ES2235608B1 - Metodo optico y dispositivo para la cuantificacion de la textura en celulas fotovoltaicas. - Google Patents

Abstract

Método óptico y dispositivo para la cuantificación de la textura en células fotovoltaicas. El método y el dispositivo a que se refiere la patente resulta aplicable a aquellas morfologías de textura que se caracterizan por el desarrollo de motivos geométricos correlacionados en la superficie del substrato que soporta la célula fotovoltaica. Estas morfologías pueden ser formadas por diversos procedimientos, entre ellos el ataque químico del Si monocristalino, tanto con pirámides protuberantes como con pirámides invertidas. El método descrito también puede utilizarse para el estudio de otros grados de textura desarrollados en Si multicristalino y los presentes en las células de silicio policristalino depositadas sobre substratos previamente texturados con las condiciones antes mencionadas. Igualmente puede ampliarse a otros materiales que presenten patrones de textura similares.

Description

Método óptico y dispositivo para la cuantificación de la textura en células fotovoltaicas.

Sector de la técnica

Esta invención se dirige al sector de ingeniería de la producción, más en concreto al de producción de células fotovoltaicas. Por tanto tiene también incidencia en el sector de generación de energías alternativas. Se relaciona con el control de los métodos de textura superficial del silicio monocristalino aunque también es aplicable a texturas desarrolladas en la superficie del silicio y otros semiconductores con superficies multicristalinas y policristalinas.

Estado de la técnica

Para mejorar la eficiencia de conversión de luz incidente en potencia eléctrica de las células fotovoltaicas, un paso esencial del proceso de fabricación consiste en disminuir la reflectividad óptica de la cara fotosensible de la célula. Para este fin se realizan recubrimientos antirreflectantes y se induce una textura bien definida en la superficie de la célula. Frecuentemente, ambos efectos se realizan de manera consecutiva.

En el proceso de textura de la célula se desarrolla una morfología superficial rugosa [1-2], porosa o con cavidades [3,4] o facetada [5] que posibilita reflexiones múltiples en su superficie antes de que la luz escape de manera irreversible al medio incidente (típicamente el aire o un recubrimiento transparente) y que adicionalmente atrapa por reflexión total interna la luz de longitud de onda larga (luz infrarroja próxima al gap del Si) que penetra en la zona activa de la unión.

Debido al alto coste de los materiales cristalinos, la tecnología de células fotovoltaicas a nivel industrial se centra en substratos de silicio (Si), si bien se utilizan diversos grados de calidad cristalina. Las células con mejor calidad utilizan silicio monocristalino (c-Si). También se utiliza silicio multicristalino (mc-Si) que presenta diversos granos cristalinos orientados en la misma dirección. Actualmente, se realiza un notable esfuerzo en la mejora de las prestaciones de láminas delgadas de silicio policristalino (p-Si). Los métodos para generar textura en los tres tipos de Si son
diferentes.

El método usual para el desarrollo de la textura en obleas de silicio monocristalino es el ataque químico. Consiste en la inmersión de las obleas en baños cáusticos, que producen un ataque preferencial en ciertos planos cristalinos del Si [6,7]. Esto produce una distribución aleatoria de estructuras con forma de pirámide de base cuadrada (figuras 1 y 2), donde todas las pirámides presentan caras paralelas entre sí. Esta forma de las pirámides es debida a la simetría cúbica del Si y a la aparición de planos {111} inducidos por los procesos de ataque químico preferente. Típicamente cuando el grado de textura es alto, el lado de la base de las pirámides es \approx 5-10 \mum y el ángulo de inclinación de las caras laterales de la pirámide con respecto a la superficie del substrato (\alpha) es próximo, aunque inferior, al ángulo de corte entre los planos {111} y {100}, a saber 54.735º. La inclinación a depende ligeramente de los detalles del ataque químico que da lugar a la textura observándose valores en el rango \alpha = 49-53º. Este tipo de textura aparece con independencia del agente químico utilizado para el ataque, bien NaOH [7], Na_{3}PO_{4}: 12H_{2}O [8], Na_{2}CO_{3} [9]. Una variante de este método de texturado consiste en la formación de pirámides invertidas [10]. Si bien en este caso la geometría de la textura es periódica y está impuesta de antemano por el fabricante mediante un proceso litográfico.

Para la caracterización de los recubrimientos antirreflectantes, las técnicas e instrumentos utilizados (espectrofotómetros, interferómetros y elipsómetros) están basados en métodos ópticos que permiten la evaluación sin contacto físico con la célula. Sin embargo, el estudio de la textura de la superficie se realiza comúnmente por microscopía electrónica de barrido (MEB) o con perfilómetros y microscopios de fuerzas atómicas (AFM) tanto en el modo de contacto como sin él. Aparte del coste de estas técnicas, su adaptación en la industria como sistema de control de calidad de la textura de las células presenta dificultades debido a que en el caso del MEB se requiere un entorno de baja presión alrededor de la célula. Pueden aparecer también daños en la zona analizada debido a la incidencia del haz de electrones y el tiempo de análisis rebasa ampliamente la rapidez requerida en el proceso de producción. Los perfilómetros por su parte, o bien trabajan en modo contacto por lo que pueden arañar la célula, o los que lo hacen en modo óptico sin contacto están desarrollados para superficies planas y se adaptan mal al análisis de superficies rugosas y facetadas debido a que la reflexión no es especular. El tiempo de análisis requerido, tanto en las técnicas de MEB como en perfilometría, es del orden de decenas de minutos y por tanto mucho más dilatado que el requerido para el análisis individual de las células en línea de producción (del orden de algunos segundos).

Existen algunos trabajos que se han interesado por la reflectividad óptica de las células fotovoltaicas texturadas [11,12]. Estos trabajos realizan bien una medida integrada de la reflexión total o difusa, o bien medidas de reflectancia especular incluso con incidencia normal. Como fuente de luz colimada utilizan un láser de HeNe con coherencia espectral y cuando se realizan medidas con luz no coherente la fuente es una lámpara de cuarzo y el haz está focalizado (no colimado). Ignorando algunos efectos que se han observado en texturas periódicas [11] y que están asociados a la interferencia de haces múltiples asociada a la coherencia del láser de HeNe, los patrones de intensidad óptica que se analizan en estos trabajos poseen simetría circular alrededor del eje de medida [11]. El objeto de estos trabajos no es el análisis del grado de textura (que ya se conoce de antemano) sino la evaluación de la eficiencia de la textura en la colección de la luz incidente.

El objeto del método aquí inventado y de los dispositivos propuestos consiste en el desarrollo de un proceso sin contacto para el análisis cuantitativo del grado de textura de obleas de Si que permita su implementación en la línea de producción. Principalmente se dirige al estudio de texturas aleatorias, si bien es aplicable texturas que presenten periodicidad. Se trata, por tanto, de un instrumento de medida con un elevado rendimiento que permite conocer con exactitud, y de forma instantánea, el grado de textura de cada célula individual inmediatamente después del procesado químico. La detección precoz de las células con un grado bajo de textura permite su reprocesado, ahorrando así gastos de material (el principal coste en el precio final de la célula) y evitando rechazos posteriores con los gastos de producción asociados. El método se basa en el análisis de la reflexión de un haz colimado de luz, sin que sea necesario que éste haz posean alta coherencia espectral y por tanto no es esencial la utilización de una fuente láser, si bien es conveniente por motivos prácticos.

La óptima formación de estas pirámides depende de diversos factores, tales como la temperatura, pH de los baños, tiempos de inmersión y situación de las obleas en los mismos y estado inicial de la superficie de la oblea, entre otros. El grado de envejecimiento de los baños juega también un papel fundamental. Dado que el ataque no es acumulativo, sino que alcanza un grado de máxima textura (máxima área de oblea recubierta por pirámides) y posteriormente éstas se aplanan y desaparecen, la detección precoz de la disminución de la textura permite conocer en cada momento el estado de los baños químicos utilizados para su desarrollo y, por tanto, poder actuar sobre ellos antes de que su degradación sea evidente mediante la inspección del producto final resultante. De este modo se alcanzarían dos objetivos, por un lado alargar la vida de los baños mediante la adición controlada de los componentes necesarios y por otro evitar la introducción en la línea de producción de obleas con grado de textura intermedio que al final del proceso presentarían eficiencias inferiores a la óptima.

Referencias

[1] K. Fukui, Y. Okada, H. Inomata, S. Takahashi, Y. Fujii, Fukawa y 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 y H. Kurz: "Texturisation of multicrystalline silicon wafer for solar cells by reactive ion etching through colloidal masks". Solar Energy Materials & Solar Cells 76, 155-166 (2003).

[3] Y. Yerokhov, R. Hezel, M. Lipinski, R. Ciach, H. Nagel, A. Mylyanych y 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 y 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 y 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" USA patent 6,451,218.

[7] Bailey W. L., Coleman, M. G Harris, C. B Lesk, y I. A. Lesk: "Texture etching of silicon: method" USA patent 4,137,123,

[8] Z. Xi, D. Yang y D. Que: "Texturization of monocristalline silicon with tribasic sodium phosphate". Solar Energy Materials & Solar Cells 77, 255-263 (2003).

[9] Y. Nishimoto y 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 y 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, Munich (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. Sarno, P. Tortota, H. Yakubu, P. Maddalena, J. Zhao and A. Wang: "Angle-dependent reflectante measurements on photovoltaic materials and solar cells" Optical Communications 172, 139-151 (1999).

Breve descripción de la invención

Se reivindica la invención de un Método y un dispositivo para la determinación del grado de textura de materiales, entre otros, de obleas de silicio, típicamente utilizadas como células fotovoltaicas.

La técnica propuesta para la determinación del grado de textura consiste básicamente en incidir normalmente a la superficie de la oblea con un haz de luz colimado y cuantificar los patrones de reflexión óptica. Debido a su generalmente buena colimación, en lo que sigue nos referiremos a fuentes láser, sin que el carácter coherente de la luz láser tenga una influencia decisiva en este invento.

En el montaje más sencillo, el haz incidente pasa por una apertura practicada en una pantalla plana donde se visualiza la luz reflejada por la oblea (figura 3). El patrón de reflexión que se observa cuando se analiza una oblea sin textura consiste en un punto central con simetría circular (figura 4), y es debido al esparcimiento de la luz por la rugosidad y defectos superficiales de la oblea. El patrón de reflexión óptica de las obleas con un grado de textura alto consta del punto central antes mencionado, si bien con menor intensidad, y de cuatro áreas circulares con simetría de orden cuatro respecto a la dirección del haz incidente (figura 5). Este último patrón de reflexión es debido a las reflexiones en las cuatro caras laterales de las pirámides. Prueba de ello es que, al girar la oblea alrededor del eje determinado por el haz láser incidente, el patrón reflejado gira solidariamente con la oblea. Conviene señalar que la luz reflejada por la oblea no presenta cambios significativos de polarización respecto a la luz incidente y que la apertura angular del patrón de luz reflejada es insensible a la longitud de onda de la luz utilizada, lo que demuestra que está asociado a reflexiones especulares en las facetas microscópicas de la muestra.

El método y el dispositivo a que se refiere la patente resulta aplicable a aquellas morfologías de textura que se caracterizan por el desarrollo de motivos geométricos correlacionados en la superficie del substrato que soporta la célula fotovoltaica. Estos motivos pueden tener dimensiones individuales y distancia entre dos motivos consecutivos bien aleatorias o bien constantes, pero en todo caso las caras de todos los poliedros que los conforman deben ser paralelas entre sí. Estas morfologías pueden ser formadas por diversos procedimientos, entre ellos el ataque químico del Si monocristalino, tanto con pirámides protuberantes como con pirámides invertidas. El método descrito también puede utilizarse para el estudio de otros grados de textura desarrollados en Si multicristalino y los presentes en las células de silicio policristalino depositadas sobre substratos previamente texturados con las condiciones antes mencionadas. Igualmente puede ampliarse a otros materiales que presenten patrones de textura similares.

Descripción detallada de la invención

Según lo dicho más arriba, el método consiste en la determinación del patrón de reflexión asociado a una superficie texturada (particularmente las superficies de Si atacadas para formar pirámides) originado por la iluminación de un haz láser en incidencia normal. Este patrón se recoge en una pantalla plana tal como se muestra en la Figura 3a. De acuerdo con las leyes de reflexión, el patrón esperado para una superficie formada por pirámides iguales estaría formado por cuatro puntos situados simétricamente en tomo al eje del haz incidente. Sin embargo, la presencia de defectos, zonas sin texturar, etc. da lugar a un aumento de la reflexión normal en detrimento de la intensidad asociada al texturado, constituyendo el fundamento de este método.

La geometría de la pantalla puede adaptarse a las circunstancias del diseño. En las figuras 3a y 3b respectivamente se presentan algunas alternativas que incluyen pantallas esféricas o semiesféricas donde la oblea se sitúa en el centro y pantallas con forma de elipsoide de revolución donde el haz incidente pasa por un foco y la oblea adecuadamente orientada se sitúa en el otro foco del elipsoide. Todos estos diseños tienen en común que el haz reflejado en la normal se solapa con el haz incidente y por tanto dificultan la medida de la luz reflejada en la normal a la oblea. Más adelante se describe una solución técnica a este problema.

Al comparar la intensidad del patrón de reflexión con simetría de orden cuatro respecto a la intensidad en reflexión normal se obtiene una medida del grado de textura. Para ello, es necesario situar fotodiodos sobre la pantalla y en las posiciones de los máximos para registrar la intensidad de luz. En una versión más elaborada, la detección puede llevarse a cabo mediante un CCD o una matriz de fotodiodos distribuidos sobre la pantalla. Como fuente de luz puede utilizarse un láser monomodo de baja potencia (<10 mW) y buena colimación (típicamente 1.5 mRad o inferior) con emisión en la región \lambda = 500-800 nm, típicamente un láser de HeNe (\lambda = 633 nm), de diodo semiconductor (\lambda = 750-850 nm) con óptica colimadora o uno de este último tipo con emisión infrarroja (\lambda \approx 1060 nm) o bien de Nd^{3+} (\lambda \approx 1060 nm), en ambos casos con un doblador de frecuencia.

Los patrones de reflexión correspondientes a grados de textura intermedios presentan los máximos de intensidad con simetría correspondiente al número de caras de las geometrías que conforman el texturado, si bien éstos aparecen unidos por bandas de menor intensidad. Esta situación puede apreciarse en la imagen correspondiente a la reflexión en una oblea tratada durante 25 minutos, mostrada en la figura 5, formada por pirámides de cuatro caras.

Para caracterizar el grado de textura de la superficie se define el parámetro G como la relación entre la suma de las intensidades reflejadas en los máximos del patrón con simetría de orden cuatro, I_{4n} (n = 1-4), y la reflejada normalmente a la superficie de la oblea, I_{N}.

G = \frac{\sum\limits_{n=1-4}I_{4n}}{I_{N}}

Esta es una función no lineal que idealmente vale cero para la oblea sin textura e infinito para una oblea con textura perfecta, si bien su valor está limitado por el solapamiento entre los patrones con simetría circular y de orden cuatro. El parámetro es insensible a las fluctuaciones de intensidad del haz láser.

Un segundo conjunto de parámetros permite caracterizar la uniformidad de la textura:

\chi_{n} = \frac{I_{4n}}{\sum\limits_{n=1-4} I_{4n}}

La desviación del parámetro \chi_{n}, respecto a su valor medio, \overline{\chi_{n}}, indica una falta de uniformidad en la textura. Una textura uniforme corresponde a una relación \chi_{n}/ = 1^{\overline{\chi_{n}}} para todo valor de n.

El sistema descrito hasta aquí permite analizar el promedio del área irradiada por el haz láser, típicamente <0.5x0.5 mm^{2}. Para la incorporación del sistema en línea de producción se requiere un análisis bidimensional de la oblea que típicamente tiene forma circular y aproximadamente un diámetro de 15 cm. Este análisis puede realizarse mediante un barrido xy de la oblea, por desplazamiento de ésta o del sistema óptico de proyección. No obstante los elementos móviles complican el diseño y a largo plazo requieren recalibración y mantenimiento. A continuación se describe un dispositivo que minimiza los elementos móviles y permite el análisis simultáneo en diversos puntos de la oblea mientras ésta se desplaza sobre una cinta transportadora en la dirección y (figura 6).

El análisis en la dirección del desplazamiento se realiza activando el sistema de medida a un intervalo de tiempo constante relacionado con la velocidad de desplazamiento de la oblea. El análisis en la dirección x se realiza simultáneamente en diversos puntos de la oblea mediante la división del haz láser inicial en diversos rayos con igual intensidad que se dirigen verticalmente (dirección z) hacia la oblea.

En este caso es necesario que la radiación del haz láser esté polarizada linealmente. El haz láser con intensidad inicial I_{0} propagándose en la dirección x se divide en varios haces secundarios todos con igual intensidad I_{0}r_{1} dirigidos en la dirección z. Para ello se utilizan N divisores de haz insensibles a la polarización de la luz incidente y calibrados de manera que su reflectividad r_{n} cumpla la relación:

r_{n} = \frac{r_{n-1}}{1-r_{n-1}}

con n =1...N, siendo

r_{1} = \frac{1}{N + 1}

Un segundo conjunto de divisores de haz sensibles a la polarización combinados con láminas \lambda/4 permite redirigir la luz reflejada hacia los detectores. La luz incidente sobre este segundo conjunto de divisores de haz debe estar polarizada linealmente en la dirección y de manera que sea transmitida por el divisor de haz. La lámina \lambda/4 debidamente orientada con su eje a 45º de los ejes xy convierte la luz en circularmente polarizada y tras la reflexión en la oblea y nueva transmisión en la lámina emerge linealmente polarizada en la dirección x, por tanto es reflejada totalmente por el divisor de haz polarizante en la dirección y. Finalmente una lente (ya mencionada anteriormente) colima la imagen para proyectarla sobre la matriz de detectores donde la intensidad de los haces reflejados es detectada por los fotodiodos y analizada con los criterios expuestos anteriormente. Conviene aislar el sistema de detección óptica de la luminosidad ambiental mediante filtros interferenciales optimizados a la longitud de onda de emisión del láser utilizado y colocados delante de la matriz de fotodiodos.

Descripción de las figuras

Figura 1. Imagen obtenida por microscopía electrónica de barrido de las pirámides con base cuadrada obtenidas tras un ataque químico con NaOH. El ángulo entre las caras laterales de las pirámides calculado a partir de la imagen y la inclinación de esas caras respecto al plano de la oblea coincide dentro de la incertidumbre experimental con los valores esperado entre planos {111} Si y entre los planos {111} Si - {100} Si, 70.53º y 54.73º respectivamen-
te.

Figura 2. Imagen cenital obtenida por microscopía electrónica de barrido de las pirámides con base cuadrada resultantes del ataque químico con NaOH. Según se observa todas las pirámides tienen la misma orientación, lo cual hace que el patrón de reflexión esté formado por cuatro puntos situados simétricamente alrededor del eje de iluminación.

Figura 3a. Esquema simple de un dispositivo para la observación de los patrones de reflexión de las superficies de silicio con textura mediante una pantalla plana.

Figura 3b. Esquema simple de un dispositivo para la observación de los patrones de reflexión de las superficies de silicio con textura mediante una pantalla esférica. La imagen muestra una sección transversal.

Figura 3c. Esquema simple de un dispositivo para la observación de los patrones de reflexión de las superficies de silicio con textura mediante una pantalla con forma de elipsoide de revolución que internamente actúa como un reflector. La imagen muestra un sección transversal.

Figura 4. Patrón de reflexión óptica de una superficie (100) Si sin textura. Se observa la simetría circular alrededor del punto central más intenso que corresponde al haz de luz incidente.

Figura 5. Patrón de reflexión óptica de una superficie (100) Si con un grado de textura alto. Se observa la simetría de orden cuatro alrededor del punto central más intenso que corresponde al haz de luz incidente.

Figura 6. Esquema del dispositivo propuesto para la caracterización óptica del grado de textura de las obleas (100) Si.

Figura 7. Comparación entre la distribución angular de la intensidad de luz reflejada por una oblea (100) c-Si antes del ataque químico que da lugar a la textura superficial (t = 0 min) y la obtenida en una muestra atacada durante 25 min. \theta es el ángulo de observación con respecto a la normal a la superficie de la oblea y se expresa en grados.

Figura 8. Esquema de reflexiones múltiples de un rayo con incidencia normal sobre una superficie texturada de (100) Si.

Figura 9. Evolución del parámetro de textura G con el tiempo de procesado químico de obleas (100) c-Si en una solución acuosa de NaOH e i-C_{3}H_{7}OH. Las obleas marcadas LAB se han texturado en baños pilotos mientras que las indicadas como LP se han texturado en línea de producción de una factoría de células solares.

Ejemplo de realización de la invención

Siguiendo el método propuesto de medida del patrón de reflexión, la figura 7 presenta una comparación de la distribución angular de la intensidad de luz reflejada por una oblea de Si (100) monocristalino sin tratar y otra tratada en una solución acuosa de NaOH y i-C_{3}H_{7}OH utilizando un baño de 5 dm^{3}. Las medidas de intensidad de luz se han realizado a diversos ángulos \theta. Este ángulo se varía en un plano que contiene al haz incidente es perpendicular a la superficie de la oblea y paralelo a uno de los lados de la base de las pirámides. Además de un máximo central (\theta=0º) que está presente incluso en las obleas sin textura, se observan dos máximos laterales en \theta \approx 22º, que corresponden a haces reflejados dos veces en las caras de las pirámides según se muestra en el esquema de la figura 8.

De acuerdo con esta figura, el ángulo de reflexión respecto al haz incidente (\theta) se relaciona con la inclinación (\alpha) de la cara de la pirámide mediante la relación \theta = 4\alpha - 180º. Se ha observado que la separación angular 2\theta entre los máximos de reflexión no especulares varía en el rango 40-52º, en función de la calidad de la textura inducida por el proceso de ataque químico. Esta variación está asociada a cierta dispersión en el valor de \alpha y podría estar relacionada con la presencia de escalones u otros defectos en las caras de las pirámides o con la calidad cristalina del substrato de partida.

Para implementar el sistema es necesario evaluar la intensidad del haz reflejado paralelamente al haz incidente así como la de los haces reflejados en los máximos a \approx 22º. Esto se resuelve utilizando un divisor de haz, típicamente un cubo divisor. Las dimensiones mínimas de este cubo divisor están condicionadas por el ángulo de separación entre los haces reflejados y la separación entre éste y la oblea. Para proyectar el patrón de luz sobre el sistema de detección óptica conviene incorporar una lente colimadora con distancia focal igual la suma de distancias entre el eje de la lente y centro del divisor de haz y éste y la oblea. A fin de evitar imágenes no deseadas en el plano de los detectores es necesario que todos los elementos ópticos utilizados (divisores de haz, lentes, láminas retardadores, detectores, etc.) posean recubrimientos antirreflectantes a la longitud de onda del láser utilizado.

La figura 9 presenta una versión simplificada del parámetro G(I_{\theta=26^{o}}/I_{\theta=0}), en función del tiempo de ataque para un barrido en el plano (1 \overline{1}0) de obleas de Si tratadas según el método descrito más arriba. Se incluyen también los resultados obtenidos en línea de producción (LP) utilizando baños de composición química similar pero dimensiones mayores. Se observa que existe un tiempo crítico para alcanzar el máximo grado de textura, de forma que tiempos superiores producen un aplanamiento de las pirámides que induce la disminución del parámetro G. Los resultados de las obleas tratadas en línea de producción con altas condiciones de limpieza alcanzan valores de G mayores que los obtenidos en los baños piloto y la cinética del proceso es probablemente distinta lo que, unido a la imposibilidad de superar el tiempo de tratamiento durante el proceso de producción, ha impedido observar el máximo.

Aunque el ejemplo descrito se ha referido a geometrías piramidales de cuatro caras, esto no implica que el método este restringido únicamente a dicha geometría, ya que es esencialmente válido para otra figuras geométricas (pirámides de n lados, conos, etc) que también pueden formarse sobre la superficie del Si, bien sea mediante procesos de ataque químico o por otros procedimientos.

Claims (4)

1. Procedimiento para la determinación del grado de textura superficial de obleas de material semiconductor y en particular de silicio con estructura monocristalina o multicristalina, caracterizado por:

a.

Utilizar un nuevo conjunto de parámetros matemáticos:

G = \frac{\sum\limits_{n=1-4}I_{4n}}{I_{N}}

donde I_{4n} (n = 1-4) es la intensidad de luz reflejada a un ángulo determinado separado de la normal e I_{N} es la intensidad reflejada normalmente a la superficie de la oblea

y

\chi_{n} = \frac{I_{4n}}{\sum\limits_{n=1-4} I_{4n}}

que permiten establecer la correlación de los máximos de intensidad en el patrón de luz reflejada obtenido a partir de un haz colimado (en lo sucesivo haz de luz láser) con el grado de total de textura superficial y su uniformidad en obleas de semiconductores y en particular de silicio.

b.

Relacionar la intensidad del haz de luz láser reflejado a un ángulo sólido centrado o separado del eje de incidencia del haz de luz láser, con el grado de llenado con textura de la superficie de la oblea del material analizado.

a.

Determinar el grado de textura de la superficie de la oblea por medio del análisis de los máximos en el patrón de intensidad del haz de luz láser reflejado,

b.

Permitir el análisis simultáneo y no destructivo de la textura en diversos puntos distintos de la superficie de la oblea.

c.

Utilizar la rotación de la polarización del haz de muestreo para separar los haces reflejados respecto del haz incidente.

2. Procedimiento de medida de la intensidad del patrón de reflexión de la superficie de la oblea basado en el procedimiento de la reivindicación 1 y caracterizado por el análisis de la imagen de reflexión obtenida cuando la oblea se ilumina con un haz de luz láser sobre pantallas con diversa geometría:

a.

Pantalla plana situada paralelamente a la oblea.

b.

Esférica o hemiesférica centrada en la oblea.

c.

Pantalla con forma de elipsoide de revolución con la oblea en un foco y el haz pasando por el foco opuesto.

3. Procedimiento de análisis de la medida de patrones de reflexión basado en las reivindicaciones 1 y 2, y aplicable entre otras a obleas de silicio monocristalino y caracterizado por:

a.

Asociar las reflexiones con simetría de orden n (n = 3,4,6...) a la presencia de estructuras geométricas en la superficie de la oblea preferiblemente de silicio con esta misma simetría.

b.

Definir un método de medida del ángulo que forma la superficie de la oblea con las caras de las estructuras geométricas del texturado.

c.

Relacionar la anchura angular de los máximos de reflexión con la presencia de defectos en las estructuras geométricas del texturado y con el grado de multicristalinidad del substrato de partida.

d.

Obtener y definir la existencia de un grado óptimo de textura relacionado con el tiempo de procesado químico y la aparición de un máximo de reflexión en \theta \approx 26-20º para ese mismo tiempo de procesado.

e.

Asociar la relación entre las intensidades de luz reflejadas normalmente (\theta = 0º) y a \theta \approx 26-20º con el grado de textura asociada a planos {111} del silicio.

f.

Asociar el ángulo de reflexión óptica \theta con la inclinación promedio de las caras de las pirámides que conforman la textura superficial.

4. El diseño de un dispositivo basado en las Reivindicaciones 1, 2, y 3 que permite analizar de manera no invasiva y no destructiva el grado de textura simultáneamente en diversos puntos de la oblea y redirigir la luz reflejada en una dirección espacialmente separada del haz incidente y caracterizado por:

a.

Utilizar un conjunto de parámetros matemáticos inéditos y ya definidos en la reivindicación 1 que caracterizan el grado total de textura y su uniformidad para la determinación de la textura superficial de las obleas, que permiten establecer la correlación entre el grado de textura de la superficie de las obleas con los máximos de intensidad en el patrón de luz reflejada.

b.

Relacionar la intensidad del haz de luz láser reflejado a un ángulo sólido centrado o separado del eje de incidencia del haz de luz láser, con el grado de llenado con textura de la superficie de la oblea del material analizado.

c.

Determinar el grado de textura de la superficie de la oblea por medio del análisis de la intensidad de los máximos en el patrón de reflexión del haz de luz láser reflejado.

d.

Permitir el análisis simultáneo de la textura en diversos puntos distintos de la superficie de la oblea mediante el diseño de las reflectividades de los elementos ópticos utilizados para dividir el haz.

e.

Utilizar la rotación de la polarización del haz de muestreo junto con elementos ópticos sensibles al estado de la polarización para separar los haces reflejados respecto del haz incidente.

f.

Analizar la imagen de reflexión obtenida sobre una pantalla plana situada perpendicularmente a la oblea cuando ésta se ilumina con un haz de luz láser.

g.

Asociar las reflexiones con simetría de orden n (n = 3,4,6...) a la presencia de estructuras geométricas en la superficie de la oblea particularmente de silicio con esta misma simetría.

h.

Medir el ángulo que forma la superficie de la oblea con las caras de las estructuras geométricas del texturado.

i.

Relacionar la anchura angular de los máximos de reflexión con la simetría de orden cuatro y el grado de multicristalinidad del substrato de partida.

j.

Medir y obtener la relación entre las intensidades de luz reflejadas normalmente (\theta = 0º) y a \theta \approx 26-20º con el grado de textura asociada a planos {111} del silicio.

k.

Medir el ángulo de reflexión óptica \theta asociado con la inclinación promedio de las caras de las pirámides que conforman la textura superficial.