CN103057263B - 用于打印多层图案的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于打印多层图案的方法及设备。在一个实施例中，一种用于打印多层图案的方法包括：第一打印操作，包括将第一图案化层沉积在衬底的表面的区域上；第二打印操作，包括将第二图案化层沉积在所述表面的所述区域上或所述第一图案化层上；并且检验所述第二图案化层相对于所述第一图案化层的对准的精确性。所述检验步骤包括：在所述第一打印步骤之后获取所述第一图案化层的第一光学影像；在所述第二打印步骤之后获取所述第二图案化层的第二光学影像；通过执行影像消除处理来形成第一消除光学影像，并且将第一消除光学影像与第一影像进行比较，来确定所述第二图案化层的位置。

Description

用于打印多层图案的方法及设备
技术领域
本发明的实施例大致涉及用于在衬底上打印多层图案的方法及设备，其可被用于形成光伏电池或绿带（green-type）型电路器件。具体而言，根据本发明的方法可被用在用于通过在衬底上进行多层打印（通过丝网印刷、喷墨打印、激光打印或其他类型打印）来制造多层图案的系统中。
背景技术
太阳能电池是将太阳光直接转化为电能的光伏（PV）器件。PV市场在近十年来在整个世界范围内已经实现了超过30%的年增长率。一些文章认为未来世界范围的太阳能电池产生的电能将超过10GWp。预测全部太阳能模块中超过95%是基于硅晶片。高的市场增长率以及对大大降低太阳能供电的成本的需求，使得以廉价方式形成高品质太阳能电池面临数个严峻的挑战。因此，制造可商品化的太阳能电池的一个重要考量在于，通过改进器件产能并提高衬底吞吐量来降低形成太阳能电池所需的制造成本。
太阳能电池通常具有一个或更多p-n结。每一个p-n结均包括半导体材料内的两个不同区域，其中一侧是被称为p型区域，而另一侧被称为n型区域。当太阳能电池的p-n结被暴露至太阳光（由来自光子的能量构成）时，太阳光通过PV效应被直接转化为电能。
太阳能电池产生特定量的电能，并且被形成为模块，被成形为提供希望的系统电量。太阳能模块被结合在具有特定框及连接器的面板内。太阳能电池通常被形成在硅衬底上，其可以是单晶或多晶硅衬底。常规太阳能电池包括硅晶片，衬底，或通常厚度小于约0.3mm的片，使得n型硅的薄层形成在位于所述衬底上的p型区域的顶部上。
通常，标准硅太阳能电池在晶片上制成，其包括p型基区、n型发射区，以及布置在两者之间的p-n结。通过对半导体掺杂特定类型的元素（例如，磷（P），砷（As）或锑（Sb））来形成n型区或n型半导体，以增加负电荷载流子（即，电子）的数量。类似地，通过向硅晶格增加三价原子来形成p型区或p型半导体，由此硅晶格正常所有的四个共价键中的一个会缺少电子。因此，杂质原子可从相邻原子的共价键获取电子，以完成第四键。杂质原子接收电子，由此导致相邻原子丧失一个键的一半，并形成“空穴”。
当光落在太阳能电池上时，来自入射光子的能量在p-n结区域两侧产生电子-空穴对。电子在p-n结上散布至低能量水平，而孔则在相反方向上散布，在发射极上产生负电荷，并且在基级上产生对应的正电荷。当在发射极与基极之间形成电子电路时并且p-n结被暴露至特定波长的光时，电流会流动。由被照射的半导体产生的电流流动通过在太阳能电池的前侧（即，光接收侧）以及后侧布置的端子。顶部端子结构被大致构造为宽间隔薄金属线，或手指，其向较大母线供应电流。后侧端子通常并不局限于形成为多个薄金属线，其将不阻止入射光照射在太阳能电池上。太阳能电池通常由诸如Si3N4的薄介电材料层覆盖，以用作防反射涂层16，或ARC，以减少光从太阳能电池的顶表面的反射。
丝网印刷被长期用于在诸如布料或陶瓷的物体上打印设计，并被用在用于打印电子部件设计的电子产业，例如衬底表面上的电端子或互连。现有的太阳能电池制造处理也使用丝网印刷处理。在一些应用中，希望将诸如手指的端子线丝网印刷在太阳能电池衬底上。手指与衬底接触，并且能够与一个或更多掺杂区域（例如，n型发射级区域）形成Ohmic连接。Ohmic端子是半导体器件上的区域，其被准备使得器件的电流-电压（I-V）曲线为线性并且对称，即，在半导体器件的掺杂硅区域与金属端子之间不存在高阻抗界面。低阻抗、稳定接触对于太阳能电池的性能以及在太阳能电池制造处理中形成的电路的可靠性而言极为重要。为了改进与太阳能电池器件的接触，通过将手指布置在形成在衬底表面中的重度掺杂区域上，由此能够形成Ohmic端子。因为形成的重度掺杂区域，由于其电特性，趋于阻挡或减少可通过其的光量，故希望减小其尺寸，同时使得这些区域足够大以确保手指能够可靠地对准并形成在其上。由此在自动传输装置上衬底的定位误差所造成的沉积手指相对于下层重度掺杂区域的错位，会导致衬底边缘存在缺陷。重度掺杂区域在衬底上未被发现的错位以及/或衬底在自动传输装置上的偏离会导致差的器件性能以及低的器件效能。
例如通过利用图案化扩散屏障来执行磷扩散操作，重度掺杂区域可利用各种图案化技术而被形成在衬底表面上，以形成重度及轻度掺杂区域。后侧端子完成太阳能电池所需的电子电路，以利用衬底的p型基极区通过形成Ohmic端子而产生电流。
还公知用于制造多层图案的方法，例如在合适的支持或衬底（例如，具有硅的基片或氧化铝基底）上通过数个连续打印操作的所谓两次打印，例如丝网印刷、激光、喷墨或其他类似处理。
例如由第一打印层以及叠加在其上的第二打印层形成的多层结构允许增大从端子传输的电流，但会使打印处理更复杂，因为其需要确保各层被正确地彼此对准，使得精确度大致处于10微米（μm）的范围内。通常，如果衬底在自动传输装置上的运动以及打印头的运动不能被很好的控制，则不能正确地形成沉积图案。因此，在打印处理操作产生误差的情况下，打印的多层的错位会造成衬底被丢弃。因此，在每一次打印操作之后，需要一个或多个控制操作，以检验每一次打印的层相对于下层是否对准。
一些公知的控制技术需要获知打印层的位置以使用该信息来进行闭环反作用控制。但是，一旦已经将给定层打印在下层上，则要知晓后续层的确切位置将非常困难，因为其全部被叠加在一起。因此，需要用于制造太阳能电池、电子电路或其他有用器件的方法及设备，包含改进方法以在系统内控制衬底上双层丝网印刷图案的对准。
发明内容
本发明提供了用于在衬底上打印多层图案的控制方法及设备。在一个实施例中，用于在衬底上打印多层图案的方法包括：至少一个第一打印操作，包括将第一图案化层沉积在第一衬底的表面的区域上；至少一个后续对准衬底操作，用于第二或后续打印操作，至少一个第二打印步骤，包括将第二图案化层沉积在所述表面的所述区域上或所述第一图案化层上；以及至少一个操作，用于检验所述第二图案化层相对于所述第一图案化层的对准的精确性。所述检验步骤包括：在所述第一打印步骤之后并在所述第二打印步骤之前获取所述第一图案化层的第一光学影像；在所述第二打印步骤之后获取所述第二图案化层的至少一个第二光学影像；以及至少一个操作，用于通过执行第一影像消除处理来判定所述第二图案化层在所述第一衬底上的位置，其中，所述第一影像消除处理包括从所述第二光学影像消除所述第一光学影像，以形成第一消除光学影像；并且将所述第一消除光学影像与所述第一光学影像进行比较，其中将通过比较生成的数据用于调整后续打印步骤的特性。根据本发明，判定操作的结果被用于第二或后续打印操作的闭环反作用控制的反馈，并被用于控制第二后续图案化层的打印品质的操作。
在一个实施例中，一种用于在衬底上打印多层图案的设备包括：第一打印站，经配置以将第一图案化层打印在衬底上；第一装置，可操作以将衬底对准；至少一个第二打印站，可操作以将第二图案化层打印在所述第一图案化层上的衬底上；以及至少一个控制装置，可操作以在打印所述第二图案化层之后检验所述对准的精确性，并可操作以将从精确性检验而获得的数据反馈至所述至少一个装置以用于对准。所述控制装置还包括：检测组件，可操作以在打印所述第二层之前获取所述第一图案化层的第一光学影像，以及在所述第一图案化层上打印的所述第二图案化层的第二光学影像；以及控制命令单元，可操作以通过所述第二光学影像与所述第一光学影像之间的影像消除来执行影像计算，以确定所述第二图案化打印层在所述衬底上的实际位置，其中，所述控制命令单元还可操作以将所述影像计算的结果反馈至品质控制站。
附图说明
本发明的上述特征可基于以下对发明的详细描述并参考在附图中示出的实施例来更清楚地理解。但是，应当注意，附图仅示出了本发明的典型实施例，因此并不应限于此范围，本发明可以其他等效实施例实现。
图1是丝网印刷方法的一个实施例；
图2是丝网印刷方法的一个实施例；
图3是能够执行图1及图2所示的方法的系统的示意图；
图4是能够执行图1及图2所示的方法的系统的示意图；
图5是用于影像消除的方法的一个实施例；
图6是衬底的平面图；
图7是图6所示的衬底的一部分的侧视剖面图；
图8是图6所示的衬底的一部分的侧视剖面图；
图9是丝网印刷系统的一个实施例的示意立体图；
图10是图9的丝网印刷系统的示意性俯视图；
图11是丝网印刷系统的一个实施例的示意性俯视图；
图12是光学检查系统的一个实施例的示意性立体图；
图13是光学检查系统的一个实施例的示意性立体图；而
图14是光学检查系统的一个实施例的示意性立体图。
为了便于理解，在适当的情况下，使用了相同的参考标号来表明图中相同的元件。没有特别说明，则在一个实施例中公开的元件也可有益地应用在其他实施例中。
具体实施方式
本发明的实施例大致提供了一种用于在衬底上打印多层图案的方法，其基于闭回路或闭环反作用控制，其使用由控制单元执行的影像消除计算结果来提供一系列打印层的精确对准。由此改进了装置产能以及衬底处理线的所有成本（CoO）。
通过本发明的实施例，得益于影像消除的处理，能够从之前的层光学地隔离后续打印的层，由此消除了与其相连的干扰，并且便于准确获知后续打印层的准确位置，尽管其相互叠加在一起。此外，本发明提供了以下优点，其使用相同获取操作及相同检测或视觉系统以通过闭环反作用方式来控制多层图案的层之间的对准，并进行品质控制。
本发明的一个优点在于基于影像消除的控制与需要使用相同丝网印刷网的二次丝网打印处理适应的很好，并且不能够使用不同的网。
由此提高了处理速度，使得利用单一获得结果，能够影响反作用控制以及品质控制。
此外，根据本发明的方法及设备更廉价、紧凑，并且无需用于品质控制的专用视觉系统。
图1提供了用于丝网印刷的方法。在图1中，框I表明获取图5所示的布置在衬底501上的第一打印层500的第一影像504的操作。框II表明如图5所示被用来在第一层500上沉积第二层502的第一打印操作。框III表明获取在第一层500上打印的第二层502的第二影像506的操作。框IV表明对获取影像进行分析的操作，包括执行影像消除处理。框V表明闭回路或闭环反作用，用于基于框IV中执行的分析结果，向在框II中使用的控制装置提供数据反馈，以改进这里执行的处理的性能。框IV表明品质控制处理技术，其基于在框IV中执行的计算结果，其被用于改进图1中描述的方法。
图5图示出结合图1讨论的影像消除操作的获取影像以及结果。如图5所示，获取的第二影像506通常可包括相对于之前沉积第一层500错位的第二层502。因此，如果从第二影像506消除了沉积在衬底501上的第一层500的第一影像504，则通过控制系统可形成、分析及/或使用单个第二层502的消除影像或第三影像508，由此更好地控制多层沉积及处理次序。消除影像508可以是第二层502的第二影像506的单个光学影像。
在一个实施例中，系统适于在晶硅太阳能电池生产线的一部分中执行根据本发明的丝网印刷处理。在太阳能电池生产线的一部分中执行的处理可包括利用希望的材料对衬底图案化，然后在一个或更多后续处理室中对其进行处理。后续处理室可适于执行一个或更多烘烤操作以及一个或更多清洁操作。
虽然这里主要讨论了在太阳能电池器件的表面上对诸如端子或互连结构的图案进行丝网印刷的处理，但该构造并不意在限制这里描述的发明的范围。其他可收益于本发明的衬底材料包括可具有有源区的衬底，其形成在单晶硅、多晶硅、复晶硅或其他希望的衬底材料之上或之内。
图2提供了用于丝网印刷的方法。在一个实施例中，该方法包括衬底上的至少一个第一打印操作11，以及一个或更多额外打印操作，例如第二及第三打印操作21，31。还提供了第一及第二对准操作13，23。在第一打印操作11与第二打印操作21之间执行第一对准操作13。在第二打印操作21与第三打印操作31之间执行第二对准操作23。第一、第二及第三检验操作12，22，32在打印操作11，21及31之后分别检测对准的精确性。在第三检验操作32之后执行品质控制操作38及排出操作40。本发明的实施例还可提供或适于提供具有超过三个打印操作的方法，以及具有两个或更少打印操作的更简单的方法。
在本发明的一个实施例中，每一个检验操作12，22，32均包括在对应打印操作上游及下游执行的获取光学影像操作。通过使用检测器，由利用可见光、红外光或其他合适的波长的光检测得到影像来定义光学影像。在一个实施例中，每一个光学影像分别通过使用检测器组件来形成，其包括照相机，经配置以检测将分析通过布置在系统内的一个或更多辐射源发出的希望波长范围内的衬底的表面上的特征。在一个实施例中，照相机包括CCD照相机，其适于形成衬底的表面的数字影像。
在打印操作11之后并在打印操作21之前，在操作12a获取于衬底上打印的第一图案化层的第一光学影像。在打印操作21之后并在打印操作31之前，在操作22a获取衬底上打印的后续图案化层的第二及第三光学影像。在打印操作31a之后，在操作32a获得于衬底上打印的后续图案化层的第四光学影像。计算操作22b，32b通过后续图案化层的光学影像与先前获取的光学影像（例如第一光学影像）之间的影像消除来判定后续图案化层的确切位置。该信息被用于闭回路处于以控制在上述图案化层上后续图案化层的打印的对准，并被用于后续打印操作21，31的下游的品质控制。
在一些实施例中，影像消除操作关联于第二影像在第一影像上的叠加，由此获得再现彼此叠加打印的两个打印图案的整体影像。通过从在叠加获得的整体影像中获得的两个影像之间的像素消除像素来执行影像消除操作。
在一些实施例中，在通过叠加获得的整体影像中，从第二打印图案的第二影像的匹配像素消除第一打印图案的第一影像的像素。
如果已经打印的第二图案与第一打印图案正确地对准，则通过消除而获得的影像具有均匀颜色。
相反，如果已经打印的第二图案并未与第一打印图案对准，则通过消除而获得的影像仅包含第二打印图案。
例如，在从单色照相机获得的影像的情况下，消除了具有灰度值的像素。在其他改变示例中，也可使用彩色照相机。
因此，具有相同颜色的区域决定了黑色，具有不同颜色的区域决定了白色，或白色附近的灰色。如果两个影像的两个打印图案优选地叠加并对准，则消除的影像例如为全黑。
在一些实施例中，实时地执行影像消除操作，由此在制造操作过程中不影响周期时间。
在一些实施例中，执行影像消除操作所需的时间处于数十毫秒的范围内。
此外，影像消除操作的时长可取决于获取的影像的分辨率。在一些示例中，利用具有5百万像素的分辨率传感器的多个照相机（例如具有5百万像素的四个照相机）来获取影像。
在一些实施例中，为了正确地消除两个影像，包括在两个影像中的打印图案首先被仔细地叠加。
对于叠加操作，一些实施例计算第一打印图案的中心，然后计算第二打印图案的中心，由此叠加两个打印图案，使得两个对应中心重叠，并最终如上所述消除两个影像。
叠加以及消除这两个操作实际上可同时执行，但也可以两个独立的操作中执行。
在消除操作之后，在一些实施例中，提供操作以过滤通过消除而获得的影像，其中可使用滤波器来清洁获得的影像。在一些实施例中，滤波器去除一些被识别为伪元素的灰度，其例如由背景光形成。
在一些实施例中，可在整个影像上，或在特定区域上执行消除。例如，为了将一个打印与另一打印对准，在一些实施例中，例如在四个外周区域（例如，在第一及第二打印的顶部的四个区域）上进行操作就已经充分，而无需再使用中心。在一些基础实施例中，也取决于获取的精确度，为了将一个打印与另一打印对准，仅在两个区域之间操作影像消除就已足够。
控制方法的一些实施例允许叠加，并且可在一部分像素中估计对准精确度，因此，从5至50微米，考虑到像素的特征尺寸从10至100微米变化，取决于使用的具有较高或较低分辨滤的照相机的传感器。
一些实施例提供了精确的控制方法，因为可与上述过滤操作结合的影像消除操作也具有清洁影像的功能，由此限制了可能的打印污迹的损害，在现有技术中，其完成可被看到，并且可能会影响对准。
一些实施例提供了控制方法，其可应用于其中使用了示例银基导电膏的标准打印操作，并可应用于银基导电膏被叠加在高掺杂区域上的操作，例如用于制造选择性发射级。一些实施例提供了一种方法，其在要叠加具有低彩色对比度的打印时特别有效用。
图3是能够执行图1及图2所示的方法的系统100的示意图。图3中的箭头表明系统100的各部分之间的数据流的方向。在一个实施例中，系统100连续地包括第一打印站50、第一控制站51、第一对准装置54、第二打印站60、第二控制装置61、第二对准装置64、第三打印站70、第三控制站71、品质控制站75、排出站80以及中央控制及数据处理单元90。在一个实施例中，第一、第二及第三打印站50，60，70包括多个致动器（例如，操作电动机或伺服电动机），其与第一、第二及第三控制站51，61，71通信，并且被用于调整相对于被打印衬底而被布置在第一、第二及第三打印站50，60，70内的丝网印刷掩膜的位置及/或角度取向。在一个构造中，如下所述，第一、第二及第三打印站50，60，70可分别包括打印室102（图9及图10），其具有多个致动器102A，其与第一、第二及第三控制站51，61，71通信，并且被用于调整相对于被打印衬底被布置在第一、第二及第三打印站50，60，70内的丝网印刷掩膜120B（图9及图10）的位置以及/或角度取向。在一个实施例中，丝网印刷掩膜120B是具有多个特征102C的金属片或板，例如孔，槽或其他开口形成在其中以界定图案并在衬底的表面上布置丝网印刷材料（即，墨水或膏）。通常，利用致动器以及通过第一、第二及第三控制站51，61，71接收到的信息，通过在衬底表面上使丝网印刷掩膜沿希望位置取向，要沉积在衬底表面上的丝网印刷图案以自动方式与衬底对准。可以使用自动涂刷器型装置（未示出）来促使丝网印刷材料通过特征102C，以在衬底表面上形成图案化丝网印刷材料。
在一个实施例中，每一个第一、第二及第三控制站51，61，71分别包括检测装置52，62，72以及命令及控制单元53，63，73。在一些构造中，每一个第一、第二及第三控制站51，61，71分别可包括系统控制器，其可便于对在系统的希望区域中执行的操作的控制及自动化，并可包括中央处理单元（CPU）（未示出）、存贮器（未示出）以及支持电路（或I/O）（未示出）。CPU可以是任意一种形成的计算机，其被用于工业设置中，用于控制各个腔室处理及硬件（例如，传送机、光学检查组件、电动机、流体传送硬件等），并监控系统及室处理（例如，消除位置、处理时间、检测器信号等）。存贮器被连接至CPU，并且可以是一个或更多可用存贮器，诸如随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），软盘，硬盘，或任何其他形式的本地或远程数字存储装置。软件命令及数据可被编码并存储在存贮器内用于对CPU发出命令。支持电路也被连接至CPU，用于以常规方式来支持处理器。支持电路可包括缓存、电源、时钟电路、输入/输出电路、以及子系统等。可由系统控制器读取的程序（或计算机命令）决定了在衬底上可执行何种任务。优选地，程序是可通过系统控制器读取的软件，其包括编码，其至少产生并存储光学影像、衬底位置信息、各控制组件的运动次序、衬底光学检查系统信息，以及其任意组合。在本发明的一个实施例中，系统控制器包括图案识别软件，以分辨沉积层在衬底表面上的位置。
参考图2，在第一打印操作11的一个实施例中，在诸如硅基晶片的衬底的表面上执行丝网印刷，以形成多层图案的第一层。第一打印操作11对应于图3的第一打印站50，其中通过公知的供应系统来供应衬底。供应系统大致为机器人系统，例如传输机器人，其经配置以在各打印站、控制站、对准装置以及排出站之间传输衬底。
在第一打印操作11的下游，丝网印刷方法的一个实施例提供了第一操作12a，其通过第一检测装置52来获取在衬底上打印的第一打印层的第一光学影像，由此识别其在衬底上的位置，如图5中的第一影像504所示。根据操作模式，第一影像504可被记忆在第一控制站51的第一命令及控制单元53中，并可被传输至第二控制装置61的第二命令及控制单元63，或可直接传输被记忆在中央控制及数据处理单元90中。与第一图案化层的位置相关的信息可被发送至第一对准装置54。第一获取操作12a的后续可以是第一对准操作13，其中关联于第一打印层的位置，诸如冲击器或致动器的第一对准装置54正确地布置衬底以执行第二打印操作21。在另一实施例中，通过使衬底在第二打印站60的打印头部分下方移动的对准装置来实现对衬底的正确定位。第一对准装置54也可提供致动器（例如，致动器102A）来定位第二打印站60中存在的打印头（例如，印刷掩膜102B）
在第二打印操作21（其中图案的第二层502（图5）被打印在衬底上位于第一层500之上）之后，本发明提供了第二操作22a，如图5中的第二影像506所示，通过第二检测装置62，用于与第一打印层一起获取在衬底上打印的第二图案化层的第二光学影像。根据操作模式，第二影像506可被记忆在第二控制装置61的第二命令及控制单元63中，并且能够被传输至第三控制站71的第三命令及控制单元73，或直接传输并记忆在中央控制及数据处理单元90中。此外，第二控制装置61的第二命令及控制单元63通过第二影像506与第一影像504之间的影像消除来执行第一计算操作22b，并且计算的结果（如图5中的第三影像508所示，其实际上表明了第二层502在衬底上的实际位置）被用在闭回路中，以适当地命令第一对准装置54，并被品质控制站75处理。
与第二图案化层502的位置相关的信息可被发送至第一对准装置54。具体而言，在所述数据不一致的情况下，第二控制装置61的第二命令及控制单元63向第一对准装置54发送反馈信号，以告知不一致，由此可在后续处理衬底时修正误差。
第二获取操作22a后续可跟随第二对准操作23，其中与第二打印层的位置相关，诸如冲击器或致动器的第二对准装置64正确地位置衬底以执行第三打印操作31。在第二对准操作23之后，执行第三打印操作31及第三检验操作32。具体而言，在第三打印操作31中，对应于第三打印站70，将第三层图案化材料打印在衬底上。然后，在第三检验操作32中，执行第三操作32a以通过使用第三检测装置72来获取在第二层502上打印的第三图案化层的第三光学影像。
根据操作模式，第三影像可被记忆在第三控制站71的第三命令及控制单元73中，或中央控制及数据处理单元90中。此外，在第三检验操作32中，通过第三影像与第二影像506之间的影像消除或第三影像与第一影像504之间的影像消除，第三控制站71的第三命令及控制单元73执行第二计算操作32b，并且在第一计算操作22b中执行的影像消除的结果可被用于形成计算的整体结果（其实际上表明了单一第三层在衬底上的位置），被用于闭回路处理中以合适地命令第二对准装置64，并被品质控制站75处理。
与第三图案化层的位置相关的信息可被发送至第二对准装置64。具体而言，在所述数据不一致的情况下，第三控制站71的第三命令及控制单元73将反馈信号发送至第二对准装置64以告知不一致的情况。品质控制站75将信号发送至排出站80，其在排出操作中从系统或工厂向最后的仓库或废弃晶片存储箱排出制造的衬底。
每一个命令及控制单元53，63，73分别将检测到的数据供应至中央控制及数据处理单元90，其组织并记忆根据使用者预先定义的数据库而收集的数据，并以使用者所需的方式（例如，统计方式），或以识别制造处理的关键点的方式对其进行处理。
根据其他实施例，如图4所示，全部数据传输子操作均可由单一中央命令及控制单元120管理，其处理从来自各打印站50，60，70下游的检测装置52，62，72的数据，根据预设程序比较接收到的数据，并将控制信号发送至不同的对准装置54，64。在一些构造中，中央控制及数据处理单元90及/或120可包括系统控制器，其便于控制并自动化在系统的希望区域内执行的处理，并可包括中央处理单元（CPU）（未示出）、存贮器（未示出）、以及支持电路（或I/O）（未示出）。上述控制单元90及120可大致被构造作为上述控制单元53，63，73。
如图6及图7所示，与上述打印操作11，21，31相关的本发明的实施例具体应用至太阳能电池形成处理，其包括在衬底250的表面上的希望的多层图案230中形成的重度掺杂区域241上利用二次打印来形成银制的金属端子。
可以结束执行的二次操作以例如使得叠加的手指具有不同宽度尺寸，或叠加的手指具有相同宽度尺寸但以不同材料或不同功能实现，或其两者的结合。例如，参见图6，7及8，本发明的实施例提供了二次打印模式，其中在第一打印操作11a中，杂质膏被打印以形成重度掺杂区域241，在第二打印操作21a中，界定了宽手指260的例如由银制成的宽金属线被打印在重度掺杂区域241上，并且在第三打印操作31a中，界定窄手指260A的例如由银制成的窄金属线被打印在宽金属线上，由此形成具有多层图案230的金属端子结构242。本领域的技术人员将注意到，可在各打印操作（例如，打印操作11，21，31）之间于系统中的衬底上执行一个或更多热处理操作，以进一步处理打印层，例如使杂质原子进入杂质膏以形成重度掺杂区域241并/或在第二及第三打印层中的金属材料与衬底表面（例如，重度掺杂区域241）之间增加密度并形成好的电接触。
在一个实施例中，可以使用二次打印处理，其中在第一打印操作11之后，第二打印操作21提供了打印操作，以通过例如包括银基材料的端子膏形成金属手指260，并且后续第三打印操作31提供了打印操作以通过例如包括银基材料的导电膏（不同于端子膏）来形成金属手指260a。
图6是具有重度掺杂区域241以及金属端子结构242（例如手指260）形成在其上的衬底250的表面251的平面图。图7示出了具有金属手指260（其例如由银制成）布置在重度掺杂区域241上的表面251的一部分。诸如手指260以及母线的金属端子结构被形成在重度掺杂区域241上，由此可在这两个区域之间形成高品质电连接。低阻抗，稳定接触对于太阳能电池的性能非常关键。重度掺杂区域241通常包括衬底衬底250材料的一部分，其具有布置在其中的杂质原子的约0.1原子%或更少。可通过常规平版印刷及离子植入技术，或业内公知的常规介电掩膜及高温高炉扩散技术来形成重度掺杂区域241的图案化类型。如这里所述，还可通过使用丝网印刷处理及后丝网印刷热处理来形成图案化重度掺杂区域241。但是，在重度掺杂区域241上对准并沉积金属端子结构242的处理基本上不可能通过常规技术来实现，因为利用这些技术通常无法光学地判定在衬底250的表面251上形成的重度掺杂区域241的实际对准情况及取向。
在另一实施例中，如下所述，上述打印站50，60，70中的一个或多个或分别可被构造为如图8，9及10所示的打印系统110。此外，设置有检测装置52，62，72以及控制单元53，63，73的控制站51，61，71可被构造为与图9，10，12及13中所示的系统控制器101相关的如下参考图12，13及14所述的检查系统400。具体而言，控制单元53，63，73可被构造为如下所述的系统控制器101。上述对准装置54，64可被构造为下述与图9及10的打印室102相关的致动器102A。
根据本发明的一个实施例，图9是示意立体图，而图11是示出丝网印刷系统110的一个实施例的示意俯视图，其可形成图3及4的系统100的打印站50，60，70的一个或更多的至少一部分，并被用于利用光学检查系统400来在衬底250的表面上形成具有希望的图案的金属端子，如图12，13及14所示。在一个实施例中，丝网印刷系统110包括输入传送机111、旋转致动器组件130、打印室102以及输出传送机112。输入传送机111可经配置以从诸如输入传送机113（即，图10中的路径“A”）的输入装置来接收衬底250，并将衬底250传输至与旋转致动器组件130耦接的打印巢131。输出传送机112可经配置以从耦接至旋转致动器组件130的打印巢131接收处理衬底250，并将衬底250传输至衬底去除装置，例如输出传送机114（即，图10中的路径“E”）。输入传送机113以及输出传送机114可以是作为大型生产线中的一部分的自动衬底处理装置。在一个实施例中，可以使用一个或更多传送机111，112，113以及114来在系统100的任意两个站之间（例如在以下任意两者之间：第一打印站50、第一控制站51、第二打印站60、第二控制装置61、第三打印站70、第三控制站71、品质控制站75以及排出站80）传输衬底。
旋转致动器组件130可通过旋转致动器（未示出）及系统控制器101来绕“F”轴旋转并成角度定位，使得打印巢131可被选择地成角度布置在丝网印刷系统110内（例如，图10中的“D1”及“D2”）。旋转致动器组件130还可具有一个或更多支持组件，以便于控制打印巢131或其他自动装置，以用于在丝网印刷系统110中执行衬底处理序列。
在一个实施例中，旋转致动器组件130包括打印巢131或衬底支撑，其分别适于在打印室102内执行的丝网印刷处理期间支撑衬底250。图10示意性地示出了旋转致动器组件130的位置，其中一个打印巢131处于位置“1”以接收来自输入传送机111的衬底250，另一打印巢131处于打印室102中的位置“2”，使得衬底250可接收其表面上的丝网印刷图案，而另一打印巢131处于位置“3”以将处理衬底250传输至输出传送机112，而另一打印巢131处于位置“4”，以是位置“1”与位置“3”之间的中间阶段。
如图11所示，打印巢131大致由传送机组件139构成，其包括进给卷轴135、拾取卷轴136、辊140以及一个或更多致动器148，其耦接至进给卷轴135并且/或拾取卷轴136，并适于供应并保持位于面板138上的支撑材料137。面板138大致具有衬底支撑表面，在打印室102中执行丝网印刷处理期间，衬底250以及支撑材料137被布置在其上。在一个实施例中，支撑材料137是多孔材料，其允许布置在支撑材料137一侧的衬底250通过利用常规真空产生装置（例如，真空泵，真空喷射器）施加至支撑材料137相对一侧的真空而被保持在面板138上。在一个实施例中，真空被施加至形成在面板138的衬底支撑表面138A中的真空端口（未示出），由此可将衬底“夹”至面板的衬底支撑表面138A。在一个实施例中，支撑材料137是透气材料，其例如由用于香烟的透气纸或其他类似材料（例如，执行相同功能的塑料或纺织材料）制成。
在一个构造中，致动器148耦接至或适于与进给卷轴135及拾取卷轴136配合，由此可在打印巢131内精确地控制布置在支撑材料137上的衬底250的运动。在一个实施例中，进给卷轴135及拾取卷轴136可分别适于接收支撑材料137的长度方向的相对两端。在一个实施例中，致动器148分别包括一个或更多驱动轮147，其耦接或接触布置在进给卷轴135上的支撑材料137的表面及/或拾取卷轴136以控制支撑材料137在面板138上的运动及位置。
在一个实施例中，丝网印刷系统110可包括检查组件200，其适于检查位于处于位置“1”的打印巢131中的衬底250。检查组件200可包括被布置以检查输入（或布置在位于位置“1”的打印巢131上的处理衬底250）的一个或更多照相机121。在此构造中，检查组件200包括至少一个照相机121（例如，CCD照相机）以及其他电子组件，其能够检查并告知系统控制器101检查结果，由此用于分析衬底250在打印巢131上的取向及位置。在另一实施例中，检查组件200包括上述光学检查系统400。
打印室102适于在丝网印刷处理期间并具有希望图案的材料沉积在位于位置“2”的打印巢131上的衬底250的表面上。在一个实施例中，打印室102包括多个致动器，例如致动器102A（例如，操作电动机或伺服电动机），其与系统控制器101通信并用于调整布置在打印室102内的丝网印刷掩膜102B（图6）相对于正被打印的衬底250的位置及/或角度取向。在一个实施例中，丝网印刷掩膜102B是具有多个特征102C（图6）的金属片或板，例如贯通形成的孔、槽或其他开口以界定图案并将丝网印刷材料（例如，墨水或膏）布置在衬底250的表面上。通常，通过利用致动器102A以及由系统控制器101从检查组件200接收到的信息来在衬底表面上使丝网印刷掩膜102B沿希望位置取向，将被沉积在衬底250的表面上的丝网印刷图案以自动方式与衬底250对准。在一个实施例中，丝网打印室102适于将包含金属或包含电介质的材料沉积在太阳能电池衬底上，其具有约125mm至156mm之间的宽度，以及约70mm至156mm之间的长度。在一个实施例中，丝网打印室102适于将包含金属膏沉积在衬底表面上，以在衬底表面形成金属端子。
在一个实施例中，如图12，13及14所示，由光学检查系统400来代表检测装置52，62，72。光学检查系统400经配置以用于判定形成在衬底250的表面上的重度掺杂区域241的图案230的实际对准情况及取向。光学检查系统400大致包括一个或更多电磁辐射源，例如辐射源402及403，其经配置以发出预定波长的射线，以及检测器组件401，其经配置以捕获反射或未吸收辐射，由此获取打印图案化层的相对光学影像，由此可相对于衬底250的其他非重度掺杂区域来以光学方式判定重度掺杂区域241及宽手指260以及窄手指260A的对准情况及取向。由检测器组件401获取的光学影像（从其获得取向及对准数据）然后被传输至系统控制器101，其经配置以通过影像消除来操作计算操作32a，32b，并在后续以闭回路方式调整并控制衬底的布置对准，以用于通过使用图案化金属技术，在重度掺杂区域241的表面上的金属端子结构（例如，宽手指260及窄手指260A）的第二打印操作21及第三打印操作31。
此外，通过检测器单元401获取的相同光学影像也可被用于品质控制。
图案化金属技术可包括丝网印刷处理，喷墨印刷处理，平版印刷及覆盖金属沉积处理，或其他类似图案化金属处理。在一个实施例中，如下参考图9-12所述，利用在丝网印刷系统100中执行的丝网印刷处理来将金属端子布置在衬底250的表面上。
在重度掺杂区域241被形成在硅衬底的构造内，认为以紫外（UV）及红外（IR）波长发出的电磁辐射将被硅衬底或重度掺杂区域吸收，反射或透射。由此可利用对辐射的透射、吸收或反射之间的差异来形成一些可由检测器组件401及系统控制器101分辨的可辨识对比。在一个实施例中，希望发出约850nm至4微米（μm）之间的波长的电磁辐射。在一个实施例中，一个或更多辐射源402及403是发光二极管（LED），其适于发出一种或多种具有希望波长的光。
在一个实施例中，光学检查系统400具有辐射源402，其经配置以向与其上布置有检测器组件401的衬底的一侧相对的衬底250的表面252发射电磁辐射“B1”。在一个示例中，辐射源402与衬底250的后侧相邻布置，而检测器组件401与衬底250的前侧相邻布置。在此构造中，希望使用大于硅的吸收边缘的光学辐射，例如大于1060nm，以允许发射的电池辐射“B1”穿过衬底250，并沿路径“C”被传输至检测器组件401。认为由于重度掺杂区域中的高掺杂水平（例如，>1018atoms/cm3）对通常在太阳能电池应用中使用的常规轻度掺杂硅衬底（例如，<1017atoms/cm3），在这些波长内的各区域的吸收及透射特性将差异很大。在一个实施例中，希望将发射波长局限在约1.1μm至约1.5μm的范围内的发射波长。在一个示例中，重度掺杂区域具有至少每平方50Ohms的阻抗。
在光学检查系统400的另一实施例中，辐射源403经配置以将电磁辐射“B2”发射至与衬底的检测器组件401的相同一侧的衬底250的表面251，由此一个或更多发射波长将被衬底250或重度掺杂区域241以及宽手指260及窄手指260A吸收并反射，并经由路径“C”被发出至检测器组件401。在该构造中，希望发射波长介于850nm与4微米（μm）之间的光学辐射，直至可通过检测器组件401检测到区域之间的希望对比。
在光学检查系统400的一个实施例中，两个辐射源402及403以及一个或更多检测器组件401被用于帮助进一步在衬底250的表面上检测重度掺杂区域241，宽手指260以及窄手指260A的图案。在此情况下，或希望构造辐射源402及403，使得其发射具有相同或不同波长的辐射。
检测器组件401包括电磁辐射检测器，照相机或其他类似装置，其经配置以测量具有一个或更多波长的接收到的电磁辐射的强度。在一个实施例中，检测器组件401包括照相机401A，其经配置以在由一个或更多辐射源402或403发出的希望波长范围内检测并分辨衬底的表面上的特征。在一个实施例中，照相机401A是InGaAs型照相机，其具有冷却CCD阵列以改进检测信号的信噪比。在一些构造中，希望通过封闭或遮挡衬底250的表面251与照相机401A之间的区域来从环境光隔离开检测器组件401。
在一个实施例中，检测器组件401还包括一个或更多光学滤波器（未示出），其被布置在照相机401A与衬底250的表面251之间。在此构造中，光学滤波器被选择以仅允许特定希望波长通过照相机401A，以减少由照相机401A接收到的不希望的能量的量，由此改进检测到的辐射的信噪比。光学滤波器可以是带通滤波器，窄带滤波器，光边缘滤波器，陷波滤波器，或例如从巴尔联营公司或安多弗公司购买的宽带滤波器。根据本发明的另一方面，光学滤波器被增加至辐射源402或403与衬底250之间，以限制射至衬底并被照相机401A检测到的波长。在此构造中，或希望选择辐射源402或403，其能够传输较广范围的波长，并使用滤波器来限制照射在衬底表面上的波长。
本发明的实施例由此可对应于上述检验操作12，22，32确定在第一打印操作21中打印的图案化重度掺杂区域241的实际对准情况及取向，然后利用通过影像消除的计算操作而在每一次收集的信息，根据重度掺杂区域241的表面上的多层图案，形成（第二及第三打印操作21，31）金属端子。
为了在形成图案化导电层之前对在衬底表面251上形成的重度掺杂区域241的对准及取向直接进行判定，系统101可使用一个或更多光学检查系统400来收集希望的数据。图10示出了结合在打印巢131以及检查组件200中的一部分中的光学检查系统400的一个实施例。在一个实施例中，检查组件200包括照相机401A，而打印巢131包括传送机组件139、支撑材料137、面板138以及辐射源402。在此构造中，辐射源402适于通过支撑材料137以及其上“夹”有衬底250的面板138来向衬底250的表面252发出电磁辐射“B1”。发出的电磁辐射“B1”然后穿过衬底的部分，并随着路径“C”到达被布置以接收发出辐射的一部分的照相机401A。通常，支撑材料137及面板138由材料制成，并具有一定厚度，其不会严重影响被照相机401A以及系统控制器101接收到并处理的电磁辐射的信噪比。在一个实施例中，面板138由光学透明材料形成，例如蓝宝石，其不会过份阻碍UV光及IR波长光。如上所述，在另一实施例中，辐射源403经配置以向布置在支撑材料137及面板138处的衬底250的表面251传输电磁辐射“B2”，由此一个或更多发射波长将被衬底250的部分吸收并反射，并且随着路径“C”被传输至照相机401A。
图8是旋转致动器组件130的一个实施例的示意性立体图，其示出了检查组件200，其被布置以检查布置在打印巢131上的衬底250的表面251。
通常，衬底250的表面251上的图案230的对准取决于图案230与衬底250的特征的对准。在一个实施例中，图案230的对准基于丝网印刷装置与衬底上的特征（例如，边缘250A，250B（图8））的对准。图案230的布置具有相对于边缘250A的期望位置X以及期望角度取向R，以及相对于衬底250的边缘250B的期望位置Y。可将图案230在表面251上以及表面251上期望角度取向R与期望位置（X，Y）的位置误差描述为位置偏离（ΔX，ΔY）以及角度偏离ΔR。因此，位置偏离（ΔX，ΔY）是相对于边缘250A及250B布置重度掺杂区域241的图案230的误差，而角度偏离ΔR是相对于衬底250的边缘250B的重度掺杂区域241的图案230的角度对准的误差。图案230在衬底250的表面251上的误置会影响形成的器件正确工作的能力，由此影响系统100的产能。但是，在丝网印刷层将被沉积在另一形成图案的顶部（例如将导电层布置在重度掺杂区域241上）的应用中，减小位置误差甚至变的更为重要。
为此，在一个实施例中，照相机401A被布置在衬底250的表面251上，使得照相机121的观察区域122可检查表面251的至少一个区域。通过使用从系统控制器101发送至致动器102A的命令，由照相机401A接收的信息被用于将丝网印数掩膜以及后续沉积的材料与重度掺杂区域241对准。在重度掺杂区域241后续的正常处理期间，在其被传输至丝网打印室102之前，库布置在各打印巢131上的各衬底250收集位置信息数据。检查组件200还可包括多个光学检查系统400，其适于检查布置在打印巢131上的衬底250的不同区域，以帮助便好地分辨形成在衬底上的图案230。
虽然以上描述针对本发明的实施例，但在不脱离其基本范围的前提下，可以获得本发明的其他实施例。

Claims (16)

1.一种用于在衬底上打印多层图案的方法，包括：
第一打印步骤，包括将第一图案化层沉积在第一衬底的表面的区域上；
第二打印步骤，包括将第二图案化层沉积在所述表面的所述区域上或所述第一图案化层上；
检验所述第二图案化层相对于所述第一图案化层的对准的精确性，包括：
在所述第一打印步骤之后并在所述第二打印步骤之前获取所述第一图案化层的第一光学影像；
在所述第二打印步骤之后获取所述第二图案化层的第二光学影像；
通过执行第一影像消除处理来判定所述第二图案化层在所述第一衬底上的位置，其中，所述第一影像消除处理包括从所述第二光学影像消除所述第一光学影像，以形成第一消除光学影像；并且
将所述第一消除光学影像与所述第一光学影像进行比较，其中将通过比较生成的数据用于调整第一后续打印步骤的特性，以控制后续图案化层的打印的对准。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
第三打印步骤，包括将第三图案化层沉积在所述第一衬底的所述表面的所述区域上；
在所述第三打印步骤之后获取所述第三图案化层的第三光学影像；并且
通过执行第二影像消除处理来判定所述第三图案化层在所述第一衬底上的位置，其中，所述第二影像消除处理包括从所述第三光学影像消除所述第一光学影像，以形成第二消除光学影像；并且
将所述第二消除光学影像与所述第一光学影像或所述第二光学影像进行比较，其中将通过所述第二消除光学影像与所述第一光学影像或所述第二光学影像进行的比较而生成的数据用于调整第二后续打印步骤的特性。
3.根据权利要求1所述的方法，其中：
沉积所述第一图案化层还包括将掺杂膏布置在所述第一衬底的所述表面的所述区域上，并且
沉积所述第二图案化层还包括将第一含金属材料布置在布置有所述掺杂膏的所述区域的至少一部分上。
4.根据权利要求3所述的方法，其中：
所述第一后续打印步骤包括在所述第一衬底上执行的第三打印步骤，其中，所述第三打印步骤包括将第二含金属材料沉积在所述第一含金属材料上。
5.根据权利要求1所述的方法，其中：
沉积所述第一图案化层的步骤还包括将第一含金属材料布置在所述第一衬底的所述表面的所述区域上，并且
沉积所述第二图案化层的步骤还包括将第二含金属材料布置在所述第一含金属材料的至少一部分上。
6.根据权利要求1所述的方法，其中：
在所述衬底的所述区域上执行所述第一打印步骤以形成多层图案的第一层。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中：
所述光学影像包括利用可见光域或红外光域中的光检测到的影像。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中：
所述打印步骤被用于形成太阳能电池，包括在重度掺杂区域上利用两次打印来形成金属端子，其中，所述金属端子在所述第一衬底的所述表面上形成为多层图案。
9.根据权利要求7所述的方法，其中：
所述打印步骤被用于形成太阳能电池，包括在重度掺杂区域上利用两次打印来形成金属端子，其中，所述金属端子在所述第一衬底的所述表面上形成为多层图案。
10.根据权利要求1所述的方法，其中：
在所述第一打印步骤中打印宽金属线以在重度掺杂区域上界定宽手指，并且在所述第二打印步骤中打印窄金属线以在所述宽金属线上界定窄手指。
11.根据权利要求3所述的方法，其中：
将所述掺杂膏布置在所述第一衬底的所述区域上，以确定重度掺杂区域。
12.一种用于在衬底上打印多层图案的设备，包括：
第一打印站，经配置以将第一图案化层打印在衬底上；
第一装置，能够操作以将所述第一图案化层与衬底的区域对准；
至少一个第二打印站，能够操作以将第二图案化层打印在所述第一图案化层上；以及
至少一个控制装置，能够操作以在打印所述第二图案化层之后检验所述对准的精确性，并能够操作以将从精确性检验而获得的数据反馈至至少一个用于对准的装置，以控制后续图案化层的打印的对准，其中所述控制装置还包括：
检测组件，能够操作以在打印所述第二图案化层之前获取所述第一图案化层的第一光学影像，以及在所述第一图案化层上打印的所述第二图案化层的第二光学影像；以及
控制单元，能够操作以通过所述第二光学影像与所述第一光学影像之间的影像消除来执行影像计算，以确定所述第二图案化层在所述衬底上的实际位置，其中，所述控制单元还能够操作以将所述影像计算的结果反馈至品质控制站。
13.根据权利要求12所述的设备，还包括：
第三打印站，并且
所述控制单元还包括：
第一控制站，其耦接至所述第一打印站以及所述第二打印站，以及
第二控制站，其耦接至所述第二打印站以及所述第三打印站。
14.根据权利要求13所述的设备，其中：
所述控制单元还包括第三控制站，其耦接至所述第三打印站以及所述品质控制站。
15.根据权利要求13所述的设备，还包括对准装置，所述对准装置包括：
第一对准装置，其布置在所述第一打印站与所述第二控制站之间；以及
第二对准装置，其布置在所述第二控制站与所述第三打印站之间。
16.根据权利要求13所述的设备，其中：
所述第一控制站以及所述第二控制站分别包括检测装置，其经配置以获取光学影像数据，并且将所述光学影像数据的至少一部分传送至所述控制单元。
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