JP2008205188A - 膜厚計測方法及びその装置ならびに薄膜製造システム - Google Patents
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Abstract
【課題】作業員の負担を軽減させるとともに、製造効率を向上させること。
【解決手段】ライン照明器３により、基板Ｗ上に製膜された透明導電膜または透明光学膜にライン照明光を照射し、透明導電膜または透明光学膜で反射されたライン反射光をカメラで検出し、検出した反射光の色評価値を計測し、色評価値と膜厚とが関連付けられている膜厚特性を用いて、計測した色評価値に対応する膜厚を求める。
【選択図】図１
【解決手段】ライン照明器３により、基板Ｗ上に製膜された透明導電膜または透明光学膜にライン照明光を照射し、透明導電膜または透明光学膜で反射されたライン反射光をカメラで検出し、検出した反射光の色評価値を計測し、色評価値と膜厚とが関連付けられている膜厚特性を用いて、計測した色評価値に対応する膜厚を求める。
【選択図】図１
Description
本発明は、薄膜の膜厚計測に係り、特に、薄膜デバイス装置に利用される透明導電膜や透明光学膜の膜厚計測を行う膜厚計測方法およびその装置、ならびに薄膜製造システムに関するものである。
薄膜デバイス装置には、例えば、薄膜系太陽電池、液晶パネル、半導体デバイス等がある。例えば、薄膜系太陽電池の分野においては、光を吸収して電流を発生させる光電変換発電層（シリコン等の半導体材料）以外に、光入射側の集電電極である透明導電膜や透明光学膜などが使用されている。
ここで、タンデム型太陽電池を例に挙げると、トップセルとボトムセルとの間に中間コンタクト層と呼ばれる薄膜を形成してトップセルとボトムセルの発電電流のバランスを適正化することがある。トップセルは、例えば、アモルファスシリコンからなる光電変換層であり、中間コンタクト層は、例えば、透明導電膜であり、ボトムセルは、例えば、結晶質シリコンからなる光電変換層である。
ここで、タンデム型太陽電池を例に挙げると、トップセルとボトムセルとの間に中間コンタクト層と呼ばれる薄膜を形成してトップセルとボトムセルの発電電流のバランスを適正化することがある。トップセルは、例えば、アモルファスシリコンからなる光電変換層であり、中間コンタクト層は、例えば、透明導電膜であり、ボトムセルは、例えば、結晶質シリコンからなる光電変換層である。
上記中間コンタクト層は、トップセルを透過した太陽光の一部の光を反射して、トップセルに戻すとともに、残りの光を透過してボトムセルへ導く。このように、中間コンタクト層を設けることにより、一部の光をトップセルへ戻すことができるので、光電効果を維持したままトップセルの膜厚を薄くすることが可能となる。また、トップセルの膜厚を薄くできることは、光劣化の観点からも好ましく、中間コンタクト層を設けることにより、太陽電池全体の性能を向上させることができる。
このようなタンデム型太陽電池では、トップセルとボトムセルのそれぞれの発電電流を一致させる必要がある。この発電電流は、中間コンタクト層の材質（屈折率）と膜厚とにより調整される。中間コンタクト層の膜厚は１０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度と薄いために適正範囲から外れてしまうと、トップセルとボトムセルとの発電電流のバランスが崩れるため、タンデム型太陽電池の発電電流が低下し、電池性能が低下する。したがって、従来、この中間コンタクト層の膜厚管理は重要で、生産ラインからの抜き取り検査が行われている。
また、透明導電膜や透明光学膜は、上述したタンデム型太陽電池の中間コンタクト層に限らず、薄膜型太陽電池、多接合型の薄膜太陽電池、更には、薄膜トランジスタなど半導体デバイスの電極、液晶パネルの液晶駆動電極等の様々な分野で利用されており、必要に応じて膜厚検査が実施されている。
また、透明導電膜や透明光学膜は、上述したタンデム型太陽電池の中間コンタクト層に限らず、薄膜型太陽電池、多接合型の薄膜太陽電池、更には、薄膜トランジスタなど半導体デバイスの電極、液晶パネルの液晶駆動電極等の様々な分野で利用されており、必要に応じて膜厚検査が実施されている。
従来、膜厚を測定する装置として、例えば、測定対象である薄膜に光を照射し、この反射光と、薄膜の裏面にて反射した光の干渉光とを各波長に分光し、分光された各波長の光強度分布を作成し、この分布に基づいて膜厚を計測する干渉式膜厚計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−３１１７０８号公報
上述した干渉式膜厚計測装置を用いて製膜測定を行う場合、製膜後の製造ラインからラインアウトした基板から試験片を切り取り、この試験片を干渉式膜厚計測装置に設置し、試験片の膜厚測定を行う必要がある。
従って、試験片を切り取った基板は、商品として取り扱えなくなり、歩留まりが低下する。また、作業員が試験片を切り出し、検査装置に設置しなければならないため、作業員の負担が大きいという問題があった。更に、全ての基板を検査することができず、評価結果が出るまで時間を要し、製造ラインへの結果のフィードバックが出来ずに生産の安定性を低下し歩留まりが低下する要因になっていた。
また、製造ラインにおいては簡単に膜厚をオンライン評価できる手法が望まれている。
従って、試験片を切り取った基板は、商品として取り扱えなくなり、歩留まりが低下する。また、作業員が試験片を切り出し、検査装置に設置しなければならないため、作業員の負担が大きいという問題があった。更に、全ての基板を検査することができず、評価結果が出るまで時間を要し、製造ラインへの結果のフィードバックが出来ずに生産の安定性を低下し歩留まりが低下する要因になっていた。
また、製造ラインにおいては簡単に膜厚をオンライン評価できる手法が望まれている。
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、作業員の負担を軽減させるとともに、生産効率と歩留まりを向上させることのできる膜厚計測方法及びその装置ならびに薄膜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、透明導電膜および透明光学膜の少なくともいずれか一方の膜厚計測が可能な膜厚計測方法であって、製造ラインを搬送される基板上に製膜された透明導電膜または透明光学膜に膜面側から光を照射し、前記透明導電膜または前記透明光学膜で反射された反射光を検出し、検出した反射光の色評価値を計測し、色評価値と膜厚とが関連付けられている膜厚特性を用いて、計測した前記色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。
本発明は、透明導電膜および透明光学膜の少なくともいずれか一方の膜厚計測が可能な膜厚計測方法であって、製造ラインを搬送される基板上に製膜された透明導電膜または透明光学膜に膜面側から光を照射し、前記透明導電膜または前記透明光学膜で反射された反射光を検出し、検出した反射光の色評価値を計測し、色評価値と膜厚とが関連付けられている膜厚特性を用いて、計測した前記色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。
発明者らは、透明導電膜或いは透明光学膜（透明導電膜は導電性を有しているのに対し、透明光学膜は導電性を有していない点で両者は異なる。）からの反射光の色味が膜厚と相関があることを見出した。更に、発明者らは、色味が膜厚と相関関係を有することは、一般的な物理現象であることを見出した。主となる原理は、光学的干渉である。透明導電膜や透明光学膜の膜厚に応じて、薄膜多重干渉条件が変化し、物体の表面反射の反射スペクトルが変化する。
そこで、本発明では、このスペクトル変化を捉えて、色評価値（色味）として定量化することで、膜厚計測を可能としている。計測対象の下地基材の平滑性に応じて、反射状態は、正反射と拡散反射の混ざり具合が変わるが、基材の平滑性に依らず、膜厚に応じて干渉条件が変化して、色評価値（色味）が変化することは実験的にも観察確認することができた。さらに、膜厚に応じた干渉条件の変化に起因する反射スペクトルの変化の様子は、一般的な市販の光学薄膜計算ソフトを用いた薄膜多重干渉計算によっても、妥当性が確認できた。
更に、上記方法によれば、製造ラインを搬送される基板上に製膜された透明導電膜や透明光学膜に対して光を照射するので、干渉式膜厚計測装置等の専用の測定装置を用いることなく、容易に膜厚計測を行うことが可能となる。上記方法によれば、全数の製造基板の非破壊検査が可能となり、歩留まりが向上する。製造ラインからラインアウトした基板からの試験片の切り出しを不要にでき、作業員の負担を軽減することができる。
上記色評価値としては、例えば、色差またはＲＧＢの光強度等を用いることが可能である。また、上記色差としては、例えば、Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系におけるａ＊及びｂ＊等を用いることが可能である。
そこで、本発明では、このスペクトル変化を捉えて、色評価値（色味）として定量化することで、膜厚計測を可能としている。計測対象の下地基材の平滑性に応じて、反射状態は、正反射と拡散反射の混ざり具合が変わるが、基材の平滑性に依らず、膜厚に応じて干渉条件が変化して、色評価値（色味）が変化することは実験的にも観察確認することができた。さらに、膜厚に応じた干渉条件の変化に起因する反射スペクトルの変化の様子は、一般的な市販の光学薄膜計算ソフトを用いた薄膜多重干渉計算によっても、妥当性が確認できた。
更に、上記方法によれば、製造ラインを搬送される基板上に製膜された透明導電膜や透明光学膜に対して光を照射するので、干渉式膜厚計測装置等の専用の測定装置を用いることなく、容易に膜厚計測を行うことが可能となる。上記方法によれば、全数の製造基板の非破壊検査が可能となり、歩留まりが向上する。製造ラインからラインアウトした基板からの試験片の切り出しを不要にでき、作業員の負担を軽減することができる。
上記色評価値としては、例えば、色差またはＲＧＢの光強度等を用いることが可能である。また、上記色差としては、例えば、Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系におけるａ＊及びｂ＊等を用いることが可能である。
上記膜厚計測方法において、互いに異なる既知の膜厚を有する複数のサンプルについて、前記色評価値をそれぞれ計測し、計測した該色評価値と前記膜厚とを関連付けることにより前記膜厚特性を作成することとしてもよい。
このように、互いに異なる既知の膜厚を有する複数のサンプルを用意し、これらのサンプルに光を照射することで、各膜厚に対応する色評価値を測定し、この測定結果に基づいて、各膜厚と色評価値とを関連付けた膜厚特性を作成する。
これにより、膜厚計測時においては、この膜厚特性を用いることで、膜厚を容易に求めることができる。
例えば、上記膜厚特性は、図４に示すように、横軸にａ＊、縦軸にｂ＊が示されたａ＊ｂ＊座標軸上に、所定の膜厚刻みで（ａ＊，ｂ＊）の点をプロットし、これらの点（ａ＊，ｂ＊）を直線、あるいは最小二乗法などによる近似関数で結んでグラフ化したものである。
このような方法によれば、評価する反射光として、単に反射光強度を計測するのではなく、色評価に適したａ＊及びｂ＊と膜厚との相関関係を用いることで、計測対象膜の膜厚を精度よく計測することができる。
これにより、膜厚計測時においては、この膜厚特性を用いることで、膜厚を容易に求めることができる。
例えば、上記膜厚特性は、図４に示すように、横軸にａ＊、縦軸にｂ＊が示されたａ＊ｂ＊座標軸上に、所定の膜厚刻みで（ａ＊，ｂ＊）の点をプロットし、これらの点（ａ＊，ｂ＊）を直線、あるいは最小二乗法などによる近似関数で結んでグラフ化したものである。
このような方法によれば、評価する反射光として、単に反射光強度を計測するのではなく、色評価に適したａ＊及びｂ＊と膜厚との相関関係を用いることで、計測対象膜の膜厚を精度よく計測することができる。
本発明は、透明導電膜および透明光学膜の少なくともいずれか一方の膜厚計測が可能な膜厚計測装置であって、製造ラインを搬送される基板上に製膜された透明導電膜または透明光学膜に膜面側から光を照射する光照射手段と、前記透明導電膜または前記透明光学膜で反射された反射光を検出する光検出手段と、検出した反射光の色評価値を計測する色計測手段と、色評価値と膜厚とが関連付けられている膜厚特性を用いて、計測した前記色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。
このような構成によれば、光照射手段から射出された光は、製造ラインを搬送される基板上に製膜された透明導電膜または透明光学膜に照射され、この反射光が光検出手段により検出される。検出された光は、色計測手段により分析されることにより、色評価値が計測され、膜厚計測手段により、膜厚特性を用いて、計測された該色評価値に対応する膜厚が求められる。このように、製造ラインを搬送される基板に対して光を照射することとしたので、干渉式膜厚計測装置等の専用の測定装置を用いることなく、容易に膜厚計測を行うことが可能となる。
上記膜厚計測装置において、前記膜厚特性は、互いに異なる既知の膜厚を有する複数のサンプルについて、前記色評価値をそれぞれ計測し、計測した該色評価値と前記膜厚とを関連付けることにより作成されることとしてもよい。
このような構成によれば、互いに異なる既知の膜厚を有する複数のサンプルを用意し、これらのサンプルに光を照射することで、各膜厚に対応する色評価値を測定し、この測定結果に基づいて、各膜厚と各色評価値とを関連付けた膜厚特性を作成するので、膜厚計測時においては、この膜厚特性を用いることにより、膜厚を容易に求めることができる。
上記膜厚計測装置において、前記光照射手段は、薄膜デバイス製造ラインを搬送される薄膜デバイス用基板上に製膜された前記透明導電膜または前記透明光学膜に対して光を照射可能な位置に設置されていてもよい。
このように光照射手段を配置することで、薄膜デバイスに用いられる透明導電膜や透明光学膜の膜厚を容易に計測することが可能となる。
このように光照射手段を配置することで、薄膜デバイスに用いられる透明導電膜や透明光学膜の膜厚を容易に計測することが可能となる。
本発明は、上記膜厚計測装置を備える薄膜製造装置であって、薄膜形成状況を監視する薄膜デバイスの製造システムを提供する。
本発明は、上記膜厚計測装置を用いて製造した薄膜デバイスを提供する。
本発明は、上記膜厚計測装置を用いて製造した薄膜デバイスを提供する。
上記膜厚計測装置において、薄膜デバイスとしては、薄膜太陽電池、液晶パネル、半導体用デバイス用の透明導電膜または透明光学膜の膜厚を容易に計測することが可能となる。例えば、薄膜系太陽電池は、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り、上述の膜厚計測装置を用いて基板全面にわたり膜厚分布を評価できるので、発電効率の向上、歩留まりの向上、製造効率の向上に大きく寄与する。
本発明によれば、作業員の負担を軽減させるとともに、製造効率を向上させ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、デバイス性能を高く、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。
本発明によれば、膜厚変動を監視できるので、デバイス性能を高く、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、本発明に係る膜厚計測装置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、薄膜デバイスとして、特に薄膜太陽電池の製造装置の製造ラインの一部に設けられて利用されるものである。本実施形態に係る膜厚計測装置は、太陽電池の基板上に製膜された薄膜、特に、中間コンタクト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、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の各光電変換層の間に形成される中間コンタクト層の膜厚評価に利用するが、太陽電池の構造にかかわらず、中間コンタクト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。ここでは、一例として、タンデム型太陽電池の製造ラインにおいて、トップセルとボトムセルとの間に形成される中間コンタクト層の膜厚計測を行う場合について説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第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、透明ガラス基板の上に、熱ＣＶＤ装置で透明電極膜、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であるトップセル、スパッタリング装置で中間コンタクト層がこの順で製膜されたものである。中間コンタクト層は例えば、ＧＺＯ（ＧａドープＺｎＯ）を１０ｎｍ〜１５０ｎｍスパッタリング装置により製膜したものである。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の上方には、カメラ（光検出手段）２とライン照明器（光照射手段）３とが配置されている。カメラ２には、例えば、カラーラインセンサカメラ、カラーエリアカメラ、いわゆるＣＣＤカメラ等を適用することが可能である。本実施形態では、カメラ２として、撮像素子（例えば、ＣＣＤ素子）と撮像用レンズ系とで構成されるものを採用している。
図１は、本発明の第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、透明ガラス基板の上に、熱ＣＶＤ装置で透明電極膜、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であるトップセル、スパッタリング装置で中間コンタクト層がこの順で製膜されたものである。中間コンタクト層は例えば、ＧＺＯ（ＧａドープＺｎＯ）を１０ｎｍ〜１５０ｎｍスパッタリング装置により製膜したものである。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の上方には、カメラ（光検出手段）２とライン照明器（光照射手段）３とが配置されている。カメラ２には、例えば、カラーラインセンサカメラ、カラーエリアカメラ、いわゆるＣＣＤカメラ等を適用することが可能である。本実施形態では、カメラ２として、撮像素子（例えば、ＣＣＤ素子）と撮像用レンズ系とで構成されるものを採用している。
ライン照明器３は、例えば、蛍光灯により構成されており、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。なお、ライン照明器３は、蛍光灯に限られず、白色光をライン状に照射可能な光源であればよく、ＬＥＤ素子を直線状に配置して構成されるライン型ＬＥＤ照明でもよい。
カメラ２とライン照明器３は、図２に示すように、計測する膜面に対して反射式検査装置を構成するように配置されている。即ち、ライン照明器３は、射出したライン照明光Ｌ１が、基板Ｗの上面、本実施形態では、基板Ｗの表面に製膜された中間コンタクト層の表面にて反射される。カメラ２は、中間コンタクト層の表面にて反射されたライン反射光Ｌ２が入射される位置に配置されており、基板Ｗの表面のうち、ライン照明光Ｌ１が当たっている部分（図１におけるライン状の部分Ｋ）から反射される反射光Ｌ２を受光するようになっている。基板Ｗに入射するライン照明光Ｌ１の入射角θ１は約４５°、基板Ｗにて反射されたライン反射光Ｌ２の反射角θ２は約０°となるようにカメラ２とライン照明器３の配置位置が設定されている。なお、本実施形態に係る膜厚計測装置では、θ１は、約０°から約９０°のいずれかの角度、θ２は、０°近傍であればよい。このように配置することで、カメラの位置調整、すなわちピント合わせが容易となる。
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の先端部分がライン照明光Ｌ１の入射位置、すなわち、カメラ２にて撮影するライン状の撮影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。
また、搬送コンベア１の下方には、上記ライン照明光Ｌ１が照射される位置に基準白色板２０が設けられている。この基準白色板２０は、基準となる色の情報を取得するために用いられるものである。基準白色板は特に材料の指定はなく、画像撮影の技術分野において、白色とみなせるものであれば使用可能である。例えば、分光計測用で常用される白板（硫酸アルミニウム粉末をペレット状に固めたもの）や、白色の紙、市販の色差計で常用される白色基準等が使用可能である。
また、搬送コンベア１の下方には、上記ライン照明光Ｌ１が照射される位置に基準白色板２０が設けられている。この基準白色板２０は、基準となる色の情報を取得するために用いられるものである。基準白色板は特に材料の指定はなく、画像撮影の技術分野において、白色とみなせるものであれば使用可能である。例えば、分光計測用で常用される白板（硫酸アルミニウム粉末をペレット状に固めたもの）や、白色の紙、市販の色差計で常用される白色基準等が使用可能である。
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をカメラ２に送るようになっている。カメラ２は、トリガ信号Ｔを受ける毎に、基板Ｗを撮影して、ライン照明器３からの反射光を取り込み、基板Ｗの横幅と移動方向に縦幅を持つ１ライン分の画像情報を持つカラー画像信号Ｃを生成し、これをコンピュータ７に送る。このカラー画像信号Ｃは、例えば、赤成分画像信号Ｒと、緑成分画像信号Ｇと、青成分画像信号Ｂを含んでいる。
コンピュータ（色計測手段および膜厚計測手段）７は、カメラ２からのカラー画像信号Ｃを受信すると、これらのカラー画像信号Ｃをメモリ上で二次元的に配列することにより、基板Ｗの表面画像を示す二次元画像を作成する。
コンピュータ（色計測手段および膜厚計測手段）７は、カメラ２からのカラー画像信号Ｃを受信すると、これらのカラー画像信号Ｃをメモリ上で二次元的に配列することにより、基板Ｗの表面画像を示す二次元画像を作成する。
コンピュータ７は、作成した二次元画像に対して後述する膜厚計測処理を実行することにより、基板Ｗ上に形成された中間コンタクト層の膜厚計測を行う。また、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、カラー画像信号Ｃの波形や、画像処理した二次元画像、膜厚分布状態、計測結果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より、中間コンタクト層の膜厚を計測する場合について説明する。
まず、コンピュータ７は、ライン照明器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、ライン照明器３から射出されたライン照明光Ｌ１（図２参照）は、基板Ｗの表面に形成されている中間コンタクト層上において反射される。また、この基板Ｗの移動に応じてエンコーダ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をカメラ２に送る。これにより、基板Ｗの移動に応じてカメラ２によりライン反射光Ｌ２（図２参照）が受光され、カラー画像信号Ｃが次々とコンピュータ７に送られることとなる。コンピュータ７は、カメラ２からの多数ラインのカラー画像信号Ｃを受信すると、これらを二次元配置することにより、二次元画像を作成する。
このようにして二次元画像が作成されると、コンピュータ７は、次に示す膜厚計測処理を実行することにより、膜厚計測を行う。以下、膜厚計測処理について具体的に説明する。
まず、コンピュータ７は、ライン照明器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、ライン照明器３から射出されたライン照明光Ｌ１（図２参照）は、基板Ｗの表面に形成されている中間コンタクト層上において反射される。また、この基板Ｗの移動に応じてエンコーダ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をカメラ２に送る。これにより、基板Ｗの移動に応じてカメラ２によりライン反射光Ｌ２（図２参照）が受光され、カラー画像信号Ｃが次々とコンピュータ７に送られることとなる。コンピュータ７は、カメラ２からの多数ラインのカラー画像信号Ｃを受信すると、これらを二次元配置することにより、二次元画像を作成する。
このようにして二次元画像が作成されると、コンピュータ７は、次に示す膜厚計測処理を実行することにより、膜厚計測を行う。以下、膜厚計測処理について具体的に説明する。
ここでは、まず、膜厚計測処理にて用いられる膜厚特性について説明する。
この膜厚特性は、中間コンタクト層の膜厚と、中間コンタクト層に光を照射したときの反射光の色味（以下「色評価値」という。）との相関関係を示したものである。
色評価値としては、色味を表す各種パラメータを用いることが可能である。例えば、ＲＧＢにおける各色の光強度、ＣＩＥ−ＸＹＺ表色系におけるＸＹＺの値、或いは、ＣＩＥ−Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系におけるＬ＊ａ＊ｂ＊の値等を用いることが可能である。Ｌ＊ａ＊ｂ＊は、ＪＩＳ Ｚ ８７２９において規定されるＬ＊ａ＊ｂ＊（エルスター・エイスター・ビースター）表色系であり、色差を表す。Ｌ＊：明度（輝度）、ａ＊：赤−緑色相のクロマティックネス指数、ｂ＊：黄−青色相のクロマティックネス指数をそれぞれ表している。
膜厚の評価にあたっては、単なる反射光強度ではなく、色評価に適したパラメータ（ａ＊、ｂ＊）と膜厚との相関関係を見出して、これを利用したものである。
この膜厚特性は、中間コンタクト層の膜厚と、中間コンタクト層に光を照射したときの反射光の色味（以下「色評価値」という。）との相関関係を示したものである。
色評価値としては、色味を表す各種パラメータを用いることが可能である。例えば、ＲＧＢにおける各色の光強度、ＣＩＥ−ＸＹＺ表色系におけるＸＹＺの値、或いは、ＣＩＥ−Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系におけるＬ＊ａ＊ｂ＊の値等を用いることが可能である。Ｌ＊ａ＊ｂ＊は、ＪＩＳ Ｚ ８７２９において規定されるＬ＊ａ＊ｂ＊（エルスター・エイスター・ビースター）表色系であり、色差を表す。Ｌ＊：明度（輝度）、ａ＊：赤−緑色相のクロマティックネス指数、ｂ＊：黄−青色相のクロマティックネス指数をそれぞれ表している。
膜厚の評価にあたっては、単なる反射光強度ではなく、色評価に適したパラメータ（ａ＊、ｂ＊）と膜厚との相関関係を見出して、これを利用したものである。
ここでは、色評価値としてＣＩＥ−Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系におけるａ＊及びｂ＊の値を採用した場合の膜厚特性の作成方法について図３を参照して説明する。
まず、別途干渉式膜厚計測装置などにより計測・評価して、互いに異なる既知の膜厚を持ち評価対象膜の基板と略同一構造のサンプルを所定の膜厚刻みで用意し、これらサンプルを図１に示した搬送ライン１上に載置し、ライン照明器３から照明光を照射し、反射光をカメラ２で取り込み、コンピュータ７で画層処理をする。このときの反射光の光評価値、つまり、ＣＩＥ−Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系におけるａ＊及びｂ＊の値を計測する（図３のステップＳＡ１）。
まず、別途干渉式膜厚計測装置などにより計測・評価して、互いに異なる既知の膜厚を持ち評価対象膜の基板と略同一構造のサンプルを所定の膜厚刻みで用意し、これらサンプルを図１に示した搬送ライン１上に載置し、ライン照明器３から照明光を照射し、反射光をカメラ２で取り込み、コンピュータ７で画層処理をする。このときの反射光の光評価値、つまり、ＣＩＥ−Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系におけるａ＊及びｂ＊の値を計測する（図３のステップＳＡ１）。
続いて、図４に示すように、横軸にａ＊、縦軸にｂ＊が示されたａ＊ｂ＊座標軸上に、ステップＳＡ１にて計測した各膜厚に対応する（ａ＊，ｂ＊）の点をプロットし（図３のステップＳＡ２）、更に、これらの点（ａ＊，ｂ＊）を、最小二乗法などを用いて近似関数として表す（図３のステップＳＡ３）。なお、複数のプロットの分布から特性関数を得る方法については、公知の技術を適宜利用することが可能である。
この結果、図４に示すように、各膜厚と各色評価値とを対応付ける膜厚特性が作成される。作成した膜厚特性は、コンピュータ７が備える所定のメモリエリアに格納され（図３のステップＳＡ４）、後述する膜厚計測処理において用いられることとなる。
なお、図４は、一定の膜厚刻みで用意した既知の膜厚を持つ８個のサンプルＸ１〜Ｘ８の（ａ＊，ｂ＊）の点をプロットし、これらを近似関数で結ぶことで得られた厚膜特性の一例を示している。
この結果、図４に示すように、各膜厚と各色評価値とを対応付ける膜厚特性が作成される。作成した膜厚特性は、コンピュータ７が備える所定のメモリエリアに格納され（図３のステップＳＡ４）、後述する膜厚計測処理において用いられることとなる。
なお、図４は、一定の膜厚刻みで用意した既知の膜厚を持つ８個のサンプルＸ１〜Ｘ８の（ａ＊，ｂ＊）の点をプロットし、これらを近似関数で結ぶことで得られた厚膜特性の一例を示している。
主となる膜厚の計測の原理は、光学的干渉であり、透明導電膜や透明光学膜の膜厚に応じて、薄膜多重干渉条件が変化し、物体の表面反射の反射スペクトルが変化することを利用している。
ここで、膜厚の評価になる膜内多重干渉は下地膜、たとえば太陽電池における透明導電膜の凹凸やトップ層が影響するために膜内多重干渉状況が変わることがある。このためサンプル膜厚に基づく図４のような膜厚特性を作成する際は、実際に評価する下地膜と膜厚に近い状況にあることが、より好ましい。
ここで、膜厚の評価になる膜内多重干渉は下地膜、たとえば太陽電池における透明導電膜の凹凸やトップ層が影響するために膜内多重干渉状況が変わることがある。このためサンプル膜厚に基づく図４のような膜厚特性を作成する際は、実際に評価する下地膜と膜厚に近い状況にあることが、より好ましい。
次に、上記膜厚特性を用いて行われる膜厚計測処理について説明する。
まず、コンピュータ７では、カメラ２からのカラー画像信号Ｃに基づいて作成した二次元画像に対して画像処理を施すことにより、色評価値を計測する。具体的には、コンピュータ７は、ＲＧＢ画像データからＣＩＥ−ＸＹＺ表色系に変換し（図５のステップＳＢ１）、更に、ＣＩＥ−ＸＹＺ表色系をＣＩＥ−Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系に変換することで、色差データを求める（ステップＳＢ２）。なお、これら変換は、公知の手法を用いることで容易に行うことができる。
まず、コンピュータ７では、カメラ２からのカラー画像信号Ｃに基づいて作成した二次元画像に対して画像処理を施すことにより、色評価値を計測する。具体的には、コンピュータ７は、ＲＧＢ画像データからＣＩＥ−ＸＹＺ表色系に変換し（図５のステップＳＢ１）、更に、ＣＩＥ−ＸＹＺ表色系をＣＩＥ−Ｌ＊ａ＊ｂ＊表色系に変換することで、色差データを求める（ステップＳＢ２）。なお、これら変換は、公知の手法を用いることで容易に行うことができる。
このようにして、二次元画像におけるＬ＊ａ＊ｂ＊値が画素毎にそれぞれ求まると、コンピュータ７は、図４に示した膜厚特性を用いて、各画素における色評価値ａ＊ｂ＊に対応する膜厚を求める（ステップＳＢ３）。このとき、上記ステップＳＢ２において検出した評価値ａ＊ｂ＊が図４に示す特性ラインＬから外れていた場合には、最小二乗法等を用いることにより、検出した色評価値に最も近い特性ラインＬ上の値を求め、この値（ａ＊，ｂ＊）に対応する膜厚を取得する。
コンピュータ７は、各画素における膜厚を取得すると、膜厚の計測結果や膜厚分布状況を表示装置８に表示する（ステップＳＢ４）。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、適正範囲外の値を示す膜厚の画素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。
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、太陽電池の製造ラインを搬送される基板Ｗに対して光を照射し、この反射光の色評価値を用いて中間コンタクト層の膜厚を計測することとしたので、干渉式膜厚計測装置等の専用の測定装置を用いることなく、容易に、基板Ｗの全面の膜厚計測を行うことが可能となる。この結果、製造ラインからラインアウトした基板からの試験片の切り出しを不要にでき、作業員の負担を軽減することができる。
また、この膜厚分布の計測結果に基づいて、スパッタリング装置により製膜形成された全数の中間コンタクト層の良否を判断し、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、必要に応じてスパッタリング装置の製膜条件などを調整することが可能となる。
またスパッタリング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。
なお、本実施形態においては、画素毎に膜厚を検出していたが、これに代えて、所定の領域ごとに平均膜厚を求めることとしてもよい。例えば、図５のステップＳＢ１において、２次元画像を所定の領域ごとに分割し、各領域におけるＲＧＢのデータ値の平均を算出し、その後は、この平均値を用いて処理を進めることにより、領域毎に平均膜厚を求めることとしてもよい。このように領域毎に膜厚を求めることにより、処理を軽減させることができる。
またスパッタリング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。
なお、本実施形態においては、画素毎に膜厚を検出していたが、これに代えて、所定の領域ごとに平均膜厚を求めることとしてもよい。例えば、図５のステップＳＢ１において、２次元画像を所定の領域ごとに分割し、各領域におけるＲＧＢのデータ値の平均を算出し、その後は、この平均値を用いて処理を進めることにより、領域毎に平均膜厚を求めることとしてもよい。このように領域毎に膜厚を求めることにより、処理を軽減させることができる。
更に、コンピュータ７が、上記膜厚計測処理において計測した画素毎または領域毎の膜厚に応じて、基板の不具合品判定を行うこととしてもよい。
例えば、コンピュータ７に、膜厚や膜厚分布の適正範囲を登録しておき、膜厚が適正範囲外である面積を求め、基板全体の面積に対する当該面積の割合が予め設定されている基準値を超えた場合や、膜厚分布が予め設定されている基準値を超えた場合に、不具合品であると判定し、その旨を表示装置８に表示することとしてもよい。
例えば、コンピュータ７に、膜厚や膜厚分布の適正範囲を登録しておき、膜厚が適正範囲外である面積を求め、基板全体の面積に対する当該面積の割合が予め設定されている基準値を超えた場合や、膜厚分布が予め設定されている基準値を超えた場合に、不具合品であると判定し、その旨を表示装置８に表示することとしてもよい。
〔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。本実施形態に係る膜厚計測装置は、上述した第１の実施形態に係る膜厚計測装置と略同じであるが、カメラ２とライン照明器３の配置が異なる。
以下、第１の実施形態に係る膜厚計測装置と異なる点について主に説明する。
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。本実施形態に係る膜厚計測装置は、上述した第１の実施形態に係る膜厚計測装置と略同じであるが、カメラ２とライン照明器３の配置が異なる。
以下、第１の実施形態に係る膜厚計測装置と異なる点について主に説明する。
本実施形態に係る膜厚計測装置は、図２において、例えば、基板Ｗに入射するライン照明光Ｌ１の入射角θ１が約０°近傍、基板Ｗにて反射されたライン反射光Ｌ２の反射角θ２が約０°から約９０°のいずれかの角度となるように、カメラ２およびライン照明器３の配置位置が設定されている。例えば、基板Ｗに入射するライン照明光Ｌ１の入射角θ１が約０°、基板Ｗにて反射されたライン反射光Ｌ２の反射角θ２が約４５°となるように、カメラ２およびライン照明器３の配置位置が設定されている。
このように配置することで、ライン照明器の位置調整、すなわち、照度分布調整が容易となる。
このように配置することで、ライン照明器の位置調整、すなわち、照度分布調整が容易となる。
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態に係る膜厚計測装置について説明する。本実施形態に係る膜厚計測装置は、上述した第１の実施形態に係る膜厚計測装置と略同じであるが、カメラ２とライン照明器３の配置が異なる。
以下、第１の実施形態に係る膜厚計測装置と異なる点について主に説明する。
次に、本発明の第３の実施形態に係る膜厚計測装置について説明する。本実施形態に係る膜厚計測装置は、上述した第１の実施形態に係る膜厚計測装置と略同じであるが、カメラ２とライン照明器３の配置が異なる。
以下、第１の実施形態に係る膜厚計測装置と異なる点について主に説明する。
本実施形態に係る膜厚計測装置は、図２において、例えば、基板Ｗに入射するライン照明光Ｌ１の入射角θ１と、基板Ｗにて反射されたライン反射光Ｌ２の反射角θ２とが略同一となるように、カメラ２およびライン照明器３の配置位置が設定されている。例えば、ライン照明光Ｌ１の入射角θ１は、約０°から約９０°のいずれかの角度に設定されている。一例としては、入射角θ１および反射角θ２が約１７°から約１８°のいずれかの角度に設定される。
このように配置することで、正反射光を受光することが可能となるので、光の受光レベルが高くなり、迷光等の外乱に強くなるという効果が得られる。
このように配置することで、正反射光を受光することが可能となるので、光の受光レベルが高くなり、迷光等の外乱に強くなるという効果が得られる。
なお、上述した各実施形態においては、膜厚計測装置により、タンデム型太陽電池の中間コンタクト層の膜厚を計測する場合を例に挙げて説明してきたが、これに限られず、例えば、薄膜型太陽電池、より具体的には、多接合型太陽電池に用いられる透明導電膜や透明光学膜の膜厚計測を行うことも可能である。例えば、トリプル型太陽電池の場合には、トップ光電変換層とミドル光電変換層の間、ミドル光電変換層とボトム光電変換層の間等に生成される中間コンタクト層等の膜厚計測に用いることが可能である。
また、裏面電極において、第二透明導電膜と金属電極膜で構成した場合に、この第二透明導電膜の膜厚計測に用いることが可能である。
なお、上述した薄膜太陽電池において、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、微結晶シリコン系や多結晶シリコン系も含まれる。
また、裏面電極において、第二透明導電膜と金属電極膜で構成した場合に、この第二透明導電膜の膜厚計測に用いることが可能である。
なお、上述した薄膜太陽電池において、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、微結晶シリコン系や多結晶シリコン系も含まれる。
更に、本発明の膜厚計測装置は、薄膜太陽電池の分野に限られることなく、液晶パネル、半導体デバイス等、透明導電膜や透明光学膜が利用される分野において幅広く適用することができる。この場合には、各製造工程において搬送される基板上に製膜された透明導電膜や透明光学膜に対して光を照射可能な位置に、上述したライン照明器３を配置し、この反射光をカメラ２にて受光することとすればよい。
１ 搬送コンベア
２ カメラ
３ ライン照明器
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
２ カメラ
３ ライン照明器
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 (7)
- 透明導電膜および透明光学膜の少なくともいずれか一方の膜厚計測が可能な膜厚計測方法であって、
製造ラインを搬送される基板上に製膜された透明導電膜または透明光学膜に膜面側から光を照射し、
前記透明導電膜または前記透明光学膜で反射された反射光を検出し、
検出した反射光の色評価値を計測し、
色評価値と膜厚とが関連付けられている膜厚特性を用いて、計測した前記色評価値に対応する膜厚を求める膜厚計測方法。 - 互いに異なる既知の膜厚を有する複数のサンプルについて、前記色評価値をそれぞれ計測し、計測した該色評価値と前記膜厚とを関連付けることにより前記膜厚特性を作成する請求項１に記載の膜厚計測方法。
- 透明導電膜および透明光学膜の少なくともいずれか一方の膜厚計測が可能な膜厚計測装置であって、
製造ラインを搬送される基板上に製膜された透明導電膜または透明光学膜に膜面側から光を照射する光照射手段と、
前記透明導電膜または前記透明光学膜で反射された反射光を検出する光検出手段と、
検出した反射光の色評価値を計測する色計測手段と、
色評価値と膜厚とが関連付けられている膜厚特性を用いて、計測した前記色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。 - 前記膜厚特性は、互いに異なる既知の膜厚を有する複数のサンプルについて、前記色評価値をそれぞれ計測し、計測した該色評価値と前記膜厚とを関連付けることにより作成される請求項３に記載の膜厚計測装置。
- 前記光照射手段が、薄膜デバイス製造ラインを搬送される薄膜デバイス用基板上に製膜された前記透明導電膜または前記透明光学膜に対して光を照射可能な位置に設置されている請求項３または請求項４に記載の膜厚計測装置。
- 請求項５に記載の膜厚計測装置を備える薄膜製造装置であって、薄膜形成状況を監視する薄膜デバイスの製造システム。
- 請求項５に記載の膜厚計測装置を用いて製造した薄膜デバイス装置。
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