CN102812347A - 用于光伏电池和晶片的光致发光成像的照射系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于分析半导体材料（8）的方法，尤其是涉及一种利用在高强度照射下产生的光致发光的成像来分析硅光伏电池和电池前驱的方法。通过该照射得到的高光致发光信号水平（16）能够实现对移动中的样品的具有最小模糊的图像的采集。使得半导体设备生产商感兴趣的某些材料的缺陷，尤其是裂痕，在高强度照射下显得很清晰。在某些实施例中，通过采用高强度照射和低强度照射产生的光致发光图像与重点被选的材料特性或缺陷进行比较。

Description

用于光伏电池和晶片的光致发光成像的照射系统和方法

技术领域

本发明涉及照射系统，以及使用这些系统利用光致发光图像来表征半导体材料的方法。该照射系统尤其适用于表征硅光伏电池以及电池前驱。

相关申请

本申请要求申请号为2010900018、2010903050和2010903975的澳大利亚临时专利申请的优先权，其内容此处作为引用并入。

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。

几十年来，半导体工业利用光致发光（PL），即通过超越带隙激发所产生的发光，作为用于研究直接带隙半导体材料的非破坏性方法，特别是用于确定缺陷的存在。通常，利用激光聚焦在样品的小区域上来产生光致发光，而为了研究大区域，激光光束或样品为被扫描后用于产生光致发光辐射图的光栅。由于对高空间分辨率的要求，例如：当绘制缺陷分布图时，由于连带高强度产生强光致发光响应，通常采用聚焦光束激发。AT&T Bell实验室已考虑利用大范围照射进行直接带隙半导体的光致发光成像（G.Livescu et al,Journal of ElectronicMaterials 19(9)937-942(1990)），但是尽管快速测量具有明显优势，但是由于存在非均匀照射与低分辨率的问题，其要劣于扫描系统(G.E.Carver,Semiconductor Science and Technology 7,A53-A58(1992))。不管怎样，光致发光通常被用来在计算机芯片等制造过程中或作为制造过程的一部分来研究高值半导体材料样品，而对于上述应用快速测量则不是必须的。

在较小程度上，正如已公开PCT申请WO 98/11425A1中披露的一样，通过聚焦光束激发的光致发光绘图还被用于间接表征带隙半导体样品。与直接带隙半导体一样，聚焦光束照射的选择是由于较高空间分辨率和较高光致发光响应的原因被激发，尤其是后者对于间接带隙材料更为重要，这是由于其低得多的辐射量子效率。

在光伏（PV）电池行业中，硅电池占主导地位，其目前的产量为1-2秒生产一个晶片，从而测量速度是在线检测的关键。即使是在线下采样中，由于光伏电池生产设备操作的晶片数量之大，快速测量显得更为必要，这使得宽范围光致发光成像比光致发光扫描/绘图更具吸引力。本申请人的创立者在2005年就提出，尽管辐射量子效率低，但事实上通过大范围光致发光成像检测硅光伏电池和晶片是可能的，并且在已公开的名为“用于检测间接带隙半导体结构的方法和系统”的PCT专利申请WO 07/041758A1中还提出了合适的方法和系统，其内容在此作为引用并入。如果不是所有市售的用于硅光伏电池的光致发光成像系统均采用激光照射，这是因为其提供了窄波段所要求的照射强度，使得能够利用市售滤波器滤除掉照相机处的杂散光，并且出于均匀照射整个电池的目的，激光束能够易于扩散并均匀分布，通常为15.6x 15.6cm²。

然而，当前基于激光的光致发光成像系统具有很多缺陷。首先最主要的是光的安全问题，尤其是激发光位于750至1000nm范围内（如通常用于硅样品的），其能够聚焦在视网膜上而不产生保护性眨眼反应。因此，光致发光测量室必须被光隔离，需要光闸、门或同等装置，这增加了样品转换装置进出室的复杂度和成本。

其次，目前的光致发光成像系统要求样品固定以避免光致发光图像的模糊。这是因为通过大范围激发从众多硅样品，特别是未加工的或未钝化的硅样品中辐射出的光致发光，强度之低以至于即便是最灵敏的硅CCD照相机也要求至少1s的曝光时间从而来获取足够的光致发光信号。尽管该“固定的样品”的要求对于线下应用来说是能够接受的，但对于在线应用时就非常困难，而有利于避免个体晶片的停止/启动，尤其是对于易碎晶片或大量或快速生产线来说。

当前系统在其区分半导体材料或由半导体材料制造出的光伏电池的不同材料特性或缺陷的能力，所述材料特性或缺陷如分流、位错和裂纹，或在众多其他特征中识别出某一特征存在的能力，也会受到限制

本发明的目的在于克服或改进现有技术的至少一个缺陷，或提供有用的可选方式。本发明的优选方式的目的在于提供一种在生产过程中无需中断生产线上设备的运行而采集半导体设备的光致发光图像的方法和系统。本发明优选方式的另一目的在于提供一种通过降低光线安全要求来采集半导体光致发光图像的方法和系统。

发明内容

根据第一方面，本发明提供了一种用于分析半导体材料的方法，所述方法包括应用高强度源进行足够长时间的照射，从而从所述材料上产生光致发光，获取所述光致发光的图像，以及分析所述图像以确定半导体材料中特征或缺陷的位置和/或性质。

在优选实施方式中，照射源为对视力无害的光源，更优选的为非激光光源。在另一实施方式中，光照由脉冲光源、LED或激光系统产生。在格外优选的实施方式中，光源为闪光灯。在另一实施方式中，光源包括一个或多个发光二极管（LED）。在另一实施方式中激光照射系统被改进了，其整体输出为视力无害的。如上所述，现有技术中的激光光致发光成像系统具有显著光安全问题。激光光源以及包括激光光源的照射系统的潜在危害，来自于它们比其他光源亮得多的事实，而亮度（以每单位立体角的每单位面积上的功率为单位）可被定义为通过一个孔径（例如激光输出装置）的光功率除以远场光束相对的立体角。当通过人眼观看极亮光源时，不管是直接观看或通过中间光学系统观看，视网膜上形成的图像强度极高，可导致几乎瞬时的和永久的损伤，所述中间光学系统可以是准直透镜。然而，尽管采用非激光光源的近红外光照射时这发生可能性较低，所述非激光光源可以是来自于高功率LED，监管的要求不太繁重，但需要理解的是因为亮度是关键参数，光安全问题不能仅仅因为系统采用了非激光光源就被简单的忽略掉。更确切的说关键因素在于进入瞳孔的光强度和在视网膜上的图像尺寸。考虑到这一点，对于光致发光成像系统来说，优选采用相对低亮度、视力无害的照射系统。重要的是，我们将表明提供对于硅和其他间接带隙材料的具有视力无害照射系统的高强度光照是可能的。此外，即使照射系统本身不是对视力无害的，有可能光致发光成像系统作为一个整体是视力无害的而无需诉诸于严格的激光安全测量，例如安全快门和联锁装置。

利用高强度光照来产生光致发光具有时间和成本上的显著优势。例如，闪光灯设备通常要比激光光源便宜并且如果应用正确的话，能够提供足够的能量来在非常短的时长内产生光致发光效应，相对于常规激光光致发光成像系统来说，所述时长最高为100毫秒，优选最高位10毫秒且最优选的为几个毫秒。

术语“高强度”是指相对于利用常规传感器和激光技术用于获取常规光致发光图像的照射强度较高的照射强度。进一步解释，利用常规硅CCD照相机，光致发光（PL）图像可以通过1Sun或2Sun的激光照射被获得，其中1Sun被认为相当于100mW/cm²。申请人发现通过应用闪光灯、脉冲激光、LED等在相对于传统强度的更高的量级水平（例如50Sun或更高）进行照射，晶片的光致发光响应明显不同并且导致光致发光图像与常规光致发光图像明细不同。这就允许操作者能够确定其他通过常规技术不能确定的半导体特性。

通过其他系统，例如利用不同的照相机，“高强度”意味着在6-8Sun或更高水平的照射。例如，正如接下来将被阐述的那样，具有利用了硅CCD照相机的混合闪光照射-时间延迟积分（TDI）设置的光致发光成像系统，与标准“停顿样品和曝光”图像模式中的2Sun和硅CCD照相机相比较，采用了相对较高的8-16Sun左右的强度照射。而且，采用可替代的传感器，如MOSIR（光阴极CCD）照相机，被应用于晶片的绝对强度可低于50Sun，但当其通过传感器被观看时仍然被视为是“高强度”。相应地，术语“高强度”不应被视为一个绝对值，而是应该被视为相对于常规系统的“高”，在所述常规系统中，样品为了光致发光响应的测量而被停止。对于本领域技术人员来说，这受到测量技术和所采用的传感器的影响是明确的。

在某一方面，“高强度”可被认为是所需的照射强度相对于照相机和样品灵敏度的比率。例如，在之前的系统中，采用1Sun的光照照射原料晶片并通过CCD照相机以1秒的捕捉时间捕捉，而在新系统中，对于10Sun或更高的光照照射预扩散晶片并通过InGaAs照相机，仅需要1毫秒的捕捉时间。类似地，对于100Sun光照照射预扩散晶片并通过硅CCD照相机，捕捉时间可以为1毫秒。光致发光辐射的相对灵敏度被提高后，例如通过采用InGaAs照相机，所需的照射强度相应地下降了10倍或更多。这还具有另一优点，对于同样的强度水平所需时间得以缩短。优选地修改相应的光学系统以去除杂散光、入射光等，即根据每一照相机和光源的结合进行优化。换句话说，照射强度是相对照相机灵敏度对光致发光辐射的函数，优选地通过优化了的光学滤波。

通过“闪光”照射我们是指短持续时间的强度照射，优选地采用闪光灯、脉冲LED等。应用于半导体材料的光照通常为50至1000Sun（5-100Watts/cm²）之间，优选地为75至200Sun，且最优选的为100Sun。该光照通常在几分之秒内被产生，例如100毫秒，优选地为10毫秒且最优选为几个毫秒以内。在一些实施方式中，该光照能够在1毫秒或更短时间内被产生。

光照还能够通过能够产生高强度照射的脉冲激光被产生。在涉及视力无害的利益时，该脉冲激光能够在非常短的时间内以低能量脉冲照射样品，例如照射时长小于1微秒。或者，更长的脉冲或甚至是连续波长激光辐射能够以较小危害的形式通过机械搅动光学部件中的一个来产生，例如光学系统中的镜子，将形成在视网膜上的图像涂抹出，从而减小了视网膜上的有效强度以及由此产生的热效应。

在第二方面，本发明提供了一种用于产生半导体材料的光致发光图像的方法，所述方法包括以下步骤：采用至少一次强度为50-1000Sun的脉冲对所述半导体材料进行照射，照射时长不超出100毫秒；以及捕捉光致发光响应作为图像。

在优选实施方式中，高强度照射由被应用于正在移动的半导体材料上的闪光灯产生。快速能量应用和图像捕捉系统为获取移动中的半导体材料的光致发光图像提供了机会。由于在采用硅照相机的常规系统中，产生光致发光和捕捉图像的所需时长，通常必需停下半导体材料以避免图像的模糊。采用上述闪光的系统允许在几分之一秒内引入光致发光并捕捉光致发光效应作为图像，例如10毫秒或优选为5毫秒或最优选的为几个毫秒。我们注意到可能需要相当长的时间来读出图像，这取决于照相机技术，但这并不影响捕捉到最小模糊图像的能力。

在第三方面，本发明提供了一种用于在半导体材料内产生光致发光响应图像的方法，所述方法包括以下步骤:充分照射半导体材料以产生光致发光响应；以及通过硅照相机在100毫秒内，捕捉光致发光响应的图像。

在第四方面，本发明提供了一种用于在硅样品内产生光致发光响应图像的方法，所述方法包括以下步骤：充分照射硅样品以产生光致发光响应；以及通过照相机在10毫秒的内捕捉光致发光响应的图像，其中，所述照相机捕捉到基本上所有的硅的光致发光响应。

优选地光致发光响应通过照相机被捕捉，所述照相机捕捉大部分或全部的依赖于样品的类型光致发光辐射光谱，所述照相机可以是基于硅传感器的照相机、基于化合物半导体传感器的照相机或基于化合物半导体光阴极的照相机。

优选地半导体材料为间接带隙半导体材料，例如硅。本发明方法可被应用于该半导体材料，所述半导体材料可以为锭、块、晶片或成品或部分成品光伏设备。

如上所述，高强度照射光源可以是激光光源，或诸如闪光灯、LED等的非相干光源。不考虑光源的性质，照射系统的整体亮度优选为足够低或曝光时间足够短，例如几个毫秒，以减少光安全防护的需要。

在某些程度上上述过程的时间上限取决于传送带速度。现有技术中的传送带速度在每秒100毫米至每秒200毫米之间，电池生产线的传送带速度约为晶片生产线的两倍。为了减少或避免1像素的模糊，必须听停下或减慢样品，或优选地，对于160μm的样品像素尺寸且每秒150毫米的传送带速度来说，在小于几个毫秒的时间内照射样品并捕捉光致发光响应作为图像，优选地小于1毫秒。优选照射时间取决于线速度、像素尺寸和可接受的模糊水平。

在第五方面，本发明提供了一种识别半导体材料中缺陷或特征的方法，所述方法包括以下步骤：获取来自所述半导体材料的具有第一照射强度的光致发光响应的第一图像；获取来自所述半导体材料的具有第二照射强度的光致发光响应的第二图像，其中，所述第一照射强度高于所述第二照射强度；以及对比所述第一照射强度和所述第二照射强度。

在第六方面，本发明提供了一种区别半导体材料内缺陷或特征的方法，所述方法包括以下步骤：将预定水平的高强度照射应用到半导体材料上，其中，所述高强度照射适用于获取具有预定缺陷或特征的光致发光响应；捕捉由此产生的光致发光响应；以及分析所述光致发光响应以确定该缺陷或特征的存在和/或位置。

在第七方面，本发明提供了一种识别半导体材料中缺陷或特征的方法，所述方法包括以下步骤：获取通过采用至少6Sun强度的照射从半导体材料产生的光致发光响应的图像；以及处理所述图像以获取有用的信息。

申请人已经确定了采用高强度照射相对于常规低强度光致发光成像系统的显著的和意想不到的优点。半导体材料或光伏电池中的特定缺陷的光致发光响应根据照射强度的不同而不同。即某些缺陷在通过高或低强度的光照射所产生的光致发光图像中呈现得不一样。这一差别效应可提高操作者分辨半导体材料中缺陷的能力，而这一能力要强于仅采用常规低强度光致发光成像中操作者分辨缺陷的能力。

申请人还确定了由高强度光照照射所产生的光致发光图像其本身在指示某些特征的精确位置时更加的精确。例如，裂纹在通过高强度光照产生的光致发光图像中呈现的更加清晰和明显。这是显著的和非常令人吃惊的，提供了相对于现有技术显著的优点。

上述高强度光致发光成像系统可以被用于整个光伏设备的生产线中。其可以被单独被使用，或是优选地结合其他成像和测试设备一起被使用。

在这方面，在第八方面，本发明提供了一条用于光伏设备生产的生产线，所述生产线包括若干工艺步骤以将半导体材料转换为所述光伏设备，所述生产线包括至少一个分析设备和图像捕捉设备，所述分析设备包括高强度照射系统，用于对所述半导体材料进行强度至少为6Sun的照射，所述图像捕捉设备用于获取所述由被照射半导体材料发出的光致发光的图像。

上述光致发光成像系统可被用于整个光伏设备的生产线上。它们可以单独被使用，或是优选地结合其他成像和测试设备一起被使用。

在第九方面，本发明提供了一种分析半导体材料的方法，所述方法包括以下步骤：通过采用强度至少为6Sun对所述材料进行足够长时间的高强度照射，使其产生光致发光；以及获取所述光致发光图像，其中所述照射由对视力无害的照射系统产生。

如上文所述，闪光、LED或脉冲激光是适用于光致发光成像的高强度光源。光致发光成像系统包括高强度激光光照系统，是对视力无害的，如之前讨论的一样，通常要求昂贵复杂的安全设备和光学装置。但视力无害的高强度光照系统的使用包括光源，如闪光灯、LED、低脉冲能量激光等，不仅仅产生了优良的光致发光图像，还基本上降低了与确保光照密封性相关的成本。

上述高强度光致发光成像系统可被单独使用，或优选地结合低强度光致发光成像系统一起被使用，而且还可与其他测量技术一起被使用。在这一方面，在第十方面，本发明提供了一种用于确定成品光伏电池质量的装置，所述装置包括（a）高强度光致发光系统，和至少一个（b）低强度光致发光系统，以及（c）用于确定电池串联电阻的元件。

上述光致发光成像系统可作为独立的测量工具被使用，或者还可集成进工艺工具被使用。在这一方面，在另一方面，本发明提供了生产工具，所述生产工具包括至少一个光致发光测量系统和一个工艺生产系统。

本发明还提供了一种包括计算机可用介质的制品，所述介质具有计算机可读程序代码，所述程序代码可配置为执行上述方法，或操作上述生产线装置。

在另一方面，本发明还提供了一种光致发光效应的图像，所述光致发光效应通过在此之前所描述的高强度照射的闪光光照所照射的半导体材料而产生的。

本发明还提供了将额外激励应用于半导体材料上的主要的优点。该激励可以是将热能应用于材料商，因为不同特征的电气特性具有不同的温度相关性是已知的。例如，在一些应用中，多晶硅电池的光致发光图像可在高温下被获得，例如200°C，此时图像中寿命的相对变化被强烈地抑制了，而裂纹还保持清晰可见。但是，高于约200°C时，来自电池（以及加热单元）的热辐射成为主导信号并且使传感器达到饱和，使得常规或低强度光致发光测量成为不可能，这是因为图像捕捉时间约为1秒时热辐射很容易就使得CCD照相机饱和了。

另一方面，本应用可用于电池的高强度照射，此时不要求长图像或捕捉时间。例如，当采用闪光灯照射半导体材料时，光致发光响应可在约1毫秒内被捕捉。如此短的响应或采集时间意味着来自被加热晶片的热辐射信号比常规系统的要低1000倍，即1毫秒相比于1秒。

当采用硅CCD传感器时，这是非常有用的工艺。采用InGaAs照相机还允许更短的测量时间，但其测量的波长要长于硅CCD照相机，因此对于来自于晶片或电池的热辐射也相对更加敏感。

本发明工艺的该实施方式对于在两个关键生产阶段的高温下的晶片是非常重要的，所述两个阶段为扩散和点火。例如，光致发光成像系统可以在扩散之后或点火之后被集成。在点火之后提供这一成像系统是优选的，这是因为通常晶片通过点火工具是线性的，即一个接着一个，而扩散是一个间歇过程或多个晶片被并行处理。

由此得到的高强度图像，优选的是通过闪光灯照射所获得的图像，将会非常有用。并且样品不一定必需在过程中被置于恒温环境中。实际上，高强度（例如闪光）图像可以在冷却步骤过程中被获得，如果需要的话。在该方法中，可以确定的是不管点火/扩散步骤和/或冷却步骤会对晶片产生不利的影响。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施方式并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为适用于半导体样品在线光致发光成像系统的侧视图；

图2为根据本发明实施方式所述的光致发光成像系统的侧视图；

图3（a）和图3（b）为根据本发明的优选实施方式所述的闪光灯和照相机布置的俯视图和侧视图；

图4（a）和图4（b）表明分别以1Sun和100Sun的强度照射硅光伏电池前驱所采集到的光致发光图像；

图5（a）、图5（b）和图5（c）阐述了指形分流在不同强度光照下所产生的光致发光图像中是如何呈现出不同的；

图6（a）、图6（b）和图6（c）阐述了不同的照射强度对应的不同的分流和位错响应；

图7为将闪光光致发光成像系统结合进半导体设备生产线的示意图；

图8和图9为通过LED阵列进行照射的光致发光成像系统的侧视图；

图10（a）、图10（b）和图10（c）为采用时间延迟积分的具有高强度照射的光致发光成像系统的示意图。

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。

众所周知，光致发光（PL）成像是在制造过程中以及之后用于表征硅锭、硅块、硅晶片以及硅光伏（PV）电池的快速方便的技术，其所利用的系统和方法如公开号为WO 07/041758A1的已公开PCT申请中所述。硅发出的光致发光主要产生于900-1300nm波长范围内的带间复合，并且能够提供关于与光伏电池性能相关的多项材料、机械和电学参数的信息，其中包括少数载流子扩散长度和少数载流子寿命，以及某些材料的杂质和缺陷对这些特性的影响。

图1表明了适用于在诸如硅光伏电池的半导体设备生产过程中无需将半导体设备移出生产线即可采集光致发光图像的光致发光成像系统2。该系统包括与连续带式生产线相接的两个外部传送带4以及将样品8送入测量室10内站点的内部传送带6。在测量室内，相干激光光源14发出的超越带隙光16以宽范围光激发样品所产生的光致发光12通过集光系统20被引至如硅CCD照相机的成像探测器18，优选地，该系统包括用于改善宽范围激发的均匀性的均化光学器件22，还包括置于探测器前面的用于阻隔激发光的长通滤波器24或集光系统。该系统还可包括一个或多个用于选择光激发的波长范围的滤波器26，以及如果有必要还包括遮光快门28，其打开让样品进入或移出测量室10从而满足光安全的要求，即否则的话系统可能对视力有害。在采用手动样品搬运的孤立系统中，例如对硅晶片或光伏电池进行的线下检测，则无需传送带，但一些现在存在的光安全问题，将来仍然会存在。

但是，根据上文所述的，有利于避免必须将样品带入测量站点。特别有利于仅包括照相机、光源和光学系统作为主要硬件部件的光致发光成像系统，其可以被置于光伏电池生产线的任意位置，例如置于沿生产线方向的承载样品的传送带上，而无需例如为了满足严格的光安全要求作特别的修改。对本发明的描述将参考不同的用于采集硅光伏电池和电池前驱的光致发光图像的系统和方法，但这些系统和方法还可应用于基于其他间接或直接带隙半导体的光伏电池和电池前驱或其他设备。

在第一种实施方式中，如图2所示，以下称为“高强度光致发光”系统，在传送带36上移动的电池或电池前驱8的大体区域（优选至少1cm×1cm，更优选的为整个区域）被高强度光源30发出的激发光16照射，所述高强度光源30可以为氙闪光灯、脉冲LED或其他非激光光照射源，或是具有短脉冲周期（如小于1ms）的激光光源，并且由此导致的光致发光辐射12通过硅CCD照相机18（或其他任何能够捕捉位于900nm到1300nm波段内的部分或全部光致发光的照相机）被采集。其他部件通常包括激发滤波器26、光致发光集光系统20以及长通滤波器，如图1中的系统所示，还可包括反射镜32，用于将大部分激发光会聚至样品上。若激发光来自于宽带光源，如闪光灯，则激发滤波器26相比激光激发显得更加重要，这是因为必须阻止位于光致发光辐射波段的激发光抵达照相机。整个高强度光致发光系统27优选地被密封在箱体29内，稍后将作讨论。

在图2系统中图像采集时间将取决于光照脉冲和照相机快门时间的叠加，通常二者均为短时间是较为有利的。照射时间应该较短，从而降低功耗并避免激发滤波器和样品的过热，需要牢记的是，为了在短采集时间内产生足够的光致发光信号，通常要求高光照强度。优选地，照相机快门与脉冲激发光源大体上同步，而受到快门速度的限制；例如，市售机械快门的激活时间通常为毫秒量级。如果辐射寿命足够长以致于可以让样品在光致发光辐射衰弱前移动一个显著的距离（例如，相当于多个照相机像素的距离），照相机快门打开时间过长会导致图像模糊，尽管这仅仅对于非常高的载流子寿命的样品来说可能是个问题，例如钝化的单晶硅其寿命可超过几个毫秒。对于载流子寿命大多为几百个微秒的多晶硅晶片来说，这种影响有望忽略不计。在优选实施例中图像采集时间足够短，以致于使得样品的移动距离不大于约相当于成像照相机中一行或两行像素或者更少的距离。该准则取决于样品的移动速度以及在照相机中的像素行数，但仅通过举例的方式，对于产量为每秒一片晶片的光伏电池生产线（即生产线速度为15cm/s）以及100万像素的照相机（1024×1024像素）来说，相较于在每秒一片晶片的生产线上将样品送入站点的在线检测所允许的1s采集时间，本准则建议图像采集时间为1ms或更短。

大幅降低被允许的采集时间显然对于测量足够的光致发光信号是个挑战，但是能够在很大程度上通过市售闪光灯的高强度来的得到补偿。我们已经阐明通过闪光灯照射标准硅光伏电池（15.6cm×15.6cm）的强度高达1000Sun（100W/cm²），尽管光致发光信号不一定与照射强度呈线性，但通常情况是越强的照射强度会产生越强的光致发光信号。进一步解释，相关性在低注入水平（即低照射条件）时基本上为线性，这是因为光致发光信号与少数载流子浓度成正比，而在高注入水平时相关性变为二次方程式，与损耗机制的成卷积关系，所述损耗机制如俄歇复合。不管怎样，可以看出我们已经能够以毫秒时间尺度照射曝光来采集硅光伏电池前驱的光致发光图像，从而促进了在线检测。处理图像所需要的时间一定会长于照射/曝光时间，这是因为事实上对于硅CCD照相机来说处理图像所需要的时间包括了约为700到1000毫秒的读出时间。然而大多数照相机是肯定能够跟上一秒一片晶片的线速度。

正如上文所述的，脉冲激发也是可能的。光致发光强度与电子浓度和空穴浓度的乘积成正比，即I_PL∝n×p。随着照射强度的增强，光致发光相对于照度的响应也因此从过剩载流子浓度Δn（在低注入条件）成线性关系转变为与受不同损耗机制影响的Δn（在高注入条件）的二次方成正比。在许多情况下，理想的是通过最小曝光时间获得具体光致发光强度。由于相对于过剩载流子的二次光致发光响应，在强度足够高能够达到高注入条件的情况下利用高照射强度是有利的。

闪光照射是获取高照射强度的可能的方法。另一方法是利用脉冲光源，相比于具有相同平均光功率的连续波（cw）光源，脉冲光源能够达到更高的瞬时强度。因此相同的平均光功率就能够获得更高的光致发光强度。由于光致发光响应不再线性依赖于过剩载流子浓度，在高注入时对光致发光进行定量分析显得更加困难，因此对于仅需要分析空间特征（图案）而非绝对光致发光强度情况，上述方法更加令人感兴趣，例如对切割多晶硅晶片的表征。

利用闪光灯照射的具体优选实施方式如图3（a）所示，包括在光照一侧的产生1毫秒的脉冲的Broncola环形闪光C30，其中，所述脉冲在穿过激发滤波器26后以10-1000W/cm²（100至1000Sun）的强度照射硅样品8，而所述激发滤波器26包括6mm厚的KG1肖特玻璃短通滤波器。在成像一侧本系统包括集光器件20、长通滤波器24和用于采集图像的100万像素的硅CCD照相机。本系统还包括一个柱面反射镜37，当样品上的光照强度大于要求时（例如1000Sun），与屏蔽板39一起阻止激发光进入照相机。如图3（b）的俯视图所示，环形闪光灯30允许照相机18被安装在中央，使得二者的指向均能够与样品的表面正交以获得相对于图1和图2所述布置更强的照度和更好的成像均匀性，而在图1和图2中，照射源14和照相机18中的其中一个或二者相对于样品8表面成一角度。这一设置的好处还在于使得系统整体更为紧凑，更重要的是，照相机和闪光灯均可以被设置得离样品更近，但不会遮挡视线或造成阴影。将闪光灯和照相机设置得离样品更近，还将改善光照和成像系统的效率。

相对于激光照射器，尤其是近红外激光照射器，闪光灯更为优选，这是因为无需过多地考虑光安全方面的问题。尽管闪光灯为高强度光源，其扩展规模意味着在平常的观看条件下，视网膜上的成像比现有技术中的激光光源更大，从而降低了对视网膜的热伤害。热伤害通过平常的闪光灯的短脉冲长度得到进一步的降低。闪光灯照射器还具有降低成本和轨迹的优势。

参考图2，如上文所述，激发滤波器26是带有宽带闪光灯照射器或其他高强度光源的重要部件，这是因为将位于光致发光辐射波段内的激发光移出是非常必要的，并且还有诸多因素需要被考虑到。尽管介质滤波器较吸收滤波器具有更陡峭的由高通至低通的过渡，其对于光致发光辐射在量级上弱于照度的间接带隙材料而言尤为重要，其传输具有很强的角相关性，从而导致起始/截止波长根据入射角而变化。来自激光的相干定向辐射对介质滤波器的高效滤波易于被准直，但对于来自闪光灯或LED的非相干的以及大体上各向同性的辐射来说这就能难实现，从而优选吸收滤波器或吸收滤波器与介质滤波器的组合。肖特公司的KG1滤光镜就是适用于硅样品光致发光成像的短通吸收滤波器的例子。我们注意到那些发射出窄波的灯，如能发射出约590nm的极窄双峰低压钠灯，这也许在那些易于将光照与硅光致发光辐射分开的情况下是有利的。

除了具有从高通到低通的稍平缓的过渡，吸收滤波器还会存在发热的问题，特别是对于闪光灯的激活频率需为1Hz或更高的光伏电池/前驱的在线检测。可以有多种可能的方法来解决该发热的问题，包括固体吸收滤波器的有效的空气或液体冷却，以及利用吸收液通过流通池可被重复循环利用的液体滤波器，所述流通池可由玻璃构成，如果必需的话，可以采用热交换器。有机染料的解决方法，例如Exciton公司的IRA955和IRA1034红外吸收器的结合，可适用于移出光致发光辐射波段内的激发光。在滤除闪光灯辐射时，有机物的紫外稳定性也是一个问题，但通过选择玻璃流通池材料，或通过在滤波器或冷却液（若使用）中添加紫外吸收材料，都能够阻隔掉大多数紫外光，不管怎样，对于闪光灯的给定系统的最优解决方法，样品材料和照相机技术可以包括滤波器和冷却技术的结合。

图4（a）表明具有发射极层的市售钝化多晶硅晶片8的光致发光图像，所述图像通过常规的光致发光成像系统采集，其中晶片由近红外二极管激光器以1Sun（100mW/cm²）的强度被照射，而图像由硅CCD照相机在2秒的曝光时间内对图像进行采集。图像显示了4条特意被引入的裂纹40A至40D以及一些象征着低载流子寿命材料的暗斑42。图4（b）表明通过基于闪光灯的高强度光致发光成像系统所采集到的相同样品的光致发光图像，其中氙闪光灯发出强度为100Sun的1ms脉冲通过650nm短通吸收滤波器照射晶片。两张图像的对比恰恰表明以闪光灯照射所采集到的图像中的所有特征均更为鲜明并且低寿命区域也较为明亮。图4（b）图像中呈现的大而稍亮的特征43透过晶片为支持在后可见，其在成像波长处基本上为透明。

图4（a）图像中的模糊的产生于从高寿命区域流入了相邻的高杂质（即低寿命）区的横向电流，从而平衡了带电载流子的分布。该电流主要产生于为了高效光伏操作的具有薄层电阻的发射极层，其能够实现在1Sun照射强度下的低损耗载流子传输。更高的照射强度会产生更多的带电载流子，导致了更大的横向电流，在这种情况下发射极薄片电阻会导致更高的传输损耗，有效地隔离了高缺陷区域与周围的高寿命区域。如图4（b）所示，对于100Sun的照射横向载流子传输被减少到裂纹40A至40D更加清晰的显现的程度，减小了裂纹探测算法遗漏裂纹或报错的几率。例如，图4（a）右上方的裂纹40A由于附近的其他低寿命特征很可能在图4（a）图像中被遗漏掉。

分流是另一个导致光伏电池效率降低的因素，并且会随后导致更严重的问题，比如热点和模块故障。分流最常见的原因在于发射极层的卷绕，但分流还可由材料掺杂物或金属火焰遍及所导致。严重的分流电池目前通过位于生产线结束端的电流-电压（IV）测试器来检测，但是具有高空间精度的更早的检测将是有利的。例如，定位分流的能力，比起IV测试器从对于电池效率的全球效果仅仅检测它们的存在，是很重要的，对于补救行动是重要的，例如一些光伏电池制造商目前所实施的激光隔离。

众所周知，分流的位置能够通过热（中红外）照相机来确定，但我们相信光致发光成像提供了更实惠和更快的选择。申请人观察到光伏电池中的分流在通过有不同照射强度所采集到的光致发光图像中的呈现完全不同，这还是因为横向载流子在高照度下传输受到了限制。在低照度时分流呈现为模糊的暗斑，因为其将带电载流子从相邻区域拖了进来，而在高照度时其变得更加局限。这种不同的可视效果对于分流来说特别明显，这是因为电流的流进取决于对照射强度的对数，而对于大多数其他复合缺陷来说是呈线性关系，所述复合缺陷包括位错、裂纹和杂质，这就意味着高/低照射强度下光致发光图像的对比对于将分流从其他缺陷中区别开是格外有价值的。为了阐述这一点，图5（a）、图5（b）和图5（c）表明具有分流指的硅光伏电池的光致发光图像，所述图像是通过1Sun、100Sun和1000Sun的照射强度分别照射样品所采集到的。在低强度的图像中（图5（a））指分流由大的模糊暗斑60可以清晰的辨认出，但它的精确位置则很难确定，并且模糊黑暗区域也掩盖了如位错群62的其他特征，其也许是令人感兴趣的。随着照射强度的增加（图5（b）和图5（c））指分流64逐渐地显得更加局限，而与在每张图像中或多或少相同的位错群相比具有明显区别。

类似的，图6（a）、图6（b）和图6（c）表明在大位错群62中具有一组分流66的硅光伏电池的光致发光图像，该图像通过由1Sun、100Sun和1000Sun的照射强度分别进行照射所采集到的。正如之前的例子，随着照射强度的增加，分流呈现得越来越窄，而位错群则显得基本没有发现变化。图6（c）中（最高照射强度）两个独立分流66的位置在大位错群62中被指示出来。明显地，图像的结合使操作者或图像分析程序能够对这两种缺陷类型进行区分。

本发明技术还对在选择性发射极结构中寻找缺陷和其他特征很有用。这一方面利用了在具有发射极的样品在高照射强度下发生的较少的横向模糊。选择的发射极结构利用多种处理方法以在另外的均匀轻度掺杂表面区域产生高掺杂区域（通常为线条），随后利用印刷或电镀对该高掺杂区域进行金属化。分流或其他缺陷能够在掺杂和/或金属化过程中在本地被引入样品中。高光照强度的光致发光成像，如闪光灯，或高照射强度和低照射强度的光致发光图像的对比，允许这些缺陷和位错的确切位置和形状相比于普通低强度光致发光成像而言，能够更加精确地被识别，所述低强度光致发光成像可以是1Sun图像。

上述过程的高强度照射还可以被用于对扩散和后扩散的过程进行监测，接下来将对其进行介绍。

发射极内的复合式太阳能电池损耗机制的其中之一。发射极复合是降低有效过剩载流子寿命和光致发光信号，特别是高过剩载流子浓度的过程。除了过剩载流子浓度，发射极复合的量也取决于衬底的本底掺杂、发射极掺杂分布以及表面钝化。由于发射极复合在更高的过剩载流子浓度时相对于体复合的增加（可能成为主导），在高照射强度下得到的光致发光图像相比在低照射强度时得到的光致发光图像来说受发射极复合的影响要的更大。因此，关于发射极品质的定性或定量的信息能够从单张在高强度照射下得到的光致发光图像处或从两张光致发光图像的对比中获得，其中，该两张光致发光图像中的一张为在高强度照射下获得，另一张在低强度照射下获得。当上述是在扩散过程之后实施时，提供了对扩散过程的监测。当在后扩散步骤之后实施时，则提供了对该步骤和扩散步骤之间的过程的累计效果的监测。当在后扩散步骤之前和之后实施时，在该步骤之前和之后就确定的发射极品质的对比提供了对过程步骤的监测。

现在转向高强度光致发光成像的工业实现，我们相信高强度系统可能非常适合于在光伏电池生产线上对设备的在线检测。如图7所示，高强度光致发光成像系统27可安装在位于传送带36的上方的简单的盒子29里，并被设于全部或选择的工序站38之前或之后，其中，所述传送带用于沿生产线搬运半导体设备8。在一条硅光伏电池生产线上，独立站的工序通常包括锯损坏蚀刻、发射极扩散、氮化硅沉积、金属接触印刷、热处理、边缘隔离和IV测试。全部或大部分设备在进入或离开所选工序站点时能够以非接触方式被检测，并且其沿生产线的移动不会被打断，从而为设备的质量控制和不同站点的过程控制提供了强有力的手段。高强度光致发光成像系统优选地以某一形式被封闭安装，如图7所示，以为光源和操作者之间提供一段较大的距离，并至少阻碍对光源的直接观看（即光必须从样品或其他物品上反射回来）。但是，该简单封闭与光遮挡快门的复杂系统不同，所述光遮挡快门在一些激光安全条例中可能被要求；如果光致发光成像系统作为一个整体式是对视力无害的，则光遮挡快门就不是必需的，从而简化了生产线的自动化和集成化。在某些实施方式中，因为光照系统是对视力无害的，所以光致发光成像系统作为一个整体也是对视力无害的。在另一些实施方式中，即便光照系统不是对视力无害的，光致发光成像系统作为一个整体通过采取某些措施依然对视力无害，比如，通过防止直接观看光照系统输出，或者增设生产线防护装置，以在操作者和光致发光成像系统之间提供一段最小距离。我们注间到，照相机越敏感（例如下文指出的InGaAs照相机），则如图7所示的配置就能够以越低强度的光源或甚至越短的光照周期进行照射。

之前介绍的光致发光成像系统的实施方式，特别是在那些光安全要求较低的或没有光安全要求的优选实施方式中，一些对目前激光安全标准进行的讨论和一些对光安全要求较低的光致发光成像系统的生产策略进行的讨论是有用的。正如之前提到的光源的亮度是一个关键的参数，其可被定义为穿过小孔的光功率除以小孔面积除以与远场光束相对的立体角，不能仅仅因为系统采用的是非激光（非相干）光源就忽略掉光安全的问题。

在澳大利亚和新西兰，激光分类标准和安全要求见AS/NZS 2211.1:2004以及与此相关的指南（AS/NZS 2211.10:2004），基于国际标准IEC 60825-1:2001。在激光安全中的一个重要概念就是“最大允许曝光（MPE）”水平，其在标准中其被定义为“在正常的环境下，暴露在外的人不会受到有害影响的激光辐射水平”。该定义进行一步说明“MPE水平表示眼睛或皮肤被暴露在外而不会立刻或是长时间之后造成损伤的最大水平，并且与辐射的波长、脉冲持续时间或曝光时间、处于危险的组织、对于范围为400nm到1400nm的可见和近红外辐射的视网膜图像大小有关”。

由于适用于从硅中产生光致发光的光的波长在400到1400nm范围内，视网膜图像的尺寸成为光致发光成像系统中光安全的关键因素。在一定范围内，尽管在某一最小图像尺寸以下不再减少且在某一最大图像尺寸以上不再增加，但最大允许曝光水平随着视网膜上图像尺寸的增大而增大。为了定量的目的，标准采用了对视网膜图像尺寸的角度测量，所述角度为在眼睛处相对于光源的角α。这通常被认为是“弦对角”，并且角度值大约为光源大小除以光源到眼睛的距离所得的结果。对于某一图像尺寸来说，如果低于该图像尺寸时最大允许曝光不再进一步减少的话，那么代表该图像尺寸的弦对角则被称为“α_min”（1.5mrad），低于这的曝光条件被称作“点光源观看”。“扩展光源观看”条件应用于α_min以上的弦对角，随着弦对角从α_min开始逐渐增大，最大允许曝光水平也随着增大，直到其达到最大值即α=α_max(100mrad)，而最大允许曝光水平在超过该值时为常数。如果源辐射被照射光学系统所更改，如图1至图3所示，则用于最大允许曝光目的的“视光源”为产生最小视网膜图像的真实的或虚拟的图像，而注意到这点是很重要。在本说明书中，术语“照射器”用于指代光致发光成像系统中用于对样品进行光激发的部分。照射器包括一个或多个光源，可能还包括滤波器和聚焦光学器件在内的其他部件。

标准规定，采用被称为“可接受的发射极限”（AEL）的限制在系统中对激光产品进行了分类，从第一类“在合理和预见条件操作下安全”，至第四类“通常足够强以至于烧伤皮肤和导致火灾”。可接受的发射极限来自于利用限制孔径的最大允许曝光，并且可以作为功率限制、能量限制和辐照度限制、辐射曝光限制、或上述限制的结合。限制孔径通常为7mm，代表在“最坏情况”下的扩散的瞳孔。尽管符合第一类可接受的辐射极限是必须的，但其还不足以制造第一类的激光产品，还有其他的限制的存在，在本说明书中，如果光致发光成像系统符合第一类可接受的辐射极限，那么它将作为一个整体被认为是“对视力无害的”。类似地，如果成像设备的照射器部分符合第一类可接受的辐射极限，它也将被认为是“对视力无害的”。

相对高亮度的光源，其通常要求在在线应用的时间尺度上获取硅光伏样品的光致发光图像，由于其即使是离开一定的距离也可导致在眼睛处相对高的强度，或相对小的视网膜图像（相对应的低MPE水平），因而会存在潜在的危险。然而要去确定实际的危害，必须要结合观察条件去考虑亮度，特别是要结合弦对角。观察条件的重要性将通过接下来的具体实施来被阐述。根据IEC 60825-1:2001中规定的计算方法，如果808nm的CW激光产品的辐射在点光源观察条件下（即弦对角α<α_min）通过7mm直径的限制孔径后不超过0.64mW,那么它仅能被归类为第一类（即不超过第一类AEL）。相反，对于α≥α_max(100mrad)的扩展光源观察条件，通过7mm直径限制孔径的第一类AEL为42mW（即高出65x）。

常用的最亮的光源为激光光源，相比于非激光（即热的）光源而言，其具有高时间相干性（或等同的，相干长度）。因为相干性是激光过程的固有方面，因此相对于实现最高亮度实际光源，相关性较热光源的更高可以被认为是必要条件。但是，相干性并非暗指亮度，因为其不是一个充分条件。总之，不同激光类型间的相干长度差异很大（超过多个量级），但这并不一定与亮度相关。例如，激光光源的相干长度可以通过利用高品质因数（Q）谐振器被增大，但消耗了输出功率，这就意味着当光束准直（亮度定义的“每单位立体角”部分）增大时，降低的输出功率减少了亮度定义的“功率每单位面积”的部分，从而抵消了亮度的潜在增加。

光学器件可以被加入到光源中，从而降低亮度，而不改变相干性，一个简单的例子是利用吸收滤波器来任意降低亮度而不改变其相干性。用于本发明所述的光致发光成像系统的重要的现实意义是照射器的设计，其可以降低亮度而不明显降低样品上的照射强度，所述样品通常为全部或部分晶片或光伏电池。在某些实施方式中，通过以下的一个或两个，第二照射器（“系统2”）相比于未加改进的现有技术中的照射器（“系统1”）中被实现了，：

（i）相对于系统1增加了来自系统2的光输出充满的立体角。这可以被认为降低了“光圈数”或增加了照射器的数值孔径，以及基本上激发光更快速地被发散开来，从而其远处的强度便降低了。

（ii）增加了系统2内光源的尺寸（真实或明显的，正如上文照射光学系统的内容中讨论的），例如，通过将系统1中的单光束在系统2中分成一条或多条光束，或子光束阵列，或者通过机械搅动照射器系统的部件（例如：反射镜）。如果系统1已经使用了若干束子光束，则其数量在系统2中将得到显著的增加。

方法（i）降低了在眼睛处的光强度，而方法（ii）增加了弦对角α，所述弦对角受上述的限制，且可增加MPE水平，如下所述：

a.若系统1的α大于α_min且小于α_max，则系统2的MPE水平大于系统1的MPE水平。

b.若系统1的α小于α_min且系统2的α大于α_min，则系统2的MPE水平仍然大于系统1的MPE水平。

c.若系统1的α小于α_min且系统2的α也小于α_min，则系统2的MPE水平与系统1的MPE水平相等。

依靠一种或两种测量方法，即使当光源本身被认为高达第四类，照射器已然有可能符合第一类AEL（即对视力无害）。

如果照射器不能符合第一类AEL，采用或不采用这些测量，对于作为整体的光致发光成像系统，或与生产线一体化的该系统或其他晶片/电池处理系统，仍然有可能符合第一类AEL而无需诉诸于严格的激光安全措施，如安全快门或联锁装置。这代表了为了系统一体化而显著地简化；例如如果不需要遮光快门32，且测量室24无须在成像系统的各个边将其封闭的话，则图3所示的构造将被大大地简化。反而，光致发光系统本身或生产线防护可提供离照射器的某一最小人体接近距离，并且光致发光系统能够阻止直接观看照射器的输出，即观看将被限制为只能观看由晶片或光伏电池或光致发光系统或生产线中的某一对象的反射。样品边缘的反射应被格外关注，因为损坏的晶片会如同成不可预测角度的类似反射镜边缘的表面。通过增大激发光的发散角（上述方法（i））来降低照射器的亮度与提供最小人体接近距离的测量进行结合是特别有用的。上述所有细节在确定光致发光成像系统是否符合第一类AEL的方面需要的得考虑。

综上所述，对于作为整体的光致发光成像系统，或集成进生产线的该系统或其他晶片/电池处理系统来说，更好是符合第一类AEL，而无需采取严格的如安全快门和联锁装置的严格的激光安全措施。带着对这些光安全的考虑，我们现在转而描述用于硅太阳能电池样品的在线检测的光致发光系统的某一优选实施方式。对于面照射方案和线照射方案，上述方法均可应用于降低光安全的要求。

一些光伏电池处理步骤，包括IV测试、激光边缘隔离以及用于某些高性能电池设计的激光选择发射极处理，要求光伏电池被送至站点，在这种情况下高强度光致发光成像系统可被并入特定的站点，从而对在该处理步骤之前、期间或之后的电池进行检测。由于高强度光致发光图像能够在大约几毫秒内被采集，因此，它不对处理流产生实质的影响。

我们注意到，高强度照射适用于光伏块、晶片以及电池生产的所有阶段，但其需要对照射的波长范围进行调整。在一个特定的例子中，切割硅晶片的表面区域被破坏到对于光致发光成像目的基本无用的程度，这是因为在该区域内存在极高的非辐射复合，从而在表面附近被吸收的闪光灯光谱的较短波长（可见）部分产生了极小的光致发光响应。越接近1000nm的硅的频带边缘的激发光渗透得越深，并会产生可测量的光致发光响应，但需要对光照进行仔细地过滤，以使得光通过该区域，并滤掉与可探测的光致发光辐射带相重叠的波长，对于硅CCD相机来说其大约为900nm到1160nm。用于实现上述过滤的装置包括吸收滤波器和介质滤波器。

对于硅光伏电池，可靠地裂纹检测是非常可取的能力。而光伏电池中的某些类型的缺陷是能够补救的，或至少不会随着时间的推移而变得更加糟糕，裂纹具有从微小开始生长的潜力，并且检测微小裂纹很困难，从而最终导致光伏电池致命的失效。一个失效的电池能够进一步危机整个组件。图4（b）清楚的表明了用于裂纹探测的闪光灯光致发光成像的价值，以及高寿命区域与低寿命区域（图4（a）和图4（b））对比度的差异以及分流和位错间（图5（a）至图6（c））的对比度的差异表明通过高照射强度和低照射强度获得的光致发光图像之间的对比（例如图像减法）可能也是具有价值的。特别的，图像减法或类似的能够被用于如分流的高亮缺陷，其在不同的照射强度下具有不同的呈现。

而如图4（a）和图4（b）所示的光致发光图像的定性比较相对简单，图像的定量比较（即相减或类似）更加的困难，这是因为结果对于任何灰度水平的改变都比较敏感。成像系统中具有很多不完善的地方可以通过缺陷探测算法干预，而定量图像对比要求这些缺陷相匹配。也需要将两张图像对齐，以及为了增益和失调校准以及平场校正而使这两张图像匹配。因此，在一个实施方式中，需要不对样品进行移动来捕捉两张图像从而简化图像对比，如果这个图像捕捉和读出时间小于1秒左右以跟上生产线的速度是更容易实现的。

很显然，在不同的照射条件下采集光致发光图像具有一些优点，现在我们转而考虑出于此目的合适的光致发光成像配置。在一个实施方式中，一个或多个反射器，例如，如图3（a）中所示的柱面反射器37，可被用于提高照射强度，而在另一实施方式中，中心密度滤光镜可被用于按照低强度激发所要求的减弱闪光灯的辐射。或者，根据要求调整闪光灯的驱动电压；如果闪光灯强度降低后信噪比太低，一些低强度闪光的光致发光响应能够通过读出和平均化单张图像被累积到一张图像中，或一张图像曝光周期内通过启动低强度闪光的快速序列。在另一实施方式中，光致发光成像系统包括独立的低强度照射光源，例如一个或多个LED或者甚至是激光系统。LED的宽范围可以通过不同的功率和发射波长得到，并且通常LED是廉价的光源，好比闪光灯，为宽光源且无需考虑如激光那么多的光安全问题。尽管存在光安全问题，我们也可设想一下一种情况，其中，激光光源无论是否结合闪光灯或LED都同样具有价值。例如，具有窄辐射带的激光，更适于如切割硅晶片的样品，其激发波长需要接近于光致发光辐射带从而避免在表秒损坏层被吸收掉。另外，对于照相机的某些选择，如铟镓砷（InGaAs）照相机，光致发光光谱的大部分被取样，因此照射脉冲能够比照射的响应短数倍。优选的脉冲应足够短从而使得每个脉冲的能量足够低至对于视力无害，从而被更少地关注，因此，不需要激光安全机械系统。

LED可被用于产生极其明亮的毫秒脉冲，如闪光灯一样，并且在上述所有描述中，术语“闪光”的使用也可被用于脉冲LED。

即便强度更低的LED光仍然能够适用于半导体设备的在线检测，而无需打断半导体设备的移动。例如，在图8以侧视图表明的配置中，LED条阵列44发出的激发光16通过激光滤光片26，并通过柱面透镜46聚焦在正在传送带36上移动的半导体设备8上，由集光光学系统20对来自被照射区域47的光致发光辐射进行成像，并通过长通滤波器24在线照相机48上成像，所述集光光学系统20可包括光纤束或一个或多个柱面透镜或双高斯镜头。LED还能发出短周期脉冲，大约为其额定功率的10倍。

如图9所示一种可替代的配置，LED条阵列44和线照相机48分别被置于样品8的相对的两侧，其在传送带36上所形成的空隙50能够允许样品在它整个宽度上被检测。图9所示的“背面照射”配置具有更加复杂的工程设计，但样品起到了长通滤波器的作用（在光致发光辐射带内大多为透明）从而不再需要单独的长通滤波器24了。随着LED的价格持续走低，我们还设想了经济有效的光致发光成像系统，其高功率LED阵列产生足够能量以在宽范围上产生的100Sun的强度，正如如图2所示的配置中的高功率光源30所要求的那样。LED阵列还特别适用于宽范围光致发光成像系统中激光的低光学危害替代品，其中，在所述成像系统中所述样品被带至用于测量的站点。另一方面，LED阵列和照相机能够被置于样品的同一侧或相对侧。LED通常与内置镜头封装在一起，从而使得辐射被限制在相对窄的角度范围内。因此，应该可以使用陡峭截止介质滤波器作为激发滤波器26。

将光致发光成像系统置于沿光伏生产线的若干点来对过程中的问题、或有缺陷的晶片进行早期探测将是有利的，特别是线端测试尤为重要。目前成品电池主要依赖于IV测试，在测试中，电气特性在模拟的太阳能照射下被测量，但是除了性能的全面测试，还存在其他有用的信息需要被获取。在其中一个例子中，高强度光致发光成像能够被集成进IV测试单元中，利用所得出的空间分辨缺陷信息来确定为什么特定的电池在IV测试中表现为低劣的性能，而不是仅仅将它们分拣入质量箱。现有技术中的IV测试单元的1Sun光源能够被用于产生低照射强度的光致发光图像，可用于与之前讨论的例如用于改进的裂纹和分流探测的高照射强度光致发光图像进行比较。线光致发光成像尾端和在更早些阶段的光致发光成像的结合，能够被用来作为差异或制造执行系统（MES）形的图像系统的一部分。将IV测试单元与光致发光成像系统相结合的另一优点在于照相机可被用于采集电致发光（EL）图像，其发光是通过电子激发而产生的，而受验电池对于IV测试是电接触的。在这一阶段收集尽可能多的信息是有利的，因为脆弱的硅光伏电池在每一次被接触时都会具有的断裂危险。

串联电阻（R）成像是目前光伏电池工业中最令人感兴趣的主题，这是因为其能够导致电气问题，如断指和过多的接触电阻，以及干扰电流的裂纹。发光系统能够通过电致发光、光致发光以及各种混合手段被用于确定串联电阻的量值，这些方法中的大多数要求在不同的条件下获取至少两张图像。将闪光灯光致发光成像系统与其相关的照相机并入IV测试站便能够实施光致发光和/或电致发光串联电阻成像技术，正如公开号为WO 07/128060A1和WO09/129575A1的已公开PCT申请中描述的那样。

但是，限制在于在不减慢整条生产线前提下，能够被合并入IV测试的额外的测试的数量具有一个限度，在序列处理中，流速收到最慢的步骤的限制。或者，串联电阻成像能够在IV测试之前或之后在单独的阶段内被执行，其会要求电池再次被接触。

然而优选的线端测试设备具有以下特性：（a）高强度光致发光光源（>50Sun）；（b）低强度光致发光光源（<10Sun）；以及（c）一个或多个用来照射样品的被选择部分的空间非均匀光滤波器，如公开号为WO 2010/130013A1的已公开PCT申请中所述。结合适合的照相机，能够使得非接触模模块来测量：（a）来自高低Sun图像差异的分流和其他特征；（b）串联电阻的阻值，通过采用非均匀滤波器；（c）影响电池性能以及在低Sun测量中能容易辨别的缺陷（如杂质）；以及（d）与在高Sun光致发光图像中可辨别出的发射极相关的特征。该非接触模块将被置于IV测试器的之前或之后，并且优选结合IV测试器来识别具体的故障、具体故障的成因、低劣的材料和过程错误，并提供能够被用于通过MES系统等改进制造工序的数据。

光致发光成像还能在模块化的过程中被用于对单独的光伏电池和电池组进行检测，在该组装过程中多个电池被连接成一个模块。例如，模块制造可利用光致发光成像来控制引入光伏电池的质量，查找诸如裂纹、分流以及串联电阻的问题，或在模块化过程中对电池进行监测，查找诸如裂纹或潜在的热点。如之前所述，具有通过能利用非相干或短脉冲照射器来降低光安全性要求的优点。在模块化阶段，闪光灯照射同样是有用的，这是因为其功率较高；例如，闪光灯可被用来以1Sun的强度照射许多的电池，而并非以100Sun的强度照射一个单一的电池。

上面的描述通常是指采用硅CCD或CMOS照相机。但是我们指出其他照相机，如InGaAs照相机，也可以被使用。正如在国际申请号为PCT/AU2010/001045名称为“用于硅光伏电池生产的光致发光成像系统”的PCT申请中描述的那样，此处作为引用并入，InGaAs照相机以及类似的照相机与硅照相机相比具有优点和缺点。主要的优点在于这类照相机对整个硅光伏辐射光谱敏感，从而更多光致发光信号能够被捕捉，可能高达30倍以上。对于同样的测量时间结果，捕捉更多的光致发光信号，会使得光源照射时间的要求大大降低。例如激光脉冲可以短许多倍，如果化合物半导体照相机像素传感器尺寸比等同的硅照相机大得多的话，甚至可以到1毫秒以下。因为一个脉冲里的全部能量小到不足以构成危害，所以1毫秒的脉冲激光可不再需要激光安全快门。原则上，任何脉冲激光的安全危害能够通过减少脉冲长度以及由此减少每个脉冲内的全部能量而被降低，这类照相机的主要缺点在于图像拖尾效应，这拖尾效应是由于这些照相机探测到的长波长光致发光因这些波长上的硅透明性在逃离样品表面之前在样品内移动了过量的距离所导致的。

光致发光成像系统的一个挑战在于切割晶片或硅块。在例如引入晶片分拣的应用中，在不停止样品移动的情况下，快速采集光致发光图像，优选采用无需光安全快门以及成本合理的照射系统来采集图像。因此本发明提供了多个选择，包括采用合适滤波的闪光灯和InGaAs或硅CCD照相机的短脉冲宽范围照射，以及采用如具有像素的InGaAs照相机的激光/LED（1-2Sun）照射，在帧平均型方法中的使用若干全帧1毫秒图像。

如果这些系统中的任一要求对于光致发光响应来说的过长的曝光时间，则本发明提供了另一实施方式以允许非停顿测量，包括（a）在测量中通过反射镜追踪样品，或（b）帧平均一定数量（不超过10）的1毫秒图像以将信噪降低至可接受的水平。

在非接触系统中的快速测量的另一关键优点在于其可能被集成入一个加工工具。在部分处理的太阳能电池的激光加工中，由于之前和之后图像的简单相减，在加工之前或之后进行快速光致发光测量可以显示样品上所有的正面的和负面的变化，从而允许质量控制和过程控制。另一些能够利用本技术的工序步骤包括丝网印刷、IV测试、扩散和钝化。通过对光致发光测量系统的简化可以帮助集成进生产线——可以布置在不同的配置中的带光学器件的光源以及照相机。

本发明所提供的灵活性、精确度以及速度在许多环境中具有实用性。但是另一快速分析半导体如硅晶片的方法是将高强度光照与基于光致发光成像系统的时间延迟积分（TDI）来产生适用于非停顿在线使用的合成机构/工序。在这种情况下，“高强度”光照相对于现有技术中硅晶片的固定光致发光成像的强度具有较高的强度。

TDI通常利用具有数百行像素的全帧CCD。接下来的讨论中我们将考虑采用具有1024列和128行的全帧TDI-CCD用于电阻约为1Ohm.cm的p型原料晶片的光致发光成像，而TDI-CCD的性能与现有技术中硅晶片固定光致发光成像所用的CCD类似。在这一情况下，强度约为8Sun至16Sun的连续照射光源需要照射晶片的约13%的区域，从而以每小时100万像素的分辨率测量3600片晶片。

图10（a）-10（c）为晶片52A和52B的俯视图，并且所述晶片相对于TDI传感器54移动。在传感器内的阴影区域56A和56B实质上表明捕捉晶片图像的像素，其相对于CCD高度（行数）与被测量的样品相比被扩大了。

图10（a）中，假设晶片速度为常数，晶片52A的前边缘图像在TDI传感器54上总时间的一半上被积分，如阴影区域56A所示，通过了TDI传感器的一半区域。在图10（b）中晶片52A的前边缘已经完成积分，并且其光致发光信号被读出。在图10（c）中，如阴影区域56A和56B所提出的，第一晶片52A的成像几乎已经完成，而下一个晶片52B的成像则已经开始。

在另一实施方式中，在现有技术中被用于硅晶片固定光致发光成像的标准CCD照相机（即非TDI优化的）可被用于硅晶片的合成高强度-TDI光致发光成像。对于生产量为每秒约生产1片晶片的情况来说，该实施方式要求读出速度约为1MHz以采集100万像素的图像。这完全是在现有技术中所使用的用于硅晶片固定光致发光成像的标准CCD照相机的能力范围之内。在该实施方式中，无需折中信噪来将TDI技术应用到硅晶片光致发光成像上。

TDI增益的限制（在行数上图像能够被同步建立而不会产生明显的模糊）受到一系列参数的影响，这些参数包括：

-透镜的畸变；

-传送带位置同步精度或速度测量精度；

-CCD列与传送带方向的对齐。

上文所述的TDI方法对于扩散晶片来讲也许并不理想，这是因为发射极将偏向晶片上不能被成像的部分，并可能在任意给定时刻降低被成像带的光致发光响应。这可以通过对照相机的可视场进行超长照射来克服，即对目标区域进行大量的额外的光照来确保足够的光致发光响应。当然，这将有可能导致额外的设备成本和增加的功耗。

上述TDI方法对于原料晶片也是有利的，这是因为照相机可视场的照射不一定必须为“纵向”方向均匀（即CCD列方向），其与传送带移动方向相对应，因为图像在这一方向上被积分。这增加了处理激光安全问题的光学设计或水平非均匀的光照系统的设计的自由度。

在另一实施方式中，特别是应用于原料晶片的情况，这对于在水平方向上光照射的非均匀型完全是不需要的。更确切的说，光照应该包括离散光点的交错行，例如被照射方正的交错阵列，使得LED阵列光源能够被简单的投影到晶片上。

如上所述，在本发明的一个实施方式中，闪光灯照射被用来产生光致发光响应。在线光致发光成像的闪光方法依赖于高强度的光脉冲，其短得足以消除由于样品移动所导致的模糊。另一方面，对于光致发光数据定量分析，和/或测量某些对于光伏设备来说重要的特征或参数，例如分流，优选使用低强度照射。但是这些照射水平要求样品保持静止以避免产生模糊。一种能够很大程度上克服这两种方法的局限的方法是将基闪光以及TDI光致发光成像的组合在一起，此处及以下称之为“FTDI成像”。标准正方形的CCD阵列可被用在该方法中。因为在通常的TDI操作中约10的增益会被采用，以下将在类似条件下讨论如下实施方式。在该情况中，CCD平板上的图像高度必须比CCD激活区域高度至少低10行；例如对于1024×1024的CCD，当图像的顶端与第一行对齐时，图像的底端一定不能超过第1014行。

实际上，约55行的余量可被用于样品的校准——该余量可以被减少或晶片图像中的实际行数可以被减少，或两者皆可。在本实施方式中，晶片图像从CCD的顶部移动到CCD的底部，并且对齐余量可以为零。当晶片的前边缘到达传送带上的某一位置，而在位置处晶片图像的顶部到达或通过第1行，此时闪光被触发。CCD垂直时钟（行-时钟）与晶片的移动保持同步，直到图像已经向下移动了10行。在此之后，关闭闪光灯光源，CCD以普通帧-读出模式（通常采用比每秒15cm的传送带速度的FTDI模式更快的垂直时钟）读出。

FTDI-光致发光系统还可被用在常规的闪光模式中。例如，这可被用于高光强度是有利的且短（非模糊）脉冲是足够（即扩散晶片上的发射极质量测量）的情况。当体寿命被测量时，FTDI-光致发光可在低峰值强度（例如低于10倍或20倍）的情况下被使用，或对于原料晶片其可以在饱和强度的情况下被使用，在这种强度下，需要闪光系统的全部脉冲能量（即长脉冲）能力来实现合适的信噪。根据CCD细节，FTDI-光致发光系统可用于标准TDI模式，行数为最大可能TDI增益；在通常实践中，实际最大值为约100行。在光伏电池检测中被用于光致发光成像的大像素尺寸（样品上）提供了一些范围来增加典型最大值TDI增益，这是因为行同步不像在其他工业中更快移动的传送带上的更小样品像素所要求的那样。

尽管上述描述参考的是闪光TDI，但我们指出实施方式不局限于闪光，而是能够用于任何上文所述的高强度短光脉冲的情况，即脉冲激光、LED等。

尽管通过参考某些优选实施方式对本发明进行了阐述，但由此所引申出的变化和变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (53)

1.一种分析半导体材料的方法，所述方法包括以下步骤：

通过应用强度至少为6Sun的高强度光源进行足够长的时间照射，从而从所述材料上产生光致发光；

获取所述光致发光的图像；以及

分析所述图像以确定半导体材料中特征或缺陷的位置和/或性质。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述照射的强度至少为8Sun。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述照射的强度至少为10Sun。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述高强度光源为非激光光源。

5.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于：所述照射由对视力无害的照射系统产生。

6.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于：所述高强度光源为闪光灯、LED阵列、激光系统或脉冲光源。

7.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于：所述高强度光源为广谱光源，在光源和半导体材料之间设有滤波器，所述滤波器用于基本上滤除光致发光光谱内由光源发出的光。

8.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于：所述特征或缺陷为裂纹、位错、分流、选择性发射极结构以及发射极层中的若干种。

9.一种用于产生半导体材料的光致发光图像的方法，所述方法包括以下步骤：采用至少一次强度为50-1000Sun的脉冲对所述半导体材料进行照射，照射时长不超出100毫秒；以及捕捉光致发光响应作为图像。

10.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于：当半导体材料处于移动中时实施本方法。

11.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于：所述照射的强度为75-200Sun。

12.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于：所述照射的强度约为100Sun。

13.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于：对所述半导体材料进行照射的时长不超过10毫秒。

14.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于：对所述半导体材料进行照射的时长不超过若干毫秒。

15.一种用于在半导体材料内产生光致发光响应图像的方法，所述方法包括以下步骤:

充分照射半导体材料以产生光致发光响应；以及

通过硅照相机在100毫秒内，捕捉光致发光响应的图像。

16.一种用于在硅样品内产生光致发光响应图像的方法，所述方法包括以下步骤：

充分照射硅样品以产生光致发光响应；以及

通过照相机在10毫秒的内捕捉光致发光响应的图像，其中，所述照相机捕捉到基本上所有的硅的光致发光响应。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：在5毫秒内产生和捕捉光致发光响应。

18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：在1毫秒内产生和捕捉光致发光响应。

19.一种识别半导体材料中缺陷或特征的方法，所述方法包括以下步骤：

获取来自所述半导体材料的具有第一照射强度的光致发光响应的第一图像；

获取来自所述半导体材料的具有第二照射强度的光致发光响应的第二图像；

其中，所述第一照射强度高于所述第二照射强度；以及

对比所述第一照射强度和所述第二照射强度。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：所述第一照射强度为所述第二照射强度的10倍。

21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：所述第一照射强度为所述第二照射强度的100倍。

22.根据权利要求19-21任一所述的方法，其特征在于：所述缺陷或特征为裂纹、位错、分流、选择性发射极结构以及发射极层中的若干种。

23.根据权利要求19-22任一所述的方法，其特征在于：进一步包括以下步骤：通过对比所述第一图像和第二图像以区分所述半导体材料中缺陷或特征的类型。

24.一种区别半导体材料内缺陷或特征的方法，所述方法包括以下步骤：

将预定水平的高强度照射应用到半导体材料上，其中，所述高强度照射适用于获取具有预定缺陷或特征的光致发光响应；

捕捉由此产生的光致发光响应；以及

分析所述光致发光响应以确定该缺陷或特征的存在和/或位置。

25.一种识别半导体材料中缺陷或特征的方法，所述方法包括以下步骤：

获取通过采用至少6Sun强度的照射从半导体材料产生的光致发光响应的图像；以及处理所述图像以获取有用的信息。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于：所述照射的强度至少为8Sun。

27.根据权利要求25所述的方法，其特征在于：所述照射的强度至少为10Sun。

28.根据权利要求24或25所述的方法，其特征在于：所述缺陷或特征为裂纹、位错、分流、选择性发射极结构以及发射极层中的若干种。

29.根据权利要求25-27任一所述的方法，其特征在于：所述有用信息包括对不同类型的所述半导体材料内缺陷或特征区分。

30.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于：采用时间延迟积分照相机，或采用均帧捕捉所述光致发光响应。

31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于：以8Sun-16Sun的强度照射所述半导体材料。

32.一种分析半导体材料的方法，所述方法包括以下步骤：

通过采用强度至少为6Sun对所述材料进行足够长时间的高强度照射，使其产生光致发光；以及

获取所述光致发光图像，其中所述照射由对视力无害的照射系统产生。

33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于：所述照射的强度至少为8Sun。

34.根据权利要求32所述的方法，其特征在于：所述照射的强度至少为10Sun。

35.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于：所述半导体材料被加热。

36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于：所述半导体材料被加热至约200℃。

37.根据权利要求35所述的方法，其特征在于：所述半导体材料被加热至200°C以上。

38.一种用于实施权利要求1-37任一所述方法的装置。

39.一条用于光伏设备生产的生产线，所述生产线包括若干工艺步骤以将半导体材料转换为所述光伏设备，所述生产线包括至少一个分析设备和图像捕捉设备，所述分析设备包括高强度照射系统，用于对所述半导体材料进行强度至少为6Sun的照射，所述图像捕捉设备用于获取所述由被照射半导体材料发出的光致发光的图像。

40.根据权利要求39所述的生产线，其特征在于：所述照射的强度至少为8Sun。

41.根据权利要求39所述的生产线，其特征在于：所述照射的强度至少为10Sun。

42.根据权利要求39-41任一所述的生产线，其特征在于：至少一个所述分析设备为对视力无害的分析设备。

43.根据权利要求42所述的生产线，其特征在于：所述高强度照射系统为对视力无害的照射系统。

44.根据权利要求39-43任一所述的生产线，其特征在于：所述高强度照射系统包括闪光灯、LED、激光系统或脉冲光源。

45.一条用于利用半导体材料制造光伏设备的生产线，其特征在于：在所述生产线的各工序的任一侧设置有适用于执行权力要求1-37任一所述方法的分析设备，以分析所述工序对所述半导体材料产生的效果。

46.一种用于确定成品光伏电池质量的装置，所述装置包括（a）高强度光致发光系统，和至少一个（b）低强度光致发光系统，以及（c）用于确定电池串联电阻的元件。

47.根据权利要求46所述的装置，其特征在于：所述高强度光致发光系统以10倍于所述低强度光致发光系统的照射强度来照射所述电池，使其产生光致发光。

48.根据权利要求46或47所述的装置，其特征在于：所述高强度光致发光系统的照射强度至少为6Sun。

49.根据权利要求46或47所述的装置，其特征在于：所述高强度光致发光系统的照射强度至少为8Sun。

50.根据权利要求46或47所述的装置，其特征在于：所述高强度光致发光系统的照射强度为至少10Sun。

51.一种包括计算机可用介质的制品，其特征在于：所述介质具有计算机可读程序代码，所述程序代码可配置为执行根据权利要求1-37任一所述的方法，或操作根据权利要求39-45任一所述的生产线，或操作根据权利要求46-50任一所述的装置。

52.一种光致发光效应的图像，其特征在于：所述光致发光效应通过闪光灯照射半导体材料而产生。

53.一种光致发光效应的图像，其特征在于：所述光致发光效应通过上文被定义的高强度照射半导体材料而产生。

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