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Halbleiteranwendungen


Aktivierung von Dotierungen in Halbleitern mit gepulster grüner Laserstrahlung

Halbleiter-Bauelemente, z. B. IGBTs und CMOS-Bildsensoren erzielen ihre Funktionen dadurch, dass verschiedene Bereiche mit Fremdatomen „dotiert“ werden und so unterschiedliche elektrische Eigenschaften erhalten. Das Dotieren geschieht häufig durch Ionenstrahlimplantation. Derart implantierte Dotierungen müssen elektrisch wirksam gemacht oder „aktiviert“ werden. Das Aktivieren ist ein thermischer Prozess, der bei Temperaturen im Bereich der Schmelztemperatur des Halbleitermaterials, normalerweise Silizium, stattfindet.

Solarzellen
Foto mit freundlicher Genehmigung des Fraunhofer-Instituts für Siliziumtechnologie (ISIT), Itzehoe
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FALCON® Projektionslinse.
Wenn ein Halbleiter-Bauelement zum Zeitpunkt der Aktivierung bereits auch temperaturempfindliche Materialien wie z.B. Metallkontakte aufweist, die bei hohen Temperaturen zerstört werden, dann muss entweder eine Aktivierung bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden (mit der aber auch nur geringe Aktivierungsraten von typisch <10 % erzielt werden können), oder es muss eine lokal begrenzte Aufheizung durchgeführt werden.
Für eine lokal begrenzte Aufheizung eignet sich gepulste grüne Laserstrahlung in besonderem Maße. Das grüne Laserlicht mit Wellenlängen von 515–532 nm dringt nur etwa 1 µm tief in Silizium ein. Die kurze Pulsdauer von 300–1.200 ns begrenzt die thermische Diffusion auf wenige µm, so dass lokal begrenzt dünne Schichten auf hohe Temperaturen aufgeheizt (sogar über den Schmelzpunkt hinaus) und somit hohe Aktivierungsraten von >75 % erreicht werden können, ohne dass z.B. Metallkontakte im Abstand von 10 µm beschädigt werden.

Typische Anwendungsbeispiele dieser lokalen Aufheizung sind Leistungsbauelemente wie IGBT's (insulated gate bipolar transistor) und rückseitenbelichtete CMOS–Bildwandler.

IGBT's werden auf dünn geschliffenen Wafern hergestellt. Das Handling dieser dünnen Wafer wird erheblich vereinfacht, wenn sie auf mechanisch stabile Träger „gebondet“ werden. Die Bonding-Materialien dürfen hohen Aktivierungstemperaturen nicht ausgesetzt werden. Wird die Aktivierung mit der VOLCANO® semi IGBT Laser Optik durchgeführt, so wird eine hohe Aktivierungsrate erreicht, ohne die Temperaturgrenze des Bondingmaterials zu überschreiten.

Bei den rückseitenbelichteten CMOS–Bildwandlern muss an der Oberfläche ein pn–Übergang aktiviert werden. In einer Tiefe von einigen µm im Wafer befinden sich Metallkontakte, die nicht über 400–500 °C erhitzt werden dürfen. Der Aktivierungsprozess mit der VOLCANO® semi IMAGE SENSOR Laser Optikkann so gesteuert werden, dass die Prozesstemperatur auf eine dünne Oberflächenschicht begrenzt bleibt.
Laser Optiken
für die Halbleiter-Dotierungsaktivierung
 
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