DE69414630T2 - Vorrichtung zur optischen Beleuchtung und Untersuchung von Defekten in Halbleiterscheiben und Solarzellen - Google Patents
Vorrichtung zur optischen Beleuchtung und Untersuchung von Defekten in Halbleiterscheiben und SolarzellenInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft optische Systeme zum Inspizieren von mehrschichtigen Siliciumvorrichtungen und insbesondere ein optisches System, das Licht des nahen Infrarot zum Nachweis von Defekten in Siliciumschichten verwendet.
- Inspektionssysteme sind im Stand der Technik verfügbar, um Defekte nachzuweisen wie Risse in Siliciumschichten, insbesondere in Siliciumschichten oder -platten (Wafers), die in Solarzellen verwendet werden. Solche Systeme umfassen eine Quelle für linear polarisierte Infrarotbeleuchtung, die in einem ersten ausgewählten Winkel ganz auf die Solarzellenvorrichtung gerichtet ist. Das linear polarisierte Infrarotlicht wird von der Siliciumschicht der Solarzelle reflektiert und eine Infrarotvideokamera ist in Bezug auf die Solarzelle in einem zweiten ausgewählten Winkel positioniert. Die Videokamera, die einen Infrarotlinearpolarisationsanalysator enthält, erzeugt ein sichtbares Bild der Siliciumschicht und Risse in der Siliciumplattenoberfläche können beobachtet werden.
- Ein typisches Infrarotsolarzelleninspektionssystem ist in der Veröffentlichung von J. R. Hodor, H. J. Decker, Jr., J. Barney in: "Infrared Technology Comes to State-of-the-Art of Solar Array Production" SPIE Bd. 819, Infrared Technology XIII (1987), S. 22-29 beschrieben.
- Die zuvor bekannten Systeme verwenden Infrarotlicht im Bereich 5 bis 15 Mikrometer, und richten auch die kollimatisierte, linear polarisierte Infrarotbeleuchtung direkt auf die Solarzelle. Solche Systeme ergeben ein Bild auf dem Videokamerabildschirm, in dem Risse in der Siliciumschicht beobachtet werden können.
- Im Stand der Technik bekannte, verfügbare Inspektionsverfahren sind in der Konstruktion und der Anwendung äußerst komplex und durch das hohe Gewicht behindert. Alle der verschiedenen bisher bekannten oder vorgeschlagenen Systeme können nicht mehr als praktisch betrachtet werden, da die Komplexität, Größe und Gewichtsbelastungen der Systeme sie zu teuer und nicht tragbar genug machen für Anwendungen im Bereich dynamischer Herstellung und Tests in der Luft- und Raumfahrttechnik.
- FR-A-2,641,866 offenbart ein Inspektionsverfahren für transparente Schutzfenster, die mehrere Solarzellen bedecken, in denen ein Kaltlichtstrahl auf einen Abschnitt jedes der Fenster gerichtet wird, während die Fenster unter einem ungefähr normalen Einfallwinkel betrachtet werden, um innerhalb der Peripherie nach einer Zone mit hoher Helligkeit zu suchen, die einen Defekt im Fenster kennzeichnet. US-A-4,501,966 offenbart ein Gerät und ein System zum Untersuchen von Infrarottransparenten wie einer Anordnung von photovoltaischen Modulen, die Siliciumsolarzellen enthalten. Das System umfaßt ein Infrarotmikroskop und eine Anzahl von Infrarotlichtquellen.
- Die vorliegende Erfindung sucht ein optisches Inspektionssystem zum Betrachten von Rissen in Siliciumsubstraten zur Verfügung zu stellen, aber es kann auch zum Nachweis von Rissen in Galliumarsenid- (GaAs) oder Germaniumsubstraten (Ge) verwendet werden, das weniger Bauteile erfordert als Systeme im Stand der Technik.
- Die Erfindung kann ein optisches Inspektionssystem für Siliciumplattendefekte zur Verfügung stellen, das klar zwischen Abdeckschichtrissen und Rissen in der Siliciumplatte unterscheidet.
- Die Erfindung kann ein optisches Inspektionssystem für Siliciumplatten in Solarzellenträgertafeln zur Verfügung stellen, das für eine Reihe von Inspektionen mit minimalem Risiko für die Solarzellen übereinstimmende Ergebnisse ergibt.
- Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein optisches Inspektionssystem zum Betrachten von physikalischen Defekten in einem Herstellungsprodukt eine Quelle für einen kollimatisierten Lichtstrahl, im Weg des kollimatisierten Lichtstrahls angeordnete Mittel zum Filtern des Lichtstrahls, so daß spezifische Wellenlängen davon passieren, gekennzeichnet durch im Weg des kollimatisierten und gefilterten Lichtstrahls angeordnete Reflexionsmittel, wobei die Reflexionsmittel eine unregelmäßige Reflexionsoberfläche zum Streuen des kollimatisierten und gefilterten Lichtstrahls und Richten des gestreuten Lichts auf das Herstellungsprodukt in einer Vielzahl von verschiedenen Winkeln aufweisen und auf das Herstellungsprodukt gerichtete Betrachtungsmittel, die auf das gestreute Licht reagieren, um ein Bild des Herstellungsprodukts zu erzeugen, worin physikalische Defekte im Herstellungsprodukt im Bild erkennbar sind.
- Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung eines optischen Inspektionssystems gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestellt, zum Betrachten eines Herstellungsprodukts mit einer Struktur, die ein kristallines Substrat umfaßt, worin physikalische Defekte im Herstellungsprodukt Risse in dem kristallinen Substrat sind.
- Damit die Erfindung und ihre verschiedenen anderen bevorzugten Merkmale leichter zu verstehen sind, werden einige Ausführungsformen nun, nur als Beispiel, mit Bezug zu den Zeichnungen beschrieben, in denen:
- Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm der Bauteile eines erfindungsgemäß konstruierten optischen Inspektionssystems darstellt.
- Fig. 2 eine schematische Darstellung mit typischen optischen Wegen für die im System von Fig. 1 verwendeten Lichtquellen zeigt.
- Fig. 3 eine schematische Darstellung der Wecheselwirkung der Lichtstrahlen des Systems von Fig. 1 an den verschiedenen Grenzflächen einer typischen Solarzelle zeigt.
- Fig. 4 eine ausführlichere Darstellung der Solarzellgrenzflächen und der von Rissen darin erzeugten Schatten zeigt.
- In Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines optischen Inspektionssystems zum Nachweis von Rissen in einer Siliciumplatte oder in Zwischenschichten einer Solarzelle dargestellt, die einen Laser 10 zum Bereitstellen eines Strahls von kollimatisiertem Licht umfaßt. Der Laser 10 kann ein typischer HeNe- Laser sein, wie er im Stand der Technik verfügbar ist. Eine Videokamera 12 ist colinear mit dem Laser 10 angeordnet und umfaßt eine Makrozoomlinse 14. Der Laser 10 wird als Führung für die Sichtvideokamera 12 an einem ausgewählten Zielort verwendet. Die Kamera 12 ist auf Frequenzen des nahen Infrarot empfindlich und ist auch im Stand der Technik verfügbar. Ein zu untersuchender Solarkollektor 16 ist in einer Testebene im Weg der Beleuchtung von Laser 10 und im Sichtfeld der Videokamera 12 angeordnet.
- Eine erste Quelle 18 für kollimatisiertes Licht, zum Beispiel eine Quarzhalogenlampe, erzeugt eine Beleuchtung von 0,9 bis 1,2 Mikrometern, ein nahes Infrarotspektrum, das durch einen langen Passfilter 22 projiziert und gefiltert wird, der Wellenlängen von 1,0 Mikrometern passieren läßt. Das gefilterte kollimatisierte Licht von der Lichtquelle 18 wird auf die Oberfläche einer weißen Papierplatte 24 projiziert. Der Solarkollektor 16 kann auch von unkollimatisiertem ungefilterten Licht des nahen Infrarot beleuchtet werden, das in einem Winkel von einer zweiten Quarzhalogenlichtquelle 20 gerichtet ist. Fig. 1 zeigt typische Dimensionen für die Anordnung der beschriebenen Systemkomponenten. Diese Dimensionen sind nicht kritisch und sind angegeben, um die Kompaktheit des erfindungsgemäßen Systems zu zeigen.
- Die Oberfläche des weißen Papiers 24 enthält Unregelmäßigkeiten in der Größenordnung von 1,0 Mikrometern, die auch in derselben Größenordnung liegen wie die Wellenlänge des Lichts des nahen Infrarot, das durch den Filter 22 passiert. Diese Unregelmäßigkeiten bewirken eine Streuung des von der Oberfläche des weißen Papiers 24 reflektierten Lichts. Das weiße Papier 24 ist so angeordnet, daß das davon reflektierte diffuse Licht auf die Oberfläche des Solarkollektors 16 fällt, der in einer Testebene positioniert ist. Weil die vom weißen Papier 24 reflektierten Lichtstrahlen diffus sind, treffen sie die Oberfläche des Solarkollektors 16 in einer Vielzahl von verschiedenen Winkeln.
- In Fig. 2 zeigt eine Darstellung die Lichtstrahlen von Lampe 18 und Filter 22, die, wegen der diffusen Reflexion von der Oberfläche des weißen Papiers 24, vom weißen Papier 24 in verschiedenen Winkeln zum Solarkollektor 16 reflektiert werden.
- In Fig. 3 zeigt eine Darstellung die Komponentenschichten einer Solarzelle des Kollektors 16, die ein Solarzellenmaterial 16A umfassen mit einer metallisierten Rückenfläche 16B, die eine Schicht 16A aus Siliciumgermanium oder einem GaAs-Material trägt. Auf der Solarzelle 16A ist eine Abdeckglasschicht 16D durch einen Zellkleber 16C angebracht und ein Abdeckglas 16E mit einer Antireflexionsbeschichtung 16F ist auf dem Abdeckglas 16D angeordnet. Wenn kein Abdeckglas 16E verwendet ist, dann kann eine Antireflexionsbeschichtung auf der Außenfläche des Abdeckglases 16D verwendet sein. Die Struktur 16A, 16B, 16C, 16D, 16E und 16F in Fig. 3 stellt eine Solarzelle des Solarkollektors 16 dar. Da Lieht an der Grenzfläche zwischen zwei transparenten Substanzen mit unterschiedlichen Brechungsindices abgelenkt wird, trifft jeder Lichtstrahl des nahen Infrarot, der von der diffusen Oberfläche des weißen Papiers 24 reflektiert wird, die Abdeckglasschicht 16E und wird teilweise durch das Glas in verschiedenen Winkeln gemäß dem Snelliusschen Brechungsgesetz
- M&sub1; sin &sub1; = M&sub2; sin &sub2; geleitet,
- wobei M&sub1; der Brechnungsindex der ersten transparenten Substanz ist,
- M&sub2; der Brechnungsindex der zweiten transparenten Substanz ist,
- &sub1; der Winkel des Lichtstrahls in Bezug auf die Grenzfläche beim Eintritt von der ersten Substanz ist,
- &sub2; der Winkel des Lichtstrahls in Bezug auf die Grenzfläche beim Austritt in die zweite Substanz ist.
- Das vom weißen Papier 24 reflektierte Licht des nahen Infrarot trifft auch das Abdeckglas 16E und wird gemäß dem Brechungsgesetz teilweise reflektiert, das angibt, daß der Einfallwinkel &sub1; gleich dem Reflexionswinkel r ( i = r) ist.
- Auf diese Weise besteht jeder einzelne Lichtstrahl, der vom weißen Papier 24 reflektiert wird und auf das Abdeckglas 16E fällt, aus zwei aufeinanderfolgenden Strahlen; einem übertragenen (gebrochenen) Strahl und einem reflektierten Strahl. Sowohl Reflexion wie Brechung der Lichtstrahlen erfolgen an der Grenzfläche zwischen dem Abdeckglas 16D und dem Kleber 16C, aber es treten keine vollständigen inneren Reflexionen auf, weil die Lichtstrahlen in eine optisch dichtere Substanz wandern.
- Alle Lichtstrahlen besitzen vier Übergänge oder Winkelveränderungen, die sie erfahren müssen, wenn sie durch die anderen verschiedenen Grenzflächen in den Schichten der Solarzelle hindurchtreten oder davon reflektiert werden. Anfangs muß jeder Lichtstrahl die Grenzfläche zwischen der Antireflexionsbeschichtung 16F und dem Abdeckglas 16E durchqueren, die Grenzfläche zwischen dem Abdeckglas 16D und dem Kleber 16C, die Grenzfläche zwischen dem Kleber 16C und dem Siliciumplättchen 16A und schließlich die Grenzfläche zwischen dem Silicium 16A und der metallisierten Rückseite 16B. Alle Grenzflächen ermöglichen, daß die Lichtstrahlen entweder reflektiert oder zum nächsten Medium durchgelassen werden. Eine vollständige innere Reflexion tritt nur für bestimmte Lichtstrahlen an der Grenzfläche zwischen Luft und der Antireflexionsbeschichtung 16F auf. Wenn die Lichtstrahlen durch die Solarzellengrenzflächen hindurchtreten, werden einige zum weißen Papier 24 zurück reflektiert, während andere, wie in Fig. 3 gezeigt ist, in die Richtung des Sichtfeldes der Kamera 12 und ihrer Zoomlinse 14 reflektiert werden. Die Strahlen, die in den Weg des Sichtfeldes der Kamera 12 fallen, werden das Objektbild, von dem ein reales Bild geschaffen wird und auf einem Kontrollmonitor (nicht gezeigt) gesehen werden kann, der mit der Videokamera 12 verbunden ist. Ein Fachmann erkennt, daß die Kamera 12 auch Einrichtungen zur Videobandaufzeichnung und einen Videographikdrucker für die dauerhafte Dokumentation des Defekts umfassen kann.
- Das Bild, das auf dem Kontrollmonitor sichtbar ist, entsteht nur durch den Beitrag der ersten kollimatisierten Quarzhalogenlichtquelle 18 mit ihrem angebrachten langen Passfilter 22. Die zweite Lichtquelle 20, ein ungefiltertes unkollimatisiertes Quarzhalogenlicht wird nur zum Beleuchten des Solarkollektors 16 verwendet, wenn es nötig ist, um zu überprüfen, ob ein nachgewiesener Riß ein Riß im Abdeckglas ist oder ein Riß im blanken Silicium der Zelle. Alle Grenzflächen der Schichten der Solarzelle ergeben Schatten, die auf der Oberfläche der Siliciumschicht 16A erscheinen, aber nur die beiden Oberflächen des Abdeckglases und der blanken Solarzelle sind von Bedeutung.
- In Fig. 3 zeigt die dunkle Linie in der Solarzelle senkrecht zur Fläche 16A, die durch das Bezugszeichen 26 bezeichnet ist, einen Riß im blanken Silicium an und das Bezugszeichen 28 zeigt Schatten des tatsächlichen Risses 26 an, die durch Beleuchten des Risses 26 an den verschiedenen Grenzflächen gebildet wurden.
- Fig. 4 ist eine Darstellung der verschiedenen Schatten, die in den Schichten der Solarzelle an den einzelnen Grenzflächen gebildet werden. Schatten 28A ist an der Grenzfläche Antireflexionsschicht/Abdeckglas, Schatten 28B ist an der Grenzfläche Abdeckglas/Kleber, Schatten 28C ist an der Grenzfläche Kleber/Silicium und Schatten 28D ist an der Grenzfläche Silicium/Metallisierung.
- Das Licht des nahen Infrarot, das verwendet wird, um blanke Solarzellenrisse und Abdeckglasrisse nachzuweisen, kommt ursprünglich von der Lichtquelle 18. Sowohl Abdeckglasrisse wie Solarzellenrisse können gleichzeitig an der Kamera betrachtet werden. Das heißt, von der Sicht der Kamera erscheinen sie übereinander gelagert, wenn sie in Wirklichkeit in zwei verschiedenen Ebenen sind. Einem geübten Beobachter, der in den Kontrollmonitorbildschirm mit einem Bild einer rissigen Solarzelle sieht, fällt es leicht, den Unterschied zwischen einem Abdeckglasriß und einem Solarzellenriß zu erkennen. Abdeckglas neigt zum Splittern oder Reissen in gebogener Form, ähnlich den Fäden eines Spinnennetzes. Blanke Solarzellen bilden Risse in geraden Linien von 45º oder 30º, in Abhängigkeit von der kristallinen Orientierung des blanken Solarzellenmaterials. Für ein ungeübtes Auge kann es nicht so leicht sein, eine Unterscheidung zu machen. Die Ansicht ist schwieriger, wenn das Abdeckglas über der Zelle bricht, so daß beide Oberflächen gerissen sind, aber mit dem Auge kann man nicht sicher sein, ob beide Oberflächen gerissen sind oder ob es in Wirklichkeit nur eine ist. Deshalb wird die zweite Lichtquelle 20 verwendet, als Möglichkeit, um die Bestimmung zu unterstützen. Wenn die Lichtquelle 20 angeschaltet wird und man sieht eine Reihe von hellen Punkten, die zum Betrachter auf den Kontrollmonitor zurück reflektiert werden, dann weiß man, daß das Abdeckglas definitiv gerissen ist. Die zweite Lichtquelle 20 wird insbesondere eingeschaltet, um zu überprüfen, ob eine vollständige innere Reflexion der Lichtstrahlen auftritt oder nicht. Wenn die Lichtstrahlen von der zweiten Quelle 20 tatsächlich die Merkmale der vollständigen inneren Reflexion zeigen, dann bestimmt sie, daß das Abdeckglas effektiv gerissen ist. Diese Erscheinung tritt auf, wenn ein einzelner Lichtstrahl den Riß im Glas in einem solchen Winkel trifft, daß er entweder gleich oder größer ist als der kritische Winkel für die Grenzfläche von der Luft zur Antireflexionsbeschichtung auf dem Abdeckglas.
- Was beschrieben wurde ist ein einfaches, kompaktes und tragbares Testsystem zum leichten Identifizieren und Dokumentieren von Solarzellen- und Abdeckglasrissen zum genauen Charakterisieren der Zuverlässigkeit und Qualität der Solarzellen, die auf einem Solarkollektor enthalten sind. Die vorliegende Erfindung bietet die Möglichkeit zum leichten Überprüfen der Zuverlässigkeit von Hardware vor Ort, bevor sie in den Weltraum abgeschickt wird. Seine Flexibilität bei der Benutzung und dem Einsatz in jeder Art von Teststation macht es nicht nur zweckdienlich, sondern auch kosteneffektiv und damit wird es ein besonders wesentlicher Aktivposten für jede weltraumorientierte Anwendung.
Claims (13)
1. Optisches Inspektionssystem zum Betrachten
physikalischer Defekte in einem Herstellungsprodukt (16)
umfassend eine Quelle für einen kollimatisierten Lichtstrahl
(18), im Weg des kollimatisierten Lichtstrahls
angeordnete Mittel (22) zum Filtern des Lichtstrahls, so daß
spezifische Wellenlängen davon passieren, gekennzeichnet
durch im Weg des kollimatisierten und gefilterten
Lichtstrahls angeordnete Reflexionsmittel (24), wobei die
Reflexionsmittel (24) eine unregelmäßige
Reflexionsoberfläche zum Streuen des kollimatisierten und gefilterten
Lichtstrahls und Richten des gestreuten Lichts auf das
Herstellungsprodukt (16) in einer Vielzahl von
verschiedenen Winkeln aufweisen, und auf das Herstellungsprodukt
(16) gerichtete Betrachtungsmittel (12), die auf das
gestreute Licht reagieren, um ein Bild des
Herstellungsprodukts zu erzeugen, worin physikalische Defekte (26)
im Herstellungsprodukt im Bild erkennbar sind.
2. Optisches Inspektionssystem nach Anspruch 1, in dem das
Filtermittel (22) so angeordnet ist, daß vom
Filtermittel (22) durchgelassene Wellenlängen des
kollimatisierten Lichtstrahls im wesentlichen der Größe der
Oberflächenunregelmäßigkeiten des Reflexionsmittels (24)
entsprechen.
3. Optisches Inspektionssystem nach Anspruch 1 oder 2, in
dem die Quelle des kollimatisierten Lichts (18) Licht im
nahen Infrarotspektrum erzeugt und worin das optische
Inspektionssystem ferner eine Quelle (10) von schmalem
kohärentem Licht umfaßt, um das Betrachtungsmittel
auszurichten, wenn die Position von physikalischen
Defekten im Herstellungsprodukt (16) bestimmt wird.
4. Optisches Inspektionssystem nach Anspruch 3, in dem die
Quelle von kohärentem Licht ein Laser ist.
5. Optisches Inspektionssystem nach Anspruch 3 oder 4, in
dem die Quelle von kollimatisiertem Licht im nahen
Infrarot (18) eine Quarz-Halogenlampe ist und das
Filtermittel (22) ein langer Paßfilter ist, der im Wege des
kollimatisierten Lichts zum Streuungsmittel (24)
vorgesehen ist.
6. Optisches Inspektionssystem nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, in dem das Mittel (24) zum Streuen des
kollimatisierten Lichtstrahls ein Blatt weißes Papier
ist, um die kollimatisierten Lichtstrahlen auf das
Herstellungsprodukt (16) in einer Vielzahl von
verschiedenen Winkeln zu reflektieren. ·
7. Optisches Inspektionssystem nach Anspruch 6, in dem das
kollimatisierte und gefilterte Licht eine Wellenlänge
von ungefähr 1,0 Mikrometern aufweist. und das Blatt
weißes Papier (24) eine Oberfläche mit
Unregelmäßigkeiten in der Größenordnung von 1,0 Mikrometern
aufweist.
8. Verwendung eines optischen Inspektionssystems nach einem
der vorhergehenden Ansprüche zum Betrachten eines
Herstellungsprodukts (16) mit einer Struktur umfassend ein
kristallines Substrat (16A), worin physikalische Defekte
(26) im Herstellungsprodukt Risse in dem kristallinen
Substrat (16A) sind.
9. Verwendung eines optischen Inspektionssystems nach einem
der Ansprüche 1 bis 7, zum Betrachten eines
Herstellungsprodukts (16) umfassend eine mehrschichtige
Vorrichtung mit einem kristallinen Substrat (16A), eine auf
dem kristallinen Substrat (16A) gebundene transparente
Schicht (16D) und eine auf der transparenten Schicht
(16D) angeordnete Antireflexionsbeschichtung (16F).
10. Verwendung eines optischen Inspektionssystems nach einem
der Ansprüche 1 bis 7, zum Betrachten eines
Herstellungsprodukts ferner umfassend eine mehrschichtige
Vorrichtung mit einem kristallinen Substrat (16A), eine auf
dem kristallinen Substrat (16A) gebundene transparente
Schicht (16D) und eine zweite transparente Schicht (16E)
mit einer Antireflexionsbeschichtung (16F).
11. Verwendung eines optischen Inspektionssystems nach
Anspruch 9 oder 10, zum Betrachten eines
Herstellungsprodukts worin die oder jede transparente Schicht (16D,
16E) aus Glas gebildet ist.
12. Verwendung eines optischen Inspektionssystems nach einem
der Ansprüche 8 bis 11, zum Betrachten eines
Herstellungsprodukts (16) umfassend eine Solarzelle, worin das
kristalline Substrat (16A) ein Substrat aus Silicium,
Galliumarsenid, oder Germanium ist.
13. Verwendung eines optischen Inspektionssystems nach
Anspruch 12, in dem eine Quelle von nicht kollimatisiertem
Licht (20) auf die Solarzelle gerichtet ist, um Risse
(26) repräsentierende Schatten (28) in der einen oder
mehreren transparenten Schichten zu erzeugen, so daß
Schatten, die Risse im kristallinen Substrat (16A)
repräsentieren und Schatten, die Risse in den
transparenten Schichten (16D, 16F) repräsentieren, sichtbar
sind und im Bild des Betrachtungsmittels (12)
unterscheidbar sind.
Applications Claiming Priority (1)
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| US08/042,890 US5334844A (en) | 1993-04-05 | 1993-04-05 | Optical illumination and inspection system for wafer and solar cell defects |
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