WO2012073142A2 - Verfahren und vorrichtung zur ionenimplantation - Google Patents

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WO2012073142A2
WO2012073142A2 PCT/IB2011/055148 IB2011055148W WO2012073142A2 WO 2012073142 A2 WO2012073142 A2 WO 2012073142A2 IB 2011055148 W IB2011055148 W IB 2011055148W WO 2012073142 A2 WO2012073142 A2 WO 2012073142A2
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plasma
ion implantation
discharge space
electrode
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Uwe Scheit
Joachim Mai
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Roth & Rau Ag
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32412—Plasma immersion ion implantation
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/56—Apparatus specially adapted for continuous coating; Arrangements for maintaining the vacuum, e.g. vacuum locks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J2237/32—Processing objects by plasma generation
    • H01J2237/33—Processing objects by plasma generation characterised by the type of processing
    • H01J2237/336—Changing physical properties of treated surfaces
    • H01J2237/3365—Plasma source implantation

Definitions

  • the present invention relates to an ion implantation device and a method for ion implantation of at least one substrate, wherein in the ion implantation device by a plasma source in a discharge space a plasma with a ion density of at least 10 10 cm -3 , for example from 10 10 cm -3 to 10 12 cm “3 , wherein the discharge space is delimited in the direction of the substrate to be implanted by a plasma-limiting wall having plasma openings spaced apart from one another by plasma potential or a maximum potential of ⁇ 100 V, and the pressure in the discharge space is higher than the pressure in the space in which the substrate is located in the ion implantation device, wherein the substrate rests on a substrate support, with its substrate surface opposite the plasma confining wall, and wherein the substrate and / or the substrate support is used as a substrate electrode, which on such a high negative potential is placed on the plasma, that ions from the plasma are accelerated towards the substrate and implanted into the substrate.
  • US Pat. No. 7,776,727 B2 discloses an ion immersion implantation method in which a plasma is generated using an inductively coupled plasma (ICP) discharge in a discharge space.
  • ICP inductively coupled plasma
  • the plasma is further supplied via a showerhead construction with a process gas which is ionized in the plasma.
  • the substrate rests on a substrate support, which rests against a high-frequency alternating voltage.
  • the substrate support is acted upon by a DC voltage source with a chucking DC voltage, through which ionized dopants are accelerated in the plasma in the direction of the surface of the substrate to be implanted and implanted in this.
  • the entire surface of the substrate to be implanted is directly in communication with the plasma.
  • the implantation takes place over the whole area in the surface of the substrate.
  • the substrate support can be cooled.
  • such systems can also be used for selectively influencing substrate properties, such as hardness or breaking strength. As described above, such plants operate without mass separation.
  • the substrates or the workpieces are in direct, large-area contact with the plasma.
  • masks which delimit the regions to be doped are used in the known implantation techniques on the substrates or between the substrate and the plasma.
  • the masks used are bombarded with high-energy ions.
  • pulsed power supplies are often used for the acceleration voltage in plasma immersion ion implantation.
  • a device and a method of the above mentioned kind are known in which a plasma immersion ion implantation is used.
  • an implantation chamber enclosed on all sides is used, in which subchambers in the form of a plasma chamber and a process chamber are provided, between which at least one grid is provided, through which ions are extracted from the plasma and accelerated in the direction of the one substrate provided in the process chamber.
  • both the at least one grid and the substrate can be placed on a negative potential relative to the plasma.
  • the plasma chamber and the process chamber are connected by gas technology and are evacuated by a single vacuum pump provided on the process chamber.
  • the substrate to be implanted is located inside the implantation chamber, which is enclosed on all sides.
  • the substrate resting on a chuck integrated in the process chamber can be moved back and forth inside the process chamber by an actuator arm underneath the plasma.
  • the operation of the known implantation device is connected to a substrate handling, in which only one substrate is introduced into the implantation chamber by means of a wafer transfer robot, subsequently implanted in the implantation chamber after the all-round closure of the implantation chamber and subsequently removed from the implant after opening thereof. tion chamber must be brought out. Therefore, the known system is not suitable for implanting a multiplicity of substrates in an efficient period of time.
  • the object is achieved, on the one hand, by a method of the abovementioned type, wherein the at least one substrate and / or the substrate support on a substrate transport device extending in a substrate transport direction toward the discharge space, opposite the plasma-confining wall, continuously or discontinuously along the discharge space and at the discharge space is moved past, wherein the discharge space is separated in terms of its gas supply and gas extraction from the space in which the at least one substrate is in the ion implantation.
  • the present invention provides a new and improved method for ion implantation of substrates.
  • the at least one substrate to be implanted is not in direct contact with the plasma and, moreover, is not in the same, outwardly confined vacuum reactor chamber as the plasma.
  • the at least one substrate is arranged outside the plasma, in which the substrate or the substrates are freely movable past the plasma by means of the substrate transport device, in a substrate transport direction defined by the rectilinear profile of the substrate transport direction.
  • the substrates are not reciprocated as in a handler principle, but along a single basic substrate transport direction, that is in principle in a line, to the discharge space, along the discharge space and finally transported away from the discharge space, with other substrates directly on This way can be nachge redesignt.
  • the device according to the invention therefore makes it possible to implant a multiplicity of substrates which can be moved past the plasma in a comparatively short period of time.
  • the substrates can pre-process directly before implantation run through and / or undergo post-processing directly after implantation without a complex substrate handling is necessary because the substrates in this case remain on one and the same substrate transport device and can be transported by this. In ion implantation, the substrates remain on one and the same substrate transport device.
  • the transport plane is parallel to the plane of the plasma-confining wall.
  • a substrate transport device for example, a tape transport device or a roller transport device can be used. In this case, the substrates can be supported or held directly on the substrate transport device or on one or more substrate carriers or carriers transported by the substrate transport device.
  • the method according to the invention thus makes it possible to move a plurality of substrates, which are provided at different positions on a substrate carrier, past the discharge space by means of the substrate transport device and to process them simultaneously or successively, depending on their position on the substrate carrier.
  • the plasma source can also be moved relative to the at least one substrate during the ion implantation.
  • the relative movement of the substrate and the plasma source can be used in addition to the above-mentioned Anaptvorbeirison of the at least one substrate on the discharge space for the production of planar implantations or certain implantation patterns.
  • sluices which are provided in the substrate transport direction of the substrate transport device before and / or after the discharge space.
  • the plasma is bounded by the plasma-confining wall, which is in contact with the plasma.
  • the plasma-confining wall simultaneously forms a flow resistance for the discharge gas.
  • the at least one substrate and / or the substrate support is set to a high negative potential with respect to the plasma, the ions are accelerated out of the plasma in the direction of the substrate by the passage openings provided in the plasma-confining wall and implanted in the substrate.
  • the pattern formed in the plasma confining wall through the vias forms as a pattern of the implanted regions in the substrate.
  • the desired doping element such as phosphorus, arsenic, antimony, aluminum or boron
  • These ions penetrate only the areas of the plasma-confining wall in which the passage openings are provided, so that the geometry of the passage openings in the substrate is formed.
  • the plasma confining wall is at plasma potential or at a potential that is only slightly different from the plasma potential.
  • thermal stress or sputtering resulting from the use of masks is eliminated.
  • contamination of the substrate with mask material can be avoided.
  • the otherwise necessary additional sub-steps for the production of masks on the substrate prior to implantation omitted.
  • the method according to the invention lower electrical powers of the power supply are required to accelerate the ions.
  • the acceleration voltage can be reduced over the prior art.
  • the method according to the invention for ion implantation is to be used in particular for doping substrates, the method can also be used, for example, for etching substrates, all of which are described in the present patent application. may be used in the etching of substrates contained variants described in relation to the ion implantation.
  • the plasma source used in the method according to the invention is an ECR plasma source, an ICP plasma source or a Finkelstein type ion source.
  • ECR plasmas can still be advantageously operated in a working gas pressure range of less than 10 "4 mbar to about 10 " 2 mbar.
  • These plasma sources are characterized in particular by the fact that they allow a high degree of ionization at low pressures, which is particularly suitable in the method according to the invention for the implantation of planar structures.
  • the proposed plasma sources have particularly high plasma densities.
  • the ion implantation doses necessary for solar wafers can be produced within a few seconds.
  • a suitable doping profile can also be adjusted in the method according to the invention by using plasma sources which supply a high proportion of multiply charged ions.
  • the multiply charged ions have a higher energy corresponding to the degree of ionization at the same acceleration voltage and penetrate deeper into the substrate.
  • a linearly scalable plasma source as the plasma source.
  • a possible application of the method according to the invention is to produce n and / or p lines for the back side contacting of solar cells in the production of solar cells.
  • the negative potential is applied to the substrate electrode in the form of negative voltage pulses.
  • the ions can be moved in a pulse-like manner out of the plasma in the direction of the substrate.
  • it can be achieved that the substrate does not heat up so much, so that the cooling of the substrate can be better realized.
  • multiply charged ions can advantageously be generated by the pulsed plasma generation with high pulse powers, for their acceleration to the substrate a lower acceleration voltage is required.
  • the pulsation of the substrate electrode and the plasma is carried out synchronized in phase or out of phase with one another.
  • the synchronized pulsation of the substrate electrode and of the plasma has the advantage that comparatively high voltage pulses can be applied for a short time compared to the conventional unpulsed operation, with which a high power density can be achieved for a short time, whereby ions with higher charge states can be generated and thus also a higher ion density in the Plasma is adjustable.
  • ion densities in the plasma of significantly more than 10 12 cm -3 , for example up to 10 15 cm -3 , can be achieved by this procedure, for example.
  • high penetration depths can be achieved in the substrate to be implanted.
  • the distance between the plasma-confining wall and the substrate electrode is set between 1 mm and 20 mm depending on the level of the negative potential at the substrate electrode.
  • the distance of the substrate from the plasma-confining wall at an acceleration voltage of 20 kV as a function of the plasma density is about 3 mm to 6 mm. For larger acceleration voltages, the distance increases linearly with the voltage.
  • dopants or dopants containing steam include phosphine (PH 3 ), diborane (B 2 H 6 ), arsine (AsH 3 ), stibine (SbH 3 ), phosphorus chloride (PCI 3 ), boron bromide (BBr 3 ), arsenic chloride (AsCI 3 ), organometallic compounds with the Dopants and / or dopants in vapor form.
  • an intermediate electrode is provided between the plasma-confining wall and the substrate electrode with the same arrangement of through-holes as in the plasma-confining wall, wherein the intermediate electrode is set to a positive potential of at most 500 volts. If such an intermediate electrode with a comparable arrangement of the openings is provided directly in front of the substrate as in the plasma-confining wall in contact with the plasma, and if it is biased negatively relative to the substrate, an undesired acceleration of secondary electrons in the direction of the plasma source can be prevented.
  • the intermediate electrode acts as a potential barrier and thus as an electron brake grid.
  • the intermediate electrode can be used to release or block the ion extraction from the discharge space while maintaining the plasma in the discharge space.
  • the intermediate electrode is pulsed with the positive potential.
  • the substrate support may be placed on a chuck equipped with an electrostatic sample holder and, if desired, with a helium or hydrogen feed to enhance heat transfer from the substrate to the chuck.
  • the substrate support can be used as a heat source or as a heat sink.
  • the temperature of the substrate support can be actively carried out by means of liquid or gas as a heat carrier.
  • substrate and plasma source are moved at a constant speed relative to each other, it is possible to carry out homogeneous, planar implantations.
  • the relative movement between the substrate and the plasma source can also be accelerated positively or negatively and / or with controlled residence times of substrate and / or plasma source.
  • a matrix can be run, whereby a spatially resolved doping can be generated by means of the ion implantation method according to the invention.
  • the distance between the substrate and the plasma source is changed during the relative movement of the substrate and the plasma source.
  • the change in distance can be carried out, for example, by a 3-D movement of substrate and / or plasma source. In principle, it is also conceivable to oscillate the substrate and / or the plasma source. Due to the distance Changes can be made, for example, corrections in the ion implantation.
  • different carrier densities, charge states and / or time durations of the load by the ion implantation can be set in a variety of ways by the targeted adjustment of the relative movement of the substrate to the plasma source.
  • a plurality of substrates are guided in tracks below the plasma-confining wall with line-shaped passage openings.
  • several substrates can be processed simultaneously, which are passed in the tracks under the plasma-confining wall with the line-shaped openings.
  • the substrates can be moved continuously or with a regular hold under the plasma-confining wall in order to dope the substrates in a defined manner.
  • the ion implantation is carried out by at least one dielectric surface layer of the substrate.
  • the implantation can be carried out, for example, by means of suitable thin dielectric layers, such as oxides or nitrides, as used, for example, for antireflection layers in solar wafers, for setting a suitable doping profile.
  • the object of the present invention is moreover achieved by an ion implantation device for ion implantation of at least one substrate of the abovementioned type, wherein the discharge space in the direction of the substrate to be implanted has a plasma potential or a potential of at least one of a plurality of through-openings at least ⁇ 100 V, the discharge space being separated from the space in which the substrate is located in the ion implantation apparatus such that a higher pressure exists in the discharge space than in the space in which the substrate is located; is adjustable; wherein the substrate can be placed on a substrate support, with its substrate surface opposite to the plasma-confining wall; wherein the substrate and / or the substrate support can be laid to such a high negative potential with respect to the plasma that ions from the plasma can be accelerated in the direction of the substrate and implanted in the substrate; and wherein the at least one substrate and / or the substrate support on a substrate transporting device running opposite the plasma-confining wall in a Substrattransportides to the discharge space, the
  • the plasma confining wall acts like a mask without being one.
  • the plasma confining wall is at plasma potential or at a potential that is only slightly different from the plasma potential.
  • the applied acceleration voltage extracts positive ions from the plasma and accelerates them to the substrate.
  • the structure of the plasmapotential plasma limiting wall in the substrate is imaged.
  • one or more substrates are freely movable past the discharge space.
  • the space in which the substrates are located is decoupled from the discharge space with regard to the substrate support, the substrate transport and with regard to the gas supply and gas extraction. This makes it possible to move substrates past the discharge space and thereby to implant.
  • This implantation can take place both during the intermediate standstill of the at least one substrate and during the movement of the at least one substrate along the discharge space, which can be carried out both continuously and discontinuously.
  • the plasma source is an ECR plasma source, an ICP plasma source or a finite-type ion source.
  • ECR plasma source an ECR plasma source
  • ICP plasma source an ICP plasma source
  • finite-type ion source a finite-type ion source.
  • the plasma source comprises a plurality of individual plasma sources arranged side by side in the form of a line or a pattern.
  • the individual plasma sources thereby form a plurality of adjacent discharge chambers which can be used the same or differently.
  • the distance between the plasma-confining wall and the substrate electrode in dependence on the negative potential at the substrate electrode is between 1 mm and 20 mm.
  • the distance between the plasma confining electrode and the substrate electrode is between 1 mm and 5 mm.
  • the plasma source has at least one feed for dopant-containing gas or vapor containing dopants. This allows the plasma source to be operated with gases or vapors containing the desired dopants.
  • an intermediate electrode with the same arrangement of passage openings as in the plasma-confining wall is provided between the plasma-confining wall and the substrate electrode, wherein the intermediate electrode can be laid to a positive potential.
  • a potential barrier between the plasma and the substrate can be formed by the intermediate electrode, which can be used in particular as an electron braking grid to avoid unwanted acceleration of secondary electrons in the direction of the plasma source.
  • the intermediate electrode can also be used to influence the movement or acceleration of the ions from the plasma to the substrate.
  • the intermediate electrode can be pulsed to specific positive potentials. This makes it possible to use the intermediate electrode as a switching electrode for opening and blocking the extraction of ions from the discharge space.
  • the substrate support can be operated as a heat source or sink for the substrate.
  • the substrate can be selectively heated or cooled.
  • the heating or Cooling can be actively carried out by the use of liquid or gas as the heat carrier.
  • the pulsation of the intermediate electrode is made in phase synchronized or out of phase with each other synchronized with the pulsation of the substrate electrode and / or the pulsation of the plasma.
  • the voltage pulses applied to the intermediate electrode can be tuned specifically to the pulsation of the substrate electrode and / or the pulsation of the plasma in order to achieve optimum implantation results at comparatively low powers.
  • the passage openings in the plasma-confining wall are formed in a line or grid shape. In this way, depending on the respective requirements, specific implantation patterns can be produced which, in the case of a relative movement from substrate to plasma source, can also be transferred flatly to the substrate.
  • the ion implantation device As already mentioned, it is particularly favorable to design the ion implantation device according to the invention in such a way that the substrate and / or the plasma source can be moved past one another relative to one another during the ion implantation.
  • the substrate and / or the plasma source can be moved past one another relative to one another during the ion implantation.
  • a variety of ways of performing the relative movement of substrate to plasma source are also stated above.
  • the plasma region In a stationary arrangement of the substrates under the plasma-confining wall, the plasma region must be sufficiently large with approximately constant plasma conditions. According to the invention, however, the implantation parameters can be realized by a specific type of movement of the substrate relative to the plasma-confining wall in front of the plasma source.
  • the necessarily higher total current also results in the higher-dose X-ray radiation occurring in comparison to known implantation systems.
  • the ion implantation device according to the invention has an X-ray-absorbing housing.
  • Figure 1 shows schematically a possible embodiment of an ion implantation device according to the invention in a sectional side view
  • Figure 2 shows schematically a further possible embodiment of the ion implantation device according to the invention in a sectional side view
  • Figure 3 shows schematically a plasma-confining wall with lattice-shaped through holes of an embodiment of the ion implantation device according to the invention in a plan view;
  • Figure 4 shows schematically a further embodiment of the embodiment of the passage openings in a plasma-confining wall of an embodiment of the ion implantation device according to the invention in a plan view;
  • Figure 5 shows yet another embodiment of the formation of through holes in a plasma-confining wall of another embodiment of the ion implantation device according to the invention in a plan view.
  • FIG. 1 schematically shows a possible embodiment of an ion implantation device 1 according to the invention in a sectional side view.
  • the illustrated ion implantation device 1 is used for ion implantation of at least one substrate 2, which rests on a substrate support 7 in the illustrated example.
  • the device shown can also be used for etching substrates become.
  • the at least one substrate 2 and / or the substrate support can also rest on a substrate carrier or carrier or be held by this.
  • the at least one substrate 2 is, for example, a substrate used for producing solar cells, for example a crystalline silicon substrate.
  • the substrate 2 may already be pre-structured.
  • the substrate 2 may have a textured surface.
  • at least one thin dielectric layer is provided on the substrate surface 8 of the substrate 2.
  • Suitable thin dielectric layers are, for example, oxides or nitrides, as used, for example, for antireflection layers in solar cell wafers. With the aid of the dielectric layer material provided on the substrate 2, a suitable doping profile can be set.
  • the substrate support 7, on which the substrate 2 rests, is in the illustrated embodiment a relative to the ion implantation device 1 not fixed, cooled substrate support.
  • the substrate support 7 may also be another suitable substrate support, which may for example also be heated.
  • the cooling and / or heating of the substrate support 7 can be done directly or indirectly.
  • heat carriers such as gases and / or liquids can be used to bring the substrate support 7 to a defined temperature.
  • the at least one substrate 2 is located on a substrate transport device, by means of which the at least one substrate 2 can be moved by the implantation device.
  • the substrate transport device may be, for example, a belt transport device or a roller transport device.
  • the at least one substrate 2 can be transported directly from this substrate transport device or during transport on a substrate support, such as a substrate carrier or carrier, rest or be held by this.
  • a substrate support such as a substrate carrier or carrier, rest or be held by this.
  • the substrates 2 may rest on it in the form of a row, a column or a matrix.
  • the space in which, in accordance with the invention, the substrate transport device is provided with the substrates 2 moved by the latter is, with respect to the substrate support, the gas supply and the gas extraction, not connected to the discharge space 4 of the ion implant. tion device 1 coupled.
  • the substrates 2 regardless of the plasma space in and out of this again be promoted. It only makes sense to provide suitable locks to before and after the ion implantation device 1 providable other chambers, in which the substrates 2 can be suitably pre-and / or post-processed.
  • the locks form suitable interfaces or exchange devices of substrates 2, without the substrates 2 having to be removed from the substrate transport device or transferred to another substrate transport device.
  • the substrate surface 8 is opposite a plasma source 3, which in the exemplary embodiment shown is an ECR plasma source.
  • a plasma source 3 which in the exemplary embodiment shown is an ECR plasma source.
  • other suitable plasma sources can be used according to the invention, such as ICP plasma sources or Finkelstein type ion sources.
  • a prerequisite for the use of a specific plasma source 3 in the ion implantation apparatus 1 according to the invention is that a plasma with a high ion density of 10 10 cm -3 to 10 12 cm -3 can be generated with the latter.
  • both singly charged and multiply charged ions of a plasma generated in a discharge space 4 of the plasma source 3 should be able to be generated.
  • the discharge space 4 of the plasma source 3 is delimited in the direction of the substrate 2 by a plasma-limiting wall 6.
  • the plasma confining wall 6 is either at plasma potential or a maximum potential of ⁇ 100 V.
  • the substrate transport direction T of the substrate transport device runs parallel to the plasma-confining wall 6 in the example shown.
  • the plasma-confining wall 6 has passage openings 5 spaced apart from one another, whose arrangement or pattern is imaged in the implantation of the substrate 2 in the substrate surface 8 of the substrate 2.
  • the Pressure in the discharge space 4 higher than the pressure in the space in which the at least one substrate 2 is located in the ion implantation device 1 can be adjusted.
  • the at least one substrate 2 or the substrate support 7, on which the substrate 2 rests, and the plasma source 3 or at least the plasma-confining wall 6 of the plasma source 3 are movable relative to each other in the embodiment shown in FIG.
  • various positions A, B, C for the substrate support 7 with the substrate 2 provided thereon are shown in FIG.
  • the relative mobility between the substrate 2 and the plasma source 3 can be used to enable homogeneous, planar implantations of the substrate 2 during the mutual advancing movement of the substrate 2 and the plasma source 3.
  • the substrate 2 and / or the substrate support 7 serves as a substrate electrode, which is placed on such a high negative potential with respect to the plasma in the discharge space 4 that accelerates ions from the plasma in the direction of the substrate 2 and implanted in the substrate 2 become.
  • a negative potential with a height of -5 kV to -100 kV is applied to the substrate electrode, that is to say to the substrate 2 and / or to the substrate support 7. It is possible to apply the negative potential to the substrate electrode in the form of negative voltage pulses. On the other hand, it is also possible to generate the plasma pulsed in the discharge space 4 itself.
  • the pulsed voltage supply of the substrate 2 and / or the substrate support 7 on the one hand and the pulsation of the plasma on the other hand can be made synchronized in phase or out of phase with each other to thereby even at low power used by briefly high voltage pulses and thus briefly increased Ion density in the plasma to achieve a high penetration depth of ions in the substrate 2.
  • the distance between the plasma-confining wall 6 and the substrate 2 is approximately 3 mm to 5 mm. Depending on the level of the negative potential at the substrate electrode, however, the distance between the plasma-confining wall 6 and the substrate 2 or the substrate electrode between 1 mm and 20 mm can be adjusted according to the invention.
  • the plasma source 3 is operated with a dopant-containing gas or dopant-containing vapor.
  • the plasma source 3 has at least one gas supply, not shown separately in FIG. 1, through which the gas or steam can be conducted into the discharge space 4 of the plasma source 3.
  • phosphine, diborane, arsine, stibine, phosphorus chloride, boron bromide, arsenic chloride, at least one organometallic compound with phosphorus, boron or arsenic and / or dopants present as vapor can be used as dopant-containing gas or dopants.
  • the plasma or the vapor in the discharge space 4 is ionized by the plasma source 3.
  • positively charged ions are formed that are accelerated by the negative potential applied to the substrate electrode through the passage openings 5 of the plasma-confining wall 6 in the direction of the at least one substrate 2 and are implanted into the at least one substrate 2 by the high acceleration voltage.
  • the structure of the plasma-limiting wall 6 located on the plasma potential or a low positive potential is imaged in the at least one substrate 2.
  • a dielectric layer such as, for example, an antireflection coating for solar panels. Wafer used oxide or nitride, and to carry out the implantation through this dielectric layer.
  • a suitable doping profile can also be set by adjusting the plasma source 3 from FIG. 1 or replacing it with another suitable plasma source 3 such that the plasma source 3 supplies a high proportion of multiply charged ions.
  • the multiply charged ions have at the same acceleration voltage at the substrate electrode corresponding to the ionticiansgrad higher energy and thus penetrate deeper into the substrate 2 in the ion implantation.
  • the ion density of the ions extracted from the plasma can be adapted to the respective requirements.
  • the ion implantation device 1 preferably has a shield, by means of which the X-ray radiation produced during the process is reliably absorbed.
  • the ion implantation device 1 may have an X-ray absorbing housing.
  • the plasma confining wall 6 is not to be equated with an extraction electrode used in conventional immersion ion implantation devices.
  • the substrate electrode that is to say the substrate 2 or the substrate support 7, against which the plasma has a high negative potential, is used in accordance with the invention.
  • the space in which the plasma is located separated from the space in which the substrate 2 is located, whereby in the discharge space 4, a higher pressure than in the space in which the substrate 2 is located , is adjustable.
  • the high ion density of at least 10 10 cm “3 and typically from 10 10 cm” 3 to 10 12 cm “3 and the low pressure in the space in which the substrate 2 is located, are a prerequisite for the practicability of the ion implantation method according to the invention .
  • FIG. 2 shows an ion implantation device 1 'according to the invention, in which an intermediate electrode 9 is provided between the plasma-confining wall 6 and the substrate electrode 2, 7. Through holes 10 are provided in the intermediate electrode 8, the pattern of which corresponds to the arrangement of passage openings 5 in the plasma-confining wall 6.
  • the intermediate electrode 9 can be laid to a positive potential of at most 500 V. By means of the intermediate electrode 9, an undesired acceleration of secondary electrons in the direction of the plasma source 3 can be prevented.
  • the intermediate electrode 9 can be used as a switching electrode for opening and blocking the extraction of ions from the discharge space 4.
  • the intermediate electrode 9 can also be pulsed applied to the positive potential. In this case, it is possible to synchronize the pulsation of the voltage supply of the intermediate electrode 9 to the pulsation of the acceleration voltage and / or the pulsation of the plasma applied to the substrate 2 or the substrate support 7.
  • the respective voltage pulses can be applied to the intermediate electrode 9, the substrate electrode 2, 7 and / or the plasma in phase or in phase.
  • the further features of the ion implantation device 1 'shown in FIG. 2 correspond to those of the ion implantation device 1 from FIG. 1, with reference to the above statements with regard to these features.
  • Figure 3 shows schematically a possible embodiment of a plasma-limiting wall 6 with lattice-shaped through holes 5 in a plan view.
  • Figures 4 and 5 also show schematically possible embodiments of through holes 5 'and 5 "in a plasma-confining wall 6.
  • the substrates 2 can be continuous or with a regular Halt be moved under the plasma-confining wall 6 of the plasma source 3 to dope the substrates 2 defined.
  • the embodiment of FIG. 4 shows a lattice-shaped 5 shows an order of through-openings 5 '
  • the embodiment of FIG. 5 shows a linear arrangement of through-openings 5''In principle, there are no limits in the design of the through-openings 5, 5', 5 'in the plasma-confining wall 6.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ionenimplantationsvorrichtung und ein Verfahren zur Ionenimplantation von wenigstens einem Substrat, wobei in der Ionenimplantationsvorrichtung durch eine Plasmaquelle in einem Entladungsraum ein Plasma mit einer Ionendichte von wenigstens 1010 cm-3, beispielsweise von 1010 cm-3 bis 1012 cm-3, erzeugt wird, wobei der Entladungsraum in Richtung des zu implantierenden Substrates durch eine voneinander beabstandete Durchgangsöffnungen aufweisende, sich auf Plasmapotenzial oder einem Potenzial von maximal ±100 V befindliche plasmabegrenzende Wand begrenzt wird, und der Druck im Entladungsraum höher als der Druck in dem Raum ist, in dem sich das Substrat in der Ionenimplantationsvorrichtung befindet; wobei das Substrat auf einer Substratauflage, mit seiner Substratoberfläche gegenüber der plasmabegrenzenden Wand aufliegt; und wobei das Substrat und/oder die Substratauflage als Substratelektrode genutzt wird, welche auf ein derart hohes negatives Potenzial gegenüber dem Plasma gelegt wird, dass Ionen aus dem Plasma in Richtung des Substrates beschleunigt und in das Substrat implantiert werden. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ionenimplantation zur Verfügung zu stellen, welche eine flächige als auch eine selektive Ionenimplantation einer Vielzahl von Substraten bei möglichst hoher Effektivität ermöglichen. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Ionenimplantationsvorrichtung der oben genannten Gattung gelöst, bei welchen das wenigstens eine Substrat und/oder die Substratauflage auf einer gegenüber der plasmabegrenzenden Wand verlaufenden Substrattransportvorrichtung in einer Substrattransportrichtung zu dem Entladungsraum hin, an dem Entladungsraum kontinuierlich oder diskontinuierlich entlang und an dem Entladungsraum vorbei bewegt wird, wobei der Entladungsraum hinsichtlich seiner Gasversorgung und Gasabsaugung von dem Raum, in dem sich das wenigstens eine Substrat bei der Ionenimplantation befindet, getrennt ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Ionenimplantation
Die vorliegende Erfindung betrifft eine lonenimplantationsvorrichtung und ein Verfahren zur Ionenimplantation von wenigstens einem Substrat, wobei in der lonenimplantationsvorrichtung durch eine Plasmaquelle in einem Entladungsraum ein Plasma mit einer lo- nendichte von wenigstens 1010 cm"3, beispielsweise von 1010 cm"3 bis 1012 cm"3, erzeugt wird, wobei der Entladungsraum in Richtung des zu implantierenden Substrates durch eine voneinander beabstandete Durchgangsöffnungen aufweisende, sich auf Plasmapotenzial oder einem Potenzial von maximal ±100 V befindliche plasmabegrenzende Wand begrenzt wird, und der Druck im Entladungsraum höher als der Druck in dem Raum ist, in dem sich das Substrat in der lonenimplantationsvorrichtung befindet; wobei das Substrat auf einer Substratauflage, mit seiner Substratoberfläche gegenüber der plasmabegrenzenden Wand aufliegt; und wobei das Substrat und/oder die Substratauflage als Substratelektrode genutzt wird, welche auf ein derart hohes negatives Potenzial gegenüber dem Plasma gelegt wird, dass Ionen aus dem Plasma in Richtung des Substrates beschleunigt und in das Substrat implantiert werden.
Aus der Druckschrift US 7,776,727 B2 ist ein lonenimmersionsimplantationsverfahren bekannt, bei welchem unter Verwendung einer ICP (Inductively Coupled Plasma)- Entladung in einem Entladungsraum ein Plasma erzeugt wird. In dem Plasma befindet sich ein zu implantierendes Substrat. Das Plasma wird ferner über eine Showerhead- Konstruktion mit einem Prozessgas versorgt, welches in dem Plasma ionisiert wird. Das Substrat liegt auf einer Substratauflage auf, welche an einer hochfrequenten Wechselspannung anliegt. Zudem wird die Substratauflage über eine Gleichspannungsquelle mit einer Chuckgleichspannung beaufschlagt, durch welche ionisierte Dotanten in dem Plasma in Richtung der Oberfläche des zu implantierenden Substrates beschleunigt und in dieses implantiert werden. Während der Ionenimplantation ist die gesamte Oberfläche des zu implantierenden Substrates direkt in Verbindung mit dem Plasma. Die Implantation erfolgt ganzflächig in die Oberfläche des Substrates. Während der Ionenimplantation kann die Substratauflage gekühlt werden. Neben der oben beschriebenen Plasmaimmersionsimplantationsanlage zur Dotierung können solche Anlagen auch zur gezielten Beeinflussung von Substrateigenschaften, wie Härte oder Bruchfestigkeit, eingesetzt werden. Wie oben beschrieben, arbeiten solche Anlagen ohne Massentrennung. Die Substrate bzw. die Werkstücke stehen im direkten, großflächigen Kontakt zum Plasma.
Möchte man mit Hilfe einer Plasmaimmersionsimplantationsanlage eine selektive Implantation von Substraten durchführen, werden bei den bekannten Implantationstechniken auf den Substraten bzw. zwischen Substrat und Plasma Masken eingesetzt, die die zu dotierenden Bereiche begrenzen. Hierbei werden die verwendeten Masken mit hochenergetischen Ionen beschossen. Neben der hohen thermischen Belastung und der Zerstäubung werden dabei entsprechend höhere Leistungen für die Beschleunigung der Ionen benötigt. Deshalb werden bei der Plasmaimmersionsionenimplantation häufig gepulste Netzteile für die Beschleunigungsspannung eingesetzt.
Aus der Druckschrift US 2006/0019039 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren der oben genannten Gattung bekannt, bei welchen eine Plasmaimmersionsionenimplantation zum Einsatz kommt. Dabei wird eine allseitig umschlossene Implantationskammer genutzt, in welcher Unterkammern in Form einer Plasmakammer und einer Prozesskammer vorgesehen sind, zwischen welchen wenigstens ein Gitter vorgesehen ist, durch welches Ionen aus dem Plasma extrahiert und in Richtung des einen, in der Prozesskammer vorgesehenen Substrates beschleunigt werden. Hierbei kann sowohl das wenigstens eine Gitter als auch das Substrat auf ein gegenüber dem Plasma negatives Potenzial gelegt werden. Die Plasmakammer und die Prozesskammer sind gastechnisch miteinander verbunden und werden durch eine einzige, an der Prozesskammer vorgesehene Vakuumpumpe evakuiert. Bei der Implantation befindet sich das zu implantierende Substrat innerhalb der allseitig umschlossenen Implantationskammer. Ist das Substrat größer als die Ausdehnung der Plasmakammer, kann das auf einem in der Prozesskammer integrierten Chuck aufliegende Substrat innerhalb der Prozesskammer durch einen Aktorarm unterhalb des Plasmas hin und her bewegt werden. Der Betrieb der bekannten Implantationsvorrichtung ist mit einem Substrathandling verbunden, bei welchem mittels eines Wafertransferroboters jeweils nur ein Substrat in die Implantationskammer eingebracht, nachfolgend nach dem allseitigen Abschließen der Implantationskammer in dieser implantiert und daraufhin nach deren Öffnung wieder aus der Implanta- tionskammer heraus gebracht werden muss. Die bekannte Anlage eignet sich daher nicht, um in einer effizienten Zeitdauer eine Vielzahl von Substraten zu implantieren.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ionenimplantation zur Verfügung zu stellen, welche eine flächige als auch eine selektive Ionenimplantation einer Vielzahl von Substraten bei möglichst hoher Effektivität ermöglichen.
Die Aufgabe wird einerseits durch ein Verfahren der oben genannten Gattung gelöst, wobei das wenigstens eine Substrat und/oder die Substratauflage auf einer gegenüber der plasmabegrenzenden Wand verlaufenden Substrattransportvorrichtung in einer Substrattransportrichtung zu dem Entladungsraum hin, an dem Entladungsraum kontinuierlich oder diskontinuierlich entlang und an dem Entladungsraum vorbei bewegt wird, wobei der Entladungsraum hinsichtlich seiner Gasversorgung und Gasabsaugung von dem Raum, in dem sich das wenigstens eine Substrat bei der Ionenimplantation befindet, getrennt ist.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein neues und verbessertes Verfahren zur Ionenimplantation von Substraten zur Verfügung gestellt. Bei diesem Verfahren steht das wenigstens eine zu implantierende Substrat nicht im direkten Kontakt zum Plasma und befindet sich darüber hinaus auch nicht in der gleichen, nach au ßen umschlossenen Vakuumreaktorkammer wie das Plasma. Stattdessen ist das wenigstens eine Substrat au ßerhalb des Plasmas angeordnet, in welchem das Substrat bzw. die Substrate mittels der Substrattransportvorrichtung frei, in einer durch den geradlinigen Verlauf der Substrattransportrichtung definierten Substrattransportrichtung an dem Plasma vorbei bewegbar sind. Die Substrate werden dabei nicht wie bei einem Handlerprinzip hin und her, sondern entlang einer einzigen Grund-Substrattransportrichtung, das heißt prinzipiell in einer Linie, zu dem Entladungsraum hin, an dem Entladungsraum entlang und schließlich von dem Entladungsraum weg befördert, wobei andere Substrate direkt auf diesem Weg nachbefördert werden können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht daher eine Implantation einer Vielzahl von an dem Plasma vorbei bewegbaren Substraten in einer vergleichsweise geringen Zeitdauer. Die Substrate können dabei direkt vor der Implantation eine Vorprozessierung durchlaufen und/oder direkt nach der Implantation eine Nachprozessierung durchlaufen, ohne dass ein aufwändiges Substrathandling notwendig ist, da die Substrate hierbei auf ein und derselben Substrattransportvorrichtung verbleiben und durch diese weitertransportiert werden können. Bei der Ionenimplantation verbleiben die Substrate auf ein und derselben Substrattransportvorrichtung. Die Transportebene ist dabei parallel zu der Ebene der plasmabegrenzenden Wand. Es sind lediglich geeignete Schnittstellen zwischen der Implantationsvorrichtung und vor- und nachgelagerten Prozessmodulen vorzusehen, durch welche die Substrate mit der Substrattransportvorrichtung befördert werden können. Als Substrattransportvorrichtung kann beispielsweise eine Bandtransportvorrichtung oder eine Rollentransportvorrichtung zum Einsatz kommen. Dabei können die Substrate direkt auf der Substrattransportvorrichtung oder auf einem oder mehreren von der Substrattransportvorrichtung transportierten Substratträger(n) bzw. Carrier(n) aufliegen oder gehalten werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren macht es somit möglich, mehrere Substrate, die an verschiedenen Positionen auf einem Substratträger vorgesehen sind, mittels der Substrattransportvorrichtung an dem Entladungsraum vorbei zu bewegen und dort - je nach ihrer Position auf dem Substratträger - gleichzeitig oder nacheinander zu prozessieren.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann gemäß einer Ausführungsvariante auch die Plasmaquelle während der Ionenimplantation relativ zu dem wenigstens eine Substrat bewegt werden. Die Relativbewegung von Substrat und Plasmaquelle kann zusätzlich neben der oben beschriebenen Aneinandervorbeibewegung von dem wenigstens einen Substrat an dem Entladungsraum zur Herstellung flächiger Implantationen oder von bestimmten Implantationsmustern genutzt werden.
Als Schnittstellen zwischen der lonenimplantationsvorrichtung und Vor- und Nachpro- zessierungskammern für die Substrate eignen sich besonders Schleusen, die in Substrattransportrichtung der Substrattransportvorrichtung vor und/oder nach dem Entladungsraum vorgesehen sind. Durch die zwischen den Prozesskammern befindlichen Schleusen werden die Substrate auf der Substrattransportvorrichtung in die lonenimplantationsvorrichtung hinein und aus dieser nach erfolgter Ionenimplantation heraus transportiert, ohne dass ein unvorteilhafter Gasaustausch zwischen den Prozesskammern stattfindet. Das Plasma wird erfindungsgemäß durch die plasmabegrenzende Wand, die in Kontakt mit dem Plasma steht, begrenzt. Die plasmabegrenzende Wand bildet gleichzeitig einen Strömungswiderstand für das Entladungsgas aus. Da das wenigstens eine Substrat und/oder die Substratauflage gegenüber dem Plasma auf ein hohes negatives Potenzial gelegt wird bzw. werden, werden die Ionen durch die in der plasmabegrenzenden Wand vorgesehenen Durchgangsöffnungen aus dem Plasma in Richtung des Substrates beschleunigt und in das Substrat implantiert. Bei dieser Implantation bildet sich das in der plasmabegrenzenden Wand durch die Durchgangsöffnungen ausgebildete Muster als Muster der implantierten Bereiche in dem Substrat ab. Durch die Wahl der Dicke und der Form der Strukturen bzw. Durchgangsöffnungen in der plasmabegrenzenden Wand lässt sich die Plasmadichte an die jeweiligen Erfordernisse anpassen.
In dem Plasma sind Ionen des gewünschten Dotierelements, wie Phosphor, Arsen, Antimon, Aluminium oder Bor, vorhanden. Diese Ionen durchdringen nur die Bereiche der plasmabegrenzenden Wand, in denen die Durchgangsöffnungen vorgesehen sind, sodass sich die Geometrie der Durchgangsöffnungen in dem Substrat abbildet. Die plasmabegrenzende Wand befindet sich auf Plasmapotenzial oder auf einem Potenzial, das sich nur geringfügig vom Plasmapotenzial unterscheidet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht notwendig, eine Maske, die die zu dotierenden Bereiche begrenzt, wie es im Stand der Technik üblich ist, auf dem Substrat oder in einem Bereich zwischen dem Substrat und dem Plasma einzusetzen. Somit entfällt bei dem erfindungsgemäßen lonenimplantationsverfahren eine mit der Verwendung von Masken entstehende thermische Belastung oder Zerstäubung. Dadurch kann eine Kontamination des Substrates mit Maskenmaterial vermieden werden. Ferner entfallen die sonst notwendigen zusätzlichen Teilschritte für die Erzeugung von Masken auf dem Substrat vor der Implantation.
Darüber hinaus sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren geringere elektrische Leistungen der Spannungsversorgung zur Beschleunigung der Ionen notwendig. Die Beschleunigungsspannung kann gegenüber dem Stand der Technik reduziert werden. Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren zur Ionenimplantation insbesondere zur Dotierung von Substraten Verwendung finden soll, kann das Verfahren auch beispielsweise zum Ätzen von Substraten eingesetzt werden, wobei alle in der vorliegenden Patentan- meidung enthaltenen, in Bezug auf die Ionenimplantation beschriebenen Varianten, auch beim Ätzen von Substraten verwendet werden können.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als Plasmaquelle eine ECR- Plasmaquelle, eine ICP-Plasmaquelle oder eine lonenquelle vom Finkelstein-Typ verwendet. Zum Beispiel können ECR-Plasmen noch vorteilhaft in einem Arbeitsgasdruckbereich von kleiner 10"4 mbar bis etwa 10"2 mbar betrieben werden. Diese Plasmaquellen zeichnen sich besonders dadurch aus, dass sie bei niedrigen Drücken einen hohen loni- sationsgrad ermöglichen, welcher insbesondere bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für die Implantation von flächigen Strukturen geeignet ist. Die vorgeschlagenen Plasmaquellen weisen besonders hohe Plasmadichten auf. So ist es beispielsweise möglich, aus ICP-Plasmaquellen lonenströme im Bereich von ca. 1 mA/cm2 bis ca. 10 mA/cm2 zu extrahieren. Mit derartigen Plasmaquellen können beispielsweise die bei Solarwafern notwendigen lonenimplantationsdosen innerhalb von wenigen Sekunden erzeugt werden.
Ein geeignetes Dotierungsprofil lässt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch dadurch einstellen, dass Plasmaquellen verwendet werden, die einen hohen Anteil mehrfach geladener Ionen liefern. Die mehrfach geladenen Ionen haben bei gleicher Beschleunigungsspannung eine entsprechend dem lonisierungsgrad höhere Energie und dringen tiefer in das Substrat ein.
Um linienförmige Implantationsbereiche erzeugen zu können bzw. linienförmig ein Substrat bei der Ionenimplantation abrastern zu können, ist es günstig, als Plasmaquelle eine linear skalierbare Plasmaquelle zu verwenden. So besteht beispielsweise eine mögliche Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, bei der Herstellung von Solarzellen n- und/oder p-Linien zur Rückseitenkontaktierung von Solarzellen herzustellen.
Ferner ist es günstig, wenn als Plasmaquelle mehrere, nebeneinander in Form einer Zeile oder eines Musters angeordnete Einzelplasmaquellen verwendet werden. Hierdurch werden eine Anzahl einzelner voneinander getrennter aber dennoch nebeneinander angeordneter Entladungsräume zur Verfügung gestellt, die zur Herstellung unterschiedlicher Implantationsmuster genutzt werden können. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, an die Substratelektrode ein negatives Potenzial mit einer Höhe von -5 kV bis -100 kV zu legen. In diesem Beschleunigungsspannungsbe- reich können die positiv geladenen Ionen aus dem Plasma sehr gut in Richtung Substrat beschleunigt werden und vorteilhafte Eindringtiefen der Ionen in das Substrat erzielt werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das negative Potenzial an die Substratelektrode in Form von negativen Spannungsimpulsen angelegt. Hierdurch können die Ionen pulsartig aus dem Plasma in Richtung des Substrates bewegt werden. Dadurch kann man erreichen, dass sich das Substrat nicht so stark aufheizt, die Kühlung des Substrates kann somit besser realisiert werden.
Es ist jedoch auch möglich, das Plasma selbst gepulst zu erzeugen. Auch hierdurch kann eine geringere thermische Belastung des Substrates erreicht werden. Ferner können durch die gepulste Plasmaerzeugung mit hohen Pulsleistungen vorteilhaft mehrfach geladene Ionen erzeugt werden, für deren Beschleunigung zum Substrat eine geringere Beschleunigungsspannung erforderlich ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsmöglichkeit der vorliegenden Erfindung wird die Pulsung der Substratelektrode und des Plasmas phasengleich oder phasenversetzt zueinander synchronisiert vorgenommen. Dabei ist es möglich, die Beschleuni- gungsspannungsimpulse an der Substratelektrode einerseits und die gepulste Aktivierung des Plasmas andererseits aufeinander abgestimmt vorzunehmen, zeitlich zueinander versetzt zu pulsen und/oder die Pulsungen zueinander überlappend vorzunehmen. Die synchronisierte Pulsung der Substratelektrode und des Plasmas besitzt den Vorzug, dass hierdurch kurzzeitig gegenüber dem herkömmlichen ungepulsten Betrieb vergleichsweise hohe Spannungsimpulse angelegt werden können, mit welchen kurzzeitig eine hohe Leistungsdichte erzielbar ist, wodurch Ionen mit höheren Ladungszuständen erzeugbar sind und damit auch eine höhere lonendichte im Plasma einstellbar ist. So lassen sich durch diese Vorgehensweise beispielsweise kurzzeitig lonendichten im Plasma von deutlich mehr als 1012 cm"3, zum Beispiel bis zu 1015 cm"3, erreichen. Somit können auch bei insgesamt niedriger Leistung hohe Eindringtiefen in dem zu implantierenden Substrat erzielt werden. Vorzugsweise wird der Abstand zwischen der plasmabegrenzenden Wand und der Substratelektrode in Abhängigkeit von der Höhe des negativen Potenzials an der Substratelektrode zwischen 1 mm und 20 mm eingestellt. So beträgt der Abstand des Substrates von der plasmabegrenzenden Wand bei einer Beschleunigungsspannung von 20 kV in Abhängigkeit von der Plasmadichte ca. 3 mm bis 6 mm. Bei größeren Beschleunigungsspannungen erhöht sich der Abstand mit der Spannung linear.
Es ist günstig, die Plasmaquelle mit wenigstens einem Dotanten enthaltenden Gas oder Dotanten enthaltendem Dampf zu betreiben. Dazu gehören Phosphin (PH3), Diboran (B2H6), Arsin (AsH3), Stibin (SbH3), Phosphorchlorid (PCI3), Borbromid (BBr3), Arsenchlorid (AsCI3), metallorganische Verbindungen mit den Dotanten und/oder als Dampf vorliegende Dotanten.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist zwischen der plasmabegrenzenden Wand und der Substratelektrode eine Zwischenelektrode mit der gleichen Anordnung von Durchgangsöffnungen wie in der plasmabegrenzenden Wand vorgesehen, wobei die Zwischenelektrode auf ein positives Potenzial in Höhe von maximal 500 V gelegt wird. Wird unmittelbar vor dem Substrat eine solche Zwischenelektrode mit einer vergleichbaren Anordnung der Öffnungen wie in der mit dem Plasma in Kontakt stehenden plasmabegrenzenden Wand vorgesehen und wird diese negativ gegenüber dem Substrat vorgespannt, lässt sich eine unerwünschte Beschleunigung von Sekundärelektronen in Richtung Plasmaquelle unterbinden. Die Zwischenelektrode wirkt als Potenzialwall und damit als Elektronenbremsgitter. Außerdem kann bei dieser Ausführungsform die Zwischenelektrode genutzt werden, um die lonenextraktion aus dem Entladungsraum freizugeben oder zu sperren, während das Plasma im Entladungsraum aufrecht erhalten bleibt. Dies hat den Vorteil, dass zeitaufwändige, mit einem An- und Abschalten des Plasma verbundene Einschwingvorgänge des Plasmas vermieden werden können und dennoch die lonenextraktion aus dem Plasma geeignet gesteuert vorgenommen werden kann, um beispielsweise in Kombination mit der Bewegung des wenigstens einen Substrates entlang des Entladungsraumes bestimmte Implantationsmuster auf dem wenigstens einen Substrat erzeugen zu können.
Gemäß einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Zwischenelektrode gepulst mit dem positiven Potenzial beaufschlagt. Somit kann die Zwi- schenelektrode sowohl zum Sperren als auch zum Öffnen des Elektronen- bzw. lonen- durchgangs entsprechend der vorgenommenen Pulsung eingesetzt werden. Dabei ist es besonders günstig, wenn hierbei die Pulsung der Zwischenelektrode phasengleich oder phasenversetzt zueinander synchronisiert zu der Pulsung der Substratelektrode und/oder der Pulsung des Plasmas vorgenommen wird.
Besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich, wenn unter einer als Plasmaquelle verwendeten linear skalierbaren Plasmaquelle oder unter als Plasmaquelle verwendeten Einzelplasmaquellen Zwischenelektroden mit lokal unterschiedlichem Muster von Durchgangsöffnungen zur Erzeugung unterschiedlicher Implantationsmuster vorgesehen werden.
Es hat sich als besonders günstig erwiesen, die Substratauflage auf eine definierte Temperatur zu legen. So kann beispielsweise das Substrat während der Ionenimplantation auf einem gekühlten Tisch bzw. Chuck platziert werden, der mit einem elektrostatischen Probenhalter und bei Bedarf mit einer Helium- oder Wasserstoff-Einspeisung zur Verbesserung der Wärmeübertragung vom Substrat auf den gekühlten Tisch bzw. Chuck ausgestattet ist. Die Substratauflage kann dabei als Wärmequelle oder als Wärmesenke eingesetzt werden. Die Temperierung der Substratauflage kann aktiv mittels Flüssigkeit oder Gas als Wärmeträger ausgeführt werden.
Werden Substrat und Plasmaquelle mit konstanter Geschwindigkeit relativ zueinander bewegt, ist die Ausführung homogener flächiger Implantationen möglich. Darüber hinaus kann die Relativbewegung zwischen Substrat und Plasmaquelle auch positiv oder negativ beschleunigt und/oder mit gesteuerten Verweilzeiten von Substrat und/oder Plasmaquelle erfolgen. So kann beispielsweise eine Matrix gefahren werden, wodurch eine ortsaufgelöste Dotierung mittels des erfindungsgemäßen lonenimplantationsverfahrens erzeugbar ist.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Relativbewegung von Substrat und Plasmaquelle der Abstand zwischen Substrat und Plasmaquelle geändert. Die Abstandsänderung kann beispielsweise durch eine 3-D-Bewegung von Substrat und/oder Plasmaquelle vorgenommen werden. Grundsätzlich ist es auch denkbar, das Substrat und/oder die Plasmaquelle schwingen zu lassen. Durch die Abstands- änderungen können beispielsweise Korrekturen bei der Ionenimplantation vorgenommen werden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bei der Relativbewegung von Substrat und Plasmaquelle wenigstens einmal die Bewegungsrichtung von Substrat und/oder Plasmaquelle umgekehrt werden, sodass eine zwischenzeitliche Hin- und Herbewegung von Substrat relativ zur Plasmaquelle möglich ist. Dabei wird jedoch die Grund-Substrattransportrichtung beibehalten.
Somit sind auf vielfältige Weise durch die gezielte Einstellung der Relativbewegung von Substrat zur Plasmaquelle unterschiedliche Ladungsträgerdichten, Ladungszustände und/oder Zeitdauern der Belastung durch die Ionenimplantation einstellbar.
In einer ebenfalls günstigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden mehrere Substrate in Spuren unter der plasmabegrenzenden Wand mit linienförmigen Durchgangsöffnungen entlanggeführt. Durch diese Vorgehensweise können gleichzeitig mehrere Substrate bearbeitet werden, die in den Spuren unter der plasmabegrenzenden Wand mit den linienförmigen Öffnungen hindurchgeführt werden. Dabei können, wie oben ausgeführt, je nach Ausführung der Öffnungen in der plasmabegrenzenden Wand die Substrate kontinuierlich oder mit einem regelmäßigen Halt unter der plasmabegrenzenden Wand bewegt werden, um die Substrate definiert zu dotieren.
In einer weiteren Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Ionenimplantation durch wenigstens eine dielektrische Oberflächenschicht des Substrates. Die Implantation kann beispielsweise durch geeignete dünne dielektrische Schichten, wie Oxide oder Nitride, wie sie zum Beispiel für Antireflexionsschichten bei Solarwafern eingesetzt werden, zur Einstellung eines geeigneten Dotierungsprofils erfolgen.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn nach der Ionenimplantation bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Aktivierung der in das Substrat implantierten Ionen durch eine Temperaturbehandlung, vorzugsweise einen RTP (Rapid Thermal Processing)- oder Firing-Prozess, erfolgt. Hierdurch kann das Implantationsprofil entsprechend den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird darüber hinaus durch eine lonenimplantati- onsvorrichtung zur Ionenimplantation von wenigstens einem Substrat der oben genannten Gattung gelöst, wobei der Entladungsraum in Richtung des zu implantierenden Substrates durch eine voneinander beabstandete Durchgangsöffnungen aufweisende, sich auf Plasmapotenzial oder einem Potenzial in Höhe von maximal ±100 V befindliche plasmabegrenzende Wand begrenzt wird, wobei der Entladungsraum derart von dem Raum, in dem sich das Substrat in der lonenimplantationsvorrichtung befindet, getrennt ist, dass in dem Entladungsraum ein höherer Druck als in dem Raum, in dem sich das Substrat befindet, einstellbar ist; wobei das Substrat auf einer Substratauflage, mit seiner Substratoberfläche gegenüber zu der plasmabegrenzenden Wand auflegbar ist; wobei das Substrat und/oder die Substratauflage auf ein derart hohes negatives Potenzial gegenüber dem Plasma legbar sind, dass Ionen aus dem Plasma in Richtung des Substrates beschleunigbar und in das Substrat implantierbar sind; und wobei das wenigstens eine Substrat und/oder die Substratauflage auf einer gegenüber der plasmabegrenzenden Wand verlaufenden Substrattransportvorrichtung in einer Substrattransportrichtung zu dem Entladungsraum hin, an dem Entladungsraum kontinuierlich oder diskontinuierlich entlang und an dem Entladungsraum vorbei bewegbar sind, wobei der Entladungsraum hinsichtlich seiner Gasversorgung und Gasabsaugung von dem Raum, in dem sich das wenigstens eine Substrat bei der Ionenimplantation befindet, getrennt ist.
Bei der erfindungsgemäßen lonenimplantationsvorrichtung wird zwischen dem Substrat, in oder auf welchem wenigstens ein Bauelement erzeugt werden soll, und dem Entladungsraum, in dem ein Plasma mit Ionen des gewünschten Dotierelements, wie Phosphor, Arsen, Antimon, Aluminium oder Bor, vorhanden ist, durch die plasmabegrenzende Wand eine Elektrode mit einer Vielzahl von Durchgangsöffnungen, die die gewünschte Struktur nachbilden, angeordnet. Dabei wirkt die plasmabegrenzende Wand wie eine Maske, ohne eine solche zu sein. Die plasmabegrenzende Wand befindet sich auf Plasmapotenzial oder auf einem Potenzial, das sich nur geringfügig von dem Plasmapotenzial unterscheidet. Zwischen der plasmabegrenzenden Wand und dem in einem geringen Abstand vor der plasmabegrenzenden Wand angeordneten, wenigstens einen Substrat wird die Beschleunigungsspannung für die Implantation angelegt. Durch die angelegte Beschleunigungsspannung werden positive Ionen aus dem Plasma extrahiert und zum Substrat beschleunigt. Auf diese Weise wird die Struktur der auf dem Plasmapotenzial liegenden plasmabegrenzenden Wand in dem Substrat abgebildet. Darüber hinaus sind bei der erfindungsgemäßen lonenimplantationsvorrichtung ein oder mehrere Substrate frei an dem Entladungsraum vorbei bewegbar. Der Raum, in dem sich die Substrate befinden, ist erfindungsgemäß von dem Entladungsraum hinsichtlich der Substratauflage, des Substrattransportes und hinsichtlich der Gasversorgung und Gasabsaugung abgekoppelt. Hierdurch ist es möglich, Substrate an dem Entladungsraum vorbei zu bewegen und dabei zu implantieren. Diese Implantation kann sowohl bei zwischenzeitlichem Stillstand des wenigstens einen Substrates als während der Entlang- und Vorbeibewegung des wenigstens einen Substrates an dem Entladungsraum, welche jeweils kontinuierlich als auch diskontinuierlich vorgenommen werden kann, erfolgen. Dadurch wird nicht nur die Möglichkeit, eine Vielzahl von Substraten in kurzer Zeit zu implantieren, sondern auch die Option geschaffen, direkt vor und/oder direkt nach der Implantationsvorrichtung Vor- oder Nachprozessierungskammern für die Substrate vorzusehen, aus welchen bzw. in welche die Substrate mittels der Substrattransportvorrichtung transportiert werden können, ohne dass aufwändige Handlingoperationen durchgeführt werden müssen.
Dabei ist es von Vorteil, wenn gemäß einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen lonenimplantationsvorrichtung in Substrattransportrichtung der Substrattransportvorrichtung vor und nach dem Entladungsraum Schleusen vorgesehen sind, durch welche das wenigstens eine Substrat auf der Substrattransportvorrichtung in die lonenimplantationsvorrichtung hinein und aus dieser nach erfolgter Ionenimplantation heraus transportierbar ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Plasmaquelle eine ECR-Plasmaquelle, eine ICP-Plasmaquelle oder eine lonenquelle vom Fin- kelstein-Typ. Mit solchen Plasmaquellen lassen sich bei niedrigen Drücken hohe lonisa- tionsgrade ermöglichen, welche für die Funktion der erfindungsgemäßen lonenimplantationsvorrichtung erforderlich sind. So sind in dem Plasma hohe lonendichten von 1010 cm"3 bis 1012 cm"3 einzustellen.
Um linienförmige Strukturen herstellen zu können, ist es besonders günstig, als Plasmaquelle eine linear skalierbare Plasmaquelle einzusetzen. Ferner kann es von Vorteil sein, wenn die Plasmaquelle mehrere, nebeneinander in Form einer Zeile oder eines Musters angeordnete Einzelplasmaquellen umfasst. Die Einzelplasmaquellen bilden dabei mehrere, nebeneinander liegende Entladungsräume, die gleich oder unterschiedlich nutzbar sind.
In einer vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen lonenimplantationsvorrichtung beträgt der Abstand zwischen der plasmabegrenzenden Wand und der Substratelektrode in Abhängigkeit von dem negativen Potenzial an der Substratelektrode zwischen 1 mm und 20 mm. In den meisten Varianten der vorliegenden Erfindung ist es jedoch ausreichend, wenn der Abstand zwischen der plasmabegrenzenden Elektrode und der Substratelektrode zwischen 1 mm und 5 mm beträgt.
Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen lonenimplantationsvorrichtung weist die Plasmaquelle wenigstens eine Zuführung für Dotanten enthaltendes Gas oder Dotanten enthaltenden Dampf auf. Dadurch kann die Plasmaquelle mit Gasen oder Dämpfen betrieben werden, die den gewünschten Dotanten enthalten.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn zwischen der plasmabegrenzenden Wand und der Substratelektrode eine Zwischenelektrode mit der gleichen Anordnung von Durchgangsöffnungen wie in der plasmabegrenzenden Wand vorgesehen ist, wobei die Zwischenelektrode auf ein positives Potenzial legbar ist. Somit kann durch die Zwischenelektrode ein Potenzialwall zwischen dem Plasma und dem Substrat ausgebildet werden, welcher insbesondere als Elektronenbremsgitter zur Vermeidung einer unerwünschten Beschleunigung von Sekundärelektronen in Richtung Plasmaquelle benutzt werden kann. Darüber hinaus kann die Zwischenelektrode auch zur Beeinflussung der Bewegung bzw. Beschleunigung der Ionen aus dem Plasma auf das Substrat genutzt werden. So kann die Zwischenelektrode beispielsweise gepulst auf bestimmte positive Potenziale gelegt werden. Hierdurch ist es möglich, die Zwischenelektrode als Schaltelektrode zum Öffnen und Sperren der Extraktion von Ionen aus dem Entladungsraum zu nutzen.
Es ist besonders von Vorteil, wenn bei der erfindungsgemäßen lonenimplantationsvorrichtung die Substratauflage als Wärmequelle oder -senke für das Substrat betreibbar ist. Dadurch kann das Substrat gezielt aufgeheizt oder gekühlt werden. Die Heizung oder Kühlung kann aktiv durch die Verwendung von Flüssigkeit oder Gas als Wärmeträger ausgeführt werden.
In einer günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Pulsung der Zwischenelektrode phasengleich oder phasenversetzt zueinander synchronisiert zu der Pulsung der Substratelektrode und/oder der Pulsung des Plasmas vorgenommen. Hierdurch können die an der Zwischenelektrode angelegten Spannungsimpulse gezielt auf die Pulsung der Substratelektrode und/oder die Pulsung des Plasmas abgestimmt werden, um optimale Implantationsergebnisse bei vergleichsweise geringen Leistungen zu erzielen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die Durchgangsöffnungen in der plasmabegrenzenden Wand linien- oder gitterförmig ausgebildet. Hierdurch können in Abhängigkeit von den jeweiligen Anforderungen bestimmte Implantationsmuster erzeigt werden, welche bei einer Relativbewegung von Substrat zu Plasmaquelle auch flächig auf das Substrat übertragen werden können.
Wie bereits erwähnt, ist es besonders günstig, die erfindungsgemäße lonenimplantationsvorrichtung derart auszubilden, dass das Substrat und/oder die Plasmaquelle während der Ionenimplantation relativ zueinander aneinander vorbei bewegbar sind. Hierbei gibt es, wie ebenfalls oben ausgeführt, unterschiedlichste Möglichkeiten der Ausführung der Relativbewegung von Substrat zu Plasmaquelle.
Bei einer stationären Anordnung der Substrate unter der plasmabegrenzenden Wand muss der Plasmabereich mit annähernd konstanten Plasmabedingungen ausreichend groß sein. Erfindungsgemäß lassen sich jedoch die Implantationsparameter durch eine gezielte Art der Bewegung des Substrates relativ zu der plasmabegrenzenden Wand vor der Plasmaquelle realisieren.
Bei der erfindungsgemäßen lonenimplantationsvorrichtung tritt durch den notwendigerweise höheren Gesamtstrom im Vergleich zu bekannten Implantationsanlagen auch die als Folge auftretende Röntgenstrahlung mit einer höheren Dosis auf. Dies erfordert aufwändigere Schutzmaßnahmen. So ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen, die lonenimplantationsvorrichtung so abzuschirmen, dass die beim Prozess entstehende Röntgenstrahlung zuverlässig absorbiert wird. Beispielsweise ist es von Vorteil, wenn die erfindungsgemäße lonenimplantationsvorrichtung eine Röntgenstrahlen absorbierende Einhausung aufweist.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei
Figur 1 schematisch eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen lonenimplantationsvorrichtung in einer geschnittenen Seitenansicht zeigt;
Figur 2 schematisch eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen lonenimplantationsvorrichtung in einer geschnittenen Seitenansicht zeigt;
Figur 3 schematisch eine plasmabegrenzende Wand mit gitterförmigen Durchgangsöffnungen einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen lonenimplantationsvorrichtung in einer Draufsicht zeigt;
Figur 4 schematisch eine weitere Ausführungsvariante der Ausbildung von Durchgangsöffnungen in einer plasmabegrenzenden Wand einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen lonenimplantationsvorrichtung in einer Draufsicht zeigt; und
Figur 5 noch eine weitere Ausführungsvariante der Ausbildung von Durchgangsöffnungen in einer plasmabegrenzenden Wand einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen lonenimplantationsvorrichtung in einer Draufsicht zeigt.
Figur 1 zeigt schematisch eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen lonenimplantationsvorrichtung 1 in einer geschnittenen Seitenansicht. Die gezeigte lonenimplantationsvorrichtung 1 dient zur Ionenimplantation von wenigstens einem Substrat 2, welches in dem dargestellten Beispiel auf einer Substratauflage 7 aufliegt. Grundsätzlich kann die gezeigte Vorrichtung auch zum Ätzen von Subtraten verwendet werden. Das wenigstens eine Substrat 2 und/oder die Substratauflage können auch auf einem Substratträger bzw. Carrier aufliegen bzw. von diesem gehalten werden.
Das wenigstens eine Substrat 2 ist beispielsweise ein zur Herstellung von Solarzellen genutztes Substrat, wie beispielsweise ein kristallines Siliziumsubstrat. Das Substrat 2 kann bereits vorstrukturiert sein. Insbesondere kann das Substrat 2 eine texturierte Oberfläche aufweisen. Darüber hinaus ist es möglich, dass an der Substratoberfläche 8 des Substrates 2 wenigstens eine dünne dielektrische Schicht vorgesehen ist. Als dünne dielektrische Schichten kommen beispielsweise Oxide oder Nitride in Betracht, wie sie beispielsweise für Antireflexionsschichten bei Solarzellenwafern eingesetzt werden. Mit Hilfe des auf dem Substrat 2 vorgesehenen dielektrischen Schichtmaterials kann ein geeignetes Dotierungsprofil eingestellt werden.
Die Substratauflage 7, auf welcher das Substrat 2 aufliegt, ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine relativ zu der lonenimplantationsvorrichtung 1 nicht ortsfeste, gekühlte Substratauflage. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung kann die Substratauflage 7 auch eine andere geeignete Substratauflage sein, welche beispielsweise auch geheizt werden kann. Die Kühlung und/oder Heizung der Substratauflage 7 kann direkt oder mittelbar erfolgen. Beispielsweise können Wärmeträger wie Gase und/oder Flüssigkeiten verwendet werden, um die Substratauflage 7 auf eine definierte Temperatur zu bringen.
Das wenigstens eine Substrat 2 befindet sich auf einer Substrattransportvorrichtung, mittels welcher das wenigstens eine Substrat 2 durch die Implantationsvorrichtung bewegbar ist. Die Substrattransportvorrichtung kann beispielsweise eine Bandtransportvorrichtung oder eine Rollentransportvorrichtung sein. Dabei kann das wenigstens eine Substrat 2 direkt von dieser Substrattransportvorrichtung transportiert werden oder beim Transport auf einer Substratauflage, wie einem Substratträger oder Carrier, aufliegen oder von diesem gehalten werden. Bei Verwendung eines Substratträgers können die Substrate 2 auf diesem in Form einer Reihe, einer Spalte oder einer Matrix aufliegen.
Der Raum, in dem erfindungsgemäß die Substrattransportvorrichtung mit den durch diese bewegten Substraten 2 vorgesehen ist, ist hinsichtlich der Substratauflage, der Gasversorgung und der Gasabsaugung nicht mit dem Entladungsraum 4 der lonenimplanta- tionsvorrichtung 1 gekoppelt. In diesen Raum können die Substrate 2 unabhängig von dem Plasmaraum hinein und aus diesem wieder hinaus befördert werden. Es ist lediglich sinnvoll, geeignete Schleusen zu vor und nach der lonenimplantationsvorrichtung 1 vorsehbaren anderen Kammern zu schaffen, in welchen die Substrate 2 geeignet vor- und/oder nachprozessiert werden können. Die Schleusen bilden dabei geeignete Schnittstellen bzw. Austauschvorrichtungen von Substraten 2, ohne dass in diese die Substrate 2 von der Substrattransportvorrichtung abgenommen oder an eine andere Substrattransportvorrichtung transferiert werden müssen.
In dem Beispiel von Figur 1 befindet sich der Substratoberfläche 8 gegenüber eine Plasmaquelle 3, welche in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine ECR-Plasmaquelle ist. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung können auch andere geeignete Plasmaquellen erfindungsgemäß zum Einsatz kommen, wie beispielsweise ICP-Plasmaquellen oder lonenquellen vom Finkelstein-Typ. Eine Voraussetzung für den Einsatz einer bestimmten Plasmaquelle 3 in der erfindungsgemäßen lonenimplantationsvorrichtung 1 ist, dass mit dieser ein Plasma mit einer hohen Ionen- dichte von 1010 cm"3 bis 1012 cm"3 erzeugbar ist. Vorzugsweise sollen mit Hilfe der Plasmaquelle 3 sowohl einfach geladene als auch mehrfach geladene Ionen eines in einem Entladungsraum 4 der Plasmaquelle 3 erzeugten Plasmas erzeugbar sein. Der Entladungsraum 4 der Plasmaquelle 3 ist in Richtung des Substrates 2 durch eine plasmabegrenzende Wand 6 begrenzt. Die plasmabegrenzende Wand 6 liegt entweder auf Plasmapotenzial oder einem Potenzial von maximal ±100 V.
Die Substrattransportrichtung T der Substrattransportvorrichtung verläuft in dem gezeigten Beispiel parallel zu der plasmabegrenzenden Wand 6.
Die plasmabegrenzende Wand 6 weist voneinander beabstandete Durchgangsöffnungen 5 auf, deren Anordnung bzw. Muster sich bei der Implantation des Substrates 2 in der Substratoberfläche 8 des Substrates 2 abbildet.
Dadurch, dass der Entladungsraum 4 der Plasmaquelle 3 durch die plasmabegrenzende Wand 6 von dem übrigen Raum, insbesondere von dem Raum, in welchem sich das wenigstens eine Substrat 2 befindet, insbesondere gastechnisch getrennt ist, kann der Druck im Entladungsraum 4 höher als der Druck in dem Raum, in dem sich das wenigstens eine Substrat 2 in der lonenimplantationsvorrichtung 1 befindet, eingestellt werden.
Das wenigstens eine Substrat 2 bzw. die Substratauflage 7, auf welcher das Substrat 2 aufliegt, und die Plasmaquelle 3 bzw. wenigstens die plasmabegrenzende Wand 6 der Plasmaquelle 3 sind in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel relativ zueinander bewegbar. Um dies zu veranschaulichen, sind in Figur 1 verschiedene Positionen A, B, C für die Substratauflage 7 mit dem darauf vorgesehenen Substrat 2 dargestellt. Die Re- lativbewegbarkeit zwischen Substrat 2 und Plasmaquelle 3 kann dazu genutzt werden, um homogene, flächige Implantationen des Substrates 2 während der Aneinandervorbeibewegung von Substrat 2 und Plasmaquelle 3 zu ermöglichen.
Während der Ionenimplantation dient das Substrat 2 und/oder die Substratauflage 7 als Substratelektrode, welche auf ein derart hohes negatives Potenzial gegenüber dem Plasma in dem Entladungsraum 4 gelegt wird, dass Ionen aus dem Plasma in Richtung des Substrates 2 beschleunigt und in das Substrat 2 implantiert werden. Beispielsweise wird hierfür an die Substratelektrode, das heißt an das Substrat 2 und/oder an die Substratauflage 7, ein negatives Potenzial mit einer Höhe von -5 kV bis -100 kV gelegt. Dabei ist es möglich, das negative Potenzial an die Substratelektrode in Form von negativen Spannungsimpulsen anzulegen. Andererseits ist es auch möglich, das Plasma in dem Entladungsraum 4 selbst gepulst zu erzeugen. Darüber hinaus kann, wie oben erläutert, die gepulste Spannungsversorgung des Substrates 2 und/oder der Substratauflage 7 einerseits und die Pulsung des Plasmas andererseits phasengleich oder phasenversetzt zueinander synchronisiert vorgenommen werden, um hierdurch selbst bei geringer eingesetzter Leistung durch kurzzeitig hohe Spannungsimpulse und damit kurzzeitig erhöhter lonendichte im Plasma eine hohe Eindringtiefe von Ionen in dem Substrat 2 zu erzielen.
In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen lonenimplantationsvorrichtung 1 beträgt der Abstand zwischen der plasmabegrenzenden Wand 6 und dem Substrat 2 ca. 3 mm bis 5 mm. In Abhängigkeit von der Höhe des negativen Potenzials an der Substratelektrode kann jedoch der Abstand zwischen der plasmabegrenzenden Wand 6 und dem Substrat 2 bzw. der Substratelektrode zwischen 1 mm und 20 mm erfindungsgemäß eingestellt werden. Während der Ionenimplantation wird die Plasmaquelle 3 mit einem Dotanten enthaltenden Gas oder Dotanten enthaltendem Dampf betrieben. Hierfür weist die Plasmaquelle 3 wenigstens eine in Figur 1 nicht separat dargestellte Gaszuführung auf, durch welche das Gas bzw. der Dampf in den Entladungsraum 4 der Plasmaquelle 3 geleitet werden kann. Beispielsweise kann bzw. können als Dotanten enthaltendes Gas oder Dotanten enthaltender Dampf Phosphin, Diboran, Arsin, Stibin, Phosphorchlorid, Borbromid, Arsenchlorid, wenigstens eine metallorganische Verbindung mit Phosphor, Bor oder Arsen und/oder als Dampf vorliegende Dotanten verwendet werden.
Durch die Plasmaquelle 3 wird das Gas bzw. der Dampf in dem Entladungsraum 4 ionisiert. Dabei entstehen zumindest einfach geladene positive Ionen, welche durch das an der Substratelektrode anliegende negative Potenzial durch die Durchgangsöffnungen 5 der plasmabegrenzenden Wand 6 in Richtung des wenigstens einen Substrates 2 beschleunigt werden und durch die hohe Beschleunigungsspannung in das wenigstens eine Substrat 2 implantiert werden. Wie bereits oben erwähnt, wird hierbei die Struktur der auf dem Plasmapotenzial oder einem geringen positiven Potenzial liegenden plasmabegrenzenden Wand 6 in dem wenigstens einen Substrat 2 abgebildet. Durch eine geeignete Wahl der Parameter ist bei Bedarf eine Fokussierung von z. B. Linien möglich.
Ist eine direkte Abbildung wegen der Form der Strukturen der Durchgangsöffnungen 5 in der plasmabegrenzenden Wand 6 nicht möglich, kann man durch eine sequentielle Implantation unter mehreren erfindungsgemäßen lonenimplantationsvorrichtungen 1 , unter in einer Reihe oder in Form eines Musters angeordneten Einzelplasmaquellen oder durch eine Mehrfachimplantation jeweils nach einer mechanischen Verschiebung bzw. Bewegung des wenigstens einen Substrates 2 relativ zu der Plasmaquelle 3 die gewünschte Geometrie realisieren. So ist durch eine Steuerung der Bewegung des wenigstens einen Substrates 2 relativ zu der Plasmaquelle 3 beispielsweise bei linienförmigen Strukturen von Durchgangsöffnungen 5 in der plasmabegrenzenden Wand 6 in einem Prozessschritt sowohl eine homogene Dotierung als auch eine Dotierung definierter Flächen möglich.
Zur Einstellung eines geeigneten Dotierungsprofils ist es möglich, auf dem Substrat 2 eine dielektrische Schicht, wie beispielsweise ein für Antireflexionsschichten bei Solar- wafern eingesetztes Oxid oder Nitrid, zu verwenden und die Implantation durch diese dielektrische Schicht auszuführen.
Ein geeignetes Dotierungsprofil lässt sich auch dadurch einstellen, dass die Plasmaquelle 3 aus Figur 1 so eingestellt wird oder durch eine andere geeignete Plasmaquelle 3 ersetzt wird, dass die Plasmaquelle 3 einen hohen Anteil mehrfach geladener Ionen liefert. Die mehrfach geladenen Ionen haben bei gleicher Beschleunigungsspannung an der Substratelektrode eine entsprechend dem lonisierungsgrad höhere Energie und dringen somit tiefer in das Substrat 2 bei der Ionenimplantation ein.
Durch die Wahl der Dicke und der Form der Durchgangsöffnungen 5 in der plasmabegrenzenden Wand 6 lässt sich die lonendichte der aus dem Plasma extrahierten Ionen an die jeweiligen Erfordernisse anpassen.
Obwohl es in Figur 1 nicht separat gezeigt ist, weist die lonenimplantationsvorrichtung 1 vorzugsweise eine Abschirmung auf, durch welche die beim Prozess entstehende Röntgenstrahlung zuverlässig absorbiert wird. So kann die lonenimplantationsvorrichtung 1 beispielsweise eine Röntgenstrahl absorbierende Einhausung aufweisen.
Wie in Figur 1 gezeigt, ist die plasmabegrenzende Wand 6 nicht mit einer bei herkömmlichen Immersionsionenimplantationsvorrichtungen verwendeten Extraktionselektrode gleichzusetzen. Zur lonenextraktion aus dem Plasma in dem Entladungsraum 4 dient erfindungsgemäß die Substratelektrode, das heißt das Substrat 2 bzw. die Substratauflage 7, an welcher das gegenüber dem Plasma hohe negative Potenzial anliegt. Durch die plasmabegrenzende Wand 6 wird der Raum, in welchem sich das Plasma befindet, von dem Raum, in welchem sich das Substrat 2 befindet, getrennt, wodurch in dem Entladungsraum 4 ein höherer Druck als in dem Raum, in dem sich das Substrat 2 befindet, einstellbar ist. Die hohe lonendichte von wenigstens 1010 cm"3 bzw. typischerweise von 1010 cm"3 bis 1012 cm"3 sowie der niedrige Druck in dem Raum, in dem sich das Substrat 2 befindet, sind unbedingte Voraussetzung für die Ausführbarkeit des erfindungsgemäßen lonenimplantationsverfahrens.
Unabhängig davon, dass die in Figur 1 schematisch dargestellte Grundkonstruktion aus Plasmaquelle 3 mit plasmabegrenzender Wand 6 einerseits und Substratelektrode 2, 7 andererseits ausreicht, um das erfindungsgemäße lonenimplantationsverfahren einsetzen zu können, kann es von Vorteil sein, die in Figur 2 schematisch dargestellte Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung zu verwenden. So ist in Figur 2 eine erfindungsgemäße lonenimplantationsvorrichtung 1 ' dargestellt, bei welcher zwischen der plasmabegrenzenden Wand 6 und der Substratelektrode 2, 7 eine Zwischenelektrode 9 vorgesehen ist. In der Zwischenelektrode 8 sind Durchgangsöffnungen 10 vorgesehen, deren Muster der Anordnung von Durchgangsöffnungen 5 in der plasmabegrenzenden Wand 6 entspricht. Die Zwischenelektrode 9 ist auf ein positives Potenzial in Höhe von maximal 500 V legbar. Durch die Zwischenelektrode 9 lässt sich eine unerwünschte Beschleunigung von Sekundärelektronen in Richtung der Plasmaquelle 3 unterbinden. Damit ist die Zwischenelektrode 9 als Schaltelektrode zum Öffnen und Sperren der Extraktion von Ionen aus dem Entladungsraum 4 nutzbar.
Die Zwischenelektrode 9 kann auch gepulst mit dem positiven Potenzial beaufschlagt werden. Dabei ist es möglich, die Pulsung der Spannungsversorgung der Zwischenelektrode 9 synchronisiert zu der Pulsung der an dem Substrat 2 bzw. der Substratauflage 7 anliegenden Beschleunigungsspannung und/oder der Pulsung des Plasmas vorzunehmen. Die jeweiligen Spannungsimpulse können hierbei phasengleich oder phasenversetzt an die Zwischenelektrode 9, die Substratelektrode 2, 7 und/oder das Plasma angelegt werden.
Die weiteren Merkmale der in Figur 2 dargestellten lonenimplantationsvorrichtung 1 ' entsprechen denen der lonenimplantationsvorrichtung 1 aus Figur 1 , wobei hinsichtlich dieser Merkmale auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Figur 3 zeigt schematisch eine mögliche Ausführungsvariante einer plasmabegrenzenden Wand 6 mit gitterförmigen Durchgangsöffnungen 5 in einer Draufsicht.
Die Figuren 4 und 5 zeigen schematisch ebenfalls mögliche Ausführungen von Durchgangsöffnungen 5' bzw. 5" in einer plasmabegrenzenden Wand 6. Je nach Ausführung der Durchgangsöffnungen 5, 5' oder 5" in der plasmabegrenzenden Wand 6 können die Substrate 2 kontinuierlich oder mit einem regelmäßigen Halt unter der plasmabegrenzenden Wand 6 der Plasmaquelle 3 bewegt werden, um die Substrate 2 definiert zu dotieren. So zeigt beispielsweise die Ausführungsform von Figur 4 eine gitterförmige An- Ordnung von Durchgangsöffnungen 5', während die Ausführungsform von Figur 5 eine linienförmige Anordnung von Durchgangsöffnungen 5" zeigt. Dabei sind bei der Gestaltung der Durchgangsöffnungen 5, 5', 5" in der plasmabegrenzenden Wand 6 grundsätzlich keine Grenzen gesetzt. Es ist jedoch notwendig, dass die Durchgangsöffnungen 5, 5', 5" in der plasmabegrenzenden Wand 6 voneinander beabstandet ausgebildet sind.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Ionenimplantation von wenigstens einem Substrat (2), wobei in einer lonenimplantationsvorrichtung (1 , 1 ') durch eine Plasmaquelle (3) in einem Entladungsraum (4) ein Plasma mit einer lonendichte von wenigstens 1010 cm"3 erzeugt wird,
wobei der Entladungsraum (4) in Richtung des zu implantierenden Substrates (2) durch eine voneinander beabstandete Durchgangsöffnungen (5) aufweisende, sich auf Plasmapotenzial oder einem Potenzial von maximal ±100 V befindliche plasmabegrenzende Wand (6) begrenzt wird, und der Druck im Entladungsraum (4) höher als der Druck in dem Raum ist, in dem sich das Substrat (2) in der lonenimplantationsvorrichtung (1 , 1 ') befindet;
wobei das Substrat (2) auf einer Substratauflage (7), mit seiner Substratoberfläche (8) gegenüber der plasmabegrenzenden Wand (6) aufliegt; und
wobei das Substrat (2) und/oder die Substratauflage (7) als Substratelektrode genutzt wird, welche auf ein derart hohes negatives Potenzial gegenüber dem Plasma gelegt wird, dass Ionen aus dem Plasma in Richtung des Substrates (2) beschleunigt und in das Substrat (2) implantiert werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass das wenigstens eine Substrat (2) und/oder die Substratauflage (7) auf einer gegenüber der plasmabegrenzenden Wand (6) verlaufenden Substrattransportvorrichtung in einer Substrattransportrichtung (T) zu dem Entladungsraum (4) hin, an dem Entladungsraum (4) kontinuierlich oder diskontinuierlich entlang und an dem Entladungsraum (4) vorbei bewegt wird, wobei der Entladungsraum (4) hinsichtlich seiner Gasversorgung und Gasabsaugung von dem Raum, in dem sich das wenigstens eine Substrat (2) bei der Ionenimplantation befindet, getrennt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Substrate (2), die an verschiedenen Positionen (A, B, C) auf einem Substratträger vorgesehen sind, mittels der Substrattransportvorrichtung an dem Entladungsraum (4) vorbei bewegt werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Substrat (2) und/oder die Plasmaquelle (3) mit gleichförmiger Geschwindigkeit, positiv oder negativ beschleunigt und/oder mit gesteuerten Verweilzeiten aneinander vorbeibewegt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Relativbewegung von Substrat (2) und Plasmaquelle (3) der Abstand zwischen Substrat (2) und Plasmaquelle (3) geändert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) und/oder Plasmaquelle (3) vertikal schwingend oder dreidimensional bewegt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Relativbewegung von Substrat (2) und Plasmaquelle (3) wenigstens einmal die Bewegungsrichtung des wenigstens einen Substrates (2) und/oder der Plasmaquelle (3) umgekehrt wird.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Substrattransportrichtung der Substrattransportvorrichtung vor und nach dem Entladungsraum (4) Schleusen vorgesehen sind, durch welche das wenigstens eine Substrat (2) auf der Substrattransportvorrichtung in die lo- nenimplantationsvorrichtung (1 , 1 ') hinein und aus dieser nach erfolgter Ionenimplantation heraus transportiert wird.
8. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das negative Potenzial an die Substratelektrode (2, 7) in Form von negativen Spannungsimpulsen angelegt wird, das Plasma gepulst erzeugt wird und die Pulsung der Substratelektrode (2, 7) und des Plasmas phasengleich oder phasenversetzt zueinander synchronisiert vorgenommen wird.
9. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Plasmaquelle (3) eine linear skalierbare Plasmaquelle verwendet wird.
10. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Plasmaquelle (3) mehrere, nebeneinander in Form einer Zeile oder eines Musters angeordnete Einzelplasmaquellen verwendet werden.
1 1 . Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der plasmabegrenzenden Wand (6) und der Substratelektrode (2, 7) eine Zwischenelektrode (9) mit der gleichen Anordnung von Durchgangsöffnungen (10) wie in der plasmabegrenzenden Wand (6) vorgesehen ist, wobei die Zwischenelektrode (9) auf ein positives Potenzial in Höhe von maximal 500 V gelegt wird, wobei das Potenzial der Zwischenelektrode (9) genutzt wird, um die lonenextraktion aus dem Entladungsraum (4) freizugeben oder zu sperren, während das Plasma im Entladungsraum (4) aufrecht erhalten bleibt.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenelektrode (9) gepulst mit dem positiven Potenzial beaufschlagt wird und die Pulsung der Zwischenelektrode (9) phasengleich oder phasenversetzt zueinander synchronisiert zu der Pulsung der Substratelektrode (2, 7) und/oder der Pulsung des Plasmas vorgenommen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9 und wenigstens einem der Ansprüche 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass unter der linear skalierbaren Plasmaquelle oder unter den Einzelplasmaquellen Zwischenelektroden (9) mit lokal unterschiedlichen Muster von Durchgangsöffnungen (10) zur Erzeugung unterschiedlicher Implantationsmuster vorgesehen werden.
14. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuerung einem Entladungsraum (4) wenigstens eine Zwischenelektrode (9) aus einer Auswahl unterschiedlicher Zwischenelektroden (9) mit lokal unterschiedlichen Mustern von Durchgangsöffnungen (10) zur Erzeugung unterschiedlicher Implantationsmuster und separaten Spannungsversorgungen zugeordnet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass mehrere Substrate (2) in Spuren unter der plasmabegren zenden Wand (6) mit linienförmigen Durchgangsöffnungen (5") entlanggeführt werden.
16. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Ionenimplantation eine Aktivierung der in das wenigstens eine Substrat (2) implantierten Ionen durch eine Temperaturbehandlung, vorzugsweise durch einen RTP- oder Firing-Prozess, erfolgt.
17. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Ionenimplantation die lonenenergie und/oder die Implantationsdosis geändert werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ionenimplantation nacheinander an die Substratelektrode (2, 7) Pulse mit unterschiedlicher Potenzialhöhe gelegt werden.
19. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Ätzen des wenigstens einen Substrates
(2) verwendet wird.
20. lonenimplantationsvorrichtung (1 , 1 ') zur Ionenimplantation von wenigstens einem Substrat (2), wobei die lonenimplantationsvorrichtung (1 , 1 ') eine Plasmaquelle
(3) mit einem Entladungsraum (4) aufweist, durch welche ein Plasma mit einer lo- nendichte von wenigstens 1010 cm"3 erzeugbar ist,
wobei der Entladungsraum (4) in Richtung des zu implantierenden Substrates (2) durch eine voneinander beabstandete Durchgangsöffnungen (5) aufweisende, sich auf Plasmapotenzial oder einem Potenzial in Höhe von maximal ±100 V befindliche plasmabegrenzende Wand (6) begrenzt wird, wobei der Entladungsraum
(4) derart von dem Raum, in dem sich das Substrat (2) in der lonenimplantationsvorrichtung (1 , 1 ') befindet, getrennt ist, dass in dem Entladungsraum (4) ein höherer Druck als in dem Raum, in dem sich das Substrat (2) befindet, einstellbar ist;
wobei das Substrat (2) auf einer Substratauflage (7), mit seiner Substratoberfläche (8) gegenüber zu der plasmabegrenzenden Wand (6) auflegbar ist; und wobei das Substrat (2) und/oder die Substratauflage (7) auf ein derart hohes negatives Potenzial gegenüber dem Plasma legbar sind, dass Ionen aus dem Plasma in Richtung des Substrates (2) beschleunigbar und in das Substrat (2) implantierbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass das wenigstens eine Substrat (2) und/oder die Substratauflage (7) auf einer gegenüber der plasmabegrenzenden Wand (6) verlaufenden Substrattransportvorrichtung, in einer Substrattransportrichtung (T) zu dem Entladungsraum (4) hin, an dem Entladungsraum (4) kontinuierlich oder diskontinuierlich entlang und an dem Entladungsraum (4) vorbei bewegbar sind, wobei der Entladungsraum (4) hinsichtlich seiner Gasversorgung und Gasabsaugung von dem Raum, in dem sich das wenigstens eine Substrat (2) bei der Ionenimplantation befindet, getrennt ist.
21. lonenimplantationsvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in Substrattransportrichtung der Substrattransportvorrichtung vor und nach dem Entladungsraum (4) Schleusen vorgesehen sind, durch welche das wenigstens eine Substrat (2) auf der Substrattransportvorrichtung in die lonenimplantationsvorrichtung (1 , 1 ') hinein und aus dieser nach erfolgter Ionenimplantation heraus transportierbar ist.
22. lonenimplantationsvorrichtung nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle (3) eine linear skalierbare Plasmaquelle ist.
23. lonenimplantationsvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle (3) mehrere, nebeneinander in Form einer Zeile oder eines Musters angeordnete Einzelplasmaquellen umfasst.
24. lonenimplantationsvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der plasmabegrenzenden Wand (6) und der Substratelektrode (2, 7) eine Zwischenelektrode (9) mit der gleichen Anordnung von Durchgangsöffnungen (5) wie in der plasmabegrenzenden Wand (6) vorgesehen ist, wobei die Zwischenelektrode (9) auf ein positives Potenzial legbar ist und damit als Schaltelektrode zum Öffnen und Sperren der Extraktion von Ionen aus dem Entladungsraum (4) fungiert.
25. lonenimplantationsvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnungen (5) in der plasmabegrenzenden Wand (6) linien- oder gitterförmig ausgebildet sind.
26. lonenimplantationsvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die lonenimplantationsvorrichtung (1 , 1 ') eine Röntgenstrahlen absorbierende Einhausung aufweist.
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