WO2012039099A1 - μ－ＰＣＤ法を用いた薄膜半導体の結晶性評価装置 - Google Patents

μ－ＰＣＤ法を用いた薄膜半導体の結晶性評価装置 Download PDF

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film semiconductor
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尚和 迫田
弘行 高枩
昌広 乾
尾嶋　太
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株式会社神戸製鋼所
株式会社コベルコ科研
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for evaluating crystallinity of a thin film semiconductor and the method, and is particularly preferably implemented for evaluating the crystallinity of a silicon semiconductor thin film, for example, using a microwave photoconductive decay method (hereinafter referred to as ⁇ -PCD method).
  • ⁇ -PCD method a microwave photoconductive decay method
  • the ⁇ -PCD method is often used as a non-contact / non-destructive evaluation method for impurity contamination and defect evaluation (for example, a method for measuring the lifetime of a silicon wafer in Patent Document 1). .
  • the ⁇ -PCD method In the ⁇ -PCD method, an electromagnetic wave is irradiated on a semiconductor sample, and thereby free electrons in the semiconductor sample move (move) by the electric field of the electromagnetic wave. Since this motion state is affected by the presence of impurities, defects, etc. in the semiconductor sample, the intensity of the reflected wave of the electromagnetic wave irradiated to the semiconductor sample (change with respect to the intensity of the irradiated wave) is the crystallinity of the semiconductor sample. It can be treated as an indicator.
  • the ⁇ -PCD method evaluates the crystallinity of a semiconductor sample by utilizing such a mechanism.
  • the ⁇ -PCD method has an advantage that the detection (measurement) of the intensity of the reflected wave is non-destructive and non-contact and can be performed in a very short time.
  • the wavelength of electromagnetic waves is as long as several millimeters or more, there is a problem that the crystallinity of a minute region cannot be evaluated.
  • the semiconductor sample is thin (thin film sample) such as polycrystalline silicon of several nm to several tens of nm, single crystal silicon of several ⁇ m or less, etc.
  • the electromagnetic wave The change in the intensity of the reflected wave with respect to the irradiated wave (change in the intensity of the reflected wave due to the crystallinity of the semiconductor sample) is extremely small, and therefore, sufficient measurement sensitivity, that is, measurement accuracy cannot be ensured. There is.
  • the intensity of the excitation light is increased too much in order to increase the measurement sensitivity, the sample may be damaged, and the cost of the excitation light source will increase.
  • Patent Document 2 the thin film sample is condensed with excitation light having energy higher than the band cap and irradiated to a minute region, thereby generating photo-excited carriers in the minute region in the sample, and the electromagnetic field of the photo-excited carrier. Is used instead of the movement of the free electrons. Thus, if the intensity of the reflected wave that changes due to the irradiation of the excitation light is detected, the detected intensity becomes an index indicating the crystallinity of a micro area (excitation light irradiation area) of the sample, and such a thin film sample Can be evaluated.
  • the irradiation area of the excitation light is a minute area, the intensity change of the reflected wave is small, and the measurement is easily influenced by noise, but the excitation light is light whose intensity is modulated at a predetermined period.
  • this conventional technique removes unnecessary frequency components (noise) from the measured value.
  • Patent Document 2 is an excellent technique that can evaluate the crystallinity of a minute region such as a TFT, in the conventional ⁇ -PCD method, there is a conductive film directly under the semiconductor thin film to be evaluated. In this case, there is a problem that sufficient electric field strength cannot be obtained in the semiconductor thin film, the interaction of the electric field with the photoexcited carriers is weakened, and measurement is very difficult.
  • a semiconductor thin film is formed on a glass substrate on which a back surface (bottom) electrode is formed. Become a film. Similar problems occur in the field of FPD (Flat Panel Display) employing a bottom gate structure.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and its object is to provide a case where a conductive film is formed under a semiconductor thin film when the crystallinity of the semiconductor thin film is evaluated by the ⁇ -PCD method. It is another object of the present invention to provide a thin-film semiconductor crystallinity evaluation apparatus and method that can be used for evaluation.
  • the measurement site of the thin film semiconductor sample is irradiated with excitation light and electromagnetic waves, and the intensity of the reflected electromagnetic waves from the sample is detected.
  • the crystallinity of the sample is evaluated.
  • the thin film semiconductor of the sample is formed on a conductive film, and a dielectric that is transparent to the excitation light is further disposed between the sample and the electromagnetic wave irradiation unit. For this reason, the crystallinity evaluation apparatus and method for a thin film semiconductor having such a configuration can evaluate the crystallinity even when a conductive film is formed under the semiconductor thin film as described above.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a thin-film semiconductor crystallinity evaluation apparatus 1 according to the first embodiment.
  • the evaluation apparatus 1 of this embodiment basically evaluates the crystallinity of a semiconductor using the above-described ⁇ -PCD method.
  • a dielectric 3 As will be described later, by superimposing a dielectric 3 on a sample 2, Sample 2 can be evaluated by forming a conductive film 2b and a thin film semiconductor 2a (thickness of about several ⁇ m) on a glass substrate (thickness of several mm) 2c. Examples of such a sample 2 include a solar cell in which a bottom electrode is formed and an FPD that employs a bottom gate structure.
  • the evaluation apparatus 1 can perform normal evaluation of a semiconductor wafer or the like.
  • Such an evaluation apparatus 1 includes, for example, as shown in FIG. 1, a microwave oscillator 11, waveguides 12, 13, 14, a directional coupler 15, a stage 16, an ultraviolet excitation light source 17, A detector 18, a personal computer 19, and the dielectric 3 are provided.
  • the microwave irradiated to the sample from the tip of the waveguide 13 is reflected by the surface of the sample and is incident on the waveguide 13 again.
  • a region narrower than the microwave irradiation region is irradiated with ultraviolet excitation light having an energy equal to or higher than the band gap of the semiconductor of the sample from an ultraviolet excitation light source 17 which is an example of an excitation light irradiation unit.
  • the ultraviolet excitation light is irradiated, photoexcited carriers are generated in the semiconductor, and the microwave reflectance temporarily increases.
  • the reflected microwave is again guided from the waveguide 13 to the waveguide 14 via the directional coupler 15 and detected by a detector 18 which is an example of a detection unit.
  • the detection signal of the detector 18 is transmitted to a personal computer 19 which is an example of an evaluation unit.
  • the evaluation apparatus 1 having such a configuration can evaluate the crystallinity of the semiconductor by detecting the intensity of the reflected microwave from the sample 2 with the detector 18 and analyzing it with the personal computer 19. it can.
  • the detection (measurement) of the intensity of the reflected wave is nondestructive and noncontact, and can be performed in a very short time.
  • the personal computer 19 controls the position of the stage 16 configured to include an XY table or the like, so that mapping measurement for determining a predetermined range of crystallinity in the sample 2 is also possible.
  • the dielectric 3 when the crystallinity is evaluated using the ⁇ -PCD method as described above, if the thin film semiconductor 2a is the sample 2 formed on the conductive film 2b, the dielectric 3 Are superposed on the thin film semiconductor 2a of the sample 2 for measurement.
  • the dielectric 3 is transparent to the ultraviolet excitation light.
  • the thickness d of the dielectric 3 is preferably in the relationship of the following formula (1).
  • FIG. 3 shows the intensity of the reflected microwave when the dielectric constant and thickness of the dielectric 3 used in the present embodiment are changed when the crystallinity is evaluated from the intensity of the reflected wave of the microwave irradiated to the sample 2. It is a graph which shows a change. More specifically, the simulation result of the present inventor is shown in FIG. This simulation is performed for each case where the microwave frequency is 26 GHz and the dielectric constant ⁇ of the dielectric 3 is 7.5 and 9.0. As can be seen from FIG. 3, when the thickness d of the dielectric 3 satisfies the above-described conditional expression (1), the surface of the dielectric 3 is located at the antinode of the amplitude of the reflected microwave. The sensitivity of electromagnetic waves is maximized.
  • the microwave 3f reflected by the surface 3d of the dielectric 3 and the microwave 2f reflected by the surface 2d of the sample 2 are related to the relationship between the nodes and the belly. And cancel each other.
  • the energy transmittance (energy transfer efficiency) of the electromagnetic wave from the air to the dielectric 3 is maximized, and as a result, a larger electric field can be applied to the evaluation target film (thin film semiconductor 2a). Can be increased.
  • the dielectric 3 has a dielectric constant closer to that of the thin film semiconductor 2a (for example, 11.7 to 8 for silicon), the sensitivity is improved.
  • the dielectric which does not absorb ultraviolet excitation light. It is necessary to use the body.
  • the wavelength of the ultraviolet excitation light source 17 is preferably selected so that the thickness of the thin film semiconductor 2a ⁇ the penetration length in order to efficiently absorb the excitation light in the thin film semiconductor 2a.
  • the detector 18 may use a differential antenna system.
  • the personal computer 19 which is an example of the evaluation unit performs the evaluation of the crystallinity by detecting the peak value Peak of the reflected electromagnetic wave with the detector 18 which is an example of the detection unit. This is because the density of photoexcited carriers due to irradiation with ultraviolet excitation light changes as shown in FIG. 5, and the lifetime ⁇ of photoexcited carriers is less than ns (picosecond order) compared to the laser pulse irradiation period t0 of nsec order. This is because the carrier annihilation time approximates the number of generated carriers.
  • the carrier injection rate (the generation rate of electron-hole pairs by photoexcitation: per unit volume and unit time) is g and the lifetime is ⁇
  • Peak g ⁇ (1-exp ( ⁇ t0 / ⁇ )) (4)
  • the lifetime ⁇ is shorter than ns (picosecond order), it is difficult to measure the lifetime ⁇ using a general and inexpensive device.
  • the lifetime ⁇ can be evaluated without using expensive equipment.
  • An ultraviolet excitation light source 17 that is an example of an excitation light irradiation unit irradiates the sample 2 with excitation light whose intensity is modulated at a predetermined period
  • a personal computer 19 that is an example of an evaluation unit is an example of a detection unit.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a thin-film semiconductor crystallinity evaluation apparatus 31 according to the second embodiment.
  • the evaluation device 31 according to the second embodiment is similar to the evaluation device 1 according to the first embodiment described above, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • a dielectric 33 is attached to the tip of the waveguide 13 instead of the dielectric 3 in the first embodiment, and a minute gap d is provided between the dielectric 33 and the sample 2. Open and measure.
  • the minute interval d is, for example, about 50 ⁇ m when the dielectric constant ⁇ of the dielectric 33 is 5.5. That is, the minute interval d is selected to be a large distance so that the irradiation microwave does not feel the minute interval d (does not affect propagation).
  • the sample 2 can be evaluated completely in a non-contact manner by providing the minute interval d.
  • the dielectric 33 may be formed to have a smaller size of the waveguide 13 to which the dielectric 33 is attached, rather than the size of the entire sample 2. Can be small.
  • An apparatus for evaluating crystallinity of a thin film semiconductor includes an excitation light irradiation unit that irradiates a measurement site of a thin film semiconductor sample with excitation light having energy equal to or higher than a band gap of the thin film semiconductor; An electromagnetic wave irradiation unit that irradiates the irradiation position with an electromagnetic wave, a detection unit that detects the intensity of the reflected electromagnetic wave from the sample that changes due to irradiation of the excitation light, and the crystallinity of the sample based on the detection result of the detection unit
  • a thin film semiconductor crystallinity evaluation apparatus comprising: an evaluation unit for evaluating the thin film semiconductor, wherein the thin film semiconductor of the sample is formed on a conductive film, disposed between the sample and the electromagnetic wave irradiation unit, It further includes a dielectric that is transparent to the excitation light.
  • a measurement site of a thin film semiconductor sample is irradiated with excitation light having energy greater than or equal to the band gap of the thin film semiconductor, and the excitation light is irradiated.
  • a thin film that irradiates the irradiation position with an electromagnetic wave detects the intensity of the reflected electromagnetic wave from the sample, which changes due to the irradiation of the excitation light, and evaluates the crystallinity of the sample based on the detection result
  • a method for evaluating crystallinity of a semiconductor wherein the thin film semiconductor of the sample is formed on a conductive film, and a dielectric that is transparent to the excitation light is formed between the sample and the electromagnetic wave irradiation unit. Deploy.
  • excitation light having energy equal to or higher than the band gap of the semiconductor is applied to a measurement site in the semiconductor sample.
  • electromagnetic waves are irradiated to the irradiation position of the excitation light, and the intensity of the reflected electromagnetic waves from the sample, which changes due to the irradiation of the excitation light, is detected, and the crystallinity of the sample is evaluated based on the detection result Is done.
  • the semiconductor of the sample is a thin film semiconductor, and when the thin film semiconductor is formed on a conductive film, it is transparent to the excitation light between the sample and the electromagnetic wave irradiation unit. A dielectric is disposed.
  • the semiconductor when the semiconductor is irradiated with excitation light having energy higher than the band gap, photoexcited carriers are generated in the semiconductor, and the photoexcited carriers move (move) in the electric field of the electromagnetic wave.
  • the motion state is affected by the presence of impurities, defects, etc. in the sample.
  • the intensity of the reflected wave of the electromagnetic wave irradiated to the semiconductor sample (change with respect to the intensity of the irradiated wave) is an index of the crystallinity of the sample.
  • the detection (measurement) of the intensity of the reflected wave is nondestructive and noncontact, and can be performed in a very short time.
  • the crystallinity evaluation apparatus and the method when the semiconductor is a thin film and the thin film semiconductor, such as a bottom electrode in a solar cell, is formed on a conductive film, the thin film semiconductor of the sample and the method A dielectric that is transparent to the excitation light is provided between the electromagnetic wave irradiation unit.
  • the crystallinity evaluation apparatus and the method having the above-described configuration can be evaluated with high sensitivity up to a sample that is not sensitive and cannot be evaluated without the dielectric without inhibiting the generation of photoexcited carriers by the excitation light with the dielectric. can do.
  • a dielectric is inserted as a medium having an intermediate impedance between the electromagnetic wave irradiation space and the sample, that is, between air and silicon, an abrupt change in the impedance to the electromagnetic wave can be avoided (impedance Power transmission efficiency is improved.
  • the dielectric constant of the dielectric is ⁇
  • the thickness is d
  • the crystallinity evaluation apparatus having such a configuration can maximize the power transmission efficiency to the thin film semiconductor.
  • the evaluation unit evaluates crystallinity by detecting a peak value of the intensity of the reflected electromagnetic wave by the detection unit.
  • the lifetime ⁇ of the photoexcited carrier is as short as ns or less (picosecond order)
  • the excitation pulse width >> the lifetime ⁇
  • the lifetime ⁇ becomes a ⁇ Peak value (approximate to the Peak value).
  • the crystallinity evaluation apparatus having such a configuration can evaluate the lifetime ⁇ without using expensive equipment by substituting the peak value instead of the lifetime ⁇ as the evaluation value of crystallinity. Can do.
  • the dielectric is arranged on the sample with a minute interval.
  • the crystallinity evaluation apparatus having such a configuration can be evaluated completely without contact with a sample.
  • the electromagnetic wave irradiation unit includes a waveguide for guiding the electromagnetic wave to an irradiation position of the excitation light, and the dielectric is And attached to the tip of the waveguide of the electromagnetic wave irradiation section.
  • the dielectric is formed not to be the size of the entire sample, but to be smaller than the size of the waveguide to which the dielectric is attached.
  • the minute interval can be reduced.
  • the excitation light irradiation unit irradiates the sample with excitation light whose intensity is modulated at a predetermined period
  • the evaluation unit Extracts a periodic component synchronized with the intensity modulation of the excitation light from the intensity of the reflected electromagnetic wave detected by the detection unit, and evaluates the crystallinity of the sample based on the detected signal intensity.
  • the crystallinity evaluation apparatus having such a configuration enables highly sensitive measurement / evaluation by modulation excitation and synchronous detection as described in Patent Document 1.
  • the excitation light irradiation region is a very small region, the intensity change of the reflected electromagnetic wave is small and easily affected by noise. Therefore, an unnecessary frequency component (noise) is generated from the measured value by the modulation excitation and synchronous detection. Can be removed, which is preferable.

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Abstract

　本発明にかかる薄膜半導体の結晶性評価装置１および結晶性評価方法では、薄膜半導体２ａの試料２の測定部位に、励起光および電磁波が照射され、試料２からの反射電磁波の強度を検出することで、試料２の結晶性が評価される。そして、試料２の薄膜半導体２ａは、導電性膜２ｂ上に形成されており、試料２と電磁波が放射される導波管１３との間には、励起光に対して透明である誘電体３がさらに配置される。このため、このような構成の薄膜半導体の結晶性評価装置１および該方法は、上述のような半導体薄膜２ａ下に導電性膜２ｂが形成されている場合でもその結晶性の評価を行うことができる。

Description

[規則37.2に基づきISAが決定した発明の名称]　μ－ＰＣＤ法を用いた薄膜半導体の結晶性評価装置
　本発明は、薄膜半導体の結晶性評価装置および該方法に関し、特にマイクロ波光導電減衰法（以下、μ－ＰＣＤ法）を用いて、例えばシリコン半導体薄膜の結晶性を評価するために好適に実施される薄膜半導体の結晶性評価装置および該方法に関する。
　近年、シリコン等の半導体薄膜を用いた太陽電池の開発が盛んに行われている。従来から、半導体分野では、不純物汚染や欠陥評価のための非接触・非破壊評価手法として、前記μ－ＰＣＤ法が多く用いられている（例えば、特許文献１のシリコンウェーハのライフタイム測定方法）。
　前記μ－ＰＣＤ法では、半導体試料に電磁波が照射され、これによって該半導体試料中の自由電子が前記電磁波の電界によって運動（移動）する。この運動状態は、該半導体試料中の不純物、欠陥等の存在によって影響を受けるので、該半導体試料に照射した電磁波の反射波の強度（照射波の強度に対する変化）は、該半導体試料の結晶性の指標として扱うことができる。前記μ－ＰＣＤ法は、このようなメカニズムを利用することによって半導体試料の結晶性を評価している。そして、このμ－ＰＣＤ法には、しかもその反射波の強度の検出（測定）が非破壊かつ非接触で、ごく短時間のうちに行うことができるという利点がある。
　しかしながら、電磁波（マイクロ波）の波長は、数ミリ以上と長いので、微小領域の結晶性を評価できないという問題がある。また、半導体試料が、数ｎｍ～数十ｎｍ程度の多結晶シリコンや、数μｍ以下の単結晶シリコン等である場合のように、該半導体試料の厚みが薄い（薄膜試料である）場合、電磁波の照射波に対する反射波の強度の変化（半導体試料の結晶性に起因する反射波の強度変化）は、ごく微小となり、このため、充分な測定感度、すなわち測定精度を確保することができないという問題がある。一方、測定感度を高めるために励起光の強度を強くし過ぎると、試料が損傷してしまう虞があり、さらに励起光の光源がコスト増になってしまう。
　そこで、本件発明者らは、特許文献２を提案している。この従来技術は、前記薄膜試料にそのバンドキャップ以上のエネルギーの励起光を集光して微小領域に照射することによって、試料中の微小領域に光励起キャリアを発生させ、その光励起キャリアの電磁波の電界による運動を前記自由電子の運動に代えて用いるというものである。これによって、前記励起光の照射によって変化する前記反射波の強度を検出すれば、その検出強度は、試料の微小領域（励起光照射領域）の結晶性を表す指標となり、そのような薄膜の試料の評価が可能になる。さらに、前記励起光の照射領域が微小領域であるので、前記反射波の強度変化は、小さく、その測定は、ノイズの影響を受け易くなるけれども、前記励起光を所定周期で強度変調した光とし、前記反射光の強度から励起光の強度変調に同期した成分を抽出することによって、この従来技術では、測定値から不要な周波数成分（ノイズ）が除去されている。
　前記特許文献２は、ＴＦＴ等、微小領域の結晶性を評価することができる優れた手法であるものの、これまでのμ－ＰＣＤ法では、評価対象の半導体薄膜の直下に、導電性膜が存在する場合には、半導体薄膜中で充分な電界強度が得られず、該電界の光励起キャリアとの相互作用も弱くなり、測定が非常に困難であるという問題がある。具体的には、太陽電池において、特に低コストなアモルファスシリコンや微結晶シリコンを用いる場合、ガラス基板に裏面（ボトム）電極を形成した上に半導体薄膜を形成するので、前記ボトム電極が前記導電性膜となる。これと同様な問題が、ボトムゲート構造を採用したＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）分野でも生じる。
特開２００７－４８９５９号公報 特開２００８－５１７１９号公報
　本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、μ－ＰＣＤ法で半導体薄膜の結晶性を評価する際に、半導体薄膜下に導電性膜が形成されている場合にも評価を行うことができる薄膜半導体の結晶性評価装置および該方法を提供することである。
　本発明にかかる薄膜半導体の結晶性評価装置および結晶性評価方法では、薄膜半導体の試料の測定部位に、励起光および電磁波が照射され、前記試料からの反射電磁波の強度を検出することで、前記試料の結晶性が評価される。そして、前記試料の前記薄膜半導体は、導電性膜上に形成されており、前記試料と前記電磁波照射部との間には、前記励起光に対して透明である誘電体がさらに配置される。このため、このような構成の薄膜半導体の結晶性評価装置および該方法は、上述のような半導体薄膜下に導電性膜が形成されている場合でもその結晶性の評価を行うことができる。
　上記並びにその他の本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な記載と添付図面から明らかになるであろう。
第１実施形態に係る薄膜半導体の結晶性評価装置の構成を示すブロック図である。 金属製ステージにマイクロ波を照射した場合の定在波の様子を示す図である。 試料への照射マイクロ波の反射波の強度から結晶性評価を行う場合に、本実施形態で用いる誘電体の誘電率と厚さとを変化させた場合の反射マイクロ波の強度変化を示すグラフである。 前記試料の表面と、誘電体の表面とによるマイクロ波の反射の様子を示す図である。 半導体への励起光照射による光励起キャリアの密度変化を示すグラフである。 第２実施形態に係る薄膜半導体の結晶性評価装置の構成を示すブロック図である。
　以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。
　（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態に係る薄膜半導体の結晶性評価装置１の構成を示すブロック図である。本実施形態の評価装置１は、基本的に前述のμ－ＰＣＤ法を用いて半導体の結晶性を評価するものであり、後述するように、試料２に誘電体３を重ね合わせることで、該試料２として、ガラス基板（厚さ数ｍｍ）２ｃ上に、導電膜２ｂおよび薄膜半導体２ａ（厚さ数μｍ程度）が成膜されたものを評価することができる。そのような試料２として、例えばボトム電極が形成された太陽電池や、ボトムゲート構造を採用したＦＰＤが挙げられる。一方、前記誘電体３を介在しないことで、この評価装置１は、半導体ウエハ等の通常通りの評価も可能である。
　このような評価装置１は、例えば、図１に示すように、マイクロ波発振器１１と、導波管１２，１３，１４と、方向性結合器１５と、ステージ１６と、紫外励起光源１７と、検出器１８と、パーソナルコンピュータ１９と、前記誘電体３とを備えている。
　電磁波照射部の一例であるマイクロ波発振器１１から放射されたマイクロ波は、導波管１２から方向性結合器１５および導波管１３を伝播し、ステージ１６上の試料の測定部位へ照射される。導波管１３の先端から試料に照射されたマイクロ波は、該試料の表面で反射し、再び導波管１３に入射される。このマイクロ波の照射領域より狭小な領域には、励起光照射部の一例である紫外励起光源１７から、前記試料の半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを有する紫外励起光が照射される。その紫外励起光が照射されている間には、半導体中に光励起キャリアが発生し、一時的にマイクロ波の反射率が増加する。その反射マイクロ波は、再び導波管１３から方向性結合器１５を経由して導波管１４へ導かれ、検出部の一例である検出器１８にて検出される。検出器１８の検波信号は、評価部の一例であるパーソナルコンピュータ１９へ伝送される。
　こうして、前記紫外励起光の照射によって半導体中に発生した光励起キャリアは、電磁波（マイクロ波）の電界で運動（移動）し、その運動状態は、半導体中の不純物、欠陥等の存在によって影響を受ける。このため、このような構成の評価装置１は、検出器１８で、試料２からの反射マイクロ波の強度を検出し、パーソナルコンピュータ１９で解析することによって、前記半導体の結晶性を評価することができる。しかもその反射波の強度の検出（測定）は、非破壊かつ非接触で、ごく短時間のうちに行うことができる。その際、パーソナルコンピュータ１９が、ＸＹテーブル等を備えて構成されるステージ１６の位置を制御することで、試料２における所定の範囲の結晶性を判定するマッピング測定も可能である。
　ところで、図２（Ａ）で示すように、金属製ステージ２１の表面２１ａにマイクロ波を照射すると、参照符号２２で示すように、その表面２１ａを節とする定在波が形成される。したがって、図２（Ｂ）で示すように、この金属ステージ２１上に薄いサンプル２３を置いた場合、その表面における定在波の電界振幅Ｗ１が小さいので、光励起キャリアとの相互作用が弱まり、信号強度が小さくて、実質的に検出することができない。これに対して、厚いサンプル２４（マイクロ波の波長をλとする場合にその厚さの最適値はλ／４である）の場合は、図２（Ｃ）で示すように、比較的電界振幅Ｗ２が大きくなり、信号も大きくなる。すなわち、相対的に厚いサンプル２４の場合における電界振幅Ｗ２は、相対的に薄いサンプル２３の場合における電界振幅Ｗ１より大きくなり、信号も大きくなる。
　そこで、本実施形態では、前述のようなμ－ＰＣＤ法を用いて結晶性の評価を行う際に、薄膜半導体２ａが導電膜２ｂ上に形成された試料２である場合には、誘電体３を試料２の薄膜半導体２ａ上に重ね合わせて測定を行う。誘電体３は、前記紫外励起光に対して透明である。
　このように構成することによって、μ－ＰＣＤ（反射マイクロ波光導電減衰）法を用いて半導体の結晶性を評価する際に、紫外励起光による光励起キャリアの発生が誘電体３によって阻害されることなく、誘電体３無しでは感度がないために評価不能であった試料２を、高感度に評価することが可能となる。また、マイクロ波の照射空間と試料２との間、すなわち空気－シリコンの間に、中間的なインピーダンスを有する媒質（誘電体３）を挿入することで、マイクロ波に対するインピーダンスの急激な変化が避けられ（インピーダンスが整合し）、パワー伝達効率が向上する。
　そして、誘電体３の誘電率をεとし、照射電磁波の波長をλとする場合に、誘電体３の厚さｄは、次式（１）の関係とすることが好ましい。
ｄ＝λ／４（ε）１／２　　　・・・（１）
　図３は、試料２への照射マイクロ波の反射波の強度から結晶性評価を行う場合に、本実施形態で用いる誘電体３の誘電率と厚さとを変化させた場合の反射マイクロ波の強度変化を示すグラフである。より具体的には、本件発明者のシミュレーション結果が、図３に示されている。このシミュレーションは、マイクロ波の周波数が２６ＧＨｚであって、誘電体３の誘電率εが７．５および９．０である各場合について行われている。この図３から分かるように、誘電体３の厚さｄが上述の条件式（１）を満たす場合に、該誘電体３の表面が反射マイクロ波の振幅の腹の位置となるため、前記反射電磁波の感度が最大となる。
　また、前記条件とすることで、図４で示すように、誘電体３の表面３ｄで反射するマイクロ波３ｆと、試料２の表面２ｄで反射するマイクロ波２ｆとが、節と腹との関係となって、互いに打ち消し合う。誘電体３の界面３ｄでの反射は、その厚さがｄ＝λ／４ｎ（ｎ：屈折率）である場合に、該界面３ｄでの反射波と界面２ｄからの反射波が干渉により弱め合い、最小となる。このとき、空気から誘電体３への電磁波のエネルギー透過率（エネルギー伝達効率）は、最大となり、その結果、評価対象膜（薄膜半導体２ａ）に、より大きな電界を入れることができるので、信号強度を大きくすることができる。
　前記誘電体３として、その誘電率が、薄膜半導体２ａの誘電率（例えばシリコンで１１．７～８）に近いものほど感度が向上するが、前述のように、紫外励起光に吸収がない誘電体を用いる必要がある。また、紫外励起光源１７の波長は、薄膜半導体２ａ中に効率良く励起光を吸収させるために、該薄膜半導体２ａの厚さ＜浸透長となる波長を選択することが好ましい。さらにまた、より高感度な検出を可能とするために、検出器１８は、差動アンテナ方式を用いてもよい。
　さらにまた、評価部の一例であるパーソナルコンピュータ１９は、前記結晶性の評価を、検出部の一例である検出器１８で、反射電磁波の強度のピーク値Ｐｅａｋを検出することによって行う。これは、前記紫外励起光照射による光励起キャリアの密度は、図５で示すように変化し、ｎｓｅｃオーダーのレーザーパルス照射期間ｔ０に比べて、光励起キャリアのライフタイムτがｎｓ以下（ピコ秒オーダー）の短いとき、キャリアの消滅時間が、発生したキャリア数に近似するためである。時刻ｔ＝０から照射を開始すると、キャリア密度が増加し、前記ライフタイムτを超える充分な時間が経過すると、励起光照射によって新たに発生するキャリア数と、ライフタイムτが経過して再結合して消失するキャリア数とが均衡（平衡）し、キャリア密度は、一定となる。その後、時刻ｔ＝ｔ０で励起光の照射を停止すると、キャリア密度は、前記ライフタイムτで減少して行く。
　より詳しくは、キャリア注入速度（光励起による電子－正孔対の発生割合：単位体積および単位時間当たり）をｇとし、ライフタイムを前記τとする場合に、半導体層のキャリア密度ｐは、次式（２）を解くことで求められ、初期条件ｐ＝０、ｔ＝０で、次式（３）と表すことができる（時間ｔの関数であることを明示するならばｐ（ｔ）と書いてもよい。）。
ｄｐ／ｄｔ＝ｇ－ｐ／τ　　　・・・（２）
ｐ＝ｇτ（１－ｅｘｐ（－ｔ／τ））　　　・・・（３）
　そして、前記キャリア密度ｐのピーク値Ｐｅａｋは、レーザーパルスの照射終了タイミングであるｔ＝ｔ０の値であるので、次式（４）と表すことができる。
Ｐｅａｋ＝ｇτ（１－ｅｘｐ（－ｔ０／τ））　　　・・・（４）
　ここで、前述のように、τ≪ｔ０であるので、　Ｐｅａｋ≒ｇτ　である。したがって、ｇは、一定であるので、ライフタイムτは、次式（５）となる（近似できる）。
τ∝Ｐｅａｋ　　　・・・（５）
　したがって、ライフタイムτがｎｓ以下（ピコ秒オーダー）の短い場合には、一般的で安価な機器を用いて該ライフタイムτを計測することは困難であるが、このように結晶性の評価値として、ライフタイムτに代えて、ｐｅａｋ値を代用することで、高コストな機器を用いることなくライフタイムτを評価することが可能となる。
　また、励起光照射部の一例である紫外励起光源１７が、試料２に対して所定周期で強度変調した励起光を照射し、評価部の一例であるパーソナルコンピュータ１９が、検出部の一例である検出器１８で検出された反射電磁波の強度の中で、前記励起光の強度変調に同期した周期成分を抽出（検出）し、その検出信号強度に基づいて前記試料の結晶性を評価することで、高感度な計測および評価が可能となる。特に、励起光の照射領域が微小領域の場合には、反射電磁波の強度変化は、小さく、ノイズの影響を受け易いので、前記のような変調励起および同期検波によって、測定値から不要な周波数成分（ノイズ）が除去され、好適である。また、半導体レーザが紫外励起光源１７として用いることができるので、低コスト化に有利であるとともに、安定性の面でも有利である。
　（第２実施形態）
　図６は、第２実施形態に係る薄膜半導体の結晶性評価装置３１の構成を示すブロック図である。第２実施形態の評価装置３１は、前述の第１実施形態における評価装置１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。ここで、この評価装置３１では、第１実施形態における誘電体３に代え誘電体３３が導波管１３の先端に取付けられており、誘電体３３と試料２との間に、微小間隔ｄを開けて測定が行なわれる。前記微小間隔ｄは、例えば誘電体３３の誘電率εが５．５で、５０μｍ程度である。すなわち、前記微小間隔ｄは、照射マイクロ波が、この微小間隔ｄを感じない（伝播に影響しない）程度で、大きな距離に選ばれる。
　したがって、前記微小間隔ｄを設けることで、試料２に完全に非接触で評価を行なうことができる。また、誘電体３３は、試料２全体の大きさではなく、より小さい、該誘電体３３が取付けられる導波管１３の大きさに形成されればよく、撓みを小さくし、前記微小間隔ｄを小さくすることができる。
　本明細書は、上記のように様々な態様の技術を開示しているが、そのうち主な技術を以下に纏める。
　一態様にかかる薄膜半導体の結晶性評価装置は、薄膜半導体の試料の測定部位に対して、前記薄膜半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを有する励起光を照射する励起光照射部と、前記励起光の照射位置に電磁波を照射する電磁波照射部と、前記励起光の照射により変化する、前記試料からの反射電磁波の強度を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて前記試料の結晶性を評価する評価部とを備える薄膜半導体の結晶性評価装置であって、前記試料の前記薄膜半導体は、導電性膜上に形成され、前記試料と前記電磁波照射部との間に配置され、前記励起光に対して透明である誘電体をさらに備える。
　また、他の一態様にかかる薄膜半導体の結晶性評価方法は、薄膜半導体の試料の測定部位に対して、前記薄膜半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを有する励起光を照射し、前記励起光の照射に合わせて、その照射位置に電磁波を照射し、前記励起光の照射により変化する、前記試料からの反射電磁波の強度を検出し、前記の検出結果に基づいて前記試料の結晶性を評価する薄膜半導体の結晶性評価方法であって、前記試料の前記薄膜半導体は、導電性膜上に形成され、前記試料と前記電磁波照射部との間に、前記励起光に対して透明である誘電体を配置する。
　いわゆるμ－ＰＣＤ法を用いることで半導体の結晶性を評価する半導体の結晶性評価装置および該方法では、半導体の試料における測定部位に対して、前記半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを有する励起光が照射されるとともに、その励起光の照射位置に電磁波が照射され、前記励起光の照射によって変化する、試料からの反射電磁波の強度が検出され、その検出結果に基づいて前記試料の結晶性が評価される。そして、前記試料の半導体は、薄膜半導体であり、その薄膜半導体が導電性膜上に形成される場合には、前記試料と前記電磁波照射部との間に、前記励起光に対して透明である誘電体が配置される。
　ここで、半導体に、そのバンドギャップ以上のエネルギーを有する励起光を照射すると、半導体中に光励起キャリアが発生し、その光励起キャリアは、電磁波の電界で運動（移動）する。そして、その運動状態は、試料中の不純物、欠陥等の存在によって影響を受ける。このため、半導体試料に照射した電磁波の反射波の強度（照射波の強度に対する変化）は、試料の結晶性の指標となる。しかもその反射波の強度の検出（測定）は、非破壊かつ非接触で、ごく短時間のうちに行うことができる。このような前記μ－ＰＣＤ法を用いる場合に、金属製のステージ表面にマイクロ波を照射すると、その表面を節とする定在波が形成される。したがって、前記ステージ上に厚さの薄いサンプルを置いた場合、その表面における定在波の電界振幅が小さいので、光励起キャリアとの相互作用が弱まり、信号強度が小さい。他方、前記ステージ上に厚さの厚いサンプルを置いた場合（その厚さの最適値はλ／４である）、比較的電界振幅が大きくなり、信号も大きくなる。
　そこで、上記結晶性評価装置および該方法では、前記半導体が薄膜であって、かつ太陽電池におけるボトム電極等、その薄膜半導体が導電性膜上に形成される場合に、前記試料の薄膜半導体と前記電磁波照射部との間に、前記励起光に対して透明である誘電体が設けられる。これによって、上記構成の結晶性評価装置および該方法は、励起光による光励起キャリアの発生を誘電体で阻害することなく、誘電体無しでは感度がなく評価不能であった試料まで、高感度に評価することができる。
　また、電磁波の照射空間と試料との間、すなわち空気－シリコンの間に、中間的なインピーダンスを有する媒質として誘電体が挿入されるので、電磁波に対するインピーダンスの急激な変化を避けることができ（インピーダンスが整合し）、パワー伝達効率が向上される。
　また、他の一態様では、上述の薄膜半導体の結晶性評価装置において、好ましくは、前記誘電体の誘電率をεとし、厚さをｄとし、照射電磁波の波長をλとする場合に、ｄ＝λ／４（ε）１／２の関係にある。
　このような構成の結晶性評価装置は、薄膜半導体へのパワー伝達効率を最大化することができる。
　また、他の一態様では、これら上述の薄膜半導体の結晶性評価装置において、好ましくは、前記評価部は、前記検出部による前記反射電磁波の強度のピーク値を検出することで結晶性を評価する。
　このような構成の結晶性評価装置では、前記光励起キャリアのライフタイムτがｎｓ以下（ピコ秒オーダー）の短い場合に、一般的で安価な機器を用いて該ライフタイムτを計測することは困難であるが、励起パルス幅≫ライフタイムτの場合に、ライフタイムτは、τ∝Ｐｅａｋ値となる（Ｐｅａｋ値に近似する）。
　したがって、このような構成の結晶性評価装置は、結晶性の評価値として、ライフタイムτに代えて、ｐｅａｋ値を代用することで、高コストな機器を用いることなくライフタイムτを評価することができる。
　また、他の一態様では、これら上述の薄膜半導体の結晶性評価装置において、好ましくは、前記誘電体は、前記試料上に、微小間隔を開けて配置される。
　このような構成の結晶性評価装置は、試料に完全に非接触で評価を行なうことができる。
　また、他の一態様では、これら上述の薄膜半導体の結晶性評価装置において、好ましくは、前記電磁波照射部は、前記電磁波を前記励起光の照射位置へ導く導波管を備え、前記誘電体は、前記電磁波照射部の前記導波管の先端に取付けられている。
　このような構成の結晶性評価装置は、誘電体が試料全体の大きさではなく、より小さい、該誘電体が取付けられる導波管の大きさに形成されればよく、撓みを小さくし、前記微小間隔を小さくすることができる。
　また、他の一態様では、これら上述の薄膜半導体の結晶性評価装置において、好ましくは、前記励起光照射部は、前記試料に対して所定周期で強度変調した励起光を照射し、前記評価部は、前記検出部で検出された反射電磁波の強度の中で、前記励起光の強度変調に同期した周期成分を抽出し、その検出信号強度に基づいて前記試料の結晶性を評価する。
　このような構成の結晶性評価装置では、前記特許文献１のような変調励起および同期検波によって、高感度な計測・評価が可能となる。特に、励起光の照射領域が微小領域の場合には、反射電磁波の強度変化は、小さく、ノイズの影響を受け易いので、前記変調励起および同期検波によって、測定値から不要な周波数成分（ノイズ）を除去することができ、好適である。
　この出願は、２０１０年９月２２日に出願された日本国特許出願特願２０１０－２１１５２４を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。
　本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
　本発明によれば、薄膜半導体の結晶性を評価する結晶性評価装置および該方法を提供することができる。

Claims (7)

  1. 　薄膜半導体の試料の測定部位に対して、前記薄膜半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを有する励起光を照射する励起光照射部と、
    　前記励起光の照射位置に電磁波を照射する電磁波照射部と、
    　前記励起光の照射により変化する、前記試料からの反射電磁波の強度を検出する検出部と、
    　前記検出部の検出結果に基づいて前記試料の結晶性を評価する評価部とを備える薄膜半導体の結晶性評価装置において、
    　前記試料の前記薄膜半導体は、導電性膜上に形成され、
    　前記試料と前記電磁波照射部との間に配置され、前記励起光に対して透明である誘電体をさらに備えること
    　を特徴とする薄膜半導体の結晶性評価装置。
  2. 　前記誘電体の誘電率をεとし、厚さをｄとし、照射電磁波の波長をλとする場合に、ｄ＝λ／４（ε）１／２の関係にあること
    　を特徴とする請求項１に記載の薄膜半導体の結晶性評価装置。
  3. 　前記評価部は、前記検出部による前記反射電磁波の強度のピーク値を検出することで結晶性を評価すること
    　を特徴とする請求項１または請求項２に記載の薄膜半導体の結晶性評価装置。
  4. 　前記励起光照射部は、前記試料に対して所定周期で強度変調した励起光を照射し、
    　前記評価部は、前記検出部で検出された反射電磁波の強度の中で、前記励起光の強度変調に同期した周期成分を抽出し、その検出信号強度に基づいて前記試料の結晶性を評価すること
    　を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の薄膜半導体の結晶性評価装置。
  5. 　前記誘電体は、前記試料上に、微小間隔を開けて配置されること
    　を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の薄膜半導体の結晶性評価装置。
  6. 　前記電磁波照射部は、前記電磁波を前記励起光の照射位置へ導く導波管を備え、
    　前記誘電体は、前記電磁波照射部の前記導波管の先端に取付けられていること
    　を特徴とする請求項５に記載の薄膜半導体の結晶性評価装置。
  7. 　薄膜半導体の試料の測定部位に対して、前記薄膜半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを有する励起光を照射し、
    　前記励起光の照射に合わせて、その照射位置に電磁波を照射し、
    　前記励起光の照射により変化する、前記試料からの反射電磁波の強度を検出し、
    　前記の検出結果に基づいて前記試料の結晶性を評価する薄膜半導体の結晶性評価方法において、
    　前記試料の前記薄膜半導体は、導電性膜上に形成され、
    　前記試料と前記電磁波照射部との間に、前記励起光に対して透明である誘電体を配置すること
    　を特徴とする薄膜半導体の結晶性評価方法。
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