KLA Instruments 小課堂

定期分享KLA Instruments旗下產(chǎn)品的各種技術(shù)資料、應(yīng)用筆記和使用指南。

旗下產(chǎn)品包括：輪廓儀、納米壓痕儀、薄膜測厚儀、方阻測量儀以及晶圓缺陷檢測系統(tǒng)。

本期課程：

TOPCon 太陽能電池片的方阻測試— KLA Instruments Filmetrics R54 系列

機動車檢驗標(biāo)志電子化

在全球各國努力減少碳足跡與追尋可持續(xù)能源的大背景下，太陽能行業(yè)經(jīng)歷了顯著增長。在基于晶體硅 (c-Si) 的多種工藝路線中，隧穿鈍化接觸太陽能電池 (TOPCon) 因其高光伏轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 和高性價比而脫穎而出。目前工業(yè)TOPCon電池的最高PCE已達到25.42%（2024年6月JinkoSolar公開數(shù)據(jù)），接近約29%的理論極限。對于更高PCE的追求同時對工藝控制和監(jiān)測也是新的挑戰(zhàn)。

太陽能電池的性能表現(xiàn)取決于導(dǎo)電性、接觸電阻和復(fù)合速率之間的精細平衡，而這些參數(shù)都受到摻雜濃度的高度調(diào)控，因此監(jiān)控摻雜濃度對于控制TOPCon工藝質(zhì)量至關(guān)重要。一些測試方法諸如載流子壽命測量和熒光成像技術(shù)，都可將微波或光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為載流子濃度信息。然而，這些間接測試方法需要復(fù)雜的校準(zhǔn)步驟，且容易受到外部干擾的影響。相比之下，四探針(4PP)測量的方塊電阻（Rs）可以直接提供載流子遷移率和接觸電阻等電學(xué)特性，這使其成為TOPCon工藝中不可或缺的監(jiān)控手段。

自1984年推出首個四探針系統(tǒng)以來，KLA在電阻率測量方面積累了超過40年的創(chuàng)新經(jīng)驗，其方塊電阻測量系統(tǒng)在半導(dǎo)體行業(yè)中廣受認可。來自KLA Instruments Filmetrics的 R54方塊電阻測繪儀是一種桌面式方阻測量系統(tǒng)，配備了KLA最新的方阻測試探頭和測試電路。本文將介紹四探針測量技術(shù)和最新的TOPCon太陽能電池工藝，多種TOPCon工藝中實測的方阻結(jié)果都揭示了R54是TOPCon工藝監(jiān)測的優(yōu)秀解決方案。

方阻測試技術(shù)與TOPCon工藝流程

太陽能電池片的四探針方阻測試

四探針方阻測試技術(shù)因其簡單的測試原理和高度的準(zhǔn)確性而廣受歡迎，已有超過100年的使用歷史。在四探針測試過程中，電流經(jīng)過兩個與樣品界面接觸的針腳流入樣品，由另外兩個與樣品表面接觸的針腳測試電壓，如下圖所示。標(biāo)準(zhǔn)測量配置（下圖左）適用于遠離樣品邊緣的測試區(qū)域，對于靠近樣品邊緣區(qū)域的測量，可以在標(biāo)準(zhǔn)測試配置的基礎(chǔ)上額外進行交叉測試配置（下圖右）的測量。邊緣效應(yīng)可通過對兩種測試配置下獲得的電阻RA和 RB添加校準(zhǔn)系數(shù)來消除。

圖：標(biāo)準(zhǔn)配置（左）與交叉配置（右）的測試探頭分布示意圖。

除了常見的四探針配置外，R54還配備了額外幾項關(guān)鍵功能，使其在測試太陽能電池時具有顯著優(yōu)勢，包括：

不透光的測試腔體(下圖a)抑制了光電流的產(chǎn)生。

特殊設(shè)計的方形載物臺(下圖b)可適配方形太陽能電池片。

兼容所有KLA方阻測試探頭。

基于給定目標(biāo)電壓的自動電流調(diào)節(jié)功能。

對邊緣效應(yīng)與探頭形狀因子的動態(tài)校準(zhǔn)

圖(a) R54方阻測繪系統(tǒng) (b)專為太陽能電池片設(shè)計的方形載物臺。

TOPCon太陽能電池---結(jié)構(gòu)與工藝

TOPCon太陽能電池由n型摻雜單晶硅制備而來，在硅片兩面均分布有多層結(jié)構(gòu)（如下圖）。在TOPcon電池正面的制絨硅表面上制備有p型發(fā)射極，用于產(chǎn)生光生載流子；發(fā)射極被復(fù)合鈍化層覆蓋，以減少復(fù)合速率，TOPCon電池的正面涂覆有減反（AR）層，印有金屬電極。TOPCon的背面制備有SiOx/n型多晶硅界面的鈍化層，該層可增加特定載流子的隧穿機率并屏蔽另一種載流子。鈍化層可減少界面符合率并提高開路電壓，從而提高電池效率。

圖：TOPCon太陽能電池的結(jié)構(gòu)

下圖展示了目前TOPCon的工藝流程。n型單晶硅電池片的表面先經(jīng)過堿制絨過程形成金字塔結(jié)構(gòu)，硼摻雜發(fā)射極被制備于制絨表面，形成n型襯底的p-n結(jié)，隨后的氧化過程進一步增強硼原子注入并調(diào)整結(jié)深。硅片的背面經(jīng)過酸洗和堿拋的過程，形成平整的硅表面。在清理完殘液后，超薄的氧化隧穿層(SiOx)被通過熱蒸鍍的過程制備在電池片的背面，隨后磷摻雜的多晶硅被制備與隧穿層上，形成鈍化接觸結(jié)構(gòu)，最終通過退火工藝穩(wěn)定雜質(zhì)分布并鎖定諸如鈉或鉀等有害離子。TOPCon工藝的剩余步驟與PERC或其他基于單晶硅的太陽能片制備技術(shù)類似：通過緩沖氧化物刻蝕工藝(BOE)去除多余的氧化層并暴露出硅片兩側(cè)新鮮的硅表面，之后依次制備正面鈍化接觸層與減反層。TOPCon工藝的最后需要完成正面的金屬化，通過激光輔助燒結(jié)的技術(shù)可以增強銀漿在表面的附著，同時可以提高電極區(qū)域摻雜濃度以減少接觸電阻，這一過程被稱為“激光輔助接觸優(yōu)化”。

圖：TOPCon工藝流程圖

基于KLA R54的方阻監(jiān)控

在TOPCon產(chǎn)線上中，硼擴散、氧化和退火工藝均涉及直接摻雜或熱處理過程，這些過程會改變樣品的摻雜水平，因此對這些階段的精準(zhǔn)方阻監(jiān)控至關(guān)重要。KLA R54方阻測繪系統(tǒng)可勝任這三項工藝中的方阻監(jiān)控任務(wù)。

TOPCon太陽能電池的方阻測繪

方阻測繪可以直觀地提供摻雜均勻性的空間分布信息，通過對整個晶圓的方阻分布進行測繪，制造商能夠識別摻雜非均勻區(qū)域、缺陷、以及計劃外的繞鍍。

R54可在200x200mm的測試范圍內(nèi)自定義測試圖案。下圖展示了硼擴、氧化和退火工藝后的TOPCon電池片的225點方阻測繪結(jié)果。測試探頭可刺破表面氧化層以準(zhǔn)確測量方阻。硼摻雜過程比磷擴散過程更加復(fù)雜，因此硼擴與氧化片的方阻分布范圍較退火片更大。

圖：在硼擴（上）氧化（中）退火（下）工藝中的225點方阻測繪圖

在方阻測繪完成后，R54的軟件界面可顯示方阻的統(tǒng)計值。對于工藝控制而言，平均值和均勻性是工藝控制中最重要的兩項統(tǒng)計參數(shù)。R54軟件顯示的均勻性定義為太陽能產(chǎn)業(yè)內(nèi)廣泛使用的版本

方阻測試可靠性

大多數(shù)TOPCon生產(chǎn)線已經(jīng)集成了在線方阻監(jiān)控工具，這邊要求用高度精準(zhǔn)且穩(wěn)定的離線標(biāo)準(zhǔn)機臺來確保所有在線監(jiān)控設(shè)備的精準(zhǔn)校準(zhǔn)和匹配。R54的測量可靠性已經(jīng)由重復(fù)性數(shù)據(jù)與長期穩(wěn)定性數(shù)據(jù)驗證，使其成為了太陽能行業(yè)最具競爭力的方阻標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備之一。

圖：硼擴(上), 氧化(中),退火(下)樣品上測試的測量重復(fù)性。圖(上)的放大示圖展現(xiàn)了10次連續(xù)測量過程中的方阻波動。

在R54方阻測量的重復(fù)性測試中，我們對各工藝階段的10片晶圓進行10次重復(fù)測試，并計算每次測量的晶圓平均方阻。重復(fù)性通過單片平均方阻值的標(biāo)準(zhǔn)差來表示（圖上的放大視圖展示了重復(fù)測試中的方阻波動情況）。硼擴工藝中（圖上）的方阻測試重復(fù)性值低于方阻均值的的0.5%，氧化（圖中）和退火（圖下）工藝的方阻測試重復(fù)性值均低于平均方阻的0.3%。這些值均遠優(yōu)于工藝的監(jiān)控閾值。

R54 的長期穩(wěn)定性測試對不同工藝階段的樣品進行了為期4周的方阻監(jiān)控。結(jié)果如下圖所示。來自3種工藝的15個樣品顯示，4周內(nèi)方阻的變化均低于晶圓平均值的1%，測得的長期穩(wěn)定在樣品自然方阻波動范圍內(nèi)。重復(fù)性和長期變化的數(shù)據(jù)總結(jié)如下表1所示：

圖：太陽能電池片方阻測試的長期穩(wěn)定性

結(jié)論：

TOPCon技術(shù)正在不斷突破晶硅光伏效率的極限，而精準(zhǔn)的方阻監(jiān)控對于高質(zhì)量工藝控制至關(guān)重要。KLA Instruments Filmetrics 的R54方塊電阻測繪儀提供了全面的方阻測試功能，并具有優(yōu)異的重復(fù)性和長期穩(wěn)定性。該設(shè)備可完全滿足TOPCon太陽能電池方阻測量的需求，其性能已在實際生產(chǎn)中得到驗證。