Lokales Entfernen dünner Schichten

Sowohl Emitter als auch Siliziumnitrid bestehen aus einer dünnen, höchstens wenige Mikrometer dicken Schicht. Für die Definition von p- und n-Bereichen auf der Rückseite einer EWT-Zelle muß entweder der Emitter oder die Siliziumnitridschicht bereichsweise wieder entfernt werden. Der Übersichtlichkeit halber ist im Folgenden nur das lokale Entfernen der Emitterschicht beschrieben. Die drei aufgeführten Methoden eignen sich jedoch ebenso zum Entfernen einer Siliziumnitrid- oder -oxidschicht.

Die Verwendung einer SiN-Schicht bei der Bereichsdefinition hat den großer Vorteil, daß Emitter- und Basisbereiche optisch unterscheidbar sind. Die farbige Schicht erlaubt dadurch, die Justierung der Kontakte zu kontrollieren und zu korrigieren.

2.3.1.1 Mechanisches Wegfräsen mittels Wafersäge

Die unerwünschte Emitterschicht kann bereichsweise mit der Wafersäge weggefräst werden.

Für die Untersuchungen wurde hier ein 150 µm breites rechteckiges Sägeblatt verwendet. Es ist durchaus denkbar, anstatt eines einzelnen Sägeblatt eine Strukturierungswalze zu verwenden und damit den Durchsatz zu erhöhen. Da nur wenige Mikrometer vom Wafer abgetragen werden müssen, kann die Vorschubgeschwindigkeit zu 40 mm/s oder mehr gewählt werden. Die Sägetiefe ist durch die Unebenheit des Wafers vorgegeben (∆ = ±15 µm), die Dicke des Emitters dagegen beträgt nur 1 - 2 µm.

Emitter lokal abfräsen

Abstand zwischen Drucksieb und Wafer

Fig. 21: Abfräsen des Emitters mittels Wafersäge. Wegen der Waferunebenheit muß die Sägetiefe größer als die Dicke des Emitters sein. Beim Drucken der Basiskontakte liegt das Drucksieb nicht am Wafer an.

Die Methode hat zwei große Nachteile: Der Sägeschaden kann nicht weggeätzt werden, da der übrige Emitter sonst mit entfernt würde, und der Höhenunterschied zwischen Basis- und Emitterbereich erschwert den Siebdruck (Fig. 21, vgl. auch Fig. 12). Die Fingerverbreiterung aufgrund des Höhenunterschieds beträgt ca. 80 % (Fig. 22). Wird ein einzelnes Sägeblatt verwendet, dauert das Entfernen des Emitters 2 - 3 min pro 10 x 10 cm² Wafer. Wegen der Rundung des Sägeblatts (oder auch der Walze) ist das Fräsende nicht genau definiert: Der Abstand zwischen dem Ende eines Basisfingers und dem angrenzenden Emitterbusbar muß daher größer sein als durch die Justierunsicherheit beim Siebdruck vorgegeben wäre.

Fig. 22: Fingerverbreiterung durch den Höhenunterschied, der beim Abfräsen des Emitters entsteht.

Emitter- und Basisfinger haben die gleiche Sieböffnung, dennoch ist der gedruckte Basisfinger fast doppelt so breit.

2.3.1.2 Laser

Bei geeigneter Wahl der Laserparameter ist es möglich, nur wenige Mikrometer Silizium zu entfernen. Der dabei entstehende Oberflächenschaden ist geringer als beim Fräsen mit der Wafersäge, aber verschlechtert ebenfalls die elektrischen Eigenschaften der Zelle [54]. Diese Methode wird ausführlich in [48, 54] beschrieben. Da der Laserschaden nicht entfernt werden kann, erreicht der Wirkungsgrad solchermaßen hergestellter Zellen nicht das Niveau von EWT-Zellen mit Diffusionsbarriere (siehe Kapitel 4). Um den Laser- bzw. Sägeschaden entfernen zu können, wäre es denkbar, nach der Emitterdiffusion eine Siliziumnitridschicht auf beiden Seiten des Wafers abzuscheiden. Diese Schicht könnte gleichzeitig mit dem darunterliegenden Emitter bereichsweise entfernt werden und den nach dem Lasern/Sägen übrigbleibenden Emitter vor dem anschließenden Ätzbad schützen. Allerdings scheiterte dies bisher bei allen Versuchen an der ungenügenden SiN-Abscheidung innerhalb der Löcher:

Beim Druck von Ag-Paste in die Löcher kam es häufig zu Kurzschlüssen mit der beim Ätzen freigelegten Basis.

2.3.1.3 Trockenätzen

Trockenätzen ist eine gute Alternative zu naßchemischen Ätzbädern [55-57]. Die Dissoziation der den Ätzvorgang verursachenden Moleküle erfolgt dabei nicht in wäßriger Lösung, sondern durch Einstrahlen von Hochfrequenz- oder Mikrowellenstrahlung. Die Ätzrate kann über einen weiten Bereich variiert werden, wobei höhere Ätzraten auch die Waferoberfläche durch Ionenbeschuß stärker schädigen. Für die Untersuchungen an EWT-Zellen wurde eine kleine Plasmaätzanlage aufgebaut (Fig. 23). Es handelt sich hierbei um ein mikrowellengezündetes Direktplasma, d. h. die Dissoziation der Prozeßgase erfolgt durch Mikrowellen am Ort des zu ätzenden Wafers. Die Waferoberfläche wird durch die Plasmastrahlung (UV) und in geringem Maß durch Ionenbeschuß geschädigt [58]. Als Prozeßgas wird Tetrafluormethan (Freon, CF₄) verwendet. Fluor ätzt allerdings nur Siliziumoxide und -nitride [57]. Soll auch Silizium selber geätzt werden, muß es zuvor oxidiert werden, weshalb im verwendeten Plasmaätzen auch Sauerstoff zugeführt werden kann. Der Prozeß wird unter Vakuum (0,2 - 0,7 mbar) durchgeführt. Als Parameter können Druck, Mikrowellenleistung, Prozeßgaszusammen-setzung und Prozeßzeit gewählt werden.

Zur Vakuumpumpe Prozeßgase: CF und O

Mikrowellen-einstrahlung

Quarzkavität

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Fig. 23: Schemazeichnung des verwendeten Plasmaätzers. Es können Wafer (rot) bis 10 cm Kantenlänge geätzt werden. Von oben strömt das Prozeßgas ein: Ein Gemisch aus Tetrafluormethan (CF₄) und Sauerstoff (O₂). Durch die Mikrowellenstrahlung werden die Moleküle aufgespalten und ionisiert, so daß sich Fluor-und Sauerstoffradikale bilden.

Eine vom prinzipiellen Aufbau gleiche Anlage wird industriell zur Trennung des parasitären pn-Übergangs herkömmlicher Zellen verwendet. Dabei werden etwa 100 diffundierte Wafer übereinandergestapelt und mit einem Aluminiumblock beschwert. Bei EWT-Zellen muß jedoch nicht der Waferrand, sondern der Emitter zwischen Emitter- und Basisfingern auf der Waferrückseite entfernt werden. Das bedeutet, daß in der hier verwendeten Anlage jeweils nur ein Wafer geätzt werden kann. Der Durchsatz ist bei einer Ätzdauer von etwa 6 min pro Wafer, die durch Belüften und Abpumpen noch erhöht wird, sehr bescheiden. In der Halbleiterindustrie werden jedoch auch Plasmaätzer verwendet, die eine wesentlich größere Kapazität haben. In [57] wird die Plasmaätztechnologie ausführlich beschrieben.

Der Rückseitenemitter, die Zellvorderseite und das Innere der Löcher muß wieder lokal mit einer Ätzbarriere geschützt werden. Das Risiko der ungenügenden Maskierung der Löcher und Lochränder besteht hier auch, ist aber bei Verwendung eines hochviskosen Lacks, der am einfachsten mittels Siebdruck aufgebracht wird, geringer als beim naßchemischen Ätzen.

Eine elegante Methode, den Rückseitenemitter bereichsweise mittels Trockenätzen zu entfernen, besteht darin, die siebgedruckten Finger als selbstjustierende Ätzbarriere [59-61] zu verwenden, wodurch ein Justierschritt entfällt (Fig. 46). Allerdings werden die silberenthaltenden Kontakte von den Fluorradikalen merklich angegriffen.