DE602004007014T2

DE602004007014T2 - Optisches verfahren und einrichtung zur texturquantifizierung photovoltaischer zellen

Info

Publication number: DE602004007014T2
Application number: DE602004007014T
Authority: DE
Inventors: Carlos Enrique Zaldo Luezas; Jose Maria Albella Martin; Eduardo Fornies Garcia
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2024-07-15
Also published as: EP1662227B1; DE602004007014D1; ES2235608B1; JP2007528997A; ATE364830T1; WO2005008175A1; CN100419377C; CN1871495A; ES2235608A1; US20060268283A1; EP1662227A1

Description

SACHGEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf den Industriezweig der Fertigungstechnik und insbesondere auf das Gebiet, das mit der Herstellung von Photovoltaik-Zellen befasst ist, und hat deshalb auch einen Einfluss auf den Sektor der alternativen Energien. Die Erfindung bezieht sich auch auf das Steuern der Verfahren, die dazu verwendet werden, die Oberfläche eines monokristallinen Siliziums zu texturieren, obwohl sie auch auf die Texturierungen anwendbar ist, die für die Oberfläche des Siliziums und anderer mehrkristalliner und polykristalliner Halbleiter entwickelt sind.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Die Verringerung des optischen Reflexionsvermögens der fotoempfindlichen Seite der Zelle ist ein wesentlicher Schritt des Herstellungsvorgangs, der dazu notwendig ist, die Effizienz zu verbessern, mit der die Photovoltaik-Zellen das einfallende Licht in elektrische Energie umwandelt. Dies wird dadurch erreicht, dass antireflektive Beschichtungen auf der Oberfläche der Zelle aufgebracht werden und eine gut definierte Textur erzielt wird. Häufig werden diese zwei Effekte aufeinander folgend erreicht.
Während des die Textur bildenden Verfahrens entwickelt die Zelle eine grobe Oberflächen-Morphologie [1, 2], eine poröse oder durch einen Hohlraum verursachte Morphologie [3, 4] oder eine facettierte Morphologie [5], die vielfache Reflexionen auf der Oberfläche zulässt, bevor das Licht schließlich zu den Einfallsmedien austritt (typischerweise Luft oder eine transparente Beschichtung), und die zusätzlich das langwellige Licht mittels einer inneren Totalreflexion (infrarotes Licht nahe zu dem Si-Gap) abfängt, das in den aktiven Grenzbereich eintritt.
Aufgrund der hohen Kosten der kristallinen Materialien wird die Technologie für die industrielle Herstellung von Photovoltaik-Zellen auf Siliziumsubstrate (Si) konzentriert, obwohl verschiedene Güten einer kristallinen Qualität verwendet werden. Die Zellen mit der höchsten Qualität verwenden monokristallines Silizium (c-Si). Mehrkristallines Silizium (mc-Si), bei dem mehrere kristalline Körner dieselbe Orientierung haben, wird auch verwendet. Derzeit ist eine stark anhaltende Bemühung vorhanden, die Funktionsweise von dünnen Platten aus polykristallinem Silizium (p-Si) zu verbessern. Die Verfahren, die dazu verwendet werden, die drei unterschiedlichen Typen von Si zu texturieren, sind auch unterschiedlich.
Das gewöhnliche Verfahren, um die Textur in monokristallinen Silizium-Wafern zu entwickeln, ist eine chemische Oberflächenbehandlung oder ein Ätzen, das aus einem Eintauchen der Wafer in kaustische Bäder, die bestimmte Silizium-Kristallebenen bevorzugt angreifen [6, 7], unter Erzeugen einer zufälligen Verteilung aus pyramidenförmigen Texturen mit einer quadratischen Basis (1 und 2), wobei die gesamte Pyramide zueinander parallele Flächen zeigt, besteht. Diese besondere Form der Pyramiden wird durch eine kubische Symmetrie des Siliziums und das Auftreten der Ebenen (111), die durch die bevorzugten chemischen Ätzprozesse hervorgerufen werden, verursacht. Typischerweise beträgt dann, wenn der Grad einer Struktur bzw. Textur hoch ist, die Seite der Basis der Pyramide 5–10 μm und der Neigungswinkel der seitlichen Seiten in Bezug auf die Substratfläche α ist nahe zu den Schnittwinkeln zwischen den Ebenen (111) und (100), oder 54,735°, allerdings kleiner. Der Neigungswinkel α hängt leicht von den Details des chemischen Ätzverfahrens, das die Textur erzeugt, und den Werten eines beobachteten Bereichs von α = 49–53° ab. Dieser Typ einer Textur erscheint unabhängig von dem chemischen Mittel, das für den Ätzvorgang verwendet wird, das NaOH sein kann [7], zu sein. Na₃PO4:12H2O [8] oder Na₂CO3 [9]. Eine Variation dieses Texturierungsverfahrens ist die Bildung von umgekehrten Pyramiden [10], obwohl die Geometrie der Textur in diesem besonderen Fall periodisch ist und durch den Hersteller mittels eines lithographischen Verfahrens vorbestimmt werden kann.
Um antireflektierende Beschichtungen zu charakterisieren, basieren die Techniken und die Instrumente, die verwendet werden (Spektrofotometer, Interferometer und Ellipsometer), auf optischen Verfahren, die die Bewertung zulassen, ohne einen physikalischen Kontakt mit der Zelle vorzunehmen, allerdings wird das Studium der Textur der Oberfläche gewöhnlich durch ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) oder mit einem Profilometer bzw. Tastschnittgerät und einem Raster-Kraft-Mikroskop (SFM) mit oder ohne Kontakt vorgenommen. Allerdings zeigen, neben den Kosten, die durch die Verwendung dieser Techniken entstehen, deren Anwendungen in der Industrie als Qualitäts-Prüfsystem für die Textur von Zellen bestimmte Schwierigkeiten. Das Rasterelektronenmikroskop (SEM) erfordert eine Umgebung mit niedrigem Druck um die Zelle herum, um zu arbeiten, und der analysierte Bereich kann Beschädigungen aufgrund des Einfalls des Elektronenstrahls erfahren. Auch übersteigt die Zeit, die dazu erforderlich ist, die Analyse durchzuführen, wesentlich die Geschwindigkeit der Verarbeitung, die für das Herstellungsverfahren erforderlich ist. Die Profilometer arbeiten andererseits in einem Kontakt-Modus, der die Zelle verkratzen kann, oder in einem optischen Modus, der, während er ohne einen Kontakt auskommt, dafür entwickelt ist, auf flachen Oberflächen zu arbeiten, und passt nicht gut die rauen und facettierten Oberflächen an, da das Reflexionsvermögen nicht spiegelnd ist. Die Analysezeit, die für sowohl das Rasterelektronen-Mikroskop als auch für die Profilometrie erforderlich ist, liegt in der Größenordnung von einigen zehn Minuten und ist deshalb wesentlich länger als die Zeit, die für die einzelne Analyse von Zellen in der Produktionslinie erforderlich ist (die in der Größenordnung von Sekunden liegt).
Eine frühere Forschungsarbeit war auf das optische Reflexionsvermögen von texturierten Photovoltaik-Zellen gerichtet [11, 12]. Diese Arbeiten berichten entweder über eine integrale Messung des gesamten oder eines diffusen Reflexionsvermögens oder über Messungen des spiegelnden Reflexionsvermögens gerade unter einem normalen Einfalt. Die Quelle kollimierten Lichts, die verwendet wird, ist ein HeNe-Laser mit einer spektralen Kohärenz. Für Messungen, die nicht kohärentes Licht betreffen, wird eine Quarzlampe als Quelle verwendet, und der Strahl wird fokussiert (nicht kollimiert). Unter Ignorieren einiger Effekte, die in periodischen Texturen beobachtet werden [11], und derjenigen, die der Interferenz von mehreren Strahlen, die der Kohärenz des HeNe-Lasers zugeordnet sind, betreffen, besitzen die Muster der optischen Intensität, die in diesen Arbeiten analysiert ist, eine kreisförmige Symmetrie um die Messachse herum [11]. Das Ziel dieser Arbeiten ist dasjenige, nicht den Grad einer Texturierung zu analysieren (was zuvor bekannt gewesen ist), sondern die Lichtabnahme-Effizienz der Textur zu bewerten.
In [12] sind winkelabhängige Reflektanzmessungen an Photovoltaik-Zellen angegeben. Diese umfassen auch Messungen unter unterschiedlichen azimutalen Winkeln für unterschiedliche Einfallswinkel; siehe 10.
Die Aufgabe des erfundenen Verfahrens und der vorgeschlagenen Vorrichtungen beruht in der Entwicklung eines kontaktlosen Verfahrens für die quantitative Analyse des Grads einer Textur in Si-Wafern, das zum Ausführen in einer Produktionslinie geeignet ist. Es bezieht sich hauptsächlich auf das Studium oder die zufällige Texturierung, obwohl es auch auf Texturen anwendbar ist, die eine Periodizität zeigen. Es ist deshalb ein Messinstrument mit einer hohen Funktionsgüte, das dem Benutzer ermöglicht, genau und sofort den Grad einer Textur jeder einzelnen Zelle unmittelbar nach dem chemischen Ätzprozess zu kennen. Die frühe Erfassung von Zellen mit einem niedrigen Grad einer Texturierung ermöglicht eine erneute Bearbeitung, was vermeidet, dass sie später ausgesondert werden müssen, und deshalb zusätzliche Herstellungskosten eines solchen Vorgangs vermeidet. Das Verfahren basiert auf der Analyse des Reflexionsvermögens eines Strahls aus kollimiertem Licht, ohne dass das Licht eine hohe, spektrale Kohärenz haben muss, was die Verwendung einer Laserquelle nicht erforderlich macht, obwohl die Verwendung einer Laserlichtquelle aus praktischen Gründen zweckmäßig ist.
Die optimale Bildung der vorstehend erwähnten Pyramiden hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie beispielsweise Temperatur, pH-Wert der Badlösung, Eintauchzeiten und des Orts der Wafer in dem Bad, ebenso wie von dem Anfangszustand der Oberfläche des Wafers und anderer Faktoren. Der Grad eines Alterns des Bads spielt auch eine grundsätzliche Rolle. Da der Effekt des chemischen Ätzprozesses nicht kumulativ ist, sondern einen Grad einer maximalen Textur (maximaler Waferbereich, der durch Pyramiden bedeckt ist) erreicht, wonach diese Pyramiden später abgeflacht werden und verschwinden, ermöglicht die frühe Erfassung der Verringerung in der Textur zu jedem gegebenen Zeitpunkt den Zustand der chemischen Bäder, die für deren Entwicklung verwendet werden, zu kennen, und deshalb kann man eine geeignete Maßnahme ergreifen, bevor deren Verschlechterung beobachtet wird, wenn das Endprodukt begutachtet wird. Auf diese Art und Weise würden zwei Aufgaben gelöst werden: eine würde die sein, die Lebensdauer der Bäder mittels eines kontrollierten Hinzufügens der notwendigen Komponenten zu verlängern, und das andere würde diejenige sein, das Einbringen von Wafern mit einem Zwischengrad einer Texturierung in die Produktionslinie zu vermeiden, was zu Effektivitäten unterhalb der optimalen Effektivität, die an dem Ende des Prozesses erwartet wird, führen würde.
REFERENZEN

[1] K. Fukui, Y. Okada, H. Inomata, S. Takahashi, Y. Fujii, Fukawa and K. Shirasawa: „Surface and bulk-passivated large area multicrystalline silicon solar cells", Solar Energy Materials & Solar Cells: 48, 219–228 (1997).
[2] W. A. Nositschka, C. Beneking, O. Voigt and H. Kurz: „Texturisation of multicrystalline silicon wafer for solar cells by reactive ion etching through colloidal masks", Solar Energy Materials & Solar Cells: 78, 155–166 (2003).
[3] Y. Yerokhov, R. Hezel, M. Lipinski, R. Ciach, H. Nagel, A. Mylyanych and P. Panek: „Cost-effective methods of texturing for silicon solar cells", Solar Energy Materials & Solar Cells: 72, 291–298 (2002).
[4] J. Zhao, A. Wang, M. A. Green and F. Ferraza: „19,8% efficient „honeycomb" textured multicrystalline and 24,4% monocrystalline silicon solar cells", Applied Physics Letters: 73, 1991–1993 (1998).
[5] P. Campbell and M. A. Green: „High performance light trapping textures for monocrystalline silicon solar cells", Solar Energy Materials Solar & Cells: 65, 369–375 (2001).
[6] Holdermann, K: „Method for the wet chemical pyramidal texture etching of silicon surfaces", US Patent N' 6,451,218 .
[7] Balley W. L., Coleman, M. G. Harris, C. B. Lesk and I. A. Lesk: „Texture etching of silicon: method", US Patent N' 4,137,123 .
[8] Z. Xi, D. Yang and D. Que: „Texturization of monocrystalline silicon with tribasic sodium phosphate", Solar Energy Materials & Solar Cells: 77, 255–263 (2003).
[9] Y. Nishimoto and K. Namba: „Investigation of texturization for crystalline silicon solar cells with sodium carbonate solutions", Solar Energy Materials & Solar Cells: 61, 393–402 (2000).
[10] W. Müller, A. Metz and R. Hezel: „A new and simple approach for fabricating inverted pyramids on crystalline silicon solar cells", Proceedings of the 17^th European Photovoltaic Solar Energy Conference, München (2001).
[11] A. Paretta, E. Bobeico, L. Lancellotti, P. Morvillo, A. Wang and J. Zhao: „A new approach to the analysis of light collected by textured silicon surfaces", Paper 1P-C3-14 in the 3^rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Osaka, May 12–16 (2003).
[12] A. Paretta, A. Samo, P. Tortota, H. Yakubu, P. Maddalena, J. Zhao and A. Wang: „Angle-dependent reflectance measurements on photovoltaic materials and solar cells", Optical Communications 172, 139–151 (1999).

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Autoren beanspruchen die Erfindung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Bestimmen des Grads einer Texturierung von Materialien, unter anderem von Silizium-Wafern, die typischerweise als Photovoltaik-Zellen verwendet werden.
Die Technik, die vorgeschlagen ist, um den Grad einer Texturierung einzustellen, besteht grundsätzlich darin, die Oberfläche des Wafers mit einem kollimierten Lichtstrahl zu bestrahlen und die Muster eines optischen Reflexionsvermögens zu quantifizieren. In dem nachfolgenden Text wird auf Laserlicht als die Quelle für diesen Prozess aufgrund dessen allgemein guten Kollimationseigenschaften Bezug genommen, ohne damit zu beabsichtigen, damit zu vermitteln, dass der kohärente Charakter des Laserlichts einen maßgeblichen Einfluss auf die vorliegende Erfindung hat.
Der einfallende Strahl führt, in der einfachsten Anordnung, durch eine Öffnung hindurch, die auf einem flachen Schirm gebildet ist, wo das Licht, das durch den Wafer reflektiert ist, betrachtet wird (3). Das Muster der Reflektanz, das dann beobachtet wird, wenn ein Wafer ohne eine Textur beobachtet wird, ist ein zentraler Punkt mit einer kreisförmigen Symmetrie (4) aufgrund der Ausbreitung des Lichts über die Rauigkeit und die Oberflächen-Defekte des Wafers. Das Muster einer optischen Reflektanz der Wafer mit einem hohen Grad einer Textur ist ein zentraler Punkt, wie erwähnt ist, erscheint allerdings mit einer geringeren Intensität und ist durch vier kreisförmige Bereiche mit einer vierfachen Symmetrie in Bezug auf die Richtung des ankommenden Strahls begleitet (5). Das letzte Reflexionsmuster tritt aufgrund der Reflexion an den vier Seitenflächen der Pyramiden auf. Der Beleg hierfür ist derjenige, dass sich dann, wenn der Wafer auf der Achse, die durch den ankommenden Laserstrahl gebildet wird, gedreht wird, das reflektierte Muster in Übereinstimmung mit dem Wafer dreht. Es sollte angemerkt werden, dass das Licht, das durch den Wafer reflektiert ist, keine wesentlichen Polarisationsänderungen in Bezug auf das ankommende Licht zeigt und dass die winkelmäßige Öffnung des Musters des Lichts, das reflektiert ist, nicht für die Wellenlänge des Lichts, das verwendet ist, empfindlich ist, was zeigen würde, dass es zu spiegelnden Reflexionen auf den mikroskopischen Facetten der Probe zugeordnet ist.
Sowohl das Verfahren als auch die Vorrichtung des vorliegenden Patents sind auf solche Textur-Morphologien anwendbar, die durch die Entwicklung korrelierter, geometrischer Muster auf der Oberfläche des Substrats, das die Photovoltaik-Zelle trägt, gekennzeichnet ist. Diese Muster können individuelle Dimensionen und Abstände zwischen zwei aufeinander folgenden Mustern haben, die zufällig oder konstant sein können, allerdings müssen in allen Fällen die Flächen aller vielflächigen Formen, die sie bilden, zueinander parallel sein. Diese Morphologien können durch verschiedene Vorgänge gebildet werden, wie beispielsweise das chemische Ätzen des monokristallinen Si, ob nun mit hoch stehenden oder umgekehrten Pyramiden. Das Verfahren, das beschrieben ist, kann auch für das Studium anderer Güten einer Textur, die in multikristallinem Si entwickelt ist, und der Textur, die in polykristallinem Silizium vorhanden ist, das über zuvor texturierte Substrate niedergeschlagen ist, mit den vorstehend angegebenen Bedingungen, verwendet werden. Es kann auch auf andere Materialien, die ähnliche Texturmuster zeigen, angewandt werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das Verfahren umfasst, wie vorstehend beschrieben ist, eine Bestimmung des Musters einer Reflektanz, das einer texturierten Oberfläche zugeordnet ist (insbesondere solche Si-Oberflächen, die einem chemischen Ätzen unterworfen worden sind, um pyramidenförmige Formen zu erreichen), das von dem Licht eines Laserstrahls mit einem normalen Einfall stammt. Dieses Muster wird auf einem flachen Bildschirm, wie dies in 3a dargestellt ist, erfasst. Das erwartete Muster für eine Oberfläche, die aus gleichen Pyramiden formen aufgebaut ist, würde, entsprechend den Reflexionsgesetzen, aus vier Punkten zusammengesetzt sein, die symmetrisch um die Achse des ankommenden Strahls herum angeordnet sind, allerdings bewirkt das Vorhandensein von Defekten, von nicht-texturierten Bereichen, usw., eine Erhöhung der normalen Reflektanz unter Beeinträchtigung der Intensität, die der Texturierung zugeordnet ist, was die Basis des vorliegenden Verfahrens ist.
Die Geometrie des Schirms kann an die Umstände des Designs angepasst sein. Die 3a und 3b stellen jeweils einige der Alternativen dar, die sphärische oder halbsphärische Schirme, bei denen der Wafer in der Mitte angeordnet ist, und Bildschirme vom Typ eines Rotationsellipsoids, bei denen der ankommende Strahl durch einen Brennpunkt hindurchfährt, und der Wafer, der geeignet orientiert ist, an dem anderen der Brennpunkte des Ellipsoids angeordnet ist, umfassen. Alle diese Designs teilen eine gemeinsame Charakteristik. Der Strahl, der auf der Normalen reflektiert ist, überlappt den ankommenden Strahl und gestaltet deshalb die Messung des Lichts, das auf der Normalen zu dem Wafer hin reflektiert ist, schwierig. Eine technische Lösung für dieses Problem ist weiter nachfolgend in dem Text beschrieben.
Das Maß des Grads einer Textur wird durch Vergleichen der Intensität des Reflexionsmusters mit einer vierfachen Symmetrie gegenüber der Intensität, die in der normalen Reflektanz gezeigt wird, beobachtet. Um dies vorzunehmen ist es notwendig, Fotodioden über den Schirm und in der Position der Maxima anzuordnen, um die Intensität des Lichts auszurichten. In einer aufwändigeren Version kann die Erfassung mittels eines CCD-Detektors oder durch eine Fotodioden-Matrix, die über den Schirm verteilt ist, vorgenommen werden. Die Lichtquelle kann ein Monomode-Laser mit niedriger Leistung (< 10 mW) und guten Kollimationseigenschaften (typischerweise 1,5 mRad oder niedriger), der in dem Bereich von λ = 500–800 nm emittiert, typischerweise ein HeNe-Laser (λ = 633 nm), eine Halbleiterdiode (λ = 750–850 nm) mit kollimierenden Optiken, oder ein Laser mit einer Infrarotemission (A 1060 nm), oder Nd³⁺ (λ ~ 1060 nm), in beiden Fällen in Verbindung mit einem Frequenzverdoppler, sein.
Die Reflexionsmuster, entsprechend zu den Zwischentexturmustern, zeigen die maximale Intensität mit einer Symmetrie, die der Anzahl von Flächen der Geometrien, die die Textur bilden, entspricht, obwohl sie durch Bänder einer geringeren Intensität verbunden sein können. Diese Situation kann in dem Bild erkannt werden, das der Reflexion eines Wafers, der für 25 Minuten behandelt ist, wie dies in 5 gezeigt ist, der aus einer vierflächigen Pyramide gebildet ist, entspricht.
Um den Grad einer Textur der Oberfläche zu charakterisieren, ist der Parameter G als die Beziehung zwischen der Summe der Intensitäten, die in den Maxima des Musters mit einer vierfachen Symmetrie I_4n (n = 1–4) reflektiert ist, und der Intensität, die normal zu der Fläche des Wafers I_N reflektiert wird, definiert.
Dies ist eine nichtlineare Funktion, die Idealerweise einen Wert von Null für den Wafer ohne Textur und einen Wert von unendlich für einen Wafer mit einer perfekten Textur besitzt, obwohl dieser Wert auf die Überlappung zwischen den Mustern mit einer kreisförmigen Symmetrie und den Mustern, die eine vierfache Symmetrie zeigen, begrenzt ist. Der Parameter ist nicht für Fluktuationen der Intensität des Laserstrahls empfindlich.
Dabei ist ein zweiter Satz von Parametern vorhanden, um die Gleichförmigkeit der Textur zu charakterisieren:
Eine Abweichung von dem Parameter χ_n von diesem Mittelwert, X_n, zeigt das Fehlen einer Gleichförmigkeit in der Textur an. Eine gleichförmige Textur besitzt die folgende Beziehung:
für jeden Wert von n.
Das System, das bis hier beschrieben ist, ermöglicht, den durchschnittlichen Bereich, der durch den Laserstrahl bestrahlt ist, typischerweise < 0,5 × 0,5 mm², zu analysieren. Um das System in eine Produktionslinie einzuschließen, ist eine zweidimensionale Analyse des Wafers erforderlich. Wafer besitzen typischerweise eine runde Form mit einem Durchmesser von 15 cm. Diese Analyse kann durch eine xy-Abtastung des Wafers, durch Bewegen des Wafers oder durch Bewegen des optischen Systems, das für die Projektion verwendet wird, vorgenommen werden, allerdings gestalten die beweglichen Elemente das Design kompliziert und erfordern, über eine Langzeitbenutzung, eine erneute Kalibrierung und Wartung. Die Vorrichtung, die nachfolgend beschrieben ist, minimiert die beweglichen Elemente und ermöglicht die gleichzeitige Analyse mehrerer Punkte in dem Wafer, während sich der Wafer über ein Förderband in der y-Richtung bewegt (6).
Eine Analyse der Bewegungsrichtung wird durch Aktivieren des Messsystems unter einem konstanten Zeitintervall, das zu der Bewegungsgeschwindigkeit des Wafers in Bezug gesetzt ist, vorgenommen. Die Analyse in der x-Richtung wird gleichzeitig an verschiedenen Punkten innerhalb des Wafers mittels eines Aufteilens des Anfangs-Laserstrahls in mehrere Strahlen mit gleicher Intensität, die vertikal (z-Richtung) zu dem Wafer hin gerichtet sind, vorgenommen.
In diesem bestimmten Fall ist es notwendig, dass die Strahlung des Laserstrahls linear polarisiert ist. Der Laserstrahl mit einer Anfangs-Intensität von I₀, der in der x-Richtung propagiert, wird in mehrere sekundäre Strahlen gleicher Intensitäten I₀r₁, die in die z-Richtung gerichtet sind, aufgeteilt. Um dies vorzunehmen, werden mehrere N Laser-Aufteilungseinrichtungen, die nicht für die Polarisation des ankommenden Lichts empfindlich sind, verwendet und so kalibriert, dass deren Reflektivität r_n die folgende Beziehung erfüllt:
Wobei
wobei n = 1 ... N, und
Ein zweiter Satz von für die Polarisation empfindlichen Strahlteilern, kombiniert mit λ/4-Platten, ermöglicht, das Licht, das zu den Detektoren hin reflektiert ist, umzulenken. Der ankommende Strahl, der auf den zweiten Satz der Strahlteiler auftrifft, muss in der y-Richtung linear polarisiert sein, und in einer solchen Art und Weise, dass er durch den Strahlteiler weitergeleitet werden kann. Die λ/4-Platte, die geeignet mit deren Achse unter einem Winkel von 45° zu der xy-Achse orientiert ist, wandelt das Licht in zirkular polarisiertes Licht um, und nach Reflektieren von dem Wafer und nach Hindurchführen durch eine neue Transmission in der Platte tritt das Licht linear polarisiert in der x-Richtung aus und wird deshalb durch den polarisierenden Strahlteiler in der y-Richtung total reflektiert. Schließlich kollimiert eine Linse (die zuvor erwähnt ist) das Bild, um es auf die Detektor-Matrix zu projizieren, wo die Intensität der reflektierten Strahlen durch die Fotodioden erfasst wird und entsprechend den zuvor beschriebenen Kriterien analysiert wird. Es wird empfohlen, das optische Erfassungssystem gegen das Umgebungslicht mit Interferenzfiltern, die für die Wellenlänge und den Emissionsbereich des Lasers optimiert sind, der in dem Verfahren verwendet ist, zu isolieren und die Filter vor der Fotodioden-Matrix anzuordnen.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1: Bild, das durch ein Rasterelektronenmikroskop der mit quadratischer Basis ausgebildeten Pyramiden nach einem chemischen Ätzen mit NaOH erhalten ist. Der Winkel, der zwischen den Seitenflächen der Pyramide gebildet ist, wird aus dem Bild berechnet, und die Neigung der Flächen in Bezug auf die Ebene des Wafers stimmt, innerhalb des experimentell unsicheren Bereichs, mit den erwarteten Werten zwischen Ebenen (111) Si und Ebenen (111) Si-(100) Si, 70,53° und 54,73°, jeweils, überein.
2: Stellt das zenitale Bild dar, das durch ein Rasterelektronenmikroskop von den mit quadratischer Basis ausgebildeten Pyramiden, die sich aus dem chemischen Ätzen mit NaOH ergeben, erhalten ist. Alle Pyramiden zeigen, wie beobachtet wird, dieselbe Orientierung, was das Reflexionsmuster so gestaltet, dass es aus vier Punkten, symmetrisch angeordnet um die Bestrahlungsachse herum, gebildet wird.
3a: Einfacher Aufbau einer Reflexionsmuster-Beobachtungsvorrichtung an den texturierten Siliziumflächen mittels einer flachen Anzeige.
3b: Einfacher Aufbau einer Reflexionsmuster-Beobachtungsvorrichtung an den texturierten Siliziumflächen mittels einer sphärischen Anzeige. Das Bild in der Figur zeigt einen Querschnitt.
3c: Einfacher Aufbau einer Reflexionsmuster-Beobachtungsvorrichtung an den texturierten Siliziumflächen mittels einer Rotations-Ellipsoid-Anzeige, die innen als ein Reflektor wirkt. Das Bild in der Figur stellt einen Querschnitt dar.
4: Optisches Reflexionsmuster einer nicht texturierten (100) Si-Fläche. Die kreisförmige Symmetrie um den intensivsten, zentralen Punkt herum kann beobachtet werden. Dieser Punkt entspricht dem einfallenden Lichtstrahl.
5: Optisches Reflexionsmuster einer stark texturierten (100) Si-Fläche. Die vierfache Symmetrie um den intensivsten, zentralen Punkt herum kann beobachtet werden. Dieser Punkt entspricht dem einfallenden Lichtstrahl.
6: Umriss der Vorrichtung, die für die optische Charakterisierung des Grads einer Textur in dem (100) Si-Wafer vorgeschlagen ist.
7: Vergleich zwischen der Winkelverteilung der Intensität des Lichts, das durch einen Wafer (100) c-Si vor dem chemischen Ätzvorgang reflektiert ist, das von der Oberflächen-Textur (t = 0 min) ausgeht, und derjenigen einer Textur, die in einer Probe, die dem Ätzvorgang während 25 Minuten unterworfen ist, erhalten ist, wobei 0 der Beobachtungswinkel in Bezug auf die Normale der Oberfläche des Wafers, angegeben in Grad, ist.
8: Bild der Mehrfach-Reflexionen eines Lichtstrahls mit einem normalen Einfall gegenüber einer texturierten Oberfläche des (100) Si.
9: Entwicklung des Textur-Parameters G, unter Einsetzen der Zeit, die er benötigt, um chemisch die (100)-c-Si-Wafer in einer wässrigen Lösung aus NaOH und i-C₃H₇OH zu behandeln. Die Wafer, die mit „LAB" markiert sind, sind in Versuchsbädern texturiert wor den, während solche, die mit „PL" markiert worden sind, in der Produktionslinie einer Solarzellen-Herstellungsfabrik texturiert worden sind.
Beispiel der Ausführungsform der Erfindung
Indem dem vorgeschlagenen Verfahren zum Messen des Reflexionsmusters gefolgt wird, stellt 7 einen Vergleich der Winkelverteilung der Intensität des Lichts, das durch einen nicht behandelten, monokristallinen Si-(100)-Wafer reflektiert ist, und der Verteilung eines Wafers, der in einer wässrigen Lösung aus NaOH und i-C₃H₇OH mit 5 dm³ behandelt ist, dar. Die Lichtintensitätsmessungen sind unter verschiedenen Winkeln θ vorgenommen worden. Dieser Winkel ist auf der Ebene, die den einfallenden Lichtstrahl enthält, variiert und liegt senkrecht zu der Oberfläche des Wafers und parallel zu einer der Seiten der Basis der Pyramide. Zusätzlich zu einem zentralen Minimum (θ = 0), das gerade in den nicht texturierten Wafern vorhanden ist, werden zwei seitliche Maxima bei θ = 22° beobachtet, die den Strahlen entsprechen, die zweimal in den Seiten der Pyramiden reflektiert sind, wie dies in 8 dargestellt ist.
Der Reflexionswinkel in Bezug auf den einfallenden Strahl (θ) ist, entsprechend dieser Figur, zu der Neigung oder Kippung (α) der Seite der Pyramide in Bezug gesetzt, wie dies durch die Beziehung θ = 4α – 180° dargestellt ist. Es ist beobachtet worden, dass ein Winkel-Zwischenraum 20 zwischen der nicht spiegelnden Reflektanz in dem Bereich von 40–52° als eine Funktion der Qualität der Textur, die während des chemischen Ätzvorgangs erreicht wird, variiert. Die Variation ist einer gewissen Dispersion in dem Wert von α zugeordnet und könnte entweder zu dem Vorhandensein irgendeines Versatzes oder irgendwelchen anderen Defekten, die in den Flächen der Pyramide vorhanden sind, oder der kristallinen Qualität des Ausgangssubstrats in Bezug stehen.
Um das System umzusetzen, ist es notwendig, die Intensität des reflektierten Lichtstrahls parallel zu dem einfallenden Strahl, ebenso wie die Intensität der Strahlen, die in den Maxima reflektiert sind, wenn sie einen ungefähren Wert von 22° haben, zu evaluieren. Dies wird unter Verwendung eines Strahlteilers, typischerweise eines Strahlteilerwürfels, vorgenommen. Die minimalen Dimensionen des Strahlteilerwürfels werden durch den Separationswinkel zwischen den reflektierten Strahlen und der Separation zwischen dem Winkel und dem Wafer ausgelegt. Um das Lichtmuster über das optische Erfassungssystem zu projizieren, ist es denkbar, eine kollimierende Linse mit einer Brennweite gleich zu der Summe der Abstände zwischen der Linsenachse und der Mitte des Strahlteilers, und zwischen dem Strahlteiler und dem Wafer, einzusetzen. Um ein nicht erwünschtes Bild in der Ebene der Detektoren zu vermeiden, ist es notwendig, dass alle optischen Elemente, die verwendet sind (Strahlteiler, Linsen, Verzögerungsfilm oder -platten, Detektoren, usw.), antireflektierende Beschichtungen mit derselben Wellenlänge wie diejenige des Lasers, der während des Vorgangs verwendet ist, haben.
9 stellt eine vereinfachte Version des G(I_=26°/I_θ¯°) Parameters als eine Funktion der Zeit des chemischen Ätzvorgangs für eine Abtastung, die auf der Ebene (110) der Si-Wafer, die entsprechend dem Verfahren, das vorstehend beschrieben ist, behandelt sind, vorgenommen ist. Die Ergebnisse, die in der Produktionslinie (PL) unter Verwendung von Bädern einer ähnlichen, chemischen Zusammensetzung, allerdings in größeren Dimensionen, erhalten sind, sind auch eingeschlossen. Es wird beobachtet, dass eine kritische Zeitperiode vorhanden ist, die benötigt wird, um den maximalen Grad einer Textur zu erreichen, und diese Zeitperioden, die die kritische Zeitperiode überschreiten, bewirken die Abflachung der Pyramiden, was eine Verringerung des Parameters G mit sich bringt. Die Ergebnisse der Wafer, die über die Produktionslinie unter hochreinen Bedingungen behandelt sind, erreichen noch größere Werte von G als solche, die während der Versuchsbäder erhalten sind. Die Kinematiken des Verfahrens sind wahrscheinlich unterschiedlich, und dies, zusammen mit der Unmöglichkeit, die Behandlungszeit während des Produktionsvorgangs zu überschreiten, hat die Beobachtung des Maximums verhindert.
Obwohl sich das Beispiel, das gerade beschrieben ist, nur auf vierseitige Pyramiden-Geometrien bezieht, bringt dies nicht mit sich, dass das Verfahren nur auf diesen Typ einer Geometrie beschränkt ist, da es im Wesentlichen auch für andere geometrische Figuren (n-seitige Pyramiden, Kegel, usw.,) gültig ist, die sich auf der Si-Fläche bilden können, ob nun durch ein chemisches Ätzen oder durch einen anderen Typ von Prozessen.

Claims

Verfahren zum Feststellen des Grades an Oberflächentextur von Wafern aus Halbleitermaterial und insbesondere monokristalliner oder multikristalliner Siliziumwafer, dadurch gekennzeichnet, dass: a) es einen Satz mathematischer Parameter:
verwendet, wobei I_4n (n reicht von 1 bis 4) die Intensität des Lichtes ist, das in einen gegebenen Winkel reflektiert wird, der von der Normalen in einer vierstufigen Symmetrie getrennt ist, und I_N die Intensität ist, die normal von der Oberfläche des Wafers reflektiert wird, und
eine Gleichung ist, die es erlaubt, die Intensitätsmaxima in dem Muster von reflektiertem Licht, das aus einem kollimierten Strahl mit normalem Auftreffen gewonnen wird, und den Gesamtgrad an Oberflächenstruktur sowie Gleichmäßigkeit bei Halbleiterwafern, insbesondere Silizium, zu korrelieren; b) es die Intensität des kollimierten Strahls, der zentriert oder vom Auftreffwinkel des kollimierten Strahls getrennt in einen Raumwinkel reflektiert wird, auf den Grad texturierter Füllung an der Oberfläche des Wafers des analysierten Materials bezieht; c) es den Grad an Textur der Oberfläche des Wafers mittels Analyse der Maxima in dem Muster von Intensität des reflektierten kollimierten Strahls feststellt; d) es simultane und zerstörungsfreie Analyse der Textur an verschiedenen Punkten auf der Oberfläche des Wafers ermöglicht; e) es die Rotation der Polarisierung des Abtaststrahls verwendet, um die reflektierten Strahlen von dem auftreffenden Strahl zu trennen.
Verfahren zum Messen der Intensität des Reflektionsmusters der Wafer-Oberfläche nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Analyse des reflektierten Bildes, das gewonnen wird, wenn der Wafer mit dem kollimierten Strahl beleuchtet wird, auf Schirmen verschiedener Geometrie, d. h.: a) einen flachen Schirm, der parallel zu dem Wafer angeordnet ist; b) einen auf den Wafer zentrierten kugelförmigen oder halbkugelförmigen Schirm; c) einen rotationsellipsoidförmigen Schirm, wobei der Wafer an einem der Brennpunkte angeordnet ist und der Strahl durch den gegenüberliegenden hindurchtritt.
Verfahren zum Analysieren der Messung von Reflektionsmustern nach den Ansprüchen 1 und 2, das unter anderem bei monokristallinen Siliziumwafern eingesetzt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass: a) es die Reflektionen mit n-stufiger Symmetrie, wobei n = 3, 4, 6 ..., mit dem Vorhandensein geometrischer Strukturen verbindet, die sich an der Oberfläche des Wafers, vorzugsweise eines Silizium-Wafers, mit der gleichen Symmetrie befinden; b) es eine Methode zum Messen des Winkels definiert, der durch die Wafer-Oberfläche und die Flächen der geometrischen Strukturen gebildet wird, die die Textur bilden; c) es die Winkelbreite der Reflektions-Maxima auf das Vorhandensein von Defekten an den geometrischen Strukturen, die die Textur bilden, und auf den Grad an Multikristallinität des Ausgangssubstrates bezieht; d) es das Vorhandensein eines optimalen Grades an Textur bezüglich der Zeit chemischer Verarbeitung und des Auftretens eines Reflektionsmaximums in einem Winkel von 26° bis 20° für die gleiche Verarbeitungszeit gewinnt und definiert; e) es die Beziehung zwischen den Intensitäten des Lichtes, das normal reflektiert wird, wobei Winkel θ 0° beträgt, und des Lichtes, das bei einem Winkel θ von 26° bis 20° reflektiert wird, mit den Grad an Textur verbindet, der mit Silizium-Ebenen (111) verbunden ist; f) es den optischen Reflektionswinkel θ mit der durchschnittlichen Neigung der Seiten der Pyramiden verbindet, die die Oberflächentextur bilden.
Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, das die simultane nicht invasive und zerstörungsfreie Analyse des Grades an Textur verschiedener Punkte des Wafers und des erneuten Ausrichtens des reflektierten Lichtes in einer Richtung zulässt, die räumlich von einem auftreffenden Strahl getrennt ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass: a) sie den Satz mathematischer Parameter verwendet, wie er in Anspruch 1 definiert ist, die den Gesamtgrad und die Gleichmäßigkeit der Textur charakterisieren und dazu dienen, die Oberflächentextur der Wafer festzustellen, was es wiederum zulässt, die Korrelation zwischen dem Grad an Textur der Wafer-Oberfläche und die Intensitäts-Maxima zu korrelieren, die an dem reflektierten Lichtmuster vorhanden sind; b) sie die Intensität eines kollimierten Strahls, der in einem Raumwinkel, auf das Auftreffen der Achse des kollimierten Strahls zentriert oder davon getrennt auf den Grad von Textur-Füllung an der Oberfläche des Wafers des analysierten Materials bezieht; c) sie den Grad an Textur der Wafer-Oberfläche durch Analysieren der Intensität der Maxima feststellt, die in den Reflektionsmustern des kollimierten Strahls vorhanden sind; d) sie die simultane Analyse der Textur an mehreren verschiedenen Punkten, die sich an der Wafer-Oberfläche befinden, durch Gestalten der Reflektion der optischen Elemente zulässt, die verwendet werden, um den Strahl zu teilen; e) sie die Drehung der Polarisation des Abtaststrahls zusammen mit den optischen Elementen nutzt, die gegenüber dem Polarisationszustand empfindlich sind, um die reflektierten Strahlen von dem auftreffenden Strahl zu trennen; f) sie das Reflektionsbild analysiert, das an einem flachen Bildschirm gewonnen wird, der senkrecht zu dem Wafer angeordnet wird, wenn der Wafer mit dem kollimierten Strahl beleuchtet wird; g) sie die Reflektionen mit n-stufiger Symmetrie, wobei n = 3, 4, 6, ..., mit dem Vorhandensein geometrischer Strukturen an der Oberfläche des Wafers, insbesondere an Silizium-Wafern, verbindet, die die gleiche Symmetrie aufweisen; h) sie den Winkel misst, der durch die Wafer-Oberfläche und die Flächen der geometrischen Formen gebildet wird, die die Textur bilden; i) sie die Winkelbreite der Reflektions-Maxima auf die vierstufige Symmetrie und den Grad an Multikristallinität des Ausgangssubstrats bezieht; j) sie die Beziehung zwischen der Intensität von Licht, das normal reflektiert wird, wobei Winkel θ 0° beträgt, und in einem Winkel θ von 26° bis 20° reflektiert wird, zu dem Grad an Textur ermittelt, der mit Silizium-Ebenen (111) verbunden ist; k) sie den optischen Reflektionswinkel θ misst, der mit der durchschnittlichen Neigung der Flächen der Pyramiden verbunden ist, die die Oberflächentextur bilden.