(57)【要約】【課題】エリプソメトリの技法を用いて結晶状態を迅速に判定することを可能にする。【解決手段】表面に多結晶シリコン薄膜が形成された試料を一方向に連続的に移動させながら試料に照明光を照射し、照明光が照射された試料からの反射光をｓ偏光成分とｐ偏光成分とに分離し、分離したｓ偏光の一部を偏光状態を変化させてｐ偏光を生成し、偏光状態を変化させて生成したｐ偏光と反射光から分離したｐ偏光の一部とを合成して合成光を作成し、作成した合成光を検出して第一の信号を得、反射光から分離したｐ偏光のうち一部を除いた残りのｐ偏光を検出して第二の信号を得、第一の信号と第二の信号とを処理して得た情報に基づいて試料の表面に形成された多結晶シリコン薄膜の結晶の状態を判定するようにした。【選択図】図１
2013051362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に多結晶シリコン薄膜が形成された試料を一方向に連続的に移動させながら該試料に照明光を照射し、
該照明光が照射された前記試料からの反射光をｓ偏光成分とｐ偏光成分とに分離し、
該分離したｓ偏光の一部を偏光状態を変化させてｐ偏光を生成し、
該偏光状態を変化させて生成したｐ偏光と前記反射光から分離したｐ偏光の一部とを合成して合成光を作成し、
該作成した合成光を検出して第一の信号を得、
前記反射光から分離したｐ偏光のうち前記一部を除いた残りのｐ偏光を検出して第二の信号を得、
前記第一の信号と前記第二の信号とを処理して得た情報に基づいて前記試料の表面に形成された多結晶シリコン薄膜の結晶の状態を判定する
ことを特徴とする薄膜検査方法。
【請求項２】
表面に多結晶シリコン薄膜が形成された試料を一方向に連続的に移動させながら該試料に照明光を照射し、
該照明光が照射された前記試料からの反射光をｓ偏光成分とｐ偏光成分とに分離し、
該分離したｐ偏光の一部を偏光状態を変化させてｓ偏光を生成し、
該偏光状態を変化させて生成したｓ偏光と前記反射光から分離したｓ偏光の一部とを合成して合成光を作成し、
該作成した合成光を検出して第一の信号を得、
前記反射光から分離したｓ偏光のうち前記一部を除いた残りのｓ偏光を検出して第二の信号を得、
前記第一の信号と前記第二の信号とを処理して得た情報に基づいて前記試料の表面に形成された多結晶シリコン薄膜の結晶の状態を判定する
ことを特徴とする薄膜検査方法。
【請求項３】
前記基板の表面に形成された多結晶シリコン薄膜は、アモルファスシリコン薄膜にレーザを照射してアニールすることにより生成したものであり、前記多結晶シリコン薄膜の結晶の状態を判定することが、前記アモルファスシリコン薄膜に照射したレーザのエネルギが不足であったか、適正であったか又は過剰であったかの判定を行うことであることを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜検査方法。
【請求項４】
前記第一の信号と前記第二の信号とを処理して得た情報が、前記反射光に含まれるｐ偏光とｓ偏光との位相差に関する情報であり、該位相差に関する情報を用いて前記アモルファスシリコン薄膜に照射したレーザのエネルギが不足であったか、適正であったか又は過剰であったかの判定を行うことであることを特徴とする請求項３記載の薄膜検査方法。
【請求項５】
前記試料に照射する照明光は、波長が４００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲の光であることを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜検査方法。
【請求項６】
前記試料に照射する照明光は、前記試料を連続的に移動させる前記一方向に対して直角な方向に長い線状の光であり、前記作成した合成光を検出して第一の信号を得ることが前記作成した合成光による前記試料表面の像を検出して該試料表面の画像信号を得ることであり、前記反射光から分離したｐ偏光のうち前記一部を除いた残りのｐ偏光を検出して第二の信号を得ることが前記反射光から分離したｓ偏光のうち前記一部を除いた残りのｓ偏光による前記試料表面の像を検出して該試料表面の画像信号を得ることであることを特徴とする請求項１記載の薄膜検査方法。
【請求項７】
前記試料に照射する照明光は、前記試料を連続的に移動させる前記一方向に対して直角な方向に長い線状の光であり、前記作成した合成光を検出して第一の信号を得ることが前記作成した合成光による前記試料表面の像を検出して該試料表面の画像信号を得ることであり、前記反射光から分離したｓ偏光のうち前記一部を除いた残りのｓ偏光を検出して第二の信号を得ることが前記反射光から分離したｓ偏光のうち前記一部を除いた残りのｓ偏光による前記試料表面の像を検出して該試料表面の画像信号を得ることであることを特徴とする請求項２記載の薄膜検査方法。
【請求項８】
表面に多結晶シリコン薄膜が形成された試料を載置して少なくとも一方向に連続的に移動可能なテーブル手段と、
該テーブル手段に載置された前記試料に照明光を照射する照明光照射手段と、
該照明光照射手段により照明光が照射された前記試料からの反射光を入射して該反射光のｓ偏光成分とｐ偏光成分とに基づく合成光を検出した第１の検出信号と前記ｐ偏光成分または前記ｓ偏光成分の光を検出した第２の検出信号とを出力する反射光検出手段と、
該反射光検出手段から出力された前記第一の検出信号と前記第二の検出信号とを処理して前記多結晶シリコン薄膜の結晶の状態を判定する信号処理手段と
を備えた薄膜検査装置であって、
前記テーブル手段で前記表面に多結晶シリコン薄膜が形成された試料を一方向に連続的に移動させながら前記照明光照射手段で照射した照明光による前記試料からの反射光を前記反射光検出手段で検出して得た前記第一の検出信号と前記第二の検出信号とを前記信号処理手段で処理することにより、前記試料上に形成された多結晶シリコン薄膜の所望の領域の結晶の状態を判定することを特徴とする薄膜検査装置。
【請求項９】
前記反射光検出手段は、
前記入射した反射光をｓ偏光成分とｐ偏光成分とに分離する偏光分離部と、
該偏光分離部で分離したｓ偏光の一部を偏光状態を変化させてｐ偏光に変換する偏光回転子部と、
該偏光回転子部で偏光状態を変化させて生成したｐ偏光と前記反射光から分離したｐ偏光の一部とを合成して合成光を作成する合成光作成部と、
該合成光作成部で作成した合成光を検出して第一の信号を出力する第１の検出器と、
前記偏光分離部で分離したｐ偏光成分の一部を反射して合成光作成部に入射させ、前記分離したｐ偏光成分の前記一部を除いた残りのｐ偏光を透過する無偏光ビームスプリッタと、
該無偏光ビームスプリッタを透過したｐ偏光を検出して第二の信号を出力する第２の検出器と
を有することを特徴とする請求項８記載の薄膜検査装置。
【請求項１０】
前記反射光検出手段は、
前記入射した反射光をｓ偏光成分とｐ偏光成分とに分離する偏光分離部と、
該偏光分離部で分離したｐ偏光の一部を偏光状態を変化させてｓ偏光に変換する偏光回転子部と、
該偏光回転子部で偏光状態を変化させて生成したｓ偏光と前記反射光から分離したｓ偏光の一部とを合成して合成光を作成する合成光作成部と、
該合成光作成部で作成した合成光を検出して第一の信号を出力する第１の検出器と、
前記偏光分離部で分離したｓ偏光成分の一部を反射して合成光作成部に入射させ、前記分離したｓ偏光成分の前記一部を除いた残りのｐ偏光を透過する無偏光ビームスプリッタと、
該無偏光ビームスプリッタを透過したｓ偏光を検出して第二の信号を出力する第２の検出器と
を有することを特徴とする請求項８記載の薄膜検査装置。
【請求項１１】
前記基板の表面に形成された多結晶シリコン薄膜は、アモルファスシリコン薄膜にレーザを照射してアニールすることにより生成したものであり、前記信号処理手段で前記多結晶シリコン薄膜の結晶の状態を判定することが、前記アモルファスシリコン薄膜に照射したレーザのエネルギが不足であったか、適正であったか又は過剰であったかの判定を行うことであることを特徴とする請求項８記載の薄膜検査装置。
【請求項１２】
前記信号処理手段は、前記第一の信号と前記第二の信号とを処理することにより前記反射光に含まれるｐ偏光とｓ偏光との位相差に関する情報を得、該位相差に関する情報を用いて前記アモルファスシリコン薄膜に照射したレーザのエネルギが不足であったか、適正であったか又は過剰であったかの判定を行うことであることを特徴とする請求項１１記載の薄膜検査装置。
【請求項１３】
前記照明光照射手段は、波長が４００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲の光を前記試料に照射することを特徴とする請求項８記載の薄膜検査装置。
【請求項１４】
前記照明光照射手段は、前記試料を連続的に移動させる前記一方向に対して直角な方向に長い線状の光に成形する照明光成形部を備え、前記反射光検出手段は、前記第１の検出信号として前記作成した合成光による前記試料表面の像を検出して該試料表面の第１の画像信号を出力し、また、前記第２の検出信号として前記ｐ偏光成分又は前記ｓ偏光成分の光による前記試料表面の像を検出して該試料表面の第２の画像信号を出力することを特徴とする請求項８記載の薄膜検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜の結晶状態の検査に関するもので、特に液晶表示素子、有機エレクトロルミネセンスパネル、薄膜太陽電池などに用いられる多結晶シリコン薄膜をエキシマレーザアニールにより形成するプロセスにおいて、多結晶シリコン薄膜の結晶状態の良否の判定を行う薄膜検査装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、薄膜トランジスタに用いられる多結晶シリコン膜は、ＣＶＤ法で成膜した非晶質シリコン膜にエキシマレーザ光を照射して結晶化することにより形成される。薄膜トランジスタとして良好な特性を得るためには、高い移動度を有する必要があるが、これは結晶の粒径に大きく依存する。非晶質シリコン膜が形成されたガラス基板に照射するエキシマレーザのエネルギが過小の場合は結晶成長が不十分であり結晶粒径が小さく、エキシマレーザのエネルギが過大な場合は完全溶融状態から急速に冷却されることにより微結晶が形成されるため粒径のばらつきが大きい。両者の中間のエネルギの場合に比較的粒径が揃った一様な大きさの結晶が得られるが、ガラス基板上の広い領域に亘ってこのようにエネルギを最適値に設定し、維持しながらレーザを照射するのは容易ではない。
【０００３】
多結晶化したシリコンの粒径の大小を判定する手法の一つとして、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）があるが、これは局所的な観察手法であることと、試料の前処理が必要なため、インラインの検査手法としては適していない。
【０００４】
また、多結晶化したシリコン薄膜の結晶粒界に微小な突起が形成されるのを利用して多結晶シリコン膜に光を照射して結晶粒界の突起部分からの回折光を検出して結晶粒径を判定することについて特許文献１に記載されている。
【０００５】
これに対し、例えば特許文献２には、分光エリプソメトリにより結晶粒径を判定することが記載されている。これは薄膜からの反射光のｐ偏光とｓ偏光との反射率及び位相の違いから、パラメータΨ及びΔのスペクトルを得、これらスペクトルの変化から表面形状の変化を求めようとするものである。この手法では通常、振動モデルを用いてΨ、Δのスペクトルのカーブフィットを行うことにより、膜厚、屈折率、及び表面形状パラメータの算出が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３０８００９号公報
【特許文献２】特開２０００−１７１２１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載されている光学的な検出方法は、多結晶シリコンの結晶粒径が揃った状態では比較的強い回折光を検出することができるが、アニール時のレーザパワーが強すぎた場合又は弱すぎた場合に結晶粒径が大きくばらつくために検出される回折光の強度が弱くなり、アニール時のレーザパワーが過剰だったのか過小だったのかを判定することが難しい。すなわち、基板からの回折光を検出した信号の強度からだけでは、回折光検出信号が低下したときに、それがアニール時のレーザパワーが適正値よりも大きすぎたために結晶粒径が成長しすぎたことが原因なのか、アニール時のレーザパワーが適正値よりも小さすぎたために結晶粒径が成長しなかったことが原因なのかを判定することが難しい。
【０００８】
一方、特許文献２に記載されている分光エリプソメータは、ｐ偏光とｓ偏光との反射率及び位相の違いを求めるために、固定された偏光子と回転する検光子とを有する構成となっている。この検光子を回転しながら検出器に入る光の強度を測定することによりΨとΔの値を求めるのであるが、試料上の各点毎に検光子の回転、Ψ、Δの計算、及び表面形状パラメータ算出の操作が必要であり、インラインでの検査手法としての迅速性に欠ける。
【０００９】
また、Ψ、Δのスペクトルには膜厚、屈折率、及び表面形状など多くのパラメータが関与しているため、表面形状の変化を求めるためには、他のパラメータの変化の影響を差し引く必要がある。特に膜厚はＣＶＤチャンバ内の電磁場の分布のため、基板面内で変動するのが一般的である。これらパラメータの影響を分離するのに、一般にカーブフィットによる方法が用いられるが、この操作には一般に数秒の時間を要する。
【００１０】
したがって、特許文献２に記載されているような方式では、例えば近年生産が行われている８Ｇ、すなわちガラス基板が２２００×２５００ｍｍサイズの液晶基板において、基板全面にわたり結晶状態を迅速に判定することが難しい。
【００１１】
本発明の目的は、エリプソメトリの技法を用いて結晶状態を迅速に判定することを可能にする薄膜検査装置及び方法を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の目的は、膜厚の変動がある場合でもその影響を分離して表面形状の変化だけを正確かつ簡易に算出可能な薄膜検査装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記した目的を達成するために、本発明においては、検光子として、ｐ偏光とｓ偏光とを同一偏光に変換した後合成した光の強度を測定することにより、ｐ偏光とｓ偏光との位相差、すなわちΔを求めるようにした。このような構成とすることにより、複雑な計算処理を行わなくともΔを直接測定可能としたものである。
【００１４】
即ち、上記目的を達成するために、本発明では、薄膜検査方法において、表面に多結晶シリコン薄膜が形成された試料を一方向に連続的に移動させながら試料に照明光を照射し、照明光が照射された試料からの反射光をｓ偏光成分とｐ偏光成分とに分離し、分離したｓ偏光の一部を偏光状態を変化させてｐ偏光を生成し、偏光状態を変化させて生成したｐ偏光と反射光から分離したｐ偏光の一部とを合成して合成光を作成し、作成した合成光を検出して第一の信号を得、反射光から分離したｐ偏光のうち一部を除いた残りのｐ偏光を検出して第二の信号を得、第一の信号と第二の信号とを処理して得た情報に基づいて試料の表面に形成された多結晶シリコン薄膜の結晶の状態を判定するようにした。
【００１５】
また、上記目的を達成するために、本発明では、薄膜検査方法において、表面に多結晶シリコン薄膜が形成された試料を一方向に連続的に移動させながら試料に照明光を照射し、照明光が照射された試料からの反射光をｓ偏光成分とｐ偏光成分とに分離し、分離したｐ偏光の一部を偏光状態を変化させてｓ偏光を生成し、偏光状態を変化させて生成したｓ偏光と反射光から分離したｓ偏光の一部とを合成して合成光を作成し、作成した合成光を検出して第一の信号を得、反射光から分離したｓ偏光のうち一部を除いた残りのｓ偏光を検出して第二の信号を得、第一の信号と第二の信号とを処理して得た情報に基づいて試料の表面に形成された多結晶シリコン薄膜の結晶の状態を判定するようにした。
【００１６】
更に、上記目的を達成するために、本発明では、薄膜検査装置を、表面に多結晶シリコン薄膜が形成された試料を載置して少なくとも一方向に連続的に移動可能なテーブル手段と、テーブル手段に載置された試料に照明光を照射する照明光照射手段と、照明光照射手段により照明光が照射された試料からの反射光を入射して反射光のｓ偏光成分とｐ偏光成分とに基づく合成光を検出した第１の検出信号とｐ偏光成分またはｓ偏光成分の光を検出した第２の検出信号とを出力する反射光検出手段と、反射光検出手段から出力された第一の検出信号と第二の検出信号とを処理して多結晶シリコン薄膜の結晶の状態を判定する信号処理手段とを備えて構成し、テーブル手段で表面に多結晶シリコン薄膜が形成された試料を一方向に連続的に移動させながら照明光照射手段で照射した照明光による試料からの反射光を反射光検出手段で検出して得た第一の検出信号と第二の検出信号とを信号処理手段で処理することにより、試料上に形成された多結晶シリコン薄膜の所望の領域の結晶の状態を判定するようにした。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、多結晶シリコン膜などの結晶性が高精度かつ迅速に判定可能となる。これにより、液晶ディスプレイ、有機エレクトロルミネセンスパネル、薄膜太陽電池などの大型基板の品質がインラインでモニタ可能であり、製造のスループット及び歩留まり向上に顕著な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１の装置全体の概略の構成を示すブロック図である。
【図２Ａ】実施例１の測定原理を示す図であって、ｐ偏光の波形の位相とｓ偏光の波形の位相とが同じである場合の合成波形を示す波形図である。
【図２Ｂ】実施例１の測定原理を示す図であって、ｐ偏光の波形の位相とｓ偏光の波形の位相とが１８０°ずれている場合の合成波形を示す波形図である。
【図３】実施例１の試料のエリプソメトリスペクトルを示すグラフである。
【図４Ａ】レーザのエネルギが適正な状態でアニールされた試料の微分干渉像を示す図である。
【図４Ｂ】レーザのエネルギが不足な状態でアニールされた試料の微分干渉像を示す図である。
【図４Ｃ】レーザのエネルギが過剰な状態でアニールされた試料の微分干渉像を示す図である。
【図５Ａ】試料の断面構造を模式的に示した試料の断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示したような構成の試料におけるエリプソメトリスペクトルのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図６】アニールエネルギと、ｐ偏光成分の位相とｓ偏光成分の位相との差Δとの関係を表すグラフであり、実施例１の測定の検量線を示す。
【図７】実施例１における検査の処理の流れを示すフロー図である。
【図８】実施例２における照明光学系と検出光学系とを正面から見たときの概略の構成を示すブロック図である。
【図９】実施例３における照明光学系と検出光学系とを正面から見たときの概略の構成を示すブロック図である。
【図１０】種々の膜厚及びアニールエネルギで作成したポリシリコン膜を波長が５５０ｎｍの光で測定したときの、ｐ偏光成分の位相とｓ偏光成分の位相との差Δとポリシリコン膜の膜厚との関係を表すグラフであり、実施例３の測定の検量線を示す図である。
【図１１Ａ】実施例４における照明光学系と検出光学系とを上面から見たときの概略の構成を示すブロック図である。
【図１１Ｂ】実施例４における照明光学系と検出光学系とを正面から見たときの概略の構成を示すブロック図である。
【図１２】実施例５における照明光学系と検出光学系とを正面から見たときの概略の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施例を図を用いて説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１に実施例１の薄膜検査装置の構成を示す。本実施例による薄膜検査装置は、照明光学系１００、検出光学系１１０、信号処理部１２０、ステージ部１３０及び制御部１４０を備えて構成される。
【００２１】
照明光学系１００は、光源１と偏光子２１、集束レンズ２２とを備えている。３は試料、３１は測定個所を示している。検出光学系１１０は、集光レンズ（対物レンズ）２３、検光子部４００と検出器５１及び５２を備えて構成され、検光子部４００は、４１は偏光ビームスプリッタ４１、鏡４２、偏光回転子４３、無偏光ビームスプリッタ４４及び４５を備えている。
【００２２】
信号処理部１２０は、検出器５１と５２とからの検出信号を受けて処理する信号処理ユニット１２１、信号処理ユニット１２１で処理した結果を受けて試料３の結晶の状態を判定する結晶状態判定ユニット１２２、結晶状態判定ユニット１２２で判定した結果を出力する出力ユニット１２３を備えている。
【００２３】
ステージ部１３０は、平面内で一方向に移動可能なＸステージ１３１とＹステージ１３２、高さ方向に移動可能なＺステージ１３３とを備えている。
【００２４】
制御部１４０は、試料３の全面に亘って検査を行うように照明光学系１００と検出光学系１１０、信号処理部１２０及びステージ部１３０を制御する。
【００２５】
上記した構成において、照明光学系１００の光源１から出た照明光１１は偏光子２１により試料３表面に対して４５度方向に偏光した光となり、集束レンズ２２で試料３の測定個所３１に入射光１２として収束される。すなわち入射光１２にはｐ偏光成分とｓ偏光成分とが同一強度かつ同一位相で含まれている。これが試料３の表面の測定箇所３１で反射されることにより、反射光１３中のｐ偏光成分とｓ偏光成分とで強度及び位相の違いが生じる。エリプソメトリにおける一般的な表記に倣い、次式のようにΨとΔで強度及び位相差を表す。  
ｔａｎΨ＝｜Ｒｐ｜／｜Ｒｓ｜
Δ＝δｓ−δｐ                      ・・・（数１）
式中のＲｐとＲｓは各々ｐ偏光成分とｓ偏光成分の複素振幅、δｐとδｓは各々ｐ偏光成分とｓ偏光成分の位相である。
【００２６】
（数１）中の振幅Ｒｐ、Ｒｓの２乗は光強度であることから、光検出器で容易に測定可能である。一方、δｐ、δｓ、及びΔは直接検出できない。一般にエリプソメータでは、偏光子または検光子のいずれかを回転させながら検出器に入射する光の強度変化を測定し、この測定結果からΔを計算で求めているが、この方法ではΔの値を求めるのに数秒の時間を要する。そこで、本実施例では検出光学系１１０の検光子部４００を図１に示すような構成とすることにより、偏光子２または検光子部４００の回転と計算の操作を行うことなく、Δを瞬時に測定できるようにした。
【００２７】
すなわち、試料３の測定個所３１で反射した反射光１３は検出光学系１１０の集光レンズ２３で集光されて検光子部４００に入射する。検光子部４００に入射した反射光１３は偏光ビームスプリッタ４１によりｐ偏光１４とｓ偏光１５とに分離される。次にｓ偏光１５は無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）４２に入射し、入射した光量の半分が反射して偏光回転子４３に入射し、偏光回転子４３により９０度回転した状態の偏光、即ちｐ偏光１６となり、無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）４５に入射して半分が反射し、半分が無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）４５を透過して検出器５１に達する。偏光回転子４３としては、一般的な１／２波長板を用いればよい。
【００２８】
一方、偏光ビームスプリッタ４１により分離されたｐ偏光１４は無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）４４に入射して、入射光量の半分が無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）４４を透過してp偏光１８として検出器５２に入射する。一方、無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）４４に入射したｐ偏光１４のうち半分は無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）４４で反射してp偏光１７として無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）４５に入射し、入射した光量の半分は無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）４５を透過し、残りは無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）４５で反射して検出器５１に入射する。
【００２９】
すなわち、検出器５１には、偏光ビームスプリッタ４１で分離されたｓ偏光１５から変換されて光量が１/４になったp偏光と、偏光ビームスプリッタ４１で分離されたｐ偏光１４から分岐されて光量が１/４になったｐ偏光とが合成されたp偏光１９が入射する。
【００３０】
図２Ａに、図１で示した検光子部４００の内部における各光路上におけるｐ偏光１４の波形２０１、ｓ偏光１５の波形２０２、及び合成光１９の波形２０３を示す。図２Ａの場合はｐ偏光１４とｓ偏光１５とが同位相、すなわちΔ＝０の場合で、検出器５１で検出される合成光１９は合成前の光が強め合ったものとなっている。一方、図２Ｂには、ｐ偏光１４の波形２１１とｓ偏光１５の波形２１２とで位相が反転している場合、すなわちΔ＝１８０度の場合で、検出器５１で検出される合成光１９の波形２１３は合成前の光が打ち消し合った状態を示す。このように、検出器５１と５２からの出力を受けて信号処理部１２０の信号処理ユニット１２１で処理することにより、図２Ａまたは図２Ｂに示したような合成光１９の強度からｐ偏光１４とｓ偏光１５との位相差Δを求めることができる。
【００３１】
以下、具体的に数式により説明する。ｐ偏光１４とｓ偏光１５の電場Ｅｐ及びＥｓは次式で表される。  
Ｅｐ＝Ｒｐ・ｓｉｎ（２πｆｔ）  
Ｅｓ＝Ｒｓ・ｓｉｎ（２πｆｔ＋Δ）    ・・・（数２）  
とする。合成光１９の電場Ｅｔは  
Ｅｔ＝{Ｒｐ・ｓｉｎ（２πｆｔ）＋Ｒｓ・ｓｉｎ（２πｆｔ＋Δ）}/４  
・・・（数３）
Ｒｐ＝Ｒｓの場合を考えると、
Ｅｔ＝Ｒｐ｛ｓｉｎ（２πｆｔ）＋ｓｉｎ（２πｆｔ＋Δ）｝/４  
＝Ｒｐ・ｓｉｎ（２πｆｔ＋Δ／２）・ｃｏｓ（Δ／２）/２  ・・・（数４）
となる。強度は振幅の２乗であるから、合成光１９の強度Ｉは  
Ｉ＝｜Ｒｐ｜＾２・ｃｏｓ＾２（Δ／２）／４    ・・・（数５）
となる。すなわち  
Δ＝２・ｃｏｓ−１（２√Ｉ／｜Ｒｐ｜）    ・・・（数６）
で、ｐ偏光１４の強度をＩｐと置けば、  
Δ＝２・ｃｏｓ−１（２√（Ｉ／Ｉｐ））      ・・・（数７）
として、合成光１９の強度Ｉとｐ偏光１４の強度ＩｐからΔを求めることが可能である。
【００３２】
図１に示した構成において、合成光１９の強度Ｉは検出器５１により、ｐ偏光１４の強度Ｉｐは検出器５２により測定可能であり、Δは複雑なプログラムによらなくとも信号処理ユニット１２１において検出器５１と５２との出力から（数７）を用いて瞬時に求めることが可能である。
【００３３】
図３に、一般的な分光エリプソメータで測定した、低温ポリＳｉ膜の試料３のΨ、Δスペクトルの例を示す。３本の線３０１，３０２，３０３は各々アニールに用いたエキシマレーザのエネルギを変えた場合を示す。線３０１はレーザのエネルギが適正な状態を示す。ここで、適正な状態とは、膜の移動度が最大になったときのレーザのエネルギ条件の状態をいう。また、線３０２はレーザのエネルギが不足な状態を示す。不足な状態とは、適正な状態におけるレーザのエネルギ条件よりレーザのエネルギが低い場合を示す。一方、線３０３はレーザのエネルギが過剰な状態を示す。過剰な状態とは、適正な状態におけるレーザのエネルギ条件よりレーザのエネルギが高い場合である。
【００３４】
図３より、アニール時のエネルギの変化に敏感なのは、波長が４００〜５００ｎｍ付近のΔの値であることがわかる。特に線３０１のレーザのエネルギが適正な条件の場合では他の条件と比べて４４０ｎｍ及び４９０ｎｍにΔの極大が生じており、結晶粒径が大きくなって形成された秩序が反映されていると考えられる。
【００３５】
図４Ａ乃至図４Ｃに、図３で説明したレーザのエネルギが適正な状態とレーザのエネルギが不足な状態及びレーザのエネルギが過剰な状態でレーザアニールした３種類の試料３を微分干渉顕微鏡（図示せず）により観察した像を示す。図４Ａはレーザのエネルギが適正な状態でレーザアニールした試料３を観察した結果を示す。図４Ｂはレーザのエネルギが不足な状態でレーザアニールした試料３を観察した結果を示す。図４Ｃはレーザのエネルギが過剰な状態でレーザアニールした試料３を観察した結果を示す。図４Ａ乃至図４Ｃでは白黒で表示されているが、微分干渉顕微鏡では白い部分が青色、黒い部分が暗い黄色に見える。レーザビームを図４Ａ乃至図４Ｃの上下方向に細長い形状で、このレーザビームを図４Ａ乃至図４Ｃの左から右に移動しながら照射することで、試料３の表面に形成された膜全面を結晶化している。
【００３６】
図４Ａに示したレーザのエネルギが不足している状態でアニールした場合は黄色く観察される領域（黒い部分）の中にところどころ見えていた青い筋の領域（白い部分）として観察されるが、レーザのエネルギ上昇とともに青い筋の領域（白い部分）は次第に広い領域を占めるようになり、図４Ｂに示すようにレーザのエネルギが適正な状態でアニールした場合は、黄色の領域（白い部分）と青の領域（白い部分）の面積が反転している。図４Ａに現れている黄色の領域（白い部分）はレーザビームの長辺方向に平行なことから、ビーム端の結晶化が不十分な領域と思われる。
【００３７】
一方、図４Ｃに示したレーザエネルギが過剰な条件でアニールした場合は、図４Ａや図４Ｂの場合に現れていた筋が消え、薄黄色の斑点（図４Ｃのグレーの領域）が見られる。これはシリコンが完全に溶融した後冷却されて形成された微結晶と思われる。微分干渉顕微鏡で観察される青色は波長で４５０ｎｍ付近に相当し、また黄色は青色の補色であることから、４００〜５００ｎｍ付近のΔが変化するのは、結晶状態により干渉の変化が起こっているためと考えられる。
【００３８】
図５Ｂに、Ｓｉ膜の表面形状を種々に変えた場合のΔのスペクトルをシミュレーションした結果を示す。図５Ａは、シミュレーションに用いたモデルである。これは、液晶表示素子、有機エレクトロルミネセンスパネル、太陽電池などに用いられる一般的な多結晶シリコン膜基板５００の構造を模擬的に表すもので、ガラス基板５０１の上に窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）膜５０２、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜５０３、多結晶シリコン膜５０４を積層して形成した構造を示している。さらにＳＥＭによる観察結果に基づき、多結晶シリコン膜５０４の表面に四角錐形の突起５１０が形成されている構造を仮定している。この突起５１０の高さが多結晶シリコン膜５０４をレーザアニールする時のレーザビームの照射条件により変わると考えてシミュレーションを行った。図５ＢはΔのスペクトルのシミュレーション結果である。
【００３９】
図５Ｂ中のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、この順に突起が高くなっていることを示す。これから突起５１０の高さにより４６０ｎｍ付近のΔの値が大きく変化することがわかる。これは突起５１０による回折の影響と考えられる。このスペクトルと図３の実測のスペクトルとでは、４００〜４５０ｎｍにかけての立下りの波長に違いはあるものの、全体的な形状はほぼ一致しており、突起５１０による回折の影響により４６０ｎｍ付近のΔの値が大きく変化するという推論は１次近似としては正しいと考えられる。
【００４０】
本実施例では、図３の実測のスペクトルで、アニールエネルギとΔとの相関がほぼ直線になる波長として４２６ｎｍを選ぶことにした。図１の光源１としては４２６ｎｍを中心波長とするＬＥＤが使用可能である。あるいは、レーザダイオードを使用しても良い。また、検出器５１及び５２としては、例えばフォトダイオードで青色領域に敏感なタイプを使用すればよい。
【００４１】
図６に、波長４２６ｎｍの光を発射する光源を用い、検出器５１により合成光１９の強度Ｉを測定した結果から得られたΔの例を示す。横軸はアモルファスシリコン膜をレーザアニールして多結晶シリコン膜を形成した時のレーザアニールエネルギを相対値で表したもので、数値が大きいほどレーザアニールエネルギが大きいことを示す。図６の横軸の１、４、７はそれぞれ、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃと対応している。図６から、レーザアニールエネルギと合成光１９の強度Ｉを測定した結果から得られたΔとの相関は線形で近似でき、これを検量線として用いれば、合成光１９の強度Ｉの測定値からレーザアニールエネルギの不足、適正、過剰の判定を迅速に行うことが可能である。図６に示したようなレーザアニールエネルギと合成光１９の強度Ｉを測定した結果から得られたΔとの関係を予め測定して信号処理部１２０の結晶状態判定ユニット１２２に記憶しておくことにより、信号処理ユニット１２１からの出力を受けて上記した判定処理を、結晶状態判定ユニット１２２で実行することができる。また、判定の結果は、出力ユニット１２３から出力される。
【００４２】
本実施例における処理の流れを図７に示す。  
まず、試料３をステージ部１３０に載置した状態でＸステージを連続的にさせながら照明光学系１００から照明光１１を試料３に照射する（Ｓ７０１）。照明光１１が照射された試料３からの反射光を検出光学系１１０の集光レンズ２３で集光して検光子部４００に入射させ、検光子部４００から出射した光のうちｓ偏光成分とｐ偏光成分とが合成された合成光を検出器５１で検出し、ｐ偏光成分を検出器５２で検出する（Ｓ７０２）。合成光を検出した検出器５１から出力された信号Ｉと、ｐ偏光成分を検出した検出器５２から出力された信号Ｉｐとを信号処理ユニット１２１に入力する（Ｓ７０３）。信号処理ユニット１２１では、入力した信号ＩとＩｐとからΨとΔとを算出し（Ｓ７０４）、この算出したΨとΔとの情報を結晶状態判定ユニット１２２へ送って、図６のグラフに示したデータを検量線データとしてΔの値からレーザアニール時のレーザエネルギの過不足の状態を判定する（Ｓ７０５）。結晶状態判定ユニット１２２で判定した結果は出力ユニット１２３へ送られて、図示していない表示手段に表示され、また通信手段を介して外部の記憶装置又はデータ処理装置へ送られる（Ｓ７０６）。
【００４３】
本実施例によれば、合成光１９の強度Ｉとｐ偏光１４の強度Ｉｐから（数７）を用いて直ちにΔを求めることができるので、検査中にリアルタイムで薄膜の結晶状態を評価し、レーザアニール時のレーザエネルギの過不足の状態を判定することが可能になる。
【００４４】
なお、本実施例で用いた波長は４２６ｎｍであるが、成膜条件により他の波長のほうがアニール条件をより的確に反映できる可能性もある。このような場合、いくつかのアニール条件であらかじめ作成した参照膜で測定したΔのスペクトルを元に、用いる波長を決定すればよい。また、用いる波長は単一波長とは限らず、判定精度向上のために２つ以上の波長を用いてもよいことは当然である。
【実施例２】
【００４５】
図８に本発明の実施例２の薄膜検査装置の構成を示す。実施例２における薄膜検査装置は、実施例１で説明した図１に示した薄膜検査装置の構成と、検出光学系１１１の検光子部４０１の構成が異なる。図８に示した構成において、図１に示した実施例１の構成と共通する部分については同じ番号を付している。また、信号処理部１２０、ステージ部１３０及び制御部１４０については図１に示した実施例１の構成と同じであるので、図８においては記載を省略する。
【００４６】
図８に示した本実施例における検出光学系８１０は、集光レンズ（対物レンズ）２３と検光子部４０１、検出器８５１及び８５２とを備えている。検光子部４０１は、偏光ビームスプリッタ８４１、無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）８４２、偏光回転子８４３、無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）８４４及び無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）８４５を備えている。
【００４７】
本実施例と実施例１で図１に示した構成との違いは、実施例１では偏光回転子４３がｓ偏光１５の光路に設置されているのに対して、本実施例ではｐ偏光の光路に設置されていることである。これにより、検出器８５１に入る合成光８１９、及び検出器８５２に入る光はともにｓ偏光となる。すなわち実施例１とはｐ偏光とｓ偏光との関係が逆になったものであるが、実施例１の（数２）〜（数７）の原理は、Ｒｐ＝Ｒｓと考えれば全くそのまま適用可能である。
【００４８】
よって実施例１と同様、合成光８１９の強度Ｉの測定値からアニールエネルギの不足、適正、過剰の判定を迅速に行うことが可能である。
【００４９】
尚、本実施例においては、実施例１で説明した図１に示した検光子部４の構成に対して偏光回転子８４３の配置を変えてｓ偏光を検出する構成について説明したが、実施例１で説明した図１に示した検光子部４と同じ構成で、偏光ビームスプリッタ４１として実施例１で説明したものと異なる特性の偏光ビームスプリッタ、即ち、入射した光のうちｐ偏光成分を反射してｓ偏光成分の光を透過する偏光ビームスプリッタを用いることによっても、本実施例で説明したのと同様に、検出器８５１に入る合成光７１９、及び検出器８５２に入る光をともにｓ偏光とすることができる。
【実施例３】
【００５０】
図９に本発明の実施例３における薄膜検査装置の構成を示す。実施例３における薄膜検査装置は、実施例１で説明した図１に示した薄膜検査装置の構成と、検出光学系９１０に検出器９５１及び９５２とその前段に分光器９６１及び９６２を設けた点が異なる。図９に示した検光子部４００の構成は実施例１で説明した検光子部４００の構成と同じであるので、本実施例においては説明を省略する。図９に示した構成において、図１に示した実施例１の構成と共通する部分については同じ番号を付している。また、信号処理部１２０、ステージ部１３０及び制御部１４０については図１に示した実施例１の構成と同じであるので、図９においては記載を省略する。
【００５１】
本実施例においては、実施例１で図１を用いて説明した構成に対して、検光子部４００から出力される合成光１９とｐ偏光１８とをそれぞれ分光機能９６１及び９６２を介して図９の上下方向に素子が配列したアレイ型のマルチチャンネル検出器９５１と９５２に入射させる構成として点が相違する。分光器９６１、９６２とアレイ型のマルチチャンネル検出器９５１、９５２との組み合わせにより、合成光１９及びｐ偏光１８のスペクトルが容易に測定可能となる。Ψ、Δの値から膜厚の測定が可能であることは一般に知られている通りである。よって本実施例の構成とすることにより、膜厚が大きく変化する場合でも、Δに及ぼす膜厚の影響を除去して、結晶性を正確に求めることが可能である。
【００５２】
従来、エリプソメトリによる膜厚測定は振動子モデルを用いたスペクトルのカーブフィットによる方法がよく用いられが、この方法では測定個所毎にカーブフィットを行う必要があり、インラインの検査を行うには適していない。本実施例では、あらかじめ決めておいた複数の波長においてｐまたはｓ偏光の反射率、及びｐ偏光とｓ偏光との位相差を測定することで、膜厚を簡易に求めるようにしている。実施例１と同じ原理に基づき、ｐ偏光１８の反射率は検出器９５２により容易に測定可能であり、ｐ偏光とｓ偏光との位相差Δは検出器８５１により測定した合成光１９から容易に求めることが可能である。この膜厚測定法は、あらかじめ膜厚が変化する対象膜の見当がついている場合に有効な方法である。
【００５３】
以下、本実施例による膜厚測定原理を示す。図１０は種々の膜厚及びアニールエネルギで作成したポリシリコン膜において、５５０ｎｍにおけるΔの値と膜厚との関係をプロットしたものである。図１０からΔと膜厚とはほぼ１次関数で近似でき、アニールエネルギによる変化は小さいことがわかる。図３によれば、この波長５５０ｎｍはアニールエネルギによるΔの変化の小さい領域の波長に属していることがわかる。
【００５４】
なお、実際のポリシリコン膜基板においてはポリシリコン膜厚や下地のＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４膜の膜厚が種々異なるため、スペクトルも種々変化するが、この場合もいくつかのアニール条件であらかじめ作成した参照膜で測定したΔのスペクトルを元に、用いる波長を決定すればよい。また、用いる波長は単一波長とは限らず、判定精度向上のために２つ以上の波長を用いてもよいことは当然である。
【００５５】
これにより、ポリシリコンの膜厚と結晶状態を同時に求めることができる。また、膜厚測定は結晶状態測定と並行して行うことが可能であるため、実施例１と比較した測定時間の増大はほとんど問題とならない。よって実施例１同様、アニールエネルギの不足、適正、過剰の判定を迅速に行うことが可能である。
【実施例４】
【００５６】
図１１Ａに本発明の実施例４における薄膜検査装置のうち、照明光学系１０１と検出光学系１１１０の構成を試料３の表面側から見た平面図を、図１１Ｂに正面図を示す。
【００５７】
本実施例の実施例１との違いは、照明光学系１０１で照明光１１を線状に成形して入射光１２１として基板３上の線状領域の測定箇所３２を照明し、この照明された基板３上の線状の測定箇所３２からの反射光１３１による測定箇所３２の像を検出光学系１１１０の検出器１１５１と１１５２との検出面上に結像させる構成とした点にある。
【００５８】
すなわち、本実施例においては、照明光学系１０１を、光源１と偏光子２１、光源１から発射された照明光１１のビーム径を拡大するための拡大レンズ２２１、ビーム径が拡大された照明光１１を平行光にするコリメートレンズ２２２、平行光を一方向に集光するシリンドリカルレンズ２２３を備え、シリンドリカルレンズ２２３で一方向に集光させた線状の照明光１２１を基板３上の線状領域の測定箇所３２に照射するように構成した。
【００５９】
また、検出光学系１１１０に、基板３上の線状の測定箇所３２からの反射光を集光する集光レンズ（対物レンズ）２３１と集光されて検光子部４００を通過した反射光を結像させる結像レンズ１１６３と１１６４とを設け、基板３上の線状の測定箇所３２の像をＣＣＤラインセンサやフォトダイオードアレイのようなマルチチャンネル検出器１１５１及び１１５２の検出面上に結像させる構成とした。
【００６０】
これにより、試料３上の線状領域の測定箇所３２のような広い箇所の同時測定が可能となり、実施例１のアニールエネルギの不足、適正、過剰の判定の迅速性がさらに向上する。
【００６１】
なお、検出光学系１１１０の検光子部４００の構成は、実施例１で図１を用いて説明した構成と同じであるので、本実施例においては説明を省略する。
【００６２】
また、本実施例は、検出光学系１１１０の検光子部４００を、実施例２で図７を用いて説明したような検光子部４０１と置き換えても同様な効果を得ることができる。
【００６３】
更に、本実施例は、実施例３で図８を用いて説明した検出光学系８１０と置き換えても同様な効果を得ることができる。これにより試料３の広い箇所にわたって膜厚と結晶状態を同時に測定することが可能である。これによりアニールエネルギの不足、適正、過剰の判定を迅速に、かつ膜厚の影響も除去して正確に行うことが可能である。
【実施例５】
【００６４】
図１２に本発明の実施例５に係る薄膜検査装置の構成を示す。  
本実施例の実施例１との違いは、検出器１２５２を検光子部４０２よりも試料３の側に設置した点にある。そのために、無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）１２４４を集光レンズ（対物レンズ）２３と検光子部４０２との間に設けた。すなわち、照明光学系１００により照明光１２が照射された試料３の測定箇所３１で反射した反射光１３は、集光レンズ２３を透過した後、無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）１２４４に入射して入射光量の半分が無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）１２４４を透過して検光子部４０２に入射する。一方、無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）１２４４に入射した入射光量の残りの半分は無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）１２４４で反射して検出器１２５２に入射する。
【００６５】
一方、無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）１２４４を透過して検光子部４０２に入射した光は偏光ビームスプリッタ１２４１でｐ偏光成分１２１４が透過して無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）１２４５の方向に進み、ｓ偏光成分１２１５が反射されてミラー１２４２の方向に進む。ｓ偏光成分１２１５の反射光はミラー１２４２で反射されて偏光回転子１２４３に入射し９０度回転した状態の偏光（ｐ偏光）１２１６として出射する。偏光回転子１２４３から出射したｐ偏光１２１６は、ミラー１２４６で反射されて無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）１２４５に向かい、無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）１２４５で入射した光量の半分が反射される。また、偏光ビームスプリッタ１２４１を透過したｐ偏光成分１２１４は無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）１２４５に入射し、入射した光量の半分が無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）１２４５を透過して、無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）１２４５で反射したｐ偏光１２１６と合成されて合成光１２１７として検出器１２５１に入射する。
【００６６】
この配置では、検出器１２５２に入射する光はｐ偏光とｓ偏光とが分離される前の状態であるが、この場合も、実施例１の（数２）〜（数７）の原理はＲｐ＝Ｒｓと考えれば全くそのまま適用可能である。
【００６７】
よって実施例１と同様、合成光１２１７の強度Ｉの測定値からアニールエネルギの不足、適正、過剰の判定を迅速に行うことが可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１…光源    ２１…偏光子    ２２…集束レンズ    ２３…集光レンズ    ３…試料        ３１…測定個所    １００…照明光学系    １１０、７１０、８１０、１０１０、１２１０…検出光学系    １２０…信号処理部    １３０…ステージ部    １４０…制御部    ４００、４１０，４２０…検光子部    ４１、７４１、１０４１…偏光ビームスプリッタ    ４２、４４、４５、７４２、７４４、１２４２、１２４４、１２４５…無偏光ビームスプリッタ    ４３、７４３、１２４３…偏光回転子    ５１、５２、７５１、７５２、１２５１、１２５２…検出器    ８５１、８５２、１０５１、１０５２…マルチチャンネル検出器    ８６１、８６２…分光器    １０６３，１０６４…結像レンズ。
【図１】
2013051362.tif 000003
【図２Ａ】
2013051362.tif 000004
【図２Ｂ】
2013051362.tif 000005
【図３】
2013051362.tif 000006
【図４Ａ】
2013051362.tif 000007
【図４Ｂ】
2013051362.tif 000008
【図４Ｃ】
2013051362.tif 000009
【図５Ａ】
2013051362.tif 000010
【図５Ｂ】
2013051362.tif 000011
【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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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