LSCM在晶体硅太阳能电池生产和开发中的应用.docx

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1、激光扫描共聚焦显微(LSCM，Laserscanningconfocalmicroscopy)技术，被更多已知的是应用与生物医学领域[1]，用于细胞标本的平面图像和三维(3D)数据采集。相对于普通款式也光学显微镜，“共聚焦”通过聚焦的激光对样品进行扫描，这种方法可以排除焦点意外的部分反射光干扰，使侧向和轴向的分辨率提高。LSCM的测量方法可以达到0.001μm甚至更精细的分辨率水平，普通宽视野光学显微镜最大理论分辨率为0.2μm，透射电子显微镜分辨率可以到达0.1nm，LSCM介于这两种常用的形态学技术之间，应用于半导体、光伏电池领域具有很多

2、独特的优势。　　晶体硅太阳能电池，即光伏电池主流产品的一种，从90s开始在国内及全球有了大规模的生产和逐步应用，很多光伏公司曾经涉足“全产业链”模式生产，因此是涵盖了集化工、材料、半导体于一体的多元集成行业。其中电池生产过程，虽然涉及技术仅仅是通常所述的半导体(Semiconductor)技术的缩略版，但其中环节众多，影响因素复杂多变，关注各环节的质量指标就成为必要，因此也涉及众多的测量分析手段。如针对硅片电阻率测量、碳/氧傅里叶变换红外含量、硅片表面形貌显微测量、发射极方块电阻测量、电池量子效率测量等等。其中，晶体硅电池基于180μm左右的

3、硅基体薄片上进行电池制作，因此在纵向上涉及到的工艺过程都是在微米甚至亚纳米尺度范围，所以在这一尺度范围内的二维(2D)轮廓、三维(3D)层次测量和分析就成为贯穿电池生产始终的项目。　　本文就是结合LSCM技术在电池生产各环节测量实例，考察其测量效果和性能，定性的比较了相对于普通宽视野光学显微镜和电子显微镜在这些应用中的优劣势。　　1LSCM仪器结构及测量原理　　1.1LSCM仪器结构本文采用日本基恩士(Keyence)公司所产VK-9700COLOR3D激光扫描共聚焦显微镜，它可以实现18000倍的放大倍率和最小1nm的3D无损精细测量，可获

4、得高清晰度、超景深以及与实物色彩一致的测量图像。图1激光扫描共聚焦显微镜内部光路结构　　激光显微镜采用由光源、光接收元件、物镜、单向透镜和针孔构成的特殊光学系统，捕捉样品表面的高度信息和彩色图像。1.2测量原理图2共聚焦的原理：A聚焦;B散焦　　光源发出的光通过物镜在样品上聚焦。光在样品表面发生反射，沿原路径返回光源。返回光被单向透镜偏转90度，在针孔表面上集中。激光显微镜根据到达光接收元件的反射光的强度，检测样品是否定位在焦点位置。这种光学系统叫做“共聚焦光学系统”，这种检测原理叫做“共聚焦原理”。　　激光源发射的光束穿过X-Y扫描光学系统

5、和覆盖在样品表面的光栅。但由于它通常采用点光源，观测视场内的区域分成多个1024×768(像素)点。通过X-Y扫描光学系统对样品进行扫描，光接收元件检测来自每个点的反射光。在Z轴方向驱动物镜，重复扫描过程，在每个点的Z轴位置上获得反射光强度。系统假设Z轴焦点位置位于反射光强度最大的地方，然后记录高度信息和反射光强度。在Z轴方向上累计聚焦位置信息，得到一副全聚焦图像。　　2.样品测量　　2.1原始硅片的测量不同于半导体的晶圆，对于表面亚纳米(Ra：0.01~0.8μm)级别的微观粗糙度有着严格的要求，当前对于太阳能级原始硅片表面形貌的测量，更多

6、的是关注微米尺度的形貌[2]，判定表面机械损伤层的类型、是否存在切割线痕或往复痕及其规格特征。图3砂浆悬浮液切割太阳能级硅片表面2D和3D形貌图3给出了现在主流技术--砂浆悬浮液多线切割生产的硅片，硅片表面呈现疏松的机械损伤层(MDL，Mechanicaldamagelayer)。近年来，金刚线(DW，DiamondWire)切割技术，以更高的切削效率和环境友好优势，作为前者的替代技术，正在不断扩大推广范围，但是其加工后的硅片表面完全呈现截然不同的形貌，如图4所示。早期开发DW相关技术过程中，A.Bidiville等人就用SEM特意对比过两种

7、方式切割的硅片表面形貌差异[3]。在原始硅片表面形貌测量方面，LSCM同样有着毫不逊色的表现。图4金刚线切割太阳能级硅片表面2D和3D形貌2.1硅片表面织构化的测量图5单晶硅片表面陷光结构2D和3D形貌　　图6多晶硅片表面陷光结构2D和3D形貌　　原始硅片需要进行表面织构化以形成陷光结构，增强光学吸收性能，表面织构化又称作制绒或者扩散前处理。目前采用的化学腐蚀方法，是利用硅在化学溶液中发生各向异性(单晶)或各向同性腐蚀的特性，形成特定的形貌。　　判定织构化优劣通常采用宏观的和更为综合的测量手段--积分反射仪，所得反射率水平受宏观陷光性能直接影

8、响，其实受更多的微观间接因素共同制约，如陷光结构规格、均匀性、边角形貌，深入研究和评价就需要用到微观测量手段。　　图5、6分别显示了在LSCM平台测量的单、多晶表面