DE2147703A1 - Verfahren zum Herstellen wurfelfbr miger Kristallkorper - Google Patents
Verfahren zum Herstellen wurfelfbr miger KristallkorperInfo
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Description
Dipl.-lng. H. Sauerfand · Dr.-lng. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen
Patentanwälte ■ 4ooo Düsseldorf · Cecilienallee 7B · Telefon 432732
Unsere Akte: 26 957 22. September 1971
Be/Sch.
RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza,
New York, N.Y. 10020 (V.St.A0) .
"Verfahren zum Herstellen würfelförmiger Kristallkörper"
Die Erfindung betrifft die Herstellung kristalliner Bauteile, beispielsweise solcher aus Halbleitermaterial, insbesondere
die Herstellung würfelförmiger Halbleiterplättchen.
Halbleiterbauteile sind bereits mittels photolithographischer und Diffusions-Verfahren auf einer Scheibe sprödem,
monokristallinem Halbleitermaterial hergestellt worden. Gewöhnlich werden mehrere Bauteile auf einer Scheibe hergestellt,
danach voneinander durch einen Vorgang getrennt, den man auch "Würfeln" oder "Würfeltrennung" nennt, und
sodann einzeln verpackt. Dabei wurden bisher drei Arten der Würfeltrennung angewandt, nämlich Anreißen und Brechen,
chemisches Trennen sowie Sägen. Von diesen ist die am meisten verbreitete Technik das Anreißen und Brechen.
Das Anreiß- und Brechverfahren ist ähnlich dem bekannten Glasschneideverfahren, bei dem das Material zunächst mittels
eines harten und scharfen Werkzeuges angeritzt oder
angerissen wird und dann in einer Weise gespannt wird, daß es entlang der angerissenen Linie bricht. In ähnlicher Weise
kann eine Halbleiterscheibe mit Hilfe eines Diamantwerkzeuges angerissen werden, beispielsweise in Art eines
rechtwinkligen Gittermusters und danach so gespannt werden,
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daß es in eine Vielzahl von Quadern oder Würfel zerfällt. Obwohl diese Methode kommerzielle Bedeutung erlangt hat,
weist sie verschiedene Nachteile auf« So kann zum Beispiel das Anreißwerkzeug unabsichtlich über die Bauteile gezogen
werden und nicht entlang den zwischen ihnen bestehenden Zwischenräumen, was zum Verlust dieser Bauteile führt.
Auch nimmt die Scheibe durch mechanische Vibrationen, die durch die Reibung zwischen dem Anreißwerkzeug und der
Scheibe auf letztere übertragen werden, häufig Schaden,,
Außerdem bedeutet diese Technik einen nicht unbeachtlichen Materialverlust, da sie einen erheblichen Oberflächenbereich
zwischen den einzelnen, zu trennenden Bauteilen erfordert, um Toleranzen für den Einsatz auch eines stumpfen
Werkzeuges und für mögliche Abweichungen des Werkzeuges von der gewünschten Trennlinie zuzulassen.
Bei dem chemischen Trenn-Prozeß müssen beide Seiten der Scheibe mit einer Ätzschutzschicht versehen werden, die
die Bereiche, in denen die Trennung vorgenommen werden soll, freiläßt. Die Scheibe wird sodann in eine geeignete
Ätzflüssigkeit für eine Zeitdauer getaucht, die so lang zu bemessen ist, daß die Scheibe an den Trennstellen durchgeätzt
wird. Auch diese Methode bringt einen erheblichen Materialverlust mit sich, da das Ätzen nicht nur vertikal
zur Scheibenoberfläche erfolgt sondern auch parallel dazu.
Das dritte der bekannten Verfahren, nämlich das Sägen, verlangt sogar noch größere Oberflächenbereiche als die beiden
übrigen Trennverfahren, und führt darüber hinaus aufgrund
der Vibrationen zu erheblichen Ausbeuteverlusten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile der bekannten Verfahren bei gleichzeitiger Vereinfachung
der Herstellung zu vermeiden. Dazu wird eine Oberfläche eines kristallinen Körpers zunächst dadurch mit
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einer Nut versehen, daß ein Teil der Oberfläche des Körpers einer anisotropen Ätzsubstanz ausgesetzt wird, wonach
der Körper derart belastet wird, daß er entlang der geätzten Nut bricht. Einer der Vorteile des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht darin, daß mit der Herstellung der Nut kein mechanischer Vorgang verbunden ist, so daß Beschädigungen
als Folge von Vibrationen vermieden werden. Darüber hinaus benötigt das erfindungsgemäße Verfahren trotz der
Anwendung eines chemischen Ätzvorganges weniger Oberfläche als das bekannte Diamant-Anreißverfahren.
Anhand der beigefügten Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, wird die Erfindung im folgenden
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Teil der Oberfläche eines kristallinen, erfindungsgemäß
mit Nuten versehenen Körpers;
Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;
und
Fig. 3 einen erfindungsgemäß hergestellten, würfelförmigen Körper nach dem Trennvorgang in perspektivischer
Darstellung,
Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. Fig. 1 stellt die Draufsicht auf einen Teil einer kristallinen Scheibe
10 in einem Zwischenstadium des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens dar. Die Scheibe 10 kann nicht dargestellte,
diffundierte Bereiche, einen passivierenden Überzug und metallisierte Verbindungen aufweisen, die eine Vielzahl
von Halbleiterbauteilen darstellen.
Gemäß Fig. 2 besitzt die Scheibe 10 eine Oberfläche 12, in deren Nähe die diffundierten Bereiche und Verbindungen
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vorgesehen sind. Die Oberfläche 12 sollte so gewählt werden, daß sie senkrecht zu der Richtung verläuft, die eine
anisotrope Flüssigkeit mit der größten Rate ätzt. Wenn die Scheibe 10 aus Silizium besteht, sollte die Oberfläche 12
im wesentlichen parallel zu den kristallQgraphischen Ebenen £i00j verlaufen.
Die Oberfläche 12 ist mit einem ätzresistenten Überzug versehen. Wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, kann dieser
Überzug aus einer Vielzahl rechteckiger Blöcke 14 aus einem Material bestehen, das von dem verwendeten Ätzmittel nicht
angegriffen wird. Die Blöcke 14 werden in Reihen und Zeilen auf der Oberfläche 12 angeordnet. Im Falle von Silizium
sollten die Kanten der Blöcke 14 parallel zu den kristallographischen Ebenen (111) der Scheibe 10 verlaufen. Unter
dem Ausdruck "kristallographische Ebenen (111)" wird die Definition verstanden, nach der darunter alle Ebenen fallen,
die diese Ziffern bei ihrer Benennung in den Miller'sehen Indices aufweisen, d.h. es gehören dazu auch
jene Flächen, die negative Miller-Abschnitte besitzen, wie die (1T1)-, (1TT)-, (11T)-Ebenen usw.
Die Abdeckblöcke 14 sind voneinander in einem vorbestimmten Abstand getrennt, der im Vergleich zur Länge ihrer Seiten
gering ist. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß die Blöcke schmale, langgestreckte Bereiche der Oberfläche 12
in Form eines rechtwinkligen Gittermusters definieren. Die Tiefe der schließlich geformten Nut ist eine Funktion der
Breite des Zwischenraums zwischen den Blöcken 14, Wenn die scheibe aus Silizium besteht und Bauteile enthält, die
durch Aluminiummetallisierung auf einer passivierenden Siliziumdioxydschicht verbunden sind, können die Siliziumdioxyd-
und Aluminiumschichten selbst die Abdeckblöcke 14 bilden, sofern das anisotrope Ätzmittel diese Materialien
nicht angreift und keine Löcher oder andere Ausnehmungen
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in den Materialien vorhanden sind. Auf jeden Fall kann aber auch gewünschtenfalls ein ätzresistenter Überzug über
die Passivierungs- und Verbindungsschichten gelegt werden.
Der nächste Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Scheibe 10 einer geeigneten anisotropen
Ätzflüssigkeit ausgesetzt wird. Für Siliziumbauteile, bei denen die Abdeckblöcke 14 zum Teil aus einer Siliziumdioxyd-Passivierungsschicht
und zum Teil aus einem metallischen Verbindungsmuster bestehen, wird als Ätzmittel bevorzugt
eine wäßrige Lösung eines Amins, wie Hydrazin, Äthylendiamin usw. benutzt. Eine Lösung, die sich als besonders
geeignet bewährt hat, besteht aus 64 Mol.% Hydrazin in Wasser. Diese Substanz ätzt Silizium in der (100)-Richtung
mit einer Ätzrate von ungefähr 6j5 Mikron pro Stunde bei einer Temperatur von ungefähr 700C. Unter den gleichen
Bedingungen ätzt dieses Mittel Silizium in den (111^Richtungen
jedoch mit einer vernachlässigbaren Rate. Zwar ätzt es Silizium in den (211)-Richtungen mit einer geringen Rate,
die jedoch ebenfalls vernachlässigbar ist. In den Fällen, in denen Metalle wie Aluminium nicht zugegen sind,
hat sich eine kaustische Ätzlösung bewährt, die beispielsweise aus einer Mischung von Wasser, einem kaustischen
Agens wie Natriumhydroxid, und einem Alkohol, wie einem N-Propanol, besteht. Sowohl Galliumarsenid als auch Gallium
reagieren anisotrop auf Mischungen von Flußsäure, Salpetersäure und Wasser.
Als Ergebnis des Ätzens entstehen auf der Scheibe 10 Nuten 16, die einen V-förmigen Querschnitt besitzen und von den
(m)-Ebenen der Scheibe begrenzt werden, die die Kanten der Abdeckblöcke schneiden (vgl. Fig. 2). Durch das Ätzen
werden die Blöcke 14 an den Ecken, wie dargestellt, zwar etwas hinterschnitten, was die (211)-Ebenen ein wenig freilegt,
jedoch ist die Ätzrate in den (211)-Richtungen sehr
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gering, so daß die Gefahr einer Beschädigung der Bauteile minimal ist. In der Darstellung sind die Abmessungen der
freigelegten (211)-Ebenen lediglich der Erläuterung halber in starker Vergrößerung wiedergegeben, denn in allen Versuchen
hat sich gezeigt, daß dieses Hinterschneiden für die praktischen Anwendungen der Erfindung kein Problem darstellt.
Unter der Voraussetzung, daß die Blöcke 14 gleich weit voneinander entfernt sind, liegen die Schnittlinien
der die Nuten 16 definierenden Ebenen genau in einer einzigen Ebene, die in Fig„ 2 durch die gestrichelte Linie 18
angedeutet ist. Der Abstand zwischen den Blöcken 14 wird so gering gewählt, daß die durch den Nutgrund definierte
Ebene 18 in einer Entfernung von der Oberfläche 12 verläuft, die geringer als die Dicke der Scheibe 10 ist, d.h.
daß die Nuten 16 sich nicht durch die gesamte Dicke der Scheibe 10 erstrecken. Bei einem typischen Beispiel mit
einer Scheibe von einer Dicke von ungefähr 178 Mikron beträgt der Abstand zwischen den Blöcken 76 Mikron und die
Tiefe der Nuten ungefähr 63 Mikron. Darin liegt ein wesentlicher Unterschied der Erfindung gegenüber bekannten chemischen
Trennverfahren. Da die Scheibe gemäß der Erfindung in der aus dem Anreiß- und Brechverfahren bekannten Weise
_ gebrochen wird, ist das Ätzen durch die gesamte Dicke der W Scheibe überflüssig. Dadurch benötigt die erfindungsgemäße
Methode des begrenzten Ätzens bei weitem weniger verlorene Oberfläche als die bekannten chemischen Trennverfahren.
Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt auch weniger Oberfläche als das Anreiß- und Brechverfahren, weil Toleranzen,
wie sie beispielsweise für die Anwendung bei Anreißwerkzeugen notwendig sind, hier nicht vorzusehen sind.
Nach Beendigung des Ätzvorgangs wird die Scheibe 10 in bekannter Weise belastet, um die Trennung der Würfel zu erzielen.
Ein fertiger Würfel, bei dem zur klareren Darstellung die Schicht 14 entfernt wurde, ist in Fig. 3 mit 20
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bezeichnet. Der Würfel 20 hat Seitenflächen 22 und 24, die als Folge des Brechens entstanden sind, und eine obere Fläche
12, die durch (111)- und (211)-Ebenen in der dargestellten Weise begrenzt ist.
Die zuvor beschriebene Art der Trennung von Halbleiterwürfeln führt zu erhöhter Ausbeute bei der Herstellung, da
das Ausrichten beispielsweise eines Anreißwerkzeuges vermieden wird und Schäden durch Vibrationen nicht eintreten.
Außerdem können mehrere Scheiben gleichzeitig geätzt werden, so daß ein erhöhter Wirkungsgrad bei der Herstellung
erreicht wird. Schließlich resultiert die erhebliche Einsparung an Halbleitermaterial aus der Tatsache, daß der
Ätzprozeß sehr gleichförmig verläuft und für die Nuten 16 nur eine äußerst geringe Oberfläche benötigt wird.
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Claims (1)
- RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V0St.A.)Patentansprüche:1. Verfahren zum Brechen eines Körpers aus sprödem, monokristallinem Material, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Oberfläche (12) des Körpers (10) mindestens eine im wesentlichen V-förmige Nut (16) anisotrop geätzt wird, und daß der Körper (10) sodann entlang der V-förmigen Nut (16) durch Belasten gebrochen wird.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der- Körper (10) aus Silizium besteht, und die Oberfläche (12) parallel zu den kristallographischen (100)-Ebenen des Körpers (10) verläuft, während die V-förmige Nut (16) durch Ebenen begrenzt wird, die parallel zu den kristallographischen (I11)-Ebenen des Körpers verlaufen.3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ätzen der V-förmigen Nut bzw. Nuten (16) eine ätzresistente Abdeckschicht auf die Oberfläche (12) aufgebracht wird, die mindestens zwei mit Abstand voneinander parallel angeordnete Kanten aufweist, die im Vergleich zu ihrem Abstand relativ lang sind, wodurch der freigelegte Bereich der Oberfläche eine schmale, langgestreckte Form erhält.4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von V-förmigen, parallel und senkrecht zueinander verlaufenden Nuten (16) hergestellt werden, so daß der209815/10222U7703Körper (10) in eine Vielzahl rechteckiger Stücke gebrochen werden kann.5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (10) eindiffundierte Bereiche enthält, die eine Vielzahl von Halbleiterbauteilen bilden, wobei jedes der auseinandergebrochenen Stücke eines dieser Bauteile beinhaltet.6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (10) zum anisotropen Ätzen mit einer Mischung aus Wasser, einem kaustischen Agens und einem Alkohol in Berührung gebracht wird.7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (10) zum anisotropen Ätzen mit einer Mischung aus Wasser und einem Amin in Berührung gebracht wird.8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Amin Hydrazin verwendet wird.9β Verfahren zum Teilen eines spröden, monokristallinen Körpers in eine Vielzahl von Stücke, dadurch gekennzeichnet, daß auf die parallel zu den kristallographischen (lOO)-Ebenen des Körpers verlaufende Oberfläche desselben ein ätzbeständiger Überzug aufgebracht wird, der aus einem Schema von Rechtecken besteht, deren Seiten parallel zu den kristallographischen (m)-Ebenen des Körpers verlaufen, und die in Reihen und Spalten mit einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, wodurch ein Teil der Oberfläche des Körpers als rechtwinkliges Gittermuster freigelegt ist, daß die freiliegenden209815/1022- ίο -Bereiche der Oberfläche einer anisotropen Ätzsubstanz ausgesetzt werden, wodurch freiliegende, im Winkel zur Oberfläche verlaufende Flächen gebildet werden, die sich in einer mit Abstand zur Oberfläche verlaufenden Ebene (18) schneiden, wobei dieser Abstand geringer als die Dicke des Körpers (10)" ist, und daß der Körper (10) dann derart belastet wird, daß der der Oberfläche (12) benachbarte Bereich unter genügender Spannung steht, um den Körper entlang der Schnittlinien der im Winkel zur Oberfläche (12) verlaufenden Ebenen zu trennen.10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die anisotrope Ätzflüssigkeit eine Mischung aus Wasser, einem kaustischen Agens und einem Alkohol ist.11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper (10) aus einer diffundierte Bereiche enthaltenden Scheibe besteht, wobei diese Bereiche eine Vielzahl von Halbleiterbauteilen bilden und jedes gebrochene Stück ein Bauteil enthält.12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckschicht teilweise aus einer auf der Oberfläche (12) des Körpers (10) aufgebrachten Siliziumdioxyd-Passivierungsschicht und teilweise aus niedergeschlagenen, die eindiffundierten Bereiche miteinander verbindenden Metalleitern besteht.13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die,. anisotrope Ätzsubstanz eine Mischung aus Wasser und einem Amin ist.209815/10222U770314. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Amin Hydrazin ist.209815/1022Leer seife
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1973
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