多晶硅晶粒尺寸测量装置及多晶硅晶粒的尺寸测量方法

摘要

本发明提供一种多晶硅晶粒尺寸测量装置及多晶硅晶粒的尺寸测量方法，所述多晶硅晶粒尺寸测量装置的结构简单，所述多晶硅晶粒的尺寸测量方法易于操作，利用光学原理测量多晶硅晶粒尺寸，可快速有效的分析出多晶硅薄膜的晶粒尺寸和结晶均匀性，减少了切片、泡酸和扫描电子显微镜测试环节，提高多晶硅晶粒尺寸测量效率和降低生产成本，并可对生产过程中多晶硅薄膜的结晶质量进行量化性实时监控。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种多晶硅晶粒尺寸测量装置及多晶硅晶粒的尺寸测量方法。

背景技术

现代生活的快速发展，视频产品，特别是数字化的视频或者影像装置，这些高科技产品愈易常见的走进人们的生活。在这些数字化的视频或者影像装置中，显示器是必不可少的部件，用以显示相关信息。使用者可由显示器读取信息，或进而控制装置的运作。

而薄膜晶体管可应用于液晶显示器的驱动组件，使得液晶显示器成为桌上直式型平面显示器的主流，于个人笔记本、游戏机、监视器等市场成为未来的主导性产品。目前，因非晶硅(a-Si)薄膜可于200～300℃的低温环境下生长，因此非晶硅薄膜晶体管被广泛使用。但是非晶硅的电子迁移率低，使得非晶硅薄膜晶体管已跟不上目前高速组件的应用需求，而多晶硅(p-Si)薄膜晶体管相较于非晶硅薄膜晶体管具有较高的迁移率和低温敏感性，使其更适用于高速组件。

目前，获得多晶硅材料的方法主要有固相晶化(SPC)、准分子激光退火(ELA)、金属诱导晶化(MIC)和金属诱导横向晶化(MILC)等技术，其中，准分子激光退火技术由于获得的多晶硅薄膜的质量较高而得到广泛应用，其利用瞬间激光脉冲产生的高能量入射到非晶硅(a-Si)薄膜表面，仅在薄膜表层100nm厚的深度产生热能效应，使a-Si薄膜在瞬间达到1000℃左右，从而实现a-Si向p-Si的转变。准分子激光退火晶化的机理为：激光辐射到a-Si的表面，使其表面在温度到达熔点时即达到了晶化域值能量密度Ec。a-Si在激光辐射下吸收能量，激发了不平衡的电子-空穴对，增加了自由电子的导电能量，热电子-空穴对在热化时间内用无辐射复合的途径将自己的能量传给晶格，导致近表层极其迅速的升温，由于非晶硅材料具有大量的隙态和深能级，无辐射跃迁是主要的复合过程，因而具有较高的光热转换效率，若激光的能量密度达到域值能量密度Ec时，即半导体加热至熔点温度，薄膜的表面会熔化，熔化的前沿会以约10m/s的速度深入材料内部，经过激光照射，薄膜形成一定深度的融层，停止照射后，融层开始以108～1010K/s的速度冷却，而固相和液相之间的界面将以1～2m/s的速度回到表面，冷却之后薄膜晶化为多晶，随着激光能量密度的增大，晶粒的尺寸增大，当非晶薄膜完全熔化时，薄膜晶化为微晶或多晶，若激光能量密度小于域值能量密度Ec，即所吸收的能量不足以使表面温度升至熔点，则薄膜不发生晶化。

目前准分子激光退火结晶后，多晶硅薄膜的晶粒尺寸和均匀性的测量是通过取样切片泡酸后送扫描电子显微镜(Scanning Electronic Microscopy,SEM)进行分析，虽然可以精确的获得结晶的尺寸和均匀性，但分析周期长、成本高、且测量效率受扫描电子显微镜产能的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多晶硅晶粒尺寸测量装置，结构简单，可快速有效的分析出多晶硅薄膜的晶粒尺寸和结晶均匀性。

本发明的目的还在于提供一种多晶硅晶粒的尺寸测量方法，易于操作，可快速有效的分析出多晶硅薄膜的晶粒尺寸和结晶均匀性。

为实现上述目的，本发明提供一种多晶硅晶粒尺寸测量装置，包括载台、设于所述载台上方的光源、及一光谱仪；

所述光谱仪包括本体及位于所述载台上方且与本体相连的光线采集元件；

所述载台用于放置多晶硅薄膜基板，所述多晶硅薄膜基板包括衬底基板及设于所述衬底基板上的多晶硅薄膜；

所述光源用于向所述多晶硅薄膜射出与所述多晶硅薄膜的夹角为α的入射光线；

所述光谱仪通过光线采集元件采集从所述多晶硅薄膜上反射回来的与所述多晶硅薄膜的夹角为β的衍射光线，并通过本体分析出采集到的光线的光谱图，所述光谱图中的峰值波长即为所述衍射光线的波长λ_i；

从而可按照反射光栅公式d(cosα+cosβ)＝nλ_i计算出多晶硅晶粒的粒径d＝nλ_i/(cosα+cosβ)，n＝1。

所述α的范围为大于0度小于90度，所述β的范围为大于0度小于90度。

所述多晶硅晶粒尺寸测量装置适用于测量的多晶硅晶粒的粒径范围是大于或等于200nm。

所述光源向所述多晶硅薄膜射出的入射光线为白光。

本发明还提供一种多晶硅晶粒的尺寸测量方法包括如下步骤：

步骤1、提供一多晶硅晶粒尺寸测量装置，包括载台、设于所述载台上方的光源、及一光谱仪；

所述光谱仪包括本体及位于所述载台上方且与本体相连的光线采集元件；

步骤2、提供一多晶硅薄膜基板，所述多晶硅薄膜基板包括衬底基板及设于所述衬底基板上的多晶硅薄膜，将所述多晶硅薄膜基板放置于所述载台上；

所述光源向所述多晶硅薄膜射出与所述多晶硅薄膜的夹角为α的入射光线；

所述光谱仪通过光线采集元件采集从所述多晶硅薄膜上反射回来的与所述多晶硅薄膜的夹角为β的衍射光线，并通过本体分析出采集到的光线的光谱图，所述光谱图中的峰值波长即为所述衍射光线的波长λ_i；

步骤3、按照反射光栅公式d(cosα+cosβ)＝nλ_i计算出多晶硅晶粒的粒径d＝nλ_i/(cosα+cosβ)，n＝1。

所述多晶硅晶粒的尺寸测量方法还包括：

步骤4、按照所述步骤1至步骤3的操作，在所述多晶硅薄膜上选取n个区域进行测量，得到n个区域的多晶硅晶粒的粒径d_x，x为1～n的整数；

按照公式U％＝n[Max(d_x)-Min(d_x)]/(2Σd_x)×100％，计算出多晶硅薄膜的结晶均匀性U％，其中，Max(d_x)为n个区域中最大的多晶硅晶粒的粒径，Min(d_x)为n个区域中最小的多晶硅晶粒的粒径。

所述α的范围为大于0度小于90度，所述β的范围为大于0度小于90度。

所述多晶硅晶粒的尺寸测量方法适用于测量的多晶硅晶粒的粒径范围是大于或等于200nm。

所述光源向所述多晶硅薄膜射出的入射光线为白光。

本发明的有益效果：本发明提供的一种多晶硅晶粒尺寸测量装置及多晶硅晶粒的尺寸测量方法，所述多晶硅晶粒尺寸测量装置的结构简单，所述多晶硅晶粒的尺寸测量方法易于操作，利用光学原理测量多晶硅晶粒尺寸，可快速有效的分析出多晶硅薄膜的晶粒尺寸和结晶均匀性，减少了切片、泡酸和扫描电子显微镜测试环节，提高多晶硅晶粒尺寸测量效率和降低生产成本，并可对生产过程中多晶硅薄膜的结晶质量进行量化性实时监控。

为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。

附图中，

图1为本发明的多晶硅晶粒尺寸测量装置的结构示意图；

图2为本发明的多晶硅晶粒尺寸测量装置的工作原理示意图；

图3为本发明的多晶硅晶粒的尺寸测量方法的流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。

由于多晶硅薄膜的晶粒相对均一，并呈周期性分布，且多晶硅薄膜中相邻晶粒的临界处(即晶界)可以对入射光的反射光进行衍射，表现出类似于反射光栅的性质，因此，本发明基于反射光栅的光学原理来设计一种多晶硅晶粒尺寸测量装置。

请参阅图1-2，本发明提供一种多晶硅晶粒尺寸测量装置，包括载台10、设于所述载台10上方的光源20、及一光谱仪31；

所述光谱仪31包括本体(未图示)及位于所述载台10上方且与本体相连的光线采集元件30；

所述载台10用于放置多晶硅薄膜基板40，所述多晶硅薄膜基板40包括衬底基板41及设于所述衬底基板41上的多晶硅薄膜42；

所述光源20用于向所述多晶硅薄膜42射出与所述多晶硅薄膜42的夹角为α的入射光线；

所述光谱仪31通过光线采集元件30采集从所述多晶硅薄膜基板40上反射回来的与所述多晶硅薄膜42的夹角为β的衍射光线，并通过本体分析出采集到的光线的光谱图，所述光谱图中的峰值波长即为所述衍射光线的波长λ_i；

从而可按照反射光栅公式d(cosα+cosβ)＝nλ_i计算出多晶硅晶粒的粒径d＝nλ_i/(cosα+cosβ)，n＝1。

具体的，所述α的范围为大于0度小于90度，所述β的范围为大于0度小于90度。

具体的，所述光源20向所述多晶硅薄膜42射出的入射光线为白光。

具体的，所述多晶硅晶粒尺寸测量装置适用于测量的多晶硅晶粒的粒径范围是大于或等于200nm。

所述反射光栅公式d(cosα+cosβ)＝nλ_i中，n＝1的原因为：当所述多晶硅晶粒的粒径d为200nm时，由于cosα+cosβ小于2，因此d(cosα+cosβ)小于400nm，由于可见光的波长范围为390～760nm，即λ_i的波长范围为390～760nm，因此在n为整数的前提下，n为1才能满足nλ_i小于400nm。

请参阅图3，同时参阅图1-2，本发明提供一种多晶硅晶粒的尺寸测量方法，包括如下步骤：

步骤1、提供一多晶硅晶粒尺寸测量装置，包括载台10、设于所述载台10上方的光源20、及一光谱仪31；

所述光谱仪31包括本体(未图示)及位于所述载台10上方且与本体相连的光线采集元件30；

步骤2、提供一多晶硅薄膜基板40，所述多晶硅薄膜基板40包括衬底基板41及设于所述衬底基板41上的多晶硅薄膜42，将所述多晶硅薄膜基板40放置于所述载台10上；

所述光源20向所述多晶硅薄膜42射出与所述多晶硅薄膜42的夹角为α的入射光线；

所述光谱仪31通过光线采集元件30采集从所述多晶硅薄膜42上反射回来的与所述多晶硅薄膜42的夹角为β的衍射光线，并通过本体分析出采集到的光线的光谱图，所述光谱图中的峰值波长即为所述衍射光线的波长λ_i；

步骤3、按照反射光栅公式d(cosα+cosβ)＝nλ_i计算出多晶硅晶粒的粒径d＝nλ_i/(cosα+cosβ)，n＝1。

具体的，所述多晶硅晶粒的尺寸测量方法还包括：

步骤4、按照所述步骤1至步骤3的操作，在所述多晶硅薄膜42上选取n个区域进行测量，得到n个区域的多晶硅晶粒的粒径d_x，x为1～n的整数；

按照公式U％＝n[Max(d_x)-Min(d_x)]/(2Σd_x)×100％，计算出多晶硅薄膜42的结晶均匀性U％，其中，Max(d_x)为n个区域中最大的多晶硅晶粒的粒径，Min(d_x)为n个区域中最小的多晶硅晶粒的粒径。

具体的，所述α的范围为大于0度小于90度，所述β的范围为大于0度小于90度。

具体的，所述光源20向所述多晶硅薄膜42射出的入射光线为白光。

具体的，所述多晶硅晶粒的尺寸测量方法适用于测量的多晶硅晶粒的粒径范围是大于或等于200nm。

综上所述，本发明提供的一种多晶硅晶粒尺寸测量装置及多晶硅晶粒的尺寸测量方法，所述多晶硅晶粒尺寸测量装置的结构简单，所述多晶硅晶粒的尺寸测量方法易于操作，利用光学原理测量多晶硅晶粒尺寸，可快速有效的分析出多晶硅薄膜的晶粒尺寸和结晶均匀性，减少了切片、泡酸和扫描电子显微镜测试环节，提高多晶硅晶粒尺寸测量效率和降低生产成本，并可对生产过程中多晶硅薄膜的结晶质量进行量化性实时监控。

以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。