CN101960579B - 缺陷检测及响应 - Google Patents

Abstract

为提高检查吞吐量，可以以一恒定速度在试样上移动红外摄像装置的视场。在该移动的整个过程中，可以向所述试样提供调制并且使用所述红外摄像装置获取红外图像。移动所述视场、提供所述调制以及获取所述红外图像可以是同步的。所述红外图像可以被滤波以生成时间延迟锁相热成像，从而提供缺陷识别。该滤波操作可以决定所述红外摄像装置在扫描方向上的像素数。对于光学调制的情况，可以在移动的整个过程中为所述视场提供暗场区域，由此在滤波期间提供改善的信噪比。局部的缺陷可以由被集成到所述检测系统的激光器修复或由墨水标记以在生产线上稍后修复。

Description

缺陷检测及响应

技术领域

本申请是于2008年2月5日递交的在先待审的美国专利申请序列号第12/026,539号的部分继续申请。本发明涉及光电池领域。更具体地，本发明涉及光电膜(photovoltaic film)的在线检查和修复。

背景技术

在生产制造过程中，试样可能会生成引起电流泄漏的局部电气缺陷。示例性的试样可以包括光电材料(例如，156mm x 156mm的晶片或2160mm x 2460mm的基板或连续卷材(web))、半导体晶片或印刷电路板。电气缺陷(例如，旁路结(shunt)或局部的微弱二极管)泄漏电流并且因而会降低试样的效能或者甚至危及在试样上的器件的功能。因此，准确地检测这样的电气缺陷的位置是非常期望的。

缺陷使得高电流密度持续流过它们，并且因而被加热到比试样的温度更高的温度。在来自焦平面阵列红外摄像装置的图像中可以检查到这些温度变化。然而，在缺陷处温度上的变化可以比图像中的背景小五个数量级。从而，将缺陷从背景噪声分离可能是挑战性的。

锁相热成像是一种已知的用来定位这样的缺陷的方法。在锁相热成像中，试样被调制，例如通过将直流电流注入试样或通过从试样的照射所生成的光电流。当通过照射实现调制时，所述方法有时被称作受照锁相热成像。以相同的频率调制由来自注入的电流或光电流对试样的加热所引起的温度变化。利用任何一种形式的调制，均在试样保持静止的时候获取多个帧的红外图像。

由于在室温条件下来自试样红外辐射的背景散粒噪声和在缺陷与试样的其余部分之间非常小的温差，以及红外成像传感器有限的动态范围，需要大量相同视场的图像来平衡背景噪声，由此改善信噪比。尽管获取到的图像取自同一空间位置，当试样温度以调制频率振荡时，它们是时间的函数。在典型的实施方案中，通过每一图像乘以一在时间上以与调制或“锁相(lock-in)”频率相同的频率成正弦方式变化的加权系数来对图像进行滤波。一般地，信噪比的改善与帧总数的平方根成正比。

在红外摄像装置获取所需数目的图像以进行锁相平衡(lock-in averaging)时，传统的锁相热成像需要试样保持静止。如果试样的尺寸大于摄像装置的视场，试样(或红外摄像装置)需要移动到完全不同的位置，以在针对试样上的一个位置获取完一组图像后，获取一组新的红外图像。令人遗憾的是，该停止-移动(stop-go)时间和设定时间(包括关于伴随的速度增加和减少的重新定位)占据总检查时间的大部分，特别是对于非常大的试样(在尺寸上可以大于两平方米)，因而不合期望地降低吞吐量。传统的锁相热成像中的该开销成为检查吞吐量的显著限制因素。

因此，产生对检测试样上缺陷的技术的需要，该技术与传统的锁相热成像相比，在维持其精确度的同时，提高检查吞吐量。也可以利用相同的仪器修复被找到的缺陷，例如通过激光隔离。

发明内容

在红外摄像装置获取所需数目的图像以进行锁相积分时，传统的锁相热成像(lock-inthermography)技术需要试样保持静止。在一组图像被获取后，试样被更换或重新定位以针对不同的试样或位置获取红外图像。该静止和重新定位的时间显著地降低检查吞吐量。

为提高检查吞吐量，提供在试样上进行时间延迟锁相热成像的方法。在该方法中，可以以一恒定的速度在试样上移动红外摄像装置的视场。在该移动的整个过程中，可以对所述试样提供调制(例如光学调制或电学调制)并且使用所述红外摄像装置获取红外图像。移动所述视场、提供所述调制以及获取所述红外图像可以是同步的。所述红外图像可以被滤波以生成时间延迟锁相热成像图像，从而提供缺陷识别。在一个实施方案中，该滤波操作可以包括在锁相频率下的的正弦加权(sinusoidal weighting)，该正弦加权将红外摄像装置在扫描方向上的像素数考虑在内。

有益地，这种时间延迟锁相热成像可以使用在各种类型的试样上，例如半导体晶片、光电晶片、光电材料的大型基板、光电材料的连续卷材以及印刷电路板。另外，移动可以使用任一有效的移动部件来完成，例如扫描工作台、龙门(gantry)系统中的双向线性工作台、龙门桥、传送机和/或至少一个滚轴。

在一个实施方案中，所述移动的整个过程中所述视场可以被定位在暗场区域内，从而在滤波期间提供改善的信噪比。这样的暗场技术还可以用于原本为标准色的受照(illuminated)锁相热成像中。在这种方法中，试样在摄像装置视场外是被照射的。可以使用红外摄像装置获取红外图像，其中提供所述调制和获取所述红外图像是同步的。红外图像可以被滤波以生成时间平均(time-averaged)图像，从而提供缺陷识别。有益地，所述试样可以被转动或直线移动，以使视场和暗场区域重新定位在所述试样的另一部分上。此时，提供所述调制、获取所述红外图像以及对所述红外图像进行滤波的步骤是可以重复的。

这种暗场技术可以与各种类型的试样一起使用，例如半导体晶片、光电晶片、光电基板、沉积(deposited)光电材料的连续卷材以及印刷电路板。定位和转动操作可以包括使用扫描工作台、龙门系统中的双向线性工作台、龙门桥、传送机、转动卡盘和/或至少一个滚轴。

用于进行时间延迟锁相热成像的系统可以包括用于获取试样的图像的红外摄像装置。可以以一恒定速度在所述试样上移动所述红外摄像装置的视场的扫描部件。当移动所述视场时可以对所述试样提供调制的调制部件。可以同步图像的获取、视场的移动以及调制的来源的时钟源。可以接收获取的图像并生成时间延迟锁相热成像图像以提供缺陷检测的图像处理器。在一个实施方式中，针对照射锁相热成像，使用遮光罩从照射源遮蔽视场。

用于进行暗场受照锁相热成像的系统可以包括用于在试样上定位红外摄像装置的视场的定位部件。在定位视场后可以对所述试样提供光学调制的光学调制部件。可以为视场提供暗场区域的光引导部件。可以使图像的获取与调制同步的时钟源。可以接收获取的图像并生成时间延迟受照锁相热成像图像以检测所述试样上的缺陷的图像处理器。所述光引导部件可以包括遮光罩或光管(light pipe)。

用于通过激光隔离或其他方式进行缺陷修复的系统可以被集成到本发明的所述检测系统中。该系统可以包括一个或更多个被设置在紧靠所述红外摄像装置下游且由局部缺陷或热点(hot spot)的检测而被自动激活的修复激光器。例如，532纳米Q开关(Q-switched)激光可以被双轴检流计扫描装置导引通过远心镜头来切割围绕所述缺陷的电气隔离沟槽，从而将旁路结从表面的其余部分隔离。可替换地，所述缺陷的位置可以由墨水或其他物质的沉积来标记，以在稍后的生产阶段进行修复。

附图说明

图1图示说明包括暗场照射的示例性时间延迟受照锁相热成像系统。

图2A图示说明使用传统的锁相热成像的红外图像帧的示例性获取。

图2B图示说明使用时间延迟锁相热成像的红外图像帧的示例性获取。

图2C图示说明相对于多个帧触发信号(trigger)的示例性试样调制信号(samplemodulation)。

图3图示说明包括可以使用龙门系统在x和y两方向上移动的单个红外摄像装置的示例性检查系统。

图4图示说明包括可以使用龙门系统在一个方向上移动的多个红外摄像装置的示例性检查系统。

图5图示说明包括获取在传送机上移动的试样的图像的多个红外摄像装置的示例性检查系统。

图6图示说明用于可以进一步使背景噪声最小化的视场的示例性暗场照射。

图7图示说明示例性暗场视场实验结果，其中被扩束的(expanded)激光束针对所述试样的受照区域(illuminated area)调制电流。

图8图示说明可以包括光管的照射系统，所述光管确保由光源所生成的光被有效地传递到所述试样的表面。

图9A和9B图示说明试样的转动来在示例性光管结构下为视场重新定位暗场区域，所述示例性光管结构可以是针对受照锁相热成像系统中的较小试样尤为有效的。

图10图示说明使用图9A和9B的所述光管结构的示例性暗场受照锁相热成像系统。

图11和12图示说明分别使用转动和直线移动的其他示例性暗场受照锁相热成像结构。

图13图示说明在包括转动和直线移动两者的系统中的图11的所述暗场受照锁相热成像结构。

图14图示说明在包括至少一个用于移动卷材状试样的滚轴的系统中的暗场受照锁相热成像。

图15图示说明在检查期间容易发生太阳能电池的正向偏置和反向偏置的太阳能电池的各方面。

图16是根据本发明的实施方案的组合检查和修复工具的侧视图。

图17是根据本发明的实施方案的组合检查和修复工具的顶视图。

具体实施方式

在红外摄像装置获取所需数目的图像以进行锁相积分时，传统的锁相热成像需要试样保持静止。在针对所述试样上的一个位置获取完一组图像之后，所述试样被重新定位以针对完全不同的位置获取红外图像。该静止和重新定位的时间显著地降低检查吞吐量。

图1图示说明可以显著地提高检查吞吐量的示例性时间延迟锁相热成像系统100。在这样的实施方案中，试样101被放置在x-y扫描工作台102上。对试样施加调制可以由光学方式(例如，通过使用调制的照射光源)或电学方式(例如，通过对试样直接施加电流调制)实现。在一个实施方案中，可以使用开关112选择性地将电流驱动器106连接到光源103或直接连接到试样101。在其他实施方案中，系统100可以包括仅提供一种类型调制的部件，例如电流驱动器106和光源103或仅有电流驱动器106而省略开关112。

可以使用多个发光二极管模块来构建光源103。然而，在其他实施方案中，可以使用由斩波器(chopper)调制的标准白光光源、直接被调制的激光器或Q开关激光器来实现光源103。

时钟源104可以生成被提提供电流驱动器106的波形105。该波形被转换为如上面所描述的可以驱动光源103或被直接连接到试样101的电流。时钟源104还可以生成激活红外摄像装置108来获取红外图像的触发信号107，所述红外图像又被提供到图像处理器110。时钟源104可以被连接到输出定位编码脉冲至扫描工作台102的工作台控制器109。在这样的结构中，如下面将进一步以细节描述的，时钟源104可以有益地确保试样运动的速度被适当地与所述图像获取的帧速率和调制率同步。在其他实施方案中，所述工作台控制器的编码信号可以被用作时钟信号来触发函数发生器以对试样提供调制，并且还用来触发红外摄像装置以进行图像获取。

图2A图示说明使用传统的锁相热成像的红外图像帧201的示例性获取。如上面所描述的，为获取帧201，在所述试样保持静止时利用周期性信号(例如正弦函数)对所述试样进行调制。随后，通过以调制频率在时域中应用傅里叶滤波器来处理帧201。

在一个实施方案中，离散正弦和余弦变换被如下限定：

$S_{m,n}=\frac{1}{N_F}\underset{i=1}{\overset{N_F}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{m,n}^i\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{f_1}{f_2}(i-1)\right)$ 公式1

$C_{m,n}=\frac{1}{N_F}\underset{i=1}{\overset{N_F}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{m,n}^i\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{f_1}{f_2}(i-1)\right)$ 公式2

其中，

是第i帧的第(m，n)像素的像素值，m＝1，2，…N_x，n＝1，2…N_y，i＝1，2，3…，f₁是调制频率，f₂是帧速率(优选地，为f₁的偶数倍)，N_x和N_y是一帧中在x和y方向上的像素数，并且N_F是帧总数(例如，为调制周期数的整数倍)。

请注意的是，某些试样对不同的调制相位响应不同。然而，值得注意的是，正弦和余弦变换可以结合以生成独立于相位的幅度。具体地，使用如由公式1和2计算得到的S_m，n和C_m，n的值，给出幅度A和相位图像(phase image)φ如下：

$A=\sqrt{S^2+C^2}$ 公式3

$\mathrm{\φ}={\tan }^{-1}\frac{S}{C}$ 公式4

与此相对地，图2B图示说明使用时间延迟锁相热成像的红外图像帧202的示例性获取。如在上面参见图1所描述的，不同于传统的锁相热成像，在所述试样以一恒定速度移动时，多个图像帧在时间延迟锁相热成像中被获取(从而，如在y方向上所测量的，成像的位置随着时间变化)。有益地，运动速度(dy/dt)可以与图像获取的帧速率同步。

在一个实施方案中，所述试样可以在一帧的持续时间内以一个像素的距离移动。从而在一个实施方案中，用于时间延迟锁相热成像的帧总数与所述红外摄像装置在扫描方向上的视场的像素数相同。请注意的是，可以在视场仅稍稍重叠所述试样(例如，以一个像素或更少)时开始图像获取以确保即便是所述试样的边缘实际上也被多次成像。

在其他实施方案中，试样在两个连续帧之间所移动的距离可以为整数倍，例如1，2，3…个像素，这在固定帧速率的情况下允许更高的检查速度。所述整数倍方法提供较低的灵敏度(sensitivity)，因为用于锁相热成像的帧总数减少到一系数分之一，该系数等于移过的像素数。在又另一实施方案中，试样在两个连续帧之间所移动的距离可以小于1个像素(例如，一般地为1/N像素：1/5像素，1/4像素，1/3像素，1/2像素，等等)，这允许较高的检查精确度，但导致较慢的检查速度。在一个实施方案中，在每一调制周期期间，可以指定预先确定的帧数(例如，至少4个)来获取，从而确定检查精确度和所允许的检查速度。

根据时间延迟锁相热成像的任一实施方案，由于所述试样以一固定频率调制，随着所述试样连续移动通过红外摄像装置的视场，所述试样的每一成像像素都被多次成像。因此，针对每一成像像素的图像由红外成像传感器(可以形成红外摄像装置的部分)的像素行多次读出。时间延迟锁相热成像图像中的获取的图像由如下的正弦和余弦变换给出，所述正弦和余弦变换一起提供傅里叶滤波。

$S_{m,i}=\frac{1}{N_Y}\underset{n=1}{\overset{N_Y}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{m,n}^{(i+n-1)}\sin \left[2\mathrm{\π}(i-1+n-1)\frac{f_1}{f_2}\right]$ 公式5

$C_{m,i}=\frac{1}{N_Y}\underset{n=1}{\overset{N_Y}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{m,n}^{(i+n-1)}\cos \left[2\mathrm{\π}(i-1+n-1)\frac{f_1}{f_2}\right]$ 公式6

其中

是红外图像的第(i+n-1)帧的第(m，n)像素的像素值，i＝1，2…，m＝1，2，…N_x，n＝1，2，…N_y，f₁是调制频率，而f₂是帧速率。优选地，f₂为f₁的偶数倍(≥4)。N_x和N_y是一帧中在x和y方向上的像素数。请注意的是，指数(index)n出现在的像素指数下标和帧指数上标，随着具体空间位置的每一像素移动通过红外摄像装置的视场，

限定跟踪(tracking)具体空间位置的每一像素。移动的试样的速度V给出如下：

V＝Pf₂                                                    公式7

其中，P为试样上的像素尺寸。如上面所描述的，移动的试样的速度V、试样调制信号以及帧触发信号可以是同步的以确保期望的帧获取。图2C图示说明相对于多个帧触发信号204的示例性试样调制信号203。在其他实施方案中，移动的试样的速度可以被推广到每帧间隔(两个连续帧之间的持续时间)大于或小于1个像素；那么，公式7则写为：

V＝kPf₂                                                   公式8

在一个实施方案中，k可以为大于1的整数，例如，k＝2，3，4，…。在这种情况下，每一帧的像素可以在扫描方向(y)上以等于k个的像素数被“装箱(bin)”。y方向上的有效像素数降低到k分之一，并且只要图像被降采样(down-sampled)到有效像素数，公式5和6仍可应用。在另一实施方案中，k可以小于1。例如，当k＝1/2时，所述试样可以每帧间隔移动半个像素，或者当k＝1/3时，移动三分之一像素。在这种情况下，扫描方向上的每帧有效像素数增加到1/k倍。可以通过内插法(例如，最邻近内插法、线性内插法、样条内插法或三次内插法)由图像的重新采样将有效图像重建为更大尺寸。只要在扫描方向上的图像尺寸被重新采样为增加到1/k倍的有效像素数，公式5和6仍可应用。请注意，相位和幅度则可以使用公式3和4计算。

请注意，红外摄像装置的传感器可以具有矩形规格，拥有矩形传感器元件(其中，正方形被认为是矩形的一种特殊情况)。在一个实施方案中，试样以恒定速度在与矩形传感器的边缘中的一个平行的方向上移动。注意到的是，P，试样上的成像像素尺寸，可以由传感器元件沿扫描方向的尺寸除以成像镜头的放大倍数来计算。

在图像处理器110的一个实施方式中，被称为时间延迟积分的技术可以同步像素移位(shift)和试样的移动。时间延迟积分在于2002年6月11日出版的、题目为“用于衬底的光学检查的方法和装置(Method and apparatus for optical inspection of substrates)”的美国专利RE37,740中被详细描述。然而，在该参考文件中，时间延迟积分仅获取每一成像像素的一个情形(例如，行扫描成像模式)。值得注意的是，时间延迟积分可以被修改，来随着视场移动通过试样针对每一成像像素追踪多个获取的图像，从而允许时间延迟积分可以被用于时间延迟锁相热成像环境中。该追踪可以通过安装于图像处理器110的由计算机实施的软件程序来执行。

此外，同样是在图像处理器110中，在多个帧的窗口上，时域中的单频率傅里叶滤波器(或是在相同的调制频率下的匹配滤波器)可以被应用于获取的图像。如上面所描述的，当应用所述傅里叶滤波器时，每一帧可以在扫描方向上被移位一预先确定的像素数(1，2，3…)。

在公式5和6中，最终图像中的每一y方向列i(y-column i)是来自图像的多个帧的加权和，其中图像n为该加权和贡献列i+n-1。

通过使用对试样的连续扫描，时间延迟锁相热成像可以有益地消除传统锁相热成像检查系统的不期望的停止-移动操作，从而显著地减少检查时间开销。因此，可以实现生产环境中的高吞吐量检查。值得注意的是，通过改变移动的像素数，时间延迟锁相热成像可以有益地使期望的速度/灵敏度平衡最优化。

请注意，当获取所述试样的图像时，所述试样可以相对于红外摄像装置移动(例如，使用图1的扫描工作台102)，或者红外摄像装置可以相对于所述试样移动。例如，图3图示说明包括可以通过龙门系统在x和y方向上移动的单个红外摄像装置301的示例性检查系统300，所述龙门系统包括允许摄像装置在x方向移动的线性工作台302，以及允许摄像装置在y方向上移动的线性工作台303。如在图3中所示的，交替进行的水平和垂直移动获得对试样304的迂回扫描(serpentine scan)。

在这样的实施方案中，试样304为单个试样(例如，薄膜、形成在玻璃衬底上的大尺度太阳能基板)。请注意的是，在使用这样的龙门系统的其他实施方案中，试样304可以被替换为多个试样。

多个平行的红外摄像装置可以进一步改善检查速度。例如，图4图示说明包括3个红外摄像装置401的示例性检查系统400，然而其他实施方案可以包括更少或更多的红外摄像装置(请注意，为了简化，其他系统部件(例如那些如图1所示出的部件)未示出)。在这样的实施方案中，红外摄像装置401可以使用龙门桥403在方向402上提供单程(single pass)扫描。

图5图示说明包括4个红外摄像装置501的示例性检查系统500，然而其他实施方案可以包括更少或更多的红外摄像装置。在这样的实施方案中，红外摄像装置501可以被设置在静止横梁502上，然而试样503可以使用轨道505(形成传送机506的一部分)在方向504上移动。

在一个实施方案中，红外摄像装置可以使用具有320 x 256像素的传感器分辨率的中波红外摄像装置来实施。包括这样的红外摄像装置的检查系统可以包括如下的操作特征参数：每秒433帧的帧速率、0.5mm的成像分辨率、216mm/s的试样速度以及276cm²/s的检查速度。

再来看时间延迟锁相热成像系统100，使用光源103提供电流调制可以引起一些热生成(heat generation)。具体地，就太阳能电池的情况而言，由于太阳能电池将光能量转换为电能量的效能有限，照射光的有一些部分被转换为热。由照射生成的热可以增加背景红外发射(emission)，这导致更大的背景噪声并且因而导致较低的检测灵敏度。值得注意的是，因为由照射产生的过量的热是在与缺陷信号调制相同的频率生成的，在锁相热成像图像中的不同材料(例如，金属网线对(vs.)硅)之间的发射率差异是以不容易被去除的、不均匀的背景噪声的形式示出的，从而进一步降低缺陷检测灵敏度。

因此，在一个实施方案中，系统100可以使用遮光罩111来为红外摄像装置的视场创建暗场区域。在一个实施方案中，遮光罩111可以被定位在试样101上方2-4mm处，或限制试样照射的任何其他的距离。例如，图6图示说明可以由遮光罩111提供的暗场区域602，用于保护试样601上的视场603。在这样的情况下，在暗场区域602外出现受照区域604。值得注意的是，尽管受照区域604被限定在视场603之外，由这样的照射所生成的光电流可以快速流入视场区域603。

因此，由于过量的光子能产生的试样加热被限制在视场603之外。结果，这样的非直接的照射有益地使视场603内的背景噪声最小化。然而，值得关注的是，尽管针对视场603使用暗场区域602，对红外摄像装置来说缺陷仍为可视的。

例如，图7图示说明示例性实验结果，其中被扩束的激光束为试样的受照区域702调制电流。泄露电流的缺陷以热点701的形式出现。如图7中所示的，(1)光直接照射试样的地方(即，受照区域702内)背景加热更高，(2)在受照区域702之外的背景加热要低得多，以及(3)因为电流自由流经试样，即使缺陷在受照区域702之外，缺陷仍以热点701的形式出现。

再来看图1，红外摄像装置108的视场之外的一预先确定的区域(例如，基本上与视场的边缘平行的照射带)可以由被遮光罩111所限定的光源103(例如，发光二极管阵列)照射。值得注意的是，遮光罩111可以有益地降低视场的背景加热，从而增加获取的图像中的缺陷的信噪比。更好的信噪比带来更高的吞吐量(即，在给定的灵敏度下具有更短的积分时间)和/或更高的灵敏度。

在如图8所示的一个实施方案中，照射系统800可以包括能够确保由光源801所生成的光被有效地传送到试样804的表面而无需遮光罩的光管(light pipe)802。请注意，对于分析较小的试样(例如小尺度的太阳能电池(例如，6”x 6”)和半导体晶片)以将光散射限制到仅是正在被收集图像的试样，光管可以是尤为有效的。在一个实施方案中，为进一步限制光散射，可选的菲涅耳透镜(Fresnel lens)803可以被用来将来自光管802的光聚焦到试样804上。

可以使用实心玻璃块来实施光管802，通过光管802的侧壁的全内反射导引光。在另一实施方案中，可以使用内部具有镜面的中空管来实施光管802。在光管802的任一实施方式中，一清楚地限定的照射区域(例如，矩形)被投投影到试样804中。

有益地，光管可以被配置来覆盖试样的大块面积或小块面积。在任一结构中，光管可以为暗场区域和受照区域提供相对清晰地限定的边缘。例如，光管可以清晰地限定图6的受照区域604的边缘(并且，从而也限定了暗场区域602的边缘)。与此相对地，如果是由遮光罩创建的，受照区域604的外边缘将典型地是漫射的，然而，内边缘将会被相对清晰地限定(假设所述遮光罩足够靠近所述试样)。

图9A和9B图示说明在原本是传统的锁相热成像系统中，用于可以是针对较小的试样(例如半导体晶片或太阳能电池)尤为有效的光管结构的示例性结构。在这样的结构中，试样910可以被划分(divide)为(即，被表述为具有)4个象限，例如，901、902、903以及904，并且光管900的形状基本上与试样910的三个象限匹配。在图9A中，象限902、903以及904由光管900照射，然而暗场区域中的象限901可以被红外摄像装置(为简化，未示出)成像。通过相对于光管900转动试样910可以使另一象限成像。例如，从图9A到图9B，试样910相对于光管900被逆时针转动90度。从而，象限901、903、以及904由光管900照射，然而暗场区域中的象限902可以被红外摄像装置成像。因此，通过转动试样910三次可以检查所有象限901、902、903以及904。

图10图示说明包括光管900和试样910的示例性暗场锁相热成像系统1000。在系统1000中，试样910被放置在可以完成期望转动(例如，90度的转动)的转动卡盘1001上。光管900可以将来自发光二极管模块1002的光引导至试样910上。红外摄像装置1003可以从试样910的暗场象限摄取图像。在这样的实施方案中，因为试样910被由光管900所引导的光电流调制，红外摄像装置1003可以随着时间获取暗场象限的多幅图片。当红外摄像装置1003已经获取到期望数目的图像之后，转动卡盘1001可以被转动以露出试样910的另一象限。

在其他实施方案中，可以实施多试样暗场锁相热成像系统。例如，图11图示说明包括四个试样1101的示例性结构。方块(block)1102描绘暗场区域的边缘。在这样的情况下，在红外摄像装置(为简化，未示出)同时从试样1101获取期望数目的暗场图像之后，试样1101中的每一个则可以被转动(例如，如所示的，使用四个卡盘(为简化，未示出)按箭头所指顺时针转动90度)以开始从试样1101的不同象限获取图像。

请注意，其他实施方案可以包括不同的试样划分。例如，图12图示说明在传送带1204上包括暗场区域1200和三个试样1201、1202以及1203的示例性结构。在这样的情况下，摄像装置首先对在暗场区域1200内的试样1201的左侧和试样1202的右侧进行成像。传送带1204接下来向右移动(即，按箭头所指示的，以直线运动)一个试样宽度，并且摄像装置对在暗场区域1200内的试样1202的左侧和试样1203的右侧进行成像。在另一实施方案中，传送带连续移动并且如前面所描述的，使用时间延迟锁相热成像来处理图像。在该实施方案中，视场的宽度必须小于试样的宽度，从而随着试样在暗场区域下穿过，试样的一部分总是被照射的。例如，对具有320 x 256个像素的矩形焦平面阵列来说，红外摄像装置可以被定向，从而垂直于运动方向的电池(cell)宽度被320个像素所覆盖，并且平行于运动方向的电池宽度被256个像素所覆盖。

在一个实施方案中，转动和直线移动均可以被包括在暗场锁相热成像系统中。例如，图13图示说明包括多个可以被放置在转动卡盘1304(为简化，仅示出一个)上的试样1301的暗场锁相热成像系统结构1300，转动卡盘1304又可以被固定到传送机1303。在图13所示出的结构中，如在参见图11时所描述的，四个试样1301可以被同时成像。当来自所有象限的(使用转动卡盘1304)期望数目的图像被获取之后，则接下来的四个试样1301可以相对于暗场区域1302被移动就位(使用传送机1303)以进行下一轮的图像获取。

值得注意的是，如上面所描述的，为视场提供暗场区域的操作可以被包括在时间延迟锁相热成像系统和传统的锁相热成像系统二者之中，以当使用光学调制时有益地减少背景噪声。此外，这样的暗场锁相热成像可以被用于数种类型的试样，例如半导体晶片、太阳能电池、太阳能基板、印刷电路板以及连续卷材。

例如，图14图示说明可以使用滚轴1403让卷状试样(web sample)1401前进的示例性暗场锁相热成像系统1400。示例性卷状试样为光电材料可以沉积于其上的不锈钢带状物(例如，大约14英寸宽)。当在暗场区域1402中获取期望的图像之后，卷状试样1401的另一部分可以使用滚轴1403被定位在暗场区域1402下并且然后被成像。在一个实施方案中，暗场锁相热成像系统1400可以包括用于使卷状试样1401定位以进行后续处理(例如，卷状试样1401的物理切割)的其他滚轴。在另一实施方案中，暗场锁相热成像系统1400可以方便地转换为时间延迟暗场锁相热成像系统。也即，滚轴1403可以被用来提供用在时间延迟锁相热成像系统中的恒定速度。请注意，其他实施方案可以包括更少或更多的滚轴来提供卷状试样的行进。典型地，使用卷状试样的系统实施方式包括至少一个滚轴。

尽管本文已经参照说明书附图对本发明的示例性实施方案进行了详细描述，应当理解的是，本发明不受限于这些明确的实施方案。这些实施方案不是意图要穷尽或将本发明限制到已公开的精确形式。因此，对本领域熟练的从业者来说，许多修饰和变化是显见的。

例如，如上面针对时间延迟锁相热成像系统的描述，当所述试样的图像被获取时，所述试样相对于红外摄像装置可以是移动的或红外摄像装置相对于所述试样可以是移动的。如本文所使用的，在所述试样上移动红外摄像装置的视场意味着描述任一种移动。值得注意的是，任一种移动可以提供相同的获取图像。

还有，请注意，当时间延迟锁相热成像与暗场区域结合以进行多个试样(例如，图5的试样503)的检查时，则任一个试样的调制将随着时间变化(因为试样暴露在光场(与暗场相对的)的百分比随着时间变化)。然而，这样的调制变化可以通过所述图像处理器(例如，图1的图像处理器110)的适当编程来补偿。

更进一步地，再来看图15，在试样上可以进行两种不同的电学调制：正向偏置电学调制和反向偏置电学调制。例如，在太阳能电池1500的情况下，可以通过将正极端子连接到N-层1501(例如，使用太阳能电池1500的顶部表面上的金属指1504(metallic finger))并且将负极端子连接到P-层1502(例如，使用太阳能电池的底部表面上的金属层1503)来施加反向偏置。与此相对地，可以通过将负极端子连接到N-层1501并将正极端子连接到P-层1502来施加正向偏置。每种电学调制可以被用来检测不同类型的缺陷。例如，在一个实施方案中，正向偏置电流调制可以被用来检测表现得更像二极管但具有低开路电压的缺陷。

请注意，尽管本文所描述的受引导照射结构提供围绕视场的照射边缘，其他实施方案可以提供不同的照射形状。也即，因为电流自由流过试样，另一照射结构可以包括多个(≥2)围绕视场分布的仍允许视场调制的受照块。

现在参见图16和17，对根据本发明的可替换实施方案的设备1600的附加的各方面进行描述。在一个实施方案中，由沿着y方向(垂直于在x方向上的卷材1618的运动方向)排列的检测器1614的线性阵列进行检查。阵列14中的每一检测器元件限定卷材1618的具有宽度dy的通道(track)。例如，十四英寸宽的卷材1618将被356个检测器划分为356个通道，每一个通道的宽度dy约为一毫米。如果在给出的通道中检测到有旁路结，则这个通道将在适当的时候被修复-当在检测器阵列1614的下游几厘米内，调整卷材1618在x方向上的移动速度时。在一些实施方案中，修复仪表装置1616以这样的方式被类似地分割(segmented)，即总地对应于如由检测器1614所限定的且在上面所描述的通道位置。在一些实施方案中，检测器1614和修复仪表装置1616被连接到共同框架1612，并且因而被设置在相同的工具1610中。

在可替换的实施方案中，检查和修复的操作可以在最终导电膜被施加到光电压结(photovoltaic junction)之前或之后进行。如果由检测模块1614进行的检查在最终接触层被施加之前，则该操作将可以这样进行，例如，通过在于2007年3月24日递交的美国专利申请第11/690,809号中所描述的光电发射(photoemission)的方式进行，本文通过引用将该专利申请所公开的全部内容并入本申请。由检测模块1614进行的检查还可以通过在可见光的强烈照射下的开路电压的非接触式测量来完成，其中旁路区域将具有减少的电压。电压测量将无需如在申请No.11/690,809中所讨论的由无摩擦空气支承所提供的真空(vacuum)。

在各种实施方案中，旁路结由修复模块1616通过印刷、喷涂，或者在由卷材速度所确定的适当的时候对有缺陷的通道施加或创建绝缘材料来修复。如果检查是在最终接触体被施加到卷材之后进行的，则在一个实施方案中，检测模块1614在面积足够大的区域上照射线性电荷耦合器件阵列(也是检测模块1614的一部分)上游的卷材18，以在材料中生成“热点”，在所述“热点”处旁路电流局部地加热旁路区域。所述电荷耦合器件阵列检测红外辐射(在约三至五微米的波长内)并且由修复模块1616修复所述表面，例如，通过在2006年3月31日递交的美国专利申请第11/278,158号所描述的激光切割透明导电氧化物的方式来修复，本文通过引用将该专利申请所公开的全部内容并入本申请。

可替换地，墨水可以被印刷在旁路区域上来对其进行标记以在更下游的位置由另一工具进行修复，而不是在临近检查位置进行激光器切割。例如，这样的墨水可以为反射标记以引导随后的激光修复，或者其可以为扩散到氧化物中并在退火下增加电阻率的化学试剂。

本发明的各种实施方式具有多种益处。例如，只有邻近旁路结处的材料会受修复的影响，因为修复是在十分靠近明确检测的旁路结处进行的。所述工具的占地空间更小(如果修复由相同的工具进行)并且所需的占地空间明显少于具有后续冲洗和干燥步骤的电化学池(electrochemical bath)。旁路结分布的详细图(detailed map)可以电气方式提供以诊断工艺变异(process excursion)，例如，膜沉积物的均匀性。此外，可以执行算法来选择哪些旁路结被修复。

本发明的各种实施方案共同具有多种新颖的特征，包括(1)所述移动的卷材被划分为由检测器和修复工具所限定的通道，(2)检测和修复(或为修复进行的标记)集成为单个工具以使在修复期间的缺陷坐标的误差最小化并且减少占地空间，(3)在施加最终接触体之前进行的电压检测以定位旁路结，与绝缘材料的应用或构成相结合以电气隔离旁路结，(4)照射线性电荷耦合器件上游的卷材来为红外检测创建热点。

这样的工具可以被用于基于卷材的薄膜CIGS或非晶硅(a-Si)光电材料的制造，或者用于碲化镉或晶体硅光电材料的生产线。本发明能够通过使用旁路结的缺陷图来去除旁路结及诊断工艺变异而显著地改善太阳能电池效能。有时旁路标志着(flag)通过除旁路以外的其他方式降低电池效能的工艺变异，例如通过在杂质位置(impurity site)的载流子复合(recombination)或通过由于不佳限定的p-n结造成的低开路电压。

本发明的各种实施方案找到并修复在移动的光电材料的生产线上的旁路结，并且通过将检测和修复操作集成到单个工具内，实现减少光电材料的卷材在旁路结的检测和旁路结的修复操作之间移动的距离。这减少了在旁路结被列出的位置的确定和当旁路结被修复时在稍后的某个时间点重新定位该位置之间的误差。再者，这减少所述工具所需的占地空间。

为了举例说明和描绘的目的，已经给出了前述的本发明的优选实施方案的说明。这并不意图要穷尽本发明或要将本发明限制为已公开的精确形式。根据上述教导，明显的修改或变化是可能的。这些实施方案被选出并描述是试图提供本发明的原理及其实际应用的最佳说明，并且从而使本领域技术人员能够以各种实施方案利用本发明并且与符合特殊使用预期的各种修改一起利用本发明。当根据权利要求被公平、合法、公正地赋予的范围进行解释时，所有这样的修改和变化均落入由所附的权利要求书所确定的本发明的范围之内。

Claims (20)

1.一种用于在试样上进行时间延迟锁相热成像的系统，所述系统包括：

红外摄像装置，所述红外摄像装置用于获取所述试样的图像，

扫描部件，所述扫描部件用于以恒定速度在所述试样上移动所述红外摄像装置的视场，

调制部件，所述调制部件用于在移动所述视场时对所述试样提供调制，

时钟源，所述时钟源用于同步所述图像的获取、所述视场的移动以及所述调制的提供，

图像处理器，所述图像处理器用于接收所述获取的图像并生成时间延迟锁相热成像图像，以提供缺陷的检测，以及

仪器装置，所述仪器装置进行修复所述缺陷和标记所述缺陷的位置以进行稍后修复中的至少一项。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述仪器装置利用电气隔离所述缺陷的激光器修复所述缺陷。

3.如权利要求1所述的系统，还包括遮光罩和光管中的一个，用于为所述视场提供暗场区域。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述图像处理器包括实现下面两个公式的滤波器：

$S_{m,i}=\frac{1}{N_Y}\underset{n=1}{\overset{N_Y}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{m,n}^{(i+n-1)}\sin \left[2\mathrm{\π}(i-1+n-1)\frac{f_1}{f_2}\right]$

$C_{m,i}=\frac{1}{N_Y}\underset{n=1}{\overset{N_Y}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{m,n}^{(i+n-1)}\cos \left[2\mathrm{\π}(i-1+n-1)\frac{f_1}{f_2}\right]$

其中，

是红外图像的第(i+n-1)帧的第(m，n)像素的像素值，i＝1，2…，m＝1，2，…N_x，n＝1，2…N_y，f₁为调制频率，f₂为帧速率，N_x和N_y为一帧中在x和y方向上的像素数。

5.一种用于在试样上进行暗场锁相热成像的系统，所述系统包括：

红外摄像装置，所述红外摄像装置用于获取所述试样的图像，

定位部件，所述定位部件用于在所述试样上定位所述红外摄像装置的视场，

光学调制部件，所述光学调制部件用于在将所述视场定位后对所述试样提供光学调制，

光引导部件，所述光引导部件用于为所述视场提供暗场区域，

时钟源，所述时钟源用于同步所述图像的获取和所述调制的提供，

图像处理器，所述图像处理器用于接收所述获取的图像并生成时间延迟锁相热成像图像，以检测所述试样上的缺陷，以及

仪器装置，所述仪器装置进行修复所述缺陷和标记所述缺陷的位置以进行稍后修复中的至少一项。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述仪器装置利用电气隔离所述缺陷的激光器修复所述缺陷。

7.一种用于对移动的光电材料卷材中的缺陷进行检测并进行操作而无需使所述卷材的移动停止的工具，所述工具包括：

检测模块，所述检测模块用于随着所述卷材的移动检测所述卷材中的所述缺陷，所述检测模块包括以垂直于所述卷材的移动的方式跨所述光电材料的卷材设置的传感器线性阵列，其中所述线性阵列中的每一个传感器检测所述卷材的宽度的一增量部分，

操作模块，所述操作模块用于随着所述卷材的移动对所述卷材中的缺陷进行预先确定的操作，所述操作模块包括以垂直于所述卷材的移动的方式跨所述光电材料的卷材设置的操作单元线性阵列，其中所述线性阵列中的每一个操作单元作用于所述卷材的宽度的所述增量部分中的相关联的一个，

共同框架，所述检测模块和所述操作模块二者被安装到所述共同框架，其中所述检测模块相对于所述卷材的移动被设置在距所述操作模块一已知距离且为上游的位置，以及

控制器，所述控制器用于确定由所述检测模块所检测的所述缺陷的位置，进行接收和检测所述移动的卷材的速度中的至少一项，并且用于当所述缺陷被置于所述操作模块的操作范围内时，指示所述操作模块至少部分基于所述移动的卷材的速度和所述检测模块与所述操作模块之间的所述已知距离，在时间上适当的点对所述缺陷进行操作。

8.如权利要求7所述的工具，其中所述检测模块使用电压检测方法检测所述缺陷。

9.如权利要求7所述的工具，其中所述检测模块使用热点检测方法检测所述缺陷。

10.如权利要求7所述的工具，其中所述操作模块修复所述缺陷。

11.如权利要求7所述的工具，其中所述操作模块通过隔离所述缺陷的激光来修复所述缺陷。

12.如权利要求7所述的工具，其中所述操作模块通过在所述缺陷的顶部上形成绝缘表面来修复所述缺陷。

13.如权利要求7所述的工具，其中所述操作模块以物理方式标记所述缺陷而不修复所述缺陷。

14.一种在试样上进行时间延迟锁相热成像的方法，所述方法包括如下步骤：

在所述试样上以恒定的速度移动红外摄像装置的视场，

在整个移动过程中对所述试样提供调制，

在整个移动过程中使用所述红外摄像装置获取红外图像，其中移动所述视场、提供所述调制以及获取所述红外图像是同步的，

对所述红外图像进行滤波以生成时间延迟锁相热成像图像，由此提供缺陷识别，以及

进行修复缺陷和标记所述缺陷的位置以进行稍后修复中的至少一项。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述调制是光学调制和电学调制中的一种。

16.如权利要求14所述的方法，其中所述试样是半导体晶片、太阳能电池、太阳能基板、连续卷材以及印刷电路板中的一个。

17.如权利要求14所述的方法，其中进行滤波的步骤包括实现下面两个公式：

$S_{m,i}=\frac{1}{N_Y}\underset{n=1}{\overset{N_Y}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{m,n}^{(i+n-1)}\sin \left[2\mathrm{\π}(i-1+n-1)\frac{f_1}{f_2}\right]$

$C_{m,i}=\frac{1}{N_Y}\underset{n=1}{\overset{N_Y}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{m,n}^{(i+n-1)}\cos \left[2\mathrm{\π}(i-1+n-1)\frac{f_1}{f_2}\right]$

其中，是红外图像的第(i+n-1)帧的第(m，n)像素的像素值，i＝1，2…，m＝1，2，…N_x，n＝1，2…N_y，f₁为调制频率，f₂为帧速率，N_x和N_y为一帧中在x和y方向上的像素数。

18.如权利要求14所述的方法，还包括在整个所述移动过程中为所述视场提供暗场照射。

19.如权利要求14所述的方法，其中移动的步骤包括使用扫描工作台、龙门系统中的双向线性工作台、龙门桥、传送机以及至少一个滚轴中的至少一种。

20.如权利要求14所述的方法，其中修复所述缺陷的步骤是利用电气隔离所述缺陷的激光器实现的。

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