專利名稱：多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的檢測(cè)裝置及其檢測(cè)與控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體薄膜的檢測(cè)裝置及其檢測(cè)與控制方法，特別涉及一種多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的檢測(cè)裝置及其檢測(cè)與控制方法，以監(jiān)測(cè)多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)及調(diào)整結(jié)晶用的激光能量密度。
背景技術(shù)：
目前的薄膜晶體管液晶顯示器(thin film transistor-liquid crystal display，TFT-LCD)技術(shù)分為兩種，一為傳統(tǒng)的非晶硅薄膜晶體管，另一為多晶硅薄膜晶體管。由于多晶硅薄膜晶體管的電子移動(dòng)速度為非晶硅薄膜晶體管的10倍到100倍之間。因此，TFT-LCD業(yè)界已開始著手進(jìn)行研究及發(fā)展，以多晶硅薄膜晶體管作為像素(pixel)開關(guān)元件及LCD周邊的驅(qū)動(dòng)電路。
上述多晶硅薄膜晶體管的制作通常采用低溫多晶硅(low temperaturepolysilicon，LTPS)工藝。所謂的LTPS工藝?yán)脺?zhǔn)分子激光退火處理(excimer laser annealing，ELA)使原先的非晶硅薄膜轉(zhuǎn)變成多晶硅結(jié)構(gòu)。由于工藝溫度在600℃以下，所以適用于透明的玻璃襯底。多晶硅薄膜晶體管的電子移動(dòng)速度與多晶硅薄膜的結(jié)晶品質(zhì)有關(guān)。亦即，多晶硅薄膜晶體管的電子移動(dòng)速度隨著多晶硅薄膜的晶粒尺寸增加而增加。再者，多晶硅薄膜的晶粒尺寸與施加于非晶硅薄膜的激光能量密度有關(guān)。因此，有必要對(duì)多晶硅薄膜進(jìn)行檢測(cè)以調(diào)整(regulate)施加的激光能量，進(jìn)而獲得最佳的多晶硅薄膜的結(jié)晶品質(zhì)。
為了檢測(cè)多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)，傳統(tǒng)上利用500到1000倍以上的光學(xué)顯微鏡來(lái)觀察薄膜表面粗糙度(roughness)以作為多晶硅薄膜的結(jié)晶品質(zhì)指標(biāo)，由于此種方式十分仰賴人類肉眼，因此無(wú)法獲得精確的測(cè)量結(jié)果且不適用于大尺寸襯底。再者，另一傳統(tǒng)上檢測(cè)方式為采用掃描電子顯微鏡(scanning electron beam microscope，SEM)來(lái)檢測(cè)多晶硅薄膜的結(jié)晶品質(zhì)。然而，上述方法為破壞性(destructive)檢測(cè)，且須耗費(fèi)許多時(shí)間來(lái)制作樣本及觀測(cè)，而嚴(yán)重地影響產(chǎn)能。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種多晶硅薄膜的檢測(cè)方法及其檢測(cè)裝置，以快速地、精確地檢測(cè)多晶硅薄膜的結(jié)晶品質(zhì)，并取代傳統(tǒng)上離線(off-line)的破壞性檢測(cè)，而能有效地監(jiān)控多晶硅薄膜的結(jié)晶品質(zhì)并提高產(chǎn)能。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明提供一種多晶硅薄膜的檢測(cè)方法。首先，提供一襯底，其上覆蓋有一多晶硅層。接著，提供一具有一既定波長(zhǎng)的光源，并通過(guò)一分光器以形成一第一光束及一用以照射于多晶硅層的一第二光束。偵測(cè)第一光束及從多晶硅層反射的第二光束的光強(qiáng)度以獲得一光強(qiáng)度比率。最后，依據(jù)光強(qiáng)度比率來(lái)監(jiān)測(cè)多晶硅層的結(jié)晶品質(zhì)。其中，光源為一激光且既定波長(zhǎng)在266nm到316nm的范圍。
再者，第一光束與第二光束的分光比(intensity ratio)為30～40％∶70～60％。
又根據(jù)上述目的，本發(fā)明提供一種多晶硅薄膜的結(jié)晶品質(zhì)的檢測(cè)裝置。檢測(cè)裝置包含一分光器、一第一偵測(cè)裝置、一第二偵測(cè)裝置及一控制單元。分光器用以接收具有一既定波長(zhǎng)的光源而形成一第一光束及一照射于表面覆蓋有一多晶硅層的襯底的第二光束。第一偵測(cè)裝置用以偵測(cè)第一光束的光強(qiáng)度，且第二偵測(cè)裝置用以偵測(cè)從多晶硅層反射的第二光束的光強(qiáng)度?？刂茊卧罱佑诘谝患暗诙蓽y(cè)裝置之間，用以依據(jù)第一與第二光束的光強(qiáng)度比率來(lái)監(jiān)測(cè)多晶硅層的結(jié)晶品質(zhì)。其中，光源為一激光且既定波長(zhǎng)在266nm到316nm的范圍。
再者，第一光束與第二光束的分光比為30～40％∶70～60％。
又根據(jù)上述目的，本發(fā)明提供一種多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的控制方法。首先，提供一第一襯底，其上覆蓋有一第一非晶硅層。分別以具有不同第一既定能量密度的激光對(duì)該第一非晶硅層實(shí)施退火處理，以在該第一非晶硅層中形成多個(gè)第一多晶硅區(qū)。接著，提供一具有一既定波長(zhǎng)的光源，并通過(guò)一分光器以形成一第一光束及一用以照射于這些第一多晶硅區(qū)的一第二光束。然后，偵測(cè)第一光束及從這些第一多晶硅區(qū)反射的第二光束的光強(qiáng)度以獲得多個(gè)光強(qiáng)度比率，并依據(jù)這些光強(qiáng)度比率來(lái)決定一第二既定能量密度。最后，提供一第二襯底，其上覆蓋有一第二非晶硅層，并以具有第二既定能量密度的激光對(duì)第二非晶硅層實(shí)施退火處理，以將第二非晶硅層轉(zhuǎn)變成一第二多晶硅層。
其中，激光為一準(zhǔn)分子激光，且第一既定能量密度系在300到500mJ/cm2的范圍。
再者，光源為一激光且既定波長(zhǎng)在266nm到316nm的范圍。
再者，第一光束與第二光束的分光比為30～40％∶70～60％。
再者，第二既定能量密度為可形成最大多晶硅晶粒尺寸的能量密度。


為讓本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說(shuō)明如下圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的檢測(cè)方法的流程圖；圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的檢測(cè)裝置的示意圖；圖3是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的控制方法的流程圖；以及圖4是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的相位差與光子能量的關(guān)系的曲線圖。
附圖中的附圖標(biāo)記說(shuō)明如下100～襯底；102～多晶硅層；200～光源產(chǎn)生器； 202～分光器；204～第一偵測(cè)裝置；206～第二偵測(cè)裝置；208～控制單元；L～測(cè)量光源；L1～第一光束； L2、L2’～第二光束；I1、I2’～光強(qiáng)度。
具體實(shí)施例方式
圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的檢測(cè)方法的流程圖。首先，進(jìn)行步驟S10，提供一襯底，例如一透明玻璃襯底，此襯底上形成有一非晶硅(α-Si)層。在本實(shí)施例中，此襯底用于制作薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)。襯底上的非晶硅層供后續(xù)制作薄膜晶體管的通道層用。此非晶硅層可藉由化學(xué)氣相沉積法(chemical vapor deposition，CVD)形成，其厚度約在300到500的范圍。
接下來(lái)，進(jìn)行步驟S12，以具有一既定能量密度的一激光對(duì)非晶硅層實(shí)施退火處理，例如準(zhǔn)分子激光退火處理(ELA)，以將非晶硅層轉(zhuǎn)變成一多晶硅(p-Si)層。在本實(shí)施例中，激光的既定能量密度在300到500mJ/cm2的范圍。
接下來(lái)，進(jìn)行步驟S14，提供一測(cè)量光源，例如一激光，并通過(guò)一分光器將測(cè)量光源分成一第一光束及一第二光束。在本實(shí)施例中，此測(cè)量光源具有一既定波長(zhǎng)，例如在266nm到316nm的范圍。其中，第一光束與第二光束的分光比為30～40％∶70～60％。
接下來(lái)，進(jìn)行步驟S16，以第二光束照射于襯底上的多晶硅層。之后，進(jìn)行步驟S18，同時(shí)偵測(cè)未經(jīng)過(guò)多晶硅層的第一光束的光強(qiáng)度以及從多晶硅層反射的第二光束的光強(qiáng)度。
最后，進(jìn)行步驟S20，依據(jù)上述偵測(cè)的結(jié)果來(lái)獲得一光強(qiáng)度比率(第一光束的光強(qiáng)度/第二光束的光強(qiáng)度)。藉由此光強(qiáng)度比率來(lái)監(jiān)測(cè)多晶硅層的結(jié)晶品質(zhì)。
利用激光退火處理所形成的多晶硅層，其表面粗糙度(晶粒尺寸)會(huì)隨著激光能量密度增加而增加，且于形成最大晶粒尺寸(最佳激光能量密度)之后，隨著激光能量密度增加而降低。經(jīng)本發(fā)明人實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，從多晶硅層反射的光束，其光強(qiáng)度會(huì)隨著表面粗糙度增加而下降。同樣地，于形成最大晶粒尺寸之后，光強(qiáng)度會(huì)隨著晶粒尺寸下降而增加。藉由此一特性，可監(jiān)測(cè)多晶硅層的結(jié)晶品質(zhì)。然而，由于測(cè)量光源會(huì)衰減或受干擾而影響偵測(cè)到的光強(qiáng)度，而造成偵測(cè)結(jié)果的精確性降低。因此，本發(fā)明的檢測(cè)方法利用光強(qiáng)度比率來(lái)作為檢測(cè)結(jié)晶品質(zhì)的指標(biāo)，以有效排除上述的問(wèn)題。
接下來(lái)，請(qǐng)參照?qǐng)D2，其繪示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的檢測(cè)裝置示意圖。一光源產(chǎn)生器200提供一測(cè)量光L，例如一激光，用以照射于一表面覆蓋有一多晶硅層102的襯底100，例如一玻璃襯底。通過(guò)一分光器(beam split)202接收測(cè)量光L將其分成一第一光束L1及一第二光束L2。在本實(shí)施例中，此測(cè)量光L具有一既定波長(zhǎng)，例如在266nm到316nm的范圍。其中，第一光束L1與第二光束L2的分光比為30～40％∶70～60％，且第二光束L2用以照射多晶硅層102。
一第一偵測(cè)裝置204用以偵測(cè)第一光束L1的光強(qiáng)度I1，而一第二偵測(cè)裝置206則用以偵測(cè)從多晶硅層102反射的第二光束L2’的光強(qiáng)度12’。
一控制單元208，耦接于第一偵測(cè)裝置204及第二偵測(cè)裝置206之間，用以依據(jù)第一光束L1與反射的第二光束L2’的光強(qiáng)度比率(I1/I2’)來(lái)監(jiān)測(cè)多晶硅層102的結(jié)晶品質(zhì)。
由于利用本發(fā)明的檢測(cè)裝置無(wú)須破壞襯底100，因此可降低制造成本及縮短檢測(cè)時(shí)間。再者，此檢測(cè)裝置可整合于激光退火處理系統(tǒng)，因此可做在線(in-line)檢測(cè)。當(dāng)晶粒尺寸不符合工藝要求時(shí)，可以立即提出警告，使工藝人員立即檢查及調(diào)整激光的能量密度以再度獲得最佳的晶粒尺寸而確保后續(xù)產(chǎn)品的優(yōu)良率。再者，激光回火工藝屬于低溫多晶硅工藝的前段工藝，再此到工藝檢測(cè)出異常產(chǎn)品并及時(shí)予以報(bào)廢或重制(rework)，可有效減少成本。
本發(fā)明進(jìn)一步提出多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的控制方法。請(qǐng)參照?qǐng)D3，其繪示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的控制方法流程圖。首先，進(jìn)行步驟S20，提供一測(cè)試襯底，例如透明玻璃襯底，襯底上形成有非晶硅(α-Si)層。在本實(shí)施例中，測(cè)試襯底供測(cè)量機(jī)器用。
接下來(lái)，進(jìn)行步驟S22，分別以具有不同既定能量密度的激光對(duì)測(cè)試襯底上的非晶硅層實(shí)施退火處理，例如準(zhǔn)分子激光退火處理(ELA)，以在非晶硅層中形成多個(gè)多晶硅(p-Si)區(qū)。在本實(shí)施例中，激光的既定能量密度在300到500mJ/cm2的范圍。
接下來(lái)，進(jìn)行步驟S24，利用圖2的光源產(chǎn)生器200提供一測(cè)量光源L，并通過(guò)分光器202將測(cè)量光源L分成一第一光束L1及一第二光束L2。同樣地，此測(cè)量光源L具有一既定波長(zhǎng)，例如在266nm到316nm的范圍。其中，第一光束與第二光束的分光比為30～40％∶70～60％。
接下來(lái)，進(jìn)行步驟S26，以第二光束L2照射于測(cè)試襯底上的這些多晶硅區(qū)。之后，進(jìn)行步驟S28，藉由第一偵測(cè)裝置204及第二偵測(cè)裝置206來(lái)同時(shí)偵測(cè)未經(jīng)過(guò)多晶硅層的第一光束L1的光強(qiáng)度I1以及從這些測(cè)試襯底上的多晶硅層反射的第二光束L2’的光強(qiáng)度I2’。
接下來(lái)，進(jìn)行步驟S30，由于施加于每一測(cè)試襯底上的激光能量密度不同，因此測(cè)試襯底上形成的這些多晶硅區(qū)的結(jié)晶品質(zhì)亦不相同?？山逵煽刂茊卧?08依據(jù)偵測(cè)結(jié)果而獲得不同的光強(qiáng)度比率(I1/I2’)，且由這些光強(qiáng)度比率中決定出退火處理的優(yōu)選的激光能量密度。
舉例而言，在300到400mJ/cm2的能量密度范圍中選取不同的既定激光能量密度，如330mJ/cm2、340mJ/cm2、350mJ/cm2、360mJ/cm2、370mJ/cm2、及380mJ/cm2，而分別對(duì)測(cè)試襯底實(shí)施退火處理，以在測(cè)試襯底上形成不同結(jié)晶品質(zhì)的多晶硅區(qū)。接著，檢測(cè)每一多晶硅區(qū)以獲得光強(qiáng)度比率(I1/I2’)與激光能量密度及晶粒尺寸的關(guān)系曲線，其結(jié)果繪示于圖4。如圖4所示，以具有既定能量密度350mJ/cm2的激光實(shí)施退火處理的多晶硅層可具有最大的晶粒尺寸(300nm)。因此，可形成最大多晶硅晶粒尺寸的優(yōu)選的激光能量密度為350mJ/cm2。
接下來(lái)，進(jìn)行步驟S32，提供一產(chǎn)品襯底，例如一透明玻璃襯底，其上形成有一非晶硅層。此處，產(chǎn)品襯底用于制作薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)，且非晶硅層用于后續(xù)制作薄膜晶體管的通道層。
最后，進(jìn)行步驟S34，利用具有既定能量密度350mJ/cm2的激光對(duì)產(chǎn)品襯底上的非晶硅層實(shí)施退火處理，藉以控制非晶硅層轉(zhuǎn)變成多晶硅層的結(jié)晶品質(zhì)。再者，可進(jìn)行圖1的步驟S14到S20，以實(shí)施在線檢測(cè)。當(dāng)晶粒尺寸不符合工藝要求時(shí)，可以立即提出警告，使工藝人員立即檢查及調(diào)整激光的能量密度以再度獲得最佳的晶粒尺寸而確保后續(xù)產(chǎn)品的優(yōu)良率。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的方法可快速地、精確地在線檢測(cè)多晶硅薄膜的結(jié)晶品質(zhì)，因此能有效地監(jiān)控多晶硅薄膜的結(jié)晶品質(zhì)并提高產(chǎn)能。再者，由于以本發(fā)明的檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)為非破壞性檢測(cè)，因此可降低制造成本。
雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實(shí)施例公開如上，但是其并非用以限定本發(fā)明，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可對(duì)其作更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以所附的權(quán)利要求所確定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的檢測(cè)方法，包括下列步驟提供一襯底，該襯底上覆蓋有一多晶硅層；提供一具有一既定波長(zhǎng)的光源，并通過(guò)一分光器以形成一第一光束及一用以照射于該多晶硅層的一第二光束；偵測(cè)該第一光束及從該多晶硅層反射的該第二光束的光強(qiáng)度以獲得一光強(qiáng)度比率；以及依據(jù)該光強(qiáng)度比率來(lái)監(jiān)測(cè)該多晶硅層的結(jié)晶品質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的檢測(cè)方法，其中該襯底為一玻璃襯底。
3.如權(quán)利要求1所述的多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的檢測(cè)方法，其中該光源為一激光且該既定波長(zhǎng)在266nm到316nm的范圍。
4.如權(quán)利要求1所述的多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的檢測(cè)方法，其中該第一光束與該第二光束的分光比為30～40％∶70～60％。
5.一種多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的檢測(cè)裝置，包括一光源，其具有一既定波長(zhǎng)，用以照射于一表面覆蓋有一多晶硅層的襯底；一分光器，用以接收該光源而形成一第一光束及一照射于該多晶硅層的第二光束；一第一偵測(cè)裝置，用以偵測(cè)該第一光束的光強(qiáng)度；以及一第二偵測(cè)裝置，用以偵測(cè)從該多晶硅層反射的該第二光束的光強(qiáng)度。
6.如權(quán)利要求5所述的多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的檢測(cè)裝置，還包括一控制單元，耦接于該第一及該第二偵測(cè)裝置之間，用以依據(jù)該第一與該第二光束的光強(qiáng)度比率來(lái)監(jiān)測(cè)該多晶硅層的結(jié)晶品質(zhì)。
7.如權(quán)利要求5所述的多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的檢測(cè)裝置，其中該光源為一激光且該既定波長(zhǎng)在266nm到316nm的范圍。
8.如權(quán)利要求5所述的多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的檢測(cè)裝置，其中該襯底為一玻璃襯底。
9.如權(quán)利要求5所述的多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的檢測(cè)裝置，其中該第一光束與該第二光束的分光比為30～40％∶70～60％。
10.一種多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的控制方法，包括下列步驟提供一第一襯底，該第一襯底上覆蓋有一第一非晶硅層；分別以具有不同第一既定能量密度的激光對(duì)該第一非晶硅層實(shí)施退火處理，以在該第一非晶硅層中形成多個(gè)第一多晶硅區(qū)；提供一具有一既定波長(zhǎng)的光源，并通過(guò)一分光器以形成一第一光束及一用以照射于該些第一多晶硅區(qū)的一第二光束；偵測(cè)該第一光束及從該些第一多晶硅區(qū)反射的該第二光束的光強(qiáng)度以獲得多個(gè)光強(qiáng)度比率；依據(jù)該些光強(qiáng)度比率來(lái)決定一第二既定能量密度；提供一第二襯底，該第二襯底上覆蓋有一第二非晶硅層；以及以具有該第二既定能量密度的激光對(duì)該第二非晶硅層實(shí)施退火處理，以將該第二非晶硅層轉(zhuǎn)變成一第二多晶硅層。
11.如權(quán)利要求10所述的多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的控制方法，其中該些第一襯底及該第二襯底為玻璃襯底。
12.如權(quán)利要求10所述的多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的控制方法，其中該激光為一準(zhǔn)分子激光。
13.如權(quán)利要求12所述的多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的控制方法，其中該第一既定能量密度在300到500mJ/cm2的范圍。
14.如權(quán)利要求12所述的多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的控制方法，其中該光源為一激光且該既定波長(zhǎng)在266nm到316nm的范圍。
15.如權(quán)利要求12所述的多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的控制方法，其中該第一光束與該第二光束的分光比為30～40％∶70～60％。
16.如權(quán)利要求12項(xiàng)所述的多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的控制方法，其中該第二既定能量密度是可形成最大多晶硅晶粒尺寸的能量密度。
全文摘要
本發(fā)明公開一種多晶硅薄膜結(jié)晶品質(zhì)的檢測(cè)裝置及其檢測(cè)與控制方法。首先，提供一第一襯底，其上覆蓋有一第一非晶硅層。接著，以不同能量密度的激光對(duì)第一非晶硅層實(shí)施退火處理，以形成多個(gè)第一多晶硅區(qū)。接著，通過(guò)一分光器將一光源分成一第一光束及一用以照射于第一多晶硅區(qū)的一第二光束。之后，偵測(cè)第一光束及從這些第一多晶硅層反射的第二光束的光強(qiáng)度以獲得多個(gè)光強(qiáng)度比率，并依據(jù)這些光強(qiáng)度比率來(lái)決定一第二既定能量密度。最后，以具有第二既定能量密度的激光對(duì)表面覆蓋有一第二非晶硅層的第二襯底實(shí)施退火處理，以形成一第二多晶硅層。
文檔編號(hào)H01L29/04GK1501065SQ02151448
公開日2004年6月2日 申請(qǐng)日期2002年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月19日
發(fā)明者曹義昌, 廖龍盛 申請(qǐng)人:友達(dá)光電股份有限公司