多晶硅晶面指数的检测方法和检测装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种多晶硅晶面指数的检测方法和检测装置，所述检测方法包括下列步骤：1)利用表面形貌分析技术获得经各向异性制绒后的多晶硅表面的凹坑的形貌；2)确定所述凹坑的形貌的截面图；3)根据所述截面图确定所述多晶硅表面的晶面指数。本发明的检测方法对晶粒的尺寸并没有限制，检测的成本低，可根据凹坑的形状直观地、准确地获得晶面指数，检测速度快、效率高。
【专利说明】
多晶硅晶面指数的检测方法和检测装置
技术领域
[0001] 本发明涉及半导体领域，具体涉及硅片晶面指数的检测方法和检测装置。
【背景技术】
[0002] 众所周知，利用太阳能发电具有许多优点。要使得太阳能电池具有较大的市场，并 被广大消费者所接受，除了提高太阳能电池的光电转换效率外，降低成本也是目前追求的 一个目标。
[0003] 从目前的市场份额来看，多晶硅一直占有大部分的太阳能电池市场份额，且在可 预见的未来内仍然保持着领先的地位。主要原因是:通过浇铸法和直接凝固法可获得大体 积的方形多晶硅，多晶硅片成本低，虽然多晶硅太阳能电池的效率低于单晶硅，但是综合考 虑成本与电池组件的发电量，多晶硅太阳能电池是市场的主要选择主体。多晶硅上的不同 晶面结构具有不同的表面复合速率，因此多晶硅片上的晶粒的晶向会影响太阳能电池的性 能参数。对多晶娃片晶向的准确检测，有利于选择并优化多晶娃的铸徒工艺和评估多晶娃 的质量，从而促进多晶硅电池产业的发展。
[0004] 目前采用X射线衍射技术和电子背散射衍射分析技术测量晶粒的晶向。X射线衍射 技术的束斑直径为毫米量级，因此X射线衍射技术无法测量微米量级晶粒的晶向，只能够对 大的晶粒进行测量，另外也无法测量具体晶向所在的位置。电子背散射衍射分析技术可以 测量微米量级晶粒的晶向，但是仪器的成本太高，精度却比X射线要低。
[0005] 因此，目前需要一种低成本、高效的晶面指数检测技术。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的实施例提供了一种多晶硅晶面指数 的检测方法，包括下列步骤：
[0007] 1)利用表面形貌分析技术获得经各向异性制绒后的多晶硅表面的凹坑的形貌；
[0008] 2)确定所述凹坑的形貌的截面图；
[0009] 3)根据所述截面图确定所述多晶硅表面的晶面指数。
[0010]优选的，在所述步骤2)中，沿所述凹坑的边缘用多条直线依次连接形成多边形。 [0011]优选的，沿着所述凹坑中的每一条棱画出一条直线。
[0012] 优选的，在所述步骤3)中，计算所述截面图中相交的两条边的夹角，和/或相交的 两条棱的夹角，和/或相交的棱与边之间的夹角。
[0013] 优选的，在所述步骤1)中，所述凹坑的侧面属于所述多晶硅的{111}晶面族。
[0014] 本发明的实施例还提供了一种多晶硅晶面指数的检测装置，包括：
[0015] 表面形貌分析装置，其用于获得经各向异性制绒后的多晶硅表面的凹坑的形貌；
[0016] 截面图绘制装置，其用于确定所述凹坑的形貌的截面图；
[0017] 晶面指数计算装置，其用于根据所述截面图确定所述多晶硅表面的晶面指数。
[0018] 优选的，所述截面图绘制装置用于沿所述凹坑的边缘用多条直线依次连接形成多 边形。
[0019] 优选的，所述截面图绘制装置用于沿着所述凹坑中的每一条棱画出一条直线。
[0020] 优选的，所述晶面指数计算装置用于计算所述截面图中相交的两条边的夹角，和/ 或相交的两条棱的夹角，和/或相交的棱与边之间的夹角。
[0021] 优选的，所述凹坑的侧面属于所述多晶硅的{111}晶面族。
[0022] 本发明的检测方法对晶粒的尺寸并没有限制，检测的成本低，可根据凹坑的形状 直观地、准确地获得晶面指数，检测速度快、效率高。
【附图说明】
[0023] 以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
[0024]图1是硅的(abc)晶面与{111}晶面族在硅的三个晶轴构成的直角坐标系中的示意 图。
[0025]图2是(001)晶面经过酸性制绒后的理论截面图。
[0026]图3是（IlX)晶面经过酸性制绒后形成的凹坑的理论截面图。
[0027]图4是(OAB)晶面经过酸性制绒后形成的凹坑的理论截面图。
[0028]图5是(hkl)晶面经过酸性制绒后形成的凹坑的理论截面图。
[0029]图6是硅的(a b b)晶面与{111}晶面族在硅的三个晶轴构成的直角坐标系中的示意 图。
[0030]图7是(011)晶面经过酸性制绒后形成的凹坑的理论截面图。
[0031]图8是（122)晶面经过酸性制绒后形成的凹坑的理论截面图。
[0032]图9是经过酸性制绒的多晶硅片的某一区域的扫描电子显微镜(SEM)图像。
[0033]图10是经过酸性制绒的多晶硅片的（112)晶面的SEM图像。
[0034]图11是经过酸性制绒的多晶硅片的（012)晶面的SEM图像。
【具体实施方式】
[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实 施例对本发明进一步详细说明。
[0036] 酸性制绒液对硅片的不同晶面具有各向异性腐蚀，在对硅片进行刻蚀过程中，由 于（100)晶面上的硅原子具有两个悬挂键，而（111)晶面上的硅原子只有一个悬挂键，因此 (100)晶面上的硅原子失去电子的能力要强于（111)晶面上的硅原子，因此会将硅的{111} 晶面族暴露出来，最终形成凹坑。其中凹坑的表面为待测晶面，凹坑的侧面属于{111}晶面 族。
[0037] 根据凹坑的形状，下面将分两种情况分别介绍凹坑的理论截面图。
[0038] 图1示出了硅的(abc)晶面(其中a<b〈c)与{111}晶面族在硅的三个晶轴构成的直 角坐标系中的示意图。硅的{111}晶面族形成了一个正八面体(其中心O为坐标原点），（abc) 晶面与正八面体相交形成截平面Q 1Q2Q3Q4,正八面体的顶点P与截平面Q1Q 2Q3Q4形成的多面体 P-Q1Q2Q3Q4即为在硅的（abc)晶面上经过酸性制绒液制绒后形成的凹坑的理论形状(类倒金 字塔形），其中多面体的顶点P为凹坑的最低点。
[0039]当垂直于(abc)晶面观测凹坑时，可以观测到四个顶点^、^^、^^、^^，以及顶点卩投 影在(abc)晶面上的点Pi共五个点。
[0040]假定(abc)晶面在xyz轴上的截距分别为(1/&、(1/13、(1/(3，其对应的平面方程式为 &計 by+cz = d，因此这五个点的空间坐标由下列方程式表示如下：
[0044] 将平面ax + by + cz = d上的点91、92、〇3、〇4以及点？1通过旋转矩阵
转换到x-y平面上。用直线将点Qi、Q2、Q 3、Q4依次连接起来 形成四边形QiQ2Q3Q4,再用直线将点Pi分别与点〇1、〇2、〇3、〇4连接起来，从而画出凹坑的理论 截面图。其中四边形QiQ2Q3Q4的四条边对应凹坑的边缘，四条直线PiQi、PiQ 2、PiQ3、PiQ4对应凹 坑中的四条棱。
[0045] 下面介绍在硅的常见晶面上经过酸性制绒液制绒形成的凹坑的理论截面图。
[0046] (001)晶面
[0047]图2是(001)晶面经过酸性制绒液制绒后形成的凹坑的理论截面图。理论截面图中 的四边形为正方形，根据理论截面图可判断出凹坑为标准的倒金字塔结构。
[0048] (111)晶面
[0049] 由于酸性制绒液对（111)晶面的刻蚀速度相同，因此理论上刻蚀出来的表面为平 面，并不会出现类倒金字塔形的凹坑。
[0050] (IlX)晶面，其中 X>1
[0051 ]如图3所示，从左到右依次是（112)晶面、（113)晶面、（114)晶面和（115)晶面经过 酸性制绒液制绒后形成的凹坑的理论截面图。根据四边形的四个顶点在x-y平面上的坐标， 可得知（IlX)晶面上的凹坑的理论截面图都为等腰梯形。从图3也可以看出四个理论截面图 都为等腰梯形，且四条棱关于等腰梯形的对称轴对称。另外（112)晶面上的凹坑的理论截面 图中的两条棱与等腰梯形的一条边几乎是重合的。
[0052] (OAB)晶面
[0053] 如图4所示，从左到右依次是(012)晶面、（013)晶面、（014)晶面和(015)晶面经过 酸性制绒液制绒后形成的凹坑的理论截面图。根据四边形的四个顶点在χ-y平面上的坐标， 可得(OAB)晶面上的凹坑的理论截面图都呈轴对称，并且其中的两条棱与对称轴重合。
[0054] (hkl)晶面
[0055] 如图5所示，从左到右依次是（123)晶面、（124)晶面、（125)晶面和（134)晶面经过 酸性制绒液制绒后形成的凹坑的理论截面图。
[0056]图6是硅的（abb) (a〈b)晶面与{111}晶面族在硅的三个晶轴构成的直角坐标系中 的示意图。如图6所示，（abb)晶面与正八面体相交形成截平面T1T2T3T 4T5T6,顶点S1J2与截平 面T 1T2T3T4T5T6形成的多面体S 1S2-T1T2T3T4T 5T6即为在硅的(abb)晶面上经过酸性制绒液制绒 后形成的凹坑的理论形状。
[0057]当垂直于(abb)晶面观测凹坑时，可以观测到六个顶点T1、T2、T3、T 4、T5、T6，以及顶 点S1、S2投影在(abb)晶面上的两个点S1 '、S2 '（图6未标示出）。
[0058]同样假定(abb)晶面在xyz轴上的截距分别为(1/&、(1/13、(1/13，其对应的平面方程式 为ax+by+bz = d，因此这八个点的空间坐标由下列方程式表示如下：
x-y平面上。用直线将点1'1、1'2、1'334、1'5、1' 6依次连接起来形成多边形，再用直线将点31'、32' 连接起来，从而画出凹坑的理论截面图。其中多边形的边对应凹坑的边缘，直线Si'S2'即对 应凹坑底部的棱。由于直线S1S2平行于平面ax+by+bz = d，因此根据上述理论分析可知，直线 S1 ' S2 '至少平行于多边形中的一条边。
[0064]图7是(011)晶面经过酸性制绒液制绒后形成的凹坑的理论截面图。根据六个顶点 在x-y平面上的坐标，可得知：点、S2'分别与点T2、T5几乎是重合的，（011)晶面上的凹坑 的理论截面图呈轴对称，且具有两条对称轴，其中一条对称轴垂直于直线3 1 ' S2 '。
[0065]图8是（122)晶面经过酸性制绒液制绒后形成的凹坑的理论截面图。图8左边是平 面x+2y+2z = l截正八面体的截面图，右边是平面x+2y+2z = l .5截正八面体的截面图。同样 可推论出（122)晶面上的凹坑的理论截面呈轴对称，且对称轴垂直于直线31'&'。
[0066] 根据上述分析可知，对硅的不同晶面进行制绒后，形成的凹坑的理论截面图都不 相同。通过对凹坑的理论截面图进行分析，即可获得多边形的形状、多边形中相交的两条边 的夹角、相交的两条棱的夹角、以及相交的棱和边之间的夹角等数据。
[0067] 下面将利用上述结论来说明多晶硅晶面指数的检测方法。
[0068]将多晶硅片浸入酸性制绒液中，其中酸性制绒液包括5mmol/L硝酸铜、4mol/L的氢 氟酸和0.3mol/L的双氧水，将该酸性制绒液加热至50摄氏度，5分钟后取出多晶硅片。
[0069]将制绒后的多晶硅片用浓度为60wt%的硝酸超声清洗去除表面铜颗粒，然后用去 离子水超声清洗，用高纯氮吹干，制成待检测样品。
[0070]将待检测样品在扫描电子显微镜(SEM)下进行表征测试，在测试过程中，使得扫描 电镜的探头(或探测器)垂直于多晶硅表面，图9是经过酸性制绒的多晶硅片的某一区域的 SEM图像。从图9可以看出具有彼此相邻的二个晶粒，可以直观看到相邻的两个晶粒之间具 有晶界。
[0071 ]图10是经过酸性制绒的多晶硅片的（112)晶面的SEM图像，图10中的凹坑彼此重 叠。选取一个凹坑作为研究对象，沿凹坑的边缘用四条直线依次连接形成四边形，沿着凹坑 的每一条棱画一条直线，最终得到该凹坑的实际截面图。从凹坑的实际截面图可以看出，该 截面图为等腰梯形，且仅有两条棱，因此可知对应的是（112)晶面。对于特殊的截面图，本发 明的检测方法可以快速、直观地得到晶面指数。
[0072]图11是经过酸性制绒的多晶硅片的（012)晶面的SEM图像，图11中的凹坑彼此重 叠。选取一个凹坑作为研究对象，沿凹坑的边缘用四条直线依次连接形成四边形，并沿着凹 坑中的每一条棱画一条直线，最终得到该凹坑的实际截面图。从凹坑的实际截面图可看出， 该截面图呈轴对称，其中的两条棱与对称轴重合。首先可以得知对应的是(OAB)晶面。再根 据四条边之间的夹角，棱之间的夹角，以及棱与边之间的夹角，判断出晶面指数是(012)。
[0073]本发明并不意欲限制酸性制绒液的成分，可以选用现有技术中对硅的不同晶面具 有各向异性刻蚀的酸性制绒液。
[0074]在对凹坑的形貌进行表征过程中，除了可以使用SEM外，还可以使用光学显微镜或 电子隧道显微镜等表征表面形貌的装置。
[0075] 采用本发明的晶向检测方法，对晶粒的尺寸并没有限制，检测的成本低。可根据凹 坑的形状直观、直接、准确地得到晶面指数，检测速度快，效率高。
[0076] 本发明的实施例还提供了一种多晶硅晶面指数的检测装置，包括：
[0077] 表面形貌分析装置，其用于获得经各向异性制绒后的多晶硅表面的凹坑的形貌； [0078]截面图绘制装置，其用于确定所述凹坑的形貌的截面图；
[0079] 晶面指数计算装置，其用于根据所述截面图确定所述多晶硅表面的晶面指数。
[0080] 在本发明的另一个实施例中，所述截面图绘制装置用于沿所述凹坑的边缘用多条 直线依次连接形成多边形。
[0081] 在本发明的又一个实施例中，所述截面图绘制装置用于沿着所述凹坑中的每一条 棱画出一条直线。
[0082]在本发明的再一个实施例中，所述晶面指数计算装置用于计算所述截面图中相交 的两条边的夹角，和/或相交的两条棱的夹角，和/或相交的棱与边之间的夹角。
[0083] 虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述 的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
【主权项】
1. 一种多晶硅晶面指数的检测方法，其特征在于，包括下列步骤： 1) 利用表面形貌分析技术获得经各向异性制绒后的多晶硅表面的凹坑的形貌； 2) 确定所述凹坑的形貌的截面图； 3) 根据所述截面图确定所述多晶硅表面的晶面指数。2. 根据权利要求1所述的多晶硅晶面指数的检测方法，其特征在于，在所述步骤2)中， 沿所述凹坑的边缘用多条直线依次连接形成多边形。3. 根据权利要求2所述的多晶硅晶面指数的检测方法，其特征在于，沿着所述凹坑中的 每一条棱画出一条直线。4. 根据权利要求3所述的多晶硅晶面指数的检测方法，其特征在于，在所述步骤3)中， 计算所述截面图中相交的两条边的夹角，和/或相交的两条棱的夹角，和/或相交的棱与边 之间的夹角。5. 根据权利要求1至4中任一项所述的多晶硅晶面指数的检测方法，其特征在于，在所 述步骤1)中，所述凹坑的侧面属于所述多晶硅的{111}晶面族。6. -种多晶硅晶面指数的检测装置，其特征在于，包括： 表面形貌分析装置，其用于获得经各向异性制绒后的多晶硅表面的凹坑的形貌； 截面图绘制装置，其用于确定所述凹坑的形貌的截面图； 晶面指数计算装置，其用于根据所述截面图确定所述多晶硅表面的晶面指数。7. 根据权利要求6所述的多晶硅晶面指数的检测装置，其特征在于，所述截面图绘制装 置用于沿所述凹坑的边缘用多条直线依次连接形成多边形。8. 根据权利要求7所述的多晶硅晶面指数的检测装置，其特征在于，所述截面图绘制装 置用于沿着所述凹坑中的每一条棱画出一条直线。9. 根据权利要求8所述的多晶硅晶面指数的检测装置，其特征在于，所述晶面指数计算 装置用于计算所述截面图中相交的两条边的夹角，和/或相交的两条棱的夹角，和/或相交 的棱与边之间的夹角。10. 根据权利要求6至9中任一项所述的多晶硅晶面指数的检测装置，其特征在于，所述 凹坑的侧面属于所述多晶硅的{111}晶面族。
【文档编号】G01N33/00GK105938137SQ201610395946
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】陈全胜, 刘尧平, 杨丽霞, 陈伟, 吴俊桃, 杜小龙
【申请人】中国科学院物理研究所