JP2007288135A - シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体薄膜の結晶性を試料を破壊することなく評価することができ、また、非前記薄膜を形成させるための製造ラインで、形成された薄膜をオンラインで迅速に評価できるような半導体薄膜の結晶性の評価方法を提供する。
【解決手段】基材上に成膜されたシリコン半導体薄膜の結晶性を評価するための装置であって、シリコン半導体薄膜の所定の領域にキャリア励起光を照射する励起光照射手段と、赤外光を集光した状態で前記領域内に照射する赤外光集光照射手段と、シリコン半導体薄膜において反射された反射光の強度を検出する反射光強度検出手段と、前記検出した信号から結晶性を評価するためのデータを作成するデータ作成手段とを備えることを特徴とするシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン半導体薄膜の結晶性を評価するための装置及び方法に関し、詳しくは、ガラス基材等の基材上に成膜されたシリコン半導体薄膜の結晶性を評価する装置及び方法に関する。

近年、液晶表示装置に用いられる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）としては、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）薄膜を用いた従来のアモルファスシリコン半導体薄膜トランジスタ（ａ−Ｓｉ ＴＦＴ）に代わり、多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ）薄膜を用いた多結晶シリコン半導体薄膜トランジスタ（ｐ−Ｓｉ ＴＦＴ）が用いられている。ｐ−Ｓｉ ＴＦＴは電子移動度の高いシリコン半導体薄膜であり、液晶表示装置の表示の高精細化、高画質化及び応答速度の高速化が実現できる。

ｐ−Ｓｉ ＴＦＴに用いられるｐ−Ｓｉ薄膜は液晶表示装置に用いられるガラス基材等の表面に形成される。基材表面にｐ−Ｓｉ薄膜を形成する方法としては、予め基材表面に形成したａ−Ｓｉ薄膜を溶融結晶化してｐ−Ｓｉ薄膜に変化させる方法が用いられる。ａ−Ｓｉ薄膜を溶融結晶化してｐ−Ｓｉ薄膜に変化させる方法としては、ａ−Ｓｉ薄膜にエキシマレーザを照射してアニールし、結晶化させるエキシマレーザアニール法（ＥＬＡ法）が多用されている。しかしながらエキシマレーザアニール法により得られるｐ−Ｓｉ薄膜の結晶粒子径や結晶方位等の結晶構造は、予め形成されたａ−Ｓｉ薄膜の膜厚のバラツキや照射するエキシマレーザのパルス変動等の製造条件により変動する。従って、ｐ−Ｓｉ薄膜の製造において、安定した品質の製品を高い歩留まりで得るために、得られたｐ−Ｓｉ薄膜の結晶性を製造ラインにおいてオンライン上で短時間で評価し、その結果を、ｐ−Ｓｉ薄膜の製造条件に迅速にフィードバックすることができる方法が求められていた。

ｐ−Ｓｉ薄膜の結晶性を評価する方法として、従来から、Ｘ線回折法、ラザフォード後方散乱法、透過電子回折法等を用いた方法が知られているが、これらの方法は、いずれも測定に比較的長い時間を要したり、測定対象を破壊して測定試料を調製することを要する破壊試験であるために、製造ラインにおいてオンライン上で短時間で評価することが困難であり、評価結果を迅速に製造条件にフィードバックすることが困難であった。

前記問題点を解決する方法としては、例えば、下記特許文献１に記載されたようなラマン分光法を用いたシリコン半導体薄膜の結晶性の評価方法が知られている。
特開２００４−２２６２６０号公報

ラマン分光法を用いたシリコン半導体薄膜の結晶性の評価方法は、測定対象を破壊して測定試料の調製をすることを要しない点では優れている。

しかしながら、ラマン分光法を用いた結晶性の評価方法で検出するラマン散乱光の強度は非常に微弱である。従って、正確な評価結果を得るためには、複数回の測定により測定結果を積算する必要があり、迅速に正確な評価結果を得るという観点からは不充分な測定方法であった。特に、製造ラインで、形成された薄膜をオンライン上で評価し、迅速にその評価結果を製造条件にフィードバックするという点においては、不充分な方法であった。

本発明は、前記問題点を解決するシリコン半導体薄膜の結晶性の評価装置及び評価方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために用いられる本発明のシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置は、前記シリコン半導体薄膜の表面の所定の領域にキャリアを励起させるための励起光を照射する励起光照射手段と、赤外光を放射する赤外光放射手段と、この赤外光放射手段から放射された赤外光を集光した状態で前記領域内に照射する集光照射手段と、前記集光照射手段により照射された赤外光のうち前記シリコン半導体薄膜において反射された反射光の強度を検出してその検出信号を出力する反射光強度検出手段と、前記検出信号を処理して前記シリコン半導体薄膜の結晶性を評価するためのデータを作成するデータ作成手段とを備えることを特徴とするものである。

前記励起光照射手段を用いて基材上に形成されたシリコン半導体薄膜の表面の所定の領域にバンドギャップ以上の光を照射し、シリコン半導体にキャリアを励起させ、前記キャリアを励起させた領域に、赤外光放射手段及び集光照射手段を用いて赤外光を照射した場合、前記シリコン半導体薄膜で赤外光の一部が反射される。このときの赤外光の反射率は前記領域内に存在する励起キャリアの量に依存する。そして、前記キャリアの量が多いほど、前記薄膜近傍で反射される赤外光の反射率は低下する。シリコン半導体薄膜においては、その結晶性が高いほど、存在する励起キャリアの量は多くなるために、前記結晶性が高いほど、反射率は低下する。

一方、基材上に形成されたシリコン半導体薄膜においては、一般に、反射される赤外光の反射率は、前記薄膜の温度にも依存する。前記薄膜の温度が高いほど前記反射率は高くなる。

シリコン半導体薄膜のキャリアを励起光で励起させた場合、前記薄膜の結晶性が高い程、励起キャリアの緩和時間が長い。また、結晶性が高いほど励起キャリアの拡散性が高いために、励起キャリアの再結合により発生する熱の拡散性が高い。従って、結晶性が高いほど、局所的な温度上昇の度合いが低くなり、基材に局所的に与える熱エネルギーの量が少なくなり、結果として、赤外光の反射率が低下する。

前記のようにシリコン半導体薄膜の表面の所定の領域に前記半導体薄膜の半導体のバンドギャップ以上の励起光を照射してキャリアを励起させ、また、前記励起光が照射された領域内に赤外光を照射した場合には、一般に、結晶性が低いほど反射率が高くなり、結晶性が高いほど反射率が低くなる。従って、前記反射率を測定することにより、前記薄膜の結晶性を評価することができる。

なお、本発明における前記励起光照射手段に用いられる励起光としては、パルス光を用いることが、瞬時的に多くのキャリアを生成させ、赤外光の反射光の強度変化を高くすることができる点から好ましい。

一方、本発明における前記赤外光放射手段により放射される赤外光の波長としては、１〜１０μｍであることが好ましい。１μｍ未満のような短い波長の赤外光を照射すると、前記赤外光によってもキャリアが励起されるために、励起キャリアの量に依存する反射率の検出精度が低下してしまう傾向がある。また、赤外光の波長が長いほど励起キャリアとの相互作用が強くなるために検出精度の面からは測定光の波長は長いほうが好ましいが、波長が長くなりすぎると前記薄膜上への集光照射が困難になる。また、エキシマレーザアニール法により形成されるｐ−Ｓｉ薄膜の結晶性を評価する場合においては、通常、数１０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下の高い空間分解能が要求される。従って、このような高い空間分解能を維持しながら、集光した赤外光を目的とする部分に正確に照射するために波長１０μｍ以下の赤外光を用いることが好ましい。このような範囲の波長の赤外光を用いた場合には、通常の光学用レンズで容易に照射径が１０μｍ以下のような領域にでも、正確に集光照射することができ、高い空間分解能で正確に前記結晶性を評価することができる。

前記赤外光には、例えば波長に１０ｎｍ以上の広がりを持つ広帯域のものも含まれる。このような広帯域の赤外光を採用した場合には、これよりも狭い帯域の赤外光を採用した場合と比較して可干渉性を弱くすることができるので、結晶性の評価をより安定して行うことができる。つまり、狭帯域の赤外光を採用した場合には、シリコン半導体薄膜に照射される赤外光と当該半導体薄膜下の基材の底面で反射した赤外光とが互いに干渉して、前記基材の厚みに応じた測定誤差が生じ易いのに対し、広帯域の赤外光を採用する場合には前記干渉が生じ難くなるため、基材の厚みにかかわらず安定した測定値を得ることができる。

本発明の装置においては、前記赤外光放射手段により放射された赤外光は集光照射手段により集光され、前記表面の所定の領域内に集光された状態で照射される。

本発明のシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置においては、基材、励起光照射手段及び、集光照射手段は以下のように構成されていることが好ましい。

すなわち、前記基材は、コンピュータ等で制御されたステージコントローラ等の位置決め手段を備えた基材支持手段に固定されていることが好ましい。このような基材支持手段を用いることにより、基材上の所定の領域に正確に励起光及び赤外光を照射することができる。

また、前記励起光照射手段としては、励起光を放射する励起光放射手段と、前記励起光放射手段から放射される励起光を前記基材上に照射する励起光照射方向調整手段とを含むことが好ましい。励起光照射方向調整手段としては、励起光の反射方向を調整することができる可動式ミラーや、励起光放射手段に備えられた放射方向を自在に調整できる手段等が挙げられる。前記励起光照射手段がこのような励起光照射方向調整手段を備えることにより、前記励起光放射手段の配設される位置に関らず、正確に、前記基材上の所定の領域に正確に励起光を照射させることができる。

さらに、前記集光照射手段としては、前記基材支持手段に固定された前記基材の上方に設けられ、赤外光放射手段が放射する赤外光を集光するための集光レンズと、前記集光レンズに赤外光放射手段が放射する赤外光を上方から入射させる手段を備えていることが好ましい。このような構成により、前記集光レンズに赤外光放射手段が放射する赤外光を入射させ、赤外光を基材上の正確な位置に照射することができる。

なお、前記赤外光放射手段が放射する赤外光を上方から入射させる手段としては、赤外光の進行方向を変更することができるビームスプリッタ等の装置が用いられる。このような装置を用いた場合には赤外光放射手段が配設される位置に関らず、正確に、集光レンズに赤外光を入射させることができる。

前記のような構成を備えたシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置の一例を、図１に示すような結晶性評価装置に基づいて以下に説明する。

図１においては、前記基材支持手段である基材ステージ１７により前記基材５ｂが特定位置に支持されており、前記基材５ｂの上方に赤外光集光用の集光レンズ４と、赤外光レーザ１０のような赤外光放射手段が放射する赤外光を集光レンズ４に上方から入射させるレーザスプリッタ１２等の手段とが設けられている。一方、前記励起光照射手段は、励起光を放射する励起パルスレーザ１のような励起光放射手段と、さらに、前記赤外光を透過させるとともに前記励起光放射手段から放射される励起光を前記基材５ｂ側に反射させるミラー６が集光レンズ４の上方に設けられている。そして、前記ミラー６により反射された励起光が集光レンズ４を透過して基材５ｂ上に形成されたシリコン半導体薄膜５ａに照射されるとともに、集光レンズ４に入射された赤外光が集光レンズ４により集光されて基材５ｂ上に形成されたシリコン半導体薄膜５ａにおける前記励起光の照射領域内に照射されるように、前記基材支持手段による前記基材の支持位置に対する前記レンズ及び前記ミ
ラーの相対位置が設定されている。このような構成により、本発明のシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置をより効率的に構成することができる。

そして、前記のようにして集光して照射された赤外光の前記薄膜に対する反射光の強度を反射光強度検出手段により検出する。そして、検出された検出信号を処理して前記シリコン半導体薄膜の結晶性を評価するためのＣＰＵ等のデータ演算処理手段を備えたコンピュータ等からなるデータを作成するデータ作成手段により、結晶性を評価するためのデータを作成し、その結果を出力することにより、前記薄膜の結晶性を、短時間で迅速に評価することができる。

なお、前記データ作成手段としては、前記励起光照射手段における励起光として周期的に強度が変動する光を用いて、前記周期的に強度が変動する光の強度の変動周期に同期した前記赤外光の反射率変化についてのデータを作成することが好ましい。前記のように励起光として周期的に強度が変動する光を用い、データ作成手段として、前記周期的に強度が変動する光の強度の変動周期に同期した前記赤外光の反射率変化についてのデータを作成することにより、検出される反射光強度のＳ／Ｎ比を高めることができる。また、励起光を周期的に強度変調させ、同周期成分のみをロックインアンプ等を用いて検出することにより、不要なノイズ周波数成分が除去でき、Ｓ／Ｎ比を高めることができ、測定の高精度化が実現できる。

また、前記励起光照射手段としては、照射する励起光の強度の変動タイミングを検出するタイミング検出手段をさらに備え、また、その場合においては、前記データ作成手段として、前記タイミング検出手段により検出される前記励起光の強度の変動タイミングに同期するタイミングで前記反射光強度検出手段の検出信号を採取して前記シリコン半導体薄膜の結晶性を評価するためのデータを作成することが好ましい。このように、タイミング検出手段により、励起光の強度変動タイミングを検出し、励起光の強度が高い期間と反射光のデータ採取の期間とを同期させることにより、作成させるデータのＳ／Ｎ比を高めることができる。

本発明のシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置及び方法を用いれば、半導体薄膜の結晶性を評価に供する試料を破壊することなく評価することができる。また、非破壊で迅速に前記薄膜の結晶性を評価することができるために、基材上に前記薄膜を形成させるための製造ライン上でも、形成された薄膜をオンラインで評価し、その結果を製造条件に迅速にフィードバックすることができる。

以下に、本発明を更に具体的に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置の全体構成の一例を示している。

図１に示した結晶性評価装置は、基材５ｂ上に形成されたシリコン半導体薄膜５ａの結晶性を評価するためのものであり、この基材５ｂを支持する基材ステージ１７と、励起光照射手段と、赤外光放射手段と、集光照射手段と、反射光強度検出手段と、タイミング検出手段と、データ作成手段とを備える。

この実施の形態では、前記基材５ｂにはガラス基板が用いられており、この基材５ｂが水平な状態で前記基材ステージ１７上に載置される。この基材ステージ１７はステージコントローラ１６の制御下で水平方向に駆動される。

前記励起光照射手段は、前記基材ステージ１７上の基材５に形成されたシリコン半導体薄膜５ａの表面の所定の領域にこのシリコン半導体薄膜にキャリアを励起させる励起光を照射するものであり、励起パルスレーザ１と、ビーム調整器２と、ダイクロイックミラー６とを含んでいる。

前記励起パルスレーザ１は、励起光としてパルス光（例えば波長３５５ｎｍ、パルス幅１０ｎｓ）を放射するものである。この実施の形態では、当該励起光を薄膜試料に効率よく吸収させるために前記励起パルスレーザ１として紫外パルスレーザが用いられている。本発明において励起光は必ずしもパルス光でなくてもよいが、その強度が周期的に変動する励起光を照射する方が、瞬間的に多くのキャリアを生成することができるため、後述の検出信号の信号強度を高めることが可能である点から好ましい。強度が周期的に変動する励起光としては必ずしもパルス光で無くても良く、周期的に強度変調されたものであればよい。

前記ビーム調整器２は、組合せレンズにより構成され、前記励起パルスレーザ１から後述のビームスプリッタ３を透過してくる前記パルス光のビームの発散角を調整する。前記ダイクロイックミラー６は、前記ビーム調整器２により発散角が調整された励起光を前記基材５側に反射させ、後述の集光レンズ４を透過させて、例えば、照射径０．０１〜１ｍｍ程度の領域に照射する。

前記赤外光放射手段は、赤外光を放射するためのものであり、この実施の形態では赤外光レーザ１０が具備されている。この赤外光レーザ１０としては、例えば波長１．３〜１．６μｍ程度の赤外光を放射する半導体レーザ等が好ましく用いられる。

また、赤外光放射手段により放射される赤外光としては、波長に１０ｎｍ以上の広がりを持つ広帯域のものを採用することもできる。例えば、図３のＬ１に示すように、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）を赤外光放射手段として採用すれば、その半値幅として約３０ｎｍの波長の広がりを持つ赤外光を照射することができる。ここで、「半値幅」とは、発振スペクトルにおける発振光強度のピーク値の半分の強度（図３の破線で示す強度）における波長の広がり（幅）のことをいう。なお、同図のＬ２は、レーザダイオード（単色光）を赤外光放射手段として採用した場合を示しており、この場合には、その半値幅として約１ｎｍの波長の広がりを持つ赤外光が照射されることになる。前記ＳＬＤのように広帯域の赤外光を採用した場合、これよりも狭帯域のレーザダイオード等を採用する場合と比較して可干渉性を弱くすることができるので、結晶性の評価をより安定して行うことができる。つまり、狭帯域の赤外光を採用した場合には、シリコン半導体薄膜５ａに照射される赤外光と当該半導体薄膜５ａ下の基材５ｂの底面で反射した赤外光とが互いに干渉して、基材５ｂの厚みに応じた測定誤差が生じ易いのに対し、広帯域の赤外光を採用する場合には前記干渉が生じ難くなるため、基材５ｂの厚みにかかわらず安定した測定値を得ることができる。

前記集光照射手段は、前記赤外光放射手段から放射された赤外光を集光して前記領域内に照射するためのものであり、本実施形態においては、ビーム調整器１１と、ビームスプリッタ１２と、前記集光レンズ４とを含んでいる。ビーム調整器１１は、ビーム調整器２と同様に組合せレンズで構成され、赤外光レーザ１０から放射される赤外光の発散角を調整する。ビームスプリッタ１２は、ビーム調整器１１を通った赤外光を基材５ｂ側に反射させる。集光レンズ４は、前記基材ステージ１７上に載置される基材５ｂの直上の位置に配設され、前記ビームスプリッタ１２から前記ダイクロイックミラー６を透過してくる赤外光を集光して前記励起光の照射領域の中央部に照射する。その照射径は適宜設定可能であるが、例えば２〜１０μｍ程度に調整するのが高い空間分解能を維持することができる点から好ましい。

なお、検出信号の強度は、励起光照射された領域における励起キャリアの密度及び温度上昇の度合いに依存し、励起キャリアの密度及び温度上昇の度合いは励起光強度及び照射径に依存するために、測定対象である試料の形態（基材の種類、厚みや薄膜の厚み）に応じて、結晶性評価に最適な励起光強度、照射径が適宜選択される。

前記反射光強度検出手段は、前記集光照射手段により照射された赤外光のうち前記シリコン半導体薄膜において反射された反射光の強度を検出してその検出信号を出力するためのものであり、この実施の形態では光検出器１３により構成される。この光検出器１３は、前記ビームスプリッタ１２の直上の位置に配設され、シリコン半導体薄膜５ａから集光レンズ４、ダイクロイックミラー６、及びビームスプリッタ１２を透過してくる反射光を受光してその強度に対応する電圧信号（検出信号）を出力する。

前記タイミング検出手段は、励起パルスレーザ１が基材５ｂ表面に形成されたシリコン半導体薄膜５ａに対して照射する励起光の強度の変動タイミング（この実施の形態ではパ
ルス光のオンオフタイミング）を検出するものであり、ビームスプリッタ３と光検出器７とを含む。ビームスプリッタ３は、励起パルスレーザ１とビーム調整器２との間の位置で前記励起光の一部を光検出器７側に導く。この光検出器７は、前記励起光であるパルス光を受光し、このパルス光の照射タイミング検出信号を出力する。

前記データ作成手段は、前記検出信号を処理して前記シリコン半導体薄膜の結晶性を評価するためのデータを作成するものであり、アンプ８と信号処理装置９とを含んでいる。アンプ８は、光検出器１３から出力される検出信号を増幅し、信号処理装置９に入力する。信号処理装置９は、例えばデジタルオシロスコープにより構成され、光検出器７から出力されるタイミング検出信号と、前記アンプ８から出力される増幅検出信号との入力を受ける。そして、前記タイミング検出信号がオンの期間、すなわち前記パルス光がオンの期間にのみ前記増幅検出信号を採り込み、この増幅検出信号に基づいて、前記シリコン半導体薄膜の結晶性を評価するためのデータ、例えば図２に示すような前記増幅検出信号の時間変化を示す信号波形を作成する。

なお、前記励起光がパルス光でなく、周期的に強度変調した光である場合には、例えば、前記反射光と同周期の成分の信号レベルとその位相を測定するようにすればよい。

前記信号波形は、コンピュータ１５に取り込まれ、画面表示や印刷といった手段で適宜出力される。

なお、前記コンピュータ１５は、前記ステージコントローラ１６に指令信号を出力して基材ステージ１７の駆動制御も行わせる役割を果たす。この駆動制御は、例えば基材５上の任意の位置での測定やマッピング測定を可能にする。

次に、この装置の作用を説明する。

前記励起パルスレーザ１から放射されるパルス光のうち前記ビームスプリッタ３を透過したパルス光は、前記ビーム調整器２を通過してダイクロイックミラー６で下方に反射し、前記集光レンズ４を透過して基材５上のシリコン半導体薄膜５ａに所定の照射径で照射される。このパルス光（励起光）によりシリコン半導体薄膜５ａの半導体のキャリアが励起され、その後拡散しつつ再結合することにより緩和するが、この励起キャリアの存在時間はシリコン半導体薄膜５ａの結晶性が高いほど長くなる。従って、一定期間経過後においては、結晶性が高いほど存在する励起キャリアの量が多い。しかも、この励起キャリアの緩和は発熱過程を通して行われるため、薄膜で温度上昇が起こるが、前記結晶性が高いほど前記励起キャリアの拡散性が高いので局所的な温度上昇の度合いは小さくなる。

一方、赤外光レーザ１０が放射する赤外光は、前記ビーム調整器１１、前記ビームスプリッタ１２、ダイクロイックミラー６、及び集光レンズ４を通して、シリコン半導体薄膜５ａに対し前記励起光の照射領域の中央部に集光照射される。

照射される前記赤外光は集光レンズ４により集光されてピント調整がされた状態で、シリコン半導体薄膜５ａに照射される。

そして、集光照射された赤外光はシリコン半導体薄膜５ａで反射されるが、このシリコン半導体薄膜５ａの前記領域における励起キャリアの量が多く、また、前記薄膜の温度が低いほど前記赤外光の反射率が低下するため、結局、前記シリコン半導体薄膜５ａの結晶性が高いほど前記赤外光の反射光の強度が低下することになる。

そして、前記反射光は、集光レンズ４、前記ダイクロイックミラー６、及び前記ビーム
スプリッタ１２を透過して前記光検出器１３により受光される。この光検出器１３は、前記反射光の強度に対応する電圧信号を検出信号として出力する。この検出信号は、アンプ８により増幅され、デジタルオシロスコープからなる信号処理装置９に取り込まれる。

一方、ビームスプリッタ３は励起パルスレーザ１が放射する励起光（パルス光）の一部を光検出器７に導く。この光検出器７は、前記パルス光のオンオフタイミングに対応するタイミング検出信号を出力して信号処理装置９に入力する。この信号処理装置９は、前記タイミング検出信号により検出されるパルス光のオンオフタイミングと同期して検出信号を採取し、例えば図２に示すような信号波形を作成してコンピュータ１５に入力する。

以下に、本発明を実施例により、さらに、具体的に説明する。なお、本発明は、実施例により何ら限定されることはない。

図１に示した構成の装置を用いて、エキシマレーザアニール法により得られたガラス基板上に成膜された厚み５０ｎｍの多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ）薄膜、前記アニール前の厚み５０ｎｍのアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）薄膜、及び比較としてシリコンウェハ（Ｂｕｌｋ−Ｓｉ）について結晶性の評価を行った。

なお、本実施例では、励起パルスレーザ１として、波長３５５ｎｍ、パルス幅１０ｎｓの紫外パルスレーザを用い、前記励起パルスレーザ１からのパルス光はビームスプリッタ３を透過し、ビーム調整器２でビームの発散角が調整され、ダイクロイックミラー６で反射されて、集光レンズ４を透過して各種試料の表面に照射径１ｍｍで照射された。

一方、赤外光放射手段としては、赤外光レーザ１０として波長１．５５μｍの赤外光を放射する半導体レーザを用いた。前記赤外光は、ビーム調整器１１、ビームスプリッタ１２を透過し、ダイクロイックミラー６で反射されて、集光レンズ４により集光されて試料の前記パルス光が照射された領域に照射径が５μｍになるように照射された。

そして、前記各種試料からの赤外光の反射光は、集光レンズ４、ダイクロイックミラー６、ビームスプリッタ１２を透過し、光検出器１３で前記反射光の強度を電圧信号として検出した。なお、前記電圧信号は、アンプ８で増幅され、デジタルオシロスコープを備えた信号処理装置９に取り込まれた。前記デジタルオシロスコープは、励起パルスレーザの出射するタイミングに同期して信号波形が採取され、その波形はコンピュータ１５に取り込まれて画面表示及び印刷がなされた。

前記一連の構成の装置による評価結果を図２に示す。

図２中、ｐ−Ｓｉはガラス基板上に成膜された厚み５０ｎｍのｐ−Ｓｉ薄膜、ａ−Ｓｉは厚み５０ｎｍのａ−Ｓｉ薄膜及びＢｕｌｋ−Ｓｉは結晶性が高いシリコンインゴットの結晶性評価結果を示す。なお、図２において、検出信号は、赤外光の強度が励起光照射前に比べて増加（反射率が増加）した場合は負となり、減少した場合には正となる極性で示している。

図２に示すように、励起光照射により結晶性が高いＢｕｌｋ−Ｓｉにおいては反射率が大幅に低下するのに対して、結晶性の低いａ−Ｓｉ薄膜においては反射率が大幅に上昇した。また、前記ａ−Ｓｉ薄膜を結晶化させたｐ−Ｓｉ薄膜においては、ａ−Ｓｉよりも反射率の上昇レベルが低かった。従って、前記結果より、シリコン半導体薄膜の結晶性を検出信号の測定をもって評価することができることが確認できた。

なお、上記のように測定される反射率は、基材内での光干渉効果により、薄膜や基材の厚み、種類等により異なるが、このような場合においても、結晶性に相関のあるデータを得ることができ、結晶性の迅速な評価が可能になる。

本発明の実施の形態に係るシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置の全体構成の一例を示す。 実施例により得られた結晶性を評価するためのデータを示す。 結晶性の評価に用いられる赤外光の例を示すグラフである。

符号の説明

１ 励起パルスレーザ
２ ビーム調整器
３ ビームスプリッタ
４ 集光レンズ
５ｂ 基材
５ａ シリコン半導体薄膜
６ ダイクロイックミラー
７ 光検出器
８ アンプ
９ 信号処理装置
１０ 赤外光レーザ
１１ ビーム調整器
１２ ビームスプリッタ
１３ 光検出器
１５ コンピュータ
１６ ステージコントローラ
１７ 基材ステージ

Claims (10)

1. 基材上に成膜されたシリコン半導体薄膜の結晶性を評価するための装置であって、
   前記シリコン半導体薄膜の表面の所定の領域にキャリアを励起させるための励起光を照射する励起光照射手段と、
   赤外光を放射する赤外光放射手段と、
   前記赤外光放射手段から放射された赤外光を集光した状態で前記領域内に照射する集光照射手段と、
   前記集光照射手段により照射された赤外光のうち前記シリコン半導体薄膜において反射された反射光の強度を検出してその検出信号を出力する反射光強度検出手段と、
   前記検出信号を処理して前記シリコン半導体薄膜の結晶性を評価するためのデータを作成するデータ作成手段とを備えることを特徴とするシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置。
2. 請求項１に記載のシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、
   前記励起光照射手段は、前記励起光として周期的に強度が変動する光を前記領域に照射するものであり、前記データ作成手段は、前記励起光の強度の変動周期に同期した前記赤外光の反射率変化についてのデータを作成するものであることを特徴とするシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置。
3. 請求項２に記載のシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、
   前記励起光照射手段が照射する励起光の強度の変動タイミングを検出するタイミング検出手段をさらに備え、
   前記データ作成手段は、前記タイミング検出手段により検出される前記励起光の強度の変動タイミングに同期するタイミングで前記反射光強度検出手段の検出信号を採取して前記シリコン半導体薄膜の結晶性を評価するためのデータを作成するものであることを特徴とするシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、
   前記基材を特定位置に支持する基材支持手段を備えるとともに、
   前記集光照射手段は、前記基材の上方に設けられる赤外光の集光用のレンズと、前記赤外光放射手段が放射する赤外光を前記レンズに上方から入射させる手段とを含み、
   前記レンズに入射された赤外光が前記レンズにより集光されて前記基材における前記励起光の照射領域内に照射されるように、前記基材支持手段による前記基材の支持位置に対する前記レンズの相対位置が設定されていることを特徴とするシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、
   前記赤外光放射手段は波長が１〜１０μｍの赤外光を放射することを特徴とするシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載のシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、
   前記赤外光放射手段は波長に１０ｎｍ以上の広がりを持つ広帯域の赤外光を放射することを特徴とするシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置。
7. 基材上に成膜されたシリコン半導体薄膜の結晶性評価方法であって、
   前記シリコン半導体薄膜の表面の所定の領域にキャリアを励起させるための励起光を照射する励起光照射工程と、前記励起光が照射された領域内に集光された赤外光を照射する赤外光集光照射工程と、前記集光照射された赤外光が前記シリコン半導体薄膜で反射して生じる反射光の強度を検出する反射光強度検出工程とを備えることを特徴とするシリコン半導体薄膜の結晶性評価方法。
8. 請求項７に記載のシリコン半導体薄膜の結晶性評価方法において、
   前記励起光照射工程の前記励起光として周期的に強度が変動する光を用いるものであり、前記反射光強度検出工程が、前記周期的に強度が変動する光を用いる励起光の強度の変動周期に同期した前記赤外光の反射率変化を検出することを特徴とするシリコン半導体薄膜の結晶性評価方法。
9. 請求項７又は８に記載のシリコン半導体薄膜の結晶性評価方法において、
   前記赤外光集光照射工程で照射する赤外光の波長が１〜１０μｍであることを特徴とするシリコン半導体薄膜の結晶性評価方法。
10. 請求項７〜９の何れか１項に記載のシリコン半導体薄膜の結晶性評価方法において
    前記赤外光集光照射工程では、波長に１０ｎｍ以上の広がりを持つ広帯域の赤外光を照射することを特徴とするシリコン半導体薄膜の結晶性評価方法。

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