Diffusionsofen für die Dotierung, Aktivierung und Diffusion
Koyo Thermo Systems

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Diffusionsofen

Dotierung von Halbleitern

Ein Halbleiter ist ein Material, das unter besonderen Bedingungen leitend ist, während Metalle ständig leitfähig sind und Isolatoren elektrischen Strom nicht leiten. Typische Halbleiter sind Silicium und Germanium (4. Gruppe des PSE). Die meisten Verbindungshalbleiter gehören zu den III/V-Halbleitern, die aus einem Element der 3. Gruppe des Periodensystems (PSE) und einem Element der 5. Gruppe bestehen wie Galliumarsenid GaAs oder Indiumphosphid InP. II/VI-Verbindungshalbleiter bestehen aus einem Element der 2. und einem Element der 6. Gruppe des PSE wie Cadmiumsulfid CdS. Um die Leitfähigkeit des Halbleiters einzustellen werden kleine Mengen von Fremdatomen oder Dotierstoffen eingebracht, die entweder ein Außenelektron mehr oder weniger haben als das Grundmaterial. Auf diese Art und Weise werden entweder überschüssige Elektronen eingebracht und das Material wird negative n-leitend, oder es fehlen Elektronen. Die gebildeten Löcher führen zu positiver p-Leitung.
Silicium ist das gebräuchlichste Halbleitermaterial. Es wird meist mit Phosphor dotiert um n-Leitung zu erzeugen oder mit Bor um das Material p-leitend zu machen.

Dotierung im Ionenimplanter

Das Halbleitermaterial wird durch den Beschuss mit Ionen in einem Ionenimplanter dotiert. Die Eindringtiefe der Dotierstoffe hängt von der Beschleunigung im Ionenimplanter ab. Nach der Implantation ist ein Aktivierungs- bzw. Temperschritt erforderlich. Hierfür werden Diffusionsöfen eingesetzt.

Dotierung im Ofen

Dotierung kann erreicht werden durch die Verwendung fester Dotierstoffe (Dotierwafer), durch flüssige Dotierstoffe wie z.B. TMB (Trimethoxyboran, Trimethylborat, (CH3O)3B) oder TMP (Trimethoxyphosphin, Trimethylphosphit, (CH3O)3P) oder Phosphoroxychlorid POCl3 und durch Dotiergase wie Boran BH3, Phosphan PH3. POCl3, TMB und TMP haben sich weitgehend durchgesetzt. Die Vorteile dieser flüssigen Dotierstoffe sind die einfache Handhabung und das geringe gesundheitliche Risiko für das Bedienpersonal, sowie die hohe Reinheit dieser Produkte. Sie werden als flüssiges Dotiermittel in einem Bubbler bereitgestellt. Stickstoff streicht bei definierter Temperatur durch die Flüssigkeit und wird mit Dotiermittel angereichert. Typische Dotiertemperaturen liegen bei 800 - 900C. Durch Temperschritte können Dotierstoffe im Silicium aktiviert und diffundiert werden.

Aktivierung und Diffusion der Dotierstoffe

Nach der Dotierung im Ionenimplanter sind die Dotierstoffe teilweise noch nicht elektrisch aktiv. Durch einen Temperaturschritt kann die Aktivierung erfolgen. Bei längerer Temperung der Halbleiterscheiben bei erhöhter Temperatur diffundieren die Dotierstoffe im Material und sorgen für eine größere Tiefenverteilung. Im Diffusionsofen wird ein Dotierprofil eingestellt.

Dotieröfen und Diffusionsöfen

Sowohl für die Dotierung im Ofen wie auch für die Aktivierung und Diffusion der Dotierstoffe werden heute für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen Vertikalöfen eingesetzt, die es in verschiedenen Größen und Ausführungen gibt, sowohl für die Forschung und Entwicklung (Koyo VF1000), wie auch für die Massenproduktion (Koyo VF5100/VF5300 bzw. Koyo VF5700/VF5900). Koyo Vertikalöfen sind mit einem kostensparenden LGO Heizelement ausgestattet.

Diffusionsofen VF1000    Diffusionsofen VF5300    Diffusionsofen VF5900

Dotierung von Solarzellen

Die Dotierung wird entweder durch Aufbringung eines Dotierglases z.B. im Siebdruckverfahren und anschließender Diffusion in einem Durchlaufofen oder in Rohröfen mit Phosphoroxychlorid POCl3 durchgeführt. Die Dotierung über Dotierglas ist einfach und und in einem kontinuierlichen Verfahren in Durchlauföfen durchzuführen. Sie benötigt allerdings insgesamt zwei Prozeßschritte mehr als die Dotierung mit POCl3, da die Dotierschicht aufgebracht und wieder entfernt werden muß. Soll die POCl3-Dotierung eingesetzt werden, kommen aus Kostengründen und aufgrund der geringen Ansprüche an diesen Prozeß hauptsächlich horizontale Diffusionsöfen zum Einsatz.

Diffusionsofen, Tunnelofen   Diffusionsofen, horizontal

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