专利名称：用于评估多晶硅薄膜的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于评估在退火非晶硅时形成的多晶硅薄膜状态的装置。
背景技术：
最近，采用多晶硅薄膜作为其沟道层的薄膜晶体管被投入使用。这种采用多晶硅薄膜的薄膜晶体管大大改进电场的迁移率，使得例如液晶显示设备这样采用薄膜晶体管作为驱动电路设备的电子设备可以大大改进分辨率、工作速度和小型化。
另一方面，所谓低温多晶化工艺的不断发展，其中利用受激准分子激光退火设备对非晶硅进行热处理以形成多晶硅薄膜。通过采用这种低温多晶化工艺作为薄膜晶体管的制造工艺，可以降低对玻璃基片的热损坏，以允许使用廉价的大面积阻热(heat-resistant)玻璃基片。
但是，用于低温多晶化工艺中的受激准分子激光退火设备的激光输出功率不稳定，导致所形成的多晶硅薄膜的粒度明显不均匀。这导致使用受激准分子激光退火设备制备的多晶硅薄膜不一定具有最佳的粒度，从而有时被抛弃。
从而，在利用这种受激准分子激光退火设备来执行退火的传统实践是在多晶硅的多晶化完成阶段执行100％的检查或抽样检查，并且检查形成在该多晶硅薄膜的最上表面上的多晶硅薄膜的晶体状态，从而确定在该阶段是否可接受该产品。另外，关于从受激准分子激光退火设备提供到多晶硅薄膜的能量的信息被反馈到该受激准分子激光退火设备以设置最佳的激光功率。
但是，现在没有能够客观地用无接触方式评估多晶硅薄膜的方法，而存在有一种主观的方法，例如感官方法，其用可见光的显微镜或者扫描电子显微镜来对表面图像拍照，以由操作员通过视觉查看该表面图像，来检查该晶体状态。另外，这种已知的方法具有其它问题，也就是说它不能够用作为一种生产使用的方法，因为它成本较高并且费时。在其它已知的方法中，通过椭圆规(ellipsography)进行的光谱评估方法在定量特性上不令人满意。
发明内容
考虑到本领域的上述状态，本发明的一个目的是提供一种多晶硅薄膜评估装置，从而可以用非接触方式以高精度客观自动地评估所形成的多晶硅薄膜的状态。
本发明提供一种用于评估在不定形硅薄膜退火过程中形成的多晶硅薄膜的装置，其中包括用于放置基片的工作台，该基片承载形成于其上的多晶硅薄膜；用可见光观察的光学系统，该用可见光观察的光学系统把可见光照射在工作台的基片上，用于对基片上的多晶硅薄膜的表面图像进行拍照以实现自动聚焦；用紫外光观察的光学系统，其把紫外光照射在该工作台上的基片上，用于获取在该基片上的多晶硅薄膜的表面图像，利用用可见光观察的光学系统自动聚焦；以及评估装置，用于从由用紫外光观察的光学系统获取的多晶硅薄膜的表面图像而评估该多晶硅薄膜的薄膜表面的空间结构的线性和周期性，以根据该线性和周期性的评估结果评估该多晶硅薄膜的状态。
通过利用根据本发明的用于评估多晶硅薄膜的装置，可以用非接触方式以高精度客观自动地评估所形成的多晶硅薄膜的状态。
图1A示出在多晶硅薄膜的粒度与通过受激准分子激光退火提供的能量之间的关系。
图1B示出相对于提供给功率源薄膜(power source film)的能量的自相关值(AC值)的特性曲线。
图1C示出相对于提供给功率源薄膜的能量的自相关值(AC值)和粒度的特性曲线。
图2A示出利用最佳数值的激光功率在准分子激光退火中获得的多晶硅薄膜的薄膜表面图像。
图2B示出利用低于最佳数值的激光功率在受激准分子激光退火中获得的多晶硅薄膜的薄膜表面图像。
图2C示出利用大于最佳数值的激光功率在受激准分子激光退火中获得的多晶硅薄膜的薄膜表面图像。
图3简要示出在图4中所示的多晶硅薄膜评估装置的主要部分。
图4简要示出根据本发明一个实施例用于评估多晶硅薄膜的装置的主要部分。
图5为在图4中所示的多晶硅薄膜评估装置的光学设置的具体结构的方框图。
图6简要示出图4中所示的整个多晶硅薄膜评估装置。
图7为示出图4中所示的多晶硅薄膜评估装置的操纵杆的设计的放大透视图。
图8为示出常规操纵杆或典型设计的放大透视图。
图9为示出对应于图10的常规形式的示意图。
图10简要示出用于通过把用于紫外光的物镜的WD特意设置为较大数值而防止物镜和基片之间相互影响的装置。
图11为示出用于防止装载在工作台上的基片与工作台发生碰撞的碰撞防止装置的示意图。
图12为示出对应于图11的常规形式的示意图。
图13简要示出图4中所示的多晶硅薄膜评估装置的光学设备。
图14为示出用于控制照明光量的机构的示意图。
图15A至15C为示出在把WD垂直于该工作台在与初始检查WD相同方向上等间距地移动所获得的数据对照的曲线图。
图16A至16C示出具有叠加的亮度的多晶硅薄膜的表面。
图17示出叠加亮度改变的图16A至16C的表面。
具体实施例方式
下面将参照附图具体描述本发明的优选实施例。
体现本发明的多晶硅薄膜评估装置用于检查在具有底部栅极结构的薄膜晶体管(底部栅极TFT)制造过程中形成的多晶硅薄膜。同时底部栅极TFT是一种薄膜晶体管，其中包括顺序叠加在玻璃基片上的从最下层面开始依次为栅电极、栅绝缘膜和多晶硅薄膜(沟道层)的层面。也就是说，底部栅极TFT具有形成在作为沟道层和玻璃基片的多晶硅薄膜之间的栅电极。
同时，决定多晶硅薄膜的电场迁移率的重要因素是多晶硅的粒度。该粒度相当程度上决定于在受激准分子激光退火中施加到多晶硅薄膜上的能量。因此，在受激准分子激光退火工艺过程中的激光能量的控制和稳定化明显影响所完成的底部栅极TFT的特性或成品率。
但是，用于受激准分子激光退火工艺的受激准分子激光退火设备在所发射的激光功率输出中具有严重的波动。因此，如果利用受激准分子激光退火设备进行受激准分子激光退火，则提供给多晶硅薄膜的能量相对于得到最佳粒度的能量的许可范围(多晶硅薄膜的制造容限)具有明显的变化，从而难以实现多晶硅薄膜的稳定生产。
因此，即使在相同条件下执行受激准分子激光退火，多晶硅薄膜的粒度也会严重波动，从而，如果激光功率变得过大，则硅晶体被分割而形成微小尺寸的晶体，产生所谓的线状缺陷，而如果激光功率太小，则该粒度不足，从而产生所谓的写缺陷。
另外，在底部栅极TFT中，栅电极层低于该硅薄膜，从而在激光退火时，在位于玻璃基片上(源/漏区上)的多晶硅薄膜部分中的散热比在位于栅电极上的多晶硅薄膜部分中散热更大。从而，即使从激光退火设备提供的激光能量相同，在位于栅电极上的多晶硅薄膜部分所受到的温度升高与在玻璃基片上(即，在源/漏区上)的多晶硅薄膜部分不同，并且在这些影响下，在栅电极上的多晶硅薄膜的粒度与源/漏区上的多晶硅薄膜的粒度不同。具体来说，利用相同的激光功率，在栅电极上的多晶硅薄膜的粒度比玻璃基片上(在源/漏区上)的多晶硅薄膜粒度更小。
从而，对于底部栅极TFT，需要由准分子激光施加能量，其保证对于栅电极上和玻璃基片上的多晶硅薄膜具有最佳的粒度，从而大大减小多晶硅薄膜的制造容限。
但是，用于受激准分子激光退火的激光退火设备在发射激光功率中具有较大的输出波动，从而难以控制该激光功率，使在栅电极和玻璃基片上的多晶硅薄膜具有最佳的粒度。
因此，在利用受激准分子激光退火设备执行退火处理时，在多晶硅薄膜的多晶化工艺完成之后通过100％测试或通过抽样测试检查形成在多晶硅薄膜的最上表面上的晶体状态，以确认是否在该阶段抛弃该产品。另外，关于施加到多晶硅薄膜上的能量的信息被反馈回受激准分子激光退火设备以设置激光功率。
根据本发明用于评估多晶硅薄膜的装置被用于在多晶硅薄膜的多晶化工艺完成的阶段评估该多晶硅薄膜，以确认在该阶段的产品是否可接受，并且把该信息反馈回受激准分子激光退火设备，以有助于设置该激光能量。
在详细描述根据本实施例的多晶硅薄膜评估光装置之前，仅仅简要说明由本评估装置评估该多晶硅薄膜的原理。
如上文所述，多晶硅粒度显著影响超薄膜晶体管的迁移率。为了实现足够的迁移率，需要较大的多晶硅粒度。
多晶硅薄膜的粒度相当大程度取决于由受激准分子激光退火所提供的能量。如图1A中所示，多晶硅薄膜的粒度随着所提供能量增加而增加，并且当到达或超过由图1A中的L表示的预先设置能量，该粒度被稳定化，从而它仅仅具有可忽略的变化。该能量L被称为最小许可能量。当能量进一步增加时，该粒度变化变得剧烈，并且如果超过由图1A中的H表示作为边界的特定域值时，则该多晶硅变为微小尺寸的晶体。该能量H被称为最大许可能量。
因此，在受激准分子激光退火中，通常的实践是控制该照明的激光功率在从粒度开始稳定化的最小许可能量L到该粒度将要变为微小尺寸晶体的最大许可能量H的范围内，从而实现足够的粒度。通过用在该能量范围内的激光功率的激光照射非晶硅薄膜，可以保证超薄膜晶体管的足够电场迁移率。
把在以最佳激光功率执行受激准分子激光退火情况下在多晶硅薄膜表面上的图像、在以低于最佳激光功率的激光功率执行受激准分子激光退火情况下在多晶硅薄膜表面上的图像以及在以高于最佳激光功率的激光功率执行受激准分子激光退火情况下在多晶硅薄膜表面上的图像相互比较。
图2A至2C示出各个图像。具体来说，图2A示出在以低于最佳激光功率的激光功率执行受激准分子激光退火情况下在多晶硅薄膜表面上的图像，而图2B示出在以最佳激光功率执行受激准分子激光退火情况下在多晶硅薄膜表面上的图像，以及图2C示出在以高于最佳激光功率的激光功率执行受激准分子激光退火情况下在多晶硅薄膜表面上的图像。同时，图2中示出的图像是利用采用紫外光的显微设备拍摄的。该显微设备将在下文中显示描述。
在图2中，受激准分子激光退火的激光扫描方向被表示为X。请注意，用具有直线照射表面的光束照射该非晶硅薄膜，其扫描方向与光线的照射表面的纵向方向相垂直。
如果把在准分子激光退火中的最佳激光功率获得的图2B的图像与其它图像相比较，即图2A和2C的图像，可以得到如下特性。
在受激准分子激光退火中用最佳激光功率获得的在多晶硅薄膜表面上的图2B的图像与在受激准分子激光退火中用非最佳激光功率获得的在多晶硅薄膜上的图2A或2C的图像相比，表现出线性。具体来说，图2B的图像对于图2中的X所表示的激光扫描方向表现出线性。也就是说，用最佳激光功率获得的多晶硅薄膜表面在其空间结构中具有由线性所表示的矩形特征。
另一方面，在受激准分子激光退火中用最佳激光功率获得的多晶硅薄膜表面上的图2B的图像与在受激准分子激光退火中用非最佳激光功率获得的在多晶硅薄膜上的图2A或2C的图像相比，表现出周期性。具体来说，图2B的图像相对于与图2中的Y所表示的激光扫描方向相垂直的方向表现出周期性。也就是说，用最佳激光功率获得的多晶硅薄膜的表面在其空间结构上具有由周期性所表示的矩形特征。为了在光学显微镜下观察该矩形结构，要求该光源的紫外光的波长比用该光学系统的物镜的NA(数值孔径)乘以该周期所获得的数值更短。
从而，通过本实施例的多晶硅薄膜评估装置，利用上述特征来评估和测试多晶硅薄膜的状态。也就是说，通过根据本发明的多晶硅薄膜评估装置，紧接着在受激准分子激光退火之后的多晶硅薄膜的表面图像被数字分析以评估该多晶硅薄膜的表面空间结构是否表现出线性和/或周期性，从而检查该底部栅极TFT的多晶硅薄膜的状态。
具体来说，利用自相关，从多晶硅薄膜的表面图像查找表示周期性的数值(自相关数值或者AC数值)，从而评估多晶硅薄膜表面的空间结构的线性和周期性，以及评估该多晶硅薄膜的状态。
用于评估的工艺次序如下首先，捕获多晶硅薄膜的表面图像。从所捕获的图像计算自相关函数。然后，切割出与包含图像坐标(0，0)的对齐方向相垂直的平面。计算自相关函数的峰值和旁峰值，取得峰值与旁峰值的比率以查找AC值，根据该数值评估多晶硅薄膜。
如图1B中所示，从由受激准分子激光退火提供给多晶硅薄膜的能量的特定数值EB1开始，在AC值在特定能量ET到达最大值之前，该AC值线性增加。该AC值在极大能量ET到达其峰值，并且从此时开始成比例地减小，直到在对应于极小值的特定能量EB2停止其减小的趋势。因此，AC值相对于该能量的提供数值表现出峰值特性。
图1C示出重叠在图1A中所示的多晶硅薄膜的粒度改变特性曲线上的AC值的峰值特性。从图1C中可以看出，表示AC值的峰值特性的曲线的极大值包含在给出多晶硅薄膜的最佳粒度的能量范围内。另外，对应于AC值成比例上升开始位置的能量EB1小于当提供给多晶硅薄膜时得出最佳薄膜粒度的最小许可能量。但是，对应于AC值成比例减小的停止点的极小值的能量EB2对应于最大许可能量H，该能量是对应于多晶硅薄膜的晶体粒度分割为微晶尺寸的阈值能量。
从而，为了从具有上述峰值特性的AC值评估该多晶硅薄膜的粒度是否为最佳，只要验证该AC值在图1C中所示的粗线范围内即可。
为了根据具有这种特性的AC值的评估检查给定的多晶硅薄膜是否可接受，需要检测所检查的基片的AC值是否大于在提供最小许可能量L时得到的阈值ACL。如果所检查的基片的AC值大于该阈值，则认为该被检查的基片可接受，因此通过检查。如果所检查基片AC值小于该阈值ACL，但是如果通过观察特定的特性发现提供了比对应于极大AC值的能量ET更高的能量，则可以判断所检查的基片可接受。
根据具有上述特性的AC值评估，如果从受激准分子激光退火设备发出的激光功率被调节为最佳数值，则多个基片随着受激准分子激光的激光功率改变而受到激光退火。只要把与激光功率的各个数值相关的AC数值描绘在图纸上，特别是如图1B中所示的图上，然后从该图中找出最佳的激光功率即可。
现在详细说明用于利用上述评估原理进行检查用于评估多晶硅薄膜的状态的多晶硅薄膜评估装置的结构。
在本实施例的多晶硅薄膜评估装置中，通过显微设备采用具有266nm波长的紫外激光对用于制造底部栅极TFT的基片成像，该基片是通过对非晶硅薄膜进行受激准分子激光退火而形成的基片，以在其上面形成多晶硅薄膜，并且根据所产生的图像评估所形成的多晶硅薄膜的状态。
图3简要示出本实施例的多晶硅薄膜评估装置的主要部分。如图中所示，该多晶硅薄膜评估装置包括其上面设置基片W的可移动的工作台25、紫外光固体激光源10A、用于紫外光的高灵敏度低噪声CCD摄像机、光纤探测器80、分色镜19、具有多个物镜的旋转装置42以及控制器52。同时，控制器51由用于图像处理的计算机51A和控制计算机51B所构成。
光纤探测器80是用于把从紫外光固体激光源10A发射的紫外激光引导到紫外光照明单元10B的紫外激光的波导路径。从紫外光照明单元10B发出的紫外激光被通过偏振射束分离器21和半波片14发送到分色镜19。
分射镜19把来自紫外光固体激光源10A的紫外激光反射通过旋转装置41的其中一个物镜照到设置在可旋转工作台25上的基片W上，并且使从基片W反射的光线透过以照在用于紫外光的CCD摄像机6上。也就是说，分色镜19是一个激光分离器，用于把来自紫外光固体激光源10A的照射光的光学系统的光路以及到CCD摄像机6的反射光的光学系统的光路相互分离。
提供于旋转装置21上的多个镜头上的多个镜头是用于放大和检测来自基片的反射光的光学元件。这些物镜例如具有0.9的NA，并且纠正在266nm波长处的色差。这些物镜被设置在分色镜19和可移动工作台25之间。
控制计算机51B控制紫外光固体激光源10A的激光发射、可移动工作台25的运动位置或者用于选择物镜的旋转装置42的旋转。另一方面，图像处理计算机51A捕获并分析由提供于CCD摄像机6上的CCD图像传感器所拍摄的基片W的图像，以评估形成在基片W上的多晶硅薄膜的状态。
在上述多晶硅薄膜评估装置中，从紫外光固体激光源10A发射的紫外光通过光纤探测器80、分色镜19并且通过旋转装置42的物镜照射在基片W上。照射在基片W上的紫外激光被从该基片W的表面反射回，所反射的光线通过旋转装置42的物镜并且通过分色镜19照射在CCD摄像机6上。CCD摄像机6用CCD图像传感器对入射的反射光成像、并且把所产生的关于多晶硅薄膜的表面图像信息发送到图像处理计算机51A。该图像处理计算机51A根据如此捕获的多晶硅薄膜图像信息的信息评估多晶硅薄膜的状态，这将在下文中描述。根据评估的结果，该图像处理计算机51A查找在用于产生多晶硅薄膜的受激准分子激光退火时的激光功率设置值，或者确认形成在基片W上的多晶硅薄膜是否可接受。
参见图4和5，下面进一步详细说明多晶硅薄膜评估装置的结构。
参见图4和5，本实施例的多晶硅薄膜评估装置1除了用于提供紫外光的光学系统之外还包括用于提供可见光的光学系统。其理由是用于紫外光的物镜对于在通常用于自动聚焦的可见激光的波长范围内表现出色差，因此难以用于自动聚焦。具体来说，装置1具有可见光照明单元8和紫外光照明单元10，而该旋转装置42具有用于可见光的物镜40a和用于紫外光的物镜40b。在用可见光自动聚焦之后，该旋转装置42被旋转，以从用于可见光的物镜40a切换到用于紫外光的物镜40b，在该状态中，例如紫外光对多晶硅薄膜成像。通过提供用于可见光的光学系统，还可以在显微镜下进行观察。
作为本实施例的自动聚焦系统，可以使用采用刀口检验法、像散差方法或者偏转方法(yaw method)的光学检测系统或者检测图像本身的对比度来进行聚焦(对比度检测方法)的图像处理检测系统。作为该图像处理检测系统，还有利用最大和最小对比度进行聚焦的调制度方法(modulation degree method)以及通过利用对比度的标准偏差进行聚焦的标准偏差方法。除了该光学系统之外，还可以采用相互接近物体的电容差进行聚焦的电容检测系统。
如图5中所示，适合于用可见光进行自动聚焦的用可见光进行观察的光学系统包括具有高可靠性的卤素灯的光纤光源85、可见光照明单元8、用于把光纤光源85发送到可见光照明单元8的光波导86、自动聚焦单元12、成像透镜18、用于可见光的CCD摄像机4以及用于根据由CCD摄像机4拍摄的图像控制自动聚焦单元12的自动聚焦控制器84，并且用已知的结构自动聚焦。
对多晶硅薄膜成像的用紫外光观察光学系统包括紫外光固体激光源(紫外光源单元)10A、紫外光照明单元(紫外照明单元)10B以及紫外光成像单元(紫外成像单元)70。
该紫外光固体激光源10A包括紫外固体激光单元60和ND单元61。紫外固体激光单元60是具有266nm波长的紫外激光源，并且例如使用NdYAG四倍波全固体激光器(quadrupled wave full solid state laser)。最近开发出这样一种具有157nm波长级的光源可以用作为该紫外激光源。
ND单元61包括紫外光透镜63、用于把来自紫外光固体激光单元60的紫外光反射到该紫外光透镜的紫外光平面镜66、提供在该紫外光固体激光单元60和紫外光平面镜66之间的光路中的紫外光快门67、以及提供在紫外光透镜63和紫外光平面镜之间的光路中的可变ND滤光器64，用于调节在用紫外光观察时的亮度。在这种情况中，紫外光快门67由活塞组件68按已知的方式所操作，而该可变ND滤光器64由步进电机65按已知的方式来操作，用于调节孔径比。
紫外光照明单元10B包括用于接收来自紫外光固体激光源10A的紫外光的散射板74、孔径光阑75和视场光阑76。散射板74由直流无刷电机77按已知的方式所操作。孔径光阑75也由步进电机78按已知的方式来操作。
同时，来自紫外光固体激光源10A的紫外光由把紫外光固体激光源10A的ND单元61的连接器62与紫外光照明单元10B的连接器73相互连接的光线发送到紫外光照明单元10B。
紫外光成像单元(紫外成像单元)70包括用于紫外光的CCD摄像机以及放大透镜系统72。放大透镜系统72包括例如用于放大400倍的透镜和用于放大100倍的透镜。步进电机71用于选择透镜。CCD摄像机6是对紫外光高灵敏度的摄像机，并且包括一个CCD图像传感器，作为用于对基片W的表面成像的内部成像设备。该CCD摄像机使其主体单元被冷却，以抑制在CCD图像传感器中产生的热噪声、读出噪声或者从电路中发出的噪声。
在图4和5中，16为一个用于紫外光的成像透镜，21为一个射束分离器，14为提供于射束分离器21与分色镜19之间的光路中的波片，22是安装在工作台25上的可垂直运动的栓柱，用于托起在该工作台25上的基片W，以及23是用于检测在工作台25上的基片的定位状态的基准检测传感器。83是用于旋转该旋转装置42以在用于可见光的物镜40a和用于紫外光的物镜40b之间切换的旋转装置控制系统。基片W是一种大尺寸的矩形液晶基片，例如为600mm×720mm，并且被一个接一个地传送到备用位置，未示出，该基片在被每次一个地由机械手38装载到工作台25上之前保持在备用状态。
可移动工作台25还具有支承基片W的功能，现在承载形成在其上面用于检察的多晶硅薄膜，并且把该基片W移动到预定的检查位置。具体来说，该可移动的工作台25可移动地承载在用于把工作台25沿着X轴方向移动的X-工作台26、用于把工作台25沿着Y轴方向移动的Y-工作台28、以及用于把工作台25沿着Z轴方向移动的Z-工作台15上。也就是说，该可移动工作台25通过X工作台26和Y工作台28使基片W在垂直方向上来回移动，用于把基片W设置在预定的检查位置。该可移动工作台25还可以由Z工作台15来调节其高度，以进行聚焦操作。X、Y和Z工作台15、25、28通过多个例如包含气垫板簧(pneumatic spring)的阻尼器(减振器)32固定设置在安装于支架34上的平台30上。
上述用可见光观察的以及用紫外光观察的光学系统被形成为一个整体单元，以便于维护并且可拆卸地安装在该装置的主体单元2上。图6示出该安装状态。如图6中所示，装置1包括光学部分110，其具有用可见光观察的和用紫外光观察的光学系统，以及机械部分112与主体单元2相同包括工作台25及其驱动系统15、26、28。也就是说，装置1分别在其上部和下部承载该光学系统和XYZ运动机构。对于这种结构，例如为了对齐，可以把光学系统安装在任意位置。另外，光学系统120可以构造到该主体单元2中，也就是说，构造到机械部分112中，只要该光学部分110和机械部分112的几何结构足够精确即可。另外，该光学系统容易维护，因为仅仅需要把该光学部分110从该机械部分112上拆下即可。
参见图4，排气管36连接到主体单元2，以强制从主体单元2中排气。在主体单元2上提供与检查区域相邻的控制塔。该控制塔具有操作台92、图像显示监视器41、操作面板(触摸屏)47、用于操作X、Y和Z工作台15、26、28的操纵杆45、以及控制器51。在操作台上，安装有操作键盘49。
操纵杆45提供于该主体单元2的凹陷43处，以使其不突出到外部。也就是说，如图7中的放大示图所示，例如通过弯曲金属板使该操纵杆45设置在形成于主体单元2的凹陷43中，使其不突出到主体单元的表面之外。为了比较，在图8A和8B中示出常规操纵杆的设计。如图中所示，常规的操纵杆P、Q被设置为从操作台突出。结果导致由于无意中接触而发生故障的危险或者由该操纵杆P、Q占用操纵台的空间。相反，利用本实施例，如图7中所示的设计，可以避免发生由于与操纵杆45接触而产生故障。另外，可以节省空间，而且不需要拆卸该操纵杆45以重新包装用于运输的工作，以简化运输步骤。另外，由于凹陷43的底面倾斜，操纵杆45的易处理性增加。同时，采用凹陷43的设计不但可用于操作XYZ工作台的操纵板，而且还可以用于操纵转盘、轨迹球、触摸板或键盘。
另外，在本实施例中，提供第一碰撞防止装置，以防止基片W与物镜发生碰撞，特别是对于仅仅具有小的工作距离的用于紫外光的物镜40b，并且导致损坏，在用于把基片W和支架34互连的阻尼器32由从外部施加的振荡而产生摆动。第一碰撞防止装置光学地检测沿着基片W的X方向上的运动，用于调节这种运动。也就是说，第一碰撞防止装置包括一个基片浮动传感器20，用于在沿着可移动工作台25的Z方向的运动路径的上限位置的两侧上相互面对的两个传感器部分之间提供激光束。当工作台25被传感器20的激光所照射时，也就是说，当激光检测到该工作台25已经到达沿着Z方向的上限位置时，第一碰撞防止装置强制停止Z工作台的驱动，或者发出警报。
与基片W对物镜的碰撞相关，特别是仅仅具有小的工作距离的用于紫外光的物镜40b，Z工作台15的上限位置是在本实施例中的XY工作台26、28的XY坐标的一个函数。也就是说，Z工作台的上限位置根据其在XY平面上的位置而改变，也就是说取决于XY平面的平整度。具体来说，在软件技术中，沿着Z方向的停止位置的设置值自适应地根据XY工作台26、28的坐标位置而自动切换。因此，上述设置值根据可移动工作台25的上表面的预先测量的起伏状态而映射。由于即使在使用廉价的机械导轨的情况下，可移动工作台25的运动性能的再现性(reproducibility)不大于0.01mm，因此该函数能够保持极限位置的设置容限。通常，由硬件或软件技术提供限位开关以停止在向着即将发生碰撞的位置停止接近的运动，以避免该基片与物镜相互接触。但是，如果观察大尺寸的基片W，放置基片W的工作台25的放置表面的整个XY区域的平面并行度(plano-parallelism)变差，利用具有大的NA和小的工作距离WD的高倍物镜40B进行显微观察的可能的设置范围变得极小。例如，对于WD＝0.2mm和平面平行度＝0.1mm几乎没有任何容限。因此，在这种情况下，需要具有严格的平面平行度的昂贵的XY工作台。如在本实施例中那样，该问题可以通过把Z工作台15的上限停止位置设置为在XY工作台26、27中的XY坐标的一个函数来克服。
另外，对于基片W和物镜之间的影响，特别是对于仅仅具有小的工作距离的用于紫外光的物镜40b，在本实施例中采取如下措施如果与本实施例中相同，在具有不同数值的WD的多个物镜40a、40b被提供于该旋转装置42上的情况下，该旋转装置42被旋转以在物镜之间切换，当具有较大的WD的用于可见光的物镜40a，例如L＝2mm或更大以及具有焦距h，聚焦在一个近点Z2，Z1为该图中的一个远点，例如具有L约等于0.1mm并具有焦距H(＝h)的用于紫外光的物镜40b具有与基片W发生碰撞的危险。因此，在本实施例中，用于紫外光的物镜40b的WD被特意设置为多出δ，如图10中所示。在图10A和10B中，用于可见光的物镜40a分别聚焦在近点Z2和远点Z1。如果具有较大WD值的用于可见光的物镜40a接近基片W时，由于对应于距离δ的容限，可以避免用于紫外光的物镜40b与基片W相碰撞。
并且，在本实施例中，其中平台30与支架34由阻尼器32相互连接，当该阻尼器32受到外部振动而产生摆动时，该工作台25被振动，从而造成由机械手38所传送的基片W与工作台25发生碰撞。为了避免这种碰撞的发生，本实施例提供第二碰撞防止装置。如图6中所示，该第二碰撞防止装置例如包括固定到支架34上的气缸100。该气缸100包括连接到平台30的可延伸杆100a。在平台30与支架34之间提供一个止块102。
图12示出第二碰撞防止装置的使用状态。首先，当由机械手38在工作台25上安装(或取下)基片W时，由气动板簧所构成的阻尼器32的内部被抽空，并且由气缸100板阻尼器32上侧上的平台30向下拉。这造成平台30的下表面靠在止块102上，以固定平台30的位置。如果由检测装置(未示出)检测到该固定位置，则机械手38把基片W装载到工作台25上、或者从工作台25上取下基片W。一旦基片W被设置在工作台25上，该阻尼器32再次被填充空气，使得该阻尼器机构能够工作。也就是说，工作台25可以在第一状态和第二状态之间切换，在第一状态中，该工作台25通过用于防止工作台25的碰撞的阻尼器(减振装置)32安装在支架34上，使得该阻尼器32能够防止振荡，以及在第二状态中，该工作台25固定到支架34上，使得该阻尼器32不能够防止振荡。缺少第二振荡防止装置，则在把基片W传送到工作台25上或从工作台25取下基片W时，存在阻尼器32发生振荡的危险，造成机械手38上的基片W与工作台25发生碰撞，如图12中所示。
因此，利用第二碰撞防止装置，可以消除阻尼器32的振荡，以保证基片W的安全传送和接收。如果仅仅普通气动板簧的内部被排空，直到平台30与止块102相接触为止的时间被延长。如果由于气缸100的帮助使得平台30必然被牵引，如本实施例中一样，则可以缩短间歇时间，以大大提高工作效率。
另外，在本实施例中，用可见光观察和用紫外光观察的光学系统设置在相同的轴线上，如图4至6和13中所示，通过这种方式，采用提供于用可见光观察的光学系统上的自动聚焦功能，可以极其容易地实现用紫外光观察时的聚焦。也就是说，在本实施例中，利用旋转装置42可以在相同的焦点上把用于可见光的物镜40a可以切换到用于紫外光的物镜40b，反之亦然，结果可以首先利用用可见光观察的光学系统实现自动聚焦，然后仅仅切换旋转装置42上的镜头可以容易地对用紫外光观察的光学系统聚焦。相反，如果把采用可见光或红外激光的常规反射主动自动聚焦应用于用紫外光观察的光学系统，则由于用于紫外光的物镜40b所固有的色差不能获得最佳的性能。尽管可以使用在从紫外光到到可见光范围内校正色差的透镜，但是这种透镜极其昂贵，并且还产生由于紫外光辐射使得在制造工艺中所用的粘合剂的效果变差的问题。如果使用基本上没有变质问题的消色差透镜，则可以相互独立的构造用于可见光和用于紫外光的光学系统，尽管这样成本较高。自动聚焦机构还可以独立提供于每个光学系统上，由于仅仅提供一个用于紫外光的物镜，因此该旋转机构仅仅具有用于可见光的物镜，从而可以用压电激励器来驱动用于紫外光范围的物镜。
另外，在实施例中，用于消除自动聚焦(AF)光波长的滤光器可伸缩地安装在用于可见光的CCD4和成像透镜18之间，如图13中所示。在这种情况中，滤光器27的伸缩运动由滤光器移动机构23所执行。具体来说，当进行聚焦时，使该滤光器27置于光路中，而当观察图像时，把它从光路中移开。如果在聚焦之后移开滤光器27，并且静态地观察图像，所获得的是一个全色彩图像。如果采用例如660nm的可见波长范围的红光进行反射主动型自动聚焦，与常规系统的情况相同，需要在用于照明观察的光的光轴上插入一个滤光器来阻挡聚焦光的波长，以抑制照明光对聚焦精度的影响。由于在这种情况中阻挡照明光的发光成份，因此所观察的图像是蓝色的，从而不可能进行全彩色图像观察。
同时，在本实施例中，没有激励部件的液晶可变滤光器还可用作为该滤光器27。滤色器50还插入在用于紫外光的CCD6和射束分离器21之间的光路中，如图13中所示。
在本实施例中，5个物镜可以安装在旋转装置42上。但是，该物镜仅仅设置在该旋转装置42的5个透镜安装部分中的4个上。具体来说，用于可见光的两个物镜40a和用于紫外光的两个物镜40b被设置在该旋转装置42中。另外，本实施例包括用于监视和调节照射在基片W上的光量的光量控制机构。该光量控制机构包括用于反射入射到物镜中的照明光的反光镜123、用于在射束分离器21的反光作用下接收从反光镜123反射回的光线的CCD125、以及光照明亮度控制器129，其用于通过根据由CCD125所拍摄的图像改变照明光系统的电子元件127(例如一个可变电阻器)的电阻值而把照明光的亮度调节到一个预定值，如图14中所示。在这种情况下，反光镜123被设置在旋转装置42的不携带物镜的剩下一个空的镜头安装部分121上。
应当注意，由于本实施例使用具有极浅聚焦深度的光学系统(用于紫外光的物镜40b)，因此需要在最佳焦距的附近捕获具有不同聚焦数值的多个图像，并且进行评估，以便于由用于紫外光的CCD6捕获最佳聚焦的图像。为此目的，该装置1具有从尽可能少的图像中查找最佳聚焦的一幅图像的学习功能，从而可以减少处理时间。如果与紧接着在前步骤中的同一批部件一样进行对同一批(基片W)的检查，这种学习功能是有效的，因为同一批的不同图案倾向于表现出相同的趋势。现在说明该学习功能的特定学习顺序。首先，从相同位置和相同区域的灰度值的分布计算标准偏差的数值。从经验得知，如果捕获不同聚焦数值的多个图像，具有最大标准偏差的图像具有最大的对比方式和最大的自相关系数值(AC值)。本实施例的多晶硅薄膜评估装置1具有能够把WD设置为较高精度的结构。从开始检查的WD开始，该WD以相同的节距在工作台25的相同方向垂直变化，从而获得数据。图15A示出所获得数据的标准偏差的曲线图。从这些数据，把具有峰值位置的图像用作为用于后续分析的最佳聚焦图像。
在图15的曲线图中，横坐标和纵坐标分别表示沿着Z方向的散焦位置和作为对比度的标准偏差。在标准偏差的目标最大值的两侧上的标准偏差数值被计算，作为用于查找峰值的初始检查。考虑到测量效率，该初始检查的范围最好尽可能的小。查找该峰值P的最短切线算法是所谓的学习功能。
决定测量开始位置、WD扫描宽度、扫描总次数和峰值的条件表示用于判定的10个元素。首先，峰值位置通过手动操作或者。在此时，提取初始峰值，而与扫描次数无关。从第二次扫描，通过执行在该峰值附近的N次扫描而进行测量，以计算标准偏差。结果获得如下四个状态a.具有峰值的状态；b.没有峰值的状态，具有上升曲线(参见图15B)；c.没有峰值的状态，具有下降曲线；以及d.具有一个以上的峰值的状态(参见图15C)。
对于聚焦扫描次数N，如果在以前情况中获得该峰值，计算出现峰值的扫描次数。然后，当开始位置改变时执行聚焦扫描，从而该峰值在总扫描宽度的中点处。同时，随着扫描次数的急剧减少而执行扫描。
如果该曲线向右上升，没有峰值(参见图15B)，则该开始位置向右移动一半宽度，然后进行聚焦扫描。如果所测量的曲线下降，而没有峰值，则该开始位置向左移动一半宽度，然后进行聚焦扫描。如果出现多个峰值(参见图15C)，则搜索具有最大标准偏差的峰值。如果已经检测到一个峰值，则可能存在一种情况，即与相邻点的标准偏差的变化超过规定数值的条件下还搜索到第二或第三峰值。由于上述算法不一定保证成功，则重复测量的次数具有限制。如果在每次改变该序列时在该算法中继续进行测量，则可以提高总效率。
尽管在装置1上自动完成聚焦，但是有些情况可能需要手动聚焦，或者需要检查在装置1上是否精确地进行聚焦。为此目的，在监视器41上描绘力量分布图。具体来说，由虚线所表示的扫描线上的亮度被绘制在曲线图上，并且与多晶硅薄膜的表面图像相重叠。从这些图中边缘S的最小锐角的点(参照图16B)被确定以实现具有高度再现性的聚焦。
该亮度一旦被微分可以进一步按照图17中的例子所示的方式而叠加，其中F、F’分别表示量度以及其变化率。最大范围被作为聚焦范围。
权利要求
1.一种用于评估在不定形硅薄膜退火过程中形成的多晶硅薄膜的装置，包括用于放置基片的工作台，所述基片承载形成于其上的多晶硅薄膜；用可见光观察的光学系统，所述光学系统把可见光照射在所述工作台的所述基片上，用于对所述基片上的所述多晶硅薄膜的表面图像进行拍照以实现自动聚焦；用紫外光观察的光学系统，所述光学系统把紫外光照射在该工作台上的基片上，用于获取在所述基片上的所述多晶硅薄膜的表面图像，利用所述用可见光观察的光学系统自动聚焦；以及评估装置，用于从由所述用紫外光观察的光学系统获取的所述多晶硅薄膜的表面图像而评估所述多晶硅薄膜的薄膜表面的空间结构的线性和周期性，以根据所述线性和周期性的评估结果评估该多晶硅薄膜的状态。
2.根据权利要求1所述的多晶硅薄膜评估装置，其中所述紫外光的波长比所述多晶硅薄膜的评估周期乘以在所述光学系统中用于观察的物镜的数值孔径。
3.根据权利要求1或2所述的多晶硅薄膜评估装置，其中所述工作台可以在第一状态和第二状态之间切换，在第一状态中，所述工作台通过用于防止所述工作台的碰撞的防振装置安装在支架上，使得该所述防振装置能够防止振荡，以及在第二状态中，所述工作台固定到所述支架上，使得所述防振装置停止工作。
4.根据权利要求1至3中的任何一项所述的多晶硅薄膜评估装置，其中所述用可见光观察的以及所述用紫外光观察的光学系统被形成为一个整体单元。
5.根据权利要求4所述的多晶硅薄膜评估装置，其中所述单元可拆卸地安装在装有所述工作台的该装置的主体单元的上部。
6.根据权利要求1至5中的任何一项所述的多晶硅薄膜评估装置，进一步包括可旋转的旋转装置，其上整体承载所述用可见光观察的光学系统的用于可见光的物镜和所述用紫外光观察的光学系统的用于紫外光的物镜，其中所述用于可见光的物镜以及所述用于紫外光的物镜的使用状态在所述旋转装置的旋转操作中切换。
7.根据权利要求6所述的多晶硅薄膜评估装置，进一步包括光量控制装置，用于控制至少所述用可见光观察的光学系统和所述用紫外光观察的光学系统中的一个的照明光的亮度；所述光量控制装置包括用于反射照明光的反射镜，用于监控照明光的亮度；以及所述反射镜提供在所述旋转装置的一个空缺区域中。
8.根据权利要求1至7中的任何一项所述的多晶硅薄膜评估装置，其中所述工作台可沿着相互垂直的3个轴运动，即沿着X、Y和Z轴运动；沿着所述工作台的Z轴方向的上限位置被设置为XY坐标的函数，以适应所述工作台的XY平面的平整度。
9.根据权利要求1至8中的任何一项所述的多晶硅薄膜评估装置，其中所述评估装置通过所述用紫外光观察的光学系统，用不同的聚焦数值捕获所述多晶硅薄膜的多个表面图像，以获得最佳聚焦的图像；以及其中所述评估装置具有随着评估操作次数的增加而用所捕获的较少数目的图像来获得最佳聚焦的图像这样的学习功能。
全文摘要
以不接触方式自动客观地评估多晶硅薄膜状态的多晶硅薄膜评估装置包括可移动的工作台,其上面设置承载多晶硅薄膜的基片;用可见光观察的光学系统,对多晶硅薄膜的表面图像拍照,以实现自动聚焦;用紫外光观察的光学系统,用于获得多晶硅薄膜的表面图像,利用用可见光观察的光学系统进行自动聚焦;以及评估单元,从表面图像评估该多晶硅薄膜表面空间结构的线性和周期性,以根据该线性和周期性的评估结果来评估该多晶硅薄膜的状态。
文档编号G01N21/88GK1379459SQ02102090
公开日2002年11月13日 申请日期2002年1月22日 优先权日2001年1月22日
发明者和田裕之, 田附幸一, 梅津畅彦, 矶村英二, 阿部哲夫, 服部正, 大岛朗文, 浦垣诚, 野口良行, 玉置洋之, 江部正孝, 石黑朋广, 加藤康行 申请人:索尼株式会社, 索尼精密技术株式会社