СПОСОБ ТЕСТИРОВАНИЯ ЧИПОВ КАСКАДНЫХ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ Al-Ga-In-As-P И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
TESTING METHOD OF CHIPS OF CASCADE PHOTOCONVERTERS BASED ON Al-Ga-In-As-P CONNECTIONS AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для бесконтактного неразрушающего контроля качества чипов полупроводниковых фотопреобразователей (ФП), в частности солнечных элементов (СЭ). Наиболее перспективным представляется использование предлагаемого экспресс метода при разбраковке большого массива отдельных ячеек СЭ, расположенных на общей подложке.
Известен способ тестирования ФП для определения трещиноватости и других дефектов на поверхности чипов (см. патент US №4301409; МПКВ G01R 31/26, опубликован 17.11.1981). По этому способу осуществляют сканирование поверхности чипа ФП узким лазерным пучком света гелий-неонового лазера и фиксируют электрический отклик СЭ. С помощью механической контактной системы электрический сигнал снимается с этого чипа и подается на телевизионный монитор. Развертка монитора синхронизована со сканированием светового пучка по поверхности чипа и, таким образом, составляется так называемая карта поверхности ФП. По величине яркости свечения отдельных точек на этой карте судят о качестве чипа ФП. Аппаратура позволяет осуществлять сканирование поверхности не только отдельного чипа, но и множества чипов на общей подложке.
Такой способ тестирования требует использования прецизионной механической системы для подключения электрических контактов к чипу ФП, а это ограничивает долговременную надежность и достоверность измерений. Кроме того, сканирование поверхности чипа требует высокой точности и быстродействия оптической системы, а сам процесс тестирования занимает достаточно много времени.
Известно устройство для тестирования ФП (см. патент US №4301409; МПКВ G01R 31/26, опубликован 17.11.1981). Устройство включает осветитель, состоящий из лазера и оптической системы, фокусирующей лазерный пучок в точку на поверхность ФП, оптической системы сканирования этого узкого пучка по всей поверхности чипа, усилителя электрических сигналов, работающего на частоте оптического модулятора излучения лазера и, наконец, телевизионного монитора, развертка которого синхронизована с системой сканирования лазерного луча.
Недостатком известного устройства является, во-первых, применение оптической системы сканирования поверхности чипа ФП, что требует больших времен и, во-вторых, контактная механическая система съема информации.
Известно устройство для определения дефектов ФП (см. патент US №5367174; МПКВ G01N 21/88, опубликован 22.11.1994) путем визуализации картины поверхности чипа на ПЗС матрицу видеокамеры. Поверхность чипа освещают двумя источниками света: осветитель с галогеновой лампой и осветитель с лампой и двумя сменяемыми оптическими фильтрами - зеленым и красным. Угол освещения второго источника может меняться в широких пределах. Позиционирование чипов осуществляют при помощи компьютерных подвижек. Подбирают спектральный диапазон и угол падения монохроматического освещения таким образом, чтобы добиться наилучшей видимости дефектов поверхности ФП на экране монитора.
Известное устройство малопроизводительно, так как требуется значительное время на предварительную подготовку к условиям наилучшей видимости картинки дефектов.
Известен способ для визуального тестирования полупроводниковых чипов, размещенных на общем основании (см. патент US №6420705, МПК G01N 21/88, опубликован 16.07.2002). По этому способу производят равномерную засветку поверхности чипа инфракрасным излучением и визуализацию изображения этой поверхности на экране монитора. Дефекты поверхности проявляются в виде темных участков на светлом изображении поверхности всего чипа.
Недостатком известного способа является визуальное определения дефектности поверхности образца, что не дает возможности автоматизировать весь процесс.
Известно устройство для тестирования полупроводниковых чипов (см. патент US №6420705, МПК G01N 21/88, опубликован 16.07.2002). Устройство включает в себя источник ИК-излучения, выполненный в виде кольца, и ИК-камеру, расположенную по оси этого кольца на стороне, противоположной тестируемому чипу. Перед ИК-камерой находятся объектив, фокусирующий поверхность чипа на входное окно камеры, и ИК-фильтр, блокирующий излучение 2 мкм и ниже. С помощью механической системы тестируемый чип может отодвигаться или приближаться к камере, при этом объектив последней все время подстраивается на поверхность ФП. Перемещение чипа изменяет угол падения ИК-излучения на тестируемую поверхность и позволяет настроиться на максимальный контраст картины дефектов.
Недостатком известного устройства является наличие специально разработанного кольцевого источника ИК-излучения, который освещает поверхность чипа только под одним углом, что не позволяет наблюдать все дефекты без перемещения ФП. Таким образом, известное устройство требует индивидуальной настройки угла падения освещающего излучения для каждого тестируемого чипа. В результате общее время диагностики всех чипов, размещенных на общем основании, оказывается неприемлемо большим.
Известен бесконтактный способ тестирования полупроводниковых чипов (см. патент US №6847443, МПК G01N 21/88, опубликован 25.11.2005). В известном методе стробированный свет от лампы накаливания пропускают через оптический фильтр, выделяющий один из трех узких участков видимого спектра, и через световод направляют на коллиматор. Параллельный пучок света пропускают через полупрозрачное зеркало и направляют посредством глухого зеркала на исследуемую поверхность чипа под определенным углом падения. Часть излучения, отраженная от поверхности этого же полупрозрачного зеркала, направляют перпендикулярно к поверхности чипа. Кроме того, имеется возможность диффузного освещения тестируемой поверхности при установке диффузора на выходе оптического волокна (коллиматор убирается). Трехканальная камера регистрирует картинки поверхности чипа в трех диапазонах видимого спектра. Это достигается тем, что максимум спектральной чувствительности каждой из трех матриц ПЗС подобран под свой участок спектра, согласованный с характеристикой оптического фильтра. Таким образом, получают информацию о дефектах на поверхности чипа, во-первых, при освещении ее тремя различными узкими участками видимого спектра, во-вторых, под разными углами падающего света и, в-третьих, при диффузном освещении. Различные варианты освещения и их комбинации дают возможность получить информацию для широкого класса дефектов, присутствующих на поверхности полупроводниковых чипов. Полученная информация записывается на компьютер и автоматически сравнивается с информацией, предварительно полученной от калиброванных дефектов такой же поверхности. После окончания определения дефектов одного чипа компьютер автоматически подставляет следующий. Таким образом, получают карту дефектов поверхности всех чипов на пластине полупроводника.
Недостатком известного способа является то, что он основан на последовательном переборе различных вариантов освещения тестируемой поверхности, что влечет за собой значительное время определения дефектов отдельного чипа и соответственно малую производительность для большого массива чипов ФП.
Известно устройство тестирования полупроводниковых чипов (см. патент US №6847443, МПК G01N 21/88, опубликован 25.11.2005), которое состоит из осветителя с лампой, оптического фильтра, пропускающего три узких участка видимого спектра (красный, зеленый, синий), оптического волокна, коллиматора, создающего параллельный пучок света, полупрозрачного зеркала, глухого зеркала и линзы, проектирующей поверхность чипа на матрицу ПЗС камеры.
Недостатком устройства является последовательный перебор различных вариантов освещения поверхности ФП и сложная оптико-механическая конструкция, требующая периодической тонкой юстировки.
2
Известен способ для тестирования полупроводниковых чипов ФП (см. заявка US №2005/0252545, МПК Н011 31/00, опубликована 17.11.2005), включающий в себя три отдельных операции: сначала подготавливается специальная линейка из отдельных чипов, далее линейка поступает в блок, где снимаются вольт-амперные характеристики каждого из ФП и, наконец, линейка поступает в блок для получения ИК-картины каждого из чипов. Рассмотрим подробнее каждую из операций. Отдельные чипы автоматическим держателем подаются в отсек, где они с помощью раскладчика помещаются на специальную ленту, содержащую низкотемпературный припой на токопроводящем слое, причем нижняя сторона элементов становится общей шиной, а контакты верхней стороны для каждого чипа свои. Таким образом, формируется линейка из нескольких элементов, объединенных единым основанием. Эта линейка поступает в отсек, где освещается высокоинтенсивной лампой для припайки чипов и их выводов на линейку. Далее линейка СЭ поступает в блок измерения параметров и обнаружения дефектов. На первом этапе производится измерение вольт-амперной характеристики каждой ячейки, при этом все элементы линейки засвечиваются одной и той же импульсной ксеноновой лампой. На втором этапе анализируется инфракрасное поле каждой ячейки при помощи инфракрасной камеры, сфокусированной на поверхность линейки. Для нагрева каждый СЭ подключается в прямом направлении к источнику напряжения с плотностью тока 70-200 мА/см. Сравнение вольт-амперной характеристики элемента с инфракрасной картиной его поверхности дает возможность определить наличие дефектов как на поверхности, так и внутри ФП. Кроме того, возможно проводить те же измерения для всей линейки в целом, что позволяет наиболее оптимальным образом подобрать СЭ для их последующего объединения в единую систему.
Недостатком известного способа является большое время, затрачиваемое на подготовку чипов для тестирования, так как, во-первых, необходимо предварительно разрезать всю пластину с чипами ФП на отдельные элементы и, во-вторых, наклеить и термически закрепить линейку с чипами.
Известна аппаратура для тестирования полупроводниковых чипов ФП (см. заявка US №2005/0252545, МПК Н011 31/00, опубликована 17.11.2005), состоящая из контейнера, содержащего отдельные чипы ФП, раскладчика, который захватывает отдельный чип и помещает его на специальную линейку, содержащую припой, высокоинтенсивной лампы для расплавления припоя, камеры с импульсной ксеноновой лампой и измерительной аппаратурой, где снимаются вольт-амперные характеристики чипов, камеры с инфракрасным приемником и источником тока для прямого нагрева тестируемого чипа и компьютера, который записывает и сравнивает с эталонной всю получаемую информацию.
К недостаткам известной аппаратуры следует отнести наличие контактов, необходимых для снятия вольт-амперной характеристики чипа ФП и его нагрева от источника тока
Известно устройство "SAMCELL" для тестирования фотовольтаических ячеек, используемое при производстве модулей из СЭ (см. V.Diaz, E.Rodriguez, A.Cordero, M.Moreno, ISOFOTON S.A. HCPV Business Unit Severo Ochoa 50, РТА Campanillas Malaga 29590 SPAIN, Sorting of III-V concentrator solar cells as an efficient tool for CPV modules manufacturing). Устройство состоит из излучателя на импульсной газоразрядной лампе, имитирующей солнечный спектр AM1, 5D, оптического концентратора от 500 до 1200 солнц, универсального пневматического держателя, позволяющего фиксировать чипы различных размеров, механической контактной системы для присоединения выбранного чипа к соответствующей аппаратуре, двухкоординатного столика с контроллером, графопостроителя и центрального процессора. Известное устройство позволяет проводить измерения и строить графики таких параметров ФП, как вольт-амперная характеристика (ВАХ) чипа, фактор заполнения ВАХ, ток короткого замыкания, напряжение холостого хода, напряжение в точке максимальной мощности и ток в точке максимальной мощности.
В результате всех измерений строится цветная карта поверхности всей пластины с массивом чипов, на которой каждому цвету сопоставлено качество отдельной ячейки. Это возможно благодаря предварительной настройке всей установки по образцовой ячейке СЭ, откалиброванной в специальной лаборатории. Сообщается о производительности устройства до 4000 чипов в час.
Недостаток известного устройства заключается в том, что измерения производятся контактным способом с помощью прецизионных механических контактов, которые подвержены износу.
rd
Известен бесконтактный способ тестирования чипов СЭ (Manuel The, Johannes Giesecke, Martin Kasemann, Wilhelm Warta, Spatially resolved characterization of silicon as-cut wafers with photoluminescence imaging, 23 European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Valencia, Spain, 2008), который основан на регистрации фотолюминесцентного (ФЛ) изображения поверхности тестируемого образца. В соответствии с известным способом проверяемый чип засвечивают возбуждающим пучком света длиной волны 790 нм либо на отражение, либо на просвет. Объектив ПЗС камеры проектирует изображение передней поверхности тестируемого чипа на светочувствительную матрицу. Перед камерой расположен оптический фильтр, который отсекает излучение 790 нм и таким образом камера фиксирует только картину ФЛ (900-1250 нм) образца. В зависимости от того, как возбуждается образец (на отражение или на пропускание), картина ФЛ будет разная. Визуальное исследование распределения интенсивности ФЛ таких картинок по площади образца СЭ и сравнение ее с картиной ФЛ бездефектного образца, дают необходимую информацию об однородности состава, толщине, качестве и наличии дефектов эпитаксиальных слоев.
Однако известный способ является визуальным, что требует больших времен и не позволяет автоматизировать весь процесс.
rd
Известно устройство для тестирования чипов СЭ (Manuel The, Johannes Giesecke, Martin Kasemann, Wilhelm Warta, Spatially resolved characterization of silicon as-cut wafers with photoluminescence imaging, 23 European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Valencia, Spain, 2008), состоящее из лазерного диода с длиной волны 790 нм, держателя образцов, глухого зеркала, которое может быть установлено вместо образца в держатель, ПЗС камера, с возможностью фокусировки на поверхность чипа ФП и оптического фильтра, который установлен перед камерой и не пропускает излучение с длиной волны лазерного диода.
Недостатком известного устройства является визуальный способ контроля, что сопряжено с большими временами при разбраковке массивов ФП.
rd
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является способ тестирования чипов каскадных фотопреобразователей на основе Al-Ga-In-As-P с помощью электролюминесцентных измерений (Thomas Kirchartz, Anke Helbig, Martin Hermle, Uwe Rau и Andreas W.Bett "23 Europian Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 1-5 September 2008, Valencia, Spain). Известный способ-прототип включает в себя пропускание тока через исследуемый чип для возбуждения спектра электролюминесценции (ЭЛ) и исследование этого спектра с помощью Ge приемника, объединенного с монохроматором. Теоретически показано, как, используя теорему электрооптической взаимности, которая описывает связь между квантовой эффективностью СЭ и интенсивностью спектра ЭЛ, можно рассчитать индивидуальную вольт-амперную характеристику чипа и, соответственно, судить о качестве этого чипа ФП.
Недостатком известного способа-прототипа является то, что здесь использован классический метод возбуждение спектра ЭЛ - пропускание тока через исследуемый образец, то есть применена контактная система со всеми ее недостатками.
rd
Известно устройство для тестирования чипов каскадных фотопреобразователей на основе Al-Ga-In-As-P (Thomas Kirchartz, Anke Helbig, Martin Hermle, Uwe Rau и Andreas W.Bett "23 Europian Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 1-5 September 2008, Valencia, Spain), совпадающее с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип. Устройство состоит из источника постоянного тока с пределом регулировки (0,1-150) мА, оптического модулятора излучения спектра ЭЛ образца ФП, монохроматора в диапазоне (600-1800) нм, германиевого приемника излучения, электронного селективного усилителя, синхронного с частотой модуляции спектра ЭЛ, и измерителя электрического сигнала.
2
Недостатком устройства-прототипа является контактная система для возбуждения спектра ЭЛ исследуемого образца ФП, что при стандартных размерах чипов порядка 2×2 мм требует прецизионных точных механических контактов, которые требуют постоянного внимания.
Задачей заявляемого изобретения является разработка такого бесконтактного способа тестирования чипов каскадных ФП на основе соединений Al-Ga-In-As-P и устройства для его осуществления, которые бы позволили упростить процесс тестирования и сократить время, затрачиваемое на проверку отдельных чипов, что приведет к существенному снижению времени построения "карты" качества всего массива фотопреобразователей.
Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.
Поставленная задача в части способа достигается тем, что облучают участок поверхности тестируемого чипа лазерным излучением с длиной волны (0,40-0,55) мкм, направляют возникающее в необлученном участке чипа фотоэлектролюминесцентное излучение на фотоприемник, имеющий фоточувствительность к излучению с длиной волны более 0,6 мкм. Далее измеряют интенсивность фотоэлектролюминесцентного излучения и определяют качество чипа путем сравнивания измеренной интенсивности фотоэлектролюминесцентного излучения тестируемого чипа с интенсивностью фотоэлектролюминесцентного излучения эталонного чипа каскадного фотопреобразователя на основе соединений Al-Ga-In-As-P.
Поставленная задача в части устройства достигается тем, что устройство для тестирования чипов каскадных фотопреобразователей на основе соединений Al-Ga-In-As-P включает лазер с длиной волны излучения 0,40-0,55 мкм, линзу, фокусирующую излучение лазера на платформу для размещения матрицы тестируемых чипов, установленную на основании с возможностью его вращения вокруг вертикальной оси и горизонтального возвратно-поступательного перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях, объектив, оптический фильтр, пропускающий излучение с длинами волн более 0,6 мкм, и фотоприемник, фоточувствительный к излучению с длинами волн более 0,6 мкм, установленные на одной оптической оси, и экран, препятствующий попаданию фотолюминесцентного излучения из облучаемого участка чипа в объектив.
В основе заявляемого способа лежит генерация спектра электролюминесценции тестируемыми полупроводниковыми структурами. Осуществляется это при помощи оптического возбуждения небольшого участка чипа каскадного фотопреобразователя и последующей миграции фотовозбужденных носителей заряда в неосвещенную область чипа, где происходит их излучательная рекомбинация. Далее осуществляют бесконтактное измерение интенсивности спектра электролюминесценции чипа и сравнивают эту величину с величиной интенсивности спектра электролюминесценции, полученной заранее при тестировании эталонного чипа и записанной в памяти компьютера.
Заявляемый способ и устройство поясняется чертежом.
Устройство для тестирования чипов каскадных фотопреобразователей на основе соединений Al-Ga-In-As-P включает лазер 1 с длиной волны излучения 0,40-0,55 мкм, снабженный устройством удвоения частоты 2, линзу 3, фокусирующую излучение лазера 1 на матрицу 4 чипов 5 каскадных фотопреобразователей, размещаемых на общей полимерной платформе 6. Платформа 6 установлена на основании 7 с возможностью его вращения вокруг вертикальной оси и горизонтального возвратно-поступательного перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Это достигается тем, что платформа 6 установлена на основании 7 при помощи двух фиксаторов типа ласточкин хвост, расположенных под прямым углом друг к другу, и третьей прижимной планки, тоже с ласточкиным хвостом (на чертеже не показаны). Устройство также содержит объектив 8, например, широкоапертурный оптический фильтр 9, пропускающий излучение с длинами волн более 0,6 мкм, фотоприемник 10, фоточувствительный к излучению с длинами волн более 0,6 мкм, например, кремниевый, подключенный к усилителю 11, который соединен с контроллером 12, например, микроконтроллером, снабженным блоком 13 памяти. Объектив 8, оптический фильтр 9 и фотоприемник 10 установлены на одной оптической оси. Экран 14, препятствующий попаданию фотолюминесцентного излучения из облучаемого участка чипа в объектив. Возвратно-поступательное перемещение в двух взаимно перпендикулярных направлениях платформы 6 может быть осуществлено с помощью двух шаговых двигателей 15, управляемых контроллером 12.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом. Излучение твердотельного лазера 1, например, на неодиме, с диодной накачкой и преобразованием частоты с помощью устройства удвоения частоты 2, на длине волны 532 нм с помощью линзы 3 фокусируется на область 16 чипа 5 в пятно размером примерно 200 мкм. Такое сечение пучка света выбрано из расчета того, чтобы уверенно засвечивать поверхность чипа, не занятую контактной системой, что необходимо при автоматическом позиционировании всех элементов. Длина волны возбуждающего света (400-550 нм) выбрана таким образом, чтобы она приходилась на область собственного поглощения полупроводника. Для чипов каскадных фотопреобразователей на основе соединений Al-Ga-In-As-P это зеленая область спектра. Мощность излучения обычно выбирают небольшой (200 мВт) из соображений исключения любых изменений в спектре ЭЛ. В освещенной области 16 чипа 5 за счет фотовозбуждения возникают носители заряда, часть из которых рекомбинирует, с излучением фотонов в длинноволновой области спектра (красной) - ФЛ, а другая часть фотосгенерированных носителей за счет диффузии и по контактной системе чипа перемещаются в неосвещенную область 17 чипа 5, где они рекомбинируют с генерацией спектра электролюминесценции (ЭЛ) в красной области спектра. Таким образом, малая область 16 чипа 5 засвечивается промодулированным зеленым светом лазера 1, а остальная область 17 чипа 5 светится красным светом, причем интенсивность этого свечения зависит от количества как поверхностных, так и внутренних дефектов чипа 5. Широкоапертурный объектив 8 собирает это свечение ЭЛ на кремниевый фотоприемник 10. Оптический фильтр 9 пропускает на фотоприемник 10 только красную часть спектра, отрезая ее зеленую часть (рассеянное и переотраженное падающее излучение возбуждения). Электрический сигнал с фотоприемника 10, пропорциональный интенсивности свечения ЭЛ, усиливается узкополосным усилителем 11 на частоте модуляции излучения лазера 1. Усиленный электрический сигнал поступает на микроконтроллер 12 с блоком памяти 13, где он запоминается и сравнивается с предварительно записанным в блоке памяти 13 калибровочным сигналом от эталонного чипа 18. Существенным в работе устройства является наличие экрана 14, который препятствует попаданию на фотоприемник 10 красного спектра ФЛ, образующегося на засвечиваемой области 16 чипа 5. Для этого экран 14, выполненный, например, в виде стальной зачерненной полосы толщиной 0,4 мм, высотой 20 мм и длиной 60 мм, расположен на общем с лазером 1 основании 7 и юстируется относительно лазерного пучка таким образом, чтобы пучок проходил параллельно экрану 154 с минимальным расстоянием от его поверхности, но не задевал его. Матрица 4 чипов 5 СЭ, расположенных на общей полимерной платформе 6, неподвижно крепится к основанию 8 (например, столику) при помощи двух фиксаторов типа ласточкин хвост, расположенных под прямым углом друг к другу, и третьей прижимной планки, тоже с ласточкиным хвостом. Такой способ крепления обеспечивает быстроту и точность позиционирования всех линеек с чипами 5 СЭ относительно платформы 6. Основание 7 имеет угловую подвижку вокруг центральной оси, с помощью которой осуществляют первоначальную юстировку матрицы 4 чипов 5 СЭ таким образом, чтобы линейка проверяемых чипов 6 при перемещении оставалась параллельна экрану 14. с помощью двух шаговых двигателей 15 имеет возможность перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях с точностью 0,01 мм. Поскольку лазер 1 закреплен неподвижно на том же основании 7, что и экран 14, то при любом перемещении основания 7 по команде контроллера 12 мы всегда имеем одно и то же геометрическое положение чипа 5 по отношению к падающему излучению. Таким образом, достигается возможность автоматического проведения измерений качества отдельных чипов 5 СЭ и последующее построение "карты качества" всей матрицы 4 чипов 5 СЭ, расположенных на полимерной платформе 6.
2
2
Пример. В качестве примера была проведена разбраковка массива чипов ФП на полимерной матрице диаметром 125 мм американской фирмы Spectrolab. Отдельный чип представляет собой трехкаскадный ФП на основе GaInP/GaAs/Ge размером (1,7×1,7) мм. Все чипы наклеены на полимерную матрицу в виде сплошного массива из строк и колонок на расстоянии 0.5 мм друг от друга. Всего массив содержит порядка 1500 чипов. Это полимерная матрица натянута на стальное кольцо внутренним диаметром 160 мм. Это кольцо с помощью ласточкина зажима помещалось на поворотную платформу заявляемого устройства и поворотом платформы вокруг оси вращения устанавливали параллельность строки чипов и экрана прибора. После этого в автоматическом режиме проводилось тестирование всех элементов массива ФП. Полное время составления карты качества такого массива заняло около 5 минут.