半導体薄膜結晶性評価装置および該方法
【課題】本発明は、非破壊であって測定環境をコントロールすることなく、基板上に導電性を持つ導電層を介して半導体層を形成した測定対象物における前記半導体層の結晶性を評価し得る半導体薄膜結晶性評価装置および該方法を提供する。
【解決手段】本発明の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａは、基板ＬＡ１上に導電性を持つ導電層ＬＡ２を介して半導体層Ａ３を形成した測定対象物ＷＡに、半導体層ＬＡ３の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光を照射して、測定対象物ＷＡで反射した測定光の反射光を測定する測定部１と、測定部１の出力に基づいて反射スペクトルにおける所定のピークに関する情報を求め、この求めた前記情報に基づいて半導体層ＬＡ３における結晶性の評価を表す評価指標を求める演算部２とを備える。
【解決手段】本発明の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａは、基板ＬＡ１上に導電性を持つ導電層ＬＡ２を介して半導体層Ａ３を形成した測定対象物ＷＡに、半導体層ＬＡ３の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光を照射して、測定対象物ＷＡで反射した測定光の反射光を測定する測定部１と、測定部１の出力に基づいて反射スペクトルにおける所定のピークに関する情報を求め、この求めた前記情報に基づいて半導体層ＬＡ３における結晶性の評価を表す評価指標を求める演算部２とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体薄膜の結晶性を評価する半導体薄膜結晶性評価装置および半導体薄膜結晶性評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体薄膜は、例えば、トランジスタ素子および発光素子等の種々の電子デバイスに応用され、その研究開発が進められている。半導体薄膜は、様々な半導体材料について検討されているが、現状では、シリコン薄膜が主流となっている。このシリコン薄膜は、高温ポリシリコン薄膜（p-Ｓｉ薄膜）やアモルファスシリコン薄膜（a-Ｓｉ薄膜）がよく知られており、さらに近年では、微結晶シリコン薄膜（μc-Ｓｉ薄膜、低温ポリシリコン薄膜）も研究開発されている。このようなシリコン薄膜は、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）や太陽電池等への応用が進められている。この薄膜トランジスタでは、スイッチング速度に影響する移動度がa-Ｓｉ薄膜を用いたa-Ｓｉ薄膜トランジスタに較べて１桁ほど高いことから、μc-Ｓｉ薄膜を用いたμc-Ｓｉ薄膜トランジスタが有利である。また、太陽電池では、μc-Ｓｉ薄膜を用いたμc-Ｓｉ薄膜太陽電池は、光照射下での変換効率がa-Ｓｉ薄膜を用いたa-Ｓｉ薄膜太陽電池に較べて劣化しにくく、そして、光吸収がa-Ｓｉ薄膜太陽電池に較べてより長波長側であるため、a-Ｓｉ薄膜太陽電池と積層したタンデム型セルへの応用が期待されている。
【０００３】
このようなＳｉ薄膜による電子デバイスの性能は、Ｓｉ薄膜の結晶性に依存するため、Ｓｉ薄膜の結晶性を評価する必要がある。結晶性とは、結晶化している程度（度合い）である。Ｓｉ薄膜の結晶性を評価する手法は、従来、ＰＬ法（フォトルミネッセンス法）、Ｘ線回折法、ラザフォード後方散乱法、透過電子回折法等がある。安定した所定の品質のＳｉ薄膜を製造するためには、製造したＳｉ薄膜を製造ラインで評価（インライン評価）し、この評価結果を製造条件へフィードバックすることが必要となるが、これらの結晶性評価方法は、低温環境や真空環境等が必要であったり、測定に時間を要したり、あるいは、破壊検査であったりするため、前記インライン評価に適用することが難しい。
【０００４】
このため、比較的短時間で、常温（室温程度）、常圧（大気圧程度）で、しかも非破壊で半導体を測定する手法として、マイクロ波光導電減衰法（Micro wave Photoconductive Decay、μ−ＰＣＤ）法がある（例えば特許文献１参照）。このμ−ＰＣＤ法は、測定対象である半導体（半導体試料、被測定試料）に光を照射することによって過剰キャリアを生成し、この過剰キャリアが前記半導体試料の物性によって決まるキャリア寿命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。過剰キャリアの生成は、半導体の導電率を増加させるため、光励起によって過剰キャリアの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過剰キャリアの密度に対応して変化する。このマイクロ波光導電減衰法は、この現象を利用することによってキャリア寿命を測定するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１４２３５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前記μ−ＰＣＤ法は、照射したマイクロ波の反射波または透過波を検出する必要があるため、基板とこの基板上に積層される半導体層との間に、前記マイクロ波の反射または透過を妨げる層、例えばボトムゲート型等における電極層等が存在すると、その測定感度が著しく低下してしまう。
【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、非破壊であって測定環境をコントロールすることなく、基板上に導電性を持つ導電層を介して半導体層を形成した測定対象物における前記半導体層の結晶性を評価することができる半導体薄膜結晶性評価装置および半導体薄膜結晶性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。すなわち、本発明の一態様にかかる半導体薄膜結晶性評価装置は、基板上に導電性を持つ導電層を介して半導体層を形成した測定対象物に、前記半導体層の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光を照射して、前記測定対象物で反射した前記測定光の反射光を測定する測定部と、前記測定部の出力に基づいて反射スペクトルにおける所定のピークに関する情報を求め、この求めた前記情報に基づいて前記半導体層における結晶性の評価を表す評価指標を求める演算部とを備えることを特徴とする。そして、本発明の他の一態様にかかる半導体薄膜結晶性評価方法は、基板上に導電性を持つ導電層を介して半導体層を形成した測定対象物に、前記半導体層の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光を照射して、前記測定対象物で反射した前記測定光の反射光を測定する測定工程と、前記測定工程の測定結果に基づいて反射スペクトルにおける所定のピークに関する情報を求め、この求めた前記情報に基づいて前記半導体層における結晶性の評価を表す評価指標を求める演算工程とを備えることを特徴とする。
【０００９】
このような構成の半導体薄膜結晶性評価装置および半導体薄膜結晶性評価方法では、基板上に導電層を介して半導体層を形成した測定対象物に対し、この半導体層の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光が照射され、この測定光の反射光が測定され、そして、この測定結果に基づいて反射スペクトルにおける所定のピークに関する情報が求められ、この情報に基づいて前記半導体層の結晶性が評価される。このように半導体層の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光が用いられるので、基板とこの基板上に積層される半導体層との間に導電層が介在しても、この測定光の反射光は、この導電層の影響を受けることがない。そして、測定対象物に測定光を照射することによって得られる測定光の反射光を測定するので、測定対象物を破壊することもなく、さらに、測定環境を特にコントロールする必要もない。そして、反射スペクトルにおける所定のピークは、エネルギーバンドの直接遷移に起因して生じるものであるため、半導体層の結晶性に対応して現れる。したがって、この反射スペクトルにおける所定のピークに関する情報に基づいて半導体層における結晶性を評価することができる。このように上記構成の半導体薄膜結晶性評価装置および半導体薄膜結晶性評価方法は、非破壊であって測定環境を特にコントロールすることなく、基板上に導電層を介して半導体層を形成した測定対象物における前記半導体層の結晶性を評価することができる。
【００１０】
また、他の一態様では、上述の半導体薄膜結晶性評価装置において、前記測定対象物の前記半導体層は、シリコン薄膜であって、前記測定光は、紫外域の光であることを特徴とする。
【００１１】
シリコン薄膜は、略紫外域の光に対し、比較的短い浸透長を有している。このため、このような構成の半導体薄膜結晶性評価装置は、導電層の影響を受けることなく、シリコン薄膜の結晶性を評価することができる。
【００１２】
また、他の一態様では、これら上述の半導体薄膜結晶性評価装置において、前記測定対象物の前記半導体層は、シリコン薄膜であって、前記所定のピークは、Ｅ２ピークであることを特徴とする。
【００１３】
シリコンの反射スペクトルは、例えば、いわゆるＥ１ピークやＥ２ピーク等の所定のピークを有し、特に、Ｅ２ピークは、半導体層の厚さに依存しない。このため、このような構成の半導体薄膜結晶性評価装置は、シリコン薄膜の結晶性をより的確に評価することができる。
【００１４】
また、他の一態様では、これら上述の半導体薄膜結晶性評価装置において、前記測定部は、前記測定光を放射する光源部と、前記光源部から放射された前記測定光を前記測定対象物へ導く光学系と、前記測定光の反射光を分光測定する分光部とを備えることを特徴とする。
【００１５】
このような構成の半導体薄膜結晶性評価装置は、半導体層の反射スペクトルを比較的簡易な構成で測定することができる。
【００１６】
また、他の一態様では、これら上述の半導体薄膜結晶性評価装置において、前記測定部は、分光エリプソメトリであることを特徴とする。
【００１７】
このような構成の半導体薄膜結晶性評価装置は、多波長および多入射角で測定することができ、より高精度に半導体層の反射スペクトルを測定することができる。
【００１８】
また、他の一態様では、これら上述の半導体薄膜結晶性評価装置において、 前記測定部は、前記所定のピークに対応する波長を持つ単一波長の光または前記所定のピークに対応する波長を含む狭波長域の光を前記測定光として、ブリュースター角を測定するべく、前記測定対象物に複数の入射角で照射して前記測定対象物で反射した、前記複数の入射角で照射された前記各測定光に対応する各反射光を測定し、前記演算部は、前記測定部で測定した測定結果に基づいてブリュースター角を前記情報として求め、この求めたブリュースター角に基づいて前記半導体層の前記評価指標を求めることを特徴とする。
【００１９】
このような構成の半導体薄膜結晶性評価装置は、前記所定のピークに対応する波長を持つ単一波長の光または前記所定のピークに対応する波長を含む狭波長域の光を前記測定光として用いて測定すればよいので、測定光の波長を走査して反射スペクトルを求める必要がなく、より簡便に結晶性を評価することができる。
【００２０】
ここで、ブリュースター角θｂは、一般には、互いに異なる屈折率を持つ第１および第２媒質における界面にｐ偏光を入射した場合に、反射率が０となる入射角として定義されるが、本明細書では、この反射率が０となる入射角だけでなく、さらに、反射率が最小となる入射角も含むものとして定義される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明にかかる半導体薄膜結晶性評価装置および半導体薄膜結晶性評価方法は、非破壊であって測定環境をコントロールすることなく、基板上に導電層を介して半導体層を形成した測定対象物における前記半導体層の結晶性を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態における半導体薄膜結晶性評価装置の構成を示す図である。
【図２】シリコン薄膜における波長と浸透長との関係を示す図である。
【図３】シリコン薄膜における反射スペクトルを示す図である。
【図４】シリコン薄膜における膜厚別の反射スペクトルを示す図である。
【図５】第２実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置における測定部の構成を示す図である。
【図６】第３実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置における測定部の構成を示す図である。
【図７】消衰係数別の入射角と反射率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００２４】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における半導体薄膜結晶性評価装置の構成を示す図である。図１（Ａ）は、全体構成を示し、図１（Ｂ）は、演算部の電気的な構成を示す。図２は、シリコン薄膜における波長と浸透長との関係を示す図である。図２の横軸は、ｎｍ単位で示す波長であり、その縦軸は、ｎｍ単位で示す浸透長である。図３は、シリコン薄膜における反射スペクトルを示す図である。図３の横軸は、ｎｍ単位で示す波長であり、その縦軸は、％単位で示す反射率である。図２および図３において、実線は、p-Ｓｉ薄膜の場合における測定結果であり、破線は、a-Ｓｉ薄膜の場合における測定結果である。図４は、シリコン薄膜における膜厚別の反射スペクトルを示す図である。図４の横軸は、ｎｍ単位で示す波長（wavelength）であり、その縦軸は、％単位で示す反射率（Reflectance）である。破線は、膜厚が４０ｎｍである場合における測定結果であり、比較的太い実線は、膜厚が５０ｎｍである場合における測定結果であり、そして、比較的細い実線は、膜厚が６０ｎｍである場合における測定結果である。図４は、シミュレーション結果である。
【００２５】
半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａは、測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３の結晶性を評価する装置であり、例えば、図１に示すように、測定部１と、演算部２とを備えて構成される。
【００２６】
測定対象物ＷＡは、基板ＬＡ１上に、導電性を持つ導電層ＬＡ２を介して半導体層ＬＡ３を形成したものである。このような測定対象物ＷＡは、例えば、太陽電池やいわゆるボトムゲート型構造のＴＦＴ等においてよく見られるものである。例えば、ガラス基板上に、第１電極、半導体層および第２電極の順で順次に積層されることによって、太陽電池が構成される。また例えば、ガラス基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁層、半導体層およびソース−ドレイン電極の順で順次に積層されることによって、ＴＦＴが構成される。
【００２７】
基板ＬＡ１は、任意の材料によって形成された任意の形状であってよく、特に限定されないが、例えば、測定対象物ＷＡの使用用途、すなわち、半導体層ＬＡ３の使用用途に応じて適宜に決定され、例えば、フラットディスプレイのＴＦＴや太陽電池等の場合では、ガラスの薄板である。
【００２８】
導電層ＬＡ２は、基板ＬＡ１上に積層された例えば金属材料（合金を含む）や透明電極材料（例えばＩＴＯ等）等の薄膜である。導電層ＬＡ２は、単層であってよく、また、複数層であってもよい。また、導電層ＬＡ２が複数層である場合には、複数層の中に導電性を持つ層が少なくとも含まれていれば、導電性を有しない絶縁体の層が含まれていてもよい。
【００２９】
半導体層ＬＡ３は、導電層ＬＡ２上に積層された所定の半導体材料の薄膜である。この半導体材料は、半導体層ＬＡ３の使用用途に応じて適宜に決定される。半導体層ＬＡ３は、例えば、５０ｎｍ〜数μｍのシリコン薄膜である。現時点の液晶ディスプレイに用いられるＴＦＴにおけるシリコン薄膜の厚さは、一般的に、５０ｎｍ程度である。
【００３０】
測定部１は、測定対象物ＷＡに、半導体層ＬＡ３の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光を照射して、測定対象物ＷＡで反射した前記測定光の反射光を測定する装置である。本実施形態では、例えば、図１に示すように、光源部１１と、光学系１２と、分光部１３と、ステージ１４とを備えて構成される。
【００３１】
浸透長は、光を吸収する測定対象物に入射させた場合に、光が照射される表面から、その光の光強度が入射強度の１／ｅとなる地点までの距離（深さ）である。ｅは、ネイピア数（Napier’s constant、オイラー数）であり、自然対数の底として用いられる定数である。
【００３２】
光源部１１は、測定光を放射する装置である。測定光は、半導体層ＬＡ３の厚さよりも短い浸透長となる波長域の光である。浸透長は、通常、材料によって異なり、また、波長依存性を有している。
【００３３】
例えば、半導体層ＬＡ３がp-Ｓｉ薄膜である場合には、図２に実線で示すように、波長約３６０ｎｍ以下では浸透長が１０ｎｍ以下で波長の増加に従って大略緩やかに長くなり、その後、波長の増加に従って急激に長くなり、波長約３８５ｎｍでは浸透長が約５０ｎｍであり、波長約３９０ｎｍでは浸透長が約１００ｎｍである。また例えば、半導体層ＬＡ３がa-Ｓｉ薄膜である場合には、図２に破線で示すように、波長約４００ｎｍ以下では浸透長が１５ｎｍ以下で波長の増加に従って緩やかに長くなり、その後、波長の増加に従ってより大きな割合で長くなり、波長約５００ｎｍでは浸透長が約３５ｎｍである。μc-Ｓｉ薄膜の浸透長は、微結晶であることから、このようなp-Ｓｉ薄膜の浸透長の波長特性とa-Ｓｉ薄膜の浸透長の波長特性との間に存在するものと考えられる。
【００３４】
測定対象物ＷＡがシリコン薄膜である場合には、シリコン薄膜の浸透長が図２に示す波長特性を有するので、好ましくは、測定光は、２００ｎｍ〜４５０ｎｍの波長範囲の光である。ここで、２００ｎｍより短い光は、空気中の窒素や酸素と反応してしまうため、測定環境を真空にコントロールする必要が生じてしまい好ましくない。４５０ｎｍの光は、浸透長が比較的長くなり、シリコン薄膜を透過する虞があって好ましくない。
【００３５】
また、より好ましくは、シリコン薄膜が略紫外域の光に対し比較的短い浸透長を有しているため、測定光は、紫外域の光である。これによって半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａは、導電層ＬＡ２の影響を受けることなく、シリコン薄膜の結晶性を評価することが可能となる。より具体的には、測定光は、２５０ｎｍ〜３７５ｎｍの波長範囲における光である。ここで、２５０ｎｍより短い紫外光を放射する光源は、特殊な光源となってしまい、入手し難い一方、２５０ｎｍ以上の紫外光を放射する光源は、一般的な光源であり、比較的入手し易い。そして、３７５ｎｍより長い光は、上述したように、現時点の液晶ディスプレイに用いられるＴＦＴにおけるボトムゲートの厚さが一般的に５０ｎｍ程度であることから、このようなボトムゲートのシリコン薄膜を透過する虞があって好ましくない。このような光源部１１として、例えば、重水素光源を挙げることができる。
【００３６】
光学系１２は、光源部１１から放射された測定光を測定対象物ＷＡへ導く光学素子である。本実施形態では、例えば、図１（Ａ）に示すように、ステージ１４上に略水平に載置された測定対象物ＷＡの水平な表面に対し、その表面の法線方向から測定光を測定対象物ＷＡに照射するとともに、分光部１３と重ならないように光源部１１を配置するべく、水平方向で測定光を放射するように光源部１１を配置するために、光学系１２は、法線方向に対し４５度傾けて配置されるハーフミラ１２が用いられている。
【００３７】
分光部１３は、測定光の反射光を分光測定する分光計であり、演算部２に接続される。本実施形態では、例えば、図１（Ａ）に示すように、その受光開口が測定対象物ＷＡにおける表面の法線方向に向くように、分光部１３が配置される。分光計は、例えば、スリット形状（細長な矩形形状）の受光開口から入射された光を回折する回折格子と、前記回折格子で回折された回折光を受光する複数の光電変換素子とを備えて構成され、受光開口から入射された光は、回折格子で波長に応じた方向に回折され、これら各方向の各回折光は、複数の光電変換素子のそれぞれで受光され、波長ごとの受光強度が出力される。
【００３８】
このような構成の測定部１では、光源部１１から放射された測定光は、水平方向からハーフミラ１２に入射され、このハーフミラ１２で測定対象物ＷＡの表面方向に反射され、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に法線方向から照射される。この照射された測定光は、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３にその浸透長の範囲で浸透するとともに反射され、ハーフミラ１２を透過して分光部１３に入射される。この入射された測定光の反射光は、分光部１３で分光され、反射光を分光した測定結果が演算部２へ出力される。このように演算部２には、測定対象物ＷＡに対する反射スペクトルが測定部１の分光部１３から入力される。このように本実施形態では、光源部１１、光学系１２および分光部１３という比較的簡易な構成で半導体層ＬＡ３の反射スペクトルを測定することができる。
【００３９】
ステージ１４は、測定対象物ＷＡを載置する載置台である。ステージ１４は、測定対象物ＷＡの測定位置を変更するべく、測定対象物ＷＡを水平面内で移動することができるように構成されており、演算部２に接続され、演算部２の制御に従って駆動される。ステージ１４は、例えば、測定対象物ＷＡを水平面内でＸ方向およびＹ方向に移動可能なＸＹステージであり、また例えば、測定対象物ＷＡを水平面内で周方向および径方向に移動可能な回転ステージである。
【００４０】
演算部２は、測定部１の出力に基づいて反射スペクトルにおける所定のピークに関する情報を求め、この求めた情報に基づいて半導体層ＬＡ３における結晶性の評価を表す評価指標を求める装置である。演算部２は、本実施形態では、例えば、図１に示すように、演算制御部２１と、出力部２２と、入力部２３とを備えて構成される。
【００４１】
入力部２３は、例えば、測定開始等を指示するコマンドや測定対象物ＷＡの属性情報等のデータを入力するための装置であり、例えば、キーボード２３１やマウス２３２等である。入力部２３は、また例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルであってもよい。出力部２２は、入力部２３で受け付けたコマンドやデータおよび測定結果等を出力するための装置であり、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、有機ＥＬディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。これら入力部２３および出力部２２は、演算制御部７に接続される。
【００４２】
演算制御部２１は、半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａの各部を当該機能に応じて制御する回路であり、例えば、半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａの各部を当該機能に応じて制御するための制御プログラムや測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３の結晶性を測定部１の分光部１３の出力に基づいて求める演算プログラム等の各種の所定のプログラム、および、前記所定のプログラムの実行に必要なデータ等の各種の所定のデータ等を記憶する、不揮発性の記憶素子であるＲＯＭ（Read Only Memory）や書き換え可能な不揮発性の記憶素子であるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、前記所定のプログラムを読み出して実行することによって所定の演算処理や制御処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、前記所定のプログラムの実行中に生じるデータ等を記憶するいわゆる前記ＣＰＵのワーキングメモリとなるＲＡＭ（Random Access Memory）、ならびに、これらの周辺回路を備えたマイクロコンピュータ等によって構成される。演算制御部２１は、機能的に、ピーク情報演算部２１１と、評価指標演算部２１２と、測定光学系制御部２１３と、ステージ制御部２１４とを備えている。
【００４３】
ピーク情報演算部２１１は、測定部１の出力に基づいて反射スペクトルにおける反射率が極大となる所定のピークに関する情報を求めるものである。この反射スペクトルの前記ピークは、半導体におけるエネルギーバンドの遷移に起因して生じるものである。エネルギーバンドは、バンド理論から複数の原子が周期性を有して配列することから生じる。このため、反射スペクトルの前記ピークは、半導体薄膜の結晶性に対応して現れ、半導体薄膜の結晶性が良いほど明確に現れ、結晶性が崩れ悪くなるほど不明確となり、やがて現れなくなる。ピークに関する情報（ピーク情報）は、例えば、ピークの有無や、ピークの大きさ（ピークにおける反射率）や、ピークが現れる波長等である。
【００４４】
シリコン薄膜の反射スペクトルは、図３に示すように、大略、波長が長くなるに従って反射率が小さくなって、所定の波長において反射率が最小となり、その後、波長が長くなるに従って反射率が大きくなるプロファイルである。そして、a-Ｓｉ薄膜では、図３に破線で示すように、a-Ｓｉ薄膜が非晶質であることから、a-Ｓｉ薄膜の反射スペクトルは、所定の波長において反射率が極大となる所定のピークが認められず、前記大略のプロファイルとなる。一方、p-Ｓｉ薄膜では、図３に実線で示すように、p-Ｓｉ薄膜が比較的良い結晶性を持つことから、p-Ｓｉ薄膜の反射スペクトルは、所定の波長において反射率が極大となる所定のピークが認められ、前記大略のプロファイルにこの所定のピークを持つプロファイルとなる。このp-Ｓｉ薄膜の反射スペクトルにおける前記ピークは、紫外波長域に複数有り、例えば、図３に示すようなシリコンにおけるエネルギーバンドの直接遷移に起因して生じるＥ１ピークやＥ２ピーク等である。図３に示す例では、p-Ｓｉ薄膜において、このＥ１ピークは、波長約４００ｎｍで現れ、Ｅ２ピークは、これより短波長側である波長約２７５ｎｍで現れている。なお、図示しないが、μc-Ｓｉ薄膜の反射スペクトルは、微結晶であることから、このようなp-Ｓｉ薄膜の反射スペクトルとa-Ｓｉ薄膜の反射スペクトルとの間に存在するものと考えられる。そして、μｃ-Ｓｉ薄膜において、Ｅ１ピークは、波長約３６５ｎｍ（≒３．４ｅＶ）で現れ、Ｅ２ピークは、これより短波長側である波長約２９０ｎｍ（≒４．３ｅＶ）で現れる。
【００４５】
ここで、エネルギーバンドの直接遷移に起因して生じる複数のピークのうち、長波長側から短波長側へ順に、Ｅ１ピーク、Ｅ２ピーク、・・・と呼称することとする。
【００４６】
したがって、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３がシリコン薄膜である場合には、ピーク情報演算部２１１は、測定部１の分光部１３で測定された反射スペクトルからＥ１ピークおよびＥ２ピークの少なくとも一方を探索し、Ｅ１ピークに関する情報（Ｅ１ピーク情報）およびＥ２ピークに関する情報（Ｅ２ピーク情報）の少なくとも一方を求める。
【００４７】
そして、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３がシリコン薄膜である場合には、図４に示すように、Ｅ１ピークが現れる波長は、シリコン薄膜の厚さに依存し、膜厚が薄くなるに従って短波長側へシフトする一方、Ｅ２ピークが現れる波長は、シリコン薄膜の厚さに依存せず、約２７５ｎｍで略一定である。このため、ピーク情報演算部２１１は、測定部１の分光部１３で測定された反射スペクトルからＥ２ピークを探索し、Ｅ２ピーク情報を求めることが好ましい。これによって、半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａは、シリコン薄膜の結晶性をより的確に評価することができる。後述の第２および第３実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｂ、Ｄｃも同様である。
【００４８】
評価指標演算部２１２は、ピーク情報演算部２１１によって求められたピーク情報に基づいて測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３における結晶性の評価を表す評価指標を求めるものである。結晶性とは、前述したように、結晶化している程度（度合い）である。
【００４９】
評価指標は、例えば、所定のピークの大きさや所定のピークが現れる波長等のピーク情報そのものであってよい。評価指標がピークの大きさである場合では、例えば、バルクのシリコン結晶におけるピークの大きさを基準とするべく、評価指標演算部２１２は、ピーク情報演算部２１１によって求められたピークの大きさ（例えばＥ２ピークの大きさ）を、バルクのシリコン結晶におけるピークの大きさ（この例ではＥ２ピークの大きさ）で規格化することが好ましい。
【００５０】
また例えば、評価指標は、３段階評価や５段階評価等であってもよい。この場合では、例えば、ピーク情報（例えばＥ２ピークの大きさ）の値と評価指標の階級（例えば３段階評価や５段階評価等における各段階）とを対応付けるルックアップテーブルが予め作成され、この作成されたルックアップテーブルが演算制御部２１に記憶される。そして、評価指標演算部２１２は、ピーク情報演算部２１１によって求められたピーク情報（この例ではＥ２ピークの大きさ）に対応する評価指標の階級を前記ルックアップテーブルから求めることで、ピーク情報（この例ではＥ２ピークの大きさ）に対応する評価指標を求める。
【００５１】
測定光学系制御部２１３は、光源部１１の動作および分光部１３の動作を制御するものである。
【００５２】
ステージ制御部２１４は、測定対象物ＷＡにおける複数の測定箇所を測定するために、測定対象物ＷＡを水平面内で移動するように、ステージ１４を制御するものである。
【００５３】
このような構成の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａでは、評価が開始されると、測定対象物ＷＡにおける初期の測定箇所を分光部１３によって測定することができるように、演算制御部２１のステージ制御部２１４によってステージ１４が制御される。
【００５４】
続いて、演算制御部２１の測定光学系制御部２１３によって測定部１の光源部１１が制御され、測定光が光源部１１によって放射される。測定光が放射されると、上述したように、この測定光が測定対象物ＷＡに照射され、その反射光が分光部１３に入射される。
【００５５】
続いて、演算制御部２１の測定光学系制御部２１３によって測定部１の分光部１３が制御され、測定光の反射光が分光部１３によって分光され、測定対象物ＷＡの反射スペクトルが分光部１３によって測定される。この測定された反射スペクトルは、測定結果として測定部１の分光部１３から演算部２の演算制御部２１へ出力される。
【００５６】
続いて、演算部２の演算制御部２１では、測定部１で測定された反射スペクトルにおける所定のピークに関する情報がピーク情報演算部２１１によって求められる。
【００５７】
続いて、この求められたピーク情報に基づいて測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に対する評価指標が評価指標演算部２１２によって求められる。
【００５８】
続いて、必要に応じて、測定対象物ＷＡにおける次の測定箇所を分光部１３によって測定することができるように、演算制御部２１のステージ制御部２１４によってステージ１４が制御され、上述の動作が同様に実行され、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に対する評価指標が求められる。以下、測定すべきすべての測定箇所に対し、同様の処理が実行される。
【００５９】
そして、この求められた所定の測定箇所における評価指標が演算制御部２１の制御によって出力部２２に出力される。
【００６０】
以上、説明したように、本実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａおよびこれに実装された半導体薄膜結晶性評価方法では、基板ＬＡ１上に導電層ＬＡ２を介して半導体層ＬＡ３を形成した測定対象物ＷＡに対し、この半導体層ＬＡの厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光が照射され、この測定光の反射光が測定され、そして、この測定結果に基づいて反射スペクトルにおけるピーク情報が求められ、このピーク情報に基づいて半導体層ＬＡ３の結晶性が評価される。このように半導体層ＬＡ３の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光が用いられるので、基板ＬＡ１とこの基板ＬＡ１上に積層される半導体層ＬＡ３との間に導電層ＬＡ２が介在しても、この測定光の反射光は、この導電層ＬＡ２の影響を受けることがない。そして、測定対象物ＷＡに測定光を照射することによって得られる測定光の反射光を測定するので、測定対象物ＷＡを破壊することもなく、さらに、測定環境を特にコントロールする必要もない。例えば、室温（例えば２０℃ないし２７℃の間の温度）程度の常温で、しかも大気圧程度の常圧で測定することができる。そして、反射スペクトルにおける所定のピークは、エネルギーバンドの遷移に起因して生じるものであるため、半導体層ＬＡ３の結晶性に対応して現れる。したがって、この反射スペクトルにおける所定のピークに関するピーク情報に基づいて半導体層ＬＡ３における結晶性を評価することができる。このように上記構成の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａおよび該方法は、非破壊であって測定環境を特にコントロールすることなく、基板ＬＡ１上に導電層ＬＡ２を介して半導体層ＬＡ３を形成した測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３の結晶性を評価することができる。
【００６１】
このため、このような上記構成の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａは、例えば、製造ラインに配置することができ、インラインで測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３を評価することが可能となる。後述の第２および第３実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｂ、Ｄｃも同様である。
【００６２】
次に、別の実施形態について説明する。
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置における測定部の構成を示す図である。第１実施形態における半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａは、光源部１１、光学系１２、分光部１３およびステージ１４を備えた測定部１によって測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３の反射スペクトルを測定したが、第２実施形態における半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｂは、分光エリプソメトリの測定部４によって測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３の反射スペクトルを測定するものである。このため、第２実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｂにおける演算部は、第１実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａにおける演算部２と同様であるので、その説明を省略する。
【００６３】
この第２実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｂにおける測定部４は、例えば、図５に示すように、前記測定光を放射する光源部４１と、光源部４１から放射された測定光を所定の偏光成分の偏光に偏光させて測定対象物ＷＡへブリュースター角で導く偏光子４２１および測定対象物ＷＡで反射した測定光の正反射方向の反射光から所定の偏光成分を取り出して射出する検光子４２２を備える光学系４２と、検光子４２２から射出された光を分光測定する分光部４３とを備えて構成され、いわゆる回転検光子型の分光エリプソメトリである。そして、測定部４は、第１実施形態の測定部１と同様に、測定対象物ＷＡを載置する載置台であるステージ４４をさらに備えている。また、検光子４２２および分光部４３は、これら検光子４２２および分光部４３の光軸が、光源部４１および偏光子４２１の光軸に沿って測定対象物ＷＡへ入射される測定光の正反射方向に一致するように、配置される。
【００６４】
このような構成の測定部４では、光源部１１から放射された測定光は、偏光子４２１に入射され、この偏光子４２１で所定の偏光成分の偏光（直線偏光）、例えばＰ偏光が射出され、ブリュースター角の入射角で測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に照射される。このブリュースター角で測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に入射された測定光は、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３にその浸透長の範囲で浸透するとともに反射される。この所定の偏光成分の測定光における反射光（楕円偏光）は、正反射方向に配置された検光子４２２に入射され、所定の偏光成分が取り出され、射出される。この検光子４２２から射出された光は、分光部４３に入射され、分光部４３で分光される。ここで、測定部４の分光部４３では、所定の偏光成分の測定光における反射光の偏光状態の変化（Ψ、△）に基づいて反射率を演算し、測定対象物ＷＡに対する反射スペクトルが演算される。なお、△は、楕円偏光の反射光の位相角であり、Ψは、楕円の振幅強度比から求められる正接である。そして、この求められた測定対象物ＷＡに対する反射スペクトルが測定結果として測定部４の分光部４３から演算部２へ出力される。このように演算部２には、測定対象物ＷＡに対する反射スペクトルが測定部４の分光部４３から入力される。
【００６５】
このように第２実施形態における半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｂでは、測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３の反射スペクトルをいわゆる分光エリプソメトリの測定部４で測定するので、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３を多波長および多入射角で測定することができ、より高精度に半導体層ＬＡ３の反射スペクトルを測定することができる。
【００６６】
なお、上述では、測定部４は、回転検光子型の分光エリプソメトリで構成されたが、回転補償型の分光エリプソメトリや位相変調器型の分光エリプソメトリであってもよい。
【００６７】
次に、別の実施形態について説明する。
（第３実施形態）
図６は、第３実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置における測定部の構成を示す図である。図６（Ａ）は、全体構成を示し、図６（Ｂ）は、演算部の電気的な構成を示す。図７は、消衰係数別の入射角と反射率との関係を示す図である。図７の横軸は、度（゜）単位で示す入射角であり、その縦軸は、反射率である。＊は、消衰係数が３である場合の測定結果を示し、■は、消衰係数が４である場合の測定結果を示し、そして、−は、消衰係数が５である場合の測定結果を示す。図７は、ｎ＝２．５のシミュレーション結果である。
【００６８】
第１および第２実施形態では、測定部１、４によって測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３における反射スペクトルを求め、所定のピークに関するピーク情報に基づいて評価指標を求めるものであったが、第３実施形態における半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｃは、反射スペクトルにおける反射率が極大となる所定のピークに対応する波長の偏光の測定光を測定対象物ＷＡに複数の入射角で照射することによってブリュースター角θｂを前記ピーク情報として求め、この求めたブリュースター角θｂに基づいて評価指標を求めるものである。
【００６９】
この第３実施形態における半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｃは、測定対象物ＷＡに、半導体層ＬＡ３の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光を照射して、測定対象物ＷＡで反射した測定光の反射光を測定する測定部６と、測定部６の出力に基づいて反射スペクトルにかかるピーク情報を求め、この求めたピーク情報に基づいて測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３における評価指標を求める演算部７とを備えて構成される。より具体的には、測定部６は、反射スペクトルにおける反射率が極大となる所定のピークに対応する波長を持つ単一波長の光または前記所定のピークに対応する波長を含む狭波長域の光を測定光として、ブリュースター角を測定するべく、測定対象物ＷＡに複数の入射角で照射して測定対象物ＷＡで反射した、前記複数の入射角で照射された各測定光に対応する各反射光を測定ものであり、演算部７は、この測定部６で測定した測定結果に基づいてブリュースター角θｂを前記ピーク情報として求め、この求めたブリュースター角θｂに基づいて測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３の評価指標を求めるものである。
【００７０】
このような測定部６は、例えば、図６（Ａ）に示すように、光源部６１と、光学系６２と、受光部６３と、ステージ６４とを備えて構成される。
【００７１】
光源部６１は、測定光を放射する装置であり、本実施形態では、前記測定光は、測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３の厚さよりも短い浸透長となる波長域の光であって、かつ、反射スペクトルにおける反射率が極大となる所定のピークに対応する波長を持つ単一波長の光、または、前記所定のピークに対応する波長を含む狭波長域の光である。前記狭波長域の波長幅は、この狭波長域の光で得られた評価結果が前記単一波長の光で得られた評価結果と実質的に一致するような幅である。例えば、測定光は、Ｅ２ピークに対応する波長２７５ｎｍの単一波長の光や、この波長２７５ｎｍの波長を含む狭波長域の光（例えば、２６０ｎｍ〜２９０ｎｍの紫外光や、好ましくは２７０ｎｍ〜２８０ｎｍの紫外光）である。測定光は、所定のビーム幅で光源部６１から放射される。
【００７２】
光学系６２は、光源部６１から前記所定のビーム幅で放射された測定光における所定の偏光成分の光を測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３へ導くとともに、その正反射方向の反射光における所定の偏光成分の光を受光部６３へ導くものである。光学系６２は、例えば、光源部４１から放射された測定光を所定の偏光成分の偏光（例えばｐ偏光）に偏光させて射出する偏光子６２１と、偏光子６２１から射出された所定の偏光の測定光を集光して測定対象物ＷＡへ導くレンズ６２２と、測定対象物ＷＡで反射した前記所定の偏光の測定光における反射光を前記所定のビーム幅の平行光にするレンズ６２３と、レンズ６２３から射出された前記所定の偏光の測定光における反射光から所定の偏光成分（例えば上記例ではｐ偏光成分）を取り出して射出する検光子６２４とを備えて構成される。光源部６１、偏光子６２１およびレンズ６２２は、これら光源部６１、偏光子６２１およびレンズ６２２の光軸が測定対象物ＷＡの平面における法線方向に対して所定の角度となるように、配置され、これら検光子６２４、レンズ６２３および受光部６３は、これら検光子６２４、レンズ６２３および受光部６３の光軸が、光源部６１、偏光子６２１およびレンズ６２２の光軸に沿って測定対象物ＷＡへ入射される測定光の正反射方向に一致するように、配置される。
【００７３】
受光部６３は、光学系６２の検光子６２４から射出された前記反射光における所定の偏光成分の偏光を受光し、その受光光強度を測定するものであり、直線状に一次元配列された複数の光源変換素子を備えて構成される。このような受光部６３は、例えば、ラインＣＣＤセンサ等を備えて構成される。
【００７４】
このような構成の測定部６では、光源部６１から放射された所定のビーム幅を持った測定光は、偏光子６２１に入射され、この偏光子６２１で所定の偏光成分の偏光、例えばｐ偏光が射出され、レンズ６２２に入射される。このレンズ６２２に入射された所定のビーム幅の測定光は、集光され、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に照射される。このようにレンズ６２２を用いることによって測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に一度に複数の入射角で前記測定光を照射することができる。そして、この様々な入射角で測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に入射された前記測定光は、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３にその浸透長の範囲で浸透するとともに反射される。この所定の偏光成分の測定光における反射光は、正反射方向に配置されたレンズ６２３に入射され、前記所定のビーム幅の平行光となって射出される。このレンズ６２３から射出された前記所定のビーム幅の前記反射光は、検光子６２４に入射され、前記所定の偏光成分（例えばこの例ではｐ偏光成分）が取り出され、前記所定のビーム幅で射出される。この検光子６２４から射出された前記反射光の偏光は、受光部６３に前記所定のビーム幅で入射され、受光部６３で受光される。ここで、前記所定のビーム幅の前記反射光には、レンズ６２２およびレンズ６２３のレンズ作用から、複数の入射角で測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に入射された各測定光に対応する各反射光が平行に並ぶように含まれており、この各入射角の各測定光に対応する各反射光の各光強度を測定するように、受光部６３は、上述したように、一次元配列された複数の光電変換素子を備えて構成されている。すなわち、受光部６３の各光電変換素子は、前記複数の入射角のそれぞれに予め対応付けられており、これら各入射角の各測定光に対応する各反射光を受光するものである。このように受光部６３は、一次元配列された複数の光電変換素子を用いることによって、前記複数の入射角で測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に入射された各測定光に対応する各反射光の各光強度を一括で測定することができる。そして、このように測定された前記各反射光の各光強度が測定結果として測定部６の受光部６３から演算部７へ出力される。
【００７５】
また、演算部７は、本実施形態では、例えば、図６（Ｂ）に示すように、演算制御部７１と、出力部７２と、入力部７３とを備えて構成される。出力部７２および入力部７３は、第１実施形態の出力部２２および入力部２３と同様であるので、その説明を省略する。
【００７６】
演算制御部７１は、第１実施形態の演算制御部２１と同様に、半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｃの各部を当該機能に応じて制御する回路であり、例えば、マイクロコンピュータ等によって構成される。そして、本実施形態では、演算制御部７１は、機能的に、ブリュースター角演算部７１１と、評価指標演算部７１２と、測定光学系制御部７１３と、ステージ制御部７１４とを備えている。
【００７７】
ブリュースター角演算部７１１は、測定部６で測定された前記各反射光の各光強度に基づいてピーク情報としてブリュースター角θｂを求めるものである。より具体的には、ブリュースター角演算部７１１では、測定部６の受光部６３から出力された各光電変換素子の各出力の中から最も小さい光強度の反射光を受光した光電変換素子が探索され、この探索された光電変換素子に対応付けられた入射角がブリュースター角θｂとして求められる。
【００７８】
ブリュースター角θｂは、一般には、互いに異なる屈折率を持つ第１および第２媒質における界面にｐ偏光を入射した場合に、反射率が０となる入射角として定義されるが、本明細書では、この反射率が０となる入射角だけでなく、上述のように、さらに、反射率が最小となる入射角も含むものとして定義される。
【００７９】
評価指標演算部７１２は、ブリュースター角演算部７１１によって求められたブリュースター角θｂに基づいて測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３における結晶性の評価を表す評価指標を求めるものである。
【００８０】
ここで、入射角θで入射光を斜め入射した場合における反射率Ｒ（θ）は、入射角θ、屈折率ｎおよび消衰係数ｋの各パラメータを含む所定の関数となる。ここで、波長２７５ｎｍ付近の入射光に対して屈折率ｎは、略一定であり、このＥ２ピークに対応する波長２７５ｎｍ付近の光を測定光とすれば、斜入射の場合における反射率Ｒ（θ）は、入射角θおよび消衰係数ｋの各パラメータを含む所定の関数となり、例えば、図７に示すプロファイルを持つ。すなわち、測定対象の水平な平面における法線方向を０゜として入射角の増加に従って反射率Ｒ（θ）は、比較的徐々に減少し、所定の入射角で反射率は、極小値となり、その後、入射角の増加に従って反射率は、比較的急激に増加する。そして、このようなプロファイルを持つ反射率Ｒ（θ）は、図７に示すように、消衰係数ｋの増加に従って反射率が増加する方向に全体的にシフトする。すなわち、反射率Ｒ（θ）は、消衰係数ｋ＝３の測定結果から、消衰係数ｋ＝４の測定結果へ、さらに、消衰係数ｋ＝５の測定結果へ、シフトする。
【００８１】
一方、ブリュースター角θｂは、消衰係数ｋと比例関係にあり、消衰係数ｋの増加に比例して変化するものである。そして、消衰係数ｋは、結晶性の向上に従い単調に増加するものである。
【００８２】
したがって、複数の入射角での各測定光に対する各反射光の光強度を測定することによってブリュースター角θｂを測定し、この測定したブリュースター角θｂに基づいて測定対象物ＷＡの結晶性を評価することが可能となる。
【００８３】
シリコン薄膜の消衰係数ｋは、約３〜５の範囲であり、ブリュースター角θｂもこの範囲に対応する範囲となることから、第１実施形態と同様に、評価指標は、例えば、ブリュースター角θｂの大きさであってよく、また例えば、評価指標は、３段階評価や５段階評価等であってもよい。第１実施形態と同様に、ブリュースター角θｂの大きさを評価指標とする場合には、評価指標演算部７１２は、ブリュースター角演算部７１１によって求められたブリュースター角θｂを、バルクのシリコン結晶におけるブリュースター角で規格化することが好ましく、また、多段階評価を評価指標とする場合には、例えば、ブリュースター角θｂの大きさと評価指標の階級とを対応付けるルックアップテーブルが予め作成され、この作成されたルックアップテーブルが演算制御部７１に記憶され、そして、評価指標演算部７１２は、ブリュースター角演算部７１１によって求められたブリュースター角θｂの大きさに対応する評価指標の階級を前記ルックアップテーブルから求めることで、ブリュースター角θｂの大きさに対応する評価指標を求める。
【００８４】
測定光学系制御部７１３は、第１実施形態の測定光学系制御部２１３と同様に、光源部６１の動作および受光部６３の動作を制御するものである。ステージ制御部７１４は、第１実施形態のステージ制御部２１４と同様に、測定対象物ＷＡにおける複数の測定箇所を測定するために、測定対象物ＷＡを水平面内で移動するように、ステージ６４を制御するものである。
【００８５】
このような構成の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｃでは、評価が開始されると、測定対象物ＷＡにおける初期の測定箇所を測定部６の受光部６３によって測定することができるように、演算制御部７１のステージ制御部７１４によってステージ６４が制御される。
【００８６】
続いて、演算制御部７１の測定光学系制御部７１３によって測定部６の光源部６１が制御され、測定光が光源部６１によって放射される。測定光が放射されると、上述したように、この測定光が測定対象物ＷＡに複数の入射角で照射され、これら各入射角の各測定光に対応する各反射光が受光部６３に入射される。
【００８７】
続いて、演算制御部７１の測定光学系制御部７１３によって測定部６の受光部６３が制御され、各入射角の各測定光に対応する各反射光が受光部６３によって受光され、これら各反射光の各光強度が受光部６３によって測定される。この測定された各入射角の各測定光に対応する各反射光の各光強度は、測定結果として測定部６の受光部６３から演算部７の演算制御部７１へ出力される。
【００８８】
続いて、演算部７の演算制御部７１では、測定部６で測定された測定結果に基づいて前記ピーク情報としてブリュースター角θｂがブリュースター角演算部７１１によって求められる。
【００８９】
続いて、この求められたブリュースター角θｂに基づいて測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に対する評価指標が評価指標演算部７１２によって求められる。
【００９０】
続いて、必要に応じて、測定対象物ＷＡにおける次の測定箇所を測定部６の受光部６３によって測定することができるように、演算制御部７１のステージ制御部７１４によってステージ６４が制御され、上述の動作が同様に実行され、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に対する評価指標が求められる。以下、測定すべきすべての測定箇所に対し、同様の処理が実行される。
【００９１】
そして、この求められた所定の測定箇所における評価指標が演算制御部７１の制御によって出力部７２に出力される。
【００９２】
以上、説明したように、本実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｃおよびこれに実装された半導体薄膜結晶性評価方法では、第１実施形態と同様に、半導体層ＬＡ３の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光が用いられるので、基板ＬＡ１とこの基板ＬＡ１上に積層される半導体層ＬＡ３との間に導電層ＬＡ２が介在しても、この測定光の反射光は、この導電層ＬＡ２の影響を受けることがない。そして、測定対象物ＷＡに測定光を照射することによって得られる測定光の反射光を測定するので、測定対象物ＷＡを破壊することもなく、さらに、測定環境を特にコントロールする必要もない。そして、反射スペクトルにおける所定のピーク、例えばＥ２ピークに対応する波長２７５ｎｍ付近の光が測定光として用いられるので、測定光の波長を走査して反射スペクトルを求める必要がなく、より簡便に結晶性を評価することができる。このように上記構成の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｃおよび該方法は、非破壊であって測定環境を特にコントロールすることなく、基板ＬＡ１上に導電層ＬＡ２を介して半導体層ＬＡ３を形成した測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３の結晶性をより簡便に評価することができる。
【００９３】
なお、上述の実施形態では、点測定であったが、測定光を図６の紙面法線方向（光軸に直交するとともに測定対象物ＷＡの表面に平行な方向）に延びるライン光とするとともに、２次元アレイ状に複数の光電変換素子を配置した２次元アレイセンサを備える受光部を用いることによって、同時に、多点を測定することができ、より短時間で測定対象物ＷＡにおける所定の面積に亘る表面の結晶性を評価することができる。
【００９４】
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】
【００９５】
Ｄａ、Ｄｂ、Ｄｃ 半導体薄膜結晶性評価装置
ＷＡ 測定対象物
ＬＡ１ 基板
ＬＡ２ 導電層
ＬＡ３ 半導体層
１、４、６ 測定部
２、７ 演算部
２１、７１ 演算制御部
２１１ ピーク情報演算部
２１２、７１２ 評価指標演算部
７１１ ブリュースター角演算部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体薄膜の結晶性を評価する半導体薄膜結晶性評価装置および半導体薄膜結晶性評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体薄膜は、例えば、トランジスタ素子および発光素子等の種々の電子デバイスに応用され、その研究開発が進められている。半導体薄膜は、様々な半導体材料について検討されているが、現状では、シリコン薄膜が主流となっている。このシリコン薄膜は、高温ポリシリコン薄膜（p-Ｓｉ薄膜）やアモルファスシリコン薄膜（a-Ｓｉ薄膜）がよく知られており、さらに近年では、微結晶シリコン薄膜（μc-Ｓｉ薄膜、低温ポリシリコン薄膜）も研究開発されている。このようなシリコン薄膜は、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）や太陽電池等への応用が進められている。この薄膜トランジスタでは、スイッチング速度に影響する移動度がa-Ｓｉ薄膜を用いたa-Ｓｉ薄膜トランジスタに較べて１桁ほど高いことから、μc-Ｓｉ薄膜を用いたμc-Ｓｉ薄膜トランジスタが有利である。また、太陽電池では、μc-Ｓｉ薄膜を用いたμc-Ｓｉ薄膜太陽電池は、光照射下での変換効率がa-Ｓｉ薄膜を用いたa-Ｓｉ薄膜太陽電池に較べて劣化しにくく、そして、光吸収がa-Ｓｉ薄膜太陽電池に較べてより長波長側であるため、a-Ｓｉ薄膜太陽電池と積層したタンデム型セルへの応用が期待されている。
【０００３】
このようなＳｉ薄膜による電子デバイスの性能は、Ｓｉ薄膜の結晶性に依存するため、Ｓｉ薄膜の結晶性を評価する必要がある。結晶性とは、結晶化している程度（度合い）である。Ｓｉ薄膜の結晶性を評価する手法は、従来、ＰＬ法（フォトルミネッセンス法）、Ｘ線回折法、ラザフォード後方散乱法、透過電子回折法等がある。安定した所定の品質のＳｉ薄膜を製造するためには、製造したＳｉ薄膜を製造ラインで評価（インライン評価）し、この評価結果を製造条件へフィードバックすることが必要となるが、これらの結晶性評価方法は、低温環境や真空環境等が必要であったり、測定に時間を要したり、あるいは、破壊検査であったりするため、前記インライン評価に適用することが難しい。
【０００４】
このため、比較的短時間で、常温（室温程度）、常圧（大気圧程度）で、しかも非破壊で半導体を測定する手法として、マイクロ波光導電減衰法（Micro wave Photoconductive Decay、μ−ＰＣＤ）法がある（例えば特許文献１参照）。このμ−ＰＣＤ法は、測定対象である半導体（半導体試料、被測定試料）に光を照射することによって過剰キャリアを生成し、この過剰キャリアが前記半導体試料の物性によって決まるキャリア寿命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。過剰キャリアの生成は、半導体の導電率を増加させるため、光励起によって過剰キャリアの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過剰キャリアの密度に対応して変化する。このマイクロ波光導電減衰法は、この現象を利用することによってキャリア寿命を測定するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１４２３５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前記μ−ＰＣＤ法は、照射したマイクロ波の反射波または透過波を検出する必要があるため、基板とこの基板上に積層される半導体層との間に、前記マイクロ波の反射または透過を妨げる層、例えばボトムゲート型等における電極層等が存在すると、その測定感度が著しく低下してしまう。
【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、非破壊であって測定環境をコントロールすることなく、基板上に導電性を持つ導電層を介して半導体層を形成した測定対象物における前記半導体層の結晶性を評価することができる半導体薄膜結晶性評価装置および半導体薄膜結晶性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。すなわち、本発明の一態様にかかる半導体薄膜結晶性評価装置は、基板上に導電性を持つ導電層を介して半導体層を形成した測定対象物に、前記半導体層の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光を照射して、前記測定対象物で反射した前記測定光の反射光を測定する測定部と、前記測定部の出力に基づいて反射スペクトルにおける所定のピークに関する情報を求め、この求めた前記情報に基づいて前記半導体層における結晶性の評価を表す評価指標を求める演算部とを備えることを特徴とする。そして、本発明の他の一態様にかかる半導体薄膜結晶性評価方法は、基板上に導電性を持つ導電層を介して半導体層を形成した測定対象物に、前記半導体層の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光を照射して、前記測定対象物で反射した前記測定光の反射光を測定する測定工程と、前記測定工程の測定結果に基づいて反射スペクトルにおける所定のピークに関する情報を求め、この求めた前記情報に基づいて前記半導体層における結晶性の評価を表す評価指標を求める演算工程とを備えることを特徴とする。
【０００９】
このような構成の半導体薄膜結晶性評価装置および半導体薄膜結晶性評価方法では、基板上に導電層を介して半導体層を形成した測定対象物に対し、この半導体層の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光が照射され、この測定光の反射光が測定され、そして、この測定結果に基づいて反射スペクトルにおける所定のピークに関する情報が求められ、この情報に基づいて前記半導体層の結晶性が評価される。このように半導体層の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光が用いられるので、基板とこの基板上に積層される半導体層との間に導電層が介在しても、この測定光の反射光は、この導電層の影響を受けることがない。そして、測定対象物に測定光を照射することによって得られる測定光の反射光を測定するので、測定対象物を破壊することもなく、さらに、測定環境を特にコントロールする必要もない。そして、反射スペクトルにおける所定のピークは、エネルギーバンドの直接遷移に起因して生じるものであるため、半導体層の結晶性に対応して現れる。したがって、この反射スペクトルにおける所定のピークに関する情報に基づいて半導体層における結晶性を評価することができる。このように上記構成の半導体薄膜結晶性評価装置および半導体薄膜結晶性評価方法は、非破壊であって測定環境を特にコントロールすることなく、基板上に導電層を介して半導体層を形成した測定対象物における前記半導体層の結晶性を評価することができる。
【００１０】
また、他の一態様では、上述の半導体薄膜結晶性評価装置において、前記測定対象物の前記半導体層は、シリコン薄膜であって、前記測定光は、紫外域の光であることを特徴とする。
【００１１】
シリコン薄膜は、略紫外域の光に対し、比較的短い浸透長を有している。このため、このような構成の半導体薄膜結晶性評価装置は、導電層の影響を受けることなく、シリコン薄膜の結晶性を評価することができる。
【００１２】
また、他の一態様では、これら上述の半導体薄膜結晶性評価装置において、前記測定対象物の前記半導体層は、シリコン薄膜であって、前記所定のピークは、Ｅ２ピークであることを特徴とする。
【００１３】
シリコンの反射スペクトルは、例えば、いわゆるＥ１ピークやＥ２ピーク等の所定のピークを有し、特に、Ｅ２ピークは、半導体層の厚さに依存しない。このため、このような構成の半導体薄膜結晶性評価装置は、シリコン薄膜の結晶性をより的確に評価することができる。
【００１４】
また、他の一態様では、これら上述の半導体薄膜結晶性評価装置において、前記測定部は、前記測定光を放射する光源部と、前記光源部から放射された前記測定光を前記測定対象物へ導く光学系と、前記測定光の反射光を分光測定する分光部とを備えることを特徴とする。
【００１５】
このような構成の半導体薄膜結晶性評価装置は、半導体層の反射スペクトルを比較的簡易な構成で測定することができる。
【００１６】
また、他の一態様では、これら上述の半導体薄膜結晶性評価装置において、前記測定部は、分光エリプソメトリであることを特徴とする。
【００１７】
このような構成の半導体薄膜結晶性評価装置は、多波長および多入射角で測定することができ、より高精度に半導体層の反射スペクトルを測定することができる。
【００１８】
また、他の一態様では、これら上述の半導体薄膜結晶性評価装置において、 前記測定部は、前記所定のピークに対応する波長を持つ単一波長の光または前記所定のピークに対応する波長を含む狭波長域の光を前記測定光として、ブリュースター角を測定するべく、前記測定対象物に複数の入射角で照射して前記測定対象物で反射した、前記複数の入射角で照射された前記各測定光に対応する各反射光を測定し、前記演算部は、前記測定部で測定した測定結果に基づいてブリュースター角を前記情報として求め、この求めたブリュースター角に基づいて前記半導体層の前記評価指標を求めることを特徴とする。
【００１９】
このような構成の半導体薄膜結晶性評価装置は、前記所定のピークに対応する波長を持つ単一波長の光または前記所定のピークに対応する波長を含む狭波長域の光を前記測定光として用いて測定すればよいので、測定光の波長を走査して反射スペクトルを求める必要がなく、より簡便に結晶性を評価することができる。
【００２０】
ここで、ブリュースター角θｂは、一般には、互いに異なる屈折率を持つ第１および第２媒質における界面にｐ偏光を入射した場合に、反射率が０となる入射角として定義されるが、本明細書では、この反射率が０となる入射角だけでなく、さらに、反射率が最小となる入射角も含むものとして定義される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明にかかる半導体薄膜結晶性評価装置および半導体薄膜結晶性評価方法は、非破壊であって測定環境をコントロールすることなく、基板上に導電層を介して半導体層を形成した測定対象物における前記半導体層の結晶性を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態における半導体薄膜結晶性評価装置の構成を示す図である。
【図２】シリコン薄膜における波長と浸透長との関係を示す図である。
【図３】シリコン薄膜における反射スペクトルを示す図である。
【図４】シリコン薄膜における膜厚別の反射スペクトルを示す図である。
【図５】第２実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置における測定部の構成を示す図である。
【図６】第３実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置における測定部の構成を示す図である。
【図７】消衰係数別の入射角と反射率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００２４】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における半導体薄膜結晶性評価装置の構成を示す図である。図１（Ａ）は、全体構成を示し、図１（Ｂ）は、演算部の電気的な構成を示す。図２は、シリコン薄膜における波長と浸透長との関係を示す図である。図２の横軸は、ｎｍ単位で示す波長であり、その縦軸は、ｎｍ単位で示す浸透長である。図３は、シリコン薄膜における反射スペクトルを示す図である。図３の横軸は、ｎｍ単位で示す波長であり、その縦軸は、％単位で示す反射率である。図２および図３において、実線は、p-Ｓｉ薄膜の場合における測定結果であり、破線は、a-Ｓｉ薄膜の場合における測定結果である。図４は、シリコン薄膜における膜厚別の反射スペクトルを示す図である。図４の横軸は、ｎｍ単位で示す波長（wavelength）であり、その縦軸は、％単位で示す反射率（Reflectance）である。破線は、膜厚が４０ｎｍである場合における測定結果であり、比較的太い実線は、膜厚が５０ｎｍである場合における測定結果であり、そして、比較的細い実線は、膜厚が６０ｎｍである場合における測定結果である。図４は、シミュレーション結果である。
【００２５】
半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａは、測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３の結晶性を評価する装置であり、例えば、図１に示すように、測定部１と、演算部２とを備えて構成される。
【００２６】
測定対象物ＷＡは、基板ＬＡ１上に、導電性を持つ導電層ＬＡ２を介して半導体層ＬＡ３を形成したものである。このような測定対象物ＷＡは、例えば、太陽電池やいわゆるボトムゲート型構造のＴＦＴ等においてよく見られるものである。例えば、ガラス基板上に、第１電極、半導体層および第２電極の順で順次に積層されることによって、太陽電池が構成される。また例えば、ガラス基板上に、ゲート電極、ゲート絶縁層、半導体層およびソース−ドレイン電極の順で順次に積層されることによって、ＴＦＴが構成される。
【００２７】
基板ＬＡ１は、任意の材料によって形成された任意の形状であってよく、特に限定されないが、例えば、測定対象物ＷＡの使用用途、すなわち、半導体層ＬＡ３の使用用途に応じて適宜に決定され、例えば、フラットディスプレイのＴＦＴや太陽電池等の場合では、ガラスの薄板である。
【００２８】
導電層ＬＡ２は、基板ＬＡ１上に積層された例えば金属材料（合金を含む）や透明電極材料（例えばＩＴＯ等）等の薄膜である。導電層ＬＡ２は、単層であってよく、また、複数層であってもよい。また、導電層ＬＡ２が複数層である場合には、複数層の中に導電性を持つ層が少なくとも含まれていれば、導電性を有しない絶縁体の層が含まれていてもよい。
【００２９】
半導体層ＬＡ３は、導電層ＬＡ２上に積層された所定の半導体材料の薄膜である。この半導体材料は、半導体層ＬＡ３の使用用途に応じて適宜に決定される。半導体層ＬＡ３は、例えば、５０ｎｍ〜数μｍのシリコン薄膜である。現時点の液晶ディスプレイに用いられるＴＦＴにおけるシリコン薄膜の厚さは、一般的に、５０ｎｍ程度である。
【００３０】
測定部１は、測定対象物ＷＡに、半導体層ＬＡ３の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光を照射して、測定対象物ＷＡで反射した前記測定光の反射光を測定する装置である。本実施形態では、例えば、図１に示すように、光源部１１と、光学系１２と、分光部１３と、ステージ１４とを備えて構成される。
【００３１】
浸透長は、光を吸収する測定対象物に入射させた場合に、光が照射される表面から、その光の光強度が入射強度の１／ｅとなる地点までの距離（深さ）である。ｅは、ネイピア数（Napier’s constant、オイラー数）であり、自然対数の底として用いられる定数である。
【００３２】
光源部１１は、測定光を放射する装置である。測定光は、半導体層ＬＡ３の厚さよりも短い浸透長となる波長域の光である。浸透長は、通常、材料によって異なり、また、波長依存性を有している。
【００３３】
例えば、半導体層ＬＡ３がp-Ｓｉ薄膜である場合には、図２に実線で示すように、波長約３６０ｎｍ以下では浸透長が１０ｎｍ以下で波長の増加に従って大略緩やかに長くなり、その後、波長の増加に従って急激に長くなり、波長約３８５ｎｍでは浸透長が約５０ｎｍであり、波長約３９０ｎｍでは浸透長が約１００ｎｍである。また例えば、半導体層ＬＡ３がa-Ｓｉ薄膜である場合には、図２に破線で示すように、波長約４００ｎｍ以下では浸透長が１５ｎｍ以下で波長の増加に従って緩やかに長くなり、その後、波長の増加に従ってより大きな割合で長くなり、波長約５００ｎｍでは浸透長が約３５ｎｍである。μc-Ｓｉ薄膜の浸透長は、微結晶であることから、このようなp-Ｓｉ薄膜の浸透長の波長特性とa-Ｓｉ薄膜の浸透長の波長特性との間に存在するものと考えられる。
【００３４】
測定対象物ＷＡがシリコン薄膜である場合には、シリコン薄膜の浸透長が図２に示す波長特性を有するので、好ましくは、測定光は、２００ｎｍ〜４５０ｎｍの波長範囲の光である。ここで、２００ｎｍより短い光は、空気中の窒素や酸素と反応してしまうため、測定環境を真空にコントロールする必要が生じてしまい好ましくない。４５０ｎｍの光は、浸透長が比較的長くなり、シリコン薄膜を透過する虞があって好ましくない。
【００３５】
また、より好ましくは、シリコン薄膜が略紫外域の光に対し比較的短い浸透長を有しているため、測定光は、紫外域の光である。これによって半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａは、導電層ＬＡ２の影響を受けることなく、シリコン薄膜の結晶性を評価することが可能となる。より具体的には、測定光は、２５０ｎｍ〜３７５ｎｍの波長範囲における光である。ここで、２５０ｎｍより短い紫外光を放射する光源は、特殊な光源となってしまい、入手し難い一方、２５０ｎｍ以上の紫外光を放射する光源は、一般的な光源であり、比較的入手し易い。そして、３７５ｎｍより長い光は、上述したように、現時点の液晶ディスプレイに用いられるＴＦＴにおけるボトムゲートの厚さが一般的に５０ｎｍ程度であることから、このようなボトムゲートのシリコン薄膜を透過する虞があって好ましくない。このような光源部１１として、例えば、重水素光源を挙げることができる。
【００３６】
光学系１２は、光源部１１から放射された測定光を測定対象物ＷＡへ導く光学素子である。本実施形態では、例えば、図１（Ａ）に示すように、ステージ１４上に略水平に載置された測定対象物ＷＡの水平な表面に対し、その表面の法線方向から測定光を測定対象物ＷＡに照射するとともに、分光部１３と重ならないように光源部１１を配置するべく、水平方向で測定光を放射するように光源部１１を配置するために、光学系１２は、法線方向に対し４５度傾けて配置されるハーフミラ１２が用いられている。
【００３７】
分光部１３は、測定光の反射光を分光測定する分光計であり、演算部２に接続される。本実施形態では、例えば、図１（Ａ）に示すように、その受光開口が測定対象物ＷＡにおける表面の法線方向に向くように、分光部１３が配置される。分光計は、例えば、スリット形状（細長な矩形形状）の受光開口から入射された光を回折する回折格子と、前記回折格子で回折された回折光を受光する複数の光電変換素子とを備えて構成され、受光開口から入射された光は、回折格子で波長に応じた方向に回折され、これら各方向の各回折光は、複数の光電変換素子のそれぞれで受光され、波長ごとの受光強度が出力される。
【００３８】
このような構成の測定部１では、光源部１１から放射された測定光は、水平方向からハーフミラ１２に入射され、このハーフミラ１２で測定対象物ＷＡの表面方向に反射され、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に法線方向から照射される。この照射された測定光は、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３にその浸透長の範囲で浸透するとともに反射され、ハーフミラ１２を透過して分光部１３に入射される。この入射された測定光の反射光は、分光部１３で分光され、反射光を分光した測定結果が演算部２へ出力される。このように演算部２には、測定対象物ＷＡに対する反射スペクトルが測定部１の分光部１３から入力される。このように本実施形態では、光源部１１、光学系１２および分光部１３という比較的簡易な構成で半導体層ＬＡ３の反射スペクトルを測定することができる。
【００３９】
ステージ１４は、測定対象物ＷＡを載置する載置台である。ステージ１４は、測定対象物ＷＡの測定位置を変更するべく、測定対象物ＷＡを水平面内で移動することができるように構成されており、演算部２に接続され、演算部２の制御に従って駆動される。ステージ１４は、例えば、測定対象物ＷＡを水平面内でＸ方向およびＹ方向に移動可能なＸＹステージであり、また例えば、測定対象物ＷＡを水平面内で周方向および径方向に移動可能な回転ステージである。
【００４０】
演算部２は、測定部１の出力に基づいて反射スペクトルにおける所定のピークに関する情報を求め、この求めた情報に基づいて半導体層ＬＡ３における結晶性の評価を表す評価指標を求める装置である。演算部２は、本実施形態では、例えば、図１に示すように、演算制御部２１と、出力部２２と、入力部２３とを備えて構成される。
【００４１】
入力部２３は、例えば、測定開始等を指示するコマンドや測定対象物ＷＡの属性情報等のデータを入力するための装置であり、例えば、キーボード２３１やマウス２３２等である。入力部２３は、また例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルであってもよい。出力部２２は、入力部２３で受け付けたコマンドやデータおよび測定結果等を出力するための装置であり、例えば、ＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、有機ＥＬディスプレイおよびプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。これら入力部２３および出力部２２は、演算制御部７に接続される。
【００４２】
演算制御部２１は、半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａの各部を当該機能に応じて制御する回路であり、例えば、半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａの各部を当該機能に応じて制御するための制御プログラムや測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３の結晶性を測定部１の分光部１３の出力に基づいて求める演算プログラム等の各種の所定のプログラム、および、前記所定のプログラムの実行に必要なデータ等の各種の所定のデータ等を記憶する、不揮発性の記憶素子であるＲＯＭ（Read Only Memory）や書き換え可能な不揮発性の記憶素子であるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、前記所定のプログラムを読み出して実行することによって所定の演算処理や制御処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、前記所定のプログラムの実行中に生じるデータ等を記憶するいわゆる前記ＣＰＵのワーキングメモリとなるＲＡＭ（Random Access Memory）、ならびに、これらの周辺回路を備えたマイクロコンピュータ等によって構成される。演算制御部２１は、機能的に、ピーク情報演算部２１１と、評価指標演算部２１２と、測定光学系制御部２１３と、ステージ制御部２１４とを備えている。
【００４３】
ピーク情報演算部２１１は、測定部１の出力に基づいて反射スペクトルにおける反射率が極大となる所定のピークに関する情報を求めるものである。この反射スペクトルの前記ピークは、半導体におけるエネルギーバンドの遷移に起因して生じるものである。エネルギーバンドは、バンド理論から複数の原子が周期性を有して配列することから生じる。このため、反射スペクトルの前記ピークは、半導体薄膜の結晶性に対応して現れ、半導体薄膜の結晶性が良いほど明確に現れ、結晶性が崩れ悪くなるほど不明確となり、やがて現れなくなる。ピークに関する情報（ピーク情報）は、例えば、ピークの有無や、ピークの大きさ（ピークにおける反射率）や、ピークが現れる波長等である。
【００４４】
シリコン薄膜の反射スペクトルは、図３に示すように、大略、波長が長くなるに従って反射率が小さくなって、所定の波長において反射率が最小となり、その後、波長が長くなるに従って反射率が大きくなるプロファイルである。そして、a-Ｓｉ薄膜では、図３に破線で示すように、a-Ｓｉ薄膜が非晶質であることから、a-Ｓｉ薄膜の反射スペクトルは、所定の波長において反射率が極大となる所定のピークが認められず、前記大略のプロファイルとなる。一方、p-Ｓｉ薄膜では、図３に実線で示すように、p-Ｓｉ薄膜が比較的良い結晶性を持つことから、p-Ｓｉ薄膜の反射スペクトルは、所定の波長において反射率が極大となる所定のピークが認められ、前記大略のプロファイルにこの所定のピークを持つプロファイルとなる。このp-Ｓｉ薄膜の反射スペクトルにおける前記ピークは、紫外波長域に複数有り、例えば、図３に示すようなシリコンにおけるエネルギーバンドの直接遷移に起因して生じるＥ１ピークやＥ２ピーク等である。図３に示す例では、p-Ｓｉ薄膜において、このＥ１ピークは、波長約４００ｎｍで現れ、Ｅ２ピークは、これより短波長側である波長約２７５ｎｍで現れている。なお、図示しないが、μc-Ｓｉ薄膜の反射スペクトルは、微結晶であることから、このようなp-Ｓｉ薄膜の反射スペクトルとa-Ｓｉ薄膜の反射スペクトルとの間に存在するものと考えられる。そして、μｃ-Ｓｉ薄膜において、Ｅ１ピークは、波長約３６５ｎｍ（≒３．４ｅＶ）で現れ、Ｅ２ピークは、これより短波長側である波長約２９０ｎｍ（≒４．３ｅＶ）で現れる。
【００４５】
ここで、エネルギーバンドの直接遷移に起因して生じる複数のピークのうち、長波長側から短波長側へ順に、Ｅ１ピーク、Ｅ２ピーク、・・・と呼称することとする。
【００４６】
したがって、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３がシリコン薄膜である場合には、ピーク情報演算部２１１は、測定部１の分光部１３で測定された反射スペクトルからＥ１ピークおよびＥ２ピークの少なくとも一方を探索し、Ｅ１ピークに関する情報（Ｅ１ピーク情報）およびＥ２ピークに関する情報（Ｅ２ピーク情報）の少なくとも一方を求める。
【００４７】
そして、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３がシリコン薄膜である場合には、図４に示すように、Ｅ１ピークが現れる波長は、シリコン薄膜の厚さに依存し、膜厚が薄くなるに従って短波長側へシフトする一方、Ｅ２ピークが現れる波長は、シリコン薄膜の厚さに依存せず、約２７５ｎｍで略一定である。このため、ピーク情報演算部２１１は、測定部１の分光部１３で測定された反射スペクトルからＥ２ピークを探索し、Ｅ２ピーク情報を求めることが好ましい。これによって、半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａは、シリコン薄膜の結晶性をより的確に評価することができる。後述の第２および第３実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｂ、Ｄｃも同様である。
【００４８】
評価指標演算部２１２は、ピーク情報演算部２１１によって求められたピーク情報に基づいて測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３における結晶性の評価を表す評価指標を求めるものである。結晶性とは、前述したように、結晶化している程度（度合い）である。
【００４９】
評価指標は、例えば、所定のピークの大きさや所定のピークが現れる波長等のピーク情報そのものであってよい。評価指標がピークの大きさである場合では、例えば、バルクのシリコン結晶におけるピークの大きさを基準とするべく、評価指標演算部２１２は、ピーク情報演算部２１１によって求められたピークの大きさ（例えばＥ２ピークの大きさ）を、バルクのシリコン結晶におけるピークの大きさ（この例ではＥ２ピークの大きさ）で規格化することが好ましい。
【００５０】
また例えば、評価指標は、３段階評価や５段階評価等であってもよい。この場合では、例えば、ピーク情報（例えばＥ２ピークの大きさ）の値と評価指標の階級（例えば３段階評価や５段階評価等における各段階）とを対応付けるルックアップテーブルが予め作成され、この作成されたルックアップテーブルが演算制御部２１に記憶される。そして、評価指標演算部２１２は、ピーク情報演算部２１１によって求められたピーク情報（この例ではＥ２ピークの大きさ）に対応する評価指標の階級を前記ルックアップテーブルから求めることで、ピーク情報（この例ではＥ２ピークの大きさ）に対応する評価指標を求める。
【００５１】
測定光学系制御部２１３は、光源部１１の動作および分光部１３の動作を制御するものである。
【００５２】
ステージ制御部２１４は、測定対象物ＷＡにおける複数の測定箇所を測定するために、測定対象物ＷＡを水平面内で移動するように、ステージ１４を制御するものである。
【００５３】
このような構成の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａでは、評価が開始されると、測定対象物ＷＡにおける初期の測定箇所を分光部１３によって測定することができるように、演算制御部２１のステージ制御部２１４によってステージ１４が制御される。
【００５４】
続いて、演算制御部２１の測定光学系制御部２１３によって測定部１の光源部１１が制御され、測定光が光源部１１によって放射される。測定光が放射されると、上述したように、この測定光が測定対象物ＷＡに照射され、その反射光が分光部１３に入射される。
【００５５】
続いて、演算制御部２１の測定光学系制御部２１３によって測定部１の分光部１３が制御され、測定光の反射光が分光部１３によって分光され、測定対象物ＷＡの反射スペクトルが分光部１３によって測定される。この測定された反射スペクトルは、測定結果として測定部１の分光部１３から演算部２の演算制御部２１へ出力される。
【００５６】
続いて、演算部２の演算制御部２１では、測定部１で測定された反射スペクトルにおける所定のピークに関する情報がピーク情報演算部２１１によって求められる。
【００５７】
続いて、この求められたピーク情報に基づいて測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に対する評価指標が評価指標演算部２１２によって求められる。
【００５８】
続いて、必要に応じて、測定対象物ＷＡにおける次の測定箇所を分光部１３によって測定することができるように、演算制御部２１のステージ制御部２１４によってステージ１４が制御され、上述の動作が同様に実行され、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に対する評価指標が求められる。以下、測定すべきすべての測定箇所に対し、同様の処理が実行される。
【００５９】
そして、この求められた所定の測定箇所における評価指標が演算制御部２１の制御によって出力部２２に出力される。
【００６０】
以上、説明したように、本実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａおよびこれに実装された半導体薄膜結晶性評価方法では、基板ＬＡ１上に導電層ＬＡ２を介して半導体層ＬＡ３を形成した測定対象物ＷＡに対し、この半導体層ＬＡの厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光が照射され、この測定光の反射光が測定され、そして、この測定結果に基づいて反射スペクトルにおけるピーク情報が求められ、このピーク情報に基づいて半導体層ＬＡ３の結晶性が評価される。このように半導体層ＬＡ３の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光が用いられるので、基板ＬＡ１とこの基板ＬＡ１上に積層される半導体層ＬＡ３との間に導電層ＬＡ２が介在しても、この測定光の反射光は、この導電層ＬＡ２の影響を受けることがない。そして、測定対象物ＷＡに測定光を照射することによって得られる測定光の反射光を測定するので、測定対象物ＷＡを破壊することもなく、さらに、測定環境を特にコントロールする必要もない。例えば、室温（例えば２０℃ないし２７℃の間の温度）程度の常温で、しかも大気圧程度の常圧で測定することができる。そして、反射スペクトルにおける所定のピークは、エネルギーバンドの遷移に起因して生じるものであるため、半導体層ＬＡ３の結晶性に対応して現れる。したがって、この反射スペクトルにおける所定のピークに関するピーク情報に基づいて半導体層ＬＡ３における結晶性を評価することができる。このように上記構成の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａおよび該方法は、非破壊であって測定環境を特にコントロールすることなく、基板ＬＡ１上に導電層ＬＡ２を介して半導体層ＬＡ３を形成した測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３の結晶性を評価することができる。
【００６１】
このため、このような上記構成の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａは、例えば、製造ラインに配置することができ、インラインで測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３を評価することが可能となる。後述の第２および第３実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｂ、Ｄｃも同様である。
【００６２】
次に、別の実施形態について説明する。
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置における測定部の構成を示す図である。第１実施形態における半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａは、光源部１１、光学系１２、分光部１３およびステージ１４を備えた測定部１によって測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３の反射スペクトルを測定したが、第２実施形態における半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｂは、分光エリプソメトリの測定部４によって測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３の反射スペクトルを測定するものである。このため、第２実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｂにおける演算部は、第１実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄａにおける演算部２と同様であるので、その説明を省略する。
【００６３】
この第２実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｂにおける測定部４は、例えば、図５に示すように、前記測定光を放射する光源部４１と、光源部４１から放射された測定光を所定の偏光成分の偏光に偏光させて測定対象物ＷＡへブリュースター角で導く偏光子４２１および測定対象物ＷＡで反射した測定光の正反射方向の反射光から所定の偏光成分を取り出して射出する検光子４２２を備える光学系４２と、検光子４２２から射出された光を分光測定する分光部４３とを備えて構成され、いわゆる回転検光子型の分光エリプソメトリである。そして、測定部４は、第１実施形態の測定部１と同様に、測定対象物ＷＡを載置する載置台であるステージ４４をさらに備えている。また、検光子４２２および分光部４３は、これら検光子４２２および分光部４３の光軸が、光源部４１および偏光子４２１の光軸に沿って測定対象物ＷＡへ入射される測定光の正反射方向に一致するように、配置される。
【００６４】
このような構成の測定部４では、光源部１１から放射された測定光は、偏光子４２１に入射され、この偏光子４２１で所定の偏光成分の偏光（直線偏光）、例えばＰ偏光が射出され、ブリュースター角の入射角で測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に照射される。このブリュースター角で測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に入射された測定光は、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３にその浸透長の範囲で浸透するとともに反射される。この所定の偏光成分の測定光における反射光（楕円偏光）は、正反射方向に配置された検光子４２２に入射され、所定の偏光成分が取り出され、射出される。この検光子４２２から射出された光は、分光部４３に入射され、分光部４３で分光される。ここで、測定部４の分光部４３では、所定の偏光成分の測定光における反射光の偏光状態の変化（Ψ、△）に基づいて反射率を演算し、測定対象物ＷＡに対する反射スペクトルが演算される。なお、△は、楕円偏光の反射光の位相角であり、Ψは、楕円の振幅強度比から求められる正接である。そして、この求められた測定対象物ＷＡに対する反射スペクトルが測定結果として測定部４の分光部４３から演算部２へ出力される。このように演算部２には、測定対象物ＷＡに対する反射スペクトルが測定部４の分光部４３から入力される。
【００６５】
このように第２実施形態における半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｂでは、測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３の反射スペクトルをいわゆる分光エリプソメトリの測定部４で測定するので、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３を多波長および多入射角で測定することができ、より高精度に半導体層ＬＡ３の反射スペクトルを測定することができる。
【００６６】
なお、上述では、測定部４は、回転検光子型の分光エリプソメトリで構成されたが、回転補償型の分光エリプソメトリや位相変調器型の分光エリプソメトリであってもよい。
【００６７】
次に、別の実施形態について説明する。
（第３実施形態）
図６は、第３実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置における測定部の構成を示す図である。図６（Ａ）は、全体構成を示し、図６（Ｂ）は、演算部の電気的な構成を示す。図７は、消衰係数別の入射角と反射率との関係を示す図である。図７の横軸は、度（゜）単位で示す入射角であり、その縦軸は、反射率である。＊は、消衰係数が３である場合の測定結果を示し、■は、消衰係数が４である場合の測定結果を示し、そして、−は、消衰係数が５である場合の測定結果を示す。図７は、ｎ＝２．５のシミュレーション結果である。
【００６８】
第１および第２実施形態では、測定部１、４によって測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３における反射スペクトルを求め、所定のピークに関するピーク情報に基づいて評価指標を求めるものであったが、第３実施形態における半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｃは、反射スペクトルにおける反射率が極大となる所定のピークに対応する波長の偏光の測定光を測定対象物ＷＡに複数の入射角で照射することによってブリュースター角θｂを前記ピーク情報として求め、この求めたブリュースター角θｂに基づいて評価指標を求めるものである。
【００６９】
この第３実施形態における半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｃは、測定対象物ＷＡに、半導体層ＬＡ３の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光を照射して、測定対象物ＷＡで反射した測定光の反射光を測定する測定部６と、測定部６の出力に基づいて反射スペクトルにかかるピーク情報を求め、この求めたピーク情報に基づいて測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３における評価指標を求める演算部７とを備えて構成される。より具体的には、測定部６は、反射スペクトルにおける反射率が極大となる所定のピークに対応する波長を持つ単一波長の光または前記所定のピークに対応する波長を含む狭波長域の光を測定光として、ブリュースター角を測定するべく、測定対象物ＷＡに複数の入射角で照射して測定対象物ＷＡで反射した、前記複数の入射角で照射された各測定光に対応する各反射光を測定ものであり、演算部７は、この測定部６で測定した測定結果に基づいてブリュースター角θｂを前記ピーク情報として求め、この求めたブリュースター角θｂに基づいて測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３の評価指標を求めるものである。
【００７０】
このような測定部６は、例えば、図６（Ａ）に示すように、光源部６１と、光学系６２と、受光部６３と、ステージ６４とを備えて構成される。
【００７１】
光源部６１は、測定光を放射する装置であり、本実施形態では、前記測定光は、測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３の厚さよりも短い浸透長となる波長域の光であって、かつ、反射スペクトルにおける反射率が極大となる所定のピークに対応する波長を持つ単一波長の光、または、前記所定のピークに対応する波長を含む狭波長域の光である。前記狭波長域の波長幅は、この狭波長域の光で得られた評価結果が前記単一波長の光で得られた評価結果と実質的に一致するような幅である。例えば、測定光は、Ｅ２ピークに対応する波長２７５ｎｍの単一波長の光や、この波長２７５ｎｍの波長を含む狭波長域の光（例えば、２６０ｎｍ〜２９０ｎｍの紫外光や、好ましくは２７０ｎｍ〜２８０ｎｍの紫外光）である。測定光は、所定のビーム幅で光源部６１から放射される。
【００７２】
光学系６２は、光源部６１から前記所定のビーム幅で放射された測定光における所定の偏光成分の光を測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３へ導くとともに、その正反射方向の反射光における所定の偏光成分の光を受光部６３へ導くものである。光学系６２は、例えば、光源部４１から放射された測定光を所定の偏光成分の偏光（例えばｐ偏光）に偏光させて射出する偏光子６２１と、偏光子６２１から射出された所定の偏光の測定光を集光して測定対象物ＷＡへ導くレンズ６２２と、測定対象物ＷＡで反射した前記所定の偏光の測定光における反射光を前記所定のビーム幅の平行光にするレンズ６２３と、レンズ６２３から射出された前記所定の偏光の測定光における反射光から所定の偏光成分（例えば上記例ではｐ偏光成分）を取り出して射出する検光子６２４とを備えて構成される。光源部６１、偏光子６２１およびレンズ６２２は、これら光源部６１、偏光子６２１およびレンズ６２２の光軸が測定対象物ＷＡの平面における法線方向に対して所定の角度となるように、配置され、これら検光子６２４、レンズ６２３および受光部６３は、これら検光子６２４、レンズ６２３および受光部６３の光軸が、光源部６１、偏光子６２１およびレンズ６２２の光軸に沿って測定対象物ＷＡへ入射される測定光の正反射方向に一致するように、配置される。
【００７３】
受光部６３は、光学系６２の検光子６２４から射出された前記反射光における所定の偏光成分の偏光を受光し、その受光光強度を測定するものであり、直線状に一次元配列された複数の光源変換素子を備えて構成される。このような受光部６３は、例えば、ラインＣＣＤセンサ等を備えて構成される。
【００７４】
このような構成の測定部６では、光源部６１から放射された所定のビーム幅を持った測定光は、偏光子６２１に入射され、この偏光子６２１で所定の偏光成分の偏光、例えばｐ偏光が射出され、レンズ６２２に入射される。このレンズ６２２に入射された所定のビーム幅の測定光は、集光され、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に照射される。このようにレンズ６２２を用いることによって測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に一度に複数の入射角で前記測定光を照射することができる。そして、この様々な入射角で測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に入射された前記測定光は、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３にその浸透長の範囲で浸透するとともに反射される。この所定の偏光成分の測定光における反射光は、正反射方向に配置されたレンズ６２３に入射され、前記所定のビーム幅の平行光となって射出される。このレンズ６２３から射出された前記所定のビーム幅の前記反射光は、検光子６２４に入射され、前記所定の偏光成分（例えばこの例ではｐ偏光成分）が取り出され、前記所定のビーム幅で射出される。この検光子６２４から射出された前記反射光の偏光は、受光部６３に前記所定のビーム幅で入射され、受光部６３で受光される。ここで、前記所定のビーム幅の前記反射光には、レンズ６２２およびレンズ６２３のレンズ作用から、複数の入射角で測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に入射された各測定光に対応する各反射光が平行に並ぶように含まれており、この各入射角の各測定光に対応する各反射光の各光強度を測定するように、受光部６３は、上述したように、一次元配列された複数の光電変換素子を備えて構成されている。すなわち、受光部６３の各光電変換素子は、前記複数の入射角のそれぞれに予め対応付けられており、これら各入射角の各測定光に対応する各反射光を受光するものである。このように受光部６３は、一次元配列された複数の光電変換素子を用いることによって、前記複数の入射角で測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に入射された各測定光に対応する各反射光の各光強度を一括で測定することができる。そして、このように測定された前記各反射光の各光強度が測定結果として測定部６の受光部６３から演算部７へ出力される。
【００７５】
また、演算部７は、本実施形態では、例えば、図６（Ｂ）に示すように、演算制御部７１と、出力部７２と、入力部７３とを備えて構成される。出力部７２および入力部７３は、第１実施形態の出力部２２および入力部２３と同様であるので、その説明を省略する。
【００７６】
演算制御部７１は、第１実施形態の演算制御部２１と同様に、半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｃの各部を当該機能に応じて制御する回路であり、例えば、マイクロコンピュータ等によって構成される。そして、本実施形態では、演算制御部７１は、機能的に、ブリュースター角演算部７１１と、評価指標演算部７１２と、測定光学系制御部７１３と、ステージ制御部７１４とを備えている。
【００７７】
ブリュースター角演算部７１１は、測定部６で測定された前記各反射光の各光強度に基づいてピーク情報としてブリュースター角θｂを求めるものである。より具体的には、ブリュースター角演算部７１１では、測定部６の受光部６３から出力された各光電変換素子の各出力の中から最も小さい光強度の反射光を受光した光電変換素子が探索され、この探索された光電変換素子に対応付けられた入射角がブリュースター角θｂとして求められる。
【００７８】
ブリュースター角θｂは、一般には、互いに異なる屈折率を持つ第１および第２媒質における界面にｐ偏光を入射した場合に、反射率が０となる入射角として定義されるが、本明細書では、この反射率が０となる入射角だけでなく、上述のように、さらに、反射率が最小となる入射角も含むものとして定義される。
【００７９】
評価指標演算部７１２は、ブリュースター角演算部７１１によって求められたブリュースター角θｂに基づいて測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３における結晶性の評価を表す評価指標を求めるものである。
【００８０】
ここで、入射角θで入射光を斜め入射した場合における反射率Ｒ（θ）は、入射角θ、屈折率ｎおよび消衰係数ｋの各パラメータを含む所定の関数となる。ここで、波長２７５ｎｍ付近の入射光に対して屈折率ｎは、略一定であり、このＥ２ピークに対応する波長２７５ｎｍ付近の光を測定光とすれば、斜入射の場合における反射率Ｒ（θ）は、入射角θおよび消衰係数ｋの各パラメータを含む所定の関数となり、例えば、図７に示すプロファイルを持つ。すなわち、測定対象の水平な平面における法線方向を０゜として入射角の増加に従って反射率Ｒ（θ）は、比較的徐々に減少し、所定の入射角で反射率は、極小値となり、その後、入射角の増加に従って反射率は、比較的急激に増加する。そして、このようなプロファイルを持つ反射率Ｒ（θ）は、図７に示すように、消衰係数ｋの増加に従って反射率が増加する方向に全体的にシフトする。すなわち、反射率Ｒ（θ）は、消衰係数ｋ＝３の測定結果から、消衰係数ｋ＝４の測定結果へ、さらに、消衰係数ｋ＝５の測定結果へ、シフトする。
【００８１】
一方、ブリュースター角θｂは、消衰係数ｋと比例関係にあり、消衰係数ｋの増加に比例して変化するものである。そして、消衰係数ｋは、結晶性の向上に従い単調に増加するものである。
【００８２】
したがって、複数の入射角での各測定光に対する各反射光の光強度を測定することによってブリュースター角θｂを測定し、この測定したブリュースター角θｂに基づいて測定対象物ＷＡの結晶性を評価することが可能となる。
【００８３】
シリコン薄膜の消衰係数ｋは、約３〜５の範囲であり、ブリュースター角θｂもこの範囲に対応する範囲となることから、第１実施形態と同様に、評価指標は、例えば、ブリュースター角θｂの大きさであってよく、また例えば、評価指標は、３段階評価や５段階評価等であってもよい。第１実施形態と同様に、ブリュースター角θｂの大きさを評価指標とする場合には、評価指標演算部７１２は、ブリュースター角演算部７１１によって求められたブリュースター角θｂを、バルクのシリコン結晶におけるブリュースター角で規格化することが好ましく、また、多段階評価を評価指標とする場合には、例えば、ブリュースター角θｂの大きさと評価指標の階級とを対応付けるルックアップテーブルが予め作成され、この作成されたルックアップテーブルが演算制御部７１に記憶され、そして、評価指標演算部７１２は、ブリュースター角演算部７１１によって求められたブリュースター角θｂの大きさに対応する評価指標の階級を前記ルックアップテーブルから求めることで、ブリュースター角θｂの大きさに対応する評価指標を求める。
【００８４】
測定光学系制御部７１３は、第１実施形態の測定光学系制御部２１３と同様に、光源部６１の動作および受光部６３の動作を制御するものである。ステージ制御部７１４は、第１実施形態のステージ制御部２１４と同様に、測定対象物ＷＡにおける複数の測定箇所を測定するために、測定対象物ＷＡを水平面内で移動するように、ステージ６４を制御するものである。
【００８５】
このような構成の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｃでは、評価が開始されると、測定対象物ＷＡにおける初期の測定箇所を測定部６の受光部６３によって測定することができるように、演算制御部７１のステージ制御部７１４によってステージ６４が制御される。
【００８６】
続いて、演算制御部７１の測定光学系制御部７１３によって測定部６の光源部６１が制御され、測定光が光源部６１によって放射される。測定光が放射されると、上述したように、この測定光が測定対象物ＷＡに複数の入射角で照射され、これら各入射角の各測定光に対応する各反射光が受光部６３に入射される。
【００８７】
続いて、演算制御部７１の測定光学系制御部７１３によって測定部６の受光部６３が制御され、各入射角の各測定光に対応する各反射光が受光部６３によって受光され、これら各反射光の各光強度が受光部６３によって測定される。この測定された各入射角の各測定光に対応する各反射光の各光強度は、測定結果として測定部６の受光部６３から演算部７の演算制御部７１へ出力される。
【００８８】
続いて、演算部７の演算制御部７１では、測定部６で測定された測定結果に基づいて前記ピーク情報としてブリュースター角θｂがブリュースター角演算部７１１によって求められる。
【００８９】
続いて、この求められたブリュースター角θｂに基づいて測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に対する評価指標が評価指標演算部７１２によって求められる。
【００９０】
続いて、必要に応じて、測定対象物ＷＡにおける次の測定箇所を測定部６の受光部６３によって測定することができるように、演算制御部７１のステージ制御部７１４によってステージ６４が制御され、上述の動作が同様に実行され、測定対象物ＷＡの半導体層ＬＡ３に対する評価指標が求められる。以下、測定すべきすべての測定箇所に対し、同様の処理が実行される。
【００９１】
そして、この求められた所定の測定箇所における評価指標が演算制御部７１の制御によって出力部７２に出力される。
【００９２】
以上、説明したように、本実施形態の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｃおよびこれに実装された半導体薄膜結晶性評価方法では、第１実施形態と同様に、半導体層ＬＡ３の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光が用いられるので、基板ＬＡ１とこの基板ＬＡ１上に積層される半導体層ＬＡ３との間に導電層ＬＡ２が介在しても、この測定光の反射光は、この導電層ＬＡ２の影響を受けることがない。そして、測定対象物ＷＡに測定光を照射することによって得られる測定光の反射光を測定するので、測定対象物ＷＡを破壊することもなく、さらに、測定環境を特にコントロールする必要もない。そして、反射スペクトルにおける所定のピーク、例えばＥ２ピークに対応する波長２７５ｎｍ付近の光が測定光として用いられるので、測定光の波長を走査して反射スペクトルを求める必要がなく、より簡便に結晶性を評価することができる。このように上記構成の半導体薄膜結晶性評価装置Ｄｃおよび該方法は、非破壊であって測定環境を特にコントロールすることなく、基板ＬＡ１上に導電層ＬＡ２を介して半導体層ＬＡ３を形成した測定対象物ＷＡにおける半導体層ＬＡ３の結晶性をより簡便に評価することができる。
【００９３】
なお、上述の実施形態では、点測定であったが、測定光を図６の紙面法線方向（光軸に直交するとともに測定対象物ＷＡの表面に平行な方向）に延びるライン光とするとともに、２次元アレイ状に複数の光電変換素子を配置した２次元アレイセンサを備える受光部を用いることによって、同時に、多点を測定することができ、より短時間で測定対象物ＷＡにおける所定の面積に亘る表面の結晶性を評価することができる。
【００９４】
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】
【００９５】
Ｄａ、Ｄｂ、Ｄｃ 半導体薄膜結晶性評価装置
ＷＡ 測定対象物
ＬＡ１ 基板
ＬＡ２ 導電層
ＬＡ３ 半導体層
１、４、６ 測定部
２、７ 演算部
２１、７１ 演算制御部
２１１ ピーク情報演算部
２１２、７１２ 評価指標演算部
７１１ ブリュースター角演算部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に導電性を持つ導電層を介して半導体層を形成した測定対象物に、前記半導体層の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光を照射して、前記測定対象物で反射した前記測定光の反射光を測定する測定部と、
前記測定部の出力に基づいて反射スペクトルにおける所定のピークに関する情報を求め、この求めた前記情報に基づいて前記半導体層における結晶性の評価を表す評価指標を求める演算部とを備えること
を特徴とする半導体薄膜結晶性評価装置。
【請求項２】
前記測定対象物の前記半導体層は、シリコン薄膜であって、
前記測定光は、紫外域の光であること
を特徴とする請求項１に記載の半導体薄膜結晶性評価装置。
【請求項３】
前記測定対象物の前記半導体層は、シリコン薄膜であって、
前記所定のピークは、Ｅ２ピークであること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体薄膜結晶性評価装置。
【請求項４】
前記測定部は、前記測定光を放射する光源部と、前記光源部から放射された前記測定光を前記測定対象物へ導く光学系と、前記測定光の反射光を分光測定する分光部とを備えること
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体薄膜結晶性評価装置。
【請求項５】
前記測定部は、分光エリプソメトリであること
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体薄膜結晶性評価装置。
【請求項６】
前記測定部は、前記所定のピークに対応する波長を持つ単一波長の光または前記所定のピークに対応する波長を含む狭波長域の光を前記測定光として、ブリュースター角を測定するべく、前記測定対象物に複数の入射角で照射して前記測定対象物で反射した、前記複数の入射角で照射された前記各測定光に対応する各反射光を測定し、
前記演算部は、前記測定部で測定した測定結果に基づいてブリュースター角を前記情報として求め、この求めたブリュースター角に基づいて前記半導体層の前記評価指標を求めること
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体薄膜結晶性評価装置。
【請求項７】
基板上に導電性を持つ導電層を介して半導体層を形成した測定対象物に、前記半導体層の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光を照射して、前記測定対象物で反射した前記測定光の反射光を測定する測定工程と、
前記測定工程の測定結果に基づいて反射スペクトルにおける所定のピークに関する情報を求め、この求めた前記情報に基づいて前記半導体層における結晶性の評価を表す評価指標を求める演算工程とを備えること
を特徴とする半導体薄膜結晶性評価方法。
【請求項１】
基板上に導電性を持つ導電層を介して半導体層を形成した測定対象物に、前記半導体層の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光を照射して、前記測定対象物で反射した前記測定光の反射光を測定する測定部と、
前記測定部の出力に基づいて反射スペクトルにおける所定のピークに関する情報を求め、この求めた前記情報に基づいて前記半導体層における結晶性の評価を表す評価指標を求める演算部とを備えること
を特徴とする半導体薄膜結晶性評価装置。
【請求項２】
前記測定対象物の前記半導体層は、シリコン薄膜であって、
前記測定光は、紫外域の光であること
を特徴とする請求項１に記載の半導体薄膜結晶性評価装置。
【請求項３】
前記測定対象物の前記半導体層は、シリコン薄膜であって、
前記所定のピークは、Ｅ２ピークであること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体薄膜結晶性評価装置。
【請求項４】
前記測定部は、前記測定光を放射する光源部と、前記光源部から放射された前記測定光を前記測定対象物へ導く光学系と、前記測定光の反射光を分光測定する分光部とを備えること
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体薄膜結晶性評価装置。
【請求項５】
前記測定部は、分光エリプソメトリであること
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体薄膜結晶性評価装置。
【請求項６】
前記測定部は、前記所定のピークに対応する波長を持つ単一波長の光または前記所定のピークに対応する波長を含む狭波長域の光を前記測定光として、ブリュースター角を測定するべく、前記測定対象物に複数の入射角で照射して前記測定対象物で反射した、前記複数の入射角で照射された前記各測定光に対応する各反射光を測定し、
前記演算部は、前記測定部で測定した測定結果に基づいてブリュースター角を前記情報として求め、この求めたブリュースター角に基づいて前記半導体層の前記評価指標を求めること
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体薄膜結晶性評価装置。
【請求項７】
基板上に導電性を持つ導電層を介して半導体層を形成した測定対象物に、前記半導体層の厚さよりも短い浸透長となる波長域の測定光を照射して、前記測定対象物で反射した前記測定光の反射光を測定する測定工程と、
前記測定工程の測定結果に基づいて反射スペクトルにおける所定のピークに関する情報を求め、この求めた前記情報に基づいて前記半導体層における結晶性の評価を表す評価指標を求める演算工程とを備えること
を特徴とする半導体薄膜結晶性評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−８３１２０（Ｐ２０１２−８３１２０Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２７１８３（Ｐ２０１０−２２７１８３）
【出願日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【出願人】（０００１３０２５９）株式会社コベルコ科研 (174)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【出願人】（０００１３０２５９）株式会社コベルコ科研 (174)
【Ｆターム（参考）】
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