硅光伏电池的钝化缺陷的光致发光绘图的制作方法

硅光伏电池的钝化缺陷的光致发光绘图的制作方法
【专利摘要】用于快速且准确地对硅晶片中的钝化缺陷进行绘图的方法，包括例如，当在生产线中的传送带上输送晶片时，采集光致发光(PL)图像同时移动晶片。该方法可应用于太阳能电池制造中的硅晶片的在线诊断。示例性实施例包括由单个光致发光强度图像(图)获得整个晶片钝化缺陷图像的过程，并且为工艺控制提供快速的反馈。
【专利说明】硅光伏电池的钝化缺陷的光致发光绘图
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年7月3日提交的、题为"PHOTOLUMINESCENCE MAPPING 0F PASSIVATION DEFECTS FOR SILICON PH0T0V0LTAICS(硅光伏电池的钝化缺陷的光致发光绘 图）"的美国临时申请第61/842, 857号的优先权，其全部内容在此并入作为参考。

【技术领域】
[0003] 本发明涉及硅晶片的测试，特别是用于太阳能电池的硅晶片的在线测试。

【背景技术】
[0004] 在太阳能电池的制造期间，钝化不良可能导致存在局部的具有劣质属性的晶片区 域从而恶化电池效率。具有钝化发射极的晶片中的这种典型缺陷出现在具有高发射极饱和 电流Jo或低开路电压I的区域中。
[0005] 1是描述晶片的发射极区域中过剩载流子（电子与空穴）的复合（包括表面或界 面复合）所引起的损耗的参数，该参数对于太阳能电池操作而言是重要的。钝化是设计用 于减少这种损耗的过程。有效钝化的工艺包括两个因素：1)减少充当复合中心的界面阱的 密度；和2)生成排斥来自发射极的一种载流子（例如电子）的电场势垒，从而防止需要两 种载流子（电子和空穴）的复合过程。
[0006] 对于由较高本体寿命硅晶片制成的极高效率薄硅电池而言，与发射极中的复合所 引起的损耗相比，本体硅（基极区域）中载流子的复合损耗就变得不那么重要了。对于这种 电池而言，研发非常有效的发射极钝化变得更加重要。钝化过程是一个困难的过程。它可 以通过在发射极上沉积堆叠的介电膜结构（顶部介电层也用作抗反射涂层，ARC)来完成。 在某些高效率电池中，采用非晶Si层而不是介电质来完成钝化，与硅的相应异质结势垒减 少了复合。可通过氢化作用和适当的沉积后快速退火来增强钝化的有效性。
[0007] 通过消除钝化缺陷，可改善硅太阳能电池的效率，特别是对于高效率电池。这对硅 光伏电池在清洁能源市场中的竞争力能够产生积极的影响。
[0008] 该努力的一个重要因素是能够生产出适于硅PV制造过程中的在线处理监控的JQ 和VQC(或暗含（implied)的VQC)的完整的晶片图。


【发明内容】

[0009] 披露了用于快速且精确地对钝化缺陷进行绘图的实施例，其可以应用于在太阳能 电池制造过程中硅晶片的在线诊断。所披露的实施例是基于在晶片移动的同时，例如，当在 制造线中晶片在带上输送时对光致发光（PL)图像的采集。实施例包括从光致发光强度的 单个图像（图）获得整个晶片钝化缺陷图像的过程，并且可以为过程控制提供快速的反馈。 [0010] 在一些实施例中，整个晶片图像由在移动晶片上连续采集的线图像组成。对于每 个线图像而言，利用线照相机采集从移动晶片上的窄线发射出的光致发光强度PL。PL采集 线可以垂直于晶片移动。它们的几何结构可以由限定照相机所看到的晶片区域的照相机狭 缝或机械狭缝所定义。为了进行精确的测量，将这种窄线定位在利用激发自由载流子并产 生光致发光的光所均匀照射的较宽的条带内。这样，在移动晶片上产生稳态激发条件，并且 通过监测从窄线发射出的辐射可采集到稳态光致发光。使用短波长照射以产生过剩自由载 流子、电子和空穴。光致发光是由于光致电子与空穴的辐射性复合而从半导体发射出的辐 射。照射系统和光致发光采集系统是固定的，晶片相对于它们移动。这使在移动晶片上能 够采集连续且平行的线光致发光图像。然后使用在晶片移动期间采集的连续的线图像来组 成整个晶片图像。例如，通过得用1024像素线照相机采集1024个线图像，获得1024X1024 的晶片图像。
[0011] 在一些实施例中，被均匀照射的条带的宽度足够大以在条带中心附近产生恒定的 稳态激发线。在这些实施例中，被照射的条带的宽度实质上大于被测晶片中的少数载流子 扩散长度。该宽度也大于过剩载流子寿命期间以及通过照相机采集线图像时所用的时间间 隔期间晶片行进的距离。另一方面，窄的PL采集线足够窄，以便定位在激发条带内的恒定 的稳态激发区域内。另外，采集线足够窄，以便在晶片移动方向上获得较高的晶片图像分辨 率，诸如由覆盖晶片长度的1024条线组成的图像。对于典型的156mmX 156mm的硅PV晶片 而言，激发条带的宽度可以是1〇_，而采集线宽为150 μ m。
[0012] 在一些实施例中，从光致发光强度的倒数1/PL的单个图像，特别是经校准的G/ PL比，来获得发射极饱和电流1的图像，其中G为产生率，而PL为光致发光强度计数。为 了进行定量的绘图，一些实施例包括使用利用另一种测量技术独立确定的值作为参考来 对光致发光进行校准，所述测量技术例如，在衰减控制域的质量内操作的准稳态微波探测 到的光致发光衰减（quasi-steady-state microwave detected photoconductance decay operating within the quality ofdecay control domain,QSS-μ PCD) 〇 这明显不同于通 常所用的基于有效稳态载流子寿命\ff或注入水平Δη的额外的多参数测量的PL信号校 准过程。所述实施例的优点在于从单个PL图像确定1，所述单个图像是例如在2太阳常数 (Sun)强度下针对一个激发光强度所采集的。这不同于包括在不同光强度下采集一系列图 像的多图像J〇确定过程。
[0013] 使用PL强度的对数，从单个PL强度图像还可以获得暗含的开路电压、暗含的VQC。
[0014] 与两维、固定晶片PL成像相比，实施例可以提供实际的优点，包括1)与2D照相机 相比，线照相机的成本更低，和2)与整个晶片2D照射系统相比，利用更低功率激光线照射 系统可实现较高的激发强度。
[0015] 本发明的各方面归纳如下：
[0016] 概括来说，在一个方面中，本发明的特征在于一种检查光伏晶片的方法，包括得用 激光相继照射晶片的多个照射区域，同时引起晶片与照射之间的相对运动；探测来自利用 激发光相继照射的晶片的多个探测区域的光致发光光；基于探测到的光致发光光形成晶片 的光致发光强度图；以及基于光致发光强度图识别晶片中的缺陷，并据此确定关于晶片的 信息。
[0017] 该方法的实现方式可包括以下特征和/或其它方面的特征中的一个或多个。例 如，信息可包括识别晶片中的缺陷。该方法可包括固定照射并相对照射移动晶片。该方法 可包括固定晶片并相对晶片移动照射。该方法可包括基于光致发光强度图，形成晶片的发 射极饱和电流图。可以基于光致发光强度图、照射光产生率和校准常数来形成发射极饱和 电流图。该方法可包括经验性地确定校准常数。该方法可包括基于光致发光强度图形成晶 片的开路电压图。可基于光致发光强度图和晶片的平均光致发光强度来形成开路电压图。 照射区域的一个维度可以是晶片的长度，另一维度为大约5_。照射区域的一个维度可以是 晶片的长度，另一维度为大约1〇_。探测区域的一个维度可以是晶片的长度，另一维度为大 约100 μ m。探测区域的一个维度可以是晶片的长度，另一维度为大约150 μ m。探测区域的 一个维度可以是晶片的长度，另一维度为大约200 μ m。光伏晶片可以是经钝化的硅光伏晶 片。激发光可以具有大约804nm的波长。
[0018] 在另一方面中，本发明特征在于一种用于检查光伏晶片的系统，包括被配置成支 撑晶片的工作台、能量源、探测器以及处理模块。探测器相对于能量源固定，而工作台和能 量源被配置成彼此相对移动。当工作台和能量源彼此相对移动时，能量源被配置成得用激 发光连续地照射晶片的多个照射区域。探测器被配置成探测来自利用激发光连续照射的晶 片的多个探测区域发出的光致发光光。处理模块被配置成基于探测到的光致发光光来形成 晶片的光致发光强度图；并基于光致发光强度图确定关于晶片的信息。
[0019] 该系统的实现方式可包括下述特征和/或其它方面的特征中的一个或多个。例 如，信息可以包括识别晶片中的缺陷。可以将能量源固定，并使工作台适合于相对于能量源 移动。激发光的波长为大约804nm。处理模块可以被配置成基于光致发光强度图形成晶片 的发射极饱和电流图。处理模块可以被配置成基于光致发光强度图、照射光产生率和校准 常数来形成发射极饱和电流图。处理模块可以被配置成基于光致发光强度图形成晶片的开 路电压图。处理模块可以被配置成基于光致发光强度图和晶片的平均光致发光强度来形成 开路电压图。可以将工作台配置成使晶片移动。当工作台和能量源彼此相对移动时，可以 将工作台配置成相对于能量源移动晶片。

【专利附图】

【附图说明】
[0020] 图1A表示成像系统的示例实施例。
[0021 ] 图1B表不成像系统的另一不例实施例。
[0022] 图2表示与照射条带和晶片有关的光致发光采集线的示例。
[0023] 图3表示示例照射和光致发光采集几何结构以及光激发过剩载流子的示例分布 Δη。
[0024] 图4表示1与G/PL比之间的示例关系。
[0025] 图5表示示例计算机系统。

【具体实施方式】
[0026] 参照图1Α-Β和2,成像系统100的示例实施例包括线照射系统102、光致发光（PL) 探测系统104、一个或多个传送带106以及处理模块108。线照射系统102生成固定的PL 激发激光束110。随着半导体晶片112沿传送带106 (例如，在箭头114的方向上）移动，激 光束110传递到半导体晶片112上，照射半导体晶片112的一部分。通过激光束110的照 射在半导体晶片112的被照射部分中产生光致发光，从而产生具有宽度ΛΧ&的光致发光 激发条带116。随着半导体晶片112沿着传送带106继续移动，激光束110照射半导体晶 片112的不同部分，从而引起光致发光激发条带116类似地在半导体晶片112上移动。在 此期间，PL探测系统104沿条带116的一部分（例如，沿条带116内宽度为PL采 集线118)测量光致发光。关于测量到的光致发光的信息被传送给处理模块108以供分析。 作为示例，处理模块108可执行下述的校准和/或分析技术中的一个或多个，以便定位或者 绘制钝化缺陷。
[0027] 如上所述，线照射系统102生成激光束110,该激光束110当被用于照射半导体晶 片112时，在半导体晶片112的被照射部分中生成光致发光。在示例实现方式中，线照射系 统102使用PL激发光源120和滤光器122生成激光束110。PL激发光源120可生成具有 特定光频率范围的激光束。随着该激光束穿过滤光器122,具有某些波长的光穿过滤光器 122,而具有某些其它波长的光则被衰减或完全地阻挡。因而，线照射系统102所输出的激 光束110包括波长大体上处于特定范围内的光。
[0028] 如上所述，随着半导体晶片112沿传送带106移动，PL探测系统104沿半导体晶 片112的各部分测量光致发光。在示例实现方式中，PL探测系统104包括指向条带116的 线照相机124,从而其可以测量沿条带116的光致发光。PL探测系统104还可以包括PL限 定狭缝126 (例如，在外壳128上定义的狭缝），从而仅使有限部分的光能进入外壳128,并 被线照相机124测量。例如，可以将狭缝126定义为仅使来源于条带116的有限部分（例 如，来自PL采集线118)的较窄光束130能到达线照相机124。在一些实现方式中，PL探测 系统104还可以包括滤光器128,使得仅具有特定波长或波长范围的光能够到达线照相机 124。在一些情形下，可以选择滤光器128,以便去除或减少来自某些与测量光致发光无关的 波长的光，同时保留来自与测量光致发光有关的波长的光。线照相机124通信地连接到处 理模块108,从而数据可以在线照相机124与处理模块108之间传送。在一些实现方式中， 来自线照相机124的信息（例如，代表光致发光测量结果的数字信息）被传送至处理模块 108以供分析。
[0029] 可取决于实现方式按照多种方式布置系统100的组件。例如，如图1A中所示，在 一些实现方式中，线照射系统102和PL探测系统104均定位在传送带106之上，从而激光 束110照射半导体晶片112并且PL探测系统104沿着半导体晶片112的同一侧测量光致 发光。作为另一个示例，如图1B中所示，在一些实现方式中，可以将线照射系统102和PL 探测系统104定位在传送带106的相对侧，从而激光束110沿一侧（例如，底部）照射半导 体晶片112，PL探测系统104沿半导体晶片112的另一侧（例如，顶部）测量光致发光。取 决于实现方式，其它布置是可能的。
[0030] 如上所述，可选择PL激发光源120和滤光器122以生成具有特定波长或波长范 围的激光束110,从而激光束110在特定类型的材料中可以产生光致发光。例如，可以选择 PL激发光源120和滤光器122,以使得激光束110的波长足够短以在半导体中产生过剩自 由载流子、电子和空穴（例如，对于硅，用于PL激发的典型的波长可以为大约804nm)。光 生的过剩自由载流子复合，并且从被照射的位置122扩散出去。这生成了载流子浓度的横 向降低以及不均匀的光致发光的发射。可以在稳态条件下对光致发光进行可靠、精确的 测量，其中从产生区域（例如，在条带116内）扩散出的横向自由载流子所产生的过剩载 流子梯度的效果可忽略。对于极短寿命的原切割（as cut)的光伏晶片，在某些情形下， 以上条件对于非常窄的ΛΧ^= 150μπι的线激光束以及从整个激发线宽采集的即具有 Λ Λ ~ 150 μ m的线宽PL容易得到满足。对于短寿命晶片，这产生晶片分类成像系 统（wafer sorting imaging system)中所采用的高分辨率PL图像。然而，在有些情形下， 对于高级的较长寿命的晶片而言，这些条件难以满足。在这些晶片中，接近ΙΟΟΟμπι(即， 1mm)的长扩散长度L引起源于与线照射条带116垂直的载流子扩散的不均一的光致发光。 为了消除或者减少这一效应，可以将线照射带116的宽度增大到大约ΛΧ^= 1〇_这样大。 实际上，照射条带116的宽度可以大约是扩散长度的4倍（Λ Xu = 4L)，其中L为过剩载流 子双极扩散长度，通常为1_或者更小。这明显地与实现高分辨率PL成像相冲突。
[0031] 为了克服这种冲突，本发明介绍了一种具有图3中所图示的结构的宽照射条带 116和窄PL采集线118。在示例实施例中，线成像配置使用宽照射条带116 (例如，具有5cm、 8cm或10cm的Λ X^)，在靠近条带116的中心的稳态区域302内具有恒定的过剩载流子浓 度。其由例如绘图304图示，绘图304表示半导体晶片112的过剩载流子Λ η的分布，其中 箭头306表示横向扩散。稳态区域302的宽度可与L的值相当。如图3中所示，系统100的 几何结构将PL采集限制在位于稳态区域302内的窄线118 (例如，宽度小到大约150 μ m)。 在示例实施例中，对于典型的156X 156mm2的硅PV晶片，150 μ m的线宽使得在x方向上移 动的晶片上能够采集1024条PL线。使用在y方向上具有1024个像素的线照相机，在该配 置中获得期望的1024X1024图像。
[0032] 参照图1-3,成像系统100的实施例可以使用线红外照相机124,例如，1024像素线 InGaAs照相机，来采集线PL的强度图像。照相机前面的滤光器128可以是短通滤光器，其 使光致发光辐射通过，但阻挡更短波长的激发光并防止其到达照相机124。
[0033] 在一些实施例中，使用804nm波长的线激光束照射110来激发硅光致发光。参照 图1-3,成像系统100的实施例包括在光源120与晶片112之间的滤光器122,该滤光器122 可以是阻挡激光光谱的长波长辐射的短通滤光器。在激发条带内，照射光强度1^可以非 常均匀，并且可以是可调节的（例如，在0. lSun、3Sun或5Sun或到lOSun之间的范围内）。 可使用如硅光伏电池与寿命相关的测量中通常所使用的NIST认证的（certified)参考太阳 能电池对照射强度进行校准。与1^相对应的产生率G可以被计算为：
[0034]

【权利要求】
1. 一种检查光伏晶片的方法，包括： 利用激发光相继照射晶片的多个照射区域，同时引起所述晶片与照射之间的相对动 作； 探测来自利用激发光相继照射的晶片的多个探测区域的光致发光光； 基于探测到的光致发光光来形成晶片的光致发光强度图；以及 基于光致发光强度图识别晶片中的缺陷，并据此确定关于晶片的信息。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述信息包括识别所述晶片中的缺陷。
3. 如权利要求1所述的方法，还包括固定所述照射，并相对所述照射移动晶片。
4. 如权利要求1所述的方法，还包括固定晶片，并相对所述晶片移动照射。
5. 如权利要求1所述的方法，还包括基于所述光致发光强度图形成所述晶片的发射极 饱和电流图。
6. 如权利要求5所述的方法，其中，基于所述光致发光强度图、照射光产生率和校准常 数来形成所述发射极饱和电流图。
7. 如权利要求6所述的方法，还包括试验性地确定所述校准常数。
8. 如权利要求1所述的方法，还包括基于所述光致发光强度图形成开路电压图。
9. 如权利要求8所述的方法，其中，所述开路电压图基于所述光致发光强度图和所述 晶片的平均光致发光强度形成。
10. 如权利要求1所述的方法，其中，照射区域的一个维度是晶片的长度，另一维度为 大约5mm。
11. 如权利要求1所述的方法，其中，照射区域的一个维度是晶片的长度，另一维度为 大约8mm。
12. 如权利要求1所述的方法，其中，照射区域的一个维度是晶片的长度，另一维度为 大约1 0mm η
13. 如权利要求1所述的方法，其中，探测区域的一个维度是晶片的长度，另一维度为 大约100 μ m。
14. 如权利要求1所述的方法，其中，探测区域的一个维度是晶片的长度，另一维度为 大约150 μ m。
15. 如权利要求1所述的方法，其中，探测区域的一个维度是晶片的长度，另一维度为 大约200 μ m。
16. 如权利要求1所述的方法，其中，所述光伏晶片是经钝化的硅光伏晶片。
17. 如权利要求1所述的方法，其中，所述激发光具有大约804nm的波长。
18. -种用于检查光伏晶片的系统，包括： 被配置成支撑晶片的工作台； 能量源； 探测器；以及 处理模块； 其中，所述探测器相对能量源固定，并且其中，所述工作台和能量源被配置成彼此相对 移动；和 其中，当所述工作台和能量源彼此相对移动时， 所述能量源被配置成利用激发光相继照射晶片的多个照射区域； 所述探测器被配置成探测来自利用所述激发光相继照射的晶片的多个探测区域的光 致发光光；并且 所述处理模块被配置成 基于探测到的光致发光光形成所述晶片的光致发光强度图；以及 基于所述光致发光强度图确定关于所述晶片的信息。
19. 如权利要求18所述的系统，其中，所述信息包括识别所述晶片中的缺陷。
20. 如权利要求18所述的系统，其中能量源固定，且所述工作台适合于相对于所述能 量源移动。
21. 如权利要求18所述的系统，其中，所述激发光具有大约804nm的波长。
22. 如权利要求18所述的系统，其中，所述处理模块被配置成基于所述光致发光强度 图形成发射极饱和电流图。
23. 如权利要求22所述的系统，其中，所述处理模块被配置成基于所述光致发光强度 图、照射光产生率和校准常数来形成所述发射极饱和电流图。
24. 如权利要求18所述的系统，其中，所述处理模块被配置成基于所述光致发光强度 图形成晶片的开路电压图。
25. 如权利要求24所述的系统，其中，所述处理模块被配置成基于所述光致发光强度 图和所述晶片的平均光致发光强度形成所述开路电压图。
26. 如权利要求18所述的系统，其中，所述工作台被配置成移动所述晶片。
27. 如权利要求26所述的系统，其中，当所述工作台和能量源彼此相对移动时，所述工 作台被配置成相对所述能量源移动晶片。
【文档编号】H01L21/66GK104282593SQ201410399797
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2013年7月3日
【发明者】J·拉戈斯基, M·D·威尔逊, F·科索斯, G·纳杜德瓦利 申请人:塞米拉布Sdi有限责任公司