KR101150943B1 - 텍스처가 형성된 시료의 막 두께 측정방법 - Google Patents

텍스처가 형성된 시료의 막 두께 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 텍스처가 형성된 시료의 막 두께 측정방법에 관한 것으로서, 텍스처가 형성되지 않은 평탄한 표면을 갖는 기본 시료의 기준 반사율을 측정하는 단계, 상기 기본 시료의 표면에 텍스처가 형성된 제 1 시료의 제 1 반사율을 측정하는 단계, 상기 기준 반사율과 제 1 반사율의 관계로부터 텍스처 구조 정보를 얻는 단계, 상기 제 1 시료의 표면에 박막이 형성된 제 2 시료의 제 2 반사율을 측정하는 단계, 상기 텍스처 구조 정보와 상기 제 2 반사율 정보로부터 상기 기본 시료의 표면에 박막이 형성된 제 3 시료의 제 3 반사율을 얻는 단계 및 상기 제 3 반사율로부터 상기 박막의 두께를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 텍스처 처리된 표면에 형성된 박막의 두께를 정확하게 측정할 수 있고, 보다 구체적으로 표면이 텍스처 처리된 태양전지의 경우 태양전지 표면의 반사 상태를 정확하게 확인할 수 있고, 그에 따라 공정을 제어할 수 있는 효과가 있다.

Description

텍스처가 형성된 시료의 막 두께 측정방법{METHOD FOR MEASURING FILM THICKNESS OF SAMPLE WITH TEXTURED SURFACE}
본 발명은 텍스처가 형성되어 있는 시료의 표면에 코팅된 박막의 두께 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 평탄한 시료와 텍스처가 형성된 시료의 반사율과의 관계를 통해 텍스처 구조 정보를 도출하고, 텍스처가 형성된 시료 표면에 박막이 형성된 시료의 반사율에 텍스처 구조 정보를 반영하여 편평한 시료 표면에 박막에 의한 효과만 반영된 반사율을 도출하고, 도출된 최종 반사율에 일반적인 반사율 분석방법을 적용하여 박막의 두께를 산출할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
최근에 기술개발이 활발히 진행되고 있는 태양전지에서 표면의 반사량을 줄이기 위해 태양전지의 표면에 텍스처(texture, 또는 요철)를 형성하고 그 위에 반사 방지막을 입히고 있다. 이 때, 반사 방지막의 효과는 사용하는 막의 두께와 굴절률 등에 크게 의존한다. 따라서, 제작되고 있는 태양전지의 표면 반사 상태를 확인하고, 필요 시 공정을 제어하기 위해서는 반사량과 함께 반사 방지막의 두께와 광특성을 측정할 필요가 있다. 하지만, 텍스처가 형성된 표면 구조에 의한 난반사와 반사 방지막 효과까지 더하여져서 그 측정과 분석이 쉽지 않다.
분광반사측정기술은 시편으로부터 파장별로 반사된 광의 광량과 입사시킨 광의 광량으로부터 해당 시편의 반사율을 파장별로 측정하고, 이를 다층박막이론을 이용하여 분석함으로써 시편의 광학특성(예를 들면, 굴절율, 소광계수 등)이나 두께를 분석해 내는 기술이다. 이러한 분광반사측정기술은 반드시 평탄한 기판에 형성된 평탄한 박막에서 측정한 반사광에서만 분석이 가능하다.
즉, 종래의 분광 반사 측정기를 살펴보면, 광원에서 광원을 조사하고, 측정하고자 하는 시편에서 반사된 광의 광량을 검출기를 사용하여 측정한다. 시편에 대한 물리적 정보(광학특성, 두께 등)를 추출하기 위해 입사한 광의 입사광량에 대한 시편에서 반사된 반사광량의 비율을 계산하여 반사율을 도출한다.
이러한 종래의 측정 및 분석법은 평탄한 시편에만 적용이 가능한데, 이 방법을 표면에 텍스처(또는 요철)이 형성된 시편에 적용할 경우, 구조적으로 발생하는 난반사 및 그 위에 증착된 박막에 의한 반사방지 효과 등으로 인하여 실제로 검출되는 광의 광량이 매우 약하고, 약한 반사를 측정하더라도 이로부터 텍스처가 형성된 시편에 증착된 박막의 물리적 특성을 추출하기가 불가능하게 된다.
한국공개특허 2011-0051776호에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 시편의 반사율 및 광학특성을 기존의 평탄한 시편에서 이용하던 다층박막이론을 적용하여 보다 손쉽게 측정할 수 있는 텍스처가 형성된 시편에 증착된 박막의 특성 측정방법이 제안되어 있다.
상기 제안 기술은 (a) 광원으로부터 상기 시편으로 입사되는 광의 총입사광량을 계산하는 단계, (b) 상기 시편으로부터 반사되는 반사광량을 검출하는 단계, (c) 상기 총입사광량에 대한 상기 반사광량의 비율인 측정데이터를 계산하는 단계, (d) 다층박막의 이론반사율과, 상기 총입사광량에 대한 상기 박막의 특정영역으로 입사되는 입사광량의 비인 입사광량비율을 변수로 하여 예측데이터를 정의하는 단계 및 (e) 상기 측정데이터와 상기 예측데이터 간의 오차가 일정값 이하가 되도록, 상기 박막의 굴절률 및 두께를 결정하는 단계를 통해 텍스처가 형성된 시편에 증착된 박막의 특성을 측정하도록 하고 있다.
그러나 상기 선행기술은 수직으로 입사하여 수직으로 반사하는 빛만을 측정하므로 측정되는 빛의 세기가 약하여 측정 정밀도가 떨어지며, 수직으로 반사되는 빛을 텍스처된 표면 중에서 일부 평탄한 영역에서 한번 반사되는 빛과 45도로 기울어진 일부 대향경사 영역에서 두번 반사한 빛의 조합으로 가정하고 있는데 실제 텍스처된 시료의 표면에서 반사되는 빛이 이러한 빛의 조합만으로 되어 있지 않을 수도 있으며 이러한 조합의 비율 즉 상기 입사광량비율도 미지상수이므로 박막의 두께와 굴절률을 결정하는데 있어 오차가 커지는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 적분구를 사용하여 정반사에 의한 반사광 뿐만이 아니라 난반사에 의한 반사광도 함께 측정함으로써 측정되는 광량을 증가시켜 측정정밀도를 향상시키고, 텍스처 구조정보를 미리 도출한 후, 도출된 텍스처 구조정보를 반영하여 평탄면에 박막이 형성된 경우의 반사율을 계산함으로써 요철면 상에 형성된 박막의 경우에도 매우 정확하게 그 두께를 계산할 수 있도록 하는 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 텍스처가 형성되지 않은 평탄한 표면을 갖는 기본 시료의 기준 반사율을 측정하는 단계, 상기 기본 시료의 표면에 텍스처가 형성된 제 1 시료의 제 1 반사율을 측정하는 단계, 상기 기준 반사율과 제 1 반사율의 관계로부터 텍스처 구조 정보를 얻는 단계, 상기 제 1 시료의 표면에 박막이 형성된 제 2 시료의 제 2 반사율을 측정하는 단계, 상기 텍스처 구조 정보와 상기 제 2 반사율 정보로부터 상기 기본 시료의 표면에 박막이 형성된 제 3 시료의 제 3 반사율을 얻는 단계 및 상기 제 3 반사율로부터 상기 박막의 두께를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 텍스처가 형성된 시료의 막 두께 측정방법이 제공된다.
여기서, 상기 텍스처 구조 정보는 λ를 파장, F를 텍스처 표면의 구조 함수, 기준 반사율을 Rb(λ), 제 1 반사율을 Rt(λ)라고 할 때, Rt(λ) = F[ Rb(λ)]의 관계에 의해 얻어지고, 상기 제 3 반사율은 λ를 파장, F- 1를 텍스처 표면의 구조 함수의 역함수, 제 2 반사율을 Rs(λ), 제 3 반사율을 R(λ)라고 할 때, R(λ) = F-1[ Rs(λ)]의 관계에 의해 얻어진다.
그리고 상기 텍스처가 형성되어 있지 않은 기본 시료의 기준 반사율과 상기 텍스처가 형성된 제 1 시료 및 제 2 시료의 제 1 반사율 및 제 2 반사율은 적분구를 사용하여 동일한 방법으로 측정하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 텍스처 처리된 표면에 형성된 박막의 두께를 정확하게 측정할 수 있고, 보다 구체적으로 표면이 텍스처 처리된 태양전지의 경우 태양전지 표면의 반사 상태를 정확하게 확인할 수 있고, 그에 따라 공정을 제어할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 텍스처가 형성된 시료의 막 두께 측정장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 텍스처가 형성된 시료의 막 두께 측정방법이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이고, 도 3은 도 2의 각 단계를 도식적으로 표현한 것이다.
도 4는 막 두께 측정 및 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 텍스처가 형성된 시료의 막 두께 측정장치의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 텍스처가 형성된 시료의 막 두께 측정장치는 광원(10)과, 적분구(20)와, 광 가이드(31, 33)와, 분광 분석장치(40) 및 PC(50)를 포함하여 구성된다.
광원(10)은 사용하고자 하는 분광 범위에 따라 할로겐 램프, 제논 램프(Xe arc lamp), 중수소 램프(deuterium lamp) 등을 포함한 다양한 소스의 램프가 사용될 수 있다. 여기서, 광원(10)으로부터 입사된 광을 스펙트럼 특성을 변화시키지 않고 단지 휘도만을 줄이기 위하여 회색 필터(Neutral Density Filter)가 마련될 수도 있다.
적분구(20)는 내부에 반사율이 높은 물질로 백색 코팅을 한 구체(球體)로서, 내부의 휘도는 어느 각도에서든지 일정하며, 시료 표면에서 반사되는 빛을 모두 포획하여 적분구 표면에 고른 조도로 분포되도록 하기 위해 사용된다.
적분구(20)는 개구부에 배치되는 시료(S)의 반사 또는 투과 특성의 측정에 이용되는 것이며, 시료(S)에 조사되는 여기광을 적분구(20) 내로 입사하기 위한 입사 포트(21)와, 시료(S)로부터의 피측정광을 외부로 출사하기 위한 출사 포트(23)와, 적분구(20)의 개구부에 시료(S)를 도입하는 시료 도입용의 시료 포트(22)를 포함하여 구성되어 있다. 시료 포트(22)에는 시료를 고정하기 위한 홀더가 있을 수 있다.
적분구(20)의 입사 포트(21)에는 조사광 입사용의 광 가이드(31)의 출사 단부가 고정되어 있다. 이 광 가이드(31)로서는 예를 들어 싱글 파이버 또는 번들 파이버를 이용할 수 있다. 또, 적분구(20)의 출사 포트(23)에는 시료(S)로부터의 피측정광을 후단의 분광 분석 장치(30)로 안내하는 광 가이드(33)의 입사 단부가 고정되어 있다. 이 광 가이드(33)로서는 예를 들어 싱글 파이버 또는 번들 파이버를 이용할 수 있다.
분광 분석장치(40)는 적분구(20)의 출사 포트(23)로부터 출사된 피측정광을 분광하여, 그 파장 스펙트럼을 취득하기 위한 분광 수단이다. 본 구성예에 있어서, 분광 분석 장치(30)는 피측정광을 파장 성분으로 분해한 후, 파장별로 분해된 광을 검출하여 피측정광의 분광 데이터인 파장 스펙트럼의 데이터를 생성하는 것이다. 이를 위해, 분광 분석장치(30)는 피측정광을 파장 성분으로 분해하는 분광기와, 분광기로부터의 광을 검출하는 광 검출기 및 광 검출기의 각 채널로부터 출력되는 검출신호에 필요한 신호 처리를 행하여, 피측정광의 분광 데이터인 파장 스펙트럼의 데이터를 생성하는 데이터 생성기를 포함한다.
여기서, 광 검출기로서는 예를 들어 파장 분해된 피측정광의 각 파장 성분을 검출하기 위한 복수 채널(예를 들어 1024 채널)의 화소가 1차원으로 배열된 CCD 리니어 센서를 이용할 수 있다.
PC(50)는 데이터 해석장치로서, 분광 분석 장치(30)에 의해 취득된 파장 스펙트럼에 대해 필요한 데이터 해석을 행하여, 시료(S)에 대한 정보를 취득하는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 텍스처가 형성된 시료의 막 두께 측정방법이 수행되는 과정을 도시한 흐름도이고, 도 3은 도 2의 각 단계를 도식적으로 표현한 것이다. 도 2에서는 텍스처가 형성된 시료 막 두께 측정의 전형적인 예로서, 태양전지의 표면에 텍스처가 형성되고, 그 위에 반사 방지막이 코팅된 경우에 대해 기술하기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 텍스처가 형성된 시료의 막 두께 측정방법은 기본 시료의 기준 반사율 측정(S100), 텍스처가 형성된 시료의 제 1 반사율 측정(S110), 기준 반사율과 제 1 반사율로부터 텍스처 구조 정보 획득(S120), 반사 방지막이 형성된 시료의 제 2 반사율 측정(S130), 반사 방지막만 형성된 시료의 제 3 반사율 계산(S140) 및 분광분석법을 이용하여 반사 방지막 두께 산출(S150)의 단계들을 통해 이루어진다.
이하 각 단계들에 대해 상술하기로 한다.
기본 시료의 기준 반사율 측정( S100 )
본 단계는 도 3의 (a)에 해당하는 것으로서, 텍스처가 형성되지 않은 평탄한 표면을 갖는 기본 시료의 기준 반사율 Rb(λ)을 측정하는 단계이다. 기본 시료는 태양전지 기판으로 주로 사용되는 실리콘 재질이다.
텍스처가 형성된 시료의 제 1 반사율 측정( S110 )
본 단계는 도 3의 (b)에 해당하는 것으로서, 평탄한 표면을 갖는 실리콘 기판만으로 이루어지는 기본 시료의 표면에 광 흡수율을 높이기 위해 텍스처가 형성된 제 1 시료의 제 1 반사율 Rt(λ)을 측정하는 단계이다.
기본 시료의 표면에 광 흡수율을 높이기 위해 텍스처가 형성되는 경우 도 3의 그림 (b)와 같이, 시료의 표면에서 난반사가 일어나게 되는데, 난반사에 의해 산란된 빛에 의한 반사율의 측정 정밀도를 높이기 위해 적분구(20)를 사용하게 된다.
기준 반사율과 제 1 반사율로부터 텍스처 구조 정보 획득( S120 )
본 단계는 기준 반사율 Rb(λ)과 제 1 반사율 Rt(λ)의 관계로부터 텍스처 구조 정보를 얻는 단계이다.
텍스처 표면의 구조 함수를 F라 할 때, 하기 수학식 1과 같이, 제 1 반사율 Rt(λ)은 기준 반사율 Rb(λ)에 대한 함수로 표현할 수 있다.
Figure 112011069937954-pat00001
수학식 1을 역으로 나타내면, 하기 수학식 1로 표현할 수 있다.
Figure 112011069937954-pat00002
상기 수학식 2로부터 텍스처된 표면의 반사율을 구한 후, 이에 대해 텍스처 표면의 구조 함수의 역함수를 구하면 텍스처 처리되지 않은 평탄한 표면에서의 반사율을 구할 수 있음을 알 수 있다.
이러한 텍스처 표면의 구조 함수(또는 정보)는 기본 시료와 제 1 시료에서의 반사율을 각 파장대별로 비교함으로써 얻어질 수 있다.
반사 방지막이 형성된 시료의 제 2 반사율 측정( S130 )
본 단계는 도 3의 (c)에 해당하는 것으로서, 평탄한 표면을 갖는 실리콘 기판만으로 이루어지는 기본 시료의 표면에 광 흡수율을 높이기 위해 텍스처가 형성되고, 그 위에 반사 방지막이 코팅된 된 제 2 시료의 제 2 반사율 Rs(λ)을 측정하는 단계이다.
이러한 경우 도 3의 그림 (c)와 같이, 시료의 표면에서 발생하는 난반사 특성은 텍스처 표면과 반사 방지막에 의한 성분들을 모두 포함하고 있다.
반사 방지막만 형성된 시료의 제 3 반사율 계산( S140 )
본 단계는 도 3의 (d)에 해당하는 것으로서, 평탄한 표면을 갖는 실리콘 기판만으로 이루어지는 기본 시료의 표면에 반사 방지막만이 형성된 제 3 시료의 제 1 반사율 R(λ)을 계산하는 단계이다. 여기서, 제 3 시료는 실제 측정이 이루어지지 않는 가상의 시료로서 텍스처 구조 정보를 이용하여 도 3의 (c)와 같은 단면 구조를 갖는 시료에서 텍스처 구조에 의한 반사특성을 제거함으로써 도 3의 (d)와 같은 평탄한 시료 상에 반사 방지막이 형성된 것과 같은 효과를 내는 것이 본 발명의 특징이다.
즉, 상기 수학식 1 및 2로부터, 제 2 반사율 Rs(λ)과 제 3 반사율 R(λ)의 관계는 하기 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
Figure 112011069937954-pat00003
즉, 텍스처가 형성되고 반사 방지막이 형성된 표면의 제 2 반사율 Rs(λ)을 구한 후, 이에 대해 텍스처 표면의 구조 함수의 역함수를 적용하면 텍스처 처리되지 않은 평탄한 표면에 반사 방지막만이 형성된 시료(가상의 시료임)에서의 반사율을 구할 수 있음을 알 수 있다.
분광법을 이용하여 반사 방지막 두께 산출( S150 )
S140 단계에서 평탄한 표면에 반사 방지막만이 형성된 시료에서의 반사율을 구하면 이후부터는 일반적인 반사율 측정 및 분석 방법을 적용하여 반사 방지막의 두께를 정확하게 계산할 수 있다. 이는 제 3 시료가 평탄한 표면 상에 박막이 형성된 일반적인 시료이기 때문이다.
도 4는 막 두께 결정을 위한 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
실험에서 시료는 텍스처 처리된 Si 기판 표면에 SiNx가 형성된 것을 사용하였다. 측정된 파장에 대한 반사율 그래프(o 기호)와 분석 결과 얻어진 파장에 대한 반사율 그래프(실선)를 일치시키는 과정을 통하여 SiNx 막 두께가 81.24 nm로 정확하게 산출되었음을 두 그래프가 잘 일치함으로부터 확인할 수 있다.
10 : 광원 20 : 적분구
21 : 입사 포트 22 : 시료 포트
23 : 출사 포트 24 : 반사판
25 : 내벽 31, 33 : 광 가이드
40 : 분광 분석장치 50 : PC

Claims (4)

  1. 텍스처가 형성되지 않은 평탄한 표면을 갖는 기본 시료의 기준 반사율을 측정하는 단계;
    상기 기본 시료의 표면에 텍스처가 형성된 제 1 시료의 제 1 반사율을 측정하는 단계;
    상기 기준 반사율과 제 1 반사율의 관계로부터 텍스처 구조 정보를 얻는 단계;
    상기 제 1 시료의 표면에 박막이 형성된 제 2 시료의 제 2 반사율을 측정하는 단계;
    상기 텍스처 구조 정보와 상기 제 2 반사율로부터 상기 기본 시료의 표면에 박막이 형성된 제 3 시료의 제 3 반사율을 얻는 단계; 및
    상기 제 3 반사율로부터 상기 제 1 시료의 표면에 형성된 박막의 두께를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 텍스처가 형성된 시료의 막 두께 측정방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 텍스처 구조 정보는
    λ를 파장, F를 텍스처 표면의 구조 함수, 기준 반사율을 Rb(λ), 제 1 반사율을 Rt(λ)라고 할 때, Rt(λ) = F[ Rb(λ)]의 관계에 의해 그 구조함수가 얻어지는 것을 특징으로 하는 텍스처가 형성된 시료의 막 두께 측정방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 반사율은
    λ를 파장, F를 텍스처 표면의 구조 함수, 제 2 반사율을 Rs(λ), 제 3 반사율을 R(λ)라고 할 때, R(λ) = F-1[ Rs(λ)]의 관계에 의해 제 3 반사율이 얻어지는 것을 특징으로 하는 텍스처가 형성된 시료의 막 두께 측정방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 텍스처가 형성되어 있지 않은 기본 시료의 기준 반사율, 상기 텍스처가 형성된 제 1 시료의 제 1 반사율 및 제 2 시료의 제 2 반사율을 적분구를 사용하여 동일한 방법으로 측정하는 것을 특징으로 하는 텍스처가 형성된 시료의 막 두께 측정방법.

KR1020110090669A 2011-09-07 2011-09-07 텍스처가 형성된 시료의 막 두께 측정방법 KR101150943B1 (ko)

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