WO2011070156A2 - Vorrichtung und verfahren zur ionenstrahlmodifikation eines halbleitersubstrates - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur ionenstrahlmodifikation eines halbleitersubstrates Download PDF

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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a device for I onenstrahlmodif ication of a semiconductor substrate according to claim 1 and a method thereof according to claim 18.
  • Prior art
  • semiconductor substrates for which a solar electric application is provided, for example, a p-type doping is usually carried out so that an n-base doped solar wafer with elements of III. Main group, d. H. B, Al, Ga or In, is doped.
  • a p-type doping is usually carried out so that an n-base doped solar wafer with elements of III. Main group, d. H. B, Al, Ga or In, is doped.
  • methods for alloy doping, thermomigration methods, diffusion or conventional ion implantation methods are used.
  • Such a doping can be generated by the implantation of P, Sb or As ions.
  • the diffusion process is a high-temperature process using solid-state diffusion processes. In the doping of Al in Si while temperatures of up to 1100 ° C and more are needed. The process is thus energy and costly. In addition, at temperatures of more than 900 ° C., Al-O complexes can form in the doping region, which have a negative effect on the lifetime of the charge carriers generated in the doping region or on the lattice structure on which they are based.
  • the penetration depth of the ions depends on the position of the crystal planes in the substrate to be doped.
  • stencils or masks are used in the known doping methods and, in particular, also in conventional ion implantations, which are applied to the semiconductor substrate or introduced into the beam path. When masks are used, the ion beam irradiated over a large area is not used during the entire time or is ultimately consumed inconclusively in the area of the mask. As a result, the time required for the implantation increases very strongly.
  • Fl B stands for "focused ion beam.”
  • an almost punctiform ion source is needed operates with a relatively low emission current of about 3-5 ⁇ .
  • setting higher emission currents to accelerate the implantation process greatly increases the relative energy width within the ion current Errors of the ion optical system increase and the beam diameter increases.
  • the laterally achievable resolution of the wing blade degrades considerably, with the otherwise advantageous effect of ion focusing ultimately being nullified.
  • the use of the Fl B mplanters with a single ion beam due to the extremely long irradiation times is ineffective and therefore not useful.
  • the apparatus and method are intended to be useful for mass production of doped semiconductor substrates.
  • the device and the method should allow accurate implementation of a planned Modif ikations- or Dotier whiches both in its lateral form as well as in its depth structure. Finally, the associated costs and manufacturing costs should be significantly reduced.
  • an apparatus for ion beam modification on a semiconductor substrate having the features of claim 1 and a method for ion beam modification on a semiconductor substrate with the features of claim 18 are provided.
  • the subclaims contain expedient and / or advantageous embodiments of the device and method.
  • the device according to the invention for on-beam modification on a semiconductor substrate is formed with at least two field emission microionic radiators with an array arrangement aligned with the semiconductor substrate. These each consist of an ion emitter with an ion source reservoir, an extractor, and / or an electrostatic lens and / or a post-acceleration unit at respectively different electrical potentials.
  • the idea underlying the device according to the invention is therefore to use field emission arrangements for ion beam modification.
  • Such field emission arrangements are known in the field of ion drives.
  • Another aspect of the inventive concept is to provide more than just a micro-ion radiator and the
  • micro-ion lamps Arrange micro-ion lamps in an array. As a result, it is possible to produce maskless targeted point or image structures in the semiconductor substrate. These can be varied laterally by controlling the micro-ion emitters accordingly. On the other hand, a deep structure of the modification profile can also be produced with such an arrangement. This is achieved by a corresponding control of the field emission arrangements and certain acceleration values for the generated ion beams and the associated different penetration depths of the ions in the substrate.
  • a beam deflection unit arranged between the electrostatic lens and the post-acceleration unit can be provided.
  • This can be designed in the form of a capacitor.
  • the beam deflection unit permits a certain lateral direction adjustment and correction of the ion beam.
  • an increase in quality of the ionic current can be achieved by particles and droplets are filtered out of the ion beam.
  • the deflection units can be controlled individually or all in the array.
  • the ion emitter various devices can be used.
  • the ion emitter is formed as a gas field ion source.
  • the ion emitter is formed as a liquid metal ion source, wherein the liquid metal ion source contains in a melt miscible doping components and / or material components of the semiconductor substrate.
  • the melt-miscible doping component may be formed as a eutectic melt.
  • the jet-guiding arrangement is angled in the region of the beam deflection unit. As a result, the filtering effect of the arrangement on the ion beam is intensified.
  • additional equipment of the device according to the invention with a mass separator for the ion emitted from the ion source allows the selection of different types of ions for material modification and ion implantation of the semiconductor substrates.
  • a mass separator for the ion emitted from the ion source allows the selection of different types of ions for material modification and ion implantation of the semiconductor substrates.
  • the micro-ion radiator has a Wehnelt unit, which can be connected by a control unit, for focusing and / or hiding the ion beam.
  • the Wehnelt unit serves as a point of attack for control signals that are sent to the respective micro-ion emitter and control its operating state.
  • the Wehnelt unit based on the forward movement of the ions, located behind the emission peak. It therefore corresponds approximately only to the term "Wehnelt electrode", which is otherwise customary in the field of application of electron beam arrangements.
  • a shutter which can be wired by the control unit is provided for fading in and out of each micro-ion radiator.
  • At least one annealing unit directed in situ or in alternation with the microionic emitter on the modification area may be provided. This interacts with the micro-ion emitters and heals the defects possibly resulting from the ion beam modification or ion implantation in the semiconductor substrate.
  • the annealing unit is formed as part of an annealing array which interacts with the array arrangement of the micro-ion radiators and comprises at least two annealing units.
  • the array of microionic emitters in conjunction with the annealing array thereby form a group that can be acted upon by control signals with which the desired modification regions and profiles can be inscribed or embossed into the semiconductor substrate.
  • a control unit is provided for this purpose, with which a single response of the micro-ion radiators in the array unit and / or a single response of the annealing units in the annealing array is executable.
  • a feed unit addressed by the control unit is provided for a relative movement between the array unit and the semiconductor substrate which generates the modification pattern.
  • a combination of advancement, implantation and optionally in situ healing of defects is achieved, in which the desired lateral and vertical doping profile is built up in points or lines or also abfahren, thereby inscribed and at the same time in situ, d. H. at the site of the implantation that is currently taking place.
  • Annealingarray are at least one Annealingtechnik in situ or immediately followed by an annealing pattern, wherein the Annealingmuster is adjusted laterally and / or in depth to the generated modification profile and within the Annealingmuster a defect annealing in the modification profile.
  • the annealing array can also be used on the side of the microionic radiator array, so that the supplied energy can impinge directly on the ion-irradiated areas and does not have to penetrate the wafer first.
  • This energy supply can be carried out with light (eg laser beams), but also other energy sources which do not generate new damage in the semiconductor substrate, such as e.g. As electron beams are possible.
  • the annealing irradiation from the ion irradiation side can be in situ, e.g. B. by oblique injection of Annealingbestrahlung, or alternately by periodic displacement of the semiconductor substrate between the two arrays.
  • the location-dependent adjustable depth of the modification profile is generated by a controlled post-acceleration of the ion beam at the respective field emission microionic emitter of the array arrangement.
  • the ions are thereby provided at the individual micro-ion radiators with different pulse amounts or different energies and thus penetrate into the semiconductor substrate at pre-planned different points at different depths to form the desired depth structure.
  • an electrostatic deflection and / or a relative movement of the semiconductor substrate with respect to the ion beam is carried out.
  • an energy filter effects and / or suppresses a droplet or neutral pond beam component.
  • FIGS. 1 to 12 are used for clarification.
  • the same reference numbers are used for identical and / or equivalent parts.
  • FIG. 2 shows an exemplary structure of a micro-ion radiator with a
  • Fig. 3 is an illustration of a micro-ion radiator with an associated
  • 4b shows an exemplary representation of an array unit with an over
  • FIG. 5 shows a micro ion gun with a needle type ion source in FIG.
  • FIG. 1 a view of an exemplary ExB filter and its effect as.
  • the basic concept of the exemplary embodiments described below is to transfer the principle of so-called field emission thrusters or field emission thrusters in the form of the microionic emitters to the modification, in particular the doping, of semiconductor substrates.
  • the process steps and devices described by way of example above are doped rapidly and with minimal effort.
  • Al, Ga and In are used as doping materials.
  • Doping with other dopants in particular B, P, As or Sb, is also possible in principle, but it requires a special preparation of precursor materials for these dopable materials that can not be used in pure state in liquid metal ion sources.
  • the demands on the precursor or ion source substances are a low melting point, a low saturation vapor pressure, good wettability and the negligible chemical reaction with the high-melting emitter capillaries or emitter capillaries (eg W, Mo, glass-C).
  • liquid metal ion sources are first described in the following description. These work as field emission sources with a high directional beam value or bright- ness of approx. 10 6 A / (cm 2 sr).
  • the unit of measurement stands for "amperes per square centimeter and steradian", Steradian being the unit of measurement for a solid angle, the emitters thus formed being small and having an extraordinarily high size
  • these micro-ion emitters can be turned on or off as it were in pixels. This makes a structured implantation possible. It is particularly important to avoid temperatures of more than 1000 ° C, which may otherwise lead to the formation of so-called metal-oxygen complexes in the semiconductor material.
  • the ion current impinging on the semiconductor substrate is increased by several orders of magnitude.
  • the first advantage reduces the cost of the system relative to the implanted ion current by at least one to two orders of magnitude, the second accelerates the throughput of the semiconductor substrates to be doped by reducing the irradiated area to the area actually required for implantation. Losses due to the use of doping masks are eliminated.
  • the ions can be post-accelerated, whereby the depth of the doping can be adjusted.
  • grid units according to the principle of electrostatic capacitors laterally homogeneous doping can be achieved or structures are generated.
  • droplet or neutral particle emissions can be masked by various measures.
  • individual embodiments will be described in more detail.
  • the basic principle of the invention is pursued, which is to make the structure always as simple and convenient as possible and to integrate only those ion-optical or structural elements in the device, which are required for the particular purpose.
  • the optimized for each application device should be as cost effective as possible.
  • the microionic emitter consists of a field emission arrangement which is directed onto a semiconductor substrate 2 and generates there an implantation region 2a by means of the ion beam.
  • the field emission arrangement comprises an ion emitter 3 with an ion reservoir 4, which in the present example is formed as a melt.
  • the melt is, for example, aluminum, gallium or an alloy of aluminum or gallium with the material of the semiconductor substrate, for example silicon.
  • the ion emitter and the ion source reservoir are at a first electrical potential.
  • the ion emitter 3 is followed by an extractor 5 in the direction of the implantation area.
  • the electrical voltage between extractor and emitter tip serves to generate a field strength at the emitter tip, which is sufficient to transform the melt into a conical protuberance, a so-called Taylor cone, from whose peak the ion emission can take place.
  • the regulation and stabilization of the ion current can be done by varying the extraction voltage or by introducing a control electrode with an opening in the immediate vicinity of the emission point or something behind it.
  • a focusing of the ion beam is not provided in this simple structure.
  • the extractor is at a further electrical potential and thus accelerates the ions emanating from the ion emitter. If focusing of the ion beam is required, an electrostatic lens 6 may be used.
  • the extractor cooperates with the electrostatic lens 6. This usually has the same electrostatic potential as the extractor and serves either to focus the ion beam onto the implantation area or to parallelize the initially diverging trajectories of the ions.
  • the representation is only in principle. As electrostatic lens, a complete single lens with three pinhole or cylinders can be used.
  • this f ocussing and collimating structure can be supplemented by a post-acceleration unit 7.
  • This is zero in potential with respect to the ionic emitter, extractor and electrostatic lens potentials.
  • the potential difference applied between the ion emitter and the post-acceleration unit thus ultimately causes the ion acceleration and is decisive for the achievable penetration depth of the ion beam in the substrate surface and the thereby producible
  • Depth profile. Further post-acceleration of the ions can be achieved by an electrically negative high-voltage potential on which the semiconductor substrate 2 is located.
  • Fig. 1 shows a first example of this.
  • the electrostatic lens 6 is formed as a lens system 6a and 6b, while the post-acceleration unit 7 consists of two individual electrodes 7a and 7b.
  • the post-acceleration unit 7 consists of two individual electrodes 7a and 7b.
  • a beam deflection unit 8 is also provided between the electrostatic lens 6 and the post-acceleration unit 7.
  • capacitor plates 8a, 8b serves for a directional deflection of the ion beam and a removal of ejected from the ion source material droplets. These are driven by their mass inertia as well as by their increased compared to the ion current energy width from the ion beam against the capacitor plates of the beam deflection unit 8 and thus removed from the ion beam.
  • the capacitor is designed, for example, as a cylindrical capacitor.
  • an increase in the droplet emission under certain circumstances may be advantageous and desirable.
  • This can be achieved by a suitable choice of ionic emitter and by higher emission currents. It is possible to use a capillary type emitter instead of a needle type emitter and an emission current of more than 10 ⁇ .
  • metal can be deposited finely distributed, wherein a conventional alloy doping or a coating can be produced by a thermal treatment.
  • the droplets generated are deposited as micro- and nanodroplets on the semiconductor substrate.
  • the ion emitter both in its embodiment as a needle emitter and in its embodiment as a capillary emitter of a glassy carbon material or be covered with a protective layer, in particular Al 2 0 3 , to avoid a reaction of the melt with the source material.
  • a protective layer in particular Al 2 0 3 , to avoid a reaction of the melt with the source material.
  • Such a configuration is particularly in an ion emitter into consideration, which is to serve for the emission of Al ions.
  • the ion beams may be additionally electrostatically deflected, i. H. be wobbled.
  • the semiconductor substrate and the beam may be moved relative to each other.
  • a Wehnelt control electrode (not shown here) may be added to the structure formed in FIGS. 1 and 2. By spraying the Wehnelt electrode, the ion beam can be defocused with a short response time or completely blanked out.
  • Annealingü be supplemented. This heals the material defects possibly arising in the implantation area in situ or immediately afterwards.
  • Fig. 3 shows a related example.
  • the annealing unit 9 is arranged on the rear side of the semiconductor substrate 2. It is designed here as a laser unit whose beam direction is opposite to the direction of the ion beam from the micro-ion radiator.
  • the annealing unit thus acts on the back of the implantation area. This achieves an in situ healing of the implantation defects, which can be carried out simultaneously with the implantation itself.
  • both the micro-ion radiator and the annealing unit can be operated simultaneously and in parallel and act on the implantation area.
  • the mode of operation of the annealing unit is based on a local heating of the implantation area and a local annealing of the radiation damage in the semiconductor substrate caused thereby.
  • an energy supply by means of Laser radiation as in the present example also comes into consideration other radiation sources, such as I R or microwave radiators into consideration.
  • the implantation array combines a plurality of the above-explained micro-ion radiators 1 as a unit. These are acted upon by a control unit, not shown here with control signals. In this way, first of all, individual ion streams can be triggered in each of the microionic emitters, which, secondly, are also emitted with a different kinetic energy and, thirdly, a different focusing state. In conjunction therewith, the penetration depth and the lateral extent of each implantation region 2a change under each of the individual microionic emitters. As a result, a three-dimensional implantation profile can thereby be generated in the semiconductor substrate. Through the use of the implantation array, this implantation profile is generated virtually simultaneously in a single work step and thus in a short time.
  • the implantation array 10 corresponds to the opposite annealing array 11 located on the other side of the semiconductor substrate 2.
  • This consists of a series of annealing units 9 which are also supplied with control signals, in particular turn-on and turn-off signals and control signals for intensity control, by a control unit not shown here.
  • control signals in particular turn-on and turn-off signals and control signals for intensity control, by a control unit not shown here.
  • the direction of action of the annealing array 11 is opposite to the beam direction of the implantation array 10.
  • each individual micro-radiator 1 is in each case opposite and assigned an annealing unit 9 is.
  • the operating parameters of each individual micro-ion radiator are matched with the operating parameters of the respective opposing annealing unit. This means, for example, that an annealing unit is activated only when the opposite infrared radiator is active. Furthermore, there is an in situ adaptation between the operation of the micro-ion radiator with the operation of the associated annealing unit.
  • the intensity of the corresponding annealing unit is likewise reduced or distributed to a larger irradiation area by means of an enlargement optics. Because the annealing unit acts on the implantation region from the rear side of the semiconductor substrate, the absorption of the semiconductor substrate as well as its heat conduction must be taken into account. If the semiconductor substrate is thin, it can be assumed that the heat introduced by the annealing unit is introduced into the implantation area largely without loss. Additional details may need to be determined in series and trials.
  • FIG. 4a shows an exemplary representation of an array unit with a tracking annealing array.
  • the array unit 10 is first passed over the semiconductor substrate 2. In this case, ion beam modification or doping of the surface is undertaken. Subsequently, the semiconductor substrate is placed under the annealing array 11
  • FIG. 4b shows an exemplary representation of an array unit with an annealing applied via mirrors.
  • the annealing pattern is imaged onto the semiconductor substrate in such a way that a mirror device (not shown here) drives the individual points of the modified surface and carries out local annealing there. This process can be carried out both in situ and immediately after the modification.
  • the annealing takes place by a simultaneous input of energy
  • the array unit 10 is moved away relative to the semiconductor substrate while subsequently the mentioned activation of the individual modification points takes place on the semiconductor surface.
  • micro-ion emitters enable irradiation times which are shortened by up to three to five orders of magnitude compared to those of conventional high-current implanters. The throughput times are reduced accordingly. Consideration must be given to the deposited ionic energy, which can lead to local warming but can be controlled by the ion current and the irradiation intervals. However, this local warming can also contribute to the self-healing of radiation damage, since it is the largest where the highest density of radiation damage is produced.
  • the devices shown in Figures 4 to 4b are advantageously operated so that a large number of semiconductor substrates are simultaneously introduced into a vacuum chamber and processed at a high throughput.
  • small vacuum chambers are also possible, into which the substrates are introduced individually or in small groups.
  • a particularly good range of the ion current in the semiconductor substrate is achieved by a vertical, channeled injection of the ions in the [100] oriented substrate - in contrast to the flat doping tion in microelectronic circuits in which the doping is decanalized.
  • the radiation damage produced and its healing or at increased substrate temperature by diffusion can favor the penetration of the dopants into the depth of the substrate.
  • ion energy the dose called ion fluence
  • focusing of the ion beam multiple implantations at selected energy and dose values and, as mentioned, beam deflections and mechanical relative movements of the semiconductor substrate and the arrays are also possible.
  • the variation of the energy and the dose makes it possible to adapt the doping and modification profile to be generated to the actual application problem.
  • a variation of the energy can also occur during ion irradiation.
  • the aforementioned process of thermal aftertreatment additionally supports the optimization of a generated modification or implantation profile by thermal diffusion and thus an optimization of the generated doped semiconductor substrate, in particular the solar cell parameters that can be achieved in the process.
  • the doping profiles can thus be adapted specifically and with almost any freedom to the requirements of the semiconductor substrate to be produced.
  • Fig. 5 shows schematically the simplest construction for an exemplary
  • Micro-ion emitter with a source of ions 4 needle or capillary type in conjunction with an aperture 15 in the embodiment shown here projects into the I onenánnreservoir 4 a tip 12.
  • the tip 12 is associated with an extractor 13.
  • the components 12 and 13 are at different electrical potentials.
  • an ionic current is generated from the tip 12 in the direction of the Exraktorblende 13, wherein the ions tion by an extractor 14 leave the ion source.
  • a downstream aperture diaphragm 15, which may consist of an electrically inert material or is at the same potential as the extractor diaphragm 13, is used for beam shaping and produces a more or less wide beam spot 16 with a more or less laterally extended implantation region 2a on the semiconductor substrate 2.
  • the electrical potentials of the extractor diaphragm 13 and the aperture diaphragm 15 can also be selected so that the ions have a higher or lower energy after leaving the aperture diaphragm than after leaving the extractor diaphragm.
  • FIG. 6 shows, as a development of the example shown in FIG. 5, a micro-ion emitter with a needle or capillary type ion source with an aperture stop and an ion optic.
  • the construction of the ion source corresponds to the embodiment of FIG. 5.
  • an ion optics in the form of the already mentioned electrostatic lens 6 is interposed between the ion source and the aperture diaphragm 15. This is designed so that the ion source and in particular the extractor aperture with the extractor opening 14 is at the focal point of the ion optics.
  • a parallel ion beam is generated or at least the electrostatically induced beam expansion within the ion beam is sustainably suppressed.
  • the beam can not only be formed in parallel, but also focused on the semiconductor substrate.
  • the beam spot 16 on the semiconductor substrate 2 is thereby smaller and more focused. This allows the reduction of the single structure. It is also possible the Defocus beam to the beam, z. As in the transport Wafert almost hide.
  • FIG. 7 shows a micro-ion emitter with a needle-type ion source according to the exemplary embodiments from FIGS. 5 and 6 with an additional ion optics 17 and the post-acceleration unit 7 already mentioned.
  • the aperture diaphragm 15 is supplemented by the ion optics 17, while FIG the post-acceleration unit 7 influences the energy of the ion beam and thus, as described, determines the penetration depth of the ions in the beam spot 16 on the semiconductor substrate.
  • Fig. 7a shows a micro-ion radiator with an inserted ExB filter 17a for mass separation.
  • the rest of the construction corresponds to the construction according to the embodiment from FIG. 7.
  • the ExB filter it is possible to eliminate ions from the ion beam and thus to improve the purity of the beam.
  • FIG. 8 shows a modification profile which can be generated by way of example using the example of a doping for a PERL solar cell in a cross-sectional representation.
  • the solar cell consists of a silicon wafer 18 which has a base doping, for example an n-type doping.
  • On the back of the wafer are local dopants 19.
  • the local dopants are, for example, p + doped.
  • the lateral extent of the local dopants and their depth can be predetermined in the manner previously described and are accessible to process control.
  • a front end doping 20 is provided. This covers the front of the wafer substantially completely and over a large area. For example, it has an n + doping.
  • a doping structure can be achieved by a wide aperture and a low focusing of the ion beam in conjunction with a movement of the wafer or the array of the microionic ion. reach strahier, where it comes to the overlap of individual beam spots.
  • the doping structure of the wafer thus formed is supplemented by a front-side contact 21 and a rear-side passivation layer 22.
  • the latter consists, for example, of silicon oxide or aluminum oxide.
  • the remindcostpassivier Mrs is etched in places at individual holes 23, so that a back-side contact 24 passes through the local dopants 19 and electrically contacted.
  • Fig. 9 shows a view of the PERL cell of Fig. 8 on the surface with the local dopants 19.
  • the local dopants 19 have a respective diameter b adjustable by the focusing of the ion beam and are in the form of a square grid with a grid spacing a distributed over the back surface.
  • the lattice spacing a corresponds to a distance of the micro-ion radiators within the two- or one-dimensional implantation array as shown in FIG. 4. This distance can be changed as required.
  • the previously explained diaphragms and electrostatic elements can each be arranged on a grid, a disk or a metal sheet. Also possible is an arrangement which is designed similar to a printing stencil. In such a configuration, the electrostatic potentials of the ion optical elements are equal to each other because they are connected via the same electrically conductive support member.
  • the extractor electrode can be formed as a continuous sheet into which any number of holes are made, each hole being associated with a microionic emitter. ever The size of the sheet can be used to bring in 10,000 and more holes for a corresponding number of micro-ion lamps.
  • the diameter b of the local dopants is set via the control of each individual micro-ion radiator, the "lattice constant" a results either by a direct imaging of the array unit on the semiconductor substrate 18 or by an interaction of the array unit with a feed device of the semiconductor substrate and / or the array unit.
  • the combination with a deflection unit by means of electric fields is also possible
  • the grid spacing is approximately 500 ⁇ m and the diameter b of each individual doping is approximately 50 ⁇ m.
  • the edge length of the resulting solar cell is about 160 mm with an area of about 245 cm 2.
  • the total number of dopants on the wafer reaches a figure of about 100,000.
  • the advantage of using the implantation array is shown in a comparison between the total area of the wafer and the total area of the doped points.
  • the area of a single dopant is about 20 ⁇ 10 -6 cm 2 . At 100,000 doping points, this corresponds to a doped total area of about 2 cm 2 . Therefore, the ratio between the doped total area and the total area of the wafer is found to be 2 cm2 / 245 cm 2, which corresponds to a value of approximately 0.008. This means that about 1% of the area of the wafer is locally doped.
  • an overall current of 50 mA is possible with an array of 1000 micro-ion radiators. If 10000 micro-ion lamps are used, a correspondingly higher total current results to 500 mA. Such a value corresponds to the total flow of about 10 conventional high current implanters.
  • the process time of ion implantation when using the array of the invention shortens to about 1/10 of the process time, which is otherwise to be applied when using the Hochstromimplanters.
  • Another advantage of the implantation method according to the invention is evident in terms of the required implantation time. Of particular importance here is the physical size of an implantation dose D (particle flux). This establishes a relationship between the implant current I, the implantation time t, the ion charge q and the source area F and is by the relationship
  • the required irradiation time T for a semiconductor substrate with a given implantation area F 1, an ion charge q, the implantation current I and the dose D is determined by the relationship
  • T (D ⁇ q ⁇ F,) / I.
  • the implantation area is smaller because in fact only the actual implantation points and not the entire substrate surface are irradiated by the array of microionic radiators.
  • Micro-ionizer can be forced by a factor of 10 with respect to the implantation current.
  • FIG. 10 shows a further exemplarily producible implantation pattern using the example of an I BC solar cell in a plan view.
  • the solar cell consists of a semiconductor substrate 25 with an n + or p + -doping, which occupies 60 to 95%, preferably 80 to 90% of the wafer surface. Furthermore, an undated region 26 is provided, which only has a p or n base doping of the
  • the undoped region occupies about 10 to 0% of the wafer surface.
  • a p + or n + -doped comb region 27 is provided, which has a region 25 opposite to the doping. This area occupies about 40 to 5% of the water surface. It should be noted that the area 26 can also assume a nominal negative share. This is the case when the doping regions 25 and 27 overlap. From the figure it can be seen that the described areas form an interlocking comb-like structure.
  • the surface thus doped has a spacing dimension c of the doping region 27 called "pitch.” This dimension denotes, for example, the distance of ion beams of a one-dimensional array
  • the undoped region has a width d.
  • the width d moves in a range from 0 to about 200 ⁇ m.
  • the width e of each individual comb is present here Example about 800 ⁇ , the length f of the comb structure is many times greater. It is about 10 mm to 160 mm or more.
  • FIG. 11 shows a detail of an I BC solar cell with an ion implantation array in a view from above, with a representation of the fabrication carried out in the process and of the array used in the process.
  • the implantation array 10 in this case consists of line-arrayed micro-ion radiators 1, which are fastened and guided in a strip-shaped holder 28.
  • the comb structure to be doped on the semiconductor substrate according to FIG. 10 is now produced in such a way that the line-like array is first moved to a predetermined position over the semiconductor substrate and positioned there. Of course, this relative movement can also be realized via a corresponding movement of the semiconductor substrate by means of a displacement device.
  • the microionic emitters of the array are simultaneously activated and each deposit an ion current onto the semiconductor substrate.
  • FIG. 12 shows an exemplary bulk separator in the form of an ExB filter in a top view.
  • an ion optics is provided.
  • This comprises a first magnetic plate 33 and a second magnetic plate 34. These are each designed as a magnetic north pole and a magnetic south pole.
  • a plate capacitor unit is present. This consists of a series of capacitor plates 35, which are held by means of insulators and brackets 36 from each other at a distance.
  • the magnetic plates 33 and 34 are part of a surrounding magnetic yoke 37.
  • the magnetic yoke may be formed as a permanent magnet. In the present example, the magnetization takes place via a
  • Magnetic coil 38 Superconducting magnets and coil arrangements can also be used to increase the field strength.
  • the entire arrangement of the ExB filter is powered by a control unit with power supply 39 with control pulses and electrical power.
  • An ExB filter is a velocity filter or mass filter for ions in which a selection of the ions is carried out by a crossed electric and magnetic field.
  • the field vectors of the B field generated by the magnetic disks are perpendicular to those of the E field between the capacitor plates.
  • the entire arrangement realizes the known from mass spectrometry mass separation, which should not be shown here in detail. It is important that over the voltages applied to the plate capacitors, the electric field strength within the capacitors and a change in the current flow in the magnetic coil 38, the magnetic field prevailing between the magnetic plates can be changed. This requires one each from the ion masses dependent trajectory of the ions present in the ion beam.
  • the ions can thereby be selected for their mass. In particular, it is thereby possible to separate out the ions which are still present in the mixture in the eutectic melt of the ion source and intended for ion modification, and to direct them to the semiconductor substrate.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ionenstrahlmodifikation oder Ionenimplantation in einem Halbleitersubstrat (2) mit mindestens einem Mikroionenstrahler (1) aus mindestens einer auf das Halbleitersubstrat ausgerichteten fokussierbaren, einen Ionenstrahl (la) erzeugenden Feldemissions -Anordnung (3, 4) aus einem Ionenemitter (3) mit einem Ionenreservoir (4) auf einem ersten elektrischen Potential, einem Extraktor (5) und/ oder einer elektrostatischen Linse (6) auf einem zweiten elektrischen Potential und einer Nachbeschleunigungseinheit (7) auf einem dritten elektrischen Potential. Verfahrensseitig wird das Halbleitersubstrat aus einem Implantationsarray aus Feldemissions -Mikroionenstrahlern mit gerichteten Ionenstrahlen beaufschlagt und durch ein gesteuertes Ansprechen der Feldemissions -Mikroionenstrahler in dem Halbleitersubstrat ein lateral und/oder in seiner Tiefe ortsabhängiges Modifikationssprofil erzeugt.

Description

Beschreibung Titel
Vorrichtung und Verfahren zur I onenstrahlmodif ikation eines Halbleiter- Substrates
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur I onenstrahlmodif ikation eines Halbleitersubstrates nach Anspruch 1 und ein Verfahren hierfür nach Anspruch 18. Stand der Technik
Zur Modifikation von Halbleitersubstraten, insbesondere deren Dotierung, sind aus dem Stand der Technik vielfältige Verfahren bekannt, die zum einen auf eine Ionenimplantation abzielen und zum anderen Oberflächenschichten auf dem Halbleitersubstrat erzeugen sollen. Bei Halbleitersubstraten, für die eine solarelektrische Anwendung vorgesehen ist, erfolgt beispielsweise eine p- Dotierung dabei meist so, dass ein n-basisdotierter Solarwafer mit Elementen der III. Hauptgruppe, d. h. B, AI, Ga bzw. In, dotiert wird. Dazu kommen Verfahren zur Legierungsdotierung, Thermomigrationsverfahren, Diffusions- oder konventionelle I onenimplantationsverfahren zur Anwendung.
Bei Halbleitersubstraten, die für eine solarelektrische Energiegewinnung verwendet werden sollen, ist es notwendig, unabhängig von der Basisdotierung sowohl eine p- als auch eine n-Dotierung in dem Halbleitersubstrat erzeugen zu können. Eine solche Dotierung lässt sich durch die Implantation von P, Sb bzw. As-Ionen erzeugen.
Bei der Anwendung der genannten Verfahren treten eine Reihe von Problemen auf. So erweist sich das Verfahren der Legierungsdotierung eines Silizium- Wafers mit Aluminium hinsichtlich der lateralen und vertikalen Homogenität des dotierten Gebietes als problematisch. Das Verfahren der Thermomigration wird vergleichsweise selten eingesetzt und eignet sich kaum für eine Großserienfertigung.
Das Diffusionsverfahren ist ein Hochtemperaturverfahren, bei dem auf Festkör- perdiff usionsprozesse zurückgegriffen wird. Bei der Dotierung von AI in Si werden dabei Temperaturen von bis zu 1100 °C und mehr benötigt. Das Verfahren ist somit energie- und kostenaufwendig. Hinzu kommt, dass sich bei Temperaturen von mehr als 900 °C im Dotierungsgebiet Al-O-Komplexe bilden können, die sich negativ auf die Lebensdauer der im Dotiergebiet erzeugten Ladungsträger bzw. der ihnen zugrunde liegenden Gitterstruktur, auswirken.
Die konventionelle Ionenimplantation ist außerdem an den Anforderungen der Mikroelektroniktechnologie orientiert und bezweckt die Implantation von Ionen auf sehr kleinen Flächen und flachen Dotierungsprofilen. Zur Vermeidung von Diffusionseffekten und der damit verbundenen, ungewollten Vergrößerung der Strukturen werden die Temperaturen nur so hoch gewählt, dass die erzeugten Strahlenschäden ausheilen können.
Für hohe Dosiswerte und große Flächen für andere Anwendungen werden daher Hochstrom- 1 onenimplanter eingesetzt oder es kommt eine Plasmaimmersionsimplantation zur Anwendung. Die dabei deponierte Energie wird in Wärme umgewandelt und dann durch Kühlung abgeführt. Dabei ist eine Stabilisierung der Temperatur durch Heizen oder Kühlen des Wafers erforderlich. Die Dotierung von Wafern durch I onenimplantaion erfordert im Vergleich zur Diffusionsdotierung zwar weitaus niedrigere Temperaturen und wesentlich verkürzte Temperzeiten, was höhere Prozessgeschwindigkeiten ermöglicht. Andererseits ist aber die Eindringtiefe der Ionen durch die bei diesem Verfahren erreichbare Energie der Ionen auf größenordnungsmäßig ca. 1 μηι begrenzt. Bei der Verfahrensausführung muss außerdem der Effekt einer so genannten I onenkanalisierung beachtet werden. Dies führt dazu, dass unterhalb einer so genannten Amorphisierungsdosis die Eindringtiefe der Ionen von der Lage der Kristallebenen im zu dotierenden Substrat abhängt. Hierzu ist es erforderlich, die Ionenimplantation entlang bestimmter Einfallswinkel vorzunehmen, die über teure und komplexe Apparaturen eingestellt werden müssen. Dies erfordert von dem damit befassten Fachpersonal eine hinlängliche Erfahrung. Entsprechend stark steigen der apparative Aufwand und die zu investierenden Kosten an, sobald durch die konventionelle Ionenimplantation mehrere Implantationsschritte ausgeführt werden müssen. Zum Realisieren bestimmter Dotiermuster werden bei den bekannten Dotierverfahren und insbesondere auch bei den konventionellen Ionenimplantationen Schablonen oder Masken verwendet, die auf das Halbleitersubstrat aufgebracht oder in den Strahlengang einbracht werden. Bei der Verwendung von Masken wird der großflächig eingestrahlte lonenstrahl nicht während der gesamten Zeit genutzt bzw. im Bereich der Maske letztlich ergebnislos verbraucht. Hierdurch steigt die für die Implantation notwendige Zeit sehr stark an.
Letztlich stellt jedoch der bisher realisierbare lonenstrom für die Strahlzeit eine wesentliche begrenzende Größe dar. Bei einem aus dem Stand der Tech- nik bekannten Hochstromimplanter mit einem Targetstrom von 50 mA in Bezug auf eine Waferfläche von 156 x 156 mm2 ergibt sich damit nur eine geringe Stromdichte von maximal 2 x 10~6 A/mm2.
Eine Modifizierung des konventionellen Implantationsverfahrens für Strukturen im μηι- und nm-Bereich stellen genannte Fl B-Anlagen dar. Die Abkürzung Fl B steht dabei für „focused ion beam". Zum Ausführen des Fl B- Verfahrens wird eine nahezu punktförmige lonenquelle benötigt. Diese arbeitet mit einem relativ niedrigen Emissionsstrom von ca. 3-5 μΑ. Werden höhere Emissionsströme eingestellt, um den I mplantationsprozess zu beschleunigen, steigt jedoch die relative Energiebreite innerhalb des lonenstroms stark an. Der chromatische Fehler des ionenoptischen Systems nimmt dabei zu und der Strahldurchmesser vergrößert sich. Dadurch verschlechtert sich die lateral erreichbare Auflösung des Fl B-l mplanters jedoch beträchtlich, wobei der ansonsten vorteilhafte Effekt der I onenfokussierung letztlich zunichte gemacht wird. Für großflächige Dotierungen, insbesondere bei Halbleitersubstraten für Solarzellen ist die Anwendung des Fl B- 1 mplanters mit einem einzigen lonenstrahl aufgrund der außerordentlich langen Bestrahlungszeiten uneffektiv und deshalb nicht sinnvoll.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher Gegenstand der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ionenimplantation in einem Halbleitersubstrat anzugeben, mit dem es möglich ist, Dotiergebiete präzise sowohl lateral als auch vertikal in dem Halbleitersubstrat in einer effektiven und möglichst kurzen Behandlungszeit zu erzeugen. Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung, darüber hinaus die Vorrichtung und das Verfahren neben der Dotierung auch für sonstige Oberflächenmodifikationen des Halbleitersubstrates einsetzbar zu gestalten. Die Vorrichtung und das Verfahren sollen für eine Serienfertigung dotierter Halbleitersubstrate verwendbar sein. Weiterhin sollen die Vorrichtung und das Verfahren eine genaue Umsetzung eines geplanten Modif ikations- oder Dotiergebietes sowohl in dessen lateraler Form als auch in dessen Tiefenstruktur ermöglichen. Schließlich sollen die damit verbundenen Kosten sowie der Fertigungsaufwand deutlich reduziert werden. Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur I onenstrahlmodif ikation an einem Halbleitersubstrat mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur I onenstrahlmodif ikation an einem Halbleitersubstrat mit den Merkmalen des Anspruchs 18 vorgesehen. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige und/ oder vorteilhafte Ausführungsformen von Vorrichtung und Verfahren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zurl onenstrahlmodif ikation an einem Halbleitersubstrat ist mit einer auf das Halbleitersubstrat ausgerichteten Arrayan- ordnung aus mindestens zwei Feldemissions-Mikroionenstrahlern ausgebildet. Diese bestehen jeweils aus einem lonenemitter mit einem I onenquellen- reservoir, einem Extraktor, und/odereiner elektrostatischen Linse und/oder einer Nachbeschleunigungseinheit auf jeweils verschiedenen elektrischen Potentialen.
Der der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugrunde liegende Gedanke besteht somit darin, Feldemissions- Anordnungen zur I onenstrahlmodif ikation einzuset- zen. Derartige Feldemissions- Anordnungen sind aus dem Bereich der lonenan- triebe bekannt. Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, diese Einrichtungen als Mikroionenstrahler auszubilden, sie entsprechend zu miniaturisieren und somit die Vorrichtung zur I onenimplantierung nach Art eines Ionentriebwerkes auszubilden. Ein weiterer Aspekt des erfindungsgemäßen Grundgedankens besteht darin, mehr als nur einen Mikroionenstrahler vorzusehen und die
Mikroionenstrahler in einem Array anzuordnen. Dadurch lassen sich maskenlos gezielte Punkt- oder Bildstrukturen in dem Halbleitersubstrat erzeugen. Diese können zum einen lateral variiert werden, indem die Mikroionenstrahler entsprechend angesteuert werden. Zum anderen lässt sich mit einer derartigen Anordnung auch eine Tiefenstruktur des Modifikationsprofils erzeugen. Dies wird durch eine entsprechende Ansteuerung der Feldemissions- Anordnungen und bestimmte Beschleunigungswerte für die erzeugten I onenstrahlen und die damit verbundenen unterschiedlichen Eindringtiefen der Ionen in dem Substrat erreicht.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann eine zwischen der elektrostatischen Linse und der Nachbeschleunigungseinheit angeordnete Strahlablenkeinheit vorgesehen werden. Diese kann in Form eines Kondensators ausgebildet sein. Die Strahlablenkeinheit erlaubt eine gewisse laterale Richtungseinstel- lung und -korrektur des I onenstrahls. Zusätzlich kann eine Qualitätssteigerung des lonenstroms erreicht werden, indem Partikel und Tröpfchen aus dem lonenstrahl ausgefiltert werden. Die Ablenkeinheiten können im Array einzeln oder alle insgesamt angesteuert werden.
Als lonenemitter können verschiedene Vorrichtungen verwendet werden. Bei einer ersten Ausführungsform ist der lonenemitter als eine Gasfeldionenquelle ausgebildet. Bei einer weiteren Ausführungsform ist der lonenemitter als eine Flüssigmetallionenquelle ausgebildet, wobei die Flüssigmetallionenquelle in einer Schmelze mischbare Dotierkomponenten und/oder Stoff komponenten des Halbleitersubstrates enthält. Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform kann die in der Schmelze mischbare Dotierkomponente als eine eutektische Schmelze ausgebildet sein.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die strahlführende Anordnung im Bereich der Strahlablenkeinheit abgewinkelt. Dadurch wird die Filterwirkung der Anordnung auf den lonenstrahl intensiviert.
Eine bei einer Ausführungsform mögliche zusätzliche Ausstattung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Massentrenner für die aus der lonen- quelle emittierten Ionen ermöglicht die Auswahl von verschiedenen lonenarten zur Materialmodifikation und Ionenimplantation der Halbleitersubstrate. Hinzu kommt die Möglichkeit für den Einsatz einer Vielzahl von Elementekombinationen in der I onenquellensubstanz, z. B. zur Verbesserung der Benetzungs- und Fließeigenschaften sowie zur Erfüllung von Funktionen auf oder im ionenbestrahlten Halbleitersubstrat, z. B. Einsatz von Elementen, die zur Dotierung von Silizium benötigt werden, wie z. B. Phospor, Arsen, Antimon, Bor, aber wegen ihres hohen Schmelzpunktes oder hohen Sättigungsdampfdruckes in reiner Form nicht in Fl üssig met al I - 1 onenquellen eingesetzt werden können, sondern in niedrigschmelzenden Legierungen oder eutektischen Systemen verwendet werden. Damit eröffnet sich eine große Vielfalt an Anwendungsmög- lichkeiten für die erfindungsgemäßen Arrays, die auch über die Anwendung in der Solarzellenherstellung hinausgehen.
Zweckmäßigerweise weist der Mikroionenstrahler eine von einer Steuereinheit beschaltbare Wehnelt-Einheit zum Fokussieren und/oder Ausblenden des I onenstrahles auf. Die Wehnelt-Einheit dient als Angriffspunkt für Steuersignale, die an den jeweiligen Mikroionenstrahler gesendet werden und die dessen Betriebszustand steuern. Bei der Feldemissionsionenquelle befindet sich im Gegensatz zur Elektronenstrahlquelle die Wehnelteinheit, bezogen auf die Vorwärtsbewegung der Ionen, hinter der Emissionsspitze. Sie entspricht folglich nur annähernd der Bezeichnung „Wehneltelektrode", die sonst im Anwendungsgebiet von Elektronenstrahlanordnungen gebräuchlich ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein von der Steuereinheit beschaltbarer Shutter zum Ein- und Ausblenden jedes Mikroionenstrahlers vorgesehen.
Ergänzend kann bei einer weiteren Ausführungsform mindestens eine in situ oder im Wechsel mit dem Mikroionenstrahler auf das Modifikationsgebiet gerichtete Annealingeinheit vorgesehen sein. Diese wirkt mit den Mikroionen- strahlern zusammen und heilt die möglicherweise bei der I onenstrahlmodif ika- tion oder Ionenimplantation entstandenen Defekte im Halbleitersubstrat aus.
Bei einer zweckmäßigen und vorteilhaften Fortbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Annealingeinheit als Teil eines mit der Arrayanordnung der Mikroionenstrahler zusammenwirkenden aus mindestens zwei Annealingeinhei- ten bestehenden Annealingarrays ausgebildet. Das Array der Mikroionenstrahler in Verbindung mit dem Annealingarray bilden dadurch eine von Steuersignalen beaufschlagbare Gesamtheit aus, mit der die gewünschten Modifikationsgebiete und -profile in das Halbleitersubstrat eingeschrieben bzw. eingeprägt werden können. Zweckmäßigerweise ist hierzu eine Steuereinheit vorgesehen, mit der ein einzelnes Ansprechen der Mikroionenstrahler in der Arrayeinheit und/oder ein einzelnes Ansprechen der Annealingeinheiten in dem Annealingarray ausführbar ist. Bei einer zweckmäßigen Fortbildung ist eine von der Steuereinheit angesprochene Vorschubeinheit für eine das Modifikationsmuster erzeugende Relativbewegung zwischen der Arrayeinheit und dem Halbleitersubstrat vorgesehen.
Im Zusammenwirken mit der Ansteuerung des Implantationsarrays, bedarfs- weise in Verbindung mit dem Annealingarray, wird dadurch eine Kombination aus Vorschub, Implantation und gegebenenfalls einer in-situ-Ausheilung von Defekten erreicht, bei der das angestrebte lateral und vertikale Dotierprofil punkt- oder zeilenweise aufgebaut oder auch abgefahren, dabei eingeschrieben und gleichzeitig in situ, d. h. am Ort der gerade stattfindenden Implanta- tion, ausgeheilt werden kann.
Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Halbleitersubstrat aus einer Arrayeinheit aus Feldemissions-Mikroionenstrahlern mit gerichteten I onenstrahlen beaufschlagt und durch ein gesteuertes Ansprechen der Feldemissions-Mikroionenstrahler in dem Halbleitersubstrat ein in seiner lateralen Form und/oder in der Tiefe ortsabhängig einstellbares Implantationsprofil erzeugt.
Zweckmäßigerweise kann ergänzend das Halbleitersubstrat von einem
Annealingarray aus mindestens einer Annealingeinheit in situ oder unmittelbar nachfolgend mit einem Annealingmuster beaufschlagt werden, wobei das Annealingmuster lateral und/oder in seiner Tiefe auf das erzeugte Modifikationsprofil eingestellt ist und innerhalb des Annealingmusters eine Defektausheilung in dem Modifikationsprofil erfolgt. Das Annealingarray kann auch auf der Seite des Mikroionenstrahlerarrays eingesetzt werden, so dass die zugeführte Energie direkt auf die ionenbestrahlten Bereiche auftreffen kann und nicht erst den Wafer durchdringen muss. Diese Energiezufuhr kann mit Licht (z. B. Laserstrahlen) ausgeführt werden, aber auch andere Energiequellen, die keine neuen Schäden im Halbleitersubstrat erzeugen, wie z. B. Elektronenstrahlen, sind möglich.
Die Annealingbestrahlung von der Seite der I onenbestrahlung kann in-situ erfolgen, z. B. durch schrägen Einschuss der Annealingbestrahlung, oder im Wechsel durch periodisches Verschieben des Halbleitersubstrates zwischen beiden Arrays.
Verfahrensseitig wird die ortsabhängig einstellbare Tiefe des Modifikationsprofils durch eine gesteuerte Nachbeschleunigung des I onenstrahles an dem jeweiligen Feldemissions-Mikroionenstrahler der Arrayanordnung erzeugt. Die Ionen werden dadurch an den einzelnen Mikroionenstrahlern mit unterschiedlichen Impulsbeträgen bzw. unterschiedlichen Energien versehen und dringen dadurch in das Halbleitersubstrat an vorgeplanten unterschiedlichen Stellen unterschiedlich tief unter Bildung der gewünschten Tiefenstruktur ein. Für ein laterales Homogenisieren jedes einzelnen lonenstrahls wird bei einer zweckmäßigen Fortbildung des Verfahrens ein elektrostatisches Ablenken und/ oder eine Relativbewegung des Halbleitersubstrates bezüglich des lonenstrah- les ausgeführt. Ergänzend erfolgt bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung in jedem einzelnen lonenstrahl durch einen Energiefilter eine Beeinflussung und/oder Ausblendung eines Tröpfchen- oder Neutralteichenstrahlanteils. Zeichnungen
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die Figuren 1 bis 12. Es werden für gleiche und/oder gleichwirkende Teile die selben Bezugszeichen verwendet.
Es zeigen:
Fig. 1 einen beispielhaften Aufbau eines Mikroionenstrahlers,
Fig. 2 einen beispielhaften Aufbau eines Mikroionenstrahlers mit einer
Strahlablenkeinheit,
Fig. 3 eine Darstellung eines Mikroionenstrahlers mit einer zugeordneten
Annealingeinheit,
Fig. 4 eine beispielhafte Darstellung einer Arrayeinheit und eines
Annealingarrays mit einem dazwischen angeordneten Halbleitersubstrat,
Fig. 4a eine beispielhafte Darstellung einer Arrayeinheit mit einem nachgeführten Annealingarray,
Fig. 4b eine beispielhafte Darstellung einer Arrayeinheit mit einer über
Spiegel herangeführten Annealingbeauf schlagung,
Fig. 5 einen Mikroionenstrahler mit einer lonenquelle vom Nadeltyp in
Verbindung mit einer Aperturblende, einen Mikroionenstrahler mit einer lonenquelle vom Nadeltyp mit einer Aperturblende und einer lonenoptik, einen Mikroionenstrahler mit einer lonenquelle vom Nadeltyp mit einer zusätzlichen lonenoptik und einem Nachbeschleuniger, einen Mikroionenstrahler mit einem eingefügten ExB-Filter zur Massentrennung, ein beispielhaft erfindungsgemäß erzeugbares Dotierprofil am Beispiel einer PERL-Solarzelle im Schnitt, eine Flächenansicht der PERL-Zelle aus Fig. 8, ein beispielhaft erfindungsgemäß erzeugbares Implantationsmuster am Beispiel einer I BC-Solarzelle, einen Ausschnitt aus einer I BC-Solarzelle mit einem dafür verwendbaren Implantationsarray und beispielhaften Relativbewegungen zwischen Substrat und dem Array, eine Ansicht eines beispielhaften ExB-Filters und dessen Wirkungs weise.
Das Grundkonzept der nachfolgend beschriebenen beispielhaften Ausführungs- formen besteht darin, das Prinzip sogenannter Feldemissions-Thrusters oder Field Emission Thrusters in Form der Mikroionenstrahler auf die Modifizierung, insbesondere die Dotierung von Halbleitersubstraten zu übertragen.
Nachfolgend sollen vor allem Dotiervorgänge beschrieben werden, die an Halbleitersubstraten ausgeführt werden, die zur Verwendung in Solarelementen bestimmt sind. Es versteht sich, dass dabei andere Oberf lächenmodif izierun- gen, beispielsweise ein Beschichten oder auch eine Materialzerstäubung
(Sputtern), ebenfalls möglich sind.
Durch die nachfolgend beispielhaft beschriebenen Verfahrensschritte und Vorrichtungen werden beispielsweise vor allem großflächige Substrate, insbeson- dere Substrate zur solaren Energiegewinnung, schnell und mit einem minimalen Aufwand dotiert. Als Dotiermaterialien kommen dabei insbesondere AI, Ga und In zur Anwendung.
Eine Dotierung mit anderen Dotanten, insbesondere B, P, As oder Sb ist dabei prinzipiell ebenfalls möglich, sie erfordert jedoch eine besondere Präparation von Precursormaterialien für diese nicht im Reinzustand in Flüssigmetall- lonenquellen einsetzbaren, dotierbaren Materialien. Die Forderungen an die Precursor- oder I onenquellensubstanzen sind ein niedriger Schmelzpunkt, ein niedriger Sättigungsdampfdruck, gute Benetzbarkeit und die vernachlässigbare chemische Reaktion mit den hochschmelzenden Emitternadeln bzw. Emitterkapillaren (z. B. W, Mo, Glas-C).
Als lonenquellen für die Feldemissions-Thruster werden in der nachfolgenden Beschreibung zunächst Flüssigmetall- 1 onenquellen beschrieben. Diese arbeiten als Feldemissions- 1 onenquellen mit einem hohen Richtstrahlwert oder Bright- ness von ca. 106 A/(cm2 sr). Die Maßeinheit steht dabei für „Ampere je Quadratzentimeter und Steradiant", wobei Steradiant die Maßeinheit für einen Raumwinkel ist. Die so gebildeten Emitter sind klein und weisen eine außerordentlich hohe
Brillanz auf. Sie sind daher außerordentlich „hell" und erzeugen I onenstrahlen, die hoch kollimiert oder gebündelt sind. Die lonenemitter können frei angeordnet und gruppiert werden. Dadurch lassen sich Flächen in der Größe von Solarwafern mit einem hohen Durchsatz und mit definierten lateralen Dotier- strukturen und -mustern dotieren. Wegen des hohen Richtstrahlwertes, des einfachen und damit kostengünstigen Aufbaus und des sehr geringen Raumbedarfs können Flüssigmetall- 1 onenquel- len in großer Stückzahl nebeneinander angeordnet werden. Damit ist, wie im folgenden dargestellt werden wird, die Möglichkeit gegeben, Ionen nicht nur aus einem einzelnen und über dem Halbleitersubstrat gerasterten oder bei bewegter Probe feststehendem Strahl zu implantieren, sondern die Implantation aus einer als Array angeordneten Vielzahl einzelner feiner I onenstrahlen aus Mikroionenstrahlern heraus vorzunehmen. Wie im Folgenden beschrieben, können diese Mikroionenstrahler gewissermaßen pixelweise zu- oder abgeschaltet werden. Dadurch wird eine strukturierte Implantation möglich. Dabei kommt es insbesondere darauf an, Temperaturen von mehr als 1000 °C zu vermeiden, bei denen es sonst zur Ausbildung so genanter Metall-Sauerstoff- Komplexe im Halbleitermaterial kommen kann.
Im Vergleich zu herkömmlichen I onenimplantern kommt somit ein stark vereinfachter und miniaturisierter Aufbau zum Einsatz. Gleichzeitig wird der auf das Halbleitersubstrat auftreffende lonenstrom um mehrere Größenordnungen erhöht. Der erste Vorteil verringert die Kosten der Anlage, bezogen auf den implantierten lonenstrom um mindestens ein bis zwei Größenordnungen, der zweite beschleunigt den Durchsatz der zu dotierenden Halbleitersubstrate durch die Reduzierung der bestrahlten Fläche auf die dazu auch tatsächlich zur Implantation benötigten Fläche. Verluste infolge eines Einsatzes von Dotiermasken scheiden damit aus.
Durch nachfolgend näher beschriebene zusätzliche ionenoptische Elemente können die Ionen nachbeschleunigt werden, wodurch sich die Tiefe der Dotie- rung einstellen lässt. Durch Rastereinheiten nach dem Prinzip elektrostatischer Kondensatoren können lateral homogenere Dotierungen erzielt oder Strukturen erzeugt werden. Außerdem lassen sich durch verschiedene Maßnahmen Tröpfchen- oder Neutralteilchenemissionen ausblenden. Nachfolgend werden nun einzelne Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Bei den Ausführungsbeispielen wird das Grundprinzip der Erfindung verfolgt, das darin besteht, den Aufbau immer so einfach und zweckmäßig wie möglich zu gestalten und nur diejenigen ionenoptischen oder konstruktiven Elemente in die Vorrichtung zu integrieren, die für den jeweiligen Zweck erforderlich sind. Die für die jeweilige Anwendung optimierte Vorrichtung soll so kostengünstig wie möglich sein.
Fig. 1 zeigt einen ersten beispielhaften Mikroionenstrahler 1. Dieser erzeugt einen lonenstrahl 1a. Der Mikroionenstrahler besteht aus einer Feldemissions- Anordnung, die auf ein Halbleitersubstrat 2 gerichtet ist und dort mittels des lonenstrahls ein Implantationsgebiet 2a erzeugt. Die Feldemissions-Anordnung enthält einen lonenemitter 3 mit einem I onenreservoir 4, das in dem hier vorliegenden Beispiel als eine Schmelze ausgebildet ist. Bei der Schmelze handelt es sich beispielsweise um Aluminium, Gallium oder eine Legierung aus Alumi- nium bzw. Gallium mit dem Material des Halbleitersubstrates, beispielsweise Silizium. Der lonenemitter und das I onenquellenreservoir befinden sich auf einem ersten elektrischen Potential.
Dem lonenemitter 3 ist in Richtung auf das Implantationsgebiet ein Extraktor 5 nachgeschaltet. Die elektrische Spannung zwischen Extraktor und Emitterspitze (Extraktionspannung) dient der Erzeugung einer Feldstärke an der Emitterspitze, die ausreicht, um die Schmelze zu einer kegelförmigen Ausstülpung, einem so genannten Taylor-Kegel, umzuformen, aus dessen Spitze die I onenemission erfolgen kann. Durch weitere Erhöhung der Extraktionsspan- nung kann der lonenstrom gezielt eingestellt werden.
Die Regulierung und Stabilisierung des lonenstroms kann durch Variation der Extraktionsspannung erfolgen oder durch Einbringen einer Steuerelektrode mit einer Öffnung in unmittelbarer Nähe des Emissionspunktes oder etwas dahinter. Eine Fokussierung des lonenstrahls ist bei diesem einfachen Aufbau nicht vorgesehen. Der Extraktor befindet sich auf einem weiteren elektrischen Potential und beschleunigt so die aus dem lonenemitter austretenden Ionen. Falls eine Fokussierung des lonenstrahls erforderlich werden sollte, so kann eine elektrostatischen Linse 6 eingesetzt werden. Der Extraktor wirkt mit der elektrostatischen Linse 6 zusammen. Diese weist in der Regel ein gleiches elektrosta- tisches Potential wie der Extraktor auf und dient entweder einer Fokussierung des lonenstrahls auf das Implantationsgebiet oder einer Parallelisierung der zunächst divergierenden Flugbahnen der Ionen. Die Darstellung ist nur prinzipiell. Als elektrostatische Linse kann auch eine komplette Einzellinse mit drei Lochblenden oder Zylindern verwendet werden.
Dieser f okussierende und kollimierende Aufbau kann im Bedarfsfall durch eine Nachbeschleunigungseinheit 7 ergänzt werden. Diese befindet sich in Bezug auf das Potential des I onenemitters, des Extraktors und der elektrostatischen Linse auf einem Potential Null. Der zwischen dem lonenemitter und der Nach- beschleunigungseinheit anliegende Potentialunterschied bewirkt somit letztlich die I onenbeschleunigung und ist entscheidend für die erreichbare Eindringtiefe des lonenstrahls in der Substratoberfläche und das dadurch erzeugbare
Tiefenprofil. Eine weitere Nachbeschleunigung der Ionen kann durch ein elektrisch negatives Hochspannungspotenzial, auf dem sich das Halbleitersubstrat 2 befindet, erreicht werden.
Der in Fig. 1 gezeigte Aufbau kann auf verschiedene Weise modifiziert sein. Fig. 2 zeigt hierfür ein erstes Beispiel. In diesem Fall ist die elektrostatische Linse 6 als ein Linsensystem 6a und 6b ausgebildet, während die Nachbe- schleunigungseinheit 7 aus zwei Einzelelektroden 7a und 7b besteht. Dadurch lassen sich zum einen variable Fokussierungseinstellungen und -richtungen und Strahlquerschnittsänderungen des lonenstrahls erzeugen und zum anderen Richtungsänderungen des Auftreff punktes auf dem Halbleitersubstrat erreichen, ohne die Einheit als solche mechanisch zu bewegen. Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 ist außerdem zwischen der elektrostatischen Linse 6 und der Nachbeschleunigungseinheit 7 eine Strahlablenkungseinheit 8 vorgesehen. Diese besteht in diesem Beispiel aus Kondensatorplatten 8a, 8b und dient zum einen einer Richtungsumlenkung des lonenstrahls und einer Entfernung von aus der lonenquelle ausgestoßenen Materialtröpfchen. Diese werden durch ihre Massenträgheit wie auch durch ihre im Vergleich zum lonenstrom vergrößerte Energiebreite aus dem lonenstrahl gegen die Kondensatorplatten der Strahlablenkungseinheit 8 getrieben und somit aus dem lonenstrahl entfernt. Der Kondensator ist dabei beispielsweise als ein Zylinderkondensator ausgebildet.
Zusätzlich zu dem einfachen Aufbau des Mikroionenstrahlers und einer Verwendung der Flüssigmetall-Ionenquelle als Strahlungsquelle wird dadurch eine homogene Dotierung des Halbleitersubstrates und insbesondere von Solarwa- fern erreicht, indem die Tröpfchenemission vermieden oder ausgeblendet wird.
Andererseits kann aber auch eine Erhöhung der Tröpfchenemission unter bestimmten Umständen vorteilhaft und erwünscht sein. Dies lässt sich durch eine geeignete Wahl des I onenemitters und durch höhere Emissionsströme erreichen. Möglich ist dabei die Verwendung eines Emitters vom Kapillartyp anstelle eines Emitters vom Nadeltyp und eines Emissionsstroms von mehr als 10 μΑ. Hierdurch lässt sich Metall fein verteilt abscheiden, wobei durch eine thermische Behandlung eine konventionelle Legierungsdotierung oder eine Beschichtung erzeugbar ist. Die dabei erzeugten Tröpfchen werden als Mikro- und Nanodroplets auf dem Halbleitersubstrat abgeschieden.
Der lonenemitter kann sowohl in seiner Ausführungsform als Nadelemitter als auch in seiner Ausführungsform als Kapillaremitter aus einem Glaskohlenstoffmaterial bestehen oder mit einer Schutzschicht, insbesondere Al203, überzogen sein, um eine Reaktion der Schmelze mit dem Quellenmaterial zu vermeiden. Eine derartige Ausgestaltung kommt insbesondere bei einem lonenemitter in Betracht, der zur Emission von AI-Ionen dienen soll.
Zur Homogenisierung der lateralen lonendosis können die I onenstrahlen entweder zusätzlich elektrostatisch abgelenkt, d. h. gewobbelt, werden. Alternativ können auch das Halbleitersubstrat und der Strahl relativ zueinander bewegt werden.
Ergänzend kann zu dem in Fig. 1 und Fig. 2 gebildeten Aufbau eine hier nicht dargestellte Wehnelt-Steuerelektrode hinzugefügt sein. Durch ein Beschälten der Wehnelt-Elektrode kann der lonenstrahl mit einer kurzen Ansprechzeit defokussiert oder auch komplett ausgeblendet werden.
Diese Ausführungsformen des Mikroionenstrahlers können durch eine
Annealingeinheit ergänzt werden. Diese heilt die im Implantationsgebiet möglicherweise entstandenen Materialdefekte in situ oder unmittelbar daran anschließend aus.
Fig. 3 zeigt ein diesbezügliches Beispiel. Bei der hier vorliegenden Ausführungsform ist die Annealingeinheit 9 auf der Rückseite des Halbleitersubstrates 2 angeordnet. Sie ist hier als eine Lasereinheit ausgebildet, deren Strahl- richtung der Richtung des lonenstrahls aus dem Mikroionenstrahler entgegengesetzt ist. Die Annealingeinheit wirkt somit rückseitig auf das Implantationsgebiet ein. Dadurch wird eine in situ-Ausheilung der Implantationsdefekte erreicht, die gleichzeitig mit der Implantation selbst ausführbar ist. Grundsätzlich können sowohl der Mikroionenstrahler als auch die Annealingeinheit gleichzeitig und parallel betrieben werden und auf das Implantationsgebiet einwirken.
Die Wirkungsweise der Annealingeinheit beruht auf einer lokalen Erwärmung des Implantationsgebietes und einer dadurch bewirkten lokalen Ausheilung der Strahlenschäden im Halbleitersubstrat. Neben einer Energiezufuhr mittels Laserstrahlung wie in dem hier vorliegenden Beispiel kommen hierzu auch andere Strahlungsquellen, wie beispielsweise I R- oder Mikrowellenstrahler in Betracht.
Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Darstellung eines Implantationsarrays 10 und eines Annealingarrays 11 mit dem dazwischen angeordneten Halbleitersubstrat 2. Das Implantationsarray fasst mehrere der vorhergehend erläuterten Mikro- ionenstrahler 1 als eine Einheit zusammen. Diese werden von einer hier nicht dargestellten Steuereinheit mit Steuersignalen beaufschlagt. Dadurch lassen sich erstens in jedem der Mikroionenstrahler einzelne lonenströme auslösen, die zweitens auch mit einer unterschiedlichen kinetischen Energie und drittens einem sich voneinander unterscheidenden Fokussierungszustand abgegeben werden. In Verbindung damit wechselt die Eindringtiefe und die laterale Ausdehnung jedes einzelnen Implantationsgebietes 2a unter jedem der einzelnen Mikroionenstrahler. Im Ergebnis lässt sich dadurch in dem Halbleitersubstrat ein dreidimensionales Implantationsprofil erzeugen. Durch die Anwendung des I mplantationsarrays wird dieses Implantationsprofil quasi gleichzeitig in einem einzigen Arbeitsschritt und somit in einer kurzen Zeit erzeugt.
Dem Implantationsarray 10 korrespondiert das gegenüberliegende auf der anderen Seite des Halbleitersubstrates 2 gelegene Annealingarray 11. Dieses besteht aus einer Reihe von Annealingeinheiten 9, die ebenfalls von einer hier nicht gezeigten Steuereinheit mit Steuersignalen, insbesondere Ein- und Ausschaltsignalen sowie Steuersignalen zur Intensitätssteuerung, beaufschlagt werden. Gemäß dem in Fig. 3 gegebenen prinzipiellen Aufbau ist die Wirkungs- richtung des Annealingarrays 11 der Strahlrichtung des Implantationsarrays 10 entgegengesetzt.
Die Funktionen des Implantationsarrays 10 und des Annealingarrays 11 ergänzen sich gegenseitig. Dies erfolgt zum einen so, dass jedem einzelnen Mikro- ionenstrahler 1 jeweils eine Annealingeinheit 9 gegenüberliegt und zugeordnet ist. Weiterhin sind die Betriebsparameter jedes einzelnen Mikroionenstrahlers mit den Betriebsparametern der jeweils gegenüber befindlichen Annealingein- heit abgestimmt. Das heißt beispielsweise, dass nur dann eine Annealingein- heit aktiviert wird, wenn der gegenüberliegende IVlikroionenstrahler aktiv ist. Weiterhin erfolgt eine in situ-Anpassung zwischen dem Betrieb des Mikroionen- Strahlers mit dem Betrieb der zugeordneten Annealingeinheit. Dabei wird beispielsweise bei einem geringen Fokussierungsgrad bzw. einer geringen lonen- beschleunigung in dem IVlikroionenstrahler die Intensität der entsprechenden Annealingeinheit ebenfalls reduziert oder mittels einer Erweiterungsoptik auf eine größere Einstrahlfläche verteilt. Weil hier die Annealingeinheit von der Rückseite des Halbleitersubstrates auf das Implantationsgebiet einwirkt, ist dabei die Absorption des Halbleitersubstrates sowie auch dessen Wärmeleitung zu berücksichtigen. Sofern das Halbleitersubstrat dünn ist, kann davon ausgegangen werden, dass die von der Annealingeinheit eingebrachte Wärme weitgehend verlustfrei in das Implantationsgebiet eingeleitet wird. Weitere Einzel- heiten müssen dabei gegebenenfalls in Messreihen und Versuchen ermittelt werden.
Fig. 4a zeigt eine beispielhafte Darstellung einer Arrayeinheit mit einem nachgeführten Annealingarray. Bei der hier vorliegenden Konfiguration wird zuerst die Arrayeinheit 10 über das Halbleitersubstrat 2 geführt. Dabei wird die I onenstrahlmodif izierung bzw. die Dotierung der Oberfläche vorgenommen. Anschließend wird das Halbleitersubstrat unter das Annealingarray 11
gebracht. Dabei wird dann das Annealingmuster auf das Halbleitersubstrat abgebildet. Dies lässt sich in einer sehr einfachen Weise dadurch ausführen, indem die Steuereinheit zuerst die einzelnen IVlikroionenstrahler 1 in der Arrayeinheit entsprechend des vorgesehenen Modifikationsmusters aktiviert und dann die dabei gespeicherten Steuersignale in der gleichen Form auf die einzelnen Annealingeinheiten 9 des Annealingarrays 11 überträgt. Fig. 4b zeigt eine beispielhafte Darstellung einer Arrayeinheit mit einer über Spiegel herangeführten Annealingbeaufschlagung. Bei dieser Ausführungsform wird kein Annealingarray verwendet. Vielmehr wird das Annealingmuster in der Weise auf das Halbleitersubstrat abgebildet, indem eine hier nicht gezeigte Spiegelvorrichtung die einzelnen Punkte der modifizierten Oberfläche ansteuert und dort die lokale Ausheilung vornimmt. Dieser Vorgang kann sowohl in situ als auch im unmittelbaren Anschluss an die Modifikation ausgeführt werden. Im ersten Fall erfolgt die Ausheilung durch einen gleichzeitigen Energieeintrag, im zweiten Fall wird die Arrayeineit 10 relativ zum Halbleitersubstrat weg bewegt, während nachfolgend das erwähnte Ansteuern der einzelnen Modifikationspunkte auf der Halbleiteroberfläche erfolgt.
Die genannten Mikroionenstrahler ermöglichen Bestrahlungszeiten, die um bis zu drei bis fünf Größenordnungen gegenüber denen bei herkömmlichen Hoch- stromimplantern verkürzt sind. Die Durchsatzzeiten sind entsprechend reduziert. Zu berücksichtigen ist dabei die deponierte I onenenergie, die zu lokalen Erwärmungen führen kann, aber durch den lonenstrom und die Bestrahlungsintervalle steuerbar ist. Diese lokale Erwärmung kann allerdings auch zur Selbstausheilung von Strahlenschäden beitragen, da sie genau dort am größ- ten ist, wo auch die größte Dichte an Strahlenschäden erzeugt wird.
Die in den Figuren 4 bis 4b gezeigten Vorrichtungen werden vorteilhaft so betrieben, dass eine große Stückzahl von Halbleitersubstraten gleichzeitig in eine Vakuumkammer eingeschleust und mit einem hohen Durchsatz prozessiert werden. Möglich sind aber auch kleine Vakuumkammern, in die die Substrate einzeln oder in kleinen Gruppen eingeschleust werden.
Eine besonders gute Reichweite des lonenstroms im Halbleitersubstrat wird durch einen senkrechten, kanalisierten Einschuss der Ionen in das in [100]- Richtung orientierte Substrat erreicht - ganz im Gegensatz zur flachen Dotie- rung in Mikroelektronikschaltkreisen, bei denen die Dotierung dekanalisiert erfolgt.
In begrenztem Umfang können die erzeugten Strahlenschäden und deren Ausheilung oder bei erhöhter Substrattemperatur durch Diffusion das Eindringen der Dotanten in die Tiefe des Substrates begünstigen.
Für die Optimierung des dotierten Gebietes stehen somit vielfältige Parameter zur Verfügung. Wie beschrieben sind dies die I onenenergie, die als lonen- fluenz bezeichnete Dosis und die Fokussierung des I onenstrahls. Möglich sind darüber hinaus auch Mehrfachimplantationen bei ausgewählten Energie- und Dosiswerten und - wie erwähnt - Strahlablenkungen und mechanische Relativbewegungen des Halbleitersubstrates und der Arrays. Die Variation der Energie und der Dosis ermöglicht eine Anpassung des zu erzeugenden Dotier- und Modifikationsprofils an das sich konkret stellende Anwendungsproblem. Eine Variation der Energie kann auch während der I onenbestrahlung erfolgen.
Der vorerwähnte Prozess der thermischen Nachbehandlung unterstützt zusätzlich die Optimierung eines erzeugten Modif ikations oder Implantationsprofils durch thermische Diffusionen und damit eine Optimierung des erzeugten dotierten Halbleitersubstrates, insbesondere der dabei erreichbaren Solarzellenparameter. Die Dotierprofile können somit gezielt und mit einer nahezu beliebigen Freiheit an die Erfordernisse des zu erzeugenden Halbleitersubstrates angepasst werden. Nachfolgend sollen nun weitere Ausführungsformen der Mikroionenstrahler sowie beispielhafte Dotier- und Modifikationsprofile erläutert werden. Die im folgenden vorgestellten Ausführungsbeispiele betreffen zunächst weitere Ausführungen der Einzelionenstrahler des Arrays. Fig. 5 zeigt schematisch den einfachsten Aufbau für einen beispielhaften
Mikroionenstrahler mit einer lonenquelle 4 vom Nadel- oder Kapillartyp in Verbindung mit einer Aperturblende 15. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ragt in das I onenquellenreservoir 4 eine Spitze 12. Der Spitze 12 ist eine Extraktorblende 13 zugeordnet. Die Komponenten 12 und 13 liegen dabei auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen. Dadurch wird ein lonenstrom von der Spitze 12 in Richtung der Exraktorblende 13 erzeugt, wobei die Ionen durch eine Extraktoröff nung 14 die lonenquelle verlassen. Eine nachgeschaltete Aperturblende 15, die aus einem elektrisch inerten Material bestehen kann oder auf einem gleichen Potential wie die Extraktorblende 13 liegt, dient der Strahlformung und erzeugt einen mehr oder weniger breiten Strahlfleck 16 mit einem mehr oder weniger lateral ausgedehnten Implantationsgebiet 2a auf dem Halbleitersubstrat 2. Die elektrischen Potenziale der Extraktorblende 13 und der Aperturblende 15 können auch so gewählt werden, dass die Ionen nach Verlassen der Aperturblende eine höhere oder niedrigere Energie aufwei- sen als nach Verlassen der Extraktorsblende.
Fig. 6 zeigt als Fortbildung des in Fig. 5 gezeigten Beispiels schematisch einen Mikroionenstrahler mit einer lonenquelle vom Nadel- oder Kapillartyp mit einer Aperturblende und einer lonenoptik. Der Aufbau der lonenquelle entspricht dabei der Ausführungsform aus Fig. 5. Zusätzlich ist zwischen der lonenquelle und der Aperturblende 15 eine lonenoptik in Form der bereits erwähnten elektrostatischen Linse 6 zwischengeschaltet. Diese ist so ausgebildet, dass sich die lonenquelle und insbesondere die Extraktorblende mit der Extraktoröff- nung 14 im Brennpunkt der lonenoptik befindet. Es wird somit ein paralleler lonenstrahl erzeugt oder zumindest die elektrostatisch bedingte Strahlaufweitung innerhalb des lonenstrahls nachhaltig unterdrückt. Mit der Änderung der Brennweite der lonenoptik kann der Strahl nicht nur parallel geformt werden, sondern auch auf das Halbleitersubstrat fokussiert werden. Der Strahlfleck 16 auf dem Halbleitersubstrat 2 ist dadurch kleiner und stärker fokussiert. Dies ermöglicht die Verkleinerung der Einzelstruktur. Es ist auch möglich, den Strahl zu defokussieren, um den Strahl, z. B. beim Waf ertransport nahezu auszublenden.
Fig. 7 zeigt einen Mikroionenstrahler mit einer lonenquelle vom Nadeltyp gemäß den Ausführungsbeispielen aus den Figuren 5 und 6 mit einer zusätzli- chen lonenoptik 17 und der bereits erwähnten Nachbeschleunigungseinheit 7. Bei dem hier vorliegenden Beispiel ist die Aperturblende 15 durch die lonenoptik 17 ergänzt, während die Nachbeschleunigungseinheit 7 die Energie des lonenstrahls beeinflusst und somit wie beschrieben die Eindringtiefe der Ionen im Strahlfleck 16 auf dem Halbleitersubstrat bestimmt.
Fig. 7a zeigt einen Mikroionenstrahler mit einem eingefügten ExB-Filter 17a zur Massentrennung. Der übrige Aufbau entspricht mit Ausnahme der hier nicht installierten lonenoptik dem Aufbau gemäß der Ausführungsform aus Fig. 7. Mit Hilfe des ExB-Filters gelingt es, Ionen aus dem lonenstrahl auszuselek- tieren und damit die Reinheit des Strahles zu verbessern.
Fig. 8 zeigt ein beispielhaft erzeugbares Modifikationsprofil am Beispiel einer Dotierung für eine PERL-Solarzelle in einer Querschnittsdarstellung. Die Solarzelle besteht aus einem Silizium-Wafer 18, der eine Basisdotierung, beispiels- weise eine n-Dotierung, aufweist. Auf der Rückseite des Wafers befinden sich lokale Dotierungen 19. Die lokalen Dotierungen sind beispielsweise p+ -dotiert . Die laterale Ausdehnung der lokalen Dotierungen und deren Tiefe können in der vorhergehend beschriebenen Weise vorherbestimmt werden und sind einer Prozesssteuerung zugänglich.
Zusätzlich ist eine Vorderseitendotierung 20 vorgesehen. Diese überdeckt die Vorderseite des Wafers im wesentlichen vollständig und großflächig. Sie weist beispielsweise eine n+-Dotierung auf. Eine derartige Dotierstruktur lässt sich durch eine weite Apertur und eine geringe Fokussierung des lonenstrahls in Verbindung mit einer Bewegung des Wafers oder des Arrays des Mikroionen- strahier erreichen, bei denen es zur Überdeckung einzelner Strahlflecke kommt.
Der so gebildete Dotieraufbau des Wafers wird ergänzt durch eine Vordersei- tenkontaktierung 21 sowie eine Rückseitenpassivierschicht 22. Letztere besteht beispielsweise aus Siliziumoxid oder Aluminiumoxid. Die Rückseitenpassivierschicht ist stellenweise an einzelnen Löchern 23 abgeätzt, sodass eine Rückseitenkontaktierung 24 auf die lokalen Dotierungen 19 durchgreift und elektrisch kontaktiert. Fig. 9 zeigt eine Ansicht der PERL-Zelle aus Fig. 8 auf die Fläche mit den lokalen Dotierungen 19. Die lokalen Dotierungen 19 weisen einen jeweiligen, durch die Fokussierung des lonenstrahls einstellbaren Durchmesser b auf und sind in Form eines quadratischen Gitters mit einem Gitterabstand a über die Rückseitenfläche verteilt. Dabei entspricht der Gitterabstand a einem Abstand der Mikroionenstrahler innerhalb des zwei- oder eindimensionalen Implantationsarrays gemäß der Darstellung aus Fig. 4. Dieser Abstand kann je nach Bedarf geändert werden.
Bei dem dafür vorgesehenen Implantationsarray können die vorhergehend erläuterten Blenden und elektrostatischen Elemente jeweils auf einem Gitter, einer Scheibe oder einem Blech angeordnet sein. Möglich ist auch eine Anordnung, die ähnlich einer Druckschablone ausgebildet ist. Bei einer derartigen Gestaltung sind die elektrostatischen Potentiale der ionenoptischen Elemente einander gleich, weil diese über das gleiche elektrisch leitende Trägerelement verbunden sind.
In diesem Beispiel lässt sich insbesondere die Extraktorelektrode als ein durchgehendes Blech ausbilden, in das eine beliebige Anzahl von Löchern eingebracht ist, wobei jedes Loch einem Mikroionenstrahler zugeordnet ist. Je nach Größe des Bleches lassen sich dabei 10000 und mehr Löcher für eine entsprechende Anzahl von Mikroionenstrahlern einbringen.
Der Durchmesser b der lokalen Dotierungen wird über die Steuerung jedes einzelnen Mikroionenstrahlers eingestellt, die „Gitterkonstante" a ergibt sich entweder durch eine direkte Abbildung der Arrayeinheit auf das Halbleitersubstrat 18 oder durch ein Zusammenwirken der Arrayeinheit mit einer Vorschubeinrichtung des Halbleitersubstrates und/oder der Arrayeinheit. Auch die Kombination mit einer Ablenkeinheit durch elektrische Felder ist möglich. Bei einer beispielhaften Dotierung der PERL-Zelle unter Verwendung eines Sili- ziumwafers als Halbleitersubstrat und Aluminium als Dotiermaterial beträgt der Gitterabstand ca. 500 μηι und der Durchmesser b jeder einzelnen Dotierung etwa 50 μηι. Die Kantenlänge der daraus bestehenden Solarzelle beträgt etwa 160 mm bei einer Fläche von ca. 245 cm2. Damit werden etwa 310 bis 315 Dotierungen je Kantenlänge eingebracht, wobei die Gesamtzahl der Dotierungen auf dem Wafer eine Zahl von etwa 100000 erreicht.
Der Vorteil der Verwendung des Implantationsarrays zeigt sich bei einem Vergleich zwischen der Gesamtfläche des Wafers und der Gesamtfläche der dotier- ten Punkte. Die Fläche einer einzelnen Dotierung beträgt etwa 20 ■ 10~6 cm2. Bei 100000 Dotierpunkten entspricht dies einer dotierten Gesamtfläche von ca. 2 cm2. Das Verhältnis zwischen der dotierten Gesamtfläche und der Gesamtfläche des Wafers ergibt sich somit zu 2 cm2/245 cm2, was einem Wert von ca. 0,008 entspricht. Das bedeutet, dass ca. 1 % der Fläche des Wafers lokal dotiert sind. Verwendet man für eine derartige Dotierung eine herkömmliche Schattenmaske mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Hochstromim- planter, werden somit ca. 99 % des eingesetzten lonenstroms nicht genutzt, während erfindungsgemäß der lonenstrom ausschließlich an den dafür vorgesehenen Stellen auf das Halbleitersubstrat abgesetzt wird. Außerdem wird durch eine derartige„schreibende" Implantierung die Bestrahlungszeit bei gleicher, durch die Gesamtzahl der Einzelimplanter bestimmter Gesamtstromstärke nachhaltig, insbesondere um einen Faktor 10 bis 100, verkürzt.
Dieser Vorteil zeigt sich auch in einer vergleichenden Berechnung zwischen einem konventionellen Hochstromimplanter nach dem Stand der Technik und einem erfindungsgemäßen Implantationsarray. Dabei wird als Emissionsstrom einer Fl üssig m et al I - 1 onenquelle von ca. 100 oder 200 μΑ bis 1 mA ausgegangen. Erfahrungsgemäß ist bei einer derartigen lonenquelle ein optimaler Betrieb bei 1 bis 100 μΑ möglich, sodass für die nachfolgende Berechnung von einem Wert von 50 μΑ ausgegangen wird.
Bei einem Wert von 50 μΑ bezogen auf einen einzelnen Mikroionenstrahler ist bei einem Array von 1000 Mikroionenstrahlern ein Gesamtstrom von 50 mA möglich. Werden 10000 Mikroionenstrahler verwendet, ergibt sich ein entsprechend höherer Gesamtstrom zu 500 mA. Ein derartiger Wert entspricht dem Gesamtstrom von etwa 10 konventionellen Hochstromimplantern. Somit verkürzt sich die Prozesszeit der Ionenimplantation bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Arrays auf etwa 1/10 der Prozesszeit, die sonst bei der Verwendung des Hochstromimplanters anzusetzen ist. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Implantationsverfahrens zeigt sich in Hinblick auf die erforderliche Implantationszeit. Von besonderer Bedeutung ist hier die physikalische Größe einer Implantationsdosis D (Teilchenf luenz) . Diese stellt eine Beziehung her zwischen dem Implantationsstrom I, der Implantationszeit t, der lonenladung q und der Quellenfläche F und ist durch die Beziehung
D = (I ■ t)/(q ■ F) definiert. Die Maßeinheit der Implantationsdosis ist somit [A-s/C-cm2] =
[1/cm2]. Bei einer AI-Diffusion entspricht eine Schichtdicke von 10 nm als Diffusionsquelle einer lonendosis von D = 6 ■ 1016 1/cm2 und eine Schichtdicke von 1 nm somit einer lonendosis von D = 6 ■ 1015 1/cm2.
Die erforderliche Bestrahlungszeit T für ein Halbleitersubstrat mit einer gege- benen Implantationsfläche F, , einer lonenladung q, dem Implantationsstrom I und der Dosis D bestimmt sich nach der Beziehung
T = (D ■ q ■ F,)/ I. Bei der Verwendung eines aus dem Stand der Technik bekannten Hochstro- mimplanters mit einer Implantationsmaske und einer lonendosis von D = 6 ■ 1015 1/cm2, einer lonenladung q = 1,6 ■ 10~ 9 A-s und einer durch das gesamte Halbleitersubstrat gebildeten Implantationsfläche F, = 245 cm2 bei einem für derartige Anlagen typischen Implantationsstrom von I = 50 mA wird dazu eine Zeit von etwa 4 bis 5 s benötigt.
Bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Arrays aus Mikroionenstrahlern, das vollkommen ohne Implantationsmaske auskommt, ist die Implantationsfläche kleiner, weil durch das Array der Mikroionenstrahler tatsächlich nur die wirklichen Implantationspunkte und nicht die gesamte Substratoberfläche bestrahlt werden. Bei einer Implantationsfläche von ca. Fi = 2 cm2 und einem Implantationsstrom von I = 50 μΑ ergibt sich bei ansonsten gleichbleibenden Parametern für den gesamten Wafer eine Bestrahlungszeit von ca. T = 0,03 bis 0,04 s. Dabei ist außerdem zu beachten, dass bei diesen Berechnungen angenommen wurde, dass der konventionelle Hochstromimplanter nahe an seiner Leistungsgrenze arbeitet, während der erfindungsgemäße
Mikroionenstrahler um einen Faktor 10 hinsichtlich des Implantationsstromes forciert werden kann. Zusammenfassend ist damit festzustellen, dass es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, die Bestrahlungszeiten von Halbleitersubstraten, insbesondere Halbleiterwafern für solarenergetische Anlagen, um 2 bis 3 Größenordnungen gegenüber typischen Hochstromimplantern zu verkürzen, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung bei den dafür geforderten höheren Dotierungskonzentrationen ihre volle
Leistungsfähigkeit zeigt. Hinzu kommt, dass die Herstellungskosten für derartige Mikroionenstrahler und I mplantationsarrays wegen der einfachen Bauweise nur etwa 20% bis maximal 80% der Herstellungskosten marktüblicher Hoch- stromimplanter betragen sollten.
Fig. 10 zeigt ein weiteres beispielhaft erzeugbares Implantationsmuster am Beispiel einer I BC-Solarzelle in einer Draufsicht. Die Solarzelle besteht aus einem Halbleitersubstrat 25 mit einer n+ oder p+ -Dotierung, die 60 bis 95 %, vorzugsweise 80 bis 90 % der Waferfläche einnimmt. Weiterhin ist ein undo- tiertes Gebiet 26 vorgesehen, das nur eine p- oder n-Basisdotierung des
Wafers aufweist. Das undotierte Gebiet nimmt etwa 10 bis 0% der Waferober- fläche ein. Schließlich ist ein p+ oder n+-dotiertes Kammgebiet 27 vorgesehen, das eine dem Gebiet 25 entgegengesetzte Dotierung aufweist. Dieses Gebiet nimmt etwa 40 bis 5 % der Waf eroberf läche ein. Es ist festzustellen, dass das Gebiet 26 auch einen nominell negativen Anteil annehmen kann. Dies ist dann der Fall, wenn sich die Dotiergebiete 25 und 27 überlappen. Aus der Figur ist zu entnehmen, dass die beschriebenen Gebiete eine ineinander greifende kammartige Struktur ausbilden. Die so dotierte Oberfläche weist ein als„pitch" bezeichnetes Abstandsmaß c des Dotiergebietes 27 auf. Dieses Maß bezeichnet z. B. den Abstand von I onenstrahlern eines eindimensionalen Arrays. Die pitch beträgt etwa 1 mm bis 500 μηι, zweckmäßigerweise 5 mm bis 100 μηι. Das undotierte Gebiet weist eine Breite d auf. Die Breite d bewegt sich in einem Bereich von 0 bis etwa 200 μηι. Die Breite e jedes einzelnen Kammes beträgt im hier vorliegenden Beispiel etwa 800 μηι, die Länge f der Kammstruktur ist um ein Vielfaches größer. Sie beträgt etwa 10 mm bis 160 mm oder mehr.
Fig. 11 zeigt einen Ausschnitt aus einer I BC-Solarzelle mit einem lonenimplan- tationsarray in einer Ansicht von oben mit einer Darstellung der dabei ausge- führten Fertigung und des dabei verwendeten Arrays. Das Implantationsarray 10 besteht in diesem Fall aus in einer Linie angeordneten Mikroionenstrahlern 1, die in einer streifenförmigen Halterung 28 befestigt sind und geführt werden. Die auf dem Halbleitersubstrat zu dotierende Kammstruktur gemäß Fig. 10 wird nun so erzeugt, dass das linienartige Array zunächst an eine vorbestimmte Stelle über das Halbleitersubstrat verfahren und dort positioniert wird. Diese Relativbewegung lässt sich natürlich auch über eine entsprechende Bewegung des Halbleitersubstrates mittels einer Verfahreinrichtung realisieren. Als nächstes werden die Mikroionenstrahler des Arrays gleichzeitig aktiviert und setzen jeweils einen lonenstrom auf das Halbleitersubstrat ab. Während dieses Vorgangs erfolgt eine Relativbewegung zwischen dem Array und dem Halbleitersubstrat entlang der mit dem Bezugszeichen 29 bezeichneten Pfeilrichtung. Dabei werden Dotierspuren in das Halbleitersubstrat eingebracht, die die Kämme 27 des Dotiergebietes bilden. Diese Bewegung wird bis zu einem Endpunkt 30 ausgeführt. An dieser Stelle erfolgt nun ein Richtungswechsel in eine mit dem Bezugszeichen 31 bezeichnete Richtung. Damit erfolgt die Relativbewegung zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Array innerhalb der Längsrichtung des Arrays, wobei die vorhergehend eingebrachten Kämme 27 mit einer Querverbindung 32 endseitig miteinander verbunden werden.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Dotierverfahrens in der Dotierung mit AI, Ga und In besteht, da für diese Anwendungen kein Massentrenner erforderlich ist. Die Verwendung anderer Dotanten ist jedoch bei Verwendung von eutektischen Schmelzen und Legierungen als Quellensubstanzen ebenfalls möglich. Jedoch könnte in einem solchen Fall ein zusätzlicher Massentrenner, beispielsweise ein ExB-Filter, d. h. ein „E kreuz B-Filter", notwendig werden.
Fig. 12 zeigt einen beispielhaften Massentrenner in Form eines ExB-Filters in einer Ansicht von oben. Bei der hier vorliegenden Ausführungsform erfolgt eine dreifache Massentrennung für drei einzelne I onenstrahlen. Hierzu ist eine lonenoptik vorgesehen. Diese umfasst eine erste Magnetplatte 33 und eine zweite Magnetplatte 34. Diese sind jeweils als ein magnetischer Nordpol und ein magnetischer Südpol ausgeführt. Weiterhin ist eine Plattenkondensa- toreinheit vorhanden. Diese besteht aus einer Reihe von Kondensatorplatten 35, die mittels Isolatoren und Halterungen 36 voneinander auf Abstand gehalten werden. Die Magnetplatten 33 und 34 sind Bestandteil eines umgebenden Magnetjoches 37. Das Magnetjoch kann als ein Permanentmagnet ausgebildet sein. Im hier vorliegenden Beispiel erfolgt die Magnetisierung über eine
Magnetspule 38. Für eine Steigerung der Feldstärke können auch supraleiten- de Magnete und Spulenanordnungen zur Anwendung kommen. Die gesamte Anordnung des ExB-Filters wird von einer Steuereinheit mit Stromversorgung 39 mit Steuerimpulsen und elektrischem Strom versorgt.
Bei einem ExB-Filter handelt es sich um einen Geschwindigkeitsfilter bzw. Mas- senfilter für Ionen, bei dem durch ein gekreuztes elektrisches und magnetisches Feld eine Selektion der Ionen ausgeführt wird. Wie der Figur zu entnehmen ist, stehen die Feldvektoren des durch die Magnetplatten erzeugten B- Feldes senkrecht zu denen des E-Feldes zwischen den Kondensatorplatten. Die gesamte Anordnung realisiert dabei die aus der Massenspektroskopie bekannte Massentrennung, die hier nicht im einzelnen dargestellt werden soll. Wichtig ist, dass über die an den Plattenkondensatoren anliegenden Spannungen die elektrische Feldstärke innerhalb der Kondensatoren und über eine Veränderung des Stromflusses in der Magnetspule 38 das zwischen den Magnetplatten herrschende magnetische Feld geändert werden kann. Dies bedingt eine jeweils von den lonenmassen abhängige Flugbahn der in dem lonenstrahl vorhandenen Ionen. Die Ionen können dadurch nach ihrer Masse ausselektiert werden. Es gelingt dadurch insbesondere die in der eutektischen Schmelze der lonen- quelle noch in der Mischung vorliegenden und zur I onenmodif ikation vorgesehenen Ionen auszusondern und auf das Halbleitersubstrat zu lenken.
Diese Variante der Erfindung ist komplizierter, stellt aber eine wesentliche Steigerung der Leistungsfähigeit der Vorrichtung dar, da hier das Halbleitersubstrat, insbesondere die Solarzelle, mit p+ und n+ Dotierungen versehen werden kann. Die Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausführungsformen möglich. Diese ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.
Bezugszeichenliste
1 Mikroionenstrahler
1a I onenstrahl
2 Halbleitersubstrat
2a I mplantationsgebiet
3 I onenemitter
4 I onenquellenreservoir
5 Extraktor
6 elektrostatische Linsenanordnung
6a erste Linse
6b zweite Linse
7 Nach beschleunig ungseinheit
7a erste Einzelelektrode
7b zweite Einzelelektrode
8 Strahlablenkungseinheit
8a Kondensatorplatte
8b Kondensatorplatte
9 Annealingeinheit
10 Arrayanordnung
11 Annealingarray
12 Spitze
13 Extraktorblende
14 Extraktoröff nung
15 Aperturblende
16 Strahlfleck
17 I onenoptik
17a Massentrenner 18 Silizium-Wafer, Halbleitersubstrat
19 lokale Dotierung
20 Vorderseitendotierung
21 Vorderseitenkontaktierung
22 Rückseitenpassivierschicht
23 Loch
24 Rückseitenkontaktierung
25 Halbleitersubstrat, n+ oder p+ dotiert
26 undotiertes Gebiet
27 Kammgebiet, p+ oder n+ dotiert 28 streifenförmige Halterung
29 erste Relativbewegung
30 Endpunkt
31 zweite Relativbewegung
32 Querverbindung
33 Magnetplatte, magnetischer Nordpol
34 Magnetplatte, magnetischer Südpol
35 Kondensatorplatte
36 Isolator und Halterungen
37 Magnetjoch
38 Magnetspule
39 Steuereinheit und Stromversorgung

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur I onenstrahlmodif ikation eines Halbleitersubstrates mit einer auf das Halbleitersubstrat (2) ausgerichteten Arrayanordnung (10) aus mindestens zwei Feldemissions-Mikroionenstrahlern (1), bestehend jeweils aus einem lonenemitter (3) mit einem I onenquellen- reservoir (4), einem Extraktor (5) und/oder einer elektrostatischen Linse (6) und/oder einer Nachbeschleunigungseinheit (7) auf jeweils verschiedenen elektrischen Potentialen zum Erzeugen eines Implantationsmusters.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
eine zwischen der elektrostatischen Linse (6) und der Nachbeschleunigungseinheit angeordnete (7) oder beiden ionenoptischen Elementen nachgeordnete Strahlablenkeinheit (8).
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der lonenemitter (3) als eine Gasf eldionenquelle ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der lonenemitter (3) als eine Flüssigmetallionenquelle ausgebildet ist, wobei das I onenquellenreservoir (4) eine elementare oder in einer Schmelze mischbare Dotierkomponente und/oder eine dem Halbleitersubstrat entsprechende Komponente enthält.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die in der Schmelze mischbare Dotierkomponente als eine eutektische Schmelze oder Legierungsschmelze ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die strahlführende Anordnung im Bereich der Strahlablenkeinheit (8) abgewinkelt ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Mikroionenstrahler eine eine lonenart des I onenstrahles
selektierende Massentrennerheit enthält.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Massentrennereinheit aus einer oder aus einem Array von mehreren Wien-Filter- oder ExB-Filter-Anordnungen besteht, bei denen die Richtungen des elektrischen und des magnetischen Feldes senkrecht zueinander stehen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Mikroionenstrahler eine von einer Steuereinheit beschaltbare Wehnelt-Einheit zum Fokussieren und/oder Ausblenden des lonen- strahles aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein von der Steuereinheit beschaltbarer Shutter zum Ein- und Ausblenden jedes Mikroionenstrahlers vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
mindestens eine in situ oder im Wechsel mit dem IVlikroionenstrahler auf das Modifikationsgebiet gerichtete Annealingeinheit (9) zur
Defektausheilung.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Annealingeinheit (9) als ein Teil eines mit der Arrayanordnung der IVlikroionenstrahler zusammenwirkenden aus mindestens zwei
Annealingeinheiten bestehenden Annealingarrays (11) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
eine Steuereinheit für ein einzelnes Ansprechen der IVlikroionenstrahler (1) in der Arrayeinheit (10) und/oder ein einzelnes Ansprechen der Annealingeinheiten (9) in dem Annealingarray (11).
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
eine von der Steuereinheit angesprochene Vorschubeinheit für eine ein Modifikationsmuster erzeugende Relativbewegung zwischen der Arrayeinheit (10) und dem Halbleitersubstrat (2). 15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Halbleitersubstrat (2) die Ausmaße einer Solarzelle oder eines Solarmoduls mit einer Fläche mindestens 50 cm2 aufweist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
diese eine Vorrichtung zur Ionenimplantation und zur Ausheilung von Strahlenschäden in dem Halbleitersubstrat durch Energiezufuhr ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das das Halbleitersubstrat (2) zur Fertigung einer Solarzelle oder eines Solarmoduls vorgesehen ist.
Verfahren zum Ausführen einer I onenstrahlmodif ikation an einem
Halbleitersubstrat,
wobei
das Halbleitersubstrat (2) aus einer Arrayeinheit (10) aus Feldemis- sions-Mikroionenstrahlern (1) mit gerichteten I onenstrahlen beaufschlagt wird und durch ein gesteuertes Ansprechen der Mikroionen- strahler und/oder einer darauf abgestimmten Relativbewegung zwischen dem Halbleitersubstrat und der Arrayeinheit in dem
Halbleitersubstrat ein in seiner lateralen Form und/oder in seiner Tiefe ortsabhängig einstellbares Modifikationsprofil erzeugt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
das das Halbleitersubstrat (2) von einem Annealingarray (11) aus mindestens einer Annealingeinheit (9) in situ oder unmittelbar nachfolgend mit einem Annealingmuster beaufschlagt wird, wobei das Annealingmuster lateral und/oder in seiner Tiefe auf das
erzeugte Modifikationsprofil eingestellt ist und innerhalb des
Annealingmusters eine Defektausheilung in dem Modifikationsprofil erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19,
dadurch gekennzeichnet, dass
die ortsabhängig einstellbare Tiefe des Modifikationsprofils durch eine gesteuerte Nachbeschleunigung des I onenstrahles an dem jeweiligen Mikroionenstrahler (1) der Arrayanordnung erzeugt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass
für ein laterales Homogenisieren jedes einzelnen I onenstrahles oder das I onenstrahlschreiben von Strukturen auf oder im Halbleitersubstrat
(2) ein elektrostatisches Ablenken und/oder eine Relativbewegung des Halbleitersubstrates bezüglich des I onenstrahles ausgeführt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, dass
in jedem einzelnen lonenstrahl durch einen Energiefilter eine Beeinflussung und/oder eine Ausblendung eines Tröpfchenstrahlanteils und/ oder eines Neutralteilchenanteils erfolgt. 23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Halbleitersubstrat (2) die Ausmaße einer Solarzelle oder eines Solarmoduls hat und eine Fläche von 50 cm2 überschreitet. 24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Halbleitersubstrat (2) durch Ionenimplantation dotiert wird und die Strahlenschäden durch Energiezufuhr ausgeheilt werden.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, dass
das aus dem Halbleitersubstrat (2) eine Solarzelle oder ein Solarmodul gefertigt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Quellensubstanzen die Elemente Aluminium, Gallium, Indium in reiner oder gemischter Form eingesetzt werden und deren Ionen in ein Halbleitersubstrat implantiert werden.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Quellensubstanzen die Elemente Bor, Phosphor, Arsen und Antimon eingesetzt werden und deren Ionen in das Halbleitersubstrat implantiert werden.
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