用于對紋理化單晶硅晶片上的角錐進行光學測量的方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于對表面紋理化的單晶硅晶片(1)上的角錐(2)進行光學測量的方法，其中通過使用至少一個光源(4)和至少一個光接收器(5)，在角錐上彎曲的光(7)被接收用于確定角錐的幾何特征。無論根據后者或此外除后者之外，在向前方向上散射的光(9)選擇性地通過另一光接收器(8)測量并且確定硅晶片的表面通過角錐覆蓋的程度。
【專利說明】用于對紋理化單晶硅晶片上的角錐進行光學測量的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用于使用至少一個光源和至少一個光接收器對紋理化單晶硅晶 片上的角錐進行光學測量的方法。
【背景技術】
[0002] 例如，從專利說明書EP1692458 B1中已知用于測量紋理化表面上的角錐的平均角 錐尺寸的光學測量方法。然而，此方法具有僅可以確定平均角錐尺寸的缺點。另外，本發明 涉及一種間接方法，其中根據反射光束的強度推斷角錐尺寸。此外，由于出現由角錐產生的 衍射效應和遮光效應，因此此方法是非線性的且因此供應關于平均角錐尺寸的相對波動而 不是絕對量的信息。此外，此方法的不利之處在于，被反射回的信號主要由在角錐表面處的 反射造成。
[0003] 從公開案DE 10 2010 029 133 A1中，已知一種用于襯底上的角錐表面紋理的表 征的方法。所述方法包含以下過程步驟：使襯底表面經受激光，具體來說，檢測由襯底表面 產生的光束的反射樣本、通過確定由角錐表面結構的側緣產生的至少一個引導角錐反射最 大值、由角錐表面結構的邊緣產生的漫反射帶以及由面缺陷產生的缺陷最大值的強度來評 估反射樣本。
[0004] 公開案US 2006/0268283 A1描述一種用于通過光學反射樣本的定量確定紋理化 程度的光學方法。
[0005] 從DE 10 2010 011 056 A1中，已知一種用于通過在一個或兩個面處使用直接反 射對表面結構進行定量光學測量的方法。
[0006] 從H.梅克爾（H.Maeckel)等人的文章"使用光學反射模式的單晶硅紋理的表征 (CHARACTERISATION OF MONOCRYSTALLINE SILICONE TEXTURE USING OPTICAL REFLECTANCE PATTERNS)"，2008年9月1日至5日西班牙巴倫西亞第23屆歐洲光伏太陽能展覽會 (European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition,EVPUSEC),第 1160 至1163頁中，已知一種用于使用光學反射樣本表征單晶硅晶片紋理的方法。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的是提供一種方法，通過此方法不僅可以確定平均角錐尺寸，而且還 可以確定角錐尺寸的分布展開、平均角錐角度以及硅晶片表面上的表面覆蓋度的量值。
[0008] 基于上文詳細說明的方法，通過根據權利要求1所述的方法根據本發明實現這些 和其他目標，其中出于確定角錐的幾何特性的目的收集在角錐處衍射的光。根據本發明的 用于確定角錐特性和角錐幾何結構以及具體來說平均角錐尺寸、經照明的測量點內的角錐 尺寸的統計分布展開和/或平均角錐角度的方法因此基于由角錐處的衍射產生的衍射圖 的評估。為此目的，使用在縫隙處的簡單衍射理論。
[0009] 根據根據從屬權利要求2所述的本發明的一個有利實施例，通過光源發出的光的 測量點照明晶片表面，并且通過光接收器收集在表面處向前散射的光且根據所檢測到的光 的量確定角錐的表面覆蓋度。因此，除向后衍射的光之外，可能地通過另一光接收器測量和 評估向前散射的光。在此，向前散射應被理解為其中晶片表面被用作反射表面的光的方向。 如果晶片尚未被紋理化，則在此方向上光的散射量達到最大值。例如，這是太陽能產業中的 粗鋸晶片。由于在紋理化過程期間具有角錐的晶片的覆蓋度增加，因此在此方向上散射的 光的量與晶片的覆蓋百分比按比例地減少。由于角錐表面和邊緣相對于光源和光接收器的 幾何定向，因此通過角錐覆蓋的表面區域幾乎不向光接收器供應散射或反射光。因此，當具 有角錐的表面存在完整的覆蓋度時，沒有或幾乎沒有光在向前方向上反射或散射。換言之， 這表示：在鏡面反射的方向上反射或散射的光與未通過角錐覆蓋的表面的百分比成比例。
[0010] 在其他從屬權利要求3至11中指示根據本發明的方法的特別有利的實施例。
[0011] 根據本發明的示例性實施例，通過光源發出的光的測量點照明角錐的通常四個邊 緣中的一個，并且通過光接收器角向解析地收集在邊緣處向后衍射的光的角度分布。這是 可能的且有利的，因為紋理化表面單晶硅晶片上的角錐由于單晶的晶體結構都具有基本上 相同的定向以及基本上相同的角錐角度。
[0012] 根據本發明的方法的有利實施例在于光源和光接收器的光軸與晶片表面的表面 法線位于一個平面中。因此，如果光源的光軸和/或至少一個光接收器的光軸從由每個角 錐的邊緣中的一個橫跨的平面角向地偏離至多10°，則這是特別有利的。關于從由角錐邊 緣橫跨的平面的偏離，對于光源和光接收器的布置這種相對較大的自由度是可能的，因為 角錐邊緣非常尖銳且具有極小的寬度，所述寬度基本上小于正使用的光的波長。因此，至少 在+/-10°的范圍內衍射圖在垂直方向上也幾乎是恒定的，使得至少在此角度范圍中測量 的結果同樣是恒定的。
[0013] 然而，如果光源和/或光接收器的光軸基本上位于由每個角錐的邊緣橫跨的平面 中，則對于簡單測量布置這是特別有利的。
[0014] 本發明的特別有利的實施例在于，至少一個光源和至少一個光接收器的光軸包含 與晶片表面的角度，所述角度小于在每個晶片的角錐邊緣與晶片表面之間的角度，且優選 地基本上對應于在每個角錐的邊緣與晶片表面之間的角度。因此，根據本發明，有意地選擇 測量幾何結構，其方式為使得在角錐表面（即，角錐的四個側面）處反射的光不會落到光接 收器上。由于這種將照明的角度優選地選擇為不小于或基本上等于角錐邊緣的傾斜角，使 得由此照明垂直于這四個角錐邊緣中的一個對準，因此防止針對評價過程將測量和總結的 光的幾何遮光。因此，僅經照明的角錐邊緣向接收器供應向后反射的信號，而其他三個角錐 邊緣未被照明且不供應將會干擾測量結果的信號。
[0015] 根據測量到的衍射圖，由于已檢測到強加于散射的衍射圖上的低干擾水平，因此 可以可靠地確定平均角錐尺寸、經照明的測量點內的角錐尺寸的統計分布展開以及平均角 錐角度。
[0016] 根據本發明的對應于角錐邊緣的傾斜角的照明角度的選擇在本發明的先前提及 的實施例中也是極其有利的，根據本發明的先前提及的實施例，出于確定晶片表面通過角 錐的覆蓋程度的目的，通過任選的另一光接收器確定表面處的向前散射的光。因此，不存在 通過前述角錐的對非紋理化晶片區域的所得幾何遮光效應，由此測量結果將被破壞。
[0017] 由于角錐邊緣與晶片表面的夾角通常達到45°，因此有利的是選擇在45°角度 處的光接收器至晶片表面的照射角度或布置。
[0018] 如先前所提及，因此非常有利的是將角錐邊緣的傾斜角選擇為照明角度，并且此 外垂直于角錐邊緣中的一個對準照明角度。
[0019] 當在這種有利幾何結構的情況下出于確定通過角錐的覆蓋程度的目的測量向前 散射的光時，不存在在角錐邊緣或角錐表面處的到接收器上的偽造直接反射（falsifying direct reflection)并且還不存在由于在角錐表面處的雙重或三重反射引起的到達接收 器的經雙重或三重反射的光。因此，這僅僅是來自正被測量的未通過角錐覆蓋的晶片表面 區域的光。因此這提供優于常規測量幾何結構（從上方幾乎垂直地照明晶片且測量散射 光）的極大優勢。在此種垂直幾何結構的情況下，一是測量很大程度上多次反射的光，所述 光在角錐表面處進行反射。因此，普通的垂直幾何結構測量方法并不適合于定量評估通過 角錐的百分率表面覆蓋度。
[0020] 本發明的實施例是非常有利的，根據本發明的實施例，晶片的表面由光源和光接 收器越過，并且以位置解析的方式在晶片的整個表面上確定測量結果。為此目的，選擇小的 測量點，例如，具有一毫米的直徑的測量點。
[0021] 如果使用至少一個窄帶光源，優選地至少一個激光、發光二極管（light emitting diode, LED)或超發光二極管（superluminescent diode, SLD)，則有利地執行根據本發明的 方法。由于采用平行的嚴格瞄準的單色激光束或對應光源，因此可以獲得光的限定照射以 及向后衍射和向前散射的光的精確可評估的角度分布。借助于嚴格瞄準，可以對空間上緊 密相鄰的測量點執行測量并且可以通過晶片表面的二維掃描確定晶片上的測量到的參數 的變化。
[0022] 代替發送嚴格瞄準的單色光的光源，也可以利用寬帶光源，優選地鹵素光源，其中 例如借助于光譜儀使用窄帶光學帶通濾波器或頻譜光分離器。
[0023] 優選地，至少一個光接收器是數碼相機，例如，表面相機和/或線條相機。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024] 下文借助于示例性實施例詳細地描述根據本發明方法以及其優點。其中：
[0025] 圖1示出如用光照射時觀察到的通過角錐紋理化的太陽能晶片的示意性圖解。
[0026] 圖2圖1中圖示的太陽能晶片的側視圖。
[0027] 圖3當用光照射時單個角錐的放大視圖。
[0028] 圖4用于解釋衍射光的光學路徑的示意性圖示的測量布置。
[0029] 圖5用于解釋在晶片表面處散射的光的光學路徑的示意性圖示的測量布置。
[0030] 圖6用于不同的單個縫隙尺寸的在單個縫隙處的示意性圖示的衍射圖。
[0031] 圖7在用于多個縫隙尺寸的衍射圖的非相干疊加情況下的衍射圖。
【具體實施方式】
[0032] 在圖1和圖2中示出如分別從上方以及截面中觀察到的紋理化硅晶片1。出于說 明性目的，過大地繪制晶片1上的一些角錐2。在用于單晶硅晶片的普通紋理化處理中，通 過在主軸的方向上拉動的單個晶體的晶體軸給出角錐定向。
[0033] 對于基于正方形晶片1的實例的以下描述，使用圖1和圖2中圖示的以下坐標系， 即：
[0034] a)笛卡耳坐標系：晶片1的外邊緣指向x和y方向上。晶片1的向上引導的表面 法線指向z方向。
[0035] b)球形坐標系：角度0是極角并且從0°至+90°延伸。0 =0°適用于晶片的 平面（即，xy平面）中的所有向量或適用于其中z = 0的向量。9 = 90°適用于晶片1的 表面法線，即，適用于其中x = y = 0的向量。角度9是方位角并且從_90°至+90°延伸。 <P=〇°適用于x-z平面中的所有向量，即，適用于其中y = 0的向量。
[0036] 如果一個在通常正方形的晶片的情況下定義坐標系，其方式為使得外邊緣指向x 和y方向且向上引導的表面法線指向z方向，則通常相對于晶體軸鋸切單個晶體和晶片，其 方式為使得在紋理化過程之后，每個角錐2的四個邊緣位于x-z平面和y-z平面中。每個 角錐2的正方形底座區域的四個側面因此對于晶片1的外邊緣以45°的角度配置。因此， 兩個角錐邊緣位于x-z平面中。如果一個單獨考慮x-z平面，則這兩個邊緣中的一個的法 向量指向正x和z方向并且包含具有晶片1的表面法線的角度0。角錐表面的角錐角度 (即，與晶片1的夾角）達到約56°，且邊緣與晶片1的夾角達到約0 = 45°。對于測量 過程，因此有利的是以約45°的角度0將光3從光源4照射到x-z平面上，并且通過光接 收器5收集在x-z平面中衍射回的光且角向解析地將所述光成像到線條相機或表面相機的 檢測器上，如下文將詳細地描述。因此，由在x-z平面中衍射回的光產生的衍射圖的中心同 樣在45°方向上，S卩，在x-z平面中的角錐邊緣處的鏡面反射的方向上。
[0037] 由于單個晶體的晶體結構，紋理化表面上的所有角錐2具有相同定向并且它們中 的每一個具有大致相同的角錐角度。此種角度由單晶硅的晶體結構產生。然而取決于所述 紋理化過程，存在與這些理論值的較小偏差。角錐邊緣具有在lum與lOiim之間的典型邊 緣長度。
[0038] 如圖3中所示，每個角錐具有四個三角形角錐表面F1、F2、F3、F4和四個角錐邊緣 K12、K23、K34、K41。如果如圖3中所示，一個將平行的單色光照射到角錐2上且隨后將光 3在x-z平面中的照射方向選擇為垂直于來自經照明角錐2中的每一個的角錐邊緣中的一 個（此處為角錐邊緣K12,即成45° )，則一個接收x-z平面中的角錐邊緣K12的反射回的 衍射圖，所述衍射圖對應于此長度的縫隙的衍射圖。經照明的測量點內的多個角錐2通過 光束同時照明。這些角錐的反射回的衍射圖非相干地疊加。這完全供應向后衍射的光的角 度分布，其表示經照明測量點的角錐的多個衍射圖的非相干疊加。
[0039] 圖4描繪用于測量角錐幾何結構的有利測量布置。光源4和光接收器5的光軸位 于x-z平面中。晶片1布置有平行于x軸和y軸的外邊緣，使得在此布置中測量的角錐2 的角錐邊緣定向在x-z平面中。角錐邊緣包含與晶片的法向量（即，z軸）成約45°的角。
[0040] 光源4和光接收器5的光軸同樣與晶片1的法向量成0 = 45°的角度。光源4 發出光3,所述光3在穿過光束分離器6之后以45°的角入射到晶片1上。因此所述光3垂 直地照在角錐邊緣上。向后衍射的光7再次具有0 =45°的中心角度。這也是光接收器 5的光軸，在光束分離器6處的反射之后，所述光接收器5接收且角向地解析向后衍射的光 7的角分布。光接收器5因此在以角度0 = 45°為中心的角度范圍0 土 A 0中測量向后 衍射的光強度的角分布。衍射圖的評估隨后供應經照明測量點內的角錐2的角錐角度、平 均角錐高度和分布展開。
[0041] 同樣示意性地圖示用于向前散射方向上的測量的第二光接收器8。照在角錐2上 的光不會如散射光9 一樣到達光接收器8。從光接收器8的視角來看，照在角錐表面和角錐 邊緣上的光位于幾何陰影中并且因此如散射光一樣不可見。
[0042] 圖5示出與圖4相同的測量布置，但此處示例性地繪出那些光線的路徑，其中從光 源1照射的光3照在非紋理化區域上，S卩，晶片1中未通過角錐2覆蓋的區域。光3朝向接 收器8的向前散射非常強，而到接收器5中的向后散射小到可忽略。此外，角度0 =45° 且(p=(F是非常有利的，因為隨后不存在光軸的幾何遮光且此外在角錐邊緣或角錐表面處 一次或若干次反射或散射的光不會照在光接收器8上。
[0043] 以下適用于圖4和圖5中的布置：在每種情況下在x-z平面中以0 = 45°的角 度實現照明過程并且在每種情況下測量由向后衍射的光的角分布以及以角度9 =45°為 中心的向前散射的光的角分布組成。這是有利的，因為角錐邊緣角度約為45°，且在每種情 況下，向后衍射以及向前散射的光的中心也約為45°。因此，這些角度分布的中心在未通過 前述角錐2遮光的情況下也是可見的。
[0044] 通過類似方式，所有大于的45°角度在未遮光的情況下對光接收器是可見的。然 而，對于角度小于45°的向后衍射或向前散射的光，通過前述角錐2產生的遮光效應穩定 地增加。這些遮光效應隨著角度減小而增加。因此，由于遮光效應，針對小于45°的角度， 通過光接收器測量到的光的角分布被改變。然而，所述改變在45°附近仍較小。由于作為 遮光效應的結果的對測量的此種改變，有利的是僅評估分別測量到的角分布的上半部分， 因為所述角分布未通過遮光效應進行改變。
[0045] 在圖4和圖5中圖示的示例性布置中，光軸以及測量到的角錐邊緣的定向都位于 一個平面中，即，x-z平面。因此，這是角度f=〇。然而，在方向e上向后衍射的光的角分布 不僅位于x-z平面中，而且在方向9上延伸得很遠。這是因為在尖銳邊緣處發生衍射過程， 所述尖銳邊緣在y方向上延伸至僅幾納米的極小長度。這種延伸顯著小于正使用的光的波 長。因此，這還在y方向上產生衍射圖，所述衍射圖均勻地覆蓋從9=+90 0至cp=-90的整個 角分布，并且在至少從f=+l〇至cp=_l()°的范圍內幾乎恒定。通過角錐向后衍射的光因此 形成寬闊的光學圖，所述光學圖非常均勻并且在9方向上廣泛地延伸且在e方向上具有 窄的衍射圖，即，縫隙的衍射圖或多個縫隙的衍射圖的非相干疊加（此處在這種情況下，"縫 隙"是角錐邊緣）。由此，下半部分的衍射圖始終通過角錐2產生的遮光進行改變。
[0046] 根據上文已描述的內容，將清楚的是對于向后衍射的光7的測量，光源4和光接收 器5的光軸并不一定位于X-Z平面中。它們可以在y方向上（或在f方向上）無問題地且 不改變測量結果地彼此分離。所述分離甚至可以是不對稱的。僅應該避免大于10°的分 離，因為由于在角錐2處的遮光效應，否則可能產生對測量的改變的增加。
[0047] 圖6示出針對211111、411111和711111的縫隙尺寸描繪的在縫隙處（8卩，在角錐2的邊 緣處）的衍射的理論歸一化強度或角分布。此處，波長632nm的激光已被用作光源4。
[0048] 相反，圖7描繪在代替相同高度的角錐2存在具有不同高度但具有相同平均角錐 高度的角錐的分布展開的情況下就向后散射而言縫隙或邊緣的衍射圖如何變化。可以看 至IJ，一半寬度的角分布是平均角錐高度的特征，而曲線的最小值（對于具有相同高度的角 錐為0)典型地隨著分布展開增加而上升。因此，平均角錐高度以及角錐高度的分布展開兩 者可以根據測量到的衍射圖確定。存在適用于此目的的多種數學算法。
[0049] 此外，衍射圖的角分布的對稱中心取決于角錐角度而變化。衍射圖的對稱中心是 取決于角度的強度的強度最大值。強度最大值的位置通過在角錐邊緣處照射光3的幾何光 澤反射產生。在45°的照射方向的情況下，如果角錐邊緣角度達到44°，則衍射圖的最大 值為（例如）46°，或者如果角錐邊緣角度達到43°，則衍射圖的最大值為47°。因此可以 直接根據強度最大值的位置讀取角錐邊緣角度，以及因此也讀取角錐的側面的角錐角度。
[0050] 因此，圖7示出在通過尖銳線條、長度3. 7 y m的角錐邊緣反射的情況下集中于角 度45°的理論衍射圖以及具有不同長度但具有3. 7 y m的平均長度的尖銳線條的分布展開 的衍射圖。此處，最小值的位置不再顯著并且隨著分布展開的增加而上升。在這種理論衍 射圖中，未圖示出由角錐2處的遮光效應引起的衍射圖的不對稱性，所述不對稱性針對小 于45的角度上升。
[0051 ] 用于紋理化單晶太陽能電池的標準技術是在濕槽中的堿蝕。在這種蝕刻工藝的情 況下，相對于硅晶體的（1，〇,〇)定向具有均勻定向但具有不同尺寸的角錐2由于不同蝕刻 速率而形成于晶片1的表面上。這些角錐2會導致非常有效地減小損耗，所述損耗會由于 在太陽能電池處日光的反射而增加。
[0052] 對于太陽能電池的最優效率，角錐2的幾何參數以及晶片表面通過角錐2的覆蓋 密度是非常重要的。這些組織特性取決于多個工藝參數，尤其取決于蝕刻浴的化學組成、浸 沒時間、晶片1的預處理、晶片1的鋸切過程、硅原料以及蝕刻浴的老化（aging)。此外，紋 理在晶片表面上可以是非均質的，這就是快速掃描測量技術非常有利的原因。迄今為止，僅 能夠快速控制過程的不充分的測量方法可用于此目的。根據本發明的本方法彌補了這個不 足。
【權利要求】
1. 一種用于對表面紋理化的單晶硅晶片上的角錐（2)進行光學測量的方法，使用至少 一個光源（4)和至少一個光接收器（5、8)，其特征在于，出于確定所述角錐（2)的幾何特性 的目的，借助于衍射理論收集和評估在所述角錐（2)處衍射的光（7)。
2. 根據權利要求1所述的用于對表面紋理化的單晶硅晶片上的角錐（2)進行光學測量 的方法，其特征在于，通過所述光源（4)發出的光的測量點照明晶片（1)的表面，光接收器 (8)收集在所述表面處向前散射的光（9)，并且所述表面通過角錐（2)的覆蓋程度根據所檢 測到的光的量確定。
3. 根據權利要求1或2所述的用于對表面紋理化的單晶硅晶片上的角錐（2)進行光學 測量的方法，其特征在于，通過所述光源（4)發出的所述光的所述測量點照明所述角錐（2) 的邊緣中的一個，并且通過所述光接收器（5)角向解析地收集在所述邊緣處向后衍射的所 述光（7)。
4. 根據以上權利要求中任一項所述的用于對表面紋理化的單晶硅晶片上的角錐（2) 進行光學測量的方法，其特征在于，所述至少一個光源（4)的光軸和所述至少一個光接收 器（5或8)的光軸與所述晶片的表面的表面法線位于一個平面中。
5. 根據以上權利要求中任一項所述的用于對表面紋理化的單晶硅晶片上的角錐（2) 進行光學測量的方法，其特征在于，所述至少一個光源的光軸和/或所述至少一個光接收 器（5或8)的光軸與由每個角錐（2)的邊緣中的一個橫跨的平面角向地偏離至多10°。
6. 根據權利要求5所述的用于對表面紋理化的單晶硅晶片上的角錐（2)進行光學測量 的方法，其特征在于，所述至少一個光源的光軸和/或所述至少一個光接收器（5或8)的光 軸位于或基本上位于由每個角錐（2)的邊緣中的一個橫跨的所述平面中。
7. 根據以上權利要求中任一項所述的用于對表面紋理化的單晶硅晶片上的角錐（2) 進行光學測量的方法，其特征在于，所述至少一個光源（4)的光軸和/或所述至少一個光接 收器（5或8)的光軸包含相對于所述晶片的表面的角度，所述角度不小于在所述角錐的邊 緣與所述晶片的表面之間的角度，且優選地基本上對應于在所述角錐的邊緣與所述晶片的 表面之間的角度。
8. 根據以上權利要求中任一項所述的用于對表面紋理化的單晶硅晶片上的角錐（2) 進行光學測量的方法，其特征在于，所述晶片（1)的表面由所述至少一個光源（4)和所述至 少一個光接收器（5或8)越過，并且在整個所述晶片的表面上發生光收集過程。
9. 根據以上權利要求中任一項所述的用于對表面紋理化的單晶硅晶片上的角錐（2) 進行光學測量的方法，其特征在于，使用至少一個窄帶光源（4)，優選地至少一個激光、發光 二極管或超發光二極管。
10. 根據權利要求1至9中任一項所述的用于對表面紋理化的單晶硅晶片上的角錐 (2)進行光學測量的方法，其特征在于，使用寬帶光源（4)，優選地鹵素光源，所述鹵素光源 優選地借助于光譜儀具有以下窄帶光學帶通濾波器或具有以下頻譜光分離器。
11. 根據以上權利要求中任一項所述的用于對表面紋理化的單晶硅晶片上的角錐（2) 進行光學測量的方法，其特征在于，數碼相機，優選地表面相機和/或線條相機被用作所述 光接收器（5、8)。
【文檔編號】G01B11/30GK104395735SQ201380032520
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2013年6月18日 優先權日:2012年6月19日
【發明者】如弟格·庫比則克 申請人:歐德富有限公司
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