DE102010040611A1

DE102010040611A1 - Spektrometer zur Erfassung opto-elektronischer Materialeigenschaften einer Halbleiterprobe

Info

Publication number: DE102010040611A1
Application number: DE201010040611
Authority: DE
Inventors: Markus Wendt; Dr. Meeder Alexander; Dr. Sokoll Torsten
Original assignee: SULFURCELL SOLARTECHNIK GmbH
Current assignee: SULFURCELL SOLARTECHNIK GmbH
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2010-09-13
Publication date: 2012-03-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spektrometer zur Erfassung opto-elektronischer Materialeigenschaften eineeine Laserquelle (14) zur Erzeugung eines Messstrahls (16); ein im Strahlengang des Messstrahls (16) angeordnetes optisches Element, das den Messstrahl (16) in einem Winkel φ zur zu vermessenden Halbleiterprobe (12) ablenkt, wobei das optische Element ausgelegt ist, den Winkel φ während der Messung entsprechend einem von einer Steuereinheit (22) vorgebbaren Muster zu variieren; und einen Detektor (26) zur Erfassung des von der Halbleiterprobe (12) emittierten Lichtes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Spektrometer zur Erfassung opto-elektronischer Materialeigenschaften einer Halbleiterprobe sowie ein dazugehöriges Betriebsverfahren.
Stand der Technik und technologischer Hintergrund
Die Photolumineszenz-Spektroskopie ist eine sehr empfindliche Methode, um sowohl intrinsische als auch defektbedingte elektronische Übergänge in Halbleitern und Isolatoren zu untersuchen. Es können optisch aktive Defekte in sehr geringen Konzentrationen nachgewiesen werden. Die Methode eignet sich insbesondere für den industriellen Einsatz in der Halbleiterfertigung, da sie eine zerstörungsfreie, ortsaufgelöste Materialcharakterisierung ermöglicht.
Bei der Photolumineszenz (PL) an Halbleitern werden durch Anregung mit Photonen Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband gehoben, es werden Elektron-Loch-Paare erzeugt. Danach rekombinieren Elektron und Loch nach einer gewissen Lebensdauer. Die dabei frei werdende Energie kann in verschiedenen Formen abgegeben werden, zum Beispiel als Phononen über das Kristallgitter, als Photonen oder auch als Auger-Elektronen. Bei der Photolumineszenz werden die von strahlenden Rekombinationsmechanismen emittierten Photonen detektiert. Die gemessene Strahlung erlaubt Einblicke in die Eigenschaften des untersuchten Stoffes, zum Beispiel in das Defektinventar des Kristalls und seine Bandlücke.
Die Lumineszenz des zu untersuchenden Materials wird durch Lichtanregung erreicht, zum Beispiel durch einen Laser ausreichender Energie. Das emittierte Licht (und teilweise auch Streulicht vom Laser) wird in der Regel auf den Eingangsspalt eines Monochromators fokussiert. Idealerweise wird vor dem Spalt ein Filter montiert, um das Laserstreulicht zu filtern. Im Monochromator wird die Strahlung durch variable Gitter (auswählbar je nach gewünschtem Wellenlängenbereich) spektral zerlegt und das dispergierte Licht auf den Detektor gelenkt. Dort wird das optische Signal je nach Detektorart in ein Strom- oder Spannungssignal umgewandelt.
Ein bedeutsames Anwendungsfeld der Photolumineszenz-Spektroskopie ist die Prozesskontrolle im Herstellungsprozess von Halbleiter-Solarzellen, insbesondere von Dünnschichtsolarzellen. Dünnschichtsolarzellen, insbesondere auf Basis von Chalkogenid-Halbleiterschichten (z. B. CIGS-Solarzellen), stellen eine effiziente und kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Technologien in der Photovoltaik dar.
Bei der Prozesskontrolle mittels Photolumineszenz-Spektroskopie geschieht zum Beispiel die Anregung des Absorbermaterials der Dünnschichtsolarzellen durch einen Laser. Ein Teil der absorbierten Energie rekombiniert strahlend unter Aussendung des charakteristischen Photolumineszenzlichtes. Dieses lässt sich spektral aufgelöst mit Hilfe eines Spektrographen und einer Photodiodenzeile detektieren. Soll orts- und spektral aufgelöst gemessen werden, bedient man sich eines „Punkt für Punkt” Messverfahrens, zum Beispiel mit Hilfe eines x, y-Tisches.
Bei der Photolumineszenzmessung muss das Detektormaterial so gewählt werden, dass dessen Quanteneffizienz das zu detektierende Spektrum umfasst. Das Lumineszenzmaximum nahe des Band-Band-Übergangs von CuInS₂ liegt beispielsweise bei 820 nm, somit liegt Silizium als Detektor nahe. Ein weiteres Material aus der Chalkopyrit-Familie ist Cu(In, Ga)Se₂, welches ein großes Potential zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Dünnschichtsolarzellen besitzt. Das Intensitätsmaximum im Lumineszenzspektrum dieses Materials liegt mit 1200 nm im Nahinfrarot (NIR) und damit außerhalb der nutzbaren Quanteneffizienz von Silizium. Eine Möglichkeit die Photolumineszenz von Cu(In, Ga)Se₂ zu messen ist der Einsatz einer CCD Kamera, die im NIR sensibel ist. Solche Kameras sind meist mit einem InGaAs-Dioden-Array ausgestattet, deren Quanteneffizienz im Bereich von 800 nm bis 1600 nm liegt. Diese Art von Detektor ist jedoch mit sehr hohen Investitionskosten verbunden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht unter anderem darin eine schnelle und kostengünstige Messung der Photolumineszenz zu ermöglichen. Insbesondere soll eine orts- und ggf. spektralaufgelöste Intensitätsverteilung der Photolumineszenz einer Halbleiterprobe erfassbar sein.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein oder mehrere der zuvor angesprochenen Probleme werden mit Hilfe des erfindungsgemäßen Spektrometers gelöst oder zumindest gemindert. Das erfindungsgemäße Spektrometer zur Erfassung opto-elektronischer Materialeigenschaften einer Halbleiterprobe, umfasst dazu:
eine Laserquelle zur Erzeugung eines Messstrahls;
ein im Strahlengang des Messstrahls angeordnetes optisches Element, das den Messstrahl in einem Winkel φ zur zu vermessenden Halbleiterprobe ablenkt, wobei das optische Element ausgelegt ist, den Winkel φ während der Messung entsprechend einem von einer Steuereinheit vorgebbaren Muster zu variieren; und
einen Detektor zur Erfassung des von der Halbleiterprobe emittierten Lichtes.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Spektrometers können in einfacher Weise und ortsaufgelöst Materialeigenschaften über die gesamte oder weite Bereiche der Oberfläche einer zu vermessenden Halbleiterprobe durch Messung der Photolumineszenz erfasst werden.
Vorzugweise umfasst das Spektrometer einen Sensor, wobei der Sensor eine Bewegung der Halbleiterprobe während der Messung erfasst und die Steuereinheit den Winkel φ des Messstrahls in Abhängigkeit von der Bewegung der Halbleiterprobe vorgibt. Hierdurch kann beispielsweise eine Förderbewegung der Halbleiterprobe erfasst werden, sodass eine In-Line-Prozesskontrolle eines Fertigungsprozesses möglich ist. Mit Hilfe des Sensors besteht demnach zu jedem Messzeitpunkt Kenntnis über die genaue Lage des Messpunktes in x- und y-Richtung der zu vermessenden Oberfläche der Halbleiterprobe.
Ferner ist bevorzugt, wenn das optische Element einen beweglich im Strahlengang des Messstrahls angeordneten Spiegel umfasst. Dieser kann beispielsweise über einen schnell schaltbaren Piezomotor unter Zuhilfenahme der Steuereinheit angesteuert werden. Das optische Element dient der Umlenkung des Laserstrahls auf die Halbleiterprobe entsprechend dem über die Steuereinheit vorgegebenen Muster.
Zwischen dem Detektor und der Halbleiterprobe kann vorzugsweise ein optischer Filter angeordnet sein, der das emittierte Licht während der Messung entsprechend einem über die Steuereinheit vorgebbaren Muster nach Wellenlängen filtert. Der optische Filter ist vorzugsweise ein rotierendes Schmalbandfilterrad. Hierdurch wird eine frequenzaufgelöste Erfassung der Photolumineszenz ermöglicht.
Bevorzugt ist ferner, dass der Detektor einen Strahlungsdetektor mit einer oder mehreren Fotodioden umfasst. Die Fotodiode kann eine InGaAs-Diode sein. Strahlungsdetektoren dieses Bautyps sind relativ kostengünstig realisierbar.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Betrieb eines Spektrometers der vorgenannten Ausführung. Das Verfahren umfasst die Schritte:

a) Erzeugen des Messstrahls mit der Laserquelle;
b) Ablenken des Messstrahls in einem Winkel φ zur zu vermessenden Halbleiterprobe am optischen Element, wobei der Winkel φ während der Messung entsprechend einem von der Steuereinheit vorgegebenen Muster variiert wird; und
c) Erfassen des von der Halbleiterprobe emittierten Lichtes mit dem Detektor zur Erstellung eines ortsaufgelösten Bildes opto-elektronischer Materialeigenschaften der Halbleiterprobe.

Nach einer bevorzugten Verfahrensvariante umfasst das Spektrometer einen Sensor, der eine Bewegung der Halbleiterprobe während der Messung erfasst. Die Steuereinheit gibt in dieser Variante im Schritt b) den Winkel φ des Messstrahls in Abhängigkeit von der Bewegung der Halbleiterprobe vor.
Wenn zwischen dem Detektor und der Halbleiterprobe ein optischer Filter angeordnet ist, dann wird das emittierte Licht im Schritt c) vorzugsweise entsprechend einem über die Steuereinheit vorgebbaren Muster nach Wellenlängen gefiltert. Insbesondere wird das von einem Messpunkt der Halbleiterprobe emittierte Licht vorzugsweise nach verschiedenen Wellenlängen gefiltert. Auf diese Weise kann ein orts- und frequenzaufgelöstes Spektrum erstellt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung des Spektrometers vorgenannter Ausführung zur In-Line Prozesskontrolle der Fertigung einer photoaktiven Halbleiterschicht oder Zwischenschicht einer Dünnschichtsolarzelle.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und den dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Aufbau des erfindungsgemäßen Spektrometers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 den Effekt der Signalnormierung; und
3 ein Photolumineszenz-Spektrum.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt in schematisierter Art und Weise ein Spektrometer 10 zur Fassung eines ortsaufgelösten Bildes opto-elektronischer Materialeigenschaften einer Materialprobe 12. Das Spektrometer umfasst eine Laserquelle 14, z. B. mit einer Leistung von 5 Watt und einer Wellenlänge von 532 nm. Die Laserquelle 14 lenkt den Laser (Messstrahl 16) auf einen rotierenden Hohlspiegel 18, der über einen Piezomotor 20 entsprechend einem vorgebbaren Muster bewegt wird und so den Ablenkwinkel variiert. Zur Steuerung der Spiegelbewegung dient, in nachfolgend noch näher beschriebener Art und Weise, eine Steuereinheit 22. Der Messstrahl 16 wird durch den Hohlspiegel 18 demnach im Winkel φ auf die Halbleiterprobe 12 abgelenkt. Die Ablenkung erfolgt hier derart, dass der Messstrahl 16 über die gesamte Breite der Halbleiterprobe 12, also in x-Richtung, abgelenkt werden kann. Am jeweiligen Messpunkt wird durch Photolumineszenz Licht emittiert, das über einen optischen Filter, hier verwirklichst als ein rotierendes Filterrad 24, auf einen Detektor 26 fällt. Mittels eines hier nicht dargestellten Sensors wird ferner eine Förderbewegung der Halbleiterprobe 12 in y-Richtung erfasst und in die Steuereinheit 22 eingelesen. Zu jedem Messzeitpunkt ist demnach die Lage des Messpunktes auf der Halbleiterprobe 12 in x- und y-Richtung bekannt.
Das in 1 dargestellte Spektrometer 10 kann konkret zur Vermessung einer Halbleiterprobe 12 eines Photovoltaik-Moduls mit Cu(In, Ga)Se₂-Absorberschicht genutzt werden. Das Modul wird durch eine hier nicht dargestellte Fördereinheit durch die sich aus der Bewegung des Messstrahls 16 ergebende Laserscannlinie 19 bewegt. Die Förderbewegung wird von einem Messwertgeber abgenommen, um die aktuelle y-Position zu bestimmen. Bei stationären Anwendungen kann alternativ ein 2-Achsen-Scanner zum Einsatz kommen.
Die Laserscannlinie 19 wird durch den alternierenden Spiegel 18 erzeugt, der hier über den Piezomotor 20 angetrieben ist, aber beispielsweise auch galvanikgetrieben sein kann. Die Spiegelbewegung wird durch einen Frequenzgenerator in der Steuereinheit 22 vorgegeben. Ein differenzierendes Glied gibt dazu einen TTL-Impuls aus, wenn die Scann-Richtung gewechselt wird (Impuls bei φ_a und φ_e). Dies ermöglicht es, eine echtzeitgesteuerte Datenaufnahme mittels Digital I/O-Karte zu starten und zu stoppen. Bei einer bekannten Scannfrequenz ist mit dem Sensor zur Erfassung der Förderrichtung nun die absolute Messposition bekannt.
Der sich bewegende Laserspot erzeugt Photolumineszenz, die durch eine Weitwinkeloptik auf eine gekühlte InGaAs-Diode des Detektors 26 fokussiert und detektiert wird. Im Ausführungsbeispiel umfasst der Detektor 26 mehrere Einheiten mit InGaAs-Dioden.
Die Scannfrequenz kann so hoch gewählt werden (zum Beispiel bis 2 MHz), dass eine y-Position mehrmals gescannt wird. Dies ermöglicht zum einen die Bildung eines laufenden Mittelwertes und zum anderen können so an einem Messpunkt mehrere Wellenlängen der Photolumineszenz detektiert werden. Dies geschieht mit Hilfe des rotierenden und segmentierten Schmalbandfilterrades 24 vor der InGaAs-Diode des Detektors 26. Die Transmissionsfunktion der einzelnen Filtersegmente des Rades 24 ist bekannt und die Halbwertsbreite liegt zum Beispiel bei 3 nm.
Ein Vorverstärker 28 verstärkt den Diodenstrom I vom Detektor 26 und wandelt ihn in eine weniger rauschbehaftete Spannung um. Durch Signalnormierung mit Hilfe eines Referenzsignals kann eine Objektverzerrung kompensiert werden (siehe 2: (a) verstärkter Diodenstrom über Drehwinkel φ; (b) Normierung; (c) reales Photolumineszenz-Signal).
Mit einer praktikablen Anzahl von Filtersegmenten im Rad 24 kann an jedem Messpunkt somit ein Quasispektrum errechnet werden; man erhält eine spektralaufgelöste örtliche Photolumineszenz-Intensitätsverteilung (siehe 3: (a) bandkantennaher Peak; (b) Defektpeak). Über eine etwaige nachgeschaltete Signalprozessierung und Stellgrößenrückführung können Dotierkonzentrationen des Herstellungsprozesses der Absorberschicht geändert, so dass das Spektrometer zur Prozessregelung genutzt werden kann.

Claims

Spektrometer (10) zur Erfassung opto-elektronischer Materialeigenschaften einer Halbleiterprobe, umfassend: eine Laserquelle (14) zur Erzeugung eines Messstrahls (16); ein im Strahlengang des Messstrahls (16) angeordnetes optisches Element, das den Messstrahl (16) in einem Winkel φ zur zu vermessenden Halbleiterprobe (12) ablenkt, wobei das optische Element ausgelegt ist, den Winkel φ während der Messung entsprechend einem von einer Steuereinheit (22) vorgebbaren Muster zu variieren; und einen Detektor (26) zur Erfassung des von der Halbleiterprobe (12) emittierten Lichtes.
Spektrometer nach Anspruch 1, bei dem das Spektrometer (10) einen Sensor umfasst, wobei der Sensor eine Bewegung der Halbleiterprobe (12) während der Messung erfasst und die Steuereinheit (22) den Winkel φ des Messstrahls (16) in Abhängigkeit von der Bewegung der Halbleiterprobe (12) vorgibt.
Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das optische Element einen beweglich im Strahlengang des Messstrahls (16) angeordneten Spiegel (18) umfasst.
Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen dem Detektor (26) und der Halbleiterprobe (12) ein optischer Filter angeordnet ist, der das emittierte Licht während der Messung entsprechend einem über die Steuereinheit (22) vorgebbaren Muster nach Wellenlängen filtert.
Spektrometer nach Anspruch 4, bei dem der optische Filter ein rotierendes Schmalbandfilterrad (24) ist.
Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Detektor (26) einen Strahlungsdetektor mit einer oder mehreren Fotodioden umfasst.
Spektrometer nach Anspruch 6, bei dem die Fotodiode eine InGaAs-Diode ist.
Verfahren zum Betrieb eines Spektrometers (10) zur Erfassung opto-elektronischer Materialeigenschaften einer Halbleiterprobe (12), umfassend: eine Laserquelle (14) zur Erzeugung eines Messstrahls (16); ein im Strahlengang des Messstrahls (16) angeordnetes optisches Element, das den Messstrahl (16) in einem Winkel φ zur zu vermessenden Halbleiterprobe (12) ablenkt, wobei das optische Element ausgelegt ist, den Winkel φ während der Messung entsprechend einem von einer Steuereinheit (22) vorgebbaren Muster zu variieren; und einen Detektor (26) zur Erfassung des von der Halbleiterprobe (12) emittierten Lichtes, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: a) Erzeugen des Messstrahls (16) mit der Laserquelle (14); b) Ablenken des Messstrahls (16) in einem Winkel φ zur zu vermessenden Halbleiterprobe (12) am optischen Element, wobei der Winkel φ während der Messung entsprechend einem von der Steuereinheit (22) vorgegebenen Muster variiert wird; und c) Erfassen des von der Halbleiterprobe (12) emittierten Lichtes mit dem Detektor (26) zur Erstellung eines ortsaufgelösten Bildes opto-elektronischer Materialeigenschaften der Halbleiterprobe (12).
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Spektrometer einen Sensor umfasst, der eine Bewegung der Halbleiterprobe (12) während der Messung erfasst und die Steuereinheit (22) im Schritt b) den Winkel φ des Messstrahls (16) in Abhängigkeit von der Bewegung der Halbleiterprobe (12) vorgibt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem zwischen dem Detektor (26) und der Halbleiterprobe (12) ein optischer Filter angeordnet ist und das emittierte Licht im Schritt c) entsprechend einem über die Steuereinheit (22) vorgebbaren Muster nach Wellenlängen gefiltert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das von einem Messpunkt der Halbleiterprobe (12) emittierte Licht nach verschiedenen Wellenlängen gefiltert wird.
Verwendung eines Spektrometers (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur In-Line Prozesskontrolle der Fertigung einer photoaktiven Halbleiterschicht oder Zwischenschicht einer Dünnschichtsolarzelle.