JPS59168310A - 薄膜の厚みを測定する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般的には、改良光電池テバイスの製造装置
に係り、ニジ特定的には、基板にデポジットびｎた光起
電材料層の厚みを瞬時に測定するための方法及び装置に
係る。

本発明は、比較的薄い材料ノーの厚みを瞬時に測定する
ための方法及び装置に係る。本発明は特に、グロー放電
デポジションプロセスによる半＝Ｕｔ−デバイスの製造
に好適である。

グロー放電デポジションプロセスは、大気圧未満の圧力
で実施され、ｌａｉ類以上の反応性ガスがテポジション
テヤンバに導入され、交流エネルギ、直流イ場、マイク
ロ波エネルギ等の作用を受ける。

このエネルギ人力は（１ｍｍ以上の）反応ガスの分子全
励起し、テボジションチキンノ（内に配置さｎた基板上
に材料をデポジットさせる。グロー放電デポジションの
利点は、比較的高速低温で行なえること、及び、アモル
ファス半導体材料の製造に荷に利用し侍ることでるる。

本文中の６アモルファス”なる用語は長距離秩序を有す
る全ての合金又は材ｆ＋全麓味しており、短距離又は中
距離秩序をＭするものをも損金し、更に時には結晶性介
在＊を含有するものをも現金する。

近年、比較的広い領域をカバーし得且つｐ形及びｎ形材
料を形成丁べくドープし得るアモルファス半導体合金乞
デポジットせしめるシステムの開発に多大な努力が払わ
れてさた。これらｐ形及びｎ形材料は、作動面で結晶性
デノくイスと′５１！責的に等価であるｐｉｎ形デバイ
スを製造するためのものでるる。

現在ではグロー放電技術にニジアモルファスシリコン合
金全製造することが可能である。この合金）よ（１）谷
脳し得るエネルギギャップ内局在状態密度と（２）秀し
た′成子的性質と含有する。このような技術は、１９８
０年１０年子０月の５ｔａｎｆｏｒｄ　ｋＬ。

０ｖｓｈｉｎｓｋｙ　　及びＡｒｕｎ　Ｍａｄａｎ名義
米国特許第４、２２６．８９８号″Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ
　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓＥｑｕｉｖａｌｅｎｔ
　Ｔｏ　Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕ
ｃｔｏｒａ”＋　５ｔａｎｆｏｒｄＲ，０ｖｓｈｉｎｓ
ｋｙ、　Ｄａｎｌｄ　Ｄ、　Ａ１１ｒｅｄ、　Ｌｅｅ　
Ｗａｉｔｅｒ　及び５ｔｅｐｈｅｎ　Ｊ、　ｆ（ｕｄｇ
ｅｎ名義米国％許出ｗｉ第４２３，４２４号、及び、１
９８０年８月１２日付で５ｔａｎｆｏｒｄ　Ｒ。

０ｖｓｈｉｎｓ々及びＭａｓａｔｓｕｇｕ　Ｉｚｕに与
えられた第１のものと同一名称の米国特許第４．２１７
．３７４号に詳細にｄ己械さ扛ているこれらの特許に開
示さＣているように、アモルファスシリコン牛導体層内
に導入ざｎたフッ累はこｎら層内の局在状態督度を実質
的に減少させるべく作用して、ゲルマニウムの如き別の
せ金悼科の暁加を容易にする。

光′厄池デバイスの効率を向上させるのに多厘電７ｔＩ
２（ｍｕｌｔｉｐｌｏ　ｃａｌｌｓ　）　ｆ　１更用す
るという＃４想ｔ！ｊｉＫ１９５５年にはＥ、Ｄ、　Ｊ
ａｃｋａｏｎによって論じられていた。こｎは１９６０
年８．、！ｉ　６日付米国特許第２．９４９，４９８号
に開示さｎている。この時針で提案さｎた多重セル構造
はｐ　−ｎ接置結晶半導体デバイスを１更用するもので
めった。この構想の本質は太１−スペクトルの種々の部
分をエリ効果的に果めて開路電圧（Ｖｏｃ、　）を増大
させるべく、禎々のバンドギャップテバイス（ｂａｎｄ
　ｇａｐ　ｄｅｖｉｃｅｓ　）　’（１史用することに
ある。タンテム電池デバイスは２個以上の′＃Ｌ池を有
しており、光が各′電池を順次通過し、第一電池でバン
ドギャップの大きい林料が短波長のみを吸収し後続の電
池でバンドギャップの小さい材料が第ｌ電池を通過した
波長の長い光を吸収する。總開路電圧は谷１ｍ池の開路
電圧の相で／）ジｆｆｌ軸電流は゛夷寅的に一定に維持
されている。。

アルモファス光電池デバイスを大賞生産し得ることは宮
オＵ上厘袋な意味をもつ。大圏電池製造の場曾はバッチ
生産するしかない結晶シリコンと異な９、アモルファス
シリコン合金は面積の広い基板上に多層状にデポジット
され侍るため、太１−電池を連続的大量処理システムに
より生産できる。

この櫨の連続処理システムは、世］えば以ドの特許及び
％奸出顧に開示されている： 米国’Ｉｎ出、！１４１５１．３０１号、１９８０４Ｅ
５月１９日出ａ　、　”　Ｍｅｔｈｏｄ　Ｏｆ　Ｍａｋ
ｉｎｇ　）’−ＤｏｐｅｄＳｉｌｉｃｏｎ　Ｆｉｌｍｏ
　Ａｎｄ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　１Ｊａｄｅ　Ｔｈｅｒｅｆ
ｒｏｍ”；米国特許出願第２４４，３８６号、１９８１
年３月１６日出ｙｓ、″Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｓｙｓ
ｔｅｍｓ　ｆｏｒ　ＤｅｐｏｓｌｔｉｎｇＡｍｏｒｐｈ
ｏｕｓ　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｍａｔｅｒｉｍ
ｌ　”　；米し！１ｌｔＰ！ｊ許出願第２４０，４９３
号、１９８１年３月１６日出ＭＳ　＋　”　Ｃｏｎｔｌ
ｎｕｏｕｓ　Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ　５ｏｌａｒ　Ｃｅ１
ｌＰｒｏｄｕｃｔｌｏｎ　５ｙｓｔｅｎｒ”；米国特許
出願第３０６，１４６号、１９８１年９月２８日出ｙＪ
Ｕ　、　”　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｃｈａｍｈｅｒ　Ｄｅ
ｐｏｓｉｔｌｏｎ　ＡｎｄＩｓｏｌａｔｉｏｎ　Ｓｙｓ
ｔｅｍ　Ａｎｄ　ｉ■ｅｔｈｏｄ　”　ｅ米国待針出願
第３５９，８２５号、１９８２年３月１９Ｆ出願、′Ｍ
ｅｔｈｏｄ　Ａｎｄ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｆｏｒＣｏ
ｕｔｌｎｕｏｕｓｌｙ　Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ　：Ｉ″ａ
ｎｄｅｍ　Ａｍｏｒｐｌｒｏｕｓ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔ
ａｉｃＣｅｌｌｇ、　　” この棟の連続的処４システムでは、夫々％足の材料のデ
ポジションに１更用される一連のデポジションチャンバ
を基板が順次通過し得る。ｐ　−１−ｎ形構造の太閤電
池全製造する場合は、第１チヤンバ内でｐ形アモルファ
スシリコン合金ヲテポジットし、第２チヤンバ内で真性
アモルファスシリコン合金をデポジットし、第３チヤン
バでｎ形アモルファスシリコン片金ヲデポジットする。

デポジットした谷会金、時に真性会合は純度が高くなけ
；ｒｔばならないため、真性デボンションチャンバ内の
デポジションｍｂＭｋ他チャンバ内のドーピング成分か
ら噛龍して、該真びチャンバ内へのドーピング成分逆拡
赦（ｂａｃｋ　ｄｌｆｆｕｇｉｏｎ　）　？ｉ−防止す
る。王として光電池の製造に係る前述のシステムでは、
チャンバ間の噛喘がガスゲート（ｇａｓ　ｇａｔｅ）に
工ｐ夾現される。即らこのガスゲート全弁してガスが単
一方向に流さｎ且っ不活性ガスが基板材料ウェブの周ジ
に導入さｎるのである。

元１１１＃Ａデバイスに破過性−を光渾させるには、デ
ポジット半導体層の適正な厚みを正確に維持することが
必委である。所与のデポジットノーの厚みを慎直にモニ
タし構ＪΔ本の光起岨ｈピが蛙選になるように鯛螢しな
げればならない。また、汚染を防止し且つ４続デポジシ
ヨンプロセス（Ｉｌ−１，ＦＶＪＴシナくて隣む工うに
、層がデポジットした基板倉グロー放シデポジション装
置ｔのチャンバから取出丁こと無く測定を行なうのが望
互しい。従って、本発明の主たる目的は、真空デポジシ
ョン装−内で層の厚み（暎厚）？両瞳に測定するための
正確で迅速な非破壊的方法を提供することで必る。

現在、映ノｍｋ測だするための多数の方法及び装置が公
知であるが、そのいずれもが前記の要件を充足すること
かで＠ｌ工い。νりえぼ、マイクロメ−タ又はエレクト
ロスタインスの如＠憬械的デバイス全便用してデポジッ
ト層の厚みｔ測定することＶ工口」罷である。しかし乍
ら連続グロー放電デポジションシステム内のデポジット
層の厚みの測定にこの工つなデバイス？！−使用する機
会、膜厚の測定が必要になる毎にＡ空を破壊し層がデポ
ジットさｎた基板を測だのために取出丁必安がろる。こ
の７ｃの、システムと製品との汚染が生じ、連続製造プ
ロセスの遅扛が生じる。

チャンバ内で非接触式に行なわれるテボジットノーの厚
みのモニタ方法として水晶モニタを１更用する方法かめ
る。この装置Ｖま、ＡＣ’域界が印刀口さ扛ると既知周
波数で振動する石英の小結晶から成る。

材料が水晶にデポジットされるとこの低動の周波数が変
化する。コートさｎ、６基板の憶めて近傍に配直さ扛た
水晶の倣動に於ける変化を横比することに工って、水晶
に１ポジツトさｎ友材料の敵ｔｍｌ１足し侍、便ってデ
ポジット層の厚みを知ることができる。水晶モニタは信
頼性がめり同時に低コストであるが、モニタの出力が経
時的な奈動の変化として読取られるので、連続グロー放
電デポジションプロセスでの膜厚測定には適していない
。

また、基板が通る局部的鎖酸に於けるデポジションレー
トに関するｖｔ報だけを与えるので、層デポジット基板
上の所与の点での膜厚を瞬時に測定することはできない
。水晶モニタシステムの別の欠点は、水晶にデポジット
材料が堆積するので水晶の頻繁な洗浄及び交換が必要な
ことである。こｎりの理由から、膜厚の耽取りが瞬時に
正確に連続的に行なわ扛ることか厘安な光域池テバイス
の連続製造に於″いて水晶デボンションモニタの１史用
は適格でない。

１ＶＩａｒｔｉｎ　Ｌ、　Ｂａｋｅｒ等の米国特許出ｔ
ｇＢ第３，７７３．５４　ｓ号「光学特性のみによる破
膜のデポジットレートの％ニターカ法Ｎ１ＥＴ１４００
０Ｆ　ＬｖＩＯＮＩＴＯＲＩＮＧ　ＴＨＥＲＡ’ｒＥ　
　ＯＦ　　１）ＥＰＯＳＩＴＩＮＧ　　Ａ　　Ｃ０ＡＴ
’ＩＮＧ　　ＳＯＩ、ＥＥＬＹＢＹ　ＩＴＳ　ＵＰＴＩ
ＣＡＬ　ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ　Ｊは、水晶モニタに付
随する問題を解決するための方法を開示している。Ｂａ
ｋｅｒの発明は、デポジションレート全測足するために
、に全デポジションチャンバ内に配置さしｆＣ基準サン
プルを通る単色光ビーム中に生じる位相シフｌ利用して
いる。Ｂａｋｅｒの方法は、水晶モニタ法と同じく、基
板上の被膜の厚みを１区接測更しないでコートきれた基
板から取出された１点でのデポジションレートを測定し
、デポジションの時１ｉｊＪとレートに対する相関関係
に従ってａｇＮ−を測定する。このことたけで既にＢａ
ｋｅｒ法が、連続ナボジション７ステム即ち移動する基
板材料ウェブに被膜が２！！続的にデポジットさｎるシ
ステムでの１史用に適していないことは明らかである。

Ｂａｋｅｒシステムで行なわＧる測定は本質的に時間依
存性で必る。何故なら、基準の単色光ビームとデポジッ
ト材料層ｍ（ｉ−通過した同じ波長の測足早色元ビーム
との間の位相差が親祭されるからである。材料層の厚み
の壇゛加に伴８って位相シフトが変化し、こｎＫより、
２つのビームがｍ８したときの干渉パターンによって明
信号と暗１Ｍ号とが交互に発生する。これらの明信号と
暗信号との経時的な発生がデポジションレートをｆ４　
示ｊる。

従って、このレートとデポジションの実施時間とに基い
て膜厚を昇出し得る。しかし丁りこの方法を使用する機
会、膜厚の瞬時の測定は全く不可能である。ＩＰｆｉ局
、Ｂａｋｅｒ　ｉＣエリ開示ざｎた方法も、瞬時的でる
るか否かに関ゎり無く連続法デポジションシステムでの
膜厚測定に対する要８：２充足することに成功しなかっ
た。

Ｒｏｂｅｒｔ　Ｆ、　Ｅｄｇｅｒｔｏｎ　　の米国ｉｆ
ｆ出顔第２４４，３８７号「光学的ｒｘａｏｖ−ｍｓ方
法０ＰＴＩＣＡＬ　ＭｇＴｆ（ＯＯ８ＦＯＲＣＱＮｒＲ
ＯＬＬ、ＩＮＧ　ｉ、ＡＹｇＲ’Ｉ’ｔ（ＩｃＫｒＪｆ
ｆｓＳ　Ｊハ、連続システムに於ける層の厚みの調１ｆ
Ｊ装置を開示している。開示さｎた装置は、白色光干渉
に依住する光学的モニタシステムがら成る。このシステ
ムはデボジションテヤンバ内に自装置さ扛ており模写コ
ントロールに作ｍ９’ｌに接続されている。この装置が
テボジット層の厚みのモニタと調節とを行なうべく機能
する間に、デボジションテヤンバ内に配置された光学素
子はチャンバ内の苛酷な雰囲気とデポジション作用とに
よって急速に崩壊する。

更に、デボジションチオンバ内に光学素子が存在するこ
と及び照準線の設計が必要でめることによって、システ
ム設計の面で余計な制約が生じ、得らｎるシステムの火
用性が極めて限定さｎる。更に、汲数個のノーについて
各ノーの厚みを個々にモニタしなげｎはならないため、
谷チャンバ毎に個々にモニタシステム奮配儂する必要が
のり、このため貿用と＋間かかかる。

（以下余白） 従って、連続グロー放電デポジション装置の猿境内で機
能し、実質的に瞬時に膜厚の読取値を提示し、更に最小
のメンテナンスで長期間作動し得る膜厚のモニタ及びコ
ントロールを行なうシステムが要求されている。本発明
の装置及び方法はこのような要求に過ったものである。

本発明を使用すると、デポソット材料層の厚みを高精度
で瞬時に反復的に測定し得る。更に本発明装置はデポジ
ションシステム内の環境条件によって崩壊を生じない。

またデポジションの作用も’９−ケない。

本発明は、材料層の厚みを測定するために祠料層の前面
及び背面から夫々反射された光波の干渉を利用する本発
明方法とＢａｋｅｒ特許に記載の如き別の干渉測定方法
との違いは、本発明方法が多色反射光の波長に基いた分
析を利用していることである。別の干渉測定方法では膜
厚変化（即ちデポジションレート）を測定するために１
つの波長が使用され光の位相ズレの変化が検出される。

これらの方法を使用するためには、位相シフトを経時的
に検出するか又は干渉次数を確認する必要があシ、いず
れの場合にも膜厚ゼロの基準点が必要である。対照的に
本発明は広いスペノトル、即ち連続照明によシ生成され
る干渉ノ９クーンを利用しておシ、時間依存性でなく波
長依存性の方法である。

その結果、厚みゼロの出発点を基準として用いる必要無
く膜厚の瞬時読取りを行なうことが可能である。

白色光干渉の現象は、水に浮く薄い油膜に光が当るとき
に生じる多色・２ターンに基いて説明し得る。多色パタ
ーンが発生する原因は、反射光のスペクトル中に極値が
存在することである。即ち、薄い油層から反射された光
の中に最大反射率の波長（極太値）と最小反射率の波長
（極小値）とが存在することに由る。このパターンは特
に反射層の厚みに左右される。同様に、基板にデポジッ
トされた半導体層の如き適度に透明力材料に光が当たる
と、ビームの第１部分が拐料の第一面から反射され非反
射部分は材料内に入シその後材料の第二面から反射され
る。光の残シの非反射部分は基板に吸収されるか又は通
過する。２種類の反射ビームが結合し、強く反射される
波長を示す種々の極太値と弱く反射される波長を示す極
小値とがら成る干渉ノ々ターンを生じる。干渉パターン
、即ち、前記の極値の個数と位置とは、材料の光学的特
性に依存する。材料の光学的特性は、 （１）媒質中の光の位相速度に対する真空中の光の速度
の比として一般に文字ｎで示される屈折率と、 （２）複素数屈折率の虚数部の頁数であシ一般に文字に
で示される消衰係数と（消衰係数にと吸収係数αとの関
係は式に＝λα／４πで示される）、（３）真空中の光
の波長の単位と同じ単位で示される材料自体の層の厚み
と、 を含む。

拐料層から反射された光のスペクトル分布がわかると、
スペクトル中の極値の位置と個数とを検出し以下の公式
に代入することによって層の厚み（’Ｄ’）を容易に測
定し得る。

この公式は最初の２つの反射光ビームのみを利用してお
り、以後のビーム反射は考慮に入れない。

式中、 Ｎ　　　＝（１）　　波長λで計数０として出発し、（
２）波長λ２までの極値を計数し、 （３）２で除算して 得られた値。

ｎＯλ８一層の第１血と接触している媒質の波長Ｘでの
屈折率（入射媒質）。

”ＩＪｘ　＝被検材料層の波長Ｘでの屈折率。

ｎ２ユニ＝基板の波長Ｘでの屈折率。

ＫＩＪ！＝波長Ｘでの材料層の消衰係数。

Ｋ２λ８＝波長Ｘでの基板の消衰係数。

ρ１λ８＝入射媒質と被検層との界面から反射された波
長Ｘの光の位相シフト（ラジアン）。

ρ２λ８　＝材料層と基板との界面から反射された波長
ｘの光の位相シフト（ラジアン）。

更に、式中の位相シフトρの値は、以下の公式から測定
され得る。

前記の如く材料層の厚みが多波長干渉ノ４ターンから算
出され得ることが理解されよう。本発明は、この原理を
利用して、材料層の厚みの正確な瞬時測定値を与える。

従って、本発明は、グロー放電デポジション装置内でデ
ポジットされた光電池材料の層の厚みを瞬時に測定する
ための方法及び装置を提供する。

本発明で開示された材料層の厚みを瞬時に測定するだめ
の装置は、連続波長の光を供給し得る光源と被測定材料
層トの予選択場所に光を誘導しこの場所から光を反射せ
しむべく構成された第１部材とを含む。装置は更に、（
１）反射光を検出し出力信号を発生する分析手段と、（
２）羽村から反射された光を分析手段に伝送すべく構成
された第２の光誘導部材とを含む。

本発明に開示された方法によれば、光は光源から被測定
層の上の予選択場所に伝送される。層から反射された光
は分析手段に誘導され、分析手段は層の厚みと相関し得
る出力信号を発生する。

（以下余白ジ ■、光電池 第１図は全体が符号１０で示される光電池を示している
。この電池は複数の連続的ｐ−１−ｎ層で形成されてお
シ、好捷しい具体例では各層にアモルファス半導体合金
が含まれている。本発明の光学的厚みモニタ方法及び装
置は、一連の単離したデポジションチャンバ内で基板に
均一なアモルファス合金層を連続的にデポジットするこ
とによシこの種のデバイスを製造すべく開発されたもの
である。

よシ特定的に言えば、第１図は別個のｐ−１−ｎ形電池
１２ａ　、１２ｂ及び１２ｅから成る太陽電池の如きｐ
−１−ｎ形光電池デバイス１０を示している。最下部の
電池１２ａの下は基板であるが、該基板は透明であるか
又はステンレススチール。

アルミニウム、タンタル、モリブデンもしくはクロムの
如き金属材料製であってよい。用途によってはアモルフ
ァス材料に先立ち酸化物薄膜及び／又は一連のベースコ
ンタクト（ｂａｓ＠ｃｏｎｔａｃｔｓ）の付着を必要と
する場合もあるが、この用途を考慮して「基板」なる用
語は可撓性フィルムのみでなく、予処理によって添加さ
れたエレメント全てをも″含むものとする。

電池１２ａ　＋　１２ｂ　＋　１２ｅはいずれも、少く
とも一種類のシリコン合金を含むアモルファス合金ぜデ
ィから成っている。この合金ボディはいずれもｐ形伝導
性領域即ち層１６ａ、１６ｂ及び１６ｅと、真性領域即
ち層１８ａ、１８ｂ及び１８ｃと、ｎ形伝導性領域即ち
層２０ｍ　、２０ｂ及び２０ｃとを含んでいる。第１図
から明らかなように、電池１２ｂは中間電池であるが、
更に別の中間電池を図面に示されている電池の上に積み
重ねてもよく、このような構造も本発明の範囲内に含ま
れる。また、ここではｐ−１−ｎ形電池を示したが、本
発明の光学的厚みモニタ装置及び方法は単−又は多重ｎ
−１−ｐ電池を製造するべく構成されたデポジション装
置にも使用され得、また層の厚みを測定する必要があシ
かつ該層から光学的干渉縞が得られる他のあらゆる場合
にも使用され得る。

半導体層のデポジションに続き、更に別のデポジション
処理を別個の珈境下で又は連続工程の一部として実施し
得ることにも留意されたい・このステツブではＴ　ＣＯ
（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｏｒ
ｌｄｅ−”透明伝導性酸化物）層２２が付加される。

電池の面積が十分広い場合、又は該ＴＣＯ層２２の伝導
性が不十分な場合には、デバイスに電極グリッド２４を
付加してもよい。このグリッド２４はＴＣＯのキャリア
通路を短縮して伝導効率を高める機能を果たす。

■、多重形グロー放電デポジションチャンパ第２図は光
電池を連続的に製造するだめの多重チャンバ式グロー放
電デポジション装置の線図を示している。この装置は全
体が符号２６で示される。該装置２６は複数の単離した
デポジション用チャンバを備えておシ、これらチャンバ
はスイープガスと基板材料ウェブとを単一方向に通過さ
せるより構成されたがガスｒ−）によシ互に接続されて
いる。

この装置２６は、好ましい具体例では、連続的に送シ出
される基板材料１１の表面上に形成されたｐ−１−ｎ形
構造をもつ面積の広いアモルファス光電池を量産すべく
構成されている。

多重ｐ−１−ｎ層電池の製造に必要なアモルファス半導
体層をデポジットするために該装置、２６は３つのデポ
ジションチャンバから成るチャンバグループを少くとも
１組備えている。各チャンバグループは、通溝して行く
基板１１のｆｓ＝ジション面上にｐ形伝導性アモルファ
ス半導体層を一７″デジットするための第１デパ？ジシ
ヨンチヤンバ２８と、該基板１１の移動に伴い前記ｐ彫
金金層の上に真性アモルファス合金層を７″ポジツトす
るための第２デＩジシヨンチヤンバ３０と、該基板１１
の移動に伴い前記真性層の上にｎ形伝導性半導体層をデ
ポジットするための第３チヤンバ３２とで構成されてい
る。

勿論、（１）ここではデポジションチャンバグループを
１組しか示さなかったが、任意の数のアモルファスｐ−
１−ｎ形層をもつ光電池を製造する能力を機械に与える
べく、更に別のチャンバグループ又は更に別の個別チャ
ンバを該装置に加え得ることと、（２）本発明の厚みモ
ニタ方法及び装置がグロー放電、マイクロ波等を利用し
て半導体、光学コーティング、プラスチック等を取扱う
あらゆる種類のデポジション装置に使用され得ることと
、（３）基板繰シ出しコアＩｌａ及び基板巻取シコ７１
１ｂを夫々デデジションチャンパ内に示したのは説明の
便宜のためだけで、実際にはこれらコアがデポジション
チャンバと作動的に接続された別個のチャンバ内に収納
されることと、（４）ここに示したグロー放電はｒ、　
ｆ、電源をもつカソードを使用するが、他のグロー放電
技術、例えばマイクロ波周波数カソードを使用する技術
も本発明の範囲内で使用し得ることは明白であろう。

チャンバグループの各デポジションチャンバ２８．３０
及び３２はグロー放電によシ単−半導体材料を基板１１
上にデポジットせしめるよう構成される。

そのためデポジションチャンバ２８．３０及び３２はカ
ソード３４と、各カンード３４周囲に配置されたシール
ド３５と、これらカソード近傍区域にプロセスガス混合
気を導入するためのプロセスガス供給管３６と、交流発
電機のような電源３８と、未使用あるいは使用済プロセ
ス゛がス及びデポジットされなかったプラズマを除去す
るための排管４１と、横方甫に配置された複数の磁性素
子５０と、複数の輻射加熱素子４０と、真性デポジショ
ンチャンノ々３０を各ドーノ！ントチャンノＺ２８及び
３２に作動的に接続するガスｆ　−）　４２とを備えて
いる。更に、不活性スイープガス導管３７が、真性層デ
ポジションチャンノ々３０の対向する側部に配置されて
いる。

供給管３６は各デポジションチャンノマ毎にカソード３
４と基板１１との間に発生したプラズマ領域ニプロセス
ガス混合気を導入すべく各の対応力ンード３４と作動的
に接続されている。カソード３４はデポジションチャン
ノ々のカソード領域内にプラズマを実質的に閉じ込める
べく基板材料ウェブ１１と排管４１とに協働するよう構
成されている。

交流発電機３８はプラズマを形成すべくカソード３４、
輻射加熱素子４０及び接地基板１１と協働シて、デポジ
ションチャンノ々に導入されるプロセスガスをデージッ
トすべき種に解離する。

このようにして得られた種はその後基板底面にデポジッ
トされてアモルファス半導体層を形成する。基板１１は
、普通の状態で移動する時の垂れ下がシを回避すべくこ
れを上方に引きつける誘り１カを作用させる複数の磁性
素子列５０によ月１ぼ平らに維持される。

第１図の好ましい具体例を表わす光電池ｌＯを形成する
には、先ずチャソノ９２８内でｐ形アモルファスシリコ
ン半導体層を基板１１上ｒｒｚジツトＬ、次いでチャン
ノ（３０内でこのｐ形層上に真性アモルファスシリコン
半導体層をデポジットし、その後チャンバ３２内でこの
真性層上にｎ形アモルファスシリコン半導体層をデポジ
ットする。結果的に装ｆ２６は基板１１上に少なくとも
三つのアモルファスシリコン半導体層をデ列ビシットシ
、その際デポジションチャンノｆ３０内でデポジットさ
れる真性層は、ドーｉｅントあるいはドーピング種と称
される少なくとも１種類の元素を有しないため、チャン
バ２８及び３２内でデポジットされる層とは組成が異な
る。

第１図の光起電デバイス１０を構成する様々な層は、島
効率の光起ｚ−ｒ）ｑイス製造のためには厳密にコント
ロールされた厚みを有することが重要である。従って、
アノ１イス１０の製造の間に層の厚みを任意の地点で瞬
時に測定し得ることが必要である。

■、膜厚監視 第３図は・デポジション装置２６の隣接する２個のデポ
ジションチャン／ｆ３０及び３２と、光電池の連続製造
工程中に基板１１に堆積された半導体層の膜厚を監視す
るために使用される膜厚監視装置４７の動作素子の構成
と、を示す概略図であ、る。第３図のデポジションチャ
ンノ望３０及び３２は、ガスゲート４２を介して相互に
連結されている。図例の光源５２は、該光源５２からガ
スゲート４２中の通路５３に通じる光ファイ／１束５４
を介して基板１１の積層表面を照射する。本発明に使用
される光源は連続スペクトルを有しており、即ち光源か
ら照射される光は連続波長から構成される。光源は測定
すべき材料の光学特性に基づいて選択され、即ち材料に
過度に吸収されないような範囲の波長′（ｉ：有するよ
うに選択される。本発明の目的に特に適当な光源として
、タングステンランプあるいはキセノン放電管等が挙げ
、られる。また、スペクトルの紫外線部分または赤外線
部分を形成するために、炭素放電管、ネルンストラング
、ジューチリウムランプ、あるいは他の連続出力スペク
トルヲ有する光Ｉｎ用いることもできる。

本図の具体例は、積層基板１１からの反射光を処理し堆
積層の膜厚全表わす出力を生成する検光子５６を更に含
んでいる。検光子５６は本質的に分光光度計、即ち積層
基板１１からの反射光ビームを各波長成分に分散しこれ
らの波長の強さ全測定することの可能な装置、によ！ｌ
ｌ構成される。分光光度計は当業者に既知であシ、容易
に入手あるいは組み立てることができる。検光子の最も
基本的な構成は、プリズム、回町烙子、干渉計等の光分
散素子と、光電池、・フォトダイオード、フォトトラン
ジスタ、光電子増倍管等の光検出器と、から成る〇 本発明の場合、多重チャネル検光子が特に有効である。

多重チャネル検光子は容易に入手でき、入射光ビームを
ヌベクトル成分に分散し分散波長を複数の独立した光検
出器に投射し各光検出器に特定の波長捷たは波長群を測
定せしめる、プリズムまたは回イｑ格子等の光分散素子
から構成される。

多重チャネル検光子の機能は、標準型分光光度計に類似
している。多重チャネル検光子は複数の光検出器を使用
しているため、すぐれた特徴を備える。分散波長の強さ
はシリアルでなく／クラレルに測定されるので、リアル
タイムで同時に検出することが可能で６．？、換言する
なら、波長がシリアルに読み出される間の遅れを伴なう
ことなく特定のスペクトルの入力と同時に検出器から読
み出しを行なうことが可能である。

反射光は光ファイ・マ束５４によ多基板１１から検光子
５６に送られる。第３図は、（１）光源５２に連通して
おｐ基板１１の一部を照射する第一の光フアイバ部分５
４ａと、（２）反射光を検光子５６に送る第二の光フア
イバ部分５４ｂと、から構成される二分岐型光ファイバ
束５４を示している。

光路は、本発明装置を設置するシステムの設計に合わせ
て変更することができる。ある場合には２個の別個の元
ファイバ束を使用して光導波路を構成することが好１し
く、またある場合には光ファイバ束の一方または両方を
除去することが好ましい。本発明の範囲内であれば、デ
ポジションチャンバから検光子に反射光を送る手段とし
て各種の手段を用いることができる。例えば、デＩジン
ョンチャンバ内で膜厚測定中の材料のすぐ近傍に光源５
２を配置し、単一の元ファイバを用いて反射光を検光子
５６に送ることが好ましい。他方、レンズ、ミラー、光
導波管等の光学素子を用いてビームを送ることも可能で
らる。このような光学素子を使用するのけ、例えば、積
層基板１１が検光子に反射光を受容せしめるデポジショ
ン装置の透明窓層の近傍を通っているような場合である
。

第３図の具体例は、グロ′−放電堆積システム用の測定
システムを示しているが、この場合には光ファイバ束５
４（以下、被覆付きまたは被覆なしの１または複数の光
フアイバ材料束を「光ファイバ」と称する）を使用する
ことが最も好ましいと認められた。光ファイバを用いる
とガスｒ−）４２内の測定点から離れた位置に光源５２
と検光子５６とを配置することができるので、デポジシ
ョン装置２６のデポジションチャンバ内に測定素子を配
置する必要がない。更に、光ファイバ束５４を用いると
プラズマ環境により光湧５２または検光子５６に損傷が
加えられることもなくなる。

第４図は、複数チャンバ式グロー放電元電池製造用デポ
ジション装置２６のガスｅ−）４２における元ファイバ
束５４の配置例の詳細図である。

ガス？　−）　４２は、隣接するデポジションチャンバ
を連結し各デポジションチャン／々内の大気を実質的に
隔離しながらこれらのデポジションチャンバ間に基板１
１を通過せしめる細長い通路５３から構成される。第４
図中には、更にガスｆ−）４２と協働し基板１１のがス
グート４２通速時ニ該基板を案内せしめる２個のロー２
６０が示されている。ガスｒ−）は堆積が行なわれない
脱グラズマ領域であるので、通路５３は基板１１上の皮
膜の膜厚を最適に監視するように配置される。このよう
に脱プラズマ領域で測定すると、プラズマのグロー放電
による読出しの誤シや反応ガスの晩積による光学素子の
損傷が＋（１’ｌ止される。本具体例の光ファイバ束５
４は、ガスｒ−）４２の下部ブロック５９を貫通してお
多基板１１ががスグートの通路５３を通過する際に光フ
ァイバ束５４を基板１１の積層表面に連通せし゛めるア
ダプタ外被５８内にＭａされる。光ファイバ束５４とア
ダプタ外被５８とはエポキシ樹脂浸せき等の既知方法例
より真空密閉シールを施され得る。

第３図の装置は、以下に記載の使用方法に従って、基板
１１に堆積された光起電力材料層の膜厚を決定する。光
泥５２は励起されると光ファイバ束５４を介して基板１
１に堆積された半導体装置所定の部分を照射する。半導
体層の外側表面に当たった光の一部は反射して第一の反
射ビームを形成する。外側表面で反射しなかった光は半
導体層を通過し、半導体層／基板界面で反射して第二の
反射ビームを構成する。２個のビームの位相差は、層の
膜厚及び層の屈折率に比例する。このため、干渉縞が形
成される。公知の電磁理論に従うと、同位相の２個の電
磁波は相互に強めあって極大または明領域を形成し、位
相のずれた２個の電磁波は相殺しあい極小または暗領域
を形成する。仮に単色光で層を照射したとすると、明ま
たは暗状態の反射光が生成されよう。この反射光は時間
に依存し、層の膜厚を計算するために使用することがで
きる。しかしながら、層の膜厚を即時に決定することは
できない。従って、単色光の干渉縞に基づく方法は、膜
厚の即時読出しが必要な場合には本来適していない。他
方、本発明は複合干渉縞の形成可能な複数の波長からな
る光を使用しているので、即時膜厚決定に特に好適であ
る。

反射した干渉縞は光７アイパ束５４にょシ検光子５６に
伝送され、検光子において波長成分に分散され波長の強
さを測定さｎる。この分析の結果、各波長の極大点及び
極小点を示すスペクトログラム（第５図参照）が得らｎ
る。スペクトログラムは陰極線管上に表示さｎるか或い
はチャート記録器によりプロットされる。との極大点及
び極小点の位置が得られると、基板ｌｌ上の半導体層の
膜厚は上述の式から容易に計算さｆＬ得る。また、検光
器５６の出力をマイクロプロセッサ等に送シ、マイクロ
プロセッサでスペクトログラムを形成し層の膜厚を即時
計算させてもよい。更に、マイクロプロセッサにスペク
トログラムを処理させて、システムの光学的透過性によ
ル加えられた先部分を除去し正確な膜厚読出しを行うこ
とも可能である。製造工程中、マイクロプロセッサの出
力は、堆積パラメータを制御し所望の光学特性を有する
半導体）Ｗｉを均一に堆積すべく、閉鎖系の一部を構成
し得る。例えば、基板のデポジション装ｆｉｉ２６内移
送速度、カソード３４により生成される電力、デポジシ
ョンチャンバ中のガスの組成等の／４’ラメータは、出
力信号に対して調節され得る。

ステンレス鋼基板に堆積したアモルファスシリコンサン
プルからの反射光を本発明装置の検光子５６に伝播させ
、この出力を第５図のスペクトログラムに示した。図中
、縦軸は膜厚測定中の材料の反射率を示している。縦軸
の最上部の反射率は全反射材、原点の反射率ゼロは全吸
収材である。

横軸は４５０〜９５０ナノメータの範囲で波長を示して
いる。

第５図のスぜクトロダラムには、反射率の値が比較的大
きい複数の極大点６２と、反射率が比較的小さい複数の
極小点６４とが示さｎている。

屈折率に、吸光係数Ｋ及び位相ずれρは既述したように
既知である。また、Ｎはスペクトルの２波長間の極大点
または極小点の個数全数えることによシスペクトログラ
ムから容易に直接決定される。例えば極小点６５２ｎｍ
（６４ｍ）と極小点８２５ｎｍ（６４ｃ）とに対応する
波長間で測定を行う場合、と扛らの波長間の極大点６２
は２個、極小点６４は２個であるので、Ｎの値は２であ
る。

既知の変数と測定値Ｎとを膜厚の式に代入し、ステンレ
ス鋼基板上のアモルファスシリコン薄膜の′Ｍ厚を計算
すると６０６ナノメータが得らｎた。

得られた値を全多重ビーム分解よりダブルチェックした
結果、との膜厚の誤差は数パーセント以内であることが
認めらｎた。

上記具体例では検光子５６の出力をスペクトログラムで
示し、この図から半導体層の膜厚に計算したが、このよ
うなステップをとらず和、λ１　。

λ２の値を即時決定し膜厚方程式を解くように適宜プロ
グラムさｎたコンピュータに出力データ全伝送してもよ
い。こうすると、実質的に即時的な膜厚読出しが連続的
に得られる。

上記゛記載の多層型光電池の連続製造装置の場合、光学
式膜厚監視装置ｉ＃４７のような装置を各デポジション
チャンーパに連結して使用することが好ましい。こうし
て堆積中の半導体層の＃犀は連続的に監視及び制御され
得る。このために各７′ポジションチャンバ間に１個ず
り膜厚測定装置４７が使用される。また、経済性、ｆｌ
ｉ１度及び信頼性の点から見ると、中央膜厚監視ステー
ションを光ファイバ束によシ各堆積チャンバに作動可能
に連結し、中央膜厚監視ステーションが各デポジション
チャンバ内の層の膜厚を逐次的に測定するように光ファ
イバ束を逐次的に切換えることが好ましい。更に、基板
材料ローラの幅方向の複数の場所で同時に膜厚を測定す
ることにより、堆積中の層の膜厚特性を得ることも可能
でおる。

以上の具体例は、グロー放電式デポジション装置中で基
板に堆積された光起電力材料層の膜厚を即時測定すべく
構成さｎた方法及び装置に係るが、本発明は以上の記載
に限定されない。この方法及び装置は、測定輻射に対し
である程度透過性を有する何らかの材料層の膜厚を測定
するために容易に利用され得る。測定される材料層を特
定の方法によ多基板に堆積させる必要はなく、また必ず
しも層を基板に堆積させる必要はない。唯一の条件は、
測定される層が異なる屈折率の媒体に接触する２個の実
質的に平坦な平行な面を有するという点である。

本発明は上記記載に基づいて変形が可能である。

本発明は特許請求の範囲内で上記記載以外の実施方法が
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は半導体合金層を有する複数のｐｉｎ型セルから
構成さｎるタンデム型光電池の部分横断面図、第２図は
第１図の光電池の連続製造用複数チャンバ式グロー放電
デポジションシステムの概略説明図、第３図はガスｆ−
）’！に介して相互に動作可能に連結されておシ、本発
明の膜厚測定装置を配置された第２図のグロー放電堆積
システムの隣接する２個のチャンバを示した拡大概略説
明図、第４図は本発明の一具体例で使用される光フアイ
バー束の配置例を示す、第３図の４−４線におけるガス
ｒ−）の拡大横断面図、及び第５図は本発明装置の検光
子の出力例を示す図である。 １０・・・光電池、１１・・・基板、１２ａ〜１２ｃ・
・・ｐＩｎ形電池、２６・・・デポジション装置ｉ１．
２８゜３０．３２・・・デポジションチャンバ、３４・
・・カソード、３５・・・シールド、３６・・・プロセ
スガス供給管、３７・・・スイープ・ガス導管、３８・
・・交流発電機、４０・・・ふく耐加熱素子、４１・・
・排管、４２・・・ガスダート、５２・・・光源、５４
・・・光フアイバー束、５６・・・検光子、６０・・・
ローラ。 代理人野履士’ｆ’　　　　Ｆｊ　　　　　九図面の１
７１辺（内６に変更なし） 手続ネ市正書 昭和５９年３月父日 ２、発明の名称　　　薄膜の厚みを測定する方法及び装
置３、補正をづる壱 事件との関係　　特許出願人 名　称　　　　エナージー・コンバージョン・デバイレ
ス・インコーホレーテッド ４、代　理　人　　　東京都新宿区新宿１丁目１番１４
号　山田ビル７、補正の対象　　　願書中、出願人の代
表者の欄、図面及び委任状 ８、補正の内容 （１）　ＦＡ　病中、出願人の代表者を別紙の通り補充
する。 （ａ正式図面を別紙の通り補充する。 （内容に変更なし） （３）委任状及び同訳文を別紙の通り補充づる。 尚、同日（＝Ｊにて本願に関する優先権主張証明書差出
用を提出致しました。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）材料ノーの厚みを瞬時に測定する装置であって、 ａ、一連の波長の光音提供し得る光源；ｂ、光源からの
   光を測足さ扛るべき材料層上の予め選択された場所へ方
   向付ける第一の手段；Ｃ０材料層へと向けられた光の該
   層からの反射部分を横食し、出カイぎ号を発生する分析
   手段；及び ｄ、材料層からの反射光を分析手段へ方向付ける第二の
   手段 全含み、分析手段の出力信号は材料層の厚みと瞬時に相
   関され得ることを特徴とする測定装置。 （２）層かうの反射光が層のｌ！ＩＪ面から反射する第
   一のビーム並びに層の背面から反射する第二のビームを
   含み、第一のビームと第二のビームは結合して反射光に
   干渉縞パターンを生成することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の装置。 （３）分析手段が反射光を分散してその成分スペクトル
   とする手段を営むことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の装置。 （４）分析手段が少なくとも１個のホトデテクタを含む
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項にｄ己載の装置
   。 （５）　　ホトデテクタが光電池でめることを特徴とす
   る特許請求の範囲第４項にｍｌ載の装置。 （６）　　ホトデテクタがホトトランジスタでるること
   を！黴とする特許請求の範囲第４項にｄ己載の装装置。 （７）　　ホトデテクタが光電子増倍管でめることを特
   徴とする特許祠求の範囲第４項に記載の装置。 （８）分析手段が光学的多重チャネルアナライザでめる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項にｄ己載の装置
   。 Ｃ９）　　分析手段の出力が１反射光の強度を反射光の
   周波数と関係付けることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項にａ己載の装置。 四　光源からの光を層へ方向付ける第一の手段が光ファ
   イバを言むことを特徴とする特許請求の範囲第１項にｔ
   、ｆｌｌＥ械の装置。 Ｕｖ　層からの反射光をアナライザへ方向付ける第二の
   手段が光ファイバを含むことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の装置。 ０４　光源が可視波長を宮ひ一連の波長全提供すること
   全特徴とする％許副求の範囲第１項に記載の装ば。 −−運の波長が赤外波長を言むことｔ特徴とする特許請
   求の範囲第１２項に＝１載の装置。 Ｉ　−迫の波長が紫外波長を含むことを％漱とする特許
   請求の範間第工３狽に日己載の装置。 ｕ５　４絖デポジツトシステム内で基板上にテボジット
   さｎる光起祇材料層の厚みを桝時に測定する装置でめっ
   て、 ａ、一連のＶ長の光音提供し得る光Ｗ；ｂ、光源からの
   光を測定されるべき材料層上の予め選択后ｎｙｃ嶺所へ
   方向付ける第一の手段；Ｃ０材料層へと向けられた光の
   該層からの反射部分を倹食し、出力匍号紫晃生する分析
   手段：及び ｄ、材料層からの反射光を分析手段へ方向付ける第二の
   手段 を旨み、分析手段の出力１ｄ号は材料層の厚みと瞬時に
   相関さ２’Ｌ得ることｔ待畝とする測友装置。 Ｇｌ　　光を方向付ける第−及び第二の手段が元ファイ
   バを言むことを特徴とする特許Ｈ〜求の範囲第１５項ｆ
   Ｃｄ己載の装を直。 μη　連続デボンットシステムが越前手段によって作業
   上有効に相互接続さ扛た慎数個のデポジションチャンバ
   を言み、元ファイバは剖紀迩前手段内部に作業上有効に
   配直さ扛ることヲ１＋！ｊ敵とする％許請求の軛１ｆｆ
   ｌ第１６項に記載の装置。 ０砂　分析手段が反射光を分散してその成分スペクトル
   とする手段を官むことを特徴とする特許請求の範囲第１
   ５項に記載の装置。 四　分析手段が少なくとも１個のホトデテクタを含むこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１５項に記載の装置。 （至）　ホトデテクタが光電池であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１９項に記載の装置。 しυ　ホトデテクタがホトトランジスタでるることを特
   徴とする特許請求の範囲第１９項にｄ己載の装置。 １２１　　ホトデテクタが光電子増倍管であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１９項に記載の装置。 −分析手段が光学的多重チャネルアナライザであること
   を％値とする％ｎ＝求の範囲第１９項に記載の装置。 Ｃ２４分析手段の出方が反射光の頻度全反射光の周波数
   と関係付けることｔ％徴とする待Ｍ請求の軛ｖ５第１９
   項にｄ己械の装置！ に）光源がｏＴ視波長を宮む一連の波長を提供すること
   を％献とする特許請求の範囲第１９項Ｋｉｔ己載の装置
   。 （ト）　一連の波ぢが赤外波長を官ひこ、とを特徴とす
   る特許請求の範囲第２５項に記載の装置１０ａの　一連
   の波長が紫外波長を含むことを特徴とする特許＝Ｓ求の
   範囲第２５項にｄ己載の装置。 嬶　材料層の厚みを瞬時に測定するカ法であって、 ａ、一連の波長の光を発し侍る光源を用意するステップ
   ： ｂ、光源からの元と測定ぢｎるべき材料層上の予め培択
   された＠坊へ方間付けるステップ：Ｃ・　材料層へと向
   けらｎた元の該層がらの反射部分をアナライザへ方向付
   ｆｆるステップ；ｄ１反射元をアナライザによって分析
   し、その際材＃＋層の厚みと一時に相関さｎ侍る出力信
   号が発生δするステップ：及び ｅ、アナライザの出力信号から層の厚み′ｆｒ、計算す
   るステップ を含むことを％敵とする測定力法。 （２）　アナライザの出力信号が反射光の強度を反射光
   の波長と関係付けることを特徴とする特許請求の範囲第
   ２８項に記載の方法。 （至）ノーの厚みｋＲ８するステップがアナライザの出
   力信号の所与の部分におけるｇ１度極小点の数及び波長
   を測定するステップを言むことｔ時畝とする特許請求の
   範囲Ｍ２９項に記載の方法。 ６υ　ノーの厚みを針其するステップがアナライザの出
   刃信号のＦｆｒ与の１１１分にυける強度極大点の畝及
   び波艮？！−測足するステップを含むことを特徴とする
   特許請求の軸Ｖ５第２９項に記載の方法。 １３擾　　層からの反射光が層の前面から反射する第一
   のビーム並びに層の背面から反射する第二のビームを會
   み、第一のビームと第二のビームは結合して反射光に干
   渉縞パメーンを生成することを特徴とする特許−求の範
   囲第２８項に記載の方法。