CN104395735B - 用于对纹理化单晶硅晶片上的角锥进行光学测量的方法 - Google Patents

用于对纹理化单晶硅晶片上的角锥进行光学测量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于对表面纹理化的单晶硅晶片(1)上的角锥(2)进行光学测量的方法，其中通过使用至少一个光源(4)和至少一个光接收器(5)，在角锥上弯曲的光(7)被接收用于确定角锥的几何特征。在向前方向上散射的光(9)选择性地通过另一光接收器(8)测量并且确定硅晶片的表面通过角锥覆盖的程度。

Description

用于对纹理化单晶硅晶片上的角锥进行光学测量的方法
技术领域
本发明涉及一种用于使用至少一个光源和至少一个光接收器对纹理化单晶硅晶片上的角锥进行光学测量的方法。
背景技术
例如，从专利说明书EP1692458 B1中已知用于测量纹理化表面上的角锥的平均角锥尺寸的光学测量方法。然而，此方法具有仅可以确定平均角锥尺寸的缺点。另外，本发明涉及一种间接方法，其中根据反射光束的强度推断角锥尺寸。此外，由于出现由角锥产生的衍射效应和遮光效应，因此此方法是非线性的且因此供应关于平均角锥尺寸的相对波动而不是绝对量的信息。此外，此方法的不利之处在于，被反射回的信号主要由在角锥表面处的反射造成。
从公开案DE 10 2010 029 133 A1中，已知一种用于衬底上的角锥表面纹理的表征的方法。所述方法包含以下过程步骤：使衬底表面经受激光，具体来说，检测由衬底表面产生的光束的反射样本、通过确定由角锥表面结构的侧缘产生的至少一个引导角锥反射最大值、由角锥表面结构的边缘产生的漫反射带以及由面缺陷产生的缺陷最大值的强度来评估反射样本。
公开案US 2006/0268283 A1描述一种用于通过光学反射样本的定量确定纹理化程度的光学方法。
从DE 10 2010 011 056 A1中，已知一种用于通过在一个或两个面处使用直接反射对表面结构进行定量光学测量的方法。
从H.梅克尔(H.Maeckel)等人的文章“使用光学反射模式的单晶硅纹理的表征(CHARACTERISATION OF MONOCRYSTALLINE SILICONE TEXTURE USING OPTICALREFLECTANCE PATTERNS)”，2008年9月1日至5日西班牙巴伦西亚第23届欧洲光伏太阳能展览会(European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition,EVPUSEC)，第1160至1163页中，已知一种用于使用光学反射样本表征单晶硅晶片纹理的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法，通过此方法不仅可以确定平均角锥尺寸，而且还可以确定角锥尺寸的分布展开、平均角锥角度以及硅晶片表面上的表面覆盖度的量值。
基于上文详细说明的方法，根据本发明实现这些和其他目标，其中出于确定角锥的几何特性的目的收集在角锥处衍射的光。根据本发明的用于确定角锥特性和角锥几何结构以及具体来说平均角锥尺寸、经照明的测量点内的角锥尺寸的统计分布展开和/或平均角锥角度的方法因此基于由角锥处的衍射产生的衍射图的评估。为此目的，使用在缝隙处的简单衍射理论。
根据本发明的一个有利实施例，通过光源发出的光的测量点照明晶片表面，并且通过光接收器收集在表面处向前散射的光且根据所检测到的光的量确定角锥的表面覆盖度。因此，除向后衍射的光之外，可能地通过另一光接收器测量和评估向前散射的光。在此，向前散射应被理解为其中晶片表面被用作反射表面的光的方向。如果晶片尚未被纹理化，则在此方向上光的散射量达到最大值。例如，这是太阳能产业中的粗锯晶片。由于在纹理化过程期间具有角锥的晶片的覆盖度增加，因此在此方向上散射的光的量与晶片的覆盖百分比按比例地减少。由于角锥表面和边缘相对于光源和光接收器的几何定向，因此通过角锥覆盖的表面区域几乎不向光接收器供应散射或反射光。因此，当具有角锥的表面存在完整的覆盖度时，没有或几乎没有光在向前方向上反射或散射。换言之，这表示：在镜面反射的方向上反射或散射的光与未通过角锥覆盖的表面的百分比成比例。
根据本发明的示例性实施例，通过光源发出的光的测量点照明角锥的通常四个边缘中的一个，并且通过光接收器角向解析地收集在边缘处向后衍射的光的角度分布。这是可能的且有利的，因为纹理化表面单晶硅晶片上的角锥由于单晶的晶体结构都具有基本上相同的定向以及基本上相同的角锥角度。
根据本发明的方法的有利实施例在于光源和光接收器的光轴与晶片表面的表面法线位于一个平面中。因此，如果光源的光轴和/或至少一个光接收器的光轴从由每个角锥的边缘中的一个横跨的平面角向地偏离至多10°，则这是特别有利的。关于从由角锥边缘横跨的平面的偏离，对于光源和光接收器的布置这种相对较大的自由度是可能的，因为角锥边缘非常尖锐且具有极小的宽度，所述宽度基本上小于正使用的光的波长。因此，至少在+/-10°的范围内衍射图在垂直方向上也几乎是恒定的，使得至少在此角度范围中测量的结果同样是恒定的。
然而，如果光源和/或光接收器的光轴基本上位于由每个角锥的边缘横跨的平面中，则对于简单测量布置这是特别有利的。
本发明的特别有利的实施例在于，至少一个光源和至少一个光接收器的光轴包含与晶片表面的角度，所述角度不小于在每个晶片的角锥边缘与晶片表面之间的角度，且优选地基本上对应于在每个角锥的边缘与晶片表面之间的角度。因此，根据本发明，有意地选择测量几何结构，其方式为使得在角锥表面(即，角锥的四个侧面)处反射的光不会落到光接收器上。由于这种将照明的角度优选地选择为不小于或基本上等于角锥边缘的倾斜角，使得由此照明垂直于这四个角锥边缘中的一个对准，因此防止针对评价过程将测量和总结的光的几何遮光。因此，仅经照明的角锥边缘向接收器供应向后反射的信号，而其他三个角锥边缘未被照明且不供应将会干扰测量结果的信号。
根据测量到的衍射图，由于已检测到强加于散射的衍射图上的低干扰水平，因此可以可靠地确定平均角锥尺寸、经照明的测量点内的角锥尺寸的统计分布展开以及平均角锥角度。
根据本发明的对应于角锥边缘的倾斜角的照明角度的选择在本发明的先前提及的实施例中也是极其有利的，根据本发明的先前提及的实施例，出于确定晶片表面通过角锥的覆盖程度的目的，通过任选的另一光接收器确定表面处的向前散射的光。因此，不存在通过前述角锥的对非纹理化晶片区域的所得几何遮光效应，由此测量结果将被破坏。
由于角锥边缘与晶片表面的夹角通常达到45°，因此有利的是选择在45°角度处的光接收器至晶片表面的照射角度或布置。
如先前所提及，因此非常有利的是将角锥边缘的倾斜角选择为照明角度，并且此外垂直于角锥边缘中的一个对准照明角度。
当在这种有利几何结构的情况下出于确定通过角锥的覆盖程度的目的测量向前散射的光时，不存在在角锥边缘或角锥表面处的到接收器上的伪造直接反射(falsifyingdirect reflection)并且还不存在由于在角锥表面处的双重或三重反射引起的到达接收器的经双重或三重反射的光。因此，这仅仅是来自正被测量的未通过角锥覆盖的晶片表面区域的光。因此这提供优于常规测量几何结构(从上方几乎垂直地照明晶片且测量散射光)的极大优势。在此种垂直几何结构的情况下，一是测量很大程度上多次反射的光，所述光在角锥表面处进行反射。因此，普通的垂直几何结构测量方法并不适合于定量评估通过角锥的百分率表面覆盖度。
本发明的实施例是非常有利的，根据本发明的实施例，晶片的表面由光源和光接收器越过，并且以位置解析的方式在晶片的整个表面上确定测量结果。为此目的，选择小的测量点，例如，具有一毫米的直径的测量点。
如果使用至少一个窄带光源，优选地至少一个激光、发光二极管(light emittingdiode,LED)或超发光二极管(superluminescent diode,SLD)，则有利地执行根据本发明的方法。由于采用平行的严格瞄准的单色激光束或对应光源，因此可以获得光的限定照射以及向后衍射和向前散射的光的精确可评估的角度分布。借助于严格瞄准，可以对空间上紧密相邻的测量点执行测量并且可以通过晶片表面的二维扫描确定晶片上的测量到的参数的变化。
代替发送严格瞄准的单色光的光源，也可以利用宽带光源，优选地卤素光源，其中例如借助于光谱仪使用窄带光学带通滤波器或频谱光分离器。
优选地，至少一个光接收器是数码相机，例如，表面相机和/或线条相机。
附图说明
下文借助于示例性实施例详细地描述根据本发明方法以及其优点。其中：
图1示出如用光照射时观察到的通过角锥纹理化的太阳能晶片的示意性图解。
图2是图1中图示的太阳能晶片的侧视图。
图3是当用光照射时单个角锥的放大视图。
图4是用于解释衍射光的光学路径的示意性图示的测量布置。
图5是用于解释在晶片表面处散射的光的光学路径的示意性图示的测量布置。
图6是用于不同的单个缝隙尺寸的在单个缝隙处的示意性图示的衍射图。
图7是在用于多个缝隙尺寸的衍射图的非相干叠加情况下的衍射图。
具体实施方式
在图1和图2中示出如分别从上方以及截面中观察到的纹理化硅晶片1。出于说明性目的，过大地绘制晶片1上的一些角锥2。在用于单晶硅晶片的普通纹理化处理中，通过在主轴的方向上拉动的单个晶体的晶体轴给出角锥定向。
对于基于正方形晶片1的实例的以下描述，使用图1和图2中图示的以下坐标系，即：
a)笛卡耳坐标系：晶片1的外边缘指向x和y方向上。晶片1的向上引导的表面法线指向z方向。
b)球形坐标系：角度θ是极角并且从0°至+90°延伸。θ＝0°适用于晶片的平面(即，xy平面)中的所有向量或适用于其中z＝0的向量。θ＝90°适用于晶片1的表面法线，即，适用于其中x＝y＝0的向量。角度是方位角并且从-90°至+90°延伸。适用于x-z平面中的所有向量，即，适用于其中y＝0的向量。
如果一个在通常正方形的晶片的情况下定义坐标系，其方式为使得外边缘指向x和y方向且向上引导的表面法线指向z方向，则通常相对于晶体轴锯切单个晶体和晶片，其方式为使得在纹理化过程之后，每个角锥2的四个边缘位于x-z平面和y-z平面中。每个角锥2的正方形底座区域的四个侧面因此对于晶片1的外边缘以45°的角度配置。因此，两个角锥边缘位于x-z平面中。如果一个单独考虑x-z平面，则这两个边缘中的一个的法向量指向正x和z方向并且包含具有晶片1的表面法线的角度θ。角锥表面的角锥角度(即，与晶片1的夹角)达到约56°，且边缘与晶片1的夹角达到约θ＝45°。对于测量过程，因此有利的是以约45°的角度θ将光3从光源4照射到x-z平面上，并且通过光接收器5收集在x-z平面中衍射回的光且角向解析地将所述光成像到线条相机或表面相机的检测器上，如下文将详细地描述。因此，由在x-z平面中衍射回的光产生的衍射图的中心同样在45°方向上，即，在x-z平面中的角锥边缘处的镜面反射的方向上。
由于单个晶体的晶体结构，纹理化表面上的所有角锥2具有相同定向并且它们中的每一个具有大致相同的角锥角度。此种角度由单晶硅的晶体结构产生。然而取决于所述纹理化过程，存在与这些理论值的较小偏差。角锥边缘具有在1μm与10μm之间的典型边缘长度。
如图3中所示，每个角锥具有四个三角形角锥表面F1、F2、F3、F4和四个角锥边缘K12、K23、K34、K41。如果如图3中所示，一个将平行的单色光照射到角锥2上且随后将光3在x-z平面中的照射方向选择为垂直于来自经照明角锥2中的每一个的角锥边缘中的一个(此处为角锥边缘K12，即成45°)，则一个接收x-z平面中的角锥边缘K12的反射回的衍射图，所述衍射图对应于此长度的缝隙的衍射图。经照明的测量点内的多个角锥2通过光束同时照明。这些角锥的反射回的衍射图非相干地叠加。这完全供应向后衍射的光的角度分布，其表示经照明测量点的角锥的多个衍射图的非相干叠加。
图4描绘用于测量角锥几何结构的有利测量布置。光源4和光接收器5的光轴位于x-z平面中。晶片1布置有平行于x轴和y轴的外边缘，使得在此布置中测量的角锥2的角锥边缘定向在x-z平面中。角锥边缘包含与晶片的法向量(即，z轴)成约45°的角。
光源4和光接收器5的光轴同样与晶片1的法向量成θ＝45°的角度。光源4发出光3，所述光3在穿过光束分离器6之后以45°的角入射到晶片1上。因此所述光3垂直地照在角锥边缘上。向后衍射的光7再次具有θ＝45°的中心角度。这也是光接收器5的光轴，在光束分离器6处的反射之后，所述光接收器5接收且角向地解析向后衍射的光7的角分布。光接收器5因此在以角度θ＝45°为中心的角度范围θ±Δθ中测量向后衍射的光强度的角分布。衍射图的评估随后供应经照明测量点内的角锥2的角锥角度、平均角锥高度和分布展开。
同样示意性地图示用于向前散射方向上的测量的第二光接收器8。照在角锥2上的光不会如散射光9一样到达光接收器8。从光接收器8的视角来看，照在角锥表面和角锥边缘上的光位于几何阴影中并且因此如散射光一样不可见。
图5示出与图4相同的测量布置，但此处示例性地绘出那些光线的路径，其中从光源1照射的光3照在非纹理化区域上，即，晶片1中未通过角锥2覆盖的区域。光3朝向接收器8的向前散射非常强，而到接收器5中的向后散射小到可忽略。此外，角度θ＝45°且是非常有利的，因为随后不存在光轴的几何遮光且此外在角锥边缘或角锥表面处一次或若干次反射或散射的光不会照在光接收器8上。
以下适用于图4和图5中的布置：在每种情况下在x-z平面中以θ＝45°的角度实现照明过程并且在每种情况下测量由向后衍射的光的角分布以及以角度θ＝45°为中心的向前散射的光的角分布组成。这是有利的，因为角锥边缘角度约为45°，且在每种情况下，向后衍射以及向前散射的光的中心也约为45°。因此，这些角度分布的中心在未通过前述角锥2遮光的情况下也是可见的。
通过类似方式，所有大于的45°角度在未遮光的情况下对光接收器是可见的。然而，对于角度小于45°的向后衍射或向前散射的光，通过前述角锥2产生的遮光效应稳定地增加。这些遮光效应随着角度减小而增加。因此，由于遮光效应，针对小于45°的角度，通过光接收器测量到的光的角分布被改变。然而，所述改变在45°附近仍较小。由于作为遮光效应的结果的对测量的此种改变，有利的是仅评估分别测量到的角分布的上半部分，因为所述角分布未通过遮光效应进行改变。
在图4和图5中图示的示例性布置中，光轴以及测量到的角锥边缘的定向都位于一个平面中，即，x-z平面。因此，这是角度φ＝0。然而，在方向θ上向后衍射的光的角分布不仅位于x-z平面中，而且在方向φ上延伸得很远。这是因为在尖锐边缘处发生衍射过程，所述尖锐边缘在y方向上延伸至仅几纳米的极小长度。这种延伸显著小于正使用的光的波长。因此，这还在y方向上产生衍射图，所述衍射图均匀地覆盖从φ＝+90°至φ＝-90°的整个角分布，并且在至少从φ＝+10°至φ＝-10°的范围内几乎恒定。通过角锥向后衍射的光因此形成宽阔的光学图，所述光学图非常均匀并且在φ方向上广泛地延伸且在θ方向上具有窄的衍射图，即，缝隙的衍射图或多个缝隙的衍射图的非相干叠加(此处在这种情况下，“缝隙”是角锥边缘)。由此，下半部分的衍射图始终通过角锥2产生的遮光进行改变。
根据上文已描述的内容，将清楚的是对于向后衍射的光7的测量，光源4和光接收器5的光轴并不一定位于x-z平面中。它们可以在y方向上(或在方向上)无问题地且不改变测量结果地彼此分离。所述分离甚至可以是不对称的。仅应该避免大于10°的分离，因为由于在角锥2处的遮光效应，否则可能产生对测量的改变的增加。
图6示出针对2μm、4μm和7μm的缝隙尺寸描绘的在缝隙处(即，在角锥2的边缘处)的衍射的理论归一化强度或角分布。此处，波长632nm的激光已被用作光源4。
相反，图7描绘在代替相同高度的角锥2存在具有不同高度但具有相同平均角锥高度的角锥的分布展开的情况下就向后散射而言缝隙或边缘的衍射图如何变化。可以看到，一半宽度的角分布是平均角锥高度的特征，而曲线的最小值(对于具有相同高度的角锥为0)典型地随着分布展开增加而上升。因此，平均角锥高度以及角锥高度的分布展开两者可以根据测量到的衍射图确定。存在适用于此目的的多种数学算法。
此外，衍射图的角分布的对称中心取决于角锥角度而变化。衍射图的对称中心是取决于角度的强度的强度最大值。强度最大值的位置通过在角锥边缘处照射光3的几何光泽反射产生。在45°的照射方向的情况下，如果角锥边缘角度达到44°，则衍射图的最大值为(例如)46°，或者如果角锥边缘角度达到43°，则衍射图的最大值为47°。因此可以直接根据强度最大值的位置读取角锥边缘角度，以及因此也读取角锥的侧面的角锥角度。
因此，图7示出在通过尖锐线条、长度3.7μm的角锥边缘反射的情况下集中于角度45°的理论衍射图以及具有不同长度但具有3.7μm的平均长度的尖锐线条的分布展开的衍射图。此处，最小值的位置不再显著并且随着分布展开的增加而上升。在这种理论衍射图中，未图示出由角锥2处的遮光效应引起的衍射图的不对称性，所述不对称性针对小于45°的角度上升。
用于纹理化单晶太阳能电池的标准技术是在湿槽中的碱蚀。在这种蚀刻工艺的情况下，相对于硅晶体的(1,0,0)定向具有均匀定向但具有不同尺寸的角锥2由于不同蚀刻速率而形成于晶片1的表面上。这些角锥2会导致非常有效地减小损耗，所述损耗会由于在太阳能电池处日光的反射而增加。
对于太阳能电池的最优效率，角锥2的几何参数以及晶片表面通过角锥2的覆盖密度是非常重要的。这些组织特性取决于多个工艺参数，尤其取决于蚀刻浴的化学组成、浸没时间、晶片1的预处理、晶片1的锯切过程、硅原料以及蚀刻浴的老化(aging)。此外，纹理在晶片表面上可以是非均质的，这就是快速扫描测量技术非常有利的原因。迄今为止，仅能够快速控制过程的不充分的测量方法可用于此目的。根据本发明的本方法弥补了这个不足。

Claims (13)

1.一种用于对表面纹理化的单晶硅晶片上的角锥（2）进行光学测量的方法，使用至少一个光源（4）和至少一个光接收器（5、8），其特征在于，所述角锥（2）的边缘中的一个直接指向所述光源（4），所述光源（4）的光（3）垂直于这四个角锥边缘中的一个，且出于确定所述角锥（2）的几何特性的目的，借助于由在所述角锥（2）处的衍射产生的衍射图收集和评估在所述角锥（2）处衍射的光（7），所述角锥（2）的直接指向所述光源（4）的边缘及与其相对的另一个边缘落在参考平面上，所述至少一个光源（4）的光轴和/或所述至少一个光接收器（5、8）的光轴相对于所述参考平面角向地偏离至多10°。
2.根据权利要求1所述的用于对表面纹理化的单晶硅晶片上的角锥（2）进行光学测量的方法，其特征在于，通过所述光源（4）发出的光的测量点照明晶片（1）的表面，光接收器（8）收集在所述表面处向前散射的光（9），并且所述表面通过角锥（2）的覆盖程度根据所检测到的光的量确定。
3.根据权利要求1或2所述的用于对表面纹理化的单晶硅晶片上的角锥（2）进行光学测量的方法，其特征在于，通过所述光源（4）发出的所述光的测量点照明所述角锥（2）的边缘中的一个，并且通过所述光接收器（5）角向解析地收集在所述边缘处向后衍射的所述光（7）。
4.根据权利要求1所述的用于对表面纹理化的单晶硅晶片上的角锥（2）进行光学测量的方法，其特征在于，所述至少一个光源（4）的光轴和所述至少一个光接收器（5、8）的光轴与所述晶片的表面的表面法线位于一个平面中。
5.根据权利要求1所述的用于对表面纹理化的单晶硅晶片上的角锥（2）进行光学测量的方法，其特征在于，所述至少一个光源的光轴和/或所述至少一个光接收器（5、8）的光轴基本上位于所述参考平面中。
6.根据权利要求1所述的用于对表面纹理化的单晶硅晶片上的角锥（2）进行光学测量的方法，其特征在于，所述至少一个光源（4）的光轴和/或所述至少一个光接收器（5、8）的光轴与所述晶片的表面之间的角度不小于在所述角锥的边缘与所述晶片的表面之间的角度。
7.根据权利要求1所述的用于对表面纹理化的单晶硅晶片上的角锥（2）进行光学测量的方法，其特征在于，所述晶片（1）的表面由所述至少一个光源（4）和所述至少一个光接收器（5、8）越过，并且在整个所述晶片的表面上发生光收集过程。
8.根据权利要求1所述的用于对表面纹理化的单晶硅晶片上的角锥（2）进行光学测量的方法，其特征在于，使用至少一个窄带光源（4）。
9.根据权利要求8所述的用于对表面纹理化的单晶硅晶片上的角锥（2）进行光学测量的方法，其特征在于，至少使用激光、发光二极管或超发光二极管。
10.根据权利要求1所述的用于对表面纹理化的单晶硅晶片上的角锥（2）进行光学测量的方法，其特征在于，使用宽带光源（4）。
11.根据权利要求10所述的用于对表面纹理化的单晶硅晶片上的角锥（2）进行光学测量的方法，其特征在于，所述宽带光源为卤素光源，所述卤素光源具有窄带光学带通滤波器或具有频谱光分离器。
12.根据权利要求11所述的用于对表面纹理化的单晶硅晶片上的角锥（2）进行光学测量的方法，其特征在于，所述频谱光分离器为光谱仪。
13.根据权利要求1所述的用于对表面纹理化的单晶硅晶片上的角锥（2）进行光学测量的方法，其特征在于，数码相机被用作所述光接收器（5、8）。
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