JP2011069661A - 半導体薄膜の結晶性評価方法及び結晶性評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体薄膜の膜厚の変動に関わらず、精度良く半導体薄膜の結晶性を評価することができる結晶性評価方法及び結晶性評価装置を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、半導体薄膜１２にキャリアを励起させるための励起光を照射すると共にこの励起光が照射された範囲を含む半導体薄膜１２の範囲にマイクロ波を照射して半導体薄膜１２からのマイクロ波の反射波の強度を測定し、データ収集用半導体薄膜の膜厚とこのデータ収集用半導体薄膜に前記マイクロ波を照射したときの反射波の強度の値との関係を収集し、この収集した膜厚と反射波の強度の値との関係と、半導体薄膜１２から得られた励起光及びマイクロ波が照射された範囲の膜厚の値Ｒ３ａとに基づいて前記得られた測定値Ｒ２を補正し、この補正された測定値Ｒ２ａに基づいて半導体薄膜１２の結晶性を評価することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体薄膜の結晶性を評価するための方法及び装置に関する。

近年、液晶表示装置に用いられる薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：以下ＴＦＴと称す）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トランジスタ（ａ−Ｓｉ ＴＦＴ）に代わり、多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ）薄膜を用いた多結晶シリコン半導体薄膜トランジスタ（ｐ−Ｓｉ ＴＦＴ）が用いられている。ｐ−Ｓｉ ＴＦＴは、電子移動度の高いシリコン半導体薄膜であり、液晶表示装置の表示の高精細化、高画質化及び応答速度の高速化が実現できる。

ｐ−Ｓｉ ＴＦＴに用いられるｐ−Ｓｉ薄膜は、液晶表示装置に用いられるガラス基材等の表面に形成される。基材表面にｐ−Ｓｉ薄膜を形成する方法としては、予め基材表面に形成したａ−Ｓｉ薄膜を溶融結晶化してｐ−Ｓｉ薄膜に変化させる方法が用いられる。ａ−Ｓｉ薄膜を溶融結晶化してｐ−Ｓｉ薄膜に変化させる方法としては、ａ−Ｓｉ薄膜にエキシマレーザを照射してアニールし、結晶化させるエキシマレーザアニール法（excimer laser anneal法：以下ＥＬＡ法と称す）が多用されている。しかしながら、ＥＬＡ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。したがって、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は、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求められていた。

ｐ−Ｓｉ薄膜の結晶性を評価する方法として、従来から、Ｘ線回折法、ラザフォード後方散乱法、又は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、何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資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、その結果、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。

また、特許文献１のように、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、測定対象を破壊することを要しない点では優れている。しかしながら、ラマン分光法を用いた結晶性の評価方法で検出するラマン散乱光の強度は、非常に微弱である。したがって、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、製造ラインにおいて、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ために採用する方法としては不向きなものであった。

上記各問題点を解決するための方法としては、マイクロ波光伝導減衰法（以下、μ―ＰＣＤ法と称す）が知られている。μ―ＰＣＤ法は、半導体薄膜にパルス状の励起光を照射することによって半導体内に光励起キャリアを生成させ、その後に光励起キャリアが再結合することにより減少する際の減少速度をもって半導体薄膜の評価を行うものである。この光励起キャリアの減少速度は、励起光を照射した範囲を含む半導体薄膜の範囲にマイクロ波を照射し、その反射光強度を測定することにより得られる。このようなμ―ＰＣＤ法を採用することにより、ｐ−Ｓｉ薄膜を破壊することなく迅速に結晶性の評価が可能となる。

特開２００４−２２６２６０号公報

しかし、前記のμ―ＰＣＤ法では、半導体薄膜の厚さが変動すると測定値（即ち、マイクロ波の反射光強度）が変動するため、評価対象箇所における半導体薄膜の厚さが異なると、半導体薄膜が同程度の結晶性を有している場合でも測定値が変動するという問題があった。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、半導体薄膜の膜厚の変動に関わらず、精度良く半導体薄膜の結晶性を評価することができる結晶性評価方法及び結晶性評価装置を提供することを課題とする。

そこで、上記課題を解消すべく、本発明基材上に成膜された半導体薄膜の結晶性を評価する方法であって、前記半導体薄膜にキャリアを励起させるための励起光を照射すると共に、この励起光が照射された範囲を含む前記半導体薄膜の範囲にマイクロ波を照射する第１の照射工程と、前記半導体薄膜からの前記マイクロ波の反射波の強度を測定する第１の測定工程と、データ収集用半導体薄膜の膜厚とこのデータ収集用半導体薄膜に前記マイクロ波を照射したときの反射波の強度の値との関係を収集するデータ収集工程と、前記第１の照射工程で励起光及びマイクロ波が照射される前記半導体薄膜の範囲に、少なくとも前記励起光が照射されていないときに測定光を照射する第２の照射工程と、前記第２の照射工程で照射された測定光の前記半導体薄膜からの反射光を測定する第２の測定工程と、前記第２の測定工程で測定された反射光の強度の測定値に基づいて前記励起光及び前記マイクロ波が照射される範囲の半導体薄膜の膜厚を導出する導出工程と、前記データ収集工程で収集された膜厚と反射波の強度との関係と、前記導出工程で導出された膜厚の値とに基づいて前記第１の測定工程で得られた測定値を補正する補正工程と、この補正工程で補正された測定値に基づいて前記半導体薄膜の結晶性を評価する評価工程とを備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、データ収集用半導体薄膜の膜厚とこのデータ収集用半導体薄膜にマイクロ波を照射したときの反射波の強度の値との関係を収集し、この膜厚と反射波の強度の値との関係を利用して第１の測定工程で測定されたマイクロ波の反射波の強度の測定値を補正することにより、半導体薄膜の膜厚の変動に関わらず、精度良く結晶性の評価を行うことが可能となる。

具体的に、補正工程において、前記反射波の測定値が得られた半導体薄膜の部位の膜厚を所定の膜厚とした場合に、この膜厚の違いに起因する反射波の強度の測定値の変動値をデータ収集工程で求めた前記膜厚と反射波の強度の値との関係と、励起光及びマイクロ波が照射された範囲の半導体薄膜の膜厚の値とから求め、この変動値を用いて第１の測定工程で得られた測定値を補正することにより、前記反射波の測定値から半導体薄膜の膜厚変動に起因して変動する前記反射波の強度変化の影響が取り除かれる。その結果、前記補正後の測定値に基づいて結晶性を評価することにより、半導体薄膜の膜厚の変動に関わらず、精度良く結晶性の評価を行うことができる。

また、第２の照射工程において、前記第１の照射工程で励起光及びマイクロ波が照射される前記半導体薄膜の範囲に、少なくとも励起光が照射されていないときに測定光を照射し、その反射光を第２の測定工程で測定することによって半導体薄膜の膜厚を非破壊且つ非接触で測定することができ、これにより基材上に成膜された半導体薄膜の状態を変化させることなく膜厚測定を行うことができる。

尚、前記の半導体薄膜の結晶性評価方法を行う場合、前記データ収集工程が前記第１の照射工程及び前記第２の照射工程よりも前に行われるのが好ましい。このように各膜厚のデータ収集用半導体薄膜での反射波の強度の値を予め求めておくことで、より迅速に半導体薄膜の結晶性評価を行うことが可能となる。また、互いに異なる複数のデータ収集用半導体薄膜を準備しておく必要もなくなる。

また、前記第１の照射工程では、前記励起光の照射範囲と前記励起光の照射範囲外とにそれぞれ前記マイクロ波を照射し、前記第１の測定工程は、前記照射範囲からの反射波から前記照射範囲外からの反射波を差し引いた差動信号を導出する差動信号導出工程と、この差動信号導出工程で導出された差動信号の強度を測定する差動信号測定工程とを有するのが好ましい。

かかる構成によれば、励起光の照射範囲を含む半導体の範囲だけにマイクロ波を照射してその反射波を測定する場合に比べ、より精度よく結晶性を評価することができる。即ち、半導体薄膜上において、励起光の照射によりキャリアが生成されマイクロ波の反射率が増加した部位での反射波と、励起光が照射されず前記反射率が変化していない部位での反射波との両反射波から導出した差動信号の強度を測定することにより、半導体薄膜からの微弱な反射波の強度の変動を高感度に測定することが可能となる。

また、上記課題を解消すべく、本発明は、基材上に成膜された半導体薄膜の結晶性を評価するための装置であって、前記半導体薄膜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、前記励起光が照射された範囲を含む前記半導体薄膜の範囲にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、前記半導体薄膜からの前記マイクロ波の反射波の強度を測定するマイクロ波測定手段と、前記励起光及び前記マイクロ波が照射される前記半導体薄膜の範囲に少なくとも前記励起光が照射されていないときに測定光を照射する測定光照射手段と、前記半導体薄膜からの前記測定光の反射光を測定する測定光測定手段と、この測定光測定手段で測定された測定値に基づいて前記測定光が照射された範囲の前記半導体薄膜の膜厚を導出する膜厚導出手段と、予め収集されたデータ収集用半導体薄膜の膜厚とこのデータ収集用半導体薄膜に前記マイクロ波を照射したときの反射波の強度の値との関係を格納しておく第１の記憶手段と、この第１の記憶手段に格納されている膜厚と反射波の強度の値との関係と、前記膜厚導出手段で導出された膜厚の値とに基づいて、前記マイクロ波測定手段で測定された測定値を補正する補正手段と、前記補正手段で補正された測定値に基づいて前記半導体薄膜の結晶性を評価する評価手段と、前記評価手段で評価された前記半導体薄膜の結晶性の評価を出力する出力手段とを備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、第１の記憶手段に格納された予め収集されたデータ収集用半導体薄膜の膜厚とこのデータ収集用半導体薄膜に前記マイクロ波を照射したときの反射波の強度の値との関係を利用して補正手段によって補正することにより、マイクロ波測定手段で測定されたマイクロ波の反射波の強度の測定値から半導体薄膜の膜厚変動に起因する前記反射波の強度変動の影響が取り除かれ、これにより半導体薄膜の膜厚の変動に関わらず迅速に精度良く結晶性の評価を行うことが可能となる。

しかも、測定光照射手段によって測定光を照射し、その反射光の強度を測定光測定手段で測定することによって非破壊且つ非接触で半導体薄膜の膜厚を測定することができるため、当該半導体薄膜の状態を変化させることなく膜厚測定を精度よく行うことができる。

さらに、出力手段によって半導体薄膜の評価の結果が出力されることで、半導体薄膜の製造ラインにおいて前記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可能となる。

本発明に係る半導体薄膜の結晶性評価装置においては、前記測定光照射手段は、単一波長の測定光を照射可能に構成され、前記測定光測定手段は、前記半導体薄膜で反射するときに多重干渉した前記測定光の反射光の強度を測定するように構成されるのが好ましい。

このように単一波長の測定光を照射して半導体薄膜で多重干渉させることにより形成される定常波を前記反射波としてその強度を測定し、その測定値から膜厚を導出することにより、多波長の測定光を照射してその反射光から膜厚を導出する場合に比べ、膜厚導出手段の構成を簡素化できると共に膜厚の導出を短時間で行うことが可能となる。そのため、半導体薄膜の製造ラインにおいてオンライン上で短時間で半導体薄膜の膜厚を導出することが可能となり、これによりオンライン上で結晶性評価を短時間で行うことが可能となる。その結果、結晶性の評価結果をより迅速に製造条件にフィードバックすることが可能となる。

また、前記励起光照射手段は、前記励起光を放射する励起光放射部と、この励起光放射部から放射される励起光を所定の周期で強度変調する変調部とを有し、前記マイクロ波測定手段は、前記半導体薄膜からの前記マイクロ波の反射波から前記変調部での励起光の強度変調に同期した周期成分を抽出する第１の抽出部と、この第１の抽出部で抽出された周期信号の強度を測定する周期信号測定部とを有するのが好ましい。

かかる構成によれば、励起光を所定の周期で強度変調し、反射波から前記強度変調に同期した周期成分を抽出してこれを測定することによって、感度よく信号強度を測定することが可能となり、励起光放射部の小型化を図ることが可能となる。即ち、反射波から前記強度変調に同期した周期成分を抽出してその強度を測定することによって、半導体薄膜からの微弱な反射波の強度の変動を感度よく測定することが可能となるため、励起光を強度変調せずに照射する構成と比べ、出力の小さな小型の励起光放射部を用いても同程度の精度で結晶性を評価することができる。一方、前記強度変調しない構成に比べて同程度の出力の励起光放射部を用いる場合には、より精度よく結晶性の評価をすることができる。

また、前記マイクロ波照射手段は、前記半導体薄膜のうち、前記励起光の照射範囲と前記励起光の照射範囲外とにそれぞれ前記マイクロ波を照射するように構成され、前記マイクロ波測定手段は、前記照射範囲からのマイクロ波の反射波から前記照射範囲外からのマイクロ波の反射波を差し引いた差動信号を導出する差動信号導出部と、この差動信号導出部で導出された差動信号の強度を測定する差動信号測定部とを有するのが好ましい。

かかる構成によれば、半導体薄膜上において、励起光の照射によりキャリアが生成されマイクロ波の反射率が増加した部位での反射波と、励起光の照射されていない前記反射率が変化していない部位での反射波との両反射波から導出した差動信号の強度を測定することにより、半導体薄膜からの微弱な反射波の強度の変動を高感度に測定することが可能となり、その結果より精度よく結晶性を評価することができる。

尚、マイクロ波を励起光の照射範囲と照射範囲外とに照射する構成の場合も、励起光を所定の周期で強度変調し、反射波から前記強度変調に同期した周期成分を抽出してこれを測定するのがより好ましい。具体的に、前記励起光照射手段は、前記励起光を放射する励起光放射部と、この励起光放射部から放射される励起光を所定の周期で強度変調する変調部とを有し、前記マイクロ波測定手段は、前記差動信号導出部で導出された差動信号から前記変調部での励起光の強度変調に同期した周期成分を抽出する第２の抽出部をさらに有し、前記差動信号測定部は、前記第２の抽出部で前記差動信号から抽出された周期信号の強度を測定するのが好ましい。

このように励起光を所定の周期で強度変調し、反射波から前記強度変調に同期した周期成分を抽出してこれを測定することによって感度よく信号強度を測定することが可能となるため、前記強度変調しない構成に比べ、出力の小さな小型の励起光放射部を用いても同程度の精度で結晶性を評価することができ、これにより励起光放射部の小型化を図ることが可能となる。一方、前記強度変調しない構成に比べ、同程度の出力の励起光放射部を用いる場合には、より精度よく結晶性の評価をすることができる。

また、前記半導体薄膜が成膜された基材が配置されるステージと、前記励起光と前記マイクロ波とで前記半導体薄膜を走査可能に前記励起光照射手段及び前記マイクロ波照射手段と前記ステージとを相対移動させる第１の駆動手段と、前記測定光で前記半導体薄膜を走査可能に前記測定光照射手段と前記ステージとを相対移動させる第２の駆動手段と、前記半導体薄膜の各位置における前記マイクロ波測定手段で測定された測定値とこの測定値を導出するために前記励起光及び前記マイクロ波が照射された前記半導体薄膜上の位置情報とを関連付けてそれぞれ格納する第２の記憶手段と、前記半導体薄膜の各位置における前記膜厚導出手段で導出された膜厚の値とこの膜厚を導出するために前記測定光が照射された前記半導体薄膜上の位置情報とを関連付けてそれぞれ格納する第３の記憶手段とを備え、前記補正手段は、前記第２の記憶手段に格納された前記半導体薄膜の各位置での前記マイクロ波測定手段での測定値を、前記第３の記憶手段に格納された前記マイクロ波測定手段での測定値が測定された位置の膜厚の値と、前記第１の記憶手段に格納されている前記膜厚と反射波の強度の値との関係とに基づいてそれぞれ補正するように構成されるのが好ましい。

かかる構成によれば、半導体薄膜上の各位置におけるマイクロ波の反射波の測定と膜厚の測定とが可能となり、これにより当該半導体薄膜上の各位置における結晶性の評価を行うことが可能となる。また、第２及び第３の記憶手段が設けられることで、励起光照射手段及びマイクロ波照射手段と測定光照射手段とが別々に半導体薄膜上を走査しても各位置での結晶性評価を行うことができる。そのため、共通の半導体薄膜上において、励起光照射手段及びマイクロ波照射手段による走査と、測定光照射手段とによる走査とが異なる位置で同時に行うことが可能となり、励起光照射手段及びマイクロ波照射手段による走査と測定光照射手段とによる走査とにおいて一方の走査が終了した後、他方の走査が行われる場合に比べ、半導体薄膜上の各位置の結晶性評価を短時間で行うことが可能となる。

即ち、第２及び第３の記憶手段が設けられることにより、これら記憶手段に半導体薄膜の各位置におけるマイクロ波の反射波の強度の測定値と膜厚の値とが位置情報と共に出し入れ自由に格納されるため、半導体薄膜上の異なる位置において前記マイクロ波の反射波の強度の測定と前記膜厚の測定とをそれぞれ同時に行っても、後から同一位置における前記反射波の測定により得られた測定値と前記膜厚の測定により得られた膜厚の値とを補正手段が各記憶手段から引き出して利用することができる。

以上より、本発明によれば、半導体薄膜の膜厚の変動に関わらず、精度良く半導体薄膜の結晶性を評価することができる結晶性評価方法及び結晶性評価装置を提供することができる。

第１実施形態に係る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。 前記結晶性評価装置の第１記憶部に格納されている膜厚と反射光の強度との関係を示す図である。 第２実施形態に係る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。 第３実施形態に係る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。

以下、本発明の第１実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

本実施形態に係る半導体薄膜の結晶性評価装置（以下、単に「評価装置」とも称する。）１０は、多結晶シリコン半導体薄膜（以下、「ｐ−Ｓｉ半導体薄膜」と称する。）１２の製造ラインに用いられるものであり、図１に示されるような、ガラス基板１１とこのガラス基板１１上に成膜されたｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２とを有する試料１３の前記ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の結晶性を評価するためのものである。本実施形態に係るガラス基板１１としては、縦が７３０ｍｍ、横が９２０ｍｍ、厚さが０．５ｍｍのものが使用される。また、ガラス基板１１上に成膜されるｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２は、厚さが５０ｎｍ程度、屈折率が５．４、消衰係数が２．９９（波長３５０ｎｍ）である。

本実施形態に係る評価装置１０は、試料１３を載置するためのステージ１４と、ステージ１４上に配置された試料１３に励起光を照射するための励起光照射手段１５と、試料１３にマイクロ波を照射するためのマイクロ波照射手段２０と、試料１３からの前記マイクロ波の反射波の強度を測定するマイクロ波測定手段３０と、試料１３に測定光を照射する測定光照射手段４０と、試料１３からの前記測定光の反射光の強度を測定する測定光測定手段４５と、マイクロ波測定手段３０及び測定光測定手段４５に接続されるコンピュータ５０と、このコンピュータから評価結果を外部に出力する出力手段６０とを備える。

ステージ１４は、試料１３のｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の表面を上に向けた状態で試料１３を載置することが可能に構成された金属製の板である。本実施形態では、ステージ１４は、アルミニウム製の板で構成されている。このステージ１４は、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の表面に沿った、ｘ軸方向（図１において紙面の手前から奥に向う方向）とこのｘ軸に直交するｙ軸方向（図１において右側に向う方向）とに沿って移動可能に構成され、コンピュータ５０によって制御されるステージコントローラ１６からの指令信号に基づき駆動手段（図示省略）によって各軸方向に駆動される。

尚、本実施形態において、駆動手段は、ステージ１４のみを駆動するがこれに限定されない。即ち、駆動手段は、励起光とマイクロ波とでｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の表面を全域に亘って走査できるように励起光照射手段１５及びマイクロ波照射手段２０とステージ１４とを相対移動させると共に、測定光でｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の表面を全域に亘って走査できるように測定光照射手段４０とステージ１４とを相対移動させるように構成されていればよい。例えば、駆動手段は、本実施形態のように励起光照射手段１５、マイクロ波照射手段２０及び測定光照射手段４０の位置を固定してステージ１４のみを駆動してもよく、また、ステージ１４を固定して、励起光照射手段１５、マイクロ波照射手段２０及び測定光照射手段４０を駆動してもよく、また、ステージ１４、励起光照射手段１５、マイクロ波照射手段２０、測定光照射手段４０の全てを駆動してもよい。各照射手段１５、２０、４０が駆動される場合には、共通の駆動手段によってそれぞれが駆動されてもよく、個別の駆動手段によってそれぞれが駆動されてもよい。

励起光照射手段１５は、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２にキャリアを励起させるためにその表面に励起光を照射するものである。本実施形態の励起光照射手段１５は、励起光源１５ａと、この励起光源１５ａから出射した励起光を試料１３側へ反射するミラー１５ｂとを備える。励起光源１５ａは、紫外光を放射するものである。この紫外光は、ＹＬＦレーザの第三高調波として得られた紫外光を利用したものである。具体的に、励起光源１５ａは、発振波長が３４９ｎｍ、パルス幅が１０ｎｓ、パルスエネルギーが１０ｕＪ／ｐｕｌｓｅの紫外パルス励起光を放射する。この励起光源１５ａからの出射光は、φ１．５ｍｍのスポット径でｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２に照射される。この励起光の波長（３４９ｎｍ）においては、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２に対する励起光の浸透長は、約１０ｎｍであり、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚５０ｎｍと比較して十分に小さいため、効率よくキャリアの生成が行われる。

マイクロ波照射手段２０は、マイクロ波発振器２１と、このマイクロ波発振器２１の発振周波数を制御するマイクロ波発振周波数制御部２２と、マイクロ波発振器２１からのマイクロ波をマイクロ波Ｏ１とＯ２とに２分割するための方向性結合器２３と、マイクロ波Ｏ１を２分割するためのマジックＴ２４と、このマジックＴ２４とステージ１４との間に設けられた第１導波管２５及び第２導波管２６とを備える。

マイクロ波発振器２１は、電磁波であるマイクロ波を出力するものである。本実施形態では、マイクロ波発振器２１としてガンダイオード等が用いられる。このガンダイオードは、マイクロ波発振周波数制御部２２によって発振周波数を制御され、周波数が２６ＧＨｚのマイクロ波を出力する。

方向性結合器２３は、マイクロ波の進路を調整するためのものである。本実施形態の方向性結合器２３は、マイクロ波発振器２１からのマイクロ波を２分岐するように構成される。この方向性結合器２３として、本実施形態では、１０ｄＢカプラ等が用いられる。

マジックＴ２４は、方向性結合器２３からのマイクロ波Ｏ１をマイクロ波Ｏ３とＯ４とに２分岐すると共に、これらマイクロ波Ｏ３、Ｏ４の試料１３からの反射波の差動信号Ｒ１を出力するものである。

第１導波管２５は、マイクロ波を案内する部材である。具体的に、第１導波管２５は、マジックＴ２４からのマイクロ波Ｏ３をｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の表面のうちの励起光の照射範囲に導くと共に、この照射範囲からのマイクロ波Ｏ３の反射波をマジックＴ２４に導くように構成される。即ち、第１導波管２５は、マイクロ波Ｏ３を放射するアンテナ（導波管アンテナ）としての機能に加え、励起光の照射範囲からのマイクロ波Ｏ３の反射波をその先端開口部で捕捉し、マジックＴ２４まで導く機能を有する。

第２導波管２６は、マイクロ波を案内する部材である。具体的に、第２導波管２６は、マジックＴ２４からのマイクロ波Ｏ４をｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の表面のうちの励起光が照射されていない範囲（照射範囲の近傍）に導くと共に、この範囲からのマイクロ波Ｏ４の反射波をマジックＴ２４に導くように構成される。即ち、第２導波管２６は、マイクロ波Ｏ４を放射するアンテナ（導波管アンテナ）としての機能に加え、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の反射波をその先端開口部で捕捉し、マジックＴ２４まで導く機能を有する。この第２導波管２６は、マイクロ波を導く経路長が第１導波管２５と互いに等しくなるように構成される。

尚、前記のように、第１導波管２５と第２導波管２６とがマイクロ波Ｏ３、Ｏ４の反射波をその先端開口部で捕捉してマジックＴ２４まで導く機能を有し、マジックＴ２４がこれら反射波の差動信号Ｒ１を出力する機能を有することから、第１導波管２５、第２導波管２６及びマジックＴ２４は、マイクロ波測定手段３０の一部も構成している。

マイクロ波測定手段３０は、前記の第１導波管２５及び第２導波管２６と、差動信号導出部３１と、この差動信号導出部３１が接続される信号処理部（差動信号測定部）３２を備える。差動信号導出部３１は、前記の差動信号Ｒ１を出力するマジックＴ２４とマイクロ波Ｏ２が導かれるミキサ３３とを有する。

ミキサ３３は、マイクロ波Ｏ３、Ｏ４の反射波の差動信号Ｒ１をマジックＴ２４から受信し、この差動信号Ｒ１とマイクロ波発振器２１からのマイクロ波Ｏ２とを混合することによって検波信号Ｓ１を出力する。この検波信号Ｓ１は、差動信号Ｒ１の強度を表す信号であり、信号処理部３２に入力される。このようにミキサ３３は、差動信号Ｒ１の強度を検出するためのものであるため、このミキサ３３に代えて、差動信号Ｒ１を入力してその強度に応じた電気信号を出力するマイクロ波検出器（検波器）を設けてもよい。

信号処理部３２は、ミキサ３３から入力された検波信号Ｓ１に基づき差動信号Ｒ１の強度を測定する部位である。この信号処理部３２での測定結果は、測定値信号Ｒ２としてコンピュータ５０（詳細には、第２記憶部５３ｂ）に出力される。

測定光照射手段４０は、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚を測定するためにその表面に測定光を照射するためのものである。本実施形態では、測定光照射手段４０として、単一波長（４０５ｎｍ）のレーザ光を放射可能な青色半導体レーザが用いられる。この測定光照射手段４０は、励起光及びマイクロ波が照射されるｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の範囲にこれら励起光及びマイクロ波が照射されていないときに測定光を照射可能に構成される。本実施形態では、測定光照射手段４０は、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の表面において、励起光及びマイクロ波が照射される位置と異なる位置に測定光を照射するように配置されているが、ステージ１４が駆動されることで励起光及びマイクロ波と測定光とでｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２を全域に亘ってそれぞれ走査することで、励起光及びマイクロ波が照射されるｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の範囲にこれら励起光及びマイクロ波が照射されていないときに測定光を照射することが可能となっている。

測定光測定手段４５は、測定光照射手段４０が照射した測定光を透過させると共にｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２からの反射光を光検出器４７側へ反射させるハーフミラー４６と、このハーフミラー４６からの反射光の強度を測定する光検出器４７とを備える。この光検出器４７は、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２で測定光が反射するときに多重干渉することにより形成される定常波（反射波）の強度を測定し、その結果を検出光強度信号Ｒ３としてコンピュータ５０に出力する。

コンピュータ５０は、光検出器４７からの検出光強度信号Ｒ３が入力される膜厚導出部（膜厚導出手段）５１と、信号処理部３２からの測定値信号Ｒ２を補正する補正部（補正手段）５２と、各種情報を出し入れ自在に格納する記憶部５３と、補正部５２で補正された測定値信号Ｒ２ａが入力される評価部（評価手段）５４とを備える。尚、本実施形態の記憶部５３では、情報が格納される領域が３つの領域に分割されており、各領域が第１記憶部（第１の記憶手段）５３ａ、第２記憶部（第２の記憶手段）５３ｂ、第３記憶部（第３の記憶手段）５３ｃを構成する。これら各記憶部は、それぞれ独立した記憶手段（例えば、ハードディスク等）によって構成されてもよい。

膜厚導出部５１は、光検出器４７からの検出光強度信号Ｒ３に基づき測定光が照射された範囲のｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚を導出する部位である。具体的に、測定光（波長４０５ｎｍの単一波長）をｐ−Ｓｉ半導体薄膜（屈折率：５．４、消衰係数：０．３２９）１２に反射させたときに当該ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２内で多重干渉して形成される定常波（反射波）では、膜厚の値が大きくなるに従って反射光の強度の値（反射率）が大きくなっている（図２参照）。そのため、この反射光の強度から膜厚を一意に決定することができる。従って、膜厚導出部５１では、光検出器４７で測定された反射光の強度に基づき測定光が照射された範囲のｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚を導出することができる。このように導出された膜厚の値は、第３記憶部５３ｃに膜厚信号Ｒ３ａとして出力される。

尚、本実施形態では、製造ラインにおけるｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の成膜の目標膜厚である５０ｎｍの前後（±５ｎｍ）では、膜厚の値が大きくなるに従って反射光の強度の値が大きくなっているが、反射光の強度の値は膜厚の変動に伴って周期的に変動するため、必ずしも単調に大きくなるとは限らない。そのため、結晶性評価の対象となるｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の成膜の目標膜厚が５０ｎｍでない場合には、測定光の波長を変更して目標膜厚の前後で膜厚の値が大きくなるに従って反射光強度の値が単調に増加する、又は単調に減少するように調整する必要がある。即ち、注目する膜厚領域において、反射光強度から膜厚が一意に定まるように測定光の波長が調整される。

記憶部５３は、補正部５２が接続された第１記憶部５３ａと、信号処理部３２及びステージコントローラ１６が接続された第２記憶部５３ｂと、膜厚導出部５１及びステージコントローラ１６が接続された第３記憶部５３ｃとを含む。

第１記憶部５３ａは、補正部５２が測定値信号Ｒ２を補正するときに用いられる情報を格納する。この情報は、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の複数点での膜厚と反射光の強度とから導出した校正データに基づいて、データ収集用ｐ−Ｓｉ半導体薄膜（データ収集用半導体薄膜：図示省略）の膜厚と、このデータ収集用ｐ−Ｓｉ半導体薄膜に結晶性評価の際に用いられるのと同じマイクロ波を照射したときの反射波の強度（反射率）の値との関係をテーブルにしたものである。尚、前記テーブルは、実際に測定することなくシミュレーションによって求められたデータ収集用ｐ−Ｓｉ半導体薄膜の膜厚とこのデータ収集用ｐ−Ｓｉ半導体薄膜に前記マイクロ波を照射したときの反射波の強度の値との関係から作成されてもよい。

このような情報（前記テーブル）に基づいて補正部５２が測定値信号Ｒ２を補正することにより、製造ライン上での評価対象の各ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚の違いに起因して変動する反射波の強度変化の影響が測定値信号Ｒ２から取り除かれる。即ち、当該評価装置１０では、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚の変動に関わらず迅速に精度良く結晶性の評価を行うことが可能となる。

この第１記憶部５３ａに格納された各膜厚での反射波の強度の値は、補正部５２が測定値信号Ｒ２の補正を行うときに反射波強度値信号（反射波の強度の値）Ｒ４として引き出される。

第２記憶部５３ｂは、信号処理部３２からのｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の各位置で取得された測定値信号Ｒ２とこの測定値信号Ｒ２を導出するために励起光及びマイクロ波が照射されたｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２上の位置情報Ｔ１とを関連付けて格納する部位である。前記ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２上の位置情報Ｔ１は、ステージコントローラ１６から取得される。この第２記憶部５３ｂに格納された測定値信号Ｒ２及びこの測定値信号Ｒ２が取得されたｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２上の位置情報Ｔ１は、補正部５２が測定値信号Ｒ２の補正を行うときに引き出される。

第３記憶部５３ｃは、膜厚導出部５１で導出されたｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の各位置における膜厚信号（膜厚の値）Ｒ３ａとこの膜厚信号Ｒ３ａを導出するために測定光が照射されたｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２上の位置情報Ｔ２とを関連付けてそれぞれ格納する部位である。前記ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２上の位置情報は、ステージコントローラ１６から取得される。この第３記憶部５３ｃに格納された膜厚信号Ｒ３ａ及びこの膜厚信号Ｒ３ａが得られたｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２上の位置情報Ｔ２は、補正部５２が測定値信号Ｒ２の補正を行うときに引き出される。

補正部５２は、第１記憶部５３ａから引き出した各膜厚での反射波強度値信号Ｒ４と膜厚導出部５１が出力した膜厚信号Ｒ３ａとに基づいて、信号処理部３２から入力された測定値信号Ｒ２を補正する部位である。詳細には、補正部５２では、励起光及びマイクロ波でｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の全域に亘って走査した２次元情報と、測定光でｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の全域に亘って走査した２次元情報とを別々に取得し、これら２つの２次元情報からｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の各位置から取得された測定値信号Ｒ２の補正を行う。具体的に、補正部５２は、第２記憶部５３ｂに格納されたｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の各位置での測定値信号Ｒ２＋Ｔ１を、第３記憶部５３ｃに格納された前記測定値信号Ｒ２＋Ｔが測定された位置の膜厚信号Ｒ３ａ＋Ｔと、第１記憶部５３ａに格納されている各膜厚での反射波強度値信号（反射波の強度の値）Ｒ４とに基づいてそれぞれ補正する。

評価部５４は、補正部５２で補正された測定値信号Ｒ２ａに基づいて各位置でのｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の結晶性を評価する部位である。この評価部５４で評価された結果は、評価信号として出力手段６０へ出力される。

出力手段６０は、評価部５４で評価されたｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の各部位の結晶性の評価を出力するものである。本実施形態の出力手段６０は、評価結果を画面上に表示すると共に、前記評価結果を製造条件にフィードバックするために製造ラインへ出力する。

以上のように構成される評価装置１０を用いてｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の結晶性を評価するための方法について説明する。

まず、ガラス基板１１上にｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２を成膜することにより形成された試料１３がステージ１４上に載置される。

次に、励起光照射手段１５からｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の表面の特定の位置に励起光が照射されると共に、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の表面のうち、励起光の照射された範囲に第１導波管２５を介してマイクロ波が照射される一方、前記励起光の照射されていない範囲に第２導波管２６を介してマイクロ波が照射される。

そして、各導波管２５、２６を通った反射波Ｏ３、Ｏ４の差動信号Ｒ１がマジックＴ２４からミキサ３３に出力されると共に、この差動信号Ｒ１とマイクロ波Ｏ２とに基づいて検波信号Ｓ１がミキサ３３から信号処理部３２に出力される。この信号処理部３２に入力された検波信号Ｓ１に基づき当該信号処理部３２においてその強度が測定され、測定値信号Ｒ２が第２記憶部５３ｂに格納される。このときステージ１４が駆動手段によって駆動され、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２がｘｙの各軸方向に移動することにより、励起光及びマイクロ波によってｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の全域が走査（スキャニング）される。このようにして得られたｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の各位置での測定値信号Ｒ２とこの測定値信号Ｒ２が取得されたｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の位置情報Ｔ１とが関連付けられ、第２記憶部５３ｂに格納される。

一方、測定光照射手段４０からｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の表面の第２の特定位置に測定光が照射される。そして、反射光が入射した光検出器４７から検出光強度信号Ｒ３が膜厚導出部５１に出力され、膜厚導出部５１においてｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚が導出される。この膜厚は膜厚信号Ｒ３ａとして第３記憶部５３ｃに格納される。このときステージ１４が駆動手段によって駆動され、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２がｘｙの各軸方向に移動することにより、測定光によってｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の全域が走査される。このようにして得られたｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の各位置での膜厚信号Ｒ３ａとこの膜厚信号Ｒ３ａが取得されたｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の位置情報Ｔ２とが関連付けられ、第３記憶部５３ｃに格納される。

本実施形態では、これらｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の全域における励起光及びマイクロ波による走査と、測定光による走査とが同時に行われている。具体的に、共通のｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２上における第１の領域に測定光が照射されるのと同時に、前記第１の領域と異なる第２の領域に励起光及びマイクロ波が照射された状態で、測定光が照射されている領域に励起光及びマイクロ波が同時に照射されないようにして全領域がそれぞれ走査される。

尚、前記２つの走査では、一方の走査が終了した後、他方の走査が行われてもよい。また、測定光が照射されている領域には、少なくとも同時に励起光が照射されていなければよい。即ち、測定光の照射領域に励起光が同時に照射されるとｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２を構成する原子等が励起するため精度よく膜厚の測定が行えないが、測定光とマイクロ波とが共通の領域に照射されても前記原子等の励起に起因する測定誤差が生じない。

そして、補正部５２が第１〜第３記憶部５３ａ、５３ｂ、５３ｃに格納された各情報に基づいてｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の各位置での測定値信号Ｒ２を補正したのち、評価部５４がこの補正後の測定値信号Ｒ２ａに基づきｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の各位置での結晶性の評価を行う。具体的には、補正された測定値信号Ｒ２ａに基づき、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２への励起光の照射により励起されたキャリアが再結合するまでの時間（ライフタイム）を導出することにより結晶性の評価がなされる。その結果が出力手段６０により評価対象のｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の製造ラインでの製造条件にフィードバックされると共に、画面上に表示される。

以上説明したように、第１記憶部５３ａに予め格納された前記情報（テーブル）を利用してマイクロ波測定手段３０で測定されたマイクロ波の反射波の強度の測定値（測定値信号）Ｒ２を補正することにより、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚の変動に関わらず、精度良く結晶性の評価を行うことが可能となる。具体的に、補正部５２において、前記反射波の測定値信号Ｒ２が得られたｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の部位の膜厚を所定の膜厚とした場合に、この膜厚の違いに起因する反射波の強度の測定値信号Ｒ２の変動値を第１記憶部５３ａに格納されている各膜厚のデータ収集用ｐ−Ｓｉ半導体薄膜での反射波の強度の値（反射波強度信号）Ｒ４と励起光及びマイクロ波が照射された範囲のｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚の値（膜厚信号）Ｒ３ａとから求め、この変動値を用いてマイクロ波測定手段３０で得られた測定値信号Ｒ２を補正することにより、前記反射波の測定値信号Ｒ２からｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚変動に起因して変動する前記反射波の強度変化の影響が取り除かれる。

例えば、実際に結晶性が評価された範囲のｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚が４５ｎｍであった場合には、測定によって得られた測定値信号Ｒ２を、膜厚を製造ラインの目標膜厚である５０ｎｍにしたときの値に補正する。詳細には、第１記憶部５３ａに格納されている膜厚５０ｎｍの反射波強度の値と前記テーブルから膜厚４５ｎｍの反射波強度の値とを引き出し、これら反射強度の値の差異値をもとめ、この差異値を実際に測定して得られた測定値信号Ｒ２に加える。このようにして、評価対象の各ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２で取得された測定値信号Ｒ２、若しくはｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の各位置で取得された測定値信号Ｒ２を補正することにより、補正後の測定値信号Ｒ２ａからは、膜厚変動に起因する反射波の強度変動の影響が取り除かれた状態となる。

その結果、補正後の測定値信号Ｒ２ａに基づいて結晶性を評価することにより、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚の変動に関わらず、精度良く結晶性の評価を行うことができる。

しかも、測定光照射手段４０によって測定光を照射し、その反射光の強度を測定光測定手段４５（光検出器４７）で測定することによって非破壊且つ非接触でｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚を測定することができるため、当該ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の状態を変化させることなく膜厚測定を精度よく行うことができる。

さらに、出力手段６０によってｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の評価の結果が出力されることで、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の製造ラインにおいて前記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可能となる。

また、前記実施形態では、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２上において、励起光の照射によりキャリアが生成されマイクロ波の反射率が増加した部位での反射波と、励起光の照射されていない前記反射率が変化していない部位での反射波との両反射波から導出した検波信号Ｓ１（差動信号Ｒ１の強度）を測定することにより、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２からの微弱な反射波の強度の変動を高感度に測定することが可能となり、その結果より精度よく結晶性を評価することができる。

また、前記実施形態では、ステージ１４が移動可能に構成され、第２及び第３記憶部５３ｂ、５３ｃが設けられることで、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２上の各位置におけるマイクロ波の反射波の測定と膜厚の測定とが可能となり、これにより当該ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２上の各位置における結晶性の評価を行うことが可能となる。また、第２及び第３記憶部５３ｂ、５３ｃが設けられることで、励起光照射手段１５及びマイクロ波照射手段２０と測定光照射手段４０とが別々にｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２上を走査しても各位置での結晶性評価を行うことができる。即ち、第２及び第３記憶部５３ｂ、５３ｃが設けられることにより、これら記憶部５３ｂ、５３ｃにｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の各位置におけるマイクロ波の反射波の強度の測定値信号Ｒ２と膜厚の膜厚信号Ｒ３ａとが位置情報Ｔ１、Ｔ２と共に出し入れ自由に格納されるため、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２上の同一位置における前記反射波の測定により得られた測定値信号Ｒ２と前記膜厚の測定により得られた膜厚の値（膜厚信号Ｒ３ａ）とを補正部５２が各記憶部５３ｂ、５３ｃからいつでも引き出して利用することが可能となるため、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２上の同一位置における前記マイクロ波の反射波の強度の測定と前記膜厚の測定とを同時に行わなくてもよい。また、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の全域において、同一位置を同時に走査しないように測定光による走査と励起光及びマイクロ波による走査とが同時に行われることで、短時間でｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２上の各位置での結晶性評価を行うことが可能となる。

また、各膜厚での反射波の強度の値を予め求めて第１記憶部５３ａに格納しておくことで、より迅速にｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の結晶性評価を行うことが可能となると共に、前記各膜厚のｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２を別途準備する必要がなくなる。

次に、本発明の第２実施形態について図３を参照しつつ説明する。上記第１実施形態と同様の構成には同一符号を用いると共に詳細な説明を省略し、異なる構成についてのみ詳細に説明する。

本実施形態に係る評価装置１１０は、ステージ１４と、励起光照射手段１５０と、マイクロ波照射手段２０と、マイクロ波測定手段１３０と、測定光照射手段４０と、測定光測定手段４５と、コンピュータ５０と、出力手段６０とを備える。

励起光照射手段１５０は、励起光源（励起光放射部）１５１と、この励起光源１５１から放射される励起光を所定の周期で強度変調する変調部１５２とを有する。本実施形態の励起光源１５１には、半導体レーザが用いられる。この半導体レーザは、波長が４０５ｎｍ、最大出力が６００ｍＷ、ヘッドの冷却モジュールを含む大きさが３０×３０×３０程度のものである。即ち、この半導体レーザは、通常、冷却モジュールを含む大きさがＷ１００ｍｍ×Ｌ２００ｍｍ×Ｈ１００ｍｍ程度のＹＬＦのパルスレーザに比べて小さい。変調部１５２は、励起光源１５１を制御するための励起光源駆動回路１５３と、励起光の波形が矩形波となるように励起光源駆動回路１５３に波形を供給する波形生成器１５４とからなる。この変調部１５２によって励起光の波形が矩形波となるように強度変調が行われる。

マイクロ波測定手段１３０は、第１導波管２５及び第２導波管２６と、差動信号導出部３１と、この差動信号導出部３１からの検波信号から変調部１５２での励起光の強度変調に同期した周期成分を抽出し、周期信号Ｓ２として出力するロックインアンプ（抽出部）１３１と、このロックインアンプ１３１からの周期信号Ｓ２の強度を測定する差動信号測定部１３２とを備える。本実施形態の差動信号測定部１３２は、コンピュータ５０の内部に配置されている。

コンピュータ５０は、光検出器４７からの検出光強度信号Ｒ３が入力される膜厚導出部（膜厚導出手段）５１と、信号処理部３２からの測定値信号Ｒ２を補正する補正部（補正手段）５２と、各種情報を出し入れ自在に格納する記憶部５３と、補正部５２で補正された測定値信号Ｒ２ａが入力される評価部（評価手段）５４とを備える。

以上のように構成される評価装置１１０では、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の結晶性を評価するときに、マジックＴ２４からの差動信号Ｒ１とマイクロ波Ｏ２とに基づいてミキサ３３から検波信号Ｓ１がロックインアンプ１３１に出力される。ロックインアンプ１３１では、検波信号Ｓ１から変調部１５２での励起光の強度変調に同期した周期成分が抽出され、この周期成分が周期信号Ｓ２として差動信号測定部１３２に出力される。そして、差動信号測定部１３２に入力された周期信号Ｓ２の強度が測定され、測定値信号Ｒ２として第２記憶部５３ｂに出力される。

このように励起光が所定の周期で強度変調される構成の評価装置１１０であっても、第１記憶部５３ａに予め格納された前記情報（テーブル）を利用してマイクロ波測定手段３０で測定されたマイクロ波の反射波の強度の測定値（測定値信号）Ｒ２を補正することにより、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚の変動に関わらず、精度良く結晶性の評価を行うことが可能となる。即ち、補正部５２において、前記反射波の測定値信号Ｒ２が得られたｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の部位の膜厚を所定の膜厚とした場合に、この膜厚の違いに起因する反射波の強度の測定値信号Ｒ２の変動値を第１記憶部５３ａに格納されている各膜厚のデータ収集用ｐ−Ｓｉ半導体薄膜での反射波の強度の値（反射波強度信号）Ｒ４と励起光及びマイクロ波が照射された範囲のｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚の値（膜厚信号）Ｒ３ａとから求め、この変動値を用いてマイクロ波測定手段３０で得られた測定値信号Ｒ２を補正することにより、前記反射波の測定値信号Ｒ２からｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚変動に起因して変動する前記反射波の強度変化の影響が取り除かれる。

さらに、当該評価装置１１０では、励起光を変調部１５２で所定の周期で強度変調し、反射波からロックインアンプ１３１によって前記強度変調に同期した周期成分を抽出してこれを差動信号測定部１３２で測定することによって、感度よく信号強度を測定することが可能となり、励起光照射手段１５０の小型化を図ることが可能となる。即ち、反射波から前記強度変調に同期した周期成分を抽出してその強度を測定することによって、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２からの微弱な反射波の強度の変動を感度よく測定することが可能となるため、励起光を強度変調せずに照射する構成と比べ、出力の小さな小型の励起光源１５１を用いても同程度の精度で結晶性を評価することができる。このように励起光源１５１の小型化を図ることができることにより、製造ライン上での当該評価装置１１０の設置の自由度が向上する。また、励起光照射手段１５０やマイクロ波照射手段２０、測定光照射手段４０が搭載されたセンサヘッドの小型化を図ることが可能となり、大型のｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の結晶性の評価を行うことが可能となる。詳細には、本実施形態では、ステージ１４を駆動することによりｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の全域を走査しているが、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２が大型化するとステージ１４も大きくなるため、これを製造ライン上で駆動することが困難となる。そこで、励起光照射手段１５０を小型化することにより前記センサヘッドの小型化を図り、このセンサヘッドを駆動して大型のｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の全域を走査するように構成することで、より大きなｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の結晶性の評価を行うことが可能となる。

一方、前記強度変調しない構成に比べて同程度の出力の励起光源１５１を用いる場合には、より精度よく結晶性の評価をすることができる。

次に、本発明の第３実施形態について図４を参照しつつ説明するが、上記第１及び第２実施形態と同様の構成には同一符号を用いると共に詳細な説明を省略し、異なる構成ついてのみ詳細に説明する。

本実施形態に係る評価装置２１０は、ステージ１４と、励起光照射手段１５と、マイクロ波照射手段１２０と、マイクロ波測定手段２３０と、測定光照射手段４０と、測定光測定手段４５と、コンピュータ５０と、出力手段６０とを備える。

マイクロ波照射手段１２０は、マイクロ波発振器２１と、マイクロ波の進路を調整するための方向性結合器２３と、マイクロ波発振器２１と方向性結合器２３との間に設けられた第３導波管１２５と、方向性結合器２３とステージ１４との間に設けられた第４導波管１２６とを備える。マイクロ波発振器２１から放射されたマイクロ波は、第３導波管１２５を通って方向性結合器２３に到達し、この方向性結合器２３により第４導波管１２６に導かれる。このマイクロ波は、この第４導波管１２６を通ってステージ１４上の試料１３のｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の表面に導かれる。詳細には、マイクロ波は、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の表面のうち励起光が照射された範囲に導かれる。そして、試料１３で反射されたマイクロ波は、第４導波管１２６を通って方向性結合器２３に導かれ、方向性結合器２３によってマイクロ波検出器２３２に導かれる。

このように、第４導波管１２６がマイクロ波の反射波をその先端開口部で捕捉して方向性結合器２３まで導く機能を有し、方向性結合器２３がこの反射波をマイクロ波検出器２３２側に案内する機能を有することから、これら第４導波管１２６及び方向性結合器２３は、マイクロ波測定手段２３０の一部も構成している。

このマイクロ波測定手段２３０は、第４導波管１２６及び方向性結合器２３に加え、反射波の強度を測定するマイクロ波検出器２３２と、方向性結合器２３とマイクロ波検出器２３２との間に設けられた第５導波管１２７とを備える。マイクロ波検出器２３２は、方向性結合器２３から第５導波管１２７を通って到達したマイクロ波の反射波の強度を測定し、その測定値を測定値信号Ｒ２としてコンピュータ５０（詳しくは、第２記憶部５３ｂ）に出力する。

以上のように構成される評価装置２１０を用いてｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の結晶性を評価するための方法について説明する。

励起光照射手段１５から試料４のｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の表面に励起光を照射すると共に、励起光が照射された範囲を含むｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の範囲にマイクロ波照射手段１２０からマイクロ波を照射する。

そして、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の表面からの反射波は、マイクロ波測定手段２３０によってその強度が測定され、測定値信号Ｒ２として当該測定値信号Ｒ２が取得された位置情報Ｔ１と共に第２記憶部５３ｂに格納される。一方、測定光照射手段４０からｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の表面に照射された測定光の反射光は、光検出器４７によってその強度が検出光強度信号Ｒ３として膜厚導出部５１に出力され、膜厚導出部５１においてｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚が導出される。この膜厚は膜厚信号Ｒ３ａとして当該膜厚信号Ｒ３ａが取得された位置情報Ｔ２と共に第３記憶部５３ｃに格納される。尚、第３実施形態においても、第１及び第２実施形態同様、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２上の全域において、同一位置を同時に走査しないように励起光及びマイクロ波によるの走査と測定光による走査とが同時に行われる。

そして、補正部５２が第１〜第３記憶部５３ａ、５３ｂ、５３ｃに格納された各情報に基づいてｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の各位置での測定値信号Ｒ２を補正したのち、この補正された測定値信号Ｒ２ａに基づいて評価部５４がｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の各位置での結晶性の評価を行い、その結果が出力手段６０によって評価対象のｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の製造ラインでの製造条件にフィードバックされると共に、画面上に表示される。

以上説明したように、マイクロ波を分岐することなくｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２に照射する構成であっても、第１記憶部５３ａに格納された予め求められた各膜厚のｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２にマイクロ波を照射したときの当該ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２からの反射波の強度の値を利用して補正部５２によって補正することにより、マイクロ波測定手段２３０で測定されたマイクロ波の反射波の強度の測定値信号Ｒ２からｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚変動に起因する反射波の強度変動の影響が取り除かれ、これによりｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚の変動に関わらず迅速に精度良く結晶性の評価を行うことが可能となる。また、測定光照射手段４０によって測定光を照射し、その反射光の強度を測定光測定手段４５で測定することによって非破壊且つ非接触でｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の膜厚を測定することができるため、当該ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２の状態を変化させることなく膜厚測定を精度よく行うことができる。

尚、本発明の半導体薄膜の結晶性評価方法及び結晶性評価装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

膜厚の測定手段（測定方法）の具体的構成は限定されない。非破壊且つ非接触で膜厚を測定できる構成であればよく、例えば、上記第１乃至第３実施形態では、単一波長の測定光をｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２に照射して、反射の際に当該ｐ−Ｓｉ半導体薄膜１２内で多重干渉した反射光（定常波）の強度を測定することにより膜厚が測定されているが、多波長の測定光を用いた分光エリプソメトリ等により膜厚が測定されてもよい。

第２実施形態のように励起光を所定の周期で強度変調する構成の場合、励起光と測定光とが同一波長の光線を用いることができるため、共通の照射手段（光源）を用い、この照射手段から放射された光線を分岐し、この分岐した光線を励起光及び測定光に用いてもよい。

また、第３実施形態においても、第２実施形態のように励起光を所定の周期で強度変調する、いわゆる変調励起法が用いられてもよい。

１２ ｐ−Ｓｉ半導体薄膜（半導体薄膜）
１５ 励起光照射手段
２０ マイクロ波照射手段
３０ マイクロ波測定手段
４０ 測定光照射手段
４５ 測定光測定手段
５１ 膜厚導出部（膜厚導出手段）
５２ 補正部（補正手段）
５３ｂ 第１記憶部（第１の記憶手段）
５４ 評価部（評価手段）
６０ 出力手段

Claims (9)

1. 基材上に成膜された半導体薄膜の結晶性を評価する方法であって、
   前記半導体薄膜にキャリアを励起させるための励起光を照射すると共に、この励起光が照射された範囲を含む前記半導体薄膜の範囲にマイクロ波を照射する第１の照射工程と、
   前記半導体薄膜からの前記マイクロ波の反射波の強度を測定する第１の測定工程と、
   データ収集用半導体薄膜の膜厚とこのデータ収集用半導体薄膜に前記マイクロ波を照射したときの反射波の強度の値との関係を収集するデータ収集工程と、
   前記第１の照射工程で励起光及びマイクロ波が照射される前記半導体薄膜の範囲に、少なくとも前記励起光が照射されていないときに測定光を照射する第２の照射工程と、
   前記第２の照射工程で照射された測定光の前記半導体薄膜からの反射光を測定する第２の測定工程と、
   前記第２の測定工程で測定された反射光の強度の測定値に基づいて前記励起光及び前記マイクロ波が照射される範囲の半導体薄膜の膜厚を導出する導出工程と、
   前記データ収集工程で収集された膜厚と反射波の強度との関係と、前記導出工程で導出された膜厚の値とに基づいて前記第１の測定工程で得られた測定値を補正する補正工程と、
   この補正工程で補正された測定値に基づいて前記半導体薄膜の結晶性を評価する評価工程とを備えることを特徴とする半導体薄膜の結晶性評価方法。
2. 請求項１に記載の半導体薄膜の結晶性評価方法において、
   前記データ収集工程が前記第１の照射工程及び前記第２の照射工程よりも前に行われることを特徴とする半導体薄膜の結晶性評価方法。
3. 請求項１又は２に記載の半導体薄膜の結晶性評価方法において、
   前記第１の照射工程では、前記励起光の照射範囲と前記励起光の照射範囲外とにそれぞれ前記マイクロ波を照射し、
   前記第１の測定工程は、前記照射範囲からの反射波から前記照射範囲外からの反射波を差し引いた差動信号を導出する差動信号導出工程と、この差動信号導出工程で導出された差動信号の強度を測定する差動信号測定工程とを有することを特徴とする半導体薄膜の結晶性評価方法。
4. 基材上に成膜された半導体薄膜の結晶性を評価するための装置であって、
   前記半導体薄膜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、
   前記励起光が照射された範囲を含む前記半導体薄膜の範囲にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、
   前記半導体薄膜からの前記マイクロ波の反射波の強度を測定するマイクロ波測定手段と、
   前記励起光及び前記マイクロ波が照射される前記半導体薄膜の範囲に少なくとも前記励起光が照射されていないときに測定光を照射する測定光照射手段と、
   前記半導体薄膜からの前記測定光の反射光を測定する測定光測定手段と、
   この測定光測定手段で測定された測定値に基づいて前記測定光が照射された範囲の前記半導体薄膜の膜厚を導出する膜厚導出手段と、
   予め収集されたデータ収集用半導体薄膜の膜厚とこのデータ収集用半導体薄膜に前記マイクロ波を照射したときの反射波の強度の値との関係を格納しておく第１の記憶手段と、
   この第１の記憶手段に格納されている膜厚と反射波の強度の値との関係と、前記膜厚導出手段で導出された膜厚の値とに基づいて、前記マイクロ波測定手段で測定された測定値を補正する補正手段と、
   前記補正手段で補正された測定値に基づいて前記半導体薄膜の結晶性を評価する評価手段と、
   前記評価手段で評価された前記半導体薄膜の結晶性の評価を出力する出力手段とを備えることを特徴とする半導体薄膜の結晶性評価装置。
5. 請求項４の半導体薄膜の結晶性評価装置において、
   前記測定光照射手段は、単一波長の測定光を照射可能に構成され、
   前記測定光測定手段は、前記半導体薄膜で反射するときに多重干渉した前記測定光の反射光の強度を測定するように構成されることを特徴とする半導体薄膜の結晶性評価装置。
6. 請求項４又は５に記載の半導体薄膜の結晶性評価装置において、
   前記励起光照射手段は、前記励起光を放射する励起光放射部と、この励起光放射部から放射される励起光を所定の周期で強度変調する変調部とを有し、
   前記マイクロ波測定手段は、前記半導体薄膜からの前記マイクロ波の反射波から前記変調部での励起光の強度変調に同期した周期成分を抽出する第１の抽出部と、この第１の抽出部で抽出された周期信号の強度を測定する周期信号測定部とを有することを特徴とする半導体薄膜の結晶性評価装置。
7. 請求項４又は５に記載の半導体薄膜の結晶性評価装置において、
   前記マイクロ波照射手段は、前記半導体薄膜のうち、前記励起光の照射範囲と前記励起光の照射範囲外とにそれぞれ前記マイクロ波を照射するように構成され、
   前記マイクロ波測定手段は、前記照射範囲からのマイクロ波の反射波から前記照射範囲外からのマイクロ波の反射波を差し引いた差動信号を導出する差動信号導出部と、この差動信号導出部で導出された差動信号の強度を測定する差動信号測定部とを有することを特徴とする半導体薄膜の結晶性評価装置。
8. 請求項７に記載の半導体薄膜の結晶性評価装置において、
   前記励起光照射手段は、前記励起光を放射する励起光放射部と、この励起光放射部から放射される励起光を所定の周期で強度変調する変調部とを有し、
   前記マイクロ波測定手段は、前記差動信号導出部で導出された差動信号から前記変調部での励起光の強度変調に同期した周期成分を抽出する第２の抽出部をさらに有し、
   前記差動信号測定部は、前記第２の抽出部で前記差動信号から抽出された周期信号の強度を測定することを特徴とする半導体薄膜の結晶性評価装置。
9. 請求項４乃至８のいずれか１項に記載の半導体薄膜の結晶性評価装置において、
   前記半導体薄膜が成膜された基材が配置されるステージと、
   前記励起光と前記マイクロ波とで前記半導体薄膜を走査可能に前記励起光照射手段及び前記マイクロ波照射手段と前記ステージとを相対移動させる第１の駆動手段と、
   前記測定光で前記半導体薄膜を走査可能に前記測定光照射手段と前記ステージとを相対移動させる第２の駆動手段と、
   前記半導体薄膜の各位置における前記マイクロ波測定手段で測定された測定値とこの測定値を導出するために前記励起光及び前記マイクロ波が照射された前記半導体薄膜上の位置情報とを関連付けてそれぞれ格納する第２の記憶手段と、
   前記半導体薄膜の各位置における前記膜厚導出手段で導出された膜厚の値とこの膜厚を導出するために前記測定光が照射された前記半導体薄膜上の位置情報とを関連付けてそれぞれ格納する第３の記憶手段とを備え、
   前記補正手段は、前記第２の記憶手段に格納された前記半導体薄膜の各位置での前記マイクロ波測定手段での測定値を、前記第３の記憶手段に格納された前記マイクロ波測定手段での測定値が測定された位置の膜厚の値と、前記第１の記憶手段に格納されている前記膜厚と反射波の強度の値との関係とに基づいてそれぞれ補正するように構成されることを特徴とする半導体薄膜の結晶性評価装置。

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