[发明专利]太阳能基板薄膜多任务测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学检测领域，具体涉及一种太阳能基板薄膜多任务测量系统。

背景技术

光学方法测量薄膜厚度和光学常数（n和k）通常可采用反射率测量方法或椭圆偏振方法。椭圆偏振仪理论上可以更好的测量均匀薄膜的厚度和光学常数，但是设备价格昂贵（例如：J.A.Woollam系列椭圆偏振仪）。采用反射率测量方法，尤其是垂直入射的膜厚仪，结构简单，对于厚度大于50nm的薄膜结构，测量精度高，速度快（例如：Oceanopitcs NanoCalc系列）。

反射率测量方法通过首先测量已知反射率的参考样品的反射光谱，而后测量待测样品的反射光谱，通过参考样品和待测样品光谱的比计算出待测量样品的反射率；而后，通过薄膜结构建模（多层膜结构反射率模拟）和回归算法拟合，计算出待测样品表面薄膜结构和光学常数（n和k）。如图1所示，现有的多层膜结构反射率建模方法，大都建立在均匀光滑平整薄膜的基础上；当样品表面不规则时，如图2所示，反射光传播方向复杂，造成样品分析和测量两方面的困难。1）待测样品反射率与光学系统采集的数值孔径（Numerical Aperture,N.A.）有关。数值孔径较大时，多方向的反射光将大部分被采集，而且经历不同光学过程的反射光将同时被采集；数值孔径较小时，仅小角度内的反射光被采集，信号较弱。2）反射光相对于薄膜的入射角度分布范围复杂。当入射角度在一定范围内时，反射率的模拟建模与薄膜入射角度紧密联系，却存在多次反射的可能，难以准确地建模及计算出反射光谱。

太阳能电池作为环保绿色能源已被广泛使用，并将大量实施。太阳能电池生产过程中为了减少太阳能电池的反射率，对硅基表面进行化学腐蚀处理，形成粗糙的表面。除此之外，其硅基表面将通过生长一层增透膜（减反膜，anti-reflective coating）而降低光束入射至太阳能电池表面的反射率，增加透射率。因此在生产过程中，控制和测量硅基表面增透膜的厚度和光学特征（可表征吸收特征）成为硅基太阳能电池生产过程中的重要环节。

当前技术中，有采用椭圆偏振仪测量的方法，如Thin Solid Films 518(2010)1830 1834中所述，但是椭圆偏振仪价格较高。光学方法测量薄膜厚度和材料特性通常可通过垂直入射的反射率测量方法。此测量方法首先测量已知反射率的标准样品的反射光谱，而后测量样品的反射光谱，通过两束光谱的比之计算出测量样品的反射率；通过后期建模和数值拟合求出样品的薄膜结构和材料。此方法要求薄膜表面较平整。当样品表面非常粗糙时（平面上下起伏的尺度远大于测量用的波长），样品表面造成的光学散射和光束入射薄膜时角度的多样性，及多次反射的存在使得反射率测量方法难以实施。当前技术中，有用积分球收集粗糙样品表面的反射光的反射仪。例如，用于测量太阳能衬底绒面的全光谱反射式膜厚测量仪ＳＲ（上海致东光电科技有限公司），使用积分球作为反射光收集解决了样品粗糙表面造成的光学散射问题。但由于样品粗糙表面，垂直入射时，光束入射薄膜时具有角度的多样性及可能存在的一次、二次、三次及个别多次反射造成的测量偏差问题无法解决。即使是如单晶硅太阳能衬底表面，即具有一定规律性的粗糙表面衬底上的薄膜仍旧无法准确测量。