膜厚計測方法および膜厚計測装置
【課題】結晶パターンによる反射率のばらつきがあっても反射光に影響されることなく、反射防止膜のような薄膜の厚さを容易に計測できる膜厚計測装置および膜厚計測方法を提供する。
【解決手段】同軸配置された投受光部を持つ、光干渉式の膜厚計測装置を用いて板状物体の表面に形成された膜の厚さを計測する膜厚計測方法は、投受光部の光軸に対する垂直面から、膜の形成された面を傾斜させた状態で板状物体を保持する工程（Ｓ２１）と、投受光部から板状物体表面に計測光を照射し、かつ、投受光部に板状物体からの反射光を入力する工程と、入力した反射光に基づいて板状物体の表面に形成された膜の厚さを計測する工程（Ｓ２５）と、を含む。
【解決手段】同軸配置された投受光部を持つ、光干渉式の膜厚計測装置を用いて板状物体の表面に形成された膜の厚さを計測する膜厚計測方法は、投受光部の光軸に対する垂直面から、膜の形成された面を傾斜させた状態で板状物体を保持する工程（Ｓ２１）と、投受光部から板状物体表面に計測光を照射し、かつ、投受光部に板状物体からの反射光を入力する工程と、入力した反射光に基づいて板状物体の表面に形成された膜の厚さを計測する工程（Ｓ２５）と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、膜厚計測方法および膜厚計測装置に関し、特に、太陽電池に用いられる多結晶シリコン基板上の反射防止膜などの透明膜を光干渉式で計測する膜厚計測方法および膜厚計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光干渉式の膜厚計測装置が、たとえば、特許第３９４４６９３号公報（特許文献１）に記載されている。図１０は、特許文献１に開示された膜厚計測装置１００の要部を示す図である。図１０（Ａ）は膜厚計測装置１００の電気的構成を示すブロック図であり、図１０（Ｂ）は膜厚計測装置１００のセンサヘッド１２０内の光学系等の構成を示す図である。
【０００３】
図１０を参照して、膜厚計測装置１００は、測定対象物３０の間近に取り付けることが可能な小型のセンサヘッド１２０と、測定対象物３０から離隔して設置されたコンピュータ１４０の内部スロットに装着可能なＰＣＩ(Peripheral Component Interconnect)ボード１３０とを含んでいる。ここでは、測定対象物３０はステージ１２９の上に載置されており、センサヘッド１２０からの光は測定対象物３０に垂直に入射する。
【０００４】
センサヘッド１２０とＰＣＩボード１３０との間はケーブル（電線）１２３ａで結ばれている。ＰＣＩボード１３０とコンピュータ１４０の制御部となるＣＰＵ（Central Processing Unit,図示せず）との間はＰＣＩバス１３５で結ばれている。ＰＣＩボード１３０は受光部１２５からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部１３１と、所定のファームウエア１３３を有する信号処理部１３２と、信号処理部１３２からの信号を受けて投光部１２１および受光部１２５を制御する投受光制御部１３４とを含む。
【０００５】
なお、コンピュータ１４０には膜厚を計測するためのソフトウエア１４１が組み込まれている。また、コンピュータ１４０は外部インターフェイス（Ｉ／Ｆ）１４２を介して、膜厚計測データや膜厚判定出力を図示のない外部機器等へ出力し、外部から各種のデジタル指令信号を入力する。
【０００６】
センサヘッド１２０内には、投光部１２１と受光部１２５とが含まれている。投光部１２１は、赤外光を発する赤外光ＬＥＤ１２２と、赤外光ＬＥＤ１２２から発せられた赤外光を測定対象物３０に向けて出射するための投光側光学系１２０ａを含む。投光側光学系１２０ａは赤外光ＬＥＤ１２２からの赤外光を反射して測定対象物３０に投光するとともに、測定対象物３０からの反射光を透過するハーフミラー１２３と、投光された赤外光を測定対象物３０上の所定の位置に入射させるとともに、その反射光を分光素子に送るレンズ１２４とを含む。受光部１２５は、測定対象物３０からの反射光を入射する受光側光学系と、受光側光学系で受光した反射光を分光する分光素子１２６と、分光素子１２６から得られる一連の成分光を適宜に区分して個別に光電変換するＣＣＤ（Charge Coupled Device）１２７とを含む。なお、この例では、投光側光学系１２０ａは受光側光学系としても作動する。すなわち、膜厚計測装置１００は同軸配置された等受光部を有する。
【０００７】
ＣＣＤ１２７からのアナログ信号はケーブル１２３ａを介してＡ／Ｄ変換部１３１に出力される。また、投受光制御部１３４は投光部１２１、および受光部１２５を制御するための制御信号をセンサヘッド１２０に出力する。
【０００８】
図１０に示す従来例では 赤外光を用いているが、より一般的には ハロゲンランプ・白色ＬＥＤなどの白色光を膜付の計測物体に照射し、その反射光を分光して得られる実測の反射スペクトル（光干渉波形）と、 薄膜の光干渉理論から導かれる理論の光干渉波形とをカーブフィッティングすることにより、膜厚を計測するのが好ましい。
【０００９】
次に、従来の膜厚計測装置を用いた、多結晶シリコン型太陽電池に形成された反射防止膜の膜厚測定について述べる。太陽光で発電するためのデバイスが太陽電池である。太陽電池には、いくつかの種類があるが、現在の主流は、多結晶シリコン型太陽電池である。図１１は、代表的な多結晶シリコン型太陽電池ウエハ２００の構造を示す図である。ＩＣやＬＳＩなどの半導体回路は、シリコンの単結晶インゴットをスライスして作られる単結晶ウエハを使用するが、太陽電池ではより安価に作成できる多結晶シリコンウエハが用いられることが多い。
【００１０】
図１１を参照して、太陽電池ウエハ２００は、ｐ型多結晶シリコンウエハ２０１とｐ型多結晶シリコンウエハ２０１を挟んで上下に設けられたｎ型層２０２、および、ｐ＋層２０３と、ｎ型層２０２の上に形成された反射防止膜２０４と、ｎ型層２０２と接続され、反射防止膜２０４の上の所定の位置に設けられた表面電極２０６と、ｐ＋層２０３の下部に設けられた裏面電極２０７とを含む。反射防止膜２０４を通して太陽光２０８が入射して電力が発生する。
【００１１】
図１２は図１１に示したｐ型多結晶シリコンウエハの表面の一例を示す図である。図１２（Ａ）は表面の一部を示す図であり、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）において暗く見える部分の拡大図であり、図１２（Ｃ）は図１２（Ａ）において明るく見える部分の拡大図である。
【００１２】
図１２を参照して、多結晶ウエハの表面には、約０．２〜１平方ｃｍ程度の非定型のパターンが観測される。このように見える理由は、多結晶インゴットでは、結晶がさまざまな方向に非定型で成長していくからである。さらに、インゴットをウエハ状にスライスした後、アルカリエッチングすると、結晶の方位面によってエッチングされやすい面とされにくい面という違いがあるため、ある結晶方向のみが選択的に残りやすい。結果として、図１２のように、１０μｍ程度の大きさの微細なピラミッド状の凹凸が発生し、かつ ピラミッドの高さおよび向きが非定型なパターンを形成することになる。
【００１３】
このような形状が形成されていることにより、シリコン面が全体として太陽の方向に向けられていたとしても、太陽光がシリコン面に斜めに入射することになり、一度斜め面に入射した光が反射してさらに隣のピラミッドに照射される確率が高まり、結果として表面がフラットな状態よりもより多くの光エネルギがシリコンに吸収され、より発電効率が高まる。
【００１４】
さらに、シリコン表面で反射した光が外部に放出されるのを減少させてエネルギ吸収効率を上げる目的で、ＳｉＮ（Silicon Nitride）などの反射防止膜２０４が、約８０ｎｍ程度の厚さで形成される。反射防止膜２０４による反射防止の効果は その膜厚で決定されるため、膜厚を計測し管理することが重要である。
【特許文献１】特許第３９４４６９３号公報（図２および図３ならびにそれらに関連する記載）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記のように、太陽電池ウエハ２００として完成した製品の反射防止膜２０４の膜厚を非破壊で計るために、光学式膜厚計測装置で膜厚を計る必要がある。
【００１６】
しかし、多結晶シリコン型太陽電池ウエハは、通常図１２に示すように結晶の方向や大きさが異なる、数多くの非定型な結晶パターンで構成されており、パターンごとに反射率が大きく異なっている。
【００１７】
パターンごとに反射率が大きく異なっている理由は、図１２で見られるように多結晶シリコンのインゴットを製造する際、結晶粒の大きさがさまざまになるためである。たとえば結晶粒の大きさが小さいところ(図１２（Ｂ）の、１０μｍと図示されている部分)では、ピラミッド状の粒の側面の傾斜がウエハ面と垂直に近く、ウエハ面に入射した光は側面方向に反射するため、周囲より暗く見える、つまり、反射率が低くなっていると推測される。
【００１８】
これに対して、結晶粒の大きさが大きいところ(図１２（Ｃ）の、２０μｍと図示されている部分)では、ピラミッド状の粒の側面の傾斜がウエハ面と平行に近く、ウエハ面に垂直入射した光は、粒の側面で反射して垂直に近い方向に進むため、周囲より明るく見える、つまり、反射率が高くなっていると推測される。
【００１９】
また、これらの中間の明るさに見える部分は、反射率も中間の値を示すと推測される。
【００２０】
太陽電池ウエハの表面はこのようなメカニズムにより、反射率が異なる。
【００２１】
このため、図１０に示した従来例のような光学式膜厚計で膜厚を計ろうとすると、反射光量が少なすぎて干渉波形のＳＮ（signal/noise）が著しく劣化したり、逆に光量が多すぎて受光素子が飽和を起こしたりし、安定して計測することができないという問題があった。
【００２２】
この発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、結晶パターンにより反射率にばらつきがあっても影響されることなく、反射防止膜のような薄膜の厚さを容易に計測できる膜厚計測方法および膜厚計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
この発明に係る膜厚計測方法は、同軸配置された投受光部を持つ、光干渉式の膜厚計測装置を用いて板状物体の表面に形成された膜の厚さを計測する。膜厚計測方法は、投受光部の光軸に対する垂直面から、膜の形成された面を傾斜させた状態で前記板状物体を保持する工程と、投受光部から板状物体表面に計測光を照射し、かつ、投受光部に板状物体からの反射光を入力する工程と、入力した反射光に基づいて板状物体の表面に形成された膜の厚さを計測する工程とを含む。
【００２４】
好ましくは、板状物体を、投受光部に対する垂直平面から傾斜させる角度は５度から２０度の範囲である。
【００２５】
さらに好ましくは、板状物体を、投受光部に対する垂直平面から傾斜させる角度は１０度から２０度の範囲である。
【００２６】
板状物体は一方面と他方面とを有するとともに、一方面にのみ膜を有しており、板状物体が他方面を投受光部に向くように保持した状態で計測位置の位置決めを行う工程と、
一方面を投受光部に向けて保持し、測定位置に計測光が照射されるように位置決めする工程と、をさらに含んでもよい。
【００２７】
なお、板状物体は多結晶シリコン基板であってもよい。
【００２８】
この発明の他の局面においては、膜厚計測装置は、光干渉を用いて板状物体の表面に形成された膜の厚さを計測する。膜厚計測装置は、板状物体に対して、計測用の光を照射し、かつ板状物体からの反射光を入力する同軸投受光部と、同軸投受光部の光軸に対する垂直面から、膜の形成された面を傾斜した状態で板状物体を保持する保持部と、を含む。
【００２９】
好ましくは、保持部は同軸投受光部の光軸に対する垂直平面から５度から２０度の範囲で傾斜している。
【００３０】
さらに好ましくは、保持部は同軸投受光部の光軸に対する垂直平面から１０度から２０度の範囲で傾斜している。
【００３１】
同軸投受光部と保持部の相対位置を任意に変更させる移動手段を含むのが好ましい。
【００３２】
また、板状物体は一方面と他方面とを有するとともに、一方面にのみ膜を有しており、板状物体が他方面を前記投受光部に向くように保持した状態で決定した計測位置を記憶する手段と、一方面を投受光部に向けて保持し、記憶した測定位置に前記計測光が照射されるように位置決めする手段と、をさらに含んでもよい。
【発明の効果】
【００３３】
この発明においては、結晶パターンの違いによる反射率のばらつきの影響が少なくなることにより、反射防止膜のような薄膜の厚さを容易に計測できる膜厚計測方法および膜厚計測装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
この発明は、発明者らが、多結晶シリコン型太陽電池には反射率の異なる領域が存在し、その領域ごとに光を反射する方向が異なるという現象を発見したことに基づき、多結晶シリコン基板を傾けることにより、反射率の影響が少ない状態で基板上の反射防止膜等の薄膜の膜厚計測を可能としたものである。
【００３５】
以下、この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１はこの発明の一実施の形態に係る膜厚計測装置１０の要部を示す模式図である。ここでは、測定対象物３０として、上記した多結晶シリコン型太陽電池ウエハを計測する場合について説明する。図１を参照して、膜厚計測装置１０は、太陽電池ウエハのような測定対象物３０を保持するステージ２０と、ステージ２０上に載置された太陽電池ウエハ３１に投光するとともに、反射光を受光するファイバヘッド１２と、ファイバヘッド１２に接続されたＰＣＩボード１３０等を含む。ファイバヘッド１２は投光ファイバ１３および受光ファイバ１４を介してＰＣＩボード１３０に接続されている。なお、図１は図１０に対応するが、図１においては、ファイバヘッド１２とＰＣＩボード１３０のみを示している。この実施の形態においては、図１０のセンサヘッド１２０内の投光部および受光部はＰＣＩボードに内蔵されており、光ファイバを介してファイバヘッド１２から投受光する構成をとっている。また、この実施の形態においては、ステージ２０は従来と異なり、傾斜が可能である。それ以外の部分については図１０に示した従来例と同様であるので、異なる部分を除いてその説明は省略する。
【００３６】
したがって、ファイバヘッド１２は投光部１２１からの光をステージ２０上の測定対象物３０である太陽電池ウエハ３１に投光し、その反射光を受光部１２５で受けてＣＣＤへ入力しＡ／Ｄ変換部１３１に送る。
【００３７】
この実施の形態に係る膜厚計測装置１０はこのような傾斜可能なステージ２０を有する構造とすることにより、測定対象物３０が多結晶シリコン型太陽電池ウエハ３１であっても、多結晶シリコン基板の、微細なピラミッド状の結晶側面からの反射光を、傾斜角度を調整することによって適切な受光量として受光することができる。よって、ステージが光軸と垂直に対向している従来の膜厚計測装置１００では十分な反射光が取れない結晶パターンであっても、安定した計測が可能である。このステージ２０の傾斜角度は固定でもよい。
【００３８】
なお、ステージ２０の水平面からの傾きの角度θは、５度〜２０度程度の範囲が好ましい。この理由は後述する。また、このステージ２０の傾斜は公知の任意の機械的構成で実現可能であり、手動で傾斜させてもよいし、自動で傾斜させてもよい。
【００３９】
図２は多結晶シリコン型太陽電池のＳｉＮ膜が形成された表面（Ａ）と、膜が形成されない裏面（Ｂ）とを示す図である。図２を参照して、表面において反射率の低い結晶パターンを示す部分は、裏面においても低い反射率を示し、表面において反射率の高い結晶パターンを示す部分は裏面においても高い反射率を示す。太陽電池を構成する多結晶シリコン基板は、２００μｍ程度と非常に薄く、一つの結晶領域が基板の表面から裏面まで貫通しているので、図２に示すように、表面と裏面では、結晶パターンが鏡面のように対応する。
【００４０】
そこで、反射率の低いパターンでの膜厚を計りたいときは、裏面の、その位置に対応するパターンでリファレンスを取得する。反射率が高いパターンでの膜厚を計りたいときも、同様に裏面の、その位置に対応するパターンでリファレンスを取得する。なお、リファレンスについては後述する。
【００４１】
このようにすることにより、「膜ありの反射率／膜なしの反射率」の比はほぼ一定となるので、従来のようにパターンによって受光量が少なすぎたり、多すぎたりして計測ができたりできなかったりするといった問題はより生じにくくなる。
【００４２】
次に、図１に示したような、傾斜可能なステージ２０を有する膜厚計測装置１０のステージ２０の具体的構成について説明する。図３は傾斜可能なステージ２０を有する膜厚計測装置１０の要部を示す図である。図３（Ａ）は膜厚計測装置１０の側面図（Ｘ方向からの矢視図）であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）において矢印Ｂ−Ｂで示す矢視図である。
【００４３】
図３を参照して、ステージ２０は移動台２１上に設けられている。移動台２１は、ファイバヘッド１２の下部に設けられ、ファイバヘッド１２の移動方向（Ｚ方向）に対して直交するＸＹ平面上で任意の方向に移動可能であり、上端面に図中Ｙ方向において凹部を形成するような円弧状の部分２１ａを有し、ステージ２０を保持するステージ保持手段として作動する。また移動台２１のＸＹ平面上での移動は公知の任意の構成を用いて行うことができる。
【００４４】
一方、ステージ２０は、測定対象物３０を保持する矩形状の平面を有する保持部２０ａと、移動台２１の円弧状の部分２１ａに沿って下部が突出し、Ｘ方向に延在した蒲鉾状の底部２０ｂと、保持部２０ａと底部２０ｂとを矩形状の４辺で接続する側壁部２０ｃとを含む。
【００４５】
ステージ２０は移動台２１上で０度〜３０度の範囲の任意の傾斜角度θに保持され、太陽電池ウエハのような測定対象物３０をステージ２０上に載置した状態でＸＹ平面上の任意の位置に移動可能である。
【００４６】
移動台２１の初期位置はその中心がＸＹ平面上の原点に位置する位置であり、ファイバヘッド１２は、この原点上でＸＹ平面に直交する方向（Ｚ方向）に移動する。また、初期位置においてステージ２０は水平である。
【００４７】
測定対象物３０である太陽電池ウエハ３１は、たとえば 各辺１２．５ｃｍの正方形であり、ステージ２０上で図３（Ｃ）に示すガイドピン２３等の手段を用いて確実に位置決め固定されるような機構となっている。なお、図３（Ｃ）に示す例においては、ガイドピン２３ｂは太陽電池ウエハ３１の隣接する２辺に接するように固定されており、ガイドピン２３ａは図中矢印で示す方向にスライド可能であり、対向するガイドピン２３ｂの位置する右方向にばねで付勢されている。
【００４８】
次に、実際の計測手順について説明する。図４はこの実施の形態における膜厚計測装置１０の全体構成を示すブロック図であり、従来の図１０（Ａ）に対応する。
【００４９】
図４を参照して、膜厚計測装置１０の全体構成は基本的に図１０（Ａ）に示したものと同様であり、測定対象物３０を載置する傾斜可能なステージ２０と、ファイバヘッド１２と、ファイバヘッド１２に接続された膜厚計測用のハードウエアであるＰＣＩボード１３０と、ＰＣＩボード１３０にＰＣＩバスを介して接続されたコンピュータ１４０とを含む。コンピュータ１４０には、制御部（ＣＰＵ）１４１が設けられている。
【００５０】
この実施の形態では上記したように、測定対象物３０を載置するステージ２０がＸＹ平面上を移動可能で、かつ傾斜可能である。また、測定対象物３０に対してファイバヘッド１２がＸＹ平面に直交するＺ方向に移動可能である。
【００５１】
なお、ファイバヘッド１２はＺ方向に移動可能に設けられたＺステージ１５に保持されて移動される。したがって、Ｚステージ１５は同軸投受光部と保持部の相対位置を任意に変更させる移動手段として作動する。
【００５２】
また、コンピュータ１４０にロードされた膜厚計測用のソフトウエア１４５は、移動台２１をＸＹ方向に移動させるため、ステージ２０を所望の角度θだけ傾斜させるため、および、ファイバヘッド１２をＺ軸方向に移動させるためのそれぞれのドライバソフトウエアを含む。すなわち、ソフトウエア１４５はファイバヘッド１２をＺ軸方向に移動させるＺステージ１５を移動させるＺステージ用ドライバ１４６と、ステージ２０をＸＹ平面上で移動させるためのＸ，Ｙステージ用ドライバ１４７，１４８と、ステージ２０上の測定対象物３０を角度θ傾斜させるためのθステージ用ドライバ１４９とを含む。
【００５３】
なお、移動台２１の位置決め、ステージ２０の傾斜角度の検出のために図示のないエンコーダがステージ２０や移動台２１に設けられている。
【００５４】
ファイバヘッド１２をＺ軸方向に移動させるＺステージ１５にはファイバヘッド１２からの測定光の焦点が測定対象物３０に合っているか否かを検出するフォーカス検出部１６がファイバヘッド１２に対してＸ軸方向に設けられている。
【００５５】
また、コンピュータ１４０にはディスプレイ１５０が接続され、ディスプレイ１５０には、後に説明するリファレンス処理の指示を行う「リファレンス」ボタン１５１と、測定対象物に設けられた薄膜の膜厚を自動で計測するための指示を与える「計測」ボタン１５２とが表示されている。この「リファレンス」ボタン１５１を押下すると、リファレンスが開始される。リファレンスとは、測定対象物からの反射光量が測定対象物の反射率に応じて最適になるようＣＣＤ１２７のゲインを調整する機能である。
【００５６】
フォーカス検出部１６は、たとえば レーザ光を用いた三角測距方式による変位計を使用できる。変位計の出力はコンピュータ１４０に設けられた図示のないステージ制御部に送られ、ソフトウエア１４５に組み込まれたステージ制御ソフトウェアは変位計の出力を監視しながらＺ軸ステージ１５を上下動させ、あらかじめわかっているジャストフォーカス（合焦）時に相当する変位計出力が得られるように、Ｚ軸ステージ１５を制御する。
【００５７】
次に膜厚計測装置１０を用いて測定対象物の膜厚を計測する手順について説明する。図５はこの場合の処理を示すフローチャートである。図６は太陽電池ウエハ３１の裏面をファイバヘッド１２に向けてステージ２０上に載置した状態（Ａ）と、それを反転して薄膜の設けられた表面をファイバヘッド１２に向けて載置した状態（Ｂ）を示す図である。
【００５８】
図５を参照して、まず測定者が太陽電池ウエハの裏面を上に向けて、ステージ２０上に載置する（Ｓ１１）。このときの座標を初期位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とする。初期位置から所望の計測パターンのところに計測光スポットがあたるよう、ステージ台２１をＸＹ方向に手動または、上記したＸステージドライバ１４７、および／または、Ｙステージドライバ１４８を用いて移動する。
【００５９】
続いて、計測スポットがジャストフォーカスとなるよう、ファイバヘッド１２を保持したＺステージ１５を移動させ、計測者が、ディスプレイ１５０上のリファレンスボタン１５１を押すと、コンピュータ１４０の制御部１４１は、膜厚計測ソフトウェア（ソフトウエア１４５）の指示に沿ってリファレンス処理を行い（Ｓ１３）、ステージ制御ソフトウエアが、リファレンス時の座標（Ｘ，Ｙ、Ｚ）＝（ｘ1、ｙ1、ｚ1）を記憶する（Ｓ１４）。これは、計測者が自分で紙等に記録してもよいし、それぞれのドライバ１４６〜１４９による移動量をコンピュータ１４０の制御部１４１が図示のないメモリ（記憶手段）に格納するようにしてもよい。次いで、リファレンス完了のフラグを膜厚計測用ソフトウエア１４５内に保持し、ディスプレイ１５０に「リファレンス完了」を表示する（Ｓ１５）。ステージ２０のＸ、Ｙ、Ｚ座標および傾斜角度θは、上記した絶対座標検出型のリニアエンコーダ等で常に検出可能であり、装置の電源を切ってもステージ座標の原点位置や現在位置情報が消えることはないものとする。以上のように、コンピュータ１４０の制御部１４１は位置決め手段として作動する。
【００６０】
図７を参照して、次に、測定者がＸ軸方向について太陽電池ウエハ３１を反転して薄膜の設けられている表側を上に向けて、ステージ上に配置し（Ｓ２１）、ディスプレイ１５０上の計測ボタン１５２を押下する（Ｓ２２）。
【００６１】
コンピュータ１４０の制御部１４１は、ソフトウエア１４５の指示に応じて次の動作を行う。まず、上記したリファレンス済のフラグを保持しているか否かを判断する（Ｓ２３）。リファレンス済みのフラグを保持していれば、ソフトウエア１４５に含まれるステージ制御ソフトウエアが、ステージ２０を座標（−ｘ１，ｙ１、ｚ１）に移動させる（Ｓ２４）。すなわち、リファレンス処理時に記憶した座標に基づいて、原点を中心として、Ｘ軸の反対方向へステージ２０を駆動する。Ｙ，Ｚは変化させない。その後、膜つき面にファイバヘッド１２から光が照射され、反射スペクトルが計測され、膜厚計測処理が実行される（Ｓ２５）。
【００６２】
一方、Ｓ２３で計測ソフトウエアがリファレンス済みのフラグを有していないときは、リファレンス未取得のエラーをディスプレイ１５０に表示する（Ｓ２６）。
【００６３】
以上のように、コンピュータ１４０の制御部１４１は、計測者が測定対象物の載置および反転を行なえば、あとは自動的に膜厚の計測を行う。また、この測定対象物３０の反転も自動で行うようにしてもよい。
【００６４】
次に、ステージ２０の傾き角度を変えた場合の、膜厚計測装置で得られた実測波形と、計算上得られる理論波形との関係について説明する。これは、結晶パターンの反射率の低い場合と高い場合とに分けて説明する。
【００６５】
なお、薄膜の計測は計測値と理論値とのフィッティング（カーブフィッテイング）によって行う。具体的には最小二乗法等を用いて行うが、これは計測値と理論値の差の二乗の和（フィッティングレベル）が最小となる理論値を膜厚値として決定する方法である（特許文献１参照）。計測結果として出力される膜厚値は、このフィッティングレベルが小さいほど、実測波形が理論値に近いので信頼性が高いといえる。フィッティングレベルは絶対値としてどの値以下であればよいという基準値はなく、相対的な評価値として用いるものである。
【００６６】
（１）反射率の低い結晶パターンにおけるステージの傾き角度と干渉波形
図８はこの場合の波長と絶対反射率との関係を傾斜角度ごとに示したグラフである。図８（Ａ）〜図８（Ｇ）はそれぞれ、傾斜角度を０度〜３０度まで５度間隔で異ならせた場合の実測波形と理論波形とを示すグラフである。角度の右側の数値がそのときのフィッティングレベルを表している。
【００６７】
図８を参照して、傾きが０度のときは、フィッティングレベルが他の傾きの場合に比べて相対的に大きい。このことから、出力される膜厚の信頼性が良くないことがわかる。こうなる理由は、反射光量が小さすぎるため分光素子１２６のリニアリティが確保できなくなり、結果として干渉波形が歪んでくるからである。傾きが増すにつれ、フィッティングレベルが小さくなり、計測値の信頼性が向上してくる。このことから、出力される膜厚の信頼性が高いと判断できる。膜厚計測値の許容値を設計値（たとえば８０ｎｍ）の±５％以内とすれば、測斜角度は０度から２０度が好ましい。さらにフィッティングレベルの許容値を０．０２とすれば、最適な角度は、１０度から２０度程度である。
【００６８】
（２）反射率の高い結晶パターンにおけるステージの傾き角度と干渉波形
図９はこの場合の波長と絶対反射率との関係を傾斜角度ごとに示したグラフである。図９（Ａ）〜図９（Ｇ）はそれぞれ、傾斜角度を０度〜３０度まで５度間隔で異ならせた場合の実測波形と理論波形とを示すグラフである。
【００６９】
この場合、傾きが５度から２５度にかけて、さほど実測波形に変化がないことがわかる。理由は、ピラミッド状結晶の傾きが小さいため、膜厚計測装置１０のファイバヘッド１２の方向に十分な光量が返ってくるからと考えられる。
【００７０】
反射率が低い場合の結果に比べ膜厚が１０ｎｍほど厚いのは、基板内における膜厚むらが原因である。
【００７１】
また、この場合、膜厚計測値の許容値を設計値（たとえば９０ｎｍ）の±５％以内とすれば、ステージ２０の傾斜角度は５度から２５度が好ましい。この場合、フィッティングレベルの許容値を０．０２としても、最適な角度は、５度から２５度程度である。
【００７２】
以上より、反射率に拘わらず、信頼性の高い計測が可能なステージ２０の傾斜角度は、膜厚値だけを考えれば５度から２０度が好ましく、さらにフィッテイングレベルを考慮すれば、最適な角度は１０度から２０度程度である。
【００７３】
上記実施の形態においては、ステージを移動台上に設けて、ステージをＸＹ平面上で任意の方向に移動可能な例について説明したが、これに限らず、ファイバヘッドのほうがＸＹ平面上で任意の方向に移動可能としてもよい。Ｚ方向についてもファイバヘッドをステージに向けて移動可能な例について説明したが、これに限らず、両者が相対的に移動可能であればよい。傾きに関しても、ステージがファイバヘッドからの光が入射する方向に対して所望の角度傾斜が可能な例で説明したが、ファイバヘッドがステージに対して傾いている構成としてもよい。
【００７４】
また、上記実施の形態においては、傾斜角度を可変とする構成で説明したが、傾斜角度を所定の角度に固定した構成としてもよい。
【００７５】
なお、基板を保持し、反転、移動および傾斜させる手段としては、多軸制御可能なロボットハンドを用いてもよい。
【００７６】
また、測定対象物がステージ上に保持できれば、ファイバヘッドからの光をステージの下面から照射してもよい。
【００７７】
さらに、上記実施の形態においては、太陽電池ウエハとして多結晶シリコンに設けられた薄膜の膜厚を計測する場合について説明したが、これに限らず、単結晶シリコンや、微結晶シリコンやアモルファスシリコン等の太陽電池ウエハについても適用可能である。
【００７８】
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】この発明の一実施の形態に係る膜厚計測装置の要部を示す図である。
【図２】測定対象物となる太陽電池ウエハの表面と裏面とを示す図である。
【図３】膜厚計測装置のステージの詳細を示す図である。
【図４】この実施の形態に係る膜厚計測装置の制御部を含むブロック図である。
【図５】膜厚計測装置におけるリファレンス処理を示すフローチャートである。
【図６】リファレンス時と計測時の基板の位置関係を示す図である。
【図７】膜厚計測装置における計測方法を示すフローチャートである。
【図８】反射率の低い結晶パターンを測定したときのステージの傾斜角度ごとの実測波形と理論波形とのフィッティング状況を示すグラフである。
【図９】反射率の高い結晶パターンを測定したときのステージの傾斜角度ごとの実測波形と理論波形とのフィッティング状況を示すグラフである。
【図１０】従来の膜厚計測装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】太陽電池ウエハの全体構成を示す斜視図である。
【図１２】太陽電池ウエハの表面を示す写真である。
【符号の説明】
【００８０】
１０，１００ 膜厚計測装置、１２ ファイバヘッド、１３ 投光ファイバ、１４ 受光ファイバ、１５ Ｚステージ、１６ フォーカス検出部、２０ ステージ、２１ 移動台、３０ 測定対象物、３１ 太陽電池ウエハ、１３０ ＰＣＩボード、１３５ ＰＣＩバス、１４０ コンピュータ、１４１ 制御部、１４５ ソフトウエア。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、膜厚計測方法および膜厚計測装置に関し、特に、太陽電池に用いられる多結晶シリコン基板上の反射防止膜などの透明膜を光干渉式で計測する膜厚計測方法および膜厚計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光干渉式の膜厚計測装置が、たとえば、特許第３９４４６９３号公報（特許文献１）に記載されている。図１０は、特許文献１に開示された膜厚計測装置１００の要部を示す図である。図１０（Ａ）は膜厚計測装置１００の電気的構成を示すブロック図であり、図１０（Ｂ）は膜厚計測装置１００のセンサヘッド１２０内の光学系等の構成を示す図である。
【０００３】
図１０を参照して、膜厚計測装置１００は、測定対象物３０の間近に取り付けることが可能な小型のセンサヘッド１２０と、測定対象物３０から離隔して設置されたコンピュータ１４０の内部スロットに装着可能なＰＣＩ(Peripheral Component Interconnect)ボード１３０とを含んでいる。ここでは、測定対象物３０はステージ１２９の上に載置されており、センサヘッド１２０からの光は測定対象物３０に垂直に入射する。
【０００４】
センサヘッド１２０とＰＣＩボード１３０との間はケーブル（電線）１２３ａで結ばれている。ＰＣＩボード１３０とコンピュータ１４０の制御部となるＣＰＵ（Central Processing Unit,図示せず）との間はＰＣＩバス１３５で結ばれている。ＰＣＩボード１３０は受光部１２５からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部１３１と、所定のファームウエア１３３を有する信号処理部１３２と、信号処理部１３２からの信号を受けて投光部１２１および受光部１２５を制御する投受光制御部１３４とを含む。
【０００５】
なお、コンピュータ１４０には膜厚を計測するためのソフトウエア１４１が組み込まれている。また、コンピュータ１４０は外部インターフェイス（Ｉ／Ｆ）１４２を介して、膜厚計測データや膜厚判定出力を図示のない外部機器等へ出力し、外部から各種のデジタル指令信号を入力する。
【０００６】
センサヘッド１２０内には、投光部１２１と受光部１２５とが含まれている。投光部１２１は、赤外光を発する赤外光ＬＥＤ１２２と、赤外光ＬＥＤ１２２から発せられた赤外光を測定対象物３０に向けて出射するための投光側光学系１２０ａを含む。投光側光学系１２０ａは赤外光ＬＥＤ１２２からの赤外光を反射して測定対象物３０に投光するとともに、測定対象物３０からの反射光を透過するハーフミラー１２３と、投光された赤外光を測定対象物３０上の所定の位置に入射させるとともに、その反射光を分光素子に送るレンズ１２４とを含む。受光部１２５は、測定対象物３０からの反射光を入射する受光側光学系と、受光側光学系で受光した反射光を分光する分光素子１２６と、分光素子１２６から得られる一連の成分光を適宜に区分して個別に光電変換するＣＣＤ（Charge Coupled Device）１２７とを含む。なお、この例では、投光側光学系１２０ａは受光側光学系としても作動する。すなわち、膜厚計測装置１００は同軸配置された等受光部を有する。
【０００７】
ＣＣＤ１２７からのアナログ信号はケーブル１２３ａを介してＡ／Ｄ変換部１３１に出力される。また、投受光制御部１３４は投光部１２１、および受光部１２５を制御するための制御信号をセンサヘッド１２０に出力する。
【０００８】
図１０に示す従来例では 赤外光を用いているが、より一般的には ハロゲンランプ・白色ＬＥＤなどの白色光を膜付の計測物体に照射し、その反射光を分光して得られる実測の反射スペクトル（光干渉波形）と、 薄膜の光干渉理論から導かれる理論の光干渉波形とをカーブフィッティングすることにより、膜厚を計測するのが好ましい。
【０００９】
次に、従来の膜厚計測装置を用いた、多結晶シリコン型太陽電池に形成された反射防止膜の膜厚測定について述べる。太陽光で発電するためのデバイスが太陽電池である。太陽電池には、いくつかの種類があるが、現在の主流は、多結晶シリコン型太陽電池である。図１１は、代表的な多結晶シリコン型太陽電池ウエハ２００の構造を示す図である。ＩＣやＬＳＩなどの半導体回路は、シリコンの単結晶インゴットをスライスして作られる単結晶ウエハを使用するが、太陽電池ではより安価に作成できる多結晶シリコンウエハが用いられることが多い。
【００１０】
図１１を参照して、太陽電池ウエハ２００は、ｐ型多結晶シリコンウエハ２０１とｐ型多結晶シリコンウエハ２０１を挟んで上下に設けられたｎ型層２０２、および、ｐ＋層２０３と、ｎ型層２０２の上に形成された反射防止膜２０４と、ｎ型層２０２と接続され、反射防止膜２０４の上の所定の位置に設けられた表面電極２０６と、ｐ＋層２０３の下部に設けられた裏面電極２０７とを含む。反射防止膜２０４を通して太陽光２０８が入射して電力が発生する。
【００１１】
図１２は図１１に示したｐ型多結晶シリコンウエハの表面の一例を示す図である。図１２（Ａ）は表面の一部を示す図であり、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）において暗く見える部分の拡大図であり、図１２（Ｃ）は図１２（Ａ）において明るく見える部分の拡大図である。
【００１２】
図１２を参照して、多結晶ウエハの表面には、約０．２〜１平方ｃｍ程度の非定型のパターンが観測される。このように見える理由は、多結晶インゴットでは、結晶がさまざまな方向に非定型で成長していくからである。さらに、インゴットをウエハ状にスライスした後、アルカリエッチングすると、結晶の方位面によってエッチングされやすい面とされにくい面という違いがあるため、ある結晶方向のみが選択的に残りやすい。結果として、図１２のように、１０μｍ程度の大きさの微細なピラミッド状の凹凸が発生し、かつ ピラミッドの高さおよび向きが非定型なパターンを形成することになる。
【００１３】
このような形状が形成されていることにより、シリコン面が全体として太陽の方向に向けられていたとしても、太陽光がシリコン面に斜めに入射することになり、一度斜め面に入射した光が反射してさらに隣のピラミッドに照射される確率が高まり、結果として表面がフラットな状態よりもより多くの光エネルギがシリコンに吸収され、より発電効率が高まる。
【００１４】
さらに、シリコン表面で反射した光が外部に放出されるのを減少させてエネルギ吸収効率を上げる目的で、ＳｉＮ（Silicon Nitride）などの反射防止膜２０４が、約８０ｎｍ程度の厚さで形成される。反射防止膜２０４による反射防止の効果は その膜厚で決定されるため、膜厚を計測し管理することが重要である。
【特許文献１】特許第３９４４６９３号公報（図２および図３ならびにそれらに関連する記載）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記のように、太陽電池ウエハ２００として完成した製品の反射防止膜２０４の膜厚を非破壊で計るために、光学式膜厚計測装置で膜厚を計る必要がある。
【００１６】
しかし、多結晶シリコン型太陽電池ウエハは、通常図１２に示すように結晶の方向や大きさが異なる、数多くの非定型な結晶パターンで構成されており、パターンごとに反射率が大きく異なっている。
【００１７】
パターンごとに反射率が大きく異なっている理由は、図１２で見られるように多結晶シリコンのインゴットを製造する際、結晶粒の大きさがさまざまになるためである。たとえば結晶粒の大きさが小さいところ(図１２（Ｂ）の、１０μｍと図示されている部分)では、ピラミッド状の粒の側面の傾斜がウエハ面と垂直に近く、ウエハ面に入射した光は側面方向に反射するため、周囲より暗く見える、つまり、反射率が低くなっていると推測される。
【００１８】
これに対して、結晶粒の大きさが大きいところ(図１２（Ｃ）の、２０μｍと図示されている部分)では、ピラミッド状の粒の側面の傾斜がウエハ面と平行に近く、ウエハ面に垂直入射した光は、粒の側面で反射して垂直に近い方向に進むため、周囲より明るく見える、つまり、反射率が高くなっていると推測される。
【００１９】
また、これらの中間の明るさに見える部分は、反射率も中間の値を示すと推測される。
【００２０】
太陽電池ウエハの表面はこのようなメカニズムにより、反射率が異なる。
【００２１】
このため、図１０に示した従来例のような光学式膜厚計で膜厚を計ろうとすると、反射光量が少なすぎて干渉波形のＳＮ（signal/noise）が著しく劣化したり、逆に光量が多すぎて受光素子が飽和を起こしたりし、安定して計測することができないという問題があった。
【００２２】
この発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、結晶パターンにより反射率にばらつきがあっても影響されることなく、反射防止膜のような薄膜の厚さを容易に計測できる膜厚計測方法および膜厚計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
この発明に係る膜厚計測方法は、同軸配置された投受光部を持つ、光干渉式の膜厚計測装置を用いて板状物体の表面に形成された膜の厚さを計測する。膜厚計測方法は、投受光部の光軸に対する垂直面から、膜の形成された面を傾斜させた状態で前記板状物体を保持する工程と、投受光部から板状物体表面に計測光を照射し、かつ、投受光部に板状物体からの反射光を入力する工程と、入力した反射光に基づいて板状物体の表面に形成された膜の厚さを計測する工程とを含む。
【００２４】
好ましくは、板状物体を、投受光部に対する垂直平面から傾斜させる角度は５度から２０度の範囲である。
【００２５】
さらに好ましくは、板状物体を、投受光部に対する垂直平面から傾斜させる角度は１０度から２０度の範囲である。
【００２６】
板状物体は一方面と他方面とを有するとともに、一方面にのみ膜を有しており、板状物体が他方面を投受光部に向くように保持した状態で計測位置の位置決めを行う工程と、
一方面を投受光部に向けて保持し、測定位置に計測光が照射されるように位置決めする工程と、をさらに含んでもよい。
【００２７】
なお、板状物体は多結晶シリコン基板であってもよい。
【００２８】
この発明の他の局面においては、膜厚計測装置は、光干渉を用いて板状物体の表面に形成された膜の厚さを計測する。膜厚計測装置は、板状物体に対して、計測用の光を照射し、かつ板状物体からの反射光を入力する同軸投受光部と、同軸投受光部の光軸に対する垂直面から、膜の形成された面を傾斜した状態で板状物体を保持する保持部と、を含む。
【００２９】
好ましくは、保持部は同軸投受光部の光軸に対する垂直平面から５度から２０度の範囲で傾斜している。
【００３０】
さらに好ましくは、保持部は同軸投受光部の光軸に対する垂直平面から１０度から２０度の範囲で傾斜している。
【００３１】
同軸投受光部と保持部の相対位置を任意に変更させる移動手段を含むのが好ましい。
【００３２】
また、板状物体は一方面と他方面とを有するとともに、一方面にのみ膜を有しており、板状物体が他方面を前記投受光部に向くように保持した状態で決定した計測位置を記憶する手段と、一方面を投受光部に向けて保持し、記憶した測定位置に前記計測光が照射されるように位置決めする手段と、をさらに含んでもよい。
【発明の効果】
【００３３】
この発明においては、結晶パターンの違いによる反射率のばらつきの影響が少なくなることにより、反射防止膜のような薄膜の厚さを容易に計測できる膜厚計測方法および膜厚計測装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
この発明は、発明者らが、多結晶シリコン型太陽電池には反射率の異なる領域が存在し、その領域ごとに光を反射する方向が異なるという現象を発見したことに基づき、多結晶シリコン基板を傾けることにより、反射率の影響が少ない状態で基板上の反射防止膜等の薄膜の膜厚計測を可能としたものである。
【００３５】
以下、この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１はこの発明の一実施の形態に係る膜厚計測装置１０の要部を示す模式図である。ここでは、測定対象物３０として、上記した多結晶シリコン型太陽電池ウエハを計測する場合について説明する。図１を参照して、膜厚計測装置１０は、太陽電池ウエハのような測定対象物３０を保持するステージ２０と、ステージ２０上に載置された太陽電池ウエハ３１に投光するとともに、反射光を受光するファイバヘッド１２と、ファイバヘッド１２に接続されたＰＣＩボード１３０等を含む。ファイバヘッド１２は投光ファイバ１３および受光ファイバ１４を介してＰＣＩボード１３０に接続されている。なお、図１は図１０に対応するが、図１においては、ファイバヘッド１２とＰＣＩボード１３０のみを示している。この実施の形態においては、図１０のセンサヘッド１２０内の投光部および受光部はＰＣＩボードに内蔵されており、光ファイバを介してファイバヘッド１２から投受光する構成をとっている。また、この実施の形態においては、ステージ２０は従来と異なり、傾斜が可能である。それ以外の部分については図１０に示した従来例と同様であるので、異なる部分を除いてその説明は省略する。
【００３６】
したがって、ファイバヘッド１２は投光部１２１からの光をステージ２０上の測定対象物３０である太陽電池ウエハ３１に投光し、その反射光を受光部１２５で受けてＣＣＤへ入力しＡ／Ｄ変換部１３１に送る。
【００３７】
この実施の形態に係る膜厚計測装置１０はこのような傾斜可能なステージ２０を有する構造とすることにより、測定対象物３０が多結晶シリコン型太陽電池ウエハ３１であっても、多結晶シリコン基板の、微細なピラミッド状の結晶側面からの反射光を、傾斜角度を調整することによって適切な受光量として受光することができる。よって、ステージが光軸と垂直に対向している従来の膜厚計測装置１００では十分な反射光が取れない結晶パターンであっても、安定した計測が可能である。このステージ２０の傾斜角度は固定でもよい。
【００３８】
なお、ステージ２０の水平面からの傾きの角度θは、５度〜２０度程度の範囲が好ましい。この理由は後述する。また、このステージ２０の傾斜は公知の任意の機械的構成で実現可能であり、手動で傾斜させてもよいし、自動で傾斜させてもよい。
【００３９】
図２は多結晶シリコン型太陽電池のＳｉＮ膜が形成された表面（Ａ）と、膜が形成されない裏面（Ｂ）とを示す図である。図２を参照して、表面において反射率の低い結晶パターンを示す部分は、裏面においても低い反射率を示し、表面において反射率の高い結晶パターンを示す部分は裏面においても高い反射率を示す。太陽電池を構成する多結晶シリコン基板は、２００μｍ程度と非常に薄く、一つの結晶領域が基板の表面から裏面まで貫通しているので、図２に示すように、表面と裏面では、結晶パターンが鏡面のように対応する。
【００４０】
そこで、反射率の低いパターンでの膜厚を計りたいときは、裏面の、その位置に対応するパターンでリファレンスを取得する。反射率が高いパターンでの膜厚を計りたいときも、同様に裏面の、その位置に対応するパターンでリファレンスを取得する。なお、リファレンスについては後述する。
【００４１】
このようにすることにより、「膜ありの反射率／膜なしの反射率」の比はほぼ一定となるので、従来のようにパターンによって受光量が少なすぎたり、多すぎたりして計測ができたりできなかったりするといった問題はより生じにくくなる。
【００４２】
次に、図１に示したような、傾斜可能なステージ２０を有する膜厚計測装置１０のステージ２０の具体的構成について説明する。図３は傾斜可能なステージ２０を有する膜厚計測装置１０の要部を示す図である。図３（Ａ）は膜厚計測装置１０の側面図（Ｘ方向からの矢視図）であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）において矢印Ｂ−Ｂで示す矢視図である。
【００４３】
図３を参照して、ステージ２０は移動台２１上に設けられている。移動台２１は、ファイバヘッド１２の下部に設けられ、ファイバヘッド１２の移動方向（Ｚ方向）に対して直交するＸＹ平面上で任意の方向に移動可能であり、上端面に図中Ｙ方向において凹部を形成するような円弧状の部分２１ａを有し、ステージ２０を保持するステージ保持手段として作動する。また移動台２１のＸＹ平面上での移動は公知の任意の構成を用いて行うことができる。
【００４４】
一方、ステージ２０は、測定対象物３０を保持する矩形状の平面を有する保持部２０ａと、移動台２１の円弧状の部分２１ａに沿って下部が突出し、Ｘ方向に延在した蒲鉾状の底部２０ｂと、保持部２０ａと底部２０ｂとを矩形状の４辺で接続する側壁部２０ｃとを含む。
【００４５】
ステージ２０は移動台２１上で０度〜３０度の範囲の任意の傾斜角度θに保持され、太陽電池ウエハのような測定対象物３０をステージ２０上に載置した状態でＸＹ平面上の任意の位置に移動可能である。
【００４６】
移動台２１の初期位置はその中心がＸＹ平面上の原点に位置する位置であり、ファイバヘッド１２は、この原点上でＸＹ平面に直交する方向（Ｚ方向）に移動する。また、初期位置においてステージ２０は水平である。
【００４７】
測定対象物３０である太陽電池ウエハ３１は、たとえば 各辺１２．５ｃｍの正方形であり、ステージ２０上で図３（Ｃ）に示すガイドピン２３等の手段を用いて確実に位置決め固定されるような機構となっている。なお、図３（Ｃ）に示す例においては、ガイドピン２３ｂは太陽電池ウエハ３１の隣接する２辺に接するように固定されており、ガイドピン２３ａは図中矢印で示す方向にスライド可能であり、対向するガイドピン２３ｂの位置する右方向にばねで付勢されている。
【００４８】
次に、実際の計測手順について説明する。図４はこの実施の形態における膜厚計測装置１０の全体構成を示すブロック図であり、従来の図１０（Ａ）に対応する。
【００４９】
図４を参照して、膜厚計測装置１０の全体構成は基本的に図１０（Ａ）に示したものと同様であり、測定対象物３０を載置する傾斜可能なステージ２０と、ファイバヘッド１２と、ファイバヘッド１２に接続された膜厚計測用のハードウエアであるＰＣＩボード１３０と、ＰＣＩボード１３０にＰＣＩバスを介して接続されたコンピュータ１４０とを含む。コンピュータ１４０には、制御部（ＣＰＵ）１４１が設けられている。
【００５０】
この実施の形態では上記したように、測定対象物３０を載置するステージ２０がＸＹ平面上を移動可能で、かつ傾斜可能である。また、測定対象物３０に対してファイバヘッド１２がＸＹ平面に直交するＺ方向に移動可能である。
【００５１】
なお、ファイバヘッド１２はＺ方向に移動可能に設けられたＺステージ１５に保持されて移動される。したがって、Ｚステージ１５は同軸投受光部と保持部の相対位置を任意に変更させる移動手段として作動する。
【００５２】
また、コンピュータ１４０にロードされた膜厚計測用のソフトウエア１４５は、移動台２１をＸＹ方向に移動させるため、ステージ２０を所望の角度θだけ傾斜させるため、および、ファイバヘッド１２をＺ軸方向に移動させるためのそれぞれのドライバソフトウエアを含む。すなわち、ソフトウエア１４５はファイバヘッド１２をＺ軸方向に移動させるＺステージ１５を移動させるＺステージ用ドライバ１４６と、ステージ２０をＸＹ平面上で移動させるためのＸ，Ｙステージ用ドライバ１４７，１４８と、ステージ２０上の測定対象物３０を角度θ傾斜させるためのθステージ用ドライバ１４９とを含む。
【００５３】
なお、移動台２１の位置決め、ステージ２０の傾斜角度の検出のために図示のないエンコーダがステージ２０や移動台２１に設けられている。
【００５４】
ファイバヘッド１２をＺ軸方向に移動させるＺステージ１５にはファイバヘッド１２からの測定光の焦点が測定対象物３０に合っているか否かを検出するフォーカス検出部１６がファイバヘッド１２に対してＸ軸方向に設けられている。
【００５５】
また、コンピュータ１４０にはディスプレイ１５０が接続され、ディスプレイ１５０には、後に説明するリファレンス処理の指示を行う「リファレンス」ボタン１５１と、測定対象物に設けられた薄膜の膜厚を自動で計測するための指示を与える「計測」ボタン１５２とが表示されている。この「リファレンス」ボタン１５１を押下すると、リファレンスが開始される。リファレンスとは、測定対象物からの反射光量が測定対象物の反射率に応じて最適になるようＣＣＤ１２７のゲインを調整する機能である。
【００５６】
フォーカス検出部１６は、たとえば レーザ光を用いた三角測距方式による変位計を使用できる。変位計の出力はコンピュータ１４０に設けられた図示のないステージ制御部に送られ、ソフトウエア１４５に組み込まれたステージ制御ソフトウェアは変位計の出力を監視しながらＺ軸ステージ１５を上下動させ、あらかじめわかっているジャストフォーカス（合焦）時に相当する変位計出力が得られるように、Ｚ軸ステージ１５を制御する。
【００５７】
次に膜厚計測装置１０を用いて測定対象物の膜厚を計測する手順について説明する。図５はこの場合の処理を示すフローチャートである。図６は太陽電池ウエハ３１の裏面をファイバヘッド１２に向けてステージ２０上に載置した状態（Ａ）と、それを反転して薄膜の設けられた表面をファイバヘッド１２に向けて載置した状態（Ｂ）を示す図である。
【００５８】
図５を参照して、まず測定者が太陽電池ウエハの裏面を上に向けて、ステージ２０上に載置する（Ｓ１１）。このときの座標を初期位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とする。初期位置から所望の計測パターンのところに計測光スポットがあたるよう、ステージ台２１をＸＹ方向に手動または、上記したＸステージドライバ１４７、および／または、Ｙステージドライバ１４８を用いて移動する。
【００５９】
続いて、計測スポットがジャストフォーカスとなるよう、ファイバヘッド１２を保持したＺステージ１５を移動させ、計測者が、ディスプレイ１５０上のリファレンスボタン１５１を押すと、コンピュータ１４０の制御部１４１は、膜厚計測ソフトウェア（ソフトウエア１４５）の指示に沿ってリファレンス処理を行い（Ｓ１３）、ステージ制御ソフトウエアが、リファレンス時の座標（Ｘ，Ｙ、Ｚ）＝（ｘ1、ｙ1、ｚ1）を記憶する（Ｓ１４）。これは、計測者が自分で紙等に記録してもよいし、それぞれのドライバ１４６〜１４９による移動量をコンピュータ１４０の制御部１４１が図示のないメモリ（記憶手段）に格納するようにしてもよい。次いで、リファレンス完了のフラグを膜厚計測用ソフトウエア１４５内に保持し、ディスプレイ１５０に「リファレンス完了」を表示する（Ｓ１５）。ステージ２０のＸ、Ｙ、Ｚ座標および傾斜角度θは、上記した絶対座標検出型のリニアエンコーダ等で常に検出可能であり、装置の電源を切ってもステージ座標の原点位置や現在位置情報が消えることはないものとする。以上のように、コンピュータ１４０の制御部１４１は位置決め手段として作動する。
【００６０】
図７を参照して、次に、測定者がＸ軸方向について太陽電池ウエハ３１を反転して薄膜の設けられている表側を上に向けて、ステージ上に配置し（Ｓ２１）、ディスプレイ１５０上の計測ボタン１５２を押下する（Ｓ２２）。
【００６１】
コンピュータ１４０の制御部１４１は、ソフトウエア１４５の指示に応じて次の動作を行う。まず、上記したリファレンス済のフラグを保持しているか否かを判断する（Ｓ２３）。リファレンス済みのフラグを保持していれば、ソフトウエア１４５に含まれるステージ制御ソフトウエアが、ステージ２０を座標（−ｘ１，ｙ１、ｚ１）に移動させる（Ｓ２４）。すなわち、リファレンス処理時に記憶した座標に基づいて、原点を中心として、Ｘ軸の反対方向へステージ２０を駆動する。Ｙ，Ｚは変化させない。その後、膜つき面にファイバヘッド１２から光が照射され、反射スペクトルが計測され、膜厚計測処理が実行される（Ｓ２５）。
【００６２】
一方、Ｓ２３で計測ソフトウエアがリファレンス済みのフラグを有していないときは、リファレンス未取得のエラーをディスプレイ１５０に表示する（Ｓ２６）。
【００６３】
以上のように、コンピュータ１４０の制御部１４１は、計測者が測定対象物の載置および反転を行なえば、あとは自動的に膜厚の計測を行う。また、この測定対象物３０の反転も自動で行うようにしてもよい。
【００６４】
次に、ステージ２０の傾き角度を変えた場合の、膜厚計測装置で得られた実測波形と、計算上得られる理論波形との関係について説明する。これは、結晶パターンの反射率の低い場合と高い場合とに分けて説明する。
【００６５】
なお、薄膜の計測は計測値と理論値とのフィッティング（カーブフィッテイング）によって行う。具体的には最小二乗法等を用いて行うが、これは計測値と理論値の差の二乗の和（フィッティングレベル）が最小となる理論値を膜厚値として決定する方法である（特許文献１参照）。計測結果として出力される膜厚値は、このフィッティングレベルが小さいほど、実測波形が理論値に近いので信頼性が高いといえる。フィッティングレベルは絶対値としてどの値以下であればよいという基準値はなく、相対的な評価値として用いるものである。
【００６６】
（１）反射率の低い結晶パターンにおけるステージの傾き角度と干渉波形
図８はこの場合の波長と絶対反射率との関係を傾斜角度ごとに示したグラフである。図８（Ａ）〜図８（Ｇ）はそれぞれ、傾斜角度を０度〜３０度まで５度間隔で異ならせた場合の実測波形と理論波形とを示すグラフである。角度の右側の数値がそのときのフィッティングレベルを表している。
【００６７】
図８を参照して、傾きが０度のときは、フィッティングレベルが他の傾きの場合に比べて相対的に大きい。このことから、出力される膜厚の信頼性が良くないことがわかる。こうなる理由は、反射光量が小さすぎるため分光素子１２６のリニアリティが確保できなくなり、結果として干渉波形が歪んでくるからである。傾きが増すにつれ、フィッティングレベルが小さくなり、計測値の信頼性が向上してくる。このことから、出力される膜厚の信頼性が高いと判断できる。膜厚計測値の許容値を設計値（たとえば８０ｎｍ）の±５％以内とすれば、測斜角度は０度から２０度が好ましい。さらにフィッティングレベルの許容値を０．０２とすれば、最適な角度は、１０度から２０度程度である。
【００６８】
（２）反射率の高い結晶パターンにおけるステージの傾き角度と干渉波形
図９はこの場合の波長と絶対反射率との関係を傾斜角度ごとに示したグラフである。図９（Ａ）〜図９（Ｇ）はそれぞれ、傾斜角度を０度〜３０度まで５度間隔で異ならせた場合の実測波形と理論波形とを示すグラフである。
【００６９】
この場合、傾きが５度から２５度にかけて、さほど実測波形に変化がないことがわかる。理由は、ピラミッド状結晶の傾きが小さいため、膜厚計測装置１０のファイバヘッド１２の方向に十分な光量が返ってくるからと考えられる。
【００７０】
反射率が低い場合の結果に比べ膜厚が１０ｎｍほど厚いのは、基板内における膜厚むらが原因である。
【００７１】
また、この場合、膜厚計測値の許容値を設計値（たとえば９０ｎｍ）の±５％以内とすれば、ステージ２０の傾斜角度は５度から２５度が好ましい。この場合、フィッティングレベルの許容値を０．０２としても、最適な角度は、５度から２５度程度である。
【００７２】
以上より、反射率に拘わらず、信頼性の高い計測が可能なステージ２０の傾斜角度は、膜厚値だけを考えれば５度から２０度が好ましく、さらにフィッテイングレベルを考慮すれば、最適な角度は１０度から２０度程度である。
【００７３】
上記実施の形態においては、ステージを移動台上に設けて、ステージをＸＹ平面上で任意の方向に移動可能な例について説明したが、これに限らず、ファイバヘッドのほうがＸＹ平面上で任意の方向に移動可能としてもよい。Ｚ方向についてもファイバヘッドをステージに向けて移動可能な例について説明したが、これに限らず、両者が相対的に移動可能であればよい。傾きに関しても、ステージがファイバヘッドからの光が入射する方向に対して所望の角度傾斜が可能な例で説明したが、ファイバヘッドがステージに対して傾いている構成としてもよい。
【００７４】
また、上記実施の形態においては、傾斜角度を可変とする構成で説明したが、傾斜角度を所定の角度に固定した構成としてもよい。
【００７５】
なお、基板を保持し、反転、移動および傾斜させる手段としては、多軸制御可能なロボットハンドを用いてもよい。
【００７６】
また、測定対象物がステージ上に保持できれば、ファイバヘッドからの光をステージの下面から照射してもよい。
【００７７】
さらに、上記実施の形態においては、太陽電池ウエハとして多結晶シリコンに設けられた薄膜の膜厚を計測する場合について説明したが、これに限らず、単結晶シリコンや、微結晶シリコンやアモルファスシリコン等の太陽電池ウエハについても適用可能である。
【００７８】
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】この発明の一実施の形態に係る膜厚計測装置の要部を示す図である。
【図２】測定対象物となる太陽電池ウエハの表面と裏面とを示す図である。
【図３】膜厚計測装置のステージの詳細を示す図である。
【図４】この実施の形態に係る膜厚計測装置の制御部を含むブロック図である。
【図５】膜厚計測装置におけるリファレンス処理を示すフローチャートである。
【図６】リファレンス時と計測時の基板の位置関係を示す図である。
【図７】膜厚計測装置における計測方法を示すフローチャートである。
【図８】反射率の低い結晶パターンを測定したときのステージの傾斜角度ごとの実測波形と理論波形とのフィッティング状況を示すグラフである。
【図９】反射率の高い結晶パターンを測定したときのステージの傾斜角度ごとの実測波形と理論波形とのフィッティング状況を示すグラフである。
【図１０】従来の膜厚計測装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】太陽電池ウエハの全体構成を示す斜視図である。
【図１２】太陽電池ウエハの表面を示す写真である。
【符号の説明】
【００８０】
１０，１００ 膜厚計測装置、１２ ファイバヘッド、１３ 投光ファイバ、１４ 受光ファイバ、１５ Ｚステージ、１６ フォーカス検出部、２０ ステージ、２１ 移動台、３０ 測定対象物、３１ 太陽電池ウエハ、１３０ ＰＣＩボード、１３５ ＰＣＩバス、１４０ コンピュータ、１４１ 制御部、１４５ ソフトウエア。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同軸配置された投受光部を持つ、光干渉式の膜厚計測装置を用いて板状物体の表面に形成された膜の厚さを計測する膜厚計測方法であって、
投受光部の光軸に対する垂直面から、膜の形成された面を傾斜させた状態で板状物体を保持する工程と、
投受光部から板状物体表面に計測光を照射し、かつ、投受光部に板状物体からの反射光を入力する工程と、
入力した反射光に基づいて板状物体の表面に形成された膜の厚さを計測する工程と、を含む、膜厚計測方法。
【請求項２】
板状物体を、投受光部に対する垂直平面から傾斜させる角度は５度から２０度の範囲である、請求項１に記載の膜厚計測方法。
【請求項３】
板状物体を、投受光部に対する垂直平面から傾斜させる角度は１０度から２０度の範囲である、請求項１に記載の膜厚計測方法。
【請求項４】
板状物体は一方面と他方面とを有するとともに、一方面にのみ膜を有しており、
板状物体が他方面を投受光部に向くように保持した状態で計測位置の位置決めを行う工程と、
一方面を投受光部に向けて保持し、測定位置に計測光が照射されるように位置決めする工程と、をさらに含む、請求項１から３のいずれかに記載の膜厚計測方法。
【請求項５】
板状物体は多結晶シリコン基板である、請求項１から４のいずれかに記載の膜厚計測方法。
【請求項６】
光干渉を用いて板状物体の表面に形成された膜の厚さを計測する膜厚計測装置であって、
前記板状物体に対して、計測用の光を照射し、かつ前記板状物体からの反射光を入力する同軸投受光部と、
前記同軸投受光部の光軸に対する垂直面から、前記膜の形成された面を傾斜した状態で前記板状物体を保持する保持部と、を含む、膜厚計測装置。
【請求項７】
前記保持部は前記同軸投受光部の光軸に対する垂直平面から５度から２０度の範囲で傾斜していることを特徴とする、請求項６に記載の膜厚計測装置。
【請求項８】
前記保持部は前記同軸投受光部の光軸に対する垂直平面から１０度から２０度の範囲で傾斜していることを特徴とする、請求項６に記載の膜厚計測装置。
【請求項９】
前記同軸投受光部と前記保持部の相対位置を任意に変更させる移動手段とを含む、請求項６から８のいずれかに記載の膜厚計測装置。
【請求項１０】
前記板状物体は一方面と他方面とを有するとともに、一方面にのみ膜を有しており、
前記板状物体が前記他方面を前記投受光部に向くように保持した状態で決定した計測位置を記憶する記憶手段と、
前記一方面を前記投受光部に向けて保持し、前記記憶した測定位置に前記計測光が照射されるように位置決めする位置決め手段と、をさらに含む、請求項９に記載の膜厚計測装置。
【請求項１】
同軸配置された投受光部を持つ、光干渉式の膜厚計測装置を用いて板状物体の表面に形成された膜の厚さを計測する膜厚計測方法であって、
投受光部の光軸に対する垂直面から、膜の形成された面を傾斜させた状態で板状物体を保持する工程と、
投受光部から板状物体表面に計測光を照射し、かつ、投受光部に板状物体からの反射光を入力する工程と、
入力した反射光に基づいて板状物体の表面に形成された膜の厚さを計測する工程と、を含む、膜厚計測方法。
【請求項２】
板状物体を、投受光部に対する垂直平面から傾斜させる角度は５度から２０度の範囲である、請求項１に記載の膜厚計測方法。
【請求項３】
板状物体を、投受光部に対する垂直平面から傾斜させる角度は１０度から２０度の範囲である、請求項１に記載の膜厚計測方法。
【請求項４】
板状物体は一方面と他方面とを有するとともに、一方面にのみ膜を有しており、
板状物体が他方面を投受光部に向くように保持した状態で計測位置の位置決めを行う工程と、
一方面を投受光部に向けて保持し、測定位置に計測光が照射されるように位置決めする工程と、をさらに含む、請求項１から３のいずれかに記載の膜厚計測方法。
【請求項５】
板状物体は多結晶シリコン基板である、請求項１から４のいずれかに記載の膜厚計測方法。
【請求項６】
光干渉を用いて板状物体の表面に形成された膜の厚さを計測する膜厚計測装置であって、
前記板状物体に対して、計測用の光を照射し、かつ前記板状物体からの反射光を入力する同軸投受光部と、
前記同軸投受光部の光軸に対する垂直面から、前記膜の形成された面を傾斜した状態で前記板状物体を保持する保持部と、を含む、膜厚計測装置。
【請求項７】
前記保持部は前記同軸投受光部の光軸に対する垂直平面から５度から２０度の範囲で傾斜していることを特徴とする、請求項６に記載の膜厚計測装置。
【請求項８】
前記保持部は前記同軸投受光部の光軸に対する垂直平面から１０度から２０度の範囲で傾斜していることを特徴とする、請求項６に記載の膜厚計測装置。
【請求項９】
前記同軸投受光部と前記保持部の相対位置を任意に変更させる移動手段とを含む、請求項６から８のいずれかに記載の膜厚計測装置。
【請求項１０】
前記板状物体は一方面と他方面とを有するとともに、一方面にのみ膜を有しており、
前記板状物体が前記他方面を前記投受光部に向くように保持した状態で決定した計測位置を記憶する記憶手段と、
前記一方面を前記投受光部に向けて保持し、前記記憶した測定位置に前記計測光が照射されるように位置決めする位置決め手段と、をさらに含む、請求項９に記載の膜厚計測装置。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図１２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−１９８４６０（Ｐ２００９−１９８４６０Ａ）
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４３３７１（Ｐ２００８−４３３７１）
【出願日】平成２０年２月２５日（２００８．２．２５）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２５日（２００８．２．２５）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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