DE1151162B - Process for the shaping processing, in particular for cutting, of semiconductor crystals by chemical means - Google Patents

Process for the shaping processing, in particular for cutting, of semiconductor crystals by chemical means

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DE1151162B DES69133A DES0069133A DE1151162B DE 1151162 B DE1151162 B DE 1151162B DE S69133 A DES69133 A DE S69133A DE S0069133 A DES0069133 A DE S0069133A DE 1151162 B DE1151162 B DE 1151162B
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Description

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

S 69133 VIb/48dS 69133 VIb / 48d

ANMELDETAG: 27. JUNI 1960REGISTRATION DATE: JUNE 27, 1960

BEKANNTMACHUNG DEK ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 4. JULI 1963NOTICE DEK REGISTRATION AND ISSUE OF EDITORIAL: JULY 4, 1963

Die formgebende Bearbeitung von Halbleiterkristallen wird üblicherweise entweder mittels mechanischer Werkzeuge oder mittels flüssiger Ätzmittel vorgenommen. Es ist dabei bekannt, ein flüssiges elektrolytisches Ätzmittel in Form eines feinen Strahles gegen die zu bearbeitende Halbleiteroberfläche zu richten, die als Anode geschaltet ist, während die Düse, aus der der ätzende Flüssigkeitsstrahl austritt, als Kathode geschaltet wird. Ein derartiges Verfahren kann jedoch nicht zum Zerschneiden von Halbleiterkristallen verwendet werden.The shaping processing of semiconductor crystals is usually carried out either by means of mechanical Tools or made by means of liquid etchant. It is known to be a liquid electrolytic etchant in the form of a fine beam against the semiconductor surface to be processed to be directed, which is connected as the anode, while the nozzle from which the caustic jet of liquid comes from emerges, is connected as a cathode. However, such a method cannot be used to cut Semiconductor crystals are used.

Die bekannten Verfahren zum mechanischen Zerschneiden von Halbleiterkristallen sind immer mit hohen Schnittverlusten und einer Zerstörung des Halbleitergitters in den Oberflächenschichten der erhaltenen Kristallteilstücke verbunden. So belaufen sich die Schnittverluste bei der Herstellung von Halbleiterscheiben aus Halbleiterstäben, wie sie für kleine Kristalldioden und kleine Transistoren benötigt werden, mit Diamantsägen auf etwa 8O10A). Ferner ist die Oberfläche der hergestellten Scheibchen häufig bis zu Tiefen von 20 bis 40 μ so gestört, daß sie weggeätzt werden muß. Die Verwendung eines Drahtes zum Schneiden könnte zwar die Schnittverluste etwas reduzieren. Da aber andererseits die gleichmäßige Führung des Drahtes erhebliche Schwierigkeiten bereitet, können auch hierdurch die Schnittverluste in der Praxis gegenüber dem angegebenen Wert kaum reduziert werden. Die formgebende Bearbeitung mittels Elektronenstrahlen erfordert einen verhältnismäßig großen technischen Aufwand und führt dazu, daß das Halbleitermaterial an der Schnittstelle aufschmilzt und zum Teil verdampft, also ebenfalls hochgradig gestört wird.The known methods for mechanically cutting up semiconductor crystals are always associated with high cutting losses and destruction of the semiconductor lattice in the surface layers of the crystal pieces obtained. The cutting losses in the manufacture of semiconductor wafers from semiconductor rods, such as those required for small crystal diodes and small transistors with diamond saws, amount to around 80 10 A). Furthermore, the surface of the wafers produced is often so disturbed to depths of 20 to 40 μ that it has to be etched away. Using a wire for cutting could reduce the cutting losses somewhat. Since, on the other hand, the uniform guidance of the wire causes considerable difficulties, the cutting losses can hardly be reduced in practice compared to the specified value. The shaping processing by means of electron beams requires a relatively large technical effort and leads to the semiconductor material melting at the interface and partly evaporating, that is to say is also severely disturbed.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum formgebenden Bearbeiten, insbesondere zum Zerschneiden, von Halbleiterkristallen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die gegebenenfalls auf eine höhere, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiters liegende Temperatur vorgewärmte Bearbeitungsstelle der Wirkung eines aus einer feinen Düse unter hohem Druck bzw. hoher Geschwindigkeit in Form eines Strahles austretenden Gases ausgesetzt wird, welches das von dem Strahl getroffene Halbleitermaterial bei der unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiters liegenden Bearbeitungstemperatur in eine bei dieser Temperatur gasförmige Verbindung überführt.The invention relates to a method for shaping processing, in particular for cutting, of semiconductor crystals, which is characterized in that the optionally on a higher temperature, but below the melting point of the semiconductor, preheated processing point the effect of a fine nozzle under high pressure or high speed in the form of a jet exiting gas is exposed, which is the struck by the jet Semiconductor material at the processing temperature below the melting point of the semiconductor converted into a compound which is gaseous at this temperature.

Bei diesem Verfahren wird also aus einer sehr feinen Düse mit sehr hohem Druck, z. B. mehreren Atmosphären bis 100 Atmosphären und darüber, ein solches Gas gegen die Halbleiteroberfläche geblasen, Verfahren zum formgebenden Bearbeiten,In this process, a very fine nozzle with very high pressure, e.g. B. several Atmospheres up to 100 atmospheres and above, such a gas blown against the semiconductor surface, Process for shaping processing,

insbesondere zum Zerschneiden,
von Halbleiterkristallen auf chemischem Wegeespecially for cutting,
of semiconductor crystals by chemical means

Anmelder:Applicant:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2Berlin and Munich,
Munich 2, Witteisbacherplatz 2

Dr.-Ing. Heinz Henker, München,
ist als Erfinder genannt wordenDr.-Ing. Heinz Henker, Munich,
has been named as the inventor

welches bei der Bearbeitungstemperatur mit dem Halbleiter reagiert und eine bei der Behandlungstemperatur verdampfende Verbindung bildet. Nur dort, wo der Gasstrahl auftrifft, wird das Halbleitermaterial durch die Wirkung des Gasstrahles in eine gasförmige Verbindung des Halbleiters übergeführt. Damit werden die darunterliegenden Stellen der Halbleiteroberfläche der weiteren Bearbeitung, also der Einwirkung des Gasstrahles, zugänglich.which reacts with the semiconductor at the processing temperature and one at the treatment temperature forms evaporating compound. The semiconductor material is only used where the gas jet strikes converted into a gaseous compound of the semiconductor by the action of the gas jet. So be the underlying areas of the semiconductor surface for further processing, i.e. the effect of the gas jet, accessible.

Als Gase eignen sich bei der formgebenden Bearbeitung von Halbleitermaterial, insbesondere von Germanium und Silizium, in erster Linie elementare Halogene, insbesondere Chlor oder Brom, oder Halogenverbindungen, insbesondere Halogenwasserstoffe, z. B. HCl. Die entstehenden Reaktionsprodukte sind noch weit unterhalb des Schmelzpunktes dieser Halbleiter gasförmig und werden deshalb durch den bearbeitenden Gasstrahl weggetrieben.Suitable gases are suitable for the shaping processing of semiconductor material, in particular of Germanium and silicon, primarily elemental halogens, especially chlorine or bromine, or Halogen compounds, especially hydrogen halides, e.g. B. HCl. The resulting reaction products are still far below the melting point of these semiconductors in gaseous form and are therefore caused by the processing gas jet driven away.

Die Reaktion zwischen Germanium und Silizium mit HCl setzt bereits bei 250 bzw. 380° C unter Bildung von GeHCl3 bzw. SiHCl3 ein. Es ist deshalb erforderlich, das Germanium auf 200 bis 600° C (gegebenenfalls auch darüber), das Silizium auf 400 bis 800° C (gegebenenfalls auch darüber) zu erhitzen. Die erforderliche Temperatur kann durch Erhitzen des Halbleiterkristalls und/oder durch Anwendung eines auf die entsprechende Temperatur erhitzten Strahles aus dem betreffenden Gas erzielt werden. Durch zusätzliche, gegebenenfalls gerichtete Belichtung, z. B. Anwendung von kurzwelligem Ultrarotlicht oder von sichtbarem Licht, kann der Bearbei- The reaction between germanium and silicon with HCl starts at 250 or 380 ° C with the formation of GeHCl 3 or SiHCl 3 . It is therefore necessary to heat the germanium to 200 to 600 ° C (possibly also above) and the silicon to 400 to 800 ° C (possibly also above). The required temperature can be achieved by heating the semiconductor crystal and / or by using a jet of the gas in question that is heated to the appropriate temperature. By additional, optionally directed exposure, e.g. B. Application of short-wave ultrared light or visible light, the processing

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tungsvorgang beschleunigt und auch auf bestimmte Stellen der Halbleiteroberfläche konzentriert werden. Auch bei Verwendung von Sauerstoff oder Ozon lassen sich z. B. bei Silizium Reaktionsprodukte erhalten, die unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiters im Vakuum verdampfen.The processing process can be accelerated and also concentrated on certain points on the semiconductor surface. Even when using oxygen or ozone, z. B. obtained with silicon reaction products, which evaporate below the melting point of the semiconductor in a vacuum.

Das Düsenmaterial richtet sich nach der Natur des verwendeten Gases, Gegen Fluorgas sind bei Normaltemperatur gewiße Metalle, ζ. Β. Kupfer, relativ beständig, . da sich diese mit einer Schutzschicht aus Fluorid überziehen, welche das Düsenmaterial gegen den weiteren Angriff des Halogens schützt. Andere den Halbleiter angreifende Gase, die weniger schwierig als Fluor zu handhaben sind, wie z. B. Cl2, Bromdampf, O2, O3 oder Halogenwasserstoffverbindungen, können durch Düsen aus Quarz, Rubin, Aluminiumoxyd, Diamant, V2A-Stahl, Borkarbid oder Siliziumkarbid und ähnlichen resistenten Stoffen, unter Umständen auch Glas, der zu bearbeitenden Halbleiteroberfläche zugeführt werden. Die Düsenweiten betragen zweckmäßig 5 bis 100 μ und sind vorteilhaft, um den Austritt eines scharf begrenzten Gasstrahles zu ermöglichen, als Strömungskanal mit sich stetig verjüngendem Querschnitt, insbesondere als Lavaldüsen ausgebildet.The nozzle material depends on the nature of the gas used. Certain metals are against fluorine gas at normal temperature, ζ. Β. Copper, relatively resistant,. because they are covered with a protective layer of fluoride, which protects the nozzle material against further attack by the halogen. Other gases that attack the semiconductor and are less difficult to handle than fluorine, e.g. B. Cl 2 , bromine vapor, O 2 , O 3 or hydrogen halide compounds can be fed to the semiconductor surface to be processed through nozzles made of quartz, ruby, aluminum oxide, diamond, V2A steel, boron carbide or silicon carbide and similar resistant substances, possibly also glass . The nozzle widths are expediently 5 to 100 μ and are advantageously designed as a flow channel with a continuously tapering cross section, in particular as Laval nozzles, in order to enable the exit of a sharply delimited gas jet.

Um eine Verbreitung des Gasstrahles durch Wirbel zu vermeiden und die Wirkung des Gases möglichst auf die Behandlungsstellen zu lokalisieren, empfiehlt es sich, den Behandlungsvorgang in einem unter vermindertem Gasdruck stehenden Behandlungsgefäß, insbesondere unter Vakuum vorzunehmen, wobei bei Anwendung einer laufenden Evakuierung des Behandlungsgefäßes die Reaktionsprodukte und das nicht verbrauchte Behandlungsgas laufend von der Halbleiteroberfläche entfernt werden, so daß praktisch nur die Bearbeitungsstelle mit dem Gas in Berührung gelangt. Insbesondere ist dies notwendig, wenn der bearbeitende Gasstrahl aus Sauerstoff besteht, damit das bei der Reaktion entstehende GeO oder SiO wegdampfen kann. Um diese gasförmigen Oxyde bei der Behandlung mit einem Sauerstoffstrom zu erzielen, muß die Temperatur der Behandlungsstelle möglichst hoch, also dicht unterhalb des Schmelzpunktes von Germanium bzw. Silizium liegen.In order to avoid spreading of the gas jet through eddies and the effect of the gas as much as possible To localize the treatment sites, it is recommended to reduce the treatment process in an under Treatment vessel under gas pressure, in particular under vacuum, with Use of an ongoing evacuation of the treatment vessel the reaction products and the unused treatment gas continuously from the semiconductor surface be removed so that practically only the processing point comes into contact with the gas. In particular, this is necessary if the processing gas jet consists of oxygen, with it the GeO or SiO formed during the reaction can evaporate. To these gaseous oxides at the To achieve treatment with a stream of oxygen, the temperature of the treatment site must be as close as possible high, i.e. just below the melting point of germanium or silicon.

Eine zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung geeignete Apparatur ist in der Zeichnung dargestellt. Der zu zerschneidende SiHziumkristall 1, der längs der gestrichelt dargestellten Schnittlinie/ί-B aufgetrennt werden soll, ist im Abstand von einigen Zehntelmillimetern bis wenigen Millimetern von einer Düse entfernt angebracht, welche den bearbeitenden, z. B. aus HCl bestehenden Gasstrahl 3 austreten läßt. Der innerhalb der Düse zu überwindende Druck kann einige Atmosphären, aber auch mehr als 100 Atmosphären betragen, wenn dies die Natur des betreffenden Gases zuläßt. Der Gasstrahl wird dann längs der Schnittlinie A-B so lange hin und her geführt, bis der durch eine nicht dargestellte Heizvorrichtung auf etwa 500° C erhitzte Siliziumkristall an der Schnittfläche auseinandergetrennt ist. Aus technischen Gründen empfiehlt es sich, die Düse festzuhalten und die erforderliche Bewegung des Halbleiterkristalls mittels einer beweglichen Kristallhalterung vorzunehmen, deren Bewegung relativ zur Düse durch außerhalb des Behandlungsgefäßes hegende Steuermittel geregelt wird.An apparatus suitable for carrying out the method according to the invention is shown in the drawing. The SiHziumkristall 1 to be cut, which is to be separated along the dashed line / ί-B, is attached at a distance of a few tenths of a millimeter to a few millimeters from a nozzle, which the machining, z. B. from HCl existing gas jet 3 can escape. The pressure to be overcome within the nozzle can be a few atmospheres, but also more than 100 atmospheres, if the nature of the gas in question allows this. The gas jet is then guided back and forth along the cutting line AB until the silicon crystal, which is heated to about 500 ° C. by a heating device (not shown), is separated at the cut surface. For technical reasons, it is advisable to hold the nozzle firmly and to carry out the required movement of the semiconductor crystal by means of a movable crystal holder, the movement of which is regulated relative to the nozzle by control means located outside the treatment vessel.

Die Schnittbreiten können bei entsprechend engen Düsen erheblich unter 50 μ liegen, wobei eine vollkommen ungestörte Halbleiteroberfläche an der Schnittstelle gebildet wird. Dieser Vorteil kommt auch dann zugute, wenn die formgebende Bearbeitung zur Herstellung von Vertiefungen, insbesondere Bohrungen, in Halbleiterkristallen oder grabenförmige Vertiefungen, wie sie zum Herausätzen einer Mesa gebraucht werden, verwendet wird. Sie läßt sich deshalb auch zum lokalisierten Abschätzen von Halbleiterkristallen mit Vorteil verwenden.With correspondingly narrow nozzles, the cutting widths can be considerably less than 50 μ, with one being completely undisturbed semiconductor surface is formed at the interface. This advantage comes also benefit when the shaping processing for the production of depressions, in particular holes, in semiconductor crystals or trench-shaped depressions, such as those used for etching out a mesa used is used. It can therefore also be used for localized estimation of semiconductor crystals use with advantage.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:PATENT CLAIMS: 1. Verfahren zum formgebenden Bearbeiten, insbesondere zum Zerschneiden, von Halbleiterkristallen auf chemischem Wege, dadurch gekenn zeichnet, daß die gegebenenfalls auf eine höhere, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiters liegende Temperatur vorgewärmte Bearbeitungsstelle der Wirkung eines aus einer feinen Düse unter hohem Druck bzw. hoher Geschwindigkeit in Form eines Strahls austretenden Gases ausgesetzt wird, welches bei der sich an der Bearbeitungsstelle einstellenden, unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiters liegenden Bearbeitungstemperatur mit dem Halbleiter reagiert, wobei die dabei entstehenden Reaktionsprodukte bei dieser Behandlungstemperatur in gasförmigem Zustand entweichen.1. A method for shaping processing, in particular for cutting, of semiconductor crystals by chemical means, characterized in that the processing point, which may be preheated to a higher but below the melting point of the semiconductor temperature, has the effect of a fine nozzle under high pressure or is exposed to high speed in the form of a jet emerging gas, which reacts with the semiconductor at the processing temperature below the melting point of the semiconductor at the processing point, with the resulting reaction products escaping in a gaseous state at this processing temperature. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf Reaktionstemperatur vorgewärmtes Gas verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a reaction temperature preheated gas is used. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsstelle belichtet wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the processing point is exposed will. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als bearbeitendes Gas ein Halogen oder eine Halogenverbindung oder Sauerstoff verwendet werden.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the processing Gas a halogen or a halogen compound or oxygen can be used. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Behandlungsgefäß, in dem der Bearbeitungsvorgang stattfindet, insbesondere laufend evakuiert wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the treatment vessel in which the machining process takes place, in particular is evacuated continuously. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings © 309 619/246 6.63© 309 619/246 6.63
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