CN110514627B - 硅片反射率测量方法及其测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅片反射率测量方法，其包括以下步骤：(1)使用具有特定光谱的光源均匀的照射到硅片样品的表面；(2)通过光学镜头将硅片样品表面反射的光聚焦到光电探测器上；(3)光电探测器接收到的光信号转换为电信号，并输出结果；(4)将输出结果与标准样品的测试结果进行比对得出待测硅片样品的反射率。本发明还公开了一种硅片反射率测量装置，整体结构设计合理，能精确、快速测量出硅片反射率，避免主观判断的差异性，速度快、精度高、重复性高，可以对大面积硅片反射率进行测量，实现批量化检量，适用范围广，成本较低，利于广泛推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及硅片反射率检测技术领域，特别涉及一种硅片反射率测量方法及其测量装置。
背景技术
目前，硅片反射率的测量方法主要为两种方法，主要区别是分光的位置不同，一种是在测试样品前进行分光，另一种是在测试样品后对测试信号进行分光。第一种方法是使用光栅把光源的光分成一个光谱，光谱照射到狭缝产生单色光，单色光再经过准直等操作后以一定小的夹角(常规为8°)照射到待测样品上，经过样品反射后的光在积分球中进行积分，通过在积分球侧壁上的光电探测器探测局部光强的办法计算得到整个反射光的能量。最后通过反射能量与入射能量之间的比值得出样品在该波长下的反射率。入射光的能量通过标准样品的反射率及反射能量计算得到。改变光栅的倾角可以得到不同的入射波长。样品单点的反射率是通过对各个波长下的反射率与太阳光标准光谱的积分和获得。因此想获得单点样品的平均反射率，需要耗费几秒钟甚至几分钟才能对整个光谱进行测量。测量的面积由光斑大小决定，最终测量的反射率是整个光斑区域的平均反射率。因此该技术无法获得小于光斑区域的反射率，也无法获得大区域的反射率。即使对整个区域进行扫面测量，也仅是通过采集多点的方法近似认为整个区域，该方法还需要耗费大量时间。由于该方案在光栅移动以及位置逐个测量两个方面都需要耗费大量的时间，因此该方案不利于工业化的应用，仅在实验室被采用。
另一个方案是采用具有宽波谱的光源经过透镜汇聚，从侧面照射到积分球内部，在顶部偏8°角处的光纤记录底部有样品时和有标准样品时各个波长下光强度的变化得到不同波长下的反射率。其中光纤导出的光进入到光纤光谱仪中进行分析。由于光纤光谱仪中的光栅为固定光栅，通过有一个长度的CCD对光谱进行分析的方法，从而避免了光栅移动所需要耗费的时间。但是该方案测试区域有积分球上开孔决定，无法获得比孔小区域的反射。如果需要测试大的区域，和第一种方案存在相同的问题。需要耗费大量的时间，所以在工业界使用仍然存在较多的问题。特别是对于不均匀的样品，为了获得较为准确的反射率，必须要通过多点测量取平均值的办法来获得。但是每次选取点的不同会导致反射率测试结果重复性非常差。如果想提高重复性，则需要增加测量点的数目，从而增加了测量的时间成本，因此需要再重复性与准确性和时间之间相互平衡。
公开号“CN107845090A”，名称为“一种硅片检测方法和硅片检测装置”，其公开了一种硅片检测方法，通过硅片各个像素点的灰度值与硅片反射率的关系进行反射率测量的方法，该方法首先需要使用多个标准样品进行灰度值和反射率关系的标定，一般认为两者具有线性的关系。但是该方法测量结果的准确性充分的依赖于灰度值与反射率相关，为了提高测试的精度，一种类型的样品需要使用相同类型的样品进行标定才能够获得较为准确的结果。因为该方法的测试虽然可以提高测试的面积和降低的测试时间，但是牺牲了测试的准确性，以及设备标定的通用性较差。
因此，急需一种更加精确且测量时间短的硅片反射率测量方法和测量装置，其可以对大面积硅片反射率进行测量。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种硅片反射率测量方法及其测量装置。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：
一种硅片反射率测量方法，其包括以下步骤：
(1)使用具有特定光谱的光源均匀的照射到硅片样品的表面；
(2)通过光学镜头将硅片样品表面反射的光聚焦到光电探测器上；
(3)光电探测器接收到的光信号转换为电信号，并输出结果；
(4)将输出结果与标准样品的测试结果进行比对计算得出待测硅片样品的反射率。
作为本发明的一种改进，所述光源为补偿了光电探测器光谱响应度后的光源，所述光源的特定光谱为400-500nm、500-600nm、600-700nm、700-800nm、800-900nm和900-1100nm,这六个波长范围实际测试的总辐照度的百分比与理想光谱辐照分布的百分比的比率都在0.4～2.0之间；所述的理想光源的光谱与所使用的光电探测器响应度的积为太阳光标准AM1.5光谱乘以一个常数。
作为本发明的一种改进，所述的光电探测器包括CCD或CMOS；所述光源由LED、氙灯和卤素灯中一种或多种组合而成。所述硅片样品为经原始切割后、制绒后、抛光后、扩散后、镀膜后、丝网印刷后的硅片、太阳能电池片成品或使用硅片制成的其他产品。
作为本发明的一种改进，所述步骤(4)采用以下公式进行计算：R＝R0/I0*I+b；
其中R为硅片样品的反射率，R0为标准样品的反射率，I0为标准样品测量后的光生电流，I为待测样品测量后的光生电流，b为修正因子。
作为本发明的一种改进，所述步骤(3)中的输出结果为灰度值，其灰度值与光电电流的大小成正比。
作为本发明的一种改进，所述步骤(4)采用以下公式进行计算：R＝R0/H0*H+b；
其中R为硅片样品的反射率，R0为标准样品的反射率，H0为标准样品测量后的灰度值，H为待测样品测量后的灰度值，b为修正因子。
一种硅片反射率测量装置，其包括样品台、光源模块、光学镜头模块、数据采集模块和数据分析运算模块，所述样品台设置在密封箱体内的底面，所述光学镜头模块和数据采集模块相组合形成镜头，该镜头设置在密封箱体内的顶面，所述光源模块设置在箱体内，并朝向所述样品台。其中所述样品台用于放置待测硅片样品；光源模块用于为放置在样品台上的硅片样品提供均匀的具有特定光谱的光源；光学镜头模块用于将经过硅片样品反射的光进行汇聚并过滤掉非反射光；数据采集模块用于将经过光学镜头汇聚的光信号转化为电信号，并输出结果。数据分析运算模块用于将数据采集模块的输出结果与标准样品的测试结果进行比对得出硅片样品的反射率。
作为本发明的一种改进，所述光源模块为补偿了光电探测器光谱响应后的太阳光模拟光源，所述数据采集模块为光电探测器，该光电探测器为单一的或阵列的排布，所述光电探测器为CCD或CMOS。
太阳能电池片是应用于太阳光环境下，因此测量太阳能电池用硅片的反射率则需要考虑到太阳能光谱。目前硅片的反射率测量是对太阳能光谱在λ1和λ2之间每个波长下的反射率根据下面公式进行加权求和，从而得到测量区域的反射率R：
其中G(λ)为太阳光AM1.5标准光谱，λ1和λ2分别为测试的起始波长和结束波长，一般情况下分别为300nm和1100nm。该计算方法需要知道λ1和λ2之间连续光谱下每个波长的反射率，然后进行积分得出平均反射率R。对于目前测量硅片反射率使用的方法，是通过对每一个波长λ的反射率R(λ)进行一次测量，但是在实际的测试过程中，对于第一种测试方法，由于光栅的移动精度和测试时间的限制，只能根据特定步长，测量部分波长下的反射率，通过以直代曲的办法获得平均反射率，常见的步长选择为20nm、10nm和1nm等，从而会引起反射率测量结果的误差。
公开号“CN107845090A”，名称为“一种硅片检测方法和硅片检测装置”，其公开了一种硅片检测方法，使用的方法是考虑到整个光谱情况，因此对于每一个像素点，其反射率R(x,y)的计算公式为：
其中GLED(λ)为使用的LED光谱图，由于LED光谱图与太阳光光谱差异非常大，因此该测量方法会引起较大的误差。因此仅能使用灰度值与反射率的线性关系计算出反射率，虽然能够降低一些测量的误差，但是仍然存在较大的误差。并且很明显的是，对于不同类型的硅片样品，灰度值与反射率的斜率是存在明显的差异，因此对于每一种硅片类型都需要使用相同类型的硅片进行校准从而降低反射率的测量误差。
本发明的有益效果为：本发明提供的硅片反射率检测方法能够量化硅片的外观情况，避免主观判断的差异性，速度快、精度高、重复性高；本发明提供的硅片反射率测量装置的结构合理，硬件配置简单，工作可靠性高，能精确、快速测量出硅片反射率，可以对大面积硅片反射率进行测量，适用范围广，成本较低，利于广泛推广应用。
下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。
附图说明
图1为本发明硅片反射率测量装置的结构示意图。
图2为CMOS光电探测器的响应度。
图3为理想光源光谱图。
具体实施方式
参见图1至图3，本实施例提供的一种硅片反射率测量方法，其包括以下步骤：
(1)使用补偿了光电探测器光谱响应后的太阳光模拟的光源均匀的照射到硅片样品的表面；光源的特定光谱选在400-500nm、500-600nm、600-700nm、700-800nm、800-900nm和900-1100nm。这六个波长范围实际测试的总辐照度的百分比与理想光谱辐照分布的百分比的比率都在0.4～2.0之间。所述的理想光源的光谱与所使用的光电探测器响应度的积为太阳光标准AM1.5光谱乘以一个常数。所述太阳模拟光源由LED、氙灯和卤素灯中一种或多种组合发光而成。光源的光线可以以任意角度均匀的照射在硅片样品的表面；所述的硅片样品为经原始切割后、制绒后、抛光后、扩散后、镀膜后、丝网印刷后的硅片、太阳能电池片成品或使用硅片制成的其他产品；
(2)通过光学镜头将硅片样品表面反射的光聚焦到光电探测器上；所述的光电探测器包括CCD或CMOS；
(3)光电探测器接收到的光信号转换为电信号，并输出结果；
(4)将输出结果与标准样品的测试结果进行比对计算得出待测硅片样品的反射率。具体的，所述步骤(4)采用以下公式进行计算：R＝R0/I0*I+b；其中R为硅片样品的反射率，R0为标准样品的反射率，I0为标准样品测量后的光生电流，I为待测样品测量后的光生电流，b为修正因子。
或，当所述步骤(3)中的输出结果为灰度值，其灰度值与光电电流的大小成正比。所述步骤(4)采用以下公式进行计算：R＝R0/H0*H+b；其中R为硅片样品的反射率，R0为标准样品的反射率，H0为标准样品测量后的灰度值，H为待测样品测量后的灰度值，b为修正因子。
一种硅片反射率测量装置，其包括样品台1、光源模块2、光学镜头模块3、数据采集模块和数据分析运算模块4。本实施例中，数据分析运算模块4为台式计算机。其它实施例中，该数据分析运算模块4也可以为工控机等。
所述样品台1设置在密封箱体内的底面，所述光学镜头模块3和数据采集模块相组合形成镜头3，该镜头3设置在密封箱体内的顶面，所述光源模块2设置在箱体内，光源的选取需要考虑光源能够以多角度均匀照射到样品表面。
所述样品台1用于放置待测硅片样品；光源模块2用于为放置在样品台1上的硅片样品提供均匀的多角度的具有特定光谱的光源；光学镜头模块3用于将经过硅片样品反射的光进行汇聚并过滤掉非反射光；数据采集模块用于将经过光学镜头汇聚的光信号转化为电信号，并输出结果。数据分析运算模块4用于将数据采集模块的输出结果与标准样品的测试结果进行比对得出硅片样品的反射率。
标准测量：采用分光光度计测试方法进行测量，波长的步长为0.1nm，其中样品1、2、3和4为整体均匀的单晶硅硅片样品，样品5和6为表面有不同晶粒的多晶硅硅片样品。对于单晶硅样品，表面均匀性较好，采用25点测试，测试时间为900s即可得出准确可靠的反射率结果。对于多晶硅样品，表面存在不同的晶粒，因此不同区域的反射率完全不同。测试点数目采用100点，测试时间为3000s。由于测试步长较短，且需要多点测试提高测试准确性，因此该分光光度计测试方法需较长的测试时间，不适用于大批量的工业生产之中。
实施例1：
使用补偿了光电探测器光谱响应后的太阳光模拟的LED灯作为光源，该光源的光谱分别在400-500nm、500-600nm、600-700nm、700-800nm、800-900nm和900-1100nm，这六个波长范围实际测试的总辐照度的百分比与理想光谱辐照分布的百分比的比率分别为0.92、0.90、0.79、1.08、1.03和1.13。理想光谱图如图3所示CMOS光电探测器1所示，光电探测器使用的是CMOS光电探测器1，其光谱响应度如图2所示。使用光电传感器将镜头汇聚的光能转化为的电流信号，电流测试结果与标准硅片的结果对比得出如下六个样品的测试结果，具体参见表1。
表1
| 样品编号 | 标准测量 | 实施例1 | 差异 |
| 1 | 8.10％ | 8.28％ | 0.18％ |
| 2 | 8.88％ | 9.03％ | 0.15％ |
| 3 | 30.27％ | 30.17％ | 0.10％ |
| 4 | 11.33％ | 11.40％ | 0.07％ |
| 5 | 18.03％ | 18.33％ | 0.30％ |
| 6 | 22.97％ | 23.01％ | 0.04％ |
与标准测量结果相对比，差异率在0.3％之间，单晶硅样品的反射率误差在0.2％，多晶硅样品的反射率差异在0.3％之间，充分表明了该方法可以表明反射率，表明了该测试方式结果的准确性。该测试方法不管是对于单晶样品还是多晶样品，测试时间是相同的，仅需要1s，在测试结果准确的情况下同样能够获得准确的测试结果。
实施例2：
使用补偿了光电探测器光谱响应后的太阳光模拟的LED灯太阳光模拟器作为光源，光源的光谱分别在400-500nm、500-600nm、600-700nm、700-800nm、800-900nm和900-1100nm这六个波长范围实际测试的总辐照度的百分比与理想光谱辐照分布的百分比的比率分别为0.95、0.78、0.73、0.83、1.03和1.45。使用CCD光电探测器2的阵列将镜头汇聚的光能转化为电流信号，电流测试结果与标准硅片的结果对比得出如下六个样品的测试结果，具体参见表2。
表2
| 样品编号 | 标准测量 | 实施例2 | 差异 |
| 1 | 8.10％ | 8.27％ | 0.17％ |
| 2 | 8.68％ | 8.74％ | 0.06％ |
| 3 | 30.27％ | 30.02％ | 0.25％ |
| 4 | 11.33％ | 11.20％ | 0.13％ |
| 5 | 18.03％ | 18.50％ | 0.47％ |
| 6 | 22.97％ | 22.97％ | 0.00％ |
与标准测量结果相对比，差异率在0.5％之间，单晶硅样品的反射率误差在0.25％，多晶硅样品的反射率差异在0.5％之间，充分表明了该方法可以表明反射率，表明了该测试方式结果的准确性。
由于该光谱与理想光谱的匹配度比实施例1差，因此结果的准确性略微较低。该测试方法不管是对于单晶样品还是多晶样品，测试时间是相同的，仅需要1s。
对比例1：
使用普通白光LED作为光源，该LED为蓝色光在荧光粉的作用下发出白光。使用CMOS光电探测器将镜头汇聚的光能转化为的电流信号，电流测试结果与标准硅片的结果对比得出如下六个样品的测试结果，具体参见表3。
表3
| 样品编号 | 标准测量 | 对比例1 | 差异 |
| 1 | 8.10％ | 9.41％ | 1.31％ |
| 2 | 8.68％ | 8.54％ | 0.14％ |
| 3 | 30.27％ | 31.09％ | 0.82％ |
| 4 | 11.33％ | 11.98％ | 0.65％ |
| 5 | 18.03％ | 19.56％ | 1.53％ |
| 6 | 22.97％ | 26.40％ | 3.43％ |
与标准测量结果相对比，部分样品的差异率大于1％之间，甚至有一个多晶样品的差异率达到了3.43％。因此使用普通白光LED作为光源会带来较大的误差。但是对于反射率随着波长变化不是很大的样品，测试结果的准确性可以低于0.5％，因此普通白光LED光源可以用于特定样品反射率的测量，但是不具有普适性，并且需要对于每种类型的硅片需要使用该类型的硅片进行校准。同样该测试方法不管是对于单晶样品还是多晶样品，测试时间是相同的，仅需要1s。
对比例2：
使用分光光度计测试方法进行测量，波长的步长分别为10nm，20nm，40nm，其对于单晶硅样品1、2、3和4，表面均匀性较好，采用9点测试，测试时间分别为460s、390s和330s。对于多晶硅样品5和6，表面存在不同的晶粒，因此不同区域的反射率完全不同。测试点数目采用100点，测试时间分别为2500s、2330s和1900s。测试结果具体参见表4；
表4
与标准测量结果相对比，增加测试波长的步长，降低测试时间的同时增加了测量结果的差异性，在步长为40nm时，差异率达到了0.2％。即使在增加步长的时候，测试时间仍然较长，无法满足工业生产的使用，尤其是对于多晶硅而言，需要非常多的测量点才能够获得准确的结果。
对比例3:使用样品后分光测试的方法进行测量，波长的步长选用10nm，测试点数采用5点、25点和64点对样品进行测试，测试时间分别为26s、65s和110s。测试结果具体参见表5；
表5
与标准测量结果相对比，减少了测试点数目，可以达到降低测试时间的目的，但是同时增加了测量结果的差异性。在测试点数目降低到5个点时，虽然时间降低到了26s，但是差异率超过了5％，主要是由于多晶硅在不同晶向上面的反射率差异情况导致的。并且不同测试方向导致的结果差异情况也非常的大。增加测试点数目，可以明显的发现测试结果的差异率在降低，因此如果想得到准确的结果，需要尽可能多的测量点，但是这明显的增加的测试的时间。
因此，本发明根据反射率测量公式，提出了利用补偿了光电探测器光谱响应后的模拟光源和光电探测器的方法进行反射率的测量，该方法不仅可以降低测量时间，还可以得出任意区域大小内准确的测试结果。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。如本发明上述实施例所述，采用与其相同或相似的步骤而得到的其它方法及装置，均在本发明保护范围内。
Claims (7)
1.一种硅片反射率测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)使用具有特定光谱的光源均匀的照射到硅片样品的表面；
(2)通过光学镜头将硅片样品表面反射的光聚焦到光电探测器上；
(3)光电探测器接收到的光信号转换为电信号，并输出结果；
(4)将输出结果与标准样品的测试结果进行比对计算得出待测硅片样品的反射率；
所述光源为补偿了光电探测器光谱响应度后的光源，所述光源的特定光谱为400-500nm、500-600nm、600-700nm、700-800nm、800-900nm和900-1100nm,这六个波长范围实际测试的总辐照度的百分比与理想光谱辐照分布的百分比的比率都在0.4～2.0之间；所述理想光谱与所使用的光电探测器响应度的积为太阳光标准AM1.5光谱乘以一个常数。
2.根据权利要求1所述的硅片反射率测量方法，其特征在于：所述的光电探测器包括CCD或CMOS；所述光源由LED、氙灯和卤素灯中一种或多种组合而成。
3.根据权利要求1所述的硅片反射率测量方法，其特征在于：所述硅片样品为经原始切割后、制绒后、抛光后、扩散后、镀膜后、丝网印刷后的硅片、太阳能电池片成品或使用硅片制成的其他产品。
4.根据权利要求1所述的硅片反射率测量方法，其特征在于：所述步骤(4)采用以下公式进行计算：R＝R0/I0*I+b；
其中R为硅片样品的反射率，R0为标准样品的反射率，I0为标准样品测量后的光生电流，I为待测样品测量后的光生电流，b为修正因子。
5.根据权利要求1所述的硅片反射率测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中的输出结果为灰度值，其灰度值与光生电流的大小成正比。
6.根据权利要求5所述的硅片反射率测量方法，其特征在于：所述步骤(4)采用以下公式进行计算：R＝R0/H0*H+b；
其中R为硅片样品的反射率，R0为标准样品的反射率，H0为标准样品测量后的灰度值，H为待测样品测量后的灰度值，b为修正因子。
7.一种硅片反射率测量装置，其特征在于，其包括
样品台，用于放置待测硅片样品；
光源模块，用于为放置在样品台上的硅片样品提供均匀的具有特定光谱的光源；
光学镜头模块，用于将经过硅片样品反射的光进行汇聚过滤掉非反射光；
数据采集模块，用于将经过光学镜头汇聚的光信号转化为电信号，并输出结果；所述数据采集模块为光电探测器，该光电探测器为单一的或阵列的排布，所述光电探测器为CCD或CMOS；
数据分析运算模块，用于将数据采集模块的输出结果与标准样品的测试结果进行比对得出硅片样品的反射率；
所述光源模块为补偿了光电探测器光谱响应后的太阳光模拟光源，所述光源的特定光谱为400-500nm、500-600nm、600-700nm、700-800nm、800-900nm和900-1100nm,这六个波长范围实际测试的总辐照度的百分比与理想光谱辐照分布的百分比的比率都在0.4～2.0之间；所述的理想光谱与所使用的光电探测器响应度的积为太阳光标准AM1.5光谱乘以一个常数。
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