專利名稱：薄膜成像方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對薄膜的性質(zhì)進行成像，具體地講，公開了一種用于半導(dǎo)體薄膜的光 致發(fā)光成像的方法和設(shè)備，特別是用于基于薄膜的光伏電池的方法和設(shè)備。然而，應(yīng)理解的 是，本發(fā)明不限于這樣的特定領(lǐng)域的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
貫穿說明書的對現(xiàn)有技術(shù)的任何討論不應(yīng)以任何方式被理解為承認這樣的現(xiàn)有 技術(shù)是公知的或者形成本領(lǐng)域的公知常識的一部分。薄膜沉積包括用于將薄膜的材料沉積到基底上或沉積到先前沉積的層上的技術(shù)。 “薄”是相對術(shù)語，但大多數(shù)沉積技術(shù)允許將層厚度控制在幾十納米內(nèi)，諸如分子束外延的 一些沉積技術(shù)允許一次沉積單層的原子。在現(xiàn)有技術(shù)中，薄膜用于制造光學(xué)器件(例如，用于反射或減反射涂層)、電子器 件(例如，用于集成電路的絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體的層)、光電器件(例如，III-V LED和激 光二極管)、封裝器件(例如，覆鋁PET膜)。在這些應(yīng)用中的許多應(yīng)用中，沉積的膜的厚度 和品質(zhì)即使不是決定性的性質(zhì)也是重要的性質(zhì)。在諸如利用電鍍的銅的純化以及在氣相工 藝之后利用如CVD的工藝的鈾的濃縮和硅的沉積的其他應(yīng)用中，膜厚度不是重要的。根據(jù)工藝主要是化學(xué)工藝還是物理工藝，沉積技術(shù)落入兩大類中?；瘜W(xué)沉積是流 體前驅(qū)體在固體表面經(jīng)歷化學(xué)改變從而留下固體層。因為流體圍繞固體對象，所以沉積在 每個表面上發(fā)生，而幾乎與方向無關(guān)，從而來自化學(xué)沉積技術(shù)的薄膜趨于是共形的而非方 向性的。化學(xué)沉積因前驅(qū)體的相而進一步分為基于液體前驅(qū)體的鍍覆和化學(xué)溶液沉積 (CSD)，而化學(xué)氣相沉積(CVD)通常使用氣相前驅(qū)體。等離子體增強CVD(PECVD)使用離子 化的氣體或等離子體作為前驅(qū)體。另一方面，物理沉積使用機械或熱力學(xué)方式，以制造固體 材料的薄膜。還可以根據(jù)執(zhí)行沉積技術(shù)的溫度來劃分沉積技術(shù)。例如，在室溫或低于室溫 執(zhí)行的技術(shù)可以被描述為“冷”，而在升高的溫度執(zhí)行的技術(shù)可以被描述為“熱”。上面的沉積工藝中的許多沉積工藝是極其昂貴并也是極其緩慢的。例如，通過 PECVD生長的多層III-V薄膜堆疊可在昂貴的高真空沉積室中生長達五小時。因為生長室 中的高電壓和高溫度，所以對于評估正在生長的膜的品質(zhì)的項目受到限制，因此，難以評估 品質(zhì)直到完成樣品之后(而此時成本已經(jīng)產(chǎn)生了)。一種表征半導(dǎo)體薄膜(諸如藍/綠LED中的GaN、InGaN, AWaN膜)的技術(shù)是 光致發(fā)光(PL)映射。PL映射通常用于監(jiān)視成分和晶格缺陷，可用的工具(諸如來自 Nanometrics的VerteX 儀器)通常以逐點方式將經(jīng)聚焦的激發(fā)激光束掃描橫跨過樣品，并 測量得到的PL的強度和光譜含量(特別是峰發(fā)射波長)。如在已公布的第WO 2004/010121 Al號PCT專利申請和已公布的第2007/0000434 Al號US專利申請中公開的，PL映射還被 用于表征用于集成電路應(yīng)用的在硅上生長的間接半導(dǎo)體(indirect semiconductor) SiGe 的薄膜。盡管PL映射有著用于薄膜表征的毋庸置疑的價值，但是PL映射的逐點性質(zhì)導(dǎo)致其成為具有根據(jù)樣品面積和點間距的以30秒至幾分鐘為數(shù)量級的測量時間的相對緩慢的 技術(shù)。雖然這樣對于表征需要幾小時來生長的多層薄膜堆疊來說是可以接受的，但有可能 成為例如用于光伏(或太陽能)電池工業(yè)的單層薄膜的常規(guī)或流水線內(nèi)(in-line)表征的 限制。此外，在PL映射中使用的經(jīng)聚焦的激發(fā)激光的強度也為大于光伏電池在操作中經(jīng)歷 的1日照強度( lOOmW/cm2)的幅值的數(shù)量級，且因此將給出基于薄膜的光伏電池的預(yù)測 性能的與實際不符的圖片。PL映射的相對緩慢性也限制了其用于薄膜生長的原位監(jiān)視的適用性，這是因為 PL映射可能不能將信息足夠快地反饋到沉積工藝中以阻止或糾正問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于克服或改善現(xiàn)有技術(shù)中的至少一個缺點，或者提供可用的 替代物。本發(fā)明優(yōu)選形式的一個目的在于提供一種用于薄膜沉積技術(shù)的有效監(jiān)視的方法和 設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種監(jiān)視薄膜沉積工藝的方法，所述方法包括如下 步驟(a)利用預(yù)定的照明照射通過所述沉積工藝生長的半導(dǎo)體薄膜的區(qū)域或正在通過所 述沉積工藝生長的半導(dǎo)體薄膜的區(qū)域，以從所述薄膜產(chǎn)生光致發(fā)光；(b)捕捉所述光致發(fā) 光的圖像；(C)處理所述圖像，以確定所述薄膜的一種或一種以上的性質(zhì)；(d)使用所述一 種或一種以上的性質(zhì)來推導(dǎo)關(guān)于所述沉積工藝的信息?？梢栽谡ㄟ^所述沉積工藝生長所述薄膜的同時執(zhí)行所述方法。當所述沉積工 藝在室中發(fā)生時，可以通過所述室的對于所述預(yù)定的照明透明的窗口照射所述薄膜，可以 通過所述室的對于所述光致發(fā)光透明的窗口捕捉所述圖像。優(yōu)選地，重復(fù)步驟(a)和步驟 (b)，以產(chǎn)生所述薄膜的更大的區(qū)域的光致發(fā)光圖像。優(yōu)選地，所述方法可以用于確定下面的性質(zhì)中的至少一種的空間變化吸收體層 品質(zhì)；少數(shù)載流子壽命；在化合物材料中的層成分的均質(zhì)性；雜質(zhì)濃度；電性缺陷的濃度； 以及結(jié)構(gòu)性缺陷的濃度。優(yōu)選地，所述方法可以用于監(jiān)視基于薄膜的光伏電池或模塊的生 產(chǎn)。所述方法還可以用于監(jiān)視下述中的至少一種少數(shù)載流子壽命變化；基于照明的局部 電壓變化；在互連的模塊中的分流的獨立電池或局部分流區(qū)域；或者在電池或模塊中的串 聯(lián)阻抗問題。所述方法還可以包括如下步驟(e)利用在步驟(d)中確定的信息來調(diào)節(jié)所述薄 膜沉積工藝。步驟(e)優(yōu)選地包括下述中的至少一個薄膜樣品的移除；工藝條件的調(diào)節(jié)； 或者沉積工藝中的硬件錯誤的檢測。所述方法還可以包括如下步驟(f)利用在步驟(d)中 確定的信息來調(diào)節(jié)或控制所述薄膜的后沉積工藝。優(yōu)選地，所述后沉積工藝可以包括退火、氫化、擴散、缺陷區(qū)域的激光隔離、金屬 化、模塊互連、或者薄膜的再處理。優(yōu)選地，所述光致發(fā)光可以包括所述半導(dǎo)體薄膜的帶至 帶發(fā)光。優(yōu)選地，所述光致發(fā)光可以包括由所述半導(dǎo)體薄膜中的雜質(zhì)和缺陷發(fā)射的發(fā)光。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種監(jiān)視部分或全部完成的半導(dǎo)體薄膜光伏電池或 模塊的方法，所述方法包括如下步驟(a)利用預(yù)定的照明照射所述半導(dǎo)體薄膜光伏電池 或模塊的區(qū)域，以從所述電池或模塊產(chǎn)生光致發(fā)光；(b)捕捉所述光致發(fā)光的圖像；(c)處 理所述圖像，以確定所述電池或模塊的一種或一種以上的性質(zhì)；(d)使用所述一種或一種以上的性質(zhì)來推導(dǎo)關(guān)于電池或模塊的信息。優(yōu)選地，收集的信息可以包括下面的性質(zhì)中的至少一種的空間變化吸收體層品 質(zhì)；少數(shù)載流子壽命；在化合物材料中的層成分的均質(zhì)性；雜質(zhì)濃度；電性缺陷的濃度；以 及結(jié)構(gòu)性缺陷的濃度。優(yōu)選地，所述信息還可以包括基于照明的局部電壓變化；在互連的 模塊中的分流的獨立電池或局部分流區(qū)域；或者在電池或模塊中的串聯(lián)阻抗問題。優(yōu)選地，所述方法還包括如下步驟(e)利用在步驟(d)中確定的信息來調(diào)節(jié)用于 沉積所述半導(dǎo)體薄膜光伏電池或模塊中的薄膜的工藝。優(yōu)選地，步驟(e)可以包括下述中 的至少一個薄膜樣品的移除；工藝條件的調(diào)節(jié)；或者沉積工藝中的硬件錯誤的檢測。優(yōu)選 地，所述方法還可以包括如下步驟(f)利用在步驟(d)中確定的信息來調(diào)節(jié)或控制所述半 導(dǎo)體薄膜光伏電池或模塊的進一步的工藝。優(yōu)選地，所述進一步的工藝可以包括退火、氫 化、擴散、缺陷區(qū)域的激光隔離、金屬化、模塊互連、或者薄膜的再處理。優(yōu)選地，所述方法還 可以包括如下步驟(g)預(yù)測完成的半導(dǎo)體薄膜光伏電池或模塊的性能。


通過下面僅出于舉例的方式記載的描述并結(jié)合附圖，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來 說，本發(fā)明的實施例將被更好地理解且是容易明白的，在附圖中圖1示意性示出用于薄膜的光致發(fā)光監(jiān)視的一種布置；圖2示出用于優(yōu)選實施例的工藝步驟的一種形式。
具體實施例方式在特定的優(yōu)選實施例中，提供了一種用于有效監(jiān)視薄膜沉積技術(shù)并使用得到的數(shù) 據(jù)來實時地或為將處理的下一樣品做準備地控制薄膜沉積工藝的方法和設(shè)備。所述方法和 設(shè)備還提供在初始薄膜沉積步驟和隨后的工藝步驟中的一個或多個步驟期間或之后的薄 膜材料和電子性質(zhì)(electronic properties)的用于品質(zhì)控制和工藝改善的有效的測量。具體涉及光伏電池的其他的優(yōu)選實施例允許有效監(jiān)視或控制隨后的后沉積工藝 步驟，諸如退火、氫化、金屬化、(例如，缺陷區(qū)域的)激光隔離、(例如使用激光的)模塊互 連，或允許預(yù)測光伏電池或模塊的性能。在優(yōu)選實施例中，提供一種監(jiān)視薄膜沉積工藝的條件的方法，該方法包括如下步 驟測量薄膜的體(bulk)或表面性質(zhì)的PL性質(zhì)，以確定薄膜的電特性或材料特性。優(yōu)選 實施例還提供監(jiān)視后沉積工藝步驟的條件的方法，該方法包括如下步驟測量薄膜的體 (bulk)或表面性質(zhì)的PL性質(zhì)。在特定的實施例中，利用薄膜樣品的實質(zhì)部分的照明，以單個的區(qū)域平均測量來 測量PL。在優(yōu)選實施例中，例如利用CCD相機以薄膜樣品的實質(zhì)部分的多像素空間分辨的 圖像來測量PL。在這樣的情況下，每個相機像素測量來自樣品的小區(qū)域的PL響應(yīng)，從而允 許快速評估可以與樣品的材料或電性質(zhì)的變化相關(guān)的橫跨過樣品的PL變化。PL信號可以 從半導(dǎo)體材料本身的帶至帶發(fā)光產(chǎn)生，或從沉積的半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)或缺陷產(chǎn)生。在一個優(yōu)選實施例中，通過利用放置在沉積室外部的檢測器和激發(fā)光源的PL測 量來原位監(jiān)視薄膜沉積工藝，從而通過室的窗口來監(jiān)視薄膜。該方法優(yōu)選地包括分析薄膜 樣品的空間分辨的PL圖像，以推導(dǎo)諸如成分和缺陷密度的關(guān)鍵半導(dǎo)體材料性質(zhì)的空間變化，從而保證半導(dǎo)體材料具有足夠的品質(zhì)。因為PL強度可以與已知半導(dǎo)體的膜厚度相關(guān)， 所以該方法還可以因在給定的區(qū)域中與PL強度直接相關(guān)而用于測量膜厚度和膜厚度的空 間變化，或者該方法還可以通過與其他的光學(xué)測量的組合方法而用于測量膜厚度和膜厚度 的空間變化。該方法可以用于包括硅、GaN、CIGS、CdTe, CIS、GaAs的間接和直接帶隙材料。 對于化合物半導(dǎo)體，PL成像可以用于檢查和/或控制沉積的膜的化學(xué)計量。在優(yōu)選的實施例中，該方法用于監(jiān)視下述中的至少一種的空間變化吸收體層品 質(zhì)(尤其是少數(shù)載流子壽命)和吸收體層品質(zhì)(尤其是少數(shù)載流子壽命)的橫向變化；在 化合物材料中的層成分的均質(zhì)性(homogeneity)；雜質(zhì)濃度和雜質(zhì)濃度的橫向變化；結(jié)構(gòu) 性缺陷和電性缺陷的濃度以及結(jié)構(gòu)性缺陷和電性缺陷的橫向變化。少數(shù)載流子壽命是光伏材料的關(guān)鍵性質(zhì)，盡管在其他應(yīng)用領(lǐng)域中少數(shù)載流子壽命 可以不總是成為薄膜半導(dǎo)體裝置的性能的關(guān)注點，但是少數(shù)載流子壽命可以被用作其他半 導(dǎo)體材料性質(zhì)的代表。該方法可應(yīng)用于具有η-型或ρ-型本底摻雜(kickground doping) 的半導(dǎo)體薄膜。在優(yōu)選實施例中，該方法用于監(jiān)視薄膜光伏電池，具體地講，該方法用于監(jiān)視幾種 材料性質(zhì)或電性質(zhì)，包括材料品質(zhì)(尤其是少數(shù)載流子壽命)的變化以及降低少數(shù)載流 子壽命的缺陷和其他局部(local)特征、基于照明的局部電壓的變化、在互連的模塊中的 分流的獨立電池或局部分流的區(qū)域、以及諸如模塊中的電池之間的錯誤互連的串聯(lián)阻抗問題。該方法可以用于實時(即，原位監(jiān)視沉積工藝)或使用從樣品后沉積得到的信息 來控制或調(diào)節(jié)薄膜沉積工藝，或用于控制或調(diào)節(jié)隨后的后沉積工藝步驟。工藝控制或調(diào)節(jié) 優(yōu)選地包括下述中的至少一個薄膜樣品的移除；工藝條件的調(diào)節(jié)(例如，薄膜沉積和后沉 積退火、氫化或擴散)、樣品特性后續(xù)處理(例如，用于校正缺陷)、同一樣品的再處理、金屬 化、獨立電池或缺陷區(qū)域的激光隔離、模塊互連、或在制造硬件中的錯誤的檢測。在一個優(yōu)選實施例中，提供一種用于通過PL成像來監(jiān)視薄膜生長的方法。該方法 可以在依賴于非接觸的整體光學(xué)測量的設(shè)備中實現(xiàn)，因此適用于包括到大多數(shù)的薄膜生長 工藝中。與當前用于表征薄膜的PL映射技術(shù)不同，PL成像速度快，因此可以在出現(xiàn)生長時 連續(xù)測量關(guān)鍵性質(zhì)，使得處理控制或樣品丟棄能夠?qū)崟r進行。此外，啟用的(active)組件(光源和相機)可以全部放置在啟用的(active)生 長室外部，可以通過光學(xué)透明窗口來監(jiān)視薄膜。特定的優(yōu)選實施例使用薄膜的PL成像來為制造系統(tǒng)提供工藝反饋。與在已 公布白勺題為"Method and System for Inspecting Indirect Bandgap Semiconductor Structured檢查間接帶隙半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng))的第W02007/041758A1號PCT專利 申請(其內(nèi)容通過交叉引用包含于此)中描述的PL成像系統(tǒng)類似的PL成像系統(tǒng)可以用于 執(zhí)行該優(yōu)選實施例。在一個優(yōu)選實施例中，修改了 CVD型沉積裝置，使得在生長期間可以發(fā)生薄膜基 底的PL成像，從而監(jiān)視薄膜生長工藝的操作條件。在圖1中示意性地示出了適合的布置1 的示例。在該布置中，設(shè)置CVD室2以沉積從通過氣體輸入口 3、4注入的成分得到的半導(dǎo) 體材料。此外，設(shè)置真空口 5以使室排氣或出氣。半導(dǎo)體材料7的薄膜的沉積發(fā)生到基底 6上。
由包括發(fā)光源9 (例如，取決于需要的燈、激光器或LED型裝置)和空間光檢測器 10(諸如C⑶相機)的PL成像系統(tǒng)通過透明玻璃窗口 8監(jiān)視沉積工藝。光檢測器在光源的 照明條件下對薄膜6進行空間地成像，并將對應(yīng)的空間圖像輸出到計算機化的PL處理和控 制系統(tǒng)。PL成像系統(tǒng)也可以包含幾種其他的元件，諸如準直光學(xué)器件、均質(zhì)器、光學(xué)過濾器 (例如，短通、帶通、長通過濾器)，如在上述的已公布的第WO 2007/041758A1號PCT專利申 請中所描述的。在圖1中示出的實施例中，照射薄膜樣品，通過同一窗口 8獲得PL發(fā)射(窗 口 8顯然需要對于照明和PL波長來說是透明的)。在可選的實施例中，可以通過分開的窗 口來照射樣品并對PL進行成像，所述分開的窗口中的每個窗口僅需要對于適當?shù)牟ㄩL帶 來說是透明的。這樣的布置可以減小在PL光學(xué)器件中需要的分開的光學(xué)過濾器的數(shù)量。承認的是，對于“熱”沉積工藝，樣品可以在熱發(fā)射模糊了或甚至掩蓋了任何PL信 號的情況下有效地“輝光”?？梢酝ㄟ^使用鎖定檢測技術(shù)(即，調(diào)制光源并在調(diào)制頻率檢測 PL發(fā)射)來在一定程度上改善這樣的“噪聲”。熱發(fā)射成為原位PL監(jiān)視的問題所達到的程 度也將依賴于由樣品產(chǎn)生的PL的波長。例如，與來自諸如GaN的III-V半導(dǎo)體的藍-綠發(fā) 射相比，來自硅的近頂PL發(fā)射(在900nm至1250nm附近)更有可能受在給定的溫度的熱 發(fā)射影響。此外，與間接帶隙半導(dǎo)體相比，預(yù)測具有幅值更大的發(fā)光效率的數(shù)量級的直接帶 隙半導(dǎo)體更適合于“熱”沉積工藝的原位監(jiān)視。對于“冷”沉積工藝，沒有需要克服的熱噪 聲問題?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖2，示意性地示出了在示例CVD工藝系統(tǒng)中的工藝步驟。發(fā)光源9和空 間光檢測器10在控制發(fā)光和對由樣品薄膜發(fā)射的PL進行空間成像的PL處理和控制系統(tǒng) 21的控制下運行。從結(jié)果的圖像處理中，進行薄膜的條件的確定，并將該確定輸出到例如通 過操縱工藝參數(shù)(諸如氣體流速和室的溫度)的控制CVD工藝的CVD工藝控制單元22，以 改善CVD工藝。在圖2中示出的工藝步驟應(yīng)用于原位監(jiān)視膜生長的實施例以及后沉積監(jiān)視 膜的實施例?？梢酝ㄟ^PL處理和控制系統(tǒng)21來使用PL成像技術(shù)，以測量正在生長的或完成的 膜的幾種性質(zhì)，包括吸收體層品質(zhì)(例如，少數(shù)載流子壽命)和吸收體層品質(zhì)(例如，少 數(shù)載流子壽命)的橫向變化；在化合物材料中的層成分的均質(zhì)性(homogeneity)；雜質(zhì)濃度 和雜質(zhì)濃度的橫向變化；結(jié)構(gòu)性缺陷和電性缺陷的濃度和結(jié)構(gòu)性缺陷和電性缺陷的橫向變 化。這些是用于光伏電池應(yīng)用而生長的薄膜的關(guān)鍵性質(zhì)，也是用于其他半導(dǎo)體、顯示器、LED 應(yīng)用而生長的薄膜的關(guān)鍵性質(zhì)。尤其是在當前的光伏電池趨向更薄的晶片的趨勢的情況下，大多數(shù)的當前的工業(yè) 半導(dǎo)體和光伏電池是在厚度通常為150μπι至400μπι的硅晶片上制造的。薄膜光伏電池， 也被稱為“第二代光伏器件”，是光伏裝置的一種特定的子分類，其中，吸收體材料的薄層形 成該裝置的“核心”。薄膜光伏器件的一種普通的特性在于薄的吸收體層通常沉積/安裝在 異質(zhì)基底(foreign substrate)上或附著于異質(zhì)基底，而在基于晶片的電池中，晶片本身形 成吸收體和結(jié)構(gòu)性支撐。在薄膜光伏電池中的通常的吸收體厚度在從 IOOnm至幾微米的 范圍內(nèi)。與傳統(tǒng)的基于晶片的電池相比，薄膜光伏電池的顯著的優(yōu)點在于需要幅值小兩個 至三個數(shù)量級的吸收體材料，從而顯著地降低了成本。另一優(yōu)點在于薄膜工藝技術(shù)允許直 接在大面積的異質(zhì)基底上處理串聯(lián)和并聯(lián)互連的模塊，從而不需要首先處理獨立的電池然 后在分開的步驟中將它們互連成模塊。
在薄膜光伏電池中的作為吸收體進行沉積的材料包括非晶硅(a-Si)、非晶硅-鍺 合金(a-SiGe)、結(jié)晶硅(c-Si)、結(jié)晶硅-鍺合金(c_SiGe)、結(jié)晶鍺(c_Ge)、Cu(In，Ga) Sh(CIGS)、CdTe、基于鎵、鋁、銦的砷化物(Aian，Ga)As)的III-V半導(dǎo)體、諸如以與其他有 機半導(dǎo)體的組合的C-60分子的有機化合物、以及染料分子。大多數(shù)結(jié)晶硅薄膜沉積技術(shù)生產(chǎn)出多晶膜?；诰Я３叽?，可以區(qū)分C-Si的不同 類型，諸如，納米結(jié)晶Si、微米結(jié)晶Si和多晶硅Si。上述材料系統(tǒng)中的一些材料系統(tǒng)的開發(fā) 正處于在大學(xué)或其他研究機構(gòu)的R&D階段，或者正處于商業(yè)化的早期階段。當前，大規(guī)模工 業(yè)化生產(chǎn)限于a-Si模塊、CdTe模塊、由c-Si和a_Si制成的串聯(lián)電池(所謂的micromorph 電池)、CIGS模塊和玻璃上c-Si。在薄膜吸收體層中需要被監(jiān)視的一些重要的公共特征和特性包括吸收體層品質(zhì) (尤其是少數(shù)載流子壽命)和吸收體層品質(zhì)(尤其是少數(shù)載流子壽命)的橫向變化、在化合 物材料中的層成分的均質(zhì)性(homogeneity)、雜質(zhì)濃度和雜質(zhì)濃度的橫向變化、結(jié)構(gòu)性缺陷 的濃度和結(jié)構(gòu)性缺陷的橫向變化。另外，制造商正不斷地嘗試增加膜沉積的速率，這改善了 這些技術(shù)的成本競爭力，但也對上述的重要的公共特征和特性造成了直接的品質(zhì)影響。在薄膜光伏電池和互連的模塊中需要被監(jiān)視的重要的公共特征和特性包括材料 品質(zhì)(尤其是少數(shù)載流子壽命)變化、基于照明的局部電壓的變化、在互連的模塊中的分流 的獨立電池或局部分流的區(qū)域以及諸如模塊中的電池之間的錯誤的互連的串聯(lián)阻抗問題。PL或電致發(fā)光(EL)的發(fā)光的成像是用于大面積的c-Si晶片和基于c_Si晶片的 太陽能電池甚至于整個的基于c-Si晶片太陽能電池的模塊的工藝監(jiān)視和表征的有效的計 量工具。發(fā)光成像測量發(fā)光強度的橫向分布，發(fā)光強度的橫向分布隨后被分析，以標識諸如 橫跨過樣品區(qū)域的電性電池參數(shù)或局部少數(shù)載流子壽命的局部參數(shù)。在PL和EL成像中， 分別通過光激發(fā)或電激發(fā)來產(chǎn)生發(fā)光，將相機用于檢測。也可以通過照明(光激發(fā))和施 加電壓(電激發(fā))的組合來激發(fā)樣品。存在幾種可選的方法，其中，以掃描式方法(例如，如在PL映射或微波光電導(dǎo)衰減 (μ -PCD)映身寸(microwave photoconductance decay ( μ -PCD) mapping)中白勺式或禾[!用 線掃描器中的傳感器的陣列)來測量特定的參數(shù)的橫向變化。在實踐中以這些類型的儀器 實現(xiàn)的空間分辨率通常受掃描可用的時間的限制，即，特定測量區(qū)域的空間分辨率越高，測 量耗時越長。另一缺點在于，在這樣的技術(shù)中，通常僅以經(jīng)聚焦的激光束來照射小的區(qū)域。 結(jié)果，實驗條件不代表受測材料的通常的操作條件，例如，光伏電池的1日照操作條件。PL成像的(與映射相對的)優(yōu)點(尤其是在光伏器件中)在于可以在通常僅為幾 秒或甚至幾分之一秒的短時間中實現(xiàn)高分辨率圖像，照明條件可以接近于1日照的通常操 作條件，即，對于在肌R光譜范圍(例如，λ exc = 900nm)內(nèi)的照明來說通常為 lOOmW/cm2。 對于在可見范圍或UV范圍中的更短的波長激發(fā)，照明可以適用于產(chǎn)生與在1日照條件下的 吸收的光子通量相似的吸收的光子通量。在一個實施例中，通過整個的大面積薄膜層/模塊的照明和對整個的大面積薄膜 層/模塊的檢查，來得到整個的層/模塊的高分辨率圖像。圖像中的空間分辨率于是受到 檢測器分辨率(像素的數(shù)量)和模塊面積的限制。光伏模塊的尺寸可以大于lm2，為了實現(xiàn) 在這樣的區(qū)域上方的達 lOOmW/cm2的入射強度，將需要具有> IOkW輸出功率的光源。 在適于大面積樣品的可選的實施例中，可以通過將從尺寸可以為IX Icm2至20X 20cm2 (不限于方形的區(qū)域)的子部分順序獲得的圖像縫合(stitch)在一起，來產(chǎn)生整個發(fā)光圖像。 然后，可以使用具有小得多的總輸出功率的光源，可以實現(xiàn)高得多的空間分辨率。不足之處 在于更長的總數(shù)據(jù)獲取時間和在機械上與照明/檢測系統(tǒng)相關(guān)的掃描樣品的需求。根據(jù)需 要，可以使用下面的掃描方法“步移(st印)并成像”，其中，對小面積的部分進行成像，且 基底或成像器被移動到下一部分上；“掃描并成像”，其中，成像器測量固定的小面積單元， 但相對于樣品恒定地進行來回地掃動運動；或者“掃動成像”，其中，以線成像器為例，相對 于薄膜樣品縱向地移動樣品的全寬度。在一些方面中，對薄膜層進行PL成像，尤其是對由直接帶隙半導(dǎo)體組成的薄膜光 伏電池和模塊進行PL成像，可以明顯地比對晶片和傳統(tǒng)的基于c-Si的光伏電池進行PL成 像容易。因為c-Si是間接帶隙材料并因此通常具有非常低的發(fā)光量子效應(yīng)(通常以< 10_4 為數(shù)量級)，所以硅晶片的PL成像受到質(zhì)疑。此外，來自c-Si的發(fā)射在900-1250nm的波長 范圍內(nèi)，從而發(fā)射光譜的大部分在硅相機敏感的光譜范圍之外。與波長越短、越適合于利用傳統(tǒng)的Si相機(CCD、CM0Q的檢測對應(yīng)，對于上述薄膜 半導(dǎo)體材料中的大多數(shù)，與硅相比，帶隙處于高能量。另外，直接帶隙材料的發(fā)光量子效應(yīng) 的幅值的數(shù)量級通常更高，從而對于相同的照明條件來說導(dǎo)致更高的發(fā)光強度，且在從UV 至mR(850nm)中的小的光譜間距中，(例如，來自khott的)吸收有色玻璃過濾器是可用 的。在特定的情況下，S卩，在諸如帶隙小于Si的帶隙的SiGe的材料上，PL檢測將需要 諸如InGaAs相機的可選的檢測器技術(shù)。對于每種材料系統(tǒng)，發(fā)射和吸收性質(zhì)將是不同的，從而需要特定地選擇照明波長 和光學(xué)過濾器。通常，照明源需要被短通過濾，以防止相機檢測到由樣品或環(huán)境反射的任何 照明光。此外，在相機光學(xué)器件的前部需要長通過濾器。對于特定的激發(fā)和發(fā)光波長，需要 選擇過濾器的截止波長。在可選的實施例中，可以使用光激發(fā)和電激發(fā)的組合，例如，具有在完成或幾近完 成的薄膜光伏電池的接觸端之間的電壓的外部控制的PL成像?？梢酝ㄟ^如上所述的對整 個樣品進行成像或通過機械地掃描具有幾個獨立的圖像的表面來測量樣品(例如，在基底 上的經(jīng)部分處理的層或整個模塊)。在已公布的題為“Method and System for Testing Indirect Bandgap Semiconductor Devices Using Luminescence Imaging，，(使用發(fā)光 成像來測試間接帶隙半導(dǎo)體裝置的方法和系統(tǒng))的第WO 2007/128060A1號PCT專利申請 (其內(nèi)容通過交叉引用包含于此)中描述了為了表征傳統(tǒng)的c-Si光伏電池的雙激發(fā)的應(yīng) 用。在本申請中，(通常以1日照等價照明)來照射樣品電池，然后，在這樣的照明將樣品 電池偏置在小于開路電壓的電壓。在這些條件下，在發(fā)射中的明亮的區(qū)域指示增強的串聯(lián) 阻抗的區(qū)域或電性隔離的區(qū)域。在薄膜光伏電池樣品的情況下，這樣的信息可以反饋到對 沉積條件或后續(xù)工藝步驟的條件調(diào)節(jié)中。普通的應(yīng)用包括經(jīng)在關(guān)鍵工藝步驟之后的材料品質(zhì)的橫向變化的測量或關(guān)鍵的 光伏電池參數(shù)(諸如串聯(lián)和并聯(lián)阻抗)的橫向變化的測量的流水線內(nèi)(in-line)工藝監(jiān)視 和工藝控制。工藝控制可以包括在早期階段從流水線(line)移除缺陷樣品、工藝條件(諸如 膜沉積或后沉積退火、氫化和擴散)的調(diào)節(jié)、樣品特性后續(xù)處理(例如，用于通過例如不良區(qū)域的激光隔離來校正缺陷)、同一樣品的再處理、金屬化、獨立電池的激光隔離或缺陷區(qū) 域的激光隔離、模塊互連以及在制造硬件中的錯誤的檢測。假設(shè)了多種特定的應(yīng)用。例如，在復(fù)合材料中，橫跨過光譜的發(fā)射波長和強度分布 將依賴于材料的成分。這在CIGS材料中尤其重要，在CIGS材料中，光伏電池的功能關(guān)鍵性 地依賴于橫跨過層的四種元素成分的化學(xué)計量分布。在SiGe合金(結(jié)晶或非晶)中，Ge含 量越高，發(fā)射波長朝向越長的波長移位，從而可以從發(fā)射光譜的對應(yīng)的變化推導(dǎo)出膜化學(xué) 計量的橫向變化。因此，可以使用利用安裝在相機物鏡前部的不同的(例如，長通、短通或 帶通)光譜過濾器測量的兩個或更多個PL圖像的(例如，比、差或?qū)?shù)的)比較，以得到關(guān) 于膜成分的變化的信息。例如，可以存在這樣的區(qū)域，其中，膜的一種特定的成分沉淀/結(jié) 晶成(具有可以使用利用適當?shù)臑V波器獲得的PL圖像進行分析的特性發(fā)射光譜的)元素 半導(dǎo)體材料(elemental semiconductor material)的區(qū)域?？梢匀菀椎氐玫娇梢杂糜谶@ 樣的目的的大量的合適的帶通、長通和短通過濾器。雖然過濾器組合不能給出與由裝配光 譜儀的PL映射系統(tǒng)提供的光譜分辨力相同水平的光譜分辨力，但是過濾器組合更簡單，更 便宜，且更適于快速PL成像。此外，將存在許多這樣的情況，其中，由成分變化導(dǎo)致的光譜 改變將是足夠大的，從而通過改變?yōu)V波器組合而檢測到由成分變化導(dǎo)致的光譜改變。在薄膜光伏電池模塊中，模塊的不同部分通常彼此串聯(lián)和/或并聯(lián)連接，通常是 通過激光工藝。經(jīng)部分處理的模塊的PL圖像分析可以檢測將導(dǎo)致模塊內(nèi)的產(chǎn)生的電壓和 /或電流小于其他區(qū)域產(chǎn)生的電壓和/或電流的區(qū)域的分流的區(qū)域或材料品質(zhì)明顯劣化的 局部區(qū)域。如果檢測到缺陷區(qū)域，則可以執(zhí)行多個行動。例如，可以修改模塊的互連以避免 品質(zhì)最差的區(qū)域的連接，或者可以針對模塊的不同部分的串聯(lián)和并聯(lián)互連來優(yōu)化互連?？?如何起作用的簡化的示例如下對于由提供1. OV開路電壓的品質(zhì)良好的材料組成一半的 區(qū)域且由僅提供0. 8V開路電壓的品質(zhì)不良的材料組成的另一半的模塊，可以以這樣的方 式來執(zhí)行互連，即，將來自品質(zhì)良好的區(qū)域的四個電池串聯(lián)連接，并將來自品質(zhì)不良的區(qū)域 的五個電池串聯(lián)連接。然后，可以并聯(lián)連接這樣的兩個電壓匹配的串聯(lián)連接的串，從而在總 體上更有效地使用了材料。通常，將串聯(lián)連接來自每一側(cè)的五個電池，且品質(zhì)不良的區(qū)域的 較低的電壓將不必要地降低了品質(zhì)良好的區(qū)域的電壓。在串聯(lián)光伏電池中，由不同材料制成的至少兩個電池通常位于彼此的頂部上 (即，光學(xué)地串聯(lián))，并以整體的方式串聯(lián)連接。在該堆疊的頂部處的材料具有最大的帶隙， 從而其吸收能量高(波長較短)的光子并透射能量較低的光子，從而具有逐漸降低的能量 帶隙的隨后的層將吸收入射光譜的具有逐漸變長的波長的部分。因此，理想的是僅在該堆 疊中的特定的電池中吸收特定的波長。出于表征的目的，PL成像可以用于以合適的單色的 或經(jīng)帶通過濾的光選擇性地激發(fā)一個或幾個獨立的層，然后僅檢測來自所述一個或幾個獨 立的層的發(fā)光發(fā)射。可以通過偏置整個的堆疊并僅以適當?shù)募ぐl(fā)波長照射特定的電池來實 現(xiàn)上面的串聯(lián)阻抗分析。在這方面的有益之處在于，發(fā)光發(fā)射的波長通常長于激發(fā)波長的事實。來自在堆 疊中的第η電池的發(fā)射可以傳播通過上方覆蓋的第n-1電池，并可以被檢測到，這是因為這 些電池的帶隙均大于電池η的帶隙并因此對于來自電池η的發(fā)射是透明的。在薄膜C-Si中，帶至帶發(fā)光的發(fā)射因不良的材料品質(zhì)、C-Si的間接帶隙以及 與晶片相比的小的發(fā)射體積而是非常弱的。作為選擇，可以使用綴飾位錯(decorateddislocation) (S卩，包含雜質(zhì)的位錯)的寬的發(fā)射。這樣的發(fā)射帶在(不能利用硅相機進行 檢測但可以利用InGaAs相機檢測的) 1550nm的波長處具有它的峰。因此，可以將來自 薄膜C-Si模塊和層的與缺陷相關(guān)的光致發(fā)光的成像用作品質(zhì)控制技術(shù)。
雖然已經(jīng)參照特定的示例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明可 以以許多其他的形式來實施。
權(quán)利要求
1.一種監(jiān)視薄膜沉積工藝的方法，所述方法包括如下步驟(a)利用預(yù)定的照明照射通過所述沉積工藝生長的半導(dǎo)體薄膜的區(qū)域或正在通過所述 沉積工藝生長的半導(dǎo)體薄膜的區(qū)域，以從所述薄膜產(chǎn)生光致發(fā)光；(b)捕捉所述光致發(fā)光的圖像；(c)處理所述圖像，以確定所述薄膜的一種或一種以上的性質(zhì)；(d)使用所述一種或一種以上的性質(zhì)來推導(dǎo)關(guān)于所述沉積工藝的信息。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在正在通過所述沉積工藝生長所述薄膜的同時執(zhí) 行所述方法。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述沉積工藝在室中發(fā)生，通過所述室的對于所述 預(yù)定的照明透明的窗口照射所述薄膜，通過所述室的對于所述光致發(fā)光透明的窗口捕捉所 述圖像。
4.如前述權(quán)利要求中的任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中，重復(fù)步驟(a)和步驟 (b)，以產(chǎn)生所述薄膜的更大的區(qū)域的光致發(fā)光圖像。
5.如前述權(quán)利要求中的任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中，所述方法用于確定下面 的性質(zhì)中的至少一種的空間變化吸收體層品質(zhì)；少數(shù)載流子壽命；在化合物材料中的層 成分的均質(zhì)性；雜質(zhì)濃度；電性缺陷的濃度；以及結(jié)構(gòu)性缺陷的濃度。
6.如前述權(quán)利要求中的任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中，所述方法用于監(jiān)視基于 薄膜的光伏電池或模塊的生產(chǎn)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述方法用于監(jiān)視下述中的至少一種少數(shù)載流 子壽命變化；基于照明的局部電壓變化；在互連的模塊中的分流的獨立電池或局部分流區(qū) 域；或者在電池或模塊中的串聯(lián)阻抗問題。
8.如前述權(quán)利要求中的任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中，所述方法還包括如下步 驟(e)利用在步驟(d)中確定的信息來調(diào)節(jié)所述薄膜沉積工藝。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，步驟(e)包括下述中的至少一個薄膜樣品的移 除；工藝條件的調(diào)節(jié)；或者沉積工藝中的硬件錯誤的檢測。
10.如前述權(quán)利要求中的任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中，所述方法還包括如下步驟(f)利用在步驟(d)中確定的信息來調(diào)節(jié)或控制所述薄膜的后沉積工藝。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述后沉積工藝包括退火、氫化、擴散、缺陷區(qū)域 的激光隔離、金屬化、模塊互連、或者薄膜的再處理。
12.如前述權(quán)利要求中的任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中，所述光致發(fā)光包括所述 半導(dǎo)體薄膜的帶至帶發(fā)光。
13.如前述權(quán)利要求中的任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中，所述光致發(fā)光包括由所 述半導(dǎo)體薄膜中的雜質(zhì)和缺陷發(fā)射的發(fā)光。
14.一種用于實現(xiàn)如權(quán)利要求1至權(quán)利要求13中任意一項權(quán)利要求所述的方法的設(shè)備。
15.一種監(jiān)視部分或全部完成的半導(dǎo)體薄膜光伏電池或模塊的方法，所述方法包括如 下步驟(a)利用預(yù)定的照明照射所述半導(dǎo)體薄膜光伏電池或模塊的區(qū)域，以從所述電池或模塊產(chǎn)生光致發(fā)光；(b)捕捉所述光致發(fā)光的圖像；(C)處理所述圖像，以確定所述電池或模塊的一種或一種以上的性質(zhì)； (d)使用所述一種或一種以上的性質(zhì)來推導(dǎo)關(guān)于電池或模塊的信息。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述信息包括下面的性質(zhì)中的至少一種的空間 變化吸收體層品質(zhì)；少數(shù)載流子壽命；在化合物材料中的層成分的均質(zhì)性；雜質(zhì)濃度；電 性缺陷的濃度；以及結(jié)構(gòu)性缺陷的濃度。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述信息包括基于照明的局部電壓變化；在互 連的模塊中的分流的獨立電池或局部分流區(qū)域；或者在電池或模塊中的串聯(lián)阻抗問題。
18.如權(quán)利要求15至17中的任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中，所述方法還包括如 下步驟(e)利用在步驟(d)中確定的信息來調(diào)節(jié)用于沉積所述半導(dǎo)體薄膜光伏電池或模 塊中的薄膜的工藝。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，步驟(e)包括下述中的至少一個薄膜樣品的移 除；工藝條件的調(diào)節(jié)；或者沉積工藝中的硬件錯誤的檢測。
20.如權(quán)利要求15至19的任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中，所述方法還包括如下 步驟(f)利用在步驟(d)中確定的信息來調(diào)節(jié)或控制所述半導(dǎo)體薄膜光伏電池或模塊的 進一步的工藝。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述進一步的工藝包括退火、氫化、擴散、缺陷區(qū) 域的激光隔離、金屬化、模塊互連、或者薄膜的再處理。
22.如權(quán)利要求15至21中的任意一項權(quán)利要求所述的方法，其中，所述方法還包括如 下步驟(g)預(yù)測完成的半導(dǎo)體薄膜光伏電池或模塊的性能。
23.一種用于實現(xiàn)如權(quán)利要求15至權(quán)利要求22中任意一項權(quán)利要求所述的方法的設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明提供用于使用光致發(fā)光成像來監(jiān)視半導(dǎo)體薄膜的沉積和/或后沉積工藝的方法和設(shè)備。分析所述光致發(fā)光圖像，以確定所述半導(dǎo)體膜的一種或多種性質(zhì)及其橫跨過所述膜的變化。這些性質(zhì)用于推導(dǎo)關(guān)于沉積工藝的信息，關(guān)于沉積工藝的信息可以隨后被用于調(diào)節(jié)沉積工藝條件和后續(xù)工藝步驟的條件。所述方法和設(shè)備具體用于基于薄膜的太陽能電池。
文檔編號G01N21/88GK102089874SQ200980126976
公開日2011年6月8日 申請日期2009年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月9日
發(fā)明者伊恩·安德魯·麥克斯威爾, 索斯坦·托普克, 羅伯特·安德魯·巴多斯 申請人:Bt成像股份有限公司