(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記所定の領域内に赤外光を照射する赤外光照射手段と、
前記シリコン半導体薄膜の表面に対する照射範囲が予め設定された範囲となるように、前記赤外光の照射範囲を調整する範囲調整手段と、
前記所定の領域内に照射された赤外光のうち前記シリコン半導体薄膜において反射された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データ作成手段と、
前記赤外光照射手段から前記所定の領域内に照射される赤外光を集光する集光手段と、
を備え、
前記集光手段は赤外光を集光するためのレンズを有しているとともに、前記範囲調整手段は、前記レンズを赤外光の光軸に沿って移動させるための移動手段と、前記レンズとシリコン半導体薄膜の表面との間の距離を測定するための測定手段と、この測定手段により測定された距離に基づいて、シリコン半導体薄膜の表面に対する赤外光の照射範囲が予め設定された範囲となるように移動手段によるレンズの移動を制御する制御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】
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、前記範囲調整手段は、シリコン半導体薄膜に対する前記励起光の照射範囲も調整可能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３】
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、前記レンズは赤外光及び励起光の双方を集光し、前記移動手段は、前記レンズを赤外光及び励起光の光軸に沿って移動させ、前記範囲調整手段は、この移動手段により前記レンズを移動させることにより赤外光及び励起光の照射範囲を調整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４】
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をその表面が開放された状態で保持することが可能で、かつ、前記表面と略平行な平面に沿って移動可能な保持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５】
請求項１〜４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、前記レンズ及び前記測定手段は、前記移動手段によって一体として移動可能であ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６】
請求項５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、前記測定手段は、前記レンズが保持された支持部を有し、前記移動手段は、前記測定手段を移動させ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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に関し、詳しくは、ガラス基材等の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に関する。
【背景技術】
【０００２】
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−Ｓｉ  ＴＦＴ）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−Ｓｉ  ＴＦＴ）が用いられている。ｐ−Ｓｉ  ＴＦＴ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。
【０００３】
ｐ−Ｓｉ  ＴＦＴ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。
【０００４】
また、近年では、ＴＦＴ回路を作製する微小領域（５μｍ程度）のみにポリシリコンを作製する技術も進展しており、局所的な結晶性評価のニーズも高くなっている。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【特許文献１】特開２００４−２２６２６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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は、測定対象を破壊して測定試料の調製をすることを要しない点では優れている。
【０００８】
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検出するラマン散乱光の強度は非常に微弱である。従って、正確な評価結果を得るためには、複数回の測定により測定結果を積算する必要があり、迅速に正確な評価結果を得るという観点からは不充分な測定方法であった。特に、製造ラインで、形成された薄膜をオンライン上で評価し、迅速にその評価結果を製造条件にフィードバックするという点においては、不充分な方法であった。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は、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、前記所定の領域内に赤外光を照射する赤外光照射手段と、前記シリコン半導体薄膜の表面に対する照射範囲が予め設定された範囲となるように、前記赤外光の照射範囲を調整する範囲調整手段と、前記所定の領域内に照射された赤外光のうち前記シリコン半導体薄膜において反射された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データ作成手段と、前記赤外光照射手段から前記所定の領域内に照射される赤外光を集光する集光手段と、を備え、前記集光手段は赤外光を集光するためのレンズを有しているとともに、前記範囲調整手段は、前記レンズを赤外光の光軸に沿って移動させるための移動手段と、前記レンズとシリコン半導体薄膜の表面との間の距離を測定するための測定手段と、この測定手段により測定された距離に基づいて、シリコン半導体薄膜の表面に対する赤外光の照射範囲が予め設定された範囲となるように移動手段によるレンズの移動を制御する制御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。
【００１１】
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、前記キャリアを励起させた領域に、赤外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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
一方、本発明における前記赤外光照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で容易に照射径が１０μｍ以下のような領域にでも、正確に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。
【００１７】
このように、本発明に係る結晶性評価装置においては、シリコン半導体薄膜からの反射光の強度に基づいて結晶性の評価を行うこととしているため、この反射光を得るための条件を評価ごとに一定に保つことができれば、その分、評価の結果を安定して得ることができる。そして、本発明では、シリコン半導体薄膜に対する照射範囲が予め設定された範囲となるように、赤外光の照射範囲を調整しているので、安定した評価結果を得ることができる。
【００１８】
また、本発明に係るシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置は、前記赤外光照射手段から前記所定の領域内に照射される赤外光を集光する集光手段をさらに備えている。
【００１９】
本発明によれば、赤外光を集光して照射範囲を絞ることができるので、高い空間分解能で結晶性の評価を行うことができる。このように照射範囲を絞る場合、焦点位置とシリコン半導体薄膜の表面との位置がずれると、赤外光の照射範囲の変動（拡大）が生じて評価対象箇所における反射光強度が弱くなり評価精度の大幅な低下を引き起こすことになるが、本発明では、上述のように範囲調整手段により赤外光の照射範囲が予め設定された範囲となるように調整されているため、高い空間分解能で安定した評価を行うことができる。
【００２０】
具体的に、前記集光手段は赤外光を集光するためのレンズを有しているとともに、前記範囲調整手段は、前記レンズを赤外光の光軸に沿って移動させるための移動手段と、前記レンズとシリコン半導体薄膜の表面との間の距離を測定するための測定手段と、この測定手段により測定された距離に基づいて、シリコン半導体薄膜の表面に対する赤外光の照射範囲が予め設定された範囲となるように移動手段によるレンズの移動を制御する制御手段とを備えている。
【００２１】
そのため、レンズとシリコン半導体薄膜との間の距離を調整することによって、赤外光の照射範囲を調整することが可能となる。
【００２２】
さらに、前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記範囲調整手段を、シリコン半導体薄膜に対する前記励起光の照射範囲も調整可能に構成することができる。
【００２３】
このようにすれば、範囲調整手段によって赤外光だけでなく励起光の照射範囲も調整することができるので、シリコン半導体薄膜の結晶性評価をより安定して行うことができる。つまり、励起密度（単位面積当たりの励起光のエネルギー）と反射光強度に基づく信号のピーク値との間には正の相関があるため、励起密度を一定に保つことにより結晶性評価の安定性が向上することになるが、この励起密度は、励起光の照射範囲を一定に保つことにより安定させることができる。したがって、前記構成では、励起光の照射範囲を調整することにより励起密度を安定に保って結晶性評価の安定性を向上することができる。
【００２４】
さらに、前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記レンズは赤外光及び励起光の双方を集光し、前記移動手段は、前記レンズを赤外光及び励起光の光軸に沿って移動させ、前記範囲調整手段は、この移動手段により前記レンズを移動させることにより赤外光及び励起光の照射範囲を調整するように構成されていることが好ましい。
【００２５】
この構成によれば、赤外光と励起光の照射範囲を共通のレンズを移動させるだけで調整することができるので、励起光及び赤外光のそれぞれについてレンズを設けてこれらを移動させる場合と比較して、励起光及び赤外光の双方の照射範囲の調整をより簡単かつ小さな構成で行うことが可能となる。
【００２６】
また、前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、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をその表面が開放された状態で保持することが可能で、かつ、前記表面と略平行な平面に沿って移動可能な保持手段をさらに備えていることが好ましい。
【００２７】
このようにすれば、保持手段の移動に応じてシリコン半導体薄膜の表面を連続的に評価していく場合に、当該保持手段に保持されているシリコン半導体薄膜の表面に対する赤外光の照射範囲が一定の範囲で保たれるため、安定した評価結果を得ることができる。
【００２８】
特に、近年では、ＬＴＰＳ（Low-Temperature Poly-Silicon TFT）基板のように大型化された基板を評価することもあり、このような基板の表面全体を連続的に評価していく場合にシリコン半導体薄膜の表面に対する赤外光の照射範囲（例えば、半導体表面と集光レンズとの間の距離）を一定に保つことは困難であるが、前記構成によれば、照射範囲の変動を抑制して安定した評価が可能となる。
【００２９】
前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記レンズ及び前記測定手段は、前記移動手段によって一体として移動可能であることが好ましい。
【００３０】
前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記測定手段は、前記レンズが保持された支持部を有し、前記移動手段は、前記測定手段を移動させることが好ましい。
【００３１】
本発明のシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置においては、基材、励起光照射手段及び、集光手段は以下のように構成されていることが好ましい。
【００３２】
すなわち、前記基材は、コンピュータ等で制御されたステージコントローラ等の位置決め手段を備えた基材支持手段に固定されていることが好ましい。このような基材支持手段を用いることにより、基材上の所定の領域に正確に励起光及び赤外光を照射することができる。
【００３３】
また、前記励起光照射手段としては、励起光を放射する励起光放射手段と、前記励起光放射手段から放射される励起光を前記基材上に照射する励起光照射方向調整手段とを含むことが好ましい。励起光照射方向調整手段としては、励起光の反射方向を調整することができる可動式ミラーや、励起光放射手段に備えられた放射方向を自在に調整できる手段等が挙げられる。前記励起光照射手段がこのような励起光照射方向調整手段を備えることにより、前記励起光放射手段の配設される位置に関らず、正確に、前記基材上の所定の領域に正確に励起光を照射させることができる。
【００３４】
さらに、前記集光手段としては、前記基材支持手段に固定された前記基材の上方に設けられ、赤外光照射手段が放射する赤外光を集光するための集光レンズと、前記集光レンズに赤外光照射手段が放射する赤外光を上方から入射させる手段を備えていることが好ましい。このような構成により、前記集光レンズに赤外光照射手段が放射する赤外光を入射させ、赤外光を基材上の正確な位置に照射することができる。
【００３５】
なお、前記赤外光照射手段が放射する赤外光を上方から入射させる手段としては、赤外光の進行方向を変更することができるビームスプリッタ等の装置が用いられる。このような装置を用いた場合には赤外光照射手段が配設される位置に関らず、正確に、集光レンズに赤外光を入射させることができる。
【００３６】
前記のような構成を備えたシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置の一例を、図１に示すような結晶性評価装置に基づいて以下に説明する。
【００３７】
図１においては、前記基材支持手段である基材ステージ１７により前記基材５ｂが特定位置に支持されており、前記基材５ｂの上方に赤外光集光用の集光レンズ４と、赤外光レーザ１０のような赤外光照射手段が放射する赤外光を集光レンズ４に上方から入射させるレーザスプリッタ１２等の手段とが設けられている。一方、前記励起光照射手段は、励起光を放射する励起パルスレーザ１のような励起光放射手段と、さらに、前記赤外光を透過させるとともに前記励起光放射手段から放射される励起光を前記基材５ｂ側に反射させるミラー６が集光レンズ４の上方に設けられている。そして、前記ミラー６により反射された励起光が集光レンズ４を透過して基材５ｂ上に形成されたシリコン半導体薄膜５ａに照射されるとともに、集光レンズ４に入射された赤外光が集光レンズ４により集光されて基材５ｂ上に形成されたシリコン半導体薄膜５ａにおける前記励起光の照射領域内に照射されるように、前記基材支持手段による前記基材の支持位置に対する前記レンズ及び前記ミラーの相対位置が設定されている。このような構成により、本発明のシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置をより効率的に構成することができる。
【００３８】
そして、前記のようにして集光して照射された赤外光の前記薄膜に対する反射光の強度を反射光強度検出手段により検出する。そして、検出された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ＣＰＵ等のデータ演算処理手段を備えたコンピュータ等からなるデータを作成するデータ作成手段により、結晶性を評価するためのデータを作成し、その結果を出力することにより、前記薄膜の結晶性を、短時間で迅速に評価することができる。
【００３９】
なお、前記データ作成手段としては、前記励起光照射手段における励起光として周期的に強度が変動する光を用いて、前記周期的に強度が変動する光の強度の変動周期に同期した前記赤外光の反射率変化についてのデータを作成することが好ましい。前記のように励起光として周期的に強度が変動する光を用い、データ作成手段として、前記周期的に強度が変動する光の強度の変動周期に同期した前記赤外光の反射率変化についてのデータを作成することにより、検出される反射光強度のＳ／Ｎ比を高めることができる。また、励起光を周期的に強度変調させ、同周期成分のみをロックインアンプ等を用いて検出することにより、不要なノイズ周波数成分が除去でき、Ｓ／Ｎ比を高めることができ、測定の高精度化が実現できる。
【００４０】
また、前記励起光照射手段としては、照射する励起光の強度の変動タイミングを検出するタイミング検出手段をさらに備え、また、その場合においては、前記データ作成手段として、前記タイミング検出手段により検出される前記励起光の強度の変動タイミングに同期するタイミングで前記反射光強度検出手段の検出信号を採取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ことが好ましい。このように、タイミング検出手段により、励起光の強度変動タイミングを検出し、励起光の強度が高い期間と反射光のデータ採取の期間とを同期させることにより、作成させるデータのＳ／Ｎ比を高めることができる。
【発明の効果】
【００４１】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下に、本発明を更に具体的に説明する。
【００４３】
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。
【００４４】
図１に示した結晶性評価装置は、基材５ｂ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り、この基材５ｂを支持する基材ステージ（保持手段）１７と、励起光照射手段と、赤外光照射手段と、集光手段と、範囲調整手段と、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。
【００４５】
この実施の形態では、前記基材５ｂには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はステージコントローラ１６の制御下で水平方向に駆動される。
【００４６】
前記励起光照射手段は、前記基材ステージ１７上の基材５に形成されたシリコン半導体薄膜５ａの表面の所定の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、励起パルスレーザ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。
【００４７】
前記励起パルスレーザ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パルスレーザ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、その強度が周期的に変動する励起光を照射する方が、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。
【００４８】
なお、励起光は、「少なくとも半導体薄膜のバンドギャップ以上のエネルギーを有する波長の光」であればよく、具体的に、シリコン半導体薄膜５ａの場合には約１１００ｎｍ以下の波長を有する光であればよい。
【００４９】
また、励起光として紫外光を用いているのは、薄膜５ａの膜厚が非常に薄く（例えば、５０ｎｍ）、紫外の波長において吸収が大きいという事情から、紫外光を用いることにより効率よくキャリアを励起することができるためである。換言すると、効率を度外視すれば、紫外光以外の光を励起光として利用することも可能である。
【００５０】
前記ビーム調整器２は、組合せレンズにより構成され、前記励起パルスレーザ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５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。
【００５１】
前記赤外光照射手段は、前記シリコン半導体薄膜５ａの表面のうち励起光が照射された範囲内に赤外光を照射するためのものであり、この実施の形態では赤外光レーザ１０と、ビーム調整器１１と、ビームスプリッタ１２と、λ／２偏光板２０と、λ／４偏光板２１とが具備されている。赤外光レーザ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半導体レーザ等が好ましく用いられる。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、赤外光レーザ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及びλ／２偏光板２０を通った赤外光を基材５ｂ側に反射させるとともに、λ／４偏光板２１を通って基材５ｂに照射された赤外光のうち反射されたもの、つまり、λ／４偏光板２１を２回通過した赤外光を後述する光検出器１３側へ透過させるようになっている。
【００５２】
また、赤外光レーザ１０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）を赤外光レーザ１０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の厚みに応じた測定誤差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。
【００５３】
前記集光手段は、前記赤外光放射手段から放射された赤外光を集光するためのものであり、本実施形態においては、前記集光レンズ４を含んでいる。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。その照射径は後述する範囲調整手段により調整されるが、例えば２〜１０μｍ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。
【００５４】
なお、検出信号の強度は、励起光の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。
【００５５】
前記範囲調整手段は、前記シリコン半導体薄膜５ａに対する赤外光及び紫外光の照射範囲が予め設定された基準範囲となるように前記レンズ４とシリコン半導体薄膜５ａとの間の距離を調整するためのものである。なお、前記基準範囲は赤外光及び紫外光について略同一に設定されていてもよいが、励起範囲に確実に赤外光を照射する観点から赤外光の照射範囲よりも紫外光の照射範囲の方が大きく設定されていることが好ましい。例えば、紫外光の基準範囲として既定される照射範囲の直径寸法を、赤外光の基準範囲として既定される照射範囲の直径寸法の２倍以上２０倍以下と設定することができる。
【００５６】
具体的な構成として、範囲調整手段は、前記集光レンズ４を保持するセンサ（測定手段）２２と、このセンサ２２及び前記レンズ４を昇降させることが可能な駆動機構（移動手段）２３と、前記センサ２２からの入力信号に基づいて駆動機構２３を駆動制御するコンピュータ（制御手段）１５とを備えている。
【００５７】
前記センサ２２は、側方へ延びる支持部２４において前記集光レンズ４を保持するとともに当該集光レンズ４とシリコン半導体薄膜５ａの表面との間の距離を検出し、その検出結果をコンピュータ１５に出力するように構成されている。具体的に、センサ２２は、周知の検知手段、例えば、三角測量を用いたセンサや、光ディスクのピックアップレンズ等に用いられる４分割センサ等を利用することができる。これら三角測量を用いたセンサと４分割センサとを比較すると、小型化という観点からは、４分割センサが有利であるが、４分割センサはダイナミックレンジが狭くなるという側面がある。一方、三角測量を用いたセンサは小型化には適さないが、ダイナミックレンジが広いという特性がある。
【００５８】
なお、本実施形態では、図１に示すように、集光レンズ４を保持するとともに、この集光レンズ４と一体に昇降するように構成されたセンサ２２を開示しているが、集光レンズ４とシリコン半導体薄膜５ａの表面との間の距離を測定することができることを前提として、センサ２２の配設位置は限定されない。例えば、センサ２２は集光レンズ４や駆動機構２３と独立して設けられていてもよい。逆に、図１に示すように集光レンズ４の近傍で当該レンズ４に従動する構成とすることにより、距離の測定をより正確なものとすることができる。
【００５９】
駆動機構２３は、コンピュータ１５から出力される制御信号に応じて前記集光レンズ４及びセンサ２２を一体として移動させるようになっている。例えば、駆動機構２３は、ボールねじ（図示せず）とこのボールねじを回転駆動するためのモータ（図示せず）とを有しており、前記ボールねじが前記センサ２２に取り付けられたナットに挿通（螺合）している。そして、前記モータの駆動に応じてボールねじが回転することにより当該ボールねじに対しナットが相対移動する結果、センサ２２及び集光レンズ４が基材ステージ１７に対して昇降することになる。駆動機構２３は、上述したボールねじとモータとの組合せに限定されるものではなく、ボールねじ以外でも集光レンズ４とセンサ２２を一体として移動できる構成であればよい。本実施形態において、センサ２２及び集光レンズ４の昇降の向きは赤外光及び励起光の光軸と平行する向きである。
【００６０】
コンピュータ１５は、前記センサ２２により検出された集光レンズ４とシリコン半導体薄膜５ａの表面との間の距離が予め設定された許容範囲に収まるように前記駆動機構２３の駆動を制御する。
【００６１】
具体的に、コンピュータ１５は、前記許容範囲を記憶しており、この許容範囲と前記センサ２２により検出された距離（以下、検出距離と称す）とを比較して、検出距離が前記許容範囲内であると判断した場合に駆動機構２３をそのまま保持する（つまり、センサ２２及び集光レンズ４をそのままの位置とする）ようになっている。一方、コンピュータ１５は、検出距離が前記許容範囲から外れていると判断した場合には、当該許容範囲内に収めるための集光レンズ４の移動量を算出し、この移動量に基づく電気信号を駆動機構２３に出力する。この処理はコンピュータ１５からの指示に応じて所定期間ごとに行われる。
【００６２】
そして、前記集光レンズ４とシリコン半導体薄膜５ａとの間の距離として既定された前記許容範囲は、集光レンズ４の焦点がシリコン半導体薄膜５ａの表面に合致する集光レンズ４の位置を基準として上下に交差を設けた距離の範囲である。したがって、前記処理がコンピュータ１５により実行されることによって、集光レンズ４により集光される赤外光及び励起光のシリコン半導体薄膜５ａに対する照射範囲が前記許容範囲に応じた適切な範囲に調整されることになる。
【００６３】
なお、本実施形態では、基材ステージ１７に対して集光レンズ４を昇降させることにより、赤外光及び励起光のシリコン半導体薄膜５ａに対する照射範囲を調整するようにしているが、反対に集光レンズ４に対して基材ステージ１７を接離させることにより照射範囲を調整することも可能である。
【００６４】
前記反射光強度検出手段は、前記集光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において反射された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。
【００６５】
前記タイミング検出手段は、励起パルスレーザ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、励起パルスレーザ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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
前記信号波形は、前記コンピュータ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。
【００６９】
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（保持手段）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５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。
【００７０】
なお、本実施形態では、基材ステージ１７の移動により集光レンズ４に対してシリコン半導体薄膜５ａを二次元的に移動させるようにしているが、この二次元的な移動は、基材ステージ１７に対する集光レンズ４の移動によっても実現することができる。具体的には、前記駆動機構２３に対し、上述した集光レンズ４の昇降機能だけでなく、シリコン半導体薄膜５ａの表面に沿った二次元的な移動機能を具備させることができる。
【００７１】
次に、この装置の作用を説明する。
【００７２】
前記励起パルスレーザ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５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。
【００７３】
一方、赤外光レーザ１０が放射する赤外光は、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。
【００７４】
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。つまり、前記センサ２２により所定時間ごとに集光レンズ４とシリコン半導体薄膜５ａの表面との間の距離が検出されるとともに、この検出距離が前記基準範囲内となるようにコンピュータ１５によって駆動機構２３が制御される結果、赤外光の照射範囲が適切な半径に保持されている。なお、本実施形態では、赤外光と励起光に共通して集光レンズ４を用いているため、前記コンピュータ１５による制御が行われることにより、励起光の照射範囲も適切なものとなる。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
一方、ビームスプリッタ３は励起パルスレーザ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。
【実施例】
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
なお、本実施例では、励起パルスレーザ１として、波長３５５ｎｍ、パルス幅１０ｎｓの紫外パルスレーザを用い、前記励起パルスレーザ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。
【００８１】
一方、赤外光照射手段に含まれる赤外光レーザ１０として波長１．５５μｍの赤外光を放射する半導体レーザを用いた。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（つまり、照射径５μｍ±数％となるように既定された前記許容範囲に基づいてコンピュータ１５による駆動機構２３に対する駆動制御が行われた）。
【００８２】
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。
【００８３】
なお、前記実施形態では、試料からの反射光をそのまま光検出器１３に導いて検出するようにしているが、図４に示すように試料からの反射光を２光束に分割してこれらをそれぞれ検出するように構成することもできる。
【００８４】
この実施形態では、反射光を２の光束に分割するためのビームスプリッタ２５と、前記光検出器１３及びアンプ８とは別に設けられた光検出器２６及びアンプ２７とを備えている。
【００８５】
この実施形態では、反射光が２つの光束に分離され、一方の光束が光検出器１３に導かれる一方、他方の光束が光検出器２６に導かれる。前記光検出器１３では反射光に含まれるＡＣ成分（すなわち、紫外光を照射したときに変動する成分）を検出するとともに、前記光検出器２６では反射光に含まれるＤＣ成分（紫外光を照射していない状態における反射光（特定の試料に対しては常に一定の値となる））を検出し、これらの検出値はそれぞれアンプ８、２７を介して信号処理部９に導かれる。
【００８６】
信号処理部９では、前記ＡＣ成分及びＤＣ成分の測定値に基づいて赤外光の反射率の最大変動振幅が算出される。つまり、上記ＤＣ成分に対するＡＣ成分の増加割合の最大値が算出される。具体的に、ＤＣ成分の検出値をＶａ、ＡＣ成分のピーク値をＶｂとした場合、信号処理部９は、Ｖｂ／Ｖａを算出するようになっている。このように、ＤＣ成分に対するＡＣ成分の増加割合の最大値を算出している理由は、試料ごとにＤＣ成分の値が異なることがあるため、このような試料のそれぞれについてＡＣ成分のピーク値を比較しても絶対的な評価を行うことができないためである。
【００８７】
前記一連の構成の装置による評価結果を図２に示す。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】本発明の別の実施形態に係る結晶性評価装置の一部を拡大して示す図である。
【符号の説明】
【００９２】
１    励起パルスレーザ
２    ビーム調整器
３    ビームスプリッタ
４    集光レンズ
５ｂ    基材
５ａ    シリコン半導体薄膜
６    ダイクロイックミラー
７    光検出器
８    アンプ
９    信号処理装置
１０    赤外光レーザ
１１    ビーム調整器
１２    ビームスプリッタ
１３    光検出器
１５    コンピュータ（制御手段）
１６    ステージコントローラ
１７    基材ステージ
２２    センサ（測定手段）
２３    駆動機構（移動手段）
【図１】
0005283889.tif 000002
【図２】
0005283889.tif 000003
【図３】
0005283889.tif 000004
【図４】
0005283889.tif 000005