太阳能电池量测解决方案

KLA Instruments Zeta 光学轮廓仪

导言

太阳能电池大多由单晶硅或多晶硅制成，将晶硅锭加工成太阳能电池需要一系列制造工艺，包括晶圆切割、制绒、酸洗、扩散、刻蚀、减反膜沉积、激光开槽、接触印刷等。下图为工艺流程中的测量节点。

太阳能电池工艺流程中的量测节点, 包括金刚石切割线的表面形貌、硅片翘曲/表面粗糙度/边缘倒角、电池片表面金字塔绒面高度和宽度的表征、减反膜厚度和反射率，以及激光开槽、太阳能金属栅线和主栅线的形貌。

本篇应用说明主要介绍采用KLA Instruments的Zeta 3D光学轮廓仪对太阳能电池的表面金字塔结构、激光开槽、金属栅线和主栅线结构的测量与分析。

Zeta光学轮廓仪广泛应用于太阳能电池的生产工艺流程中，包括： (i)用于硅片切割的金刚石线检测；(ii)硅片表面粗糙度、翘曲和边缘倒角的量化；(iii)金字塔结构的高度、尺寸、周期测量，以及绒面的比表面积分析；(iv)减反膜的厚度和反射率测量；(v)用于印刷银栅线的激光开槽形貌表征；(vi)金属线（细栅线和主栅线）的高度、宽度、横截面积和体积的测量。 

此外，Zeta可实现多点自动化测量，针对太阳能电池的应用具有全自动分析能力。相比于扫描电子显微镜（SEM）具有无损测量的优势，而其产能远高于原子力显微镜（AFM）。

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操作原理 

Zeta光学轮廓仪采用ZDot技术和多模组光学系统，可测量不同样品的表面形貌，及亚纳米级至毫米级的台阶高度。系统包含两个高强度白色LED光源：光源1用于获取ZDot网格在Z方向的对比度变化信息，还原表面形貌；光源2用于保留样品的真彩色信息。

ZDot 技术示意图

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晶硅太阳能绒面分析

硅片表面的金字塔结构用于提升太阳能电池的光利用率。Zeta太阳能绒面解决方案可自动统计和分析视场中的金字塔结构，包含金字塔大小和高度的直方图、真彩色图像、金字塔结构的统计信息（大小、高度、数值和表面面积比率）。

金字塔分析界面，显示：具有金字塔峰位置自动识别和轮廓位置的 2D 图像（左上角）；单晶硅绒面的3D图像（右上角）;以及金字塔大小和高度的直方图（底部），其中红色曲线表示对数据的拟合。

下图为用于分析特定于单晶硅和多晶硅的绒面结构的不同算法。系统可检测单晶结构每个金字塔的顶点，并计算高度、大小、计数和表面积，或检测多晶绒面的边界并完成相应的统计计算。同时，使用Zeta的多点测量功能，可以实现太阳能电池的多点位自动化测量。

单晶硅（左）和 多晶硅（右）的绒面结构。对于多晶硅结构，结构的边界被图像处理算法圈出。

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激光开槽量测 

太阳能电池广泛采用激光开槽埋入式接点，以便提供基础结构以印制金属线。Zeta可测量激光开槽的宽度和深度，如下图。使用3D图像的特征查找功能，可自动寻找激光凹槽的边缘并分析深度和宽度。 

激光开槽分析：(a) 2D 图像；(b) 3D 图像；(c) 2D 横断面分析结果。对于 2D 和 3D 图像，2D轮廓线来自于宽线范围的平均沟槽轮廓。

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太阳能金属栅线表征  

太阳能金属栅线用于将绒面区域产生的电能传导到金属主栅线，主栅线又将电能传导到硅片边缘以到达外部电路。太阳能金属栅线的反射率非常高，而镀有减反膜的晶硅绒面反射率极低（< 5%）。Zeta 的HDR成像系统能够在非常暗的表面上，对高反射率的金属栅线进行精确的3D测量。 

HDR 成像：使用低强度光从高反太阳能指状电极线（顶部）生成有效信号；使用高强度光从低反射金字塔结构（底部）生成有效信号。

Zeta太阳能金属栅线程式可以自动测量和分析金属栅线，并根据多个横截面的数据分析太阳能金属栅线的平均高度、宽度、面积和体积等。 

此外，Zeta具有图像识别功能，可自动定位金属栅线并完成测量分析，无需手动寻找测量视场。

太阳能金属栅线分析：2D横截面轮廓（左上角）、具有横截面位置的2D图像（右上角）、2D横截面结果（左下角）和3D图像（右下角）。

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太阳能金属主栅线表征 

与指状栅线相比，主栅线的结构更宽，通常为1500μm。Zeta的自动图像拼接技术可实现对主栅线的测量。

太阳能主栅线分析：2D 横截面轮廓（左上角）、具有横截面位置的 2D 图像（右上角）、2D 横截面结果（左下角）和包含自动拼接图像的 3D 图像（右下角）。

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其他太阳能相关应用 

Zeta是一种通用测量工具，也可用于在太阳能电池加工的初始步骤中表征硅片，使用ZDot模式和相移干涉模式（PSI）来计算未抛光硅片的表面粗糙度。下图为未抛光硅片的俯视图， 和硅片的翘曲测量。

用于面粗糙度分析的未磨光硅片的图像。用户指定的矩形定义计算所用的区域。

2D 晶圆翘曲测量结果量化了硅晶圆的高度变化。

结论 

Zeta 光学轮廓仪可用于：

太阳能电池的非破坏性和高产量测量。Zeta采用ZDot技术、HDR功能以及专为太阳能应用开发的算法和程式，可对绒面、激光凹槽、金属栅线和主栅线进行自动和全面的表征。