太阳能基板薄膜多任务测量系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
太阳能基板薄膜多任务测量系统
本专利技术涉及光学检测领域，具体涉及一种太阳能基板薄膜多任务测量系统。
技术介绍
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)。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。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。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。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:a.测量光谱仪暗数值Id ；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 ；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 ;样品的相对反射率R’为:R，= (1-1d) / (Ir-1d)绝对反射率R可由下式得到R=R，*RrRr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。gp，R，=(1-1d)/(Ir-1d) =R/Rr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
技术实现思路
本专利技术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。为解决上述技术问题，本专利技术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；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。本专利技术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。【附图说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴文镜，王林梓，李国光，刘涛，夏洋，马铁中，
申请(专利权)人：北京智朗芯光科技有限公司，中国科学院微电子研究所，
类型：发明
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