KR101465377B1 - μ-ＰＣＤ법을 사용한 박막 반도체의 결정성 평가 장치 - Google Patents

μ-ＰＣＤ법을 사용한 박막 반도체의 결정성 평가 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 관한 박막 반도체의 결정성 평가 장치(1) 및 결정성 평가 방법에서는, 박막 반도체(2a)의 시료(2)의 측정 부위에, 여기광 및 전자파가 조사되어, 시료(2)로부터의 반사 전자파의 강도를 검출함으로써, 시료(2)의 결정성이 평가된다. 그리고, 시료(2)의 박막 반도체(2a)는, 도전성막(2b) 상에 형성되어 있고, 시료(2)와 전자파가 방사되는 도파관(13) 사이에는, 여기광에 대하여 투명한 유전체(3)가 더 배치된다. 이로 인해, 이와 같은 구성의 박막 반도체의 결정성 평가 장치(1) 및 상기 방법은, 상술한 바와 같은 반도체 박막(2a) 아래에 도전성막(2b)이 형성되어 있는 경우라도 그 결정성의 평가를 행할 수 있다.

Description

μ-ＰＣＤ법을 사용한 박막 반도체의 결정성 평가 장치 {THIN-FILM SEMICONDUCTOR CRYSTALLINITY EVALUATION APPARATUS, USING M-PCD METHOD}
본 발명은, 박막 반도체의 결정성 평가 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 마이크로파 광도전 감쇠법(이하, μ-PCD법)을 사용하여, 예를 들어 실리콘 반도체 박막의 결정성을 평가하기 위해서 적절하게 실시되는 박막 반도체의 결정성 평가 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근, 실리콘 등의 반도체 박막을 사용한 태양 전지의 개발이 활발히 행해지고 있다. 종래부터, 반도체 분야에서는, 불순물 오염이나 결함 평가를 위한 비접촉·비파괴 평가 방법으로서, 상기 μ-PCD법이 많이 사용되고 있다(예를 들어, 특허문헌 1의 실리콘 웨이퍼의 라이프 타임 측정 방법).
상기 μ-PCD법에서는, 반도체 시료에 전자기파가 조사되어, 이에 의해 상기 반도체 시료 중의 자유 전자가 상기 전자파의 전계에 의해 운동(이동)한다. 이 운동 상태는, 상기 반도체 시료 중의 불순물, 결함 등의 존재에 의해 영향을 받으므로, 상기 반도체 시료에 조사한 전자파의 반사파의 강도(조사파의 강도에 대한 변화)는, 상기 반도체 시료의 결정성의 지표로서 취급할 수 있다. 상기 μ-PCD법은, 이러한 메커니즘을 이용함으로써 반도체 시료의 결정성을 평가하고 있다. 그리고, 이 μ-PCD법에는, 게다가 그 반사파의 강도의 검출(측정)이 비파괴이면서 또한 비접촉이고, 지극히 단시간 중에 행할 수 있다는 이점이 있다.
그러나, 전자파(마이크로파)의 파장은, 수밀리미터 이상으로 길기 때문에, 미소 영역의 결정성을 평가할 수 없다는 문제가 있다. 또한, 반도체 시료가, 수㎚ 내지 수십㎚ 정도의 다결정 실리콘이나, 수㎛ 이하의 단결정 실리콘 등인 경우와 같이, 상기 반도체 시료의 두께가 얇은(박막 시료임) 경우, 전자파의 조사파에 대한 반사파의 강도의 변화(반도체 시료의 결정성에 기인하는 반사파의 강도 변화)는, 지극히 미소해지고, 이로 인해, 충분한 측정 감도, 즉 측정 정밀도를 확보할 수 없다는 문제가 있다. 한편, 측정 감도를 높이기 위해서 여기광의 강도를 지나치게 강하게 하면, 시료가 손상되어 버릴 우려가 있고, 또한 여기광의 광원이 비용 증가로 되어 버린다.
따라서, 본건 발명자들은, 특허문헌 2를 제안하고 있다. 이 종래 기술은, 상기 박막 시료에 그 밴드갭 이상의 에너지의 여기광을 집광하여 미소 영역에 조사함으로써, 시료 중의 미소 영역에 광 여기 캐리어를 발생시키고, 그 광 여기 캐리어의 전자파의 전계에 의한 운동을 상기 자유 전자의 운동 대신에 사용한다는 것이다. 이에 의해, 상기 여기광의 조사에 의해 변화되는 상기 반사파 강도를 검출하면, 그 검출 강도는, 시료의 미소 영역(여기광 조사 영역)의 결정성을 나타내는 지표가 되고, 그러한 박막의 시료의 평가가 가능하게 된다. 또한, 상기 여기광의 조사 영역이 미소 영역이므로, 상기 반사파의 강도 변화는 작고, 그 측정은 노이즈의 영향을 받기 쉬워지지만, 상기 여기광을 소정 주기로 강도 변조한 광으로 하고, 상기 반사광의 강도로부터 여기광의 강도 변조에 동기한 성분을 추출함으로써, 이 종래 기술에서는, 측정값으로부터 불필요한 주파수 성분(노이즈)이 제거되어 있다.
상기 특허문헌 2는, TFT 등, 미소 영역의 결정성을 평가할 수 있는 우수한 방법이지만, 지금까지의 μ-PCD법에서는, 평가 대상의 반도체 박막의 바로 아래에, 도전성막이 존재하는 경우에는, 반도체 박막 중에서 충분한 전계 강도를 얻을 수 없고, 상기 전계의 광 여기 캐리어와의 상호 작용도 약해져, 측정이 매우 곤란하다는 문제가 있다. 구체적으로는, 태양 전지에 있어서, 특히 저비용인 아몰퍼스 실리콘이나 미결정 실리콘을 사용하는 경우, 글래스 기판에 이면(보톰) 전극을 형성한 후에 반도체 박막을 형성하므로, 상기 보톰 전극이 상기 도전성막으로 된다. 이와 같은 문제가, 보톰 게이트 구조를 채용한 FPD(플랫 패널 디스플레이) 분야에서도 발생한다.
일본 특허 출원 공개 제2007-48959호 공보 일본 특허 출원 공개 제2008-51719호 공보
본 발명은, 상술한 사정을 감안하여 이루어진 발명이고, 그 목적은, μ-PCD법으로 반도체 박막의 결정성을 평가할 때에, 반도체 박막 아래에 도전성막이 형성되어 있는 경우에도 평가를 행할 수 있는 박막 반도체의 결정성 평가 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 관한 박막 반도체의 결정성 평가 장치 및 결정성 평가 방법에서는, 박막 반도체 시료의 측정 부위에, 여기광 및 전자기파가 조사되고, 상기 시료로부터의 반사 전자기파의 강도를 검출함으로써, 상기 시료의 결정성이 평가된다. 그리고, 상기 시료의 상기 박막 반도체는, 도전성막 상에 형성되어 있고, 상기 시료와 상기 전자파 조사부 사이에는, 상기 여기광에 대하여 투명한 유전체가 더 배치된다. 이로 인해, 이와 같은 구성의 박막 반도체의 결정성 평가 장치 및 그 방법은, 상술한 바와 같은 반도체 박막 아래에 도전성막이 형성되어 있는 경우라도 그 결정성의 평가를 행할 수 있다.
상기 및 그 외의 본 발명의 목적, 특징 및 이점은, 이하의 상세한 기재와 첨부 도면으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 제1 실시 형태에 관한 박막 반도체의 결정성 평가 장치의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는 금속제 스테이지에 마이크로파를 조사한 경우의 정재파의 모습을 도시하는 도면이다.
도 3은 시료로의 조사 마이크로파의 반사파 강도로부터 결정성 평가를 행하는 경우에, 본 실시 형태에서 사용하는 유전체의 유전율과 두께를 변화시킨 경우의 반사 마이크로파의 강도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 상기 시료의 표면과, 유전체의 표면에 의한 마이크로파의 반사의 모습을 도시하는 도면이다.
도 5는 반도체로의 여기광 조사에 의한 광 여기 캐리어의 밀도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 제2 실시 형태에 관한 박막 반도체의 결정성 평가 장치의 구성을 도시하는 블록도이다.
이하, 본 발명에 관한 실시의 일 형태를 도면에 기초하여 설명한다. 또한, 각 도에 있어서 동일한 번호를 부여한 구성은, 동일한 구성인 것을 나타내고, 적절하게 그 설명을 생략한다.
(제1 실시 형태)
도 1은, 제1 실시 형태에 관한 박막 반도체의 결정성 평가 장치(1)의 구성을 도시하는 블록도이다. 본 실시 형태의 평가 장치(1)는, 기본적으로 전술한 μ-PCD법을 사용하여 반도체의 결정성을 평가하는 것이고, 후술하는 바와 같이, 시료(2)에 유전체(3)를 겹침으로써, 상기 시료(2)로서, 글래스 기판(두께 수㎜)(2c) 상에 도전막(2b) 및 박막 반도체(2a)(두께 수㎛ 정도)가 성막된 것을 평가할 수 있다. 그러한 시료(2)로서, 예를 들어 보톰 전극이 형성된 태양 전지나, 보톰 게이트 구조를 채용한 FPD를 들 수 있다. 한편, 상기 유전체(3)를 개재하지 않으므로써, 이 평가 장치(1)는, 반도체 웨이퍼 등의 통상적인 평가도 가능하다.
이와 같은 평가 장치(1)는, 예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같이, 마이크로파 발진기(11)와, 도파관(12, 13, 14)과, 방향성 결합기(15)와, 스테이지(16)와, 자외 여기 광원(17)과, 검출기(18)와, 퍼스널 컴퓨터(19)와, 상기 유전체(3)를 구비하고 있다.
전자파 조사부의 일례인 마이크로파 발진기(11)로부터 방사된 마이크로파는, 도파관(12)으로부터 방향성 결합기(15) 및 도파관(13)을 전파하고, 스테이지(16) 상의 시료의 측정 부위로 조사된다. 도파관(13)의 선단으로부터 시료에 조사된 마이크로파는, 상기 시료의 표면에서 반사하여, 다시 도파관(13)에 입사된다. 이 마이크로파의 조사 영역보다 협소한 영역에는, 여기광 조사부의 일례인 자외 여기 광원(17)으로부터, 상기 시료의 반도체의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 자외 여기광이 조사된다. 그 자외 여기광이 조사되고 있는 동안에는, 반도체 중에 광 여기 캐리어가 발생하여, 일시적으로 마이크로파의 반사율이 증가한다. 그 반사 마이크로파는, 다시 도파관(13)으로부터 방향성 결합기(15)를 경유하여 도파관(14)으로 유도되고, 검출부의 일례인 검출기(18)로 검출된다. 검출기(18)의 검파 신호는, 평가부의 일례인 퍼스널 컴퓨터(19)로 전송된다.
이렇게 해서, 상기 자외 여기광의 조사에 의해 반도체 중에 발생한 광 여기 캐리어는, 전자파(마이크로파)의 전계에서 운동(이동)하고, 그 운동 상태는, 반도체 중의 불순물, 결함 등의 존재에 의해 영향을 받는다. 이로 인해, 이와 같은 구성의 평가 장치(1)는, 검출기(18)로, 시료(2)로부터의 반사 마이크로파의 강도를 검출하고, 퍼스널 컴퓨터(19)로 해석함으로써, 상기 반도체의 결정성을 평가할 수 있다. 또한 그 반사파 강도의 검출(측정)은, 비파괴이면서 또한 비접촉이고, 지극히 단시간 중에 행할 수 있다. 그 때, 퍼스널 컴퓨터(19)가, XY 테이블 등을 구비하여 구성되는 스테이지(16)의 위치를 제어함으로써, 시료(2)에 있어서의 소정의 범위의 결정성을 판정하는 매핑 측정도 가능하다.
그런데, 도 2의 (A)에 도시한 바와 같이, 금속제 스테이지(21)의 표면(21a)에 마이크로파를 조사하면, 참조 부호 22로 나타낸 바와 같이, 그 표면(21a)을 마디로 하는 정재파가 형성된다. 따라서, 도 2의 (B)에 도시한 바와 같이, 이 금속 스테이지(21) 상에 얇은 샘플(23)을 두었을 경우, 그 표면에 있어서의 정재파의 전계 진폭 W1이 작으므로, 광 여기 캐리어와의 상호 작용이 약해지고, 신호 강도가 작아, 실질적으로 검출할 수 없다. 이에 비해, 두꺼운 샘플(24)(마이크로파의 파장을 λ로 하는 경우에 그 두께의 최적값은 λ/4임)의 경우는, 도 2의 (C)에 도시한 바와 같이, 비교적 전계 진폭 W2가 커지고, 신호도 커진다. 즉, 상대적으로 두꺼운 샘플(24)인 경우에 있어서의 전계 진폭 W2는, 상대적으로 얇은 샘플(23)인 경우에 있어서의 전계 진폭 W1 보다 커지고, 신호도 커진다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 전술한 바와 같은 μ-PCD법을 사용하여 결정성의 평가를 행할 때에, 박막 반도체(2a)가 도전막(2b) 상에 형성된 시료(2)인 경우에는, 유전체(3)를 시료(2)의 박막 반도체(2a) 상에 겹쳐서 측정을 행한다. 유전체(3)는, 상기 자외 여기광에 대하여 투명하다.
이와 같이 구성함으로써, μ-PCD(반사 마이크로파 광도전 감쇠)법을 이용하여 반도체의 결정성을 평가할 때에, 자외 여기광에 의한 광 여기 캐리어의 발생이 유전체(3)에 의해 저해되는 일이 없고, 유전체(3) 없이는 감도가 없으므로 평가 불가능했던 시료(2)를, 고감도로 평가하는 것이 가능해진다. 또한, 마이크로파의 조사 공간과 시료(2) 사이, 즉 공기-실리콘 사이에, 중간적인 임피던스를 갖는 매질[(유전체(3)]을 삽입함으로써, 마이크로파에 대한 임피던스의 급격한 변화를 피할 수 있어(임피던스가 정합), 파워 전달 효율이 향상된다.
그리고, 유전체(3)의 유전율을 ε으로 하고, 조사 전자파의 파장을 λ로 하는 경우에, 유전체(3)의 두께 d는, 다음 수학식 1의 관계로 하는 것이 바람직하다.
Figure 112013034499513-pct00001
도 3은, 시료(2)로의 조사 마이크로파의 반사파의 강도로부터 결정성 평가를 행하는 경우에, 본 실시 형태에서 사용하는 유전체(3)의 유전율과 두께를 변화시킨 경우의 반사 마이크로파의 강도 변화를 나타내는 그래프이다. 보다 구체적으로는, 본건 발명자의 시뮬레이션 결과가, 도 3에 나타나 있다. 이 시뮬레이션은, 마이크로파의 주파수가 26㎓이며, 유전체(3)의 유전율 ε이 7.5 및 9.0인 각각의 경우에 대해서 행해지고 있다. 이 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 유전체(3)의 두께 d가 상술한 수학식 1을 만족시키는 경우에, 상기 유전체(3)의 표면이 반사 마이크로파의 진폭의 배의 위치로 되므로, 상기 반사 전자파의 감도가 최대가 된다.
또한, 상기 조건으로 함으로써, 도 4에서 도시한 바와 같이, 유전체(3)의 표면(3d)에서 반사하는 마이크로파(3f)와, 시료(2)의 표면(2d)에서 반사하는 마이크로파(2f)가, 마디와 배의 관계로 되어, 서로 상쇄된다. 유전체(3)의 계면(3d)에서의 반사는, 그 두께가 d=λ/4n(n:굴절률)인 경우에, 상기 계면(3d)에서의 반사파와 계면(2d)으로부터의 반사파가 간섭에 의해 서로 약해져, 최소로 된다. 이때, 공기로부터 유전체(3)로의 전자파의 에너지 투과율(에너지 전달 효율)은, 최대가 되고, 그 결과, 평가 대상막[박막 반도체(2a)]에, 보다 큰 전계를 넣을 수 있으므로, 신호 강도를 크게 할 수 있다.
상기 유전체(3)로서, 그 유전율이, 박막 반도체(2a)의 유전율(예를 들어 실리콘에서 11.7 내지 8)에 가까운 것일수록 감도가 향상되지만, 전술한 바와 같이, 자외 여기광에 흡수가 없는 유전체를 사용할 필요가 있다. 또한, 자외 여기광원(17)의 파장은, 박막 반도체(2a) 중에 효율적으로 여기광을 흡수시키기 위해, 상기 박막 반도체(2a)의 두께<침투 길이가 되는 파장을 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 고감도의 검출을 가능하게 하기 위해, 검출기(18)는, 차동 안테나 방식을 사용해도 된다.
또한, 평가부의 일례인 퍼스널 컴퓨터(19)는, 상기 결정성의 평가를, 검출부의 일례인 검출기(18)로, 반사 전자파의 강도의 피크값 Peak를 검출함으로써 행한다. 이것은, 상기 자외 여기광 조사에 의한 광 여기 캐리어의 밀도는, 도 5에 나타낸 바와 같이 변화되고, nsec 오더의 레이저 펄스 조사 기간 t0에 비해, 광 여기 캐리어의 라이프 타임τ가 ns 이하(피코초 오더)의 짧을 때, 캐리어의 소멸 시간이, 발생한 캐리어수에 근사하기 때문이다. 시각 t=0으로부터 조사를 개시하면, 캐리어 밀도가 증가하고, 상기 라이프 타임τ를 초과하는 충분한 시간이 경과하면, 여기광 조사에 의해 새롭게 발생하는 캐리어수와, 라이프 타임τ가 경과하여 재결합하여 소실되는 캐리어수가 균형(평형)을 이루게 되어, 캐리어 밀도는 일정해진다. 그 후, 시각 t=t0에서 여기광의 조사를 정지하면, 캐리어 밀도는, 상기 라이프 타임τ으로 감소해 간다.
보다 상세하게는, 캐리어 주입 속도(광 여기에 의한 전자-정공쌍의 발생 비율:단위 체적 및 단위 시간당)를 g로 하고, 라이프 타임을 상기 τ로 하는 경우에, 반도체층의 캐리어 밀도 p는, 하기 수학식 2를 풀어냄으로써 구해지고, 초기 조건 p=0, t=0이고, 하기 수학식 3으로 나타낼 수 있다[시간 t의 함수인 것을 명시한다면 p(t)라고 기재해도 됨].
Figure 112013034499513-pct00002
Figure 112013034499513-pct00003
그리고, 상기 캐리어 밀도 p의 피크값 Peak는, 레이저 펄스의 조사 종료 타이밍인 t=t0의 값이므로, 하기 수학식 4로 나타낼 수 있다.
Figure 112013034499513-pct00004
여기서, 전술한 바와 같이, τ≪t0이므로, Peak≒gτ이다. 따라서, g는 일정하므로, 라이프 타임 τ는, 하기 수학식 5로 된다(근사할 수 있음).
Figure 112013034499513-pct00005
따라서, 라이프 타임 τ가 ns 이하(피코초 오더)의 짧은 경우에는, 일반적으로 저렴한 기기를 사용하여 상기 라이프 타임 τ를 계측하는 것은 곤란하지만, 이와 같이 결정성의 평가값으로서, 라이프 타임 τ 대신에, peak값을 대용함으로써, 고비용 기기를 사용하는 일 없이 라이프 타임 τ를 평가하는 것이 가능해진다.
또한, 여기광 조사부의 일례인 자외 여기 광원(17)이, 시료(2)에 대하여 소정 주기로 강도 변조한 여기광을 조사하고, 평가부의 일례인 퍼스널 컴퓨터(19)가, 검출부의 일례인 검출기(18)로 검출된 반사 전자파의 강도 중에서, 상기 여기광의 강도 변조에 동기한 주기 성분을 추출(검출)하고, 그 검출 신호 강도에 기초하여 상기 시료의 결정성을 평가함으로써, 고감도의 계측 및 평가가 가능해진다. 특히, 여기광의 조사 영역이 미소 영역인 경우에는, 반사 전자파의 강도 변화는 작고, 노이즈의 영향을 받기 쉬우므로, 상기와 같은 변조 여기 및 동기 검파에 의해, 측정값으로부터 불필요한 주파수 성분(노이즈)이 제거되어, 적합하다. 또한, 반도체 레이저를 자외 여기 광원(17)으로서 사용할 수 있으므로, 저비용화에 유리한 동시에 안정성의 면에서도 유리하다.
(제2 실시 형태)
도 6은, 제2 실시 형태에 관한 박막 반도체의 결정성 평가 장치(31)의 구성을 도시하는 블록도이다. 제2 실시 형태의 평가 장치(31)는, 전술한 제1 실시 형태에 있어서의 평가 장치(1)에 유사하고, 대응하는 부분에는 동일한 참조 번호를 부여하여 나타내어, 그 설명을 생략한다. 여기서, 이 평가 장치(31)에서는, 제1 실시 형태에 있어서의 유전체(3) 대신에, 유전체(33)가 도파관(13)의 선단에 설치되어 있고, 유전체(33)와 시료(2) 사이에, 미소 간격 d를 두고 측정이 행해진다. 상기 미소 간격 d는, 예를 들어 유전체(33)의 유전율 ε이 5.5이고, 50㎛정도이다. 즉, 상기 미소 간격 d는, 조사 마이크로파가, 이 미소 간격 d를 느끼지 않을(전파에 영향을 미치지 않음) 정도에서, 큰 거리로 선택된다.
따라서, 상기 미소 간격 d를 형성함으로써, 시료(2)에 완전히 비접촉으로 평가를 행할 수 있다. 또한, 유전체(33)는, 시료(2) 전체의 크기가 아니라, 보다 작은 상기 유전체(33)가 설치되는 도파관(13)의 크기로 형성되면 되어, 휨을 작게 하고, 상기 미소 간격 d를 작게 할 수 있다.
본 명세서는, 상기와 같이 여러가지 형태의 기술을 개시하고 있지만, 그 중 중요한 기술을 이하에 정리한다.
일 형태에 관한 박막 반도체의 결정성 평가 장치는, 박막 반도체 시료의 측정 부위에 대하여, 상기 박막 반도체의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 여기광을 조사하는 여기광 조사부와, 상기 여기광의 조사 위치에 전자파를 조사하는 전자파 조사부와, 상기 여기광의 조사에 의해 변화되는, 상기 시료로부터의 반사 전자파의 강도를 검출하는 검출부와, 상기 검출부의 검출 결과에 기초하여 상기 시료의 결정성을 평가하는 평가부를 구비하는 박막 반도체의 결정성 평가 장치이며, 상기 시료의 상기 박막 반도체는, 도전성막 상에 형성되고, 상기 시료와 상기 전자파 조사부 사이에 배치되어, 상기 여기광에 대하여 투명한 유전체를 더 구비한다.
또한, 다른 일 형태에 관한 박막 반도체의 결정성 평가 방법은, 박막 반도체 시료의 측정 부위에 대하여, 상기 박막 반도체의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 여기광을 조사하고, 상기 여기광의 조사에 맞추어, 그 조사 위치에 전자파를 조사하고, 상기 여기광의 조사에 의해 변화되는, 상기 시료로부터의 반사 전자파의 강도를 검출하고, 상기 검출 결과에 기초하여 상기 시료의 결정성을 평가하는 박막 반도체의 결정성 평가 방법이며, 상기 시료의 상기 박막 반도체는, 도전성막 상에 형성되고, 상기 시료와 상기 전자파 조사부 사이에, 상기 여기광에 대하여 투명한 유전체를 배치한다.
소위 μ-PCD법을 사용함으로써 반도체의 결정성을 평가하는 반도체의 결정성 평가 장치 및 상기 방법에서는, 반도체의 시료에 있어서의 측정 부위에 대하여, 상기 반도체의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 여기광이 조사되는 동시에, 그 여기광의 조사 위치에 전자파가 조사되고, 상기 여기광의 조사에 의해 변화되는, 시료로부터의 반사 전자파 강도가 검출되고, 그 검출 결과에 기초하여 상기 시료의 결정성이 평가된다. 그리고, 상기 시료의 반도체는 박막 반도체이고, 그 박막 반도체가 도전성막 상에 형성되는 경우에는, 상기 시료와 상기 전자파 조사부 사이에, 상기 여기광에 대하여 투명한 유전체가 배치된다.
여기서, 반도체에, 그 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 여기광을 조사하면, 반도체 중에 광 여기 캐리어가 발생하고, 그 광 여기 캐리어는, 전자파의 전계에서 운동(이동)한다. 그리고, 그 운동 상태는, 시료 중의 불순물, 결함 등의 존재에 의해 영향을 받는다. 이로 인해, 반도체 시료에 조사한 전자파의 반사파의 강도(조사파의 강도에 대한 변화)는, 시료의 결정성의 지표가 된다. 또한 그 반사파의 강도의 검출(측정)은, 비파괴이면서 또한 비접촉이고, 지극히 단시간 중에 행할 수 있다. 이러한 상기 μ-PCD법을 사용하는 경우에, 금속제의 스테이지 표면에 마이크로파를 조사하면, 그 표면을 마디로 하는 정재파가 형성된다. 따라서, 상기 스테이지 상에 두께가 얇은 샘플을 두었을 경우, 그 표면에 있어서의 정재파의 전계 진폭이 작으므로, 광 여기 캐리어와의 상호 작용이 약해져, 신호 강도가 작다. 한편, 상기 스테이지 상에 두께가 두꺼운 샘플을 두었을 경우(그 두께의 최적값은 λ/4임), 비교적 전계 진폭이 커져, 신호도 커진다.
따라서, 상기 결정성 평가 장치 및 상기 방법에서는, 상기 반도체가 박막이며, 또한 태양 전지에 있어서의 보톰 전극 등, 그 박막 반도체가 도전성막 상에 형성되는 경우에, 상기 시료의 박막 반도체와 상기 전자파 조사부 사이에, 상기 여기광에 대하여 투명한 유전체가 설치된다. 이에 의해, 상기 구성의 결정성 평가 장치 및 상기 방법은, 여기광에 의한 광 여기 캐리어의 발생을 유전체에 의해 저해되는 일 없이, 유전체 없이는 감도가 없어 평가 불가능했던 시료까지, 고감도로 평가할 수 있다.
또한, 전자파의 조사 공간과 시료 사이, 즉 공기-실리콘 사이에, 중간적인 임피던스를 갖는 매질로서 유전체가 삽입되므로, 전자파에 대한 임피던스의 급격한 변화를 피할 수 있어(임피던스가 정합), 파워 전달 효율이 향상된다.
또한, 다른 일 형태에서는, 상술한 박막 반도체의 결정성 평가 장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 유전체의 유전율을 ε으로 하고, 두께를 d로 하고, 조사 전자파의 파장을 λ로 하는 경우에, d=λ/4(ε)1/2의 관계에 있다.
이와 같은 구성의 결정성 평가 장치는, 박막 반도체로의 파워 전달 효율을 최대화할 수 있다.
또한, 다른 일 형태에서는, 이들 상술한 박막 반도체의 결정성 평가 장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 평가부는, 상기 검출부에 의한 상기 반사 전자파의 강도의 피크값을 검출함으로써 결정성을 평가한다.
이와 같은 구성의 결정성 평가 장치로는, 상기 광 여기 캐리어의 라이프 타임 τ가 ns 이하(피코초 오더)의 짧은 경우에, 일반적으로 저렴한 기기를 사용하여 상기 라이프 타임 τ를 계측하는 것은 곤란하지만, 여기 펄스폭≫라이프 타임 τ인 경우에, 라이프 타임 τ는, τ∝Peak값이 된다(Peak값에 근사함).
따라서, 이와 같은 구성의 결정성 평가 장치는, 결정성의 평가값으로서, 라이프 타임 τ 대신에, peak값을 대용함으로써, 고비용 기기를 사용하는 일 없이 라이프 타임 τ를 평가할 수 있다.
또한, 다른 일 형태에서는, 이들 상술한 박막 반도체의 결정성 평가 장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 유전체는, 상기 시료 상에 미소 간격을 두고 배치된다.
이와 같은 구성의 결정성 평가 장치는, 시료에 완전히 비접촉으로 평가를 행할 수 있다.
또한, 다른 일 형태에서는, 이들 상술한 박막 반도체의 결정성 평가 장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 전자파 조사부는, 상기 전자파를 상기 여기광의 조사 위치로 유도하는 도파관을 구비하고, 상기 유전체는, 상기 전자파 조사부의 상기 도파관의 선단에 설치되어 있다.
이와 같은 구성의 결정성 평가 장치는, 유전체가 시료 전체의 크기가 아니라, 보다 작은 상기 유전체가 설치되는 도파관의 크기로 형성되면 되어, 휨을 작게 하고, 상기 미소 간격을 작게 할 수 있다.
또한, 다른 일 형태에서는, 이들 상술한 박막 반도체의 결정성 평가 장치에 있어서, 바람직하게는, 상기 여기광 조사부는, 상기 시료에 대하여 소정 주기로 강도 변조한 여기광을 조사하고, 상기 평가부는, 상기 검출부에서 검출된 반사 전자기파의 강도 중에서, 상기 여기광의 강도 변조에 동기한 주기 성분을 추출하고, 그 검출 신호 강도에 기초하여 상기 시료의 결정성을 평가한다.
이와 같은 구성의 결정성 평가 장치에서는, 상기 특허문헌 1과 같은 변조 여기 및 동기 검파에 의해, 고감도의 계측·평가가 가능해진다. 특히, 여기광의 조사 영역이 미소 영역인 경우에는, 반사 전자파의 강도 변화는 작고, 노이즈의 영향을 받기 쉬우므로, 상기 변조 여기 및 동기 검파에 의해, 측정값으로부터 불필요한 주파수 성분(노이즈)을 제거할 수 있어 적합하다.
본 출원은, 2010년 9월 22일에 출원된 일본 특허 출원 공개 제2010-211524호 공보를 기초로 하는 것이며, 그 내용은, 본원에 포함되는 것이다.
본 발명을 표현하기 위해, 상기에 있어서 도면을 참조하면서 실시 형태를 통해 본 발명을 적절하고 또한 충분히 설명했지만, 당업자라면 상술한 실시 형태를 변경 및/또는 개량하는 것은 용이하게 할 수 있는 것이라고 인식해야 한다. 따라서, 당업자가 실시하는 변경 형태 또는 개량 형태가, 청구의 범위에 기재된 청구항의 권리 범위를 이탈하는 레벨의 것이 아닌 한, 당해 변경 형태 또는 당해 개량 형태는, 당해 청구항의 권리 범위에 포괄된다고 해석된다.
본 발명에 따르면, 박막 반도체의 결정성을 평가하는 결정성 평가 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.

Claims (7)

  1. 박막 반도체 시료의 측정 부위에 대하여, 상기 박막 반도체의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 여기광을 조사하는 여기광 조사부와,
    상기 여기광의 조사 위치에 전자파를 조사하는 전자파 조사부와,
    상기 여기광의 조사에 의해 변화되는, 상기 시료로부터의 반사 전자파의 강도를 검출하는 검출부와,
    상기 검출부의 검출 결과에 기초하여 상기 시료의 결정성을 평가하는 평가부를 구비하는 박막 반도체의 결정성 평가 장치에 있어서,
    상기 시료의 상기 박막 반도체는, 도전성막 상에 형성되고,
    상기 시료와 상기 전자파 조사부 사이에 배치되고, 상기 여기광에 대하여 투명한 유전체를 더 구비하고,
    상기 유전체의 유전율을 ε으로 하고, 두께를 d로 하고, 조사 전자파의 파장을 λ로 하는 경우에, d=λ/4(ε)1/2의 관계에 있는 것을 특징으로 하는, 박막 반도체의 결정성 평가 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 평가부는, 상기 검출부에 의한 상기 반사 전자파의 강도의 피크값을 검출함으로써 결정성을 평가하는 것을 특징으로 하는, 박막 반도체의 결정성 평가 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 여기광 조사부는, 상기 시료에 대하여 소정 주기로 강도 변조한 여기광을 조사하고,
    상기 평가부는, 상기 검출부에서 검출된 반사 전자파의 강도 중에서, 상기 여기광의 강도 변조에 동기한 주기 성분을 추출하고, 그 검출 신호 강도에 기초하여 상기 시료의 결정성을 평가하는 것을 특징으로 하는, 박막 반도체의 결정성 평가 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유전체는, 상기 시료 상에 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는, 박막 반도체의 결정성 평가 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전자파 조사부는, 상기 전자파를 상기 여기광의 조사 위치로 유도하는 도파관을 구비하고,
    상기 유전체는, 상기 전자파 조사부의 상기 도파관의 선단에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 박막 반도체의 결정성 평가 장치.
  6. 박막 반도체 시료의 측정 부위에 대하여, 상기 박막 반도체의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 여기광을 조사하고,
    상기 여기광의 조사에 맞추어, 그 조사 위치에 전자파를 조사하고,
    상기 여기광의 조사에 의해 변화되는, 상기 시료로부터의 반사 전자파의 강도를 검출하고,
    상기한 검출 결과에 기초하여 상기 시료의 결정성을 평가하는 박막 반도체의 결정성 평가 방법에 있어서,
    상기 시료의 상기 박막 반도체는, 도전성막 상에 형성되고,
    상기 시료와 상기 전자파 조사부 사이에, 상기 여기광에 대하여 투명한 유전체를 배치하고,
    상기 유전체의 유전율을 ε으로 하고, 두께를 d로 하고, 조사 전자파의 파장을 λ로 하는 경우에, d=λ/4(ε)1/2의 관계에 있는 것을 특징으로 하는, 박막 반도체의 결정성 평가 방법.
  7. 삭제
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