JP5283889B2 - Crystallinity evaluation system for silicon semiconductor thin films - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for evaluating crystallinity of a semiconductor thin film, capable of evaluating the crystallinity of the semiconductor thin film, without destroying a sample and evaluating, quickly online, the thin film formed on a manufacture line for forming the thin film. <P>SOLUTION: A crystallinity evaluation device for a silicon semiconductor thin film is for evaluating the crystallinity of the silicon semiconductor thin film and comprises an exciting light irradiation means for irradiating the prescribed region of the silicon semiconductor thin film with a carrier exciting light; an infrared light irradiation means for irradiating the prescribed region with infrared light; a range-adjusting means for adjusting the irradiation range with the infrared light so that the irradiation range to the surface of the thin film is a preset range; a reflected light intensity detection means for detecting the intensity of reflected light reflected on the silicon semiconductor thin film, and a data preparation means for preparing data for evaluating the crystallinity from the detected signal. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&amp;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に関し、詳しくは、ガラス基材等の基材上に成膜されたシリコン半導体薄膜の結晶性を評価する装置に関する。   The present invention relates to an apparatus for evaluating the crystallinity of a silicon semiconductor thin film, and more particularly to an apparatus for evaluating the crystallinity of a silicon semiconductor thin film formed on a substrate such as a glass substrate.

近年、液晶表示装置に用いられる薄膜トランジスタ(TFT)としては、アモルファスシリコン(a−Si)薄膜を用いた従来のアモルファスシリコン半導体薄膜トランジスタ(a−Si TFT)に代わり、多結晶シリコン(p−Si)薄膜を用いた多結晶シリコン半導体薄膜トランジスタ(p−Si TFT)が用いられている。p−Si TFTは電子移動度の高いシリコン半導体薄膜であり、液晶表示装置の表示の高精細化、高画質化及び応答速度の高速化が実現できる。   In recent years, as a thin film transistor (TFT) used in a liquid crystal display device, a polycrystalline silicon (p-Si) thin film is used instead of a conventional amorphous silicon semiconductor thin film transistor (a-Si TFT) using an amorphous silicon (a-Si) thin film. A polycrystalline silicon semiconductor thin film transistor (p-Si TFT) using the above is used. The p-Si TFT is a silicon semiconductor thin film having a high electron mobility, and can realize high definition, high image quality, and high response speed of the liquid crystal display device.

p−Si TFTに用いられるp−Si薄膜は液晶表示装置に用いられるガラス基材等の表面に形成される。基材表面にp−Si薄膜を形成する方法としては、予め基材表面に形成した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.

また、近年では、TFT回路を作製する微小領域(5μm程度)のみにポリシリコンを作製する技術も進展しており、局所的な結晶性評価のニーズも高くなっている。   In recent years, a technique for producing polysilicon only in a minute region (about 5 μm) for producing a TFT circuit has been developed, and the need for local crystallinity evaluation is also increasing.

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。
特開2004−226260号公報
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.
JP 2004-226260 A

ラマン分光法を用いたシリコン半導体薄膜の結晶性の評価方法は、測定対象を破壊して測定試料の調製をすることを要しない点では優れている。   The method for evaluating the crystallinity of a silicon semiconductor thin film using Raman spectroscopy is excellent in that it does not require the measurement sample to be prepared by destroying the measurement target.

しかしながら、ラマン分光法を用いた結晶性の評価方法で検出するラマン散乱光の強度は非常に微弱である。従って、正確な評価結果を得るためには、複数回の測定により測定結果を積算する必要があり、迅速に正確な評価結果を得るという観点からは不充分な測定方法であった。特に、製造ラインで、形成された薄膜をオンライン上で評価し、迅速にその評価結果を製造条件にフィードバックするという点においては、不充分な方法であった。   However, the intensity of the Raman scattered light detected by the crystallinity evaluation method using Raman spectroscopy is very weak. Therefore, in order to obtain an accurate evaluation result, it is necessary to integrate the measurement results by a plurality of measurements, which is an insufficient measurement method from the viewpoint of obtaining an accurate evaluation result quickly. In particular, the method is insufficient in that the formed thin film is evaluated on-line on the production line and the evaluation result is quickly fed back to the production conditions.

本発明は、前記問題点を解決するシリコン半導体薄膜の結晶性の評価装置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、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、前記所定の領域内に赤外光を照射する赤外光照射手段と、前記シリコン半導体薄膜の表面に対する照射範囲が予め設定された範囲となるように、前記赤外光の照射範囲を調整する範囲調整手段と、前記所定の領域内に照射された赤外光のうち前記シリコン半導体薄膜において反射された反射光の強度を検出してその検出信号を出力する反射光強度検出手段と、前記検出信号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データ作成手段と、前記赤外光照射手段から前記所定の領域内に照射される赤外光を集光する集光手段と、を備え、前記集光手段は赤外光を集光するためのレンズを有しているとともに、前記範囲調整手段は、前記レンズを赤外光の光軸に沿って移動させるための移動手段と、前記レンズとシリコン半導体薄膜の表面との間の距離を測定するための測定手段と、この測定手段により測定された距離に基づいて、シリコン半導体薄膜の表面に対する赤外光の照射範囲が予め設定された範囲となるように移動手段によるレンズの移動を制御する制御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 problems, the present invention is an apparatus for evaluating the crystallinity of a silicon semiconductor thin film formed on a substrate, and excites carriers in a predetermined region on the surface of the silicon semiconductor thin film. Excitation light irradiating means for irradiating excitation light to cause the infrared light irradiation means to irradiate infrared light in the predetermined region, and the irradiation range to the surface of the silicon semiconductor thin film is a preset range As described above, the range adjusting means for adjusting the irradiation range of the infrared light and the intensity of the reflected light reflected on the silicon semiconductor thin film out of the infrared light irradiated in the predetermined region are detected and detected. and the reflected light intensity detecting means for outputting a signal, and data generating means for generating data for processing said detection signal to evaluate the crystallinity of the silicon semiconductor film, wherein the predetermined from the infrared light irradiating means And a focusing means for focusing the infrared light irradiated on the region, the focusing means along with has a lens for condensing the infrared light, the range adjusting means, wherein A moving means for moving the lens along the optical axis of the infrared light; a measuring means for measuring a distance between the lens and the surface of the silicon semiconductor thin film; and a distance measured by the measuring means. based on, a silicon semiconductor thin film characterized that you have a control means for controlling the movement of the lens by the moving means so that the irradiation range of the infrared light to the surface of the silicon semiconductor thin film becomes equal to a preset range A crystallinity evaluation apparatus is provided.

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、前記キャリアを励起させた領域に、赤外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 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, and in the region where the carriers are excited. When infrared light is irradiated using infrared light irradiation means, a part of infrared light is reflected by the silicon semiconductor thin film. The reflectance of infrared light at this time depends on the amount of excited carriers present in the 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 semiconductor band gap of the semiconductor thin film to excite carriers, and infrared light is irradiated in the region irradiated with the excitation light. In general, 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.

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照射手段により放射される赤外光の波長としては、1〜10μmであることが好ましい。1μm未満のような短い波長の赤外光を照射すると、前記赤外光によってもキャリアが励起されるために、励起キャリアの量に依存する反射率の検出精度が低下してしまう傾向がある。また、赤外光の波長が長いほど励起キャリアとの相互作用が強くなるために検出精度の面からは測定光の波長は長いほうが好ましいが、波長が長くなりすぎると前記薄膜上への集光照射が困難になる。また、エキシマレーザアニール法により形成されるp−Si薄膜の結晶性を評価する場合においては、通常、数10μm以下、好ましくは10μm以下の高い空間分解能が要求される。従って、このような高い空間分解能を維持しながら、集光した赤外光を目的とする部分に正確に照射するために波長10μm以下の赤外光を用いることが好ましい。このような範囲の波長の赤外光を用いた場合には、通常の光学用レンズで容易に照射径が10μm以下のような領域にでも、正確に集光照射することができ、高い空間分解能で正確に前記結晶性を評価することができる。   On the other hand, the wavelength of the infrared light emitted by the infrared light irradiation 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 collect and irradiate even an area where the irradiation diameter is 10 μm or less with a normal optical lens, and has high spatial resolution. Thus, the crystallinity can be accurately evaluated.

このように、本発明に係る結晶性評価装置においては、シリコン半導体薄膜からの反射光の強度に基づいて結晶性の評価を行うこととしているため、この反射光を得るための条件を評価ごとに一定に保つことができれば、その分、評価の結果を安定して得ることができる。そして、本発明では、シリコン半導体薄膜に対する照射範囲が予め設定された範囲となるように、赤外光の照射範囲を調整しているので、安定した評価結果を得ることができる。   As described above, in the crystallinity evaluation apparatus according to the present invention, the crystallinity is evaluated based on the intensity of the reflected light from the silicon semiconductor thin film. Therefore, the conditions for obtaining the reflected light are set for each evaluation. If it can be kept constant, the result of the evaluation can be obtained stably. And in this invention, since the irradiation range of infrared light is adjusted so that the irradiation range with respect to a silicon semiconductor thin film may turn into the preset range, the stable evaluation result can be obtained.

また、本発明に係るシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置、前記赤外光照射手段から前記所定の領域内に照射される赤外光を集光する集光手段をさらに備えている The crystal evaluation apparatus of a silicon semiconductor thin film according to the present invention, the infrared light irradiated on the predetermined area from the infrared light irradiating means further comprises a condensing means for condensing.

本発明によれば、赤外光を集光して照射範囲を絞ることができるので、高い空間分解能で結晶性の評価を行うことができる。このように照射範囲を絞る場合、焦点位置とシリコン半導体薄膜の表面との位置がずれると、赤外光の照射範囲の変動(拡大)が生じて評価対象箇所における反射光強度が弱くなり評価精度の大幅な低下を引き起こすことになるが、本発明では、上述のように範囲調整手段により赤外光の照射範囲が予め設定された範囲となるように調整されているため、高い空間分解能で安定した評価を行うことができる。 According to the present invention , infrared light can be condensed and the irradiation range can be narrowed, so that the crystallinity can be evaluated with high spatial resolution. When narrowing the irradiation range in this way, if the position of the focal point and the surface of the silicon semiconductor thin film deviate, fluctuation (enlargement) of the irradiation range of infrared light occurs, and the reflected light intensity at the evaluation target point becomes weak, and evaluation accuracy However, in the present invention, since the irradiation range of the infrared light is adjusted to be a preset range by the range adjustment unit as described above, it is stable with high spatial resolution. Evaluation can be performed.

具体的に、前記集光手段は赤外光を集光するためのレンズを有しているとともに、前記範囲調整手段は、前記レンズを赤外光の光軸に沿って移動させるための移動手段と、前記レンズとシリコン半導体薄膜の表面との間の距離を測定するための測定手段と、この測定手段により測定された距離に基づいて、シリコン半導体薄膜の表面に対する赤外光の照射範囲が予め設定された範囲となるように移動手段によるレンズの移動を制御する制御手段とを備えている Specifically, the condensing unit has a lens for condensing infrared light, and the range adjusting unit is a moving unit for moving the lens along the optical axis of the infrared light. And a measuring means for measuring a distance between the lens and the surface of the silicon semiconductor thin film, and an irradiation range of the infrared light on the surface of the silicon semiconductor thin film based on the distance measured by the measuring means in advance. Control means for controlling the movement of the lens by the moving means so as to be in the set range .

そのため、レンズとシリコン半導体薄膜との間の距離を調整することによって、赤外光の照射範囲を調整することが可能となる。 Therefore , it is possible to adjust the irradiation range of infrared light by adjusting the distance between the lens and the silicon semiconductor thin film.

さらに、前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記範囲調整手段を、シリコン半導体薄膜に対する前記励起光の照射範囲も調整可能に構成することができる。   Furthermore, in the crystallinity evaluation apparatus for a silicon semiconductor thin film, the range adjusting means can be configured to be able to adjust the irradiation range of the excitation light to the silicon semiconductor thin film.

このようにすれば、範囲調整手段によって赤外光だけでなく励起光の照射範囲も調整することができるので、シリコン半導体薄膜の結晶性評価をより安定して行うことができる。つまり、励起密度(単位面積当たりの励起光のエネルギー)と反射光強度に基づく信号のピーク値との間には正の相関があるため、励起密度を一定に保つことにより結晶性評価の安定性が向上することになるが、この励起密度は、励起光の照射範囲を一定に保つことにより安定させることができる。したがって、前記構成では、励起光の照射範囲を調整することにより励起密度を安定に保って結晶性評価の安定性を向上することができる。   In this way, since the irradiation range of excitation light as well as infrared light can be adjusted by the range adjusting means, the crystallinity evaluation of the silicon semiconductor thin film can be performed more stably. In other words, there is a positive correlation between the excitation density (excitation light energy per unit area) and the peak value of the signal based on the intensity of the reflected light, so the crystallinity evaluation stability can be maintained by keeping the excitation density constant. However, this excitation density can be stabilized by keeping the excitation light irradiation range constant. Therefore, in the said structure, the stability of crystallinity evaluation can be improved by adjusting the irradiation range of excitation light, keeping excitation density stable.

さらに、前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記レンズは赤外光及び励起光の双方を集光、前記移動手段は、前記レンズを赤外光及び励起光の光軸に沿って移動させ、前記範囲調整手段は、この移動手段により前記レンズを移動させることにより赤外光及び励起光の照射範囲を調整するように構成されていることが好ましい。 Further, the crystallinity evaluation device of the silicon semiconductor film, wherein the lens is both infrared light and the excitation light is condensed, said moving means, said lens along an optical axis of the infrared light and the excitation light moves The range adjusting means is preferably configured to adjust the irradiation range of the infrared light and the excitation light by moving the lens by the moving means.

この構成によれば、赤外光と励起光の照射範囲を共通のレンズを移動させるだけで調整することができるので、励起光及び赤外光のそれぞれについてレンズを設けてこれらを移動させる場合と比較して、励起光及び赤外光の双方の照射範囲の調整をより簡単かつ小さな構成で行うことが可能となる。   According to this configuration, the irradiation range of the infrared light and the excitation light can be adjusted only by moving the common lens. Therefore, when the lenses are provided for the excitation light and the infrared light to move them, In comparison, it is possible to adjust the irradiation range of both excitation light and infrared light with a simpler and smaller configuration.

また、前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、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をその表面が開放された状態で保持することが可能で、かつ、前記表面と略平行な平面に沿って移動可能な保持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 silicon semiconductor thin film crystallinity evaluation apparatus can hold the silicon semiconductor thin film in a state in which the surface thereof is open and is substantially parallel to the surface. It is preferable to further comprise holding means movable along a flat plane.

このようにすれば、保持手段の移動に応じてシリコン半導体薄膜の表面を連続的に評価していく場合に、当該保持手段に保持されているシリコン半導体薄膜の表面に対する赤外光の照射範囲が一定の範囲で保たれるため、安定した評価結果を得ることができる。   In this way, when the surface of the silicon semiconductor thin film is continuously evaluated according to the movement of the holding means, the irradiation range of the infrared light on the surface of the silicon semiconductor thin film held by the holding means is Since it is maintained within a certain range, a stable evaluation result can be obtained.

特に、近年では、LTPS(Low-Temperature Poly-Silicon TFT)基板のように大型化された基板を評価することもあり、このような基板の表面全体を連続的に評価していく場合にシリコン半導体薄膜の表面に対する赤外光の照射範囲(例えば、半導体表面と集光レンズとの間の距離)を一定に保つことは困難であるが、前記構成によれば、照射範囲の変動を抑制して安定した評価が可能となる。   In particular, in recent years, a large-sized substrate such as an LTPS (Low-Temperature Poly-Silicon TFT) substrate is sometimes evaluated, and a silicon semiconductor is used when continuously evaluating the entire surface of such a substrate. Although it is difficult to keep the irradiation range of infrared light on the surface of the thin film (for example, the distance between the semiconductor surface and the condenser lens) constant, according to the above configuration, the variation of the irradiation range is suppressed. Stable evaluation is possible.

前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記レンズ及び前記測定手段は、前記移動手段によって一体として移動可能であることが好ましい。In the crystallinity evaluation apparatus for a silicon semiconductor thin film, it is preferable that the lens and the measuring unit can be moved together by the moving unit.

前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記測定手段は、前記レンズが保持された支持部を有し、前記移動手段は、前記測定手段を移動させることが好ましい。In the silicon semiconductor thin film crystallinity evaluation apparatus, it is preferable that the measurement unit has a support portion on which the lens is held, and the moving unit moves the measurement unit.

本発明のシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置においては、基材、励起光照射手段及び、集光手段は以下のように構成されていることが好ましい。   In the crystallinity evaluation apparatus for a silicon semiconductor thin film of the present invention, it is preferable that the base material, the excitation light irradiation means, and the light condensing means are configured as follows.

すなわち、前記基材は、コンピュータ等で制御されたステージコントローラ等の位置決め手段を備えた基材支持手段に固定されていることが好ましい。このような基材支持手段を用いることにより、基材上の所定の領域に正確に励起光及び赤外光を照射することができる。   That is, it is preferable that the base material is fixed to base material support means provided with positioning means such as a stage controller controlled by a computer or the like. By using such a substrate support means, it is possible to accurately irradiate a predetermined region on the substrate with excitation light and infrared light.

また、前記励起光照射手段としては、励起光を放射する励起光放射手段と、前記励起光放射手段から放射される励起光を前記基材上に照射する励起光照射方向調整手段とを含むことが好ましい。励起光照射方向調整手段としては、励起光の反射方向を調整することができる可動式ミラーや、励起光放射手段に備えられた放射方向を自在に調整できる手段等が挙げられる。前記励起光照射手段がこのような励起光照射方向調整手段を備えることにより、前記励起光放射手段の配設される位置に関らず、正確に、前記基材上の所定の領域に正確に励起光を照射させることができる。   The excitation light irradiation means includes excitation light emission means for emitting excitation light and excitation light irradiation direction adjusting means for irradiating the substrate with excitation light emitted from the excitation light emission means. Is preferred. Examples of the excitation light irradiation direction adjusting means include a movable mirror that can adjust the reflection direction of the excitation light, and a means that can freely adjust the radiation direction provided in the excitation light emitting means. By providing the excitation light irradiation means with the excitation light irradiation direction adjusting means, the excitation light irradiation means can accurately and accurately place a predetermined region on the substrate regardless of the position where the excitation light emission means is disposed. Excitation light can be irradiated.

さらに、前記集光手段としては、前記基材支持手段に固定された前記基材の上方に設けられ、赤外光照射手段が放射する赤外光を集光するための集光レンズと、前記集光レンズに赤外光照射手段が放射する赤外光を上方から入射させる手段を備えていることが好ましい。このような構成により、前記集光レンズに赤外光照射手段が放射する赤外光を入射させ、赤外光を基材上の正確な位置に照射することができる。   Further, as the light condensing means, a condensing lens provided above the base material fixed to the base material supporting means, for condensing infrared light emitted by the infrared light irradiation means, It is preferable to include means for causing infrared light emitted from the infrared light irradiation means to enter the condenser lens from above. With such a configuration, the infrared light emitted from the infrared light irradiating means is incident on the condenser lens, and the infrared light can be irradiated to an accurate position on the substrate.

なお、前記赤外光照射手段が放射する赤外光を上方から入射させる手段としては、赤外光の進行方向を変更することができるビームスプリッタ等の装置が用いられる。このような装置を用いた場合には赤外光照射手段が配設される位置に関らず、正確に、集光レンズに赤外光を入射させることができる。   An apparatus such as a beam splitter capable of changing the traveling direction of the infrared light is used as the means for causing the infrared light emitted from the infrared light irradiation means to enter from above. When such an apparatus is used, infrared light can be accurately incident on the condenser lens regardless of the position where the infrared light irradiation means is disposed.

前記のような構成を備えたシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置の一例を、図1に示すような結晶性評価装置に基づいて以下に説明する。   An example of the crystallinity evaluation apparatus for a silicon semiconductor thin film having the above-described configuration will be described below based on the crystallinity evaluation apparatus as shown in FIG.

図1においては、前記基材支持手段である基材ステージ17により前記基材5bが特定位置に支持されており、前記基材5bの上方に赤外光集光用の集光レンズ4と、赤外光レーザ10のような赤外光照射手段が放射する赤外光を集光レンズ4に上方から入射させるレーザスプリッタ12等の手段とが設けられている。一方、前記励起光照射手段は、励起光を放射する励起パルスレーザ1のような励起光放射手段と、さらに、前記赤外光を透過させるとともに前記励起光放射手段から放射される励起光を前記基材5b側に反射させるミラー6が集光レンズ4の上方に設けられている。そして、前記ミラー6により反射された励起光が集光レンズ4を透過して基材5b上に形成されたシリコン半導体薄膜5aに照射されるとともに、集光レンズ4に入射された赤外光が集光レンズ4により集光されて基材5b上に形成されたシリコン半導体薄膜5aにおける前記励起光の照射領域内に照射されるように、前記基材支持手段による前記基材の支持位置に対する前記レンズ及び前記ミラーの相対位置が設定されている。このような構成により、本発明のシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置をより効率的に構成することができる。   In FIG. 1, the base material 5b is supported at a specific position by the base material stage 17 which is the base material support means, and a condensing lens 4 for condensing infrared light is provided above the base material 5b. Means such as a laser splitter 12 for allowing infrared light emitted from infrared light irradiation means such as the infrared light laser 10 to enter the condenser lens 4 from above is provided. On the other hand, the excitation light irradiation means includes excitation light emission means such as an excitation pulse laser 1 that emits excitation light, and further transmits excitation light that is transmitted through the infrared light and emitted from the excitation light emission means. A mirror 6 that reflects toward the substrate 5b is provided above the condenser lens 4. Then, the excitation light reflected by the mirror 6 passes through the condenser lens 4 and irradiates the silicon semiconductor thin film 5a formed on the base material 5b, and infrared light incident on the condenser lens 4 is irradiated. The said base material support means with respect to the support position of the said base material so that it may irradiate in the irradiation area | region of the said excitation light in the silicon semiconductor thin film 5a formed by the condensing lens 4 on the base material 5b. A relative position between the lens and the mirror is set. With such a configuration, the silicon semiconductor thin film crystallinity evaluation apparatus of the present invention can be configured more efficiently.

そして、前記のようにして集光して照射された赤外光の前記薄膜に対する反射光の強度を反射光強度検出手段により検出する。そして、検出された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CPU等のデータ演算処理手段を備えたコンピュータ等からなるデータを作成するデータ作成手段により、結晶性を評価するためのデータを作成し、その結果を出力することにより、前記薄膜の結晶性を、短時間で迅速に評価することができる。   Then, the intensity of the reflected light with respect to the thin film of the infrared light condensed and irradiated as described above is detected by the reflected light intensity detecting means. Then, the crystallinity is evaluated by data creation means for creating data comprising a computer or the like having a data operation processing means such as a CPU for processing the detected detection signal to evaluate the crystallinity of the silicon semiconductor thin film. By creating data for the purpose and outputting the result, the crystallinity of the thin film can be quickly evaluated in a short time.

なお、前記データ作成手段としては、前記励起光照射手段における励起光として周期的に強度が変動する光を用いて、前記周期的に強度が変動する光の強度の変動周期に同期した前記赤外光の反射率変化についてのデータを作成することが好ましい。前記のように励起光として周期的に強度が変動する光を用い、データ作成手段として、前記周期的に強度が変動する光の強度の変動周期に同期した前記赤外光の反射率変化についてのデータを作成することにより、検出される反射光強度のS/N比を高めることができる。また、励起光を周期的に強度変調させ、同周期成分のみをロックインアンプ等を用いて検出することにより、不要なノイズ周波数成分が除去でき、S/N比を高めることができ、測定の高精度化が実現できる。   The data generating means uses the light whose intensity periodically varies as the excitation light in the excitation light irradiating means, and the infrared light synchronized with the intensity fluctuation period of the light whose intensity varies periodically. It is preferable to create data on light reflectance changes. As described above, the light whose intensity varies periodically as the excitation light is used, and the data generation means uses the infrared light reflectivity change synchronized with the period of fluctuation of the intensity of the light whose intensity varies periodically. By creating data, the S / N ratio of the detected reflected light intensity can be increased. In addition, by periodically modulating the intensity of the excitation light and detecting only the same period component using a lock-in amplifier or the like, unnecessary noise frequency components can be removed, and the S / N ratio can be increased. High accuracy can be realized.

また、前記励起光照射手段としては、照射する励起光の強度の変動タイミングを検出するタイミング検出手段をさらに備え、また、その場合においては、前記データ作成手段として、前記タイミング検出手段により検出される前記励起光の強度の変動タイミングに同期するタイミングで前記反射光強度検出手段の検出信号を採取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ことが好ましい。このように、タイミング検出手段により、励起光の強度変動タイミングを検出し、励起光の強度が高い期間と反射光のデータ採取の期間とを同期させることにより、作成させるデータのS/N比を高めることができる。   Further, the excitation light irradiation means further includes a timing detection means for detecting the fluctuation timing of the intensity of the excitation light to be irradiated. In this case, the data generation means is detected by the timing detection means. It is preferable to generate data for evaluating the crystallinity of the silicon semiconductor thin film by collecting the detection signal of the reflected light intensity detection means at a timing synchronized with the fluctuation timing of the intensity of the excitation light. In this way, the timing detection means detects the intensity variation timing of the excitation light, and synchronizes the period during which the intensity of the excitation light is high and the period for data collection of the reflected light, thereby reducing the S / N ratio of the data to be created. Can be increased.

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.

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り、この基材5bを支持する基材ステージ(保持手段)17と、励起光照射手段と、赤外光照射手段と、集光手段と、範囲調整手段と、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 shown in FIG. 1 is for evaluating the crystallinity of the silicon semiconductor thin film 5a formed on the substrate 5b, and a substrate stage (holding means) 17 that supports the substrate 5b. And excitation light irradiating means, infrared light irradiating means, condensing means, range adjusting means, reflected light intensity detecting means, timing detecting means, and data creating means.

この実施の形態では、前記基材5bには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はステージコントローラ16の制御下で水平方向に駆動される。   In this embodiment, a glass substrate 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 stage 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5に形成されたシリコン半導体薄膜5aの表面の所定の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、励起パルスレーザ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 region on the surface of the silicon semiconductor thin film 5a formed on the substrate 5 on the substrate stage 17 with excitation light that excites carriers in the silicon semiconductor thin film, An excitation pulse laser 1, a beam conditioner 2, and a dichroic mirror 6 are included.

前記励起パルスレーザ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パルスレーザ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、その強度が周期的に変動する励起光を照射する方が、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 pulse 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 pulse 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 irradiation with excitation light whose intensity periodically varies can generate a large number of carriers instantaneously. It is preferable from the point that the signal intensity can be increased. The excitation light whose intensity varies periodically is not necessarily pulsed light, and may be any light whose intensity is periodically modulated.

なお、励起光は、「少なくとも半導体薄膜のバンドギャップ以上のエネルギーを有する波長の光」であればよく、具体的に、シリコン半導体薄膜5aの場合には約1100nm以下の波長を有する光であればよい。   The excitation light may be “light having a wavelength having energy at least equal to the band gap of the semiconductor thin film”. Specifically, in the case of the silicon semiconductor thin film 5a, the excitation light is light having a wavelength of about 1100 nm or less. Good.

また、励起光として紫外光を用いているのは、薄膜5aの膜厚が非常に薄く(例えば、50nm)、紫外の波長において吸収が大きいという事情から、紫外光を用いることにより効率よくキャリアを励起することができるためである。換言すると、効率を度外視すれば、紫外光以外の光を励起光として利用することも可能である。   In addition, ultraviolet light is used as the excitation light because the thin film 5a is very thin (for example, 50 nm) and has a large absorption at the ultraviolet wavelength. This is because it can be excited. In other words, if the efficiency is extrapolated, light other than ultraviolet light can be used as excitation light.

前記ビーム調整器2は、組合せレンズにより構成され、前記励起パルスレーザ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5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 pulse 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, toward the base material 5, and passes through a condenser lens 4 described later, for example, an irradiation diameter of 0.01 to 1 mm. Irradiate to a certain area.

前記赤外光照射手段は、前記シリコン半導体薄膜5aの表面のうち励起光が照射された範囲内に赤外光を照射するためのものであり、この実施の形態では赤外光レーザ10と、ビーム調整器11と、ビームスプリッタ12と、λ/2偏光板20と、λ/4偏光板21とが具備されている。赤外光レーザ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半導体レーザ等が好ましく用いられる。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、赤外光レーザ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及びλ/2偏光板20を通った赤外光を基材5b側に反射させるとともに、λ/4偏光板21を通って基材5bに照射された赤外光のうち反射されたもの、つまり、λ/4偏光板21を2回通過した赤外光を後述する光検出器13側へ透過させるようになっている。   The infrared light irradiation means is for irradiating infrared light within a range irradiated with excitation light on the surface of the silicon semiconductor thin film 5a. In this embodiment, the infrared light laser 10; A beam adjuster 11, a beam splitter 12, a λ / 2 polarizing plate 20, and a λ / 4 polarizing plate 21 are provided. As the infrared laser 10, for example, a semiconductor laser that emits infrared light having a wavelength of about 1.3 to 1.6 μm is preferably used. 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 infrared light laser 10. The beam splitter 12 reflects the infrared light that has passed through the beam adjuster 11 and the λ / 2 polarizing plate 20 to the substrate 5b side, and the infrared light irradiated to the substrate 5b through the λ / 4 polarizing plate 21. The reflected light, that is, the infrared light that has passed through the λ / 4 polarizing plate 21 twice is transmitted to the photodetector 13 described later.

また、赤外光レーザ10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)を赤外光レーザ10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の厚みに応じた測定誤差が生じ易いのに対し、広帯域の赤外光を採用する場合には前記干渉が生じ難くなるため、基材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 from the infrared laser 10, a broadband light having a spread of 10 nm or more in wavelength can be employed. For example, as shown by L1 in FIG. 3, when an SLD (Super Luminescent Diode) is employed as the infrared laser 10, infrared light having a wavelength broadening of about 30 nm can be irradiated as its half-value width. 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. The measurement error corresponding to the thickness of the base material 5b is likely to occur, but when the broadband infrared light is used, the interference is difficult to occur. Therefore, a stable measurement value is obtained regardless of the thickness of the base material 5b. Can be obtained.

前記集光手段は、前記赤外光放射手段から放射された赤外光を集光するためのものであり、本実施形態においては、前記集光レンズ4を含んでいる。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。その照射径は後述する範囲調整手段により調整されるが、例えば2〜10μm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 said condensing means is for condensing the infrared light radiated | emitted from the said infrared light radiation means, and contains the said condensing lens 4 in this embodiment. 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 is adjusted by a range adjusting means to be described later. For example, it is preferable to adjust the irradiation diameter to about 2 to 10 μm from the viewpoint of maintaining a high spatial resolution.

なお、検出信号の強度は、励起光の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。   Note that 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).

前記範囲調整手段は、前記シリコン半導体薄膜5aに対する赤外光及び紫外光の照射範囲が予め設定された基準範囲となるように前記レンズ4とシリコン半導体薄膜5aとの間の距離を調整するためのものである。なお、前記基準範囲は赤外光及び紫外光について略同一に設定されていてもよいが、励起範囲に確実に赤外光を照射する観点から赤外光の照射範囲よりも紫外光の照射範囲の方が大きく設定されていることが好ましい。例えば、紫外光の基準範囲として既定される照射範囲の直径寸法を、赤外光の基準範囲として既定される照射範囲の直径寸法の2倍以上20倍以下と設定することができる。   The range adjusting means adjusts the distance between the lens 4 and the silicon semiconductor thin film 5a so that the irradiation range of infrared light and ultraviolet light on the silicon semiconductor thin film 5a becomes a preset reference range. Is. The reference range may be set substantially the same for infrared light and ultraviolet light, but from the viewpoint of reliably irradiating the excitation range with infrared light, the ultraviolet light irradiation range is higher than the infrared light irradiation range. Is preferably set larger. For example, the diameter dimension of the irradiation range defined as the reference range for ultraviolet light can be set to be not less than 2 times and not more than 20 times the diameter dimension of the irradiation range defined as the reference range for infrared light.

具体的な構成として、範囲調整手段は、前記集光レンズ4を保持するセンサ(測定手段)22と、このセンサ22及び前記レンズ4を昇降させることが可能な駆動機構(移動手段)23と、前記センサ22からの入力信号に基づいて駆動機構23を駆動制御するコンピュータ(制御手段)15とを備えている。   As a specific configuration, the range adjusting unit includes a sensor (measuring unit) 22 that holds the condenser lens 4, a drive mechanism (moving unit) 23 that can move the sensor 22 and the lens 4 up and down, A computer (control means) 15 that drives and controls the drive mechanism 23 based on an input signal from the sensor 22 is provided.

前記センサ22は、側方へ延びる支持部24において前記集光レンズ4を保持するとともに当該集光レンズ4とシリコン半導体薄膜5aの表面との間の距離を検出し、その検出結果をコンピュータ15に出力するように構成されている。具体的に、センサ22は、周知の検知手段、例えば、三角測量を用いたセンサや、光ディスクのピックアップレンズ等に用いられる4分割センサ等を利用することができる。これら三角測量を用いたセンサと4分割センサとを比較すると、小型化という観点からは、4分割センサが有利であるが、4分割センサはダイナミックレンジが狭くなるという側面がある。一方、三角測量を用いたセンサは小型化には適さないが、ダイナミックレンジが広いという特性がある。   The sensor 22 holds the condensing lens 4 in a support portion 24 extending sideways, detects the distance between the condensing lens 4 and the surface of the silicon semiconductor thin film 5a, and sends the detection result to the computer 15. It is configured to output. Specifically, the sensor 22 can use a well-known detection means, for example, a sensor using triangulation, a quadrant sensor used for a pickup lens of an optical disk, or the like. Comparing these sensors using triangulation with the quadrant sensor, the quadrant sensor is advantageous from the viewpoint of miniaturization, but the quadrant sensor has a side where the dynamic range is narrowed. On the other hand, a sensor using triangulation is not suitable for downsizing, but has a characteristic of a wide dynamic range.

なお、本実施形態では、図1に示すように、集光レンズ4を保持するとともに、この集光レンズ4と一体に昇降するように構成されたセンサ22を開示しているが、集光レンズ4とシリコン半導体薄膜5aの表面との間の距離を測定することができることを前提として、センサ22の配設位置は限定されない。例えば、センサ22は集光レンズ4や駆動機構23と独立して設けられていてもよい。逆に、図1に示すように集光レンズ4の近傍で当該レンズ4に従動する構成とすることにより、距離の測定をより正確なものとすることができる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 1, a sensor 22 configured to hold the condenser lens 4 and move up and down integrally with the condenser lens 4 is disclosed. Assuming that the distance between 4 and the surface of the silicon semiconductor thin film 5a can be measured, the arrangement position of the sensor 22 is not limited. For example, the sensor 22 may be provided independently of the condenser lens 4 and the drive mechanism 23. On the contrary, as shown in FIG. 1, the distance can be measured more accurately by adopting a configuration in which the lens 4 is driven in the vicinity of the condenser lens 4.

駆動機構23は、コンピュータ15から出力される制御信号に応じて前記集光レンズ4及びセンサ22を一体として移動させるようになっている。例えば、駆動機構23は、ボールねじ(図示せず)とこのボールねじを回転駆動するためのモータ(図示せず)とを有しており、前記ボールねじが前記センサ22に取り付けられたナットに挿通(螺合)している。そして、前記モータの駆動に応じてボールねじが回転することにより当該ボールねじに対しナットが相対移動する結果、センサ22及び集光レンズ4が基材ステージ17に対して昇降することになる。駆動機構23は、上述したボールねじとモータとの組合せに限定されるものではなく、ボールねじ以外でも集光レンズ4とセンサ22を一体として移動できる構成であればよい。本実施形態において、センサ22及び集光レンズ4の昇降の向きは赤外光及び励起光の光軸と平行する向きである。   The drive mechanism 23 moves the condenser lens 4 and the sensor 22 as a unit according to a control signal output from the computer 15. For example, the drive mechanism 23 has a ball screw (not shown) and a motor (not shown) for rotationally driving the ball screw, and the ball screw is attached to a nut attached to the sensor 22. Inserted (screwed). As the ball screw rotates in accordance with the driving of the motor, the nut moves relative to the ball screw. As a result, the sensor 22 and the condenser lens 4 move up and down with respect to the substrate stage 17. The drive mechanism 23 is not limited to the combination of the above-described ball screw and motor, and may be any configuration that can move the condenser lens 4 and the sensor 22 as a unit other than the ball screw. In the present embodiment, the sensor 22 and the condenser lens 4 are moved up and down in parallel with the optical axes of infrared light and excitation light.

コンピュータ15は、前記センサ22により検出された集光レンズ4とシリコン半導体薄膜5aの表面との間の距離が予め設定された許容範囲に収まるように前記駆動機構23の駆動を制御する。   The computer 15 controls the drive of the drive mechanism 23 so that the distance between the condenser lens 4 detected by the sensor 22 and the surface of the silicon semiconductor thin film 5a falls within a preset allowable range.

具体的に、コンピュータ15は、前記許容範囲を記憶しており、この許容範囲と前記センサ22により検出された距離(以下、検出距離と称す)とを比較して、検出距離が前記許容範囲内であると判断した場合に駆動機構23をそのまま保持する(つまり、センサ22及び集光レンズ4をそのままの位置とする)ようになっている。一方、コンピュータ15は、検出距離が前記許容範囲から外れていると判断した場合には、当該許容範囲内に収めるための集光レンズ4の移動量を算出し、この移動量に基づく電気信号を駆動機構23に出力する。この処理はコンピュータ15からの指示に応じて所定期間ごとに行われる。   Specifically, the computer 15 stores the permissible range, and compares the permissible range with a distance detected by the sensor 22 (hereinafter referred to as a detection distance), so that the detection distance is within the permissible range. When it is determined that, the drive mechanism 23 is held as it is (that is, the sensor 22 and the condensing lens 4 are set as they are). On the other hand, when the computer 15 determines that the detection distance is out of the allowable range, the computer 15 calculates the amount of movement of the condenser lens 4 to be within the allowable range, and outputs an electric signal based on the amount of movement. Output to the drive mechanism 23. This process is performed every predetermined period in accordance with an instruction from the computer 15.

そして、前記集光レンズ4とシリコン半導体薄膜5aとの間の距離として既定された前記許容範囲は、集光レンズ4の焦点がシリコン半導体薄膜5aの表面に合致する集光レンズ4の位置を基準として上下に交差を設けた距離の範囲である。したがって、前記処理がコンピュータ15により実行されることによって、集光レンズ4により集光される赤外光及び励起光のシリコン半導体薄膜5aに対する照射範囲が前記許容範囲に応じた適切な範囲に調整されることになる。   The tolerance defined as the distance between the condenser lens 4 and the silicon semiconductor thin film 5a is based on the position of the condenser lens 4 at which the focal point of the condenser lens 4 coincides with the surface of the silicon semiconductor thin film 5a. Is a range of distances where an upper and lower intersection is provided. Therefore, when the processing is executed by the computer 15, the irradiation range of the infrared light and the excitation light collected by the condenser lens 4 to the silicon semiconductor thin film 5a is adjusted to an appropriate range according to the allowable range. Will be.

なお、本実施形態では、基材ステージ17に対して集光レンズ4を昇降させることにより、赤外光及び励起光のシリコン半導体薄膜5aに対する照射範囲を調整するようにしているが、反対に集光レンズ4に対して基材ステージ17を接離させることにより照射範囲を調整することも可能である。   In the present embodiment, the irradiation range of the infrared light and the excitation light to the silicon semiconductor thin film 5a is adjusted by moving the condenser lens 4 up and down with respect to the substrate stage 17. It is also possible to adjust the irradiation range by bringing the substrate stage 17 into and out of contact with the optical lens 4.

前記反射光強度検出手段は、前記集光手段により照射された赤外光のうち前記シリコン半導体薄膜において反射された反射光の強度を検出してその検出信号を出力するためのものであり、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 for detecting the intensity of the reflected light reflected on the silicon semiconductor thin film out of the infrared light irradiated by the light collecting means and outputting the detection signal. In the embodiment, the light detector 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、励起パルスレーザ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、励起パルスレーザ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 pulse 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 pulse 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。   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.

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。   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.

前記信号波形は、前記コンピュータ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(保持手段)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5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 also control the driving of the substrate stage (holding means) 17. This drive control enables, for example, measurement at any position on the substrate 5 and mapping measurement.

なお、本実施形態では、基材ステージ17の移動により集光レンズ4に対してシリコン半導体薄膜5aを二次元的に移動させるようにしているが、この二次元的な移動は、基材ステージ17に対する集光レンズ4の移動によっても実現することができる。具体的には、前記駆動機構23に対し、上述した集光レンズ4の昇降機能だけでなく、シリコン半導体薄膜5aの表面に沿った二次元的な移動機能を具備させることができる。   In the present embodiment, the silicon semiconductor thin film 5a is moved two-dimensionally with respect to the condenser lens 4 by the movement of the substrate stage 17, but this two-dimensional movement is performed by the substrate stage 17. This can also be realized by moving the condensing lens 4 with respect to. Specifically, the drive mechanism 23 can be provided not only with the above-described lifting function of the condensing lens 4 but also with a two-dimensional movement function along the surface of the silicon semiconductor thin film 5a.

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

前記励起パルスレーザ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5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 pulsed 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. Then, the silicon semiconductor thin film 5a on the substrate 5 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、赤外光レーザ10が放射する赤外光は、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, infrared light emitted from the infrared laser 10 passes through the beam adjuster 11, the beam splitter 12, the dichroic mirror 6, and the condenser lens 4 in the irradiation region of the excitation light to the silicon semiconductor thin film 5 a. The central part is focused and irradiated.

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。つまり、前記センサ22により所定時間ごとに集光レンズ4とシリコン半導体薄膜5aの表面との間の距離が検出されるとともに、この検出距離が前記基準範囲内となるようにコンピュータ15によって駆動機構23が制御される結果、赤外光の照射範囲が適切な半径に保持されている。なお、本実施形態では、赤外光と励起光に共通して集光レンズ4を用いているため、前記コンピュータ15による制御が行われることにより、励起光の照射範囲も適切なものとなる。   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. That is, the distance between the condenser lens 4 and the surface of the silicon semiconductor thin film 5a is detected by the sensor 22 every predetermined time, and the drive mechanism 23 is operated by the computer 15 so that the detected distance is within the reference range. As a result, the irradiation range of infrared light is maintained at an appropriate radius. In this embodiment, since the condensing lens 4 is used for both infrared light and excitation light, the irradiation range of the excitation light becomes appropriate by the control by the computer 15.

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.

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は励起パルスレーザ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 pulse 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、励起パルスレーザ1として、波長355nm、パルス幅10nsの紫外パルスレーザを用い、前記励起パルスレーザ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 pulse laser 1, and the pulsed light from the excitation pulse laser 1 passes through the beam splitter 3, and the beam adjuster 2 The divergence angle was adjusted, reflected by the dichroic mirror 6, transmitted through the condenser lens 4, and irradiated onto the surfaces of various samples with an irradiation diameter of 1 mm.

一方、赤外光照射手段に含まれる赤外光レーザ10として波長1.55μmの赤外光を放射する半導体レーザを用いた。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(つまり、照射径5μm±数%となるように既定された前記許容範囲に基づいてコンピュータ15による駆動機構23に対する駆動制御が行われた)。   On the other hand, a semiconductor laser that emits infrared light having a wavelength of 1.55 μm was used as the infrared light laser 10 included in the infrared light irradiation means. 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. (That is, drive control for the drive mechanism 23 by the computer 15 is performed based on the allowable range set so that the irradiation diameter is 5 μm ± several%).

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.

なお、前記実施形態では、試料からの反射光をそのまま光検出器13に導いて検出するようにしているが、図4に示すように試料からの反射光を2光束に分割してこれらをそれぞれ検出するように構成することもできる。   In the embodiment described above, the reflected light from the sample is guided to the photodetector 13 as it is, but the reflected light from the sample is divided into two light beams as shown in FIG. It can also be configured to detect.

この実施形態では、反射光を2の光束に分割するためのビームスプリッタ25と、前記光検出器13及びアンプ8とは別に設けられた光検出器26及びアンプ27とを備えている。   In this embodiment, a beam splitter 25 for dividing the reflected light into two light beams, and a photodetector 26 and an amplifier 27 provided separately from the photodetector 13 and the amplifier 8 are provided.

この実施形態では、反射光が2つの光束に分離され、一方の光束が光検出器13に導かれる一方、他方の光束が光検出器26に導かれる。前記光検出器13では反射光に含まれるAC成分(すなわち、紫外光を照射したときに変動する成分)を検出するとともに、前記光検出器26では反射光に含まれるDC成分(紫外光を照射していない状態における反射光(特定の試料に対しては常に一定の値となる))を検出し、これらの検出値はそれぞれアンプ8、27を介して信号処理部9に導かれる。   In this embodiment, the reflected light is separated into two light beams, and one light beam is guided to the photodetector 13 while the other light beam is guided to the photodetector 26. The photodetector 13 detects an AC component included in the reflected light (that is, a component that varies when irradiated with ultraviolet light), and the photodetector 26 detects a DC component (irradiated with ultraviolet light) included in the reflected light. Reflected light in a state in which it is not performed (always a constant value for a specific sample) is detected, and these detected values are guided to the signal processing unit 9 via amplifiers 8 and 27, respectively.

信号処理部9では、前記AC成分及びDC成分の測定値に基づいて赤外光の反射率の最大変動振幅が算出される。つまり、上記DC成分に対するAC成分の増加割合の最大値が算出される。具体的に、DC成分の検出値をVa、AC成分のピーク値をVbとした場合、信号処理部9は、Vb/Vaを算出するようになっている。このように、DC成分に対するAC成分の増加割合の最大値を算出している理由は、試料ごとにDC成分の値が異なることがあるため、このような試料のそれぞれについてAC成分のピーク値を比較しても絶対的な評価を行うことができないためである。   The signal processing unit 9 calculates the maximum fluctuation amplitude of the reflectance of infrared light based on the measured values of the AC component and the DC component. That is, the maximum value of the increase rate of the AC component with respect to the DC component is calculated. Specifically, when the detected value of the DC component is Va and the peak value of the AC component is Vb, the signal processing unit 9 calculates Vb / Va. As described above, the reason why the maximum value of the increase ratio of the AC component with respect to the DC component is calculated is that the DC component value may be different for each sample. This is because an absolute evaluation cannot be performed even if compared.

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.

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. 本発明の別の実施形態に係る結晶性評価装置の一部を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows a part of crystallinity evaluation apparatus which concerns on another embodiment of this invention.

1 励起パルスレーザ
2 ビーム調整器
3 ビームスプリッタ
4 集光レンズ
5b 基材
5a シリコン半導体薄膜
6 ダイクロイックミラー
7 光検出器
8 アンプ
9 信号処理装置
10 赤外光レーザ
11 ビーム調整器
12 ビームスプリッタ
13 光検出器
15 コンピュータ(制御手段)
16 ステージコントローラ
17 基材ステージ
22 センサ(測定手段)
23 駆動機構(移動手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Excitation pulse laser 2 Beam adjustment device 3 Beam splitter 4 Condensing lens 5b Base material 5a Silicon semiconductor thin film 6 Dichroic mirror 7 Optical detector 8 Amplifier 9 Signal processing apparatus 10 Infrared light laser 11 Beam adjustment device 12 Beam splitter 13 Optical detection 15 Computer (control means)
16 stage controller 17 substrate stage 22 sensor (measuring means)
23 Drive mechanism (moving means)

Claims (6)

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、
前記所定の領域内に赤外光を照射する赤外光照射手段と、
前記シリコン半導体薄膜の表面に対する照射範囲が予め設定された範囲となるように、前記赤外光の照射範囲を調整する範囲調整手段と、
前記所定の領域内に照射された赤外光のうち前記シリコン半導体薄膜において反射された反射光の強度を検出してその検出信号を出力する反射光強度検出手段と、
前記検出信号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データ作成手段と
前記赤外光照射手段から前記所定の領域内に照射される赤外光を集光する集光手段と、
を備え
前記集光手段は赤外光を集光するためのレンズを有しているとともに、前記範囲調整手段は、前記レンズを赤外光の光軸に沿って移動させるための移動手段と、前記レンズとシリコン半導体薄膜の表面との間の距離を測定するための測定手段と、この測定手段により測定された距離に基づいて、シリコン半導体薄膜の表面に対する赤外光の照射範囲が予め設定された範囲となるように移動手段によるレンズの移動を制御する制御手段とを備えていることを特徴とするシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置。
An apparatus for evaluating the crystallinity of a silicon semiconductor thin film formed on a substrate,
Excitation light irradiation means for irradiating excitation light for exciting carriers in a predetermined region of the surface of the silicon semiconductor thin film;
Infrared light irradiating means for irradiating infrared light in the predetermined region;
Range adjusting means for adjusting the irradiation range of the infrared light so that the irradiation range on the surface of the silicon semiconductor thin film is a preset range;
Reflected light intensity detecting means for detecting the intensity of reflected light reflected on the silicon semiconductor thin film from the infrared light irradiated in the predetermined region and outputting the detection signal;
Data creation means for processing the detection signal and creating data for evaluating the crystallinity of the silicon semiconductor thin film ;
Condensing means for condensing infrared light emitted from the infrared light irradiating means into the predetermined region;
Equipped with a,
The condensing means has a lens for condensing infrared light, and the range adjusting means includes a moving means for moving the lens along an optical axis of infrared light, and the lens A measuring means for measuring the distance between the surface of the silicon semiconductor thin film and a range in which the irradiation range of the infrared light on the surface of the silicon semiconductor thin film is set in advance based on the distance measured by the measuring means moving means silicon semiconductor thin film of crystalline evaluation apparatus characterized that you have a control means for controlling the movement of the lens according to the.
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、前記範囲調整手段は、シリコン半導体薄膜に対する前記励起光の照射範囲も調整可能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。2. The crystallinity evaluation apparatus for a silicon semiconductor thin film according to claim 1, wherein the range adjusting means is configured to be able to adjust an irradiation range of the excitation light to the silicon semiconductor thin film. Sex evaluation device. 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、前記レンズは赤外光及び励起光の双方を集光し、前記移動手段は、前記レンズを赤外光及び励起光の光軸に沿って移動させ、前記範囲調整手段は、この移動手段により前記レンズを移動させることにより赤外光及び励起光の照射範囲を調整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 silicon semiconductor thin film crystallinity evaluation apparatus according to claim 2, wherein the lens condenses both infrared light and excitation light, and the moving means places the lens on the optical axes of infrared light and excitation light. And the range adjusting means is configured to adjust the irradiation range of infrared light and excitation light by moving the lens by the moving means. Sex evaluation device. 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をその表面が開放された状態で保持することが可能で、かつ、前記表面と略平行な平面に沿って移動可能な保持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。The crystallinity evaluation apparatus for a silicon semiconductor thin film according to any one of claims 1 to 3, wherein the silicon semiconductor thin film can be held in a state in which the surface thereof is open and substantially parallel to the surface. An apparatus for evaluating crystallinity of a silicon semiconductor thin film, further comprising holding means movable along a flat surface. 請求項1〜4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、前記レンズ及び前記測定手段は、前記移動手段によって一体として移動可能であ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 silicon semiconductor thin film crystallinity evaluation apparatus according to claim 1, wherein the lens and the measuring unit can be moved integrally by the moving unit. Crystallinity evaluation device. 請求項5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、前記測定手段は、前記レンズが保持された支持部を有し、前記移動手段は、前記測定手段を移動させ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。6. The silicon semiconductor thin film crystallinity evaluation apparatus according to claim 5, wherein said measuring means has a support part holding said lens, and said moving means moves said measuring means. Semiconductor thin film crystallinity evaluation system.
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