(57)【要約】      （修正有）【課題】絶縁基板の上の半導体薄膜の電気特性を、迅速に非接触で測定する装置を提供すること。【解決手段】光がリング状に照射されると半導体薄膜には光導電層がリング状にできる。光の周りにプローブコイルが巻かれてあり、高周波電源に接続されている。プローブコイルから高周波を通じると、導電層と誘導電磁界でコイルが結合して電力損失となる。高周波の電力損失を測定するとキャリアーの数に応じた損失が測定される。光を切断するとキャリアー数が減少して損失もそれに応じて減衰する。キャリアーの単純な一つのライフタイムのときｅ−ｔ／τに従い減衰する。ｔは時間、τはライフタイムである。減衰を損失の時間関数として表示すると減衰の速度からライフタイムがわかる。ライフタイムは半導体の欠陥の数が多いと短くなるので、半導体膜の品質管理に用いることが出来る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の基板の上の半導体薄膜の電気特性を測定する装置であって、当該薄膜に光を照射することが可能であって、当該光を取り巻くようにコイルが基板の上に接触することなく配置されてあって、当該コイルに高周波電流を通じて光照射された薄膜と電磁誘導結合させ、電力の反射または透過特性を測定することで当該薄膜の電気特性を測定する測定装置。
【請求項２】
光が紫外光、可視光、赤外光のいずれか、またはそれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
光がビーム状またはリング状に当たることを特徴とする請求項１、２記載の装置。
【請求項４】
光照射をオフしてからの当該電気特性の時間変化の値を表示または出力することを特徴とする請求項１〜３記載の装置。
【請求項５】
当該変化の値を光照射をオフする前の値で規格化した値を表示または出力することを特徴とする請求項１〜４記載の装置。
【請求項６】
当該測定装置を搭載してガラス基板上の半導体薄膜の電気特性を測定できるようにしたデバイス製造装置。
【請求項７】
当該測定装置を搭載して樹脂基板上の半導体薄膜の電気特性を測定できるようにしたデバイス製造装置。
【請求項８】
当該薄膜がシリコンを含む薄膜であることを特徴とする請求項６、７記載のデバイス製造装置。
【請求項９】
絶縁性の基板の上の薄膜の電気特性を測定する４探針測定装置であって、当該薄膜に光を照射することが可能であって、当該光をオンオフしたときの電気特性の変化を測定する４探針測定装置。
【請求項１０】
当該光が紫外光、可視光、赤外光のいずれか、またはそれらの組み合わせであることを特徴とする請求項９記載の４探針測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁基板の上の半導体薄膜の電気特性を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁性のガラス基板や樹脂の基板上の半導体薄膜を用いるデバイスがある。液晶デバイスや有機ＥＬデバイス、太陽電池がその例である。半導体薄膜を積層させて３次元デバイスを作る例もある（特許文献１）。
それらのデバイスは基板の上の半導体層をもちいる。特性を安定に維持しながら、デバイス製造装置は半導体層を形成したい。しかしそのためには基板を抜き取り分析する必要があった。しかかり製品を抜くと損害になる。分析目的だけの基板を挿入するとラインのスループット低下になる。デバイスを試作して分析すると時間がかかる。これらの分析はコストアップの要因である。
製造ラインを一時中断すると製造コストの増加につながるので、見込みで製造する考えもある。しかし、ロット製造したあと、半導体膜の特性が製造規格から外れているのが判明すると、そのロット全体が不良となりコストの増加になる。
従って、製造途中に簡単に短時間に製造ラインを止めることなく、半導体薄膜の特性を知りたいという要求がある。
【０００３】
従来は製造現場の作業員が基板を目でみて良否の判定をしていた。人の目が均一性と異常を無接触で検知するのに敏感であったからである。
【０００４】
接触を許すなら客観的に薄膜の電気特性を知る方法はある。薄膜の電気特性を分析する一般方法としては４探針法がある。それを図７に示す。測定される薄膜１１は基板１０より十分に低抵抗であるとき正確に膜のシート抵抗を与える。４本の針１２は等間隔で直線上にならび、一定の電流を外の２本に通じて、中の２本で電圧を測定する。電流は２次元的に流れるので一定のパターン（対称鏡像効果のパターン）になる。
この方法は接触式なので、半導体膜に欠陥を与えてしまう。
【０００５】
図８は測定される薄膜１１に電極１３を設けて、デバイスと類似構造を作製して電流と電圧の特性を知る方法である。この分析結果を製造ラインにフィードバックさせるのは時間がかかり過ぎてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２１８４６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように、人の目は敏感ではあるが、人の個性や能力に依存する製造方法は拡張性がない。したがって、工場を世界に拡張できないという弊害がある。また、問題があると判定された場合でもそれが、何時始まったかを判定できないという問題があった。
よって、人に依存しない方法で判定を行う必要がある。それを製品の流れを止めずに行う必要があること、また分析のための基板を用いることなく製品基板で行う必要があること、製品であるので基板に接触することなく行う必要があること、の制限があるという問題もあった。
【０００８】
本発明は、上記問題を解決し、絶縁基板の上の半導体薄膜の電気特性を、迅速に非接触で測定する装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明は、絶縁性の基板の上の半導体薄膜の電気特性を測定する装置であって、当該薄膜に光を照射することが可能であって、当該光を取り巻くようにコイルが基板の上に接触することなく配置されてあって、当該コイルに高周波電流を通じて光照射された薄膜と電磁誘導結合させ、電力の反射または透過特性を測定することで、当該薄膜の電気特性を測定する測定装置である。
【００１０】
請求項２に係る発明は、光が紫外光、可視光、赤外光のいずれか、またはそれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１記載の装置である。
【００１１】
請求項３に係る発明は、光がビーム状またはリング状に当たることを特徴とする請求項１、２記載の装置である。
【００１２】
請求項４に係る発明は、光照射をオフしてからの当該電気特性の時間変化の値を表示または出力することを特徴とする請求項１〜３記載の装置である。
【００１３】
請求項５に係る発明は、当該変化の値を光照射をオフする前の値で規格化した値を表示または出力することを特徴とする請求項１〜４記載の装置である。
【００１４】
請求項６に係る発明は、当該測定装置を搭載してガラス基板上の半導体薄膜の電気特性を測定できるようにしたデバイス製造装置である。
【００１５】
請求項７に係る発明は、当該測定装置を搭載して樹脂基板上の半導体薄膜の電気特性を測定できるようにしたデバイス製造装置である。
【００１６】
請求項８に係る発明は、当該薄膜がシリコンを含む薄膜であることを特徴とする請求項６、７記載のデバイス製造装置である。
【００１７】
請求項９に係る発明は、絶縁性の基板の上の薄膜の電気特性を測定する４探針測定装置であって、当該薄膜に光を照射することが可能であって、当該光をオンオフしたときの電気特性の変化を測定する４探針測定装置である。
【００１８】
請求項１０に係る発明は、当該光が紫外光、可視光、赤外光のいずれか、またはそれらの組み合わせであることを特徴とする請求項９記載の４探針測定装置である。
【００１９】
解決する装置の構成の模式図を図１に示す。光３４がリング状に照射されると半導体薄膜には光導電層３５がリング状にできる。
半導体薄膜１１に比して絶縁性の基板１０があるので、光の強く照射された部分には電子と正孔のキャリアーが生成されて光導電層３５が形成された導体ができる。
光の周りにプローブコイル３１が巻かれてあり、高周波電源３２に接続されている。
プローブコイル３１から高周波を通じると、導電層３５と誘導電磁界３３でコイルが結合する。導電層３５の導電率が周りの光照射されてない半導体層より高いので、電流が誘起されて誘導電流が流れる。この電流は電力損失となる。
【００２０】
高周波の電力損失を測定するとキャリアーの数に応じた損失が測定される。光を切断するとキャリアー数が減少して損失もそれに応じて減衰する。キャリアーの単純な一つのライフタイムのときｅ−ｔ／τに従い減衰する。ｔは時間、τはライフタイムである。減衰を損失の時間関数として表示すると減衰の速度からライフタイムがわかる。ライフタイムは半導体の欠陥の数が多いと短くなるので、半導体膜の品質管理に用いることが出来る。
ここではコイルとコイルの結合が分かりやすいので導電層をリング状にして説明した。しかし、プローブコイルは面上の導電層とも結合するので、電磁結合による損失は結合度の違いはあるが、損失を測定すればキャリアーライフタイムを測定できることは光の形に依存しない。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る請求項１乃至５の発明によれば、絶縁性の基板の上の半導体薄膜に光を照射して、薄膜に接触することなく薄膜のキャリアーのライフタイムまたはその指標を測定する装置が可能である。
【００２２】
請求項６から８に係る発明によれば基板が数ｍの大型ガラス基板であるとき、製造工程を停止することなく、流れている生産ラインの実際の製品デバイス基板の品質を即座に管理できるようになる。用いるダイオードの光の波長を薄膜の光吸収特性に合わせて変えたり、または複数の種類にしたりすることで、太陽光スペクトルに対応した評価も可能であるので、太陽電池デバイスを製造する装置の管理が容易になる。
【００２３】
請求項９から１０に係る発明によれば、薄膜の電気抵抗を測定するために一般に用いられている４探針装置にライフタイムを測定する機能を追加できる。
本出願に係る発明によれば、上述のような利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は絶縁基板上の光導電層とコイルの電磁結合を表す模式図である。
【図２】図２は本発明の薄膜の電気特性測定装置の構成の模式図である。
【図３】図３は伝送損失の応答の例である。
【図４】図４はリング状の光をあてる本発明の薄膜の電気特性測定装置の構成の模式図である。
【図５】図５は光照射をオンオフできるようにした４探針抵抗測定装置である。
【図６】図６はシート抵抗の変化の例である。
【図７】図７は４探針法の模式図である。
【図８】図８は電流電圧法を表す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
解決する装置の構成の模式図を図２に示す。図２は光がビーム状に照射される構造の模式図である。ビームの形は丸でも四角でもよい。
測定される薄膜１１に比して十分高抵抗の絶縁性の基板１０がある。その上に透明な筒状の光ガイド４２があり、当該ガイドには発光ダイード４３が備えられてある。ここでは１個のダイオードを示したが一つであっても２個以上であっても良い。ダイオード４３には電源４４がつながり、スイッチＳＷ４５が備えられてある。このようにして光４７がＳＷ４５で制御されて薄膜１１に当たる。基板が半導体のとき光の強く照射された部分には電子と正孔が生成されてキャリアーが生成される。光導電層４８が形成された導体になる。
【００２６】
光は半導体層のエネルギーバンドギャップに応じて選ぶと効果的である。
半導体はシリコンのときは可視光や紫外線が好適である。半導体がそのバンドキ゛ャッフ゜が小さい材料のときは赤外線が好適である。また太陽電池のデバイスのときは太陽光のスペクトルの光を吸収する効果を調べたいので、複数のダイオードを用いて紫外光や可視光、赤外光を混合して用いても良い。
【００２７】
光ガイド４２にはプローブコイル４９が巻かれてあり、同軸ケーブル４０でネットワークアナライザー４１に接続されている。
プローブコイル４９から高周波を通じると、導電層４８と電磁界結合をする。導電層の導電率が周りの半導体層より高いので、電流が誘起されて誘導電流が流れる。この電流は電力損失となる。
アナライザー４１で高周波の電力透過率を測定する。ＳＷ４５がオンで光が当たっていると、光の強さに依存した電流が誘起されて、電力損失に対応した透過率が出力される。
【００２８】
ＳＷ４５を切断すすると、ダイオードの光照射がステップ的にオフになる。生成されていたキャリアーの数はキャリアーのライフタイムに従い、次第に減衰する。単純な一つのライフタイムのときｅ−ｔ／τに従い減衰する。ｔは時間、τはライフタイムである。減衰を透過率の時間関数として表示すると減衰の速度がわかる。ライフタイムは半導体の欠陥の数が多いと短くなるので、品質管理に用いることが出来る。
【００２９】
透過率の応答例を模式的に図３に示す。透過率は光を切断する前の透過率で規格化した。
時間とともにキャリアーが減衰して高抵抗となり電力損失が減少するので、反射率が増加して透過率は減衰する。キャリア−の数の減少速度はe-t/τに依存して始まるので、直線が透過率＝１/10（-10ｄＢ）を横切る時間は薄膜のキャリアーのライフタイムτに相当した指標を与える。異なる薄膜ＡとＢは異なるτＡ、τＢを与える。規格化しないときは、損失は光の強度や薄膜の吸収率と量子効率、薄膜の移動度に依存して透過率の異なる絶対値が得られる。光を一定にして異なる薄膜Ａ，Ｂの透過率をＴＡ、ＴＢとすると、この値は薄膜の光応答の特性を表すので薄膜の特性の評価指標として用いても良い。
【００３０】
またここで得られるライフタイムは電子も正孔も含んでいて分別できない。しかし、半導体のキャリアーの消滅速度に依存した数値を測定したライフタイムは与えるので、材料の品質の管理指標として用いることができる。また図３のカーブＢは異なる傾きのカーブＢ１とＢ２の線があることを示している。これは異なるライフタイムをもったキャリアーが生成されたことを示すもので、この異なる傾きのＢ２の線を原点（時間＝０，損失＝０ｄＢ）に移動させて，異なる−１０ｄＢを横切る時間を異なる種類のライフタイムとして評価に用いることもできる。
【００３１】
非接触で薄膜のライフタイムを求めるための別な装置構成の実施例を模式的に図４に示す。透明なアクリルをリング状に加工してリング状の光ガイド６７に加工する。リング端面６９は外形３ｃｍ、幅７ｍｍのドーナツリング状である。この形は円形であっても、四角や楕円であっても良い。またアクリルのファイバーであっても良い。リングはつながって無くても良い。
【００３２】
光ガイド６７の上にはダイード６３，６４が、ここでは２個とりつけられ、それぞれスイッチＳＷ４５を介して電源４４に接続される。ＷＳ４５はトランジスタであってもリレーであっても良い。ダイオードは異なる色のダイオードであっても、同じものであってもよく、３個以上であっても一つであっても良い。
【００３３】
ダイオードの光はアクリルのリング状ガイド６７で導かれて、リング端面６９から薄膜１１に向けて照射される。ガイドの中央は黒い紙６６で遮蔽されているのでリング状の光が作られる。光ガイド６７にはコイルのガイド６５がありガイドの間にプローブコイル４９が巻かれる。コイルの２端子は同軸ケーブル４０でネットワークアナライザー３１につながれている。ネットワークアナライザーは高周波を発信してコイル４９に電力を供給する。入力電力に対する伝送電力を測定して、それを透過率として出力できる。
【００３４】
光が当たっているとき、リング状の光６７でリング状導電層６８が形成されていて、これが磁界誘導結合によりプローブコイルからの電力を消費して電力損失を与える。この損失電力はアナラーザーに戻らないので、伝送された透過電力となる。
この透過電力を透過率で表現して時間の関数として表示する。ダイオードの光を切断する直前の透過率で透過率を規格化して表現して、切断後の透過率をｄＢで表現すると直線が得られる。−１０を横切るときの時間を読み取ると、それがライフタイムτを与える。
【００３５】
図５に光をオンオフできるようにした４探針抵抗測定器を実施例として示す。光の照射箱７２の中に４本の針１２が収納されている。光をオンの状態では薄膜１１が光導電層となり導体膜である。ＳＷ４５をオフにすると、キャリアー数の減衰とともに抵抗が上昇する。その上昇はキャリアーの数の減衰を表すので、そのライフタイムを求めると、その薄膜の品質を表す指標となる。
【００３６】
その上昇カーブの例を図６に示す。
カーブはＳＷ４５がオフのときのシート抵抗の値で規格化したシート抵抗の値で示した。カーブＡの直線部分が規格化したシート抵抗値１を横切る時間は薄膜ＡのキャリアーのライフタイムτＡに相当した指標を与える。
同様に異なる薄膜Ｂは異なるτＢを与える。
【００３７】
光照射のオンオフ機構を備えた４探針法は接触式の測定法である。この点は図２に示した遠隔法と異なるが、キャリアーのライフタイムの指標を知る方法としては簡便である。
【００３８】
接触で薄膜のライフタイムを求めるための装置構成を模式的に図４に示す。透明なアクリルをリング状に加工する。リング端面４９は外形３ｃｍ、幅７ｍｍのドーナツリング状である。この形は円形であっても、四角や楕円であっても良い。またアクリルのファイバーであっても良い。リングはつながって無くても良い。
【００３９】
光ガイドの上にはダイード４３，４４が、ここでは２個とりつけられ、それぞれスイッチＳＷ２５を介して電源２４に接続される。ＷＳはトランジスタであってもリレーであっても良い。ダイオードは異なる色のダイオードであっても、同じものであってもよく、３個以上であっても一つであっても良い。
【００４０】
ダイオードの光はアクリルのガイド４７で導かれて、リング端面４９から薄膜１１に向けて照射される。ガイドの中央は黒い紙４６で遮蔽されているのでリング状の光が作られる。光ガイド４７にはコイルのガイド４５がありガイドの間にプローブコイル２９が巻かれる。コイルの２端子は同軸ケーブル３０でネットワークアナライザー３１につながれている。ネットワークアナライザーは高周波を発信してコイル２９に電力を供給する。入力電力に対する伝送電力を測定して、それを透過率として出力できる。
【００４１】
光が当たっているとき、リング状の光導電層４８が形成されていて、これが磁界誘導結合によりプローブコイルからの電力を消費して電力損失を与える。この損失電力はアナラーザーに戻らないので、伝送された透過電力となる。
この透過電力を透過率で表現して時間の関数として表示する。ダイオードの光を切断する直前の透過率で透過率を規格化して表現して、切断後の透過率をｄＢで表現すると直線が得られる。−１０を横切るときの時間を読み取ると、それがライフタイムτを与える。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は絶縁基板や絶縁性のフレキシブル基板上に形成した薄膜半導体の電気特性を安価に製造工程内で迅速に測定できるので、製造コスト削減と製造管理に応用できる。また光の波長を選ぶことにより光スペクトル応答の製造管理に使用できる。
【符号の説明】
【００４３】
１０  高抵抗または絶縁性の基板
１１  測定される薄膜
１２  ４本の針
１３  電極
３１  プローブコイル
３２  高周波電源
３３  誘導磁界
３４  光
３５  リング状の光導電層
４０  同軸ケーブル
４１  ネットワークアナライザー
４２  光ガイド
４３  発光ダイオード
４４  電源
４５  スイッチＳＷ
４７  光
４８  光導電層
６３  発光ダイオード
６４  発光ダイオード
６５  コイルのガイド６５
６６  遮蔽膜としての黒い紙
６７  透明なアクリルのリング状の光ガイド
６８  リング状の光導電層
６９  リング端面
７２  光照射箱
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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