СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТВЕРСТИЙ В МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛАСТИНАХ КРЕМНИЯ Российский патент 2015 года по МПК C30B33/12 C30B29/06 B82B3/00 B82Y40/00 

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к технологии изготовления полупроводниковых структур, являющихся элементной базой функциональной микроэлектроники, и может быть использовано в технологии изготовления кремниевых мембранных фильтров, солнечных элементов с вертикальными p-n переходами, кремниевых пластин облегченной конструкции, применяемых в оптическом приборостроении.

Известны способы получения отверстий в монокристаллических пластинах кремния [Травление полупроводников [сборник статей]. Пер. с англ. С.Н. Горина. М.: Мир, 1965; Амиров И.И., Морозов О.В., Изюмов М.О., Кальнов В.А., Орликовский А.А., Валиев К.А. // Плазмохимическое травление глубоких канавок в кремнии с высоким аспектным отношением для создания различных элементов микромеханики. // Микросистемная техника. 2004. Т. 12. С. 15-18; Щетинин А.А., Дунаев А.И., Козенков О.Д. О травлении монокристаллов кремния через жидкую фазу и образовании систем обычных и «отрицательных» НК // Воронеж, политехн, ин-т. Воронеж, 1981. 9 с. Деп. в ВИНИТИ 08.12.81, №5596-81]. Известно техническое решение [Травление полупроводников [сборник статей]. Пер. с англ. С.Н. Горина. М.: Мир, 1965], согласно которому отверстия в кремниевой пластине получают избирательным химическим изотропным травлением областей поверхности кристалла, незащищенных окисной фотомаской, в буферном травителе на основе азотной, плавиковой и уксусной кислот. Недостатками данного способа являются невысокая селективность травления (отношение скоростей травления кремния и материала фотомаски), боковое подтравливание под маску и невозможность получать отверстия с высоким аспектным отношением глубина/диаметр.

Известен способ создания отверстий в монокристаллических пластинах кремния избирательным плазмохимическим травлением за счет химического взаимодействия открытых участков поверхности кремния с химически активными заряженными частицами и образования летучих соединений [Амиров И.И., Морозов О.В., Изюмов М.О., Кальнов В.А., Орликовский А.А., Валиев К.А. // Плазмохимическое травление глубоких канавок в кремнии с высоким аспектным отношением для создания различных элементов микромеханики // Микросистемная техника. 2004. Т. 12. С. 15-18]. Недостатками способа являются невысокая скорость травления (2-10 нм/с), невысокая анизотропия травления (отношение скоростей травления по нормали к поверхности и в тангенциальном направлении), отсутствие аппаратурных возможностей обеспечить протравливание отверстий глубиной, существенно превышающей 100 мкм по нормали к поверхности, а также возможность деградации и разрушения структур на пластине.

Ближайшим аналогом является способ получения отверстий в полупроводниковых пластинах избирательным химическим газофазным травлением с участием мелкодисперсных частиц металлов по схеме кристалл→жидкая капля→пар [Щетинин А.А., Дунаев А.И., Козенков О.Д. О травлении монокристаллов кремния через жидкую фазу и образовании систем обычных и «отрицательных» НК //Томск, 1981, с.2-9, Деп. в ВИНИТИ 08.12.81, №5596-81]. При наличии на пластине частиц металлов в местах их расположения образуются отверстия в форме цилиндрических, призматических или конусовидных протяженных полостей и каналов с диаметрами от 0,05 до 30 мкм. Недостатками способа являются невозможность создания сквозных, проходящих через всю толщину пластины отверстий, существенное влияние на процесс кристаллографической ориентации материала пластины и образование многогранных фигур травления, возможность разбиения капли и образование множества отверстий в виде узких тоннелей под поверхностью пластины, отсутствие возможности контроля направления пространственного расположения отверстия в пластине.

Изобретение направлено на получение сквозных отверстий в монокристаллических пластинах кремния.

Это достигается тем, что перед помещением кремниевой пластины с нанесенными на ее поверхность мелкодисперсными частицами катализатора в радиационную печь и созданием условий химического газофазного травления по схеме кристалл→жидкая капля→пар катализатор покрывают тонкой пленкой тетрабората натрия Na₂B₄O₇ (безводного), в пластине кремния создают поперечный, направленный от лицевой к тыльной стороне пластины градиент температуры grad Т, причем величину градиента температуры выбирают из диапазона 10≤ grad Т ≤100 К/см.

Способ получения отверстий в монокристаллических пластинах кремния осуществляют следующим образом. Нанесенные на поверхность полупроводниковой пластины мелкодисперсные металлические частицы катализатора покрывают тонкой пленкой тетрабората натрия Na₂B₄O₇ (безводного). Затем пластина помещается в кварцевый реактор, продуваемый водородом, нагревается до заданной температуры. Затем создаются условия недосыщения атомарного кремния в газовой фазе за счет подачи в газовую фазу тетрахлорида кремния, в пластине кремния создается необходимый поперечный градиент температуры grad T, направленный от лицевой к тыльной стороне пластины, величина которого выбирается из диапазона 10≤ grad Т ≤100 К/см, и производится химическое газофазное травление по схеме кристалл→жидкая капля→шар. Указанный диапазон градиента температуры определяется тем, что при размерах каталитических частиц 10^-2-10^-3 см для движения капли необходимо обеспечить перепад температуры в самой капле металла не менее 0,1 К/см. При градиенте менее 10 К/см капля в подложку не углубляется, а при градиенте более 100 К/см процесс создания отверстий становится не контролируемым: капля может разбиваться на более мелкие капли, формируя несколько отверстий, ориентированных под разными углами. Покрытие металлических частиц катализатора тонкой пленкой тетрабората натрия Na₂B₄O₇ (безводного) осуществляется в целях понижения поверхностного натяжения жидкофазных частиц катализатора.

Использование предлагаемого способа позволяет обеспечить получение сквозных (проходящих через всю толщину) отверстий в монокристаллических пластинах кремния, высокую селективность и высокую анизотропию процесса травления кремния. Предлагаемый способ позволяет упростить технологию создания кремниевых мембранных фильтров, кремниевых пластин облегченной конструкции, изготовление которых предусматривает получение сквозных отверстий в мембранах. Способ позволяет облегчить создание отверстий в кремниевых пластинах солнечных элементов с вертикальными p-n переходами, а также облегчить создание сквозных отверстий при выводе коллекторных контактов с лицевой на тыльную сторону пластины в кремниевых односторонних фотоэлектрических преобразователях и многое др.

Примеры осуществления способа.

Пример 1.

На полированные с лицевой стороны монокристаллические пластины кремния толщиной 350 мкм с кристаллографической ориентацией {111} с помощью процессов фотолитографии наносились мелкодисперсные частицы Au, имеющие средний характерный линейный размер 20 мкм. Затем частицы покрывались тонкой пленкой предварительно разогретого до температуры 335 К тетрабората натрия Na₂B₄O₇ (безводного). Подготовленные пластины помещались в радиационную печь. Температура печи повышалась до 1300 (±2) К при одновременной подаче водорода. В пластине кремния создавали поперечный градиент температуры 10 К/см, направленный от лицевой к тыльной стороне пластины. Затем в газовую фазу подавали тетрахлорид кремния при молярном соотношении [SiCl₄]/[H₂]=0,02 и осуществляли процесс химического газофазного травления кремния. Время травления составляло 10 мин. Полученные отверстия были ориентированы перпендикулярно плоскости {111} пластины, имели цилиндрическую форму и носили сквозной, то есть проходящий через всю толщину пластины характер. Диаметр отверстий составил ~20 мкм.

Пример 2.

Выполнение изобретения проводилось аналогично примеру 1, но в качестве катализатора использовались частицы Pt. Полученные результаты полностью соответствовали результатам примера 1.

Пример 3.

Выполнение изобретения осуществлялось аналогично примеру 1, но толщина пластины составляла 250 мкм, а в качестве катализатора процесса использовались частицы Cu. Время травления составляло 2 мин. Полученные результаты соответствовали результатам примера 1.

Пример 4.

Выполнение изобретения осуществлялось аналогично примеру 1, но в качестве подложек применялись монокристаллические пластины кремния толщиной 350 мкм с кристаллографической ориентацией {100}. Полученные результаты соответствовали результатам примеров 1.

Пример 5.

Выполнение изобретения осуществлялось аналогично примеру 1, но поперечный градиент температуры составлял 100 К/см. Полученные результаты соответствовали результатам примера 1, но форма отверстий была конусной, а средний диаметр составил величину 22 мкм.

Изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно к области создания микроструктурных элементов электронных устройств. Способ получения отверстий в монокристаллических пластинах кремния включает подготовку полупроводниковой пластины путем нанесения на ее поверхность мелкодисперсных металлических частиц катализатора с последующим покрытием их тонкой пленкой тетрабората натрия (безводного), помещение пластины в радиационную печь, ее нагрев, создание в пластине поперечного, направленного от лицевой к тыльной стороне пластины градиента температуры в диапазоне от 10 до 100 К/см, создание недосыщения атомарного кремния в газовой фазе за счет подачи в нее тетрахлорида кремния и химическое газофазное травление пластины по схеме кристалл→жидкая капля→пар. Изобретение обеспечивает получение сквозных, проходящих через всю толщину отверстий в монокристаллических пластинах кремния. 5 пр.

Способ получения отверстий в монокристаллических пластинах кремния, включающий подготовку полупроводниковой пластины путем нанесения на ее поверхность мелкодисперсных металлических частиц катализатора с последующим помещением в радиационную печь и нагревом, создание условий недосыщения атомарного кремния в газовой фазе за счет подачи в нее тетрахлорида кремния и химическое газофазное травление по схеме кристалл→жидкая капля→пар, отличающийся тем, что частицы катализатора покрывают тонкой пленкой тетрабората натрия Na₂B₄O₇ (безводного), затем в пластине кремния создают поперечный, направленный от лицевой к тыльной стороне пластины градиент температуры grad Т, причем величину градиента температуры выбирают из диапазона 10≤ grad Т ≤100 К/см.