JP2007528997A

JP2007528997A - 太陽電池セルのテクスチャの定量的評価のための光学的方法および装置

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Publication number: JP2007528997A
Application number: JP2006519940A
Authority: JP
Inventors: カルロス・エンリケ・サルド・ルエサス; ホセ・マリア・アルベラ・マルティン; エドゥアルド・フォルニエス・ガルシア
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2007-10-18
Also published as: US20060268283A1; ES2235608B1; EP1662227A1; DE602004007014T2; ES2235608A1; CN1871495A; WO2005008175A1; EP1662227B1; DE602004007014D1; CN100419377C; ATE364830T1

Abstract

本発明は、太陽電池セルのテクスチャの定量的評価のための光学的方法および装置に関する。本発明の方法および装置は、太陽電池セルを支持する基板の表面に相関付けられた幾何学形状パターンの成長を特徴とするテクスチャ形態に適している。前記形態は、単結晶Ｓｉの化学的攻撃など種々の方法を使用し、直立および反転ピラミッドの両者にて形成が可能である。さらに、本発明の方法は、マルチ結晶Ｓｉに形成される他のテクスチャ、ならびに前記条件のもとであらかじめテクスチャが施された基板上へと堆積された多結晶シリコン・セルに存在するテクスチャの程度を研究するためにも使用可能である。さらに、本発明は、同様のテクスチャ・パターンを有する他の材料にも拡張可能である。

Description

本発明は、生産技術産業に関係し、さらに詳しくは、太陽電池セルの製造に関する分野に関係し、したがって本発明は、代替エネルギーの分野にも関連を有している。本発明は、単結晶（ｍｏｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）シリコンの表面にテクスチャを施すために使用される方法の制御に関係するが、シリコンならびに他のマルチ結晶（ｍｕｌｔｉｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）および多結晶（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）半導体の表面に形成されるテクスチャにも適用可能である。

セルの感光側の光反射率を小さくすることが、太陽電池セルにおいて入射光を電力へと変換する際の効率を改善するために必要な製造プロセスにおける基本的ステップである。これは、反射防止コーティングを塗布するとともに、セルの表面上によく規定されたテクスチャを導入することによって達成される。これら２つの効果は、連続して達成されることが多い。

テクスチャの形成プロセスにおいて、セルが、粗い表面形態［非特許文献１、２］、多孔性または空洞の多い形態［非特許文献３、４］、あるいは刻面形態（ｆａｃｅｔｅｄｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ）［非特許文献５］を発現し、これが、光が入射媒体（典型的には、空気または透明コーティング）へと回復不可能に逃げ出してしまう前に、表面上での多重反射を可能にし、さらに活性境界領域（ａｃｔｉｖｅｂｏｕｎｄａｒｙａｒｅａ）に進入する全反射によって、長い波長の光（Ｓｉギャップに近い赤外光）を追加で捕捉する。

結晶材料のコストが高いため、太陽電池セルの工業的製造の技術はシリコン基板（Ｓｉ）に集中しているが、いくつかの結晶品質グレードが使用されている。最も高品質のセルは、単結晶シリコン（ｃ‐Ｓｉ）を使用する。いくつかの結晶粒子が同じ配向を有しているマルチ結晶シリコン（ｍｃ‐Ｓｉ）も、使用されている。現在では、多結晶シリコン（ｐ‐Ｓｉ）の薄いシートの性能を向上させるため、多大な努力が続けられている。３つの異なる種類のＳｉにテクスチャを施すために使用される方法は、やはり異なっている。

単結晶シリコンウエハにテクスチャを形成するための通常の方法は、特定のシリコン結晶面を選択的に攻撃する腐食性の槽にウエハを浸漬させて［非特許文献６、７］、正方形の基部を有するピラミッド状の構造の無作為な分布（図１および２）を生成することからなる化学的な表面処理またはエッチングであり、そこではすべてのピラミッドが、互いに平行な面を呈している。このピラミッドの特定の形状は、シリコンの立方対称性、および選択的な化学エッチング・プロセスによってもたらされた面（１１１）の出現によって生じている。通常は、テクスチャの程度が大である場合、ピラミッドの基部の辺は約５〜１０μｍであり、基板面に対するピラミッドの側面の傾斜角（α）は、面（１１１）と（１００）との間の切断角すなわち５４．７３５°に近いが、それよりも小さい。傾斜αは、テクスチャを生成する化学エッチング・プロセスの詳細にわずかに左右され、観測される値は、α＝４９〜５３°の範囲にある。エッチング・プロセスに使用される化学物質は、ＮａＯＨ［非特許文献７］、Ｎａ_３ＰＯ４：１２Ｈ２Ｏ［非特許文献８］、またはＮａ_２ＣＯ３［非特許文献９］でありうるが、この形式のテクスチャは、エッチング・プロセスに使用される化学物質にかかわらず出現する。このテクスチャ形成方法の一変種が、反転ピラミッドの形成［非特許文献１０］であるが、この特定の場合においては、テクスチャの形状が周期的であって、リソグラフィック・プロセスによって製造者があらかじめ定めることができる。

反射防止コーティングの特徴を描写するために使用される技法および器具（分光光度計、干渉計およびエリプソメータ）は、セルに物理的に接触することなく評価を可能にする光学的な方法にもとづいているが、表面のテクスチャの検討は、通常は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）またはプロフィロメータおよび走査フォース顕微鏡（ＳＦＭ）で接触または非接触で行なわれる。これらの技法の使用に係るコストはさておき、これらをセルのテクスチャの品質管理システムへと適用することは、或るいくつかの困難を呈している。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、機能するためにセルの周囲に低圧環境を必要とし、かつ電子ビームの入射によって分析対象の領域が損傷を受ける可能性がある。また、この分析の実行に要する時間が、製造プロセスに必要とされる処理の速度を大きく超えている。一方、セルを傷つけうる接触モード、または接触がない光学モードのいずれかで動作するプロフィロメータが、平坦な表面上で機能すべく開発されているが、反射が鏡面反射ではないため凹凸のある刻面された表面にはうまく適合しない。走査型電子顕微鏡およびプロフィロメータの両者においては、必要とされる分析時間が、数十分といったオーダであり、したがって製造ラインにおいてセルの個々の分析に必要とされる時間（数秒のオーダである）よりもはるかに長い。

テクスチャが施された太陽電池セルの光反射率に焦点をおいた先行する研究業績が存在する［非特許文献１１、１２］。それらの論文は、全反射率または拡散反射率の統合的測定あるいは法線入射による正反射率の測定を報告している。平行光の光源として、スペクトルのコヒーレンスを有するＨｅＮｅレーザが使用されている。非コヒーレントな光に関する測定については、石英灯が光源として使用され、ビームが合焦されている（平行にはされない）。周期的なテクスチャにおいて観測［非特許文献１１］され、ＨｅＮｅレーザのコヒーレンスに関係する複数のビームの干渉に関係するいくつかの効果を無視し、これらの研究において分析された光強度のパターンは、測定軸を中心とする円対称を有している［非特許文献１１］。これらの研究の目標は、テクスチャ化の程度の分析にはなく、当該テクスチャの光捕捉効果の評価にある（テクスチャ化の程度は、前もって知られている）。

「表面およびバルク・パッシベーションによるマルチ結晶太陽電池（"Surface and bulk-passivated large area multicrystalline silicon solar cells."）」、Ｋ．フクイ、Ｙ．オカダ、Ｈ．イノマタ、Ｓ．タカハシ、Ｙ．フジイ、フカワ、およびＫ．シラサワ、太陽エネルギー材料と太陽電池（Solar Energy Materials & Solar Cells）、第４８号、２１９〜２２８頁（１９９７年）。「コロイド状マスクを通じての反応性イオンエッチングによる太陽電池用マルチ結晶シリコンウエハのテクスチャ処理（"Texturisation of multicrystalline silicon wafer for solar cells by reactive ion etching through colloidal masks."）」、Ｗ．Ａ．ノシッチカ、Ｃ．ベネキング、Ｏ．フォイト、およびＨ．クルツ、太陽エネルギー材料と太陽電池（Solar Energy Materials & Solar Cells）、第７６号、１５５〜１６６頁（２００３年）。「費用対効果に優れたシリコン太陽電池のテクスチャ処理方法（"Cost-effective methods of texturing for silicon solar cells."）」、Ｙ．イエロコフ，Ｒ．へーゼル、Ｍ．リピンスキ、Ｒ．シヤク、Ｈ．ナーゲル、Ａ．ミリアニヒ、およびＰ．パネック、太陽エネルギー材料と太陽電池（Solar Energy Materials & Solar Cells）、第７２号、２９１〜２９８頁（２００２年）。「効率１９．８％の「ハニカム」テクスチャ・マルチ結晶シリコン太陽電池、および効率２４．４％の単結晶シリコン太陽電池（"19.8% efficient "honeycomb" textured multicrystalline and 24.4% monocrystalline silicon solar cells."）」、Ｊ．チャオ、Ａ．ワン、Ｍ．Ａ．グリーン、およびＦ．フェラーザ、アプライド・フィジックス・レター誌（Applied Physics Letters）、７３号、１９９１〜１９９３頁（１９９８年）。「単結晶シリコン太陽電池のための構成の光捕捉テクスチャ（"High performance light trapping textures for monocrystalline silicon solar cells."）」、Ｐ．キャンベルおよびＭ．Ａ．グリーン、太陽エネルギー材料と太陽電池（Solar Energy Materials & Solar Cells）、第６５号、３６９〜３７５頁（２００１年）。「シリコン表面の湿式化学ピラミッド・テクスチャ・エッチングのための方法（"Method for the wet chemical pyramidal texture etching of silicon surfaces."）」、ホルダーマン、Ｋ．、米国特許第６，４５１，２１８号。「シリコンのテクスチャ・エッチング：方法（"Texture etching of silicon: method."）」、ベイリー，Ｗ．Ｌ．、コールマン，Ｍ．Ｇ．、ハリス，Ｃ．Ｂ．、レスク，Ｉ．Ａ．、米国特許第４，１３７，１２３号。「リン酸三ナトリウムによる単結晶シリコンのテクスチャ処理（"Texturization of monocrystalline silicon with tribasic sodium phosphate"）」、Ｚ．シー、Ｄ．ヤン、およびＤ．クエ、太陽エネルギー材料と太陽電池（Solar Energy Materials & Solar Cells）、第７７号、２５５〜２６３頁（２００３年）。「炭酸ナトリウム溶液による結晶シリコン太陽電池のテクスチャ処理の検討（"Investigation of texturization for crystalline silicon solar cells with sodium carbonate solutions."）」、Ｙ．ニシモトおよびＫ．ナンバ、太陽エネルギー材料と太陽電池（Solar Energy Materials & Solar Cells）、第６１号、３９３〜４０２頁（２０００年）。「結晶シリコン太陽電池上への反転ピラミッドの製造のための新規かつ簡潔なアプローチ（"A new and simple approach for fabricating inverted pyramids on crystalline silicon solar cells."）」、Ｗ．ミューラ、Ａ．メッツ、およびＲ．ヘゼル、第１７回欧州光起電太陽エネルギー会議議事録（Proceedings of the 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference）、ミュンヘン（２００１年）。「テクスチャ処理されたシリコン表面によって集められる光の分析についての新規なアプローチ（"A new approach to the analysis of light collected by textured silicon surfaces"）」、Ａ．パレッタ、Ｅ．ボベイコ、Ｌ．ランチェロッティ、Ｐ．モルビッロ、Ａ．ワン、およびＪ．チョウ、光起電エネルギー変換に関する第３回国際会議論文１Ｐ‐Ｃ３‐１４（Paper 1P-C3-14 in the 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion）、オオサカ、５月１２〜１６日（２００３年）。「光起電材料および太陽電池における角度依存性の反射の測定（"Angle-dependent reflectance measurements on photovoltaic materials and solar cells."）」、Ａ．パレッタ、Ａ．サルノ、Ｐ．トルトッタ、Ｈ．ヤクブ、Ｐ．マダレーナ、Ｊ．チョウ、およびＡ．ワン、光通信（Optical Communications）、１７２号、１３９〜１５１頁（１９９９年）。

ここに発明された方法およびここに提案する装置の目的は、Ｓｉウエハにおけるテクスチャの程度の定量的な分析のための非接触な方法であって、製造ラインでの実現に適した方法の開発にある。それは、主として不規則なテクスチャ化の研究に適合されているが、周期性を呈するテクスチャにも適用可能である。したがって、それは、化学エッチング・プロセスの直後に個々のセルのそれぞれのテクスチャの程度を、ユーザが正確かつ瞬時に知ることができるようにする高いレベルの性能を有する測定器具である。テクスチャ化の程度が少ないセルを早期に検出することで、再処理が可能になり、後にそれらを廃棄する必要を回避でき、したがってそのような行為に関係する製造コストを回避することができる。この方法は、平行光のビームの反射率の分析にもとづいており、光が高度なスペクトルのコヒーレンシーを有する必要がなく、したがってレーザ光源の使用は必須ではないが、実用上の目的のためレーザ光源の光の使用が推奨される。

前記ピラミッドの最適な形成は、温度、槽の溶液のｐＨ、浸漬時間、および槽内におけるウエハの位置など、いくつかの要因に左右され、さらに他の要因の中でもとりわけウエハの表面の初期状態に左右される。槽の経年変化の程度も、基本的な役割を果たす。化学エッチング・プロセスの効果は累積的ではなく、テクスチャの程度が最大に達した（ウエハにおいてピラミッドに覆われる面積が最大になった）後に、それらピラミッドは平たくなって消失してしまうため、テクスチャの減少を早期に検出することで、所与のあらゆる瞬間において、それらの形成に使用されている化学槽の状態を知ることができ、それらの劣化が最終製品の検査において明白になるよりも前に、適切な行動を取ることができる。このようにして、２つの目的を達成することができる。すなわち、一方では、必要な成分を管理して添加することによって、槽の寿命を延ばすことができ、他方では、テクスチャ化の程度が中間的であるウエハが製造ラインに導入されるとプロセスの最後において効率が期待される最適を下回る結果になるが、これを防止することができる。

本明細書の著者らは、材料、とりわけ太陽電池セルとして典型的に使用されるシリコンウエハのテクスチャの程度を割り出すための方法および装置についての発明を請求する。

ここで提案されるテクスチャ化の程度を明らかにするための技法は、基本的には、平行な光ビームでウエハ表面を照射し、光の反射率のパターンを定量的に評価することからなる。以下の本文では、この目的のための光源として、それらが一般に良好な平行性を有しているためレーザ光に言及するが、それは、レーザ光のコヒーレント性が本発明に決定的な影響を有すると述べるものではない。

最も簡単な構成においては、入射ビームが平坦なスクリーンに設けられた開口を通過し、ウエハによって反射された光が、このスクリーンで観察される（図３）。テクスチャなしのウエハを分析するときに観測される反射率のパターンは、ウエハの凹凸および表面の欠陥にて光が広がるため、円対称を有する中央の点である（図４）。高度なテクスチャを有するウエハの光の反射率のパターンは、上記の中央の点がより低い強度にて現れ、入射ビームの方向に関して４次の対称性を有する４つの円形の領域を伴って現れる（図５）。後者の反射率パターンは、ピラミッドの４つの側面での反射によるものである。これは、ウエハを入射レーザ・ビームによって定められる軸上で回転させたとき、反射パターンがウエハと一致して回転することで証明される。ウエハによって反射される光が、入射光に対して大きな偏光の変化を呈さず、反射された光のパターンの角度の開きが、使用される光の波長に左右されず、これらが試料の微視的な刻面上での鏡面反射に関係していることを示していることに注目すべきである。

本件特許の方法および装置は、両方とも、太陽電池セルを支持する基板の表面上の相関する幾何形状パターンの形成を特徴とするテクスチャ形態に適用可能である。これらのパターンは、寸法およびランダムであっても一定であってもよい隣り合う２つのパターン間の寸法を個々に有することができるが、いずれの場合も、パターンを構成するすべての多面体形状の面が、相互に平行でなければならない。このような形態は、直立ピラミッドであろうと、反転ピラミッドであろうと、単結晶Ｓｉの化学エッチングなど、いくつかのやり方で形成できる。さらに、ここに記載する方法は、マルチ結晶Ｓｉに形成される他のテクスチャの程度、および前記条件であらかじめテクスチャが施された基板上へと堆積された多結晶シリコンに存在するテクスチャの程度を研究するためにも使用可能である。さらに、同様のテクスチャ・パターンを呈する他の材料にも適用可能である。

以上述べたとおり、この方法は、テクスチャが施された表面（とくには、ピラミッド形状を得るべく化学エッチングにさらされたＳｉ表面）に関して、法線入射のレーザ・ビームの光によってもたらされる反射率のパターンを割り出すことを必要とする。このパターンが、図３ａに示すとおり平坦なスクリーン上で捕らえられる。反射の法則によれば、均等なピラミッド形状で構成される表面について予想されるパターンは、入射するビームの軸を中心として対称に位置する４つの点で構成されるが、欠陥やテクスチャ化されなかった領域などが存在すると、テクスチャ化に関連する強度の損失において法線方向の反射率の増加が引き起こされ、これが本発明の方法の基本となっている。

スクリーンの形状は、設計の事情に合わせて調節できる。図３ａおよび３ｂは、それぞれ、ウエハが中央に置かれる球形または半球形のスクリーン、および入射ビームが焦点を通過するとともに適切な向きを向いたウエハが楕円の他方の焦点に位置している回転楕円式スクリーンを含め、選択肢のうちのいくつかを示している。これらの設計はすべて、或る共通の特徴を有している。法線方向に反射されたビームが、入射するビームと重なり合い、したがってウエハに対して直角に反射された光の測定か困難である。この問題に対する技術的解決策を、本文でさらに説明する。

テクスチャの程度の測定は、４次の対称を有する反射率パターンの強度を、法線方向への反射率に現れる強度と比較することによって得られる。この目的のため、フォトダイオードをスクリーンを覆うように、かつ光の強度を記録するため最大値の位置に配置することが必要である。より手の込んだ変形例においては、検出をＣＣＤ検出器またはスクリーンを覆うように分布したフォトダイオードの行列によって行なうことができる。光源は、典型的にはＨｅＮｅレーザ（λ＝６３３ｎｍ）であるが、λ＝５００〜８００ｎｍの領域において放射する良好な平行特性（典型的には、１．５ｍＲａｄ以下）の低出力の単一モード・レーザ（＜１０ｍＷ）であってよく、平行光学系を備える半導体ダイオード（λ＝７５０〜８５０ｎｍ）であってよく、あるいはどちらの場合も倍周波装置と組み合わせられるが、赤外放射（λ≒１０６０ｎｍ）を有するレーザまたはＮｄ^３＋（λ≒１０６０ｎｍ）レーザのうちの１つであってよい。

中間のテクスチャ・パターンに対応する反射率パターンは、テクスチャを構成している形状の面の数に対応する対称性を有する最大強度を呈するが、それらはより弱い強度の帯によって結合されて現れるかもしれない。この状況は、図５に示すとおり、４面のピラミッドによって形成された２５分間にわたって処理されたウエハの反射に相当する画像において理解できるであろう。

表面のテクスチャの程度の特徴を描写するため、パラメータＧが、４次対称のパターンの最大値において反射された強度Ｉ_４ｎ（ｎ＝１〜４）の和と、ウエハの表面へと法線方向に反射された強度Ｉ_Ｎとの間の関係として定義される。

これは、理想的には、テクスチャなしのウエハについてゼロの値を有し、完全なテクスチャを備えるウエハについて無限大の値を有する非線形の関数であるが、その値は、円対称を有するパターンと４次の対称性を呈するパターンとの間の重なり合いによって制限される。このパラメータは、レーザ・ビームの強度の変動に左右されない。

テクスチャの均一性の特徴を描写するための第２のパラメータの組が存在する。

パラメータχ_ｎのその平均値χ_ｎ（表記：上にバー付きのχ_ｎ）からの逸脱が、テクスチャにおける均一性の欠如を知らせている。均一なテクスチャは、ｎの値のそれぞれについて以下の関係を有している。

ここまで説明したシステムは、典型的には＜０．５×０．５ｍｍ^２であるが、レーザ・ビームによって照射された平均領域の分析を可能にする。このシステムを製造ラインに取り入れるため、ウエハの二次元的な分析が必要とされる。ウエハは、典型的には、直径１５ｃｍの円形を有している。この分析は、ウエハを移動させ、あるいは投射に使用される光学系を移動させることにより、ウエハのｘｙスキャンによって行なうことができるが、可動要素によって設計が複雑になるとともに、長時間において再校正および保守が必要になる。以下で説明する装置は、可動要素を最小限にし、ウエハをコンベア・ベルト上でｙ方向に移動させつつ、ウエハ内の複数の点の同時分析を可能にする（図６）。

移動の方向の分析は、ウエハの移動速度に関係する一定の時間間隔で測定システムを動作させることによって実行される。ｘ方向の分析が、最初のレーザ・ビームをウエハに向かって垂直（ｚ方向）に向けられた等しい強度の複数のビームへと分割することによって、ウエハ内の複数の点において同時に行なわれる。

この特定の例においては、レーザ・ビームの放射が直線偏光していることが必要である。ｘ方向に伝播する初期強度Ｉ_０のレーザ・ビームが、ｚ方向に向けられた等しい強度Ｉ_０ｒ_１の複数の二次ビームに分割される。このため、入射光の偏光に左右されない複数のＮ個のビーム・スプリッタが使用され、それらの反射率ｒ_ｎが、以下の関係を満たすように較正される。

ここで、ｎ＝１、・・・、Ｎであり、

である。

λ／４シートと組み合わされた偏光感受性のビーム・ディバイザ（ｂｅａｍｄｉｖｉｓｏｒ）の第２の組が、検出器に向かって反射された光の方向の変更を可能にする。ビーム・ディバイザの第２の組に命中する入射ビームは、ビーム・スプリッタによって伝達されうるようなやり方で、ｙ方向に直線偏光していなければならない。その軸をｘｙ軸から４５°の角度に有する適切に配向されたλ／４シートが、光を円偏光の光に変換し、ウエハから反射してシート内の新たな伝達を通過した後、光はｘ方向に直線偏光して現れ、したがって偏光ビームスプリッタによってｙ方向に完全に反射される。最後に、レンズ（すでに述べた）が、検出器行列へと投影するため画像を平行にし、検出器行列において、反射されたビームの強度がフォトダイオードによって検出され、すでに説明した条件に従って分析される。光学検出システムを、波長およびこの手順において利用されるレーザの放射範囲に最適化された干渉フィルタによって、このフィルタをフォトダイオードの行列の前面に配置することで、周囲の明るさから絶縁することが推奨される。

ここで提案した反射率パターンの測定方法に続き、図７は、未処理の単結晶Ｓｉ（１００）ウエハによって反射された光の強度の角度分布と、ＮａＯＨおよびｉ‐Ｃ_３Ｈ_７ＯＨの５ｄｍ^３の水溶液で処理されたウエハの分布の比較を示している。この光強度の測定は、さまざまな角度θで行なわれている。この角度は、入射光ビームを含む平面であって、ウエハの表面に直交しかつピラミッドの基部の辺のうちの１つを含んでいる平面上で変化する。テクスチャを施していないウエハにおいてさえ存在する中央の最大値（θ＝０）に加えて、図８に示すとおりピラミッドの面で２回反射されたビームに対応する２つの側方の最大値が、θ＝２２°において観測される。

この図によれば、入射ビーム（θ）に対する反射率の角度が、θ＝４α−１８０°なる関係で示されるとおり、ピラミッドの面の傾斜または傾き（α）と関連している。非鏡面の反射の間の角度間隔２θが、化学エッチング・プロセスにおいてもたらされるテクスチャの品質の関数として４０〜５２°の範囲内で変化することが観測されている。この変化は、αの値における特定の分散に関係しており、ピラミッドの面に存在するズレまたは他の何らかの欠陥の存在、あるいは出発基板の結晶品質のいずれかに関係している可能性がある。

このシステムを実施するためには、入射ビームと平行な反射光ビームの強度、ならびに最大値において反射されたビームの強度を、それらが２２°の概略値を有するときに評価する必要がある。これは、典型的にはビーム・スプリッタ・キューブであるが、ビーム・スプリッタを使用することによって解決される。このビーム・スプリッタ・キューブの最小寸法は、反射ビーム間の分離角度および当該角度とウエハとの間の分離によって制約される。光パターンを光検出システム上に投影するため、レンズ軸とビーム・スプリッタとの間ならびにビーム・スプリッタとウエハとの間の距離の和に等しい焦点距離を有するコリメータレンズの組み込みが推奨される。検出器の平面における望ましくない画像を回避するため、使用されるすべての光学素子（ビーム・スプリッタ、レンズ、位相差フィルムまたはシート、検出器、など）は、この手順において使用されるレーザと同じ波長の反射防止コーティングを有することが必要である。

図９は、上述の方法に従って処理されたＳｉウエハの平面（１，−１，０）についてなされたスキャンについて、簡略化版のパラメータＧ（Ｉ_＝２６°／Ｉ_θ〜０）を、化学エッチング処理の時間の関数として示している。同様な化学的組成であるが寸法がより大きい槽を使用する製造ライン（ＰＬ）にて得られた結果も、含められている。テクスチャの程度が最大に達するために必要な臨界時間期間が存在し、時間期間がこの臨界時間期間を超えると、ピラミッドの平坦化が生じてパラメータＧの減少につながることが、観測される。製造ラインにおいて高度に清浄な条件で処理されるウエハの結果は、試験槽において得られる結果よりも大きいＧの値に達する。おそらくはプロセスの動力学が相違しており、これが、製造プロセスにおいてはこの処理時間を超えることが不可能である点と相俟って、最大値の観察を妨げている。

ここで説明した例では、４面のピラミッド形状について述べたが、これは、この方法が、化学エッチングまたは他の種類のプロセスによって同様にＳｉ表面上に形成できる他の幾何学的形状（ｎ面のピラミッド、円錐、など）についても有効であるため、この方法がこの種類の形状にのみ限定されることを意味するものではない。

ＮａＯＨでの化学エッチング後の正方形基部のピラミッドについて、走査型電子顕微鏡によって得た画像である。この画像から、ピラミッドの側面間に形成される角度が計算され、ウエハの面に対する側面の傾きが、実験的な不確定さの範囲において、平面（１１１）Ｓｉおよび平面（１１１）Ｓｉ−（１００）Ｓｉ間にそれぞれ予想される値７０．５３°および５４．７３°と一致している。ＮａＯＨでの化学エッチングでもたらされた正方形基部のピラミッドについて、走査型電子顕微鏡によって得た頂点の画像を示している。見て取れるとおり、すべてのピラミッドが同じ向きを呈しており、これが照射軸を中心として対称に位置する４つの点で構成される反射率パターンを作り出す。テクスチャ化されたシリコン表面の反射率パターンを平坦なディスプレイによって観測する装置の簡単な概略図である。テクスチャ化されたシリコン表面の反射率パターンを球形のディスプレイによって観測する装置の簡単な概略である。図中では、画像が断面を示している。テクスチャ化されたシリコン表面の反射率パターンを内部が反射器として機能する回転楕円体のディスプレイによって観測する装置の簡単な概略である。図中では、画像が断面を示している。テクスチャが施されていない（１００）Ｓｉ表面の光の反射率パターンである。最も強度が大きい中央の点を中心とする円対称を、見て取ることができる。この点が、入射光ビームに対応している。高度にテクスチャが施された（１００）Ｓｉ表面の光の反射率パターンである。最も強度が大きい中央の点を中心とする４次の対称性を、見て取ることができる。この中央の点が、入射光ビームに対応している。（１００）Ｓｉウエハにおけるテクスチャの程度の光学的特徴を描写するための提案される装置の概要である。表面テクスチャをもたらす化学エッチング・プロセスを行なう前（ｔ＝０分）のウエハ（１００）ｃ‐Ｓｉによって反射された光の強度の角度分布と、２５分間のエッチング・プロセスにさらされた試料において得られたテクスチャについての反射光の強度の角度分布との間の比較であり、θがウエハ表面の法線に対する観察角度であって、単位は度で表わされている。（１００）Ｓｉのテクスチャ化表面への法線入射の光線の複数回反射の概要である。ＮａＯＨおよびｉ‐Ｃ_３Ｈ_７ＯＨの水溶液中での（１００）ｃ‐Ｓｉウエハの化学処理時間に対するテクスチャ・パラメータＧの変化である。符号「ＬＡＢ」が付されているウエハは、試験槽にてテクスチャ化されたものであり、符号「ＰＬ」が付されているウエハは、太陽電池製造施設の製造ラインにてテクスチャ化されたものである。

Claims

半導体材料のウエハ、とくには単結晶またはマルチ結晶シリコンウエハの表面テクスチャの程度を明らかにする方法であって、
ａ．新規な１組の数学的パラメータ

を使用し、ここでＩ_４ｎ（ｎ＝１〜４）は、法線から離間した所与の角度へと反射された光の強度であり、Ｉ_Ｎは、ウエハの表面から法線方向に反射された光の強度であり、

が、平行ビーム（以下、レーザ・ビーム光）から得られた反射光のパターンにおける強度の最大値を、半導体ウエハとくにはシリコンにおける表面テクスチャの全体的な程度および均一性に相関付けることを可能にしていること、
ｂ．レーザ・ビームの入射角度に中心があり、あるいはレーザ・ビームの入射角度から離間している或る固定の角度へと反射されたレーザ・ビーム光の強度を、分析される材料のウエハの表面を満たしているテクスチャ化の程度に関連させること、
ｃ．反射されたレーザ・ビーム光の強度のパターンにおける最大値を分析することによって、ウエハの表面のテクスチャの程度を明らかにすること、
ｄ．ウエハ表面上の複数の異なる点におけるテクスチャの同時かつ非破壊の分析を可能にすること、
ｅ．反射ビームを入射ビームから分離するため、サンプリング・ビームの偏光の回転を使用すること
を特徴とする方法。
請求項１に記載のウエハ表面の反射率パターンの強度を測定する方法であって、
ウエハがレーザ・ビーム光で照射されたときに種々の形状のスクリーン、すなわち、
ａ．ウエハと平行に配置された平坦なスクリーン、
ｂ．ウエハを中心とする球形または半球形のスクリーン、
ｃ．焦点の１つにウエハが配置され他方の焦点をビームが通過する回転楕円体形状のスクリーン
で得られる反射画像の分析を特徴とする方法。
とくに単結晶シリコンウエハに適用可能であり、
ａ．ｎ次の対称性ｎ（ｎ＝３、４、６、・・・）を有する反射を、この同じ対称性を有するウエハ、好ましくはシリコンウエハの表面上に位置する幾何学的構造の存在に関連させること、
ｂ．ウエハの表面とテクスチャを形成する幾何学的構造の面とによって形成される角度を測定するための方法を規定すること、
ｃ．反射率の最大値の角度幅を、テクスチャを形成する幾何学的構造における欠陥の存在、および出発基板のマルチ結晶性の程度に関連付けること、
ｄ．化学的処理の時間および当該処理時間についてのθ≒２６〜２０°における反射率の最大値の出現に関連付けられたテクスチャの最適な程度の存在を取得および規定すること、
ｅ．法線方向に反射された光（θ＝０°）の強度とθ≒２６〜２０°で反射された光の強度との間の関係を、シリコン面（１１１）に関するテクスチャの程度に関係させること、
ｆ．光反射角度θを、表面テクスチャを構成するピラミッドの面の平均の傾きに関係させること
を特徴とする請求項１又は２に記載の反射パターンの測定結果を分析する方法。
ウエハの複数の点のテクスチャの程度を同時に非侵襲的かつ非破壊的に分析でき、さらに反射光を入射ビームから空間的に隔てられた方向へと向け直すことができる請求項１、２、および３のいずれかに記載の方法を実行するための装置であって、
ａ．テクスチャの全体的な程度および均一性の特徴を描写し、ウエハの表面テクスチャを明らかにすべく機能し、次いでウエハ表面のテクスチャの程度と反射される光のパターンに存在する強度の最大値との間の相関を割り出すことができるようにする請求項１に規定する未公開の数学的パラメータの組を使用すること、
ｂ．レーザ・ビーム軸の入射に中心を有し、あるいはレーザ・ビーム軸の入射から離間している或る固定の角度へと反射されたレーザ・ビーム光の強度を、分析される材料のウエハの表面を満たしているテクスチャ化の程度に関連させること、
ｃ．レーザ・ビーム光の反射のパターンに存在する最大値の強度を分析することによって、ウエハの表面のテクスチャの程度を明らかにすること、
ｄ．使用される光学要素の反射率をビームを分割するように設計することによって、ウエハ表面に位置する種々の異なる点におけるテクスチャの同時分析を可能にすること、
ｅ．反射ビームを入射ビームから分離するため、サンプリング・ビームの偏光の回転を、偏光状態に対して感受性を有する光学素子とともに使用すること、
ｆ．ウエハがレーザ・ビーム光によって照射されるときにウエハから直角に配置された平坦なスクリーン上で得られる反射画像を分析すること、
ｇ．ｎ次の対称性ｎ（ｎ＝３、４、６、・・・）を有する反射を、この同じ対称性を呈するウエハの表面上、とくにはシリコンウエハ上の幾何学的構造の存在に関連させること、
ｈ．ウエハの表面とテクスチャを形成する幾何学的形状の面とによって形成される角度を測定すること、
ｉ．反射の最大値の角度幅を、４次の対称性、および出発基板のマルチ結晶性の程度に関連付けること、
ｊ．法線方向に反射された光（θ＝０°）の強度とθ≒２６〜２０°で反射された光の強度との間の関係と、シリコン面（１１１）に関するテクスチャの程度との関係を測定および取得すること、
ｋ．表面テクスチャを構成するピラミッドの面の平均の傾きに関係する光反射角度θを測定すること
を特徴とする装置。