技术领域
[0001] 本
发明涉及用于检查
半导体晶片，特别地涉及使用空间分辨
光致发光技术检查
硅晶片的方法和系统。已经开发本发明以主要用于检查光伏
电池和电磁前体且将参考本
申请在下文进行描述。然而，将理解，本发明不限于该特定使用领域。
[0002] 相关应用
[0003] 本申请要求于2012年7月6日提交的澳大利亚临时
专利申请号2012902891的优先权，将其内容通过引用结合于此。
背景技术
[0004] 对贯穿本
说明书的
现有技术的任何讨论绝不应被认为是承认这种现有技术是广泛公知的或形成本领域的公知常识的一部分。
[0005] 例如使用在题为“Method and System for Inspecting Indirect Bandgap Semiconductor Structure”的公布的PCT专利申请号WO2007/041758 A1(将其通过引用结合于此)中公开的装置和方法执行的光致发光(PL)成像已显示对于表征硅材料和装置并且特别是基于硅晶片的光伏(PV)电池是有价值的。如图1中示意性示出的，由从具有来自上述带隙光8的源6的大面积
光子激发的半导体材料的样品4产生的光致发光2经由收集光学装置12由
图像采集装置10(诸如相机或CCD阵列)成像，其中系统优选地包括均质光学件14以改进大面积激发的均匀性以及在相机的前面的长通
滤波器16以阻止杂散激发光。系统还可包括一个或多个滤波器18以选择光致激发的
波长范围。利用相对薄的样品且在PV电池的后表面的
金属化之前，还可以在样品4的相对侧具有
光源6和相机10，如图2所示，在这种情况下，样品本身可用作长通滤波器。然而如果反射离开例如其他部件的大量杂散激发光到达相机，则可仍然需要长通滤波器16。无论哪种方式，可从样品获取一个或多个PL图像并利用使
用例如在公布的PCT专利申请号WO2008/014537 A1、WO2009/026661 A1和WO2009/121133 A1中公开的技术的计算机20来分析，以获得关于多个样品性能的平均或空间分辨值(spatially resolved value)(除其他之外，其包括少子扩散长度、少子寿命、错位(dislocation)
缺陷、杂质和分流)或者关于裂缝发生或生长的信息。对于易碎样品(诸如硅晶片)重要的是，PL成像技术是非
接触式的。
[0006] 早期的商业系统被设计用于实验室使用，其中10s量级的总测量时间是可接受的，而最近的创新已经引起线扫描系统，其中在不中断它们沿生产线(production line)的运动的情况下，晶片可被照射和成像。如图3的侧视图中示意性示出的，线扫描系统通常包括：光束成形光学件22，其用于将激发光8引导到半导体材料4的样品上；以及收集光学件12，其用于将所发射的光致发光2成像到图像采集装置24上，诸如线阵相机以及根据需要的各种其他部件(均质化光学件14、长通滤波器16、激发滤波器18和计算机20)，类似于图1的系统。
样品在这种情况下从左至右移动通过传输带26或辊(roller)等上的测量区域，如由箭头28所指示的，从而跨越样品扫描照射部分30和成像部分32，且线阵相机由询问模
块(其可以是计算机20的一部分或在其控制下)询问以建立样品的大幅区域的PL图像。照射和成像子系统可例如被配置为使得总的扫描面积(即“大幅区域”)对应于样品的一个表面的10％、
20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％。优选地照射和成像子系统被配置为使得照射和成像部分30、32跨越如图3A所示的样品4，使得能够检查样品的一个表面的整个区域。照射和成像部分30、32通常被
定位成多多少少地垂直于运动28的方向，如图3A所示。
[0007] 本领域中也已知使用时间延迟集成(integration)(TDI)相机，而不是线阵相机作为图像采集装置来用于检测线扫描系统中的光致发光。TDI相机可被看作是线阵相机的集成阵列，例如单个芯片上的1024、2048、4096或8192个
像素的96或128行，通常使用与常规线阵或面阵相机中相同的硅CCD技术。TDI相机非常适合用于获取移动样品的图像，其中运动的方向垂直于像素行；当样品移动时，来自检测
信号的电荷被传输到下一个像素行并被累积，其中电荷传输和样品移动同步。因此，具有N个像素行的TDI相机测量来自样品的给定部分的信号N次，从而对于相同的总测量时间，与线阵相机相比，将
信噪比提高√N至N的因数，这取决于主要噪声源。类似于图2中所示的配置，线扫描系统可被设计为在样品的相对侧具有光源和图像采集装置。
[0008] 高
串联电阻的局部区域(即串联电阻问题)是PV电池故障或不期望的低效率(通常由阻碍电荷载流子的传输的缺陷造成)的共同模式。这种缺陷可例如包括金属接触结构的断裂、金属指状物或后接触件和相应硅表面之间的高接触电阻以及硅中的裂缝。已经提出几种基于发光的技术(例如在公布的美国专利申请号2009/0206287 A1、2011/0012636 A1和2012/0113415 A1中公开的)，以获取PV电池或电池前体的所谓串联电阻图像，其中过度串联电阻的局部区域经由较高或较低发光强度的区域识别。然而，这些技术需要采集两个或更多个发光图像或需要电接触电池，或者两者，且并不是理想地适合于离开生产线的PV电池(其目前可在高达每小时1800或甚至3600晶片下运行)的快速检查。
发明内容
[0009] 本发明的目的是克服或改善现有技术的缺点中的至少一个，或者提供一种有用的替代方案。为优选形式的本发明的目的是提供用于表征硅晶片或者部分或完全制造的光伏电池的改进方法。为另一优选形式的本发明的目的是提供用于获取光伏电池的串联电阻图像的改进方法。
[0010] 根据本发明的第一方面，提供了用于分析包括发射极和基极的半导体材料的方法，所述方法包括以下步骤：
[0011] 利用来自光源的适于从所述材料产生光致发光响应的第一照射来照射所述材料的第一部分；
[0012] 利用图像采集装置检测从所述材料的第二部分发射的光致发光，其中，所述第一部分和第二部分至少部分地重叠；
[0013] 跨越所述材料的大幅区域(substantial area)扫描所述第一部分和第二部分；以及
[0014] 询问所述图像采集装置以获取从所述大幅区域发射的光致发光的第一图像，[0015] 其中，所述第一照射的强度被选择为使得存在从所述第一部分出来的光生电荷载流子的显著横向流动。
[0016] 根据本发明的第二方面，提供了用于分析包括发射极和基极的半导体材料的方法，所述方法包括以下步骤：
[0017] 利用来自光源的适于从所述材料产生光致发光响应的第一照射来照射所述材料的第一部分；
[0018] 利用图像采集装置检测从所述材料的第二部分发射的光致发光，其中，所述第一部分和第二部分不重叠；
[0019] 跨越所述材料的大幅区域扫描所述第一部分和第二部分；以及
[0020] 询问所述图像采集装置以获取从所述大幅区域发射的光致发光的第一图像，[0021] 其中，所述第一照射的强度被选择为使得存在从所述第一部分出来的光生电荷载流子的显著横向流动。
[0022] 第一和第二方面的方法共享多个改进。
[0023] 优选地，该方法进一步包括解译(interpret)第一图像以识别在大幅区域中阻碍载流子传输的缺陷的步骤。该方法优选地应用于从由以下项所组成的组中选择的半导体材料：光伏电池；部分金属化光伏电池前体；在基极上具有发射极层的光伏电池前体；以及在基极上具有选择性发射极层的光伏电池前体。
[0024] 第一照射的强度优选地被选择为使得从第一部分出来的光生电荷载流子的横向流动速率是光产生速率(photo-generation rate)的至少10％，更优选地是至少50％，并且最优选地是至少80％。在优选实施方式中，扫描步骤包括相对于光源和图像采集装置移动材料。
[0025] 优选地，该方法进一步包括获取从大幅区域发射的光致发光的第二图像的步骤，其中，第二图像的光致发光利用如下照射条件产生：该照射条件被选择为使得存在与由第一照射引起的横向流动相比降低的光生电荷载流子的横向流动。更优选地，照射条件被选择为使得基本不存在光生电荷载流子的横向流动。在某些
实施例中，照射条件包括利用大致均匀的照射强度同时照射大幅区域。在替代实施方式中，照射条件包括利用如下照射强度照射材料的第三部分：该照射强度被选择为使得第三部分中的光生电荷流子的横向流动小于将在第一照射下发生的横向流动，并且其中，图像采集装置检测从材料的第四部分发射的光致发光，其中，第四部分与第三部分至少部分地重叠。在优选实施方式中，该方法进一步包括比较第一图像和第二图像的步骤。优选地，图像比较包括根据第一图像和第二图像计算逐个像素的强度比。
[0026] 在优选实施方式中，大幅区域对应半导体材料的整个表面。
[0027] 根据本发明的第三方面，提供用于分析包括发射极和基极的半导体材料的系统，所述系统包括：
[0028] 光源，被适配为利用适于从所述材料产生光致发光响应的第一照射来照射所述材料的第一部分；
[0029] 图像采集装置，被适配为检测从所述材料的第二部分发射的光致发光，其中，所述第一部分和第二部分至少部分地重叠；
[0030] 机构，用于跨越所述材料的大幅区域扫描所述第一部分和第二部分；以及[0031] 询问模块，用于询问所述图像采集装置以获取从所述大幅区域发射的光致发光的第一图像，
[0032] 其中，所述第一照射的强度被选择为使得存在从所述第一部分出来的光生电荷载流子的显著横向流动。
[0033] 根据本发明的第四方面，提供用于分析包括发射极和基极的半导体材料的系统，所述系统包括：
[0034] 光源，被适配为利用适于从所述材料产生光致发光响应的第一照射来照射所述材料的第一部分；
[0035] 图像采集装置，被适配为检测从所述材料的第二部分发射的光致发光，其中，所述第一部分和第二部分不重叠；
[0036] 机构，用于跨越所述材料的大幅区域扫描所述第一和第二部分；以及[0037] 询问模块，用于询问所述图像采集装置以获取从所述大幅区域发射的光致发光的第一图像，
[0038] 其中，所述第一照射的强度被选择为使得存在从所述第一部分出来的光生电荷载流子的显著横向流动。
[0039] 第三和第四方面的系统共享多个改进。
[0040] 系统优选地包括处理器，处理器被适配为解译第一图像以识别在大幅区域中阻碍载流子传输的缺陷。
[0041] 第一照射的强度优选地被选择为使得从第一部分出来的光生电荷载流子的横向流动速率是所述光产生速率的至少10％，更优选地是至少50％，并且最优选地至少是80％。
[0042] 在优选实施方式中，扫描机构包括用于相对于光源和图像采集装置移动半导体材料的机构。
[0043] 优选地，系统进一步包括用于获取从大幅区域发射的光致发光的第二图像的装置，其中，第二图像的光致发光利用如下照射条件产生：所述照射条件被选择为使得存在与由第一照射引起的横向流动相比降低的光生电荷载流子的横向流动。更优选地，照射条件被选择为使得基本不存在光生电荷载流子的横向流动。在某些实施方式中，用于获取第二图像的装置包括被适配为利用大致均匀的照射强度同时照射大幅区域的第二光源。在替代实施方式中，用于获取第二图像的装置包括：第二光源，被适配为利用被选择为使得从第三部分出来的光生电荷流子的横向流动小于将在第一照射下发生的横向流动的照射强度来照射材料的第三部分；以及第二图像采集装置，被适配为检测从材料的第四部分发射的光致发光，其中，第四部分与第三部分至少部分地重叠。
[0044] 优选地，系统进一步包括被适配为比较所述第一图像和第二图像的处理器。处理器优选地被适配为根据第一图像和第二图像计算逐个像素的强度比。
[0045] 在优选实施方式中，第一或第二图像采集装置中的至少一个包括线阵相机(line camera)或时间延迟集成相机(time delay integration camera)。在某些实施方式中，在第一或第二图像采集装置中的至少一个内的像素包括硅、InGaAs或InGaAsP。在替代实施方式中，第一或第二图像采集装置中的至少一个包括与InGaAs或InGaAsP光电
阴极组合的硅
传感器。
[0046] 大幅区域优选地对应于半导体材料的整个表面。
[0047] 按照本发明的第五方面，提供了用于检查半导体材料的方法，所述半导体材料包括光伏电池或电池前体，所述半导体材料具有形成在第一表面上的第一
钝化层和形成在与所述第一表面相对的第二表面上的第二
钝化层，所述方法包括以下步骤：
[0048] 测量通过利用适于从所述半导体材料产生光致发光的光对所述第一表面的照射所产生的第一光致发
光信号；
[0049] 测量通过利用适于从所述半导体材料产生光致发光的光对所述第二表面的照射所产生的第二光致发光信号；以及
[0050] 分析所述第一和第二光致发光信号以获得关于所述第一和第二钝化层中的至少一个的信息。
[0051] 第一和第二光致发光信号优选地包括分别由第一和第二表面的照射产生的光致发光的第一和第二空间分辨图像(spatially resolved image)。优选地，分析步骤包括根据第一和第二光致发光信号之间的强度比或强度差计算一个或多个度量。为等效样品区域在逐个像素的
基础上计算强度比或强度差。
[0052] 根据本发明的第六方面，当为了
质量控制或工艺控制目的而在线(in-line)应用于光伏电池制造工艺时，提供根据第一、第二或第五方面的方法。
[0053] 根据本发明的第七方面，当为了质量控制或工艺控制目的而在线应用于光伏电池制造工艺时，提供根据第三或第四方面的系统。
[0054] 根据本发明的第八方面，提供了一种制品，该制品包括具有计算机可读程序代码的计算机可用介质，计算机可读程序代码被配置为执行根据第一、第二、第五或第六方面的方法或者操作根据第三、第四或第七方面的系统。
附图说明
[0055] 通过结合附图进行的示例性实施方式和所附
权利要求的后续描述，本发明的益处和优点对于本发明相关领域的技术人员将变得显而易见，其中：
[0056] 图1以示意性侧视图示出了用于半导体样品的光致发光(PL)成像的区域成像系统(area-imaging system)；
[0057] 图2以示意性侧视图示出了用于半导体样品的PL成像的另一区域成像系统；
[0058] 图3中以示意性侧视图示出了用于半导体样品的PL成像的线扫描系统；
[0059] 图3A以示意性平面图示出了用于利用线扫描系统获取半导体样品的PL图像的照射和成像部分的优选布置；
[0060] 图4以示意性侧视图示出了用于半导体样品的PL成像的另一线扫描系统；
[0061] 图5(a)和图5(b)以示意性侧视图示出了用于半导体样品的PL成像的又一其他线扫描系统；
[0062] 图6(a)和图6(b)示出了使用不同照射强度获取的原切割(as-cut)硅晶片的PL图像；
[0063] 图7(a)和图7(b)分别示出了在宽区域和线照射机制下的光散射假象的存在和不存在；
[0064] 图8以示意性侧视图示出了根据本发明的实施方式的被配置为用于分析PV电池的横向载流子传输的线扫描PL成像系统；
[0065] 图9示出了根据本发明的实施方式的获取的硅PV电池的定量串联电阻图像；
[0066] 图10示出了使用已知的电池接触方法获取的如图9中的相同硅PV电池的定量串联电阻图像；
[0067] 图11(a)和图11(b)以示意性平面图和侧视图示出了硅晶片上的典型选择性发射极图案；以及
[0068] 图12(a)和图12(b)以示意性侧视图示出了根据本发明的某些实施方式的被配置为用于分析PV电池的横向载流子传输的线扫描PL成像系统。
具体实施方式
[0069] 现在将参考附图仅通过举例的方式描述本发明的优选实施方式。
[0070] 虽然图3以示意性形式示出了线扫描PL成像系统的可能配置，但是在传入晶片阶段(例如用于分选或分级目的)或在电池制造工艺中的一个或多个稍后阶段，需要考虑许多设计方面以产生实际可用于半导体样品(诸如光伏电池线上的硅晶片)的常规在线检查的系统。
[0071] 首先，将明显的是，线扫描系统需要跨越样品扫描照射和成像部分，例如通过相对于光源6和图像采集装置24移动样品4。对于小样品(诸如PV电池和晶片)，通常很容易使光源和图像采集装置固定并在传输带或辊等上移动样品，如图3所示。另一方面，对于诸如硅砖(晶片从其锯下)的大型样品，也可以更方便沿固定样品例如在轨道上移动光源和图像采集装置。其他变化也是可以的。例如，一个人可握着固定样品，例如使用电动反光镜或荫罩(shadow mask)跨越样品扫描照射部分30，并利用区域成像相机或通过线阵相机和电动反光镜的组合采集光致发光。
[0072] 现在转到照射30和成像32部分，虽然如果如上述参考图3A所解释的整个样品将被成像，这些通常需要足够长以跨越样品(例如对于标准光伏晶片至少是15.6cm)，但是关于这些部分在扫描方向上的相对宽度具有相当大灵活性。通常它们都在0.1至30mm附近。在某些实施方式中，如图3A所示，照射和成像部分的宽度大致相等。在其他实施方式中，照射部分比成像部分更宽或更窄，具有两种可能性，即降低系统的灵敏度到两个部分的准确定位，这可受例如样品高度的变化的影响。优选地，照射和成像部分的相对宽度和
位置例如通过调节聚焦或收集光学件的位置是可调节的，使得可根据各种考虑因素来选择它们。例如照射的更严格聚焦(导致更窄的照射部分30)增加了照射强度，并因此增加局部发光信号(限制内)，有利于从低
发光效率样品(诸如原切割硅晶片)更快速采集。另一方面，对于下面解译的原因，如果需要较低强度的照射，则更宽的照射部分由于下述的原因可对于以下是有用的：例如模拟正常PV电池操作条件(即～1日光(sun))或增强光生电荷载流子的横向流动。
[0073] 如果图像采集装置具有矩形像素而不是正方形像素，则较窄的照射部分对于图像分辨可以是有利的。这可通过具有20：1的像素纵横比的InGaAs线阵相机的实例的方式来解译，其中较长像素侧定位成垂直于像素行，并因此平行于运动方向。由于在这个方向上的每个像素的较大视场，所以相机在任何时间检查相当于20个图像像素的区域。通过整个视场的均匀照射，图像将在这个方向上由20个像素模糊。另一方面，如果照射被聚焦为较窄的线，至少对于预扩散PV样品(诸如砖和原切割晶片)，其中横向载流子扩散是最小的，系统的空间
分辨率仅受限于照射线的宽度，因为这条线以外的区域(同时被成像)不对所测量的强度作出显著贡献。对于发射扩散之后的PV样品，情况并非如此简单，因为照射线外的载流子的横向流动仍将导致图像
对比度损失，其中这样的效果越严重，横向传导率越好且照射强度越低。如下面所讨论的，改变照射强度的能
力(利用载流子的横向流动的场景)具有用于分析硅PV电池和电池前体(即部分制造的电池)的特别益处。
[0074] 简要地转向激发源6，虽然由于其较高强度和其被
准直以利用
电介质过滤器滤波并且被聚焦到一条窄线的更好能力可能需要
激光器用于低发光效率样品，但是出于人眼安全的考虑，优选地使用非相干源，诸如LED阵列。对于诸如硅砖的大型样品的检测(其中可容忍较长的测量时间)，非激
光激发光源一般将是足够的。
[0075] 对于照射系统的很多变化是可以的。在图4中以示意性侧视图示出的一个实例实施方式中，LED板34被定位成可选地经由扩散器38通过传输带26上的间隙36照射样品4，以提高照射均匀性，并且利用线阵相机或TDI相机24对所得的发光2进行成像。该特定配置表明线扫描系统的整体益处是激发源可被定位靠近样品以增强样品上的照射强度，这有利于低发光效率样品和简化光学装置。可替代地或附加地，相机可被定位靠近样品以增强PL收集效率。虽然这些方法利用区域成像系统也是可以的，例如使用图2中所示的配置，但是对于在线应用存在限制，因为传输带遮蔽样品的一部分，除非它们由对于照射或发光是透明的一些非标准材料组成。在另一实例实施方式中，通过提供多个
LED灯管(bar)可进一步增强照射强度。
[0076] 除了便于在线检查硅光伏晶片之外，
申请人已经发现线扫描PL成像系统(特别是使用TDI相机的那些)对于表征晶片以及部分或完全制造的光伏电池具有许多其他益处，增强了光伏电池制造商关注的几个晶片或电池性能的测量。
[0077] 在一个实例中，与常规区域成像系统相比，线扫描系统可提供改进的
图像对比度。由常规Si CCD相机获取的硅样品的PL图像的图像对比度已知受到像素阵列内传播的光(即来自有助于另一个像素中的所测量信号的一个相机像素的光)的显著损害，特别地，弱吸收波长朝向硅的带间PL发射
光谱的长波长尾部。虽然基于InGaAs的相机不遭受该像素间光散布假象，因为硅光致发光的长波长尾部由InGaAs强烈地吸收，图像对比度仍然会通过样品本身内的光扩散降级。然而，在线扫描系统中，证明因为仅晶片的一小部分(通常小于一个表面的面积的10％)在任何时间被照射，这些光扩散假象都显著降低。所产生的PL图像的动态范围(即对比度)的增加对于晶片和砖特别重要，如下面更详细描述的。
[0078] 如上所述，线扫描系统可被设计为具有为线阵相机(其具有单行像素)形式的图像采集装置或TDI相机(其累积由多个像素行从移动样品采集的信号)。一般优选地是TDI相机，因为需要较低的PL信号以实现特定信噪比，使得能够使用较低照射强度。除了功耗和人眼安全的考虑之外，这也使得样品能够在较低注入条件下进行检查，最小化或消除非线性样品反应，这反过来又降低了沿照射线的对强度均匀性的灵敏度。为了解译，在任何发光成像系统中，在图像中观察的所测量强度分布应尽可能准确地反映样品的实际局部发光强度。理想地，具有均匀发射轮廓的均匀质量样品应当导致具有均匀强度(即无特征图像)的图像。然而，事实上，图像受检测系统(透镜、滤波器、相机)的非均匀响应和非均匀照射的影响。如果单个效果均是线性的，所有这些非均匀性的综合效果可被补偿，但是这仅是在真正低注入条件下的原切割晶片的PL图像的情况，即，其中PL强度随着激发光强度线性地增加的情况。随着激发光强度增加到对应于中到高注入条件的
水平，PL强度随着激发光强度超线性并最终二次性地增加，在这种情况下，照射非均匀性的精确校正通常需要掺杂
密度和过量载流子密度的准确认知。然而，在大多数情况下，后者的信息是不可用的，所以低注入条件优选尽可能受到产生足够水平的发光的有时相对约束。
[0079] SI-CCD相机技术非常先进，其中区域、线阵和TDI相机全部为可购买到的。其他检测器技术，诸如InGaAs和InGaAsP相机，或与InGaAs或InGaAsP光电阴极组合的硅传感器阵列被视为对基于硅的光伏电池和电池前体的发光成像的替代品，因为不像硅相机，它们在硅的整个带间发射光谱上是敏感的；此外，InGaAs也可在约1500nm测量硅的所谓缺陷带发射。具有InGaAs或InGaAsP像素的TDI相机，或与InGaAs或InGaAsP光电阴极组合的硅传感器将是与用于硅样品的基于PL检查的硅TDI相机的有用替代品，但就申请人所知尚未市售。作为替代，可以通过进行样品的多次曝光并追溯地使用
软件进行像素移位在线扫描系统中使用区域-成像相机(具有矩形或正方形阵列)，而不是TDI相机。这实现了与真正TDI相机相似的总曝光时间，然而由于每
帧与读取噪声相关联，所以总噪声会明显高于TDI相机(其中每行仅读取一次)(在TDI阵列的端部))中的总噪声。
[0080] 为了表征或检查半导体样品，在不同的条件下获取样品的两个或更多个PL图像往往是有益的，不同的条件可包括不同的激
发条件(例如照射强度、波长、均匀性或区域)、不同的检测波长、不同基本几何结构(即相同侧或相对侧照射/检测)、或者它们的组合。在一些实施方式中，使用多个照射和成像子系统，如图5(a)所示，而在其他实施方式中，两个或更多个相机24共享单个光源34，如图5(b)所示，需指出，相机可处于所示的样品的相同侧或相对侧。多个照射和成像系统可被容纳在如图5(a)中所示的共同站(station)42中，或者样品可依次通过两个或更多个PL成像站。在某些实施方式中，不同的滤波器或
滤波器组合17、17’用于选择不同检测波段，而在其他实施方式中，两个或更多个光源34可被配置为提供不同的激发波长或强度。基于在不同条件(例如逐个象素差或比率图像)下获取的PL图像的分析可用于计算材料性能，诸如载流子寿命，或光伏电池生产中的度量。例如由1个日光和10个日光照射获取的两个PL图像的强度比(分别是约～100mW/cm2和～1W/cm2)可以是度量。这样的度量例如在制造执行系统(MES)内可用于统计目的，其反过来又被用于在严格处理窗口内保持
制造过程并发现和报告异常。度量还可与各种材料性能(包括背景掺杂浓度、结构或
原子缺陷的存在和分布、金属化样品的串联电阻和发射极层或选择发射结构的
导电性)或与各种工艺参数(包括发射器扩散和抗反射膜沉积)定型或定量地相关。可比较例如在高和低注入条件(例如具有高和低照射强度)下获取的实例图像以提供有关硅晶片中的背景掺杂浓度的信息。
[0081] 基于在不同条件下获取的PL图像的组合的分析也可用于区分不同类型缺陷。通过举例的方式，图6(a)和图6(b)示出了从其中杂质水平高的砖的底部切割的
多晶硅晶片的PL图像(其分别利用1个日光(～100mW/cm2)和20个日光(～2W/cm2)的照射强度获取)。两个图像示出了
晶界结构作为更亮线网，其中高度不纯晶片典型具有对比反转，其中晶界的吸气效果(gettering effect)提高直接围绕硅的质量。然而具有几个错位集群，其中某些由图6(a)中的圆圈高亮显示，其仅在利用较低照射强度获取的图像中出现。例如通过差(即减法)进行的两个图像的比较因此允许从晶界来区分错位。
[0082] 返回参考图5(a)，应理解，检查系统可替代地由光学成像(反射或透射)单元和PL成像单元而不是两个PL成像单元构成，从而通过PL图像和光学图像的差或比实现比较，例如用于从错位(在仅PL图像中可辨别)区分晶界(在这两种类型图像中可辨别)。
[0083] 如在公布的PCT专利申请号WO 2011/009159 A1中所描述的，(例如使用长通和短通滤波器)在不同检测波段获取的两个PL图像的强度比是用于测量硅砖的本体寿命的便利方法。然而，如在B.Mitchell等人的“Bulk minority carrier lifetimes and doping of silicon bricks from photoluminescence intensity ratios”，Journal of Applied Physics vol 109，083111(2011)中所描述的，这种方法往往会高估低寿命区域(例如砖的顶部和底部上的杂质丰富区域)中的体寿命。本申请人已经确定，这是由于使用区域CCD相机所产生的假象，其由相机像素之间的上述光扩散作用所造成；这种效果对于弱吸收长波长光子特别明显，且因此往往会影响长波长PL图像。利用线扫描PL成像系统可大大减小问题，这是由于相邻的高和低寿命区域不太可能在同一时间被激发。为了解译，图7(a)和图7(b)示出了宽区域和线照射的相应情况。如图7(a)所示，通过宽区域照射44，晶片4的相邻高和低寿命区域46、48都被激发，从而产生导向相机像素阵列50的不同部分的强和弱PL发射2s、2w。来自强发射的长波长光子在被吸收之前可在如箭头52表示的相机内被分散，因此可人为地增加从低寿命区域48检测的信号。该假象在以下情况下特别成问题：较低寿命材料的小区域被较高寿命材料包围。另一方面，如图7(b)所示，通过线照射54，相邻高和低寿命区域一般不会同时被激发，从而使来自低寿命区域48的弱PL发射2w孤立地被测量。
[0084] 用于测量硅砖的体寿命的商业系统可使用单个线阵相机或具有滤光轮的TDI相机以拍摄所需的两个或三个图像，或使用配有不同滤波器组合或者专用或共享光源34的两个或多个线阵或TDI相机，分别如图5(a)和图5(b)所示。
[0085] 表面钝化是硅光伏电池制造中的用于提高载流子寿命并因此提高电池效率的标准处理步骤。在标准电池设计中，仅前表面需要典型地通过形成氮化硅(SiN)层来钝化，而一些较新电池设计需要两个表面都被钝化(通常以不同方式)。例如SiN更适于钝化n++层，而
氧化
铝(ALO)更适于钝化p++层，这是由于它们不同的表面电荷。例如由两个TDI或其他线扫描系统或常规区域成像系统(如图1或图2所示)从样品的相对侧测量的PL信号可提供关于绝对表面钝化或前后表面之间的钝化的相对变化的信息。在某些实施方式中，这些信号由简单光检测器从前后表面的
选定部分测量，而在其他实施方式中，它们包括例如使用已知的二维成像或线扫描技术从两个表面采集的空间分辨PL图像。从这些信号导出的度量可用于监控各个钝化步骤的有效性。例如在光伏电池生产中，特定的PL强度比或强度差(在某些实施方式中，对于样品等效区域，在逐个像素的基础上对其进行计算)可用作须在特定范围内被保持的度量，其中漂移警告操作员或过程控制系统问题钝化步骤中的一个或其他步骤的问题。在某些实施方式中，使用两个PL成像系统，其中在每种情况下，光源和图像采集装置可如前所述的位于样品晶片的相同或相对侧。在其他实施方式中，使用单个光源和两个图像采集装置分别从前后表面测量PL。
[0086] 介电涂层(诸如钝化层和抗反射涂层)对于改变晶片的
颜色是熟知的，且几个光谱反射技术已知可用于监控这种涂层的厚度和折射率。本申请人已经认识到，这些涂层也将影响光耦合至晶片的光以及逸出晶片的光的波长范围。这遵循介电涂层的厚度或折射率的变化将在由不同激发波长或不同检测波长或两者测量的PL的强度的变化中被揭示。
[0087] 如在公布的PCT申请号WO 10/130013 A1中所描述的，利用空间非均匀照射图案产生的发光的成像可用于针对干扰光生电荷载流子的传输的各种缺陷分析PV电池或电池前体(即完全或部分制造的PV电池)。如本文所述的，能够通过发射极层或其他导电结构从照射区域横向输出的光生电荷载流子可
辐射地重组以从非照射区域产生发光。基于该原理的实例应用包括对中断通过部分或完全制造的电池的发射极层或沿选择性发射结构的高度掺杂线的载流子传输的裂缝检测，以及串联电阻问题的检测，诸如部分金属化或完全制造的电池中的过量局部接触电阻或金属化破坏。建议跨越整个晶片或电池的空间分辨导电率或串联电阻信息可从由不同照射图案(诸如互补棋盘图案)获取的一系列两个或更多个发光图像(可选地与标准PL图像比较，即由基本均匀的大面积照射获取的图像)来获得。
[0088] 如上所述，用于获得PV电池的串联电阻图像的已知的基于发光的技术需要采集两个或更多个发光图像，或需要与电池的电接触(electrical contact)，或两者兼而有之。本申请人现已经确定，关于阻碍载流子传输的缺陷的信息(包括完全或部分制造的电池的串联电阻图像)可以更快并更方便的方式来获得，并且无需与线扫描PL成像系统进行电接触。代替如在WO 10/130013 A1中所建议的应用两个或更多个静态照射图案，非均匀照射图案通过跨越样品的大幅区域扫描照射部分依次应用到样品。因为横向
电流(即从照射部分出来的光生电荷载流子的流动)在一微秒内平衡，即与每秒处理一个晶片所需的线速度～
0.3m/s相比非常快(假设晶片的
节距是30cm)，样品是基本处于稳定状态，只要是关于电性能即可。这适用于如在WO 10/130013 A1中的照射图案被静态应用或者如本发明中所建议的动态应用(例如使用晶片运动)。
[0089] 在图8的侧视图中示出的一个实例实施方式中，线扫描PL成像系统可用于跨越PV电池56获得串联电阻或载流子传输信息，PV电池56在基极59上具有发射极层58且具有沉积在发射极层和后表面上的金属接触层60上的金属接触图案(通常是
母线和指状件，未示出)。为清楚起见，照射和成像子系统被简化以仅示出光源6、光束成形光学件22、收集光学件12和图像采集装置24，但应理解，图3系统所示的其他组件中的大部分或全部(包括计算机20)也将在需要时存在。为了优选，图像采集装置是TDI相机。照射和成像部分30、32至少部分重叠，且成像部分32优选被选择为比照射部分30略宽。在某些实施方式中，照射和成像部分的宽度通过分别对光束成形和收集光学件的适当调整是可控制的。
[0090] 重要地，激发光8在样品上的强度被选择为使得存在从照射部分30出来的光生电荷载流子经由发射极层或金属接触图案的显著横向流动，如由箭头62示意性示出的，这导致电荷载流子浓度梯度，其可被测量为跨越成像部分32的PL信号的空间变化。在优选实施方式中，照射强度被选择为使得光生电荷载流子的横向流动速率是光产生速率的至少10％，更优选地是至少50％，并且最优选地是至少80％。导致显著载流子流动的这种程度的特定强度取决于除其他因素之外的样品的性质，例如样品是否仅具有发射极层或是否电荷载流子也可通过金属接触结构迁移。然而已知的是，通过发射极层的载流子传输的效率随电流密度增加而变得较低，因此遵循其效率随照射强度增强而变得较低。考虑整体PV电池效率，发射极层通常被设计为使得在1个日光照射下，预期的横向电流密度可以与典型金属接触间距相比的小运输损失和远距离被传输。在目前情况下，较低照射强度将导致更有效的载流子传输，但较低的发光信号。本申请人已经确定，对于标准硅PV电池，约1个日光的激发强度是用于实现显著载流子流和可测量发光信号两者的合理折中。
[0091] 再次返回图8，以及上面关于如图3所描述的，在PV电池56移动通过照射和成像子系统时，如箭头28所示的，TDI相机24由询问模块询问，以获取电池的大幅区域的图像。大幅区域例如可以是PV电池的一个表面的10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％。优选地，大幅区域将对应于电池的整个表面，这通常是照射和成像部分30、32跨越电池的情况(如图3A所示)。询问模块通常是计算机(图8中未示出)的一部分或由其控制。重点是，利用适当选择的照射强度，PV电池的非照射部分充当
散热器(sink)，绘制从照射部分30出来的光生电荷载流子的重要部分，使所得到的线扫描图像相当于在电流提取的条件下从电池
端子获取的PL图像。换言之，线扫描系统允许在无需接触电池的情况下获取电流提取PL图像。
[0092] 在某些实施方式中，电池还经受第二曝光以使用与第一曝光相比引起光生电荷载流子的降低横向流动的照射条件获取第二图像。优选地，使用被选择为使得基本不存在光生电荷的横向流动的照射条件进行第二曝光，在这种情况下，第二曝光将导致图像基本等同于标准或开路PL图像。第二曝光的照射条件可例如包括基本均匀的宽区域照射或高强度扫描的线照射。开路PL图像可提供关于局部缺陷(例如错位和高度不纯区域)以及PV电池和电池前体中的裂缝的信息，如本领域已知的。开路PL图像与在电流注入或提取的条件下获取的PL图像(诸如上述使用相对低强度照射获取的“当前提取”图像)组合以用于产生空间分辨的定性或定量串联电阻数据也是有用的。例如包括逐个像素强度比的比较可用于消除由其他因素(诸如背景掺杂水平变化或杂质)引起的发光变化。在优选实施方式中，利用例如图5(a)所示的第二线扫描系统获取开路PL图像，而在其他实施方式中，由诸如图1中所示的区域成像系统中的基本均匀的宽区域照射获取。再参考图8，对于其中使用线扫描系统的情况，在这种情况下，激发光8的强度被选择为使得基本不存在从照射部分30出来的光生电荷流子的横向流动。在其中样品是标准硅PV电池一个具体实例中，与第一曝光的1个日光相比，用于第二曝光的激发光在样品上的强度被选择为20个日光(～2W/cm2)。具体照射强度在样品被基本均匀地照射的实施方式中不太重要，不管PL图像是利用面阵相机还是利用TDI或线阵相机获取。
[0093] 图9示出了利用配有硅TDI相机的线扫描系统获取的硅PV电池的PL图像，其中样品上照射强度被选择为约1个日光以激励光生电荷载流子的横向流动。为了比较，图10示出了使用在公布的PCT专利申请号WO 2009/129575 A1中描述的多图像电池接触方法从相同电池获取的定量串联电阻图像。可以看出，在两个图像之间具有很强的相似性，这表明我们的简单线扫描方法(仅需要一个图像)能够揭示具有高局部串联电阻的区域。在许多实际情况下，这种定性串联电阻信息足以用于质量控制的目的，例如用作PV电池生产的度量，而不需要用于产生更多定量数据所必要的附加步骤，例如采集另外的图像，诸如开路PL图像，以消除载流子寿命相关的发光变化。具有特别高串联电阻的局部区域可容易地识别并定位在定性串联电阻图像中，不同于其中可检测缺陷电池但不能确定缺陷的位置的标准IV测试。定性图像也可用于过程控制的目的，例如其中在生产中重复出现的特定串联电阻图案可被识别并用于纠正处理站的问题的情况。
[0094] 虽然已经在获得关于完全制造的PV电池的空间分辨的串联电阻信息的方面，描述了图8所示的线扫描配置，但是所述配置也可用于获得关于在具有发射极和基极的许多其他类型的半导体样品(特别是诸如后扩散晶片的前体电池(即，其中发射极层已经扩散到基极材料)、选择性发射极结构已经形成在其上的晶片以及部分金属化电池)中阻碍电荷载流子迁移的缺陷的信息。这种缺陷可例如包括裂缝、其中扩散过程在标准或选择性发射极的形成过程中受到损害的局部区域以及金属化故障。再次，信息可用于质量控制的目的(例如，拒绝缺陷晶片)或过程控制的目的(例如，校正发射极扩散过程)。
[0095] 图11(a)和图11(b)以示意性平面图和侧视图示出了选择性发射极结构64，其包括在包括p型硅晶片的基极59上形成的低掺杂发射极层58内的高度掺杂的n++区域的图案。选择性发射极结构通常包括大量薄的高度掺杂带66A并且在某些情况下两个或三个厚的高度掺杂带66B(金属指状件(finger)和母线(bus bar)随后分别沉积在其上)。这些n++掺杂区域通常具有比周围发射极层58高得多的导电性。在某些线扫描实施方式中，具有选择性发射极结构的样品晶片被定向为使得“指状件”带66A平行于扫描方向，而在其他实施方式中，样品被定位成使得“母线”带66B平行于扫描方向。在每种情况下，通过扫描照射线刺激且经由PL图像检测的电荷载流子迁移可用于获得各组掺杂带的导电性的量度，并识别局部地中断导电性的缺陷。附加的导电性信息可通过以下获得：沿照射部分剪裁(tailor)照射强度(例如通过应用二次或梳状照射图案)，以沿垂直于扫描方向的掺杂带刺激电荷载流子迁移。
[0096] 在图3和图8中所示的线扫描配置中，照射部分30和成像部分32至少部分地重叠，通常具有如前所述的一定程度的欠填充或过度填充。由此产生的发光图像模拟电流提取PL图像。在图12(a)所示的替代配置中，再次仅示出照射和成像子系统的选定部件，成像部分32与照射部分30错开可选可控的距离，使得它们不重叠。在这种情况下，所检测的发光信号
2仅由光生电荷载流子的辐射再组合产生，所述光生电荷载流子已例如通过发射极层58或金属接触结构从照射部分迁移62出来。如在图8的配置中，样品上照射强度需要被选择为使得存在从照射部分30出来的光生电荷载流子的显著横向流动。照射强度被优选地选择为使得光生电荷载流子的横向流动速率是光生成速率的至少10％，更优选地是至少50％，并且最优选地是至少80％。
[0097] 当照射和成像部分30、32不重叠时，如图12(a)和图12(b)的配置所示的，在跨越样品的大幅区域(优选跨越样品的整个表面)扫描照射和成像部分时获取的发光图像将基本等同于电致发光(EL)图像，即通过将
电压应用到PV电池的接触件产生的发光图像，其中重要的差别是不需要电接触。在一个实例实施方式中，该配置用于监控扩散到包括p型硅PV晶片的基极59的n++掺杂发射极层58的横向导电性；例如阻碍电荷载流子的横向迁移62的裂缝68的位置将通过减少发光的区域的出现来确定。优选地，装置包括第二线阵相机或TDI相机
24B(其被定位成从照射部分30的另一侧获取发光(如图12(b)所示)以在其进入和离开测量区域时确保样品晶片的完整成像)。再次，考虑质量控制和过程控制应用。
[0098] 在某些实施方式中，相机的位置或
角度是可调节的，以控制照射和成像部分30、32之间的距离，因为对于具有更有效的横向载流子传输的样品，发光信号将被观察为与被照射部分30相距更大的距离。在其他实施方式中，例如，相机位置保持固定并且调节照射强度，以改变通过发射极结构的载流子传输效率。在又一实施方式中，装置包括附加的相机，其被定位成获取从与照射部分相距更大或更小距离的样品晶片发射的发光。在又一实施方式中，附加的线阵或TDI相机被定位成采集来自照射部分30的发光；如上面所解译的，由该相机获取的图像将模拟在电流提取的条件下的PL图像。
[0099] 图12(a)和图12(b)中所示的线扫描配置(其基本产生EL图像)也可用于获得关于PV电池两端的串联电
阻变化的信息。两个不同照射强度(这产生不同程度的载流子迁移)可用于刺激由不同电压产生的EL，其可通过计算逐个像素强度比进行比较，例如以获得类似于已知基于EL技术的定量串联电阻数据，但无需接触电池。应理解，如果附加线阵或TDI相机被定位成如前所述的采集来自照射部分30的发光以获得电流提取图像，则该附加图像也可被馈入到串联电阻分析。也可以使用基本均匀的宽区域照射或高强度线照射(如上所述)获取开路PL图像，以与模拟EL图像比较。
[0100] 类似于图8中所示的线扫描配置，应理解，在图12(a)或图12(b)中所示的配置可用于识别在多个半导体样品(其在基极上具有发射极)(包括光伏电池、部分金属化光伏电池前体、在基极上具有发射极层或选择性发射极结构的光伏电池前体)中阻碍载流子传输的缺陷。
[0101] 一般而言，上述线扫描系统被设计为在PV电池制造工艺中在线安装在一个或多个位置处，例如在表面钝化或发射极扩散步骤之后、在金属化过程的一个或多个阶段之后、或在电池完成之后，以检查所生产的电池的全部或重要部分。重要地，不需要与电池的电接触。当然系统也可离线使用，例如用于故障排除应用(其中检查选择的前体或已完成的电池)。对于系统当然优选的是能够以线速度(即不减缓晶片生产量)检查晶片，并且如果必要，测量速度可通过牺牲空间分辨率(例如像素合并)来提高。虽然图8所示的配置(其中照射和成像部分30、32至少部分地重叠)以及图12(a)和12(b)所示的配置(其中这些部分错开)都可被用于获得关于PV电池两端或电池前体的串联电阻或载流子传输的信息，而不需要电接触，前者配置通常是优选的，因为来自照射部分的发光信号高得多，而且因为仅需要一个TDI或线阵相机来确保样品的完全成像。
[0102] 虽然已经特定地参考某些优选实施方式描述了本发明，但是在所附权利要求的精神和范围内，可实现对本发明的变化和
修改。
