一种半导体器件激光钝化设备及钝化方法

技术领域

本申请属于半导体器件加工技术领域,具体涉及一种半导体器件激光钝化设备及钝化方法。

背景技术

常用的半导体材料包括硅、锗、砷化镓、锑化铟等，被广泛地运用于光电探测器、半导体LED微芯片、太阳电池等半导体器件中，半导体器件易与空气接触形成不稳定的氧化层，进一步溶解腐蚀或者降解形成更多复合中心，复合中心捕获载流子并使其复合，使得半导体器件性能降低。另外，半导体器件在晶体生长、工艺制备和组件封装的过程中不可避免引入杂质，降低半导体器件性能，例如使太阳能电池器件的光电转换效率降低。因此需要通过专门的方法修饰表面，提高器件性能。

目前针对上述问题，专利TW201034226A公开了一种太阳电池钝化方法，通过注射器施加一透明绝缘物的方式进行钝化，使得电池效能提高。专利CN105633201B公开了钝化铜铟镓硒薄膜表面的电化学处理方法，其采用处理溶液利用电化学的方法进行钝化处理，其中处理溶液为乙基紫精二高氯酸盐、六氟磷酸四丁胺和有机溶剂的混合溶液，能够有效降低界面处光生载流子对的复合率。现有技术中还采用切割工艺、对局部进行隔离的方式解决上述问题。

上述方式对于微小的半导体器件而言，操作难度大，且化学方式进行钝化处理会对正常部位造成影响，机械隔离操作易引入裂纹等。

发明内容

针对于现有技术的以上问题和改进需求，本申请提供了一种新型的半导体器件异常部位钝化的处理方法以及设备，以实现对半导体器件上的异常部位精准钝化的目的。

一方面，本申请提供一种半导体器件激光钝化设备，包括：

载物台，用于承载半导体器件；

第一定位组件，用于确定半导体器件上的异常部位的位置；

激光发射系统，用于根据所述异常部位的位置发射激光以对异常部位进行钝化处理；以及

控制装置，用于控制半导体器件移动到目标位置，所述目标位置为激光光束的中心对准异常部位的位置。

根据本发明的一些实施例，所述的激光钝化设备还包括第二定位组件，用于确定投射在半导体器件上的激光光束的位置并检验激光光束的中心是否对准半导体器件上的异常部位。

根据本发明的一些实施例，第一定位组件和第二定位组件为图像记录装置，所述激光钝化设备还包括图像分析装置，用于分析第一定位组件和第二定位组件传送的图像以确定半导体器件上的异常部位的坐标和投射在半导体器件上的激光光束的坐标；其中，所述控制装置根据所述图像分析装置确定的坐标信息控制半导体器件移动到所述目标位置。

根据本发明的一些实施例，所述图像分析装置还用于分析异常部位的形状，所述激光发射系统适于发射对应形状的光束，以对异常部位进行精确钝化。

根据本发明的一些实施例，所述激光发射系统包括整形模组，所述整形模组适于控制激光光斑的大小以及形状。

根据本发明的一些实施例，所述的激光钝化设备还包括移动组件，用于移动半导体器件以使激光光束对准半导体器件上的异常部位。

本申请的另一方面提供一种半导体器件激光钝化方法，包括：

将半导体器件放置于载物台上；

利用第一定位组件确定半导体器件上的异常部位的位置；

根据第一定位组件确定的半导体器件上的异常部位的位置控制半导体器件移动到目标位置，所述目标位置为激光光束的中心对准异常部位的位置；以及

利用激光发射系统发射激光以对异常部位进行钝化处理。

根据本发明的一些实施例，所述的激光钝化方法,还包括：利用第二定位组件确定投射在半导体器件上的激光光束的位置并检验激光光束的中心是否对准半导体器件上的异常部位。

根据本发明的一些实施例，第一定位组件和第二定位组件为图像记录装置并将所记录的图像传送到图像分析装置，所述方法还包括利用所述图像分析装置分析第一定位组件和第二定位组件传送的图像并确定半导体器件上的异常部位的坐标和投射在半导体器件上的激光光束的坐标，以根据图像分析装置确定的半导体器件上的异常部位的坐标和投射在半导体器件上的激光光束的坐标的信息控制半导体器件移动到目标位置。

根据本发明的一些实施例，所述的激光钝化方法,还包括：利用所述图像分析装置分析异常部位的形状，并利用所述激光发射系统发射对应形状的光束，以对异常部位进行精确钝化。

根据本申请的半导体器件钝化设备及方法，包括定位组件，用于确定半导体器件上的异常部位的位置，并包括激光发射系统，用于根据所述异常部位的位置发射激光以对异常部位进行激光钝化处理，从而，通过定位组件准确定位半导体器件上的异常部位的位置，并在准确定位的基础上通过激光对异常部位进行钝化处理，可实现对半导体器件上的异常部位精准钝化，能够提高钝化处理的准确性，较好地保留半导体器件的有效区域，提高半导体器件的性能。

附图说明

图1是根据本申请的一个实施例的半导体器件激光钝化设备的系统结构图；

图2是根据本申请的一个实施例的激光钝化过程的流程图；以及

图3是根据本申请的一个实施例的激光光路的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，注意，附图和具体实施例的描述只是为了更好地理解本发明，本发明不局限于所描述的实施例。

本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用“包括”或者“包含”等类似的词语表示开放的意义，除了明确列举的元件、部件、部分或项目外，并不排除其他元件、部件、部分或者项目。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。“第一”、“第二”等用于区分不同部件的目的，并不表示特定的顺序。

参见图1，根据本发明的一个实施例所提供的半导体器件激光钝化设备，包括：载物台10、第一定位组件30、激光发射系统40和控制装置100。载物台10用于承载半导体器件20，第一定位组件30用于确定半导体器件20上的异常部位的位置。控制装置100用于控制半导体器件移动到载物台上的相对激光束照射的目标位置。激光发射系统40用于根据所述异常部位的位置发射激光以对异常部位进行激光钝化处理。

具体地，载物台可以为真空吸附载物台。第一定位组件30可以是一台或多台CCD相机，用于拍摄半导体器件20的图像，并且将所拍摄的图像传送到图像分析装置70。图像分析装置70包含图像分析软件，通过对相机拍摄的图像进行分析，识别出半导体器件20上的例如黑斑等异常部位，并确定导常部位在选定的参照坐标系统中的坐标位置。控制装置100可以是计算机系统或自动控制系统，用于控制半导体器件20移动到载物台上的相对激光束照射的目标位置，以便对异常部位实施激光钝化。半导体器件20可以为光电探测器、半导体LED微芯片、太阳电池等。

进一步地，所述的激光钝化设备还可包括移动组件，用于移动半导体器件20，从而将半导体器件20移动至激光发射系统40下方，以使激光发射系统40发射的激光光束的中心对准半导体器件20上的异常部位，从而对所述异常部位进行钝化处理。这里，移动组件可以连接到控制装置100，控制装置100可接收图像分析装置70发送的异常部位的位置坐标信息并预先储存激光发射系统40的激光光束坐标信息，并根据所述异常部位坐标信息和激光光束坐标信息控制移动组件移动,以驱动载物台10上的半导体器件20移动到钝化处理位置进行激光钝化处理。

在一些实施例中，载物台10可以作为移动组件。具体地，载物台10可以是三维移动载物台，根据第二定位组件60确定的激光束的坐标位置，自动将半导体器件20移送至激光发射系统40正下方，使得待钝化的位置对准激光光束的中心。载物台可包括上下料机构，上下料机构可包括输送组件或者转盘，用于将半导体器件输送/输出载物台。从而，可对半导体器件20进行流水线处理，提高生产效率。可选地，载物台10也可以是固定的，另外设置例如机械手的移动组件以移动半导体器件。

所述的图像分析装置70和控制装置100可以集成为一体或者分开而单独设置。控制装置100可与各硬件建立通讯，通过向指定端口发送指令实现硬件的自动控制，硬件的反馈信息也会通过相应端口传回控制装置。例如，控制装置可与CCD相机、载物台、图像分析装置相连接，图像分析装置用于根据图像定位异常位置进行形貌分析以及给出精确坐标；同时，载物台为三维移动载物台，控制装置可控制载物台移动至CCD相机进行图像拍摄、移动至激光装置进行激光钝化。

根据本申请实施例的半导体器件钝化设备，通过定位组件准确定位半导体器件上的异常部位的位置，并在准确定位的基础上通过激光对异常部位进行钝化处理，从而，可实现对半导体器件上的异常部位精准钝化，能够提高钝化处理的准确性，防止出现将半导体器件的有效区域钝化的误操作，能够较好地保留半导体器件的有效区域，提高半导体器件的性能。

在图示的实施例中，可选地，所述的激光钝化设备还可包括第二定位组件60，第二定位组件60也可以是CCD相机，用于确定投射在半导体器件20上的激光光束的位置并检验激光光束是否对准半导体器件20上的异常部位。第二定位组件60也可连接到图像分析装置70。具体地，第二定位组件60拍摄激光光斑的图像，将所拍摄的图像传送到图像分析装置70。图像分析装置70通过对相机拍摄的图像进行分析，确定激光光束中心在参照坐标系统中的坐标位置。

控制装置100根据图像分析装置70确定的半导体器件20上的异常部位的坐标位置和激光光斑的坐标位置，决定半导体器件20的移动方向和移动距离，并据此控制移动组件进行移动。如果第一定位组件30所确定的异常部位的坐标位置无误，则半导体器件移动后半导体器件20上的异常部位正好位于激光光束的中心位置，从而，激光光斑的图像与半导体器件20上的异常部件的图像重合。否则，则可判断第一定位组件30对异常部位的定位有误，需要重新进行定位。因此，第二定位组件60可起到检验第一定位组件30给定的坐标的正确性的作用，从而保证对异常部位进行精准钝化，防止出现误操作，以较好地保留半导体器件的有效区域。

图2是根据本申请的一个实施例的激光钝化过程的流程图。参见图1和图2，本申请实施例的半导体器件激光钝化方法，包括以下步骤：

首先，通过自动上下料机构将半导体器件20放置于载物台10上；

接着，利用第一定位组件30确定半导体器件20上的异常部位的位置；

接着，根据第一定位组件30确定的半导体器件20上的异常部位的位置控制半导体器件20移动到的目标位置，以使激光光束对准半导体器件20上的异常部位；

最后，利用激光发射系统40发射激光以对异常部位进行钝化处理。

进一步，钝化后的半导体器件20可通过三维移动载物台10自动退回到第一定位组件30处，由图像分析装置70判断异常部位是否消失。如未消失，重复执行定位以及激光钝化步骤。钝化成功后，半导体器件通过自动上下料机构载入下料机构中。

可选地，在一些实施例中，所述的激光钝化方法还包括：在将半导体器件20移动至目标位置后，利用第二定位组件60确定投射在半导体器件20上的激光光束的位置并检验激光光束是否对准半导体器件20上的异常部位；在确定激光光束正确对准半导体器件20上的异常部位后进行激光钝化；否则，进行重新定位。

在第一定位组件30和第二定位组件60为图像记录装置并连接到图像分析装置70的情况下，所述方法还包括利用所述图像分析装置70分析第一定位组件30和第二定位组件60传送的图像以确定半导体器件上的异常部位的坐标和投射在半导体器件上的激光光束的坐标，并根据图像分析装置确定的坐标信息控制半导体器件移动到目标位置，以利用激光光束实施对异常部位的钝化。

在一些具体的实施例中，有利地，所述图像分析装置70还用于分析异常部位的形状；对应地，本发明实施例的激光发射系统包括整形模组，所述整形模组适于控制激光光斑的大小以及形状。整形模组可为衍射光学器件、非球面透镜组、微透镜阵列或光纤激光匀化器。可选地，整形模组也可为柱透镜或者空间光滤波器。整形模组可控制出射光为平顶光，优势在于均匀的光束质量和较小的热影响面积。

对应地，本申请实施例的激光钝化的方法还包括利用激光发射系统40发射对应形状的光束，以对异常部位进行精确钝化。例如，通过对激光器输出的激光束进行整形，可使光斑呈特定的尺寸和形状，如特定大小的圆形、环形、方形等。从而，可根据半导体器件上的异常部位的形状采用对应的光斑形状，以对异常部位进行更精准的钝化处理，更好地保留半导体器件上的除异常部位以外的有效区域，提高半导体器件的性能和增加半导体器件的有效利用面积。

图3示出了根据本申请的一个具体实施例的激光光路的示意图。参见图3，激光发射系统包括激光器41、功率控制器42、第一反射镜43、第二反射镜44、第一整型件45、第二整形件46、第三反射镜47、透镜48。激光器41发射的激光光束经过上述一系列的光学元件后以一定的截面形状和一定的强度照射到半导体器件20上。其中，第一整型件45和第二整形件46构成整形模组，可以调节激光光斑的大小、形状和强度，使最终照射到半导体器件的异常部位的光斑的大小、形状与所述异常部位的大小、形状对应，并且激光光束的强度满足钝化异常部位的需求。

以下通过具体的例子来说明本发明的半导体器件激光钝化设备和钝化方法的应用。

在一个具体应用中，半导体器件为柔性薄膜太阳电池。激光钝化设备具有：上下料机构，用于将薄膜太阳电池传送到载物台以及从载物台上卸载至托盘；真空吸附载物台，用于承载薄膜太阳能电池；半导体器件如果具有一定的翘曲度，会影响定位和钝化的精确度，采用真空工作台能够有效吸附器件，使得器件平整；第一定位组件，例如定位相机，用于定位薄膜太阳能电池有异常部位的位置；激光发射系统，用于根据上述异常位置利用激光钝化上述异常部位。该实施例中，第一定位组件包括CCD相机，用于记录薄膜太阳能电池的图像，可根据图像分析异常部位形貌并给出其坐标。该实施例中，包括上下料机构，上下料机构用于将半导体器件输送/输出载物台，载物台为真空吸附载物台，其中上下料机构包括皮带传送装置、材料载盘和带真空吸附的机械手运输装置。

此实施例中，当确定异常部位的坐标后，将异常电池片移动至激光钝化平台。激光钝化平台可以和载物台共用一个工作台，也可以是单独的工作台。激光钝化平台可以包括第二定位组件，例如对位相机，对位相机根据定位相机给出的异常位置坐标，建立激光钝化模块的坐标系统，校准激光中心，具体为：通过定位相机建立的激光钝化模块坐标系，校准激光中心位置，确保半导体器件样品移动到激光钝化装置时，激光中心对准异常部位中心位置；真空吸附载物台自动根据校准后的坐标位置，将电池片移送至激光装置正下方，将异常位置对准激光钝化的中心。可选地，可根据激光中心与异常位置是否对准进而验证由定位系统给定的坐标的正确性。

此实施例中，钝化完成后电池片自动退到定位系统处，进行检测，判断异常部位是否消失。可选地，由计算机软件通过各种识别色阶或灰度范围的图像处理方法进行判断，如未消失，循环执行异常部位定位以及激光钝化步骤，如激光钝化两次仍未成功，则确定此电池片为不可钝化并作出标记。

激光发射系统包括激光器、功率控制器、整形模组，用于调整钝化激光束的形状、大小以及能量分布，使得输出光束形状与异常形状相对应，实现异常部位的精确钝化。激光器可以为连续或者脉冲激光器，脉冲激光器的脉冲宽度是微秒、纳秒、皮秒或者飞秒。激光整形模组可包括衍射光学器件、非球面透镜组、微透镜阵列或光纤激光匀化器。可选地，激光整形装置可为柱透镜或者空间光滤波器。

此实施例中，还包括计算机，其包括集成的图像分析模块以及控制模块，计算机与各硬件建立通讯，计算机控制模块通过向指定端口发送指令实现硬件的自动控制，硬件的反馈信息也会通过相应端口传回计算机，通过智能图像分析模块进行分析。例如，计算机与CCD相机、载物台相连接，智能图像分析模块用于根据图像进行异常部位形貌分析以及给出坐标；同时，载物台为三维移动载物台，计算机控制模块控制载物台移动至CCD相机进行显微图像拍摄、移动至激光装置进行激光钝化。

上述柔性薄膜太阳电池的具体钝化步骤如下：

步骤一、挑选出10片有明显黑斑的异常电池片放入特殊制备的载盘里，通过自动上下料装置载入到定位模块。具体方法为：载盘可放若干电池片，彼此间有间隔，通过皮带传送装置传输到合适位置方便带有真空吸附装置的机械手拾取。当载有电池片的载盘停在合适位置时，此时机械手移动至电池片正上方，吸附电池片后转移至定位模块的CCD相机下。由于薄膜电池片表面有翘曲，单吸附机械手容易在运输过程中摇晃并使得电池片折损，通过力学分布设计2个真空吸附机械手平行分布，分别吸附住电池片的重心附近位置，可以平稳而平坦的载入至定位模块，并通过CCD相机进行记录，CCD相机与计算机相连接，将获得的图像传输给计算机图像智能分析系统对图片进行分析处理，智能分析系统根据灰度定位每一片电池片的黑斑位置，根据位置信息给出一个二维坐标，传输到激光钝化系统中。

步骤二、激光钝化系统收到位置坐标，利用对位相机建立钝化系统坐标系校准激光中心位置。真空吸附载物台自动将电池片转移到激光正下方，此真空吸附载物台的真空吸附孔根据实际电池片大小设计，尽量地贴合电池片尺寸，做到了边缘吸附，解决了薄膜电池片激光钝化过程中产生的热力学应力翘曲问题。

步骤三、设置激光发射器的参数，将激光作用于异常部位中心进行加工钝化。激光参数已存储在系统里，激光发射装置参见图3，包括激光器、功率控制器、用于调整光束以及光强分布的整形部件，用于改变光传播方向的反射镜，以及用于聚焦的透镜等，可根据不同大小的异常部位，选择不同功率、形状以及波长的激光进行激光钝化工作，使得激光图案尽量与异常部位形貌相对应，采用上述激光图案进行钝化。控制激光器发射波长以及激光发射功率控制出射光束，其中，优选，波长为600nm-1300nm且功率大于12W,发射的激光连续或者脉冲激光器。

整形模组为上述激光发射器的光束整形部件，根据不同的异常部位的形状，整形模组为可选择调整光斑形状的部件，如柱透镜或者空间光滤波器以及现有技术中能够进行光斑调整的任意部件；同时，整形模组可包括能够将光斑光强均匀化的部件，例如将高斯分布转换成平顶光分布的非球面透镜组、微透镜阵列以及现有技术中能够进行上述分布转换的任意部件。

针对例如GaAs三结薄膜太能电池，通过对不同波长以及功率进行研究之后采用波长为900nm且功率大于12W的激光进行钝化。针对不同尺寸的异常形貌，包括：长划痕、圆形黑斑、矩形黑斑、凹凸多边形黑斑，设计最贴合钝化操作的图案。

针对不同异常形貌，如针对面积较大的异常区域，可采用多次小面积钝化的方式，逐步覆盖全部异常区域。根据异常形貌，同时调整了钝化深度和钝化图案，采用多图层、小景深的方式解决了钝化不同异常形貌的电池片。如针对圆形、椭圆形黑斑，设计圆形图层填充图案，采用圆环形填充图案，多圈环形填充图案。另外通过大量的深度学习和机器学习的方式，软件同样可以识别不同异常部位的形貌而选择最合适的钝化图案和图层数目，从而达到自动化。

步骤四、钝化完成后载物台移动至定位装置下，进行图像检测，若软件识别异常电池片外观无黑斑，则恢复正常，可进行下一步性能测试；反之，载物台自动移动至激光钝化平台进行二次激光钝化。当电池片经历两次钝化异常仍未消失，则确定此电池片为不可钝化。机台会自动将此位置的电池片标注。实际测试显示针对三结薄膜太能电池，钝化后电池片表面的黑斑消失，转化为直径不超过40um的黑点，激光钝化能够有效去除电池片的异常部位。

步骤六，机台自动下料，钝化工作完成。

为了进一步确认钝化效果，对于钝化的电池，在太阳模拟器中进行电池电学性能检测，在AM1.5G和AM0条件下，分析10片电池片的Voc、Isc、Vmax、Imax、Pmax、填充因子(Fillfactor)和效率(Efficiency)，钝化前后对比，10片存在异常的电池片的光电转化效率均能提升至正常电池片的功效。

本发明实施例所述的设备以及方法，利用CCD相机进行异常部位定位，然后利用激光对异常部位进行钝化，通过图像显示实时观察钝化效果，结合器件的电学性能测试，实验证实能有效提高器件性能，该方法流程简单，易于掌握且效率高。

相对于现有技术中的物理钝化以及化学钝化，本发明采用异常部位定位模块进行定位，通过激光钝化模块对定位异常部位进行钝化，其中利用定位相机将异常部位坐标与钝化模块激光中心坐标相联系，实现钝化过程中的激光精准对准，且结合半导体异常部位形貌，控制激光输出参数，控制激光输出图案，使得图案尽量与异常部位形貌相对应。采用上述激光图案进行钝化，通过对钝化前后器件性能测试对比，上述钝化方式能够提高半导体器件的性能。并且，通过自动机台的设计，包括自动上下料机构，收到定位坐标后自动进行钝化，实现自动化，减少了人为的参与，简化了钝化半导体器件的流程。

上述实施例仅示例性的说明了本发明的原理及构造，而非用于限制本发明，本领域的技术人员应明白，在不偏离本发明的总体构思的情况下，对本发明所作的任何改变和改进都在本发明的范围内。本发明的保护范围，应如本申请的权利要求书所界定的范围为准。