JP2009058273A - Crystallinity evaluation device of silicon semiconductor thin film - Google Patents
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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に関し、詳しくは、ガラス基板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に関する。 The present invention relates to an apparatus for evaluating the crystallinity of a silicon semiconductor thin film, and more particularly to an apparatus for evaluating the crystallinity of a silicon semiconductor thin film formed on a base material such as a glass substrate.
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。 In recent years, as a thin film transistor (TFT) used in a liquid crystal display device, a polycrystalline silicon (p-Si) thin film is used instead of a conventional amorphous silicon semiconductor thin film transistor (a-Si TFT) using an amorphous silicon (a-Si) thin film. A polycrystalline silicon semiconductor thin film transistor (p-Si TFT) using the above is used. The p-Si TFT is a silicon semiconductor thin film having a high electron mobility, and can realize high definition, high image quality, and high response speed of the liquid crystal display device.
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された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薄膜の膜厚のバラつき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は、安定した品質の製品を高い歩留まりで得るために、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。 A p-Si thin film used for the p-Si TFT is formed on the surface of a glass substrate or the like used for a liquid crystal display device. As a method for forming a p-Si thin film on the surface of the base material, a method is used in which an a-Si thin film previously formed on the surface of the base material is melt-crystallized into a p-Si thin film. As a method for melting and crystallizing an a-Si thin film into a p-Si thin film, an excimer laser annealing method (ELA method) in which the a-Si thin film is annealed by irradiating it with an excimer laser is frequently used. . However, the crystal structure of the p-Si thin film obtained by the excimer laser annealing method, such as the crystal grain size and crystal orientation, can be produced such as variations in the thickness of the pre-formed a-Si thin film and pulse fluctuations of the excimer laser to be irradiated. Varies depending on conditions. Therefore, in the manufacture of a p-Si thin film, the crystallinity of the p-Si thin film is evaluated on the production line in a short time on the production line in order to obtain a stable quality product with a high yield. There has been a demand for a method capable of promptly feeding back the manufacturing conditions of the Si thin film.
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整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。 As methods for evaluating the crystallinity of a p-Si thin film, methods using an X-ray diffraction method, Rutherford backscattering method, transmission electron diffraction method, and the like have been conventionally known. All of these methods are measured. Because it is a destructive test that requires a relatively long time to complete or a sample to be measured by destroying the measurement target, it is difficult to evaluate on-line in the production line in a short time. It was difficult to feed back to manufacturing conditions quickly.
前記問題点を解決する方法として、例えば、特許文献1に記載される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。
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整をすることを要しない点では優れている。 The method for evaluating the crystallinity of a silicon semiconductor thin film using Raman spectroscopy is excellent in that it does not require the measurement sample to be adjusted by destroying the measurement target.
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。 However, the intensity of the Raman scattered light detected by the crystallinity evaluation method using Raman spectroscopy is very weak. Therefore, in order to obtain an accurate evaluation result, it is necessary to integrate the measurement results by a plurality of measurements, which is an insufficient measurement method from the viewpoint of obtaining an accurate evaluation result quickly. In particular, the method is insufficient in that the formed thin film is evaluated on-line on the production line and the evaluation result is quickly fed back to the production conditions.
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を提供することを課題とする。 This invention makes it a subject to provide the crystallinity evaluation apparatus of the silicon semiconductor thin film which solves the said problem.
上記課題を解決するために、本願発明者は、赤外光をその波長よりも小さな直径の孔に照射した際に前記孔から滲み出る光である、いわゆる近接場光を、励起光を照射したシリコン半導体薄膜の励起領域に照射した場合に、当該薄膜から近接場光が受ける影響の大きさと、前記孔の手前側の位置で反射された赤外光の強度との間に相関があることに着目して、以下の発明を完成した。 In order to solve the above problems, the present inventor irradiates excitation light with so-called near-field light, which is light that oozes out from the hole when infrared light is irradiated to a hole having a diameter smaller than the wavelength. When the excitation region of the silicon semiconductor thin film is irradiated, there is a correlation between the magnitude of the influence of the near-field light from the thin film and the intensity of the infrared light reflected at the position on the near side of the hole. Paying attention, the following invention was completed.
つまり、本発明は、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励起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、前記赤外光の波長よりも小さな直径寸法の孔を有し、前記赤外光放射手段から前記孔の一方の開口に照射された赤外光を当該孔の他方の開口から滲み出る近接場光として前記励起領域内に照射することが可能な近接場光形成手段と、前記赤外光放射手段から放射された赤外光のうち前記孔の他方の開口の手前側で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を作成するデータ作成手段とを備え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を提供する。 That is, the present invention is an apparatus for evaluating the crystallinity of a silicon semiconductor thin film formed on a substrate, and an excitation light for exciting carriers to a predetermined excitation region on the surface of the silicon semiconductor thin film. Excitation light irradiating means for irradiating, infrared light radiating means for radiating infrared light, and a hole having a diameter smaller than the wavelength of the infrared light, and one of the holes from the infrared light radiating means Near-field light forming means capable of irradiating the excitation region with near-field light that radiates to the aperture of the aperture as near-field light that oozes out from the other aperture of the hole, and emitted from the infrared light radiation means. Reflected light intensity detecting means for detecting the intensity of reflected light reflected from the front side of the other opening of the hole and outputting a detection signal thereof, and the silicon semiconductor thin film based on the detection signal Create data to evaluate the crystallinity of That a data creation means for providing a crystalline evaluation apparatus of a silicon semiconductor thin film characterized.
本発明によれば、赤外光放射手段から放射された照射された赤外光のうち、孔から滲み出た近接場光を励起領域に照射するとともに、孔の手前位置で反射された反射光強度を検出することとしているため、前記近接場光がシリコン半導体薄膜から受けた影響を、この影響と相関のある反射光強度に基づいて特定することができる。そして、前記近接場光が受ける影響は、シリコン半導体薄膜の結晶性に応じて変動する値であるため、前記反射光強度を検出することにより、前記励起領域内のキャリアの量、つまりシリコン半導体薄膜の結晶性の評価を行うことができる。 According to the present invention, of the irradiated infrared light emitted from the infrared light emitting means, the near-field light oozing out from the hole is irradiated to the excitation region, and the reflected light reflected at the position in front of the hole Since the intensity is detected, the influence of the near-field light from the silicon semiconductor thin film can be specified based on the reflected light intensity correlated with the influence. And since the influence which the said near-field light receives is a value which fluctuates according to the crystallinity of a silicon semiconductor thin film, by detecting the reflected light intensity, the amount of carriers in the excitation region, that is, the silicon semiconductor thin film The crystallinity can be evaluated.
具体的に、赤外光の反射率に与える影響は前記キャリアの量が多いほど低下する一方、このキャリアの量はシリコン半導体薄膜の結晶性が高いほど多く存在するため、赤外光の反射率に与える影響は結晶性が高いほど低いものとなる。 Specifically, the influence on the reflectance of infrared light decreases as the amount of the carrier increases. On the other hand, the amount of carrier increases as the crystallinity of the silicon semiconductor thin film increases. The higher the crystallinity, the lower the effect on the surface.
さらに、前記赤外光の反射率に与える影響は、前記薄膜の温度にも依存する。つまり、赤外光の反射率に与える影響は、シリコン半導体薄膜の温度が高いほど大きなものとなる。ここで、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、薄膜の結晶性が高いほど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。したがって、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、赤外光の反射率に与える影響が低下する。 Furthermore, the influence on the reflectance of the infrared light also depends on the temperature of the thin film. That is, the influence on the reflectance of infrared light becomes larger as the temperature of the silicon semiconductor thin film is higher. Here, when the carriers of the silicon semiconductor thin film are excited with excitation light, the relaxation time of the excited carriers is longer as the crystallinity of the thin film is higher. Further, since the diffusibility of excited carriers is higher as the crystallinity is higher, the diffusibility of heat generated by recombination of excited carriers is higher. Therefore, the higher the crystallinity, the lower the degree of local temperature rise, and the lower the amount of heat energy given locally to the substrate, resulting in a lower influence on the reflectance of infrared light.
このように赤外光の反射率に与える影響は、シリコン半導体薄膜の結晶性に応じて増減するため、本発明のように反射光の強度に基づいて薄膜の結晶性を評価することとすれば、その評価を迅速かつ正確に行うことができる。 Thus, since the influence on the reflectance of infrared light increases or decreases depending on the crystallinity of the silicon semiconductor thin film, the crystallinity of the thin film is evaluated based on the intensity of the reflected light as in the present invention. The evaluation can be performed quickly and accurately.
特に、本発明では、近接場光形成手段の孔から滲み出る近接場光をシリコン半導体薄膜に照射することとしているため、より正確な結晶性の評価を行うことができる。つまり、近接場光は、伝播光とは異なり、前記孔の他方の開口の近傍の領域であって孔の直径寸法よりも小さな領域に局在化する特性を有しているため、このように局在化した近接場光を利用することにより赤外光を照射する範囲をより小さな範囲に限定することができ、結晶性評価の空間分解能をより高めることが可能となる。 In particular, in the present invention, since the silicon semiconductor thin film is irradiated with near-field light that oozes out from the hole of the near-field light forming means, more accurate evaluation of crystallinity can be performed. In other words, near-field light, unlike propagating light, has a characteristic of being localized in a region near the other opening of the hole and smaller than the diameter of the hole. By using localized near-field light, the range of irradiation with infrared light can be limited to a smaller range, and the spatial resolution of crystallinity evaluation can be further increased.
また、本発明において「赤外光の波長よりも小さな直径」という文言は、孔が円形の断面形状であることに限定する趣旨ではなく、断面形状における最も広い開口幅(長方形の開口形状であれば長手寸法)が赤外光の波長よりも短いことを意味するものである。 Further, in the present invention, the phrase “diameter smaller than the wavelength of infrared light” is not intended to limit the hole to a circular cross-sectional shape, but the widest opening width in the cross-sectional shape (which may be a rectangular opening shape). In other words, the longitudinal dimension) is shorter than the wavelength of infrared light.
前記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から放射された赤外光を前記孔の一方の開口まで導くことが可能な導光部材をさらに備えていることが好ましい。 The silicon semiconductor thin film crystallinity evaluation apparatus preferably further includes a light guide member capable of guiding the infrared light emitted from the infrared light emitting means to one of the openings.
このようにすれば、導光部材によって赤外光を孔の一方の開口まで導くことができるので、このような導光部材を用いることなく赤外光を伝播させる(空間伝播させる)場合と比較して、前記一方の開口以外の方向へ導かれる赤外光のロスを低減することができる。 In this way, since the infrared light can be guided to one opening of the hole by the light guide member, it is compared with the case of transmitting the infrared light (spreading in space) without using such a light guide member. Thus, it is possible to reduce the loss of infrared light guided in the direction other than the one opening.
具体的に、導光部材は、特定の軸線方向に延びるコアと、このコアを軸線回りに取り囲むクラッドとを有する光ファイバからなり、前記コアの先端部は、前記近接場光形成手段の孔の内側に配置されるように、クラッドの先端面よりも前記軸線方向に突出して形成されている構成とすることができる。 Specifically, the light guide member is made of an optical fiber having a core extending in a specific axial direction and a clad surrounding the core around the axis, and the tip of the core is formed by a hole of the near-field light forming means. It can be set as the structure protruded in the said axial direction rather than the front end surface of a clad | crud so that it may arrange | position inside.
このようにすれば、光ファイバのコアに沿ってその先端部まで赤外光を導くことにより、赤外光を必然的に近接場光形成手段の孔まで導くことができるようになる。 In this way, by guiding the infrared light along the core of the optical fiber to the tip thereof, the infrared light can inevitably be guided to the hole of the near-field light forming means.
前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記シリコン半導体薄膜に対して接離可能となるように前記近接場光形成手段を保持する保持手段と、この保持手段の動作を制御する制御手段とをさらに備え、この制御手段は、前記反射光強度検出手段により得られた赤外光の反射光の強度に基づいて、予め設定された基準強度以上の反射光強度が得られるように、シリコン半導体薄膜に対する前記近接場光形成手段の距離を調整することが好ましい。 In the silicon semiconductor thin film crystallinity evaluation apparatus, a holding means for holding the near-field light forming means so as to be able to contact and separate from the silicon semiconductor thin film, and a control means for controlling the operation of the holding means. The control means further comprises a silicon semiconductor thin film so that a reflected light intensity equal to or higher than a preset reference intensity is obtained based on the intensity of the reflected light of the infrared light obtained by the reflected light intensity detecting means. It is preferable to adjust the distance of the near-field light forming means with respect to.
このようにすれば、シリコン半導体薄膜と近接場光形成手段との距離を調整することにより、基準強度以上の反射光強度を確保することができる。つまり、近接場光形成手段が薄膜に近づくほど当該薄膜の表面における近接場光の散乱が大きくなり、そのエネルギーが奪われるため、赤外光(伝播光)に与える影響(つまり、反射光強度)が減少する一方、近接場光が薄膜に届かない範囲まで近接場光形成手段と薄膜とが遠ざかると前記反射光強度が検出されなくなる。したがって、予め設定された基準強度を下回ったときには、近接場光形成手段を薄膜から離間させる一方、基準強度を上回るときには、下回らない程度に近接場光形成手段を薄膜に近接させることにより、前記基準強度以上の反射光強度を得られるように薄膜と近接場光形成手段との間の距離を調整することができる。 In this way, by adjusting the distance between the silicon semiconductor thin film and the near-field light forming means, it is possible to ensure the reflected light intensity that is equal to or higher than the reference intensity. That is, as the near-field light forming means gets closer to the thin film, the scattering of the near-field light on the surface of the thin film increases and the energy is deprived, so the influence on infrared light (propagation light) (that is, reflected light intensity) On the other hand, when the near-field light forming means and the thin film are moved away to a range where the near-field light does not reach the thin film, the reflected light intensity is not detected. Accordingly, when the reference intensity is below a preset reference intensity, the near-field light forming means is separated from the thin film, whereas when the reference intensity is exceeded, the near-field light forming means is brought close to the thin film so as not to fall below the reference intensity. The distance between the thin film and the near-field light forming means can be adjusted so that the reflected light intensity exceeding the intensity can be obtained.
前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記近接場光形成手段は、前記孔として前記励起光及び赤外光の波長よりも小さな直径をもつ孔を有することが好ましい。 In the crystallinity evaluation apparatus for a silicon semiconductor thin film, the near-field light forming means preferably has a hole having a diameter smaller than the wavelengths of the excitation light and infrared light as the hole.
このようにすれば、共通の近接場光形成手段によって励起光及び赤外光の双方を近接場光として薄膜に照射することができるので、近接場光を照射するために励起光及び赤外光ごとに別途の近接場光形成手段を設ける場合と比較して、コストを低減することができる。 In this way, both the excitation light and the infrared light can be irradiated to the thin film as near-field light by the common near-field light forming means, so that the excitation light and the infrared light can be used to irradiate the near-field light. The cost can be reduced as compared with the case where a separate near-field light forming means is provided for each.
また、本発明は、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励起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、前記励起光及び赤外光を、前記励起光照射手段及び赤外光放射手段から前記励起領域まで導く光ファイバと、この光ファイバとシリコン半導体薄膜との間に設けられ、前記光ファイバにより導かれた励起光及び赤外光を集光する集光手段と、この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を作成するデータ作成手段とを備え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を提供する。 Further, the present invention is an apparatus for evaluating the crystallinity of a silicon semiconductor thin film formed on a substrate, and excitation light for exciting carriers to a predetermined excitation region on the surface of the silicon semiconductor thin film Excitation light irradiating means for radiating infrared light, infrared light radiating means for emitting infrared light, and an optical fiber for guiding the excitation light and infrared light from the excitation light irradiating means and infrared light radiating means to the excitation region And a condensing means for condensing excitation light and infrared light provided between the optical fiber and the silicon semiconductor thin film and guided by the optical fiber, and infrared light irradiated by the condensing irradiation means A reflected light intensity detecting means for detecting the intensity of the reflected light reflected by the silicon semiconductor thin film and outputting a detection signal thereof, and a decipher for evaluating the crystallinity of the silicon semiconductor thin film based on the detection signal. It provides crystalline evaluation apparatus of a silicon semiconductor thin film characterized comprising a data generating means for generating data.
本発明によれば、シリコン半導体薄膜に励起光を照射するとともにこの励起領域に赤外光を放射し、この赤外光の反射光強度に基づいてシリコン半導体薄膜の結晶性を評価することとしているため、結晶性の評価を迅速かつ正確に行うことができる。 According to the present invention, the silicon semiconductor thin film is irradiated with excitation light and infrared light is emitted to the excitation region, and the crystallinity of the silicon semiconductor thin film is evaluated based on the reflected light intensity of the infrared light. Therefore, the crystallinity can be evaluated quickly and accurately.
具体的に、本発明では、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所定の領域にバンドギャップ以上の光(励起光)を照射し、シリコン半導体薄膜のキャリアを励起させ、このキャリアを励起させた領域に、赤外光放射手段、光ファイバ及び集光手段を用いて赤外光を照射することとしている。 Specifically, in the present invention, a predetermined region of the silicon semiconductor thin film formed on the substrate using the excitation light irradiation means is irradiated with light (excitation light) having a band gap or more to excite the carrier of the silicon semiconductor thin film. In addition, the region where the carriers are excited is irradiated with infrared light using an infrared light emitting means, an optical fiber, and a light collecting means.
このように照射された赤外光の一部はシリコン半導体薄膜で反射することになるが、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。つまり、赤外光の反射率は前記キャリアの量が多いほど低下する一方、このキャリアの量はシリコン半導体薄膜の結晶性が高いほど多く存在するため、赤外光の反射率は結晶性が高いほど低いものとなる。 Part of the infrared light irradiated in this way is reflected by the silicon semiconductor thin film, but the reflectance of the infrared light depends on the amount of excited carriers present in the region. That is, while the reflectance of infrared light decreases as the amount of the carrier increases, the amount of carrier increases as the crystallinity of the silicon semiconductor thin film increases. Therefore, the reflectance of infrared light is high in crystallinity. It becomes so low.
さらに、基材上に形成されたシリコン半導体薄膜で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。つまり、赤外光の反射率は、シリコン半導体薄膜の温度が高いほど大きなものとなる。ここで、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、薄膜の結晶性が高いほど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。したがって、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。 Furthermore, the reflectance of the infrared light reflected by the silicon semiconductor thin film formed on the substrate also depends on the temperature of the thin film. That is, the reflectance of infrared light increases as the temperature of the silicon semiconductor thin film increases. Here, when the carriers of the silicon semiconductor thin film are excited with excitation light, the relaxation time of the excited carriers is longer as the crystallinity of the thin film is higher. Further, since the diffusibility of excited carriers is higher as the crystallinity is higher, the diffusibility of heat generated by recombination of excited carriers is higher. Therefore, the higher the crystallinity, the lower the degree of local temperature rise, and the less the amount of heat energy given locally to the substrate, resulting in a decrease in infrared light reflectance.
このように、赤外光の反射率はシリコン半導体薄膜の結晶性に応じて増減するため、本発明のようにシリコン半導体薄膜で反射された赤外光の強度に基づいて薄膜の結晶性を評価することとすれば、その評価を迅速かつ正確に行うことができる。 As described above, since the reflectance of infrared light increases or decreases depending on the crystallinity of the silicon semiconductor thin film, the crystallinity of the thin film is evaluated based on the intensity of infrared light reflected by the silicon semiconductor thin film as in the present invention. If so, the evaluation can be performed quickly and accurately.
特に、本発明のように、励起光及び赤外光を共通の光ファイバを用いて励起領域まで導くとともに、これら励起光及び赤外光を集光手段により集光して励起領域内に照射することにより、前記光ファイバから励起領域まで導かれる励起光及び赤外光の放射方向や放射分布を、当該励起光と赤外光との間で合わせることができる。したがって、前記領域に照射される励起光と赤外光の照射条件を一定にすることができ、再現性の高い測定が可能となる。 In particular, as in the present invention, the pumping light and infrared light are guided to the pumping region using a common optical fiber, and the pumping light and infrared light are condensed by a condensing means and irradiated into the pumping region. Thereby, the radiation direction and radiation distribution of the excitation light and infrared light guided from the optical fiber to the excitation region can be matched between the excitation light and the infrared light. Therefore, the irradiation conditions of the excitation light and infrared light irradiated on the region can be made constant, and measurement with high reproducibility becomes possible.
前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記集光手段は、励起光の波長と赤外光の波長との相違に応じて異なる収差特性を有する集光レンズからなり、この集光レンズによる赤外光の焦点と励起光の焦点とが光軸方向に異なる位置に設定されていることが好ましい。 In the silicon semiconductor thin film crystallinity evaluation apparatus, the condensing means includes a condensing lens having different aberration characteristics depending on the difference between the wavelength of the excitation light and the wavelength of the infrared light. It is preferable that the focus of the external light and the focus of the excitation light are set at different positions in the optical axis direction.
このようにすれば、シリコン半導体薄膜の表面に赤外光の焦点を設定した場合、励起光の焦点をシリコン半導体薄膜の手前側(集光レンズ側)又は奥側に設定することにより、シリコン半導体薄膜に対する励起光の照射径を赤外光の照射径よりも広くすることができるので、励起光と赤外光に共通の集光レンズを用いながら、赤外光を励起光の照射範囲内に確実に照射して結晶性の評価をより確実なものとすることができる。 In this way, when the focus of infrared light is set on the surface of the silicon semiconductor thin film, the focus of the excitation light is set on the front side (condenser lens side) or the back side of the silicon semiconductor thin film, so that the silicon semiconductor Since the irradiation diameter of the excitation light on the thin film can be made wider than the irradiation diameter of the infrared light, the infrared light is within the irradiation range of the excitation light while using a condensing lens common to the excitation light and the infrared light. The crystallinity can be more reliably evaluated by reliably irradiating.
なお、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。
In addition, as a wavelength of the infrared light radiated | emitted by the said infrared light radiation | emission means in this invention, it is preferable that it is 1-10 micrometers. When infrared light having a short wavelength such as less than 1 μm is irradiated, carriers are also excited by the infrared light, so that the reflectance detection accuracy depending on the amount of excited carriers tends to decrease. In addition, the longer the wavelength of the infrared light, the stronger the interaction with the excited carrier. Therefore, it is preferable that the wavelength of the measurement light is longer from the viewpoint of detection accuracy, but if the wavelength is too long, the light is condensed on the thin film. Irradiation becomes difficult. When evaluating the crystallinity of a p-Si thin film formed by excimer laser annealing, a high spatial resolution of several tens of μm or less, preferably 10 μm or less is usually required. Therefore, it is preferable to use infrared light having a wavelength of 10 μm or less in order to accurately irradiate the focused infrared light to the target portion while maintaining such high spatial resolution. When infrared light having a wavelength in such a range is used, it is possible to easily collect and irradiate even an area where the irradiation diameter is 10 μm or less with a normal optical lens, and has high spatial resolution. Thus, the crystallinity can be accurately evaluated.
一方、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。 On the other hand, the infrared light includes, for example, broadband light having a spread of 10 nm or more in wavelength. When such broadband infrared light is used, the coherence can be weakened compared to the case where infrared light with a narrower band is used, so the evaluation of crystallinity is more stable. Can be done. That is, when narrow-band infrared light is adopted, the infrared light irradiated on the silicon semiconductor thin film and the infrared light reflected on the bottom surface of the base material under the semiconductor thin film interfere with each other, and the base While measurement errors corresponding to the thickness of the material are likely to occur, the interference is less likely to occur when broadband infrared light is used, so that stable measurement values can be obtained regardless of the thickness of the substrate. .
本発明によれば、シリコン半導体薄膜に励起光を照射するとともに照射された領域に赤外光を放射し、この赤外光の反射光強度に基づいてシリコン半導体薄膜の結晶性を評価することとしているため、結晶性の評価を迅速かつ正確に行うことができる。 According to the present invention, the silicon semiconductor thin film is irradiated with excitation light, infrared light is emitted to the irradiated region, and the crystallinity of the silicon semiconductor thin film is evaluated based on the reflected light intensity of the infrared light. Therefore, the crystallinity can be evaluated quickly and accurately.
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施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を示す概略図である。図2は、図1の光ファイバの先端部を拡大して示す断面図である。 FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a silicon semiconductor thin film crystallinity evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the tip of the optical fiber of FIG.
図1、図2を参照して、結晶性評価装置1は、基材2a上に成膜されたシリコン半導体薄膜2bの結晶性を評価するためのものである。ここで、結晶性評価の対象となるシリコン半導体薄膜2bは、数nm〜数十nm程度の厚みのポリシリコンからなるシリコン半導体薄膜や、数μm以下の厚みの単結晶シリコンからなるシリコン半導体薄膜がその典型例として挙げられる。
Referring to FIGS. 1 and 2, the crystallinity evaluation apparatus 1 is for evaluating the crystallinity of a silicon semiconductor
結晶性評価装置1は、シリコン半導体薄膜2bの表面に励起光を照射する励起光レーザ(励起光照射手段)3と、赤外光を放射する赤外光レーザ(赤外光放射手段)4と、前記励起光及び赤外光を前記シリコン半導体薄膜2bに導くための光ファイバ(導光部材)5と、この光ファイバ5に設けられた金属膜(近接場光形成手段)6と、前記励起光レーザ3及び赤外光レーザ4と光ファイバ5との間に設けられた光学系7と、前記基材2a及び光ファイバ5を保持する保持装置8と、前記励起光レーザ3、赤外光レーザ4及び保持装置8を制御する制御装置9とを備えている。
The crystallinity evaluation apparatus 1 includes an excitation light laser (excitation light irradiation means) 3 that irradiates the surface of the silicon semiconductor
励起光レーザ3は、前記シリコン半導体薄膜2bのキャリア励起用の励起光として、375nmの波長を有する光を照射する紫外半導体レーザにより構成されている。
The
赤外光レーザ4は、1550nmの光を放射する半導体赤外レーザにより構成されている。 The infrared laser 4 is composed of a semiconductor infrared laser that emits light of 1550 nm.
光学系7は、レンズ10、レンズ11及びレンズ12と、ダイクロイックミラー14と、ミラー15及びミラー16とを有し、励起光レーザ3及び赤外光レーザ4から照射された励起光及び赤外光を光ファイバ5に導くようになっている。具体的に、励起光レーザ3から照射された励起光は、レンズ10によりコリメート(平行光化)されるとともにダイクロイックミラー14で反射され、レンズ11により集光された上で光ファイバ5の基端5aに導かれる。また、赤外光レーザ4から照射された赤外光は、レンズ12によりコリメートされるとともにダイクロイックミラー14を透過して、レンズ11により集光された上で光ファイバ5の基端5aに導かれる。
The
一方、光ファイバ5の先端5bから戻ってきた励起光は、当該光ファイバ5の基端5aからレンズ11に導かれ、このレンズ11によりコリメートされるとともにダイクロイックミラー14で反射され、さらにミラー15で反射されて後述する光検出器24へ導かれる。また、光ファイバ5の先端5bから戻ってきた赤外光は、当該光ファイバ5の基端5aからレンズ11に導かれ、このレンズ11によりコリメートされるとともにダイクロイックミラー14を透過した後、ミラー16で反射されて後述する光検出器23へ導かれる。
On the other hand, the excitation light returning from the
光ファイバ5は、その基端5aから先端5bまで延びるコア17と、このコア17を軸線回りに取り囲むクラッド18とを備え、これらコア17とクラッド18との間の屈折率の相違を利用して前記コア17内で光を導くようになっている。なお、本実施形態のコア17は、直径5μmのものが採用されている。
The
コア17は、光を透過させることが可能なガラス等の材料からなり、プラスチックにより形成することもできる。本実施形態のコア17は石英ガラスにより形成されている。一方、クラッド18は、金属材料からなる。本実施形態のようにコア17がガラスにより形成される場合、クラッド18はコア17よりも屈折率が低いガラスにより形成することも可能である。クラッド18の目的は、コア17内に光を閉じ込めることである。
The
金属膜6は、図2に示すように、前記光ファイバ5の先端5bに設けられている。具体的に、金属膜6は、円錐台状に形成されているとともに前記クラッド18よりも先端側へ突出する前記コア17の円錐台先端部17aを、その軸線方向に取り囲むように設けられている。換言すると、この円錐台先端部17aは、金属膜6に形成された小孔6aを通して金属膜6の外側に露出している。この小孔6aは、金属膜6を光ファイバ5側から先端側へ貫く孔であり、前記円錐台先端部17aの形状に合わせて光ファイバ5側の開口面積よりも先端側の開口面積が小さくなるように形成されたものである。
As shown in FIG. 2, the metal film 6 is provided on the
そして、本実施形態の小孔6aは、前記赤外光の波長(1550nm)及び励起光の波長(375nm)よりも小さな0.1μmの直径寸法D1を有する円形の開口形状とされている。したがって、前記コア17を介して導かれた赤外光及び励起光は、伝播光としては小孔6aを通して外側へ照射されることなくその大部分が反射光L2として光ファイバ5の基端5a側に導かれることになるが、この反射光L2以外の赤外光及び励起光は近接場光L1として小孔6aから滲み出ることになる。具体的に、近接場光L1は、金属膜6の小孔6a(円錐台先端部17aの先端面)から概ね直径寸法D1を中心とする領域に局在化することになる。本実施形態では、励起光及び赤外光についての近接場光L1をシリコン半導体薄膜2bに照射することにより、当該薄膜2bの結晶性の評価を行うようになっている。
The
つまり、図2に示すように、励起光及び赤外光の近接場光L1をシリコン半導体薄膜2bに照射すると、この近接場光L1のうちの励起光によりシリコン半導体薄膜2bのキャリアが励起されるとともに、この照射箇所に近接場光L1のうちの赤外光が照射されることになる。そして、近接場光L1のうちの赤外光にはシリコン半導体薄膜2bの結晶性の高低に応じた変動が生じる。具体的に、シリコン半導体薄膜2bに存在するキャリアの量が多いほど変動が小さく、キャリアの量はシリコン半導体薄膜2bの結晶性が高いほど多く存在するため、薄膜2bの結晶性が高いほど変動が小さなものとなる。そして、この変動は、小孔6aを介して近接場光L1と相互に影響し合う反射光L2にも変化を生じさせることになるため、この変化を後述する赤外光検出器23により検出することによりシリコン半導体薄膜2bの結晶性の評価を行うことができる。
That is, as shown in FIG. 2, when the near-field light L1 of excitation light and infrared light is irradiated to the silicon semiconductor
なお、光ファイバ5のクラッド18を金属で形成する場合、これらクラッド18と金属膜6とを同一の材料で構成することができる。この場合には、以下説明する方法によって金属膜6を有する光ファイバ5を作製することができる。
When the clad 18 of the
まず、ガラス製のコア17の先端を塩酸等に浸漬して先を尖らせる。次いで、このコア17の表面全体に、完成後にクラッド18及び金属膜6となる金属材料をコーティングする。その後、コーティングされたものの先端部に対し薬品等により溶融させるなどの処理を行って、図2に示すようにその先端を平坦化する。これにより、同一の金属材料によってクラッド18及び金属膜6を同時に形成することができる。
First, the tip of the
再び図1及び図2を参照して、保持装置8は、前記基材2aを載置するためのステージ19と、前記光ファイバ5の先端5bを保持するクランプ20と、前記ステージ19に対してクランプ20(光ファイバ5)を昇降させる昇降装置21とを備えている。前記ステージ19は、シリコン半導体薄膜2bを上向きにした基材2aを載置した状態で、図外の駆動機構によって水平方向(基材2aの表面と平行する方向)に移動することが可能とされている。クランプ20は、ステージ19に載置された基材2aに対し円錐台先端部17aを臨ませるように光ファイバ5を下向きにした姿勢で保持するようになっている。昇降装置21は、前記クランプ20を昇降させることにより、当該クランプ20に保持された光ファイバ5の円錐台先端部17aとシリコン半導体薄膜2bとの間隔を調整することが可能とされている。
Referring to FIGS. 1 and 2 again, the holding
制御装置9は、発振器22と、赤外光又は励起光の反射光をそれぞれ検出する赤外光検出器23及び励起光検出器24と、前記発振器22及び赤外光検出器23から電気信号が入力されるアンプ25と、このアンプ25から入力される電気信号を処理する信号処理装置26と、この信号処理装置26及び前記励起光検出器24から電気信号を受けるコンピュータ27と、このコンピュータ27からの指令を受けて前記保持装置8の駆動を制御するコントローラ28とを備えている。
The
発振器22は、前記励起光レーザ3により照射される励起光を周期的に強度変調させるためのものである。このように強度変調するのは、瞬間的に多くのキャリアを生成することができるため、後述する赤外光検出器23により得られる信号強度を高めることができるためである。
The
赤外光検出器23は、前記光学系7(ミラー16)により導かれた赤外光の反射光を受光して、その強度に対応する電圧信号(検出信号)をアンプ25に出力するようになっている。同様に、励起光検出器24は、前記ミラー15から導かれた励起光の反射光を受光してその強度に対応する電圧信号をコンピュータ27に出力するようになっている。
The infrared
アンプ25は、前記発振器22から入力された強度変調に関する電気信号を参照することにより、前記赤外光検出器23により得られた電気(電圧)信号のうち不要な周波数成分を除去するようになっている。したがって、高いS/N比の検出信号を得ることができる。また、アンプ25は、上記のようにして得られた検出信号を信号処理装置26に出力する。
The
信号処理装置26は、前記アンプ25から入力された検出信号に基づいて、シリコン半導体薄膜2bの結晶性を評価するためのデータ、例えば、図3に示すような検出信号の時間変化を示す信号波形を作成する。図3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、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している。なお、図3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)した場合には負となり、減少した場合には正となる極性で示している。同図に示すように、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ている。また、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い。
The
コンピュータ27は、前記励起光検出器24から入力された電気(電圧)信号に基づいて光ファイバ5とシリコン半導体薄膜2bとの間の適切な距離を算出する。つまり、コンピュータ27は、励起光の反射光について予め設定された基準反射強度を記憶しており、この基準反射強度が実際の反射光強度以上となるための光ファイバ5とシリコン半導体薄膜2bとの間隔を算出する。具体的には図2を参照して、光ファイバ5(円錐台先端部17a)とシリコン半導体薄膜2bとの距離が短くなると、短くなった分だけ薄膜2bにおける近接場光L1の散乱が大きくなり、そのエネルギが奪われるため、反射光L2の強度が減少することになる一方、近接場光L1が薄膜2bに届かない範囲まで光ファイバ5が遠ざかると反射光強度が検出されなくなる(0となる)。したがって、コンピュータ27は、前記基準反射強度を下回ったときには、強度が0とならない範囲で光ファイバ5と薄膜2bとを離間させるための距離を算出する一方、基準反射強度を上回るときには、下回らない程度に光ファイバ5を近接させる距離を算出する。そして、コンピュータ27は、このように算出された距離に関する指令を電気信号としてコントローラ28に出力する。さらに、コンピュータ27は、光ファイバ5に対する基材2aの水平方向の位置を入力操作可能な図外の操作手段を有し、この操作手段により入力された位置情報も電気信号としてコントローラ28に出力される。
The
コントローラ28は、前記コンピュータ27から入力された電気信号に応じて、前記昇降装置21、又はステージ19の駆動装置(図示せず)を駆動するようになっている。つまり、コントローラ28は、コンピュータ27からの入力された光ファイバ5と薄膜2bとの距離に関する指令に応じて昇降装置21を駆動するとともに、図外の操作手段の操作に応じてコンピュータ27から入力された位置情報に関する指令に応じてステージ19を駆動するようになっている。
The
以上説明したように、前記実施形態によれば、赤外光レーザ4から放射された赤外光のうち、孔6aから滲み出た近接場光L1を薄膜2bに照射するとともに、孔6aの手前位置で反射された反射光L2の強度を検出することとしているため、近接場光L1がシリコン半導体薄膜2bから受けた影響を、この影響と相関のある反射光L2の強度に基づいて特定することができる。そして、近接場光L1が受ける影響は、シリコン半導体薄膜2bの結晶性に応じて変動する値であるため、反射光L2の強度を検出することにより、薄膜2b内のキャリアの量、つまりシリコン半導体薄膜2bの結晶性の評価を行うことができる。
As described above, according to the embodiment, the near-field light L1 that has oozed out of the
具体的に、赤外光の反射率に与える影響は前記キャリアの量が多いほど低下する一方、このキャリアの量はシリコン半導体薄膜2bの結晶性が高いほど多く存在するため、赤外光の反射率に与える影響は結晶性が高いほど低いものとなる。
Specifically, the influence on the reflectance of infrared light decreases as the amount of the carrier increases. On the other hand, the amount of carrier increases as the crystallinity of the silicon semiconductor
さらに、基材2a上に形成されたシリコン半導体薄膜2bで反射される赤外光の反射率に与える影響は、前記薄膜2bの温度にも依存する。つまり、赤外光の反射率に与える影響は、シリコン半導体薄膜2bの温度が高いほど大きなものとなる。ここで、シリコン半導体薄膜2bのキャリアを励起光で励起させた場合、薄膜2bの結晶性が高いほど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。したがって、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2a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、赤外光の反射率に与える影響が低下する。
Furthermore, the influence on the reflectance of the infrared light reflected by the silicon semiconductor
このように、赤外光の反射率に与える影響はシリコン半導体薄膜2bの結晶性に応じて増減するため、前記実施形態のように反射光L2の強度に基づいて薄膜2bの結晶性を評価することとすれば、その評価を迅速かつ正確に行うことができる。
Thus, since the influence on the reflectance of infrared light increases or decreases according to the crystallinity of the silicon semiconductor
特に、前記実施形態では、金属膜6の小孔6aから滲み出る近接場光L1をシリコン半導体薄膜2bに照射することとしているため、正確かつ迅速な結晶性の評価を行うことができる。つまり、近接場光L1は、伝播光とは異なり、小孔6aの近傍の領域であって小孔6aの直径寸法よりも小さな領域に局在化する特性を有しているため、このように局在化した近接場光L1を利用することにより赤外光を照射する範囲を小さな範囲に限定することができ、結晶性評価の空間分解能を高めることができる。
In particular, in the above-described embodiment, since the near-field light L1 that oozes out from the
前記実施形態のように、前記赤外光を金属膜6の孔6aまで導くこと可能な光ファイバ5を備えた構成とすることにより、光ファイバ5を用いることなく赤外光を伝播させて赤外光を孔6aまで導く場合と比較して、孔6a以外の方向へ導かれる赤外光のロスを低減することができる。具体的に、光ファイバ5のコア17の先端部17aが孔6aの内側に配置されるように、クラッド18の先端面よりも突出して形成された構成とすることにより、光ファイバ5のコア17に沿ってその先端部17aまで赤外光を導くことにより、当該赤外光を必然的に孔6aまで導くことができる。
As in the above-described embodiment, the configuration including the
前記実施形態のように、保持装置8の動作を制御する制御装置9を備えた構成とすれば、予め設定された基準強度以上の反射光強度を得られるようにシリコン半導体薄膜2bと金属膜6との距離を自動的に適切なものに調整することができる。
If the
前記実施形態のように、小孔6aが励起光及び赤外光の波長よりも小さな直径寸法に設定された構成とすれば、共通の金属膜6によって励起光及び赤外光の双方を近接場光L1として薄膜2bに照射することができるので、励起光及び赤外光ごとに別途の金属膜6(光ファイバ5)を設ける場合と比較してコストを低減することができる。
If the
なお、前記実施形態では、励起光及び赤外光についての近接場光L1をシリコン半導体薄膜2bに照射する構成について説明したが、励起光及び赤外光を、伝播光として薄膜2bに照射しても同様に結晶性の評価を行うことができる。
In the above-described embodiment, the configuration in which the near-field light L1 for the excitation light and the infrared light is applied to the silicon semiconductor
図4は、本発明の第二の実施形態に係る結晶性評価装置の全体構成を示す概略図である。なお、上述した実施形態と同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。 FIG. 4 is a schematic diagram showing the overall configuration of the crystallinity evaluation apparatus according to the second embodiment of the present invention. In addition, about the structure same as embodiment mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
本実施形態に係る結晶性評価装置30は、前記励起光レーザ3と、赤外光レーザ4と、光ファイバ5と、前記励起光レーザ3及び赤外光レーザ4と光ファイバ5との間に設けられた第二光学系31と、前記基材2aを保持する保持装置32と、前記光ファイバ5と保持装置32との間に設けられた第三光学系33と、前記励起光レーザ3、赤外光レーザ4及び保持装置32を制御する制御装置34とを備えている。
The
第二光学系31は、前記ミラー15、16を有していない点を除き、前記光学系7と同様の構成を有している。つまり、第二光学系31は、前記レンズ10、11、12及びダイクロイックミラー14を有し、励起光レーザ3及び赤外光レーザ4から照射された励起光及び赤外光を光ファイバ5の基端5aに導くようになっている。
The second
また、第三光学系33は、4個のレンズ35〜38と、ビームスプリッタ39とを備え、前記光ファイバ5の先端5bから照射された励起光及び赤外光を保持装置32に保持されているシリコン半導体薄膜2b及び後述する光検出器41、42にそれぞれ導くようになっている。具体的に、光ファイバ5の先端5bから導出された紫外光及び赤外光は、レンズ35によりコリメートされるとともに、その一部がビームスプリッタ39により反射されてレンズ38により集光された上で第一検出器41に導かれる一方、ビームスプリッタ39を透過したものがレンズ36により集光された上でシリコン半導体薄膜2bに導かれる。そして、シリコン半導体薄膜2bで反射した赤外光及び励起光は、レンズ36によりコリメートされるとともにビームスプリッタ39で反射して、レンズ37により集光された上で第二検出器42に導かれる。なお、前記レンズ36は、励起光の波長(375nm)と赤外光の波長(1550nm)との相違に応じて異なる収差特性を有している。具体的に、レンズ36による赤外光の焦点は、当該レンズ36による励起光の焦点よりもシリコン半導体薄膜2bの表面に近い(光ファイバ5から遠い)位置に設定されており、本実施形態では、薄膜2bに照射される励起光の照射径が10μmとなり、赤外光の照射径が3μmとなるようにレンズ36の収差特性が設定されている。
The third
保持装置32は、前記ステージ19と、このステージ19に対し昇降可能となるように前記レンズ36を保持する昇降保持装置40と、前記ステージ19に対する基材2aの表面位置(シリコン半導体薄膜2bの表面位置)を検出する表面位置検出センサ46とを備えている。この表面位置検出センサ46は、前記レンズ36の光軸上におけるステージ19の表面位置からシリコン半導体薄膜2bの表面位置までの相対距離を検出するための火接触センサである。また、昇降保持装置40は、レンズ36を昇降させることにより、薄膜2bに対する励起光及び赤外光の前記照射径を調整するようになっている。
The holding device 32 includes the
制御装置34は、前記発振器22と、第一検出器41及び第二検出器42と、前記アンプ25と、このアンプ25、第一検出器41及び第二検出器42から入力された電気信号を処理する信号処理装置43と、この信号処理装置43との間で電気信号を送受信するコンピュータ44と、このコンピュータ44からの指令を受けて前記保持装置32の駆動を制御するコントローラ45とを備えている。
The
第一検出器41は、シリコン半導体薄膜2bへ照射されていない励起光及び赤外光を検出するとともに、この検出結果に対応する電気信号を信号処理装置43に出力するようになっている。一方、第二検出器42は、シリコン半導体薄膜2bから反射された励起光及び赤外光を検出するとともに、この検出結果に対応する電気信号をアンプ25及び信号処理装置43に出力するようになっている。
The
信号処理装置43は、前記アンプ25から入力された検出信号に基づいて、シリコン半導体薄膜2bの結晶性を評価するためのデータ、例えば、上述した図3に示すような検出信号の時間変化を示す信号波形を作成する。なお、本実施形態の信号処理装置43には、薄膜2bに照射する前の励起光についての検出信号が第一検出器41から入力されるため、この検出信号を参照することにより、第二検出器42により得られた検出信号のうち不要な周波数成分を除去することができる。したがって、この場合には、前記アンプ25において不要な周波数成分を除去しなくても、高いS/N比の検出信号を得ることが可能となる。
The
コンピュータ44は、前記表面位置検出センサ46から入力された電気信号に基づいてレンズ36とシリコン半導体薄膜2bとの間の適切な距離を算出する。つまり、コンピュータ44は、励起光の照射径が10μmとなり赤外光の照射径が3μmとなる前記レンズ36と、シリコン半導体薄膜2bの表面との相対距離を予め記憶しており、前記表面位置検出センサ46により検出された相対距離に基づいてレンズ36の移動すべき距離を算出する。
The
コントローラ45は、コンピュータ44から入力された電気信号に応じて昇降保持装置40、又はステージ19の駆動装置(図示せず)を駆動するようになっている。
The
以上説明したように、前記実施形態によれば、シリコン半導体薄膜2bに励起光を照射するとともに、照射された領域に赤外光を放射し、この赤外光の反射光強度に基づいてシリコン半導体薄膜2bの結晶性を評価することとしているため、結晶性の評価を迅速かつ正確に行うことができる。
As described above, according to the embodiment, the silicon semiconductor
具体的に、前記実施形態では、励起光レーザ3を用いて基材2a上に形成されたシリコン半導体薄膜2bの所定の領域にバンドギャップ以上の励起光を照射し、薄膜2bのキャリアを励起させ、このキャリアを励起させた領域に、赤外光レーザ4を用いて赤外光を照射することとしている。
Specifically, in the above-described embodiment, a predetermined region of the silicon semiconductor
このように照射された赤外光の一部はシリコン半導体薄膜2bで反射することになるが、赤外光の反射率は、薄膜2bの結晶性に依存する。このように赤外光の反射率はシリコン半導体薄膜2bの結晶性に応じて増減するため、本実施形態のようにシリコン半導体薄膜2bで反射された赤外光の強度に基づいて薄膜2bの結晶性を評価することとすれば、その評価を迅速かつ正確に行うことができる。
A part of the infrared light irradiated in this way is reflected by the silicon semiconductor
特に、本実施形態のように、励起光及び赤外光を共通の光ファイバ5を用いてシリコン半導体薄膜2bまで導くとともに当該薄膜2bに照射することにより、この光ファイバ5から導出される励起光及び赤外光の放射方向や放射分布を、当該励起光と赤外光との間で合わせることができる。したがって、薄膜2bに照射される励起光と赤外光の照射条件を一定にすることができ、再現性の高い測定が可能となる。
In particular, as in this embodiment, the pumping light derived from the
前記実施形態のように、レンズ36による赤外光の焦点がレンズ36による励起光の焦点よりもシリコン半導体薄膜2bの表面に近い位置に設定されている構成とすれば、シリコン半導体薄膜2bに対する励起光の照射径を赤外光の照射径よりも広くすることができるので、励起光と赤外光に共通の集光レンズを用いながら、赤外光を励起光の照射範囲内に確実に照射して結晶性の評価をより確実なものとすることができる。
If the configuration in which the focal point of the infrared light by the
具体的に、シリコン半導体薄膜2bの表面に赤外光の焦点を設定した場合、励起光の焦点をシリコン半導体薄膜2bの手前側(レンズ36側)又は奥側に設定することにより、シリコン半導体薄膜2bに対する励起光の照射径を赤外光の照射径よりも広くすることができる。
Specifically, when the focus of the infrared light is set on the surface of the silicon semiconductor
なお、前記各実施形態における赤外光レーザ4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。 In addition, as the infrared laser 4 in each said embodiment, the semiconductor laser etc. which radiate | emit infrared light with a wavelength of about 1.3-1.6 micrometers are used preferably, for example.
さらに、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5のL3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5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L4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2bに照射される赤外光と当該薄膜2b下の基材2aの底面で反射した赤外光とが互いに干渉して、基材2a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2a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。
Furthermore, as the infrared light emitted by the infrared light emitting means, a broadband light having a spread of 10 nm or more in wavelength can be adopted. For example, as shown by L3 in FIG. 5, when an SLD (Super Luminescent Diode) is employed as the infrared light emitting means, infrared light having a wavelength spread of about 30 nm as its half-value width can be irradiated. Here, the “half-value width” refers to the spread (width) of the wavelength at half the peak value of the oscillation light intensity in the oscillation spectrum (the intensity indicated by the broken line in FIG. 5). In addition, L4 of the figure shows the case where a laser diode (monochromatic light) is adopted as the infrared light emitting means, and in this case, infrared light having a wavelength spread of about 1 nm as its half-value width is shown. Will be irradiated. When broadband infrared light is used like the SLD, the coherence can be weakened compared to the case where a narrow-band laser diode or the like is used, so the evaluation of crystallinity is more stable. Can be done. That is, when narrow-band infrared light is employed, the infrared light irradiated on the silicon semiconductor
D1 直径寸法
L1 近接場光
L2 反射光
1、30 結晶性評価装置
2a 基材
2b シリコン半導体薄膜
3 励起光レーザ(励起光照射手段)
4 赤外光レーザ(赤外光照射手段)
5 光ファイバ(導光部材)
5a 基端
5b 先端
6 金属膜(近接場光形成手段)
6a 小孔
23 赤外光検出器(反射光強度検出手段)
26、43 信号処理装置(データ作成手段)
42 第二検出器(反射光強度検出手段)
D1 Diameter dimension L1 Near-field light L2
4 Infrared laser (infrared light irradiation means)
5 Optical fiber (light guide member)
6a
26, 43 Signal processing device (data creation means)
42 Second detector (reflected light intensity detecting means)
Claims (8)
前記シリコン半導体薄膜の表面の所定の励起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、
前記赤外光の波長よりも小さな直径寸法の孔を有し、前記赤外光放射手段から前記孔の一方の開口に照射された赤外光を当該孔の他方の開口から滲み出る近接場光として前記励起領域内に照射することが可能な近接場光形成手段と、
前記赤外光放射手段から放射された赤外光のうち前記孔の他方の開口の手前側で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を作成するデータ作成手段とを備え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。 An apparatus for evaluating the crystallinity of a silicon semiconductor thin film formed on a substrate,
Excitation light irradiation means for irradiating excitation light for exciting carriers to a predetermined excitation region on the surface of the silicon semiconductor thin film;
Infrared light emitting means for emitting infrared light;
Near-field light having a hole having a diameter smaller than the wavelength of the infrared light, and the infrared light radiated from the infrared light emitting means to one opening of the hole oozes from the other opening of the hole A near-field light forming means capable of irradiating the excitation region as
Reflected light intensity detecting means for detecting the intensity of reflected light reflected on the near side of the other opening of the hole from the infrared light emitted from the infrared light emitting means and outputting the detection signal;
A crystallinity evaluation apparatus for a silicon semiconductor thin film, comprising: data creation means for creating data for evaluating the crystallinity of the silicon semiconductor thin film based on the detection signal.
前記シリコン半導体薄膜の表面の所定の励起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、
前記励起光照射手段及び赤外光放射手段から照射された前記励起光及び赤外光を、前記励起領域の近傍まで導いて当該励起領域に照射する光ファイバと、
この光ファイバとシリコン半導体薄膜との間に設けられ、前記光ファイバにより導かれた励起光及び赤外光を集光する集光手段と、
この光ファイバ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を作成するデータ作成手段とを備え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。 An apparatus for evaluating the crystallinity of a silicon semiconductor thin film formed on a substrate,
Excitation light irradiation means for irradiating excitation light for exciting carriers to a predetermined excitation region on the surface of the silicon semiconductor thin film;
Infrared light emitting means for emitting infrared light;
An optical fiber that guides the excitation light and infrared light irradiated from the excitation light irradiation means and infrared light radiation means to the vicinity of the excitation region and irradiates the excitation region;
A condensing unit that is provided between the optical fiber and the silicon semiconductor thin film and collects the excitation light and infrared light guided by the optical fiber;
Reflected light intensity detecting means for detecting the intensity of reflected light reflected on the silicon semiconductor thin film from the infrared light irradiated by the optical fiber and outputting the detection signal;
A crystallinity evaluation apparatus for a silicon semiconductor thin film, comprising: data creation means for creating data for evaluating the crystallinity of the silicon semiconductor thin film based on the detection signal.
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