专利名称：薄膜成像方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及对薄膜的性质进行成像，具体地讲，公开了一种用于半导体薄膜的光 致发光成像的方法和设备，特别是用于基于薄膜的光伏电池的方法和设备。然而，应理解的 是，本发明不限于这样的特定领域的应用。
背景技术：
贯穿说明书的对现有技术的任何讨论不应以任何方式被理解为承认这样的现有 技术是公知的或者形成本领域的公知常识的一部分。薄膜沉积包括用于将薄膜的材料沉积到基底上或沉积到先前沉积的层上的技术。 “薄”是相对术语，但大多数沉积技术允许将层厚度控制在几十纳米内，诸如分子束外延的 一些沉积技术允许一次沉积单层的原子。在现有技术中，薄膜用于制造光学器件(例如，用于反射或减反射涂层)、电子器 件(例如，用于集成电路的绝缘体、半导体和导体的层)、光电器件(例如，III-V LED和激 光二极管)、封装器件(例如，覆铝PET膜)。在这些应用中的许多应用中，沉积的膜的厚度 和品质即使不是决定性的性质也是重要的性质。在诸如利用电镀的铜的纯化以及在气相工 艺之后利用如CVD的工艺的铀的浓缩和硅的沉积的其他应用中，膜厚度不是重要的。根据工艺主要是化学工艺还是物理工艺，沉积技术落入两大类中。化学沉积是流 体前驱体在固体表面经历化学改变从而留下固体层。因为流体围绕固体对象，所以沉积在 每个表面上发生，而几乎与方向无关，从而来自化学沉积技术的薄膜趋于是共形的而非方 向性的。化学沉积因前驱体的相而进一步分为基于液体前驱体的镀覆和化学溶液沉积 (CSD)，而化学气相沉积(CVD)通常使用气相前驱体。等离子体增强CVD(PECVD)使用离子 化的气体或等离子体作为前驱体。另一方面，物理沉积使用机械或热力学方式，以制造固体 材料的薄膜。还可以根据执行沉积技术的温度来划分沉积技术。例如，在室温或低于室温 执行的技术可以被描述为“冷”，而在升高的温度执行的技术可以被描述为“热”。上面的沉积工艺中的许多沉积工艺是极其昂贵并也是极其缓慢的。例如，通过 PECVD生长的多层III-V薄膜堆叠可在昂贵的高真空沉积室中生长达五小时。因为生长室 中的高电压和高温度，所以对于评估正在生长的膜的品质的项目受到限制，因此，难以评估 品质直到完成样品之后(而此时成本已经产生了)。一种表征半导体薄膜(诸如蓝/绿LED中的GaN、InGaN, AWaN膜)的技术是 光致发光(PL)映射。PL映射通常用于监视成分和晶格缺陷，可用的工具(诸如来自 Nanometrics的VerteX 仪器)通常以逐点方式将经聚焦的激发激光束扫描横跨过样品，并 测量得到的PL的强度和光谱含量(特别是峰发射波长)。如在已公布的第WO 2004/010121 Al号PCT专利申请和已公布的第2007/0000434 Al号US专利申请中公开的，PL映射还被 用于表征用于集成电路应用的在硅上生长的间接半导体(indirect semiconductor) SiGe 的薄膜。尽管PL映射有着用于薄膜表征的毋庸置疑的价值，但是PL映射的逐点性质导致其成为具有根据样品面积和点间距的以30秒至几分钟为数量级的测量时间的相对缓慢的 技术。虽然这样对于表征需要几小时来生长的多层薄膜堆叠来说是可以接受的，但有可能 成为例如用于光伏(或太阳能)电池工业的单层薄膜的常规或流水线内(in-line)表征的 限制。此外，在PL映射中使用的经聚焦的激发激光的强度也为大于光伏电池在操作中经历 的1日照强度( lOOmW/cm2)的幅值的数量级，且因此将给出基于薄膜的光伏电池的预测 性能的与实际不符的图片。PL映射的相对缓慢性也限制了其用于薄膜生长的原位监视的适用性，这是因为 PL映射可能不能将信息足够快地反馈到沉积工艺中以阻止或纠正问题。

发明内容
本发明的一个目的在于克服或改善现有技术中的至少一个缺点，或者提供可用的 替代物。本发明优选形式的一个目的在于提供一种用于薄膜沉积技术的有效监视的方法和 设备。根据本发明的第一方面，提供一种监视薄膜沉积工艺的方法，所述方法包括如下 步骤(a)利用预定的照明照射通过所述沉积工艺生长的半导体薄膜的区域或正在通过所 述沉积工艺生长的半导体薄膜的区域，以从所述薄膜产生光致发光；(b)捕捉所述光致发 光的图像；(C)处理所述图像，以确定所述薄膜的一种或一种以上的性质；(d)使用所述一 种或一种以上的性质来推导关于所述沉积工艺的信息。可以在正通过所述沉积工艺生长所述薄膜的同时执行所述方法。当所述沉积工 艺在室中发生时，可以通过所述室的对于所述预定的照明透明的窗口照射所述薄膜，可以 通过所述室的对于所述光致发光透明的窗口捕捉所述图像。优选地，重复步骤(a)和步骤 (b)，以产生所述薄膜的更大的区域的光致发光图像。优选地，所述方法可以用于确定下面的性质中的至少一种的空间变化吸收体层 品质；少数载流子寿命；在化合物材料中的层成分的均质性；杂质浓度；电性缺陷的浓度； 以及结构性缺陷的浓度。优选地，所述方法可以用于监视基于薄膜的光伏电池或模块的生 产。所述方法还可以用于监视下述中的至少一种少数载流子寿命变化；基于照明的局部 电压变化；在互连的模块中的分流的独立电池或局部分流区域；或者在电池或模块中的串 联阻抗问题。所述方法还可以包括如下步骤(e)利用在步骤(d)中确定的信息来调节所述薄 膜沉积工艺。步骤(e)优选地包括下述中的至少一个薄膜样品的移除；工艺条件的调节； 或者沉积工艺中的硬件错误的检测。所述方法还可以包括如下步骤(f)利用在步骤(d)中 确定的信息来调节或控制所述薄膜的后沉积工艺。优选地，所述后沉积工艺可以包括退火、氢化、扩散、缺陷区域的激光隔离、金属 化、模块互连、或者薄膜的再处理。优选地，所述光致发光可以包括所述半导体薄膜的带至 带发光。优选地，所述光致发光可以包括由所述半导体薄膜中的杂质和缺陷发射的发光。根据本发明的另一方面，提供一种监视部分或全部完成的半导体薄膜光伏电池或 模块的方法，所述方法包括如下步骤(a)利用预定的照明照射所述半导体薄膜光伏电池 或模块的区域，以从所述电池或模块产生光致发光；(b)捕捉所述光致发光的图像；(c)处 理所述图像，以确定所述电池或模块的一种或一种以上的性质；(d)使用所述一种或一种以上的性质来推导关于电池或模块的信息。优选地，收集的信息可以包括下面的性质中的至少一种的空间变化吸收体层品 质；少数载流子寿命；在化合物材料中的层成分的均质性；杂质浓度；电性缺陷的浓度；以 及结构性缺陷的浓度。优选地，所述信息还可以包括基于照明的局部电压变化；在互连的 模块中的分流的独立电池或局部分流区域；或者在电池或模块中的串联阻抗问题。优选地，所述方法还包括如下步骤(e)利用在步骤(d)中确定的信息来调节用于 沉积所述半导体薄膜光伏电池或模块中的薄膜的工艺。优选地，步骤(e)可以包括下述中 的至少一个薄膜样品的移除；工艺条件的调节；或者沉积工艺中的硬件错误的检测。优选 地，所述方法还可以包括如下步骤(f)利用在步骤(d)中确定的信息来调节或控制所述半 导体薄膜光伏电池或模块的进一步的工艺。优选地，所述进一步的工艺可以包括退火、氢 化、扩散、缺陷区域的激光隔离、金属化、模块互连、或者薄膜的再处理。优选地，所述方法还 可以包括如下步骤(g)预测完成的半导体薄膜光伏电池或模块的性能。


通过下面仅出于举例的方式记载的描述并结合附图，对于本领域普通技术人员来 说，本发明的实施例将被更好地理解且是容易明白的，在附图中图1示意性示出用于薄膜的光致发光监视的一种布置；图2示出用于优选实施例的工艺步骤的一种形式。
具体实施例方式在特定的优选实施例中，提供了一种用于有效监视薄膜沉积技术并使用得到的数 据来实时地或为将处理的下一样品做准备地控制薄膜沉积工艺的方法和设备。所述方法和 设备还提供在初始薄膜沉积步骤和随后的工艺步骤中的一个或多个步骤期间或之后的薄 膜材料和电子性质(electronic properties)的用于品质控制和工艺改善的有效的测量。具体涉及光伏电池的其他的优选实施例允许有效监视或控制随后的后沉积工艺 步骤，诸如退火、氢化、金属化、(例如，缺陷区域的)激光隔离、(例如使用激光的)模块互 连，或允许预测光伏电池或模块的性能。在优选实施例中，提供一种监视薄膜沉积工艺的条件的方法，该方法包括如下步 骤测量薄膜的体(bulk)或表面性质的PL性质，以确定薄膜的电特性或材料特性。优选 实施例还提供监视后沉积工艺步骤的条件的方法，该方法包括如下步骤测量薄膜的体 (bulk)或表面性质的PL性质。在特定的实施例中，利用薄膜样品的实质部分的照明，以单个的区域平均测量来 测量PL。在优选实施例中，例如利用CCD相机以薄膜样品的实质部分的多像素空间分辨的 图像来测量PL。在这样的情况下，每个相机像素测量来自样品的小区域的PL响应，从而允 许快速评估可以与样品的材料或电性质的变化相关的横跨过样品的PL变化。PL信号可以 从半导体材料本身的带至带发光产生，或从沉积的半导体材料中的杂质或缺陷产生。在一个优选实施例中，通过利用放置在沉积室外部的检测器和激发光源的PL测 量来原位监视薄膜沉积工艺，从而通过室的窗口来监视薄膜。该方法优选地包括分析薄膜 样品的空间分辨的PL图像，以推导诸如成分和缺陷密度的关键半导体材料性质的空间变化，从而保证半导体材料具有足够的品质。因为PL强度可以与已知半导体的膜厚度相关， 所以该方法还可以因在给定的区域中与PL强度直接相关而用于测量膜厚度和膜厚度的空 间变化，或者该方法还可以通过与其他的光学测量的组合方法而用于测量膜厚度和膜厚度 的空间变化。该方法可以用于包括硅、GaN、CIGS、CdTe, CIS、GaAs的间接和直接带隙材料。 对于化合物半导体，PL成像可以用于检查和/或控制沉积的膜的化学计量。在优选的实施例中，该方法用于监视下述中的至少一种的空间变化吸收体层品 质(尤其是少数载流子寿命)和吸收体层品质(尤其是少数载流子寿命)的横向变化；在 化合物材料中的层成分的均质性(homogeneity)；杂质浓度和杂质浓度的横向变化；结构 性缺陷和电性缺陷的浓度以及结构性缺陷和电性缺陷的横向变化。少数载流子寿命是光伏材料的关键性质，尽管在其他应用领域中少数载流子寿命 可以不总是成为薄膜半导体装置的性能的关注点，但是少数载流子寿命可以被用作其他半 导体材料性质的代表。该方法可应用于具有η-型或ρ-型本底掺杂(kickground doping) 的半导体薄膜。在优选实施例中，该方法用于监视薄膜光伏电池，具体地讲，该方法用于监视几种 材料性质或电性质，包括材料品质(尤其是少数载流子寿命)的变化以及降低少数载流 子寿命的缺陷和其他局部(local)特征、基于照明的局部电压的变化、在互连的模块中的 分流的独立电池或局部分流的区域、以及诸如模块中的电池之间的错误互连的串联阻抗问题。该方法可以用于实时(即，原位监视沉积工艺)或使用从样品后沉积得到的信息 来控制或调节薄膜沉积工艺，或用于控制或调节随后的后沉积工艺步骤。工艺控制或调节 优选地包括下述中的至少一个薄膜样品的移除；工艺条件的调节(例如，薄膜沉积和后沉 积退火、氢化或扩散)、样品特性后续处理(例如，用于校正缺陷)、同一样品的再处理、金属 化、独立电池或缺陷区域的激光隔离、模块互连、或在制造硬件中的错误的检测。在一个优选实施例中，提供一种用于通过PL成像来监视薄膜生长的方法。该方法 可以在依赖于非接触的整体光学测量的设备中实现，因此适用于包括到大多数的薄膜生长 工艺中。与当前用于表征薄膜的PL映射技术不同，PL成像速度快，因此可以在出现生长时 连续测量关键性质，使得处理控制或样品丢弃能够实时进行。此外，启用的(active)组件(光源和相机)可以全部放置在启用的(active)生 长室外部，可以通过光学透明窗口来监视薄膜。特定的优选实施例使用薄膜的PL成像来为制造系统提供工艺反馈。与在已 公布白勺题为"Method and System for Inspecting Indirect Bandgap Semiconductor Structured检查间接带隙半导体结构的方法和系统)的第W02007/041758A1号PCT专利 申请(其内容通过交叉引用包含于此)中描述的PL成像系统类似的PL成像系统可以用于 执行该优选实施例。在一个优选实施例中，修改了 CVD型沉积装置，使得在生长期间可以发生薄膜基 底的PL成像，从而监视薄膜生长工艺的操作条件。在图1中示意性地示出了适合的布置1 的示例。在该布置中，设置CVD室2以沉积从通过气体输入口 3、4注入的成分得到的半导 体材料。此外，设置真空口 5以使室排气或出气。半导体材料7的薄膜的沉积发生到基底 6上。
由包括发光源9 (例如，取决于需要的灯、激光器或LED型装置)和空间光检测器 10(诸如C⑶相机)的PL成像系统通过透明玻璃窗口 8监视沉积工艺。光检测器在光源的 照明条件下对薄膜6进行空间地成像，并将对应的空间图像输出到计算机化的PL处理和控 制系统。PL成像系统也可以包含几种其他的元件，诸如准直光学器件、均质器、光学过滤器 (例如，短通、带通、长通过滤器)，如在上述的已公布的第WO 2007/041758A1号PCT专利申 请中所描述的。在图1中示出的实施例中，照射薄膜样品，通过同一窗口 8获得PL发射(窗 口 8显然需要对于照明和PL波长来说是透明的)。在可选的实施例中，可以通过分开的窗 口来照射样品并对PL进行成像，所述分开的窗口中的每个窗口仅需要对于适当的波长带 来说是透明的。这样的布置可以减小在PL光学器件中需要的分开的光学过滤器的数量。承认的是，对于“热”沉积工艺，样品可以在热发射模糊了或甚至掩盖了任何PL信 号的情况下有效地“辉光”。可以通过使用锁定检测技术(即，调制光源并在调制频率检测 PL发射)来在一定程度上改善这样的“噪声”。热发射成为原位PL监视的问题所达到的程 度也将依赖于由样品产生的PL的波长。例如，与来自诸如GaN的III-V半导体的蓝-绿发 射相比，来自硅的近顶PL发射(在900nm至1250nm附近)更有可能受在给定的温度的热 发射影响。此外，与间接带隙半导体相比，预测具有幅值更大的发光效率的数量级的直接带 隙半导体更适合于“热”沉积工艺的原位监视。对于“冷”沉积工艺，没有需要克服的热噪 声问题。现在转到图2，示意性地示出了在示例CVD工艺系统中的工艺步骤。发光源9和空 间光检测器10在控制发光和对由样品薄膜发射的PL进行空间成像的PL处理和控制系统 21的控制下运行。从结果的图像处理中，进行薄膜的条件的确定，并将该确定输出到例如通 过操纵工艺参数(诸如气体流速和室的温度)的控制CVD工艺的CVD工艺控制单元22，以 改善CVD工艺。在图2中示出的工艺步骤应用于原位监视膜生长的实施例以及后沉积监视 膜的实施例。可以通过PL处理和控制系统21来使用PL成像技术，以测量正在生长的或完成的 膜的几种性质，包括吸收体层品质(例如，少数载流子寿命)和吸收体层品质(例如，少 数载流子寿命)的横向变化；在化合物材料中的层成分的均质性(homogeneity)；杂质浓度 和杂质浓度的横向变化；结构性缺陷和电性缺陷的浓度和结构性缺陷和电性缺陷的横向变 化。这些是用于光伏电池应用而生长的薄膜的关键性质，也是用于其他半导体、显示器、LED 应用而生长的薄膜的关键性质。尤其是在当前的光伏电池趋向更薄的晶片的趋势的情况下，大多数的当前的工业 半导体和光伏电池是在厚度通常为150μπι至400μπι的硅晶片上制造的。薄膜光伏电池， 也被称为“第二代光伏器件”，是光伏装置的一种特定的子分类，其中，吸收体材料的薄层形 成该装置的“核心”。薄膜光伏器件的一种普通的特性在于薄的吸收体层通常沉积/安装在 异质基底(foreign substrate)上或附着于异质基底，而在基于晶片的电池中，晶片本身形 成吸收体和结构性支撑。在薄膜光伏电池中的通常的吸收体厚度在从 IOOnm至几微米的 范围内。与传统的基于晶片的电池相比，薄膜光伏电池的显著的优点在于需要幅值小两个 至三个数量级的吸收体材料，从而显著地降低了成本。另一优点在于薄膜工艺技术允许直 接在大面积的异质基底上处理串联和并联互连的模块，从而不需要首先处理独立的电池然 后在分开的步骤中将它们互连成模块。
在薄膜光伏电池中的作为吸收体进行沉积的材料包括非晶硅(a-Si)、非晶硅-锗 合金(a-SiGe)、结晶硅(c-Si)、结晶硅-锗合金(c_SiGe)、结晶锗(c_Ge)、Cu(In，Ga) Sh(CIGS)、CdTe、基于镓、铝、铟的砷化物(Aian，Ga)As)的III-V半导体、诸如以与其他有 机半导体的组合的C-60分子的有机化合物、以及染料分子。大多数结晶硅薄膜沉积技术生产出多晶膜。基于晶粒尺寸，可以区分C-Si的不同 类型，诸如，纳米结晶Si、微米结晶Si和多晶硅Si。上述材料系统中的一些材料系统的开发 正处于在大学或其他研究机构的R&D阶段，或者正处于商业化的早期阶段。当前，大规模工 业化生产限于a-Si模块、CdTe模块、由c-Si和a_Si制成的串联电池(所谓的micromorph 电池)、CIGS模块和玻璃上c-Si。在薄膜吸收体层中需要被监视的一些重要的公共特征和特性包括吸收体层品质 (尤其是少数载流子寿命)和吸收体层品质(尤其是少数载流子寿命)的横向变化、在化合 物材料中的层成分的均质性(homogeneity)、杂质浓度和杂质浓度的横向变化、结构性缺陷 的浓度和结构性缺陷的横向变化。另外，制造商正不断地尝试增加膜沉积的速率，这改善了 这些技术的成本竞争力，但也对上述的重要的公共特征和特性造成了直接的品质影响。在薄膜光伏电池和互连的模块中需要被监视的重要的公共特征和特性包括材料 品质(尤其是少数载流子寿命)变化、基于照明的局部电压的变化、在互连的模块中的分流 的独立电池或局部分流的区域以及诸如模块中的电池之间的错误的互连的串联阻抗问题。PL或电致发光(EL)的发光的成像是用于大面积的c-Si晶片和基于c_Si晶片的 太阳能电池甚至于整个的基于c-Si晶片太阳能电池的模块的工艺监视和表征的有效的计 量工具。发光成像测量发光强度的横向分布，发光强度的横向分布随后被分析，以标识诸如 横跨过样品区域的电性电池参数或局部少数载流子寿命的局部参数。在PL和EL成像中， 分别通过光激发或电激发来产生发光，将相机用于检测。也可以通过照明(光激发)和施 加电压(电激发)的组合来激发样品。存在几种可选的方法，其中，以扫描式方法(例如，如在PL映射或微波光电导衰减 (μ -PCD)映身寸(microwave photoconductance decay ( μ -PCD) mapping)中白勺式或禾[!用 线扫描器中的传感器的阵列)来测量特定的参数的横向变化。在实践中以这些类型的仪器 实现的空间分辨率通常受扫描可用的时间的限制，即，特定测量区域的空间分辨率越高，测 量耗时越长。另一缺点在于，在这样的技术中，通常仅以经聚焦的激光束来照射小的区域。 结果，实验条件不代表受测材料的通常的操作条件，例如，光伏电池的1日照操作条件。PL成像的(与映射相对的)优点(尤其是在光伏器件中)在于可以在通常仅为几 秒或甚至几分之一秒的短时间中实现高分辨率图像，照明条件可以接近于1日照的通常操 作条件，即，对于在肌R光谱范围(例如，λ exc = 900nm)内的照明来说通常为 lOOmW/cm2。 对于在可见范围或UV范围中的更短的波长激发，照明可以适用于产生与在1日照条件下的 吸收的光子通量相似的吸收的光子通量。在一个实施例中，通过整个的大面积薄膜层/模块的照明和对整个的大面积薄膜 层/模块的检查，来得到整个的层/模块的高分辨率图像。图像中的空间分辨率于是受到 检测器分辨率(像素的数量)和模块面积的限制。光伏模块的尺寸可以大于lm2，为了实现 在这样的区域上方的达 lOOmW/cm2的入射强度，将需要具有> IOkW输出功率的光源。 在适于大面积样品的可选的实施例中，可以通过将从尺寸可以为IX Icm2至20X 20cm2 (不限于方形的区域)的子部分顺序获得的图像缝合(stitch)在一起，来产生整个发光图像。 然后，可以使用具有小得多的总输出功率的光源，可以实现高得多的空间分辨率。不足之处 在于更长的总数据获取时间和在机械上与照明/检测系统相关的扫描样品的需求。根据需 要，可以使用下面的扫描方法“步移(st印)并成像”，其中，对小面积的部分进行成像，且 基底或成像器被移动到下一部分上；“扫描并成像”，其中，成像器测量固定的小面积单元， 但相对于样品恒定地进行来回地扫动运动；或者“扫动成像”，其中，以线成像器为例，相对 于薄膜样品纵向地移动样品的全宽度。在一些方面中，对薄膜层进行PL成像，尤其是对由直接带隙半导体组成的薄膜光 伏电池和模块进行PL成像，可以明显地比对晶片和传统的基于c-Si的光伏电池进行PL成 像容易。因为c-Si是间接带隙材料并因此通常具有非常低的发光量子效应(通常以< 10_4 为数量级)，所以硅晶片的PL成像受到质疑。此外，来自c-Si的发射在900-1250nm的波长 范围内，从而发射光谱的大部分在硅相机敏感的光谱范围之外。与波长越短、越适合于利用传统的Si相机(CCD、CM0Q的检测对应，对于上述薄膜 半导体材料中的大多数，与硅相比，带隙处于高能量。另外，直接带隙材料的发光量子效应 的幅值的数量级通常更高，从而对于相同的照明条件来说导致更高的发光强度，且在从UV 至mR(850nm)中的小的光谱间距中，(例如，来自khott的)吸收有色玻璃过滤器是可用 的。在特定的情况下，S卩，在诸如带隙小于Si的带隙的SiGe的材料上，PL检测将需要 诸如InGaAs相机的可选的检测器技术。对于每种材料系统，发射和吸收性质将是不同的，从而需要特定地选择照明波长 和光学过滤器。通常，照明源需要被短通过滤，以防止相机检测到由样品或环境反射的任何 照明光。此外，在相机光学器件的前部需要长通过滤器。对于特定的激发和发光波长，需要 选择过滤器的截止波长。在可选的实施例中，可以使用光激发和电激发的组合，例如，具有在完成或几近完 成的薄膜光伏电池的接触端之间的电压的外部控制的PL成像。可以通过如上所述的对整 个样品进行成像或通过机械地扫描具有几个独立的图像的表面来测量样品(例如，在基底 上的经部分处理的层或整个模块)。在已公布的题为“Method and System for Testing Indirect Bandgap Semiconductor Devices Using Luminescence Imaging，，(使用发光 成像来测试间接带隙半导体装置的方法和系统)的第WO 2007/128060A1号PCT专利申请 (其内容通过交叉引用包含于此)中描述了为了表征传统的c-Si光伏电池的双激发的应 用。在本申请中，(通常以1日照等价照明)来照射样品电池，然后，在这样的照明将样品 电池偏置在小于开路电压的电压。在这些条件下，在发射中的明亮的区域指示增强的串联 阻抗的区域或电性隔离的区域。在薄膜光伏电池样品的情况下，这样的信息可以反馈到对 沉积条件或后续工艺步骤的条件调节中。普通的应用包括经在关键工艺步骤之后的材料品质的横向变化的测量或关键的 光伏电池参数(诸如串联和并联阻抗)的横向变化的测量的流水线内(in-line)工艺监视 和工艺控制。工艺控制可以包括在早期阶段从流水线(line)移除缺陷样品、工艺条件(诸如 膜沉积或后沉积退火、氢化和扩散)的调节、样品特性后续处理(例如，用于通过例如不良区域的激光隔离来校正缺陷)、同一样品的再处理、金属化、独立电池的激光隔离或缺陷区 域的激光隔离、模块互连以及在制造硬件中的错误的检测。假设了多种特定的应用。例如，在复合材料中，横跨过光谱的发射波长和强度分布 将依赖于材料的成分。这在CIGS材料中尤其重要，在CIGS材料中，光伏电池的功能关键性 地依赖于横跨过层的四种元素成分的化学计量分布。在SiGe合金(结晶或非晶)中，Ge含 量越高，发射波长朝向越长的波长移位，从而可以从发射光谱的对应的变化推导出膜化学 计量的横向变化。因此，可以使用利用安装在相机物镜前部的不同的(例如，长通、短通或 带通)光谱过滤器测量的两个或更多个PL图像的(例如，比、差或导数的)比较，以得到关 于膜成分的变化的信息。例如，可以存在这样的区域，其中，膜的一种特定的成分沉淀/结 晶成(具有可以使用利用适当的滤波器获得的PL图像进行分析的特性发射光谱的)元素 半导体材料(elemental semiconductor material)的区域。可以容易地得到可以用于这 样的目的的大量的合适的带通、长通和短通过滤器。虽然过滤器组合不能给出与由装配光 谱仪的PL映射系统提供的光谱分辨力相同水平的光谱分辨力，但是过滤器组合更简单，更 便宜，且更适于快速PL成像。此外，将存在许多这样的情况，其中，由成分变化导致的光谱 改变将是足够大的，从而通过改变滤波器组合而检测到由成分变化导致的光谱改变。在薄膜光伏电池模块中，模块的不同部分通常彼此串联和/或并联连接，通常是 通过激光工艺。经部分处理的模块的PL图像分析可以检测将导致模块内的产生的电压和 /或电流小于其他区域产生的电压和/或电流的区域的分流的区域或材料品质明显劣化的 局部区域。如果检测到缺陷区域，则可以执行多个行动。例如，可以修改模块的互连以避免 品质最差的区域的连接，或者可以针对模块的不同部分的串联和并联互连来优化互连。可 如何起作用的简化的示例如下对于由提供1. OV开路电压的品质良好的材料组成一半的 区域且由仅提供0. 8V开路电压的品质不良的材料组成的另一半的模块，可以以这样的方 式来执行互连，即，将来自品质良好的区域的四个电池串联连接，并将来自品质不良的区域 的五个电池串联连接。然后，可以并联连接这样的两个电压匹配的串联连接的串，从而在总 体上更有效地使用了材料。通常，将串联连接来自每一侧的五个电池，且品质不良的区域的 较低的电压将不必要地降低了品质良好的区域的电压。在串联光伏电池中，由不同材料制成的至少两个电池通常位于彼此的顶部上 (即，光学地串联)，并以整体的方式串联连接。在该堆叠的顶部处的材料具有最大的带隙， 从而其吸收能量高(波长较短)的光子并透射能量较低的光子，从而具有逐渐降低的能量 带隙的随后的层将吸收入射光谱的具有逐渐变长的波长的部分。因此，理想的是仅在该堆 叠中的特定的电池中吸收特定的波长。出于表征的目的，PL成像可以用于以合适的单色的 或经带通过滤的光选择性地激发一个或几个独立的层，然后仅检测来自所述一个或几个独 立的层的发光发射。可以通过偏置整个的堆叠并仅以适当的激发波长照射特定的电池来实 现上面的串联阻抗分析。在这方面的有益之处在于，发光发射的波长通常长于激发波长的事实。来自在堆 叠中的第η电池的发射可以传播通过上方覆盖的第n-1电池，并可以被检测到，这是因为这 些电池的带隙均大于电池η的带隙并因此对于来自电池η的发射是透明的。在薄膜C-Si中，带至带发光的发射因不良的材料品质、C-Si的间接带隙以及 与晶片相比的小的发射体积而是非常弱的。作为选择，可以使用缀饰位错(decorateddislocation) (S卩，包含杂质的位错)的宽的发射。这样的发射带在(不能利用硅相机进行 检测但可以利用InGaAs相机检测的) 1550nm的波长处具有它的峰。因此，可以将来自 薄膜C-Si模块和层的与缺陷相关的光致发光的成像用作品质控制技术。
虽然已经参照特定的示例描述了本发明，但本领域技术人员应该理解，本发明可 以以许多其他的形式来实施。
权利要求
1.一种监视薄膜沉积工艺的方法，所述方法包括如下步骤(a)利用预定的照明照射通过所述沉积工艺生长的半导体薄膜的区域或正在通过所述 沉积工艺生长的半导体薄膜的区域，以从所述薄膜产生光致发光；(b)捕捉所述光致发光的图像；(c)处理所述图像，以确定所述薄膜的一种或一种以上的性质；(d)使用所述一种或一种以上的性质来推导关于所述沉积工艺的信息。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在正在通过所述沉积工艺生长所述薄膜的同时执 行所述方法。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述沉积工艺在室中发生，通过所述室的对于所述 预定的照明透明的窗口照射所述薄膜，通过所述室的对于所述光致发光透明的窗口捕捉所 述图像。
4.如前述权利要求中的任意一项权利要求所述的方法，其中，重复步骤(a)和步骤 (b)，以产生所述薄膜的更大的区域的光致发光图像。
5.如前述权利要求中的任意一项权利要求所述的方法，其中，所述方法用于确定下面 的性质中的至少一种的空间变化吸收体层品质；少数载流子寿命；在化合物材料中的层 成分的均质性；杂质浓度；电性缺陷的浓度；以及结构性缺陷的浓度。
6.如前述权利要求中的任意一项权利要求所述的方法，其中，所述方法用于监视基于 薄膜的光伏电池或模块的生产。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述方法用于监视下述中的至少一种少数载流 子寿命变化；基于照明的局部电压变化；在互连的模块中的分流的独立电池或局部分流区 域；或者在电池或模块中的串联阻抗问题。
8.如前述权利要求中的任意一项权利要求所述的方法，其中，所述方法还包括如下步 骤(e)利用在步骤(d)中确定的信息来调节所述薄膜沉积工艺。
9.如权利要求8所述的方法，其中，步骤(e)包括下述中的至少一个薄膜样品的移 除；工艺条件的调节；或者沉积工艺中的硬件错误的检测。
10.如前述权利要求中的任意一项权利要求所述的方法，其中，所述方法还包括如下步骤(f)利用在步骤(d)中确定的信息来调节或控制所述薄膜的后沉积工艺。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述后沉积工艺包括退火、氢化、扩散、缺陷区域 的激光隔离、金属化、模块互连、或者薄膜的再处理。
12.如前述权利要求中的任意一项权利要求所述的方法，其中，所述光致发光包括所述 半导体薄膜的带至带发光。
13.如前述权利要求中的任意一项权利要求所述的方法，其中，所述光致发光包括由所 述半导体薄膜中的杂质和缺陷发射的发光。
14.一种用于实现如权利要求1至权利要求13中任意一项权利要求所述的方法的设备。
15.一种监视部分或全部完成的半导体薄膜光伏电池或模块的方法，所述方法包括如 下步骤(a)利用预定的照明照射所述半导体薄膜光伏电池或模块的区域，以从所述电池或模块产生光致发光；(b)捕捉所述光致发光的图像；(C)处理所述图像，以确定所述电池或模块的一种或一种以上的性质； (d)使用所述一种或一种以上的性质来推导关于电池或模块的信息。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述信息包括下面的性质中的至少一种的空间 变化吸收体层品质；少数载流子寿命；在化合物材料中的层成分的均质性；杂质浓度；电 性缺陷的浓度；以及结构性缺陷的浓度。
17.如权利要求15所述的方法，其中，所述信息包括基于照明的局部电压变化；在互 连的模块中的分流的独立电池或局部分流区域；或者在电池或模块中的串联阻抗问题。
18.如权利要求15至17中的任意一项权利要求所述的方法，其中，所述方法还包括如 下步骤(e)利用在步骤(d)中确定的信息来调节用于沉积所述半导体薄膜光伏电池或模 块中的薄膜的工艺。
19.如权利要求18所述的方法，其中，步骤(e)包括下述中的至少一个薄膜样品的移 除；工艺条件的调节；或者沉积工艺中的硬件错误的检测。
20.如权利要求15至19的任意一项权利要求所述的方法，其中，所述方法还包括如下 步骤(f)利用在步骤(d)中确定的信息来调节或控制所述半导体薄膜光伏电池或模块的 进一步的工艺。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述进一步的工艺包括退火、氢化、扩散、缺陷区 域的激光隔离、金属化、模块互连、或者薄膜的再处理。
22.如权利要求15至21中的任意一项权利要求所述的方法，其中，所述方法还包括如 下步骤(g)预测完成的半导体薄膜光伏电池或模块的性能。
23.一种用于实现如权利要求15至权利要求22中任意一项权利要求所述的方法的设备。
全文摘要
本发明提供用于使用光致发光成像来监视半导体薄膜的沉积和/或后沉积工艺的方法和设备。分析所述光致发光图像，以确定所述半导体膜的一种或多种性质及其横跨过所述膜的变化。这些性质用于推导关于沉积工艺的信息，关于沉积工艺的信息可以随后被用于调节沉积工艺条件和后续工艺步骤的条件。所述方法和设备具体用于基于薄膜的太阳能电池。
文档编号G01N21/88GK102089874SQ200980126976
公开日2011年6月8日 申请日期2009年7月9日 优先权日2008年7月9日
发明者伊恩·安德鲁·麦克斯威尔, 索斯坦·托普克, 罗伯特·安德鲁·巴多斯 申请人:Bt成像股份有限公司