专利名称：用于硅光伏电池生产的光致发光成像系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种用于硅光伏电池生产的光致发光成像系统。相关申请本申请要求专利申请号为2009903823、2009903822和2009903813的澳大利亚临时专利申请的优先权，上述申请于2009年8月14日递交，上述申请中的内容通过引用在此
进行结合。
背景技术：
本说明书中所提到的现在技术不应该被认为是已经被广泛地知晓，或不应该被认为构成本领域公知常识的一部分。通过公开号为W02007/01759A1的PCT申请所述公开的装置和方法来进行的光致发光(PL)成像已经表明其具有对硅材料和装置，尤其是对基于硅晶片的光伏电池(PV)进行快速表征的价值；(该申请的发明名称为用于检查间接带隙半导体结构的方法和系统， 且在此处通过引用进行结合)。如图1所示，从具有由超带隙光8的源6光致激发的主要区域的硅晶片4处产生的光2可以采用硅C⑶相机10通过聚光器件被成像，其中，系统优选包括均化光学器件12用于提高了主要区域激发的均勻性，若所述激发光处于所述相机的探测带宽内，还包括设于相机前方的长通滤波器14。所述系统还可以包括一个或多个滤波器15，在宽带源被使用时用于选择光致激发的波长范围。如图2所示，当样品相对较薄时， 还可能在样品4的相对两侧设有激发源6和相机10，在这种情况下，所述样品本身可起到长通滤波器的作用。然而，如果从其它部件反射的大量散射激发光到达所述相机，长通滤波器14仍然是需要的。无论如何，被采集的PL图像可通过计算机16进行分析，从而获得关于许多样品特性的平均或空间分辨值的信息，所述特性包括少数载流子扩散长度、少数载流子寿命、位错缺陷、杂质和分路等。整个过程发生在大约几秒内或者甚至在一秒内，而这取决于硅材料的品质或成像系统的具体设计。如图1和2所示的系统，为独立单元，作为例如研究院、硅晶片制造商的研发实验室，或光伏电池制造商的研发使用而设计，研发人员会发现其可应用于以质量控制为目的的被选晶片或光伏电池的检查中，或可用于在故障探测中帮助确定在不合格批次的电池中缺陷的类型或起源。然而，体硅样品(如铸块和砖块)、原切割硅晶片和光伏电池钝化以前的前体是极其差的PL辐射体，因为其决定PL强度的少数载流子寿命受到表面复合的限制。 从而，对于这样的样品来说，图像采集相对较慢，而当对于研发使用这通常能被接受，或是对于体硅样品的常规检查时，比如用于识别被锯开成晶片以前的材料的质量较差的区域， 如果PL成像将被用于对生产环境中光伏电池和前体进行常规检查，那么其检查时间是一个关键的因素，当前硅晶片光伏电池生产线的生产速度达到每小时3600晶片，且该生产速度有望提高。另外，在检查时间不是一个关键因素的情况中，申请人发现不同类型的硅样品，如原切割晶片，表面纹理化的晶片和成品光伏电池，均具有以下特性现有的PL成像系统不适合上述所有的对象。因此，需要根据测量速度和对不同类型硅样品表征的适用性对PL成像系统进行改进。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种具有低图像采集时间的高效光致发光成像系统。根据本发明的第一方面，提供了一种采集硅晶片光致发光图像的方法，所述方法包括以下步骤利用波长大于808nm的入射光来产生光致发光。在一些实施方式中，所述波长可大于910nm，甚至大于980nm。上述的方法，在将所述入射光投射在所述硅晶片上以前，通过半导体材料对所述入射光进行过滤，或由半导体材料构成的滤波器可被设于用于采集光致发光图像的成像装置前方，所述半导体材料起着截止滤波器的作用，在一些实施方式中，可能通过铟镓砷成像装置或MOS^成像装置对所述光致发光图像进行采集。上述的方法，还包括以下步骤采用长波长激发来照射所述晶片，从而使得从晶片内部产生的光致发光多于从晶片表面损坏的部分产生的光致发光。在一些实施方式中，所述长波长激发的波长大于808nm。所述长波长激发的波长优选为大于910nm，所述长波长激发的波长更优选为大于980nm。在一些实施方式中，截止波长大于激发波长的陡峭过渡长通滤波器被用于对晶片进行的成像中。上述方法，其中所述长通滤波器优选为包括半导体材料。优选实施方式中的方法，还包括随后对晶片进行表面蚀刻的步骤。在一些实施方式中，根据要求，所述光致发光的成像大体上发生在100毫秒内，所述光致发光的成像优选大体上发生在10毫秒内或在1毫秒内。根据本发明的另一方面，提供了一种分析硅材料的方法，所述方法包括对所述硅材料进行充足水平的光照射从而获得光致发光响应，和采用相机来捕捉光致发光响应形成图像，其中，所述光照射为高强度光照射，或所述光的波长大于808nm，以及采用相机对光致发光辐射光谱中所有或基本上所有的光致发光响应进行捕捉。根据本发明的另一方面，提供了一种捕捉来自硅材料的光致发光响应的方法，包括采用MOS^相机。根据本发明的另一方面，提供了一种捕捉来自硅材料的光致发光响应的方法，所述半导体材料位于信号频带内的被激发光照射，其中，位于信号频带内的可被用于捕捉光致发光响应的相机探测到，长通滤波器被用于阻碍光照，和使激发信号从所述相机处偏离开。上述的方法，所述滤波器优选为半导体滤波器。
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中图1为现有技术中其中一种半导体样品光致发光成像系统的示意图；图2为现有技术中另一种半导体样品光致发光成像系统的示意图；图3(a)和图3(b)为一个在线光致发光成像系统的侧视图和前视图4(a)和图4(b)为另一个在线光致发光成像系统的侧视图和前视图；图5为在室温条件下，由晶体硅晶片(左轴线)辐射出的典型的发光光谱和晶体硅(右轴线)的吸收系数；图6为可被硅相机探测到的硅光致发光辐射相比于全部光致发光辐射的一部分；图7为原切割多晶硅晶片的光致发光图像；
具体实施例方式接下来根据相应的附图，以举例的方式阐述本发明的优选实施方式。光致发光(PL)成像用于测量一些材料所需参数的能力已被晶片和光伏电池制造商所知，并且已经被广泛和潜在地应用于光伏电池制造工业领域。PL成像技术已经在脱机测试和测量工具中被采用，例如，用于对性能较差的电池进行调查或用于对刚收到的晶体的质量进行随机检测，我们相信开发具有不同能力的，采用直接的机械控制或通过人工操作的在线PL成像系统是具有现实前景的，如晶片分类和装箱，过程控制反馈(如，纠正次品加工阶段)或前馈(如，在准备不同等级的给料时，对加工程序进行的调整。)图3(a)和图3(b)分别为在线PL成像系统的侧视图和前视图，所述成像系统包括线性光源18，如红外(IR)LED栅，以及线相机20，如设于硅晶片4的任意一侧的线性硅CXD 阵列，所述线性硅CCD阵列具有用于对从晶片整个宽度上向线相机内部辐射的PL进行聚焦的聚光系统。当晶片沿箭头M所示的方向通过时，线相机对一系列的发光带的线图像和由计算机建立的整个晶片区域的图像(未显示)进行采集。图4(a)和图4(b)为相类似的具有光源18和线相机20的在线系统，其中，所述光源18与所述线相机20位于样品晶片4的同侧。根据需求，有其它一些如图1和图2的“区域成像”系统所示的器件的存在将会更好， 例如各向同性光器件、激发滤波器和信号滤波器。样品类型(例如，原切割晶片、半成品光伏电池或成品光伏电池)和成像类型(例如，区域或线成像)的结合将具有其自身需求的性能指标和成本约束，该性能指标和成本约束必须被满足从而来生产经济实用且可靠的系统。测量速度对于在线成像应用来说是一个重要的指标，尽管在许多情况下其它的性能指标同等重要或更加重要。为了示范的目的， 我们将专注于原切割晶片，纹理化的晶片和后钝化的晶片，从而对一些在设计PL成像系统时必须做出的妥协进行解释。对于所有类型的硅样品来说，不可能存在一种最佳的特定的配置，如果需要设计一些通用的系统，则需要做出一些妥协。在许多情况下，“设计规则”，即所需的激发光源(根据波长和强度)、相机和滤波器的结合，是非显而易见的；如果激发和辐射频带互相比较接近，则必须采用所述滤波器。另外，在设计工业应用的系统时，器件的成本必须被时刻牢记。在本说明书中，我们将仅仅对采用区域成像相机采集到的图像进行描述和展示，但许多的设计要素，如照射波长，滤波器和相机的类型，同样适用于线扫描成像系统。如图5所示为晶体硅晶片(左轴线)辐射出的典型的带间发光光谱和在室温条件下晶体硅的吸收系数(右轴线)。从中可看出，硅的吸收在波长大约为IlOOnm以上时变得不为重要，且乍看之下，短波长激发对测量速度更有利，这是因为较短的激发波长将提高载流子产生率。然而短波长激发在接近地面处被吸收，从而对于原切割晶片来说，光致发光将从锯损坏的表层处产生，所述表层不是特别有用且不能够表现根本的材料质量，这是因为
6被损坏的层面在锯损坏蚀刻阶段被去除了。对于PL成像技术在早期表示将来电池的性能，最好使用较长的波长激发，例如 850nm、910nm或980nm，来从晶片的内部产生PL辐射，而不是使用可见光。甚至对于具有更佳表面质量的硅晶片，例如，钝化的晶片，最好采用较长照射波长来获得更真实的体特性图片。因此，当进行硅样品PL成像时，优选为采用大于SOOnm照射波长来产生PL辐射，采用的波长更优选为大于910nm，采用的波长最佳选择为大约980nm或更长。因此，在优选实施方式中，采用较长波长的光从晶片的内部产生PL辐射。较长的照射波长可以产生较少的光致发光，这是由于较低的吸收所导致的，从而增加了已知激发强度、信噪比和探测系统的测量时间。对于原切割晶片来说，可达到的PL 辐射由于他们有效体寿命较低而被进一步限制，对于多晶硅来说只有ι μ s，这是由于快速表面复合所导致的。假定在低注入条件下，PL信号I11与有效少数载流子寿命Trff非常接近于成正比关系，而这使得从一块原切割晶片处产生可测量信号比从钝化的多晶硅晶片 (τεΗ IOys)或一块高质量的钝化单晶硅晶片(τεΗ 1ms)处产生可测量信号更为困难。可以采用更高强度的照射来产生更多的载流子，进而产生更多的PL光子，来提高测量速度。尽管PL信号不总是与照射强度成线性关系，尤其处于高强度照射时，载流子寿命依赖于注入水平，但一般来说照射强度越高产生的PL信号越大。另外，对于原切割晶片来说，这种依赖关系在更大的照射强度范围上是根本上成线性关系的，这是因为有效载流子寿命根本上取决于表面复合。当在靠近或处于行端进行光伏电池PL成像时，也许采用适合的相当于lSim(100mW/Cm2)的照射强度要优于采用在接近于正常操作条件下的照射强度，这在电池生产的早期是次要的，因此，通常情况下最好采用高照射强度来从原切割晶片处产生光致发光。考虑到目前有许多种相机技术，我们首先注意到大多数在光伏(PV)研发或生产中被使用的商业PL成像系统采用了硅CMOS或CCD相机。如图5所示，对硅吸收和照射光谱的调查表明不是必须采用硅相机对来自硅样品的光进行测量，这是因为大多数900至 1300nm光频带已经超过了硅相机的探测范围(如吸收光谱所示)。实际小部分的可通过硅相机探测到的硅PL光子由如图6的曲线沈来表示，全部的可获得的信号由曲线观来表示，且我们估计全部信号中仅有大约5%的信号能被探测。尽管在选择硅相机时有许多实务的原因，比如成本，以及硅相机确实是一种很先进又可靠的技术，来用于获得几种不同格式(例如IOMx 1024像素阵列)和具有相对大的像素(大像素意味着是高计数率和快测量速度)，尽管他们具有一些接下来要进行阐述的更为细微的好处，然而，另一种能够捕捉整个而不是5% PL光谱的相机技术是明显值得考虑的。假设与量子效率相类似，该相机可以让测量速度直接提高20x。尤其当采用较长激发波长从样品非表面部分产生光致发光时，硅相机的另一个问题为激发光(如950nm)与图6中曲线沈所示的可探测信号频带接近，意味着具有从低吸收率到高吸收率的陡峭过渡的长通滤波器需要被设于相机的前方，从而不在任何程度上对可探测的光致发光进行阻止的前提下阻止激发。另外，抑制比应当较大，这是因为对于间接带歇半导体而言，比如硅，照射强度的量值比PL强度要大。我们发现半导体材料在这点上较为有效，因为它们在他们带缘处进行传播时呈现出陡峭性的变化；表1列出了一些可以被用做滤波器的半导体材料。我们注意到只要激发频带处于低传播区域内，本发明也可以采用带阻滤波器。如果所使用的相机是对整个PL光谱敏感的，那么该滤波就显得不是那么重要了，这是因为激发频带和探测频带间有着更大的分离。两种对于整个硅PL辐射光谱敏感的相机技术分别是hGaAs技术和作为近来较为先进的“M0SIR”技术，所述MOS^技术采用了 InGaAs或hGaAsP光电阴极，所述光电阴极在真空管内为响应近红外(IR)光子而产生电子，并且对它们提速至硅焦平面阵列(FPA)设备上((XD或CMOS传感器)。这两种传感器对大约900nm到1700nm或更长的波长敏感，而这取决于该InGaAs的精确成分，并且，如果有需要，这两种传感器也能够被用于研究1500nm 到1700nm区域的PL频带，其中所述频带已经被分配至硅中各种不合格品(如P.艾德尔曼等人1992出版的半导体科学与技术7 —书中，硅和砷化镓中光致发光和少数载流子扩散长度成像h22-_。MOS^* hGaAs相机相对于硅相机的另一个优点为如果激发波长远小于900nm， 那么就不需要采用长通滤波器来阻止激发到达该相机处。另外，即使需要长通滤波器，对于原切割晶片来说，当采用的激发波长大于900nm时，滤波器传播边缘的陡度显得次要，这是因为PL光谱较长部分中具有大量的可测探信号。
权利要求
1.一种采集硅晶片光致发光图像的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤利用波长大于808nm的入射光来产生光致发光。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述入射光的波长大于910nm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述入射光的波长大于980nm。
4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于在将所述入射光投射在所述硅晶片上以前，通过半导体材料对所述入射光进行过滤。4a.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于由半导体材料构成的滤波器被设于用于采集光致发光图像的成像装置前方。
5.根据权利要求4或如所述的方法，其特征在于所述半导体材料起着截止滤波器的作用。
6.根据上述权利要求任一所述的方法，其特征在于通过铟镓砷成像装置采集所述光致发光图像。
7.根据上述权利要求任一所述的方法，其特征在于通过MOS^成像装置采集所述光致发光图像。
8.一种表面损坏的硅晶片光致发光成像的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤 采用长波长激发来照射所述晶片，从而使得从晶片内部产生的光致发光多于从晶片表面损坏的部分产生的光致发光。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述长波长激发的波长大于808nm。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述长波长激发的波长大于910nm。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述长波长激发的波长大于980nm。
12.根据权利要求8-11任一所述的方法，其特征在于截止波长大于激发波长的陡峭过渡长通滤波器被用于对晶片进行的成像中。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述长通滤波器包括半导体材料。
14.根据权利要求8-13任一所述的方法，其特征在于还包括随后对晶片进行表面蚀刻的步骤。
15.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述光致发光的成像大体上发生在100毫秒内。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于所述光致发光的成像大体上发生在10毫秒内。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述光致发光的成像大体上发生在1毫秒内。
18.一种分析硅材料的方法，所述方法包括对所述硅材料进行充足水平的光照射从而获得光致发光响应，和采用相机来捕捉光致发光响应形成图像，其特征在于i)所述光照射为高强度光照射，或所述光的波长大于808nm，以及 )采用相机对光致发光辐射光谱中所有或基本上所有的光致发光响应进行捕捉。
19.一种捕捉来自硅材料的光致发光响应的方法，其特征在于包括采用MOS^相机。
20.一种捕捉来自硅材料的光致发光响应的方法，其特征在于所述半导体材料被位于信号频带内的激发光照射，其中，所述信号频带可被用于捕捉光致发光响应的相机探测到，长通滤波器被用于阻碍光照，和使激发信号从所述相机处偏离开。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于所述滤波器为半导体滤波器。
全文摘要
本发明涉及一种对一系列硅晶片进行光致发光成像的方法，本发明的方法包括采用波长大于808nm的入射光的步骤。本发明又提出了一种采用各种光照射、相机和滤波器的结合对硅半导体材料进行分析的方法。在另一个实施例中，相机被用于捕获整个光致发光响应，且长通滤波器被用于阻止一部分信号到达所述相机或探测器。
文档编号G01N21/88GK102575986SQ201080046725
公开日2012年7月11日 申请日期2010年8月16日 优先权日2009年8月14日
发明者伊恩·安德鲁·麦克斯威尔, 托斯顿·特鲁普克, 约尔根·韦伯, 罗伯特·安德鲁·巴多斯 申请人:Bt成像股份有限公司