DE2139017A1

DE2139017A1 - Verfahren und Vorrichtung zum chemischen Atzen von Oberflachen

Info

Publication number: DE2139017A1
Application number: DE19712139017
Authority: DE
Inventors: Raymond Arthur Henry William Nelson Lancaster Pa Alleman (V St A)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1970-08-07
Filing date: 1971-08-04
Publication date: 1972-02-10
Also published as: US3640792A; JPS474462A; FR2103912A5; JPS5124338B1; GB1295008A; CA918046A

Description

Dipl.-Ing. H. Sauerland · Dn.-Ing. R. König ■ Dipl.-Ing. K. Bergen

Patentanwälte · 4ood Düsseldorf · Cecilienallee vb ■ Telefon 43273a

Unsere Akte: 26 824 3.August 1971

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)

"Verfahren und Vorrichtung zum chemischen Ätzen von

Oberflächen"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Vorrichtungen zum chemischen Ätzen relativ flacher Oberflächen von Werkstücken, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, zum Ätzen von Halbleiterplättchen auf eine gewünschte Dicke»

Halbleiter-Fangelektroden oder auch -Vidieon-Speicherplatten bestehen im allgemeinen aus einem Siliziumplattchen des N-Typs mit einem Durchmesser von ungefähr 1,25 bis 2,5 cm, das von eine.r Dicke von ungefähr 127 Mikron auf

eine Dicke von ungefähr 8,5 Mikron geätzt wird. In eine Oberfläche des Plättchens wird vor dem Ätzen eine Matrix diskreter P-Bereiche diffundiert. Beim Betrieb der Speicherplatte werden die PN-Übergänge zwischen den P-Bereichen und dem N-Material in Sperrichtung vorgespannt. Licht einfall auf das Plättchen von der den P-Bereichen gegenüberliegenden Seite aus wird absorbiert und führt zu Minoritätsträgern im N-Material. Die Minoritätsträger diffundieren in die P-Bereiche und führen zu einer Ladungsverteilung in den P-Bereichen, die dem einfallenden Lichtmuster entspricht. Es ist erwünscht, daß derartige Platten eine gleichmäßige Dicke haben, die ungefähr einer Diffu-

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sionslänge der Minoritätsträger entspricht, d_ah. für Siliziummaterial ungefähr 8,5 Mikron. Eine dickere Platte führt zu schlechter Blauwiedergabe, da durch blaues Licht hervorgerufene Minoritätsträger nahe der Oberfläche erzeugt werden, auf die das Licht trifft, und somit nahezu durch die gesamte Plättchendicke diffundieren müssen um die PN-Übergänge zu erreichen. Eine dünnere Speicherplatte führt zu schlechter Rotwiedergabe, da dünnes Silizium eine gewisse Transparenz für rotes Licht besitzt. Eine Platte von ungleichmäßiger Dicke ergibt schließlich außerordentlich ungleichförmige Signale, da die Reaktion auf blaues und rotes Licht über die Oberfläche von Stelle zu Stelle in diesem Fall variiert,,

Eine zur Zeit verwendete Methode zum Erzielen der gewünschten geringen Plättchendicke besteht darin, daß die fertiggestellte Diodenseite des Plättchens mit einem Resist, wie Wachs, überzogen wird und das Plättchen dann in ein Becherglas mit Ätzmittel getaucht wird, wobei das Becherglas in einer Winkellage von ungefähr 45° rotiert wird. Dabei rollt das Plättchen entlang der Peripherie des rotierenden Becherglases und erfährt dabei eine relativ gleichförmige Bewegung des Ätzmittels an der zu ätzenden Oberfläche.

Dennoch besitzt diese Ätzmethode einen erheblichen Nachteil, der darin besteht, daß nicht genügend Gleichförmigkeit der endgültigen Plättchendicke erreicht werden kann. Es passiert dabei nämlich häufig, daß an einigen Stellen das Plättchen völlig durchgeätzt wird, bevor andere Stellen überhaupt eine Dicke von ungefähr 10 Mikron erreicht haben. Ein weiteres Problem bei diesem Verfahren besteht darin, daß es äußerst schwierig ist, die Dicke des Plättchens während des Ätzprozesses zu überwachen. Ein Überwachen bedingt nämlich das Anhalten der Apparatur und Entfernen des Plättchens aus dem Ätzmittel, Ein drittes Pro-

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blem bei diesem Verfahren besteht darin, daß es relativ langsam arbeitet, weil die Rotationsgeschwindigkeit, die für das Becherglas zulässig ist, durch die Tendenz des Plättchens begrenzt ist, von der Wand des Becherglases mitgenommen zu werden und dadurch die Rollbewegung einzustellen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die genannten Nachteile des bekannten Verfahrens zu vermeiden und insbesondere ein Verfahren und Vorrichtungen zu seiner Durchführung vorzuschlagen, mit dem bzw. denen die Herstel- ™ lung gleichförmig dünner bzw. gezielt geformter Halbleiterplättchen bei gleichzeitig zuverlässiger Überwachung möglich ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ätzmittel in eine Wirbelströmung versetzt wird, bei der das Ätzmittel im mittleren Bereich aufsteigt und im äußeren Bereich fällt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gelangt vorzugsweise eine Vorrichtung zum Einsatz, die aus einem Behälter zur Aufnahme flüssigen Ätzmittels, in das die zu ätzende Oberfläche des Werkstücks getaucht wird, Einrichtungen zum Erzeugen einer gezielten Turbulenz im Ätzmittel und einer die Werkstückoberfläche umgebende Umlenkfläche zum gezielten Führen des Ätzmittels λ auf die Werkstückoberfläche besteht.

Mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden geätzte Oberflächen hoher Gleichförmigkeit erreicht. Silizium-Vidicon-Platten können z.B. auf eine Dicke von ungefähr 8,5 Mikron mit einer maximalen Abweichung von 30% über die gesamte Fläche geätzt werden, wodurch die Herstellung von derartigen Platten mit einer außerordentlich gleichförmigen Farbwiedergabe erreicht ist. Die Vorrichtung kann vorteilhafterweise so ausgeführt sein, daß während des Ätzvorgangs Licht durch das Werkstück geleitet werden kann, so daß die Plättchendicke während des Fort-

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sclireitens des Ätzvorgangs überwacht werden kann. Außerdem werden die Einrichtungen zum Erzeugen der Turbulenz zweckmäßig so gestaltet, daß sie zu einer außerordentlich lebhaften Zirkulation des Ätzmittels führen, durch die der Ätzprozeß ohne Beeinträchtigung der gleichförmigen Abtragung erheblich beschleunigt wird«,

Anhand der bevorzugte Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, teilweise geschnitten;

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Teils des in der erfin- * dungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendeten Rührers, teilweise geschnitten, um Einzelheiten zu verdeutlichen;

Fig. 5 eine Draufsicht auf den Boden des Rührers gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Oberfläche eines in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendeten Deflektors;

Fig. 5 einen Querschnitt durch das in Fig₀ 1 dargestellte Plättchen nach dem Ätzen;

Fig. 6 ein anderes in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 geätz tes Plättchen im Querschnitt.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Vorrichtung für das Ätzen eines runden Silizium-Vidicon-Plättchens ausgelegt, das einen Durchmesser von ungefähr 2,2 cm besitzt. Dieses Plättchen soll im vorliegenden Fall von einer Dicke von ungefähr 127 Mikron auf eine relativ gleichmäßige Dicke von ungefähr 8,5 Mikron

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im mittleren, größeren Teil geätzt werden, während ein ungefähr 0,16 cm breiter Rand entlang der Außenkante die ursprüngliche 127 Mikron-Dicke als Abstützung behalten soll. Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 10 besteht aus einem flüssiges Ätzmittel 18 aufnehmenden Gefäß 12 mit einer Mittellängsachse 13, einem Rührer 14 und einem Deflektor 16. Das dargestellte Gefäß 12 ist ein runder Polyvinylchloridzylinder von 30 cm Höhe mit einem Innendurchmesser von 7,5 cm und einer Wanddicke von 0,16 cm. Der auch in den Fig. 2 und 3 dargestellte Rührer 14 besteht im wesentlichen aus einer Polyvinylchloridscheibe, die mit mehreren ™ sich verjüngenden, kreisförmig um die Achse 13 angeordneten Löchern 15 versehen ist. Eine am Rührer 14 befestigte Welle ist mit einem nicht dargestellten Antrieb verbunden, Lim den Rührer 14 entlang der Mittellängsachse 13 des Behälters 12 mit einer Frequenz von ungefähr 60 Hertz bei einer Amplitude von ungefähr 1,5 mm in schwingende Bewegungen zu versetzen. Die sich verjüngenden Löcher 15 in dem Rührer sorgen dafür, daß das Ätzmittel 18 während der Schwingbewegungen des Rührers 14 in einen nach oben gerichteten Fluß gesetzt wird. Der auch in Fig. 4 gezeigte Deflektor 16 besteht aus einem säurefesten Thermoplast, z.B. Tetrafluoräthylen fluoriertes Äthylpropylen-Harz, und hat ä einen Durchmesser von ungefähr 7,2 cm. Er besitzt eine Schulter von ungefähr 0,12 cm Breite und eine ringförmige, nach innen gerichtete, konische Umlenkfläche 20. Eine flache Vertiefung 22 mit gut 3,81 cm Durchmesser ist zentrisch im Deflektor 16 angeordnet. Der Boden der Vertiefung 22 verläuft senkrecht zur Achse 13 des Behälters 12 und des Deflektors I6_e Der Winkel θ zwischen der Umlenkfläche 20 und der Achse 13 beträgt ungefähr 60°. Im Behälter 12 befinden sich ungefähr 800 ml Ätzmittel 18 aus 49?6iger Flußsäure und 70%iger Salpetersäure, die zu einer Lösung von Flußsäure und Salpetersäure in Wasser vermischt werden, die aus 1,47 mol Flußsäure und 14,98 mol Salpeter-

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säure besteht. Das Ätzmittel wird auf Raumtemperatur gehalten. Der Flüssigkeitsspiegel des Ätzmittels 18 liegt 13,33 cm über der Unterkante der Umlenkfläche 20. Die Unterseite des RUhrers 14 befindet sich ungefähr 6,89 cm über der Unterkante der Umlenkfläche 2O₃ Ein in den Fig. 1 und 5 dargestelltes Plättchen 24 ist auf seiner Diodenfläche mit Wachs überzogen und mit der Diodenseite nach unten, dicht mit einem Glassubstrat 26 verbunden, das in die Vertiefung 22 des Deflektors 16 eingepaßt ist. Ein 0,16 cm breiter Rand 27 des Plättchens 24 ist ebenfalls mit Wachs abgedeckt. Dieser Rand wird als Stütze in seiner ursprünglichen Dicke belassen., Eine nicht dargestellte elektrische Lampe kann als Lichtquelle direkt unter dem Deflektor außerhalb des Behälters 12 angebracht sein, während ein ebenfalls nicht dargestelltes Lichtmeßgerät oberhalb des Plättchens entweder außerhalb oder innerhalb des Gefässes 12 angeordnet ist, um die Dicke des Plättchens 24 während des Ätzprozesses zu überwachen.

Nachdem das Plättchen 24 befestigt worden ist, wird das Substrat 26 in die Vertiefung 22 eingepaßt und der Rührer 14 durch einen Vibrator angetrieben. Der Rührer 14 bringt das Ätzmittel 18 in eine ringförmige Zirkulation, bei der das Ätzmittel im mittleren Bereich des Behälters 12 aufsteigt und im Wandbereich abfällt, wie dies durch die Pfeile 25 angedeutet ist. Da das Plättchen 24 am Boden der Ringströmung angeordnet ist, wird das Ätzmittel in der Nähe des zentralen Bereichs der Plättchenoberfläche nach oben gepumpt und vom Wandbereich durch die Oberfläche 20 über das Glassubstrat 26 und das Plättchen 24 gelenkt, bis es im mittleren Bereich aufsteigt. Der Rührer 14 wird für ungefähr 20 Minuten angetrieben, während die Dicke des Plättchens 24 überwacht wird, bis sie ungefähr 5 Mikron beträgt. Dann werden das Plättchen 24 und das Substrat 26 aus dem Ätzmittel 18 entfernt und das Plättchen 24 mit entionisier-

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tem Wasser gespült. Ein besonderer Vorteil des Deflektors 16 besteht darin, daß nach Entfernen des Plättchens 24 und des Deflektors 16 aus dem Ätzmittel 18 eine die Oberfläche des Plättchens 24 bedeckende Ätzmittelpfütze erhalten bleibt. Dadurch wird eine Fleckenbildung oder sonstiger Angriff vermieden, die andernfalls durch Säurereste und Luft vor dem Spülen des Plättchens 24 mit Wasser eintreten könnte.

Die zuvor als bevorzugtes Ausfülirmigsbeispiel beschriebene, g erfindungsgemäße Vorrichtung ist zwar besonders zum Ätzen gleichförmig flacher Oberflächen geeignet, kann jedoch auch zum Ätzen sowohl konvexer als auch konkaver Oberflächen verwendet werden. Der Winkel θ zwischen der Umlenkfläche 20 und der Mittellängsachse der Ringströmung beeinflußt die Ätzrate an verschiedenen Punkten der Oberfläche des flachen Werkstücks in radialer Richtung symmetrisch. Es hat sich herausgestellt, daß innerhalb eines Bereichs von ungefähr 30° bis 75° ein Winkel θ von weniger als nahe dem Außenumfang des Werkstücks zu einer höheren Ätzrate führt als im zentralen Bereich. Dadurch kann ein Werkstück mit einer konvexen Oberfläche geätzt werden. Andererseits führt ein* Winkel θ von mehr als 60° zu einer gleich- { mäßig gekrümmten, konkaven Oberfläche. Somit kann auch ein unebenes Silizium-Vidicon-Plättchen 28 gemäß Figo 6 mit einem dünnen Zentralbereich 30 für hohe Blaulichtempfindlichkeit hergestellt werden, das jedoch einen dickeren äußeren Bereich 32 mit geringerer Blaulichtempfindlichkeit besitzt, jedoch noch einige Randauflösung für Blaulicht zeigt und aufgrund seiner Dicke erheblich verstärkte Stützfunktion besitzt. Obwohl der dargestellte Behälter als kreisförmiger Zylinder ausgebildet ist, können auch andere Behälterformen verwandt werden, wenn in ihnen durch geeignete Zirkulationseinrichtungen eine Ringströmung erzeugt werden kann. Das Maß, in dem die Behälterform für

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das erfindungsgemäße Verfahren kritisch ist, hängt von der Größe sowohl des Behälters als auch des Werkstücks ab, ■wobei es primär darauf ankommt, daß die Strömung des Ätzmittels über die Oberfläche des Deflektors zur Mitte hin gerichtet und grundsätzlich kreisförmig gleichmäßig in Art einer Kugel ist. Bei sehr großen Behältern wird die Ringform der Strömung im Zentralbereich durch die Form der Behälterwände nur unbedeutend beeinflußt.

Das Ätzmittel kann selbstverständlich verschiedenartig zu-. sammengesetzt sein, um den verschiedenen Ätzraten zu entsprechen, die für bestimmte Substanzen erwünscht sind. Das erfindungsgemäße Gerät ist grundsätzlich für jegliche mit Flüssigkeit zu ätzende Festkörper anwendbar. Die Zusammensetzung des Ätzmittels ist nicht kritisch. Der Rührer kann auch durch andere Einrichtungen ersetzt werden, durch die das Ätzmittel im Behälter in eine ringförmige Zirkulationsströmung versetzt wird. Der Winkel zwischen der Umlenkfläche 20 und der Mittellängsachse der Ringströmung sollte den verschiedenen Bedingungen der Vorrichtung, wie Größe des Behälters, Form des Rührers, Größe des Werkstücks und den wirksamen Strömungseigenschaften des Ätzmittels angepaßt sein.

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Claims

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RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N. Y. 10020 (V.St.A.)

Patentansprüche;

; 1 .j Verfahren zum chemischen Atzen der Oberfläche eines Werkstücks, wobei das Werkstück in einen eine Ätzflüssigkeit enthaltenden Behälter getaucht wird, dadurch ge- g kennzeichnet , daß das Ätzmittel (18) im Behälter (12) in eine Wirbelströmung versetzt wird, bei der es im mittleren Bereich aufsteigt und im äußeren Bereich fällte
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung des Ätzmittels (18) in der Nähe des Werkstücks (24) derart umgelenkt wird, daß es bis zum mittleren, aufsteigenden Strömungsbereich über die Oberfläche des Werkstücks (24) strömt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzmittel (18) in ring- | förmige Strömung versetzt wird.
4. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3» gekennzeichnet durch einen das herabströmende Ätzmittel aus dem äußeren Bereich auf die Werkstückoberfläche lenkenden Deflektor (16) mit einer Umlenkfläche (20), die aus einem im wesentlichen kreisförmigen Segment eines nach innen gerichteten Konus besteht, dessen Mittelachse mit der Mittellängsachse (13) der Strömung zusammenfällt, und daß das Werkstück (24) im wesentlichen in der Ebene eines senkrecht zur Achse (13) verlaufenden Schnitts durch die Um-

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lenkfläche (20) angeordnet ist.
5«. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (12) im wesentlichen Kreiszylinderform besitzt und oberhalb des Werkstücks (24) ein Rührer (14) in Form einer relativ unflexiblen Scheibe in das Ätzmittel (18) getaucht ist, wobei die Mittelachse der Scheibe (14) mit der Mittellängsachse (13) der Strömung und des Behälters (12) zusammenfällt, und daß die Scheibe (14) eine das Ätzmittel (18) vom Zentrum des Werkstücks durch oszillierende Bewegungen entlang der Achse (13) wegfördernde Ausbildung besitzt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Umlenkfläche (20) mit der Mittellängsachse (13) einen Winkel von 30° bis 75° einschließt.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkfläche (20) des Deflektors (16) aus einem säurebeständigen, thermoplastischen Material besteht, der Winkel mit der Achse (13) ungefähr 30° beträgt und das Ätzmittel (18) eine Lösung aus Wasser, Flußsäure und Salpetersäure ist.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (14) mit mehreren, nach oben sich verjüngenden, kreisförmig um die Achse (13) angeordneten Löchern (15) versehen ist.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Werkstücks (24) eine auf das Werkstück ge-

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richtete Lichtquelle angeordnet ist, die mit einem oberhalb des Werkstücks (24) innerhalb oder außerhalb des Behälters (12) vorgesehenen Lichtmeßgerät zusammenwirkt.
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