JP2009058274A - Crystallinity evaluation device of silicon semiconductor thin film and crystallinity evaluation method using it - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a crystallinity evaluation method of a silicon semiconductor thin film capable of suppressing the deterioration of crystallinity evaluating precision caused by the irregularity of the thickness dimension of a base material having light perviousness. <P>SOLUTION: This crystallinity evaluation device of the silicon semiconductor thin film includes an exciting laser 1 for irradiating a predetermined irradiation region of the silicone semiconductor thin film 5a with carrier excitation light, a semiconductor laser 10 for radiating infrared rays, a high frequency pulse power supply 18 capable of irradiating the semiconductor laser 10 with a plurality of kinds of different infrared rays by supplying a current modified in intensity to the semiconductor laser 10, a photodetector 13 which detects the intensity of the reflected light reflected by the silicone semiconductor thin film 5a or the base material 5b and contains at least two kinds of the infrared rays of a plurality of kinds of infrared rays to output its detection signal, and a signal processor 9 for forming data for evaluating the crystallinity of the silicon semiconductor thin film 5a on the basis of the detection signal. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

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、ガラス基材等の光透過性を有する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。   The present invention relates to an apparatus and method for evaluating the crystallinity of a silicon semiconductor thin film, and in particular, to evaluate the crystallinity of a silicon semiconductor thin film formed on a light-transmitting substrate such as a glass substrate. The present invention relates to an apparatus and a method.

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。   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 to change to 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 particle diameter and crystal orientation, is subject to manufacturing conditions 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 Therefore, in order to obtain a stable product with high yield in the production of p-Si thin film, the crystallinity of the obtained p-Si thin film is evaluated on-line in the production line in a short time, and the result is There has been a demand for a method capable of promptly feeding back to the manufacturing conditions of the p-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。   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 prepare a measurement sample by destroying the measurement object, 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。   As a method for solving the above problem, for example, a method for evaluating crystallinity of a silicon semiconductor thin film using Raman spectroscopy as described in Patent Document 1 below is known.

このラマン分光法を用いた評価方法では、ガラス基板上に成膜されたシリコン薄膜に励起光を照射し、多結晶性シリコン薄膜からのラマン散乱光を受光し、そのラマン散乱光に基づいて結晶性の評価を行うこととしている。
特開2004−226260号公報
In this evaluation method using Raman spectroscopy, a silicon thin film formed on a glass substrate is irradiated with excitation light, Raman scattered light from the polycrystalline silicon thin film is received, and crystals are crystallized based on the Raman scattered light. We are going to evaluate sex.
JP 2004-226260 A

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は、非常に微弱な強度のラマン散乱光を検出することを要するため、正確な評価結果を得るのが困難だった。   However, in the crystallinity evaluation method using Raman spectroscopy, it is difficult to obtain an accurate evaluation result because it is necessary to detect very weak intensity of Raman scattered light.

また、近年では、ガラス基板等、光透過性を有する基材の厚み寸法に誤差が生じている場合であっても、高い精度でシリコン半導体薄膜の評価を行うことが要求されている。   In recent years, it has been required to evaluate a silicon semiconductor thin film with high accuracy even when there is an error in the thickness dimension of a light-transmitting base material such as a glass substrate.

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。   It is an object of the present invention to provide an evaluation apparatus and an evaluation method for crystallinity of a silicon semiconductor thin film that solve the above problems.

上記課題を解決するために、本発明は、光透過性を有する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照射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、波長の異なる複数種の赤外光を放射することが可能な赤外光放射手段と、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照射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又は基材において反射された反射光であって、前記複数種の赤外光の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。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides an apparatus for evaluating the crystallinity of a silicon semiconductor thin film formed on a light-transmitting base material, wherein a predetermined surface on the surface of the silicon semiconductor thin film is formed. From excitation light irradiating means for irradiating excitation light to excite carriers in the irradiation region, infrared light radiating means capable of emitting a plurality of types of infrared light having different wavelengths, and the infrared light radiating means Condensed irradiating means for irradiating the irradiated area in the state where the emitted infrared light is condensed, and reflected by the silicon semiconductor thin film or the substrate among the infrared light irradiated by the condensed irradiating means Reflected light intensity detecting means for detecting the intensity of reflected light of the plurality of types of infrared light and outputting the detection signal, and evaluating the crystallinity of the silicon semiconductor thin film based on the detection signal Data to create It provides crystalline evaluation apparatus of a silicon semiconductor thin film characterized comprising a data creation means that.

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照射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、前記照射領域に、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照射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。   A predetermined irradiation region on the surface of the silicon semiconductor thin film formed on the substrate using the excitation light irradiation means is irradiated with light having a band gap or more to excite carriers in the silicon semiconductor. When infrared light is irradiated using the light emitting means and the condensing irradiation means, a part of the infrared light is reflected by the silicon semiconductor thin film. The reflectance of the infrared light at this time depends on the amount of excited carriers existing in the irradiation region. As the amount of the carrier increases, the reflectance of infrared light reflected near the thin film decreases. In a silicon semiconductor thin film, the higher the crystallinity, the greater the amount of excited carriers present. Therefore, the higher the crystallinity, the lower the reflectivity.

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。   On the other hand, in the silicon semiconductor thin film formed on the substrate, the reflectance of the reflected infrared light generally depends on the temperature of the thin film. The reflectance increases as the temperature of the thin film increases.

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。   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 the reflectance of infrared light.

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照射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。   As described above, a predetermined region on the surface of the silicon semiconductor thin film is irradiated with excitation light that exceeds the band gap of the semiconductor of the semiconductor thin film to excite carriers, and an infrared region is irradiated in the irradiation region irradiated with the excitation light. When light is irradiated, generally, the lower the crystallinity, the higher the reflectance, and the higher the crystallinity, the lower the reflectance. Therefore, the crystallinity of the thin film can be evaluated by measuring the reflectance.

さらに、本発明では、赤外光放射手段により波長の異なる複数種の赤外光が放射されるとともに、これら複数種の赤外光のうちの少なくとも2種の赤外光を含む反射光の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ためのデータを作成するため、基板の厚み寸法のバラつきに伴い結晶性評価精度が悪化するのを抑制することができる。その詳細を以下に説明する。   Furthermore, in the present invention, the infrared light radiating means emits a plurality of types of infrared light having different wavelengths, and the intensity of reflected light including at least two types of infrared light among the plurality of types of infrared light. Since the data for evaluating the crystallinity of the silicon semiconductor thin film is created based on the above, it is possible to prevent the crystallinity evaluation accuracy from deteriorating due to variations in the thickness dimension of the substrate. Details thereof will be described below.

ガラス基材等、光透過性を有する基材上に成膜されたシリコン半導体薄膜の厚み寸法は照射される赤外光の波長よりも短いため、このシリコン半導体薄膜に照射した赤外光の一部はシリコン半導体薄膜を透過する。さらに、シリコン半導体薄膜を透過した赤外光は、その波長が数μm以下の場合には特に基材中での吸収が少ないため、基材をも透過し、当該基材の裏面で反射する。したがって、シリコン半導体薄膜からの反射光には、シリコン半導体薄膜の表面からの反射光に加えて基材の裏面からの反射光が含まれていることになる。   Since the thickness dimension of the silicon semiconductor thin film formed on a light-transmitting base material such as a glass base material is shorter than the wavelength of the infrared light to be irradiated, The portion is transmitted through the silicon semiconductor thin film. Furthermore, since the infrared light transmitted through the silicon semiconductor thin film has little absorption in the base material particularly when its wavelength is several μm or less, it also passes through the base material and is reflected on the back surface of the base material. Therefore, the reflected light from the silicon semiconductor thin film includes the reflected light from the back surface of the base material in addition to the reflected light from the surface of the silicon semiconductor thin film.

そして、シリコン半導体薄膜からの反射光のうち、当該シリコン半導体薄膜の表面で反射したものと基材の裏面で反射したものとの間には、それぞれの光路長が異なることに起因する打ち消し合いや強め合い等の干渉現象が生じることになる。そのため、シリコン半導体薄膜からの反射光強度は、基材の厚み寸法や赤外光の波長の変化によって変化することになる。   And among the reflected light from the silicon semiconductor thin film, between the light reflected by the surface of the silicon semiconductor thin film and the light reflected by the back surface of the base material, cancellations caused by the different optical path lengths. Interference phenomena such as strengthening will occur. For this reason, the intensity of reflected light from the silicon semiconductor thin film changes depending on the thickness dimension of the base material and the wavelength of infrared light.

この反射光強度の変化は、赤外光の波長を固定値とした場合に、基材の厚み寸法に応じて周期的に変化し(図5参照)、この変化は、結晶性を評価するための反射光強度に影響を及ぼすことになる。   This change in reflected light intensity changes periodically according to the thickness of the substrate when the wavelength of infrared light is fixed (see FIG. 5), and this change is for evaluating crystallinity. This affects the intensity of reflected light.

そこで、本発明では、シリコン半導体薄膜に波長の異なる複数種の赤外光を照射するとともに、これら複数種の赤外光のうちの少なくとも2種の赤外光を含む反射光の強度に基づいて結晶性を評価する構成とされているので、単一波長の赤外光の反射光強度のみで結晶性の評価を行う場合と比較して、基材の厚み寸法にばらつきがあっても精度の高い結晶性評価を行うことができる。   Therefore, in the present invention, the silicon semiconductor thin film is irradiated with a plurality of types of infrared light having different wavelengths, and based on the intensity of reflected light including at least two types of infrared light among the plurality of types of infrared light. Compared to the case where the crystallinity is evaluated only by the reflected light intensity of single-wavelength infrared light, the crystallinity is evaluated. High crystallinity evaluation can be performed.

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は、赤外光を放射する半導体レーザと、この半導体レーザに強度変調された電流を供給することにより、当該半導体レーザに波長の異なる複数種の赤外光を照射させることが可能な電流供給手段とを備えていることが好ましい。   In the crystallinity evaluation apparatus for a silicon semiconductor thin film, the infrared light emitting means supplies a semiconductor laser that emits infrared light, and an intensity-modulated current to the semiconductor laser, thereby providing a wavelength of the semiconductor laser. It is preferable to include a current supply unit capable of irradiating different types of infrared light.

この構成によれば、半導体レーザに強度変調された電流を供給することにより、半導体レーザ特有のモードホップ現象によって波長の異なる複数種の赤外光をシリコン半導体薄膜に照射することができる。   According to this configuration, by supplying an intensity-modulated current to the semiconductor laser, it is possible to irradiate the silicon semiconductor thin film with a plurality of types of infrared light having different wavelengths by a mode hop phenomenon peculiar to the semiconductor laser.

前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記電流供給手段は、前記半導体レーザにおける緩和振動の減衰時間以内の周期の周波数で強度変調された電流を前記半導体レーザに供給するように構成されていることが好ましい。   In the silicon semiconductor thin film crystallinity evaluation apparatus, the current supply means is configured to supply the semiconductor laser with a current whose intensity is modulated at a frequency within a period within the decay time of relaxation oscillation in the semiconductor laser. It is preferable.

ここで、「緩和振動の減衰時間」とは、半導体レーザに対する供給電流を急激に変化させることにより、発光に至る遅れ時間や供給電流(キャリア)の過渡的不均一に起因して非定常な発光現象が発生している間の時間をいう。そして、この緩和振動の減衰時間内においては、半導体レーザのキャリア濃度が定常状態に比べて大きいため、発振可能な波長帯域が広くなる結果、波長の異なる複数のレーザ光を同時発振することが可能となる(多モード発振)。   Here, “attenuation time of relaxation oscillation” means that the supply current to the semiconductor laser is changed abruptly, resulting in non-steady emission due to the delay time to light emission and the transient nonuniformity of the supply current (carrier). This is the time during which the phenomenon occurs. Within this relaxation oscillation decay time, the carrier concentration of the semiconductor laser is larger than that in the steady state, so that the wavelength band that can be oscillated is widened. As a result, a plurality of laser beams having different wavelengths can be oscillated simultaneously. (Multimode oscillation).

そして、上記構成によれば、緩和振動の減衰時間以内の周期の周波数で強度変調された電流を供給するようにしているので、半導体レーザに前記多モード発振を行わせて、波長の異なる複数のレーザ光を同時に発振させることができる。   According to the above configuration, since the current whose intensity is modulated at the frequency of the period within the decay time of the relaxation oscillation is supplied, the semiconductor laser is caused to perform the multimode oscillation, and a plurality of different wavelengths are provided. Laser light can be oscillated simultaneously.

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の表面で反射した赤外光を前記反射光強度検出手段の検出範囲内に導く一方、前記基材の裏面で反射した赤外光を前記反射光強度検出手段の検出範囲の外側に導くための導光手段をさらに備えていることが好ましい。   In the silicon semiconductor thin film crystallinity evaluation apparatus, the infrared light reflected on the surface of the silicon semiconductor thin film is guided into the detection range of the reflected light intensity detecting means, while the infrared light reflected on the back surface of the base material is reflected. It is preferable that light guide means for guiding the reflected light intensity detection means to outside the detection range is further provided.

この構成によれば、結晶性評価に不要な基材の裏面で反射した赤外光を反射光強度検出手段の検出対象から除外することができるので、結晶性評価の精度をより向上させることができる。   According to this configuration, it is possible to exclude the infrared light reflected on the back surface of the base material unnecessary for the crystallinity evaluation from the detection target of the reflected light intensity detection unit, so that the accuracy of the crystallinity evaluation can be further improved. it can.

前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記導光手段は、前記シリコン半導体薄膜の表面に焦点が設定され、当該シリコン半導体薄膜の表面からの反射光を前記反射光強度検出手段の検出範囲内に導くことが可能なレンズを備え、このレンズは、前記赤外光放射手段から放射された赤外光を前記シリコン半導体薄膜の表面に集光する前記集光照射手段としても兼用されることが好ましい。   In the crystallinity evaluation apparatus for a silicon semiconductor thin film, the light guide means has a focal point set on the surface of the silicon semiconductor thin film, and reflects light from the surface of the silicon semiconductor thin film within a detection range of the reflected light intensity detection means. The lens can also be used as the condensing irradiation means for condensing the infrared light emitted from the infrared light emitting means on the surface of the silicon semiconductor thin film. preferable.

この構成によれば、シリコン半導体薄膜の表面に赤外光を集光することと、同表面からの反射光を前記反射光強度検出手段の検出範囲内に導くことを共通のレンズを用いて行うことができる。   According to this configuration, the infrared light is condensed on the surface of the silicon semiconductor thin film, and the reflected light from the surface is guided into the detection range of the reflected light intensity detecting means using the common lens. be able to.

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。   As the excitation light used for the excitation light irradiation means in the present invention, using pulsed light can instantaneously generate many carriers and increase the intensity change of reflected light of infrared light. It is preferable from the point.

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を用いても容易かつ正確に照射径を10μm以下として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。   On the other hand, the wavelength of infrared light emitted by the infrared light emitting means in the present invention is preferably 1 to 10 μm. 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, so the longer the wavelength of the measurement light, the better the detection accuracy. However, if the wavelength becomes 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 portion with the focused infrared light while maintaining such high spatial resolution. When infrared light having a wavelength in such a range is used, it is possible to easily and accurately irradiate the light with an irradiation diameter of 10 μm or less even with a normal optical lens, and accurately with high spatial resolution. The crystallinity can be evaluated.

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反射率変動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。   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 it is easy for reflectance fluctuations to occur depending on the thickness of the material, the interference is less likely to occur when broadband infrared light is used, so a stable measurement value can be obtained regardless of the thickness of the substrate. it can.

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。   By using the silicon semiconductor thin film crystallinity evaluation apparatus and method of the present invention, the crystallinity of the semiconductor thin film can be evaluated without destroying the sample. In addition, since the crystallinity of the thin film can be evaluated quickly and non-destructively, the formed thin film is evaluated online even on a production line for forming the thin film on a substrate. Quick feedback to manufacturing conditions.

さらに、本発明によれば、単一波長の赤外光の反射光強度のみで結晶性の評価を行う場合と比較して、基材の厚み寸法にバラつきがあっても精度の高い結晶性評価を行うことができる。   Furthermore, according to the present invention, the crystallinity can be evaluated with high accuracy even when the thickness of the base material varies as compared with the case where the crystallinity is evaluated only by the reflected light intensity of single-wavelength infrared light. It can be performed.

以下に、本発明を更に具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically.

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。   FIG. 1 shows an example of the overall configuration of a silicon semiconductor thin film crystallinity evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention.

図1に示した結晶性評価装置は、基材5bの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る。ここで、結晶性評価の対象となるシリコン半導体薄膜5a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。   The crystallinity evaluation apparatus shown in FIG. 1 is for evaluating the crystallinity of a silicon semiconductor thin film 5a formed on a substrate 5b. Here, the silicon semiconductor thin film 5a to be evaluated for crystallinity is a silicon semiconductor thin film made of polysilicon having a thickness of several nanometers to several tens of nanometers, or a silicon semiconductor thin film made of single crystal silicon having a thickness of several micrometers or less. A typical example is given.

そして、結晶性評価装置は、前記基材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。   The crystallinity evaluation apparatus includes a substrate stage 17 that supports the substrate 5b, excitation light irradiation means, infrared light emission means, focused light irradiation means, reflected light intensity detection means, and timing detection means. And data creation means.

この実施の形態では、前記基材5bには厚み0.5mmの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はコントローラ16の制御下で水平方向に駆動される。   In this embodiment, a glass substrate having a thickness of 0.5 mm is used for the base material 5b, and the base material 5b is placed on the base material stage 17 in a horizontal state. The substrate stage 17 is driven in the horizontal direction under the control of the controller 16.

前記励起光照射手段は、前記基材ステージ17上の基材5bに形成されたシリコン半導体薄膜5aの表面の所定の照射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。   The excitation light irradiation means irradiates a predetermined irradiation region on the surface of the silicon semiconductor thin film 5a formed on the substrate 5b on the substrate stage 17 with excitation light that excites carriers in the silicon semiconductor thin film. , An excitation laser 1, a beam conditioner 2, and a dichroic mirror 6.

前記励起レーザ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、その瞬時的な光強度が大きい方が、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。   The excitation laser 1 emits pulsed light (for example, wavelength 355 nm, pulse width 10 ns) as excitation light. In this embodiment, an ultraviolet pulse laser is used as the excitation laser 1 in order to efficiently absorb the excitation light in the thin film sample. In the present invention, the excitation light does not necessarily need to be pulsed light, but when the instantaneous light intensity is large, more carriers can be generated instantaneously, so that the signal intensity of the detection signal described later is increased. It is preferable because it is possible. The excitation light whose intensity varies periodically is not necessarily pulsed light, and may be any light whose intensity is periodically modulated.

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5b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。   The beam adjuster 2 is composed of a combination lens, and adjusts the divergence angle of the pulsed light beam transmitted from the excitation laser 1 through a beam splitter 3 described later. The dichroic mirror 6 reflects the excitation light, the divergence angle of which has been adjusted by the beam adjuster 2, to the base material 5 b side, and transmits the condenser lens 4 described later, for example, an irradiation diameter of 0.01 to 1 mm. Irradiate to a certain area.

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半導体レーザ10が具備されている。この半導体レーザ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ものが用いられる。   The infrared light emitting means is for emitting infrared light. In this embodiment, the semiconductor laser 10 is provided. As this semiconductor laser 10, for example, a laser that emits infrared light having a wavelength of about 1.3 to 1.6 μm is used.

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の厚みに応じた反射率変動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。   Further, 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 L1 in FIG. 3, when an SLD (Super Luminescent Diode) is adopted as the infrared light emitting means, infrared light having a wavelength broadening of about 30 nm as its half-value width can be irradiated. Here, the “half-value width” refers to a spread (width) of a wavelength at an intensity half the peak value of the oscillation light intensity in the oscillation spectrum (intensity indicated by a broken line in FIG. 3). In addition, L2 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 onto the silicon semiconductor thin film 5a and the infrared light reflected from the bottom surface of the base material 5b under the semiconductor thin film 5a interfere with each other. Since the reflectance fluctuation according to the thickness of the base material 5b is likely to occur, the interference is less likely to occur when broadband infrared light is used. Therefore, a stable measurement value regardless of the thickness of the base material 5b. Can be obtained.

本実施形態では、前記半導体レーザ10に対し高周波パルス電流を供給するための高周波パルス電源(電流供給手段)18を備えている。高周波パルス電源18は、周波数200MHzの高周波パルス電流を半導体レーザ10に急激に供給することにより、半導体レーザ特有のモードホップ現象を生じさせるようになっている。つまり、高周波パルス電流が供給されることにより、半導体レーザ10は、図4の(a)に示す通常の発振状態である単モード発振から、図4の(b)に示すように波長の異なる複数(7種)の赤外光を同時に放射する多モード発振へ遷移する。   In the present embodiment, a high frequency pulse power supply (current supply means) 18 for supplying a high frequency pulse current to the semiconductor laser 10 is provided. The high-frequency pulse power supply 18 suddenly supplies a high-frequency pulse current having a frequency of 200 MHz to the semiconductor laser 10 to cause a mode hop phenomenon peculiar to the semiconductor laser. That is, by supplying the high-frequency pulse current, the semiconductor laser 10 changes from a single mode oscillation which is a normal oscillation state shown in FIG. 4A to a plurality of different wavelengths as shown in FIG. Transition to multi-mode oscillation that simultaneously emits (seven types) of infrared light.

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照射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、半導体レーザ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5μm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。   The condensing irradiating means is for condensing infrared light emitted from the infrared light radiating means and irradiating it in the irradiation region. In the present embodiment, A beam splitter 12 and the condenser lens 4 are included. The beam adjuster 11 is composed of a combination lens similarly to the beam adjuster 2 and adjusts the divergence angle of the infrared light emitted from the semiconductor laser 10. The beam splitter 12 reflects the infrared light that has passed through the beam adjuster 11 toward the substrate 5b. The condenser lens 4 is disposed at a position immediately above the base material 5b placed on the base material stage 17, and condenses the infrared light transmitted from the beam splitter 12 through the dichroic mirror 6. Then, the central portion of the irradiation region of the excitation light is irradiated. The irradiation diameter can be set as appropriate, but for example, it is preferable to adjust the irradiation diameter to about 5 μm from the viewpoint of maintaining high spatial resolution.

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。   The intensity of the detection signal depends on the density of excited carriers and the degree of temperature increase in the region irradiated with excitation light, and the density of excited carriers and the degree of temperature increase depend on the intensity of excitation light and the irradiation diameter. The optimum excitation light intensity and irradiation diameter for crystallinity evaluation are appropriately selected according to the form of the sample to be measured (the type of substrate, the thickness, and the thickness of the thin film).

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又は基材5bにおいて反射された反射光であって、前記半導体レーザ10から放射された複数種の赤外光のうちの少なくとも2種の赤外光を含む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。   The reflected light intensity detecting means is a reflected light reflected on the silicon semiconductor thin film or the base material 5b among the infrared light irradiated by the focused light irradiating means, and a plurality of types emitted from the semiconductor laser 10 This is for detecting the intensity of reflected light including at least two types of infrared light and outputting the detection signal. In this embodiment, the light detection unit 13 is used. The photodetector 13 is disposed at a position immediately above the beam splitter 12, and receives reflected light transmitted from the silicon semiconductor thin film 5a through the condenser lens 4, the dichroic mirror 6, and the beam splitter 12, and receives the reflected light. A voltage signal (detection signal) corresponding to the intensity is output.

前記タイミング検出手段は、励起レーザ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。   The timing detection means detects the fluctuation timing of the intensity of the excitation light that the excitation laser 1 irradiates on the silicon semiconductor thin film 5a formed on the surface of the substrate 5b (in this embodiment, the on / off timing of the pulsed light). And includes a beam splitter 3 and a photodetector 7. The beam splitter 3 guides part of the excitation light to the photodetector 7 side at a position between the excitation laser 1 and the beam adjuster 2. The photodetector 7 receives the pulsed light that is the excitation light and outputs an irradiation timing detection signal of the pulsed light.

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。   The data creation means creates data for evaluating the crystallinity of the silicon semiconductor thin film by processing the detection signal, and includes an amplifier 8 and a signal processing device 9. The amplifier 8 amplifies the detection signal output from the photodetector 13 and inputs it to the signal processing device 9. The signal processing device 9 is configured by, for example, a digital oscilloscope, and receives an input of a timing detection signal output from the photodetector 7 and an amplification detection signal output from the amplifier 8. Data for evaluating the crystallinity of the silicon semiconductor thin film based on the amplification detection signal is taken in only when the timing detection signal is on, that is, when the pulsed light is on. For example, a signal waveform indicating a time change of the amplified detection signal as shown in FIG. 2 is created. If the excitation light is not pulse light but light whose intensity is periodically modulated, for example, the signal level and phase of the component having the same period as the reflected light may be measured.

詳しくは後述するが、前記信号処理装置9は、アンプ8から出力された検出信号に基づいて、半導体レーザ10から放射された波長の異なる2以上の赤外光に対応するシリコン半導体薄膜5aからの反射光の平均的強度や強度の総和に基づいて結晶性評価のためのデータを作成するようになっている。   As will be described in detail later, the signal processing device 9 receives from the silicon semiconductor thin film 5a corresponding to two or more infrared lights having different wavelengths emitted from the semiconductor laser 10 based on the detection signal output from the amplifier 8. Data for evaluating crystallinity is created based on the average intensity of reflected light and the sum of the intensities.

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。   The signal waveform is taken into the computer 15 and is appropriately output by means such as screen display or printing.

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5b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。   The computer 15 plays a role of outputting a command signal to the stage controller 16 to perform drive control of the substrate stage 17. This drive control enables measurement and mapping measurement at an arbitrary position on the base material 5b, for example.

次に、この装置の作用を説明する。   Next, the operation of this apparatus will be described.

前記励起レーザ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5b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。   Of the pulsed light emitted from the excitation laser 1, the pulsed light that has passed through the beam splitter 3 passes through the beam adjuster 2, is reflected downward by the dichroic mirror 6, and passes through the condenser lens 4. The silicon semiconductor thin film 5a on the substrate 5b is irradiated with a predetermined irradiation diameter. The pulsed light (excitation light) excites semiconductor carriers of the silicon semiconductor thin film 5a, and then relaxes by recombination while diffusing. The existence time of the excited carriers increases as the crystallinity of the silicon semiconductor thin film 5a increases. become longer. Therefore, after a certain period of time, the higher the crystallinity, the more excited carriers are present. In addition, since the relaxation of the excited carriers is performed through an exothermic process, the temperature rises in the thin film. However, the higher the crystallinity, the higher the diffusibility of the excited carriers, and thus the degree of local temperature rise becomes smaller.

一方、半導体レーザ10からは、図4の(b)に示すように波長の異なる複数種の赤外光が放射されており、これら赤外光は、それぞれ前記ビーム調整器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。   On the other hand, as shown in FIG. 4B, a plurality of types of infrared light having different wavelengths are emitted from the semiconductor laser 10, and these infrared lights are emitted from the beam adjuster 11 and the beam splitter 12, respectively. Through the dichroic mirror 6 and the condenser lens 4, the silicon semiconductor thin film 5 a is condensed and irradiated to the central portion of the irradiation region of the excitation light.

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。   The irradiated infrared light is focused on the silicon semiconductor thin film 5a while being focused by the focusing lens 4 and adjusted in focus.

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。   The condensed infrared light is reflected by the silicon semiconductor thin film 5a. The amount of excited carriers in the region of the silicon semiconductor thin film 5a is larger, and the temperature of the thin film is lower. As a result, the intensity of the reflected light of the infrared light decreases as the crystallinity of the silicon semiconductor thin film 5a increases.

ここで、赤外光の反射率は、図5に示すように、基材5bの厚み寸法の増減に伴い周期的に変化することになる。つまり、シリコン半導体薄膜5aの表面で反射する赤外光と、基材5bの裏面で反射する赤外光との干渉が生じる結果、これら光路長の差、つまり基材5bの厚み寸法の変化に伴い反射光強度は周期的に変化する。したがって、1の波長の赤外光のみを放射してその反射光強度を検出するようにした場合には、基材5bの厚み寸法により検出結果が受ける影響が大きい。具体的には、1μm以下の基材5bの厚み寸法の誤差であっても、反射光強度が20%以上変動することが判明している。   Here, as shown in FIG. 5, the reflectance of the infrared light periodically changes as the thickness dimension of the substrate 5b increases or decreases. That is, as a result of interference between the infrared light reflected on the surface of the silicon semiconductor thin film 5a and the infrared light reflected on the back surface of the base material 5b, the difference between these optical path lengths, that is, the change in the thickness dimension of the base material 5b. Accordingly, the reflected light intensity changes periodically. Therefore, when only the infrared light of one wavelength is emitted and the reflected light intensity is detected, the detection result is greatly affected by the thickness dimension of the base material 5b. Specifically, it has been found that the reflected light intensity fluctuates by 20% or more even if the thickness dimension error of the substrate 5b is 1 μm or less.

そこで、本実施形態では、図4の(b)に示すように、半導体レーザ10から波長の異なる複数種の赤外光を同時に放射するようにしている。したがって、この場合における反射光強度は、図6に示すように、波長の異なる赤外光ごとに異なるものとなる。なお、図6において、実線は波長が1.550μmの赤外光の反射光強度を示したもの、二点鎖線は波長が1.549μmの赤外光の反射光強度を示したもの、破線は波長が1.551μmの赤外光の反射光を示したものである。このように、波長の異なる複数の赤外光を放射した場合には、基材5bの厚み寸法の誤差により1の波長の赤外光の反射光強度が大きく影響を受けた場合であっても、他の波長の赤外光の反射光強度により補間することができるので、基材5bの厚み寸法により受ける反射光強度の影響を小さくすることができる。   Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 4B, a plurality of types of infrared light having different wavelengths are simultaneously emitted from the semiconductor laser 10. Therefore, the reflected light intensity in this case differs for each infrared light having a different wavelength, as shown in FIG. In FIG. 6, the solid line indicates the reflected light intensity of infrared light having a wavelength of 1.550 μm, the two-dot chain line indicates the reflected light intensity of infrared light having a wavelength of 1.549 μm, and the broken line indicates The reflected light of infrared light having a wavelength of 1.551 μm is shown. As described above, when a plurality of infrared lights having different wavelengths are radiated, even if the reflected light intensity of the infrared light having one wavelength is greatly affected by the error in the thickness dimension of the base material 5b. Since interpolation can be performed based on the reflected light intensity of infrared light having other wavelengths, the influence of the reflected light intensity received by the thickness dimension of the base material 5b can be reduced.

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。   The reflected light passes through the condenser lens 4, the dichroic mirror 6, and the beam splitter 12 and is received by the photodetector 13. The photodetector 13 outputs a voltage signal corresponding to the intensity of the reflected light as a detection signal. This detection signal is amplified by the amplifier 8 and taken into the signal processing device 9 comprising a digital oscilloscope.

一方、ビームスプリッタ3は励起レーザ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。   On the other hand, the beam splitter 3 guides a part of the excitation light (pulse light) emitted from the excitation laser 1 to the photodetector 7. The photodetector 7 outputs a timing detection signal corresponding to the on / off timing of the pulsed light and inputs it to the signal processing device 9. The signal processing device 9 collects a detection signal in synchronization with the on / off timing of the pulsed light detected by the timing detection signal, creates a signal waveform as shown in FIG.

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。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. In addition, this invention is not limited at all by the Example.

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。   A polycrystalline silicon (p-Si) thin film having a thickness of 50 nm formed on a glass substrate obtained by an excimer laser annealing method using the apparatus having the configuration shown in FIG. 1, and an amorphous silicon having a thickness of 50 nm before the annealing. The crystallinity of the (a-Si) thin film and the silicon wafer (Bulk-Si) as a comparison were evaluated.

なお、本実施例では、励起レーザ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。   In this embodiment, an ultraviolet pulse laser having a wavelength of 355 nm and a pulse width of 10 ns is used as the excitation laser 1, the pulsed light from the excitation laser 1 is transmitted through the beam splitter 3, and the beam divergence angle is obtained by the beam adjuster 2. Was adjusted, reflected by the dichroic mirror 6, transmitted through the condenser lens 4, and irradiated onto the surface of various samples with an irradiation diameter of 1 mm.

一方、赤外光放射手段としては、半導体レーザ10として波長1.55μmの赤外光を放射するものを用いた。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。   On the other hand, as the infrared light emitting means, a semiconductor laser 10 that emits infrared light having a wavelength of 1.55 μm was used. The infrared light passes through the beam adjuster 11 and the beam splitter 12, is reflected by the dichroic mirror 6, is condensed by the condenser lens 4, and has an irradiation diameter of 5 μm in the region irradiated with the pulsed light of the sample. It was irradiated to become.

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。   And the reflected light of the infrared light from the said various samples permeate | transmits the condensing lens 4, the dichroic mirror 6, and the beam splitter 12, and detected the intensity | strength of the said reflected light as a voltage signal with the photodetector 13. FIG. The voltage signal was amplified by an amplifier 8 and taken into a signal processing device 9 having a digital oscilloscope. In the digital oscilloscope, a signal waveform was collected in synchronization with the emission timing of the excitation pulse laser, and the waveform was captured by the computer 15 and displayed on the screen and printed.

前記一連の構成の装置による評価結果を図2に示す。   FIG. 2 shows the evaluation results of the apparatus having the series of configurations.

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。   In FIG. 2, p-Si is a p-Si thin film with a thickness of 50 nm formed on a glass substrate, a-Si is an a-Si thin film with a thickness of 50 nm, and Bulk-Si is a crystallinity evaluation of a highly crystalline silicon ingot. Results are shown. In FIG. 2, the detection signal is shown as a negative polarity when the intensity of infrared light is increased (reflectance is increased) compared to that before excitation light irradiation, and is positive when the intensity is decreased.

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。   As shown in FIG. 2, the reflectivity of Bulk-Si having high crystallinity due to irradiation with excitation light is significantly reduced, whereas the reflectivity of the a-Si thin film having low crystallinity is significantly increased. In addition, in the p-Si thin film obtained by crystallizing the a-Si thin film, the level of increase in reflectance was lower than that of a-Si. Therefore, it was confirmed from the above results that the crystallinity of the silicon semiconductor thin film can be evaluated by measuring the detection signal.

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。   Note that the reflectance measured as described above varies depending on the thickness and type of the thin film and the base material due to the light interference effect in the base material. Thus, the crystallinity can be quickly evaluated.

図7は、本発明の別の実施形態を示す一部拡大図である。なお、上記実施形態と同様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. 7 is a partially enlarged view showing another embodiment of the present invention. In addition, about the structure similar to the said embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.

本実施形態では、導光手段としての仕切り板19及びレンズ20をさらに備えている。仕切り板19は、前記ビームスプリッタ12と光検出器13との間に設けられている。この仕切り板19には厚み方向に貫通するピンホール19aが設けられている。一方、レンズ20は、仕切り板19と前記ビームスプリッタ12との間に設けられ、前記シリコン半導体薄膜5aの表面で反射した赤外光L3を前記ピンホール19aを通して光検出器13に導くとともに、前記基材5bの裏面で反射した赤外光L4を前記ピンホール19aの外側へ導くようになっている。また、本実施形態における集光レンズ4は、その焦点がシリコン半導体薄膜5aの表面に設定され、導光手段及び集光照射手段として兼用されている。   In the present embodiment, a partition plate 19 and a lens 20 are further provided as light guide means. The partition plate 19 is provided between the beam splitter 12 and the photodetector 13. The partition plate 19 is provided with a pinhole 19a penetrating in the thickness direction. On the other hand, the lens 20 is provided between the partition plate 19 and the beam splitter 12, and guides the infrared light L3 reflected by the surface of the silicon semiconductor thin film 5a to the photodetector 13 through the pinhole 19a. Infrared light L4 reflected by the back surface of the substrate 5b is guided to the outside of the pinhole 19a. Further, the condensing lens 4 in the present embodiment has its focal point set on the surface of the silicon semiconductor thin film 5a, and is also used as a light guiding unit and a condensing irradiation unit.

この実施形態の作用を説明すると、半導体レーザ10から放射された赤外光は、ダイクロイックミラー6で反射して、集光レンズ4によりシリコン半導体薄膜5aの表面に集光される。このシリコン半導体薄膜5aの表面で反射した赤外光L3は、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を通り、レンズ20により集光される結果、前記ピンホール19aを通過して光検出器13に導かれる。一方、前記シリコン半導体薄膜5a及び基材5bを透過した赤外光L4は、当該基材5bの裏面で反射して前記集光レンズ4及びビームスプリッタ12を通り、レンズ20によりピンホール19aの外側に導かれる。   The operation of this embodiment will be described. Infrared light emitted from the semiconductor laser 10 is reflected by the dichroic mirror 6 and condensed by the condenser lens 4 on the surface of the silicon semiconductor thin film 5a. The infrared light L3 reflected by the surface of the silicon semiconductor thin film 5a passes through the condenser lens 4, the dichroic mirror 6 and the beam splitter 12, and is condensed by the lens 20, so that it passes through the pinhole 19a and is detected. Guided to vessel 13. On the other hand, the infrared light L4 transmitted through the silicon semiconductor thin film 5a and the base material 5b is reflected by the back surface of the base material 5b, passes through the condenser lens 4 and the beam splitter 12, and is outside the pinhole 19a by the lens 20. Led to.

なお、前記実施形態では、高周波電流の供給によって波長の異なる複数種の赤外光を同時に放射し、これら赤外光の反射光の平均的強度や強度の総和に基づいて結晶性を評価するようにしているが、低周波電流の供給により時間の経過とともに赤外光の波長を変化させることも可能であり、この場合には所定時間内に得られた反射光強度を平均して用いることによっても、前記基材5bの裏面で反射した赤外光との干渉の影響を小さくすることができる。   In the embodiment, a plurality of types of infrared light having different wavelengths are simultaneously emitted by supplying a high-frequency current, and the crystallinity is evaluated based on the average intensity and the sum of the intensities of reflected light of these infrared lights. However, it is also possible to change the wavelength of infrared light with the passage of time by supplying a low-frequency current. In this case, the reflected light intensity obtained within a predetermined time is averaged and used. In addition, the influence of interference with infrared light reflected on the back surface of the substrate 5b can be reduced.

図8は、本発明のさらに別の実施形態に係るシリコン半導体の結晶性評価装置の全体構成の一例を示している。なお、前記実施形態に係る結晶性評価装置と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。   FIG. 8 shows an example of the overall configuration of a silicon semiconductor crystallinity evaluation apparatus according to still another embodiment of the present invention. In addition, about the structure similar to the crystallinity evaluation apparatus based on the said embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.

本実施形態では、前記励起レーザ1として紫外半導体レーザ(390nm、30mW)を用い、この励起レーザ1への供給電流を変調器24により変調することによって、例えば、10kHzの周波数によって励起光の強度が変調されている。   In the present embodiment, an ultraviolet semiconductor laser (390 nm, 30 mW) is used as the pumping laser 1, and the current supplied to the pumping laser 1 is modulated by the modulator 24, so that the intensity of the pumping light is increased by a frequency of 10 kHz, for example. It is modulated.

また、本実施形態では、半導体レーザ10に対し高周波パルス電流を供給するための前記高周波パルス電源18に代えて、半導体レーザ10に交流電流を供給するための交流電源21及びバイアス電源22を備えている。交流電源21は、1MHzの周波数T1の電流を半導体レーザ10に供給する。その結果、図9に示すように、シリコン半導体薄膜5aで反射された赤外光も、周波数T1で変化する強度として得ることができる。なお、同図の反射光強度には細かな変動が生じているが、これは、前記交流電流が供給されることにより半導体レーザ10から放射される赤外光の波長が時間とともに変化し、この波長と基材5bの厚み寸法との関係で、上述の図5に示すように干渉の影響が生じているためである。   In the present embodiment, an AC power source 21 and a bias power source 22 for supplying an AC current to the semiconductor laser 10 are provided instead of the RF pulse power source 18 for supplying a high-frequency pulse current to the semiconductor laser 10. Yes. The AC power supply 21 supplies a current having a frequency T1 of 1 MHz to the semiconductor laser 10. As a result, as shown in FIG. 9, the infrared light reflected by the silicon semiconductor thin film 5a can also be obtained as intensity changing at the frequency T1. Although the reflected light intensity in the figure is slightly varied, the wavelength of the infrared light emitted from the semiconductor laser 10 changes with time due to the supply of the alternating current. This is because the influence of interference occurs as shown in FIG. 5 above due to the relationship between the wavelength and the thickness dimension of the substrate 5b.

そして、シリコン半導体薄膜5aからの反射光は、光検出器13により検出されて電気信号として出力され、この電気信号は、前記アンプ8及びフィルタ25を通してロックインアンプ26に送られる。前記フィルタ25は、図9に示す反射光強度のうち1MHz以上の周波数成分をカットして、同図の破線で示す反射光強度Sとする平均化処理を行うことが可能とされている。なお、この反射光強度Sには、励起光に起因する周波数成分(10kHz)が含まれているため、この周波数成分を抽出することによって、励起光による赤外光の反射率変化を測定することができる。前記ロックインアンプ26は、前記光検出器7から出力された変調信号を参照信号として特定の周波数成分(10kHz)の信号に基づきシリコン半導体薄膜5aの結晶性評価のためのデータを作成するようになっている。つまり、本実施形態では、フィルタ25及びロックインアンプ26がデータ作成手段の一例を構成している。   The reflected light from the silicon semiconductor thin film 5a is detected by the photodetector 13 and output as an electrical signal, and this electrical signal is sent to the lock-in amplifier 26 through the amplifier 8 and the filter 25. The filter 25 can perform an averaging process by cutting a frequency component of 1 MHz or more from the reflected light intensity shown in FIG. 9 to obtain a reflected light intensity S indicated by a broken line in FIG. Since the reflected light intensity S includes a frequency component (10 kHz) due to the excitation light, the infrared light reflectance change due to the excitation light is measured by extracting this frequency component. Can do. The lock-in amplifier 26 creates data for evaluating the crystallinity of the silicon semiconductor thin film 5a based on a signal of a specific frequency component (10 kHz) using the modulation signal output from the photodetector 7 as a reference signal. It has become. That is, in the present embodiment, the filter 25 and the lock-in amplifier 26 constitute an example of a data creation unit.

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。An example of the whole structure of the crystallinity evaluation apparatus of the silicon semiconductor thin film which concerns on embodiment of this invention is shown. 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。The data for evaluating the crystallinity obtained by the examples are shown. 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。It is a graph which shows the example of the infrared light used for evaluation of crystallinity. 半導体レーザの放射状態を示すグラフであり、(a)は単モード発振、(b)は多モード発振の状態をそれぞれ示している。It is a graph which shows the radiation | emission state of a semiconductor laser, (a) is the single mode oscillation, (b) has each shown the state of multimode oscillation. 基材厚みと反射率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a base material thickness and a reflectance. 波長の異なる3の赤外光の反射率を示すグラフである。It is a graph which shows the reflectance of 3 infrared rays from which a wavelength differs. 本発明の別の実施形態を示す一部拡大図である。It is a partially expanded view which shows another embodiment of this invention. 本発明のさらに別の実施形態に係るシリコン半導体の結晶性評価装置の全体構成の一例を示している。The example of the whole structure of the crystallinity evaluation apparatus of the silicon semiconductor which concerns on another embodiment of this invention is shown. 高周波電流を半導体レーザに供給したときにおける反射光強度を示すグラフである。It is a graph which shows the reflected light intensity when a high frequency current is supplied to a semiconductor laser.

符号の説明Explanation of symbols

1 励起レーザ
4 集光レンズ
5a シリコン半導体薄膜
5b 基材
9 信号処理装置
10 半導体レーザ
13 光検出器
18 高周波パルス電源
19a ピンホール
20 レンズ
21 交流電源
25 フィルタ
26 ロックインアンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Excitation laser 4 Condensing lens 5a Silicon semiconductor thin film 5b Base material 9 Signal processing apparatus 10 Semiconductor laser 13 Photo detector 18 High frequency pulse power supply 19a Pinhole 20 Lens 21 AC power supply 25 Filter 26 Lock-in amplifier

Claims (6)

光透過性を有する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照射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、
波長の異なる複数種の赤外光を放射することが可能な赤外光放射手段と、
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照射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又は基材において反射された反射光であって、前記複数種の赤外光の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 having optical transparency,
Excitation light irradiation means for irradiating excitation light for exciting carriers to a predetermined irradiation region on the surface of the silicon semiconductor thin film;
Infrared light emitting means capable of emitting a plurality of types of infrared light having different wavelengths;
Condensing irradiation means for irradiating the irradiation area with the infrared light emitted from the infrared light emitting means being condensed;
Of the infrared light irradiated by the condensing irradiation means, the reflected light reflected by the silicon semiconductor thin film or the substrate, and the intensity of the reflected light of the plurality of types of infrared light is detected, and the detection signal Reflected light intensity detection means for outputting,
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.
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、前記赤外光放射手段は、赤外光を放射する半導体レーザと、この半導体レーザに強度変調された電流を供給することにより、当該半導体レーザに波長の異なる複数種の赤外光を照射させることが可能な電流供給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。   2. The crystallinity evaluation apparatus for a silicon semiconductor thin film according to claim 1, wherein the infrared light emitting means supplies a semiconductor laser that emits infrared light and an intensity-modulated current to the semiconductor laser. An apparatus for evaluating crystallinity of a silicon semiconductor thin film, comprising: current supply means capable of irradiating a semiconductor laser with a plurality of types of infrared light having different wavelengths. 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、前記電流供給手段は、前記半導体レーザにおける緩和振動の減衰時間以内の周期の周波数で強度変調された電流を前記半導体レーザに供給するように構成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。   3. The crystallinity evaluation apparatus for a silicon semiconductor thin film according to claim 2, wherein the current supply means supplies the semiconductor laser with a current whose intensity is modulated at a frequency having a period within an attenuation time of relaxation oscillation in the semiconductor laser. An apparatus for evaluating crystallinity of a silicon semiconductor thin film, comprising: 請求項1〜3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、前記シリコン半導体薄膜の表面で反射した赤外光を前記反射光強度検出手段の検出範囲内に導く一方、前記基材の裏面で反射した赤外光を前記反射光強度検出手段の検出範囲の外側に導くための導光手段をさらに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。   In the crystallinity evaluation apparatus for a silicon semiconductor thin film according to any one of claims 1 to 3, while guiding the infrared light reflected on the surface of the silicon semiconductor thin film into a detection range of the reflected light intensity detection means, An apparatus for evaluating crystallinity of a silicon semiconductor thin film, further comprising light guide means for guiding infrared light reflected by the back surface of the base material to the outside of a detection range of the reflected light intensity detection means. 請求項4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、前記導光手段は、前記シリコン半導体薄膜の表面に焦点が設定され、当該シリコン半導体薄膜の表面からの反射光を前記反射光強度検出手段の検出範囲内に導くことが可能なレンズを備え、このレンズは、前記赤外光放射手段から放射された赤外光を前記シリコン半導体薄膜の表面に集光する前記集光照射手段としても兼用され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. The crystallinity evaluation apparatus for a silicon semiconductor thin film according to claim 4, wherein the light guide means has a focal point set on a surface of the silicon semiconductor thin film, and the reflected light from the surface of the silicon semiconductor thin film is detected by the reflected light intensity. A lens capable of being guided into the detection range of the means, and this lens may be used as the condensing irradiation means for condensing the infrared light emitted from the infrared light emitting means on the surface of the silicon semiconductor thin film. An apparatus for evaluating crystallinity of a silicon semiconductor thin film, which is also used. 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。   The crystallinity evaluation apparatus for a silicon semiconductor thin film according to any one of claims 1 to 5, wherein the infrared light radiating means emits broadband infrared light having a spread of 10 nm or more in wavelength. For evaluating the crystallinity of silicon semiconductor thin films.
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