WO2017198764A1 - Vorrichtung und verfahren zur messung von schichtdicken und brechzahlen von schichten auf rauen und glatten oberflächen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur messung von schichtdicken und brechzahlen von schichten auf rauen und glatten oberflächen Download PDF

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WO2017198764A1
WO2017198764A1 PCT/EP2017/061964 EP2017061964W WO2017198764A1 WO 2017198764 A1 WO2017198764 A1 WO 2017198764A1 EP 2017061964 W EP2017061964 W EP 2017061964W WO 2017198764 A1 WO2017198764 A1 WO 2017198764A1
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Friedrich Paul WITEK
Helge Ketelsen
Uwe Richter
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Sentech Instruments GmbH
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Sentech Instruments GmbH
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    • 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
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P72/00—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof
    • H10P72/50—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof for positioning, orientation or alignment
    • H10P72/53—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof for positioning, orientation or alignment using optical controlling means

Definitions

  • the invention relates to a device and method for measuring layer thicknesses and refractive indices of layers on rough and smooth surfaces.
  • Laser ellipsometry and spectroscopic ellipsometry has to work with very low reflectivities (typically 1% and much smaller) due to the wide variety of rough silicon surfaces (microcrystalline, alkaline or acid etched, sawn and polished or even plasma etched).
  • the deposited layers e.g., Si 3 N 4 or Al 2 O 3
  • the deposited layers provide for layer stresses that occur at sample thicknesses of e.g. 0.5 mm for bulges of e.g. 2 mm height at e.g. 156 mm sample size.
  • a precise position of the sample to the measuring system is a prerequisite. Position tolerances of about 20 ⁇ and tilts less than 3 arc minutes are typical requirements.
  • ambient light is coupled in addition to the light from the transmitter of the ellipsometer
  • Fig. 1 Reflection on rough surface in ellipsometry
  • Fig. 2 Measurement on surface with two light sources
  • Fig. 3 Spectra for measuring light and ambient light
  • Fig. 8 Mean LD and SC for surface texture assessment
  • Fig. 9 Stray measurement as a sensor for the detection of the structure of the sample; Combination of scattered light measurement or diffraction measurement with ellipsometric measurement
  • the ellipsometer consists of a transmitter with light source and a receiver with detector (spectral or at a wavelength) which at an oblique angle of incidence (e.g., 65 ° to the sample normal) reflects the reflection from
  • the concrete execution of the ellipsometric transmitter and receiver is not limited here.
  • the solar cells have a rough surface (see Fig. 1), which is illuminated by the Eilipsometer transmitter via an optional focus lens L1 with an opening angle A.
  • Receiver of the ellipsometer detects the reflected light from the sample via an optional focus lens L2 in a solid angle B.
  • the roughness typically reflects light in a much larger solid angle C and the proportion in B of the total light in C is much smaller.
  • the solid angles of the transmitter and receiver change without changing the principle.
  • the roughnesses common in prior art solar cells have feature sizes S of e.g. 10 ⁇ in microcrystalline Si solar cells up to e.g. 300 nm at plasma-etched surfaces. For this reason, the recognition of the surface structure for the measurement is valuable as additional information. The possibility of additional scattering and / or diffraction behavior in the
  • the emitter of the ellipsometer uses a light source Q1 (e.g., a solar cell xenon lamp)
  • the ambient sources Q2 are e.g. Sunlight or fluorescent tubes of the lighting of production halls above.
  • the invention in one embodiment utilizes the sample itself as a means of blocking the ambient light.
  • the positioning of the sample on the metering device of the measuring system and the opening X in the depositing device makes it possible for the light Q1 to be guided from below onto the side of the sample lying on the depositing device.
  • the meter has a box B containing a transmitter S and a receiver E.
  • a further embodiment can also connect the transmitter S and the receiver E to the outside of the box B (so that the ambient light Q2 is likewise shielded by the receiver E).
  • the box is an embodiment with a storage device, here the sample support D.
  • the sample P is placed on the sample support surface D with the side to be measured.
  • the sample support D has an opening X which is made large enough to allow the measuring beam T1 emanating from the transmitter S to illuminate the sample at the measuring location.
  • the opening X must also be made large enough, the light reflected in the receiver E T2
  • the sample P must have sufficient absorption to adequately shield the ambient light Q2 for undisturbed ellipsometer measurement. Furthermore, the sample P must be at least so large that the opening X is completely closed.
  • An advantageous embodiment uses, for example, a 10 mm wide slot with 40 mm in length with 8 mm thickness of the support and 156 mm solar cells made of silicon with a thickness of 500 ⁇ .
  • the sample P is brought by the support surface D without additional adjustment in the correct position to the measuring system - the usual adjustment for height and tilt is thus avoided.
  • the sample P is placed on the support D with the side to be measured.
  • the surface D is here aligned to Eilipsometer so that when measured surface from P to D, a measurement is correct.
  • a means W presses the sample P flat onto the support surface D.
  • the means W can be the hand of an operator who presses the sample during a measurement (typically 10 seconds).
  • the pressure by the means W may also be automatic (e.g., motor, pneumatic, magnetic, gravity with gravity).
  • the pressure means W may also be attached to the bridge W above the sample P in the embodiment.
  • the sample P is pressed plane-parallel to the support D in the region of the measuring position.
  • the device can let the light of the light source Q1 through the transmitter S through the opening X without sample also upwards out of the device.
  • An embodiment of the device with a light source of high-intensity Xe light can have a carcinogenic effect on skin contact or, in the case of eye contact, can lead to blindness.
  • a bridge R above the sample is provided with a fixed blocking means K.
  • the means K is placed at a distance so that no harmful light reaches the user.
  • the means K is designed as a light trap, so that the reflection for the protective purpose is sufficiently reduced (choice of material, surface structuring).
  • the device contains an additional means for assessing the surface structure by means of scattering and / or diffraction (see FIG. 8).
  • the roughness of the surface is advantageously taken into account in the ellipsometric measuring method.
  • the manufacturing process are on a sample location or
  • the device includes an additional means LD and SC which assess the scattering and diffraction behavior of the sample P before the measurement and the
  • the means LD can e.g. be a laser diode or parallel polychromatic light.
  • the means SC detected in one of the
  • the means SC can be a combination of a measuring screen with an observing camera or also directly the detector chip of a video camera.
  • An exemplary embodiment uses a laser light with red light (e.g., 670 nm) with a parallel beam of light to illuminate the sample P.
  • red light e.g., 670 nm
  • parallel beam of light e.g., 5 cm
  • Diameter detects the scattered and diffracted image at a distance of approx. 10 cm after reflection at an angle of 45 degrees.
  • a camera captures the image on the screen and sends it to the computer for evaluation.
  • the different crystal orientations in the measuring field can be identified by characteristic scattering patterns as in Fig. 9.
  • the patterns (e.g., M1 and M2 in Figure 9) can be quickly recorded and evaluated prior to measurement. Since many surface types can occur in the solar industry, the detection algorithm is not underdeveloped.
  • Fig. 9 shows by way of example how a spreading pattern can be used.
  • "tilt to the right” and “tilt to the left” are used to detect two crystal orientations. This information can then be used to evaluate the measurement (e.g., to reflect the orientation of the rough cells or their feature size into the ellipsometric model).
  • the angle of incidence of the light from the center LD on the sample is not limited to angles as in Fig. 9.
  • the angle of incidence can vary between 0 and 90 degrees, the advantageous angle is selected according to the application.
  • the ellipsometer may e.g. use the roughness so determined directly for the ellipsometric model (e.g., determine thickness of roughness, determine depolarization of the measuring light by the sample),
  • both the model for ellipsometry can be selected (e.g., a distribution function of surface segments), and the scattering ratios (e.g., Rayleigh or Mie scattering) included in the analysis.
  • the surface at least one
  • Fingerprint method are classified. In such cases, the assignment between the intensity profile in the image with a mathematical structural model is application specific.
  • An embodiment may also be used with another device for simultaneous measurement of the other sample side.
  • Modern solar cells (such as the PERC type) are coated on both the front and the back. It is advantageous if you can measure the coatings on both sides of the sample simultaneously.
  • the device according to the above illustrations can be equipped with further ellipsometer assemblies S2 and E2 as well as further light source Q1b and a further detector in or connected to module E2.
  • a further advantageous embodiment can share the light source Q1 and the detectors SP via optical fibers LL1 to LL4 between the two devices, which is particularly advantageous when designed as a spectroscopic ellipsometer.
  • the measuring box B can also be integrated into an automatic transport system for an inline measurement in a further embodiment.
  • the sample storage, the measurement start and the result storage are fully automatic in this case.
  • the invention can also be used for the measurement of samples with pyramidal structure. This embodiment applies the sample at an angle (e.g., 55 degrees) in the same manner:
  • the sample shields the ambient light
  • sample support D is slanted by one (optional depending on the embodiment)

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionierung einer Probe zur Vermessung mittels Polarimetrie, Ellipsometrie, Reflexionsmessung oder Beugungsmessung durch ein Messsystem. Die Probe ist auf einer Ablagevorrichtung, insbesondere einer Kontaktfläche des Messsystems positionierbar und die Ablagevorrichtung weist mindestens eine Öffnung (X) auf, durch die Messlicht auf die Seite der Probe führbar ist, die auf der Ablagevorrichtung liegt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Schichtdicken und Brechzahlen von Schichten auf rauen und glatten Oberflächen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Schichtdicken und Brechzahlen von Schichten auf rauen und glatten Oberflächen.
Die Kontrolle von Beschichtungen bei der Herstellung von Solarzellen mit der
Laserellipsometrie und spektroskopischen Ellipsometrie hat durch die große Vielfalt von rauen Siliziumoberflächen (mikrokristallin, alkalisch oder sauer geätzt, gesägt und poliert oder auch durch Plasma geätzt) mit sehr niedrigen Reflektivitäten (typisch 1 % und deutlich kleiner) zu arbeiten. Weiterhin sorgen die aufgebrachten Schichten (z.B. Si3N4 oder AI203) für Schichtspannungen, die bei Probendicken von z.B. 0.5 mm für Wölbungen von z.B. 2 mm Höhe bei z.B. 156 mm Probengröße sorgen. Für die Anwendung der ellipsometrischen Messung ist eine genaue Lage der Probe zum Messsystem Voraussetzung. Lagetoleranzen von ca. 20 μηι und Verkippungen kleiner 3 Bogenminuten sind typische Anforderungen.
Im Folgenden soll eine Vorrichtung auf der Basis eines Eilipsometers beschrieben werden, die typische Probleme bei der Anwendung der Ellipsometrie auf Solarzellen als
Desktopsystem aus dem Stand der Technik vermeidet:
• bei rauen Proben mit geringen Reflektivitäten wird neben dem Licht des Senders des Eilipsometers auch Umgebungslicht eingekoppelt,
• Proben müssen in Höhe und Taumelung justiert werden,
• Auswahl von Messorten durch Oberflächenerkennung mit Streu- oder
Beugungsbildern
In Zusammenhang mit den in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung erläutert. Dabei zeigt:
Abb. 1 Reflektion an rauer Oberfläche bei Ellipsometrie; Abb. 2 Messung an Oberfläche mit zwei Lichtquellen;
Abb. 3 Spektren für Messlicht und Umgebungslicht;
Abb. 4 Blockade des Streulichtes; Abb. 5 Probenauflage D mit gewölbter Probe P und Andruckmittel W;
Abb. 6 Andruckmittel W in der Zielposition; Abb. 7. Blockade K des Messlichtes;
Abb. 8 Mittel LD und SC zur Beurteilung der Oberflächenstruktur;
Abb. 9 Streumessung als Sensor für die Detektion der Struktur der Probe; Kombination von Streulichtmessung oder Beugungsmessung mit ellipsometrischer Messung
Abb. 10 Kombination mit weiteren Ellipsometerbaugruppen zur simultanen Messung der
Vorderseite;
Abb. 1 1 Gemeinsame Nutzung von Komponenten bei simultaner Messung von Vorder- und
Rückseite und
Abb. 12 Anordnung zur Vermessung von Pyramiden.
Beschrieben werden Ausführungsformen für eine Methode der Ellipsometrie auf die
Vermessung von Solarzellen. Das Eilipsometer besteht aus einem Sender mit Lichtquelle und einem Empfänger mit Detektor (spektral oder an einer Wellenlänge) welche unter einem schrägen Einfallswinkel (z.B. 65° Winkel zur Probennormalen) die Reflektion von
polarisiertem Licht untersucht. Die konkrete Ausführung des ellipsometrischen Senders und Empfängers wird hier nicht eingeschränkt.
Die Solarzellen haben eine raue Oberfläche (siehe Abb. 1 ), die vom Eilipsometer Sender über eine optionale Fokuslinse L1 mit einem Öffnungswinkel A beleuchtet wird. Der
Empfänger des Ellipsometers erfasst das von der Probe reflektierte Licht über eine optionale Fokuslinse L2 in einem Raumwinkel B. Die Rauigkeit reflektiert Licht typisch in einen deutlich größeren Raumwinkel C und der Anteil in B vom Gesamtlicht in C ist deutlich kleiner.
Werden eine oder beide Fokuslinsen entfernt ändern sich die Raumwinkel des Senders und Empfängers, ohne das Prinzip zu verändern. Die bei Solarzellen nach dem Stand der Technik üblichen Rauigkeiten haben Strukturweiten S die von z.B. 10 μηι bei Mikrokristalline Si-Solarzellen bis hin zu z.B. 300 nm bei plasmageätzten Oberflächen reichen. Aus diesem Grund ist die Erkennung der Oberflächenstruktur für die Messung als Zusatzinformation wertvoll. Die Möglichkeit, das Streu- und/oder Beugungsverhalten zusätzlich in die
Auswertung der Messung zu integrieren, ist ein Anspruch der Erfindung. Die Messung wird typisch mit dem Sender über eine Lichtquelle Q1 (integriert in oder verbunden mit dem Ellipsometersender) ausgeführt (siehe Abb.2). Das im Empfänger aus dem Raumwinkel B detektierte Licht kann aber auf Grund des hohen Streuverhaltens auch Bestandteile anderer Lichtquellen Q2 (nicht Bestandteil des Messsystems) enthalten.
Während für den Sender des Eilipsometers eine Lichtquelle Q1 (z.B. eine Xenonlampe für Solarzellen) genutzt wird, kommen als Umgebungsquellen Q2 z.B. Sonnenlicht oder Leuchtstoffröhren der Beleuchtung von Produktionshallen vor.
Da das Umgebungslicht Q2 wegen der rauen Oberfläche im Verhältnis zum zur Messung verwandten Lichts Q1 die Messung beeinflussen kann, sind bisher angewandte Methoden die komplette Einhausung von Messgeräten. Nachteilig ist, dass damit die Messsysteme sehr groß werden und die Proben in das Messsystem eingebracht werden müssen
(Türen/Schleusen müssen verwendet werden).
Die Erfindung nutzt in einer Ausführungsform die Probe selbst als Mittel zu Blockierung des Umgebungslichtes.
Durch die Positionierung der Probe auf der Ablagevorrichtung des Messsystems und der Öffnung X in der Ablagevorrichtung ist es möglich, dass das Licht Q1 von unten auf die Seite der Probe führbar ist, die auf der Ablagevorrichtung liegt. Die
Ablagevorrichtung kann so ausgeführt sein (z.B. als geschlossener Behälter oder mit einem Abschirmmittel), dass Licht Q2 von der Umgebung von der Messstelle und / oder der Lichtquelle Q1 zur Bestrahlung der Probe teilweise oder ganz abgeschirmt wird.
Das Messgerät weist eine Box B auf, welche einen Sender S und einen Empfänger E enthält. Eine weitere Ausführungsform kann den Sender S und den Empfänger E auch außen an die Box B anschließen (so dass ebenfalls das Umgebungslicht Q2 vom Empfänger E abgeschirmt wird). Die Box ist eine Ausführungsform mit einer Ablagevorrichtung, hier der Probenauflage D.
Die Probe P wird mit der zu vermessenden Seite auf die Probenauflagefläche D gelegt. Die Probenauflage D weist eine Öffnung X auf, die groß genug gestaltet ist, um den vom Sender S ausgehenden Messstrahl T1 auf die Probe am Messort leuchten zu lassen. Die Öffnung X muss auch groß genug gestaltet sein, das in den Empfänger E reflektierte Licht T2
(Öffnungswinkel B aus Abb. 2) durchzulassen.
Die Probe P muss genügend Absorption aufweisen, um das Umgebungslicht Q2 für eine ungestörte Ellipsometermessung hinreichend abzuschirmen. Weiterhin muss die Probe P mindestens so groß sein, dass die Öffnung X vollständig verschlossen wird. Eine vorteilhafte Ausführung nutzt zum Beispiel einen 10 mm breiten Schlitz mit 40 mm Länge bei 8 mm Dicke der Auflage und 156 mm großen Solarzellen aus Silizium mit einer Dicke von 500 μηι.
Die Probe P wird durch die Auflagefläche D ohne zusätzliche Justage in die richtige Lage zum Messsystem gebracht - die übliche Justage für Höhe und Tilt wird damit vermieden.
Die genaue Justage der Probe P in Bezug zum Messsystem muss den Zielpunkt des Eilipsometers in Höhe und zwei Taumelwinkeln einrichten. Dies wird bei Desktopgeräten typisch über einen Höhen-und Taumeltisch realisiert. Bei rauen Proben P ist aber die Beobachtung der aktuellen Lage beim Justieren extrem kompliziert, da nur sehr geringe und gestreute Reflektion genutzt werden kann.
Bei einer Ausführungsform wird die Probe P mit der zu vermessenden Seite auf die Auflage D gelegt. Die Fläche D ist hier zum Eilipsometer so ausgerichtet, das bei flächiger Auflage von P auf D eine Messung korrekt erfolgt.
Die Probenauflage D kann in einer Ausführungsform auch den Einfluss von
Schichtspannungen, die zu einer Wölbung der Probe führen, kompensieren.
In Abb. 5 ist die gewölbte Probe P gezeigt. Ein Mittel W drückt im Bereich des Messortes die Probe P flächig auf die Auflagefläche D. Das Mittel W kann in einer Ausführungsform die Hand eines Bedieners sein, welche während einer Messung (typ. 10 Sekunden) die Probe andrückt. In einer weiteren Ausführungsform kann der Andruck durch das Mittel W auch automatisch erfolgen (z.B. motorisch, pneumatisch, magnetisch, Gewicht mit Schwerkraft). Das Andruckmittel W kann in der Ausführungsform auch an der Brücke W oberhalb der Probe P befestigt sein.
In der Messstellung ist die Probe P im Bereich der Messposition planparallel an die Auflage D angedrückt.
Sicherheitseinrichtung Blockade des Messlichtes
Die Vorrichtung kann das Licht der Lichtquelle Q1 durch den Sender S durch die Öffnung X ohne Probe auch nach oben aus dem Gerät herauslassen. Eine Ausführungsform der Vorrichtung mit eine Lichtquelle hochintensiven Xe-Lichtes kann bei Hautkontakt krebserzeugend wirken oder bei Augenkontakt zu Erblindungen führen. Da konstruktiv bedingt nicht sichergestellt werden kann, dass immer eine Probe das Messlicht abschirmt, enthält eine vorteilhafte Ausführungsform eine Brücke R oberhalb der Probe mit einem festen Blockademittel K. Das Mittel K wird in einem Abstand angebracht, so dass kein schädliches Licht den Benutzer erreicht. Weiterhin wird das Mittel K als Lichtfalle gestaltet, so dass die Reflektion für den Schutzzweck hinreichend reduziert wird (Materialwahl, Oberflächenstrukturierung).
Die Vorrichtung enthält in einer weiteren Ausführungsform ein zusätzliches Mittel zur Beurteilung der Oberflächenstruktur mittels Streuung und/oder Beugung (siehe Abb. 8).
Die Rauigkeit der Oberfläche wird bei dem ellipsometrischen Messverfahren vorteilhaft berücksichtigt. Je nach Herstellungsverfahren sind auf einer Probe orts- bzw.
prozessabhängig unterschiedliche Strukturen vorhanden.
Die Vorrichtung enthält in einer Ausführungsform ein zusätzliches Mittel LD und SC, welche das Streu- und Beugungsverhalten der Probe P vor der Messung beurteilen und das
Ergebnis in die Messung eingehen lassen. Das Mittel LD kann z.B. eine Laserdiode oder paralleles polychromatisches Licht sein. Das Mittel SC erfasst in einem von der
Probenstruktur abhängigen Abstand das gestreute bzw. gebeugte Licht als Bild. Das für die Oberflächenstruktur charakteristische Bild qualitativ und/oder quantitativ beurteilt. Das Mittel SC kann eine Kombination aus Messschirm mit beobachtender Kamera bzw. auch direkt der Detektorchip einer Videokamera sein.
Eine beispielhafte Ausführungsform nutzt eine Laserdiode mit rotem Licht (z.B. 670 nm) mit parallelem Lichtstrahl um die Probe P zu beleuchten. Ein weißer Schirm von 5 cm
Durchmesser erfasst das Streu- und Beugungsbild in ca. 10 cm Abstand nach der Reflektion unter 45 Grad Einfallswinkel. Eine Kamera erfasst das Bild auf dem Schirm und sendet es an den Computer zur Bewertung. Im Fall von multikristallinem Silizium als Basis der Solarzelle sind die verschiedenen Kristallorientierungen im Messfeld durch charakteristische Streubilder wie in Abb. 9 erkennbar.
Die Muster (z.B. M1 und M2 in Abb. 9) können vor der Messung schnell aufgenommen und beurteilt werden. Da sehr viele Oberflächentypen in der Solarindustrie vorkommen können, ist der Erkennungsalgorithmus nicht untersetzt.
Es werden die Mittel LD und SC eingesetzt werden, um die Oberflächenstruktur durch ein charakteristisches Bild zu erfassen und dieses wie folgt einzusetzen:
• Detektion ob der Probenort für die Messung geeignet ist
o Streulicht im korrekten Niveau o das Bild entspricht einer Vorgabe (Vergleich durch den Benutzer mit einem Sollbild oder automatischer Vergleich)
• Auswahl eines Auswertealgorithmus oder Einstellung eines Auswerteparameters durch Auswertung des Bildes
In Abb. 9 wird beispielhaft gezeigt, wie ein Streubild genutzt werden kann. Im Beispiel wird „Neigung nach rechts" und„Neigung nach links" zur Detektion von zwei Kristallausrichtungen unterschieden. Diese Information kann dann zur Auswertung der Messung verwendet werden (z.B. um die Ausrichtung der rauen Zellen bzw. deren Strukturgröße in das ellipsometrische Modell eingehen zu lassen).
Der Einfallswinkel des Lichtes vom Mittel LD auf der Probe ist nicht auf Winkel wie in Abb. 9 beschränkt. Der Einfallswinkel kann zwischen 0 und 90 Grad variieren, der vorteilhafte Winkel wird je nach Anwendung ausgewählt.
Die in Abbildung 8 und 9 gezeigte zusätzliche Messung mit den Mitteln LD und SC kombiniert eine zusätzliche Messung mit der ellipsometrischen Messung:
1 . Kombination Ellipsometrie mit Beugungsmessung auf periodischen Strukturen: aus den Ablenkwinkeln der gebeugten Ordnungen kann auf bestimmte Gitterparameter geschlossen werden und dies entweder nachfolgend oder gemeinsam mit der ellipsometrischen Messung vausgewertet werden können,
2. Kombination Ellipsometrie mit Streulichtmessung auf statistisch rauen Proben: aus der winkelabhängigen Intensitätsverteilung auf dem Schirm SC kann die
Oberflächenrauigkeit bestimmt werden. Das Eilipsometer kann z.B. die so ermittelte Rauigkeit direkt für das ellipsometrische Modell verwenden (z.B. Dicke der Rauigkeit festlegen, Depolarisation des Messlichtes durch die Probe festlegen),
3. Kombination von Ellipsometrie mit den Bildern aus Beugung und Streuung für
Oberflächen, die von den Strukturgrößen und der Periodizität beide Verfahren aufweisen: hier kann sowohl das Modell für die Ellipsometrie ausgewählt werden (z.B. eine Verteilungsfunktion von Oberflächensegmenten), als auch die Streuanteile (z.B. Streuung nach Rayleigh oder Mie) in die Analyse einbezogen werden.
Diese Verfahren dienen bei Solarzellen zur Ermittlung von Zusatzinformationen zur
Oberflächenstruktur, damit das Substrat besser als nur als Halbraum mit Rauigkeit modelliert werden kann.
Bei periodischen Strukturen z.B. aus der Nanoimprint Lithografie kann man sofort aus den Beugungsmustern auf Gitterabstände (auch mehrdimensional) schließen. In Kombination mit der Ellipsometrie kann man dann genauer auf die Beschichtung schließen. Die Anwendung der Ellipsometrie allein ist auch als CD Metrologie bzw. Scatterometry bekannt. Die hier genutzte Beugungsmessung misst über den Schirm SC zweidimensional Ablenkwinkel für erweiterte Zusatzinformationen.
Bei vielen neuen Oberflächen (z.B. Polymerbürsten, eingelagerte Nanopartikel) treten sowohl Streuung als auch Beugung auf. Mit der Kombination der Ellipsometrie mit den Mitteln LD und SC kann in diesem Fall die Oberfläche mindestens über eine
Fingerprintmethode klassifiziert werden. Anwendungsspezifisch ist in solchen Fällen die Zuordnung zwischen Intensitätsverlauf im Bild mit einem mathematischen Strukturmodell zu untersetzen.
Eine Ausführungsform kann auch mit einem weiteren Gerät zur gleichzeitigen Messung der anderen Probenseite verwendet werden.
Moderne Solarzellen (wie vom PERC-Typ) werden sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite beschichtet. Es ist vorteilhaft, wenn man die Beschichtungen auf beiden Probenseiten simultan vermessen kann.
Die Vorrichtung gemäß vorstehenden Abbildungen kann gemäß Abb. 10 mit weiteren Ellipsometerbaugruppen S2 und E2 sowie weiterer Lichtquelle Q1 b und einem weiteren Detektor in bzw. verbunden mit Baugruppe E2 ausgerüstet werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung (siehe Abb. 1 1 ) kann die Lichtquelle Q1 und die Detektoren SP über Lichtleiter LL1 bis LL4 zwischen beiden Geräten teilen, was besonders bei der Ausführung als spektroskopisches Eilipsometer vorteilhaft ist.
Die Messbox B kann auch für eine inline Messung in einer weiteren Ausführungsform in ein automatisches Transportsystem integriert werden. Die Probenablage, der Messstart und die Ergebnisablage erfolgen in diesem Fall vollautomatisch.
Die Erfindung kann auch zur Vermessung von Proben mit Pyramidenstruktur eingesetzt werden. Diese Ausführung legt die Probe unter einem Winkel (z.B. 55 Grad) in der gleichen Art auf:
• die Probe schirmt das Umgebungslicht ab,
• die Probenauflage D ist um eine (je nach Ausführungsform optionale) schräge
Auflage D2 ergänzt, die Lagebeziehung zum Eilipsometer wird ebenfalls durch Auflegen und Andrücken hergestellt.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Positionierung einer Probe zur Vermessung mittels Polarimetrie,
Ellipsometrie, Reflexionsmessung oder Beugungsmessung durch ein Messsystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe auf einer Ablagevorrichtung, insbesondere einer Kontaktfläche des Messsystems positionierbar ist und die Ablagevorrichtung mindestens eine Öffnung (X) aufweist, durch die Messlicht auf die Seite der Probe führbar ist, die auf der Ablagevorrichtung liegt.
2. Vorrichtung zur justagefreien Befestigung einer Probe zur Vermessung mittels
Polarimetrie, Ellipsometrie, Reflexionsmessung oder Beugungsmessung dadurch gekennzeichnet, dass die zu vermessende Probenoberfläche wird direkt auf eine Kontaktfläche des Messsystems aufgelegt wird und die Kontaktfläche eine Öffnung (X) aufweist, durch die das Messlicht auf die Probe fällt und dort reflektiert wird.
3. Vorrichtung zur Messung mit Polarimetrie, Ellipsometrie oder Reflektionsmessung, bei welcher zur Vermessung einer strukturierten Probe zusätzlich das Streulicht eines im Winkel (E) auffallenden Lichtstrahls ausgewertet wird.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beugung ausgewertet wird.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die zusätzliche Streuung zur Auswahl des Messortes herangezogen wird.
6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Messung mit Polarimetrie, Ellipsometrie oder Reflektionsmessung nur durchgeführt wird, wenn das Streulicht bestimmte charakteristische Informationen enthält.
7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, inbesondere zur justagefreien Befestigung der Probe zur Vermessung mittels Polarimetrie, Ellipsometrie oder Reflexionsmessung, gekennzeichnet dadurch, dass die Kontaktfläche gegen die
Einfallsweise um einen Winkel Y geneigt ist.
8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die Kontaktfläche für zur Einfallsebene geneigt zu vermessende Proben zusätzlich zu einer Kontaktfläche für senkrecht zur Einfallsebene zu vermessende Proben angebracht ist.
9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Druckstück (K), das gebogene Proben auf die Kontaktfläche andrückt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück (K) durch den Druck mit der Hand des Benutzers mindestens für den Zeitraum einer Messung ersetzt wird.
1 1 . Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Abschirmung (Z) um das ohne aufgelegte Messprobe aus der Öffnung (X) der Kontaktfläche austretende Licht aufzufangen.
12. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablagevorrichtung selbst oder mittels eines gesonderten
Abschirmmittels Licht aus der Umgebung von der Messstelle abhalten kann.
13. Verfahren zur Vermessung mittels Polarimetrie, Ellipsometrie, Reflexionsmessung oder Beugungsmessung durch ein Messsystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe auf einer Ablagevorrichtung, insbesondere einer Kontaktfläche des Messsystems positioniert wird, wobei die Ablagevorrichtung mindestens eine Öffnung (X) aufweist, durch die anschließend Messlicht auf die Seite der Probe fällt, die auf der Ablagevorrichtung liegt.
PCT/EP2017/061964 2016-05-20 2017-05-18 Vorrichtung und verfahren zur messung von schichtdicken und brechzahlen von schichten auf rauen und glatten oberflächen Ceased WO2017198764A1 (de)

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