(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に配置された非結晶シリコン膜に第１のレーザ光を照射してポリシリコン膜を形成する工程と、基板面内の平均粒径の値が５００ｎｍ以上である基板を選別する工程とを具備するポリシリコン膜の製造方法であって、前記ポリシリコン膜に波長５４０ｎｍより短い波長の第２のレーザ光を照射し、その散乱光強度の角度依存性を少なくとも角度５度から４０度以上の範囲で計測し、その角度分布情報から前記ポリシリコン膜の粒径を求めることを特徴とするポリシリコン膜の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のポリシリコン膜の製造方法において、波長が５４０ｎｍより短い前記第２のレーザ光をポリシリコン膜の形成されている面の反対側の裏面から垂直に入射することを特徴とするポリシリコン膜の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載のポリシリコン膜の製造方法において、波長が５４０ｎｍより短い前記第２のレーザ光をポリシリコン膜の形成されている面の方から垂直に入射することを特徴とするポリシリコン膜の製造方法。
【請求項４】
請求項１記載のポリシリコン膜の製造方法において、波長が５４０ｎｍより短い前記第２のレーザ光をポリシリコン膜の形成されている面の方から斜めに入射することを特徴とするポリシリコン膜の製造方法。
【請求項５】
請求項１記載のポリシリコン膜の製造方法において、前記ポリシリコン膜を形成する工程と、前記ポリシリコン膜の粒径を計測する工程とが、同一の装置で行うことを特徴とするポリシリコン膜の製造方法。
【請求項６】
請求項１記載のポリシリコン膜の製造方法において、前記ポリシリコン膜の平均粒径の面内変動幅は±２０％以内であることを特徴とするポリシリコン膜の製造方法。
【請求項７】
請求項１記載のポリシリコン膜の製造方法において、選別された基板上のポリシリコン膜の結晶は融合結晶であり、その表面ラフネスの程度をしめす最大高低差（ＰＶ）は６０ｎｍ以下であり，自乗平均粗さ（ＲＭＳ）は８ｎｍ以下であることを特徴とするポリシリコン膜の製造方法。
【請求項８】
基板上に形成された非結晶シリコン膜に第１のレーザ光を照射しポリシリコン膜を形成する工程と、前記ポリシリコン膜の粒径を測定する工程と、前記粒径に基づいて前記第１のレーザ光照射エネルギーを調整することを具備するポリシリコン膜の製造方法であって、前記ポリシリコン膜に波長５４０ｎｍより短い波長の第２のレーザ光を照射し、その散乱光強度の角度依存性を少なくとも角度５度から４０度以上の範囲で計測し、その角度分布情報から前記ポリシリコン膜の粒径を求めることを特徴とするポリシリコン膜の製造方法。
【請求項９】
請求項８記載のポリシリコン膜の製造方法において、前記ポリシリコン膜が融合結晶領域でありかつ微結晶を含まない範囲内で前記第１のレーザ光照射エネルギーを調節することを特徴とするポリシリコン膜の製造方法。
【請求項１０】
請求項８記載のポリシリコン膜の製造方法において、前記ポリシリコン膜を選別する工程で選別条件を満足せずに不良と判定された基板に対して、前記第１のレーザ光照射エネルギーを変更して再度レーザ光照射を行うプロセスを含むことを特徴とするポリシリコン膜の製造方法。
【請求項１１】
ポリシリコン膜に波長５４０ｎｍより短い波長のレーザ光を照射し、その散乱光強度の角度依存性を少なくとも角度５度から４０度以上の範囲で計測し、その角度分布情報から前記ポリシリコン膜の粒径を求めることを特徴とするポリシリコン膜粒径計測方法。
【請求項１２】
測定した散乱光強度の角度分布幅を、粒径と角度分布幅との校正曲線を用いて対応させ、基板面内の平均粒径の値を求めることを特徴とする請求項１１記載のポリシリコン膜粒径計測方法。
【請求項１３】
ポリシリコン膜を結晶化したレーザ光の走査方向に対して０度、４５度、９０度方向を含む方向に１次元アレー型に複数の検出素子を並べ、前記散乱光強度の角度依存性を測定することを特徴とする請求項１１記載のポリシリコン膜粒径計測方法。
【請求項１４】
前記散乱光強度の角度依存性を、２次元光検出器を用いて測定することを特徴とする請求項１１記載のポリシリコン膜粒径計測方法。
【請求項１５】
第１のレーザ光であるパルスレーザ光を走査して結晶化したポリシリコン膜に、波長が５４０ｎｍより短い第２のレーザ光を照射し、その散乱光を少なくとも角度５度から４０度以上の範囲を計測し、アニールレーザビーム形状の短軸方向にのびた直線状の光回折パターンを検出することにより、ポリシリコン膜の微結晶筋を検出することを特徴とするポリシリコン膜評価方法。
【請求項１６】
前記微結晶筋に由来する直線的な光回折パターンを、前記第１のレーザ光の走査方向に対し０度方向と９０度方向に配置された検出素子の信号強度の差により検出することを特徴とする請求項１５記載のポリシリコン膜評価方法。
【請求項１７】
基板上に配置された非結晶シリコン膜に第１のレーザ光照射することによってポリシリコン膜を形成する装置において、ポリシリコン膜に波長５４０ｎｍより短い波長のレーザ光を照射し、その散乱光強度の角度依存性を少なくとも角度５度から４０度以上の範囲で計測し、その角度分布情報から前記ポリシリコン膜の粒径を求めるポリシリコン膜粒径計測方法により融合領域の粒径を計測する機能が組み込まれていることを特徴とするポリシリコン膜形成装置。
【請求項１８】
ポリシリコン膜に波長５４０ｎｍより短い波長のレーザ光を照射し、その散乱光強度の角度依存性を少なくとも角度５度から４０度以上の範囲で計測し、その角度分布情報から前記ポリシリコン膜の粒径を求め、ポリシリコン膜の品質表示として、ポリシリコン膜の粒径に関する面内の１００００点以上の測定ポイントに基づいて、粒径あるいは粒径に対応する値の分布の表示を行うことを特徴とするポリシリコン膜品質表示方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
液晶や半導体デバイスなどのポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉと略す）膜の生成方法および検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶ディスプレイにおいて、駆動素子となる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の活性層としてはポリシリコン膜が、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜より優れているのは、キャリア（ｎチャネルでは電子、ｐチャネルでは正孔）の移動度が高く、セルサイズを小さくでき高精細化が可能であるためである。さらに、通常のｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴは１０００℃以上の高温プロセスが必要であるが、レ  ーザによるシリコン層のみのアニールにより基板が高温にならない低温ポリシリコン形成技術では、安価なガラス基板の使用が可能な低温プロセスにおいて、移動度の高いＴＦＴの形成が可能となる。
このレーザアニールは、図１３に示すようにガラス基板上に形成したａ−Ｓｉ膜にそれが吸収する光を照射しながら走査することによって基板上のａ−Ｓｉ膜を全面にわたって多結晶化しｐｏｌｙ−Ｓｉ膜にする。図１４に示すように、そのｐｏｌｙ−Ｓｉ粒径はレーザの照射エネルギ面密度（フルエンス）によって変化するため、レーザの安定性がｐｏｌｙ−Ｓｉの粒径分布に反映する。ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜のキャリア移動度は、この粒径が大きいほど高く、面内均一な高性能のＴＦＴ特性を得るためには粒径分布が均一かつ大粒径を保持する必要性がある。大きい粒径をつくるための条件としては図１４のＤ領域のフルエンスを用いれば良いが、レーザの不安定性等によってフルエンスが高い方に変動した場合は、Ｅ領域で示した粒径２００ｎｍ以下の微結晶を含む領域になってしまう。この場合はキャリア移動度が小さくなりデバイス不良の原因となる。粒径は、レーザフルエンスの他にレーザアニール前のａ−Ｓｉ膜の厚さのバラツキによっても変動する。したがって、常に一定の粒径範囲でｐｏｌｙ−Ｓｉ膜をつくるためには、レーザ安定性や基板の膜厚の変動を低く押さえなければならない。このためには粒径管理が必要である。そのため、ｐｏｌｙ−Ｓｉ粒径を検査しレーザアニール条件にフィードバックしてｐｏｌｙ−Ｓｉ粒径を一定に管理することが重要となっている。
この管理方法としては、ｐｏｌｙ−Ｓｉの結晶粒径そのものを測定するのが最も確実の手法であり、従来、検査用のサンプルを最初や途中の製造ロットの中に混ぜたり、製品を無作為に抜き取り、製造工程において形成したｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の結晶粒径を電子顕微鏡や走査型トンネル顕微鏡により直接観察して測定していた。さらに他の従来技術としては次の方法がある。特開平１０−２１４８６９に示された内容であり、透過率でポリシリコン膜を評価する方法がある。この方法は粒径の評価は不可能であるが，ａ−Ｓｉとｐｏｌｙ−Ｓｉとの吸収係数の差を利用し、ａ−Ｓｉとｐｏｌｙ−Ｓｉの比率によってレーザ光のフルエンス不足による結晶化不十分をモニターすることができる。特開平１１‐２７４０７８に示された内容であり表面光沢度（反射率）で評価する方法がある。これは光沢度がｐｏｌｙ−Ｓｉ粒径によって変化することを利用し、最適なｐｏｌｙ−Ｓｉ粒径において光沢度が最小となるとしている。これは、反射率が最小すなわち表面ラフネスが最大になる粒径に対応する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
表面ラフネスが高いとデバイスのゲート絶縁膜耐圧不良の原因となる。このように表面ラフネスが最大となる条件を利用して検出する粒径は、表面凹凸が大きいため，耐圧不良の危険度がもっとも高い領域を検出する方法である。この領域を使用する場合は表面ラフネスを低減するプロセスが必要であり複雑な製造プロセスとなる。このように、上記の従来技術の基板検査方法に依存するデバイス製造プロセスでは、表面ラフネスを低減する特殊なプロセスが必要であり、かつ図１４のＢ領域の粒径（約３００ｎｍ）での使用に限定されてしまう。しかし、さらに低消費電力かつ高精細液晶を製造するためには、キャリア移動度がさらに高いｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を作製しなければならない。このためには粒径が最大となる図１４のＤ領域を使用すればよい。このためには、表面ラフネスに依存しないで粒径を評価する事が必要である。この領域の評価方法として、上記従来技術は適さず、さらに電子顕微鏡で観察する検査は、人為的な労力と測定結果がでるまでに時間がかかるため量産ラインの現場での評価には適さない。したがって、表面ラフネスが小さくかつ粒径が３００ｎｍより大きい領域のｐｏｌｙ−Ｓｉ基板を安定に作製することが困難となっている。そこで本発明は、上記問題点に鑑みて成されたものであり、簡単な手法で表面ラフネスが小さくｐｏｌｙ−Ｓｉ粒径が最大の領域の評価を可能とし、これにより表面ラフネスが低く高キャリア移動で製造ばらつきの無い、または、製造歩留まりの高いｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の製造方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、（１）基板上に配置された非結晶シリコン膜に第１のレーザ光照射してポリシリコン膜を形成する工程と、基板面内の平均粒径の値が５００ｎｍ以上である基板を選別する工程とを具備するポリシリコン膜の製造方法であって、前記ポリシリコン膜に波長５４０ｎｍより短い波長の第２のレーザ光を照射し、その散乱光強度の角度依存性を少なくとも角度５度から４０度以上の範囲で計測し、その角度分布情報から前記ポリシリコン膜の粒径を求めるポリシリコン膜の製造方法にある。（１）において、（２）波長が５４０ｎｍより短い前記第２のレーザ光をポリシリコン膜の形成されている面の反対側の裏面から垂直に入射することが好ましい。（１）において、（３）波長が５４０ｎｍより短い前記第２のレーザ光をポリシリコン膜の形成されている面の方から垂直に入射しても良い。また、（１）において、（４）波長が５４０ｎｍより短い前記第２のレーザ光をポリシリコン膜の形成されている面の方から斜めに入射しても良い。（１）において、（５）前記ポリシリコン膜を形成する工程と、前記ポリシリコン膜の粒径を計測する工程とが、同一の装置で行なわれることが好ましい。（１）において、（６）前記ポリシリコン膜の平均粒径の面内変動幅は±２０％以内である。（１）において、（７）選別された基板上のポリシリコン膜の結晶は融合結晶であり、その表面ラフネスの程度をしめす最大高低差（ＰＶ）は６０ｎｍ以下であり，自乗平均粗さ（ＲＭＳ）は８ｎｍ以下である。
第２の発明は、（８）基板上に形成された非結晶シリコン膜に第１のレーザ光を照射しポリシリコン膜を形成する工程と、前記ポリシリコン膜の粒径を測定する工程と、前記粒径に基づいて前記第１のレーザ光照射エネルギーを調整することを具備するポリシリコン膜の製造方法であって、前記ポリシリコン膜に波長５４０ｎｍより短い波長の第２のレーザ光を照射し、その散乱光強度の角度依存性を少なくとも角度５度から４０度以上の範囲で計測し、その角度分布情報から前記ポリシリコン膜の粒径を求めるポリシリコン膜の製造方法にある。（８）において、（９）前記ポリシリコン膜が融合結晶領域でありかつ微結晶を含まない範囲内で前記第１のレーザ光照射エネルギーを調節することが好ましい。（８）において、（１０）前記ポリシリコン膜を選別する工程で選別条件を満足せずに不良と判定された基板に対して、前記第１のレーザ光照射エネルギーを変更して再度レーザ光照射を行うプロセスを含ませることが好ましい。
第３の発明は、（１１）ポリシリコン膜に波長５４０ｎｍより短い波長のレーザ光を照射し、その散乱光強度の角度依存性を少なくとも角度５度から４０度以上の範囲で計測し、その角度分布情報から前記ポリシリコン膜の粒径を求めるポリシリコン膜粒径計測方法にある。（１１）において、（１２）測定した散乱光強度の角度分布幅を、粒径と角度分布幅との校正曲線を用いて対応させ、基板面内の平均粒径の値を求めることができる。また、（１１）において、（１３）ポリシリコン膜を結晶化したレーザ光の走査方向に対して０度、４５度、９０度方向を含む方向に１次元アレー型に複数の検出素子を並べ、前記散乱光強度の角度依存性を測定することができる。また、（１１）において、（１４）前記散乱光強度の角度依存性を、２次元光検出器を用いて測定することができる。
第４の発明は、（１５）第１のレーザ光であるパルスレーザ光を走査して結晶化したポリシリコン膜に、波長が５４０ｎｍより短い第２のレーザ光を照射し、その散乱光を少なくとも角度５度から４０度以上の範囲を計測し、アニールレーザビーム形状の短軸方向にのびた直線状の光回折パターンを検出することにより、ポリシリコン膜の微結晶筋を検出するポリシリコン膜評価方法にある。（１５）において、（１６）前記微結晶筋に由来する直線的な光回折パターンを、前記第１のレーザ光の走査方向に対し０度方向と９０度方向に配置された検出素子の信号強度の差により検出することができる。
第５の発明は、（１７）基板上に配置された非結晶シリコン膜に第１のレーザ光照射することによってポリシリコン膜を形成する装置において、ポリシリコン膜に波長５４０ｎｍより短い波長のレーザ光を照射し、その散乱光強度の角度依存性を少なくとも角度５度から４０度以上の範囲で計測し、その角度分布情報から前記ポリシリコン膜の粒径を求めるポリシリコン膜粒径計測方法により融合領域の粒径を計測する機能が組み込まれているポリシリコン膜形成装置にある。
第６の発明は、（１８）ポリシリコン膜に波長５４０ｎｍより短い波長のレーザ光を照射し、その散乱光強度の角度依存性を少なくとも角度５度から４０度以上の範囲で計測し、その角度分布情報から前記ポリシリコン膜の粒径を求め、ポリシリコン膜の品質表示として、ポリシリコン膜の粒径に関する面内の１００００点以上の測定ポイントに基づいて、粒径あるいは粒径に対応する値の分布の表示を行うポリシリコン膜品質表示方法にある。
【０００５】
また前記シリコン膜はａ−Ｓｉ膜で形成され、レーザー光照射によるアニールでｐｏｌｙ−Ｓｉ膜に変化させ、その結晶粒径を散乱光強度の角度分布を計測することで評価し、電界効果移動度の粒径との関係から規定した平均粒径の上限と下限の範囲であるか否かで、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の良不良を判定する。
図１に示すように，前記回折パターンの角度分布計測による粒径評価法に用いる光源２は波長が５４０ｎｍ以下のレーザであり、前記ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成した基板１に対して垂直に照射し、照射領域から発生する散乱光の角度分布を計測するために、角度範囲が約５度から４５度の範囲で角度別に複数の光検出素子７が設置される。ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の光回折パターンにおける散乱光強度の角度分布幅とｐｏｌｙ−Ｓｉ粒径との関係は、図７に示すように一般に粒子からの散乱光強度の角度分布幅は粒径が大きいほど狭くなるというフーリエ変換の関係で説明される。図７では粒子間干渉が無い粒子単体の場合と、粒子が密に存在し粒子間干渉が有る場合の両方を示している。後者の場合は散乱角度ゼロ近傍で散乱光強度が減衰する分布となる。いずれにせよ角度分布幅が広い分布Ａと狭い分布Ｂとで粒径を比較すると、分布Ｂの粒径が分布Ａの粒径より大きいと判定できる。この原理によって、粒径を非破壊で計測する。
【０００６】
以上のようなｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の製造方法では、ｐｏｌｙ−Ｓｉの製造工程でａ−Ｓｉにエキシマレーザを照射して薄膜形成されたｐｏｌｙ−Ｓｉの光回折パターン強度の角度分布の幅を計測し、この結果よりｐｏｌｙ−Ｓｉの結晶粒径を評価する。この評価結果によりアニールレーザーのフルエンスを設定する。アニールレーザ光のフルエンスが低すぎる場合は、粒径が十分に大きくならないのでフルエンスの下限を設定する。
【０００７】
一方でフルエンスが高すぎて図１７に示したように微結晶が発生する領域では、平均粒径が小さくなるとともに、光回折パターンに図１８に示した様に直線状のパターンが発生する。この直線状のパターンの検出によって微結晶筋を検出する。この微結晶筋が発生しない様にアニールレーザのフルエンスの上限を設定する。レーザーフルエンスの下限と上限は、以下のように平均粒径の管理範囲で定められる。
【０００８】
図１５に示した平均粒径と電界効果移動度との間の関係を利用して、所望の電界効果移動度とその面内分布の変動幅から平均粒径の管理範囲（上限と下限）をきめる。
【０００９】
着工の前にレーザーアニール条件を決定するために，レーザーフルエンス条件を基板内でステップ上に変えてアニールを行い，そのポリシリコン膜の光回折パターンの角度分布幅によって平均粒径を評価し、その平均粒径が管理範囲内で或るようにレーザアニールの条件を設定する。実際のプロセスではレーザアニール後のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の粒径の面内分布を評価し、基板の良不良を上述の判定基準で判定し、良品基板のみを後の工程に送ることによって、製造ばらつきの低減や製造歩留まりを高める。この場合、全数検査を行う必要はなく、同一ロット内の基板毎の平均粒径変動幅に応じて、抜取検査か全数検査かを決めれば良い。すなわち、同一ロットの平均粒径の基板毎の変動幅が、±２０％以内であれば、最低でも同一ロットで一枚の基板の検査を行えば良い。通常の抜き取り検査としては、ロット毎に最初と中間と最後の３枚の検査を行う。この３枚のうち、３枚とも平均粒径及び面内変動幅が±２０％以内であれば全体を良品ロットと見なす。しかし、３枚のうち１枚でも基板毎の平均粒径変動幅が±２０％より大きければ、そのロットに関する検査を全数検査に切り替える。
【００１０】
この様に全数検査または抜取検査によって基板を選別する。図１５のデータによれば、平均粒径が５００ｎｍ以上であってその値の面内分布の変動幅が±２０％以下であるように粒径を管理することによって電界効果移動度の設定値２００ｃｍ２／ＶＳ以上でかつ電界効果移動度の面内変動が±１０％以下であるポリシリコン膜を形成する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は上記目的を達成するために、基板上に配置されたシリコン膜に光照射によるアニールを行ってｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成する工程と、前記ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の光回折パターンを測定する工程と、前記光回折パターンに基づいて前記ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を選別する工程とを備えるｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の製造方法を提供する。
また前記シリコン膜はａ−Ｓｉ膜で形成され、レーザー光照射によるアニールでｐｏｌｙ−Ｓｉ膜に変化させ、その結晶粒径を散乱光強度の角度分布を計測することで評価し、電界効果移動度の粒径との関係から規定した平均粒径の上限と下限の範囲であるか否かで、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の良不良を判定する。
図１に示すように，前記回折パターンの角度分布計測による粒径評価法に用いる光源２は波長が５４０ｎｍ以下のレーザであり、前記ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成した基板１に対して垂直に照射し、照射領域から発生する散乱光の角度分布を計測するために、角度範囲が約５度から４５度の範囲で角度別に複数の光検出素子７が設置される。ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の光回折パターンにおける散乱光強度の角度分布幅とｐｏｌｙ−Ｓｉ粒径との関係は、図７に示すように一般に粒子からの散乱光強度の角度分布幅は粒径が大きいほど狭くなるというフーリエ変換の関係で説明される。図７では粒子間干渉が無い粒子単体の場合と、粒子が密に存在し粒子間干渉が有る場合の両方を示している。後者の場合は散乱角度ゼロ近傍で散乱光強度が減衰する分布となる。いずれにせよ角度分布幅が広い分布Ａと狭い分布Ｂとで粒径を比較すると、分布Ｂの粒径が分布Ａの粒径より大きいと判定できる
。この原理によって、粒径を非破壊で計測する。
以上のようなｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の製造方法では、ｐｏｌｙ−Ｓｉの製造工程でａ−Ｓｉにエキシマレーザを照射して薄膜形成されたｐｏｌｙ−Ｓｉの光回折パターン強度の角度分布の幅を計測し、この結果よりｐｏｌｙ−Ｓｉの結晶粒径を評価する。この評価結果によりアニールレーザーのフルエンスを設定する。アニールレーザ光のフルエンスが低すぎる場合は、粒径が十分に大きくならないのでフルエンスの下限を設定する。
一方でフルエンスが高すぎて図１７に示したように微結晶が発生する領域では
、平均粒径が小さくなるとともに、光回折パターンに図１８に示した様に直線状のパターンが発生する。この直線状のパターンの検出によって微結晶筋を検出する。この微結晶筋が発生しない様にアニールレーザのフルエンスの上限を設定する。レーザーフルエンスの下限と上限は、以下のように平均粒径の管理範囲で定められる。
図１５に示した平均粒径と電界効果移動度との間の関係を利用して、所望の電界効果移動度とその面内分布の変動幅から平均粒径の管理範囲（上限と下限）をきめる。
着工の前にレーザーアニール条件を決定するために，レーザーフルエンス条件を基板内でステップ上に変えてアニールを行い，そのポリシリコン膜の光回折パターンの角度分布幅によって平均粒径を評価し、その平均粒径が管理範囲内で或るようにレーザアニールの条件を設定する。実際のプロセスではレーザアニール後のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の粒径の面内分布を評価し、基板の良不良を上述の判定基準で判定し、良品基板のみを後の工程に送ることによって、製造ばらつきの低減や製造歩留まりを高める。この場合、全数検査を行う必要はなく、同一ロット内の基板毎の平均粒径変動幅に応じて、抜取検査か全数検査かを決めれば良い。すなわち、同一ロットの平均粒径の基板毎の変動幅が、±２０％以内であれば、最低でも同一ロットで一枚の基板の検査を行えば良い。通常の抜き取り検査としては、ロット毎に最初と中間と最後の３枚の検査を行う。この３枚のうち、３枚とも平均粒径及び面内変動幅が±２０％以内であれば全体を良品ロットと見なす。しかし、３枚のうち１枚でも基板毎の平均粒径変動幅が±２０％より大きければ、そのロットに関する検査を全数検査に切り替える。
この様に全数検査または抜取検査によって基板を選別する。図１５のデータによれば、平均粒径が５００ｎｍ以上であってその値の面内分布の変動幅が±２０％以下であるように粒径を管理することによって電界効果移動度の設定値２００ｃｍ２／ＶＳ以上でかつ電界効果移動度の面内変動が±１０％以下であるポリシリコン膜を形成する。
本発明者による実施の結果、形成されたポリシリコンの結晶粒径が最も大きく且つ、微結晶が発生していない状態であるとき、電気伝導度は高くなり、且つエキシマレーザアニール（ＥＬＡ）された薄膜からの散乱光の角度分布の幅が最も狭くなることが判明した。
この実験データを図８の表に示した。ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の散乱光強度の角度依存性、ＳＥＭ観察結果とＡＦＭ観察結果のレーザーフルエンス依存性を示している
。ＳＥＭ観察の結果、フルエンスが４２０ｍＪ／ｃｍ２の場合は粒径が約３００ｎｍの均一粒径領域であるが、フルエンスが高くなるにつれて粒径約３００ｎｍの結晶粒が複数個融合した結晶となり、融合が進むにつれてその平均粒径が大きくなる。４７０ｍＪ／ｃｍ２近傍のフルエンスにおいてｐｏｌｙ−Ｓｉ粒界が融合率が最大となり平均粒径が最大となる。均一粒径のポリシリコンは，各粒界の３重点に突起が存在する。融合結晶は、均一結晶粒が複数個融合した結晶であり
、融合により粒界内に突起を含む形態となる。ＡＦＭ観察によるとラフネスの指標の一つである最大高低差（ＰＶ）は均一粒径で６０ｎｍ以上となり、融合とともに低下し６０ｎｍ以下となる。自乗平均粗さ（ＲＭＳ）は，均一粒径で８ｎｍより大きく，融合とともに低下し，８ｎｍより小さくなる。これは図１４で示した粒径とラフネスとの関係と一致する。図９は、図１で示した測定系で計測した光回折パターンの角度分布幅の逆数のフルエンス依存性を示すグラフである。このように角度分布の幅はフルエンスが大きくなるにつれて狭くなり（すなわち１／角度分布幅が大きくなる）、フルエンスが約４９０ｍＪ／ｃｍ２を境に再び広がる（すなわち１／角度分布幅が小さくなる）ことが分かる。図１０は、図９と同じサンプルのＳＥＭ写真における粒界を示したものである。レーザーフルエンスが４２０ｍＪ／ｃｍ２のサンプルは、粒径が約３００ｎｍであって均一粒径領域である。フルエンス４８０ｍＪ／ｃｍ２のサンプルは、融合によって平均粒径が５００ｎｍ以上となっている。フルエンス５１０ｍＪ／ｃｍ２のサンプルは、融合による大粒径結晶のなかに微結晶が混在しているのが分かる。したがって、図９のグラフは、ｐｏｌｙ−Ｓｉ粒径が大きくなるにつれて角度分布幅が小さくなるということを示している。さらに、このグラフは図１４の粒径のフルエンス依存性のグラフに対応し、ラフネスが低く粒径が最大であるＤ領域を検出することが可能であることを示している。本実施形態では、この散乱光強度の角度分布幅が最も狭くなる状態が最も粒径が大きくなり、かつ微結晶が混在しない条件で、最も電界効果移動度が良くなることを利用して、レーザアニールの最適条件を求める。また測定結果に基づいて、不良品を判別し、次の製造工程への流れ込みを阻止し、若しくはレーザーアニールのフルエンス設定値にフィードバックし、常に最適条件により、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を製造することで製造歩留まりを向上させるものである。図１６は以上の流れを図示したものである。粒径検査情報は中央制御コンピュータに送られ、そこから、搬送ロボットに対する基板の物流情報および製造装置に対するプロセスパラメータの変更情報などによって、製造プロセスにフィードバックする。レーザアニール装置と粒径評価装置との間の基板のやり取りを搬送ロボットが行い、それぞれがネットワークで通信する。レーザアニール装置で作製されたｐｏｌｙ−Ｓｉ基板は、搬送ロボットで粒径評価装置に搬送され、評価される。粒径評価装置では、一定の判定基準に基づいて基板単位で良不良の判定結果と不良と判定された基板の粒径面内分布情報を中央制御コンピュータとレーザアニール装置に伝える。良と判定された基板は、後の工程の製造装置に搬送される。不良と判定された基板は、再アニールの為にレーザアニール装置に戻される。粒径評価装置では良不良の判定とともに、粒径が小さく不良と判定した基板についてはさらに、高フルエンス側で生じた微結晶化か低フルエンス側で生じた微結晶化を粒径評価装置で判断し、再レーザアニール条件を決定する。高フルエンス側で生じた微結晶であると判定する方法は、粒径面内分布の一部に図１４で示したＣ領域がある一定の割合以上存在してかつ微結晶領域が共存する場合とする。低フルエンス側で生じた微結晶であると判定する方法は、Ｂ領域がある一定以上存在してかつ微結晶領域が共存する場合とする。再アニールの条件の決定方法について記述する。高フルエンス側で生じた微結晶であると判定された基板の再アニール条件としては、初期のレーザフルエンスより低いフルエンスで再アニールする。低フルエンス側で生じた微結晶であると判定された基板の再アニール条件としては、初期のレーザフルエンスより高いフルエンスで再アニールする。再アニールの方法としては、微結晶が存在する領域のみ再アニールする方法と全面再アニールする方法の２通りある。Ｂ領域とＣ領域の粒径と微結晶が共存する場合は、微結晶が存在する領域のみの再アニールとするか、または再アニールを断念して廃棄すべき基板と判定する。この場合の再アニールの条件としては次の様にする。微結晶が存在する近傍の粒径範囲がＢ領域に存在する場合は、初期フルエンスより高めのフルエンス条件とし、微結晶の近傍の粒径範囲がＣ領域に存在する場合は低めのフルエンス条件とする。図１５は、ｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴで測定した電界効果移動度とそのｐｏｌｙ−Ｓｉ粒径との関係を調べたものである。粒径８００ｎｍ近傍に電界効果移動度が約２５０±１５ｃｍ２／ＶＳと均一になる領域が存在する。また、この図の直線の傾きにより、電界効果移動度と粒径とバラツキの関係をもとめると、電界効果移動度の変動を±１０％以内に押さえるためには、平均粒径のバラツキは±２０％以内である必要がある。この粒径を管理する様に粒径評価結果をプロセスにフィードバックする。これによって、電界効果移動度が約２５０±１５ｃｍ２／ＶＳ以内のｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴの作製が可能である。この場合の移動度の面内バラツキは、±１０％以下である。
以下，粒径評価方法の実施形態について，詳しく記述する。
図１は、本発明による一実施形態に係るｐｏｌｙ−Ｓｉ粒径の評価方法を示す図である。まずガラス基板上にプラズマＣＶＤ法により、少なくとも一層以上に積層された薄膜の最上層にあるａ−Ｓｉ膜に波長約３００ｎｍのエキシマレーザを照射して多結晶化したサンプル１を用意する。このサンプルにｐｏｌｙ−Ｓｉ膜が形成されている面と反対側の裏面の方から波長５３２ｎｍのレーザ光源２を照射光源としてサンプル面に垂直に光照射する。ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜で散乱された光をサンプルの表面側に角度別に複数設置した光検出器７で散乱光強度を計測する。計測する角度範囲は、５度から４５度の範囲である。光散乱体の粒径と散乱光強度の角度分布幅との関係はフーリエ変換の対応関係により、粒径が大きいほど散乱光の角度分布が低角度に分布し散乱角度分布幅が小さいのに対し、粒径が小さいほど角度分布が広い。この原理を用い、散乱角度分布の幅を測定することでｐ−Ｓｉ膜の粒径が評価される。粒径は、角度分布幅との校正曲線を予めつくっておいてその対応から定める。角度分布幅を求める方法としては、図１１に示した様に回折面に１次元アレー型に複数の検出素子を角度別に並べて計測する方法と図１２に示す様に２次元光検出器で光回折パターンを計測する方法がある。どちらの場合も照射ビームを検出器に直接入らない様にする必要がある。図３は、本発明による他の一実施形態に係るｐｏｌｙ−Ｓｉ粒径の評価方法を示す図である。すなわち、サンプル１にｐｏｌｙ−Ｓｉ膜が形成されている方向よりレーザ光を垂直に照射し、回折パターンの計測を後方散乱を検出する向きで行う方式を示したものである。図５は、照射光が斜入射の場合の光回折パターンの計測方式を示したものである。実際の製造工程においては、本実施形態のｐｏｌｙ−Ｓｉ粒径の評価方法による液晶ディスプレイの製造方法が非破壊及び非接触による検査で実施できることから、従来のように製造ロットの中に検査用ダミーサンプルを入れる必要もなく、製品の抜取検査或いは全数検査を行うことができる。これに対応するためには１枚当り分のオーダで計測する必要があり、図２に示したように計測用照射レーザービームをマルチビームとして、基板の複数位置を同時に走査測定する方法をとる。図４は図３に示した計測系をマルチビームにした測定系の構成図である。このようにマルチビーム系とすることによって、計測時間が短縮化される。検査時間をレーザーアニールプロセス時間より短く設定して全数検査を行う。さらに、図６に示したようにレーザアニール装置に本粒径評価法の機能を備え付けることにより、装置外に取り出さずに評価することができる。この場合、アニール時の基板走査とともにアニールが済んでいる場所の粒径を評価する方法と、アニールが終了した後に粒径評価を行う方法がある。評価結果は、評価装置分離方式の場合と同様に、基板の良不良の判定、不良の場合は再アニール条件を行うか否かの判定、再アニールを行う場合はその条件を決定する。この情報に基づいて再レーザアニールを行う。図１７には図１４のＥ領域において微結晶がどのような形態で混在しているかを示した。すなわち、粒径５００ｎｍ以上の融合粒径が存在する面内領域と２００ｎｍ以下の微結晶が存在する面内領域が、アニールレーザの照射領域の形状に依存しており、ビーム形状の長手方向と平行に融合結晶と微結晶の境界ができるように微結晶領域が形成される。これはアニールレーザ光がパルスであって、パルス毎にフルエンスが変動しているためである。この筋状の微結晶領域は、光回折パターンの角度分布幅から測定する平均粒径でも検出可能であるが、このほかに光回折パターンでは直線パターンとして筋が検出される。微結晶筋に由来する直線状パターンを含む光回折パターンを模式的に示したのが図１８である。散乱角度が５度から１０度近傍に発生し、アニールレーザビーム形状の短軸方向にのびた直線パターンとなる。この直線パターンを検出するためには、図１１の検出器において、０度方向に設置した検出素子の信号強度と９０度方向に設置した検出素子の信号強度の差に比例する量で測定すればよい。
図１９は、本計測方法による評価結果の表示例の一つを示している。粒径の面内分布、微結晶発生領域の面内分布、異物の面内分布である。異物は局所的に散乱光が強い個所として判定される。
本実施例では、粒径が図１４のＤ領域の粒径のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を製造するためのプロセスを述べたが、要求されるＴＦＴの性能に応じて、Ｄ領域以外の粒径領域で製造管理するプロセスでも良い。この場合は、製造条件として設定した平均粒径に対して下限値と上限値を設けて、下限値より小さい粒径が発生する場合はレーザアニールのフルエンスを増大して、上限より大きい粒径が発生する場合はレーザアニールのフルエンスを低減する様にプロセスにフィードバックすれば良い。
【００１２】
以下，粒径評価方法の実施形態について，詳しく記述する。
図１は、本発明による一実施形態に係るｐｏｌｙ−Ｓｉ粒径の評価方法を示す図である。まずガラス基板上にプラズマＣＶＤ法により、少なくとも一層以上に積層された薄膜の最上層にあるａ−Ｓｉ膜に波長約３００ｎｍのエキシマレーザを照射して多結晶化したサンプル１を用意する。このサンプルにｐｏｌｙ−Ｓｉ膜が形成されている面と反対側の裏面の方から波長５３２ｎｍのレーザ光源２を照射光源としてサンプル面に垂直に光照射する。ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜で散乱された光をサンプルの表面側に角度別に複数設置した光検出器７で散乱光強度を計測する。計測する角度範囲は、５度から４５度の範囲である。光散乱体の粒径と散乱光強度の角度分布幅との関係はフーリエ変換の対応関係により、粒径が大きいほど散乱光の角度分布が低角度に分布し散乱角度分布幅が小さいのに対し、粒径が小さいほど角度分布が広い。この原理を用い、散乱角度分布の幅を測定することでｐ−Ｓｉ膜の粒径が評価される。粒径は、角度分布幅との校正曲線を予めつくっておいてその対応から定める。角度分布幅を求める方法としては、図１１に示した様に回折面に１次元アレー型に複数の検出素子を角度別に並べて計測する方法と図１２に示す様に２次元光検出器で光回折パターンを計測する方法がある。どちらの場合も照射ビームを検出器に直接入らない様にする必要がある。図３は、本発明による他の一実施形態に係るｐｏｌｙ−Ｓｉ粒径の評価方法を示す図である。すなわち、サンプル１にｐｏｌｙ−Ｓｉ膜が形成されている方向よりレーザ光を垂直に照射し、回折パターンの計測を後方散乱を検出する向きで行う方式を示したものである。図５は、照射光が斜入射の場合の光回折パターンの計測方式を示したものである。実際の製造工程においては、本実施形態のｐｏｌｙ−Ｓｉ粒径の評価方法による液晶ディスプレイの製造方法が非破壊及び非接触による検査で実施できることから、従来のように製造ロットの中に検査用ダミーサンプルを入れる必要もなく、製品の抜取検査或いは全数検査を行うことができる。これに対応するためには１枚当り分のオーダで計測する必要があり、図２に示したように計測用照射レーザービームをマルチビームとして、基板の複数位置を同時に走査測定する方法をとる。図４は図３に示した計測系をマルチビームにした測定系の構成図である。このようにマルチビーム系とすることによって、計測時間が短縮化される。検査時間をレーザーアニールプロセス時間より短く設定して全数検査を行う。さらに、図６に示したようにレーザアニール装置に本粒径評価法の機能を備え付けることにより、装置外に取り出さずに評価することができる。この場合、アニール時の基板走査とともにアニールが済んでいる場所の粒径を評価する方法と、アニールが終了した後に粒径評価を行う方法がある。評価結果は、評価装置分離方式の場合と同様に、基板の良不良の判定、不良の場合は再アニール条件を行うか否かの判定、再アニールを行う場合はその条件を決定する。この情報に基づいて再レーザアニールを行う。図１７には図１４のＥ領域において微結晶がどのような形態で混在しているかを示した。すなわち、粒径５００ｎｍ以上の融合粒径が存在する面内領域と２００ｎｍ以下の微結晶が存在する面内領域が、アニールレーザの照射領域の形状に依存しており、ビーム形状の長手方向と平行に融合結晶と微結晶の境界ができるように微結晶領域が形成される。これはアニールレーザ光がパルスであって、パルス毎にフルエンスが変動しているためである。この筋状の微結晶領域は、光回折パターンの角度分布幅から測定する平均粒径でも検出可能であるが、このほかに光回折パターンでは直線パターンとして筋が検出される。微結晶筋に由来する直線状パターンを含む光回折パターンを模式的に示したのが図１８である。散乱角度が５度から１０度近傍に発生し、アニールレーザビーム形状の短軸方向にのびた直線パターンとなる。この直線パターンを検出するためには、図１１の検出器において、０度方向に設置した検出素子の信号強度と９０度方向に設置した検出素子の信号強度の差に比例する量で測定すればよい。
図１９は、本計測方法による評価結果の表示例の一つを示している。粒径の面内分布、微結晶発生領域の面内分布、異物の面内分布である。異物は局所的に散乱光が強い個所として判定される。
本実施例では、粒径が図１４のＤ領域の粒径のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を製造するためのプロセスを述べたが、要求されるＴＦＴの性能に応じて、Ｄ領域以外の粒径領域で製造管理するプロセスでも良い。この場合は、製造条件として設定した平均粒径に対して下限値と上限値を設けて、下限値より小さい粒径が発生する場合はレーザアニールのフルエンスを増大して、上限より大きい粒径が発生する場合はレーザアニールのフルエンスを低減する様にプロセスにフィードバックすれば良い。
【００１３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、形成されるｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の平均結晶粒径の大きさにより、その膜の光回折パターンが変化することを利用し、複数の光検出で散乱光強度の角度分布を計測することで粒径評価を行い、大型基板の実製品を非接触及び非破壊で評価し、製造ばらつきの少なく、不良品の早期排除により製造歩留まりの高い多結晶シリコン膜の製造方法を提供することができる。特に、表面ラフネスがフルエンス変化で極大となる粒径３００ｍより平均粒径が大きいｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の管理が可能となり、平均粒径が５００ｎｍ以上でその面内分布変動幅が±２０％以下のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜からなる液晶ディスプレイ装置の量産が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるポリシリコン粒径の評価方法について説明するための構成例を示す図である。
【図２】光回折パターンによる粒径計測検査装置（マルチビーム型）の構成図である。
【図３】本発明によるポリシリコン粒径の評価方法について説明するための他の構成例を示す図である。
【図４】光回折パターンによる粒径計測検査装置（マルチビーム型）の他の構成図である。
【図５】本発明によるポリシリコン粒径の評価方法について説明するためのさらに他の構成例を示す図である。
【図６】光回折パターンによる粒径評価機能を組み込んだレーザアニール装置の構成図である。
【図７】本発明によるポリシリコン粒径の評価原理を説明する図である。
【図８】ポリシリコンの光回折パターンと粒径とラフネスとの対応を調べた実験データをまとめた表である。
【図９】光回折パターンの散乱光強度の角度分布幅のレーザフルエンス依存性を調べたグラフである。
【図１０】図９と同一サンプルのＳＥＭ観察によるポリシリコン粒界を示した図である。
【図１１】光回折パターンを計測するための検出素子の配列を示す図である。
【図１２】光回折パターンを計測するための検出器が２次元検出方式の場合の検出光学系を示す図である。
【図１３】レーザーアニールによる多結晶シリコン形成プロセスを示す図である。
【図１４】レーザーフルエンスとｐｏｌｙ−Ｓｉ粒径と表面ラフネスとの関係を示す図である。
【図１５】ｐｏｌｙ−Ｓｉ粒径とキャリア移動度の関係を示す図である。
【図１６】粒径検査情報によるレーザアニールプロセスへのフィードバック方法を示す図である。
【図１７】高フルエンス領域における微結晶筋の発生形態。
【図１８】微結晶筋が存在する場合の光回折パターンの模式図。
【図１９】検査結果の表示例。
【符号の説明】
１…ガラス基板上にポリシリコン膜が形成されている基板、２…照射レーザ光源、３…照射レーザー光、４…ハーフミラー、５…ミラー、６…照射光強度モニター、７…光回折パターンの検出面、８…基板指示台、９…照射光学系と検出光学系を固定する枠、１０…散乱光、１１…基板固定用真空チャック穴、１１−１…検出素子、１１−２…開口、１２−１…二次元検出器、１２−２…レンズ、１２−３…ガラス上のｐｏｌｙ−Ｓｉ膜、１３−１…ラインビームパルスエキシマレーザ、１３−２…ミラー、１３−３…ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜、１７−１…アニールレーザの照射ビームの長手方向、１８−１…微結晶領域と融合結晶の境界線による光回折パターン、１８−２…平均粒径を反映するリング状の光回折パターン。
【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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