熊 震，付少永，李云珠，殷 麗，張映斌

(天合光能股份有限公司光伏科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室， 常州 213031)

0 引言

在多晶硅鑄錠時，由于溫度梯度和坩堝限制會引入大量應(yīng)力，從而造成多晶硅錠缺陷密度隨著晶體生長高度的增加而增長。過去幾年，多晶硅行業(yè)對控制多晶硅錠缺陷增殖進行了大量研究，有研究表明，應(yīng)力可以通過控制晶向和晶界來釋放。FUJIWARA 等[1]報道了一種枝狀晶體生長技術(shù)，該技術(shù)在晶體生長前期采用<112>和<110>晶向做籽晶來控制其微結(jié)構(gòu)。XIONG 等[2]的研究表明，類單晶硅太陽電池的短路電流與其所采用的硅片的晶向有明顯相關(guān)性。為降低多晶硅片缺陷密度，提高多晶硅太陽電池的質(zhì)量，檢測、監(jiān)控及掃描多晶硅片晶向被多次提及，但目前行業(yè)仍缺乏一種適合于生產(chǎn)中應(yīng)用的快速檢測方法。

目前已經(jīng)存在多種硅片晶向分析方法，其中X 射線衍射[3]、中子衍射[4]和電子衍射[5]是最成熟的方案，但這些技術(shù)較適用于單點測試，對于硅片這種面積較大的樣品不太適合。電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)[5-6]可適用于硅片的整面掃描，但該方法通常適用于面積較小(1～2 cm2)的硅片；且其對制樣的要求較高，需要精密拋光；測試時間也較長，典型的測試時間為60 min。因此，該方法仍不太適合于批量的大尺寸硅片的晶向檢測。20 世紀末，WANG 等[7]提出了基于硅片表面SEM 形貌的晶向分析方法，但該方法僅限于定性分析且耗時也較長。

上述測試方法都由于某些原因而無法對大尺寸硅片進行準確掃描，直到近幾年，德國的Franhofer 研究所推出了一種勞厄掃描儀[8]，才實現(xiàn)了對大尺寸多晶硅片晶向的掃描，但該方法的測試時間較長，需要1～2 h?；诖?，本文提出了一種簡單易行，可以快速、低成本地實現(xiàn)大尺寸多晶硅片晶向的光學(xué)掃描方法。

1 理論預(yù)測

在一塊多晶硅片上，肉眼可見多個晶粒，從不同角度去觀察這些晶粒，會發(fā)現(xiàn)晶粒的對比度發(fā)生了變化；當對硅片進行一些預(yù)處理(如堿制絨)后，可以發(fā)現(xiàn)晶粒的對比度增強了。這種對比度來源于晶體表面的微觀形貌，而微觀形貌取決于晶體表面的晶向。晶體硅是典型金剛石結(jié)構(gòu)，其原子密排面是<111>面，在機械加工或堿制絨時能量最低的密排面更傾向于保留下來。不同晶向指數(shù)的晶體表面，由于其與<111>面夾角不同，會保留特定的微觀形貌。以單晶硅片為例，晶體表面是晶向<100>，其平面與<111>晶面的夾角均為57.3°，圍成了一個正金字塔結(jié)構(gòu)。對于多晶硅片而言，晶粒的晶向除了<100>，還有很多其他種類，硅片表面形貌也大不一樣，這主要取決于實際晶向與<111>晶向夾角。其表面的精確形貌可以通過解析幾何計算得到，方法就是在實際晶體表面所在平面去截一個正八面體，分析所切割的部分。

假定一塊晶體硅在三維空間內(nèi)無限延伸。圖1 為晶體硅任意晶向的晶面制絨后的3D 形貌及其2D 投影。如圖1a 所示，8 個<111>晶面在oxyz笛卡爾坐標系里圍成了一個正八面體；假設(shè)圖1b～圖1d 中的橙色面是硅片表面，則<111>晶面的法向量在硅片表面的投影會隨切割面角度的變化而變化。在切割面上定義一個xoy坐標系，可以計算出這些法向量在xoy坐標系內(nèi)的2D投影。由此可知，當相機處于法向量投影方向時，可觀測到最強的反射信號。

圖1 晶體硅任意晶向的晶面制絨后的3D 形貌及其2D 投影Fig. 1 3D morphorlogy and its 2D projection on textured crystal silicon surface with a random orientation

上述2D 投影向量可以由反射曲線的峰值檢測到，而且從<111>晶面的3D法向量的定義出發(fā)，2D 投影向量也可以被還原成空間的3D 形式。

假設(shè)v1、v2、v3和v4是根據(jù)反射譜線的峰值得到的4 個2D投影向量，則其3D 形式可表示為：V1、V2、V3和V4，其中z1、z2、z3和z4待定。此外，晶向<111>的晶面與晶面之間的夾角α只有70.53°和109.47°這2種可能。因此，可以通過式(1)來求解未知量：

將相關(guān)參數(shù)代入式(1)可以得到6 個等式，但需要求解的未知數(shù)只有z1～z4這4 個，這是一個超定方程組，可采用數(shù)值分析的方法求解。

晶粒的晶向指數(shù)可以由特征譜線的峰值計算得出，也就是將各單位法向量求和。

為了便于確定和區(qū)別晶體中不同的晶向，國際上采用晶向指數(shù)來標定晶向。

由于晶體結(jié)構(gòu)的對稱性，只要得到3 個或4個3D 向量，其余的第4 個或第5 個向量都能推斷出來。從理論上來看，利用反射譜線峰值能夠檢測出晶粒的晶向，下文將通過實驗進行驗證。

2 實驗

2.1 實驗和裝置的設(shè)計

選取1 塊面積為100×100 mm2的多晶硅片作為實驗硅片，經(jīng)過10 min的標準堿制絨工藝后，硅片獲得了更加明顯地晶粒對比度。圖2 為實驗硅片堿制絨后晶粒的外觀圖，其中，晶粒a～晶粒d 為不同對比度的典型晶粒。

圖2 實驗硅片堿制絨后晶粒的外觀圖Fig. 2 Appearance of grains after experimental silicon wafer alkaline texturing

用電子掃描顯微鏡(SEM)觀察了圖2 中晶粒a～晶粒d 的表面微形貌，如圖3 所示。從圖中可看出，不同對比度的晶粒，其微觀形貌區(qū)別也較大。

圖3 不同晶粒的表面微形貌SEM 圖Fig. 3 SEM images for the surface morphology of different grains

無論是否采用制絨工藝，從不同角度去觀察一塊多晶硅片，其表面的晶粒對比度都會發(fā)生變化。由此可知，這種各向異性是由微觀形貌造成的。

本文設(shè)計了一種實驗裝置來記錄實驗硅片上晶粒對比度的變化，該裝置由1 個光學(xué)旋轉(zhuǎn)臺、1 個漫反射LED 屏和2 部相機組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。以光學(xué)旋轉(zhuǎn)臺表面的旋轉(zhuǎn)中心為圓心，建立3D 的笛卡爾坐標系，z軸垂直于旋轉(zhuǎn)臺表面，x軸正半軸指向并垂直于漫反射LED屏，xy所在平面與實驗硅片表面重合。

圖4 實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the experimental device

2.2 圖像處理及數(shù)據(jù)分析

對光學(xué)旋轉(zhuǎn)臺上的硅片拍照，將1 部相機任意角度采集得到原始圖像(見圖5a)，根據(jù)文獻[9]中的投影變換方法，可變換得到初始角度(0°)時的圖像(見圖5b)，然后將投影變換過程中生產(chǎn)的0°～359°的圖像排成一列(見圖5c)。由于是2 部相機，所以可得到2 列這樣的序列。

圖5 不同情況下的圖像Fig. 5 Images in different situations

取出同一像素時0°～359°投影變換得到的所有圖像中的亮度值，并在極坐標中生成角度-亮度散點圖，可以得到非常有特征的反射圖譜，如圖6 所示，其中紅色和藍色譜線分別代表2個相機拍攝到的反射譜線。從每個晶粒上都能得到若干個亮度極值，圖6 的反射譜線中一般包含3～4 個亮度峰值。

圖6 晶粒a～d 的反射圖譜Fig. 6 Reflection intensity pattern of grains a～d

2.3 大尺寸樣品的數(shù)據(jù)校正

測試大尺寸硅片時，絕大多數(shù)晶粒并不能處于光學(xué)旋轉(zhuǎn)臺的正中心，因此檢測的反射譜線峰值與<111>晶面的法向量會有一定偏差。

假設(shè)圖7 中一個任意晶粒g 處于向量V0位置，晶粒g 存在一個<111>晶面的法向量V1。實際測試過程中，假設(shè)在向量Vc1方向觀察到了亮度峰值，那么可以通過式(2)計算出V1。

圖7 的模型解釋了這種偏差的來源，并提出了校準方法。在模型中，所有元器件都被投影到xoy平面內(nèi)，并以硅片為參照物，相機和光源在繞原點公轉(zhuǎn)。

圖7 大尺寸硅片峰值偏差解釋模型和校準方法Fig. 7 A model to explain and calibrate the vector deviation on large silicon wafer

校正過程十分必要，尤其是相機1 的Vc1的模要小于相機2 的Vc1的模。

3 結(jié)果與討論

基于上述分析和校準方法，圖3 中4 個晶粒的晶向指數(shù)的計算結(jié)果為：晶粒a<0.469,0.569, 0.085>、晶粒b<0.977, 0.100, 0.000>、晶粒c<0.579, 0.564, 0.588>、晶粒d<0.923, 0.168,0.021>。

為了檢驗本文所提出方法的精確性，通過激光切割，選取了2 個面積為1 cm2的樣本，分別采用本文所設(shè)計的光學(xué)掃描方法與X 射線衍射(XRD)進行晶向檢測，并將檢測結(jié)果進行對比，結(jié)果如表1 所示。

表1 光學(xué)檢測與XRD 檢測結(jié)果對比

XRD 是一種較為精確的晶向檢測方法，其精度一般高于0.5°。由表1 可知，本文所設(shè)計的光學(xué)掃描方法與XRD 檢測結(jié)果的最大差異是0.84°，因此本文所設(shè)計的檢測方法的檢測精度小于1.34°。

本文所設(shè)計的光學(xué)掃描方法可適用于所有晶粒晶向的精確檢測。由于硅片中的晶粒較多(多達數(shù)千)，為方便顯示，按角度差異將晶向歸為<100>、<110>、<111>、<124>、<205>、<113>和<122>這7 類。按此分類，實驗所用的面積為100×100 mm2多晶硅片的晶向光學(xué)掃描結(jié)果如圖8所示，面積為100×100 mm2的硅片的測試時間小于10 min。本方法可用于多晶硅鑄錠的優(yōu)化和高效多晶硅片的研發(fā)。

圖8 100×100 mm2 多晶硅片晶向的光學(xué)掃描結(jié)果Fig. 8 Orientation mapping of 100×100 mm2 polysilicon wafer

4 結(jié)論

本文提出了一種大尺寸多晶硅片晶向的光學(xué)掃描方法，經(jīng)測試對比，該方法與XRD 檢測結(jié)果的差異在1°以內(nèi)，面積為100×100 mm2硅片的測試時間小于10 min，大約可以實現(xiàn)1000 多個晶粒的識別和晶向計算，并可按角度差異將晶向歸為7 類顯示在晶向掃描圖中。該方法可用于多晶硅鑄錠的優(yōu)化及高效多晶硅片的研發(fā)。