DE1646804C

DE1646804C - Verfahren zur Verbesserung der Ober flachcnquahtat von anorganischen Oxidma tenalien

Info

Publication number: DE1646804C
Authority: DE
Inventors: Harold Murray Anaheim Calif Manasevit (V St A)
Original assignee: North American Aviation Corp
Current assignee: North American Aviation Corp
Publication date: 1972-10-05

Description

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch Helium, das bevorzugte Trägergas. Ventil 11 wird gekennzeichnet, daß als feuerfestes anorganisches verwendet, um den Fluß des Trage rgases_ zu κοη-Oxidmaterial Saphir verwendet «ird, der auf eine trollieren, und die Stromungsgeschwindigkeit wird Temperatur im Bereich von annähernd 1300 bis 1600° C durch Strömungsmesser 12 überwacht. Gase aus, acm erhitzt wird. 5 Umsetzungsgefäß 2 entweichen durch Abgaskanal 13,

Kurz gesagt, umfaßt die Erfindung das Ätzpolieren der mit Abzugsvorrichtungen (mehr dargestelHj verder Oberfläche eines (Einzelkristall-) feuerfesten anor- bunden ist. Rohrleitung 14 und ,^„?^ηε^°^55β^ ganischen Oxidunterlagenmaterials, wie z. B. Saphir, Ventil 15 sind vorgesehen, um die Einführung,von Berylliumoxid, Thoriumoxid, Zirkoniumoxid, Spinelle, Halbleiter-Ablagerungsmaterialien im Amschiuö an Chrysoberyll usw., indem das Material einem fluorid- io den Atzpoliervorgang zu gestatten, haltigen Gas, wie z. B. SF₄ und SF₆, ausgesetzt wird. Es ist klar, daß die Erfindung nicht auf die be-

Während dieser Einwirkungszeit wird das Unterlagen- stimmte dargestellte und beschriebene jorncnrang material bei erhöhter Temperatur gehalten, üblicher- beschränkt ist, sondern verschiedenartige ^Umse^^unJ^ weise zwischen 1300 und 1500⁰C, obgleich auch gefäß-Rohrleitungs-Anordnungen umfassen kann w,_e niedrigere Temperaturen verwendet werden können, 15 sie in der Technik für die Behandlung von bubstraten abhängig von dem Material, an dem die Ätzpolierung in gasförmiger Umgebung bekannt sind. Jedoch^istes durchgeführt werden soll. Trägergase, wie z.B. erwünscht, daß das Untergestell abflußseiüg von dem Wasserstoff und Helium, können verwendet werden, Material, welches ätzpoliert werden soll, angeordnet um das Ätzmittel zu der Unterlagenoberfläche zu sei, um zu verhindern, daß Umsetzungsprodukte des leiten. Andere inerte Gase können ebenfalls als Ver- *> Untergestellmaterials mit dem gasförmigen Atzmittel dünnungsmittel benutzt werden. das zu ätzpolierende Material verunreinigen

Das Verfahren der Erfindung gestattet das Ätz- Für Saphir als zu atzpoherendes. Matenal wurde

polieren eines feuerfesten anorganischen Oxid-Unter- bestimmt, daß geringe Mengen Schwefeltetrafluor d lagenmaterials, um eine Oberfläche ohne Bearbeitungs- (SF₄) (möglicherweise weniger als 1 Molprozent) η schaden zur Erleichterung der epitaxialen Abscheidung »5 einem Wasserstoff- oder ^He!^Ium:^Tra?^er^i,.^fc'^ ™" von Halbleiterschichten mit niedrigen Dislokations- friedenstellende Ätzpohtur ^de/Saphiroberflache erwerten zu erhalten zielen. Temperaturen von 1300 C oder darüber Darüber hinaus können durch das Verfahren zum werden empfohlen. Von etwa 1150°C ab wurden An-Ätzpolieren auch die Seiten und Enden von Rubin- zeichen eines beginnenden epitaxialen Wachstums (oder anderen feuerfesten anorganischen Oxid-) Laser- 30 vermutlich von AlF₃, auf dem »Pj¹¹™⁰⁸™· "f stäben behandelt werden. etwa 1300⁰C ist der Dampfdruck des Matenab offen-F i g. 1 zeigt eine Vorrichtung, die bei der prak- bar hoch genug, um die Störung des Ätzprozesses zu tischen Durchführung des Verfahrens Anwendung verhindern.

finden kann· die Wird SF₄ mit einer Konzentration von etwa 0,5

Fig. 2, 3 und 4 sind graphische Darstellungen, 35 bis 1,0 Molprozent in einem Jragergas verwendet die den Gewichtsverlust pro Flächeneinheit (Ordinate können Saphir-Atzgeschwind.gkei er, von etwa 2 μ in mg/cm*) als Funktion der Zeit (Abszisse in Minute) pro Minute bei einer U»^*»^™¹™ ™"_r für drei verschiedene Konzentrationen des Ätzmittels 1450°C erhalten werden. .^Sa?^m«^le guter op _7eiBen Qualität, die auf diese Weise atzpoliert worden waren,

Wto in Fig. 1 dargestellt ist, wird das feuerfeste 40 zeigten eine hochpolierte b^»Otato,to Materials 1, welches ätzpoliert werden soll, in ein ver- zur Ablagerung epitaxial«· SchichtengutPJPjmr. tikales Umsetzungsgefäß 2 auf ein Untergestells Einige Hervorhebunger.de^1^™™^*™™ und von diesem durch Ausfüllblock 4 getrennt gebracht. (grain boundnes) wurde im Anschluß an das Atz Untergestell 3 kann aus Kohlenstoff hoher Dichte polieren beobachtet. _VPrwendune von

bestehen, obwohl an Stelle dessen auch Silizium, 45 Es ^.^^£^25™ Molybdän oder andere Stoffe, die induktiv erhitzt Schwe elhexafluond (SF. in eine He ^umve™«""J"g werden können und die keine unerwünschten Ver- ebenfalls zu einer beachtlichen Ätzpohtur des Saphirs

werden können und die keine

unreinigungen in das System einführen, verwendet «^.^SF-»;«»^«ⁿ^

werden können. Ausfüllblock 4 besteht am besten Atzpol.erm.ttel als SF₄, da da 'Hexag

aus einer Form des Materials, das ätzpoliert werden ₅o Reinheit erhalten werden kann und biljger «t als SF₁

3ssaiS!£ siSig

3s«ssaiS!£ siigi

Saphir ätzpoliert werden soll, die Verwendung eines mit SF. Wasserstoff ^al» ^"^""g^'^'^

Ausfüllblocks aus Aluminiumoxid geeignet. 55 man sehr geringe Atzpolierung des Saphi.s bei der

Untergestell 3 ist in einem Raum angeordnet, der gleichen Bedingungen, be, ^LSJ^^S

von Spule 5 umgeben ist, welche Spule durch eine Hehumverdunnung eine ausgeze.chnetc Atzpoiuui

Hochfrequenzquelle (nicht gezeigt) aktiviert wird, um erreicht. Heliumver

die induktive Erhitzung des Untergestells 3 zu erzeugen. Bei Verwendung vor.SF. '« ^e'^ner ™^1VJ

Das System umfaßt Rohrleitung 6, die in die Kammer 60 dimming zum *^ι^™*Ζ^ΰ_η7ηΛκ*α

des Umsetzungsgefäßes 2 mündet und die Verbindung ^^^l^^f^¹^ erhalte.

zu der Quelle 7 des Gasphascnätzmittels SF₄ oder SF₆ 1300 und 1600 C erziel!, r g

herstellt Die Strömungsgeschwindigkeit de. Ätzmittels ^^^^^^jS^Sj^ wird durch Ventil 8 kontrolliert und durch Strömlings- des SaPⁿ'^^WI™^SVCTJ"⁵^. ^PJ_on,_Cntrationen (0 messer 9 überwacht. Rohrleitung 6 ist noch mit c.ner 6₅ Funktion der Ze.t fu,r drei Konzcntra..onu

Wird ST₀ vcrwsndet, ist cm inertes Gas, wie ζ H. und

gewählte Strömungsgeschwindigkeiten von 2,5 Litern pro Minute verwendet, mit einer Umsetzungskammer 2 von 60 mm Durchmesser, einem Sockel 3 aus Kohlenstoff hoher Dichte mit 38,1 mm Durchmesser und einem Ausfüllblock 4 aus polykristallinem Aluminiumoxid.

Aus F i g. 2 kann z. B. ersehen werden, daß bei Ätzpolierung des Saphirs mit einer 0,22molprozentigen Konzentration von SF, in Helium über einen Zeitraum von 50 Minuten und bei einer Sockeltemperatur von 135O°C der Saphir einen Gewichtsverlust von 6 mg/cm* zeigte. Dieser Punkt wird durch Punkt 16 in F i g. 2 angezeigt. Es ist ebenfalls zu beachten, daß dies einer Ätzpoliergeschwindigkeit von 0,1 mg/ cm²/Min. entspricht.

Die genannten Verfahren können ebenfalls wirksam angewendet werden zur Ätzpolierung von Feinschliff-Saphiroberilächen (etwa 7,62 · 10"* mm Oberflächenbearbeitung), eher als von diamantpolierten Unterlagenmaterialien. Dies hat den doppelten Vorteil, die Bearbeitungsschäden durch das Polieren auf einem Minimum zu halten und die Unterlagenmaterialkosten erheblich zu senken. Die Erfahrung hat gezeigt, daß Einwirkungszeiten in der Größenordnung der fünffachen Zeit, die zum Ätzpolieren diamanlpolierter Oberflächen benötigt werden, zur Durchführung solcher Ätzpolierung von Feinschliff-Saphiren erforderlich sind.

Fine Analyse der mit SF₆ erhaltenen Ergebnisse zeigt, daß es in seiner Ätzpolieifähigkeit selektiv für verschiedene Saphir-Orientierungen ist. Unter identischen Bedingungen, bei relativ hohen SF„-Konzcntrationcn, zeigt Saphir (1Ϊ02) gewöhnlich eine etwa rauhe Oberfläche, während Saphir (1123) eine sehr glatte Oberfläche aufweist. Jedoch wurden bei niedrigen SF₆-Konzentrationen annehmbar polierte (1T02)-Oberflächen auf Saphir guter Qualität erhalten, bei Abtragungsgeschwindigkeiten von bis zu 0,4 mg/cm²/Min. bei 1550⁰C (beobachtete Sockeltemperatur). Diamantgeschjiffene Oberflächen, orientiert nach (1123), haben

bei Ätzgeschwindigkeiten von 0,7 mg/cm²/Min. bei 1450⁰C eine Politur erhalten.

Die Tabelle enthält typische Werte des Gewichtsverlustes, die beobachtet wurden, als 0,3 Molprozent SF, in Heliumverdünnung zum Ätzpolieren anderer

zo Materialien als Saphir verwendet wurden. Wie zuvor sind die gegebenen Werte als typisch zu betrachten; sie variieren in Abhängigkeit von der Bauweise der Kammer, der Art des Trägergases, der Strömungsgeschwindigkeit, der angewendeten Einwirkungszeit,

»5 der zum Ätzpolieren exponierten Kristalloberflächen usw.

Wirkung der Ätzpolierung von feuerfesten anorganischen Oxiden mit 0,3 Molprozent SF- in Heliumverdünnung

bei 1450⁰C und 30 Minuten Dauer

Material

Physikalische Form

Gewicht (mg)	nach	Verlust
	13,2
vor	226,4	0,4
13,6	52,7	23,4
249,8	81,3	8,7
61,4		6,3
87,6

Annähernde Gewichtsveränderung

(Vo)

Beobachtungen

ThO₂

Spinell

Chrysoberyll
BeO

kleine Würfel (1 mm³) Oval (9,5 · 12 mm)

Plättchen (6,5 · 3 mm) Prisma (~-6 · 4 mm)

9,2

16,5

7,2

ätzpoliert

ätzpoiieri

ätzpoliert

geätzt

Im allgemeinen sollte das Material, welches ätzpoliert werden soll, dem gasförmigen Ätzmittel so lange ausgesetzt werden, bis eine Schicht entfernt wird, die mindestens die gleiche Dicke besitzt wie der tiefste auf dem Material im Anschluß an das Vor- oder Diamantpolieren beobachtete Kratzer. Andernfalls kann auch eine Ätzpolierzeit gewählt werden, die ausreicht, um eine Materialdicke zu entfernen, die einen wesentlichen Anteil der Schaden enthält.

Obgleich die Erfindung im einzelnen beschrieben und dargestellt worden ist, ist darauf hinzuweisen, daß dies lediglich als Erläuterung und nicht als Begrenzung zu verstehen ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 erfolgreich. Überdies besitzen sie den Nachteil, daß ρ _ . solche Flüssigkeitsverfahren nicht leicht innerhalb der ratentansprucne: Abscheidekammer selbst durchgeführt werden können. Daher muß das flüssig gereinigte Substrat vor der

1. Verfahren zur Verbesserung der Oberflächen- 5 Aufbringung der epitaxialen Halbleiterschicht gehandqualität von feuerfesten anorganischen Oxid- habt und der Atmosphäre und/oder anderen verunmaterialien, dadurch gekennzeichnet, reinigenden Einflüssen ausgesetzt werden.

daß die Oberflächen dieses Materials ätzpoliert Einige Gasphasen-Ätzmittel sind teilweise früher

werden, indem das Material auf eine erhöhte verwendet worden, um die Oberfläche zur Verbesserung Temperatur erhitzt und die Oberfläche des Mate- io ihrer Qualität zu ätzen. Jedoch entfernten diese rials einem fluoridhaltigen Gas ausgesetzt wird. gasförmigen Ätzmittel nach dem bisherigen Stand der

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Technik das Unterlagenmaterial langsam und hatten zeichnet, daß als fluoridhaltiges Gas SF₄ oder SF₁ die Neigung, mit dem Unterlagenmaterial zu reagieren, verwendet wird. und es so eher zu verschlechtern, als zu verbessern.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 15 Zum Beispiel wurde Wasserstoffgas verwendet, jedoch gekennzeichnet, daß als fluoridhaltiges Gas SF₁ ist die Ätzgeschwindigkeit sehr gering in Zeiträumen, in Verdünnung mit Wasserstoff, Helium, Argon die als praktisch erachtet werden können (etwa bis zu oder Stickstoff verwendet wird. einer Stunde). Ätzen mit Chlorwasserstoff erfordert

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ebenfalls lange Zeiträume, und sollte ein polykristalgekennzeichnet, daß als fluoridhaltiges Gas SF₄ so liner AusfüHblock als Träger für ein monokristallines zusammen mit Helium als inertem Gas und Ver- Substrat verwendet werden, wurde das Auftreten von dünnungsmittel verwendet wird. Stoffübertragung vom AusfüHblock zum Substrat

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, beobachtet.

dadurch gekennzeichnet, daß als feuerfestes anor- Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren zum

ganisches Oxidmaterial Al₁O,, Saphir, BeO, Spinell, as Ätzpolieren mit einem gasförmigen Ätzmittel zu

Thoriumoxid oder Chrysoberyll verwendet wird. entwickeln, welches bei relativ schneller Ätzgeschwin-

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, digkeit direkt vor Bildung der epitaxial gewachsenen dadurch gekennzeichnet, daß als feuerfestes an- Schicht auf dem Substrat durchgeführt werden kann, organisches Oxidmaterial Saphir verwendet wird, Das Verfahren sollte in der Abscheidungskammer der auf eine Temperatur im Bereich von annähernd 30 durchgeführt sein, so daß das Substrat zwischen der 1300 bis 1600⁰C erhitzt wird. Ätzpolier- und der nachfolgenden Abscheidungsstufe

nicht weiter bearbeitet werden braucht Das Ätzpolierverfahren soll auch für andere Zwecke als das Reinigen

von Substratmaterial verwendbar sein, z. B. beim

35 Ätzpolieren der Seiten und Enden von Rubin-Laserstäben. Das Verfahren soll der Verbesserung der Oberflächenqualität von feuerfesten anorganischen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesse- Oxidmaterialien wie ΑΙ,Ο,, Saphir, Berylliumoxid, rung der Oberflächenqualität von feuerfesten anorga- Spinell, Chrysoberyll, Thoriumoxid und anderen nischen Oxidmaterialien, wobei ein gasförmiges Fluo- 40 dienen, speziell von solchem anorganischem Oxidrid-Ätzmittel zum Ätzpolieren von Saphir und anderen material, das als Unterlage für die epitaxiale Abschei-Oxiden verwendet wird. dung von Halbleitermaterialien Verwendung findet.

Die Qualität epitaxialer Filme, die auf einem Das Verfahren zum Ätzpolieren der Oberfläche eines Unterlagenmaterial wie z. B. Saphir, Spinell, MgO, feuerfesten anorganischen Oxidmaterials sollte direkt BeO und Chrysoberyll gewachsen sind, wird bestimmt 45 vor der Abscheidung des Halbleitermaterials auf dieser durch die Qualität der Oberfläche des Unterlagen- Unterlagenoberfläche und in derselben Kammer wie materials. Bisherige Verfahren zur Verbesserung der diese erfolgen.

Oberfläche umfassen die Verwendung von Diamant· Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur

Paste zum Polieren der Oberfläche. Jedoch blieben, Verbesserung der Oberflächenqualität von feuerfesten wenn nicht außerordentliche Sorgfalt während des so anorganischen Oxidmaterialien, welches dadurch gePolierens angewendet wurde, Kratzer verschiedener kennzeichnet ist, daß die Oberflächen dieses Materials Größe, sichtbar bei großer Vergrößerung (z. B. χ 400), ätzpoliert werden, indem das Material auf eine erhöhte nach dem Polieren des Saphirs auf der Oberfläche Temperatur erhitzt und die Oberfläche des Materials zurück. Die Gegenwart solcher Kratzer beeinflußt den einem fluoridhaltigen Gas ausgesetzt wird. Kristallkernbildungsmechanismus und so die Qualität 55 Als fluoridhaltiges Gas dient gemäß einer bevorzugepitaxial gewachsenen Siliziums oder anderen auf der ten Ausführungsform der Erfindung SF₄ oder SF₁. Substratoberfläche abgelagerten Materials. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfin-

Häufig wird ein Aluminiumoxid-Polierverfahren dung wird als fluoridhaltiges Gas SF₄ in Verdünnung zur Steigerung der Diamantpolierung verwendet, um mit Wasserstoff, Helium, Argon oder Stickstoff die feinen Kratzer zu entfernen. Jedoch werden bei 60 verwendet, während nach einer weiteren bevorzugten diesem Verfahren die tieferen Kratzer manchmal mit Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Aluminiumoxidpulver gefüllt, anstatt entfernt zu fluoridhaltiges Gas SF₁ zusammen mit Helium als werden. Optisch scheint die Oberfläche von guter inertem Gas und Verdünnungsmittel Verwendung Qualität zu sein, jedoch zeigen sich die nicht entfernten findet.

Oberflächenschäden während der anschließenden 65 Das Verfahren der Erfindung ist bevorzugt auf die WassmtofTätzung und/oder des Filmwachstums. feuerfesten anorganischen Oxidmaterialien Al₁O₁,

Bestimmte sogenannte »nasse« chemische Verfahren Saphir, BeO, Spinell, Thoriumoxid oder Chrysoberyll waren nur (eilweise zur Verbesserung des Substrates anwendbar.