JP5242287B2 - 半導体薄膜の結晶性評価装置及び結晶性評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、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、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。

そして、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

しかしながら、μ―ＰＣＤ法では、ガラス基材の面内分布や誘電率ムラが存在すると、測定値が変動するという問題があった。つまり、評価対象箇所におけるガラス基材の厚さやガラス基板の誘電率が異なると、その上に成膜されているｐ−Ｓｉ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。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基材の厚みや誘電率の変動にかかわらず、精度良く半導体薄膜の結晶性を評価することができる装置及び方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る結晶性評価装置は、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部と、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放射するマイクロ波放射部と、前記半導体薄膜からのマイクロ波の反射波から得られる信号に含まれる直流成分及び交流成分の強度を検出可能な検出部と、既知の誘電率、厚み及び結晶性に設定された試料について予め測定された前記交流成分の強度のピーク値と前記直流成分の強度とをパラメータとして前記半導体薄膜の結晶性を示す指標データを記憶する記憶部と、結晶性が未知である試料について前記検出部により検出された前記交流成分の強度のピーク値、前記直流成分の強度、及び前記指標データに基づいて、当該試料の結晶性を評価する評価部とを備え、前記直流成分は、前記基材の誘電率及び基材の厚みに起因して変動するものであり、前記交流成分は、前記誘電率、厚み及び前記キャリアの生成に起因して変動するものであることを特徴とする。

また、本発明に係る結晶性評価方法は、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方法であって、基材の誘電率、基材の厚み及び半導体薄膜の結晶性が既知の値に設定された基準試料について、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ともに、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工程と、前記基準試料の半導体薄膜からのマイクロ波の反射波から得られる信号に含まれる直流成分の強度及び交流成分の強度のピーク値をそれぞれ測定する工程と、前記基準試料について測定された交流成分の強度のピーク値と直流成分の強度とをパラメータとして前記半導体薄膜の結晶性を示す指標データを作成する工程と、結晶性が未知である測定対象試料について、前記交流成分の強度のピーク値及び直流成分の強度を測定する工程と、前記測定対象試料について測定された交流成分の強度のピーク値、直流成分の強度、及び前記指標データに基づいて、測定対象試料の結晶性を評価する工程とを含み、前記直流成分は、前記基材の誘電率及び厚みに起因して変動するものであり、前記交流成分は、前記誘電率、厚み及びキャリアの生成に起因して変動するものであることを特徴とする。

本発明によれば、半導体薄膜の表面からの反射波から得られる信号に含まれる、基材の誘電率及び基材の厚みに応じて変動する直流成分の強度と、誘電率、厚み及びキャリアの生成に応じて変動する交流成分のピーク値とを利用して、半導体薄膜の結晶性を評価することとしているため、基材の厚みの変動にかかわらず、精度良く結晶性の評価を行うことが可能となる。その理由は、以下の通りである。

従来のマイクロ波光伝導減衰法（以下、μ―ＰＣＤ法と称す）では、パルス状の励起光を半導体薄膜に照射してキャリアを生成させた上で、キャリアの再結合による減衰時間に基づいて結晶性の評価を行うこととしていた。具体的には、キャリアが生成されると、半導体薄膜の反射率が増加するため、キャリアの生成された範囲にマイクロ波を照射し、このマイクロ波の反射波の強度を検出することによって前記減衰時間が測定される。ここで、前記減衰時間を測定するための反射波の強度としては、基材の誘電率、厚み及びキャリアの生成に起因して変動する交流成分から基材の誘電率及び厚みに起因して変動する直流成分を差し引いた差分強度を用いることが行われている。これにより、励起光の照射による特性変化のみが抽出された信号となるため、Ｓ／Ｎ比が向上し、精度の高い評価が可能となる。

しかし、μ―ＰＣＤ法を使用する場合、基材の誘電率及び厚みの変動に応じてシリコン半導体薄膜における電界強度が変動する。電界強度が変動すると、前記交流成分だけでなく直流成分の強度も変動することになり、前記差分強度の信号レベルも変動してしまう。以下、この点について図４〜図６を用いて説明する。

図４に示すように、マイクロ波放射部により放射されたマイクロ波は、基材２を支持するステージ５で反射して定在波Ｗ１を構成する。ここで、基材２の厚みが一定のままその誘電率が変化（例えば、増加）した場合、定在波Ｗ１は、その波長が変化して（短くなって）定在波Ｗ２となる。これにより、シリコン半導体薄膜３に対する定在波Ｗ１、Ｗ２の交差範囲が範囲Ｅ１からＥ２に変化することになる結果、シリコン半導体薄膜３における電界強度が変動する。また、図５及び図６に示すように、基材２の誘電率が一定のまま、基材２の厚みが変化した場合には、定在波Ｗ３の波長が一定のままシリコン半導体薄膜３の位置が上下に変動することになるため、シリコン半導体薄膜３と定在波Ｗ３との交差範囲がＥ３からＥ４に変化して、シリコン半導体薄膜３における電界強度が変動する。このようにシリコン半導体薄膜３における電界強度が異なる場合には、前記差分強度が異なるものとなり、このような差分強度に基づいて減衰時間を測定しても、正確な結晶性の評価を行うことができなかった。

そこで、本発明では、基材の誘電率、基材の厚み及びシリコン半導体薄膜の結晶性を既知の値に設定した試料について予め測定された直流成分の強度と交流成分の強度のピーク値とをパラメータとして結晶性を示す指標データを予め準備しておくこととしている。そのため、実際に検出された直流成分の強度及び交流成分の強度のピーク値をパラメータとして前記指標データに代入することにより、結晶性の良否を評価することができる。したがって、本発明によれば、基材の誘電率及び基材の厚みの変動にかかわらず、半導体薄膜の結晶性を精度良く特定することが可能となる。

前記結晶性評価装置において、前記マイクロ波放射部は、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マイクロ波を放射するように構成され、前記検出部は、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信号に相当する信号を前記交流成分として検出するとともに、前記照射範囲からの反射波と前記照射範囲外からの反射波との和信号に相当する信号を前記直流成分として検出するように構成されていることが好ましい。

このようにすれば、直流成分及び交流成分を容易に検出することが可能となる。

前記結晶性評価装置において、前記指標データには、特定の結晶性で、かつ、基材の誘電率及び厚みが異なる複数の試料について予め測定された値をそれぞれ結ぶ指標線が設定されており、前記評価部は、前記指標線よりも結晶性が高いか否かを評価するように構成されていることが好ましい。

このようにすれば、前記指標線を結晶性の良否のしきい値として設定することにより、半導体薄膜の良否判定を容易に行うことが可能となる。

前記結晶性評価装置において、前記評価部は、前記検出部により検出された交流成分の強度及び直流成分の強度により定まる値が指標データに存在しない場合に、当該指標データを補間して対応する結晶性を推定することが好ましい。

このようにすれば、指標データに含まれていない結晶性を示す場合であっても、指標データに存在するデータを利用して結晶性を推定することが可能となる。

本発明によれば、基材の誘電率や厚みの変動にかかわらず、精度良く半導体薄膜の結晶性を評価することができる。

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。

図１は、本発明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。

図１を参照して、本実施形態に係る結晶性評価装置１は、ガラス基板２とこのガラス基板２上に成膜された多結晶シリコン（以下、ｐ−Ｓｉと称す）半導体薄膜３とを有する試料４の前記ｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の結晶性を評価するためのものである。なお、本実施形態に係るガラス基板２としては、縦横７３０ｍｍ×９２０ｍｍで厚さ０．７ｍｍのものを使用している。

具体的に、結晶性評価装置１は、前記試料４を載置するためのステージ５と、ステージ５上に配置された試料４に紫外光を照射するための励起光源（励起光照射部）６と、前記試料４にマイクロ波を放射するためのマイクロ波放射部７と、試料４からのマイクロ波の反射波の強度を検出するための検出部８と、この検出部８による検出結果に基づいてｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の結晶性を評価するコンピュータ（記憶部、評価部）９と、前記ステージ５の駆動を制御するためのステージコントローラ１０とを備えている。

ステージ５は、試料４のｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の表面を上に向けた状態で試料４を載置することが可能に構成された金属製（本実施形態ではアルミニウム製）の板である。また、ステージ５は、試料４を載置するための面と平行な平面に沿って駆動可能な状態で図外の駆動機構に支持されている。この駆動機構がステージコントローラ１０により制御される。

励起光源６は、波長３４９mm、パルス幅１０ns、パルスエネルギー１０uJ/pulseとされた紫外光を出射する。具体的には、ＹＬＦレーザの第三高調波として得られた紫外光を利用している。この励起光源６からの出射光は、φ１．５mmのスポット径でｐ−Ｓｉ半導体薄膜３に照射される。前記励起光の波長（３４９mm）においては、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜３に対する励起光の浸透長は、約１０nmであり、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の膜厚５０nmと比較して十分に小さいため、効率良くキャリアの生成が行われる。

マイクロ波放射部７は、マイクロ波放射器１１と、マイクロ波の進路を調整するための方向性結合器１２と、方向性結合器１２と前記ステージ５との間に設けられた導波管１４と、マイクロ波を２分割するための分配器１５とを備えている。マイクロ波放射器１１から放射されたマイクロ波は、方向性結合器１２により導波管１４に導かれ、この導波管１４を通ってステージ５上の試料４のｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の表面に導かれる。具体的に、マイクロ波は、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の表面のうち前記励起光が照射された範囲に導かれる。そして、試料４又はステージ５で反射されたマイクロ波は、前記導波管１４を通って方向性結合器１２に導かれ、方向性結合器１２によって分配器１５に導かれる。分配器１５は、前記ガラス基板２の誘電率及び基板２の厚みに起因して変動した直流成分と、前記誘電率、厚み及びｐ−Ｓｉ半導体薄膜３のキャリアの生成に起因して変動する交流成分とに、マイクロ波を２分割するように構成されている。

検出部８は、前記交流成分の強度を検出可能な交流成分検出器８ａと、前記直流成分の強度を検出可能な直流成分検出器８ｂとを備えている。これら検出器８ａ、８ｂにより検出された強度は、電気信号としてコンピュータ９に送信される。

コンピュータ９は、前記各検出器８ａからの電気信号に基づいて、交流成分の強度のピーク値を算出する。また、コンピュータ９は、前記直流成分検出器８ｂからの電気信号に基づいて直流成分の強度を特定する。

そして、コンピュータ９には、既知の誘電率及び結晶性に設定された試料４についての直流成分及び交流成分のピーク値として予め測定された指標データが予め記憶されている。本実施形態において、指標データは、図３に示すような表として記憶されている。

図３は、図１のコンピュータ９に記憶された指標データを示している。

図３を参照して、指標データは、横軸として記載された直流成分（ＤＣ ＬＥＶＥＬ：任意単位）と、縦軸として記載された交流成分のピーク値（任意単位）とを２つのパラメータとして結晶性を表す表である。

表中、実線で示すラインＬ３は、結晶性が良好なｐ−Ｓｉ半導体薄膜３を有する試料４についてのデータであり、ガラス基板２の厚みを４つ異なる値に調整したものについてそれぞれ測定した点Ｐ１〜Ｐ４を結んだものである。破線で示すラインＬ４は、結晶性が中程度のものとして成膜されたｐ−Ｓｉ半導体薄膜３を有する試料４についてのデータであり、ガラス基板２の厚みを４つの異なる値に調整したものについてそれぞれ測定した点Ｐ５〜Ｐ８を結んだものである。二点鎖線で示すラインＬ５は、結晶性が低いものとして成膜されたｐ−Ｓｉ半導体薄膜３を有する試料４についてのデータであり、ガラス基板２の厚みを４つの異なる値に調整したものについてそれぞれ測定した点Ｐ９〜Ｐ１２を結んだものである。ここで、ガラス基板２の厚みを異なる値にした試料４について測定し、ガラス基板２の誘電率を異なるものとした試料４について測定していないのは、試料４ごとに変動する誘電率の幅は比較的小さいためである。つまり、本実施形態に係る指標データでは、基板２の誘電率を略一定であるとみなした上で、異なる厚みに設定されたガラス基板２についての直流成分と交流成分のピーク値とを表している。ただし、異なる誘電率の試料４について指標データを作成することを除外する趣旨ではなく、ガラス基板２の厚みを特定の寸法で一定とし、誘電率を複数の異なる値に調整した試料４について直流成分と交流成分のピーク値を測定し、前記指標データとして追加することもできる。

以下、結晶性評価装置１を用いて試料４のｐ−Ｓｉ半導体薄膜３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２の厚み、ガラス基板２の誘電率及びｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の結晶性が既知の値に設定された基準試料を作成する。この基準試料をステージ５上に載置する。

次に、励起光源６から基準試料のｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の表面に励起光を照射するとともに、励起光が照射された範囲を含むｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の範囲にマイクロ波放射部７からマイクロ波を放射する。

そして、基準試料のｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の表面からの反射波は、分配器１５によって直流成分と交流成分とに２分割され、交流成分の強度が交流成分検出器８ａにより検出されるとともに、直流成分の強度が直流成分検出器８ｂにより検出される。そして、交流成分の強度については、コンピュータ９においてピーク値が特定される。

上記手順により得られた交流成分の強度のピーク値及び直流成分の強度は、複数準備された基準試料ごとに、前記指標データとしてコンピュータ９に記憶される。

次に、結晶性が未知である測定対象試料をステージ５上に載置し、上記基準試料の場合と同様に、励起光を照射するとともにマイクロ波を放射し、このマイクロ波の反射波に含まれる交流成分及び直流成分の強度をそれぞれ交流成分検出器８ａ及び直流成分検出器８ｂによって検出する。そして、交流成分の強度についてはコンピュータ９においてピーク値が特定される。

そして、測定対象試料について得られた交流成分の強度のピーク値及び直流成分の強度をそれぞれ指標データに代入することにより、当該指標データに基づいてｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の結晶性の評価を行う。

具体的に、図３の指標データを用いてｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の結晶性を評価する場合には、まず、前記直流成分の強度と交流成分の強度のピーク値とによって定まる指標データ上の位置を特定する。例えば、この位置がラインＬ３とＬ４との間である場合には、この位置を含み、ラインＬ３とＬ４との間に存在するであろう他の結晶性を示すラインを補間処理によって算出し、このラインによって結晶性を推定することができる。また、中程度の結晶性を示すラインＬ４をしきい値として、このラインＬ４よりもＬ３寄りに実測値が位置する場合に良品と、ラインＬ４よりもＬ５寄りに実測値が位置する場合に不良品と判断することも可能である。

そして、結晶性の評価は、ステージコントローラ１０によるステージ５の駆動制御によって、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の表面の全域にわたり行うことができる。したがって、ガラス基板２の誘電率又は厚みについて、試料４の面内でムラが生じている場合であっても、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の結晶性を精度良く評価することが可能となる。

なお、前記実施形態では、ステージ５を駆動することにより、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の表面全域を評価することとしているが、ステージ５を固定して、ステージ５以外の構成を当該ステージ５に対して移動可能に構成することによっても、同様の効果を得ることができる。

以上説明したように、前記実施形態によれば、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の表面からの反射波のうち、ガラス基板２の誘電率及びガラス基板２の厚みに応じて変動する直流成分の強度と、誘電率、厚み及びキャリアの生成に応じて変動する交流成分のピーク値とを利用して、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の結晶性を評価することとしているため、ガラス基板２の厚みの変動にかかわらず、精度良く結晶性の評価を行うことができる。その理由は、以下の通りである。

従来のマイクロ波光伝導減衰法（以下、μ―ＰＣＤ法と称す）では、パルス状の励起光をｐ−Ｓｉ半導体薄膜３に照射してキャリアを生成させた上で、キャリアの再結合による減衰時間に基づいて結晶性の評価を行うこととしていた。具体的には、キャリアが生成されると、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の反射率が増加するため、キャリアの生成された範囲にマイクロ波を照射し、このマイクロ波の反射波の強度を検出することによって前記減衰時間が測定される。ここで、前記減衰時間を測定するための反射波の強度としては、ガラス基板２の誘電率、厚み及びキャリアの生成に起因して変動する交流成分からガラス基板２の誘電率及び厚みに起因して変動する直流成分を差し引いた差分強度を用いることが行われている。これにより、励起光の照射による特定変化のみが抽出された信号となるため、Ｓ／Ｎ比が向上し、精度の高い評価が可能となる。

しかし、μ―ＰＣＤ法を使用する場合、ガラス基板２の誘電率及び厚みの変動に応じてｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の電界強度が変動する。電界強度が変動すると、前記交流成分だけでなく直流成分の強度も変動することになり、前記差分強度の信号レベルも変動してしまう。以下、この点について図４〜図６を用いて説明する。

図４に示すように、マイクロ波放射部７により放射されたマイクロ波は、ガラス基板２を支持するステージ５で反射して定在波Ｗ１を構成する。ここで、ガラス基板２の厚みが一定のままその誘電率が変化（例えば、増加）した場合、定在波Ｗ１は、その波長が変化して（短くなって）定在波Ｗ２となる。これにより、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜３に対する定在波Ｗ１、Ｗ２の交差範囲が範囲Ｅ１からＥ２に変化することになる結果、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜３における電界強度が変動する。また、図５及び図６に示すように、ガラス基板２の誘電率が一定のまま、ガラス基板２の厚みが変化した場合には、定在波Ｗ３の波長が一定のままｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の位置が上下に変動することになるため、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜３と定在波Ｗ３との交差範囲がＥ３からＥ４に変化して、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜３における電界強度が変化する。このようにｐ−Ｓｉ半導体薄膜３における電界強度が異なる場合には、差分強度が異なるものとなり、このような差分強度に基づいて減衰時間を測定しても、正確な結晶性の評価を行うことができなかった。

そこで、前記実施形態に係る結晶性評価装置１では、ガラス基板２の誘電率、ガラス基板２の厚み及びｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の結晶性を既知の値に設定した基準試料についての直流成分の強度及び交流成分の強度のピーク値とをパラメータとして結晶性を示す指標データを予め準備しておくこととしている。そのため、実際に検出された直流成分の強度及び交流成分の強度のピーク値をパラメータとして前記指標データに代入することにより、結晶性の良否を評価することができる。したがって、前記実施形態によれば、ガラス基板２の誘電率及びガラス基板２の厚みの変動にかかわらず、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の結晶性を精度良く特定することが可能となる。

図２は、別の実施形態に係る結晶性評価装置１６の全体構成を示す概略図である。以下、前記結晶性評価装置１と異なる点について主に説明する。

結晶性評価装置１６は、前記実施形態と異なり、前記ステージ５上に配置された試料４に紫外光を照射するための励起光照射部１７と、試料４にマイクロ波を放射するためのマイクロ波放射部１８とを備えている。

励起光照射部１７は、前記励起光源６と、この励起光源６から出射した励起光を試料４側へ反射させるためのミラー１９とを備えている。

マイクロ波放射部１８は、マイクロ波発振器２０と、このマイクロ波発振器２０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２１と、マイクロ波Ｏ１を２分割するためのマジックＴ２２と、このマジックＴ２２とステージ５との間に設けられた第１導波管２４及び第２導波管２５と、マイクロ波Ｏ２が導かれるミキサ２３とを備えている。

マイクロ波発振器２０は、電磁波であるマイクロ波を出力するものである。例えば、周波数２６ＧＨｚのガンダイオード等を採用することができる。

方向性結合器２１は、マイクロ波発振器２０からのマイクロ波を２分岐するためのものであり、例えば、１０ｄＢカプラ等を採用することができる。

マジックＴ２２は、前記方向性結合器２１からのマイクロ波Ｏ１を、マイクロ波Ｏ３とＯ４とに２分岐するとともに、これらマイクロ波Ｏ３、Ｏ４の試料４からの反射波の差信号Ｒ１と、これら反射波の和信号Ｒ２とを出力するようになっている。

第１導波管２４は、マジックＴ２２からのマイクロ波Ｏ３を前記ｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の表面のうちの前記励起光の照射範囲に導くとともに、この照射範囲からのマイクロ波Ｏ３の反射波を前記マジックＴ２２に導くようになっている。具体的に、第１導波管２４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、前記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Ｔ２２まで導く機能も果たす。

第２導波管２５は、マジックＴ２２からのマイクロ波Ｏ４を前記ｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の表面のうちの前記励起光が照射されていない範囲（照射範囲の近傍）に導くとともに、この範囲からのマイクロ波Ｏ４の反射波を前記マジックＴ２２に導くようになっている。具体的に、第２導波管２５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３の反射波をその先端開口部で捕捉し、マジックＴ２２まで折り返し導く機能も果たす。この第２導波管２５と、前記第１導波管２４とは、マイクロ波を導く経路長が互いに同等とされている。

ミキサ２３は、前記マイクロ波Ｏ３、Ｏ４の反射波の差信号Ｒ１を前記マジックＴ２２から受信し、この差信号Ｒ１とマイクロ波発振器２０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、差信号Ｒ１の強度を表す信号であり、交流成分検出器８ａに入力される。このように、ミキサ２３は、差信号Ｒ１の強度を検出するためのものであるため、このミキサ２３に代えて、差信号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）を設けることもできる。

コンピュータ９には、交流成分検出器８ａ及び直流成分検出器８ｂから前記検波信号Ｓ１、つまり差分強度、及び和信号Ｒ２の強度がそれぞれ入力される。そして、コンピュータ９は、前記検波信号Ｓ１のピーク値を算出する。そして、コンピュータ９は、検波信号Ｒ１のピーク値と、直流成分の強度と、前記指標データとを利用して、前記実施形態で説明したようにｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の結晶性の評価を行う。

以下、結晶性評価装置１６を用いて試料４のｐ−Ｓｉ半導体薄膜３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２の誘電率、ガラス基板２の厚み及びｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の結晶性を既知の値に設定した基準試料を作成し、この基準試料をステージ５上に載置する。

次に、励起光源６から基準試料のｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の表面に励起光を照射するとともに、ｐ−Ｓｉ半導体薄膜３のうち、励起光が照射された範囲に第１導波管２４を介してマイクロ波を放射する一方、励起光が照射されていない範囲に第２導波管２５を介してマイクロ波を放射する。

そして、各導波管２４、２５を通った反射波Ｏ３、Ｏ４の差信号Ｒ１がマジックＴ２２からミキサ２３に出力されるとともに、この差信号Ｒ１とマイクロ波Ｏ２とに基づいて検波信号Ｓ１がミキサ２３から交流成分検出器８ａに出力される。一方、反射波Ｏ３、Ｏ４の和信号Ｒ２は、直流成分検出器８ｂに出力される。これら検出器８ａ、８ｂにより検出された検波信号Ｓ１の強度、及び和信号Ｒ２の強度は、それぞれコンピュータ９に入力される。

上記手順により得られた検波信号Ｓ２の強度のピーク値、及び和信号Ｒ２の強度は、複数準備された基準試料ごとに、前記指標データとしてコンピュータ９に記憶される。

次に、結晶性が未知である測定対象試料をステージ５上に載置し、上記基準試料の場合と同様に、励起光を照射するとともにマイクロ波を放射し、このマイクロ波の反射波に基づいて検波信号Ｓ１及び和信号Ｒ２の強度をそれぞれ交流成分検出器８ａ及び直流成分検出器８ｂによって検出する。そして、検波信号Ｓ１の強度についてはコンピュータ９においてピーク値が特定される。

そして、測定対象試料について得られた検波信号Ｓ１の強度のピーク値及び直流成分の強度をそれぞれ指標データに代入することにより、当該指標データに基づいてｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の結晶性の評価を行う。

この実施形態においても、前記実施形態と同様に、ガラス基板２の誘電率及び厚みにかかわらず、精度良くｐ−Ｓｉ半導体薄膜３の結晶性の評価を行うことができる。しかも、本実施形態では、励起光の照射範囲にマイクロ波Ｏ３を照射するとともに、励起光の照射範囲以外の範囲（照射範囲の近傍位置）にマイクロ波Ｏ４を放射することとしているので、前記マイクロ波の反射波の直流成分及び交流成分を容易に検出することが可能となる。

本発明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。 別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。 図１のコンピュータ９に記憶された指標データを示している。 ガラス基板の誘電率の変化に伴いｐ−Ｓｉ半導体薄膜の電界強度が変動する原理を示す模式図である。 ガラス基板の厚みの変化に伴いｐ−Ｓｉ半導体薄膜の電界強度が変動する原理を示す模式図である。 ガラス基板の厚みの変化に伴いｐ−Ｓｉ半導体薄膜の電界強度が変動する原理を示す模式図であり、図５よりも厚いガラス基板を示すものである。

符号の説明

１、１６ 結晶性評価装置
２ ガラス基板
３ ｐ−Ｓｉ半導体薄膜
４ 試料
５ ステージ
６ 励起光源
７、１８ マイクロ波放射部
８ 検出部
９ コンピュータ
１７ 励起光照射部

Claims (5)

1. 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部と、
   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放射するマイクロ波放射部と、
   前記半導体薄膜からのマイクロ波の反射波から得られる信号に含まれる直流成分及び交流成分の強度を検出可能な検出部と、
   既知の誘電率、厚み及び結晶性に設定された試料について予め測定された前記交流成分の強度のピーク値と前記直流成分の強度とをパラメータとして前記半導体薄膜の結晶性を示す指標データを記憶する記憶部と、
   結晶性が未知である試料について前記検出部により検出された前記交流成分の強度のピーク値、前記直流成分の強度、及び前記指標データに基づいて、当該試料の結晶性を評価する評価部とを備え、
   前記直流成分は、前記基材の誘電率及び基材の厚みに起因して変動するものであり、前記交流成分は、前記誘電率、厚み及び前記キャリアの生成に起因して変動するものであることを特徴とする半導体薄膜の結晶性評価装置。
2. 前記マイクロ波放射部は、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マイクロ波を放射するように構成され、
   前記検出部は、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信号に相当する信号を前記交流成分として検出するとともに、前記照射範囲からの反射波と前記照射範囲外からの反射波との和信号に相当する信号を前記直流成分として検出するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の結晶性評価装置。
3. 前記指標データには、特定の結晶性で、かつ、基材の誘電率及び厚みが異なる複数の試料について予め測定された値をそれぞれ結ぶ指標線が設定されており、
   前記評価部は、前記指標線よりも結晶性が高いか否かを評価するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の結晶性評価装置。
4. 前記評価部は、前記検出部により検出された交流成分の強度及び直流成分の強度により定まる値が指標データに存在しない場合に、当該指標データを補間して対応する結晶性を推定することを特徴とする請求項１又は２に記載の結晶性評価装置。
5. 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方法であって、
   基材の誘電率、基材の厚み及び半導体薄膜の結晶性が既知の値に設定された基準試料について、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ともに、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工程と、
   前記基準試料の半導体薄膜からのマイクロ波の反射波から得られる信号に含まれる直流成分の強度及び交流成分の強度のピーク値をそれぞれ測定する工程と、
   前記基準試料について測定された交流成分の強度のピーク値と直流成分の強度とをパラメータとして前記半導体薄膜の結晶性を示す指標データを作成する工程と、
   結晶性が未知である測定対象試料について、前記交流成分の強度のピーク値及び直流成分の強度を測定する工程と、
   前記測定対象試料について測定された交流成分の強度のピーク値、直流成分の強度、及び前記指標データに基づいて、測定対象試料の結晶性を評価する工程とを含み、
   前記直流成分は、前記基材の誘電率及び厚みに起因して変動するものであり、前記交流成分は、前記誘電率、厚み及びキャリアの生成に起因して変動するものであることを特徴とする半導体薄膜の結晶性評価方法。
   

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