[go: up one dir, main page]

JP2006066462A - Crystallization apparatus and method - Google Patents

Crystallization apparatus and method Download PDF

Info

Publication number
JP2006066462A
JP2006066462A JP2004244194A JP2004244194A JP2006066462A JP 2006066462 A JP2006066462 A JP 2006066462A JP 2004244194 A JP2004244194 A JP 2004244194A JP 2004244194 A JP2004244194 A JP 2004244194A JP 2006066462 A JP2006066462 A JP 2006066462A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
crystallization
image
semiconductor film
measurement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Abandoned
Application number
JP2004244194A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2006066462A5 (en
Inventor
Naohiko Endo
尚彦 遠藤
Yoshio Takami
芳夫 高見
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Advanced LCD Technologies Development Center Co Ltd
Original Assignee
Advanced LCD Technologies Development Center Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Advanced LCD Technologies Development Center Co Ltd filed Critical Advanced LCD Technologies Development Center Co Ltd
Priority to JP2004244194A priority Critical patent/JP2006066462A/en
Publication of JP2006066462A publication Critical patent/JP2006066462A/en
Publication of JP2006066462A5 publication Critical patent/JP2006066462A5/ja
Abandoned legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a crystallization apparatus and method in which melting and crystallizing state of a semiconductor film can be observed in real time, and a growing rate and a direction of the semiconductor film can be measured accurately. <P>SOLUTION: The crystallization apparatus 1 composed of an optical system 2 for irradiating an amorphous semiconductor film 27 provided on a substrate 26 with energy light and melting and crystallizing the amorphous semiconductor film 27 comprises an optical system 30 arranged on the outside of the optical path of energy light and irradiating illumination light for measurement; an optical element 41 for splitting a measuring light beam into a plurality of measuring light beams; lenses 45A and 45B for focusing each measuring light beam on the light receiving surface of a photodetector as the image of the amorphous semiconductor film 27; a plurality of measuring instruments 50A and 50B each including the photodetector and converting each image on the light receiving surface into crystallization information; and an image processor for processing the crystallization information. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、薄膜にエネルギー光を照射して結晶化する装置及び結晶化方法に係り、例えば、非単結晶半導体膜が溶融して結晶化する状態をリアルタイムで観察することが可能であり、しかも非単結晶半導体膜が結晶化する際に結晶化情報を測定することが可能な結晶化装置及び結晶化方法に関する。   The present invention relates to an apparatus and a crystallization method for crystallization by irradiating a thin film with energy light.For example, it is possible to observe in real time a state in which a non-single crystal semiconductor film is melted and crystallized. The present invention relates to a crystallization apparatus and a crystallization method capable of measuring crystallization information when a non-single-crystal semiconductor film is crystallized.

任意の基板、例えばシリコン基板上に集積回路を形成できる薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)回路が多方面に実用されている。このTFTは、現在のところ基板上に設けられた非晶質半導体膜に形成された装置が一般的であり、このTFTのキャリア移動度は、0.5〜1.0cm/Vsecである。高精細液晶表示装置(LCD:Liquid-Crystal Display)を形成するためには、さらにキャリア移動度の大きなTFTが要求されており、現在では多結晶化された半導体膜に形成されたTFTが実用され始めている。多結晶化された半導体膜に形成されたTFTは、キャリア移動度が非晶質半導体膜に形成されたものより2桁程度大きな値であり、高性能な特性を示している。 Thin film transistor (TFT) circuits that can form integrated circuits on an arbitrary substrate, for example, a silicon substrate, have been put into practical use in many fields. This TFT is generally a device formed on an amorphous semiconductor film provided on a substrate at present, and the carrier mobility of this TFT is 0.5 to 1.0 cm 2 / Vsec. In order to form a high-definition liquid crystal display (LCD), TFTs with higher carrier mobility are required, and TFTs formed on polycrystalline semiconductor films are now in practical use. I'm starting. A TFT formed on a polycrystalline semiconductor film has a carrier mobility that is about two orders of magnitude larger than that formed on an amorphous semiconductor film, and exhibits high performance characteristics.

本発明者らは、キャリア移動度がさらに1桁程度高い結晶化半導体膜にTFTを形成する技術を研究し、その工業化技術を開発している。すなわち、TFT回路を形成する非晶質半導体膜の予め定められた領域に、大きな結晶粒を有する結晶化領域を形成する技術である。大きな結晶粒とは、少なくとも1個若しくは複数個のTFTの活性領域が1個の単結晶粒内に形成できる大きさを有する結晶粒である。TFTの活性領域が1個の単結晶領域内に形成されることは、TFTの特性バラツキが制御され、品質管理されたTFT回路を形成できることである。   The present inventors have studied a technique for forming a TFT in a crystallized semiconductor film having a carrier mobility that is about an order of magnitude higher, and have developed an industrialization technique. That is, this is a technique for forming a crystallized region having large crystal grains in a predetermined region of an amorphous semiconductor film that forms a TFT circuit. A large crystal grain is a crystal grain having such a size that an active region of at least one or a plurality of TFTs can be formed in one single crystal grain. The fact that the active region of the TFT is formed in one single crystal region means that the TFT characteristic variation is controlled and a quality-controlled TFT circuit can be formed.

エネルギー光、例えば、大エネルギーの短パルス状レーザー光を用いて非単結晶半導体膜を溶融して、結晶化する結晶化技術は、TFTを形成する半導体膜、例えば、非晶質半導体膜を結晶化するために使用されている。このような結晶化技術の中で、特に、位相変調したエキシマレーザー光を照射する結晶化(Phase Modulated Excimer Laser Annealing:PMELA)技術が注目されている。PMELA技術では、ホモジナイズされたパルス状エキシマレーザー光を位相変調素子、例えば、位相シフタに入射して、位相変調された所定の光強度分布を有するエキシマレーザー光を形成する。このレーザー光を、例えば、大面積のガラス基板上に形成した非晶質シリコン膜若しくは多結晶シリコン膜に照射し、シリコン膜を溶融して結晶化する方法である。このPMELA技術によれば、非単結晶シリコン膜は、1回の照射で数μmから10μm程度の大きさで比較的一様な結晶粒を有する品質の優れた結晶化シリコン膜に形成される。この結晶化は、瞬時、例えば、100〜150ナノ秒間に完了する。この詳細は、非特許文献1に記載されている。   A crystallization technique that melts and crystallizes a non-single crystal semiconductor film using energy light, for example, a high-energy short pulse laser beam, is a method for crystallizing a semiconductor film that forms a TFT, for example, an amorphous semiconductor film. It is used to Among such crystallization techniques, a crystallization technique (Phase Modulated Excimer Laser Annealing: PMELA) that emits phase-modulated excimer laser light has attracted attention. In the PMELA technique, a homogenized pulsed excimer laser beam is incident on a phase modulation element, for example, a phase shifter, to form an excimer laser beam having a predetermined phase intensity distribution. In this method, for example, an amorphous silicon film or a polycrystalline silicon film formed on a large-area glass substrate is irradiated with this laser light, and the silicon film is melted and crystallized. According to this PMELA technique, the non-single-crystal silicon film is formed into a crystallized silicon film having a quality of about several μm to 10 μm and relatively uniform crystal grains by one irradiation. This crystallization is completed in an instant, for example, 100-150 nanoseconds. The details are described in Non-Patent Document 1.

このような結晶化製造技術を工業化するためには、上記した瞬時に結晶化される状態をその場観察できる技術が要求されている。   In order to industrialize such a crystallization manufacturing technique, a technique capable of in-situ observation of the state of instant crystallization described above is required.

結晶化された半導体薄膜の結晶性評価方法が、例えば、特許文献1に開示されている。この方法では、結晶化した後の多結晶シリコン薄膜に測定光を照射して、その反射光を分光解析して多結晶シリコン薄膜の結晶性を測定する。この特許文献1には、ここで要求されている半導体膜の結晶化過程をその場観察する技術は、開示されていない。
特開2001−257176号公報 井上弘毅、中田充、松村正清;電子情報通信学会論文誌 Vol.J85-C, No.8, pp.624-629, 2002、「シリコン薄膜の振幅・位相制御エキシマレーザー溶融再結晶化方法−新しい2−D位置制御大結晶粒形成法−」
For example, Patent Document 1 discloses a method for evaluating crystallinity of a crystallized semiconductor thin film. In this method, the crystallized polycrystalline silicon thin film is irradiated with measurement light, and the reflected light is spectrally analyzed to measure the crystallinity of the polycrystalline silicon thin film. This Patent Document 1 does not disclose a technique for in-situ observation of a crystallization process of a semiconductor film required here.
JP 2001-257176 A Hiroaki Inoue, Mitsuru Nakada, Masayoshi Matsumura; Transactions of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers Vol.J85-C, No.8, pp.624-629, 2002, “Amplitude / Phase Controlled Excimer Laser Melting Recrystallization Method for Silicon Thin Films-New 2-D Position Control Large Grain Formation Method ”

現在開発されているレーザー結晶化装置では、結晶粒が成長する方向を1方向に制御できていない。また、レーザー結晶化技術は、現在は、1次元的な結晶成長を行っているが、将来、より大面積の結晶粒を得るために、2次元的な結晶成長を目指すことも考えられる。   In the currently developed laser crystallization apparatus, the growth direction of crystal grains cannot be controlled in one direction. The laser crystallization technology currently performs one-dimensional crystal growth, but it is also conceivable to aim for two-dimensional crystal growth in order to obtain crystal grains with a larger area in the future.

それゆえ、任意の方向に結晶粒が成長しても、その成長速度と成長方向との両者を正確に測定できる測定システムを開発することが課題になっている。   Therefore, it has been a challenge to develop a measurement system that can accurately measure both the growth rate and the growth direction even when crystal grains grow in an arbitrary direction.

本発明の目的は、半導体膜が溶融して、結晶化する状態をリアルタイムで観察することが可能であり、しかも半導体薄膜の、例えば、成長速度及び成長方向を正確に測定することが可能な結晶化装置及び結晶化方法を提供することである。   An object of the present invention is to allow a semiconductor film to be melted and crystallized in real time, and to measure the growth rate and growth direction of a semiconductor thin film accurately, for example. It is to provide a crystallization apparatus and a crystallization method.

前記の課題及び問題点は、下記の結晶化装置及び結晶化方法により解決される。   The above problems and problems are solved by the following crystallization apparatus and crystallization method.

本発明の1態様による結晶化装置は、基板に設けられた非単結晶半導体膜にエネルギー光を照射して、この非単結晶半導体膜を溶融して結晶化する結晶化用光学系を具備する結晶化装置であって、前記エネルギー光の光路外に配置され、前記非単結晶半導体膜に測定用の照明光を照射する測定用照明光学系と、前記非単結晶半導体膜からの測定光を複数の測定光に分割する光学素子と、前記光学素子により分割された各々の測定光を拡大し、この各々の測定光を光検出器の受光面に前記非単結晶半導体膜の像としてそれぞれ結像するレンズと、前記光検出器を含み、前記受光面に結像された前記非単結晶半導体膜の像のそれぞれを結晶化情報に変換する複数の計測器と、前記複数の計測器からの結晶化情報を処理する画像処理装置とを具備することを特徴とする。   A crystallization apparatus according to one embodiment of the present invention includes a crystallization optical system that irradiates a non-single crystal semiconductor film provided on a substrate with energy light and melts and crystallizes the non-single crystal semiconductor film. A crystallization apparatus, disposed outside the optical path of the energy light, and measuring illumination optical system for irradiating the non-single crystal semiconductor film with measurement illumination light; and measuring light from the non-single crystal semiconductor film An optical element that divides the light into a plurality of measurement lights, and each of the measurement lights divided by the optical element are enlarged, and each of the measurement lights is connected as an image of the non-single crystal semiconductor film to a light receiving surface of a photodetector. A plurality of measuring instruments each including an image lens, the photodetector, and converting each of the images of the non-single-crystal semiconductor film formed on the light receiving surface into crystallization information; and An image processing apparatus for processing crystallization information It is characterized in.

本発明の他の1態様による結晶化方法は、エネルギー光を射出する工程と、前記エネルギー光を基板に設けられた非単結晶半導体膜に照射し、この非単結晶半導体膜を溶融して結晶化する工程と、前記エネルギー光の照射領域を測定用照明光で照明する工程と、前記非単結晶半導体膜からの測定光を分割する工程と、前記分割された各々の測定光を検出する工程と、前記検出された測定光を各々の結晶化情報に変換するする工程と、前記結晶化情報を処理するする工程とを具備することを特徴とする。   A crystallization method according to another aspect of the present invention includes a step of emitting energy light, irradiating the energy light to a non-single crystal semiconductor film provided on a substrate, and melting the non-single crystal semiconductor film to form a crystal. The step of illuminating the irradiation region of the energy light with the measurement illumination light, the step of dividing the measurement light from the non-single crystal semiconductor film, and the step of detecting each of the divided measurement lights And a step of converting the detected measurement light into each crystallization information, and a step of processing the crystallization information.

本発明によれば、半導体膜が溶融して、結晶化する状態をリアルタイムで観察することが可能であり、半導体薄膜の、例えば、成長速度及び成長方向を正確に測定することが可能な結晶化装置及び結晶化方法を提供できる。   According to the present invention, it is possible to observe in real time a state in which a semiconductor film is melted and crystallized, and crystallization capable of accurately measuring, for example, a growth rate and a growth direction of a semiconductor thin film. An apparatus and a crystallization method can be provided.

ELA装置の工業化に向けた課題に、結晶化工程の歩留まり向上、安定した品質の管理などがある。これらの課題を解決するために結晶化させている(若しくは結晶化した)領域をその場で(リアルタイムに)測定することが望まれている。本発明の実施形態は、エネルギー光、例えば、パルス状エキシマレーザー光を結晶化を行う被処理基板に設けられた半導体膜の、例えば、4mmから25mm程度の面積の領域に照射して、溶融、凝固させて結晶化を行う、わずか数10nsの期間におけるμmオーダーの測定領域の状態変化をリアルタイムで測定して、結晶化情報、例えば、結晶化している結晶粒の成長速度及び成長方向を測定することが可能な結晶化装置および結晶化方法である。 Problems for the industrialization of ELA devices include yield improvement in the crystallization process and stable quality control. In order to solve these problems, it is desired to measure a crystallized (or crystallized) region in situ (in real time). Embodiments of the present invention, energy light, for example, of a semiconductor film provided a pulsed excimer laser beam to the target substrate of crystallizing, for example, by irradiating a 4 mm 2 in the area of 25 mm 2 around the area, Melting and solidifying to crystallize, measuring the state change in the measurement area of the order of μm in a period of only a few tens of ns in real time to determine the crystallization information, for example, the growth rate and direction of crystallized crystal grains A crystallization apparatus and a crystallization method that can be measured.

本発明による実施形態の構成例を、以下に図面を用いて説明する。図1に示したように、本実施形態の結晶化装置1は、結晶化用光学系2及び顕微測定システム3とを備える。結晶化用光学系2は、基板26に設けられた半導体膜27、例えば、非晶質シリコン薄膜を溶融して、結晶化させるためのエネルギー光、例えば、エキシマレーザー光を半導体薄膜27の所定の場所に照射する。顕微測定システム3は、半導体薄膜27の溶融し、結晶化している部分を測定する。顕微測定システム3は、半導体薄膜27上の測定場所に測定用照明光を照射する測定用照明光学系30、及び半導体薄膜27が溶融して結晶化する状態を測定する測定光学系40とを備える。測定光学系40は、複数の、例えば、2組の計測器50A,50Bを備え、各々が、互いに実質的に異なる方向から半導体薄膜27が結晶化する状態、すなわち結晶化情報を測定するように配置されている。結晶化の状態、例えば、結晶粒が成長する状態を2方向からリアルタイムで測定した結果を合成し、2次元プロットすることにより結晶粒の実際の成長速度、及び成長方向を正確に求めることができる。   A configuration example of an embodiment according to the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the crystallization apparatus 1 of this embodiment includes a crystallization optical system 2 and a microscopic measurement system 3. The crystallization optical system 2 uses a predetermined energy of the semiconductor thin film 27 to emit energy light, for example, excimer laser light, for melting and crystallizing a semiconductor film 27 provided on the substrate 26, for example, an amorphous silicon thin film. Irradiate the place. The microscopic measurement system 3 measures a melted and crystallized portion of the semiconductor thin film 27. The microscopic measurement system 3 includes a measurement illumination optical system 30 that irradiates measurement illumination light on a measurement location on the semiconductor thin film 27 and a measurement optical system 40 that measures a state in which the semiconductor thin film 27 is melted and crystallized. . The measurement optical system 40 includes a plurality of, for example, two sets of measuring instruments 50A and 50B, each of which measures the state in which the semiconductor thin film 27 is crystallized from substantially different directions, that is, crystallization information. Has been placed. The actual growth rate and growth direction of the crystal grains can be accurately obtained by synthesizing the results of real-time measurement of the crystallization state, for example, the state in which the crystal grains grow from two directions, and plotting it two-dimensionally. .

まず、結晶化用光学系2について説明する。本実施形態で用いた結晶化用光学系2は、位相変調素子24、例えば、位相シフトマスク、を縮小して半導体薄膜27上に投影することができる、縮小投影型の光学系である。   First, the crystallization optical system 2 will be described. The crystallization optical system 2 used in this embodiment is a reduction projection type optical system that can reduce the phase modulation element 24, for example, a phase shift mask, and project it onto the semiconductor thin film 27.

結晶化用光学系2は、レーザー光源21と、ビームエキスパンダ22と、ホモジナイザ23と、位相変調素子、例えば、位相シフタ24と、結像光学系25と、被処理基板26を予め定められた位置に案内する基板保持ステージ28とを具備する。レーザー光源21からのパルス状エキシマレーザー光は、ビームエキスパンダ22で拡大され、ホモジナイザ23により面内の光強度が均一化され、位相シフタ24に照射される。位相シフタ24は、入射したエキシマレーザー光を所望の光強度分布、例えば、逆ピーク状光強度分布を有する光に変調する光学素子である。位相シフタ24を透過したエキシマレーザー光は、結像光学系25、例えば、エキシマ結像光学系を介して被処理基板26上に形成された非単結晶半導体薄膜27を照射する。   In the crystallization optical system 2, a laser light source 21, a beam expander 22, a homogenizer 23, a phase modulation element such as a phase shifter 24, an imaging optical system 25, and a substrate to be processed 26 are predetermined. And a substrate holding stage 28 for guiding the position. The pulsed excimer laser light from the laser light source 21 is expanded by the beam expander 22, the in-plane light intensity is made uniform by the homogenizer 23, and the phase shifter 24 is irradiated. The phase shifter 24 is an optical element that modulates incident excimer laser light into light having a desired light intensity distribution, for example, an inverse peak light intensity distribution. The excimer laser light transmitted through the phase shifter 24 irradiates a non-single crystal semiconductor thin film 27 formed on the substrate to be processed 26 via an imaging optical system 25, for example, an excimer imaging optical system.

レーザー光源21は、被処理基板26に設けられた非単結晶半導体薄膜27、例えば、非晶質若しくは多結晶半導体膜を溶融するに充分なエネルギー、例えば、1J/cm2を有するパルス状レーザー光を出力する。レーザー光は、例えば、波長248nmのフッ化クリプトン(KrF)エキシマレーザー光が好ましい。その他、塩化キセノン(XeCl)エキシマレーザー光、フッ化アルゴン(ArF)エキシマレーザー光、アルゴン(Ar)レーザー光、YAGレーザー光、イオンビーム、電子ビーム、キセノン(Xe)フラッシュランプ等のエネルギー光を使用できる。例えば、エキシマレーザー光源21は、パルス発振型であり、発振周波数は、例えば、100Hzから300Hzであり、パルス幅は、半値幅で、例えば、20nsecから100nsecである。本実施形態では、半値幅が25nsecのパルス状KrFエキシマレーザー光を使用している。また、半導体薄膜27上に照射されるKrFエキシマレーザー光の光エネルギーは、1J/cm程度である。発振周波数を、例えば、100Hzとし、エキシマレーザー光の照射面積を、例えば、2mm×2mmとして、被処理基板26を基板保持ステージ28により、例えば、2mmステップで移動しながらエキシマレーザー光をステップ照射すると、被処理基板26の移動速度は、200mm/secになる。 The laser light source 21 is a pulsed laser beam having an energy sufficient to melt a non-single crystal semiconductor thin film 27 provided on the substrate 26 to be processed, such as an amorphous or polycrystalline semiconductor film, for example, 1 J / cm 2. Is output. The laser light is preferably, for example, krypton fluoride (KrF) excimer laser light having a wavelength of 248 nm. In addition, energy light such as xenon chloride (XeCl) excimer laser light, argon fluoride (ArF) excimer laser light, argon (Ar) laser light, YAG laser light, ion beam, electron beam, xenon (Xe) flash lamp is used. it can. For example, the excimer laser light source 21 is a pulse oscillation type, the oscillation frequency is, for example, 100 Hz to 300 Hz, and the pulse width is a half value width, for example, 20 nsec to 100 nsec. In the present embodiment, pulsed KrF excimer laser light having a half width of 25 nsec is used. Further, the optical energy of the KrF excimer laser light irradiated on the semiconductor thin film 27 is about 1 J / cm 2 . When the oscillation frequency is, for example, 100 Hz, the irradiation area of the excimer laser light is, for example, 2 mm × 2 mm, and the substrate 26 is moved by the substrate holding stage 28 in steps of, for example, 2 mm, excimer laser light is irradiated stepwise. The moving speed of the substrate 26 is 200 mm / sec.

ビームエキスパンダ22は、入射されたレーザー光を拡大する。ホモジナイザ23は、入射したレーザー光の断面XY方向の寸法を決定し、かつ決定した形状内でレーザー光の入射角度に関する均一化、及び位相シフタ24上での面内位置に関するレーザー光強度を均一化する機能を有する。したがって、ホモジナイザ23によりKrFエキシマレーザー光は、所定の角度広がりをもち断面の光強度が均一化された照明光に調光され、位相シフタ24を照射する。   The beam expander 22 expands the incident laser light. The homogenizer 23 determines the size of the incident laser beam in the cross-sectional XY direction, uniformizes the incident angle of the laser beam within the determined shape, and equalizes the laser beam intensity regarding the in-plane position on the phase shifter 24. Has the function to Accordingly, the KrF excimer laser light is modulated by the homogenizer 23 into illumination light having a predetermined angular spread and a uniform light intensity in the cross section, and irradiates the phase shifter 24.

位相シフタ24は、位相変調素子の一例であり、例えば、石英ガラス基板に段差を形成したものである。この段差の境界でレーザー光の回折と干渉をおこさせ、レーザー光強度に周期的な空間分布を付与するものであり、例えば、左右で180°の位相差を付ける。左右で180°の位相差を付けた位相シフタ24は、入射光を左右対称な逆ピーク状の光強度分布を有するレーザー光に位相変調する。段差(厚み分布)dは、レーザー光の波長をλ、位相シフタの透明基板の屈折率nとしたとき、d=λ/2(n−1)で求められる。この式から位相シフタ24は、例えば、石英ガラス基板に所定の位相差に対応する段差を形成することにより製造することができる。石英ガラス基板の厚さの変化は、選択エッチングやFIB(Focused Ion Beam)加工により形成することができる。例えば、石英基板の屈折率を1.46とすると、XeC1エキシマレーザー光の波長が308nmであるから、180°の位相差を付けるための段差は334.8nmになる。位相シフタ24は、入射光を位相変調して大粒径の結晶性成長を可能にする逆ピーク状光強度分布を形成するように段差が形成されている。これにより、エキシマレーザー光の位相は、位相シフト部を境に半波長だけシフトする。この結果、半導体膜を照射するパルス状エキシマレーザー光は、位相のシフト部に対応した箇所が最小光強度となる逆ピークを有する光強度分布となる。この方法によれば、他の方法で用いられるようなメタルパターンによるエキシマレーザー光の遮蔽なしに所定のビーム光強度分布を実現できる。   The phase shifter 24 is an example of a phase modulation element. For example, a step is formed on a quartz glass substrate. The laser beam is diffracted and interfered at the boundary between the steps to give a periodic spatial distribution to the laser beam intensity. For example, a phase difference of 180 ° is added to the left and right. The phase shifter 24 with a phase difference of 180 ° on the left and right side modulates the incident light into laser light having a left-right symmetric reverse peak light intensity distribution. The level difference (thickness distribution) d is obtained by d = λ / 2 (n−1) where λ is the wavelength of the laser beam and n is the refractive index of the transparent substrate of the phase shifter. From this equation, the phase shifter 24 can be manufactured, for example, by forming a step corresponding to a predetermined phase difference on a quartz glass substrate. The change in the thickness of the quartz glass substrate can be formed by selective etching or FIB (Focused Ion Beam) processing. For example, assuming that the refractive index of the quartz substrate is 1.46, the wavelength of the XeC1 excimer laser light is 308 nm, so that the step for providing a 180 ° phase difference is 334.8 nm. In the phase shifter 24, a step is formed so as to form a reverse peak light intensity distribution that allows phase growth of the large particle size by phase-modulating the incident light. As a result, the phase of the excimer laser light is shifted by a half wavelength with the phase shift portion as a boundary. As a result, the pulsed excimer laser light that irradiates the semiconductor film has a light intensity distribution having a reverse peak where the portion corresponding to the phase shift portion has the minimum light intensity. According to this method, a predetermined beam light intensity distribution can be realized without shielding the excimer laser light by the metal pattern used in other methods.

位相シフタ24を透過したレーザー光は、収差補正されたエキシマ結像光学系25により位相シフタ24と共役関係に設置された被処理基板26に形成された半導体薄膜27上に、所定の光強度分布で結像する。結像光学系25は、例えば、複数枚のフッ化カルシウム(CaF)レンズ及び合成石英レンズからなるレンズ群により構成される。結像光学系25は、例えば、縮小率:1/5、N.A.:0.13、解像力:2μm、焦点深度:±10μm、焦点距離:50mmから70mmの性能を持つ長焦点レンズである。 The laser light transmitted through the phase shifter 24 is distributed in a predetermined light intensity distribution on the semiconductor thin film 27 formed on the substrate 26 to be processed and placed in a conjugate relationship with the phase shifter 24 by the aberration-corrected excimer imaging optical system 25. To form an image. The imaging optical system 25, for example, a lens group including a plurality of calcium fluoride (CaF 2) lenses and synthetic quartz lens. For example, the imaging optical system 25 has a reduction ratio of 1/5, N.I. A. : 0.13, resolving power: 2 μm, depth of focus: ± 10 μm, focal length: a long focal lens having a performance of 50 mm to 70 mm.

結像光学系25は、位相シフタ24と半導体薄膜27とを光学的に共役な位置に配置する。換言すれば、半導体薄膜27は、位相シフタ24と光学的に共役な面(結像光学系の像面)に設置されている。結像光学系25は、レンズ間に開口絞りを備えている。   The imaging optical system 25 arranges the phase shifter 24 and the semiconductor thin film 27 at optically conjugate positions. In other words, the semiconductor thin film 27 is disposed on a surface optically conjugate with the phase shifter 24 (image surface of the imaging optical system). The imaging optical system 25 includes an aperture stop between the lenses.

結晶化を行う被処理基板26は、一般に、基板上に絶縁膜を介して被処理膜を形成し、この膜上にキャップ膜として絶縁膜を設けたものである。基板26は、例えば、透明のガラス基板、プラスチック基板、シリコン等の半導体基板(ウェハ)が用いられる。被処理膜は、非単結晶半導体薄膜27であり、例えば、非晶質シリコン膜、多結晶シリコン膜、スパッタされたシリコン膜、シリコンゲルマニウム膜、脱水素処理をした非晶質シリコン膜である。本実施形態で使用した被処理基板は、ガラス基板26上に脱水素処理をした非晶質シリコン薄膜27を絶縁膜を介して所望の厚み、例えば、50nmの厚さに形成し、この非晶質シリコン薄膜27にキャップ膜として酸化シリコン膜を形成したものである。被処理基板は、基板26を予め定められた位置に保持するためのX、Y、及びZ方向に移動可能な基板保持ステージ28に着脱可能に保持される。   In general, the substrate 26 to be crystallized is formed by forming a film to be processed through an insulating film on the substrate and providing an insulating film as a cap film on the film. As the substrate 26, for example, a transparent glass substrate, a plastic substrate, or a semiconductor substrate (wafer) such as silicon is used. The film to be processed is a non-single-crystal semiconductor thin film 27, such as an amorphous silicon film, a polycrystalline silicon film, a sputtered silicon film, a silicon germanium film, or a dehydrogenated amorphous silicon film. The substrate to be processed used in this embodiment is formed by forming an amorphous silicon thin film 27 that has been dehydrogenated on a glass substrate 26 with a desired thickness, for example, 50 nm, through an insulating film. A silicon oxide film is formed on the porous silicon thin film 27 as a cap film. The substrate to be processed is detachably held on a substrate holding stage 28 that is movable in the X, Y, and Z directions for holding the substrate 26 at a predetermined position.

上述したように、このレーザー結晶化装置1は、ホモジナイズされたパルス状レーザー光を位相シフタ24により位相変調して逆ピーク状光強度分布の結晶化用レーザー光を形成し、このレーザー光を半導体薄膜27に照射する投影型結晶化装置である。この光パターンによって溶融したシリコン薄膜27は、水平方向に温度勾配が形成される。レーザー光照射後の降温過程でこの温度勾配にしたがって凝固し、水平方向に結晶化が進み、例えば、5から10μm程度の大粒径の単結晶粒を有する半導体膜を形成することが出来る。   As described above, the laser crystallization apparatus 1 forms a crystallization laser beam having a reverse peak light intensity distribution by phase-modulating the homogenized pulsed laser beam by the phase shifter 24, and this laser beam is converted into a semiconductor. This is a projection type crystallization apparatus for irradiating the thin film 27. The silicon thin film 27 melted by this light pattern forms a temperature gradient in the horizontal direction. In the temperature lowering process after laser light irradiation, solidification is performed according to this temperature gradient, and crystallization progresses in the horizontal direction. For example, a semiconductor film having a single crystal grain with a large grain size of about 5 to 10 μm can be formed.

この結晶化プロセスは、超高速の変化であり、パルス状レーザー光の照射時間を、例えば、10nsから100nsとすると、結晶化は、数10nsの極めて短時間で終了する。このパルス状レーザー光の照射中に非晶質シリコン薄膜27は、1400℃以上の高温に加熱され溶融する。その後、急速な冷却・凝固過程を経て、例えば、5から10μm程度の大粒径の単結晶粒を有する半導体薄膜27になる。この超高速の結晶化過程を観察・測定するために、本実施形態では、保持ステージ28の下面側に、結晶化プロセスを顕微測定するための顕微測定システム3を設けてある。顕微測定システム3は、測定用照明光学系30と測定光学系40とから構成される。測定光学系40は、複数の計測器、例えば、2組の計測器50A,50Bを備える。   This crystallization process is a very high-speed change. If the irradiation time of the pulsed laser beam is set to, for example, 10 ns to 100 ns, the crystallization is completed in an extremely short time of several tens of ns. During irradiation with the pulsed laser beam, the amorphous silicon thin film 27 is heated to a high temperature of 1400 ° C. or higher and melted. Thereafter, through a rapid cooling and solidification process, the semiconductor thin film 27 having a single crystal grain having a large grain size of, for example, about 5 to 10 μm is obtained. In this embodiment, in order to observe and measure this ultrafast crystallization process, a microscopic measurement system 3 for microscopically measuring the crystallization process is provided on the lower surface side of the holding stage 28. The microscope measurement system 3 includes a measurement illumination optical system 30 and a measurement optical system 40. The measurement optical system 40 includes a plurality of measuring instruments, for example, two sets of measuring instruments 50A and 50B.

先ず、測定用照明光学系30について説明する。測定用照明光学系30は、結晶化用光学系2の光路外に設置される。測定用照明光学系30は、例えば、測定用照明光源31と、ビームエキスパンダ33と、ホモジナイザ35と、顕微対物レンズ37とを含む。測定用照明光源31から射出された測定用照明光は、ビームエキスパンダ33により拡大され、ホモジナイザ35により半導体薄膜27上の照射領域での測定用照明光強度分布が均一になるように調整される。ホモジナイザ35を出た測定用照明光は、顕微対物レンズ37により半導体薄膜27上の結晶化プロセス領域を照明する。ここで、結晶化プロセス領域とは、結晶化用エネルギー光に照射されて半導体薄膜27が、溶融プロセスから凝固プロセスに移行し、結晶化を完了するまでの過程を実行している領域をいう。   First, the measurement illumination optical system 30 will be described. The measurement illumination optical system 30 is installed outside the optical path of the crystallization optical system 2. The measurement illumination optical system 30 includes, for example, a measurement illumination light source 31, a beam expander 33, a homogenizer 35, and a microscopic objective lens 37. The measurement illumination light emitted from the measurement illumination light source 31 is expanded by the beam expander 33 and adjusted by the homogenizer 35 so that the measurement illumination light intensity distribution in the irradiation region on the semiconductor thin film 27 becomes uniform. . The measurement illumination light emitted from the homogenizer 35 illuminates the crystallization process region on the semiconductor thin film 27 by the microscopic objective lens 37. Here, the crystallization process region is a region in which the semiconductor thin film 27 is irradiated with crystallization energy light and the semiconductor thin film 27 shifts from a melting process to a solidification process and completes crystallization.

測定用照明光源31は、ナノ秒オーダーの時間分解能の観測を可能にするため、強度の高い光源、例えば、キセノン(Xe)フラッシュランプあるいはアルゴン(Ar)レーザー光、ヘリウム−ネオン(He−Ne)レーザー光等の可視レーザー光を出射する光源である。測定用照明光の照射期間は、結晶化用エネルギー光の照射期間の一部を含むことができる。測定用照明光が、結晶化用レーザー光の照射タイミングに合わせて所定のタイミングで発生されるように、測定用照明光源31は、タイミング制御機構(図示してない)に接続されている。   The measurement illumination light source 31 is capable of observing time resolution on the order of nanoseconds, so that it is a high intensity light source such as a xenon (Xe) flash lamp or an argon (Ar) laser beam, helium-neon (He-Ne). It is a light source that emits visible laser light such as laser light. The irradiation period of the measurement illumination light can include a part of the irradiation period of the crystallization energy light. The measurement illumination light source 31 is connected to a timing control mechanism (not shown) so that the measurement illumination light is generated at a predetermined timing in accordance with the irradiation timing of the crystallization laser light.

測定用照明光源31から射出された測定用照明光の強度分布は、通常、一様な分布ではなくガウス分布にしたがった光強度分布を持つ。結晶粒の成長は、後で述べるように、非単結晶半導体薄膜27からの反射光若しくは透過光の強度分布を測定する。そのため、ホモジナイザ35によって、断面内で一様な光強度分布を有する測定用照明光に変換することが好ましい。   The intensity distribution of the measurement illumination light emitted from the measurement illumination light source 31 usually has a light intensity distribution according to a Gaussian distribution instead of a uniform distribution. For the growth of crystal grains, as described later, the intensity distribution of reflected light or transmitted light from the non-single-crystal semiconductor thin film 27 is measured. For this reason, it is preferable to convert the measurement illumination light having a uniform light intensity distribution in the cross section by the homogenizer 35.

次に結晶化プロセス状態を撮像し表示する測定光学系40について説明する。ここでは、図1に示した半導体薄膜27から反射した測定照明光を、2組の計測器50A,50Bで測定する場合を例に説明する。半導体薄膜27で反射した測定光は、結晶化プロセス領域からの反射光を拡大し結像する顕微対物レンズ37を通り、ハーフミラー41で分割される。ハーフミラー41で反射され光路を変えられた一方の測定光は、結像レンズ45Aにより第1の計測器50Aの受光面にサブμmの高分解能で結像する。ハーフミラー41を透過した他方の測定光は、反射鏡43で第1の計測器とは異なる方向に向きを変えられ、結像レンズ45Bにより第2の計測器50Bの受光面に結像する。計測器50A,50Bの構成は同一であることが好ましいが、所望の機能を備えていれば異なる構成の計測器を用いることができる。   Next, the measurement optical system 40 that images and displays the crystallization process state will be described. Here, a case where the measurement illumination light reflected from the semiconductor thin film 27 shown in FIG. 1 is measured by two sets of measuring instruments 50A and 50B will be described as an example. The measurement light reflected by the semiconductor thin film 27 is divided by the half mirror 41 through the microscopic objective lens 37 that forms an image by enlarging the reflected light from the crystallization process region. One measurement light reflected by the half mirror 41 and whose optical path is changed is imaged on the light receiving surface of the first measuring instrument 50A with a high resolution of sub μm by the imaging lens 45A. The other measurement light transmitted through the half mirror 41 is redirected by the reflecting mirror 43 in a direction different from that of the first measuring instrument, and is imaged on the light receiving surface of the second measuring instrument 50B by the imaging lens 45B. The configurations of the measuring instruments 50A and 50B are preferably the same, but measuring instruments having different configurations can be used as long as they have a desired function.

2組の計測器50A,50Bは、図2に示したように、測定光の光軸に垂直な平面内で実質的に異なる2方向から計測するように配置してある。図2は、測定光の入射方向から見た図であり、測定光は、2重丸で示したように紙面に垂直な方向で上から下へ向かって進行する。ハーフミラー41に入射した測定光の一部は、第1の計測器50Aが配置されている第1の方向へ反射され、一部は透過する。ハーフミラー41を透過した測定光は、その下に配置された反射鏡43によって第1の計測器50Aと所定の角度、例えば、45°,90°で配置された第2の計測器50Bに向けて第2の方向に反射される。測定光が反射される第1及び第2の方向は、測定光の光軸に対して垂直な平面内であることが好ましい。   As shown in FIG. 2, the two sets of measuring instruments 50A and 50B are arranged so as to measure from two substantially different directions within a plane perpendicular to the optical axis of the measuring light. FIG. 2 is a diagram viewed from the incident direction of the measurement light, and the measurement light travels from top to bottom in a direction perpendicular to the paper surface as indicated by a double circle. Part of the measurement light incident on the half mirror 41 is reflected in the first direction in which the first measuring instrument 50A is arranged, and part of it is transmitted. The measurement light transmitted through the half mirror 41 is directed to the second measuring instrument 50B arranged at a predetermined angle, for example, 45 ° and 90 ° with the first measuring instrument 50A by the reflecting mirror 43 arranged below the half mirror 41. And reflected in the second direction. The first and second directions in which the measurement light is reflected are preferably in a plane perpendicular to the optical axis of the measurement light.

図3は、1つの計測器50(ここでの説明では、A,Bを省略する)の構成の1例を示したものである。2組の計測器50A,50Bは、同一の構成とすることができる。計測器50は、例えば、顕微対物レンズ37及び結像レンズ45により拡大、結像された結晶化プロセス領域の変化を検出し、表示するための手段として光検出器52と、光検出器52で得られた高分解能の画像を輝度増倍するイメージインテンシファイア54と、この画像を画像データとして取り込む撮像素子56とを含む。撮像素子56からの画像データは、画像処理ユニット58で画像処理される。画像処理ユニット58は、例えば、制御回路、記憶部、表示部を備え、例えば、画像データの解析、画像データの記憶、画像データの表示部等の画像処理を実施する。画像処理ユニット58は2つの計測器50A,50Bで共通に使用される。   FIG. 3 shows an example of the configuration of one measuring instrument 50 (A and B are omitted in the description here). The two sets of measuring instruments 50A and 50B can have the same configuration. The measuring instrument 50 includes, for example, a photodetector 52 and a photodetector 52 as means for detecting and displaying a change in the crystallization process region enlarged and imaged by the microscopic objective lens 37 and the imaging lens 45. An image intensifier 54 that multiplies the obtained high-resolution image by brightness and an image sensor 56 that captures the image as image data are included. Image data from the image sensor 56 is subjected to image processing by an image processing unit 58. The image processing unit 58 includes, for example, a control circuit, a storage unit, and a display unit, and performs image processing such as image data analysis, image data storage, and image data display unit. The image processing unit 58 is used in common by the two measuring instruments 50A and 50B.

顕微対物レンズ37により集光された結晶化プロセス領域で変化している非単結晶半導体薄膜27の像は、光検出器52の受光面である光電面52a上に、結像レンズ45により拡大して結像される。光電面52aには結晶化プロセス領域の所定の部分を所定の方向に測定するためにスリットSが設けられている。スリットSの大きさは、例えば、被処理基板上26で幅1μm以下、長さ数10μm程度の領域に制限することが好ましい。このスリットSの長辺方向に沿って、結晶化プロセス領域からの像の任意の経過時間における光強度分布を測定する。スリットSは、光電面52a上でなくハーフミラー41若しくは反射鏡43と光検出器52との間の任意の位置に設置することもできる。   The image of the non-single crystal semiconductor thin film 27 changing in the crystallization process region collected by the microscopic objective lens 37 is enlarged by the imaging lens 45 on the photocathode 52a which is the light receiving surface of the photodetector 52. To form an image. The photocathode 52a is provided with a slit S for measuring a predetermined portion of the crystallization process region in a predetermined direction. The size of the slit S is preferably limited to a region having a width of 1 μm or less and a length of several tens of μm on the substrate to be processed 26, for example. Along the long side direction of the slit S, the light intensity distribution at an arbitrary elapsed time of the image from the crystallization process region is measured. The slit S can be installed not only on the photocathode 52 a but at any position between the half mirror 41 or the reflecting mirror 43 and the photodetector 52.

光検出器52は、例えば、図4に示すような光電管、例えば、ストリークカメラが好ましい。ストリークカメラとしては、例えば、入射光の像を光電子に変換した後に、再び光に変換し、1次元像を数ナノ秒の高時間分解能で時間とともに変化させることができるストリーク管を利用できる。一般的なストリーク管52は、特殊用途の真空管であり、例えば、図4に示すような構成である。入射光の画像は、スリット状の光電面52aに結像されて受光される。スリット状の像は、結晶化プロセス領域の1次元像である。光電面52aは、この入射光の1次元像を光電子に変換する。光電面52aで発生した光電子線は、掃引電極52b−2を通る。掃引電極52b−2は、X又はY方向に光電子線を掃引するために一対の電極を離間して設けてある。掃引電極52b−2には、掃引電圧SVが掃引回路52b−1から印加される。掃引回路52b−1は、タイミング制御部(図示してない)からのトリガ信号P(図4参照)により制御されるタイミングで、時間により変化する掃引電圧SV(図4参照)を掃引電極52b−2に供給する。光電子線は、掃引電圧の時間変化に応じて曲げられる量が変化し、時間により異なった位置の蛍光板52c上に光電子線の投影像Rを表示する。この投影像Rは、スリット状の1次元像を時間で掃引した2次元像になり、光電面52aで受光した像のナノ秒オーダーの時間変化が、蛍光板52c上の位置の変化として表示される高分解能画像である。ストリーク管52の感度を向上させるために、加速電極52d及び電子増倍器52eの少なくとも1つを一体に組み込むことができる。   The photodetector 52 is preferably a photoelectric tube as shown in FIG. 4, for example, a streak camera. As the streak camera, for example, a streak tube that can convert an image of incident light into photoelectrons, then convert it back to light, and change the one-dimensional image with time with high time resolution of several nanoseconds can be used. The general streak tube 52 is a vacuum tube for special use, and has a configuration as shown in FIG. 4, for example. An image of incident light is imaged and received on a slit-shaped photocathode 52a. The slit-shaped image is a one-dimensional image of the crystallization process region. The photocathode 52a converts this one-dimensional image of incident light into photoelectrons. The photoelectron beam generated on the photocathode 52a passes through the sweep electrode 52b-2. The sweep electrode 52b-2 is provided with a pair of electrodes separated to sweep a photoelectron beam in the X or Y direction. A sweep voltage SV is applied to the sweep electrode 52b-2 from the sweep circuit 52b-1. The sweep circuit 52b-1 generates a sweep voltage SV (see FIG. 4) that changes with time at a timing controlled by a trigger signal P (see FIG. 4) from a timing control unit (not shown). 2 is supplied. The amount of bending of the photoelectron beam is changed according to the time change of the sweep voltage, and the projected image R of the photoelectron beam is displayed on the fluorescent plate 52c at a different position depending on the time. This projected image R becomes a two-dimensional image obtained by sweeping a slit-shaped one-dimensional image with time, and a time change in nanosecond order of the image received by the photocathode 52a is displayed as a change in position on the fluorescent plate 52c. It is a high resolution image. In order to improve the sensitivity of the streak tube 52, at least one of the acceleration electrode 52d and the electron multiplier 52e can be integrally incorporated.

2つの計測器50A,50Bを使用する本実施形態では、両者を同期させて同じタイミングで掃引電圧SVを印加している。これにより、測定結果の時間解析が容易になる。   In the present embodiment using two measuring instruments 50A and 50B, the sweep voltage SV is applied at the same timing by synchronizing the two. This facilitates time analysis of measurement results.

ストリーク管52の蛍光板52c上に形成され、時間で掃引された高分解能の2次元画像は、イメージインテンシファイア54で輝度増倍され、高輝度の2次元光増幅画像を形成する。   The high-resolution two-dimensional image formed on the fluorescent plate 52c of the streak tube 52 and swept in time is multiplied by the luminance by the image intensifier 54 to form a high-luminance two-dimensional light amplification image.

イメージインテンシファイア54の蛍光面に表示された高輝度の2次元光増幅画像は、撮像素子56、例えば、2次元CCD撮像素子により撮像され、画像データに変換される。この画像データは、種々の結晶化情報を含んでいる。CCD撮像素子56は、極めて小さな光量の画像を撮影するため、暗電流を抑制し、S/N比を向上させることが好ましい。そのため、低温(例えば、マイナス数10℃から液体窒素温度程度)で使用する冷却CCD撮像素子が、好ましい。   A high-brightness two-dimensional light amplification image displayed on the phosphor screen of the image intensifier 54 is picked up by an image pickup device 56, for example, a two-dimensional CCD image pickup device, and converted into image data. This image data includes various crystallization information. Since the CCD image sensor 56 captures an image with an extremely small amount of light, it is preferable to suppress dark current and improve the S / N ratio. Therefore, a cooled CCD image sensor used at a low temperature (for example, minus several tens of degrees Celsius to about liquid nitrogen temperature) is preferable.

CCD撮像素子56からの画像データは、画像処理ユニット58、例えば、パソコンの制御回路の制御によって、データ処理、記憶される。データ処理は、例えば、2つの撮像素子56A,56Bからの画像データに基づいて、種々の結晶化情報、例えば、所定時間経過後の結晶粒の成長速度及び成長方向を計算する。画像データ及び計算されたデータは、画像処理ユニット58の記憶部、例えば、メモリに記憶されると、同時に必要に応じて表示部に表示される。表示部に表示されたデータは、結晶化プロセスの担当者によって結晶化の進行状況の監視に使用することができる。さらに、記憶部に画像データが記憶されているので、制御回路の制御により所望する画像を静止画像やスロー画像として抽出し表示部に表示させることもできる。   Image data from the CCD image sensor 56 is processed and stored under the control of an image processing unit 58, for example, a control circuit of a personal computer. In the data processing, for example, based on image data from the two image pickup devices 56A and 56B, various crystallization information, for example, a growth rate and a growth direction of crystal grains after a predetermined time elapses are calculated. When the image data and the calculated data are stored in a storage unit of the image processing unit 58, for example, a memory, they are simultaneously displayed on the display unit as necessary. The data displayed on the display unit can be used for monitoring the progress of crystallization by a person in charge of the crystallization process. Further, since the image data is stored in the storage unit, a desired image can be extracted as a still image or a slow image and displayed on the display unit under the control of the control circuit.

このように顕微測定システム3を構成にすることにより、数ナノ秒オーダーの高時間分解能で、かつサブμmの高空間分解能でリアルタイムの観測をすることが可能となる。   By configuring the microscopic measurement system 3 in this way, it becomes possible to perform real-time observation with a high temporal resolution on the order of several nanoseconds and with a high spatial resolution of sub-μm.

2つの計測器50A,50Bに対するスリットSA,SBは、測定光の光軸に垂直な平面内で任意の方向に配置できる。例えば、スリットSAの長辺を、逆ピーク光強度分布を有する結晶化用レーザー光の谷の方向(以下、Y方向と呼ぶ)に対して直角な方向(以下、X方向と呼ぶ)に配置し、スリットSBの長辺を、X方向に対して45°ずらして配置することができる。上記のX方向は、レーザー光の光強度分布から結晶粒の成長する確率が最も高いとされている方向である。あるいは、2つのスリットSA,SBをX方向に対して互いに逆方向に45°若しくは30°、又は互いに異なる任意の角度をずらせて配置することもできる。   The slits SA and SB for the two measuring instruments 50A and 50B can be arranged in an arbitrary direction within a plane perpendicular to the optical axis of the measuring light. For example, the long side of the slit SA is arranged in a direction (hereinafter referred to as the X direction) perpendicular to the direction of the valley of the crystallization laser light having the reverse peak light intensity distribution (hereinafter referred to as the Y direction). The long side of the slit SB can be shifted by 45 ° with respect to the X direction. The X direction is the direction in which the probability of crystal grain growth is the highest from the light intensity distribution of the laser light. Alternatively, the two slits SA and SB may be arranged at 45 ° or 30 ° opposite to each other in the X direction, or at an arbitrary angle different from each other.

2つのスリットSA,SBの配置、すなわち、2つの計測器50A,50Bの測定方向を実質的に異なる2方向に設定し、それぞれの計測器50A,50Bに入射する測定光のなす角を所定の角度、例えば、45°に設定する。そして測定を、所定の時間間隔、例えば、50ナノ秒毎に繰り返し行う。このようにして得られた2つの計測器による計測結果を合成し、解析することによって、所定の期間における結晶粒の実際の成長方向及び成長速度を求めることができる。この成長速度が、所定の範囲であるかを判断し、結晶化の条件、例えば、結晶化用レーザー光の強度にフィードバックする。このようにして、所望の品質の半導体膜を安定して製造することが可能になる。   The arrangement of the two slits SA and SB, that is, the measurement directions of the two measuring instruments 50A and 50B are set to two substantially different directions, and the angle formed by the measuring light incident on each of the measuring instruments 50A and 50B is set to a predetermined value. The angle is set to 45 °, for example. The measurement is repeated at predetermined time intervals, for example, every 50 nanoseconds. By synthesizing and analyzing the measurement results obtained by the two measuring instruments thus obtained, the actual growth direction and growth rate of crystal grains in a predetermined period can be obtained. It is judged whether the growth rate is within a predetermined range, and the result is fed back to the crystallization conditions, for example, the intensity of the crystallization laser light. In this way, it becomes possible to stably manufacture a semiconductor film having a desired quality.

図5は、本実施形態によるそれぞれの計測器50A,50Bによる測定結果を説明するための図である。ここでは、計測器50Aの測定方向、すなわちスリットSAをX方向に配置し、計測器50Bの測定方向、スリットSBをこれに対して45°ずらせて配置している。2つの計測器50A,50Bによる結晶化プロセスの測定結果を、それぞれ図5(a),(b)に示す。図の横軸がそれぞれのスリットSA,SBの測定方向に対応する。計測器50A,50Bは、結晶化用レーザー光の照射タイミングに同期するように、図4に示したトリガ信号Pによって同時にそれぞれのストリーク管52A,52Bの掃引電圧SVの印加を開始する。ストリーク管52の掃引電界発生器52bは、トリガ信号Pを受信すると、時間とともに変化する掃引電圧SV(図4参照)を時間tの間発生するように掃引回路52b−1に指示し、掃引電極52b−2に掃引電圧SVを印加する。掃引電圧の印加が終了すると、撮像素子56は、イメージインテンシファイア54の蛍光面上の2次元像を画像データとして取り込む。 FIG. 5 is a diagram for explaining the measurement results obtained by the measuring instruments 50A and 50B according to the present embodiment. Here, the measuring direction of the measuring instrument 50A, that is, the slit SA is arranged in the X direction, and the measuring direction of the measuring instrument 50B and the slit SB are shifted by 45 ° with respect to this. The measurement results of the crystallization process by the two measuring instruments 50A and 50B are shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), respectively. The horizontal axis in the figure corresponds to the measurement direction of each slit SA, SB. The measuring instruments 50A and 50B simultaneously start applying the sweep voltage SV of the streak tubes 52A and 52B in response to the trigger signal P shown in FIG. 4 so as to synchronize with the irradiation timing of the crystallization laser light. Sweep field generator 52b of the streak tube 52, upon receiving the trigger signal P, it instructs the sweep circuit 52b-1 to generate between sweep voltage SV (see FIG. 4) the time t s which varies with time, sweep A sweep voltage SV is applied to the electrode 52b-2. When the application of the sweep voltage is completed, the image sensor 56 captures a two-dimensional image on the phosphor screen of the image intensifier 54 as image data.

図5は、前記のようにして得た画像データを説明するための図である。結晶化を行う半導体薄膜27に、位相変調された逆ピーク状光強度分布を有する結晶化用レーザー光を照射すると、照射された半導体薄膜27の領域は溶融する。ここで溶融した領域の温度は、与えられた光強度分布に依存し、逆ピーク状光強度分布に対応して、中央部で低くその両側で高い温度分布になる。結晶化用レーザ光が遮断されると照射領域は、降温する。この降温時の温度勾配は、理想的には、逆ピーク状光強度分布に対応した温度勾配である。したがって、凝固すなわち結晶化は、レーザー光強度分布の谷(Y軸)から始まり、横方向、理想的にはX方向若しくは−X方向に進行する。しかし、前述したように、実際の結晶粒の成長方向は、理想的なX方向若しくは−X方向だけとは限らない。   FIG. 5 is a diagram for explaining the image data obtained as described above. When the semiconductor thin film 27 to be crystallized is irradiated with a crystallization laser light having a phase-modulated reverse peak light intensity distribution, the irradiated region of the semiconductor thin film 27 is melted. Here, the temperature of the melted region depends on the given light intensity distribution, and corresponds to the inverse peak light intensity distribution, and becomes a low temperature distribution at the center and a high temperature distribution on both sides thereof. When the laser beam for crystallization is interrupted, the temperature of the irradiated region is lowered. The temperature gradient at the time of temperature drop is ideally a temperature gradient corresponding to the reverse peak light intensity distribution. Accordingly, solidification, that is, crystallization starts from the valley (Y axis) of the laser light intensity distribution and proceeds in the lateral direction, ideally in the X or −X direction. However, as described above, the actual crystal grain growth direction is not limited to the ideal X direction or −X direction.

シリコン膜は、溶融すると金属的になり可視光を透過しなくなるため測定光を反射する。一方、固体の部分(すなわち、未溶融部分及び結晶化部分)は測定光を透過する。したがって、そのコントラストの変化から結晶化部分と溶融部分とを識別できる。本実施形態では図1に示したようには、シリコン薄膜27からの反射光を測定しているため、溶融部分は明るい像に、結晶化した部分は暗い像になる。図5において、シリコン薄膜27の溶融領域を白領域で示し、固化(結晶化)領域を斜線領域で示している。図5(a),(b)の中心は、レーザー光強度分布の谷の部分(Y軸)に合わせてある。シリコン薄膜27が再結晶化する際の結晶の核形成は、温度が低いこの部分から始まる確率が最も高い。図5(a)において横軸がX方向、すなわちSA方向である。図5の上端が溶融直後であり、全体が明るい像(白領域)である。時間の経過とともに結晶化した暗い部分が中心から広がり、図5の下に向かって結晶化が進行している様子が観測される。図中に太い白ヌキの矢印で示した方向が、それぞれの計測器50A,50Bにおける見かけ上の結晶成長方向である。   The silicon film becomes metallic when melted and does not transmit visible light, and therefore reflects the measurement light. On the other hand, the solid portion (that is, the unmelted portion and the crystallized portion) transmits the measurement light. Therefore, the crystallized portion and the melted portion can be distinguished from the change in contrast. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, since the reflected light from the silicon thin film 27 is measured, the melted portion becomes a bright image, and the crystallized portion becomes a dark image. In FIG. 5, the melting region of the silicon thin film 27 is indicated by a white region, and the solidified (crystallization) region is indicated by a hatched region. The center of FIGS. 5A and 5B is aligned with the valley portion (Y axis) of the laser light intensity distribution. The nucleation of crystals when the silicon thin film 27 is recrystallized has the highest probability of starting from this portion where the temperature is low. In FIG. 5A, the horizontal axis is the X direction, that is, the SA direction. The upper end of FIG. 5 is immediately after melting, and the whole is a bright image (white region). A dark portion crystallized with time elapses from the center, and it is observed that crystallization proceeds toward the bottom of FIG. The direction indicated by the thick white arrows in the figure is the apparent crystal growth direction in each of the measuring instruments 50A and 50B.

図5において、画像の幅は、実際には数100μm以上であるが、ここではその一部を拡大してあり、例えば、20μmである。画像の高さは、掃引電圧SVの印加時間、例えば、t=400nsecに相当する。図中の横線は、結晶化速度を計算するために等時間間隔でデータを抽出する時間を示している。ここでは、例として、間隔を50nsecとした。図5(a),(b)を比較すると、同じ経過時間、例えば、時間tにおける結晶化した領域の幅は、(b)の方が広い。言い換えると、計測器50Bは、計測器50Aよりも成長している結晶粒を斜めから測定していることを示している。すなわち、計測器50Bの測定方向は、計測器50Aの測定方向より実際の結晶粒の成長方向からのずれ角度が大きいことを示している。なお、例えば、図5(a)で、時間t付近から隣接するレーザー光パターンからの結晶化した領域が図の両側から斜線部として現れている。図5は、連続データであるため、データを抽出する時間間隔を任意に設定できる。 In FIG. 5, the width of the image is actually several hundred μm or more, but a part thereof is enlarged here, for example, 20 μm. The height of the image corresponds to the application time of the sweep voltage SV, for example, t S = 400 nsec. The horizontal line in the figure indicates the time for extracting data at equal time intervals in order to calculate the crystallization rate. Here, as an example, the interval is set to 50 nsec. FIG. 5 (a), when comparing the (b), the same elapsed time, for example, the width of the crystallized region at time t 4 is wider towards the (b). In other words, the measuring instrument 50B indicates that the crystal grains grown from the measuring instrument 50A are measured obliquely. In other words, the measurement direction of the measuring instrument 50B indicates that the deviation angle from the actual crystal grain growth direction is larger than the measurement direction of the measuring instrument 50A. Note that, for example, in FIG. 5 (a), the crystallized region from adjacent laser beam pattern appears as shaded portion from both sides of the picture from the vicinity of the time t 4. Since FIG. 5 shows continuous data, the time interval for extracting data can be arbitrarily set.

図6は、図5の時間tからtにおいてデータを抽出し、画像処理によって実際の結晶粒の成長方向G、及び各時間tにおける結晶粒の成長方向での測定光の強度分布を合成した結果である。図6では、光強度分布を図5におけるY軸を起点として表示している。縦軸は、測定光の強度(I)を示しているが、時間毎に原点を下にずらして、グラフが重ならないように表示している。図6に示した、2つの計測器50A,50Bによる測定結果を合成した結果から、結晶成長速度および結晶成長方向が求められる。 FIG. 6 shows the intensity distribution of the measurement light in the actual crystal grain growth direction G and the crystal grain growth direction at each time t n by extracting data from time t 1 to t 6 in FIG. It is the result of synthesis. In FIG. 6, the light intensity distribution is displayed starting from the Y axis in FIG. The vertical axis indicates the intensity (I) of the measurement light, but the origin is shifted downward every time so that the graphs do not overlap. From the result of synthesizing the measurement results obtained by the two measuring instruments 50A and 50B shown in FIG. 6, the crystal growth rate and the crystal growth direction are obtained.

次に、結晶成長速度および結晶成長方向を測定する方法について、図5及び図7を参照して説明する。図7は、図6におけるXY平面内で固液界面が移動する様子を説明するために示した図である。図の左上から右下に延びる線S−nが、ある時刻、例えばtにおける固液界面のXY平面内における位置を表わす。この線の右上側が溶融領域であり、左下側(原点側が結晶化領域である。また、Gで示した白ヌキの矢印は、実際の結晶成長方向を示す。 Next, a method for measuring the crystal growth rate and the crystal growth direction will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a view shown for explaining the movement of the solid-liquid interface in the XY plane in FIG. A line Sn extending from the upper left to the lower right in the figure represents the position of the solid-liquid interface in the XY plane at a certain time, for example, t n . The upper right side of this line is the melting region, and the lower left side (the origin side is the crystallization region. Further, the white arrow indicated by G indicates the actual crystal growth direction.

光強度分布を有するパルス状レーザー光を照射された非晶質シリコン薄膜27の被照射部は、溶融する。この溶融部には、光強度分布に対応する温度勾配が形成される。次に、レーザー光の照射が遮断されると降温過程になり、低温部において結晶核が発生し、凝固すなわち結晶化が進行する。この凝固により生ずる固液界面は、上記温度勾配に応じて横方向(図7のG方向)に移動する。この固液界面の移動、すなわち結晶化が進行する状態を各サンプリング時間毎に模式的に図示したものが、直線S−1、S−2,…である。図7に、図5の測定例の各計測器50A,50BのスリットSA,SBの方向を重ねて示してある。   The irradiated portion of the amorphous silicon thin film 27 irradiated with the pulsed laser beam having the light intensity distribution is melted. A temperature gradient corresponding to the light intensity distribution is formed in the melting part. Next, when the laser light irradiation is interrupted, the temperature lowering process occurs, crystal nuclei are generated in the low temperature portion, and solidification, that is, crystallization proceeds. The solid-liquid interface generated by the solidification moves in the lateral direction (G direction in FIG. 7) according to the temperature gradient. Lines S-1, S-2,... Schematically show the movement of the solid-liquid interface, that is, the state in which crystallization proceeds, for each sampling time. FIG. 7 shows the directions of the slits SA and SB of the measuring instruments 50A and 50B in the measurement example of FIG.

この時、もしも計測器のスリットがSCのように配置され、しかも一つしかないとすると、たまたま結晶成長方向がそのスリットSCに対して垂直または垂直に近い方向であった場合、固液界面がそのスリットSCを一瞬で通過する。そのため、その測定から結晶成長速度を求めることができなくなる。そこで、計測器50、すなわちストリーク管52を2系統用意し、その各々の光電面52aのスリットSA,SBの方向をそれぞれ実質的に異なる方向、例えば90°異なる方向に設置する。このような配置により、結晶成長方向がどの方向であっても必ずその成長速度及び成長方向を求めることが可能になる。   At this time, if the slit of the measuring instrument is arranged like SC and there is only one, if the crystal growth direction happens to be perpendicular or nearly perpendicular to the slit SC, the solid-liquid interface will be Passes through the slit SC in an instant. Therefore, the crystal growth rate cannot be obtained from the measurement. Therefore, two measuring instruments 50, that is, streak tubes 52, are prepared, and the directions of the slits SA and SB of each photocathode 52a are set in substantially different directions, for example, 90 ° different directions. With such an arrangement, it is possible to always obtain the growth rate and direction regardless of the crystal growth direction.

この配置を使用すると結晶成長速度および結晶成長方向を次のようにして測定することができる。測定の手順を図8のフロー図に示す。顕微測定システム3の画像処理ユニット58には、計測器50A,50Bによる半導体薄膜27の結晶化過程の情報が連続データとして記憶されている。   Using this arrangement, the crystal growth rate and crystal growth direction can be measured as follows. The measurement procedure is shown in the flowchart of FIG. In the image processing unit 58 of the microscopic measurement system 3, information on the crystallization process of the semiconductor thin film 27 by the measuring instruments 50A and 50B is stored as continuous data.

まず、ステップ102において、画像処理ユニット58の記憶部から結晶化情報、ずなわち、図5(a)、(b)を読み出す。そして、ステップ104において、ある時刻tにおいて、計測器50Aの光電面SAによる位置Laと計測器50Bの光電面SBによる位置Lbを測定して、画像処理ユニット58の記憶部に時刻tにおけるそれぞれの位置情報として記憶する。同様に、ステップ106において、時刻tにおいて、光電面SAによる位置Laと光電面SBによる測定値Lbを測定し、記憶部に時刻tにおけるそれぞれの位置情報として記憶する。図示しないが以下同様に、時刻t、t・・・におけるそれぞれの位置情報を記憶する。 First, in step 102, crystallization information, that is, FIGS. 5A and 5B are read from the storage unit of the image processing unit 58. FIG. In step 104, at a certain time t 1 , the position La 1 by the photocathode SA of the measuring instrument 50 A and the position Lb 1 by the photocathode SB of the measuring instrument 50 B are measured, and the time t is stored in the storage unit of the image processing unit 58. 1 is stored as each position information in 1 . Similarly, in step 106, at time t 2, the measured value Lb 2 by the position La 2 and the photocathode SB by the photoelectric surface SA is measured and stored as a respective position information at time t 2 in the storage unit. Although not shown, the position information at times t 3 , t 4 .

画像処理ユニット58の記憶部に記憶させた上記の位置情報をもとに、各々の測定器50A,50Bの測定方向SA,SBにおける結晶成長速度を求める。ステップ110において、時刻tからtまでの時間における計測器50Aの測定方向SAの結晶成長速度Uaを式(1)から求める。 Based on the position information stored in the storage unit of the image processing unit 58, the crystal growth rates in the measurement directions SA and SB of the measuring devices 50A and 50B are obtained. In step 110, determine the crystal growth rate Ua measurement direction SA instrument 50A in the time from time t 2 to t 3 from equation (1).

Ua=(La−La)/(t−t) 式(1)
次に、ステップ112において、同様に時刻tからtまでの時間における測定器50Bの測定方向SBの結晶成長速度Ubを式(2)から求める。
Ua = (La 3 −La 2 ) / (t 3 −t 2 ) Formula (1)
Next, in step 112, similarly determine the crystal growth rate Ub measurement direction SB of the meter 50B in the time from time t 2 to t 3 from equation (2).

Ub=(Lb−Lb)/(t−t) 式(2)
したがって、実際の成長方向Gの結晶成長速度Uは、式(3)を用いて以下のように求められる(ステップ114)。
Ub = (Lb 3 -Lb 2) / (t 3 -t 2) (2)
Therefore, the crystal growth rate U in the actual growth direction G is obtained as follows using the equation (3) (step 114).

U=(Ua+Ub1/2 式(3)
さらに、ステップ116において、UaとSA方向の結晶化情報を介して速度ベクトルVaを及びUbとSB方向の結晶化情報を介して速度ベクトルVbを求める。そして、ステップ118において、速度ベクトルVa,Vbのベクトル和を求めることにより結晶成長方向Gを求めることができる。
U = (Ua 2 + Ub 2 ) 1/2 equation (3)
Further, in step 116, the velocity vector Va is obtained through the crystallization information in the Ua and SA directions, and the velocity vector Vb is obtained through the crystallization information in the Ub and SB directions. In step 118, the crystal growth direction G can be obtained by obtaining the vector sum of the velocity vectors Va and Vb.

ここで説明した方法を図5に示した例に適用すると、例えば、時間tとtとの間では、結晶粒の成長速度は、30m/secであり、実際の結晶成長方向Gは、X方向から15°ずれていると求められる。 When the method described here is applied to the example shown in FIG. 5, for example, between the times t 3 and t 4 , the crystal grain growth rate is 30 m / sec, and the actual crystal growth direction G is It is determined that it is deviated by 15 ° from the X direction.

本発明は、前記した実施形態に限定されることなく、変形して実施することができる。また、その一部を省略して使用することもできる。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be carried out by being modified. Also, some of them can be omitted.

顕微測定システム3は、ここで説明した被処理基板26の下側に設置することに限定されることなく、結晶化用レーザー光の光路を遮らないのであれば、被処理基板26の上面側に設置することができる。この設置例として、例えば、結晶化プロセス中の領域に顕微測定用の照明光を斜めに照射し、ここからの反射光を測定する配置がある。あるいは、結晶化用レーザー光を通す窓穴を設けた環状光学素子を用いて顕微測定用の照明光を結晶化用レーザー光とほぼ同軸に結晶化領域に照射し、ここからの反射光若しくは透過光を測定する配置等を使用できる。   The microscopic measurement system 3 is not limited to be installed below the substrate to be processed 26 described here. If the optical path of the crystallization laser light is not blocked, the microscopic measurement system 3 is placed on the upper surface side of the substrate to be processed 26. Can be installed. As an installation example, for example, there is an arrangement in which illumination light for microscopic measurement is obliquely applied to a region in the crystallization process, and reflected light is measured therefrom. Alternatively, an illuminating light for microscopic measurement is irradiated to the crystallization region almost coaxially with the crystallization laser light by using an annular optical element provided with a window hole through which the crystallization laser light passes, and reflected or transmitted from there. An arrangement for measuring light can be used.

さらに、顕微測定システム3は、前記の構成だけでなく以下のようにその一部を省略した構成、あるいは他の構成とすることができる。1つの変形例では、ストリーク管52が加速電極52d若しくは電子増倍器52eを含み、ストリーク管52の出力である1次像の強度が、CCD撮像素子56の感度に対して十分な強度を有する場合、あるいは、CCD撮像素子56の感度が十分に高い場合、イメージインテンシファイア54を省略することができる。   Further, the microscopic measurement system 3 can have not only the above-described configuration but also a configuration in which a part thereof is omitted as follows, or another configuration. In one modification, the streak tube 52 includes an acceleration electrode 52 d or an electron multiplier 52 e, and the intensity of the primary image that is the output of the streak tube 52 has sufficient intensity for the sensitivity of the CCD image sensor 56. In this case, or when the sensitivity of the CCD image sensor 56 is sufficiently high, the image intensifier 54 can be omitted.

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、2組の計測器を用いて実質的に異なる2方向から半導体膜が溶融し、結晶化する状態を高空間分解能かつ高時間分解能でリアルタイムで観測し、結晶粒の成長状態を測定することにより、結晶化する際に結晶粒が所定の方向でなく任意の方向に成長しても、実際の結晶粒の成長速度と成長方向を正確に求めることが可能になる。さらに、この測定結果に基づき、例えば、半導体薄膜27を溶融し結晶化するエキシマレーザー光の出力エネルギー値を補正するようなフィードバックをすることにより、結晶化プロセスの安定化が図られ、高品質な半導体膜を効率よく結晶化することが可能なレーザー結晶化装置及び結晶化方法を提供することができる。   As described above, according to the embodiment of the present invention, the semiconductor film is melted and crystallized from two substantially different directions using two sets of measuring instruments in real time with high spatial resolution and high time resolution. By measuring the growth state of the crystal grains, the actual growth speed and direction of the crystal grains can be accurately determined even if the grains grow in any direction instead of the predetermined direction during crystallization. It becomes possible to ask. Furthermore, based on this measurement result, for example, by performing feedback that corrects the output energy value of excimer laser light that melts and crystallizes the semiconductor thin film 27, the crystallization process is stabilized, and high quality is achieved. A laser crystallization apparatus and a crystallization method capable of efficiently crystallizing a semiconductor film can be provided.

本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形をして実施することが可能である。さらに、前記の実施形態には、種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示された全ての構成要件の中から、いくつかの構成要件が削除されてもよい。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention at the stage of implementation. Furthermore, the above-described embodiment includes various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent requirements. For example, some configuration requirements may be deleted from all the configuration requirements shown in the embodiment.

本発明は、液晶表示装置や有機エレクトロルミネッセンス表示装置等に用いられる薄膜トランジスタ用材料の製造に使用できるほか、非晶質及び多結晶の半導体薄膜をレーザー光照射により溶融、再結晶化させて使用する、例えば、太陽電池用材料薄膜のレーザー結晶化にも利用できる。   The present invention can be used for the production of thin film transistor materials used in liquid crystal display devices, organic electroluminescence display devices, etc., and is used by melting and recrystallizing amorphous and polycrystalline semiconductor thin films by laser light irradiation. For example, it can be used for laser crystallization of a material thin film for a solar cell.

本発明の実施形態を説明するためのシステム構成図である。It is a system configuration diagram for explaining an embodiment of the present invention. 図1の測定光学系を説明するための配置図である。FIG. 2 is a layout diagram for explaining the measurement optical system of FIG. 1. 図1の計測器の構成を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating the structure of the measuring device of FIG. 図3の光検出器の一例であるストリーク管の構成を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating the structure of the streak tube which is an example of the photodetector of FIG. 図5(a),(b)は、本実施形態により観測された測定結果を説明するための図である。FIGS. 5A and 5B are diagrams for explaining the measurement results observed according to the present embodiment. 図5(a),(b)に基づいて合成した測定結果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the measurement result synthesize | combined based on Fig.5 (a), (b). 図7は、測定結果に基づいて結晶成長速度の算出方法を説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining a method of calculating the crystal growth rate based on the measurement result. 図8は、結晶成長速度及び成長方向を求めるための手順を示すフロー図である。FIG. 8 is a flowchart showing a procedure for obtaining the crystal growth rate and the growth direction.

符号の説明Explanation of symbols

1…結晶化装置,2…結晶化用光学系,3…顕微測定システム,30…測定用照明光学系,40…測定光学系,21…レーザー光源,22…ビームエキスパンダ,23…ホモジナイザ,24…位相シフタ,25…結像光学系,26…被処理基板,27…半導体薄膜,28…基板保持ステージ,31…測定用照明光源,33…ビームエキスパンダ,35…ホモジナイザ,37…顕微顕微対物レンズ,41…ハーフミラー,43…反射鏡,45…結像レンズ,50…計測器,52…光検出器(ストリーク管),52a…光電面,52b…掃引電界発生器,52b−1…掃引回路,52b−2…掃引電極,52c…蛍光板,54…イメージインテンシファイア,56…撮像素子,58…画像処理ユニット。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Crystallization apparatus, 2 ... Crystallization optical system, 3 ... Microscopic measurement system, 30 ... Measurement illumination optical system, 40 ... Measurement optical system, 21 ... Laser light source, 22 ... Beam expander, 23 ... Homogenizer, 24 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Phase shifter, 25 ... Imaging optical system, 26 ... Substrate to be processed, 27 ... Semiconductor thin film, 28 ... Substrate holding stage, 31 ... Illumination light source for measurement, 33 ... Beam expander, 35 ... Homogenizer, 37 ... Microscopic objective Lens 41, Half mirror, 43 Reflector, 45 Imaging lens, 50 Measuring instrument, 52 Photo detector (streak tube) 52a Photocathode, 52b Sweep electric field generator, 52b-1 Sweep Circuit 52b-2 ... Sweep electrode 52c ... Fluorescent screen 54 ... Image intensifier 56 ... Image sensor 58 ... Image processing unit

Claims (12)

基板に設けられた非単結晶半導体膜にエネルギー光を照射して、この非単結晶半導体膜を溶融して結晶化する結晶化用光学系を具備する結晶化装置であって、
前記エネルギー光の光路外に配置され、前記非単結晶半導体膜に測定用の照明光を照射する測定用照明光学系と、
前記非単結晶半導体膜からの測定光を複数の測定光に分割する光学素子と、
前記光学素子により分割された各々の測定光を拡大し、この各々の測定光を光検出器の受光面に前記非単結晶半導体膜の像としてそれぞれ結像するレンズと、
前記光検出器を含み、前記受光面に結像された前記非単結晶半導体膜の像のそれぞれを結晶化情報に変換する複数の計測器と、
前記複数の計測器からの結晶化情報を処理する画像処理装置と
を具備することを特徴とする結晶化装置。
A crystallization apparatus comprising a crystallization optical system for irradiating energy light to a non-single crystal semiconductor film provided on a substrate to melt and crystallize the non-single crystal semiconductor film,
A measurement illumination optical system disposed outside the optical path of the energy light and irradiating the non-single crystal semiconductor film with measurement illumination light;
An optical element for dividing the measurement light from the non-single crystal semiconductor film into a plurality of measurement lights;
A lens for enlarging each measurement light divided by the optical element and forming each measurement light as an image of the non-single crystal semiconductor film on a light receiving surface of a photodetector;
A plurality of measuring instruments that include the photodetector and convert each of the images of the non-single-crystal semiconductor film imaged on the light-receiving surface into crystallization information;
An crystallization apparatus comprising: an image processing apparatus that processes crystallization information from the plurality of measuring instruments.
前記複数の計測器は、
前記非単結晶半導体膜の像を検出して結晶化情報に変換する第1の計測器と、
前記第1の計測器と実質的に異なる方向から前記非単結晶半導体膜の像を検出して結晶化情報に変換する第2の計測器と
を具備することを特徴とする請求項1に記載の結晶化装置。
The plurality of measuring instruments are:
A first measuring device that detects an image of the non-single-crystal semiconductor film and converts it into crystallization information;
2. A second measuring instrument configured to detect an image of the non-single-crystal semiconductor film from a direction substantially different from the first measuring instrument and convert the image into crystallization information. Crystallization equipment.
前記第1及び第2の計測器は、前記非単結晶半導体膜からの前記測定光の光軸に垂直な平面内で実質的に異なる2方向から前記非単結晶半導体膜の像を検出して結晶化情報に変換することを特徴とする請求項2に記載の結晶化装置。   The first and second measuring instruments detect an image of the non-single-crystal semiconductor film from two substantially different directions within a plane perpendicular to the optical axis of the measurement light from the non-single-crystal semiconductor film. The crystallization apparatus according to claim 2, wherein the crystallization apparatus converts the information into crystallization information. 前記複数の計測器の各々は、
前記非単結晶半導体膜の像を画像データに変換する撮像素子を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1に記載の結晶化装置。
Each of the plurality of measuring instruments is
The crystallization apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising an imaging element that converts an image of the non-single-crystal semiconductor film into image data.
前記複数の計測器の各々は、
前記受光面である光電面に結像された前記非単結晶半導体膜の像により発生した光電子を増倍させて輝度増倍された蛍光像を形成する蛍光面を有する前記光検出器と、
前記光検出器の蛍光面上の像を画像データに変換する撮像素子とを備えることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1に記載の結晶化装置。
Each of the plurality of measuring instruments is
The photodetector having a phosphor screen that forms a fluorescence image that has been multiplied by photoelectrons generated by an image of the non-single-crystal semiconductor film imaged on the photocathode that is the light-receiving surface;
The crystallization apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising: an image sensor that converts an image on a fluorescent screen of the photodetector into image data.
前記複数の計測器の各々は、
前記受光面である光電面に結像された前記非単結晶半導体膜の像により発生した光電子を増倍させて輝度増倍された蛍光像を形成する蛍光面を有する前記光検出器と、
前記光検出器の蛍光像を増倍して蛍光面に結像するイメージインテンシファイアと、
前記イメージインテンシファイアの蛍光面の像を画像データに変換する撮像素子を備えることを特徴とする、請求項1ないし請求項4のいずれか1に記載の結晶化装置。
Each of the plurality of measuring instruments is
The photodetector having a phosphor screen that forms a fluorescence image that has been multiplied by photoelectrons generated by an image of the non-single-crystal semiconductor film imaged on the photocathode that is the light-receiving surface;
An image intensifier that multiplies the fluorescence image of the photodetector to form an image on the phosphor screen;
5. The crystallization apparatus according to claim 1, further comprising an image sensor that converts an image of a phosphor screen of the image intensifier into image data.
前記画像処理装置は、前記複数の計測器で得られた複数の前記結晶化情報を処理して結晶成長方向若しくはこの結晶成長方向における結晶成長速度のいずれか1、あるいは両者を出力することを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1に記載の結晶化装置。   The image processing apparatus processes a plurality of the crystallization information obtained by the plurality of measuring devices and outputs either one or both of the crystal growth direction and the crystal growth speed in the crystal growth direction. The crystallization apparatus according to any one of claims 1 to 6. エネルギー光を射出する工程と、
前記エネルギー光を基板に設けられた非単結晶半導体膜に照射し、この非単結晶半導体膜を溶融して結晶化する工程と、
前記エネルギー光の照射領域を測定用照明光で照明する工程と、
前記非単結晶半導体膜からの測定光を分割する工程と、
前記分割された各々の測定光を検出する工程と、
前記検出された測定光を各々の結晶化情報に変換するする工程と、
前記結晶化情報を処理するする工程とを
具備することを特徴とする結晶化方法。
A process of emitting energy light;
Irradiating the non-single crystal semiconductor film provided on the substrate with the energy light, and melting and crystallizing the non-single crystal semiconductor film;
Illuminating the irradiation region of the energy light with measurement illumination light;
Dividing the measurement light from the non-single crystal semiconductor film;
Detecting each of the divided measurement lights;
Converting the detected measurement light into respective crystallization information;
And a step of processing the crystallization information.
前記検出する工程は、前記非単結晶半導体膜からの測定光の光軸に垂直な平面内で実質的に異なる2方向から検出することを特徴とする請求項8に記載の結晶化方法。   9. The crystallization method according to claim 8, wherein the detecting step includes detecting from substantially different two directions within a plane perpendicular to an optical axis of measurement light from the non-single-crystal semiconductor film. 前記エネルギー光は、エキシマレーザー光であって、
前記エキシマレーザー光は、所定の光強度分布を有する光に位相変調され、
前記非単結晶半導体膜は、前記位相変調されたエキシマレーザー光を照射され、前記光強度分布に対応した温度分布を形成し、
前記検出する工程は、前記非単結晶半導体膜からの前記温度分布に対応した測定光を検出することを特徴とする、請求項8若しくは請求項9に記載の結晶化方法。
The energy light is excimer laser light,
The excimer laser light is phase-modulated into light having a predetermined light intensity distribution,
The non-single crystal semiconductor film is irradiated with the phase-modulated excimer laser light to form a temperature distribution corresponding to the light intensity distribution,
10. The crystallization method according to claim 8, wherein the detecting step detects measurement light corresponding to the temperature distribution from the non-single-crystal semiconductor film.
前記検出する工程は、前記エネルギー光の前記非単結晶半導体膜への照射中及び照射後に前記分割された各々の測定光を同時に検出することを特徴とする請求項8ないし請求項10のいずれか1に記載の結晶化方法。   11. The detection step according to claim 8, wherein the step of detecting simultaneously detects the divided measurement lights during and after irradiation of the non-single crystal semiconductor film with the energy light. 2. The crystallization method according to 1. 前記処理する工程は、複数の前記結晶化情報から結晶成長方向若しくはこの結晶成長方向における結晶成長速度のいずれか1、あるいは両者を求める工程を具備することを特徴とする請求項8ないし請求項11のいずれか1に記載の結晶化方法。   12. The process according to claim 8, wherein the processing step includes a step of obtaining one or both of a crystal growth direction and a crystal growth rate in the crystal growth direction from a plurality of the crystallization information. The crystallization method according to any one of the above.
JP2004244194A 2004-08-24 2004-08-24 Crystallization apparatus and method Abandoned JP2006066462A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004244194A JP2006066462A (en) 2004-08-24 2004-08-24 Crystallization apparatus and method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004244194A JP2006066462A (en) 2004-08-24 2004-08-24 Crystallization apparatus and method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2006066462A true JP2006066462A (en) 2006-03-09
JP2006066462A5 JP2006066462A5 (en) 2007-07-26

Family

ID=36112699

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004244194A Abandoned JP2006066462A (en) 2004-08-24 2004-08-24 Crystallization apparatus and method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006066462A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007271288A (en) * 2006-03-30 2007-10-18 Graduate School For The Creation Of New Photonics Industries Laser-excited ultrasonic imaging device
US7964035B2 (en) 2007-05-24 2011-06-21 Shimadzu Corporation Crystallization apparatus and crystallization method
JP2015505812A (en) * 2011-12-15 2015-02-26 ガーディアン・インダストリーズ・コーポレーション Lighting solution and / or associated method for an apparatus for vacuum insulated glass (VIG) unit chip-off

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007271288A (en) * 2006-03-30 2007-10-18 Graduate School For The Creation Of New Photonics Industries Laser-excited ultrasonic imaging device
US7964035B2 (en) 2007-05-24 2011-06-21 Shimadzu Corporation Crystallization apparatus and crystallization method
JP2015505812A (en) * 2011-12-15 2015-02-26 ガーディアン・インダストリーズ・コーポレーション Lighting solution and / or associated method for an apparatus for vacuum insulated glass (VIG) unit chip-off

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7232982B2 (en) Crystallization apparatus, crystallization method, method of manufacturing thin film transistor, thin film transistor, and display apparatus
US7292320B2 (en) Laser crystallization apparatus and laser crystallization method
US7345746B2 (en) Method of and apparatus for in-situ monitoring of crystallization state
KR100894512B1 (en) Crystallization apparatus and crystallization method
CN1983513A (en) Laser crystallization apparatus and crystallization method
CN1983511A (en) Laser crystallization apparatus and crystallization method
JP2006040949A (en) Laser crystallization device and laser crystallization method
CN106645236A (en) Ultra-fast transmission electron microscope system and use method thereof
JP2005294801A5 (en)
WO2008066090A1 (en) Pump probe measuring device, and scanning probe microscope apparatus using the device
KR100913618B1 (en) Crystallization apparatus and crystallization method
JP2007214388A (en) Crystallizer and positioning stage
TW200522160A (en) Crystallization apparatus and method, manufacturing method of electronic device, electronic device, and optical modulation element
US7307727B2 (en) Method and apparatus for forming substrate for semiconductor or the like
CN100433245C (en) Laser crystallization apparatus and laser crystallization method
JP2006066462A (en) Crystallization apparatus and method
JP2005236253A (en) Crystallization device and crystallization method
JP2005214726A (en) Light-intensity distribution detection method, light-intensity distribution detecting device, annealing device, and annealing method
US7157677B2 (en) Method of picking up sectional image of laser light
CN111293053A (en) Monitoring system of laser crystallization device
JP2004193589A (en) Method for monitoring treated state or processed state of thin film or treated object and its apparatus
KR20190005862A (en) Process and system for measuring morphological characteristics of a fiber laser annealed polycrystalline silicon film on a flat panel display
JP2006066462A5 (en)
JP4998834B2 (en) Substrate position control method and substrate position control apparatus
JP2007200945A (en) Crystallizer

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20070612

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20070612

A762 Written abandonment of application

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A762

Effective date: 20090408