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BEREICH DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen
Herstellen eines dünnen,
ebenen Halbleitersubstrats, insbesondere einen offenen Durchlaufdiffusionsofen
wie auch ein Verfahren zum Betrieb desselben für die Bearbeitung und Herstellung
von Halbleiterbauelementen, insbesondere für die Bearbeitung und Herstellung
von Solarzellen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Bekannte
Herstellungsvorgänge,
wie in der US-A-5,527,389 beschrieben, die eine auf einer Flüssigkeit
basierende Diffusionsquelle verwenden, die vorher auf ein Halbleitersubstrat
aufgebracht wurde, benutzen Durchlauföfen mit einem offenen Transportband.
Andererseits werden vertikale oder horizontale, geschlossene Quarzrohröfen typischerweise zur
Diffusion von gasförmigen
Quellen in der Stapelherstellung von Halbleiterbauelementen verwendet, wie
beispielsweise in US-A-4,745,088 oder US-A-4,950,156 beschrieben.
Stapelherstellung ist langsam aufgrund der Einrichtzeiten zwischen
jedem Stapel. Es sind Versuche zur Ausführung von kontinuierlicher
oder Teilstapelherstellung von Halbleitern gemacht worden, aber
alle diese handelsüblichen verfügbaren Diffusionssysteme
erbringen einen Durchsatz, der geringer ist als der für den zukünftigen Bedarf
der Solarzellenindustrie geforderte.
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Die
Patentanmeldung
US 4,803,948 offenbart
eine Vorrichtung zur Wärmebearbeitung
zur Herstellung von Halbleitern. Diese Vorrichtung weist eine Einrichtung
zur Bildung eines sogenannten „Gasvorhangs" zur Unterbrechung
des offenen Luftstroms in das offene Rohr auf.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP
0 489 179 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ätzen einer
metallischen Schablone auf einem Substrat. Dieses einzelne Substrat
wird Schritt für Schritt
auf einer unterbrochenen Strecke durch eine Folge von voneinander
isolierten Bearbeitungskammern transportiert. Das Substrat ist horizontal
positioniert, um die Oberfläche
zur Bearbeitung gegen das Ätz-
oder Strip-Plasma auszurichten.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung sieht eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 vor.
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Die
vorliegende Erfindung schließt
die Benutzung der obigen Vorrichtung für die Herstellung von Solarzellen
mit ein.
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Die
vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren gemäß Anspruch
12 vor.
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Vorzugsweise
ist der Bereich, welcher durch das Transportmittel pro Zeiteinheit überstrichen
wird, kleiner als der Bereich der pro Zeiteinheit transportierten
Substrate.
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Die
Substrate sind vertikal oder horizontal, oder in einer Schrägstellung
zur Vertikalen auf einem Substratträger gestapelt. Dadurch erreicht
man einen höheren
Durchsatz als beim herkömmlichen
flachen Herstellen beziehungsweise Be-/Verarbeiten von Wafern.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann verschiedene Herstellungsbereiche nach dem Ausbrennbereich
aufweisen, beispielsweise vier Bereiche, wobei die Gasumgebung des
ersten Bereichs eine gasförmige
Diffusionsquelle zum Dotieren des Substrats und ein Inertgas und
Sauerstoff aufweist, wobei die Gasumgebung des zweiten Bereichs
ein Inertgas und Sauerstoff aufweist, wobei die Gasumgebung des
dritten Bereichs eine gasförmige
Diffusionsquelle zum Dotieren des Substrats und ein Inertgas und
Sauerstoff aufweist, und die Gasphasenumgebung des vierten Bereichs
ein Inertgas und Sauerstoff aufweist. Das System ist offen, das
heißt,
daß es wenigstens
indirekt mit der die Vorrichtung umgebenden Atmosphäre in Berührung steht.
Das offene System weist vorzugsweise keine Vakuumfallen oder luftdichte
Kammern auf.
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Das
offene Durchlaufdiffusionssystem, welches im Folgenden beschrieben
wird, erbringt einen hohen Durchsatz und liefert eine Vielfalt an
Vorteilen gegenüber
bestehenden Diffusionssystemen. Hinsichtlich Öfen mit Transportband ermöglicht das
System die Anwendung von flüssigen
oder festen Diffusionsquellen wie Schablonendruck einer Phosphorpaste
vor dem Diffusionsvorgang. Das Trocknen und Ausbrennen von organischen Komponenten
in einem ersten Abschnitt des Ofens ist lokal von den Hochtemperatur-Diffusionsbereichen
getrennt, um Kontamination zu verhindern. Im Gegensatz zu Öfen mit Transportband
werden die Substrate erfindungsgemäß vorzugsweise nicht horizontal
auf einem Förderband
angeordnet. Die Substrate werden vorzugsweise in Quarzschiffchen
so eingebracht, daß der
Durchsatz verglichen mit der herkömmlichen flachen Anordnung
der Wafer erhöht
ist. Zum Beispiel können die
Wafer vertikal oder horizontal in den Schiffchen gestapelt werden.
Dieses verhindert Kontamination durch Partikel auf dem Band und
durch Partikel, die auf die Oberfläche des Substrats fallen könnten. Die vertikale
oder horizontale gestapelte Anordnung der Wafer in der vorliegenden
Erfindung erhöht
den Durchsatz des Systems für
einen gegebene Geschwindigkeit der Transportvorrichtung. Durch das erfindungsgemäße System
können
beide Diffusionsarten von festen und flüssigen Dotierungssubstanzen als
auch sequentielles Dotieren von einer Gasatmosphäre vorgesehen werden. Eine
Vielzahl von vorteilhaften Vorgängen
kann durchgeführt
werden, welche in herkömmlichen
Diffusionssystemen nicht möglich sind.
Besonders bei der Durchführung
einer selektiven Diffusion in nur einem Diffusionsschritt ermöglicht das
System der beschriebenen Neuerung zusätzliche Freiheit bei den Herstellbedingungen.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein System, welches für Duchlaufdiffusionsvorgänge verwendet
werden kann, indem es einen Ofen mit verschiedenen Bereichen vorsieht,
die individuell geheizt und individuell mit verschiedenen Gasatmosphären durchspült werden
können.
Die herzustellenden beziehungsweise zu bearbeitenden Substrate werden
nacheinander durch diese unterschiedlichen Bereiche bewegt. Das
Be- und Entladen der Substrate erfolgt an örtlich unterschiedlichen Positionen,
vorzugsweise am Eingang und am Ausgang des Systems. Die Substrate
sind typischerweise Halbleiterwafer und werden vorzugsweise vertikal
in Quarzschiffchen eingebracht, um jeglichen direkten Kontakt mit
der Transportvorrichtung zu vermeiden. Vorzugsweise ist der mechanische
Kontaktbereich in den Schlitzen der reinen Quarzschiffchen auf ein
Minimum reduziert. Der Transport der Quarzschiffchen selbst erfolgt
idealerweise mittels einer Vorrichtung, die weder Partikel noch
jegliche andere Kontamination in dem Ofen erzeugt, beispielsweise
durch einen Balancier beziehungsweise Schwingbalken. Die vertikalen
oder horizontalen Stapel von Substraten ergeben verschiedene Vorteile:
- – Ein
bedeutender höherer
Durchsatz für
den gesamten Systemumfang verglichen mit herkömmlichen Öfen mit Transportbändern kann
erzielt werden, das heißt,
daß der
Bereich der pro Zeiteinheit übertragenen
Substrate den Bereich übersteigt, welcher
durch das Transportmittel pro Zeiteinheit überstrichen wird;
- – die
Substratoberflächen
werden vor Partikeln geschützt,
die in den Ofen fallen könnten
(beispielsweise an Auslässen
für Abgas
beziehungsweise an Absaugungen);
- – Wafer
können
Rücken
an Rücken
in denselben Schlitz eingebracht werden in Fällen, in denen nur eine Hauptoberfläche des
Substrats in diesem Diffusionsschritt einer Diffusion unterzogen
werden soll. Dieses minimiert ungewollte indirekte Diffusion der
Rückseiten
und verdoppelt den Durchsatz;
- – die
Substratoberflächen,
auf welchen Diffusion erfolgt, werden parallel und vorzugsweise
sich gegenüberliegend
positioniert. Der Abstand zwischen diesen Oberflächen kann variiert werden, um
die indirekte Diffusion von der Umgebungsgasphase aktiv zu regulieren,
wo Substrate nur selektiv mit einer Diffusionsquelle bedeckt sind. Je
kleiner der Abstand ist, desto höher
ist die Konzentration der Dotierungsatome, die von der auf dem Substrat
aufgebrachten Quelle in das Umgebungsgas zerstreut werden, welches
die Substrate umgibt.
Die Hauptoberflächen der Substrate berühren nur Teile
der Transportvorrichtung an deren Rändern. Weiterhin berühren die
Ränder
der Substrate nur auswechselbare und zu reinigende Substratträger eher
als daß sie
flach auf ein Förderband
gelegt werden, welches vor allem mit einer Hauptoberfläche des
Substrats in Berührung
kommt und zweitens von vorherigen Herstellschritten kontaminiert sein
kann.
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Der
Diffusionsofen der Neuerung ermöglicht weiterhin
eine aktive Abscheidung aus einer gasförmigen Diffusionsquelle in
einem oder in verschiedenen Bereichen. Dieses schafft eine erhöhte Herstellungsflexibilität und ermöglicht die
Auswahl einer Vielzahl von Durchlaufdiffusionsprozessen mit hohem
Durchsatz:
- a) Das System kann für einen
Durchlaufdiffusionsprozess von gasförmigen Diffusionsquellen verwendet
werden, wobei ein hoher Durchsatz erzielt wird. Abscheidung von
einer gasförmigen Quelle
kann bei Temperaturen unter der realen Diffusionstemperatur erfolgen,
um eine homogenere Diffusion über
der gesamten Substratoberfläche
zu erzielen. Durch Einbringen einer gasförmigen Diffusionsquelle an verschiedenen
Positionen in dem Diffusionsablauf ist es möglich, das Tiefenprofil der
Dotierungssubstanzkonzentration nach der Diffusion (Diffusionstiefenprofil)
leichter zu variieren. Zum Beispiel kann eine Diffusion mit einer
niedrigen Dotierungssubstanzkonzentration aber mit einer tiefen
Diffusionstiefe zu Beginn der Herstellungssequenz ausgeführt und
eine sehr flache Diffusion mit hoher Oberflächenkonzentration gegen Ende
der Sequenz hinzugefügt
werden. Dieses ist für
Solarzellenherstellung von besonderem Interesse, bei welcher Schablonendruckkontaktierungen
solche Diffusionstiefenprofile erfordern.
Das System ermöglicht weiterhin
Prozesse, die vor dem Aufbringen einer organischen Dotierungspaste
auf Teile des Substrats selektiv eine Schutzschicht oder -maske
auftragen. Dieser Maskenlayer beziehungsweise diese Maskenschicht
kann Diffusion in das Halbleitersubstrat verhindern. Diese Schicht
oder dieser Maskenlayer kann zum Beispiel eine dicke Oxidschicht
sein, welche beim Ausbrennen des organischen Materials aus der Paste
gebildet wird. Die organischen Bestandteile werden in dem Trocknungs-
und Ausbrennbereich am Anfang des Ofens ausgebrannt und kontaminieren
die nachfolgenden reinen Diffusionsbereiche des Ofens nicht.
- b) Das System kann als ein herkömmlicher Ofen mit Transportband
zur Diffusion von flüssigen oder
festen Diffusionsquellen benutzt werden, wie zum Beispiel schablonendruckbare
Phosphorpaste. Die organischen Bestandteile dieser Diffusionsquellen
werden in dem Trocknungs- und Ausbrennbereich am Anfang der Diffusionssequenz ausgebrannt.
Die Substrate werden in ihrer vertikalen Lage in Quarzschiffchen
viel besser vor Kontamination (Band, fallende Partikel, etc.) geschützt als
in herkömmlichen Öfen mit
Transportband, wobei der Durchsatz deutlich erhöht wird.
- c) Das System ist sehr gut für
Prozesse geeignet, bei welchen selektive Diffusion von einer Diffusionsquelle,
die einerseits auf Teile des Substrats aufgebracht wird, und durch
Ausdiffundieren von Dotierungsatomen von dieser Diffusionsquelle
in die Gasatmosphäre
und Wiedereintreten an Stellen des Substrats erfolgt, die weder
von der Quelle oder irgend einer anderen Schicht geschützt sind
(indirekte oder passive Diffusion). Auch für diese selektiven Diffusionsprozesse
kann ein hoher Durchsatz erreicht werden. Zusätzlich gibt es die Möglichkeit
der Manipulation der indirekten Diffusion über die Gasatmosphäre, indem
der Abstand zwischen den bearbeiteten Substraten ausgewählt wird.
Dieser Abstand hat einen Einfluss auf die Konzentration von Dotierungsatomen
in der die Substrate umgebenden Gasatmosphäre, und deshalb auf die Höhe der indirekten
Dotierung in dem Substrat.
- d) Das System ermöglicht
ebenfalls die Kombination von Diffusion von flüssigen oder festen Diffusionsquellen,
die vorher auf das Substrat mit einer gasförmigen Diffusion aufgebracht
wurden, in andere Substratbereiche, die keine vorher aufgebrachte
Beschichtung mit einer Diffusionsquelle oder anderen Maskenlayer
erhalten haben. Konsequenterweise ist es auch möglich, Diffusionen von gegensätzlichen
Typen von Dotierungsatomen in derselben Prozessfolge zu haben. Die
zusätzliche
Verwendung einer gasförmigen
Diffusionsquelle gibt einen großen
Freiheitsgrad für
selektive Diffusionsprozesse, in welchen die unterschiedlichen Diffusionsbereiche
dann im Wesentlichen unabhängig
voneinander manipuliert werden können.
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Die
Verwendung eines solchen Systems ist weiterhin nicht nur auf Diffusion
beschränkt.
Es kann durch einfaches Umschalten der Atmosphäre der verschiedenen Bereiche
auf Sauerstoff für
einen Durchlaufoxidationsvorgang benutzt werden. Es ist auch möglich, daß eine Oxidation
direkt nach Diffusion in der gleichen Prozessfolge durchgeführt wird. Außerdem ist
es möglich,
einen Schritt mit chemischer Dampfablagerung (CVD) innerhalb desselben Ofens
hinzuzufügen,
um CVD-Schichten am Ende der Prozessfolge durch die entsprechende
Gasatmosphäre
in dem letzten (den letzten) Bereich (Bereichen) des Systems zu
haben.
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Die
Erfindung schließt
ein Durchlaufherstellungssystem mit ein, welches das Beladen von
Substraten an einem Ort in dem System und das Entladen von ihnen
an einem anderen Ort in dem System ermöglicht, und welches weiterhin
ganz besonders geeignet ist, Diffusionen von flüssigen, festen und/oder gasförmigen Diffusionsquellen
in einer Durchlaufsequenz auszuführen.
Mindestens vier Prozesse mit hohem Durchsatz können für Halbleiterherstellung vorgesehen
werden. Der erste Teil der Sequenz weist einen Bereich zum Trocknen
und Ausbrennen auf welcher lokal von den anderen Bereichen in der
Sequenz getrennt ist, wo organische Bestandteile von flüssigen oder
festen Diffusionsquellen in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre ausgebrannt
werden, wohingegen die anderen Bereiche mit abschirmenden Inertgasen
(beispielsweise Stickstoff oder Argon), oder mit Sauerstoff oder
anderen Gasen durchspült
werden können,
wodurch in einem oder zwei Bereichen eine Abscheidung von einer
gasförmigen
Diffusion ausgeführt
werden kann, wobei alle Bereiche Hochtemperaturheizeinrichtungen
zum externen Heizen von Quarzrohren aufweisen. Ein erster Prozess
kann eine Durchlaufdiffusion von einer flüssigen oder festen Diffusionsquelle
sein, die auf den Substraten vorher aufgebracht und vorgetrocknet
wurde, wobei die Substrate vertikal oder horizontal in reinen Trägern wie
Quarzschiffchen gestapelt sind, gefolgt vom Befördern dieser Träger durch
einen Trocknungs- und Ausbrennbereich mit einer Sauerstoff enthaltenden
Atmosphäre
bei Temperaturen im Bereich von 300 bis 700 °C, und darauf durch einen weiteren
Bereich oder weitere Bereiche, welche mit einem Inertgas bei typischen
Temperaturen im Bereich zwischen 600 und 1200 °C, beispielsweise bei 800 °C, durchspült werden.
Weitere optionale Bereiche können
vorgesehen werden, die mit Sauerstoff durchspült werden.
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Diffusion
in die Substrate kann an allen Stellen erfolgen, auf welche die
Diffusionsquelle aufgebracht worden ist. Ein zweiter Durchlaufdiffusionsprozess
von einer gasförmigen
Diffusionsquelle (wie POCl3) kann eingefügt werden, wobei die Substrate in
einer vertikalen oder horizontalen Lage in kontaminationsfreien
Behältern
wie Quarzschiffchen beibehalten werden, und wo die gasförmige Diffusionsquelle
in einer oder in mehreren aufeinanderfolgenden Bereichen des Durchlaufprozesses
in das Substrat hineindotiert werden kann, wobei diese Bereiche getrennt
sein können
und/oder Bereich nachfolgen, welche das Einbringen der Dotierungsatome
von der Diffusionsquelle in das Substrat in einer Inertgasatmosphäre ermöglichen.
Ein dritter Prozess kann ein Durchlaufdiffusionsprozess sein, der
später
detaillierter beschrieben wird, bei welchem die Substrate vertikal
oder horizontal in kontaminationsfreien Behältern wie Quarzschiffchen angeordnet
werden, wobei alle drei Prozesse die Anwendung einer organisch basierten
Schutzmaske ermöglichen,
welche Diffusion an den Stellen der Substrate verhindert, auf denen sie
aufgebracht wurde, und deren organische Bestandteile im ersten Teil
des Systems in einem Trocknungs- und Ausbrennbereich in einer sauerstoffreichen
Atmosphäre
ausgebrannt werden. Ein vierter Prozess kann ein Durchlaufoxidationsprozess
mit hohem Durchsatz sein, bei welchem ein thermisches Oxide auf
dem Halbleitersubstrat gezüchtet
wird beziehungsweise anwächst.
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Die
abhängigen
Ansprüche
definieren weitere Ausgestaltungen der Erfindung. Die Erfindung, ihre
Vorteile und Ausführungsformen
werden nun mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 bis 2 zeigen schematische Ansichten der Vorrichtung
und der Wafertransportvorrichtung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
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3 bis 4 zeigen schematische Längs- und Querschnittsdarstellungen
einer Vorrichtung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform,
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5 zeigt einen für die vorliegende
Erfindung geeigneten Substratträger,
und
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6 bis 8 zeigen schematische Darstellungen eines
erfindungsgemäßen Diffusionsvorgangs.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen
mit Bezugnahme auf charakteristische Zeichnungen beschrieben, aber
die Erfindung ist darauf nicht beschränkt, sondern nur durch die
Ansprüche.
Insbesondere wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf Solarzellen
beschrieben, für
welche sie besonders geeignet ist, aber die Erfindung ist darauf
nicht beschränkt,
sondern sie kann allgemeine Verwendung bei der Herstellung von Halbleitersubstraten
finden.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Halbleiterherstellung,
die für
verschiedene vorteilhafte Diffusionsprozesse mit hohem Durchsatz
verwendet werden kann. 1A und 1B zeigen vereinfachte Ansichten
des Ofens 10 und eines Substratträgers 40 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung, die das neuartige Diffusionssystem aufweist.
Der Ofen kann aufweisen: Einen ersten Prozessbereich 11,
der zum Trocknen und/oder Ausbrennen von allen organischen Bestandteilen
von einer Diffusionsquelle oder Maskenlayern verwendet werden kann,
die auf den Wafersubstraten 30 vorher aufgebracht wurden.
Organische Bestandteile von auf den Substraten 30 aufgebrachten
Diffusions- oder Maskenquellen werden in diesem Bereich in einer
Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre
bei Temperaturen im Bereich von 300 bis 750 Grad C ausgebrannt,
besonders bevorzugt sind ungefähr
500 Grad C. Der erste Bereich 11 ist lokal isoliert von
den anderen Bereichen durch einen Abschnitt 12 des Ofens 10,
um jegliche Kreuz-Kontamination zwischen dem ersten Bereich 11 und
den anderen Bereichen 13 bis 17 und umgekehrt
zu verhindern. Die Isolation kann durch geeignetes Durchspülen und
Absaugen des Bereiches 12 erreicht werden. Die Bedingungen
im Bereich 12, zum Beispiel Temperatur und Gasatmosphäre, können gesteuert
werden, um optimale Startbedingungen für den nächsten Bereich 13 in
der Sequenz zu erlangen. Insbesondere sollten die Bedingungen im
Bereich 12 vorzugsweise gesteuert werden, um eine Zersetzung
der verschmolzenen Dotierungssubstanzen nach dem Ausbrennbereich 11 zu
verhindern, zum Beispiel, wenn Phosphorpaste als feste Dotierungssubstanzquelle für die Vor-Aufbringung
auf Substrate 30 verwendet wird, ist es bevorzugt, Kontakt
mit Befeuchtungsdampf im Bereich 12 zu verhindern.
- – Die
Substrate 30 bewegen sich nach dem Ausbrennen durch einen
Isolierbereich 12 in einen Bereich 13, welcher
mit Inertgas, Sauerstoff oder optional mit einer gasförmigen Diffusionsquelle gefüllt und
durchspült
werden kann. Dieser Bereich 13 kann auf die geeignete Temperatur
reguliert werden, welche davon abhängig ist, ob in diesem Bereich
schon eine Diffusion erfolgen soll, oder ob er nur zum Abscheiden
und/oder als Temperatur-Anfahrbereich verwendet werden soll. Bereich 13 kann
unabhängig
mit einem Inertgas und/oder Sauerstoff gefüllt und durchspült werden,
und er kann bis zu Temperaturen aufgeheizt werden, bei denen Diffusion
von Dotierungsatomen in die Substrate auftritt, typischerweise in
einem Bereich von 850 bis 1000 Grad C.
- – Die
Substrate 30 bewegen sich durch weitere Bereiche 14 bis 17,
die unabhängig
mit einem Inertgas und/oder Sauerstoff gefüllt und durchspült werden
können,
und die bis zu Temperaturen aufgeheizt werden können, bei denen Diffusion von Dotierungsatomen
in die Substrate auftritt, typischerweise in einem Bereich von 850
bis 1000 Grad C.
- – Jeder
Prozessbereich 11 bis 17 kann von einem Schutzrohr
umgeben sein, welches vorzugsweise inert ist, hohen Temperaturen
widerstehen kann und leicht zu reinigen ist, zum Beispiel ein einzelnes
oder verschiedene Quarzrohre 50 durchgehend über die
Länge der
Vorrichtung 10. Das Heizen des Quarzrohrs 50 kann
mittels üblicher
Heizelemente um das Quarzrohr herum oder mittels der Umwandlung
des Lichts von IR-Lampen in Wärme
auf einer Beschichtung auf der Außenseite des Rohrs 50 erfolgen.
Wo Isolation zwischen den verschiedenen Bereichen zum Verhindern von
Kreuz-Kontamination notwendig ist, kann dieses mit einem geeigneten
Isolierbereich 12 zwischen den Bereichen und/oder mit einer
angepassten Absaugsystem erreicht werden, welches die Gasdruckbedingungen
entsprechend in den Bereichen reguliert, insbesondere den Fluss
beziehungsweise die Strömung
von abschirmenden Inertgasen um die Substrate 30 herum. Jedem dieser
Bereiche 13 bis 17 kann ein weiterer Bereich folgen,
welcher von einer gasförmigen
Diffusionsquelle, von Inertgas und/oder Sauerstoff, durchströmt wird.
Folglich kann ein späterer
Bereich oder können
spätere
Bereiche zum Vorsehen einer zweiten Diffusion von einer gasförmigen Quelle
verwendet werden, um beispielsweise eine hohe Dotierungsoberflächenkonzentration
auf einem sehr flachen Teil eines Emitterbereiches beziehungsweise
Emissionsbereiches zum Ende der Diffusionssequenz hin zu erzeugen.
Diesem Bereich können
weitere Bereiche folgen, welche mit Inertgas und/oder Sauerstoff
durchspült
werden, und welche auf eine Temperatur aufgeheizt werden können, bei
der Diffusion auftritt.
- – Die
Heizbereiche 13 bis 17 können Ablagerungen von einer
in die Bereiche eingeführten
gasförmigen
Diffusionsquelle ermöglichen.
Diese Diffusionsbereiche 13 bis 17 können vorteilhafterweise zum
Anfang und zum Ende der sequentiellen Diffusionssequenz hin angeordnet
werden. Dieses ermöglicht Überlagerung
von zwei verschiedenen Dotierungseindringtiefen (Diffusionstiefenprofil) durch
ein homogene gasförmige
Durchlaufdiffusion oder Hinzufügen
von nur einem flachen Diffusionstiefenprofil für einen selektiven Diffusionsvorgang
in den Bereichen, auf denen weder eine feste noch flüssige Diffusionsquelle
aufgebracht wurde. Zum Beispiel kann Bereich 11 zum Trocknen
und Ausbrennen von organischen Materialien aus den auf Feststoff
basierenden Dotierungssubstanzen benutzt werden, die vorher selektiv
auf Substrate 30 aufgebracht wurden. Bereich 30 kann
ein Diffusionsbereich sein, welcher mit einer Mischung von Stickstoff,
Sauerstoff und einer gasförmigen
Dotierungssubstanz wie POCL3 zur Ablagerung
der zweiten Dotierungssubstanz durchspült wird. Bereiche 14 und 15 können mit
Sauerstoff und Stickstoff durchspült und zum Einbringen der Dotierungssubstanzen
benutzt werden. Bereich 16 kann ein weiterer, mit Stickstoff,
Sauerstoff und einer gasförmigen
Dotierungssubstanz wie POCL3 durchspülter Diffusionsbereich
für eine weitere
Ablagerung einer dritten Dotierungssubstanz sein. Zone 5 kann
mit Stickstoff und Sauerstoff durchspült und zum Einbringen der dritten Dotierungssubstanz
benutzt werden.
- – Das
System weist ein kontaminationsfreies Transportsystem 21 für Substratträger 40,
wie beispielsweise Quarzschiffchen, auf. Das Transportsystem 21 befördert die
Träger
kontinuierlich durch alle Bereiche 11 bis 17 einschließlich der Isolierbereiche 12 hindurch.
Obwohl die vorliegende Erfindung kein Transportband aufweist, sollte
das Transportsystem 21 vorzugsweise frei von Kontamination
sein, wie es beispielsweise mit einer ,Schwingbalken'-Einrichtung beziehungsweise
Balancier erreicht werden kann. Eine ,Schwingbalken'-Einrichtung beziehungsweise ein
Balancier zur Verwendung in einem Ofen ist aus der US-A-5,449,883
bekannt, bei welcher horizontale Wafersubstrate angehoben und in
der Prozessrichtung mittels zwei Stangensätzen befördert werden, die durch die
geheizten Bereiche des Systems hindurch reichen. Bei einer Anpassung
dieser Einrichtung an die vorliegende Erfindung werden die Substratträger 40 (zum
Beispiel Quarzschiffchen) von einem ersten Satz von zwei oder mehr
parallelen, beabstandeten Karbid- oder Quarzstangen angehoben, welche
durch jedes Quarzrohr hindurchreichen, und die Stangen werden vorwärts bewegt,
bevor sie unter einem zweiten Satz von zwei oder mehr Karbid- oder
Quarzstangen abgesenkt werden, wodurch der Substratträger 40 dem
zweiten Satz übergeben
wird. Der zweite Satz hebt die Substratträger 40 erneut an und
befördert
sie vorwärts,
wobei er sie dem ersten Satz wieder übergibt, der inzwischen in
seine Neutralposition zurückgekehrt
ist, und so weiter. Dieses Transportsystem 21 erzeugt selbst
keine Kontaminationspartikel in dem Diffusionssystem. Die Bewegungseinrichtung
für die
Stangen kann außerhalb
des Quarzrohr angeordnet sein. Für
sehr lange Öfen
kann die Bewegungseinrichtung in den Isolierbereichen zwischen den
Prozessbereichen vorgesehen sein. Die oben beschriebene ,Schwingbalken'-Einrichtung beziehungsweise
der Balancier erzeugt keine Partikel durch Reibung (wie beispielsweise
durch Walzen und ein Transportband verursacht) und enthält keine
metallischen Teile in den Heizbereichen, das heißt, es gibt keine Möglichkeit
metallischer Kontamination bei den in den Bereichen benutzten hohen
Temperaturen. Weiterhin sind die zwischen den Bereichen beförderten
Teile nur die Substratträger 40 und
die Substrate 30, wohingegen bei einem Transportband Teile
der Transporteinrichtung auch zwischen den Bereichen passieren,
wobei somit Kontaminationssubstanzen zwischen den Bereichen übertragen
werden. In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist die Kreuz-Kontamination zwischen
Bereichen auf ein Minimum reduziert.
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Die
Substrate 30 werden vorzugsweise in die Quarzschiffchen 40 so
eingebracht, dass ein höherer Durchsatz
erreicht wird, verglichen mit anderen Durchlaufdiffusionsvorrichtungen
wie Öfen
mit Transportband mit horizontal angeordneten Wafern. Insbesondere
können
die Substrate 30 vertikal oder horizontal übereinander,
oder in einer Neigung zur Vertikalen gestapelt werden. Bei einer
vertikalen Stapelung können
die Substrate 30 mit der Substratfläche in die Transportrichtung
in einem Winkel dazu gestapelt werden. Ein geeigneter Substratträger 40 ist schematisch
in 5 dargestellt. Idealerweise
sollte der Substratträger 40 dünnen Stützelemente 40, 41, 42, 44 zur
Ermöglichung
freien Zugangs von Gas auf die Wafer 30. Die Wafer 30 sollten
minimale Berührung
mit dem Substratträger 40 haben,
das heißt,
in Schlitzen 43 angeordnet sein, die sie nur an ihren Rändern berühren, um
Kontamination und Störung der
Temperaturverteilung auf den Wafersubstraten 30 auf ein
Minimum zu reduzieren. Die vertikale Lage der Substrate 30 hat
die Vorteile, dass die Hauptoberflächen der Substrate 30 keine
möglichen
kontaminierten Teile des Systems berühren, und dass keine Partikel
auf diese Oberflächen
fallen können.
Die Substrate 30 können
Rücken
an Rücken
in den gleichen Schlitz 43 des Substratträgers 40 eingebracht werden,
wobei die parasitäre
Diffusion auf der Rückseite
eines jeden Substrats 30 reduziert und der Durchsatz pro
Schiffchen 40 verdoppelt wird. Der Abstand zwischen Substratflächen, die
selektiv mit einer auf einer Flüssigkeit
und/oder auf einem Feststoff basierenden Diffusionsquelle beschichtet
sind, kann leicht durch Änderung
der Ausführung
der Schiffchen 40 verändert
werden. Dieser Abstand bestimmt das Gasvolumen zwischen den Substraten 30,
welches die Konzentration von Dotierungsatomen bestimmt, die aus
der Diffusionsquelle in die Gasatmosphäre zwischen den beiden Substratoberflächen diffundieren.
Die Substrate 30 können
auch vertikal so angeordnet werden, dass die mit Dotierungssubstanzen beschichtete
Oberfläche
zu der unbeschichteten Seite des nächsten Substrats 30 weist.
Beim Einbringen der Dotierungssubstanzen diffundieren die in die Gasatmosphäre zwischen
den Substraten 30 gelösten
Dotierungsatome indirekt in die unbeschichtete Oberfläche des
Substrats 30, wobei sich eine fließende Verbindung beziehungsweise
Grenzzone der Rückseite
des Substrats gleichzeitig wie selektive Diffusion auf der Vorderseite
des Substrats 30 von den selektiv aufgebrachten Dotierungssubstanzen ergibt.
Die Gasströmung
innerhalb der verschiedenen Bereiche 11 bis 17 ist
homogen über
den Substratoberflächen
ausgebildet. Die Bedingungen von Substrat zu Substrat sind die gleichen,
da die Substrate 30 sequentiell nacheinander die gleichen
Bedingungen erfahren. Ein auf diese Weise ausgebildetes System ermöglicht eine Vielzahl
von unterschiedlichen Durchlaufdiffusionsprozessen mit dem hohen Durchsatz,
der für
zukünftige
Fertigungsstraßen
von großvolumiger
Solarzellenherstellung benötigt
wird.
- – Die
Substrate 30 werden an unterschiedlichen Positionen be-
und entladen (Eingang 5, Ausgang 6). Die Substrate 30 bewegen
sich fortlaufend in der vertikalen oder horizontalen Position in
Substratträgern 40 durch
verschiedene Bereiche 11 bis 17 des Diffusionssystems,
bevor sie an einem Ort 6 entladen werden, der ein anderer
als der Beladeort 5 ist.
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Das
erfindungsgemäße System
kann zum Beispiel für
die folgenden Prozesse verwendet werden:
- 1)
Ein Durchlaufdiffusionsprozess von einer flüssigen oder festen Diffusionsquelle,
die auf den Substraten 30 aufgebracht ist. Möglichkeiten
zur Applikation der Diffusion sind beispielsweise Dickfilmtechniken
wie Schablonendruck, bei denen eine flüssige Diffusionsquelle als
Diffusionspaste, Spray oder aufgeschleudert angewandt wird. Die Quelle
wird getrocknet, und organische Bestandteile werden in dem ersten
Bereich 11 des Durchlaufsystems wie bei herkömmlichen Öfen mit Transportband
ausgebrannt. Für
das Ausbrennen wird eine sauerstoffreiche Atmosphäre benutzt, und
Temperaturen um 500 Grad oder auch bis zu 700 Grad brennen alle
organischen Bestandteile aus, ohne Diffusion oder Oxidation auszulösen. Die
Substrate treten dann in verschiedene Hochtemperaturbereiche 13 bis 17 ein,
welche von einem Inertgas wie Stickstoff und/oder Sauerstoff durchspült werden.
Die Temperatur in dieser Bereichen 13 bis 17 kann
Werte im Bereich von 800 bis 1100 Grad C annehmen, typischerweise
von 850 bis 1000 Grad, um die Dotierungsatome von der Quellenschicht
in die Substrate 30 zu diffundieren. Das vertikale Anordnen
der vertikalen Position der Substrate 30 reduziert weiterhin
das Kontaminationsrisiko durch Partikel, die auf die Substratoberflächen fallen
könnten,
falls dieses horizontal angeordnet wären. Das vorgeschlagene Diffusionssystem
weist folglich einen reineren Diffusionsprozess und einen im Wesentlichen
erhöhten
Durchsatz im Vergleich mit bestehenden Diffusionssystemen mit auf
einer Flüssigkeit und/oder
auf einem Feststoff basierenden Diffusionsquellen auf.
- 2) Ein Durchlaufdiffusionsprozess von gasförmigen Diffusionsquellen. In
diesem Fall ist der Ausbrennbereich 11 nur wichtig, wenn
eine organisch basierte Diffusionsmaske auf Teilen der Substratoberfläche aufgebracht
wurde. In diesem Fall würde
das Ausbrennen wie unter 1) beschrieben erfolgen. Andernfalls könnte dieser
Bereich auch ausgeschaltet werden. Der erste Bereich 13 nach dem
Ausbrennbereich wird mit einer gasförmigen Diffusionsquelle durchspült, um einen
Dotierungsfilm auf der Substratoberfläche 30 abzuscheiden. Die
Temperatur in diesem Bereich kann so niedrig wie 750 Grad sein,
um einen relativ dicken Film von der Quelle abzuscheiden ohne die
Diffusion schon zu starten. Dieses ermöglicht eine homogenere Diffusion
in den nachfolgenden Einbringbereichen. Es ist jedoch auch möglich, schon
Temperaturen von ungefähr
900 Grad zu benutzen, um den Diffusionsprozess gleichzeitig mit
erfolgter Abscheidung zu starten, wenn die Quelle dergestalt eingebracht
wird, dass sich daraus homogene Bedingungen über dem Substrat 30 ergeben.
Dem Abscheidungsbereich folgen Einbringbereiche 14 bis 17,
in welchen die Dotierungsatome von dem abgeschiedenen Film in das
Substrat bei Temperaturen hineindiffundieren, die typischerweise
im Bereich von 850 bis 1000 Grad C liegen. Diese Diffusionsbereiche 14 bis 17 werden typischerweise
von einem Inertgas wie Stickstoff durchspült. Dieser erste Diffusion
von einer gasförmigen
Diffusionsquelle könnte
ein zweiter Abscheidungsbereich folgen. In diesem Abscheidungsbereich
wird zu einer anderen Zeit eine gasförmige Diffusionsquelle auf
den Substraten abgeschieden. Typischerweise wird die Temperatur auf
einem Wert beibehalten, der zum Auftreten von Diffusion hoch genug
ist (atypischerweise 900 bis 1000 Grad C), aber es ist auch möglich, das Diffusionsglas
wieder bei Temperaturen abzuscheiden, bei denen noch keine Diffusion
auftritt (unter 800 Grad C), um eine größere Homogenität über der
Substratoberfläche
zu erzielen. Die letzten Bereiche sind dann Einbringbereiche, die
typischerweise mit einem Inertgas wie Stickstoff durchspült und typischerweise
auf Temperaturen um oder über
900 Grad C aufgeheizt werden. Das Abscheiden und Einbringen von
gasförmigen
Diffusionsquellen an zwei unterschiedlichen Orten des Diffusionssystems
gibt mehr Freiheit in der Bestimmung des Diffusionstiefenprofils
(Dotierungsatomkonzentration über
Tiefe im Substrat). Es schafft beispielsweise die Möglichkeit,
eine relativ tiefe Diffusion mit niedrigerer Dotierungsatomkonzentration
in den ersten Bereichen des Systems und ein sehr flaches Dotierungsprofil
mit hoher Oberflächenkonzentration
im Endbereich des Diffusionssystems zu erzeugen. Solche Profile
können
leichter optimiert werden, wie zum Beispiel im Fall von Silizium-Solarzellen,
bei denen Schablonendruckmetallisierung verwendet wird, um einen
mit Phosphor dotierten Emitter zu kontaktieren. Die Metallisierung
wird in diesem Fall ein Emitterprofil erforderlich machen, welches
tief genug ist, um ein Shunting beim Bilden des Metallkontakts zu
vermeiden, und welches eine hohe Oberflächenkonzentration von Dotierungsatomen aufweist, die
die Bildung eines guten ohmschen Kontakts ermöglicht. Andererseits sollte
der Emitter nicht über
die gesamte Tiefe hochdotiert sein, da dieses in einem schlechten
Wirkungsgrad der Solarzellen resultiert, wie in dem Fall, in dem
der Emitter auf die beschriebene Weise durch zwei Abscheidungen
gebildet wird. Weiterhin ist es möglich, dass die Endbereiche
nach dem Abscheiden der gasförmigen
Quelle eine Sauerstoffatmosphäre
mit Temperaturen über
800 Grad aufweisen, woraus sich eine thermische Oxidation des Substrats
ergibt. Dieses thermische Oxid kann als eine Defekt passivierende
Schicht im Oberflächenbereich
dienen. Verbinden von Oxidation und Diffusion in einem Prozessschritt
vereinfacht die Prozesssequenz und vermeidet zusätzliche chemische Schritte
zwischen diesen beiden Prozessschritten. Grundsätzlich kann die beschriebene
Prozesssequenz in einem Stapelverarbeitungssystem mit einem geschlossenen Quarzrohr
durchgeführt
werden. Die Vorteile des vorgeschlagenen Systems sind ein viel höherer Durchsatz,
ein kontinuierlicher Prozess und die zusätzliche Möglichkeit der Verwendung von
organisch basierten Diffusionsmasken.
- 3) Ein selektiver Durchlaufdiffusionsprozess wie später beschrieben.
Nachdem eine Schablone von auf Flüssigkeit und/oder Feststoff
basierender Diffusionsquelle selektiv auf einen Teil der Substratoberflächen aufgebracht
wurde, durchlaufen diese Substrate 30 einen Trocknungs-
und Ausbrennbereich 11 wie unter 1) beschrieben, um alle organischen
Bestandteile aus der Diffusionsquelle zu entfernen. Die sich anschließenden Bereiche 13 bis 17 weisen
typischerweise eine Inertgasatmosphäre bei erhöhter Temperatur von über 900
Grad C auf. Zwei Diffusionsprozesse beginnen gleichzeitig. Dotierungsatome
diffundieren aus der Diffusionsquelle in das darunterliegende Substrat 30.
Zusätzlich
diffundieren Dotierungsatome von der selektiv aufgebrachten Quelle
in die Gasphase und von dort aus in das Substrat 30 an den
Stellen, an welchen keine Diffusionsquelle aufgebracht wurde. Die
Konzentration, mit welcher die Diffusionsatome in das Substrat wieder eindringen,
hängt in
hohem Maße
von dem Gasvolumen zwischen den benachbarten Substraten 30 ab,
die in den Quarzschiffchen 40 parallel zueinander in vertikaler
Stellung angeordnet sein und deren Oberflächen mit aufgebrachten Diffusionsquellen
sich gegenüber
stehen sollten. Der Abstand zwischen zwei Substraten 30 kann
folglich ausgewählt
werden, um diese indirekte Diffusion zu beeinflussen. Ist die Diffusionsquelle
nur auf einer Substratseite aufgebracht, so ist es möglich, die
Substrate Rücken
an Rücken
in den gleichen Schlitz 43 einzusetzen, um indirekte Diffusion
von der Gasphase in die Rückseiten
zu minimieren. Die Möglichkeit
der Abscheidung einer gasförmigen
Diffusionsquelle mit dem vorgeschlagenen System gibt einen weiteren
Freiheitsgrad zur Manipulation der Diffusion in den Substratbereichen,
die nicht von einer Diffusionsquelle bedeckt sind. Folglich ermöglicht der
Prozess die Bildung von zwei oder mehreren verschiedenen Diffusionsbereichen
nahezu unabhängig
in nur einem Diffusionsprozess. Die gleichen wie unter 1) beschriebenen
Vorteile bestehen für
diesen Prozess zusammen mit dem zusätzlichen Vorteil für mehr Freiheit
bei der selektiven Diffusion als im Vergleich mit Systemen, bei
denen Substrate nicht parallel zueinander angeordnet werden können, wo
keine gasförmige
Diffusionsquelle zusätzlich
eingebracht werden kann, wo keine Ausbrennzone vorgesehen ist, oder
wo keine kontaminationsfreie Transportvorrichtung vorhanden ist.
-
Mit
der Möglichkeit,
alle Bereiche dieses Systems der Neuerung mit Sauerstoff zu durchspülen, kann
es auch für
einen thermischen Durchlaufoxidationsprozess mit hohem Durchsatz
verwendet werden. Die unterschiedlichen Bereiche werden dann typischerweise
auf Temperaturen im Bereich von 800 bis 1000 Grad C aufgeheizt.
-
Eine
weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung
wird mit Bezug auf 3 und 4 beschrieben. 3 zeigt einen schematischen
Längsschnitt
durch einen Ofen 10 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Es werden jedoch nur die Bereiche 11 bis 13 dargestellt,
weitere Bereiche 14 bis 17 können wie erforderlich hinzugefügt werden. 4 zeigt einen schematischen
Querschnitt durch einen der Bereiche 11, 13 bis 17 des
Ofens 10. Der Ofen 10 weist einen äußeren Mantel 52 auf,
der vorzugsweise thermisch isoliert ist. Innerhalb des Mantels sind
Heizeinrichtungen 51 zum Heizen eines Quarzrohrs 50 angeordnet.
Die Heizeinrichtungen 51 können Kontakt-, Konvektions-
oder Strahlungsheizungen, das heißt Infrarotheizungen, sein.
Vorzugsweise sind die Heizeinrichtungen 51 in einzelne,
steuerbare Sektionen aufgeteilt, und die Temperatur in jedem Quarzrohr kann
mittels geeigneter Temperatursensoren und Regler gesteuert werden,
beispielsweise wie vom Prinzip her aus der US-A-5,449,883 bekannt.
Innerhalb jedes Quarzrohrs 50 ist eine ,Schwingbalken'-Transportvorrichtung 21 beziehungsweise
Balancier vorgesehen. Die Transportvorrichtung 21 kann
aus durchgehenden Stäben
gebildet sein, die sich von einem Ende der Vorrichtung 10 bis
zum anderen erstrecken und durch an Anfang und am Ende der Vorrichtung 10 angeordnete
geeignete Antriebe 22 angetrieben werden.
-
Optional
können
zusätzliche
Antriebe 22' an Zwischenpunkten
angeordnet sein, zum Beispiel innerhalb von Isolierabschnitten 12.
Die Transportvorrichtung 21 weist mindestens vier Stangen 21a, 21b auf,
welche durch die Länge
eines Quarzrohrs 50 hindurchlaufen und in zwei Sätze 21a; 21b getrennt sind.
Der Waferträger 40 wird
zu jedem Zeitpunkt von einem der Sätze 21a und 21b getragen
und befördert.
Befestigte Quarzführungsstäbe 45 können vorgesehen
sein, um eine Seitwärtsrutschen
der Quarzschiffchen 40 zu verhindern. Bei sehr langen Öfen können die
Stangen segmentiert ausgebildet sein, beispielsweise kann ein Satz
der Stangen von dem vorhergehenden Quarzrohr am Ende eines jeden Quarzrohrs 50 mit
einem Satz von Stangen von dem nächsten
Quarzrohr überlappen,
um einen kontinuierlichen Transport von einem Bereich in den anderen
zu ermöglichen.
-
In
jedes und aus jedem Quarzrohr
50 kann mittels einer Vielzahl
von Rohren
23,
24, von denen in den
3 und
4 nur zwei dargestellt sind, Gas eingebracht
und abgesaugt werden. Zur Beibehaltung der Atmosphäre und konstanter
Umgebungstemperatur in jedem Quarzrohr können durch Antriebe
19 betätigte Schiebetüren
18 am
Eingang und Ausgang des Ofens vorgesehen sein. Alternativ und optional können auch
Zwischentüren
18' mit Antrieben
19' am Ende eines
jeden Quarzrohrs
50 vorgesehen sein. Diese müssen die
Enden der Rohre
50 wegen der Transportvorrichtung
21 nicht
vollständig
abdichten, aber eine bedeutende Reduzierung des offenen Eingangs
und Eingangsbereichs vorsehen, womit die Belastung von Absaug- und
Durchspülvorrichtung verringert
wird. Für
weitere Isolation zwischen den Abschnitten können Luftvorhänge
35 mit
großen Durchmessern
optional am Anfang und am Ende eines jeden Bereichs
11,
13 bis
17 oder
Abschnitts
12 vorgesehen sein, um Kreuz-Kontamination zwischen den Bereichen
zu verhindern. Ein für
die Verwendung mit Wärmeverfahrenseinrichtungen
geeigneter Luftvorhang mit großem
Durchmesser ist aus der
US 4,803,9548 bekannt.
Die Isolierabschnitte
12 sind vorzugsweise lang genug ausgebildet,
um mindestens ein Schiffchen
40 aufzunehmen. Dadurch wird es
beiden Türen
18 ermöglicht,
an jedem Ende des Isolierabschnitts
12 geschlossen zu werden,
worauf ein Durchspülen
dieses Abschnitts zum Beseitigen von Kontaminationsgasen folgt,
bevor das Schiffchen
40 sich in den nächsten Prozessbereich bewegt.
Die Bedingungen innerhalb des Isolierabschnitts
12, beispielsweise
Temperatur und Gasatmosphäre
werden gesteuert, um optimale Startbedingungen für den nächsten Bereich
13 zu
erhalten. Zum Beispiel kann der Isolationsabschnitt
12 Heizeinrichtungen
51' aufweisen,
und die Gase, die in den Isolierabschnitt
12 sowie in alle
anderen Bereiche
11,
13 bis
17 einfließen, können vorerhitzt
werden.
-
In 4 werden die Wafer 30 in
vertikaler Aufstellung senkrecht zur Transportrichtung dargestellt,
jedoch ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Die Wafer 30 können parallel
zur Bewegungsrichtung angeordnet werden, wobei es bevorzugt ist,
ein Quarzrohr 50 mit einem quadratischen Querschnitt zu
verwenden. Alternativ können
die Wafer 30 horizontal einer über dem anderen gestapelt werden,
wobei der letzte Wafer vorzugsweise durch eine Werkstoffscheibe
vor dem Landen von fallenden Partikeln auf dem oberen Wafer 30 geschützt wird.
-
6A bis E zeigen schematisch einen homogenen
Durchlaufdiffusionsprozess von einer gasförmigen Diffusionsquelle. Vor
dem Einbringen des Halbleitersubstrats 1 in das Diffusionssystem
kann ein Maskenlayer 2 auf einige Bereiche des Substrats 1 (6B) aufgebracht werden.
Im Ausbrennbereich 11 des Diffusionssystems werden die
organischen Bestandteile des Maskenlayers ausgebrannt. Der resultierende
Layer 3 dient dann als Maske für Diffusion von einer gasförmigen Quelle.
Ein diffundierter Layer 4 wird an allen Stellen gebildet,
die nicht von der Maske bedeckt sind (6C).
Eine zweite Zufuhr einer gasförmigen
Diffusionsquelle gegen Ende des Prozesses kann zu einem modifizierten
Diffusionsbereich 5 in dem diffundierten Bereich 4 nahe
der Oberfläche
führen
(6D). Nach Entladen
des Substrats 1 werden die Maskenlayer von den Stellen
entfernt, an welchen keine Diffusion aufgetreten ist (6E).
-
7A bis G zeigen schematisch einen homogenen
Durchlaufdiffusionsprozess von einer auf Flüssigkeit und/oder Feststoff
basierenden Diffusionsquelle. Optional kann ein Maskenlayer 2 auf
einige Bereiche des Substrats 1 aufgebracht und in einem
separaten Trockner (7B und C) getrocknet werden. Auf
das Substrat 1 mit dem getrockneten Maskenlayer 3 wird
eine auf Flüssigkeit
und/oder Feststoff basierenden Diffusionsquelle 4 aufgebracht (7D). Alle organischen Bestandteile
dieser Layer 4 und 3 werden im Ausbrennbereich 11 des
beschriebenen Diffusionssystems der Neuerung ausgebrannt (7E). Wenn das Substrat 1 die
Diffusionsbereiche 13 bis erreicht, die typischerweise
von einem Inertgas wie Stickstoff durchspült und auf Temperaturen von über 900
Grad aufgeheizt sind, diffundieren Dotierungsatome von dem getrockneten
modifizierten Diffusionslayer 5 in das darunterliegende
Substrat 1 und erzeugen einen Diffusionsbereich 6 (7F). In dieser Figur ist
nicht dargestellt, dass gleichzeitig in Bereichen, die nicht von
der Diffusionsquelle 5 oder dem Maskenlayer 3 geschützt sind, eine
leichte Diffusion über
ein Ausdiffundieren von Dotierungsatomen aus der Diffusionsquelle 5 in
die umgebende Gasatmosphäre
auftreten kann. Nach Entfernen des Maskenlayers 3 und der
Diffusionsquelle 5 weist das Substrat 1 einen
diffundierten Layer 6 an allen Stellen auf, auf welchen
die Diffusionsquelle 5 aufgebracht war (7G).
-
8A bis E zeigen schematisch einen selektiven
Durchlaufdiffusionsprozess. Zwei oder mehr unterschiedlich dotierte
Bereiche können
gleichzeitig erlangt werden, indem absichtlich der Effekt genutzt wird,
dass Dotierungsatome aus den auf Flüssigkeit und/oder Feststoff
basierenden Diffusionsquellen in die Gasatmosphäre diffundieren und von dort
in das Substrat wieder eintreten, wo es direkt der Gasatmosphäre ausgesetzt
ist. Zuerst wird eine Schablone einer Diffusionsquelle 2 selektiv
auf Teile des Halbleitersubstrats 1 aufgebracht, indem
beispielsweise Techniken wie Schablonendruck einer Diffusionspaste
(8B) benutzt wird. Wenn
das Substrat 1 den Ausbrennbereich 11 Diffusionssystems
durchläuft, werden
alle organischen Bestandteile der Diffusionsquelle 2 herausgebrannt,
woraus der Diffusionslayer 3 resultiert, aus welchem Dotierungsatome
in den folgenden Diffusionsbereichen 13 bis 17 in
einer relativ hohen Konzentration in das darunterliegende Substrat 1 diffundieren,
wobei sie Diffusionsbereiche 4 erzeugen. Gleichzeitig findet
an anderen Stellen 5 auch eine Diffusion statt, welche
keine Beschichtung mit einer Diffusionsquelle erhalten haben (8C). Diese Diffusion rührt von
Dotierungsatomen her, welche zuerst in die Gasatmosphäre diffundieren,
die die Diffusionsquelle 3 umgibt, und dann von dort in
das Halbleitersubstrat 1 zurück diffundieren. Der Grad, mit
dem die indirekte Diffusion über
die Gasatmosphäre
auftritt, hängt
von dem Abstand benachbarter Substrate 1 in den Quarzträgern 40 ab,
da dieser die Dotierungskonzentration in dem Gasvolumen um die Substrate 1 bestimmte.
Die indirekt dotierten Bereiche 5 sind gewöhnlich flacher
und schwächer
dotiert als die Bereiche 4 unterhalb der Diffusionsquelle 3. Es
ist möglich,
die Diffusion in diesen Bereichen leichter durch Einbringen einer
gasförmigen
Diffusionsquelle in einem oder verschiedenen Bereichen 13 bis 17 des
Durchlaufdiffusionsprozesses zu beeinflussen, mit dem Resultat eines
diffundierten Layers 6 (8D).
Dieser Prozess ermöglicht
eine Optimierung der Diffusionsbereiche 4 und 6 nahezu
unabhängig
voneinander. Nach der Diffusion wird der Quellenlayer 3 gewöhnlich von
dem Substrat 1 entfernt (8E).
-
Während die
Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde,
ist es für
den Fachmann selbstverständlich,
dass verschiedene Änderungen
oder Modifikationen in Form und Detail gemacht werden können, ohne
den Rahmen und die Idee der Erfindung zu verlassen.