太阳能基板薄膜多任务测量系统的制作方法

太阳能基板薄膜多任务测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明一种太阳能基板薄膜多任务测量系统，包括测量平台、光源、用于获取晶硅基板光谱数值和晶硅参考样品光谱数值的光谱仪、计算机；所述测量平台可同时放置晶硅基板和晶硅参考样品，并且所述测量平台中入射光入射角度可进行调整；所述计算机通过控制电缆与所述测量平台相连；所述计算机通过数据线与所述光谱仪相连，接收晶硅基板光谱数值和晶硅参考样品光谱数值，并根据晶硅基板光谱数值和晶硅参考样品光谱数值计算晶硅基板的膜厚、材料光学常数及相应的粗糙度修正系数α；所述测量平台通过“Y”形光纤分别与所述光源和光谱仪连接。本发明提供的一种硅基太阳能电池表面增透薄膜的测量系统，实现了通过反射率测量方法量测硅基太阳能电池表面增透薄膜厚度和光学特征。
【专利说明】太阳能基板薄膜多任务测量系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学检测领域，具体涉及一种太阳能基板薄膜多任务测量系统。
【背景技术】
[0002]光学方法测量薄膜厚度和光学常数(η和k)通常可采用反射率测量方法或椭圆偏振方法。椭圆偏振仪理论上可以更好的测量均匀薄膜的厚度和光学常数，但是设备价格昂贵(例如:J.A.Woollam系列椭圆偏振仪)。采用反射率测量方法，尤其是垂直入射的膜厚仪，结构简单，对于厚度大于50nm的薄膜结构,测量精度高,速度快(例如:0ceanopitcsNanoCalc 系列)。
[0003]反射率测量方法通过首先测量已知反射率的参考样品的反射光谱，而后测量待测样品的反射光谱，通过参考样品和待测样品光谱的比计算出待测量样品的反射率；而后，通过薄膜结构建模(多层膜结构反射率模拟)和回归算法拟合，计算出待测样品表面薄膜结构和光学常数(η和k)。如图1所示，现有的多层膜结构反射率建模方法，大都建立在均匀光滑平整薄膜的基础上；当样品表面不规则时，如图2所示，反射光传播方向复杂，造成样品分析和测量两方面的困难。I)待测样品反射率与光学系统采集的数值孔径(NumericalAperture, N.A.)有关。数值孔径较大时，多方向的反射光将大部分被采集，而且经历不同光学过程的反射光将同时被采集；数值孔径较小时，仅小角度内的反射光被采集，信号较弱。2)反射光相对于薄膜的入射角度分布范围复杂。当入射角度在一定范围内时，反射率的模拟建模与薄膜入射角度紧密联系，却存在多次反射的可能，难以准确地建模及计算出反射光谱。
[0004]太阳能电池作为环保绿色能源已被广泛使用，并将大量实施。太阳能电池生产过程中为了减少太阳能电池的反射率，对硅基表面进行化学腐蚀处理，形成粗糙的表面。除此之外，其娃基表面将通过生长一层增透膜(减反膜，ant1-reflective coating)而降低光束入射至太阳能电池表面的反射率，增加透射率。因此在生产过程中，控制和测量硅基表面增透膜的厚度和光学特征(可表征吸收特征)成为硅基太阳能电池生产过程中的重要环节。
[0005]当前技术中，有采用椭圆偏振仪测量的方法，如Thin Solid Films518(2010) 1830 1834中所述，但是椭圆偏振仪价格较高。光学方法测量薄膜厚度和材料特性通常可通过垂直入射的反射率测量方法。此测量方法首先测量已知反射率的标准样品的反射光谱，而后测量样品的反射光谱，通过两束光谱的比之计算出测量样品的反射率；通过后期建模和数值拟合求出样品的薄膜结构和材料。此方法要求薄膜表面较平整。当样品表面非常粗糙时(平面上下起伏的尺度远大于测量用的波长)，样品表面造成的光学散射和光束入射薄膜时角度的多样性，及多次反射的存在使得反射率测量方法难以实施。当前技术中，有用积分球收集粗糙样品表面的反射光的反射仪。例如，用于测量太阳能衬底绒面的全光谱反射式膜厚测量仪S R (上海致东光电科技有限公司)，使用积分球作为反射光收集解决了样品粗糙表面造成的光学散射问题。但由于样品粗糙表面，垂直入射时，光束入射薄膜时具有角度的多样性及可能存在的一次、二次、三次及个别多次反射造成的测量偏差问题无法解决。即使是如单晶硅太阳能衬底表面，即具有一定规律性的粗糙表面衬底上的薄膜仍旧无法准确测量。
[0006]化学腐蚀处理后的单晶(mono-crystal)娃基底的表面特征,如图3a,单晶娃基太阳能电池硅基的表面结构绝大多数为以底面为四方型的金字塔型为单位结构相互平行的排列而成，金字塔型的单位结构的侧壁(〈111〉面)与水平底面(〈100〉面)的角度为54.7度。由于硅片晶格方向的选择，单晶硅太阳能电池硅基表面的单位结构的侧壁分别互相平行，如图3b。因此，侧壁(〈111〉面)可分为4组，每组相对于硅基整体表面的方向和角度相同并且相互平行，如图3c。因此，当以与单晶硅太阳能电池基板表面中的侧壁(〈111〉面)表面垂直的方向观测时，表面绝大部分由互相平行但高度不同的平面组成，而极少数的〈100〉表面与此面不平行，组成粗糙的部分。当探测光束沿单晶硅太阳能电池基板表面中的侧壁(<111>面)表面垂直的方向入射时，即，与单晶硅基底面成54.7度，相对于每一个子〈111〉平面的表面增透膜皆为垂直入射，如图3c。在此情况下，极少数的〈100〉平面的反射光，由于不是垂直入射，将无法原路返回并被采集。总之，当对于单晶硅太阳能电池的测量采用硅基平面倾斜54.7度，探测光束垂直入射至单晶硅太阳能电池基板表面中的侧壁(〈111〉面)表面的方式时，其绝大部分反射与平滑表面情况下垂直入射的光学过程相同，与垂直入射平滑表面光学过程不同的，即，极少数的〈100〉平面的反射光部分信号通过控制光学系统数值孔径可以不被采集。通常测量样品绝对反射率的步骤为:
[0007]a.测量光谱仪暗数值Id ；
[0008]b.测量参考样本反射光谱，例如，抛光的单硅晶片，并获得光谱数值Ir ；
[0009]c.测量样品，并获得数值I ;根据上文讨论，具体测量包含增透膜的单晶硅太阳能电池基板样品时，探测光束以相对于单晶硅基平面54.7度入射，S卩，相对于单晶硅基太阳能电池表面中的侧壁(〈111〉面)垂直入射并获得数值I ;
[0010]样品的相对反射率R’为:
[0011]R，= (1-1d) / (Ir-1d)
[0012]绝对反射率R可由下式得到
[0013]R=R，*Rr
[0014]Rr为参考样品的已知的绝对反射率，通常为其它仪器的测量值或理论计算值。
[0015]gp，R，=(1-1d)/(Ir-1d) =R/Rr
[0016]等式左侧为测量的数值，右侧为理论建模后可计算出的数值。(通常将常数项Rr放置与等式左侧，则等式左侧将表达被测样品的绝对反射率。)以上方法，等式右侧理论建模部分仅适用于平滑表面薄膜；在平滑表面薄膜的情况下，光学系统对于参考样品和薄膜样品具有相同的光学采集效率。比如，光学系统具有相同的光学数值孔径，样品表面相同的散射程度。但是由于倾斜的单晶硅基太阳能电池增透膜表面比较平滑的增透膜表面存在不规则的平面，虽然这些平面的反射光可通过控制光路的数值孔径(Numerical Aperture, N.A.)不被采集，以保证测量的反射光皆经历与平滑的增透膜表面相同的光学过程；但是这部分不规则平面会造成测量结果中反射率的一定比例的损失，即，小于平滑表面时测量的反射率R。因此造成等式右侧理论建模后与实际情况存在偏差。另外，由于测量过程中，平面高低的不一致，会造成采集效率相对于光学系统随高度的相对变化，也会影响测量的反射率R0
【发明内容】

[0017]本发明所要解决的技术问题是提供一种硅基太阳能电池表面增透薄膜的测量系统。
[0018]为解决上述技术问题，本发明提供了一种太阳能基板薄膜多任务测量系统包括:用于放置晶硅基板、晶硅参考样品并能对光入射角度进行调整的测量平台、光源、用于获取晶硅基板光谱数值和晶硅参考样品光谱数值的光谱仪、计算机；
[0019]所述计算机通过控制电缆与所述测量平台相连；所述计算机通过数据线与所述光谱仪相连，接收晶硅基板光谱数值和晶硅参考样品光谱数值，并根据晶硅基板光谱数值和晶硅参考样品光谱数值计算晶硅基板的膜厚、材料光学常数及相应的粗糙度修正系数α ;所述测量平台通过“Y”形光纤分别与所述光源和光谱仪连接。
[0020]本发明提供的一种硅基太阳能电池表面增透薄膜的测量系统，实现了通过反射率测量方法量测硅基太阳能电池表面增透薄膜厚度和光学特征。
【专利附图】

【附图说明】
[0021]图1为垂直入射光束在平滑薄膜表面上反射的示意图；
[0022]图2为垂直入射光束在粗糙薄膜表面上反射的示意图；
[0023]图3a为单晶硅太阳能电池表面结构的示意图；
[0024]图3b为单晶硅太阳能电池表面结构的正视图；
[0025]图3c为电子显微镜下硅纹理表面的侧视图；
[0026]图4为单晶娃基太阳能娃基表面侧壁图，探测光束以相对于单晶娃基平面54.7度入射的不意图；
[0027]图5为增加粗糙度系数α方法后，测量包含90nm氮化硅增透膜的多晶硅基太阳能电池的曲线拟合结果的示意图；
[0028]图6为增加粗糙度系数α方法后，分析采用小光学数值孔径测量包含90nm氮化硅增透膜的多晶硅基太阳能电池的增透膜光学常数结果的示意图；
[0029]图7为未增加粗糙度系数α方法时，分析采用小光学数值孔径(0.22)测量包含90nm氮化硅增透膜的多晶硅基太阳能电池的反射率和平滑硅基90nm氮化硅模拟值的示意图；其中，3表示平滑硅基90nm氮化硅模拟值，4表示多晶硅基太阳能电池的相对反射率；
[0030]图8为增加粗糙度系数α方法后，采用抛光的单晶硅作为参考样品时，分析采用小光学数值孔径(0.22)测量包含90nm氮化硅增透膜的多晶硅基太阳能电池的曲线拟合结果的示意图；其中，5表示多晶硅基太阳能电池的相对反射率，6表示包含粗糙度系数的平滑娃基90nm氮化娃模拟值；
[0031]图9为增加粗糙度系数α方法后，采用不包含增透膜的多晶硅作为参考样品时，分析采用小光学数值孔径测量包含90nm氮化硅增透膜的多晶硅基太阳能电池的曲线拟合结果的示意图；其中，8表示多晶硅基太阳能电池的相对反射率，7示包含粗糙度系数的均勻娃基90nm氮化娃模拟值；
[0032]图10为本发明实施例提供的太阳能基板薄膜多任务测量系统结构示意图；
[0033]图11为本发明实施例提供的测量平台结构示意图；[0034]图12为本发明实施例提供的测量平台爆炸结构示意图；
[0035]图13为本发明实施例提供的测量平台测量单晶时的状态示意图；
[0036]图14为本发明实施例提供的基板平台爆炸结构示意图；
[0037]图15为本发明实施例提供的测量头结构示意图；
[0038]图16为本发明实施例提供的测量头爆炸结构示意图；
[0039]图17为本发明实施例提供的立柱组件结构示意图；
[0040]图18为本发明实施例提供的立柱组件爆炸结构示意图；
[0041]图19为本发明实施例提供的光纤支架组件爆炸结构示意图；
[0042]图20为本发明实施例提供的横梁组件爆炸结构示意图；
[0043]图21为本发明实施例提供的多晶-单晶切换变测量距离示意图。
[0044]附图标记:
[0045]1、测量平台，2、光纤，3、光源，4、光谱仪，5、数据线6、计算机，7、控制电缆，8、单晶硅太阳能基板测量平面，9、多晶硅太阳能基板测量平面，10、多晶硅测量距离，11、单晶硅测量距尚，1_1、底板，1_2、XY电动平移台，1_3、基板平台，1_4、测量头，1-3-1、圆盘，1-3-2、压板，1-3-3、单晶硅基板槽，1-3-4、多晶硅基板槽，1-3-5、镊子槽，1-3-6,多晶硅参考样品槽，1_3_7、单晶娃参考样品槽，1-3_8、单晶娃参考样品槽，1-3_9、安装孔，1-4-1、立柱组件，1-4-2、光纤支架组件，1-4-3、横梁组件，1-4-1-1、立柱，1_4_1_2、转接件，1_4_1_3、轴，1-4-1-4、轴承，1-4-1-5、轴承盖，1-4-1-6、磁铁，1-4-1-7、限位块，1-4-2-1、弧形支架，1-4-2-2、固定件，1-4-2-3、固定件，1-4_2_4、压块，1-4-3-1、横梁，1-4-3-2,光纤卡板，1-4-3-3、光纤卡座，1-4-3-4、手柄，1-4-3-5、钢片。
【具体实施方式】
[0046]如下文所述，本发明在建模分析过程中引入粗糙度系数α，补偿此部分造成的相对于平滑表面样品的不同的影响。
[0047]本发明提供的利用反射光谱测量单晶硅基太阳能表面薄膜的方法，其步骤如下:
[0048]步骤a.测量光谱仪暗数值Id ；
[0049]步骤b.测量参考样品(例如，抛光的单硅晶片)反射光谱，并获得光谱数值仁;
[0050]步骤c.测量样品，并获得光谱数值I ;具体测量包含增透膜的单晶硅太阳能电池基板样品时，探测光束以相对于单晶硅基平面54.7度入射，S卩，相对于单晶硅基太阳能电池表面中的侧壁(〈111〉面)垂直入射并获得光谱数值I ;
[0051]样品的相对反射率R’为:
[0052]R’ =(1-1d)/(Ir-1d),
[0053]理论绝对反射率R可由下式得到
[0054]R=R，*Rr，
[0055]Rr为参考样品的已知的绝对反射率，通常为其它仪器的测量值或理论计算值。
[0056]即，R，=(1-1d) / (Ir-1d) =R/Rr,
[0057]等式左侧为测量的数值，右侧为理论建模后可计算出的数值。通常将常数项艮放置与等式左侧，则等式左侧将表达被测样品的绝对反射率。建模是指在给定薄膜结构，例如:薄膜层数及每层的厚度，薄膜在波长上的光学常数(N&k)，的情况下，通过电磁波反射和透射理论，计算出薄膜结构在波长上的反射率和透射率的过程。具体建模过程可参考书名为 “Spectroscopic Ellipsometry Principles and Applications，，(出版日期为2007年，作者为Hiroyuki Fujiwara)中的介绍，不再赘述。样品表面粗糙度虽也可为模型一部分，但通常在没有测量的情况下皆为未知量。此处所述模型不包括粗糙度信息。以上方法，等式右侧理论建模部分仅适用于平滑表面薄膜；在平滑表面薄膜的情况下，光学系统对于参考样品和薄膜样品具有相同的光学采集效率。比如，光学系统具有相同的光学数值孔径，样品表面相同的散射程度。但是由于倾斜的单晶硅基太阳能电池增透膜表面比较平滑的增透膜表面存在不规则的平面，虽然这些平面的反射光可通过控制光路的数值孔径(Numerical Aperture, N.A.)不被采集，以保证测量的反射光皆经历与平滑的增透膜表面相同的光学过程；但是这部分不规则平面会造成测量结果中反射率的一定比例的损失，即，小于平滑表面时测量的反射率R。因此造成等式右侧理论建模后与实际情况存在偏差。另夕卜，由于测量过程中，平面高低的不一致，会造成采集效率相对于光学系统随高度的相对变化，也会影响测量的反射率R。
[0058]本发明中增加了优化粗糙表面的建模方法。即，在样品反射率的计算公式中加入了粗糙度系数α。由于样品表面仍会存在一定缺陷和与波长关联的散射，理论上设定粗糙样品的绝对反射率Ra与建模设定情况下计算出的平滑样品的理论绝对反射率R关系设定为:
[0059]Ra = a *R，
[0060]因此,测量粗糙样品的绝对反射率有:(1-1dV(Ir-1d)5IiR1=Ra = a *R[0061 ]即，相对反射率 R’ = (1-1d) / (Ir-1d) = a *R/Rr，
[0062]当采用抛光单晶硅片作为参考样品时，Rr=Rsi。这里a可以进一步表示为与波长相关的关系式:
[0063]a = M+N λ。
[0064]如此，粗糙度系数a可以简化理解为，单晶硅基太阳能电池基板表面中的平行的侧壁(〈111〉面)拼接为平整的但并不完整的增透膜样品，拼接平面的面积占整个探测面积的比率为a，S卩a *R表示为单晶硅基太阳能电池基板表面中的侧壁(〈111〉面)的表面增透膜的绝对反射率。如此，除设定增透膜厚度及光学常数为变量，同时将粗糙度系数a (系数M、N设定为变量)，与建模设定情况下计算出的理论反射率R建立等式，通过数值回归的曲线拟合过程，可计算得出膜厚、材料光学常数及相应的粗糙度系数a (系数Μ、N)。
[0065]其中，光学常数可用材料的色散模型表示，如=Tauc-Larentz模型、柯西(Chauchy)模型等。采用回归计算拟合曲线时，可将色散模型中的系数与薄膜厚度和粗糙度系数等相似地设定为变量；由此，可通过计算出的模型中的系数谱线，获得材料的光学常数(n、k)谱线。材料的色散模型细节可参考Handbook OF Ellipsometry, HarlandG.Tompkins,2005;Spectroscopic Ellipsometry Principles and Applications,Hiroyuki Fujiwara,2007。
[0066]参考样品的选取主要有两种方式:1)使用抛光的平滑单晶硅片(〈100〉面与硅抛光平面平行)，测量时探测光束以相对于单晶硅片平面垂直入射。2)使用腐蚀处理后不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池。测量时，满足探测光束以相对于不包含增透膜的单晶硅基平面54.7度入射，即，相对于不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池基板表面中的侧壁(〈111〉面)垂直入射。当采用单晶硅基太阳能电池基板表面中的侧壁(〈111〉面)做为参考样品时，可以省略其绝对反射率的测量。因为，当其作为参考样品时，其绝对反射率1^—54.7可以表达为:
[0067]Rr547 = ar*Rsi，
[0068]此处，Rsi为单晶硅的绝对反射率，％为做为参考样品的粗糙度系数。由此得出，
[0069]R，= (1-1d) / (Ir-1d) *Rr= (I_Id) / (Ir-1d) * a r*Rsi=Ra = a *R
[0070]即，R’= (1-1d) / (Ir-1d) = ( a / a r) *R/Rsi，
[0071]与上文公式相比较，此处(a/a」可视为综合粗糙度系数，即采用回归计算拟合曲线时，可以设α/α^Μ+Βλ ;由于测量样品与参考样品皆为单晶硅基太阳能基板表面，仅存在有无镀膜的差异，其具有几乎相同的粗糙情况，及相同的测量方法，a、具有比较接近的数值，可有效抵消部分表面粗糙造成的偏差，比使用抛光的平滑单晶硅片作为参考样品时的测量效果更好。
[0072]实际测量时，可直接计算出R’ *Rsi的数值，当使用抛光的平滑单晶硅片作为参考样品时，R’ *Rsi数值代表对应测量状态下样品的绝对反射率。当采用单晶硅基太阳能基板作为参考样品时，其数值与绝对反射率存在粗糙度上的偏差。在本文以下所包含的图片中纵坐标所对应的数值为R’ *Rsi。
[0073]图5为90nm氮化硅增透膜的单晶硅衬底太阳能电池的反射率光谱和拟合光谱结果的示意，测量时采用不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池基板表面中的侧壁(〈111〉面)为参考样品，在图5中，标号2 表示测量反射率数据，标号I表示90nm氮化硅单晶硅基模拟值。通过拟合，可知M= 1.180，N = -0.092，由此可知粗糙度系数a = 1.180-0.092 λ。
[0074]图6为增加粗糙度系数a方法后，分析采用小光学数值孔径测量包含90nm氮化硅增透膜的多晶硅基太阳能电池的增透膜光学常数结果，此处光学常数采用Tauc-Larentz模型。
[0075]在具体测量时，需考虑以下二方面:
[0076](I)、垂直方向上的距离影响，当通过采用的绝对反射率测量法时，测量值与参考值皆取自相同角度，倾斜造成的高度影响前后基本相同，并抵消。另外，可通过采用较小N.A.及较长焦深的或平行光入射的垂直入射系统消除部分影响。
[0077](2)、调整探测光入射角度由于晶向的对称性，每片晶圆表面存在2个互相垂直的入射面，存在4个入射方向可满足探测光束以相对于单晶硅基平面54.7度入射，即，相对于单晶硅基太阳能电池基板表面中的侧壁(〈111〉面)垂直入射。当条件满足时，处于反射光信号最强的状态。可通过连续调整晶圆面与入射光束的夹角和方位角，以反射光强强度法判断入射光的角度状态。
[0078](3)、当采用不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池基板表面中的侧壁(〈111〉面)为参考样品时。参考光谱的获得可通过测量标准的不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池基板，或直接测量待测包含增透膜的单晶硅基太阳能电池基板样品的背面。此处分为两种情况①若采用已知晶向的标准不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池基板作为参考样品，探头经过一次校准后，则每次测量时的参考光谱获取不需要调整样品或探头的角度，可直接测量获得。标准样品放置可相对承载台具有固定的参考方向。例如，可在承载台非旋转部分设计放置标准样品的专属位置，可在承载台旋转部分开凹槽(例如，镊子槽)用以放置标准样品，此外，也可在承载台上设定含有方向的参考标识以便标准样品的重载。②若未知参考样品的晶向，每次通过闻度和样品方向的扫描获得参考光。
[0079]对于多晶硅基表面，由于晶向的多样性，其表面平面的方向杂乱无章，无法形成如图3b和3c中所示的单晶硅基的方向一致的规律性结构。但是，多硅基太阳能电池基板的硅基还包括很小部分的与硅基底面平行和近乎平行的面，这部分样品表面所镀增透膜平面与整体硅基片平面平行，垂直硅基片平面入射的探测光束将同样近垂直入射至这些与硅基片平行的面所镀增透膜平面，此部分反射过程和其建模与平滑表面薄膜的情况相同，但整体上，大部分入射在非水平方向的平面的光束并没有垂直返回进入探测器。当探测光束近垂直入射时，理论上使用具有较小数值孔径(Numerical Aperture, N.A.)的光学系统可较好的避免采集到探测光束在样品表面非水平面的反射信号，而仅采集样品硅基底面平行的面的反射光谱。在此情况下，采集的反射光经历了相同的光学反射过程，从而保证可采用单一的建模方法，进而准确的测量薄膜厚度和光学常数。
[0080]与所述单晶硅类似，引入粗糙度系数概念，由于极小部分的硅基底面平行的表面的增透膜是整个探测光束探测面积中的一部分，而其他平面的反射光束通过控制光学数值孔径并没有被采集。如图7所示，采用平滑平面单晶硅作为参考样品的包含90nm氮化硅增透膜的多晶硅太阳能基片的测量的相对反射率与通过建模计算的包含90nm氮化硅增透膜的硅基薄膜结构的反射率比较，可见表面粗糙度的明显影响。如此可以简化理解为，多晶硅基太阳能电池基板表面中的极小部分的硅基底面平行的表面拼接为平整的但并不完整的增透膜样品，拼接平面的面积占整个探测面积的比率为α，即a*R表示为多晶硅基太阳能电池基板表面中的极小部分的硅基底面平行的表面增透膜的绝对反射率部分。如此，除设定增透膜厚度及光学常数为变量，同时将粗糙度系数α (系数Μ、N设定为变量)，与建模设定情况下计算出的理论反射率R建立等式，通过数值回归的曲线拟合过程，可计算得出膜厚、材料光学常数及相应的粗糙度系数α (系数Μ、Ν)。
[0081]如图8为抛光的平滑单晶硅片作为参考样品，测量时探测光束以相对于整体多晶硅片平面垂直入射，分析模型中增加了粗糙度系数α的测量结果，纵坐标表示为样品的绝对反射率。可见建模光谱和测量光谱得到了很好的一致性。使用晶向区域类似的不包含增透膜的多晶硅样品表面作为参考时，比如正面测量点对应的硅基背部，与单晶硅情况相似；在此情况下，粗糙度造成的影响更好的被抵消，能够比采用抛光的平滑单晶硅片形成更好的测量结果，如图9所示。
[0082]测量结果比较图8与图9可见采用不包含增透膜的多晶硅作为参考样品明显取得较好测量效果，而且系数M接近I。实际量测时，可预先存储若干晶向的不同的多晶硅基反射光谱，拟合时遍历比对测量光谱与预先存储的干晶向的不同的多晶硅基反射光谱的拟合程度，选取拟合程度最好的作为参考光谱，进而获得最好的测量效果。
[0083]本发明通过限制探测光束光学数值孔径和采集孔径，选择性测量在粗糙表面中与样品底面平行的平面的反射光谱，进一步通过引入粗糙度系数α方法建模分析反射光谱，不仅可有效的应用于硅基太阳能电池的量测，还可有效的应用于类似的包含绒面结构的薄膜量测，如薄膜太阳能电池(thin-film solar cell)等。并且,本方法可测量的薄膜层数不限于上文实例中的单层薄膜。
[0084]下面结合图10-21对实现太阳能基板薄膜多任务测量的系统进行说明。[0085]如图10所示，本发明一种太阳能基板薄膜多任务测量系统由测量平台1、光纤2、光源3、光谱仪4、数据线5、计算机6、控制电缆7组成。计算机6通过控制电缆7与测量平台I中的XY电动平移台1-2相连，可以控制XY电动平移台1-2做XY平移；计算机6通过数据线5与光谱仪4相连，并可通过计算机控制采集光谱数据；所述光纤2为“Y”形光纤，一端与测量平台I相连，另两端分别与光源3与光谱仪4相连；所述数据线5分别与光谱仪4、计算机6相连。控制电缆7分别与测量平台1、计算机6相连。
[0086]如图11、图12所示，测量平台I包括底板1-1、XY电动平移台1_2、基板平台1_3及测量头1-4。基板平台1-3安装在XY电动平移台1-2上，XY电动平移台1-2和测量头1-4安装在底板1-1。
[0087]所述底板1-1为长方形底板，其上开有螺纹孔，用于安装XY电动平移台1-2和测量头1_4。
[0088]所述XY电动平移台1-2为伺服电机驱动的两自由度定位平台，由两个直线运动轴呈90度叠加而成，可通过计算机6的控制作XY平面运动。
[0089]如图14所示，所述基板平台1-3由圆盘1-3-1和压板1_3_2组成；圆盘1_3_1为圆盘形结构，中间设有面积为126mmX 126mm单晶娃基板槽1_3_3，单晶娃基板槽1_3_3为方形凹槽，深0.4mm ;单晶娃基板槽1-3-3上方设有面积为166mmX 166mm的多晶娃基板槽1-3-4，多晶硅基板槽1-3-4为方形凹槽，深0.2mm ;单晶硅基板槽1_3_3和多晶硅基板槽1-3-4的前方设有一个方形镊子槽1-3-5，用于镊子夹取和放置硅基板；单晶硅基板槽1-3-3上有4个安装孔1-3-9 ;多晶硅基板槽1-3-4左侧设有3个多晶硅参考样品槽1_3_6，用于放置多晶硅参考样品，其高度与多晶硅基板槽1-3-4等高；多晶硅基板槽1-3-4上侧设有两个与多晶硅基板槽方形边成45度角的单晶硅参考样品槽1-3-8，多晶硅基板槽1-3-4右侧设有3个单晶娃参考样品槽1-3-7,单晶娃参考样品槽1-3-7和单晶娃参考样品槽1-3-8的槽平面高度与单晶硅基板槽1-3-3的槽平面高度一致；压板1-3-2共有8个分别与多晶娃参考样品槽1_3_6、单晶娃参考样品槽1_3_7和单晶娃参考样品槽1-3-8配合使用，并通过螺钉固定参考样品。
[0090]如图15、图16所示,所述测量头1-4由立柱组件1_4_1、光纤支架组件1_4_2、横梁组件1-4-3组成。
[0091]如图17、图18所示，所述立柱组件1-4-1由立柱1-4_1_1、转接件1-4_1_2、轴1-4-1-3、轴承 1-4-1-4、轴承盖 1-4-1-5、磁铁 1-4-1-6、限位块 1-4-1-7 组成。立柱 1-4-1-1为柱状结构，上侧中部开有轴承安装孔，轴承安装孔两端分别开有圆形轴承盖安装孔，轴承盖安装孔沿圆周均布6个螺纹孔，轴承安装孔外侧设有4个限位块安装螺纹孔；立柱1-4-1-1底部开有4个安装孔，该4个安装孔上部有方形缺口，方便螺栓安装并提供扳手空间；转接件1-4-1-2用于立柱1-4-1-1与底板1-1连接；轴1-4-1-3两端分别安装轴承1-4-1-4，并穿入立柱1-4-1-1上部的轴承安装孔中，两个轴承盖1-4-1-5分别将两个轴承1-4-1-4固定于立柱1-4-1-1上；轴承盖1-4-1-5中间开有圆孔，轴1_4_1_3两端分别穿过该圆孔，并可以自由旋转；轴1-4-1-3的两个端面上分别设有4个螺纹孔；限位块1-4-1-7有两个，为长条形结构，中部有两个长圆形沉头螺栓安装孔，两端有螺纹孔；限位块1-4-1-7通过螺钉分别固定于立柱1-4-1-1上部，位于立柱1-4-1-1轴承安装孔外侧，第一个限位块1-4-1-7竖直放置，第二个限位块1-4-1-7与第一个限位块1-4-1-7的夹角为54.7度；限位块1-4-1-7的固定位置可根据实际需要进行微调；磁铁1-4-1-6有两个，其外部有塑料包覆，使用过程中不会产生颗粒，磁铁1-4-1-6分别通过螺钉固定在限位块1-4-1-7 上。
[0092]如图19所示，光纤支架组件1-4-2由弧形支架1_4_2_1、固定件1_4_2_2、固定件1-4-2-3、压块1-4-2-4组成。弧形支架1_4_2_1为圆弧形钣金零件，光纤2绕在弧形支架1-4-2-1的外侧，并通过压块1-4-2-4固定；弧形支架1-4-2-1两端分别与固定件1_4_2_2和固定件1-4-2-3固连。
[0093]如图20所不，横梁组件1-4-3由横梁1-4_3_1、光纤卡板1-4_3_2、光纤卡座1-4-3-3、手柄1-4-3-4、钢片1_4_3_5组成。横梁1_4_3_1为梁形结构，一端有一个凸台，凸台下部有一个圆孔，用于与轴1-4-1-3配合固定，凸台两侧分别有一个小凸缘，该小凸缘分别与限位块1-4-1-7贴合限位，该小凸缘右侧分别固定安装钢片1-4-3-5 ;钢片1-4-3-5外面有塑料包覆，与磁铁1-4-1-6配合，为测量模式切换时提供的一个附着力；光纤卡座1-4-3-3右侧有V形开口，通过螺钉固定于横梁1-4-3-1的一端；光纤卡板1_4_3_2左侧有V形开口，与光纤卡座1-4-3-3配合使用，用于固定光纤2的一端。
[0094]如图15、图16所示，横梁组件1-4-3的横梁1_4_3_1与立柱组件1_4_1中的轴1-4-1-3配合固定；光纤支架组件1-4-2的固定件1-4-2-2与轴1_4_1_3配合固定，固定件1-4-2-3与横梁1-4-3-1固连。
[0095]如图11、图12所示，测量头1-4通过转接件1_4_1_2与底板1_1固连；横梁1-4-3-1梁的方向与轴1-4-1-3的旋转方向平行；横梁1-4-3-1梁的方向与单晶硅基板槽1-3-3的方形的一边呈45度，即测量时横梁1-4-3-1梁的方向与单晶硅基板的一边呈45度。
[0096]如图13所示，进行单晶硅基板测量时，顺时针扳动手柄1-4-3-4，使横梁1_4_3_1一侧的凸缘与限位块1-4-1-7贴合。
[0097]若使本发明的测量系统在测量头1-4倾斜为54.7度以及测量头竖直时，测量光在XY平面上可以对准同一点，如此，在多晶硅样品时，若测量头对准多晶硅中心，则扳动测量头为倾斜54.7度状态测量单晶硅样品时，测量头仍对准单晶硅样品中心，可以简化测量过程中的测量点坐标校准。此外，由于单晶硅和多晶硅的反射光强均与光纤2的测量端面至样品测量点的距离，即工作距离有关，而反射光信号越强，实验准确度越高，则一般应使多晶硅的工作距离和单晶硅的工作距离均满足样品反射光强最强的条件。本发明通过合适地设计旋转中心来实现上述两点，而不必增加一个z方向的平移台。由于硅基表面结构和光纤探头的结构影响，单晶硅和多晶硅的工作距离一般不同，例如，在进行多晶硅太阳能基板测量时，光纤2的测量端面至多晶硅太阳能基板测量平面9的距离，即多晶硅测量距离10为2.5mm ;在进行单晶硅太阳能基板测量时，光纤2的测量端面至单晶硅太阳能基板测量平面8的距离，即单晶硅测量距离11为6mm。在这种情况下，如图21所示，则测量光的光轴不经过轴1-4-1-3的旋转中心(见图中O点)。
[0098]下面对本发明提供的太阳能基板薄膜多任务测量系统用于多晶硅基板的测量过程进行介绍:
[0099]载入多晶硅基板时，首先将电动平移台1-2移动至载入位置，使用镊子将多晶硅基板置于多晶硅基板槽1-3-4，扳动手柄1-4-3-4使测量头竖直，通过软件选择测量模式为多晶测量模式。测量过程为:
[0100] 步骤1、电动平移台1-2自动移动，使多晶硅参考样品槽1-3-6 (或者抛光的单晶硅样品槽1-3-7或1-3-8)对准探头到达，自动采集参考光谱，获得光谱数值仁。
[0101]步骤2、电动平移台自动移动至预先设置好的测量点，逐一进行测量采集多晶硅基板光谱，获得光谱数值I;多晶硅基板测量时，计算机自动设置平移台移动范围为多晶硅基板槽1-3-4范围。
[0102]步骤3、通过计算机进行计算(至于如何计算，在上述利用反射光谱测量多晶硅基太阳能表面薄膜的方法中已经有介绍，即(1-1d)/(Ir-1d) *Rr=Ra =。吨，不再赘述)，得出多晶硅基板增透层(减返层)厚度以及光学常数N&K的Map图谱及相应的粗糙度修正系数α。
[0103]步骤4、测量结束，电动平移台1-2重新移动至Load Position,使用镊子伸入镊子槽1-3-5，夹取卸载多晶硅基板。
[0104]本发明提供的太阳能基板薄膜多任务测量系统用于单晶硅基板测量之前，载入单晶硅基板时，首先将电动平移台1-2移动至载入位置，使用镊子将单晶硅基板置于单晶硅基板槽1-3-3，扳动手柄1-4-3-4使测量头倾斜为54.7度，通过软件选择测量模式为单晶测量模式，测量过程为:
[0105]步骤1、电动平移台1-2自动移动，使单晶硅参考样品槽1-3-8对准测量探头，自动采集参考光谱。单晶硅参考样品槽1-3-8可置入抛光的单晶硅基板，通过光谱仪测量获得抛光的单晶硅基板光谱数值Iy并通过光谱仪将^发送给计算机。
[0106]步骤2、电动平移台自动移动至预先设置好的测量点，逐一进行测量采集单晶硅基板光谱，获得光谱数值I ;单晶硅基板测量时，计算机自动设置平移台移动范围为单晶硅基板槽1-3-3范围。该步骤测量单晶硅基板，并由光谱仪获得单晶硅基板的光谱数值I，并通过光谱仪将I发送给计算机。
[0107]步骤3、通过计算机进行计算(至于如何计算，在上述利用反射光谱测量单晶硅基太阳能表面薄膜的方法中已经有介绍，即(1-1d)/(Ir-1d) *Rr=Ra =。吨，不再赘述)，得出单晶硅基板增透膜厚度以及光学常数N&K的Map图谱及相应的粗糙度修正系数α。
[0108]步骤4、测量结束，电动平移台1-2重新移动至Load Position,使用镊子伸入镊子槽1-3-5，夹取卸载单晶硅基板。
[0109]单晶硅的测量时，也可以使用抛光的单晶硅作为参考样品，则此时，只需在测量参考样品时，搬动手柄1-4-3-4使测量头竖直，在测量单晶硅太阳能样品时搬动手柄1-4-3-4使测量头倾斜为54.7度即可实现。
[0110]最后所应说明的是，以上【具体实施方式】仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种太阳能基板薄膜多任务测量系统，其特征在于，包括: 测量平台、光源、用于获取晶硅基板光谱数值和晶硅参考样品光谱数值的光谱仪、计算机； 所述测量平台可同时放置晶硅基板和晶硅参考样品，并且所述测量平台中入射光入射角度可进行调整； 所述计算机通过控制电缆与所述测量平台相连；所述计算机通过数据线与所述光谱仪相连，接收晶硅基板光谱数值和晶硅参考样品光谱数值，并根据晶硅基板光谱数值和晶硅参考样品光谱数值计算晶硅基板的膜厚、材料光学常数及相应的粗糙度修正系数α ;所述测量平台通过“Y”形光纤分别与所述光源和光谱仪连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能基板薄膜多任务测量系统，其特征在于，所述测量平台包括: 底板、XY电动平移台、基板平台、测量头； 所述基板平台安装在所述XY电动平移台上；所述XY电动平移台和所述测量头安装在所述底板上； 所述测量平台通过所述测量头使入射光角度可在O度和54.7度之间切换； 所述XY电动平移台为两自由度定位平台，并可通过所述计算机的控制作X方向或Y方向的平面运动。
3.根据权利要求2所述的太阳能基板薄膜多任务测量系统，其特征在于，所述基板平台包括: 圆盘、多个压板；所述圆盘设有单晶硅基板槽；所述单晶硅基板槽上方设有多晶硅基板槽；所述多晶硅基板槽四周设有一个或多个多晶硅参考样品槽，以及一个或多个单晶硅参考样品槽；所述压板分别与所述多晶硅参考样品槽和单晶硅参考样品槽配合使用以固定参考样品；所述单晶硅参考样品槽的槽平面高度与单晶硅基板槽的槽平面高度一致；所述多晶硅参考样品槽的槽平面高度与多晶硅基板槽的槽平面高度一致。
4.根据权利要求3所述的太阳能基板薄膜多任务测量系统，其特征在于:所述多晶硅参考样品槽设置在多晶硅基板槽左侧，所述单晶硅参考样品槽设置在多晶硅基板槽右侧，并且，所述多晶硅基板槽上侧还设置有与多晶硅基板槽方形边成45度角的单晶硅参考样品槽，所述单晶硅基板槽和多晶硅基板槽的前方设有一个用于镊子夹取和放置单晶硅基板或多晶硅基板的镊子槽。
5.根据权利要求3所述的太阳能基板薄膜多任务测量系统，其特征在于: 所述单晶娃基板槽为方形凹槽，其边长为126mm,且深度为0.4mm ； 所述多晶娃基板槽为方形凹槽，其边长为166mm,且深度为0.2mm。
6.根据权利要求2所述的太阳能基板薄膜多任务测量系统，其特征在于，所述测量头包括: 立柱组件、光纤支架组件、横梁组件； 所述光纤支架组件的一端通过所述立柱组件与所述横梁组件的一端连接，另一端与横梁组件的另一端连接。
7.根据权利要求6所述的太阳能基板薄膜多任务测量系统，其特征在于，所述立柱组件包括:立柱、转接件、轴、轴承、轴承盖、第一磁铁、第二磁铁、第一限位块及第二限位块； 所述转接件与所述立柱连接； 所述第一限位块、第二限位块均固定于所述立柱上部，且位于立柱的轴承安装孔的外侧；所述第一磁铁与所述第一限位块固定连接；所述第二磁铁与所述第二限位块固定连接; 所述轴两端分别安装所述轴承，并穿入所述立柱上部的轴承安装孔中，所述轴承盖分别将轴承固定于立柱上。
8.根据权利要求7所述的太阳能基板薄膜多任务测量系统，其特征在于: 所述立柱为柱状结构，上侧中部开有所述轴承安装孔；所述立柱底部开有多个安装孔，安装孔上部有方形缺口 ；所述立柱与所述底板通过所述转接件连接； 所述轴承安装孔两端分别开有圆形轴承盖安装孔、外侧设有多个所述限位块安装螺纹孔；所述轴承盖安装孔沿圆周均布若干个螺纹孔； 所述轴承盖中间开设有圆孔，轴两端分别穿过该圆孔，并可以自由旋转； 所述轴的两个端面上分别设有螺纹孔。
9.根据权利要求7所述的太阳能基板薄膜多任务测量系统，其特征在于: 所述第一限位块和第二限位块均为长条形结构，中部有两个长圆形沉头螺栓安装孔，两端有螺纹孔；所述第一限位块和第二限位块通过螺钉分别固定于立柱上部，位于立柱轴承安装孔外侧；第一个限位块竖直放置，第二个限位块与第一个限位块之间的夹角为54.7度；第一磁铁通过螺钉固定在在限位块上，第二磁铁通过螺钉固定在第二限位块上。
10.根据权利要求6所述的太阳能基板薄膜多任务测量系统，其特征在于，所述光纤支架组件包括: 弧形支架、固定件、压块； 所述弧形支架为圆弧形零件，所述光纤绕在弧形支架的外侧，并通过所述压块固定；所述弧形支架两端分别与所述固定件固连。
11.根据权利要求6所述的太阳能基板薄膜多任务测量系统，其特征在于，所述横梁组件包括: 横梁、光纤卡板、光纤卡座、手柄、钢片； 所述横梁为梁形结构，一端有一个凸台；凸台下部有一个圆孔，凸台两侧分别有一个小凸缘，所述小凸缘分别与第一限位块和第二限位块贴合限位，该小凸缘右侧分别固定安装所述钢片；所述钢片外面有塑料包覆并与第一磁铁和第二磁铁配合；所述光纤卡座右侧有V形开口并固定于横梁的一端；所述光纤卡板左侧有V形开口 ；所述手柄固定在所述横梁上； 所述横梁组件的横梁与所述轴配合固定；所述光纤支架组件的固定件与轴配合固定，光纤支架组件的另一固定件与横梁固连； 所述横梁梁的方向与轴的旋转方向平行；横梁梁的方向与单晶硅基板槽的方形的一边呈45度。
12.根据权利要求7所述的阳能基板薄膜多任务测量系统，其特征在于，所述光纤的测量端与所述轴的旋转中心有一个偏差，测量光的光轴不经过轴的旋转中心。
13.根据权利要求4-12任一项所述的阳能基板薄膜多任务测量系统，其特征在于:在进行多晶硅太阳能基板测量时，所述光纤的测量端面至多晶硅太阳能基板测量点的距离为2.5mm。
14.根据权利要求4-12任一项所述的阳能基板薄膜多任务测量系统，其特征在于:在进行单晶硅太阳能基板测量时，所述光纤的测量端面至单晶硅太阳能基板测量点的距离 为6_。
【文档编号】G01N21/31GK103575222SQ201210281665
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年8月9日 优先权日:2012年8月9日
【发明者】吴文镜, 王林梓, 李国光, 刘涛, 夏洋, 马铁中 申请人:北京智朗芯光科技有限公司, 中国科学院微电子研究所