专利名称：半导体设备的在线光致发光成像的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于对半导体设备进行光致发光分析的方法和系统，特别是在生产过程期间或之后对硅太阳能电池进行光致发光分析的方法和系统。相关申请本申请要求申请号为2010900018、2010903050和2010903975的澳大利亚在先专利申请的优先权，其内容此处作为引用并入。
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的公知常识的一部分。
在公开号为WO 2007/041758A1名称为“用于检测间接带隙半导体结构的方法和系统”的PCT申请中，提出了一种用于光致发光(PL)成像的装置和方法，此处作为引用并入，已经表明其用于硅材料和设备，特别是硅晶片太阳能电池快速表征的价值。如图I所示，光源6的超越带隙光8宽范围光子激发半导体样品4使其产生发光2并通过集光元件11由照相机或CCD阵列成像，优选地包括用于改善宽范围激发的均匀性的各向同性的光学元件11，以及照相机前方的用于阻挡激发光长通滤波器。该系统还包括一个或多个滤波器15来选择光子激发的波长范围。对于相对薄的样品还可以将激发光源6和照相机10设置在样品4的相对侧，如图2所示，其中样品本身可充当长通滤波器的作用。然而，若杂散激发光很多的话则还是需要长通滤波器14，从而将到达照相机的其他成分反射掉。无论哪种方式，利用公开号为 WO 2008/014537AUW0 2009/026661A1 和 WO 2009/121133A1 的已公开PCT申请中提出的技术，计算机16均可对采集到的光致发光图像进行分析，以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、杂质和分流等，或裂纹的发生或生长。原则上整个过程可以在几秒内或几分之秒内完成，这取决于诸如硅材料和照相机的读取速度的因素，其时间尺度通常能够与目前太阳能块、电池和晶片生产线兼容，例如晶片和电池生产线的产量为每一到两秒生产一个电池，以及对于块生产来说通常需要30秒对整个块面进行测量。但是，目前上述的光致发光成像系统还存在诸多缺陷。其中一个缺陷在于目前的光致发光成像系统要求样品从生产线上被移开，并被放置于光致发光成像工具处，例如需要利用机器或人工进行挑拣和放置处理。人工挑拣和放置处理劳动强度较大且过程较为缓慢，往往在缓慢的同时增加了成本，而尽管机器挑拣和放置处理系统采用压板或吸盘或类似的装置能够稍微快一点，但其仍然增加了成本。不管怎样，受限的速度意味着在生产过程中仅有小样品能够被测试。若能够测量所有或大部分工作产品将会是有益的。另一缺陷在于在目前的光致发光成像系统中样品必须在测量期间保持静止从而避免图像的模糊。模糊的图像会阻碍或影响空间分辨表征数据的采集，使得光致发光成像系统的设计和/或光致发光成像系统与生产线的配合复杂化，而越来越多的生产线采用不停顿持续模式操作。需要解释的是，通过宽范围ISun激发多个硅样品，特别是未经加工的或未钝化的硅样品，其所发出的光致发光，其强度之低以至于大部分市售敏感硅CCD照相机要求的曝光时间至少为O. 5s,以获取足够的光致发光信号。再一缺陷在于目前的光致发光成像系统通常依赖于激光光源，其通常位于近红外光谱区。需要解释的是，从低光致发光量子效率样品获得的测量光致发光信号通常要求照射强度为O. lffatts/cm2 ClSun)或更高，所述样品例如未经加工的或未钝化的硅晶片和硅块(其量子效率为10_6量级)。因此，为了照射通常面积为15. 6X 15. 6cm2的硅太阳能电池晶片，要求总计光功率为几十个瓦特，并且激光激发光源通常被认为是提供所需光谱纯度和光束成形的关键。此外，对于硅样品来说，激发光通常在近红外范围内(750-1000nm)，其可能是非常有害的，这是因为眼睛将近红外光汇聚到视网膜上，而保护性的“眨眼”反应仅针对可见光。激光光源的潜在危害还在于它比其它光源要亮的多，其亮度(以每单位立体角每单位面积的功率为单位)可以被定义为通过光孔径(如激光输出孔径)的光功率除以孔径面积除以与远场光束相对的固定角。当人眼看到非常亮的光源时，不管是直接地或通过中间光学系统，如准直透镜，视网膜上所成的像会非常强烈，从而导致瞬时以及永久的损害。然 而，尽管对于非相干近红外光来说其发生的可能性较小，例如高功率LED，需要理解的是由于亮度是关键参数，光的安全问题不能因为采用了非激光(非相干)光源而被忽视。因此，目前的光致发光成像系统由于光安全问题变得更加复杂，这是因为光致发光测量室通常必须进行视觉隔离，从而避免操作者被暴露在会损害眼睛的高亮度近红外光的风险。通常这要求快门、门或同等机构，增加了将样品传送进和传送出光致发光测量室的样品传送机构的复杂性和成本。由于这些复杂性，图I或图2中的基本光致发光装置需要诸多改进使其能够安全地和经济地被用于生产线上的硅太阳能电池的表征。

发明内容
本发明的目的在于克服或改善现有技术中的至少一项缺点，或者提供一项有用的可选方案。本发明优选形式的目的在于提供在半导体设备生产过程中无需将其移出生产线的采集所述半导体设备的光致发光图像的方法和系统。本发明优选形式的另一目的在于提供了在半导体设备生产过程中无需中断其在生产线上的移动采集所述半导体设备的光致发光图像的方法和系统。本发明优选形式的另一目的在于提供了用于采集半导体设备光致发光图像的方法和系统，所述方法和系统利用的对视力无害的且无需光安全快门的成像系统。本发明优选形式的另一目的在于提供了用于采集硅晶片或电池的光致发光图像的方法和系统，其整体测量时间每片晶片或电池O. I至I秒。本发明优选形式的另一目的在于提供了不必要或无需集成样品搬运阶段的光致发光成像系统。根据第一方面，本发明提供了一种用于分析半导体材料样品的方法，所述方法包括以下步骤将所述样品传送至测量区；照射所述半导体材料来产生光致发光响应；以及在保持所述样品移动的同时在所述测量区对所述样品进行至少一次光致发光分析。根据第二方面，本发明提供了一种在半导体材料通过测量区时对半导体材料样品进行光致发光分析的方法，所述方法包括以下步骤以充足的时间和强度照射半导体材料以产生光致发光；以及捕捉由所述半导体材料发出的光致发光的图像，其中，所述图像是在距离成像照相机I或2个像素距离内被捕捉得到的。优选地，所述光致发光分析包括以下步骤通过预设照度来照射所述样品的一个区域，从而从所述样品处产生 与所述照度相对应的光致发光；以及通过区域图像捕捉设备在采集时间t内采集所述光致发光的图像，其中，所述样品以相对于区域图像捕捉设备的速度V移动，并且采集时间t (S)与速度v(m. S-1)的乘积小于所述样品上相当于所述图像捕捉设备中一行像素的距离。优选地，所述照射包括非相干光。所述照射可包括脉冲光。优选地，所述光致发光分析包括以下步骤提供具有预设照度的光源，所述照度适于从所述样品中产生光致发光，所述光源被置于能够照射所述样品第一部分的位置；提供图像捕捉设备，用于探测从所述样品的第二部分发出的光致发光，其中，所述第一部分和所述第二部分至少部分重叠；使所述样品与所述光源和所述图像捕捉设备发生相对于运动，从而使得所述第二部分在所述样品的主体区域上被扫描；以及重复询问所述图像捕捉设备以采集所述区域发出的光致发光的图像。优选地，所述照射包括非相干光。优选地图像捕捉设备为线照相机。优选地，所述第一部分在所述样品的移动方向上的宽度是所述第二部分的1-5倍。或者，图像捕捉设备为时间延迟积分照相机。在一个实施方式中，所述第一部分大体上与所述第二部分大小相当。在另一实施方式中，所述第一部分完全或部分在所述第二部分内部。在又一实施方式中，所述第二部分完全或部分在所述第一部分内部。优选地，所述第一部分和第二部分穿越所述样品一个维度的主体部分延伸设置，其中所述维度为大体上与所述样品的运动方向垂直。半导体材料可以是原料或非钝化的硅。在这种情况下，用于产生所述光致发光的照射的强度优选约为lw. CnT2至40W. CnT2。或者，所述半导体材料为钝化的硅。在这种情况下，用于产生所述光致发光的照射的强度优选约为O. I至low. cm_2。优选地，照射光源和/或与此相关联的光学元件在所述测量区内移动。在这种情况下，所述照射光源和/或与此相关联的光学元件的移动受到控制，以保持与样品的预设对准。所述预设对准用以避免样品照射的模糊。优选地，所述图像捕捉设备和/或与此相关联的光学元件在测量区内移动。所述图像捕捉设备和/或与此相关联的光学元件的移动受到控制，以保持与样品的预设对准。所述预设对准用于避免样品的被捕捉到图像的模糊。优选地，光照通过采用分色镜被引入成像光学系统中。在这种情况下，捕捉到的光致发光数据穿过所述分色镜。优选地，所述光致发光分析提供了关于所述样品的一个或多个特性的平均值或空间分辨值信息，其中，所述特性为少数载流子扩散长度、少数载流子寿命、位错缺陷、杂质以及分流中的若干种。所述样品优选为硅晶片。优选地，在不到Is的时间内进行所述分析在一个实施方式中，测量区的配置在数据采集之前、采集期间和采集之后保持恒定。所述测量区为关闭的或封闭的腔室。或者，所述测量区是未封闭的。根据第三方面，本发明提供了一种用于分析半导体材料样品的方法，所述方法包括以下步骤
将所述样品传送至测量区；以及在所述测量区进行至少一次所述样品的光致发光分析，其中，所述测量区为未封闭的对视力无害的测量区。根据第四方面，本发明提供了一种用于分析半导体材料样品的方法，所述方法包括以下步骤不通过使用挑拣和放置样品搬运系统将所述样品传送至测量区；以及在所述测量区对所述样品进行至少一次光致发光分析。根据第五方面，本发明提供了一种用于对半导体材料的样品进行分析的系统，所述装置包括传送机构，所述传送机构用于将所述样品传送至测量区；分析设备，所述分析设备用于在所述测量区内对所述样品进行至少一次光致发光分析；以及移动装置，用来在进行所述分析期间保持所述样品在所述测量区内的移动。优选地，所述分析设备包括光源，所述光源用于以预设照度照射所述样品的一块区域，从而从所述样品中产生与所述照度相对应的光致发光；以及区域图像捕捉设备，用于在图像采集时间t内捕捉所述光致发光的图像，其中所述移动装置以速度V相对于区域图像捕捉设备移动所述样品，从而使得图像采集时间t (S)与速度v(m. S-1)的乘积小于所述样品相对于所述区域图像捕捉设备中一行像素的距离。优选地，所述分析设备包括具有预设照度的光源，其中，所述照度适于从所述样品中产生光致发光，所述光源被置于照射所述样品第一部分的位置；图像捕捉设备，用于检测产生于所述样品的第二部分的光致发光，其中，所述第一部分和所述第二部分至少部分重叠；以及询问模块，用于当所述移动装置移动所述样品时，重复询问所述图像捕捉设备，从而使得所述第二部分在所述样品的主体区域上被扫描，以采集所述区域发出的光致发光图像。照射光源和/或与此相关联的光学元件能够在测量区内移动。在这种情况下，优选地，照射光源和/或与此相关联的光学元件被控制以保持对样品的预设对准。所述预设对准用以避免样品的照射的模糊。优选地，图像捕捉设备和/或与此相关联的光学元件能够在测量区内移动。在这种情况下，优选地，图像捕捉设备和/或与此相关的光学元件的移动被控制来保持与样品的预设对准。所述预设对准用以避免样品图像捕捉的模糊。优选地，光照通过采用分色镜被引入成像光学系统。在这种情况下，光致发光在图像捕捉之前通过所述分色镜。优选地，测量区的布局在采集之前、采集期间和采集之后保持恒定。在一个实施方式中，所述测量区为关闭的或封闭的腔室。在可替代的实施方式中，所述测量区至为封闭的。根据第六方面，本发明提供了一种用于对半导体材料的样品进行分析的系统，所述系统包括 传送机构，用于将所述样品传送至测量区；光源，用于照射所述样品的一块区域以使其产生光致发光；以及分析设备，用于在所述测量区内对所述样品进行至少一次光致发光分析，其中，所述测量区是未封闭的对视力无害的测量区。根据第七方面，本发明提供了一种用于对半导体材料的样品进行分析的系统，所述系统包括传送机构，用于不通过挑拣和放置样品的搬运装置将所述样品传送至测量区；分析设备，用于在所述测量区内对所述样品进行至少一次光致发光分析。根据第八方面，本发明提供了一种在一系列半导体材料样品中分析半导体材料样品的方法，所述方法包括以下步骤将所述样品传送至测量区；以及在所述测量区内采集所述样品的光致发光数据，而同时移动该系列样品中的其他样品。在一个实施方式中，所述样品在光致发光数据采集期间保持移动。在另一实施方式中，所述样品在光致发光数据采集期间保持静止。所述系列样品中的所述其他样品在光致发光数据采集期间保持移动，或者，所述系列样品中的所述其他样品在光致发光数据采集期间保持静止。根据第九方法，本发明提供了一种用于分析半导体材料样品的方法，所述方法包括以下步骤通过交付传送机构将所述样品传送至与测量区相邻的点；通过测量区传送机构将所述样品传送进入、通过并传送出所述测量区；在所述测量区内采集来自所述样品的光致发光数据；以及通过移出传送机构将所述样品传送出与测量区相邻的点，其中测量区传送机构是相对于所述交付传送机构或所述移出传送机构独立可控的。在一个实施方式中，测量区传送机构和/或样品在光致发光数据采集期间静止。在另一实施方式中，测量区传送机构和/或样品在光致发光数据采集期间保持移动。优选地，所述光致发光由非相干光的照射来产生。
优选地，所述光致发光由包括光脉冲的照射来产生。在一个实施方式中，对半导体材料样品的分析在关闭的或封闭的腔室内进行。在另一实施方式中，对半导体材料样品的分析在非关闭的或至少部分开放但对视力无害的分析腔室内进行。
优选地，所述样品通过采用分色镜引入的光照来照射。优选地，分析采集到的光致发光数据以获取关于样品特性的平均或空间分辨值的信息，所述特性为少数载流子扩散长度、少数载流子寿命、位错缺陷、杂质和分流中的若干种，或者获取关于所述样品中裂纹发生或生长的信息。所述样品优选为硅晶片。优选地所述分析在小于Is的时间内被执行。根据第十方面，本发明提供了一种用于分析测量区内半导体材料样品的方法，所述方法包括用于移动和支撑所述样品的传送机构，其特征在于所述传送机构接触不超过10%的所述样品，从而每次留有90%的所述样品暴露在外用于分析。根据第十一方面，本发明提供了一种用于分析测量区内半导体材料样品的方法，所述方法包括用于在分析期间移动和支撑所述样品的传送机构，其特征在于在进行所述分析期间，所述样品的至少一部分在其整个宽度上未得到支撑，从而为所述分析提供了无遮挡区域，作为持续移动的结果，整个样品逐渐无遮挡。根据本第十二方面，发明提供了一种用于分析半导体材料样品的系统，所述系统包括交付传送机构，用于将所述样品传送至与测量区相邻的点；测量区传送机构，用于将所述样品传送进入、通过和传送出所述测量区；照射器，用于在所述测量区内产生来自所述样品的光致发光；探测器，用于探测所述光致发光；以及移出传送机构，用于将所述样品从与所述测量区相邻的点传送出，其中，测量区传送机构是相对于所述交付传送机构或所述移出传送机构独立可控的。优选地所述照射装置发出非相干光。优选地所述照射装置发出光脉冲。优选地,交付传送机构、测量区传送机构和移出传送机构为皮带、一系列滚轮、一系列压板、多个对准皮带和真空卡盘中的一种。优选地，所述测量区传送机构包括多个用来支撑半导体样品相对侧面的对准皮带，所述皮带之间的区域界定了半导体样品未遮挡的中间部分。优选地，照射器发出的光通过分色镜被弓I入样品中。在一个实施方式中，所述测量区为关闭的或封闭式的腔室。在另一实施方式中，测量区为未关闭的或至少部分开放的分析腔室。优选地，交付传送机构、测量区传送机构和移出传送机构不采用挑拣和放置样品搬运系统。优选地，分析所采集到的光致发光图像以获得关于样品特性的平均或空间分辨值的信息，所述特性为少数载流子扩散长度、少数载流子寿命、位错缺陷、杂质和分流中的若干种，或者获得关于所述样品内裂纹的发生或生长的信息。
所述样品优选为硅晶片。优选地，所述分析在小于Is的时间内进行。根据第十三方面，本发明提供了一种用于分析测量区内半导体材料样品的系统，所述系统包括用于移动和支撑所述样品的传送机构，其特征在于所述传送机构接触不超过10%的所述样品，从而总是留有90%的所述样品暴露在外用于分析。根据第十四方面，本发明提供了一种用于分析测量区内半导体材料样品的系统，所述系统包括用于在分析期间移动和支撑所述样品的传送机构，其特征在于在进行所述分析期间，所述样品的至少一部分在其整个宽度上未得到支撑，从而为所述分析提供了无遮挡区域，作为持续移动的结果，整个样品逐渐无遮挡。根据第十五方面，本发明提供了一条用于生产光伏设备的生产线，所述生产线包 括多个工序以将半导体材料转变成所述光伏设备，所述生产线包括至少一个分析设备，所述分析设备包括用于半导体材料的照射光源，以及用于获取光致发光图像的非停顿图像捕捉设备，所述光致发光在未停止半导体材料的情况下由被照射的半导体发出。根据第十六方面，本发明提供了一条用于生产光伏设备的生产线，所述生产线包括若干个将半导体材料转变为所述光伏设备的工序，所述生产线包括至少一个对视力无害的分析设备，所述分析设备具有高强度照射系统，所述照射系统以大于IOSun的强度照射所述半导体材料，还包括图像捕捉设备，所述图像捕捉设备用于获取由被照射半导体材料发出的光致发光的图像，所述分析设备适用于当所述半导体材料正在所述生产线上移动时，照射所述半导体材料和捕捉由被照射半导体材料发出的光致发光的图像，而无须停止所述半导体材料在生产线上的移动。


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方式
并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中图I阐述了现有技术中用于半导体样品光致发光成像的系统；图2阐述了现有技术中用于半导体样品光致发光成像的另一系统；图3阐述了适用于半导体样品在线光致发光成像的系统；图4是半导体样品在传送带上定位的俯视图；图5是根据本发明一个实施方式所述的光致发光成像系统的侧视图；图6根据本发明优选实施方式所述的闪光灯和照相机布置的俯视图；图7是用于半导体样品光致发光成像的系统的侧视图；图8A和图SB分别是用于采集连续移动样品的光致发光图像的线照相机系统的俯视图和侧视图；图9是用于采集连续移动样品的光致发光图像的另一线照相机系统的侧视图；图IOA和图IOB分别是用于线照相机光致发光系统的照射器的侧视图和俯视图；图IlA和图IlB分别是用于线照相机光致发光系统集光兀件的侧视图和俯视图；图12表明用于线照相机光致发光系统的另一集光元件；以及图13是用于采集连续移动样品的光致发光图像的TDI照相机系统的侧视图。
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。如图3所示的根据本发明一个实施方式所述的光致发光成像系统，所述系统适用于在半导体设备生产过程中在不将半导体设备移出生产线的情况下对所述半导体设备的光致发光图像进行采集。本系统，此处及以后称之为“具有三条传送带的系统”，包括两条外传送带18，所述传送带18与连续带上生产线、或取放搬运机器人或其他常用于生产线的操作机构对接，还包括内传送带20，用于将样品4送入测量站点，还可以包括遮光快门22，如果有需要，所述遮光快门22开启让样品进出测量室24，从而满足光安全的要求，即如果不设置遮光快门22的话系统是对视力有害的。在可替代的实施方式中，样品通过如滚轮、压板或真空卡盘的其他传送机构被移动，而非通过传送带。尽管图3中所示的装置在与图I样品的同一侧设有激发源6和照相机10，也可以如图2所示的设置方法进行设置，这是因为在如图4所示的俯视图中，内传送带20至少可 以是拼合的，从而允许样品4的相当大的部分26被照射和/或被成像。具体的例子如下，对于被置于一对5mm宽的传送带上的15. 6cmX 15. 6cm的晶片来说，晶片的表面面积多大93%可被照射或成像。所述具有三条传送带条的系统相对于目前光致发光成像采样系统是一个主要的改进，这是因为其能够对生产过程中全部或几乎全部的样品进行测量，其中，所述测量要依赖于生产线速度和工具测量速度。在本申请文件中，所述系统减轻了目前光致发光成像系统的主要缺点之一。但是，其对于特别是对于易碎的晶片，或是在大型或快速生产线上，将会有利于避免独立晶片的任何停止和启动，特别是由于停止和启动率会限制产量，而这是因为样品在传送带上过快加速或减速会导致破损或样品滑倒。特别有利的是可以得到一个系统，其中所述系统不仅能够测量生产过程中全部或大部分样品，而且在对样品进行测量时，不需要使样品停下来，并且几乎不需要或完全不需要进行光安全的测量。此外，无需将采用昂贵的样品操作装置集成入光致发光测量系统，所述操作装置例如利用压板、吸盘或类似装置的机器取放样品搬运装置，因此，具有较为经济的优点。特别地，将有利于获得一个光致发光成像系统，其中，所述光致发光成像系统仅仅包括照相机、光源和作为主要硬件元件的光学元件。这样的系统可被置于生产线中的任一位置，而无需要求作特别的修改，例如在沿生产线传输样品的传送带上。本发明涉及用于在半导体生产过程中无需打断所述半导体在生产线上的移动即可采集半导体设备光致发光图像的多种系统和方法，所述半导体设备可以是成品或半成品硅光伏电池。本发明涉及成像设备和照射器的配置，所述配置具体为在样品移动通过时，所述成像设备和照射器保持静止，例如所述成像设备和照射器可以在传送带系统或机器人夹持器上保持静止，但是需要指出的是其他的配置也在本发明的保护范围内。例如，通过移动或旋转成像设备和/或与此相关的光学元件以跟踪样品的移动，能够避免在长时间曝光过程中的模糊。在进一步阐述光致发光成像系统实施方式之前，特别是在阐述那些具有较低光安全要求或没有光安全要求的优选实施方式之前，对目前激光安全标准和用于具有较低光安全要求的生产光致发光成像系统的一些策略进行讨论，这将是有用的。正如之前所述，光源的亮度是一个关键的参数，其可被定义为通过光圈的光功率除以光圈面积除以远场光束相对的立体角，并且光安全问题不能够仅仅因为系统采用了非激光(非相干)光源就被简单忽略掉。在澳大利亚和新西兰，激光分类标准和安全要求见AS/NZS 2211. 1:2004以及与此相关的指南(AS/NZS 2211. 10:2004)，基于国际标准IEC 60825-1:2001。在激光安全中的一个重要概念就是“最大允许曝光(MPE)”水平，其在标准中其被定义为“在正常的环境下，暴露在外的人不会受到有害影响的激光辐射水平”。该定义进行一步说明“MPE水平表示眼睛或皮肤被暴露在外而不会立刻或是长时间之后造成损伤的最大水平，并且与辐射的波长、脉冲持续时间或曝光时间、处于危险的组织、对于范围为400nm到HOOnm的可见和近红外辐射的视网膜图像大小有关”。由于适用于从娃中产生光致发光的光的波长在400到1400nm范围内，视网膜图像的尺寸成为光致发光成像系统中光安全的关键因素。在一定范围内，尽管在某一最小图像尺寸以下不再减少且在某一最大图像尺寸以上不再增加，但最大允许曝光水平随着视网膜上图像尺寸的增大而增大。为了定量的目的，标准采用了对视网膜图像尺寸的角度测 量，所述角度为在眼睛处相对于光源的角a。这通常被认为是“弦对角”，并且角度值大约为光源大小除以光源到眼睛的距离所得的结果。对于某一图像尺寸来说，如果低于该图像尺寸时最大允许曝光不再进一步减少的话，那么代表该图像尺寸的弦对角则被称为“ a min”(I. 5mrad)，低于这的曝光条件被称作“点光源观看”。“扩展光源观看”条件应用于a min以上的弦对角，随着弦对角从a nin开始逐渐增大,最大允许曝光水平也随着增大,直到其达到最大值即Q=Cimax(IOOmrad)，而最大允许曝光水平在超过该值时为常数。如果源辐射被照射光学系统所更改，如图I至图3所示，则用于最大允许曝光目的的“视光源”为产生最小视网膜图像的真实的或虚拟的图像，而注意到这点是很重要。在本说明书中，术语“照射器”用于指代光致发光成像系统中用于对样品进行光激发的部分。照射器包括一个或多个光源，可能还包括滤波器和聚焦光学器件在内的其他部件。标准规定，采用被称为“可接受的发射极限”(AEL)的限制在系统中对激光产品进行了分类，从第一类“在合理和预见条件操作下安全”，至第四类“通常足够强以至于烧伤皮肤和导致火灾”。可接受的发射极限来自于利用限制孔径的最大允许曝光，并且可以作为功率限制、能量限制和辐照度限制、辐射曝光限制、或上述限制的结合。限制孔径通常为7_，代表在“最坏情况”下的扩散的瞳孔。尽管符合第一类可接受的辐射极限是必须的，但其还不足以制造第一类的激光产品，还有其他的限制的存在，在本说明书中，如果光致发光成像系统符合第一类可接受的辐射极限，那么它将作为一个整体被认为是“对视力无害的”。类似地，如果成像设备的照射器部分符合第一类可接受的辐射极限，它也将被认为是“对视力无害的”，相对高亮度的光源，其通常要求在在线应用的时间尺度上获取硅光伏样品的光致发光图像，由于其即使是离开一定的距离也可导致在眼睛处相对高的强度，或相对小的视网膜图像(相对应的低MPE水平)，因而会存在潜在的危险。然而要去确定实际的危害，必须要结合观察条件去考虑亮度，特别是要结合弦对角。观察条件的重要性将通过接下来的具体实施来被阐述。根据IEC 60825-1:2001中规定的计算方法，如果808nm的CW激光产品的辐射在点光源观察条件下(即弦对角a < a min)通过7mm直径的限制孔径后不超过O. 64mff,那么它仅能被归类为第一类(即不超过第一类AEL)。相反，对于α彡Qmax(IOOmrad)的扩展光源观察条件，通过7mm直径限制孔径的第一类AEL为42mW (即高出65x)。
常用的最亮的光源为激光光源，相比于非激光(即热的)光源而言，其具有高时间相干性(或等同的，相干长度)。因为相干性是激光过程的固有方面，因此相对于实现最高亮度实际光源，相关性较热光源的更高可以被认为是必要条件。但是，相干性并非暗指亮度，因为其不是一个充分条件。总之，不同激光类型间的相干长度差异很大(超过多个量级)，但这并不一定与亮度相关。例如，激光光源的相干长度可以通过利用高品质因数(Q)谐振器被增大，但消耗了输出功率，这就意味着当光束准直(亮度定义的“每单位立体角”部分)增大时，降低的输出功率减少了亮度定义的“功率每单位面积”的部分，从而抵消了亮度的潜在增加。光学器件可以被加入到光源中，从而降低亮度，而不改变相干性，一个简单的例子是利用吸收滤波器来任意降低亮度而不改变其相干性。用于本发明所述的光致发光成像系统的重要的现实意义是照射器的设计，其可以降低亮度而不明显降低样品上的照射强度，所述样品通常为全部或部分晶片或光伏电池。在某些实施方式中，通过以下的一个或两个，第二照射器(“系统2”)相比于未加改进的现有技术中的照射器(“系统I”)中被实现了
(i)相对于系统I增加了来自系统2的光输出充满的立体角。这可以被认为降低了 “光圈数”或增加了照射器的数值孔径，以及基本上激发光更快速地被发散开来，从而其远处的强度便降低了。(ii)增加了系统2内光源的尺寸(真实或明显的，正如上文照射光学系统的内容中讨论的)，例如，通过将系统I中的单光束在系统2中分成一条或多条光束，或子光束阵列，或者通过机械搅动照射器系统的部件(例如反射镜)。如果系统I已经使用了若干束子光束，则其数量在系统2中将得到显著的增加。方法(i)降低了在眼睛处的光强度，而方法(ii)增加了弦对角α，所述弦对角受上述的限制，且可增加MPE水平，如下所述(a)若系统I的α大于a min且小于α _，则系统2的MPE水平大于系统I的MPE水平。(b)若系统I的α小于a min且系统2的α大于a min,则系统2的MPE水平仍然大于系统I的MPE水平。(c)若系统I的α小于a min且系统2的α也小于a min,则系统2的MPE水平与系统I的MPE水平相等。依靠一种或两种测量方法，即使当光源本身被认为高达第四类，照射器已然有可能符合第一类AEL (即对视力无害)。如果照射器不能符合第一类AEL，采用或不采用这些测量，对于作为整体的光致发光成像系统，或与生产线一体化的该系统或其他晶片/电池处理系统，仍然有可能符合第一类AEL而无需诉诸于严格的激光安全措施，如安全快门或联锁装置。这代表了为了系统一体化而显著地简化；例如如果不需要遮光快门22，且测量室24无须在成像系统的各个边将其封闭的话，则图3所示的构造将被大大地简化。反而，光致发光系统本身或生产线防护可提供离照射器的某一最小人体接近距离，并且光致发光系统能够阻止直接观看照射器的输出，即观看将被限制为只能观看由晶片或光伏电池或光致发光系统或生产线中的某一对象的反射。样品边缘的反射应被格外关注，因为损坏的晶片会如同成不可预测角度的类似反射镜边缘的表面。通过增大激发光的发散角(上述方法(i))来降低照射器的亮度与提供最小人体接近距离的测量进行结合是特别有用的。上述所有细节在确定光致发光成像系统是否符合第一类AEL的方面需要的得考虑。综上所述，对于作为整体的光致发光成像系统，或集成进生产线的该系统或其他晶片/电池处理系统来说，更好是符合第一类AEL，而无需采取严格的如安全快门和联锁装置的严格的激光安全措施。带着对这些光安全的考虑，我们现在转而描述用于硅太阳能电池样品的在线检测的光致发光系统的某一优选实施方式。对于面照射方案和线照射方案，上述方法均可应用于降低光安全的要求。在第一实施方式中，以下称为“闪光灯”方法，如图5所示，在传送带36上移动通过测量区的样品4的大体区域(优选至少为IcmX Icm，更优选地为整个区域)被短脉冲激发光8照射，所述激发光8由一个或多个高强度光源50发出，所述高强度光源50可以是氙闪光灯或脉冲LED，从该区域引起的光致发光辐射2通过面照相机10被采集。在具体实例中，Broncola公司的环形闪光C产生I毫秒的脉冲,所述脉冲在穿过激发滤波器15 (6mm厚的肖特公司的KGl肖特玻璃短通滤波器)后，以lO-lOOW/cm2 (100至IOOSun)的强度照射硅样品，并且光致发光辐射的图像被100万像素的硅CXD照相机采集。若照射到样品上的强度 大于所要求的强度，本系统还可设置成被柱面反射器52所围绕。本系统还可包括如图I所示的系统的集光元件11和长通滤波器14，以及屏蔽板54以阻止激发光进入照相机。我们注意到，尽管系统的整体速度会受到照相机读出时间的限制，而所述读出时间取决于照相机技术，这并不会影响其采集移动中的样品的具有最小的模糊的光致发光图像的能力。在本发明中，这是高强度、短脉冲照射、高强度照射的主要优势，例如IOOOSun (100ff/cm2)也可提供光致发光图像清晰度和识别某些缺陷方面的意想不到的好处。在图5所示的实施方式中，闪光灯50为环形且照相机10被安装在中央，使得二者的指向均能够与样品的表面正交以获得更强的光照和相对于如图I所示配置的更好的成像均匀性，而在图I中，照射源6和照相机10中的一个或二者相对于样品4表面呈一角度。如图6中的俯视图所示的这一设置，其好处还在于实现了整体更为紧凑的系统，并且更重要的是，照相机和闪光灯均可被设置得离样品更近而不会遮挡视线或造成阴影。将闪光灯和照相机设置得离样品更近还将改善光照和集光元件的效率。在如图7所示的另一实施方式中，分色镜43被用来将闪光灯50(或其他任意适用于产生光致发光的照射光源)发出的光照8引入成像光学元件中，从而整体优化了成像系统的工作距离。为了减少产生于分色镜本身的光致发光到达照相机10的可能性，优选地将分色镜放置于远离样品的位置，从而使得集光元件11不能有效地将这样的光致发光辐射会聚到照相机。如果集光光学元件具有如图7所示的多个部件，则分色镜有利的放置位置为接近于第一光学部件Ila的位置。如果激发光是来自于宽带光源，如闪光灯，由于很有必要去阻止较长波长激发光(重叠光致发光辐射带)到达照相机，因此，激发滤波器15成了重要部件。尽管介质滤波器较吸收滤波器具有更陡峭的由高通至低通的过渡，其对于光致发光辐射在量级上弱于照度的间接带隙材料而言尤为重要，其传输具有很强的角相关性，从而导致起始/截止波长根据入射角而变化。来自激光的相干定向辐射对介质滤波器的高效滤波易于被准直，但对于来自闪光灯或LED的非相干的以及大体上各向同性的辐射来说这就能难实现，从而优选吸收滤波器(例如上文所述的肖特公司的KGl滤波器)或吸收滤波器与介质滤波器的组合。我们注意到那些发射出窄波的灯，如能发射出约590nm的极窄双峰低压钠灯，这也许在那些易于将光照与硅光致发光辐射分开的情况下是有利的。除了具有从高通到低通的稍平缓的过渡，吸收滤波器还会存在发热的问题，特别是对于闪光灯的激活频率需为IHz或更高的光伏电池/前驱的在线检测。可以有多种可能的方法来解决该发热的问题，包括固体吸收滤波器的有效的空气或液体冷却，以及利用吸收液通过流通池可被重复循环利用的液体滤波器，所述流通池可由玻璃构成，如果必需的话，可以采用热交换器。有机染料的解决方法，例如Exciton公司的IRA955和IRA1034红外吸收器的结合，可适用于移出光致发光辐射波段内的激发光。在滤除闪光灯辐射时，有机物的紫外稳定性也是一个问题，但通过选择玻璃流通池材料，或通过在滤波器或冷却液(若使用)中添加紫外吸收材料，都能够阻隔掉大多数紫外光，不管怎样，对于闪光灯的给定系统的最优解决方法，样品材料和照相机技术可以包括滤波器和冷却技术的结合。在具有闪光灯或其他短脉冲激发的系统中，图像采集时间将由照射时间和照相机快门时间的叠加来决定，并且通常二者时长都短对于最小化模糊是有利的。此外，照射时间(脉冲持续时间)应该较短以降低功耗并避免样品过热，需要牢记的是通常情况下，需要采 用高强度照射在短采集时间内产生足够的光致发光信号。如果辐射寿命足够长，使得样品在光致发光辐射衰减之前移动一个明显的距离(例如，与一个或两个照相机像素相对应的距离)，则照相机快门保持打开状态的时间太长会导致图像的模糊，尽管这仅仅对于非常高载流子寿命的样品可能是个问题，其中，所述样品可以是寿命可超过若干个毫秒的钝化多晶硅。这一效应对于通常多晶硅晶片来说可以被忽略不计，所述硅晶片的载流子寿命最多为几百个微秒量级。优选地，光照将由脉冲激发光源发出，其与照相机快门是大体同步的。激发光源可以是单独的或组成阵列的氙闪光灯、卤素闪光灯、摄影闪光灯、LED或激光器，这些激发光源具有适用于激发样品的带间光致发光的波长范围。照射器优选为对视力无害的照射器，从而将光安全要求降到最低。更优选地，所述照射应为非相干的，即照射光源不应为激光器，尽管如之前所述的非相干照射不是必须为视力无害的照射。我们注意到在这点上闪光灯(以及程度较轻的LED)是有优势的，这是因它们都是扩展光源，表明其发出的光不能够被聚焦在一个点上或视网膜上，或等效地限制了最小视网膜图像大小。在优选实施方式中，图像采集时间非常短，而样品的移动距离不大于相当于成像照相机中约一行像素的距离。这一原则取决于样品的移动速度以及在照相机中的像素的行数，但仅通过举例的方式，对于产量为每秒一片晶片的生产线和100万像素的照相机(1024X 1024像素)，本原则建议图像采集时间为I毫秒或更短，这一时长小于晶片停下后被测量所需时长的一千多倍。缩短了千倍的采集时间需要通过提高了千倍的测量速来得到补偿，所述测量速度被定义为发光信号，所述发光信号被量化为每秒检测到的每一像素的计数。可以看出通过增加光照强度、改进光致发光集光效率以及利用不同的照相机技术和操作，能够提高测量速度。在第二实施方式中，以下称为“线扫描”方法，线照相机(例如硅或铟镓砷)被用来取代面照相机，并且在样品通过位于线照相机前面的测量区逐线采集二维光致发光图像。光照可以是宽范围的，但出于高效的目的，优选仅照射相对于线照相机的视野成线性的部分，优选地采用某种程度上“过盈”的光照，从而使得被照射和被成像的区域不必被精确地对齐。合适的系统如故8A (俯视图)和图SB (侧视图)所示，其中激发光源6、线照相机28和与此相关的光学元件出于清楚的目的在俯视图上被省略掉了。该系统包括聚焦光学元件30，所述聚焦光学元件30用于将激发光8会聚到样品4上，从而使得被照射部分32的大小与被成像部分34的大小相当或稍宽于被成像部分34，还包括用于将光致发光辐射2成像到线照相机上的集光元件11，根据需要还可以包括其他部件(各向同性光学元件12、长通滤波器14、激发滤波器15和计算机16)，这与图I中的系统类似。在这一特殊实例中，被照射部分32的宽度33约为被成像部分34宽度35的三倍，与被成像部分任意一侧的一个像素边界相对应。但是，如果可用的激发功率是一个限制因素，则被照射部分和被成像部分大小上大体相当。样品在传送带36上如箭头38指示的从左向右被移动通过测量区，从而使被照射部分和被成像部分在整个样品上被有效地扫描。通常对样品的照射应为连续的而非脉冲触发的，并且激发光源可以是LED或激光阵列，尽管非相干光源为优选光源，即非激光光源，且照射器作为一个整体是对视力无害的。我们注意到，从光安全角度来看，由于人眼不能够同时注意两条轴线，因此，线照射系统是有优势的，其限制了最小视网膜图像尺寸。被照射部分和被成像部分无需与移动方向38相垂直，如图8A所示，只要所述被照射部分和所述被成像部分能够延伸跨过样品的整个宽度或至少是需要被测量的样品区域的整个宽度即可。然而，大体垂直的方向最小化了所述被照射区域，从而最小化了对激发光源功率的要 求，因此，是优选的。另一合适的系统如图9的侧视图所示，在该情况下，传送带36具有间隙或无遮挡区域39，从而允许激发光源6和线照相机28能够被置于样品4的两侧。在这一特殊实施方式中，样品穿过间隙被照射，但在可替代的实施方式中，光致发光辐射2可以穿过间隙，从而被成像。由于连续移动穿过间隙，整个样品将逐渐地无遮挡地被照射或成像。在另一可替代的实施方式中，对于适用于那些无需在整个宽度内被分析的样品(与图4所示情况类似)的系统，传送带上的间隙可以被省略。为了使得“线扫描”方法的空间分辨最大化，被成像部分34的宽度应该与线照相机28内的一行像素相对应。为了实现与100万像素面照相机所获得的空间分辨相同的空间分辨，则必须通过提高了千倍的测量速度来对缩短了千倍的光致发光信号采集时间进行补偿。这从本质上相当于上文所述的“闪光灯”方法中测量速度的提高。现在我们对线扫描光致发光成像系统的光照和成像部分进行更详细的讨论。如图IOA和图IOB (分别为侧视图和俯视图)所示，线照射器可包括光纤耦合激光器或LED阵列56，以及聚焦光学元件30，其中，所述聚焦光学元件30包括一对尺寸和焦距根据具体系统的要求而定的圆柱透镜58，60。如图IOA所示，从光纤62出射的激发光8通过第一圆柱透镜58在一个方向上被准直，然后通过第二圆柱透镜60会聚成一条线64。如图IOB所示，激发光8在正交方向上继续扩散，从而覆盖样品的整个宽度。这一设置往往会产生沿线64的近似高斯强度分布，这很大程度上取决于光纤的输出，由于其能够通过校准程序而被校正，因而对于光致发光成像来说是能够被接受的，只要外围区域的照射强度足以产生可测量的光致发光响应即可。用于产生更加均强度分布的线照射器在现有技术中已得到了公开。对于集光元件，如图IlA (侧视图)和图IlB (俯视图)所示的可能的系统，包括四个圆柱透镜，所述透镜的尺寸和焦距根据具体装置的要求而定。来自被照射线64的光致发光辐射2通过第一圆柱透镜72在一个方向上被准直，通过一对以“扩束”配置的圆柱透镜74,76被缩小，并通过第四圆柱透镜78会聚在线照相机28上。本领域技术人员可以通过使用透镜、反射镜以及光波导等部件配置出许多具有不同程度复杂性的其他可能的系统。如图12所示的系统，所述系统包括具有宽间隔的光纤阵列68，所述阵列可以借助于透镜来收集来自光照线64的光致发光辐射2，并将所述光致发光辐射2导入线照相机28。通常来说，会因为成本因素(选择现有的光学部件将优于选择定制部件)和以及所要求的集光效率的因素来，从而提及选择；例如，如果光致发光信号相对较强，或如果采用的是高灵敏度的照相机，则标准照相机镜头就足够了。“线扫描”成像(如图8A、图8B和图9所示)与更常规的面成像(如图I和图5所示)之间重要的不同点在于集光元件中的光聚集部分(图IlA和图IlB中的透镜72和透镜74)可在不使光照变暗的前提下被置于离样品很近的位置，因而大大地提高了集光的效率(所述集光效率可被定义为检测到的发光光子数(率)除以样品发出的形成一个半球的发光光子数(率))。根据设计细节，我们估计图IlA和图IlB所示的集光元件的效率要比传统“面成像”(图I)光致发光系统的典型集光元件的高两个或三个量级，将在以下的“基线实例”中被定量。
类似的，照射器在不会遮挡光致发光集光元件的情况下能够被放置在距离样品非常近的位置，从光安全方面来讲，这是有优势的。参考图IOB进行解释，照射器离样品越近，则激发光8的发散对样品的冲击就越强烈，从而降低了照射器的亮度。在准稳态条件下，合理近似可被用于闪光灯，甚至对于毫秒级光照次数来说也是如此，这是由于用于太阳能产业的硅中的少数载流子寿命通常为10到ΙΟΟμ S，少数载流子浓度An (影响光致发光强度)和产生率G (由除其他事项的照射强度决定)相关于方程式An=GXi其中τ是少数载流子寿命。由此可以得出，对于给定了的光照强度，样品的载流子寿命越长，从其获得的光致发光信号就越强，例如从单晶硅处获得的光致发光信号强于比从多晶硅处获得的光致发光信号，或从钝化硅晶片(在太阳能电池生产线的后期阶段)处获得的光致发光信号强于从原料硅晶片处获得的光致发光信号。尽管少数载流子寿命τ仅在低注入水平(即低Λη)时可以被认为是常数，但通常越强的照射，即更大的产生率G，也能够导致越强的光致发光信号，这是之前所述的“闪光灯”方法的一个重要的方面。正如在PCT申请号为PCT/AU2010/001045名称为“用于硅光伏电池生产的光致发光成像系统”的PCT申请中所述的那样，此处作为引用并入，在对硅样品进行光致发光成像时，优选为采用利用照相机技术，如InGaAs照相机，所述InGaAs照相机不同于硅照相机，其对于整个硅光致发光辐射光谱敏感。在其他所有事项相等的情况下，我们估计采用InGaAS照相机代替硅照相机可以将测量速度提高20倍。还可以通过采用更高像素，或牺牲空间分辨或拼合像素，来提高测量速度。作为第三种实施方式，其稍微与“线扫描”方法类似，利用的是时间延迟积分(TDI)照相机。TDI照相机可被认为是线照相机的集合阵列，例如单一芯片上1024像素中的96或128行，通常使用与常规线或面照相机一样的硅CXD技术。TDI照相机同样适用于采集移动中的样品的图像，所述样品的移动方向与像素行垂直随着样品被移动，来自探测信号的电荷被转移至下一像素行并被累加，其中，传送速度和电荷转移为同步。因此，具有N个像素行的TDI照相机对样品给定部分的信号测量了 N次，与进行了同样测量次数的线照相机相比，其信噪比增加了^倍。如图13所示的适用于该“TDI照相机”方法的系统的侧视图，从图中可以看出该系统的配置与图8Β所示的线扫描系统非常类似，但采用的照相机为TDI照相机40，而不是线照相机。图13还表明了根据样品的移动与TDI照相机操作相同步的需要，计算机16对传送带驱动单元42进行控制。对于具有N个像素行的TDI照相机来说，与线扫描系统相比重要但不太明显的区别在于，被成像部分34的宽度需比线扫描系统中的宽N倍。根据如图8A和图SB所示的“线扫描”配置，在被成像部分的两侧分别留有一个像素边界，被照射部分32宽度比线扫描配置中的部分宽出(N+2)/3 ;或者如果被照射部分和被成像部分是共边的，则被照射部分的宽度比线扫描配置中的部分宽N倍。无论哪种方式，对于给定的激发光源6，照射到样品上的强度将降低相同的系数，并且在设计TDI系统时，照射到样品上的强度需要与由N个像素行带来具有N倍长的信号采集时间对照进行考虑。最后，上述讨论的不同的配置还可以用于线照相机系统中，例如图9所示的配置，也可应用于TDI系统中。实例本章节提出了光学元件的“基线实例”，例如如图I或图2所示的现有技术中能够找到的具有在面照相机上全场成像的光致发光成像系统，其将与接下来的实例进行比较。假设测量噪声主要为统计噪声，即假定信噪是总计数的平方根，并且定义每像素2000计数作为具有足够信噪的光致发光成像的目标。一些测量参数/样品/硬件的组合将被概括从而得出该目标，并且具有可被用来获得另外的组合的一般规则。在每一情况中，样品为156 毫米X 156毫米，厚度为200 μ m，电阻率为I欧姆·厘米，P型硅晶片，但具体材料的质量将在三种可能性里变化·切割非钝化多晶硅，其有效载流子寿命为O. 5至2μ s (“最坏的情况”)·钝化的或扩散的多晶硅，其有效载流子寿命约为10 μ s·闻寿命纯化单晶娃，其有效载流子寿命约为Ims (“最好的情况”)某线实例如图I所不，156Χ 156mm2的样品4被750nm波长的光照射,其照射在所述样品上的强度为lOOmW/cm2 (lSun)，同时，光致发光2通过集光元件11被会聚在了像元的尺寸为5X5ym2的100万像素(1024X1024像素)的硅CXD照相机10上，其中，所述集光元件11包括焦距f为25mm，光圈F#为2. 8的透镜。为了估算集光效率，我们注意到为了将整个样品区域会聚到照相机芯片上，集光元件需要具有M=1024X5e-3/156=0. 033的放大率，要求物距为(即透镜到样品的距离)0=(1+1/M)*f=787mm。透镜的光圈直径由下式给出D=f/F#=25mm/2. 8=8. 9mm，透镜的接收面积为n D2/4=63mm2。将该值与半径为O的半球的表面积(2 ii O2)相比，计算得出集光效率为O. 0016%。通过该系统，可以估算出非钝化多晶硅样品流量为每像素每秒2至6个计数，表明整体测量时间为330至IOOOs可测量2000个计数。对比中，由于载流子寿命较长，对于钝化多晶硅来说，能够在约60s内完成约2000个计数，或对于高寿命钝化硅样品来说，能够在600ms内完成约2000个计数。实例I :图3的具有三条传送带的系统中的2为面成像几何图(静止的样品)为了将该具有三条传送带的系统与产量为每秒一个电池的太阳能电池生产线相结合，显然测量时间不能够超过一秒。对于非钝化样品，为了确保这一点，必需使测量速度得到千倍的增长。这一点能够通过结合以下来实现I)具有20 X 20 μ m2像元的硅CXD照相机(相对于基线实例具有16倍的增益)2) F#=2的透镜(2倍增益)
3)照射强度为lW/cm2即IOSun (10倍增益)4) 2X2像素合并(4倍增益)许多其他的结合也是可能的，例如40Sun的照度而不采用像素合并。实例2 :具有线照射的(165 μ m宽，156mm长)的线扫描系统以及对非钝化晶片的探测。在这一情况下，需要Ims/行的测量时间，从而要求相较于基线实例中的测量速度的IO6倍的增长。可能的组合是I) InGaAs照相机(20倍增益)2) 25 X 25 μ m2 像元(25 倍增益)
3)照射强度为lW/cm2，即IOSun (10倍增益)4)提高了的集光效率(200倍增益)需要指出的是，由于被照射区域比基线实例中的要小得多，因此如果集光效率的提高更加有限的话，使用高得多的光照强度是相对简单的。实例3 :具有线照射(165 μ m宽，156mm长)的线扫描系统以及对钝化多晶硅晶片的探测。根据实例2，需要Ims/行的测量时间，在该情况下，要求相较于基线实例中的测量速度的60000倍的增长。可能的组合是I)具有20 X 20 μ m2像元的硅CXD照相机(16倍增益)2)照射强度为2W/cm2，即20Sun (20倍增益)3)提高了的集光效率(200倍增益)或者，若集光效率的提高更加有限，或光致发光强度相对于照射强度次线性增长，则可通过采用InGaAs照相机来实现所要求的测量速度。实例4 :具有线照射(165 μ m宽，156mm长)的线扫描系统以及对高寿命钝化晶片的探测。在这中情况下，要求测量速度的600倍的增长来实现Ims的测量时间。可能的组合是I)具有20 X 20 μ m2像元的硅CXD照相机(16倍增益)2)照射强度为O. 2ff/cm2,即2Sun (2倍增益)3)提高了的集光效率(20倍增益)测量速度的增加还可通过基线几何来实现，即若照射强度为40Sun是，则无需对成像系统进行修改即可提高集光效率。实例5 :具有宽照射谱(500-800nm)的闪光灯系统用于非钝化晶片由于测量时间需为1ms，即相较于基线实例而言缩短了 IO6倍。假设非钝化晶片对该光谱的响应平均上与750nm的激发光相同，可能的组合是I) InGaAs照相机(20倍增益)2) 25 X 25 μ m2 像元(25 倍增益)3)照射强度为50W/cm2，即500Sun (500倍增益)4)F#=l. 4透镜或2X2像素合并(4倍增益)需要指出的是所采用的光照强度非常的高。
实例6 :具有宽照射谱(500-800nm)的闪光系统用于钝化多晶硅晶片。由于测量时间需为1ms，即相较于基线实例而言缩短了 60，000倍。可能的组合是I) 20 X 20 μ m2像元的硅CCD照相机(16倍增益)2)照射强度为10W/cm2，即IOOSun (100倍增益)3)F#=1. 4 透镜(4 倍增益)4) 3X 3像素合并(9倍增益)利用InGaAS照相机或提高了的集光效率可允许较小的照射强度；若光致发光强度随着照射强度呈次线性增长，这些选择仍然是有用的。实例7 :具有宽光照谱(500_800nm)的闪光系统用于高寿命钝化晶片。
由于测量时间需为1ms，即相较于基线实例缩短了 600倍。可能的组合为I)具有20 X 20 μ m2像元的硅CXD照相机(16倍增益)2)照射强度为2W/cm2，即20Sun (20倍增益)3) F#=2透镜(2倍增益)这能够通过基线几何实现，即无需对成像系统作任何修改即可提高集光效率。实例8 :具有128行的TDI照相机系统用于非钝化晶片晶片每一部分需要128ms的曝光时间和每像素2000个计数，表明相较于基线实例测量速度提高了 8000倍。可能的组合为I)具有20 X 20 μ m2像元的硅CXD照相机(16倍增益)2)照射强度为lW/cm2，即IOSun (10倍增益)3)提高了的集光效率(50倍增益)若集光效率的提高更为受限的话，还可利用InGaAs照相机来实现所要求的测量速度。实例9 :128行TDI照相机系统用于钝化多晶硅晶片。晶片每一部分需要128ms的曝光时间和每像素2000个计数，表明相较于基线实例测量速度提高了 400倍。可能的组合为I)具有20 X 20 μ m2像元的硅CXD照相机(16倍增益)2)照射强度为lW/cm2，即IOSun (10倍增益)3) 2X2像素合并(4倍增益)实例10 128彳丁 TDI照相机系统用于闻寿命纯化晶片。晶片每一部分需要128ms的曝光时间和每像素2000个计数，表明相较于基线实例提高了 4倍。这可以通过简单的利用4倍的照射强度或2X2的像素合并来实现。在上述优选实施方式中，对半导体样品进行了光致发光成像形式的光致发光分析，即对每一样品的大体区域所产生的光致发光的二维图像的采集，为的是获得一项或多项关于材料特性的空间分辨信息。但是其他形式的光致发光分析也属于本发明的保护范围。例如，来自于被照射区域的光致发光辐射可被送入分光镜中来分析光谱内容，以寻找杂质的光致发光频带指示。在另一实例中全部的光致发光辐射信号能够被测量，从而得到样品特性的平均值信息，取平均值是逐线进行的或穿过整个被照射区域，或提供在制造中或之后快速识别具有缺陷的(如分流)太阳能电池的方法。尽管通过参考某些优选实施方式对本发明进行了阐述，但由此所引申出的变化和变动仍处于本发明创造 的保护范围之中。
权利要求
1.一种用于分析半导体材料样品的方法，所述方法包括以下步骤 将所述样品传送至测量区； 照射所述半导体材料来产生光致发光响应；以及 在保持所述样品移动的同时在所述测量区对所述样品进行至少一次光致发光分析。
2.一种在半导体材料通过测量区时对半导体材料样品进行光致发光分析的方法，所述方法包括以下步骤 以充足的时间和强度照射半导体材料以产生光致发光；以及 捕捉由所述半导体材料发出的光致发光的图像，其中，所述图像是在距离成像照相机I个或2个像素距离内被捕捉得到的。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于所述光致发光分析包括以下步骤 通过预设照度来照射所述样品的一个区域，从而从所述样品处产生与所述照度相对应的光致发光；以及 通过区域图像捕捉设备在采集时间t内采集所述光致发光的图像，其中，所述样品以相对于区域图像捕捉设备的速度V移动，并且采集时间t (s)与速度v(m. S-1)的乘积小于所述样品上相当于所述图像捕捉设备中一行像素的距离。
4.根据上述权利要求任一所述的方法，其特征在于所述照射由非激光光源产生。
5.根据上述权利要求任一所述的方法，其特征在于所述照射由对视力无害的照射器产生。
6.根据上述权利要求任一所述的方法，其特征在于所述光致发光响应由硅照相机来捕捉。
7.根据上述权利要求任一所述的方法，其特征在于用于照射所述半导体材料的光照强度大于1W. CnT2。
8.根据权利要求1-7任一所述的方法，其特征在于所述照射包括光脉冲。
9.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述光致发光分析包括以下步骤 提供具有预设照度的光源，所述照度适于从所述样品中产生光致发光，所述光源被置于能够照射所述样品第一部分的位置； 提供图像捕捉设备，用于探测从所述样品的第二部分发出的光致发光，其中，所述第一部分和所述第二部分至少部分重叠； 使所述样品与所述光源和所述图像捕捉设备发生相对于运动，从而使得所述第二部分在所述样品的大体区域上被扫描；以及 重复询问所述图像捕捉设备以采集所述区域发出的光致发光的图像。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述照射由非激光光源产生。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于所述照射由对视力无害的照射器产生。
12.根据权利要求9-11任一所述的方法，其特征在于所述图像捕捉设备为线照相机。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述第一部分在所述样品的移动方向上的宽度是所述第二部分的1-5倍。
14.根据权利要求9-11所述的方法，其特征在于所述图像捕捉设备为时间延迟积分照相机。
15.根据权利要求9-14任一所述的方法，其特征在于所述第一部分大体上与所述第二部分大小相当。
16.根据权利要求9-14任一所述的方法，其特征在于所述第一部分完全或部分在所述第二部分内部。
17.根据权利要求9-14任一所述的方法，其特征在于所述第二部分完全或部分在所述第一部分内部。
18.根据权利要求9-17任一所述的方法，其特征在于所述第一部分和第二部分穿越所述样品一个维度的主体部分延伸设置，其中所述维度为大体上与所述样品的运动方向垂直。
19.根据上述权利要求任一所述的方法，其特征在于所述半导体材料为原料或非钝化的硅。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于用于产生所述光致发光的光照的强度约为 Iff. cm 2 至 100W. cm 2。
21.根据权利要求1-18任一所述的方法，其特征在于所述半导体材料为钝化的硅。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于用于产生所述光致发光的光照的强度约为 O. I 至 I Off. cm 2o
23.根据权利要求9-22任一所述的方法，其特征在于所述照射光源和/或与此相关联的光学元件在所述测量区内移动。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于所述照射光源和/或与此相关联的光 学元件的移动受到控制，以保持与样品的预设对准。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于所述预设对准用以避免样品照射的模糊。
26.根据权利要求9-25任一所述的方法，其特征在于所述图像捕捉设备和/或与此相关联的光学元件在测量区内移动。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于所述图像捕捉设备和/或与此相关联的光学元件的移动受到控制，以保持与样品的预设对准。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于所述预设对准用于避免样品的被捕捉到图像的模糊。
29.根据上述权利要求任一所述的方法，其特征在于光照通过采用分色镜被引入成像光学系统中。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于捕捉到的光致发光数据穿过所述分色镜。
31.根据上述权利要求任一所述的方法，其特征在于所述光致发光分析提供了关于所述样品的一个或多个特性的平均值或空间分辨值信息，其中，所述特性为少数载流子扩散长度、少数载流子寿命、位错缺陷、杂质以及分流中的若干种；或提供了关于所述样品中裂纹发生或生长的信息。
32.根据上述权利要求任一所述的方法，其特征在于所述样品为硅晶片。
33.根据上述权利要求任一所述的方法，其特征在于在不到Is的时间内进行所述分析。
34.根据上述权利要求任一所述的方法，其特征在于测量区的配置在数据采集之前、采集期间和采集之后保持不变。
35.根据上述权利要求任一所述的方法，其特征在于所述测量区为关闭的或封闭的腔室。
36.根据权利要求1-34任一所述的方法，其特征在于所述测量区是未被封闭的对视力无害的测量区。
37.根据权利要求36所述的方法，其特征在于所述光致发光产生由对视力无害的照射器的照射来产生。
38.一种用于分析半导体材料样品的方法，所述方法包括以下步骤 将所述样品传送至测量区；以及 在所述测量区进行至少一次所述样品的光致发光分析，其中，所述测量区是未封闭的对视力无害的测量区。
39.根据权利要求38所述的方法，其特征在于所述光致发光由对视力无害的照射器的照射来产生。
40.一种用于分析半导体材料样品的方法，所述方法包括以下步骤 不通过使用挑拣和放置样品搬运系统将所述样品传送至测量区；以及 在所述测量区对所述样品进行至少一次光致发光分析。
41.一种用于对半导体材料的样品进行分析的系统，所述装置包括 传送机构，所述传送机构用于将所述样品传送至测量区； 分析设备，所述分析设备用于在所述测量区内对所述样品进行至少一次光致发光分析；以及 移动装置，用来在进行所述分析期间保持所述样品在所述测量区内的移动。
42.根据权利要求41所述的系统，其特征在于所述分析设备包括 光源，所述光源用于以预设照度照射所述样品的一块区域，从而从所述样品中产生与所述照度相对应的光致发光；以及 区域图像捕捉设备，用于在图像采集时间t内捕捉所述光致发光的图像，其中所述移动装置以相对于区域图像捕捉设备的速度V移动所述样品，从而使得图像采集时间t (S)与速度V (m. S-1)的乘积小于所述样品相对于所述区域图像捕捉设备中一行像素的距离。
43.根据权利要求41所述的系统，其特征在于所述分析设备包括 具有预设照度的光源，其中，所述照度适于从所述样品中产生光致发光，所述光源被置于照射所述样品第一部分的位置； 图像捕捉设备，用于检测产生于所述样品的第二部分的光致发光，其中，所述第一部分和所述第二部分至少部分重叠；以及 询问模块，用于当所述移动装置移动所述样品时，重复询问所述图像捕捉设备，从而使得所述第二部分在所述样品的主体区域上被扫描，以采集所述区域发出的光致发光图像。
44.根据权利要求43所述的系统，其特征在于照射光源和/或与此相关联的光学元件能够在测量区内移动。
45.根据权利要求44所述的系统，其特征在于照射光源和/或与此相关联的光学元件被控制以保持对样品的预设对准。
46.根据权利要求45所述的系统，其特征在于所述预设对准用以避免样品的照射的模糊。
47.根据权利要求43-46任一所述的系统，其特征在于图像捕捉设备和/或与此相关联的光学元件能够在测量区内移动。
48.根据权利要求47所述的系统，其特征在于图像捕捉设备和/或与此相关联的光学元件的移动被控制来保持与样品的预设对准。
49.根据权利要求48所述的系统，其特征在于所述预设对准用以避免样品图像捕捉的模糊。
50.根据权利要求41-49任一所述的系统，其特征在于光照通过采用分色镜被引入成像光学系统。
51.根据权利要求50所述的系统，其特征在于光致发光在图像捕捉之前通过所述分色镜。
52.根据权利要求41-51任一所述的系统，其特征在于测量区的配置在采集之前、采集期间和米集之后保持恒定。
53.根据权利要求41-52任一所述的系统，其特征在于所述测量区为关闭的或封闭的腔室。
54.根据权利要求41-52任一所述的系统，其特征在于所述测量区为未封闭的对视力无害的测量区。
55.根据权利要求54所述的方法，其特征在于所述光致发光由对视力无害的照明器的照射产生。
56.一种用于对半导体材料的样品进行分析的系统，所述系统包括 传送机构，用于将所述样品传送至测量区； 光源，用于照射所述样品的一块区域以产生光致发光；以及 分析设备，用于在所述测量区内对所述样品进行至少一次光致发光分析，其中，所述测量区是未封闭的对视力无害的测量区。
57.根据权利要求56所述的系统，其特征在于所述光致发光由对视力无害照明器的照射来产生。
58.一种用于对半导体材料的样品进行分析的系统，所述系统包括 传送机构，用于不通过挑拣和放置样品的搬运装置将所述样品传送至测量区； 分析设备，用于在所述测量区内对所述样品进行至少一次光致发光分析。
59.一种在一系列半导体材料样品中分析半导体材料样品的方法，所述方法包括以下步骤 将所述样品传送至测量区；以及 在所述测量区内采集所述样品的光致发光数据，而同时移动该系列样品中的其他样品O
60.根据权利要求59所述的方法，其特征在于所述样品在光致发光数据采集期间保持移动。
61.根据权利要求59所述的方法，其特征在于所述样品在光致发光数据采集期间保持静止。
62.根据权利要求60或61所述的方法，其特征在于所述系列样品中的所述其他样品在光致发光数据采集期间保持移动。
63.根据权利要求60或61所述的方法，其特征在于所述系列样品中的所述其他样品在光致发光数据采集期间保持静止。
64.一种用于分析半导体材料样品的方法，所述方法包括以下步骤 通过交付传送机构将所述样品传送至与测量区相邻的点； 通过测量区传送机构将所述样品传送进入、通过并传送出所述测量区； 在所述测量区内采集来自所述样品的光致发光数据；以及 通过移出传送机构将所述样品传送出与测量区相邻的点，其中测量区传送机构是相对于所述交付传送机构或所述移出传送机构独立可控的。
65.根据权利要求64所述的方法，其特征在于测量区传送机构和/或样品在光致发光数据采集期间静止。
66.根据权利要求64所述的方法，其特征在于测量区传送机构和/或样品在光致发光数据采集期间保持移动。
67.根据权利要求59-66任一所述的方法,其特征在于所述光致发光由非激光光源的照射来产生。
68.根据权利要求59-67任一所述的方法，其特征在于所述光致发光由对视力无害的照明器的照射来产生。
69.根据权利要求59-68任一所述的方法,其特征在于所述光致发光由包括光脉冲的照射来产生。
70.根据权利要求59-69任一所述的方法,其特征在于对半导体材料样品的分析在关闭的或封闭的腔室内进行。
71.根据权利要求59-69任一所述的方法,其特征在于对半导体材料样品的分析在非关闭的或至少部分开放但对视力无害的分析腔室内进行。
72.根据权利要求59-71任一所述的方法，其特征在于所述样品通过采用分色镜引入的光照来照射。
73.根据权利要求59-72任一所述的方法，其特征在于分析采集到的光致发光数据以获取关于样品特性的平均值或空间分辨值信息，所述特性为少数载流子扩散长度、少数载流子寿命、位错缺陷、杂质和分流中的若干种，或者获取关于所述样品中裂纹发生或生长的信息。
74.根据权利要求59-73任一所述的方法，其特征在于所述样品为硅晶片。
75.根据权利要求59-74任一所述的方法,其特征在于所述分析在小于Is的时间内被执行。
76.一种用于分析测量区内半导体材料样品的方法，所述方法包括用于移动和支撑所述样品的传送机构，其特征在于所述传送机构接触不超过10%的所述样品，从而每次留有90%的所述样品暴露在外用于分析。
77.一种用于分析测量区内半导体材料样品的方法，所述方法包括用于在分析期间移动和支撑所述样品的传送机构，其特征在于在进行所述分析期间，所述样品的至少一部分在其整个宽度上未得到支撑，从而为所述分析提供了无遮挡区域，作为持续移动的结果，整个样品逐渐无遮挡。
78.一种用于分析半导体材料样品的系统，所述系统包括 交付传送机构，用于将所述样品传送至与测量区相邻的点； 测量区传送机构，用于将所述样品传送进入、通过和传送出所述测量区； 照射器，用于在所述测量区内产生来自所述样品的光致发光； 探测器，用于探测所述光致发光；以及 移出传送机构，用于将所述样品从与所述测量区相邻的点传送出，其中，测量区传送机构是相对于所述交付传送机构或所述移出传送机构独立可控的。
79.根据权利要求78所述的系统，其特征在于所述照射器包括非激光光源。
80.根据权利要求78或79所述的系统，其特征在于所述照射器为对视力无害的照射器。
81.根据权利要求78-80任一所述的系统，其特征在于所述照射器发出光脉冲。
82.根据权利要求78-81任一所述的系统，其特征在于交付传送机构、测量区传送机构和移出传送机构为皮带、一系列滚轮、一系列压板、多个对准皮带和真空卡盘中的一种。
83.根据权利要求78-82任一所述的系统，其特征在于所述测量区传送机构包括多个用来支撑半导体样品相对侧面的对准皮带，所述皮带之间的区域界定了半导体样品未遮挡的中间部分。
84.根据权利要求78-83任一所述的系统，其特征在于照射器发出的光通过分色镜被弓I入样品中。
85.根据权利要求78-84任一所述的系统，其特征在于所述测量区为关闭的或封闭式的腔室。
86.根据权利要求78-84任一所述的系统，其特征在于测量区为未关闭的或至少部分开放但对视力无害的腔室。
87.根据权利要求78-86任一所述的系统,其特征在于交付传送机构、测量区传送机构和移出传送机构不采用挑拣和放置样品搬运系统。
88.根据权利要求78-87任一所述的系统，其特征在于分析所采集到的光致发光图像以获得关于样品特性的平均值或空间分辨值信息，所述特性为少数载流子扩散长度、少数载流子寿命、位错缺陷、杂质和分流中的若干种，或者获得关于所述样品内裂纹的发生或生长的信息。
89.根据权利要求78-88任一所述的系统，其特征在于所述样品为硅晶片。
90.根据权利要求78-89任一所述的系统，其特征在于所述分析在小于Is的时间内进行。
91.一种用于分析测量区内半导体材料样品的系统，所述系统包括用于移动和支撑所述样品的传送机构，其特征在于所述传送机构接触不超过10%的所述样品，从而总是留有90%的所述样品暴露在外用于分析。
92.一种用于分析测量区内半导体材料样品的系统，所述系统包括用于在分析期间移动和支撑所述样品的传送机构，其特征在于在进行所述分析期间，所述样品的至少一部分在其整个宽度上未得到支撑，从而为所述分析提供了无遮挡区域，作为持续移动的结果，整个样品逐渐无遮挡。
93.一条用于生产光伏设备的生产线，所述生产线包括多个工序以将半导体材料转变成所述光伏设备，所述生产线包括至少一个分析设备，所述分析设备包括用于半导体材料的照射光源，以及用于获取光致发光图像的非停顿图像捕捉设备，所述光致发光在未停止半导体材料的情况下由被照射的半导体发出。
94.一条用于生产光伏设备的生产线，所述生产线包括若干个将半导体材料转变为所述光伏设备的工序，所述生产线包括至少一个对视力无害的分析设备，所述分析设备具有高强度照射系统，所述照射系统以大于1W. cm-2的强度照射所述半导体材料，还包括图像捕捉设备，所述图像捕捉设备用于获取由被照射半导体材料发出的光致发光的图像，所述分析设备适用于当所述半导体材料正在所述生产线上移动时，照射所述半导体材料和捕捉由被照射半导体材料发出的光致发光的图像，而无须停止所述半导体材料在生产线上的移动。
95.一种包括计算机可用介质的制品，所述介质具有计算机可读程序代码，所述程序代码可配置为执行根据权利要求1-14或权利要求59-77任一所述的方法，操作根据权利要求41-58或权利要求78-92任一所述的系统，或操作根据权利要求93或94所述的生产线。
全文摘要
本发明涉及一种当硅太阳电池和晶片沿生产线(36)前进时用于采集硅太阳电池和晶片的光致发光图像的方法。在优选实施例中，该图像在保持样品移动的过程中被采集。在某些实施例中，光致发光通过短脉冲和高强度激发来产生，所述高强度激发例如闪光灯(50)，而在其它一些实施例中，图像以在线扫描的方式被采集。光致发光图像被分析后能够得到关于许多样品特性的平均或空间分辨值的信息，所述特性包括样品的少数载流子扩散长度、少数载流子寿命、位错缺陷、杂质和分流等，或裂纹的发生或生长。
文档编号G01N21/64GK102812349SQ201180012436
公开日2012年12月5日 申请日期2011年1月4日 优先权日2010年1月4日
发明者伊恩·安德鲁·麦克斯威尔, 托斯顿·特鲁普克, 罗伯特·安德鲁·巴多斯, 肯尼斯·艾德蒙·阿内特 申请人:Bt成像股份有限公司