TW201416660A - 用於分析多晶矽半導體材料之晶體結構之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明描述一種用於分析多晶矽半導體材料之晶體結構之方法。依據一實施例，包含激發該材料以使該材料發出一發光信號，在該材料之一預定空間區域中之一網格之每一點於一頻寬帶大於或等於該材料之能隙之寬度之一可變極化角偵測該發光信號，在該材料之該預定空間區域中之該網格之每一點從該網格之該每一點所偵測之該信號估算以該極化角之函數之正弦波之總和模擬之該發光信號之調變之資料特性，以及在該預定空間區域中之該網格之全部點產生該特性資料之代表。

Description

用於分析多晶矽半導體材料之晶體結構之方法
本發明是有關於一種用於分析多晶矽半導體材料之晶體結構之技術，特別是有關於一種描述使用於光伏打電池之多晶矽吸收材料之結構之特性之技術。
光伏打能源作為化石燃料的替代品之吸引力，已經引起使用許多光伏打電池之太陽能板之產品的開發。
光伏打產品市場的發展已經在這一領域的研究和發展振興，且此研究和開發工作的一部分已集中為所用材料之特徵以改善現有產品和鋪平新一代產品之道路。此外，在這些市場的繁榮需要定義測試的品質和法規遵從與預期的性能(尤其是在轉換效率方面)並制定程序以用於測試和分析性能，其程序必須符合量產的要求。
顯著的是，基於多晶矽半導體材料之光伏打電池，其已經開發用於檢測晶體結構或微結構之缺陷之技術。例如，M. Peloso、B. Hoex及A-G. Aberle所著之文章“Polarization analysis of luminescence for the characterization of silicon wafer solar cells”(Applied Physics Letters 98, 171914 (2011))描述藉由分析電池所發出之電致發光信號之極化之分析之用於分析光伏打電池之缺陷之方法。
除了偵測缺陷，也發展了多晶體材料之結構或微結構的特徵之技術。多晶體材料之結構或微結構一般使用掃描式電子顯微鏡於EBSD(電子背向散射繞射(electron backscatter diffraction))模式或使用TEM(穿透式電子顯微鏡)而特性化。這些材料特性工具用於大量使用，因為待分析樣品需要準備，其可以被證明是困難的，從而使其與在量產中的質量和一致性測試的要求不相容。具體而言，使用這些技術，有必要藉由研磨其表面以消除粗糙度而準備待分析樣品。此準備可以是棘手的實施且樣品的分析有時是不可能的，因為，例如，由材料研磨程序所產生之加工硬化的問題。
極化拉曼光譜映射(polarized Raman spectra mapping)的技術也可被考慮用於多晶矽材料之結構或微結構的特徵之目的，但是在實際中，其是昂貴的，因為它需要一種高頻譜質量和非常高解析度的光譜儀。
本發明之一目的就是要解決上述多晶矽材料特徵化之技術之缺失。
本發明因此提供一種用於分析多晶矽半導體材料之晶體結構之方法，包含激發多晶矽半導體材料以使多晶矽半導體材料發出一發光信號，在多晶矽半導體材料之一預定空間區域中之一網格之每一點於大於或等於該材料之能隙之寬度之一頻寬帶偵測一可變極化角之發光信號，在多晶矽半導體材料之該預定空間區域中之該網格之每一點從該網格之該每一點所測得之該信號估算 由正弦波之總和建立之該發光信號之調變之資料特性以作為該極化角之函數 ，以及在該預定空間區域中之該網格之全部點產生該特性資料之代表。
相較於前述技術，本發明所提出之方法具有簡單、快速且不貴之多晶矽材料之結構特性之特徵化之優點。特別是，所提出之方法為非破壞性(不會降解樣品)且不須樣品準備。因此在分析後樣品可重複使用、在製造過程(例如，光伏打電池，在經由沉積於基板上以成長材料之過程中，以確認成長過程是先驗滿意結果)中分析樣品是可能的。所提出之方法因此特別適用於量產的需求，由於可在所有製造階段中產品之即時分析及檢測。
所提出之方法可有利於執行經調變之發光信號之模擬之形式為：
，其中Ilum表示該發光信號之強度，Ak表示該發光信號之振幅參數，θ表示該發光信號之極化之分析角度，φk表示相對於一相位參考之該發光信號之相位位移之參數，A0表示該發光信號之該強度之最小值參數，nk為嚴格正整數，且k為自然整數總和指數1至K，其中所估算之特性資料對應於振幅、相位位移、頻率及/或最小值參數或其組合之一者。
此外，也可以考慮藉由一相機之元件而偵測該發光信號，該預定空間區域中之網格藉由選擇該相機之感測器上之點而對應。
在該方法之一第一實施例中，使用光激發以藉由光致發光產生由多晶矽半導體材料發出之該發光信號。
在該方法之一第二實施例中，使用電激發以藉由電致發光產生由多晶矽半導體材料發出之該發光信號。
在該方法之一第三實施例中，使用加熱材料以藉由熱致發光產生由多晶矽半導體材料發出之該發光信號。
依據另一態樣，提供一種用於分析多晶矽半導體材料之晶體結構之系統，包含：用於激發多晶矽半導體材料之一元件，設置以激發多晶矽半導體材料以使多晶矽半導體材料發出一發光信號；用於偵測之一元件，位於多晶矽半導體材料之一預定空間區域中之一網格之每一點，於大於或等於該材料之能隙之寬度之一頻寬帶偵測一可變極化角之該發光信號；以及一資料處理單元，包含：一電腦處理器可操作地耦接至記憶元件及一輸入/輸出介面模組，該記憶元件係配置以儲存對應於該網格之每一點測得之信號之資料；一分析器，係由該電腦處理器所執行且配置以在該材料之該預定空間區域中之該網格之每一點從該網格之該每一點所測得之該信號估算 由正弦波之總和建立之該發光信號之調變之資料特性以作為該極化角之函數；以及在該預定空間區域中之該網格之全部點產生該特性資料之代表。
在一實施例中，該分析器更配置以估算一資料特性作為經調變之發光信號之模擬之形式為：
，其中Ilum表示該發光信號之強度，Ak表示該發光信號之振幅參數，θ表示該發光信號之極化之分析角度，φk表示相對於一相位參考之該發光信號之相位位移之參數，A0表示該發光信號之該強度之最小值參數，nk為嚴格正整數，且k為自然整數總和指數1至K，其中所估算之特性資料對應於振幅、相位位移、頻率及/或最小值參數或其組合之一者。
依據一實施例，該分析系統之該偵測元件包含一相機，多晶矽半導體材料上之該預定空間區域網格藉由選擇該相機之感測器上之點而對應。
此外， 用於激發多晶矽半導體材料之該元件可包含排列以發出一光激發信號之一光源以使該材料發出一光致發光信號，或者排列以激發設置於多晶矽半導體材料上之多個電極一電信號之一電源以使多晶矽半導體材料發出一電致發光信號，或者排列以加熱該材料之一熱源以使多晶矽半導體材料發出一熱致發光信號。
依據另一態樣，提供一種電腦程式，可裝載至連結一處理器之記憶體，且包含編碼部分以在藉由該處理器執行該程式時執行該方法之至少一些步驟，以及一種資料表示組，例如藉由壓縮或編碼表示該電腦程式。
另一態樣係有關於一種用以儲存可藉由電腦執行之非暫時介質，包含一組資料表示一或多個程式，該一或多個程式包含指令以分析多晶矽半導體材料之晶體結構，藉由包含可操作地耦接至記憶元件及一輸入/輸出介面模組之一電腦執行該一或多個程式，使該電腦依據所提出之方法進行估算並產生一代表。
1、100．．．樣品
2、20、200．．．光源
3、30．．．聚焦透鏡
4、40、400、401．．．極化器
5、6．．．偵測透鏡
7．．．偵測器
8、800、801、601．．．資料處理單元
9、900、901、603．．．記憶體
θ．．．角度
50、500．．．分光鏡
60．．．第二偵測透鏡
700、701．．．相機
101．．．電池
101a、101b．．．電極
201．．．電流產生器
201a、201b．．．輸出端
600．．．電腦系統
602．．．處理器
604．．．儲存裝置
605．．．輸入/輸出介面模組
606．．．鍵盤
607．．．滑鼠
608．．．監視器
609．．．網路
本發明的其他特點和優點將出現在下列詳細描述的非限制性例示性實施例中，參照附圖，其中：
第1圖係為描述依據第一實施例之所提出之方法之一執行之示意圖；
第2圖係為描述依據第一實施例之所提出之方法之另一執行之示意圖；
第3圖係為描述依據第二實施例之所提出之方法之一執行之示意圖；
第4圖係為描述依據第三實施例之所提出之方法之一執行之示意圖；
第5圖顯示用以執行所提出方法之電腦系統；
第6a圖顯示依據用於基於多晶矽CIGSe材料之樣品之所提出之方法所獲得之相位位移參數φk之映射之例子；
第6b圖顯示依據用於基於單晶矽CIGSe材料之樣品之所提出之方法所獲得之相位位移參數φk之映射之例子。
在下列本發明之實施例之詳細描述中，提出了許多具體細節以允許更充分地理解。然而，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解，一些實施例可以沒有這些具體細節的情況下而實踐。在其他例子下，沒有詳細描述眾所周知的特性以避免無謂的複雜化描述。此外，具有一個和相同的功能之某些組件、裝置、元件及元素可在圖式中用相同的符號參考，這些組件、裝置、元件及元素之描述之重複可在特定例子中被省略或縮短。
所提出之方法可有利地以不同類型之多晶矽半導體材料而使用，例如III-IV族(如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)或銻化鎵(GaSb))之多晶矽半導體材料、II-VI族(如碲化鎘(CdTe)或其合金或衍生物之一者，其中鎘可以鋅或汞部分取代且碲可以硒部分取代)之多晶矽半導體材料、具有例如CIGS之黃銅礦(chalcopyrite)結構之多晶矽合金、或再次多晶矽。在此CIGS以一般的方式被理解為CuInSe2族，或者其衍生合金，其中銅可以銀取代，銦可以鋁或鎵(Cu(In, Ga)Se2)部分取代，而硒可以硫或碲部分取代。
此外，所提出之方法可有利地用於包含一或多個多晶矽半導體材料以及其他材料之樣品之分析。包含於樣品中之部酮多晶矽半導體材料可存在特定特性，特別是有關於其結晶結構。本發明所屬技術領域中具有通常知識者將理解的是，所提出之方法可應用於包含於分析樣品中之材料之僅一者，或者是應用於依序包含於分析樣品中之這些材料，接著依據所提出方法不同分析參數依據每一晶體結構分析之目標多晶矽半導體材料而被配適，特別是藉由選擇分析材料之激發波長及發光信號之偵測波長。
第1圖描述依據第一實施例之所提出之方法之一執行。
第1圖顯示將進行分析之多晶矽半導體材料之樣品(1)，以及光源(2)，其排列以在樣品(1)之方向發出光激發信號。此光激發信號被配適以使樣品(1)發出光致發光信號。因此以對應於分析樣品之吸收區域之光譜範圍而選擇光源(2)。光源(2)可例如為雷射源、或非同調光源。
光源所產生之激發信號是局部的，即只激發欲分析之樣品之一部分。為了獲得此局部激發，使用藉由雷射光源所產生以聚焦激發光束之元件是可能的，例如放置於雷射光源(2)及將分析之樣品(1)之間之聚焦透鏡(3)。聚焦透鏡(3)之焦距實際上依據所需分析解析度及所使用之光源而選擇。例如，多晶矽CIGS材料之樣品，可使用焦距4mm且數值孔徑0.8之顯微透鏡以獲得小於晶體尺寸，即1μm，之表面之局部激發。激發雷射光束被樣品(1)基吸收，且部分光激發信號之能量以由激發材料自發地發出之光致發光信號之形式消失。
在此實施例中，激發雷射光束之聚集致使樣品(1)之局部激發以厘米至亞微米級之空間解析度，以對應解析度定義資料取得相位的要求之網格是可能的。所提出之方法因此可能達到高空間解析度(一般為0.5至10μm)，例如滿足微晶太陽能電池的研究要求。
樣品(1)是由半導體材料所組成，其具有第一能階(對應於稱為“傳導帶”之能階)及第二能階(對應於稱為“價帶”之能階)。電子的能量轉移主要發生於傳導帶及價帶之狀態之間。價帶及傳導帶以能隙Egap分離，其通常有關於“bandgap(能隙)”。能隙也稱為能隙能量。當光源所發出之光子具有小於能隙Egap之能量時，傳輸至價帶之電子的能量不足以促使其至傳導帶，且其不會離開價帶。以小於能隙Egap之能量激發之材料則是透明的。換言之，當光源所發出之光子具有大於能隙Egap之能量時，將以足夠能量激發材料之一些電子以促使其從價帶至傳導帶，藉以產生電子-電洞對(“電洞”是指移動至傳導帶之電子不存在於價帶)。電子-電洞對依據光致發光而重新結合並發出光子。所發射的光子的能量是接近於能隙能量。
能隙能量為樣品(1)之材料之特性(矽為1.1 eV，材料CIGS CuInSe2為1.12 eV，材料CIGS CuGaSe 2 為1.65 eV)。因此，光源(2)用於發出能量信號大於特定樣品(1)之材料之價帶及傳導帶之間之能隙Egap。例如，對於含有多晶矽半導體材料CuInGaSe2(CIGS)型之樣品而言，其具有1.12 eV之能隙，選擇2.33 eV(532 nm)之單模雷射作為激發光源(2)。
接著在資料取得相位中之方向及極化之不同數值偵測並儲存由光致發光激發之光信號。
發光信號之偵測是以頻寬帶大於或等於分析材料之能隙之寬度而進行。發光信號之偵測頻帶對分析目標材料之特徵能隙的調整使得收集分析材料之結晶結構之資訊是有可能的。在此方式中，實現偵測分析材料之結晶矩陣之波長特徵的偵測是可能的。
光致發光信號之偵測可例如以兩個偵測透鏡(如第1圖所示，偵測透鏡(5)及(6))而實現，樣品實質上排列於第一透鏡之物體焦距平面。此架構之一個優點為放置極化器於兩個偵測透鏡(5)(6)之間的可能性。光致發光信號接著藉由偵測器(7)在偵測光學(5)(6)之輸出而被偵測，其可例如從光電倍增管類型而選擇，以獲得所期望水平的精度和靈敏度。例如，在如上述CIGS型樣品的例子中，可能會選擇具有響應近紅外(1000 nm >λ>1200nm)之最佳光譜的InGaAs型光電倍增管作為偵測器。作為一種變型，可使用光譜儀作為偵測器(7)以實現所提出的方法，這將除了取得代表發光信號之強度的資料，也致使取得代表發光信號之強度之頻率分佈(波長)的資料。
資料取得因此藉由偵測在材料之預定空間區域中之網格之每一點，不同方向及極化之發光信號，藉以致使對於不同此信號之方向及極化值之發光信號之分析。下列段落描述發光信號之極化分析之方法之兩個例子。
依據第一個方法，量測進行於適於樣品之發光區域之限性極化器之值及方向之發光信號，此限性極化器放置於待分析樣品及將開啟之偵測光學之間。
依據第二個方法，量測藉由開啟放置於極化器前面之波板(λ/2型)而進行於極化之方向之多個數值之發光信號上。
因此能夠藉由改變-90°至+90°之方向角度θ而以波板之極化器之方向之多個數值之發光信號之偵測及記錄而繼續進行於網格之每一點。當然可選擇不同的方向之角度θ之改變之間隔，可以方向角度θ的變化步驟，根據待分析材料之特性及所需的分析精度，而不脫離所提出的方法的範圍。
在待分析樣品之空間區域中之點之網格因此可事先定義。網格之每一點藉由光源(2)而局部激發以自發地發出發光信號。此發光信號之偵測進行於發光信號之極化之不同方向θ值之網格之每一點上。
為了在網格之每一點上局部激發及分析發光信號，樣品(1)使用平移平台而在聚焦透鏡(5)之焦距平面中移動。例如，在前述CIGS之例子中，使用壓電平台為xy平台而移動待分析樣品是可能的。
對網格之每一點而言，極化之不同方向值之發光信號之偵測藉由修正極化器之角度θ而實現，以選擇所需解析度(例如5°)之功能之步驟。因此可對離散值極化角之組偵測並記錄發光信號之強度值Ilum(θ)，，且此對於網格之每一點。
偵測器(7)裝有一記憶體以紀錄偵測資料，或作為朝向記憶體之介面或是裝有資料儲存之記憶體(9)之資料處理單元(8)。
在例如以資料處理單元(8)進行之資料處理之相位之後進行發光信號之資料之取得之相位。資料處理包含藉由作為極化器之角度θ之功能之發光信號之強度Ilum之改變之膜擬之正弦波之一或多個參數之偵測器(7)所取得之量測。在所提出方法之一較佳實施例中，正弦波為之類型，其中Ilum表示發光信號之強度，Ak表示發光信號之振幅參數，θ表示發光信號之該極化角之分析，φk表示相對於一相位參考之發光信號之相位位移之參數，nk為嚴格正整數，A0(偏移)為發光信號之強度之最小值參數，且k為自然整數總和指數1至K。所量測之值Ilum表示在為了以不同角度分析極化之目的藉由極化器過濾之後發光信號之強度。在本發明中，極化分析例如藉由極化器之裝置而進行，其中極化器是由不同θ對應於極化器之角度而改變。在例如以放置於極化器前之波板之裝置而進行極化分析之例子中，其旋轉角度可對應於波板之旋轉角度而改變θ。在上述例子中，可改變的角度θ對應於發光信號之極化之方向角。藉由比較正弦模擬及網格之每一點所取得之不同量測值而估算參數k、φk、nk及/或A0(偏移)。藉由放至對應於正弦模擬之網格之每一點之所取得之資料，提取此模擬之參數之值之估算其最佳對應於所取得之資料。因此，在此資料處理階段之結果中，獲得正弦模擬之一或多個參數之估算，且此對於網格之每一點。
然後，可以在所提出的方法的範圍內結合所或獲得之估算以獲得這些參數之結合之估算。
K為大於或等於一之自然整數，可依據晶體結構之分析之目的之模擬精度例如選擇等於一或二，或大於二。
另外，也可以反覆地進行，以定義得到的模型與實驗資料可以令人滿意符合的最小值K。對於K之最佳值之選擇之增量ΔK之反覆過程可進行直到值K+ΔK相較於前面K值導致與所收集實驗資料符合之較不滿意之理論模擬。
所選擇的理論模擬(在所述例子中，正弦模擬類型的配適(有時也使用術語“數值模擬”)對實驗獲得的資料依據相關方法而進行，例如最小二乘法或梅爾擬合方法(Mayer fitting method)，以提取與所需參數的精度之估計。在每一點之資料(特別是所選擇的增量Δθ的變化的極化器的角度θ的值)之取得將允許所選擇模擬之參數之估算之較多或較少之快速及精度。
所選擇的理論模擬對實驗獲得的資料之配適及所選擇的模擬的參數的估算在材料(1)之空間區域中之預設網格之每一點進行，然後才能夠產生對所給定參數對於全部值之網格點之代表，因此每一參數之空間變化之映射或後者的組合。
在所考慮的正弦模擬類型的例子中，資料處理可致使振幅參數(Ak)之值、相位位移參數(φk)之值、頻率參數(nk)之值、及/或最小值參數Ao(偏移)之值、或這些參數之組合的估算，且對於網格之每一點而言，可能制定振幅參數(Ak)、相位位移參數(φk)、頻率參數(nk)及/或最小值參數Ao(偏移)之值、或這些參數之組合的映射。
更具體地，藉由例子之方式所提出之模擬，，可以觀察到多晶矽CIGS材料的參數φk及Ak和晶體結構之局部定向性能之間的相關性。
作為極化器的角度的函數的參數在發光信號的變化的空間分佈之代表，對於每一參數而言，可能以所表示參數之函數分離分析材料之不同結構特性。例如，振幅(Ak)及相位位移(φk)可相關於分析材料之結晶軸之方向。這些參數也可以連接於在材料研究中結晶缺陷的存在。
此外，為了獲得材料之結晶軸之絕對方向，可進行實驗裝置的校準。為了做到這一點，可以使用結晶取向的單晶矽樣品，其已藉由分析方法例如X-射線衍射分析預先定義。然後可將分析參數連接到所述校準材料之結晶方向。
在微晶CIGS樣品的例子中，可在沒有明顯的相關性於結晶方向之光致發光強度中觀察到空間差距。然而，φk參數之映射表示，例如，對應於數個平方微米之空間區域之鑲嵌，分析材料之晶粒尺寸。此外，在單晶矽CIGS樣品中，沒有觀察到擬合參數之空間變化。這使得有可能能夠更好地理解一個事實，即在這裡提出的方法允許其中包括被揭示的材料和晶體被識別的多晶矽字元。
第6a圖表示依據用於基於多晶矽材料CuIn1-xGaxSe2(CIGSe)之樣品之所提出之方法所獲得之相位位移參數φk之映射之例子，其中空間區域對應於可辨別之樣品之晶體結構。在第6b圖中所示的映射中的對比可知，第6b圖表示依據用於基於單晶矽CIGSe材料之樣品之所提出之方法所獲得之相位位移參數φk之映射之例子。第6b圖中之分析樣品之單晶體結構揭示相位位移參數之映射之均勻性，而在第6a圖之映射中沒有觀察到均勻性。
這種藉由以局部激發之光致發光之分析方法使其可以達到非常精細的空間解析度，通常小於1μm，不禁止較大的解析度，例如毫米，或者，通常情況下，對應於在100平方微米之材料上之分析表面。在多晶矽CIGS中之晶粒之尺寸例如一般為微米級，可得的解析度開啟例如CIGS之微晶體材料之分析之新的可能性，在繁榮中之薄膜光伏打市場中。此外，其適於材料之薄膜之分析(無論是為了所設想的材料特性或應用程序的缺陷的檢測的目的)的薄膜材料，厚度通常小於3μm，且用於光伏打產品中，可以表現出其表面具有微米級尺寸的晶體結構(並非總是如此例)。因此，可能在薄膜成長製程中以具有大準確性之光伏打電池之薄膜定性，以確保，例如，以晶體結構之方向之所需特性達到薄膜成長。
資料處理單元(8)可以是電腦、電腦網路、或其他包含處理器之設備、記憶體、資料處理單元(9)、以及其他相關硬體單元例如網路介面及介質讀取器以讀寫至可移動儲存介質(未繪示於圖中)。可移動儲存介質可以，例如，為光碟(CD)、數位視頻/多用途光碟(DVD)、隨身碟等。可移動儲存介質包含指令，當其由資料處理單元(8)執行時，造成資料處理單元(8)進行的資料採集及/或執行所提出的方法中所描述的實施例的處理階段。可移動儲存介質可以包括用於實現和執行配置以執行資料處理階段之分析引擎(或分析器)。分析引擎的某些部分可以儲存為可移動儲存介質、可移動裝置或局部資料儲存(9)之給定實例上之指令，以藉由處理器裝載於用以執行之記憶體。具體而言，藉由電腦以進行實施例而可讀取之軟體指令或程式編碼可全部或部分暫時或永久地儲存於非暫時電腦可讀介質，例如光碟(CD)、本地或遙控儲存裝置、本地或遙控記憶體、軟盤、或任何其它電腦可讀儲存裝置。
雖然分析引擎以記憶體中之程式形式描述，分析引擎可以以硬件的形式實現，作為特殊應用積體(application specific integrated circuit，ASIC)或硬體及軟體元件的組合的形式。
第2圖顯示依據使用分光鏡之第一實施例之所提出之方法之變型實施。
待分析之多晶矽半導體材料之樣品(1)藉由光源(2)(例如橫向單模雷射)發出之激發信號而激發並藉由聚焦透鏡(30)具及於分析之點上。適用此光學激發信號以使樣品(1)發出發光信號。此外，適用於穿過位於發光信號及聚焦透鏡(30)之間之分光鏡(50)。光源(20)可例如為雷射光源、或其他非同調光源。
光致發光信號裝置藉由用以偵測光之元件(30)、(50)及(60)直接朝向偵測器(7)。特別是，分光鏡(50)適於和位於以從激發信號分離光致發光信號。極化器(40)位於鏡子(50)及第二偵測透鏡(60)之間，以便於分析極化器之方向之不同值之光致發光信號。
此外，使用分光鏡之所提出方法之此變型實施例可使其可以相較於上述使用局部激發之方法以及在網格之每一點之發光信號。具體來說，可以作為一種替代翻譯表的使用，以使用位於偵測/激發光學及聚焦透鏡(30)之間之定向鏡(例如壓電型)移動雷射激發光束。
第3圖描述依據第二實施例之所提出之方法之執行。
第3圖顯示待分析之多晶矽半導體材料之樣品(100)，及排列以在樣品(100)之方向中激發光學激發信號之光源(200）。適用此光學激發信號以使樣品(100)發出發光信號。因此，以對應於分析材料之吸收區域之光譜範圍選擇光源(200)。光源(200)可例如為雷射光源、或其他非同調光源。
在某種意義上，由光源所俺生之激發信號是全面性的，其激發幾乎所有待分析之區域之表面。因此，在所提出方法之此實施例中不使用任何聚集激發信號以只局部激發待分析材料之表面之特定區域之元件。如上述實施例所解釋，光源(200)適於發出大於價帶及傳導帶之間之能隙Egap之能量信號，其對於樣品材料(100)是特定的。
因此，在此實施例中，樣品以全面的方式被激發且藉由相機(700)，較佳為數位相機記錄發光的圖像。
光致發光信號的偵測可例如如第3圖描述藉由分光鏡(500)而進行，適於且位於以反射光致發光信號。可改變方向之極化器(400)以這樣的方式被放置在相機(700)之前且後者偵測由極化器(400)過濾之光致發光信號。光致發光信號接著由相機(700)偵測，可例如選擇CCD型。其它類型的相機，也可以使用例如紅外(IR)偵測相機，使用InGaAs技術，或其他CMOS偵測相機，也可用於實現所提出的方法之此實施例。
選擇相機(700)使其能夠被配置以執行，在頻寬帶大於或等於分析材料之能隙之寬度下發光信號的偵測。在此實施例中，分析材料的結晶矩陣的特徵波長藉由相機元件而偵測。
在如先前所描述的實施例之相同方式中，藉由偵測在材料之預定空間區域中之網格之每一點而進行資料的取得，對於極化之方向之不同值的發光信號而言，具有唯一差異其網格可有利地選擇，在此例示性實施例中，對應於相機(700)之感測器上的點。
以此種方式，偵測並紀錄由相機(700)感測之影像(在網格之每一點)，影像藉由偵測發光信號而產生，對於藉由改變-90°至+90°之方向之角度θ而以極化器(400)之方向之多個數值，以5°之級數之增值。當然可選擇不同的方向之角度θ之改變之間隔，同樣地方向θ之角度的變化之增值，根據待分析材料之特性及所需的分析精度，而不脫離所提出的方法的範圍。
應注意的是上面描述的方法的發光信號之極化之分析方法之例子(線性極化器之方向之變化或放置於極化器前之波板之方向)是適用於所提出方法之實施例。
對於網格之每一點而言，因此進行極化之方向之不同值之發光信號之偵測，例如，藉由修改極化器之角度θ，以依據所須解析度(例如5°)所選擇之增值。因此，能夠偵測並記錄對應於發光信號之影像組對於極化角之N個離散值之組，以。
在依據此第二實施例之所提出方法之執行之一例子中，超頻譜影像放置相機(700)前以取得，除了代表發光信號之強度的資料，表示發光信號之強度之頻率分布的資料。
所獲得資料為N個影像組之形式，每一個對應於由分析材料發出之光製發光信號超過材料之分析之預定區域，極化之方向之值θi。
相機(700)裝有用以紀錄偵測影像之記憶體，且藉由資料交換介面連接至裝有用以資料儲存之記憶體(900)之資料處理單元(800)。
在資料處理階段後進行發光信號資料之取得之階段，例如藉由資料處理單元(800)進行，其包含在以極化之方向θ之函數之發光信號之強度Ilum的變化之正弦模擬之一或多個參數之所取得資料上之量測。由資料處理單元(800)所進行之資料處理對應於依據第一實施例之執行所提出方法之內文的描述。
這種以全面激光之光致發光的分析方法構成了一個在值形速度、執行簡化度及分析細度之間有利的妥協。雖然全面激發使其無法到達如局部激發所能到達之解析度，它提供了一個實施的速度和簡單性，使它特別適合在大規模生產過程中實施。此外，如前面所解釋的方法，這種以全面激發之光致發光之分析方法在製造過程中可以被實現，例如在光伏打產品之薄膜成長階段中，從而允許在一個先進的製造階段可偵測特定缺陷、可校正，或者因此可避免實質上的製造成本。
第4圖描述依據第三實施例之所提出之方法之一執行。
第4圖顯示光伏打電池(101)之樣品，其包括待分析之多晶矽半導體材料，以及電流產生器(201)、輸出端(201a；201b)電性連接到電池(101)的電極(101a；101b)。適用由產生器(201)傳遞之電信號以令光伏打電池(101)發出的電致發光信號。
適用電激發信號，故電池(101)之多晶矽半導體材料被激發且自發地發出電致發光信號於所激發材料之全部表面。特別是，適用電源(201)以產生大於價帶及傳導帶之間之能隙Egap的能量之電激發信號，其對於待分析之電池(101)之多晶矽半導體材料是特定的。
在以光信號之激發之內文中之上述所提出方法之步驟中是適用於本實施例，其提供以產生電致發光信號。
例如，在第4圖所示，可能藉由相機(701)之方式紀錄由材料所發出之電致發光信號，較佳為數位相機。此外，可能放置於極化器(401)於相機(701)前，改變方向故相機(701)偵測不同極化器之方向的電致發光信號。電致發光信號接著由相機(701)偵測，其可例如選擇為CCD類型。其他種相機，例如紅外偵測相機(IR)、使用InGaAs技術、或其他CMOS偵測相機，也可用以執行所提出方法之此實施例。
在此，選擇相機(701)故其可配置以在頻寬帶大於或等於分析材料之能隙之寬度下進行發光信號之偵測。在此實施例中，藉由相機元件偵測分析材料之結晶矩陣之特性的波長。
電致發光信號的偵測、電致發光信號資料的取得以及所取得資料的處理，可依據先前描述光致發光信號之實施例之一者之對應步驟而進行。此藉由電致發光之分析方法特別適於一次製造光伏打電池之分析，特別是在量測製造品質及符合預期性能之測試之內文中。
實現多晶矽半導體材料之晶體結構之分析的模式可能是，至少部分地，實現於幾乎任何類型的電腦上，獨立於所使用的平台。例如，如第5圖所示，電腦系統(600)，其可以對應於如第1至4圖所示之資料處理單元(8)(800)及記憶體(9)(900)，或可操作地耦接這些元件，包含含有例如中央單元(CPU)或其他硬體處理器之一或多個處理器(602)、相關記憶體(603)(例如活記憶體(RAM)、快取記憶體、快閃記憶體等)、儲存裝置(604)(例如硬碟、光碟如CD或DVD、快閃記憶體鍵等)、以及許多其他典型的當前電腦之元件和功能(未繪示)。
資料處理單元(601)也包括輸入/輸出介面模組(605)，其控制單元(601)及系統(600)之輸入/輸出元件之間的不同介面。系統(600)可能的確也可以包括輸入元件，如鍵盤(606)、滑鼠(607)、或麥克風(未繪示)。此外，電腦(600)可包括輸出裝置，如監視器(608)(例如，液晶顯示(LCD)監視器、電漿顯示監視器或陰極射線管(CRT)監視器)。電腦系統(600)可以藉由網路連接介面(未繪示)而連接到網路(609)(例如，當地網路(LAN)、例如互聯網之廣域網路(WAN)、或任何其他類似類型的網路)。本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解的是，有許多不同類型的電腦系統(例如，桌上型電腦、膝上型電腦、或者任何其它電腦系統能夠執行由電腦可讀的指令)，且上述輸入和輸出元件可能採取目前已知的或隨後建立的其他形式。
在一般情況中，電腦系統(600)包括至少最小元件以用於處理，用於輸入及/或輸出需要以實踐所提出的分析方法之一或多個實施例。例如，處理器(602)可以被配置以執行電腦程序包括部分編碼用於實現分析器，被配置以估算發光信號之模擬之一或多個特徵且依據所提出方法之不同實施例產生特徵資料之代表。所選擇的儲存裝置(604)較佳為可儲存對應網格之每一點之所偵測信號之資料。
雖然配置以估算及產生代表之分析器以軟體套裝之形式描述，其可以以硬體形式或硬體及軟體致使之結合的形式而實現。
電腦系統(600)進一步有利地可操作地連接到發光信號偵測器，以依據由電腦系統(600)提供之分析方法而儲存並處理所取得之資料在記憶體中。作為一種變型，也可以提供儲存在記憶體(604)中，藉由任何已知手段處理資料，不一定意味用以偵測發光信號之偵測器以及電腦系統(600)之間的直接連接。
此外，對於本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解的是，上述電腦系統(600)的一個或多個元件可以在遠端位置被發現，並且連接到網路上的其他元件。此外，一或多個實施例可以被實現在包含多個節點之分佈系統，其中每個部分的執行(例如，雙結構域的分析工具之各組成部分)可以位於分佈系統內之不同節點上。在一或多個實施例中，節點對應於電腦系統。作為一種變型，節點可對應於相關聯的物理儲存器的處理器。節點也可以對應到具有分區的記憶體及/或分區資源之處理器。此外，用於執行一或多個實施例之軟體指令可以儲存於電腦可讀介質，如光碟(CD)、軟碟、磁帶、或任何其它電腦可讀儲存裝置。
根據所選擇的實施例，在描述於本發明說明書中之每一方法之特定操作、行動或功能可以以已描述之執行或以不同的順序發生，或可能依據環境而增加或組合或者它們可能不會執行或發生。此外，在某些實施例中，同時發生而不是按順序執行或發生特定操作、行動或事件。
雖然已經描述了相對於有限數量實施例的多晶矽半導體材料的晶體結構的分析，已熟悉本紀錄之本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以在不脫離例如本發明說明書描述之半導體材料之晶體結構之分析之定義下考慮。多晶矽材料之晶體結構之之分析之定義僅以所附申請專利範圍限制。
1．．．樣品
2．．．光源
3．．．聚焦透鏡
4．．．極化器
5、6．．．偵測透鏡
7．．．偵測器
8．．．資料處理單元
9．．．記憶體
θ．．．角度

Claims (15)

  1. 一種用於分析多晶矽半導體材料之晶體結構之方法，包含：
    激發一多晶矽半導體材料以使該多晶矽半導體材料發出一發光信號；
    在該多晶矽半導體材料之一預定空間區域中之一網格之每一點於大於或等於該多晶矽半導體材料之能隙之寬度之一頻寬帶偵測一可變極化角之該發光信號；
    在該多晶矽半導體材料之該預定空間區域中之該網格之每一點從該網格之該每一點所測得之該信號估算由正弦波之總和建立之該發光信號之調變之資料特性以作為該極化角之函數；在該預定空間區域中之該網格之全部點產生該特性資料之代表。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中經調變之發光信號之模擬之形式為：，其中Ilum表示該發光信號之強度，Ak表示該發光信號之振幅參數，θ表示該發光信號之極化之分析角度，φk表示相對於一相位參考之該發光信號之相位位移之參數，A0表示該發光信號之強度之最小值參數，nk為嚴格正整數，且k為自然整數總和指數1至K，其中所估算之特性資料對應於振幅、相位位移、頻率及/或最小值參數或其組合之一者。
  3. 如前述申請專利範圍任一項所述之方法，其中該發光信號藉由一相機之元件而偵測，該多晶矽半導體材料上之該預定空間區域網格藉由選擇該相機之感測器上之點而對應。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之方法，其中激發該多晶矽半導體材料包含以一光源光激發該多晶矽半導體材料以使該多晶矽半導體材料發出一光致發光信號。
  5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之方法，其中激發該多晶矽半導體材料包含以於放置於該多晶矽半導體材料上之多個電極之一電源電激發該多晶矽半導體材料以使該多晶矽半導體材料發出一電致發光信號。
  6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之方法，其中激發該多晶矽半導體材料包含以一熱源加熱該多晶矽半導體材料以使該多晶矽半導體材料發出一熱致發光信號。
  7. 一種用於分析多晶矽半導體材料之晶體結構之系統，包含：
    用於激發該多晶矽半導體材料之一元件，設置以激發該多晶矽半導體材料以使該多晶矽半導體材料發出一發光信號；
    用於偵測之一元件，位於該多晶矽半導體材料之一預定空間區域中之一網格之每一點，於大於或等於該多晶矽半導體材料之能隙之寬度之一頻寬帶偵測一可變極化角之該發光信號；
    一資料處理單元，包含：
    一電腦處理器，可操作地耦接至記憶元件及一輸入/輸出介面模組，該記憶元件係配置以儲存對應於該網格之每一點測得之信號之資料；
    一分析器，係由該電腦處理器所執行且配置以：
    在該材料之該預定空間區域中之該網格之每一點從該網格之該每一點所測得之該信號估算由正弦波之總和建立之該發光信號之調變之資料特性以作為該極化角之函數；以及在該預定空間區域中之該網格之全部點產生該特性資料之代表。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之分析系統，其中該分析器更配置以估算一資料特性作為經調變之發光信號之模擬之形式為：，其中Ilum表示該發光信號之強度，Ak表示該發光信號之振幅參數，θ表示該發光信號之極化之分析角度，φk表示相對於一相位參考之該發光信號之相位位移之參數，A0表示該發光信號之該強度之最小值參數，nk為嚴格正整數，且k為自然整數總和指數1至K，其中所估算之特性資料對應於振幅、相位位移、頻率及/或最小值參數或其組合之一者。
  9. 如申請專利範圍第7及8項中任一項所述之分析系統，其中該偵測元件包含一相機，該多晶矽半導體材料上之該預定空間區域網格藉由選擇該相機之感測器上之點而對應。
  10. 如申請專利範圍第7至9項中任一項所述之分析系統，其中用於激發該多晶矽半導體材料之該元件包含設置以發出一光激發信號之一光源以使該多晶矽半導體材料發出一光致發光信號。
  11. 如申請專利範圍第7至9項中任一項所述之分析系統，其中用於激發該多晶矽半導體材料之該元件包含設置以發出放置於該 多晶矽半導體材料上之多個電極一電信號之一電源以使該多晶矽半導體 材料發出一電致發光信號。
  12. 如申請專利範圍第7至9項中任一項所述之分析系統，其中用於激發該多晶矽半導體材料之該元件包含設置以加熱該多晶矽半導體材料之一熱源以使該多晶矽半導體材料發出一熱致發光信號。
  13. 一種電腦程式，可裝載至聯結一處理器之一記憶體，且包含編碼部分以在藉由該處理器執行該程式時執行依據申請專利範圍第1至6項中任一項所述之方法之至少特定步驟。
  14. 一種資料表示組，例如藉由壓縮或編碼表示依據申請專利範圍第13項所述之電腦程式。
  15. 一種用以儲存可藉由電腦執行之非暫時介質，包含一組資料表示一或多個程式，該一或多個程式包含指令以分析 多晶矽半導體材料之晶體結構，藉由包含可操作地耦接至記憶元件及一輸入/輸出介面模組之一電腦執行該一或多個程式，使該電腦依據申請專利範圍第1至6項中任一項之方法進行估算並產生一代表。
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