用於矽光伏電池生產的光致發光成像系統的製作方法

2023-05-17 16:17:06 1

專利名稱：用於矽光伏電池生產的光致發光成像系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於矽光伏電池生產的光致發光成像系統。相關申請本申請要求專利申請號為2009903823、2009903822和2009903813的澳大利亞臨時專利申請的優先權，上述申請於2009年8月14日遞交，上述申請中的內容通過引用在此
進行結合。
背景技術：
本說明書中所提到的現在技術不應該被認為是已經被廣泛地知曉，或不應該被認為構成本領域公知常識的一部分。通過公開號為W02007/01759A1的PCT申請所述公開的裝置和方法來進行的光致發光(PL)成像已經表明其具有對矽材料和裝置，尤其是對基於矽晶片的光伏電池(PV)進行快速表徵的價值；(該申請的發明名稱為用於檢查間接帶隙半導體結構的方法和系統， 且在此處通過引用進行結合)。如圖1所示，從具有由超帶隙光8的源6光致激發的主要區域的矽晶片4處產生的光2可以採用矽C⑶相機10通過聚光器件被成像，其中，系統優選包括均化光學器件12用於提高了主要區域激發的均勻性，若所述激發光處於所述相機的探測帶寬內，還包括設於相機前方的長通濾波器14。所述系統還可以包括一個或多個濾波器15，在寬帶源被使用時用於選擇光致激發的波長範圍。如圖2所示，當樣品相對較薄時， 還可能在樣品4的相對兩側設有激發源6和相機10，在這種情況下，所述樣品本身可起到長通濾波器的作用。然而，如果從其它部件反射的大量散射激發光到達所述相機，長通濾波器14仍然是需要的。無論如何，被採集的PL圖像可通過計算機16進行分析，從而獲得關於許多樣品特性的平均或空間分辨值的信息，所述特性包括少數載流子擴散長度、少數載流子壽命、位錯缺陷、雜質和分路等。整個過程發生在大約幾秒內或者甚至在一秒內，而這取決於矽材料的品質或成像系統的具體設計。如圖1和2所示的系統，為獨立單元，作為例如研究院、矽晶片製造商的研發實驗室，或光伏電池製造商的研發使用而設計，研發人員會發現其可應用於以質量控制為目的的被選晶片或光伏電池的檢查中，或可用於在故障探測中幫助確定在不合格批次的電池中缺陷的類型或起源。然而，體矽樣品(如鑄塊和磚塊)、原切割矽晶片和光伏電池鈍化以前的前體是極其差的PL輻射體，因為其決定PL強度的少數載流子壽命受到表面複合的限制。 從而，對於這樣的樣品來說，圖像採集相對較慢，而當對於研發使用這通常能被接受，或是對於體矽樣品的常規檢查時，比如用於識別被鋸開成晶片以前的材料的質量較差的區域， 如果PL成像將被用於對生產環境中光伏電池和前體進行常規檢查，那麼其檢查時間是一個關鍵的因素，當前矽晶片光伏電池生產線的生產速度達到每小時3600晶片，且該生產速度有望提高。另外，在檢查時間不是一個關鍵因素的情況中，申請人發現不同類型的矽樣品，如原切割晶片，表面紋理化的晶片和成品光伏電池，均具有以下特性現有的PL成像系統不適合上述所有的對象。因此，需要根據測量速度和對不同類型矽樣品表徵的適用性對PL成像系統進行改進。

發明內容
為解決上述技術問題，本發明提出一種具有低圖像採集時間的高效光致發光成像系統。根據本發明的第一方面，提供了一種採集矽晶片光致發光圖像的方法，所述方法包括以下步驟利用波長大於808nm的入射光來產生光致發光。在一些實施方式中，所述波長可大於910nm，甚至大於980nm。上述的方法，在將所述入射光投射在所述矽晶片上以前，通過半導體材料對所述入射光進行過濾，或由半導體材料構成的濾波器可被設於用於採集光致發光圖像的成像裝置前方，所述半導體材料起著截止濾波器的作用，在一些實施方式中，可能通過銦鎵砷成像裝置或MOS^成像裝置對所述光致發光圖像進行採集。上述的方法，還包括以下步驟採用長波長激發來照射所述晶片，從而使得從晶片內部產生的光致發光多於從晶片表面損壞的部分產生的光致發光。在一些實施方式中，所述長波長激發的波長大於808nm。所述長波長激發的波長優選為大於910nm，所述長波長激發的波長更優選為大於980nm。在一些實施方式中，截止波長大於激發波長的陡峭過渡長通濾波器被用於對晶片進行的成像中。上述方法，其中所述長通濾波器優選為包括半導體材料。優選實施方式中的方法，還包括隨後對晶片進行表面蝕刻的步驟。在一些實施方式中，根據要求，所述光致發光的成像大體上發生在100毫秒內，所述光致發光的成像優選大體上發生在10毫秒內或在1毫秒內。根據本發明的另一方面，提供了一種分析矽材料的方法，所述方法包括對所述矽材料進行充足水平的光照射從而獲得光致發光響應，和採用相機來捕捉光致發光響應形成圖像，其中，所述光照射為高強度光照射，或所述光的波長大於808nm，以及採用相機對光致發光輻射光譜中所有或基本上所有的光致發光響應進行捕捉。根據本發明的另一方面，提供了一種捕捉來自矽材料的光致發光響應的方法，包括採用MOS^相機。根據本發明的另一方面，提供了一種捕捉來自矽材料的光致發光響應的方法，所述半導體材料位於信號頻帶內的被激發光照射，其中，位於信號頻帶內的可被用於捕捉光致發光響應的相機探測到，長通濾波器被用於阻礙光照，和使激發信號從所述相機處偏離開。上述的方法，所述濾波器優選為半導體濾波器。


為了使本發明的內容更容易被清楚的理解，下面根據本發明的具體實施例並結合附圖，對本發明作進一步詳細的說明，其中圖1為現有技術中其中一種半導體樣品光致發光成像系統的示意圖；圖2為現有技術中另一種半導體樣品光致發光成像系統的示意圖；圖3(a)和圖3(b)為一個在線光致發光成像系統的側視圖和前視圖4(a)和圖4(b)為另一個在線光致發光成像系統的側視圖和前視圖；圖5為在室溫條件下，由晶體矽晶片(左軸線)輻射出的典型的發光光譜和晶體矽(右軸線)的吸收係數；圖6為可被矽相機探測到的矽光致發光輻射相比於全部光致發光輻射的一部分；圖7為原切割多晶矽晶片的光致發光圖像；
具體實施例方式接下來根據相應的附圖，以舉例的方式闡述本發明的優選實施方式。光致發光(PL)成像用於測量一些材料所需參數的能力已被晶片和光伏電池製造商所知，並且已經被廣泛和潛在地應用於光伏電池製造工業領域。PL成像技術已經在脫機測試和測量工具中被採用，例如，用於對性能較差的電池進行調查或用於對剛收到的晶體的質量進行隨機檢測，我們相信開發具有不同能力的，採用直接的機械控制或通過人工操作的在線PL成像系統是具有現實前景的，如晶片分類和裝箱，過程控制反饋(如，糾正次品加工階段)或前饋(如，在準備不同等級的給料時，對加工程序進行的調整。)圖3(a)和圖3(b)分別為在線PL成像系統的側視圖和前視圖，所述成像系統包括線性光源18，如紅外(IR)LED柵，以及線相機20，如設於矽晶片4的任意一側的線性矽CXD 陣列，所述線性矽CCD陣列具有用於對從晶片整個寬度上向線相機內部輻射的PL進行聚焦的聚光系統。當晶片沿箭頭M所示的方向通過時，線相機對一系列的發光帶的線圖像和由計算機建立的整個晶片區域的圖像(未顯示)進行採集。圖4(a)和圖4(b)為相類似的具有光源18和線相機20的在線系統，其中，所述光源18與所述線相機20位於樣品晶片4的同側。根據需求，有其它一些如圖1和圖2的「區域成像」系統所示的器件的存在將會更好， 例如各向同性光器件、激發濾波器和信號濾波器。樣品類型(例如，原切割晶片、半成品光伏電池或成品光伏電池)和成像類型(例如，區域或線成像)的結合將具有其自身需求的性能指標和成本約束，該性能指標和成本約束必須被滿足從而來生產經濟實用且可靠的系統。測量速度對於在線成像應用來說是一個重要的指標，儘管在許多情況下其它的性能指標同等重要或更加重要。為了示範的目的， 我們將專注於原切割晶片，紋理化的晶片和後鈍化的晶片，從而對一些在設計PL成像系統時必須做出的妥協進行解釋。對於所有類型的矽樣品來說，不可能存在一種最佳的特定的配置，如果需要設計一些通用的系統，則需要做出一些妥協。在許多情況下，「設計規則」，即所需的激發光源(根據波長和強度)、相機和濾波器的結合，是非顯而易見的；如果激發和輻射頻帶互相比較接近，則必須採用所述濾波器。另外，在設計工業應用的系統時，器件的成本必須被時刻牢記。在本說明書中，我們將僅僅對採用區域成像相機採集到的圖像進行描述和展示，但許多的設計要素，如照射波長，濾波器和相機的類型，同樣適用於線掃描成像系統。如圖5所示為晶體矽晶片(左軸線)輻射出的典型的帶間發光光譜和在室溫條件下晶體矽的吸收係數(右軸線)。從中可看出，矽的吸收在波長大約為IlOOnm以上時變得不為重要，且乍看之下，短波長激發對測量速度更有利，這是因為較短的激發波長將提高載流子產生率。然而短波長激發在接近地面處被吸收，從而對於原切割晶片來說，光致發光將從鋸損壞的表層處產生，所述表層不是特別有用且不能夠表現根本的材料質量，這是因為
6被損壞的層面在鋸損壞蝕刻階段被去除了。對於PL成像技術在早期表示將來電池的性能，最好使用較長的波長激發，例如 850nm、910nm或980nm，來從晶片的內部產生PL輻射，而不是使用可見光。甚至對於具有更佳表面質量的矽晶片，例如，鈍化的晶片，最好採用較長照射波長來獲得更真實的體特性圖片。因此，當進行矽樣品PL成像時，優選為採用大於SOOnm照射波長來產生PL輻射，採用的波長更優選為大於910nm，採用的波長最佳選擇為大約980nm或更長。因此，在優選實施方式中，採用較長波長的光從晶片的內部產生PL輻射。較長的照射波長可以產生較少的光致發光，這是由於較低的吸收所導致的，從而增加了已知激發強度、信噪比和探測系統的測量時間。對於原切割晶片來說，可達到的PL 輻射由於他們有效體壽命較低而被進一步限制，對於多晶矽來說只有ι μ s，這是由於快速表面複合所導致的。假定在低注入條件下，PL信號I11與有效少數載流子壽命Trff非常接近於成正比關係，而這使得從一塊原切割晶片處產生可測量信號比從鈍化的多晶矽晶片 (τεΗ IOys)或一塊高質量的鈍化單晶矽晶片(τεΗ 1ms)處產生可測量信號更為困難。可以採用更高強度的照射來產生更多的載流子，進而產生更多的PL光子，來提高測量速度。儘管PL信號不總是與照射強度成線性關係，尤其處於高強度照射時，載流子壽命依賴於注入水平，但一般來說照射強度越高產生的PL信號越大。另外，對於原切割晶片來說，這種依賴關係在更大的照射強度範圍上是根本上成線性關係的，這是因為有效載流子壽命根本上取決於表面複合。當在靠近或處於行端進行光伏電池PL成像時，也許採用適合的相當於lSim(100mW/Cm2)的照射強度要優於採用在接近於正常操作條件下的照射強度，這在電池生產的早期是次要的，因此，通常情況下最好採用高照射強度來從原切割晶片處產生光致發光。考慮到目前有許多種相機技術，我們首先注意到大多數在光伏(PV)研發或生產中被使用的商業PL成像系統採用了矽CMOS或CCD相機。如圖5所示，對矽吸收和照射光譜的調查表明不是必須採用矽相機對來自矽樣品的光進行測量，這是因為大多數900至 1300nm光頻帶已經超過了矽相機的探測範圍(如吸收光譜所示)。實際小部分的可通過矽相機探測到的矽PL光子由如圖6的曲線沈來表示，全部的可獲得的信號由曲線觀來表示，且我們估計全部信號中僅有大約5%的信號能被探測。儘管在選擇矽相機時有許多實務的原因，比如成本，以及矽相機確實是一種很先進又可靠的技術，來用於獲得幾種不同格式(例如IOMx 1024像素陣列)和具有相對大的像素(大像素意味著是高計數率和快測量速度)，儘管他們具有一些接下來要進行闡述的更為細微的好處，然而，另一種能夠捕捉整個而不是5% PL光譜的相機技術是明顯值得考慮的。假設與量子效率相類似，該相機可以讓測量速度直接提高20x。尤其當採用較長激發波長從樣品非表面部分產生光致發光時，矽相機的另一個問題為激發光(如950nm)與圖6中曲線沈所示的可探測信號頻帶接近，意味著具有從低吸收率到高吸收率的陡峭過渡的長通濾波器需要被設於相機的前方，從而不在任何程度上對可探測的光致發光進行阻止的前提下阻止激發。另外，抑制比應當較大，這是因為對於間接帶歇半導體而言，比如矽，照射強度的量值比PL強度要大。我們發現半導體材料在這點上較為有效，因為它們在他們帶緣處進行傳播時呈現出陡峭性的變化；表1列出了一些可以被用做濾波器的半導體材料。我們注意到只要激發頻帶處於低傳播區域內，本發明也可以採用帶阻濾波器。如果所使用的相機是對整個PL光譜敏感的，那麼該濾波就顯得不是那麼重要了，這是因為激發頻帶和探測頻帶間有著更大的分離。兩種對於整個矽PL輻射光譜敏感的相機技術分別是hGaAs技術和作為近來較為先進的「M0SIR」技術，所述MOS^技術採用了 InGaAs或hGaAsP光電陰極，所述光電陰極在真空管內為響應近紅外(IR)光子而產生電子，並且對它們提速至矽焦平面陣列(FPA)設備上((XD或CMOS傳感器)。這兩種傳感器對大約900nm到1700nm或更長的波長敏感，而這取決於該InGaAs的精確成分，並且，如果有需要，這兩種傳感器也能夠被用於研究1500nm 到1700nm區域的PL頻帶，其中所述頻帶已經被分配至矽中各種不合格品(如P.艾德爾曼等人1992出版的半導體科學與技術7 —書中，矽和砷化鎵中光致發光和少數載流子擴散長度成像h22-_。MOS^* hGaAs相機相對於矽相機的另一個優點為如果激發波長遠小於900nm， 那麼就不需要採用長通濾波器來阻止激發到達該相機處。另外，即使需要長通濾波器，對於原切割晶片來說，當採用的激發波長大於900nm時，濾波器傳播邊緣的陡度顯得次要，這是因為PL光譜較長部分中具有大量的可測探信號。
權利要求
1.一種採集矽晶片光致發光圖像的方法，其特徵在於所述方法包括以下步驟利用波長大於808nm的入射光來產生光致發光。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述入射光的波長大於910nm。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述入射光的波長大於980nm。
4.根據權利要求1-3任一所述的方法，其特徵在於在將所述入射光投射在所述矽晶片上以前，通過半導體材料對所述入射光進行過濾。4a.根據權利要求1-4任一所述的方法，其特徵在於由半導體材料構成的濾波器被設於用於採集光致發光圖像的成像裝置前方。
5.根據權利要求4或如所述的方法，其特徵在於所述半導體材料起著截止濾波器的作用。
6.根據上述權利要求任一所述的方法，其特徵在於通過銦鎵砷成像裝置採集所述光致發光圖像。
7.根據上述權利要求任一所述的方法，其特徵在於通過MOS^成像裝置採集所述光致發光圖像。
8.一種表面損壞的矽晶片光致發光成像的方法，其特徵在於所述方法包括以下步驟 採用長波長激發來照射所述晶片，從而使得從晶片內部產生的光致發光多於從晶片表面損壞的部分產生的光致發光。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於所述長波長激發的波長大於808nm。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於所述長波長激發的波長大於910nm。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於所述長波長激發的波長大於980nm。
12.根據權利要求8-11任一所述的方法，其特徵在於截止波長大於激發波長的陡峭過渡長通濾波器被用於對晶片進行的成像中。
13.根據權利要求12所述的方法，其特徵在於所述長通濾波器包括半導體材料。
14.根據權利要求8-13任一所述的方法，其特徵在於還包括隨後對晶片進行表面蝕刻的步驟。
15.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於所述光致發光的成像大體上發生在100毫秒內。
16.根據權利要求15所述的方法，其特徵在於所述光致發光的成像大體上發生在10毫秒內。
17.根據權利要求16所述的方法，其特徵在於所述光致發光的成像大體上發生在1毫秒內。
18.一種分析矽材料的方法，所述方法包括對所述矽材料進行充足水平的光照射從而獲得光致發光響應，和採用相機來捕捉光致發光響應形成圖像，其特徵在於i)所述光照射為高強度光照射，或所述光的波長大於808nm，以及 )採用相機對光致發光輻射光譜中所有或基本上所有的光致發光響應進行捕捉。
19.一種捕捉來自矽材料的光致發光響應的方法，其特徵在於包括採用MOS^相機。
20.一種捕捉來自矽材料的光致發光響應的方法，其特徵在於所述半導體材料被位於信號頻帶內的激發光照射，其中，所述信號頻帶可被用於捕捉光致發光響應的相機探測到，長通濾波器被用於阻礙光照，和使激發信號從所述相機處偏離開。
21.根據權利要求20所述的方法，其特徵在於所述濾波器為半導體濾波器。
全文摘要
本發明涉及一種對一系列矽晶片進行光致發光成像的方法，本發明的方法包括採用波長大於808nm的入射光的步驟。本發明又提出了一種採用各種光照射、相機和濾波器的結合對矽半導體材料進行分析的方法。在另一個實施例中，相機被用於捕獲整個光致發光響應，且長通濾波器被用於阻止一部分信號到達所述相機或探測器。
文檔編號G01N21/88GK102575986SQ201080046725
公開日2012年7月11日 申請日期2010年8月16日 優先權日2009年8月14日
發明者伊恩·安德魯·麥克斯威爾, 託斯頓·特魯普克, 約爾根·韋伯, 羅伯特·安德魯·巴多斯 申請人:Bt成像股份有限公司