太陽能電池大多由單晶硅或多晶硅制成，將晶硅錠加工成太陽能電池需要一系列制造工藝，包括晶圓切割、制絨、酸洗、擴散、刻蝕、減反膜沉積、激光開槽、接觸印刷等。下圖為工藝流程中的測量節點。    

太陽能電池工藝流程中的量測節點, 包括金剛石切割線的表面形貌、硅片翹曲/表面粗糙度/邊緣倒角、電池片表面金字塔絨面高度和寬度的表征、減反膜厚度和反射率，以及激光開槽、太陽能金屬柵線和主柵線的形貌。    

本篇應用說明主要介紹采用KLA Instruments的Zeta™ 3D光學輪廓儀對太陽能電池的表面金字塔結構、激光開槽、金屬柵線和主柵線結構的測量與分析。    

Zeta光學輪廓儀廣泛應用于太陽能電池的生產工藝流程中，包括： (i)用于硅片切割的金剛石線檢測；(ii)硅片表面粗糙度、翹曲和邊緣倒角的量化；(iii)金字塔結構的高度、尺寸、周期測量，以及絨面的比表面積分析；(iv)減反膜的厚度和反射率測量；(v)用于印刷銀柵線的激光開槽形貌表征；(vi)金屬線（細柵線和主柵線）的高度、寬度、橫截面積和體積的測量。     

此外，Zeta可實現多點自動化測量，針對太陽能電池的應用具有全自動分析能力。相比于掃描電子顯微鏡（SEM）具有無損測量的優勢，而其產能遠高于原子力顯微鏡（AFM）。    

01操作原理     

Zeta光學輪廓儀采用ZDot™技術和多模組光學系統，可測量不同樣品的表面形貌，及亞納米級至毫米級的臺階高度。系統包含兩個高強度白色LED光源：光源1用于獲取ZDot網格在Z方向的對比度變化信息，還原表面形貌；光源2用于保留樣品的真彩色信息。    

ZDot™ 技術示意圖    

02晶硅太陽能絨面分析    

硅片表面的金字塔結構用于提升太陽能電池的光利用率。Zeta太陽能絨面解決方案可自動統計和分析視場中的金字塔結構，包含金字塔大小和高度的直方圖、真彩色圖像、金字塔結構的統計信息（大小、高度、數值和表面面積比率）。    

金字塔分析界面，顯示：具有金字塔峰位置自動識別和輪廓位置的 2D 圖像（左上角）；單晶硅絨面的3D圖像（右上角）;以及金字塔大小和高度的直方圖（底部），其中紅色曲線表示對數據的擬合。    

下圖為用于分析特定于單晶硅和多晶硅的絨面結構的不同算法。系統可檢測單晶結構每個金字塔的頂點，并計算高度、大小、計數和表面積，或檢測多晶絨面的邊界并完成相應的統計計算。同時，使用Zeta的多點測量功能，可以實現太陽能電池的多點位自動化測量。    

單晶硅（左）和 多晶硅（右）的絨面結構。對于多晶硅結構，結構的邊界被圖像處理算法圈出。    

03激光開槽量測     

太陽能電池廣泛采用激光開槽埋入式接點，以便提供基礎結構以印制金屬線。Zeta可測量激光開槽的寬度和深度，如下圖。使用3D圖像的特征查找功能，可自動尋找激光凹槽的邊緣并分析深度和寬度。     

激光開槽分析：(a) 2D 圖像；(b) 3D 圖像；(c) 2D 橫斷面分析結果。對于 2D 和 3D 圖像，2D輪廓線來自于寬線范圍的平均溝槽輪廓。    

04太陽能金屬柵線表征      

太陽能金屬柵線用于將絨面區域產生的電能傳導到金屬主柵線，主柵線又將電能傳導到硅片邊緣以到達外部電路。太陽能金屬柵線的反射率非常高，而鍍有減反膜的晶硅絨面反射率極低（< 5%）。Zeta 的HDR成像系統能夠在非常暗的表面上，對高反射率的金屬柵線進行精確的3D測量。     

HDR 成像：使用低強度光從高反太陽能指狀電極線（頂部）生成有效信號；使用高強度光從低反射金字塔結構（底部）生成有效信號。    

Zeta太陽能金屬柵線程式可以自動測量和分析金屬柵線，并根據多個橫截面的數據分析太陽能金屬柵線的平均高度、寬度、面積和體積等。     

此外，Zeta具有圖像識別功能，可自動定位金屬柵線并完成測量分析，無需手動尋找測量視場。    

太陽能金屬柵線分析：2D橫截面輪廓（左上角）、具有橫截面位置的2D圖像（右上角）、2D橫截面結果（左下角）和3D圖像（右下角）。    

05太陽能金屬主柵線表征     

與指狀柵線相比，主柵線的結構更寬，通常為1500μm。Zeta的自動圖像拼接技術可實現對主柵線的測量。    

太陽能主柵線分析：2D 橫截面輪廓（左上角）、具有橫截面位置的 2D 圖像（右上角）、2D 橫截面結果（左下角）和包含自動拼接圖像的 3D 圖像（右下角）。    

06其他太陽能相關應用     

Zeta是一種通用測量工具，也可用于在太陽能電池加工的初始步驟中表征硅片，使用ZDot模式和相移干涉模式（PSI）來計算未拋光硅片的表面粗糙度。下圖為未拋光硅片的俯視圖， 和硅片的翹曲測量。    

用于面粗糙度分析的未磨光硅片的圖像。用戶選定的矩形定義計算所用的區域。    

2D 晶圓翹曲測量結果量化了硅晶圓的高度變化。    

結論    

Zeta 光學輪廓儀可用于：太陽能電池的非破壞性和高產量測量。Zeta采用ZDot技術、HDR功能以及專為太陽能應用開發的算法和程式，可對絨面、激光凹槽、金屬柵線和主柵線進行自動和全面的表征。    

Zeta系統開發了：專門為太陽能行業定制的算法和程式，可以對太陽能電池中關鍵的特征進行測量，助力工程師優化制造工藝，監控產品質量，以生產性能佳、成本優的太陽能電池產品。