光學(xué)設(shè)備檢測氮化硅膜厚

金 曦

（蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，江蘇 蘇州 215021）

1 引言

氮化硅薄膜是一種物理、化學(xué)性能十分優(yōu)良的介質(zhì)膜，它具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和介電特性，因此廣泛應(yīng)用于微電子領(lǐng)域。在半導(dǎo)體器件和集成電路中，氮化硅薄膜用作鈍化膜；在MOS電路中，Si3N4和SiO2組成復(fù)合柵絕緣層，對于提高電路的擊穿電壓起了很大作用，是MOS電路中最重要的工藝之一。它和SiO2一起成為半導(dǎo)體工藝不可缺少的介質(zhì)膜。而在太陽能領(lǐng)域，SiN則成為了減反射膜的重要組成成分?，F(xiàn)有技術(shù)對于氮化硅薄膜的檢測依然以手動檢測為主，利用光學(xué)設(shè)備則可以實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)設(shè)備上的在線檢測。

2 晶體硅太陽電池

太陽電池發(fā)電直接利用取之不竭、無處不有的太陽能，不消耗原料、不排放廢物、無噪聲，是一種理想的清潔新能源，具有結(jié)構(gòu)簡單、易安裝、建設(shè)周期短、維護(hù)簡便甚至免維護(hù)、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

太陽輻射能由光子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程，叫“光生伏打效應(yīng)”，能產(chǎn)生“光生伏打效應(yīng)”的器件稱為“光伏器件”。半導(dǎo)體PN結(jié)器件在陽光下的光電轉(zhuǎn)換效率最高，所以通常把這類光伏器件稱為“太陽電池”。晶體硅太陽電池是具有PN結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，是以單晶硅片為基體的單晶硅太陽能電池與多晶硅晶片為基體的多晶硅太陽電池的總稱。太陽電池吸收太陽光能后，激發(fā)產(chǎn)生電子、空穴對，電子、空穴對被半導(dǎo)體內(nèi)部PN結(jié)自建電場分開，電子流入n區(qū)，空穴流入p區(qū)，形成光生電場。將晶體硅太陽電池的正、負(fù)電極與外接電路連接，外接電路中就有光生電流流過。

晶體硅電池的生產(chǎn)工藝流程包括：去除表面損傷層，制備絨面→擴(kuò)散形成發(fā)射結(jié)→等離子體刻邊→去除磷硅薄膜→PECVD鍍SiNx:H（SiNx:H Coating）→絲網(wǎng)印刷前后表面電極、鋁背場。

3 PECVD工藝中的SiN膜厚

氮化硅（SiN）由于其優(yōu)越的化學(xué)和物理性能，如耐高溫、耐腐蝕、絕緣性、對H+具有良好的敏感性、制作簡單等，在科學(xué)技術(shù)研究的許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)LPCVD法淀積的氮化硅薄膜雖然性能較好，但制作時溫度要求較高（700℃~900℃）。采用低溫（＜350℃）等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)（PECVD）法制備的氮化硅薄膜，性能也能滿足要求，并且制備溫度要求不高、臺階覆蓋性能好，可用于在金屬化后淀積加強(qiáng)對器件的鈍化保護(hù)。

等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)（PECVD）的原理是利用低溫等離子體作能量源，樣品置于低氣壓下輝光放電的陰極上，利用輝光放電（或另加發(fā)熱體）使樣品升溫到預(yù)定的溫度，然后通入適量的反應(yīng)氣體，經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，在樣品表面形成固態(tài)薄膜。目前，PECVD工藝被普遍應(yīng)用在太陽能電池片的鍍膜工序上。

然而，對于如何使所沉淀的SiN膜具有最佳的采光效果，卻仍然是一個大課題。眾所周知，SiN膜的質(zhì)量對于光線的減反射效果以及表面鈍化特性都有著非常重要的影響，而這兩者最終又將影響到電池片的短路電流。而在PECVD工藝之中，沉積時間、氣體中化合物的配比、生產(chǎn)溫度甚至包括硅烷的質(zhì)量都會影響到SiN膜的沉積。根據(jù)生產(chǎn)中總結(jié)的經(jīng)驗來看，通常膜厚達(dá)到78 μm~82 μm的時候，其采光效果、減反射效果都是最理想的。但如果要精確控制厚度在這個范圍內(nèi)，工藝中的掌控難度較大，所以，普遍認(rèn)為膜厚達(dá)到75 μm~85 μ m的范圍內(nèi)是可以接受的。過厚或者過薄的氮化硅膜都無法得到理想的光電轉(zhuǎn)換效率。因此，在PECVD工藝之后檢測SiN膜的厚度成為非常必要的工序。

現(xiàn)階段用橢偏儀做手動檢測是比較常規(guī)的手段。而用光學(xué)原理檢測膜厚的新技術(shù)可以大大提高檢測的效率，使得在線對膜厚進(jìn)行檢測成為可能。

4 光學(xué)檢測SiN厚度

所謂的光學(xué)檢測，既采用一些比較特殊的光源，通過高清晰的數(shù)碼相機(jī)成相，把所拍攝到的照片經(jīng)過數(shù)據(jù)線發(fā)送給圖像處理卡之后，經(jīng)由軟件以特定的原理進(jìn)行分析。

電荷耦合元件（CCD）通常分為3個層面。第一層為“微型鏡頭”，使感光面積不再由傳感器的開口面積決定，而取決于微型鏡片的表面積；第二層為“分色濾色片”，其作用是把RBG三種顏色的光分到三個通道內(nèi)；第三層為“感光層”，通過分色濾光的紅藍(lán)綠光分別打到感光層上。利用感光層的顏色、飽和度和明暗度3個參數(shù)，可以測量膜的顏色、厚度等數(shù)據(jù)。

較厚的SiN膜一般表現(xiàn)為深藍(lán)色，較薄的SiN膜則表現(xiàn)為淺藍(lán)色。檢測設(shè)備通過紅、藍(lán)、綠三組曝光，取得一組圖片，而圖片將在相機(jī)內(nèi)反射出電池片的灰度值。系統(tǒng)會在電池片上劃分檢測區(qū)域，計算每個區(qū)域內(nèi)的最大、最小灰度值和標(biāo)準(zhǔn)差。對膜厚的檢測還需要進(jìn)行一定數(shù)量的校正。完成了校正之后，就得到膜厚和灰度值之間的關(guān)系，而這種關(guān)聯(lián)是固定的。系統(tǒng)根據(jù)膜厚和灰度值間的曲線定義膜的厚度。在獲取最終數(shù)據(jù)時，選取敏感度最大的曲線，即厚度值大于T時，選取藍(lán)色曲線；厚度值小于T時，選取紅色曲線。

5 傳統(tǒng)橢偏法檢測膜厚

橢偏法測量的基本思路是，起偏器產(chǎn)生的線偏振光經(jīng)取向一定的1/4波片后成為特殊的橢圓偏振光，把它投射到待測樣品表面時，只要起偏器取適當(dāng)?shù)耐腹夥较颍淮郎y樣品表面反射出來的將是線偏振光。根據(jù)偏振光在反射前后的偏振狀態(tài)變化，包括振幅和相位的變化，便可以確定樣品表面的許多光學(xué)特性，如膜厚和折射率等。

6 光學(xué)檢測厚度實(shí)驗與橢偏法數(shù)據(jù)比對

比對實(shí)驗環(huán)境為室溫的凈化車間。取SiN膜厚度值在60 μm~90 μm之間的電池片共15片，在光學(xué)設(shè)備下重復(fù)檢測10次，檢測所得的厚度平均值與橢偏儀測得的數(shù)據(jù)做比對，獲取最大最小差異數(shù)據(jù)，并對其重復(fù)精度以及檢測時間做統(tǒng)計。結(jié)果如表1。

通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，光學(xué)檢測與橢偏儀法之間由于檢測方式不同、對于厚度的定義不同等因素，兩者的實(shí)驗數(shù)據(jù)有較大的差異。但是，兩者之間的相關(guān)性卻非常一致，差距基本在20μm~21μm之間。如此，只需在光學(xué)儀器檢測的結(jié)果上疊加一個固定的補(bǔ)償值，就可以得到一個與橢偏儀結(jié)果非常相近的厚度值。此外，實(shí)驗發(fā)現(xiàn)光學(xué)設(shè)備的檢測時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)手動檢測設(shè)備，對于大規(guī)模批量化的生產(chǎn)檢測具有重要的意義。另外，由于實(shí)驗片中有兩片厚度不均勻的色差電池片，故這兩片的重復(fù)精度略差于其他電池片。

7 結(jié)論

利用灰度值與厚度之間的關(guān)系，可以使用光學(xué)設(shè)備檢測太陽能電池片的氮化硅膜厚。其數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確穩(wěn)定，而且檢測速度更快，可以與自動化設(shè)備相連接，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的自動化檢驗，從而使在流水線上檢測每一片電池片的氮化硅膜厚成為可能。

［1］李京娜. PECVD氮化硅膜的制備及其紅外光譜分析[J].煙臺師范學(xué)院學(xué)報，1990，15.

［2］吳大維，范湘軍. PECVD法氮化硅薄膜的研究[J].材料科學(xué)與工程，1997，15.

［3］陳籃，周巖. 膜厚度測量的橢偏儀法原理分析[J].大學(xué)物理實(shí)驗，1999，（9）.