等離子化學(xué)氣相沉積工藝后硅片檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

康冬妮

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

等離子化學(xué)氣相沉積工藝后硅片檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

康冬妮

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

等離子化學(xué)氣相沉積工藝是太陽(yáng)能電池片制造過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，其SiN膜的質(zhì)量直接影響著電池片的轉(zhuǎn)換效率和長(zhǎng)期可靠性。針對(duì)目前面臨的檢測(cè)難題，設(shè)計(jì)出硅片自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，以此來(lái)達(dá)到提高電池片質(zhì)量及生產(chǎn)效率的目的。

膜厚；折射率；缺陷；檢測(cè)

等離子化學(xué)氣相沉積（即PECVD），是太陽(yáng)能電池片制造過(guò)程中一道非常重要的工藝。通過(guò)使用PECVD爐子將SiH4、NH3氣體進(jìn)行350℃高溫放電，由于熱運(yùn)動(dòng)加劇，氣體分子相互間的碰撞就會(huì)產(chǎn)生電離，形成自由運(yùn)動(dòng)并且相互作用的等離子體，等離子體沉積到硅片表面形成一層深藍(lán)色SiN薄膜。這層SiN薄膜具有很好的光學(xué)特性，良好的膜厚和折射率可以促進(jìn)太陽(yáng)光的吸收，使電池片上光的反射大大減少，提高了電池片的轉(zhuǎn)換效率，因此又稱SiN減反射膜；由于SiN膜中含有一定比例的H原子，因此硅片表面結(jié)構(gòu)致密，具有非常好的抗氧化性和絕緣性，可以阻擋金屬離子及水蒸氣的侵蝕，還可以耐酸堿腐蝕，因此沉積SiN膜就成為太陽(yáng)能電池片制造的重要環(huán)節(jié)。

PECVD工藝沉積的SiN膜，標(biāo)準(zhǔn)膜厚為73 nm ±8 nm、膜厚均勻呈深藍(lán)色、折射率2.1±0.1。但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，這些指標(biāo)會(huì)受PECVD工藝溫度、氣體流量比、氣體總流量、射頻功率、工藝時(shí)間等參數(shù)的影響，出現(xiàn)膜層薄厚不均勻、折射率不合格；還會(huì)因?yàn)槟承┰虍a(chǎn)生劃痕、水痕、臟污、手印、崩邊、缺角等缺陷。

如果不良品流入下一道絲印工序，將導(dǎo)致電池片成品質(zhì)量下降。為此，電池片生產(chǎn)線都具有檢驗(yàn)PECVD工藝后硅片不良品的環(huán)節(jié)，并制定出相應(yīng)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。檢驗(yàn)的方法是：鍍膜顏色及外觀采用人工目測(cè)的方式全檢；膜厚與折射率采用SWE橢圓偏振測(cè)試儀進(jìn)行抽檢，從不同位置等間距抽取3張硅片進(jìn)行檢驗(yàn)。即使這樣，還是很難保證能夠檢驗(yàn)出所有不良品，導(dǎo)致電池片成品質(zhì)量難以控制，成為困擾電池片制造商的大問(wèn)題。為了解決這一難題，我們?cè)O(shè)計(jì)了PECVD工藝后硅片自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，成功應(yīng)用在我們?nèi)詣?dòng)石墨舟上下料機(jī)上，并在實(shí)際生產(chǎn)使用中得到客戶的好評(píng)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)用于對(duì)PECVD鍍膜工藝后的硅片進(jìn)行缺陷自動(dòng)檢測(cè)，包括膜厚、折射率、色斑、劃痕、臟污殘留、破損等不良項(xiàng)目。使用高分辨率相機(jī)對(duì)待檢測(cè)的硅片進(jìn)行成像處理，通過(guò)對(duì)比和標(biāo)準(zhǔn)硅片圖形之間的膜厚、色差、完整性等差異，判斷出不良區(qū)域并加以標(biāo)示，并將檢測(cè)結(jié)果反饋給自動(dòng)化系統(tǒng)。自動(dòng)化系統(tǒng)將有缺陷的硅片自動(dòng)分揀到收片盒內(nèi)，從而達(dá)到分選良品及不良品的目的。檢測(cè)結(jié)果會(huì)同步呈現(xiàn)在顯示器上，方便操作人員隨時(shí)查看檢測(cè)結(jié)果。系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)記錄備份功能，當(dāng)天或者多天的數(shù)據(jù)可以隨時(shí)導(dǎo)出，方便工藝人員進(jìn)行分析。

2 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

硅片自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)在原有自動(dòng)化設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加了視覺(jué)模塊、工控機(jī)及顯示器、IO通訊端子臺(tái)、硅片抓取組件、收片盒，如圖1所示。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 視覺(jué)模塊

檢測(cè)系統(tǒng)配備4MP高分辨率矩陣相機(jī)、高透光率鏡頭、白色穹頂式LED上光源、紅色平板式LED下光源、設(shè)備支架及24 V電源控制系統(tǒng)。該模塊的優(yōu)勢(shì)在于具有高解析度相機(jī)、高覆蓋性光源、LED壽命可達(dá)50 000 h+。

2.2 工控機(jī)及顯示器

檢測(cè)系統(tǒng)配備西門子工控機(jī)及飛利浦475 mm（19英寸）LED背光源液晶顯示器，時(shí)時(shí)顯示當(dāng)前檢測(cè)結(jié)果，如圖2所示。良品硅片顯示綠色、不良品硅片顯示紅色，具體不良項(xiàng)目會(huì)在硅片圖形表面進(jìn)行標(biāo)示，方便操作人員查看。

圖2 檢測(cè)結(jié)果顯示

2.3 硅片抓取組件

硅片抓取組件由電動(dòng)執(zhí)行器、氣缸、非接觸吸盤、傳感器組成，電動(dòng)執(zhí)行器帶動(dòng)非接觸吸盤做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將不良品硅片從檢測(cè)結(jié)果讀取位置抓取到收片盒內(nèi)；氣缸使非接觸吸盤可以上下運(yùn)動(dòng)，確保吸片時(shí)，吸盤與硅片之間保持合理的高度，不會(huì)造成硅片隱裂；傳感器檢測(cè)電動(dòng)執(zhí)行器到位信號(hào)及吸盤吸片完成信號(hào)，安全可靠。

3 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)項(xiàng)目

針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中，PECVD工藝后硅片的缺陷情況，設(shè)計(jì)了檢測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)檢測(cè)項(xiàng)目，包括崩邊缺角總數(shù)、崩邊缺角總面積、色斑總數(shù)、色斑總面積、片內(nèi)鍍膜平均厚度、片內(nèi)鍍膜最小厚度、邊緣鍍膜平均厚度、邊緣鍍膜最小厚度等類別，客戶可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝情況進(jìn)行檢測(cè)范圍的設(shè)置。

3.2 檢測(cè)系統(tǒng)通訊信號(hào)定義

檢測(cè)系統(tǒng)與自動(dòng)化設(shè)備之間通過(guò)數(shù)字信號(hào)的方式進(jìn)行通訊，根據(jù)使用需要，定義的信號(hào)如表1所示。

表1 通訊信號(hào)定義

3.3 檢測(cè)系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)動(dòng)作流程，如圖3所示。檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)生產(chǎn)模式后，置SystemOn信號(hào)高位，以通知自動(dòng)化系統(tǒng)準(zhǔn)備好；自動(dòng)化將硅片傳送至檢測(cè)系統(tǒng)下，置Trigger信號(hào)高位，檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)備抓取以及處理圖片；一旦抓取到圖片，Cambusy信號(hào)被置高位，當(dāng)該信號(hào)在高位時(shí)，硅片不可以移動(dòng)。Cambusy信號(hào)的上升沿是重置Trigger的確認(rèn)信號(hào)，Cambusy信號(hào)在高位時(shí)，不可以有新的Trigger信號(hào)。當(dāng)Cambusy重置后，自動(dòng)化可以移進(jìn)下一硅片至檢測(cè)系統(tǒng)下，上一片的檢測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)轉(zhuǎn)入后臺(tái)進(jìn)行處理。

一旦檢測(cè)結(jié)果處理完畢，檢測(cè)系統(tǒng)將置ResultReady信號(hào)高位，同時(shí)會(huì)給出ResultOK信號(hào)或ResultNOK信號(hào)。自動(dòng)化系統(tǒng)收到ResultOK信號(hào)后，不做處理；收到ResultNOK信號(hào)后，將觸發(fā)一次不良硅片抓取動(dòng)作。一旦檢測(cè)結(jié)果被讀取，自動(dòng)化系統(tǒng)將發(fā)送一個(gè)ACK確認(rèn)信號(hào)，表明檢測(cè)結(jié)果已經(jīng)讀取完成。當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)收到ACK信號(hào)，將重置ResultReady、ResultOK或ResultNOK信號(hào)。

4 檢測(cè)系統(tǒng)校準(zhǔn)

準(zhǔn)備4張指標(biāo)合格的硅片作為標(biāo)準(zhǔn)片，校準(zhǔn)的步驟是：粗調(diào)相機(jī)視野范圍(保證視野范圍內(nèi)四個(gè)角大小一致)——第一次調(diào)焦距 (Focus Degree值相對(duì)最大就是對(duì)焦正確)——細(xì)調(diào)相機(jī)視野和相機(jī)相對(duì)皮帶的位置——再次確認(rèn)焦距——調(diào)節(jié)背光——調(diào)節(jié)前光——調(diào)節(jié)白平衡——檢驗(yàn)白平衡效果——用大灰板再次確認(rèn)前光源亮度在132左右——連接好前后光源，用大灰板做光分布校正——?jiǎng)?chuàng)建Background圖像，BMP格式——用4張標(biāo)準(zhǔn)片做膜厚、折射率、完整性校正。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)動(dòng)作流程圖

5 應(yīng)用效果

硅片自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)自投入使用以來(lái)，嚴(yán)格控制了PECVD工藝后不良品流入下一道工序。數(shù)據(jù)跟蹤顯示，本系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率達(dá)99.99%，檢測(cè)效率可達(dá)3 600片/h以上，遠(yuǎn)高于抽檢及人工肉眼檢測(cè)時(shí)的準(zhǔn)確性和效率，能夠滿足客戶的使用要求。

6 總 結(jié)

PECVD工藝后硅片自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有效地解決了以往抽檢及人工肉眼判斷不準(zhǔn)確帶來(lái)的誤差；有力地提高了電池片成品合格率及生產(chǎn)效率；減少了用工量，降低了人工成本及管理成本，因此投入使用后就得到了客戶的充分認(rèn)可與好評(píng)。硅片自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)成功應(yīng)用在全自動(dòng)石墨舟上下料機(jī)上，提高了設(shè)備整體自動(dòng)化程度，因此本檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。

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Design of Silicon Wafer Inspection System after Plasma Chemical Vapor Deposition

KANG Dongni

(The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China)

Plasma chemical vapor deposition is an important part in the manufacturing process of solar cells.The quality of SiN film directly affects the conversion efficiency and long-term reliability of solar cells.In order to improve the quality and efficiency of the battery chip，an automatic wafer inspection system is designed.

Film thickness；Refractive index；Defect；Testing

TN304.07

B

1004-4507(2017)04-0024-04

2017-05-31