(57)【要約】【課題】ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率を容易に取得する。【解決手段】炭素含有率取得装置１は、分光エリプソメータを備え、記憶部７４に予め誘電関数モデル７４３が記憶される。誘電関数モデル７４３は、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率が低い場合に利用される低炭素誘電関数モデルと、炭素含有率が高い場合に利用される高炭素誘電関数モデルとを含む。誘電関数モデルは、有効媒質近似を利用し、炭素含有率をパラメータとして含む。分光エリプソメータによりａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の誘電関数の虚部が取得されると、含有率演算部部７３が誘電関数モデルにおいて炭素含有率の値を変化させることにより、測定された誘電関数に誘電関数モデルが最も合う炭素含有率が、当該ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率として求められる。【選択図】図１０
2013171023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物上に形成されたａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率を取得する炭素含有率取得装置であって、
分光エリプソメータと、
ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率と水素含有率との関係を利用して、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率と、基準誘電関数の虚部における振幅のシフト量および波長のシフト量とを関連付ける誘電関数モデルを記憶する記憶部と、
前記分光エリプソメータにて対象物上のａ−ＳｉＣ：Ｈ膜に対して測定を行うことにより取得された誘電関数の虚部の、前記基準誘電関数の虚部に対する振幅のシフト量および波長のシフト量から、前記誘電関数モデルを利用して前記ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率を求める含有率演算部と、
を備えることを特徴とする炭素含有率取得装置。
【請求項２】
請求項１に記載の炭素含有率取得装置であって、
前記誘電関数モデルが、炭素含有率が所定の値よりも低い場合に適用される低炭素誘電関数モデルと、炭素含有率が前記所定の値よりも高い場合に適用される高炭素誘電関数モデルとを含むことを特徴とする炭素含有率取得装置。
【請求項３】
請求項２に記載の炭素含有率取得装置であって、
前記低炭素誘電関数モデルが、実質的に、ＳｉＨ２結合に起因する振幅のシフト量を含み、ＳｉＨ結合、ＳｉＨ２結合および炭素含有に起因する波長のシフト量を含むことを特徴とする炭素含有率取得装置。
【請求項４】
請求項３に記載の炭素含有率取得装置であって、
前記低炭素誘電関数モデルが、ＳｉＨ２結合に起因してシリコン中に生じるボイドの体積分率をパラメータとして含む有効媒質近似を利用して、前記振幅のシフト量を表現することを特徴とする炭素含有率取得装置。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれかに記載の炭素含有率取得装置であって、
前記高炭素誘電関数モデルが、実質的に、ＳｉＨ２結合および炭素含有に起因する振幅のシフト量を含み、ＳｉＨ結合、ＳｉＨ２結合および炭素含有に起因する波長のシフト量を含むことを特徴とする炭素含有率取得装置。
【請求項６】
請求項５に記載の炭素含有率取得装置であって、
前記高炭素誘電関数モデルが、ＳｉＨ２結合に起因してシリコン中に生じるボイドの体積分率、および、炭素含有に起因してシリコン中に生じるボイドの体積分率をパラメータとして含む有効媒質近似を利用して、前記振幅のシフト量を表現することを特徴とする炭素含有率取得装置。
【請求項７】
対象物上に形成されたａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率を取得する炭素含有率取得方法であって、
ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率と水素含有率との関係を利用して、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率と、基準誘電関数の虚部における振幅のシフト量および波長のシフト量とを関連付ける誘電関数モデルを準備する工程と、
前記分光エリプソメータにて対象物上のａ−ＳｉＣ：Ｈ膜に対して測定を行うことにより誘電関数の虚部を取得する工程と、
前記基準誘電関数の虚部に対する、前記誘電関数の虚部の振幅のシフト量および波長のシフト量から、前記誘電関数モデルを利用して前記ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率を求める工程と、
を備えることを特徴とする炭素含有率取得方法。
【請求項８】
請求項７に記載の炭素含有率取得方法であって、
前記誘電関数モデルが、炭素含有率が所定の値よりも低い場合に適用される低炭素誘電関数モデルと、炭素含有率が前記所定の値よりも高い場合に適用される高炭素誘電関数モデルとを含むことを特徴とする炭素含有率取得方法。
【請求項９】
請求項８に記載の炭素含有率取得方法であって、
前記低炭素誘電関数モデルが、実質的に、ＳｉＨ２結合に起因する振幅のシフト量を含み、ＳｉＨ結合、ＳｉＨ２結合および炭素含有に起因する波長のシフト量を含むことを特徴とする炭素含有率取得方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の炭素含有率取得方法であって、
前記高炭素誘電関数モデルが、実質的に、ＳｉＨ２結合および炭素含有に起因する振幅のシフト量を含み、ＳｉＨ結合、ＳｉＨ２結合および炭素含有に起因する波長のシフト量を含むことを特徴とする炭素含有率取得方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物上に形成された水素化アモルファスシリコンカーバイド（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）膜の炭素含有率を取得する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境問題への注目の高まりにより、クリーンな太陽光を利用する太陽電池の開発が行われている。特に、大面積化および低コスト化が可能な薄膜シリコン太陽電池が次世代の太陽電池として注目されている。薄膜シリコン太陽電池の製造では、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等によりガラス基板上にアモルファスシリコン（以下、「ａ−Ｓｉ」と表現する。）が形成される。
【０００３】
なお、特許文献１および２には、基板上の薄膜多層構造において、有効媒質近似論を用いて均質膜としての光学定数を求める手法が開示されている。また、特許文献３では、分光エリプソメータを利用して、ａ−Ｓｉ膜の水素含有率を測定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３０２３３４号公報
【特許文献２】特開２００４−９３４３６号公報
【特許文献３】特開２０１１−１７４８５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
薄膜シリコン太陽電池では、ガラス基板、透明導電層、ｐ型−ｉ型−ｎ型のａ−Ｓｉ層、金属電極が順に積層される。光入射側であるｐ層は、光透過率が高く、吸収ロスが少ないｐ型ドーピングａ−ＳｉＣが広く使われている。ａ−Ｓｉ膜は、正確には、水素を含む水素化アモルファスシリコン（以下、「ａ−Ｓｉ：Ｈ」と表現する。）である。ａ−ＳｉＣ膜も水素を含み、正確には、水素化アモルファスシリコンカーバイド（以下、「ａ−ＳｉＣ：Ｈ」と表現する。）である。ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜もＣＶＤにより形成される。
【０００６】
薄膜シリコン太陽電池のｐ層−ｉ層の接合界面では、ｐ型ドーピングａ−ＳｉＣ：Ｈと、ｉ型（ノンドープ）ａ−Ｓｉ：Ｈのバンドギャップが異なる。そこで、ｉ型ａ−ＳｉＣ：Ｈをこれらの間に挟んでｉ型ａ−ＳｉＣ：Ｈのバンドギャップを段階的に変化させることにより、ｐ層−ｉ層接合界面でのキャリア再結合を抑制して発電特性の向上が図られる。したがって、ａ−ＳｉＣ：Ｈは薄膜シリコン太陽電池の特性に大きな影響を与える。
【０００７】
一方、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の光学特性は、炭素と水素の含有量に左右される。そのため、膜の炭素と水素の含有率を測定することは、薄膜シリコン太陽電池の品質管理において重要となる。
【０００８】
被測定物の炭素含有率を非破壊にて測定する方法としては、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）や赤外分光法により、被測定物のスペクトルに基づいて炭素含有率を求める方法が知られている。しかしながら、これらの測定に使用される装置は大型で測定点の移動が容易ではなく、被測定物を切り出して測定する必要がある。その結果、大面積の被測定物の各部位を順次測定することには適していない。また、これらの測定方法では、多層膜の測定を行うことはできない。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、分光エリプソメータを用いてａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率を容易に求めることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の発明は、対象物上に形成されたａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率を取得する炭素含有率取得装置であって、分光エリプソメータと、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率と水素含有率との関係を利用して、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率と、基準誘電関数の虚部における振幅のシフト量および波長のシフト量とを関連付ける誘電関数モデルを記憶する記憶部と、前記分光エリプソメータにて対象物上のａ−ＳｉＣ：Ｈ膜に対して測定を行うことにより取得された誘電関数の虚部の、前記基準誘電関数の虚部に対する振幅のシフト量および波長のシフト量から、前記誘電関数モデルを利用して前記ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率を求める含有率演算部とを備える。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の炭素含有率取得装置であって、前記誘電関数モデルが、炭素含有率が所定の値よりも低い場合に適用される低炭素誘電関数モデルと、炭素含有率が前記所定の値よりも高い場合に適用される高炭素誘電関数モデルとを含む。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の炭素含有率取得装置であって、前記低炭素誘電関数モデルが、実質的に、ＳｉＨ２結合に起因する振幅のシフト量を含み、ＳｉＨ結合、ＳｉＨ２結合および炭素含有に起因する波長のシフト量を含む。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の炭素含有率取得装置であって、前記低炭素誘電関数モデルが、ＳｉＨ２結合に起因してシリコン中に生じるボイドの体積分率をパラメータとして含む有効媒質近似を利用して、前記振幅のシフト量を表現する。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項２ないし４のいずれかに記載の炭素含有率取得装置であって、前記高炭素誘電関数モデルが、実質的に、ＳｉＨ２結合および炭素含有に起因する振幅のシフト量を含み、ＳｉＨ結合、ＳｉＨ２結合および炭素含有に起因する波長のシフト量を含む。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の炭素含有率取得装置であって、前記高炭素誘電関数モデルが、ＳｉＨ２結合に起因してシリコン中に生じるボイドの体積分率、および、炭素含有に起因してシリコン中に生じるボイドの体積分率をパラメータとして含む有効媒質近似を利用して、前記振幅のシフト量を表現する。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、対象物上に形成されたａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率を取得する炭素含有率取得方法であって、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率と水素含有率との関係を利用して、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率と、基準誘電関数の虚部における振幅のシフト量および波長のシフト量とを関連付ける誘電関数モデルを準備する工程と、前記分光エリプソメータにて対象物上のａ−ＳｉＣ：Ｈ膜に対して測定を行うことにより誘電関数の虚部を取得する工程と、前記基準誘電関数の虚部に対する、前記誘電関数の虚部の振幅のシフト量および波長のシフト量から、前記誘電関数モデルを利用して前記ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率を求める工程とを備える。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の炭素含有率取得方法であって、前記誘電関数モデルが、炭素含有率が所定の値よりも低い場合に適用される低炭素誘電関数モデルと、炭素含有率が前記所定の値よりも高い場合に適用される高炭素誘電関数モデルとを含む。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の炭素含有率取得方法であって、前記低炭素誘電関数モデルが、実質的に、ＳｉＨ２結合に起因する振幅のシフト量を含み、ＳｉＨ結合、ＳｉＨ２結合および炭素含有に起因する波長のシフト量を含む。
【００１９】
請求項１０に記載の発明は、請求項８または９に記載の炭素含有率取得方法であって、前記高炭素誘電関数モデルが、実質的に、ＳｉＨ２結合および炭素含有に起因する振幅のシフト量を含み、ＳｉＨ結合、ＳｉＨ２結合および炭素含有に起因する波長のシフト量を含む。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、分光エリプソメータを用いてａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率を容易に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】炭素含有率と誘電関数との関係を示す図である。
【図２】水素含有率と炭素含有率との関係を示す図である。
【図３】炭素含有率とバンドギャップとの関係を示す図である。
【図４】基準誘電関数からの振幅の減少を示す図である。
【図５】ＳｉＨ２結合量と誘電関数のピークの振幅との関係を示す図である。
【図６】基準誘電関数からの振幅の減少を示す図である。
【図７】測定された誘電関数と誘電関数モデルとを示す図である。
【図８】炭素含有率取得装置を示す図である。
【図９】コンピュータの構成を示す図である。
【図１０】演算部の機能構成を示す図である。
【図１１】誘電関数モデルを決定する流れを示す図である。
【図１２】誘電関数モデルを決定する流れを示す図である。
【図１３】炭素含有率を求める流れを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
＜１．測定の原理＞
図１は、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率と、誘電関数の虚部ε２（以下、「誘電関数ε２」と表現する。）との関係を示す図である。炭素含有率はＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）にて測定したものである。誘電関数ε２は、分光エリプソメータによる解析にて得られたものである。測定対象となる試料は、プラズマＣＶＤにおいて、ＳｉＨ４とＣＨ４とを原料ガスとして作成される。ＳｉＨ４とＣＨ４との流量比ｚを変更し、温度、ｒｆパワー、圧力は一定である。流量比ｚは、数１で示される。試料製作に際して、ｚを０．０〜０．９の範囲で変化させ、シリコン基板上にａ−ＳｉＣ：Ｈを堆積させた。原料ガスがＳｉＨ４のみの場合は、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜が作成される。
【００２３】
【数１】
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【００２４】
図１に示すように、ＸＰＳ測定では、０．０ａｔ．％〜１６．７ａｔ．％の炭素含有率が得られた。誘電関数ε２（正確には、誘電関数が示すスペクトルの形状）は、炭素含有率に依存して大きく変化する。また、炭素含有率が増加するほど、誘電関数ε２の振幅が減少し、ピーク位置が高エネルギー側、すなわち、短波長側へとシフトする。
【００２５】
図２は、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜において、赤外分光法により得られる水素含有率と炭素含有率との関係を示す。曲線８１１は、ＳｉＨの結合量を示し、曲線８１２は、ＳｉＨ２の結合量を示す。図２から、炭素含有率の増加に伴い、ＳｉＨおよびＳｉＨ２の結合量が変化することが判る。曲線８１１，８１２は、炭素含有率ｘを用いて、例えば、数２に示すように関数化することができる。すなわち、ＳｉＨ結合量およびＳｉＨ２結合量（以下、「水素含有率」と総称する。）は炭素含有率をパラメータとして表現することができる。
【００２６】
【数２】
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【００２７】
数２から、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の誘電関数を炭素含有率および水素含有率にてモデル化すると、数２を用いて炭素含有率のみでモデル化できることが判る。
【００２８】
図３は、炭素含有率とバンドギャップとの関係を示す図である。図３の関係は、図１の誘電関数ε２から得られたものである。図３から、図１の場合において、炭素含有率が６．３ａｔ．％の位置を境界として、炭素含有率とバンドギャップとの関係が異なることが判る。炭素含有率が６．３ａｔ．％よりも小さい場合と、６．３ａｔ．％よりも大きい場合との双方において、炭素含有率とバンドギャップとは比例関係にあることから、炭素含有率６．３ａｔ．％を境界として、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜内において、シリコンと炭素の結合状態が異なると推測される。
【００２９】
すなわち、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の誘電関数ε２を炭素含有率および水素含有率にてモデル化する際に、炭素含有率６．３ａｔ．％を境界として、異なるモデル化が必要になると予想される。
【００３０】
次に、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の誘電関数ε２のモデル化について説明する。上述の特許文献３（特開２０１１−１７４８５３号公報）では、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜に関して、有効媒質近似（ＥＭＡ）を適用することにより、誘電関数ε２の振幅が、数３にて示すように数式化される。数３は振幅のみの関係を示し、数３中の誘電関数は、ピークの振幅を示す。数３により、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜の水素含有率が増加すると、膜中にボイドが形成されて誘電関数ε２の振幅が減少することが表現される。図４は、ＳｉＨボイド構造およびＳｉＨ２ボイド構造により、基準となる誘電関数８２１から矢印８３１にて示すように、ピークの振幅が減少する様子を示している。
【００３１】
【数３】
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【００３２】
数３において、ｆａ-Ｓｉは、ａ−Ｓｉ：Ｈの体積分率、εａ-Ｓｉは、基準となるａ−Ｓｉ：Ｈの誘電関数（のピークの振幅）、εＥＭＡは、有効媒質近似で得られるａ−Ｓｉ：Ｈの誘電関数（のピークの振幅）、ｆvoid_ＳｉＨは、ＳｉＨ結合に起因するボイドの体積分率、ｆvoid_ＳｉＨ２は、ＳｉＨ２結合に起因するボイドの体積分率、εvoidは、水素の存在に起因するボイドの誘電関数（のピークの振幅）である。
【００３３】
また、水素含有によってａ−Ｓｉ：Ｈ膜のバンドギャップが変化することから、数４により、水素含有による誘電関数ε２の波長シフトが表現される。数４において、εＨは、誘電関数モデルにおけるａ−Ｓｉ：Ｈの誘電関数、ΔＥＳｉＨは、ＳｉＨ結合に起因する誘電関数の波長シフト、ΔＥＳｉＨ２は、ＳｉＨ２結合に起因する誘電関数の波長シフトである。図４では、ΔＥＳｉＨおよびΔＥＳｉＨ２による波長シフトを、矢印８３２にて示している。
【００３４】
【数４】
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【００３５】
ここで、ｆａ-Ｓｉは、（１−ｆvoid_ＳｉＨ−ｆvoid_ＳｉＨ２）である。ｆvoid_ＳｉＨは、ＳｉＨ結合量に係数（以下、「係数ｃ１ＳｉＨ」という。）を乗じたものである。ｆvoid_ＳｉＨ２は、ＳｉＨ２結合量に係数（以下、「係数ｃ１ＳｉＨ２」という。）を乗じたものである。ΔＥＳｉＨは、ＳｉＨ結合量に係数（以下、「係数ｃ２ＳｉＨ」という。）を乗じたものである。ΔＥＳｉＨ２は、ＳｉＨ２結合量に係数（以下、「係数ｃ２ＳｉＨ２」という。）を乗じたものである。
【００３６】
予め、シリコン基板上に、原料ガスをＳｉＨ４のみとして、温度を変えつつＣＶＤによりａ−Ｓｉ：Ｈ膜を堆積させることにより、ＳｉＨ結合量およびＳｉＨ２結合量が異なる複数の試料が準備される。そして、赤外分光法により、これらの試料のＳｉＨ結合量およびＳｉＨ２結合量が測定される。また、分光エリプソメータにより、これらの試料の誘電関数（の虚部）が取得される。さらに、１つのａ−Ｓｉ：Ｈ膜が基準膜として定められる。以下、基準膜の誘電関数を「基準誘電関数」という。
【００３７】
εａ-Ｓｉに、基準誘電関数のピークの振幅を代入し、εＨに、測定された各誘電関数を代入し、さらに、対応するＳｉＨ結合量およびＳｉＨ２結合量を与えることにより、数３および数４が最も適合する係数ｃ１ＳｉＨ２、ｃ１ＳｉＨ２、ｃ２ＳｉＨ、ｃ２ＳｉＨ２、および、εvoidのピークの振幅が求められる。
【００３８】
数３および数４に示すモデル化において、数３にて表現される誘電関数ε２の振幅の減少は、ＳｉＨ２結合量による影響が支配的であることが明らかとなったため、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜のモデル化においても、振幅の減少ではＳｉＨ２結合によるボイド形成のみを考慮するものとする。誘電関数ε２の波長シフトについては、ＳｉＨ結合量およびＳｉＨ２結合量の双方をパラメータとして用いることとする。
【００３９】
ここで、図１に示すａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の複数の試料に対して、炭素を無視して赤外分光法で得られたＳｉＨ結合量およびＳｉＨ２結合量を数３および数４に適用し、εＥＭＡのピークの振幅を求めると、図５に示す結果が得られた。なお、数３および数４を適用するに際し、係数ｃ１ＳｉＨ２、ｃ２ＳｉＨ、ｃ２ＳｉＨ２、および、εvoidのピークの振幅は、炭素を含まないａ−Ｓｉ：Ｈ膜から求められたものをそのまま利用し、係数ｃ１ＳｉＨは０とした。すなわち、ｆvoid_ＳｉＨは０とした。図５において、ドットは、試料を測定することにより得られたＳｉＨ２結合量と誘電関数ε２のピークの振幅との関係を示し、直線は、数３から得らるＳｉＨ２結合量とεＥＭＡのピークの振幅との関係を示す。
【００４０】
図５において、炭素含有率６．３ａｔ．％に対応するドット８４１を境に、炭素含有率が６．３ａｔ．％より小さい場合、誘電関数ε２の振幅は水素含有率のみに基づく計算値と一致する。一方、炭素含有率が６．３ａｔ．％より大きくなると、計算結果との差が大きくなる。この結果は、図３に示す炭素含有率とバンドギャップとの関係と似た傾向を示す。
【００４１】
図３および図５から、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の誘電関数のモデル化には、炭素含有率６．３ａｔ．％を境界として、低炭素領域Ｌと高炭素領域Ｈとに分けることが好ましいと考えられる。
【００４２】
低炭素領域Ｌでは、数３に準じて、ボイドに起因する誘電関数ε２の振幅のシフト量を、ＳｉＨ２結合に起因してシリコン中に生じるボイドの体積分率をパラメータとして含む有効媒質近似を利用して、数５にて表現する。図４の符号８３１にて示すピークの振幅の減少は、ＳｉＨ２結合のみに起因するとみなされる。波長シフトに関しては、数６に示すように、数４に、炭素含有に伴う波長シフトが加えられる。数５および数６において、ｆａ-Ｓｉ、εａ-Ｓｉ、ｆvoid_ＳｉＨ２、ΔＥＳｉＨおよびΔＥＳｉＨ２は、数３および数４と同様である。εＥＭＡ_Ｌは、領域Ｌにおける有効媒質近似にて得られるａ−ＳｉＣ：Ｈの誘電関数、εvoid_ＳｉＨ２は、ＳｉＨ２結合に起因するボイドの誘電関数、εＣ_Ｌは、領域Ｌの誘電関数モデルにおけるａ−ＳｉＣ：Ｈの誘電関数、ΔＥＣ_Ｌは、領域Ｌの炭素含有に起因する誘電関数の波長シフトを示す。
【００４３】
【数５】
2013171023.tif 000007
【００４４】
【数６】
2013171023.tif 000008
【００４５】
なお、ｆvoid_ＳｉＨ２、ΔＥＳｉＨおよびΔＥＳｉＨ２に対応する係数ｃ１ＳｉＨ２、ｃ２ＳｉＨ、ｃ２ＳｉＨ２には、数３および数４にて求められたものが利用される。εvoid_ＳｉＨ２のピークの振幅には、εvoidのピークの振幅が用いられる。基準誘電関数εａ−Ｓｉは、数１の流量比ｚが０の場合のａ−Ｓｉ：Ｈの誘電関数であるが、成膜条件が数３および数４の係数を求める場合と異なる場合は、別途測定されたものが利用される（後述の数７において同様）。
【００４６】
ΔＥＣ_Ｌは炭素含有率に係数（以下、「係数ｃＣ_Ｌ」という。）を乗じたものである。ここで、数２により、水素含有率は炭素含有率で表現可能であることから、数５および数６は炭素含有率のみをパラメータとする式に置き換えることができる。そして、図１の測定値が得られた複数の試料の炭素含有率を数５および数６に代入しつつ、εＣ_Ｌ（Ｅ）が、測定された誘電関数ε２に最も合うように係数ｃＣ_Ｌが決定される。以下、数５および数６を「低炭素誘電関数モデル」という。
【００４７】
高炭素領域Ｈでは、数３において、炭素含有に起因するボイドによる誘電関数ε２の振幅のシフト量が考慮される。振幅のシフト量は、ＳｉＨ２結合に起因してシリコン中に生じるボイドの体積分率、および、炭素含有に起因してシリコン中に生じるボイドの体積分率をパラメータとして含む有効媒質近似を利用して、数７にて表現される。すなわち、図６の符号８５１にて示すピークの振幅の減少は、炭素含有とＳｉＨ２結合とが合わさってａ−ＳｉＣ：Ｈ膜中に形成されるボイドに起因するとみなされる。波長シフトに関しては、数８に示すように、数４に炭素含有に伴う波長シフトが加えられる。ただし、低炭素領域Ｌと高炭素領域Ｈとでは、炭素による波長のシフト量が異なるものとする。図６では、ΔＥＳｉＨ、ΔＥＳｉＨ２およびΔＥＣ_Ｈによるシフトを、矢印８５２にて示している。
【００４８】
【数７】
2013171023.tif 000009
【００４９】
【数８】
2013171023.tif 000010
【００５０】
数７および数８において、ｆａ-Ｓｉ、εａ-Ｓｉ、ｆvoid_ＳｉＨ２、ΔＥＳｉＨおよびΔＥＳｉＨ２は、数３および数４と同様である。εＥＭＡ_Ｈは、領域Ｈにおける有効媒質近似にて得られるａ−ＳｉＣ：Ｈの誘電関数、ｆvoid_Ｃは、炭素含有に起因するボイドの体積分率、εvoid_Ｃ,ＳｉＨ２は、炭素含有とＳｉＨ２結合とが合わさって形成されるボイドの誘電関数、εＣ_Ｈは、領域Ｈの誘電関数モデルにおけるａ−ＳｉＣ：Ｈの誘電関数、ΔＥＣ_Ｈは、領域Ｈの炭素含有に起因する誘電関数の波長シフトを示す。
【００５１】
ｆvoid_ＳｉＨ２、ΔＥＳｉＨおよびΔＥＳｉＨ２に対応する係数ｃ１ＳｉＨ２、ｃ２ＳｉＨ、ｃ２ＳｉＨ２には、数３および数４にて求められたものが利用される。
【００５２】
ｆvoid_Cは、炭素含有率に係数（以下、「係数ｃ１Ｃ」という。）を乗じたものである。ΔＥＣ_Ｈは炭素含有率に係数（以下、「係数ｃＣ_Ｈ」という。）を乗じたものである。ここで、数２により、水素含有率は炭素含有率で表現可能であることから、数７および数８は炭素含有率のみをパラメータとする式に置き換えることができる。そして、図１の測定値が得られた複数の試料の炭素含有率を数７および数８に代入しつつ、εＣ_Ｈ（Ｅ）が測定された誘電関数ε２に最も合うように係数ｃ１Ｃ、ｃＣ_Ｈおよびεvoid_Ｃ,ＳｉＨ２のピークの振幅が決定される。以下、数７および数８を「高炭素誘電関数モデル」という。
【００５３】
以上の作業により、数５ないし数８の係数およびボイドの誘電関数のピークの振幅が求められる。数５および数７を一般的に表現すれば、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率と水素含有率との関係を利用して、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率と、基準誘電関数の虚部における振幅のシフト量とを関連づける誘電関数モデルである。また、数６および数８を一般的に表現すれば、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率と、基準誘電関数の虚部における波長のシフト量とを関連付ける誘電関数モデルである。
【００５４】
また、数５は、ＳｉＨ結合に起因する振幅のシフト量、ＳｉＨ２結合に起因する振幅のシフト量、および、炭素含有に起因する振幅のシフト量のうち、ＳｉＨ２結合に起因する振幅のシフト量のみを含み、数７は、ＳｉＨ２結合に起因する振幅のシフト量、および、炭素含有に起因する振幅のシフト量のみを含む。数６および数８は、ＳｉＨ結合に起因する波長のシフト量、ＳｉＨ２結合に起因する波長のシフト量、および、炭素含有に起因する波長のシフト量の全てを含む。既述のように、ＳｉＨ結合量、ＳｉＨ２結合量および炭素含有率は互いに関連性を有するため、数５ないし数８は、これらの振幅のシフト量や波長のシフト量を実質的に含むのであれば、これらの物理量そのものが明確に含められる必要はない。
【００５５】
数５ないし数８の係数等が求められることにより、炭素含有率が未知のａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の誘電関数ε２を分光エリプソメータにて取得すると、数５ないし数８からａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率を求めることが実現される。すなわち、数５ないし数８のパラメータである炭素含有率を変更し、取得された誘電関数ε２に最も一致する誘電関数モデルが得られるときの炭素含有率が、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率として求められる。また、誘電関数モデルが、炭素含有率が所定の値よりも低い場合に適用される低炭素誘電関数モデルと、炭素含有率が所定の値よりも高い場合に適用される高炭素誘電関数モデルとを含むことにより、誘電関数モデルを簡素化することができる。
【００５６】
図７は、図１に示す誘電関数ε２と、誘電関数モデルから導かれる誘電関数とを示す図である。ドットは、分光エリプソメータによる測定から得られた誘電関数ε２を示す。実線は、誘電関数モデルに炭素含有率を代入したものである。ドットと実線とはほぼ一致することから、誘電関数が適切にモデル化されていることが判る。
【００５７】
＜２．測定装置および測定の流れ＞
図８は、上述の測定原理を利用して炭素含有率を取得する炭素含有率取得装置１を示す斜視図である。炭素含有率取得装置１は、薄膜シリコン太陽電池用のガラス基板９（以下、単に「基板９」という。）上に形成されたａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率を取得する。ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜は、基板９上のａ−Ｓｉ：Ｈ膜上に形成される。基板９のサイズは、例えば１〜２メートル（ｍ）角である。
【００５８】
炭素含有率取得装置１は、基板９上を撮像する撮像部２、分光エリプソメータ３、図１中のＹ方向に移動可能なＹ方向移動部４、Ｘ方向に移動可能なＸ方向移動部５、並びに、各種演算処理を行うＣＰＵや各種情報を記憶するメモリ等により構成されたコンピュータ６を備える。コンピュータ６は炭素含有率取得装置１の各構成を制御する制御部としての役割を果たす。Ｘ方向移動部５はＹ方向移動部４上に設けられ、Ｘ方向移動部５には、撮像部２および分光エリプソメータ３が固定される。炭素含有率取得装置１では、分光エリプソメータ３による光の照射位置を基板９上の各位置に自在に配置することが可能である。
【００５９】
分光エリプソメータ３は、基板９の上方（図８中の（＋Ｚ）側）に配置される照明部３１および受光部３２を備える。照明部３１から基板９に向けて偏光した白色光が照射され、受光部３２にて基板９からの反射光が受光される。受光部３２は、反射光が入射する検光子および反射光の分光強度を取得する分光器を有し、検光子の回転位置、および、分光器により取得された反射光の分光強度がコンピュータ６へと出力される。コンピュータ６では、複数の振動数（または、波長）の光のそれぞれの偏光状態として、ｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差および反射振幅比角が求められる。すなわち、位相差および反射振幅比角の振動数スペクトル（以下、「測定スペクトル」と総称する。）が取得される。
【００６０】
図９は、コンピュータ６の構成を示す図である。コンピュータ６は、各種演算処理を行うＣＰＵ６１、基本プログラムを記憶するＲＯＭ６２および各種情報を記憶するＲＡＭ６３をバスラインに接続した一般的なコンピュータシステムの構成となっている。バスラインにはさらに、情報記憶を行う固定ディスク６５、各種情報の表示を行うディスプレイ６６、操作者からの入力を受け付けるキーボード６７ａおよびマウス６７ｂ、光ディスク、磁気ディスク、光磁気ディスク等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体８１から情報の読み取りを行ったり記録媒体８１に情報の書き込みを行う読取／書込装置６８、並びに、外部との通信を行う通信部６９が、適宜、インターフェイス（Ｉ／Ｆ）を介する等して接続される。
【００６１】
コンピュータ６には、事前に読取／書込装置６８を介して記録媒体８１からプログラム８１０が読み出され、固定ディスク６５に記憶される。そして、プログラム８１０がＲＡＭ６３にコピーされるとともにＣＰＵ６１がＲＡＭ６３内のプログラムに従って演算処理を実行することにより（すなわち、コンピュータがプログラムを実行することにより）、コンピュータ６が、後述の演算部としての処理を行う。
【００６２】
図１０は、ＣＰＵ６１がプログラム８１０に従って動作することにより、ＣＰＵ６１、ＲＯＭ６２、ＲＡＭ６３、固定ディスク６５等が実現する演算部７の機能構成を示すブロック図である。図１０において、誘電関数取得部７１、係数決定部７２および含有率演算部７３がＣＰＵ６１等により実現される機能であり、記憶部７４が固定ディスク６５等により実現される機能である。なお、演算部７の機能は専用の電気的回路により実現されてもよく、部分的に電気的回路が用いられてもよい。
【００６３】
記憶部７４に記憶される測定値７４１は、分光エリプソメータ３にて取得される測定値と、他の装置にて取得されて取り込まれたものを含む。誘電関数モデル７４３は、数３ないし数８に示すものである。
【００６４】
図１１および図１２は、誘電関数モデルを決定する上述の作業の流れを示す図である。まず、複数のシリコン基板上に、ＳｉＨ結合量およびＳｉＨ２結合量が異なるａ−Ｓｉ：Ｈ膜が形成される（ステップＳ１１）。別途準備された装置による赤外分光法にて、これらのａ−Ｓｉ：Ｈ膜のＳｉＨ結合量およびＳｉＨ２結合量が取得される（ステップＳ１２）。取得された結合量は、記憶部７４内に測定値７４１の一部として記憶される。分光エリプソメータ３によるａ−Ｓｉ：Ｈ膜の測定も行われ、測定値が記憶部７４に記憶される。具体的には、分光エリプソメータ３が、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜の所定位置（例えば、中央）に対して偏光した白色光を照射するとともに当該膜からの反射光を受光し、測定スペクトルが測定値７４１の一部として記憶される。
【００６５】
誘電関数取得部７１は、測定スペクトルから誘電関数を求める（ステップＳ１３）。誘電関数７４２は記憶部７４に記憶される。本実施の形態では、Ｔａｕｃ−Ｌｏｒｅｎｔｚモデルを用いた理論上の位相差および反射振幅比角の振動数スペクトルが、測定スペクトルに最も近くなるように、Ｔａｕｃ−Ｌｏｒｅｎｔｚモデルにおける誘電関数および膜厚が所定の数値範囲内にて変更されてフィッティングが行われる。これにより、各ａ−Ｓｉ：Ｈ膜の誘電関数が決定される。もちろん、Ｔａｕｃ−Ｌｏｒｅｎｔｚモデル以外のモデルが用いられてもよい。
【００６６】
係数決定部７２は、数３および数４に示す誘電関数モデルに、ステップＳ１２，Ｓ１３にて取得された測定値や誘電関数等を当てはめ、これらの測定値等に最も適合する係数ｃ１ＳｉＨ２、ｃ２ＳｉＨ、ｃ２ＳｉＨ２および水素によるボイドの誘電関数εｖｏｉｄ（＝εｖｏｉｄ_ＳｉＨ２）のピークの振幅を取得する（ステップＳ１４）。
【００６７】
次に、複数のシリコン基板（ガラス基板でもよい。）上に炭素含有量（並びに、ＳｉＨ結合量およびＳｉＨ２結合量）が異なるａ−ＳｉＣ：Ｈ膜が形成される（ステップＳ２１）。別途準備された装置によるＸＰＳにより、これらのａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率が取得される（ステップＳ２２）。また、分光エリプソメータ３により測定が行われ、誘電関数取得部７１により、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の誘電関数も取得される（ステップＳ２３）。そして、係数決定部７２が数５ないし数８に示す誘電関数モデルに、ステップＳ２２，Ｓ２３にて取得された測定値や誘電関数等を当てはめることにより、これらの測定値等に最も適合する係数ｃＣ_Ｌ，ｃＣ_Ｈ、並びに、ＳｉＨ２結合および炭素含有に起因するボイドの誘電関数εｖｏｉｄ_Ｃ,ＳｉＨ２のピークの振幅を取得する（ステップＳ２４）。
【００６８】
なお、数２により、ＳｉＨ結合量およびＳｉＨ２結合量は、炭素含有率により表現可能であるため、数５ないし数８に示す誘電関数モデルは、炭素含有率に代えて、ＳｉＨ結合量またはＳｉＨ２結合量をパラメータとして表現することができる。そのため、ステップＳ２２にて、赤外分光法によりＳｉＨ結合量またはＳｉＨ２結合量を取得し、ステップＳ２４にて各種係数等を求めることができる。例えば、ＳｉＨ結合量から炭素含有率を求め、ＳｉＨ２結合量からも炭素含有率を求め、これらの炭素含有率の平均値を、係数等を求めるための炭素含有率として使用してもよい。これらの処理は、ステップＳ２４にて炭素含有率から各種係数等を求めることと等価である。また、各種係数は、等価なものであれば、他の係数が用いられてもよい。
【００６９】
数２が予め準備されない場合は、赤外分光法により、複数のａ−ＳｉＣ：Ｈ膜のＳｉＨ結合量およびＳｉＨ２結合量を取得し、ステップＳ２２とＳ２４との間にて数２が求められてもよい。
【００７０】
図１３は、炭素含有率取得装置１を用いてａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率を求める流れを示す図である。まず、分光エリプソメータ３により、ｓ−ＳｉＣ：Ｈ膜の誘電関数ε２が取得される（ステップＳ３１）。そして、含有率演算部７３が、誘電関数モデルのパラメータである炭素含有率の値を変化させ、誘電関数ε２が数５ないし数８に最も適合する炭素含有率を取得する（ステップＳ３２）。すなわち、炭素含有率の値を変更することにより、誘電関数モデルの基準誘電関数の虚部に対する振幅のシフト量および波長のシフト量を変化させ、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率が求められる。また、数２より、ＳｉＨ結合量およびＳｉＨ２結合量も求められる。これにより、光学的手法により、非常に簡単に炭素含有率および水素含有率（すなわち、ＳｉＨ結合量およびＳｉＨ２結合量）が求められる。
【００７１】
なお、予め数５ないし数８の誘電関数モデルの係数等が別途決定されているのであれば、炭素含有率取得装置１から誘電関数取得部７１および係数決定部７２が省かれてもよい。
【００７２】
表１は、他の成膜条件にて、ｒｆパワーを１Ｗおよび３Ｗで作成した２つの試料に対して、従来方法および炭素含有率取得装置１による測定結果を示す。
【００７３】
【表１】
2013171023.tif 000011
【００７４】
表１の左欄は、２つの試料の炭素含有率をＸＰＳにて測定した値と、ＳｉＨ結合量およびＳｉＨ２結合量を赤外分光法にて測定した値とを示す。右欄は、炭素含有率取得装置１にて取得された誘電関数から求められた炭素含有率、並びに、ＳｉＨ結合量およびＳｉＨ２結合量である。表１から、炭素含有率取得装置１により、精度のよい測定が可能であることが判る。
【００７５】
ところで、ＸＰＳによりａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率を測定する場合、基板上に形成される膜が多層膜であると、炭素含有率の測定が困難となる。また、ＸＰＳでは周囲の環境を真空にする必要があるため、基板上の広範囲に亘って測定を行うことが困難である。基板上の各部位に対して測定を行うには、当該部位を切り出して装置内に配置する必要がある。
【００７６】
これに対し、炭素含有率取得装置１では、分光エリプソメータ３を用いてａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率を取得するため、基板上に形成される膜が多層膜であっても、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の誘電関数を取得することにより炭素含有率を求めることができる。また、膜厚や光学定数等も同時に取得可能である。さらに、分光エリプソメータ３はＸ線光電子分光分析装置に比べて小型であるため、分光エリプソメータ３を移動して、基板上の広範囲に亘って測定を行うことが容易に可能となる。さらに、炭素含有率取得装置１では、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜のＳｉＨ結合量およびＳｉＨ２結合量も炭素含有率と同時に取得可能である。
【００７７】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００７８】
図１１のステップＳ１２において、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜のＳｉＨ結合量およびＳｉＨ２結合量は、赤外分光法以外の手法にて取得されてよい。同様に、図１２のステップＳ２２の炭素含有率もＸＰＳ以外の手法により取得されてよい。
【００７９】
低炭素誘電関数モデルでは、炭素含有に起因する振幅のシフト量が含められてもよい。この場合、低炭素誘電関数モデルと、高炭素誘電関数モデルとが、同形式となる。さらに、低炭素誘電関数モデルでは、ＳｉＨ結合に起因する振幅のシフト量や、炭素含有に起因する振幅のシフト量が含められてもよい。高炭素誘電関数モデルにおいても、ＳｉＨ結合に起因する振幅のシフト量が含められてもよい。
【００８０】
低炭素領域Ｌと高炭素領域Ｈとの境界は、６．３ａｔ．％には限定されない。ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の生成条件に合わせて適宜変更されてよい。炭素含有率に対する誘電関数モデルの種類は、２つには限定されない。３以上のモデル化が必要な場合は、例えば、低炭素領域、中炭素領域、高炭素領域でモデル化が行われてもよい。
【００８１】
炭素含有率取得装置１では、ガラス基板９以外の太陽電池用の基板や、プラスチックフィルム等、様々な対象物上に形成されたａ−ＳｉＣ：Ｈ膜の炭素含有率を取得することが可能である。また、ａ−ＳｉＣ：Ｈ膜やａ−Ｓｉ：Ｈ膜は、ＣＶＤ以外の手法にて形成されたものであってよい。
【００８２】
上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。
【符号の説明】
【００８３】
１    炭素含有率取得装置
３    分光エリプソメータ
９    基板
７４    記憶部
７３    含有率演算部
７４３    誘電関数モデル
Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２４，Ｓ３１，Ｓ３２    ステップ
【図８】
2013171023.tif 000012
【図９】
2013171023.tif 000013
【図１０】
2013171023.tif 000014
【図１１】
2013171023.tif 000015
【図１２】
2013171023.tif 000016
【図１３】
2013171023.tif 000017
【図１】
2013171023.tif 000018
【図２】
2013171023.tif 000019
【図３】
2013171023.tif 000020
【図４】
2013171023.tif 000021
【図５】
2013171023.tif 000022
【図６】
2013171023.tif 000023
【図７】
2013171023.tif 000024