(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理化学的観点から実質的に同様な一連の少なくとも二つの別個の領域があり、各領域が与えられた深さをもつシリコン層から成り、各領域のシリコン層を再結晶化するように選択されたエネルギーをもつレーザービームを、各領域に一回以上照射するレーザー表面処理方法において、
ａ）レーザービームを第１の領域に少なくとも一回照射する前に、前記第１の領域において少なくとも一回のエリプソメトリー測定を行い、前記第１の領域の複数の物理化学的特性を得る工程と、
ｂ）少なくとも記憶するために格納したルックアップテーブルおよび工程ａ）で得られた複数の特性の関数として前記第１の領域におけるシリコン層の再結晶化に必要なレーザービームのエネルギーを決める工程と、
ｃ）前記第１の領域において、工程ｂ）で決められたエネルギーで少なくとも一つのレーザーの点火を行う工程と、
ｄ）第２の領域をレーザービームに対向するように位置決めする工程と、
ｅ）前記第２の領域において、工程ｂ）で決められたエネルギーで少なくとも一つのレーザーの点火を行う工程とから成り、
それにより、前記エリプソメトリー測定によりレーザーエネルギーの照射を制御することによって前記一連の領域におけるレーザーによるシリコンの再結晶化プロセスを最適化できるようにすることを特徴とするレーザー表面処理方法。
【請求項２】
前記工程ａ）において、前記処理すべき第１および第２の領域の表面の前記複数の物理化学的特性を得るために、少なくとも前記処理すべき第２の領域においてもエリプソメトリー測定を実施し、また前記工程ｂ）において、前記処理に必要なレーザービームのエネルギーを、前記工程ａ）で得られた複数の全ての物理化学的特性の関数として決める請求の範囲１に記載のレーザー表面処理方法。
【請求項３】
前記第１の領域が、正規直交基準面に対して三座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）で定義された初期位置に固定され、また前記工程ｄ）において、前記第２の領域の位置決めが平面ＸＹ上の前記第２の領域の動きから成る請求の範囲１に記載のレーザー表面処理方法。
【請求項４】
前記工程ｄ）において、前記第２の領域の位置決めが副工程ｄ１）から成り、前記副工程ｄ１）において、方向Ｚにおける位置決めを調整するために、エリプソメトリー測定を前記第２の領域において行う請求の範囲３に記載のレーザー表面処理方法。
【請求項５】
前記工程ｂ）で決められたエネルギーと、前記副工程ｄ１）で行われた位置調整と、前記ルックアップテーブルとの関数として前記第２の領域の表面処理に必要なレーザーエネルギーを調整する請求の範囲４に記載のレーザー表面処理方法。
【請求項６】
前記工程ｃ）と前記工程ｄ）との間に、副工程ｃ′）が設けられ、前記副工程ｃ′）において、前記処理された第１の領域においてエリプソメトリー測定が行われ、前記複数の新しい特性を決めるようにする請求の範囲１〜５のいずれか一項に記載のレーザー表面処理方法。
【請求項７】
前記エリプソメトリー測定が分光型のものである請求の範囲１〜６のいずれか一項に記載のレーザー表面処理方法。
【請求項８】
前記エリプソメトリー測定が一つまたは複数の波長で実施される請求の範囲１〜６のいずれか一項に記載のレーザー表面処理方法。
【請求項９】
前記エリプソメトリー測定による各領域の物理化学的特性が、この領域の厚さと、この領域の密度および光学屈折率と、この領域中に存在する種々の層の厚さと、この領域の物理化学的組成とで形成された群に属するパラメーターの少なくとも一つを測定することから成る請求の範囲１〜８のいずれか一項に記載のレーザー表面処理方法。
【請求項１０】
処理すべき各領域が、ガラス基板上に設置されたアモルファス・シリコン層と、前記基板に対向したアモルファス・シリコン層の頂面に設置された非反射性光学特性をもつ材料から成る頂層とから成る請求の範囲１〜９のいずれか一項に記載のレーザー表面処理方法。
【請求項１１】
物理化学的観点から実質的に同様な一連の少なくとも二つの別個の領域があり、各領域が与えられた深さをもつシリコン層から成り、各領域のシリコン層を再結晶化するように選択されたエネルギーをもつレーザービームを、各領域に一回以上照射する、請求の範囲１〜10のいずれか一項に記載のレーザー表面処理方法を実施するレーザー表面処理装置において、
レーザービームを第１の領域に少なくとも一回照射する前に、前記第１の領域において少なくとも一回のエリプソメトリー測定を行い、前記第１の領域の複数の物理化学的特性を得るエリプソメーター（ＥＬ）と、
少なくとも記憶するために格納したルックアップテーブルおよび得られた複数の特性の関数として前記第１の領域におけるシリコン層の再結晶化に必要なレーザービームのエネルギーを決める計算手段（ＧＥＳ１、ＧＥＳ２）と、
前記第１の領域において、前記計算手段によって決められたエネルギーで少なくとも一つのレーザーの点火を行う手段（ＬＡ）と、
第２の領域をレーザービームに対向するように位置決めする手段（ＴＡＢ）とを有し、前記第２の領域において、レーザーの点火を行う手段（ＬＡ）が前記第１の領域における前記計算手段によって決められたエネルギーで少なくとも一つのレーザーの点火を行い、
それにより、前記エリプソメトリー測定によりレーザーエネルギーの照射を制御することによって前記処理すべき一連の領域におけるレーザーによるシリコンの再結晶化プロセスを最適化できるようにすることを特徴とするレーザー表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、レーザー表面処理およびそのモニタリングに関する。
本発明の特殊な応用としては、エキシマレーザーによるアモルファス・シリコン試料のアニーリングにある。
一般的な定義として、表面にレーザービームを照射する目的はその表面、表面の構造および表面の状態を変えることにある。
実際に、使用する機構は、アモルファス・シリコンの結晶化の場合に表面の部分的な溶解である。
本出願人は、与えられた深さをもつ少なくとも二つの実質的に同様な表面フィールドがあり、各表面フィールドの物理的状態を変えるように選択された特性をもつ処理レーザービームを、各表面フィールドに一回以上照射するレーザー表面処理を迅速かつ非破壊的に実時間にその場でモニタリングできる装置および方法を提供するという問題を提起した。
本発明は、この問題を解決することにある。
本発明の一般的な定義によれば、本方法は、第１の表面フィールドの少なくとも一つの領域において、第２の表面フィールドにレーザービームを少なくとも一回照射する前に、少なくともの一つのエリプソメトリー測定を行って、第１の表面フィールドの特性すなわち特徴付けを得るようにし、実質的に同様な作業条件のもとでレーザービームの照射およびエリプソメトリー測定を行い、それにより、上記の特性によって各表面フィールドの物理的なフィールド状態の変化を迅速にしかも非破壊的に実時間にその場でモニタリングできるようにすることを特徴としている。
本発明の一つの実施例によれば、エリプソメトリー測定は、分光型のものである。
本発明の他の一つの実施例によれば、エリプソメトリー測定は、一つまたは複数の波長で実施される。
検査や成長の分野において通常使用される「分光型エリプソメトリー」として知られた光学分析は公知である。この型の分析は、比較的広い範囲の熱さに積層された多層または単一層の特性を得ることができる。
そのような光学分析を用いて、レーザーで得られた表面の物理的状態の変化をモニタリングすることは理論的に可能であろう。しかしながら、その他のファクタのうちで、複雑さ、そのような分析のコスト、必要な時間並びにレーザーおよびエリプソメーターのサイズは、当業者がこの応用において工業的に使用することで知ることになるまで知り得ないことを意味している。
本出願人の考察によれば、レーザービームの照射で影響を受けた三次元表面フィールド（以下簡単にするため「表面」と記載する）を（深さかつ位置において）実質的にカバーするようにエリプソメーターの分析フィールドを配列することができる。このことは、上記表面の種々の層の処理をモニタリングする多くの可能性を切り開くことになる。更に、本出願人の考察によれば、この分析およびレーザー処理は、相対的に簡単で高価ではなく、大きさを縮小でき、また本発明の方法および装置を実施するコストを低減するのにも役立つ度量衡学および／または光学手段によって一般に同様な作業条件のもととで実施され得る。
更にまた、本出願人の考察によれば、高出力レーザービームを二回照射する間に時間間隔を置くことにより、二回の照射の間に少なくとも一回エリプソメトリー測定を行うことができるようになる。
また、本出願人の考察によれば、エリプソメトリーにより物理化学的な特性を得ることは、レーザー処理の前および／または後でモニタリングを実施できるだけでなく、上記レーザー処理のパラメーターの少なくとも幾つかを最適化することもできるようになる。
本発明によれば、レーザー処理のこの最適化は、レーザー処理の各工程の前、その間またはその後に、上記の物理化学的特性を得るこことに少なくとも部分的に関連した予定の法則に従って行われる。
実際、レーザー処理の最適化のパラメーターの一つは単位面積および／または単位時間当たりレーザービームで照射したエネルギーである。
例えば、レーザー処理の最適化は、レーザー源によって供給された単位面積および／または単位時間当たりのエネルギーを調整して、分光型エリプソメトリーで得られた処理すべき表面フィールドの特性付けに従って、このフィールドに適したレーザービームを得るようにすることが成る。一層正確には、この調整は、光学的および／または機械的および／または電気的にレーザービームのエネルギーを変えることから成る。
本発明の他の目的は、上記の方法を実施する処理装置を提供することにある。
本発明のその他の特徴および効果は、以下の説明および添附図面を参照することにより明らかとなろう。
図１は、本発明による、エキシマレーザーによるアモルファス・シリコンパネルのアニーリングをモニタリングする装置の概略線図である。
図２は、本発明による、エキシマレーザーによる表面処理と組合さった分光型エリプソメーターを示す概略図である。
図３は、本発明による、室温または２４０℃で実施した試料（非反射層を備えたまたは備えない）の複数の型式のレーザーアニーリングの結晶構造曲線を示す。
図４は、本発明による、エキシマレーザーによるアモルファス・シリコンパネルのアニーリングをモニタリングする機能を示すフロー線図である。
以下、本発明を限定しない例として、「アクティブ・マトリックス液晶ディスプレイ」を意味するＡＭＬＣＤと称されるアクティブ・マトリックスを備えた液晶ディスプレイの製造、一層正確にはスクリーン制御回路やディスプレイ素子の製造に必要であるポリシリコン・トランジスター（ポリシリコン薄膜トランジスターＴＦＴ）を製造する工程に関する本発明の特殊な応用に基いて説明する。
トランジスターの製造工程で、スクリーンの性能、特にスクリーン制御回路の動作できる速度および従ってＴＦＴトランジスターを構成する材料中の電荷キャリアの移動度に正比例する表示速度が決まる。
大きなガラス基板上にポリシリコン・トランジスターを製造する際に伴う問題点は、基板の臨界温度を決して越えてはならないプロセス温度であり、この臨界温度を越えると基板はそれのもつ性能（本質的には機械的な性能）を損なうことになる。この温度は通常のガラス基板の場合約６００℃である（例えばコーニングガラス参照番号７０５９Ｆの場合には５９３℃）。
しかしながら、今日、この温度でポリシリコンを直接設置する方法は未知である。単なる公知の解決法は、アモルファス・シリコンの層を設置し、そして基板破壊温度を越えることなく層自体にエネルギーを加えてアモルファス・シリコンの層を再結晶化することから成っている。アモルファス・シリコンの自然発生的な結晶化は約９００℃の温度で生じる。従って、基板の温度を極端に上昇させずに、層に十分なエネルギーをいかに伝達するかが問題となる。
第１の公知の解決法は、長期間にわたって加熱アニーリングを実施することから成る。一層正確には、この方法には、基板劣化温度（典型的には６００℃）以下の温度に、制御された雰囲気のもとで数時間の間パネルをいかに維持するかという問題がある。例えば、１２時間のアニーリングの後、固相の結晶化が得られる。しかしながら、そのような技術には生産能力を限定するという欠点がある。更にこうして作られたポリシリコンの性能は、その後に生じるトランジスターの漏れ電流および移動度において最善ではない。これは恐らく、固相結晶化が決して完全ではないためである。
他の公知の解決法は、「急速熱処理」を表すＲＴＰと呼ばれる「急速熱アニーリング」として知られた技術を使用することから成る。アモルファス・シリコン層の温度上昇を促進ししかも基板の加熱をできるだけ制限しながら、高温度で急速熱アニーリングを如何に行うかという問題がある。例えば、この予熱はパネルの近くに配置した赤外線ランプ列によって得られる。運動中一定に保たれるパネルは赤外線ランプ列によって大気圧の窒素雰囲気のもとで５００℃まで予熱され、赤外線ランプ列のエネルギーはガラスで吸収される。このように予熱することにより、高エネルギー・キセノンランプで発生した光ビームによって生じる熱衝撃は低減され、高エネルギー・キセノンランプのエネルギーは好ましくはシリコンの層で吸収される。約７５０℃までのこの付加的な加熱は、複雑な光学集束系によって基板上のほぼ１ｃｍ幅のストリップ上に制限される。
この方法は高速ではあるが、特に大きな表面において処理の均質性を制御することは困難である。更に、基板の特性は、熱拡散のため温度の極端な上昇により劣化され得る。
更に、第３の公知の解決法は、シリコンが紫外線領域において特に強い吸収性を示し、一方ガラスが同じ波長に対して完全に透過性であることを利用することが成る。そのような例として、高出力の脈動レーザービームを用いることにより、基板に影響を及ぼすことなく、アモルファス・シリコンの層の温度を融点まで選択的に上昇させることができる。
この方法の利点は、非常に急速に実施できることにある（３０８ｎｍのエキシマレーザーのパルスの平均持続時間は一般に２００ｎｓ以下である）。その結果、熱伝導による基板の加熱の干渉効果は無視できる程度である。更に、処理は特別な予防措置を採ることなく（大気圧で）室温において施される。
更に、パネルの特定の領域に限定して処理ることができ、それにより、アモルファス・シリコンとポリシリコンとの両方にハイブリッド技術を想定することができるようになる。
しかしながら、このような技術は二つの点で問題がある。すなわち、大きな表面にわたって均質な処理を行う必要があり、またレーザーパルスにより溶融／固化の物理的プロセスを完全に制御する必要がある。
大きな表面にわたって均質な処理を行うために、中出力（パルスにおいて５００ｍＪ）のエキシマレーザーを使用することおよび非常に狭い幅（１μｍ）の一連のレーザー衝撃により処理すべき試料の表面を掃引することは知られている。こうして掃引した線は部分的に重なり、従って照射すべき必要な全表面を徐々にカバーする。
しかしながら、この解決法には、単一基板に対して数千回のレーザー衝撃を必要としまた妥当な総動作時間を得るためにはレーザーの高動作繰返し数（少なくとも５００Ｈｚ）を必要とするという欠点がある。この動作繰返し数は装置特に消耗構成要素のメンテナンスおよび寿命にとって重大である。
また、大きな表面にわたって均質な処理を行うために、高出力のエキシマレーザー、例えば１ｋＷの有効出力１ｋＷ（１０Ｊ×１００Ｈｚまたは１３Ｊ×８０Ｈｚ）のＸ線を用いて予め電離したエキシマレーザーを使用することも知られている。この形式のレーザーを用いることにより上述のものより繰返し数の小さい高出力のレーザービームを得ることができ、単一レーザーパルスで各パネルの全表面までもの大きな表面を処理できるようになる。
これに関連して更に次のように定義する。すでに説明したように、「表面フィールド」は処理すべき試料部分の全体を表し、「領域」はレーザーの一回の照射で処理したこのフィールドの部分を表す。更に、「処理すべき二つの実質的に同様な表面フィールド」は、実質的に同様である二つの別個のパネルかまたは同じパネルに属する二つの表面フィールドを意味している。
少なくとも二つの実質的に同様な表面フィールドにおけるレーザーパルスによる溶融／結晶化との物理的プロセスを完全に制御することから成るこの問題は、第１の表面の少なくとも一つの領域において少なくとも一つのエリプソメトリー測定を（少なくとも一つまたはそれ以上の波長であるいは分光法校で）、レーザーによる第２の表面の処理に先だって行い、第１の表面の物理化学的特性を得ることおよび上記物理化学的特性によってレーザー表面処理を非破壊的にかつ迅速にその場で実時間でモニタリングすることから成る本発明による方法によって解決される。
図１を参照すると、本発明による方法を実施する装置は、電源ＳＬＡおよび複数のエキシマレーザーヘッドＬＡ１〜ＬＡ３を備えたレーザー源ＬＡを有している。エキシマレーザーヘッドは、高出力型のものであり、そして非常に高出力例えば４５Ｊの単一レーザービームを発生するように位置決めされている。エキシマレーザーヘッドＬＡ１は実線で示され、エキシマレーザーヘッドＬＡ２、ＬＡ３は任意であるので破線で示されている。一つまたは複数のレーザー源は、例えば波長３０８ｎｍのＸｅＣｌ型のものである。
このレーザー源は、本出願人が本出願と同日付けで出願した、「レーザー表面処理を最適化するため複数のレーザーユニットを備えたレーザー源を制御する方法および装置」なる名称の特許出願第95 09780号に開示されており、その内容は全ての有効な目的のために本出願と一体の部分を有する。
非常に好適には、レーザービームは、所望の領域サイズに合わされ、また同時に、本出願人が本出願と同日付けで出願した、「レーザービームを均質化する光学装置」なる名称の特許出願第95 09781号に詳細に記載されたマイクロレンズ装置ＨＯで均質化され、その内容は全ての有効な目的のために本出願と一体の部分を有する。
装置は、更に、パネルを動かすロボットＲＯと、ｘ、ｙ、ｚ軸線をもつテーブルＴＡＢと、分光型であり得るエリプソメーターＥＬとを制御する電子マネージメントシステムＧＥＳ１、ＧＥＳ２を有している。このエリプソメーターＥＬは、レーザービームに対するパネルの位置決めのモニタリングとパネルのレーザー処理の進捗状況の実時間モニタリングとの両方を行うことができる。
分光型のエリプソメトリーは、例えば０．１ｎｍから１０μｍまでの範囲の相当な厚さの層に適用できる多層積層体の特性を得る非破壊光学方法である。
この測定法は、分析すべき試料の表面上における反射後の光ビームの偏光の変動に基いている。厚さは、異なる材料の層間のインデックスのコントラストを考慮することにより達成される。
好適には、表面フィールドの物理化学的特性は、この表面フィールドの厚さ、この表面フィールドの密度および光学インデックス、表面を有する種々の層の厚さ並びにこの表面フィールドの物理化学的組成から成る群に属するパラメータの少なくとも一つを測定することからなる。与えられた応用分野において測定した一組の量は「複数の物理化学的特性」と呼ぶことができる。
図２を参照すると、符号ＥＬは分光型のエリプソメーターであり、例えば本出願人が商品参照符号ＥＳ４Ｇ、ＭＬＭまたはＧＥＳＰ５のもとで販売したものである。そのようなエリプソメーターは、例えばフランス国特許公開第２５９５４７１号公報として公開されたフランス国特許第８６０３１８８号に開示されている。
電源１は高圧キセノン・アークランプのような光源２を励起する。第１光学系１０は、偏光に作用できる手段１５を備え、光源２からの光ビームを変換して、テーブルＴＡＢに装着したパネルＰＡに入射させ、テーブルＴＡＢは好ましくは、互いに直交する三つの方向ｘ、ｙ、ｚに動くことができる。
有効な光は、パネルの表面に対する垂線に対して入射ビームと対称にパネルで反射した光である。
この反射光は検光子２５を備えた第２光学系２０で受けられ、プリズム・モノクロメーター６の入口スロットに入射される。プリズム・モノクロメーター６の出口スロットからの光は、例えば５１２または１０２４画素のフォトダイオードアレイから成り波長を検出できる光検出器７（または非分光型のエリプソメーターの場合、単一路光検出器）に入射される。
電子制御ユニットＧＥＳ１は、
−偏光手段１５に作用して、入射光の偏光における作用を制御するようにし（回転偏光子型の偏光手段が設けられる場合には、電子制御ユニットは偏光子の回転における連続設定に作用する）、
−テーブルＴＡＢに作用して、ｘ−ｙ−ｚに関するテーブルＴＡＢの位置決めを制御するようにし、
−ロボットＲＯＢに作用して、まず、処理すべきパネルの格納される格納ラックからの処理すべきパネルの取出し、次にこうしてテーブルに取出されたパネルの動き、次に、テーブル上のパネルの選択された位置への位置決め、そしてエリプソメトリー（一つまたはそれ以上の位置における）の後、最初の格納ラックから他の格納ラックへパネルを移すためにそのパネルの把握を制御するようにし、
−検光子２５に作用して、ステッピングモーターによる検光子２５の方向決めを制御するようにし、
−モノクロメーター６に作用して、モノクロメーター６の同調波長を決めるようにし、
−レーザー源ＬＡに作用して、本発明によりレーザー源の光束を制御するようにする。
光検出器７からの信号はマネージメント手段ＧＥＳ１に供給され、入射光の偏光状態（例えば回転偏光子の場合には偏光子１５の角度）および特に処理すべきパネルの位置、検光子の位置や各測定の相応する波長を含む他の収集データに関連して記憶される。
必要に応じて電子ユニットＧＥＳ１によって予め処理したこの情報は、マイクロコンピューターのような処理手段ＧＥＳ２に伝送され、この処理手段ＧＥＳ２はエリプソメトリー情報（例えば「正接プサイ」および「余弦デルタ」）を発生し、そして処理すべきパネルの表面状態および／または多層構造は、エリプソメトリー分析スポットの各衝撃位置の関数として曲線で表される。
シャーシ、好ましくは単一シャーシは、キセノンランプ２の電源１、マネージメント手段ＧＥＳ１、モノクロメーター６、光検出器７および適用できれば処理手段ＧＥＳ２を備えている。
実際に、光源２からの光線はレンズ３０によって光学ファイバー３の入口カップラー３１に伝送される。光学ファイバー３は光学系１０に接続し、光学系１０はファイバー出口カップラー１１と、レンズ１２と、コリメーション膜１３と、偏光子１５とを備えている。
偏光子１５からの平行ビームは、収束レンズＬ１によって、処理すべきパネルの焦点ＰＦに収束される。収束レンズＬ１はパネルの対物面に配置されている。
反射した光線は、他の収束レンズＬ２によって、第２光学ファイバー５の入口カップラー２７に収束される。収束レンズＬ２はパネルの像面に配置されている。収束レンズＬ１、Ｌ２は光学的に接続される。
第２光学ファイバー５の出口カップラー２８はレンズ２９を介してモノクロメーター６の入口スロットに入射される。
光検出器７はモノクロメーターの出口スロットに対向している。
収束レンズＬ１、Ｌ２から成る光学組立体は、厚さの厚いガラス基板を備えた試料の後面で順次生じる干渉反射を除去する。
試料の後面の影響のこの機械的除去は、本出願人が本出願と同日付けで出願した、「高い空間分解能をもつエリプソメーター装置」なる名称の特許出願第95 09779号に詳細に記載されており、その内容は全ての有効な目的のために本出願と一体の部分を有する。
更に、ｚ軸線上におけるウエハの位置決め誤差は、スポットの空間分解能のために重大である。この位置決め誤差は次のようにして補正される。
まず最初に、垂直方向ｚにおける各型のパネルの曲率はエリプソメトリースポットを手動でまたはその他の方法で調整することにより考察される。
考察した後、この調整は、エリプソメトリーで分析するようにされたパネルの種々の領域毎に記憶される。各型式のパネルのプロファイルの形状情報は、コンピューターＧＥＳ２における記憶装置に記憶される（この情報は曲率に関する調整から得られる）。
第２に、表面処理をモニタリングするプロセスの残り部分において、調整され記憶された衝撃の位置は各分析位置において再使用される。それらの情報はまたその後のレーザー処理にも利用され得る。
しかしながら、これは、同じ形式のパネルでもパネル毎に変形に差が生じるので、必ずしも十分ではない。
出口ファイバー５におけるスポットの位置の微調整は、光学ファイバー５の入口カップラーと検光子２５との間に設けられた透明板ＰＴを回転することにより得られる。この回転は、マネージメント手段ＧＥＳ１によって、光検出器アレイ７において常に信号が最大となるように制御される。
この解決法は、上述の「高い空間分解能をもつエリプソメーター装置」の名称で出願した特許出願にも記載されている。
単一パルスエキシマレーザーによるアニーリングにおいては、レーザーパルスＦＬＡは持続時間の非常に短い、例えば２００ｎｓ以下のものである。このようなパルスは、アモルファス・シリコンの層を部分的にまたは全体的に溶解させるのに十分なエネルギーを非常に急速に供給し、すなわちレーザービームの吸収は０．２μｍ浸透するまでに完了し、加熱（再結晶化による）はまず第１に前表面すなわちレーザー衝撃を受ける面に制限され、そして次に単純な熱拡散によってかまたはいわゆる「爆発的な」結晶化現象によって層の全体へ広がっていく。
アモルファス・シリコンの層の前表面を溶解させるのに必要な単位表面当たりのエネルギー閾値はこの場合４００ｍＪ／ｃｍ2以下である。このエネルギー以上では、シリコンの層は比較的広範囲に部分溶解してしまう。５００ｍＪ／ｃｍ2では、溶解は全体にわたり、そこに加わるエネルギーは再結晶化を改善するのにもはや有効でなくなる。これは、シリコンの層が８００ｍＪ／ｃｍ2以上の極端に高いエネルギー吸収で溶融するので、有害であり得る。
このことは、レーザー処理中に、レーザー表面処理を最適化する観点でエリプソメトリーによる処理すべき表面の構造の特性が得られるという効果を示している。
更に、得られるポリシリコンの品質は、主に、シリコンの粒子のサイズと配列に、そしてその結果結晶化プロセス自体に依存する。
しかしながら、得られるポリシリコン結晶の平均サイズは加えられたレーザーエネルギーに依存している。
これは、装置の最適機能に最も適している大きな結晶が光束（すなわち単位表面当たりのエネルギー）の非常に狭い範囲で得られるためである。この範囲はレーザーの動作条件に相応し、これにより、ポリシリコンのわずかの粒子を溶かさないまま、アモルファス・シリコンの層のほとんど全体を溶かすことができる。これらの溶かされてない粒子は、溶けた層の漸次再結晶化における結晶化先駆物質の働きを果たし、従って大きな結晶の出現を促進させる。他方、層が完全におよび／または自由に溶融する場合には、これらの先駆物質は消え、得られる粒子サイズは１桁または２桁急激に落ちる。
結晶化プロセスの臨界特徴におけるこれらの観察により、本発明によって得られる利点および効果が強調される。
好適には、本発明によるモニタリング方法は、エリプソメトリー測定により得られた表面の物理化学的特性に少なくとも部分的に関連する予定の法則に従って、レーザー処理パラメーターの少なくとも幾つかを最適化することから成る。
本発明の教示からモニタリングされるべきレーザー処理の本質的なパラメーターは、レーザーの光束およびレーザーで処理すべきアモルファス・シリコンの層の厚さである。しかしながら、レーザーの光束およびアモルファス・シリコンの層の初期厚さとは別に、モニタリングプロセスには他のパラメーターも働き得る。
ある場合には、アニーリングすべき材料の構造は、ガラス基板上のアモルファス・シリコンの単純な層よりも複雑であり得る。これは、（レーザー放出スペクトル帯域に）透明層を設け、この透明層の厚さを慎重に選択することにより、単純な光学効果でレーザー処理の効率を実質的に高めることのできる場合である。例えば、適当な厚さ、例えば４８ｎｍのガラスの層を使用して、アモルファス・シリコンの層の有効吸収を０．４２から０．６８へ増大させることができ、すなわち等しい初期エネルギーに対してほぼ５０％の処理表面積における利得を得ることができる。更に、一層好適にはＳｉＯ2ガラスの代わりに、シリコンＳｉ3Ｎ4ガラスが使用され、それにより処理表面積における利得は１００％以上となる。
このような非反射層が存在することにより、最適化は非反射層の厚さに影響されるので、プロセスがより複雑となり制御し難くなり、そしてこれは重大な形態の場合である。
更に、低減温度、例えば２５０〜４００℃で従来の手段による処理すべき層の予加熱によって、再結晶化に必要な光束を適切に有利に低減させることができる。得られた多結晶のサイズはわずかに増大される。しかしながら、プロセスは、レーザー処理が室温で行われる場合より一層臨界である。
好適には、本発明によるモニタリング方法は、エリプソメトリー測定により予加熱工程を効果的にモニタすることができるようになる。
ＰＥＣＶＤ（「プラズマ助勢ＣＶＤ」）のような低温技術によって設置したアモルファス・シリコンが水素を含んでないことはまれであることが認められるべきである。これは、この形式の層を設置させるためにシランをベースとしたガスの混合物を使用したことにより、シランの分解の副生成物として反応室内に常に多量に存在している水素を除去することが難しくなるからである。
しかしながら、水素で高度に汚染されるアモルファス・シリコンの層の、いかなる対策もなしの、エキシマレーザーによる処理は一般には失敗である。溶融／結晶化プロセスにおける水素の急激な放出は、真実の爆発および／または最終表面の荒さにつながり、このことは所望の性能と完全には両立しない。
この場合、一つの解決法は処理を二つの工程で実施することから成る。まず第１に、低エネルギー衝撃レーザーを照射してアモルファス・シリコンの層を溶融せずにまたは部分的には溶融して水素を放出させるようにする。次に、最初のエネルギー衝撃レーザーより高い出力の第２のレーザー衝撃により再結晶化プロセスを行う（第２のレーザー衝撃の出力は最初のレーザー衝撃の効果に関連して調整されることになる）。
本発明による分光エリプソメトリーによる現場モニタリング方法は、水素で汚染されるシリコンの層の処理に他の有利な応用がある。
一般に、レーザーアニーリング前の分光エリプソメトリー測定により、本発明によれば下記のパラメーターを正確に測定することができる。
−アモルファス・シリコンの層の厚さ：使用した厚さは３０〜８０ｎｍの範囲である。この範囲の厚さにおいては、エリプソメトリーの精度は０．５％より良好である。
−非反射層の厚さ：精度はアモルファス・シリコンの層において得られた精度に匹敵するかまたはそれより良好である。
−アモルファス・シリコンの層の光学インデックス（屈折率）：アモルファス・シリコンの層に水素が入り込んでいることにより、光学インデックスは減少し、この減少は分光エリプソメトリーにおいて完全には検出できる。
全ての処理の前に分光エリプソメトリーを使用することによって、本発明により、厚さとアモルファス・シリコンの層の物理化学的組成との両方に関して試料の構造の完全な像を得ることができるようになる。
層の結晶度に加えて、試料の表面の荒さを測定することができる。これは、厚さの変動によって生じるものと異なるエリプソメトリー曲線の変形を生じさせるので、表面の荒さの出現（特に処理後の）が検出され得るためである。この可能性は、以下に記載するパネル製造プロセスをモニタリングするのに非常に重要ある。
出発点は、特に同じ製造（同じシリーズ）の実質的に同一である、厚さの薄いアモルファス・シリコンで被覆したガラスパネルである。好ましくは、アニーリングモニタリング方法は最初にテスト処理工程であり、その後に適当なアニーリング処理工程が続く。
テスト処理工程は下記の工程から成る。
１）複数のテストパネルを用意しそしてそれらの各々に対して後のレーザー衝撃の中心位置においてエリプソメトリー測定を行うこと。
２）種々の測定の回帰（または他の統計的な処理工程）を行い、そしてパネルの平均構造を評価すること。この応用において、最も特に評価されるパラメーターは層の厚さ、アモルファス・シリコンの誘電率、およびアモルファス・シリコンに対するパネルおよび適当には非反射層の均質性であることが認められるべきである。
３）こうして考察した構造に必要なレーザーの平均エネルギーを見積もること。
４）平均エネルギーの約０．５倍の値〜上記平均エネルギーの約１．５倍の値をもつ範囲のエネルギーで複数のテストパネルを処理すること。
５）適用できる場合には、レーザー処理後に同じパネルにおいてエリプソメトリー測定を行うこと。好適には、これは、レーザーエネルギーの関数としての結晶度、回帰の正確さ（全体として）および任意の荒さの存在を測定するために、測定を回帰する工程および結果を評価する工程で補完される。
このテスト処理工程により、考察中の構造を結晶化するのに必要な最適エネルギーの正確な評価が得られる。理想的な場合には、この評価は抵抗率、特にＸ線による結晶度のような補足的な物理的測定によって実証され得る。
本発明によれば、レーザーの光出力は、レーザーパルスにおける直接作用によってかまたは光学減衰器（ダイヤフラム、吸収シート）、レーザー源の給電電圧または均質化光学装置の二つの収束レンズ間の距離に対する変数のようなエネルギー変数によって調整される。
例えば厚さ４５ｎｍであり、雰囲気温度で処理したガラスを備えた簡単なアモルファス・シリコン構造の場合、処理前のエリプソメトリーによる測定では、設置の不均質性のために約１０％の変動をもつ４５ｎｍのアモルファス・シリコンの厚さが得られる。表面上に例えば約２．２ｎｍの本来の酸化物の薄い層が存在することは測定を正しく調整するために考慮されなければならない。この形式の試料に特有のアモルファス・シリコンの平均インデックスが取出され、基準インデックスと比較される。この厳格な場合には、見出だされたインデックスは稠密アモルファス・シリコンのインデックスに非常に近く、従って多量の水素を取り込みやすくない。従って、単一レーザーパルスを含む通常の処理は最適化され得る。
次にある数の試料は２５０〜３７０ｍＪ／ｃｍ2の範囲において可変の光束をもつレーザーによってアニーリングされる。これらの試料はエリプソメトリーによって分析される。前に取出したアモルファス・シリコンのインデックスを用いた回帰により、種々の試料の結晶度は推定される。
結晶度曲線Ｃ１（図３）はほぼ２５５ｍＪ／ｃｍ2において非常にはっきりした結晶化閾値があることを示している。これは実際、室温においてアモルファス・シリコンの層を部分的に溶融するのに必要なエネルギー閾値である。この閾値以下では、シリコンの全層は部分的に結晶化される。結晶化の速度は、層の全体を溶融させるのに十分なエネルギーまで漸次増大する。この変化は上述のプロセスの説明に関連されることになる。最適処理は、分光エリプソメトリーにより測定した結晶度レベルが最大、この場合には３５０ｍＪ／ｃｍ2である時に達成される。この最適条件は、選択された例では単純な均質性層に対するモデルの最良な調整に相応している。
他の例（曲線Ｃ３）では、試料は、アモルファス・シリコンの層に設置した約５５ｎｍの厚さのシリコンの非反射性層を備えている。最適化プロセスは、前と同様にして実施され、選択されたエネルギー範囲は、非反射性層が存在するために比較的小さい。レーザー衝撃後に同じ形式の分析を行うことにより、前の曲線と同様てあるが、低エネルギーに向かって非常にオフセットした結晶度曲線が得られる。最適エネルギーは、単純な光学効果によって導入したエネルギー利得に相応するほぼ２６０ｍＪ／ｃｍ2に減少される。
分光エリプソメトリーによるモニタリングは非反射性層をもつ複雑な場合に特に重要である。またこの技術により、非反射性層の厚さを正確に得ることができる。他の応用例では、一つまたは複数の波長でのエリプソメトリーで十分であり得る。
更に、非反射性層を備えるまたは備えない同じ形式の試料は基板の温度をほぼ２４０°まで衝撃により高めることにより真空のもとでレーザーによってアニーリングされる。同じ形式の分析によって、図３に示す結果（Ｃ２、Ｃ４）が得られる。室温で得られた結果と比較して、基板を予め加熱することにより、結晶化に必要な最適エネルギーをほぼ５０ｍＪ／ｃｍ2まで低減させることができる。結晶度に関して最良の結果は外見上、非反射性層を備える場合には２４０℃で得られる（曲線Ｃ４）。更に、必要な最適エネルギーは２４０ｍＪ／ｃｍ2以下の最低であり、このことはこれらのパラメーターの重要性を示している。
レーザービームのエネルギーを最適化するように設計したテスト処理工程の後、適当なアニーリングのモニタリングは行われ得る。
図４を参照すると、レーザーアニーリングをモニタリングする方法は、次の工程（パネルにおける各レーザー衝撃に対して）から成る。
−工程Ｅ１：最初のエリプソメトリー測定（高さおよび微細設定の調整並びに急速な取得で約１秒の持続時間）。
−工程Ｅ２：レーザーエネルギーの回帰および計算（０．５秒持続時間）。
−工程Ｅ３：レーザーエネルギーの調整（持続時間１秒）。
−工程Ｅ４：レーザー点火。
−工程Ｅ５：適用できる場合には、第２のエリプソメトリー測定（持続時間１秒）。
−工程Ｅ６：次の位置へのパネルの移動。
−工程Ｅ７：結晶度の回帰および評価。
−工程Ｅ８：最終処理テスト。
−工程Ｅ９：パネルまたはウエハの交換、および工程Ｅ１へ戻る。
例えば、レーザー衝撃の繰返し期間は６秒であり、４０×３０ｃｍのパネルは９個のパルスで処理され、すなわち処理能力は指示された回数について単位時間当たり約５０パネルである。
従って上記した本方法により、アモルファス・シリコンのレーザーアニーリングの質および信頼性を改善するだけでなく、その後、均質性が常に完全でないアモルファス・シリコンの設置工程をモニタリングすることもできるようになる。
例えば上述のように試料を犠牲にできる限り、上記の方法は、単にレーザー表面処理の後に実施され得る。しかしながら、最近では少なくともある応用の場合この表面処理前に本方法を実施すのが好ましい。他の応用では、レーザー表面処理の前にのみ本方法は実施される。
発展した実施例では、本方法は、他の点に関して次のように定義される。
ａ）レーザー表面処理の前に、表面上に複数の物理化学的特性を得るために、正規直交基準フレームに対して三座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）で定義した初期位置に固定されたパネルの処理すべき領域の一つにおいて少なくとも一回のエリプソメトリー測定を行うこと。
ｂ）少なくとも工程ａ）で得られた複数の特性と記憶するために格納したルックアップテーブルの関数として処理に必要なレーザービームのエネルギーを決めること。
ｃ）領域表面を処理するために、工程ｂ）で決められたエネルギーでレーザー点火を行うこと。
ｄ）平面ＸＹにおいてパネルを動かして、他の領域をレーザービームに対向するように位置決めすること。
ｅ）少なくとも工程ｃ）で本方法を再開すること。
より良好には、工程ａ）において、エリプソメトリー測定は、処理すべき各領域の表面の複数の物理化学的特性を得るために、パネルにおける処理すべき各領域において実施され、また工程ｂ）において、処理に必要なレーザービームのエネルギーは、工程ａ）において得られた複数の全ての物理化学的特性に応じて決められる。
適用できるように、工程ｄ）における位置決めは副工程ｄ１）から成り、この副工程ｄ１）において、方向Ｚに従って位置決めを調整するために、エリプソメトリー測定を領域において行う。
変形例によれば、工程ｄ）と工程ｅ）との間に、中間の工程ｄ′）が設けられ、この中間の工程ｄ′）において、領域の表面処理に必要なレーザーエネルギーは、工程ｂ）で決められたエネルギーと、副工程ｄ１）で行われた位置調整と、ルックアップテーブルとに従って調整される。
他の変形例によれば、工程ｃ）と工程ｄ）との間に、副工程ｃ′）が設けられ、この副工程ｃ′）において、処理表面のエリプソメトリー測定が行われ、複数の新しい特性を決めるようにする。
本発明の完全な実施例では、本方法は次のように定義される。
ａ）レーザー表面処理の前に最初の位置に固定されたパネルにおける処理すべき各領域においてエリプソメトリー測定を行い、各領域における処理すべき表面の複数の物理化学的特性を得るようにすること。
ｂ）工程ａ）において得られた複数の全ての物理化学的特性および記憶するように格納されたルックアップテーブルの関数としてパネルの平均表面処理に必要なレーザーの平均エネルギーおよび次に処理すべき各領域に必要なレーザーの平均エネルギーを評価すること。
ｃ）領域において新しいエリプソメトリー測定を行い、最初の位置に対してその位置決めを調整すること。
ｄ）工程ｂ）で評価された平均エネルギー、工程ｃ）で行われた位置調整およびルックアップテーブルの関数として、領域の表面処理に必要なレーザーエネルギーを調整すること。
ｅ）工程ｄ）で決められたエネルギーでレーザーを点火し、領域を処理すること。
方法についての全ての説明において、本発明は相応した装置の形態で同様に定義することができ、また逆の仕方で定義することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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