DE10123470A1 - Verfahren und Anordnung zur berührungslosen Ermittlung von Produkteigenschaften - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur berührungslosen Ermittlung von Produkteigenschaften

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur berührungslosen Ermittlung von Produkteigenschaften, insbesondere bei der kontinuierlichen oder aus diskontinuierlichen Fertigung von Schichtsystemen, die aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften bestehen. DOLLAR A Dabei werden die Meßmittel und Meßmethoden zur Ermittlung der Eigenschaften jeweils einer der Schichten in Abhängigkeit von den optischen Eigenschaften dieser Schicht und in Abhängigkeit von den optischen Eigenschaften der in Meßrichtung darüberliegenden Schichten vorgegeben. DOLLAR A Bei einer Meßeinrichtung dazu sind mehrere Detektoren für jeweils unmittelbar aneinander angrenzende Wellenlängenbereiche vorgesehen, wobei die Detektoren und die Signalverarbeitungseinrichtung (10) zur lückenlosen Bewertung des von der Meßfläche (5) kommenden Lichtes mit Wellenlängen von 200 nm bis über 2400 nm ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur berüh­ rungslosen Ermittlung von Produkteigenschaften, insbesonde­ re bei der kontinuierlichen oder auch diskontinuierlichen Fertigung von Schichtsystemen, die aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften gebildet sind. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Anord­ nung zur Durchführung des Verfahrens. Verfahren und Anord­ nung sind insbesondere vorteilhaft nutzbar im Zusammenhang mit der Steuerung und Qualitätsüberwachung bei der Ferti­ gung vorgenannter Schichtsysteme.
Bekannt sind spektroskopisch arbeitende Meßeinrichtungen, mit denen sowohl die Reflexion als auch die Transmission von Flächenabschnitten auf Produkten erfaßt werden können. Aus dem Meßspektrum lassen sich optische Eigenschaften der Produkte sowie weitere Qualitätsparameter ermitteln, wie beispielsweise Maßhaltigkeit von ausgewählten Produktzonen.
Dabei wird in bekannter Weise ein optischer Meßkopf in un­ mittelbarer Nähe eines zu charakterisierenden Produktes an­ geordnet. Von einer im Meßkopf befindlichen Lichtquelle wird Meßlicht auf eine ausgewählte Meßfläche am Produkt ge­ richtet, das daraufhin von der Meßfläche reflektierte, emittierte oder transmittierte Licht einem Empfänger zuge­ führt und nachfolgend ausgewertet.
Insbesondere bei der Herstellung von Mehrfachschichtsyste­ men unter hohem technologischen Automatisierungsgrad ist es wünschenswert, den Schichtaufbau während des Aufbringens der Schichten oder zumindest kurz nach dem Aufbringen je­ weils einer Schicht messen zu können, um zu einer aktuellen Aussage über den Erfolg des betreffenden Fertigungsschrit­ tes bzw. über die Qualität des Produktes zu kommen und bei Abweichungen sofort Korrekturmaßnahmen einleiten zu können.
Um schnell zu aussagefähigen und reproduzierbaren Ergebnis­ sen zu gelangen, ist man angewiesen, Analysenmethoden zu verwenden, die sich auszeichnen durch:
  • - kurze Analysendauer
  • - hohe Analysenfrequenz
  • - hohen Informationsgehalt pro Zeiteinheit
  • - Robustheit für Prozeßinstallation und Betrieb
  • - Zuverlässigkeit
  • - Automatisierbarkeit
  • - geringen Platzbedarf
  • - Vielseitigkeit der Detektionssysteme.
Die im Stand der Technik verfügbaren optischen Meßverfahren und -anordnungen sind jedoch nicht dazu geeignet, bei der Herstellung von Schichtsystemen, wie sie insbesondere für die Solartechnik entwickelt worden sind, stetig und hinrei­ chend schnell über die gesamte Breite eines optischen Spek­ trums Reflexions- bzw. Transmissionsmessungen vornehmen zu können. Messungen zu diesem Zweck erfordern derzeit noch einen hohen zeitlichen und kostenintensiven Aufwand, wo­ durch vor allem das Tempo des Fertigungsprozesses gering gehalten wird.
Deshalb ist in den letzten Jahren das Anforderungsprofil an die Qualität der Produktion erheblich gestiegen. Insbesondere werden hohe Anforderungen an die Konstanz der Zusam­ mensetzung, an die Morphologie und vor allem an die Schichtdicke gestellt. Bei Mehrschichtsystemen beispiels­ weise in der Halbleiterindustrie, in der industriellen Fer­ tigung von Anodisierschichten oder auch bei der Produktion moderner Solarzellen auf Basis Cadmiumsulfid müssen enge Toleranzen während der laufenden Fertigung eingehalten wer­ den.
Zu Zwecken der Qualitätskontrolle werden im Stand der Tech­ nik noch häufig sogenannte off-line Verfahren eingesetzt, d. h. es werden punktuell Proben gezogen und diese dann im Labor betriebsnah vermessen. Wünschenswert wäre jedoch eine direkte on-line oder in-line Messung im laufenden Produkti­ onsbetrieb mit möglichst simultaner Erfassung verschieden­ artiger aktueller Qualitätsparameter.
Optische und spektroskopische Methoden erfassen durch die Wechselwirkung von Licht mit der Oberfläche über die selek­ tive Absorption die chemische Zusammensetzung und durch die Messung des Streulichtes auch morphologische Variationen. Beobachtet man durch eine geeignete Anordnung auch die Pha­ senbeziehungen der Wellen untereinander, so lassen sich über die Interferenzen auch Aussagen über z. B. die Schichtdicke machen. Prinzipiell sind optische und spektro­ skopische Methoden besonders geeignet als on-line und in- line Meßtechniken, da sie sehr schnell und berührungslos arbeiten.
Die Messung von Interferenzerscheinungen ist als Stand der Technik etabliert. Es sind ellipsometrische Systeme entwic­ kelt worden, die bis zu fünf Schichten simultan bestimmen können. Allerdings müssen dabei alle Schichten transparent sein. Zudem bereitet es erhebliche Schwierigkeiten diese Technik als on-line Methode einzusetzen, da sie nur bei glatten Oberflächen sicher funktioniert. Die Bestimmung der Schichtdicke mit Hilfe der Messung der spektralen Interfe­ renz wird nach wie vor noch als "nicht" on-line fähig be­ zeichnet und beschränkt für Schichtdicken vorzugsweise von 1 µm und mehr eingesetzt.
Typischerweise werden bei der spektralen Interferenz die Schichten im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes von 400 nm bis über 700 nm vermessen, wobei meist auf einer un­ durchsichtigen Schicht (z. B. Metall) eine transparente Schicht (z. B. Oxidschicht) aufgebracht wird. Durch die um­ gebende Luft entsteht so ein Dreischichtsystem (mit drei unterschiedlichen Brechungsindizes), das sich sehr leicht durch die Anwendung der Fresnels'schen Formeln beschreiben läßt. Die Messung kann sowohl spekular als auch in diffuser Anordnung durchgeführt werden. Die Berechnung der Schicht­ dicke erfolgt über die Interferenz oder der spezifischen Absorption.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren der eingangs be­ schriebenen Art dahingehend weiter zu entwickeln, daß kür­ zere Meßzeiten bei zumindest gleichbleibend hoher Genauig­ keit des Meßergebnisses möglich sind. Die Aufgabe der Er­ findung besteht weiter darin, eine Anordnung zur Durchfüh­ rung eines solchen Verfahrens anzugeben.
Erfindungsgemäß werden bei einem Verfahren der eingangs be­ schriebenen Art die Meßmittel und Meßmethoden zum Ermitteln der Eigenschaften einer Schicht des Schichtsystems in Ab­ hängigkeit von den optischen Eigenschaften dieser und in Abhängigkeit von den in Meßrichtung darüberliegenden Schicht vorgegeben.
Das Wesen des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Messung in unterschiedlichen Spektralbereichen (von 0.2 µm bis 30 µm) mit Hilfe unterschiedlicher geometrischer Anord­ nungen (z. B. diffus mit Ulbrichtkugel, 45R0, 45R45) je nach Eigenschaftsprofil der einzelnen Schichten. Dabei kön­ nen überraschenderweise Wellenlängenbereiche so gewählt werden, daß eine Schicht als transparent erscheint, während die andere Schicht stark absorbiert oder reflektiert und damit eine "unendliche" Schichtdicke vortäuscht bzw. ein einfaches Reflexionssignal empfangen und ausgewertet werden kann.
Bevorzugt wird dabei die Ermittlung der Eigenschaften meh­ rerer Schichten des Schichtsystems zeitgleich, jedoch je­ weils mit den in Abhängigkeit von den optischen Eigenschaf­ ten der einzelnen Schichten vorgegebenen Meßmitteln und Meßmethoden durchgeführt.
Beispielsweise ist das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar für ein Schichtsystem aus einer Molybdänschicht, einer dar­ über aufbrachten CIS-Schicht und einer über der CIS-Schicht aufgebrachten CdS-Schicht, wobei mit einer auf das Schicht­ system gerichteten IR-Strahlung eines Wellenlängenberei­ ches, für den die Molybdänschicht mindestens teiltranspa­ rent ist, die spektralen Interferenzen gemessen und aus dem Meßergebnis die Schichtdicke der Molybdänschicht ermittelt wird, mit einer auf das Schichtsystem gerichteten NIR- Strahlung eines Wellenlängenbereiches, für den zwar die CIS-Schicht mindestens teiltransparent, die Molybdänschicht jedoch nicht transparent ist, die Interferenzmaxima und In­ terferenzminima gemessen und aus dem Meßergebnis die Schichtdicke der CIS-Schicht ermittelt wird und mit einer auf das Schichtsystem gerichteten UV- oder VIS-Strahlung eines Wellenlängenbereiches, für den zwar die CdS-Schicht mindestens teiltransparent, die CIS-Schicht hingegen jedoch nicht transparent ist, die Interferenzmaxima und Interfe­ renzminima gemessen und aus dem Meßergebnis die Schichtdic­ ke der CdS-Schicht ermittelt wird.
In einer weiteren Ausgestaltungen dieses Verfahrens wird beispielsweise zusätzlich die spektrale Intensität bei spe­ kularer und diffuser Anordnung gemessen und aus der Diffe­ renz der Ergebnisse aufgrund der Streuleistung die Rauhig­ keit der Oberfläche der Molybdänschicht ermittelt.
Möglich ist es weiterhin, die Dämpfung der Interferenz und/oder den Verlauf der Reflexion der NIR-Strahlung zu er­ mitteln und daraus Informationen über den chemischen und morphologischen Aufbau der CIS-Schicht zu gewinnen.
Auch liegt es im Rahmen der Erfindung, die Absorption der UV- bzw. VIS-Strahlung zu ermitteln und aus der Lage und der Steilheit der Absorptionskante Informationen über die Güte und die Halbleitereigenschaften der CdS-Schicht zu ge­ winnen.
Bei all diesen Ausgestaltungsvarianten der Erfindung ist die eindeutige Zuordnung der Spektren zur Substanz möglich, ohne daß Überlagerungen auftreten. Die quantitative Charakterisierung der Schicht muß dann nicht mit umständlichen und/oder aufwendigen Simulationsrechnungen durchgeführt werden. Wenn man dann noch gleichzeitig bei mehreren unter­ schiedlichen Geometrien (spektrale Goniometrie) mißt, kön­ nen auch die diffusen Anteile des Lichtes über die Streuung erfaßt und ausgewertet werden. Sie geben z. B. Informatio­ nen über die Rauhigkeit der Oberfläche bzw. den Streuzen­ tren, aber auch über die Art der Defektstellen in der Schicht Auskunft. Auch die chemische Zusammensetzung der Schicht läßt sich aufgrund der spezifischen Absorption (insbesondere im diffusen Licht), aber auch die Schichtdic­ ke (aus den Interferenzen) gleichzeitig erfassen.
Darüber hinaus erfolgt parallel dazu die Registrierung von Meßergebnissen im UV-Bereich, so daß ein zu prüfendes Pro­ dukt in seinen Eigenschaften nahezu vollständig definiert wird. Über die Signalverarbeitungseinrichtung werden alle gewonnenen Informationen erfaßt und hieraus je nach Art der Meßaufgabe entsprechende Bewertungs- und Korrektursignale gewonnen.
Bei diskontinuierlich und auch kontinuierlich ablaufenden Prozessen werden auftretende Abweichungen vom Sollmaß eines Produktes bzw. einer Produktzone durch stetig oder in vor­ gegebenen Zeitabständen sequentiell vorgenommenen Vergleich mit einem vorher kalibrierten, in der Signalverarbeitungs­ einrichtung gespeicherten spektralen Kurvenverlauf erfaßt und entsprechend korrigiert. Eine Bewertung kann auch mit Hilfe chemometrischer Verfahren oder Mustererkennungsver­ fahren vorgenommen werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem gelöst mit einer Meßeinrichtung zur Ermittlung geometrischer und/oder opti­ scher Eigenschaften der verschiedenen Schichten in einem Schichtsystem, umfassend mindestens eine zur Beleuchtung einer Meßfläche auf dem Produkt dienenden Beleuchtungsein­ richtung, mindestens einen Detektor für das von der Meßflä­ che kommende Licht sowie eine Signalverarbeitungseinrich­ tung, die mit den Signalausgängen der Detektoren in Verbin­ dung steht, wobei die Beleuchtungseinrichtung Strahlungs­ quellen aufweist, deren Strahlung die Wellenlängenbereiche UV, VIS und IR lückenlos abdeckt und Detektoren für jeweils unmittelbar aneinander angrenzende Wellenlängenbereiche vorgesehen sind.
Die Detektoren und die Signalverarbeitungseinrichtung sind zur lückenlosen Bewertung des von der Meßfläche kommenden Lichtes mit Wellenlängen von 200 nm bis über 2400 nm ausge­ bildet.
Bevorzugt sind als Detektoren ein UV-VIS-Spektralphotometer und ein NIR-Spektralphotometer vorgesehen.
Infolge dieser Ausbildung der Detektoren werden sowohl In­ formationen aus dem VIS-Bereich (dem Bereich des sichtbaren Lichtes), wie beispielsweise Farbeigenschaften, Reflexions­ vermögen und Transmissionsvermögen des zu messenden Produk­ tes, als auch Informationen aus allen IR-Bereichen (ein­ schließlich NIR, MIR), wie beispielsweise Informationen be­ züglich der Konzentration von stofflichen Bestandteilen, erfaßt.
Bevorzugt sind die Spektralphotometer als Diodenarray- Spektralphotometer ausgebildet. Derartige Photometersysteme zeichnen sich durch hohe thermische und Wellenlängenstabi­ lität aus und gewährleisten somit eine gleichbleibende Meß­ genauigkeit.
Um einen kompakten, platzsparenden Aufbau der Meßeinrich­ tung insbesondere für einen kontinuierlich ablaufenden Pro­ zeß zu erhalten, sind vorteilhafterweise die Lichtquelle, die Photometer und die Signalverarbeitungseinrichtung in einem gemeinsamen Meßkopf integriert, der über der Meßflä­ che positioniert ist.
Ferner ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung an der Si­ gnalverarbeitungseinrichtung eine Schnittstelle für die Kommunikation mit einem externen Rechner und/oder mit einer Anzeigevorrichtung vorgesehen.
Zur Übertragung der von den verschiedenen Quellen ausgehen­ den, auf die Meßfläche gerichteten Lichtes sowie zur Über­ tragung des Meßlichtes zu den Photometern werden, soweit aus physikalischen Gründen möglich, bevorzugt flexible Lichtleiter, die aus einer Vielzahl von Lichtleitfasern be­ stehen, eingesetzt.
Dabei wird insbesondere durch die Verwendung eines Licht­ leiters, der in Form eines Y aufgezweigt ist, eine unmit­ telbar benachbarte Anordnung der Photometer ermöglicht und so ein kompakter Aufbau wie auch die Genauigkeit der Meßer­ gebnisse begünstigt.
Der Vorteil gegenüber anderen Anordnungen, die beispiels­ weise mit X-ray (Röntgenanalytik), Ellipsometrie oder Gammastrahlen-Meßsystemen arbeiten, besteht in der kurzen Ansprechzeit, der hohen Meßfrequenz, der Automationsfähig­ keit sowie den wesentlich geringeren Kosten sowie Anwen­ dungs- und Wartungsfreundlichkeit. Dünnste Schichten (unter 20 nm bis 100 nm) sind mittels dieser Meßtechnologie eben­ falls online meßbar.
Parallel können Schichtdicken- und eine Farb-Reflexions­ messung während des Prozesses durchgeführt werden. Somit ist ein zusätzliches Erfassen von Oberflächenstrukturen, wie z. B. chemische Struktur oder Rauhigkeit, zum Ergebnis von Schichtdicken und Farbe möglich.
Mit der vorliegenden Erfindung wird die Möglichkeit ge­ schaffen, die für unterschiedliche Spektralbereiche trans­ parenten Eigenschaften von Schichten und Schichtsystemen mit Meßsystemen für unterschiedliche Spektralbereiche eine Meßbarkeit zu erreichen, die sowohl einer einfachen Labor- Messung, wie aber auch on-line oder in-line Messungen genü­ gen. Als Beispiele seien hier lediglich Bandbeschichtungs­ technologien im Vakuum oder unter normalen atmosphärischen Bedingungen genannt.
Während der ablaufenden Beschichtungsprozesse wiederholen sich bestimmte Verfahrensschritte in bestimmten zeitliche Abständen. Die dabei fertigungstechnisch bedingt auftreten­ den Abweichungen vom normalen vorher kalibrierten spektra­ len Kurvenverlauf können mit der erfindungsgemäßen Anord­ nung schnell nachgeregelt werden.
Aus jeder Messung einer speziellen Technologiestufe kann somit eine Prognose über den weiteren Verfahrensverlauf ge­ geben werden. Damit ist es möglich, einen optimalen Zeit­ punkt für die Beendigung einer Beschichtungsstufe durch in- line-Messung zu ermitteln.
Wie bereits angedeutet, ist es für die Steuerung der Anord­ nung notwendig, eine Vorabkalibrierung der Schichten in einzelnen Technologiestufen vorzunehmen. Die Kalibrierer­ gebnisse werden gespeichert und dienen dann dem Vergleich mit den ermittelten Ist-Werten.
Die sehr gute thermische und Wellenlängenstabilität bei­ spielsweise der UV-VIS-NIR-(IR) Spektrometersysteme MCS500 gestattet somit eine exzellente Auswertung nach Spektrenla­ gen und/oder -eigenschaften und deren Verschiebungen bzw. Veränderungen, was insbesondere für die Bestimmung der Schichtdicke, Farbe und weiterer chemischer und physikali­ scher Parameter von Bedeutung ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert. Die zugehörenden Zeichnungen zei­ gen in
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung,
Fig. 2 den Kurvenverlauf eines Meßspektrums,
Fig. 3 Interferenzspektren einer CdS-Schicht auf Molybdän im UV/VIS-Wellenlängenbereich,
Fig. 4 Reflexionsspektren in diffuser Reflexion von einer CdS-Schicht auf einer CIS-Schicht,
Fig. 5 die CdS-Schichtdicke in Abhängigkeit von der Lage der Interferenzminima bei diffuser Reflexion,
Fig. 6 Reflexionsspektren im NIR-Bereich von Proben mit ähnlichen CIS-Schichten und
Fig. 7 Reflexionsspektren im NIR-Bereich von Proben mit unterschiedlichen CIS-Schichten.
Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer erfindungs­ gemäßen Meßeinrichtung, die insbesondere zur kontinuierli­ chen Erfassung von Qualitätsparametern bei der Beschichtung einer Materialbahn, etwa im Zusammenhang mit der Herstel­ lung von CIS-Dünnschichtmodulen, geeignet ist.
Zu erkennen ist ein Meßkopf 1, der über einem Produkt 2 in den x-, y- und z-Richtungen eines Koordinatensystems ju­ stierbar angeordnet ist. Der Meßkopf 1 verfügt über eine optische Einheit 3, die mit einer Beleuchtungseinrichtung 4 gekoppelt ist, in der Strahlungsquellen vorhanden sind, die die Wellenlängenbereiche UV, VIS und IR lückenlos abdecken. Mit Hilfe der optischen Einheit 3, beispielsweise einem Ob­ jektiv, ist das Licht der Beleuchtungseinrichtung 4 auf ei­ ne Meßfläche 5 am Produkt 2 gerichtet.
Ebenfalls mit Hilfe der optischen Einheit 3 wird von der Meßfläche 5 reflektiertes oder auch emittiertes Licht er­ faßt und auf einen Detektor 6 gerichtet.
An den Detektor 6 ist ein Y-förmig verzweigter Lichtlei­ ter 7 gekoppelt, über den das Meßlicht sowohl in ein UV- VIS-Spektralphotometer 8 als auch in ein NIR-Spektralphoto­ meter 9 gelangt. Dabei deckt das UV-VIS-Spektralphotome­ ter 8 den gesamten ultravioletten wie auch den Bereich des visuellen Lichtes über insgesamt 200 nm bis 900 nm ab, wäh­ rend das NIR-Spektrometer 9 den nahen Infrarotbereich von 900 nm bis 2400 nm erfaßt, der sich an den Wellenlängenbe­ reich des UV-VIS-Spektralphotometers 8 unmittelbar an­ schließt.
Im UV-VIS-Spektralphotometer 8 und im NIR-Spektrometer 9 werden die empfangenen optischen in elektronische Signale gewandelt und als solche zu einer Signalverarbeitungsein­ richtung 10 weitergeleitet. Zwecks Verbindung mit einem ex­ ternen Rechner und/oder einer Anzeigevorrichtung ist an der Signalverarbeitungseinrichtung 10 eine Schnittstelle 11 vorgesehen.
Die Erfassung des Meßlichtes über den weiten Wellenlängen­ bereich von 200 nm bis über 2400 nm ermöglicht sowohl die Farb- als auch die Schichtdickenmessungen von beispielswei­ se CdS-, CIS- und auch ZnO-Schichten.
In Fig. 2 ist beispielhaft der Kurvenverlauf eines Meßspek­ trums dargestellt, der den Reflexionsgrad einer Material­ schicht in Abhängigkeit von der Wellenlänge wiedergibt.
Dieses Meßspektrum wird mit einem vor Beginn der Messung kalibrierten und in der Signalverarbeitungseinrichtung 10 gespeicherten Sollspektrum verglichen. Auftretende Diffe­ renzen zum Sollspektrum werden mit Hilfe der Signalverar­ beitungseinrichtung 10 in entsprechende Korrektursignale gewandelt.
Diese Meßanordnung ist zur Ausführung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte geeignet, wobei beispielsweise die Ermittlung der Eigenschaften der Schichten in einem Schicht­ system möglich ist, das aus einer Molybdänschicht, einer darüber aufbrachten CIS-Schicht und einer über der CIS- Schicht aufgebrachten CdS-Schicht gebildet ist. Die Dicke der CdS-Schicht beträgt dabei beispielsweise 20 nm bis 90 nm.
Wie viele andere Metalle auch, ist Molybdän in verschiede­ nen Frequenzbereichen im IR zum Teil transparent. Insbeson­ dere bei z. B. einem Meßlicht-Einstrahlwinkel von 45° und einem Detektionswinkel von 45° (spekulare Anordnung) lassen sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung aus den Interfe­ renzen die Schichtdicken bestimmen. Für die Messung der Rauhigkeit eignet sich spezifisch eine Messung im sichtba­ ren Bereich, da aufgrund der Undurchsichtigkeit insbesonde­ re oberflächennahe Schichten erfaßt werden. Durch die Mes­ sung der Differenz der spektralen Intensitäten bei spekula­ rer und diffuser Anordnung können aufgrund der Streulei­ stung die Rauhigkeit und deren Herkunft ermittelt werden.
Die CIS-Schicht ist im nahen Infrarot transparent, wobei die entsprechend darunterliegende Molybdänschicht im NIR undurchsichtig wird. Hier läßt sich die erfindungsgemäße Anordnung besonders vorteilhaft anwenden, da bei spekularer Anordnung sehr einfach über die Interferenzmaxima und -minima die Schichtdicke berechnet werden kann. In der dif­ fusen Reflexion können ebenso die Interferenzen bestimmt werden, zusätzlich lassen sich aus der Dämpfung der Inter­ ferenz und dem Verlauf der Reflexion auch Aussagen über den chemischen und morphologischen Aufbau der Schicht gewinnen.
In Wellenlängenbereich UV/VIS ist die CIS-Schicht optisch dicht, während die CdS-Schicht eindeutig vermessen werden kann, auch bei dieser geringen Dicke. Aus den Interferenzen lassen sich leicht die entsprechenden Schichtdicken berech­ nen unter Nutzung des linearen Zusammenhanges zwischen der Schichtdicke und der Lage der Interferenzminima. Im UV- Bereich dominiert die Absorption des Halbleiters CdS, wobei über die Lage und Steilheit der Absorptionskante Rück­ schlüsse auf die Güte (inklusive Dotierung) der Schicht und deren Halbleitereigenschaften gemacht werden kann.
Gegebenenfalls läßt sich auch eine noch zusätzlich aufge­ brachte ZnO-Schicht wie die CdS-Schichten beurteilen.
Die Beispiele zeigen deutlich, daß durch die erfindungsge­ mäße Wahl der Meßbereiche und die Verknüpfung von unter­ schiedlichen Meßgeometrien eine eindeutige und ausreichende Qualifizierung von Mehrschichtsystemen auch simultan erfol­ gen kann.
Einige Meßergebnisse, die im Zusammenhang mit der Ermitt­ lung der CdS-Schichtdicke gewonnen wurden, sind in Fig. 3 bis Fig. 7 dargestellt.
Bezugszeichenliste
1
Meßkopf
2
Produkt
3
optische Einheit
4
Beleuchtungseinrichtung
5
Meßfläche
6
Detektor
7
X-Lichtleiter
8
UV-VIS-Spektralphotometer
9
NIR-Spektralphotometer
10
Signalverarbeitung
11
Schnittstelle

Claims (14)

1. Verfahren zur Ermittlung geometrischer und optischer Eigenschaften der verschiedenen Schichten eines Schichtsystem, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmit­ tel und Meßmethoden zur Ermittlung der Eigenschaften jeweils einer der Schichten in Abhängigkeit von den optischen Eigenschaften dieser Schicht und in Abhän­ gigkeit von den optischen Eigenschaften der in Meß­ richtung darüberliegenden Schichten vorgegeben werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Eigenschaften mehrerer Schichten des Schichtsystems simultan, jedoch für jede Schicht mit gesonderten, von ihren optischen Eigenschaften und von den optischen Eigenschaften der jeweils darüber­ liegenden Schichten abhängigen Meßmitteln und Meßme­ thoden vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 für ein Schichtsystem aus einer Molybdänschicht, einer darüber aufbrachten CIS-Schicht und einer über der CIS-Schicht aufgebrach­ ten CdS-Schicht, wobei
  • - mit einer auf das Schichtsystem gerichteten IR-Strah­ lung eines Wellenlängenbereiches, für den die Molybdän­ schicht mindestens teiltransparent ist, die spektralen Interferenzen gemessen und aus dem Meßergebnis die Schichtdicke der Molybdänschicht ermittelt wird,
  • - mit einer auf das Schichtsystem gerichteten NIR-Strah­ lung eines Wellenlängenbereiches, für den die CIS- Schicht mindestens teiltransparent, die Molybdänschicht jedoch nicht transparent ist, die Interferenzmaxima und Interferenzminima gemessen und aus dem Meßergebnis die Schichtdicke der CIS-Schicht ermittelt wird und
  • - mit einer auf das Schichtsystem gerichteten UV- oder VIS-Strahlung eines Wellenlängenbereiches, für den die CdS-Schicht mindestens teiltransparent, die CIS-Schicht hingegen jedoch nicht transparent ist, die Interferenz­ maxima und Interferenzminima gemessen und aus dem Meß­ ergebnis die Schichtdicke der CdS-Schicht ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die spektrale Intensität bei spekularer und diffuser Anordnung gemessen und aus der Differenz der Ergebnisse aufgrund der Streuleistung die Rauhigkeit der Oberfläche der Molybdänschicht ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfung der Interferenz und/oder der Verlauf der Reflexion der NIR-Strahlung ermittelt und daraus In­ formationen über den chemischen und morphologischen Aufbau der CIS-Schicht gewonnen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorption der UV- bzw. VIS-Strahlung ermittelt und aus der Lage und der Steilheit der Absorptionskan­ te Informationen über die Güte und die Halbleiterei­ genschaften der CdS-Schicht gewonnen werden.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Messungen und Auswertun­ gen während des kontinuierlich ablaufenden Schichtaufbaues vorgenommen werden und die Ergebnisse zur Steue­ rung und Qualitätsüberwachung der Beschichtungsvorgän­ ge genutzt werden.
8. Meßeinrichtung zur Ermittlung geometrischer und/oder optischer Eigenschaften der verschiedenen Schichten eines Schichtsystems, mit mindestens einer zur Be­ leuchtung einer Meßfläche (5) auf dem Produkt (2) die­ nenden Beleuchtungseinrichtung (4), mit mindestens ei­ nem Detektor für das von der Meßfläche (5) kommende Licht und mit einer Signalverarbeitungseinrich­ tung (10), die mit den Signalausgängen des Detektors in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Beleuchtungseinrichtung (4) Strahlungsquellen auf­ weist, deren Strahlung die Wellenlängenbereiche UV, VIS und IR lückenlos abdeckt und
  • - Detektoren für jeweils unmittelbar aneinander angren­ zende Wellenlängenbereiche vorgesehen sind, wobei die Detektoren und die Signalverarbeitungseinrichtung (10) zur lückenlosen Bewertung des von der Meßfläche (5) kommenden Lichtes mit Wellenlängen von 200 nm bis über 2400 nm ausgebildet sind.
9. Meßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß als Detektoren ein UV-VIS-Spektralphotome­ ter (8) und ein NIR-Spektralphotometer (9) vorgesehen sind.
10. Meßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spektralphotometer (8, 9) als Dioden­ array-Spektralphotometer ausgebildet sind.
11. Meßeinrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungs­ einrichtung (4), die Photometer und die Signalverar­ beitungseinrichtung (10) in einem gemeinsamen Meß­ kopf (1) integriert sind, der über der Meßfläche (5) positioniert ist, wobei der Einfallswinkel α der Strahlung auf die Meßfläche variierbar ist.
12. Meßeinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverar­ beitungseinrichtung (10) eine zur Kopplung an einen externen Rechner und/oder eine Anzeigevorrichtung die­ nende Schnittstelle (11) aufweist.
13. Meßeinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung des von der Beleuchtungseinrichtung (4) ausgehenden, auf die Meßfläche (5) gerichteten Lichtes sowie zur Übertragung des von der Meßfläche (5) ausgehenden Lichtes zu den Photometern flexible Lichtleiter (7) vorgesehen sind.
14. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lichtleiter (7) aus einer Vielzahl von Lichtleitfasern bestehen.
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