DE102011004991B4

DE102011004991B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Ermitteln eines Qualitätsparameters einer flächigen Probe

Info

Publication number: DE102011004991B4
Application number: DE201110004991
Authority: DE
Inventors: Stefan Wurdack
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2014-11-20
Anticipated expiration: 2031-03-03
Also published as: DE102011004991A1

Abstract

Vorrichtung zum Ermitteln eines Qualitätsparameters eines dünnen multikristallinen Wafermaterials (3) für die Herstellung von Solarzellen mit: einer ersten Einrichtung (21, 22) zum Messen des Widerstands (R) an mindestens einer ersten Stelle (P1), einer zweiten Einrichtung (23, 24) zum Messen des Widerstands (R) an der ersten Stelle (P1), und einer Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Widerstandswerts (R), der mit der ersten Widerstandsmesseinrichtung gemessen wird, und dem Widerstandswert (R), der mit der zweiten Widerstandsmesseinrichtung gemessen wird, wobei die erste Messeinrichtung mindestens einen ersten Sensor (21, 22) mit einer ersten Sensorfläche und die zweite Messeinrichtung mindestens einen zweiten Sensor (23, 24) mit einer zweiten Sensorfläche aufweist, wobei die erste und die zweite Sensorfläche unterschiedlich groß sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln eines Qualitätsparameters einer flächigen Probe, insbesondere eines dünnen multikristallinen Wafermaterials für die Herstellung von Solarzellen.
Bei der Herstellung von Solarzellen werden die Eigenschaften des Ausgangsmaterials untersucht. Insbesondere wird der Flächenwiderstand des Ausgangsmaterials bestimmt und ausgewertet. Zur Bestimmung des Flächenwiderstands von flächigen Proben werden berührende Messverfahren, wie die Vier-Spitzen-Methode, oder speziell die Vier-Spitzen-Methode nach Van-Der-Pauw verwendet. Der Flächenwiderstand einer flächigen Probe kann auch berührungsfrei mithilfe eines Wirbelstrommessverfahrens bestimmt werden. Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen des Flächenwiderstands einer dünnen Halbleiterschicht durch Messen der Leitfähigkeit der Probe nach dem Wirbelstromverfahren ist in dem Artikel von G. L. Miller et al „Contactless measurement of semiconductor conductivity by radio frequency-free-carrier power absorption” in Review of Scientific Instruments, Band 47, Nr. 7, Juli 1976, Seiten 799–805 beschrieben.
In der DE 102 31 989 B3 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen eines Flächenwiderstands von Proben beschrieben, wobei ein Wirbelstromverfahren angewendet wird und zum Ermitteln des Flächenwiderstands zusätzlich die Lage der Probe relativ zum Sensor der Messeinrichtung ausgewertet wird.
Die 10 2010 009 795 A1 betrifft ein Verfahren zur gleichmäßigen Beschichtung von Substraten mit metallischen Rückkontakten mittels Abscheidung eines verdampften Verdampfungsguts aus metallischen Materialien in einer Prozesskammer einer Durchlaufbeschichtungsanlage und einem Temperverfahren zum Ausgleich von lokalen und materialbedingten Abweichungen eines vorgegebenen Temperatur-Zeitverlaufs des Substrats während der Beschichtung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln eines Qualitätsparameters einer flächigen Probe bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 9.
Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, die Eigenschaften einer flächigen Probe mithilfe von mindestens jeweils zwei Widerstandsmessungen an einer oder mehreren Stellen der flächigen Probe zu untersuchen, wobei die Bereiche der Probenoberfläche (im folgenden auch Flächenbereiche genannt), die zum Ergebnis der Messungen an einem Probenort beitragen, für beide Widerstandsmessungen unterschiedlich groß sind. Die beiden auf diese Weise bestimmten Widerstandswerte bzw. Flächenwiderstandswerte werden miteinander verglichen und das Vergleichsergebnis ausgewertet.
Eine erste Möglichkeit besteht darin, die Differenz der beiden Widerstandswerte zu bilden. Die Größe der Differenz zwischen den beiden Widerstandswerten kann als Qualitätsparameter verwendet werden. Für den Fall, dass die Differenz gering ist und einen ersten Referenzwert nicht übersteigt, kann die Qualität der flächigen Probe an der gemessenen Stelle als besonders gut bewertet werden. In Stufen können dann für bestimmte Bereiche der Differenz zwischen den beiden Widerstandswerten weitere Qualitätsstufen wie gut, befriedigend, ausreichend, mangelhaft und ungenügend zugeordnet werden.
Besonders bevorzugt wird das Verhältnis der Widerstandswerte ermittelt, und dieser Quotient als Qualitätsparameter der flächigen Probe verwendet. Beträgt das Verhältnis des größeren Widerstandswerts zum kleineren Widerstandswert etwa 1 und ist kleiner als ein zweiter Referenzwert, dann wird das Material mit sehr gut bewertet. In weiteren Stufen können für bestimmte Bereiche für das Verhältnis jeweils Qualitätsstufen zugeordnet werden und beispielsweise die Qualität gut, befriedigend, ausreichend, mangelhaft bzw. ungenügend zugeordnet werden.
Im einfachen Fall wird der Qualitätsparameter dazu verwendet, das Material in geeignet, weniger geeignet und ungeeignet zu unterscheiden.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass Ausgangsmaterial vorzugsweise multikristalines Silizium für die Herstellung von Solarzellen vor Beginn der Weiterverarbeitung untersucht werden kann und aufgrund der Qualitätsbestimmung eine Aussage darüber möglich ist, ob die später vollständig hergestellten Solarzellen einen guten Wirkungsgrad aufweisen, oder einen schlechteren Wirkungsgrad aufweisen. Die Erfindung bietet somit ein einfaches Verfahren und eine einfache Vorrichtung zur Bestimmung eines entscheidenden Qualitätsparameters bei der Produktion multikristalliner Solarzellen.
Die unterschiedlichen Widerstandswerte bei den zwei verschiedenen Messungen sind möglicherweise darauf zurückzuführen, dass bei multikristallinen Wafer abhängig von der Zusammensetzung des Materials und/oder von ihrer Herstellung unterschiedliche Strukturen entstehen. Beispielsweise kann abhängig von der Herstellung ein multikristalliner Wafer mit einer hohen Dichte von Korngrenzen hergestellt werden. In der Fläche betrachtet weisen solche multikristallinen Wafer eine große Zahl von Kristalliten auf, die jeweils getrennt durch Korngrenzen benachbart sind. Die Anzahl der Korngrenzen sowie die Größe der Kristallite haben Einfluss auf den Widerstandswert, der an der jeweiligen Stelle in einem bestimmten Flächenbereich von bestimmter Größe gemessen wird. Außerdem können die Form und Art der Korngrenze, insbesondere die im Bereich der Korngrenzen vorhandenen Stoffe oder Elemente in dem multikristallinen Material Einfluss auf den jeweiligen Widerstandswert haben. Diese Widerstandswerte lassen wiederum Rückschlüsse zu auf die Qualität des Ausgangsmaterials, das heißt insbesondere auf den zu erwartenden Wirkungsgrad von mit diesem Ausgangsmaterial hergestellten multikristallinen Solarzellen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird der Widerstand, vorzugsweise der Flächenwiderstand, mit einer Wirbelstrommessung ermittelt. Das Wirbelstrommesssystem weist mindestens einen Sensor auf, der im Abstand über einer Messstelle an der flächigen Probe positionierbar ist. Der Sensor weist eine Spulenanordnung auf, mit der ein Magnetfeld erzeugt wird.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist jedes Wirbelstrommesssystem ein Sensorpaar auf, wobei ein erster Sensor über der Messstelle an der flächigen Probe positionierbar ist, und der zweite Sensor des Sensorpaars unter der Messstelle an der flächigen Probe positionierbar ist. Mit anderen Worten sind die beiden Sensoren eines Sensorpaars im Abstand zueinander angeordnet und bilden einen Messspalt, in dem die flächige Probe eingebracht wird und vorzugsweise hindurchbewegt wird.
Gemäß der Erfindung sind zwei Messeinrichtungen vorhanden, wobei die erste Messeinrichtung mindestens einen ersten Sensor mit einer ersten Sensorfläche, und die zweite Messeinrichtung mindestens einen zweiten Sensor mit einer zweiten Sensorfläche aufweist. Dabei sind die erste und die zweite Sensorfläche unterschiedlich groß. Der Sensor mit der größeren Sensorfläche dient zur Untersuchung einer Probenfläche mit einer zugehörigen größeren Messfleckgröße. Der Sensor mit der kleineren Sensorfläche dient zur Untersuchung einer Probenfläche mit einer zugehörigen kleineren Messfleckgröße. Die Messfleckgröße umfasst dabei jeweils eine entsprechende Anzahl von Kristalliten bzw. Korngrenzen innerhalb des multikristallinen Ausgangsmaterials, wobei die Zentren der miteinander in Relation gesetzten Messflecken vorzugsweise eine möglichst identische Position bezüglich (oder auf) der Probenoberfläche haben. Abhängig von der Messfleckgröße und der untersuchten Stelle an der flächigen Probe ergibt die Messung mit der ersten Messeinrichtung und dem zugehörigen ersten Sensor einen Widerstandswert bzw. Flächenwiderstandswert, der sich von dem Widerstandswert bzw. Flächenwiderstandswert unterscheidet, der mit der zweiten Messeinrichtung und dem zugehörigen zweiten Sensor an eben dieser Stelle gemessen wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Sensorfläche des ersten und zweiten Sensors jeweils im Wesentlichen kreisförmig. Vorzugsweise hat das Verhältnis Q zwischen dem ersten Durchmesser des ersten Sensors und dem zweiten Durchmesser des zweiten Sensors einen Wert, der in einem Bereich von 1,5 ≤ Q ≤ 3 liegt, besonders bevorzugt in einem Bereich von 1,75 ≤ Q ≤ 2,5 liegt, und weiter bevorzugt Q = 2 beträgt. Alternativ ist der zweite Durchmesser des zweiten Sensors größer als der erste Durchmesser des ersten Sensors, und das entsprechende Verhältnis Q liegt in den zuvor genannten Bereichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Vorrichtung eine Positioniereinrichtung auf, mit der die flächige Probe derart verfahrbar ist, dass Messungen mit der ersten Messeinrichtung und mit der zweiten Messeinrichtung nacheinander an den gleichen Messorten durchgeführt werden können. Alternativ kann die erste Messeinrichtung und die zweite Messeinrichtung relativ zur flächigen Probe bewegt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung ein Transportsystem auf, mit dem die flächige Probe in eine Transportrichtung bewegbar ist. Vorzugsweise wird die flächige Probe linear in eine Transportrichtung bewegt. Dabei ist die erste Messeinrichtung und die zweite Messeinrichtung entlang der Transportrichtung hintereinander angeordnet, so dass Messungen mit der ersten Messeinrichtung und mit der zweiten Messeinrichtung nacheinander an den gleichen, vorzugsweise möglichst identischen Messorten durchgeführt werden können. Die flächige Probe kann für eine Messung jeweils an dem Messort angehalten werden, wird vorzugsweise aber kontinuierlich weiterbewegt.
Beim Messen an einer bestimmten Stelle werden Flächenbereiche untersucht, die vorzugsweise konzentrisch zueinander liegen. Für den Fall, dass die flächige Probe kontinuierlich durch eine Messeinrichtung hindurch geführt wird, werden die beiden Sensoren vorzugsweise so angeordnet, dass die Messspur, die von dem Sensor mit kleinerem Durchmesser untersucht wird, vorzugsweise mittig liegt zur Messspur, die untersucht wird mit dem Sensor mit größerem Durchmesser.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Recheneinrichtung aufweisen, mit der die Widerstandwerte von beiden Messeinrichtungen verglichen werden und abhängig von dem Vergleichsergebnis mit Bezug auf mindestens einen Referenzwert ein Qualitätsparameter für die flächige Probe zugeordnet wird. Dabei wird vorzugsweise für jede flächige Probe eine Mehrzahl von Messungen durchgeführt, wobei an einer Mehrzahl von Messstellen jeweils die Widerstandswerte bzw. Flächenwiderstandwerte mit der ersten Messeinrichtung und der zweiten Messeinrichtung ermittelt werden. Aus der Mehrzahl der Qualitätsparameter, die für jede Messstelle ermittelt wird, kann ein Gesamtqualitätsparameter für die flächige Probe ermittelt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Recheneinrichtung eine Korrelationseinrichtung auf, mit der mehrere sequentiell durchgeführte Messungen entlang einer Transportrichtung der flächigen Probe miteinander korreliert werden. Beispielsweise kann diese Messung entlang der Transportrichtung durchgeführt werden, wobei die Messwerte bezogen auf den Ort jeweils einen bestimmten Kurvenverlauf ergeben, und die beiden Kurvenverläufe für die erste Messeinrichtung und die zweite Messeinrichtung verglichen werden können.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen und der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Anordnung zum Messen der Leitfähigkeit einer Probe nach dem Wirbelstromverfahren,
2 eine Aufsicht einer Ausführungsform zum Bestimmen des Widerstands einer Probe,
3 eine Seitenansicht der Ausführungsform von 2 und
4 eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform von 2 und 3.
Die folgende beispielhafte Beschreibung betrifft eine Widerstandsmessung an dünnen Schichten, wie einem Wafer aus multikristallinen Solar Material. Die Messungen werden mit einem berührungslos arbeitenden Messverfahren auf der Basis von Wirbelströmen durchgeführt.
Für die Messung von Widerständen, insbesondere von Schichtwiderständen wird wie in 1 gezeigt, ein berührungslos arbeitendes Verfahren auf der Basis von Wirbelstrom eingesetzt. Bei diesem Verfahren werden mithilfe einer Oszillatorschaltung 1 und geeignet geformten Spulen 21, 22 magnetische Wechselfelder erzeugt, die Ströme im leitfähigen Messobjekt 3 induzieren, sobald dieses in den Bereich der Magnetfelder eingeführt wird. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Spulen 21, 22 vorgesehen, die vorzugsweise jeweils in einem Ferrit-Schalenkern angeordnet sind. Alternativ kann eine asymmetrische Anordnung zum Bestimmen eines Flächenwiderstands einer Probe verwendet werden. Bei einer solchen asymmetrischen Anordnung weist beispielsweise nur der untere Ferritschalenkern eine Spule auf, während ein oberer Ferrit-Schalenkern keine Spule aufweist und dabei zur Führung der magnetischen Feldlinien dient, so dass diese möglichst geschlossen bleiben. Als zweite Alternative kann eine einseitige Anordnung zum Bestimmen eines Flächenwiderstands einer leitfähigen Probe verwendet werden. Dabei ist ein Ferrit-Schalenkern mit einer Spule nur auf einer Seite der leitfähigen Probe angeordnet.
Diese Ströme (ihren dazu (nicht gezeigt), dass der treibenden Oszillatorschaltung 1 Energie entzogen wird Durch eine Regelschaltung werden diese zusätzlichen Verluste im Oszillator ausgeglichen. Die Amplitude dieser Regelgröße ist proportional zu den durch die Ströme verursachten Verlusten, d. h. proportional zur Leitfähigkeit des Messobjekts bzw. indirekt proportional zum Widerstand des Messobjekts 3.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass im Zusammenhang mit Messungen auf der Basis der oben beschriebenen Funktionalität an dünnem multikristallinen Wafer Material die Messwerte unterschiedlicher Sensoren verschiedene Widerstandswerte ergeben. Die Messungen lassen sich reproduzieren. Die Messergebnisse haben mit den Eigenschaften des untersuchten Materials zu tun, und sind nicht auf Phänomene die im Zusammenhang mit dem Messinstrument stehen zurückzuführen.
Durch eine Kontrolle der Messsysteme mit homogen leitfähigen Referenzproben, beispielsweise monokristallinen Referenzproben kann deren einwandfreie Funktion bestätigt werden.
Die verschiedenen Widerstandswerte könnten erklärt werden anhand der physikalischen Grundprozesse, die dem widerstandsbehafteten (verlustbehafteten) Transport von Ladungsträgern durch leitende Materialien zugrunde liegen. Grundsätzlich ist für das Antreiben von Ladungsträgern eine elektrische Potenzialdifferenz notwendig. Diese Potenzialdifferenz wird bei der Wirbelstrommessung durch die induzierten Spannungen der magnetischen Wechselfelder in den leitenden Proben erzeugt. Diese Spannungen treiben nun die Ladungsträger und sind verantwortlich für den Strom in der Probe. Im Gegensatz zu ideal homogenen leitfähigen Proben, bei denen die Ladungsträger der durch das äußere Feld vorgegebenen Richtung folgen können, bilden sogenannte Korngrenzen im multikristallinen Material Hindernisse, die dem Stromfluss einen erhöhten Widerstand entgegenstellen, bzw. dafür sorgen dass die Ladungsträger nicht immer den kürzesten Weg entlang des maximalen Potenzialgradienten nehmen können. Beide Prozesse können unabhängig voneinander dazu führen, dass der gemessene Widerstand einen höheren Wert hat, als er sich eigentlich aus der Dotierung des leitfähigen Halbleitermaterials ergibt, insbesondere eines monokristallinen Halbleitermaterials.
Diese Zusammenhänge könnten erklären, dass kreisförmige Strompfade mit Durchmessern in der Größenordnung der im multikristallinen Material vorhandenen Kristallite eine besonders starke Abhängigkeit von der lokal vorhandenen Anordnung der den gesamten Kristall formenden Kristallite aufweisen.
Erfindungsgemäß wählt man nun den Durchmesser der die Magnetfelder erzeugenden Spulen-Anordnung in eben diesem Bereich der Kristallitgröße, so resultieren stark vom Durchmesser abhängige Widerstands Messwerte.
Bei der Produktion von Solarzellen gibt es einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der Zelleffizienz und der im Substratmaterials zu Grunde liegenden Kristallitanordnung. Durch den Einsatz von mindestens zwei Sensoren unterschiedlichen Durchmessers und Messungen an im wesentlichen derselben Stelle kann aus dem unmittelbaren Vergleich der gewonnenen Messergebnisse etwas über die Qualität bzw. Eignung des Basismaterials ausgesagt werden. Untersuchung der Zelleffizienz von Solarzellen, die als Material mit starker Widerstandsabhängigkeit produziert werden, ergeben, dass deren Wirkungsgrad eindeutig schlechter ist, als der Wirkungsgrad von Zellen, die diesen Effekt nur schwach oder gar nicht aufweisen.
Die Erfindung stellt damit ein einfaches Verfahren zur Verfügung, dass eine unmittelbare Aussage über die zu erwartende Effizienz des Endprodukts aus einer direkt am Basismaterial zu messenden Größe erlaubt.
Die oben genannten Zusammenhänge können durch eine Kombination von zwei unabhängig arbeitenden Wirbelstrom Messsystemen bestimmt werden, die nacheinander den Widerstand an bestimmten Orten der Probenoberfläche bestimmen. Für die Identifikation des oben beschriebenen Kristallzustands werden unterschiedliche Durchmesser der für die Messung verwendeten rotationssymmetrischen Magnetfeldstruktur verwendet. Vorzugsweise ist der Durchmesser der zur Felderzeugung eingesetzten Ferritkerne unterschiedlich.
Für die Bestimmung des sich aus der Dotierstoffdichte ergebenden Substratswiderstandes von leitfähigen multikristallinen Substratmaterial werden zwei Widerstandsmessungen am selben Ort der Probe durchgeführt. Diese Messungen werden vorzugsweise mit rotationssymmetrischen magnetischen Wechselfeldern unterschiedlichen Durchmessers bzw. im Falle von berührenden Messungen mit der Vierspitzenmethode mit Messköpfen die einen unterschiedlichen Spitzenabstand besitzen, durchgeführt. Besitzt das betrachtete Material eine Kristallit Struktur, die den Stromfluss behindert bzw. ungünstig beeinflusst, so werden sich die beiden Widerstandsmessergebnisse unterscheiden. Im Fall einer günstigen Substratsstruktur ergibt sich ein Messwert, der im wesentlichen unabhängig ist vom Durchmesser der die Messung beeinflussenden Probenfläche, im folgenden auch als Messfleck bezeichnet. Damit lässt sich qualitativ aus den Messwerten eine, nach folgenden Zusammenhängen geordnete, Beurteilung des untersuchten Materials ableiten:
Mit einer Messung mit einem ersten Sensor an einer ersten Stelle P₁ an der Probenfläche wird ein Widerstand R(P₁, D₁) ermittelt. Dabei weist der Messfleck einen Durchmesser D₁ auf. Dieser Messfleck entspricht im wesentlichen dem Bereich, in dem die Magnetfelder, die durch den Sensor erzeugt werden, zu entsprechenden Strompfaden im Material führen.
In der gleichen Weise wird mit dem zweiten Sensor an der selben Position P₁ eine Widerstandsmessung durchgeführt und ein Widerstand R(P₁, D₂) ermittelt. Dieser zweite Sensor führt die Messung in einen Bereich eines Messflecks durch, der einen Durchmesser D₂ aufweist.
Als nächstes werden die Ergebnisse der Widerstandsmessungen an der ersten Stelle P₁ mit einander verrechnet, in dem das Verhältnis gebildet wird. Dieses Ergebnis wird im folgenden mit MUCRR (multi crystalline resistance ratio) bezeichnet. MUCRR = R(P₁, D₁)/R(P₂, D₂)

Das Ergebnis MUCRR stellt einen Qualitätsparameter dar, der wie folgt beurteilt werden kann. Unter der Annahme, dass D₁/D₂ ≈ 2 beträgt, können folgende Bereiche für das Ergebnis MUCRR eingeteilt werden.

MUCRR < 1,2	: Material mit annähernd monokristallinen Eigenschaften
MUCRR <= 2	: Material für Solarzwecke einsetzbar
MUCCR > 2	: Material mit kristallinen Eigenschaften, die Nachteile in Bezug auf
	den zu erzielenden Wirkungsgrad bei der Fertigung von Solarzellen
	erwarten lassen.

Bei der Wirbelstrommessung mit senkrecht zur Oberfläche des Messobjekts rotationssymmetrischen Magnetfeldern sind diese Strompfade im homogenen Material kreisförmig. Bei der Vierspitzenmessung kann eine Anordnung nach van-der-Pauw verwendet werden. Hiermit können ebenfalls jeweils zwei Messungen an einer Stelle der Probenfläche durchgeführt werden, wobei bei den zwei Messungen unterschiedlich große Meßflecken untersucht werden.
Zur Einstellung der Durchmesserverhältnisse der Messflecken ist das Durchmesserverhältnis für die Ferritkerne so zu wählen, dass eine sinnvolle Messung über notwendige, der Messeaufgabe gerecht werdende, Spaltbreiten zwischen den Ferritkernen eingestellt werden können. Der Bereich für die Durchmesser Verhältnisse D1/D2 beträgt vorzugsweise: 1,5 < D₁/D_{2 <} < 3
Werden die Durchmesser der Messflecken annähernd gleich, so ist der Unterschied in den gemessenen Widerstandswerten nicht mehr besonders signifikant. Werden die Durchmesser stark unterschiedlich gewählt, so ist bei einem gegebenen Messspalt für den kleineren Sensor entweder keine vernünftige Messungen möglich, oder der größere Sensor hat einen derart große Messfleckfläche, dass keine Ortsauflösung mehr entlang einer Messspur über die Wafer erreicht werden kann. Unter Berücksichtigung dieser Gegebenheiten können sinnvolle Durchmesserverhältnisse gewählt werden. Wobei D1 und D2 vertauscht werden können, d. h. D1 ist größer als D2, oder umgekehrt.
Grundsätzlich gilt für multikristallines Material folgender Zusammenhang: R(P₁, D₁) > R(P₁, D₂) für den Fall dass D1 > D2.
In Worten: die Widerstandsmesswerte des größeren Sensors werden stets größer oder bestenfalls gleich groß wie die des kleineren Sensors sein.
Für monokristallines bzw. ideal homogen leitendes Material gilt im wesentlichen folgender Zusammenhang: R(P₁, D₁) = R(P₁, D₂) für den Fall dass D1 > D2.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der spezifische Widerstand oder der Schichtwiderstand bestimmt werden. Bei der Bildung des Widerstandsverhältnisses fällt die für den spezifischen Widerstand notwendige Bestimmungsgröße der Substratdicke durch das Bilden des Verhältnisses heraus. Damit ist für die Bestimmung des Qualitätsparameters im wesentlichen der Schichtwiderstand verantwortlich (engl: Sheet resistivity oder Sheet resistance). Alternativ kann auch die Leitfähigkeit jeweils ermittelt werden und das Verhältnis der Leitfähigkeiten als Qualitätsparameter herangezogen werden.
2, 3 und 4 zeigen schematisch eine Anordnung zur Messung von Widerständen einer flächigen Probe, wobei die flächige Probe vorzugsweise im Durchlaufverfahren mit zwei Sensoren nacheinander vermessen wird. 2 zeigt eine Aufsicht, 3 eine Seitenansicht und 4 eine perspektivische Ansicht dieser schematischen Anordnung.
Im einzelnen ist in 2 eine im wesentlichen quadratische Probe 3 gezeigt, die wie durch den Pfeil angedeutet, in der Zeichnung von rechts nach links bewegt wird. Die Probe ist beispielsweise ein Wafer aus einem multikristallinen leitenden Material, z. B. multikristallines Silizium. In der Zeichnung links von der Probe 3 ist ein erstes Sensorpaar 21, 22 mit einem größeren Durchmesser und noch weiter links ein zweites Sensorpaar 23, 24 mit einem kleineren Durchmesser angeordnet.
Wie in 3 zu erkennen, wird die Probe zunächst durch den Spalt zwischen den Sensoren 21 und 22 hindurchgeführt und anschließend weiter durch den Spalt zwischen den Sensoren 23 und 24 durchgeführt.
Dabei kann wie auch aus der 4 deutlich wird, beim Hindurchführen und Weitertransport der Probe 3 jeweils nacheinander an einer Position P₁ bzw. an weiteren Positionen P₂, P₃, ... P_n sowohl eine Messung mit Hilfe der Sensoren 21, 22 als auch mit Hilfe der Sensoren 21, 24 durchgeführt werden. Die Messergebnisse werden wie vorstehend erläutert ausgewertet und für die verschiedenen Messstellen P₁, P₂, P₃, ... P_n jeweils ein Ergebnis MUCRR ermittelt. Anschließend kann jeder Einzelwert für die Bestimmung der Qualität der Probe herangezogen werden oder gegebenenfalls beispielsweise ein arithmetischer Mittelwert aller Ergebnisse für die verschiedenen Messstellen berechnet werden und dieser für die Bestimmung der Qualität der Probe herangezogen werden.
Im folgenden werden zwei Möglichkeiten beschrieben, die zur Erfassung der Messwerte geeignet sind.
Ente Möglichkeit: Messungen mithilfe einer geeigneten Positioniereinrichtung, die identische Messorte zentrisch zu zwei Widerstands Messsystemen verfährt. Diese Widerstandsmesssysteme unterscheiden sich im effektiven Durchmesser des Messflecks (Messfleck = die Messung beeinflussenden Probenfläche). Es werden durch die beiden Systeme jeweils die Widerstandswerte bestimmt, und einem auswertenden Computersystem zugeführt, das aus dem Verhältnis der gewonnenen Messwerte einen Qualitätsparameter für die gemessene Probe an diesem Probenort errechnet. Dabei sind komplette Scans der Oberfläche möglich.
Zweite Möglichkeit: Die Proben werden mit konstanter Geschwindigkeit durch ein Messsystem geschickt, das Messwerte während des Probendurchlaufs erfasst. Bei einem linearen Transportsystem können mit hoher Frequenz in regelmäßigen zeitlichen Abständen Messungen an dem aktuell im Sensorbereich befindlichen Probenflächen durchgeführt werden. Diese Messungen liegen entlang einer geraden Messspur in äquidistanten Abständen, wenn das Transportsystem eine konstante Geschwindigkeit der Probe garantiert. Durch zwei Sensoren, deren Zentrumspositionen entlang einer Verbindungslinie parallel zur Transportrichtung liegen, werden sequenzielle Messungen entlang einer Spur über die Probenoberfläche ausgeführt. Diese sequenzielle Messergebnisse werden geeignet einander zugeordnet, und aus den Verhältnissen der gewonnenen Widerstandswerte lässt sich der Qualitätsparameter des Messobjekts für die gesamte aufgenommene Spur errechnen.

Claims

Vorrichtung zum Ermitteln eines Qualitätsparameters eines dünnen multikristallinen Wafermaterials (3) für die Herstellung von Solarzellen mit: einer ersten Einrichtung (21, 22) zum Messen des Widerstands (R) an mindestens einer ersten Stelle (P₁), einer zweiten Einrichtung (23, 24) zum Messen des Widerstands (R) an der ersten Stelle (P₁), und einer Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Widerstandswerts (R), der mit der ersten Widerstandsmesseinrichtung gemessen wird, und dem Widerstandswert (R), der mit der zweiten Widerstandsmesseinrichtung gemessen wird, wobei die erste Messeinrichtung mindestens einen ersten Sensor (21, 22) mit einer ersten Sensorfläche und die zweite Messeinrichtung mindestens einen zweiten Sensor (23, 24) mit einer zweiten Sensorfläche aufweist, wobei die erste und die zweite Sensorfläche unterschiedlich groß sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Messeinrichtung jeweils ein Wirbelstrommesssystem aufweist, das jeweils mindestens einen Sensor (21, 22, 23, 24) aufweist, der im Abstand über einer Messstelle (P₁, P₂, P₃, ... P_n) an dem Wafermaterial (3) anordbar ist, wobei der Sensor (21, 22, 23, 24) eine Spulenanordnung aufweist zum Erzeugen eines Magnetfeldes, das zur Untersuchung einer Probenfläche mit einer zugehörigen Messfleckgröße dient.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Durchmesser (D₂) des zweiten Sensors (23, 24) größer ist als der Durchmesser (D₁) des ersten Sensors (21, 22) oder umgekehrt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Verhältnis (Q) zwischen dem Durchmesser (D₂) des zweiten Sensors (23, 24) und dem Durchmesser (D₁) des ersten Sensors (21, 22) in einem Bereich von 1,5 bis 3 liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Verhältnis (Q) zwischen dem Durchmesser (D₂) des zweiten Sensors (23, 24) und dem Durchmesser (D₁) des ersten Sensors (21, 22) in einem Bereich von 1,75 bis 2,5 liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Verhältnis (Q) zwischen dem Durchmesser (D₂) des zweiten Sensors (23, 24) und dem Durchmesser (D₁) des ersten Sensors (21, 22) 2 beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit: einer Positioniereinrichtung, mit der das Wafermaterial (3) derart verfahrbar ist, dass Messungen mit der ersten Messeinrichtung (21, 22) und mit der zweiten Messeinrichtung (23, 24) nacheinander an den gleichen Messorten (P₁, P₂, P₃, ... P_n) durchführbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit: einem Transportsystem, mit dem das Wafermaterial (3) in eine Transportrichtung, die linear ist, bewegbar ist, und wobei die erste Messeinrichtung (21, 22) und die zweite Messeinrichtung (23, 24) entlang der Transportrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei Messungen mit der ersten Messeinrichtung (21, 22) und mit der zweiten Messeinrichtung (23, 24) nacheinander an den gleichen Messorten (P₁, P₂, P₃, ... P_n) durchführbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit: einer Recheneinrichtung, mit der Widerstandswerte (R) von beiden Messeinrichtungen (21, 22, 23, 24) miteinander verglichen werden und abhängig von dem Vergleichsergebnis mit Bezug auf mindestens einen Referenzwert mindestens ein Qualitätsparameter für das Wafermaterial (3) zugeordnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Recheneinrichtung eine Korrelationseinrichtung aufweist, mit der mehrere sequentiell durchgeführte Messungen entlang einer Transportrichtung des Wafermaterials (3) miteinander korreliert werden.
Verfahren zum Ermitteln eines Qualitätsparameters eines dünnen multikristallinen Wafermaterials (3) für die Herstellung von Solarzellen mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit den Schritten: Messen eines ersten Widerstands (R) an mindestens einer ersten Stelle (P₁) des Wafermaterials (3) mit mindestens einem ersten Sensor (21, 22) mit einer ersten Sensorfläche, Messen eines zweiten Widerstands (R) an der ersten Stelle (P₁) mit mindestens einem zweiten Sensor (23, 24) mit einer zweiten Sensorfläche, wobei die erste und die zweite Sensorfläche unterschiedlich groß sind, und Vergleichen des ersten Widerstandwerts (R) mit dem zweiten Widerstandwert (R).