(57)【要約】【課題】シリコン半導体薄膜の結晶性の評価を迅速かつ正確に行うことができるシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置を提供すること。【解決手段】励起光レーザ３と、赤外光レーザ４と、赤外光の波長よりも小さな直径の小孔６ａを有し、当該小孔６ａの一方の開口に照射された赤外光を、当該孔６ａの他方の開口から滲み出る近接場光Ｌ１としてシリコン半導体薄膜２ｂに照射することが可能な金属膜６と、赤外光レーザ４から放射された赤外光のうち孔６ａの他方の開口の手前側で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光検出器２３と、前記検出信号に基づいて薄膜２ｂの結晶性を評価するためのデータを作成する信号処理装置２６とを備えている。【選択図】図２
2009058273.tif 000002
【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励起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、
赤外光を放射する赤外光放射手段と、
前記赤外光の波長よりも小さな直径寸法の孔を有し、前記赤外光放射手段から前記孔の一方の開口に照射された赤外光を当該孔の他方の開口から滲み出る近接場光として前記励起領域内に照射することが可能な近接場光形成手段と、
前記赤外光放射手段から放射された赤外光のうち前記孔の他方の開口の手前側で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を作成するデータ作成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】
前記赤外光放射手段から放射された赤外光を前記孔の一方の開口まで導くことが可能な導光部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置。
【請求項３】
導光部材は、特定の軸線方向に延びるコアと、このコアを軸線回りに取り囲むクラッドとを有する光ファイバからなり、前記コアの先端部は、クラッドの先端面よりも前記軸線方向に突出し、前記近接場光形成手段の孔の内側に配置されることを特徴とする請求項２に記載のシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置。
【請求項４】
前記シリコン半導体薄膜に対して接離可能となるように前記近接場光形成手段を保持する保持手段と、この保持手段の動作を制御する制御手段とをさらに備え、この制御手段は、前記反射光強度検出手段により得られた赤外光の反射光の強度に基づいて、予め設定された基準強度以上の反射光強度が得られるように、シリコン半導体薄膜に対する前記近接場光形成手段の距離を調整することを特徴とする請求項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。
【請求項５】
前記近接場光形成手段は、前記孔として前記励起光及び赤外光の波長よりも小さな直径をもつ孔を有することを特徴とする請求項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。
【請求項６】
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励起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、
赤外光を放射する赤外光放射手段と、
前記励起光照射手段及び赤外光放射手段から照射された前記励起光及び赤外光を、前記励起領域の近傍まで導いて当該励起領域に照射する光ファイバと、
この光ファイバとシリコン半導体薄膜との間に設けられ、前記光ファイバにより導かれた励起光及び赤外光を集光する集光手段と、
この光ファイバ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反射光強度検出手段と、
前記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を作成するデータ作成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７】
前記集光手段は、励起光の波長と赤外光の波長との相違に応じて異なる収差特性を有する集光レンズからなり、この集光レンズによる赤外光の焦点と励起光の焦点とが光軸方向に異なる位置に設定されていることを特徴とする請求項６に記載のシリコン半導体薄膜の結晶性評価装置。
【請求項８】
前記赤外光放射手段は波長に１０ｎｍ以上の広がりを持つ広帯域の赤外光を放射することを特徴とする請求項１〜７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。
【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、ガラス基板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された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薄膜の膜厚のバラつき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は、安定した品質の製品を高い歩留まりで得るために、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】
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整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。
【０００５】
前記問題点を解決する方法として、例えば、特許文献１に記載される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】
【０００６】
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整をすることを要しない点では優れている。
【０００７】
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。
【０００８】
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】
上記課題を解決するために、本願発明者は、赤外光をその波長よりも小さな直径の孔に照射した際に前記孔から滲み出る光である、いわゆる近接場光を、励起光を照射したシリコン半導体薄膜の励起領域に照射した場合に、当該薄膜から近接場光が受ける影響の大きさと、前記孔の手前側の位置で反射された赤外光の強度との間に相関があることに着目して、以下の発明を完成した。
【００１０】
つまり、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励起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、赤外光を放射する赤外光放射手段と、前記赤外光の波長よりも小さな直径寸法の孔を有し、前記赤外光放射手段から前記孔の一方の開口に照射された赤外光を当該孔の他方の開口から滲み出る近接場光として前記励起領域内に照射することが可能な近接場光形成手段と、前記赤外光放射手段から放射された赤外光のうち前記孔の他方の開口の手前側で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を作成するデータ作成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】
本発明によれば、赤外光放射手段から放射された照射された赤外光のうち、孔から滲み出た近接場光を励起領域に照射するとともに、孔の手前位置で反射された反射光強度を検出することとしているため、前記近接場光がシリコン半導体薄膜から受けた影響を、この影響と相関のある反射光強度に基づいて特定することができる。そして、前記近接場光が受ける影響は、シリコン半導体薄膜の結晶性に応じて変動する値であるため、前記反射光強度を検出することにより、前記励起領域内のキャリアの量、つまりシリコン半導体薄膜の結晶性の評価を行うことができる。
【００１２】
具体的に、赤外光の反射率に与える影響は前記キャリアの量が多いほど低下する一方、このキャリアの量はシリコン半導体薄膜の結晶性が高いほど多く存在するため、赤外光の反射率に与える影響は結晶性が高いほど低いものとなる。
【００１３】
さらに、前記赤外光の反射率に与える影響は、前記薄膜の温度にも依存する。つまり、赤外光の反射率に与える影響は、シリコン半導体薄膜の温度が高いほど大きなものとなる。ここで、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、薄膜の結晶性が高いほど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。したがって、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、赤外光の反射率に与える影響が低下する。
【００１４】
このように赤外光の反射率に与える影響は、シリコン半導体薄膜の結晶性に応じて増減するため、本発明のように反射光の強度に基づいて薄膜の結晶性を評価することとすれば、その評価を迅速かつ正確に行うことができる。
【００１５】
特に、本発明では、近接場光形成手段の孔から滲み出る近接場光をシリコン半導体薄膜に照射することとしているため、より正確な結晶性の評価を行うことができる。つまり、近接場光は、伝播光とは異なり、前記孔の他方の開口の近傍の領域であって孔の直径寸法よりも小さな領域に局在化する特性を有しているため、このように局在化した近接場光を利用することにより赤外光を照射する範囲をより小さな範囲に限定することができ、結晶性評価の空間分解能をより高めることが可能となる。
【００１６】
また、本発明において「赤外光の波長よりも小さな直径」という文言は、孔が円形の断面形状であることに限定する趣旨ではなく、断面形状における最も広い開口幅（長方形の開口形状であれば長手寸法）が赤外光の波長よりも短いことを意味するものである。
【００１７】
前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記赤外光放射手段から放射された赤外光を前記孔の一方の開口まで導くことが可能な導光部材をさらに備えていることが好ましい。
【００１８】
このようにすれば、導光部材によって赤外光を孔の一方の開口まで導くことができるので、このような導光部材を用いることなく赤外光を伝播させる（空間伝播させる）場合と比較して、前記一方の開口以外の方向へ導かれる赤外光のロスを低減することができる。
【００１９】
具体的に、導光部材は、特定の軸線方向に延びるコアと、このコアを軸線回りに取り囲むクラッドとを有する光ファイバからなり、前記コアの先端部は、前記近接場光形成手段の孔の内側に配置されるように、クラッドの先端面よりも前記軸線方向に突出して形成されている構成とすることができる。
【００２０】
このようにすれば、光ファイバのコアに沿ってその先端部まで赤外光を導くことにより、赤外光を必然的に近接場光形成手段の孔まで導くことができるようになる。
【００２１】
前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記シリコン半導体薄膜に対して接離可能となるように前記近接場光形成手段を保持する保持手段と、この保持手段の動作を制御する制御手段とをさらに備え、この制御手段は、前記反射光強度検出手段により得られた赤外光の反射光の強度に基づいて、予め設定された基準強度以上の反射光強度が得られるように、シリコン半導体薄膜に対する前記近接場光形成手段の距離を調整することが好ましい。
【００２２】
このようにすれば、シリコン半導体薄膜と近接場光形成手段との距離を調整することにより、基準強度以上の反射光強度を確保することができる。つまり、近接場光形成手段が薄膜に近づくほど当該薄膜の表面における近接場光の散乱が大きくなり、そのエネルギーが奪われるため、赤外光（伝播光）に与える影響（つまり、反射光強度）が減少する一方、近接場光が薄膜に届かない範囲まで近接場光形成手段と薄膜とが遠ざかると前記反射光強度が検出されなくなる。したがって、予め設定された基準強度を下回ったときには、近接場光形成手段を薄膜から離間させる一方、基準強度を上回るときには、下回らない程度に近接場光形成手段を薄膜に近接させることにより、前記基準強度以上の反射光強度を得られるように薄膜と近接場光形成手段との間の距離を調整することができる。
【００２３】
前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記近接場光形成手段は、前記孔として前記励起光及び赤外光の波長よりも小さな直径をもつ孔を有することが好ましい。
【００２４】
このようにすれば、共通の近接場光形成手段によって励起光及び赤外光の双方を近接場光として薄膜に照射することができるので、近接場光を照射するために励起光及び赤外光ごとに別途の近接場光形成手段を設ける場合と比較して、コストを低減することができる。
【００２５】
また、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励起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、赤外光を放射する赤外光放射手段と、前記励起光及び赤外光を、前記励起光照射手段及び赤外光放射手段から前記励起領域まで導く光ファイバと、この光ファイバとシリコン半導体薄膜との間に設けられ、前記光ファイバにより導かれた励起光及び赤外光を集光する集光手段と、この集光照射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反射光強度検出手段と、前記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を作成するデータ作成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。
【００２６】
本発明によれば、シリコン半導体薄膜に励起光を照射するとともにこの励起領域に赤外光を放射し、この赤外光の反射光強度に基づいてシリコン半導体薄膜の結晶性を評価することとしているため、結晶性の評価を迅速かつ正確に行うことができる。
【００２７】
具体的に、本発明では、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所定の領域にバンドギャップ以上の光（励起光）を照射し、シリコン半導体薄膜のキャリアを励起させ、このキャリアを励起させた領域に、赤外光放射手段、光ファイバ及び集光手段を用いて赤外光を照射することとしている。
【００２８】
このように照射された赤外光の一部はシリコン半導体薄膜で反射することになるが、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。つまり、赤外光の反射率は前記キャリアの量が多いほど低下する一方、このキャリアの量はシリコン半導体薄膜の結晶性が高いほど多く存在するため、赤外光の反射率は結晶性が高いほど低いものとなる。
【００２９】
さらに、基材上に形成されたシリコン半導体薄膜で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。つまり、赤外光の反射率は、シリコン半導体薄膜の温度が高いほど大きなものとなる。ここで、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、薄膜の結晶性が高いほど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。したがって、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。
【００３０】
このように、赤外光の反射率はシリコン半導体薄膜の結晶性に応じて増減するため、本発明のようにシリコン半導体薄膜で反射された赤外光の強度に基づいて薄膜の結晶性を評価することとすれば、その評価を迅速かつ正確に行うことができる。
【００３１】
特に、本発明のように、励起光及び赤外光を共通の光ファイバを用いて励起領域まで導くとともに、これら励起光及び赤外光を集光手段により集光して励起領域内に照射することにより、前記光ファイバから励起領域まで導かれる励起光及び赤外光の放射方向や放射分布を、当該励起光と赤外光との間で合わせることができる。したがって、前記領域に照射される励起光と赤外光の照射条件を一定にすることができ、再現性の高い測定が可能となる。
【００３２】
前記シリコン半導体薄膜の結晶性評価装置において、前記集光手段は、励起光の波長と赤外光の波長との相違に応じて異なる収差特性を有する集光レンズからなり、この集光レンズによる赤外光の焦点と励起光の焦点とが光軸方向に異なる位置に設定されていることが好ましい。
【００３３】
このようにすれば、シリコン半導体薄膜の表面に赤外光の焦点を設定した場合、励起光の焦点をシリコン半導体薄膜の手前側（集光レンズ側）又は奥側に設定することにより、シリコン半導体薄膜に対する励起光の照射径を赤外光の照射径よりも広くすることができるので、励起光と赤外光に共通の集光レンズを用いながら、赤外光を励起光の照射範囲内に確実に照射して結晶性の評価をより確実なものとすることができる。
【００３４】
なお、本発明における前記赤外光放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。
【００３５】
一方、前記赤外光には、例えば波長に１０ｎｍ以上の広がりを持つ広帯域のものも含まれる。このような広帯域の赤外光を採用した場合には、これよりも狭い帯域の赤外光を採用した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に照射される赤外光と当該半導体薄膜下の基材の底面で反射した赤外光とが互いに干渉して、前記基材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。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、シリコン半導体薄膜に励起光を照射するとともに照射された領域に赤外光を放射し、この赤外光の反射光強度に基づいてシリコン半導体薄膜の結晶性を評価することとしているため、結晶性の評価を迅速かつ正確に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。
【００３８】
図１は、本発明の実施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を示す概略図である。図２は、図１の光ファイバの先端部を拡大して示す断面図である。
【００３９】
図１、図２を参照して、結晶性評価装置１は、基材２ａ上に成膜されたシリコン半導体薄膜２ｂの結晶性を評価するためのものである。ここで、結晶性評価の対象となるシリコン半導体薄膜２ｂは、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の厚みのポリシリコンからなるシリコン半導体薄膜や、数μｍ以下の厚みの単結晶シリコンからなるシリコン半導体薄膜がその典型例として挙げられる。
【００４０】
結晶性評価装置１は、シリコン半導体薄膜２ｂの表面に励起光を照射する励起光レーザ（励起光照射手段）３と、赤外光を放射する赤外光レーザ（赤外光放射手段）４と、前記励起光及び赤外光を前記シリコン半導体薄膜２ｂに導くための光ファイバ（導光部材）５と、この光ファイバ５に設けられた金属膜（近接場光形成手段）６と、前記励起光レーザ３及び赤外光レーザ４と光ファイバ５との間に設けられた光学系７と、前記基材２ａ及び光ファイバ５を保持する保持装置８と、前記励起光レーザ３、赤外光レーザ４及び保持装置８を制御する制御装置９とを備えている。
【００４１】
励起光レーザ３は、前記シリコン半導体薄膜２ｂのキャリア励起用の励起光として、３７５ｎｍの波長を有する光を照射する紫外半導体レーザにより構成されている。
【００４２】
赤外光レーザ４は、１５５０ｎｍの光を放射する半導体赤外レーザにより構成されている。
【００４３】
光学系７は、レンズ１０、レンズ１１及びレンズ１２と、ダイクロイックミラー１４と、ミラー１５及びミラー１６とを有し、励起光レーザ３及び赤外光レーザ４から照射された励起光及び赤外光を光ファイバ５に導くようになっている。具体的に、励起光レーザ３から照射された励起光は、レンズ１０によりコリメート（平行光化）されるとともにダイクロイックミラー１４で反射され、レンズ１１により集光された上で光ファイバ５の基端５ａに導かれる。また、赤外光レーザ４から照射された赤外光は、レンズ１２によりコリメートされるとともにダイクロイックミラー１４を透過して、レンズ１１により集光された上で光ファイバ５の基端５ａに導かれる。
【００４４】
一方、光ファイバ５の先端５ｂから戻ってきた励起光は、当該光ファイバ５の基端５ａからレンズ１１に導かれ、このレンズ１１によりコリメートされるとともにダイクロイックミラー１４で反射され、さらにミラー１５で反射されて後述する光検出器２４へ導かれる。また、光ファイバ５の先端５ｂから戻ってきた赤外光は、当該光ファイバ５の基端５ａからレンズ１１に導かれ、このレンズ１１によりコリメートされるとともにダイクロイックミラー１４を透過した後、ミラー１６で反射されて後述する光検出器２３へ導かれる。
【００４５】
光ファイバ５は、その基端５ａから先端５ｂまで延びるコア１７と、このコア１７を軸線回りに取り囲むクラッド１８とを備え、これらコア１７とクラッド１８との間の屈折率の相違を利用して前記コア１７内で光を導くようになっている。なお、本実施形態のコア１７は、直径５μｍのものが採用されている。
【００４６】
コア１７は、光を透過させることが可能なガラス等の材料からなり、プラスチックにより形成することもできる。本実施形態のコア１７は石英ガラスにより形成されている。一方、クラッド１８は、金属材料からなる。本実施形態のようにコア１７がガラスにより形成される場合、クラッド１８はコア１７よりも屈折率が低いガラスにより形成することも可能である。クラッド１８の目的は、コア１７内に光を閉じ込めることである。
【００４７】
金属膜６は、図２に示すように、前記光ファイバ５の先端５ｂに設けられている。具体的に、金属膜６は、円錐台状に形成されているとともに前記クラッド１８よりも先端側へ突出する前記コア１７の円錐台先端部１７ａを、その軸線方向に取り囲むように設けられている。換言すると、この円錐台先端部１７ａは、金属膜６に形成された小孔６ａを通して金属膜６の外側に露出している。この小孔６ａは、金属膜６を光ファイバ５側から先端側へ貫く孔であり、前記円錐台先端部１７ａの形状に合わせて光ファイバ５側の開口面積よりも先端側の開口面積が小さくなるように形成されたものである。
【００４８】
そして、本実施形態の小孔６ａは、前記赤外光の波長（１５５０ｎｍ）及び励起光の波長（３７５ｎｍ）よりも小さな０．１μｍの直径寸法Ｄ１を有する円形の開口形状とされている。したがって、前記コア１７を介して導かれた赤外光及び励起光は、伝播光としては小孔６ａを通して外側へ照射されることなくその大部分が反射光Ｌ２として光ファイバ５の基端５ａ側に導かれることになるが、この反射光Ｌ２以外の赤外光及び励起光は近接場光Ｌ１として小孔６ａから滲み出ることになる。具体的に、近接場光Ｌ１は、金属膜６の小孔６ａ（円錐台先端部１７ａの先端面）から概ね直径寸法Ｄ１を中心とする領域に局在化することになる。本実施形態では、励起光及び赤外光についての近接場光Ｌ１をシリコン半導体薄膜２ｂに照射することにより、当該薄膜２ｂの結晶性の評価を行うようになっている。
【００４９】
つまり、図２に示すように、励起光及び赤外光の近接場光Ｌ１をシリコン半導体薄膜２ｂに照射すると、この近接場光Ｌ１のうちの励起光によりシリコン半導体薄膜２ｂのキャリアが励起されるとともに、この照射箇所に近接場光Ｌ１のうちの赤外光が照射されることになる。そして、近接場光Ｌ１のうちの赤外光にはシリコン半導体薄膜２ｂの結晶性の高低に応じた変動が生じる。具体的に、シリコン半導体薄膜２ｂに存在するキャリアの量が多いほど変動が小さく、キャリアの量はシリコン半導体薄膜２ｂの結晶性が高いほど多く存在するため、薄膜２ｂの結晶性が高いほど変動が小さなものとなる。そして、この変動は、小孔６ａを介して近接場光Ｌ１と相互に影響し合う反射光Ｌ２にも変化を生じさせることになるため、この変化を後述する赤外光検出器２３により検出することによりシリコン半導体薄膜２ｂの結晶性の評価を行うことができる。
【００５０】
なお、光ファイバ５のクラッド１８を金属で形成する場合、これらクラッド１８と金属膜６とを同一の材料で構成することができる。この場合には、以下説明する方法によって金属膜６を有する光ファイバ５を作製することができる。
【００５１】
まず、ガラス製のコア１７の先端を塩酸等に浸漬して先を尖らせる。次いで、このコア１７の表面全体に、完成後にクラッド１８及び金属膜６となる金属材料をコーティングする。その後、コーティングされたものの先端部に対し薬品等により溶融させるなどの処理を行って、図２に示すようにその先端を平坦化する。これにより、同一の金属材料によってクラッド１８及び金属膜６を同時に形成することができる。
【００５２】
再び図１及び図２を参照して、保持装置８は、前記基材２ａを載置するためのステージ１９と、前記光ファイバ５の先端５ｂを保持するクランプ２０と、前記ステージ１９に対してクランプ２０（光ファイバ５）を昇降させる昇降装置２１とを備えている。前記ステージ１９は、シリコン半導体薄膜２ｂを上向きにした基材２ａを載置した状態で、図外の駆動機構によって水平方向（基材２ａの表面と平行する方向）に移動することが可能とされている。クランプ２０は、ステージ１９に載置された基材２ａに対し円錐台先端部１７ａを臨ませるように光ファイバ５を下向きにした姿勢で保持するようになっている。昇降装置２１は、前記クランプ２０を昇降させることにより、当該クランプ２０に保持された光ファイバ５の円錐台先端部１７ａとシリコン半導体薄膜２ｂとの間隔を調整することが可能とされている。
【００５３】
制御装置９は、発振器２２と、赤外光又は励起光の反射光をそれぞれ検出する赤外光検出器２３及び励起光検出器２４と、前記発振器２２及び赤外光検出器２３から電気信号が入力されるアンプ２５と、このアンプ２５から入力される電気信号を処理する信号処理装置２６と、この信号処理装置２６及び前記励起光検出器２４から電気信号を受けるコンピュータ２７と、このコンピュータ２７からの指令を受けて前記保持装置８の駆動を制御するコントローラ２８とを備えている。
【００５４】
発振器２２は、前記励起光レーザ３により照射される励起光を周期的に強度変調させるためのものである。このように強度変調するのは、瞬間的に多くのキャリアを生成することができるため、後述する赤外光検出器２３により得られる信号強度を高めることができるためである。
【００５５】
赤外光検出器２３は、前記光学系７（ミラー１６）により導かれた赤外光の反射光を受光して、その強度に対応する電圧信号（検出信号）をアンプ２５に出力するようになっている。同様に、励起光検出器２４は、前記ミラー１５から導かれた励起光の反射光を受光してその強度に対応する電圧信号をコンピュータ２７に出力するようになっている。
【００５６】
アンプ２５は、前記発振器２２から入力された強度変調に関する電気信号を参照することにより、前記赤外光検出器２３により得られた電気（電圧）信号のうち不要な周波数成分を除去するようになっている。したがって、高いＳ／Ｎ比の検出信号を得ることができる。また、アンプ２５は、上記のようにして得られた検出信号を信号処理装置２６に出力する。
【００５７】
信号処理装置２６は、前記アンプ２５から入力された検出信号に基づいて、シリコン半導体薄膜２ｂの結晶性を評価するためのデータ、例えば、図３に示すような検出信号の時間変化を示す信号波形を作成する。図３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、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している。なお、図３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）した場合には負となり、減少した場合には正となる極性で示している。同図に示すように、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ている。また、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い。
【００５８】
コンピュータ２７は、前記励起光検出器２４から入力された電気（電圧）信号に基づいて光ファイバ５とシリコン半導体薄膜２ｂとの間の適切な距離を算出する。つまり、コンピュータ２７は、励起光の反射光について予め設定された基準反射強度を記憶しており、この基準反射強度が実際の反射光強度以上となるための光ファイバ５とシリコン半導体薄膜２ｂとの間隔を算出する。具体的には図２を参照して、光ファイバ５（円錐台先端部１７ａ）とシリコン半導体薄膜２ｂとの距離が短くなると、短くなった分だけ薄膜２ｂにおける近接場光Ｌ１の散乱が大きくなり、そのエネルギが奪われるため、反射光Ｌ２の強度が減少することになる一方、近接場光Ｌ１が薄膜２ｂに届かない範囲まで光ファイバ５が遠ざかると反射光強度が検出されなくなる（０となる）。したがって、コンピュータ２７は、前記基準反射強度を下回ったときには、強度が０とならない範囲で光ファイバ５と薄膜２ｂとを離間させるための距離を算出する一方、基準反射強度を上回るときには、下回らない程度に光ファイバ５を近接させる距離を算出する。そして、コンピュータ２７は、このように算出された距離に関する指令を電気信号としてコントローラ２８に出力する。さらに、コンピュータ２７は、光ファイバ５に対する基材２ａの水平方向の位置を入力操作可能な図外の操作手段を有し、この操作手段により入力された位置情報も電気信号としてコントローラ２８に出力される。
【００５９】
コントローラ２８は、前記コンピュータ２７から入力された電気信号に応じて、前記昇降装置２１、又はステージ１９の駆動装置（図示せず）を駆動するようになっている。つまり、コントローラ２８は、コンピュータ２７からの入力された光ファイバ５と薄膜２ｂとの距離に関する指令に応じて昇降装置２１を駆動するとともに、図外の操作手段の操作に応じてコンピュータ２７から入力された位置情報に関する指令に応じてステージ１９を駆動するようになっている。
【００６０】
以上説明したように、前記実施形態によれば、赤外光レーザ４から放射された赤外光のうち、孔６ａから滲み出た近接場光Ｌ１を薄膜２ｂに照射するとともに、孔６ａの手前位置で反射された反射光Ｌ２の強度を検出することとしているため、近接場光Ｌ１がシリコン半導体薄膜２ｂから受けた影響を、この影響と相関のある反射光Ｌ２の強度に基づいて特定することができる。そして、近接場光Ｌ１が受ける影響は、シリコン半導体薄膜２ｂの結晶性に応じて変動する値であるため、反射光Ｌ２の強度を検出することにより、薄膜２ｂ内のキャリアの量、つまりシリコン半導体薄膜２ｂの結晶性の評価を行うことができる。
【００６１】
具体的に、赤外光の反射率に与える影響は前記キャリアの量が多いほど低下する一方、このキャリアの量はシリコン半導体薄膜２ｂの結晶性が高いほど多く存在するため、赤外光の反射率に与える影響は結晶性が高いほど低いものとなる。
【００６２】
さらに、基材２ａ上に形成されたシリコン半導体薄膜２ｂで反射される赤外光の反射率に与える影響は、前記薄膜２ｂの温度にも依存する。つまり、赤外光の反射率に与える影響は、シリコン半導体薄膜２ｂの温度が高いほど大きなものとなる。ここで、シリコン半導体薄膜２ｂのキャリアを励起光で励起させた場合、薄膜２ｂの結晶性が高いほど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。したがって、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２ａ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、赤外光の反射率に与える影響が低下する。
【００６３】
このように、赤外光の反射率に与える影響はシリコン半導体薄膜２ｂの結晶性に応じて増減するため、前記実施形態のように反射光Ｌ２の強度に基づいて薄膜２ｂの結晶性を評価することとすれば、その評価を迅速かつ正確に行うことができる。
【００６４】
特に、前記実施形態では、金属膜６の小孔６ａから滲み出る近接場光Ｌ１をシリコン半導体薄膜２ｂに照射することとしているため、正確かつ迅速な結晶性の評価を行うことができる。つまり、近接場光Ｌ１は、伝播光とは異なり、小孔６ａの近傍の領域であって小孔６ａの直径寸法よりも小さな領域に局在化する特性を有しているため、このように局在化した近接場光Ｌ１を利用することにより赤外光を照射する範囲を小さな範囲に限定することができ、結晶性評価の空間分解能を高めることができる。
【００６５】
前記実施形態のように、前記赤外光を金属膜６の孔６ａまで導くこと可能な光ファイバ５を備えた構成とすることにより、光ファイバ５を用いることなく赤外光を伝播させて赤外光を孔６ａまで導く場合と比較して、孔６ａ以外の方向へ導かれる赤外光のロスを低減することができる。具体的に、光ファイバ５のコア１７の先端部１７ａが孔６ａの内側に配置されるように、クラッド１８の先端面よりも突出して形成された構成とすることにより、光ファイバ５のコア１７に沿ってその先端部１７ａまで赤外光を導くことにより、当該赤外光を必然的に孔６ａまで導くことができる。
【００６６】
前記実施形態のように、保持装置８の動作を制御する制御装置９を備えた構成とすれば、予め設定された基準強度以上の反射光強度を得られるようにシリコン半導体薄膜２ｂと金属膜６との距離を自動的に適切なものに調整することができる。
【００６７】
前記実施形態のように、小孔６ａが励起光及び赤外光の波長よりも小さな直径寸法に設定された構成とすれば、共通の金属膜６によって励起光及び赤外光の双方を近接場光Ｌ１として薄膜２ｂに照射することができるので、励起光及び赤外光ごとに別途の金属膜６（光ファイバ５）を設ける場合と比較してコストを低減することができる。
【００６８】
なお、前記実施形態では、励起光及び赤外光についての近接場光Ｌ１をシリコン半導体薄膜２ｂに照射する構成について説明したが、励起光及び赤外光を、伝播光として薄膜２ｂに照射しても同様に結晶性の評価を行うことができる。
【００６９】
図４は、本発明の第二の実施形態に係る結晶性評価装置の全体構成を示す概略図である。なお、上述した実施形態と同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７０】
本実施形態に係る結晶性評価装置３０は、前記励起光レーザ３と、赤外光レーザ４と、光ファイバ５と、前記励起光レーザ３及び赤外光レーザ４と光ファイバ５との間に設けられた第二光学系３１と、前記基材２ａを保持する保持装置３２と、前記光ファイバ５と保持装置３２との間に設けられた第三光学系３３と、前記励起光レーザ３、赤外光レーザ４及び保持装置３２を制御する制御装置３４とを備えている。
【００７１】
第二光学系３１は、前記ミラー１５、１６を有していない点を除き、前記光学系７と同様の構成を有している。つまり、第二光学系３１は、前記レンズ１０、１１、１２及びダイクロイックミラー１４を有し、励起光レーザ３及び赤外光レーザ４から照射された励起光及び赤外光を光ファイバ５の基端５ａに導くようになっている。
【００７２】
また、第三光学系３３は、４個のレンズ３５〜３８と、ビームスプリッタ３９とを備え、前記光ファイバ５の先端５ｂから照射された励起光及び赤外光を保持装置３２に保持されているシリコン半導体薄膜２ｂ及び後述する光検出器４１、４２にそれぞれ導くようになっている。具体的に、光ファイバ５の先端５ｂから導出された紫外光及び赤外光は、レンズ３５によりコリメートされるとともに、その一部がビームスプリッタ３９により反射されてレンズ３８により集光された上で第一検出器４１に導かれる一方、ビームスプリッタ３９を透過したものがレンズ３６により集光された上でシリコン半導体薄膜２ｂに導かれる。そして、シリコン半導体薄膜２ｂで反射した赤外光及び励起光は、レンズ３６によりコリメートされるとともにビームスプリッタ３９で反射して、レンズ３７により集光された上で第二検出器４２に導かれる。なお、前記レンズ３６は、励起光の波長（３７５ｎｍ）と赤外光の波長（１５５０ｎｍ）との相違に応じて異なる収差特性を有している。具体的に、レンズ３６による赤外光の焦点は、当該レンズ３６による励起光の焦点よりもシリコン半導体薄膜２ｂの表面に近い（光ファイバ５から遠い）位置に設定されており、本実施形態では、薄膜２ｂに照射される励起光の照射径が１０μｍとなり、赤外光の照射径が３μｍとなるようにレンズ３６の収差特性が設定されている。
【００７３】
保持装置３２は、前記ステージ１９と、このステージ１９に対し昇降可能となるように前記レンズ３６を保持する昇降保持装置４０と、前記ステージ１９に対する基材２ａの表面位置（シリコン半導体薄膜２ｂの表面位置）を検出する表面位置検出センサ４６とを備えている。この表面位置検出センサ４６は、前記レンズ３６の光軸上におけるステージ１９の表面位置からシリコン半導体薄膜２ｂの表面位置までの相対距離を検出するための火接触センサである。また、昇降保持装置４０は、レンズ３６を昇降させることにより、薄膜２ｂに対する励起光及び赤外光の前記照射径を調整するようになっている。
【００７４】
制御装置３４は、前記発振器２２と、第一検出器４１及び第二検出器４２と、前記アンプ２５と、このアンプ２５、第一検出器４１及び第二検出器４２から入力された電気信号を処理する信号処理装置４３と、この信号処理装置４３との間で電気信号を送受信するコンピュータ４４と、このコンピュータ４４からの指令を受けて前記保持装置３２の駆動を制御するコントローラ４５とを備えている。
【００７５】
第一検出器４１は、シリコン半導体薄膜２ｂへ照射されていない励起光及び赤外光を検出するとともに、この検出結果に対応する電気信号を信号処理装置４３に出力するようになっている。一方、第二検出器４２は、シリコン半導体薄膜２ｂから反射された励起光及び赤外光を検出するとともに、この検出結果に対応する電気信号をアンプ２５及び信号処理装置４３に出力するようになっている。
【００７６】
信号処理装置４３は、前記アンプ２５から入力された検出信号に基づいて、シリコン半導体薄膜２ｂの結晶性を評価するためのデータ、例えば、上述した図３に示すような検出信号の時間変化を示す信号波形を作成する。なお、本実施形態の信号処理装置４３には、薄膜２ｂに照射する前の励起光についての検出信号が第一検出器４１から入力されるため、この検出信号を参照することにより、第二検出器４２により得られた検出信号のうち不要な周波数成分を除去することができる。したがって、この場合には、前記アンプ２５において不要な周波数成分を除去しなくても、高いＳ／Ｎ比の検出信号を得ることが可能となる。
【００７７】
コンピュータ４４は、前記表面位置検出センサ４６から入力された電気信号に基づいてレンズ３６とシリコン半導体薄膜２ｂとの間の適切な距離を算出する。つまり、コンピュータ４４は、励起光の照射径が１０μｍとなり赤外光の照射径が３μｍとなる前記レンズ３６と、シリコン半導体薄膜２ｂの表面との相対距離を予め記憶しており、前記表面位置検出センサ４６により検出された相対距離に基づいてレンズ３６の移動すべき距離を算出する。
【００７８】
コントローラ４５は、コンピュータ４４から入力された電気信号に応じて昇降保持装置４０、又はステージ１９の駆動装置（図示せず）を駆動するようになっている。
【００７９】
以上説明したように、前記実施形態によれば、シリコン半導体薄膜２ｂに励起光を照射するとともに、照射された領域に赤外光を放射し、この赤外光の反射光強度に基づいてシリコン半導体薄膜２ｂの結晶性を評価することとしているため、結晶性の評価を迅速かつ正確に行うことができる。
【００８０】
具体的に、前記実施形態では、励起光レーザ３を用いて基材２ａ上に形成されたシリコン半導体薄膜２ｂの所定の領域にバンドギャップ以上の励起光を照射し、薄膜２ｂのキャリアを励起させ、このキャリアを励起させた領域に、赤外光レーザ４を用いて赤外光を照射することとしている。
【００８１】
このように照射された赤外光の一部はシリコン半導体薄膜２ｂで反射することになるが、赤外光の反射率は、薄膜２ｂの結晶性に依存する。このように赤外光の反射率はシリコン半導体薄膜２ｂの結晶性に応じて増減するため、本実施形態のようにシリコン半導体薄膜２ｂで反射された赤外光の強度に基づいて薄膜２ｂの結晶性を評価することとすれば、その評価を迅速かつ正確に行うことができる。
【００８２】
特に、本実施形態のように、励起光及び赤外光を共通の光ファイバ５を用いてシリコン半導体薄膜２ｂまで導くとともに当該薄膜２ｂに照射することにより、この光ファイバ５から導出される励起光及び赤外光の放射方向や放射分布を、当該励起光と赤外光との間で合わせることができる。したがって、薄膜２ｂに照射される励起光と赤外光の照射条件を一定にすることができ、再現性の高い測定が可能となる。
【００８３】
前記実施形態のように、レンズ３６による赤外光の焦点がレンズ３６による励起光の焦点よりもシリコン半導体薄膜２ｂの表面に近い位置に設定されている構成とすれば、シリコン半導体薄膜２ｂに対する励起光の照射径を赤外光の照射径よりも広くすることができるので、励起光と赤外光に共通の集光レンズを用いながら、赤外光を励起光の照射範囲内に確実に照射して結晶性の評価をより確実なものとすることができる。
【００８４】
具体的に、シリコン半導体薄膜２ｂの表面に赤外光の焦点を設定した場合、励起光の焦点をシリコン半導体薄膜２ｂの手前側（レンズ３６側）又は奥側に設定することにより、シリコン半導体薄膜２ｂに対する励起光の照射径を赤外光の照射径よりも広くすることができる。
【００８５】
なお、前記各実施形態における赤外光レーザ４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。
【００８６】
さらに、赤外光放射手段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５のＬ３に示すように、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）を赤外光放射手段として採用すれば、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５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Ｌ４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２ｂに照射される赤外光と当該薄膜２ｂ下の基材２ａの底面で反射した赤外光とが互いに干渉して、基材２ａ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２ａ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。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の実施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を示す概略図である。
【図２】図１の光ファイバの先端部を拡大して示す断面図である。
【図３】図１の信号処理装置により作成されるデータの一例を示すものである。
【図４】本発明の第二の実施形態に係る結晶性評価装置の全体構成を示す概略図である。
【図５】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。
【符号の説明】
【００８８】
Ｄ１    直径寸法
Ｌ１    近接場光
Ｌ２    反射光
１、３０    結晶性評価装置
２ａ    基材
２ｂ    シリコン半導体薄膜
３    励起光レーザ（励起光照射手段）
４    赤外光レーザ（赤外光照射手段）
５    光ファイバ（導光部材）
５ａ    基端
５ｂ    先端
６    金属膜（近接場光形成手段）
６ａ    小孔
２３    赤外光検出器（反射光強度検出手段）
２６、４３    信号処理装置（データ作成手段）
４２    第二検出器（反射光強度検出手段）
【図１】
2009058273.tif 000003
【図２】
2009058273.tif 000004
【図３】
2009058273.tif 000005
【図４】
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【図５】
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