EP2179268A2 - Method for the in-situ determination of the material composition of optically thin layers, arrangements for performance and applications of the method - Google Patents

Method for the in-situ determination of the material composition of optically thin layers, arrangements for performance and applications of the method

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EP2179268A2
EP2179268A2 EP08784316A EP08784316A EP2179268A2 EP 2179268 A2 EP2179268 A2 EP 2179268A2 EP 08784316 A EP08784316 A EP 08784316A EP 08784316 A EP08784316 A EP 08784316A EP 2179268 A2 EP2179268 A2 EP 2179268A2
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EP
European Patent Office
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layer
optical
deposited
substrate
reflection
Prior art date
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Ceased
Application number
EP08784316A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Raik Hesse
Hans-Werner Schock
Daniel Abou-Ras
Thomas Unold
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Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Original Assignee
Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2179268A2 publication Critical patent/EP2179268A2/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/45Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
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    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/8422Investigating thin films, e.g. matrix isolation method

Definitions

  • the invention relates to a method for in-situ determination of the material composition of vapor deposited on a substrate optically thin layers having a interferometrically evaluable correlation between the optical layer parameters (complex refractive index n kO mpiex with real part: refractive index n Sc hic ht and imaginary parts: absorption coefficient ⁇ Sc hicht and real layer thickness d Sch ic ht), as well as arrangements for carrying out the method and applications.
  • the optical layer parameters complex refractive index n kO mpiex with real part: refractive index n Sc hic ht and imaginary parts: absorption coefficient ⁇ Sc hicht and real layer thickness d Sch ic ht
  • DE 197 23 729 A1 discloses a method for in-situ determination of optical layer constants in plasma and ion beam assisted etching and coating.
  • a method for determining optical constants from the reflection of light caused by the self-radiation of the surface processing sources will be described.
  • the spectra of the reflections are recorded from interferences that occur.
  • Four different wavelengths are individually detected via a wavelength filter. From the measured signals of the normalized radiation, the absolute (real) thickness of the layer is determined.
  • this method can only be used in systems with a plasma or an ion beam for surface treatment, since the intensity of the plasma or the ion beam must be additionally recorded. The substrate itself is not measured.
  • EP 1 435517 A1 describes the use of spectroscopic ellipsometers for the determination of thin multilayer systems.
  • ellipsometry only works reliably with very smooth layers.
  • an ellipsometric measurement is possible only ex-situ, since the reflection must be evaluated by a polarization measurement method. The evaluation is carried out by changing the polarization of the incident light and the resulting influence on the reflected radiation. The determination of the complex refractive index is effected by a defined wavelength change.
  • the method works for multilayer systems with an optical model, but which is based on the numerical adaptation (fitting) of a frequency-dependent function of thickness and refractive index (similar to FFT, Fast Fourier Transformation).
  • EP 1 467 177 A1 likewise discloses a thickness measuring method for multilayer systems. This method is based on an ex-situ measurement, which is followed by an evaluation due to a Fourier transformation. Light is radiated onto the sample and a frequency spectrum is created by the FFT. By evaluating the peaks of the FFT, the individual layers are determined in their thickness. A CCD (Charged Coupled Device) is used as a spatially resolving optical detector for different wavelengths.
  • CCD Charged Device
  • Reflections of optical radiation on smooth surfaces All methods are based on the measurement of total reflection and thus require one Normalization either by measuring the reference light or by subsequent measurement of refractive indices by other methods. Used optical models are based on the use of Fresnel equations. No method is used to control an evaporation process of materials to obtain an optically thin layer.
  • a method for deposition processes of chalcopyrite thin films on moving substrates is known, for example, from DE 102 56 909 B3.
  • a laser of coherent light of a wavelength is directed to a moving substrate to control the process of deposition and formation of a chalcopyrite thin film.
  • the control in this method is based on the scattering of laser light on rough surfaces.
  • the process of vapor deposition of Cu (In, Ga) Se 2 layers is divided into three stages. Stage I involves the evaporation of indium and gallium (co-evaporation or sequential evaporation), stage II the co-evaporation of copper and stage III the co-evaporation of indium and gallium. During the entire process selenium is evaporated.
  • the substrate is described comprehensively in material (glass, titanium or plastics) and properties. Different concepts of substrate movement are shown (run, rotation, roll-to-roll). Concepts for moving the laser used are given.
  • the process control in the known method is based on laser light scattering (LLS) and uses individual characteristic points. The scattered signals of the laser light are logged during the individual stages. In particular, the second stage leakage signals are used to estimate stoichiometric ratios in the deposited layer.
  • LLS laser light scattering
  • this control does not offer the possibility of carrying out a process in a reproducible manner since this requires a control with a numerical value assignment of the optical layer parameters.
  • Sakurai et al. known in-situ diagnostic methods for thin-film fabrication: utilization of heat radiation and light scattering (Progress in Photovoltaics: Research and Applications 12 (2004), pp. 219-234), of which the present invention as closest state of the
  • process control is not discussed, and the numerical values of the optical layer parameters are unknown, so that no quantitative control of the growth of thin layers and thus control of the actual values of the controlled variables (optical layer parameters) to the setpoints by adjusting the manipulated variables (process parameters ) can be made.
  • the TASK for the present invention is to be developed, the above-mentioned, generic method for in situ determination of the composition of material deposited from the vapor phase on a substrate optically thin layers with an interferometrically evaluable correlation between the optical layer parameters so that the material composition of the deposited layer can be determined with knowledge of the optical layer parameters.
  • the process should be cost-effective and immune to interference in real time feasible.
  • a preferred arrangement for carrying out the method should have corresponding components.
  • optically thin layers are those layers in which the complex refractive index nk o mpi e x (Real part: refractive index n SC hicht; imaginary: absorption coefficient ⁇ Sc hi ch t) and the real coating thickness dsohicw) in an interferometrically evaluated correlation are dependent on each other.
  • the limit of interferometry is reached when the layer is too thick or too high absorbing.
  • optical layers exhibit a thickness up to a maximum of the "l Ofachen the irradiated wavelength or a thickness of less than 1000 nm.
  • the method according to the invention comprises at least the following method steps:
  • the substrate on the deposition side is irradiated with incoherent light in the visible optical range.
  • light is directed at least three different wavelengths ⁇ i, X 2 , ⁇ 3 onto the deposited layer.
  • Three different wavelengths are required because three unknown optical layer parameters (refractive index nsc Wc ht, absorption coefficient ⁇ s Ch i cht and layer thickness d) are also to be determined.
  • Incoherent light can be used on both rough and smooth surfaces. The use of coherent light is limited to rough surfaces.
  • the diffuse or direct light scattering emanating from the deposited layer is detected optically spatially resolved in the three different wavelengths ⁇ -i, ⁇ 2, ⁇ 3 .
  • the time-dependent course of the reflection intensity R is measured in each case.
  • the light is radiated in such a way that no total reflection results. Total absorption also does not occur with optically thin layers.
  • each deposited layer is interpreted as an electromagnetic conductor with a variable field wave resistance Z G , a propagation constant ⁇ and a real layer thickness equivalent to the conductor length dschicw.
  • the optical layer model is numerically evaluated for the different wavelengths ⁇ -i, ⁇ 2 , ⁇ 3 . It will become apparent by numerical adaptation of the layer model or this function describing the time course of the detected reflection intensities, the real values for the optical layer parameters (refractive index n SCh i CHT, absorption coefficient K harsh, real layer thickness d Sc hich t) of the deposited layer. In this case, the wavelength-independent real layer thickness dschic h t is determined to the reference value, so that the inventive method is self-referencing. A reference formation from the outside with additional quantities to be detected, as known from the prior art, is eliminated.
  • the actual material composition of the detected deposited layer is then determined from the numerically determined values for the optical layer parameters. This is done by comparison with standard values of values for optical layer parameters of known material compositions.
  • the method according to the invention when changing the material composition between different layers, the determined values of the optical layer parameters of the previous layer are stored and used as reference values for a next layer. Therefore, the method according to the invention can also be used for any stack of optically thin layers, because it always analyzes the uppermost layer with respect to the underlying layers as a reference. Furthermore, it may be advantageous to additionally measure the reflection intensity which is caused by incident coherent light of a single wavelength (LLS). In this way, the influence of the surface roughness of the deposited layer can be taken into account. This requires, however, that a rough surface is present. Smooth surfaces can not be analyzed with coherent light.
  • LLS single wavelength
  • an optical imaging device such as a CCD or CMOS camera for the colors red, blue and green, as an optical detector and a White light source, can be found in the special execution part.
  • a preferred application of the method according to the invention consists in an embodiment as an in-situ process control in the production of vapor phase deposited on a substrate optically thin layers.
  • the method is incorporated into a control loop, with which the calculated actual values of the optical layer parameters of the optically thin
  • Layers are controlled as controlled variables to predetermined setpoint values by adaptation of the production parameters as manipulated variables in accordance with the determined actual values for the optical layer parameters.
  • the process according to the invention can still be used as an in-situ process control even if no optically thin layers, but absorbent layers are grown.
  • the method according to the invention is used at least for the estimation of the stoichiometry.
  • the reflection intensity R of the diffuse or direct light scattering emanating from the layer deposited on the substrate outside of the total reflection in at least two wavelengths ⁇ -i, ⁇ 2 is interpreted accordingly.
  • a significant change in the course indicates the point of stoichiometry achieved.
  • a simultaneous temperature monitoring of the evaporation sources via the spatially resolved optical detection by interpretation of the occurring color values of the temperature radiation of the evaporation sources done.
  • FIG. 1 A diagram for the transfer of conduction theory into optically thin layers
  • FIG. 1 B schematic diagram for interferometry on optically thin layers
  • FIGURE 2 Representation of the conversion of the time dependence of
  • FIGURES 3A-D Diagrams of fitted reflection in the deposition process
  • FIGURE 4 Diagram showing the measurement signals of all three
  • FIG. 5 process sketch for an entire PVD process
  • FIGURE 6 stacks of deposited optically thin layers for the entire PVD process
  • FIG. 7 SEM image of a stack of several layers
  • FIG. 8 sketch for an arrangement for a complete PVD process
  • FIG. 9 control loop for process control
  • FIG. 10 Measurement signals of a CCD detector (stage I)
  • FIG. 11 Diagram of the temporal intensity profile of the reflections
  • FIG. 12 Measurement signals of a CCD detector (stage II), FIG.
  • FIG. 13 Diagram for the temporal intensity profile of the reflections
  • FIGURE 14 Comparison of measurement signals invention / prior art and
  • FIG. 15 Comparison of measurement signals on rough layers between coherent and incoherent light sources.
  • the approach to the development of the method according to the invention is in the wave theory.
  • This theory describes the propagation of waves in dielectric media and is known, for example, in the field of high-frequency technology.
  • the wave theory is transferred to optically thin layers.
  • Each layer is interpreted as a single line with a parameter set of propagation constant, field wave resistance and thickness (corresponds to the conductor length) and clearly described (see FIG. 1A).
  • two optically thin layers are represented by two characteristic impedances ZF1, ZF2 and the thickness d of the just growing, upper layer.
  • the field wave resistance Z F is defined by the dielectric in which the shaft is located.
  • a material can be clearly described by the permeability ⁇ and the permittivity ⁇ .
  • the field wave resistance ZF can be defined according to equation (1).
  • the field resistance ZF according to another notation for the field resistance ZF also applies:
  • n is the (real) refractive index and K is the extinction coefficient (imaginary refractive index).
  • ZF 0 here is the characteristic impedance of the vacuum and a natural constant.
  • the origin of the equation is the telegraph equation (general form of the wave equation).
  • FIG. 1B shows the interferometry on optical thin layers with the sheet resistances ZF-i, ZF 2 (optically thin layers) and ZF 3 (substrate, in the selected exemplary embodiment made of molybdenum) compared with air ("air") (Layer thickness 20 - 30 nm) consists of a compound of the evaporated selenium with the molybdenum of the substrate, the next layer consists of a compound of gallium and selenium.
  • the layer thickness ⁇ d at known temperature of the evaporation sources
  • the refractive index n real part
  • n real part
  • the absorption coefficient K imaging part
  • the reflection intensity R of the incident light radiation can be calculated by the layer system. It applies with Z F o as the field wave resistance of the vacuum:
  • Y propagation constant
  • the calculation unit performs the calculations of equations (2) and (3) in-situ to determine the thickness and the complex refractive index.
  • the measurement signals of the optical detector in the three different wavelengths are numerically adapted ("fitted" by using varied values for complex refractive index and layer thickness) with the optical layer model and compared with results of formulas 2 and 3.
  • Preliminary remark The use of three wavelengths ⁇ -i, X 2 , ⁇ 3 is necessary for the method according to the invention.
  • the reason for this lies in the missing reference size of the incident light.
  • the light usually enters the evaporation chamber via a disk, which is regularly involuntarily co-evaporated.
  • the knowledge of the intensity of the radiation source is of no use, since a vaporized disc through which the light passes through greatly influences the characteristic of the light. In the measurement of the reflection, therefore, a different reference had to be found in the invention.
  • One of the three unknown quantities should serve as a reference.
  • the complex refractive index is wavelength-dependent and therefore can not be used.
  • the thickness is not wavelength dependent and can therefore be used as a reference since it must be identical for all measured wavelengths.
  • the method according to the invention can therefore be termed "self-referencing".
  • the starting point of the calculation for the method according to the invention is the measurement of the reflection intensity in three different wavelengths Xu X 2 , ⁇ 3 .
  • a CCD Charged Coupled Device
  • the reflection intensity R for three wavelengths ⁇ -i, X 2, ⁇ 3 (red, green and blue) is present through the CCD and evaluated individually
  • the conversion from time to thickness is done at the beginning of the deposition process on the basis of the occurring interference maxima.
  • the calculated thickness is the optical thickness d opt , ie it remains the previously unknown Refractive index in thickness initially included.
  • is the angle of incidence
  • the wavelength of the incident light
  • the optical layer thickness d opt is calculated as half the wavelength XR of the time course of the reflection intensity
  • FIG. 2 shows a diagram for converting the time dependence of the reflection intensity R (ordinate: RGB signal, abscissa: time / time in any unit) into the thickness dependence.
  • the reflection intensity can be defined by means of the characteristic impedance according to equation (3).
  • the characteristic impedance of the vacuum Z F0 is known and thus can be taken into account by changing the equation 3, the total resistance Z G of the vapor-deposited layer.
  • the resistor Z G describes the vapor-deposited layer and the underlying substrate. In order to separate the two layers from each other, equation (2) is still applied considering equation (4).
  • a fit compares the equation (2) with the measured reflection intensities. In this case, a determination of the measured values is carried out individually for all three measured wavelengths by the fit of equation (2).
  • the real thickness d is calculated numerically, with the thickness of the deposited layer for all three
  • Wavelengths must have the same value.
  • Equation (2) For each of the wavelengths, using the calculated thickness of step 1, equation (2) is solved.
  • the reflection measurement of each wavelength is fitted with Equation (5) and Equation (2).
  • Errors are determined by the real thickness and refractive index. III) For the entire process, repeat steps 1 and 2 until the limit of interferometry is reached (layer too thick or too high absorbing).
  • FIG. 3A shows the applied reflection (solid line) to the measured reflection intensity values (+) of Ga 2 Se 3 for a deposition process (ordinate: RGB signal, abscissa: time / time in arbitrary unit).
  • FIG. 3B shows by way of example how the method according to the invention operates.
  • the Fit the optical layer model
  • the Fit runs along and calculates the thickness and the complex refractive index during the process. While the thickness in Figure 3B is visibly juxtaposed as the axis of time, the measurement of the complex refractive index is not visibly included.
  • FIG. 3C shows the temporal
  • the FIGURE 3D shows the corresponding temporal intensity course of the red (circles) and the blue (squares) reflections in stage I. Shown is also the occurring absorption by the deposited layer by a corresponding simulation of the curve envelope.
  • the calculated optical layer parameters result in a proportion Ga / III of 0.5028 as a proportion Ga to the proportion In + Ga (Ga / Ga + In).
  • the composition of this layer is known and can be taken into account accordingly.
  • the routine shown is performed for all three wavelengths.
  • stage I sequential vaporization of gallium (in gallium zero, indium is evaporated, permanent evaporation of selenium) shows FIGURE 4 (ordinate: RGB signal, abscissa: time / time in any unit) simultaneously all three evaluated wavelengths.
  • the triangles show the evaluation of the blue wavelength, the squares of the green wavelengths and the circles of the red wavelength.
  • the embodiment of the method according to the invention relates to the sequential co-vapor deposition of metals and non-metallic elements of the fifth to seventh main group, wherein there is at least one sequence of evaporation.
  • a possible timing of the evaporation for the elements A (eg In), B (eg Ga), C (eg Cu) and D (eg Se) can be seen in FIG.
  • the process described here is a sequential co-evaporation of the type Ga + Se, followed by In + Se, to obtain a layer stack of Ga 2 Se 3 and ln 2 S ⁇ 3 .
  • the stack of optically thin layers that can be generated by this evaporation process in stage I is shown schematically in FIG.
  • FIG. 7 A high-resolution SEM image of a complex stack made up of a plurality of superimposed, optically thin layers produced by the process control according to the invention is shown in FIG. 7.
  • the method according to the invention can always use the respectively uppermost deposited layer with respect to the underlying layers be analyzed as a reference layer in terms of their material composition. Therefore, the method is also applicable to stacks with any number of individual layers.
  • step II of the above process an absorbing Cu-containing layer is produced, to which interferometry is not applicable.
  • the method according to the invention can be used to estimate the stoichiometry.
  • stage III then again analyzable optically thin layers are deposited.
  • FIG. 8 shows the basic structure of an arrangement for carrying out the method according to the invention.
  • the elements A, B, C, D are evaporated sequentially and deposit on the deposition side of the substrate S rotating in the embodiment as composite layers.
  • the depositing layers reflect incident light as diffuse or direct reflections of incoherent radiation (no total reflection).
  • the diffuse or direct reflections with at least one spatially resolving optical detector D! added.
  • Another detector D2 may be provided, for example, orthogonal to the first detector D1 laterally from the substrate S.
  • the optical radiation interacts with the vapor-deposited optically thin layer in a characteristic manner, so that from the reflection with the detectors D1, D2, the quality of the vapor-deposited layer can be assessed directly with respect to its composition and any deficiencies in the control loop can be used to correct the process.
  • the evaporation sources A, B, C, D, X, Y are simultaneously used as incoherent light sources ILQ in order to irradiate light of different wavelengths onto the deposition side of the substrate S.
  • white light sources ILQ (without evaporator function) with an infinite wavelength spectrum can also be used.
  • a coherent light source KLQ (here a laser) may be provided in order to be able to take into account the influence of the surface roughness of the depositing layers.
  • evaporation sources X, Y for example, for the evaporation of non-metallic elements, be provided.
  • the control of Koverdampfens requires no spatial separation of the individual evaporation sequences, but it does not exclude them.
  • Essential for the regulation of the vapor deposition process is the reflection measurement and evaluation of the incident on the moving substrate optical radiation.
  • the radiation must be spatially separated from each other in order to evaluate the individual radiations in the system can.
  • the spatial resolution optical detector D for example a CCD camera equipped with optical instruments, is mounted inside or outside the PVD chamber PVD.
  • a corresponding window F is provided in the chamber wall, which is also occupied during the evaporation process with a Abscheide für so that an external referencing of the control system is not possible. This is also not required in the method according to the invention by its self-referencing capability.
  • the CCD cameras convert optical radiation received by means of an array of optical sensors into color values in the wavelength range from 400 nm to 700 nm. These then correspond to the incident wavelength and have been calculated with the spectral sensitivity of the individual sensors of the CCD chip.
  • a CCD camera consists of an array of optical sensors and can thereby locally separate the incident signals.
  • the use of CCD cameras does not limit the type of optical radiation. Rather, it can be used for monitoring any optical radiation in the visible spectrum. Furthermore, the number and location of the CCD cameras are arbitrary and can be freely selected due to the quality of the cameras used.
  • the general control of moving or unmoving substrates in connection with a spatially resolved optical detection is also solved particularly elegantly by the use of a CCD camera, which is aligned with its optics in the direction of the substrate.
  • the method according to the invention can be used as a process control for an evaporation process of the type described above.
  • a quantitative control of the process by influencing the process parameters is possible.
  • this regulation differs significantly from the known regulations in this field, with which only a qualitative control (according to predetermined characteristic points) is possible without precise numerical knowledge of the optical layer parameters.
  • the function of the associated control circuit is indicated schematically in FIG. 9 for the general case (cf. FIG. 8).
  • the detectors D1 and D2 serve to measure the reflection intensities and transmit the measurement signal to the control unit CU.
  • the control unit CU uses the measured signals using the type of light sources used for control (ILQ, KLQ). Here, the operation of the light sources is freely selectable. These may be chopped or choppy light signals. From the measured signals correlated to the light sources used, the control unit controls the movement of the substrate S, as well as the evaporation sources A 1 B 1 C 1 D 1 X 1 Y (X, Y may be non-metallic evaporation sources, for example).
  • FIG. 10 shows, by way of example, the measurement signal of an optical CCD detector with visible reflections of the light sources and the temperatures of the evaporation sources for stage I of the exemplarily selected 3-stage vapor deposition process of Cu (In, Ga) Se 2 thin films.
  • the CCD camera is located in the bottom of the PVD chamber and is oriented with its optics perpendicular in the direction of the substrate S (see FIG. 8).
  • the possibility of monitoring the function of the evaporation sources by estimating their temperature via the control unit CU is simultaneously given by the use of a CCD camera.
  • the colors of the original measurement protocol are reproduced only by their gray value.
  • the original measurement protocol shows a red reflection of the light sources Ac and B 1 a green reflection of the light sources A B and the evaporation sources B and X as well as external noise and a blue reflection at the evaporator sources A and C (with red islands). While the evaporation sources A and B have approximately the same temperature and thus have a similar temperature radiation, distribution and color, the evaporation source C is operated at a significantly higher temperature.
  • the higher temperature is represented by the CCD camera as blue color. If used incorrectly, the source of evaporation might not turn blue, but would not be visible.
  • the evaporation source C Due to the high temperature, it has intense dots measured by colors other than blue within the temperature distribution.
  • the CCD camera is adapted to the human eye, displaying areas of highest intensity as green, as the human eye has the highest sensitivity to green.
  • FIG. 10 shows the reflections of the individual light sources (also evaporation sources).
  • the measurement signals For use as a measurement signal for a control loop, the measurement signals must first be evaluated by the control unit CU for semitransparent, optically thin layers.
  • the CCD camera separates the reflections locally from each other and thus enables a separate evaluation within the control unit.
  • the control unit then converts the measured, separate reflection intensities of the individual light sources into numerical intensities and applies them in a time-dependent manner.
  • FIG. 11 shows the time profile of the locally separated reflection intensities processed by the control unit at the substrate surface (red-green-blue intensity "RGB intensity” in any unit (au) over the time "time”).
  • the wavelengths of light sources A and B are indicated by their wavelength.
  • a laser module was used as light source B.
  • the light source A is due to the temperature radiation of the source A (here: gallium melt). From the physical laws that are well known for the determination of an optically thin layer, it is possible with two different wavelengths to determine the thickness of the resulting layer as well as the complex refractive index (two components) of the deposited layer (see above).
  • the control unit has data on the expected layer on the substrate and, with the aid of these data, which are in the form of step diagrams and values for the wavelength-dependent complex refractive index, determines the optical layer parameters and, depending thereon, the layer composition of the substance formed.
  • the control unit provides the information that the deposited layer is Ga 2 Se 3 . This substance has a refractive index of 2.4 and absorbs only at a wavelength below 580nm.
  • the method according to the invention is limited only by the thickness of the deposited layer, since from a thickness of about ten times the wavelength of the incident radiation the interferometry provides no longer valid results.
  • this limitation is not achieved by restricting the invention to optically thin layers and is therefore negligible.
  • the method according to the invention in an embodiment according to FIG. 8 provides for the interferometric calculations a sufficient control possibility and can thus be used for the purpose of a process control.
  • at least one stoichiometric estimate can be carried out due to the special optical evaluation for absorbing layers. Such an estimate is also known for example from DE 102 56 909 B3.
  • step I a semitransparent layer of indium, gallium and selenium was deposited on the substrate.
  • FIG. 12 shows the measurement signal of the CCD camera for the evaporation of copper in stage II on the semitransparent layer just described. It becomes an exemplary measurement signal of the detector with visible reflection of Light sources, and the temperature of the evaporation sources for stage Il shown.
  • FIGURE 12 shows the recorded area of the CCD camera used to control the process.
  • the interference signal of an external radiation has been cut out here, which can be achieved by the spatial resolution of the measurement signal.
  • the rotation causes a partial overlap of the two light sources A and B.
  • the control unit is able to separate both reflections and to evaluate them individually.
  • the said reflection of the light source B corresponds to the already described exemplary light source for the temperature estimation of the evaporation sources for proof of function.
  • the aim of this exemplary process is the estimation of the stoichiometry in the molar amount of the metals indium and gallium and the metal copper.
  • the amounts of indium and gallium should correspond to the amount of copper on the substrate.
  • the control unit is due to the target composition for this Substance calibrated and can thus carry out the estimation of the stoichiometry.
  • the CCD camera measures the process until the processed measurement signals in the control unit detect the occurrence of a copper selenide (Cu 2-x Se) coating on the surface of the deposited layer. For a CCD camera, this effect is evidenced by the continuous increase in the intensity of the reflection of the light source Ac with the simultaneous occurrence of a decrease in the reflected light source B in the exemplary system.
  • FIG. 13 shows the time profile of the CCD camera measurement (red-green-blue intensity "RGB intensity” in arbitrary units (a.u.) over time "time”) evaluated by the control unit.
  • the course of the temperature reflection of the copper source (upper curve, color green, “Intensity from Lightsource A”) is shown together with the reflection of the light source B (here: laser 635 nm wavelength, lower curve, color red, Intensity from Lightsource B ”) ,
  • the behavior described is indicated by the oval (“approximation of stoichiometry”) in FIGURE 13. The occurrence of this behavior satisfies the requirement for an estimation of the stoichiometry within the deposited layer.
  • the evaluations of the control unit are compared with those of the control system according to DE 102 56 909 B3.
  • a photodiode followed by a lock-in amplifier is used.
  • the photodiode receives a modulated reflected signal from the substrate surface, integrates the entire signal, and extracts the modulated signal for analysis.
  • a qualitative control with the known method according to DE 102 56 909 B3 is possible on the basis of characteristic individual points.
  • FIG. 14 shows a comparison between the two methods in the time course of the entire control process according to the invention (red-green-blue intensity "RGB intensity".
  • the lower, light gray curve in step 1 shows the time course of the reflection intensity of the color green (from the RGB
  • the average, thin black curve shows in comparison the signal profile from the method according to DE 102 56 909 B3 a very similar result can be seen in the measurements (compare upper two curves)
  • the lower curve for the method according to the invention shows the general insensitivity of the laser signal to a relatively smooth substrate / layer during stage I.
  • the measurement according to DE 102 56 909 B3 is highly prone to error as the process has to be rough-layered
  • One of the problems is that laser signals, ie coherent beams Due to the roughness of the surface is influenced more than incoherent radiation.
  • a quantitative control of the layer deposition is not possible with the known method according to DE 102 56 909 B3, since the measured interferences are superimposed on the roughness of the deposited layer. Since the availability of incoherent light means that this dependence does not occur in the method according to the invention, the corresponding control system with the CCD camera offers the possibility of characterizing the deposited layer by a numerical determination of the thickness and determination of the refractive index. For stage II, a clear occurrence of the stoichiometry can be observed with both systems, which, however, is represented differently. For the stage III, not further shown in FIG. 14, a quantitative analysis of the layer composition could again be produced with the method according to the invention.
  • FIGURE 15 shows a comparison of coherent and incoherent light sources on rough substrates.
  • a simultaneous measurement is shown between the method according to the invention and the method according to DE 102 56 909 B3 (LLS).
  • LLS liquid crystal display
  • the measurement signal of the LLS shows a very weak signal, while the signals of the method according to the invention are clearly visible.
  • the influence of the roughness on the laser signal is again indicated by arrows.
  • An apparent phase shift of the reflection signals of the LLS does not allow an accurate measurement, whereas the method according to the invention with white light sources shows no phase shift.
  • sources of evaporation A 1 B 1 C 1 D 1 X 1 Y are sources of evaporation for any elements - A 1 B 1 C 1 D: any metals, X 1 Y: any non-metallic elements of the V. Vll, -Hauptrete.
  • the named light sources A, B are light sources of any nature a.
  • Coherent sources lasers of any nature (e.g., gas discharge lasers,
  • Monochromatic, non-coherent light eg light emitting diodes of any optical wavelength, division of continuous optical spectra by optical methods, eg monochromators, filters
  • Non-monochromatic, non-coherent light eg: white light sources, such as halogen lamps D.
  • Other light sources eg: optical radiation of metal melts, the melts produced in the sources A, B, C, D and optical radiation of melts of the described sources X 1 Y).
  • the positioning of the designated light sources A, B can take place a.) Within the process device at any angle ⁇ b.) Outside the process device at any angle ⁇ using heated or unheated optically transparent devices (eg windows)
  • the coupling of the radiation of the designated light sources A 1 B can take place by a.) Direct illumination of the substrate during the deposition process to be controlled with II. Named light sources without optical instruments b.) Direct illumination of the substrate during the controlled vapor deposition with after II. Named light sources with any optical instruments connected upstream (eg linear and circular polarizers, convex and concave lenses for imaging, interference filters or other filters for wavelength adjustment of the light sources) c.) Direct illumination of the substrate during the vapor deposition process to be controlled with light sources named after II by guiding the optical radiation by means of light guides (eg: optical mono- and multimode fibers, mirror systems for deflecting the optical radiation and adjusting the position and the angle of incidence on the substrate)
  • light guides eg: optical mono- and multimode fibers, mirror systems for deflecting the optical radiation and adjusting the position and the angle of incidence on the substrate
  • the named detectors are spatially resolving, optical sensors of any nature in the formation of a.) Integrating, spatially resolving detectors without optical instruments (eg: photodiode arrays or arrays, line and line CCDs, which are suitable for the measurement of optical radiation, arrangements of several locally separated photodiodes) b.) integrating, spatially resolving detectors with optical instruments (eg named elements according to Va) with imaging convex or concave lenses, interference filters or other filters for adjusting the sensitivity to specific wavelengths, decomposition of optical signals with monochromatic prisms or C) non-integrating, spatially resolving detectors without optical Instruments (eg CCD cameras of various resolution and design, photographic plates, photosensitive papers (films), camera systems for imaging) d.) Non-integrating, spatially resolving detectors with optical instruments according to Vc) (eg cameras with optical imaging)
  • optical instruments eg: photodiode arrays or arrays, line and line CCDs, which
  • the named substrate is of any nature (e.g., metal foils, sheets of glass, plastic sheeting; the substrates may be electroconductive materials such as molybdenum, and suitable materials to aid in the development of the substrate
  • the movement of said substrate is of any nature (e.g., rotation, linear motion in the vertical and horizontal directions and any combination of the two aforementioned movements, substrate standstill is included).
  • the layer to be deposited during the evaporation process is of any nature and can be applied to a.)
  • Obtaining an absorber layer for use in photovoltaic applications eg: in thin film solar cells of the structure ABCXY2, such as and the structure A 2 (BC) x Di -x (XyY-yy) 4 , such as
  • control system for the use of the control system is of any nature and can serve for a.) Control of a sequential one-stage or multi-stage system which evaporates per sequence at least one metal and one non-metal according to I. to obtain optically thin layers according to VIII. Vapor deposition (physical vapor deposition - PVD), b.) Control of a thermal process, which performs the method of Vlll.d.),
  • the control unit of the control system makes use of the digital and analog read-in of imaging and integrating methods with instruments to V. Processing of the read measuring signals by means of digital technologies (eg: computer) and regulating signals from the control unit are using digital technologies the systems to be controlled according to I, VII transferred. A.) Evaluation of the measuring signals with detectors according to V., b.) Control of the temperature of the sources according to I., of the substrate according to VI. and the movement of the substrate according to VII.
  • control unit is of any nature and suitable for a.) In-situ control of continuous processes according to IX for obtaining optically thin layers according to VIII and b.) In-situ control of sequential processes according to IX for obtaining optically thin layers VIII.

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Abstract

Known methods are based on the measurement of the total reflection and analyze reflections of optical radiation in the case of smooth surfaces. Therefore, they require a normalization by measurement of the reference light or other measurement of the refractive indices. As a result, they cannot be used universally; in particular they cannot be used for process control of evaporation processes. The control methods known in this field operate only qualitatively on the basis of specific characteristics in the production process. For genuine quantative regulation, however, it is essential that the components to be regulated (optical layer parameter) are also made measurable. The method according to the invention directly determines the material composition of optically thin layers and is based on an optical layer model that was derived from electromagnetic conduction theory with field resistances. The deposited layer is irradiated with preferably incoherent spectral light, preferably from a white light source, and the reflection intensities outside total reflection are detected by a spatially resolving optical detector, preferably CCD, and fed into the layer model. The characteristic functions of the layer model are fitted to the real process values and serve for numerically ascertaining the optical layer parameters from which the specific material composition can be derived.

Description

Verfahren zur in-situ-Bestimmung der stofflichen Zusammensetzung von optisch dünnen Schichten, Anordnungen zur Durchführung und Anwendungen des Verfahrens. Method for the in-situ determination of the composition of optically thin layers, arrangements for carrying them out and applications of the method.
BESCHREIBUNGDESCRIPTION
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur in-situ-Bestimmung der stofflichen Zusammensetzung von aus der Dampfphase auf einem Substrat abgeschiedenen optisch dünnen Schichten mit einer interferometrisch auswertbaren Korrelation zwischen den optischen Schichtparametern (komplexer Brechungsindex nkOmpiex mit Realteil: Brechungsindex nSchicht und Imaginärteil: Absorptionskoeffizient κSchicht und reale Schichtdicke dSchicht), sowie auf Anordnungen zur Durchführung und Anwendungen des Verfahrens.The invention relates to a method for in-situ determination of the material composition of vapor deposited on a substrate optically thin layers having a interferometrically evaluable correlation between the optical layer parameters (complex refractive index n kO mpiex with real part: refractive index n Sc hic ht and imaginary parts: absorption coefficient κ Sc hicht and real layer thickness d Sch ic ht), as well as arrangements for carrying out the method and applications.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
In der DE 699 17899 T2 wird die Bestimmung der Dotierung eines Silizium- wafers mittels Reflexionsspektrometrie beschrieben. Es werden Referenz- und Probenmessungen aufgenommen und nach bekannten, physikalischen Berechnungsverfahren für den komplexen Brechungsindex und die Dicke einer optisch dünnen Schicht berechnet. Die Beschreibung der Formeln der optischen Reflexion von Strahlung ist ausführlich gezeigt, wodurch die Modellbildung der zu vermessenden Schicht nachvollziehbar ist. Allerdings ist die genaue Messung hierbei nur ex-situ möglich. Die Messung wird im Infrarot- Bereich durchgeführt, da die betrachteten Schichten in einem Dickenbereich liegen, der IR-Messung erforderlich macht, um eine interferometrische Welle zur Dickenbestimmung auswerten zu können. Aus der DE 197 23 729 A1 ist ein Verfahren zur in-situ Bestimmung optischer Schichtkonstanten bei plasma- und ionenstrahlunterstütztem Ätzen und Beschichten bekannt. Es wird ein Verfahren zum Bestimmen von optischen Konstanten aus der Reflexion von Licht, verursacht durch die Eigenstrahlung der Quellen der Oberflächenbearbeitung, beschrieben. Während der Oberflächenbearbeitung werden aus auftretenden Interferenzen die Spektren der Reflexionen aufgenommen. Vier verschiedene Wellenlängen werden über einen Wellenlängenfilter einzeln detektiert. Aus den Messsignalen der normierten Strahlung wird die absolute (reale) Dicke der Schicht bestimmt. Dieses Verfahren kann jedoch nur bei Systemen mit einem Plasma oder einem lonenstrahl zur Oberflächenbearbeitung angewendet werden, da die Intensität des Plasmas oder des lonenstrahls zusätzlich aufgenommen werden muss. Das Substrat selbst wird nicht gemessen. Es wird ein normierter Brechungsindex gemessen, dessen wirklicher Wert im Nachhinein bestimmt wird. Die verwendeten Formeln entsprechen hier den Fresnelschen Gesetzen für ein Drei-Schicht-System (Luft-nichtabsorbierendes Medium-Substrat) und sind darauf beschränkt.DE 699 17899 T2 describes the determination of the doping of a silicon wafer by means of reflection spectrometry. Reference and sample measurements are taken and calculated according to known physical calculation methods for the complex refractive index and the thickness of an optically thin layer. The description of the formulas of the optical reflection of radiation is shown in detail, whereby the modeling of the layer to be measured is traceable. However, the exact measurement is possible only ex-situ. The measurement is carried out in the infrared range, since the layers considered are in a thickness range which requires IR measurement in order to be able to evaluate an interferometric wave for determining the thickness. DE 197 23 729 A1 discloses a method for in-situ determination of optical layer constants in plasma and ion beam assisted etching and coating. A method for determining optical constants from the reflection of light caused by the self-radiation of the surface processing sources will be described. During surface treatment, the spectra of the reflections are recorded from interferences that occur. Four different wavelengths are individually detected via a wavelength filter. From the measured signals of the normalized radiation, the absolute (real) thickness of the layer is determined. However, this method can only be used in systems with a plasma or an ion beam for surface treatment, since the intensity of the plasma or the ion beam must be additionally recorded. The substrate itself is not measured. It is a normalized refractive index is measured, the real value is determined in retrospect. The formulas used herein are consistent with and are limited to Fresnel's laws for a three-layer system (air-nonabsorbent medium-substrate).
In der EP 1 435517 A1 wird die Verwendung von spektroskopischen Ellipso- metern zur Bestimmung dünnen Mehrschichtsystemen beschrieben. Ellipso- metrie arbeitet jedoch nur zuverlässig bei sehr glatten Schichten. Außerdem ist eine ellipsometrische Messung nur ex-situ möglich, da die Reflexion durch ein Polarisationsmessverfahren ausgewertet werden muss. Die Auswertung erfolgt durch Änderung der Polarisation des einfallenden Lichtes und des daraus resultierenden Einflusses auf die reflektierte Strahlung. Die Bestimmung des komplexen Brechungsindexes erfolgt durch eine definierte Wellenlängenänderung. Das Verfahren arbeitet für Mehrschichtsysteme mit einem optischen Modell, welches jedoch auf der numerischen Anpassung (Anfitten) einer frequenzabhängigen Funktion von Dicke und Brechungsindex (ähnlich zur FFT, Fast Fourier Transformation) basiert. Aus der EP1 467 177 A1 ist ebenfalls ein Dickenmessverfahren für Mehrschichtsysteme bekannt. Dieses Verfahren basiert auf einer ex-situ-Messung, der eine Auswertung aufgrund einer Fourier-Transformation nachgeschaltet wird. Dabei wird Licht auf die Probe gestrahlt und durch die FFT ein Frequenz- spektrum erstellt. Durch die Auswertung der Peaks der FFT werden die einzelnen Schichten in ihrer Dicke bestimmt. Es wird ein CCD (Charged Coupled Device) als ortsauflösender optischer Detektor für unterschiedliche Wellenlängen verwendet.EP 1 435517 A1 describes the use of spectroscopic ellipsometers for the determination of thin multilayer systems. However, ellipsometry only works reliably with very smooth layers. In addition, an ellipsometric measurement is possible only ex-situ, since the reflection must be evaluated by a polarization measurement method. The evaluation is carried out by changing the polarization of the incident light and the resulting influence on the reflected radiation. The determination of the complex refractive index is effected by a defined wavelength change. The method works for multilayer systems with an optical model, but which is based on the numerical adaptation (fitting) of a frequency-dependent function of thickness and refractive index (similar to FFT, Fast Fourier Transformation). EP 1 467 177 A1 likewise discloses a thickness measuring method for multilayer systems. This method is based on an ex-situ measurement, which is followed by an evaluation due to a Fourier transformation. Light is radiated onto the sample and a frequency spectrum is created by the FFT. By evaluating the peaks of the FFT, the individual layers are determined in their thickness. A CCD (Charged Coupled Device) is used as a spatially resolving optical detector for different wavelengths.
Aus der DE 10 2005 023 735 A1 ist ein ex-situ-Verfahren zur automatischen Durchführung einer Oberflächenuntersuchung bekannt, bei dem eine theoretische Kurve an eine Messkurve mit einem FFT- Verfahren oder Gradientenverfahren angepasst wird. Dabei werden jedoch Schichtdicken über 10 μm beobachtet, die nicht mehr als optisch dünne Schichten einzustufen sind. Das Reflexionsspektrum wird mit einem berechneten Spektrum verglichen. Zusätzlich wird ausschließlich ein FFT-Spektrum ausgewertet und die auftretenden Peaks dieses Spektrums betrachtet. Die Anzahl der Schichten wird durch das FFT-Spektrum bestimmt. Somit muss die Schicht bereits fertigprozessiert sein, da sonst kein Spektrum dieser Art aufgenommen werden kann. Aus diesem Spektrum werden dann unterschiedliche Näherungsverfahren abgeleitet.From DE 10 2005 023 735 A1 an ex-situ method for the automatic performance of a surface investigation is known in which a theoretical curve is adapted to a measurement curve with an FFT method or gradient method. In this case, however, layer thicknesses above 10 microns are observed, which are no longer classified as optically thin layers. The reflection spectrum is compared with a calculated spectrum. In addition, only one FFT spectrum is evaluated and the occurring peaks of this spectrum are considered. The number of layers is determined by the FFT spectrum. Thus, the layer must already be finished, otherwise no spectrum of this kind can be recorded. Different approximation methods are derived from this spectrum.
In der DE10 2005 023 737 A1 wird gezeigt, wie aus der totalen Reflexion die Schichtdicke oder der Brechungsindex einer dünnen Schicht bestimmt werden kann. Es wird die Bestimmung einer Schichtdicke oder eines Dispersions- parameter aus einem Reflexionsspektrum beschrieben. Dazu wird dieDE10 2005 023 737 A1 shows how the total thickness or the refractive index of a thin layer can be determined from the total reflection. The determination of a layer thickness or a dispersion parameter from a reflection spectrum is described. This is the
Messung mit einem Modellspektrum verglichen. Beachtet wird jedoch nur die aktuell geänderte Schicht, wobei das verwendete Modell nicht weiter erläutert wird.Measurement compared with a model spectrum. However, only the currently changed layer is considered, whereby the model used is not explained further.
Die zuvor genannten Druckschriften liegen im Bereich der Analyse vonThe aforementioned publications are in the field of analysis of
Reflexionen von optischer Strahlung bei glatten Oberflächen. Alle Verfahren basieren auf der Messung der Totalreflexion und benötigen somit eine Normierung entweder durch Messung des Referenzlichtes oder durch nachfolgende Messung von Brechungsindizes mittels anderer Methoden. Verwendete optische Modelle basieren auf der Verwendung von Fresnel- Gleichungen. Kein Verfahren wird zur Regelung eines Verdampfungs- prozesses von Materialien zur Gewinnung einer optisch dünnen Schicht eingesetzt.Reflections of optical radiation on smooth surfaces. All methods are based on the measurement of total reflection and thus require one Normalization either by measuring the reference light or by subsequent measurement of refractive indices by other methods. Used optical models are based on the use of Fresnel equations. No method is used to control an evaporation process of materials to obtain an optically thin layer.
Ein Verfahren für Abscheideprozesse von Chalkopyritdünnschichten auf bewegten Substraten ist beispielsweise aus der DE 102 56 909 B3 bekannt. Hierbei wird als Lichtquelle ein Laser mit kohärentem Licht einer Wellenlänge auf ein sich bewegendes Substrat gerichtet, um den Prozess der Abscheidung und Bildung einer Chalkopyritdünnschicht zu kontrollieren. Die Kontrolle in diesem Verfahren basiert auf der Streuung von Laserlicht an rauen Oberflächen. Der Prozess zur Aufdampfung von Cu(In, Ga)Se2-Schichten wird in drei Stufen aufgeteilt. Die Stufe I umfasst die Verdampfung von Indium und Gallium (Koverdampfung oder sequenzielle Verdampfung), Stufe Il die Koverdampfung von Kupfer und Stufe III die Koverdampfung von Indium und Gallium. Während des gesamten Prozesses wird zusätzlich Selen verdampft. Das Substrat wird in Material (Glas, Titan oder Kunststoffe) und Eigenschaften umfassend beschrieben. Verschiedene Konzepte der Substratbewegung werden aufgezeigt (Durchlauf, Rotation, Rolle-zu-Rolle). Es werden Konzepte zur Bewegung des verwendeten Lasers gegeben. Mit dem bekannten Verfahren ist es möglich, den Prozess kontrolliert durchzuführen. Die Prozesskontrolle bei dem bekannten Verfahren basiert auf Laser-Licht- Streuung (LLS) und nutzt einzelne charakteristische Punkte. Dabei werden die Streusignale des Laserlichts während der einzelnen Stufen protokolliert. Insbesondere werden die Streusignale der zweiten Stufe genutzt, um stöchiometrische Verhältnisse in der abgeschiedenen Schicht abzuschätzen. Jedoch bietet diese Kontrolle nicht die Möglichkeit, einen Prozess reprodu- zierbar durchzuführen, da hierfür eine Regelung mit einer zahlenmäßigen Wertekenntnis der optischen Schichtparameter erforderlich ist. Es findet nur eine qualitative Überwachung des Prozesses statt. Bei qualitativen Abwei- chungen werden die Herstellungsparameter „Temperatur der Verdampfungsquellen" und „Geschwindigkeit des Substrats" entsprechend verändert.A method for deposition processes of chalcopyrite thin films on moving substrates is known, for example, from DE 102 56 909 B3. Here, as a light source, a laser of coherent light of a wavelength is directed to a moving substrate to control the process of deposition and formation of a chalcopyrite thin film. The control in this method is based on the scattering of laser light on rough surfaces. The process of vapor deposition of Cu (In, Ga) Se 2 layers is divided into three stages. Stage I involves the evaporation of indium and gallium (co-evaporation or sequential evaporation), stage II the co-evaporation of copper and stage III the co-evaporation of indium and gallium. During the entire process selenium is evaporated. The substrate is described comprehensively in material (glass, titanium or plastics) and properties. Different concepts of substrate movement are shown (run, rotation, roll-to-roll). Concepts for moving the laser used are given. With the known method, it is possible to carry out the process in a controlled manner. The process control in the known method is based on laser light scattering (LLS) and uses individual characteristic points. The scattered signals of the laser light are logged during the individual stages. In particular, the second stage leakage signals are used to estimate stoichiometric ratios in the deposited layer. However, this control does not offer the possibility of carrying out a process in a reproducible manner since this requires a control with a numerical value assignment of the optical layer parameters. There is only qualitative monitoring of the process. In the case of qualitative The production parameters "temperature of the evaporation sources" and "speed of the substrate" are changed accordingly.
In der Veröffentlichung I von R. Scheer et al.: "Cu(lni-xGax)Se2 growth studies by in situ spectroscopic light scattering" (Applied Physics Letters 82 (2003), p. 2091-2093) das Verfahren der LLS zu einer spektralen Lichtstreuung (SLS) erweitert, um die Abhängigkeit zwischen der Rauigkeit der abgeschiedenen Schicht und dem Streusignal erkennen zu können. Kohärentes Laserlicht arbeitet nur bei rauen Oberflächen. Bei glatten Oberflächen, wie sie in der Regel durch das Substrat bei Prozessbeginn vorliegen, ergeben sich keine auswertbaren Messsignale. Für die SLS wird anstelle eines Lasers eine weiße Lichtquelle und eine SSD-Spektrometer als Detektor verwendet. Ebenfalls eine Prozesskontrolle auf Basis der SLS ist aus der Veröffentlichung Il von K. Sakurai et al. bekannt: „In situ diagnostic methods for thin-film fabrication: utilization of heat radiation and light scattering" (Progress in Photovoltaics: Research and Applications 12 (2004), p. 219-234), von der die vorliegende Erfindung als nächstliegendem Stand der Technik ausgeht. Eine Prozessregelung wird jedoch nicht besprochen. Auch hier sind die zahlenmäßigen Werte der optischen Schichtparameter nicht bekannt, sodass keine quantitative Kontrolle des Wachstums dünner Schichten und damit Regelung der Istwerte der Regelgrößen (optische Schichtparameter) an die Sollwerte durch Verstellung der Stellgrößen (Verfahrensparameter) vorgenommen werden kann.In the abstract I of R. Scheer et al., "Cu (lni -x Gax) Se 2 growth studies by in situ spectroscopic light scattering" (Applied Physics Letters 82 (2003), p.2091-2093) the method of LLS extended to a spectral light scattering (SLS) to detect the dependence between the roughness of the deposited layer and the scatter signal. Coherent laser light works only on rough surfaces. With smooth surfaces, as they are usually present through the substrate at the beginning of the process, there are no evaluable measuring signals. For the SLS, instead of a laser, a white light source and an SSD spectrometer are used as detectors. Also a process control based on the SLS is from the publication Il of K. Sakurai et al. known in-situ diagnostic methods for thin-film fabrication: utilization of heat radiation and light scattering (Progress in Photovoltaics: Research and Applications 12 (2004), pp. 219-234), of which the present invention as closest state of the However, process control is not discussed, and the numerical values of the optical layer parameters are unknown, so that no quantitative control of the growth of thin layers and thus control of the actual values of the controlled variables (optical layer parameters) to the setpoints by adjusting the manipulated variables (process parameters ) can be made.
Eine Möglichkeit zur quantitativen Kontrolle des Wachstums dünner Schichten wird beispielsweise in der US 5 450 250 ausgezeigt. In diesem bekannten Verfahren werden mit Hilfe eines Lasers und einer CCD-Kamera interfero- metrische Messungen zur Bestimmung der Dicke einer optisch dünnen Schicht durchgeführt. Mit einem Laser wird die Oberfläche eines Silizium- Substrats beleuchtet. Mittels einer CCD-Kamera w.erden die Reflexionen des einfallenden Laserstrahls aufgezeichnet und ausgewertet. Das Verfahren basiert auf der Interferometrie (vergleiche aus DE 10 2005 050 795 A1 und DE 10 2006 016 132 A1). Hierbei überlagern sich auftreffende und reflektierte Strahlen derart, dass sie sich im Extremfall destruktiv oder konstruktiv überlagern können. Dadurch können absolute Dicken von dünnen Schichten bestimmt werden. Eine Bestimmung ist aber nur möglich, wenn die optischen Eigenschaften des gemessenen Materials hinreichend bekannt sind. Dazu muss vor allem die Größe des komplexen Brechungsindex bekannt sein. Weiterhin wird nicht berücksichtigt, dass die genannten Materialeigenschaften häufig Änderungen während des Abscheideprozesses erfahren. Somit wird in dem genannten Verfahren nur eine prinzipielle Möglichkeit zur quantitativen Prozesskontrolle und einer möglichen Regelung gegeben.One way of quantitatively controlling the growth of thin layers is exemplified in US 5,450,250. In this known method, interferometric measurements for determining the thickness of an optically thin layer are carried out with the aid of a laser and a CCD camera. A laser illuminates the surface of a silicon substrate. By means of a CCD camera w.erden the reflections of the incident laser beam recorded and evaluated. The method is based on interferometry (cf. DE 10 2005 050 795 A1 and DE 10 2006 016 132 A1). In this case, incident and reflected beams are superimposed in such a way that, in extreme cases, they can overlap destructively or constructively. As a result, absolute thicknesses of thin layers can be determined. A determination is only possible if the optical properties of the measured material are sufficiently known. Above all, the size of the complex refractive index must be known. Furthermore, it is not considered that the material properties mentioned often undergo changes during the deposition process. Thus, in the said method, only a fundamental possibility for quantitative process control and a possible regulation is given.
Für eine Prozesskontrolle im Sinne eines echten Regelkreises ist es essenziell, auch die zu regelnden Komponenten messbar zu machen, wie es beispielsweise in der US 7 033 070 B2 beschrieben wird. Zur Überwachung eines Kristallziehverfahrens (Float-Zone-Verfahren) für die Gewinnung von Siliziumeinkristallen wird mit Hilfe einer CCD-Kamera die Temperatur der Siliziumschmelze überwacht. Bei diesem Verfahren wird der gezogene Kristall lokal durch eine Halogenlampe erhitzt. Die Kamera ist auf den Bereich des Kristalls gerichtet, der durch die Halogenlampe erhitzt wird. Dabei misst die CCD- Kamera die Leuchtkraft der Schmelze mit Filterung des reflektierten und gestreuten Lichtes der Lichtquelle und schätzt dadurch die Temperatur ab. Die CCD-Kamera wird dafür mit Filtern ausgestattet, die infrarotes Licht sichtbar machen. Das bekannte Verfahren überwacht somit numerisch Schmelzen von Silizium durch die Eigenleuchtkraft der Schmelze. Allerdings lassen sich mit diesem Verfahren keine Angaben über die Zusammensetzung oder Dicken des Materials treffen. Vielmehr wird durch die Kamera überwacht, inwieweit der zu ziehende Kristall geschmolzen ist. AUFGABENSTELLUNGFor a process control in the sense of a real control loop, it is essential to be able to measure also the components to be controlled, as described, for example, in US Pat. No. 7,033,070 B2. To monitor a crystal pulling process (float zone process) for the recovery of silicon single crystals, the temperature of the silicon melt is monitored by means of a CCD camera. In this process, the grown crystal is locally heated by a halogen lamp. The camera is aimed at the area of the crystal which is heated by the halogen lamp. The CCD camera measures the luminosity of the melt by filtering the reflected and scattered light of the light source and thereby estimates the temperature. The CCD camera is equipped with filters that make infrared light visible. Thus, the known method numerically monitors melting of silicon by the intrinsic luminosity of the melt. However, this process does not provide information about the composition or thickness of the material. Rather, the camera monitors to what extent the crystal to be drawn has melted. TASK
Die AUFGABE für die vorliegende Erfindung ist darin zu sehen, das eingangs genannte, gattungsgemäße Verfahren zur in-situ-Bestimmung der stofflichen Zusammensetzung von aus der Dampfphase auf einem Substrat abgeschiedenen optisch dünnen Schichten mit einer interferometrisch auswertbaren Korrelation zwischen den optischen Schichtparametern so weiterzubilden, dass die stoffliche Zusammensetzung der abgeschiedenen Schicht unter Kenntnis der optischen Schichtparameter ermittelt werden kann. Dabei soll das Verfah- ren aber kostengünstig und störunanfällig in Echtzeit durchführbar sein. Eine bevorzugte Anordnung zur Durchführung des Verfahrens soll entsprechende Komponenten aufweisen.The TASK for the present invention is to be developed, the above-mentioned, generic method for in situ determination of the composition of material deposited from the vapor phase on a substrate optically thin layers with an interferometrically evaluable correlation between the optical layer parameters so that the material composition of the deposited layer can be determined with knowledge of the optical layer parameters. However, the process should be cost-effective and immune to interference in real time feasible. A preferred arrangement for carrying out the method should have corresponding components.
Weiterhin ist die reproduzierbare Herstellung von hocheffizienten Halbleiter- schichten für die Photovoltaik innerhalb eines kontinuierlichen Koverdamp- fungsprozesses unbedingt sicherzustellen. Die Kontinuität des Verdampfungsprozesses führt dabei zur Notwendigkeit eines in-situ-Verfahrens, welches eine Regelung zu jedem Zeitpunkt des Verdampfungsprozesses ermöglicht. Um regelnd einen Prozess kontrollieren zu können, ist es jedoch notwendig, dass der Regelungsmechanismus frei von Fehlern oder Störeinflüssen arbeiten kann und die Regelgrößen messbar darstellt. Ebenso ist es erforderlich, den Einfluss von nicht vermeidbaren Störquellen vernachlässigbar zu halten. In Anwendungen des Verfahrens nach der Erfindung soll deshalb auch eine Prozesskontrolle im Sinne eines auf die konkreten optischen Schichtparameter quantitativ zugreifenden Regelkreises durchführbar sein. Hierfür ist es essenziell, auch die zu regelnden Komponenten (Schichtparameter) messbar zu machen.Furthermore, the reproducible production of highly efficient semiconductor layers for photovoltaics must be ensured within a continuous co-evaporation process. The continuity of the evaporation process leads to the need for an in-situ process, which allows a regulation at any time of the evaporation process. However, in order to be able to control a process, it is necessary for the control mechanism to be free from errors or disturbances and to be able to measure the controlled variables. Likewise, it is necessary to keep the influence of unavoidable sources of interference negligible. In applications of the method according to the invention, therefore, a process control in the sense of a control loop that quantitatively accesses the specific optical layer parameters should also be feasible. For this, it is essential to be able to measure the components to be controlled (layer parameters) as well.
Die LÖSUNG für diese Aufgaben ist den nebengeordneten Verfahrens-, Erzeugnis- und Anwendungsansprüchen zu entnehmen. VorteilhafteThe SOLUTION for these tasks can be found in the ancillary procedural, product and application claims. advantageous
Weiterbildungen werden in den jeweiligen Unteransprüchen aufgezeigt, die im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert werden. Das erfindungsgemäßθ Verfahren eignet sich zur in-situ-Bestimmung der stofflichen Zusammensetzung von optisch dünnen Schichten, die aus der Dampfphase auf einem Substrat abgeschieden werden. Dabei handelt es sich bei optisch dünnen Schichten um solche Schichten, bei denen der komplexe Brechungsindex nkompiex (Realteil: Brechungsindex nSChicht; Imaginärteil: Absorptionskoeffizient κSchicht) und die reale Schichtdicke dsohicw) in einer interferometrisch auswertbaren Korrelation voneinander abhängig sind. Die Grenze der Interferometrie ist erreicht, wenn die Schicht zu dick oder zu hoch absorbierend ist. In der Regel zeigen optische Schichten eine Dicke bis maximal dem "l Ofachen der eingestrahlten Wellenlänge bzw. einer Dicke unterhalb von 1000 nm.Further developments are shown in the respective subclaims, which are explained in more detail below in connection with the invention. The method according to the invention is suitable for the in-situ determination of the material composition of optically thin layers which are deposited from the vapor phase on a substrate. This is in optically thin layers are those layers in which the complex refractive index nk o mpi e x (Real part: refractive index n SC hicht; imaginary: absorption coefficient κ Sc hi ch t) and the real coating thickness dsohicw) in an interferometrically evaluated correlation are dependent on each other. The limit of interferometry is reached when the layer is too thick or too high absorbing. In general, optical layers exhibit a thickness up to a maximum of the "l Ofachen the irradiated wavelength or a thickness of less than 1000 nm.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zur in-situ-Bestimmung der stofflichen Zusammensetzung solcher optisch dünnen Schichten während deren Herstellung zumindest folgende Verfahrensschritte:For the in-situ determination of the material composition of such optically thin layers during their production, the method according to the invention comprises at least the following method steps:
Während der Abscheidung der optischen dünnen Schicht wird das Substrat auf der Abscheidungsseite mit inkohärentem Licht im sichtbaren optischen Bereich bestrahlt. Dabei wird Licht zumindest drei verschiedener Wellenlängen λi, X2, λ3 auf die abgeschiedene Schicht gelenkt. Drei verschiedene Wellenlängen werden benötigt, da auch drei unbekannte optische Schichtparameter (Brechungsindex nscWcht, Absorptionskoeffizient κsChicht und Schichtdicke dschicht) zu ermitteln sind. Inkohärentes Licht kann sowohl bei rauen als auch bei glatten Oberflächen eingesetzt werden. Die Verwendung von kohärentem Licht ist auf raue Oberflächen beschränkt.During the deposition of the optical thin film, the substrate on the deposition side is irradiated with incoherent light in the visible optical range. In this case, light is directed at least three different wavelengths λi, X 2 , λ 3 onto the deposited layer. Three different wavelengths are required because three unknown optical layer parameters (refractive index nsc Wc ht, absorption coefficient κs Ch i cht and layer thickness d) are also to be determined. Incoherent light can be used on both rough and smooth surfaces. The use of coherent light is limited to rough surfaces.
Die von der abgeschiedenen Schicht ausgehende diffuse oder direkte Lichtstreuung wird in den drei verschiedenen Wellenlängen λ-i, λ2, λ3 ortsaufgelöst optisch detektiert. Es wird jeweils der zeitabhängige Verlauf der Reflexions- intensität R gemessen. Dabei wird das Licht aber so eingestrahlt, dass sich keine Totalreflexion ergibt. Eine totale Absorption tritt bei optisch dünnen Schichten ebenfalls nicht auf.The diffuse or direct light scattering emanating from the deposited layer is detected optically spatially resolved in the three different wavelengths λ-i, λ 2, λ 3 . The time-dependent course of the reflection intensity R is measured in each case. The light is radiated in such a way that no total reflection results. Total absorption also does not occur with optically thin layers.
Die numerischen Werte der detektierten Reflexionsintensität R für die verschie- denen Wellenlängen λ-i, X2, λ3 werden zeitlich parallel zur Messung in ein optisches Schichtmodell eingespeist, das somit zeitsynchron zum Abscheidevorgang abläuft. Dieses optische Schichtmodell basiert auf der allgemeinen Leitungstheorie, bekannt aus der elektrischen Nachrichtentechnik. Dabei wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jede abgeschiedene Schicht als elektromagnetischer Leiter mit einem veränderlichen Feldwellenwiderstand Z G , einer Ausbreitungskonstanten γ und einer der Leiterlänge äquivalenten realen Schichtdicke dschicw interpretiert.The numerical values of the detected reflectance intensity R for the different wavelengths λ-i, X 2, λ 3 are time-fed parallel to the measurement in an optical layer model, which thus takes place synchronously to the deposition process. This optical layer model is based on the general theory of conduct, known from electrical communications engineering. In the method according to the invention, each deposited layer is interpreted as an electromagnetic conductor with a variable field wave resistance Z G , a propagation constant γ and a real layer thickness equivalent to the conductor length dschicw.
Das optische Schichtmodell wird für die verschiedenen Wellenlängen λ-i, λ2, λ3 numerisch ausgewertet. Es ergeben sich durch numerische Anpassung des Schichtmodells bzw. der dieses beschreibenden Funktion an den zeitlichen Verlauf der detektierten Reflexionsintensitäten die realen Werte für die optischen Schichtparameter (Brechungsindex nSChicht, Absorptionskoeffizient Kschicht, reale Schichtdicke dSchicht) der abgeschiedenen Schicht. Dabei wird die wellenlängenunabhängige reale Schichtdicke dschicht zum Referenzwert bestimmt, sodass das erfindungsgemäße Verfahren selbstreferenzierend ist. Eine Referenzbildung von außen mit zusätzlich zu erfassenden Größen, wie aus dem Stand der Technik bekannt, entfällt.The optical layer model is numerically evaluated for the different wavelengths λ-i, λ 2 , λ 3 . It will become apparent by numerical adaptation of the layer model or this function describing the time course of the detected reflection intensities, the real values for the optical layer parameters (refractive index n SCh i CHT, absorption coefficient Kschicht, real layer thickness d Sc hich t) of the deposited layer. In this case, the wavelength-independent real layer thickness dschic h t is determined to the reference value, so that the inventive method is self-referencing. A reference formation from the outside with additional quantities to be detected, as known from the prior art, is eliminated.
Aus den numerisch ermittelten Werten für die optischen Schichtparameter wird dann die aktuelle Materialzusammensetzung der detektierten abgeschiedenen Schicht bestimmt. Dies erfolgt durch Vergleich mit Standardwerten von Werten für optische Schichtparameter bekannter Materialzusammensetzungen.The actual material composition of the detected deposited layer is then determined from the numerically determined values for the optical layer parameters. This is done by comparison with standard values of values for optical layer parameters of known material compositions.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einem Wechsel der Materialzusammensetzung zwischen unterschiedlichen Schichten die ermittelten Werten der optischen Schichtparameter der vorangehenden Schicht gespeichert und als Referenzwerte für eine nächste Schicht eingesetzt werden. Deshalb kann das Verfahren nach der Erfindung auch für beliebige Stapel aus optisch dünnen Schichten eingesetzt werden, weil es immer die oberste Schicht gegenüber den darunter liegenden Schichten als Referenz analysiert. Des Weiteren kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass zusätzlich noch die Reflexionsintensität, die durch eingestrahltes kohärentes Licht einer einzigen Wellenlänge hervorgerufen wird, gemessen wird (LLS). Hierdurch kann der Einfluss der Oberflächenrauigkeit der abge- schiedenen Schicht berücksichtigt werden. Dies setzt aber voraus, dass eine raue Oberfläche vorhanden ist. Glatte Oberflächen können mit kohärentem Licht nicht analysiert werden.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, it is provided that when changing the material composition between different layers, the determined values of the optical layer parameters of the previous layer are stored and used as reference values for a next layer. Therefore, the method according to the invention can also be used for any stack of optically thin layers, because it always analyzes the uppermost layer with respect to the underlying layers as a reference. Furthermore, it may be advantageous to additionally measure the reflection intensity which is caused by incident coherent light of a single wavelength (LLS). In this way, the influence of the surface roughness of the deposited layer can be taken into account. This requires, however, that a rough surface is present. Smooth surfaces can not be analyzed with coherent light.
Nähere Einzelheiten zu den einzelnen Ermittlungen und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und auch der bevorzugten Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, die insbesondere eine optisch abbildende Vorrichtung, beispielsweise eine CCD- oder CMOS-Kamera für die Farben Rot, Blau und Grün, als optischem Detektor und eine Weißlichtquelle aufweist, sind dem speziellen Ausführungsteil zu entnehmen.Further details of the individual investigations and embodiments of the method according to the invention and also the preferred arrangement for carrying out the method, in particular an optical imaging device, such as a CCD or CMOS camera for the colors red, blue and green, as an optical detector and a White light source, can be found in the special execution part.
Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung besteht in einer Ausbildung als in-situ-Prozesskontrolle bei der Herstellung von aus der Dampf phase auf einem Substrat abgeschiedenen optisch dünnen Schichten. Dabei wird das Verfahren in einen Regelkreis eingebunden, mit dem die be- rechneten Istwerte der optischen Schichtparameter der optisch dünnenA preferred application of the method according to the invention consists in an embodiment as an in-situ process control in the production of vapor phase deposited on a substrate optically thin layers. In this case, the method is incorporated into a control loop, with which the calculated actual values of the optical layer parameters of the optically thin
Schichten als Regelgrößen auf vorgegebene Sollwerte durch Anpassung der Herstellungsparameter als Stellgrößen entsprechend den ermittelten Istwerten für die optischen Schichtparameter geregelt werden.Layers are controlled as controlled variables to predetermined setpoint values by adaptation of the production parameters as manipulated variables in accordance with the determined actual values for the optical layer parameters.
Zusätzlich kann das Verfahren nach der Erfindung auch dann noch als in-situ- Prozesskontrolle eingesetzt werden, wenn keine optisch dünnen Schichten, sondern absorbierende Schichten aufgewachsen werden. In diesem Falle kann das Verfahren nach der Erfindung zumindest zur Abschätzung der Stöchio- metrie herangezogen werden. Dabei wird die Reflexionsintensität R der von der auf dem Substrat abgeschiedenen Schicht ausgehenden diffusen oder direkten Lichtstreuung außerhalb der Totalreflexion in zumindest zwei Wellenlängen λ-i, λ2 entsprechend interpretiert. Eine deutliche Verlaufsänderung zeigt den Punkt der erreichten Stöchiometrie an. Weiterhin kann bei dem Verfahren nach der Erfindung auch eine gleichzeitige Temperaturüberwachung der Verdampfungsquellen über die ortsaufgelöste optische Detektion durch Interpretation der auftretenden Farbwerte der Temperatur- Strahlung der Verdampfungsquellen erfolgen. Schließlich kann eine Anwendung auch auf raue Substrate oder raue abgeschiedene Schichten erfolgen, da durch die Verwendung von inkohärentem Licht hier keine Abhängigkeit besteht. Soll der Einfluss der Rauheit aber mitberücksichtigt werden, ist entsprechend kohärentes (Laser-) Licht zu verwenden. Nähere Einzelheiten zu den bevorzugten Anwendungen sind ebenfalls dem speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.In addition, the process according to the invention can still be used as an in-situ process control even if no optically thin layers, but absorbent layers are grown. In this case can the method according to the invention is used at least for the estimation of the stoichiometry. In this case, the reflection intensity R of the diffuse or direct light scattering emanating from the layer deposited on the substrate outside of the total reflection in at least two wavelengths λ-i, λ 2 is interpreted accordingly. A significant change in the course indicates the point of stoichiometry achieved. Furthermore, in the method according to the invention, a simultaneous temperature monitoring of the evaporation sources via the spatially resolved optical detection by interpretation of the occurring color values of the temperature radiation of the evaporation sources done. Finally, an application can also be made to rough substrates or rough deposited layers, as there is no dependence here due to the use of incoherent light. If, however, the influence of roughness is to be taken into account, appropriately coherent (laser) light must be used. Further details of the preferred applications can also be found in the specific description part.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELEEMBODIMENTS
Ausbildungsformen der Erfindung in allen drei beanspruchten Kategorien werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:Embodiments of the invention in all three claimed categories are explained in more detail with reference to the schematic figures. Showing:
FIGUR 1 A Diagramm zur Überleitung der Leitungstheorie in optisch dünne Schichten,FIG. 1 A diagram for the transfer of conduction theory into optically thin layers, FIG.
FIGUR 1 B Prinzipskizze zur Interferometrie an optisch dünnen Schichten,FIG. 1 B schematic diagram for interferometry on optically thin layers, FIG.
FIGUR 2 Darstellung der Umrechnung der Zeitabhängigkeit derFIGURE 2 Representation of the conversion of the time dependence of
Reflexionsintensität in die Dickenabhängigkeit, FIGUREN 3A...D Diagramme zur gefitteten Reflexion beim Abscheidungs- prozess, FIGUR 4 Diagramm zur Darstellung der Messsignale aller dreiReflection Intensity in Thickness Dependence, FIGURES 3A-D Diagrams of fitted reflection in the deposition process, FIGURE 4 Diagram showing the measurement signals of all three
Farbkomponenten eines Bildsignals,Color components of an image signal,
FIGUR 5 Prozessskizze für einen gesamten PVD-Prozess,FIG. 5 process sketch for an entire PVD process,
FIGUR 6 Stapel abgeschiedener optisch dünner Schichten für den gesamten PVD-Prozess,FIGURE 6 stacks of deposited optically thin layers for the entire PVD process,
FIGUR 7 REM-Aufnahme eines Stapels aus mehreren Schichten,FIG. 7 SEM image of a stack of several layers, FIG.
FIGUR 8 Skizze für eine Anordnung für einen gesamten PVD-Prozess,FIG. 8 sketch for an arrangement for a complete PVD process,
FIGUR 9 Regelkreis zur Prozesskontrolle,FIG. 9 control loop for process control,
FIGUR 10 Messsignale eines CCD-Detektors (Stufe I), FIGUR 11 Diagramm zum zeitlichen Intensitätsverlauf der ReflexionenFIG. 10 Measurement signals of a CCD detector (stage I), FIG. 11 Diagram of the temporal intensity profile of the reflections
(Stufe I),(Level I),
FIGUR 12 Messsignale eines CCD-Detektors (Stufe II),FIG. 12 Measurement signals of a CCD detector (stage II), FIG.
FIGUR 13 Diagramm zum zeitlichen Intensitätsverlauf der ReflexionenFIG. 13 Diagram for the temporal intensity profile of the reflections
(Stufe II), FIGUR 14 Vergleich Messsignale Erfindung/Stand der Technik und(Stage II), FIGURE 14 Comparison of measurement signals invention / prior art and
FIGUR 15 Vergleich Messsignale auf rauen Schichten zwischen kohärenten und inkohärenten Lichtquellen.FIG. 15 Comparison of measurement signals on rough layers between coherent and incoherent light sources.
I) THEORETISCHE GRUNDLAGEN DES VERFAHRENS NACH DER ERFINDUNGI) THEORETICAL PRINCIPLES OF THE PROCESS OF THE INVENTION
Der Ansatz zur Entwicklung des Verfahrens nach der Erfindung liegt in der Wellentheorie. Diese Theorie beschreibt die Ausbreitung von Wellen in dielektrischen Medien und ist beispielsweise auf dem Gebiet der Hochfre- quenztechnik bekannt. Bei der Erfindung wird die Wellentheorie auf optisch dünne Schichten übertragen. Jede Schicht wird als einzelne Leitung mit einem Parametersatz aus Ausbreitungskonstante, Feldwellenwiderstand und Dicke (entspricht der Leiterlänge) interpretiert und eindeutig beschrieben (vergleiche FIGUR 1A). Im linken Teil der FIGUR 1A sind zwei optisch dünne Schichten durch zwei Wellenwiderstände ZFI , ZF2 und der Dicke d der gerade aufwachsenden, oberen Schicht dargestellt. Der Feldwellenwiderstand ZF ist über das Dielektrikum definiert, in dem sich die Welle befindet. Ein Material lässt sich eindeutig durch die Permeabilität μ und die Permittivität ε beschreiben.The approach to the development of the method according to the invention is in the wave theory. This theory describes the propagation of waves in dielectric media and is known, for example, in the field of high-frequency technology. In the invention, the wave theory is transferred to optically thin layers. Each layer is interpreted as a single line with a parameter set of propagation constant, field wave resistance and thickness (corresponds to the conductor length) and clearly described (see FIG. 1A). In the left part of FIG. 1A, two optically thin layers are represented by two characteristic impedances ZF1, ZF2 and the thickness d of the just growing, upper layer. The field wave resistance Z F is defined by the dielectric in which the shaft is located. A material can be clearly described by the permeability μ and the permittivity ε.
Z> < (1 ) Z> <(1)
Mit Hilfe der zwei genannten Größen lässt sich der Feldwellenwiderstand ZF gemäß Gleichung (1) definieren. Dabei gilt gemäß einer anderen Schreibweise für den Feldwiderstand ZF ebenfalls:With the aid of the two variables mentioned, the field wave resistance ZF can be defined according to equation (1). In this case, according to another notation for the field resistance ZF also applies:
ZF - ZF0 " - ■/*" (1 a)Z F - Z F0 "- ■ / * " (1 a)
Der Wert n ist der (reale) Brechungsindex und K der Extinktionskoeffizient (imaginärer Brechungsindex). ZF0 ist hierbei der Wellenwiderstand des Vakuums und eine Naturkonstante. Somit werden bei einer einzigen Schicht bereits zwei verschiedene Wellenlängen zur Systemlösung benötigt, da zwei Unbekannte (n und K) auftreten.The value n is the (real) refractive index and K is the extinction coefficient (imaginary refractive index). ZF 0 here is the characteristic impedance of the vacuum and a natural constant. Thus, with a single layer, two different wavelengths are required for the system solution, since two unknowns (n and K) occur.
Wächst jetzt eine weitere unbekannte Schicht auf der nun bekannten Schicht auf, greift die nachfolgende Formel, die die Dicke der Schicht mit erfasst. Ur- sprung der Gleichung ist die Telegraphengleichung (allgemeine Form der Wellengleichung). Die bekannte Schicht (ZFi; bei einer ersten abzuscheidenden Schicht handelt es sich dann um Substrat, bei jeder weiteren Schicht um die darunter liegenden Schichten) und die aufwachsende (unbekannte) Schicht (ZF2," immer die oberste Schicht) werden zu einer gemeinsamen Schicht (ZG) zusammengefasst, die von der Dicke, und dem komplexen Brechungsindex abhängig ist. Somit werden zur Ermittlung der drei unbekannten Größen drei verschiedene Wellenlängen bei der Detektion benötigt. In der FIGUR 1 B ist die Interferometrie an optischen dünnen Schichten mit den Schichtwiderständen ZF-i, ZF2 (optisch dünne Schichten) und ZF3 (Substrat, im gewählten Ausführungsbeispiel aus Molybdän) gegenüber Luft („air") dargestellt. Die erste Schicht (Schichtdicke 20 - 30 nm) besteht aus einer Verbindung des verdampften Selens mit dem Molybdän des Substrats, die nächste Schicht besteht aus einer Verbindung von Gallium und Selen. Unbekannt sind die Schichtdicke Δd (bei bekannter Temperatur der Verdampfungsquellen), der Brechungsindex n (Realteil) von Gallium aus der dritten Hauptgruppe (Ga/Ill) und der Absorptionskoeffizient K (Imaginärteil) von Ga/Ill.If another unknown layer grows on the now known layer, the following formula applies, which covers the thickness of the layer. The origin of the equation is the telegraph equation (general form of the wave equation). The known layer (Z F i; at a first layer to be deposited, it is then to the substrate, wherein each subsequent layer to the underlying layers) and the growing (unknown) layer (ZF 2, "always the uppermost layer) are added to a common layer (Z G ), which depends on the thickness, and the complex refractive index.Thus, three different wavelengths are needed in the detection to determine the three unknown quantities. FIG. 1B shows the interferometry on optical thin layers with the sheet resistances ZF-i, ZF 2 (optically thin layers) and ZF 3 (substrate, in the selected exemplary embodiment made of molybdenum) compared with air ("air") (Layer thickness 20 - 30 nm) consists of a compound of the evaporated selenium with the molybdenum of the substrate, the next layer consists of a compound of gallium and selenium.The layer thickness Δd (at known temperature of the evaporation sources), the refractive index n (real part ) of gallium from the third main group (Ga / III) and the absorption coefficient K (imaginary part) of Ga / III.
In der Feldwellenwiderstandstheorie werden beide Schichten zu einem Gesamtwiderstand ZQ zusammengefasst. Es gilt:In field wave resistance theory, both layers are combined into a total resistance ZQ. The following applies:
Z F] + Z F? ■ tanhfr • d,m, ) ZG = ZF0 - -Fl -F2 )L "ι" [ (2)Z F] + Z F? ■ tanhfr • d, m ,) Z G = Z F0 - - Fl - F2 ) L " ι " [(2)
ZF2 + Z - tanh[γ- d0lJZ F2 + Z - tanh [γ- d 0l J
Mit dem Gewinn des Gesamtwiderstands ZG der beiden Schichten kann die Reflexionsintensität R der einfallenden Lichtstrahlung von dem Schichtsystem errechnet werden. Es gilt mit ZFo als Feldwellenwiderstand des Vakuums:With the gain of the total resistance Z G of the two layers, the reflection intensity R of the incident light radiation can be calculated by the layer system. It applies with Z F o as the field wave resistance of the vacuum:
Der Wert Y (Ausbreitungskonstante) beschreibt die Ausbreitung einer Welle und wird nur durch den imaginären Brechungsindex und die verwendete Wellenlänge beschrieben:The value Y (propagation constant) describes the propagation of a wave and is described only by the imaginary refractive index and the wavelength used:
2 iτπz Z /Fmn 2 IτTcC i / .. \ \ 2 u7tz , .x 2 iτπz Z / F mn 2 IτTcC i / .. \ \ 2 u7tz. x
7 = — — ~ 1± - =" [ \κK++ jJn}V) == — — }ho,nPleX (4)7 = - - ~ 1 ± - = - " [\ κ K + + j Jn } V) == - - } ho, n P le X (4)
Λ Z JFE-T1 Ä A In einem Verdampfungsprozess führt die Berechnungseinheit die Berechnungen der Gleichungen (2) und (3) in-situ durch, um die Dicke und den komplexen Brechungsindex zu bestimmen. Dazu werden die Messsignale optischen Detektors in den drei verschiedenen Wellenlängen mit dem genannten optischen Schichtmodell numerisch angepasst („angefittet" durch Einsetzen variierter Werte für komplexen Brechungsindex und Schichtdicke ) und mit Ergebnissen der Formeln 2 und 3 verglichen. J Z J F E - T 1 A A In an evaporation process, the calculation unit performs the calculations of equations (2) and (3) in-situ to determine the thickness and the complex refractive index. For this purpose, the measurement signals of the optical detector in the three different wavelengths are numerically adapted ("fitted" by using varied values for complex refractive index and layer thickness) with the optical layer model and compared with results of formulas 2 and 3.
II) ABLAUF DER BERECHNUNGEN DES KOMPLEXEN BRECHUNGSINDEX UND DER DICKEII) EXPIRATION OF THE CALCULATIONS OF THE COMPLEX BREAKING INDEX AND THE THICKNESS
EINER AUFGEDAMPFTEN SCHICHT AUF EIN BEKANNTES SUBSTRAT.A LUBRICATED LAYER ON A KNOWN SUBSTRATE.
Vorbemerkung: Die Verwendung von drei Wellenlängen λ-i, X2, λ3 ist für das Verfahren nach der Erfindung notwendig. Der Grund dafür liegt in der fehlenden Referenzgröße des eingestrahlten Lichtes. Das Licht gelangt in der Regel in die Verdampfungskammer über eine Scheibe, die regelmäßig unfreiwillig mitbedampft wird. Somit nützt auch die Kenntnis der Intensität der Strahlungsquelle nichts, da eine bedampfte Scheibe, durch die das Licht durchstrahlt, die Charakteristik des Lichts stark beeinflusst. Bei der Messung der Reflexion musste deshalb bei der Erfindung eine andere Referenz gefunden werden. Eine der drei unbekannten Größen (realer und imaginärer Brechungsindex sowie die Dicke) sollte als Referenz dienen. Der komplexe Brechungsindex ist aber wellenlängenabhängig und kann somit nicht herangezogen werden. Die Dicke ist jedoch nicht wellenlängenabhängig und kann somit als Referenz genutzt werden, da sie für alle gemessenen Wellenlängen identisch sein muss. Das Verfahren nach der Erfindung kann daher als „selbstreferenzierend" bezeichnet werden.Preliminary remark: The use of three wavelengths λ-i, X 2 , λ 3 is necessary for the method according to the invention. The reason for this lies in the missing reference size of the incident light. The light usually enters the evaporation chamber via a disk, which is regularly involuntarily co-evaporated. Thus, the knowledge of the intensity of the radiation source is of no use, since a vaporized disc through which the light passes through greatly influences the characteristic of the light. In the measurement of the reflection, therefore, a different reference had to be found in the invention. One of the three unknown quantities (real and imaginary refractive index and the thickness) should serve as a reference. However, the complex refractive index is wavelength-dependent and therefore can not be used. However, the thickness is not wavelength dependent and can therefore be used as a reference since it must be identical for all measured wavelengths. The method according to the invention can therefore be termed "self-referencing".
Ausgangspunkt der Berechnung für das Verfahren nach der Erfindung ist die Messung der Reflexionsintensität in drei verschiedenen Wellenlängen Xu X2, λ3. Hierfür kann besonders vorteilhaft ein CCD („Charged Coupled Device") als optischer Detektor benutzt werden. Durch das CCD liegt die Reflexionsintensität R für drei Wellenlängen λ-i, X2, λ3 (Rot, Grün und Blau) vor, die einzeln ausgewertet werden. Zu beachten ist hierbei, dass die Reflexionsintensität über der Zeit vorliegt. Die Umrechnung von Zeit in Dicke erfolgt während des Beginns des Abscheidungsprozesses anhand der auftretenden Interferenz- maxima. Die errechnete Dicke ist die optische Dicke dopt, d.h. es bleibt der bisher unbekannte Brechungsindex in der Dicke vorerst enthalten. Es gilt: The starting point of the calculation for the method according to the invention is the measurement of the reflection intensity in three different wavelengths Xu X 2 , λ 3 . For this purpose, it is particularly advantageous to use a CCD ("Charged Coupled Device") as an optical detector. <br/><br/> The reflection intensity R for three wavelengths λ-i, X 2, λ 3 (red, green and blue) is present through the CCD and evaluated individually The conversion from time to thickness is done at the beginning of the deposition process on the basis of the occurring interference maxima.The calculated thickness is the optical thickness d opt , ie it remains the previously unknown Refractive index in thickness initially included.
Hierbei entspricht m der Interferenzordnung, φ ist der Einfallswinkel, λ die Wellenlänge des einfallenden Lichtes. Mit Hilfe der Gleichung lässt sich die Umrechnung von der zeitabhängigen Darstellung in eine dickenabhängige nachvollziehen.Here m corresponds to the interference order, φ is the angle of incidence, λ the wavelength of the incident light. With the aid of the equation, the conversion from the time-dependent representation into a thickness-dependent one can be traced.
aaopt - aopt2 (6) a a opt - a opt2 (6)
Bei gegebenen Verhältnissen errechnet sich die optische Schichtdicke dopt als die Hälfte der Wellenlänge XR des zeitlichen Verlaufs der ReflexionsintensitätGiven the ratios, the optical layer thickness d opt is calculated as half the wavelength XR of the time course of the reflection intensity
d„„, = λ„ opt (6a)d "", = λ "opt (6a)
Die FIGUR 2 zeigt ein Diagramm zur Umrechnung der Zeitabhängigkeit der Reflexionsintensität R (Ordinate: RGB-Signal, Abszisse: Zeit/time in beliebiger Einheit) in die Dickenabhängigkeit. Der Parameter dopt errechnet sich aus dem Quotienten der realen Schichtdicke dSChicht und dem komplexen Brechungsindex nk0mpleχ: d opt = ^uchL (7) n komplexFIG. 2 shows a diagram for converting the time dependence of the reflection intensity R (ordinate: RGB signal, abscissa: time / time in any unit) into the thickness dependence. The parameter d opt is calculated from the quotient of the real layer thickness d SCh ic ht and the complex refractive index n k0 mpleχ: d opt = ^ uc hL (7) n complex
Die Reflexionsintensität lässt sich mit Hilfe des Wellenwiderstands gemäß Gleichung (3) definieren. Der Wellenwiderstand des Vakuums ZF0 ist bekannt und somit kann durch Umstellung der Gleichung 3 der Gesamtwiderstand ZG der aufgedampften Schicht berücksichtigt werden. Der Widerstand ZG beschreibt die aufgedampfte Schicht und das darunter liegende Substrat. Um die beiden Schichten voneinander zu trennen, wird noch Gleichung (2) unter Berücksichtigung von Gleichung (4) angewendet.The reflection intensity can be defined by means of the characteristic impedance according to equation (3). The characteristic impedance of the vacuum Z F0 is known and thus can be taken into account by changing the equation 3, the total resistance Z G of the vapor-deposited layer. The resistor Z G describes the vapor-deposited layer and the underlying substrate. In order to separate the two layers from each other, equation (2) is still applied considering equation (4).
Durch einen Fit wird die Gleichung (2) mit den gemessenen Reflexionsintensitäten verglichen. Dabei wird für alle drei gemessenen Wellenlängen einzeln eine Bestimmung der Messwerte durch den Fit der Gleichung (2) durchgeführt.A fit compares the equation (2) with the measured reflection intensities. In this case, a determination of the measured values is carried out individually for all three measured wavelengths by the fit of equation (2).
DIE BERECHNUNGSSCHRITTE IM ÜBERBLICK:THE CALCULATION STEPS AT A GLANCE:
I) Für alle drei Wellenlängen wird die wirkliche Dicke d numerisch berechnet, wobei die Dicke der aufgedampften Schicht für alle dreiI) For all three wavelengths, the real thickness d is calculated numerically, with the thickness of the deposited layer for all three
Wellenlängen den gleichen Wert besitzen muss.Wavelengths must have the same value.
II) Für jede der Wellenlängen wird unter Verwendung der berechneten Dicke aus Schritt 1 die Gleichung (2) gelöst. Hierbei wird die Reflexionsmessung jeder einzelnen Wellenlänge mit Gleichung (5) und eingesetzter Gleichung (2) angefittet.II) For each of the wavelengths, using the calculated thickness of step 1, equation (2) is solved. Here, the reflection measurement of each wavelength is fitted with Equation (5) and Equation (2).
Der Fit wird derart gestaltet, dass das bekannte Substrat und die bekannte Dicke in Gleichung (2) eingesetzt werden. Der Wert Y kann durch Gleichung (4) beschrieben werden. Somit bleibt noch eine numerische Gleichung für den Wellenwiderstand der aufgedampften Schicht übrig. Diese Gleichung wird angefittet und bei dem kleinstenThe fit is designed such that the known substrate and the known thickness are used in equation (2). The value Y can be described by equation (4). Thus, there remains a numerical equation for the characteristic impedance of the deposited layer. This equation is fitted and the smallest
Fehler werden die reelle Dicke und der Brechungsindex bestimmt. III) Für den gesamten Prozess werden Schritt 1 und 2 solange wiederholt, bis die Grenze der Interferometrie erreicht ist (Schicht zu dick oder zu hoch absorbierend).Errors are determined by the real thickness and refractive index. III) For the entire process, repeat steps 1 and 2 until the limit of interferometry is reached (layer too thick or too high absorbing).
Die FIGUR 3A zeigt die gelittete Reflexion (durchgezogene Linie) an die gemessenen Reflexionsintensitätswerte (+) von Ga2Se3 für einen Prozess bei der Abscheidung (Ordinate: RGB-Signal, Abszisse: Zeit/time in beliebiger Einheit). In der FIGUR 3B ist beispielhaft gezeigt, wie das Verfahren nach der Erfindung arbeitet. Während der Messung läuft der Fit (das optische Schichtmodell) mit und errechnet die Dicke und den komplexen Brechungsindex während des Prozesses. Während die Dicke in FIGUR 3B gut sichtbar als Achse der Zeit gegenübergestellt ist, ist die Messung des komplexen Brechungsindexes nicht sichtbar mit enthalten. Bei optisch dünnen Systemen ist es nur möglich, die Dicke und den komplexen Brechungsindex zusammen zu bestimmen, da beides miteinander korreliert ist. Somit werden mehr Informationen benötigt, um den Brechungsindex zu bestimmen. Aus der Interferometrie ist bekannt, dass drei Wellenlängen ausreichend sind (Dicke und komplexer Brechungsindex). Bei Weißlicht stehen der Messung unendlich viele Wellenlängen zur Verfügung. Die FIGUR 3C zeigt den zeitlichenFIG. 3A shows the applied reflection (solid line) to the measured reflection intensity values (+) of Ga 2 Se 3 for a deposition process (ordinate: RGB signal, abscissa: time / time in arbitrary unit). FIG. 3B shows by way of example how the method according to the invention operates. During the measurement the Fit (the optical layer model) runs along and calculates the thickness and the complex refractive index during the process. While the thickness in Figure 3B is visibly juxtaposed as the axis of time, the measurement of the complex refractive index is not visibly included. In optically thin systems, it is only possible to determine the thickness and the complex refractive index together since both are correlated with each other. Thus, more information is needed to determine the refractive index. It is known from interferometry that three wavelengths are sufficient (thickness and complex refractive index). With white light, there are infinitely many wavelengths available for the measurement. FIG. 3C shows the temporal
Intensitätsverlauf der roten (Kreise) und der blauen (Quadrate) Reflexionen bei einer gleichzeitigen Verdampfung von Ga und Se auf eine Molybdänfolie als Substrat, während Cu und In geschlossen sind. Der Einfluss des sich zunächst bildenden MoSe ist durch einen Pfeil gekennzeichnet. Wie bei FIGUR 3B ist wieder gut abzuleiten, dass die optische Schichtdicke dem halben Abstand zwischen den beiden Minima entspricht. Am Ende dieser ersten Verdampfungsphase in Stufe I ist die Zusammensetzung der abgeschiedenen Schicht durch Kenntnis von komplexem Brechungsindex und realer Schichtdicke genau bekannt und wird als Referenz für die nachfolgende Aufdampfung von In und Se (bei geschlossenen Ga und Cu) abgeschiedene Schicht verwendet. Die FIGUR 3D zeigt den entsprechenden zeitlichen Intensitätsverlauf der roten (Kreise) und der blauen (Quadrate) Reflexionen in Stufe I. Gezeigt ist auch die auftretende Absorption durch die abgeschiedene Schicht durch eine entsprechende Simulation der Kurveneinhüllenden. Am Ende der zweiten Verdampfungsphase in Stufe I ergibt sich aus den berechneten optischen Schichtparametern ein Anteil Ga/Ill von 0,5028 als Anteil Ga zum Anteil In+Ga (Ga/Ga+In). Für die nachfolgenden Prozesse ist also die Zusammensetzung dieser Schicht bekannt und kann entsprechend berücksichtigt werden.Intensity curve of the red (circles) and the blue (squares) reflections with a simultaneous evaporation of Ga and Se on a molybdenum foil as a substrate, while Cu and In are closed. The influence of the initially forming MoSe is indicated by an arrow. As in FIG. 3B, it can be well deduced that the optical layer thickness corresponds to half the distance between the two minima. At the end of this first evaporation phase in step I, the composition of the deposited layer is well known by knowledge of complex refractive index and real layer thickness and is used as reference for the subsequent deposition of In and Se (with closed Ga and Cu) deposited layer. The FIGURE 3D shows the corresponding temporal intensity course of the red (circles) and the blue (squares) reflections in stage I. Shown is also the occurring absorption by the deposited layer by a corresponding simulation of the curve envelope. At the end of the second evaporation phase in stage I, the calculated optical layer parameters result in a proportion Ga / III of 0.5028 as a proportion Ga to the proportion In + Ga (Ga / Ga + In). For the subsequent processes, therefore, the composition of this layer is known and can be taken into account accordingly.
Die gezeigte Routine wird für alle drei Wellenlängen durchgeführt. Für die Phase einer Verdampfung von Gallium und Selen (Stufe I, sequenzielle Verdampfung von Gallium (bei Gallium Null wird Indium verdampft, dauerhafte Verdampfung von Selen) zeigt FIGUR 4 (Ordinate: RGB-Signal, Abszisse: Zeit/time in beliebiger Einheit) gleichzeitig alle drei ausgewerteten Wellenlängen. Die Dreiecke zeigen die Auswertung der blauen Wellenlänge, die Quadrate der grünen Wellenlängen und die Kreise der roten Wellenlänge.The routine shown is performed for all three wavelengths. For the phase of vaporization of gallium and selenium (stage I, sequential vaporization of gallium (in gallium zero, indium is evaporated, permanent evaporation of selenium) shows FIGURE 4 (ordinate: RGB signal, abscissa: time / time in any unit) simultaneously all three evaluated wavelengths.The triangles show the evaluation of the blue wavelength, the squares of the green wavelengths and the circles of the red wavelength.
III) ANWENDUNG DER BERECHNUNGEN AUF EIN KONKRETES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL.III) APPLICATION OF THE CALCULATIONS TO A CONCRETE EXEMPLARY EMBODIMENT.
Das Ausführungsbeispiel für das Verfahren nach der Erfindung bezieht sich auf die sequenzielle Koverdampfung von Metallen und nichtmetallischen Elementen der V. bis VII. Hauptgruppe, wobei es mindestens eine Sequenz des Verdampfens gibt. Ein möglicher zeitlicher Ablauf der Verdampfung für die Elemente A (z.B. In), B (z.B. Ga), C (z.B. Cu) und D (z.B. Se) ist der FIGUR 5 zu entnehmen. Der hier beschriebene Prozess ist eine sequenzielle Kover- dampfung des Typs Ga+Se, gefolgt von In+Se, um einen Schichtstapel aus Ga2Se3 und ln23 zu erhalten. Der mit diesem Verdampfungsprozess in der Stufe I erzeugbare Stapel aus optisch dünnen Schichten ist schematisch in der FIGUR 6 dargestellt. Eine hochauflösende REM-Aufnahme eines mit der Prozesskontrolle nach der Erfindung hergestellten komplexen Stapels aus mehreren, übereinander geschichteten optisch dünnen Schichten zeigt das Foto in FIGUR 7. Mit dem Verfahren nach der Erfindung kann immer die jeweils oberste abgeschiedene Schicht in Bezug auf die darunter liegenden Schichten als Referenzschicht bezüglich ihrer stofflichen Zusammensetzung analysiert werden. Daher ist das Verfahren auch auf Stapel mit beliebiger Anzahl einzelner Schichten anwendbar. In der Stufe Il des oben genannten Prozesses wird eine absorbierende Cu-haltige Schicht erzeugt, auf die Interferometrie nicht anwendbar ist. Hier kann das Verfahren nach der Erfindung aber zu einer Abschätzung der Stöchiometrie herangezogen werden. In der Stufe III werden dann wieder analysierbare optisch dünne Schichten abgeschieden.The embodiment of the method according to the invention relates to the sequential co-vapor deposition of metals and non-metallic elements of the fifth to seventh main group, wherein there is at least one sequence of evaporation. A possible timing of the evaporation for the elements A (eg In), B (eg Ga), C (eg Cu) and D (eg Se) can be seen in FIG. The process described here is a sequential co-evaporation of the type Ga + Se, followed by In + Se, to obtain a layer stack of Ga 2 Se 3 and ln 23 . The stack of optically thin layers that can be generated by this evaporation process in stage I is shown schematically in FIG. A high-resolution SEM image of a complex stack made up of a plurality of superimposed, optically thin layers produced by the process control according to the invention is shown in FIG. 7. The method according to the invention can always use the respectively uppermost deposited layer with respect to the underlying layers be analyzed as a reference layer in terms of their material composition. Therefore, the method is also applicable to stacks with any number of individual layers. In step II of the above process, an absorbing Cu-containing layer is produced, to which interferometry is not applicable. Here, however, the method according to the invention can be used to estimate the stoichiometry. In stage III, then again analyzable optically thin layers are deposited.
In der FIGUR 8 ist der grundsätzliche Aufbau einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung dargestellt. In einer PVD-Kammer PVD werden die Elemente A, B, C, D sequenziell verdampft und scheiden sich auf der Abscheidungsseite des im Ausführungsbeispiel rotierenden Substrat S als Verbundschichten ab. Die sich abscheidenden Schichten reflektieren dabei in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung eingestrahltes Licht als diffuse oder direkte Reflexionen inkohärenter Strahlung (keine Totalreflexion). Während des ganzen Abscheidungsprozesses werden die diffusen oder direkten Reflexionen mit zumindest einem ortsauflösenden optischen Detektor D! aufgenommen. Ein weiterer Detektor D2 kann beispielsweise orthogonal zum ersten Detektor D1 seitlich vom Substrat S vorgesehen sein. Die optische Strahlung interagiert mit der aufgedampften optisch dünnen Schicht in charakteristischer weise, sodass aus der Reflexion mit den Detektoren D1 ,D2 die Qualität der aufgedampften Schicht direkt bezüglich ihrer Zusammensetzung beurteilt werden kann und bei jeglichen Mängeln der Regelkreis eine Korrektur des Prozesses ausgeführt werden kann. Im gewählten Ausführungs- beispiel werden die Verdampfungsquellen A, B, C, D, X, Y gleichzeitig als inkohärente Lichtquellen ILQ genutzt, um Licht verschiedener Wellenlängen auf die Abscheideseite des Substrats S einzustrahlen. Alternativ oder zusätzlich können auch Weißlichtquellen ILQ (ohne Verdampferfunktion) mit einem unendlichen Wellenlängenspektrum eingesetzt werden. Zusätzlich kann eine kohärente Lichtquelle KLQ (hier eine Laser) vorgesehen sein, um den Einfluss der Oberflächenrauigkeit der sich abscheidenden Schichten berücksichtigen zu können. Ebenso können weitere Verdampfungsquellen X, Y, beispielsweise zur Verdampfung von nichtmetallischen Elementen, vorgesehen sein.FIG. 8 shows the basic structure of an arrangement for carrying out the method according to the invention. In a PVD chamber PVD, the elements A, B, C, D are evaporated sequentially and deposit on the deposition side of the substrate S rotating in the embodiment as composite layers. Depending on their composition, the depositing layers reflect incident light as diffuse or direct reflections of incoherent radiation (no total reflection). During the entire deposition process, the diffuse or direct reflections with at least one spatially resolving optical detector D! added. Another detector D2 may be provided, for example, orthogonal to the first detector D1 laterally from the substrate S. The optical radiation interacts with the vapor-deposited optically thin layer in a characteristic manner, so that from the reflection with the detectors D1, D2, the quality of the vapor-deposited layer can be assessed directly with respect to its composition and any deficiencies in the control loop can be used to correct the process. In the selected exemplary embodiment, the evaporation sources A, B, C, D, X, Y are simultaneously used as incoherent light sources ILQ in order to irradiate light of different wavelengths onto the deposition side of the substrate S. Alternatively or additionally, white light sources ILQ (without evaporator function) with an infinite wavelength spectrum can also be used. In addition, a coherent light source KLQ (here a laser) may be provided in order to be able to take into account the influence of the surface roughness of the depositing layers. Likewise, further evaporation sources X, Y, for example, for the evaporation of non-metallic elements, be provided.
Die Regelung des Koverdampfens benötigt keine räumliche Trennung der einzelnen Verdampfungssequenzen, sie schließt sie aber auch nicht aus. Wesentlich für die Regelung des Aufdampfprozesses ist die Reflexionsmessung und Auswertung der auf dem bewegten Substrat auftreffenden optischen Strahlung. Dazu muss die Strahlung örtlich voneinander getrennt werden, um die einzelnen Strahlungen in dem System auswerten zu können. Zu diesem Zweck wird der ortsauflösende optische Detektor D, beispielsweise eine mit optischen Instrumenten ausgestattete CCD-Kamera, innerhalb oder außerhalb der PVD-Kammer PVD angebracht. Bei einer Anbringung außerhalb der PVD-Kammer PVD wird ein entsprechendes Fenster F in der Kammerwand vorgesehen, das während des Verdampfungsprozesses ebenfalls mit einer Abscheideschicht belegt wird, sodass eine externe Referenzierung des Regelungssystems nicht möglich ist. Dies ist bei dem Verfahren nach der Erfindung durch seine Selbst-Referenzierungsfähigkeit auch nicht erforderlich. Die CCD-Kameras wandeln mit Hilfe einer Anordnung von optischen Sensoren empfangene optische Strahlung im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm in Farbwerte um. Diese entsprechen dann der auftreffenden Wellenlänge und sind mit der spektralen Empfindlichkeit der einzelnen Sensoren des CCD-Chips berechnet worden. Eine CCD-Kamera besteht aus einem Array von optischen Sensoren und kann dadurch die auftreffenden Signale lokal trennen. Durch den Einsatz von CCD-Kameras ist die Art der optischen Strahlung nicht begrenzt. Vielmehr kann dadurch jegliche optische Strahlung im sichtbaren Spektrum zur Überwachung eingesetzt werden. Ferner sind die Anzahl und der Ort der CCD-Kameras beliebig und kann aufgrund der Qualität der verwendeten Kameras frei gewählt werden. Die allgemeine Kontrolle von bewegten oder nichtbewegten Substraten im Zusammenhang mit einer ortsaufgelösten optischen Detektion wird ebenfalls durch den Einsatz einer CCD-Kamera, die mit ihrer Optik in Richtung des Substrats ausgerichtet wird, besonders elegant gelöst. Bevorzugt kann das Verfahren nach der Erfindung als Prozesskontrolle für einen Verdampf ungsprozess der oben erläuterten Art eingesetzt werden. Durch die numerische Ermittlung der optischen Schichtparameter ist eine quantitative Regelung des Prozesses durch Beeinflussung der Verfahrensparameter möglich. Dadurch unterscheidet sich diese Regelung bedeutsam von den bekannten Regelungen auf diesem Gebiet, mit denen nur eine qualitative Regelung (nach vorgegebenen charakteristischen Punkten) ohne genaue numerische Kenntnis der optischen Schichtparameter möglich ist. Die Funktion des zugehörigen Regelkreises ist in FIGUR 9 für den allgemeinen Fall (vergleiche FIGUR 8) schematisch angegeben. Die Detektoren D1 und D2 dienen der Messung der Reflexionsintensitäten und übertragen das Messsignal in die Kontrolleinheit CU. Die Kontrolleinheit CU nutzt die gemessen Signale unter der Verwendung der Art der zur Regelung verwendeten Lichtquellen (ILQ, KLQ). Hierbei ist der Betrieb der Lichtquellen frei wählbar. Es kann sich hierbei um gechoppte oder ungechoppte Lichtsignale handeln. Aus den gemessenen Signalen mit Korrelation zu den verwendeten Lichtquellen regelt die Kontrolleinheit die Bewegung des Substrats S, sowie die Verdampfungsquellen A1B1C1D1X1Y (X,Y können beispielsweise nichtmetallische Verdampfungsquellen sein). Nach der eventuell erforderlichen Änderung der Materialquellen (Änderung der Verdampfungsrate) oder des Substrats (Änderung der Verfahrgeschwindigkeit) benutzt die Kontrolleinheit CU erneut die eingehenden Messsignale und regelt dadurch kontinuierlich und in-situ den Verdampf ungsprozess. In der FIGUR 10 ist beispielhaft das Messsignal eines optischen CCD- Detektors mit sichtbaren Reflexionen der Lichtquellen sowie der Temperaturen der Verdampfungsquellen für die Stufe I des beispielhaft ausgewählten 3-Stufen-Aufdampfprozesses von Cu(ln,Ga)Se2-Dünnschichten aufgezeigt. Für diese Messsignalaufnahme befindet sich die CCD-Kamera im Boden der PVD-Kammer und ist mit ihrer Optik senkrecht in Richtung des Substrats S ausgerichtet (vergleiche FIGUR 8)The control of Koverdampfens requires no spatial separation of the individual evaporation sequences, but it does not exclude them. Essential for the regulation of the vapor deposition process is the reflection measurement and evaluation of the incident on the moving substrate optical radiation. For this purpose, the radiation must be spatially separated from each other in order to evaluate the individual radiations in the system can. For this purpose, the spatial resolution optical detector D, for example a CCD camera equipped with optical instruments, is mounted inside or outside the PVD chamber PVD. When mounted outside the PVD chamber PVD a corresponding window F is provided in the chamber wall, which is also occupied during the evaporation process with a Abscheideschicht so that an external referencing of the control system is not possible. This is also not required in the method according to the invention by its self-referencing capability. The CCD cameras convert optical radiation received by means of an array of optical sensors into color values in the wavelength range from 400 nm to 700 nm. These then correspond to the incident wavelength and have been calculated with the spectral sensitivity of the individual sensors of the CCD chip. A CCD camera consists of an array of optical sensors and can thereby locally separate the incident signals. The use of CCD cameras does not limit the type of optical radiation. Rather, it can be used for monitoring any optical radiation in the visible spectrum. Furthermore, the number and location of the CCD cameras are arbitrary and can be freely selected due to the quality of the cameras used. The general control of moving or unmoving substrates in connection with a spatially resolved optical detection is also solved particularly elegantly by the use of a CCD camera, which is aligned with its optics in the direction of the substrate. Preferably, the method according to the invention can be used as a process control for an evaporation process of the type described above. By the numerical determination of the optical layer parameters, a quantitative control of the process by influencing the process parameters is possible. Thus, this regulation differs significantly from the known regulations in this field, with which only a qualitative control (according to predetermined characteristic points) is possible without precise numerical knowledge of the optical layer parameters. The function of the associated control circuit is indicated schematically in FIG. 9 for the general case (cf. FIG. 8). The detectors D1 and D2 serve to measure the reflection intensities and transmit the measurement signal to the control unit CU. The control unit CU uses the measured signals using the type of light sources used for control (ILQ, KLQ). Here, the operation of the light sources is freely selectable. These may be chopped or choppy light signals. From the measured signals correlated to the light sources used, the control unit controls the movement of the substrate S, as well as the evaporation sources A 1 B 1 C 1 D 1 X 1 Y (X, Y may be non-metallic evaporation sources, for example). After the eventually required change of the material sources (change of the evaporation rate) or of the substrate (change of the traversing speed), the control unit CU again uses the incoming measuring signals and thereby controls the evaporation process continuously and in-situ. FIG. 10 shows, by way of example, the measurement signal of an optical CCD detector with visible reflections of the light sources and the temperatures of the evaporation sources for stage I of the exemplarily selected 3-stage vapor deposition process of Cu (In, Ga) Se 2 thin films. For this measurement signal recording, the CCD camera is located in the bottom of the PVD chamber and is oriented with its optics perpendicular in the direction of the substrate S (see FIG. 8).
Im Einzelnen bedeutet in der FIGUR 10: Specifically, in FIG. 10,
Neben dem Einsatz einer CCD-Kamera zur ortsaufgelösten Messung unterschiedlicher Lichtquellen ist gleichzeitig durch den Einsatz einer CCD- Kamera die Möglichkeit zur Überwachung der Funktion der Verdampfungsquellen durch eine Abschätzung ihrer Temperatur über die Kontrolleinheit CU gegeben. In der Graudarstellung in FIGUR 10 sind die Farben des originalen Messprotokolls nur durch ihren Grauwert wiedergegeben. Das originale Messprotokoll zeigt eine rote Reflexion der Lichtquellen Ac und B1 eine grüne Reflexion der Lichtquellen AB und der Verdampfungsquelle B und X sowie beim externen Rauschen und eine blaue Reflexion bei den Verdampferquelle A und C (mit roten Inseln). Während die Verdampfungsquellen A und B näherungsweise die gleiche Temperatur aufweisen und dadurch eine ähnliche Temperaturstrahlung, -Verteilung und -Farbe aufweisen, wird die Verdamp- fungsquelle C bei einer deutlich höheren Temperatur betrieben. Die höhere Temperatur wird durch die CCD-Kamera als blaue Farbe dargestellt. Bei einer fehlerhaften Funktion könnte die Verdampfungsquelle keine Blaufärbung annehmen, sondern würde nicht sichtbar sein. Die Verdampfungsquelle C besitzt aufgrund der hohen Temperatur intensive Punkte, die durch andere Farben als Blau innerhalb der Temperaturverteilung gemessen werden. Die CCD-Kamera ist dem menschlichen Auge angepasst, wodurch Bereiche höchster Intensität als grüne Farbe dargestellt werden, da das menschliche Auge die höchste Empfindlichkeit für grün besitzt.In addition to the use of a CCD camera for spatially resolved measurement of different light sources, the possibility of monitoring the function of the evaporation sources by estimating their temperature via the control unit CU is simultaneously given by the use of a CCD camera. In the gray depiction in FIG. 10, the colors of the original measurement protocol are reproduced only by their gray value. The original measurement protocol shows a red reflection of the light sources Ac and B 1 a green reflection of the light sources A B and the evaporation sources B and X as well as external noise and a blue reflection at the evaporator sources A and C (with red islands). While the evaporation sources A and B have approximately the same temperature and thus have a similar temperature radiation, distribution and color, the evaporation source C is operated at a significantly higher temperature. The higher temperature is represented by the CCD camera as blue color. If used incorrectly, the source of evaporation might not turn blue, but would not be visible. The evaporation source C Due to the high temperature, it has intense dots measured by colors other than blue within the temperature distribution. The CCD camera is adapted to the human eye, displaying areas of highest intensity as green, as the human eye has the highest sensitivity to green.
In der FIGUR 10 sind die Reflexionen der einzelnen Lichtquellen (auch Verdampfungsquellen) dargestellt. Für den Einsatz als Messsignal für einen Regelkreis müssen die Messsignale zunächst für semitransparente, optisch dünne Schichten durch die Kontrolleinheit CU ausgewertet werden. Die CCD- Kamera trennt die Reflexionen lokal voneinander und ermöglicht dadurch eine separate Auswertung innerhalb der Kontrolleinheit. Anschließend wandelt die Kontrolleinheit die gemessenen, separaten Reflexionsintensitäten der einzelnen Lichtquellen in numerische Intensitäten um und trägt sie in einem zeitabhängigen Verlauf auf.FIG. 10 shows the reflections of the individual light sources (also evaporation sources). For use as a measurement signal for a control loop, the measurement signals must first be evaluated by the control unit CU for semitransparent, optically thin layers. The CCD camera separates the reflections locally from each other and thus enables a separate evaluation within the control unit. The control unit then converts the measured, separate reflection intensities of the individual light sources into numerical intensities and applies them in a time-dependent manner.
In FIGUR 11 ist der zeitliche Verlauf der durch die Kontrolleinheit verarbeiteten lokal getrennten Reflexionsintensitäten an der Substratoberfläche dargestellt (Rot-Grün-Blau-Intensität „RGB-Intensity" in beliebiger Einheit (a.u.) über der Zeit „time"). Die Wellenlängen von Lichtquellen A und B sind mit ihrer Wellenlänge angegeben. In der verwendeten, beispielhaften Verdampfungsanlage wurde als Lichtquelle B ein Lasermodul verwendet. Die Lichtquelle A ist zurückzuführen auf die Temperaturstrahlung der Quelle A (hier: Galliumschmelze). Aus den physikalischen Gesetzen, die zur Bestimmung einer optisch dünnen Schicht hinlänglich bekannt sind, ist es mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen möglich, die Dicke der entstandenen Schicht sowie den komplexen Brechungsindex (zwei Komponenten) der abgeschiedenen Schicht zu bestimmen (siehe oben). Weiterhin ist ein Unterschied zwischen dem Verhalten der kurzwelligen Temperaturstrahlung der Quelle A und der lang- welligen Strahlung der Lichtquelle B in der FIGUR 11 erkennbar. Die Intensität dieser Strahlung nimmt sichtlich ab. Dadurch kann durch die Kontrolleinheit ermittelt werden, dass die abgeschiedene Substanz die blaue Strahlung absor- biert. Im Gegensatz dazu wird die rote Strahlung nicht absorbiert, sichtbar gemacht dadurch, dass das Interferenzsignal nur unwesentlich abnimmt. Die Kontrolleinheit besitzt Daten über die zu erwartende Schicht auf dem Substrat und bestimmt mit Hilfe dieser Daten, die in Form von Stufendiagrammen und Werten für den wellenlängenabhängigen komplexen Brechungsindex vorliegen, die optischen Schichtparameter und davon abhängig die Schichtzusammensetzung der gebildeten Substanz. Bei dem gezeigten Beispiel gemäß FIGUR 11 liefert die Kontrolleinheit die Information, dass es sich bei der abgeschiedenen Schicht um Ga2Se3 handelt. Diese Substanz besitzt einen Brechungsindex von 2.4 und absorbiert erst bei einer Wellenlänge unterhalb 580nm.FIG. 11 shows the time profile of the locally separated reflection intensities processed by the control unit at the substrate surface (red-green-blue intensity "RGB intensity" in any unit (au) over the time "time"). The wavelengths of light sources A and B are indicated by their wavelength. In the exemplary evaporation system used, a laser module was used as light source B. The light source A is due to the temperature radiation of the source A (here: gallium melt). From the physical laws that are well known for the determination of an optically thin layer, it is possible with two different wavelengths to determine the thickness of the resulting layer as well as the complex refractive index (two components) of the deposited layer (see above). Furthermore, a difference between the behavior of the short-wave temperature radiation of the source A and the long-wave radiation of the light source B in FIG. 11 can be seen. The intensity of this radiation decreases visibly. As a result, it can be determined by the control unit that the deposited substance absorbs the blue radiation. biert. In contrast, the red radiation is not absorbed, made visible by the fact that the interference signal decreases only insignificantly. The control unit has data on the expected layer on the substrate and, with the aid of these data, which are in the form of step diagrams and values for the wavelength-dependent complex refractive index, determines the optical layer parameters and, depending thereon, the layer composition of the substance formed. In the example shown in FIG. 11, the control unit provides the information that the deposited layer is Ga 2 Se 3 . This substance has a refractive index of 2.4 and absorbs only at a wavelength below 580nm.
Das Verfahren nach der Erfindung wird nur begrenzt durch die Dicke der abgeschiedenen Schicht, da ab einer Dicke von ungefähr dem Zehnfachen der Wellenlänge der auftreffenden Strahlung die Interferometrie nicht mehr gültige Ergebnisse liefert. Diese Begrenzung wird aber durch die Beschränkung der Erfindung auf optisch dünne Schichten nicht erreicht und ist somit vernachlässigbar. Für optisch dünne Schichten liefert das Verfahren nach der Erfindung in einer Ausführungsform gemäß FIGUR 8 für die interferometrischen Berechnungen eine hinreichende Regelmöglichkeit und kann somit für den Zwecke einer Prozesskontrolle eingesetzt werden. Trotzdem kann mit dem Verfahren nach der Erfindung aufgrund der speziellen optischen Auswertung für absorbierende Schichten zumindest eine stöchiometrische Abschätzung durchgeführt werden. Eine solche Abschätzung ist beispielsweise auch aus der DE 102 56 909 B3 bekannt.The method according to the invention is limited only by the thickness of the deposited layer, since from a thickness of about ten times the wavelength of the incident radiation the interferometry provides no longer valid results. However, this limitation is not achieved by restricting the invention to optically thin layers and is therefore negligible. For optically thin layers, the method according to the invention in an embodiment according to FIG. 8 provides for the interferometric calculations a sufficient control possibility and can thus be used for the purpose of a process control. Nevertheless, with the method according to the invention, at least one stoichiometric estimate can be carried out due to the special optical evaluation for absorbing layers. Such an estimate is also known for example from DE 102 56 909 B3.
Am Beispiel der Aufdampfung einer CulnGaSe2-Schicht soll die Vorgehensweise dargelegt werden. In der Stufe I wurde eine semitransparente Schicht aus Indium, Gallium und Selen auf dem Substrat abgeschieden. In der FIGUR 12 ist das Messsignal der CCD-Kamera für das Verdampfen von Kupfer in der Stufe Il auf die eben beschriebene semitransparente Schicht dargestellt. Es wird ein beispielhaftes Messsignal des Detektors mit sichtbarer Reflexion der Lichtquellen, sowie der Temperatur der Verdampfungsquellen für Stufe Il gezeigt.Using the example of vapor deposition of a CulnGaSe 2 layer, the procedure should be explained. In step I, a semitransparent layer of indium, gallium and selenium was deposited on the substrate. FIG. 12 shows the measurement signal of the CCD camera for the evaporation of copper in stage II on the semitransparent layer just described. It becomes an exemplary measurement signal of the detector with visible reflection of Light sources, and the temperature of the evaporation sources for stage Il shown.
Im Einzelnen bedeutet in der FIGUR 12:Specifically, in FIG. 12,
Die FIGUR 12 zeigt den aufgezeichneten Bereich der CCD-Kamera, der zur Regelung des Prozesses dient. Im Vergleich zu FIGUR 10 ist hier das Störsignal einer externen Strahlung ausgeschnitten worden, machbar durch die örtliche Auflösung des Messsignals. Während dieses beispielhaften Prozesses verursacht die Rotation eine teilweise Überdeckung der beiden Lichtquellen A und B. Die Kontrolleinheit ist aufgrund der Verarbeitung von kontinuierlichen Messsignalen jedoch in der Lage, beide Reflexionen zu trennen und einzeln auszuwerten. Die genannte Reflexion der Lichtquelle B entspricht der bereits beschriebenen beispielhaften Lichtquelle für die Temperaturschätzung der Verdampfungsquellen zum Funktionsnachweis.FIGURE 12 shows the recorded area of the CCD camera used to control the process. In comparison to FIG. 10, the interference signal of an external radiation has been cut out here, which can be achieved by the spatial resolution of the measurement signal. During this exemplary process, the rotation causes a partial overlap of the two light sources A and B. However, due to the processing of continuous measurement signals, the control unit is able to separate both reflections and to evaluate them individually. The said reflection of the light source B corresponds to the already described exemplary light source for the temperature estimation of the evaporation sources for proof of function.
Das Ziel in diesem beispielhaften Prozess ist die Abschätzung der Stöchio- metrie in der Stoffmenge aus den Metallen Indium und Gallium und dem Metall Kupfer. Für eine stöchiometrische Cu(In, Ga)Se2-Dünnschicht sollten die Mengen an Indium und Gallium der Menge von Kupfer auf dem Substrat entsprechen. Die Kontrolleinheit ist aufgrund der Zielzusammensetzung für diese Substanz kalibriert und kann dadurch die Abschätzung für die Stöchiometrie durchführen. In diesem konkreten Beispiel misst die CCD-Kamera den Pro- zess, bis die verarbeiteten Messsignale in der Kontrolleinheit das Auftreten eines Kupferselenid (Cu2-xSe)-Belages auf der Oberfläche der abgeschiedenen Schicht detektieren. Für eine CCD-Kamera ist dieser Effekt durch das kontinuierliche Ansteigen der Intensität der Reflexion der Lichtquelle Ac sichtbar mit gleichzeitigem Eintreten einer Abnahme des reflektierten der Lichtquelle B in dem beispielhaften System.The aim of this exemplary process is the estimation of the stoichiometry in the molar amount of the metals indium and gallium and the metal copper. For a stoichiometric Cu (In, Ga) Se 2 thin film, the amounts of indium and gallium should correspond to the amount of copper on the substrate. The control unit is due to the target composition for this Substance calibrated and can thus carry out the estimation of the stoichiometry. In this particular example, the CCD camera measures the process until the processed measurement signals in the control unit detect the occurrence of a copper selenide (Cu 2-x Se) coating on the surface of the deposited layer. For a CCD camera, this effect is evidenced by the continuous increase in the intensity of the reflection of the light source Ac with the simultaneous occurrence of a decrease in the reflected light source B in the exemplary system.
Die FIGUR 13 zeigt den zeitlichen Verlauf der durch die Kontrolleinheit ausgewerteten Messung der CCD-Kamera (Rot-Grün-Blau-Intensität „RGB-Intensity" in beliebiger Einheit (a.u.) über der Zeit „time"). Der Verlauf der Temperaturreflexion der Kupferquelle (obere Kurve, Farbe Grün, „Intensity from Lightsource A") ist zusammen mit der Reflexion der Lichtquelle B (hier: Laser der Wellenlänge 635 nm, untere Kurve, Farbe Rot, Intensity from Lightsource B") dargestellt. Das beschriebene Verhalten ist in der FIGUR 13 kenntlich gemacht durch das Oval („Approximation of stoichiometry"). Das Auftreten dieses Verhaltens genügt der Forderung nach einer Abschätzung der Stöchiometrie innerhalb der abgeschiedenen Schicht.FIG. 13 shows the time profile of the CCD camera measurement (red-green-blue intensity "RGB intensity" in arbitrary units (a.u.) over time "time") evaluated by the control unit. The course of the temperature reflection of the copper source (upper curve, color green, "Intensity from Lightsource A") is shown together with the reflection of the light source B (here: laser 635 nm wavelength, lower curve, color red, Intensity from Lightsource B ") , The behavior described is indicated by the oval ("approximation of stoichiometry") in FIGURE 13. The occurrence of this behavior satisfies the requirement for an estimation of the stoichiometry within the deposited layer.
Zur Kontrolle des Verfahrens nach der Erfindung zur Messung von optischen Reflexionen werden die Auswertungen der Kontrolleinheit mit denen des Kontrollsystems nach der DE 102 56 909 B3 verglichen. Bei diesem bekannten Kontrollsystem wird eine Photodiode mit nachfolgendem Lock-In-Verstärker verwendet. Die Photodiode empfängt ein moduliertes reflektiertes Signal von der Substratoberfläche, integriert das gesamte Signal und extrahiert zur Analyse das modulierte Signal. Somit liegt keine örtliche Auflösung der verschiedenen Signale vor. Trotzdem ist - wie bereits erwähnt - eine qualitative Kontrolle mit dem bekannten Verfahren nach der DE 102 56 909 B3 anhand von charakteristischen Einzelpunkten möglich. Die FIGUR 14 zeigt einen Vergleich zwischen beiden Methoden im zeitlichen Verlauf des gesamten Regelprozesses nach der Erfindung (Rot-Grün-Blau-Intensität „RGB-Intensity" in beliebiger Einheit (a.u.) über der Zeit „time") mit zusätzlicher Angabe des Verlaufs nach dem Verfahren gemäß der DE 102 56 909 B3. Die in Stufe 1 untere, hellgraue Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf der Reflexionsintensität der Farbe Grün (aus dem RGB-Signal) und die obere, dickschwarze Kurve den zeitlichen Verlauf der Reflexionsintensität von einem Laserspot (Farbe Rot) nach der Erfindung. Die mittlere, dünnschwarze Kurve zeigt im Vergleich den Signalverlauf aus dem Verfahren nach der DE 102 56 909 B3. In Stufe I ist ein sehr ähnliches Ergebnis bei den Messungen erkennbar (vergleiche obere beiden Kurven), die untere Kurve für das Verfahren nach der Erfindung zeigt die generelle Unempfindlichkeit des Lasersignals während der Stufe I bei einem relativ glatten Substrat/ Schicht. Allerdings ist die Messung nach der DE 102 56 909 B3 stark fehleranfällig, da im Prozess von rauen Schichten ausgegangen werden muss. Ein Problem dabei ist, dass Lasersignale, dh. kohärente Strahlung durch die Rauigkeit der Oberfläche stärker beeinflusst wird als inkohärente Strahlung.To control the method according to the invention for measuring optical reflections, the evaluations of the control unit are compared with those of the control system according to DE 102 56 909 B3. In this known control system, a photodiode followed by a lock-in amplifier is used. The photodiode receives a modulated reflected signal from the substrate surface, integrates the entire signal, and extracts the modulated signal for analysis. Thus, there is no local resolution of the various signals. Nevertheless, as already mentioned, a qualitative control with the known method according to DE 102 56 909 B3 is possible on the basis of characteristic individual points. FIG. 14 shows a comparison between the two methods in the time course of the entire control process according to the invention (red-green-blue intensity "RGB intensity". in any unit (au) over the time "time") with additional indication of the course according to the method according to DE 102 56 909 B3. The lower, light gray curve in step 1 shows the time course of the reflection intensity of the color green (from the RGB According to the invention, the average, thin black curve shows in comparison the signal profile from the method according to DE 102 56 909 B3 a very similar result can be seen in the measurements (compare upper two curves), the lower curve for the method according to the invention shows the general insensitivity of the laser signal to a relatively smooth substrate / layer during stage I. However, the measurement according to DE 102 56 909 B3 is highly prone to error as the process has to be rough-layered One of the problems is that laser signals, ie coherent beams Due to the roughness of the surface is influenced more than incoherent radiation.
Eine quantitative Kontrolle der Schichtabscheidung ist mit dem bekannten Verfahren gemäß der DE 102 56 909 B3 nicht möglich, da die gemessenen Interferenzen mit der Rauigkeit der aufgedampften Schicht überlagert sind. Da durch die Verwendbarkeit von inkohärentem Licht diese Abhängigkeit bei dem Verfahren nach der Erfindung nicht auftritt, bietet das entsprechende Regelungssystem mit der CCD-Kamera die Möglichkeit der Charakterisierung der abgeschiedenen Schicht durch eine zahlenmäßige Bestimmung der Dicke und Ermittlung des Brechungsindex. Für die Stufe Il ist mit beiden Systemen ein eindeutiges Auftreten der Stöchiometrie zu beobachten, welches sich allerdings unterschiedlich repräsentiert. Für die in der FIGUR 14 nicht weiter dargestellte Stufe III könnte mit dem Verfahren nach der Erfindung wiederum eine quantitative Analyse der Schichtzusammensetzung erstellt werden. Diese ist jedoch in der Regel nicht erforderlich, da es in der Stufe III nur darum geht, die Stufe Il auf jeden Fall im Gebiet einer kupferreichen Abscheidung zu verlassen. Die FIGUR 15 zeigt einen Vergleich von kohärenten und inkohärenten Lichtquellen auf rauen Substraten. Es wird eine gleichzeitige Messung zwischen dem Verfahren nach der Erfindung und dem Verfahren nach der DE 102 56 909 B3 (LLS) dargestellt. In dem Diagramm hat der Prozess begonnen und die erste Gallium- und die erste nachfolgende Indium-Schicht werden aufgebracht. Das Messsignal der LLS (Kurve c) zeigt ein sehr schwaches Signal, während die Signale des Verfahrens nach der Erfindung deutlich erkennbar sind. In der ersten Indiumphase ist der Einfluss der Rauigkeit auf das Lasersignal nochmals durch Pfeile kenntlich gemacht. Eine scheinbare Phasenverschiebung der Reflexionssignale der LLS ermöglicht keine genaue Messung, wohingegen das Verfahren nach der Erfindung mit Weißlichtquellen keine Phasenverschiebung zeigt.A quantitative control of the layer deposition is not possible with the known method according to DE 102 56 909 B3, since the measured interferences are superimposed on the roughness of the deposited layer. Since the availability of incoherent light means that this dependence does not occur in the method according to the invention, the corresponding control system with the CCD camera offers the possibility of characterizing the deposited layer by a numerical determination of the thickness and determination of the refractive index. For stage II, a clear occurrence of the stoichiometry can be observed with both systems, which, however, is represented differently. For the stage III, not further shown in FIG. 14, a quantitative analysis of the layer composition could again be produced with the method according to the invention. However, this is usually not necessary, since in Stage III it is only a matter of leaving Stage II in any case in the area of a copper-rich deposit. FIGURE 15 shows a comparison of coherent and incoherent light sources on rough substrates. A simultaneous measurement is shown between the method according to the invention and the method according to DE 102 56 909 B3 (LLS). In the diagram, the process has begun and the first gallium and the first subsequent indium layer are deposited. The measurement signal of the LLS (curve c) shows a very weak signal, while the signals of the method according to the invention are clearly visible. In the first indium phase, the influence of the roughness on the laser signal is again indicated by arrows. An apparent phase shift of the reflection signals of the LLS does not allow an accurate measurement, whereas the method according to the invention with white light sources shows no phase shift.
IV) ÜBERSICHT ÜBER DIE MÖGLICHEN VARIATIONEN DES VERFAHRENS SOWIE DER PROZESSEINRICHTUNG UND DER ANWENDUNGEN NACH DER ERFINDUNGIV) OVERVIEW OF THE POSSIBLE VARIATIONS OF THE PROCESS AND THE PROCESSING DEVICE AND THE APPLICATIONS OF THE INVENTION
I. Die benannten Verdampfungsquellen A1B1C1D1X1Y sind Verdampfungsquellen für beliebige Elemente - A1B1C1D: beliebige Metalle, X1Y: beliebige nichtmetallische Elemente der V.-Vll,-Hauptgruppe.I. The named sources of evaporation A 1 B 1 C 1 D 1 X 1 Y are sources of evaporation for any elements - A 1 B 1 C 1 D: any metals, X 1 Y: any non-metallic elements of the V. Vll, -Hauptgruppe.
II. Die benannten Lichtquellen A,B sind Lichtquellen beliebiger Natur a.) kohärente Quellen: Laser beliebiger Natur (z.B.: Gasentladungslaser,II. The named light sources A, B are light sources of any nature a.) Coherent sources: lasers of any nature (e.g., gas discharge lasers,
Laserdioden und andere Quellen kohärenter, optischer Strahlung) b.) monochromatisches, nichtkohärentes Licht (z.B. Leuchtdioden jeglicher optischer Wellenlänge, Zerteilung kontinuierlicher optischer Spektren mittels optischer Methoden, z.B. Monochromatoren, Filter) c.) nichtmonochromatisches, nichtkohärentes Licht (z.B.: Weißlichtquellen, wie Halogenlampen, Gasentladungslampen; des Weiteren Weißlicht- leuchtdioden bzw. -batterien zur Erzeugung von optischer Strahlung) d.) andere Lichtquellen (z.B.: optische Strahlung von Metallschmelzen, der in den Quellen A,B,C,D erzeugten Schmelzen sowie optische Strahlung von Schmelzen der beschriebenen Quellen X1Y). III. Die Positionierung der benannten Lichtquellen A,B kann erfolgen a.) innerhalb der Prozesseinrichtung unter beliebigen Winkel α b.) außerhalb der Prozesseinrichtung unter beliebigen Winkel α unter Verwendung von beheizten oder unbeheizten optisch transparenten Einrichtungen (z.B. Fenster)Laser diodes and other sources of coherent, optical radiation) b.) Monochromatic, non-coherent light (eg light emitting diodes of any optical wavelength, division of continuous optical spectra by optical methods, eg monochromators, filters) c.) Non-monochromatic, non-coherent light (eg: white light sources, such as halogen lamps D.) Other light sources (eg: optical radiation of metal melts, the melts produced in the sources A, B, C, D and optical radiation of melts of the described sources X 1 Y). III. The positioning of the designated light sources A, B can take place a.) Within the process device at any angle α b.) Outside the process device at any angle α using heated or unheated optically transparent devices (eg windows)
IV. Die Einkopplung der Strahlung der benannten Lichtquellen A1B kann erfolgen durch a.) direkte Beleuchtung des Substrats während des zu regelnden Aufdampfprozesses mit nach II. benannten Lichtquellen ohne optische Instrumente b.) direkte Beleuchtung des Substrats während des zu regelnden Aufdampfprozesses mit nach II. benannten Lichtquellen mit vorgeschalteten beliebigen optischen Instrumenten (z.B. lineare und zirkuläre Polarisierer, konvexe und konkave Linsen zur Abbildung, Interferenzfilter oder andere Filter zur Wellenlängeneinstellung der Lichtquellen) c.) direkte Beleuchtung des Substrats während des zu regelnden Aufdampfprozesses mit nach II. benannten Lichtquellen über Führung der optischen Strahlung mittels Lichtleiter (z.B.: optische Mono- und Multimodefasem, Spiegelsysteme zur Umlenkung der optischen Strahlung und Einstellung der Position und des Einfallswinkels auf dem Substrat)IV. The coupling of the radiation of the designated light sources A 1 B can take place by a.) Direct illumination of the substrate during the deposition process to be controlled with II. Named light sources without optical instruments b.) Direct illumination of the substrate during the controlled vapor deposition with after II. Named light sources with any optical instruments connected upstream (eg linear and circular polarizers, convex and concave lenses for imaging, interference filters or other filters for wavelength adjustment of the light sources) c.) Direct illumination of the substrate during the vapor deposition process to be controlled with light sources named after II by guiding the optical radiation by means of light guides (eg: optical mono- and multimode fibers, mirror systems for deflecting the optical radiation and adjusting the position and the angle of incidence on the substrate)
V. Die benannten Detektoren sind ortsauflösende, optische Sensoren jeglicher Natur in der Ausbildung a.) integrierender, ortsauflösender Detektoren ohne optische Instrumente (z.B.: Photodiodenzeilen oder -arrays, Zeilen- und Linien-CCDs, die zur Messung von optischer Strahlung geeignet sind, Anordnungen mehrerer örtlich getrennter Photodioden) b.) integrierender, ortsauflösender Detektoren mit optischen Instrumenten (z.B.: benannte Elemente nach V.a.) mit abbildenden konvexen oder konkaven Linsen, Interferenzfilter oder anderer Filter zur Einstellung der Empfindlichkeit auf bestimmte Wellenlängen, Zerlegung von optischen Signalen mit monochromatischen Prismen oder Filtern) c.) nicht-integrierender, ortsauflösender Detektoren ohne optische Instrumente (z.B. CCD-Kameras unterschiedlicher, beliebiger Auflösung und Bauweise, Photoplatten, lichtempfindlicher Papiere (Filme), Kamerasysteme zur Bildgebung) d.) nicht-integrierender, ortsauflösender Detektoren mit optischen Instrumenten nach V.c.) (z.B. Kameras mit abbildenden optischenV. The named detectors are spatially resolving, optical sensors of any nature in the formation of a.) Integrating, spatially resolving detectors without optical instruments (eg: photodiode arrays or arrays, line and line CCDs, which are suitable for the measurement of optical radiation, arrangements of several locally separated photodiodes) b.) integrating, spatially resolving detectors with optical instruments (eg named elements according to Va) with imaging convex or concave lenses, interference filters or other filters for adjusting the sensitivity to specific wavelengths, decomposition of optical signals with monochromatic prisms or C) non-integrating, spatially resolving detectors without optical Instruments (eg CCD cameras of various resolution and design, photographic plates, photosensitive papers (films), camera systems for imaging) d.) Non-integrating, spatially resolving detectors with optical instruments according to Vc) (eg cameras with optical imaging)
Einrichtungen - konkave und konvexe Linsensysteme, Objektive für digitale und analoge Kameras zur Bildgewinnung)Facilities - concave and convex lens systems, lenses for digital and analog cameras for image acquisition)
VI. Das benannte Substrat ist beliebiger Natur (z.B. Metallfolien, Glasscheiben, Plastikfolien; die Substrate sind evtl. mit stromleitenden Materialien, wie Molybdän, und geeigneten Materialien zur Unterstützung derVI. The named substrate is of any nature (e.g., metal foils, sheets of glass, plastic sheeting; the substrates may be electroconductive materials such as molybdenum, and suitable materials to aid in the development of the substrate
Schichtbildung, wie Natriumfluorid, belegt)Layer formation, such as sodium fluoride, evidenced)
VII. Die Bewegung des genannten Substrats ist jeglicher Natur (z.B.: Rotation, lineare Bewegung in vertikaler und horizontaler Richtung und jegliche Kombination der beiden vorher genannten Bewegungen, Stillstand des Substrats ist inbegriffen).VII. The movement of said substrate is of any nature (e.g., rotation, linear motion in the vertical and horizontal directions and any combination of the two aforementioned movements, substrate standstill is included).
VIII. Die abzuscheidende Schicht während des Verdampfungsprozesses ist beliebiger Natur und kann angewendet werden zu einer a.) Gewinnung einer Absorberschicht zur Nutzung für photovoltaische Anwendungen (z.B.: in Dünnschichtsolarzellen der Struktur ABCXY2, wie sowie der Struktur A2(BC)xDi-x(XyY-ι-y)4, wieVIII. The layer to be deposited during the evaporation process is of any nature and can be applied to a.) Obtaining an absorber layer for use in photovoltaic applications (eg: in thin film solar cells of the structure ABCXY2, such as and the structure A 2 (BC) x Di -x (XyY-yy) 4 , such as
Cu2(ZnSn)χGa1-x(SySe1-y)4 mit beliebigen Werten für x,y zwischen 0 und 1) b.) Gewinnung von Vorläuferschichten von binären und temären Verbindungen zur Gewinnung der in ViI. a.) beschriebenen Absorberschichten des Typs ABXY (z.B.: InS, GaS, InSe, GaSe als Beispiel für verschiedene Möglichkeiten der Zusammensetzung) c.) Gewinnung von jeglichen binären, ternären und quaternären Schichten, deren Zweck auch außerhalb von photovoltaischen Anwendungen nutzbar ist. d.) Gewinnung von absorbierenden Halbleiterschichten aus den in VIII. b.) beschriebenen Vorläuferschichten durch reaktive Prozesse während derCu 2 (ZnSn) χGa 1-x (SySe 1-y ) 4 with arbitrary values for x, y between 0 and 1) b.) Obtaining precursors of binary and ternary compounds to obtain those in ViI. a.) described absorber layers of the type ABXY (eg: InS, GaS, InSe, GaSe as an example of different compositional possibilities) c.) Extraction of any binary, ternary and quaternary layers whose purpose is also usable outside of photovoltaic applications. d.) Obtaining absorbent semiconductor layers from the precursor layers described in VIII. b.) by reactive processes during the
Verdampfung von X oder Y (z.B. Selenisierung und Sulfurisierung von Vorläuferschichten) e.) Herstellung anderer, nicht in VIII. a.)-d) genannten Schichtsysteme, die sich mit dem Verfahren nach der Erfindung regeln lassen,Evaporation of X or Y (eg, selenization and sulfurization of precursor layers) e.) production of other layer systems not mentioned in VIII. a) - d) which can be controlled by the method according to the invention,
IX. Die Anlage zum Einsatz des Regelungssystems ist jeglicher Natur und kann dienen einer a.) Regelung eines sequenziellen ein- oder mehrstufigen Systems, welches pro Sequenz mindestens ein Metall und ein Nichtmetall nach I. zur Gewinnung von optisch dünnen Schichten nach VIII. verdampft (z.B.: Dampfabscheidung (physical vapor deposition - PVD), b.) Regelung eines thermischen Prozesses, welches das Verfahren nach Vlll.d.) durchführt,IX. The system for the use of the control system is of any nature and can serve for a.) Control of a sequential one-stage or multi-stage system which evaporates per sequence at least one metal and one non-metal according to I. to obtain optically thin layers according to VIII. Vapor deposition (physical vapor deposition - PVD), b.) Control of a thermal process, which performs the method of Vlll.d.),
X. Die Kontrolleinheit des Regelungssystems nach der Erfindung bedient sich des digitalen und analogen Einlesens von bildgebenden und integrierenden Verfahren mit Instrumenten nach V., Verarbeitung der eingelesenen Messsignale mittels digitaler Technologien (z.B.: Computer) und regelnde Signale von der Kontrolleinheit werden mittels digitaler Technologien an die zu regelnden Systeme nach I, VII übertragen. Es erfolgt a.) Auswerten der Messsignale mit Detektoren nach V. , b.) Regelung der Temperatur der Quellen nach I., des Substrats nach VI. und der Bewegung des Substrats nach VII. (z.B.: Temperaturänderung oder Abdeckung der Quellen nach I) und c.) Korrelation von externen Messungen aller relevanten Systeme mit dem Regelungssystem zur Überprüfung und Kalibrierung (z.B.: Leistungs- und Temperaturmessungen der Quellen nach I., Geschwindigkeitsmessung des Substrats nach VI. und VII.) Xl. Der Einsatz der Kontrolleinheit ist jeglicher Natur und geeignet zur a.) in-situ Regelung von kontinuierlichen Prozessen nach IX zur Gewinnung von optisch dünnen Schichten nach VIII und b.) in-situ Regelung von sequenziellen Prozessen nach IX zur Gewinnung von optisch dünnen Schichten nach VIII. FORMEL- UND BEZUGSZEICHENLISTEX. The control unit of the control system according to the invention makes use of the digital and analog read-in of imaging and integrating methods with instruments to V. Processing of the read measuring signals by means of digital technologies (eg: computer) and regulating signals from the control unit are using digital technologies the systems to be controlled according to I, VII transferred. A.) Evaluation of the measuring signals with detectors according to V., b.) Control of the temperature of the sources according to I., of the substrate according to VI. and the movement of the substrate according to VII. (eg: temperature change or coverage of the sources according to I) and c.) Correlation of external measurements of all relevant systems with the control system for checking and calibration (eg: power and temperature measurements of the sources according to I., Velocity measurement of the substrate according to VI and VII.) XI. The use of the control unit is of any nature and suitable for a.) In-situ control of continuous processes according to IX for obtaining optically thin layers according to VIII and b.) In-situ control of sequential processes according to IX for obtaining optically thin layers VIII. FORMULA AND REFERENCE LIST
A1 B1 C1 D1 X1 Y Elemente/Verdampfungsquellen/LichtquellenA 1 B 1 C 1 D 1 X 1 Y Elements / Evaporation Sources / Light Sources
AAl AB, A0 Verdampfungsquellen als Lichtquellen CCD Charged Coupled Device (ortsauflösender opt. Detektor) CU Kontrolleinheit D ortsauflösender optischer Detektor dopt optische Dicke dschicht reale Schichtdicke F FensterA Al AB, A 0 Evaporation sources as light sources CCD Charged Coupled Device CU control unit D spatial resolution optical detector dopt optical thickness d layer real layer thickness F window
Y AusbreitungskonstanteY propagation constant
ILQ inkohärente LichtquelleILQ incoherent light source
KLQ kohärente LichtquelleKLQ coherent light source
Kschicht Extinktionskoeffizient (Imaginärteil kompl. Brechungsindex) λ WellenlängeK layer extinction coefficient (imaginary part complete refractive index) λ wavelength
LLS Laser Light Scattering m InterferenzordnungLLS Laser Light Scattering m Interference order
^komplex komplexer Brechungsindex) ^Schicht Brechungsindex (Realteil komplexer Brechungsindex) PVD PVD-Kammer φ Einfallswinkel^ complex complex refractive index) ^ layer refractive index (real part complex refractive index) PVD PVD chamber φ angle of incidence
R ReflexionsintensitätR reflection intensity
RGB Rot-Grün-Blau-Signal S Substrat SLS Spectroscopic Light Scattering ZF Wellenwiderstand einer optisch dünnen Schicht ZFO Wellenwiderstand des Vakuums ZG Gesamt-Wellenwiderstand RGB Red-Green-Blue Signal S Substrate SLS Spectroscopic Light Scattering ZF characteristic impedance of an optically thin layer ZFO characteristic impedance of the vacuum ZG total characteristic impedance

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur in-situ-Bestimmung der stofflichen Zusammensetzung von aus der Dampfphase auf einem Substrat abgeschiedenen optisch dünnen Schichten mit einer interferometrisch auswertbaren Korrelation zwischen den optischen Schichtparametern (komplexer Brechungsindex nkompiex mit Realteil: Brechungsindex nschicht und Imaginärteil: Absorptionskoeffizient Kschicht und reale Schichtdicke dschicht), zumindest mit den nachfolgenden Verfahrensschritten: • Bestrahlung des Substrats auf der Abscheidungsseite mit inkohärentem Licht zumindest drei verschiedener Wellenlängen λi, λ2, λ3 im sichtbaren optischen Bereich während des Abscheidungsprozesses,1. A method for the in-situ determination of the material composition of deposited from the vapor phase on a substrate optically thin layers with an interferometrically evaluable correlation between the optical layer parameters (complex refractive index nkompiex with real part: refractive index ns ch i cht and imaginary part: absorption coefficient Kschicht and real layer thickness dsc h ic ht ), at least with the following method steps: irradiation of the substrate on the deposition side with incoherent light of at least three different wavelengths λi, λ 2 , λ 3 in the visible optical range during the deposition process,
ortsaufgelöste optische Detektion der Reflexionsintensität R der von der abgeschiedenen Schicht ausgehenden diffusen oder direkten Lichtstreuung außerhalb der Totalreflexion in verschiedenen drei Spatially resolved optical detection of the reflection intensity R of the diffuse or direct light scattering emanating from the deposited layer outside the total reflection in various three
Wellenlängen λi, λ≥, λ3> Wavelengths λi, λ≥, λ3 >
• zeitparallel zur Detektion numerische Werteeinspeisung der detektie- rten Reflexionsintensität R in ein optisches Schichtmodell auf Basis der allgemeinen Leitungstheorie, in dem jede abgeschiedene Schicht als elektromagnetischer Leiter mit einem veränderlichen Feldwellenwiderstand zF einer Ausbreitungskonstanten γ und einer der Leiterlänge äquivalenten realen Schichtdicke dSchicht interpretiert wird,• interpreting time-parallel layer for detecting numerical values feeding the detektie- rten reflectance intensity R in an optical layer model based on the general line theory, in which each layer deposited γ as an electromagnetic head with a variable box impedance Z F of a propagation constants and the conductor length equivalent real layer thickness d Sch becomes,
• Ermittlung der Werte für die optischen Schichtparameter der abgeschiedenen Schicht aus dem optischen Schichtmodell für verschiedene Wellenlängen λi, λ2, λs durch numerische Anpassung an den zeitlichen Verlauf der detektierten Reflexionsintensitäten, wobei die wellenlängenunabhängige reale Schichtdicke dSohicht als Referenzwert dient, und• determining the values of the optical layer parameters of the deposited layer of the optical layer model for different wavelengths .lambda..sub.i, λ 2, .lambda..sub.s by numerical adjustment to the timing of the detected reflection intensities, the wavelength-independent real layer thickness d Soh i CHT serves as a reference value, and
• quantitative Bestimmung der Materialzusammensetzung der abge- schiedenen Schicht aus den ermittelten Werten der optischen Schichtparameter durch Vergleich mit Standardwerten für optische Schichtparameter bekannter Materialzusammensetzungen.• quantitative determination of the material composition of the deposited layer from the determined values of the optical Layer parameters by comparison with standard values for optical layer parameters of known material compositions.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , GEKENNZEICHNET DURCH eine Ermittlung einer optischen Schichtdicke dopt einer abgeschiedenen Schicht als dem halben Abstand der Interferenzmaxima der Reflexionsintensität R der Wellenlängen λ-i, λ2 und K 1 3, wobei das Produkt der optischen Schichtdicke dopt mit dem komplexen Brechungsindex nkompiex die reale Schichtdicke dschicht ergibt.2. Method according to claim 1, characterized by a determination of an optical layer thickness d opt of a deposited layer as half the distance of the interference maxima of the reflection intensity R of the wavelengths λ-i, λ 2 and K 1 3 , wherein the product of the optical layer thickness d op t with the complex refractive index n k ompiex the real layer thickness d sc hicht results.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,3. The method according to claim 1 or 2,
GEKENNZEICHNET DURCH einen Zusammenhang zwischen der detektierten Reflexionsintensität R und dem gesamten Feldwellenwiderstand Z0 gemäß: CHARACTERIZED BY a relationship between the detected reflection intensity R and the total field wave resistance Z 0 according to:
mit ZF0 Feldwellenwiderstand des Vakuums.with Z F0 field wave resistance of the vacuum.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,4. The method according to any one of claims 1 to 3,
GEKENNZEICHNET DURCH einen gesamten Feldwellenwiderstand ZG von zwei aufeinander liegenden Schichten gemäß:CHARACTERIZED BY a total field resistance Z G of two superposed layers according to:
dopt ) d opt )
mit Z Feldwellenwiderstand der ersten Schicht Z JF„1 Feldwellenwiderstand der zweiten Schicht γ Ausbreitungskonstante = — • -^- = -— (/r+ y«) = — - nkωlψkx with Z field wave resistance of the first layer Z J F "1 field wave resistance of the second layer γ Propagation constant = - • - ^ - = - (/ r + y «) = - - n kωlψkx
A Δ A AA Δ AA
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,5. The method according to any one of claims 1 to 4,
GEKENNZEICHNET DURCH eine Speicherung der ermittelten Werte der optischen Schichtparameter einer Schicht und Verwendung der abgespeicherten Werte als Referenzwerte für eine nächste Schicht bei einem Schichtwechsel.CHARACTERIZED BY storing the determined values of the optical layer parameters of a layer and using the stored values as reference values for a next layer during a layer change.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, GEKENNZEICHNET DURCH die zusätzliche Auswertung einer Reflexionsintensität, die durch kohärentes Licht einer Wellenlänge hervorgerufen wird, zur Berücksichtigung der Oberflächenrauigkeit der abgeschiedenen Schicht.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized by the additional evaluation of a reflection intensity, which is caused by coherent light of a wavelength, to account for the surface roughness of the deposited layer.
7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit zumindest einer Lichtquelle, einem optischen Detektor und einer Auswerteeinheit,7. Arrangement for carrying out the method according to one of claims 1 to 6 with at least one light source, an optical detector and an evaluation unit,
GEKENNZEICHNET DURCH zumindest eine optisch abbildende Vorrichtung als optischer Detektor (D) für die Farben Rot, Blau und Grün.CHARACTERIZED BY at least one optical imaging device as an optical detector (D) for the colors red, blue and green.
8. Anordnung nach Anspruch 7,8. Arrangement according to claim 7,
GEKENNZEICHNET DURCH eine CCD- oder CMOS-Kamera als optisch abbildende Vorrichtung.CHARACTERIZED BY a CCD or CMOS camera as an optical imaging device.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 7 oder 8,9. Arrangement according to one of claims 1 to 6 or 7 or 8,
GEKENNZEICHNET DURCH durch eine Anbringung zumindest des optischen Detektors (D) im Boden einer Verdampfungskammer (PVD) zur Abscheidung von optisch dünnen Schichten (ZFI , ZF2) aus der Dampfphase auf einem Substrat (S). CHARACTERIZED BY attaching at least the optical detector (D) in the bottom of a vapor deposition chamber (PVD) for deposition of optically thin layers (ZFI, ZF 2 ) from the vapor phase on a substrate (S).
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 7 bis 9,10. Arrangement according to one of claims 1 to 6 or 7 to 9,
GEKENNZEICHNET DURCH zur Abscheidung von optisch dünnen Schichten (ZFi, ZF2) aus der Dampf phase auf einem Substrat (S) eingesetzte Verdampfungsquellen (A, B, C, D, X, Y) und/oder eine Weißlichtquelle als Lichtquelle (ILQ, KLQ).Marked by evaporation for the deposition of optically thin layers (Z F i, Z F2 ) from the vapor phase on a substrate (S) used (A, B, C, D, X, Y) and / or a white light source as a light source (ILQ , KLQ).
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 7 bis 10,11. Arrangement according to one of claims 1 to 6 or 7 to 10,
GEKENNZEICHNET DURCH eine Shuttereinrichtung zwischen der Lichtquelle (ILQ, KLQ) und der abgeschiedenen Schicht (ZF-I , ZF2).CHARACTERIZED BY a shuttle between the light source (ILQ, KLQ) and the deposited layer (ZF- I , ZF 2 ).
12. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als in-situ- Prozesskontrolle bei der Herstellung von aus der Dampfphase auf einem Substrat (S) abgeschiedenen optisch dünnen Schichten (ZF-ι, ZF2) in Verbin- düng mit einem Regelkreis zur Regelung der berechneten Istwerte der optischen Schichtparameter (nkompiex, dSChicht) der optisch dünnen Schichten (Zn, ZF2) als Regelgrößen auf vorgegebene Sollwerte durch Anpassung der Herstellungsparameter als Stellgrößen.12. Application of the method according to one of claims 1 to 6 as an in situ process control in the production of vapor deposited on a substrate (S) deposited optically thin layers (Z F -ι, Z F 2) in conjunction düng with a control loop for controlling the calculated actual values of the optical layer parameters (nkompiex, d SC hic h t) of the optically thin layers (Zn, Z F2 ) as control variables to predetermined setpoints by adjusting the production parameters as manipulated variables.
13. Anwendung nach Anspruch 12 bei Prozessen mit einer zusätzlichen Herstellung von optischen dicken Schichten mit einer Abschätzung der Stöchiometrie durch Interpretation der Reflexionsintensität R der von der auf dem Substrat (S) abgeschiedenen Schicht ausgehenden diffusen Lichtstreuung außerhalb der Totalreflexion in zumindest zwei Wellenlängen λi, X2.13. Application according to claim 12 in processes with an additional production of optical thick layers with an estimation of the stoichiometry by interpreting the reflection intensity R of the diffused light scattering emanating from the layer deposited on the substrate (S) outside the total reflection in at least two wavelengths λi, X 2 .
14. Anwendung nach Anspruch 12 oder 13 mit einer gleichzeitigen Temperaturüberwachung der Verdampfungsquellen (A, B, C, D, X, Y) über den zumindest einen ortsaufgelösten optischen Detektor (D). 14. Application according to claim 12 or 13 with a simultaneous temperature monitoring of the evaporation sources (A, B, C, D, X, Y) via the at least one spatially resolved optical detector (D).
15. Anwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 14 bei rauen Substraten (S) oder rauen abgeschiedenen Schichten (ZFi, Z^z)- 15. Application according to one of claims 12 to 14 for rough substrates (S) or rough deposited layers (Z F i, Z ^ z) -
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