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Verfahren und Vorrichtung zum elektrolytischen Ätzen von Halbleiterbauelementen
Aus den deutschen Patentschriften 971562 und 976 026 sind elektrolytische bzw. chemische
Stufenätzverfahren zum Aufrauhen von Aluminiumfolien bekannt.
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Aus der deutschen Auslegeschrift 1027 035 ist ferner ein Verfahren
zum Herstellen gleichmäßig diwiner Drähte durch elektrolytisches Ätzen bekannt,
bei dem die Stromstärke für den Ätzvorgang durch Messen des Drahtwiderstandes elektronisch
gesteuert wird.
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Aus der deutschen Patentschrift 594 246 ist schließlich eine Vorrichtung
zum elektrolytischen Herstellen von Chromüberzügen bekannt, bei der das Bad des
Elektrolyten auf einem Kreisbogen angeordnet ist und radiale Arme zur Halterung
der zu behandelnden Gegenstände im Kreis bewegt werden.
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Demgegenüber bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren
zum elektrolytischen Ätzen vdn Halbleiterbauelementen, insbesondere von solchen,
bei denen ein pn-Übergang durch Legieren hergestellt wurde. Weiter bezieht sich
die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Ätzverfahrens.
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Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen wird in vielen Fällen
das Halbleitermaterial und/oder Elektrodenmaterial durch Ätzen abgetragen, beispielsweise
um einen oberflächlichen Kurzschluß des pn-überganges zu beseitigen oder in anderer
Weise die elektrischen Eigenschaften des Halblbeiterbauelementes zu beeinflussen.
So kann beispielsweise die Fläche des pn-Überganges durch Ätzen des Halb-Leiterkörpers
verringert werden, um die Kapazität des Überganges zu verkleinern oder, wie z. B.
bei Tunneldioden, eine bestimmte Kennlinie zu erzielen.
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Insbesondere bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen durch
Einlegieren einer umdotierenden Substanz in einen Halbleiterkörper bestimmten Leitungstyps
treten oberflächliche Kurzschlüsse oder Nebenschlüsse des pn-Überganges auf, die
durch Ätzen entfernt werden müssen. Auch läßt sich das Legierungsverfahren in der
Fertigung nicht so genau steuern, daß Halbleiterbauelemente mit genau gleichen Eigenschaften
erhalten werden. Andererseits werden aber gerade von Halbleiterbauelementen sehr
geringe Toleranzen gefordert. Man hat dies bisher so zu erreichen versucht, daß
die Halbleiterbauelemente nach ihrer Herstellung gemessen und nach ihren elektrischen
Eigenschaften sortiert wurden. Dabei hat man es aber nicht in der Hand, den Anteil
an Halbbleiterbauelementen mit bestimmten elektrischen Werten beliebig hoch zu machen.
Bei Tunneldioden wird beispielsewise eine höchste Abweichung des Höckerstromes von
± 2 % gefordert.
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In vielen Fällen ist es möglich, die elektrischen Eigenschaften von
Halbleiterbauelementen durch ein nachträgliches Ätzen zu verändern. Dieses Verfahren
hat jedoch den Nachteil, daß bei Verwendung eines großen Ätzstromes der Ätzvorgang
sehr rasch abläuft, so daß der Ätzvorgang nicht immer im richtigen Augenblick unterbrochen
werden kann, um bestimmte Eigenschaften reproduzierbar zu erhalten. Bei verhältnismäßig
geringem Ätzstrom kann der Ätzvorgang leichter kontrolliert werden, der Zeitbedarf
für jedes einzelne Halbleiterbauelement ist jedoch dann so groß, daß das Verfahren
unwirtschaftlich wird.
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Aus der deutschen Auslegeschrift 1100 822 ist ein Stufenverfahren
zur Verminderung der Oberilächenrau'higkeit eines Halbleiterkörpers bekannt, bei
dem die Oberfläche eines Halbleiterbauelementes zunächst mit einer stark angreifenden
und anschließend mit einer oder mehreren weniger stark angreifenden Ätzlösungen
behandelt wird. Dieses Verfahren ist jedoch auf chemisches Ätzen beschränkt und
läßt sich nicht in Abhängigkeit von den während des Ätzvorganges gemessenen elektrischen
Eigenschaften steuern.
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Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum elektrolytischen
Ätzen von Halbbleiterbauelementen, insbesondere von Tunneldioden, mit durch Legieren
hergestellten Übergängen. Die obenerwähnten Nachteile und Schwierigkeiten werden
erfindungsgemäß dadurch überwunden, daß das Ätzen in einzelnen Stufen mit von Stufe
zu Stufe abnehmendem Ätzstrom vorgenommen und die Zeitspanne der einzelnen Ätzstufen
in Abhängigkeit von den während des Ätzvorganges gemessenen elektrischen Eigenschaften
des Halbleiterbauelementes gesteuert wird.
Hierdurch ist es möglich,
die Halbleiterbauelemente in verhältnismäßig kurzer Zeit zu ätzen und trotzdem elektrische
Eigenschaften zu erzielen, die in einem engen Toleranzbereich liegen.
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Man kann beispielsweise nach diesem Verfahren Tunneldioden mit einem
bestimmten vorgegebenen Höckerstrom herstellen, indem nach dem Legieren der Halbleiterkörper,
vorzugsweise in der Umgebung des pn-Überganges, gezielt so weit abgeätzt wird, bis
der Höckerstrom den gewünschten Wert erreicht hat. Zum Ätzen wird beispielsweise
ein Ätzstrom verwendet, der bei der ersten Ätzstufe 60 mA beträgt. Mit diesem Strom
wird so lange geätzt, bis das 1,2fache des gewünschten Höckerstromes erreicht ist.
In der zweiten Ätzstufe wird nun mit einem geringeren Strom weitergeätzt, beispielsweise
mit 15 mA. Die zweite Ätzstufe wird so lange beibehalten, bis der Höckerstrom das
1,1fache des Sollwertes erreicht hat. Schließlidh wird in einer dritten Stufe mit
einem Ätzstrom von etwa 2 mA geätzt, bis der Sollwert erreicht ist.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist aber nicht allein auf das Einstellen
des Höckerstromes von Tunneldioden durch elektrolytisches Ätzen beschränkt,- sondern
kann. mit Vorteil auch bei der Einstellung einer bestimmten Sperrschichtkapazität
durch Ätzen angewendet werden oder auch bei der Beseitigung von oberflächlichen
Nebenschlüssen von durch Legieren hergestellten pn-Übergängen, bis beispielsweise
ein bestimmter Wert des Sperrstromes erreicht ist.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung kann aber auch -bei Halbleiterbauelementen
mit Vorteil angewendet werden, bei denen der pn-Übergang auf andere Weise als durch
Legieren erhalten wurde. So kann beispielsweise die Fläche eines durch Ziehen aus
der Schmelze erhaltenen pn-Überganges vermindert werden.
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Zur Kontrolle des Ätzvorganges ist es erforderlich, den Ätzvorgang
zeitweise zu unterbrechen und die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterbauelementes
zu messen.
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Gemäß der weiteren Ausbildung der Erfindung werden die elektrischen
Eigenschaften, die durch den Atzvorgang beeinflußt werden, während des Ätzens gemessen
und davon abhängig das Verfahren von einer Ätzstufe zur anderen weitergeschaltet.
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Hierdurch wird erreicht, daß die einzelnen Stufen des Ätzverfahrens
kontinuierlich ausgeführt werden können und daß der Ätzvorgang bis sehr nahe an
den gewünschten Wert durchgeführt werden kann.
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Ein weiterer Vorteil bei der Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
wird dadurch erzielt, daß zum Ätzen Stromimpulse mit wählbarer Amplitude verwendet
werden. Einerseits erlaubt die Verwendung von Stromimpulsen ein Abfließen der beim
Ätzen auftretenden Wärme, und andererseits kann der Ätzstrom auf diese Weise viel
besser dosiert werden. Auch erlaubt die Verwendung von Stromimpulsen, daß zwischen
den einzelnen Ätzimpulsen Messungen vorgenommen werden können, die vorteilhaft auch
mit Stromimpulsen durchgeführt werden.
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Vorteilhaft werden zum Ätzen und/oder zum Messen Sinushalbwellen verwendet.
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Nach dem Ätzen wird das Halbleiterbauelement in einer oder mehreren
Verfahrensstufen von der Ätzlösung gereinigt und getrocknet. Dabei wird vorzugsweise
in der ersten Reinigungsstufe ein strömendes Reinigungsmittel verwendet, beispielsweise
ein Flüssigkeitsstrahl, der auf das Halbleiterbauelement gerichtet wird. Bei den
anderen Reinigungsstufen können' z. B. Bäder verwendet werden, in welche die Halbleiterbauelemente
getaucht werden.
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Zweckmäßig werden die so geätzten Halbleiterbauelemente unmittelbar
nach der Reinigung und dem Trocknen mindestens in der Umgebung der Ätzstelle mit
einem fest haftenden Überzug versehen und/ oder dicht in ein Gehäuse eingebaut.
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Eine besonders geeignete Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens
gemäß der Erfindung besteht aus einer Anordnung, bei der ein. horizontaler Arm mit
einer Halterung für die zu ätzende Halbleitervorrichtung an einem Ende um das andere
Ende als Mittelpunkt drehbar angeordnet und mit einem geeigneten Antrieb versehen
ist, so daß er über die auf einem Kreisbogen angeordneten Ätz- und Reinigungsbäder
streicht, und dessen Höhe über den einzelnen Bädern durch eine Kurvenscheibe so
gesteuert wird, daß das Halbleiterbauelement bei der Drehung des Armes um eine vertikale
Achse der Reihe nach in die einzelnen Bäder getaucht wird.
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Die Vorrichtung enthält weiter Zuleitungen in dem Arm, die in Kontakt
mit den Zuleitungen des Halbleiterbauelementes gebracht werden können und über die
einerseits der Ätzstrom und andererseits der Meßstrom geleitet wird. Zum Ätzen befindet
sich im Ätzbad eine zweite Elektrode, vorzugsweise aus einem Edelmetall, wie z.
B. Platin.
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Der Antrieb des horizontalen Armes wird abhängig von den gemessenen
Werten des Halbleiterbauelementes und einem eingestellten Sollwert so gesteuert,
daß bei Erreichung des Sollwertes, nachdem die einzelnen Stufen des Ätzverfahrens
durchlaufen wurden, der Antrieb in Tätigkeit gesetzt wird und das Halbbleiterbauelement
durch die einzelnen Reinigungsbäder geführt wird.
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An der Vorrichtung können auch mehrere Arme zur Aufnahme von Halbleiterbauelementen
vorgesehen sein, die einen solchen Abstand voneinander haben, daß die einzelnen
an den Armen befestigten Halbleiterbauelemente in die nebeneinander angeordneten
Bäder tauchen. Dabei wird die Bewegung dieser Arme von der Messung des in der Ätzlösung
befindlichen Halblbeiterbauelementes so gesteuert, daß bei Erreichen des Sollwertes
dieses Halbleiterbauelement aus dem Ätzbad herausgehoben und in das erste Reinigungsbad
getaucht wird, während das an dem folgenden Arm angebrachte Halbleiterbauelement
geätzt wird. Die Reinigungswirkung der einzelnen Bäder wird dabei so bemessen, daß
sie auch bei der kürzesten vorkommenden Ätzdauer vollkommen ausreicht.
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Die Erfindung soll an Hand der Figuren näher besdhrieben werden. In
den F i g. 1 und 2 ist ein Halbleiterbauelement, insbesondere eine Tunneldiode,
vor und nach dem Ätzvorgang im Schnitt dargestellt; F i g. 3 zeigt verschiedene
Kennlinien der Tunneldiode nach den einzelnen Ätzstufen; F i g. 4 zeigt schematisch
die Vorrichtung zum Ätzen von elektrischen Halbleiterbauelementen gemäß der Erfindung,
und F i g. 5 zeigt eine Seitenansicht einer solchen Vorrichtung.
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Die Tunneldiode nach F i g. 1 besteht aus einer leitenden Unterlage
1 mit einer darauf angebrachten
hochdotierten Halbleiterschicht
2. Durch das Legierungsmaterial 3 wurde im Halbleiterkörper 2 das Umdotierungsgebiet
4 erzeugt. Zwischen der Zone 4 und dem Halbleiterkörper ist ein pn-Übergang vorhanden.
Um der Tunneldiode eine bestimmte Kennlinie zu geben, wird das Halbleitermaterial
durch Ätzen abgetragen, wodurch die Fläche des pn-Uberganges verkleinert wird.
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In F i g. 2 ist das Halbleiterbauelement nach F i g. 1 nach dem Ätzen
dargestellt. Das Halbleitermaterial wird etwa so abgetragen, wie dies in F i g.
2 dargestellt ist. Das Halbleitermaterial hat an der Verbindungsstelle mit dem Legierungsmaterial
3 dann nur noch eine Dicke von etwa 20 j,m.
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F i g. 3 zeigt die Kennlinie 5 einer Tunneldiode, wie sie nach dem
Einlegieren vorliegt. Durch Abätzen wird die Kennlinie nach unten verschoben, so
daß sich die Kennlinien 6, 7 und 8 ergeben. Die Kennlinie 8 ist die Kennlinie, die
bei allen Tunneldioden nach dem Ätzen vorliegen soll. Wenn nun in üblicher Weise
elektrolytisch geätzt wird, so kann der Zeitpunkt, wann die richtige Kennlinie erreicht
ist, nur schlecht abgeschätzt werden, so daß der Ätzvorgang entweder zu früh oder
zu spät unterbrochen wird.
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Gemäß der Erfindung wird nun in einzelnen Stufen mit verschiedenem
Ätzstrom geätzt. So wird beispielsweise zunächst mit einem Ätzstrom von
60' mA geätzt, bis die Kennlinie 6 erreicht ist. Dann wird in der zweiten
Ätzstufe mit einem Strom von etwa 15 mA weitergeätzt, bis die Kennlinie 7 erreicht
ist, und schließlich in der dritten Ätzstufe mit einem ganz geringen Ätzstrom, beispielsweise
von 2 mA, bis die gewünschte Kennlinie 8 erhalten wird. Beim Erreichen bestimmter
Höckerstromwerte I, II und III, welche den Kennlinien 6, 7 und 8 entsprechen, wird
bei einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens automatisch von einer Ätzstufe zur
nächsten umgeschaltet.
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Wie bereits beschrieben, wird zum Ätzen vorzugsweise ein Strom in
Form von einzelnen Impulsen verwendet, zwischen denen Meßimpulse an die Diode angelegt
werden, durch welche der Höckerstrom gemessen wird.
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In F i g. 4 ist schematisch eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens
gemäß der Erfindung dargestellt. Das zu ätzende Halbleiterbauelement wird an einem
horizontal drehbaren Arm 9 eingespannt, der die einzelnen Bäder überstreicht. Durch
den Antriebsmotor 10 wird der Arm von einem Bad zum nächsten weitergedreht. Durch
entsprechend angeordnete Kurvenscheiben werden die Arme 9 der Vorrichtung jeweils
so gehoben und gesenkt, daß das Halbleiterbauelement in die einzelnen Bäder eingetaucht
und vor dem Weitertransport wieder herausgehoben werden. Zunächst wird das Halbleiterbauelement
in das Ätzbad 11 eingetaucht und mit Stromimpulsen geätzt, wobei zwischen den einzelnen
Ätzstromimpulsen Meßstromimpulse an das Halbleiterbauelement angelegt werden. Wenn
bei einer Messung zwischen zwei Ätzimpulsen festgestellt wird, daß der für die betreffende
Ätzstufe gewählte Höckerstrom erreicht ist, schaltet sich die Vorrichtung automatisch
auf die nächste Ätzstufe mit einem geringeren Ätzstrom um, so daß der Ätzvorgang
nun langsamer vor sich geht. Wenn nach der letzten Ätzstufe der gewünschte Wert
des Höckerstromes erreicht ist, schaltet sich der Antriebsmotor ein und das Halbleiterbauelement
wird aus dem Ätzbad 11 herausgehoben und in den weiteren Stufen 12, 14 und 15 gereinigt.
In der Reinigungsstufe 12 wird beispielsweise das Halbleiterbauelement mit destilliertem
Wasser abgespült, das in feinem Strahl mittels der Pumpe 13 auf die Ätzstelle gespritzt
wird. In den weiteren Reinigungsstufen 14 und 15 wird das Halbleiterbauelement mit
geeigneten organischen Lösungsmitteln gereinigt, beispielsweise in der Stufe 14
in Methylalkohol getaucht und in der Stufe 15 mit Tetrachlorkohlenstoff gespült.
Als letztes Reinigungsmittel wird vorzugsweise eine leicht verdunstende Flüssigkeit
verwendet, so daß das Halbleiterbauelement nach dem Abnehmen trocken ist. Es kann
aber auch noch eine weitere Stufe hinzugefügt werden, in der das Halbleiterbauelement
vorzugsweise an der Ätzstelle mit einem Schutzüberzug versehen wird. Während ein
Halbleiterbauelement die Stufen 12, 14 und 15 durchläuft, wird ein weiteres in Stufe
11 geätzt. Die Weiterschaltung aller Halbleiterbauelemente von einer Stufe
zur nächsten wird aber allein von der Ätzstufe gesteuert. Die Reinigungsmittel sind
so bemessen, daß die geringste Ätzdauer ausreicht, um die in den anderen Stufen
befindlichen Halbleiterbauelemente ausreichend zu reinigen.
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In F i g. 5 ist die Seitenansicht einer solchen Vorrichtung dargestellt.
An den Armen 9 der Vorrichtung sind Halterungen 9 a für das Halbleiterbauelement
16 angebracht. Die Arme 9 werden mittels des Motors 10 und des Getriebes
10a bewegt, und zwar abhängig von dem für die letzte Ätzstufe eingestellten
Wert. Damit die Vorrichtung nach der Drehbewegung augenblicklich zum Stillstand
kommt, ist ein Bremsmagnet 25 vorgesehen, der über die Bremsbacken 24 den Motor
abbremst. Die senkrechte Bewegung der Arme 9 wird durch die Kurvenscheibe 19 gesteuert,
auf der die Räder 20 laufen. Die Achse 21 für die Arme 9 ist hohl ausgeführt und
enthält die Zuleitungen zu dem Halbleiterbauelement. Bei der dargestellten Ausführungsform
enden die Zuleitungen 18 an einem Schleifkontakt in der hohlen Welle, von wo sie
über die feststehende Zuleitung 23 nach außen geführt werden. An der Welle sind
weiter Schleifkontakte 22 vorgesehen, durch die bei einer Drehung des Armes 9 die
Vorrichtung zur Lieferung der Ätzstromimpulse wieder in ihre Ausgangstellung umgeschaltet
wird.
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Der Ätzstrom wird einerseits über das Halbleiterbauelement, andererseits
über die Elektrode 17 zugeführt, welche zweckmäßig aus einem Edelmetall wie Platin
besteht und als Kathode geschaltet ist.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung und die Vorrichtung zur Ausübung
dieses Verfahrens ist jedoch nicht nur auf das Ätzen von Tunneldioden beschränkt,
sondern es können alle Halbleiterbauelemente damit geätzt werden, bei denen der
Ätzvorgang bis zur Erreichung eines bestimmten Sollwertes der elektrischen Eigenschaften
durchgeführt werden soll.