CN102575993B - 半导体材料内不连续性的探测 - Google Patents

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Abstract

本发明所公开的方法和系统，其中，在半导体样品内部横向散射的光被成像，从而对一些如裂纹的不连续性进行探测。所述光可以通过采用外部光源被引入样品中，或者可以作为长波长的光致发光在原位产生。本发明所被描述的方法为关于晶片和光伏电池内部裂纹的探测，且所述方法原则上可被应用于任意的半导体晶片或薄膜材料。

Description

半导体材料内不连续性的探测
技术领域
本发明涉及一种探测不连续性的方法，特别是半导体材料内的裂纹。本发明主要改进了在制造中或制造后对半导体晶片或光伏电池或组件内的裂纹的探测，然而本发明并不局限于该特殊领域的应用。
背景技术
本说明书中所提到的现在技术不应该被认为是已经被广泛地知晓，或不应该被认为构成本领域的公知常识的一部分。
微裂纹，或常规裂纹，是导致半导体设备产量降低的来源。特别是在基于硅的光伏电池和组件的制造中，由于硅晶片的脆性结合高产量(约为每秒一片晶片)和在诸多阶段要求的机械操作，如电触头的丝网印刷和组件制造中的单个电池的跳格和穿线，裂纹是一个很大风险隐患。严重的裂纹可导致电池的破损，在光伏电池生产中破损率占整个产量的约几个百分点。
不太严重裂纹也会降低光伏电池的性能，例如，通过干扰电池材料中的电子和空穴流，或者破坏电伴热，以及在制造或使用(如从热循环)中对于两者中的任意一种情况都有可能产生。在硅中，能在多晶硅晶片中由于在晶片铸造，将晶片的过快装载致光伏电池生产线的扩散炉中，或晶片从光伏电池生产线的扩散炉被中卸载时由热导致的问题，从而导致产生的“天然”裂纹可与在单晶或多晶硅晶片内由于机械应力导致的“机械”裂纹被区别开来。然而，两种类型的裂纹均是有问题的。
目前，多种技术被用于探测半导体材料内裂纹的位置和/或存在，这些技术包括超声波共振法、可见(VIS)和红外(IR)光透射法，和电致发光法。就测量速度、精度、裂纹识别的可靠性以及样品的大量程适用性中至少一项而言，这些技术具有局限性；例如VIS/IR透射法不能适用于成品丝网印刷的硅光伏电池，这是因为其后表面全部被覆以金属，电致发光法要求机械接触(可导致进一步的破坏)并且只能用于覆以金属的电池，并且超声波共振法也要求机械接触，提供极少的或无法提供关于被探测裂纹位置的信息。后面一点是非常重要的，这是由于接近晶片或电池边缘的裂纹生长的可能性更大并会导致电池的破损。
因此需要一种可靠的裂纹探测方法，所述方法具有适用于目前光伏电池制造(从每个样品约一至数秒)的足够速度，可探测裂纹的位置、形状和/或分布，并且适用于晶片、成品电池和光伏组件。
本发明的目的在于克服或改善现有技术中的至少一个缺陷，或提供有用的可选方式。在优选形式中本发明的目的在于对光伏电池中裂纹的探测，提出改进的方法。
发明内容
根据第一方面本发明提供了探测半导体材料内不连续性的方法，所述方法包括以下步骤：
a.产生并引导光穿过所述材料；
b.采集所述材料的图像，其中所述图像包括从所述材料散射或透射出的光；以及
c.识别所述图像中的光强差从而探测所述不连续性。
优选地，不连续性或材料的特征为裂纹或掺杂物。
优选地，超过一项不连续性被识别。连续性可以是自然产生的缺陷，如掺杂物，或被引入的，如裂纹。
优选地，被产生并引导穿过材料的光，所处材料优选地大体上为平坦的，为外部产生的光，所述光被射入并引导穿过材料，或产生于所述材料内(即光致发光或电致发光)，并随后引导穿过所述材料。
通过确定图像中的光强差，或图像中的对比度差异或变化，探测所述不连续性。例如，光强差在所述图像的相对较黑暗背景中呈明亮的直线或曲线特征，或在所述图像的相对较明亮背景中呈黑暗的直线或曲线特征。或者，所述光强差为从所述材料散射或透射出的光的强度的突然增加或减少。
在一种实施方式中步骤(b)包括采集两个或多个图像，其中所述光被产生和被引导从而穿过所述大体上为平坦的半导体材料在两个或多个方向上进行横向传播。本实施例中步骤(c)优选地包括监测两个或多个图像之间的所述光强差的变化。
在一种实施方式中步骤(a)包括在一个或多个位置上将所述光耦合到所述材料中。优选地，所述光穿过所述材料具有纹理的表面被耦合到所述材料中。
在另一种实施方式中步骤(a)包括以超越带隙辐射在一个或多个位置上照射所述材料的表面，来产生作为光致发光的所述光。
优选地，所述一个或多个位置大体上为直线形状，并且步骤(b)包括当所述材料与所述一个或多个线照相机发生相对移动时，用一个或多个线照相机采集所述材料的图像的步骤。优选地，所述一个或多个线照相机适用于捕捉来自于所述位置大体上平行的区域的光。在另一实施例中步骤(b)包括用一个或多个线照相机采集所述材料的图像，所述照相机适用于捕捉来自于每个所述位置的任意一边的区域的光。
在又一实施方式中步骤(a)包括对所述材料施加正向偏压，来产生作为电致发光的所述光。
本发明所述的方法优选地进一步包括以下步骤：
(d)采集所述材料的光学图像；以及
(e)对所述光学图像与步骤(b)采集到的图像进行比较。
本发明所述的方法优选地进一步包括以下步骤：
(f)采集所述材料的光致发光图像；以及
(g)对所述光致发光图像与步骤(b)采集到的图像进行比较。
优选地，所述光致发光图像中所产生了照射强度为100suns或更高强度的光致发光。
在一种实施方式中，当所述材料处于高温处理步骤之后的提升后的温度下时，所述光致发光图像被采集。例如，所述高温处理步骤选自于包括发射极扩散和金属接触燃烧的组。
在另一种实施方式中本发明所述的方法进一步包括以下步骤：
(h)对于步骤(c)探测到的不连续性，计算一个或多个选自于包含长度、宽度、位置和形状的组的参数。
优选地，本发明所述的方法被应用于由所述半导体材料构成的薄膜、晶片或光谱电池，或者并应用于多晶硅或单晶硅构成的晶片或光伏电池。
根据第二方面，本发明提供了一种探测半导体材料内不连续性的系统，所述系统包括：
i.光源，适用于在一个或多个位置将光耦合到所述材料内，从而使得所述光在所述材料中得到引导；以及
ii.对所述光敏感的成像设备，适用于采集所述材料的一个或多个图像，由此所述不连续性基于所述一个或多个图像中的光强差被探测到。
优选地所述光源适用于穿过所述材料具有纹理的表面将光耦合到所述材料内。
根据第三方面，本发明提供了一种探测半导体材料内不连续性的系统，所述系统包括：
i.超越带隙辐射源，所述辐射源适用于照射所述材料的表面，从而产生光致发光，所述光致发光的至少一部分被俘获作为所述材料内被引导的光；以及
ii.对所述光敏感的成像设备，适用于采集所述材料的一个或多个图像，由此所述不连续性基于所述一个或多个图像中的光强差被探测。
优选地所述成像设备包括一个线照相机，用于当所述材料与所述线照相机发生相对运动时来采集所述材料的图像。
更优选地所述成像设备包括两个用于采集所述材料的图像的线照相机，所述线照相机适用于收集来自所述材料的区域的光，其中，所述区域位于光射入所述材料的位置或产生光的位置的任意一侧。
或者，所述成像设备包括一个线照相机，所述线照相机适用于收集来自所述材料的一个区域的光，其中所述区域位于光射入所述材料中的两个位置之间，或位于产生光的两个位置之间。
根据第四方面，本发明提供了一种探测半导体材料内不连续性的系统，所述系统包括：
i.电源，适用于对所述材料施加正向偏压来产生电致发光，所述电致发光的至少一部分被俘获作为所述材料内的被引导光；以及
ii.对所述光敏感的成像设备，用于采集所述材料的一个或多个图像，由此不连续性基于所述一个或多个图像中的光强差被探测。
优选地本发明所述的系统进一步包括：
iii.可见光源，用于照射所述材料；以及
iv.第一照相机，用于采集所述材料的光学图像。
优选地本发明所述的系统进一步包括：
v.超越带隙辐射源，用于照射所述材料来产生来自所述材料的光致发光；以及
vi.第二照相机，用于采集所述材料的光致发光图像。
优选地所述超越带隙辐射源适用于以100suns或更高的强度照射所述材料。
优选地本发明所述的系统进一步包括处理器，适用于分析所述一个或多个图像以得到光强差，以及基于所述光强差探测所述材料内的所述不连续性的存在。
优选地所述处理器又适用于当所述光产生并朝向不同方向传播时，对所述一个或多个图像的所述光强差的变化进行分析，并且适用于基于所述变化，对所述材料内的所述不连续性的存在进行探测。
在实施例中不连续性为裂纹，并且所述处理器进一步适用于针对探测到所述裂纹，对从所述裂纹长度、宽度、位置和形状这些参数中选出的一个或多个所述参数进行计算。
优选地所述半导体材料为薄膜、晶片或光伏电池。更优选地，所述半导体材料为包括多晶硅或单晶硅的晶片或光伏电池
根据第五方面，本发明提供了一种包括计算机可用媒介的物品，所述媒介具有可以执行根据第一方面的方法或者操作根据第二、第三或第四方面的所述系统的计算机可读程序代码。
附图说明
接下来通过典型实施方式的描述和附加权利要求，并结合相应的附图，本发明相对于与本发明相关的现有技术的优点和优势将更为明显，其中：
图1阐明用于识别半导体晶片内裂纹的常规透射方法；
图2表明硅吸收长度与波长的对应关系图；
图3A和图3B阐明了长波长光在具有平滑表面的晶片内传播时由裂纹导致的中断，以及如何探测该中断；
图4A至图4C阐明了长波长光在具有纹理化表面的晶片内传播时由裂纹导致的中断，以及如何探测该中断；
图5阐明了来自外部源的光进入具有纹理化表面晶片内的耦合；
图6A和6B为本发明的实施例所述的裂纹探测装置的俯视图和侧视图；
图7为适用于图6A和图6B所示的实施例使用的照射单元的侧视图；
图8为根据本发明另一实施例所述的裂纹探测装置的侧视图；
图9A、图9B和图9C分别表明含有裂纹的多晶硅光伏电池片段的光致发光图像、可见光图像和长波长散射光图像；
图10为根据本发明又一实施例所述的裂纹探测装置俯视图；
图11A和图11B阐明了由裂纹导致的强度差是如何随着样品内光传播方向而变化的；
图12阐明了多晶样品中颗粒纹理的变化对图像对比度的影响；
图13A和图13B表明包含多条裂纹的单晶硅晶片的PL图像，所述图像在1sun和100suns的照射下被分别采集；
具体实施方式
接下来根据相应的附图，以举例的方式阐述本发明的优选实施方式。
本发明首先涉及一种用于探测半导体材料内裂纹的方法，特别是对由半导体晶片构成的光伏电池和组件的内裂纹进行探测的方法。本发明的方法将基于硅晶片的光伏电池内裂纹的探测而被描述，但并不局限于这一特定的应用领域。例如，本方法还可应用于薄膜半导体材料，特别是如果衬底具有比半导体材料更低的折射率，从而可以促进长波长光在薄膜内的横向引导。本方法还可应用于对其他形式的中断了长波长光引导的不连续性的探测，比如在硅晶片中碳化硅的大量掺杂。当然，本方法并不局限于硅材料，还可应用于探测各种其他化合物和单一元素半导体材料的特征，如裂纹、掺杂物和不连续性等，所述材料包括锗，砷化镓，铟镓砷，氮化镓，磷化铟，碲化镉，硒化锌和铜铟镓硒等。常规的用于裂纹探测的可见光或红外光透射技术依赖于从样品一侧进行照射而从另一侧进行探测的方法。如图1所示，照射2通过开放裂纹6透射但在晶片其他地方被吸收，其中，所述照射2的波长使样品4具有很强吸收性(如对于厚度为100-200μm的硅晶片，波长＜900nm)，因此开放裂纹将对于探测器8呈现为鲜明的特征，所述探测器8可以是常规硅照相机。但是，部分开放或闭合的裂纹则不能被可靠地探测到。另一方面，部分开放的楔形裂纹10将使得光从非裂纹区域有差别地散射开，并通过适度被吸收的光12透射中对比度的变化被探测，其中，所述光12的穿透深度约等于晶片厚度。被强烈吸收的光将一点也不能穿透至照相机14，而被微弱吸收的光不能为照相机提供足够的对比度。
本发明的方法所采用在半导体材料内被足够弱地吸收的光，在所述光强度减至恰当的探测器探测极限以下之前，使其在样品内可以传播数毫米的(或甚至厘米)距离。在硅中，恰当的波长范围为1150-1700nm，其在室温下为弱吸收，并且处于近红外照相机的敏感范围内，所述照相机可以为铟镓砷照相机，也可以为结合铟镓砷光阴极或其他红外增强组件的硅照相机。图2为室温下硅内光子的吸收长度，表明在波长大于1180nm情况下，穿透深度大于10cm。在本说明书中，我们将弱吸收光的定义为“长波长光”，不考虑其实际的波长范围，所述波长范围取决于样品的材料。本发明所述的方法依赖于该长波长光，其中所述光在逃逸和被探测之前，在样品内被横向引导几毫米至几厘米的距离，且依懒于由裂纹或其他不连续性引起的该横向引导的中断，所述不连续性诸如大掺杂物，所述掺杂物导致了从样品中逃逸出的光图像的强度差。硅在近红外范围内的折射率为3.5，这导致了关于裂纹内空气间隙的大折射率差，而该折射率差甚至存在于采用常规光学反射或透射技术都难以探测到的“封闭式”裂纹中。即使裂纹被诸如氮化硅(n～1.8-2.2取决于其结构)的且通常用作硅光伏电池的钝化层和增透层的绝缘材料所填满，折射率差值仍然很大，以至于可以影响光通过晶片的横向传播。
在如图3A所示的实施例中，长波长光16在具有平滑表面18的硅晶片中被横向引导，直至遇到将部分光反射出晶片裂纹16。假设裂纹的方向使得被反射的光20处于适当的照相机22的可视范围内，所述裂纹将相对黑暗背景显得明亮，如图3B的强度对位置的线扫描23所示。然而，该图不能代表大多数用于光伏应用的硅晶片。如图4A所示，硅光伏电池晶片24通常具有纹理化表面26，以捕获入射到晶片内的太阳辐射，增加该太阳辐射被吸收的可能性，而非被反射或是被透射。在这种情况下，被引导的长波长光16的一部分28在遇到每一纹理化表面时以几乎随机的形式被散射出晶片。因此，在每一次反射时，长波长光的横向传播将与该部分28被耦合出晶片，成为一连串的散射事件，从而导致强度的逐步损耗。如图4A所示，若长波长光从左边传播，成像照相机就可以看见贯穿区域30直至裂纹6左侧的逐步衰减的横向强度图像29，如图4B和图4C中的强度线扫描23所示。长波长光的传播被裂纹阻断，从而使区域32直至裂纹的右侧在成像照相机上呈现黑暗图像，进而导致了明显的强度差33。与图3A中所示的情况类似，光20被具有适当角度的裂纹反射后可达照相机，在这种情况下裂纹将在较黑暗的背景下呈现如图4B所示的明亮的直线或曲线特征31。在其他情况下，例如具有纹理化表面的样品，所述表面可将光有效地散射出样品，和/或使光沿不同方向传播，裂纹在较明亮背景中会呈现的黑暗的直线或曲线特征。如果长波长光的很大部分34被裂纹反射回晶片内，则强度差会增大，从而提高了在区域内直至裂纹的左侧被散射出晶片的光的光子浓度，以及增加了该光的强度。我们注意到，即使裂纹并非完全贯穿晶片，长波长光的传播仍然会被阻断。
图3A和图4A中描绘的样品为具有平行表面的平坦的硅晶片，其非常适合于光的横向引导。然而，横向引导还可以发生在非平坦的样品中，如弯曲的晶片或具有单向递减厚度的样品。
目前的问题在于如何使得长波长光可以在样品内部横向传播。在优选的实施例中，所述光从外光源被激发或耦合进入样品内，而在可替代的实施方式中，其作为冷光产生于样品内部。第一种方法允许根据可利用的光源来选择波长范围，而第二种方法仅局限于可从样品材料中产生的冷光的波长范围。该冷光优选为光致发光，即通过采用具有超越带隙的源进行外部照射而产生的冷光，例如，对于硅来说，采用805nm的激光或LED阵列，或闪光灯。在另一种实施方式中，可应用具有电触头的成品或半成品电池的冷光为电致发光，即，通过对样品施加正向偏压以产生冷光。在室温下，通过晶体硅内带到带复合的自激辐射在约1140nm处具有峰值，并且在1250nm具有重要作用。因此，采用合适的长通滤波器(如1180nm的长通滤波器)置于探测器前端的冷光测量法适合利用长波长散射效应。
对于如图3A所示的具有光滑平行表面18的晶片，要在该晶片内快速地且有效地激发大量的横向传播的光是困难的。基础波导理论表明撞击光滑晶片表面的光不能位于由平行表面形成的平板波导的可接受角度内。大量的光可通过晶片边缘被“端部-激发”或通过棱镜穿过表面被耦合进入，但这些技术要求仔细的校准或与样品的直接接触，并且不适用于快速测量方法，例如光伏电池生产线上晶片的在线特征描述。但是借助纹理化的晶片，纹理化表面的优势在于可以将长波长光耦合进入晶片。如图5所示，大量的长波长入射光35将被纹理化表面26散射或折射，并且被晶片24捕获，在所述晶片24内所述长波长入射光35可以如箭头16表示的那样横向传播。
由于该测量法依赖于横向光的传播，优选对样品进行非均匀照射，即采用照相机进行本地化，所述照相机对从表面纹理、非照明区域内的裂纹或掺杂物散射出样品的光进行探测。多个照射强度图像的组合以及图像采集的构造可被采用，例如将周期棋盘图案或线性图案与线扫描照相机或面扫描照相机相结合。共同的方面在于一个或多个样品表面的图像将会与一个或多个非均匀照射图像一起产生，此时，裂纹通过从裂纹处或裂纹附近逃逸出样品的光量的对比度被识别。在一些实施例中，图像分析采用人工分析，例如通过操作员寻找用于表示裂纹存在的强度差。而在其它一些实施例中，图像分析可采用图像处理算法自动完成，所述算法用于单个的图像或一个以上的图像的组合图像的图案识别。图像处理还可将曲线/模型拟合成横向光衰减图像，以及由此基于照相机的图像对裂纹进行探测，所述图像表明了相对于拟合后的曲线/模型的较大偏差。自动图像分析更适用于高速应用中，例如对光伏电池或组件生产线上的晶片或光伏电池进行的在线检测。
在上述实施例中，照射和探测来自于样品的同一表面，其优势在于允许该技术被应用于具有完全金属化表面的成品或半成品光伏电池。然而，本发明不局限于该具体的实施方式，来自于相对的表面的照射与探测也可能并被应用于半成品电池。这种几何结构具有的优势在于被反射出入射表面的光对信号并无贡献。如图7所示，以下将被描述的特殊测量被要求当从同一表面进行探测和照射时来减轻反射光的影响
如图6A(俯视图)和图6B(侧视图)所示的本发明的其中一种实施方式的裂纹探测系统，被运送到传送带36上的纹理化硅晶片24从照射单元48下方通过，所述照射单元48采用1150nm-1700nm光谱范围的光照射样品的主体线性部分40。所述照射单元包括一个线光源38，所述线光源可以是LED阵列、激光、激光阵列、激光二极管、激光二极管阵列、弧光灯或闪光灯，其中，如果必要的话所述线光源可以结合滤波器来选择所需要的波长范围，还包括用于阻止光从顶部或侧面逃逸的罩(挡板)42。或者，所述光源可以被设置在远处，通过光纤束将光引导至罩内。当晶片沿传送带移动时，由一个或多个线照相机44(图6A中未显示)通过对区域46的线性图像进行重复捕捉来产生样品的图像。成像区域优选为与照射线40平行并具有一定距离R。R的精确长度并非特别重要，尽管其应该足够大，以减少反射光量(下面将进一步阐述)，但不超过长波长光的吸收长度。或者，反光片(未显示)可以设置于晶片的后表面附近，用于将逃逸出的光反射回晶片中；若后表面是金属化的后表面，则无需实施上述设置。
如图6A和图6B所示的优选实施例中，系统包括两个线照相机44和一个照射单元48，其中，线照相机成像区域46位于相对于移动54方向的照射线40的前面和后面，从而的可以对晶片24整个表面上的裂纹进行检测。另一优选实施例采用相反的设置，即两个照射单元对区域的两边分别照射，通过一个线照相机对所述区域成像。若系统仅包括一个照相机和一个照射单元，将无法对从晶片前缘或后缘起超出距离R的部分内的裂纹进行探测。
优选地，被线扫描照相机44探测的光主要是进入晶片以及被横向引导进入晶片的光，所述光在逃逸出区域46之前被照相机成像。如图7所示为照射单元48的一种可能的结构的侧视图，其中，所述照射单元48的该结构具有挡板42，所述挡板42具有有光捕获区50，所述光捕获区50具有高吸收能力的表面，所述吸收表面设置于线光源38的任意一边以捕获“首次反射”的光，即从入射表面反射出的光(线52)。由于晶片以箭头54所指的方向移动，因此在照射单元和晶片之间需存在空隙。该空隙应尽可能的小，使得光(线56)以大角度被纹理化表面反射而到达照相机的几率最小，尽管实际上由于晶片厚度的波动、晶片弯曲的程度以及传送带系统或其他晶片移动机构的平坦性和稳定性，这种近似是有限的。即使晶片静止不动，在照射单元和晶片之间也优选地设有空隙，以防机械损坏。若必要，可以将光滑且柔软的吸收材料58(如黑色丝绸)附着在照射单元(示意图仅表示其左侧)的下边缘，从而减少反射光的逃逸量。当晶片在传送带上移动时，该材料可以在表面上平衡地滑动，而不会刮到或损坏晶片。或者，可以将具有柔软表面的自由旋转的辊轻轻地压在晶片上。在另一种用于降低反射光56影响的方法中，来自光源的光可被内在极化或采用起偏器来极化。大部分反射光将保持极化，并且被设置于照相机前的交叉起偏器所阻隔，而被引导和被散射的光62将被自身的极性所干扰。如图7所示，所述照射单元还可以包括扩散器60，将强度沿着照射线均匀化。注意，晶片的表面具有纹理，而非光滑，这一点可以通过每一条图示光路的不规则反射角来表示，所述光路包括所需光路62。
如图8所示另一实施例所述的裂纹探测系统的侧视图，其中，该系统适用于静止不动的样品，其包括一个或多个长波长光源38，所述光源优选为被封装于挡板42内，且被置于接近于硅晶片24的纹理化表面26的位置，并且面照相机22对晶片表面的主体部分进行成像。光源的形状和位置可能会有多种变化；例如，点光源可以设置于临近晶片的角落或晶片中心的位置，或者线光源可以设置于晶片的一个边缘处。通过将一个或多个光源直接设置于晶片表面的不同位置，可实现对一个以上的图像的采集，从而使得探测裂纹的可能性最大化。
图9A为多晶硅光伏电池片段76的光致发光(PL)图像，其中冷光通过近红外激光以1sun的照射来产生，并通过硅CCD照相机探测得到，专利文献号为WO07/041758A1的PCT申请中有详细介绍，该申请的内容在此以引用的方式并入。此处的1sun定义为100mW/cm2。该PL图像表明低载流子寿命(和由此的低PL强度)特征的量值，包括多位错区域78和围绕裂纹的曲线条纹80。注意到低强度条纹明显地比裂纹宽，而其本身无法识别，这是因为在裂纹表面的载流子复合像一个凹处一样将载流子从周边材料处拉入其中的。金属化图案在PL图像中也呈现为黑暗，这是因为金属线阻挡了照射和冷光。
图9B为被电池片段76反射的可见光的图像，所述图像通过硅CCD照相机来采集，在所述图像里，金属化图案呈现为明亮。反射图像还显示出硅中的一些颗粒结构，但并不能显示裂纹。电池片段中间的阴影通过位于样品表面上的1300nmLED82来投影，但是没有被激活。如图9C为当1300nmLED被激活时通过InGaAs照相机采集的电池片段76的图像。LED82周围的明亮的弧84证实，并未尝试阻止反射光到达照相机。然而，可以从明亮边缘86看出，1300nm光已被激发进入到片段内，并在片段内被引导，并且从PL图像(图9A)中可以看出裂纹的存在，该存在的裂纹通过强度差被清楚地表示，其中，所述强度差表现为明亮信号88和不存在来自裂纹以外的区域90的信号。通过将图9C所示图像与图9A和图9B所示图像的任一个相比较可以更加证实这一结论，即明亮的信号88是由裂纹所导致的，而非样品边缘。
参考图4A所描述的，本发明所述的方法的基础在于裂纹截断了样品内横向散射的光的路径。而直线裂纹可能恰巧平行于光横向传播的方向，从而导致很少的光被散射出晶片，或不会被散射出晶片。这一潜在问题实际中可能相对较少，这是因为许多裂纹，特别是“机械”裂纹是非直线的(例如，多晶硅中由机械引入的裂纹由于晶轴通常成十字形)，另外，被耦合引入的长波长光通常是沿不同的方向传播的。尽管如此，本发明方法对不同方向的裂纹的灵敏度可通过将晶片置于不同的方向应用两次或两次以上如之前所述的步骤来得到增强。例如，可以将晶片相对于光源和照相机方向旋转90度，并采用相同的测量系统重复该步骤。在可替代的实施例中，避免旋转晶片(包括装卸以及由此增加的损坏风险)，两个不同定向的测量系统(每一个系统具有一个或多个线光源和线照相机)连接地对晶片进行成像。如图10所示的具有两个测量系统64的构造，每个测量系统包括一个照射单元48以及两个线照相机(未显示)，所述照相机对区域46进行成像，其方向相对于晶片24在传送带36上移动的方向成+45度和-45度。该构造避免了必须要对晶片进行的转动，并增加了不同方向的裂纹被图像表示的几率，所述图像通过一个或其他测量系统从区域46上被采集。相比于如图6A所示的构造而言，微小的缺点在于，对于每个照相机中给定的像素值来说，该图像的空间分辨率将因为照相机的对角线方向而降低一半。图10中所示的构造仅仅是一个模型，还可能存在许多其他的构造。例如，在不同方向上设置三个或者更多的连续的测量系统能够进一步增加识别各个方向上裂纹的几率。
对于用面照相机代替线照相机的系统，如图8所示，对各方向裂纹进行识别的问题可以通过比较两个或多个图像解决，所述图像是在不同照射模式下被获得的，所述照射模式将导致长波长光以不同的方向传播穿过样品。
参考图4A，正如之前描述的那样，裂纹6阻断了长波长光16在被照射晶片24内的传播路径，从而导致了裂纹位置处的图像具有明显的强度差，同时在照射边的区域30内被耦合出的光28具有更高强度。裂纹的存在可以通过如图9C所示单一鲜明对比特征来判断，而裂纹探测的可靠性通过光在不同方向上横向传播采集一个或多个图像来得到增强。例如，两个图像可以通过如图6A和图10所示位于照射源38任意一侧的照相机44来采集，或者单个图像可以通过位于晶片相对两端处的两个照射源发出的长波长光照射来采集。特别是，对于光沿相反方向传播来说，明亮与黑暗区域之间的裂纹对比有望被反转。如图11A和图11B所示被散射出的长波长光的示意图像表明，裂纹6的任意一边明亮区域30和黑暗区域32的位置取决于长波长光16的传播方向。该对比的反转可通过处理器或借助具体的图像处理算法来分析，并且两个图像中的相反对比所展现的短特征可以以更高的可信度被识别为裂纹。此外，根据成像照相机的分辨率，长波长光以不同方向传播所采集的图像提供了一种确定裂纹宽度的手段。例如，如图11A所示，光从左边传播，明亮区域30将截止于裂纹6的左边缘，而如图11B所示，光从右边传播，明亮区域30将截止于裂纹的右边缘。或者，若裂纹使得长波长光折向进入成像照相机以生成如图4B所示的明亮特征31，该明亮特征的引导边缘会与裂纹的边缘相对应。
在将本发明的方法应用于纹理化表面或切割晶片时，需要在具有不同类型表面纹理或粗糙度的晶片之间进行区分。具有大体上均匀的表面粗糙度和纹理的样品，包括切割的单晶或多晶硅晶片、被酸蚀刻或碱蚀刻后的单晶硅晶片、或被酸蚀刻后的多晶硅晶片，在或多或少的统计样式中，长波长光会从非裂纹区域被散射出，从而导致贯穿样品的逃逸光的强度呈平滑变化。然而对于被碱蚀刻的多晶硅晶片，散射长波长光图像中存在特定颗粒的特征。这是因为碱蚀刻的纹理取决于颗粒的晶体定向，从而导致斑驳的表面，在该表面上高纹理化颗粒具有粗糙的外观，而弱纹理化的颗粒则呈现光泽。如图12所示，表明碱性的纹理化的多晶硅晶片66具有弱纹理化(平滑和具有光泽的)颗粒68，所述颗粒68分布在强纹理化颗粒(并因此粗糙)70周围。该效应还可以从如图9B所示的可见光图像中看出，其中不同颗粒具有不同的反射率。比较图3A和图4A，光滑表面颗粒将趋于在横向上对长波长光进行限制，使之具有最少的散射。因此将在散射出光的图像中呈现黑暗，并且相反地高纹理化的颗粒将呈现明亮。所以，在会被错认为是裂纹的颗粒边界72处长波长光图像会表现出强度差。
存在几种不同的方法可用于区分由纹理变化导致的强度差和由裂纹导致的强度差。首先，因为裂纹通常是直线、曲线或具有两个或更多端点的树枝状，对比特征或强度差呈现为闭合的圈(例如图12中的矩形72)的更有可能是由颗粒导致的而非裂纹。其次，人们可以使用两个或更多照相机对从对比特征的不同边的照射而得到的图像进行捕捉。光滑颗粒68的强度线扫描如图12所示，其表明明亮-黑暗-明亮的图案与长波长光的传播方向无关，而图11A和图11B中的裂纹6的强度线扫描呈现出的黑暗-明亮或明亮-黑暗则取决于光的传播方向。以上所述的在样品每一定向上采用两个线照相机的方法会因此特别适用于碱性纹理化的多晶硅电池以及晶片。最后，如图9B所示，采用其他检测方法，如光学成像(反射或透射)，可以对多晶硅样品中的颗粒结构进行探测，从而使在长波长图像中相应位置的对比特征被识别为颗粒的边界，而并非裂纹。
在碱性纹理化的多晶硅样品中，情况则更加复杂，这是因为纹理的变化不仅影响通过晶片的长波长光的横向传播、从晶片耦合出的长波长光部分、以及进入成像照相机的长波长光部分，而且影响了来自照射源且被耦合入晶片的部分光。由于照射和对具体区域的成像发生在不同晶片/传送带位置，给定的颗粒将影响图像两次，第一次是在光源的位置，而第二次是在照相机成像的位置。例如，光滑纹理化的颗粒将降低耦合入和耦合出晶片的光的量，从而使得颗粒结构以卷积的方式影响图像两次。因为同样的影响不会发生在裂纹上，适当的反卷积技术可用于辅助对裂纹与不同纹理化颗粒边界进行区分。
相对于长波长光从外光源耦合入的情况，另一种情况为长波长光可以通过之前简要介绍的光致发光或电致发光直接在样品内被产生。该产生技术不依赖于样品的表面质量，并且可以被应用于具有光滑或纹理化表面的样品上。光致发光具有非接触的优势，并且因此可以被应用于半成品晶片，而电致发光则要求电接触。光致发光还具有的优势在于发光产生的横向变化可以通过横向光照轮廓被轻易地控制，但电致发光中横向产生轮廓则主要取决于被测试的设备/样品的金属接触位置。与上述耦合进入的方法相比，光致发光还具有的优势在于激发光的波长要小于用于探测的发光波长，并且因此可以在照相机/探测器处或之前被过滤掉。这就放宽了对照射源来说基本不透光的罩/挡板的要求，如图6A、图6B和图7所示，尤其是对于诸如硅的间接带隙材料来说，需要采用更高灵敏度的探测器去测量相对较弱的发光信号。
在光致发光方法中，短波长激发光在样品内部被吸收，其中，传播长度通常要小于样品的厚度，并且被横向引导的长波长光通过具有适当灵敏度的照相机被探测。面照相机或线照相机可用于通过光在与之前描述的耦合进入的方法中非常类似的方式来探测裂纹。对于硅晶片的特定情况，激发源的波长范围可以为500-1000nm，更优选地为700-900nm，并且探测可被限制于大于1100nm的光谱范围，以提供在晶片内相对较长的传播长度，以增强对裂纹的灵敏度。
采用自动图像分析，上述裂纹探测方法可以被执行于与目前光伏电池生产线吞吐量兼容的时间尺度上，所述生产线吞吐量为每秒一个样品或每几秒一个样品。在某些实施例中，参考图6A和图10，如上所述，所述方法被在线执行，其中，样品在传送带或其他连续移动的支撑物上移动，图像被一台或多台线相机所捕获。在其它一些实施例中，可以通过一台或多台面扫描照相机在样品暂时静止的状态下对图像进行捕获，或在样品处于运动并且照射和/或探测光学器件与所述样品处同步移动的状态下对图像进行捕捉，或者在提供来自于由诸如闪光灯的脉冲源的照射以防止模糊的情况下对图像进行捕捉。
本发明所述的裂纹探测方法还可在离线状态下被一些行业作为研发应用，或在线的状态下被应用于大量被选样品上，或者甚至被应用于每一个样品上，这些行业包括晶片制造商、电池制造商以及组件制造商。晶片制造商可采用该方法识别出带有裂纹的晶片，还可用于晶片摒弃或质量分拣，并且提供晶片生产过程的反馈。光伏电池制造商可以采用本法方法对进来的晶片进行检测以及随后的分拣或摒弃，或为了晶片质量分拣或摒弃而进行半成品晶片中裂纹的探测，或用于过程的监测与控制，或用于成品电池中裂纹的探测而进行质量分拣或摒弃。组件制造商可以采用方法对进来的电池进行检测以及随后的摒弃或质量分拣，或进行电池装卸的监测并识别电池中的裂纹，所述电池以被贴上标签或被合并成串或组件。在所有这三种情况中，通过本发明方法获得的裂纹信息可用于过程监测和过程控制，例如，修复或修改不合适的会引入或扩大裂纹的处理或操作设备。
每种行业可能对不同的裂纹信息有着不同的兴趣，但通常情况，晶片制造商、电池制造商以及组件制造商会对以下参数或因素感兴趣：如裂纹长度和宽度、方向、裂纹的形状和位置、以及裂纹是否是“天然”形成(即热致的)或机械所致的，而后一因素为裂纹的来源提供指导。形状也许是给定的裂纹是天然形成的还是机械所致的唯一最好地指标，因为天然形成的裂纹倾向于呈直线，而机械所致的裂纹在多晶硅中倾向于呈三臂状，在单晶硅中则倾向于十字形状。裂纹位置是个重要的因素，当裂纹靠近晶片或电池边缘时，其很可能会生长并导致破损，而裂纹方向也是有用的信息，这是因为主要平行于母线延伸的裂纹成为电池中电绝缘部分的可能性要大于主要垂直于母线延伸的裂纹。若电池或组件制造商希望当晶片或电池经过了电池或组件生产线的各个阶段后，对晶片或电池中裂纹的发展或来源进行监测，裂纹的尺寸信息，即长度和/或宽度就是重要的信息，这与文献号为WO09/026661A1的PCT申请中介绍的基于成像的光致发光方法类似。裂纹尺寸信息作为裂纹可靠性指标也是具有价值的；例如裂纹理论预测，即裂纹在某一尺寸以内是表现为消除应力的位置，而若样品受差应力的作用，超过某一尺寸裂纹则可能生长。
这些或其他参数或因素可以被计算出，并被报告给操作人员或过程线路决策模块，其将决定根据这些信息做什么。存在一套用户可定义的条件，包括裂纹长度和位置，这些条件将决定探测到的裂纹是否足够严重，从而使得样品被丢弃或转移到低效率电池生产线。
本发明所述的长波长横向散射方法，根据成像设备的分辨率，适用于获取裂纹长度、形状、位置以及方向的信息，和如图11A和图11B所示的宽度信息。光致发光成像可用于裂纹探测是已知的，通过图9A中的PL图像可以证明这一点，并且还可提供许多包括裂纹宽度在内的裂纹参数信息。然而图9A图像中的条纹80表示为沿裂纹每一边的载流子损耗区域，并非裂纹本身，因此其宽度更多的象征了载流子运输特征而非裂纹宽度。采用高于图9A图像中1sun的照射强度所采集的光致发光(PL)图像则更好地指明了裂纹的宽度，这是因为在高强度照射产生的高注入水平条件下(即高载流子浓度)，尤其是在发射层上，横向载流子运输被抑制了。图13A和图13B表明具有有意制造的且特性为十字形状的裂纹6的单晶硅晶片的光致发光(PL)图像，所述光致发光是近红外激光器和闪光灯分别在1sun和100suns的照射下产生，并由硅CCD照相机捕捉。该裂纹在高照射PL图像中表现为具有更大的锐度，以及与之相关的载流子损耗特征更可能提供裂纹本身的实际宽度的量度。当照射强度大于100倍太阳光强度时，裂纹表现为具有更大的锐度。
另一种用于增强PL成像中裂纹对比度的方法是将样品置于高温中。例如，在H.Nagel等人于2010年8月14日在美国，布雷肯里奇，第20届晶体硅太阳电池和组件专题讨论会：材料与工艺上发表的“发光成像-晶体硅光伏关键计量”中所述，载流子相对寿命对比特征，如位错和颗粒边界在置于220℃的多晶硅晶片的PL图像中被抑制，使得裂纹变得更加清晰可见。这一效应被认为是由于Shockley-Read-Hall(SRH)复合寿命不取决于温度，这导致了缺陷区域的体寿命随着温度的升高而增大，其中，所述效应也有望在电致发光成像时产生。
上述温度效应可通过在发射极扩散之后或金属接触点火之后采集生产线位置处晶片的PL图像在光伏电池生产线中得到实际应用，生产线的所述位置处于高温状态。在这两种可能性中，采集点火后的PL图像可能更为简单，这是因为晶片线性地通过工艺设备，而扩散是批处理过程或并行处理多个晶片。因为晶片会冷却，即不是保持恒温，因此最好在一个或多个为最佳或最大温度效应而选择的位置处对PL图像通过闪光灯激发来迅速采集。当然，闪光灯的高照射强度，会进一步增加裂纹的对比度。
通常，当本发明所述的横向散射方法可以探测半导体晶片中的裂纹，并提供关于这些裂纹的重要信息，本方法与其他的成像技术进行结合以后可能变得更有效，所述成像技术如光学成像技术和PL成像技术，特别是高强度照射和/或高样品温度的PL成像技术。在一种实施方式中，尤其是对于多臂裂纹PL成像技术相对横向散射技术更可能提供关于裂纹形状的全面信息，其中，所述长波长光不能到达所有的臂。在另一种实施方式中，由于图9C中区域90的消失，光反射和图9B和图9C的长波长光图像间的对比可以得到许多信息。
尽管通过参考某些优选实施方式对本发明进行了阐述，但由此所引中出的变化和变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (30)

1.一种探测半导体材料内不连续性的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
a.在一个或多个位置上穿过所述材料的纹理化或粗糙表面将光耦合到所述材料中，从而使得所述光被横向引导穿过所述材料；
b.采集所述材料的图像，其中所述图像包括从所述材料散射或透射出的光；以及
c.识别所述图像中的光强差从而探测所述不连续性，
步骤(b)包括采集两个或多个图像，其中所述光被耦合入所述材料中，从而在两个或多个方向上横向传播穿过大体上平坦的所述半导体材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：入射所述材料的光被极化使得从所述材料表面被反射的光能被起偏器阻隔。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述不连续性为裂纹或掺杂物。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(c)包括监测两个或多个图像之间的所述光强差的变化。
5.一种探测半导体材料内不连续性的方法，所述方法包括以下步骤：
a.以超越带隙辐射在一个或多个位置上照射所述材料的表面来产生光致发光，所述光致发光的一部分捕获以作为穿过所述材料被引导横向的光；
b.采集所述材料的图像，其中所述图像包括被散射或被透射出所述材料的光；以及
c.识别所述图像中的光强差，从而对所述不连续性进行探测，
步骤(b)包括采集两个或多个图像，其中所述光被捕获在所述材料中，从而在两个或多个方向上横向传播穿过大体上平坦的所述半导体材料。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于：所述一个或多个位置大体上为直线形状，并且步骤(b)包括当所述材料与所述一个或多个线照相机发生相对移动时，用一个或多个线照相机采集所述材料的图像的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述一台或多台线照相机用于捕捉来自与所述位置大体上平行的区域的光。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤(b)包括用一台或多台线照相机采集所述材料的图像，所述照相机适用于捕捉来自于每个所述位置的任意一边的区域的光。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(b)包括用两台或多台线照相机采集所述材料的图像，所述照相机适用于捕捉来自于每个所述位置的任意一边的区域的光。
10.一种探测半导体材料内不连续性的方法，所述方法包括以下步骤：
a.对所述材料施加正向偏压来产生电致发光，所述电致发光的一部分被捕获以作为被引导横向穿过所述材料的光；
b.采集所述材料的图像，其中所述图像包括被散射或被透射出所述材料的光；以及
c.识别所述图像中的光强差，从而对所述不连续性进行探测，
步骤(b)包括采集两个或多个图像，其中所述光被捕获在所述材料中，从而在两个或多个方向上横向传播穿过大体上平坦的所述半导体材料。
11.根据权利要求1、5或10所述的方法，其特征在于进一步包括以下步骤：
(d)采集所述材料的光学图像；以及
(e)对所述光学图像与步骤(b)采集到的图像进行比较。
12.根据权利要求1、5或10所述的方法，其特征在于进一步包括以下步骤：
(f)采集所述材料的光致发光图像；以及
(g)对所述光致发光图像与步骤(b)采集到的图像进行比较。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：在所述光致发光图像中所产生的光致发光的照射强度为100Suns或更高。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：当所述材料处于提升后的温度下时，所述光致发光图像被采集。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：在高温处理工序之后采集所述光致发光图像，所述高温处理工序选自于包括发射极扩散和金属接触燃烧的组。
16.根据权利要求1、5或10所述的方法，其特征在于进一步包括以下步骤：
(h)对于步骤(c)探测到的不连续性，计算一个或多个选自于包含长度、宽度、位置和形状的组的参数。
17.根据权利要求1、5或10所述的方法，其特征在于：被应用于由所述半导体材料构成的薄膜、晶片或光伏电池。
18.一种探测半导体材料内不连续性的系统，其特征在于：所述系统包括：
i.光源，适用于在一个或多个位置穿过所述材料的纹理化或粗糙表面将光耦合到所述材料内，从而使得所述光在所述材料中得到横向引导；以及
ii.对所述光敏感的成像设备，用于采集所述材料的一个或多个图像，由此所述不连续性基于所述一个或多个图像中的光强差被探测到，
其中，所述成像设备包括一台线照相机，用于当所述材料与所述线照相机发生相对运动时来采集所述材料的图像，并且其中，所述线照相机适用于收集来自所述材料的一个区域的光，其中，所述区域位于光射入所述材料中的两个位置之间，或位于产生光的两个位置之间。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于：所述光源适用于提供偏振光，其中，所述系统进一步包括一个起偏器，用于阻隔来自所述成像设备从所述材料的表面被反射的光。
20.一种探测半导体材料内不连续性的系统，其特征在于：所述系统包括：
i.超越带隙辐射源，所述辐射源适用于照射所述材料的表面，从而产生光致发光，所述光致发光的至少一部分被俘获作为所述材料内被横向引导的光；以及
ii.对所述光敏感的成像设备，用于采集所述材料的一个或多个图像，由此所述不连续性基于所述一个或多个图像中的光强差被探测，
其中，所述成像设备包括一台线照相机，用于当所述材料与所述线照相机发生相对运动时来采集所述材料的图像，并且其中，所述线照相机适用于收集来自所述材料的一个区域的光，其中，所述区域位于光射入所述材料中的两个位置之间，或位于产生光的两个位置之间。
21.根据权利要求18-20任一所述的系统，其特征在于：所述成像设备包括两台用于采集所述材料的图像的线照相机，所述线照相机适用于收集来自所述材料的区域的光，其中，所述区域位于光射入所述材料的位置或产生光的位置的任意一侧。
22.一种用于探测半导体材料内不连续性的系统，其特征在于：所述系统包括：
i.电源，适用于对所述材料施加正向偏压来产生电致发光，电致发光的至少一部分被俘获作为所述材料内的被横向引导的光；以及
ii.对所述光敏感的成像设备，用于采集所述材料的一个或多个图像，由此不连续性基于所述一个或多个图像中的光强差被探测，
其中，所述成像设备包括一台线照相机，用于当所述材料与所述线照相机发生相对运动时来采集所述材料的图像，并且其中，所述线照相机适用于收集来自所述材料的一个区域的光，其中，所述区域位于光射入所述材料中的两个位置之间，或位于产生光的两个位置之间。
23.根据权利要求18、20或22所述的系统，其特征在于：进一步包括：
iii.可见光源，用于照射所述材料；以及
iv.第一照相机，用于采集所述材料的光学图像。
24.根据权利要求18、20或22所述的系统，其特征在于：进一步包括：
v.超越带隙辐射源，用于照射所述材料来产生来自所述材料的光致发光；以及
vi.第二照相机，用于采集所述材料的光致发光图像。
25.根据权利要求24所述的系统，其特征在于：所述超越带隙辐射源适用于以100Suns或更高的强度照射所述材料。
26.根据权利要求25所述的系统，其特征在于：所述超越带隙辐射源为闪光灯。
27.根据权利要求18、20或22所述的系统，其特征在于：进一步包括处理器，适用于分析所述一个或多个图像以得到光强差，以及基于所述光强差探测所述材料内的所述不连续性的存在。
28.根据权利要求27所述的系统，其特征在于：所述处理器又适用于当所述光产生并朝不同方向传播时，对所述一个或多个图像的所述光强差的变化进行分析，并且适用于基于所述变化，对所述材料内的所述不连续性的存在进行探测。
29.根据权利要求27所述的系统，其特征在于：所述不连续性为裂纹，并且所述处理器进一步适用于针对每一个探测到的裂纹，对从所述探测到的裂纹长度、宽度、位置和形状这些参数中选出的一个或多个所述参数进行计算。
30.根据权利要求18、20或22所述的系统，其特征在：所述半导体材料为薄膜、晶片或光伏电池。
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