CN102621152B - 一种晶硅抛光片表面缺陷检测系统 - Google Patents

Abstract

晶硅抛光片表面缺陷检测系统，包括激光模块、光学扫描模块、图形检测模块、晶硅抛光片运动模块以及显示控制模块，所述激光模块与所述光学扫描模块相连接，所述光学扫描模块固定于待检测晶硅抛光片的上方一侧，所述图形检测模块以π/2弧度固定于待检测晶硅抛光片上方相对于所述的光学扫描模块的另一侧，并与所述显示控制模块相连接；所述晶硅抛光片运动模块与所述显示控制模块相连接。本发明利用激光相干性、方向集中和高分辨率的特性，结合光机电一体化以及图像算法的方法进行晶硅抛光片表面质量的检测，可实现晶硅抛光片表面细小裂纹、细小颗粒、沾污、凸凹等缺陷的检测，为集成电路与太阳能光伏电池的生产提供可靠的质量检测保证。

Description

一种晶硅抛光片表面缺陷检测系统

技术领域

本发明涉及自动光学检测与控制领域，尤其是涉及晶硅抛光片表面缺陷的自动光学检测系统。

背景技术

随着经济的发展，能源短缺与环境污染的尖锐矛盾成为全世界各个国家都面临的问题。在众多的新型能源中，太阳能具有清洁无污染、安全可靠、制约少、用之不尽取之不竭、可持续利用等优点，从而具有不可比拟的优势。随着太阳能光伏发电技术的逐渐成熟和普及，对太阳能光伏电池的需求将会呈现几何级数的增长。另一方面随着信息技术的深入发展，集成电路的需求量也正在逐年提高。晶硅抛光片的加工与检测工艺技术是太阳能电池与集成电路制作的基础，因此晶硅抛光片的检测与加工技术正越来越收到重视。

存在缺陷的晶硅抛光片进入电路雕刻与气相沉积等工序而制作成集成电路或光伏电池势必留有隐患，其检测技术手段将更为复杂，造成更大的损失。及早检测出晶硅抛光片的缺陷并加以修复或剔除可以明显降低集成电路或光伏电池的生产成本，提高产品合格率。因此对晶硅抛光片进行是缺陷检测是集成电路和光伏电池检测的第一步。

随着超大规模集成电路的发展、集成度的不断提高、线宽的不断减小，对晶硅抛光片表面质量的要求越来越高。要得到高质量的半导体集成电路和光伏电池，仅仅除去硅片表面的沾污已不再是最终的要求，需检测的缺陷还包括裂纹、凸凹、颗粒等。目前对于高精度晶硅抛光片表面检测一般采用图像识别的方法，将晶硅抛光片表面成像后放大，然后采用目测或数字图像处理的方法来进行检测。该方法一方面受摄像头分辨率和景深的限制，其检测的缺陷分辨能力受限；另一方面该方法所使用的系统复杂，价格非常昂贵，限制了其在国内的普及，阻碍了国内高精度集成电路和光伏电池关键技术的发展和应用。目前中国在高精度晶硅抛光片表面检测方面非常薄弱，一般采用在一定光照条件下，用目测检验晶硅抛光片表面质量的方法。

发明内容

为了克服现有的晶硅抛光片表面检测设备缺陷分辨能力受限、系统复杂、价格昂贵等不足，本发明提供一种提晶硅抛光片表面缺陷检测高分辨能力的光学自动检测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种晶硅抛光片表面缺陷检测系统，其特征在于：包括激光模块、光学扫描模块、图形检测模块、晶硅抛光片运动模块以及显示控制模块，所述激光模块与所述光学扫描模块相连接，所述光学扫描模块固定于待检测晶硅抛光片的上方一侧，所述图形检测模块以π/2弧度固定于待检测晶硅抛光片上方相对于所述的光学扫描模块的另一侧，并与所述显示控制模块连接；所述晶硅抛光片运动模块与所述显示控制模块连接。

进一步，所述激光模块产生检测用点状相干激光，所述光学扫描模块将点状激光束扫描转换成线状激光束，并以π/3角度入射到待检测晶硅抛光片表面上，所述图形检测模块感应晶硅抛光片的反射光与散射光并成像输入所述显示与控制模块，所述晶硅抛光片运动模块吸附晶硅抛光片并按一维方向运动，所述显示控制模块控制晶硅抛光片运动模块与图像检测模块的时序同步，同时再现晶硅抛光片表面图像，并分析晶硅抛光片表面缺陷。

更进一步，所述激光模块由激光器、小孔光阑、激光电源等部分组成，激光器采用高质量相干光源的He-Ne激光器，其输出波长为632.8nm，小孔光阑其光阑孔径为15um，激光电源采用单相220伏特交流市电。

进一步，所述光学扫描模块由光路准直透镜、多棱面快速扫描棱镜、激光光束投射镜、角度校正螺栓等组成，光路准直透镜将激光光束准直后定点投射到多棱面快速扫描棱镜，激光光束反射镜采用高反射率的长方形镀膜反射镜，将一维线状激光光束按固定角度投射到待检测光伏电池硅抛光片上，角度校正螺栓能调整激光光束反射镜的投射角度。

更进一步，所述多棱面快速扫描棱镜采用高反射率的六面棱镜，由高转速无刷电机驱动旋转，将点状激光光束转换为一维线状激光光束。

进一步，所述图形检测模块由二维CCD面阵曲面、AD变换电路和DSP信号处理电路组成，AD变换电路将线阵CCD成像信号转换为数字信号，DSP信号处理电路将数字图像数据进行γ校正、白平衡等处理，得到理想的图像数据。

更进一步，所述二维CCD面阵曲面由50片一维线阵CCD组成，曲面为以晶硅抛光片表面反射点为中心的π/2弧度的曲面，接收晶硅抛光片的反射编码光束并形成晶硅抛光片的表面图像。

进一步，所述晶硅抛光片运动模块由真空吸气笔、精密一维步进马达和驱动电路组成，所述的真空吸气笔吸住硅抛光片背面，使线状激光光束入射到抛光片表面，精密一维步进马达驱动真空吸气笔沿X轴一维方向匀速运动，使线状激光光束均匀扫描晶硅抛光片表面，驱动电路接收显示控制模块的命令，用于驱动精密一维步进马达与二维CCD面阵曲面成像时序同步。

进一步，所述显示控制模块由工业控制计算机、数字图像采集卡、运动控制卡和上位机软件组成，所述的数字图像采集卡用于采集二维CCD面阵曲面的图像数据，所述的运动控制卡用于控制晶硅抛光片运动模块的运动和成像时序同步。

更进一步，所述上位机软件为采用面向对象的软件编程技术编写的应用软件，用于显示晶硅抛光片表面图像、分析晶硅抛光片表面缺陷，包括裂纹、凸凹、颗粒、沾污等，同时用于控制晶硅抛光片运动模块的运动与成像时序同步控制。

所述晶硅抛光片表面缺陷检测方法的检测原理为：线性激光束以小角度扫描晶硅抛光片表面，线状激光束会在合格晶硅抛光片表面发生镜面反射，反射光符合几何光学反射定律，以一定的角度反射被CCD曲面组的指定的一维线阵CCD接收；当抛光表面有裂痕、凸凹时，现状激光束会发生漫反射，反射光被CCD曲面组其他线阵CCD接收；当抛光表面有较大直径颗粒和沾污时，线状激光束会发生散射，散射光不规律，CCD曲面接收的感光强度不均匀。CCD曲面所产生的晶硅抛光片表面图像由显示与控制模块重建并进行缺陷分析，对晶硅抛光片的表面质量进行评估。

本发明的技术构思为：利用激光相干性、方向集中和高分辨率的特性，结合光机电一体化技术以及图像算法的方法进行晶硅抛光片表面质量的检测，可实现晶硅抛光片表面细小裂纹、凹凸、细小颗粒、沾污等缺陷的检测，为集成电路与太阳能光伏电池的生产提供可靠的质量检测保证。

HE-NE激光模块产生632.8nm波长的检测用激光，由扫描模块将激光斑扫描转换成线状激光光束，并以π/3角度入射到待检测晶硅抛光片表面上，如图1所示。线性激光光束以小角度扫描晶硅抛光片表面，线状激光束会在合格抛光片表面发生镜面反射，反射光符合几何光学发射定律，以一定的角度反射然后被CCD曲面指定的一维线阵CCD接收；当抛光表面有裂痕、凸凹时，现状激光光束会发生漫反射，反射光被CCD曲面其他一维线阵CCD接收；当抛光表面有较大直径颗粒和沾污时，线状激光束会发生散射，散射光不规律，CCD曲面接收的感光强度不均匀，生成缺陷的图像。CCD曲面所产生的晶硅抛光片表面图像由显示与控制模块重建并进行缺陷分析，对晶硅抛光片的表面质量进行评估。

晶硅抛光片运动模块由真空吸气笔、精密一维步进马达和驱动电路组成。真空吸气笔吸住晶硅抛光片背面，使线状激光光束入射到抛光片表面，精密一维步进马达驱动真空吸气笔沿X轴一维方向匀速运动，使线状激光光束均匀扫描晶硅抛光片表面，驱动电路接收显示与控制模块的命令，用于驱动精密一维步进马达与二维CCD曲面成像时序同步。

图形检测模块由CCD曲面、AD变换电路和DSP信号处理电路组成，如图2所示。CCD曲面由50片一维线阵CCD组成，曲面为以晶硅抛光片表面反射点为中心的π/2弧度曲面，接收晶硅抛光片的反射编码光束并形成硅抛光片的表面图像。AD变换电路将线阵CCD成像信号转换为数字信号，DSP信号处理电路将数字图像数据进行γ校正、白平衡等处理，得到理想的图像数据。

显示控制模块由工业控制计算机、数字图像采集卡、运动控制卡和上位机软件组成。数字图像采集卡用于采集CCD曲面的图像数据，运动控制卡用于控制晶硅抛光片运动模块的运动和成像时序同步。上位机软件采用面向对象的软件编程技术编写的应用软件，用于显示晶硅抛光片表面图像、分析晶硅抛光片表面缺陷，包括裂纹、凸凹、颗粒、沾污等，同时用于控制晶硅抛光片运动模块的运动与成像时序同步控制。

本发明的有益效果主要表现在：

1)实现了一种晶硅抛光片表面缺陷的检测，包括裂纹、凸凹、颗粒、沾污等，提升了以晶硅抛光片为基础的集成电路与光伏电池的成品率，降低成本。

2)该晶硅抛光片表面检测系统可方便实现全自动高精度的检测，将代替现有的放大镜目视检测，将显著提高晶硅抛光片的检测速度，提高生产效率。

3)采用高相干性的激光作为检测光源，采用线阵CCD组成面阵CCD曲面，将显著提高晶硅抛光片缺陷的检测分辨率和检测精度。

4)作为自主知识产权的产品，其成本将显著低于同类国外进口产品，有利于国内集成电路与光伏电池产业的技术升级，增加产业的竞争力。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明的CCD曲面结构图；

图3是本发明的工作原理流程图；

具体实施方式

结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参照图1～图3，一种晶硅抛光片表面缺陷检测系统，括激光模块、光学扫描模块、图形检测模块、晶硅抛光片运动模块以及显示与控制模块等组成。所述激光模块与光学扫描模块相连接，所述光学扫描模块固定于待检测晶硅抛光片上方的一侧，所述图形检测模块以π/2弧度固定于待检测晶硅抛光片上方相对于所述的光学扫描模块的另一侧，并与显示控制模块相连接；所述晶硅抛光片运动模块与显示控制模块相连接。

本发明利用激光相干性、方向集中和高分辨率的特性，结合光机电一体化技术以及图像算法的方法进行晶硅抛光片表面质量的检测，可实现晶硅抛光片表面细小裂纹、细小颗粒、沾污等缺陷的检测，为集成电路与太阳能光伏电池的生产提供可靠的质量检测保证。

所述激光模块产生632.8nm波长的检测用激光，所述光学扫描模块将点状激光扫描转换成线状激光光束，并以π/3角度入射到待检测晶硅抛光片表面上，所述图形检测模块感应晶硅抛光片反射与散射光并成像然后输入所述显示与控制模块，所述晶片运动模块吸附晶硅抛光片并按一维方向运动，所述显示控制模块晶硅抛光片运动模块与图像检测模块的同步，再现光晶硅抛光片表面的图像，并分析晶硅抛光片表面缺陷。所述激光模块由激光器、小孔光阑、激光电源等部分组成。激光器1采用高质量相干光源的He-Ne激光器，其输出波长为632.8nm，小孔光阑其光阑孔径为15um，激光电源采用单相220伏特交流市电。激光器1前设有光阑2。所述光学扫描模块由光路准直透镜3、多棱面快速扫描棱镜4、激光光束投射镜5、角度校正螺栓6等组成，光路准直透镜将激光光束准直后定点投射到多棱面快速扫描棱镜，激光光束反射镜采用高反射率的长方形镀膜反射镜，将一维线状激光光束按固定角度投射到待检测光伏电池硅抛光片上，角度校正螺栓能调整激光光束反射镜的投射角度。所述多棱面快速扫描棱镜采用高反射率的六面棱镜，由高转速无刷电机驱动旋转，将点状激光光束扫描转换为一维线状激光束。所述图形检测模块由CCD曲面7、AD变换电路和DSP信号处理电路组成，AD变换电路将线阵CCD成像信号转换为数字信号，DSP信号处理电路将数字图像数据进行γ校正、白平衡处理等处理，得到理想的图像数据。

所述CCD曲面7由50片一维线阵CCD组成，曲面为以晶硅抛光片8表面反射点为中心的π/2弧度曲面，接收晶硅抛光片8的反射编码光束并形成晶硅抛光片的表面图像。所述晶片运动模块由真空吸气笔9、精密一维步进马达10和驱动电路组成。真空吸气笔9吸住晶硅抛光片背面，使线状激光光束入射到抛光片表面，精密一维步进马达10驱动真空吸气9笔沿X轴一维方向匀速运动，使线状激光光束均匀扫描晶硅抛光片8表面，驱动电路接收显示控制模块的命令，用于驱动精密一维步进马达10与CCD曲面7成像时序同步。

所述显示控制模块由工业控制计算机、数字图像采集卡11、运动控制卡12和上位机软件组成。数字图像采集卡用于采集二维CCD面阵曲面的图像数据，运动控制卡用于控制晶片运动模块的运动和同步。所述上位机软件采用面向对象的软件编程技术编写的应用软件，用于显示晶硅抛光片表面图像、分析晶硅抛光片表面的缺陷，包括裂纹、凸凹、颗粒、沾污等，同时用于控制晶硅抛光片运动模块的运动与成像时序同步控制。

所述晶硅抛光片表面缺陷检测系统的检测原理为：线性激光束以小角度扫描晶硅抛光片表面，线状激光束会在合格抛光片表面发生镜面反射，反射光符合几何光学反射定律，以一定的角度反射被CCD曲面指定的一维线阵CCD接收；当抛光表面有裂痕、凸凹时，现状激光束会发生漫反射，反射光被CCD曲面其他线阵CCD接收；当抛光表面有较大直径颗粒和沾污时，线状激光束会发生散射，散射光不规律，线阵CCD曲面接收的感光强度不均匀，于是得到了缺陷的图像。CCD曲面所产生的晶硅抛光片表面图像由显示与控制模块重建并进行缺陷分析，对晶硅抛光片的表面质量进行评估。

本实施例为某太阳能光伏电池晶硅抛光片表面检测的光学自动检测设备。该设备由激光模块、光学扫描模块、图形检测模块、晶硅片运动模块以及显示控制模块等组成。如图1所示。

所述激光模块由激光器、小孔光阑、激光电源等部分组成。激光器采用高质量相干光源的He-Ne激光器，其输出波长为632.8nm，小孔光阑其光阑孔径为15um，激光电源采用单相220伏特交流市电。产生的点状激光束经光路引导至光学扫描模块。所述光学扫描模块固定于待检测光伏电池硅抛光片左上方，由光路准直透镜、多棱面快速扫描棱镜、激光光束投射镜、角度校正螺栓等组成。光路准直透镜将点状激光光束准直后定点投射到多棱面快速扫描棱镜。所述多棱面快速扫描棱镜采用高反射率的六面棱镜，如图2所示，由高转速无刷电机驱动旋转，将点状激光光束转换为一维线状激光束。激光光束反射镜采用高反射率的长方形镀膜反射镜，将一维线状激光光束按固定角度投射到待检测光伏电池晶硅抛光片上，角度校正螺栓用于调整激光光束反射镜的投射角度。一维线状激光束镜反射镜后以π/3角度入射到待检测光伏电池硅抛光片表面上。

所述图形检测模块以π/2弧度固定于待检测光伏电池硅抛光片右上方，并与显示控制模块相连，由CCD曲面、AD变换电路和DSP信号处理电路组成。二维CCD曲面由50片一维线阵CCD组成，曲面为以硅抛光片表面反射点为中心的π/2弧度曲面，接收光伏电池晶硅抛光片的反射编码光束并形成硅抛光片的表面图像。AD变换电路将CCD成像信号转换为数字信号，DSP信号处理电路将数字图像数据进行γ校正、白平衡等处理，得到理想的图像数据。

所述所述晶片运动模块由真空吸气笔、精密一维步进马达和驱动电路组成。真空吸气笔吸住晶硅抛光片背面，使线状激光光束入射到抛光片表面，精密一维步进马达驱动真空吸气笔沿X轴一维方向匀速运动，使线状激光光束均匀扫描硅抛光片表面，驱动电路接收显示控制模块的命令，用于驱动精密一维步进马达与二维CCD面阵曲面成像同步。

所述显示控制模块由工业控制计算机、数字图像采集卡、运动控制卡和上位机软件组成。数字图像采集卡用于采集CCD曲面的图像数据，运动控制卡用于控制光伏电池晶硅抛光片运动模块的运动和同步。所述上位机软件采用面向对象的软件编程技术编写的应用软件，用于显示光伏电池晶硅抛光表面图像、分析光伏电池晶硅抛光片表面缺陷，包括裂纹、凸凹、颗粒、沾污等，用于控制光伏电池晶硅抛光片运动模块的运动与成像时序同步控制。

该检测装置利用了激光相干性、方向集中和高分辨率的特性，结合光机电一体化以及图像算法的方法进行光伏电池晶硅抛光片表面质量的检测，可实现光伏电池晶硅抛光片表面细小裂纹、细小颗粒、沾污、凸凹等缺陷的检测，为太阳能光伏电池的生产提供可靠的质量检测保证。其检测过程原理如图3所示，线性激光束以小角度扫描光伏电池晶硅抛光片表面，线状激光束会在合格抛光片表面发生镜面反射，反射光符合几何光学发射定律，以一定的角度反射被CCD曲面指定的一维线阵CCD接收；当抛光片表面有裂痕、凸凹时，线状激光束会发生漫反射，反射光被CCD曲面其他一维线阵CCD接收；当抛光片表面有较大直径颗粒和沾污时，线状激光束会发生散射，散射光不规律，线阵CCD曲面接收的感光强度不均匀，得到了缺陷的图像。CCD曲面所产生的太阳能光伏电池晶硅抛光片表面图像由显示与控制模块重建并进行缺陷分析，对太阳能光伏电池晶硅抛光片的表面质量进行评估。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种晶硅抛光片表面缺陷检测系统，其特征在于：包括激光模块、光学扫描模块、图形检测模块、晶硅抛光片运动模块以及显示控制模块，所述的激光模块与光学扫描模块连接，所述的光学扫描模块固定于待检测晶硅抛光片的上方的一侧，所述的图形检测模块以晶硅抛光片表面反射点为中心的π/2弧度固定于待检测晶硅抛光片的上方的相对于所述的光学扫描模块的另一侧，所述图形检测模块由二维CCD面阵曲面、AD变换电路和DSP信号处理电路组成，AD变换电路将线阵CCD成像信号转换为数字信号，DSP信号处理电路将数字图像数据进行γ校正、白平衡处理，得到理想的图像数据；所述二维CCD面阵曲面由50片一维线阵CCD组成，曲面为以晶硅抛光片表面反射点为中心的π/2弧度曲面，接收晶硅抛光片的反射编码光束并形成晶硅抛光片的表面图像；所述的图形检测模块并与所述的显示控制模块相连接；所述的晶硅抛光片运动模块与显示控制模块连接。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的激光模块产生检测用激光，所述光学扫描模块将激光扫描转换成线状激光束，并以π/3角度入射到待检测晶硅抛光片表面上，所述图形检测模块感应晶硅抛光片反射与散射光并成像输入所述显示与控制模块，所述晶硅抛光片运动模块吸附晶硅抛光片并按一维方向运动，所述显示控制模块控制晶硅抛光片运动模块与图像检测模块的同步，再现晶硅抛光片表面图像，并分析晶硅抛光片表面缺陷。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述激光模块由激光器、小孔光阑、激光电源部分组成，所述的激光器采用高质量相干光源的He-Ne激光器，其输出波长为632.8nm，小孔光阑的光阑孔径为15um，激光电源采用单相220伏特交流市电。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述光学扫描模块由光路准直透镜、多棱面快速扫描棱镜、激光光束反射镜、角度校正螺栓组成，光路准直透镜将点状激光光束准直后定点投射到多棱面快速扫描棱镜，激光光束反射镜采用高反射率的长方形镀膜反射镜，将一维线状激光光束按固定角度投射到待检测晶硅抛光片上，角度校正螺栓能调整激光光束反射镜的投射角度；所述多棱面快速扫描棱镜采用高反射率的六面棱镜，由高转速无刷电机驱动旋转，将点状激光光束转换为一维线状激光束输出。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于：所述晶硅抛光片运动模块由真空吸气笔、精密一维步进马达和驱动电路组成；真空吸气笔吸住晶硅抛光片背面，使线状激光光束入射到抛光片表面，精密一维步进马达驱动真空吸气笔沿X轴一维方向匀速运动，使线状激光光束均匀扫描晶硅抛光片表面，驱动电路接收显示控制模块的命令，用于驱动精密一维步进马达与二维CCD面阵曲面成像时序同步。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于：所述显示控制模块由工业控制计算机、数字图像采集卡、运动控制卡和上位机软件组成；数字图像采集卡用于采集二维CCD面阵曲面的图像数据，运动控制卡用于控制晶硅抛光片运动模块的运动和时序同步。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述上位机软件采用面向对象的软件编程方法编写的应用软件，用于显示晶硅抛光片表面图像、分析晶硅抛光片表面缺陷，包括裂纹、凸凹、颗粒、沾污，同时用于控制晶硅抛光片运动模块的运动与同步控制。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于：线状激光束以小角度扫描晶硅抛光片表面，线状激光束在合格的晶硅抛光片表面发生镜面反射，反射光路符合几何光学反射定律，以一定的角度反射被二维CCD面阵曲面指定的一维线阵CCD接收；当抛光表面有裂痕、凸凹时，线状激光束会发生漫反射，反射光被二维CCD面阵曲面其他一维线阵CCD接收；当抛光表面有较大直径颗粒和沾污时，线状激光束会发生散射，散射光不规律，二维CCD面阵曲面接收的感光强度不均匀，二维CCD面阵曲面所产生的晶硅抛光片表面图像由显示与控制模块重建并进行缺陷分析，对晶硅抛光片的表面质量进行评估。