(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェーファの形式の半導体基板（５，６，７）の向かい合わせの主面上に、電気伝導体（２，３，８）を配置することによって実質的に形成された光起電性素子（１）内の、半導体材料内の微小なクラック、半導体材料の中に過度に深く伸びた電気伝導体、半導体材料の汚染又は半導体ウェーファのエッジを介して発生する半導体ウェーファの２つの主面上の導体間の短絡を製造エラーとして検出する装置であって、
前記半導体基板の第１の主面に電気的に接触すると共に、前記半導体基板に対して移動可能な少なくとも１つの第１の電極（２３）と、前記半導体基板の第２の主面上の導体（８）と電気的に接触して配置される第２の電極（３１）と、前記半導体基板の向かい合わせの主面上の電気伝導体（２，３，８）に対するバイアスを調整する調整手段（２７）と、を備えた装置において、
前記第１の主面上の前記第１の電極（２３）を相互に直交する２つの方向に移動させるための駆動ユニット（２４）と、前記第１の主面上における前記第１の電極（２３）の位置に応じて変化する、少なくとも１つの第１の電極（２３）及び第２の電極（３１）の間の電圧を測定する電圧測定手段（２５）と、を含むことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記第１の主面が、入射光を受けるように構成されており、前記第１の主面の少なくとも一部を照明する照明手段（３６）を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
電気伝導体（２）が互いに平行に延びている前記第１の主面上において、光起電性素子（１）内の前記製造エラーを検出する装置であって、前記照明手段（３６）が、光点（３２）を投影するように構成された装置において、前記光点（３２）が２つの平行な電気伝導体（２）間の距離よりも大きい直径を有すること、を特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記照明手段（３６）が、４ｍｍの直径の光点を前記第１の主面上に投影するように構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の装置。
【請求項５】
前記バイアスがゼロの値を有し、前記調整手段（２７）が、前記半導体基板の前記向かい合わせの主面上の前記電気伝導体（３，８）を短絡させる短絡手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の電極が、前記半導体基板に対して直交する方向に向けられ、かつ、接触ポイントを備えたニードルを含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記接触ポイントの直径が、前記第１の主面上の前記電気伝導体（２）の最小寸法よりも小さいことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記ニードル（２３）が、銅−ベリリウム合金から製造されることを特徴とする請求項６又は７に記載の装置。
【請求項９】
前記ニードル（２３）が、タングステンから製造されることを特徴とする請求項６又は７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ウェーファの形式の半導体基板の向かい合わせの主面上に、電気的な電荷担体を搬送する電気伝導体を配置することによって実質的に形成された光起電性素子内の製造エラーを局所化（localize）するための装置に関する。この装置は、基板の第１の主面と電気的に接触すると共にこの半導体基板に対して置き換え可能な少なくとも１つの第１の電極と、第２の主面上の導体と電気的に接触して配置される第２の電極と、半導体基板の主面上の向かい合わせの電気的導体に対してバイアスを調整する調整手段とを備えている。
【０００２】
そのような光起電性素子の一般に周知の例は、導電率の異なる種類の半導体シリコンの層から組み立てられる結晶シリコンの太陽電池である。この太陽電池では、銀含量が多い材料の金属被覆パターンが、スクリーンプリンティング技術を用いて、入射太陽光を受ける側（前面若しくは表面）に設けられ、その反対側（後面若しくは背面）は、例えば、アルミニウムの導電層（いわゆる背面金属被覆）によって全面的にカバーされている。この金属被覆パターンは、例えば、比較的細いライン（いわゆるフィンガ）のシステムと、それに接続された比較的広いライン（いわゆるバスバー）のシステムとから構成されている。製造時には、製造エラーは、例えば、フィンガの中、フィンガの間、バスバーの間又は一方の背面の金属被覆と他方の半導体材料との間の接触領域の中、又は半導体材料それ自体の中などの、そのような光起電性素子内の種々の場所で発生する可能性がある。これらの製造エラーにより、結果として光起電性素子の効率が減少する。製造エラーが系統的（systematically）に発生する場合には、このことは、勿論、生産時に大きな無駄をもたらし、結果的にコストが高くなる。
米国特許出願第４，４６４，８２３号では、半導体基板の上側の少なくとも１つの半導体領域とこの少なくとも１つの半導体領域の上側の導電性の光透過材料とを含む種類の光起電性ディバイスを貫通する短絡経路を検出及び除去するシステム及び方法が説明されている。開示されている装置は、太陽電池の第１の主面と電気的に接触する第１の電極と、太陽電池の第２の主面上の導体と電気的に接触する第２の電極とを備えている。この太陽電池は、固定された第１の電極に対して１方向に移動されて、結果として相対的な一次元の移動が行われる。バスバーとフィンガとから成る金属被覆パターン内の製造エラーから生じる短絡経路を検出する方法は開示されていない。また、太陽電池と第１の電極との相対的な一次元の移動により、そのような検出を可能にする方法も開示されていない。
欧州特許出願第０，０８７，７７６号では、光起電性ディバイス用の半導体基板上の製造エラーを検出及び修復する方法及び装置が開示されている。製造エラーを検出する方法には、レーザビームによって半導体表面をスキャニングするステップが含まれる。このレーザビームは半導体内に光電流を発生し、この電流が一時的なオーム接触により測定装置に送られて、短絡経路を検出するために、表面上のレーザビームの位置の関数として測定される。しかしながら、与えられた金属被覆のバスバー及びフィンガ、並びに、任意のバスバー及びフィンガの下側の面のような、光起電性効果に寄与しない半導体上の位置において短絡経路を検出することは本質的に不可能である。開示された方法は、半導体基板内の局所的なエラーを検出するために、完全な暗部の中で測定を行うように使用することはできない。
【０００３】
本発明の目的は、序文で述べた種類の光起電性素子内の様々な性質の製造エラーを局所化することができる装置を提供することである。この装置を用いることにより、系統的に発生する製造エラーを早い段階で識別することができ、系統的なエラーの発生から結果として生ずる無駄を最小限に限定することができる。
【０００４】
更なる目的は、取扱いが容易で、安価に製造及び修理することができ、また使用する場合に耐久性があり信頼性が高い装置を提供することである。
【０００５】
序文に明記した種類の装置を用いれば、これらの目的が達成され、他の利点が得られる。この装置は、本発明に基づいて、第１の主面上の第１の電極を２つの相互に直交する方向に置き換える交換手段と、第１の主面上の第１の電極の位置の影響を受ける少なくとも１つの第１及び第２の電極間の電圧を測定する電圧測定手段とを備えている。
【０００６】
本発明による装置を用いると、簡単な方法で、製造エラーを示す局所的な電圧変化を検出することができる。このように検出された、系統的に発生する電圧変化は、検出された位置において系統的に発生された製造エラーを示している。さらに、このエラーを分析することができる。
【０００７】
暗部に配置された光起電性素子が実質的に導電性になる電圧に極性が等しく、かつその電圧よりも絶対値が小さいバイアスを調整することによって、半導体基板内の局所的なエラーを簡単な方法で検出する装置が利用可能になる。そのような検出を実行する場合、該当する半導体ウェーファは、完全な暗部の中に配置される。この方法が適用される装置を用いて検出することができるエラーの例としては、半導体材料内の微小なクラック、半導体材料の中に過度に深く伸びた電気伝導体、半導体材料の汚染又は半導体ウェーファのエッジを介して発生する半導体ウェーファの２つの主面上の導体間の短絡がある。
【０００８】
製造エラーを局所化する装置の１つの実施形態では、第１の主面が入射光を受けるように構成されており、本発明の装置は、この第１の主面の少なくとも一部を照明する照明手段さらに備えている。
【０００９】
この実施形態を用いると、電気伝導体の中、電気伝導体と半導体基板との間の遷移の中、及び半導体基板の上側層（エミッタ）の中のエラーを簡単な方法で検出することができる装置が利用可能になる。この方法が適用される装置を用いて検出することができるエラーの例としては、高過ぎる抵抗又は導体内のクラック、導体と半導体基板との間の接触不良及び半導体基板の表面内の欠陥がある。
【００１０】
電気伝導体がほぼ平行状に伸びるように配置されている基板の第１の主面上に、照明手段が光点（光スポット）を投影するように構成された実施形態では、この光点の直径が２つの平行な導体間の距離よりも大きいのが好ましい。
【００１１】
周知の型式の結晶シリコンの太陽電池内のエラーを局所化するためには、この太陽電池では平行なフィンガ間の距離は約２ｍｍ〜３ｍｍであるため、この距離は例えば約４ｍｍになり、フィンガ間に光点による均一な照明が行われるが、この照明によって発生する電流は比較的小さい。その結果、フィンガ及びバスバー上の電圧勾配は無視できるぐらい小さく、またこの装置は電圧勾配に特に敏感である。これらの電圧勾配は、導体と半導体基板との間の接触抵抗のバラツキ（バリエーション）の結果である。
【００１２】
照明手段を備えた本発明による装置では、バイアスは、ゼロの値であることが好ましく、調整手段は、半導体基板の向かい合わせの主面上の電気伝導体を短絡させる短絡手段を含んでいる。
【００１３】
有利な実施形態において、第１の電極は、例えば、基板のほぼ直交する方向に向けられると共に、接触ポイントを備えたニードルを含んでいる。ここで、接触ポイントは、第１の主面上の電気伝導体の最小寸法よりも細い直径を有することが好ましい。
【００１４】
このニードルは、基本的には、十分に硬い材料、好ましくは銅−ベリリウム合金、より好ましくはタングステンから製造される。タングステン製のニードルは、太陽電池の絶縁性の反射防止層を容易に突き抜け、このようにしてこの反射防止層の下に位置するエミッタ層と接触する利点を有している。
【００１５】
本発明は、図面を参照して、実施形態に基づいて以下のように説明される。
【００１６】
図面内の対応する構成部品は、同じ参照番号で示されている。
【００１７】
図１は、入射太陽光を受けるように適合された、従来技術による正方形の結晶シリコンの太陽電池１（寸法；１２．５ｃｍ×１２．５ｃｍ）の正面を示している。この太陽電池１は、公知のスクリーンプリンティング技術によって形成された平行なフィンガ２のいわゆるＨ形の金属被覆パターンと、導電率がフィンガ２よりも高いコンタクト・ストリップ（バスバー）３とを含んでいる。図１には、座標系（ｘ，ｙ）も示されている。
【００１８】
図２は、図１の太陽電池１の一部を示している。この太陽電池１は、ｎ型シリコンの層５（エミッタ）、ｐ型シリコンの層６（ベース）、及びｐ+型シリコンの層７から構築されている。向かい合わせの主面には、導体、すなわち、太陽光を受けるように適合された一方の面（前面若しくは表面）上においてバスバー３に接続されたフィンガ２と、向かい合わせの面のうちの他方の面（後面若しくは背面）上のアルミニウムの平坦な層８が形成されている。前面には、反射防止のコーティング層４が更に含まれている。光が入射すると（太陽１０によって示す）、太陽電池１は電源として使用することができるようになる。この電源では、外部負荷９を背面の層８とバスバー３との間に接続することができ、これにより、電流Ｉが流れ始める。金属製のライン２，３と太陽電池の材料（エミッタ）５との間の接触抵抗１１、金属ライン２，３の抵抗１２、及びエミッタ５の抵抗１３に符号が付けられて示されている。
【００１９】
図３は、図１に示された太陽電池１の回路図を示している。この回路図には、ダイオード１５を有する電源１４、並列抵抗１６、及び直列抵抗１７が示されている。直列抵抗１７の抵抗値の大きさは、図２に示した抵抗１１，１２及び１３によって実質的に決定される。直列抵抗１７の抵抗値の大きさに関係するフィンガ２及びバスバー３の抵抗１２の抵抗値の大きさは、太陽電池１の設計によって決定される。太陽電池１では、ライン幅は、通常、ライン２，３が過度に狭い場合は抵抗が高すぎる一方、他方ではライン２，３が過度に広い場合はエミッタ層５上のシャドー面が大きすぎる結果となることを勘案して、これらの場合におけるそれぞれの太陽電池の効率損失の間で最適に設定される。太陽電池１のｐ+型シリコンの層７の上には背面層８が均一に形成されているので、背面層８における抵抗はあまり重要ではない。
【００２０】
図４は、図１の太陽電池１の一部を示している。この図４では、半導体基板内におけるいくつかの局所的なエラー（製造エラー）が概略的に示されている。これらの製造エラーには、ベース６又はエミッタ５や金属被覆ライン２内の微小クラック１８、ベース６の中にまで伸びるアンダーサイド１９、半導体基板５，６，７内の汚染２０、及び太陽電池１のエッジを介して底部導体の背面層８に達するエミッタ５の相互接続２１が含まれる。これらの製造エラー１８〜２１は、全て、太陽電池１の並列抵抗１６（図３参照）の減少（reduction）の原因になる。
【００２１】
図５は、本発明による装置の第１の実施形態を概略的に示している。この装置は、太陽電池１の並列抵抗１６（図３参照）が減少する原因をもたらすエラーを局所化するのに好適である。この装置は、バスバー３と背面層８との間に電圧を印加する電源２７に加えて、ニードル２３を備えた測定ピン２２と、測定ピン２２用の駆動ユニット２４と、ニードル２３及び第２の電極３１をそれぞれ介して太陽電池１の前面（表面）２，３，５及び背面層８に接続された電圧計２５と、中央処理装置２６とを有している。この図５には、ニードル２３についての３つの相互に直交する移動方向Ｘ，Ｙ，Ｚ用の基準座標系も更に示されている。図示の装置を用いて行われる並列抵抗の損失の検出は、次の如くである。太陽電池１は、電流ＩL （図３参照）が発生しない暗部の中に配置される。電源２７は、太陽電池１の等価回路図のダイオード１５（図３参照）が順方向に動作するような極性で接続される。印加される電圧の値は、ダイオード電流が十分に小さくなるように選択される。これらの条件の下では、電流は、小さい並列抵抗がある位置、例えば、微小クラック１８の位置のみにおいて電池１を通って流れることができる。そのような電流は、太陽電池１の表面の電位が局所的に減少することに起因して流れる。この電位は、電圧計２５及びニードル２３を用いて測定される。局所的な最小電圧の正確な位置は、中央処理装置２６において、駆動ユニット２４から生じるニードル２３の位置に関する情報を、電圧計２５で検出された電位の数値に関係付けることによって、それ自体周知の方法に基づいて決定される。微小クラック１８が原因の極小値２９を有する電位曲線２８が、（Ｘ方向における）位置の関数として太陽電池１の中に概略的に描かれている。駆動ユニット２４を用いて、ニードル２３を太陽電池１の表面の上方位置に移動させ、このニードル２３をＺ方向に沿って表面上に下降させ、次に、表示された経路３０に沿って所定の方向（Ｘ方向）内で連続した経路を描かせることが可能である。
【００２２】
図６は、図５の装置を用いて測定された電位のグラフ表示であり、太陽電池１の表面上でＸ方向の直線に沿った、すなわち、Ｙ方向に相互距離が約２ｍｍで伸びるフィンガ２に直交する位置を関数としている。この曲線内の極小値Ｐは、当該の電池内にエラーが、原点から約３８ｍｍの距離に存在していることを示している。このエラーは、結果として並列抵抗の減少を生じる。矢印Ｌによって示した曲線内の極大値は、この経路がフィンガ２と交差する位置をニードル２３が通過することにより経路上の電位が高い値になった結果である。Ｙ軸の連続した値についてＸ方向に電位曲線をこのように測定し、それらをメモリ内に記憶することによって、それ自体周知の方法に基づいて、例えばスクリーン上の平面図の中に、電池１のカラーのイメージを発生することが可能である。このイメージ上に、並列抵抗を減少させた原因の太陽電池１内のエラーの位置を、局所的に発生するカラーの急変から直接的に識別することができる。
【００２３】
図７は、本発明による装置の第２の実施形態を概略的に示している。この装置は、太陽電池１の直列抵抗１７（図３参照）に影響するエラーの局所化に好適である。この装置は、図５に示した装置とは、バスバー３と背面層８との間が短絡される点、及び、光源３６がある点が異なっている。この光源３６は、２つの連続した平行なフィンガ２の間の相互距離よりも大きい直径で、太陽電池１の表面上に光点（光のスポット）３２を投影する。図示した装置を用いて直列抵抗の損失を検出することは、以下のように行われる。まず、太陽電池１の一部が、光源３６によって照明される。電流密度を短絡電流とビームの断面との比率から簡単な方法で決定することができるように、光源３６は、適切に設定された断面が比較的小さいビームを太陽電池１の表面に投影する。この短絡は、太陽電池１内の局所的な電流密度を、太陽電池１の表面の全体に亘ってできるだけ一定に保持するように機能する。このようにして、ほぼ一定の短絡電流が流れる。直列抵抗への影響が、太陽電池１の電位の局所的な増加の原因となる。この電位は、電圧計２５及びニードル２３を用いて測定される。直列抵抗への局所的な影響の正確な位置は、中央処理装置２６において、駆動ユニット２４から生じるニードル２３の位置に関する情報を、電圧計２５を用いて測定された電位の数値に関係付けることによって、それ自体周知の方法に基づいて決定される。（記号を用いて表示された）エミッタ抵抗１３が原因の放物線状の曲線３４と接触抵抗１１が原因の電位的ジャンプ３５とを有する電位曲線３３が、（Ｘ方向における）位置の関数として太陽電池１の中に概略的に描かれている。図５のもとで説明した実施形態のように、駆動ユニット２４を用いて、ニードル２３を太陽電池１の表面の上方位置に移動させ、このニードルをＺ方向に沿って太陽電池１の表面上に下降させ、次に、表示された経路３０に沿って所定の方向（Ｘ方向）で連続した経路を描かせることが可能である。
【００２４】
図８は、図７の装置を用いて測定された電位のグラフ表示であり、太陽電池１の表面上でＸ方向の直線に沿った、すなわち、Ｙ方向に相互距離が約２ｍｍで伸びるフィンガ２に直交する位置を関数としている。ｘ＝２０及びｘ＝３８の値で、それぞれ、曲線内に鋭い極小値がないときは、ニードル２３とバスバー３との間に位置する関連のフィンガ２の部分上でフィンガ２が断絶していることを示している。接触抵抗１１は、関連するフィンガ２上のポイントと最も近いエミッタ５上のポイントとの間の電位ジャンプ３５の大きさから、各フィンガ２に対して決定することができる。エミッタ抵抗１２は、電位曲線３３の関連する放物線状の部分３４の曲率から決定することができる。Ｙ軸の連続した値についてＸ方向に電位曲線をこのように測定し、それらをメモリ内に記憶することによって、それ自体周知の方法に基づいて、例えばスクリーン上の平面図の中に、太陽電池１のカラーのイメージを発生することが可能である。このイメージ上に、直列抵抗に影響した原因の太陽電池１内のエラーの位置を、局所的に発生するカラーの急変から直接的に識別することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術による結晶シリコンの太陽電池の平面図である。
【図２】  図１の太陽電池の一部の斜視図である。
【図３】  図１の太陽電池の回路図である。
【図４】  図１の太陽電池の一部の斜視図であり、半導体基板内にいくつかの局所的エラー（製造エラー）を概略的に示す斜視図である。
【図５】  半導体基板内の局所的エラーを検出するための本発明による装置の第１の実施形態を概略的に示す斜視図である。
【図６】  図５の装置を用いて得られた測定結果を示すグラフである。
【図７】  電気伝導体とエミッタとの間の遷移領域の電気伝導体内及びエミッタ内の電気における局所的エラーを検出するための本発明による装置の第２の実施形態を概略的に示す斜視図である。
【図８】  図７の装置を用いて得られた測定結果を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図６】
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【図８】
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