KR20130099539A - 태양전지 웨이퍼 비전 검사기의 조명장치 - Google Patents

태양전지 웨이퍼 비전 검사기의 조명장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가시광선카메라(VC)와 근적외선카메라(IRC) 및 조명장치(10)를 포함하여 태양전지용 실리콘 웨이퍼(W)의 품질검사를 위한 비전 검사기의 조명장치(10)로서, (A) 중앙에 상기 가시광선카메라(VC)의 광축이 통과할 수 있도록 형성된 개구부(11); (B) 상기 가시광선카메라(VC)의 광축을 중심으로 대칭되도록 동심원 또는 직선에 설치된 복수개의 광원(12) - 이때 ① 상기 광원(10)은 상기 가시광선카메라(VC)의 화각영역 또는 화각영역을 지나면서 웨이퍼(W)의 진행방향에 직각인 면을 지향하며 ② 하나의 동심원 또는 대칭되는 한 쌍의 직선에는 가시광선광원만이 설치되거나 근적외선광원만이 설치되며, ③ 가시광선광원만이 설치되거나 근적외선광원만이 설치된 동심원 또는 직선이 혼합되어 있음;을 포함하는 것을 비전 검사기의 조명장치(10)에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 태양전지용 실리콘 웨이퍼(W)를 검사할 때 편평도검사 및 표면검사 모두를 수행할 수 있는 조명장치를 제공하게 됨으로써 웨이퍼 검사장치를 소형화함과 동시에 검사속도를 대폭 증가시킬 수 있게 된다.

Description

태양전지 웨이퍼 비전 검사기의 조명장치{Illumination device for vision inspector of solar cell wafer}
본 발명은 비전(vision) 검사기의 조명장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양전지용 웨이퍼의 품질검사를 위한 비전 검사기(광학 시스템)에서 다양한 조명 조건을 구현함으로써 다양한 측면에서 웨이퍼를 검사할 수 있도록 하여 안정적이고 효율적인 검사결과를 도출할 수 있도록 하는 비전 검사기의 조명장치에 관한 것이다.
최근 지구환경문제와 화석에너지의 고갈, 원자력발전의 폐기물처리 및 신규발전소 건설에 따른 위치선정 등의 문제로 인하여 신·재생에너지에 대한 관심이 고조되고 있으며, 그 중에서도 무공해이면서도 무한한 에너지원인 태양광발전에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다. 결정형 실리콘태양전지, 박막형 태양전지 및 염료감응형 태양전지 등이 폭넓게 연구되어 산업적으로 활용되고 있으나, 전환효율 측면에서 결정형 실리콘 태양전지가 주로 실용화되고 있다. 본 발명은 결정형 실리콘태양전지에 관한 것이다.
결정형 실리콘태양전지의 제조공정은 다음과 같이 잉곳 제조, 웨이퍼 제조, 셀 제조, 모듈 제조 공정으로 구분할 수 있다 : 크리스탈도가니에 고순도의 폴리실리콘 덩어리를 도핑물질과 함께 넣고 고온가열하여 용융시킨 다음 씨드(Seed) 물질이 발라진 봉을 용융 폴리실리콘위를 살짝 잠기게 한 후 천천히 회전 시키며 위로 당기면서 크리스탈 잉곳을 제조한다(잉곳 제조공정). 제조된 잉곳을 다아아몬드 와이어 쏘를 이용하여 소정의 두께로 절단하여 웨이퍼를 제조한다(웨이퍼 제조공정). 제조된 웨이퍼를 반도체 제조공정과 유사한 방식으로 에칭, p-n접합, 반사방지막 코팅 후 전극을 형성하여 셀(cell)을 제작(셀 제조공정)한 다음 이들을 다양하게 배선연결하여 태양전지모듈을 제작(모듈 제조공정)한다.
그런데 전체 생산공정 중에서 웨이퍼의 불량여부가 최종 태양전지모듈의 품질에 결정적인 영향을 주기 때문에 웨어퍼 자체의 흠결 또는 웨이퍼를 다루면서 발생할 수 있는 잠재적 흠결을 효과적으로 검출하고 생산라인에 피드백하는 것이 매우 중요하다.
따라서 중간단계의 웨이퍼를 셀 제조단계로 넘어가기 전에 만들어진 웨이퍼의 길이, 직각도, 변이나 모서리 부위가 일부 떨어져 나갔는지 여부 등을 확인하는 치수( geometry )검사 이외에, ① 웨이퍼에 과도한 휨이나 절단 시 진동 등에 의한 과도한 쏘마크(saw mark) 등이 있는지 여부를 확인하는 편평도검사 및 ② 웨이퍼에 마이크로크랙이나 핀홀, 스테인(이물질) 등이 있는지를 확인하는 표면검사가 이루어져야 한다. 도 3에 결함이 있는 웨이퍼와 결함의 종류를 나타낸 예시적 사진을 첨부하였다.
현재 산업적으로 사용 중인 대부분의 검사장치는 반도체 제조공정 중 기판(PCB)에 반도체 칩(chip)이나 각종 소자가 정상적으로 실장되었는지, 리드프레임(lead frame)은 불량이 아닌지 등을 화상으로 검사하는 검사장치나, LCD 등 평판디스플레이용 기판의 표면결함 여부를 검사하는 기판 검사장치를 전용하여 사용하고 있는 것이 현실이다. 또한 태양전지용 웨이퍼의 검사특성에 따라 다른 특성의 조명장치 및 카메라로 이루어진 복수개의 비전모듈을 설치해 해당 검사 항목들을 검사하고 있다.
예를 들면, 편평도검사를 위해서는 웨이퍼의 사용평면(장차 태양광이 조사될 면)의 위 또는 아래에서 조명을 비추면서 반사 또는 투과되는 광을 카메라가 포착하고 그 화상을 프로세싱하여 웨이퍼가 과도하게 휘어지지 않았는지, 쏘마크가 허용범위(대략 20 ㎛) 이내인지를 판별한다. 이때 광의 균일도, 광의 세기와 광원의 입사각에 따라 불량검출 효율이 달라지게 된다. 조사되는 광이 균일하면서도 조도를 높이고, 광원의 입사각을 균일하게 하기 위하여 광원과 웨이퍼 사이에 광을 산란시키는 확산필터판이나 광을 모이게 하는 플라이아이렌즈를 사용하는 예(공개특허 10-2011-0119869), 동축조명을 하는 다단의 조명부를 적용하는 예(공개특허 10-2009-0110495, 공개특허 10-2011-0027392), 다단의 조명부와 이로부터의 광원을 동축전환시키는 복수개의 반사미러를 적용한 예(공개특허 10-2005-0098593) 등이 알려져 있다. 그러나 이들 종래기술에 의하면 일단 조명장치가 복잡하고, 균일조명과 조도가 반비례관계이기 때문에 충분한 만족도를 얻기 어려웠다.
한편, 표면검사를 위해서는 실리콘 웨이퍼가 약 1㎛ 수준의 파장대의 근적외선을 잘 투과하는 특성을 이용하는 방식이 알려져 있다. 즉, 근적외선 조명을 웨이퍼에 조사하고 반대쪽에 설치된 근적외선카메라로 영상을 획득하게 되면 웨이퍼 내부에 존재해 일반 조명상태에서는 확인되지 않는 마이크로크랙이나 핀홀 등을 검출할 수 있게 된다. 그러나 표면검사를 위해서 편평도검사를 위한 모듈과는 별도의 조명장치를 두어야 하기 때문에 검사장비의 크기가 커지고 검사속도가 떨어지는 문제가 있다.
공개특허 10-2011-0119869 공개특허 10-2009-0110495 공개특허 10-2011-0027392 공개특허 10-2005-0098593
본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위하여 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 태양전지용 실리콘 웨이퍼를 검사할 때 편평도검사 및 표면검사 모두를 수행할 수 있는 비전(vision) 검사기의 조명장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 광의 균일도, 광의 세기와 광원의 입사각 특성이 우수하면서도 간단한 구성의 비전 검사기의 조명장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 가시광선카메라와 근적외선카메라 및 조명장치를 포함하여 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 품질검사를 위한 비전 검사기의 조명장치로서, (A) 중앙에 상기 가시광선카메라의 광축이 통과할 수 있도록 형성된 개구부; (B) 상기 가시광선카메라의 광축을 중심으로 대칭되도록 동심원 또는 직선에 설치된 복수개의 광원 - 이때 ① 상기 광원은 상기 가시광선카메라의 화각영역 또는 화각영역을 지나면서 웨이퍼의 진행방향에 직각인 면을 지향하며 ② 하나의 동심원 또는 대칭되는 한 쌍의 직선에는 가시광선광원만이 설치되거나 근적외선광원만이 설치되며, ③ 가시광선광원만이 설치되거나 근적외선광원만이 설치된 동심원 또는 직선이 혼합되어 있음;을 포함하는 것을 비전 검사기의 조명장치인 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 태양전지용 실리콘 웨이퍼를 검사할 때 편평도검사 및 표면검사 모두를 수행할 수 있는 조명장치를 제공하게 됨으로써 웨이퍼 검사장치를 소형화함과 동시에 검사속도를 대폭 증가시킬 수 있게 된다.
본 발명에 의하면 종래에 비해 저가의 검사장치로 신속한 웨이퍼의 검사가 가능하게 되기 때문에 궁극적으로 태양전지의 생산원가를 절감할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 조명장치가 적용된 비전 검사장치에서, 가시광선카메라가 하나일 때 비전 검사장치의 개념적 직각단면도(A) 및 조명장치의 저면도(B).
도 2는 본 발명에 의한 조명장치가 적용된 비전 검사장치에서, 가시광선카메라가 세 개일 때 비전 검사장치의 개념적 직각단면도(A) 및 조명장치의 저면도(B).
도 3은 결함이 있는 웨이퍼와 결함의 종류를 나타낸 예시적 사진.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 잉곳을 슬라이싱하여 제조된 태양전지용 실리콘 웨이퍼(W)의 품질검사를 위해 가시광선카메라와 근적외선카메라 및 조명장치를 포함하여 구성되는 비전 검사기에서 조명장치에 관한 것이다.
본 발명에 의한 조명장치(10)는, (A) 중앙에 상기 가시광선카메라(VC)의 광축이 통과할 수 있도록 개구부(11)가 형성되어 있고 (B) 상기 가시광선카메라의 광축을 중심으로 대칭되도록 복수개의 광원(12)이 복수개의 동심원상 또는 직선상으로 설치되어 있다. 즉, 가시광선카메라(VC)가 하나인 경우와 복수개인 경우에 따라 다른 형상과 구조를 가진다. 가시광선카메라(VC)가 하나인 경우의 예를 도 1에, 복수개인 경우의 예를 도 2에 각각 도시하였다. 도면에서 (A)는 개념적 비전 검사장치의 직각단면도이고 (B)는 조명장치의 저면도이다.
(1) 가시광선카메라가 하나인 경우
도 1에서 볼 수 있듯이, 가시광선카메라(VC)가 하나일 때에는 가시광선카메라(VC)의 광축을 중심으로 광원(12)이 복수개의 동심원상에 설치된다. 이때 ① 상기 광원(12)은 상기 가시광선카메라(VC)의 화각영역(가시광선카메라에 의해 촬영되는 부위 또는 면)을 지향하도록 설치되며 ② 하나의 동심원상에는 가시광선광원만이 설치되거나 근적외선광원만이 설치되고 ③ 가시광선광원만이 설치되거나 근적외선광원만이 설치된 동심원이 혼합되어 있는 구조를 가진다. 예를 들면, 도 1에서 첫 번째와 세 번째 동심원상에는 일반광원(12)이, 두 번째와 네 번째 동심원상에는 근적외선광원이 설치되도록 할 수 있다. 물론 설치 비율은 다양하게 조절할 수 있음은 당연하다.
마이크로크랙이나 핀홀 등을 검출하기 위한 근적외선카메라(IRC)는 조명장치의 반대쪽에 설치된다.
(2) 가시광선카메라가 둘 이상인 경우
대면적의 웨이퍼(W)를 검사하거나, 웨이퍼(W)를 보다 정밀하게 검사하기 위해서 둘 이상의 가시광선카메라(VC)를 일렬로 배치한 비전 검사기를 제작할 수 있다. 도 2에 3개의 가시광선카메라(VC)가 배치된 예를 도시하였다. 도면에서 볼 수 있듯이, 이 경우 본 발명에 의한 조명장치는 평면도상으로 사각형인 것이 바람직하다. 이 경우 각 가시광선카메라(VC)의 광축을 연결한 중심선을 중심으로 좌우로 대칭이 되는 여러 쌍의 직선상에 광원(12)이 설치된다. 이때 ① 상기 광원(12)은 상기 가시광선카메라(VC)의 화각영역을 지나면서 웨이퍼(W)의 진행방향에 대하여 직각이면서 화각영역과 같은 폭의 면을 지향하며 ② 대칭되는 한 쌍의 직선상에는 가시광선광원만이 설치되거나 근적외선광원만이 설치되고 ③ 가시광선광원만이 설치되거나 근적외선광원만이 설치된 직선이 혼합되어 있다. 예를 들면, 도 2에서 첫 번째와 세 번째 쌍의 직선상에는 일반광원이, 두 번째와 네 번째 쌍의 직선상에는 근적외선광원이 설치되도록 할 수 있다. 이 경우에도 역시 설치 비율은 다양하게 조절할 수 있다.
마이크로크랙이나 핀홀 등을 검출하기 위한 근적외선카메라(IRC)는 조명장치(10)의 반대쪽에 설치된다.
본 발명에서 상기 근적외선광원은 800~2000㎚ 파장대의 근적외선을 방출하는 LED 또는 할로겐램프(미도시)와 근적외선 필터(미도시)로 구성될 수 있으며, 근적외선카메라(IRC)는 대략 900~1700㎚ 파장대의 근적외선을 촬영할 수 있는 이미지센서를 구비하고 있다.
한편, 본 발명에 의한 조명장치(10)가 장착된 비전 검사기의 작동조건에 따라 조명장치(10)의 광량조절이 요구되는 경우가 생길 수 있다. 이를 위해 본 발명에서 각각의 동심원 또는 대칭되는 쌍의 직선에 설치된 광원군들은 각각 별개의 제어부에 의해 제어되도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 도 1을 예로 들면, 4개의 동심원(에 설치된 광원군)에 대한 조도를 조절할 수 있도록 각 동심원에 개별적인 제어부를 두는 것이다. 조명의 조도를 제어하는 기술은 당업계에서 널리 알려진 보편적인 기술이므로 그에 대한 추가적인 설명을 생략한다.
본 발명에서 상기 광원(12)은 LED 또는 할로겐램프인 것이 바람직하다. 한편, LED 또는 할로겐램프의 광은 직진성이 우수하여 일부는 웨이퍼(W) 표면에서 반사되어 가시광선카메라(VC)로 들어가고 일부는 웨이퍼(W)를 투과하여 반대쪽의 근적외선카메라(IRC)로 들어가기 때문에 유리한 측면이 있는 반면, 비교적 높은 산란성 때문에 미세한 결함을 검출하지 못할 수도 있다. 그러나 광섬유를 통과한 광은 직진성은 다소 떨어지지만 산란과 난반사가 적은 특성이 있다. 따라서 상기 광원 중 일부는 별도의 광원, 상기 광원으로부터 발생된 광을 인도하는 광섬유속(다발) 및 상기 광섬유속으로부터 확산되어 나오는 광을 라인형태로 집광하는 실린더렌즈로 구성된 광섬유광원인 것이 좋다.
본 발명에 의한 조명장치가 적용된 비전 검사기의 작동원리는 다음과 같다.
먼저, 웨이퍼(W)의 사용표면에 스테인이나 파티클이 없고, 웨이퍼(W)의 편평도가 우수한 경우에는 화각영역에 조사된 가시광선이 고르게 전반사되어 상부의 가시광선카메라(VC)에 전달되므로 촬영된 화면은 웨이퍼(W) 전면이 고르고 밝게 표시된다. 반면 표면에 스테인이나 파티클이 있는 경우 또는 웨이퍼(W)가 휘어져 있거나 쏘-마크가 과도하게 큰 등 결함이 있는 경우에는 조사된 가시광선이 결함이 있는 영역에서 난반사되고, 이 때에 가시광선카메라(VC)로 촬영하게 되면 결함부위가 배경보다 어둡게 나오게 된다.
웨이퍼(W)에 마이크로크랙이나 핀홀 또는 이물질이 매몰되어 있는 경우, 본 발명에 의한 조명장치의 근적외선광원이 웨이퍼(W)를 투과하면서 결함이 있는 부위에서 근적외선이 흡수되거나 난반사된다. 이때 반대쪽에 설치된 근적외선카메라(IRC)로 영상을 획득하게 되면 웨이퍼(W) 내부에 존재하는 결함부위가 배경보다 어둡게 나타나게 된다.
물론 어떤 경우이건, 촬영된 웨이퍼(W)가 불량인지 여부의 판단은 사전에 수립된 별도의 이미지 프로세싱과 판단 프로그램에 따라 이루어지게 된다.
10 : 조명장치
11 : 개구부 12 : 광원
VC : 가시광선카메라
IRC : 근근적외선카메라
W : 웨이퍼

Claims (4)

  1. 가시광선카메라(VC)와 근적외선카메라(IRC) 및 조명장치(10)를 포함하여 태양전지용 실리콘 웨이퍼(W)의 품질검사를 위한 비전 검사기의 조명장치(10)로서,
    (A) 중앙에 상기 가시광선카메라(VC)의 광축이 통과할 수 있도록 형성된 개구부(11);
    (B) 상기 가시광선카메라(VC)의 광축을 중심으로 대칭되도록 동심원 또는 직선에 설치된 복수개의 광원(12) - 이때 ① 상기 광원(12)은 상기 가시광선카메라(VC)의 화각영역 또는 화각영역을 지나면서 웨이퍼(W)의 진행방향에 직각인 면을 지향하며 ② 하나의 동심원 또는 대칭되는 한 쌍의 직선에는 가시광선광원만이 설치되거나 근적외선광원만이 설치되며, ③ 가시광선광원만이 설치되거나 근적외선광원만이 설치된 동심원 또는 직선이 혼합되어 있음;을
    포함하는 것을 특징으로 하는 비전 검사기의 조명장치(10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    하나의 동심원 또는 대칭되는 한 쌍의 직선에 설치된 광원들은 각각 별개의 제어부에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 비전 검사기의 조명장치(10).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광원(12)은 LED 또는 할로겐램프인 것을 특징으로 하는 비전 검사기의 조명장치(10).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광원 중 일부는 별도의 광원, 상기 광원으로부터 발생된 광을 인도하는 광섬유모듈 및 상기 광섬유모듈로부터 확산되어 나오는 광을 라인형태로 집광하는 실린더렌즈로 구성된 광섬유광원인 것을 특징으로 하는 비전 검사기의 조명장치(10).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160024215A (ko) 2014-08-25 2016-03-04 삼성전기주식회사 비전검사용 조명장치 및 비전 검사 장치
CN112466787A (zh) * 2020-11-25 2021-03-09 上海果纳半导体技术有限公司 晶圆缺陷检测设备
CN116936396A (zh) * 2023-09-06 2023-10-24 信基科技(北京)有限公司 一种识别和处理薄膜太阳电池缺陷的装置和方法

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