KR20150009576A

KR20150009576A - 전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 방법과 장치

Info

Publication number: KR20150009576A
Application number: KR20147034487A
Authority: KR
Inventors: 오칸 아그부가
Original assignee: 이스라 비숀 아게
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2013-04-30
Publication date: 2015-01-26
Also published as: EP2847577A1; US20150070487A1; CN104471383A; WO2013167428A1; DE102012104086A1

Abstract

발광가능 물체(2)의 전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 방법과 장치에 관한 발명으로서, 발광가능 물체(2)는 전자기 복사선(8)을 방출하도록 전압 인가 및/또는 광 조사에 의해서 여기되고, 전자기 복사선(8)은 광학 기록 장치(9)에 의해 등록되며 영상(20, 21, 22)으로서 출력된다. 이 영상(20, 21, 22)을 평가하여 물체(2)의 가능 결함을 결정한다. 또한 기록 장치(9)에 의한 전자기 복사선(8)의 등록은 상이한 스펙트럼 범위의 적어도 두 개의 영상(21, 22)에서 수행된다.

Description

전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 방법과 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ELECTROLUMINESCENCE INSPECTION AND/OR PHOTOLUMINESCENCE INSPECTION}

본 발명은, 발광가능 물체, 예를 들어, PN 반도체, 특히, 태양 전지 또는 태양광 모듈의 전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 방법과 장치에 관한 것이다. 여기서, 발광가능 물체는, 전압의 인가에 의해서(보다 일반화하여 말하자면, 예컨대 전기장의 작용과 같은 전기적 작용을 이용하여) 그리고/또는 광 조사에 의해서 여기(excite)됨으로써, 예를 들어 전자기 복사선(예를 들어 가시 또는 비가시 파장대역의 광, 구체적으로 예를 들면 800 nm 내지 2500 nm 파장대역)을 방출한다. 이 전자기 복사선은 광학식 기록 장치(특히 카메라(예를 들어, 면상 스캔 카메라 및/또는 선형 스캔 카메라(특히, 디지털 카메라))에 의해 등록되고, 그리고 영상으로 출력된다.

본 발명에 따르면, 특히 기록 장치에 연결된 컴퓨팅 유닛에서 영상이 평가된다. 영상 평가시에 대상 물체에 있을 가능 결함이 판단되는데, 이는 특히, 공간적 범위 및/또는 강도의 측면에서 정의될 수 있는 전형적인 결함 구조에 대한 영상(이는 개별 화소들로 구성되는 디지털인 것이 바람직함)을 체크함으로써 판단된다. 특히, 물체에서는 발광 작용에 의해서 낮은 강도의 광이 방출되기 때문에, 발광 상태로 여기되는 물체를 기록하기 위한 장치는 기록용 암실 내에 배치된다.

본 발명에 따라 제안되는 발광 검사(luminescence inspection) 방법 및 장치는 전계발광(electroluminescence) 및/또는 광발광(photoluminescence) 응용에 사용될 수 있는데, 이들 둘 다 제조 방법 내에 포함되며, 제조 라인에서는 온라인이고, 예컨대 연구개발의 목적으로는 오프라인이다. 본 발명에 따르면, 특히 실용적인 설치 분야는 반도체, 박막 기술, 그리고 모든 유형의 기재(substrate)이다. 예를 들어, 한 가지 특정 예를 태양 전지 또는 태양광 모듈 등의 광전 장치(photovoltaic device)에서 볼 수 있다. 그러나 본 발명은 이러한 특정의 예에 한정되지 않는다.

발광 영상을 이용한 검사는, PN 반도체 접합을 기반으로 하는 발광가능 물체(예컨대, 태양 전지)의 구조 및 속성을 이용하고, 반도체의 P(positive)측 및 N(negative)측에서의 소수 전하 캐리어들의 거동을 활용한다. 발광가능 물체의 N측에서는 정공(hole)(양전하 캐리어)이 소수 전하 캐리어이고, 발광가능 물체의 P측에서는 전자(electron)가 소수 전하 캐리어이다. 접합 전압을 인가하면 그 결과로 소수 전하 캐리어가 발광가능 물체를 통해 확산되고, 발광가능 물체에서 전류가 발생되어서, 이 발광가능 물체에서 전자기 복사선이 방출된다.

이 복사선의 영상은 발광가능 물체의 품질 및/또는 속성에 관련된 정보를 주는데, 이는 반도체 소자를 예로 들어 설명되어 있다. 그러나 본 발명이 이러한 물체에만 제한되는 것은 아니며, 다른 발광가능 물체, 예컨대 일반 격자 구조(general lattice structure)에 대해서 예를 들어 조사하는 것에도 적합하다.

특히 바람직한 응용은, 단결정, 준 단결정, 또는 다결정의 실리콘 태양 전지 및/또는 태양광 모듈, 박막, 또는 집속형 태양 전지(CPV: concentrating photovoltaics)로서 설계가능한 태양 전지(보다 넓게는 광전 기재)의 발광 검사에 관련된다. 광전 기재(이하에서는 태양 전지라고 부름)가 외부적 여기(예를 들어, 전압 인가)에 의한 소수 전하 캐리어 확산의 결과로서 전자기 복사선을 방출하게 되면, 이 태양 전지에서 방출되는 전자기 복사선은, 800 nm보다 높은 파장의 전자기 복사선에 감응하는 광학 센서 또는 기록 장치에 의해 기록될 수 있다. 이를 위해, 특히 면상 스캔 카메라 및 선형 스캔 카메라를 사용하여 태양 전지의 발광 영상을 생성할 수 있다.

근적외선 영역(즉, 대략 800 nm 내지 2500 nm의 파장)에서 저잡음 고감도 카메라에 의해 기록되는 것이 바람직한 발광 영상의 명도(intensity)는 태양 전지, 즉, 발광가능 물체의 각 영역에서의 소수 전하 캐리어의 수에 비례하며, 따라서 이는 발광가능 물체의 품질 또는 그 결함에 관한 결론을 이끌어낸다.

기존 Si-CCD 카메라를 사용한 공지 기술의 방법은 저속 영상 기록으로서 고속 생산에는 적합하지 않다. 이 방법에 의하면 시간당 최대 1400개 정도의 태양 전지를 검사할 수 있을 뿐이기 때문이다. 그 이유는 카메라의 노출 시간과 판독 시간이 길기 때문이다. 이렇게 긴 노출 시간의 직접적인 결과로, 노출 시간 동안에 태양 전지를 여기시켜 전자기 복사선을 방출하도록 하기 위해서는 비교적 긴 시간 동안(보통, 600 ms 이상) 여기 전류를 인가해야 하기 때문에, 전계 검사시에 태양 전지에 상당히 큰 여기 스트레스(excitation stress)가 가해진다.

또한, 종래의 기록 방법에 의하면, 검출된 결함들의 유형을 확실하게 구별하는 것이 가능하지 않다. 이는 특히, 방출되는 전자기 복사선의 약한 강도가 그 원인인데, 왜냐하면 약한 복사선 강도로는 반도체 내에서의 전위(轉位, dislocation)(결정립 경계(grain boundary), 수명에 관련된 현상 등)와 공정상 결함 영역(균열 또는 흠, 소성 결점(firing defect), 핑거 침입(finger intrusion) 등) 간에 명확한 구별을 할 수 없기 때문이다. 반도체 내에서의 전위는 공정상 결함 영역에 비해 일반적으로 더 어둡다. 공지된 시스템에서는, 이러한 곤란성에 의해서 2%보다 높은 결함 검출율이 나온다.

이러한 곤란성은 또한, 다양한 유형의 결함들을 구별하는 데 충분한 확실성이 없기 때문에, 검출된 결함들을 분류할 수 없도록 만든다. 또한 평가 알고리즘은 종종, 특정 물질, 예컨대 단결정, 다결정, 또는 준 단결정 구조, 또는 박막층의 경우에만 사용이 한정된다.

따라서 본 발명의 목적은 보다 확실하게 개별 결함들의 유형을 검출하고 이들을 구별할 수 있으며, 바람직하게는 처리 속도가 향상되는 방법을 제안하는 것이다.

상기 목적은 청구항 1의 특징을 가진 본 발명의 방법 및 청구항 10의 특징을 가진 본 발명의 장치에 의해서 달성된다.

따라서 본 항목에서 언급하는 형태의 방법에서는, 기록 장치에 의한 전자기 복사선의 등록(register)(즉, 물체가 발광 상태로 여기(excite)된 후 또는 여기 중의 기록(record)))을, 상이한 스펙트럼 범위(즉, 기록될 다양한 파장 범위)를 갖는 적어도 두 개의 영상에서 수행되도록 구성된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 발광 상태로 여기된 적어도 하나의 물체를 상이한 파장에서 이중으로 기록함으로써(다수 스펙트럼), 특정 파장에 관련된 결함(fault)들이 보다 더 제대로 그리고 확실하게 검출 및 식별될 수 있도록 한다. 본 발명은 또한, 결함 후보(fault candidate)들의 보다 확실한 분류를 가능하게 해주고, 특히, 물체의 내재적 결함 및 외인성 결함 간의 구별을 가능하게 해준다. 본 발명의 다중 기록은 또한, 전계발광(electroluminescence) 방식 및 광발광(photoluminescence) 방식 모두에 동일하게 적용될 수 있다(이때 스펙트럼 범위는 필요에 따라 설정가능함).

다른 파장에서 발광 상태로 여기된 물체를 기록하는 한 가지 옵션은, 예를 들어, 적절한 동작 전압에 의해서 센서 작용 표면에 전자기 복사선의 상이한 파장들이 감응되는 기록 장치의 적절한 파라미터화(parameterization)이다.

하지만, 본 발명에 따라 제안된 방법의 바람직한 실시예에서는 스펙트럼 범위의 선택을 위하여, 상이한 파장(즉, 파장 범위(스펙트럼 범위))의 필터들이 구비된다. 이들 필터는 전자기 복사선의 등록(즉, 영상의 기록)과 동기되어 동작하는 필터 전환기를 이용하여 기록 장치의 상류 측에서 변경 또는 교체된다. 이 수단에 의해서, 기록 장치의 전체 센서 작용 영역에 걸쳐서 임의의 스펙트럼 범위를 유연하게 선택할 수 있다. 여기서는, 적절한 필터를 이용하여서 파장 범위의 대역폭을 선택적으로 선택할 수 있다.

편의상, 필터 전환기(filter changer)에는 필터 가이드가 포함될 수 있는데, 이 필터 가이드에는 다양한 필터가 수용되고 기록 장치에 상대적으로(즉, 기록 장치의 광학계에 상대적으로) 이동될 수 있어서, 발광 상태로 여기된 물체를 기록 장치의 광학계가 각각 다른 필터를 통해서 관측 및 기록할 수 있도록 한다.

본 발명에서 제안된 방법의 바람직한 응용에 있어서, 검사는 800 nm 내지 1800 ㎚ 사이의 파장 대역을 커버할 수 있는데, 근적외선 범위로 지정된 이러한 파장 범위는 기본적으로 적절한 필터를 선택함으로써 검출할 수 있다. 이 스펙트럼 범위는 예를 들어 광전 기재(photovoltaic substrate)의 검사에 특히 적합하다. 본 발명에서, 적어도 두 개의 기록을 위한 근적외선 영역을 커버하는 데 적합한 필터들은, 예를 들어, 약 1150 nm 근방의 하나의 파장 범위와, 약 1500 nm 근방의 다른 파장 범위를 커버할 수 있다. 따라서, 1150 nm의 저역 통과 필터와 1500 nm의 고역 통과 필터가 사용될 수 있다. 필터의 대역폭은, 예를 들어, 한 필터에서는 약 900~1150 nm의 파장 범위가 통과하고 다른 필터에서는 약 1300~1600 nm의 파장 범위가 통과하도록 설정될 수 있다. 따라서 해당 기록들은, 두 개의 상이한 파장 범위에서의 거동에 관련된 그들의 정보 내에서 서로 보완(complement)된다. 이에 의해서, 광전 기재에서 실제로 발생하는 결함의 유형들을 명확하게 구별하고 이에 따라 분류하는 것이 가능해진다.

이상은, 두 개 이상의 필터를 사용하는 경우에도 마찬가지인데, 이 경우에는, 다양한 필터의 파장 범위가 완전하게 분리되도록 그리고/또는 부분적으로 중첩되도록 설계할 수 있다. 원칙적으로, 훨씬 더 많은 상이한 파장 범위를 선택적으로 조사(investigate)하는 경우에는, 물론, 보다 많은 필터를 사용하여서 결함 유형들을 한층 더 세밀하게 식별할 수 있다. 이것도 또한 본 발명의 과제 해결수단인 것이며, 이는 특히, 시간이 특별하게 중요하지 않은 응용에 적용할 수 있다.

한편, 본 발명에서 제안된 방법을 생산 공정 중에 온라인으로 적용한다면, 통상, 검사 시간이 줄어 들어서 제조 공정이 검사에 의해 방해되지 않는다. 이 경우에는 파장 범위가 다른 두 개의 상이한 영상의 기록만으로도 종래 기술에 비해서 품질상의 분명한 개선이 가능해진다. 종래 기술에서는 보통, 태양 전지의 최고 발광 영역에서 소수의 감응 센서를 사용하여서 800~1100 nm 파장 범위의 하나의 기록을 커버할 뿐이다.

본 발명에서 제안된 방법의 특히 바람직한 변형예에 따르면, 전체 검사 속도를 증가시키기 위해, InGaAs 카메라(인듐-갈륨-비소 카메라)를 기록 장치로서 사용하도록 구성된다. 일반적인 Si 카메라와 달리, InGaAs 카메라는 약 800 nm 내지 2000 ㎚ 사이의 파장의 단파장 적외선(SWIR) 범위에서 크게 향상된 감도를 갖는다. 크게 향상된 감도에 의해서 영상 기록 시간이 단축되며 신호대잡음비가 개선되어서, 한편으로는 기록을 위한 검사 기간이 대폭 단축되고 다른 한편으로는 기록의 품질이 향상된다.

발광 상태로 여기된 물체, 특히, 태양 전지의 두 가지 영상을 기록함으로써, 검사 속도가 크게 증가될 수 있으며, 통상의 제조 공정에 적용할 수 있다. 많은 응용에서는, 발광 상태로 여기된 물체의 2개 기록보다 많은 기록, 구체적으로 3개 내지 5개 기록을 할 수 있는 가능성이 열려 있는데, 이로써 결함을 한층 더 세밀하게 분석 및 분류할 수 있게 된다.

본 발명에서 제공된, 특히 바람직하게 제공된 기록 영상의 평가에 따르면, 물체의 영상에서 가능 결함(possible fault)을 결함 후보(fault candidate)로서 확인(식별)하는 것이 가능한데, 이는 기록된 영상(기록 영상), 즉, 발광 영상으로부터 무결함 발광 영상을 재구성(reconstruct)하고, 기록 영상과 재구성된 발광 영상 간의 차를 구성함으로써 가능하다. 이러한 차 구성(difference formation)에 의해서 영상의 비전형적 구조가 자동으로 가능 결함 후보(possible fault candidate)로서 남게 된다.

본 발명의 개념에 따르면, 확인된 결함 후보들(이들은 본 발명의 방법에 의해 확인될 수도 있고 다른 방식으로 확인될 수도 있음)이 첫 번째 평가대상 영상의 스펙트럼 범위와 다른 스펙트럼 범위로 기록된 다른 영상에서 평가되도록 구성할 수 있다. 물론 하나의 다른 영상 대신에, 추가로 상이한 스펙트럼 범위를 갖는 다수의 추가 영상을 평가의 기준으로 사용할 수 있다(필요시에). 이 절차는 다른 범위에서의 평가를 가속시킨다. 왜냐하면 평가되어야 할 것이 바람직한 범위들은 이미 첫 번째 영상에서 뚜렷한 특징을 보였던 것들이기 때문이다. 다양한 영상을 사용함으로써, 결함 후보들 및 개별 결함 후보에 관련된 정보를 수집하여서 본 발명에 따른 결함 분류 프로세스로 전달할 수 있다. 이는 영상 처리(이미지 프로세싱) 기법에서처럼, 기록 장치에 연결된 컴퓨팅 유닛에서 실행될 수 있다.

특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 첫 번째 영상으로부터 결정된 결함 후보들은 두 번째 영상으로 전달된다. 결함 후보들이 첫 번째 영상에서 나타나지 않았고 두 번째 영상에서 발생한다면, 이들은 가용한 임의의 추가 영상으로 전달되거나, 최종 결함 처리의 일종인 결함 분류 프로세스로 전달된다. 반면에 다음(두 번째) 영상에서 이전의(첫 번째) 영상으로부터의 결함 후보를 확실하게 배제할 수 있다면, 이 결함 후보를 다른 추가 영상에서 추가로 조사해야 할 필요는 없다. 이 절차는 임의의 개수의 영상에 상응하게 적용할 수 있다.

결함, 특히, 분류된 결함(해당되는 경우에는 결함 등급으로 융화됨)의 발생을 취합하여 시간 경과에 따른 공간상 결함 분포(즉, 결함 빈도 분포)로 나타내는 것은 특히 더욱 이득이 된다. 이는 공정상 결함(process fault)을 조기에 검출할 수 있도록 해준다. 개별 결함의 분류는 인공 지능 방법을 사용하여 수행할 수 있는데, 이때에는, 연구되고 분류된 결함 유형의 데이터베이스의 한 예를 그 기준으로 사용할 수 있다. 분류의 결과, 영상에서 확인된 후보들을, 흠집(flaw) 또는 균열(crack), 회로단락(short-circuits), 핑거 침입(finger intrusion), 직렬 저항(series resistances), 어두운 영역(dark regions), 비활성 영역(inactive regions), 소성 결점(firing defect), 전위(dislocation), 핫 스팟(hot spots), 긁힘(scratch), 또는 외곽선 결점(contour defect) 등의 결함 유형으로 범주화할 수 있다.

다양한 품질 등급으로의 태양 전지의 전기적 분류를 예측하기 위하여 품질 기준 집합(모음)을 사용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 그리고 제안된 방법의 특히 바람직한 응용에 따르면, 검사를 시행하기 전에(예를 들어 최초 설치시에 장치를 설정한 후에) 또는 다른 제품으로 전환할 때에, 선명도(sharpness), 기하형상(geometry)/해상도(resolution), 및/또는 불명료(obscuration)에 대하여 기록 장치의 교정(calibration)을 실행하도록 구성할 수 있다. 특히 이 교정은 프로그램의 제어하에, 자동으로 또는 사용자의 관여에 의해서 실행될 수 있다.

특히 바람직한 선명도 조정을 위해서, 다수의 직사각형 영상 영역의 콘트라스트와 표준 편차가 선명도를 기술하는 데 사용된다. 사용자는, 예를 들어, 물체의 한쪽 끝 위치에서 다른 쪽 끝 위치로의 선명도 조정을 수동 또는 자동으로 천천히 진행하도록 프로그램에 의해 요청받을 수 있다. 프로그램은 최적의 선명도 값을 저장하고 있으며, 선명도 조정이 너무 빨리 진행되는 경우에는 오류 메시지를 출력한다(해당 사항이 있는 경우). 2단계로, 사용자는 상기 프로세스를 반복하도록 요구받는데, 이와 동시에 응용 프로그램(애플리케이션)은 현재 달성된 선명도를 최상의 저장된 선명도 값과 비교하고, 최상의 선명도 지점에 도착함을 알리고, 그리고/또는 그 이상의 조정을 자동으로 정지한다. 또는 대안적으로, 이는 전혀 사용자의 관여없이 제어 시스템에 의해 실행될 수 있다.

기하형상 교정의 상황에서는, 해상도 정보를 적용하기 위해 구성 파일(configuration file)이 수정된다. 이것은 자동으로 또는 사용자에 의해 수행될 수 있다. 이를 위해, 교정의 상황에서, 교정 대상(calibration target)의 도움으로 평균 재현율(해상도)이 계산되는데, 이때에 특정 파라미터가 자동으로 적용되거나, 또는, 산출된 재현율이 원하는 조건에 상응하지 않는 경우에는, 가능한 결함원(예컨대, 더러운 대상(dirty target), 또는 물체 평면과 카메라 사이의 부정확한 거리)이 제안사항(suggestions)으로서 출력된다.

또한, 교정의 상황에서 불명료 영상(obscured image)을 계산할 수 있는데, 여기서 가시적으로 나타나는 불명료성은 주로 카메라 렌즈의 불명료성에 의해서 일어난다. 불명료 영상의 생성을 위한 간단한 방법은 조도 곡선을 이용하는 것인데, 이 조도 곡선은 렌즈 제조자가 제공해주며 영상의 중심으로부터 가장자리로의 영상 휘도의 백분율 감소를 나타내는 것이다. 영상의 중심점과 광축을 정렬하기 위하여 적절한 옵셋을 사용할 수 있다.

이러한 렌즈 정보를 입수할 수 없다면, 본 발명에서는 공간상 셀의 영상을 기록할 수 있다. 그 다음에, 학습 데이터집합(training dataset)을 이용하여 다수의 무작위 지점들로부터 모델을 학습시켜서, 위치 (X,Y)와 명도를 특정한다. 여기서 학습 집합은 물체의 영상 지점들로만 구성되어 있다. 이 학습 집합을, 발광의 고유 효과(가령, 셀의 가장자리에서 광방출량이 더 낮음)를 고려하여서 추가적으로 필터링할 수 있다. 그 다음에, 이 모델을 사용하여 불명료 영상을 생성할 수 있다.

본 발명에서 제안된 방법은 단결정, 준 단결정, 또는 다결정의 Si 태양 전지 또는 태양광 모듈, 박막 태양 전지 또는 박막층, 및/또는 집속형 태양 전지(CPV: concentrating photovoltaics)(즉, 렌즈, 예를 들어 프레넬 렌즈(Fresnel lens)에 의해 입사광(태양 복사선)이 집속되는 태양 전지)의 검사에 특히 적합하다.

따라서 본 발명은 또한, 발광가능 물체, 예를 들어, PN 반도체, 특히, 태양 전지 또는 태양광 모듈의 전계발광 및/또는 광발광을 여기시키기 위한 장치를 갖는, 이 발광가능 물체의 전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 장치를 제공한다. 특히, 전계발광을 여기시키는 장치는 전력 또는 전압 공급 장치 또는 전기장 등을 생성하는 장치일 수 있다. 특히, 광발광을 여기시키는 장치는 조광 장치(illumination device)일 수 있다.

본 발명에 따른 장치는 기록 장치를 포함하며, 특히 물체를 붙잡고 필요시에 물체를 이송시키기 위한 이동가능한 물체 홀더를 포함한다. 물체 홀더는, 예를 들면, 컨베이어 벨트일 수 있다. 또한, 장치를 제어하고 상기 기록 장치에 의해 기록되는 발광 상태로 여기된 물체의 영상을 평가하기 위해 컴퓨팅 유닛이 구비된다. 본 발명에 따르면, 상이한 스펙트럼 범위의 적어도 두 개의 필터를 갖는 기록 장치와 물체 사이에 필터 전환기가 배치된다. 이들 상이한 필터들은 각각의 필터를 통해서 기록 장치에 기록될 수 있도록 기록 장치의 상류 쪽에 위치한다.

상술한 방법을 실행하기 위한 컴퓨팅 유닛 또는 그 일부분에는, 컴퓨팅 유닛에서 실행될 때에 본 발명의 방법을 실행하는 적합한 프로그램 코드 수단이 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 기록 장치는 대략 800 내지 2000 nm 파장의 단파장 적외선 영역에서 감지 영역을 갖는 InGaAs 카메라인 것이 특히 바람직할 수 있다 .

바람직한 응용에서, 한 필터는 1150 nm 근방의 파장 대역에서 선택되고 다른 필터는 1150 nm 근방의 파장 대역에서 선택되도록 구성된다. 즉, 필터가 전자기 복사선이 통과할 수 있는 이들 파장 부근에서 적절한 스펙트럼 범위를 갖도록 구성된다.

제안된 방법을 이용하여서, 다중 스펙트럼의 이중 발광 영상의 취득 및 물체, 특히 태양 전지 또는 태양광 모듈의 검사가 800 nm 내지 1800 nm 사이의 다양한 파장에서의 광전 기재의 전이 에너지의 상황에서 제안된다. 다양한 파장 범위를 선택하기 위하여, 고속용의 다수의 필터(적어도 두 개)를 포함하는 자동 필터 전환기를 설명하였다. 이 필터 전환기는 기록 장치와 동기화되도록 조정될 수 있다.

본 발명의 다른 추가적인 이점, 특징, 및 응용은 이하의 실시예 및 도면의 설명으로부터 알 수 있게 된다. 여기서, 모든 기재된 사항 및/또는 도시된 특징들은 그 자체로 또는 임의의 조합으로서 본 발명의 기술 주제를 구성하는바, 이는 또한, 상술한 특허청구범위의 요약 또는 참고문헌과는 무관하다.

도 1은 실시예의 바람직한 형태에 따른 전계발광 검사의 목적을 위한 장치의 개략적인 구조를 도시한다.
도 2는 도 1에 따른 장치에 의한 영상 캡처 과정을 간략하게 나타낸다.
도 3a는 제1 스펙트럼 범위에서 도 1의 장치로 캡처한 영상을 나타낸다.
도 3b는 제2 스펙트럼 범위에서 도 1의 장치로 캡처한 영상을 나타낸다.
도 4a는 제1 스펙트럼 범위에서 도 1의 장치로 캡처한 영상을 나타낸다.
도 4b는 제2 스펙트럼 범위에서 도 1의 장치로 캡처한 영상을 나타낸다.
도 5a는 도 1의 장치에 기록된 영상을 도시한다.
도 5b는 도 4a의 영상에서 재구성된 무결함 발광 영상을 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따라 구성된 결함 분포(빈도 분포)를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 실시예의 바람직한 형태를 나타내는 것으로, 발광가능 물체(2)의 전계발광 검사 장치(1)를 나타낸다. 이 예에서 발광가능 물체는 태양 전지이다. 컨베이어 벨트로서 설계되고 생산 라인에 배치되는 이동가능한 물체 홀더(3) 위에서, 물체(2)(태양 전지)는 기록용 암실(4) 속으로 안내되어 이 물체를 전계 여기시키는 장치(5)에 연결된다. 이를 위해, 접촉 부재(6)가 기록용 암실(4) 내에 구비된다. 이는 태양 전지(2)의 두 면, 즉, P층 및 N층에 각각 접촉되고 에너지 공급 장치(7)를 통해서 태양 전지(2)의 PN 접합에 접합 전압을 여기시켜서, 태양 전지(2)에서 - 실제적인 광전 효과의 역작용으로써 - 전자기 복사선(8)이 방출되도록 한다.

이 응용에서, 전자기 복사선(8)은 대략 800 nm 내지 1800 nm 파장 범위의 적외선을 띤다. 이 전자기 복사선(8)은 기록 장치(9)에 의해 기록되는데, 이 기록 장치는 InGaAs로 된 면상 스캔 카메라이며 특히 약 800 nm 내지 2000 nm 파장 범위에서 높은 감도를 갖는 것이 특히 바람직하다. 기록 장치(9)에 의해 기록된 영상은 컴퓨팅 유닛(10)으로 전달된다. 컴퓨팅 유닛은 전체 기록 과정을 제어하고, 기록된 영상을 이하에서 상세히 설명하는 방식으로 평가한다.

태양 전지(2)의, 즉, 태양 전지에서 방출된 광(8)의 기록을 상이한 스펙트럼의 영상으로서 선택적으로 생성할 수 있도록 하기 위하여, 두 개의 필터(11, 12)가 기록 장치(9)의 상류 측에 배치된다. 예를 들어 컴퓨팅 유닛(10)에 의해 제어되는 기록 장치(9)와 동기화되는 자동 필터 전환기(13)가, 기록 장치(8)의 앞에 필터(11) 또는 다른 필터(12)를 위치시킨다. 이를 위해, 자동 필터 전환기(13)는, 예를 들어 미광(표류광)을 차단하는 역할을 하기도 하는 프레임(14) 상에서 기록 장치(9)와 동기화되어서 이동될 수 있다.

이 장치(1)에서, 적어도 두 개의 영상이 본 발명에 따른 방식으로 상이한 스펙트럼 범위로 기록된다. 이를 위해, 필터 11은 대략 1150 nm 스펙트럼 범위의 저역 통과 필터일 수 있고 필터 12는 대략 1500 nm 스펙트럼 범위의 고역 통과 필터일 수 있다. 이로써, 상이한 에너지 전이(energy transition)에서 일어나는 발광량을 측정하기 위하여 상이한 파장의 낮은 스펙트럼 및 높은 스펙트럼 영상을 기록할 수 있다.

도 2는 태양 전지(2)의 구조와 영상 기록 프로세스를 개괄적으로 나타낸다. 태양 전지(2)는, 소수 전하 캐리어가 반도체의 일면에 배열되는 PN 반도체(15)이다. 소수 전하 캐리어를 도 2에 작은 원으로 표시하였다.

반도체(15)에는 반사 방지용 SiO₂ 층(16)이 위치하며 여기에 전면 접촉부(17)를 구성하는 도전 선로가 덮여 있다. PN 반도체(15)의 이면에는 후면 접촉부(18)가 위치한다. 태양 전지(2)에 빛이 입사되면, 소수 전하 캐리어들이 반도체(15) 내에서 확산하여서 전류를 발생하여 전류 회로(19)가 폐회로가 되어서 전류가 흐르게 된다.

전계발광 검사의 경우에는 이러한 프로세스가 역으로 이루어진다. 전면 접촉부(17)와 후면 접촉부(18) 사이에 전압이 인가되면 전하 캐리어가 확산하고 도 1에 도시된 바와 같이 전자기 복사선(8)이 방출된다. 이 과정을 도 2에서 네모 박스로 표시하였다. 그 결과, 기록된 발광 영상(20)을 얻게 된다.

도 3a는 저역 통과 필터로 기록된 두 가지의 태양 전지(2) 발광 영상(21)을 나타내는데, 각각 흰색 화살표로 나타낸 어두운 화소가 나타나고 있다. 이들은 태양 전지(2) 내에 있을 수 있는 가능 결함을 나타낸다. 도 3a의 오른쪽에 도시한 도 3b에 있는 영상은 각각의 경우 모두 동일한 태양 전지(2)의 고역 통과 필터로 기록된 영상(22)이 있다. 이들 영상은 전체적으로 상당히 어두운 구조를 가지며, 화살표로 나타낸 지점에서 도 3a의 영상(21)으로부터의 결함 후보들을 체크하는 것이 가능하다.

상단에 있는 영상 사진(22)은 뚜렷한 특징을 보여주지 못한다. 반면에, 하단의 영상 사진에서는 도 3a에 있는 결함 후보의 영역이 도 3b에도 또한 특히 어두운 화소로 검출될 수 있다. 이는 공정상 결함(process fault)을 나타내는 것이다.

따라서, 각 개별 영역의 명도 및 형태에 관련된 적절한 정보로부터, 각종 결함에 관한 확실한 결론을 도출하는 것이 가능하다. 도 3b의 영상(22)에 있는 밝은 영역들은 강한 전자 수집부(electon collector)(깊은 트랩; deep trap)를 나타낸다.

도 4a 및 도 4b는 태양 전지(2)로부터 제1 스펙트럼 범위에서 기록된 영상(21)과 제2 스펙트럼 범위에서 기록된 영상(22)의 또다른 두 가지의 예시 영상을 나타낸다. 첫 번째 영상(21)은 약 900 nm 내지 1150 nm 사이의 제1 스펙트럼 범위에서 기록된 영상으로서, 다양한 결점 후보들이 검은 점이나 선으로 나타나 있다. 이들 영역은 예를 들어 이하에서 상세히 기재한 것과 같이 식별되며, 두 번째 영상(22)에서 보다 자세한 조사가 이루어진다. 두 번째 영상(22)은 1350 nm 내지 1600 nm 사이의 스펙트럼 범위에서 기록된 것이다. 첫 번째 영상(21)의 스펙트럼 범위에서는 결함이 어둡게 나타나며 그 명도가 낮지만, 두 번째 영상(22)에서는, 공정상 결함이 아닌 재료로부터 기인한 재료 결점(material defect)(예를 들어, 전위(dislocation))가, 결점 영역에서 나타나는 것처럼 밝게 나타난다. 영상 22에서 밝게 나타나는 이러한 결점은 재료로부터 기인한 것이며, 태양광 모듈의 품질과 효율에 대한 손상으로 보지 않는바 결함 후보 목록에서 삭제할 수 있다. 단, 이는, 상이한 스펙트럼 범위를 갖는 적어도 두 개의 영상을 사용하는 본 발명 방법의 결과로서만 가능하다.

InGaAs 카메라를 추가로 사용함에 의해서, 노출 시간(exposure time)을 5 ms까지 감소시키는 것이 가능하다(참고로, 당해 기술분야에서의 기존의 장비에서는 노출 시간이 500 ms임). 또한 기존 장비의 경우에는, 다수의 해상도가 요구되기 때문에 판독 시간(readout time)이 250 ms로 비교적 길다. 본 발명 장치에 있어서는, 기록 장치(9)로 InGaAs 카메라를 이용할 때의 판독 시간이 대략 33 ms로 감소될 수 있다. 카메라(기록 장치(9))의 회복 시간(recovery time)은 전형적으로, 기존 장치의 경우의 영상당 750 ms와 비교하여 40 ms 미만이다.

약 100 ms의 필터 전환 시간에도 불구하고 그리고 비록 태양 전지당 두 개의 영상을 기록하는 데도 불구하고, 본 발명의 장치에 의해서 시간당 약 3600개의 태양 전지를 검사할 수 있다. 기존의 장치는 태양 전지당 하나의 영상을 취득하면서도 시간당 1400개 정도의 태양 전지를 검사할 수 있을 뿐이다.

다수 영상을 파장에 따라 선택함으로써, 결함 검출율이, 종래 시스템에서는 2%보다 높은 것에 비해, 0.2% 미만으로 크게 줄어들 수 있다, 특히, 본 발명 장치의 기록 시간이 짧을수록 태양 전지(2)가 단시간 동안 전계발광 상태로 여기되기만 하면 되므로, 기록시에 태양 전지(2)에 가해지는 스트레스가 적어진다.

특히 태양 전지(2)에서, 가시적 또는 비가시적 흠 또는 균열, 회로 단락, 핑거 침입, 직렬 저항, 어두운 영역, 비활성 영역, 소성 결점, 위치이동, 핫스팟, 긁힘(스크래치), 외곽선 결점 등과 같은 결함들을 판단할 수 있다. 나아가, 모듈의 전기적 분류의 예측성, 즉, 품질 등급을 결정할 수 있다.

도 5a 및 5b는 영상 20, 21, 22에서 가능 결함 후보들의 위치를 찾기 위한 특히 바람직한 선택적 방식(옵션)을 예시한다. 도 5a에 도시된 기록된 영상(20)에서는 결함 후보를 구성하는 검고 길게 연장된 구조체가 검출된다. 이를 흰색 화살표로 나타내었다. 이 결함의 위치를 특히 간단하게 찾을 수 있도록 하기 위하여, 본 발명은 기록 영상(20)으로부터 계산된 무결함의 발광 영상(23)을 제공한다. 영상 평가의 상황에서, 무결함의 재구성된 발광 영상(23)으로부터 기록된 발광 영상(20)을 빼면(subtract), 그 결과로, 가능 결함 결점 영역이 자동으로 표시된다. 첫 번째 기록 영상으로부터의 이들 가능 결함 영역을, 다른 필터(11, 12)를 써서 기록된 두 번째 영상 및 다른 추가 영상에서 추가로 평가함으로써 결함이 있는지, 그리고 필요시에는 어느 결함이 존재하는지를 정확하게 판단할 수 있다.

본 발명에 따르면, 특히 바람직한 방법 순서에 따라, 위치 찾기 및 분류 프로세스를 다음과 같이 다섯 단계로 수행할 수 있다.

제1단계에서는 영상 처리(이미지 프로세싱) 기술을 사용하여 간단한 광학 보정을 행하는데, 구체적으로는, 불명료(obscuration) 보정, 왜곡(distortion) 보정, 및/또는 다양한 디지털 영상 처리 필터를 적용할 수 있다.

그 다음 두 번째 단계는, 조사되지 않아야 할 영상의 영역 - 구체적으로, 영상의 배경과 모선(busbar)의 형태를 갖는 것들 - 을 제거하기 위한 단계이다.

세 번째 단계에서는, 제1영상(21)으로부터 가능 결함 후보들이 결정되고 지정된다(도 3a, 4a). 구체적으로, 첫 번째 영상은 대부분의 불균일성이 어두운 영역으로 식별될 수 있는 이른바 근적외선 영역(약 900 ~ 1150 nm 파장)에서 기록된 형태를 취할 수 있다. 이를 위해, 전술한 바와 같이, 무결함 발광 영상(23)을 기록 영상으로부터 재구성한다.

이 목적을 위해, 푸리에 변환을 이용하여 기록 영상(20)로부터 스펙트럼 영상을 생성하는데, 여기서 결함 후보들은 특정 주파수에 지정(할당)될 수 있다. 이러한 가정된 결함들은, 스펙트럼 영상으로부터 이들 주파수 성분을 제거함으로써 제거된다. 그 다음에, 스펙트럼 영상을 역 푸리에 변환을 이용하여 다시 광학 영상으로 변환시키면, 이 광학 영상은 재구성된 무결함 발광 영상을 나타낸다. 기록 영상(20)을 발광 영상(23)으로부터 화소 단위로 뺀다. 사전 설정된 임계값을 초과하는 그레이값 차가 있는 영역을 결함 영역으로 또는 결함 후보로 분류한다.

네 번째 단계에서, 이들 결함 영역 또는 결함 후보를 다른 스펙트럼 범위의 영상으로 전달하고 그 영상에서 체크한다. 여기서 두 번째 또는 또다른 추가 영상의 스펙트럼 범위는 세 번째 단계에서 조사한 첫 번째 영상보다 긴 파장을 갖는 것이 바람직하다. 이 단계에서, 일부 결함 후보들은, 예를 들어 두 번째 영상에서 밝은 화소로 나타나는 위치이동 결함인 것으로 확인(식별)될 수 있다. 네 번째 단계가 끝날 때 이들 영상은 결함 후보들의 목록에서 삭제될 수 있다.

마지막 다섯 번째 단계에서는, 나머지, 즉, 제거되거나 삭제되지 않은 결함 후보들을 결함 분류 프로세스로 전달하여, 여러 영상에서 수집된 정보에 기초하여 결함을 분류하고 이에 따라 결함을 정의한다.

도 6은 최종적으로, 시간이 지남에 따라 누적되는 결함의 공간상 분포로써, 태양 전지(2)의 특정 영역에서의 결함의 빈도 분포(결함 분포)를 나타내는 것이다. 어두운 영역은 결함이 없거나 결함이 적은 곳을 나타내고, 밝은 영역은 중간 수준의 결함 빈도를 나타내며, 재차 어두워지는 영역은 특히 100% 근방의 높은 결함 빈도를 나타낸다. 빈도 분포에서 회색의 채색의 명확성이 떨어지는 것은 도면을 흑백으로 재현했기 때문에 그런 것이다. 실제 조건에서는, 도면에서 명확한 결함 빈도를 나타낼 수 있도록 다양한 색채를 사용할 수 있다.

빈도 분포(24)는, 이 빈도 분포(24)에 표시된 흰색 화살표의 영역에서 상대적으로 가장 큰 결함 빈도를 나타내고 있다. 이것은, 여기에 시스템상의 공정상 결함이 있을 수 있음을 나타내는 것이다.

1: 전계발광 검사 장치
2: 발광가능 물체, 태양 전지
3: 물체 홀더
4: 기록용 암실
5: 전계발광 여기 장치
6: 접촉 부재
7: 에너지 공급 장치, 전압 공급 장치
8: 전자기 복사선, IR 광
9: 기록 장치
10: 컴퓨팅 유닛
11: 제1 스펙트럼 범위의 필터
12: 제2 스펙트럼 범위의 필터
13: 자동 필터 전환기
14: 프레임
15: PN 반도체
16: 반사 방지용 SiO₂ 층
17: 전면 접촉부
18: 후면 접촉부
19: 전류 회로
20: 기록된 발광 영상
21: 저역 통과 필터로 기록된 발광 영상
22: 고역 통과 필터로 기록된 발광 영상
23: 무결함 발광 영상
24: 결함의 빈도 분포

Claims

발광가능 물체(2)의 전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 방법에 있어서,
상기 발광가능 물체(2)가 전자기 복사선(8)을 방출하도록 전압 인가 및/또는 광 조사에 의해서 여기되고,
상기 전자기 복사선(8)은 광학 기록 장치(9)에 의해 등록되며 영상(20, 21, 22)으로서 출력되고,
상기 영상(20, 21, 22)을 평가하여 물체(2)의 가능 결함을 결정하며,
기록 장치(9)에 의한 전자기 복사선(8)의 등록은 상이한 스펙트럼 범위의 적어도 두 개의 영상(21, 22)에서 수행되는 것을 특징으로 하는 발광가능 물체의 전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 방법.
제1항에 있어서,
상이한 파장에 대해서 스펙트럼 범위를 선택하는 필터(11, 12)가 사용되며, 상기 필터는 전자기 복사선(8)의 등록에 동기화된 필터 전환기(13)에 의해 기록 장치(9)의 상류 측에서 전환되는 것을 특징으로 하는 발광가능 물체의 전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 검사는 800 nm 내지 1800 ㎚ 사이의 파장 범위를 커버하는 것을 특징으로 하는 발광가능 물체의 전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 방법.
제1항에 있어서,
기록 장치(9)로 InGaAs 카메라가 사용되는 것을 특징으로 하는 발광가능 물체의 전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
기록된 영상(20, 21, 22)으로부터 무결함 발광 영상(23)을 재구성하고 기록된 영상(20, 21, 22)과 재구성된 발광 영상(23) 간의 차를 생성하여서, 물체(2)의 영상(20, 21, 22) 내의 가능 결함을 결함 후보로서 확인하는 것을 특징으로 하는 발광가능 물체의 전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 방법.
제5항에 있어서,
확인된 결함 후보는 또다른 추가 영상(20, 21, 22)에서 평가되는 것을 특징으로 하는 발광가능 물체의 전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
결함의 발생은 공간상 결함 분포(24) 내에 취합되는 것을 특징으로 하는 발광가능 물체의 전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
검사 전에, 선명도, 기하형상/해상도, 및/또는 불명료성에 대하여 기록 장치(9)의 교정이 실행되는 것을 특징으로 하는 발광가능 물체의 전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 단결정, 준 단결정, 다결정의 Si 태양 전지 또는 태양 광 모듈, 박막 태양 전지, 및/또는 집속형 태양 전지의 검사에 사용되는 것을 특징으로 하는 발광가능 물체의 전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 방법.
발광가능 물체(2)의 전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 장치에 있어서,
발광가능 물체(2)의 전계발광 및/또는 광발광을 여기시키는 장치(5),
기록 장치(9),
물체(2)를 고정하고 필요시에 이송시키는 물체 홀더(3),
검사 장치를 제어하고, 기록 장치(9)에 의해 기록된, 발광 상태로 여기된 물체(2)의 영상(20, 21, 22)을 평가하는 컴퓨팅 유닛(10)을 포함하며,
물체(2)와 기록 장치(9) 사이에 상이한 스펙트럼 범위의 적어도 두 개의 필터(11, 12)가 배치되며, 상기 필터(11, 12)는, 기록 장치(9)가 상기 필터(11, 12)를 통해서 물체(2)를 기록할 수 있도록 기록 장치(9)의 상류 측에 위치하는 것을 특징으로 하는 발광가능 물체의 전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 장치.
제10항에 있어서,
상기 컴퓨팅 유닛(10)은 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하는 것을 특징으로 하는 발광가능 물체의 전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 장치.
제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 기록 장치(9)는 InGaAs 카메라인 것을 특징으로 하는 발광가능 물체의 전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 장치.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
하나의 필터(11)는 1150 nm 근방의 파장 범위를 선택하고, 다른 필터(12)는 1500 nm 근방의 파장 범위를 선택하는 것을 특징으로 하는 발광가능 물체의 전계발광 검사 및/또는 광발광 검사 장치.