CN102565090A - 用于检查光伏衬底的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于检查具有固有的混杂图案的衬底出现裂纹的方法，该方法包含有以下步骤：在衬底的第一侧面提供有光学器件和前侧照明；在和该第一侧面相对的衬底的第二侧面提供有NIR照明，该NIR照明被操作来穿过该衬底，以便于被该光学器件通过该衬底检测；通过前侧照明和/或从第二侧面通过NIR照明照射获得一个或多个图像；其后处理该一个或多个图像，以将衬底上的混杂图案和衬底上出现的任何裂纹区分。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有内在固有的混杂图案(intrinsicheterogeneous patterns)的衬底的检查，特别是涉及检查这种衬底以查找衬底上的裂纹(cracks)。
背景技术
对于高产能和低成本的生产而言，包含有光伏元件的太阳能晶圆的厚度已经降低到200微米及以下。衬底越薄，导致晶圆的稳定性越低以及晶圆碎裂的风险越高。因此，检测裂纹甚至是微细裂纹的有效方法是重要的，以便于将那些具有更高故障可能性的晶圆舍弃。
依赖于非视觉检查的检测微细裂纹出现的一些方法包括使用超声波能量、热能或者加热、热超声能量和机械屈挠。另外还存在视觉方法，例如EL检查(Electroluminescence inspection：电致发光检查)和PL检查(Photoluminescence inspection：光致发光检查)，这是两种通用的视觉方法。电致发光检查要求电气接触，然后仅仅能够使用于最终的太阳能电池中。光致发光要求具有合适的非一致性修正的统一发光源，以及对准的重复性(shot-to-shot reproducibility)通常很低。
发明名称为“在正向偏压条件下太阳能电池缺陷的红外线检测”、出版号为2005/0252545 A1的美国专利公开了一种电池检查系统，其应用正向偏压电流以引起加热。然后使用红外线摄像机分析每个电池的最终的热成像，以针对裂纹检查电池。然而，这种方法相对昂贵并且缓慢。
除了上述方法以外，单纯的视觉方法同样也被采用在现有技术中，虽然它总体而言缺少精度。由于在近红外(NIR)光谱(near-infrared spectrum)中硅是半透明的，所以NIR背光检查被广泛地使用于引入原始太阳能晶圆中，只不过遭遇了各种缺陷。例如，衬底上的多晶材料通常显示内在固有的混杂特征，并且有些特征具有的图案和微细裂纹的图案近似。因此，将微细裂纹和普通的表面纹理相区别是困难的。而且，摄像机的分辨率需要很高，以便于区分微细裂纹。即使使用了能够实现高达8,000x8,000像素/衬底的摄像机，像素的分辨率仍然只有20微米。这样远远低于检测微细裂纹所需的分辨率。
为了阐明上述不足，图1表明了传统的检查系统100的侧视示意图，其使用近红外(”NIR”)背光照明106以检测衬底102上的裂纹。来自单独光源的同性质的NIR背光照明106从衬底102，如光伏元件的下方被投射。来自NIR背光照明106的光线穿透出现了微细裂纹104的衬底102，朝向成像光学器件108。成像光学器件108然后将光线传送到图像捕获传感器110。
图2是表明衬底102的图像的照片，该衬底使用传统的检查系统100通过NIR背光照明106被照亮。衬底102由于其多晶斑点纹理(polycrystalline grain textures)而具有多个混杂的特征。这些特征中的一些具有的图案和微细裂纹的图案近似，而对于传统的检查系统100而言，识别微细裂纹102的存在是困难的。开发一种用于更加高效而又精确地识别具有这种固有的混杂特征的衬底上的微细裂纹的方法和系统是有益的。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种视觉方法，以检测光伏衬底上的微细裂纹，该视觉方法避免了现有技术的上述缺点。
于是，本发明一方面提供一种用于检查具有固有的混杂图案的衬底的方法，该方法包含有以下步骤：在衬底的第一侧面提供有光学器件和前侧照明；在和该第一侧面相对的衬底的第二侧面提供有NIR照明，该NIR照明被操作来穿透该衬底，以便于被该光学器件通过该衬底检测；通过前侧照明照射获得该衬底的第一图像；通过NIR照明从第二侧面照射获得该衬底的第二图像；其后处理第一图像和第二图像，以将衬底上的混杂图案和衬底上出现的任何裂纹区分。
本发明另一方面提供一种用于检查具有固有的混杂图案的衬底的方法，该方法包含有以下步骤：在衬底的第一侧面提供有光学器件和前侧照明；在和该第一侧面相对的衬底的第二侧面提供有NIR照明，该NIR照明被操作来穿过该衬底，以便于被该光学器件通过该衬底检测；通过前侧照明和NIR照明同时照射获得该衬底图像；其后处理该衬底图像，以将衬底上的混杂图案和衬底上出现的任何裂纹区分。
参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。
附图说明
图1表明了传统的检查系统的侧视示意图，其使用近红外(”NIR”)背光照明以检测衬底上的裂纹。
图2是表明衬底的图像的照片，该衬底使用传统的检查系统通过NIR背光照明已被照亮。
图3是根据本发明第一较佳实施例所述的用于检测衬底上的裂纹的检查系统的侧视示意图，该检查系统包含有前侧照明(front-sidelighting)。
图4是表明衬底的图像的照片，该衬底使用图3的检查系统通过前侧照明已被照亮。
图5是根据本发明第一较佳实施例所述的用于检测衬底上的裂纹的检查系统的侧视示意图，该检查系统包含有NIR背光照明。
图6是表明衬底的图像的照片，该衬底使用图5的检查系统通过NIR背光照明已被照亮。
图7是根据本发明第二较佳实施例所述的用于检测衬底上的裂纹的检查系统的侧视示意图，该检查系统包含有同步的前侧照明和NIR背光照明的组合。
图8是表明衬底的图像的照片，该衬底使用(i)前侧照明、(ii)NIR背光照明以及(iii)从同步的前侧照明和NIR背光照明所获得的组合成像已被照亮。
图9是阐述硅衬底在NIR波段的光学传输特性的示意图。
具体实施方式
图3是根据本发明第一较佳实施例所述的用于检测衬底12上的裂纹16的检查系统10的侧视示意图，该检查系统包含有前侧照明14，该衬底具有内在固有的混杂图案。前侧照明14包含有位于衬底12第一侧面或顶面处的多个前侧光源，其较佳地设置在环绕于衬底12的不同位置处。它们较合适地也相对于衬底12的平面以斜角的方式倾斜，以照射衬底12的上表面，最合适地是以相对于衬底12的平面成小于40度的角度的方式。反射光线被引导朝向成像光学器件18，并被传送到以图像捕获传感器20的方式存在的光学器件处。
使用来自照射衬底12的前侧照明14的多个光源，衬底12的斑点对比度(grain contrast)被强调突出。另外，可以选择地，衬底12的斑点边界(grain boundaries)能够通过捕获由前侧照明14的各个光源所产生的多个图像而被强调突出。在这种情形下，在衬底12被前侧照明14照射的同时，衬底12的多个图像得以获得，其中在衬底12被多个前侧照明光源中的每一个照射的同时，衬底12的每一个图像被获得。
图4是表明衬底的图像的照片，该衬底使用图3的检查系统通过前侧照明14已被照亮。该图像被使用来增加衬底12上的光伏的斑点对比度和强调突出衬底12上的斑点边界。这有助于在图像的进一步处理过程中确定多晶的斑点纹理边界。
图5是根据本发明第一较佳实施例所述的检查系统10’的侧视示意图，该检查系统包含有位于衬底12的第二侧面或底面的用于检测衬底12上的裂纹16的NIR背光照明22。和现有技术中所使用的单独的同一背光照明光源相反，在环绕该衬底12的不同位置处较佳地设置有多个NIR背光照明22光源。通过从不同的角度迎着微细裂纹16引导NIR背光照明22，该微细裂纹16的阴影在视觉上被放大并呈现得更为清晰。
NIR背光照明22光源较合适地相对于衬底12的平面以斜角的角度被倾斜，并同时相对于彼此等间距排列。最为合适地，设置有三个NIR背光照明22光源，它们以120度相对于彼此设置。
NIR背光照明22被操作来穿透衬底12，以便于可被成像光学器件18和图像捕获传感器20通过衬底12所检测。图6是表明衬底的图像的照片，该衬底使用图5的检查系统10’通过NIR背光照明22已被照亮。虽然通过背光照明所获得的图像和图4中通过前侧照明所获得的图像相比相对较为暗淡，但是其优点是衬底12上的斑点边界和微细裂纹16被强调突出。
在此，单独使用各个如上所述的前侧照明14和NIR背光照明22捕获了第一图像Ifront和第二图像Iback，合成图像使用补偿的方式能够得以被处理，通常通过使用下述公式的方式：
I＝w1.Iback+w2.Ifront
w1和w2被设定为合适的加权数。
本质上，第一图像Ifront通过提供增强后的斑点对比度强调突出图案边界，而第二图像Iback以和第一图像Ifront得到的显相相反的方式强调图案边界，包括衬底12上的任何裂纹。使用以上的算法，有可能在衬底12上的混杂图案和衬底12上出现的任何裂纹尤其是微细裂纹16之间辨识清楚。
如果前侧照明14和NIR背光照明22没有被准确地控制或者不是充分一致，那么接下来对于在被NIR背光照明22所照亮的Iback中检测到的每个潜在的裂纹而言，补偿可能进一步被完成。在一个实例中，当衬底12被多个NIR背光照明22光源中的每个照亮的同时，衬底12的图像能够得以获得。
另外，假设前侧照明14和NIR背光照明22的强度存在精确控制以致于它们是成比例的，有可能仅仅同时捕获一个图像。在各自强度的适度控制下，当衬底12上的图案边界是模糊不清的同时，由于分别通过前侧照明14和NIR背光照明22所产生的斑点边界的图像的不同显相的取消或补偿，图像上的任何裂纹得以被强调突出。
图7是用于检测衬底12上的裂纹16的检查系统10”的侧视示意图，该检查系统包含有同步的前侧照明14和NIR背光照明22的组合。当衬底12同时被前侧照明14和NIR背光照明22照亮的同时，所获得的衬底12的图像被捕获。然后将该图像进行处理，以便于更为准确地识别微细裂纹16。
关于如何获得一个单独的清晰显示微细裂纹的图像的说明通过图8的方式得以解释，图8是表明衬底的图像的照片，该衬底使用(i)前侧照明、(ii)NIR背光照明以及(iii)从同步的前侧照明14和NIR背光照明22所获得的处理后的图像已被照亮。
基于通过前侧照明和NIR背光照明的交互式的斑点强度对比(inter-grain intensity contrasts)是处于相反显相的事实，衬底12上的多晶的斑点纹理的斑点对比度由于前侧照明14的反射性补偿而得以被减小。作为典型性的阐述，图8(i)表明了在前侧照明14下的斑点反射性差异，而图8(ii)单独表明了由于NIR背光照明22的斑点差异。
图9是阐述硅衬底在NIR波段的光学传输特性的示意图。所观察出的前侧照明和背光照明之间清晰的斑点纹理对比是基于衬底材料，在本案中是硅，在NIR波段特殊的光学特性。所传输光线的光强I’(其能通过视觉系统观察得到)和入射光线的光强I0成正比，入射光线经历两种主要类型的损耗，即完整的表面反射和被松散材料所吸收。该关系能够通过下述等式表达：
I’＝(1-A)·(1-R)·I0...(等式1)
其中，R代表来自两个表面的总体反射效应，而A为来自硅衬底材料的吸收效应。
所以，在背光照明条件下多晶硅衬底上的纹理对比的潜在因素可能来自两个出处：斑点中的吸收差异和反射差异。可是，对于典型的太阳能晶圆衬底应用的NIR背光照明条件而言(如光线波长为1050纳米和200微米的硅衬底)，A比R小得多，A的值是可忽略的。所以，等式1能够被进一步简化为：
I’＝(1-R)·I0...(等式2)
从而，可以得出结论，在NIR背光照明下多晶晶圆上的斑点纹理对比受交互式的斑点反射率差异所支配。来自前侧照明的纹理对比，其和R成正比，应该反向地相关于来自NIR背光照明的纹理对比。那使得对于在多晶太阳能晶圆衬底上进行有效微细裂纹检测而言，在提供合适的权重的情形下，通过前侧照明和NIR背光照明组合补偿斑点纹理对比成为可能。
关于上述的分析，做了少数的假定。例如在大多数条件下，斑点纹理的分布被假定高度对齐在多晶晶圆的两侧。这种假定依赖于下面的事实：当衬底被切割成很薄的薄片(slice)(如通常小于0.3毫米)时，所观察的斑点必须具有相对于衬底的厚度足够大的尺寸(如大于0.3毫米)。
而且，还进一步假定斑点对比度主要是由于反射能力中的差异而不是由于传输所引起的。所以，在图8(ii)中的黑暗区域是当通过背面照明观察由背面上的相对较高反射率的区域所引起的，而在前侧照明14下相同的区域将会显得明亮(参见图8(i))。关于这种区域的亮度是由前侧表面上的相对很高反射率的区域所引起的。在前侧照明14和NIR背光照明22同时开启和成比例的情形下，反射补偿结果如图8(iii)所示。值得注意的是，斑点对比度明显下降而微细裂纹16显得更为清晰。
然而，第二较佳实施例的一个缺点是，在前侧照明14和NIR背光照明22必须被准确地控制方面存在严格的二元性要求。另一方面，通过处理根据本发明第一较佳实施例单独获得的两个图像，对于通过同步的前侧照明14和NIR背光照明22所捕获的一个图像的这种严格的二元性要求能够得以避免。
此处描述的本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。
Claims (18)
1.一种用于检查具有固有的混杂图案的衬底的方法，该方法包含有以下步骤：
在衬底的第一侧面提供有光学器件和前侧照明；
在和该第一侧面相对的衬底的第二侧面提供有NIR照明，该NIR照明被操作来穿透该衬底，以便于被该光学器件通过该衬底检测；
通过前侧照明照射获得该衬底的第一图像；
通过NIR照明从第二侧面照射获得该衬底的第二图像；其后
处理第一图像和第二图像，以将衬底上的混杂图案和衬底上出现的任何裂纹区分。
2.如权利要求1所述的方法，其中：
该前侧照明包含有多个前侧照明光源，该前侧照明光源在环绕于该衬底的不同位置设置，并相对于衬底平面以斜角的方式倾斜。
3.如权利要求2所述的方法，该方法还包含有以下步骤：
当衬底被前侧照明照射的同时，获得多个衬底图像，其中当衬底被多个前侧照明光源中的每一个照射的同时，获得一个衬底图像。
4.如权利要求2所述的方法，其中前侧照明光源相对于衬底平面以小于40度的角度倾斜。
5.如权利要求1所述的方法，其中，NIR照明包含有多个NIR照明光源，该NIR照明光源环绕于该衬底的不同位置设置，并相对于衬底平面以斜角的方式倾斜。
6.如权利要求5所述的方法，其中，多个NIR照明光源相对于彼此等间距排列。
7.如权利要求5所述的方法，其中，该NIR照明包含有三个NIR照明光源，它们相对于彼此以120度的角度设置。
8.如权利要求5所述的方法，该方法还包含有以下步骤：
当衬底被NIR背光照明照射的同时，获得多个衬底图像，其中当衬底被多个NIR照明光源中的每一个照射的同时，获得一个衬底图像。
9.如权利要求1所述的方法，其中，该前侧照明被操作来增强斑点对比度，和强调突出衬底第一图像上的图案边界。
10.如权利要求9所述的方法，其中，该NIR背光照明被操作来强调突出衬底第二图像上的和由前侧照明所产生的显相相反的图案边界、以及衬底上的任何裂纹。
11.一种用于检查具有固有的混杂图案的衬底的方法，该方法包含有以下步骤：
在衬底的第一侧面提供有光学器件和前侧照明；
在和该第一侧面相对的衬底的第二侧面提供有NIR照明，该NIR照明被操作来穿过该衬底，以便于被该光学器件通过该衬底检测；
通过前侧照明和NIR照明同时照射获得该衬底图像；其后
处理该衬底图像，以将衬底上的混杂图案和衬底上出现的任何裂纹区分。
12.如权利要求11所述的方法，其中，该前侧照明包含有多个前侧照明光源，该前侧照明光源在环绕于该衬底的不同位置设置，并相对于衬底平面以斜角的方式倾斜。
13.如权利要求12所述的方法，其中前侧照明光源相对于衬底平面以小于40度的角度倾斜。
14.如权利要求11所述的方法，其中，NIR照明包含有多个NIR照明光源，该NIR照明光源环绕于该衬底的不同位置设置，并相对于衬底平面以斜角的方式倾斜。
15.如权利要求14所述的方法，其中，多个NIR照明光源相对于彼此等间距排列。
16.如权利要求14所述的方法，其中，该NIR照明包含有三个NIR照明光源，它们相对于彼此以120度的角度设置。
17.如权利要求11所述的方法，其中，该NIR背光照明被操作来强调突出衬底上的和由前侧照明所产生的显相相反的图案边界和任何裂纹。
18.如权利要求17所述的方法，其中，前侧照明的强度和该NIR照明的强度被控制以便于当衬底上的图案边界变得模糊不清的同时，图像上的任何裂纹被强调突出。
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