本发明专利技术提供一种用于与沉积在大体透明基底（28）例如光伏电池上的薄膜半导体材料（26）的生产相关的方法和装置（20），用于检测薄膜（26）的特性，例如它的温度、表面粗糙度、厚度和/或光学吸收特性。由膜（26）发射的漫散射光（34，34’）得到的光谱曲线（44）揭示了特征光学吸收（Urbach）边。此外，吸收边可用于评价离散的材料样本（22）之间或同一材料样品（22）的不同位置之间的相对表面粗糙状况。通过比较两个或多个光谱曲线的吸收边特性，可以进行定性评价以确定膜（26）的表面粗糙度是优质还是劣质。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】应用于透明基底的薄膜的实时温度、光学带隙、膜厚度和表面粗糖度测量相关申请的交叉引用本申请要求2010年7月9日提交的第61/362，938号美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入此处。
本专利技术大体涉及应用于大体透明基底的薄膜层的非接触式测量；更具体地用于参照薄膜材料的光学吸收边评价薄膜的至少相对表面粗糙度。
技术介绍
涉及在基底上沉积薄膜的先进制造工艺通常依赖于以高的精确度和可重复性监控半导体材料特性(例如它的温度、表面粗糙度、厚度和/或光学吸收特性)的能力。如目前公知的，当光子能量超过带隙能量时将会产生突变的强吸收。在Weilmeier 等人的《一种用于分子束外延中的半导体基底的光学温度测量新技术(A New Optical Temperature Measurement Technique for Semiconductor Substrates in Molecular Beam Epitaxy)))(加拿大物理学期刊 Canadian Journal of Physics, 1991 年，69 卷， 422-426页)中，描述了一种用于测量具有绒化背面的较厚基底的漫反射并且由反射光的带隙特征推测半导体温度的技术。该技术基于简单的固态物理学原理，即带间光学吸收 (Urbach)边与温度的实际线性关系。简单地说，当光子能量hv接近带隙能量Eg时，产生突变的强吸收。这可以用吸收系数来描述，a (hv) = a gexp [ (hv-Eg) /E0](方程式 I) 其中，Cig是带隙能量下的光学吸收系数。吸收边用Eg和另一参量Etl表征，Etl是由费米-狄拉克统计分布导致的边的增宽(在所研究的适当温度条件下增宽IbT )。本研究中的关键量Eg由爱因斯坦模型给出，其中光子被近似为拥有单一特征能量Kb。根据下式， 光子激发(热振动)效应将会降低带隙能量Eg W=Eg(O)-SgKB Θ E/[exp ( Θ E/T )-1](方程式 2)其中，Sg是与温度无关的耦合常数，而ΘΕ是爱因斯坦温度。在ΘΕ远小于T的高温条件下，高模量材料(例如硅和砷化镓)很好地遵循该条件，可用如下方程式近似表示带隙与温度的相关性 Eg ⑴=Eg (0) -S8KbT(方程式 3 )该式表明，可以预计，Eg以SsKb决定的斜率随着温度T线性下降。这在实践中被很好地遵循，并且是现代吸收边测温法的基础，现代吸收边测温法也称为带边测温法(BET)。如上所述，对半导体材料的温度、表面粗糙度、厚度和/或光学吸收特性的控制， 可通过对半导体材料发射的漫散射光的非接触且实时的监测实现，此处的半导体材料指基底本身或者沉积在基底上的薄膜。本专利技术的专利权人，美国密歇根州德克斯特区的k-空间协会公司(kSA)的BandiT 系统，作为行业领先的方法和装置，用于测量除了其它特性还有 温度。探测来自半导体材料的漫散射光以测量光学吸收边特征。根据光学吸收边特征，精 确地确定温度和其它特性，例如膜厚度。kSA公司的BandiT系统可设置在传播和反射模式 运行。在传播模式中，基底加热器(或其它源)可用作光源。在反射模式中，光源以非镜面的 几何形式安装。kSA公司的BandiT系统有多种型号，覆盖的光谱范围约为380nm_1700nm。 测量和监控的典型样本材料包括GaAs、S1、SiC、InP, ZnSe, ZnTe, CdTe, SrTiO3和GaN。kSA 公司的BandiT系统在美国专利7，837，383中有详细描述，其全部内容通过引用并入此处作 为参考。这些类型的设备可能应用到的一个新兴领域，即所谓的薄膜太阳能电池。薄膜太 阳能电池，也称为薄膜光伏(PV)电池，是通过将一层或多层具有半导体特性的光伏材料薄 层(薄膜)沉积到大体透明基底上而制成的器件。根据应用场合，这些薄膜的厚度范围从几 纳米到几十微米变化。通过多种沉积方法，多种不同光伏材料被沉积在多种基底上。这些 光伏材料可能包括，例如，非晶硅(B-Si )和其它薄膜硅(TF-Si )、碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒 化物(CIS或CIGS)、绒化多晶硅、有机太阳能电池等。监测实时光学带隙特性(即光学吸收边特性)的能力使得制造出的产品(例如太阳 能板)能够达到稳定的高质量和高性能规格。虽然这些薄膜在光学吸收边方面通常具有半 导体特性，这些薄膜的极小厚度给现有的BET方法和设备造成新的挑战。这一部分是由于 当使用透明的和/或非半导体基底材料时，测量光学吸收特性的难度增加，因为非半导体 基底材料不具有可测的光学吸收边且通常对光的所有实际波长都透明。此外，在薄膜光伏 板生产领域，生产能力快速提高，使得用于生产工艺中的测温技术必须与高度自动化的装 配线条件兼容。更进一步地，这些类型的吸收层通常非常粗糙，并且比光滑表面更充分地散 射光线。某些应用场合下，对薄膜层的表面粗糙度进行评价，对质量控制和制造考虑是有益 的。某些联机膜厚度测量技术已经被提议用于薄膜光伏工艺的生产线，例如那些在 《光伏世界Photovoltaics World)) 2009年3/4月版的20-25页描述的技术(www. pyworld. com)，其全部内容通过引用特此并入此处。然而，这些现有技术基于某些不能得出稳定或可 靠结果的分析方法。在另一个例子中，为了避免疑义该例子不被认为是本申请的现有技术， 维纳诺夫(Finarov)的公开号为2010/0220316的美国申请公开一种用于控制薄膜光伏质 量的方法，其中将一束光线投射到薄膜上。沿该光线的探测器对点采样以产生光谱信号，该 光谱信号被用于计算薄膜的某些参数。因此，本领域需要发展并改进BET技术，以便将新材料、高产量生产技术和对质量 控制的需求增长考虑在内，这些都被认为是在未来的市场(包括但不仅限于光伏板生产和 其它相关领域)中具有竞争力所必要的。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供一种用于评估应用于大体透明基底的薄膜的至少表 面粗糙度的方法。提供大体透明的基底。在基底上沉积薄膜的材料。该膜的材料组分具有 光学吸收(Urbach)边，并且具有暴露的上表面，该上表面具有可测的表面粗糙度。使白光 与沉积在基底上的膜相互作用以产生漫散射光。用与膜间隔开的探测器探测由膜发射的漫散射光，然后发送到光谱仪中以产生光谱数据，其中所探测到的光被解析成相应光强度的 离散的波长组分。然后在光谱数据中确定光学吸收(Urbach))边。根据吸收边特征，可以 进行膜的相对表面粗糙度的评价。本专利技术与现有技术的区别在于使用吸收边作为指标以评价表面粗糙度。该方法比 现有技术更加强大和可靠，并且已被确认尤其在高度自动化、大产量的装配生产线条件下 产生稳定可靠的结果。根据本专利技术的另一方面，提供一种用于评估应用于大体透明基底的薄膜的相对表 面粗糙度的组件。该组件包括大体平坦的基底，该基底由不具有可测光学吸收边的非半 导体材料制成。尤其是，该基底包括玻璃材料组分。一种薄膜的材料被沉积在基底上。该 薄膜具有显示出光学吸收边的材料组分以及暴露的上表面，该上表面具有可测的表面粗糙 度。光源被设置在薄膜的一侧，用于向薄膜发射白光。因此，薄膜发射出漫散射光。第一探 测器与光源位于薄膜的同一侧且与薄膜间隔开，用于探测由薄本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.07.09 US 61/362,9381.一种用于评估应用于大体透明基底的薄膜的至少表面粗糙度的方法，其特征在于， 所述方法包括如下步骤a)提供大体透明的基底；b)在基底上沉积材料薄膜；该膜的材料组分具有光学吸收(Urbach)边；该膜具有暴露的上表面，该上表面具有可测的表面粗糙度；c)使白光与沉积在基底上的膜相互作用以产生漫散射光；d)用与膜间隔开的探测器探测由膜发射的漫散射光；e)在光谱仪中收集探测到的光；利用光谱仪生成光谱数据，其中探测到的光被解析成相应光强度的尚散的波长组分；f)在光谱数据中确定光学吸收(Urbach))边；以及g)根据吸收边确定膜的相对表面粗糙度。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定表面粗糙度的步骤包括计算强度相对波长光谱下方以及所确定的吸收边上方的面积。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定表面粗糙度的步骤包括比较光谱数据中吸收边上方和下方的相对变化。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定表面粗糙度的步骤包括比较吸收边的斜率与参考吸收边的斜率。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定表面粗糙度的步骤包括比较至少两个由不同组光谱数据获取的吸收边。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括用探测器扫描薄膜的暴露表面。7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述扫描步骤包括使薄膜和基底相对探测器整体移动，同时在薄膜和基底之间维持基本恒定的标准间隔。8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述移动步骤包括使薄膜和基底相对探测器在横向和纵向上整体平移。9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底包括玻璃材料组分。10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉积步骤包括在所述相互作用步骤之前在真空腔中将气化形式的膜材料冷凝至基底上。11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相互作用步骤包括使光在薄膜的暴露表面上反射。12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相互作用步骤包括使光透过薄膜和基底传播。13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光谱仪包括固态光谱仪。14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括根据所确定的光学吸收边确定膜的厚度。15.一种用于共同确定应用于大...
【专利技术属性】
技术研发人员：达里尔·巴利特，查尔斯·A·泰勒二世，巴里·D·维斯曼，
申请(专利权)人：K空间协会公司，
类型：
国别省市：
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