СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН Российский патент 1999 года по МПК H01L21/3063 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к процессам электрохимической обработки полупроводниковых пластин, в частности к операциям электрополировки и утонения пластин, формирования анодных окисных пленок и слоев пористого кремния (формирование пористого кремния включает в себя несколько одновременно протекающих процессов - электрохимического травления и полирования, а также анодного окисления).

Известен способ электрохимической обработки для формирования слоев пористого кремния, включающим размещение в электрохимической ячейке в виде бака с отверстием в центре для сетчатого электрода (катода), противолежащего ему второго электрода, которым является обрабатываемая пластина, подачу электролита через сетчатый электрод в направлении по нормали к обрабатываемой поверхности. При этом обрабатываемая пластина как бы плавает на поверхности электролита, исключая попадание последнего на необрабатываемую сторону пластины, к которой подводят пружинящий контакт (пат. Японии N 60-86826, МПК H 01 L 21/288 C 25 D 7/12, опубл. 16.05.85).

Данный способ имеет простое аппаратное решение, однако выделяющиеся газообразные продукты реакции будут скапливаться под обрабатываемой поверхностью в виде непрерывно возрастающего пузыря, экранирующего часть поверхности пластины от необходимой электрохимической реакции, что приводит к ухудшению технологических параметров процесса и неоднородности структуры и свойств пористого кремния.

Наиболее близким к заявляемому является способ, включающий закрепление пластины на аноде, размещение анода в электрохимической ячейке параллельно свободной поверхности электролита, осевое вращение цилиндрического электрода (обрабатываемой пластины-анода) (Калошкин З.П., Лабунов В.А., Карелин Ю.К. и др. Способ обработки пластин и устройство для его осуществления. А.с. СССР N 809434, МПК H 01 L 21/306, опубл. 1983 г.). При больших скоростях вращения (более 2000 об/мин) под действием центробежных сил газовые пузырьки отрываются от поверхности пластины, производится также отвод растворенных продуктов электрохимической реакции, что повышает однородность слоя пористого кремния.

Однако данный способ не решает в достаточной мере задачу получения однородных слоев. Это обусловлено следующими факторами: во-первых, изгибной деформацией пластины при ее вращении с большой скоростью, которая, кроме собственного действия, усиливает неоднородности, обусловленные предыдущей химико-механической обработкой и условиями роста монокристалла (получаемая картина слоя пористого кремния характеризуется наличием чередующихся темных и светлых полос - дугообразных с радиусом, большим радиуса пластины, и концентрических), во-вторых, колебаниями величины тока (для пластин кремния диаметром 100 мм при типичных для формирования пористого кремния значениях плотности тока 10-100 мА/см² величина тока может достигать значений порядка 8 А), подаваемого через движущуюся контактную пару на анод (мгновенные колебания тока с 5-кратным перепадом приводят к механическому разрушению слоя пористого кремния). Очевидна громоздкость аппаратной реализации способа, ее большая энерго- и материалоемкость.

Техническим результатом заявляемого решения является повышение однородности структуры и свойств пористого кремния и, как следствие, увеличение выхода годных.

Технический результат достигается тем, что в способе электрохимической обработки полупроводниковых пластин, включающем закрепление пластины на аноде, размещение анода в электрохимической ячейке параллельно свободной поверхности электролита, осевое вращение цилиндрического электрода, в качестве вращающегося электрода используют катод, дополнительно ось вращения перемещают в плоскости, параллельной поверхности обрабатываемой пластины, при этом поверхность цилиндрического электрода выполняют в виде чередующихся участков проводника и диэлектрика. Участки диэлектрика выполняют в виде выступов на поверхности цилиндра и располагают вдоль винтовой линии, при этом участки диэлектрика в процессе перемещения электрода контактируют с поверхностью пластины и упруго деформируют поверхность пластины.

Новым, не обнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы является то, что в качестве вращающегося электрода используют катод, дополнительно ось вращения перемещают в плоскости, параллельной поверхности обрабатываемой пластины, при этом поверхность цилиндрического электрода выполняют в виде чередующихся участков проводника и диэлектрика. Участки диэлектрика выполняют в виде выступов на поверхности цилиндра и располагают вдоль винтовой линии, при этом участки диэлектрика в процессе перемещения электрода контактируют с поверхностью пластины и упруго деформируют пластину.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

После подготовки поверхности полупроводниковой пластины жидкостным химическим или иным способом, ее помещают в электрохимическую ячейку, прикладывают к тыльной (необрабатываемой) стороне пластины положительный потенциал с помощью пружинящего или иного контакта. Обрабатываемая поверхность пластины находится параллельно свободной поверхности электролита. По поверхности пластины путем качения перемещают цилиндрический металлический электрод (катод), содержащий на своей поверхности диэлектрические выступы, расположенные вдоль винтовой линии. К цилиндрическому электроду прикладывают отрицательный потенциал от источника постоянного тока. Таким образом, минимальное расстояние от поверхности цилиндрического электрода до поверхности пластины равно высоте диэлектрических выступов. В процессе движения диэлектрические выступы механически воздействуют на обрабатываемую поверхность пластины, вызывая ее деформацию и изменение (увеличение) скорости формирования слоя материала в приповерхностном слое пластины. В случае формирования слоя пористого кремния путем анодной обработки поверхности пластины в водном растворе фтористоводородной кислоты происходит более интенсивное протекание электрохимических процессов, например образование аморфизированной диэлектрической пленки на поверхности слоя пористого кремния.

Неравномерность слоя пористого кремния по глубине обуславливается в первую очередь пузырьками водорода как продукта электрохимической реакции, экранирующими анодируемую поверхность. На пузырек газа, находящийся на погруженной в электролит пластине (обрабатываемая поверхность обращена в сторону свободной поверхности электролита), действуют в отсутствии электрического поля две противоположные силы - сила адгезии F_а и подъемная сила F_n, равные соответственно
F_a = 2πR₁σ,

где R₁ - радиус контакта газового пузырька с пластиной;
σ - коэффициент поверхностного натяжения;
R₀ - радиус пузырька в момент отрыва;
g - ускорение свободного падения;
ρ_ж - удельный вес жидкости;
ρ_г - удельный вес газа.

Можно показать, что наиболее эффективным способом повышения равномерности является уменьшение поверхностного натяжения электролита.

Электрическое поле в зазоре между цилиндрическим катодом и поверхностью пластины является существенно неоднородным. Представляя газовый пузырек в виде шара из материала, диэлектрическая проницаемость которого меньше диэлектрической проницаемости водного электролита, на основе известных результатов (например, А.Н. Губкин. Физика диэлектриков - М., Высшая школа, 1971, с. 250, форм. 64.5) можно показать, что газовый пузырек под действием электрической силы будет перемещаться в направлении уменьшения градиента электрического поля. С учетом движения электрода, пузырьки будут выноситься из зазора в сторону, противоположную направлению движения цилиндрического электрода. Кроме того, действие электрических сил на неоторвавшийся газовый пузырек эквивалентно уменьшению поверхностного натяжения электролита (для случая, когда диэлектрическая проницаемость электролита больше диэлектрической проницаемости газа; для комбинации вода-водород это условие выполняется), что уменьшает адгезионное сцепление пузырька с поверхностью пластины и способствует его отрыву от поверхности при гораздо меньших размерах, чем в условиях отсутствия поля. Следует также отметить, что на отрыв и снос газовых пузырьков оказывают действие и гидродинамические эффекты, характерные для течения жидкости в трубе переменного сечения. Движущийся по поверхности пластины цилиндрический электрод обеспечивает перемешивание электролита. Локализация участков, на которых протекает электрохимическая реакция, снижает требования по защите необрабатываемой стороны, что ведет к упрощению методов и устройств для размещения обрабатываемых пластин в электрохимической ячейке и создает тенденцию к созданию устройств для групповой обработки пластин и соответственно, к повышению контролепригодности процесса.

Использование движущегося катода позволяет уменьшить его геометрические размеры и массу, что является существенным фактором при использовании драгоценных металлов; кроме того, при заданной плотности тока это снижает токовую нагрузку, упрощает аппаратурную реализацию способа и обеспечивает более безопасные условия труда.

Пример реализации способа.

Формировался слой пористого кремния толщиной 3 мкм на подложках кремния КДБ - 12 (001) по заявляемому способу. Пластину кремния закрепляли с помощью токопроводящего компаунда на металлической пластине, служившей анодом, помещали горизонтально в ванну с водным раствором фтористоводородной кислоты, причем уровень электролита находился примерно на 5-10 мм выше поверхности пластины. На катод в виде цилиндра из титана с палладиевым покрытием диаметром 16 мм надевали поливинилхлоридную трубку с толщиной стенки 2 мм, в которой были выполнены прорези шириной 4-5 мм вдоль винтовой линии. В цилиндре имелось осевое отверстие для установки щеточно-коллекторного узла с целью обеспечения подачи соответствующего потенциала на катод. Плотность тока задавали равной 20 мА/см². Обработку поверхности пластины осуществляли качением катода по поверхности пластины. Однородность слоя пористого кремния контролировали по показателю преломления на длине волны 0,63 мкм на лазерном цифровом эллипсометре ЛЗФ-601. В таблице приведены средние (по 10-13 точкам поверхности пластины) и дисперсия значений показателя преломления для образцов полученных по известному и заявляемому способам при одном и том же значении плотности тока.

Как видно из данных таблицы, заявляемый способ по сравнению с известным позволяет существенно снизить разброс значений показателя преломления слоев пористого кремния, что свидетельствует о повышении степени структурной однородности этих слоев.

Таким образом, технический результат при реализации заявляемого способа достигается.

Использование: электронная техника. Сущность изобретения: в способе электрохимической обработки полупроводниковых пластин, включающем закрепление пластины на аноде, размещение анода в электрохимической ячейке параллельно свободной поверхности электролита, осевое вращение цилиндрического электрода-катода дополнительно ось вращения перемещают в плоскости, параллельной поверхности обрабатываемой пластины, при этом поверхность цилиндрического электрода выполняют в виде чередующихся участков проводника и диэлектрика. Участки диэлектрика выполняют в виде выступов на поверхности цилиндра и располагают вдоль винтовой линии, при этом участки диэлектрика в процессе перемещения электрода контактируют с поверхностью пластины и упруго деформируют поверхность пластины. Технический результат: повышение однородности структуры и свойств пористого кремния и, как следствие, увеличение выхода годных. 4 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Способ электрохимической обработки полупроводниковых пластин, включающий закрепление пластины на аноде, размещение анода в электрохимической ячейке параллельно свободной поверхности электролита, осевое вращение цилиндрического электрода, отличающийся тем, что в качестве вращающегося электрода используют катод, дополнительно ось вращения перемещают в плоскости, параллельной поверхности обрабатываемой пластины. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхность цилиндрического электрода выполняют в виде чередующихся участков проводника и диэлектрика. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что участки диэлектрика выполняют в виде выступов на поверхности цилиндра. 4. Способ по пп.2 и 3, отличающийся тем, что участки диэлектрика выполняют вдоль винтовой линии. 5. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что в процессе перемещения электрода участки диэлектрика контактируют с поверхностью пластины и упруго деформируют пластину.