WO2015091363A2 - Verfahren und vorrichtung zur aktivierung von fremdatomen in einem werkstück - Google Patents

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    • H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/268—Bombardment with radiation with high-energy radiation using electromagnetic radiation, e.g. laser radiation

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for activating foreign atoms in a workpiece.
  • IGBTs play an increasing role in power electronics. They find widespread use in the control of electrical appliances such as cookers, washing machines, water heaters, but also in hybrid and electric vehicles and in inverters for renewable energy. It is becoming increasingly important to improve the electrical efficiency of these transistors in order to reduce the heat loss generated and thus to be able to build the IGBT modules ever more compactly. The reduction in heat loss goes along with the reduction in the thickness of the silicon wafers from which these IGBTs are made. Today, IGBTs are manufactured for applications up to 600V on wafers that are only about 50pm thick.
  • the wavelength of these lasers is chosen so that the light fractions of one micron to about ⁇ penetrates deep into the silicon and the pulse length is selected so that during the duration of the laser pulse, the heat propagates only a few microns in the silicon.
  • Typical properties of these lasers are emission wavelengths in the green spectral range, eg. B. 515nm or 532nm (frequency doubled solid state laser) and pulse lengths in the range of 0.5 to l, 5ps.
  • activations are necessary down to greater depths of the silicon component.
  • these can not be achieved by using short pulses of green wavelengths.
  • the simultaneous application of pulsed green laser light and continuous infrared laser light to the silicon wafer makes it possible to activate the implanted impurities at a greater depth than is possible with pulsed green laser light alone.
  • the concentration of lattice defects in the silicon crystal can be reduced by the heat treatment. The control of the concentration of the lattice defects is important because it determines the turn-off behavior of the IGBTs and thus affects the electrical losses as well as the generated electromagnetic interference.
  • Suitable for this purpose are continuous diode lasers which emit laser light with, for example, 808 nm wavelength and can produce light powers of a few 100W.
  • Such a device is, for example, from DE 11 2010 004 232 T5.
  • the method described therein has the disadvantage that the additional incident light power of the diode laser heats the silicon wafer in addition and therefore the maximum tolerable temperature of the front can be exceeded. It is therefore an object of the present invention to provide a method and an apparatus for activating impurities in a workpiece, in which these disadvantages are avoided.
  • a workpiece is processed with a pulsed first laser beam of a first wavelength and a pulsed second laser beam of a second wavelength superposed thereon, wherein the pulse length of the first laser beam is longer than the pulse length of the second laser beam and the pulse of the second laser beam impinges on the workpiece temporally within the pulse of the first laser beam.
  • both lasers are thus operated pulsed and the workpiece is processed with a combined laser beam generated by both lasers.
  • the first laser light source is operated pulsed by means of a special power supply.
  • the pulse length of the first laser beam must be equal to or longer than that of the second laser beam.
  • Both laser beams or laser light sources must be synchronized with each other so that the pulses of both laser beams impinge at the same time on the workpiece at the same time. If, for example, the pulse repetition frequency is 10 kHz, then the time interval between two pulses is 100 ps.
  • the pulse length of the first laser is at least five times the pulse length of the second laser beam.
  • the pulse length of the first laser beam is preferably at most fifty times the pulse length of the second laser beam.
  • the pulse lengths of the second laser beam lps and the first laser beam are 5ps to 50ps, more preferably 10ps.
  • the pulse length of the first laser beam is at least 5ps. It is envisaged to use continuous or quasi-continuous first laser beams in the limiting case, wherein furthermore the pulse lengths of the second laser beam are in the range of a few ps. In a concrete exemplary embodiment, it is provided to combine the continuous laser radiation of the first laser beam with second laser beams whose pulse lengths are approximately 1 ps.
  • the first laser light source emits laser light in the infrared range and the second laser light source laser light in the green region.
  • the temporally shorter pulse of the second laser need not necessarily coincide in time exactly in the middle of the longer pulse of the first laser, but it may, for example, be timed at the end or at the beginning of the infrared pulse or at any other time within the pulse of first laser.
  • the object is achieved by a device for machining a workpiece according to the features of claim.
  • the first laser light source is preferably formed by a diode laser.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention for machining a workpiece
  • Fig. 2 the intensity of the first and second laser beam over time.
  • a device for generating a pulsed first laser beam 4 of a first wavelength.
  • the first laser 2 is, for example, a diode laser with which laser light is generated in the infrared range with, for example, a first wavelength of 808 nm.
  • the device comprises a second laser light source 6, with which a second pulsed laser beam 8 is generated.
  • the second laser light source generates a second laser beam 8 in the green spectral range of, for example, 515 nm or 532 nm wavelength.
  • the device has an optical system 10.
  • This in turn comprises a first beam-shaping element 12 for shaping the first laser beam 4 and a second beam-shaping element 14 for shaping the second laser beam 8.
  • the optics 10 comprises a dichroic mirror 16 which coaxially surrounds the first laser beam 4 and the second laser beam 8 superimposed.
  • the optics 10 the individual pulsed laser beams 4, 8 superimposed and thus together the workpiece 18 passed, this is a silicon wafer.
  • this is arranged on a movement system 20, so that the laser beams 4, 8 can be directed to different positions of the workpiece 18.
  • the two laser light sources 2, 6 are now operated in pulsed mode so that the pulse P of the second laser beam 8 impinges on time within the pulse P of the first laser beam 4 at the same location of the workpiece.
  • FIG. 2 now shows a curve 22 which represents the intensity of the second laser beam 8 and a curve 24 which reproduces the intensity of the first laser beam 4 over time.
  • the first laser light source 2 is operated such that the first laser beam 4 has pulses P with a pulse length t 1 of approximately 10 ms.
  • the second laser light source 6 is operated such that the second laser beam 8 has pulses P with a pulse length t2 of ⁇ .
  • the period T is identical for both laser beams 4, 8 and is in each case 100 ms, so that the pulse repetition frequency f is 10 kHz.
  • the time interval between two consecutive, ie periodically recurring pulses is thus lOOps.
  • this first laser light source 2 only has a duty cycle of 10%, ie it emits its light only 10% of the total time on the workpiece 18.
  • a continuous light power of the first Laser light source 2 of 40W the radiated average power to the workpiece 18 in the described pulsed operation only 10% thereof, and thus 4W.
  • the additional heat generation on the workpiece 18 is reduced to 10% and the maximum allowable temperature of the workpiece 18 is not exceeded.
  • a laser light power of 42 W is radiated onto the workpiece 18 with the second laser light source 6, so that the total radiated average power is 46 W.
  • a pulse P of the second laser beam 8 is exactly in the middle of the longer pulse P of the first laser beam 2. In other embodiments, however, it can also temporally at the end, the beginning or at any other time of the pulse P of the first Laser beam 4 are laid.
  • the invention thus makes it possible to exploit the advantages of the laser activation method with two laser light sources 2, 6 without having to accept the disadvantage of a very high temperature of the workpiece 18, in particular the front side of the wafer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aktivierung von Fremdatomen in einem Werkstück (18), mit einem gepulsten ersten Laserstrahl (4) einer ersten Wellenlänge und mit einem diesem überlagerten gepulsten zweiten Laserstrahl (8) einer zweiten Wellenlänge, wobei die Pulslänge (t1) des ersten Laserstrahls (4) länger als die der Pulslänge (t2) des zweiten Laserstrahls (8) ist und der Puls (P) des zweiten Laserstrahls (8) zeitlich innerhalb des Pulses (P) des ersten Laserstrahls (4) auf das Werkstück (18) auftrifft. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Anmelder: ROFIN-BAASEL Lasertech GmbH & Co. KG
Bezeichnung : Verfahren und Vorrichtung zur Aktivierung von
Fremdatomen in einem Werkstück
Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Aktivierung von Fremdatomen in einem Werkstück
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Aktivierung von Fremdatomen in einem Werkstück. IGBTs spielen in der Leistungselektronik eine wachsende Rolle. Sie finden weit verbreiteten Einsatz in der Steuerung von Elektrogeräten wie Kochherden, Waschmaschinen, Warmwasserbereiter, aber auch in Hybrid- und Elektrofahrzeugen und in Wechselrichtern für erneuerbare Energien. Dabei wird es immer wichtiger, den elektrischen Wirkungsgrad dieser Tran- sistoren zu verbessern, um die erzeugte Verlustwärme zu reduzieren und somit die IGBT-Module immer kompakter bauen zu können. Die Reduzierung der Verlustwärme geht einher mit der Reduzierung der Dicke der Siliziumwafer, aus denen diese IGBTs hergestellt werden. Heutzutage werden IGBTs für Anwendungen bis 600V auf Wafern hergestellt, die nur noch etwa 50pm dick sind.
Die Problematik bei der Herstellung ergibt sich dadurch, dass auf der einen Seite dieser dünnen Wafer Strukturen hergestellt werden müssen, die auch Metallkontakte aus Aluminium oder Kupfer beinhalten. Erst nachdem diese Kontakte hergestellt sind, kann der Wafer auf die endgültige Dicke von z. B. 50pm von der Rückseite her dünngeschliffen werden. Anschlie- ßend muss auf der so neu gewonnenen Rückseitenoberfläche eine elektrisch aktive Schicht hergestellt werden, was durch das Einbringen von Fremdatomen geschieht, meistens durch Implantation von elektrisch beschleunigten Ionen. Diese Fremdatome müssen mittels Erhitzen bis zum Schmelzpunkt des Siliziums (ca. 1425 °C) aktiviert werden, d .h. sie werden erst nach dieser thermischen Behandlung elektrisch wirksam. Da auf der Vorderseite bereits die Metallkontakte gebildet sind, kann diese thermische Behandlung nicht im Ofen erfolgen. Aus diesem Grund wird diese Aktivierung mehr und mehr mit gepulsten Lasern durchgeführt. Die Wel- lenlänge dieser Laser ist so gewählt, dass das Licht Bruchteile von einem Mikrometer bis etwa Ιμιτι tief in das Silizium eindringt und die Pulslänge so gewählt ist, dass während der Dauer des Laserpulses die Wärme sich nur um wenige Mikrometer im Silizium ausbreitet. Typische Eigenschaften dieser Laser sind Emissionswellenlängen im grünen Spektralbereich, z. B. 515nm oder 532nm (Frequenzverdoppelte Festkörperlaser) und Pulslängen im Bereich von 0,5 bis l,5ps.
Bei einigen Anwendungen sind jedoch Aktivierungen bis in größere Tiefen des Siliziumbauteils notwendig . Diese können durch die Verwendung kur- zer Pulse grüner Wellenlängen jedoch nicht erreicht werden. In letzter Zeit hat es sich daher herausgestellt, dass die gleichzeitige Beaufschlagung des Siliziumwafer mit gepulstem grünen Laserlicht und kontinuierlichem infraroten Laserlicht es ermöglicht, die implantierten Fremdatome in einer größeren Tiefe zu aktivieren, als es mit gepulstem grünen Laser- licht allein möglich ist. Zudem lässt sich die Konzentration von Gitterfehlstellen im Siliziumkristall durch die Wärmebehandlung reduzieren. Die Kontrolle der Konzentration der Gitterfehlstellen ist wichtig, da sie das Abschaltverhalten der IGBTs bestimmt und somit die elektrischen Verluste wie auch die erzeugten elektromagnetischen Störungen beeinflusst. Gut einsetzbar sind dafür kontinuierliche Diodenlaser, die Laserlicht mit bspw. 808nm Wellenlänge emittieren und Lichtleistungen von einigen 100W erzeugen können. Eine derartige Vorrichtung geht bspw. aus der DE 11 2010 004 232 T5 hervor. Das darin beschriebene Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die zusätzlich eingestrahlte Lichtleistung des Diodenlasers den Siliziumwafer zusätzlich erwärmt und deshalb die maximal tolerierbare Temperatur der Vorderseite überschritten werden kann. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aktivierung von Fremdatomen in einem Werkstück anzugeben, bei dem diese Nachteile vermieden werden.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe gelöst mit einem Verfah- ren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Demnach wird ein Werkstück mit einem gepulsten ersten Laser-strahl einer ersten Wellenlänge und mit einem diesen überlagerten gepulsten zweiten Laserstrahl einer zweiten Wellenlänge bearbeitet, wobei die Pulslänge des ersten Laserstrahls länger als die Pulslänge des zweiten Laserstrahls ist und der Puls des zweiten Laserstrahls zeitlich innerhalb des Pulses des ersten Laserstrahls auf das Werkstück auftrifft.
Mit anderen Worten werden somit beide Laser gepulst betrieben und das Werkstück mit einem von beiden Lasern erzeugten, kombinierten Laser- strahl bearbeitet. Im Unterschied zum Stand der Technik wird also auch die erste Laserlichtquelle mittels einer speziellen Stromversorgung gepulst betrieben. Die Pulslänge des ersten Laserstrahls muss dabei gleich oder länger sein als die des zweiten Laserstrahls. Beide Laserstrahlen bzw. Laserlichtquellen müssen miteinander synchronisiert sein, so dass die Pulse beider Laserstrahlen zur gleichen Zeit am gleichen Ort auf dem Werkstück auftreffen. Wenn bspw. die Pulswiederholfrequenz 10kHz beträgt, dann ist der zeitliche Abstand zwischen zwei Pulsen lOOps. Wenn man die Pulslänge des ersten Lasers auf 10ps einstellt, so bedeutet das, dass dieser Laser nur einen duty cycle von 10% aufweist, d.h. er emit- tiert sein Licht nur 10% der gesamten Zeit auf das Werkstück, wie beispielsweise den Wafer. Dadurch wird die Wärmeerzeugung auf dem Werkstück reduziert, und beispielsweise die maximal zulässige Temperatur insbesondere der Vorderseite des Wafers wird nicht überschritten. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Pulslänge des ersten Laserstrahls mindestens das fünffache der Pulslänge des zweiten Laserstrahls.
Die Pulslänge des ersten Laserstrahls beträgt vorzugsweise maximal das fünfzigfache der Pulslänge des zweiten Laserstrahls.
Bevorzugt sind die Pulslängen des zweiten Laserstrahls lps und des ersten Laserstrahls 5ps bis 50ps, insbesondere 10ps. In einem anderen Ausführungsbeispiel beträgt die Pulslänge des ersten Laserstrahls zumindest 5ps. Es ist vorgesehen, im Grenzfall kontinuierliche oder quasi kontinuierliche erste Laserstrahlen einzusetzen, wobei weiterhin die Pulslängen des zweiten Laserstrahls im Bereich von wenigen ps liegen. In einem konkreten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, die kontinuierliche Laserstrahlung des ersten Laserstrahls mit zweiten Laserstrahlen zu kombinieren, deren Pulslängen etwa lps beträgt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung emittiert die erste Laserlichtquelle Laserlicht im Infrarotbereich und die zweite Laser- lichtquelle Laserlicht im grünen Bereich.
Der zeitlich kürzere Puls des zweiten Lasers muss nicht notwendiger Weise zeitlich genau in der Mitte des längeren Pulses des ersten Lasers fallen, sondern er kann bspw. zeitlich an das Ende oder an den Anfang des Infrarotpulses gelegt werden oder an jeden anderen Zeitpunkt innerhalb des Impulses des ersten Lasers. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes gemäß den Merkmalen des Patentanspruches?. Die erste Laserlichtquelle wird dabei vorzugsweise durch einen Diodenlaser gebildet.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen :
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks,
Fig . 2 die Intensität des ersten und zweiten Laserstrahls im zeitlichen Verlauf.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, mit einer ersten Laserlichtquelle 2 zur Erzeugung eines gepulsten ersten Laserstrahls 4 einer ersten Wellenlänge. Bei dem ersten Laser 2 handelt es sich bspw. um einen Diodenlaser, mit dem Laserlicht im infraroten Bereich mit bspw. einer ersten Wellenlänge von 808nm erzeugt wird. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine zweite Laserlichtquelle 6, mit der ein zweiter gepulster Laserstrahl 8 erzeugt wird . Die zweite Laserlichtquelle erzeugt dabei einen zweiten Laserstrahl 8 im grünen Spektralbereich von bspw. 515nm oder 532nm Wellenlänge.
Weiterhin weist die Vorrichtung eine Optik 10 auf. Diese umfasst wiederum ein erstes strahlformendes Element 12 zur Formung des ersten Laserstrahls 4 und ein zweites strahlformendes Element 14 zur Formung des zweiten Laserstrahls 8. Außerdem umfasst die Optik 10 einen dichroiti- schen Spiegel 16, der den ersten Laserstrahl 4 und den zweiten Laserstrahl 8 koaxial überlagert. Insgesamt werden mit der Optik 10 die einzelnen gepulsten Laserstrahlen 4, 8 überlagert und somit gemeinsam auf das Werkstück 18 geleitet, wobei es sich hierum um einen Siliziumwafer handelt. Zur Bewegung des Werkstücks 18 ist dieses auf einem Bewegungssystem 20 angeordnet, so dass die Laserstrahlen 4, 8 auf unterschiedliche Positionen des Werkstücks 18 geleitet werden können. Die beiden Laserlichtquellen 2, 6 werden nun so im Pulsbetrieb betrieben, dass der Puls P des zweiten Laserstrahls 8 zeitlich innerhalb des Pulses P des ersten Laserstrahls 4 am selben Ort des Werkstücks auftrifft.
Fig. 2 zeigt nun eine Kurve 22, welche die Intensität des zweiten Laser- Strahls 8 und eine Kurve 24, welche die Intensität des ersten Laserstrahls 4 jeweils im zeitlichen Verlauf wiedergibt. Die erste Laserlichtquelle 2 wird so betrieben, dass der erste Laserstrahl 4 Pulse P mit einer Pulslänge tl von etwa 10MS aufweist. Die zweite Laserlichtquelle 6 wird dagegen so betrieben, dass der zweite Laserstrahl 8 Pulse P mit einer Pulslänge t2 von Ιμε aufweist. Die Periodendauer T ist bei beiden Laserstrahlen 4, 8 identisch und beträgt jeweils 100MS, sodass die Pulswiederholfrequenz f 10kHz beträgt. Der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden, also periodisch wiederkehrenden Pulsen beträgt also lOOps. Bei der Pulslänge tl von 10ps des ersten Laserstrahls 4 bedeutet dies, dass diese erste Laserlichtquelle 2 nur einen duty cycle von 10% aufweist, d. h. er emittiert sein Licht nur 10% der gesamten Zeit auf das Werkstück 18. Beispielsweise beträgt bei einer Dauerlichtleistung der ersten Laserlichtquelle 2 von 40W die eingestrahlte mittlere Leistung auf das Werkstück 18 in dem beschriebenen gepulsten Betrieb nur 10% davon und somit 4W. Somit ist auch die zusätzliche Wärmeerzeugung auf dem Werkstück 18 auf 10% reduziert und die maximal zulässige Temperatur des Werkstücks 18 wird nicht überschritten. Im Ausführungsbeispiel wird mit der zweiten Laserlichtquelle 6 eine Laserlichtleistung von 42W auf das Werkstück 18 eingestrahlt, so dass die insgesamt eingestrahlte mittlere Leistung 46W beträgt. In diesem Fall liegt ein Puls P des zweiten Laserstrahls 8 exakt in der Mitte des längeren Pulses P des ersten Laser-strahls 2. In weiteren Ausführungsformen kann er aber auch zeitlich an das Ende, den Anfang oder an jeden anderen Zeitpunkt des Pulses P des ersten Laserstrahls 4 gelegt werden.
Die Erfindung ermöglicht es also die Vorteile der Laseraktivierungsmethode mit zwei Laserlichtquellen 2, 6 auszunutzen, ohne deren Nachteil, eine sehr hohe Temperatur des Werkstücks 18, insbesondere der Vorderseite des Wafers in Kauf nehmen zu müssen.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Aktivierung von Fremdatomen in einem Werkstück (18), mit einem gepulsten ersten Laserstrahl (4) einer ersten Wellenlänge und mit einem diesem überlagerten gepulsten zweiten Laserstrahl (8) einer zweiten Wellenlänge, wobei die Pulslänge (tl) des ersten Laserstrahls (4) länger der Pulslänge (t2) des zweiten Laserstrahls (8) ist und der Puls (P) des zweiten Laserstrahls (8) zeitlich innerhalb des Pulses (P) des ersten Laserstrahls (4) auf das Werkstück (18) auftrifft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Pulslänge (tl) des ersten Laserstrahls (4) mindestens das fünffache der Pulslänge (t2) des zweiten Laserstrahls (8) beträgt
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Pulslänge (tl) des ersten Laserstrahls (4) maximal das fünfzigfache der Pulslänge (t2) des zweiten Laserstrahls (8) beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Pulslängen (tl, t2) des zweiten Laserstrahls (8) lps und des ersten Laserstrahls (4) 5ps bis 50ps, insbesondere 10ps betragen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pulslänge (tl) des ersten Laserstrahls (4) zumindest 5ps beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Laserlichtquelle (2) Laserlicht im Infrarotbereich und die zweite Laserlichtquelle (6) Laserlicht im grünen Bereich emittieren.
7. Vorrichtung zur Aktivierung von Fremdatomen in einem Werkstück (18) gemäß dem Verfahren der vorhergehenden Ansprüche, mit ei- ner ersten Laserlichtquelle (2) zur Erzeugung eines gepulsten ersten Laserstrahls (4) einer ersten Wellenlänge, einer zweiten Laserlichtquelle (6) zur Erzeugung eines gepulsten zweiten Laserstrahls (8) einer zweiten Wellenlänge und mit einer Optik (10), mit der beide Laserstrahlen (4, 8) auf das Werkstück (18) geleitet werden können.
8. Vorrichtung nach Patentanspruch?, wobei die erste Laserlichtquelle (2) ein Diodenlaser ist.
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