TW201331573A - 用以評估多晶太陽能晶圓上之晶粒大小之方法與系統 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種用以評估晶圓之方法與系統。一項實例性方法包含：根據複數個照明參數來照射一多晶晶圓；擷取該多晶晶圓之複數個影像；堆疊且投射該複數個影像以產生一複合影像；分析該複合影像以識別該多晶晶圓中之一或多個晶粒；及基於該複合影像之該分析而產生一報告。根據該複數個影像中之至少兩者中之該複數個照明參數中之一不同者來照射該多晶晶圓。

Description

用以評估多晶太陽能晶圓上之晶粒大小之方法與系統
本發明一般而言係關於多晶太陽能晶圓，且更具體而言，係關於用以評估多晶太陽能晶圓上之晶粒大小之方法與系統。
本申請案主張2011年12月19日提出申請之美國專利申請案第13/329,914號之優先權，該案之全部揭示內容藉此以其全文引用之方式併入本文中。
通常以鑄錠之形式生產多晶矽，然後將鑄錠切割成晶圓尤其供光伏打(PV)電池生產及PV模組生產使用。多晶矽之品質(例如，該多晶矽將如何良好執行)受生產多晶矽期間的眾多因素之影響。多晶矽之各種參數可評估為多晶矽之品質之評估之部分。有時檢查之一個參數係多晶矽之一晶圓中之晶粒之大小及分佈。
晶粒大小評估通常藉由視覺檢驗來執行。視覺地檢驗一多晶矽晶圓之樣本且人工地計數截取繪製於晶圓上之一線之晶粒之數目。此人工檢驗係易出現人為錯誤之一耗時且繁複程序。檢驗多晶矽晶圓之至少一個已知方法涉及自各種高度掃描一晶圓、將經掃描之影像轉換成黑色及白色影像且使一電腦計數每一影像中之晶粒之數目。然後計算藉由不同晶粒大小及/或平均晶粒大小佔據晶圓之表面之累加百分比份額。此等已知方法及系統由於易出現人為錯誤、機械複雜性及其他問題而不能令人滿意。因此，需要 一種較佳方法及系統。
此背景章節意欲給讀者介紹可與本發明之各個態樣有關之各個技術態樣，下文闡述及/或主張該等態樣。據信此論述將有助於給讀者提供背景資訊以促進對本發明之各個態樣之一較佳理解。因此，應理解，應以此觀點來閱讀此等敍述，而非作為對現有技術之認可。
一態樣係關於一種用以評估多晶晶圓之系統。該系統包含一成像設備及耦合至該成像設備之一計算裝置。該計算裝置包含一處理器及與該處理器通信耦合且含有指令之一非暫時性電腦可讀媒體。該指令在由處理器執行時致使該處理器在該成像設備中擷取一多晶晶圓之複數個影像、堆疊且投射該複數個影像以產生一複合影像、分析該複合影像以識別該多晶晶圓之一或多個晶粒且基於該複合影像之分析而產生一報告。根據不同照明參數在該成像設備中照射該複數個影像中之至少兩者。
根據另一態樣，一種供評估一多晶晶圓使用之方法包含：根據複數個照明參數來照射一多晶晶圓；擷取該多晶晶圓之複數個影像；堆疊且投射該複數個影像以產生一複合影像；分析該複合影像以識別該多晶晶圓之一或多個晶粒；及基於該複合影像之該分析而產生一報告。根據該複數個影像中之每一者中之該複數個照明參數中之一不同者照射該多晶晶圓。
存在關於上文所提及態樣陳述之特徵之各種改進。其他 特徵亦可併入於上文所提及態樣中。此等改進及額外特徵可個別地或以任何組合形式存在。舉例而言，下文關於所圖解說明實施例中之任一者論述之各種特徵可單獨地或以任何組合形式併入至上文所闡述態樣中之任一者中。
貫穿圖式之數個視圖，對應參考符號指示對應部分。
本文中所闡述之實施例一般而言係關於多晶太陽能晶圓。更具體而言，本文中所闡述之實施例一般而言係關於除其他可能使用或應用以外亦用以評估可整合至太陽能模組中之多晶晶圓之晶粒大小之方法及系統。該等方法及系統可適用於表徵具有一平坦表面之任何材料之晶粒大小，在該平坦表面上可藉由蝕刻或其他適合方法強調顯示晶粒邊界。雖然本文中關於多晶矽晶圓進行大體闡述，但本文中所闡述之方法及系統可適用於由包含(舉例而言)鍺之任何適合材料製成之多晶晶圓。
參考圖式，在圖1中展示且通常以100指示用以評估多晶晶圓之晶粒大小之一例示性評估系統。在例示性實施例中，系統100包含一計算裝置102、一控制器104及一成像設備106。
系統100藉由在不同照射條件下取得一多晶晶圓之多個影像來評估一或多個多晶晶圓之晶粒大小。用數位方式增強該多個影像且自該等影像辨識晶粒邊界。然後，系統100報告太陽能晶圓上之晶粒之大小分佈。
更具體而言，在例示性實施例中，藉由根據任何適合蝕 刻方法蝕刻晶圓來製備一多晶晶圓以供評估。在某些實施例中，在攝氏八十度下藉助百分之四十之氫氧化鉀之一溶液來蝕刻晶圓達五分鐘。在其他實施例中，可使用其他溶液、溫度及時間來蝕刻晶圓。然後，將經蝕刻之晶圓插入於成像設備106中。計算裝置102操作成像設備106中之一相機(圖1中未展示)以擷取矽晶圓之數個影像。在例示性實施例中，計算裝置擷取晶圓之八個影像。在其他實施例中，可擷取更多或更少影像。
計算裝置102亦致使控制器104起始成像設備106內之一照明序列。控制器104可係包含(舉例而言)另一計算裝置、一微控制器等之任何適合控制器。此外，在某些實施例中，系統100並不包含一單獨控制器104，且替代地，由控制器104執行之功能直接由計算裝置102執行。在例示性實施例中，控制器104係一微控制器。更具體而言，控制器104係一基於阿都諾(Arduino)之微控制器。在例示性實施例中，控制器104耦合至成像設備106中之一或多個燈(圖1中未展示)，且回應於自計算裝置102接收指令以開始成像而操作該等燈以照射晶圓從而擷取之每一影像。在例示性實施例中，控制器104操作成像設備106中之八個不同燈。在例示性實施例中，每一燈係六個發光二極體(LED)之一陣列。在其他實施例中，可使用其他類型之燈及/或不同數目個照明元件。在例示性系統100中，操作每一燈以照射多晶晶圓從而獲得經擷取之影像中之一不同者。在例示性實施例中，該等燈經定位以提供晶圓之不同照射角度及 /或方向。在其他實施例中，可藉由控制器104控制更多或更少燈。此外，在某些實施例中可另外或替代地變化其他照明參數。舉例而言，一單個燈可經操作而具有例如亮度、色彩、照射持續時間等不同參數以照射多晶晶圓從而獲得不同影像。
在擷取多晶晶圓之影像之後，計算裝置102處理經擷取之影像。晶圓之多個影像(每一者在一不同照明條件下收集)經個別分析以找到晶圓影像中之晶粒邊界、轉換成二元影像(例如，黑色及白色影像)且經堆疊以形成一複合影像。然後，藉由計算裝置102分析該複合影像以識別由一邊界環繞之每一影像中之區域以計數晶圓影像中之晶粒之數目且計算每一晶粒之大小。然後，計算裝置102產生識別每一經辨識晶粒之晶粒大小及經成像之多晶晶圓上之晶粒大小之分佈之一報告。
圖2係可與系統100一起使用之一例示性計算裝置102之一方塊圖。在例示性實施例中，計算裝置102包含一記憶體裝置208及耦合至記憶體裝置208以用於執行指令之一處理器210。在某些實施例中，將可執行指令儲存於記憶體裝置208中。計算裝置102藉由程式化處理器210來執行本文中所闡述之一或多個操作。舉例而言，可藉由將一操作編碼為一或多個可執行指令且在記憶體裝置208提供該等可執行指令來程式化將處理器210。處理器210可包含一或多個處理單元(例如，以一多核心組態)。
適合地，記憶體裝置208係使得能夠儲存且檢索諸如可 執行指令及/或其他資料等資訊之一或多個裝置。記憶體裝置208可包含一或多個電腦可讀媒體，諸如(但不限於)動態隨機存取記憶體(DRAM)、靜態隨機存取記憶體(SRAM)、一固態磁碟機及/或一硬碟。記憶體裝置208可經組態以儲存(但不限於)電腦可執行指令及/或任何其他類型之資料。
在某些實施例中，計算裝置102包含耦合至處理器210之一呈現介面212。呈現介面212將諸如一使用者介面、應用程式源碼、輸入事件及/或驗證結果等資訊呈現至一使用者214。舉例而言，呈現介面212可包含一顯示配接器(圖2中未展示)，該顯示配接器可耦合至諸如一陰極射線管(CRT)、一液晶顯示器(LCD)、一發光二極體(LED)顯示器、一有機LED(OLED)顯示器及/或一「電子墨水」顯示器之一顯示裝置。在某些實施例中，呈現介面212包含一或多個顯示裝置。另外或另一選擇係，呈現介面212可包含一音訊輸出裝置(例如，一音訊配接器及/或一揚聲器)及/或一印表機。
在某些實施例中，計算裝置102包含一輸入介面216。輸入介面216可經組態以接收適合於與本文中所闡述之方法一起使用之任何資訊。在例示性實施例中，使用者輸入介面216耦合至處理器210且自使用者214接收輸入。使用者輸入介面216可包含(舉例而言)一鍵盤、一指向裝置、一滑鼠、一觸控筆、一觸敏板(例如，一觸控墊或一觸控螢幕)、一陀螺儀、一加速度計、一位置偵測器及/或一音訊 輸入介面(例如，包含一麥克風)。諸如一觸控螢幕之一單個組件可充當呈現介面212及使用者輸入介面216之一顯示裝置兩者。
通信介面218耦合至處理器210且經組態以與諸如另一計算裝置102、一微控制器、一遠端定位之記憶體裝置(圖2中未展示)、一或多個感測器等一或多個遠端裝置通信耦合。舉例而言，通信介面218可包含(但不限於)一串列通信配接器、一有線網路配接器、一無線網路配接器及/或一行動電信配接器。在例示性實施例中，通信介面218與微控制器104及成像設備106通信耦合。
圖3係評估系統100之一更詳細之功能方塊圖。計算裝置102包含成像區塊320及相機控制區塊322。成像區塊320含有用於控制使用成像設備106之多晶晶圓之影像之擷取之碼。在例示性實施例中，成像區塊320包含任何適合影像處理與分析軟體。適合影像處理與分析軟體之一項實例係Imagej，由國立衛生研究院(National Institutes of Health)開發之一公共域影像處理與分析程式。回應於使用者執行，成像區塊320指示控制器104起始如本文中所闡述之成像設備106中之燈324之適當照明序列。實質上同時地，成像區塊320觸發相機控制區塊322。相機控制區塊322控制相機326之操作以擷取如本文中所闡述之多晶晶圓之一系列影像。在例示性實施例中，相機控制區塊包含用C++電腦語言撰寫之指令。在其他實施例中，相機控制區塊322包含任何適合指令，該等指令包含用除C++之外的語言撰 寫之彼等指令。
圖4及圖5圖解說明成像設備106。成像設備106包含一外殼428。如圖4中所展示，一門430耦合至外殼428。門430經組態以使得接達成像設備106之一內部431。在例示性實施例中，門430可滑動地耦合至外殼428。在其他實施例中，門430可藉由任何其他適合方法(包含(舉例而言)藉由鉸鏈)來耦合至外殼。一樣本托盤432可滑動地耦合至外殼428以滑動於成像設備106之內部中及自其滑動出以接納用於檢驗之一晶圓。在其他實施例中，樣本托盤432並不附接至外殼428或藉由其他適合連接來耦合至外殼428。在仍其他實施例中，成像設備106並不包含一樣本托盤，且將晶圓直接地插入至成像設備106中。在某些實施例中，經由一輸送帶(未展示)將一晶圓饋送至成像設備106之外殼428中。在圖4中，一實例性晶圓434展示於樣本托盤432上。
相機326耦合至成像設備106以擷取晶圓434之影像。相機326耦合至外殼428距樣本托盤432有一固定距離處且經定位以擷取晶圓434之一影像。在例示性實施例中，相機326係一數位灰階相機。更特定而言，相機326具有一個五百萬像素之解析度及一通用串列匯流排(USB)介面。在其他實施例中，可使用任何其他適合相機，包含(舉例而言)一彩色相機、不具有一USB介面之一相機等。
如上文所闡述，在例示性實施例中，成像設備106包含燈324以照射晶圓434。燈324包含LED之八個陣列436、 438、440、442、444、446、448及450。每一陣列436、438、440、442、444、446、448及450包含六個LED 451。在例示性實施例中，LED 451係具有一漫射透鏡之白色光LED。在其他實施例中，可使用發射其他光譜之光之LED。另外，可在其他實施例中使用具有一透明(亦即，非漫射)透鏡之LED。
陣列436、438、440及442在距托盤432(且因此距晶圓434)有一實質上固定距離之一第一層級處安裝至外殼428。陣列444、446、448及450在距托盤432有一實質上固定距離之一第二層級處安裝至外殼428。第二層級比第一層級更遠離樣本托盤432及晶圓434。因此，陣列444、446、448及450比陣列436、438、440及442更遠離晶圓434而安裝。
在第一層級處，外殼428相對於垂直線界定一第一角度452，該第一角度不同於外殼在第二層級處界定之一第二角度454。因此，陣列436、438、440及442相對於垂直線以第一角度452定向，而陣列444、446、448及450相對垂直線以第二角度454定向。第一角度452大於第二角度454。在例示性實施例中，第一角度452係約一百五十度且第二角度454係約一百二十度。在其他實施例中，第一角度452及第二角度454可具有其他值。燈324之所闡述配置導致來自陣列436、438、440及442之光照射晶圓434，其中光以不同於源自陣列444、446、448及450之光之一角度入射。此外，來自一層級中之每一陣列(例如，第一層級 中之陣列436、438、440及442)之光自一不同方向射向晶圓434。如圖5中最佳可見，舉例而言，陣列436、438、440、442中之每一者大約垂直於其毗鄰陣列而延伸。因此，一特定層級中之每一陣列將自一不同方向但以一相同距離及一相同角度照射晶圓434。在操作中，控制器104照射一個陣列436、438、440、442、444、446、448及450從而擷取晶圓434之每一影像。因此，例示性實施例擷取每一晶圓434之八個影像，其中每一影像由陣列436、438、440、442、444、446、448及450中之一不同者照射。
在例示性實施例中，成像設備106係大約三百毫米長×大約三百毫米寬×大約五百毫米高。例示性成像設備106係足夠大以接納且成像晶圓最高至約一百五十六毫米×一百五十六毫米。在其他實施例中，成像設備106可製作得更小或更大。外殼428可按期望製作得成比例地更小或更大。此外，改變成像裝置106之大小可改變自陣列436、438、440、442、444、446、448及450輸出之所需光及/或空間地限制可包含於陣列436、438、440、442、444、446、448及450中之LED之數目。因此，隨著成像設備106之大小減小或增加，每一陣列436，438，440，442、444、446、448及450中之LED之數目可減小或增加。另一選擇係或另外，可連同成像設備106之大小一起調整陣列436、438、440、442、444、446、448及450中之LED之強度。
圖6係評估系統100之一操作600之一流程圖。操作600細分成一影像獲取程序602及一處理程序604。在將一晶圓插 入至成像設備106中之後開始之獲取程序602期間，將一計數器初始地設定為零。在擷取一影像之前，累加計數器且關斷所有陣列436、438、440、442、444、446、448及450。經由控制器104藉由計算裝置102指示當前計數器數目所指派至的陣列接通，且獲取並保存一影像。若計數器小於或等於八，則累加計數器且重複該程序。
當已獲取所有八個影像時，處理程序604開始。個別地讀取且處理每一經擷取影像。藉由計算裝置102檢查每一影像以針對灰階影像中之每一對比度改變判定對比度改變是否超過欲識別為一晶粒邊界之一經定義臨限值。在已針對一影像識別晶粒邊界之後，將灰階影像轉換成僅保留影像中所識別之晶粒邊界之一個二元影像(亦即，一黑色及白色影像)。將每一個二元影像複製至一堆疊中，且重複該程序直至一特定晶圓之所有影像已經處理且複製至堆疊中為止。然後，將影像堆疊向下投射至一單個複合影像。可使用包含(舉例而言)一總和投射、一最大值投射、一平均值投射、一標準偏差投射等之任何適合投射方法來投射堆疊。然後，計算裝置102分析複合影像以識別且計算複合影像中所展示之晶粒之大小。將一晶粒識別為由經識別邊界線完全圍封之一區域。在分析影像之後，由計算裝置102產生一報告。該報告指示每一經識別晶粒之大小及晶圓上之晶粒大小之分佈。
圖7至圖9係由評估系統100產生之例示性影像。圖7係使用成像設備106擷取之一多晶晶圓之一光學影像(一單個影 像)。圖8展示處理且轉換成如上文所闡述之一個二元影像之後的圖7中之影像(一單個影像)。圖9展示包含圖8中之影像及如上文所闡述而堆疊且投射之同一多晶晶圓之其他影像之一複合影像。圖9中之影像係經色彩反轉(或以其他方式適合地反轉，諸如反轉成暗線)，且清楚地識別出晶粒邊界及因此晶粒本身。
本文中所闡述之多晶晶圓評估方法及系統准許一晶圓之自動評估。此外，該等系統及方法提供待評估之一晶圓之影像之自動獲取及處理。藉由一計算裝置自動執行晶粒之識別、晶粒大小之判定及晶粒之分佈之判定。因此，本文中所闡述之方法及系統可減少人為錯誤及延遲同時准許多晶晶圓之快速、可靠且廉價之評估。
在介紹本發明之元件或其實施例時，冠詞「一(a)」、「一(an)」、「該(the)」及「該(said)」意欲意指存在元件中之一或多者。術語「包括(comprising)」、「包含(including)」、「具有(having)」意欲具有包括性，且意指可存在除所列舉元件以外之額外元件。
由於在不背離本發明之範疇之情況下可對上文做出各種改變，因此以上說明中所含及附圖中所展示之所有內容皆應理解為說明性的而不具有一限制意義。
100‧‧‧系統/評估系統/例示性評估系統
102‧‧‧計算裝置
104‧‧‧控制器
106‧‧‧成像設備
208‧‧‧記憶體裝置
210‧‧‧處理器
212‧‧‧呈現介面
214‧‧‧使用者
216‧‧‧使用者輸入介面/輸入介面
218‧‧‧通信介面
320‧‧‧成像區塊
322‧‧‧相機控制區塊
324‧‧‧燈
326‧‧‧相機
428‧‧‧外殼
430‧‧‧門
431‧‧‧內部
432‧‧‧樣本托盤/托盤
434‧‧‧實例性晶圓/晶圓
436‧‧‧陣列
438‧‧‧陣列
440‧‧‧陣列
442‧‧‧陣列
444‧‧‧陣列
446‧‧‧陣列
448‧‧‧陣列
450‧‧‧陣列
451‧‧‧發光二極體
452‧‧‧第一角度
454‧‧‧第二角度
圖1係用以評估多晶晶圓之晶粒大小一系統之一方塊圖；圖2係供圖1中所展示之系統使用之一計算裝置之一方塊 圖；圖3係圖1中所展示之系統之一功能方塊圖；圖4係供圖1中所展示之系統使用之一成像設備之一部分剖面側視圖；圖5係圖4中所展示之成像設備之一底部透視圖；圖6係使用圖1中所展示之系統來評估多晶晶圓之一方法之一流程圖；圖7係使用圖1中所展示之系統擷取之一多晶矽晶圓之一影像；圖8係藉由圖1中之系統進行初始處理之後的圖7中所展示之影像；且圖9係藉由圖1中所展示之系統進行進一步處理之後的圖8中之影像。
106‧‧‧成像設備
326‧‧‧相機
428‧‧‧外殼
430‧‧‧門
431‧‧‧內部
432‧‧‧樣本托盤/托盤
434‧‧‧實例性晶圓/晶圓
436‧‧‧陣列
440‧‧‧陣列
444‧‧‧陣列
448‧‧‧陣列
452‧‧‧第一角度
454‧‧‧第二角度

Claims (20)

  1. 一種用以評估多晶晶圓之系統，其包括：一成像設備；及一計算裝置，其耦合至該成像設備，該計算裝置包括一處理器及與該處理器通信耦合且含有指令之一非暫時性電腦可讀媒體，該等指令在由該處理器執行時致使該處理器：在該成像設備中擷取一多晶晶圓之複數個影像，根據不同照明參數在該成像設備中照射該複數個影像中之至少兩者；堆疊且投射該複數個影像以產生一複合影像；分析該複合影像以識別該多晶晶圓之一或多個晶粒；及基於該複合影像之該分析而產生一報告。
  2. 如請求項1之系統，其中該成像設備包括一成像裝置及經定位以在該成像設備中照射一多晶晶圓之複數個燈。
  3. 如請求項2之系統，其中該複數個燈包括：至少一第一燈，其經定向以在該成像設備中自一第一角度照射一多晶晶圓；及一第二燈，其經定向以自不同於該第一角度之一第二角度照射該多晶晶圓。
  4. 如請求項3之系統，其中該複數個燈由經定向以自該第一角度照射一多晶晶圓之四個燈及經定向以自該第二角度照射該多晶晶圓之四個燈組成。
  5. 如請求項3之系統，其進一步包括一第三燈，其中該第一燈經定位以自一第一方向照射該多晶晶圓，且該第三 燈經定位以自不同於該第一方向之一第二方向照射該多晶晶圓。
  6. 如請求項2之系統，其中該複數個燈包括：至少一第一燈，其經定位以在該成像設備中自高於該多晶晶圓之一第一高度照射一多晶晶圓；及一第二燈，其經定位以自不同於該第一高度之高於該多晶晶圓之一第二高度照射該多晶晶圓。
  7. 如請求項6之系統，其中該第一燈經定向以在該成像設備中自一第一角度照射該多晶晶圓，且該第二燈經定向以自不同於該第一角度之一第二角度照射該多晶晶圓。
  8. 如請求項6之系統，其中該複數個燈由定位於該第一高度處之四個燈及定位於該第二高度處之四個燈組成。
  9. 如請求項6之系統，其進一步包括一第三燈，其中該第一燈經定位以自一第一方向照射該多晶晶圓，且該第三燈經定位以自不同於該第一方向之一第二方向照射該多晶晶圓。
  10. 如請求項2之系統，其中該複數個燈包括：至少一第一燈，其經定位以在該成像設備中自一第一方向照射一多晶晶圓；及一第二燈，其經定位以自不同於該第一方向之一第二方向照射該多晶晶圓。
  11. 如請求項2至10中任一項之系統，其中該複數個燈包括若干發光二極體。
  12. 如請求項2至10中任一項之系統，其中該複數個燈中之每一燈包括一發光二極體陣列。
  13. 如請求項2至10中任一項之系統，其進一步包括與該計算裝置及該複數個燈通信耦合之一控制器，該控制器經組態以控制該成像設備中之一多晶晶圓之一照射序列。
  14. 如請求項2至10中任一項之系統，其中該非暫時性電腦可讀媒體含有指令，該等指令在由該處理器執行時致使該處理器將該複數個影像轉換成二元影像。
  15. 如請求項2至10中任一項之系統，其中該非暫時性電腦可讀媒體含有指令，該等指令在由該處理器執行時致使該處理器判定在該複合影像中所識別之該多晶晶圓之該一或多個晶粒中之每一者之一大小。
  16. 一種供評估一多晶晶圓使用之方法，其包括：根據複數個照明參數來照射一多晶晶圓；擷取該多晶晶圓之複數個影像，其中根據該複數個影像中之至少兩者中之該複數個照明參數中之一不同者來照射該多晶晶圓；堆疊且投射該複數個影像以產生一複合影像；分析該複合影像以識別該多晶晶圓之一或多個晶粒；及基於該複合影像之該分析而產生一報告。
  17. 如請求項16之方法，其中根據複數個照明參數來照射該多晶晶圓包括：自至少兩個不同照射角度照射該複數個照明參數。
  18. 如請求項16之方法，其中根據複數個照明參數來照射該多晶晶圓包括：自至少兩個不同照射高度照射該複數個照明參數。
  19. 如請求項16之方法，其中根據複數個照明參數來照射該多晶晶圓包括：自至少兩個不同照射方向照射該複數個照明參數。
  20. 如請求項16之方法，其中分析該複合影像進一步包括：判定在該複合影像中所識別之該多晶晶圓之該一或多個晶粒中之每一者之一大小。
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