的大きい。したがって、ポリシリコン膜６のグレーンサイズが良好なサイズとなるように、そのレーザのエネルギ密度を制御することは難しい。
【００４０】
そこで、一般に、このようなエキシマレーザアニール装置を用いてアニール処理を行う場合には、例えば、図２に示すようなポリシリコン膜６の多結晶化工程が終了した段階で、その最表面に形成されているポリシリコン膜６の結晶の状態を全数検査したり、或いは、製品を無作為に抜き取って結晶の状態を検査したりして、製造した製品がこの段階で不良品であるか否かを判断したり、また、エキシマレーザアニール装置へポリシリコン膜６へ与えられたエネルギー情報をフィードバックしてレーザのエネルギ密度の設定が行われる。
【００４１】
本発明の実施の形態のポリシリコン膜評価装置は、このようなポリシリコン膜６の多結晶化工程が終了した段階で、形成したポリシリコン膜６の評価を行い、製造した製品がこの段階で不良品であるか否かを判断したり、また、エキシマレーザアニール装置へ情報をフィードバックしてレーザエネルギーの設定を行うのに用いるものである。
【００４２】
ポリシリコン膜の評価原理と評価手法
（１）  まず、上述したエキシマレーザアニールにより形成されたポリシリコン膜の評価原理について説明する。
【００４３】
上述したように製造した薄膜トランジスタの移動度は、ポリシリコンのグレーンサイズが大きく影響する。充分な移動度を得るためには、ポリシリコンのグレーンサイズは、大きい方が望ましい。
【００４４】
ポリシリコン膜のグレーンサイズは、エキシマレーザアニールで与えられたエネルギーに大きく依存する。ポリシリコン膜のグレーンサイズは、図３に示すように、与えられたエネルギーが増大するとそれに伴い増大するが、ある所定のエネルギー（図中Ｌの位置：このときのエネルギーを許容最低エネルギーＬとする。）以上となるとグレーンサイズが十分大きくなり、その後変化が少なくなり安定化する。さらにエネルギーを増大させていくと、ある位置（図中Ｈの位置。このときのエネルギーを許容最高エネルギーＨとする）から、グレーンサイズの変化が大きくなり、そして、ある臨界点を境としてポリシリコンが微結晶粒となってしまう。
【００４５】
したがって、通常、エキシマレーザアニールを行う場合には、図３で示したグレーンサイズが十分大きくなった許容最低エネルギーＬから、微結晶粒となる手前の許容最高エネルギーＨの範囲となるように、照射するレーザのエネルギ密度を制御することによって、充分な大きさのグレーンサイズを得るようにする。そして、このような範囲のエネルギーを与えるレーザ光をアモルファスシリコン膜に照射することによって、完成した薄膜トランジスタの移動度を十分大きくすることが可能となる。
【００４６】
（２）  次に、レーザのエネルギ密度を最適値としてエキシマレーザアニールを行ったときのポリシリコン膜の膜表面の画像と、最適値よりも少ないエネルギ密度としたときのポリシリコン膜の膜表面の画像と、最適値よりも大きいエネルギ密度としたときのポリシリコン膜の膜表面の画像とを比較する。図４に、それぞれの場合の画像を示す。図４（Ａ）が最適値よりも少ないエネルギ密度としたときのポリシリコン膜の膜表面の画像を示す図で、図４（Ｂ）が最適値のエネルギ密度としたときのポリシリコン膜の膜表面の画像を示す図で、図４（Ｃ）が最適値よりも大きいエネルギ密度としたときのポリシリコン膜の膜表面の画像を示す図である。なお、図４に示す各画像は、紫外線光を用いた顕微鏡装置により撮像した画像であるが、この顕微鏡装置についての詳細は後述する。
【００４７】
図４において、エキシマレーザアニールのレーザの走査方向は、図中Ｘ方向となっている。なお、アモルファスシリコン膜には、上述したように、照射面が線状とされたレーザビームが照射され、その走査方向は、レーザビームの照射面形状の長手方向に直交する方向である。
【００４８】
ここで、エキシマレーザアニール時におけるエネルギ密度を最適値としたときの図４（Ｂ）の画像と、図４（Ａ）及び図４（Ｃ）に示すそれ以外の画像とを比較すると、以下のような特徴が現れている。
【００４９】
まず、エネルギ密度を最適値としたときのポリシリコン膜の表面画像（図４（Ｂ））は、エネルギ密度が最適とされていないポリシリコン膜の表面画像（図４（Ａ）及び図４（Ｃ））と比較して、直線性が現れた画像となっている。具体的には、レーザの走査方向（図４中Ｘ方向）に対して、直線性が現れた画像となっている。すなわち、エネルギ密度を最適値としたときのポリシリコン膜の表面は、その空間構造に直線性が現れる規則的な形状となる特徴がある。
【００５０】
また、エネルギ密度を最適値としたときのポリシリコン膜の表面画像（図４（Ｂ））は、エネルギ密度が最適とされていないポリシリコン膜の表面画像（図４（Ａ）及び図４（Ｃ））と比較して、周期性が現れた画像となっている。具体的には、レーザの走査方向と直交する方向（図４中Ｙ方向）に、周期性が現れた画像となっている。すなわち、エネルギ密度を最適値としたときのポリシリコン膜の表面は、その空間構造に周期性が現れる規則的な形状となる特徴がある。
【００５１】
したがって、本発明の実施の形態のポリシリコン膜の評価装置では、以上のような特徴を利用して、ポリシリコン膜の状態を検査する。すなわち、本発明の実施の形態のポリシリコン膜の評価装置では、エキシマレーザアニールを行った後のポリシリコン膜の表面画像を数値解析して、ポリシリコン膜の表面空間構造に直線性が現れているか、或いは、ポリシリコン膜の表面空間構造に周期性が現れているか、或いは、ポリシリコン膜の表面空間構造に直線性及び周期性が現れているかを評価して、ポリシリコン膜の状態を検査する。
【００５２】
なお、エネルギ密度を良好な値としてエキシマレーザアニールを行った後のポリシリコン膜の膜表面の画像が、直線性及び周期性が現れた画像となるのは、図５（Ａ）のように、アモルファスシリコン膜の上層に自然酸化膜（ＳｉＯ２）が形成されている影響であると考えられる。この自然酸化膜の膜厚は、３〜４ｎｍとなっていると考えられる。また、この自然酸化膜は、一定の膜厚までで酸化が停止し、ある一定以上の膜厚にはならないと考えられる。
【００５３】
そして、この自然酸化膜が形成されたアモルファスシリコンに対してエキシマレーザを用いてアニール処理を行うと、図５（Ｂ）のように、この自然酸化膜（ＳｉＯ２）が隆起すると考えられる。この隆起の形状は、エキシマレーザアニールのエネルギ密度が良好であると、エキシマレーザの走査方向に平行な複数の直線状の凸部が形成され、さらに各直線が等間隔に周期性を有したものになる。そのため、ポリシリコン膜の膜表面画像を紫外光を用いた顕微鏡装置で撮像した場合、この直線状の凸部による反射回折光の影響から、図４に示したような縞状の画像が参照できるものと考えられる。
【００５４】
また、この自然酸化膜は、エキシマレーザアニールで与えられるエネルギ密度やアモルファスシリコン膜の膜厚の違い等の要因によって、図５（Ｃ）に示すように、アニール後の形状が変化するものと考えられる。例えば、エキシマレーザアニールのエネルギ密度が良好でない場合には、隆起の形状の直線性及び周期性が崩れていくものと考えられる。また、同一の膜面上の異なる場所でも、膜厚の違い等の多々の要因によって、直線性や周期性が一定の値とならない場合がある。
【００５５】
（３）  次に、ポリシリコン膜の撮像画像に直線性、周期性、直線性及び周期性がある場合の数値化の手法の一例について説明する。
【００５６】
例えば、直線性および周期性があるポリシリコン膜の撮像画像を模式的に表すと、図６（Ａ）に示すように多数の直線が平行に並び、その間隔が一定間隔となっているように表される。これに対し、直線性も周期性もないポリシリコン膜の撮像画像を模式的に表すと、図７（Ａ）に示すように、不規則な短い直線等が不規則に現れるように表される。これらの画像から、直線性及び周期性がどれだけあるか数値化して評価する場合には、周期性があるであろう方向と垂直な方向に画像を横ずらしし、横ずらしをしたときの画像の相関性を数値に表して評価すればよい。例えば、直線性及び周期性がある画像を横ずらしすると、図６（Ｂ）に示すように、ある一定の周期、つまりある一定の横ずらし量毎に、画像の重なり具合が多い相関性の高い画像が現れる。それに対し、直線性も周期性も無い画像は、図７（Ｂ）に示すように、横ずらしをしたとしても画像の重なりある具合が多い相関性の高い画像が、一定の周期毎に現れない。
【００５７】
以上のような画像を横ずらしをしたときの画像の相関性を数値化するといった概念を用いることにより、ポリシリコン膜の周期性を数値化し評価をすることが可能となる。具体的にこのような手法を実現する一つの方法としては、画像の自己相関関数を求め、この自己相関関数のピーク値及びサイドピーク値を算出し、これらの比をとる方法がある。ここで、ピーク値とは、原点の値から原点よりｙ方向の２番目の極小値（デフォーカスの値を小さくするために使用している。１番目や２番目以降であってもよい）を引いた値をいうものとする。また、サイドピーク値とは、原点よりｙ方向の２番目（原点を含めない）の極大値から原点よりｙ方向の２番目の極小値を引いた値等をいうものとする。
【００５８】
なお、本発明は、直線性又は周期性のいずれか一方のみを評価し、ポリシリコン膜の状態を判断することも可能である。
【００５９】
また、ポリシリコン膜の撮像画像に直線性、周期性、直線性及び周期性がある場合の数値化の手法の他の例としては、例えば、規格化された画像を直線性のそろった方向に、全ての画素の値を足し合わせてその変調度をとる手法がある。また、規格化された画像を、２次元フーリエ変換し、ある周波数成分の強度をとる手法がある。また、画像（例えば、ｙ方向に直線性を有するであろう画像）の内の極値（極小値又は極大値）の座標を抽出し、ｙ方向に縦長な範囲内（ｘ方向の中心を極値×座標の平均値にとり、ｘ方向の長さをｘ方向の配列のピッチとする）の座標に関して、ｘ方向の分散をとる手法がある。また、画像（例えば、ｙ方向に直線性を有するであろう画像）の内の極値（極小値又は極大値）の座標を抽出し、ｙ方向に縦長な範囲内（ｘ方向の中心を極値×座標の平均値にとり、ｘ方向の長さをｘ方向の配列のピッチとする）の座標に関して、各点の上下近傍の点との角度を取る手法がある。
【００６０】
ポリシリコン膜の評価装置の具体的な構成とその処理内容
（１）  次に、以上のようなポリシリコン膜の表面空間構造の直線性及び周期性を評価するための本発明の実施の形態のポリシリコン膜評価装置の具体的な構成例について説明する。
【００６１】
本発明の実施の形態のポリシリコン膜評価装置は、波長２６６ｎｍの紫外光レーザを用いた顕微鏡装置によってボトムゲート型ＴＦＴの製造基板（アモルファスシリコン膜にエキシマレーザアニールを行うことによってポリシリコン膜が形成された直後の状態の基板）を撮像し、撮像した画像から形成されたポリシリコン膜の状態を評価する装置である。
【００６２】
本発明の実施の形態のポリシリコン膜の評価装置の構成図を図８に示す。
【００６３】
図８に示すポリシリコン膜評価装置２０は、可動ステージ２１と、紫外線固体レーザ光源２２と、ＣＣＤカメラ２３と、光ファイバプローブ２４と、偏光ビームスプリッタ２５と、対物レンズ２６と、１／４波長板２７と、制御用コンピュータ２８と、画像処理用コンピュータ２９とを備えて構成される。
【００６４】
可動ステージ２１は、被検査物となるポリシリコン膜が成膜された基板１を支持するためのステージである。この可動ステージ２１は、被検査物となる基板１を支持するとともに、この基板１を所定の検査対象位置へと移動させる機能も備えている。
【００６５】
具体的には、可動ステージ２１は、Ｘステージ、Ｙステージ、Ｚステージ、吸着プレート等を備えて構成される。
【００６６】
Ｘステージ及びＹステージは、水平方向に移動するステージであり、ＸステージとＹステージとで、被検査物となる基板１を互いに直交する方向に移動させ、検査対象となる基板１を所定の検査位置へと導くようにしている。Ｚステージは、鉛直方向に移動するステージであり、ステージの高さを調整するためのものである。すなわち、このＺステージは、照射される紫外光レーザの光軸方向、換言すると基板１の平面に垂直な方向に移動する。なお、このＺステージの移動方向のことを、以下Ｚ方向という。吸着プレートは、検査対象となる基板１を吸着して固定するためのものである。
【００６７】
紫外線固体レーザ光源２２は、波長２６６ｎｍの紫外光レーザ光源であり、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ４倍波全固体レーザが用いられる。なお、この紫外線レーザ光源としては、近年、波長１５７ｎｍ程度のものも開発されており、このようなものを光源として用いても良い。
【００６８】
ＣＣＤカメラ２３は、紫外光に対して高感度化されたカメラであり、内部に撮像素子としてＣＣＤイメージセンサを備え、このＣＣＤイメージセンサにより基板１の表面を撮像する。このＣＣＤカメラ２３は、本体を冷却することにより、ＣＣＤイメージセンサ等で発生する熱雑音、読み出し雑音、回路雑音等を抑圧している。
【００６９】
光ファイバプローブ２４は、紫外線レーザ光の導波路であり、紫外線固体レーザ光源２２から出射された紫外光レーザを、偏光ビームスプリッタ２５に導いている。
【００７０】
偏光ビームスプリッタ２５は、紫外線固体レーザ光源２２からの紫外線レーザ光を反射して、対物レンズ２６を介して可動ステージ２１上の基板１に照射し、それとともに、基板１から反射された反射光を透過して、高感度低雑音カメラ３に照射する。すなわち、偏光ビームスプリッタ２５は、紫外線固体レーザ光源２２等の出射光の光学系の光路と、ＣＣＤカメラ２３への反射光の光学系の光路とを分離するためのレーザ光分離器である。
【００７１】
対物レンズ２６は、基板１からの反射光を拡大して検出するための光学素子である。この対物レンズ２６は、例えば、ＮＡが０．９で、波長２６６ｎｍで収差補正がされたものである。この対物レンズ２６は、偏光ビームスプリッタ２５と可動ステージ２１との間に配置される。
【００７２】
１／４波長板２７は、紫外光レーザ光から反射光成分を抽出する。１／４波長板２７により円偏光とされた紫外光は、基板１によって反射され再び１／４波長板２７を透過することによって、９０°直線偏光の方向が回転する。このため戻り光は、偏光ビームスプリッタ２５を透過することとなる。
【００７３】
制御用コンピュータ２８は、紫外線固体レーザ光源２２のレーザ光の点灯の制御、可動ステージ２１の移動位置の制御、対物レンズ２６の切換制御等を行う。
【００７４】
画像処理用コンピュータ２９は、ＣＣＤカメラ２３に備えられるＣＣＤイメージセンサにより撮像した基板１の画像を取り込み、その画像を解析し、基板１上に形成されているポリシリコン膜の状態の評価を行う。
【００７５】
以上のような構成の評価装置２０では、紫外線固体レーザ光源２２から出射された紫外光レーザが、光ファイバプローブ２４、偏光ビームスプリッタ２５、対物レンズ２６、１／４波長板２７を介して、基板１に照射される。直線偏光で入射した光は、１／４波長板２７で円偏光になり、基板１に入射する。反射した戻り光の位相は、９０°変化し、再度１／４波長板２７を通過すると直線偏光の方向が９０°回転する。そのため反射した戻り光は、偏光ビームスプリッタ２５を透過し、ＣＣＤカメラ２３に入射する。そして、ＣＣＤカメラ２３は、その入射した反射光をＣＣＤイメージセンサにより撮像し、撮像して得られたポリシリコン膜の表面画像情報を画像処理用コンピュータ２９に供給する。
【００７６】
そして、この画像処理用コンピュータ２９が、以下説明するように、取り込まれたポリシリコン膜の表面画像の情報に基づき、そのポリシリコン膜の状態を評価する。そして、その評価結果に基づき、ポリシリコン膜を生成するためのエキシマレーザアニール時におけるエネルギ密度の設定値を求めたり、また、その基板１上に形成されたポリシリコン膜が良品であるか或いは不良品であるかの判別を行う。
【００７７】
（２）  次に、上記画像処理用コンピュータ２９のポリシリコン膜の状態の評価手順について説明する。この画像処理用コンピュータ２９は、ポリシリコン膜の表面画像から自己相関を用いて周期性を数値化した値（以後ＡＣ値とする。）を求め、ポリシリコン膜の表面空間構造の直線性及び周期性を評価して、ポリシリコン膜の状態の評価を行う。
【００７８】
評価の処理手順は、図９のフローチャートに示すように、まず、ポリシリコン膜の表面の画像取り込み処理を行う（ステップＳ１）。続いて、取り込んだ画像から自己相関関数の計算を行う（ステップＳ２）。続いて、画像座標上の（０，０）を含む整列方向と垂直な面の切り出しを行う（ステップＳ３）。続いて、切り出した面における自己相関関数のピーク値とサイドピーク値とを算出し、このピーク値とサイドピーク値との比をとって、ＡＣ値を求める（ステップＳ４）。続いて、このＡＣ値に基づき、ポリシリコン膜の評価を行う（ステップＳ５）。
【００７９】
ここで、自己相関関数は、以下の式に示すような関数となる。
【００８０】
【数１】
0004586266.tif 000002
この自己相関関数Ｒ（τ）は、ある関数ｆ（ｘ）をτだけｘ方向に平行移動させたときの相関を示す関数である。
【００８１】
このポリシリコン膜評価装置２０では、以下のようなウィンナーヒンチンの定理を用いて、ポリシリコン膜の表面画像の自己相関関数を求めている。なお、ここでは、具体的に取り込んだ画像情報を“ｉ”としている。
１  取り込み画像“ｉ”の２次元フーリエ変換する。
：ｆ=ｆｏｕｒｉｅｒ（ｉ）
２  フーリエ級数“ｆ”を二乗してパワースペクトル“ｐｓ”を生成する。
：ｐｓ＝｜ｆ｜２
３  パワースペクトル“ｐｓ”を逆フーリエ変換して２次元の自己相関関数“ａｃ”を生成する。
：ａｃ＝ｉｎｖｅｒｓｆｏｕｒｉｅｒ（ｐｓ）
４  自己相関関数“ａｃ”の絶対値をとり、自己相関関数の実数“ａｃａ”を求める。
：ａｃａ＝｜ａｃ｜
【００８２】
このように生成された自己相関関数“ａｃａ”を表示すると、図１０及び図１１に示すような関数となる。図１０は、自己相関が高い画像、即ち、ポリシリコン膜の表面空間構造の周期性及び直線性が良いものの自己相関関数である。それに対して、図１１は、自己相関が低い画像、即ち、ポリシリコン膜の表面空間構造の周期性及び直線性が悪いものの自己相関関数である。
【００８３】
ポリシリコン膜評価装置２０は、このようなウィンナーヒンチンの定理を用いて計算した自己相関画像から、さらに、整列方向（即ち、直線性を有する方向）と垂直で、画面上の座標（０，０）を含む面を切り出して、その切り出したときに得られる関数を求める。ここで、画面上の座標（０，０）を含む面を切り出すのは、照明光量やＣＣＤゲイン等の実験パラメータによって変化する自己相関関数からの値を規格化するために行っている。
【００８４】
このように切り出したときに得られる関数が、上述した整列方向と垂直な方向の自己相関関数Ｒ（τ）に対応する関数となる。
【００８５】
また、ここで、上述したステップＳ１〜Ｓ３は、以下の図１２のステップＳ１１〜Ｓ１４に示すように行ってもよい。
【００８６】
また、このような評価の手順に代えて以下のような評価を行ってもよい。
【００８７】
この評価の処理手順は、図１２のフローチャートに示すように、まず、ポリシリコン膜の表面の画像取り込み処理を行う（ステップＳ１１）。続いて、レーザビームの進行方向（直線性がある方向：ｘ方向）と垂直な方向（周期性がある方向：ｙ方向）の取り込み画像の１ライン分を切り出す（ステップＳ１２）。続いて、この１ラインに関して自己相関関数の計算を行う（ステップＳ１３）。続いて、必要に応じて、これらの作業を数回繰り返し、各ラインの平均化を行う（ステップＳ１４）。
【００８８】
この場合における自己相関関数は、ウィンナーヒンチンの定理を用いて、以下のように求められる。なお、ここでは、具体的に取り込んだ１ライン分の画像情報を“ｌ”としている。
１  取り込み画像の１ライン“ｌ”に関してのフーリエ変換をする。
：ｆｌ=ｆｏｕｒｉｅｒ（ｌ）
２  フーリエ級数“ｆｌ”を二乗してパワースペクトル“ｐｓｌ”を生成する。
：ｐｓｌ＝｜ｆｌ｜２
３  パワースペクトル“ｐｓｌ”を逆フーリエ変換して２次元の自己相関関数“ａｃｌ”を生成する。
：ａｃｌ＝ｉｎｖｅｒｓｆｏｕｒｉｅｒ（ｐｓｌ）
４  自己相関関数“ａｃｌ”の絶対値をとり、自己相関関数の実数“ａｃａｌ”を求める。
：ａｃａｌ＝｜ａｃｌ｜
【００８９】
このように生成された自己相関関数ａｃａｌをグラフ上に表すと、図１３及び図１４に示すような関数となる。図１３は、自己相関が高い関数、即ち、ポリシリコン膜の表面空間構造の周期性及び直線性が良いものの自己相関関数である。
それに対して、図１４は、自己相関が低い関数、即ち、ポリシリコン膜の表面空間構造の周期性及び直線性が悪いものの自己相関関数である。
【００９０】
これら１ラインの自己相関関数を取り込み画像の全てのラインに関して行い、各自己相関関数の平均化を施す。これが上述した整列方向（すなわち、直線性を有する方向）と垂直な方向の自己相関関数Ｒ（τ）に対応する関数となる。
【００９１】
ポリシリコン膜評価装置２０は、続いて、この得られた関数から、極大ピーク値と、サイドピーク値とを求める。そして、サイドピーク値に対する極大ピーク値の比を求め、この値をＡＣ値とする。
【００９２】
したがって、ＡＣ値は、自己相関が高い画像、即ち、ポリシリコン膜の表面空間構造の周期性及び直線性が良い場合は、極大ピーク値とサイドピーク値との差が大きくなり、その値が大きくなる。それに対して、自己相関が低い画像、即ち、ポリシリコン膜の表面空間構造の周期性及び直線性が悪い場合は、極大ピーク値とサイドピーク値との差が小さくなり、その値が小さくなる。
【００９３】
以上のように、ボトムゲート型ＴＦＴ１では、ポリシリコン膜の表面画像を撮像して、その撮像画像の自己相関関数を求め、ポリシリコン膜の表面空間構造の直線性及び周期性を数値化している。
【００９４】
具体的に、その撮像画像の一例に対するＡＣ値を示すと、図１５に示すようになる。
【００９５】
（３）  以上のようにエキシマレーザアニールがされたポリシリコン膜は、図５に示したように、膜の表面に複数の直線状の凸部が形成され、さらに、この直線状の凸部が周期的に配列されることから、ＡＣ値によりその状態を評価することができる。すなわち、ポリシリコン膜の表面の空間構造が、反射型のグレーティング状となっているため、ＡＣ値で評価することができる。
【００９６】
図１６に、ポリシリコン膜表面の位置と、対物レンズにより集光された紫外光レーザの焦点位置との距離に対する、ＡＣ値を示す。この図１６に示すように、ＡＣ値は、ポリシリコン膜の紫外光レーザの光軸方向の位置（以下、Ｚ位置という）に対して、周期的に変動したピーク特性を有している。すなわち、ポリシリコン膜の表面形状を撮像した場合、基板を支持するステージのＺ方向の位置に応じて、ＡＣ値が周期的に変動する。
【００９７】
ここで、複数の直線状の凸部のパターン間隔をｄ、照射する紫外光の波長をλとすると、ポリシリコン膜のＺ方向の移動位置に対するＡＣ値の変動周期Ｔは、以下のようになる。
Ｔ＝ｄ２／λ
【００９８】
例えば、パターン間隔ｄ＝３０９ｎｍ  紫外光の波長λ＝２６６ｎｍとすれば、変動周期ＴはＴ＝３６０ｎｍとなる。
【００９９】
ところで、基板を支持するステージのＺ方向の位置によってＡＣ値が変動したのでは、例えば、複数の基板のグレーンサイズを比較する場合や、１つの基板に対して複数回ＡＣ値を測定する場合や、或いは、その基板が良品か不良品かを判断する場合など、ＡＣ値の再現性を確保することができない。
【０１００】
そのため、本実施の形態では、ポリシリコン膜のＺ方向の位置に対して周期的に変動するＡＣ値のうち、最も値が大きいＡＣ値をサンプルとして抽出してポリシリコン膜の評価を行っている。例えば、図１６のＸ点（ＡＣ値の極大ピーク値であり、且つ、各極大ピーク値の中の最も値が大きいもの）におけるＡＣ値を抽出し、評価を行う。このように最大のＡＣ値をサンプルとして抽出することによって、ポリシリコン膜のＺ方向の移動位置に対してＡＣ値が周期的に変動したとしても、ＡＣ値の再現性を確保することができる。
【０１０１】
最大のＡＣ値を抽出するには、例えば、Ｚステージを移動させ、ポリシリコン膜と対物レンズ２６の焦点位置との距離（すなわち、ポリシリコン膜のＺ方向の位置：Ｚ位置）を変化させ、各Ｚ位置におけるＡＣ値を全て算出し、これらの全ての算出結果に基づき、最大のＡＣ値を抽出してもよい。しかしながら、各Ｚ位置においてＡＣ値を算出すると、ＦＦＴ演算を大量に行わなくてはならなく、膨大な処理時間を費やしてしまう。
【０１０２】
ここで、本出願人は、ポリシリコン膜の表面画像から算出されたコントラストが最大となるポリシリコン膜のＺ位置と、ＡＣ値が最大となるＺ位置とが一致することをみいだした。また、本出願人は、ポリシリコン膜のＺ方向の位置に対するコントラストのピーク周期と、ポリシリコン膜のＺ方向の位置に対するＡＣ値のピーク周期とが、一致することを見いだした。
【０１０３】
ポリシリコン膜のＺ方向の各位置に対するコントラストの値は、図１７に示すように、ＡＣ値同様に、Ｔ＝ｄ２／λの周期のピーク特性を有している。そして、その最大のピーク値（図１７中Ｙ１）のＺ位置が、ＡＣ値が最大（図１７中Ｘ）となるＺ位置とが一致している。
【０１０４】
さらに、ＡＣ値の場合、およそ同じレベルのピーク値が複数個現れるため、その中から最大のピーク値を算出するのは困難である。これに対して、コントラストの場合、最大の極大ピーク（図１７中のＹ１）と、２番目に大きな極大ピーク（図１７中のＹ２）との値の差が非常に大きい。そのため、コントラストの最大値を抽出するのは、ＡＣ値を抽出するよりも簡易に行うことができる。
【０１０５】
また、コントラストは、例えば、画像のエッジ部分の明るさの微分値や、各画素の明るさの変調度や、又は、各画素の標準偏差などによって、表現される。これらの演算は、ＡＣ値の算出と比較して、非常に簡易に行うことができる。
【０１０６】
そこで、本発明では、Ｚステージを移動させることによりポリシリコン膜のＺ位置を移動させ、各Ｚ位置においてポリシリコン膜の表面画像を撮像してコントラストを算出する。そして、コントラストが最大となる評価位置を探し出し、この評価位置で、ＡＣ値を算出するようにする。
【０１０７】
このように処理を行うことによって、ＡＣ値の再現性を確保しつつ、処理時間を短縮化することができる。
【０１０８】
なお、紫外光レーザを伝達する光学系の特性によっては、コントラストのピークと、ＡＣ値のピークとが一致しない場合がある。例えば、１／４波長板２７の回転角度調整を光検出器への戻り光の最大値に調整したとしても、コントラストのピークと、ＡＣ値のピークとが一致しない場合がある。このような場合、例えば、あるサンプルに対して、ｚ位置に対するコントラストの位相及びｚ位置に対するＡＣ値の位相を、１／４波長板の回転角度をパラメータとして測定し、両者の位相が一致する（つまり、ピーク値が一致する）ように１／４波長板の回転角度を設定する。このように光学系を調整しておいて、各サンプルに対して、コントラストの最大値とＡＣ値の最大値とが一致するようになる。また、あるサンプルに対して、コントラストが最大となるｚ位置に対物レンズを固定しておいて、ＡＣ値が最大となるように１／４波長板の回転角度を調整するようにしてもよい。
【０１０９】
つぎに、ポリシリコン膜評価装置２０により行われる、各Ｚ位置でのコントラストを算出して、ＡＣ値の算出位置を決定する処理手順を図１８のフローチャートを用いて説明をする。
【０１１０】
ポリシリコン膜評価装置２０は、ＡＣ値の算出処理が開始すると、まず、対物レンズ２６を移動させて、フォーカシングを行い、ポリシリコン膜の表面にフォーカス用のレーザの焦点位置を一致させる（ステップＳ２１）。フォーカシングの方法としては、例えば、ナイフエッジ法、画像フォーカス法、容量検出法等を用いて行う。
【０１１１】
続いて、Ｚステージを微少に移動させる（ステップＳ２２）。この移動量は、例えば、焦点深度の数倍程度の移動量とする。
【０１１２】
続いて、ステップＳ２２で移動した位置で画像を取り込み、取り込んだ撮像画像からコントラストを算出する（ステップＳ２３）。算出したコントラストは、そのときの移動位置情報とともに記憶しておく。
【０１１３】
続いて、ある一定のスキャン範囲を移動したかどうかを判断する（ステップＳ２４）。スキャン範囲は、コントラストの最大値となるＺ位置を中心として、Ｒ＝（表面構造の周期）２／（測定光の波長）の範囲で十分である。もっとも、コントラストが最大となるＺ位置が予想できない場合には、この範囲以上をスキャンして、最大値を見つけだす必要がある。
【０１１４】
このステップＳ２４である一定のスキャン範囲の移動を終了していない場合には、ステップＳ２２に戻り処理を繰り返す。また、スキャン範囲の移動を終了した場合には、ステップＳ２５に進む。
【０１１５】
続いて、算出した各コントラストから最大値を抽出し、その最大値が得られたＺ位置までＺステージを移動する（ステップＳ２５）。
【０１１６】
続いて、このＺ位置で再度画像を取り込み（或いは、メモリしてある画像に基づき）、ＡＣ値を算出する（ステップＳ２６）。
【０１１７】
なお、画像メモリの容量に余裕がある場合は、ステップＳ２５は省略でき、ステップＳ２６に移行することができる。各Ｚ位置でコントラストを算出する際、画像も記憶しておけるので、ステップＳ２６でコントラスト最大を与えるＺでの画像からＡＣ値を算出すればよい。また、もし、紫外光用対物レンズでコントラスト最大となるＺ位置がオートフォーカス機構のみで精度よく再現できる場合には、ステップＳ２５〜２６までの処理は省略することができ、ステップＳ２６でオートフォーカス機構で調整されたＺ位置での画像から、ＡＣ値を算出すればよい。
【０１１８】
ポリシリコン膜評価装置２０は、以上のような処理手順でＡＣ値を算出することによって、ＡＣ値の再現性を確保しつつ、短時間で処理を完了することができる。
【０１１９】
なお、このコントラストを算出した後、ＡＣ値を算出し、ＡＣ値の再現性を確保する手法は、例えば、ポリシリコン膜の評価において用いるのみでなく、グレーティング状の物質表面の空間構造を評価する場合にも用いることができる。また、この手法は、紫外光顕微鏡装置のみならず、可視光顕微鏡装置、ＳＥＭといった装置を用いて物質表面の空間構造を評価する場合にも用いることができる。
【０１２０】
また、算出したコントラストは、上述したようにピーク特性を有しているが、ピーク間隔から、ポリシリコン膜の表面構造のパターン間隔を算出することができる。すなわち、上述したように、ピーク間隔Ｔは、Ｔ＝ｄ２／λ  （ｄ＝パターン周期，λ＝照射光の波長）で求められる。従って、ポリシリコン膜の表面構造のパターン間隔ｄは、
ｄ＝（Ｔ×λ）１／２
を演算することによって求めることができる。
【０１２１】
（４）  次に、上述したように演算した結果得られるＡＣ値と、ポリシリコン膜のグレーンサイズ及びポリシリコン膜に与えられるエネルギーとの関係を説明する。
【０１２２】
ＡＣ値は、図１９に示すように、エキシマレーザアニールによりポリシリコン膜に与えられるエネルギーが、あるエネルギーＥ５となったときからその値が比例的に上昇し、あるエネルギーＥＴでその値が最大となる。そして、ＡＣ値は、この最大となるエネルギーＥＴでピーク値を迎え、その後その値が比例的に減少し、あるエネルギーＥＢ２でその減少が終了し、その値が最小値となる。このようにＡＣ値は、与えられるエネルギーに対してピーク特性を有している。
【０１２３】
このようなＡＣ値のピーク特性を、図３で示したポリシリコン膜のグレーンサイズの変化の特性に重ね合わせてみると、図２０に示すようになる。この図２０に示すように、ＡＣ値のピーク特性を示すグラフの最大値が、ポリシリコン膜のグレーンサイズが適正となるエネルギー範囲内に入ることが分かる。さらに、ＡＣ値が比例的に上昇を開始するエネルギーＥ５が、ポリシリコン膜に与えてグレーンサイズが適正となる許容最低エネルギーＬよりも低くなる。また、ＡＣ値の比例的な減少が停止して最低値となったときのエネルギーＥＢ２が、ポリシリコン膜の結晶粒径が微結晶化する閾値のエネルギーである許容最大エネルギーＨよりも高くなる。
【０１２４】
したがって、このようなピーク特性を有するＡＣ値からポリシリコン膜のグレーンサイズが良好なものであるかどうかを評価する場合には、ＡＣ値が図２０中太線で示した範囲の値に入っているかどうかを判断すればよいこととなる。
【０１２５】
（５）  このような特性を有するＡＣ値を評価して、ポリシリコン膜が良品であるか否かの検査を行う場合には、例えば、検査対象となる基板のＡＣ値が、許容最低エネルギーＬ或いは許容最大エネルギーＨを与えたときに求められるＡＣＬのいずれか高い方の値を閾値として、この閾値よりも大きければ良品であると判断することにより検査が可能である。
【０１２６】
また、このような特性を有するＡＣ値を評価して、エキシマレーザアニール装置から出射されるレーザのエネルギ密度を最適に設定する場合には、例えば、エキシマレーザのエネルギ密度を変動させながら、複数個の基板に対してレーザアニール処理を行う。そして、各エネルギ密度に対応させたＡＣ値の特性図を描き、具体的には、図１９に示すような特性図を描き、この特性図から最適なエネルギ密度を求めればよい。
【０１２７】
（６）  ところで、上述したようにボトムゲート型ＴＦＴでは、ゲート電極３がポリシリコン膜６の下層に位置しているので、レーザアニールを行った場合におけるエネルギーの拡散性が、ガラス基板２上（ソース／ドレイン領域上）のポリシリコン膜６よりも、ゲート電極３上のポリシリコン膜６の方が高くなる。そのため、エキシマレーザアニール装置から与えられるエネルギ密度が同一であっても、ゲート電極３上のポリシリコン膜６と、ガラス基板２上（ソース／ドレイン領域上）のポリシリコン膜６とで、与えられるエネルギーが異なることとなり、その影響からグレーンサイズが双方で異なってしまう。
【０１２８】
一般に、エキシマレーザアニール装置によりレーザアニールを行った場合、ゲート電極上に位置するポリシリコン膜と、ガラス基板上（ソース／ドレイン領域上）に位置するポリシリコン膜とで、エネルギ密度を変化させるような制御をすることはできず、同一のエネルギ密度の設定で、一律にエキシマレーザアニールを行うこととなる。
【０１２９】
そのため、ボトムゲート型ＴＦＴでは、エキシマレーザのエネルギ密度に対するＡＣ値の特性は、図２１に示すようになり、ガラス基板上（ソース／ドレイン領域上）と、ゲート電極上とで、そのピーク値が異なる位置となってしまう。具体的には、ガラス基板上（ソース／ドレイン領域上）に位置するポリシリコン膜のＡＣ値の方が、ゲート電極上に位置するポリシリコン膜よりも低いエネルギ密度でピーク値を迎えることとなる。
【０１３０】
したがって、ＡＣ値を評価して、ポリシリコン膜が良品であるか否かの検査を行う場合、並びに、ＡＣ値を評価してエキシマレーザアニール装置から出射されるエネルギ密度を最適に設定する場合には、この両者（ガラス基板上及びゲート電極上）のポリシリコン膜が良好となるような値とする必要がある。
【０１３１】
続いて、ボトムゲート型ＴＦＴのポリシリコン膜について、エキシマレーザのエネルギ密度に対するＡＣ値の具体的な実験データの一例を図２２に示す。この図２２に示すように、ＡＣ値は、ゲート電極上とガラス基板上とで異なるピーク値となる特性となる。例えば、この図２２で示した特性図上では、エキシマレーザアニールでのエネルギ密度を３８０ｍＪで設定することが最適であることが分かる。
【０１３２】
（７）  以上のように、ボトムゲート型ＴＦＴに形成されたポリシリコン膜を評価する場合に、ポリシリコン膜表面の空間構造の直線性及び／又は周期性を評価することにより、非破壊で容易にポリシリコンの検査をすることができ、検査工程を製造工程に組み込むことが可能となる。また、この直線性及び／又は周期性を数値化するので、目視検査等によらず数値演算が可能となる。さらに、数値化を行って評価を行うので、そのため自動検査が可能となり、また、高い精度で客観的な検査を行うことができる。また、検査結果をアニール処理工程にフィードバックして、製造する薄膜トランジスタの歩留まりを高くすることができる。
【０１３３】
なお、以上ポリシリコン膜を撮像する装置として、波長２６６ｎｍの紫外光レーザを用いた顕微鏡装置を適用していたが、ポリシリコン膜の表面空間構造の直線性及び／又は周期性を評価するための元画像を撮像する装置は、このような装置に限られない。例えば、ＳＥＭにより観察した画像に基づいて、ポリシリコン膜の表面空間構造の直線性及び／周期性を評価しても良い。例えば、図２３に示すように、紫外光レーザを用いた顕微鏡装置（ＤＵＶ）で撮像した画像に基づきＡＣ値を求めた場合の特性と、ＳＥＭで撮像した画像に基づきＡＣ値を求めた場合の特性とを比較すると、ＳＥＭの方がより精彩な画像となるため相対的にＡＣ値が低くなるもの、その特性を示す曲線はほぼ同一となることが分かる。
【０１３４】
また、直線性及び／周期性を数値化する手法として自己相関関数を用いた例を詳細に説明したが、数値化の手法もこの自己相関関数を用いた例に限られない。
【０１３５】
ボトムゲート型ＴＦＴの製造プロセスにおける具体的な適用例
つぎに、ボトムゲート型ＴＦＴの製造プロセスに上記ポリシリコン膜評価装置２０を適用した具体的な適用例について説明する。
【０１３６】
まず、図２４に示すような、ボトムゲート型ＴＦＴのポリシリコン膜の撮像画像から得られたＡＣ値を評価して、その評価結果をエキシマレーザアニール装置にフィードバックし、このエキシマレーザアニール装置３０から出射されるレーザパワーを最適に設定する適用例（ＥＱＣ：Equipment Quality Control）について説明する。
【０１３７】
エキシマレーザアニール装置は、上述したようにレーザパワーの設定値に対して、実際のレーザパワーの出力値の変動が比較的に大きい。出力されるレーザパワーは、ガウス分布的な特性を示しばらつきが生じ、所定のパワー設定値に対してある程度のばらつきが生じる。これに対して、ボトムゲート型ＴＦＴの場合、ポリシリコン膜に与えられるエネルギーの製造マージン（この範囲より外のエネルギーが与えられた場合には不良品となるエネルギー範囲）は、そのばらつきに対して相対的に大きな値となる。
【０１３８】
したがって、図２５に示すように、ポリシリコン膜の製造マージンの中心位置がレーザパワーの設定値の最適値となり、この最適値にレーザパワーが設定してあれば、レーザパワーが変動したとしてもポリシリコン膜に与えられるエネルギーは製造マージン内に入ることとなり、高い歩留まりを得ることができる。しかしながら、図２６に示すように、レーザパワーの設定値が、製造マージンの最適値に設定されていない場合には、レーザパワーが変動すると、ポリシリコン膜に与えられるエネルギーが製造マージンから外れる場合が多く、歩留まりが低くなってしまう。
【０１３９】
そのため、本適用例は、ボトムゲート型ＴＦＴのＡＣ値のピーク特性を利用して、以下のように、エキシマレーザアニール装置のレーザパワーを最適値に設定する。
【０１４０】
まず、本適用例では、ポリシリコン膜を形成した複数枚の基板を製造する。このとき、各基板毎にエキシマレーザアニール装置のレーザパワーの設定を変化させ、それぞれの基板についてゲート電極上及びガラス基板上のＡＣ値を求める。
【０１４１】
すると、図２７や図２８に示すような、ＡＣ値のピーク曲線をグラフ上に描くことができる。
【０１４２】
このようなＡＣ値のピーク曲線を描くと、ゲート電極上とガラス基板上ともに良好なグレーンサイズを得られるレーザパワーの許容範囲（ポリシリコン膜の製造マージン）を求めることができる。具体的には、製造マージンの下位限界のレーザパワーは、ゲート電極上のポリシリコン膜に与えられるエネルギーの最低許容エネルギー（Ｌ）に対応したレーザパワー、具体的には、図２７及び図２８に示したゲート電極上のＡＣ値の太線で描いた部分の左端のレーザパワー（ＭＯ（Ｌ））となる。また、製造マージンの上位限界のレーザパワーは、ガラス基板上のポリシリコン膜に与えられるエネルギーの最高許容エネルギー（Ｈ）に対応したレーザパワー、具体的には、図２７及び図２８に示したガラス基板上のＡＣ値の太線で描いた部分の右端のレーザパワー（Ｇ（Ｈ））となる。
【０１４３】
そして、このように求めた製造マージンの中間値を求め、この中間値におけるレーザパワーを最適値として設定する。
【０１４４】
以上のようにＡＣ値を求めて、製造マージンを求め、この製造マージンを最適値として設定することによって、ボトムゲート型ＴＦＴの歩留まりを高くすることができる。
【０１４５】
【発明の効果】
本発明にかかる薄膜トランジスタ製造システム及び方法では、ポリシリコン膜が形成された基板を照射光の光軸方向に移動させ、各移動位置におけるポリシリコン膜の撮像画像を取り込む。取り込んだ撮像画像から、各移動位置の撮像画像のコントラストを算出し、算出した各コントラストの大きさに基づきポリシリコン膜の評価位置を決定する。そして、決定をした評価位置で撮像された撮像画像の自己相関を算出し、ポリシリコン膜の表面空間構造の周期性を評価する。
【０１４６】
このことにより本発明にかかる薄膜トランジスタ製造システム及び方法では、非破壊で容易にポリシリコンの結晶状態の評価をすることでき、また、高い精度で客観的な評価をすることが可能となる。そしてさらに、本発明では、低温多結晶化プロセスで形成されたポリシリコン膜を評価する際に、評価結果の再現性を確保しながら、短い処理時間で評価を行うことができる。
【０１４７】
本発明にかかる評価装置及び方法では、被検査物を照射光の光軸方向に移動させ、各移動位置における被検査物の撮像画像を取り込む。取り込んだ撮像画像から、各移動位置の撮像画像のコントラストを算出し、算出した各コントラストの大きさに基づき被検査物の評価位置を決定する。そして、決定をした評価位置で撮像された撮像画像の自己相関を算出し、被検査物の表面空間構造の周期性を評価する。
【０１４８】
このことにより本発明にかかる評価装置及び方法では、非破壊で容易に物質表面の空間構造の周期性の評価をすることでき、また、高い精度で客観的な評価をすることが可能となる。そしてさらに、本発明では、評価結果の再現性を確保しながら、短い処理時間で評価を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ボトムゲート型ＴＦＴの模式的な断面構成を説明する図である。
【図２】ポリシリコン膜を形成したのちのボトムゲート型ＴＦＴの断面構造を説明するための図である。
【図３】ポリシリコン膜のグレーンサイズと、エキシマレーザアニールで与えられるエネルギーとの関係を説明するための図である。
【図４】出力するレーザのエネルギ密度を最適値としてエキシマレーザアニールを行ったときのポリシリコン膜の膜表面の画像と、最適値よりも少ないパワーとしたときのポリシリコン膜の膜表面の画像と、最適値よりも大きいパワーとしたときのポリシリコン膜の膜表面の画像とを説明するための図である。
【図５】（Ａ）は、エキシマレーザアニールをする前のＴＦＴ基板の断面構造を説明するための図である。（Ｂ）は、良好なエネルギ密度でエキシマレーザアニールを行った場合のＴＦＴ基板の断面構造を説明するための図である。（Ｃ）は、良好ではないエネルギ密度でエキシマレーザアニールを行った場合のＴＦＴ基板の断面構造を説明するための図である。
【図６】直線性および周期性があるポリシリコン膜の撮像画像を模式的に表した図である。
【図７】直線性および周期性がないポリシリコン膜の撮像画像を模式的に表した図である。
【図８】本発明の実施の形態のポリシリコン膜の評価装置の構成図である。
【図９】ポリシリコン膜の評価手順を説明するためのフローチャートである。
【図１０】周期性が高い場合の自己相関関数を説明するための図である。
【図１１】周期性が低い場合の自己相関関数を説明するための図である。
【図１２】ポリシリコン膜の他の評価手順を説明するためのフローチャートである。
【図１３】上記他の評価手順で評価した場合の周期性が高い場合の自己相関画像を説明するための図である。
【図１４】上記他の評価手順で評価した場合の周期性が低い場合の自己相関画像を説明するための図である。
【図１５】具体的な撮像画像に対する求められたＡＣ値の特性を説明する図である。
【図１６】ポリシリコン膜表面の位置と、対物レンズにより集光された紫外光レーザの焦点位置との距離に対するＡＣ値の変動特性を示す図である。
【図１７】ポリシリコン膜表面の位置と、対物レンズにより集光された紫外光レーザの焦点位置との距離に対するコントラスト及びＡＣ値の変動特性を示す図である。
【図１８】ポリシリコン膜評価装置によるＡＣ値の評価手順を説明するためのフローチャートである。
【図１９】ポリシリコン膜に与えられるエネルギーに対する自己相関値の特性を説明するための図である。
【図２０】ポリシリコン膜に与えられるエネルギーに対するＡＣ値及びグレーンサイズの特性を説明するための図である。
【図２１】ボトムゲート型ＴＦＴにおけるエキシマレーザのエネルギ密度に対するＡＣ値の特性を説明するための図である。
【図２２】ボトムゲート型ＴＦＴのポリシリコン膜について、エキシマレーザのエネルギ密度に対するＡＣ値の具体的な実験データの一例を説明するための図である。
【図２３】紫外光レーザを用いた顕微鏡装置（ＤＵＶ）で撮像した画像に基づきＡＣ値を求めた場合の特性と、ＳＥＭで撮像した画像に基づきＡＣ値を求めた場合の特性とを比較して説明するための図である。
【図２４】ボトムゲート型ＴＦＴの製造プロセスにポリシリコン膜評価装置を適用した具体的な適用例（ＥＱＣ）の構成を説明するための図である。
【図２５】ポリシリコン膜に与えられるエネルギーの製造マージンと、エキシマレーザのエネルギ密度の変動との関係を説明するための図である（最適にエネルギ密度が設定されている場合）。
【図２６】ポリシリコン膜に与えられるエネルギーの製造マージンと、エキシマレーザのエネルギ密度の変動との関係を説明するための図である（最適にレーザのエネルギ密度が設定されていない場合）。
【図２７】ボトムゲート型ＴＦＴの製造マージンと、エキシマレーザのエネルギ密度との関係の一例を示し、この一例からエネルギ密度の最適値を求めるための方法を説明するための図である。
【図２８】ボトムゲート型ＴＦＴの製造マージンと、エキシマレーザのエネルギ密度との関係の他の一例を示し、この他の一例からエネルギ密度の最適値を求めるための方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１  ボトムゲート型ＴＦＴ、２  ガラス基板、３  ゲート電極、４  第１のゲート絶縁膜、５  第２のゲート絶縁膜、６  ポリシリコン膜、２０  ポリシリコン膜評価装置、３０  エキシマレーザアニール装置
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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