TWI555326B

TWI555326B - 非接觸式感測光伏半導體的最大開路電壓的裝置及方法

Info

Publication number: TWI555326B
Application number: TW104117559A
Authority: TW
Inventors: William H Howland
Original assignee: Lehighton Electronics Inc
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2016-10-21
Also published as: TW201642579A

Description

非接觸式感測光伏半導體的最大開路電壓的裝置及方法

本發明係關於一種非接觸式量測裝置、系統與方法之運用，特別是一種用以非接觸式量測一光伏半導體樣本相對一光線閃爍、脈衝或暴衝之一電性響應之裝置、系統與相關方法。

在處理光伏材料之過程中，嚴格之材料特徵品質控制係為獲得一高品質產品之必要條件；緣此，不同之儀器乃用以量測全程生產過程中之材料特徵。關聯於一特定儀器使用之主要考慮係為其使用速度，是以，快速獲得高品質控制量測、以避免遲滯生產或試驗次數乃有其必要；而另一關鍵考量則是需要利用非破壞性方法監測材料特徵，此非破壞性方法係應密集運用、以避免後續樣本之使用需要。

針對入射光線之光伏電性響應可用以確定處理過程中至少一材料特徵，例如，用以辨識內建電位能、至少一層之摻雜物濃度、材料合金組成之變化、在GaN基極化中之變化、以及辨識材料中之機械性損壞(如龜裂)。

因此，一可快速將一光伏材料移至一入射光下、藉由非破壞性方法監測電性響應、以及關聯該電性響應與該光伏樣本一材料特徵之裝置、系統與方法乃有其急迫需要性，且亦為本發明之一目的。

本發明係針對一用以非接觸式感測光伏半導體樣本的最大開路電壓(MOCV)之裝置，此裝置係包括一透過一導電探測頭發射光線之高強度寬頻譜光源，此導電探測頭係位於一與一真空吸盤成一空間關係之位置上，藉以形成一用來置放晶圓樣本於其上之晶圓審視空間；高強度光源透過導電探測頭發射光線，此光線照射在一位於審視空間中之晶圓樣本上，放大與紀錄一跨越探測頭、晶圓審視空間與真空吸盤之電壓響應，自電壓響應辨識MOCV。在本發明之一實施例中，導電探測頭係塗層、成形或包括一透明之導電氧化物。較佳者，導電探測頭係為一導電網狀結構，此導電網狀結構對於UV光線以及可見光係為透明的。

本發明亦揭露一種非接觸式感測光伏半導體的最大開路電壓的方法，用以量測一半導體產品(或感測器)晶圓中跨越半導體-半導體、半導體-絕緣體或半導體-金屬介面間工作功能的差異。此方法首先係施加一高強度變化之光線於晶圓樣本上，接著，量測晶圓相對此光線之一開路電壓特徵，此開路電壓特徵係代表一組至少一此類工作功能之工作功能差異特徵，最後，自最大開路電壓與介面一側之工作功能已知值中、決定至少一此類介面之一摻雜特徵。

本發明亦揭露一種非接觸式感測光伏半導體的最大開路電壓的方法，用以感測一半導體樣本的p-n接面之射極與基極的摻雜濃度之非接觸式識別方法。此方法首先係將一半導體樣本置於一導電探測頭與一真空吸盤間，接著，透過導電探測頭發射一光線、投射在樣本上，最後，當穿過一網板之光線照射在樣本時(之前、當時與之後)，在導電探測頭上感測一電壓響應。

本發明其他之特徵、優點、以及本發明實施例係可自下述詳細描述中組成與明顯得知，甚者，須知本發明前述之簡要內容及下述之詳細說明乃僅為特定例子說明，係用以提供更進一步之解說、而非限制本發明之範疇。

11‧‧‧裝置

13‧‧‧光源

13a‧‧‧光線傳導線

15‧‧‧導電探測頭

15a‧‧‧末梢

15b‧‧‧傳導層

15c‧‧‧引導線

17‧‧‧真空吸盤

19‧‧‧審視空間

21‧‧‧晶圓樣本

23‧‧‧導電網狀結構

23a‧‧‧格子結構

23b‧‧‧縫隙

25‧‧‧石英管

27‧‧‧鍍層

本發明所附圖式，係用以提供對本發明之認知，且作為本說明書之一部分，其係顯示本發明之較佳實施例，並用以輔助本發明原理之詳細解說，此圖式係包括：圖1係為本發明一實施例一檯式系統之立體示意圖；圖2係為本發明一實施例一自動旋轉繪圖式系統之立體示意圖；圖3係為本發明一實施例之部分剖面示意圖，顯示其探測頭、審視空間、樣本及真空吸盤；圖4係為本發明一實施例探測頭之仰視圖；圖5係為圖4探測頭之一放大示意圖；圖6係為本發明探測頭另一實施例之立體示意圖；圖7係為本發明探測頭又一實施例之立體示意圖。

請參閱圖1至圖6所示，本發明實施例係針對一用以非接觸式感測光伏半導體樣本之一電壓響應特徵與/或最大開路電壓(MOCV)之裝置11，特別是此裝置11係指向(a)使一光線照射在一研究中之光伏樣本21上、以及(b)紀錄反應光線照射在光伏樣本21上之一電壓響應特徵。此處之光伏半導體樣本係為具有至少一介面之樣本，此介面包括二不同工作功能之材料，此二材料係可為(1)金屬/半導體、(2)半導體/半導體、(3)半導體/絕緣體、或(4)絕緣體/絕緣體。

本裝置11包括一光源13，用以透過導電探測頭15發射一閃光、一脈衝光、或一暴衝光，此導電探測頭15係位於一與一真空吸盤17成一空間關係之位置上，藉以形成一用來置放晶圓樣本21於其上之電容式晶圓審視空間19，探測頭15與真空吸盤17係形成一電容器之二平行板，且於量測進行時、約略相隔0.003到0.005英吋間；容納晶圓樣本21之審視空間19則成為電容器之介電空間；本發明關於探測頭15與真空吸盤17間之此一晶圓樣本21空間配置容許跨越此電容器之電壓量測，此電壓代表、或至少可相關於、審視中晶圓樣本21之一特別物理或電性特徵。

更進一步，當審視中之晶圓樣本21被照射時，一跨越電容之時序電壓響應量測係代表晶圓樣本21至少一物理與/或電性特徵；在此，“時序電壓響應”一詞係代表晶圓樣本21照射之前、當時與之後之電壓響應，在一時序電壓響應之實施繪圖中係可為一電壓/時間會圖或曲線；在此，MOCV係代表一於裝置11使用中可獲得之一特徵，而開路電壓衰減(OCVD)則是另一於裝置11使用中可獲得之一實施特徵。

較佳者，光源13係為一高強度寬頻譜光源，例如一脈衝氙氣閃光燈，此閃光燈可產生高輻射強度之寬頻光線之微秒至毫秒間距之脈衝，且可以高重複率操作、以產生一自紫外光到紅外線之連續頻譜光線，可用之閃光燈之一為Perkin Elmer之FX-4400型閃光燈，而可替代此氙氣閃光燈者則可為一可脈衝白光之高強度LED燈。

在一較佳實施例中，此光源13係設置於遠離並電性獨立於探測頭15與真空吸盤17外之一分離室中，以避免光源13產生任何之靜電干擾，光線傳導線13a、包覆之玻璃棒、或類似元件則用以將光源13發射之光線引導至探測頭15。

在本發明之一實施例中，探測頭15係為一具有一最鄰近審視空間19之末梢15之石英管，自光源13射出之光線乃被引導通過探測頭15、並自此末梢15a射出；探測頭15之末梢1

請參照圖6所示，運用於傳導層15b之材料係為一透明之導電氧化物，乃可容許光線穿過，此類導電氧化物之一係可為一氧化銦錫(ITO)，其典型組成係包括91%之氧化錫(SnO₂)與9%之氧化銦(In₂O₃)，濺鍍法係為將ITO沉積至探測頭15末梢15a之較常見方法，較佳之沉積厚度係為2000埃，一引導線15c藉由導電環氧樹脂、將傳導層15b連接至量測電路，無論如何，ITO具有一穿透光線之波長限制(及相對能量限制)，此一限制約為3eV。

在一較佳實施例中，探測頭15之一傳導層15b係為一導電網狀結構23，通常係為平坦且包括一導電材料製(纖維或蕊線)之格子結構23a，乃可形成複數個尺寸足以容許任何波長光線通過之縫隙23b或缺口(孔洞)；網狀結構之一例子係為一具有一100網狀結構尺寸之導電線或纖維製格子結構。

然而，其他網狀結構之尺寸亦可運用，只要其網狀結構可通過任何波長之光線、並可持續當作一電容板使用。氰基丙烯酸酯膠、或相當功能之產品、可用於傳導層15b之周圍、以將傳導層15b固定至探測頭15之末梢15a。

圖7所示係顯示有一導電網狀結構23，其顯示尺寸、相對探測頭15而言、乃係非比例地放大，以詳細展示其導電網狀結構23之構造。

在本發明之一實施例中，亦揭露一種非接觸式感測光伏半導體的最大開路電壓的方法，用以量測一半導體產品(或感測器)晶圓中跨越半導體-半導體、半導體-絕緣體或半導體-金屬介面間工作功能的差異，。此方法首先係施加一高強度變化之光線於晶圓樣本上，接著，量測晶圓相對此光線之一開路電壓特徵，此開In addition to extracting the doping from此外，除從內建電位能之量測中、摘取有關摻雜之操作參數，這一參數亦有其他如下述之用途：●對於太陽能電池之裝置結構，此內建電位能係高度敏感於：○擴散與離子植入後之p-n接面分流；○表面處理後之表面電荷改變；以及○抗反射鍍層沉積後之表面電荷改變；●對於高亮度、與UV多量子阱LED： ○基板摻雜濃度之改變；○緩衝區域中、厚度與合金組成之改變；○射極與基極摻雜之變化；以及○多量子阱區域中、厚度與合金組成之改變；以及●對於HEMT結構：○基板摻雜濃度之改變；○緩衝區域中、厚度與合金組成之改變；○在隧道層摻雜與2DEG載體濃度之改變；○在阻礙層中、合金組成與厚度之改變；以及○在覆蓋層中、摻雜、厚度與合金組成之變化。

在本發明之一實施例中，所述“施加高強度變化之光線於晶圓上”之步驟係包括透過一導電探測頭15、發射一暴衝光線，此導電探測頭15係位於一與一真空吸盤17成一空間關係之位置上，藉以形成一用來置放晶圓樣本21於其上之晶圓審視空間19。

在一較佳實施例中，所述“量測晶圓相對光線之一開路電壓特徵”之步驟更包括量測跨越導電探測頭15、包含晶圓樣本21之審視空間19與真空吸盤17之一時序電壓響應。

在一較佳實施例中，所述“決定至少一此類介面之一摻雜特徵”之步驟係包括利用已知對一具有最佳所需摻雜物特徵之特定介面、將內建電位能關聯至摻雜操作之分析公式，此特定介面上係執行開路電壓之比較。

在本發明之一例子說明中，係包括在非退化摻雜太陽能電池之p-n接面間、或是矽光電探測器間之量測，其中係採用以下標準教科書(Simon M.Sze，“Physics of Semiconductor Device”，Publisher：Wiley-Interscience；3 edition，October 27，2006)之公式E1。在運用時，雖然必須進行例行性的光登伯電位能微小修正，但前述之標準教科書公式E1仍能良好操作。

另外，所述“決定至少一此類介面之一摻雜特徵”之步驟係包括利用已知樣品中摻雜物濃度之經驗值、以及比較與相關連摻雜物濃度與相對應之時序電壓響應。例如，對於MQW LED而言，、因介面極化之電位能改變、以及在基板/緩衝層介面中之電位能改變皆必須考慮，且其可複雜摻雜操作之抽出；對於這些更複雜之運用，此開路電壓(OCV)方法之校正執行須依據一特別裝置設計、參數選定等等。

所述“決定至少一此類介面之一摻雜特徵”之步驟係包括利用使用TCAD之數值/數學模式相關連摻雜物濃度與相對應之時序電壓響應。此TCAD裝置模型係可典型用於HBLED、UVLEDS、GaN/AlGaN基HEMT結構、以及大多數之其他太陽能電池設計裝置(請參考Silvaco或Synopsis)。

方法學例子：舉例說明(但本發明並非限制於此例子中)，下述之非接觸式方法係用以描繪一半導體樣本p-n接面之射極與基極摻雜濃度。此方法係為前述裝置11運用之一例子，且在此揭露之方法例子係針對一簡單之p-n接面；對於每一裝置型態，其模擬樣本之不同數學表達式係根據其材料性質與結構特性而定(或是根據其預定之材料性質與結構特性而定)，在此處揭露之例子係為最基本/最教科書式之可用表達式，而本發明之運用實際上是超越這些例子、且可處理更複雜之半導體結構。

如圖所示，一半導體樣本21係位於一導電探測頭15與一真空吸盤17間，光線係由導電探測頭15發射至樣本21上，且當穿過導電探測頭15之光線照射在樣本21時(之前、當時與之後)，在導電探測頭15上即感測一電壓響應。

在本發明之一實施方法中，導電探測頭15係為一石英管25，其在最接近審視空間19之一末梢15a處、具有一透明導電氧化物之鍍層 27；較佳者，探測頭15係為一漸縮式結構、以容許更多光線可聚集入管子之入口，藉此，可提高管子出口處之光線密度。此光線係傳導經過漸縮之石英管25、穿過鍍層27、再照射在樣本21上。請參閱圖6所示，探測頭15之末梢15a係因鍍層27而高於其側面。

在本發明方法之一較佳實施例中，導電探測頭15在其末梢 15a上係包括一導電網狀結構23，光線(UV至紅外線)可穿過此導電網狀結構23、並照射在樣本21上。導電網狀結構23通常係為平直的、且包括一導電材料(纖維或燈蕊)之格子結構，其係形成複數個尺寸足以容許任何波長光線通過之縫隙23b或缺口(孔洞)。

使用真空吸盤17作為一回復接觸，放大並記錄跨越導電探測頭15與真空吸盤17之電壓響應，自該電壓響應、辨識一量測開路電壓(OCV_meas)，並藉由修正量測開路電壓(OCV_meas)，校正前置放大器增益、不完全光整平、光登伯電位能、正面光電壓、背面光電壓、與/或極化效應(與多數個量子阱結構相關)中至少之一，以獲得一量測內建電位能(Vbi_meas)。

獲取並記錄樣本之渦電流測量值(Eddy_meas)；更進一步，獲得一些或所有樣本參數：於射極與基極區域上之相對應厚度與流動性資訊(_n、μ_n、t_p、μ_p)。

利用一疊代法逐步增/減量改變射極摻雜物濃度(N_D)與基極摻雜物濃度(N_A)、以求得下述之表達式，直到其收斂至該內建電位能(Vbi_calc)與該量測內建電位能(Vbi_meas)間：(a)一渦電流表達式(E2)，其係以射極摻雜物濃度(N_D)、射極厚度(t_n)、射極流動性(μ_n)、基極厚度(t_p)與基極流動性(μ_p)將基極摻雜物濃度(N_A)關聯至渦電流(Eddy或Eddy_meas)；以及(b)一內建電位能(Vbi_calc)表達式(E1)，其係將計算之內建電位能(Vbi_calc)關聯至射極摻雜物濃度(N_D)與基極摻雜物濃度(N_A)。

之後，紀錄射極摻雜物濃度(N_D)及由疊代法收斂所得之基極摻雜物濃度(N_A)。

其中之內建電位能(Vbi_calc)表達式(E1)係將計算之內建電位能(Vbi_calc)關聯至射極摻雜物濃度(N_D)與基極摻雜物濃度(N_A)：

其中之渦電流表達式(E2)係推導、利用射極摻雜物濃度(N_D)、射極厚度(t_n)、射極流動性(μ_n)、基極厚度(t_p)與基極流動性(μ_p)、相關聯成渦電流(Eddy或Eddy_meas)。此渦電流表達式(E2)乃用以求得基極摻雜物濃度(N_A)：

其中之Eddy係定義為量測渦電流之薄片電阻。

此結果產生二公式(E1與E2)，每一公式皆共享二未知值(N_A與N_D)，二公式之解答係可由疊代法獲得；在一可行實施例中，疊代法可完成如下：疊代步驟：先以一射極摻雜物濃度(N_D)之猜測值(N_{D-ith guess})代入渦電流表達式(E2)中，以取得一基極摻雜物濃度之猜測值(N _{A-ith guess})；接著，將N _{D-ith guess}與N _{A-ith guess}二者皆代入內建電位能(Vbi_calc)表達式(E1)中、以獲得Vbi _{calc-ith guess}；將Vbi _{calc-ith guess}與量測內建電位能(Vbi _meas)比較，以獲得第i個偏差(diff- _{ith guess})。

前述之疊代法係以一第一猜測值執行、以產生Vbi _{calc-1st guess}與diff- _{1st guess}。接著，重複疊代法，以一第二猜測值(N _{D-2nd guess})作為N_D，藉此獲得Vbi _{calc-1st guess}與diff- _{2nd guess}。

收斂檢驗步驟：當diff- _{ith guess}小於diff- _{i-1 guess}，則表示N _{D-ith guess}係正收斂趨向正確之射極摻雜物濃度(N_D)答案。相反地，如果 diff- _{ith guess}大於diff- _{i-1 guess}，則表示N_{D-ith guess}正發散遠離正確之射極摻雜物濃度(N_D)答案。

前述之收斂檢驗步驟係執行用以辨別收斂或發散；假使電流猜測值(N _{D-ith guess})收斂，則重覆執行疊代步驟與收斂檢驗步驟，以逐步增量或減量之方式改變射極摻雜物濃度之猜測值，以保持計算之收斂性，直至diff- _{ith guess}收斂完成(達到預計之容許量)。

收斂點上之N _{D-ith guess}即為樣本射極摻雜物濃度之可接受解答。同樣地，使用對收斂點上之N _{D-ith guess}代入第二公式即可獲得相對應之N _{A-ith guess}，其即為樣本基極摻雜物濃度之可接受解答。

雖然本發明以特定實施例配合相關圖例詳細解說，但熟習本技藝之人士須知本發明並非限制在這些特定實施例上，不同之改變或修正、包括步驟之省略或順序之改變、皆未偏離本發明之範疇。