JP6419369B1 - シリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層判別方法と判別装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン結晶型太陽電池ウェハー製造時に形成される拡散層の有無を正確に判別する方法と装置を提供する。【解決手段】判別方法は、４探針プローブの４探針を試料の拡散層に接触させて拡散層のシート抵抗を測定し、４探針のうちの２探針を試料の拡散層に切替えて接触させ、その２探針間の探針間抵抗を２探針法により測定し、両測定抵抗値に基づいて拡散層が形成されているか否かを判別する。判別装置は、４探針と２探針に切替え可能な切替ユニット、プローブ駆動機構、抵抗測定ユニット、測定ステージ駆動機構及び制御／データ処理ユニットを備える。抵抗測定ユニットは試料に接触させた４探針プローブの４探針によりシート抵抗を測定可能であり、試料に接触させた４探針プローブの２探針により探針間抵抗を測定可能で、制御／データ処理ユニットは駆動機構や他の機構の制御、測定した両抵抗値に基づく拡散層の有無の判別を行うことができる。【選択図】図１

Description

本発明はシリコン結晶型太陽電池のシリコンウェハーの抵抗を測定することにより、シリコンウェハーの製造時にその表面に形成する拡散層の有無を判別する拡散層判別方法と判別装置に関する。

シリコン結晶（単結晶、多結晶）型太陽電池のシリコンウェハーの製造工程では、光起電力を発生するＰＮ接合の形成のためシリコンウェハーの表面に高濃度の不純物拡散により拡散層を形成する（図２）。拡散層の品質評価、管理のための測定評価技術として４探針法によるシート抵抗の測定方法が多く用いられているがシート抵抗の測定では拡散層の有無の判別ができない。

４探針法による測定は、等間隔に配列された４探針の外側２探針から試料に電流を印加し、内側２探針間の電位差を測定し、測定値を補正計算してシート抵抗、抵抗率を算出する測定方法である。このとき測定される試料のシート抵抗、抵抗率、厚さの関係を次式に示す。

シリコン結晶型太陽電池の製造工程における単結晶または多結晶のベアウェハー（拡散層形成前のウェハー）と、拡散層のシート抵抗・抵抗率・厚さの例を表１に示す。

４探針法によるシート抵抗測定の原理図と等価回路を図４、図５に示す。４探針法によるシート抵抗測定では、図５の等価回路に示すように探針と試料間の接触抵抗（ｒ_Ｃ１、ｒ_ｃ２、ｒ_Ｃ３、ｒ_ｃ４）の影響を除外して測定が行われる。しかし、シリコンウェハーの表面に形成される拡散層のシート抵抗値は、拡散層形成前のウェハー自身のシート抵抗値の範囲とは表１のように重なることが多いため、４探針法によるシート抵抗測定でのシート抵抗値だけではシリコンウェハーの表面に拡散層が形成されているかどうかの判別ができない。このため、４探針法によるシート抵抗測定のみでは、拡散層が形成されていないウェハーが次工程に混入する（誤混入）の可能性を防ぐことはできない。

シリコンウェハーのシート抵抗や抵抗率を測定する方法として２探針法がある（特許文献１、２）。しかし、特許文献１は広がり抵抗測定により抵抗率（不純物濃度）を測定できるようにした方法であり、特許文献２はＰＮ接合の光起電力を利用したシート抵抗測定方法であり、いずれも、シリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層の抵抗を測定して拡散層の有無を判別する方法ではない。

米国特許第３，６２８，１３７号公報 特公平７−３２１８５号公報

本発明の課題は、シリコン結晶型太陽電池ウェハーに拡散層が形成されているか否かを判別する拡散層判別方法と判別装置を提供することにある。

本発明のシリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層判別方法は、４探針プローブの４探針を試料に接触させて拡散層のシート抵抗を測定し、４探針プローブの４探針のうちの２探針を試料の拡散層に切替え接触させて、２探針法により２探針間の抵抗（探針間抵抗）を測定し、前記両測定抵抗値に基づいて拡散層が形成されているか否かを判別する方法である。本発明のシリコン結晶型太陽電池のシリコンウェハーの拡散層判別方法は、４探針プローブの２探針又は２探針プローブの２探針を試料に接触させて２探針法により２探針間の探針間抵抗を測定し、その測定抵抗値に基づいて拡散層が形成されているか否かを判別する方法であってもよい。

本発明のシリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層の判別装置は、４探針プローブと、抵抗測定判別ユニットと、試料に接触させる探針を４探針と２探針に切替え可能な切替ユニットと、制御／データ処理ユニットと、測定ステージ駆動機構を備えたものである。抵抗測定判別ユニットは前記４探針を試料に接触させて測定したシート抵抗と、２探針を試料に接触させて測定した探針間抵抗値に基づいて拡散層の有無の判別を行うことができるようにしたものである。制御／データ処理ユニットは前記プローブの切替えとか測定ステージ駆動等を制御でき、測定データの処理が可能なものである。測定ステージ駆動機構は制御／データ処理ユニットにより制御されて測定ステージを駆動させるものである。本発明の判別装置は手動操作も可能であり、その場合は、前記した制御／データ処理ユニット、測定ステージ駆動機構は省略することもできる。前記判別装置は４探針プローブを４探針と２探針に切替えて４探針測定と２探針測定の双方を行うことができるようにしたものであるが、本発明の判別装置では４探針プローブを２探針プローブに代えることもできる。この場合は、前記切替ユニットは不要である。

本発明のシリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層判別方法は次のような効果がある。
（１）４探針プローブのうちの４探針法によるシート抵抗測定値と、２探針による探針間抵抗測定値との双方により拡散層の有無の判別を行うので、拡散層の有無を正確に判別でき、拡散層の形成されていないベアウェハーが次工程に混入されるのを防ぐことができる。
（２）４探針プローブを使用した場合は、試料の多点位置における拡散層の判別を容易にかつ迅速に行うことができる。
（３）２探針法による探針間抵抗測定値のみに基づいて拡散層の有無の判別を行う場合も、ベアウェハーの抵抗値と重ならない探針間抵抗値のみを測定することができるので、拡散層の有無を正確に判別でき、拡散層の形成されていないベアウェハーが次工程に混入されるのを防ぐことができる。

本発明のシリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層判別装置は次のような効果がある。
（１）４探針プローブと、４探針プローブを４探針と２探針とに切替え可能な切替ユニットを備えているので、一つの４探針プローブで４探針法によるシート抵抗測定と、２探針法による探針間抵抗測定の双方を行って、拡散層の有無を正確に判別することができる。
（２）２探針で探針間抵抗を測定できるので、ベアウェハーの抵抗値と重ならない探針間抵抗値のみを測定して、拡散層の有無を正確に判別することができる。
（３）切替ユニットと、制御／データ処理ユニットと、測定ステージ駆動機構をも設けた場合は、試料を測定ステージにセットして、測定装置をスタートさせれば、拡散層の判定を全自動で行うことができる。

太陽電池ウェハーの拡散層測定判別とシート抵抗測定装置の構成例の説明図。 シリコン結晶型太陽電池のベアウェハー（不純物拡散前）と拡散ウェハー（不純物拡散後）の説明図。 シリコン結晶型太陽電池の拡散層とベアウェハーのシート抵抗分布説明図。 ４探針法によるシート抵抗測定原理図。 図４の等価回路。 ２探針法による抵抗測定原理図。 図６の等価回路。 ショットキー障壁ダイオード等価回路。 試料と探針の接触抵抗の説明図。 ２探針法による探針間抵抗とシート抵抗の説明図。 ２探針法による探針間抵抗の分布説明図。 ４探針法により測定されたシート抵抗分布図。 ２探針法により測定された探針間抵抗分布図。

（拡散層判別方法の実施形態１）
シリコン結晶型太陽電池のベアウェハーと拡散ウェハーの構成は図２のとおりである。通常、シリコン結晶型太陽電池の拡散層とベアウェハーのシート抵抗分布は図３のようになっている。

本発明のシリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層判別方法の一例を以下に説明する。この判別方法は、シリコン結晶型太陽電池ウェハー（拡散層形成済みのウェハー）の試料の表面に４探針プローブの４探針を接触させて、４探針法により試料の拡散層のシート抵抗を測定する。４探針法のシート抵抗測定の原理は図４のようになり、その等価回路は図５のようになる。前記４探針プローブのうちの２探針に切替え、その２探針を試料に接触させて探針間抵抗（接触抵抗を含む）を測定する。２探針法による探針間抵抗測定の原理は図６のようになり、その等価回路は図７のようになる。前記のように測定したシート抵抗値と探針間抵抗値に基づいて、拡散層の有無を判別する。

２探針法による探針間抵抗測定では、探針と試料がオーミック接触の状態では図７の等価回路に示すように接触抵抗（Ｒ_Ｃ１、Ｒ_Ｃ２）と２探針間の試料の抵抗（Ｒ_１２）が加算された抵抗値になる。金属と半導体材料の接触では通常、図８の等価回路に示すようにショットキー障壁によるダイオード特性が生じ高抵抗となる。シリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層は高不純物濃度で形成されており、この条件ではオーミック接触が得られる。探針と試料間のオーミック接触が得られた条件での２探針法による探針間抵抗の測定値（Ｒ_２）は、２探針の接触抵抗がほぼ等しいと仮定すれば次式で表すことができる。

オーミック接触状態の探針と試料間の接触抵抗（Ｒ_ｃ）は、図９に示すように探針と試料の接触直径（Ｄ）、試料の抵抗率（ρ）により次式で計算される。

探針と試料の接触が直径１０μｍ（０．００１ｃｍ）とすると

オーミック接触状態の２探針間の試料の抵抗（試料間抵抗：Ｒ_１２）は、図１０に示すように探針と試料の接触直径（Ｄ）、探針間隔（Ｓ）試料のシート抵抗（ρ_ｓ）、シート抵抗補正係数（Ｆ）により次式で計算される。

２探針間の試料の抵抗とシート抵抗補正係数（Ｆ）は、次式により計算される。

探針と試料の接触が直径１０μｍ（０．００１ｃｍ）、探針間隔が３ｍｍ（０．３ｃｍ）とすると

シリコン結晶型太陽電池の製造工程における拡散層とベアウェハーのシート抵抗、抵抗率・厚さの例（表１）により計算した２探針法による抵抗Ｒ_２の値を表２に示す。

２探針法による測定抵抗Ｒ_２の計算結果と表２をもとに作成した分布図を図１１に示す。この分布図は、シリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層とベアウェハーとの判別が可能であることを示している。

シリコン結晶型太陽電池のウェハー（試料）を４探針法で測定したシート抵抗と、２探針法で測定した探針間抵抗の例を表３に示す。

シリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層とベアウェハーの測定例の表３を、分布図として作成すると図１２、図１３の分布になる。図１２は４探針法測定シート抵抗分布図（測定例）、図１３は２探針法測定抵抗分布図（測定例）である。図１２、図１３から明らかなように、４探針法のシート抵抗測定では拡散層とベアウェハーの判別ができないが、２探針法では確実に判別することができる。

前記実施形態では、４探針法による測定と２探針法による測定のいずれが先であってもよい。

（拡散層判別方法の実施形態２）
本発明のシリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層判別方法の他例を以下に説明する。この判別方法は、２探針を試料に接触させて２探針法により２探針間の探針間抵抗を測定し、その測定抵抗値に基づいて拡散層が形成されているか否かを判別する方法である。この場合、２探針プローブを使用することができるが、４探針プローブのうちの２探針を使用して、探針間抵抗を測定することもできる。２探針法による測定抵抗は表２のようになるため、ベアウェハーとの判別が可能である。

（拡散層判別装置の実施形態１）
本発明のシリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層判別装置の一例を図１に基づいて説明する。図１の抵抗測定装置は、試料１を載せる測定ステージ３、測定ステージ駆動機構５、４探針プローブ２、プローブ駆動機構４、４探針／２探針切替ユニット６、抵抗測定ユニット７、制御／データ処理ユニット８を備えている。４探針プローブには汎用の４探針プローブを、プローブ駆動機構には汎用のプローブ駆動機構を使用することができる。

図1の判別装置は、次のように使用して抵抗測定することができる。
１．測定ステージ３の上に試料１を載せる。
２．４探針プローブ２をプローブ駆動機構４により、測定ステージ３を測定ステージ駆動機構５により駆動して、４探針プローブ２の探針を試料１の拡散層の測定位置に押し付けて接触させる。この場合、試料１の拡散層のシート抵抗を測定する場合は、４探針／２探針切替ユニット６により４探針プローブ２の４探針を選択して試料１に接触させ、試料１の探針間抵抗を測定する場合は、４探針／２探針切替ユニット６により４探針プローブ２のうちの２探針を選択して試料１に接触させる。接触させた探針は４探針／２探針切替ユニット６を経由して抵抗測定ユニット７に接続される。
３．４探針を試料１に接触させたときは拡散層のシート抵抗が抵抗測定ユニット７により測定され、２探針を試料１に接触させたときは拡散層の探針間抵抗が抵抗測定ユニット７により測定される。
４．測定ステージ３、プローブ駆動機構４、測定ステージ駆動機構５、４探針／２探針切替ユニット６、抵抗測定ユニット７の動作の制御及び測定結果による拡散層の判別、シート抵抗補正計算などのデータ処理等は制御／データ処理ユニット８により実行される。このデータ処理は前記した抵抗測定方法に記載した方法に則して実行される。

（拡散層判別装置の実施形態２）
本発明のシリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層判別装置の実施形態２は、基本的には図１の判別装置と同じであるが、４探針プローブを２探針プローブとした場合である。この場合、図１の４探針／２探針切替ユニット６は不要である。この判別装置では２探針プローブの２探針を試料に接触させて、抵抗測定ユニット７により両探針間の探針間抵抗を測定し、その測定値を制御／データ処理ユニット８により処理して、拡散層の有無を判別することになる。この場合使用するのは２探針であるが、プローブとしては４探針プローブを用意してもよく、その４探針のうちの２探針のみを使用して抵抗測定するようにしてもよい。

図１の測定装置によれば、測定ステージ３に試料１をセットして測定装置をスタートさせると、測定ステージ駆動機構５による測定ステージ３の駆動、４探針／２探針切替ユニット６による４探針／２探針切替え、抵抗測定ユニット７での４探針法による抵抗測定と２探針法による抵抗測定、制御／データ処理ユニット８による測定データの処理等を全自動で行うことができるが、本発明では手動操作とすることもできる。その場合は、全自動測定に必要な測定ステージ駆動機構５や他の機構等を制御する制御システムはなくてもよい。

前記実施形態は本発明の一例に過ぎない。本発明の課題を達成可能であれば、判別方法も判別装置も前記以外の方法、構成とすることができる。

１ 試料
２ ４探針プローブ
３ 測定ステージ
４ プローブ駆動機構
５ 測定ステージ駆動機構
６ ４探針／２探針切替ユニット
７ 抵抗測定ユニット
８ 制御／データ処理ユニット

Claims (4)

1. シリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層判別方法において、
   前記拡散層は、前記ウェハーの表面において、前記ウェハーと逆導電型の高不純物濃度で形成されており、探針とオーミック接触が得られ、
   ４探針プローブの４探針を試料の拡散層に接触させて拡散層のシート抵抗を測定し、
   前記４探針プローブの４探針のうちの２探針を試料の拡散層に切替えて接触させ、その２探針間の探針間抵抗を２探針法により測定し、前記両測定抵抗値に基づいて拡散層が形成されているか否かを、前記拡散層が形成されている場合と前記拡散層が形成されていない場合とで、前記２探針間の探針間抵抗が重ならないことを利用して、判別する、
   ことを特徴とするシリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層判別方法。
2. シリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層判別方法において、
   前記拡散層は、前記ウェハーの表面において、前記ウェハーと逆導電型の高不純物濃度で形成されており、探針とオーミック接触が得られ、
   ４探針プローブの２探針又は２探針プローブの２探針を試料の拡散層に接触させて、２探針間の探針間抵抗を２探針法により測定し、その測定抵抗値に基づいて拡散層が形成されているか否かを、前記拡散層が形成されている場合と前記拡散層が形成されていない場合とで、前記２探針間の探針間抵抗が重ならないことを利用して、判別する、
   ことを特徴とするシリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層判別方法。
3. シリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層の有無の判別に使用できる判別装置であり、
   前記拡散層は、前記ウェハーの表面において、前記ウェハーと逆導電型の高不純物濃度で形成されており、探針とオーミック接触が得られ、
   ４探針プローブと、４探針プローブの４探針のうち試料の拡散層に接触させる探針を４探針と２探針に切替え可能な切替ユニットと、プローブ駆動機構と、抵抗測定ユニットと、測定ステージ駆動機構と、制御／データ処理ユニットを備え、
   抵抗測定ユニットは試料の拡散層に接触させた４探針プローブの４探針によりシート抵抗を測定可能であり、試料の拡散層に接触させた４探針プローブの２探針により探針間抵抗を測定可能であり、
   制御／データ処理ユニットは駆動機構や他の機構の制御、測定した両抵抗値に基づく拡散層の有無の判別を、前記拡散層が形成されている場合と前記拡散層が形成されていない場合とで、前記２探針間の探針間抵抗が重ならないことを利用して、行うことができる、
   ことを特徴とするシリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層判別装置。
4. シリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層の有無の判別に使用できる判別装置であり、
   前記拡散層は、前記ウェハーの表面において、前記ウェハーと逆導電型の高不純物濃度で形成されており、探針とオーミック接触が得られ、
   ４探針プローブ又は２探針プローブと、プローブ駆動機構と、抵抗測定ユニットと、制御／データ処理ユニットを備え、
   抵抗測定ユニットは試料の拡散層に接触させた、４探針プローブの２探針又は２探針プローブの２探針により探針間抵抗を測定可能であり、
   制御／データ処理ユニットは駆動機構や他の機構の制御、測定した探針間抵抗値に基づく拡散層の有無の判別を、前記拡散層が形成されている場合と前記拡散層が形成されていない場合とで、前記２探針間の探針間抵抗が重ならないことを利用して、行うことができる、
   ことを特徴とするシリコン結晶型太陽電池ウェハーの拡散層判別装置。