專利名稱：用于確定微結(jié)晶能量密度的閾值的方法及光分析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光輻射方法和激光輻射裝置，更具體地涉及一種通過在硅膜上輻射激光束來形成多晶硅(poly-Si)薄膜的激光退火處理中使用的激光輻射方法，以及使用這種激光輻射方法的激光輻射裝置。
背景技術(shù)：
近些年來，作為在玻璃襯底上形成集成電路的薄膜器件，已經(jīng)有力地發(fā)展了poly-Si TFT (薄膜晶體管)。 一般以受激準(zhǔn)分子激光結(jié)晶技術(shù)形成poly-Si膜。在該技術(shù)中，先形成無定形硅(a-Si)膜，并將受激準(zhǔn)分子激光束輻射到a-Si膜上以熔化并再結(jié)晶a-Si膜，從而獲得poly-Si膜。在受激準(zhǔn)分子激光結(jié)晶技術(shù)中，a-Si膜的熔融狀態(tài)依賴于其膜厚度、膜的光學(xué)常數(shù)、受激準(zhǔn)分子激光束的波長、能量密度、脈沖寬度、光束剖面(profile)等等。 一般地，激光輻射工序控制處理a-Si膜的厚度和要控制的作為靶的激光輻射裝置的能量密度。這是因?yàn)閷?shí)質(zhì)上要控制的熔融狀態(tài)難以評(píng)價(jià)和控制。
在a-Si膜的熔融狀態(tài)中，熔化深度根據(jù)激光束的能量密度而增加。熔融狀態(tài)變化中的顯著階段出現(xiàn)在兩個(gè)點(diǎn)。 一個(gè)是膜表面開始熔化的階段。另一個(gè)是熔化深度達(dá)到膜厚度后整個(gè)膜完全熔化的階段。前面的和后面的熔融狀態(tài)分別引起結(jié)晶和微結(jié)晶。由于激光束輻射，膜溫度升高，且一部分膜熔化。然后，通過后面的冷卻將熔化區(qū)域或部分結(jié)晶。如果膜沒有完全熔化，則結(jié)晶期間的成核位置位于固液界面中。另外，如果熔化深度等于膜厚度，則成核位置位于a-Si/襯底界面。在任何情形中，結(jié)晶與相異成核(heterogeneous nucleation)有關(guān)。此時(shí)，
晶粒直徑根據(jù)能量密度的增加而增加。TFT特性特別是其遷移率依賴于晶粒直徑。因此，要求晶粒直徑盡可能的大。
然而，另一方面，當(dāng)膜完全熔化時(shí)，到達(dá)熱平衡狀態(tài)的液相結(jié)晶的機(jī)制變?yōu)橄喈惓珊耍渲谐珊税l(fā)生在膜中的各處。此時(shí)形成的晶粒的晶粒直徑為20nm那樣小。當(dāng)能量密度過分增加時(shí)出現(xiàn)的晶粒直徑快速減小的現(xiàn)象稱作微結(jié)晶。發(fā)生微結(jié)晶的能量密度稱作微結(jié)晶閾值。在物理含義中，微結(jié)晶閾值是將膜厚度、能量密度等的變化一起標(biāo)準(zhǔn)化并能評(píng)價(jià)熔融狀態(tài)變化的參數(shù)。此外，從實(shí)際使用的觀點(diǎn)看，微結(jié)晶閾值是很重要的值，因?yàn)榫哂斜乳撝蹈叩哪芰棵芏鹊妮椛洳焕販p小了晶粒直徑并惡化了 TFT特性。注意，隨著膜厚度降低得較薄，冷卻周期縮短。因此，在成核的孕核時(shí)間(incubation time)內(nèi)結(jié)束了固化，且在一些情形中導(dǎo)致了無定形碎片(fraction)。該無定形碎片可以包括在微結(jié)晶中，在該本文中也稱作微結(jié)晶。
在專利公開JP-A-2000-l 14174和JP-A-2002-8976中描述了下述技術(shù)，該技術(shù)將激光退火處理中輻射的激光束的輸出調(diào)整為小于a-Si膜的微結(jié)晶閾值。
圖9示出了 JP-A-2000-l 14174中描述的激光退火裝置的結(jié)構(gòu)，其中通過使用受激激光32來分析輻射區(qū)域。該公開講解了首先，通過在其上形成有a-Si膜的襯底31上輻射單次脈沖激光束來形成預(yù)輻射區(qū)域，能量密度以脈沖-到-脈沖(pulse-by-pulse)原理變化。之后，輻射受激激光32以獲得反射的散射光34，并且通過使用拉曼光譜儀33，根據(jù)從用單次脈沖激光輻射的a-Si膜中的poly-Si部分反射的散射光34的強(qiáng)度，來確定是否發(fā)生了微結(jié)晶。
根據(jù)在JP-A-2000-U4714中描述的技術(shù)，通過這種預(yù)輻射工序來檢查a-Si膜的微結(jié)晶閾值。然后將小于微結(jié)晶閾值的能量密度確定為在主輻射工序中在從a-Si膜轉(zhuǎn)變的p-Si膜中的要形成TFT的區(qū)域中的a-Si膜上輻射的激光束的能量密度。
同時(shí)，已經(jīng)提出了一種控制晶粒位置的技術(shù)，其與一般的激光輻射技術(shù)不同，其中有意地輻射具有不小于a-Si膜的微結(jié)晶閾值的能量的激光束(見JP-A-2003-332346)。在該情形中，為了形成其位置被穩(wěn)定控制的晶粒，確定微結(jié)晶閾值也是很重要的。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的問題
JP-A-2000-114174和JP-A-2002-8976中描述的微結(jié)晶閾值確定技術(shù)包括下面所述的幾個(gè)問題。第一個(gè)問題是輻射激光束的技術(shù)在主輻射區(qū)域和預(yù)輻射區(qū)域之間不同，很難精確確定微結(jié)晶閾值。
具體地說，當(dāng)移動(dòng)激光輻射位置時(shí)執(zhí)行輻射的掃描輻射技術(shù)適用于主輻射區(qū)域。另一方面，單次脈沖(one-shotpulse)輻射適用于預(yù)輻射區(qū)域。通過使用單次脈沖輻射，來確定a-Si薄膜的微結(jié)晶閾值。然而，己經(jīng)先被結(jié)晶的poly-Si薄膜的微結(jié)晶閾值對(duì)于掃描輻射很重要。這是因?yàn)樵趻呙栎椛渲校踔烈呀?jīng)被前一脈沖結(jié)晶的poly-Si區(qū)域以及該poly-Si區(qū)域之前的另一個(gè)a-Si區(qū)域被下一個(gè)脈沖輻射。
一般地，掃描輻射包括對(duì)相鄰脈沖90%或更高的交迭率，因此，被輻射的區(qū)域基本為poly-Si區(qū)域。poly-Si薄膜具有不同于a-Si膜的光學(xué)系數(shù)和熔點(diǎn)。因此，與a-Si膜相比，poly-Si薄膜的微結(jié)晶閾值升高。因而，對(duì)于單次輻射的微結(jié)晶閾值和對(duì)于掃描輻射的另一微結(jié)晶閾值具有不同意義，并包括不同的數(shù)值。
盡管從a-Si膜的微結(jié)晶閾值來估計(jì)poly-Si膜的微結(jié)晶閾值不是不可能，但通過這種估計(jì)獲得的poly-Si膜的微結(jié)晶閾值缺少精度。此外，在主輻射工序中，將通過單次輻射確定的a-Si薄膜的微結(jié)晶閾值作為
上限來執(zhí)行掃描輻射意味著下面的內(nèi)容。就是說，意味著用比在產(chǎn)生具有較大晶粒直徑的結(jié)構(gòu)時(shí)的能量密度級(jí)低的能量密度執(zhí)行掃描輻
射。從TFT遷移率的觀點(diǎn)看引起了缺點(diǎn)。
還有， 一般地，受激準(zhǔn)分子激光輻射裝置的脈沖振蕩變化的范圍達(dá)到±10%或更高。特別是在振蕩的最初階段中，氣體循環(huán)速度和氣體管溫度不穩(wěn)定，由此產(chǎn)生了較大的變化范圍。然而，對(duì)于特定恒定時(shí)間周期的連續(xù)振蕩后，裝置進(jìn)入平衡狀態(tài)。之后，以約±3%的變化范圍執(zhí)行穩(wěn)定的脈沖振蕩，直到氣體壽命終止。因而，交替地開和關(guān)所述振蕩的單次輻射導(dǎo)致了非常差的脈沖產(chǎn)生穩(wěn)定性。通過使用具有較大變化范圍的這種單次輻射，不能以滿意的可靠性來確定微結(jié)晶閾值。
第二個(gè)問題在于沒有考慮用于確定微結(jié)晶狀態(tài)的估計(jì)光的入射方向。 一般地，激光束被成形為一維線性形狀或細(xì)長的形狀，因此使poly-Si薄膜的晶體結(jié)構(gòu)的均勻性具有各向異性特性。還有，掃描輻射技術(shù)導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)在細(xì)長光束的短軸方向上包括周期性變化，所述短軸方向是掃描方向。因而，估計(jì)光的入射方向?qū)τ谝愿呖煽啃源_定微結(jié)晶閾值很重要。然而，常規(guī)的技術(shù)沒有考慮到入射方向的重要性。
鑒于常規(guī)技術(shù)中上面的問題，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種激光輻射方法和激光輻射裝置，其能以出色的可靠性和重復(fù)性來確定微結(jié)晶閾值，并還能以出色的可靠性和重復(fù)性來形成高性能結(jié)晶薄膜。
解決問題的手段
本發(fā)明提供了一種用于將半導(dǎo)體層的相(phase)從無定形狀態(tài)變到結(jié)晶狀態(tài)的方法，包括下述步驟將具有特定振蕩頻率的細(xì)長的第一脈沖激光束以多個(gè)不同的能量密度輻射到半導(dǎo)體層上，同時(shí)在垂直于第一脈沖激光束的長軸的方向上掃描，從而形成對(duì)應(yīng)于不同能量密度的多個(gè)第一輻射區(qū)域；在基本上平行于第一脈沖激光束的長軸的方向上將平面光輻射到輻射區(qū)域上，以接收來自每個(gè)第一輻射區(qū)域的反 射光；分析該反射光，從而估計(jì)微結(jié)晶能量密度的閾值；根據(jù)估計(jì)的 閾值確定第一能量密度；以及以第一能量密度將具有特定振蕩頻率的 細(xì)長的第二脈沖激光束輻射到半導(dǎo)體層上，同時(shí)在垂直于第二脈沖激 光束的長軸的方向上掃描，從而形成第二輻射區(qū)域。
本發(fā)明還提供了一種使用如上所述的本發(fā)明方法的激光福射裝 置，該裝置包括激光源，用于產(chǎn)生脈沖激光束；光學(xué)系統(tǒng)，用于將 脈沖激光束轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)長的脈沖激光束；移動(dòng)設(shè)備，用于相對(duì)于細(xì)長的 脈沖光束在垂直于細(xì)長的脈沖激光束的長軸的方向上掃描移動(dòng)襯底 臺(tái)；平面光源，用于在平行于細(xì)長的脈沖激光束的長軸的方向上輻射 平面光；以及光敏器件，用于接收從半導(dǎo)體層反射的平面光。
根據(jù)本發(fā)明的激光輻射方法和裝置，根據(jù)來自由具有特定振蕩頻 率的第一脈沖激光束形成的第一輻射區(qū)域的平面光的反射光，來確定 微結(jié)晶閾值。根據(jù)該確定的微結(jié)晶閾值，確定輻射到主輻射工序上以 形成第二輻射區(qū)域的第二脈沖激光束的能量密度。因此，在第二輻射
區(qū)域上，能夠以優(yōu)良的可靠性和重復(fù)性來結(jié)晶襯底的表面。
還有，當(dāng)確定微結(jié)晶閾值時(shí)，平面光在基本平行于細(xì)長的脈沖激 光束的長軸的方向上入射，以接收來自第一輻射區(qū)域的反射光。因?yàn)?通過分析反射光，以較高的精度檢測(cè)到了微結(jié)晶結(jié)構(gòu)中的變化，該變 化周期性地出現(xiàn)在光束的短軸方向上，所以能夠出色地確定微結(jié)晶閾 值。
優(yōu)選地在本發(fā)明的激光輻射技術(shù)中，每個(gè)第一輻射區(qū)域中的第一 脈沖激光束的掃描間距(移動(dòng)間距)長于第二輻射區(qū)域中的所述第二 脈沖激光束的掃描間距。在該情形中，與第一輻射區(qū)域中的每個(gè)脈沖 的移動(dòng)距離被設(shè)為等于第二輻射區(qū)域中的每個(gè)脈沖的移動(dòng)距離的另一 個(gè)情形相比更加提高了產(chǎn)量。還有，優(yōu)選在本發(fā)明的激光輻射技術(shù)中，第一脈沖激光束具有比 第二脈沖激光束的光束尺寸小的光束尺寸。形成第一輻射區(qū)域的區(qū)域 最終沒有用于產(chǎn)品或類似的結(jié)構(gòu)。因此，通過使不用于產(chǎn)品的區(qū)域減 得更小，在主輻射中使用的第二輻射區(qū)域能夠更大。
在本發(fā)明的激光輻射技術(shù)中，在確定步驟中可以根據(jù)反射光的周 期性估計(jì)閾值?？蛇x擇地，可以通過如下步驟來估計(jì)閾值，即確定在 垂直于第一脈沖激光束的長軸的方向上反射光的顏色分布，并判斷顏 色變化的相鄰峰之間的距離和/或顏色變化的均勻性。在用等于或高于 微結(jié)晶閾值的能量密度形成的第一輻射區(qū)域中，微結(jié)晶區(qū)域周期性地 出現(xiàn)，且反射光示出了周期性的變化。因此，通過檢測(cè)這種周期性變 化可獲得微結(jié)晶閾值。
在本發(fā)明的激光輻射技術(shù)中，通過如下步驟來估計(jì)閾值，即確定 在垂直于長軸的方向上反射光的顏色分布和顏色分布中的顏色寬度。 例如，當(dāng)接收的反射光的分辨率比周期性地形成的微結(jié)晶區(qū)域的周期
粗糙(coarser)時(shí)，有時(shí)不能從反射光識(shí)別出明顯的周期性。在該情形 中，通過觀察反射光分布中的顏色寬度變化可獲得微結(jié)晶閾值。
根據(jù)本發(fā)明的激光輻射技術(shù)和裝置，根據(jù)從第一輻射區(qū)域反射的 平面光的反射光確定微結(jié)晶閾值。根據(jù)微結(jié)晶閾值確定用于將激光束 輻射到第二輻射區(qū)域上的主輻射的能量密度，從而適合地將第二輻射 區(qū)域結(jié)晶。結(jié)果，能夠以優(yōu)良的可靠性和重復(fù)性結(jié)晶襯底的表面。因 而，通過以優(yōu)良的可靠性和重復(fù)性結(jié)晶襯底的表面，可提高產(chǎn)品的特 性，并能提高產(chǎn)品的生產(chǎn)率。此外，通過自動(dòng)地確定微結(jié)晶閾值，可 提高產(chǎn)品的制造產(chǎn)量。
根據(jù)本發(fā)明的激光輻射技術(shù)和裝置，估計(jì)光在基本平行于掃描脈 沖激光束的長軸的方向上入射，以接收并分析估計(jì)光從第一輻射區(qū)域的反射光。這能夠以較高的精度檢測(cè)微結(jié)晶結(jié)構(gòu)，作為其結(jié)果，能夠 精確地確定微結(jié)晶閾值。在本發(fā)明的激光輻射技術(shù)和裝置中，通過將 第一輻射區(qū)域中掃描的掃描間距設(shè)為小于在主輻射中使用的掃描間 距，可提高第一輻射區(qū)域上掃描輻射量?？蛇x擇地，通過使用具有比 第二脈沖激光束尺寸小的尺寸的第一脈沖激光束，可以使第一輻射區(qū) 域較小，從而增加主輻射的區(qū)域。因而提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)率。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明激光輻射裝置的結(jié)構(gòu)的框圖2是示出了由激光輻射裝置用激光束輻射的襯底的平面圖3是示出了激光束的能量密度與poly-Si晶粒直徑和表面粗糙度
之間關(guān)系的曲線；
圖4描繪了示出在不同輻射情形中激光輻射之后在襯底的每個(gè)位
置處的晶粒直徑(表面粗糙度)的曲線；
圖5描繪了示出由CCD光敏元件接收到的反射的光亮度變化的曲
線；
圖6A是示出了光散射的示意性截面圖，圖6B和6C每一個(gè)都是 示出了 CCD光敏元件的圖像的示意圖，圖6D是示出了對(duì)應(yīng)于圖6B 和6C觀察到的顏色變化的曲線；
圖7描繪了示出由CCD光敏元件接收到的反射的光亮度變化的曲
線；
圖8描繪了示出能量密度與反射光的最大亮度和最小亮度差之間 的關(guān)系的曲線；和
圖9是示出了常規(guī)激光退火裝置的結(jié)構(gòu)的三維透視圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí) 施例的激光輻射裝置的結(jié)構(gòu)。 一般用數(shù)字io表示的激光輻射裝置具有 激光源11、光學(xué)系統(tǒng)12、襯底臺(tái)13、白色平面光源15、 CCD光敏元 件16和控制系統(tǒng)17。激光輻射裝置IO在制造TFT等的制造工序中用
10于將襯底上形成的a-Si膜變成poly-Si膜。
控制系統(tǒng)17控制激光輻射裝置10的其他部件。激光源11產(chǎn)生脈 沖激光。光學(xué)系統(tǒng)12將由激光源11產(chǎn)生的激光轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性形狀光束 或細(xì)長的光束。在襯底臺(tái)13上，放置有要被透射通過光學(xué)系統(tǒng)的線性 激光束14輻射的襯底。襯底臺(tái)13能在激光束的短軸(minor-axis)方 向上移動(dòng)放置在其上的襯底，在此所述短軸方向稱作X方向。白色平 面光源15用平面光輻射襯底18。 CCD光敏元件16接收在襯底18上 反射的反射光。白色平面光源15和CCD光敏元件16在如下方向上彼 此相對(duì)地放置，所述方向大致平行于通過光學(xué)系統(tǒng)12轉(zhuǎn)變成線性形狀 的激光束4的長軸(major-axis)方向。在此，該長軸方向稱作Y方向。
圖2示出了在由激光輻射裝置IO用激光束輻射襯底18的狀態(tài)中 的頂平面圖中的襯底18。在襯底18的表面上，預(yù)先形成a-Si膜。在將 激光束輻射到一部分a-Si膜上以在其上制造TFT之前，激光輻射裝置 10將激光束輻射到襯底18的預(yù)輻射區(qū)域20上，激光束的能量密度連 續(xù)且細(xì)微地變化，從而形成與不同能量密度對(duì)應(yīng)的多個(gè)輻射區(qū)域19。 CCD光敏元件16選擇輻射區(qū)域19的內(nèi)部作為測(cè)量區(qū)域(圖像拾取區(qū) 域)，并接收來自這些輻射區(qū)域的反射光。白色平面光源15均勻地將 平面光輻射到比CCD光敏元件16的圖像拾取區(qū)域足夠?qū)挼姆秶稀?在本實(shí)施例中，評(píng)價(jià)CCD光敏元件16接收的來自輻射區(qū)域19的反射 光的顏色分布，從而確定微結(jié)晶閾值。
圖3是示出了激光束能量密度與poly-Si晶體的晶粒直徑以及 poly-Si表面粗糙度之間的關(guān)系的曲線。開始時(shí)，晶粒直徑和表面粗糙 度隨著能量密度增加而增加，如圖中所示。然而，當(dāng)能量密度超過微 結(jié)晶閾值(Mth)時(shí)，晶粒直徑和表面粗糙度迅速下降。這意味著當(dāng)光 輻射到poly-Si膜上時(shí)，相對(duì)于入射光的反射方向和反射率在作為邊界 的微結(jié)晶閾值處較大地變化。圖4描繪了示出在不同輻射情形中激光輻射之后在襯底的每個(gè)位
置處的晶粒直徑(表面粗糙度)的曲線。在圖4中，曲線(a)示出了 當(dāng)通過具有不小于微結(jié)晶閾值的能量密度的單次輻射來輻射激光束時(shí) 晶粒直徑如何變化。曲線(b)和(c)每個(gè)都示出了當(dāng)通過掃描輻射 來輻射激光束時(shí)晶粒直徑如何變化。在實(shí)際的激光輻射中，脈沖激光 束的邊沿部分不可避免地包括下述區(qū)域，即在該區(qū)域中能量密度不大 于閾值，即使當(dāng)用不小于微結(jié)晶閾值的能量密度輻射激光脈沖時(shí)。因 此，在單次輻射中，如曲線(a)中所示，由粗糙晶粒構(gòu)成的部分(gl) 出現(xiàn)在微結(jié)晶部分(g2)的每個(gè)邊沿部分附近。
當(dāng)用不小于微結(jié)晶閾值的能量密度執(zhí)行掃描輻射時(shí)，由掃描脈沖 的前(leading)光束邊沿形成的粗糙晶粒部分被緊接前述掃描脈沖的 另一個(gè)掃描脈沖微結(jié)晶。因而，如圖4中曲線(b)中所示，粗糙晶粒 部分(gl)和微結(jié)晶部分(g2)交替出現(xiàn)，粗糙晶粒部分(gl)由緊 接著的掃描脈沖的后(trailing)邊沿形成。因而，隨掃描間距而發(fā)生晶 粒直徑的周期性變化。
另一方面，當(dāng)能量密度稍低，從而微結(jié)晶閾值包含在脈沖振蕩的 強(qiáng)度變化范圍內(nèi)時(shí)，即如果根據(jù)輻射的脈沖有時(shí)超過微結(jié)晶閾值而其 他時(shí)間不超過，則非周期性地出現(xiàn)發(fā)生微結(jié)晶的情形和不發(fā)生微結(jié)晶 的情形。因而，阻止了晶粒直徑變化的周期性，其中根據(jù)輻射脈沖的 強(qiáng)度出現(xiàn)微結(jié)晶部分(g2)，如圖4中的曲線(c)中所示。這意味著 可通過評(píng)價(jià)晶粒直徑的變化和各部分的周期性來確定微結(jié)晶閾值。
圖5示出了由CCD光敏元件16從輻射區(qū)域接收的光的參考顏色 的亮度變化。曲線(a)和(b)分別對(duì)應(yīng)于圖4中的曲線(a)和(b)。 通過執(zhí)行掃描輻射來制備輻射區(qū)域19，從而獲得圖4(b)中所示的晶粒 直徑。由CCD光敏元件16接收輻射區(qū)域19的反射光。在該情形中， 當(dāng)CCD光敏元件16的光學(xué)分辨率小于在掃描方向上的粗糙晶粒部分 gl的寬度時(shí)，由CCD光敏元件16接收的光的參考顏色亮度在微結(jié)晶
12部分g2與粗糙晶粒部分gl之間明顯不同，如圖5中所示的曲線(a)
中所示。
另一方面，如果執(zhí)行掃描輻射來獲得圖4中的曲線(c)中所示的 狀態(tài)，則如圖5中的曲線(b)中所示阻止了顏色變化的周期性。因而， 可通過估計(jì)與粗糙晶粒部分相對(duì)應(yīng)的顏色變化的峰、峰之間的距離及 其變化范圍來確定微結(jié)晶閾值。
現(xiàn)在將考慮激光基本平行于光束短軸入射的情形。圖6A中示出了 輻射區(qū)域19沿光束短軸的截面圖。如圖6A中所示，在輻射區(qū)域中的 poly-Si膜表面21上形成了粗糙晶粒部分23和微結(jié)晶部分22。如果光 基本平行于光束短軸入射到poly-Si膜表面21上，則由于周期性出現(xiàn) 并具有表面粗糙度的粗糙晶粒部分23的影響，來自微結(jié)晶部分22的 反射光以及來自粗糙晶粒部分23的其他反射光彼此混合。
假定估計(jì)光在平行于光束短軸方向的方向上輻射，且由CCD光敏 元件16接收來自輻射區(qū)域19的反射光。那么，如圖6B中示意性所示， 在微結(jié)晶部分24和粗糙晶粒部分25之間的邊界處發(fā)生了顏色滲透
(bleeding)或混合，由此使這些邊界不清晰。如果傾斜地接收評(píng)價(jià)光， 則由于CCD焦深的影響，光路長度在圖像端部變化，從而顏色的基線
(base line)變化。因此，出現(xiàn)了顏色變化的區(qū)域26。假定在另一側(cè)上， 光在平行于光束長軸的方向上輻射，且由CCD光敏元件16接收來自 輻射區(qū)域19的反射光。那么，微結(jié)晶部分24與粗糙晶粒部分25之間 的邊界是清晰的。
圖6D是示出了在圖6B和6C中的方向A-B上的參考顏色的顏色 變化的曲線。作為光學(xué)影響的結(jié)果，沿著圖6B和6C中的CCD圖像上 的平行于光束短軸(或掃描)方向的線段AB，參考顏色的亮度如圖6D 中的曲線27和28所畫那樣變化。當(dāng)對(duì)曲線27和28進(jìn)行相互比較時(shí)， 從曲線27觀察不到明顯的周期性。然而，可從曲線28確定明顯的周期性。因此，為了以足夠的可靠性和重復(fù)性確定微結(jié)晶閾值，需要通 過使光在基本平行于光束長軸的方向上進(jìn)入來進(jìn)行評(píng)價(jià)。
在本實(shí)施例中，制備多個(gè)輻射區(qū)域19，同時(shí)在掃描期間改變能量
密度。進(jìn)一步用平面估計(jì)光對(duì)輻射區(qū)域19進(jìn)行輻射，從而確定poly-Si 膜的微結(jié)晶閾值。根據(jù)該確定的微結(jié)晶閾值，確定在用于多晶化 (poly-crystallization)的主輻射中使用的能量密度，并相應(yīng)地執(zhí)行該主 輻射。這樣，可獲得具有較大晶粒直徑的高性能poly-Si膜。通過使用 這種高性能的poly-Si膜形成TFT，能夠獲得具有高遷移率的TFT。
還有，在該實(shí)施例中，用基本平行于細(xì)長光束的長軸(即垂直于 掃描方向的方向)的平面光對(duì)輻射區(qū)域19進(jìn)行輻射。根據(jù)參考顏色的 亮度變化的周期性，來確定poly-Si膜的微結(jié)晶閾值。因而，基本平行 于光束長軸地輻射平面光。因此，能夠以優(yōu)良的可靠性和重復(fù)性確定 poly-Si膜的微結(jié)晶閾值，同時(shí)減小了光散射的影響。根據(jù)本實(shí)施例， 通過自動(dòng)地確定稍微低于微結(jié)晶閾值的脈沖激光的能量密度，能夠提 供如下激光輻射技術(shù)和激光輻射裝置，其實(shí)現(xiàn)了以高產(chǎn)量形成poly-Si 膜。
接下來將描述本發(fā)明的第一個(gè)例子。在該例子中，在 550mmx650mm的玻璃襯底上形成2000A的SiOz膜。其上形成600A 的a-Si膜。之后，通過將受激準(zhǔn)分子激光輻射到襯底的周圍部分來在 預(yù)輻射區(qū)域20內(nèi)形成多個(gè)輻射區(qū)域19。在預(yù)輻射區(qū)域20內(nèi)，振蕩頻 率設(shè)為300Hz，通過遮擋275mmx0.4mm的線性光束來將激光束的尺寸 設(shè)為30mmx0.4mm。掃描間距設(shè)為常數(shù)O.lmm。能量密度以10mJ/cm2 的間隔從470mJ./cml變化到510mJ./cm2。對(duì)于每個(gè)能量密度，掃描輻 射寬度設(shè)為lcm。
用基本平行于光束長軸的白色平面估計(jì)光輻射如此形成的輻射區(qū) 域19，并通過彩色CCD接收來自那里的反射光。在彩色CCD前面設(shè)置有50倍放大透鏡，并進(jìn)行如此調(diào)整，使其分辨率為0.3pm。能量密 度設(shè)為470mJ./cm^寸，獲得的圖像的顏色為恒定的，且在輻射區(qū)域19 的基本整個(gè)表面上為黃色。對(duì)于480mJ./cm2，在黃色區(qū)域中非周期性 地觀察到了線性紅色區(qū)域。該紅色區(qū)域具有來自微結(jié)晶區(qū)域的反射光 的顏色，其不同于粗糙晶粒區(qū)域的黃色。在圖像上，獲得了沿平行于 光束短軸的線段的亮度變化并表現(xiàn)出與圖5的曲線(b)相似的變化。
在用490mJ./ciT^或以上的能量密度形成的輻射區(qū)域19中，線性黃 色區(qū)域和線性紅色區(qū)域周期性地交替出現(xiàn)。存在如下趨勢(shì)，即隨著能 量密度增加，黃色區(qū)域的寬度變窄。同樣地，在圖像上獲得了沿平行 于光束短軸的線段的黃色區(qū)域的亮度變化，并表現(xiàn)出與圖5(a)的曲線類 似的變化。因而，觀察到了周期性的峰。峰間距離大約為O.lmm并等 于掃描間距。峰間距離的變化在±7。％范圍內(nèi)。在能量密度設(shè)為 480mJ./cn^時(shí)，在輻射區(qū)域19中也觀察到了幾個(gè)峰。然而，其峰間距 離不是恒定的。
根據(jù)上面的評(píng)價(jià)結(jié)果，poly-Si膜的微結(jié)晶閾值確定為490mJ./cm2， 并在整個(gè)襯底表面上執(zhí)行主輻射。主輻射的條件如下所述。振蕩頻率 正好(intact)保持在300Hz。光束尺寸恢復(fù)為275mmx0.4mm。掃描間 距設(shè)為0.04mm那樣精細(xì)。作為不大于被確定的微結(jié)晶閾值490mJ./cm2 的值，使用的能量密度為470mJ./cm2。在這些條件下，執(zhí)行主輻射， 從而使用poly-Si膜制備TFT。結(jié)果，可制備具有平均遷移率為 260cm2/Vs，變化范圍在5%內(nèi)且具有高均勻性的TFT。
作為對(duì)比例，使用根據(jù)a-Si膜的微結(jié)晶閾值確定的能量密度來執(zhí) 行主輻射。在執(zhí)行該例子的條件下，通過單次輻射(圖4(a))獲得的微 結(jié)晶閾值為430mJ./cm2。使用具有不大于該確定的能量密度的能量密 度的能量執(zhí)行主輻射來制備TFT。遷移率保持在140cm2/Vs。主輻射中 的能量密度與希望的TFT特性相匹配。然而，在根據(jù)a-Si膜的微結(jié)晶 閾值來設(shè)定主輻射中的能量密度的情形中，很難以出色的可靠性和重復(fù)性獲得具有超過140cm2/Vs遷移率的TFT。
在該例子中，掃描間距根據(jù)下面的原因在預(yù)輻射區(qū)域和主輻射區(qū) 域之間變化。就是說，TFT特性及其均勻性依賴于掃描間距。隨著間 距下降，均勻性提高。然而，如果使間距較小，則輻射工序的產(chǎn)量降 低。對(duì)于主輻射區(qū)域，為了使TFT特性優(yōu)先，確定掃描間距為0.04mm。 另一方面，對(duì)于預(yù)輻射區(qū)域，僅需要確定poly-Si膜的微結(jié)晶閾值。在 產(chǎn)量上來說較大的掃描間距更加理想。如果間距過大，輻射在預(yù)輻射 區(qū)域上的脈沖數(shù)會(huì)降低，從而在一些情形中很難以足夠的可靠性來確 定微結(jié)晶閾值?？紤]到這些點(diǎn)，預(yù)輻射區(qū)域的間距設(shè)為O.lmm，其大 約是主輻射區(qū)域的輻射間距的幾倍大。
為了提高TFT產(chǎn)品的生產(chǎn)率，激光尺寸也在預(yù)輻射區(qū)域和主輻射 區(qū)域之間變化。因?yàn)轭A(yù)輻射區(qū)域不適宜產(chǎn)品制造，所以該區(qū)域最終被 浪費(fèi)掉。因此，輻射理想地僅作用在用于確定微結(jié)晶閾值的至少所需 區(qū)域上。由于該原因，以減小的光束尺寸或特別是在長軸方向上減小 的光束尺寸在預(yù)輻射區(qū)域上執(zhí)行輻射。
現(xiàn)在將描述本發(fā)明的第二個(gè)例子。第二個(gè)例子采用高性能TFT制 造技術(shù)，其中形成a-Si膜，其具有與JP-A-2003-332346中所述的膜厚 度不同的膜厚度。像第一個(gè)例子中那樣，在玻璃襯底上形成2000A的 Si02膜。在Si02膜上形成800A的a-Si膜。在a-Si膜上選擇性地沉積 抗蝕劑，并執(zhí)行干蝕刻，從而選擇性地形成具有500A膜厚度的薄膜區(qū) 域。之后，與第一個(gè)例子類似，形成預(yù)輻射區(qū)域20。此時(shí)，激光束的 能量密度以10mJ./cm2的間隔從400mJ./cm2變化到450mJ./cm2。
接下來，與第一個(gè)例子類似，用白色平面光輻射如此形成的預(yù)輻 射區(qū)域20，并由彩色CCD接收來自那里的反射光。通過下述方法執(zhí)行 該反射光的測(cè)量，即選擇一個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)形成有具有500A膜厚度的薄膜 且距離薄膜與厚膜之間的界面為7pm或更大。對(duì)于達(dá)到420mJ./cn^的能量密度，獲得的圖像是連續(xù)的且在基本整個(gè)表面上為紫色。對(duì)于
430mJ./cn^的能量密度，無周期性地出現(xiàn)了藍(lán)色條紋。對(duì)于440mJ./cm2 或更大的能量密度，獲得了其上以O(shè).lmm間距周期性地排列有紫色和 藍(lán)色條紋的圖像。
根據(jù)上面的評(píng)價(jià)結(jié)果，poly-Si膜的微結(jié)晶閾值確定為440mJ./cm2， 并在整個(gè)襯底表面上執(zhí)行主輻射。主輻射的條件如下。作為不小于對(duì) 薄膜厚度區(qū)域確定的poly-Si膜的微結(jié)晶閾值440mJ./cm2的值，使用的 能量密度為445mJ./cm2。在該例子中，因而用不小于薄膜區(qū)域的微結(jié) 晶閾值的能量密度執(zhí)行主輻射。作為該結(jié)果，形成了位置被控制的晶 粒，其從薄膜和厚膜部分之間的界面向著薄膜部分生長。在位置被控 制的晶粒上設(shè)置柵極，制成了 TFT。因而，產(chǎn)生了具有較高性能和較 高均勻性的TFT，其中平均遷移率為430cm2/Vs，其變化范圍在4%范 圍內(nèi)。
除了在第二個(gè)實(shí)施例中的CCD光敏元件16的光學(xué)分辨率比掃描 方向上的粗糙晶粒部分的寬度粗糙外，根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的激 光輻射裝置具有與第一個(gè)實(shí)施例的激光輻射裝置相似的結(jié)構(gòu)。根據(jù)通 過接收來自輻射區(qū)域的反射光而獲得的圖像，比掃描方向上的粗糙晶 粒部分的寬度粗糙的CCD光敏元件16的光學(xué)分辨率使微結(jié)晶部分和 粗糙晶粒部分之間的顏色變化顯著區(qū)分。就是說，基本上僅僅檢測(cè)到 了微結(jié)晶部分的顏色。
圖7示出了由CCD光敏元件16接收的光的參考顏色亮度的變化。 為了獲得圖4中曲線(b)所示的狀態(tài)，執(zhí)行掃描輻射來制備輻射區(qū)域 19。由CCD光敏元件16接收來自輻射區(qū)域19的反射光，由此由CCD 光敏元件16接收的光的參考顏色的亮度如圖7中的曲線(a)所示變 化。在該情形中，基本上僅僅觀察到了微結(jié)晶部分的顏色，且在單個(gè) 周期內(nèi)以相對(duì)細(xì)微的周期性出現(xiàn)基本恒定的顏色。這使得在整個(gè)區(qū)域 上觀察到均勻的顏色。為了獲得圖4中曲線(C)所示的狀態(tài)，執(zhí)行掃描輻射來制備輻射
區(qū)域。由CCD光敏元件16接收來自輻射區(qū)域的反射光。由CCD光敏 元件16接收的光的參考顏色的亮度如圖7中的曲線(b)所示變化。 在該情形中，在CCD圖像上，觀察到通過不大于微結(jié)晶閾值的脈沖強(qiáng) 度獲得的非微結(jié)晶區(qū)域具有不同于微結(jié)晶部分的顏色。結(jié)果，非微結(jié) 晶部分表現(xiàn)為具有明顯尺寸的寬顏色變化峰。
如上所述，顏色變化的寬度在輻射脈沖的能量密度不小于微結(jié)晶 閾值的情形和能量密度小于微結(jié)晶閾值的情形之間不同。在本實(shí)施例 中，根據(jù)參考顏色的顏色變化的寬度尺寸確定微結(jié)晶閾值。之后，類 似于第一個(gè)實(shí)施例，根據(jù)如此確定的微結(jié)晶閾值來確定在主輻射中使 用的能量密度。因而，可獲得具有大晶粒直徑的poly-Si膜。
一般地，如果CCD的分辨率低，則焦深增加。因此，如果具有較 低光學(xué)分辨率的CCD用作CCD光敏元件16，則優(yōu)點(diǎn)在于微結(jié)晶閾值 的確定受到襯底厚度的變化的影響很小。獲得的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是減小了 裝置的成本。
接下來，將描述本發(fā)明的第三個(gè)例子。像在第一個(gè)例子中那樣， 在玻璃襯底上形成Si02膜和a-Si膜。然后執(zhí)行預(yù)輻射，從而形成輻射 區(qū)域19。之后，用白色平面光輻射每個(gè)輻射區(qū)域19，并通過CCD接 收反射光。此時(shí)，在CCD前面設(shè)置5倍放大透鏡，并進(jìn)行調(diào)整從而獲 得3pm的分辨率。在能量密度設(shè)為470 mJ./cr^時(shí)，獲得的圖像是連續(xù) 的并且在輻射區(qū)域19的基本整個(gè)表面上為黃色。對(duì)于480mJ./cr^的能 量密度，在黃色區(qū)域中觀察到了沒有周期性的寬紅色條紋。使用黃色 作為參考顏色的亮度分布表現(xiàn)出圖7中所示的曲線(b)。對(duì)于 490mJ./cn^或以上的能量密度，觀察到基本整個(gè)表面為紅色。使用黃色 作為參考顏色的亮度分布表現(xiàn)出圖7中所示的曲線(a)。
18對(duì)于每個(gè)輻射區(qū)域19，獲得了亮度數(shù)據(jù)的最大強(qiáng)度與最小強(qiáng)度之
間的差。如圖8中所示，在能量密度設(shè)為480mJ./cmZ的輻射區(qū)域19處 獲得了大的值。之后，在能量密度設(shè)為490mJ./cn^的另一個(gè)輻射區(qū)域 處該差值下降。將490mJ./cn^的能量密度確定為微結(jié)晶閾值，在該能 量密度時(shí)所述差值在先升高之后下降。
之后，與第一個(gè)例子相似地執(zhí)行主輻射。作為主輻射中的能量密 度，使用450mJ./cn^作為不大于確定的微結(jié)晶閾值490mJ./cma的值。 使用通過主輻射獲得的poly-Si膜制備TFT。TFT的遷移率為180cm2/Vs 并具有5%或更小范圍內(nèi)的變化。
在上面的實(shí)施例中，已經(jīng)描述了其中在單個(gè)襯底臺(tái)上執(zhí)行激光輻 射和確定微結(jié)晶閾值的例子。本發(fā)明并不限于這些例子。在工序步驟 中可分別使用多個(gè)不同的襯底臺(tái)。如果使用不同的臺(tái)，則將增加裝置 的尺寸。然而，在不受其他組件限制的情況下可增加光源和CCD光敏 元件的尺寸。因此，能夠以更加好的可靠性和重復(fù)性來確定微結(jié)晶閾 值。此外，預(yù)輻射區(qū)域和主輻射區(qū)域不必形成在單個(gè)襯底上。通過在 另一個(gè)襯底上形成預(yù)輻射區(qū)域可確定微結(jié)晶閾值，所述另一個(gè)襯底具 有與形成主輻射區(qū)域的襯底的膜厚度基本相等的膜厚度。
在上面的例子中，根據(jù)其優(yōu)選的實(shí)施例描述了本發(fā)明。根據(jù)本發(fā) 明的激光輻射技術(shù)和激光輻射裝置并不限于上面的實(shí)施例。本發(fā)明的 范圍應(yīng)認(rèn)為包括通過對(duì)上面的實(shí)施例和例子做各種改變和修改而演變 的那些技術(shù)和裝置。
權(quán)利要求
1. 一種用于確定微結(jié)晶能量密度的閾值的方法，包括下述步驟將具有特定產(chǎn)生頻率的細(xì)長的第一脈沖激光束以多個(gè)不同的能量密度輻射到半導(dǎo)體層上，同時(shí)在垂直于所述第一脈沖激光束的長軸的方向上掃描，從而形成與所述不同能量密度對(duì)應(yīng)的多個(gè)第一輻射區(qū)域；在基本上平行于所述第一脈沖激光束的所述長軸、并且相對(duì)于所述第一輻射區(qū)域傾斜的方向上，將平面光從上方輻射到所述第一輻射區(qū)域上，以接收來自每個(gè)所述第一輻射區(qū)域的反射光；分析所述反射光，以通過確定在垂直于所述第一脈沖激光束的所述長軸的方向上的所述反射光的顏色分布，來確定微結(jié)晶能量密度的閾值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中在所述確定步驟中根據(jù)所述反射光的周期性來確定所述閾值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中通過判斷顏色變化的相鄰峰之間的距離和/或所述顏色變化的均勻性來確定所述閾值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過所述顏色分布中的顏色寬度來確定所述閾值。
5. —種光分析裝置，包括移動(dòng)臺(tái)，用于具有半導(dǎo)體層的基板，所述半導(dǎo)體層被具有特定產(chǎn)生頻率的細(xì)長的第一脈沖激光束在垂直于所述第一脈沖激光束的長軸的方向上掃描的同時(shí)以多個(gè)不同的能量密度輻射，從而形成與所述不同能量密度對(duì)應(yīng)的多個(gè)第一輻射區(qū)域；平面光源，用于在基本上平行于所述第一脈沖激光束的所述長軸、并且相對(duì)于所述第一輻射區(qū)域傾斜的方向上從上方輻射平面光；以及光敏器件，用于接收從半導(dǎo)體層反射的所述平面光，分析所述反射光，以通過確定在垂直于所述第一脈沖激光束的所述長軸的方向上的所述反射光的顏色分布，來確定微結(jié)晶能量密度的閾值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光分析裝置，還包括-激光源，用于產(chǎn)生脈沖激光束；光學(xué)系統(tǒng)，用于將所述脈沖激光束轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)長的第一脈沖激光束；以及移動(dòng)設(shè)備，用于相對(duì)于所述第一脈沖激光束在垂直于所述第一脈沖激光束的所述長軸的方向上掃描移動(dòng)襯底臺(tái)。
全文摘要
一種用于將無定形硅膜變?yōu)槎嗑Ч枘さ姆椒òㄏ率霾襟E將細(xì)長的脈沖激光束輻射到硅膜上，同時(shí)在垂直于細(xì)長的脈沖激光束的長軸的方向上掃描，從而形成多個(gè)輻射區(qū)域；在平行于長軸的方向上將平面光輻射到輻射區(qū)域上；以及分析來自輻射區(qū)域的反射光的分布，從而確定微結(jié)晶閾值。使用該閾值進(jìn)一步確定用于狀態(tài)改變工序的細(xì)長的脈沖激光束的能量密度。
文檔編號(hào)H01L21/20GK101521156SQ200910118260
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2006年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月28日
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