PECVD工艺后不良硅片检测

摘要：等离子化学气相沉积工艺是太阳能电池片制造过程中的重要环节，其SiN膜的质量直接影响着电池片的转换效率和长期可靠性。针对目前面临的检测难题，设计出硅片自动检测系统，以此来达到提高电池片质量及生产效率的目的。

等离子化学气相沉积(即PECVD)，是太阳能电池片制造过程中一道非常重要的工艺。通过使用PECVD炉子将SiH4、NH3气体进行350℃高温放电，由于热运动加剧，气体分子相互间的碰撞就会产生电离，形成自由运动并且相互作用的等离子体，等离子体沉积到硅片表面形成一层深蓝色SiN薄膜。这层SiN薄膜具有很好的光学特性，良好的膜厚和折射率可以促进太阳光的吸收，使电池片上光的反射大大减少，提高了电池片的转换效率，因此又称SiN减反射膜;由于SiN膜中含有一定比例的H原子，因此硅片表面结构致密，具有非常好的抗氧化性和绝缘性，可以阻挡金属离子及水蒸气的侵蚀，还可以耐酸碱腐蚀，因此沉积SiN膜就成为太阳能电池片制造的重要环节。

PECVD工艺沉积的SiN膜，标准膜厚为73nm±8nm、膜厚均匀呈深蓝色、折射率2.1±0.1。但是在实际生产过程中，这些指标会受PECVD工艺温度、气体流量比、气体总流量、射频功率、工艺时间等参数的影响，出现膜层薄厚不均匀、折射率不合格;还会因为某些原因产生划痕、水痕、脏污、手印、崩边、缺角等缺陷。

如果不良品流入下一道丝印工序，将导致电池片成品质量下降。为此，电池片生产线都具有检验PECVD工艺后硅片不良品的环节，并制定出相应的检验标准。检验的方法是：镀膜颜色及外观采用人工目测的方式全检;膜厚与折射率采用SWE椭圆偏振测试仪进行抽检，从不同位置等间距抽取3张硅片进行检验。即使这样，还是很难保证能够检验出所有不良品，导致电池片成品质量难以控制，成为困扰电池片制造商的大问题。为了解决这一难题，我们设计了PECVD工艺后硅片自动检测系统，成功应用在我们全自动石墨舟上下料机上，并在实际生产使用中得到客户的好评。

1检测系统功能

本系统用于对PECVD镀膜工艺后的硅片进行缺陷自动检测，包括膜厚、折射率、色斑、划痕、脏污残留、破损等不良项目。使用高分辨率相机对待检测的硅片进行成像处理，通过对比和标准硅

片图形之间的膜厚、色差、完整性等差异，判断出不良区域并加以标示，并将检测结果反馈给自动化系统。自动化系统将有缺陷的硅片自动分拣到收片盒内，从而达到分选良品及不良品的目的。检测结果会同步呈现在显示器上，方便操作人员随时查看检测结果。系统具有数据记录备份功能，当天或者多天的数据可以随时导出，方便工艺人员进行分析。

2检测系统构成

硅片自动检测系统在原有自动化设备的基础上，增加了视觉模块、工控机及显示器、IO通讯端子台、硅片抓取组件、收片盒，如图1所示。

2.1视觉模块

检测系统配备4MP高分辨率矩阵相机、高透光率镜头、白色穹顶式LED上光源、红色平板式LED下光源、设备支架及24V电源控制系统。该模块的优势在于具有高解析度相机、高覆盖性光源、LED寿命可达50000h+。

2.2工控机及显示器

检测系统配备西门子工控机及飞利浦475mm(19英寸)LED背光源液晶显示器，时时显示当前检测结果，如图2所示。良品硅片显示绿色、不良品硅片显示红色，具体不良项目会在硅片图形表面进行标示，方便操作人员查看。

2.3硅片抓取组件

硅片抓取组件由电动执行器、气缸、非接触吸盘、传感器组成，电动执行器带动非接触吸盘做往复运动，将不良品硅片从检测结果读取位置抓取到收片盒内;气缸使非接触吸盘可以上下运动，确保吸片时，吸盘与硅片之间保持合理的高度，不会造成硅片隐裂;传感器检测电动执行器到位信号及吸盘吸片完成信号，安全可靠。

3检测系统设计

3.1检测系统检测项目

针对实际生产中，PECVD工艺后硅片的缺陷情况，设计了检测系统的相关检测项目，包括崩边缺角总数、崩边缺角总面积、色斑总数、色斑总面积、片内镀膜平均厚度、片内镀膜最小厚度、边缘镀膜平均厚度、边缘镀膜最小厚度等类别，客户可以根据实际生产工艺情况进行检测范围的设置。

3.2检测系统通讯信号定义

检测系统与自动化设备之间通过数字信号的方式进行通讯，根据使用需要，定义的信号如表1所示。

3.3检测系统流程设计

检测系统动作流程，如图3所示。检测系统进入自动生产模式后，置SystemOn信号高位，以通知自动化系统准备好;自动化将硅片传送至检测系统下，置Trigger信号高位，检测系统准备抓取以及处理图片;一旦抓取到图片，Cambusy信号被置高位，当该信号在高位时，硅片不可以移动。Cambusy信号的上升沿是重置Trigger的确认信号，Cambusy信号在高位时，不可以有新的Trigger信号。当Cambusy重置后，自动化可以移进下一硅片至检测系统下，上一片的检测数据会转入后台进行处理。

一旦检测结果处理完毕，检测系统将置ResultReady信号高位，同时会给出ResultOK信号或ResultNOK信号。自动化系统收到ResultOK信号后，不做处理;收到ResultNOK信号后，将触发一次不良硅片抓取动作。一旦检测结果被读取，自动化系统将发送一个ACK确认信号，表明检测结果已经读取完成。当检测系统收到ACK信号，将重置ResultReady、ResultOK或ResultNOK信号。

4检测系统校准

准备4张指标合格的硅片作为标准片，校准的步骤是：粗调相机视野范围(保证视野范围内四个角大小一致)———第一次调焦距(FocusDegree值相对最大就是对焦正确)———细调相机视野和

相机相对皮带的位置———再次确认焦距———调节背光———调节前光———调节白平衡———检验白平衡效果———用大灰板再次确认前光源亮度在132左右———连接好前后光源，用大灰板做光分布校正———创建Background图像，BMP格式———用4张标准片做膜厚、折射率、完整性校正。

5应用效果

硅片自动检测系统自投入使用以来，严格控制了PECVD工艺后不良品流入下一道工序。数据跟踪显示，本系统检测结果准确率达99.99%，检测效率可达3600片/h以上，远高于抽检及人工肉眼检测时的准确性和效率，能够满足客户的使用要求。

6总结

PECVD工艺后硅片自动检测系统的设计，有效地解决了以往抽检及人工肉眼判断不准确带来的误差;有力地提高了电池片成品合格率及生产效率;减少了用工量，降低了人工成本及管理成本，因此投入使用后就得到了客户的充分认可与好评。硅片自动检测系统成功应用在全自动石墨舟上下料机上，提高了设备整体自动化程度，因此本检测系统的设计具有非常重要的意义。