光学设备检测氮化硅膜厚

金 曦

（苏州工业园区职业技术学院电子工程系，江苏 苏州 215021）

1 引言

氮化硅薄膜是一种物理、化学性能十分优良的介质膜，它具有很好的化学稳定性、热稳定性和介电特性，因此广泛应用于微电子领域。在半导体器件和集成电路中，氮化硅薄膜用作钝化膜；在MOS电路中，Si3N4和SiO2组成复合栅绝缘层，对于提高电路的击穿电压起了很大作用，是MOS电路中最重要的工艺之一。它和SiO2一起成为半导体工艺不可缺少的介质膜。而在太阳能领域，SiN则成为了减反射膜的重要组成成分。现有技术对于氮化硅薄膜的检测依然以手动检测为主，利用光学设备则可以实现在生产设备上的在线检测。

2 晶体硅太阳电池

太阳电池发电直接利用取之不竭、无处不有的太阳能，不消耗原料、不排放废物、无噪声，是一种理想的清洁新能源，具有结构简单、易安装、建设周期短、维护简便甚至免维护、应用范围广等优点。

太阳辐射能由光子转变为电能的过程，叫“光生伏打效应”，能产生“光生伏打效应”的器件称为“光伏器件”。半导体PN结器件在阳光下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称为“太阳电池”。晶体硅太阳电池是具有PN结结构的半导体器件，是以单晶硅片为基体的单晶硅太阳能电池与多晶硅晶片为基体的多晶硅太阳电池的总称。太阳电池吸收太阳光能后，激发产生电子、空穴对，电子、空穴对被半导体内部PN结自建电场分开，电子流入n区，空穴流入p区，形成光生电场。将晶体硅太阳电池的正、负电极与外接电路连接，外接电路中就有光生电流流过。

晶体硅电池的生产工艺流程包括：去除表面损伤层，制备绒面→扩散形成发射结→等离子体刻边→去除磷硅薄膜→PECVD镀SiNx:H（SiNx:H Coating）→丝网印刷前后表面电极、铝背场。

3 PECVD工艺中的SiN膜厚

氮化硅（SiN）由于其优越的化学和物理性能，如耐高温、耐腐蚀、绝缘性、对H+具有良好的敏感性、制作简单等，在科学技术研究的许多领域有着广泛的应用。传统LPCVD法淀积的氮化硅薄膜虽然性能较好，但制作时温度要求较高（700℃~900℃）。采用低温（＜350℃）等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）法制备的氮化硅薄膜，性能也能满足要求，并且制备温度要求不高、台阶覆盖性能好，可用于在金属化后淀积加强对器件的钝化保护。

等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）的原理是利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电（或另加发热体）使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体，经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜。目前，PECVD工艺被普遍应用在太阳能电池片的镀膜工序上。

然而，对于如何使所沉淀的SiN膜具有最佳的采光效果，却仍然是一个大课题。众所周知，SiN膜的质量对于光线的减反射效果以及表面钝化特性都有着非常重要的影响，而这两者最终又将影响到电池片的短路电流。而在PECVD工艺之中，沉积时间、气体中化合物的配比、生产温度甚至包括硅烷的质量都会影响到SiN膜的沉积。根据生产中总结的经验来看，通常膜厚达到78 μm~82 μm的时候，其采光效果、减反射效果都是最理想的。但如果要精确控制厚度在这个范围内，工艺中的掌控难度较大，所以，普遍认为膜厚达到75 μm~85 μ m的范围内是可以接受的。过厚或者过薄的氮化硅膜都无法得到理想的光电转换效率。因此，在PECVD工艺之后检测SiN膜的厚度成为非常必要的工序。

现阶段用椭偏仪做手动检测是比较常规的手段。而用光学原理检测膜厚的新技术可以大大提高检测的效率，使得在线对膜厚进行检测成为可能。

4 光学检测SiN厚度

所谓的光学检测，既采用一些比较特殊的光源，通过高清晰的数码相机成相，把所拍摄到的照片经过数据线发送给图像处理卡之后，经由软件以特定的原理进行分析。

电荷耦合元件（CCD）通常分为3个层面。第一层为“微型镜头”，使感光面积不再由传感器的开口面积决定，而取决于微型镜片的表面积；第二层为“分色滤色片”，其作用是把RBG三种颜色的光分到三个通道内；第三层为“感光层”，通过分色滤光的红蓝绿光分别打到感光层上。利用感光层的颜色、饱和度和明暗度3个参数，可以测量膜的颜色、厚度等数据。

较厚的SiN膜一般表现为深蓝色，较薄的SiN膜则表现为浅蓝色。检测设备通过红、蓝、绿三组曝光，取得一组图片，而图片将在相机内反射出电池片的灰度值。系统会在电池片上划分检测区域，计算每个区域内的最大、最小灰度值和标准差。对膜厚的检测还需要进行一定数量的校正。完成了校正之后，就得到膜厚和灰度值之间的关系，而这种关联是固定的。系统根据膜厚和灰度值间的曲线定义膜的厚度。在获取最终数据时，选取敏感度最大的曲线，即厚度值大于T时，选取蓝色曲线；厚度值小于T时，选取红色曲线。

5 传统椭偏法检测膜厚

椭偏法测量的基本思路是，起偏器产生的线偏振光经取向一定的1/4波片后成为特殊的椭圆偏振光，把它投射到待测样品表面时，只要起偏器取适当的透光方向，被待测样品表面反射出来的将是线偏振光。根据偏振光在反射前后的偏振状态变化，包括振幅和相位的变化，便可以确定样品表面的许多光学特性，如膜厚和折射率等。

6 光学检测厚度实验与椭偏法数据比对

比对实验环境为室温的净化车间。取SiN膜厚度值在60 μm~90 μm之间的电池片共15片，在光学设备下重复检测10次，检测所得的厚度平均值与椭偏仪测得的数据做比对，获取最大最小差异数据，并对其重复精度以及检测时间做统计。结果如表1。

通过实验发现，光学检测与椭偏仪法之间由于检测方式不同、对于厚度的定义不同等因素，两者的实验数据有较大的差异。但是，两者之间的相关性却非常一致，差距基本在20μm~21μm之间。如此，只需在光学仪器检测的结果上叠加一个固定的补偿值，就可以得到一个与椭偏仪结果非常相近的厚度值。此外，实验发现光学设备的检测时间远远少于传统手动检测设备，对于大规模批量化的生产检测具有重要的意义。另外，由于实验片中有两片厚度不均匀的色差电池片，故这两片的重复精度略差于其他电池片。

7 结论

利用灰度值与厚度之间的关系，可以使用光学设备检测太阳能电池片的氮化硅膜厚。其数据结果准确稳定，而且检测速度更快，可以与自动化设备相连接，实现大规模的自动化检验，从而使在流水线上检测每一片电池片的氮化硅膜厚成为可能。

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［2］吴大维，范湘军. PECVD法氮化硅薄膜的研究[J].材料科学与工程，1997，15.

［3］陈篮，周岩. 膜厚度测量的椭偏仪法原理分析[J].大学物理实验，1999，（9）.