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CN103052875B - 测量半导体层掺杂剂含量的非接触系统 - Google Patents

测量半导体层掺杂剂含量的非接触系统 Download PDF

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CN103052875B CN201180022582.8A CN201180022582A CN103052875B CN 103052875 B CN103052875 B CN 103052875B CN 201180022582 A CN201180022582 A CN 201180022582A CN 103052875 B CN103052875 B CN 103052875B
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Abstract

一种半导体材料的掺杂剂含量的非接触测量的系统和方法，通过将红外辐射（IR）反射出材料并将辐射分裂成两束，将每个光束通过不同波长范围的通带滤波器，比较通过每个滤波器的能量的级别并通过参照根据用于该系统的已知晶片掺杂剂含量做出的相关曲线计算掺杂剂含量。

Description

测量半导体层掺杂剂含量的非接触系统
技术领域
本发明大致涉及半导体设备的一个或多个层中的掺杂剂含量的测量，更具体地涉及在关联的商业生产线中的这种设备（例如光电（PV）太阳能电池、LED和采用扩散、注入或外延沉积的掺杂层的其他半导体设备）的掺杂剂含量的非接触测量的系统和方法。
背景技术
作为背景，我们将描述晶体硅（c-Si）PV电池制造过程和半导体LED制造过程。
为了制造c-SiPV电池，硅晶片在电池生产线经受一系列加工步骤。每个引入的晶片被略微体掺杂（即，扩散）有产生“正电位能”（n型晶片）或“负电位能”（p型晶片）的“自由载波”的原子。第一步骤（对废弃的有缺陷的晶片输入检查或将晶片分成多个）之后，将晶片通过湿式化学蚀刻加工以移除原标记和其他表面缺陷和污染。每个晶片于是被各向构造（另一湿加工）以将其表面精微地弄糙，增强其捕获进入光子的能力。在构造之后，晶片于是在晶片的表面上的层中被掺杂有对于体掺杂产生相反电位能的“自由载体”（在半导体用法中）的化学制品。在当前实践中，该掺杂可发生在下列方法中的一种中：“内联”方法和“批”方法。内联方法将掺杂化学制品沉积在晶片的顶表面上，通常以液体形式承载。（在磷掺杂剂的情况下，该载体通常为磷酸）。沉积掺杂剂载体于是被干燥，因而产生的产品于是被扩散（利用高温炉）到每个晶片中以形成当暴露到阳光时允许晶片产生电的半导体连接。在该内联方法中，晶片通过执行这些步骤的装置被连续地传送，其典型地由：首先，喷涂该液态载体的“掺杂”机器；然后，干燥载体的“干燥”机器，将掺杂化学制品留在表面上；第三机器，将掺杂剂扩散到晶片的内联扩散炉。在批方法中，晶片被装载到盒子中（通常由石英制成并在半导体领域成为“船（boat）”），该盒子被插入到“管”扩散炉中，然后被密封，晶片同时以气态形式暴露到掺杂剂载体（氯化磷酰）并被加热以将掺杂剂扩散到晶片中。晶体然后被从炉中移除，从船卸载并移动到生产线的下一部分。在两种方法中，引入掺杂剂的量、花费在扩散过程的时间以及扩散过程的温度确定被第二掺杂剂的深度所穿透深度和浓度。同样，第二掺杂剂，通过扩散过程引入并扩散到晶片的所有表面中。注意：从这点向前，“掺杂剂”指引入到体掺杂晶片的表面上的第二掺杂剂，除非特别说明。每个晶片于是被再次湿蚀刻以移除硅酸磷玻璃（也成为PSG，掺杂扩散步骤的副产物）并可蚀刻为图案或移除在“后”侧上的掺杂剂的一部分或全部以防止分路。该步骤之后，涂层（最通俗氯化硅）被喷涂到晶片的顶表面以减少反射和钝化表面。该涂层通常利用等离子体加强化学蒸发沉积装置喷涂。在这之后，晶片具有音质在其顶表面和底表面上的金属接触物质，其中顶部接触图案被设计为与暴露到Si材料的光最小干扰，同时提供流出晶片的最小电阻路径。这些金属接触物质（其以金属贴的形式印制）被干燥并然后利用炉被扩散到晶片中。在这之后，如果掺杂剂在晶片的后部的一部分没有完全或部分移除，激光或机械设备被用于围绕晶片的外部周界切割槽以防止分流。最终，晶片（限制为完工的PV电池）被测试并分级.
掺杂剂浓度,作为它们在晶片体积内分布的函数,在确定因而产生的PV电池的量子效率和其他电特性时起中心作用。因此，PV电池生产过程内与被扩散到晶片中的掺杂剂的质量和分配有关的步骤极为重要。特别地，这些步骤为：（a）由晶片制造商供应的原晶片的初始“基”掺杂（在目前大多数情况下，原晶片使用硼正掺杂）；和（b）晶片的外部区域的稍后掺杂（在目前大多数情况下，原晶片使用磷负掺杂）。第二掺杂步骤形成已知的“发射器（emitter）”。我们将使用术语“基”指示原晶片掺杂，术语“发射器”指示由第二掺杂步骤产生的半导体形式。
为了确保发射器形成过程在期望的说明书中，某些测量被执行，提供原晶片基掺杂浓度和发射器掺杂浓度。在目前实践中，光伏（PV）晶片经常被手工检测或通过在PV电池生产过程中在各个间隔处的使用可见光谱工业摄像机的单点可见观察设备检测。除了原材料验收阶段（在生产线的开始）和最终检测和分级（在生产线的最终），晶片的连续内联测量通常在范围和覆盖上受限，外联不连续取样代替使用，特别用于不服从可见光谱工业摄像机技术询问的检测特性。当使用外联取样时，在取样的实践间隔中，数百个晶片能通过生产过程中有利的步骤。这种情况在确定掺杂剂在PV晶片内的喷涂、浓度和分配的加工步骤是是普遍的，因此这些步骤目前不好控制，限制PV电池生产工厂的验收完工产品的产量。为了提高产量，本行业正寻求一种理想的在100%晶片上执行连续内联测量，以便更好地控制影响PV晶片中掺杂剂浓度和分配的步骤。
除了上面描述的已经完全建立的商业PV电池结构和生产工程，一些创新的PV电池结构和关联的生产过程现在正引入商业产品。这些包括选择的发射器电池（emittercells）、发射器穿孔卷绕电池（emitterwrap-throughcells）和交叉背接触太阳能电池（IBC电池）。选择的发射器电池使发射器掺杂剂浓度不同以在前侧金属接触（意味着在这些区域相对少地掺杂）的紧旁边实现最佳导电效率，同时在这些接触（意味着在这些区域相对少地掺杂）限制不期望的载波重组合。发射器穿孔卷绕电池和IBC电池消除通过将发射器和基底接触防止在电池后部上引起图像损失（shadingloss）。在此描述的本发明可用于这些PV电池几何以及上面描述的更普通的前-接触和后-接触几何的掺杂剂含量的测量。
半导体发光二极管（在后面简称为“LED”）执行与PV电池相反的功能。取代吸收光子以产生电，LED使用点发射光子（被称为电致发光现象）。在LED生产中，晶片由诸如兰宝石的中性基底组成。与PV电池生产比较，晶片被剖光而不是表面织纹，每个晶片包含多个LED，用于产生半导体的掺杂剂被沉积为晶片的表面上的外延层，而不是通过PV电池制造中使用的扩散过程而扩散。虽然存在这些结构和生产差异，但是这些掺杂剂层可通过在本发明中描述的相同的方法检查。从这点出发，为了简化和清楚，PV电池结构将被描述为不将本发明的申请限制到其他掺杂半导体机构中。
在PV电池生产中，大量已有和创新的技术已经用于发射器掺杂的内联测量，但是都具有严重的局限性。为了测量扩散的掺杂剂，它们为扩散长度的表面光伏（SPV）测量、薄层电阻的涡流测量和用于测量在德国Fraunhofer太阳能研究院开发的薄层电阻测量的红外方法（J.Isenberg,D.Biro和W.Warta“通过红外方法快速、无接触且空间解决测量薄层电阻”，Prog.Photovolt:Res.Appl.2004;12-539-552）。据我们所知，不存在用于测量湿掺杂剂载波膜的测量方法。
SPV测量已经在用于测量扩散长度的实验室中使用（在重新组合以实现平衡载波浓度之前，在体半导体中过量载波平均行进多远）。例如：D.K.Schroder，“表面电压和表面光电压”:历史，理论与应用",Meas.Sci.Technol.12R16-R31,2001。SPV测量典型地通过将晶片放置在地线上（虽然不具有后部传感器板的非接触方法是可能的）并将电容性探头放置在样品之上而执行。因为该测量是电容性的，但是测量区域非常有限，最大的避开距离极其小，对于晶片弓或垂直移动具有较小容差。同样，在传送器供给制造操作下，由于受限的避开距离，因此，如果任何晶片被粘在一起（不是不常见情况），如果晶片打破并碎片在传送器上不平坦（也并非不常见），或如果任何外来物质无意中被引入到传送器，或者如果传送器本身经受超过传感器避开距离的小的垂直振动，则很大可能由于“撞击”引起传送器上的碎片。最终，由于晶片传送的特定需求和对于SPV测量非常接近的避开距离要求，将这种技术引入到现有生产线可能需要显著地修改生产线，这可能使其使用费钱且不实用。
Eddy电流测量具有很多与SPV相同的局限性并之前已经被现实为对于发射器掺杂的内联测量不合适（将薄层电阻测量设置为公制）。（Rueland,E.;Fath,P.;Pavelka,T.;Pap,A.;Peter,K.;Mizsei,J,“发射器薄层电阻测量对于内联质量控制的对比性研究”,光电能转化,2003.Proceedingsof3rdWorldConferenceonVolume2,Issue,12-16May2003Page(s):1085-1087Vol.2.)）
Fraunhofer方法，虽然适于实验室，但是具有很多需求，使得它不适合于实践的内联使用，最显著的是，严格要求不存在假象热或光（特别难）并且提供内联生产环境昂贵。
总而言之，虽然商业可行技术必须被发展为允许PV晶片的由掺杂剂含量确定的电性能内联测量，但是目前没有已知的技术存在，可足够被构造为在生产线的各个点中被使用，足够工业坚固而可靠操作且足够成本有效。
发明内容
因此，需要一种能弹性、坚固且成本有效的方法和装置，用于原晶片掺杂剂浓度的内联测量、由内联掺杂器形成的湿掺杂剂膜的量和分布的内联测量以及在扩散后的生产线的任何步骤处发射器中掺杂剂浓度的目的。
对于每个晶片还需要限定特定的、可重复的采样地点，以便能够绘制可选发射器、穿孔卷绕接触和IBC电池掺杂结构以及传统的均匀掺杂。必然，也需要这种装置和方法，其具有能够区分“强度”（沿横向机器方向在特定时间段每单元长度所取样品数量），以便允许操作者执行周期或不按时间表的深度测量，如果需要的话。
附图说明
图1为水吸收光谱图表；
图2为在不同的掺杂级别下自由载体吸收与波长（η-Si）的图表；
图3为未掺杂（W1）与掺杂（W16）c-Si晶片的不同反射的图表；
图4为根据本公开的用于测量半导体材料的掺杂剂含量的非接触系统的示意性方块图；
图5为根据本公开的替代实施例的用于测量半导体材料的掺杂剂含量的非接触系统的示意性方块图，该非接触系统由单个发射器和单个接收器组成，单个接收器由两个传感器组成；
图6为根据本公开的实施例的在晶片和采样图案的不同测试位置处采样的方法的俯视图；
图7为根据本公开的替代实施例的用于测量半导体材料的掺杂剂含量的非接触系统的示意性方块图；
图8为根据本公开的替代实施例的用于测量半导体材料的掺杂剂含量的非接触系统的示意性方块图，其中图7中描绘的一对系统在掺杂室的任一侧上使用；
图9为根据本公开的替代实施例的用于测量半导体材料的掺杂剂含量的非接触系统的示意性方块图，其中多个发射器和接收器被定位在半导体材料的一系列晶片上；
图10为、显示用于测量半导体材料的层的掺杂剂含量的非接触系统与通过根据本公开的实施例的半导体材料的所述层的四点探测器测量的薄层电阻的关系的示例性图表。
具体实施方式
晶片（或任何基底）上的湿膜具有电磁吸收和反射特性。特别地，水基膜中的水分子具有在红外（“IR”）波长中特有的吸收峰。这在图1的水吸收谱图表中例示。掺杂硅（或者甚至任何半导体）晶片由于掺杂还具有红外辐射与自由电荷载波的空间浓度对应的特有的吸收、反射放大和反射相/极化。特别地，如图2和图3中所示，n-掺杂硅在不同的掺杂级别展示显著不同的自由载波吸收性（或必然的，反射）。
图2为用于在不同浓度下扩散的负掺杂剂的自由载波吸收与波长（η-Si）的图表，在300K形成负掺杂硅基底。参照图2的图表上的数字，掺杂剂浓度（每立方厘米的原子）为：1-1.4×1016cm-3（砷掺杂剂）；2-8×1016cm-3（锑）；3-1.7×1017cm-3（锑）；4-3.2×1017cm-3（磷）；5-6.1×1018cm-3（砷蒂姆合金）；以及6-1×1019cm-3（砷）。
图3为两个多晶（polyc-Si）晶片（一个体掺杂硼（W1）且另一个还具有扩散到其顶表面的磷（W16））的红外波长的不同反射图表。W1和W16后面的数字1-5表明每个晶片上被检查的部分。图表上的测量被关于纯多晶硅参考样品被标准化。图表演示，当入射红外波长加长，具有掺杂磷层的晶片的相应的反射，与参考样品相比，比体掺杂晶片明显更强，因此，显示增加的掺杂层作为红外波长的函数影响反射，必然，红外反射与波长的标准化的斜度能用于确定该层的掺杂级别。
另外，不同的基底上任何化学层或膜的存在，不仅是磷，不管是否扩散，引起折射、反射、波长改变和相变，其能用于确定层/膜厚度和边界处的条件。这种吸收和反射的放大、相、极化和波长取决于所使用的特定膜或掺杂剂、膜或掺杂剂的厚度和任何下面的基底的本质。
通过在晶片或基底上发射已知波长和强度级别的红外辐射，特有的波长的吸收能被测量作为在接收器处观察的反射值的函数。相变、波长改变和极性改变也可被测量。因为，被吸收的能量的量与湿膜的量和组成，或与发射器掺杂浓度成比例，根据情况而定，湿膜浓度、深度和分布，或发射器密度，分别能通过测量发射和反射能量之间的差而测量。
期望从晶片或基底上的多个特定位置测量或取样。这是因为，单独的样品能表现大的差异且需要平滑这些变化，而且还因为晶片或基底可不同目的地沉积湿膜或掺杂剂的扩散。
此外，对于每个样品，通过在样品处使用连续差分探询（simultaneousdifferentialinterrogation），在此描述的装置和方法能溶于工厂环境的光、热和振动并补偿温度、改变远程距离和改变入射角。
在图4中描述的装置用于多通道、传送供给、光电电池生产工具。虽然应该理解，单通道和/或非传送构造对于LED和其他半导体生产工具也是可能的。
一个或多个发射器和接收器被安装在PV晶片12待被测量的区域上。每个接收器由两个或多个传感器组成，目的为捕获如上解释的不同信号数据。为了简单和清楚，用于测量掺杂硅的掺杂剂含量的非接触系统将关于由单个发射器16和单个接收器18组成的装置14描述，单个接收器18由两个传感器20、22组成。这关于图5被例示，图5将本公开的替代实施例示意性地描绘为方块图。
包含方块图中的设备的传感器外壳位于晶片12表面上大约50-150毫米处。
发射器具有至少三个可能的实施例，每个包含不同的红外辐射源。在第一实施例中，源由安装在椭圆形反射器中的一个或多个连续的宽带红外源组成。在第二实施例中，源由多波长红外激光器组成。在第三实施例中，源由两个单波长红外激光器组成。
参见发射器的第一实施例，红外源16的椭圆形反射器24将红外辐射的宽光谱从红外源聚焦到空间中的单点。切割轮位于椭圆的聚焦点处，其将红外辐射调制在大约1kHz处，虽然辐射可以通过包括放大、频率、脉冲或相变调制中任意合适的方法或方法的组合而调制。当检测器响应于检测信号的改变时调制的使用时必须的，这是因为调制使发射的红外信号与远处红外辐射不同并将该信号增强到噪声比。调制还能被通过反射信号诱发的改变而测量其调制的效果而被用于产生关于掺杂剂含量的信息。
轴偏离反射器28被显示为面向红外源16以接收调制辐射。椭圆形反射器28将调制辐射以与晶片12大约45度的入射角从切割轮26聚焦到晶片12上的测量点30并将辐射的峰对齐在接收器18的第一透镜32的中心（下面讨论）。虽然将理解，反射器28在发射器16的第二实施例和第三实施例不是必要的，这是因为激光器已经为共线形式。
每个接收器18具有至少两个可能实施例。在接收器18的第一实施例中，接收器18被安装在红外辐射到达晶片12的测量点30上。反射的红外辐射被扩散并被第一透镜收集并引导到第一窄带通滤波器34。第一滤波器将中心在红外光谱的选择波长的窄带红外辐射通过。该波长被选择为使得各向结构影响接收的信号特性的效果不显著。接收的辐射的另一部分由第一滤波器34反射。
反射的辐射被引导到中心在不同的选择波长处的第二窄带通滤波器36上，使得两个带的波长不重叠。类似的，该第二波长被选择为使得各向结构影响接收的信号特性的效果不显著。在优选实施例中，一个带通滤波器34或36具有包括+/-125纳米的通带的大约8微米中心通带，另一个带通滤波器34或36具有包括+/-175纳米的通带的大约10.5微米中心通带。
通过第一滤波器34的辐射被第二透镜38聚焦到第一红外检测器或传感器20上，其产生与到到该第一检测器20的红外辐射的密度成比例的低电压信号。通过第二滤波器36的辐射被第三透镜40聚焦到第二红外检测器或传感器22上，其产生与到到该第二检测器22的红外辐射的密度成比例的低电压信号。
每个检测器20、22的低电压信号被相应的放大器42、44放大并通过与发射器16中的切割频率同步并由计算机48控制的模拟-数字数据获得板46获得。因此，传感器20、22产生两个电压值，与通过各个第一滤波器34和第二滤波器36的两个窄带中红外能量成正比的两个电压值。
计算机48利用来自每个检测器20、22的电压以计算每个带中接收的能量的量之间的斜度和/或比率，如上面已经显示的，与通过晶片12的顶层的掺杂剂吸收的能量成比例。基于在各个掺杂剂含量处晶片材料的红外反射模型而通过计算或查表而确定掺杂剂含量，特别（但是不限于）通过如图10中示例的相关曲线的斜率。
在接收器的第二实施例中，光束分裂器被用于在第一透镜的聚焦点处将反射的IR能量分裂成两个相等的部分并将产生的相等的部分引导到阵列检测器上，每个具有在检测器前面的不同的带通滤波器。每个检测器将与道道每个检测器的红外辐射的强度成比例的电压传递。因此，在掺杂到波长相关曲线上的多点可测量，改进斜率测量的准确性（因为斜率通过波长而可不同）并因此改进半导体材料中或上的掺杂剂含量的准确性。
在装置14的另一实施例中，代替将带通滤波器34定位在透镜32之后，光束分裂器被定位在透镜32之后。这将光束从透镜32分离成两个光束，两个光束被引导到各个带通滤波器34、36，各个透镜38、40并然后到各个传感器20、22。
在图5中显示为单个半导体晶片12的承受表面也可为在传送器上的多个半导体晶片、固定晶片或注入基底上的薄膜的单片表面。
用于测量半导体材料10的掺杂剂含量的非接触测量系统的优选实施例在图4中被显示为示意性的方块图形式。多个传感器头50沿垂直于传送器行进方向对齐地被安装在晶片传送器（未显示）上方5毫米到250毫米之间。每个传感器头50包括其中含有图5的装置的部件的外壳，包括单个发射器16和单个接收器18（从图5）。接收器18并入两个传感器20、22（图5）。而且，这些部件被构造为以上面参照图5描述的方式操作。特别地，在每个传感器头内为红外源16、切割轮26、聚焦反射器28、以收集反射的红外辐射并将红外辐射引导到带通滤波器34或光束分裂器上的透镜32，产生与给定频率范围内的红外辐射的量成正比的电压的两个检测器20、22和放大42、44和将该电压在与切割轮26中的间隙同步的频率处转变46成数字信号的机构。
每个传感器头50依靠在轮52上在垂直于传送器行进方向的精确轨道54中。该轨道54由固定到装置框架58的支撑梁56支撑，或可替代地由门支撑。每个传感器头的电力由电力和终止室62的相应的电力电缆60递送。电力电缆60被构造为使得头50沿轨道54在限定的测量范围自由移动。传感器头50阵列沿箭头66的方向通过线性致动器64一起沿轨道54移动，线性致动器64将每个头50定位在依靠在传送器上的相应的晶片12上。传送器和线性致动器64的组合运动允许横过晶片测量的图案。
当使用中，线性致动器64和传送器沿彼此成直角的方向移动。这促使测量点30的图案为实质上成角度。传送器沿箭头68的方向移动。然而，如果致动器64比传送器移动快得多，则能够在横过晶片12的数个点处测量每个晶片12。这通过图6中的点所显示的测量点30的图案而被示例，测量点30中的一些由附图标记30标记。从图6中能看出，当线性致动器64沿相反方向移动，可产生测量点30的另一角度图案。随着晶片通过传送器沿箭头68的方向移动而可重复多次。测量点30的阵列以及它们对于恒定传送器速度横过晶片12的位置为采样率即线性致动器63的速度的函数。
在每个测量点30处，从每个传感器头50的接收器18的两个检测器20、22的放大的电压利用多路分析数字转换板48和位于传感器头50中的嵌入的计算机48而被转换为数字信号（图5）。合成数值被能与电力电缆60组合的现场总线或LAN电缆发送到电力和终止室62。在每个测量点处的两个测量结果，以及测量点对应于线性致动器64的测量点的位置被发送到计算机72并对于每个测量点30均被存储。在传送器上的晶片12的存在基于在传感器20、22处的整体信号水平增加的步骤而得知。
在特定晶片12或其它基底上的采样地点和/或采样率可被限定为允许特定图案。另外，图案可被预定，且超过一个图案可被预定。在一系列样品中，可使用一个或多个图案，或可任意改变采样地点（测量点30）和采样率。可变的采样技术例示在图6中。另外，采样地点通过利用晶片12或传送器上的其他基底的移动而可沿“行进方向”改变。
为了使得采样地点从晶片12到晶片12可重复，地点必须从在承受表面上限定的特定二维位置偏移。当承受表面由多个晶片组成时，每个晶片12的两个边缘被用作晶片12上所有采样地点的参考。通过检测当晶片存在时接收的信号与当仅传送器存在时接收的信号的辐射级别改变而定位这些边缘。
传感器头50中接收器18的每个传感器20、22的电压的比率或差被用作关系曲线中的因变量，关系曲线将该比率/差与为晶片的掺杂剂含量的自变量关联。将已知掺杂剂含量的晶片（通过利用基于实验室的接触四个探测器或诸如电化学电容-电压测试的其它外联的测量技术测量）通过传感器头下方并测量两个传感器20、22处的合成信号并执行将观察的电压比率/差与从实验室测量已知的掺杂剂含量关联的最小二乘方回归而确定关系曲线。因此，图10中显示的类型的关系曲线被产生并存储在计算机的存储器中用作参考。
如果晶片被错列或期望测量每个晶片12上的不同图案，替代实施例包括用于每个传感器头50的线性致动器和在独立轨道上的每个头50。然而，在这个实施例中，整个测量系统沿晶片12的行进方向在传送器上的尺寸增加。
用于测量半导体材料的掺杂剂含量的非接触系统的替代实施例示例性地显示在图7中。容纳单个红外辐射源（例如，图5的发射器或源16）的单个发射器74被定位在传送器（未显示）的保持并输送晶片12的一侧上，作为诸如PV电池生产线的生产线的一部分。源能为具有含有可选择波长的聚焦透镜或激光器的宽带源。该源能为连续的宽带红外源。聚焦的光束通过切割轮或通过将激光电子调制到转向反射器上而调制，转向反射器将辐射光束引导并聚焦到晶片上的所选择的点上。所有的与参照图5前面讨论的一样。
在该实施例中，转向反射器围绕轴线可旋转以在选择间隔处将发射的信号76的入射改变到晶片12表面78上的选择位置，以便连续地将光束聚焦到成排的一组晶片上。虽然图7描绘了数个发射信号76和相应的数个接收信号78，应该理解，系统连续地操作且不产生信号，或不同时被接收。类似地，如果激光被用作源，则转向反射器围绕轴线旋转以将光束移动到接触在传送器上移动的一组晶片12上所选择的点。
接收器80位于传送器的另一侧，其中聚焦元件和反射器被调节为看见晶片上被源光束76照明的相同点。辐射的合成光束通过检测器上的聚焦元件被引导。
在发射器74和接收器80被定向到特定采样地点时，发射器发射辐射束，接收器接收从晶片表面78反射的这种信号。这种发射和接收在特定时间段发生，称为“采样段”（在限定时间段所取样品的数量被称为“样品率”）。在取样地点，晶片12表面78的观察部分的形状和尺寸为“区域区域”。在区域区域内，存在有在任何时间都能被接收器看见的特定区域的形状和尺寸限定的子区域。这被称为样品“场地”。
如果源为包含诸如宽带红外源的宽光谱的红外能量，则需要利用作为接收器80的一部分的光束分裂器将接收的信号分裂成两个相等的部分，于是每半个在接收器80内被聚焦到两个窄带通滤波器，每个具有不同的中心波长。通过每个窄带通滤波器被聚焦在两个检测器的相应的一个上、转换成电压、放大并转换成对应于每个带的能量的数字信号。两个测量之间的斜度或比率被计算并存储，用于给定通过转向反射器位置的位置限定的信号的位置。这通过与参照图5如上讨论相同的方式被执行。源光于是被移动到晶片上的新场地，接收器被定位为看见该相同的场地，并且该过程对于下一位置可重复。
如果源为具有可选波长的激光，则激光在两个或更多波长之间交替，并利用可转向反射器聚焦在点上。接收器有聚焦元件组成，反射器将接收的能量聚焦在单个检测器上，检测器的电压被放大并在对应于激光调制频率的频率处取样。
用于测量掺杂剂含量的非接触测量系统的替代实施例在图8中示意性地显示，用于在加工步骤或连续系列步骤的开始测量一个或多个晶片，然后在加工步骤的最后测量晶片并计算晶片的红外反射的变化。该变化用于确定每个晶片上该加工的实际影响。
该实施例可用于半导体生产过程，无论掺杂剂或掺杂剂载体（例如磷酸）被喷涂到晶片表面、干燥、扩散到晶片、植入到晶片、沉积成一个或多个外延层或从晶片的表面蚀刻。无论晶片是否被处理成产生表面纹理。
在这种构造中，晶片12沿箭头88的方向依靠在传送器86上。晶片在加工或一系列加工前后通过参照图7描述的系统测量（具有与该图8中相同的附图标记）。该构造在加工前测量基体晶片的反射，然后在加工后测量晶片的反射。计算机94控制测量和对比过程。参照图4描述的系统可代替参照图7描述的系统在该系统中使用。
在不限制前述内容的一般性的前提下，现在描述该实施例对于某些PV电池生产步骤的使用的示例。在第一示例中，机器（84）仅为掺杂机，该实施例用于测量晶片上沉积的湿掺杂载体。在第二示例中，机器（84）仅为内联扩散炉，该实施例用于测量扩散到晶片中的炉的效应，其中干燥的掺杂剂在晶片的表面上。在第三示例中，机器（84）仅为由PSG蚀刻机跟随的扩散炉，该实施例用于测量掺杂剂扩散和时刻加工组合。
用于测量半导体材料的掺杂剂含量的非接触测量系统的替代实施例在图9中示意性地显示。在对于参照图4描述的该替代实施例中，所以发射器74和接收器80（如图7中所示）位于单个支撑结构96中，该支撑结构96沿箭头98的方向前后一起移动以遍及图6中例示的图案询问晶片12。
在传感器20和22处对比样品的使用者方法的示例为计算在在传感器20和22处接收的信号的幅度的差，除以与相应的传感器20和22关联的带通滤波器34和36的每个的带通的中心之间的差。在作为波长的函数的反射的图表上，这是将与相应的传感器20和22关联的带通滤波器34和36的带通的中心相交的先的斜度。为了更清楚，例如，与传感器20关联的带通滤波器34的带通的中心可为8微米，与传感器22关联的带通滤波器36的带通的中心可为10微米。如果传感器22处接收信号幅度值为“y”，于是斜度为（y-x）/4。不同的斜度表示被检测的掺杂剂的不同量，通过利用该斜度，由于在此描述的因素，放大差异的效应可减轻。
通过利用在传感器20和22处测量的信号幅度的比例能实现类似的减轻。在这种情况下，比率被定义为y/x。同样，能利用传感器20和22处接收的信号相或接收的信号极性之间的差或其比率。
图10为根据本公开的实施例的用于测量半导体材料的掺杂剂含量的非接触系统的示例相关曲线的图表。在该示例中，掺杂剂含量被表示为薄层电阻。图表的曲线（在该情况下为直线）为薄片电阻的外联的四点探测测量（y轴）与从两个探测器读取的两个电压之间的先的斜率的测量（x轴）的关系。通过将一系列已知且增加掺杂的晶片放置在传送器上并从每个传感器20、22测量合成电压、计算两个点之间的线的合成斜度（或两个电压的比率），并利用最小二乘方回归配合线性模型。观察的数据点用菱形标记显示并与直线最佳配合。R2值代表计算的直线匹配观察测量的程度，值越接近1.0，直线与观察数据的匹配越好。在图10的示例中，R2值为0.9486。直线被用于对应于观察的斜度的计算薄层电阻y。例如，参照图10，y=-575.65x+17.391.
如果斜度为-0.1,薄层电阻为y=-575.65（0.1）+17.391=74.9欧姆每平方方块电阻（ohmspersquare）。
在晶片或基底上的采样区域取了很多样品。这些样品的值被共同处理（例如，但是不是专有的，计算平均值）以提供有意义的测量。每个采样区域能很好限定且单独的样品不需要在精确相同位置从晶片到晶片或基底到基底重复，以便获得统计有效性并从晶片到晶片或基底到基底的可比测量。
滤波器34和36的通带能选择以对反射的信号幅度不同样敏感。通过利用两个不同值的比较而不是单个绝对测量，测量被标准化以消除由于以下一个或多个引起的差异：
样品与样品由于横过多个样品场地扫描而在入射和反射路径长度和采样区域的改变；
样品与样品由于振动而路径长度、衰减或采样区域的变化或在承受表面的三维位置变化（例如，由于传送带不规则引起的撞击）；
样品与样品由于在承受表面纹理、晶体边界或其他人造表面（诸如氧化物、硅酸磷玻璃、抗反射涂层或污染物）的差异引起的信号特性的改变；
由于承受表面温度差异引起的反射率不同；
由于大气湿度和/或空运颗粒引起的信号衰减、定相或极化而不同；
周围光和热不同；
传感器内产生的电噪音；
波长和/或幅度在发射信号中偏离，参考波长在接收器中偏移；
在测量环境中任何其他源信号的损害。
从前述中，将理解在此为了例示的目的已经描述了本发明的特定实施例，但是在不偏离本发明的各个实施例的精神和范围的情况下可以作出各种修改。而且，虽然与本发明的某些实施例关联的各种优点已经在上面那些实施例的上下文中描述，但是其他实施例也可展示这种优点，不是所有实施例必然展示这种优点以落入本发明的保护范围内。因此，本发明不受限制，除了由所附权利要求限制。

Claims (23)

1.一种用于测量半导体材料的掺杂剂含量的非接触系统，包括：
a、红外线辐射源，被构造为将红外线辐射聚焦到所述材料的点上；
b、调制器，用于在所述辐射到达所述材料之前调制来自所述源的所述辐射；
c、第一透镜，被定位为收集从所述材料反射的所述辐射并聚焦所述辐射；
d、第一带通滤波器，被定位为接收来自所述第一透镜的所述辐射，所述第一带通滤波器被构造为将窄波长的所述辐射通过所述第一带通滤波器并反射所述辐射的平衡；
e、第二带通滤波器，被定位为接收反射出所述第一带通滤波器的所述辐射，所述第二带通滤波器被构造为将窄波长的所述辐射通过所述第二带通滤波器并被构造为使得被通过的窄波长带不同于被所述第一带通滤波器通过的所述窄波长；
f、第一辐射检测器，被定位为接收通过所述第一带通滤波器的所述辐射被被构造为确定第一级别的能量；
g、第二辐射检测器，被定位为接收通过所述第二带通滤波器的所述辐射并被构造为确定第二级别的能量；
h、计算器，被构造为利用相关曲线比较所述第一级别的能量和第二级别的能量并返回掺杂剂含量值，基于到达用于具有已知不同级别的掺杂剂含量的一系列相同的所述半导体材料的所述第一辐射检测器和所述第二辐射检测器的能量的级别的比较，所述相关曲线与所述半导体材料的所述掺杂剂含量有关。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括在所述调制器与所述半导体材料之间的聚焦设备，以将所述辐射聚焦到所述半导体材料的所述点上，所述聚焦设备选自组：
a、抛物面反射器；
b、可调节反射器；
c、椭圆反射器；
d、抛物面透镜；
e、光学透镜。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述调制器选自组：
a、使用高速切割转轮的调制器；
b、使用脉冲调制的所述源的调制器；
c、使用调频的所述源的调制器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述半导体材料选自组：
a、掺杂硅材料；
b、未掺杂硅材料；
c、掺杂锗材料；
d、未掺杂锗材料；
e、掺杂铟材料；
f、未掺杂铟材料；
g、与铝、硼、镓、磷化铟、砷、锑元素组合的掺杂或不惨杂硅或锗材料；
h、在基底上有上述材料的任意组成的薄膜，该薄膜可为半导体，或可为非导电材料。
5.根据权利要求1所述的系统，进一步包括定位为接收通过所述第二带通滤波器的所述辐射并被构造为将所述辐射聚焦在所述第一辐射检测器上的第二透镜。
6.根据权利要求1所述的系统，进一步包括定位为接收通过所述第一带通滤波器的所述辐射并被构造为将所述辐射聚焦在所述第二辐射检测器上的第三透镜。
7.根据权利要求5所述的系统，进一步包括定位为接收通过所述第一带通滤波器的所述辐射并被构造为将所述辐射聚焦在所述第二辐射检测器上的第三透镜。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述辐射源为激光。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述辐射源为宽带红外辐射。
10.根据权利要求1所述的系统，其中每个带通滤波器的通带在宽度上为50纳米到500纳米之间。
11.根据权利要求1所述的系统，其中对于一个带通滤波器的通带的中心为1到20微米之间。
12.根据权利要求1所述的系统，其中对于所述第二带通滤波器的通带的中心波长为1到20微米之间且不同于所述第一带通滤波器的所述通带的中心波长。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一带通滤波器与所述第二带通滤波器的中心波长之差在1到10微米之间。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一带通滤波器与所述第二带通滤波器的中心波长之差为2微米。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一带通滤波器的中心波长被设定为8.06微米，所述第二带通滤波器的中心波长被设定为10.5微米，其中每个带通滤波器具有200到400纳米之间的通带宽度。
16.根据权利要求1所述的系统，其中一个带通滤波器具有包括+/-125纳米的通带的大约8微米中心通带，另一个带通滤波器具有包括+/-175纳米的通带的大约10.5微米中心通带。
17.根据权利要求1所述的系统，其中所述检测器在每个带通滤波器为能够在用户选择窄波长带中测量功率的质谱仪检测器。
18.根据权利要求2所述的系统，其中所述聚焦设备被构造为将所述辐射关于所述半导体材料以45度角在所述点上引导。
19.根据权利要求1所述的系统，其中所述源将所述辐射聚焦在所选择的聚焦区域，并且其中所述调制器为构造为将所述辐射调制在所述聚焦区域的切割转盘。
20.一种用于测量半导体材料的掺杂剂含量的非接触系统，包括：
a、宽带红外辐射源，被构造为将红外辐射聚焦到所述半导体材料上的点上；
b、调制器，用于在所述辐射到达所述半导体材料之前调制来自所述源的所述红外辐射；
c、第一透镜，被定位为收集从所述半导体材料反射的所述红外辐射并聚焦所述辐射；
d、光束分裂器，定位邻近所述第一透镜的所述聚焦点，所述分裂器被构造为将所述辐射分成两束辐射；
e、第一窄带通滤波器，被构造为接收所述两束中集中在第一预定波长处的第一束；
f、第二窄带通滤波器，被构造为接收所述两束中集中在不同于所述第一预定波长的第二预定波长处的第二束；
g、第一红外辐射检测器，被定位为接收并被构造为确定通过所述第一窄带通滤波器的所述辐射的第一级别的能量；
h、第二红外辐射检测器，被定位为接收并被构造为确定通过所述第二窄带通滤波器的所述辐射的第二级别的能量；
i、计算器，被构造为利用相关曲线比较所述第一级别的能量和第二级别的能量并返回掺杂剂含量值，基于到达用于具有已知不同级别的掺杂剂含量的一系列相同的所述半导体材料的所述第一红外辐射检测器和所述第二红外辐射检测器的能量的级别的比较，所述相关曲线与所述半导体材料的所述掺杂剂含量有关。
21.一种半导体材料的掺杂剂含量的非接触测量的方法，包括步骤：
a、将调制的红外辐射源在所述材料上的测量点上引导；
b、将从所述材料反射的所述辐射引导到第一带通滤波器上，所述第一带通滤波器被构造为将波长范围的所述辐射通过所述第一带通滤波器并反射所述辐射的平衡；
c、将反射出所述第一带通滤波器的所述辐射引导到第二带通滤波器上，所述第二带通滤波器被构造为将波长范围的所述辐射通过所述第二带通滤波器并被构造为使得所述波长范围不同于被所述第一带通滤波器通过的所述波长范围；
d、确定通过所述第一带通滤波器的所述辐射的能量级别；
e、确定通过所述第二带通滤波器的所述辐射的能量级别；
f、比较在步骤d和e处确定的能量级别；和
g、基于比较，通过利用相关曲线计算材料的掺杂剂含量，基于到达用于具有已知不同级别的掺杂剂含量的一系列相同的所述半导体材料的第一辐射检测器和第二辐射检测器的能量的级别的比较，所述相关曲线与所述半导体材料的所述掺杂剂含量有关。
22.一种根据半导体晶片确定半导体材料生产线中一个或多个加工步骤的影响的方法，包括步骤：
a、将如权利要求1所述的非接触系统放置在所述线的一个或多个加工步骤的所选择的上游点处的适当位置中以确定晶片在所述线中的所述上游位置处的掺杂剂含量的级别；
b、将如权利要求1所述的非接触系统放置在所述线的一个或多个加工步骤的所选择的下游点处的适当位置中以确定晶片在所述线中的所述下游位置处的掺杂剂含量的级别；
c、操作所述生产线以通过所述一个或多个加工步骤将一系列晶片从所述上游位置移动到所述下游位置；
d、利用所述上游点处的非接触系统确定在所述线的所述上游点处的晶片的掺杂剂含量的级别；
e、利用所述下游点处的非接触系统确定在所述线的所述下游点处的晶片的掺杂剂含量的级别；
f、将在所述下游点处的所述晶片的掺杂剂含量的级别与在所述上游点处的所述晶片的掺杂剂含量的级别比较，以获得在所述下游点处的所述晶片和所述上游点处的所述晶片的掺杂剂级别的差。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述一个或多个加工步骤通过下列中的一个或多个或组合执行：湿式掺杂剂化学喷涂机、湿式掺杂剂载体干燥机、内联扩散炉、批扩散炉、激光退火机、离子注入机、外延层沉积机、PSG蚀刻机、晶片蚀刻机和晶片变形机。
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