DE1096150B - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung eines oertlichen Gebietes der Oberflaeche eines Werkstuecks mit Fluessigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zur Behandlung eines örtlichen Gebietes der Oberfläche eines Werkstücks mit Flüssigkeit. Sie ist anwendbar auf Wasch- und Spülprozesse, auf Überzugsverfahren und auf Ätzprozesse.

örtlich begrenzte Gebiete eines Werkstücks wurden bereits mittels Flüssigkeitsstrahlen behandelt, die auf das Werkstück gespritzt wurden. Dabei konnte der Behandlungsbereich mangels einer Führung der Flüssigkeit nur verhältnismäßig ungenau abgegrenzt werden, ferner wurde die Flüssigkeit vom Werkstück völlig unkontrollierbar zurückgeworfen. Im allgemeinen müssen die Teile des Werkstücks, die nicht behandelt werden sollen, aus diesem Grunde abgedeckt werden.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, Werkstücke auf der Unterseite durch nach oben gepumpte Flüssigkeit zu polieren. Hier treten die meisten Mängel des bekannten Verfahrens, wenn auch in etwas kleinerem Maße, ebenfalls auf; es ist außerdem grundsätzlich nur möglich, die Unterseite zu behandeln.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung eines örtlichen Gebietes der Oberfläche eines Werkstücks mit Flüssigkeit, welches die Mängel vermeidet, und empfiehlt, daß dieses Gebiet der Einwirkung eines kontinuierlichen Flüssigkeitsstromes, diesen schneidend oder berührend, ausgesetzt wird, der durch eine wenigstens einseitig offene Führung geleitet wird, welche den Flüssigkeitsstrom bandförmig gestaltet oder teilweise meniskusförmig quer zur Stromrichtung herausdrängt. Die Durchführung dieses Verfahrens wird erleichtert, wenn die Führung des Flüssigkeitsstromes durch die Leitung in mehr oder weniger steiler Abwärtsrichtung erfolgt.

Zur Durchführung des Verfahrens sind mehrere Vorrichtungen möglich. So kann die Führung aus zwei parallelen Drähten oder Bändern bestehen, deren Abstand so bemessen ist, daß sie durch Adhäsion und Oberflächenspannung dem Flüssigkeitsstrom einen bandförmigen Querschnitt geben. Sie kann auch aus einem sich nach außen erweiternden Ausschnitt einer Platte bestehen oder aus zwei parallelen Platten, deren Abstand so bemessen ist, daß die Flüssigkeit quer zur Stromrichtung aus dem Führungsprofil heraustritt. Im letzteren Fall empfiehlt es sich, daß die Führung durch teilweise Ausfüllung des Zwischenraums zwischen den Platten trogförmig gestaltet wird, um die Menge der durchströmenden Flüssigkeit auf das erforderliche Maß zu beschränken. Wenn etwa punktförmige Gebiete behandelt werden sollen, empfiehlt die Erfindung in ihrer weiteren Ausbildung, daß die Führungsplatten höckerartige Vorsprünge aufweisen, welche quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind.

Verfahren und Vorrichtung

zur Behandlung eines örtlichen Gebietes der Oberfläche eines Werkstücks

mit Flüssigkeit

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 23. Februar 1954

John Herrick Eigler, Plainfield, N. J.,

und Miles Vincent Sullivan, Summit, N. J. (V. St. Α.),

sind als ErfindeT genannt worden

Zur leichteren Einstellung des Werkstücks ist es zweckmäßig, die benutzte Vorrichtung mit einem verschwenkbaren Halter für das Werkstück auszustatten.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll an Hand der verschiedenen in der Zeichnung dargestellten Vorrichtungen erläutert werden; in der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine Ansicht einer Ätzvorrichtung mit mehreren Betriebsstellungen des Werkstückhalters,

Fig. 2 einen Teil einer Signal-Ubertragungseinrichtung mit einem zu behandelnden Halbleiter,

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt entsprechend Fig. 3 durch eine etwas modifizierte Ausführung der Flüssigkeitsführung,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Ätzvorrichtung,

Fig. 6 eine Ansicht einer weiteren Flüssigkeitsführung, die auch in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendet werden kann, und

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie 7-7 in Fig. 6. Mittels der Vorrichtung nach Fig. 1 wird ein feiner Strom eines Elektrolyten 11, wie Kaliumhydroxyd, Natriumhydroxyd, verdünnte Salzsäure od. dgl., zwischen ein Paar voneinander getrennter Führungsnadeln 12 gebracht, so daß er diese Nadeln benetzt

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und daran in Form eines Bandes entlangläuft. Längs der Nadeln 12 wird ein Druckgefälle aufrechterhalten, damit der Elektrolyt aus einem Vorrat über ein zu ätzendes Werkstück in einen Abfallbehälter 18 fließt, indem die Nadeln so angebracht werden, daß die Mittellinie des Bandes anders als horizontal verläuft. Die Einstellung des Flüssigkeitsstroms zwischen den Nadeln wird erleichtert, wenn diese in einer senkrechten Ebene liegen.

Der Elektrolyt wird mittels des Rohres 13 aus einem Vorratsbehälter 14 in das Mundstück 15 geleitet, das in eine Klammer 16 nahe am Ende des Armes 17 eingepaßt ist. Am Mundstück 15 ist ein konisches Ende vorgesehen. Die beiden Nadeln 12 sind in Schlitzen in der Oberfläche und parallel zur Achse des Mundstücks durch eine aufgeweitete Schraubenfeder 19 festgelegt, welche das Mundstück und die Nadelenden umschließt. Die Nadeln können aus jedem Material bestehen, das geeignete Adhäsionseigenschaften für die festzuhaltende Flüssigkeit besitzt und welches gegenüber der Flüssigkeit indifferent ist. Bei den in Frage stehenden Ätzverfahren für Halbleitergrundstoffe, wie Germanium, Silicium, intermetallische Verbindungen u. dgl., können die Nadeln aus goldplattiertem Bohrerstahl, Tantal, Platin oder anderen leitenden Stoffen bestehen, die durch elektrolytische Reaktion oder den Elektrolyten nicht schädlich beeinflußt werden. Die Form der Nadeln folgt dem konischen Umriß des Mundstücks, sie ragen parallel über das Ende des Mundstücks hinaus und werden in Abstand voneinander gehalten. Die Bohrung 20 im Mundstück 15 ist an ihrem unteren Ende verengt, um den Elektrolyten mit gleichmäßiger Geschwindigkeit zwischen die Nadeln zu leiten. Wenn der Elektrolyt aus dem Mundstück fließt und beide Nadeln benetzt, bildet er ein Band zwischen ihnen und fließt unter dem Einfluß der Schwerkraft an ihnen entlang.

Fig. 2 veranschaulicht die Anordnung für die Behandlung des Halbleiters des in Fig. 3 dargestellten Teils einer Signal-Ubertragungseinrichtung mit Halbleiter in einer Vorrichtung nach Fig. 1. Der zur Signalübertragungseinrichtung gehörende Teil besteht aus einem Kopfstück 29 für das Gehäuse der fertigen Einrichtung. Dieses Kopfstück besteht seinerseits aus einem Metallring 21 mit einem Einsatz 22 aus Isoliermaterial, z. B. Glas. In den Einsatz sind Zuleitungen 23, 24 und 25 eingeschmolzen. Ein Halbleiterstab 26, ζ. B. ein Germaniumstab, der zwischen den Enden aus η-leitendem Material eine p-leitende Zone aufweist, ist an beiden Enden mit den Zuleitungen 23 und 25 durch Löten od. dgl. leitend verbunden. Der Stab bedarf nach der Befestigung der Zuleitungen 23 und 25 einer chemischen Reinigung, und zwar zweckmäßig unmittelbar vor Anbringen der Basiselektrode an die p-leitende Zone 27. Die als Basiselektrode vorgesehene Zuleitung 24 wird vor der Reinigung rechtwinklig zur Ebene der Elektroden 23 und 25 abgebogen, um den zur Reinigung benutzten Ätzvorgang nicht zu stören.

Das Kopfstück 29 ist in dem Halter 30 festgelegt, welcher aus Isoliermaterial, z. B. aus Fluorkunststoff, bestehen kann und durchgehende Löcher für die Verlängerungen 31 der Zuleitungen 23, 24 und 25 aufweist. Die Zuleitungen sind etwas langer als die Dicke des Halters 30, so daß ihre Enden aus dem Halter herausragen. Halbleiterstab, Kopfstück und Halter kommen aus der vorangegangenen Herstellungsstufe als einheitliches Halbfabrikat und werden in der Ätzvorrichtung nach Fig. 1 in einem Werkstückhalter 32 an der rechtwinkligen Verlängerung 33 des Armes 34 befestigt, während sich dieser in der Stellung 1 befindet; die Enden 31 der Zuleitungen werden in einer üblichen Transistorfassung 35 erfaßt, damit sie leicht an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen werden können. Der Arm 34 wird dann um den Zapfen 39 geschwenkt, so daß seine Achse parallel zur Mittellinie des Elektrolytbandes aus O.lVoiger Kaliumhydroxydlösung in reinem Wasser (Lösungswiderstand etwa 200 Ohm/cm) zwischen den Nadeln 12 liegt und der Germaniumstab 26 an einer Verlängerung dieser Achse anliegt und senkrecht zu derselben verläuft (Stellung 2). Der Arm 34 wird dann in axialer Richtung vorgeschoben, um den Stab 26 in das zwischen den Nadeln 12 befindliche Flüssigkeitsband hineinzubewegen, wobei der teleskopförmige Teil 36 des Armes 34 aus dem Inneren des Armes in die vorgerückte Stellung 3 gemäß Fig. 1 verschoben wird. Der Arm wird dann in dieser Vor-Schubstellung mittels der Klemmschraube 37 festgesetzt.

Wenn der Stab 26 zwischen den Nadeln 12 liegt, so befindet sich das Kopfstück 29 infolge der Neigung des Flüssigkeitsbandes außer- und oberhalb des Elek-

s5 trolyten, so daß es davon nicht mehr benetzt werden kann. Durch die Einstellung des Stabes 26 in der Weise, daß seine Mittellinie horizontal und senkrecht zur vertikalen Ebene des Flüssigkeitsbandes 11 liegt, wird ein Gleichgewicht in dem Sinne erzielt, daß die Flüssigkeit gleichmäßig längs der Staboberfläche fließt und auf den Bereich zwischen den Nadeln 12 beschränkt ist. Diese Einstellung des Flüssigkeitsbandes 11 auf der Staboberfläche wird durch ein Gleichgewicht zwischen Adhäsions- und Oberflächenspannung der Flüssigkeit weiter erleichtert.

An den Nadeln 12 muß die Flüssigkeit haften, während sie am Material des zu behandelnden Werkstücks nicht zu haften braucht. Zur Aufrechterhaltung des Flüssigkeitsbandes muß eine gewisse Oberflächenspannung vorhanden sein. Die Oberflächenspannung hat das Bestreben, die Ausdehnung der Luft-Flüssigkeits-Grenzflächen 38 des Flüssigkeitsbandes 11 möglichst klein zu halten, so daß die Grenzflächen 38 gegeneinandergezogen werden, wenn die Flüssigkeit den Nadeln mit einer Geschwindigkeit zugeführt wird, welche das Flüssigkeitsvolumen zwischen den Nadeln auf eine Menge begrenzt, welche nur die gegenüberliegenden Flächen der Nadeln benetzt, wie es in Fig. 3 und 4 veranschaulicht ist. Die Adhäsion der Flüssigkeit an den Nadeln 12 und an dem Stab 26 bewirkt die Ausbreitung der Flüssigkeit über die Nadeln und den Stab 26 gegen die Oberflächenspannung und veranlaßt ein Divergieren der anhaftenden Grenzflächen 38. Diese Neigung der Grenzflächen, an den benetzten Stücken zu divergieren und zwischen den Stücken zu konvergieren, ist in Fig. 3 veranschaulicht. Die Breite des an dem Werkstück von der Flüssigkeit benetzten Streifens wird teilweise durch die Breite der Nadeln 12 und teilweise durch die Flüssigkeitsmenge zwischen denselben bestimmt. Die Breite des Flüssigkeitsbandes oder das Maß der Grenzflächendivergenz an der Oberfläche des behandelten Werkstücks kann dadurch geregelt werden, daß man die Wirkung der Oberflächenspannung und die Wirkung der Adhäsionskräfte miteinander in Gleichgewicht bringt. Hierzu kann insbesondere eine Flüssigkeit gewählt werden, die das Werkstück nicht benetzt.

Fig. 4 erläutert eine andere Methode zur Verringerung der Breite des beätzten Streifens an den Werk-

stücken. Wenn Zuflußgeschwindigkeit, Material, Temperatur, Stromdichte (im Falle elektrolytischer Behandlung) u. dgl. gleich unverändert bleiben, kann das Band durch Abstandserhöhung der Nadeln 12 verengt werden, so daß das verfügbare Flüssigkeitsvolumen auf einen längeren, aber engeren Querschnitt verteilt wird.

Die Schwierigkeiten, die bei der elektrolytischen Ätzung mittels einer Vorrichtung nach Fig. 1 bis 4 auftreten, werden bei Berücksichtigung der Abmessung der in Frage kommenden Elemente verständlich. Die Nadeln 12 bestehen aus 1 mm starkem Draht, der an den dem Werkstück gegenüberliegenden Seitenteilen durch Wegnahme des Materials in Stärke von 0,25 mm abgeflacht ist. Die Nadeln sind auf einen lichten Abstand von 2,10 mm justiert. Der Halbleiterstab 26 hat einen quadratischen Querschnitt mit einer Seitenlänge von 0,81 mm und einen lichten Abstand vom Kopfstück 29 von 1,27 mm. Um einen brauchbaren lichten Abstand zwischen der oberen Nadel und dem Kopf zu sichern, z. B. etwa 0,25 mm, wird der Stab etwas dichter an die obere Nadel herangerückt und die obere Nadel auf 0,50 mm verjüngt, indem die dem Werkstück abgewandte Seite abgeflacht ist. So ist der Stab 26 von der unteren Nadel um 0,86 mm und von der oberen Nadel um etwa 0,50 mm entfernt. Mit diesen Abständen wird bei Verwendung einer etwa O,l°/oigen Kaliumhydroxydlösung, die mit etwa 15 ccm/Min. fließt, der 3,17 mm lange Germaniumstab auf etwa 2,16 mm seiner Länge benetzt, wobei etwa 0,50 mm an jedem Ende unberührt bleiben. Unter diesen Bedingungen bewirkt die Ätzung mit einem Strom von 80 ±10 Milliampere auf jeder Seite des Stabes eine Abtragung von 0,07 bis 0,10 mm Material von jeder Seite des Stabes über die benetzte Länge.

Bei der elektrolytischen Ätzung dienen die den Elektrolyten führenden Nadeln 12 als Kathoden, während die Zuleitungen oder Elektroden 23, 25 an den Enden des Halbleiterstabes als Anoden geschaltet sind.

Die Schaltung für elektrolytisches Ätzen ist schematisch auf der linken Seite der Fig. 1 gezeigt. Sie besteht aus Zuleitungen 40, die von Anschlüssen der Fassung 35 zum positiven Pol einer Stromquelle 41 gehen, von dort über einen Schalter 42, der durch einen nicht gezeigten Zeitgeber geregelt wird, und über einen Stromregulierwiderstand 43 zur Erde; die Nadeln 12 sind ebenfalls geerdet. Zweckmäßig wird die Stromquelle so eingestellt, daß beide Enden des Halbleiterstabes konstante und gleiche Strommengen erhalten, so daß auf beiden Seiten der mittleren Zone 27 eine gleichmäßige Ätzung erfolgt. Der verwendete Elektrolyt ist sehr verdünnt, hat einen wenigstens um eine Größenordnung höheren Widerstand als das Werkstück und bildet daher keinen Nebenschluß zur p-Zone 27. Die Ätzwirkung konzentriert sich daher auf das Gebiet des Werkstücks unmittelbar unter den Nadeln 12.

Eine andere Elektrodenform, mit welcher Stäbe geätzt wurden, bestand aus einer 0,25 mm dicken Tantalplatte 45 mit einem V-förmigen Ausschnitt 46, der in seiner axialen Mitte etwa 1,25 mm breit und an einer Kante entsprechend Fig. 5 eingeschnitten war. Der Elektrolyt wurde der Spitze 47 des Ausschnitts 46 durch Rohre 48 zugeführt, welche gegen die beiden Seiten der Platte gerichtete Düsen bildeten und ein (nicht gezeigtes) Flüssigkeitsband schufen, welches längs des Ausschnitts bis zu der Stelle floß, wo die Wände so weit auseinanderlagen, daß die Oberflächenspannung des Elektrolyten nicht mehr ausreichte, um ihn über den ganzen Abstand zusammenzuhalten. Der verbrauchte Elektrolyt tropfte von der Platte und wurde in einer der Fig. 1 entsprechenden Weise gesammelt. Ein Stab 49, der an langen Zuleitungen 50 befestigt war, konnte innerhalb des Ausschnitts — aber ohne Berührung der Platte 45 — angeordnet werden, während eine Ätzschaltung gemäß Fig. 1 mit den Zuleitungen 50 und der Platte 45 verbunden wurde. Während das Elektrolytband sich erheblich

ίο oberhalb des unteren Endes des Ausschnitts 46 spaltete, erhielt es durch einen Stab im Ausschnitt 46 eine zusätzliche Stütze, wodurch eine größere Breite überbrückt werden konnte.

Die Vorrichtung wird durch Anbringen der Basiszuleitung und ein Gehäuse vervollständigt.

örtliche Gebiete ebener Flächen können ebenfalls mit einem Flüssigkeitsstrom gemäß der Erfindung behandelt werden. Es sind z. B. Spitzentransistoren nach einer Modifikation des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt worden. Das Kopfstück 68 (Fig. 6) für einen Spitzentransistor kann im wesentlichen die gleiche Form haben wie das Kopfstück 29 für einen Schichttransistor. Es besteht jedoch die Abweichung, daß die Ätzung auf einer der größeren Flächen eines Halbleiterplättchens mit einer Seitenlänge von etwa 1,75 mm vorgenommen wird. Hierzu wird das HaIbleiterplättchen an dem Kopfstück 68 so befestigt, daß die zu behandelnde Fläche parallel zur Ebene des Rings 21 liegt und vom Ring wegweist.

Die Ätzung dieser Fläche muß nach der Befestigung des Plättchens am Kopfstück 68 und vor dem Anbringen der Emitter- und Kollektorspitzen erfolgen. Das geschieht, indem das Kopfstück 68 in einer Haltevorrichtung 30, ähnlich der nach Fig. 2, befestigt wird, die ihrerseits an einer Ätzvorrichtung von der in Fig. 1 gezeigten Art montiert wird, wobei jedoch das Mundstück 15 und die Nadeln 12 der Fig. 1 durch ein Mundstück 60 und zwei lange schmale Platten 61 gemäß Fig. 6 ersetzt sind. Die Platten 61 sind 1,07 mm voneinander entfernt und bilden so die Wandungen eines Trogs 62 (am besten in Fig. 7 zu sehen), dessen Längsachse um etwa 30° zur Senkrechten geneigt ist. Der Boden des Trogs 62 kann aus einem Löschpapierdocht 63 bestehen, der den Raum zwischen den Platten 61 zum größten Teil ausfüllt. Ein konvexer Meniskus oder ein Flüssigkeitsband, das sich über die Kanten der tragenden Platten 61 hinaus hebt, wird dadurch erhalten, daß man so viel Flüssigkeit in den Trog 62 fließen läßt, daß dieser überfüllt wird und die Flüssigkeit hervortreten muß. Ein Höcker 65 ist an den oberen Kanten der Platten 61 angeordnet, um einen Punkt zu schaffen, an welchem der Flüssigkeitsstrom 64 herausragt.

Das zu ätzende Halbleiterplättchen 67 wird an die Spitze des Höckers 65 gebracht. Wenn die Fläche des Plättchens vom Flüssigkeitsstrom 64 benetzt ist, kann sie ein wenig zurückgesetzt werden, um das genetzte Gebiet zu begrenzen. Der Ätzprozeß wird dann durchgeführt, indem in der oben beschriebenen Weise ein Ätzstrom durch Halbleiter und Elektrolyt geschickt wird. Eine geeignete Aufbereitung des Plättchens zur Aufnahme der Spitzenkontakte wird nach diesem Verfahren mit einer 30 Sekunden langen elektrolytischen Ätzung mit einem Strom von 5 Milliampere in einer O.lVoigen Kaliumhydroxydlösung erreicht.

Wenn auch die vorangegangene Beschreibung auf die elektrolytische Ätzung von Halbleitern abgestellt ist, kann das Verfahren doch gleichfalls auf das chemische Ätzen angewendet werden, wobei die

flüssigkeitstragenden Nadeln 12 oder die in Fig. 6 und 7 gezeigten Tragelemente aus einem gegenüber dem Ätzmittel inerten Material bestehen.

Claims (8)

Patentansprüche: -

1. Verfahren zur Behandlung eines örtlichen Gebietes der Oberfläche eines Werkstücks mit Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Gebiet der Einwirkung eines kontinuierlichen Flüssigkeitsstromes, diesen schneidend oder berührend, ausgesetzt wird, der durch eine wenigstens einseitig offene Führung geleitet wird, welche den Flüssigkeitsstrom bandförmig gestaltet oder teilweise meniskusförmig quer zur Stromrichtung herausdrängt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsstrom durch die Führung in mehr oder weniger steiler Abwärtsrichtung geleitet wird.

3. Vorrichtung für die Durchführung des Ver- ao fahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung aus zwei parallelen Drähten oder Bändern besteht, deren Abstand so bemessen ist, daß sie durch Adhäsion und Oberflächenspannung dem Flüssigkeitsstrom einen bandförmigen Querschnitt geben.

4. Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung aus einem sich nach außen erweiternden Ausschnitt einer Platte besteht.

5. Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung aus zwei parallelen Platten besteht, deren Abstand so bemessen ist, daß die Flüssigkeit quer zur Stromrichtung aus dem Führungsprofil heraustritt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung durch teilweise Ausfüllung des Zwischenraums zwischen den Platten trogförmig gestaltet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsplatten höckerartige Vorsprünge aufweisen, welche quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichnet durch ihre Ausstattung mit einem verschwenkbaren Halter für das Werkstück.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 939 660;
Zeitschrift für Elektrochemie, 1954, S. 314.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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