JP2009058274A

JP2009058274A - シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置及び方法

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Publication number: JP2009058274A
Application number: JP2007224147A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Takamatsu; 弘行高松; Hisakazu Sakota; 尚和迫田; Futoshi Oshima; 太尾嶋
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Kobelco Research Institute Inc
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Kobelco Research Institute Inc
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2027-08-30
Also published as: JP4880548B2

Abstract

【課題】光透過性を有する基材の厚み寸法のバラつきに伴い結晶性評価精度が悪化するのを抑制することができる半導体薄膜の結晶性の評価方法を提供する。
【解決手段】シリコン半導体薄膜の所定の照射領域にキャリア励起光を照射する励起レーザ１と、赤外光を放射する半導体レーザ１０と、半導体レーザ１０に対し強度変調された電流を供給することにより、当該半導体レーザ１０に波長の異なる複数種の赤外光を照射させることが可能な高周波パルス電源１８と、シリコン半導体薄膜５ａ又は基材５ｂにおいて反射された反射光であって、前記複数種の赤外光のうちの少なくとも２種の赤外光を含む反射光の強度を検出してその検出信号を出力する光検出器１３と、前記検出信号に基づいて前記シリコン半導体薄膜５ａの結晶性を評価するためのデータを作成する信号処理装置９とを備えている。
【選択図】図１

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及び方法に関し、詳しくは、ガラス基材等の光透過性を有する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及び方法に関する。

近年、液晶表示装置に用いられる薄膜トランジスタ（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−ＳｉＴＦＴ）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−ＳｉＴＦＴ）が用いられている。ｐ−ＳｉＴＦＴは電子移動度の高いシリコン半導体薄膜であり、液晶表示装置の表示の高精細化、高画質化及び応答速度の高速化が実現できる。

ｐ−ＳｉＴＦＴ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。

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。

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。

このラマン分光法を用いた評価方法では、ガラス基板上に成膜されたシリコン薄膜に励起光を照射し、多結晶性シリコン薄膜からのラマン散乱光を受光し、そのラマン散乱光に基づいて結晶性の評価を行うこととしている。
特開２００４−２２６２６０号公報

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は、非常に微弱な強度のラマン散乱光を検出することを要するため、正確な評価結果を得るのが困難だった。

また、近年では、ガラス基板等、光透過性を有する基材の厚み寸法に誤差が生じている場合であっても、高い精度でシリコン半導体薄膜の評価を行うことが要求されている。

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。

上記課題を解決するために、本発明は、光透過性を有する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照射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、波長の異なる複数種の赤外光を放射することが可能な赤外光放射手段と、前記赤外光放射手段から放射された赤外光を集光した状態で前記照射領域内に照射する集光照射手段と、前記集光照射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又は基材において反射された反射光であって、前記複数種の赤外光の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を作成するデータ作成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。

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照射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、前記照射領域に、赤外光放射手段及び集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照射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。

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。

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。

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照射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。

さらに、本発明では、赤外光放射手段により波長の異なる複数種の赤外光が放射されるとともに、これら複数種の赤外光のうちの少なくとも２種の赤外光を含む反射光の強度に基づいて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ため、基板の厚み寸法のバラつきに伴い結晶性評価精度が悪化するのを抑制することができる。その詳細を以下に説明する。

ガラス基材等、光透過性を有する基材上に成膜されたシリコン半導体薄膜の厚み寸法は照射される赤外光の波長よりも短いため、このシリコン半導体薄膜に照射した赤外光の一部はシリコン半導体薄膜を透過する。さらに、シリコン半導体薄膜を透過した赤外光は、その波長が数μｍ以下の場合には特に基材中での吸収が少ないため、基材をも透過し、当該基材の裏面で反射する。したがって、シリコン半導体薄膜からの反射光には、シリコン半導体薄膜の表面からの反射光に加えて基材の裏面からの反射光が含まれていることになる。

そして、シリコン半導体薄膜からの反射光のうち、当該シリコン半導体薄膜の表面で反射したものと基材の裏面で反射したものとの間には、それぞれの光路長が異なることに起因する打ち消し合いや強め合い等の干渉現象が生じることになる。そのため、シリコン半導体薄膜からの反射光強度は、基材の厚み寸法や赤外光の波長の変化によって変化することになる。

この反射光強度の変化は、赤外光の波長を固定値とした場合に、基材の厚み寸法に応じて周期的に変化し（図５参照）、この変化は、結晶性を評価するための反射光強度に影響を及ぼすことになる。

そこで、本発明では、シリコン半導体薄膜に波長の異なる複数種の赤外光を照射するとともに、これら複数種の赤外光のうちの少なくとも２種の赤外光を含む反射光の強度に基づいて結晶性を評価する構成とされているので、単一波長の赤外光の反射光強度のみで結晶性の評価を行う場合と比較して、基材の厚み寸法にばらつきがあっても精度の高い結晶性評価を行うことができる。

前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記赤外光放射手段は、赤外光を放射する半導体レーザと、この半導体レーザに強度変調された電流を供給することにより、当該半導体レーザに波長の異なる複数種の赤外光を照射させることが可能な電流供給手段とを備えていることが好ましい。

この構成によれば、半導体レーザに強度変調された電流を供給することにより、半導体レーザ特有のモードホップ現象によって波長の異なる複数種の赤外光をシリコン半導体薄膜に照射することができる。

前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記電流供給手段は、前記半導体レーザにおける緩和振動の減衰時間以内の周期の周波数で強度変調された電流を前記半導体レーザに供給するように構成されていることが好ましい。

ここで、「緩和振動の減衰時間」とは、半導体レーザに対する供給電流を急激に変化させることにより、発光に至る遅れ時間や供給電流（キャリア）の過渡的不均一に起因して非定常な発光現象が発生している間の時間をいう。そして、この緩和振動の減衰時間内においては、半導体レーザのキャリア濃度が定常状態に比べて大きいため、発振可能な波長帯域が広くなる結果、波長の異なる複数のレーザ光を同時発振することが可能となる（多モード発振）。

そして、上記構成によれば、緩和振動の減衰時間以内の周期の周波数で強度変調された電流を供給するようにしているので、半導体レーザに前記多モード発振を行わせて、波長の異なる複数のレーザ光を同時に発振させることができる。

前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記シリコン半導体薄膜の表面で反射した赤外光を前記反射光強度検出手段の検出範囲内に導く一方、前記基材の裏面で反射した赤外光を前記反射光強度検出手段の検出範囲の外側に導くための導光手段をさらに備えていることが好ましい。

この構成によれば、結晶性評価に不要な基材の裏面で反射した赤外光を反射光強度検出手段の検出対象から除外することができるので、結晶性評価の精度をより向上させることができる。

前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記導光手段は、前記シリコン半導体薄膜の表面に焦点が設定され、当該シリコン半導体薄膜の表面からの反射光を前記反射光強度検出手段の検出範囲内に導くことが可能なレンズを備え、このレンズは、前記赤外光放射手段から放射された赤外光を前記シリコン半導体薄膜の表面に集光する前記集光照射手段としても兼用されることが好ましい。

この構成によれば、シリコン半導体薄膜の表面に赤外光を集光することと、同表面からの反射光を前記反射光強度検出手段の検出範囲内に導くことを共通のレンズを用いて行うことができる。

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。

一方、本発明における前記赤外光放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を用いても容易かつ正確に照射径を１０μｍ以下として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。

前記赤外光には、例えば波長に１０ｎｍ以上の広がりを持つ広帯域のものも含まれる。このような広帯域の赤外光を採用した場合には、これよりも狭い帯域の赤外光を採用した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に照射される赤外光と当該半導体薄膜下の基材の底面で反射した赤外光とが互いに干渉して、前記基材の厚みに応じた反射率変動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。

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。

さらに、本発明によれば、単一波長の赤外光の反射光強度のみで結晶性の評価を行う場合と比較して、基材の厚み寸法にバラつきがあっても精度の高い結晶性評価を行うことができる。

以下に、本発明を更に具体的に説明する。

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。

図１に示した結晶性評価装置は、基材５ｂの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る。ここで、結晶性評価の対象となるシリコン半導体薄膜５ａは、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の厚みのポリシリコンからなるシリコン半導体薄膜や、数μｍ以下の厚みの単結晶シリコンからなるシリコン半導体薄膜がその典型例として挙げられる。

そして、結晶性評価装置は、前記基材５ｂを支持する基材ステージ１７と、励起光照射手段と、赤外光放射手段と、集光照射手段と、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。

この実施の形態では、前記基材５ｂには厚み０．５ｍｍの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はコントローラ１６の制御下で水平方向に駆動される。

前記励起光照射手段は、前記基材ステージ１７上の基材５ｂに形成されたシリコン半導体薄膜５ａの表面の所定の照射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。

前記励起レーザ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、その瞬時的な光強度が大きい方が、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。

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５ｂ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。

前記赤外光放射手段は、赤外光を放射するためのものであり、この実施の形態では半導体レーザ１０が具備されている。この半導体レーザ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ものが用いられる。

また、赤外光放射手段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）を赤外光放射手段として採用すれば、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の厚みに応じた反射率変動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。

本実施形態では、前記半導体レーザ１０に対し高周波パルス電流を供給するための高周波パルス電源（電流供給手段）１８を備えている。高周波パルス電源１８は、周波数２００ＭＨｚの高周波パルス電流を半導体レーザ１０に急激に供給することにより、半導体レーザ特有のモードホップ現象を生じさせるようになっている。つまり、高周波パルス電流が供給されることにより、半導体レーザ１０は、図４の（ａ）に示す通常の発振状態である単モード発振から、図４の（ｂ）に示すように波長の異なる複数（７種）の赤外光を同時に放射する多モード発振へ遷移する。

前記集光照射手段は、前記赤外光放射手段から放射された赤外光を集光して前記照射領域内に照射するためのものであり、本実施形態においては、ビーム調整器１１と、ビームスプリッタ１２と、前記集光レンズ４とを含んでいる。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、半導体レーザ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を通った赤外光を基材５ｂ側に反射させる。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。その照射径は適宜設定可能であるが、例えば５μｍ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。

なお、検出信号の強度は、励起光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。

前記反射光強度検出手段は、前記集光照射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又は基材５ｂにおいて反射された反射光であって、前記半導体レーザ１０から放射された複数種の赤外光のうちの少なくとも２種の赤外光を含む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。

前記タイミング検出手段は、励起レーザ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。

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。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。

詳しくは後述するが、前記信号処理装置９は、アンプ８から出力された検出信号に基づいて、半導体レーザ１０から放射された波長の異なる２以上の赤外光に対応するシリコン半導体薄膜５ａからの反射光の平均的強度や強度の総和に基づいて結晶性評価のためのデータを作成するようになっている。

前記信号波形は、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。

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５ｂ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。

次に、この装置の作用を説明する。

前記励起レーザ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５ｂ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。

一方、半導体レーザ１０からは、図４の（ｂ）に示すように波長の異なる複数種の赤外光が放射されており、これら赤外光は、それぞれ前記ビーム調整器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。

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。

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。

ここで、赤外光の反射率は、図５に示すように、基材５ｂの厚み寸法の増減に伴い周期的に変化することになる。つまり、シリコン半導体薄膜５ａの表面で反射する赤外光と、基材５ｂの裏面で反射する赤外光との干渉が生じる結果、これら光路長の差、つまり基材５ｂの厚み寸法の変化に伴い反射光強度は周期的に変化する。したがって、１の波長の赤外光のみを放射してその反射光強度を検出するようにした場合には、基材５ｂの厚み寸法により検出結果が受ける影響が大きい。具体的には、１μｍ以下の基材５ｂの厚み寸法の誤差であっても、反射光強度が２０％以上変動することが判明している。

そこで、本実施形態では、図４の（ｂ）に示すように、半導体レーザ１０から波長の異なる複数種の赤外光を同時に放射するようにしている。したがって、この場合における反射光強度は、図６に示すように、波長の異なる赤外光ごとに異なるものとなる。なお、図６において、実線は波長が１．５５０μｍの赤外光の反射光強度を示したもの、二点鎖線は波長が１．５４９μｍの赤外光の反射光強度を示したもの、破線は波長が１．５５１μｍの赤外光の反射光を示したものである。このように、波長の異なる複数の赤外光を放射した場合には、基材５ｂの厚み寸法の誤差により１の波長の赤外光の反射光強度が大きく影響を受けた場合であっても、他の波長の赤外光の反射光強度により補間することができるので、基材５ｂの厚み寸法により受ける反射光強度の影響を小さくすることができる。

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。

一方、ビームスプリッタ３は励起レーザ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。

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。

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。

なお、本実施例では、励起レーザ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。

一方、赤外光放射手段としては、半導体レーザ１０として波長１．５５μｍの赤外光を放射するものを用いた。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。

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。

前記一連の構成の装置による評価結果を図２に示す。

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。

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。

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。

図７は、本発明の別の実施形態を示す一部拡大図である。なお、上記実施形態と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態では、導光手段としての仕切り板１９及びレンズ２０をさらに備えている。仕切り板１９は、前記ビームスプリッタ１２と光検出器１３との間に設けられている。この仕切り板１９には厚み方向に貫通するピンホール１９ａが設けられている。一方、レンズ２０は、仕切り板１９と前記ビームスプリッタ１２との間に設けられ、前記シリコン半導体薄膜５ａの表面で反射した赤外光Ｌ３を前記ピンホール１９ａを通して光検出器１３に導くとともに、前記基材５ｂの裏面で反射した赤外光Ｌ４を前記ピンホール１９ａの外側へ導くようになっている。また、本実施形態における集光レンズ４は、その焦点がシリコン半導体薄膜５ａの表面に設定され、導光手段及び集光照射手段として兼用されている。

この実施形態の作用を説明すると、半導体レーザ１０から放射された赤外光は、ダイクロイックミラー６で反射して、集光レンズ４によりシリコン半導体薄膜５ａの表面に集光される。このシリコン半導体薄膜５ａの表面で反射した赤外光Ｌ３は、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を通り、レンズ２０により集光される結果、前記ピンホール１９ａを通過して光検出器１３に導かれる。一方、前記シリコン半導体薄膜５ａ及び基材５ｂを透過した赤外光Ｌ４は、当該基材５ｂの裏面で反射して前記集光レンズ４及びビームスプリッタ１２を通り、レンズ２０によりピンホール１９ａの外側に導かれる。

なお、前記実施形態では、高周波電流の供給によって波長の異なる複数種の赤外光を同時に放射し、これら赤外光の反射光の平均的強度や強度の総和に基づいて結晶性を評価するようにしているが、低周波電流の供給により時間の経過とともに赤外光の波長を変化させることも可能であり、この場合には所定時間内に得られた反射光強度を平均して用いることによっても、前記基材５ｂの裏面で反射した赤外光との干渉の影響を小さくすることができる。

図８は、本発明のさらに別の実施形態に係るシリコン半導体の結晶性評価装置の全体構成の一例を示している。なお、前記実施形態に係る結晶性評価装置と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態では、前記励起レーザ１として紫外半導体レーザ（３９０ｎｍ、３０ｍＷ）を用い、この励起レーザ１への供給電流を変調器２４により変調することによって、例えば、１０ｋＨｚの周波数によって励起光の強度が変調されている。

また、本実施形態では、半導体レーザ１０に対し高周波パルス電流を供給するための前記高周波パルス電源１８に代えて、半導体レーザ１０に交流電流を供給するための交流電源２１及びバイアス電源２２を備えている。交流電源２１は、１ＭＨｚの周波数Ｔ１の電流を半導体レーザ１０に供給する。その結果、図９に示すように、シリコン半導体薄膜５ａで反射された赤外光も、周波数Ｔ１で変化する強度として得ることができる。なお、同図の反射光強度には細かな変動が生じているが、これは、前記交流電流が供給されることにより半導体レーザ１０から放射される赤外光の波長が時間とともに変化し、この波長と基材５ｂの厚み寸法との関係で、上述の図５に示すように干渉の影響が生じているためである。

そして、シリコン半導体薄膜５ａからの反射光は、光検出器１３により検出されて電気信号として出力され、この電気信号は、前記アンプ８及びフィルタ２５を通してロックインアンプ２６に送られる。前記フィルタ２５は、図９に示す反射光強度のうち１ＭＨｚ以上の周波数成分をカットして、同図の破線で示す反射光強度Ｓとする平均化処理を行うことが可能とされている。なお、この反射光強度Ｓには、励起光に起因する周波数成分（１０ｋＨｚ）が含まれているため、この周波数成分を抽出することによって、励起光による赤外光の反射率変化を測定することができる。前記ロックインアンプ２６は、前記光検出器７から出力された変調信号を参照信号として特定の周波数成分（１０ｋＨｚ）の信号に基づきシリコン半導体薄膜５ａの結晶性評価のためのデータを作成するようになっている。つまり、本実施形態では、フィルタ２５及びロックインアンプ２６がデータ作成手段の一例を構成している。

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。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。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。半導体レーザの放射状態を示すグラフであり、（ａ）は単モード発振、（ｂ）は多モード発振の状態をそれぞれ示している。基材厚みと反射率との関係を示すグラフである。波長の異なる３の赤外光の反射率を示すグラフである。本発明の別の実施形態を示す一部拡大図である。本発明のさらに別の実施形態に係るシリコン半導体の結晶性評価装置の全体構成の一例を示している。高周波電流を半導体レーザに供給したときにおける反射光強度を示すグラフである。

符号の説明

１励起レーザ
４集光レンズ
５ａシリコン半導体薄膜
５ｂ基材
９信号処理装置
１０半導体レーザ
１３光検出器
１８高周波パルス電源
１９ａピンホール
２０レンズ
２１交流電源
２５フィルタ
２６ロックインアンプ

Claims

光透過性を有する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照射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、
波長の異なる複数種の赤外光を放射することが可能な赤外光放射手段と、
前記赤外光放射手段から放射された赤外光を集光した状態で前記照射領域内に照射する集光照射手段と、
前記集光照射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又は基材において反射された反射光であって、前記複数種の赤外光の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を作成するデータ作成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。
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、前記赤外光放射手段は、赤外光を放射する半導体レーザと、この半導体レーザに強度変調された電流を供給することにより、当該半導体レーザに波長の異なる複数種の赤外光を照射させることが可能な電流供給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。
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、前記電流供給手段は、前記半導体レーザにおける緩和振動の減衰時間以内の周期の周波数で強度変調された電流を前記半導体レーザに供給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。
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の表面で反射した赤外光を前記反射光強度検出手段の検出範囲内に導く一方、前記基材の裏面で反射した赤外光を前記反射光強度検出手段の検出範囲の外側に導くための導光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。
請求項４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、前記導光手段は、前記シリコン半導体薄膜の表面に焦点が設定され、当該シリコン半導体薄膜の表面からの反射光を前記反射光強度検出手段の検出範囲内に導くことが可能なレンズを備え、このレンズは、前記赤外光放射手段から放射された赤外光を前記シリコン半導体薄膜の表面に集光する前記集光照射手段としても兼用され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。
請求項１〜５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、前記赤外光放射手段は波長に１０ｎｍ以上の広がりを持つ広帯域の赤外光を放射す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。