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

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 Tan(ψ), Cos(Δ) 模型 Substrate SiNx 表面 层 Tan(ψ), Cos(Δ) 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 = Tan(ψ) 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 (0.2~0.3) 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 o(ψ)重复性 0.08o(Δ)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） ψ(o) Δ(o) ψ(o) Δ(o) 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 (k=2) 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 Ud=0.5nm  折射率 n不确定度 Un=0.005  以上 包含 因子 k=2， 如无特殊说明 AOI=70o, 波 长 633nm。 光谱椭偏仪 (波段 260nm~2000nm) 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 uψ=0.2o， uΔ=0.25o； • 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 ud=0.13 nm un=0.003 硅上二氧化硅薄膜 厚度 石英体材料的折射率 刘文德 wendeliu@nim.ac.cn