JP2008051719A - 薄膜半導体の結晶性測定装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ポリシリコン等の半導体からなる薄膜試料のごく微小領域の結晶性を評価するための指標値を、非破壊及び非接触で、かつ短時間及び高精度で測定できること。
【解決手段】半導体からなる薄膜試料６に対しマイクロ波を照射し、試料６のバンドキャップ以上のエネルギーの励起光を変調器１４により所定周期で強度変調するとともにレンズ９で集光して試料６に照射し、励起光の照射により変化する試料６からの反射マイクロ波の強度をマイクロ波検出器１０で検出し、その検出強度から励起光の強度変調に同期した周期成分をロックインアンプ１５により抽出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポリシリコンや単結晶シリコン等の半導体からなる薄膜試料の結晶性評価のための測定を行う薄膜半導体の結晶性測定装置及びその方法に関するものである。

液晶表示装置などのフラットパネルディスプレイの技術分野において、厚さ数十ｎｍ（ナノメートル）程度のＴＦＴ素子をガラス基板上に形成させるＳＯＧ(System On Glass)技術が注目されている。
従来、液晶表示装置のガラスパネルに形成されるＴＦＴ素子は、主としてアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）薄膜で構成されている。しかしながら、昨今、液晶表示装置の表示映像の高精細化、高画質化、大画面化及び応答速度の向上に対応するため、液晶表示装置のガラスパネル（ガラス基板上）に、電界効果移動度の高いポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）薄膜で構成されたＴＦＴ素子を形成させる技術が進展してきている。
ガラス基板上にｐ−Ｓｉ薄膜を形成させる方法は、高温プロセス法と低温プロセス法とに大別される。
高温プロセス法は、約１０００℃の高温処理工程を有するため、ガラス基板の材料として、耐熱性の高い石英ガラスなどを採用する必要がある。しかしながら、高耐熱性の石英ガラスなどは高価であり、コスト的に採用し難い。
一方、低温プロセス法は、ａ−Ｓｉ部材にパルスレーザを照射するレーザアニールにより、そのａ−Ｓｉを結晶化させてｐ−Ｓｉ薄膜を生成する。このため、ガラス基板の材料として、比較的耐熱性の低い安価なガラスを採用できる。
しかしながら、レーザアニ−ルによる結晶化によって得られたｐ−Ｓｉ薄膜は、レーザ光の強度や照射時間などの条件変動により、その結晶性がばらつきやすい。ここでいう結晶性とは、ダングリングボンドに起因する試料中の欠陥の量（欠陥の存在度合い）や結晶粒径のことである。この結晶性のばらつきは、ガラス基板上のＴＦＴ素子の性能に大きな悪影響を及ぼす。このため、ｐ−Ｓｉ薄膜の結晶性を評価することが重要となる。また、ｐ−Ｓｉ薄膜の結晶性評価を、ｐ−Ｓｉ薄膜（ＴＦＴ素子）が形成されたガラスパネルの製品検査工程で行うためには、非接触及び非破壊で、かつ短時間で結晶性評価を行う必要がある。
さらに、近年、ガラス基板上の各ＴＦＴ素子の結晶性のばらつきを抑えるため、ＴＦＴ素子を形成させる領域だけを局所的に結晶化させる技術の開発が盛んである。このため、ｐ−Ｓｉ薄膜の結晶性評価では、局所的な（微小な）領域の結晶性を評価することが非常に重要である。
一方、従来の薄膜試料の結晶性の評価手法としては、ラマン分光による結晶性評価、Ｘ線回析法、ラザフォード後方散乱法、透過電子回析法及び走査式電子顕微鏡を用いた結晶性評価などが知られている。
例えば、特許文献１には、ラマン分光によりアモルファス結晶シリコンのラマンシフトを測定することにより、薄膜試料の結晶化の過程を評価する技術が示されている。
特開２００２−１７６００９号公報

しかしながら、ラマン分光による結晶性評価や、Ｘ線解析法、ラザフォード後方散乱法及び透過電子回析法による結晶性評価は、いずれも測定装置が高価であり、測定に要する時間も長いことから、生産プロセスでの製品検査への適用には不向きであるという問題点があった。
また、走査式電子顕微鏡を用いた結晶性評価も、これは本質的に破壊試験であり、さらに、測定時間も長時間を要することから、生産プロセスでの製品検査への適用には不向きであるという問題点があった。
従って、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ポリシリコン等の半導体からなる薄膜試料のごく微小領域の結晶性を評価するための指標値を、非破壊及び非接触で、かつ短時間及び高精度で測定できる薄膜半導体の結晶性測定装置及びその方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、ポリシリコンや単結晶シリコン等の半導体からなる薄膜試料の結晶性評価のための測定を行う薄膜半導体の結晶性測定装置として構成されるものであり、次の（１）〜（５）に示す各手段を備えることを特徴とする。
（１）前記薄膜試料に対し電磁波を照射する電磁波照射手段。
（２）前記薄膜試料のバンドキャップ以上のエネルギーの励起光を所定周期で強度変調する励起光強度変調手段。
（３）前記励起光強度変調手段により強度変調された励起光を集光して前記薄膜試料に照射する励起光照射手段。
（４）前記励起光の照射により変化する、前記薄膜試料からの前記電磁波の反射波の強度を検出する電磁波強度検出手段。
（５）前記電磁波強度検出手段による検出強度から前記励起光の強度変調に同期した周期成分（励起光の強度変調周波数と同じ周波数成分といってもよい）を抽出する変調周期成分抽出手段。
ここで、前記電磁波照射手段が、導波管アンテナを備えていることが考えられる。この場合、その導波管アンテナの前記薄膜試料に近接する端部において、前記電磁波を前記薄膜試料に放射するとともにその電磁波の反射波を捕捉する。
また、前記励起光照射手段が、前記導波管アンテナの前記薄膜試料に近接する端部を通じて前記励起光を前記薄膜試料に照射するものであることが考えられる。

半導体試料に電磁波を照射すると、半導体試料中の自由電子が、その電磁波の電界により運動（移動）するが、その運動状態は、試料中の不純物、欠陥等の存在によって影響を受ける。このため、半導体試料に照射した電磁波の反射波の強度（照射波の強度に対する変化）は、試料の結晶性の指標となる。しかもその反射波の強度の検出（測定）は、非破壊かつ非接触で、ごく短時間のうちに行うことができる。
しかしながら、電磁波（マイクロ波）の波長は数ミリ以上と長いため、薄膜試料における微小領域の結晶性を評価できない。さらに、前記半導体試料が、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度のポリシリコンや、数μｍ以下の単結晶シリコン等である場合のように、前記半導体試料の厚みが薄い（薄膜試料である）場合、電磁波の照射波に対する反射波の強度の変化（半導体試料の結晶性に起因する反射波の強度変化）はごく微小となり、十分な測定感度が得られない結果、十分な測定精度が確保されない。また、測定感度を高めるために励起光の強度を強くし過ぎると、試料の損傷の原因となり、さらに、励起光の光源のコスト増にもつながる。
これに対し、本発明のように、前記薄膜試料にそのバンドキャップ以上のエネルギーの励起光を集光して微小領域に照射することにより、試料中の微小領域に光励起キャリアが発生し、その光励起キャリアが電磁波の電界によって運動する。従って、前記励起光の照射により変化する前記反射波の強度を検出すれば、その検出強度は、試料の微小領域（励起光照射領域）の結晶性を表す指標となる。
ここで、励起光の照射領域が微小領域であるため、前記反射波の強度変化は小さく、その測定はノイズの影響を受けやすい。
これに対し、本発明のように、所定周期で強度変調した励起光を試料に照射し、前記反射光の強度から励起高の強度変調に同期した成分を抽出することにより、測定値から不要な周波数成分（ノイズ）が除去される。

本発明によれば、励起光を集光して試料の微小領域に照射し、その励起光の照射により変化する反射電磁波の強度を検出することにより、その検出値は、電磁波照射領域における励起光照射領域以外の領域の影響を受けにくいが、全く影響がないわけではない。
そこで、前記電磁波照射手段が備える前記導波管アンテナの前記薄膜試料に近接する端部に、電磁波を遮蔽する電磁波遮蔽部が形成され、その電磁波遮蔽部に、前記電磁波を前記薄膜試料に放射するとともにその電磁波の反射波を捕捉する微小開口が形成されたものが考えられる。
これにより、試料に対する電磁波の照射領域を比較的微小な領域に制限でき、試料における励起光照射領域の周辺の領域の状態が測定値（前記反射波の強度）に与える影響を極力小さくすることができる。
一方、前記電磁波照射手段が、内部で前記電磁波を共振させる空洞共振器を具備し、その空洞共振器の前記薄膜試料に近接する端部に形成された微小開口において、前記電磁波を前記薄膜試料に放射するとともにその電磁波の反射波を捕捉するものが考えられる。
このような構成によっても、試料における励起光照射領域の周辺の領域の状態が測定値（前記反射波の強度）に与える影響を極力小さくすることができる。さらに、前記空洞共振器に供給する電磁波のパワーが小さくても、パワーのロスを抑えて効率的に電磁波を試料に照射できる。
なお、本発明は、以上に示した薄膜半導体の結晶性測定装置を用いて、半導体からなる薄膜試料の結晶性評価のための測定を行う薄膜半導体の結晶性測定方法として捉えることもできる。

本発明によれば、ポリシリコン等の半導体からなる薄膜試料について、結晶性評価の指標となる測定値（反射電磁波の強度）を、高い空間分解能で（ごく微小な領域を）、非破壊及び非接触で、かつ短時間及び高精度で測定できる。
特に、試料に近接する位置において、導波管アンテナの端部に設けられた電磁波遮蔽部や、電磁波を内部で共振させる空洞共振器の端部から、微小開口を通じて電磁波を試料に放射する構成を備えることにより、試料における励起光照射領域の周辺の領域の状態が測定値（前記反射波の強度）に与える影響を極力小さくすることができる。その結果、さらに高い空間分解能で高精度の測定が可能となる。

以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに、図１は本発明の第１実施形態に係る薄膜半導体の結晶性測定装置Ｘ１の概略構成を表す図、図２は薄膜半導体の結晶性測定装置Ｘ１による測定手順を表すフローチャート、図３は薄膜半導体の結晶性測定装置Ｘ１における励起光及び反射マイクロ波の各強度の変化を表す図、図４は本発明の第２実施形態に係る薄膜半導体の結晶性測定装置Ｘ２の特徴部の概略構成を表す図、図５は本発明の第３実施形態に係る薄膜半導体の結晶性測定装置Ｘ３の特徴部の概略構成を表す図である。

［第１実施形態］
まず、図１に示す概略構成図を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る薄膜半導体の結晶性測定装置Ｘ１（以下、結晶性測定装置Ｘ１と記載する）について説明する。
結晶性測定装置Ｘ１は、半導体からなる薄膜試料６（以下、試料６という）の結晶性評価に用いる測定値を取得するための装置である。ここで、前記試料６としては、ガラス等からなる基板上に形成された数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の厚みのポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）や、エピウェハやＳＯＩウェハにおける表層シリコン層等が考えられる。
結晶性測定装置Ｘ１は、図１に示すように、マイクロ波発振器１、サーキュレータ２、導波管３、Ｅ−Ｈチューナ４、導波管アンテナ５、試料台７、ミラー８、レンズ９、マイクロ波検出器１０、増幅器１１、励起レーザ光源１２、発振器１３、変調器１４、ロックインアンプ１５及び計算機１６を備えて構成されている。

励起レーザ光源１２は、前記試料６に照射する励起光を出力する光源であり、例えば、波長３７５ｎｍ、パワー２０ｍＷの励起光を出射する半導体レーザ等である。励起レーザ光源１２の出力光（励起光）は、前記試料６のバンドキャップ以上のエネルギーを有する。ここで、励起光が前記試料６のバンドキャップ以上のエネルギーを有することは、前記試料６の導電率を変化させるための条件である。
励起レーザ光源１２から出射された励起光は、音響光学変調器やチョッパにより構成される変調器１４（励起光強度変調手段の一例）によって一定周期（一定の周波数）で強度変調される。この強度変調の周波数は、発振器１３から出力される一定周期（一定周波数：例えば、１ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度）の同期信号により制御される。さらに、発振器１３の同期信号（即ち、変調器１４による強度変調に同期した信号）は、ロックインアンプ１５にも伝送される。
また、前記変調器１４によって強度変調が施された励起光は、ミラー８で反射されるとともに、レンズ９（集光手段）によって集光され、導波管３に設けられた微小開口３ａを通過し、導波管アンテナ５の前記試料６に近接する端部（開口部）を通じて、試料台７に載置された前記試料６の表面の微小な測定部位（例えば、直径５〜１０μｍ程度のスポット）に対して照射される。これにより、前記試料６における微小な励起光照射領域（測定部位）において、励起キャリアが発生する。
なお、励起レーザ光源１２から出力された励起光を集光して前記試料６へ導く光学機器（ミラー８及びレンズ９）が、励起光照射手段の一例である。

マイクロ波発振器１は、励起光により励起された前記試料６に照射する電磁波であるマイクロ波を出力するものである。このマイクロ波発振器１には、例えば、周波数２６ＧＨｚのガンダイオード等を採用することができる。
導波管アンテナ５は、図１に示すように、その端部（開口部）が前記試料６に近接配置され、マイクロ波を伝送する。この導波管アンテナ５は、導波管３を経由してくるマイクロ波（電磁波）を前記試料６側へ導き、前記試料６に近接する端部（開口部）においてマイクロ波を前記試料６に放射するとともに、その試料６に反射したマイクロ波（以下、反射マイクロ波という）を捕捉して、再び導波管３に導く。
マイクロ波発振器１から出射されたマイクロ波は、サーキュレータ２により導波管３に伝送され、さらにその導波管３の途中に設けられたＥ−Ｈチューナ４を経由し、導波管３と連通する導波管アンテナ５を通じて、励起光により励起された前記試料６に照射される。
なお、マイクロ波発振器１、サーキュレータ２、導波管３及び導波管アンテナ５が、前記試料６にマイクロ波（電磁波）を照射する電磁波照射手段の一例である。
そして、導波管アンテナ５により捕捉された反射マイクロ波は、今度は導波管アンテナ５からＥ−Ｈチューナ４を経てサーキュレータ２に到達し、さらに、このサーキュレータ２によりマイクロ波検出器１０に伝送される。
マイクロ波検出器１０は、反射マイクロ波を入力し、その反射マイクロ波の強度に応じた電気信号（電流或いは電圧）を生成して出力する検波器である（マイクロ波強度検出手段の一例）。このマイクロ波検出器１０により検出される反射マイクロ波の強度は、後述するように、前記試料６に対する励起光の照射により変化する。

ロックインアンプ１５（変調周期成分抽出手段の一例）は、発振器１３から得た同期信号（励起光の強度変調に同期した信号）に基いて、増幅器１１により増幅されたマイクロ波検出器１０の検出信号（反射マイクロ波の強度信号）から、励起光の強度変調に同期した成分を抽出し、その抽出信号を計算機１６へ伝送する。
図３は、当該結晶性測定装置Ｘ１における励起光及び反射マイクロ波の各強度の変化を模式的に表した図である。
図３に示すように、前記試料６に照射される励起光が、一定周期での強度変調が施されている場合、マイクロ波検出器１０により検出される反射マイクロ波の強度も、励起光の強度変調に同期して（同じ周期で）変化する。
ここで、ロックオンアンプ１５により、励起光の照射によって変化する反射マイクロ波の強度（マイクロ波検出器１０の検出強度）から、励起光の強度変調に用いている周期信号（発振器１３が出力する一定周期の信号）に基づいて、その信号に同期した周期成分（励起光の強度変調に同期した周期成分）を抽出すれば、励起光による反射マイクロ波の強度の変化成分が得られる。このロックインアンプ１５により、例えば、励起光の強度変調周波数が１ＭＨｚ程度である場合に、１０Ｈｚ程度の測定周波数帯域（即ち、概ね１ＭＨｚ±５Ｈｚの帯域）で反射マイクロ波の強度（励起光の強度変調に同期した周期成分）を測定できる。これにより、例えば電源ノイズ（約５０Ｈｚ或いは約６０Ｈｚのノイズ）等の不要なノイズ成分を除去して測定できる。
なお、図３には、正弦波状に強度変調を行った励起光の例を示しているが、方形波状（ＯＮ／ＯＦＦ）に強度変調を行った励起光を前記試料６に照射することも考えられる。

ここで、励起光をパルス光とし、その励起光（パルス光）照射により変化する反射マイクロ波の強度について、そのピーク値や、ピークが生じてから所定レベルまで減衰までの時間（減衰時間）も、前記試料６の結晶性を評価する指標値となる。
しかしながら、パルス状の励起光（例えば、パルス幅１０ｎｓ）を照射した場合、反射マイクロ波の強度変化の時定数は１μｓ以下となる場合がある。このため、そのような反射マイクロ波の強度のピーク値や減衰時間を検出するためには、マイクロ波検出器１０及びその検出信号を取り込む機器は、１０ＭＨｚ以上の測定周波数帯域での測定が必要となる。
一方、結晶性測定装置Ｘ１では、前述したように、例えば１０Ｈｚ程度の測定周波数帯域での測定が可能である。
一般に、ノイズは、測定周波数帯域の平方根に比例するので、結晶性測定装置Ｘ１によれば、パルス状の励起光を用いる場合に比べ、Ｓ／Ｎ比を１０００倍以上（（１０×１０⁶／１０）^1/2以上）に高めることができる。その結果、レンズ９によって前記試料６に対する励起光の照射スポットをごく小さくしても、励起光の照射により変化する反射マイクロ波の強度を十分な感度で（低ノイズで）測定できる。
計算機１６は、ＣＰＵ、記憶部、入出力信号のインターフェース等を備え、ＣＰＵが所定のプログラムを実行することにより、ロックインアンプ１５の出力信号（反射マイクロ波の強度の励起光変調周期成分の信号）の取り込み処理や、マイクロ波発振器１、励起レーザ光源１２、発振器１３、変調器１４及び試料台７等の制御を行う。
ロックインアンプ１５の出力信号は、計算機１６に取り込まれ、計算機１６が備える記憶部に記憶される。
試料台７は、例えばＸ−Ｙステージ等により構成され、前記試料６の二次元方向の位置決めを行うものである。この試料台７により、前記試料６における測定部位（励起光の照射位置）の位置決めがなされる。

次に、図２に示すフローチャートを参照しつつ、結晶性測定装置Ｘ１による前記試料６の測定手順について説明する。以下、ステップＳ１、Ｓ２、…は処理手順（ステップ）の識別符号を表す。また、計算機１６が実行する処理は、計算機１６のＣＰＵ（プロセッサ）が所定のプログラムを実行することにより実現される。
まず、計算機１６は、試料台７を制御することにより、前記試料６の測定位置（励起光の照射位置）を設定する（Ｓ１）。
次に、計算機１６は、マイクロ波発振器１を動作させ、前記試料６にマイクロ波を照射させる（Ｓ２、電磁波照射手順の一例）。
次に、計算機１６は、励起レーザ光源１２、発振器１３及び変調器１４を動作させることにより、励起光を前記変調器１４により所定周期で強度変調し、強度変調後の励起光を前記試料６に照射させるとともに、ロックインアンプ１５の検出信号（マイクロ波検出器１０で検出された反射マイクロ波の強度信号から、励起光強度変調に同期する成分を抽出した信号）を取り込み、その信号値を記憶部に記憶させる（Ｓ３、励起光強度変調手順、励起光照射手順、電磁波強度検出手順及び変調周期成分抽出手順の一例）。
次に、計算機１６は、予め定められた測定位置全てについて、当該試料６の測定部位の測定が終了したか否かを判別する（Ｓ４）。

以降、計算機１６は、全測定位置についての測定が終了したと判別するまで、前述したステップＳ１〜Ｓ４の処理を繰り返す。
そして、計算機１６は、全測定位置についての測定が終了したと判別した場合、ステップＳ３で得た反射マイクロ波の強度値（励起光強度変調に同期した周期成分）に基づいて、前記試料６の結晶性の評価指標値を算出し、その算出結果を計算機１６の記憶部に記録するとともに、所定の外部装置（例えば、表示装置等）に出力し（Ｓ５）、測定処理を終了させる。
ここで、結晶性の評価指標値は、例えば、ステップＳ３で得た各測定位置における反射マイクロ波の強度値の最大値や平均値等が考えられる。
このように、結晶性測定装置Ｘ１によれば、半導体からなる前記試料６（例えば、膜厚５０ｎｍ程度のポリシリコン等）について、結晶性評価の指標となる測定値（反射電磁波の強度）を、高い空間分解能で（ごく微小な領域を）、非破壊及び非接触で、かつ短時間及び高精度で測定できる。

［第２実施形態］
次に、図４に示す概略構成図を参照しつつ、本発明の第２実施形態に係る薄膜半導体の結晶性測定装置Ｘ２（結晶性測定装置Ｘ２と記載する）について説明する。
図４は、結晶性測定装置Ｘ２の特徴部である導波管アンテナ５'の構成を表した図である。なお、結晶性測定装置Ｘ２は、前述した結晶性測定装置Ｘ１における導波管アンテナ５の部分を、図４に示す導波管アンテナ５'の部分に置き換えたものであり、その他の構成及び測定処理の内容は、前記結晶性測定装置Ｘ１と同じである。なお、図４に示す結晶性測定装置Ｘ２の構成要素のうち、前述の結晶性評価装置Ｘ１と同じものについては、図１と同じ符号を付している。
結晶性測定装置Ｘ２では、導波管３に連通する導波管アンテナ５'の前記試料６に近接する端部に、マイクロ波を遮蔽する導体からなる遮蔽部５'ｃ（電磁波遮蔽部の一例）が形成され、その遮蔽部５'ｃには、マイクロ波を前記試料６に放射するとともに、そのマイクロ波の反射波（反射マイクロ波）を捕捉する微小開口５'ｂが形成されている。
さらに、励起光は、第１レンズ９ａと第２レンズ９ｂとにより集光され、前記試料６の微小領域に照射される。第１レンズ９ａは、励起光を導波管３に設けられた微小開口３ａに通過させるために集光するレンズである。
また、第２レンズ９ｂは、導波管アンテナ５'内に設けられ、励起光を前記遮蔽部５'ｃに設けられた微小開口５'ｂに通過させるとともに、前記試料６の微小領域（測定部位）に照射させるために集光するレンズである。なお、第２レンズ９ｂは、その厚みが２〜３ｍｍ程度であり、マイクロ波の反射や吸収についてそれほど大きな影響を与えない。
これにより、前記試料６に対するマイクロ波の照射領域を比較的微小な領域に制限でき、前記試料６における励起光照射領域の周辺の領域の状態が測定値（反射マイクロ波の強度）に与える影響を極力小さくすることができる。その結果、さらに高い空間分解能で高精度の測定が可能となる。
ここで、微小開口５'ｂは、その大きさを、例えば、１ｍｍ（縦）×２ｍｍ（横）程度にする。

［第３実施形態］
次に、図５に示す概略構成図を参照しつつ、本発明の第３実施形態に係る薄膜半導体の結晶性測定装置Ｘ３（以下、結晶性測定装置Ｘ３と記載する）について説明する。
図５は、結晶性測定装置Ｘ３の特徴部である空洞共振器５０の構成を表した図である。なお、結晶性測定装置Ｘ３は、前述した結晶性測定装置Ｘ１における導波管アンテナ５の部分を、図５に示す空洞共振器５０の部分に置き換えたものであり、その他の構成及び測定処理の内容は、前記結晶性測定装置Ｘ１と同じである。なお、図５に示す結晶性測定装置Ｘ３の構成要素のうち、前述の結晶性評価装置Ｘ１及びＸ２と同じものについては、図１及び図４と同じ符号を付している。
空洞共振器５０は、その内部で所定の共振条件を満たす特定の周波数をもったマイクロ波のみを共振させる（存在させる）ものである。
結晶性測定装置Ｘ３では、マイクロ波は、サーキュレータ２（図１参照）から同軸ケーブル３０を通じて空洞共振器５０に伝送され、同軸ケーブル３０と空洞共振器５０とを結合する結合器６０を通じて、空洞共振器５０内に入射される。
空洞共振器５０の両端（マイクロ波の入射側と前記試料６に近接する側）には、それぞれ微小開口５１、５２が設けられている。そして、空洞共振器５０内のマイクロ波は、空洞共振器５０の前記試料６に近接する端部に設けられた微小開口５２を通じて前記試料６に放射される。また、その反射波（反射マイクロ波）は、同じ微小開口５２で捕捉されて空洞共振器５０内に入り、結合器６０を通じて同軸ケーブル３０に入り、サーキュレータ２（図１参照）へ伝送される。
一方、励起光は、結晶性測定装置Ｘ２（図４）と同様に、第１レンズ９ａと第２レンズ９ｂとにより集光され、前記試料６の微小領域に照射される。第１レンズ９ａは、励起光を空洞共振器５０の一端に設けられた微小開口５１に通過させるために集光するレンズである。
また、第２レンズ９ｂは、空洞共振器５０内に設けられ、励起光を、前記試料６に近接する側の端部に設けられた微小開口５２に通過させるとともに、前記試料６の微小領域（測定部位）に照射させるために集光するレンズである。
このような構成によっても、前記試料６に対するマイクロ波の照射領域を比較的微小な領域に制限でき、さらに高い空間分解能で高精度の測定が可能となる。
また、前記試料６に対するマイクロ波の照射手段として空洞共振器５０を用いることにより、マイクロ波発振器１が出力するマイクロ波のパワーが小さくても、パワーのロスを抑えて効率的にマイクロ波を前記試料６に照射できる。

ポリシリコンや単結晶シリコン等の半導体からなる薄膜試料の結晶性を評価するための測定装置に利用可能である。

本発明の第１実施形態に係る薄膜半導体の結晶性測定装置Ｘ１の概略構成を表す図。 薄膜半導体の結晶性測定装置Ｘ１による測定手順を表すフローチャート。 薄膜半導体の結晶性測定装置Ｘ１における励起光及び反射マイクロ波の各強度の変化を表す図。 本発明の第２実施形態に係る薄膜半導体の結晶性測定装置Ｘ２の特徴部の概略構成を表す図。 本発明の第３実施形態に係る薄膜半導体の結晶性測定装置Ｘ３の特徴部の概略構成を表す図。

符号の説明

Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３…薄膜半導体の結晶性測定装置
１…マイクロ波発振器
２…サーキュレータ
３…導波管
４…Ｅ−Ｈチューナ
５、５'…導波管アンテナ
５'ｃ…遮蔽部
６…薄膜試料
７…試料台
８…ミラー
９、９ａ、９ｂ…レンズ
１０…マイクロ波検出器
１１…増幅器
１２…励起レーザ光源
１３…発振器
１４…変調器
１５…ロックオンアンプ
１６…計算機
３０…同軸ケーブル
５０…空洞共振器
６０…結合器
Ｓ１、Ｓ２、・・…処理手順（ステップ）

Claims (6)

1. 半導体からなる薄膜試料の結晶性評価のための測定を行う薄膜半導体の結晶性測定装置であって、
   前記薄膜試料に対し電磁波を照射する電磁波照射手段と、
   前記薄膜試料のバンドキャップ以上のエネルギーの励起光を所定周期で強度変調する励起光強度変調手段と、
   前記励起光強度変調手段により強度変調された励起光を集光して前記薄膜試料に照射する励起光照射手段と、
   前記励起光の照射により変化する、前記薄膜試料からの前記電磁波の反射波の強度を検出する電磁波強度検出手段と、
   前記電磁波強度検出手段による検出強度から前記励起光の強度変調に同期した周期成分を抽出する変調周期成分抽出手段と、
   を具備してなることを特徴とする薄膜半導体の結晶性測定装置。
2. 前記電磁波照射手段が導波管アンテナを具備し、該導波管アンテナの前記薄膜試料に近接する端部において、前記電磁波を前記薄膜試料に放射するとともに該電磁波の反射波を捕捉してなる請求項１に記載の薄膜半導体の結晶性測定装置。
3. 前記励起光照射手段が、前記導波管アンテナの前記薄膜試料に近接する端部を通じて前記励起光を前記薄膜試料に照射してなる請求項２に記載の薄膜半導体の結晶性測定装置。
4. 前記導波管アンテナの前記薄膜試料に近接する端部に、電磁波を遮蔽する電磁波遮蔽部が形成され、該電磁波遮蔽部に前記電磁波を前記薄膜試料に放射するとともに該電磁波の反射波を捕捉する微小開口が形成されてなる請求項２又は３のいずれかに記載の薄膜半導体の結晶性測定装置。
5. 前記電磁波照射手段が、内部で前記電磁波を共振させる空洞共振器を具備し、該空洞共振器の前記薄膜試料に近接する端部に形成された微小開口において、前記電磁波を前記薄膜試料に放射するとともに該電磁波の反射波を捕捉してなる請求項１に記載の薄膜半導体の結晶性測定装置。
6. 半導体からなる薄膜試料の結晶性評価のための測定を行う薄膜半導体の結晶性測定方法であって、
   前記薄膜試料に対し電磁波を照射する電磁波照射手順と、
   前記薄膜試料のバンドキャップ以上のエネルギーの励起光を所定周期で強度変調する励起光強度変調手順と、
   前記励起光強度変調手順により強度変調された励起光を集光して前記薄膜試料に照射する励起光照射手順と、
   前記励起光の照射により変化する、前記薄膜試料からの前記電磁波の反射波の強度を検出する電磁波強度検出手順と、
   前記電磁波強度検出手順による検出強度から前記励起光の強度変調に同期した周期成分を抽出する変調周期成分抽出手順と、
   を有してなることを特徴とする薄膜半導体の結晶性測定方法。

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