KR20130040228A - 투명한 기판에 도포된 박막의 실시간 온도, 광대역 차, 막 두께, 및 표면 거칠기를 측정하는 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
박막의 온도, 표면 거칠기, 두께 및/또는 광 흡수성과 같은, 박막(26)의 특성을 모니터링하기 위한 광전지와 같은 대체로 투명한 기판(28)에 증착된 박막 반도체 재료(26)의 제조와 관련하여 사용된 방법 및 장치(20)를 개시한다. 박막(26)으로부터 방출되는 분산되게 산란된 산란광(34, 34')으로부터 도출된 스펙트럼 곡선(44)은 특징적인 광 흡수단(우르바흐 에지(Urbach edge))를 나타낸다. 무엇보다도, 상기 광 흡수단이 별개의 재료 샘플(22)들 사이의 상대 표면 거칠기 상태 또는 동일한 재료 샘플(22) 내에서의 상이한 위치들 사이의 상대 표면 거칠기 상태를 평가하는데 유용하다. 두 개 이상의 스펙트럼 곡선의 광 흡수단 특성을 비교함으로써, 박막(26)의 표면 거칠기가 양호한 품질로 간주될 수 있는지 불량한 품질로 간주될 수 있는지를 결정하기 위한 정성적인 평가가 이루어질 수 있다.
Description
본 발명은 대체로 투명한 기판에 도포된 박막 레이어의 비접촉식 측정에 관한 것이고; 보다 상세하게는 박막 재료의 광 흡수단(optical absorption edge)과 관련하여 적어도 박막의 상대 표면 거칠기를 평가하기 위한 것이다.
기판에 박막을 증착하는 공정을 포함하는 고급 제조 공정은 반도체 재료의 온도, 표면 거칠기, 두께 및/또는 광 흡수성과 같은 반도체 재료의 특성을 고정밀도와 반복성으로 모니터하고 컨트롤하는 능력에 종종 좌우된다.
잘 알려져 있는 바와 같이, 광자 에너지가 대역 차 에너지(band gap energy)를 초과할 때 강한 흡수(stong absorption)가 갑작스럽게 시작된다. 바일마이어(Weilmeier) 등이 발표한 "분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy) 방법으로 반도체 기판의 새로운 광학적 온도 측정 기술" 이라는 논문(1991년판 카나디안 저널 오브 피직스(Canadian Journal of Physics) 제69권, 422-426 페이지)은 텍스처드 후면(textured back surface:특별한 질감이 나게 만든 후면)을 가진 비교적 두꺼운 기판의 분산된 반사도를 측정하고, 반사광의 대역 차 특성으로부터 반도체의 온도를 추론하는 기술을 개시하고 있다. 이 기술은 고체 물리학의 간단한 원리, 다시 말해서 온도에 대한 대역간 광 흡수단(우르바흐 에지(Urbach edge))의 거의 선형적인 의존성에 기초하고 있다.
간단히 말해서, 광자 에너지(hv)가 대역 차 에너지(Eg)에 가까워지면 강한 흡수가 갑작스럽게 시작된다. 이것은 흡수 계수:
로 기술되는데, 상기 식에서 
는 대역 차 에너지에서의 광 흡수 계수이다. 흡수단(absorption edge)은 Eg 및 페르미-디랙의 통계적 분포(Fermi-Dirac statistical distribution)(본 발명에서 관심의 대상인 적정한 온도에서의 브로드닝 ~kBT)로부터 발생되는 상기 흡수단의 브로드닝(broadening)인 다른 파라미터 Eo에 의해 특징지워진다. 중요한 관심 대상의 양, 즉 Eg는 아인슈타인 모델에 의해서 주어지는데, 상기 아인슈타인 모델에서는 단일 특성 에너지, kB 를 가지도록 포논(phonon)이 근사치로 계산되어 있다. 포논 들뜸현상(열진동(thermal vibration))은 아래의 식:
에 따라 대역 차 에너지를 감소시키도록 되어 있는데, 상기 식에서 Sg는 온도 독립 결합 상수(temperature independent coupling constant)이고 θE는 아인슈타인 온도이다.
Si와 GaAs와 같은 고 모듈러스(high modulus) 재료에 잘 부응하는, 
인 고온의 경우에는, 아래의 식:
에 의해 대역 차의 온도 독립성을 근사치로 계산할 수 있는데, 상기 식은 Eg가 SgkB에 의해 결정된 경사도를 가진 온도 T에 따라 선형적으로 감소되는 것이 예상되는 것을 보여준다. 이것은 실제로 잘 지켜지며 대역 에지 온도측정법(BET:Band Edge Thermometry)으로도 알려져 있는, 현재의 흡수단 온도측정법에 대한 기초를 이룬다.
상기한 바와 같이, 기판 자체이거나 기판에 증착된 박막인 반도체 재료의 온도, 표면 거칠기, 두께 및/또는 광 흡수성의 제어는 반도체 재료에서 나오는 분산되게 산란된 산란광의 비접촉, 실시간 모니터링을 통하여 달성될 수 있다. 미국 미시간주 덱스터에 위치한 본 발명의 출원인인 케이-스페이스 어소시에이츠 인코포레이티드(kSA)의 BandiTTM 시스템은 다른 특성 중에서도, 온도를 측정하는 최고의 최첨단 방법 및 장치로서 부상하였다. 광 흡수단 특징을 측정하기 위해서 반도체 재료로부터 발산되는 분산되게 산란된 산란광이 검출된다. 이 광 흡수단 특징으로부터, 막 두께와 같은 다른 특성 뿐만 아니라 온도가 정확하게 결정된다. 케이-스페이스 어소시에이츠 인코포레이티드(kSA)의 BandiTTM 시스템은 투과 모드와 반사 모드의 양 모드로 작동하도록 설정될 수 있다. 투과 모드에서는, 기판 히터(또는 다른 소스)가 광원으로 사용될 수 있다. 반사 모드에서는, 광원이 비-경면 기하구조(non-specular geometry)로 설치되어 있다. 케이-스페이스 어소시에이츠 인코포레이티드(kSA)의 BandiTTM 시스템은 약 380 nm 내지 1700 nm의 반사 범위를 포함하는 몇 가지 모델로 이용할 수 있다. 측정되고 모니터링된 대표적인 샘플 재료는 GaAs, Si, SiC, InP, ZnSe, ZnTe, CdTe, SrTi03, 그리고 GaN을 포함한다. 케이-스페이스 어소시에이츠 인코포레이티드(kSA)의 BandiTTM 시스템은 미국 특허 제7,837,383호에 상세하게 설명되어 있다.
이러한 유형의 장치가 사용될 수 있는 한 가지 신생 분야는 소위 박막 태양 전지이다. 박막 광(PV) 전지로도 알려진, 박막 태양 전지는, 반도체 특성을 가지는 광전지(photovoltaic) 재료로 된 하나 이상의 얇은 레이어(박막)를 대체로 투명한 기판위에 증착함으로써 만들어지는 장치이다. 이러한 박막의 두께 범위는 사용처에 따라 수 나노미터에서 수십 마이크로미터에 이르기까지 바뀐다. 많은 상이한 광전지 재료(PV 재료)가 다양한 기판 위에 다양한 증착 방법으로 증착된다. 이러한 PV 재료는,예를 들면, 비정질 실리콘(a-Si) 및 다른 박막 실리콘(TF-Si), 카드뮴 텔룰라이드(CdTe), 구리 인듐 갈륨 디셀레니드(Copper indium gallium diselenide)(CIS 또는 CIGS), 텍스처드 폴리 실리콘(textured poly-silicon: 특별한 질감이 나게 만든 폴리 실리콘), 유기 태양 전지 등을 포함한다.
광대역 차 특성(다시 말해서, 광 흡수단 특성)을 실시간으로 모니터링하는 능력은 태양 전지판과 같은 제품이 지속적으로 고품질 및 고성능을 달성할 수 있게 해 준다. 비록 이러한 박막은, 통상적으로, 광 흡수단의 면에서 반도체 특성을 가지고 있지만, 이러한 박막의 극히 얇은 두께는 기존의 BET 방법 및 장치에 적용에 있어서 새로운 어려움을 초래한다. 이것은 부분적으로는 투명한 및/또는 비-반도체(non-semiconductor) 기판 재료가 사용되는 경우에 빛 흡수 특성을 측정하는 것의 곤란성의 증가로 인한 것인데, 그 이유는 비-반도체 기판 재료가 측정가능한 광 흡수단을 가지고 있지 않으며 거의 모든 파장의 빛에 대해 대체로 투과성을 가지기 때문이다. 게다가, 박막 PV 패널 생산의 분야에서는, 생산 공정에 사용된 온도 측정 기술이 고도로 자동화된 조립 라인 조건에 적합하게 되어야 하도록 제조 처리량이 매우 급격하게 증가하고 있다. 더욱이, 이러한 유형의 흡수재 레이어는 종종 매우 거칠며, 매끈한 표면이 빛을 산란시키는 것보다 상당히 많이 빛을 산란시킨다. 몇 가지 사용처에서는, 박막 레이어의 표면 거칠기의 평가가 품질 제어 및 제조상의 고려사항에 유용할 수 있다.
광전변환공학 세계(Photovoltaics World)의 2009년 3/4월호, 20-25 페이지(www.pyworld.com)에 기술되어 있는 것과 같이, 박막 PV 생산 라인 공정에 대해서 몇 가지 인-라인(in-line) 막 두께 측정 기술이 제안되어 있다. 그러나, 이러한 종래 기술은 일관된 결과 또는 신뢰할 수 있는 결과를 산출하지 않는 특정 분석 방법에 기초하고 있다. 의심의 여지를 없애기 위해 본 출원에 대한 종래 기술로 인정되지 않는 다른 예로서, 피나로브(Finarov)가 출원한 미국 공개공보 제2010/0220316호는 박막 PV 품질 제어를 위한 방법을 개시하고 있는데, 이 방법에서는 조광 라인(illuminated line)이 박막에 비추어진다. 박막의 특정 파라미터를 계산하기 위해서 사용되고 있는 스펙트럼형 신호를 얻기 위해서 검출기 샘플이 상기 조광 라인을 따라 놓여 있다.
따라서 당해 기술 분야에서는, 새로운 재료, 고도의 처리량 생산 기술, 그리고 PV 패널 생산 및 다른 관련 분야 이외에도, 미래의 시장에서 경쟁하는데 필수적인 것으로 간주되는 품질 제어에 대한 요구의 증가에 대해 활용하기 위해서 BET 기술을 개선시키고 적합하게 변형시키고자 하는 필요성이 제기되고 있다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, 대체로 투명한 기판에 도포된 박막의 표면 거칠기를 평가하는 방법이 제공되어 있다. 대체로 투명한 기판이 제공된다. 박막의 재료가 상기 기판 위에 증착된다. 상기 박막 재료 구성은 광 흡수단(우르바흐 에지(Urbach edge))을 나타내고, 측정가능한 표면 거칠기를 가진 상부 노출된 표면을 가지고 있는 유형이다. 분산되게 산란된 산란광을 만들기 위해서 백색광이 상기 기판 위에 증착된 상기 박막과 상호작용할 수 있게 되어 있다. 상기 박막으로부터 발산되는 분산되게 산란된 산란광은 상기 박막으로부터 이격되어 있는 검출기에 의해 검출된 다음, 검출된 빛이 대응하는 빛 세기의 별개의 파장 성분으로 분해되어 있는 스펙트럼 데이터를 만들도록 분광기로 보내진다. 그리고 나서 광 흡수단(우르바흐 에지)이 스펙트럼 데이터로 확인된다. 상기 흡수단의 특징으로부터, 상기 박막의 상대 표면 거칠기의 평가가 이루어질 수 있다.
본 발명은 표면 거칠기를 평가하는 측정의 기준으로서 상기 흡수단을 이용한다는 점에서 종래 기술과 구별된다. 이러한 방식은 종래 기술보다 더 강력하고 신뢰성이 있으며, 특히 고도로 자동화된, 대규모 처리량의 조립 라인 여건에서 지속적으로 신뢰성이 있는 결과를 산출하기 위해서 결정되어 졌다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 대체로 투명한 기판에 도포된 박막의 상대 표면 거칠기를 평가하는 조립체가 제공되어 있다. 이 조립체는 측정가능한 광 흡수단을 가지고 있지 않은 비-반도체 재료로 제조된 대체로 평면인 기판을 포함하고 있다. 특히, 상기 기판은 유리 재료 혼합물을 포함하고 있다. 박막 재료가 상기 기판 위에 증착되어 있다. 상기 박막은 광 흡수단을 나타내는 재료 구성과, 식별가능한 표면 거칠기를 가진 상부 노출된 표면을 가지고 있다. 백색광을 상기 박막쪽으로 비추기 위해 광원이 상기 박막의 한 측면에 배치되어 있다. 결과적으로, 분산되게 산란된 산란광이 상기 박막으로부터 발산된다. 상기 박막으로부터 반사된 분산되게 산란된 산란광을 검출하기 위해 제1 검출기가 상기 광원이 배치된 박막의 측면과 동일한 박막의 측면에서 박막으로부터 이격되어 있다. 상기 박막으로부터 반사된 분산되게 산란된 산란광을 검출하기 위해 제2 검출기가 상기 광원이 배치된 박막의 측면과 동일한 박막의 측면에서 박막으로부터 이격되어 있다. 상기 박막을 통하여 투과된 분산되게 산란된 산란광을 검출하기 위해 제3 검출기가 상기 광원이 배치된 박막의 측면과 반대쪽의 박막의 측면에서 박막으로부터 이격되어 있다. 분산되게 산란된 산란광의 각각의 검출결과로부터 스펙트럼형 데이터를 만들기 위해서 적어도 하나의 분광기가 제1 검출기, 제2 검출기 및 제3 검출기에 작동가능하게 연결되어 있다. 운반 수단이 대체로 일정한 적정 간격을 유지하면서 상기 박막과 상기 기판을 상기 검출기에 대하여 일체로 이동시킨다.
아래의 상세한 설명과 첨부된 도면을 함께 고려하면 본 발명의 상기 특징 및 장점과 다른 특징 및 장점을 보다 용이하게 알 수 있다.
도 1은 시트형 기판과 박막 재료가, 광원과 상기 기판의 한 측면에 배치된 두 개의 반사 검출기와 상기 기판의 반대쪽 측면에 배치된 투과 검출기를 포함하는 BET 시스템에 대하여 일체로 이동되고 있는, 본 발명에 따른 조립체의 개략도이고;
도 2는 기판 위에 증착된 세 개의 레이어를 포함하는 막의 부분 단면 사시도이고;
도 2a는 도 2에서 2A로 표시된 부분의 확대도이고;
도 3a 및 도 3b는 박막의 상대 표면 거칠기에 따라 상이한 산란 효과를 나타내는 광선을 보여주는, 기판과 박막에 대한 개략적인 단면도이고;
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 예시적인 광 흡수단 측정 시스템을 보여주는 개략적인 사시도이고;
도 5는 도 4에 도시된 실시예의 정면도이고;
도 6은 도 4에 도시된 실시예에 대한 박막의 조사 구역의 확대 사시도이고;
도 7은 백색광의 광선이 박막과 접촉하는 구역의 확대도로서, 상기 구역에 관하여 본 발명의 한 실시예에 따른 두 개의 반사 검출기에 대한 얼라인먼트 축을 보여주는 확대도이고;
도 8은 세기 대 파장 그래프로서, 상대적으로 매끈한 박막 표면에 의해 만들어진 스펙트럼으로부터 나온 데이터와 상대적으로 거친 박막 표면에 의해 만들어진 스펙트럼으로부터 나온 데이터인, 두 개의 스펙트럼 데이터가 도시되어 있고, 외삽된(extrapolated) 흡수단 위의 곡선의 통합 구역이 막 표면 거칠기를 정성적으로 나타내는 한 가지 평가 방법을 나타내는 그래프이고;
도 9는 세기 대 파장 그래프로서, 상대적으로 매끈한 박막 표면에 의해 만들어진 스펙트럼으로부터 나온 데이터와 상대적으로 거친 박막 표면에 의해 만들어진 스펙트럼으로부터 나온 데이터인, 두 개의 스펙트럼 데이터가 도시되어 있고, 표면 거칠기를 나타내기 위해서 흡수단 위의 스펙트럼 곡선과 흡수단 아래의 스펙트럼 곡선의 상대적인 변화가 관찰될 수 있는 다른 평가 방법을 나타내는 그래프이고;
도 10는 표면 거칠기를 평가하기 위해서 흡수단의 기울기가 사용될 수 있는 또 다른 평가 방법을 나타내는 도 9와 같은 세기 대 파장 그래프이고;
도 11은 검출기가 상기 박막 표면에 대해 종방향 및 횡방향으로 이동되는 대체 형태의 스캐닝 방법을 나타내는 도 4와 같은 유사한 도면이고;
도 12는 상기 광 흡수단 측정 시스템에 의해 만들어진 데이터가 데이터베이스에 수집되고/저장된 다음 원격 접근을 위해 임의의 적절한 기술을 통하여 전송될 수 있는 또 다른 대체 실시예의 개략도이고; 그리고
도 13은 막 두께, 흡수단 및 표면 거칠기의 측정이 하나의 반사 검출기를 통하여 이루어지는 다른 대체 실시예의 정면도이다.
도 1은 시트형 기판과 박막 재료가, 광원과 상기 기판의 한 측면에 배치된 두 개의 반사 검출기와 상기 기판의 반대쪽 측면에 배치된 투과 검출기를 포함하는 BET 시스템에 대하여 일체로 이동되고 있는, 본 발명에 따른 조립체의 개략도이고;
도 2는 기판 위에 증착된 세 개의 레이어를 포함하는 막의 부분 단면 사시도이고;
도 2a는 도 2에서 2A로 표시된 부분의 확대도이고;
도 3a 및 도 3b는 박막의 상대 표면 거칠기에 따라 상이한 산란 효과를 나타내는 광선을 보여주는, 기판과 박막에 대한 개략적인 단면도이고;
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 예시적인 광 흡수단 측정 시스템을 보여주는 개략적인 사시도이고;
도 5는 도 4에 도시된 실시예의 정면도이고;
도 6은 도 4에 도시된 실시예에 대한 박막의 조사 구역의 확대 사시도이고;
도 7은 백색광의 광선이 박막과 접촉하는 구역의 확대도로서, 상기 구역에 관하여 본 발명의 한 실시예에 따른 두 개의 반사 검출기에 대한 얼라인먼트 축을 보여주는 확대도이고;
도 8은 세기 대 파장 그래프로서, 상대적으로 매끈한 박막 표면에 의해 만들어진 스펙트럼으로부터 나온 데이터와 상대적으로 거친 박막 표면에 의해 만들어진 스펙트럼으로부터 나온 데이터인, 두 개의 스펙트럼 데이터가 도시되어 있고, 외삽된(extrapolated) 흡수단 위의 곡선의 통합 구역이 막 표면 거칠기를 정성적으로 나타내는 한 가지 평가 방법을 나타내는 그래프이고;
도 9는 세기 대 파장 그래프로서, 상대적으로 매끈한 박막 표면에 의해 만들어진 스펙트럼으로부터 나온 데이터와 상대적으로 거친 박막 표면에 의해 만들어진 스펙트럼으로부터 나온 데이터인, 두 개의 스펙트럼 데이터가 도시되어 있고, 표면 거칠기를 나타내기 위해서 흡수단 위의 스펙트럼 곡선과 흡수단 아래의 스펙트럼 곡선의 상대적인 변화가 관찰될 수 있는 다른 평가 방법을 나타내는 그래프이고;
도 10는 표면 거칠기를 평가하기 위해서 흡수단의 기울기가 사용될 수 있는 또 다른 평가 방법을 나타내는 도 9와 같은 세기 대 파장 그래프이고;
도 11은 검출기가 상기 박막 표면에 대해 종방향 및 횡방향으로 이동되는 대체 형태의 스캐닝 방법을 나타내는 도 4와 같은 유사한 도면이고;
도 12는 상기 광 흡수단 측정 시스템에 의해 만들어진 데이터가 데이터베이스에 수집되고/저장된 다음 원격 접근을 위해 임의의 적절한 기술을 통하여 전송될 수 있는 또 다른 대체 실시예의 개략도이고; 그리고
도 13은 막 두께, 흡수단 및 표면 거칠기의 측정이 하나의 반사 검출기를 통하여 이루어지는 다른 대체 실시예의 정면도이다.
도면을 참고하면, 유사한 부재번호는 여러 도면에 대해서 유사하거나 대응하는 부분을 나타내는데, 본 발명에 따른 흡수단 측정 시스템은 부재번호 20으로 표시되어 있다. 상기 흡수단 측정 시스템(20)은 컨베이어 시스템(24)을 따라 이동되는 재료(22)의 인라인식 측정(inline measurement)에 특히 적합하다. 대표적인 재료(22)는 유리 기판(28)(또는 다른 적절한 기판) 위에 박막 흡수 레이어(26)가 도포되어 있는 PV 태양 전지판 제품을 포함한다. 상기 기판(28) 및 박막(26) 레이어가 도 2, 도 2a, 도 3a 및 도 3b에 예시적으로 도시되어 있다. 상기 박막(26)은, 실제로는, 도 2a에 도시되어 있는 것과 같이 복수개의 별개의 레이어로 이루어질 수 있다. 박막(26) 구성은, 예를 들어, CdTe, CIGS, CdS, 텍스처드 폴리 규소(tectured poly-Si), GaAs, Si, SiC, InP, ZnSe, ZnTe, SrTi03, 및 GaN을 포함하는 전형적인 재료들 중의 임의의 재료로 될 수 있다.
상기 재료(22)가 태양 전지판 조립체의 구성요소를 포함하는, PV 패널 제품의 특정 예에서는, 본 발명의 흡수단 측정 시스템(20)을 이용하는 흡수단 측정 및/또는 실시간 BET 측정 기술을 위하여 상기 재료(22)가 직사각형으로 형성되어 있으며 컨베이어(24) 위에서 일체로 이동되는 강성의 시트형 재료를 포함하는 것이 일반적이다. 그러나, 본 발명의 일반적인 원리는 PV 패널, 또는 연속적으로 이송되는 시트 재료의 예에만 국한되는 것이 아니라, 연속적인 스트립, 디스크형 웨이퍼 뿐만 아니라 다른 가능한 사용예에도 적용될 수 있다. 상기 흡수단 측정 시스템(20)은, 대체로 또는 구체적으로, 본 출원인의 미국 특허 제7,837,383호에 상세하게 기술되어 있는 것과 비슷할 수 있는 광원(30)을 포함한다. 이 광원(30)은 재료(22)로 향하는 백색광(32), 특히 비편광이며, 비간섭성 백색광(32)의 광속(beam)을 발생시킨다. 도 2 내지 도 3b에 도시되어 있는 바와 같이, 박막(26) 및 기판(28)의 최상부 표면과 상호작용시에 백색광(32)의 광속은 산란되어 반사된 반사광(34)을 발생시킨다. 그러나, 기판(28)이 대체로 투명하기 때문에, 상기 광속의 상당 부분이 상기 재료(22)를 통과하여 투과광(34')으로서 바닥부를 통하여 빠져 나온다. 반사광(34) 및 투과광(34')은 백색광(32)이 박막(26)과 상호작용하는 결과로 박막(26)으로부터 발산되는 분산되게 산란된 산란광을 포함한다.
제1 흡수단 검출기(36)는 비-경면적으로(non-specularly) 대향하는 위치, 다시 말해서, 산란된 반사광(34)을 수집하기 위해서 백색광(32)의 광속으로부터 입사각의 외측에 에 배치되어 있다. 이러한 배치상태에서 상기 제1 흡수단 검출기(36)는 대체로 미국 특허 제7,837,383호에 기술된 것에 따라 구성된 "반사 모드" 검출기(36)로 되어 있다. 바람직하게는, 고체 기술(solid-state technology) 타입인 하나 이상의 분광기(58)(도 1)가 사용될 수 있다. 분광기(58)는, 예를 들면 400 - 1100 nm, 1024 픽셀 백 신드(back thinned) Si CCD 어래이 시스템과 같은 임의의 적절한 타입으로 될 수 있다. 물론, 다른 사용처에는 대체 형태의 분광기(58) 사양이 필요할 수 있다.
부재번호 38로 표시된 제2 박막 측정 검출기도 상기 재료(22)로부터 산란된 반사광(34)을 수집하기 위해서 광원(30)에 대하여 비-경면적으로 대향하는 위치에 배치되어 있다. 제1 흡수단 검출기(36) 및 제2 박막 측정 검출기(38)는 광원(30)이 배치된 박막(26)의 측면과 동일한 박막(26)의 측면에 배치되어 있으므로, 제1 흡수단 검출기(36)와 제2 박막 측정 검출기(38)는 모두 반사 모드 작업용으로 구성되어 있다. 제2 박막 측정 검출기(38)는 대체로, 본 출원인의 국제특허출원인 2010년 12월 23일자로 발행된 WO 2010/148385에 기술되어 있는 것에 따라 제작되어 있다.
반사 모드 흡수단 검출기(36)와 박막 측정 검출기(38) 양자 모두는 미국 특허 제7,837,383호에 기술되어 있는 것과 같은 레이저 얼라인먼트 장치를 구비할 수 있으며, 백색광(32)의 광속이 상기 재료(22)에 충돌하는 지점에 대해 상기 검출기(36, 38)를 정렬시키는 장치와 관련하여 유용한 각각의 레이저 빔(36', 38')을 발생시키도록 구성될 수 있다. 얼라인먼트 레이저 빔(36', 38')은 검출 모드 동안에는 발생되지 않는다.
또한, 부재번호 40으로 표시된 제3 투과 모드 검출기는, 투과광(34')을 수용하기 위해 상기 재료(22)의 아래에 위치되어 있다. 상기 제3 투과 모드 검출기(40)는 상기 시스템의 초기 설정 단계 동안 사용하기 위해서 얼라인먼트 레이저 빔(40')을 포함할 수 있다.
단지 예시적인 목적을 위해 상기 흡수단 측정 시스템(20)에 대한 매우 단순화된 구조가 도 4 내지 도 6에 도시되어 있다. 이러한 예에서, 공통 프레임 구조(42)가 검출기(36, 38, 40)를 광원(30)과 서로 연결하고 있다. 비로 도시되어 있지는 않지만, 개별적인 얼라인먼트와 조정을 가능하게 하기 위해서 각각의 검출기(36, 38, 40)와 광원(30)은 프레임(42)에 이동가능하게 장착될 수 있다는 것을 알 수 있다. 상기에 제안되어 있는 바와 같이, 상기 재료(22)의 길이를 따라서 흡수단의 연속적인 직선형 스캔(scan) 및 온도를 제공하기 위해서 상기 재료(22)는 상기 흡수단 측정 시스템(20)에 대해 직선으로 이동되는 것이 바람직하다.
이제 도 7을 참고하면, 광원(30)으로부터 나온 광속(32)이 박막(26)의 노출된 상부 표면과 접촉하는 지점에서의 상기 재료(22)의 확대도가 도시되어 있다. 광속(32)의 중심선이 문자 A로 표시되어 있다. 광속(32)의 중심선(A)을 따라 대체로 중심을 이루고 있는 작은 원(38')은 박막 측정 검출기(38)로부터 발산되는 얼라인먼트 레이저(38')에 대한 접촉 지점을 나타낸다. 반사광(34)의 세기가 반사 모드 검출기(36)를 압도할 가능성을 가지는 상황에서는 반사 모드 검출기(36)에 의한 작은 원(36')은 광속(32)의 중심선(A)으로부터 벗어날 수 있다(이 경우에는 광속(32)의 외측으로 부분적으로 조정된 상태로 도시되어 있음). 박막(26)의 표면 거칠기가 심한 상황에서는, 산란광(34)의 세기가 커진다(도 3a에 도시되어 있는 것과 같이). 반사 모드 흡수단 검출기(36)의 과포화(over saturation)를 방지하기 위해서, 반사 모드 흡수단 검출기(36)의 초점 또는 얼라인먼트 빔(36')은 광속(32)의 경계부 근처 또는 광속(32)의 경계부 바로 바깥쪽에 놓일 수 있는 적절한 위치로 신중하게 조정될 수 있다. 대체 형태로서, 광속(32)의 세기는 광원(30)에서 감소될 수 있다. 비록 명확하게 도시되어 있지는 않지만, 투과 모드 검출기(40)의 얼라인먼트 빔(40')이 광속(32)의 중심선(A)과 대체로 일직선으로 되는 것이 바람직하다. 그러나, 투과 모드 검출기(40)의 비-경면적으로(non-specularly) 대향하는 얼라인먼트 위치도 적합할 수 있다.
작동시에는, 광원(30)이 막 두께 측정과 상기 박막 측면의 확산 반사(diffuse reflectance) 및 투과 모드 검출기(40)를 통한 박막(26) 흡수단 검출을 위해 방사선을 방출한다. 비록 도시되어 있지는 않지만, 몇 가지 사용예에서와 같이, 기판(28)의 바닥부 에지에 도포된 임의의 막의 흡수단을 측정하는데 사용하기 위해, 이차적인 광원이 상기 재료(22)의 밑면에 배치될 수 있다. 이차적인 광원이 사용되는 경우에는, 이 이차적인 광원은 확산 반사를 통하여 바닥부에 도포된 임의의 막에 대해 흡수단 검출을 위해 가시 광선을 방출하도록 구성될 수 있다. 보조 광원이 있는 경우에는, 미국 특허 제7,837,383호에 개시되어 있는 것과 같이 양 광원이 포커싱 렌즈를 통하여 재료(22)위의 동일한 위치에 초점이 맞추어지는 것이 바람직하다. 총 카운트(total count), S/N 비율 그리고 미광 수집(stray light collection)을 최소화하는 것의 면에서 최적의 결과를 제공하기 위해 검출기(36, 38, 40)에 대해서도 렌즈가 사용되는 것이 바람직하다.
상기 흡수단 측정 시스템(20)에 의해 구한 흡수단을 이용하여 박막(26)의 상대적인 표면 거칠기 계산이 다양한 방식으로 이루어질 수 있다. 한 가지 기술에 따르면, 반사 모드 흡수단 검출기(36)로부터 수집된 스펙트럼 데이터가 사용된다. 도 8을 참고하면, 상기 흡수단 측정 시스템(20)으로부터 수집된 가공 스펙트럼(processed spectrum)을 나타내는 샘플 세기-파장 그래프가 도시되어 있다. 곡선 44는 반사 모드 흡수단 검출기(36)로부터 수집된 스펙트럼 데이터를 나타낸다. 선형(linear) 흡수단(46)은 소위 흡수단 파장을 찾는 미국 특허 제7,837,383호에 개시된 기술을 이용하여 x-축과 교차하는 기울기를 따라서 뻗어 있다. 선형 흡수단(46)의 위쪽 부분과 스펙트럼 곡선(44)의 아래쪽 부분으로 둘러싸인 구역 48은 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있는 것과 같은 산란광(34)의 세기를 나타낸다. 박막(26) 상의 거친 표면은 매끈한 표면에 비하여 빛을 더 많이 산란시키므로, 그 결과 대역 차(band gap) 위에(다시 말해서, 선형 흡수단(46) 위에) 넓은 구역(48)을 만든다. 따라서, 상기 구역(48)이 넓을수록 박막(26) 표면이 더 거칠다는 것을 의미하며 그 반대의 경우도 마찬가지라는 점에서, 이러한 산란광(34)의 세기에 기초하여 표면 거칠기에 대한 정성적인 평가가 이루어질 수 있다.
도 9는 스펙트럼 데이터로부터 확인된 흡수단을 이용하여 상대 표면 거칠기 평가를 하는 다른 기술을 나타내고 있다. 도 8에 도시된 것과 비교를 위해서, 두 개의 겹쳐진 데이터 샘플이 도시되어 있는데- 한 스펙트럼은 상대적으로 매끈한 표면을 나타내고 다른 스펙트럼은 상대적으로 거친 표면을 나타낸다. 이 경우에 있어서, 상대적으로 거친 막 표면(다시 말해서, 불량한 품질의 표면)에 의해서 만들어진 스펙트럼 곡선이 상대적으로 매끈한 막 표면(다시 말해서, 우수한 품질의 표면)에 의해 만들어진 스펙트럼 곡선보다 큰 어버브-갭 세기(above-gap intensity)를 나타낼 것이라는 것은 명백하다. 상대적으로 거친 막 표면에 의해 만들어진 스펙트럼은 상대적으로 매끈한 막 표면에 의해 만들어진 스펙트럼 곡선에서의 대역단 단차 높이(band edge step height)보다 작은 대역단 단차 높이를 나타낼 것이라는 것도 알 수 있다. 이러한 단차 높이는 (빌로우 갭 세기 - 어버브 갭 세기)/빌로우 갭 세기(below gap intensity)로서 수학적으로 이해될 수 있다. 다시 말해서, (max-min)/max 이다. 따라서, 도 9는 흡수단의 특징이 표면 거칠기의 특징이고, 한 재료 샘플(22)을 다른 재료 샘플(22)과 대비하여 정성적으로 평가하거나, 동일한 재료 샘플(22) 내의 상이한 위치를 정성적으로 평가하는데 사용될 수 있는 다른 방법을 나타낸다.
별개의 재료 샘플(22)들 사이의 상대 표면 거칠기 상태 또는 동일한 재료 샘플(22) 내의 상이한 위치들 사이의 상대 표면 거칠기 상태를 평가하는데 흡수단이 유용하게 사용되는 본 발명의 원리의 또 다른 적용예로서, 도 10은 상기 흡수단의 기울기가 어떻게 사용될 수 있는 지를 나타내고 있다. 이 예에서는, 도 8에서와 같이, 다시 매끈한 표면 막과 거친 표면 막을 각각 나타내는 두 개의 겹쳐진 데이터 샘플이 도시되어 있다. 이 경우에, 상대적으로 거친 막 표면에 의해 만들어진 곡선이 상대적으로 매끈한 막 표면에 의해 만들어진 곡선보다 작은 흡수단 기울기를 나타낼 것이라는 사실을 강조하기 위해서 각각의 스펙트럼에 대한 흡수단의 기울기는 각각의 단부에서 연장되어 있다. 따라서, 스펙트럼 곡선의 기울기를 비교함으로써, 박막(26)의 표면 거칠기가 양호한 것으로 간주될 수 있는지 불량한 것으로 간주될 수 있는지를 결정하는 정성적인 평가가 이루어질 수 있다.
제1 검출기 및 제3 검출기(36, 40)는 박막(26)의 온도를 모니터링하기 위해서 사용될 수 있는 반면에, 제2 검출기(38)는 주로 박막(26)의 두께를 모니터링하기 위해서 사용될 수 있다. 몇 가지 경우에 있어서, 특히 증착 공정 동안 온도를 모니터링할 때, 막의 두께를 변화시키는 것을 설명하는 것이 바람직할 수 있다. 반도체 재료를 통과하는 광의 투과의 일반적인 상관성은 아래의 식:
에 의해 제공되는데, 상기 식에서, d는 박막(26)의 두께이고, I(d)는 상기 박막 두께(d)에서 박막(26)으로부터 수집된 분산되게 산란된 산란광의 세기이고, I(0)는 박막(26)이 없이 기판(28)으로부터 수집된 분산되게 산란된 산란광의 세기이고, α는 박막 재료의 대역 차 에너지 아래의 박막(26) 재료의 흡수 계수이다. 재료의 흡수 계수(α)는 온도 의존적인 재료의 대역 차 에너지에 대한 광 흡수의 상관성을 나타낸다. 재료의 흡수 계수(α)는 또한 상기 식 1:
에서 α(hv)로 나타내어진다.
식 1은 박막(26)의 광 흡수가 두께 의존적이라는 것과 광 흡수의 거동이 지수함수적(exponential)이라는 것을 나타낸다. 기판(28)이 측정가능한 광 흡수단 파장을 가지고 있지 않은 적용예에서는, 반도체 재료로 형성된 기판과 같이, 광(32)이 박막(26)의 표면, 박막(26)과 두꺼운 기판(28) 사이의 경계면, 그리고 기판(28)의 표면으로부터 분산되게 산란된다. 반도체 재료로 형성된 기판(28)에서는, 광(32)이 큰 두께를 가지는 기판(28)에 의해 영향을 받으므로, 두께에 있어서 점점 증가하는 변화는 사실상 광 흡수단에 큰 영향을 미치지 않는다. 그러나, 기판(28)이 비-반도체와 같은 측정가능한 광 흡수단 파장을 가지지 않는 재료로 형성되는 경우에는, 광(32)이 본질적으로 기판(28)에 의해 영향을 받지 않는다. 이러한 상태의 기판(28)은 대체로 투명하거나(예를 들면, 유리 또는 사파이어) 완전히 반사성(예를 들면, 강 또는 다른 금속)이다. 따라서, 광(32)은 반도체 막(26)에 의해서만 영향을 받는다. 상기 막(26)은 얇기 때문에, 막 두께가 점점 증가하거나 변화하는 것은 막(26)의 측정된 광 흡수단 파장에 큰 영향을 미친다. 막 두께에 있어서의 점진적인 변화나 증가는 대체로 두께가 1.0 ㎛ 증가하거나 감소하는 것이다.
도 2a에 도시된 예시적인 실시예에서는, 박막(26)이 사파이어 기판(28)에 증착된 세 개의 레이어(60, 62, 64)를 포함하고 있다. 기판(28)은 약 600 ㎛의 두께를 가지고 있다. 기판(28)위에 증착된 베이스 레이어(60)는 도핑처리되지 않은 GaN(undoped GaN)을 포함하고 있으며 약 3.0 ㎛ 내지 약 4.0 ㎛의 두께를 가지고 있다. 베이스 레이어(60) 위에 증착된 중간 레이어(62)는 도핑처리된 GaN(doped GaN)을 포함하고 있으면 약 0.5 ㎛ 내지 약 1.0 ㎛의 두께를 가지고 있다. 중간 레이어(62) 위에 증착된 상부 레이어(64)는 InGaN을 포함하고 있으며 약 0.2 ㎛ 내지 약 0.5 ㎛의 두께를 가지고 있다. 기판(28) 위에 증착되고 처리(processing)되는 동안 상부 레이어(64)의 온도는 최종 제품의 품질에 특히 중요할 수 있다. 상기에 시사되어 있으며 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있는 바와 같이, 박막(26)의 각각의 레이어(60, 62, 64)의 상부 표면과 하부 표면으로부터 광이 분산되게 산란된다.
본 발명의 방법, 장치 및 시스템은 박막 두께의 함수로서 박막(26)의 광 흡수단 파장을 결정한 다음, 이것이 박막(26)의 온도를 결정하는데 사용되도록 하는 것에 의해서 박막(26)의 두께의 점진적인 변화를 설명하도록 구성될 수 있다. 상기 광 흡수단 파장 및 온도는 바람직하지 않은 특성을 초래하는 바람직하지 않은 온도를 정정하도록 박막(26)에 대한 조정이 이루어질 수 있을 때의 제조 공정의 한 시점에서 결정된다.
제1 단계는 사용된 검출기의 불균일한 응답 및 불균일한 출력 광 신호와 같은 장비로 인한 잠재적인 에러를 정정하기 위해서 스펙트럼 획득을 수행하는 것을 포함한다. 이러한 에러는 처리되지 않은 확산 반사(raw diffuse reflectance) 광 신호가 정확한 파장 위치에서 측정가능한 광 흡수단을 만드는 것을 방해할 수 있다. 스펙트럼 획득을 수행할 때에는, 상기 에러가 정상 상태(steady-state)에 있는 것으로 추정될 수 있다.
스펙트럼 획득은 먼저 시스템의 전체적인 반응, 다시 말해서, 파장과 관련된 광원 출력 특징과 검출기 반응의 조합을 나타내는 기준 스펙트럼을 만드는 것을 포함한다. 기준 스펙트럼은, 박막(26)이 없는 상태, 예를 들면, 아무것도 안 덮인 사파이어(bare sapphire) 상태로 광을 기판(28)에 비추고, 검출기(40)에서 분산되게 산란된 산란광을 수집하는 것에 의해서 만들어진다. 다음에, 기판(28)만으로 광과 상호작용하는 것에 의해 수집된 분산되게 산란된 산란광에 기초하여 기준 스펙트럼을 발생시키기 위해서 분광기(58)가 사용된다. 스펙트럼 획득은 기준 스펙트럼을 정규화하는 것(normalizing)에 의해 끝난다.
비처리 스펙트럼(raw spectrum)이 상기 박막으로부터 분산되게 산란된 산란광에 기초하여 만들어질 때마다, 상기 방법은 비처리 스펙트럼을 정규화하는 것과, 최종 스펙트럼(resultant spectrum)을 만들기 위해서 정규화된 기준 스펙트럼으로 정규화된 비처리 스펙트럼을 나누는 것을 포함한다. 기준 스펙트럼으로 비처리 스펙트럼을 나누는 것은 들어오는(incoming) 모든 비처리 스펙트럼에 대해서 수행되고, 광 흡수단 특징을 향상시키는 것에 부가하여, 정확한 막 두께를 결정하는데 있어서 필수적이다. 광 흡수단 파장을 결정하기 위해서 최종 스펙트럼이 정규화되어 사용된다. 최종 스펙트럼은 박막(26)의 온도 또는 다른 특성을 결정하기 위해서 사용되는 분해가능한 광 흡수단 파장을 제공한다.
정규화된 기준 스펙트럼을 만드는 것을 포함하는, 스펙트럼 획득은 시스템의 구성요소가 변경될 때마다 수행된다. 예를 들면, 검출기(40)의 뷰 포트(view port)는 시간이 경과함에 따라 이물질로 덮일 수 있고, 이것은 수집된 광에 영향을 미친다. 스펙트럼 획득은, 필요에 따라, 작동할 때마다 한 번, 하루에 한 번, 일주일에 한 번, 또는 다른 시간 간격으로 수행될 수 있다. 기준 스펙트럼 획득을 작동할 때마다 한 번 수행하는 것은 일주일에 한 번 수행하는 것보다 대체로 더 정확한 결과를 제공할 것이다.
기준 스펙트럼, 비처리 스펙트럼, 및 최종 스펙트럼을 포함하는 본 방법 및 시스템의 스펙트럼은 통상적으로, 기판(28)으로부터 발생되는 광신호를 특정 광 세기의 별개의 파장 성분으로 분해함으로써 만들어진다. 상기 스펙트럼은 박막(26)으로부터 분산되게 산란된 산란광에 기초하여 박막(26)의 광 흡수를 나타낸다. 도 7 내지 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 스펙트럼은 통상적으로 광의 세기 대 파장의 그래프를 포함한다. 그러나, 상기 스펙트럼은, 표와 같은, 다른 형태로 광 흡수 정보를 제공할 수 있다.
최종 스펙트럼은 광 흡수단 파장을 결정하는데 사용된다. 상기한 바와 같이, 광 흡수단 파장은 재료의 전자기 방사선의 흡수도의 급격한 증가가 있는 특정 파장이다. 광 흡수단 파장은 특정 재료, 재료의 온도, 그리고 재료의 두께에 의존한다. 광 흡수단 파장은 스펙트럼으로부터 확인될 수 있는데; 매우 낮은 세기(강하게 흡수하는 세기)로부터 매우 높은 세기(강하게 투과하는 세기)로 광의 세기가 급격하게 변하는 파장이다. 광 흡수단 파장은 상기한 상대 표면 거칠기 평가를 하는 것뿐만 아니라 기판(28)의 온도를 결정하는데 사용된다.
상기 방법은 단일 두께에서의 박막(26)의 온도 대 파장 교정표(온도 교정표)를 만드는 것을 더 포함할 수 있다. 또한 상기 온도 교정표(temperature caliberation table)는 상기 방법의 사용자에 의해 만들어지기보다는 상기 방법의 사용자에게 제공될 수 있다. 상기 온도 교정표는 상기 박막의 일정한 두께에서의 온도 대 광 흡수단 파장을 나타낸다. 상기 온도 교정표는 스펙트럼으로부터 얻은 광 흡수단 파장에 기초하여 박막의 온도 측정값을 제공한다. 그러나, 종래 기술의 시스템 및 방법과는 달리, 본 발명의 시스템 및 방법은 광 흡수단 파장에 대한 박막(26)의 두께의 영향 또는 아래에서 더 논의될 막 두께에 대한 광 흡수단 파장의 의존성을 설명함으로써 박막(26)의 온도를 결정하는 것을 더 포함한다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 방법 및 시스템은 박막(26)의 광 흡수단을 결정하는 것을 포함하고, 이것은 현 상황에서 박막(26)의 광 흡수단 파장이 박막(26)의 두께에 의존하는 것이 적절한 것인지 여부를 박막(26) 두께의 함수로서 선택적으로 결정될 수 있다. 박막 두께는 박막(26)의 광 흡수단과, 도 2a의 샘플의 상부 레이어(64)와 같은, 박막(26)의 온도의 측정에 특히 중대한 영향을 미친다.
박막(26)의 두께는 다양한 방법에 의해 결정될 수 있다. 본 발명의 한 실시예에서는, 박막(26)의 두께가 박막(26)으로부터 분산되게 산란된 산란광에 의해 만들어지고, 상기한 바와 같이, 광 흡수단 파장을 결정하는데 사용된 스펙트럼으로부터 편리하게 결정된다. 상기 스펙트럼은 종종 스펙트럼의 광 흡수단 구역의 오른쪽 아래의 진동(oscillation)을 포함한다. 상기 진동은 박막 간섭의 결과이고, 이것은 오일의 박막에서 종종 관찰될 수 있는 간섭 링과 유사하다. 상기 진동의 파장 의존적인 마루(peak)와 골(valley)의 파생적인 분석(derivative analysis)이 박막(26)의 두께를 결정하는데 이용된다. 아래의 식 5:
는 박막(26)의 두께를 결정하는데 이용될 수 있고, 상기 식에서, d는 상기 박막의 두께이고, λ1은 상기 진동의 제1 마루에서의 파장이고 λ2는 상기 제1 마루에 인접해 있는 상기 진동의 제2 마루에서의 파장이거나, 대체 형태로서 λ1은 상기 진동의 제1 골에서의 파장이고 λ2는 상기 제1 골에 인접해 있는 상기 진동의 제2 골에서의 파장이고, n1은 λ1에서의 반도체 재료에 의존하는 소정의 굴절률이고, n2는 λ2에서의 반도체 재료에 의존하는 소정의 굴절률이다. λ1과 λ2용으로 사용된 파장은 상기 진동의 임의의 두 개의 연속적인 마루 또는 임의의 두 개의 연속적인 골의 파장으로 될 수 있다. 박막(26)의 두께에 대해서 얻은 상기 값과 진동은 박막(26)의 모든 레이어(60, 62, 64)에 대해 비선형 의존성을 가지고 있다. 박막(26)의 두께는 다른 방법을 이용하여 결정될 수도 있다. 예를 들면, 박막의 두께는 증착 횟수의 함수로서 이전의 두께의 측정값에 기초하여 추산되거나, 또는 미국 미시간주 덱스터에 위치한 케이-스페이스 어소시에이츠 인코포레이티드사로부터 구입할 수 있는 제품인 Rate RatTM와 같은 레이저에 기초한 반사도 시스템(laser-based reflectivity system)에 의해 추산될 수 있다.
상기한 바와 같이, 박막(26) 두께의 함수로서 박막(26)의 광 흡수단을 결정하는 단계는 박막 두께에 대한 박막(26)의 광 흡수의 의존성을 설명하는 것을 포함한다. 박막 두께의 함수로서 박막(26)의 광 흡수단을 결정하는 단계는 또한, 측정가능한 광 흡수단 및 기판(28) 상에 측정가능한 두께를 가지는 반도체 재료의 박막(26)을 증착시키는 단계로 인한 스펙트럼으로부터 얻은 박막(26)의 측정된 광 흡수단 파장 값을 조정하는 것을 포함할 수도 있다. 박막 두께의 함수로서 박막(26)의 광 흡수단을 결정하는 단계는 또한, 박막(26)의 반도체 재료를 확인하는 것과 조정된 흡수단 파장을 얻기 위하여 반도체 재료와 박막(26)의 두께에 기초하여 스펙트럼으로부터 결정된 측정된 광 흡수단 파장 값을 조정하는 것을 포함할 수도 있다.
박막 두께의 함수로서 박막(26)의 광 흡수단을 결정하는 단계는 통상적으로 두께 교정표를 이용하는 것을 포함한다. 각각의 반도체 재료는 고유의 두께 교정표를 가지고 있다. 이 두께 교정표는 박막의 일정한 온도에서의 광 흡수단 파장 대 두께를 나타낸다.
상기 두께 교정표는, 일정한 온도에서 반도체 재료의 박막(26)을 성장시키고 각각의 두께에 대한 스펙트럼을 만들기 위해서 두께의 각각의 증가분에서의 광 흡수단 파장을 측정하는 것에 의해서 얻어질 수 있다. 상기 두께 교정표는 또한, 일정한 온도에서 기판(28) 상에 박막(26)을 증착시키고 일정한 온도와 복수의 두께에서 박막(26)의 광 흡수단 파장을 측정하는 것에 의해서 마련될 수도 있다. 또한 일정한 온도에서 두께 교정표를 마련하는 것은 사용자가 두께에 대한 광 흡수단 파장의 의존성을 결정할 수 있게 해 준다.
상기한 바와 같이 각각의 스펙트럼에 대해서 스펙트럼 획득이 수행된다. 다음에, 각각의 스펙트럼으로부터 비처리 광 흡수단 파장 값(raw optical absorption edge wavelength value)이 일정한 온도에서 각각에 두께에 대해 결정된다. 데이터에 대해 최적합(best fit)을 제공하는 다항식의 차수가 n인, 광 흡수단 파장 대 두께 곡선을 만들기 위해서, 비처리 광 흡수단 파장 값에 대해서 n차 다항식 맞춤(polynomial fit)이 수행된다. 이러한 n차 다항식 의존성이 두께 교정표를 만들기 위해서 사용된다. 이 두께 교정표는 차후의 온도 측정에 대한 두께 정정 조회표로서 사용된다. 상기 두께 교정표는 막 두께에 대한 광 흡수단 파장의 의존성을 나타낸다. 막 두께가 증가함에 따라 광 흡수단 파장이 증가한다. 상이한 재료는 상이한 결과를 나타내기 때문에, 상기 두께 교정표는 각각의 고유의 반도체 재료에 대해 만들어진다. 상기 두께 교정표는 또한 사용자에 의해 만들어지기보다는 상기 방법의 사용자에게 제공될 수 있다. 그러나, 각각의 고유의 재료에 대해, 다양한 두께와 온도에서 박막의 온도를 결정하기 위해서 단 하나의 두께 교정표가 필요하다. 상기 방법은 박막의 반도체 재료를 확인하는 것과 확인된 반도체 재료에 대해 두께 교정표 및 온도 교정표를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 특정 두께에서의 박막의 온도는 상기 스펙트럼, 상기 두께 교정표 및 상기 온도 교정표에 기초하여 결정된다.
대체 형태의 구성에서는, 재료(22)에 대하여 상기 흡수단 측정 시스템(20)을 이동시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 상대 이동은 재료(22)의 상이한 표면 위치를 연속적으로 또는 단속적으로 스캔하기 위해서 상대적인 종방향 이동뿐만 아니라 횡방향 이동, 심지어는 곡선형 이동도 포함할 수 있다. 도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 시스템은 재료(22)의 전면을 스캔하도록 자동화될 수 있다. 상이한 제어/재료 처리 전략은 다양한 스캔 경로 형태를 초래할 수 있다.
투과 모드 검출기(40)는 광(32)을 가로지르는 재료(22)의 존재 또는 부존재를 감지할 수 있는 광학 트리거 기구를 포함할 수 있다. 대체 형태로서, 유사한 목적을 수행하기 위해서 독립형 광학 트리거(optical trigger) 또는 다른 유형의 광학 트리거가 사용될 수 있다. 이러한 데이터는 품질 제어 및 재료(22) 추적(tracking) 목적으로 사용될 수 있다. 도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 흡수단 측정 시스템(20)에 의해 만들어진 데이터는 데이터베이스(68)에 수집/저장된 다음 원격 접근을 위한 임의의 적절한 기술을 통하여 전송될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 흡수단 측정 시스템(20)에 의해 측정된 파라미터의 실시간 모니터링이 제조 현장에 직접 배치되어 있거나 그렇지 않거나 간에 임의의 이해관계자에게 이용가능하게 될 수 있다.
상기한 세 개의 검출기(36, 38, 40)의 기능은 도 13에 도시된 하나의 검출기(136)로 통합될 수 있다. 물론, 본 발명의 일반적인 기술사상의 많은 다른 구성 및 변형이 가능하며 이는 당해 기술분야의 전문가에는 자명할 것이다.
상기의 발명은 관련 법적 기준에 따라 기술되어 있으므로, 상기 설명은 본질적으로 제한적인 것이 아니라 예시적인 것이다. 개시된 실시예에 대한 여러가지 변형 및 수정은 당해 기술분야의 전문가에게는 자명한 것이 될 수 있으며 또한 본 발명의 범위 내에 있다.
Claims (16)
- 대체로 투명한 기판에 도포된 박막의 적어도 표면 거칠기를 평가하는 방법으로서,
a) 대체로 투명한 기판을 제공하는 단계를 포함하고 있고;
b) 상기 기판에 박막 재료를 증착시키는 단계를 포함하고 있고; 상기 박막 재료 구성은 광 흡수단(우르바흐 에지)을 나타내고; 상기 박막은 측정가능한 표면 거칠기를 가진 상부 노출 표면을 가지고 있고;
c) 분산되게 산란된 산란광을 만들기 위해서 백색광을 상기 기판에 증착된 상기 박막과 상호작용시키는 단계를 포함하고 있고;
d) 상기 박막으로부터 발산하는 분산되게 산란된 산란광을 상기 박막으로부터 이격된 검출기로 검출하는 단계를 포함하고 있고;
e) 검출된 광을 분광기에 수집하는 단계를 포함하고 있고; 상기 분광기를 이용하여 상기 검출된 광이 대응하는 광 세기의 별개의 파장 성분으로 분해되어 있는 스펙트럼 데이터를 만들고; 그리고
f) 상기 스펙트럼 데이터에서 광 흡수단(우르바흐 에지)를 확인하는 단계; 및
g) 상기 흡수단의 함수로서 상기 박막의 상대적인 표면 거칠기를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서, 상기 표면 거칠기를 결정하는 단계는 광 세기 대 파장 스펙트럼의 아래쪽 부분과 확인된 흡수단의 위쪽 부분으로 둘러싸인 면적을 계산하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 표면 거칠기를 결정하는 단계는, 상기 흡수단의 위와 아래에서의 상기 스펙트럼 데이터의 상대적인 변화를 비교하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 표면 거칠기를 결정하는 단계는, 상기 흡수단의 기울기를 기준 흡수단 기울기에 대해 비교하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 표면 거칠기를 결정하는 단계는, 상이한 세트의 스펙트럼 데이터로부터 얻은 적어도 두 개의 흡수단을 비교하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 박막의 노출 표면을 상기 검출기로 스캐닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 스캐닝하는 단계는, 상기 박막과 기판을 상기 검출기에 대해 대체로 일정한 적정 간격을 유지하면서 일체로 이동시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 이동시키는 단계는, 상기 박막과 기판을 상기 검출기에 대해 횡방향과 종방향의 조합으로 일체로 이동시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기판은 유리 재료 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 증착시키는 단계는, 상기 상호작용시키는 단계 전에 진공 챔버 내에서 상기 박막 재료의 증발된 형태를 상기 기판에 응축시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 상호작용시키는 단계는, 상기 박막의 노출 표면으로부터 광을 반사시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 상호작용시키는 단계는, 상기 박막 및 기판을 통하여 광을 투과시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 분광기는 고체상 분광기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 확인된 흡수단의 함수로서 상기 박막의 두께를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 대체로 투명한 기판에 도포된 박막의 광 흡수단, 표면 거칠기 및 두께를 종합적으로 결정하는 방법으로서,
a) 측정가능한 광 흡수단을 가지고 있지 않은 재료의 기판을 제공하는 단계를 포함하고 있고; 상기 기판은 유리 재료 구성을 포함하고;
b) 반도체 재료의 박막을 상기 기판에 증착시키는 단계를 포함하고 있고; 상기 박막 재료 구성은 광 흡수단(우르바흐 에지)을 나타내고; 상기 박막은 측정가능한 표면 거칠기를 가진 상부 노출 표면을 가지고 있고; 상기 증착시키는 단계는 진공 챔버 내에서 상기 박막 재료의 증발된 형태를 상기 기판에 응축시키는 것을 포함하고;
c) 분산되게 산란된 산란광을 발생시키기 위해서 비편광된 비간섭성 백색광을 상기 기판에 증착된 상기 박막과 상호작용시키는 단계를 포함하고 있고; 상기 상호작용시키는 단계는, 상기 박막의 노출 표면으로부터 광을 반사시키는 것과 상기 박막 및 기판을 통하여 광을 투과시키는 것 중의 적어도 하나를 포함하고;
d) 상기 박막으로부터 발산하는 분산되게 산란된 산란광을 상기 박막으로부터 이격되어 있으며 상기 박막과 비접촉 관계로 있는 검출기로 검출하는 단계를 포함하고 있고;
e) 검출된 광을 분광기에 수집하는 단계를 포함하고 있고; 상기 분광기를 이용하여 상기 검출된 광이 대응하는 광 세기의 별개의 파장 성분으로 분해되어 있는 스펙트럼 데이터를 만들고;
f) 상기 스펙트럼 데이터에서 대역간 광 흡수단(우르바흐 에지)을 확인하는 단계를 포함하고 있고;
g) 상기 흡수단의 함수로서 상기 박막의 상대적인 표면 거칠기를 결정하는 단계를 포함하고 있고; 상기 표면 거칠기를 결정하는 단계는, 광 세기 대 파장 스펙트럼의 아래쪽 부분과 확인된 흡수단의 위쪽 부분으로 둘러싸인 면적을 계산하는 것, 상기 흡수단의 위와 아래에서의 상기 스펙트럼 데이터의 상대적인 변화를 비교하는 것, 그리고 상기 흡수단의 기울기를 기준 흡수단 기울기에 대해 비교하는 것 중의 적어도 하나를 포함하고; 그리고
h) 확인된 흡수단의 함수로서 상기 박막의 두께를 결정하는 단계를 포함하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 대체로 투명한 기판에 도포된 박막의 상대적인 표면 거칠기를 평가하는 조립체로서,
a) 대체로 평면인 기판을 포함하고 있고; 상기 기판은 측정가능한 광 흡수단을 가지고 있지 않은 비반도체 재료로 제작되어 있고; 상기 기판은 유리 재료 구성을 포함하고;
b) 상기 기판에 증착된 반도체 재료의 박막을 포함하고 있고; 상기 박막은 광 흡수단(우르바흐 에지)을 나타내는 재료 구성을 가지고 있고; 상기 박막은 측정가능한 표면 거칠기를 가진 상부 노출 표면을 가지고 있고; 그리고
c) 백색광을 상기 박막쪽으로 비추어서 박막으로부터 발산하는 분산되게 산란된 산란광을 발생시키기 위해서 상기 박막의 한 측면에 배치된 광원;
d) 상기 박막으로부터 반사된 분산되게 산란된 산란광을 검출하기 위해서 상기 광원이 배치된 박막의 측면과 동일한 측면에서 상기 박막으로부터 이격된 제1 검출기;
e) 상기 박막으로부터 반사된 분산되게 산란된 산란광을 검출하기 위해서 상기 광원이 배치된 박막의 측면과 동일한 측면에서 상기 박막으로부터 이격된 제2 검출기;
f) 상기 박막을 통하여 투과된 분산되게 산란된 산란광을 검출하기 위해서 상기 광원이 배치된 박막의 측면의 반대쪽 측면에서 상기 박막으로부터 이격된 제3 검출기;
g) 분산되게 산란된 산란광의 각각의 방향으로부터 스펙트럼 데이터를 만들기 위해서 상기 제1 검출기, 제2 검출기 및 제3 검출기와 작동가능하게 연결된 적어도 하나의 분광기; 및
h) 상기 박막과 기판을 상기 검출기에 대해 대체로 일정한 적정 간격을 유지하면서 일체로 이동시키는 운반 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
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