新規光学モデルによる基板入射エリプソメトリーの解析結果と検証

モデル 2 を適用して、テクスチャー a-Si:H/SnO2:F 構造の基板入射解析を行っ た。図4-20は( , )測定スペクトルと、モ デル1とモデル 2による解析スペクトル を比較している。図4-20から分かるよう に、モデル 2 で得られた解析スペクトル は全エネルギー領域において測定スペク トルと良く一致している。MSEはモデル 1と2でそれぞれ20.8と17.1であり、モ

デル2はMSEが18%も改善した。以上よ

り 、 モ デ ル 2 の 方 が テ ク ス チ ャ ー a-Si:H/SnO2:F 構造の光学応答を適切に表 現できると考えられる。また図4-21には、

モデル 2 による解析パラメータ値と信頼 区間を光学モデル中に示した。

図4-21に示した解析パラメータ値について、 _sは図4-15と同様に0.5 0.1と _iに比べて 小さな値になった。実際の試料ではa-Si:Hテクスチャー表面の方がa-Si:H/SnO2:Fテクスチ ャー界面よりも丸みを帯びた形状にもかかわらず、EMA多層モデルの曲率パラメータ値は 逆の結果になっている。この理由として、エリプソメトリー測定配置は正反射光のみを検

図4-21 モデル2による基板入射エリプソメトリー解析結果

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出し散乱光は測定されないことから、あくまで正反射成分の光学特性しか考慮されていな いためだと考えられる。

また信頼区間について、SnO2:F-3バルク層とa-Si:H/SnO2:F-3界面層の膜厚が約40 nm、

a-Si:H/SnO2:F-3界面層の _iが1.2と非常に大きくなっている。ここで、モデル2の解析結果

についてa-Si:H/SnO2:F界面層におけるa-Si:H相の体積分率を図4-22に示す。a-Si:H/SnO2:F-3 界面領域はEMA多層モデルによって10層に分割されているが、SnO2:F-3バルク層の界面

から分割4層目でもa-Si:H相の体積分率はわずか1%にも満たず、5層目以降からa-Si:H相

の体積分率が変化している。これは図4-19に示したモデル2の特徴に起因している。モデ ル2の解析結果からa-Si:H/SnO2:F-3界面層の曲率パラメータ _i = 4.8であり、図4-19におい て = 5ではd/d0が小さい領域、すなわちでSnO2:F-3バルク層側で体積分率変化が少なくな っている。この様にa-Si:H/SnO2:F-3界面の多層EMA構造において、SnO2:F-3バルク層側は SnO2:F-3相の体積分率が1に近くSnO2:F-3バルク層との光学特性に差がないため、バルク 層と界面層について膜厚の信頼区間が非常に大きくなったと考えられる。

そこでSnO2:F-3バルク層とa-Si:H/SnO2:F-3界面層をまとめて1層にし、信頼区間を抑え ることを検討した。この場合、バルク層と界面層の合計膜厚が 500 nm近くに達するため、

EMA1層あたりの膜厚が約50 nmと大きくなる。さらに、このEMA多層構造のガラス基板 側はSnO2:F-3バルク領域に相当するため体積分率変化がほぼない。従って、EMA多層構造

においてa-Si:Hバルク層側の数層のみでa-Si:H/SnO2:F界面領域の光学特性を表現しなけれ

ばならないため、EMA多層モデルによる分割点数が少なく、a-Si:H/SnO2:F界面領域を適切 にモデル化することが困難になると予想される。以上のことから、a-Si:H/SnO2:F-3バルク層 を10分割ではなく20分割に増やしてEMA多層構造を構築することにした。

図4-22 モデル2の基板入射解析から得られたa-Si:H/SnO2:F界面構造

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a-Si:H/SnO2:F界面領域の層構造を変更した場合における解析結果を図4-23に、解析パラ

メータ値と信頼区間を図4-24に示す。基本的にSnO2:F-3バルク層とa-Si:H/SnO2:F-3界面層 を1層にまとめただけなので、解析スペクトルと測定スペクトルの一致度は図4-20と変わ らない。しかしa-Si:H/SnO2:F-3バルク層の信頼区間を11 nmに抑えることができた。以上 の様に光学モデルを構築することによって、全エネルギー領域で基板入射の測定スペクト ルと解析スペクトルが良く一致し、さらに解析パラメータ値の信頼区間も小さい結果が得 られた。従って、テクスチャーa-Si:H/SnO2:F 構造の基板入射エリプソメトリー解析につい て最適な光学モデルを構築することが出来た。

図4-24 a-Si:H/SnO2:F界面のモデル変更による基板入射エリプソメトリー解析結果

図 4-23 a-Si:H/SnO2:F 界 面 の モ デ ル 変 更 に よ る テ ク ス チ ャ ー a-Si:H/SnO2:F構造の基板入射解析

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モデル1と2による解析結果の違いについて、さらに調査を行った。図4-25は、両モデ ルのエリプソメトリー解析結果においてa-Si:H相成分の体積分率fa-SiをSnO2:F/SiO2界面か ら試料表面までプロットしたものである。a-Si:H/SnO2:Fテクスチャー界面領域ではモデル1

とモデル2で50 nm程度のオフセットはあるものの、fa-Siプロファイルは傾向が非常に良く

似ている。またa-Si:H表面テクスチャー領域においてもSnO2:F/SiO2界面から1175 nm付近 まではfa-Siプロファイルがほぼ一致しているが、最表面付近では両モデルによるプロファイ ルが完全に異なっている。モデル1では、SnO2:F/SiO2界面から1200 nmの位置で急激にfa-Si

が変化し、最表面付近の1250 nm以降はfa-Siが0.46で一定になっている。それに対してモ デル2は、a-Si:H表面テクスチャーの全領域に渡って fa-Siが徐々に変化する傾向を示した。

両モデルの解析結果における最表面付近のfa-Siプロファイルの違いは、図4-19に示すEMA 多層モデルの特徴をそのまま反映した結果となっている。すなわち最表面付近の体積分率 について、モデル 1はプロファイルがほぼ一定になってしまうのに対して、モデル 2 では プロファイルを滑らかに変化させることができる。従って表層部における表現可能なプロ ファイルの違いが、図4-20に示すフィッティングの差に影響していると考えられる。以上 より、モデル2は最表面付近においても EMAプロファイルを適切に表現できることから、

テクスチャーa-Si:H/SnO2:F 構造の基板入射評価で良好なエリプソメトリー解析結果を与え ることが出来る。

参考文献

1) M. Akagawa et al., J. Appl. Phys. 110 (2011) 073518.

2) S. Kageyama et al., Phys. Rev. B 83 (2011) 195205.

図4-25 モデル1と2から得られたテクスチャーa-Si:H/SnO2:F構造の比較

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第5章 薄膜アモルファスシリコン太陽電池構造の分光エリプソメトリー解析

テクスチャーa-Si:H/SnO2:F構造にマグネトロンスパッタリングでZnO:Al層とAg層を順 次成膜する毎に、基板入射エリプソメトリー解析を行い、薄膜アモルファスシリコン太陽 電池構造のエリプソメトリー解析方法を開発した。この評価において、EMA多層モデルを 2相混合構造から3相混合構造に改良して光学モデルを構築し、得られた解析結果について 検証を行った。