專利名稱：應(yīng)用于透明基底的薄膜的實時溫度、光學帶隙、膜厚度和表面粗糙度測量的制作方法
應(yīng)用于透明基底的薄膜的實時溫度、光學帶隙、膜厚度和表面粗糖度測量
相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求2010年7月9日提交的第61/362，938號美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用并入此處。技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明大體涉及應(yīng)用于大體透明基底的薄膜層的非接觸式測量；更具體地用于參照薄膜材料的光學吸收邊評價薄膜的至少相對表面粗糙度。
背景技術(shù)：
涉及在基底上沉積薄膜的先進制造工藝通常依賴于以高的精確度和可重復性監(jiān)控半導體材料特性(例如它的溫度、表面粗糙度、厚度和/或光學吸收特性)的能力。
如目前公知的，當光子能量超過帶隙能量時將會產(chǎn)生突變的強吸收。在Weilmeier 等人的《一種用于分子束外延中的半導體基底的光學溫度測量新技術(shù)(A New Optical Temperature Measurement Technique for Semiconductor Substrates in Molecular Beam Epitaxy)))(加拿大物理學期刊 Canadian Journal of Physics, 1991 年，69 卷， 422-426頁)中，描述了一種用于測量具有絨化背面的較厚基底的漫反射并且由反射光的帶隙特征推測半導體溫度的技術(shù)。該技術(shù)基于簡單的固態(tài)物理學原理，即帶間光學吸收 (Urbach)邊與溫度的實際線性關(guān)系。
簡單地說，當光子能量hv接近帶隙能量Eg時，產(chǎn)生突變的強吸收。這可以用吸收系數(shù)來描述，
a (hv) = a gexp [ (hv-Eg) /E0](方程式 I)
其中，Cig是帶隙能量下的光學吸收系數(shù)。吸收邊用Eg和另一參量Etl表征，Etl是由費米-狄拉克統(tǒng)計分布導致的邊的增寬(在所研究的適當溫度條件下增寬IbT )。本研究中的關(guān)鍵量Eg由愛因斯坦模型給出，其中光子被近似為擁有單一特征能量Kb。根據(jù)下式， 光子激發(fā)(熱振動)效應(yīng)將會降低帶隙能量
Eg W=Eg(O)-SgKB Θ E/[exp ( Θ E/T )-1](方程式 2)
其中，Sg是與溫度無關(guān)的耦合常數(shù)，而ΘΕ是愛因斯坦溫度。在ΘΕ遠小于T的高溫條件下，高模量材料(例如硅和砷化鎵)很好地遵循該條件，可用如下方程式近似表示帶隙與溫度的相關(guān)性
Eg ⑴=Eg (0) -S8KbT(方程式 3 )
該式表明，可以預計，Eg以SsKb決定的斜率隨著溫度T線性下降。這在實踐中被很好地遵循，并且是現(xiàn)代吸收邊測溫法的基礎(chǔ)，現(xiàn)代吸收邊測溫法也稱為帶邊測溫法(BET)。
如上所述，對半導體材料的溫度、表面粗糙度、厚度和/或光學吸收特性的控制， 可通過對半導體材料發(fā)射的漫散射光的非接觸且實時的監(jiān)測實現(xiàn)，此處的半導體材料指基底本身或者沉積在基底上的薄膜。本發(fā)明的專利權(quán)人，美國密歇根州德克斯特區(qū)的k-空間協(xié)會公司(kSA)的BandiT 系統(tǒng)，作為行業(yè)領(lǐng)先的方法和裝置，用于測量除了其它特性還有 溫度。探測來自半導體材料的漫散射光以測量光學吸收邊特征。根據(jù)光學吸收邊特征，精 確地確定溫度和其它特性，例如膜厚度。kSA公司的BandiT系統(tǒng)可設(shè)置在傳播和反射模式 運行。在傳播模式中，基底加熱器(或其它源)可用作光源。在反射模式中，光源以非鏡面的 幾何形式安裝。kSA公司的BandiT系統(tǒng)有多種型號，覆蓋的光譜范圍約為380nm_1700nm。 測量和監(jiān)控的典型樣本材料包括GaAs、S1、SiC、InP, ZnSe, ZnTe, CdTe, SrTiO3和GaN。kSA 公司的BandiT系統(tǒng)在美國專利7，837，383中有詳細描述，其全部內(nèi)容通過引用并入此處作 為參考。
這些類型的設(shè)備可能應(yīng)用到的一個新興領(lǐng)域，即所謂的薄膜太陽能電池。薄膜太 陽能電池，也稱為薄膜光伏(PV)電池，是通過將一層或多層具有半導體特性的光伏材料薄 層(薄膜)沉積到大體透明基底上而制成的器件。根據(jù)應(yīng)用場合，這些薄膜的厚度范圍從幾 納米到幾十微米變化。通過多種沉積方法，多種不同光伏材料被沉積在多種基底上。這些 光伏材料可能包括，例如，非晶硅(B-Si )和其它薄膜硅(TF-Si )、碲化鎘(CdTe)、銅銦鎵硒 化物(CIS或CIGS)、絨化多晶硅、有機太陽能電池等。
監(jiān)測實時光學帶隙特性(即光學吸收邊特性)的能力使得制造出的產(chǎn)品(例如太陽 能板)能夠達到穩(wěn)定的高質(zhì)量和高性能規(guī)格。雖然這些薄膜在光學吸收邊方面通常具有半 導體特性，這些薄膜的極小厚度給現(xiàn)有的BET方法和設(shè)備造成新的挑戰(zhàn)。這一部分是由于 當使用透明的和/或非半導體基底材料時，測量光學吸收特性的難度增加，因為非半導體 基底材料不具有可測的光學吸收邊且通常對光的所有實際波長都透明。此外，在薄膜光伏 板生產(chǎn)領(lǐng)域，生產(chǎn)能力快速提高，使得用于生產(chǎn)工藝中的測溫技術(shù)必須與高度自動化的裝 配線條件兼容。更進一步地，這些類型的吸收層通常非常粗糙，并且比光滑表面更充分地散 射光線。某些應(yīng)用場合下，對薄膜層的表面粗糙度進行評價，對質(zhì)量控制和制造考慮是有益 的。
某些聯(lián)機膜厚度測量技術(shù)已經(jīng)被提議用于薄膜光伏工藝的生產(chǎn)線，例如那些在 《光伏世界Photovoltaics World)) 2009年3/4月版的20-25頁描述的技術(shù)(www. pyworld. com)，其全部內(nèi)容通過引用特此并入此處。然而，這些現(xiàn)有技術(shù)基于某些不能得出穩(wěn)定或可 靠結(jié)果的分析方法。在另一個例子中，為了避免疑義該例子不被認為是本申請的現(xiàn)有技術(shù)， 維納諾夫(Finarov)的公開號為2010/0220316的美國申請公開一種用于控制薄膜光伏質(zhì) 量的方法，其中將一束光線投射到薄膜上。沿該光線的探測器對點采樣以產(chǎn)生光譜信號，該 光譜信號被用于計算薄膜的某些參數(shù)。
因此，本領(lǐng)域需要發(fā)展并改進BET技術(shù)，以便將新材料、高產(chǎn)量生產(chǎn)技術(shù)和對質(zhì)量 控制的需求增長考慮在內(nèi)，這些都被認為是在未來的市場(包括但不僅限于光伏板生產(chǎn)和 其它相關(guān)領(lǐng)域)中具有競爭力所必要的。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于評估應(yīng)用于大體透明基底的薄膜的至少表 面粗糙度的方法。提供大體透明的基底。在基底上沉積薄膜的材料。該膜的材料組分具有 光學吸收(Urbach)邊，并且具有暴露的上表面，該上表面具有可測的表面粗糙度。使白光 與沉積在基底上的膜相互作用以產(chǎn)生漫散射光。用與膜間隔開的探測器探測由膜發(fā)射的漫散射光，然后發(fā)送到光譜儀中以產(chǎn)生光譜數(shù)據(jù)，其中所探測到的光被解析成相應(yīng)光強度的 離散的波長組分。然后在光譜數(shù)據(jù)中確定光學吸收(Urbach))邊。根據(jù)吸收邊特征，可以 進行膜的相對表面粗糙度的評價。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于使用吸收邊作為指標以評價表面粗糙度。該方法比 現(xiàn)有技術(shù)更加強大和可靠，并且已被確認尤其在高度自動化、大產(chǎn)量的裝配生產(chǎn)線條件下 產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的結(jié)果。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于評估應(yīng)用于大體透明基底的薄膜的相對表 面粗糙度的組件。該組件包括大體平坦的基底，該基底由不具有可測光學吸收邊的非半 導體材料制成。尤其是，該基底包括玻璃材料組分。一種薄膜的材料被沉積在基底上。該 薄膜具有顯示出光學吸收邊的材料組分以及暴露的上表面，該上表面具有可測的表面粗糙 度。光源被設(shè)置在薄膜的一側(cè)，用于向薄膜發(fā)射白光。因此，薄膜發(fā)射出漫散射光。第一探 測器與光源位于薄膜的同一側(cè)且與薄膜間隔開，用于探測由薄膜反射的漫散射光。第二探 測器與光源位于薄膜的同一側(cè)且與薄膜間隔開，用于探測由薄膜反射的漫散射光。第三探 測器與光源位于薄膜的相對側(cè)且與薄膜間隔開，用于探測透過薄膜傳播的漫散射光。至少 一個光譜儀與第一、第二和第三探測器有效連接，用于根據(jù)各個探測的漫散射光產(chǎn)生光譜 數(shù)據(jù)。傳輸裝置使薄膜和基底相對探測器整體移動，同時在薄膜和基底之間維持基本恒定 的標準間隔。


結(jié)合下列具體描述以及附圖進行考慮，根據(jù)本發(fā)明的上述及其他特征和優(yōu)點將會 更加容易理解，其中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個組件的示意圖，其中板狀基底和薄膜材料相對BET系統(tǒng) 整體傳輸，該BET系統(tǒng)包括位于板的一側(cè)的一個光源和兩個漫反射探測器以及一個位于板 的相對側(cè)的傳播探測器；
圖2是沉積在基底上的膜的部分透視和剖視圖，該膜包括三層；
圖2A是圖2中以2A標記的部分的放大圖3A和3B是透過基底和薄膜的簡化剖視圖，示出了根據(jù)薄膜的相對表面粗糙度 產(chǎn)生不同散射效果的光束；
圖4是簡化透視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的典型光學吸收邊測量系統(tǒng)；
圖5是圖4所示實施例的正視圖6是圖4所示實施例的薄膜的檢測區(qū)域的放大透視圖7是白光束與薄膜接觸區(qū)域的放大圖，示出了根據(jù)本發(fā)明一個可能實施例的用 于兩漫反射探測器的對準軸；
圖8是強度相對波長的曲線圖，其中繪制了兩個數(shù)據(jù)光譜，一個來自由相對光滑 的薄膜表面產(chǎn)生的光譜，另一個來自由相對粗糙的薄膜表面產(chǎn)生的光譜，并且描述了一種 評價法，通過該方法曲線的位于外推吸收邊上方的積分面積定性地表征膜的表面粗糙度；
圖9是強度相對波長的曲線圖，其中繪制了兩個光譜，一個來自由相對光滑的薄 膜表面產(chǎn)生的光譜，另一個來自由相對粗糙的薄膜表面產(chǎn)生的光譜，并且描述了另一種評 價法，通過該方法可以觀察光譜曲線中位于吸收邊上方和下方的相對變化以表征表面粗糙度；
圖10是如圖9所示的強度相對波長的曲線圖，描述了又一種評價法，通過該方法 可以用吸收邊的斜率評價表面粗糙度；
圖11是如圖4所示的視圖，但是示出一種可選的掃描法，通過該方法探測器相對 膜表面縱向和橫向移動；
圖12是又一可選實施例的示意圖，其中由該系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以被收集/存儲在 數(shù)據(jù)庫中然后通過任意合適技術(shù)傳輸以用于遠程訪問；以及
圖13是又一可選實施例的正視圖，其中膜厚度、吸收邊和表面粗糙度的確定都通 過單一反射探測器進行。
具體實施方式
參照附圖，其中相似附圖標記用于指示各視圖中的相似或相應(yīng)部件，根據(jù)本發(fā)明 的吸收邊測量系統(tǒng)通常被示為20。該系統(tǒng)20尤其適于沿著傳輸系統(tǒng)24移動的材料22的 聯(lián)機測量。典型的材料22包括光伏太陽能板的產(chǎn)品，在該產(chǎn)品上，薄膜吸收層26被應(yīng)用于 整個玻璃(或其它合適的)基底28?；?8和薄膜26在圖2、2A、3A和3B中示意性地示出。 應(yīng)當理解，薄膜26實際上可能由多個離散層組成，如圖2A所示。該薄膜組分26可以是任 意典型材料，包括但不僅限于CdTe、CIGS、CdS、絨化多晶硅、GaAs、S1、SiC、InP、ZnSe、ZnTe、 SrTiO3 和 GaN。
在光伏板產(chǎn)品的特定例子中，其中材料22包括一種太陽能板組件的組分，通常， 這些材料22包括形成為矩形尺寸并整體在輸送機24上移動的剛性板狀材料，以便利用本 發(fā)明的系統(tǒng)20進行吸收邊測量和/或?qū)崟rBET測量技術(shù)。然而，本發(fā)明的一般性原理不僅 限于光伏板，或僅連續(xù)供給的板材應(yīng)用，而是也適用于連續(xù)條狀應(yīng)用，盤狀晶圓，以及其它 可能的應(yīng)用。系統(tǒng)20包括光源30，無論是整體上還是細節(jié)上，光源30與申請人的美國專利 7，837，383中的詳細描述類似。光源30產(chǎn)生一束指向材料22的白光32，尤其是非偏振、非 相干的光32。如圖2-3B所示，由于其與薄膜26以及基底28上表面的相互作用，該光束32 產(chǎn)生散射和反射光34。然而，由于基底28基本透明，大部分光束穿過材料22并透過底部而 形成透射光34’。由于白光32與薄膜26的相互作用，反射光34和透射光34’都包括由薄 膜26發(fā)射的漫散射光。
第一吸收邊探測器36位于光束32的非鏡面相對位置，即入射角之外，以便收集散 射/反射光34。吸收邊探測器36以大體根據(jù)美國專利7，837，383的描述構(gòu)造的“反射模 式”探測器36的形式設(shè)置。一個或多個優(yōu)選為固態(tài)技術(shù)類型的光譜儀58 (圖1)可能被使 用。光譜儀58可以是任意合適類型的，例如400-1100nm，1024像素的背照式硅CXD陣列系 統(tǒng)。當然，不同的應(yīng)用可能要求可選的光譜儀58規(guī)格。
第二薄膜測量探測器，通常以38標記，也設(shè)置在相對光源30的非鏡面相對位置， 以便收集來自材料22的散射/反射光34。第一探測器36和第二探測器38與光源30設(shè) 置在薄膜26的同一側(cè)，并因此都設(shè)置為反射模式運行。薄膜測量探測器38大體根據(jù)申請 人的同在審查中(co-pending)的國際申請W02010/148385的描述構(gòu)造，該國際申請于2010 年12月23日公開，且其全部內(nèi)容通過引用并入此處。
反射模式吸收邊探測器36和薄膜測量探測器38都可以配置有如美國專利7，837，383描述的激光準直裝置，并且被構(gòu)造為分別產(chǎn)生與設(shè)置相關(guān)的激光束36’，38’以 便使探測器36，38對準光束32對材料22的沖擊點。在探測模式下，準直激光36’，38’是 無效的。
進一步地，第三傳播模式探測器，通常以40標記，位于材料22下方以便收集透射 光34’。該傳播模式探測器40可以包括準直激光40’以用于該系統(tǒng)的初始設(shè)置階段。
僅僅出于示意目的，圖4-6示出系統(tǒng)20的高度簡化的結(jié)構(gòu)。在這些例子中，一個 共用的框架結(jié)構(gòu)42將探測器36，38，40與光源30互連在一起。盡管沒有示出，應(yīng)當理解， 每個探測器36，38，40及光源30將與框架42可移動地連接以便允許分別進行對準和調(diào)節(jié)。 如之前建議地那樣，材料22優(yōu)選相對系統(tǒng)20線性移動以便沿著材料22的長度進行吸收邊 和溫度的連續(xù)直線掃描。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖7，圖7示出材料22的局部放大圖，來自光源30的光束32與薄膜26 的暴露的上表面于該處接觸。光束32的中線以字母A標記。大體沿著光束32的軸A居中 的小圓38’代表用于薄膜測量探測器38發(fā)射的準直激光38’的接觸點。來自反射模式探 測器36的小圓36’可能從光束32的中心線A偏移——在本例中示出被調(diào)整為部分位于光 束32之外——在反射光34的強度有可能使探測器36過載的情況下。在薄膜26的表面粗 糙度很高的情況下，散射光34的強度將會很大(如圖3A所示)。為了防止反射模式吸收邊 探測器36的過飽和，它的焦點或準直點36’可以被小心地調(diào)整到合適的位置，該位置可以 位于光束32的周界附近或恰好位于光束32的周界之外?？蛇x地，光束32的強度可以通過 光源30減小。盡管沒有清楚地示出，傳播模式探測器40的準直光束40’優(yōu)選與光束32的 中心線A大體對齊。然而，傳播模式探測器40的非鏡面相對準直位置也是合適的。
運行中，光源30發(fā)光以用于通過傳播模式探測器40進行膜厚度測量、膜面的漫反 射和薄膜26吸收邊探測。盡管沒有示出，第二光源可以位于材料22的下方以用于測量應(yīng) 用于基底28的底邊的任意膜的吸收邊，在某些應(yīng)用中的確如此。如果使用第二光源，它可 以被構(gòu)造為發(fā)射可見光以用于通過漫反射在任意應(yīng)用于底面的膜上進行吸收邊探測。在有 補充光源的情況下，如美國專利7，837，383所教導的，這兩個光源將優(yōu)選通過聚焦透鏡聚 焦于材料22上的相同位置。優(yōu)選地，透鏡也用于探測器36，38，40以提供最優(yōu)的總計數(shù)、S/ N比率和最小化雜散光收集。
可以通過多種方法使用系統(tǒng)20得到的光學吸收邊進行相對膜26表面粗糙度的測 量。根據(jù)一種技術(shù)，使用由反射模式吸收邊探測器36收集的光譜數(shù)據(jù)。參閱圖8，示出一個 簡單的強度-波長圖表，該圖表描述了由系統(tǒng)20收集的處理后的光譜。曲線44代表由反射 模式吸收邊探測器36收集的光譜數(shù)據(jù)。利用美國專利7，837，383描述的技術(shù)，線性吸收邊 46被沿著它的斜率延長以便與X軸相交，從而獲得所謂的吸收邊波長。線性吸收邊46上方 和光譜曲線44下方區(qū)域界定的面積48表征散射光34的強度，如圖3A和3B所示。與光滑 表面相比，薄膜26上的更粗糙表面將導致更多光散射并因此得到更大的位于帶隙上方(即 線性吸收邊46上方)的界定面積48。因此，基于散射強度34可以對表面粗糙度進行定性 評價，因為更大的面積48意味著更粗糙的薄膜26表面，反之亦然。
圖9示出利用由光譜數(shù)據(jù)確定的吸收邊進行相對表面粗糙度評價的另一種技 術(shù)。為了與圖8進行對比，示出兩個疊加的數(shù)據(jù)樣本——一個光譜代表相對光滑表面，另 一個代表相對粗糙表面。在該例中，顯然由相對粗糙的(即劣質(zhì)的)膜表面產(chǎn)生的光譜曲線將比由相對光滑的(即優(yōu)質(zhì)的)膜表面產(chǎn)生的曲線顯示出更大的隙上強度(above-gap intensity)。也可以觀察到，由相對粗糙膜表面產(chǎn)生的光譜將比由相對光滑膜表面產(chǎn)生的曲線顯示出更小的相對帶邊階梯高度。該階梯高度可以從數(shù)學上理解為(隙下強度-隙上強度)/隙下強度(below gap intensity)?；蛘邠Q個說法(最大值_最小值)/最大值。 因此，圖9描述了另一種方法，其中吸收邊特征用表面粗糙度來表征并且可以被用于定性評價一種材料樣本22和另一種樣本22,或者同一材料樣本22的不同位置。
在該原理的又一種應(yīng)用中，吸收邊可用于評價離散材料樣本22之間或同一材料樣本22的不同位置之間的相對表面粗糙狀況，圖10描述了如何利用吸收邊的斜率。在該例中，如圖8中一樣，再次示出兩個疊加的數(shù)據(jù)樣本，分別代表光滑表面膜和粗糙表面膜。在此，每個光譜的吸收邊的斜率在其末端被延長以突顯如下事實相對粗糙膜表面將比由相對光滑膜表面產(chǎn)生的曲線顯示出更小的吸收邊斜率。因此，通過比較光譜曲線的斜率，可以進行定性評價以確定膜26的表面粗糙度是優(yōu)質(zhì)的還是劣質(zhì)的。
第一和第三探測器36，40可以用于監(jiān)測膜26的溫度，而第二探測器38可以主要用于監(jiān)測膜26的厚度。在某些情況下，尤其是在沉積過程中監(jiān)測溫度時，需要考慮改變膜厚度。光穿過半導體材料傳播的一般相關(guān)性如下方程式4所示。
I (d) /I (O) =exp (- a d)(方程式 4)
其中，d是膜26的厚度，I (d)是在膜厚度為d時從膜26收集到的漫散射光的強度，I (O)是從沒有膜26的基底28收集到的漫散射光的強度，以及α是膜26的材料在材料帶隙能量下的吸收系數(shù)。材料的吸收系數(shù)(α )對材料的光學吸收與帶隙能量的相關(guān)性產(chǎn)生影響，它是與溫度相關(guān)的。在上面給出的方程式a (hv) = ageXp [Qw-EgVEci](方程式 I)中，吸收系數(shù)(α )也被稱為a (hv)。
方程式I描述了膜26的光學吸收是與厚度相關(guān)的，并且光學吸收具有指數(shù)特性。 在基底28沒有可測光學吸收邊波長的應(yīng)用中，光32從薄膜26的表面、膜26和厚基底28 之間的界面以及基底28的表面漫散射，如同由半導體材料構(gòu)成的基底。對于由半導體材料構(gòu)成的基底28，光32受到具有較大厚度的基底28的影響，因此厚度的增量變化對光學吸收邊幾乎沒有顯著影響。然而，當基底28由不具有可測光學吸收邊波長的材料(例如非半導體)構(gòu)成時，光32基本不會被基底28影響。這些情況下的基底28通常是透明的(例如玻璃或藍寶石)或者完全反射的(例如鋼材或其它金屬)。因此，光32僅被半導體膜26影響。由于膜26很薄，膜厚度的增量或變化將對所測得的膜26的光學吸收邊波長有顯著影響。膜厚度的增量通常為Ι.Ομπι增加或減少。
在圖2Α所示的典型實施例中，膜26包括沉積在藍寶石基底28上的三層 60，62，64。基底28的厚度約為600 μ m。沉積在基底28上的基層60包括無摻雜的GaN并且具有約3. O μ m至約4. O μ m的厚度。沉積在基層60上的中間層62是摻雜的GaN并且具有約O. 5 μ m至約1. O μ m的厚度。沉積在中間層62上的頂層64是InGaN并且具有約 O. 2 μ m至約O. 5 μ m的厚度。當頂層64被沉積在基底28上時以及在工藝過程中，頂層64 的溫度可能對于所生成產(chǎn)品的質(zhì)量尤為關(guān)鍵。如上所述以及圖3A和3B所示，光從膜26的每層60，62，64的頂表面和底表面漫散射。
通過根據(jù)膜厚度確定膜26的光學吸收邊波長，該光學吸收邊波長然后被用于確定膜26的溫度，本發(fā)明的方法、裝置和系統(tǒng)可以被構(gòu)造為將膜26的厚度增量變化考慮在內(nèi)。在制造過程中的某個時候，當可以對膜26進行調(diào)整以矯正會導致不期望特性的不期望 溫度時，確定光學吸收邊波長和溫度。
第一步驟包括進行光譜獲取以矯正由設(shè)備工件造成的可能錯誤，例如所用探測器 的非均勻響應(yīng)和非均勻輸出的光信號。這些錯誤可能妨礙原始漫反射光信號在正確的波長 位置產(chǎn)生可測光學吸收邊。當進行光譜獲取時，可以假設(shè)這些錯誤是恒定不變的。
光譜獲取首先包括產(chǎn)生參考光譜，參考光譜代表系統(tǒng)的總體響應(yīng)，即光源輸出信 號和探測器響應(yīng)的總和，它們都是與波長相關(guān)的。通過用光照射沒有膜26的基底28(例如 裸露的藍寶石)，并且在探測器40中收集漫散射光來產(chǎn)生參考光譜。接下來，基于由光與基 底28單獨相互作用收集到的漫散射光，利用光譜儀58生成參考光譜。對參考光譜進行標 準化處理以結(jié)束光譜獲取。
每當基于來自膜的漫散射光產(chǎn)生原始光譜，該方法包括對原始光譜進行標準化處 理，并且用標準化的原始光譜除以標準化的參考光譜以產(chǎn)生合成光譜。每次引入原始光譜 都要用原始光譜除以參考光譜，除了增強光學吸收信號，這對確定精確的膜厚度也是必要 的。對合成光譜進行標準化處理并用于確定光學吸收邊波長。合成光譜提供可解析的光學 吸收邊波長，以用于確定膜26的溫度或其它特性。
每當系統(tǒng)組件變化時，進行光譜獲取，包括生成標準化的參考光譜。例如，探測器 40的觀察窗口可能隨著時間被覆蓋，這將影響收集到的光。光譜獲取可以每次運行進行一 次，每天進行一次，每周進行一次或者根據(jù)需要以其它時間間隔進行。每次運行進行一次參 考光譜獲取通常比每周一次提供更為精確的結(jié)果。
通常通過將來自基底28的光信號解析成特定光強度的離散波長組分而產(chǎn)生本方 法和系統(tǒng)的光譜，包括參考光譜、原始光譜和合成光譜?；趤碜阅?6的漫散射光,光譜表 征膜26的光學吸收。光譜通常包括光的強度相對波長的曲線圖，如圖7-9所示。然而，光 譜可以提供以其它形式存在的光學吸收信息，例如表格。
合成光譜被用于確定光學吸收邊波長。如上所述，光學吸收邊波長是在特定的波 長下，材料的電磁輻射的吸收程度突然增加。光學吸收邊波長與具體材料、材料溫度以及材 料厚度相關(guān)。光學吸收邊波長可以從光譜確定；它是當強度從很低(強吸收)急劇轉(zhuǎn)變?yōu)楹?高(強發(fā)射)的波長。光學吸收邊波長被用于確定基底28的溫度，以及進行上述相對表面粗 糖度評估。
該方法可以進一步包括產(chǎn)生膜26在單一厚度時溫度相對波長的校準表(溫度校 準表)。該溫度校準表也可以提供給該方法的使用者，而不需由該方法的使用者制備。溫度 校準表表征在恒定膜厚度下溫度與光學吸收邊波長的相對關(guān)系。溫度校準表為隨后的基于 從光譜獲得的光學吸收邊波長測量膜溫度做準備。然而，與現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)和方法不同，本 系統(tǒng)和方法進一步包括通過考慮膜26的厚度對光學吸收邊波長的作用或者光學吸收邊波 長與膜厚度的相關(guān)性確定膜26的溫度，這將在下面進一步討論。
如上所述，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)包括確定膜26的光學吸收邊波長，如果在膜26的 光學吸收邊波長與膜26的厚度相關(guān)的情況下，該光學吸收邊波長可以可選地根據(jù)膜26的 厚度確定。膜厚度對薄膜26的光學吸收邊并因此對薄膜26 (例如圖2A的樣本的頂層64) 的溫度確定具有尤其重要的影響。
膜26的厚度可以通過多種方法確定。在本發(fā)明的一個實施例中，膜26的厚度由光譜方便地確定，如上所述，該光譜由來自膜26的漫散射光產(chǎn)生并用于確定光學吸收邊波長。光譜通常包括光譜的光學吸收邊區(qū)域下方(右方)的震蕩。這些震蕩是薄膜干涉的結(jié)果，類似于薄油膜上有時可見的干涉環(huán)。對震蕩的與波長相關(guān)的峰和谷進行衍生分析以確定膜26的厚度?？刹捎孟旅娴姆匠淌?來確定膜26的厚度，
d =(方程式5)
其中，d是膜厚度，X1是震蕩的第一峰處的波長且λ 2是震蕩的第二峰處的波長， 第二峰鄰近第一峰，或者可選地，X1是震蕩的第一谷處的波長且λ 2是震蕩的第二谷處的波長，第二谷鄰近第二谷，Ii1是在λ i處與半導體材料相關(guān)的預定折射率；以及n2是在λ 2 處與半導體材料相關(guān)的預定折射率。用于入1和λ 2的波長可以是震蕩的任意兩個連續(xù)峰或任意兩個連續(xù)谷。用于膜26厚度的震蕩和所得值與膜26的所有層60，62，64具有非線性關(guān)系。膜26的厚度還可以通過其它方法確定。例如，可以基于之前的厚度測量根據(jù)沉積時間估算厚度，或者通過激光反射系統(tǒng)(例如可向美國密歇根州德克斯特區(qū)的k-空間協(xié)會公司購買的Rate Rat 產(chǎn)品)估算厚度。
如上所述，根據(jù)膜26的厚度確定膜26的光學吸收邊的步驟包括考慮膜26的光學吸收與膜厚度的相關(guān)性。由于在基底28上沉積具有可測光學吸收邊和可測厚度的半導體材料膜26的步驟，根據(jù)膜厚度確定膜26的光學吸收邊的步驟還可以包括調(diào)整由光譜測得的膜26的光學吸收邊波長值。根據(jù)膜厚度確定膜26的光學吸收邊的步驟還可以包括確定膜26的半導體材料以及調(diào)整基于膜26的半導體材料和厚度由光譜測得的光學吸收邊波長值以獲得調(diào)整后的吸收邊波長。
根據(jù)膜厚度確定膜26的光學吸收邊的步驟通常包括使用厚度校準表。每種半導體材料具有唯一的厚度校準表。厚度校準表表征恒定膜溫下光學吸收邊波長相對厚度的關(guān)系O
通過如下方法獲取厚度校準表在恒溫下使半導體材料膜26生長，并且對每個厚度增量測量光學吸收邊波長，從而生成針對每個厚度的光譜。也可以通過如下方法制備厚度校準表在恒溫下在基底28上沉積膜26，并且在恒溫和多個厚度下測量膜26的光學吸收邊波長。在恒溫下制備厚度校準表也使得使用者能夠確定光學吸收邊波長與厚度的相關(guān)性。
如上所述，對于每個光譜進行光譜獲取。然后,從每個光譜中確定在恒溫下每個厚度的原始光學吸收邊波長值。對原始光學吸收邊波長值進行η階多項式擬合以產(chǎn)生光學吸收邊 波長相對厚度的曲線，其中η是為數(shù)據(jù)提供最優(yōu)擬合的多項式的階數(shù)。η階多項式相關(guān)性被用于創(chuàng)建厚度校準表。厚度校準表被用于為隨后的溫度測量進行厚度校正查閱。厚度校準表描述了光學吸收邊波長與膜厚度的相關(guān)性。光學吸收邊波長隨著膜厚度的增加而增加。由于不同材料導致不同結(jié)果，對每種唯一的半導體材料生成厚度校準表。厚度校準表也可以被提供給該方法的使用者，而不需使用者制備。然而，對于每種唯一的材料，在各種厚度和溫度下只需一個厚度校準表以確定膜的溫度。該方法可以包括確定膜的半導體材料并且為確定的半導體材料提供厚度校準表和溫度校準表。基于光譜、厚度校準表和溫度校準表確定膜在特定厚度下的溫度。
在可選結(jié)構(gòu)中，使系統(tǒng)20相對材料22移動也是符合要求的。這些相對運動可以包括相對橫向和縱向上的運動甚至曲線運動，以便連續(xù)地或間歇地掃描材料22的不同表 面位置。如圖11所示，可以自動掃描材料22的整個板。不同的控制/材料處理方式可能 導致多種掃描路徑形狀。
傳播模式探測器40可以集成有光學觸發(fā)機構(gòu)，該光學觸發(fā)機構(gòu)能夠感測越過光 束32的材料22是否存在?？蛇x地，獨立式或其它類型的光學觸發(fā)器可被用于實現(xiàn)類似目 的。該數(shù)據(jù)可被用于質(zhì)量控制和材料22追蹤目的。如圖12所示，由系統(tǒng)20產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可 以被收集/存儲在數(shù)據(jù)庫68中，然后通過任意合適技術(shù)傳輸以用于遠程訪問。以這種方式， 由系統(tǒng)20測得的參數(shù)的實時監(jiān)測可以用于任意相關(guān)部件而無論它們是否確實位于制造現(xiàn) 場。
上述三個探測器36，38，40的功能可以合并到如圖13所示的單獨探測器136中。 當然，本發(fā)明總體構(gòu)思的多種其它配置和變化是可能的，并且對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易 見的。
本發(fā)明已按照有關(guān)法律標準描述，該描述本質(zhì)上是示例而非限制。所披露的實施 例的變化和修改對本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的并落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于評估應(yīng)用于大體透明基底的薄膜的至少表面粗糙度的方法，其特征在于， 所述方法包括如下步驟a)提供大體透明的基底；b)在基底上沉積材料薄膜；該膜的材料組分具有光學吸收(Urbach)邊；該膜具有暴露的上表面，該上表面具有可測的表面粗糙度；c)使白光與沉積在基底上的膜相互作用以產(chǎn)生漫散射光；d)用與膜間隔開的探測器探測由膜發(fā)射的漫散射光；e)在光譜儀中收集探測到的光；利用光譜儀生成光譜數(shù)據(jù)，其中探測到的光被解析成相應(yīng)光強度的尚散的波長組分；f)在光譜數(shù)據(jù)中確定光學吸收(Urbach))邊；以及g)根據(jù)吸收邊確定膜的相對表面粗糙度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述確定表面粗糙度的步驟包括計算強度相對波長光譜下方以及所確定的吸收邊上方的面積。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述確定表面粗糙度的步驟包括比較光譜數(shù)據(jù)中吸收邊上方和下方的相對變化。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述確定表面粗糙度的步驟包括比較吸收邊的斜率與參考吸收邊的斜率。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述確定表面粗糙度的步驟包括比較至少兩個由不同組光譜數(shù)據(jù)獲取的吸收邊。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進一步包括用探測器掃描薄膜的暴露表面。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述掃描步驟包括使薄膜和基底相對探測器整體移動，同時在薄膜和基底之間維持基本恒定的標準間隔。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述移動步驟包括使薄膜和基底相對探測器在橫向和縱向上整體平移。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底包括玻璃材料組分。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉積步驟包括在所述相互作用步驟之前在真空腔中將氣化形式的膜材料冷凝至基底上。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述相互作用步驟包括使光在薄膜的暴露表面上反射。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述相互作用步驟包括使光透過薄膜和基底傳播。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述光譜儀包括固態(tài)光譜儀。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進一步包括根據(jù)所確定的光學吸收邊確定膜的厚度。
15.一種用于共同確定應(yīng)用于大體透明基底的薄膜的光學吸收邊、表面粗糙度和厚度的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟a)提供由不具有可測光學吸收邊的材料構(gòu)成的基底；該基底包括玻璃材料組分；b)在基底上沉積半導體材料薄膜；該膜的材料組分具有光學吸收(Urbach)邊；該膜具有暴露的上表面，該上表面具有可測的表面粗糙度；所述沉積步驟包括在真空腔中將氣化形式的膜材料冷凝至基底上；c)使非偏振且非相干的白光與沉積在基底上的膜相互作用以產(chǎn)生漫散射光；所述相互作用步驟包括使光在薄膜的暴露表面上反射和使光透過薄膜和基底傳播中的至少一種；d)用與薄膜間隔開且非接觸的探測器探測由膜發(fā)射的漫散射光；e)在光譜儀中收集探測到的光；利用光譜儀生成光譜數(shù)據(jù)，其中探測到的光被解析成相應(yīng)光強度的尚散的波長組分；f)在光譜數(shù)據(jù)中確定帶間光學吸收(Urbach))邊；g)根據(jù)吸收邊確定膜的相對表面粗糙度；所述確定表面粗糙度的步驟包括下列中的至少一種計算強度相對波長光譜下方以及所確定的吸收邊上方的面積，比較光譜數(shù)據(jù)中吸收邊上方和下方的相對變化，以及比較吸收邊的斜率與參考吸收邊的斜率；以及h)根據(jù)所確定的吸收邊確定膜的厚度。
16.一種用于評估應(yīng)用于大體透明基底的薄膜的相對表面粗糙度的組件，其特征在于， 所述組件包括a)大體平坦的基底；所述基底由不具有可測光學吸收邊的非半導體材料制成；該基底包括玻璃材料組分；b)沉積在所述基底上的半導體材料薄膜；所述薄膜的材料組分具有光學吸收 (Urbach)邊；所述薄膜具有暴露的上表面，該上表面具有可測的表面粗糙度；c)設(shè)置在所述薄膜的一側(cè)的光源，該光源用于向所述薄膜發(fā)射白光并且產(chǎn)生從該處發(fā)射的漫散射光；d)與所述光源位于所述薄膜的同一側(cè)且與所述薄膜間隔開的第一探測器，該第一探測器用于探測由所述薄膜反射的漫散射光；e)與所述光源位于所述薄膜的同一側(cè)且與所述薄膜間隔開的第二探測器，該第二探測器用于探測由所述薄膜反射的漫散射光；f)與所述光源位于所述薄膜的相對側(cè)且與所述薄膜間隔開的第三探測器，該第三探測器用于探測透過所述薄膜傳播的漫散射光；g)與所述第一、第二和第三探測器有效連接的至少一個光譜儀，該光譜儀用于根據(jù)漫散射光的各個探測生成光譜數(shù)據(jù)；以及h)傳輸裝置，該傳輸裝置用于使薄膜和基底相對探測器整體移動，同時在薄膜和基底之間維持基本恒定的標準間隔。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于與沉積在大體透明基底(28)例如光伏電池上的薄膜半導體材料(26)的生產(chǎn)相關(guān)的方法和裝置(20)，用于檢測薄膜(26)的特性，例如它的溫度、表面粗糙度、厚度和/或光學吸收特性。由膜(26)發(fā)射的漫散射光(34，34’)得到的光譜曲線(44)揭示了特征光學吸收(Urbach)邊。此外，吸收邊可用于評價離散的材料樣本(22)之間或同一材料樣品(22)的不同位置之間的相對表面粗糙狀況。通過比較兩個或多個光譜曲線的吸收邊特性，可以進行定性評價以確定膜(26)的表面粗糙度是優(yōu)質(zhì)還是劣質(zhì)。
文檔編號G01N21/958GK103003664SQ201180034055
公開日2013年3月27日 申請日期2011年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者達里爾·巴利特, 查爾斯·A·泰勒二世, 巴里·D·維斯曼 申請人:K-空間協(xié)會公司