JP5350345B2 - 薄膜半導体の結晶性評価装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜半導体の結晶性評価装置および方法に関し、特にマイクロ波光導電減衰法（以下、μ−ＰＣＤ法）を用いて、シリコン半導体薄膜の結晶性を評価するために好適に実施されるものに関する。

近年、シリコン等を用いた半導体薄膜を用いた太陽電池の開発が盛んに行われている。従来から、半導体分野では、不純物汚染や欠陥評価のための非接触・非破壊評価手法として、前記μ−ＰＣＤ法が多く用いられている（たとえば、特許文献１のシリコンウェーハのライフタイム測定方法）。

そのメカニズムは、半導体試料に電磁波を照射すると、該半導体試料中の自由電子が前記電磁波の電界によって運動（移動）し、その運動状態は、該半導体試料中の不純物、欠陥等の存在によって影響を受けるので、該半導体試料に照射した電磁波の反射波の強度（照射波の強度に対する変化）が、該半導体試料の結晶性の指標となることを利用するものである。しかもその反射波の強度の検出（測定）は、非破壊かつ非接触で、ごく短時間のうちに行うことができるという利点がある。

しかしながら、電磁波（マイクロ波）の波長は数ミリ以上と長いので、微小領域の結晶性を評価できないという問題がある。また、該半導体試料が、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、該半導体試料の厚みが薄い（薄膜試料である）場合、電磁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、ごく微小となり、充分な測定感度、すなわち測定精度を確保できないという問題がある。一方、測定感度を高めるために励起光の強度を強くし過ぎると、試料の損傷の原因となり、さらに励起光の光源のコスト増にもつながる。

そこで本件発明者らは、特許文献２を提案している。その従来技術によれば、前記薄膜試料にそのバンドキャップ以上のエネルギーの励起光を集光して微小領域に照射することで、試料中の微小領域に光励起キャリアを発生させ、その光励起キャリアの電磁波の電界による運動を前記自由電子の運動に代えて用いるというものである。これによって、前記励起光の照射により変化する前記反射波の強度を検出すれば、その検出強度は、試料の微小領域（励起光照射領域）の結晶性を表す指標となり、そのような薄膜の試料の評価が可能になるというものである。さらに、前記励起光の照射領域が微小領域であるので、前記反射波の強度変化は小さく、その測定はノイズの影響を受け易くなるけれども、前記励起光を所定周期で強度変調した光とし、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、測定値から不要な周波数成分（ノイズ）を除去している。

特開２００７−４８９５９号公報 特開２００８−５１７１９号公報

前記特許文献２は、ＴＦＴなど、微小領域の結晶性を評価できる優れた手法であるものの、これまでのμ−ＰＣＤ法では、評価対象の半導体薄膜の直下に、導電性膜が存在する場合には、半導体薄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るという問題がある。具体的には、前記太陽電池においては、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を用いる場合は、ガラス基板に裏面（ボトム）電極を形成した上に半導体薄膜を形成するので、前記ボトム電極が前記導電性膜となる。同様な問題が、ボトムゲート構造を採用したＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）分野でも生じる。

本発明の目的は、μ−ＰＣＤ法で半導体薄膜の結晶性を評価するにあたって、半導体薄膜下に導電性膜が形成されている場合にも評価を行うことができる薄膜半導体の結晶性評価装置および方法を提供することである。

本発明の薄膜半導体の結晶性評価装置は、薄膜半導体から成る試料の測定部位に対して、前記薄膜半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを有する励起光を照射する励起光照射手段と、前記励起光の照射位置に電磁波を照射する電磁波照射手段と、前記励起光の照射により変化する試料からの反射電磁波の強度を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて前記試料の結晶性を評価する評価手段とを備える薄膜半導体の結晶性評価装置において、前記試料において、前記薄膜半導体は、導電性膜上に形成され、前記試料と前記電磁波照射手段との間に、前記励起光に対して透明である誘電体を配置し、前記誘電体の誘電率をε、厚さをｄ、照射電磁波の波長をλとするとき、ｄ＝λ／４（ε） ^１／２ の関係にあることを特徴とする。

また、本発明の薄膜半導体の結晶性評価方法は、薄膜半導体から成る試料の測定部位に対して、前記薄膜半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを有する励起光を照射し、前記励起光の照射に合わせて、その照射位置に電磁波を照射し、前記励起光の照射により変化する試料からの反射電磁波の強度を検出し、前記の検出結果に基づいて前記試料の結晶性を評価するようにした薄膜半導体の結晶性評価方法において、前記試料において、前記薄膜半導体は、導電性膜上に形成され、前記試料と前記電磁波照射手段との間に、前記励起光に対して透明である誘電体を配置し、前記誘電体の誘電率をε、厚さをｄ、照射電磁波の波長をλとするとき、ｄ＝λ／４（ε） ^１／２ の関係にあることを特徴とする。

上記の構成によれば、半導体から成る試料の測定部位に対して、励起光照射手段から前記半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを有する励起光を照射するとともに、電磁波照射手段から、その励起光の照射位置に電磁波を照射し、検出手段が前記励起光の照射によって変化する試料からの反射電磁波の強度を検出し、評価手段が、その検出結果に基づいて前記試料の結晶性を評価するようにしたμ−ＰＣＤ（反射マイクロ波光導電減衰）法を用いて前記半導体の結晶性を評価する半導体の結晶性評価装置において、前記半導体が薄膜半導体から成り、その薄膜半導体が導電性膜上に形成される場合に、前記試料と前記電磁波照射手段との間に、前記励起光に対して透明である誘電体を設ける。

ここで、半導体に、そのバンドギャップ以上のエネルギーを有する励起光を照射すると、半導体中に光励起キャリアが発生し、その光励起キャリアは、電磁波の電界で運動（移動）する。そして、その運動状態は、試料中の不純物、欠陥等の存在によって影響を受ける。このため、半導体試料に照射した電磁波の反射波の強度（照射波の強度に対する変化）は、試料の結晶性の指標となる。しかもその反射波の強度の検出（測定）は、非破壊かつ非接触で、ごく短時間のうちに行うことができる。そのような前記μ−ＰＣＤ法を用いるにあたって、金属製ステージ表面にマイクロ波を照射すると、その表面を節とする定在波が立つ。したがって、ステージ上に薄いサンプルを置いた場合、その表面における定在波の電界振幅が小さいので、光励起キャリアとの相互作用が弱まり、信号強度が小さい。他方、サンプルが厚い（最適値はλ／４）場合は比較的電界振幅が大きくなり、信号も大きくなる。

そこで本発明では、前記半導体が薄膜で、かつ太陽電池におけるボトム電極など、その薄膜半導体が導電性膜上に形成される場合に、前記試料と前記電磁波照射手段との間に、前記励起光に対して透明である誘電体を設ける。これによって、励起光による光励起キャリアの発生を阻害することなく、誘電体無しでは感度がなく評価不能であった試料まで、高感度に評価することができるようになる。

また、電磁波の照射空間と試料との間、すなわち空気−シリコンの間に、中間的なインピーダンスを有する媒質を挿入することで、電磁波に対するインピーダンスの急激な変化を避け（インピーダンス整合し）、パワー伝達効率を良くすることができる。そして、前記の条件とすることで、薄膜半導体へのパワー伝達効率を最大化することができる。

また、本発明の薄膜半導体の結晶性評価装置では、前記評価手段は、前記検出手段による前記反射電磁波の強度のピーク値を検出することで結晶性を評価することを特徴とする。

上記の構成によれば、前記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）の短いときには、一般的で安価な機器を用いて該タイムτを計測することは困難であるが、励起パルス幅≫ライフタイムτのとき、ライフタイムτ∝Ｐｅａｋ値となる（近似する）。

したがって、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ライフタイムτを評価することができる。

さらにまた、本発明の薄膜半導体の結晶性評価装置では、前記誘電体は、前記試料上に、微小間隔を開けて配置されることを特徴とする。

上記の構成によれば、試料に完全に非接触で評価を行なうことができる。

また、本発明の薄膜半導体の結晶性評価装置では、前記誘電体は、前記電磁波照射手段における導波管の先端に取付けられていることを特徴とする。

上記の構成によれば、誘電体は試料全体の大きさではなく、微小領域にマイクロ波を照射し、該誘電体が取付けられる導波管の大きさに形成されればよく、撓みを小さくし、前記微小間隔を小さくすることができる。

さらにまた、本発明の薄膜半導体の結晶性評価装置では、前記励起光照射手段は、前記試料に対して所定周期で強度変調した励起光を照射し、前記評価手段は、前記検出手段で検出された反射電磁波の強度の中で、前記励起光の強度変調に同期した周期成分を検出し、前記検出した前記周期成分の信号強度に基づいて前記試料の結晶性を評価することを特徴とする。

上記の構成によれば、前記特許文献１のような変調励起・同期検波によって、高感度な計測・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ので、前記変調励起・同期検波によって、測定値から不要な周波数成分（ノイズ）を除去でき、好適である。また、半導体レーザを励起光源に使えるので、低コスト化に有利であるとともに、安定性の面でも有利である。

本発明の薄膜半導体の結晶性評価装置および方法は、以上のように、半導体から成る試料の測定部位に対して、励起光照射手段から前記半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを有する励起光を照射するとともに、電磁波照射手段から、その励起光の照射位置に電磁波を照射し、検出手段が前記励起光の照射により変化する試料からの反射電磁波の強度を検出し、評価手段が、その検出結果に基づいて前記試料の結晶性を評価するようにしたμ−ＰＣＤ法を用いて前記半導体の結晶性を評価する半導体の結晶性評価装置において、前記半導体が薄膜半導体から成り、その薄膜半導体が導電性膜上に形成される場合に、前記試料と前記電磁波照射手段との間に、前記励起光に対して透明である誘電体を設ける。

それゆえ、励起光による光励起キャリアの発生を阻害することなく、誘電体無しでは感度がなく評価不能であった試料まで、高感度に評価することができるようになる。また、電磁波の照射空間と試料との間、すなわち空気−シリコンの間に、中間的なインピーダンスを有する媒質を挿入することで、電磁波に対するインピーダンスの急激な変化を避け（インピーダンス整合し）、パワー伝達効率を良くすることができる。

本発明の実施の一形態に係る薄膜半導体の結晶性評価装置のブロック図である。 金属製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。 試料への照射マイクロ波の反射波の強度から結晶性評価を行うにあたって、本発明で用いる誘電体の誘電率と厚さとを変化させた場合の反射マイクロ波の強度変化を示すグラフである。 前記試料の表面と、誘電体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光励起キャリアの密度変化を示すグラフである。 本発明の実施の他の形態に係る薄膜半導体の結晶性評価装置のブロック図である。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の一形態に係る薄膜半導体の結晶性評価装置１のブロック図である。本実施の形態の評価装置１は、前述のμ−ＰＣＤ法を用いて半導体の結晶性を評価するものであり、後述するように、試料２に誘電体３を重ね合わせることで、該試料２として、ガラス基板（厚さ数ｍｍ）２ｃ上に、導電膜２ｂおよび薄膜半導体２ａ（厚さ数μｍ程度）が成膜されたものを評価することができる。そのような試料２としては、たと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ＦＰＤである。一方、前記誘電体３を介在しないことで、半導体ウエハなどの通常通りの評価も可能である。

この評価装置１は、マイクロ波発振器１１と、導波管１２，１３，１４と、方向性結合器１５と、ステージ１６と、紫外励起光源１７と、検出器１８と、パーソナルコンピュータ１９と、前記誘電体３とを備えて構成される。

電磁波照射手段であるマイクロ波発振器１１から放射されたマイクロ波は、導波管１２から方向性結合器１５および導波管１３を伝送されて、ステージ１６上の試料の測定部位へ照射される。導波管１３の先端から試料に照射されたマイクロ波は、該試料の表面で反射し、再び導波管１３に導かれる。このマイクロ波の照射領域より狭小な領域には、励起光照射手段である紫外励起光源１７から、前記試料の半導体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が照射される。その紫外光照射時は、半導体中に光励起キャリアが発生し、一時的にマイクロ波の反射率が増加する。その反射マイクロ波は、再び導波管１３から方向性結合器１５を経由して導波管１４へ導かれ、検出手段である検出器１８にて検出される。検出器１８の検波信号は、評価手段であるパーソナルコンピュータ１９へ伝送される。

こうして、前記紫外励起光の照射によって半導体中に発生した光励起キャリアは、電磁波（マイクロ波）の電界で運動（移動）し、その運動状態は、半導体中の不純物、欠陥等の存在によって影響を受ける。このため、検出器１８で、試料２からの反射マイクロ波の強度を検出し、パーソナルコンピュータ１９で解析することで、前記半導体の結晶性を評価することができる。しかもその反射波の強度の検出（測定）は、非破壊かつ非接触で、ごく短時間のうちに行うことができる。その際、パーソナルコンピュータ１９が、ＸＹテーブルなどから成るステージ１６の位置を制御することで、所定の範囲の結晶性を判定するマッピング測定も可能である。

ところが、図２（ａ）で示すように、金属製ステージ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立つ。したがって、図２（ｂ）で示すように、この金属ステージ２１上に薄いサンプル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、信号強度が小さくて、実質検出できない。これに対して、厚いサンプル２４（最適値はλ／４）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。

そこで本実施の形態では、前述のようなμ−ＰＣＤ法を用いて結晶性の評価を行うにあたって、前記薄膜半導体２ａが導電膜２ｂ上に形成された試料２である場合には、前記誘電体３を重ね合わせて測定を行うようにする。前記誘電体３は、前記紫外励起光に対して透明である。

このように構成することで、μ−ＰＣＤ（反射マイクロ波光導電減衰）法を用いて半導体の結晶性を評価するにあたって、紫外励起光による光励起キャリアの発生を阻害することなく、誘電体３無しでは感度がなく評価不能であった試料２まで、高感度に評価することができるようになる。また、マイクロ波の照射空間と試料２との間、すなわち空気−シリコンの間に、中間的なインピーダンスを有する媒質を挿入することで、マイクロ波に対するインピーダンスの急激な変化を避け（インピーダンス整合し）、パワー伝達効率を良くすることができる。

そして、前記誘電体３の誘電率をε、厚さをｄ、照射電磁波の波長をλとするとき、
ｄ＝λ／４（ε）^１／２
の関係とする。具体的には、本件発明者のシミュレーション結果を、図３で示す。シミュレーションは、マイクロ波の周波数は２６ＧＨｚで、誘電体３の誘電率εを、７．５、９．０として行っている。誘電体３の厚さｄが、前記の条件を満たす場合に、該誘電体３の表面が反射マイクロ波の振幅の腹の位置となり、前記反射電磁波の感度を最大にすることができる。

また、前記の条件とすることで、図４で示すように、誘電体３の表面３ｄで反射するマイクロ波３ｆと、試料２の表面２ｄで反射するマイクロ波２ｆ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３の界面３ｄでの反射は、その厚さがｄ＝λ／４ｎ（ｎ：屈折率）のとき、該界面３ｄでの反射波と界面２ｄからの反射波が干渉により弱め合い、最小となる。このとき、空気から誘電体３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、評価対象膜（薄膜半導体２ａ）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。

前記誘電体３としては、その誘電率が、薄膜半導体２ａの誘電率、たとえばシリコンで１１．７〜８に近いものほど感度が向上するが、前述のように、紫外励起光に吸収がないものを用いる必要がある。また、紫外励起光源１７の波長は、薄膜半導体２ａ中に効率良く励起光を吸収させるために、該薄膜半導体２ａの厚さ＜浸透長となる波長を選択することが好ましい。さらにまた、より高感度な検出を可能とするために、検出器１８は、差動アンテナ方式を用いてもよい。

さらにまた、評価手段である前記パーソナルコンピュータ１９は、前記結晶性の評価を、検出手段である前記検出器１８による反射電磁波の強度のピーク値Ｐｅａｋを検出することで行なう。これは、前記紫外励起光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オーダーのレーザーパルス照射期間ｔ０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）の短いとき、キャリアの消滅時間が、発生したキャリア数に近似するためである。時刻ｔ＝０から照射を開始すると、キャリア密度が増加し、前記ライフタイムτを超える充分な時間が経過すると、励起光照射によって新たに発生するキャリア数と、ライフタイムτが経過して再結合して消失するキャリア数とが均衡し、キャリア密度は一定となる。その後、時刻ｔ＝ｔ０で励起光の照射を停止すると、キャリア密度は前記ライフタイムτで減少してゆく。

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あたり）をｇとし、ライフタイムを前記τとするとき、半導体層のキャリア密度ｐは、
ｄｐ／ｄｔ＝ｇ−ｐ／τ
を解くことで求められ、初期条件ｐ＝０，ｔ＝０で、
ｐ＝ｇτ（１−ｅｘｐ（−ｔ／τ））
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。）。そして、前記キャリア密度ｐのピーク値Ｐｅａｋは、レーザーパルスの照射終了タイミングであるｔ＝ｔ０の値であるので、
Ｐｅａｋ＝ｇτ（１−ｅｘｐ（−ｔ０／τ））
と表すことができる。ここで、前述のように、τ≪ｔ０であるので、
Ｐｅａｋ≒ｇτ
したがって、ｇは一定であるので、
τ∝Ｐｅａｋ
となる（近似できる）。

したがって、前記ライフタイムτがｎｓ以下（ピコ秒オーダー）の短いときには、一般的で安価な機器を用いて該タイムτを計測することは困難であるが、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ライフタイムτを評価することができる。

また、励起光照射手段である紫外励起光源１７が、前記試料２に対して所定周期で強度変調した励起光を照射し、評価手段であるパーソナルコンピュータ１９が、検出手段である検出器１８で検出された反射電磁波の強度の中で、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前記試料の結晶性を評価することで、高感度な計測・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ので、前記のような変調励起・同期検波によって、測定値から不要な周波数成分（ノイズ）を除去でき、好適である。また、半導体レーザを紫外励起光源１７に使えるので、低コスト化に有利であるとともに、安定性の面でも有利である。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の他の形態に係る薄膜半導体の結晶性評価装置３１のブロック図である。本実施の形態の評価装置３１は、前述の評価装置１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。注目すべきは、この評価装置３１では、前記誘電体３３が、導波管１３の先端に取付けられており、誘電体３３と試料２との間に、微小間隔ｄを開けて測定が行なわれることである。前記微小間隔ｄは、たとえば誘電体３３の誘電率εが５．５で、５０μｍ程度である。すなわち、照射マイクロ波が、この微小間隔ｄを感じない（伝搬に影響しない）程度で、大きな距離に選ばれる。

したがって、前記微小間隔ｄを設けることで、試料２に完全に非接触で評価を行なうことができる。また、前記誘電体３３は、試料２全体の大きさではなく、微小領域にマイクロ波を照射し、該誘電体３３が取付けられる導波管１３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ｄを小さくすることができる。

１，３１ 結晶性評価装置
２ 試料
２ａ 薄膜半導体
２ｂ 導電膜
２ｃ ガラス基板
３，３３ 誘電体
１１ マイクロ波発振器
１２，１３，１４ 導波管
１５ 方向性結合器
１６ ステージ
１７ 紫外励起光源
１８ 検出器
１９ パーソナルコンピュータ
２１ 金属製ステージ

Claims (6)

1. 薄膜半導体から成る試料の測定部位に対して、前記薄膜半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを有する励起光を照射する励起光照射手段と、
   前記励起光の照射位置に電磁波を照射する電磁波照射手段と、
   前記励起光の照射により変化する試料からの反射電磁波の強度を検出する検出手段と、
   前記検出手段の検出結果に基づいて前記試料の結晶性を評価する評価手段とを備える薄膜半導体の結晶性評価装置において、
   前記試料において、前記薄膜半導体は、導電性膜上に形成され、
   前記試料と前記電磁波照射手段との間に、前記励起光に対して透明である誘電体を配置し、
   前記誘電体の誘電率をε、厚さをｄ、照射電磁波の波長をλとするとき、
   ｄ＝λ／４（ε） ^１／２
   の関係にあることを特徴とする薄膜半導体の結晶性評価装置。
2. 前記評価手段は、前記検出手段による前記反射電磁波の強度のピーク値を検出することで結晶性を評価することを特徴とする請求項１に記載の薄膜半導体の結晶性評価装置。
3. 前記励起光照射手段は、前記試料に対して所定周期で強度変調した励起光を照射し、
   前記評価手段は、前記検出手段で検出された反射電磁波の強度の中で、前記励起光の強度変調に同期した周期成分を検出し、前記検出した前記周期成分の信号強度に基づいて前記試料の結晶性を評価することを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜半導体の結晶性評価装置。
4. 前記誘電体は、前記試料上に、微小間隔を開けて配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜半導体の結晶性評価装置。
5. 前記誘電体は、前記電磁波照射手段における導波管の先端に取付けられていることを特徴とする請求項４に記載の薄膜半導体の結晶性評価装置。
6. 薄膜半導体から成る試料の測定部位に対して、前記薄膜半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを有する励起光を照射し、
   前記励起光の照射に合わせて、その照射位置に電磁波を照射し、
   前記励起光の照射により変化する試料からの反射電磁波の強度を検出し、
   前記の検出結果に基づいて前記試料の結晶性を評価するようにした薄膜半導体の結晶性評価方法において、
   前記試料において、前記薄膜半導体は、導電性膜上に形成され、
   前記試料と前記電磁波照射手段との間に、前記励起光に対して透明である誘電体を配置し、
   前記誘電体の誘電率をε、厚さをｄ、照射電磁波の波長をλとするとき、
   ｄ＝λ／４（ε） ^１／２
   の関係にあることを特徴とする薄膜半導体の結晶性評価方法。

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