专利名称：应用于透明基底的薄膜的实时温度、光学带隙、膜厚度和表面粗糙度测量的制作方法
应用于透明基底的薄膜的实时温度、光学带隙、膜厚度和表面粗糖度测量
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年7月9日提交的第61/362，938号美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入此处。技术领域
本发明大体涉及应用于大体透明基底的薄膜层的非接触式测量；更具体地用于参照薄膜材料的光学吸收边评价薄膜的至少相对表面粗糙度。
背景技术：
涉及在基底上沉积薄膜的先进制造工艺通常依赖于以高的精确度和可重复性监控半导体材料特性(例如它的温度、表面粗糙度、厚度和/或光学吸收特性)的能力。
如目前公知的，当光子能量超过带隙能量时将会产生突变的强吸收。在Weilmeier 等人的《一种用于分子束外延中的半导体基底的光学温度测量新技术(A New Optical Temperature Measurement Technique for Semiconductor Substrates in Molecular Beam Epitaxy)))(加拿大物理学期刊 Canadian Journal of Physics, 1991 年，69 卷， 422-426页)中，描述了一种用于测量具有绒化背面的较厚基底的漫反射并且由反射光的带隙特征推测半导体温度的技术。该技术基于简单的固态物理学原理，即带间光学吸收 (Urbach)边与温度的实际线性关系。
简单地说，当光子能量hv接近带隙能量Eg时，产生突变的强吸收。这可以用吸收系数来描述，
a (hv) = a gexp [ (hv-Eg) /E0](方程式 I)
其中，Cig是带隙能量下的光学吸收系数。吸收边用Eg和另一参量Etl表征，Etl是由费米-狄拉克统计分布导致的边的增宽(在所研究的适当温度条件下增宽IbT )。本研究中的关键量Eg由爱因斯坦模型给出，其中光子被近似为拥有单一特征能量Kb。根据下式， 光子激发(热振动)效应将会降低带隙能量
Eg W=Eg(O)-SgKB Θ E/[exp ( Θ E/T )-1](方程式 2)
其中，Sg是与温度无关的耦合常数，而ΘΕ是爱因斯坦温度。在ΘΕ远小于T的高温条件下，高模量材料(例如硅和砷化镓)很好地遵循该条件，可用如下方程式近似表示带隙与温度的相关性
Eg ⑴=Eg (0) -S8KbT(方程式 3 )
该式表明，可以预计，Eg以SsKb决定的斜率随着温度T线性下降。这在实践中被很好地遵循，并且是现代吸收边测温法的基础，现代吸收边测温法也称为带边测温法(BET)。
如上所述，对半导体材料的温度、表面粗糙度、厚度和/或光学吸收特性的控制， 可通过对半导体材料发射的漫散射光的非接触且实时的监测实现，此处的半导体材料指基底本身或者沉积在基底上的薄膜。本发明的专利权人，美国密歇根州德克斯特区的k-空间协会公司(kSA)的BandiT 系统，作为行业领先的方法和装置，用于测量除了其它特性还有 温度。探测来自半导体材料的漫散射光以测量光学吸收边特征。根据光学吸收边特征，精 确地确定温度和其它特性，例如膜厚度。kSA公司的BandiT系统可设置在传播和反射模式 运行。在传播模式中，基底加热器(或其它源)可用作光源。在反射模式中，光源以非镜面的 几何形式安装。kSA公司的BandiT系统有多种型号，覆盖的光谱范围约为380nm_1700nm。 测量和监控的典型样本材料包括GaAs、S1、SiC、InP, ZnSe, ZnTe, CdTe, SrTiO3和GaN。kSA 公司的BandiT系统在美国专利7，837，383中有详细描述，其全部内容通过引用并入此处作 为参考。
这些类型的设备可能应用到的一个新兴领域，即所谓的薄膜太阳能电池。薄膜太 阳能电池，也称为薄膜光伏(PV)电池，是通过将一层或多层具有半导体特性的光伏材料薄 层(薄膜)沉积到大体透明基底上而制成的器件。根据应用场合，这些薄膜的厚度范围从几 纳米到几十微米变化。通过多种沉积方法，多种不同光伏材料被沉积在多种基底上。这些 光伏材料可能包括，例如，非晶硅(B-Si )和其它薄膜硅(TF-Si )、碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒 化物(CIS或CIGS)、绒化多晶硅、有机太阳能电池等。
监测实时光学带隙特性(即光学吸收边特性)的能力使得制造出的产品(例如太阳 能板)能够达到稳定的高质量和高性能规格。虽然这些薄膜在光学吸收边方面通常具有半 导体特性，这些薄膜的极小厚度给现有的BET方法和设备造成新的挑战。这一部分是由于 当使用透明的和/或非半导体基底材料时，测量光学吸收特性的难度增加，因为非半导体 基底材料不具有可测的光学吸收边且通常对光的所有实际波长都透明。此外，在薄膜光伏 板生产领域，生产能力快速提高，使得用于生产工艺中的测温技术必须与高度自动化的装 配线条件兼容。更进一步地，这些类型的吸收层通常非常粗糙，并且比光滑表面更充分地散 射光线。某些应用场合下，对薄膜层的表面粗糙度进行评价，对质量控制和制造考虑是有益 的。
某些联机膜厚度测量技术已经被提议用于薄膜光伏工艺的生产线，例如那些在 《光伏世界Photovoltaics World)) 2009年3/4月版的20-25页描述的技术(www. pyworld. com)，其全部内容通过引用特此并入此处。然而，这些现有技术基于某些不能得出稳定或可 靠结果的分析方法。在另一个例子中，为了避免疑义该例子不被认为是本申请的现有技术， 维纳诺夫(Finarov)的公开号为2010/0220316的美国申请公开一种用于控制薄膜光伏质 量的方法，其中将一束光线投射到薄膜上。沿该光线的探测器对点采样以产生光谱信号，该 光谱信号被用于计算薄膜的某些参数。
因此，本领域需要发展并改进BET技术，以便将新材料、高产量生产技术和对质量 控制的需求增长考虑在内，这些都被认为是在未来的市场(包括但不仅限于光伏板生产和 其它相关领域)中具有竞争力所必要的。发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种用于评估应用于大体透明基底的薄膜的至少表 面粗糙度的方法。提供大体透明的基底。在基底上沉积薄膜的材料。该膜的材料组分具有 光学吸收(Urbach)边，并且具有暴露的上表面，该上表面具有可测的表面粗糙度。使白光 与沉积在基底上的膜相互作用以产生漫散射光。用与膜间隔开的探测器探测由膜发射的漫散射光，然后发送到光谱仪中以产生光谱数据，其中所探测到的光被解析成相应光强度的 离散的波长组分。然后在光谱数据中确定光学吸收(Urbach))边。根据吸收边特征，可以 进行膜的相对表面粗糙度的评价。
本发明与现有技术的区别在于使用吸收边作为指标以评价表面粗糙度。该方法比 现有技术更加强大和可靠，并且已被确认尤其在高度自动化、大产量的装配生产线条件下 产生稳定可靠的结果。
根据本发明的另一方面，提供一种用于评估应用于大体透明基底的薄膜的相对表 面粗糙度的组件。该组件包括大体平坦的基底，该基底由不具有可测光学吸收边的非半 导体材料制成。尤其是，该基底包括玻璃材料组分。一种薄膜的材料被沉积在基底上。该 薄膜具有显示出光学吸收边的材料组分以及暴露的上表面，该上表面具有可测的表面粗糙 度。光源被设置在薄膜的一侧，用于向薄膜发射白光。因此，薄膜发射出漫散射光。第一探 测器与光源位于薄膜的同一侧且与薄膜间隔开，用于探测由薄膜反射的漫散射光。第二探 测器与光源位于薄膜的同一侧且与薄膜间隔开，用于探测由薄膜反射的漫散射光。第三探 测器与光源位于薄膜的相对侧且与薄膜间隔开，用于探测透过薄膜传播的漫散射光。至少 一个光谱仪与第一、第二和第三探测器有效连接，用于根据各个探测的漫散射光产生光谱 数据。传输装置使薄膜和基底相对探测器整体移动，同时在薄膜和基底之间维持基本恒定 的标准间隔。


结合下列具体描述以及附图进行考虑，根据本发明的上述及其他特征和优点将会 更加容易理解，其中
图1是根据本发明的一个组件的示意图，其中板状基底和薄膜材料相对BET系统 整体传输，该BET系统包括位于板的一侧的一个光源和两个漫反射探测器以及一个位于板 的相对侧的传播探测器；
图2是沉积在基底上的膜的部分透视和剖视图，该膜包括三层；
图2A是图2中以2A标记的部分的放大图3A和3B是透过基底和薄膜的简化剖视图，示出了根据薄膜的相对表面粗糙度 产生不同散射效果的光束；
图4是简化透视图，示出了根据本发明一个实施例的典型光学吸收边测量系统；
图5是图4所示实施例的正视图6是图4所示实施例的薄膜的检测区域的放大透视图7是白光束与薄膜接触区域的放大图，示出了根据本发明一个可能实施例的用 于两漫反射探测器的对准轴；
图8是强度相对波长的曲线图，其中绘制了两个数据光谱，一个来自由相对光滑 的薄膜表面产生的光谱，另一个来自由相对粗糙的薄膜表面产生的光谱，并且描述了一种 评价法，通过该方法曲线的位于外推吸收边上方的积分面积定性地表征膜的表面粗糙度；
图9是强度相对波长的曲线图，其中绘制了两个光谱，一个来自由相对光滑的薄 膜表面产生的光谱，另一个来自由相对粗糙的薄膜表面产生的光谱，并且描述了另一种评 价法，通过该方法可以观察光谱曲线中位于吸收边上方和下方的相对变化以表征表面粗糙度；
图10是如图9所示的强度相对波长的曲线图，描述了又一种评价法，通过该方法 可以用吸收边的斜率评价表面粗糙度；
图11是如图4所示的视图，但是示出一种可选的扫描法，通过该方法探测器相对 膜表面纵向和横向移动；
图12是又一可选实施例的示意图，其中由该系统产生的数据可以被收集/存储在 数据库中然后通过任意合适技术传输以用于远程访问；以及
图13是又一可选实施例的正视图，其中膜厚度、吸收边和表面粗糙度的确定都通 过单一反射探测器进行。
具体实施方式
参照附图，其中相似附图标记用于指示各视图中的相似或相应部件，根据本发明 的吸收边测量系统通常被示为20。该系统20尤其适于沿着传输系统24移动的材料22的 联机测量。典型的材料22包括光伏太阳能板的产品，在该产品上，薄膜吸收层26被应用于 整个玻璃(或其它合适的)基底28。基底28和薄膜26在图2、2A、3A和3B中示意性地示出。 应当理解，薄膜26实际上可能由多个离散层组成，如图2A所示。该薄膜组分26可以是任 意典型材料，包括但不仅限于CdTe、CIGS、CdS、绒化多晶硅、GaAs、S1、SiC、InP、ZnSe、ZnTe、 SrTiO3 和 GaN。
在光伏板产品的特定例子中，其中材料22包括一种太阳能板组件的组分，通常， 这些材料22包括形成为矩形尺寸并整体在输送机24上移动的刚性板状材料，以便利用本 发明的系统20进行吸收边测量和/或实时BET测量技术。然而，本发明的一般性原理不仅 限于光伏板，或仅连续供给的板材应用，而是也适用于连续条状应用，盘状晶圆，以及其它 可能的应用。系统20包括光源30，无论是整体上还是细节上，光源30与申请人的美国专利 7，837，383中的详细描述类似。光源30产生一束指向材料22的白光32，尤其是非偏振、非 相干的光32。如图2-3B所示，由于其与薄膜26以及基底28上表面的相互作用，该光束32 产生散射和反射光34。然而，由于基底28基本透明，大部分光束穿过材料22并透过底部而 形成透射光34’。由于白光32与薄膜26的相互作用，反射光34和透射光34’都包括由薄 膜26发射的漫散射光。
第一吸收边探测器36位于光束32的非镜面相对位置，即入射角之外，以便收集散 射/反射光34。吸收边探测器36以大体根据美国专利7，837，383的描述构造的“反射模 式”探测器36的形式设置。一个或多个优选为固态技术类型的光谱仪58 (图1)可能被使 用。光谱仪58可以是任意合适类型的，例如400-1100nm，1024像素的背照式硅CXD阵列系 统。当然，不同的应用可能要求可选的光谱仪58规格。
第二薄膜测量探测器，通常以38标记，也设置在相对光源30的非镜面相对位置， 以便收集来自材料22的散射/反射光34。第一探测器36和第二探测器38与光源30设 置在薄膜26的同一侧，并因此都设置为反射模式运行。薄膜测量探测器38大体根据申请 人的同在审查中(co-pending)的国际申请W02010/148385的描述构造，该国际申请于2010 年12月23日公开，且其全部内容通过引用并入此处。
反射模式吸收边探测器36和薄膜测量探测器38都可以配置有如美国专利7，837，383描述的激光准直装置，并且被构造为分别产生与设置相关的激光束36’，38’以 便使探测器36，38对准光束32对材料22的冲击点。在探测模式下，准直激光36’，38’是 无效的。
进一步地，第三传播模式探测器，通常以40标记，位于材料22下方以便收集透射 光34’。该传播模式探测器40可以包括准直激光40’以用于该系统的初始设置阶段。
仅仅出于示意目的，图4-6示出系统20的高度简化的结构。在这些例子中，一个 共用的框架结构42将探测器36，38，40与光源30互连在一起。尽管没有示出，应当理解， 每个探测器36，38，40及光源30将与框架42可移动地连接以便允许分别进行对准和调节。 如之前建议地那样，材料22优选相对系统20线性移动以便沿着材料22的长度进行吸收边 和温度的连续直线扫描。
现在转到图7，图7示出材料22的局部放大图，来自光源30的光束32与薄膜26 的暴露的上表面于该处接触。光束32的中线以字母A标记。大体沿着光束32的轴A居中 的小圆38’代表用于薄膜测量探测器38发射的准直激光38’的接触点。来自反射模式探 测器36的小圆36’可能从光束32的中心线A偏移——在本例中示出被调整为部分位于光 束32之外——在反射光34的强度有可能使探测器36过载的情况下。在薄膜26的表面粗 糙度很高的情况下，散射光34的强度将会很大(如图3A所示)。为了防止反射模式吸收边 探测器36的过饱和，它的焦点或准直点36’可以被小心地调整到合适的位置，该位置可以 位于光束32的周界附近或恰好位于光束32的周界之外。可选地，光束32的强度可以通过 光源30减小。尽管没有清楚地示出，传播模式探测器40的准直光束40’优选与光束32的 中心线A大体对齐。然而，传播模式探测器40的非镜面相对准直位置也是合适的。
运行中，光源30发光以用于通过传播模式探测器40进行膜厚度测量、膜面的漫反 射和薄膜26吸收边探测。尽管没有示出，第二光源可以位于材料22的下方以用于测量应 用于基底28的底边的任意膜的吸收边，在某些应用中的确如此。如果使用第二光源，它可 以被构造为发射可见光以用于通过漫反射在任意应用于底面的膜上进行吸收边探测。在有 补充光源的情况下，如美国专利7，837，383所教导的，这两个光源将优选通过聚焦透镜聚 焦于材料22上的相同位置。优选地，透镜也用于探测器36，38，40以提供最优的总计数、S/ N比率和最小化杂散光收集。
可以通过多种方法使用系统20得到的光学吸收边进行相对膜26表面粗糙度的测 量。根据一种技术，使用由反射模式吸收边探测器36收集的光谱数据。参阅图8，示出一个 简单的强度-波长图表，该图表描述了由系统20收集的处理后的光谱。曲线44代表由反射 模式吸收边探测器36收集的光谱数据。利用美国专利7，837，383描述的技术，线性吸收边 46被沿着它的斜率延长以便与X轴相交，从而获得所谓的吸收边波长。线性吸收边46上方 和光谱曲线44下方区域界定的面积48表征散射光34的强度，如图3A和3B所示。与光滑 表面相比，薄膜26上的更粗糙表面将导致更多光散射并因此得到更大的位于带隙上方(即 线性吸收边46上方)的界定面积48。因此，基于散射强度34可以对表面粗糙度进行定性 评价，因为更大的面积48意味着更粗糙的薄膜26表面，反之亦然。
图9示出利用由光谱数据确定的吸收边进行相对表面粗糙度评价的另一种技 术。为了与图8进行对比，示出两个叠加的数据样本——一个光谱代表相对光滑表面，另 一个代表相对粗糙表面。在该例中，显然由相对粗糙的(即劣质的)膜表面产生的光谱曲线将比由相对光滑的(即优质的)膜表面产生的曲线显示出更大的隙上强度(above-gap intensity)。也可以观察到，由相对粗糙膜表面产生的光谱将比由相对光滑膜表面产生的曲线显示出更小的相对带边阶梯高度。该阶梯高度可以从数学上理解为(隙下强度-隙上强度)/隙下强度(below gap intensity)。或者换个说法(最大值_最小值)/最大值。 因此，图9描述了另一种方法，其中吸收边特征用表面粗糙度来表征并且可以被用于定性评价一种材料样本22和另一种样本22,或者同一材料样本22的不同位置。
在该原理的又一种应用中，吸收边可用于评价离散材料样本22之间或同一材料样本22的不同位置之间的相对表面粗糙状况，图10描述了如何利用吸收边的斜率。在该例中，如图8中一样，再次示出两个叠加的数据样本，分别代表光滑表面膜和粗糙表面膜。在此，每个光谱的吸收边的斜率在其末端被延长以突显如下事实相对粗糙膜表面将比由相对光滑膜表面产生的曲线显示出更小的吸收边斜率。因此，通过比较光谱曲线的斜率，可以进行定性评价以确定膜26的表面粗糙度是优质的还是劣质的。
第一和第三探测器36，40可以用于监测膜26的温度，而第二探测器38可以主要用于监测膜26的厚度。在某些情况下，尤其是在沉积过程中监测温度时，需要考虑改变膜厚度。光穿过半导体材料传播的一般相关性如下方程式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)是在膜厚度为d时从膜26收集到的漫散射光的强度，I (O)是从没有膜26的基底28收集到的漫散射光的强度，以及α是膜26的材料在材料带隙能量下的吸收系数。材料的吸收系数(α )对材料的光学吸收与带隙能量的相关性产生影响，它是与温度相关的。在上面给出的方程式a (hv) = ageXp [Qw-EgVEci](方程式 I)中，吸收系数(α )也被称为a (hv)。
方程式I描述了膜26的光学吸收是与厚度相关的，并且光学吸收具有指数特性。 在基底28没有可测光学吸收边波长的应用中，光32从薄膜26的表面、膜26和厚基底28 之间的界面以及基底28的表面漫散射，如同由半导体材料构成的基底。对于由半导体材料构成的基底28，光32受到具有较大厚度的基底28的影响，因此厚度的增量变化对光学吸收边几乎没有显著影响。然而，当基底28由不具有可测光学吸收边波长的材料(例如非半导体)构成时，光32基本不会被基底28影响。这些情况下的基底28通常是透明的(例如玻璃或蓝宝石)或者完全反射的(例如钢材或其它金属)。因此，光32仅被半导体膜26影响。由于膜26很薄，膜厚度的增量或变化将对所测得的膜26的光学吸收边波长有显著影响。膜厚度的增量通常为Ι.Ομπι增加或减少。
在图2Α所示的典型实施例中，膜26包括沉积在蓝宝石基底28上的三层 60，62，64。基底28的厚度约为600 μ m。沉积在基底28上的基层60包括无掺杂的GaN并且具有约3. O μ m至约4. O μ m的厚度。沉积在基层60上的中间层62是掺杂的GaN并且具有约O. 5 μ m至约1. O μ m的厚度。沉积在中间层62上的顶层64是InGaN并且具有约 O. 2 μ m至约O. 5 μ m的厚度。当顶层64被沉积在基底28上时以及在工艺过程中，顶层64 的温度可能对于所生成产品的质量尤为关键。如上所述以及图3A和3B所示，光从膜26的每层60，62，64的顶表面和底表面漫散射。
通过根据膜厚度确定膜26的光学吸收边波长，该光学吸收边波长然后被用于确定膜26的温度，本发明的方法、装置和系统可以被构造为将膜26的厚度增量变化考虑在内。在制造过程中的某个时候，当可以对膜26进行调整以矫正会导致不期望特性的不期望 温度时，确定光学吸收边波长和温度。
第一步骤包括进行光谱获取以矫正由设备工件造成的可能错误，例如所用探测器 的非均匀响应和非均匀输出的光信号。这些错误可能妨碍原始漫反射光信号在正确的波长 位置产生可测光学吸收边。当进行光谱获取时，可以假设这些错误是恒定不变的。
光谱获取首先包括产生参考光谱，参考光谱代表系统的总体响应，即光源输出信 号和探测器响应的总和，它们都是与波长相关的。通过用光照射没有膜26的基底28(例如 裸露的蓝宝石)，并且在探测器40中收集漫散射光来产生参考光谱。接下来，基于由光与基 底28单独相互作用收集到的漫散射光，利用光谱仪58生成参考光谱。对参考光谱进行标 准化处理以结束光谱获取。
每当基于来自膜的漫散射光产生原始光谱，该方法包括对原始光谱进行标准化处 理，并且用标准化的原始光谱除以标准化的参考光谱以产生合成光谱。每次引入原始光谱 都要用原始光谱除以参考光谱，除了增强光学吸收信号，这对确定精确的膜厚度也是必要 的。对合成光谱进行标准化处理并用于确定光学吸收边波长。合成光谱提供可解析的光学 吸收边波长，以用于确定膜26的温度或其它特性。
每当系统组件变化时，进行光谱获取，包括生成标准化的参考光谱。例如，探测器 40的观察窗口可能随着时间被覆盖，这将影响收集到的光。光谱获取可以每次运行进行一 次，每天进行一次，每周进行一次或者根据需要以其它时间间隔进行。每次运行进行一次参 考光谱获取通常比每周一次提供更为精确的结果。
通常通过将来自基底28的光信号解析成特定光强度的离散波长组分而产生本方 法和系统的光谱，包括参考光谱、原始光谱和合成光谱。基于来自膜26的漫散射光,光谱表 征膜26的光学吸收。光谱通常包括光的强度相对波长的曲线图，如图7-9所示。然而，光 谱可以提供以其它形式存在的光学吸收信息，例如表格。
合成光谱被用于确定光学吸收边波长。如上所述，光学吸收边波长是在特定的波 长下，材料的电磁辐射的吸收程度突然增加。光学吸收边波长与具体材料、材料温度以及材 料厚度相关。光学吸收边波长可以从光谱确定；它是当强度从很低(强吸收)急剧转变为很 高(强发射)的波长。光学吸收边波长被用于确定基底28的温度，以及进行上述相对表面粗 糖度评估。
该方法可以进一步包括产生膜26在单一厚度时温度相对波长的校准表(温度校 准表)。该温度校准表也可以提供给该方法的使用者，而不需由该方法的使用者制备。温度 校准表表征在恒定膜厚度下温度与光学吸收边波长的相对关系。温度校准表为随后的基于 从光谱获得的光学吸收边波长测量膜温度做准备。然而，与现有技术的系统和方法不同，本 系统和方法进一步包括通过考虑膜26的厚度对光学吸收边波长的作用或者光学吸收边波 长与膜厚度的相关性确定膜26的温度，这将在下面进一步讨论。
如上所述，本发明的方法和系统包括确定膜26的光学吸收边波长，如果在膜26的 光学吸收边波长与膜26的厚度相关的情况下，该光学吸收边波长可以可选地根据膜26的 厚度确定。膜厚度对薄膜26的光学吸收边并因此对薄膜26 (例如图2A的样本的顶层64) 的温度确定具有尤其重要的影响。
膜26的厚度可以通过多种方法确定。在本发明的一个实施例中，膜26的厚度由光谱方便地确定，如上所述，该光谱由来自膜26的漫散射光产生并用于确定光学吸收边波长。光谱通常包括光谱的光学吸收边区域下方(右方)的震荡。这些震荡是薄膜干涉的结果，类似于薄油膜上有时可见的干涉环。对震荡的与波长相关的峰和谷进行衍生分析以确定膜26的厚度。可采用下面的方程式5来确定膜26的厚度，
d =(方程式5)
其中，d是膜厚度，X1是震荡的第一峰处的波长且λ 2是震荡的第二峰处的波长， 第二峰邻近第一峰，或者可选地，X1是震荡的第一谷处的波长且λ 2是震荡的第二谷处的波长，第二谷邻近第二谷，Ii1是在λ i处与半导体材料相关的预定折射率；以及n2是在λ 2 处与半导体材料相关的预定折射率。用于入1和λ 2的波长可以是震荡的任意两个连续峰或任意两个连续谷。用于膜26厚度的震荡和所得值与膜26的所有层60，62，64具有非线性关系。膜26的厚度还可以通过其它方法确定。例如，可以基于之前的厚度测量根据沉积时间估算厚度，或者通过激光反射系统(例如可向美国密歇根州德克斯特区的k-空间协会公司购买的Rate Rat 产品)估算厚度。
如上所述，根据膜26的厚度确定膜26的光学吸收边的步骤包括考虑膜26的光学吸收与膜厚度的相关性。由于在基底28上沉积具有可测光学吸收边和可测厚度的半导体材料膜26的步骤，根据膜厚度确定膜26的光学吸收边的步骤还可以包括调整由光谱测得的膜26的光学吸收边波长值。根据膜厚度确定膜26的光学吸收边的步骤还可以包括确定膜26的半导体材料以及调整基于膜26的半导体材料和厚度由光谱测得的光学吸收边波长值以获得调整后的吸收边波长。
根据膜厚度确定膜26的光学吸收边的步骤通常包括使用厚度校准表。每种半导体材料具有唯一的厚度校准表。厚度校准表表征恒定膜温下光学吸收边波长相对厚度的关系O
通过如下方法获取厚度校准表在恒温下使半导体材料膜26生长，并且对每个厚度增量测量光学吸收边波长，从而生成针对每个厚度的光谱。也可以通过如下方法制备厚度校准表在恒温下在基底28上沉积膜26，并且在恒温和多个厚度下测量膜26的光学吸收边波长。在恒温下制备厚度校准表也使得使用者能够确定光学吸收边波长与厚度的相关性。
如上所述，对于每个光谱进行光谱获取。然后,从每个光谱中确定在恒温下每个厚度的原始光学吸收边波长值。对原始光学吸收边波长值进行η阶多项式拟合以产生光学吸收边 波长相对厚度的曲线，其中η是为数据提供最优拟合的多项式的阶数。η阶多项式相关性被用于创建厚度校准表。厚度校准表被用于为随后的温度测量进行厚度校正查阅。厚度校准表描述了光学吸收边波长与膜厚度的相关性。光学吸收边波长随着膜厚度的增加而增加。由于不同材料导致不同结果，对每种唯一的半导体材料生成厚度校准表。厚度校准表也可以被提供给该方法的使用者，而不需使用者制备。然而，对于每种唯一的材料，在各种厚度和温度下只需一个厚度校准表以确定膜的温度。该方法可以包括确定膜的半导体材料并且为确定的半导体材料提供厚度校准表和温度校准表。基于光谱、厚度校准表和温度校准表确定膜在特定厚度下的温度。
在可选结构中，使系统20相对材料22移动也是符合要求的。这些相对运动可以包括相对横向和纵向上的运动甚至曲线运动，以便连续地或间歇地扫描材料22的不同表 面位置。如图11所示，可以自动扫描材料22的整个板。不同的控制/材料处理方式可能 导致多种扫描路径形状。
传播模式探测器40可以集成有光学触发机构，该光学触发机构能够感测越过光 束32的材料22是否存在。可选地，独立式或其它类型的光学触发器可被用于实现类似目 的。该数据可被用于质量控制和材料22追踪目的。如图12所示，由系统20产生的数据可 以被收集/存储在数据库68中，然后通过任意合适技术传输以用于远程访问。以这种方式， 由系统20测得的参数的实时监测可以用于任意相关部件而无论它们是否确实位于制造现 场。
上述三个探测器36，38，40的功能可以合并到如图13所示的单独探测器136中。 当然，本发明总体构思的多种其它配置和变化是可能的，并且对本领域技术人员是显而易 见的。
本发明已按照有关法律标准描述，该描述本质上是示例而非限制。所披露的实施 例的变化和修改对本领域技术人员是显而易见的并落在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种用于评估应用于大体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骤a)提供大体透明的基底；b)在基底上沉积材料薄膜；该膜的材料组分具有光学吸收(Urbach)边；该膜具有暴露的上表面，该上表面具有可测的表面粗糙度；c)使白光与沉积在基底上的膜相互作用以产生漫散射光；d)用与膜间隔开的探测器探测由膜发射的漫散射光；e)在光谱仪中收集探测到的光；利用光谱仪生成光谱数据，其中探测到的光被解析成相应光强度的尚散的波长组分；f)在光谱数据中确定光学吸收(Urbach))边；以及g)根据吸收边确定膜的相对表面粗糙度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定表面粗糙度的步骤包括计算强度相对波长光谱下方以及所确定的吸收边上方的面积。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定表面粗糙度的步骤包括比较光谱数据中吸收边上方和下方的相对变化。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定表面粗糙度的步骤包括比较吸收边的斜率与参考吸收边的斜率。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定表面粗糙度的步骤包括比较至少两个由不同组光谱数据获取的吸收边。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括用探测器扫描薄膜的暴露表面。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述扫描步骤包括使薄膜和基底相对探测器整体移动，同时在薄膜和基底之间维持基本恒定的标准间隔。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述移动步骤包括使薄膜和基底相对探测器在横向和纵向上整体平移。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底包括玻璃材料组分。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉积步骤包括在所述相互作用步骤之前在真空腔中将气化形式的膜材料冷凝至基底上。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相互作用步骤包括使光在薄膜的暴露表面上反射。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相互作用步骤包括使光透过薄膜和基底传播。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光谱仪包括固态光谱仪。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括根据所确定的光学吸收边确定膜的厚度。
15.一种用于共同确定应用于大体透明基底的薄膜的光学吸收边、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骤a)提供由不具有可测光学吸收边的材料构成的基底；该基底包括玻璃材料组分；b)在基底上沉积半导体材料薄膜；该膜的材料组分具有光学吸收(Urbach)边；该膜具有暴露的上表面，该上表面具有可测的表面粗糙度；所述沉积步骤包括在真空腔中将气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与沉积在基底上的膜相互作用以产生漫散射光；所述相互作用步骤包括使光在薄膜的暴露表面上反射和使光透过薄膜和基底传播中的至少一种；d)用与薄膜间隔开且非接触的探测器探测由膜发射的漫散射光；e)在光谱仪中收集探测到的光；利用光谱仪生成光谱数据，其中探测到的光被解析成相应光强度的尚散的波长组分；f)在光谱数据中确定带间光学吸收(Urbach))边；g)根据吸收边确定膜的相对表面粗糙度；所述确定表面粗糙度的步骤包括下列中的至少一种计算强度相对波长光谱下方以及所确定的吸收边上方的面积，比较光谱数据中吸收边上方和下方的相对变化，以及比较吸收边的斜率与参考吸收边的斜率；以及h)根据所确定的吸收边确定膜的厚度。
16.一种用于评估应用于大体透明基底的薄膜的相对表面粗糙度的组件，其特征在于， 所述组件包括a)大体平坦的基底；所述基底由不具有可测光学吸收边的非半导体材料制成；该基底包括玻璃材料组分；b)沉积在所述基底上的半导体材料薄膜；所述薄膜的材料组分具有光学吸收 (Urbach)边；所述薄膜具有暴露的上表面，该上表面具有可测的表面粗糙度；c)设置在所述薄膜的一侧的光源，该光源用于向所述薄膜发射白光并且产生从该处发射的漫散射光；d)与所述光源位于所述薄膜的同一侧且与所述薄膜间隔开的第一探测器，该第一探测器用于探测由所述薄膜反射的漫散射光；e)与所述光源位于所述薄膜的同一侧且与所述薄膜间隔开的第二探测器，该第二探测器用于探测由所述薄膜反射的漫散射光；f)与所述光源位于所述薄膜的相对侧且与所述薄膜间隔开的第三探测器，该第三探测器用于探测透过所述薄膜传播的漫散射光；g)与所述第一、第二和第三探测器有效连接的至少一个光谱仪，该光谱仪用于根据漫散射光的各个探测生成光谱数据；以及h)传输装置，该传输装置用于使薄膜和基底相对探测器整体移动，同时在薄膜和基底之间维持基本恒定的标准间隔。
全文摘要
本发明提供一种用于与沉积在大体透明基底(28)例如光伏电池上的薄膜半导体材料(26)的生产相关的方法和装置(20)，用于检测薄膜(26)的特性，例如它的温度、表面粗糙度、厚度和/或光学吸收特性。由膜(26)发射的漫散射光(34，34’)得到的光谱曲线(44)揭示了特征光学吸收(Urbach)边。此外，吸收边可用于评价离散的材料样本(22)之间或同一材料样品(22)的不同位置之间的相对表面粗糙状况。通过比较两个或多个光谱曲线的吸收边特性，可以进行定性评价以确定膜(26)的表面粗糙度是优质还是劣质。
文档编号G01N21/958GK103003664SQ201180034055
公开日2013年3月27日 申请日期2011年7月11日 优先权日2010年7月9日
发明者达里尔·巴利特, 查尔斯·A·泰勒二世, 巴里·D·维斯曼 申请人:K-空间协会公司