一種新型大尺寸多晶硅片晶向的光學(xué)掃描方法

熊 震，付少永，李云珠，殷 麗，張映斌

(天合光能股份有限公司光伏科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 常州 213031)

0 引言

在多晶硅鑄錠時(shí)，由于溫度梯度和坩堝限制會(huì)引入大量應(yīng)力，從而造成多晶硅錠缺陷密度隨著晶體生長(zhǎng)高度的增加而增長(zhǎng)。過(guò)去幾年，多晶硅行業(yè)對(duì)控制多晶硅錠缺陷增殖進(jìn)行了大量研究，有研究表明，應(yīng)力可以通過(guò)控制晶向和晶界來(lái)釋放。FUJIWARA 等[1]報(bào)道了一種枝狀晶體生長(zhǎng)技術(shù)，該技術(shù)在晶體生長(zhǎng)前期采用<112>和<110>晶向做籽晶來(lái)控制其微結(jié)構(gòu)。XIONG 等[2]的研究表明，類單晶硅太陽(yáng)電池的短路電流與其所采用的硅片的晶向有明顯相關(guān)性。為降低多晶硅片缺陷密度，提高多晶硅太陽(yáng)電池的質(zhì)量，檢測(cè)、監(jiān)控及掃描多晶硅片晶向被多次提及，但目前行業(yè)仍缺乏一種適合于生產(chǎn)中應(yīng)用的快速檢測(cè)方法。

目前已經(jīng)存在多種硅片晶向分析方法，其中X 射線衍射[3]、中子衍射[4]和電子衍射[5]是最成熟的方案，但這些技術(shù)較適用于單點(diǎn)測(cè)試，對(duì)于硅片這種面積較大的樣品不太適合。電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)[5-6]可適用于硅片的整面掃描，但該方法通常適用于面積較小(1～2 cm2)的硅片；且其對(duì)制樣的要求較高，需要精密拋光；測(cè)試時(shí)間也較長(zhǎng)，典型的測(cè)試時(shí)間為60 min。因此，該方法仍不太適合于批量的大尺寸硅片的晶向檢測(cè)。20 世紀(jì)末，WANG 等[7]提出了基于硅片表面SEM 形貌的晶向分析方法，但該方法僅限于定性分析且耗時(shí)也較長(zhǎng)。

上述測(cè)試方法都由于某些原因而無(wú)法對(duì)大尺寸硅片進(jìn)行準(zhǔn)確掃描，直到近幾年，德國(guó)的Franhofer 研究所推出了一種勞厄掃描儀[8]，才實(shí)現(xiàn)了對(duì)大尺寸多晶硅片晶向的掃描，但該方法的測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，需要1～2 h?；诖耍疚奶岢隽艘环N簡(jiǎn)單易行，可以快速、低成本地實(shí)現(xiàn)大尺寸多晶硅片晶向的光學(xué)掃描方法。

1 理論預(yù)測(cè)

在一塊多晶硅片上，肉眼可見(jiàn)多個(gè)晶粒，從不同角度去觀察這些晶粒，會(huì)發(fā)現(xiàn)晶粒的對(duì)比度發(fā)生了變化；當(dāng)對(duì)硅片進(jìn)行一些預(yù)處理(如堿制絨)后，可以發(fā)現(xiàn)晶粒的對(duì)比度增強(qiáng)了。這種對(duì)比度來(lái)源于晶體表面的微觀形貌，而微觀形貌取決于晶體表面的晶向。晶體硅是典型金剛石結(jié)構(gòu)，其原子密排面是<111>面，在機(jī)械加工或堿制絨時(shí)能量最低的密排面更傾向于保留下來(lái)。不同晶向指數(shù)的晶體表面，由于其與<111>面夾角不同，會(huì)保留特定的微觀形貌。以單晶硅片為例，晶體表面是晶向<100>，其平面與<111>晶面的夾角均為57.3°，圍成了一個(gè)正金字塔結(jié)構(gòu)。對(duì)于多晶硅片而言，晶粒的晶向除了<100>，還有很多其他種類，硅片表面形貌也大不一樣，這主要取決于實(shí)際晶向與<111>晶向夾角。其表面的精確形貌可以通過(guò)解析幾何計(jì)算得到，方法就是在實(shí)際晶體表面所在平面去截一個(gè)正八面體，分析所切割的部分。

假定一塊晶體硅在三維空間內(nèi)無(wú)限延伸。圖1 為晶體硅任意晶向的晶面制絨后的3D 形貌及其2D 投影。如圖1a 所示，8 個(gè)<111>晶面在oxyz笛卡爾坐標(biāo)系里圍成了一個(gè)正八面體；假設(shè)圖1b～圖1d 中的橙色面是硅片表面，則<111>晶面的法向量在硅片表面的投影會(huì)隨切割面角度的變化而變化。在切割面上定義一個(gè)xoy坐標(biāo)系，可以計(jì)算出這些法向量在xoy坐標(biāo)系內(nèi)的2D投影。由此可知，當(dāng)相機(jī)處于法向量投影方向時(shí)，可觀測(cè)到最強(qiáng)的反射信號(hào)。

圖1 晶體硅任意晶向的晶面制絨后的3D 形貌及其2D 投影Fig. 1 3D morphorlogy and its 2D projection on textured crystal silicon surface with a random orientation

上述2D 投影向量可以由反射曲線的峰值檢測(cè)到，而且從<111>晶面的3D法向量的定義出發(fā)，2D 投影向量也可以被還原成空間的3D 形式。

假設(shè)v1、v2、v3和v4是根據(jù)反射譜線的峰值得到的4 個(gè)2D投影向量，則其3D 形式可表示為：V1、V2、V3和V4，其中z1、z2、z3和z4待定。此外，晶向<111>的晶面與晶面之間的夾角α只有70.53°和109.47°這2種可能。因此，可以通過(guò)式(1)來(lái)求解未知量：

將相關(guān)參數(shù)代入式(1)可以得到6 個(gè)等式，但需要求解的未知數(shù)只有z1～z4這4 個(gè)，這是一個(gè)超定方程組，可采用數(shù)值分析的方法求解。

晶粒的晶向指數(shù)可以由特征譜線的峰值計(jì)算得出，也就是將各單位法向量求和。

為了便于確定和區(qū)別晶體中不同的晶向，國(guó)際上采用晶向指數(shù)來(lái)標(biāo)定晶向。

由于晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，只要得到3 個(gè)或4個(gè)3D 向量，其余的第4 個(gè)或第5 個(gè)向量都能推斷出來(lái)。從理論上來(lái)看，利用反射譜線峰值能夠檢測(cè)出晶粒的晶向，下文將通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)和裝置的設(shè)計(jì)

選取1 塊面積為100×100 mm2的多晶硅片作為實(shí)驗(yàn)硅片，經(jīng)過(guò)10 min的標(biāo)準(zhǔn)堿制絨工藝后，硅片獲得了更加明顯地晶粒對(duì)比度。圖2 為實(shí)驗(yàn)硅片堿制絨后晶粒的外觀圖，其中，晶粒a～晶粒d 為不同對(duì)比度的典型晶粒。

圖2 實(shí)驗(yàn)硅片堿制絨后晶粒的外觀圖Fig. 2 Appearance of grains after experimental silicon wafer alkaline texturing

用電子掃描顯微鏡(SEM)觀察了圖2 中晶粒a～晶粒d 的表面微形貌，如圖3 所示。從圖中可看出，不同對(duì)比度的晶粒，其微觀形貌區(qū)別也較大。

圖3 不同晶粒的表面微形貌SEM 圖Fig. 3 SEM images for the surface morphology of different grains

無(wú)論是否采用制絨工藝，從不同角度去觀察一塊多晶硅片，其表面的晶粒對(duì)比度都會(huì)發(fā)生變化。由此可知，這種各向異性是由微觀形貌造成的。

本文設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)記錄實(shí)驗(yàn)硅片上晶粒對(duì)比度的變化，該裝置由1 個(gè)光學(xué)旋轉(zhuǎn)臺(tái)、1 個(gè)漫反射LED 屏和2 部相機(jī)組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。以光學(xué)旋轉(zhuǎn)臺(tái)表面的旋轉(zhuǎn)中心為圓心，建立3D 的笛卡爾坐標(biāo)系，z軸垂直于旋轉(zhuǎn)臺(tái)表面，x軸正半軸指向并垂直于漫反射LED屏，xy所在平面與實(shí)驗(yàn)硅片表面重合。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the experimental device

2.2 圖像處理及數(shù)據(jù)分析

對(duì)光學(xué)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的硅片拍照，將1 部相機(jī)任意角度采集得到原始圖像(見(jiàn)圖5a)，根據(jù)文獻(xiàn)[9]中的投影變換方法，可變換得到初始角度(0°)時(shí)的圖像(見(jiàn)圖5b)，然后將投影變換過(guò)程中生產(chǎn)的0°～359°的圖像排成一列(見(jiàn)圖5c)。由于是2 部相機(jī)，所以可得到2 列這樣的序列。

圖5 不同情況下的圖像Fig. 5 Images in different situations

取出同一像素時(shí)0°～359°投影變換得到的所有圖像中的亮度值，并在極坐標(biāo)中生成角度-亮度散點(diǎn)圖，可以得到非常有特征的反射圖譜，如圖6 所示，其中紅色和藍(lán)色譜線分別代表2個(gè)相機(jī)拍攝到的反射譜線。從每個(gè)晶粒上都能得到若干個(gè)亮度極值，圖6 的反射譜線中一般包含3～4 個(gè)亮度峰值。

圖6 晶粒a～d 的反射圖譜Fig. 6 Reflection intensity pattern of grains a～d

2.3 大尺寸樣品的數(shù)據(jù)校正

測(cè)試大尺寸硅片時(shí)，絕大多數(shù)晶粒并不能處于光學(xué)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的正中心，因此檢測(cè)的反射譜線峰值與<111>晶面的法向量會(huì)有一定偏差。

假設(shè)圖7 中一個(gè)任意晶粒g 處于向量V0位置，晶粒g 存在一個(gè)<111>晶面的法向量V1。實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，假設(shè)在向量Vc1方向觀察到了亮度峰值，那么可以通過(guò)式(2)計(jì)算出V1。

圖7 的模型解釋了這種偏差的來(lái)源，并提出了校準(zhǔn)方法。在模型中，所有元器件都被投影到xoy平面內(nèi)，并以硅片為參照物，相機(jī)和光源在繞原點(diǎn)公轉(zhuǎn)。

圖7 大尺寸硅片峰值偏差解釋模型和校準(zhǔn)方法Fig. 7 A model to explain and calibrate the vector deviation on large silicon wafer

校正過(guò)程十分必要，尤其是相機(jī)1 的Vc1的模要小于相機(jī)2 的Vc1的模。

3 結(jié)果與討論

基于上述分析和校準(zhǔn)方法，圖3 中4 個(gè)晶粒的晶向指數(shù)的計(jì)算結(jié)果為：晶粒a<0.469,0.569, 0.085>、晶粒b<0.977, 0.100, 0.000>、晶粒c<0.579, 0.564, 0.588>、晶粒d<0.923, 0.168,0.021>。

為了檢驗(yàn)本文所提出方法的精確性，通過(guò)激光切割，選取了2 個(gè)面積為1 cm2的樣本，分別采用本文所設(shè)計(jì)的光學(xué)掃描方法與X 射線衍射(XRD)進(jìn)行晶向檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1 所示。

表1 光學(xué)檢測(cè)與XRD 檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

XRD 是一種較為精確的晶向檢測(cè)方法，其精度一般高于0.5°。由表1 可知，本文所設(shè)計(jì)的光學(xué)掃描方法與XRD 檢測(cè)結(jié)果的最大差異是0.84°，因此本文所設(shè)計(jì)的檢測(cè)方法的檢測(cè)精度小于1.34°。

本文所設(shè)計(jì)的光學(xué)掃描方法可適用于所有晶粒晶向的精確檢測(cè)。由于硅片中的晶粒較多(多達(dá)數(shù)千)，為方便顯示，按角度差異將晶向歸為<100>、<110>、<111>、<124>、<205>、<113>和<122>這7 類。按此分類，實(shí)驗(yàn)所用的面積為100×100 mm2多晶硅片的晶向光學(xué)掃描結(jié)果如圖8所示，面積為100×100 mm2的硅片的測(cè)試時(shí)間小于10 min。本方法可用于多晶硅鑄錠的優(yōu)化和高效多晶硅片的研發(fā)。

圖8 100×100 mm2 多晶硅片晶向的光學(xué)掃描結(jié)果Fig. 8 Orientation mapping of 100×100 mm2 polysilicon wafer

4 結(jié)論

本文提出了一種大尺寸多晶硅片晶向的光學(xué)掃描方法，經(jīng)測(cè)試對(duì)比，該方法與XRD 檢測(cè)結(jié)果的差異在1°以內(nèi)，面積為100×100 mm2硅片的測(cè)試時(shí)間小于10 min，大約可以實(shí)現(xiàn)1000 多個(gè)晶粒的識(shí)別和晶向計(jì)算，并可按角度差異將晶向歸為7 類顯示在晶向掃描圖中。該方法可用于多晶硅鑄錠的優(yōu)化及高效多晶硅片的研發(fā)。