CN103098194A - 利用μ-PCD法的薄膜半导体的结晶性评价装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及薄膜半导体的结晶性评价装置(1)及结晶性评价方法，其中，通过对薄膜半导体(2a)的样品(2)的测定部位照射激发光及电磁波，并检测来自样品(2)的反射电磁波的强度来对样品(2)的结晶性进行评价。而且，样品(2)的薄膜半导体(2a)形成在导电性膜(2b)上，并且还在样品(2)和放射电磁波的波导管(13)之间设置有对于激发光具有透光性的介电体(3)。因此，具有该构成的薄膜半导体的结晶性评价装置(1)及方法，即使在如上述那样在半导体薄膜(2a)下形成有导电性膜(2b)的情况下，也能够进行该半导体薄膜的结晶性评价。

Description

利用μ-PCD法的薄膜半导体的结晶性评价装置

技术领域

本发明涉及薄膜半导体的结晶性评价装置及方法，特别涉及利用微波光电导衰减法(以下称作μ-PCD法)来评价例如硅半导体薄膜的结晶性而合适地被实施的薄膜半导体的结晶性评价装置及方法。

背景技术

近年来，使用硅等的半导体薄膜的太阳能电池的开发盛行。自以往，在半导体领域中，所述μ-PCD法作为用以进行杂质污染或缺陷评价的非接触、非破坏评价手法而被广泛使用(例如专利文献1的硅晶片的寿命测定方法)。

所述μ-PCD法中，电磁波照被射到半导体样品上，由此，该半导体样品中的自由电子基于所述电磁波的电场而运动(移动)。由于该运动状态会因该半导体样品中的杂质、缺陷等的存在而受到影响，因此，照射到该半导体样品上的电磁波的反射波的强度(相对于照射波的强度的变化)，能够作为该半导体样品的结晶性的指标予以利用。所述μ-PCD法是利用此种机制来评价半导体样品的结晶性的。而且，该μ-PCD法还有以下的优点：所述反射波的强度的检测(测定)为非破坏且为非接触，能够在极短的时间内进行。

然而，由于电磁波(微波)的波长长而达数毫米以上，因此存在无法评价微小区域的结晶性的问题。此外，在半导体样品为数nm至数十nm左右的多晶硅或者是数μm以下的单晶硅等那样的该半导体样品的厚度薄(为薄膜样品)的情况下，相对于电磁波的照射波的反射波的强度变化(由半导体样品的结晶性引起的反射波的强度变化)会变得极为微小，因此，存在无法确保充分的测定灵敏度亦即测定精确度的问题。另一方面，若为了提高测定灵敏度而将激发光的强度设定得过强，则有可能损伤样品，而且还会使激发光的光源的成本增加。

为此，本案发明人提出了专利文献2的技术方案。该以往的技术中，通过将具有所述薄膜样品的带隙以上的能量的激发光聚光于该薄膜样品而对微小区域进行照射，从而使样品中的微小区域产生光激发载流子，并用该光激发载流子的基于电磁波的电场所导致的运动来替代所述自由电子的运动。由此，若检测出因所述激发光的照射而变化的所述反射波的强度，则该所检测的强度便成为表示样品的微小区域(激发光照射区域)的结晶性的指标，从而能够评价此种薄膜的样品。此外，由于所述激发光的照射区域为微小区域，因此，所述反射波的强度变化小，其测定容易受到噪声(noise)的影响，但是，该以往的技术中，通过将所述激发光设为以指定周期被强度调制的光，并且从所述反射光的强度中提取与激发光的强度调制同步的成分，从而从测定值中将不必要的频率成分(噪声)除去。

所述专利文献2的方法是一种能够评价TFT等微小区域的结晶性的优异方法，但是，迄今为止的μ-PCD法中存在以下问题：当在作为评价对象的半导体薄膜的紧下方存在导电性膜时，在半导体薄膜中无法得到充分的电场强度，该电场的与光激发载流子间的相互作用也变弱，使测定变得非常困难。具体而言，在太阳能电池中，尤其在使用低成本的非晶硅或微晶硅时，由于半导体薄膜是在玻璃基板上形成背面(底)电极的基础上而形成的，因此，所述底电极便成为所述导电性膜。与此同样的问题也会发生在采用底栅结构的FPD(平板显示器)领域中。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开公报特开2007-48959号

专利文献2：日本专利公开公报特开2008-51719号

发明内容

本发明是鉴于上述情况而作的发明，其目的在于提供一种薄膜半导体的结晶性评价装置及方法，在利用μ-PCD法来评价半导体薄膜的结晶性时，即使在半导体薄膜下形成有导电性膜的情况下也能够进行评价。

本发明所涉及的薄膜半导体的结晶性评价装置及结晶性评价方法中，通过对薄膜半导体的样品的测定部位照射激发光及电磁波，并检测来自所述样品的反射电磁波的强度来对所述样品的结晶性进行评价。而且，所述样品的所述薄膜半导体形成在导电性膜上，并且还在所述样品和所述电磁波照射部之间设置有对于所述激发光具有透光性的介电体。因此，具有此种构成的薄膜半导体的结晶性评价装置及方法，即使是如上述那样在半导体薄膜下形成有导电性膜的情况下，也能够进行该半导体薄膜的结晶性评价。

本发明的上述及其他的目的、特征及优点，通过以下的详细记载和附图而更为明了。

附图说明

图1是表示第1实施方式所涉及的薄膜半导体的结晶性评价装置的构成的框图。

图2是表示对金属制平台照射微波时的驻波的状况的图。

图3是表示在根据照射到样品上的微波的反射波的强度来进行结晶性评价的情况下使本实施方式中所使用的介电体的介电常数和厚度变化时的反射微波的强度变化的图。

图4是表示所述样品的表面和介电体的表面反射微波的状况的图。

图5是表示对半导体照射激发光而引起的光激发载流子的密度变化的图。

图6是表示第2实施方式所涉及的薄膜半导体的结晶性评价装置的构成的框图。

具体实施方式

以下，根据附图说明本发明一实施方式。在各图中，被付予相同符号的结构表示相同的结构，并适当省略其说明。

(第1实施方式)

图1是表示第1实施方式所涉及的薄膜半导体的结晶性评价装置的构成的框图。本实施方式的评价装置1是基本上通过使用所述的μ-PCD法来评价半导体的结晶性的装置，如后所述，通过在样品2上重叠介电体3，能够对在玻璃基板(厚度为数mm)2c上成膜有导电膜2b及薄膜半导体2a(厚度为数μm程度)的作为该样品2的元件进行评价。作为此种样品2，例如可列举出形成有底电极的太阳能电池、或采用底栅结构的FPD等。另一方面，该评价装置1也可以不经由所述介电体3来进行半导体晶片等的通常般的评价。

此种评价装置1例如如图1所示，具备微波振荡器11、波导管12、13、14、定向耦合器15、平台16、紫外激发光源17、检测器18、个人电脑19及所述介电体3。

从作为电磁波照射部的一个例子的微波振荡器11所放射出的微波，从波导管12经由定向耦合器15及波导管13而传播，并照射到平台16上的样品的测定部位上。从波导管13的远端照射到样品上的微波，被该样品的表面反射，再射入波导管13。从作为激发光照射部的一个例子的紫外激发光源17照射的具有所述样品的半导体的能带间隙以上的能量的紫外激发光，被照射到较所述微波的照射区域更狭小的区域。在该紫外激发光被照射的期间，半导体中产生光激发载流子，微波的反射率暂时性地增加。该被反射的微波，再从波导管13经由定向耦合器15而被引导至波导管14，并由作为检测部的一个例子的检测器18检测。检测器18的检波信号被传送至作为评价部的一个例子的个人电脑19。

如此，基于所述紫外激发光的照射而在半导体中产生的光激发载流子，基于电磁波(微波)的电场而运动(移动)，该运动状态基于半导体中的杂质、缺陷等的存在而受影响。因此，此种结构的评价装置1利用检测器18检测出从样品2反射的反射微波的强度，并通过个人电脑19进行解析，从而能够评价所述半导体的结晶性。而且该反射波的强度的检测(测定)为非破坏且为非接触，能够在极短的时间内进行。此时，个人电脑19也可通过控制具备XY台等而构成的平台16的位置来进行判定样品2中的指定范围的结晶性的映射(mapping)测定。

另外，如图2的(A)所示，若对金属制平台21的表面21a照射微波，则如符号22所示，形成以该表面21a作为波节的驻波。因此，如图2的(B)所示，当在该金属平台21上放置了薄的样本23时，其表面上的驻波的电场振幅W1小，因此与光激发载流子间的相互作用弱，信号强度小，实质上无法检测到。与此相对，在样本为厚的样本24(当将微波的波长设为λ时，其厚度的最佳值为λ/4)的情况下，如图2的(C)所示，电场振幅W2变得较大，而信号也变大。即，相对较厚的样本24的情况下的电场振幅W2比相对较薄的样本23的情况下的电场振幅W1大，信号也变大。

因此，本实施方式中，使用如前所述的μ-PCD法进行结晶性的评价时，如果是薄膜半导体2a形成在导电膜2b上的样品2时，使介电体3重叠在样品2的薄膜半导体2a上来进行测定。介电体3对于所述紫外激发光具有透光性。

通过以此方式构成，在使用μ-PCD(反射微波光导电衰减)法来评价半导体的结晶性时，由紫外激发光所引起的光激发载流子的产生，不会被介电体3阻碍，从而能够对因无介电体3而不具有灵敏度从而无法评价的样品2进行高灵敏度的评价。并且，通过使具有中间阻抗的介质(介电体3)插入在微波的照射空间与样品2之间亦即空气与硅之间，能够避免阻抗的相对于微波的急遽变化(阻抗匹配)，提高功率传递效率。

当将介电体3的介电常数设为ε，将照射电磁波的波长设为λ时，介电体3的厚度d较为理想的是设为下式(1)的关系。

d＝λ/4(ε)^1/2    (1)

图3是表示在根据照射到样品2上的微波的反射波的强度来进行结晶性评价的情况下使本实施方式中所使用的介电体3的介电常数和厚度变化时的反射微波的强度变化的图。更具体而言，图3示出了本案发明人的模拟结果。此模拟是在微波的频率为26GHz而且介电体3的介电常数ε为7.5及9.0的各情况下进行的。从该图3可知，当介电体3的厚度d满足上述的条件式(1)时，该介电体3的表面为反射微波的振幅的波腹的位置，因此所述反射电磁波的灵敏度为最大。

另外，基于设定为所述条件，如图4所示，被介电体3的表面3d所反射的微波3f与被样品2的表面2d所反射的微波2f为波节与波腹的关系而相互抵消。在介电体3的厚度为d＝λ/4n(n：折射率)的情况下，介电体3的界面3d处的反射，由于该界面3d处的反射波与来自界面2d的反射波干涉而相互减弱，因此为最小。此时，从空气进入介电体3的电磁波的能量透射率(能量传递效率)为最大，其结果，能够对作为评价对象膜(薄膜半导体2a)投入更大的电场，因此能够将信号强度增大。

作为所述介电体3，其的介电常数越接近薄膜半导体2a的介电常数(例如在硅的情况下为11.7～8)，则灵敏度越高，但如上所述，有必要使用不会吸收紫外激发光的介电体。另外，为了使薄膜半导体2a中效率良好地吸收激发光，紫外激发光源17的波长较为理想的是选择满足该薄膜半导体2a的厚度＜穿透长度的波长。此外，为了能够实现更高灵敏度的检测，检测器18也可使用差动天线方式。

另外，作为评价部的一个例子的个人电脑19，通过利用作为检测部的一个例子的检测器18来检测反射电磁波的强度的峰值而进行所述结晶性的评价。这是因为，由所述紫外激发光照射所产生的光激发载流子的密度如图5所示那样变化，当与nsec(纳秒)级的激光脉冲的照射期间t0相比，光激发载流子的寿命τ为ns以下(皮秒级)的短的期间时，载流子的消灭时间近似于所产生的载流子数。从时刻t＝0起开始照射时，载流子密度增加，当经过了超过所述寿命τ的充分的时间时，由激发光照射所新产生的载流子数和经过寿命τ而再结合从而消失的载流子数成为均衡(平衡)，载流子密度为一定。此后，若在时刻t＝t0处停止激发光的照射，则载流子密度按所述寿命τ而减少下去。

更详细而言，当将载流子注入速度(由光激发所致的电子-空穴对的产生比例：每单位体积及每单位时间)设为g，将寿命设为所述τ时，半导体层的载流子密度p可通过对下式(2)求解而求出，其可以以初期条件p＝0、t＝0，表达为下式(3)(若将其明示为时间t的函数，则也可写为p(t))。

dp/dt＝g-p/τ    (2)

p＝gτ(1-exp(-t/τ))    (3)

并且，所述载流子密度p的峰值Peak为激光脉冲的照射结束时期t＝t0的值，因此其可表达为下式(4)。

Peak＝gτ(1-exp(-t0/τ))    (4)

此处，如前所述，由于τ＜＜t0，因而Peak≈gτ。因此，由于g为一定，因而寿命τ为下式(5)(可近似)。

τ∝Peak    (5)

因此，当寿命τ为ns以下(皮秒级)的短的期间时，使用一般的廉价的机器是难以计测该寿命τ的，但是，通过如此利用峰值(Peak值)作为结晶性的评价值来替代寿命τ，无需使用高成本的机器便能够评价寿命τ。

另外，作为激发光照射部的一个例子的紫外激发光源17对样品2照射以指定周期被强度调制的激发光，作为评价部的一个例子的个人电脑19将由作为检测部的一个例子的检测器18所检测出的反射电磁波的强度中与所述激发光的强度调制同步的周期成分抽出(检测出)，并根据该检测信号强度来评价所述样品的结晶性，由此，能够实现高灵敏度的计测及评价。特别是，在激发光的照射区域为微小区域的情况下，反射电磁波的强度变化小而容易受到噪声(noise)的影响，因此，通过上述那样的调制激发及同步检波，能够从测定值中将不必要的频率成分(噪声)除去，因而为合适的。另外，由于半导体激光能够作为紫外激发光源17来使用，因此，在低成本化方面有利，并且在安定性方面也有利。

(第2实施方式)

图6是表示第2实施方式所涉及的薄膜半导体的结晶性评价装置31的构成的框图。第2实施方式的评价装置31类似于所述第1实施方式的评价装置1，因此对于相对应的部分附加相同的符号，并省略其说明。此处，在该评价装置31中，取代第1实施方式的介电体3而在波导管13的远端安装介电体33，并且在介电体33和样品2之间隔开微小间隔d来进行测定。所述微小间隔d例如介电体33的介电常数ε为5.5时而为50μm左右。即，所述微小间隔d被选择到使照射微波不会感受到该微小间隔d(不会对传播造成影响)程度的大的距离。

因此，通过设置所述微小间隔d，能够完全不接触样品2地进行评价。另外，介电体33并非为样品2整体的大小，而是更小，只要形成为安装该介电体33的波导管13的大小即可，这能够减小挠曲，减小所述微小间隔d。

本说明书公开了如上所述的各种实施方式的技术，其中的主要技术总结如下。

本发明一方面所涉及的薄膜半导体的结晶性评价装置包括：激发光照射部，对薄膜半导体的样品的测定部位照射具有所述薄膜半导体的能带间隙以上的能量的激发光；电磁波照射部，向所述激发光的照射位置照射电磁波；检测部，检测基于所述激发光的照射而变化的来自所述样品的反射电磁波的强度；评价部，根据所述检测部的检测结果来评价所述样品的结晶性；其中，所述样品的所述薄膜半导体形成在导电性膜上，该薄膜半导体的结晶性评价装置还包括：介电体，设置在所述样品与所述电磁波照射部之间，且对于所述激发光具有透光性。

另外，本发明另一方面所涉及的薄膜半导体的结晶性评价方法是对薄膜半导体的样品的测定部位照射具有所述薄膜半导体的能带间隙以上的能量的激发光，并配合所述激发光的照射而向所述照射位置照射电磁波，且检测基于所述激发光的照射而变化的来自所述样品的反射电磁波的强度，而且根据所述检测结果来评价所述样品的结晶性的方法，其中，所述样品的所述薄膜半导体形成在导电性膜上，所述样品与所述电磁波照射部之间设置有介电体，该介电体对于所述激发光具有透光性。

利用所谓的μ-PCD法来评价半导体的结晶性的半导体的结晶性评价装置及方法中，对半导体的样品中的测定部位照射具有所述半导体的能带间隙以上的能量的激发光，并且对该激发光的照射位置照射电磁波，并检测基于所述激发光的照射而变化的来自样品的反射电磁波的强度，且根据该检测结果来评价所述样品的结晶性。而且，在所述样品的半导体为薄膜半导体且该薄膜半导体形成在导电性膜上的情况下，在所述样品与所述电磁波照射部之间设置介电体，该介电体对于所述激发光具有透光性。

该装置及方法中，对半导体照射具有其能带间隙以上的能量的激发光时，在半导体中产生光激发载流子，该光激发载流子基于电磁波的电场而运动(移动)。而且，由于该运动状态会因样品中的杂质、缺陷等的存在而受到影响。因此，照射导半导体样品上的电磁波的反射波的强度(相对于照射波的强度的变化)，便成为样品的结晶性的指标。而且，该反射波的强度的检测(测定)为非破坏且为非接触，能够在极短的时间内进行。在使用此种所述的μ-PCD法时，若对金属制的平台表面照射微波，则形成以该表面为波节的驻波。因此，当在所述平台上放置厚度薄的样本时，由于该表面上的驻波的电场振幅小，因此，其的与光激发载流子间的相互作用弱，信号强度小。另一方面，当在所述平台上放置厚度厚的样本时(该厚度的最佳值为λ/4)，电场振幅相对较大，信号也变大。

为此，在上述结晶性评价装置及方法中，当所述半导体为薄膜且该薄膜半导体形成在例如太阳能电池中的底电极等导电性膜上时，在所述样品的薄膜半导体与所述电磁波照射部之间设置有对于所述激发光具有透光性的介电体。由此，具有上述构成的结晶性评价装置及方法，不会因介电体而阻碍由激发光所致的光激发载流子的产生，即使是因无介电体而不具有灵敏度从而无法进行评价的样品也能够以高灵敏度被评价。

此外，由于在电磁波的照射空间与样品之间亦即在空气与硅之间插入了具有中间阻抗的作为介质的介电体，因此能够避免阻抗相对于电磁波的急遽变化(阻抗匹配)，提高功率传递效率。

另外，作为本发明的另一实施方式，上述的薄膜半导体的结晶性评价装置中较为理想的是满足d＝λ/4(ε)^1/2的关系，其中，ε为所述介电体的介电常数，d为所述介电体的厚度，λ为所照射的电磁波的波长。

具有此种构成的结晶性评价装置能够使对薄膜半导体的功率传递效率实现最大化。

另外，作为本发明的另一实施方式，上述的薄膜半导体的结晶性评价装置中较为理想的是，所述评价部基于由所述检测部所检测的所述反射电磁波的强度的峰值来评价结晶性。

具有此种构成的结晶性评价装置中，当所述光激发载流子的寿命τ为ns以下(皮秒级)的短的期间时，使用一般的廉价的机器是难以计测该寿命τ的，但是，当激发脉冲宽度》寿命τ时，寿命τ便成为τ∝Peak值(近似于Peak值)。

因此，具有此种构成的结晶性评价装置通过利用峰值(Peak值)作为结晶性的评价值来替代寿命τ，无需使用高成本的机器便能够评价寿命τ。

另外，作为本发明的另一实施方式，上述的薄膜半导体的结晶性评价装置中较为理想的是，所述介电体以隔开微小间隔的方式设置在所述样品上方。

具有此种构成的结晶性评价装置能够完全不接触样品地进行评价。

另外，作为本发明的另一实施方式，上述的薄膜半导体的结晶性评价装置中较为理想的是，所述电磁波照射部包括将所述电磁波引导至所述激发光的照射位置的波导管，所述介电体安装于所述电磁波照射部的所述波导管的远端。

具有此种构成的结晶性评价装置，介电体系并非为样品整体的大小，而是更小，只要形成为安装该介电体的波导管的大小即可，这能够减小挠曲，减小所述微小间隔。

另外，作为本发明的另一实施方式，上述的薄膜半导体的结晶性评价装置中较为理想的是，所述激发光照射部对所述样品照射以指定周期被强度调制的激发光，所述评价部抽出由所述检测部所检测的反射电磁波的强度中与所述激发光的强度调制同步的周期成分，并根据该检测信号强度来评价所述样品的结晶性。

具有此种构成的结晶性评价装置中，通过所述专利文献1那样的调制激发以及同步检波，能够实现高灵敏度的计测、评价。特别是当激发光的照射区域为微小区域时，反射电磁波的强度变化小，容易受噪声的影响，因此，通过所述调制激发以及同步检波，能够从测定值中将不必要的频率成分(噪声)除去，因而为合适的。

此申请是以2010年9月22日提交的日本专利申请2010-211524号为基础的申请，其内容包含在本申请中。

为表达本发明，在上面一边参照附图一边透过实施方式来对本发明作了适当且充分的说明，但应认识到，只要是本领域技术人员，是可以容易地对上述的实施方式作变更以及/或者作改良的。因此，本领域技术人员所实施的变更实施方式或者改良实施方式只要不脱离请求范围中所记载的权利要求的权利范围，该变更实施方式或该改良实施方式应解释为包含在该权利要求的权利范围中。

产业上的利用可能性

根据本发明，能够提供评价薄膜半导体的结晶性的结晶性评价装置及方法。

Claims (7)

1.一种薄膜半导体的结晶性评价装置，包括：

激发光照射部，对薄膜半导体的样品的测定部位照射具有所述薄膜半导体的能带间隙以上的能量的激发光；

电磁波照射部，向所述激发光的照射位置照射电磁波；

检测部，检测基于所述激发光的照射而变化的来自所述样品的反射电磁波的强度；

评价部，根据所述检测部的检测结果来评价所述样品的结晶性；

该薄膜半导体的结晶性评价装置的特征在于：

所述样品的所述薄膜半导体形成在导电性膜上，

该薄膜半导体的结晶性评价装置还包括：

介电体，设置在所述样品与所述电磁波照射部之间，且对于所述激发光具有透光性。

2.根据权利要求1所述的薄膜半导体的结晶性评价装置，其特征在于：

满足d＝λ/4(ε)^1/2的关系，其中，ε为所述介电体的介电常数，d为所述介电体的厚度，λ为所照射的电磁波的波长。

3.根据权利要求1或2所述的薄膜半导体的结晶性评价装置，其特征在于：

所述评价部基于由所述检测部所检测的所述反射电磁波的强度的峰值来评价结晶性。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的薄膜半导体的结晶性评价装置，其特征在于：

所述激发光照射部对所述样品照射以指定周期被强度调制的激发光，

所述评价部抽出由所述检测部所检测的反射电磁波的强度中与所述激发光的强度调制同步的周期成分，并根据该检测信号强度来评价所述样品的结晶性。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的薄膜半导体的结晶性评价装置，其特征在于：

所述介电体以隔开微小间隔的方式设置在所述样品上方。

6.根据权利要求5所述的薄膜半导体的结晶性评价装置，其特征在于：

所述电磁波照射部包括将所述电磁波引导至所述激发光的照射位置的波导管，

所述介电体安装于所述电磁波照射部的所述波导管的远端。

7.一种薄膜半导体的结晶性评价方法，对薄膜半导体的样品的测定部位照射具有所述薄膜半导体的能带间隙以上的能量的激发光，并配合所述激发光的照射而向所述照射位置照射电磁波，且检测基于所述激发光的照射而变化的来自所述样品的反射电磁波的强度，而且根据所述检测结果来评价所述样品的结晶性，

该薄膜半导体的结晶性评价方法的特征在于：

所述样品的所述薄膜半导体形成在导电性膜上，

所述样品与所述电磁波照射部之间设置有介电体，该介电体对于所述激发光具有透光性。

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