表征薄膜厚度和折射率的椭偏法及光伏领域计量应用-中国计量科学研究院-刘文德-solarbe文库

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刘文德博士 /副研究员 2021年 5月 21日 ∙无锡椭圆偏振光谱技术介绍椭偏法在光伏中的应用椭偏仪的校准研究 1 2 3 CONTENTS 主要内容椭圆偏振光谱技术介绍光变化的电磁场叠加后的波强度相位波长 /频率光的波动偏振光谱辐照度总辐照度光伏计量光强度、波长 /频率溯源功率 W 光阑面积 m2 NIM低温辐射计辐射计光阑溯源光谱响应度差分光谱响应度校准装置 A/W 陷阱探测器竖直偏振水平偏振矢量叠加不同相位、振幅不同偏振态光偏振相位迎着光看，光的电场矢量运动轨迹 p或 s “水平”和 “竖直”偏振分量； r反射系数； δ波动的相位。 ψ， Δ椭偏角光偏振相位偏振态包含了光与材料相互作用的信息薄膜干涉振幅相位椭圆偏振法 Ellipsometry 衬底 ns, ks 薄膜 i ni, ki, Ti 薄膜 2 n2, k2, T2 薄膜 1 n1, k1, T1 环境 n0, k0 θo ES Ei EP rs Er rp n1, k1, T1 环境 n0, k0 θo ES Ei EP rs Er  光谱探测 rp 实验测量 Tanψ, CosΔ 模型 Substrate SiNx 表面层 Tanψ, CosΔ 比较测量模拟确定膜厚光学常数带隙测量 ≠ 模拟用特定算法修正模型参数反演结构、材料参数 r ni,ki,Ti rp r s Tanψ e jD 模型计算椭偏 Ellipsometry 非接触（无损）全光谱反、透射性质测量环境宽松材料种类多样精度高（亚纳米）实时、在线相位敏感获得光学常数实、虚部样品尺寸小光束影响小椭偏测量特点序号所属应用领域可以解决的科学问题 1 太阳能光伏多层膜光学性质，以及随组分的演变 2 光刻工艺与技术研发半导体光刻机关键元器件研制、光刻胶研发、掩模版的光学检测、器件质量检测 3 固态发光 LED外延片生长过程监测、表面层性能原位测试、新型 OLED照明元件研发 4 平板显示 LCD/PDP/OLED显示器件研发与产品质量在线监测椭偏应用领域椭偏法在光伏中的应用无论是晶体硅电池新工艺，还是高效电池的发展，目的都是通过技术手段或新型结构的设计，减少光电转换过程中的光学与电学的损失。  结构精细化新型钝化材料和结构， PERC/TOPcon/HIT，等  工艺流程升级减反膜制绒工艺、钝化膜工艺、掺杂、电极，等金字塔型（ pyramid texture）型表面倒金字塔型表面（ inverted pyramid texture）太阳电池中的薄膜工艺  PECVD镀 SiNx减反射薄膜 ARC  SiNx具有相对合适折射率，有效降低光反射损失 与绒面结合进一步降低反射损失碱制减反射绒面厚度增加反射率下降减反射 1 https//www.pveducation.org/pvcdrom/design-of-silicon-cells/anti-reflection-coatings 2 https//pv-manufacturing.org/alkaline-texturing/  硅片内部和硅片表面的杂质及缺陷会对光伏电池的性能造成负面影响，钝化工序通过降低表面载流子的复合来减小缺陷带来的影响，抑制载流子表面复合，增加少子寿命，从而改善光伏电池 Isc和 Voc；  PERC电池背面钝化多采用 Al2O3/SiNx双层结构，厚度 10nm；  椭偏仪在试验或量产阶段起到表征、工艺研发、监控 /反馈工艺参数、质量控制等作用。太阳电池中的薄膜工艺薄膜质量参数  薄膜厚度 75-85nm  折射率 2.05-2.15  膜厚均匀性（色差  反射率 PECVD参数  微波功率  反应室温度压力  传输速率  气体流量在线 /离线检测 PECVD 椭偏仪用于表征薄膜太阳电池、钙钛矿太阳电池膜层结构、材料光电特性。光学常数介电常数 A review of characterization of perovskite film in solar cells by spectroscopic ellipsometry, Solar Energy 212 2020 48-61 新型太阳电池表征椭偏仪的校准研究  国际上已对多种不同膜厚测量方法进行了比对，并开展了国际比对  单波长、光谱椭偏法分析方法与测量结果之间的差异  不同实现方式的椭偏技术误差来源不一，需具体分析  入射角；偏振元件方位角、相位  光学模型、衬底光学常数  表面污染  界面过渡层  均匀性（面内，薄膜生长方向）不确定度来源方法原理材料特性仪器本身影响测量的因素化学机械抛光 CMP引入的金属杂质 SiO2/Si界面过渡氧化层 SiOx 材料特性 H2O Si2O3, SiO and SiO2过渡氧化物 CxHy 碳氢吸附物污染 SiO2 化学机械抛光引入的污染 Si衬底硅片表面结构复杂物理 /化学吸附、界面即使非常小心去除，也会给不确定度带来 0.20.3 nm水平的影响 I Busch, et al, Metrologia 48 2011 S62–S82 来源标准样品 ψ、 Δ 膜厚折射率说明美国 NIST2530标准参考物质 SRM研究报告 SiO2 on Si 0.04 o 0.5 nm 0.001 单波长，变入射角优化了椭偏角的测量准确度德国 PAS 1022 SiO2 on Si 未作规定 0.25 nm 未涉及光谱椭偏 GJB/J 5463-2005 SiO2 on Si 0.04 oψ重复性 0.08oΔ重复性 0.5 0.001（重复性）光谱椭偏，用空气测量法给出最大允差标准 /规范中国计量科学研究院参照 NIST的单波长方案建立用于溯源的固定入射角计量型椭偏仪分析示例样品 1（ 50 nm）样品 2（ 120 nm） ψo Δo ψo Δo 重复性 0.05 0.08 0.07 0.09 起偏器方位角 0.0036 - 0.0045 - 傅里叶系数 α 0.040 0.006 0.032 0.004 傅里叶系数 β - 0.079 - 0.064 入射角 0.001 0.03 0.01 0.03 合成标准不确定度 0.064 0.117 0.078 0.115 扩展不确定度 k2 0.13 0.23 0.16 0.23 校准不确定度评定 1）椭偏参量名义值范围 1 氮化硅薄膜  椭偏角 43o, 4o～ 9o  膜厚 87nm  折射率 2.000； 2 氧化硅薄膜  椭偏角 25o, 90o  膜厚 58nm  折射率 1.460 3）测量不确定度  椭偏角 ψ, Δ不确定度 0.3o, 0.4o  等效膜厚 d不确定度 Ud0.5nm  折射率 n不确定度 Un0.005  以上包含因子 k2，如无特殊说明 AOI70o, 波长 633nm。光谱椭偏仪波段 260nm2000nm 椭偏仪校准装置椭偏仪标准样品评价椭偏角对膜厚和折射率的影响 JJF 1059.2 用蒙特卡洛法评定测量不确定度；入射角 70o，波长 632.8nm；设定标准不确定度 uψ0.2o， uΔ0.25o；考虑硅上二氧化硅薄膜厚度，已知光学常数；考虑石英体材料的折射率； 105次蒙特卡洛模拟获得统计直方图；厚度、折射率分布仍符合正态分布。 1 2 9 . 4 1 2 9 . 6 1 2 9 . 8 130 1 3 0 . 2 1 3 0 . 4 1 3 0 . 6 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 d S i O 2 n u m b e r o f d a ta S i m u l a t i o n d a t a N o r m a l D i s t r i b u t i o n Fi t t i n g 校准不确定度传递 1 . 4 4 5 1 . 4 5 1 . 4 5 5 1 . 4 6 1 . 4 6 5 1 . 4 7 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 N S i O 2 n u m b e r o f d a ta S i m u l a t i o n d a t a N o r m a l D i s t r i b u t i o n Fi t t i n g ud0.13 nm un0.003 硅上二氧化硅薄膜厚度石英体材料的折射率刘文德 wendeliunim.ac.cn