(57)【要約】【課題】半導体膜を精度よく評価することができる半導体評価装置および半導体評価方法を提供する。【解決手段】導電性を有する導電体Ｓｂ上に形成された評価対象の半導体膜Ｓａに励起光Ｌ１を照射する励起光照射部１０と、励起光Ｌ１によって励起した電子と正孔との再結合過程に起因する半導体膜Ｓａの温度変化を検出する温度検出部２０と、温度検出部２０によって検出された半導体膜Ｓａの温度変化に基づいて、半導体膜Ｓａにおける結晶性に関する所定の評価指標を求める評価部３０とを備える。【選択図】図１
2014183203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有する導電体上に形成された評価対象の半導体膜に励起光を照射する励起光照射部と、
前記励起光によって励起した電子と正孔との再結合過程に起因する前記半導体膜の温度変化を検出する温度検出部と、
前記温度検出部によって検出された前記半導体膜の前記温度変化に基づいて、前記半導体膜における結晶性に関する所定の評価指標を求める評価部と
を備える半導体評価装置。
【請求項２】
前記励起光照射部は、前記励起光の強度の時間に関する関数がステップ関数となるように変調された前記励起光を出力する変調部を有する
請求項１に記載の半導体評価装置。
【請求項３】
前記励起光照射部は、強度を時間に対して周期的に変調した前記励起光を出力する変調部を有し、
前記評価部は、前記励起光の周期に同期して、前記温度検出部によって検出された前記半導体膜の時間経過に対する前記温度変化に基づいて前記所定の評価指標を求める
請求項１に記載の半導体評価装置。
【請求項４】
前記所定の評価指標は、予め設定された所定の基準強度から前記励起光の強度が変化し始める第１開始時点から、前記半導体膜が予め設定された所定の温度となる時点までの経過時間に基づく指標である
請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体評価装置。
【請求項５】
前記所定の評価指標は、予め設定された所定の基準強度から前記励起光の強度が変化し始める第１開始時点と、前記第１開始時点で変化し始めた前記励起光に起因して前記半導体膜の温度が変化し始める第２開始時点との時間差に基づく指標である
請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体評価装置。
【請求項６】
前記励起光照射部は、前記半導体膜の膜厚より光浸透長の短い波長の前記励起光を照射する
請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体評価装置。
【請求項７】
前記温度検出部は、前記半導体膜から放射される赤外光を集光する集光光学系と、前記集光光学系によって集光された前記赤外光を検出することによって前記半導体膜の前記温度変化を検出する赤外光検出部とを有する
請求項１〜６の何れか１項に記載の半導体評価装置。
【請求項８】
導電性を有する導電体上に形成された評価対象の半導体膜に励起光を照射する励起光照射工程と、
前記励起光によって励起した電子と正孔との再結合過程に起因する前記半導体膜の温度変化を検出する温度検出工程と、
前記温度検出工程によって検出された前記半導体膜の温度変化に基づいて、前記半導体膜における結晶性に関する所定の評価指標を求める評価工程と
を備える半導体評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の評価を行う半導体評価装置および半導体評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）が活用されている。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。これら半導体の品質を評価する手法の一つとして、マイクロ波光導電減衰法（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  Ｄｅｃａｙ；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（寿命）測定方法）。
【０００３】
このμ―ＰＣＤ法は、測定対象である半導体（被測定試料）に光を照射することによって非平衡な電子と正孔の対（以下、単に非平衡電子正孔対と呼ぶ）を生成し、この非平衡電子正孔対が前記半導体試料の物性によって決まる非平衡電子正孔対の寿命（以下、単に寿命と呼ぶ）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。光励起による非平衡電子正孔対の生成により半導体の導電率が増加するため、非平衡電子正孔対が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非平衡電子正孔対の密度に対応して変化する。μ−ＰＣＤ法は、こうした現象を利用することによって寿命を測定するものである。寿命を決める半導体の物性は、例えば格子欠陥などが影響を及ぼす半導体の結晶性等と密接に関係することから、μ−ＰＣＤ法により寿命を測定することで、半導体の結晶性等の品質の評価を行うことが可能となる。μ−ＰＣＤ法は、マイクロ波の反射波または透過波における強度を、被測定試料に対して非破壊かつ非接触で、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−４８９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このμ―ＰＣＤ法では、測定対象である半導体膜の下に導電性を有する導電体が存在する構造では、該導電体では電界が零となるので、マイクロ波は導電体と半導体膜との境界（境面）で節となる定在波となる。このため、被測定試料の厚さが例えば数μｍ以下の半導体膜の場合、半導体膜中で充分な電界強度が得られず、マイクロ波と非平衡電子正孔対との相互作用領域が小さくなるため、マイクロ波の照射波に対する反射波の強度の変化は微小となり充分な測定感度（測定精度）を確保することが難しい。
【０００６】
より具体的には、太陽電池分野において、特に低コストなＣＩＳ系（カルコパイライト系）太陽電池の場合、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が形成されるため、前記ボトム電極が前記導電体となるので、上記の問題が生じる。これと同様な問題は、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（Ｆｌａｔ  Ｐａｎｅｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ；ＦＰＤ）分野でも生じる。
【０００７】
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、半導体膜を精度よく評価することができる半導体評価装置および半導体評価方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
すなわち、本発明の一態様に係る半導体評価装置は、導電性を有する導電体上に形成された評価対象の半導体膜に励起光を照射する励起光照射部と、前記励起光によって励起した電子と正孔との再結合過程に起因する前記半導体膜の温度変化を検出する温度検出部と、前記温度検出部によって検出された前記半導体膜の前記温度変化に基づいて、前記半導体膜における結晶性に関する所定の評価指標を求める評価部とを備える。
【００１０】
また、本発明の他の一態様に係る半導体評価方法は、導電性を有する導電体上に形成された評価対象の半導体膜に励起光を照射する励起光照射工程と、前記励起光によって励起した電子と正孔との再結合過程に起因する前記半導体膜の温度変化を検出する温度検出工程と、前記温度検出工程によって検出された前記半導体膜の温度変化に基づいて、前記半導体膜における結晶性に関する所定の評価指標を求める評価工程とを備える。
【００１１】
上記の構成により、導電体上に形成された半導体膜の評価において、この半導体評価装置は、前記励起した電子と正孔との再結合過程に起因する前記半導体膜の温度変化に基づいて前記半導体膜における結晶性に関する所定の評価指標を求める。このように、この半導体評価装置は、従来技術のμ―ＰＣＤ法のように前記導電体の影響を受けるマイクロ波を使用しないため、前記半導体膜中で充分な反射マイクロ波の電界強度が得られないという不具合は解消する。よって、この半導体評価装置は、前記半導体膜を精度よく評価することができる。
【００１２】
また他の一態様では、上述の半導体評価装置において、前記励起光照射部は、前記励起光の強度の時間に関する関数がステップ関数となるように変調された前記励起光を出力する変調部を有することが好ましい。
【００１３】
上記の構成により、この半導体評価装置は、その強度が時間に関するステップ関数となる前記励起光を前記半導体膜に照射するので、励起光に起因する前記半導体膜の温度変化を検出し易くなり、前記半導体膜をより精度よく評価することが可能となる。
【００１４】
また他の一態様では、上述の半導体評価装置において、前記励起光照射部は、強度を時間に対して周期的に変調した前記励起光を出力する変調部を有し、前記評価部は、前記励起光の周期に同期して、前記温度検出部によって検出された前記半導体膜の時間経過に対する前記温度変化に基づいて前記所定の評価指標を求めることが好ましい。
【００１５】
上記の構成により、この半導体評価装置は、その強度が時間に対して周期的に変化する前記励起光を前記半導体膜に照射して、前記周期に同期して、時間経過に対する前記温度変化に基づいて前記所定の評価指標を求めるため、前記励起光の周期的な照射に対応した前記温度変化を精度よく検出できるので、前記半導体膜をより精度よく評価することができる。
【００１６】
また他の一態様では、これら上述の半導体評価装置において、前記所定の評価指標は、予め設定された所定の基準強度から前記励起光の強度が変化し始める第１開始時点から、前記半導体膜が予め設定された所定の温度となる時点までの経過時間に基づく指標であることが好ましい。
【００１７】
また他の一態様では、これら上述の半導体評価装置において、前記所定の評価指標は、予め設定された所定の基準強度から前記励起光の強度が変化し始める第１開始時点と、前記第１開始時点で変化し始めた前記励起光に起因して前記半導体膜の温度が変化し始める第２開始時点との時間差に基づく指標であることが好ましい。
【００１８】
上記の構成により、この半導体評価装置は、前記励起光の照射に起因する前記半導体膜の温度変化の特性について、上記経過時間または上記時間差に基づいて、前記半導体膜における結晶性に関する前記所定の評価指標を求めるので、前記半導体膜を定量的に評価できる。
【００１９】
また他の一態様では、これら上述の半導体評価装置において、前記励起光照射部は、前記半導体膜の膜厚より光浸透長の短い波長の前記励起光を照射することが好ましい。
【００２０】
上記の構成により、この半導体評価装置は、前記半導体膜と前記励起光との相互作用領域を確保することができる。
【００２１】
また他の一態様では、これら上述の半導体評価装置において、前記温度検出部は、前記半導体膜から放射される赤外光を集光する集光光学系と、前記集光光学系によって集光された前記赤外光を検出することによって前記半導体膜の前記温度変化を検出する赤外光検出部とを有することが好ましい。
【００２２】
上記の構成により、前記集光光学系は前記半導体膜から四方八方へ放射される前記赤外光の一部または全てを前記赤外光検出素子に集光するので、この半導体評価装置は、前記半導体膜から放射される前記赤外光を効率よく前記赤外光検出素子で検出することができる。
【発明の効果】
【００２３】
以上により、本発明に係る半導体評価装置および半導体評価方法は、半導体膜を精度よく評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態に係る半導体評価装置の全体構成を示す図である。
【図２】実施形態に係る半導体膜における非平衡電子正孔対の挙動と半導体膜における温度変化について説明する図である。
【図３】実施形態に係る半導体膜の実測温度を表わす波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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、特段変更等の説明がない限り、適宜その説明を省略する。
【００２６】
図１は、本実施形態にかかる半導体評価装置１００（以下、評価装置１００とも呼ぶ）の全体構成を示す図である。評価装置１００は、導電性を有する導電体Ｓｂ上に形成された評価対象である半導体膜Ｓａに所定の励起光Ｌ１を照射して、当該励起光Ｌ１によって励起した電子と正孔との再結合過程に起因する半導体膜Ｓａの温度変化を計測して、当該検出結果に基づいて評価対象における半導体の結晶性に関する所定の評価を行う装置である。評価装置１００は、例えば図１に示すように、励起光照射部１０、温度検出部２０、評価部３０、ステージ４０を備える。励起光照射部１０は、半導体膜Ｓａへ励起光Ｌ１を照射し、温度検出部２０は、励起光Ｌ１によって励起した電子と正孔との再結合過程に起因する半導体膜Ｓａの温度変化を検出し、評価部３０は、当該温度変化に基づいて半導体膜Ｓａにおける結晶性に関する所定の評価指標Ｈを算出する。ステージ４０は、半導体膜Ｓａ上の励起光照射箇所と評価対象である半導体膜Ｓａを有する試料Ｓとの間の位置関係を異ならせる移動を行う。ここで、評価対象の半導体膜Ｓａは、本実施形態では、支持部材であるガラス基板Ｓｃ上に導電体Ｓｂを介して形成されており、ステージ４０上に載置されている。なお、半導体膜Ｓａの厚さは、例えば５μｍや３μｍ等であり１０μｍ以下である。半導体膜Ｓａは、例えば、シリコン、ＣＩＳ系（カルコパイライト系）材料、ＣＩＧＳ（Ｃｏｐｐｅｒ  Ｉｎｄｉｕｍ  Ｇａｌｌｉｕｍ  ＤｉＳｅｌｅｎｉｄｅ）系材料などであり、本実施形態ではＣＩＳ系材料である。導電体Ｓｂは、本実施形態では、例えば膜状である（以下、導電膜Ｓｂとも呼ぶ）。このような半導体膜Ｓａが導電体Ｓｂ上に形成されている構造は、例えば導電膜Ｓｂがトランジスタのゲート電極であるボトムゲート構造や、導電膜Ｓｂがトランジスタのソース電極またはドレイン電極であるボトムコンタクト構造等で採用されている。
【００２７】
励起光照射部１０は、導電性を有する導電膜Ｓｂ上に形成された評価対象の半導体膜Ｓａに励起光（または照射光とも呼ぶ）Ｌ１を照射する。当該励起光Ｌ１は、半導体膜Ｓａに非平衡電子正孔対を励起させるための光である。よって、励起光Ｌ１は、半導体膜Ｓａのバンドギャップ幅以上のエネルギーを有する波長の光である。また、半導体膜Ｓａとの間で相互作用する領域を確保する観点から、励起光Ｌ１は、半導体材料および照射光の波長に依存して定まる光浸透長が半導体膜Ｓａの膜厚より短い波長の光である事が好ましい。本実施形態の励起光照射部１０は、例えば、光源部１１、変調部１３、変調部ドライバ１５、照射光学系１７を有する。変調部１３および照射光学系１７は、光源部１１と試料Ｓとの間に、光源部１１から試料Ｓに向けてこの順で配置される。変調部ドライバ１５は、変調部１３および後述のロックインアンプ３１、ＡＤＣ３３へ信号を出力する。
【００２８】
光源部１１は、励起光Ｌ１へ変調される前の光Ｌ０を発光する光源である。光源部１１は、例えばランプと波長フィルタとを有する光源であってもよいが、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である。本実施形態では、光Ｌ０は、単色光のスポット状のレーザ光である。なお、光Ｌ０は、半導体膜Ｓａのバンドギャップ幅以上のエネルギーを有する波長の光であり、かつ半導体膜Ｓａの膜厚より光浸透長が短い波長の光である。光Ｌ０の波長は、半導体膜Ｓａのバンドギャップ幅、評価対象の膜厚、光浸透長等に応じて適宜に選択され、本実施形態では、具体的には、評価対象の半導体膜ＳａがＣＩＳ材料であることから、波長５３２ｎｍのＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ  Ｇａｒｎｅｔ）レーザ光（緑色可視光）である。この波長のとき、ＣＩＳ材料である試料Ｓにおける光浸透長は、０．５μｍ以下であり、半導体膜Ｓａの膜厚（先述の数μｍ程度）より短くなる。
【００２９】
変調部１３は、所謂外部制御型の変調器であり、変調部ドライバ１５から制御信号（変調信号）が入力されて変調部ドライバ１５の制御に従って、光源部１１からの光Ｌ０の強度を時間変化に対して変化させる強度変調を行い、該強度変調された変調光である励起光Ｌ１を出力する。よって、変調された励起光Ｌ１は、光Ｌ０と比べて、光の周波数は同じであるが、その強度が変調された光（変調光）となっている。変調部１３は、例えば以下の原理で変調を行うものであってよい。変調部１３は、例えばマッハツェンダ干渉計を構成し、制御信号（変調信号）の制御の下、電気光学効果による屈折率変化に伴う位相変化を強度変化に変えることで、入射光の光強度を変調する装置であってもよい。また例えば、変調部１３は、制御信号（変調信号）に従って光Ｌ０の遮光および透過が切り換えられることで、光Ｌ０の強度が断続的に（オンオフで）変調されて励起光Ｌ１が出力されるものであってもよい。
【００３０】
変調部１３は、例えば本実施形態では、励起光Ｌ１の強度の時間に関する関数が、ステップ関数となるように変調された変調光（以下、ステップ光と呼ぶ）である励起光Ｌ１を出力する。さらに本実施形態では、変調部１３は、例えば矩形パルス状の光である励起光Ｌ１を出力する。なお、パルス状の光は、連続的なパルスであってもよく、変調部１３は、本実施形態の第１の変調態様として、周期的な矩形パルス状の光（以下、パルス光と呼ぶ）である励起光Ｌ１を出力する。また、変調部１３は、例えば本実施形態の第２の変調態様として、その強度が時間に対して周期的に変調された変調光である励起光Ｌ１を出力する。さらに本実施形態では、変調部１３は、時間変化（経過）に対する光の強度変化を周期的な正弦波形状に強度変調してもよい（以下、この光を正弦光と呼ぶ）。
【００３１】
変調部ドライバ１５は、変調部１３が上述の変調動作を行うように、変調部１３を制御する。具体的には、変調部ドライバ１５は、例えば、前記周期的な矩形パルス波形状となる制御信号（第１の変調態様の場合）や、前記周期的な正弦波形状となる制御信号（第２の変調態様の場合）等を変調部１３に出力する。なお、変調部ドライバ１５からの信号は、変調部１３と、後述のように本実施形態ではロックインアンプ３１が変調部ドライバ１５からの制御信号を参照してアンプ２３からの信号を同期検波することから、後述のロックインアンプ３１およびＡＤＣ３３に出力される。
【００３２】
以下において、励起光Ｌ１が第１の変調態様で変調された例で主に説明を続ける。その後に、励起光Ｌ１が第２の変調態様で変調された例の説明を行う。
【００３３】
照射光学系１７は、１又は複数の光学素子を有し、例えば変調部１３から出力された励起光Ｌ１を半導体膜Ｓａに向けて案内し、半導体膜Ｓａ上へ集光する。よって、上記案内や上記集光の必要が無いときなどでは、照射光学系１７は必ずしも必要ではない。照射光学系１７は、本実施形態では、例えば減光器１７ａ、ミラー１７ｂ、レンズ１７ｃを有する。減光器１７ａ、ミラー１７ｂ、レンズ１７ｃは、変調部１３と試料Ｓとの間に、変調部１３から試料Ｓにむけてこの順で配置される。
【００３４】
減光器１７ａは、変調部１３から出力された励起光Ｌ１を所定の光量に減光し出力する。すなわち、減光器１７ａは、励起光Ｌ１の強度が強いため半導体膜Ｓａが破壊される可能性がある場合に設けられ、励起光の強度を低減させる。減光器１７ａは、例えば、色すなわち光の波長に影響を与えることなく光量を低下させるＮＤフィルタ（Ｎｅｕｔｒａｌ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｆｉｌｔｅｒ）である。また例えば、減光器１７ａは、２枚の偏光フィルタが各偏光面を互いに非平行な状態にして光軸を合わせて重ねられた光学素子等である。ミラー１７ｂは、減光器１７ａから出力された光の向きを反射によって当該出力された向きとは異なる向きに案内することで、減光器１７ａから出力された光を半導体膜Ｓａに照射する。レンズ１７ｃは、ミラー１７ｂから出力された励起光Ｌ１を半導体膜Ｓａ上に集光させるために使用される。レンズ１７ｃが励起光Ｌ１を集光することで、半導体膜Ｓａにおいて非平衡電子正孔対をより効率的に発生させることができる。本実施形態では、集光された励起光Ｌ１の直径は、具体的には約１．０ｍｍ等である。
【００３５】
なお、励起光照射部１０は、変調部１３を有することなく、光源部１１が変調器の機能を兼ねてもよい。例えば、光源部１１は、変調部ドライバ１５から例えば上述の制御信号（変調信号）が入力され、当該制御信号に従って発光することで強度変調された変調光である励起光Ｌ１を出力してもよい。この光源部１１は、所謂直接制御型の変調器である。この場合、光源部１１から出力された励起光Ｌ１は、次に照射光学系１７へ出力される。
【００３６】
温度検出部２０は、励起光Ｌ１によって励起した電子と正孔との再結合過程に起因する半導体膜Ｓａの温度変化を検出する。本実施形態では、温度検出部２０は、励起光Ｌ１の照射を受け半導体膜Ｓａにおいて励起された非平衡電子正孔対が再結合して発熱することで半導体膜Ｓａから放射される赤外光Ｌ２の検出を行う。本実施形態の温度検出部２０は、例えば赤外光検出器２１、アンプ２３、赤外光学系２５を有する。赤外光学系２５は、試料Ｓと赤外光検出器２１との間に配置される。アンプ２３は、赤外光検出器２１からの信号の入力を受けて、後述のロックインアンプ３１およびＡＤＣ３３へ信号を出力する。
【００３７】
赤外光学系２５は、半導体膜Ｓａから放射された赤外光Ｌ２を、赤外光検出器２１へと案内する光学系である。例えば本実施形態では、赤外光学系２５は集光光学系２５ａを有し、赤外光Ｌ２を集光して後述の赤外光検出素子２１ａへと案内する光学系である。赤外光学系２５はする。
【００３８】
集光光学系２５ａは、例えば本実施形態では、半導体膜Ｓａから放射される赤外光Ｌ２を赤外光検出素子２１ａに集光する例えばレンズ等である。集光光学系２５ａは、半導体膜Ｓａから四方八方へ放射された赤外光Ｌ２を赤外光検出素子２１ａに集光させるので、評価装置１００は、効率よく赤外光Ｌ２を赤外光検出素子２１ａで検出することができる。よって、集光光学系２５ａは、上記のように微弱である赤外光検出素子２１ａからの出力を増加させることに寄与することができる。
【００３９】
赤外光検出器２１は、励起光Ｌ１によって励起された電子と正孔との再結合過程に起因して半導体膜Ｓａから放射される赤外光Ｌ２を検出することによって半導体膜Ｓａの温度変化を検出する。赤外光検出器２１は、例えば赤外光Ｌ２を検出する赤外光検出部２１ａを有する。本実施形態では、赤外光検出部２１ａは、集光光学系２５ａによって集光された赤外光Ｌ２を検出する。赤外光検出部２１ａは、例えば量子型検出素子、または熱型検出素子等である（以下、赤外光検出部を赤外光検出素子とも呼ぶ）。量子型検出素子は、熱型検出素子に比べて赤外光の検出精度が高く、検出速度が速いなどの特徴を有する。一方、熱型検出素子は、例えば焦電素子等であり、検出感度に波長依存性が無く、素子の冷却が不要であるなどの特徴を有する。本実施形態は、赤外光検出素子２１ａとして、赤外光の検出精度が高く検出速度が速い量子型検出素子を使用する。具体的には、本実施形態の赤外光検出素子２１ａは、量子型検出素子の一種であるＩｎＳｂが含まれる光起電力型検出素子である（検出可能な赤外光波長は約１〜約５．５μｍ）。
【００４０】
なお、本実施形態では赤外光検出器２１としてＩｎＳｂ光起電力型検出素子２１ａを適用している。定格動作温度として、例えば７７Ｋ（−１９６℃）程度とされる。そこで本実施形態では、赤外光検出器２１は、７７Ｋ（−１９６℃）程度で冷却される。この赤外光検出素子２１ａから出力される信号は、半導体膜Ｓａにおける温度を表わす信号（アナログ値）である。
【００４１】
アンプ２３は、赤外光検出器２１から出力されたアナログ信号を増幅する。
【００４２】
評価部３０は、温度検出部２０によって検出された半導体膜Ｓａの温度変化に基づいて、半導体膜Ｓａにおける結晶性に関する所定の評価指標Ｈを求める。ここで、半導体膜Ｓａにおける結晶性に関する評価は、半導体膜Ｓａにおける結晶性に依存して定まる諸特性についての評価のことであり、所謂半導体膜Ｓａにおける品質の評価が含まれる。半導体膜Ｓａにおける結晶性に関する評価の評価項目には、例えば、半導体ウエハＳにおける寿命の評価、半導体材料の不純物や欠陥の同定、結晶性の評価、混晶組成比の評価、超格子構造の評価等が含まれる。本実施形態では、一例として、半導体膜Ｓａにおける結晶性に関する評価は、半導体膜Ｓａにおける寿命の評価であるとして説明を行う。半導体膜Ｓａにおける結晶性に関する所定の評価指標Ｈは、結晶性の良否の度合いを表わすものであり、例えば上で述べた評価項目のうちの何れか一つについて評価を行った場合の前記評価対象における評価レベルである。例えば、所定の評価指標Ｈは、所定の閾値に対する前記評価対象の評価値の相対的な位置付けを評価レベルとすることで求まる（例えば評価値が所定の閾値以上の場合に評価レベルを良とし、所定の閾値未満の場合に評価レベルを不良などとする）。また例えば、所定の評価指標Ｈは、複数の閾値と当該評価値との比較によってグループ分けし、評価値がどの範囲（グループ）に属するかを評価レベルとすることで求まる。本実施形態では、所定の評価指標Ｈは、一例として、所定の閾値に対する評価値の相対的な位置付けを、所定の閾値以上の場合を良（例えば格子欠陥が少ない半導体や不純物が少ない半導体等の所謂品質の良い半導体）とし、所定の閾値未満の場合を不良（例えば格子欠陥が多い半導体や不純物が多い半導体等の所謂品質の悪い半導体）として、評価レベルとする。
【００４３】
本実施形態の評価部３０は、例えば励起光Ｌ１の周期に同期して、温度検出部２０によって検出された半導体膜Ｓａの時間経過に対する前記温度変化に基づいて、半導体膜Ｓａにおける結晶性に関する所定の評価指標Ｈを求める。本実施形態では、評価部３０は、例えばロックインアンプ３１、ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇｕｅ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）３３、コントローラ３５、演算制御部３７、入力部３７ａ、および出力部３７ｂを有する。変調部ドライバ１５の出力およびアンプ２３の出力の各々が、ロックインアンプ３１およびＡＤＣ３３にそれぞれ入力される。ロックインアンプ３１およびＡＤＣ３３の出力は、演算制御部３７に入力される。一方、演算制御部３７とコントローラ３５とは接続され、コントローラ３５はステージ４０に接続される。なお、入力部３７ａ、および出力部３７ｂは、演算制御部３７に接続される。
【００４４】
ロックインアンプ３１は、励起光Ｌ１の周期に同期して、温度検出部２０によって検出された半導体膜Ｓａの時間経過に対する上記温度変化に関する情報を出力する。具体的には、ロックインアンプ３１は、半導体膜Ｓａの時間変化に対する温度変化の計測データを、変調部１３から出力された励起光Ｌ１の周期（周波数）で同期検波する。本実施形態では、ロックインアンプ３１は、変調部ドライバ１５から出力された制御信号を参照し、アンプ２３から出力されたアナログ信号を前記制御信号の周波数で同期検波して、当該アナログ信号中の当該制御信号と同じ周波数成分を増幅させる。例えばロックインアンプ３１には、前記周期的な矩形パルス波形状となる制御信号（第１の変調態様の場合）、または前記周期的な正弦波形状となる制御信号（第２の変調態様の場合）等が入力される。またロックインアンプ３１から、温度変化に関する情報として、例えばアンプ２３から出力されたアナログ信号の増幅後の振幅値や、変調部ドライバ１５からの制御信号と上記アナログ信号との間の位相差等が、演算制御部３７へ出力される。なお、ロックインアンプ３１から出力される実測値を使用する際、１回分の出力値だけでなく、例えば所定回数分の出力値における平均値などが使用されてもよい。
【００４５】
なお本実施形態において、位相差は、例えば時間変化（経過）に対する変調部１３から出力された励起光Ｌ１の強度の変化を表わす波形（以下、光波形とも呼ぶ）の立ち上がり開始の時点（第１開始時点の一例）と、時間変化に対する半導体膜Ｓａの温度変化を表わす波形（以下、温度波形とも呼ぶ）であるアンプ２３出力のアナログ信号の立ち上がり開始の時点（第２開始時点の一例）との間の時間的な差である。また、本実施形態において位相差は、例えば前記光波形の立ち下がり開始の時点（第１開始時点の一例）と、前記温度波形の立ち下がり開始の時点（第２開始時点の一例）との間の時間的な差である。なお、ロックインアンプ３１には変調部ドライバ１５の制御信号が入力されるので、本実施形態では、前記光波形の立ち上がり開始の時点として、変調部ドライバ１５からロックインアンプ３１に入力される制御信号の立ち上がり開始の時点が使用される。また、前記光波形の立ち下がり開始の時点として、変調部ドライバ１５からの制御信号の立ち下がり開始の時点が使用される。
【００４６】
ＡＤＣ３３は、アンプ２３から出力された半導体膜Ｓａの温度変化を表わすアナログ信号が入力され、また変調部ドライバ１５から出力された制御信号が入力される。ＡＤＣ３３は、アンプ２３から出力されたアナログ信号をデジタル化して演算制御部３７に出力する。ＡＤＣ３３におけるアナログ信号の取り込みは、例えば変調部ドライバ１５からの制御信号の立ち上がり時又は立ち下がり時等をトリガに開始される。
【００４７】
コントローラ３５は、演算制御部３７の制御の下、ステージ４０の移動動作を制御する。またコントローラ３５は、ステージ４０が移動動作するための給電等を行う。ステージ４０は、試料Ｓを載置する載置台である。なおステージ４０は、試料Ｓを励起光照射部１０および温度検出部２０に対して移動させる台であり、例えば所謂ｘｙステージである。
【００４８】
演算制御部３７は、ロックインアンプ３１が出力した時間変化に対する半導体膜Ｓａの温度変化に関する情報に基づいて、半導体膜Ｓａにおける結晶性に関する所定の評価指標Ｈの算出を行う。演算制御部３７は、マイ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、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）を有する所謂ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）である。
【００４９】
以下では、変調部１３が第１の変調態様で変調を行う場合において、演算制御部３７が所定の評価指標Ｈを算出する方法について説明する。まず、半導体膜Ｓａにパルス光である励起光Ｌ１の照射が開始された場合の半導体膜Ｓａにおける非平衡電子正孔対の挙動と半導体膜Ｓａにおける発熱（赤外光Ｌ２の放射）に関して説明する。
【００５０】
図２は、半導体膜Ｓａに励起光Ｌ１の照射が開始された場合の半導体膜Ｓａにおける非平衡電子正孔対の挙動と半導体膜Ｓａにおける温度変化について主に説明する図である。なお図２では、説明の都合上、励起光Ｌ１はステップ光である。図２（ａ）および（ｂ）は、励起光Ｌ１が半導体膜Ｓａに照射されて非平衡電子正孔対が発生し、非平衡電子正孔対が拡散しながら再結合することで発熱する（赤外光Ｌ２を放射する）現象を説明する図である。なお、図２（ａ）は、前記品質の悪い半導体で形成された半導体膜Ｓａに励起光Ｌ１が照射された場合の図であり、図２（ｂ）は、前記品質の良い半導体で形成された半導体膜Ｓａに励起光Ｌ１が照射された場合の図である。図２（ｃ）は、励起光Ｌ１の波形と、図（ａ）および（ｂ）の各場合における、励起光照射に起因する半導体膜Ｓａの温度変化の波形を説明する図である。
【００５１】
まず図２（ｃ）について、上図（ｃ−１）はステップ光である励起光Ｌ１の出力開始時点付近の光強度波形（光波形）を表わしている。図（ｃ−１）において、縦軸は励起光Ｌ１の強度を表わし、横軸は時間である。図（ｃ−１）によると、時刻ｔ１において励起光Ｌ１の出力が開始される（第１開始時点の一例）。
【００５２】
図２（ａ）、（ｂ）では、半導体膜Ｓａに励起光Ｌ１が照射されることで、非平衡電子正孔対が生じたエリアＲａ（Ｒｂ）が発生し、非平衡電子正孔対の再結合により発熱（赤外光Ｌ２の放射）が発生する（図（ａ−１）、（ｂ−１））。半導体膜Ｓａへの励起光Ｌ１の照射が継続されることで、非平衡電子正孔対の単位時間当たりの発生量が非平衡電子正孔対の単位時間当たりの再結合量を上回り、非平衡電子正孔対が濃度勾配に依存して拡散して非平衡電子正孔対を含むエリアＲａ（Ｒｂ）が拡大し、非平衡電子正孔対の再結合が増加するに連れて赤外光Ｌ２の放射量は増大する（図（ａ−２）、（ｂ−２））。さらに半導体膜Ｓａへの励起光Ｌ１の照射が継続されると、非平衡電子正孔対の単位時間当たりの発生量と非平衡電子正孔対の単位時間当たりの再結合量とが平衡して、非平衡電子正孔対の総量が飽和することでエリアＲａ（Ｒｂ）の拡大が収まり、エリアＲａ（Ｒｂ）は所定の大きさで平衡状態となる。この時、非平衡電子正孔対の再結合量は飽和して赤外光Ｌ２の放射量も飽和する（図（ａ−３）、（ｂ−３））。
【００５３】
ここで、品質の良い半導体は、非平衡電子正孔対の再結合が遅いため寿命が長い。一方、品質の悪い半導体は、非平衡電子正孔対の再結合が早いため寿命が短い。よって、品質の良い半導体における単位時間当たりの非平衡電子正孔対の再結合の起こる割合は、品質の悪い半導体における単位時間当たりの非平衡電子正孔対の再結合の起こる割合よりも低くなる。また、品質の良い半導体は、品質の悪い半導体と比べて、寿命が長いため非平衡電子正孔対が広く拡散する。このことより、一例として図（ｂ−３）におけるエリアＲｂの平衡状態の大きさは、図（ａ−３）におけるエリアＲａの平衡状態の大きさよりも大きくなる。
【００５４】
図２（ｃ）の下図（ｃ−２）は、図（ｃ−１）で示した励起光Ｌ１の照射に対する、図２（ａ）で説明した品質の悪い半導体である半導体膜Ｓａの温度波形（ａで示す温度波形図）、および図２（ｂ）で説明した品質の良い半導体である半導体膜Ｓａの温度波形（ｂで示す温度波形図）を示している。図（ｃ−２）において、縦軸は半導体膜Ｓａの温度を表わし、横軸は時間である。図２（ｃ−２）のａ波形によると、半導体膜Ｓａが品質の悪い半導体である場合は、励起光Ｌ１の出力が開始された時刻ｔ１の若干後の時刻ｔ２ａ（第２開始時点の一例）に、半導体膜Ｓａの温度が急激に上昇する。図２（ｃ−２）のｂ波形によると、半導体膜Ｓａが品質の良い半導体である場合は、上記時刻ｔ２ａよりも後の時刻ｔ２ｂ（第２開始時点の一例）に半導体膜Ｓａの温度が上昇する。なお、このｂ波形における時間変化に対する温度上昇の度合い（以下、温度上昇度とも呼ぶ）は、ａ波形における温度上昇度よりも小さい。また、図（ｃ−１）に示す光波形の立ち上がり開始の時点（時刻ｔ１）から、半導体膜Ｓａの温度が予め設定された所定の温度の一例である温度Ｔｃとなる時点までの経過時間は、ｂ波形における時間（ｔｃｂ−ｔ１）の方が、ａ波形における時間（ｔｃａ−ｔ１）よりも長く、光波形と温度波形の位相差は、ｂ波形における位相差（例えば、ｔ２ｂ−ｔ１）の方がａ波形における位相差（例えば、ｔ２ａ−ｔ１）よりも大きい。加えて、半導体膜Ｓａの飽和した温度（飽和温度）は、ｂ波形における飽和温度Ｔｂの方がａ波形における飽和温度Ｔａよりも低い。
【００５５】
ここで、単位時間当たりの発熱量に影響を与える単位時間当たりの非平衡電子正孔対の再結合の割合が、品質の悪い半導体に比べて品質の良い半導体の方が低いことから、単位時間当たりの発熱量は、品質の悪い半導体に比べて品質の良い半導体の方が少ない。よって、品質の良い半導体における温度上昇度は、品質の悪い半導体における温度上昇度よりも小さい。また、平衡状態における品質の良い半導体における飽和温度は、品質の悪い半導体における飽和温度よりも低い。以上のことにより、品質の悪い半導体と品質の良い半導体との間で、上で述べたような差異が生じる。
【００５６】
なお、図２では、半導体膜Ｓａに励起光Ｌ１が照射された場合の説明を行ったが、半導体膜Ｓａへの励起光Ｌ１の照射停止の際にも、単位時間当たりの非平衡電子正孔対の再結合割合が低い品質の良い半導体は、励起光Ｌ１の照射停止後にも非平衡電子正孔対の再結合が続くため、単位時間当たりの非平衡電子正孔対の再結合割合が高い品質の悪い半導体と比べて、温度低下に時間を要し、時間変化に対する温度低下の度合いが小さくなる。よって、半導体膜Ｓａへの励起光Ｌ１の照射が停止された第１開始時点の一例である光波形の立ち下がり開始の時点から、半導体膜Ｓａの温度が予め設定された所定の温度Ｔｃとなる時点までの経過時間は、ａ波形およびｂ波形の飽和温度に依存するが、主にｂ波形の方がａ波形よりも遅くなる（不図示）。
【００５７】
図３は、励起光照射部１０がパルス光である励起光Ｌ１を半導体膜Ｓａに照射したときのＡＤＣ３３から演算制御部３７に出力された実測値のデジタルデータが、半導体膜Ｓａの温度変化の略１周期分について表わされた実測波形図である。縦軸は半導体膜Ｓａの温度を表わし（信号レベル）、横軸は時間である。ここで、信号レベルは、赤外線検出器で検出された温度変化に対する電圧値である。ここで、試料Ｓには、ガラス基板Ｓｃ上に形成された導電膜Ｓｂである主にモリブデン（Ｍｏ）を含む金属膜上に、ＣＩＳ系材料の半導体膜Ｓａが形成された構造を有している試料が使用されている。なお、実験における励起光Ｌ１の試料Ｓ上の強度は約１００ｍＶであり、照射径は０．５ｍｍである。図３中に（ａ）で示す波形は、図２（ａ）で説明した半導体膜Ｓａが品質の悪い半導体の場合であり、（ｂ）で示す波形は、図２（ｂ）で説明した半導体膜Ｓａが品質の良い半導体の場合である。（ａ）で示す温度波形では、励起光Ｌ１が照射された直後に、半導体膜Ｓａの温度が急激に上昇する。（ｂ）で示す温度波形では、励起光Ｌ１が照射された直後に、半導体膜Ｓａの温度が上昇するが、温度上昇度は（ａ）で示す波形の上昇度よりも小さい。また、（ｂ）で示す温度波形の飽和温度は、（ａ）で示す温度波形の飽和温度よりも低い。このように、図３で示す実測波形における傾向は、励起光Ｌ１がステップ光である図２（ｃ）で説明した傾向と略同じとなっている。
【００５８】
次に、上で図２および図３を使用して述べた非平衡電子正孔対の挙動と発熱の説明に基づいて、半導体膜Ｓａにおける結晶性に関する所定の評価指標Ｈを算出する方法に関して説明する。
【００５９】
説明したように、励起光Ｌ１を照射した場合の半導体膜Ｓａの温度変化は、半導体の結晶性等の品質に依存して、評価対象毎に差が生じる。そこで例えば、上で例示した評価項目などの評価において、要求される仕様（スペック）を満たす半導体を選別するために定められた基準値（閾値）を設け、上述の評価対象の評価値が当該基準値をクリアしたかどうかを判別する。例えば、当該基準値をクリアした評価対象（半導体膜Ｓａ）を有する試料Ｓは要求スペックを満たす半導体とし、当該基準値をクリアしなかった試料Ｓは要求スペックを満たさない半導体とすることで、所定の評価指標Ｈとすることができる。
【００６０】
演算制御部３７は、本実施形態では、例えば、予め設定された所定の基準強度から励起光Ｌ１の強度が変化し始める第１開始時点から、半導体膜Ｓａが予め設定された所定の温度における温度となる時点までの経過時間を評価する場合は、当該経過時間が基準値以上であるとき、評価指標Ｈとして、半導体膜Ｓａは要求スペックを満たす半導体すなわち品質の良い半導体であるとする。一方、当該経過時間が基準値未満であるときは、演算制御部３７は、評価指標Ｈとして、半導体膜Ｓａは要求スペックを満たさない半導体すなわち品質の悪い半導体であるとする。この場合の前記評価対象の評価値は、上記経過時間である。なお、上記予め設定された所定の基準強度は、ゼロないし実験等で得られた既知の最大強度の範囲内等で設定可能であり、例えば図２（ｃ−１）に示すように強度ゼロとすることができるが、これに限られない。また、上記予め設定された所定の温度は、試料Ｓ周辺の温度ないし実験等で得られた既知の飽和温度の範囲内等で設定可能であり、例えば図２（ｃ）に示す温度Ｔｃ等とすることができるが、これに限られない。さらに、励起光Ｌ１の強度が変化し始める開始時点は、所定の基準強度から強度が上昇または下降し始めた時点を言い、例えば光波形の立ち上がり開始の時点または立ち下がり開始の時点である。
【００６１】
また本実施形態では、演算制御部３７は、例えば、上記第１開始時点と、第１開始時点で変化し始めた励起光Ｌ１に起因して半導体膜Ｓａの温度が変化し始める第２開始時点との時間差、すなわち前記位相差を評価する場合は、当該位相差が基準値以上であるとき、評価指標Ｈとして、半導体膜Ｓａは要求スペックを満たす半導体すなわち品質の良い半導体であるとする。一方、当該位相差が基準値未満であるとき、演算制御部３７は、評価指標Ｈとして、半導体膜Ｓａは要求スペックを満たさない半導体すなわち品質の悪い半導体であるとする。この場合の前記評価対象の評価値は、前記位相差である。なお、第１開始時点で変化し始めた前記励起光に起因して前記半導体膜の温度が変化し始める第２開始時点は、第１開始時点で変化し始めた前記励起光が半導体膜Ｓａに照射され、その照射に対応して非平衡電子正孔対の発生または再結合が生じ、当該発生または再結合に起因して前記半導体膜の温度が変化し始める時点である。例えば、第１開始時点が光波形の立ち上がり開始の時点の場合、第２開始時点は、当該光波形の立ち上がり開始に対応した温度波形の立ち上がり開始の時点である。また、例えば、第１開始時点が光波形の立ち下がり開始の時点の場合、第２開始時点は、当該光波形の立ち下がり開始に対応した前記温度波形の立ち下がり開始の時点である。
【００６２】
図３における実測波形では、ロックインアンプ３１からの出力値によると、励起光Ｌ１の光波形図（不図示）における立ち上がり時（第１開始時点）と、（ａ）で示す品質の悪い半導体の場合の波形の立ち上がり時（第２開始時点）との位相差は、度数法で表わすと約２８．５度であった。一方、励起光Ｌ１の光強度の波形図における立ち上がり時（第１開始時点）と、（ｂ）で示す品質の良い半導体の場合の波形の立ち上がり時（第２開始時点）との位相差は、度数法で表わすと約３０度であった。この場合、前記評価対象の評価値は位相差である。上記基準値を例えば２９度（度数法）とすることで、位相差が当該基準値以上の場合は、評価指標Ｈとして、半導体膜Ｓａは要求スペックを満たす半導体すなわち品質の良い半導体であるとし、位相差が当該基準値未満の場合は、評価指標Ｈとして、半導体膜Ｓａは要求スペックを満たさない半導体すなわち品質の悪い半導体であるとすることができる。
【００６３】
以上の構成の半導体評価装置１００は、変調部１３が第１の変調態様で変調を行う場合において、上記半導体膜Ｓａにおける結晶性に関する所定の評価指標Ｈを求めることができる。なお、励起光Ｌ１がステップ光である場合、図２を用いて説明したように、励起光Ｌ１がパルス光の場合（第１の変調態様）と同様に位相差等を定義することができ、半導体評価装置１００は、上述のパルス光の場合と同様に所定の評価指標Ｈを求めることができる。
【００６４】
また、変調部１３が第２の変調態様で変調を行う場合、すなわち励起光Ｌ１が正弦光である場合、前記温度変化が励起光Ｌ１の強度変化に追従するから、励起光Ｌ１がパルス光（第１の変調態様）やステップ光である場合と同様に位相差等を定義することができ、半導体評価装置１００は、パルス光やステップ光の場合と同様に所定の評価指標Ｈを求めることができる。
【００６５】
上記の構成により、導電膜上Ｓｂに形成された半導体膜Ｓａの評価において、半導体評価装置１００は、温度検出部２０によって検出された半導体膜Ｓａの温度変化に基づいて半導体膜Ｓａにおける結晶性に関する所定の評価指標Ｈを求める。このように、半導体評価装置１００は、従来技術のμ―ＰＣＤ法のように導電体Ｓｂの影響を受けるマイクロ波を使用しないため、半導体膜Ｓａ中で充分な反射マイクロ波の電界強度が得られないという不具合は解消する。よって、半導体評価装置１００は、半導体膜Ｓａを精度よく評価することができる。
【００６６】
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。
【符号の説明】
【００６７】
１０  励起光照射部
１３  変調部
２０  温度検出部
２１ａ  赤外光検出素子（赤外光検出部）
２５ａ  集光光学系
３０  評価部
１００  半導体評価装置
Ｌ１  励起光
Ｌ２  赤外光
Ｓａ  半導体膜
Ｓｂ  導電膜（導電体）
【図１】
2014183203.tif 000003
【図２】
2014183203.tif 000004
【図３】
2014183203.tif 000005