JP2008203090A - 波長選択方法、膜厚計測方法、膜厚計測装置、及び薄膜シリコン系デバイスの製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】膜厚の計測誤差を低減すること。
【解決手段】薄膜の膜厚計測に用いられる波長を選択する波長選択方法であって、膜質状態及び膜厚が異なる薄膜が基板上に製膜された複数のサンプルに対して異なる波長の照明光を照射し、各波長の照明光を照射したときの透過光の光量に関する評価値をそれぞれ計測し、該計測結果に基づいて、波長毎に、各膜質状態における膜厚と評価値との相関関係を示す膜厚特性を作成し、各膜厚特性において、膜質状態による評価値の計測差が所定範囲内にある波長を選択する波長選択方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜の膜厚計測に係り、特に、薄膜シリコン系デバイスの基板上に製膜された結晶質シリコン膜を含む薄膜の膜厚測定に用いられる波長を選択する波長選択方法、及び、この波長選択方法にて選択された波長を用いて膜厚計測を行う膜厚計測方法、その装置、並びに薄膜形成を含む製造システムに関するものである。

従来、物質の光学的な吸収特性を利用して、透光性基板に製膜された薄膜の膜厚を計測する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１には、薄膜太陽電池の製造ラインにおいて、薄膜が施された太陽電池の基板に対して光を照射し、この透過光の光量に基づいて基板に施された薄膜の膜厚を求める技術が開示されている。
特開２００３−６５７２７号公報

しかしながら、上記特許文献１による膜厚測定では、基板や薄膜表面の凸凹状態が違うものの膜厚を評価する際に透過光量の変動が生じて、計測結果に許容範囲以上の計測誤差が含まれてしまうおそれがあることを発見するにいたった。またこの誤差のために所望の精度で膜厚を計測することができないという問題があり、膜厚監視精度をあげることができなかった。
また、薄膜計測専用の膜厚計（分光エリプソメータや分光光度計など）を使用する場合は、製造ラインの基板を一旦ラインアウトさせて計測評価する必要があるとともに、計測結果を得るまで時間を必要とし、生産中の全数をオンライン監視ができないという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、膜厚の計測誤差を低減することのできる波長選択方法、膜厚計測方法、膜厚計測装置、及び薄膜シリコン系デバイスの製造システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、薄膜の膜厚計測に用いられる波長を選択する波長選択方法であって、膜質状態及び膜厚が異なる薄膜が基板上に製膜された複数のサンプルに対して異なる波長の照明光を照射し、各前記波長の照明光を照射したときの透過光の光量に関する評価値をそれぞれ計測し、該計測結果に基づいて、前記波長毎に、各前記膜質状態における膜厚と前記評価値との相関関係を示す膜厚特性を作成し、各前記膜厚特性において、膜質状態による前記評価値の計測差が所定範囲内にある波長を選択する波長選択方法を提供する。

たとえば、透光性基板に透明導電膜、シリコン系薄膜光電変換層を一層以上積層し、金属電極を積層する薄膜シリコン系太陽電池においては、透明導電膜の表面には入射光を光電変換層で有効に利用するために凸凹構造（テクスチャ構造）があり、このうえに成長した薄膜はその膜質状態に影響が発生し、シリコン系薄膜光電変換層の膜厚を計測する精度向上を阻害する場合があることが判明した。
発明者らは、シリコン系薄膜光電変換層の薄膜の膜質状態、特に、結晶質シリコン膜の膜質状態が異なると、透過率が変化してしまい、これにより膜厚の計測誤差が発生していることを見出し、膜質状態に起因する計測誤差を低減する以下の方法を発案した。
即ち、本発明の波長選択方法によれば、膜質状態及び膜厚が異なる薄膜が基板上に製膜された複数のサンプルを用意し、これらのサンプルに異なる波長の照明光を照射することで、各波長の光を照射したときの各サンプルの透過光を検出し、この透過光の光量に関する評価値をそれぞれ測定する。そして、これらの測定結果に基づいて、波長毎に、各膜質状態における膜厚と評価値との相関関係を示す膜厚特性を作成し、各膜厚特性において膜質状態による評価値の計測差が所定範囲内にある波長を選択するので、膜質状態による計測誤差の少ない波長を選択することができる。そして、この選択した波長に係る評価値に基づいて膜厚を計測することで、測定誤差を小さくすることが可能となる。特許文献１にあるように、従来においては各薄膜の吸収波長に近いものを選定して透過光強度から膜厚を換算算出していたが、本発明においては膜質状態による計測誤差の少ない波長を選択することが、計測精度の向上に極めて重要であることを見出した。ここで、透過光の光量に関する評価値とは、例えば、光強度、透過率等である。
なお、上記異なる波長の照明光を薄膜に照射させる場合には、異なる単波長の光を順次照射し、光照射毎に透過光を検出して上記評価値を得ることとしてもよいし、或いは、複数の波長を含む白色光を照射し、この透過光を検出し、更に分光解析を行うことにより、各波長についての評価値を得ることとしてもよい。あるいは、分光した照明光を照射し、この透過光を検出して評価値を得ることとしてもよい。また、照明光を照射する方向は、透光性基板側からでも形成された薄膜側からでもよいが、薄膜表面には小さな凸凹があり照射光が散乱されることがあるため、透光性基板側から照射したほうが膜中を透過する光量が安定するので好ましい。

上記波長選択方法において、前記膜質状態は、例えば、結晶性である。

これにより、結晶性に起因する計測誤差を低減することができる。上記結晶性は、例えば、ラマンピーク強度比によって評価可能である。ラマンピーク強度比は、結晶を表すラマンピーク（波長５２０ｃｍ^-1付近）の強度Ｉ₅₂₀とアモルファスを表すラマンピーク（波長４８０ｃｍ^-1付近）の強度Ｉ₄₈₀との比（Ｉ₅₂₀／Ｉ₄₈₀）であり、ラマンピーク強度比が大きい程、結晶性が高いといえる。
ここで、「上記波長選択方法により選択された波長を含む照明光」とは、波長選択方法により選択された波長の光、つまり単波長の照明光を概念として含むものとする。

上記波長選択方法において、前記膜質状態は、例えば、前記薄膜の表面の凸凹状態である。

これにより、薄膜の表面の凸凹状態に起因する計測誤差を低減することができる。上記表面の凸凹の度合いは、例えば、前記透明導電膜のヘイズ率、あるいは、前記結晶質シリコン膜のヘイズ率により評価可能である。なお、ヘイズ率の定義は、拡散透過光／全透過光である。

本発明は、上記波長選択方法により選択された波長を含む照明光を、薄膜形成を含む製造ラインを搬送される薄膜が製膜された基板に対して照射し、前記基板を透過した光を検出し、検出した光の強度に基づいて前記波長についての前記評価値を計測し、評価値と膜厚とが予め関連付けられている前記波長の膜厚特性を用いて、計測した前記評価値に対応する膜厚を求める膜厚計測方法を提供する。

上記膜厚計測方法によれば、薄膜形成を含む製造ラインを搬送される薄膜の膜厚を求める計測精度の向上を図ることができる。特に、結晶質シリコン膜の膜質に起因する計測誤差の少ない波長の光を含む照明光を、例えば太陽電池の製造ラインを搬送される薄膜（特に、結晶質シリコン膜）が製膜された後の太陽電池用の基板に照射し、この基板を透過した光を検出し、この透過光に基づいて前記波長についての評価値（例えば、透過率、或いは光強度）を計測し、この計測結果に基づいて膜厚を求めるので、計測精度の向上を図ることができる。

上記膜厚計測方法において、別の手段により別途求めたヘイズ率に基づいて、測定した前記膜厚を補正することとしてもよい。

このような膜厚計測方法によれば、薄膜、特に、結晶質シリコン膜の表面の凸凹状態の評価値であるヘイズ率に基づいて、計測した膜厚を補正するので、計測精度を更に向上させることができる。

本発明は、上記波長選択方法により選択された波長を含む照明光を、薄膜形成を含む製造ラインを搬送される薄膜が製膜された基板に対して照射する光照射手段と、前記基板を透過した光を検出する光検出手段と、検出した光の強度に基づいて前記波長についての前記評価値を計測する評価値計測手段と、評価値と膜厚とが予め関連付けられている前記波長の膜厚特性を用いて、計測した前記評価値に対応する膜厚を求める膜厚計測手段とを具備する膜厚計測装置を提供する。

上記膜厚計測装置によれば、薄膜、特に、結晶質シリコン膜の膜質に起因する計測誤差の少ない波長を含む照明光を薄膜、特に、結晶質シリコン膜が製膜された基板、たとえば太陽電池用の基板に照射し、基板を透過した光を検出し、この透過光に基づいて前記波長についての評価値（例えば、透過率、或いは光強度）を計測し、この計測結果に基づいて膜厚を求めるので、計測精度の向上を図ることができる。

上記膜厚計測装置は、薄膜形成を含む製造システムの製造ラインに設置されて薄膜形成状況を監視するのに利用されるのに好適なものである。また、本発明は、上記膜厚計測装置を用いて生成された薄膜シリコン系デバイスを提供する。本発明は、上記膜厚計測方法を用いて生成された薄膜シリコン系デバイスを提供する。薄膜シリコン系デバイスは、たとえば薄膜シリコン系太陽電池である。
なお、上述の各種態様は、可能な範囲で組み合わせて利用することができるものである。

また、薄膜シリコン系デバイスである薄膜シリコン系太陽電池は、一辺が１ｍを越える大型基板に薄膜をより均一に、より均質に形成することが発電効率の向上に重要である。薄膜（特に、結晶質シリコン膜）を含む太陽電池の構成としては、例えば、結晶質シリコンシングル型太陽電池、タンデム型太陽電池、トリプル型太陽電池等がある。タンデム型太陽電池においては、ボトムセルに結晶質シリコン膜が使用されても良い。トリプル型太陽電池については、ミドルセル、およびボトムセルに結晶質シリコン膜が使用されても良い。
本発明の膜厚計測方法および膜厚計測装置は、このような結晶質シリコン膜、または、結晶質シリコン膜を含む薄膜の膜厚測定に利用されて好適なものである。
ここで、シリコン系とはシリコン（Ｓｉ）やシリコンカーバイト（ＳｉＣ）やシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）を含む総称であり、結晶質シリコン系とは、アモルファスシリコン系すなわち非晶質シリコン系以外のシリコン系を意味するものであり、結晶質シリコン系や多結晶シリコン系も含まれる。また薄膜シリコン系とは、アモルファスシリコン系、結晶質シリコン系、アモルファスシリコン系と結晶質シリコン系とを積層させた多接合型（タンデム型、トリプル型）を含むものとする。

本発明によれば、膜厚の計測誤差を低減することができるという効果を奏する。
本発明によれば、膜厚変動を監視できるので、発電効率を高く、歩留まりを向上し、製造効率を向上させるという効果を奏する。

以下に、本発明に係る波長選択方法および膜厚計測装置並びに膜厚計測方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る膜厚計測装置は、薄膜シリコン系デバイス、特に薄膜シリコン系太陽電池の製造システムの製造ラインの一部に設けられて利用されるものであり、太陽電池の基板上に製膜された薄膜、特に、結晶質シリコン膜の膜厚計測を行うために利用されて好適なものである。また、本実施形態に係る膜厚計測装置は、一層のｐｉｎ構造光電変換層を有するシングル型の太陽電池、二層のｐｉｎ構造光電変換層を有するタンデム型の太陽電池、三層のｐｉｎ構造光電変換層を有するトリプル型の太陽電池、透光性基板上の一層の結晶質シリコン膜単膜等、太陽電池の構造にかかわらず、結晶質シリコン層を有する太陽電池を製造する製造システムにおいて広く適用されるものである。

〔第１の実施形態〕
図１は、第１の実施形態に係る膜厚計測装置の全体構成を示した図である。
図１に示した膜厚計測装置において、基板Ｗは、搬送コンベア１により搬送方向（図中Ｙ方向）に搬送される。この基板Ｗは、例えば、透明ガラス基板の上に、熱ＣＶＤ装置で透明導電膜、プラズマＣＶＤ装置で結晶質シリコン膜の光電変換層がこの順で製膜されたものである。あるいは、透明ガラス基板の上に、熱ＣＶＤ装置で透明導電膜、プラズマＣＶＤ装置でアモルファスシリコン膜の光電変換層、プラズマＣＶＤ装置で結晶質シリコン膜の光電変換層がこの順で製膜されたものである。あるいは、透明ガラス基板の上に、プラズマＣＶＤ装置で微結晶シリコン膜が製膜されたものである。図１では基板Wの搬送コンベア１側が透明ガラス基板で、搬送コンベア１の反対側に透明導電膜、薄膜シリコンによる光電変換層が積層されている。
搬送コンベア１の下方には光照射装置（光照射手段）３が、上方には受光装置（光検出手段）２が配置されている。光照射装置３は、例えば、複数のＬＥＤがライン状に配置されて構成されている。ここで、ＬＥＤとしては、単一波長のＬＥＤ、或いはフィルタを組み合わせた白色ＬＥＤ等を使用することが可能である。また、ＬＥＤに限られず、他の光源、例えば、ランプ光源、ランプ光源にフィルタを組み合わせた光源ユニット等を使用することとしてもよい。光照射装置３から照射する光の波長は後述する選定した波長を使用する。
光照射装置は、後述するコンピュータ７から送られる信号に基づいて光源用電源４が作動することにより、光量調整並びに光源のオン／オフが制御されるようになっている。

受光装置２は、図１及び図２に示すように、光照射装置３が備える各ＬＥＤから射出された照射光Ｌ１が基板Ｗを透過した透過光Ｌ２を受光する。受光装置２は、例えば、ライン状に配置された複数の受光素子により構成されている。各受光素子は、光照射装置３が備える各ＬＥＤと対となるように配置されており、各ＬＥＤから射出された照射光Ｌ１が基板Ｗを透過して、対応する受光素子により受光されるようになっている。受光素子は、計測すべき光の波長に対して感度を有している素子等であればよく、例えば、フォトダイオード、光電子増倍管等を使用することができ、簡易で低コストな構成となる。このとき、基板Wがない状態では略均一な検出感度を示すよう調整されていることが望ましい。
また、光照射装置３から白色光を発光照射して、受光装置２は、光波長に対して分光計測が可能な受光素子を設けてもよい。このときは、透過量を評価する光の波長を自由に選定できるので評価対象膜の選択を簡易に対応することが可能となる。
なお、本実施形態では、搬送コンベア１の下方に光照射装置３を、上方に受光装置２を配置したが、上方に光照射装置３を、下方に受光装置２を配置することとしてもよい。
基板Wに形成された薄膜表面には小さな凸凹があり照射光が散乱されることがあるため、光照射装置３が照射する方向を搬送コンベア１の下方で透明ガラス基板側から照射したほうが、膜中を透過する光量が安定するのでより好ましい。

搬送コンベア１には、光電スイッチ５とロータリエンコーダ６とが配置されている。光電スイッチ５は、搬送されてきた基板Ｗの先端部分が照明光Ｌ１の入射位置に到達したことを検出した場合に、検査スタート信号Ｓを発生してコンピュータ７に送信する。ロータリエンコーダ６は、設定回転角毎、即ち、基板Ｗが設定距離移動する毎に、パルス信号Ｐを発生してコンピュータ７に送る。

コンピュータ７は、検査スタート信号Ｓを受信した後において、パルス信号Ｐを受信する毎に、トリガ信号Ｔを受光装置２に送るようになっている。受光装置２の各受光素子は、トリガ信号Ｔを受ける毎に、基板Ｗを透過した透過光Ｌ２を受光し、受光信号をそれぞれコンピュータ７に送る。

コンピュータ（評価値計測手段及び膜厚計測手段）７は、受光装置２から受光信号を受信すると、これら各受光信号に基づいて所定の波長の光に対する透過率（光量に関する評価値）を求め、この透過率と予め保有している膜厚特性（膜厚と透過率の検量特性）とを用いて、基板Ｗの膜厚計測を行う。光照射装置３と受光装置２の対数の計測点がトリガ信号Ｔを受けるに応じて膜厚が算出され、基板Wが移動通過する毎に基板Wの幅方向の膜厚が順次算出される。なお、透過率の算出、膜厚計測の詳細については、後述する。
コンピュータ７には、ＣＲＴ等の表示装置８が接続されており、この表示装置８に、基板Wにおける膜厚計測結果やその分布状況等が表示されるようになっている。

次に、図１に示す膜厚計測装置において、膜厚測定に用いられる光の波長を選択する波長選択方法について説明する。ここで、膜厚計測では、薄膜の膜質状態、より詳しくは、微結晶シリコン膜の結晶性に応じて計測誤差が生ずる。そこで、本実施形態では、当該結晶性に起因する計測誤差を低減するような波長を選択する波長選択方法について図３を参照して説明する。

まず、別途計測装置により計測・評価して膜厚と結晶性とがそれぞれ異なる微結晶シリコン膜が製膜された複数のサンプルを用意する。なお、このとき用意するサンプルは、実際の膜厚計測における基板Ｗの膜構造と略同一にすることが望ましい。例えば、膜厚計測において、搬送コンベア１を搬送される基板Ｗが、透明ガラス基板上に、透明導電膜、微結晶シリコン膜がこの順で製膜されている構造の場合には、透明ガラス基板上に、透明導電膜を製膜した上に、膜厚と結晶性とが異なる微結晶シリコン膜を製膜することで複数のサンプルを作成する。
また、微結晶シリコンの膜厚は、例えば、実際の測定範囲として想定される膜厚範囲ｄｍｉｎからｄｍａｘを包含する範囲において、所定の膜厚刻みとされる。また、結晶性としては、例えば、ラマンピーク強度比が小さいものと、大きいものとの２種類を用意する（図３のステップＳＡ１）。ここで、ラマンピーク強度比とは、微結晶シリコンの結晶性を評価するのに用いられる評価値であり、例えば、ラマン分光分析装置等の専用の装置を用いて計測される。ラマンピーク強度比は、結晶を表すラマンピーク（波長５２０ｃｍ^-1付近）の強度Ｉ₅₂₀とアモルファスを表すラマンピーク（波長４８０ｃｍ^-1付近）の強度Ｉ₄₈₀との比（Ｉ₅₂₀／Ｉ₄₈₀）であり、定義上０から無限大の値をとりうる。ラマンピーク強度比がゼロの場合、アモルファスであり、ラマンピーク強度比が大きい程、結晶性が高いといえる。ここでは、太陽電池の製造工程において、想定し得る範囲内において大小２つのラマンピーク強度比を適宜選定している。

続いて、別途予備試験用に準備した透過光を分光計測する装置を用いて、これらの各サンプルに、白色光を照射し（図３のステップＳＡ２）、そのときの透過光を検出し（図３のステップＳＡ３）、この透過光から透過スペクトルを計測する（図３のステップＳＡ４）。これにより、各サンプルに対する各波長λ１乃至λ５の透過率が求められる。これらの透過率を図４に示すように、横軸に膜厚を、縦軸に透過率を示した座標軸系にプロットすることで、波長λ１乃至λ５毎に各膜質状態における膜厚特性を求める（図３のステップＳＡ５）。膜厚特性は、微結晶シリコン膜の膜厚と透過率との相関関係を示したものである。このときの各サンプルの評価は、太陽電池の製造ライン中に設けた膜厚計測装置が白色光を照射し透過スペクトルを分光計測する構成としたものであれば、この膜厚計測装置を用いてもよい。
図４において、点線はラマンピーク強度比が低い場合における各波長λ１乃至λ５の膜厚特性を示しており、実線はラマンピーク強度比が高い場合における各波長λ１乃至λ５の膜厚特性を示している。

続いて、図４に示した各波長λ１乃至λ５における膜厚特性のうち、実際の測定範囲として想定される膜厚範囲ｄｍｉｎからｄｍａｘにおいて、膜厚特性が振動せずになだらかな変化を示し、かつ、ラマンピーク強度比に係る計測差ΔＷが所定範囲内にある波長を選択する（図３のステップＳＡ６）。
例えば、波長毎に、各膜厚におけるラマンピーク強度比による計測差ΔＷ（図４参照）を計測し、このΔＷの平均値ΔＷａｖｅを求める。そして、このΔＷａｖｅが所定の範囲内にある波長を抽出する。この結果、ラマンピーク強度比の依存度が低い波長、つまり、ラマンピーク強度比に依存する計測値のばらつきが小さい波長が抽出されることとなる。そして、抽出した波長が１つであれば、この波長を膜厚測定に採用し、また、抽出した波長が複数であれば、これらの波長の中から適切な波長、例えば、計測差の平均値ΔＷａｖｅが最も小さい波長を計測の対象とする膜厚測定に用いる波長として採用する。

続いて、上記波長（例えば、波長λ１）を用いて、膜厚を測定する場合について説明する。この場合、コンピュータ７が有する記憶装置（図示略）には、波長λ１における膜厚に対する透過率を検量した膜厚特性が予め記憶されている。

まず、コンピュータ７は、基板Ｗの膜厚計測に先立ち、基板Ｗがない状態で光照射装置３を点灯させる。これにより、光照射装置３から射出された光は、受光装置２で受光され、受光信号Ｃがコンピュータ７に送られる。コンピュータ７は、受信した受光信号に基づいて光強度を計測する。このとき計測された光強度は、透過率１００％の光強度であり、基板Ｗの透過率を計測する際の基準光強度とされる。
次に、コンピュータ７は、光照射装置３を点灯させた状態において、搬送コンベア１上に載置された基板Ｗを搬送方向Ｙに搬送させる。これにより、光照明装置３から射出された照明光Ｌ１は、基板Ｗ、例えば、透明ガラス基板、透明導電膜、微結晶シリコン膜を透過し、透過光Ｌ２として受光装置２へ導かれる。

一方、この基板Ｗの移動に応じてロータリエンコーダ６からパルス信号Ｐがコンピュータ７に送られる。コンピュータ７は、このパルス信号Ｐを受信する毎に、トリガ信号Ｔを受光装置２に送る。これにより、基板Ｗの移動に応じて受光装置２により透過光Ｌ２が受光され、受光信号Ｃがコンピュータ７へ送られることとなる。コンピュータ７は、受光装置２からの受光信号Ｃを受信すると、上記波長選択方法により選択された波長λ１に対する光強度を求め、この光強度を先ほど求めた基準光強度と比較することにより、透過率を算出する。
なお、上記実施形態においては、照明光の波長選択時において、複数の波長を有する白色光を照明光としてサンプルに照射させ、このときの透過光を受光して、分光解析を行うことにより、各波長における膜厚特性を作成することとしたが、これに代えて、異なる単波長の照明光をサンプルに順次照射することにより、各波長における膜厚特性を作成してもよい。たとえば短波長（約４５０ｎｍ）から長波長（約７５０ｎｍ）における代表的評価波長を複数選定して、この単一波長を発光する各種LEDを使用し、受光側素子は、計測すべき光の波長に対して感度を有しているフォトダイオードを使用することでもよい。

続いて、コンピュータ７は、予め記憶装置に記憶されている当該波長λ１の膜厚特性を用いて、この透過率に対応する膜厚を取得することにより、基板Ｗの膜厚を算出する。各計測点で膜厚を算出して基板Wにおける膜厚分布を求めることができる。なお、このとき参照する膜厚特性は、例えば、図４に示したラマンピーク強度比が高い場合の膜厚特性、低い場合の膜厚特性、或いは、これらを平均した平均膜厚特性のいずれかを用いることが可能である。

コンピュータ７は、このようにして、基板の各箇所における膜厚を取得すると、膜厚の計測結果を表示装置８に表示する。なお、表示態様は、適宜設計により決定できる。例えば、膜厚の適正範囲を予め登録しておき、上記基板Ｗの二次元画像において、適正範囲外の値を示す膜厚の領域のみを着色して表示することが可能である。或いは、膜厚を数段階に区分し、区分ごとに異なる色で着色して表示することとしてもよい。
この膜厚分布の計測結果に基づいて、プラズマＣＶＤ装置により製膜形成された全数の微結晶シリコン膜の良否を判断し、不具合品が検出された場合には途中工程にて不具合基板をラインアウトし、必要に応じてプラズマＣＶＤ装置の製膜条件などを調整することができる。またプラズマＣＶＤ装置自体が感知できないトラブルで膜形成が不良となった場合も即刻に判断がつき、素早い修復対応が可能となる。すなわち、管理目標とする平均膜厚と膜厚分布の基準値に対して評価し、製膜状況をオンラインで監視することで、発電効率が高い生産状況を維持し、不良発生時には極めて短時間で判断が付くので、製膜形成の品質が安定し歩留まりが向上する。これにより製造効率が向上する。

以上説明してきたように、本実施形態に係る膜厚計測装置によれば、結晶性、より詳しくは、ラマンピーク強度比、及び膜厚が異なる複数のサンプルを用意し、これらのサンプルに異なる波長の照明光を照射することで、各波長の光を照射したときの各サンプルの透過光を検出し、透過スペクトルをそれぞれ測定する。そして、これらの測定結果に基づいて、波長毎に、各結晶性における膜厚と透過率との相関関係を示す膜厚特性を作成し、各膜厚特性において結晶性による透過率の計測差ΔＷが所定範囲内にある波長を選択するので、結晶性による計測誤差の少ない光の波長を選択することができる。そして、このようにして選択した波長を用いて膜厚計測を行うので、膜厚の測定誤差を小さくすることができる。

上記実施形態では、予め計測に用いる波長のみを有する照明光、つまり、ＬＥＤなどによる単波長の照明光を複数個ライン状に並べて基板Ｗに照射し、このときの透過光をＬＥＤに対応するように複数個ライン状に並べたフォトダイオードの電圧値から透過率を求め、この透過率を用いて膜厚を計測するものである。フォトダイオードの電圧値を基板Ｗがない状態で１００％とすることで、指示電圧値から透過率を求めることができる。このように、予め膜厚計測に用いる波長のみを有する光を照明光として利用することで、容易で低コストに所望の波長における透過率を得る膜厚計測装置を構成することが可能となる。
また、これに代えて、白色光を基板Ｗに照射し、このときの分光した透過光の光強度を求め、この分光した光強度に基づいて所定の波長における透過率を用いて膜厚を計測することとしてもよい。このときは、透過量を評価する光の波長を自由に選定できるので評価対象膜の選択を簡易に対応することが可能となる。更に、波長毎に各サンプルにおける膜厚と透過率との相関関係を示す膜厚特性を作成するにあたり、製造ラインに設けた膜厚計測装置を利用することができる。
更に、上記実施形態では、ライン状に光を照射していたが、ポイント照射とし、所定の箇所においてのみ膜厚の計測並びに評価を行うこととしてもよい。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る膜厚計測装置について説明する。
薄膜の膜厚計測において、上述した結晶性のほか、薄膜の表面の凸凹状態によっても計測誤差が生ずる。そこで、本実施形態では、当該表面の凸凹状態に起因する計測誤差を低減するべく、照明光の波長を選択する。

本実施形態では、膜厚と表面の凸凹状態の度合いがそれぞれ異なる複数のサンプルを用意する。微結晶シリコン膜の表面の凸凹程度を評価するものとして、ヘイズ率を用いる。ヘイズ率は、拡散透過光／全透過光であり、例えば、公知のヘイズメーター（例えば、村上色彩技術研究所製 HR-100、ASTM D-1003規格準拠）により計測される。
ここで、上記微結晶シリコン膜の表面の凸凹状態は、実質的には、微結晶シリコン膜の製膜下地となる透明導電膜（ＴＣＯ）の表面の凸凹状態に影響を受ける。従って、本実施形態では、透明導電膜の凸凹状態を変化させることにより、微結晶シリコン膜の表面状態の凸凹度を間接的に変化させる。

つまり、本実施形態では、凸凹状態の異なる透明導電膜の上に、更に、膜厚が異なる微結晶シリコン膜を製膜することで、表面の凸凹状態および膜厚が異なる複数のサンプルを作成する。このとき、微結晶シリコンの膜厚は、上述した第１の実施形態と同じく、例えば、実際の測定範囲として想定される膜厚範囲ｄｍｉｎからｄｍａｘを包含する範囲において、所定の膜厚刻みとされる。
また、表面の凸凹状態としては、例えば、透明導電膜のヘイズ率が小さいものと、大きいものとの２種類を用意する。

続いて、これらの各サンプルに、上述した第１の実施形態と同様の方法により、白色光を照射し、そのときの透過光を検出し、この透過光から透過スペクトルを計測する。これにより、各サンプルに対する各波長λ１乃至λ５の透過率が求められる。これらの透過率を図５に示すように、横軸に膜厚を、縦軸に透過率を示した座標軸系にプロットすることで、波長λ１乃至λ５毎に各膜質状態における膜厚特性を求める。
図５において、点線はヘイズ率が低い場合における各波長λ１乃至λ５の膜厚特性を示しており、実線はヘイズ率が高い場合における各波長λ１乃至λ５の膜厚特性を示している。

続いて、図５に示した各波長λ１乃至λ５における膜厚特性のうち、実際の測定範囲として想定される膜厚範囲ｄｍｉｎからｄｍａｘにおいて、膜厚特性が振動せずになだらかな変化を示し、かつ、ヘイズ率の変動に係る計測差が所定範囲内にある波長を選択する。つまり、ヘイズ率の依存度が低い波長を選択する。さらには、計測範囲の膜厚の増加にたいする透過率の変化が単調に大きく減少変化するものが望ましい。そして、膜厚計測時においては、選択した波長の光を含む照明光を基板Ｗに照射し、更に、当該波長についての透過率を求め、この透過率に基づいて膜厚を計測する。

以上説明してきたように、本実施形態によれば、透明導電膜の表面状態、つまりは、微結晶シリコンの表面状態及び膜厚が異なる複数の薄膜のサンプルを用意し、これらのサンプルに異なる波長の照明光を照射することで、各波長の光を照射したときの各サンプルの透過光を検出し、透過スペクトルをそれぞれ測定する。そして、これらの測定結果に基づいて、波長毎に、各表面状態における膜厚と透過率との相関関係を示す膜厚特性を作成し、各膜厚特性において表面状態による透過率の計測差が所定範囲内にある波長を選択するので、薄膜の表面状態による計測誤差の少ない光の波長を選択することができる。
そして、このようにして選択した波長の光を用いて膜厚計測を行うので、膜厚の測定誤差を小さくすることができる。

なお、上述した実施形態では、サンプル作成の際に、透明導電膜の表面状態を変化させることにより、微結晶シリコン膜の表面状態を間接的に変化させていたが、これに代えて、微結晶シリコン膜の表面状態を直接的に変化させることにより、ヘイズ率の異なる複数のサンプルを作成することとしてもよい。

また、上記薄膜の表面状態に起因する測定誤差は、上述した結晶性に起因した微結晶シリコンの膜質差による測定誤差よりも大きいことが検証の結果わかった。従って、上記方法によって計測した膜厚を、ヘイズ率を用いて補正することとしてもよい。このように、ヘイズ率に基づいて膜厚計測値を補正することにより、計測精度を更に向上させることができる。
ヘイズ率による補正については、例えば、ヘイズ率と膜厚とを変数とした補正関数をコンピュータ７の記憶装置に記憶させておき、計測した膜厚とヘイズ率とを当該補正関数に代入することにより、補正を行う方法を採用することが可能である。または、コンピュータ７の記憶装置に、膜厚特性をヘイズ率毎に記憶させた検量特性を記憶させておき、当該微結晶シリコン膜のヘイズ率に応じた膜厚特性を用いて、膜厚を求めることとしてもよい。なお、この場合において、ヘイズ率は、太陽電池の製造ライン中の当該膜厚計測装置と別に設けて、その計測結果をオンラインでコンピュータへ送ってもよい。また製造ラインとは別個に設けられた個別の装置によって計測した結果をコンピュータに送ってもよい。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の一実施形態に係る基板の膜厚計測装置の全体構成図である。 光照射装置および受光装置の配置関係を示す図である。 波長選択方法の手順を示したフローチャートである。 薄膜の結晶性が異なる場合の各波長における膜厚特性の一例を示した図である。 薄膜の表面の凸凹状態が異なる場合の各波長における膜厚特性の一例を示した図である。

符号の説明

１ 搬送コンベア
２ 受光装置
３ 光照射装置
４ 光源用電源
５ 光電スイッチ
６ ロータリエンコーダ
７ コンピュータ
８ 表示装置
Ｗ 基板

Claims (9)

1. 薄膜の膜厚計測に用いられる波長を選択する波長選択方法であって、
   膜質状態及び膜厚が異なる薄膜が基板上に製膜された複数のサンプルに対して異なる波長の照明光を照射し、
   各前記波長の照明光を照射したときの透過光の光量に関する評価値をそれぞれ計測し、
   該計測結果に基づいて、前記波長毎に、各前記膜質状態における膜厚と前記評価値との相関関係を示す膜厚特性を作成し、
   各前記膜厚特性において、膜質状態による前記評価値の計測差が所定範囲内にある波長を選択する波長選択方法。
2. 前記膜質状態は、結晶性である請求項１に記載の波長選択方法。
3. 前記膜質状態は、前記薄膜の表面の凸凹状態である請求項１または請求項２に記載の波長選択方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の波長選択方法により選択された波長を含む照明光を、薄膜形成を含む製造ラインを搬送される薄膜が製膜された基板に対して照射し、
   前記基板を透過した光を検出し、
   検出した光の強度に基づいて前記波長についての前記評価値を計測し、
   評価値と膜厚とが予め関連付けられている前記波長の膜厚特性を用いて、計測した前記評価値に対応する膜厚を求める膜厚計測方法。
5. 別の装置により前記薄膜のヘイズ率を計測し、計測した前記ヘイズ率に基づいて、測定した前記膜厚を補正する請求項４に記載の膜厚計測方法。
6. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の波長選択方法により選択された波長を含む照明光を、薄膜形成を含む製造ラインを搬送される薄膜が製膜された基板に対して照射する光照射手段と、
   前記基板を透過した光を検出する光検出手段と、
   検出した光の強度に基づいて前記波長についての前記評価値を計測する評価値計測手段と、
   評価値と膜厚とが予め関連付けられている前記波長の膜厚特性を用いて、計測した前記評価値に対応する膜厚を求める膜厚計測手段と
   を具備する膜厚計測装置。
7. 請求項６に記載の膜厚計測装置が薄膜形成を含む製造ラインに設けられて薄膜形成状況を監視する薄膜シリコン系デバイスの製造システム。
8. 請求項６に記載の膜厚計測装置を用いて製造した薄膜シリコン系デバイス。
9. 請求項４または請求項５のいずれかに記載の膜厚計測方法を用いて製造した薄膜シリコン系デバイス。

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