EP2572186A1 - Verfahren und vorrichtung zur charakterisierung von pyramidalen oberflächenstrukturen auf einem substrat - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur charakterisierung von pyramidalen oberflächenstrukturen auf einem substrat

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EP2572186A1
EP2572186A1 EP11710176A EP11710176A EP2572186A1 EP 2572186 A1 EP2572186 A1 EP 2572186A1 EP 11710176 A EP11710176 A EP 11710176A EP 11710176 A EP11710176 A EP 11710176A EP 2572186 A1 EP2572186 A1 EP 2572186A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reflection
pyramidal
intensity
light beam
measurement
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11710176A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Dupke
Karsten Funk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2572186A1 publication Critical patent/EP2572186A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity

Definitions

  • the invention relates to a method for the characterization of pyramidal surface structures on a substrate according to claim 1 and a device therefor according to claim 11.
  • Pyramidal surface structures are used, for example, for the anti-reflection surface structuring of monocrystalline silicon wafers intended for the production of solar cells.
  • the substrates are wet-chemically treated so that the desired surface structure is formed on their surface. This consists of a large number of microscopic single pyramids. Each individual pyramid arises randomly, the size fluctuates within a certain tolerance range, but the overall structure formed from them is oriented over the entire surface in a given crystal direction. In the case of a substrate formed from a single crystal, a uniform orientation with larger and smaller random pyramids, so-called "random pyramids", thus forms on the surface.
  • the evaluation of the reflection pattern is carried out with an intensity determination of at least one directional pyramidal reflection maximum generated by side flanks of the pyramidal surface structures, a diffuse reflection band produced by edges of the pyramidal surface structures and a flaw maximum generated by flat flaws.
  • the entire characterization is thus carried out by light reflection and therefore contactless.
  • the process fully relies on the physical laws of light reflection. It therefore does not require a large apparatus
  • a size measurement of the pyramidal surface structures takes place by determining a ratio between the initial intensity of the incident light beam and the intensity component of the pyramidal reflection maximum.
  • Reflection maximums are proportional to the size of the reflective pyramid surfaces and therefore provide a first indication of their average size.
  • a size measurement of the pyramidal surface structures takes place by carrying out a comparative measurement of the intensity component of the pyramidal reflection maximum, an intensity component of the diffuse reflection band and an intensity component of the flaw maximum.
  • a measured value calibration is performed using reference substrates with known surface structures.
  • the measurement of a size distribution of the pyramidal surface structures is carried out by changing a cross section of the incident light beam.
  • the ratios of the intensity components of the reflection pattern are detected as a function of the change in cross-section, and an acquired intensity function is evaluated.
  • the cross-sectional change of the light beam is sensitive to the reflective areas of the surface structure.
  • the occurring intensities in the reflection pattern are then a direct representation of the size distribution of the random pyramids on the carrier surface.
  • the evaluation of the intensity function may suitably as a
  • Proportionality test between the cross-sectional change and the resulting variable intensity components are executed. If this dependence is not proportional, there is a negative test result. In such a negative test result, the irradiated light beam is moved over the substrate. In conjunction therewith, a tolerance measurement of the intensity components of the reflection pattern takes place. From the result of the tolerance measurement, the size distribution of the pyramidal surface structures is then determined.
  • the measurements of the size and the measurement of the size distribution can also be combined with each other.
  • the cross section of the light beam for measuring the size distribution is changed as described, and at a maximum cross section of the light beam, the size measurement of the pyramids is carried out in the manner described above.
  • a variation of a horizontal angle of incidence of the light beam can be executed.
  • the method steps described above do not change as a result.
  • the orientation of the pyramids on the support is very easy to detect.
  • the evaluation of the reflection pattern can be done in different ways.
  • the evaluation of the reflection pattern takes place via an image evaluation using image acquisition, in particular a screen projection or a projection on a sensor array.
  • the evaluation of the reflection pattern by a series of distributed individual light sensors is possible.
  • a device for characterizing pyramidal surface structures on a substrate comprises a light source directed towards the substrate for generating a light beam, a receiving and transporting device for the substrate, a detection device arranged in the reflection region of the light beam for a reflection pattern generated by the carrier Evaluation device for intensity maxima of the reflection pattern.
  • the light source may have a beam optics for generating a variable beam cross section.
  • a laser device is preferably used as the light source.
  • the detection device contains at a first guide form an image acquisition unit, in particular a sensor array. In another embodiment, the detection device includes a group of individual sensors.
  • the evaluation device is expediently designed as an electronic control and processing unit, in particular a computer, coupled to the receiving and transport device, the beam optics and the detection device, with a control, measurement and evaluation program.
  • Fig. La is a schematic representation of a carrier with a
  • Fig. Lb is an enlarged view of a single pyramid in one
  • 2b shows a representation of the reflection conditions on a single pyramid in a direction of incidence oriented view
  • 3a shows a reflection pattern of the pyramidal surface structure without flaws
  • 3b is a reflection pattern of the pyramidal surface structure with existing defects
  • FIG. 1a shows a substrate T whose surface is covered by a plurality of individual pyramids P.
  • the pyramids are formed, for example, by a wet-chemical etching of a single crystal. The size and position of each pyramid is random, but each pyramid is oriented in a unitary direction dictated by the single crystal. The pyramids are thus not twisted against each other. Within the pyramidal surface a defect E is indicated. At this point, the pyramids are missing. The surface of the carrier is there even.
  • the light reflection of the given pyramidal surface structure is evaluated.
  • a light beam L is directed onto the surface.
  • the pyramidal surface structure as a whole reflects the incident light beam into a series of reflected light components RL which are arranged in the form of a reflection pattern, as will be explained in more detail below.
  • Fig. Lb shows such a single pyramid P in a plan view.
  • the pyramid consists of a series of side surfaces S and edges K.
  • the reflection pattern generated by these sections is therefore not homogeneous or diffuse, as is the case with surfaces with random roughness. Rather shows the entire pyramidal surface structure is a typical for such structures reflection pattern.
  • Figures 2a and 2b explain the reflections on a single pyramid in more detail. It is assumed that the individual pyramids, despite their microscopic dimensions, can be regarded as macroscopic reflective bodies, so that the laws of reflection of the ray optics can be used.
  • the investigation of the pyramidal surface structure by means of light reflection is based on the fact that the pyramidal structures, despite their microscopic dimensions, have optically reflective properties and act as a whole of small mirrors.
  • Fig. 2a shows the reflection of incident light in a transverse to the direction of light incidence oriented side view.
  • the beam directed from the top left onto the surface can be divided into a partial beam A and a partial beam F for the following consideration.
  • the partial beam A strikes the pyramid P and, in accordance with the laws of reflection of the beam optics, is reflected along a solder L P of the reflective pyramid surface in the direction of the partial beam A '.
  • the partial beam F strikes a plane defect E, at which there is no pyramidal structure. This partial beam is in accordance with
  • FIG. 2b shows a representation of the reflection conditions on a single pyramid in a view oriented in the direction of the light incidence.
  • the ray F is not shown in this illustration for the sake of simplicity.
  • the partial beams A and B are mirrored at different side surfaces of the pyramid and reflected in correspondingly different directions along the partial beams A 'and B'.
  • a partial beam C is shown. This strikes an edge of the pyramid. Since this edge is not a geometrically ideal edge and has a finite radius of curvature, the partial beam C is diffusely reflected in different directions C. All sub-beams C from the diffuse reflection are, however, essentially in one plane.
  • the reflection pattern R 'resulting from these reflections and, for example, displayable on a screen is shown in FIG. 3a.
  • the reflected partial beams A 'and B' result in each case a left and right of the incident
  • the diffused partial beams C are shown in the form of a circular arc-shaped reflection band between the reflection magnitudes A 'and B'.
  • the radius r of the reflection band and the distance between the maxima A 'and B' depend on the vertical angle of the incident light beam.
  • FIG. 3b shows the reflection image in the case of defects on the substrate E.
  • the partial beam F ' produces a defect maximum F', which is due to the simple reflection at the flat defect corresponding to the representation of Fig. 2a.
  • the position of the maxima A ', B' and F ', the radius and the length of the reflection band C and the distances of the maxima from each other also depend on the angle of incidence of the light beam on the surface.
  • the size and, on the other hand, the size distribution of the random pyramids on the surface of the support can be determined as follows:
  • the intensities I A - and I B - occupy a smaller proportion of the total reflected intensity, since in this case a larger part of the incident light is reflected at the edges of the pyramids and reflected back as reflection band C.
  • the pyramid size is therefore the smaller the higher the intensity I c of the reflection band or the stronger the
  • Reflection band is formed.
  • the sides of the pyramids are smaller and the number of edges located in a region detected by the incident light beam is thus larger.
  • the characterization of the pyramid size is expediently carried out by a comparative measurement.
  • incident light is resorted to a laser beam.
  • a reference carrier whose pyramid size has already been specified in another way is put into the reflection measurement.
  • two or more borderline specimens with particularly large or very small pyramidal structures are measured. Based on the measured light intensities I A -, I B -, I C and I F - and any other diffusely reflected light component, a calibration of the measurement is possible, so that a comparison measurement between different substrates with unknown pyramidal surface structure is possible.
  • the correspondingly expanded or focused light beam simply captures only a larger or smaller number of single pyramids proportional to the size of the light spot, which contribute in a similar manner to the overall intensities in the reflection pattern. If changes in the intensities, which are not proportional to the beam cross-section, are shown, a relative movement between the carrier surface and the laser beam is carried out with a narrow beam cross-section. The measured in this movement tolerance in the determined intensities I A -, IB-, IC and I F - then gives the size distribution of the individual pyramids on the surface studied.
  • the size and size measurements can also be combined.
  • a substrate is moved through under a corresponding measuring device. This is expediently achieved by installing the measuring apparatus in an already existing belt transport device and thus designed as part of an incoming control for later production processes. All substrates pass under the light source, i. H. the laser beam, through. During this transport, the beam cross section of the laser is continuously changed. The size distribution in the pyramidal surface structure is measured during narrow beam cross sections. During a large beam cross-section set for a short time, the size determination of the individual pyramids takes place as described. In this
  • An essential advantage of such an approach is that the size and the size distribution within the pyramidal surface structure and thus the "random pyramids", quasi instantaneous, because with optical metrology an evaluation during an ongoing process is unproblematic executable.
  • the measuring method can also be modified by irradiating the surface structure at other horizontal angles, in which, for. B. only one side surface of the pyramids is illuminated.
  • the reflection pattern appears in the form of a more or less strongly opened "V", whereby nothing changes at the defect maximums F.
  • the evaluation of the measured intensities in this case takes place in a manner which is fundamentally not different from the preceding method steps.
  • an image analysis of the reflection pattern projected on a screen or a construction of individual sensors can be used, which are attached in defined locations.
  • FIGS. 4 and 5 show exemplary measuring apparatuses for this purpose.
  • the measuring apparatus contains a light source 1, which is preferably designed as a laser light source and therefore a highly collimated light beam having a sufficient initial intensity and a defined impact point on the
  • Substrate T can produce. Furthermore, a receiving and Transportvor- device 2 is provided, which may also be designed as part of an existing conveyor system.
  • a detection device 3 is used to detect the reflected light components ⁇ ', B', C and F 'according to the preceding description.
  • Control and evaluation unit 4 is used for measured value determination and also generates an operation control for the recording and transport device 2. Furthermore, a beam optics 5 is provided, with which the cross section of the laser light emitted from the light source 1 can be influenced. Their operation is also determined by the control and evaluation unit 4. Finally, the control and evaluation unit contains corresponding control and measuring programs for carrying out the measuring process in accordance with the previously explained method steps.
  • a part of the detection device 3 is designed in the form of a sensor array 6, which is designed as a component of a camera device not shown here.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Charakterisierung von pyramidalen Oberflächenstrukturen auf einem Substrat. Es enthält die Verfahrensschritte Beaufschlagen der Substratoberfläche mit insbesondere Laserlicht, Erfassen eines durch die Substratoberfläche erzeugten Reflexionsmusters des Lichtstrahles, Auswertung des Reflexionsmusters mit einer Intensitätsbestimmung mindestens eines durch Seitenflanken der pyramidalen Oberflächenstrukturen erzeugten gerichteten pyramidalen Reflexionsmaximums, eines durch Kanten der pyramidalen Oberflächenstrukturen erzeugten diffusen Reflexionsbandes und eines durch ebene Fehlstellen erzeugten Fehlstellenmaximums.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zur Charakterisierung von pyramidalen Oberflächenstrukturen auf einem Substrat
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung von pyramidalen Oberflächenstrukturen auf einem Substrat gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung hierfür gemäß Anspruch 11. Stand der Technik
Pyramidale Oberflächenstrukturen werden beispielsweise zur Anti-Reflex-Ober- flächenstrukturierung von einkristallinen Siliziumwafern, die zur Fertigung von Solarzellen bestimmt sind, verwendet. Durch das Erzeugen derartiger Struktu- ren kann die Oberfläche der dem Sonnenlicht zugewandten Seite so gestaltet werden, dass Reflexionen gemindert werden und so die Effizienz der Solarzellen gesteigert wird. Hierzu werden die Substrate nasschemisch behandelt, dass sich auf deren Oberfläche die gewünschte Oberflächenstruktur herausbildet. Diese besteht aus einer Vielzahl von mikroskopisch kleinen Einzelpyramiden. Jede Einzelpyramide entsteht dabei zufällig, deren Größe schwankt innerhalb eines gewissen Toleranzbereiches, die aus ihnen gebildete Gesamtstruktur ist allerdings über die gesamte Oberfläche in einer jeweils gegebenen Kristallrichtung orientiert. Bei einem aus einem Einkristall gebildeten Substrat bildet sich somit auf der Oberfläche eine einheitliche Orientierung mit größeren und kleineren Zufallspyramiden, so genannten„random pyramids", aus.
Für die weitere Verarbeitung ist es unerlässlich, die Größe und Größenverteilung der Zufallspyramiden zu bestimmen, denn diese beeinflussen neben den Reflexionseigenschaften auch die elektrischen Eigenschaften von später in Form von Busbars oder Fingern auf dem Substrat aufgebrachten Kontaktbahnen. Zur Charakterisierung derartiger Oberflächenstrukturen werden rasterelektro- nenmikroskopische Aufnahmetechniken mit einer sich daran anschließenden Bildauswertung angewendet. Dies ist allerdings ein kostenintensiver, aufwändiger und zeitraubender Prozess, der sich nicht für eine schnelle oder sogar fertigungsnahe Prozesskontrolle eignet.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher Ziel, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Charakterisierung pyramidaler Oberflächenstrukturen auf einem Träger anzugeben, mit der die Größe und Größenverteilung in der Pyramidenstruktur schnell und zuverlässig im Rahmen des Fertigungsprozesses bestimmt werden kann und eine hinreichend genaue Aussage über die Homogenität der Gesamtstruktur möglich wird. Die Lösung erfolgt mit einem Verfahren gemäß der Lehre des Anspruchs 1 und mit einer Vorrichtung mit der Merkmalskombination des Anspruchs 11.
Zur Charakterisierung von pyramidalen Oberflächenstrukturen auf einem
Substrat sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen:
Es erfolgt ein Erzeugen eines Lichtstrahles gerichtet auf die Substratoberfläche, anschließend wird ein Reflexionsmuster des von der Substratoberfläche reflektierten Lichtes erfasst. Das Reflexionsmuster wird ausgewertet, wobei eine Ermittlung von Intensitäten von durch Teilelemente der Oberflächenstruk- tur erzeugten Abschnitten des Reflexionsmusters erfolgt. Anschließend erfolgt ein Bestimmen von Parametern zur Charakterisierung der pyramidalen Oberflächenstruktur aus den ermittelten Intensitäten.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Auswertung des Reflexionsmusters mit einer Intensitätsbestimmung mindestens eines durch Seitenflanken der pyramidalen Oberflächenstrukturen erzeugten gerichteten pyramidalen Reflexionsmaximums, eines durch Kanten der pyramidalen Oberflächenstrukturen erzeugten diffusen Reflexionsbandes und eines durch ebene Fehlstellen erzeugten Fehlstellenmaximums. Die gesamte Charakterisierung erfolgt somit durch Lichtreflexion und daher berührungslos. Das Verfahren greift vollständig auf die physikalischen Gesetze der Lichtreflexion zurück. Es erfordert daher keinen großen apparativen
Aufwand, ist von seinem Ablauf her beträchtlich schneller als die rasterelektro- nenmikroskopischen Aufnahmeverfahren und kann daher ohne weiteres in einen bestehenden Fertigungsprozess auch zur serienmäßigen Kontrolle einer Vielzahl von Substraten bei deren Herstellung oder Bearbeitung eingefügt werden.
Bei einer ersten Ausführungsform erfolgt eine Größenmessung der pyramidalen Oberflächenstrukturen dadurch, indem ein Verhältnis zwischen Anfangsintensität des einfallenden Lichtstrahles zum Intensitätsanteil des pyramidalen Reflexionsmaximums ermittelt wird. Die Lichtanteile des pyramidalen
Reflexionsmaximums sind proportional zur Größe der reflektierenden Pyramidenflächen und geben daher einen ersten Aufschluss über deren vorliegende Durchschnittsgröße.
Bei einer verfeinerten Ausgestaltung erfolgt eine Größenmessung der pyramidalen Oberflächenstrukturen dadurch, indem eine vergleichende Messung des Intensitätsanteils des pyramidalen Reflexionsmaximums, eines Intensitätsan- teils des diffusen Reflexionsbandes und eines Intensitätsanteils des Fehlstellenmaximums ausgeführt wird. Dabei erfolgt eine Messwertkalibrierung unter Verwendung von Referenzsubstraten mit bekannten Oberflächenstrukturen.
Die Messung einer Größenverteilung der pyramidalen Oberflächenstrukturen wird ausgeführt, indem eine Veränderung eines Querschnittes des einfallenden Lichtstrahles erfolgt. Dabei werden die Verhältnisse der Intensitätsanteile des Reflexionsmusters in Abhängigkeit von der Querschnittsveränderung erfasst und eine gewonnene Intensitätsfunktion ausgewertet. Die Querschnittsveränderung des Lichtstrahles ist sensitiv auf die reflektierenden Bereiche der Oberflächenstruktur. Die auftretenden Intensitäten im Reflexionsmuster sind dann eine direkte Abbildung der Größenverteilung der Zufallspyramiden auf der Trägeroberfläche.
Die Auswertung der Intensitätsfunktion kann zweckmäßigerweise als ein
Proportionalitätstest zwischen der Querschnittsveränderung und der daraus resultierenden veränderlichen Intensitätsanteile ausgeführt werden. Wenn diese Abhängigkeit nicht proportional ist, liegt ein negatives Testergebnis vor. Bei einem solchen negativen Testergebnis wird der eingestrahlte Lichtstrahl über das Substrat verfahren. In Verbindung damit erfolgt eine Toleranzmessung der Intensitätsanteile des Reflexionsmusters. Aus dem Ergebnis der Toleranzmessung wird dann die Größenverteilung der pyramidalen Oberflä- chenstrukturen ermittelt.
Die Messungen der Größe und die Messung der Größenverteilung können auch miteinander kombiniert werden. Dabei wird während einer Relativbewegung zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und dem Träger der Querschnitt des Lichtstrahles zur Messung der Größenverteilung wie beschrieben verändert und bei einem Maximalquerschnitt des Lichtstrahles die Größenmessung der Pyramiden in der oben beschriebenen Weise ausgeführt.
Ergänzend ist auch eine Variation eines horizontalen Einfallswinkels des Licht- Strahles ausführbar. Die oben beschriebenen Verfahrensschritte ändern sich dadurch nicht. Mit einer solchen Variation ist die Orientierung der Pyramiden auf dem Träger sehr einfach feststellbar.
Die Auswertung des Reflexionsmusters kann auf verschiedene Weise erfolgen. Bei einer ersten Ausführungsform erfolgt die Auswertung des Reflexionsmusters über eine Bildauswertung unter Anwendung einer Bilderfassung, insbesondere einer Schirmprojektion oder einer Projektion auf ein Sensorarray. Alternativ ist auch die Auswertung des Reflexionsmusters durch eine Reihe von verteilten Einzellichtsensoren möglich.
Eine Vorrichtung zur Charakterisierung von pyramidalen Oberflächenstrukturen auf einem Substrat enthält erfindungsgemäß eine auf das Substrat gerichtete Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahles, eine Aufnahme- und Transportvorrichtung für das Substrat, eine im Reflexionsbereich des Lichtstrahles ange- ordnete Erfassungsvorrichtung für ein von dem Träger erzeugtes Reflexionsmuster und eine Auswertevorrichtung für Intensitätsmaxima des Reflexionsmusters.
Die Lichtquelle kann eine Strahloptik zum Erzeugen eines veränderlichen Strahlquerschnitts aufweisen. Als Lichtquelle wird vorzugsweise eine Laservorrichtung verwendet. Die Erfassungsvorrichtung enthält bei einer ersten Aus- führungsform eine Bilderfassungseinheit, insbesondere ein Sensorarray. Bei einer weiteren Ausführungsform enthält die Erfassungsvorrichtung eine Gruppe aus Einzelsensoren.
Die Auswertevorrichtung ist zweckmäßigerweise als eine mit der Aufnahme- und Transportvorrichtung, der Strahloptik und der Erfassungsvorrichtung gekoppelte elektronische Steuer- und Verarbeitungseinheit, insbesondere ein Computer, mit einem Steuer-, Mess- und Auswerteprogramm ausgebildet.
Zeichnungen
Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die Figuren la bis 5. Es werden für gleiche oder gleich wirkende Teile die selben Bezugszeichen verwendet.
Es zeigen:
Fig. la eine schematische Darstellung eines Trägers mit einer
pyramidalen Oberflächenstruktur und einer Fehlstelle in einer Draufsicht,
Fig. lb eine vergrößerte Darstellung einer Einzelpyramide in einer
Draufsicht, Fig. 2a eine Darstellung der Reflexionsverhältnisse an einer Einzelpyramide in einer Seitenansicht quer zur Lichteinfallsrichtung,
Fig. 2b eine Darstellung der Reflexionsverhältnisse an einer Einzelpyramide in einer in Richtung des Lichteinfalls orientierten Sicht,
Fig. 3a ein Reflexionsmuster der pyramidalen Oberflächenstruktur ohne Fehlstellen, Fig. 3b ein Reflexionsmuster der pyramidalen Oberflächenstruktur mit vorhandenen Fehlstellen, eine erste beispielhafte Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens,
eine zweite beispielhafte Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens.
Fig. la zeigt eine schematische Darstellung eines Substrate mit einer pyramidalen Oberflächenstruktur und einer Fehlstelle in einer Draufsicht. Die Figur la zeigt ein Substrat T, dessen Oberfläche von einer Vielzahl von Einzelpyramiden P übersät ist. Die Pyramiden entstehen beispielsweise durch ein nasschemisches Ätzen eines Einkristalls. Die Größe und die Position jeder einzelnen Pyramide ist zufällig, allerdings ist jede Pyramide in eine durch den Einkristall vorgegebene Einheitsrichtung orientiert. Die Pyramiden sind somit nicht gegeneinander verdreht. Innerhalb der pyramidalen Oberfläche ist eine Fehlstelle E angedeutet. An dieser Stelle fehlen die Pyramiden. Die Oberfläche des Trägers ist dort eben.
Erfindungsgemäß wird die Lichtreflexion der gegebenen pyramidalen Oberflä- chenstruktur ausgewertet. Hierzu wird ein Lichtstrahl L auf die Oberfläche gerichtet. Die pyramidale Oberflächenstruktur reflektiert als Ganzes den einfallenden Lichtstrahl in eine Reihe von reflektierten Lichtkomponenten RL die sich in Form eines Reflexionsmusters anordnen, wie im folgenden näher erläutert wird.
Da die Einzelpyramiden nicht gegeneinander verdreht, sondern in einer Einheitsrichtung orientiert sind, kann mit hinreichender Genauigkeit davon ausgegangen werden, dass die gesamte pyramidale Oberflächenstruktur das eingestrahlte Licht im wesentlichen wie eine einzelne Pyramide reflektiert. Daher genügt für die nachfolgende Beschreibung die Darstellung der Lichtreflexion an einer Einzelpyramide.
Fig. lb zeigt eine derartige Einzelpyramide P in einer Draufsicht. Die Pyramide besteht aus einer Reihe von Seitenflächen S und Kanten K. Das durch diese Abschnitte erzeugte Reflexionsmuster ist daher nicht homogen oder diffus, wie dies bei Oberflächen mit einer zufälligen Rauhigkeit der Fall ist. Vielmehr zeigt die gesamte pyramidale Oberflächenstruktur ein für derartige Strukturen typisches Reflexionsmuster.
Die Figuren 2a und 2b erläutern die Reflexionen an einer Einzelpyramide genauer. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Einzelpyramiden trotz ihrer mikroskopischen Abmessungen als makroskopische reflektierende Körper aufgefasst werden können, sodass auf die Reflexionsgesetze der Strahlenoptik zurückgegriffen werden kann. Die Untersuchung der pyramidalen Oberflächenstruktur mittels Lichtreflexion baut auf der Tatsache auf, dass die Pyramidenstrukturen trotz der mikroskopisch kleinen Abmessungen optisch reflektierende Eigenschaften aufweisen und wie eine Gesamtheit aus kleinen Spiegeln wirken.
Fig. 2a zeigt die Reflexion einfallenden Lichtes in einer quer zur Richtung des Lichteinfalls orientierten Seitenansicht. Der von links oben auf die Oberfläche gerichtete Strahl kann für die nachfolgende Betrachtung in einen Teilstrahl A und einem Teilstrahl F zerlegt werden. Der Teilstrahl A trifft auf die Pyramide P und wird entsprechend den Reflexionsgesetzen der Strahlenoptik entlang eines Lotes LP der reflektierenden Pyramidenfläche in Richtung des Teilstrahles A' reflektiert. Der Teilstrahl F trifft auf eine ebene Fehlstelle E, an der sich keine Pyramidenstruktur befindet. Dieser Teilstrahl wird gemäß den
Reflexionsgesetzen entlang eines Lotes Lw in Richtung des Teilstrahles F' reflektiert, die von der Richtung des Teilstrahles A' deutlich verschieden ist.
Fig. 2b zeigt eine Darstellung der Reflexionsverhältnisse an einer Einzelpyramide in einer in Richtung des Lichteinfalls orientierten Sicht. Der Strahl F ist in dieser Darstellung aus Gründen der Einfachheit nicht gezeigt. Zu beachten sind hier zunächst die Teilstrahlen A und B. Diese werden an verschiedenen Seitenflächen der Pyramide gespiegelt und in entsprechend unterschiedliche Richtungen entlang der Teilstrahlen A' und B' reflektiert. Weiterhin ist ein Teilstrahl C dargestellt. Dieser trifft auf eine Kante der Pyramide auf. Da dieser Kante keine geometrisch ideale Kante ist und einen endlichen Krümmungsradius aufweist, wird der Teilstrahl C diffus in unterschiedliche Richtungen C reflektiert. Sämtliche Teilstrahlen C aus der diffusen Reflexion liegen dabei allerdings im wesentlichen in einer Ebene.
Das sich aus diesen Reflexionen ergebende und beispielsweise auf einem Schirm darstellbare Reflexionsmuster R' ist in Fig. 3a gezeigt. Die reflektierten Teilstrahlen A' und B' ergeben dabei jeweils ein links und rechts vom einfal- lenden Strahl gelegenes Maximum, die diffusen Teilstrahlen C zeigen sich in Form eines kreisbogenfömigen Reflexionsbandes zwischen den Reflexionsma- xima A' und B'. Der Radius r des Reflexionsbandes sowie der Abstand zwischen den Maxima A' und B' hängen dabei vom vertikalen Winkel des einfallenden Lichtstrahles ab.
Fig. 3b zeigt das Reflexionsbild im Falle von auf dem Substrat vorhandenen Fehlstellen E. In diesem Fall erzeugt der Teilstrahl F' ein Fehlstellenmaximum F' , das durch die einfache Reflexion an der ebenen Fehlstelle entsprechend der Darstellung aus Fig. 2a zustande kommt. Die Lage der Maxima A', B' und F' , der Radius und die Länge des Reflexionsbandes C und die Abstände der Maxima voneinander hängen dabei auch von dem Einfallswinkel des Lichtstrahles auf der Oberfläche ab.
Aus der Gestalt der vorhergehend beschriebenen Reflexionsmuster lässt sich nun einerseits die Größe und andererseits die Größenverteilung der Zufallspy- ramiden auf der Oberfläche des Trägers wie folgt bestimmen:
Bei einer bekannten Intensität I0 des einfallenden Lichtes bietet der damit ins Verhältnis gesetzte Intensitätsanteil IA- und IB- der Maxima A' und B' eine erste Abschätzung der Größe der Pyramidenseitenflächen.
Aussagekräftiger ist eine Charakterisierung der Pyramidengröße, indem eine vergleichende Messung der Intensitäten IA-, IB- sowie der Intensität IC- des Reflexionsbandes C und der Intensität IF- des Fehlstellenmaximums F' in dem in Fig. 3b gezeigten Reflexionsmuster ausgeführt wird. Dabei gelten folgende Zusammenhänge:
Je stärker die Pyramiden ausgebildet sind, d. h. je größer jede Einzelpyramide der pyramidalen Struktur ist, desto größer sind deren Seitenflächen und desto höher sind auch die Intensitäten IA- und IB- im Verhältnis zur Intensität IC- des Reflexionsbandes. Umgekehrt gilt, dass bei Einzelpyramiden mit kleinerer Größe die Intensitäten IA- und IB- einen kleineren Anteil an der reflektierten Gesamtintensität einnehmen, da in diesem Fall ein größerer Teil des einfallenden Lichtes an den Kanten der Pyramiden reflektiert wird und als Reflexionsband C zurückgeworfen wird. Die Pyramidengröße ist daher umso kleiner, je höher die Intensität Ic- des Reflexionsbandes ist bzw. je stärker der
Reflexionsband ausgebildet ist. Die Seitenflächen der Pyramiden sind kleiner und die Anzahl der in einem vom einfallenden Lichtstrahl erfassten Bereich befindlichen Kanten ist damit größer.
Unvollständige Strukturen, d. h. Fehlstellen, zeigen sich wie beschrieben als ein Fehlstellenmaximum F'. Sie erscheinen als ein Lichtfleck, der unabhängig von dem ausschließlich durch die Pyramidengröße bestimmten Verhältnis zwischen den Intensitäten IA-, IB- und IC- ist.
Die Charakterisierung der Pyramidengröße erfolgt zweckmäßigerweise durch eine Vergleichsmessung. Als einfallendes Licht wird dabei auf einen Laserstrahl zurückgegriffen. Zunächst wird ein Referenzträger, dessen Pyramidengröße auf andere Weise bereits spezifiziert worden ist, in die Reflexionsmessung gegeben. Anschließend werden zwei oder auch mehrere grenzwertige Exemplare mit besonders großen bzw. besonders kleinen pyramidalen Strukturen vermessen. Anhand der dabei gemessenen Lichtintensitäten IA-, IB-, IC und IF- sowie eines sonstigen diffus reflektierten Lichtanteils ist eine Kalibrierung der Messung möglich, sodass eine Vergleichsmessung zwischen verschiedenen Substraten mit unbekannter pyramidaler Oberflächenstruktur möglich ist.
Es ist dabei auch eine Absolutmessung der Pyramidengröße möglich, jedoch müssen hierzu verschiedene zusätzliche Einflussfaktoren berücksichtigt werden. Eine vergleichende Charakterisierung ist somit deutlich einfacher. Die beschriebene Kalibrierung erfolgt zweckmäßigerweise in regelmäßigen Abständen, beispielsweise zu Beginn eines Arbeitstages oder einer Fertigungsreihe. Eine Charakterisierung der Größenverteilung innerhalb der pyramidalen Oberflächenstruktur kann dadurch erfolgen, indem der Querschnitt D des einfallenden Lichtstrahles, d. h. beispielsweise der Durchmesser des verwendeten Laserstrahls, geändert und die sich dabei ergebenden Änderungen in den Verhältnissen zwischen den Intensitäten IA-, IB-, IC und IF so wie des diffus reflektierten Lichtes in Form einer oder mehrerer querschnittabhängiger Intensitätsfunktionen ID registriert werden. Ändern sich diese Verhältnisse dabei gleichmäßig, kann von einer sehr engen Größenverteilung der Einzelpyramiden ausgegangen werden. In diesem Fall erfasst der entsprechend aufgeweitete oder fokussierte Lichtstrahl einfach nur eine der Größe des Lichtflecks propor- tionale größere oder kleinere Zahl von Einzelpyramiden, die in einer gleichen Weise zu den Gesamtintensitäten im Reflexionsmuster beitragen. Zeigen sich Veränderungen in den Intensitäten, die nicht proportional zum Strahlquerschnitt sind, wird eine Relativbewegung zwischen der Trägeroberfläche und dem Laserstrahl bei einem eng eingestellten Strahlquerschnitt ausgeführt. Die bei dieser Bewegung gemessene Toleranz in den dabei ermittelten Intensitäten IA-, IB-, IC und IF- ergibt dann die Größenverteilung der Einzelpyramiden auf der untersuchten Oberfläche.
Die Messungen zur Größe und zur Größenverteilung können auch kombiniert ausgeführt werden. Dabei wird ein Substrat unter einer entsprechenden Mess- apparatur hindurch bewegt. Dies geschieht zweckmäßigerweise dadurch, indem die Messapparatur in einer bereits gegebenen Bandtransportvorrichtung installiert wird und somit als Teil einer Eingangskontrolle für spätere Fertigungsprozesse ausgeführt ist. Dabei laufen alle Substrate unter der Lichtquelle, d. h. dem Laserstrahl, hindurch. Während dieses Transports wird der Strahlquer- schnitt des Lasers fortlaufend verändert. Dabei wird die Größenverteilung in der pyramidalen Oberflächenstruktur während enger Strahlquerschnitte gemessen. Während eines kurzzeitig eingestellten großen Strahlquerschnittes erfolgt wie beschrieben die Größenbestimmung der Einzelpyramiden. Bei diesem
Verfahren müssen allerdings dynamische Reflexionen aufgrund der ablaufen- den Relativbewegungen zwischen dem Laserstrahl und dem bewegten Substrat berücksichtigt werden.
Ein wesentlicher Vorteil einer solchen Vorgehensweise besteht allerdings darin, dass die Größe und die Größenverteilung innerhalb der pyramidalen Oberflächenstruktur und damit der„random pyramids", quasi instantan erfolgt, weil mit optischer Messtechnik eine Auswertung während eines laufenden Prozesses unproblematisch ausführbar ist.
Das Messverfahren kann auch abgewandelt werden, indem die Oberflächen- struktur unter anderen horizontalen Winkeln bestrahlt wird, bei der z. B. nur eine Seitenfläche der Pyramiden angestrahlt wird. In diesem Fall zeigt sich das Reflexionsmuster in Form eines mehr oder weniger stark geöffneten„V", wobei sich an den Fehlstellenmaxima F' nichts ändert. Die Auswertung der gemessenen Intensitäten erfolgt in diesem Fall in einer sich von den vorhergehenden Verfahrensschritten grundsätzlich nicht unterscheidenden Weise. Zur Auswertung der reflektierten Strahlen bzw. des Reflexionsbildes kann entweder eine Bildauswertung des auf einen Schirm projizierten Reflexionsmusters oder eine Konstruktion aus Einzelsensoren zur Anwendung kommen, die an entsprechenden Stellen definiert angebracht sind. Die Figuren 4 und 5 zeigen hierzu beispielhafte Messapparaturen. Die Messapparatur enthält eine Lichtquelle 1, die vorzugsweise als eine Laserlichtquelle ausgebildet ist und daher einen hoch kollimierten Lichtstrahl mit einer ausreichenden Anfangsintensität und einem definierten Auftreffpunkt auf dem
Substrat T erzeugen kann. Weiterhin ist eine Aufnahme- und Transportvor- richtung 2 vorgesehen, wobei diese auch als Bestandteil einer bereits vorhandenen Förderanlage ausgeführt sein kann.
Eine Erfassungsvorrichtung 3 dient der Detektierung der reflektierten Lichtanteile Α', B', C und F' gemäß der vorhergehenden Beschreibung. Eine
Steuer- und Auswerteeinheit 4 dient der Messwertermittlung und erzeugt darüber hinaus auch eine Betriebssteuerung für die Aufnahme- und Transportvorrichtung 2. Weiterhin ist eine Strahloptik 5 vorgesehen, mit der der Querschnitt des von der Lichtquelle 1 ausgesandten Laserlichtes beeinflusst werden kann. Deren Betrieb wird ebenfalls von der Steuer- und Auswerteeinheit 4 bestimmt. Schließlich enthält die Steuer- und Auswerteeinheit entsprechende Steuer- und Messprogramme zum Ausführen des Messprozesses gemäß der vorhergehend erläuterten Verfahrensschritte.
Bei einer in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform ist ein Teil der Erfassungsvor- richtung 3 in Form eines Sensorarrays 6 ausgebildet, das als ein Bestandteil einer hier nicht näher dargestellten Kameraeinrichtung ausgebildet ist.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie im Rahmen fachmännischen Handelns.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Charakterisierung von pyramidalen Oberflächenstrukturen (P) auf einem Substrat (T) mit den Verfahrensschritten
- Beaufschlagen der Substratoberfläche mit einem Lichtstrahl (L), insbesondere Laserlichtstrahl,
- Erfassen eines Reflexionsmusters (R') des von der Substratoberfläche reflektierten Lichtes, - Auswertung des Reflexionsmusters mit einer Ermittlung von
Intensitäten von durch Teilelemente der Oberflächenstruktur erzeugten Abschnitten des Reflexionsmusters,
- Bestimmung von Parametern zur Charakterisierung der
pyramidalen Oberflächenstruktur aus den ermittelten Intensitäten.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Auswertung des Reflexionsmusters (R') eine Intensitätsbestimmung mindestens eines durch Seitenflanken (S) der pyramidalen Oberflächenstrukturen erzeugten pyramidalen Reflexionsmaximums (Α', Β'), eines durch Kanten (K) der pyramidalen Oberflächenstrukturen erzeugten Reflexionsbandes (C) und/oder eines durch ebene Fehlstellen (E) erzeugten Fehlstellenmaximums (F') umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei der Parametermessung eine Größenmessung der pyramidalen Ober- flächenstrukturen erfolgt, indem ein Verhältnis zwischen einer Anfangs- Intensität (l0) des einfallenden Lichtstrahles (L) zum Intensitätsanteil (IA-, Iß-) des pyramidalen Reflexionsmaximums (Α', Β') ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei der Parametermessung eine Größenmessung der pyramidalen Oberflächenstrukturen erfolgt, indem eine vergleichende Messung des Intensitätsanteils (IA-, Iß-) des pyramidalen Reflexionsmaximums (Α', Β'), eines Intensitätsanteils (Ic-) des diffusen Reflexionsbandes (C) und eines Intensitätsanteils (IF-) des Fehlstellenmaximums (F') erfolgt, wobei eine Messwertkalibrierung unter Verwendung von Referenzsubstraten mit parameterbekannten Oberflächenstrukturen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei der Parametermessung eine Messung einer Größenverteilung der pyramidalen Oberflächenstrukturen erfolgt, indem eine Veränderung eines Querschnittes des einfallenden Lichtstrahles (L) ausgeführt wird, wobei die Verhältnisse der Intensitätsanteile (IA-, IB-, IC, IF-) des Refle¬ xionsmusters (R') in Abhängigkeit von der Querschnittsveränderung erfasst und eine dabei gewonnene Intensitätsfunktion (ID) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei der Auswertung der Intensitätsfunktion (ID) ein Proportionalitätstest ausgeführt wird, wobei bei einem negativen Testergebnis der eingestrahlte Lichtstrahl (L) über den Träger (T) verfahren wird und in Verbindung damit eine Toleranzmessung der Intensitätsanteile (IA-, IB-, IC, IF-) des Reflexionsmusters erfolgt und aus dem Ergebnis der Toleranzmessung die Größenverteilung der pyramidalen Oberflächenstrukturen ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Messung der Größe und die Messung der Größenverteilung kombiniert ausgeführt werden, wobei bei einer Relativbewegung zwischen dem einfallenden Lichtstrahl (L) und dem Träger (T) der Querschnitt (D) des
Lichtstrahles zur Messung der Größenverteilung verändert wird und bei einem Maximalquerschnitt des Lichtstrahles die Messung der Größe erfolgt. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Variation eines horizontalen Einfallswinkels des Lichtstrahles ausgeführt wird. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erfassung des Reflexionsmusters (R') unter Anwendung einer Bilderfassung, insbesondere einer Schirmprojektion oder einer Projektion auf ein Sensorarray, erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erfassung des Reflexionsmusters (R') mindestens abschnittsweise durch verteilte Einzellichtsensoren erfolgt.
11. Vorrichtung zur Charakterisierung von pyramidalen Oberflächenstrukturen (P) auf einem Substrat (T),
enthaltend
eine auf das Substrat gerichtete Lichtquelle (1) zum Erzeugen eines Lichtstrahles (L), eine Aufnahme- und Transportvorrichtung (2) für das
Substrat, eine im Reflexionsbereich des Lichtstrahles angeordnete Erfassungsvorrichtung (3) für ein von dem Träger erzeugtes Reflexionsmuster (R') und eine Steuer- und Auswerteeinheit (4) für eine Bestimmung Intensitätsmaxima des Reflexionsmusters.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Lichtquelle (1) eine Strahloptik (5) zum Erzeugen eines veränderlichen Strahlquerschnitts aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass
die Lichtquelle (1) eine Laservorrichtung ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erfassungsvorrichtung (3) mindestens abschnittsweise eine Bilderfassungseinheit, insbesondere ein Sensorarray (6), enthält.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erfassungsvorrichtung (3) eine Gruppe aus Einzelsensoren ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuer- und Auswerteeinheit (4) als eine mit der Aufnahme- und Transportvorrichtung (2), der Strahloptik (5) und der Erfassungsvorrichtung (3) gekoppelte elektronische Steuer- und Verarbeitungseinheit, insbesondere ein Computer, mit einem Steuer-, Mess- und Auswerteprogramm ausgebildet ist.
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