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Die Erfindung betrifft eine technische Lösung zur Prüfung von Siliziumbauteilen auf Grundlage einer optischen Detektion von Defekten in und auf Bauteilen für opto- und halbleiterelektronische, optische und mechanische Anwendungen mittels einer Infrarot-Transmissionsinspektion, wobei der zu bewertende Prüfling im Transmissionsstrahlengang angeordnet wird.
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Auf zahlreichen Gebieten werden optische Inspektionsverfahren mit Licht verschiedener Wellenlänge eingesetzt, um durch Anwendung von infrarotem, sichtbarem oder ultraviolettem Licht Bauteilfehler, Verunreinigungen und ähnliche Defekte an unterschiedlichen technischen Objekten detektieren zu können. Hierfür sind bereits verschiedenartige Verfahren und Vorrichtungen als Stand der Technik bekannt.
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Ein diesbezüglich typisches Beispiel für optoelektronische Anwendungen sind Siliziumwafer in der Photovoltaik. Defekte in derartigen Wafern beeinträchtigen deren mechanische Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit und somit letztlich die Funktionsfähigkeit der aus diesen Wafern gefertigten Solarzellen. Deshalb sind Prüftechniken notwendig, mit denen Inhomogenitäten, insbesondere Risse und Spannungsfelder in Siliziumwafern detektiert werden können. Dies ist eine messtechnisch anspruchsvolle Aufgabe, weil diese Defekte zumeist sehr klein und innenliegend sind und deshalb mit den etablierten Oberflächenmessverfahren nicht detektierbar sind. Außerdem sind sie häufig von den umgebenden Materialienstrukturen nur bedingt zu unterscheiden. Das beschränkt den Einsatz transmissiver Prüfmethoden.
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Die an sich bekannten Prüfverfahren zur Risserkennung, wie beispielsweise Farbeindringprüfung, Ultraschallprüfung, Magnetverfahren, Wirbelstromverfahren, Röntgenprüfung oder auch thermische Verfahren sind jedoch aufgrund der materialspezifischen Anforderungen von Solarwafern nicht oder nur bedingt für eine Waferprüfung geeignet, so dass für dieses technische Gebiet ein großer Entwicklungsbedarf für andere Prüftechniken besteht.
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Eine Anwendung zur Kontrolle von Siliziumwafern mittels einer Durchleuchtung mit rotem Licht zur Erkennung von Rissen wird in
DE 101 46 879 A1 beschrieben. Hier erfolgt eine berührungslose Aufweitung vorhandener Risse durch externe Einkopplung von thermischer bzw. mechanischer Energie. Zur Lokalisierung wird eine elektronische Kamera verwendet, mit der das Licht gemessen wird, das von einer Lichtquelle auf der Gegenseite des Wafers erzeugt wird und durch den Riss transmittiert wird.
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Aus
EP 0 619 484 A1 ist ein weiteres optisches Inspektionssystem bekannt, hier unter Verwendung von mehreren Quarzlampen. Durch abgestimmte Wellenlängenbereiche einer Hauptlichtquelle und mehreren Nebenlichtquellen wird die Fehlerdetektion realisiert, insbesondere bei Solarzellen mit einer vollflächig metallischen Rückseitenelektrode. Dieses Inspektionsverfahren basiert auf einer Auswertung von reflektiertem Infrarot-Licht.
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EP 1 956 366 A1 beschreibt ein Prüfverfahren, bei dem breitbandiges Licht aus wenigstens zwei räumlich unterschiedlichen Richtungen auf den Wafer trifft und mit einer Kamera aufgenommen wird. Die erzeugten Wafer-Bilder in Hellfeld, Dunkelfeld und Durchlicht werden in einer Bildverarbeitung ausgewertet.
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EP 1 855 103 A2 betrifft eine technische Lösung für Halbleiterwafer, welche streuendes Infrarotlicht nach dem transmissiven Prinzip zur Defektprüfung nutzt. Durch verschiedene in der Achse zwischen Lichtquelle und Detektor angeordnete Komponenten werden erwünschte und unerwünschte Streulichteffekte beeinflusst.
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Obwohl somit bereits verschiedenartige technische Lösungen zur Prüfung von Siliziumbauteilen verfügbar sind, besteht weiterhin Entwicklungsbedarf, um bisherige technologische Defizite in Bezug auf eine prozessnahe Inspektion unter Einhaltung von Fertigungstaktzeiten zu überwinden.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine technische Lösung zu schaffen, mit der insbesondere eine Erkennung und Unterscheidung von Fehlermerkmalen von sonstigen Strukturen nach dem Durchlichtprinzip ermöglicht wird. Dabei soll diese technische Lösung primär für eine waferbasierte Solarzellenfertigung bei höheren Verarbeitungsstufen der Zellprozessierung geeignet sein. In derartigen Verarbeitungsstufen werden beispielsweise die Dotierung zur elektrischen Aktivierung des Halbleiters bzw. Beschichtungen zur Minderung der Reflexion vorgenommen.
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Die Aufgabe wird mit einem Verfahren in Transmission gelöst, indem bei der Detektion von Inhomogenitäten die Strahlen ausgehend von einer Quelle mit Infrarot-Licht über einen miteinander in Wirkverbindung bringbaren linearen Polarisator und einen Analysator geführt werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen, deren technische Merkmale und Wirkungen in einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.
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Mit der erfindungsgemäßen technischen Lösung wird ein Verfahren zur kamerabasierten optisch-transmissiven Inspektion von Siliziumbauteilen mit separierender Defektdetektion durch eine Kontrasterhöhung geschaffen. Gleichzeitig werden vorrichtungstechnische Aspekte berücksichtigt.
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Es können mikro- und makroskopische Defekte (z. B. Risse, Kratzer, Einkerbungen, Kontaminationen) und Substrateigenschaften (z. B. Spannungszustände, Brechzahländerungen, Absorption, Dickenschwankungen) detektiert werden, die durch Trenn-, Wärmebehandlungs- und Handhabungsprozesse während der Herstellung der Prüflinge entstehen können.
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Die zu prüfenden Substrateigenschaften können auch lokal ausgeprägte mechanische Spannungsfelder gleichartigen technologischen Ursprungs sein, die auch bereits in niedrigen Verarbeitungsstufen (sägerauer Zustand) sehr gut visualisiert und ausgewertet werden können.
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Durch die Nutzung eines transmissiven Prüfprinzips können sowohl offene, oberflächennahe als auch im Inneren verlaufende geschlossene Rissschädigungen erfasst werden, wobei die Erfindung für verschiedenartige Prüfungen von Werkstücken bzw. Substraten in der Solarzellenherstellung, der Optikfertigung, der Elektronik- und Halbleiterfertigung (MEMS usw.) oder der Aufbau- und Verbindungstechnik geeignet ist. Eine besonders vorteilhafte Anwendung ergibt sich für die Prüfung von Solarwafern, bei der gegenüber der bisherigen Technologie qualitativ hochwertigere Aussagen zum Bauteilzustand erzielt werden.
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Das Verfahren beruht auf einer Durchlichtprüfung vorzugsweise im nah-infraroten Spektralbereich und ermöglicht eine Detektion und Auswertung von typischen Schädigungen, wobei auch unterschiedliche optische Vergrößerungen von fehlerhaften Bereichen realisierbar sind. Über Konfigurationen optischer Filter wird eine Kontrastierung von bestimmten Fehlern und Substrateigenschaften erreicht gegenüber nicht fehlerhaften umgebenden Strukturen (z. B. Korngrenzen), die eine kamerabasierte Fehlerdetektion bisher erschweren oder unmöglich machen. Eine Abschwächung bzw. Ausblendung der umgebenden Strukturen, die nicht Interesse einer Prüfung sind und als Hell-/Dunkelbereiche die Schädigung überlagern, wird mit gekreuzten Linear-Polarisationsfiltern erreicht, die im Strahlengang angeordnet sind.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 zwei Varianten des Bezugssystems Polarisator-Prüfling-Analysator mit drehbaren Filteroptiken bzw. mit drehbarer Halterung für den Prüfling
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2 zwei weitere Varianten des Bezugssystems Polarisator-Prüfling-Analysator, hier in einer Ausführung für vorzugsweise große Prüfflächen
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3 eine erste Variante einer Filteranordnung
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4 eine zweite Variante einer Filteranordnung
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5 eine dritte Variante einer Filteranordnung
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6 eine vierte Variante einer Filteranordnung Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung besteht grundsätzlich aus einem Polarisator zwischen einer Lichtquelle und einem Prüfling sowie aus einem Analysator zwischen dem Prüfling und einem Detektor. Der Analysator kann in Abhängigkeit der Prüffläche, der Detektorempfindlichkeit und der Lichtintensität als ein Glasfilter oder als eine Folie ausgestaltet werden.
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Im Bezugssystem von Polarisator-Prüfling-Analysator besteht in Abhängigkeit der lateralen Ausrichtung des Fehlermerkmals eine Drehwinkelabhängigkeit. Unabhängig von der jeweils konkreten Ausgestaltung müssen dabei der Polarisator und der Analysator stets gekreuzt angeordnet sein. Um eine vollständige und hochkontrastierte Fehlererfassung zu ermöglichen, sind entweder die gekreuzten Filteroptiken (1 links) oder die Halterung des Prüflings (1 rechts) drehbar ausgeführt.
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2 zeigt Ausführungsvarianten für große Prüfflächen, wobei eine Kombination von Folien mit gleichem Orientierungssinn als Polarisator ausgeführt ist. Hierbei ist vorteilhaft, dass durch eine Addition von zwei oder mehr Folien hintereinander den Glasfiltern vergleichbare Eigenschaften erzielt werden (2 links). Ein weiterer Vorteil ist, dass durch eine Anordnung von mehreren Folien nebeneinander auch große Prüfflächen erfasst werden können (2 rechts). Somit kann eine nicht-sequentielle Prüfung großer Bereiche ohne Stitching, d. h. vollständige Erfassung des Prüfobjekts mit einer einzigen Aufnahme, beziehungsweise eine Reduzierung der notwendigen Ausrüstungskosten erreicht werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich dadurch, dass durch einen Einsatz von optischen Verzögerungsfiltern die Richtungsabhängigkeit der typischen Fehlermerkmale weitgehend ausgeglichen werden kann. Die Verzögerungsfilter werden im Strahlengang zwischen Analysator und Prüfling sowie zwischen Prüfling und Polarisator in bestimmter Orientierung angeordnet und bewirken eine Wandlung des Polarisationszustandes. Damit werden eine vollständige Vermeidung von rotierenden Bewegungsachsen und eine wirtschaftliche Prüflösung durch eine einfachere Ausführung sowie einen verminderten Zeitaufwand zur Detektion bzw. Auswertung erreicht.
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In weiteren Ausführungsvarianten gemäß 3 bis 6 sind alternativ Bewegungsachsen oder Rotationsachsen vorgesehen. Sofern Bewegungsachsen vorgesehen sind, können die Filteranordnungen aus dem Strahlengang herausgefahren werden. Sofern Rotationsachsen vorgesehen sind, mit denen der Orientierungssinn der Filter verändert werden kann, wird ein Wechselbetrieb nach dem an sich bekannten Durchlichtprinzip ermöglicht.
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3 zeigt eine Filteranordnung, bei der in konventioneller Weise der Polarisator/hier der Filter 1 an der Lichtquelle und der Analysator/hier der Filter 2 vor dem Bildsensor in einem Drehsinn senkrecht zueinander angeordnet sind.
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4 zeigt eine modifizierte Filteranordnung, bei welcher der Filter 1 und der Filter 2 in Kombination mit Verzögerungselementen/hier als Lambda-Viertel-Element mit den Filtern 3 und 4 angeordnet sind.
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5 zeigt eine weitere Variante, wobei nach dem Filter 1 ein zusätzlicher Filter 5 angeordnet ist. Die Orientierung dieses Filters 5 entspricht dem Filter 1. Das linearisierte Licht, das die Filter 1 und 5 passiert, durchdringt den Prüfling bzw. die Filter 3 und 4 und die durch den Prüfling unbeeinflussten Lichtwellen werden im letzten Filter geblockt.
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6 zeigt eine nochmals andere Variante, wobei nach dem Prüfling ein Filter 5 angeordnet ist. Die Orientierung dieses Filters 5 ist hier diagonal im Winkel von 45 Grad zum Filter 1. Das durch den Filter 1 linearpolarisierte Licht passiert den Prüfling und trifft auf den Filter 5. Dabei wird nur die diagonale Komponente durchgelassen. Anschließend trifft der diagonale Lichtanteil auf den Filter 2, welcher nur die waagerechte bzw. senkrechte Lichtkomponente durchlässt.
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Die erfindungsgemäße technische Lösung kann verschiedenartig weiter ausgestaltet werden. So können die Filter aus mehreren Einzelelementen bestehen oder aus einem großflächigem Element in Folie oder Glas mit hohem Transmissions- und Kontrastvermögen im nahen Infrarot-Bereich. Die wellenlängenselektive Strahlquelle im nahen Infrarot-Bereich kann aus einem oder mehreren Punktstrahlern bestehen. Schließlich kann als Bildsensor eine CCD-/CMOS-Kamera mit Zeilen- oder Matrixsensor verwendet werden, die im Wellenlängenbereich zwischen 900 und 1200 nm eine für die Transmissionsprüfung von Silizium noch ausreichende Restempfindlichkeit bzw. Quanteneffizienz aufweist.
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Neben diesen und weiteren möglichen Ausgestaltungen können auch die einzelnen Bauteilkomponenten unterschiedlich miteinander kombiniert werden. So kann beispielsweise ein preisgünstiger Standard-Bildsensor als Einzel- oder Mehrkamerasystem mit niedriger Quanteneffizienz und einem NIR-Strahler mit hoher optischer Leistung in permanenter oder zeitlich modulierter Betriebsart (Hochleistung-LED, Diodenlaser) eingesetzt werden. Ebenso kann ein optimiertes Bildsensorsystem mit verbesserter Quanteneffizienz im Prüäfwellenlängenbereich und einer Lichtquelle mit relativ geringer Strahlleistung verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10146879 A1 [0005]
- EP 0619484 A1 [0006]
- EP 1956366 A1 [0007]
- EP 1855103 A2 [0008]
