CN212275564U - 一种椭偏测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种椭偏测量装置，包括基板、样品台、检测部件、角度切换机构和角度定位机构；样品台固定安装在基板上，样品台台面为平面；角度切换机构转动安装在基板上，角度切换机构的转动轴线位于检测面内；检测部件包括起偏臂和检偏臂，起偏臂和检偏臂安装在角度切换机构上；角度定位机构安装在工作平台上，通过刚性抵触限位或自锁结构限定角度切换机构的转动角度。本申请的椭偏测量装置，无需再变换样品台或改变样品台方位，具有结构简单、操作简捷、重复定位精度高的优点，可实现多种类样品采用相同放置位置，降低测试过程中样品碎片风险，实现样品的任意点测试，提高测试效率。

Description

一种椭偏测量装置

技术领域

本申请涉及光学测量仪器技术领域，特别涉及一种椭偏测量装置。

背景技术

太阳能电池是一种将光能转换成电能的半导体器件。太阳能电池的种类包括：晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池等，其中晶体硅太阳能电池为目前最常用的太阳能电池，其基本结构是硅基底上制绒后再镀减反膜。其中，制绒的作用是让太阳能电池有效的吸收太阳光；减反膜的作用是使太阳光在太阳能电池表面的反射降低，使大部分太阳光能到达电池的内部被半导体材料所吸收，从而大大提高了光能的转换。

目前，绒面单晶硅太阳能电池中大多采用碱法制绒，利用晶体受腐蚀时的各向异性，使电池表面上形成规则排列的四面锥金字塔形状的基本结构；而绒面多晶硅太阳能电池大多取用酸腐蚀的方法制绒，使电池表面上形成了不规则的微小起伏。

目前检测绒面晶体硅太阳能电池上减反膜厚度和折射率的常用仪器为椭偏仪。椭偏仪的基本原理是利用光波在样品表面反射时偏振态的变化获得样品的表面信息（如，纳米薄膜的厚度、折射率等）。

椭偏仪检测时，要求样品检测面所处的平面垂直于由入射光轴和反射光轴所形成的入射面，并通过二光轴的交点。通常把垂直于由入射光轴和反射光轴所形成的入射面、并通过二光轴的交点的平面称为参考面。检测时，必须满足检测面与参考面重合，此时也满足了系统的入射角等于反射角。

当利用椭偏测量系统对不同晶体硅（如单晶硅、多晶硅）上的减反膜厚度和折射率进行测量时，由于晶体硅上绒面的结构不同，就要求在样品检测时不同晶体硅相对参考面的方位不同，以满足检测面与参考面重合。

具体来说，单晶硅太阳能电池表面上形成的四面锥金字塔的锥面与硅基底所夹的锐角大约为54.7°，金字塔的尺寸约为2-5微米。在锥面上镀有减反膜，为了检测减反膜的厚度和折射率，在检测时要求将该金字塔的锥面作为检测面。为了保证此检测面与参考面重合，则需要保证放置单晶硅的样品台放置面与参考平面的倾斜角度为54.7°；并且要调整单晶硅太阳能电池在样品台上的方位，来满足检测面与参考面重合。

采用酸法制绒的多晶硅太阳能电池的绒面特征是硅表面有微小的不规则的起伏,起伏的尺寸为微米量级，在硅上镀有减反膜，为了检测减反膜的厚度和折射率，以平行于硅基底并通过样品表面的平面为检测面，所以放置多晶硅的样品台放置面平行于参考平面。

另外，对于未制绒的晶体硅太阳能电池，其检测面为镀有减反膜的上表面，也要求样品台放置面平行于参考平面,与多晶硅太阳能电池的样品台相同。

通过以上分析，可以看出，在对单晶硅和多晶硅太阳能电池测试时,电池相对于参考面的放置方位不同，碱法制备的单晶硅放置时其基底与参考面有一个很大的夹角，而酸法制备的多晶硅放置时其基底平行于参考面。

换句话说，即要求在对两种不同表面制绒结构的太阳能电池的减反膜进行检测时，需要改变样品台放置面和参考平面所构成的二面角角度，以使其符合测试需求。

在实际检测中，比如，在太阳能电池的生产线上，需要对不同类型（单晶、多晶）的太阳能电池进行检测，这就要求椭偏仪能够适应这种变化的检测条件,并且要求在检测过程中操作简单、节约时间、准确度高、重复性好。

为了满足以上的需求，现有方法有：

（1）在椭偏测量系统中设计倾斜角度不同的样品台，根据不同样品的测试需求，通过拆卸样品台的方式更换所需样品台，所述倾斜角度指：样品台的放置面与参考面所夹的锐角。这种方法在椭偏测量系统中应用较为普遍，但其缺点在于样品台的拆卸过程繁琐、更换速度慢且不便于保管拆卸下来的样品台，更换完新的样品台后，整个仪器的样品台在安装的过程中准确度和重复性均没法保证，需要重新校准。

（2）在椭偏测量系统中设计不用拆卸样品台的方式，即安装两套不同倾斜角度的样品台，这两套样品台之间用电动（手动）导轨连接，当需要用某个倾斜角度的样品台时，通过导轨把该样品台移到安装位置，其他样品台则移出安装位置。但这种通过移动导轨更换不同种类的样品台的方式，速度比较慢且占用空间比较大，准确度和重复性也很难保证。

（3）在椭偏测量系统中设计有两个台面定位面的样品台，这两个台面定位面的二面角夹角为54.7°±5°。通过转动样品台台面的方式，满足不同测试条件对样品台放置面和参考平面所构成的二面角角度的需求。但使用这种方式检测单晶硅太阳能电池时，需将待测样品以倾斜于水平面54.7°±5°的状态放置在样品台上，这无疑加大了样品取放的难度，也加大了损坏待测样品的风险。

由此可见，在椭偏测量系统中，现有的用于椭偏仪中晶体硅太阳能电池样品台存在的问题是：（1）需要改变样品台角度实现样品平放或斜放；（2）样品斜放时不易进行样品移动，故不利于对样品进行均匀度检测；（3）样品斜放时碎片风险高。

这些问题使某些种类的样品只能测试某个固定点，无法进行任意点测试，并且不便于取放测试样品，对工艺改善和提高测试效率都产生了极大的影响。

发明内容

本申请的目的在于提供一种无需变换样品台或改变样品台方位、结构简单、操作简捷、更换迅速、重复定位精度高、可实现多种类样品采用相同放置位置的一种椭偏测量装置，其能同时满足单晶太阳能电池和多晶太阳能电池的检测需求，并降低单晶太阳能电池在测试过程中的碎片风险，实现样品的任意点测试，提高测试效率。

本申请的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种椭偏测量装置，包括基板、样品台、检测部件、角度切换机构和角度定位机构；所述样品台固定安装在基板上，所述样品台台面为平面，待测样品放置在样品台台面上；所述检测部件包括用于发射入射光的起偏臂和用于接收反射光的检偏臂，入射光轴和反射光轴形成有入射面；所述角度切换机构转动安装在基板上，所述起偏臂和检偏臂安装在角度切换机构上，所述角度切换机构带动检测部件同步转动，以改变检测部件入射面与待测样品表面的夹角；所述角度定位机构安装在基板上，通过刚性抵触限位或自锁结构限定角度切换机构的转动角度

通过采用上述技术方案，检测待测样品时，将待测样品平放在样品台上，通过角度定位机构对角度切换机构进行定位，使检测部件的入射面直接与待测样品的检测面相垂直，并使两光轴的交点通过检测面，然后进行后续测量即可；整个过程快速方便，且避免了样品斜放，降低样品损坏的风险。

本申请进一步设置为：所述样品台高度可调节设置。

通过采用上述技术方案，可实时调节样品台高度，以对应不同类型的样品，使样品台适应性更好。

本申请进一步设置为：所述角度切换机构包括门型架和轴承座，所述轴承座设为两个，同轴布置在基板上；所述门型架的端部固接有转轴，所述门型架通过穿入轴承座中的转轴与轴承座转动连接；所述检测部件安装在门型架上。

通过采用上述技术方案，门型架为检测部件提供安装基础，门型架通过轴承座转动安装在基板上，以使检测部件能够进行角度调节。

本申请进一步设置为：所述角度定位机构包括倾斜定位件和竖直定位件，所述倾斜定位件和竖直定位件沿角度切换机构转动方向布置在角度切换机构两侧；所述角度切换机构与倾斜定位件刚性抵触配合，将角度切换机构定位至倾斜状态；所述角度切换机构与竖直定位件刚性抵触配合，将角度切换机构定位至竖直状态。

通过采用上述技术方案，竖直定位件限定了角度切换机构的竖直状态，倾斜定位件限定了角度切换机构的倾斜状态，通过与竖直定位件和倾斜定位件配合，实现角度切换机构快速角度定位，从而提高测试效率。

本申请进一步设置为：所述角度切换机构与倾斜定位件抵触配合，所述检测部件入射面与竖直面之间的夹角为54.7°±5°。

通过采用上述技术方案，入射面与竖直面之间的夹角为54.7°，使得角度切换机构抵靠在倾斜定位件后，检测部件的入射面直接与单晶硅太阳能电池的检测面相垂直，实现标准化角度调节，从而提高测量速率。

本申请进一步设置为：所述角度定位机构包括安装在基板上的第一驱动件、固接在第一驱动件输出端的曲柄、以及转动连接在曲柄上的中间杆，所述中间杆远离曲柄的一端与角度切换机构相铰接；所述第一驱动件为力矩电机。

通过采用上述技术方案，驱动件带动曲柄做回转运动，曲柄通过拉动中间杆，带动角度切换机构在某一角度之间往复摆动；对不同类型的太阳能电池检测时，只需控制驱动件驱使曲柄运动至相应位置即可。

本申请进一步设置为：所述角度定位机构包括安装在基板上的导轨、安装在导轨上的滑块、与滑块铰接的连接杆以及驱使滑块沿导轨作往复运动的第二驱动件，所述连接杆远离滑块的一端与角度切换机构相铰接；所述第二驱动件为力矩电机或电动推杆。

通过采用上述技术方案，利用滑块连杆机构的工作原理，通过第二驱动件带动滑块做往复直线运动，滑块通过拉动连接杆，带动角度切换机构往复摆动，对不同类型的太阳能电池检测时，只需控制第二驱动件使滑块运动到相应位置即可。

本申请进一步设置为：所述角度定位机构为电动推杆，电动推杆底座铰接在基板的基板上，电动推杆输出端铰接在角度切换机构的侧壁上。

通过采用上述技术方案，直接利用驱动件带动角度切换机构做往复摆动运动，实现对角度切换机构的角度调节，调节过程更简便直接。

本申请进一步设置为：所述角度定位机构包括蜗轮和蜗杆，所述蜗轮固接于角度切换机构一侧，与角度切换机构转动轴线同轴设置；所述蜗杆转动安装在基板上，与蜗轮相啮合；所述蜗杆端部设置有驱使其自转的第三驱动件；所述第三驱动件为电机或手动摇把。

通过采用上述技术方案，利用第三驱动件转动蜗杆，蜗杆与蜗轮啮合传动，驱使蜗轮同步转动，从而带动角度切换机构转动，实现对角度切换机构的角度调节；且蜗杆与蜗轮为多齿啮合，具有传动平稳、噪音小的特点，而且蜗轮蜗杆具有自锁性，对不同类型的太阳能电池检测时，只需控制第三驱动件使蜗轮转动到相应位置即可。

综上所述，本申请具有以下有益效果：通过为检测部件配置了角度切换结构，使检测部件相对于样品台和放置在样品台上的待测样品进行角度变化，而非改变待测样品的角度位置，通过标准化调节定位检测部件入射面与参考面的二面角角度，最终达到快速测试样品的目的。

附图说明

图1是手动变换角度方案的结构示意图；

图2是手动变换角度方案的正视图；

图3是曲柄摇杆机构方案示意图；

图4是滑块连杆机构方案示意图；

图5是电动推杆方案示意图；

图6是蜗轮蜗杆方案示意图。

图中，1、基板；2、样品台；3、检测部件；31、起偏臂；32、检偏臂；4、角度切换机构；41、门型架；42、轴承座；43、转轴；5、角度定位机构；6、倾斜定位件；7、竖直定位件；8、第一驱动件；9、曲柄；10、中间杆；11、导轨；12、滑块；13、连接杆；14、第二驱动件；15、蜗轮；16、蜗杆；17、第三驱动件；20、待测样品。

具体实施方式

以下结合附图对本申请作进一步详细说明。

一种椭偏测量装置，相比于现有技术中椭偏测量系统的样品台可拆卸设计或样品台台面转换、角度可调设计，本申请主要作出了以下改进：为检测部件3配置了角度切换结构，使检测部件3相对于样品台2和放置在样品台2上的待测样品20进行角度变化，通过标准化调节定位检测部件3入射面与参考面的二面角角度，达到快速测试样品的目的。

具体实施方式如下：如图1所示，一种椭偏测量装置，包括基板1、样品台2、检测部件3、角度切换机构4和角度定位机构5。

其中，基板1顶部设有工作平台，样品台2固定安装在基板1的工作平台上，角度切换机构4转动安装在基板1的工作平台上。样品台2的台面为平面，其自身高度可调节，高度调节方式可采用气缸顶升，也可采用剪叉等机械升降结构；待测样品20平放在样品台2台面上。

检测部件3包括起偏臂31和检偏臂32，起偏臂31发出入射光，检偏臂32接收反射光；起偏臂31和检偏臂32安装在角度切换机构4上。角度切换机构4的转动轴线位于待测样品20的检测面内。

当角度切换机构4处于竖直状态时，检测部件3的入射光轴和反射光轴所形成的入射面与样品台2的台面相垂直。

角度定位机构5也安装在基板1的工作平台上，用于限定角度切换机构4的转动角度，角度定位机构5可以对角度切换机构4定位单一角度，也可以定位某几个特定角度，还可以定位任意角度；如将安装在角度切换机构4上的检测部件3入射面定位至与竖直面平行或与竖直面形成54.7°二面角。

本申请的椭偏测量装置对晶体硅太阳能电池测量的工作原理如下：

检测样品时，必须满足检测面与参考面重合。因此在检测不同类型的样品时，需以检测系统为基准把样品台调整到特定高度，把检测部件3定位并固定到相应的角度上，即通过检测部件3的转动调整参考面的方位；如对单晶硅太阳能电池进行测试时，需将检测部件3入射面定位在与竖直面54.7°的角度上，如对多晶硅太阳能电池进行测试时，则需将检测部件3入射面定位在与竖直面平行的角度上，即可实现对不同类型（单晶、多晶）的太阳能电池的检测,最后记录获得的待测样品的表面信息。

实施例1：如图1、图2所示，角度切换机构4包括门型架41和轴承座42，轴承座42数量设为两个，以样品台2台面中轴线为基准对称布置在基板1的工作平台上；门型架41由一横杆两竖杆组成，门型架41的两竖杆上分别固接有转轴43，转轴43转动安装在轴承座42上，从而使得门型架41能够绕转轴43轴线作圆周转动。检测部件3的起偏臂31和检偏臂32安装在门型架41上。

本实施方案中，轴承座42可选用角接触球轴承、深沟球轴承、滚动轴承、滑动轴承等，轴毂连接形式可采用键连接、过盈配合、销连接、胀套连接或型面配合连接等。

角度定位机构5包括倾斜定位件6和竖直定位件7，倾斜定位件6为具有倾斜定位面的机械件，倾斜定位件6的倾斜定位面与竖直面之间的夹角为54.7°±5°；竖直定位件7为具有竖直定位面的机械件。倾斜定位件6和竖直定位件7沿角度切换机构4的转动方向，相对布置在角度切换机构4两侧，角度切换机构与倾斜定位件或与竖直定位件刚性抵触配合。

当角度切换机构4转至竖直状态时，角度切换机构4与竖直定位件7的竖直定位面贴合抵触，此时可对多晶硅太阳能电池进行测试；当角度切换机构4转至与倾斜定位件6的倾斜面贴合抵触时，对单晶硅太阳能电池进行测试；整个角度调节过程手动操作即可完成。

角度切换机构4与角度定位机构5的接触面上分别装嵌有磁铁和磁钢，利用磁铁的吸附力实现角度定位机构5与角度切换机构4的牢固连接，降低测量时外力因素对椭偏测量装置稳定性的影响，保证测量过程顺利进行。

实施例2：本实施例与实施例1的区别在于，如图3所示，角度定位机构5包括第一驱动件8、曲柄9和中间杆10，第一驱动件8固定安装在基板1的工作平台上，并位于角度切换机构4转动方向的一侧；本实施方案中，第一驱动件8为具有保持力矩，可以在任意位置停止并且保持在该位置的电机。曲柄9其中一端固接在电机的输出轴上，另一端与中间杆10的端部转动连接；中间杆10的另一端转动安装在角度切换机构4的侧壁上。

本实施方案的工作原理为，第一驱动件8带动曲柄9做回转运动，曲柄9通过拉动中间杆10，带动角度切换机构4在某一角度之间往复摆动（此角度可通过改变曲柄9、中间杆10的长度进行调节）；如此，对不同类型（单晶、多晶）的太阳能电池检测时，只需控制第一驱动件8驱使曲柄9运动至相应位置即可。

实施例3：本实施例与实施例1的区别在于，如图4所示，角度定位机构5包括导轨11、滑块12、连接杆13以及第二驱动件14，导轨11固定安装在基板1的工作平台上，导轨11的长度方向与角度切换机构4的转动方向同向布置；滑块12安装在导轨11上，连接杆13一端与滑块12铰接，另一端与角度切换机构4铰接；第二驱动件14也安装在基板1上，驱使滑块12在导轨11上作往复直线运动。

具体的，导轨11可设置为光杆，滑块12与导轨11滑动连接，第二驱动件14选用电动推杆；电动推杆的输出端与滑块12连接，直接带动滑块12在滑轨上作往复运动；导轨11还可设置为螺杆，其两端转动配合有轴承座，轴承座固定在基板1上，相应的，滑块12与导轨11螺纹连接，第二驱动件14选用电机，电机的输出端与螺杆连接；电机驱使螺杆正反向转动，以带动滑块12在螺杆上作往复运动。

此实施方案利用滑块12连杆机构的工作原理，通过第二驱动件14带动滑块12做往复直线运动，滑块12通过拉动连接杆13，带动角度切换机构4往复摆动（摆动角度可通过改变连接杆13的长度进行调节，也可以通过改变滑块12往复运动的行程进行调节）。此实施方案所选用的第二驱动件14具有保持力矩，可以在任意位置停止并且保持该位置。

对不同类型（单晶、多晶）的太阳能电池检测时，只需控制第二驱动件14使滑块12运动到相应位置即可。

实施例4：本实施例与实施例1的区别在于，如图5所示，角度定位机构5为电动推杆，电动推杆底座铰接在基板1的工作平台上，其输出端铰接在角度切换机构4的侧壁上。电动推杆作伸缩运动时，带动角度切换机构4做往复摆动运动（此角度可通过选用不同行程的电动推杆进行调节）。此实施方案所选用的电动推杆具有保持力矩，可以在任意位置停止并且保持该位置。

对不同类型（单晶、多晶）的太阳能电池检测时，只需控制电动推杆运动至相应位置即可。

实施例5：本实施例与实施例1的区别在于，如图6所示，角度定位机构5包括蜗轮15、蜗杆16和第三驱动件17，其中蜗轮15同轴固接于角度切换机构4端部的转轴43上，蜗杆16通过轴承座42转动安装在基板1顶部，蜗轮15蜗杆16相啮合；第三驱动件17可选为电机或手动摇把，设置在蜗杆16一端，由第三驱动件17带动蜗杆16转动。蜗杆16转动时，带动蜗轮15同步转动，从而驱使角度切换机构4做往复摆动运动（此角度可通过蜗轮15的转动进行调节）。

对不同类型（单晶、多晶）的太阳能电池检测时，只需控制蜗轮15运动至相应位置即可。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种椭偏测量装置，其特征在于：包括基板(1)、样品台(2)、检测部件(3)、角度切换机构(4)和角度定位机构(5)；

所述样品台(2)固定安装在基板(1)上，所述样品台(2)台面为平面，待测样品(20)放置在样品台(2)台面上；

所述检测部件(3)包括用于发射入射光的起偏臂(31)和用于接收反射光的检偏臂(32)，入射光轴和反射光轴形成有入射面；

所述角度切换机构(4)转动安装在基板(1)上，所述起偏臂(31)和检偏臂(32)安装在角度切换机构(4)上，所述角度切换机构(4)带动检测部件(3)同步转动，以改变检测部件(3)入射面与待测样品(20)表面的夹角；

所述角度定位机构(5)安装在基板(1)上，通过刚性抵触限位或自锁结构限定角度切换机构(4)的转动角度。

2.根据权利要求1所述的一种椭偏测量装置，其特征在于：所述样品台(2)高度可调节设置。

3.根据权利要求1所述的一种椭偏测量装置，其特征在于：所述角度切换机构(4)包括门型架(41)和轴承座(42)，所述轴承座(42)设为两个，同轴布置在基板(1)上；所述门型架(41)的端部固接有转轴(43)，所述门型架(41)通过穿入轴承座(42)中的转轴(43)与轴承座(42)转动连接；所述检测部件(3)安装在门型架(41)上。

4.根据权利要求1或3所述的一种椭偏测量装置，其特征在于：所述角度定位机构(5)包括倾斜定位件(6)和竖直定位件(7)，所述倾斜定位件(6)和竖直定位件(7)沿角度切换机构(4)转动方向布置在角度切换机构(4)两侧；所述角度切换机构(4)与倾斜定位件(6)刚性抵触配合，将角度切换机构(4)定位至倾斜状态；所述角度切换机构(4)与竖直定位件(7)刚性抵触配合，将角度切换机构(4)定位至竖直状态。

5.根据权利要求4所述的一种椭偏测量装置，其特征在于：所述角度切换机构(4)与倾斜定位件(6)抵触配合，所述检测部件(3)入射面与竖直面之间的夹角为54.7°±5°。

6.根据权利要求1或3所述的一种椭偏测量装置，其特征在于：所述角度定位机构(5)包括安装在基板(1)上的第一驱动件(8)、固接在第一驱动件(8)输出端的曲柄(9)、以及转动连接在曲柄(9)上的中间杆(10)，所述中间杆(10)远离曲柄(9)的一端与角度切换机构(4)相铰接；所述第一驱动件(8)为力矩电机。

7.根据权利要求1或3所述的一种椭偏测量装置，其特征在于：所述角度定位机构(5)包括安装在基板(1)上的导轨(11)、安装在导轨(11)上的滑块(12)、与滑块(12)铰接的连接杆(13)以及驱使滑块(12)沿导轨(11)作往复运动的第二驱动件(14)，所述连接杆(13)远离滑块(12)的一端与角度切换机构(4)相铰接；所述第二驱动件(14)为力矩电机或电动推杆。

8.根据权利要求1或3所述的一种椭偏测量装置，其特征在于：所述角度定位机构(5)为电动推杆，电动推杆底座铰接在基板(1)的基板(1)上，电动推杆输出端铰接在角度切换机构(4)的侧壁上。

9.根据权利要求1或3所述的一种椭偏测量装置，其特征在于：所述角度定位机构(5)包括蜗轮(15)和蜗杆(16)，所述蜗轮(15)固接于角度切换机构(4)一侧，与角度切换机构(4)转动轴线同轴设置；所述蜗杆(16)转动安装在基板(1)上，与蜗轮(15)相啮合；所述蜗杆(16)端部设置有驱使其自转的第三驱动件(17)，所述第三驱动件(17)为电机或手动摇把。

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