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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Ladungsträgerlebensdauer in einem Halbleitersubstrat und eine Verwendung einer solchen Vorrichtung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die durchschnittliche Lebensdauer von Überschussladungsträgern, die in einem Halbleiter generiert wurden, stellt für viele Anwendungen einen den Halbleiter charakterisierenden Parameter dar. Beispielsweise kann ein Wirkungsgrad einer Solarzelle stark von der Qualität des verwendeten Halbleitersubstrates abhängen, wobei die Ladungsträgerlebensdauer einen eine solche Qualität wiedergebenden Parameter darstellt. Die Bestimmung von Ladungsträgerlebensdauern kann somit bei der Entwicklung von höheren Solarzellenwirkungsgraden eine wichtige Aufgabe darstellen. Sie kann verwendet werden, um z. B. sowohl die Qualität des Bulk-Materials wie auch die Qualität der Oberflächenpassivierung bei der Solarzellenherstellung zu quantifizieren.
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Insbesondere bei Solarzellen auf Basis multikristallinen Siliziums können ortsaufgelöste Verfahren zum Messen der effektiven Ladungsträgerlebensdauer hilfreich für das Charakterisieren von Eigenschaften der Solarzelle und letztendlich für das Erreichen höherer Solarzellenwirkungsgrade sein. Eine Möglichkeit für eine solche ortsaufgelöste Bestimmung der Ladungsträgerlebensdauer stellt die sogenannte Fotolumineszenzbildgebung PLI (photoluminescence imaging) dar. Bei dem PLI-Verfahren wird ein gesamtes Halbleitersubstrat von einer Beleuchtungsquelle kurzzeitig beleuchtet und mit einem Kamerasystem, das zum Aufnehmen eines zweidimensionalen Bildes des Halbleitersubstrates ausgelegt ist, beobachtet, wie sich die Fotolumineszenz des Halbleitersubstrates in Reaktion auf eine solche Beleuchtung verändert. Bei herkömmlichen zeitaufgelösten PLI-Verfahren wird dabei das Halbleitersubstrat pulsartig beleuchtet und anschließend gemessen, wie die Fotolumineszenz nach dem Ausschalten des Lichtpulses abnimmt. Aus dem gemessenen Verhalten der Fotolumineszenz kann dann auf die Ladungsträgerlebensdauer geschlossen werden.
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Um eine möglichst genaue Messung der Ladungsträgerlebensdauer auch bei relativ kurzen Ladungsträgerlebensdauern von weniger als beispielsweise 1 ms durchführen zu können, sollte ein Zeitraum, während dessen das Kamerasystem die durch Fotolumineszenz von dem Halbleitersubstrat emittierten Photonen detektiert und aufintegriert, möglichst kurz sein.
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Ein herkömmlicher Ansatz zur Ermöglichung kurzer Detektionszeiträume ist die Verwendung von CMOS-Fotodetektoren in dem Kamerasystem einer PLI-Messvorrichtung. Solche CMOS-Fotodetektoren können verhältnismäßig schnell ausgelesen werden, so dass Detektionszeiträume im Bereich von wenigen hundert Mikrosekunden erreicht werden können. Allerdings sind CMOS-Fotodetektoren im Vergleich zu herkömmlichen CCD-Fotodetektoren meist wesentlich teurer und können außerdem ein stärkeres Bildrauschen aufweisen.
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Ein weiterer Ansatz, um kurze Detektionszeiträume zu realisieren, besteht darin, den Strahlengang zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Kamerasystem mit Hilfe eines Choppers nur kurzzeitig freizugeben und ansonsten zu blockieren. Zu diesem Zweck kann dem Kamerasystem ein Chopper beispielsweise in Form einer sich schnell drehenden Unterbrecherscheibe mit kreissektorförmigen Öffnungen vorgelagert sein. Eine erreichbare Zeitauflösung wird hierbei unter anderem durch die Art der Unterbrecherscheibe, insbesondere die Größe der darin vorgesehenen Öffnungen, sowie die Rotationsgeschwindigkeit, mit der die Unterbrecherscheibe rotiert wird, beeinflusst. Es wurde beobachtet, dass bei herkömmlichen, mit einem Chopper versehenen PLI-Messvorrichtungen eine gewünschte Zeitauflösung für Ladungsträgerlebensdauern im Bereich von weniger als 200 μs nicht oder nur mit hohem experimentellem und analytischem Aufwand erreicht werden konnten.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es kann daher ein Bedarf an einer Vorrichtung zum Messen einer Ladungsträgerlebensdauer in einem Halbleitersubstrat bestehen, die eine präzise Messung auch von kurzen Ladungsträgerlebensdauern, beispielsweise im Bereich von weniger als 200 μs, ohne übermäßigen Kosten- und Arbeitsaufwand ermöglicht.
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Dies kann mit der Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch erreicht werden. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Messen einer Ladungsträgerlebensdauer in einem Halbleitersubstrat beschrieben, wobei die Vorrichtung zumindest ein Kamerasystem, einen optischen Chopper und ein Zusatzobjektiv aufweist. Das Kamerasystem ist dabei zum Aufnehmen eines Bildes eines Halbleitersubstrates ausgelegt und weist hierfür ein Kameraobjektiv auf, um die Oberfläche des Halbleitersubstrates auf einen in dem Kamerasystem integrierten zweidimensionalen Fotodetektor abzubilden.. Der optische Chopper dient zum temporären Unterbrechen und Freigeben eines Strahlenganges zwischen dem Substrat und dem Kamerasystem. Das für die vorgeschlagene Messvorrichtung charakteristische Zusatzobjektiv ist hierbei zwischen einer Substratposition, das heißt, der Position, an der während der Messung ein Substrat positioniert wird, und dem Kamerasystem angeordnet und ist dazu ausgestaltet, ein Zwischenbild des Halbleitersubstrates in einer Zwischenbildebene zu erzeugen, so dass dieses Zwischenbild auf den in dem Kamerasystem integrierten zweidimensionalen Fotodetektor abgebildet werden kann. Der Chopper ist erfindungsgemäß im Bereich dieser Zwischenbildebene des Zusatzobjektivs angeordnet.
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Im Folgenden werden der Erfindung zugrunde liegende Ideen und Erkenntnisse sowie weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung beschrieben.
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Bei herkömmlichen Messvorrichtungen zur Bestimmung von Ladungsträgerlebensdauern basierend auf dem zeitaufgelösten PLI-Messverfahren und unter Verwendung eines optischen Choppers, der dem Kamerasystem vorgelagert ist, wurde beobachtet, dass eine bestimmte zeitliche Auflösung solcher Messsysteme bisher nicht problemlos gesteigert werden konnte, das heißt, eine minimal zu erreichende Messdauer der Fotolumineszenz nicht unter ein Mindestmaß reduziert werden konnte. Es wurde erkannt, dass dies unter anderem an der Geometrie und der Position des in dem Strahlengang angeordneten optischen Choppers liegen kann. Unter einem optischen Chopper wird hierbei eine mechanische Vorrichtung verstanden, die einen Strahlengang bzw. einen Lichtstrahl gezielt, d. h. beispielsweise periodisch, unterbrechen und wieder freigeben kann. Der optische Chopper kann beispielsweise mit einer mit Öffnungen versehenen Scheibe aus lichtundurchlässigem Material realisiert sein, die quer zu dem Strahlengang bewegt, d. h. verlagert oder rotiert, werden kann, sodass sie den Strahlengang gezielt unterbrechen oder freigeben kann. Eine Zeitdauer, während der der Strahlengang freigegeben wird, und eine etwaige Frequenz der Periodizität, mit der der Strahlengang freigegeben wird, hängt hierbei hauptsächlich von einer Breite der Öffnungen in der bewegten Scheibe sowie von der Geschwindigkeit, mit der die Scheibe bewegt wird, ab. Eine Öffnung wandert dabei während der Bewegung der Scheibe sukzessive durch den Strahlengang hindurch und gibt diesen zeitweilig frei. Damit der Strahlengang wenigstens für einen bestimmten Zeitraum vollständig freigegeben wird, sollte dabei eine Breite der Öffnung zumindest gleich breit oder vorzugsweise breiter als die Breite des Strahlengangs am Ort der bewegten Chopperscheibe sein. Bei herkömmlichen Messvorrichtungen bedeutet dies in der Regel, dass eine Breite der Öffnung größer sein muss als die Apertur des Kameraobjektivs, das heißt als der maximale Durchmesser des Strahlengangs im Objektiv. Um mit einer Chopperscheibe mit derart breiten Öffnungen dennoch kurze Belichtungszeitdauern bzw. Detektionszeitdauern realisieren zu können, muss die Chopperscheibe mit einer hohen Geschwindigkeit bewegt werden. Die Geschwindigkeit der Chopperscheibe kann jedoch aufgrund mechanischer Stabilitätsgrenzen nicht beliebig gesteigert werden. Somit sind einer Verkürzung der Detektionszeitdauern bei herkömmlichen Messvorrichtungen Grenzen gesetzt, sodass Detektionszeitdauern von weniger als 200 μs kaum realisiert werden können.
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Es ist eine der Erfindung zugrunde liegende Idee, die Messvorrichtung zusätzlich zu dem Kameraobjektiv ergänzend mit einem Zusatzobjektiv zu versehen. Unter einem Objektiv soll hierbei allgemein ein sammelndes optisches System, das eine reelle optische Abbildung eines Objektes erzeugt, verstanden werden. Das Zusatzobjektiv soll derart ausgestaltet sein, dass innerhalb des Zusatzobjektivs ein Zwischenbild des Halbleitersubstrates in einer Zwischenbildebene erzeugt wird. Unter einer Zwischenbildebene wird hierbei eine Bildebene verstanden, in der ein das Objekt, das heißt in diesem Falle die Substratoberfläche, scharf abbildendes Zwischenbild erzeugt wird. Das Zusatzobjektiv muss hierbei ähnlich wie ein Objektiv eines Mikroskops oder eines Teleskops ein optisches Element oder eine Mehrzahl von lichtsammelnden optischen Elementen wie beispielsweise optischen Linsen oder Spiegeln aufweisen. Zum Beispiel kann ein erstes, vor der Zwischenbildebene angeordnetes optisches Element bzw. eine Mehrzahl erster optischer Elemente dabei dazu dienen, das Objekt in der Zwischenbildebene abzubilden, d. h. von dem Objekt kommendes Licht auf die Zwischenbildebene zu fokussieren. Ein zu dem Kameraobjektiv gehörendes und hinter der Zwischenbildebene angeordnetes zweites optisches Element bzw. eine Mehrzahl zweiter optischer Elemente kann dann den von der Zwischenebene kommenden Strahlengang auf den Fotodetektor des Kamerasystems abbilden. Der Strahlengang jedes einzelnen Bildpunktes hat dabei im Bereich der Zwischenbildebene minimale Abmessungen.
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Die Verwendung des Begriffs „Bereich der Zwischenbildebene” kann hierbei bedeuten, dass der Chopper nicht exakt in der Zwischenbildebene angeordnet werden muss sondern kann derart verstanden werden, dass der Chopper in der Nähe der Zwischenbildebene innerhalb eines Bereichs angeordnet sein soll, in dem eine laterale Abmessung des Strahlengangs kleiner ist als an einer Position direkt vor dem Eintritt in das Kamerabjektiv, d. h. dort, wo bei herkömmlichen zeitaufgelösten PLI-Messvorrichtungen üblicherweise ein Chopper angeordnet ist.
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Diese Tatsache, dass der Strahlengang für jeden Bildpunkt im Bereich der Zwischenbildebene minimale Abmessungen aufweist, wird nun für eine vorteilhafte Ausgestaltung der Ladungsträgerlebensdauer-Messvorrichtung bzw. des darin vorhandenen Choppers genutzt. Der Chopper wird in dem Bereich der Zwischenbildebene des Zusatzobjektivs angeordnet, wobei das Zusatzobjektiv für diesen Zweck für eine Chopperscheibe des Choppers frei zugänglich ausgelegt sein sollte. Wegen der in diesem Bereich minimalen Abmessungen des Strahlenganges kann daher die Geometrie des Choppers in vorteilhafter Weise angepasst werden.
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Der optische Chopper kann beispielsweise mit einer mit Öffnungen versehenen Scheibe aus lichtundurchlässigem Material realisiert sein, wobei sich die Scheibe quer zum Strahlengang bewegen kann, z. B. sich um eine im Wesentlichen parallel zum Strahlengang zwischen dem Substrat und dem Kamerasystem angeordnete Drehachse drehen kann (Rotationsscheibenchopper, variable frequency rotating disc Chopper).
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Es sind jedoch auch andere Chopperanordnungen wie zum Beispiel linear zu verlagernde, mit Öffnungen versehene Scheiben (sog. Gabelchopper, fixed frequency tuning fork chopper) oder optische Shutter einsetzbar. Im Fall eines Choppers mit einer rotierenden Scheibe kann die Scheibe hierbei sektorförmige Öffnungen oder Schlitze aufweisen, um den vom Substrat zum Fotodetektor des Kamerasystems verlaufenden Strahlengang temporär freizugeben.
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Der Begriff „sektorförmig” kann hierbei eine kreissektorförmige Fläche, d. h. eine Teilfläche einer Kreisfläche, die von einem Kreisbogen und zwei Kreisradien begrenzt wird, oder auch eine kreissektorstumpfförmige Fläche, die sich nicht bis zum Zentrum der Chopperscheibe erstreckt, umfassen.
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Für den Fall, dass der Chopper mit einer rotierenden, mit sektorförmigen Schlitzen oder Öffnungen versehenen Scheibe ausgebildet ist, kann die Chopperscheibe derart ausgeprägt sein, dass die sektorförmigen Schlitze im Vergleich zu Choppern, wie sie bei herkömmlichen Messvorrichtungen verwendet werden, eine wesentlich geringere Breite aufweisen können. Beispielsweise kann eine gemittelte Breite der Schlitze kleiner sein als eine Apertur des Kameraobjektivs, insbesondere kleiner als eine Breite des Strahlengangs am Ort des Kameraobjektiveingangs, und somit kleiner als eine übliche Breite bei Chopper herkömmlicher Messvorrichtungen.
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Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die Schlitze mit einer gemittelten Breite auszugestalten, die kleiner oder gleich der Kantenlänge eines in dem Kamerasystem vorgesehenen Fotodetektors zum Aufnehmen des Bildes des Halbleitersubstrates ist.
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Für den Fall, dass die Scheibe des Choppers mit Hilfe eines Antriebs rotiert wird, kann eine Breite der Schlitze und eine durch den Antrieb bewirkte Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe derart gewählt sein, dass der Chopper den Strahlengang beim Durchgang des Schlitzes für weniger als 50 μs, vorzugsweise weniger als 10 μs freigibt. Aufgrund der Möglichkeit einer schmaleren Ausgestaltung der Schlitze wegen der Anordnung des Choppers in der Zwischenbildebene des Zusatzobjektivs können derart kurze Freigabezeiten des Choppers erreicht werden, ohne die Rotationsgeschwindigkeit der Chopperscheibe über ein Maß steigern zu müssen, bei dem die mechanische Integrität der Chopperscheibe gefährdet werden würde. Mit derart kurzen Freigabezeiten des Strahlengangs können letztendlich entsprechend kurze Messdauern bei der Messung der Ladungsträgerlebensdauer erreicht werden, so dass die Ladungsträgerlebensdauer auch für Halbleitersubstrate, bei denen die Ladungsträgerlebensdauer verhältnismäßig kurz ist, zuverlässig gemessen werden kann. Beispielsweise kann mit der vorgeschlagenen Messvorrichtung auch bei multikristallinen Siliziumwafern, bei denen eine Ladungsträgerlebensdauer typischerweise im Bereich von wenigen μs, beispielsweise im Bereich von 5–50 μs liegt, die Ladungsträgerlebensdauer zuverlässig und mit hoher Präzision gemessen werden.
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Eine typische gemittelte Breite der Schlitze kann dabei im Bereich von 1–20 mm, vorzugsweise im Bereich von 2–10 mm liegen.
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Aufgrund der möglichen geringen Breite der in der Chopperscheibe vorgesehenen Schlitze kann die Chopperscheibe im Vergleich zu herkömmlichen Choppern eine größere Anzahl von um die Drehachse der Chopperscheibe angeordneten Schlitzen aufweisen. Beispielsweise kann die Scheibe wenigstens 6, vorzugsweise zwischen 10 und 200 und stärker bevorzugt zwischen 50 und 100 Schlitze aufweisen, die sich beispielsweise in radialer Richtung der Scheibe erstrecken und eine sektorförmige Geometrie aufweisen können. Aufgrund der Vielzahl von Schlitzen auf der Chopperscheibe wird der Strahlengang bei einer Umdrehung der Chopperscheibe vielfach unterbrochen und freigegeben, wodurch sich eine hohe Messfrequenz realisieren lässt.
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Bei der vorgeschlagenen Messvorrichtung wird die zeitliche Auflösung der Ladungsträgerlebensdauermessung maßgeblich durch die Dauer, während der der Chopper den Strahlengang zwischen dem Substrat und dem Kamerasystem freigibt, bestimmt. Wie zuvor beschrieben, können die Messdauern dabei aufgrund der vorteilhaften Positionierung und Ausgestaltung des Choppers sehr kurz gehalten werden. Aufgrund der somit möglichen kurzen Belichtungsdauern des Kamerasystems braucht das Kamerasystem selbst nicht sehr schnell arbeiten. Beispielsweise braucht der in dem Kamerasystem vorgesehene Fotodetektor nicht sehr schnell ausgelesen werden können. Stattdessen kann der Fotodetektor während einiger Anregungsperioden des Substrats jeweils nur sehr kurz beleuchtet werden und anschließend in einer Dunkelphase, in der das Substrat nicht mehr angeregt wird, ausgelesen werden. Aufgrund der somit erreichten geringeren Anforderungen an den Fotodetektor können daher auch herkömmliche CCD-Fotodetektoren (charged coupled device) in dem Kamerasystem verwendet werden. Derartige CCD-Fotodetektoren können mit einer hohen räumlichen Auflösung und mit verhältnismäßig günstigen Kosten bereitgestellt werden.
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Für eine Verwendung in einem PLI-Messsystem sollte die spektrale Empfindlichkeit des Detektors derart gewählt sein, dass von dem zu untersuchenden Objekt aufgrund von Fotoluminiszenz ausgesendete Strahlung ausreichend gut detektiert werden kann. Für die Ladungsträgerlebensdauerbestimmung in Siliziumsubstraten kann beispielsweise ein CCD-Detektor vorteilhaft sein, der im Wellenlängenbereich von 900 bis 1100 nm, d. h. im Nahinfrarotbereich, sensitiv ist.
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Die vorgeschlagene Messvorrichtung kann insbesondere zum Messen von Ladungsträgerlebensdauern in einem Halbleitersubstrat verwendet werden. Das Halbleitersubstrat kann dabei beispielsweise ein Substrat sein, das zuvor oder anschließend Prozessierungsschritten unterzogen wurde/wird, um ein Halbleiterbauelement wie beispielsweise eine Solarzelle damit zu fertigen. Die Messvorrichtung kann dabei insbesondere zur Bestimmung von Ladungsträgerlebensdauern bei Halbleitersubstraten mit einer verhältnismäßig starken Rekombination, das heißt einer kurzen Ladungsträgerlebensdauer von beispielsweise weniger als 50 μs, verwendet werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise in Bezug auf die Messvorrichtung und teilweise in Bezug auf ein mit der Messvorrichtung durchzuführendes Messverfahren bzw. eine Verwendung der Messvorrichtung beschrieben sind. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass die entsprechenden Merkmale in analoger Weise auch umgekehrt auf das Messverfahren bzw. die Messvorrichtung übertragen werden können. Insbesondere können die beschriebenen Merkmale auch miteinander kombiniert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorangehend beschriebenen und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung spezifischer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter ersichtlich, ohne dass die Erfindung hierauf beschränkend auszulegen ist.
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1 zeigt eine teilweise perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Vorrichtung zum Messen von Ladungsträgerlebensdauern in einem Halbleitersubstrat.
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2 zeigt eine Draufsicht auf die Chopperscheibe der in 1 dargestellten Vorrichtung.
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3 zeigt eine teilweise perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Messen von Ladungsträgerlebensdauern in einem Halbleitersubstrat gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt eine Draufsicht auf die Chopperscheibe der in 3 dargestellten Vorrichtung.
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Die Zeichnungen sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleichen oder ähnlichen Komponenten und Merkmalen der Vorrichtungen wurden in den Figuren gleiche Bezugszeichen zugewiesen, wobei entsprechenden Komponenten in der in 1 und 2 dargestellten herkömmlichen Vorrichtung eine „1” vorangestellt wurde.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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1 zeigt eine herkömmliche Vorrichtung 101 zum Messen einer Ladungsträgerlebensdauer in einem Halbleitersubstrat 103.
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Das Halbleitersubstrat 103 lagert auf einem Substrathalter 105. Der Substrathalter 105 beinhaltet ein LED-Paneel und dient somit gleichzeitig als Beleuchtungsquelle, um das Halbleitersubstrat 103 von der Unterseite her zu beleuchten. Alternativ kann das Substrat 103 auch mit Hilfe eines Lasers beleuchtet werden, wobei auch eine Beleuchtung von der Oberseite her möglich ist. Durch die Beleuchtung werden in dem Halbleitersubstrat 103 Überschussladungsträger generiert, die statistisch nach einer materialspezifischen Ladungsträgerlebensdauer rekombinieren. Ein Teil der Überschussladungsträger rekombiniert strahlend, so dass von dem Halbleitersubstrat 103 aufgrund einer solchen Fotolumineszenz Licht ausgestrahlt wird. Dieses Lumineszenzlicht breitet sich innerhalb eines Strahlengangs 107 hin zu einem Kamerasystem 109 aus. Das Kamerasystem 109 weist eine Kameraoptik 111 auf, die das fotolumineszente Licht auf einen Fotodetektor 113 fokussiert und somit die Oberfläche des Halbleitersubstrats 103 auf eine fotosensitive Oberfläche 115 des Fotodetektors 113 abbildet.
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Zwischen dem Halbleitersubstrat 103 und dem Kamerasystem 109 befindet sich ein Chopper 117. In dem Chopper 117 ist eine Chopperscheibe 119 angeordnet, die sich um eine Achse dreht, die im Wesentlichen parallel zur Hauptausbreitungsrichtung des im Strahlengangs 107 sich ausbreitenden fotolumineszenten Lichts angeordnet ist. Die kreisscheibenförmige Chopperscheibe 119 weist sektorförmige Öffnungen 121 auf. Wenn eine der Öffnungen 121 den Strahlengang 107 quert, kann das fotolumineszente Licht passieren und im Kamerasystem 109 detektiert werden. Andernfalls wird das fotolumineszente Licht durch die außerhalb der Öffnungen 121 lichtundurchlässige Chopperscheibe 119 blockiert.
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Die in dem Substrathalter 105 integrierte Beleuchtung wie auch der Chopper 117 sind mit einer Steuerung 123 verbunden. Diese Steuerung 123 kann die Beleuchtung periodisch ein- und ausschalten sowie die Rotation der Chopperscheibe 119 in dem Chopper 117 steuern. Die Rotationsgeschwindigkeit der Chopperscheibe 119 wird für eine Messung derart eingestellt, dass die Frequenz, mit der eine der Öffnungen 121 den Strahlengang 107 quert, mit der Frequenz der periodisch betriebenen Beleuchtung übereinstimmt. Auch eine Phasendifferenz zwischen der Ansteuerung der Beleuchtung einerseits und der von den Öffnungen 121 der rotierenden Chopperscheibe 119 bewirkten Transmission des fotolumineszenten Lichtes kann mit Hilfe der Steuerung 123 kontrolliert werden. Durch Auswerten des von dem Kamerasystem 109 detektierten fotolumineszenten Lichts in Abhängigkeit von einer solchen Phasendifferenz kann auf die Ladungsträgerlebensdauer in dem Halbleitersubstrat 103 rückgeschlossen werden.
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Bei der in 1 gezeigten Messvorrichtung 101 ist der Chopper 117 direkt vor dem Kameraobjektiv 111 angeordnet. Wie in der Draufsicht aus 2 zu erkennen, weisen die Öffnungen 121 in der Chopperscheibe 119 Abmessungen auf, die wesentlich größer als die Abmessungen des Strahlengangs 107 am Ort der Chopperscheibe 119 sind, so dass zumindest während eines gewissen Zeitraums das gesamte von einem Punkt 108 des Halbleitersubstrats 103 innerhalb des Strahlengangs 107 hin zum Kamerasystem 109 emittierte Fotolumineszenzlicht durch die Chopperscheibe 119 bzw. durch deren Öffnungen 121 transmittiert wird. Da der gemeinsame Strahlengang aller Punkte des Halbleitersubstrats 103 an der Position der Chopperscheibe 119 größere Abmessungen aufweist als im Bereich des Kameraobjektivs 111, haben die Öffnungen 121 daher größere Abmessungen als das Kameraobjektiv 111 bzw. als dessen Aperturfläche. Durch die Apertur des Kameraobjektivs 111 kann es zu einer zeitlichen Verschmierung des von dem Kamerasystem 109 aufgenommenen Messsignals kommen. Eine Erhöhung der Anzahl von Öffnungen 121 in der Chopperscheibe 119 führt daher in der Regel nicht zu einer besseren Zeitauflösung, wodurch die erreichbare zeitliche Auflösung der Messvorrichtung 101 durch die Rotationsgeschwindigkeit der Chopperscheibe 119 limitiert ist. Zudem kann die Auswertung der Messsignale durch die zeitliche Verschmierung deutlich komplexer werden als dies ohne eine Verschmierung der Fall wäre.
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3 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zum Messen einer Ladungsträgerlebensdauer in einem Substrat 3 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden. Erfindung.
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Ähnlich wie bei der oben beschriebenen herkömmlichen Vorrichtung 101 wird das Halbleitersubstrat 3 von in einen Halter 5 integrierten LEDs beleuchtet und damit zur Fotolumineszenz angeregt. Das emittierte Fotolumineszenzlicht bewegt sich entlang eines Strahlengangs 7 hin zu einem Kamerasystem 9, wo es von einem Kameraobjektiv 11 auf die fotosensitive Oberfläche 15 eines Fotodetektors 13 abgebildet wird.
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Zusätzlich zu dem Kameraobjektiv 11 weist die Vorrichtung 1 ein Zusatzobjektiv 25 auf. Das Zusatzobjektiv 25 weist eine fokussierende Optik auf, die in der Figur lediglich schematisch als Einzellinse dargestellt ist, die jedoch ähnlich wie das Kameraobjektiv 11 auch aus mehreren optischen Komponenten bestehen kann. Die das Zusatzobjektiv 25 bildenden optischen Komponenten sind so ausgestaltet, dass sich eine Zwischenbildebene Z ergibt, in der ein scharfes Bild der Oberfläche des Halbleitersubstrats 3 erzeugt wird. Im Gegensatz zu dem Kameraobjektiv 111 der herkömmlichen Messvorrichtung 101, bei dem das Abbildungsverhältnis auf die Größe der Substratoberfläche eingestellt ist, kann das Kameraobjektiv 11 der erfindungsgemäßen Messvorrichtung eine Optik aufweisen, deren Abbildungsverhältnis auf die Größe des Zwischenbilds eingestellt ist.
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Ähnlich wie bei der zuvor beschriebenen herkömmlichen Vorrichtung 101 wird zum zeitlichen Unterbrechen des Strahlengangs 7 auch ein Chopper 17 im Strahlengang 7 angeordnet. Erfindungsgemäß wird dieser Chopper 17 im Bereich der Zwischenebene Z angeordnet. Der Chopper kann hierbei wiederum eine rotierbare Chopperscheibe 19 aufweisen, die mit sektorförmigen Öffnungen bzw. Schlitzen 21 versehen ist.
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Wie sowohl in 3 als auch insbesondere in der Draufsicht aus 4 gut zu erkennen ist, weist der Strahlengang 7 im Bereich der Zwischenebene Z minimale Abmessungen auf, so dass auch die Abmessungen der in der Chopperscheibe 19 vorgesehenen Schlitze 21 klein gewählt werden können. Aufgrund dieser kleinen Abmessungen können bei dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel acht schmale sektorförmige Schlitze 21 in der Chopperscheibe 19 ausgebildet sein, wobei eine mittlere Breite der sektorförmigen Schlitze 21 aufgrund der geringen Abmessungen des Strahlengangs 7 im Bereich der Zwischenebene Z kleiner sein kann als die Abmessungen bzw. die Apertur der Optik des Zusatzobjektivs 25. Idealerweise kann die mittlere Breite der Schlitze 21 sogar kleiner als die Breite bzw. Kantenlänge der photosensitiven Oberfläche 15 des in dem Kamerasystem 9 verwendeten Fotodetektors 13 sein.
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Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform rotiert die Chopperscheibe 19 in oder in der Nähe der Zwischenbildebene Z und sorgt daher für eine zeitliche Ein/Aus-Modulation des Kamerasignals mit sehr steilen Flanken. Daher kann die Anzahl der Schlitze 21 in der Chopperscheibe 19 und damit in dieser Konfiguration die zeitliche Auflösung des gesamten Systems der Vorrichtung 1 deutlich erhöht werden.
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Die vorgeschlagene Messvorrichtung kann es erstmalig ermöglichen, mit einem Kamerasystem, das als Fotodetektor einen herkömmlichen, kostengünstigen, räumlich hochauflösenden Silizium-CCD-Chip verwendet, zeitaufgelöste Ladungsträgerlebensdauermessungen im Mikrosekundenbereich durchzuführen. Diese zeitliche Auflösung ist ausreichend, um den Zerfall angeregter Ladungsträger zum Beispiel in einem Halbleiter wie Silizium, auch bei minderer Materialqualität, zu vermessen und damit eine dynamische Lebensdauermessung durchzuführen. Die Kombination von Chopper und gepulster Lichtanregung des Substrates ermöglicht dabei eine Entkopplung von zeitlicher Auflösung und Belichtungszeit des Kamerasystems, das heißt, es ist eine deutlich höhere Zeitauflösung möglich, als dies durch die Zeit, die die Kamera für ein Einzelbild benötigt, vorgegeben wäre. Daher kann auch mit vergleichsweise kostengünstigen Silizium-CCD-basierten Kamerasystemen eine präzise dynamische Lebensdauermessung durchgeführt werden. Durch das Anordnen des Choppers im Bereich der Zwischenbildebene kann die erreichbare zeitliche Auflösung auch von der Aperturfläche des Kameraobjektivs unabhängig werden, was dynamische Messungen im Mikrosekundenbereich ermöglicht. Im Vergleich zu herkömmlichen Messvorrichtungen, bei der ein Chopper ohne zusätzliche Optik bzw. ohne zusätzliches Objektiv vor dem Kameraobjektiv angeordnet ist, ist durch eine Anordnung des Choppers in der Zwischenbildebene eine deutliche höhere Anzahl von Schlitzen und damit eine höhere Zeitauflösung bei gleichzeitiger Vereinfachung der Bildauswertung möglich.
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Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „umfassen”, „aufweisen” etc. das Vorhandensein weiterer zusätzlicher Elemente nicht ausschließen sollen. Der Begriff „ein” schließt auch das Vorhandensein einer Mehrzahl von Elementen bzw. Gegenständen nicht aus. Ferner können zusätzlich zu den in den Ansprüchen genannten Verfahrensschritten weitere Verfahrensschritte nötig oder vorteilhaft sein, um z. B. eine Solarzelle endgültig fertig zu stellen. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen lediglich der besseren Lesbarkeit und sollen den Schutzbereich der Ansprüche in keiner Weise einschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messsystem
- 3
- Halbleitersubstrat
- 5
- Halter mit Beleuchtung
- 7
- Strahlengang
- 9
- Kamerasystem
- 11
- Kameraobjektiv
- 13
- Fotodetektor
- 15
- Fotosensitive Oberfläche
- 17
- Chopper
- 19
- Chopperscheibe
- 21
- Schlitze
- 23
- Steuerung
- 25
- Zusatzobjektiv
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Der entsprechenden Komponente in der in 1 und 2 dargestellten herkömmlichen Vorrichtung wurde eine „1” vorangestellt.
