JP5882801B2 - 半導体結晶性評価装置および該方法 - Google Patents

Description

本発明は、膜状（層状）の薄い半導体（半導体膜）における結晶性を評価する半導体結晶性評価装置および半導体結晶性評価方法に関し、特にマイクロ波光導電減衰法を用いた半導体結晶性評価装置および半導体結晶性評価方法に関する。

近年のエレクトロニクスの発展により、様々な分野に半導体製品が活用されている。特に、近年では、半導体製品の製造に、例えばシリコン等の、膜状（層状）の薄い半導体（半導体膜）が活用されており、半導体製品の高性能化のために、このような半導体膜の品質管理が重要である。この半導体の品質を評価する指標の一つとして、半導体の結晶性が挙げられ、この半導体の結晶性を評価する手法の一つとして、マイクロ波光導電減衰法（μ−ＰＣＤ法）が知られている（例えば、特許文献１のシリコンウェハのライフタイム測定方法）。

このμ−ＰＣＤ法は、測定対象である半導体（半導体試料、被測定試料）に光を照射することによって過剰キャリア（光励起キャリア）を生成し、この過剰キャリアが前記半導体試料の物性によって決まるキャリア寿命で再結合して消滅する過程を、マイクロ波の反射率の時間変化または透過率の時間変化によって検出する方法である。過剰キャリアの生成は、半導体の導電率を増加させるため、光励起によって過剰キャリアの生成された半導体の部位（部分、領域）に照射されたマイクロ波は、その反射率または透過率が過剰キャリアの密度に対応して変化する。このμ−ＰＣＤ法は、この現象を利用することによってキャリア寿命を測定するものである。一方、前記過剰キャリアの再結合過程は、格子欠陥等の結晶格子における配列の乱れに依存する。このため、μ−ＰＣＤ法の測定結果は、結晶性を評価する結晶性の指標として扱うことができる。そして、このμ−ＰＣＤ法は、その反射波または透過波における強度を、非破壊かつ非接触で、さらに比較的短時間で、検出（測定）することができるという利点を有している。

一方、このμ−ＰＣＤ法では、それに用いられるマイクロ波の波長が数ミリ以上と比較的長いため、微小領域の結晶性を評価することが難しい。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、半導体試料の厚さが薄い（薄膜試料である）場合、マイクロ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、微小となってしまう。このため、従来のμ−ＰＣＤ法では、充分な測定感度、すなわち測定精度を確保することが難しい。一方、測定感度を高めるために励起光の強度を強くすることが考えられるが、充分な測定感度となる強度に何ら工夫せずに単に励起光の強度を上げると、半導体試料が損傷してしまう虞があり、さらに励起光の光源にコストがかかってしまう。

そこで、本件発明者は、特許文献２を提案している。この従来技術では、前記励起光は、所定周期で強度変調され光であり、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、ＳＮ比（signal-to-noise ratio）の向上が図られている。

特開２００７−４８９５９号公報 特開２００８−５１７１９号公報

ところで、前記特許文献２に開示の手法は、ＴＦＴ等、微小領域の結晶性を評価することができる優れたものであるが、従来のμ−ＰＣＤ法では、評価対象の半導体膜の直下に、導電性膜が存在する場合には、半導体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った。より具体的には、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が用いられる場合、ガラス基板に前記太陽電池の裏面（ボトム）電極を形成した上に半導体膜を形成するので、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フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）分野でも生じる。

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法で半導体膜の結晶性を評価する際に、半導体膜下に導電性膜が形成されている場合でも結晶性を評価することができる半導体結晶性評価装置および半導体結晶性評価方法を提供することである。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる半導体結晶性評価装置は、電気的な導電性を有する導電性膜上に形成された評価対象の半導体膜に向けて所定の励起光を照射する励起光照射部と、前記半導体膜に向けて波長λの電磁波を照射する電磁波照射部と、前記半導体膜で反射された前記電磁波の反射波における強度を検出する検出部と、前記検出部の検出出力に基づいて前記半導体膜の結晶性を評価する評価部と、前記励起光に対して透明である誘電体から形成され、互いに厚さの異なる複数の板状部材とを備え、前記複数の板状部材のうちの１つが誘電体板として、前記半導体膜における前記励起光および前記電磁波が照射される面側に配置され、前記誘電体板の厚さＤは、誘電率がεであって厚さがλ／（４×（ε）^１／２）である基準誘電体板を配置した際の前記検出部の検出出力をＬｍａｘとし、ネイピア数をｅとする場合に、前記検出部の検出出力がＬｍａｘ×１／ｅ以上となる範囲のうちのいずれかの値であることを特徴とする。

また、本発明の他の一態様にかかる半導体結晶性評価方法は、電気的な導電性を有する導電性膜上に形成された評価対象の半導体膜に向けて所定の励起光を照射する励起光照射工程と、前記励起光の照射に合わせて、前記半導体膜に向けて波長λの電磁波を照射する電磁波照射工程と、前記半導体膜で反射された前記電磁波の反射波における強度を検出する検出工程と、前記検出工程で検出された検出出力に基づいて前記半導体膜の結晶性を評価する評価工程とを備え、前記半導体膜における前記励起光および前記電磁波が照射される面側には、前記励起光に対して透明である誘電体から形成された互いに厚さの異なる複数の板状部材が配置されており、前記複数の板状部材のうちの１つが誘電体板として用いられ、前記誘電体板の厚さＤは、誘電率がεであって厚さがλ／（４×（ε）^１／２）である基準誘電体板を配置した際の前記検出工程の検出出力をＬｍａｘとし、ネイピア数をｅとする場合に、前記検出工程の検出出力がＬｍａｘ×１／ｅ以上となる範囲のうちのいずれかの値であることを特徴とする。

このような構成の半導体結晶性評価装置および半導体結晶性評価方法では、いわゆるμ−ＰＣＤ法を用いて半導体膜の結晶性が評価される。ここで、検出部の検出出力は、誘電率がεであって厚さがλ／（４×（ε）^１／２）である基準誘電体板を用いた場合に理論的には最大（最大値Ｌｍａｘ）となり、工学一般において、有意な測定値とされるＬｍａｘ×１／ｅ以上となる範囲のうちのいずれかの厚さを持つ誘電体板が、前記半導体膜における前記励起光および前記電磁波が照射される面側に用いられるので、前記半導体の他面側に導電性膜が形成されている場合でも、半導体膜の結晶性の評価が可能となる。

このような構成の半導体結晶性評価装置では、上記範囲を満たす互いに厚さの異なる複数の誘電体の板状部材が予め用意されているので、前記半導体膜に対して配置される前記誘電体板として用いる板状部材を容易に取り替えることができる。このため、このような構成の半導体結晶性評価装置は、前記誘電体板として用いる板状部材をその厚さを異ならせて順次に取り替えて評価することができるので、前記複数の板状部材に対して前記検出部の検出出力が最大となる誘電体板で前記半導体膜を評価することが可能であるから、より精度の高い評価結果を得ることができる。

また、上述したように、前記誘電体板の誘電率をεとし、その厚さをｄとし、照射電磁波の波長をλとする場合に、これらの間にｄ＝λ／（４×（ε）^１／２）の関係が成立している場合に、前記検出部の検出出力が最大（最大値Ｌｍａｘ）となる。しかしながら、実際の評価では、評価対象のばらつき等によって、ｄ＝λ／（４×（ε）^１／２）の関係が成立する誘電体板を用いたとしても、最大値Ｌｍａｘとならない場合もある。このような場合でも、上記構成の半導体結晶性評価装置は、前記複数の板状部材に対して前記検出部の検出出力が最大となる誘電体板で前記半導体膜を評価することが可能であるから、より精度の高い評価結果を得ることができる。

また、他の一態様では、上述の半導体結晶性評価装置において、前記電磁波照射部は、前記電磁波の波長を変更可能であり、前記電磁波照射部の前記電磁波の波長を制御する波長制御部をさらに備えることを特徴とする。

このような構成の半導体結晶性評価装置は、前記半導体膜に前記誘電体板を介して照射される電磁波の波長λを変更することができるので、前記電磁波の波長λを走査しながら評価することができる。このため、このような構成の半導体結晶性評価装置は、走査範囲に対して前記検出部の検出出力が最大となる波長λで前記半導体膜を評価することが可能であるから、より精度の高い評価結果を得ることができる。

このような構成の半導体結晶性評価装置では、互いに厚さの異なる複数の誘電体の板状部材が予め用意されているので、前記半導体膜に対して配置される前記誘電体板として用いる板状部材を容易に取り替えることができる。このため、このような構成の半導体結晶性評価装置は、前記誘電体板として用いる板状部材をその厚さを異ならせて順次に取り替えて評価することができるので、前記複数の板状部材に対して前記検出部の検出出力が最大となる誘電体板で前記試料を評価することが可能であるから、より精度の高い評価結果を得ることができる。

また、他の一態様では、上述の半導体結晶性評価装置において、前記電磁波照射部は、前記電磁波の波長を変更可能であり、前記電磁波照射部の前記電磁波の波長を制御する波長制御部をさらに備えることを特徴とする。

このような構成の半導体結晶性評価装置は、前記半導体膜に前記誘電体板を介して照射される電磁波の波長λを変更することができるので、前記電磁波の波長λを走査しながら評価することができる。このため、このような構成の半導体結晶性評価装置は、走査範囲に対して前記検出部の検出出力が最大となる波長λで前記半導体膜を評価することが可能であるから、より精度の高い評価結果を得ることができる。

また、本発明の他の一態様にかかる半導体結晶性評価装置は、電気的な導電性を有する導電性膜上に形成された評価対象の半導体膜に向けて所定の励起光を照射する励起光照射部と、前記半導体膜に向けて波長λの電磁波を照射し、前記電磁波の波長を変更可能である電磁波照射部と、前記半導体膜における前記励起光および前記電磁波が照射される面側に配置され、前記励起光に対して透明である誘電体から形成された互いに厚さの異なる複数の板状部材と、前記電磁波照射部の前記電磁波の波長を制御する波長制御部と、前記半導体膜で反射された前記電磁波の反射波における強度を検出する検出部と、前記検出部の検出出力に基づいて前記半導体膜の結晶性を評価する評価部とを備え、前記複数の板状部材のうちの１つが誘電体板として用いられ、前記誘電体板の厚さＤは、誘電率がεであって厚さがλ／（４×（ε） ^１／２ ）である基準誘電体板を配置した際の前記検出部の検出出力をＬｍａｘとし、ネイピア数をｅとする場合に、前記検出部の検出出力がＬｍａｘ×１／ｅ以上となる範囲のうちのいずれかの値であることを特徴とする。

このような構成の半導体結晶性評価装置は、前記半導体膜に誘電体板を介して照射される電磁波の波長λを変更することができるので、前記電磁波の波長λを走査しながら評価することができる。このため、このような構成の半導体結晶性評価装置は、走査範囲に対して前記検出部の検出出力が最大となる波長λで前記半導体膜を評価することが可能であるから、より精度の高い評価結果を得ることができる。

そして、上述したように、評価対象のばらつき等によって、ｄ＝λ／（４×（ε）^１／２）の関係が成立する誘電体板を用いたとしても、最大値Ｌｍａｘとならない場合でも、上記構成の半導体結晶性評価装置は、走査範囲に対して前記検出部の検出出力が最大となる波長λで前記半導体膜を評価することが可能であるから、より精度の高い評価結果を得ることができる。

本発明にかかる半導体結晶性評価装置および半導体結晶性評価方法は、μ−ＰＣＤ法で半導体膜の結晶性を評価する際に、半導体膜下に導電性膜が形成されている場合でも結晶性を評価することができる。

第１実施形態にかかる半導体結晶性評価装置の構成を示すブロック図である。 金属製の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。 誘電体板の誘電率別における誘電体板の厚さと反射マイクロ波の強度との関係を示すグラフである。 半導体の表面と、誘電体板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時間経過に伴う光励起キャリアの密度変化を示すグラフである。 第２実施形態にかかる半導体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実施形態にかかる半導体結晶性評価装置の構成を示すブロック図である。図２は、金属製の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。図２（Ａ）は、金属製のステージのみの場合を示し、図２（Ｂ）は、金属製のステージ上に比較的薄い誘電体板を載置した場合を示し、そして、図２（Ｃ）は、金属製のステージ上に比較的厚い誘電体板を載置した場合を示す。図３は、誘電体板の誘電率別における誘電体板の厚さと反射マイクロ波の強度との関係を示すグラフである。図３の横軸は、μｍ単位で示す誘電体の厚さであり、その縦軸は、ａ．ｕ．単位で示す信号強度である。■は、誘電率εが９．０である場合の計算値であり、△は、誘電率εが７．５である場合の計算値である。図４は、半導体の表面と、誘電体板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。図４の横軸は、励起光の照射開始を原点とする経過時間（Time）であり、その縦軸は、反射波の強度（Microwave Reflectivity）である。図５は、半導体への励起光照射による時間経過に伴う光励起キャリアの密度変化を示すグラフである。

第１実施形態の半導体結晶性評価装置ＡＰＡは、基本的に前述のμ−ＰＣＤ法を用いることによって半導体の結晶性を評価する装置であり、後述するように、試料ＳＭに誘電体板ＤＩＡを重ねることによって、試料ＳＭが、電気的な導電性を有する導電性膜ＳＭｂ上に形成された評価対象の半導体膜ＳＭａである場合でもその結晶性を評価することができる。

より具体的には、試料ＳＭは、ガラス基板（厚さ数ｍｍ）ＳＭｃと、ガラス基板上に形成された導電性膜ＳＭｂと、導電性膜ＳＭｂ上に形成された、例えば厚さ数μｍ程度の比較的薄い半導体膜ＳＭａとを備えている。このような試料ＳＭは、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フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）等が挙げられる。

半導体結晶性評価装置ＡＰＡは、例えば、図１に示すように、電磁波発振器１と、導波管２、３、４と、方向性結合器５と、導波管アンテナ６Ａと、励起光光源７と、検出器８と、演算制御部９と、記憶部１０と、入力部１１と、出力部１２と、ステージ１３と、前記誘電体ＤＩＡとを備えている。

励起光光源７は、演算制御部９の制御に従って、試料ＳＭに向けて照射される所定の励起光を放射するための装置である。励起光光源７は、例えばランプと波長フィルタとを備えた光源装置等であってもよいが、本実施形態では、比較的大きな出力が得られる、レーザ光を発光するレーザ光源装置を備えて構成される。所定の励起光は、試料ＳＭの半導体膜ＳＭａに光励起キャリアを生じさせる波長を含む光であり、例えば、半導体膜ＳＭａ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ることが好ましく、より具体的には、例えば、単色光であって、紫外線領域における所定波長のレーザ光（紫外励起光）である。励起光の波長は、例えば、評価対象の半導体膜ＳＭａの種類に応じて適宜に選択される。励起光は、試料ＳＭに励起光を照射することによって光励起によるキャリア（光励起キャリア、電子と正孔（ホール））を試料ＳＭの半導体膜ＳＭａに生じさせ、半導体結晶性評価装置ＡＰＡは、この生じた光励起キャリアの再結合過程（生成消滅過程）で生じる半導体膜ＳＭａの導電率変化を電磁波の強度変化で取り出すことによってその結晶性を評価する装置であるから、励起光は、点灯状態からステップ状に消灯状態に移行するものが好ましく、本実施形態では、例えばパルス光、より具体的にはパルスレーザ光である。

電磁波発振器１は、演算制御部９の制御に従って測定波として所定の電磁波を生成する装置である。本実施形態の半導体結晶性評価装置ＡＰＡでは、前記所定の電磁波としてマイクロ波が用いられ、電磁波発振器１は、例えばガンダイオード等を備え、マイクロ波を生成するマイクロ波発振器を備えて構成される。電磁波生成部１は、導波管２を介して方向性結合器５の１個の端子に接続され、電磁波生成部１から放射された電磁波は、方向性結合器５に入射される。

方向性結合器５は、３つ以上の端子（ポート）を持ち、非可逆的に、一の端子の入力をサイクリックに他の端子へ出力する素子であり、本実施形態では、３個の第１ないし第３端子を備え、第１端子に入射された電磁波を第２端子へ射出し、第２端子に入射された電磁波（反射波）を第３端子へ射出するサーキュレータである。方向性結合器５の第１端子は、導波管２を介して電磁波発振器１に接続され、その第２端子は、導波管３に接続され、そして、その第３端子は、導波管４を介して検出器８に接続される。

導波管２、３、４は、電磁波を導く伝播路を形成する部材であり、本実施形態では、電磁波がマイクロ波であることから、導波管２、３、４は、マイクロ波導波管である。導波管２の一方端は、電磁波発振器１に接続され、その他方端は、方向性結合器５の第１端子に接続される。導波管３の一方端は、方向性結合器５の第２端子に接続され、その他方端は、導波管アンテナ６Ａに接続される。導波管４の一方端は、方向性結合器５の第３端子に接続され、その他方端は、検出器８に接続される。

導波管アンテナ６Ａは、導波管３を伝播して来た電磁波を試料ＳＭへ放射するとともに、試料ＳＭと相互作用を受けた電磁波を受信して導波管３へ導くアンテナであり、本実施形態では、電磁波がマイクロ波であることから、導波管アンテナ６Ａは、マイクロ波アンテナである。導波管アンテナ６Ａは、試料ＳＭの法線方向に沿って配設されており、一方端部が導波管３に接続され、他方端部に開口部６Ａａを備えている。この開口部６Ａａは、マイクロ波の電磁波を試料ＳＭへ放射するとともに、試料ＳＭと相互作用を受けた電磁波を受信するための開口である。そして、導波管アンテナ６Ａの一方端部には、励起光光源７から放射された励起光を導波管アンテナ６Ａ内に案内するための開口部６Ａｂを備えている。

これら電磁波発振器１、導波管２、３、４、方向性結合器５および導波管アンテナ６Ａは、試料ＳＭにおける励起光照射領域を含む電磁波照射領域に向けて波長λの電磁波を照射するとともに、試料ＳＭで所定の相互作用を受けた電磁波の反射波を検出器８へ射出するための電磁波入出力部を構成している。

検出器８は、試料ＳＭで相互作用を受けた電磁波（反射波の電磁波、反射電磁波）を検出する装置であり、例えば、試料ＳＭで相互作用を受けた反射電磁波の強度を検出する装置である。本実施形態では、電磁波がマイクロ波であることから、検出器８は、マイクロ波検出器を備える。

演算制御部９は、半導体結晶性評価装置ＡＰＡの全体制御を司る装置であり、例えば、マクロプロセッサやメモリ等を備えるマイクロコンピュータを備える。そして、演算制御部９は、例えば、検出器８で検出した反射電磁波の強度に基づいて半導体膜ＳＭａの結晶性を評価する半導体結晶性評価プログラムを実行することにより、機能的に、制御部９１と、評価部９２とを備える。

制御部９１は、半導体膜ＳＭａの結晶性を評価するために、半導体結晶性評価装置ＡＰＡの各部を当該機能に応じて制御するものである。

評価部９２は、検出器８で検出した反射電磁波の強度に基づいて半導体膜ＳＭａの結晶性を評価するものである。評価部９２は、例えば、検出器８の検出出力そのものの値を結晶性の評価値として出力してもよく、この場合では、評価値（検出器８の検出出力値）が大きいほど結晶性がより良好と判定される。また例えば、評価部９２は、予め、検出器８の検出出力を複数の区分（例えば１０個の区分）に区分けし、検出出力の大きい方から順に評価値（例えば１０から１までの各整数値）をそれぞれ割り付け、実際の評価の際に得られた検出出力に該当する区分の評価値を出力してもよい。評価部９２は、出力部１２へ出力するとともに、必要に応じてその評価結果を記憶部１０に記憶させる。

記憶部１０は、半導体膜ＳＭａの結晶性を評価するために必要なデータやプログラムを記憶する例えばＲＯＭ（Read Only Memory）およびＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）等の不揮発性の記憶素子やハードディスク等を備える。記憶部１０は、ユーザ（オペレータ）の指示に従い評価部９２の評価結果を記憶する。

入力部１１は、半導体結晶性評価装置ＡＰＡの評価開始指示等の各種コマンドや、半導体膜ＳＭａの結晶性を評価するために必要な各種データを半導体結晶性評価装置ＡＰＡに入力する機器であり、例えば、キーボードやマウス等である。

出力部１２は、入力部１１から入力されたコマンドやデータおよび評価結果等を出力する機器であり、例えばＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ、有機ＥＬディスプレイ又はプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印字装置等である。

ステージ１３は、試料ＳＭを載置する載置台である。試料ＳＭの評価箇所を異ならせるために、ステージ１３は、例えばＸＹステージ等の、励起光の入射方向と交差する面内で移動可能であることが好ましい。

誘電体板ＤＩＡは、励起光に対して透明である誘電体から形成された板状部材であり、試料ＳＭの半導体膜ＳＭａの結晶性を評価する際に、試料ＳＭの半導体膜ＳＭａにおける前記励起光および前記電磁波が照射される面側に配置される。誘電体板ＤＩＡは、例えばガラスで形成される。誘電体板ＤＩＡの厚さＤは、後述するように、誘電率がεであって厚さがλ／（４×（ε）^１／２）である基準誘電体板を誘電体板ＤＩＡに代えて配置した際に検出器８の検出出力をＬｍａｘとし、ネイピア数（ネピア数、Napier's constant、数学一般において自然対数の底として用いられる）をｅとする場合に、検出器８の検出出力がＬｍａｘ×１／ｅ以上となる範囲のうちのいずれかの値である。

このような構成の半導体結晶性評価装置ＡＰＡにおいて、半導体の結晶性を評価する際に、まず、ユーザによって、ステージ１３上に、試料ＳＭが載せられ、そして、誘電体板ＤＩＡがその上に載せられる。このように誘電体板ＤＩＡが半導体膜ＳＭａにおける前記励起光および前記電磁波が照射される面側に配置される。そして、ユーザによって入力部１１から評価開始の指示を受け付けると、半導体結晶性評価装置ＡＰＡは、次のように動作することによって試料ＳＭの半導体膜ＳＭａの結晶性を評価する。

電磁波発振器１から放射された電磁波（本実施形態ではマイクロ波）は、導波管２から方向性結合器５および導波管３を伝播し、導波管アンテナ６Ａの開口部６Ａａからステージ１３上の試料ＳＭの測定部位へ照射される。導波管アンテナ６Ａの開口部６Ａａから試料ＳＭに照射された電磁波は、該試料ＳＭで反射し、再び導波管アンテナ６Ａの開口部６Ａａに入射される。一方、励起光光源７から放射された、例えば試料ＳＭの半導体膜ＳＭａ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は、導波管アンテナ６Ａの開口部６Ａｂに入射され、導波管アンテナ６Ａ内を伝播し、導波管アンテナ６Ａの開口部６Ａａから射出され、前記電磁波の照射領域より狭小な領域に照射される。その紫外励起光が照射されている間には、半導体膜ＳＭａ中に光励起キャリアが発生し、一時的に電磁波の反射率が増加する。その電磁波の反射波（反射電磁波、本実施形態では反射マイクロ波）は、再び導波管３から方向性結合器５を経由して導波管４へ導かれ、検出器８で検出される。検出器８の検出出力（検波信号）は、演算制御部９へ出力される。

ここで、紫外励起光の照射によって半導体膜ＳＭａ中に発生した光励起キャリアは、その再結合過程において、例えば半導体中の不純物や格子欠陥等の結晶格子における配列の乱れに依存する。このため、上記構成の半導体結晶性評価装置ＡＰＡは、検出器８で、試料ＳＭからの反射電磁波の強度を検出し、演算制御部９で解析することによって、半導体膜ＳＭａの結晶性を評価することができる。そして、その反射電磁波の強度の検出（測定）は、非破壊かつ非接触で、比較的短い時間のうちに行うことができる。また、その際に、演算制御部９によってＸＹ方向に移動可能なステージ１３の位置を制御するように、半導体結晶性評価装置ＡＰＡが構成されることで、試料ＳＭの所定の範囲における個々の領域の結晶性を判定するマッピング測定も可能である。

一方、図２（Ａ）で示すように、金属製のステージ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、この金属製のステージ２１上に比較的薄い試料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、検出器８の信号強度（検出出力の大きさ）が小さく、検出が困難あるいは実質的に検出することができない。これに対して、比較的厚い試料２４（電磁波の波長を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、相対的に厚い試料２４の場合における電界振幅Ｗ２は、相対的に薄い試料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。

このため、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、比較的薄い半導体膜ＳＭａが導電性膜ＳＭｂ上に形成された試料ＳＭである場合には、誘電体板ＤＩＡがＳＭ２の半導体膜ＳＭａ上に重ねられ、試料ＳＭが測定される。

このように構成することによって、μ−ＰＣＤ法を用いて半導体の結晶性を評価する際に、励起光による光励起キャリアの発生は、励起光に対し透明な誘電体板ＤＩＡによって阻害されることなく、誘電体板ＤＩＡ無しでは評価することが困難であった試料ＳＭを、評価することが可能となる。そして、照射領域と試料ＳＭとの間、すなわち空気と半導体との間に、中間的なインピーダンスを有する媒質（誘電体板ＤＩＡ）が介在することによって、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）、パワー伝達の効率が向上する。

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、電磁波が周波数２６ＧＨｚのマイクロ波であって、誘電体板ＤＩＡ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た。この図３から分かるように、誘電体板ＤＩＡの厚さと検出器８の信号強度との関係は、誘電体板ＤＩＡの厚さｄが厚くなるとともに検出器８の信号強度も大きくなり、所定の厚さＤで最大値Ｌｍａｘとなり、その後、誘電体板ＤＩＡの厚さｄが厚くなるとともに検出器８の信号強度が小さくなるプロファイルとなる。そして、誘電体板ＤＩＡの表面が反射電磁波の振幅の腹の位置となる場合に、検出器８の信号強度は、最大値Ｌｍａｘとなり、前記反射電磁波の感度は、最大となる。このため、検出器８の信号強度が最大値Ｌｍａｘとなる場合における誘電体板ＤＩＡの厚さｄは、その誘電率をεとし、電磁波の波長をλとする場合に、次式（１）によって与えられる。また、この検出器８の信号強度が最大値Ｌｍａｘとなる場合における誘電体板ＤＩＡが基準誘電体板とされる。
ｄ＝λ／（４×（ε）^１／２） ・・・（１）

ここで、工学一般では、ネイピア数をｅとする場合に最大値の１／ｅが有意なデータとして扱われることから、本実施形態では、誘電体板ＤＩＡの厚さＤは、検出器８の検出出力がＬｍａｘ×１／ｅ以上となる範囲のうちのいずれかの値となるように、設定される。

例えば、誘電率εが９．０である誘電体板ＤＩＡ（ε＝９．０）の場合では、図３に示すように、その最大値をＬｍａｘ１とし、Ｌｍａｘ１×１／ｅとなる誘電体板ＤＩＡの厚さをｄ１１、ｄ１２（ｄ１１＜ｄ１２）とすると、誘電体板ＤＩＡ（ε＝９．０）の厚さＤ１は、厚さｄ１１から厚さｄ１２までの範囲のいずれかの値である。

また例えば、誘電率εが７．５である誘電体板ＤＩＡ（ε＝７．５）の場合では、図３に示すように、その最大値をＬｍａｘ２とし、Ｌｍａｘ２×１／ｅとなる誘電体板ＤＩＡの厚さをｄ２１、ｄ２２（ｄ２１＜ｄ２２、ｄ２２は不図示）とすると、誘電体板ＤＩＡ（ε＝７．５）の厚さＤ２は、厚さｄ２１から厚さｄ２２までの範囲のいずれかの値である。

また、より大きな検出出力が得られる観点から、好ましくは、誘電体板ＤＩＡの厚さＤは、半値全幅の範囲のうちのいずれかの値である。

また、前記条件式（１）とする場合には、図４で示すように、誘電体板ＤＩＡの表面ＤＩｓで反射する電磁波ＤＩｒと、試料ＳＭの表面ＳＭｓで反射する電磁波ＳＭｒとが、節と腹との関係となって、互いに打ち消し合う。誘電体板ＤＩＡの表面ＤＩｓでの反射は、その厚さがｄ＝λ／（４ｎ）（ｎ：屈折率）である場合に、誘電体板ＤＩＡの表面ＤＩｓでの反射波と試料ＳＭの表面ＳＭｓからの反射波が干渉により弱め合い、最小となる。この場合に、空気から誘電体板ＤＩＡ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、評価対象の半導体膜ＳＭａ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。

また、励起光を吸収しない誘電体の範囲で、前記誘電体板ＤＩＡは、感度を向上させるために、その誘電率εが半導体膜ＳＭａの誘電率（例えばシリコンで１１．７〜８）に近い材料で形成されることが好ましい。また、励起光は、半導体膜ＳＭａ中に効率良く励起光を吸収させるために、半導体膜ＳＭａの厚さ＜浸透長となる波長であることが好ましい。また、より高感度な検出を可能とするために、検出器８には、差動アンテナ方式が用いられてもよい。

さらにまた、演算制御部９の評価部９２は、半導体膜ＳＭａの結晶性の評価を、検出器８の検出出力によって行う。これは、光励起キャリアのライフタイムτが次のように反射電磁波の強度のピーク値Ｐｅａｋに近似するからである。

励起光の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（ナノ秒）オーダーのレーザーパルス照射期間ｔ_０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）の短い場合では、光励起キャリアの消滅時間は、発生した光励起キャリア数に近似する。

すなわち、時刻ｔ＝０から照射を開始すると、光励起キャリアの密度が増加し、ライフタイムτを超える充分な時間が経過すると、励起光の照射によって新たに発生する光励起キャリア数と、ライフタイムτが経過して再結合して消失する光励起キャリア数とが均衡（平衡）し、光励起キャリアの密度は、一定となる。その後、時刻ｔ＝ｔ_０で励起光の照射を停止すると、光励起キャリアの密度は、ライフタイムτで減少する。

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、半導体の光励起キャリアの密度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＝ｇ×τ×（１−ｅｘｐ（−ｔ／τ）） ・・・（３）

そして、光励起キャリアの密度ｐのピーク値Ｐｅａｋ（生成消滅が平衡した状態における光励起キャリアの密度値）は、パルスレーザ光の照射終了タイミングであるｔ＝ｔ_０の値であるので、次式（４）で表すことができる。
Ｐｅａｋ＝ｇ×τ×（１−ｅｘｐ（−ｔ_０／τ）） ・・・（４）

ここで、前述のように、τ≪ｔ_０であるので、 Ｐｅａｋ≒ｇ×τ 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、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比較的安価な検出器８でライフタイムτを評価し、結晶性を評価することが可能となる。

また、励起光光源７が、試料ＳＭに対して所定周期で強度変調した励起光を照射し、演算制御部９が、検出器８で検出された反射電磁波の強度の中から、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試料ＳＭの結晶性を評価するように、半導体結晶性評価装置ＡＰＡが構成されてもよい。このように構成することによって、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。このため、このような構成では、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。

次に、別の実施形態について説明する。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態にかかる半導体結晶性評価装置の構成を示すブロック図である。第２実施形態の半導体結晶性評価装置ＡＰＢは、前述の第１実施形態における評価装置ＡＰＡ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、第２実施形態における半導体結晶性評価装置ＡＰＢでは、第１実施形態における誘電体板ＤＩＡに代え誘電体板ＤＩＢが導波管アンテナ６Ｂにおける電磁波を入出射するための先端の開口部６Ｂａに取付けられており、誘電体板ＤＩＢと試料ＳＭとの間に、微小間隔Ｌを開けて測定が行なわれる。

すなわち、第１実施形態の導波管アンテナ６Ａに代えて、導波管３に接続される導波管アンテナ６Ｂは、導波管３を伝播して来た電磁波を試料ＳＭへ放射するとともに、試料ＳＭと相互作用を受けた電磁波を受信して導波管３へ導くアンテナであり、本実施形態では、電磁波がマイクロ波であることから、導波管アンテナ６Ｂは、マイクロ波アンテナである。導波管アンテナ６Ｂは、試料ＳＭの法線方向に沿って配設されており、一方端部が導波管３に接続され、他方端部に開口部６Ｂａを備えている。この開口部６Ｂａは、マイクロ波の電磁波を試料ＳＭへ放射するとともに、試料ＳＭと相互作用を受けた電磁波を受信するための開口であり、本実施形態では、この開口部６Ｂａに誘電体板ＤＩＢが取り付けられている。そして、導波管アンテナ６Ｂの一方端部には、励起光光源７から放射された励起光を導波管アンテナ６Ｂ内に案内するための開口部６Ｂｂを備えている。

そして、前記微小間隔Ｌは、例えば誘電体板ＤＩＢ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Ｌは、電磁波（本実施形態ではマイクロ波）が、この微小間隔Ｌを感じない（伝播に影響しない）程度で、より長い距離に選ばれる。したがって、前記微小間隔Ｌを設けることで、試料ＳＭに完全に非接触で評価を行なうことができる。また、誘電体板ＤＩＢは、第１実施形態のように試料ＳＭ全体の大きさではなく、より小さく、誘電体板ＤＩＢが取付けられる導波管アンテナ６Ｂの開口部６Ｂａ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Ｌを小さくすることができる。

このような構成によっても第２実施形態における半導体結晶性評価装置ＡＰＢは、第１実施形態における半導体結晶性評価装置ＡＰＡと同様に、μ−ＰＣＤ法で半導体膜ＳＭａの結晶性を評価する際に、半導体膜ＳＭａ下に導電性膜ＳＭｂが形成されている場合でも結晶性を評価することができる。

なお、上述の第１および第２実施形態において、半導体結晶性評価装置ＡＰＡ、ＡＰＢは、前記誘電体板ＤＩＡ、ＤＩＢとして、上記範囲Ｄ１、Ｄ２を満たす互いに厚さの異なる複数の誘電体の板状部材をさらに備え、これら複数の板状部材のうちの１つが前記誘電体板ＤＩＡ、ＤＩＢとして用いられてもよい。例えば、第２実施形態の半導体結晶性評価装置ＡＰＢでは、導波管アンテナ６Ｂは、導波管アンテナ本体と、前記導波管アンテナ本体の一方端の開口部に脱着可能な構造であって誘電体板を備えるアタッチメントとを備えて構成され、前記アタッチメントは、複数用意され、各アタッチメントに設けられる各誘電体板は、それぞれ、互いに厚さの異なる誘電体で形成される。

このような構成では、上記範囲Ｄ１、Ｄ２を満たす互いに厚さの異なる複数の誘電体の板状部材が予め用意されているので、半導体膜ＳＭａに対して配置される誘電体板ＤＩＡ、ＤＩＢとして用いる板状部材を容易に取り替えることができる。このため、このような構成では、誘電体板ＤＩＡ、ＤＩＢとして用いる板状部材をその厚さを異ならせて順次に取り替えて評価することができるので、前記複数の板状部材に対して検出器８の検出出力が最大となる誘電体板ＤＩＡ、ＤＩＢで半導体膜ＳＭａを評価することが可能であるから、より精度の高い評価結果を得ることができる。

また、上述したように、誘電体板ＤＩＡ、ＤＩＢの誘電率をεとし、その厚さをｄとし、照射電磁波の波長をλとする場合に、これらの間にｄ＝λ／（４×（ε）^１／２）の関係が成立している場合に、検出器８の検出出力が最大（最大値Ｌｍａｘ）となる。しかしながら、実際の評価では、評価対象のばらつき等によって、ｄ＝λ／（４×（ε）^１／２）の関係が成立する誘電体板ＤＩＡ、ＤＩＢを用いたとしても、最大値Ｌｍａｘとならない場合もある。このような場合でも、上記構成では、前記複数の板状部材に対して検出器８の検出出力が最大となる誘電体板ＤＩＡ、ＤＩＢで半導体膜ＳＭａを評価することが可能であるから、より精度の高い評価結果を得ることができる。

また、上述の第１および第２実施形態において、半導体結晶性評価装置ＡＰＡ、ＡＰＢは、電磁波発振器１が電磁波の波長λを変更可能に構成され、図１および図６に破線で示すように、演算制御部９に機能的に電磁波発振器１の前記電磁波の波長λを制御する波長制御部９３をさらに備えてもよい。例えば、ガンダイオードの印加電圧を制御することによって電磁波発振器１が周波数２６ＧＨｚを中心に２５．８ＧＨｚから２６．２ＧＨｚまでの間で掃引される場合では、誘電体板ＤＩＡ、ＤＩＢのガラス（ε＝５．５）内部での波長は、１２４０μｍから１２２０μｍまで変化するため、ガラス厚換算で数十μｍオーダーでの走査が可能である。

このような構成では、半導体膜ＳＭａに誘電体板ＤＩＡ、ＤＩＢを介して照射される電磁波の波長λを変更することができるので、前記電磁波の波長λを走査しながら評価することができる。このため、このような構成では、走査範囲に対して検出器８の検出出力が最大となる波長λで半導体膜ＳＭａを評価することが可能であるから、より精度の高い評価結果を得ることができる。

また、このような構成では、第１に、まず、粗い波長間隔で第１走査が行われ、この第１の走査で最も大きい検出出力を示した波長付近で、第２に、より狭い波長間隔で第２走査（精密走査）が行われてもよい。あるいは、上述の互いに厚さの異なる複数の誘電体の板状部材によって前記第１走査が行われ、前記電磁波の波長λの走査によって前記第２走査が行われてもよい。このような２段階走査を行うことで、評価時間を短縮しつつ、より精度の高い評価結果を得ることができる。

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。

ＡＰＡ、ＡＰＢ 半導体結晶性評価装置
ＳＭ 試料
ＳＭｂ 導電性膜
ＳＭａ 半導体膜
ＤＩＡ、ＤＩＢ 誘電体板
１ 電磁波発振器
７ 励起光光源
８ 検出器
９ 演算制御部
９２ 評価部
９３ 波長制御部

Claims (4)

1. 電気的な導電性を有する導電性膜上に形成された評価対象の半導体膜に向けて所定の励起光を照射する励起光照射部と、
   前記半導体膜に向けて波長λの電磁波を照射する電磁波照射部と、
   前記半導体膜で反射された前記電磁波の反射波における強度を検出する検出部と、
   前記検出部の検出出力に基づいて前記半導体膜の結晶性を評価する評価部と、
   前記励起光に対して透明である誘電体から形成され、互いに厚さの異なる複数の板状部材とを備え、
   前記複数の板状部材のうちの１つが、誘電体板として、前記半導体膜における前記励起光および前記電磁波が照射される面側に配置され、
   前記誘電体板の厚さＤは、誘電率がεであって厚さがλ／（４×（ε） ^１／２ ）である基準誘電体板を配置した際の前記検出部の検出出力をＬｍａｘとし、ネイピア数をｅとする場合に、前記検出部の検出出力がＬｍａｘ×１／ｅ以上となる範囲のうちのいずれかの値であること
   を特徴とする半導体結晶性評価装置。
2. 前記電磁波照射部は、前記電磁波の波長を変更可能であり、
   前記電磁波照射部の前記電磁波の波長を制御する波長制御部をさらに備えること
   を特徴とする請求項１に記載の半導体結晶性評価装置。
3. 電気的な導電性を有する導電性膜上に形成された評価対象の半導体膜に向けて所定の励起光を照射する励起光照射部と、
   前記半導体膜に向けて波長λの電磁波を照射し、前記電磁波の波長を変更可能である電磁波照射部と、
   前記半導体膜における前記励起光および前記電磁波が照射される面側に配置され、前記励起光に対して透明である誘電体から形成された互いに厚さの異なる複数の板状部材と、
   前記電磁波照射部の前記電磁波の波長を制御する波長制御部と、
   前記半導体膜で反射された前記電磁波の反射波における強度を検出する検出部と、
   前記検出部の検出出力に基づいて前記半導体膜の結晶性を評価する評価部とを備え、
   前記複数の板状部材のうちの１つが誘電体板として用いられ、
   前記誘電体板の厚さＤは、誘電率がεであって厚さがλ／（４×（ε） ^１／２ ）である基準誘電体板を配置した際の前記検出部の検出出力をＬｍａｘとし、ネイピア数をｅとする場合に、前記検出部の検出出力がＬｍａｘ×１／ｅ以上となる範囲のうちのいずれかの値であること
   を特徴とする半導体結晶性評価装置。
4. 電気的な導電性を有する導電性膜上に形成された評価対象の半導体膜に向けて所定の励起光を照射する励起光照射工程と、
   前記励起光の照射に合わせて、前記半導体膜に向けて波長λの電磁波を照射する電磁波照射工程と、
   前記半導体膜で反射された前記電磁波の反射波における強度を検出する検出工程と、
   前記検出工程で検出された検出出力に基づいて前記半導体膜の結晶性を評価する評価工程とを備え、
   前記半導体膜における前記励起光および前記電磁波が照射される面側には、前記励起光に対して透明である誘電体から形成された互いに厚さの異なる複数の板状部材が配置されており、前記複数の板状部材のうちの１つが誘電体板として用いられ、
   前記誘電体板の厚さＤは、誘電率がεであって厚さがλ／（４×（ε）^１／２）である基準誘電体板を配置した際の前記検出工程の検出出力をＬｍａｘとし、ネイピア数をｅとする場合に、前記検出工程の検出出力がＬｍａｘ×１／ｅ以上となる範囲のうちのいずれかの値であること
   を特徴とする半導体結晶性評価方法。

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