結晶シリコンにおけるマイノリティキャリア寿命の非破壊測定技術は確立されており、プロセス制御や欠陥の評価に広く活用されています。当社のツール「MDPinline」を使用すれば、これまでにない空間分解能、感度、測定速度を兼ね備えた測定により、マイノリティキャリア寿命のマッピングが可能となります。 MDPインライン装置は、2.8 mmの解像度で（最大156 x 156 mm）のウェハ全体を1秒未満でマッピング可能です
未処理のウェハーの測定に関しては、実際のバルク寿命ではなく、表面およびバルクの再結合からなる有効寿命が測定されることを考慮する必要があります。
そのため、厚さ 200 μm の成長直後のウェーハの測定寿命は、約 2.3 μs に制限されます。しかし、バルク寿命が非常に短い場合、それが有効寿命の大部分を占めることになるため、品質の低さを認識することができます。 図 1 は、鋳造エッジ部の成長直後の多結晶ウェハーの寿命マップを示しています。るつぼとの接触による品質の低いエッジ部は、品質の良い部分とは容易に区別できます。
材料分類
MDPインラインツールは、ウェーハを最大15の品質クラスに分類することができます。その際、算術平均、調和平均、J. アイゼンバーグによる平均、中央値、標準偏差など、さまざまな特性パラメータが考慮されます。 インゴット内の個々の領域に異なる影響を与えるセルプロセスがあるため、有効寿命と太陽電池の効率との間に直接的な相関関係は存在しないことに留意してください。このツール用に開発されたソフトウェアは、さまざまなプロセス関連パラメータや、ウェハの品質の低いエッジ領域も特定します。 平均寿命と標準偏差を組み合わせることで、材料品質の非常に優れた分類が可能になります。図2は、インゴットの底部、中部、上部から採取した3枚のウェハーの分類例を示しています。インゴットの底部と上部のウェハーを区別することさえ可能です。 下部のウェハは、酸素濃度や欠陥濃度が高くなる傾向があり、その結果、平均寿命が短くなります。上部のウェハは、金属不純物、高濃度の窒素や炭素、SiCやSi3N4の偏析、その他の結晶欠陥により、寿命が短くなる傾向があります。
結晶欠陥のモニタリングと識別
結晶欠陥のモニタリングおよび識別を目的として、特定の欠陥配置を持つウェハーを測定する広範な研究が実施された。この研究により、様々な結晶学的欠陥に対する特徴的な結果が得られた。最も多く見られる欠陥の一つはSi3N4およびSiCの偏析であり、これらは太陽電池内のシャントを引き起こす。 MDP寿命マップにおいて、これらの欠陥は極めて高い不均一性と、0.2 μs未満の寿命を持つピクセルの高い割合をもたらす。2番目に多い結晶欠陥は、ウェハ内の微結晶構造である。これらの構造は、低い不均一性と相まって、極めて低い寿命をもたらす。 クラックテスターと組み合わせることで、これらの微結晶性ウェハーを識別し、偏析を含むウェハーと区別することが可能である。
炉のモニタリング
もう一つの有用な用途は、炉の特性モニタリングです。成長プロセスにおける問題を検出でき、炉の特性を最適化することが可能です。図4および図5は、前述の応用例を示す2つの例です。
図4では、異なる炉で成長させた5つのインゴットの平均値を、インゴットの高さに対してプロットしています。炉の特性が異なると、インゴットの下部および上部の勾配が異なることが明らかになります。 例えば、炉2と5では下部の勾配に約30％の差があり、炉2と4では上部の勾配に約50％の差があります。この情報をもとに、炉の最適化が可能となります。
図5は、材料品質を特徴づける結晶学的パラメータの分布を示している。値が高いほど品質は低く、その逆も同様である。このパラメータの分布は、製造週が異なるウェハについて示されている。数千枚のウェハが分析された。 第4週のウェハーでは、結晶学的パラメータが高いウェハーの割合が高くなっています。どうやら原料に不純物が混入していたか、あるいは成長プロセスに影響を与える何らかの要因があり、それがMDP測定によって検出されたようです。このようにして問題をその発生源まで遡ることができ、効率的に排除することが可能です。
インゴットに特化したその他の応用例については、他のケーススタディで示されている。
成長直後のウェーハやインゴットのインラインマッピングは、例えば結晶欠陥を製造プロセスの早期段階で検出するための汎用性の高いツールです。MDPツールであるMDPingotおよびMDPinlineを使用することで、最大毎秒1枚の速度でウェーハの電気的特性評価を包括的に行うことが可能です。 有効少数キャリア寿命に加え、抵抗率も測定されます。個々のウェーハをこのように調査することで、プロセス制御、歩留まりおよびプロセスの改善、さらには新しい生産ラインやプロセスの迅速な立ち上げなど、多種多様な用途が可能になります。 インライン用途においては、これにより、歩留まりの向上と併せて、製品および製造プロセスの高効率な最適化に向けた新たな可能性の全領域が開かれます。
詳細については、以下を参照のこと：
[1] K. Dornich, N. Schüler, D. Mittelstrass, A. Krause, B. Gründig-Wendrock, K. Niemietz, J.R. Niklas, 第24回ハンブルクPVSEC会議論文集（2009年、刊行予定）
Lifetime map of a mc-Si wafer from the edge of a cast ingot
Exemplary classification of three wafers of bottom (a), the middle (b) and top(c) of an ingot.
Si3N4 and SiC segregates (a); microcrystalline wafer (b)
average versus ingot height for 5 ingots grown in different furnaces | histogram of the crystallographic parameter of different weeks
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