CN116794064B - 一种应用于单晶硅圆棒的缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及物理性能检测技术领域，具体涉及一种应用于单晶硅圆棒的缺陷检测方法，首先构建检测场景，场景下包括单晶硅圆棒，成像部件及光源发射部件；其次进行调试处理，采集单晶硅圆棒的一次图像并进行灰度值处理，经比较，当实际灰度值与设定灰度值的差值大于额定灰度差值时调整成像部件的曝光时间，以及光源发射部件的投射亮度；最后进行缺陷检测，获取单晶硅圆棒旋转一周的二次图像，并进行灰度值处理，将二次图像中颜色突变的灰度区域定义为缺陷区域。本发明应用于单晶硅圆棒的缺陷检测，基于背景灰度值进行调试处理，让不同材料背景光强保持一致，达到不同杂质密度，在获取的一次图像背景具有相近的灰度值，提高隐裂和气泡的识别准确性。

Description

一种应用于单晶硅圆棒的缺陷检测方法

技术领域

本发明涉及物理性能检测技术领域，特别涉及一种应用于单晶硅圆棒的缺陷检测方法。

背景技术

在太阳能单晶硅棒生产过程中，由于硅棒内部杂质和热应力的影响，在内部会产生气泡或隐裂，这些缺陷需要在单晶硅圆棒裁切前准确找出，否则影响后续应用。此前，缺陷检测常采用的是人工定位并切除的方法，即根据经验，采用盲切的方式，先把头尾部裁切掉，通过人眼查找发现端面有裂纹，再尝试逐步向内多截一段；通过不断的裁切尝试，直到没有出现裂纹。这种生产方式效率低，而且也不能准确保证流到后道工序的单晶硅圆棒内部是否有缺陷。

之后，逐渐诞生了检测设备，采用相机与红外光源的组合，通过相机获取光源透射硅棒后的图像，观察硅棒中是否存在缺陷；辅助设备的存在能够提高隐裂检测效率，但仍存在缺陷遗漏的问题，主要表现为：采用线阵相机与光源的组合获取图像，图像背景灰度影响缺陷的判断；其次，缺陷中的隐裂还包括微隐裂现象，传统方法很难被识别出来，因此本发明研制了一种应用于单晶硅圆棒的缺陷检测方法，以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的是：提供一种应用于单晶硅圆棒的缺陷检测方法，以解决现有技术中单晶硅圆棒中缺陷检测存在漏失而导致检测精度低的问题。

本发明的技术方案是：一种应用于单晶硅圆棒的缺陷检测方法，包括：

构建检测场景，场景下包括单晶硅圆棒，置于单晶硅圆棒沿径向设置的两侧的成像部件及光源发射部件；

调试处理，采集单晶硅圆棒的一次图像并进行灰度值处理，将一次图像背景的实际灰度值与设定灰度值进行比较，并在实际灰度值与设定灰度值的差值大于额定灰度差值时调整成像部件的曝光时间，和/或所述光源发射部件的投射亮度；

缺陷检测，获取单晶硅圆棒旋转一周的二次图像，并进行灰度值处理，将二次图像中颜色突变的灰度区域定义为缺陷区域。

优选的，所述成像部件选用面阵相机；

所述光源发射部件选用条形光源，并具有大于1100nm的波段；

在所述光源发射部件开启状态下，采用所述成像部件获取所述单晶硅圆棒的一次图像和二次图像。

优选的，在调试过程中，具体方法为：

采集一帧一次图像，剔除一次图像中的高频信号，保留一次图像中的低频信号；

对保留低频信号的一次图像进行区域分割，并计算不同区域的平均灰度值，进而得到不同区域的实际灰度值；经对比，剔除后得到实际灰度值的最大值与最小值；

将实际灰度值的最大值和最小值分别与设定灰度值进行比较，并调整成像部件的曝光时间和/或所述光源发射部件的投射亮度。

优选的，基于所述设定灰度值与额定灰度差值，定义灰度值的额定范围，并对应有额定上限值及额定下限值；

因此，调整所述成像部件的曝光时间以及所述光源发射部件的投射亮度的具体方法为：

所述实际灰度值的最大值和最小值中至少一个大于所述额定上限值时，减小曝光时间和/或投射亮度；

所述实际灰度值的最大值和最小值中至少一个小于所述额定下限值时，增加曝光时间和/或投射亮度。

优选的，增加或减少所述成像部件的曝光时间时，单次调整步长为0.5s；

增加或减少所述光源发射部件的投射亮度时，单次调整步长为50cd/cm²。

优选的，在缺陷检测过程中，提取二次图像中的有效区域，对二次图像按照行坐标进行横向求导，确定二次图像中出现突变的区域，根据突变区域的特征和大小确定缺陷，并输出缺陷信息，所述缺陷信息包括隐裂及气泡。

优选的，在进行缺陷检测时，基于至少两种相异的背景灰度值获取单晶硅圆棒的二次图像，依次获取缺陷信息，并将多组缺陷信息叠加组合，确定缺陷区域。

优选的，缺陷区域确定完成后，对所述单晶硅圆棒进行沿垂直于轴向的切割，切割面与所述缺陷区域的边界位置相对，且所述切割面相对于缺陷区域以外的偏差不大于1mm。

与现有技术相比，本发明的优点是：

（1）本发明应用于单晶硅圆棒的缺陷检测，基于背景灰度值进行调试处理，让不同材料背景光强保持一致，达到不同杂质密度，在获取的一次图像背景具有相近的灰度值，提高隐裂和气泡的识别准确性。

（2）本发明选用特定波段的光照射在单晶硅圆棒上，通过调制光强获取稳定的输出光源强度，在有物理缺陷时，由于光强的直线衰弱，在相机上呈现阴影图像，并通过图像灰度处理及横向求导，准确获取到隐裂和气泡缺陷的位置和长度信息。

（3）在隐裂缺陷中还包括微隐裂现象，对于微隐裂等比较细小的缺陷是检测难点，很容易出现漏掉的情况，采用较窄发光面的条形光源，可消除光晕对细裂纹成像的影响；同时，基于至少两种相异的背景灰度值获取单晶硅圆棒的二次图像，避免因背景灰度值的而影响微隐裂等细小缺陷的识别。

（4）基于缺陷位置的检测准确性，使得在最终缺陷区域切割时，一般保证切割面与检测到的缺陷区域边缘对齐即可，或向外多切除不超1mm，避免传统检测方法因不确定性而导致切割浪费的情况。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明所述单晶硅圆棒在进行缺陷检测时的俯视图；

图2为本发明所述单晶硅圆棒在进行缺陷检测时的侧视图；

图3为本发明所述的一种应用于单晶硅圆棒的缺陷检测方法中进行调试处理的流程图；

图4为本发明所述单晶硅圆棒内部不存在缺陷时，投射光线的光路图；

图5为本发明所述单晶硅圆棒内部存在缺陷时，投射光线的光路图；

图6为本发明所述光源发射部件对应的光源投射区域的光强曲线图；

图7为本发明所述的一种应用于单晶硅圆棒的缺陷检测方法中获取二次图像进行缺陷检测的流程图；

图8为本发明所述单晶硅圆棒在某一设定灰度值下对应采集的二次图像模拟图；

图9为本发明所述单晶硅圆棒在与图8不同灰度值下对应采集的二次图像模拟图；

图10为本发明所述单晶硅圆棒对应于缺陷区域的裁切线示意图。

其中：1、单晶硅圆棒，2、成像部件，3、光源发射部件。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明的内容做进一步的详细说明：

为了便于理解，首先说明本申请的应用场景，用于对单晶硅圆棒内部的缺陷进行精准检测，其中缺陷包括隐裂（包含微隐裂）和气泡，检测完成之后对缺陷区域进行切除；由于传统方法检测精度低，很多缺陷区域周围细小缺陷不易被识别，进而在切割时，需要多切除缺陷区域以外的部分，用于解决识别不精准带来的缺陷残留问题，但是不可避免也带来了材料浪费的问题，因而本申请提供了一种应用于单晶硅圆棒的缺陷检测方法，主要包括如下：

第一步：构建检测场景，如图1、图2所示，场景下包括单晶硅圆棒1，置于单晶硅圆棒1沿径向设置的两侧的成像部件2及光源发射部件3；本实施方式中，成像部件2选用面阵相机；光源发射部件3选用较窄发光面的条形光源，并具有大于1100nm的波段；在光源发射部件开启状态下，采用成像部件2获取单晶硅圆棒1的一次图像和二次图像。

关于光源波段的选择，主要如下：

光源通过透视穿过介质时的光强公式如下：

I=I₀ e^-ɑx

其中，I为透射光强度，I₀为入射光强度，ɑ为介质对光的吸收系数。从上式可知，光在介质中的衰减与介质的吸光系数ɑ和距离x相关。在距离x（即厚度）相同的情况下，主要考虑吸光系数，吸光系数可以通过以下公式来获取：

a=4πk/λ=4πσ/(2nωε₀)λ

因此，吸光系数和光线的波长λ以及电荷密度σ相关，在硅棒中与波长λ相关的吸收，主要硅棒的本征吸收；根据本征吸收发生的必要条件：光子能量hv必须大于禁带宽度Eg。所以为了达到减少光通过硅棒的衰减，尽量减少硅棒对光的本征吸收。

λ₀=1.24/Eg=1.24/1.12=1.107μm

通过上述，本征吸收的极限波长为1107nm，因而本申请选择1100nm以上波长的光线会有很好的透射效果。

在理想情况下，如果单晶硅圆棒中的杂质分布均匀，参数σ值是保持不变的即可以不用考虑这个参数的影响。但是在实际生产中杂质分布是不均匀的，例如同一根单晶硅圆棒，头部和尾部的杂质是不均匀的，所以导致电导率会发生变化，从而对吸光系数产生了很大的影响。

第二步：调试处理，采集单晶硅圆棒的一次图像并进行灰度值处理，将一次图像背景的实际灰度值与设定灰度值进行比较，并在实际灰度值与设定灰度值的差值大于额定灰度差值时调整成像部件的曝光时间，和/或光源发射部件的投射亮度；基于设定灰度值与额定灰度差值，定义灰度值的额定范围，并对应有额定上限值及额定下限值；

该调试处理主要是用于解决产品不同杂质密度对光强的影响，导致获取的一次图像背景出现不均匀的现象，进而导致对缺陷检出有严重的干扰和误判，因此在缺陷检测前需进行调试处理，在调试过程中，如图3所示，具体方法为：

a、采集一帧一次图像，剔除一次图像中的高频信号，保留一次图像中的低频信号；低频信号就是颜色缓慢的变化，也就是灰度缓慢的变化；高频信号就是颜色变化快，相邻区域之间的灰度相差很大，对于一幅图像来说，除去高频就是低频；结合图4所示，当单晶硅圆棒内不存在缺陷时，光线能够完全穿过单晶硅圆棒，在光路方向上，光强会发生一定的衰减，但采集的一次图像中灰度值不会出现较大差异；结合图5所示，当单晶硅圆棒中存在缺陷时，由于物理的分子结构出现断裂不会有光沿单晶硅圆棒透射过去，进而导致采集的一次图像中出现黑色阴影，存在区域之间灰度值相差很大的情形，即高频信号；

b、对保留低频信号的一次图像进行区域分割，此时一次图像中已剔除缺陷部分，仅用于对一次图像的背景部分进行分割，并计算不同区域的平均灰度值，进而得到不同区域的实际灰度值；经对比，剔除后得到实际灰度值的最大值与最小值；

c、将实际灰度值的最大值和最小值分别与设定灰度值进行比较，并调整成像部件的曝光时间和/或光源发射部件的投射亮度；

当实际灰度值的最大值和最小值中至少一个大于额定上限值时，减小曝光时间和/或投射亮度；当实际灰度值的最大值和最小值中至少一个小于额定下限值时，增加曝光时间和/或投射亮度。

在一实施方式中，增加或减少曝光时间的步长为0.5s，增加或减少投射亮度的步长为50cd/cm²；在进行调试处理时，按步长不断调试曝光时间及投射亮度，直至实际灰度值的最大值和最小值均处于额定范围内。

第三步：缺陷检测，获取单晶硅圆棒旋转一周的二次图像，并进行灰度值处理，将二次图像中颜色突变的灰度区域定义为缺陷区域。如图6所示，本申请中采用较窄发光面的条形光源，当照射单晶硅圆棒之后，其光源强度由光源发光区域向两侧逐步递减，但当照射至缺陷位置时，结合图5所示，由于有一部分光无法从单晶硅圆棒内透射出去，因而光强曲线会出现不连续的情况，进而也在采集的二次图像中形成了缺陷区域。

具体的，如图7所示，提取二次图像中的有效区域，对二次图像按照行坐标进行横向求导，确定二次图像中出现突变的区域，根据突变区域的特征和大小确定缺陷，并输出缺陷信息，缺陷信息包括隐裂及气泡。本实施方式中，在进行缺陷检测时，基于至少两种相异的二次图像背景灰度值获取单晶硅圆棒的图像，依次获取缺陷信息，并将多组缺陷信息叠加组合，确定缺陷区域。

主要原因如下：

结合图8模拟所示，基于某一特定的二次图像的背景灰度值1（该背景灰度值1处于额定范围内），通过缺陷检测方法定位了缺陷区域，为框a中所示部分；再结合图9模拟所示，在额定范围内重新调整二次图像的背景灰度值，通过缺陷检测方法再次定位缺陷区域，为框a和框b中所示部分。综合图8、图9所示，图9中框b内出现了微隐裂现象，由于其缺陷比较细小，因而在图8对应的灰度值下无法被识别出来，本申请中基于至少两种相异的二次图像背景灰度值获取单晶硅圆棒的二次图像，避免细小的微隐裂缺陷遗漏；当获取到缺陷信息后，所有缺陷信息叠加组合，即框a和框b内的所有缺陷信息为对应的单晶硅圆棒的缺陷区域。

第四步，缺陷区域确定完成后，对单晶硅圆棒进行沿垂直于轴向的切割，切割面与缺陷区域的边界位置相对，且切割面相对于缺陷区域以外的偏差不大于1mm。

以本实施方式中所采用的单晶硅圆棒为例，结合图10所示，因检测到的缺陷区域为框a和框b中对应的部分，因而切割区域为L1和L3之间的部分；若只采集图8中对应的二次图像进行缺陷区域定位，会导致最终切割区域为L2和L3之间的部分，而L1和L2之间的微隐裂部分会残留，对单晶硅圆棒的后续使用造成不利影响。

可以明确的是，本申请中切割位置的确定永远以定位的缺陷区域为准，但是传统方法中，若确定了缺陷区域为L1和L3之间的部分，那在实际切割过程中，切割的位置会远远偏离L1和L3，即：以图示方向为例，左边的切割线会偏离L1向左移动至少10cm，右边的切割线会偏离L3向右移动至少10cm；其原因在于缺陷区域的定位不精准，由于能够识别到的缺陷区域附近会存在大量细小缺陷无法识别，因此只能采用周边区域全切的方法。

综合以上，本申请中能够精准定位缺陷区域，主要在于：

第一，成像部件采用面阵相机，能够最大程度保证获取到的一次图像和二次图像的背景灰度相对过渡平缓，不会呈现线条状；

第二，光源发射部件选用较窄发光面的条形光源，并具有大于1100nm的波段，在单晶硅圆棒缺陷检测的应用场景下，具备更好的透射效果；

第三，背景灰度的调试处理，基于曝光时间和投射亮度的调整，解决产品因不同杂质密度影响而导致获取的一次图像背景不均匀的问题；

第四，基于至少两种相异的二次图像背景灰度值获取单晶硅圆棒的二次图像，避免微隐裂等相关细小的缺陷被遗漏。

因此，基于缺陷区域的准确定位后，能够实现单晶硅圆棒缺陷部位精准切割，避免传统检测方法因不确定性而导致切割浪费的情况。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (6)

1.一种应用于单晶硅圆棒的缺陷检测方法，其特征在于，包括：

构建检测场景，场景下包括单晶硅圆棒，置于单晶硅圆棒沿径向设置的两侧的成像部件及光源发射部件；所述成像部件选用面阵相机；所述光源发射部件选用条形光源，并具有大于1100nm的波段；在所述光源发射部件开启状态下，采用所述成像部件获取所述单晶硅圆棒的一次图像和二次图像；

调试处理，采集单晶硅圆棒的一次图像并进行灰度值处理，将一次图像背景的实际灰度值与设定灰度值进行比较，并在实际灰度值与设定灰度值的差值大于额定灰度差值时调整成像部件的曝光时间，和/或所述光源发射部件的投射亮度；

缺陷检测，获取单晶硅圆棒旋转一周的二次图像，并进行灰度值处理，将二次图像中颜色突变的灰度区域定义为缺陷区域；在进行缺陷检测时，基于额定范围内至少两种相异的背景灰度值获取单晶硅圆棒的二次图像，依次获取缺陷信息，并将多组缺陷信息叠加组合，确定缺陷区域。

2.根据权利要求1所述的一种应用于单晶硅圆棒的缺陷检测方法，其特征在于：在调试过程中，具体方法为：

采集一帧一次图像，剔除一次图像中的高频信号，保留一次图像中的低频信号；

对保留低频信号的一次图像进行区域分割，并计算不同区域的平均灰度值，进而得到不同区域的实际灰度值；经对比，剔除后得到实际灰度值的最大值与最小值；

将实际灰度值的最大值和最小值分别与设定灰度值进行比较，并调整成像部件的曝光时间和/或所述光源发射部件的投射亮度。

3.根据权利要求2所述的一种应用于单晶硅圆棒的缺陷检测方法，其特征在于：基于所述设定灰度值与额定灰度差值，定义灰度值的额定范围，并对应有额定上限值及额定下限值；

因此，调整所述成像部件的曝光时间以及所述光源发射部件的投射亮度的具体方法为：

所述实际灰度值的最大值和最小值中至少一个大于所述额定上限值时，减小曝光时间和/或投射亮度；

所述实际灰度值的最大值和最小值中至少一个小于所述额定下限值时，增加曝光时间和/或投射亮度。

4.根据权利要求3所述的一种应用于单晶硅圆棒的缺陷检测方法，其特征在于：增加或减少所述成像部件的曝光时间时，单次调整步长为0.5s；

增加或减少所述光源发射部件的投射亮度时，单次调整步长为50cd/cm²。

5.根据权利要求1所述的一种应用于单晶硅圆棒的缺陷检测方法，其特征在于：在缺陷检测过程中，提取二次图像中的有效区域，对二次图像按照行坐标进行横向求导，确定二次图像中出现突变的区域，根据突变区域的特征和大小确定缺陷，并输出缺陷信息，所述缺陷信息包括隐裂及气泡。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种应用于单晶硅圆棒的缺陷检测方法，其特征在于：缺陷区域确定完成后，对所述单晶硅圆棒进行沿垂直于轴向的切割，切割面与所述缺陷区域的边界位置相对，且所述切割面相对于缺陷区域以外的偏差不大于1mm。