TWI521626B

TWI521626B - Semiconductor crystallinity evaluation device and method thereof

Info

Publication number: TWI521626B
Application number: TW102107843A
Authority: TW
Inventors: Naokazu Sakoda; Hiroyuki Takamatsu; Masahiro Inui; Futoshi Ojima
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Kobelco Res Inst Inc
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2016-02-11
Also published as: JP5882801B2; CN103311147A; JP2013195096A; DE102013004504A1; CN103311147B; DE102013004504B4; TW201344823A

Description

半導體結晶性評估裝置及其方法

有關本發明的一種對膜狀(層狀)的薄半導體(半導體膜)的結晶性進行評估的半導體結晶性評估裝置及半導體結晶性評估方法，尤其是有關使用微波光電導衰減法的半導體結晶性評估裝置及半導體結晶性評估方法。

隨著近年電子學的發展，半導體產品在各種領域中得到廣泛運用。尤其是近年來，在半導體產品的製造中，例如矽等的膜狀(層狀)的薄半導體(半導體膜)得到廣泛運用，為了實現半導體產品的高性能化，此類半導體膜的品質管理成為關鍵。作為評估該半導體品質的指標之一，可列舉半導體的結晶性，作為評估該半導體的結晶性的方法之一，已知有微波光電導衰減法(μ-PCD法)(例如，日本專利公開公報特開2007-48959號(文獻1)中公開的矽晶圓的壽命測定方法)。

該μ-PCD法中，首先藉由對作為測定對象的半導體(半導體樣品、被測定樣品)照射光而生成過剩載流子(光激勵載流子)。然後根據微波的反射率的時間變化或透射率的時間變化，來檢測該過剩載流子按照由前述半導體樣品的物性所決定的載流子壽命再結合並消滅的過程。該過剩載流子的生成會使半導體的導電率增加。因此，對因光激勵而生成過剩載流子的半導體的部位(部分、區域)照射的微波的反射率或透射率會對應於過剩載流子的密度而變化。該μ-PCD法是藉由利用此種現象來測定載流子壽命的方法。另一方面，前述過剩載流子的再結合過程依賴於晶格缺陷等晶格中的排列錯亂。因此，μ-PCD法的測定結果能作為評估結晶性的結晶性指標予以利用。並且，該μ-PCD法具有下述優點：以非破壞且非接觸的方式而且以相對較短的時間檢測(測定)前述反射波或透射波的強度。

另一方面，該μ-PCD法中所用的微波的波長較長而達數毫米以上，因此難以評估微小區域的結晶性。當半導體樣品為數nm至數十nm左右的多晶矽或數μm以下的單晶矽等的情況時，在半導體樣品的厚度薄(為薄膜樣品)的情況下，相對於微波的照射波的反射波的強度變化亦即因半導體樣品的結晶性引起的反射波的強度變化會變得微小。因此，使用以往的μ-PCD法，難以確保充分的測定靈敏度亦即測定精度。另一方面，為了提高測定靈敏度，可考慮加強激勵光雷射光的強度，但如果不在成為充分測定靈敏度的強度方面下任何工夫而只是提高激勵光雷射光的強度，則有可能對半導體樣品造成損傷，而且還會在激勵光雷射光的光源方面增加成本。

因此，本案發明人提出了公開於日本專利公開公報特開2008-51719號(文獻2)中的技術。在該以往的技術中，前述激勵光雷射光是以指定週期被強度調製的光，藉由從前述反射光的強度中提取與激勵光雷射光的強度調製同步的成分，從而實現SN比(signal-to-noise ratio，信噪比)的提高。

而且，前述文獻2中公開的方法是能夠評估TFT等微小區域的結晶性的優異方法。但是，使用該以往的μ-PCD法時，如果在作為評估對象的半導體膜的緊下方存在導電性膜，則無法在半導體膜中獲得充分的電場強度，該電場的與激勵光激勵載流子的相互作用也會變弱，使得測定變得非常困難。更具體而言，在太陽能電池中，尤其在使用低成本的非晶矽或微晶矽時，由於半導體膜是在玻璃基板上形成前述太陽能電池的背面(底)電極的基礎上而形成的，因此，前述底電極便成為前述導電性膜。與此同樣的問題也會發生在採用底柵結構的平板顯示器(FPD)領域中。

本發明是有鑒於上述情況而作的發明，其目的在於提供一種半導體結晶性評估裝置及半導體結晶性評估方法，在利用μ-PCD法評估半導體膜的結晶性時，即使在半導體膜下形成有導電性膜的情況下也能評估結晶性。

有關本發明的半導體結晶性評估裝置及半導體結晶性評估方法是利用μ-PCD法來評估半導體膜的結晶性的裝置及方法。在進行該半導體膜的結晶性評估時，具有指定厚度的介電體板被設置在前述半導體膜中激勵光及電磁波所照射的面側。

有關本發明之一態樣的半導體結晶性評估裝置具備：激勵照射部，向著形成在具有電氣導電性的導電性膜上的作為評估對象的半導體膜照射指定的激勵光；電磁波照射部，向著前述半導體膜照射波長λ的電磁波；介電體板，設置在前述半導體膜中前述激勵光及前述電磁波所照射的面側，由對於前述激勵光具有透光性的介電體形成；檢測部，檢測被前述半導體膜反射的前述電磁波的反射波的強度；評估部，根據前述檢測部的檢測輸出來評估前述半導體膜的結晶性。

有關本發明之另態様的半導體結晶性評估方法具備以下步驟：激勵光照射步驟，向著形成在具有電氣導電性的導電性膜上的作為評估對象的半導體膜照射指定的激勵光；電磁波照射步驟，配合前述激勵光的照射，向著前述半導體膜照射波長λ的電磁波；檢測步驟，檢測被前述半導體膜反射的前述電磁波的反射波的強度；評估步驟，根據前述檢測部的檢測輸出來評估前述半導體膜的結晶性；在前述半導體膜中前述激勵光及前述電磁波所照射的面側，設置有由對於前述激勵光雷射光具有透光性的介電體形成的介電體板。

因此，這樣的半導體結晶性評估裝置及半導體結晶性評估方法在利用μ-PCD法評估半導體膜的結晶性時，即使在半導體膜下形成有導電性膜的情況下，也因為設置了前述介電體板而能夠評估半導體膜的結晶性。

此外，在本發明的另一態樣中，在上述半導體結晶性評估裝置及半導體結晶性評估方法中，前述介電體板的厚度D是前述檢測部的檢測輸出為Lmax×1/e以上時的範圍中的任一值，其中，Lmax是設置介電常數為ε且厚度為λ/(4×(ε)^1/2)的基準介電體板時的前述檢測部的檢測輸出，e是納皮爾數。

這樣的半導體結晶性評估裝置及半導體結晶性評估方法中，使用所謂的μ-PCD法來評估半導體膜的結晶性。此處，檢測部的檢測輸出在使用介電常數為ε且厚度為λ/(4×(ε)^1/2)的基準介電體板時，理論上達到最大(最大值Lmax)，由於具有達到從一般的工學角度看為有意義的測定值的Lmax×1/e以上時的範圍中的任一厚度的介電體板，被使用在前述半導體膜中前述激勵光及前述電磁波所照射的面側，因此即使在前述半導體的另一面側形成有導電性膜的情況下，也能夠評估半導體膜的結晶性。

此外，在另一態樣中，在上述半導體結晶性評估裝置及半導體結晶性評估方法中還具備：多個板狀構件，為厚度互不相同的介電體；前述多個板狀構件中的一個是用作前述介電體板。

這樣的半導體結晶性評估裝置及半導體結晶性評估方法中，預先準備厚度互不相同的多個介電體的板狀構件，因此能夠容易地替換相對於前述半導體膜設置的作為前述介電體板的板狀構件。因此，這樣的半導體結晶性評估裝置及半導體結晶性評估方法能夠將用作前述介電體板的板狀構件使其厚度不同並依序地替換來進行評估，因此能夠利用前述多個板狀構件中前述檢測部的檢測輸出達到最大的介電體板來評估前述半導體膜，因此能夠獲得精度更高的評估結果。

而且，在前述介電體板的介電常數為ε、其厚度為d、照射電磁波的波長為λ的情況下，當在它們之間，d=λ/(4×(ε)^1/2)的關係成立時，前述檢測部的檢測輸出達到最大(最大值Lmax)。然而，在實際評估中，因評估對象的偏差等，即便使用d=λ/(4×(ε)^1/2)的關係成立的介電體板，有時也無法達到最大值Lmax。即使在此種情況下，具有上述構成的半導體結晶性評估裝置及半導體結晶性評估方法也能夠利用在前述多個板狀構件中前述檢測部的檢測輸出達到最大的介電體板來評估前述半導體膜，因此能夠獲得精度更高的評估結果。

此外，在另一態樣中，在上述半導體結晶性評估裝置及半導體結晶性評估方法中，前述電磁波照射部具備變更前述電磁波的波長的波長變更部，前述半導體結晶性評估裝置還具備：波長控制部，藉由控制前述電磁波照射部的前述波長變更部來控制前述電磁波的波長。

這樣的半導體結晶性評估裝置及半導體結晶性評估方法能夠變更經由前述介電體板照射至前述半導體膜的電磁波的波長λ，因此能夠一邊掃描前述電磁波的波長λ一邊進行評估。因此，這樣的半導體結晶性評估裝置及半導體結晶性評估方法能夠利用在掃描範圍中前述檢測部的檢測輸出達到最大的波長λ來評估前述半導體膜，因此能夠獲得精度更高的評估結果。

如上所述，在因評估對象的偏差等，即便使用d=λ/(4×(ε)^1/2)的關係成立的介電體板也無法達到最大值Lmax的情況下，具有上述構成的半導體結晶性評估裝置及半導體結晶性評估方法也能夠利用在掃描範圍中前述檢測部的檢測輸出達到最大的波長λ來評估前述半導體膜，因此能夠獲得精度更高的評估結果。

APA‧‧‧半導體結晶性評估裝置

SM‧‧‧樣品

DIA‧‧‧介電體板

SMa‧‧‧半導體膜

SMb‧‧‧導電性膜

SMc‧‧‧玻璃基板

1‧‧‧電磁波振盪器

2、3、4‧‧‧波導管

5‧‧‧定向耦合器

6A‧‧‧波導管天線

6Aa、6Ab‧‧‧開口部

7‧‧‧激勵光光源

8‧‧‧檢測器

9‧‧‧運算控制部

10‧‧‧記憶部

11‧‧‧輸入部

12‧‧‧輸出部

13‧‧‧平臺

21‧‧‧平臺

21a‧‧‧表面

22‧‧‧駐波

23‧‧‧薄的樣品

24‧‧‧厚的樣品

91‧‧‧控制部

92‧‧‧評估部

93‧‧‧波長控制部

圖1是表示有關本發明的第一實施形態的半導體結晶性評估裝置的構成的方塊圖。

圖2是表示對金屬製的平臺照射微波時的駐波的狀況的圖。

圖3是表示介電體板的不同介電常數下的介電體板的厚度與反射微波的強度之間的關係的座標圖。

圖4是表示半導體的表面和介電體板的表面反射微波的狀況的圖。

圖5是表示對半導體照射激勵光而引起的伴隨時間經過的光激勵載流子的密度變化的座標圖。

圖6是表示有關本發明的第二實施形態的半導體結晶性評估裝置的構成的方塊圖。

以下，基於附圖說明有關本發明的一實施形態。在各圖中附有相同符號的結構表示同一結構，並適當省略其說明。

(第一實施形態)

圖1是表示第一實施形態的半導體結晶性評估裝置的構成的方塊圖。圖2是表示對金屬製的平臺照射微波時的駐波的狀況的圖。圖2的(A)表示僅有金屬製平臺的情況，圖2的(B)表示在金屬製的平臺上載置有相對較薄的介電體板的情況，並且，圖2的(C)表示在金屬製的平臺上載置有相對較厚的介電體板的情況。圖3是表示介電體板的不同介電常數下的介電體板的厚度與反射微波的強度之間的關係的圖。圖3的橫軸是以μm單位表示的介電體的厚度，圖3的縱軸是以a.u.單位表示的信號強度。該圖中，符號■是介電常數ε為9.0時的計算值，符號△是介電常數ε為7.5時的計算值。圖4是表示半導體的表面與介電體板的表面對微波的反射情況的圖。圖5是表示對半導體照射激勵光而引起的、伴隨時間經過的光激勵載流子的密度變化的圖。圖5的橫軸是以激勵光的照射開始為原點的經過時間(時間)，圖5的縱軸是反射波的強度(Microwave Reflectivity(微波反射率))。

第一實施形態的半導體結晶性評估裝置APA基本上是藉由使用前述的μ-PCD法來評估半導體的結晶性的裝置，如後所述，藉由在樣品SM上重疊介電體板DIA，即使在樣品SM為具有電氣導電性的導電性膜SMb上形成的作為評估對象的半導體膜SMa的情況下，也能評估其結晶性。

更具體而言，樣品SM具備玻璃基板(厚度數mm)SMc、形成在玻璃基板上的導電性膜SMb及形成在導電性膜SMb上的例如厚度為數μm左右的較薄的半導體膜SMa。此種樣品SM例如可列舉形成有底電極的太陽能電池、或採用底柵結構的平板顯示器(FPD)等。

半導體結晶性評估裝置APA例如圖1所示，具備電磁波振盪器1、波導管2、3、4、定向耦合器5、波導管天線6A、激勵光光源7、檢測器8、運算控制部9、記憶部10、輸入部11、輸出部12、平臺13及前述介電體DIA。

激勵光光源7是按照運算控制部9的控制而放射出向樣品SM照射的指定激勵光的裝置。激勵光光源7例如也可為具備燈與波長濾波器的光源裝置等，但在本實施形態中，其具備能夠得到相對較大輸出的發出雷射的雷射源裝置。指定的激勵光是包含使樣品SM的半導體膜SMa產生光激勵載流子的波長的光。指定的激勵光例如較為理想的是具有半導體膜SMa的帶隙以上的能量的波長的光，更具體而言，例如為單色光且為紫外線區域內的指定波長的雷射(紫外激勵光)。激勵光的波長例如根據作為評估對象的半導體膜SMa的種類適當選擇。激勵光藉由對樣品SM照射激勵光，使樣品SM的半導體膜SMa產生由光激勵引起的載流子(光激勵載流子、電子與電洞(hole))，半導體結晶性評估裝置APA是根據電磁波的強度變化導出在該產生的光激勵載流子的再結合過程(生成消滅過程)中產生的半導體膜SMa的導電率變化，從而評估其結晶性的裝置，因此激勵光較為理想的是從點亮狀態呈階狀向熄滅狀態過渡的光，本實施形態中，例如為脈衝光，更具體而言為脈衝雷射。

電磁波振盪器1是按照運算控制部9的控制而生成作為測定波的指定的電磁波的裝置。本實施形態的半導體結晶性評估裝置APA中，使用微波作為前述指定的電磁波，電磁波振盪器1例如具備甘恩二極體(Gunn diode)等，且具備生成微波的微波振盪器。電磁波振盪器1經由波導管2連接於定向耦合器5的一個端子，從電磁波振盪器1放射的電磁波射入定向耦合器5。

定向耦合器5具備三個以上的端子(介面)，是不可逆地將一個端子的輸入迴圈地輸出至另一端子的元件。本實施形態中，定向耦合器5是具備第一至第三端子這三個端子，將射入第一端子的電磁波向第二端子射出，將射入第二端子的電磁波(反射波)向第三端子射出的迴圈器(circulator)。定向耦合器5的第一端子經由波導管2連接於電磁波振盪器1，其第二端子連接於波導管3，並且，其第三端子經由波導管4連接於檢測器8。

波導管2、3、4是形成引導電磁波的傳播路徑的構件。本實施形態中，電磁波為微波，因此波導管2、3、4為微波波導管。波導管2的一端連接於電磁波振盪器1，其另一端連接於定向耦合器5的第一端子。波導管3的一端連接於定向耦合器5的第二端子，其另一端連接於波導管天線6A。波導管4的一端連接於定向耦合器5的第三端子，其另一端連接於檢測器8。

波導管天線6A是將經波導管3傳播來的電磁波向樣品SM放射並且接收與樣品SM受到相互作用的電磁波並向波導管3引導的天線。本實施形態中，電磁波為微波，因此波導管天線6A為微波天線。波導管天線6A沿著樣品SM的法線方向而設置，一端部連接於波導管3，在另一端部具備開口部6Aa。該開口部6Aa是用於將微波的電磁波向樣品SM放射並且接收與樣品SM受到相互作用的電磁波的開口。並且，在波導管天線6A的一端部，具備用於將從激勵光光源7放射的激勵光引導至波導管天線6A內的開口部6Ab。

這些電磁波振盪器1、波導管2、3、4、定向耦合器5及波導管天線6A構成電磁波輸入輸出部，該電磁波輸入輸出部用於向樣品SM中的包含激勵光照射區域的電磁波照射區域照射波長λ的電磁波，並且將在樣品SM中受到指定的相互作用的電磁波的反射波射向檢測器8。

檢測器8是檢測在樣品SM中受到相互作用的電磁波(反射波的電磁波、反射電磁波)的裝置，例如是檢測在樣品SM中受到相互作用的反射電磁波的強度的裝置。本實施形態中，電磁波為微波，因此檢測器8具備微波檢測器。

運算控制部9是負責半導體結晶性評估裝置APA的整體控制的裝置，例如包括具備微處理器、記憶體等的微電腦。並且，運算控制部9例如藉由執行依據由檢測器8檢測到的反射電磁波的強度來評估半導體膜SMa的結晶性的半導體結晶性評估程式，從而在功能上具備控制部91及評估部92。

控制部91為了評估半導體膜SMa的結晶性，對半導體結晶性評估裝置APA的各部按照其功能進行控制。

評估部92基於由檢測器8檢測到的反射電磁波的強度來評估半導體膜SMa的結晶性。評估部92例如也可將檢測器8的檢測輸出其自身的值作為結晶性的評估值而輸出，此時，評估值(檢測器8的檢測輸出值)越大，則判定為結晶性越好。而且，例如評估部92也可預先將檢測器8的檢測輸出劃分成多個區劃(例如10個區劃)，從檢測輸出大的一方依序分別分配評估值(例如從10到1的各整數值)，並輸出與實際評估時獲得的檢測輸出相符的區劃的評估值。評估部92對輸出部12輸出評估結果，並且視需要將評估結果儲存到記憶部10中。

記憶部10具備儲存評估半導體膜SMa的結晶性所需的資料或程式的例如ROM(Read Only Memory，唯讀記憶體)及EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，電氣式抹寫及可程式化型唯讀記憶體)等非揮發性記憶元件或硬碟等。記憶部10按照用戶(操作員)的指示儲存評估部92的評估結果。

輸入部11是將半導體結晶性評估裝置APA的評估開始指示等各種命令、評估半導體膜SMa的結晶性所需的各種資料輸入至半導體結晶性評估裝置APA的設備，例如為鍵盤或滑鼠等。

輸出部12是輸出從輸入部11輸入的命令、資料及評估結果等的設備，例如為CRT顯示器、LCD、有機EL顯示器或等離子體顯示器等顯示裝置或者印表機等列印裝置等。

平臺13是載置樣品SM的載置台。為了改變樣品SM的評估部位，較為理想的是，平臺13例如能在XY平臺等的與激勵光的射入方向交叉的面內移動。

介電體板DIA是由對於激勵光具有透光性的介電體形成的板狀構件，在評估樣品SM的半導體膜SMa的結晶性時，設置在樣品SM的半導體膜SMa中被照射前述激勵光及前述電磁波的面側。介電體板DIA例如由玻璃形成。如後所述，取代介電體板DIA而設置介電常數為ε且厚度為λ/(4×(ε)^1/2)的基準介電體板時的檢測器8的檢測輸出為Lmax、納皮爾數(Napier's constant，在通用數學中被用作自然對數的底)為e時，介電體板DIA的厚度D為檢測器8的檢測輸出達到Lmax×1/e以上時的範圍中的任一值。

在此種結構的半導體結晶性評估裝置APA中，當評估半導體的結晶性時，首先由用戶在平臺13上放置樣品SM，然後在其上放置介電體板DIA。這樣，將介電體板DIA設置在半導體膜SMa中被照射前述激勵光及前述電磁波的面側。並且，當收到從用戶經由輸入部11的評估開始的指示時，半導體結晶性評估裝置APA如下述那樣運作來評估樣品SM的半導體膜SMa的結晶性。

從電磁波振盪器1放射的電磁波(本實施形態中為微波)從波導管2經由定向耦合器5及波導管3傳播，並從波導管天線6A的開口部6Aa照射至平臺13上的樣品SM的測定部位。從波導管天線6A的開口部6Aa照射至樣品SM的電磁波被該樣品SM反射，再射入波導管天線6A的開口部6Aa。另一方面，從激勵光光源7放射的例如具有樣品SM的半導體膜SMa的帶隙以上的能量的紫外激勵光射入波導管天線6A的開口部6Ab，在波導管天線6A內傳播，並從波導管天線6A的開口部6Aa射出，照射至比前述電磁波的照射區域狹窄的區域。在照射該紫外激勵光的期間，半導體膜SMa中產生光激勵載流子，電磁波的反射率暫時增加。該電磁波的反射波(反射電磁波，本實施形態中為反射微波)再從波導管3經由定向耦合器5被導向波導管4，並被檢測器8檢測。檢測器8的檢測輸出(檢波信號)輸出至運算控制部9。

此處，藉由紫外激勵光的照射而在半導體膜SMa中產生的光激勵載流子在其再結合過程中，例如依賴於半導體中的雜質或晶格缺陷等晶格中的排列錯亂。因此，具有上述構成的半導體結晶性評估裝置APA利用檢測器8檢測來自樣品SM的反射電磁波的強度，並利用運算控制部9進行分析，從而能夠評估半導體膜SMa的結晶性。並且，該反射電磁波的強度檢測(測定)能夠以非破壞且非接觸的方式在較短的時間內進行。而且，此時，藉由以由運算控制部9控制能夠沿XY方向移動的平臺13的位置的方式構成半導體結晶性評估裝置APA，從而也能實現判定樣品SM的指定範圍內的各區域的結晶性的映射(mapping)測定。

另一方面，如圖2的(A)所示，當對金屬製的平臺21的表面21a照射微波時，如符號22所示，形成以該表面21a為節的駐波。因此，如圖2的(B)所示，當在該金屬製的平臺21上放置有相對較薄的樣品23時，其表面上的駐波的電場振幅W1小，因此與光激勵載流子的相互作用弱，檢測器8的信號強度(檢測輸出的大小)小，難以檢測或者實質上無法檢測。與此相對，在相對較厚的樣品24(當將電磁波的波長設為λ時，其厚度的最佳值為λ/4)的情況下，如圖2的(C)所示，電場振幅W2相對變大，信號也相對變大。即，相對較厚的樣品24的情況下的電場振幅W2比相對較薄的樣品23的情況下的電場振幅W1大，信號也大。

因此，本實施形態中，使用如前所述的μ-PCD法進行結晶性的評估時，如果是在導電性膜SMb上形成有相對較薄的半導體膜SMa的樣品SM，則將介電體板DIA重疊於SM2的半導體膜SMa上，進行樣品SM的測定。

藉由以此方式構成，當使用μ-PCD法評估半導體的結晶性時，由激勵光引起的光激勵載流子的產生不會被對於激勵光具有透光性的介電體板DIA阻礙，從而能夠對因無介電體板DIA便難以評估的樣品SM進行評估。並且，藉由使具有中間阻抗的介質(介電體板DIA)介隔在照射區域與樣品SM之間即空氣與半導體之間，能避免阻抗的急遽變化(阻抗匹配)，提高功率傳遞效率。

更具體而言，本案發明人的模擬結果如圖3所示。該類比是在電磁波為頻率26GHz的微波且介電體板DIA的介電常數ε為7.5及9.0的各情況下進行的。由該圖3可知的是，介電體板DIA的厚度與檢測器8的信號強度之間的關係為如下特徵：隨著介電體板DIA的厚度d變厚，檢測器8的信號強度也變大，在指定的厚度D達到最大值Lmax後，隨著介電體板DIA的厚度d變厚，檢測器8的信號強度變小。並且，在介電體板DIA的表面成為反射電磁波的振幅的腹部位置時，檢測器8的信號強度達到最大值Lmax，前述反射電磁波的靈敏度達到最大。因此，檢測器8的信號強度達到最大值Lmax時的介電體板DIA的厚度d可由下述數式(1)得出，其中，ε為其介電常數、λ為電磁波的波長。而且，該檢測器8的信號強度達到最大值Lmax時的介電體板DIA為基準介電體板。

d=λ/(4×(ε)^1/2)‧‧‧(1)

此處，一般的工學角度下，當納皮爾數為e時，最大值的1/e作為有意義的資料予以利用，因此本實施形態中，介電體板DIA的厚度D被設定在檢測器8的檢測輸出達到Lmax×1/e以上時的範圍中的任一值。

例如，在介電常數ε為9.0的介電體板DIA(ε=9.0)的情況下，如圖3所示，若將其最大值設為Lmax1、將達到Lmax1×1/e時的介電體板DIA的厚度設為d11、d12(d11<d12)，則介電體板DIA(ε=9.0)的厚度D1為厚度d11至厚度d12的範圍中的任一值(d11≦D1≦d12)。

另外，例如在介電常數ε為7.5的介電體板DIA(ε=7.5)的情況下，如圖3所示，若將其最大值設為Lmax2、將達到Lmax2×1/e時的介電體板DIA的厚度設為d21、d22(d21<d22，d22未圖示)，則介電體板DIA(ε=7.5)的厚度D2為厚度d21至厚度d22的範圍中的任一值(d21≦D2≦d22)。

此外，從獲得更大的檢測輸出的觀點考慮，較為理想的是，介電體板DIA的厚度D為半值全寬範圍中的任一值。

而且，在設為前述條件數式(1)的情況下，如圖4所示，由介電體板DIA的表面DIs反射的電磁波DIr與由樣品SM的表面SMs反射的電磁波SMr成為節與腹的關係而彼此抵消。介電體板DIA的表面DIs上的反射在其厚度為d=λ/(4n)(該式中，n指折射率)時，介電體板DIA的表面DIs上的反射波與來自樣品SM的表面SMs的反射波因干涉而互相削弱，從而達到最小。此時，從空氣進入介電體板DIA的電磁波的能量透射率(能量傳遞效率)達到最大，其結果，能夠對作為評估對象的半導體膜SMa投入更大的電場，因此能夠加大信號強度。

而且，在不吸收激勵光的介電體的範圍內，為了提高靈敏度，較為理想的是前述介電體板DIA由其介電常數ε接近半導體膜SMa的介電常數(例如矽為11.7~8)的材料形成。而且，為了使半導體膜SMa中效率良好地吸收激勵光，較為理想的是激勵光具有滿足半導體膜SMa的厚度<滲透長度的波長。而且，為了能夠實現更高靈敏度的檢測，也可在檢測器8中使用差動天線方式。

此外，運算控制部9的評估部92根據檢測器8的檢測輸出來進行半導體膜SMa的結晶性的評估。這是因為，光激勵載流子的壽命τ如下所述般和反射電磁波的強度的峰值Peak近似。

由激勵光的照射引起的光激勵載流子的密度如圖5所示般變化，當與nsec(納秒)級的雷射脈衝照射期間tO相比，光激勵載流子的壽命τ為ns以下(皮秒級)的短的期間時，光激勵載流子的消滅時間近似於所產生的光激勵載流子數。

即，當從時刻t=0開始照射時，光激勵載流子的密度增加，當經過了超過壽命τ的充分時間時，因激勵光的照射而新產生的光激勵載流子數與經過壽命τ而再結合並消失的光激勵載流子數達到均衡(平衡)，光激勵載流子的密度達到一定。隨後，若在時刻t=t0處停止激勵光的照射，則光激勵載流子的密度按壽命τ而減少。

更詳細而言，當將載流子注入速度(光激勵引起的電子-電洞對的產生比例：每單位體積及單位時間)設為g，將壽命設為前述τ時，半導體的光激勵載流子的密度p可藉由對下述數式(2)求解而求出，其可以以初始條件p=0、t=0，表達為下述數式(3)(若將其明示為時間t的函數，則也可記為p(t))。

dp/dt=g-p/τ‧‧‧(2)

p=g×τ×(1-exp(-t/τ))‧‧‧(3)

並且，光激勵載流子的密度P的峰值Peak(生成消滅達到平衡的狀態下的光激勵載流子的密度值)是脈衝雷射的照射結束定時期t=t0的值，因此其可以下述數式(4)表達。

Peak=g×τ×(1-exp(-t0/τ))‧‧‧(4)

此處，如前所述，由於τ≪t0，因而Peakg×τ。因此，由於g為一定，因而壽命τ為下述數式(5)(可近似)。

因此，當壽命τ為ns以下(皮秒級)的短的期間時，藉由這樣利用peak值作為結晶性的評估值來替代壽命τ，無須使用高成本的設備便能利用相對較廉價的檢測器8來評估壽命τ，從而評估結晶性。

而且，半導體結晶性評估裝置APA也可構成為：激勵光光源7對樣品SM照射以指定週期被強度調製的激勵光，運算控制部9從由檢測器8檢測到的反射電磁波的強度中提取(檢測)與前述激勵光的強度調製同步的週期成分，並基於其檢測信號強度來評估樣品SM的結晶性。藉由這樣構成，能夠實現高靈敏度的計測及評估。尤其當激勵光的照射區域為微小區域時，反射電磁波的強度變化小，易受雜訊的影響。因此，在此種結構中，藉由同步檢波從測定值中去除不必要的頻率成分(雜訊)，因而為合適的。

接下來，對別的實施形態進行說明。

(第二實施形態)

圖6是表示第二實施形態所涉及的半導體結晶性評估裝置的構成的方塊圖。第二實施形態的半導體結晶性評估裝置APB類似於前述的第一實施形態中的評估裝置APA，因此對於相對應的部分標注相同的符號來表示，並省略其說明。此處，第二實施形態中的半導體結晶性評估裝置APB中，取代第一實施形態中的介電體板DIA而將介電體板DIB安裝在波導管天線6B中的用於射入射出電磁波的遠端的開口部6Ba，在介電體板DIB與樣品SM之間，隔開微小間隔L來進行測定。

即，與波導管3連接的波導管天線6B是取代實施形態第一實施形態的波導管天線6A並將經由波導管3傳播來的電磁波向樣品SM放射且接收與樣品SM相互作用的電磁波並向波導管3引導的天線，本實施形態中，電磁波為微波，因此波導管天線6B為微波天線。波導管天線6B沿著樣品SM的法線方向而設置，一端部連接於波導管3，在另一端部具備開口部6Ba。該開口部6Ba是用於將微波的電磁波向樣品SM放射，並且接收與樣品SM相互作用的電磁波的開口，本實施形態中，在該開口部6Ba安裝有介電體板DIB。並且，在波導管天線6B的一端部，具備用於將從激勵光光源7放射的激勵光引導至波導管天線6B內的開口部6Bb。

並且，例如當介電體板DIB的介電常數ε為5.5時，前述微小間隔L為50μm左右。即，前述微小間隔L是在電磁波(本實施形態中為微波)不會感覺到該微小間隔L(不影響傳播)的程度內選擇為更長的距離。因此，藉由設置前述微小間隔L，能夠完全不接觸樣品SM地進行評估。而且，介電體板DIB並非如第一實施形態般為樣品SM整體的大小，而是更小，只要形成為安裝介電體板DIB的波導管天線6B的開口部6Ba的大小即可，能夠減小撓曲，減小前述微小間隔L。

採用此種結構，第二實施形態中的半導體結晶性評估裝置APB也能與第一實施形態中的半導體結晶性評估裝置APA同樣地，在利用μ-PCD法來評估半導體膜SMa的結晶性時，即使在半導體膜SMa下形成有導電性膜SMb的情況下，也能夠評估結晶性。

另外，在上述第一及第二實施形態中，半導體結晶性評估裝置APA、APB也可還具備滿足上述範圍D1、D2的彼此的厚度互不相同的多個的介電體的板狀構件來作為前述介電體板DIA、DIB，並使用這些多個板狀構件中的一個作為前述介電體板DIA、DIB。例如，第二實施形態的半導體結晶性評估裝置APB中，波導管天線6B具備波導管天線主體及附屬裝置而被構成，前述附屬裝置為可裝卸於前述波導管天線主體的一端的開口部上的結構且具備介電體板，準備多個前述附屬裝置，各附屬裝置上所設的各介電體板分別由彼此厚度互不相同的介電體形成。

此種結構中，由於預先準備滿足上述範圍D1、D2的彼此厚度互不相同的多個介電體的板狀構件，因此能夠容易地替換用作對半導體膜SMa設置的介電體板DIA、DIB的板狀構件。因此，此種結構中，能夠將作為介電體板DIA、DIB使用的板狀構件使其厚度不同地依序替換來進行評估，因此能夠利用前述多個板狀構件中檢測器8的檢測輸出達到最大的介電體板DIA、DIB來評估半導體膜SMa，因此能夠獲得精度更高的評估結果。

而且，如上所述，將介電體板DIA、DIB的介電常數設為ε、將其厚度設為d、將照射電磁波的波長設為λ時，當在它們之間，d=λ/(4×(ε)^1/2)的關係成立時，檢測器8的檢測輸出達到最大(最大值Lmax)。但是，在實際評估中，因評估對象的偏差等，即便使用d=λ/(4×(ε)^1/2)的關係成立的介電體板DIA、DIB，有時也無法達到最大值Lmax。即使在此種情況下，上述結構中，也能夠利用前述多個板狀構件中檢測器8的檢測輸出達到最大的介電體板DIA、DIB來評估半導體膜SMa，因此能夠獲得精度更高的評估結果。

而且，在上述第一及第二實施形態中，半導體結晶性評估裝置APA、APB也可構成為：電磁波振盪器1為能夠對電磁波的波長λ進行變更的結構，如圖1及圖6中的虛線所示，運算控制部9中可以還包括在功能上控制電磁波振盪器1的前述電磁波的波長λ的波長控制部93。更具體而言，例如，電磁波振盪器1具備對電磁波的波長λ進行變更的波長變更部，波長控制部93藉由控制該波長變更部來控制電磁波的波長λ。此外，更具體而言，例如，波長控制部93藉由控制對從電源電路供應的甘恩二極體的施加電壓進行控制的電壓施加電路，從而控制甘恩二極體的施加電壓。藉由控制該甘恩二極體的施加電壓，在電磁波振盪器1以頻率26GHz為中心而在25.8GHz至26.2GHz之間振盪的情況下，介電體板DIA、DIB的玻璃(ε=5.5)內部的波長在1240μm至1220μm之間變化，因此換算成玻璃厚度，能夠實現數十μm級的掃描。

此種結構中，能夠變更經由介電體板DIA、DIB照射至半導體膜SMa的電磁波的波長λ，因此能夠一邊掃描前述電磁波的波長λ一邊進行評估。因此，此種構成中，能夠利用對掃描範圍的檢測器8的檢測輸出達到最大時的波長λ來評估半導體膜SMa，因此能夠獲得精度更高的評估結果。

而且，此種結構中，第一，首先也可以以粗的波長間隔進行第一掃描，在該第一掃描中呈現最大檢測輸出的波長附近，第二，以更窄的波長間隔進行第二掃描(精密掃描)。或者，也可藉由上述的彼此厚度互不相同的多個介電體的板狀構件進行前述第一掃描，藉由前述電磁波的波長λ的掃描進行前述第二掃描。藉由進行此種二階段掃描，既能縮短評估時間，又能獲得精度更高的評估結果。