DE2633942A1

DE2633942A1 - Verfahren zur oberflaechenbearbeitung von halbleitern

Info

Publication number: DE2633942A1
Application number: DE19762633942
Authority: DE
Inventors: Jean-Marc Moret
Original assignee: Centre Electronique Horloger SA
Current assignee: Centre Electronique Horloger SA
Priority date: 1976-07-28
Filing date: 1976-07-28
Publication date: 1978-02-02

Description

Verfahren zur Oberflachenbearbeitung von Halbleitern
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von Halbleitern, insbesondere zur Erzeugung einer vorgegebenen dreidimensionalen Oberflächenform.
Eine bestimmte dreidimensionale Oberflächenform wird vor allem bei der Bildung von optischen Grenzflachen zwischen einem Halbleiterkristall und dem ihn umgebenden Medium erzeugt um wie z.B.im Fall der Lumineszenzdioden eine optimalen Lichtaustritt aus dem Halbleiter zu ermöglichen, Die meisten der als günstig bekannten Oberflächenformen von Lumineszenzdioden, sh. z.B. Light-Emitting Diode, Proceedings of the IEEE, vol. 60, No. 2, 1. ~Februar 1972, Fig. 75, konnten bisher nur sehr schwer industriell hergestellt werden, da die bei diesen speziellen Formen auftretenden Probleme insbesondere im Hinblick auf die geforderte Genauigkeit und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens mit den üblichen Mitteln nicht gelöst werden konnten.
Die mechanische Bearbeitung unter Zuhilfenahme von Schleifmitteln (sh. z.B. US-PS No. 3.443.140 und "Solid-State Electronics, 1973, vol. 16, 5. 1037-1042) und z.B. auch mit Ultraschall-chwingungen (sh. teispielsweise "Journal of applied Ehysics, vol. 35, No. 4, April 1964, und DT-AS 1.270.687) erzeugt eine tiefgreifende Störung des Kristallgitters und kann deshalb nicht in der Nachbarschaft von pn-Ubergängen angewandt werden. Bei den Verfahren, die ein formgebendes Werkzeug verwenden, das die zu erzeugende konvexe Form, z.B. einer Lichtaustrittskuppel, im Negativ, also konkav aufweisen, verändern ihre Form bald durch Abnützung und erschweren daher das Erzielen von genauen und massgetreuen Oberflächenformen. Schleifvorrichtungen können zudem meist nur eine Stelle bearbeiten, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens stark eingeschränkt ist.
Das Schleifen von Halbkugeln ausgehend von würfelförmigen Teilen analog zur Herstellung von Kugeln hat ebenfalls den Nachteil, dass ein Teil des Verfahrens nicht als "batch process" durchgeführt werden kann.
Chemische Ätzverfahren (sh.z.B. "IBM Technical Disclosure Bulletin, vol.von.9, No.9, Februar 1967) sind vor allem zur Herstellung ebener Strukturen geeignet. Räumliche Formen lassen sich damit jedoch nicht mit genügender Bestimmtheit und Genauigkeit verwirklichen. Dies gilt gleichfalls für Flüssigkeits-und Gasstrahlverfahren.
Die Bearbeitung ganzer Flächen durch Elektronen- , Ionen-oder Laserstrahlen erfordertsehr komplizierte Steuer- und Ablenkvorrichtungen um genau definierte dreidimensionale Gebilde zu erzielen. Die damit zusammenhängenden Probleme sind noch nicht zur Gänze gelöst und die Kosten solcher Verfahren stellen einen entscheidenden Nachteil dar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit vergleichsweise einfachen Mitteln durchführbares Verfahren zur Bearbeitung von Halbleiteroberflächen zu schaffen, insbesondere zum Herausarbeiten von genauen dreidimensionalen Oberflächenformen, wie sie bei Lumineszenzdioden Verwendung finden. Insbesondere soll ein solches Verfahren die gleichzeitige Bearbeitung der ganzen Fläche eines Halbleiterplättchens ermöglichen, wie dies zur Herstellung einer Vielzahl von Lumineszenzdioden auf einem Plättchen wünschbar ist.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass mit Hilfe eines Verfahrens der Elektroerosion, wie es normalerweise ausschliesslich zur Bearbeitung von leitenden Materialien verwendet wird, auch Halbleiter wie z.B.GaAs, GaP oder GaAsl xPX sehr gut bearbeitet werden können. Insbesondere werden durch die Halbleitereigenschaft keine speziellen Anforderungen an die Arbeitsspannung gestellt, die im Bereich von 50 bis 150 V liegen kann, und es kommen mit Ausnahme einer Kraterbildung an der Oberfläche des Werkstücks, wie sie in ähnlicher Form bei der Bearbeitung von leitenden Materialien durch Funkenerosion entsteht, keine Beschädigungen des Halbleiters zustande. Ein Kontakt zwischen der Erosionselektrode und dem Halbleiterrohling ist nicht notwendig, sondern es kann mit konstantem Abstand von 10 bis 20#m in flüssigem Dielektrikum gearbeitet werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass gegenüber der zu bearbeitenden Halbleiteroberfläche in einem flüssigen Dielektrikum mindestens eine Elektrode angeordnet wird, deren Oberfläche die Negativform der zu erzeugenden Oberflächenform aufweist, und dass zwischen dem Halbleiterkörper und der Elektrode eine elektrische Spannung in Form von sich wiederholenden Impulsen angelegt wird, wobei der Energieinhalt der Impulse gross genug ist, um eine Elektroerosion der Halbleiteroberfläche zu bewirken und wobei der Abstand der Halbleiter- und der Elektrodenoberfläche bei fortschreitender Bearbeitung nachgeführt wird.
Zum Herstellen#von optischen Grenzflächen wird ein im Zuge der Elektroerosion eventuell entstandener schwärzlicher Oberflächenbelag unter Einwirkung chemischer Mittel entfernt und die Oberfläche gegebenenfalls mit chemischen Mitteln poliert.
Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens wird es möglich, komplizierte dreidimensionale Oberflächenformen mit einer bisher unerreichten Genauigkeit herzustellen. Die Rauhigkeit der entstehenden Oberfläche hängt von der Impulsenergie ab und kann in einer Feinbearbeitungsphase Werte von weniger als zum CLA erreichen. Die verwendeten Elektroden, beispielsweise aus Kupfer oder Stahl, weisen unter geeigneten Bedingungen nur einen geringen Abnutzungsgrad auf (Grössenordnung 1 %) und besitzen somit eine vergleichsweise lange Lebensdauer. Ein besonderer Vorteil des vorliegenden Verfahrens besteht auch in der überraschenden Tatsache, dass Oberflächenteile,die sehr nahe, d.h. bis 20 oder 30 bs an vorher erzeugten und fertiggestellten pn-Übergängen liegen, bearbeitet werden können, ohne eine Beschädigung dieser Übergänge zu bewirken. Vorsichtshalber kann durch Kurzschliessen oder Isolierung der pn-Übergänge ein direkter Stromdurchgang durch dieselben vermieden werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen veranschaulichen verschiedene Anwendungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens und zwar zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch eine mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Lumineszenzdiode mit halbkugelförmigen Lichtaustrittskuppeln, Fig. 2 einen Schnitt durch ein Halbleiterplättchen mit fertigen Dioden vor der Elektroerosionsbearbeitung, Fig. 3a eine Seitenansicht des Trägerteils einer Bearbeitungsvorrichtung zur Herstellung der Oberflächenform nach Fig 1, mit darauf befestigtem Halbleiterplättchen, Fig. 3b einen Schnitt durch eine Elektrode der Bearbeitungsvorrichtung von Fig. 3a, Fig. 4 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform einer herzustellenden Lumineszenzdiode, Fig. 5 einen Schnitt durch ein vorbereitetes Halbleiterplättchen vor der Elektroerosionsbearbeitung zur Herstellung der Oberflächenform nach Fig. 4, Fig. 6a und 6b die Bearbeitungsvorrichtung zur Herstellung der Lumineszenzdioden nach Fig. 4, in analoger Weise wie die Figuren 3a und 3b, Fig. 7 einen Schnitt durch eine weitere mit dem erfindungsgemässen Verfahren herstellbare Oberflächenform.
Die in Fig. 1 dargestellten Lumineszenzdioden, die nach dem vorliegenden Verfahren erzeugt worden sind, weisen eine annähernd halbkugelförmige Oberfläche zur Erzielung optimaler Lichtaustrittseigenschaften auf. Dabei werden die Halbkugeln direkt aus einem durchsichtigen GaP-Substrat 1 gebildet, dessen Rückseite eine mit Stickstoff angereicherte Epitaxialschicht 1' aus GaAs 0,35P0,65 trägt. Darauf sind die Dioden 2 in üblicher Planartechnik hergestellt, wobei der lichtemittierende pn-Übergang einen Durchmesser von 30 µm hat und im Weierstrass-Punkt einer Halbkugel 3 von 300 )»m Radius angeordnet ist. Die metallisierten Kontakte 4 und 5 der p-bzw. n-Zonen sind beide auf der den Halbkugeln gegenüberliegenden Seite der Schicht 1' angebracht.
Fig. 2 zeigt ein Stück eines zu bearbeitenden Halbleiterplättchens 1, l',auf dessen Unterseite zunächst die Lumineszenzdioden 2 fertiggestellt worden sind, bevor die Bearbeitung der Lichtaustrittsseite beginnt. Vorzugsweise ist eine grössere Anzahl von Dioden in einer dem späteren Verwendungszweck entsprechenden Anordnung vorgesehen, beispielsweise in gleichen Abständen, in Gruppen, in Reihen etc.
Fig. 3a zeigt schematisch ein solches Plättchen 1, 1', das mit der Diodenseite nach unten auf eine Glasplatte 6 geklebt wurde, die ihrerseits auf dem Tisch 6' der Bearbeitungsvorrichtung mit Hilfe einer Einspannvorrichtung 6" festgehalten wird. Eine Kontaktfeder 7 drückt direkt auf die obere Fläche oder auch auf eine Seitenfläche des Halbleiterplättchens.
Fig. 3b zeigt schematisch einen Schnitt durch die zu der Bearbeitungsvorrichtung gehörende Elektrode 8 aus Kupfer oder Stahl. Die untere Fläche ist mit einer der Anordnung der Dioden 2 genau und massgetreu entsprechenden Anordnung von halbkugelförmigen Aushöhlungen 9 versehen. Die Elektrode 8 wird- in geringem Abstand (ca. 10-20 ybm) über dem Halbleiterplättchen befestigt und so justiert, dass die Zentren der Aushöhlungen § genau über denjenigen der Dioden 2 liegen und die Ebene der Ränder der Aushöhlungen genau parallel zur oberen Ebene der Glasplatte 6 liegt. Dabei ist es von Vorteil, dass das Halbleiterplättchen durchsichtig ist und die Dioden daher von oben sichtbar sind.
Ein flüssiges Dielektrikum füllt den Raum zwischen Elektrode und Halbleiterplättchen. Nun werden elektrische Spannungsimpulse zwischen der Elektrode 8 und der Kontaktfeder 7 angelegt und damit die Elektroerosion eingeleitet, in deren Verlauf der Abstand der Elektrode von der Werkstück-Oberfläche kontinuierlich nachgestellt wird. Die Energie der Impulse wird so gewählt, dass nur eine geringe Oberflächen-Rauhigkeit entsteht.
Nach Erreichen des Fertigprofils wird eine chemische Nachbehandlung durch eine HIN03 : HC1 : H20 Lösung mit gleichen Anteilen der Bestandteile, während ca. 12 Minuten bei 500C durchgeführt,wodurch eine bei der Elektroerosion auf dem Halbleiterplättchen entstandene schwärzliche Oberflächenschicht abgelöst und die Oberfläche feinpoliert wird. Die Metallisierungen an der Unterseite des Plättchens 1, 1' sind dabei durch die Glasplatte 6 geschützt.
Schliesslich wird das fertige Halbleiterplättchen von der Glasplatte abgelöst und in die gewünschten Teile, z.B. in Einzeldioden oder Diodengruppen zersägt.
Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform von Lumineszenzdioden, die in der deutschen Patentanmeldung P 25 38 248.3 beschrieben ist. Diese Ausführungsform wird ebenfalls mit Vorteil nach dem vorliegenden Verfahren erzeugt.
Dabei befinden sich gegenüber den Dioden 12, von denen nur eine auf dem dargestellten Plättchenstück zu sehen ist, Aushöhlungen des Halbleiterplättchens, deren ebene Bodenfläche 13 in geringem Abstand von der Diode liegt und eine diffus reflektierende Oberfläche ergibt.
Das Substrat 17 besteht in diesem Beispiel aus GaAs und trägt eine Stickstoff-angereicherte Epitaxialschicht 17' von GaAsO 4Po 6. Der pn-Übergang 12 hat einen Durchmesser von 110 km, die koaxiale Aushöhlung einen Durchmesser von 300 o#m und der Abstand zwischen dem pn-Übergang und der Bodenfläche 13 beträgt ungefähr 30 tm. Der Kontakt mit der p-Zone wird durch eine Metallisierung 14 hergestellt, die sich über eine isolierende Zwischenschicht 15 aus Si 3N4 fortsetzt. Der Kontakt mit der n-Zone erfolgt durch eine Gold-Metallisierung 16 (Au, 2 % Sn).
Die Dioden sind wieder entsprechend dem Verwendungszweck auf dem Plättchen angeordnet.
Vor dem Aufbringen der Metallisierungen 14 und 16 werden die Stellen, an denen die Dioden liegen, durch Markierungen bezeichnet. Dies geschieht beispielsweise durch Einätzen einer Markierung mit Hilfe einer Maske, wobei entsprechende Öffnungen der Maske mit Hilfe von InfrarotrLicht genau über den Dioden justiert werden. Das Plättchen wird schliesslich nach Fertigstellung der Dioden mit der Diodenseite nach unten auf eine Glasplatte geklebt.
Fig. 5 zeigt ein Stück des Halbleiterplättchens mit einer fertigen Diode und einer Markierung 18 vor der Elektroerosionsbearbeitung.
Die Fig. 6a zeigt schematisch die Befestigung des Halbleiterplättchens. In analoger Weise wie in Fig. 3a wird das Plättchen 17, 17' mit der Diodenseite 12 nach unten auf eine Glasplatte 19 geklebt, die Glasplatte eingespannt und ein elektrischer Kontakt über eine Kontaktfeder 20 mit der Oberfläche des Halbleiterplättchens hergestellt. Die Markierungen 18 sind auf der Oberfläche des Plättchens zu erkennen.
In Fig. 6b ist die dazugehörige Elektrode 21 gezeigt. Sie besteht z.B. aus Stahl und besitzt an ihrer Unterseite eine Reihe von Bohrungen 23, in die Stahlstifte 22 eingelassen sind.
Die Abmessungen und die Anordnung der Stifte 22 entsprechen genau den zu erzeugenden Aushöhlungen im Halbleiterplättchen. Die Stifte 22 werden ferner so in den Elektrodenkörper eingepresst und gegebenenfalls abgeschliffen, dass ihre Enden in einer gemeinsamen Ebene liegen, die senkrecht zu den Achsen der Stiften steht.
Die Elektrode wird über dem Halbleiterplättchen befestigt und so justiert, dass die Stifte 22 genau den Markierungen 18 gegenüberliegen und die Ebene ihrer Endflächen genau parallel zu der oberen Ebene der Glasplatte liegt.
Die Bearbeitung durch Elektroerosion erfolgt wie im vorhergegangenen Beispiel, wobei die Energie der Impulse so gewählt wird, dass die Bodenfläche der erzeugten Aushöhlungen einen guten diffusen Reflektor ergibt.
Es wird dann die entstandene schwärzliche Oberflächenschicht chemisch entfernt und zwar mit einer HF :HIN03 sH2O (1:2:10) Lösung bei Raumtemperatur und etwa 1 Minute Behandlungsdauer. Die Metallisierung 16 wird dadurch nicht beschädigt und die Metallisierungen 14 sind durch die Glasplatte geschützt.
Nach Abnahme des fertig bearbeiteten Diodenplättchens von der Glasplatte wird dieses entsprechend dem Verwendungszweck in geeignete Teile geschnitten.
Fig. 7 zeigt schematisch eine weitere Oberflächenform eines Halbleiterplättchens, die zur Ankopplung einer Lumineszenzdiode an eine optische Faser dient. Die Lumineszenzdiode hat dabei eine annähernd halbkugelförmige Lichtaustrittsfläche 25, die im Inneren einer zylindrischen koaxialen Ausnehmung 26 liegt.
Ein lichtemittierender pn-Übergang 24 von 50 em Durchmesser ist im Weierstrass-Punkt der Halbkugel 25 angeordnet, deren Durchmesser 400 Dm beträgt. Die zylindrische Ausnehmung 26 hat einen Durchmesser von 500fim, der dem Aussendurchmesser einer an die Diode anzukoppelnden und dazu in die Ausnehmung eingeführten Glasfaser 23 entspricht.
Der Zwischenraum 27 zwischen Diode und Faser ist mit einem Material von annähernd gleich grossem Brechungsindex wie die Glasfaser angefüllt.
Die Herstellung einer solchen Dioden form und der daran anschliessenden zylindrischen Ausnehmung erfolgt in analoger Weise wie im Fall der Dioden von Fig. 1.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird mit besonderem Vorteil zur Herstellung optischer Grenzflächen wie in den obigen Beispielen beschrieben angewandt, da dort neben der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens die erzielbare hohe geometrische Genauigkeit und die gute Oberflächenbeschaffenheit von grosser Bedeutung sind.
Das Verfahren ist jedoch ganz allgemein für die Bearbeitung von Halbleitern zur Herstellung dreidimensionaler Formen hervorragend geeignet.
L e e r s e i t e

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von Halbleitern, insbesondere zur Erzeugung einer vorgegebenen dreidimensionalen Oberflächenform, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüber der zu bearbeitenden Halbleiteroberfläche in einem flüssigen Dielektrikum mindestens eine Elektrode angeordnet wird, deren Oberfläche die Negativform der zu erzeugenden Oberflächenform aufweist, und dass zwischen dem Halbleiterkörper und der Elektrode eine elektrische Spannung in Form von sich wiederholenden Impulsen angelegt wird, wobei der Energieinhalt der Impulse gross genug ist, um eine Elektroerosion der Halbleiteroberfläche zu bewirken und wobei der Abstand der Halbleiter- und der Elektrodenoberfläche bei fortschreitender Bearbeitung nachgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Herstellen von optischen Grenzflächen auf Halbleitern, dadurch gekennzeichnet, dass gegebenenfalls ein im Zuge der Elektroerosion entstandener schwärzlicher Oberflächenbelag unter Einwirkung chemischer Mittel entfernt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2 zum gleichzeitigen Herstellen einer grösseren Anzahl von Lumineszenzdioden mit konvexen Lichtaustrittsflächen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleiterplättchen mit auf einer Seite desselben angeordneten, fertigen Dioden mit der Diodenseite nach unten auf einer isolierenden Trägerplatte befestigt wird, eine Elektrodenplatte, deren Oberfläche mit die Negativform der zu erzeugenden Lichtsaustrittsflächen aufweisenden, in ihrer Anordnung genau der Anordnung der Dioden entsprechenden Aushöhlungen versehen ist gegenüber der den Dioden abgewandten Substratseite parallel zur Trägerplatte justiert wird, so dass die Aushöhlungen genau den Dioden gegenüberliegen, dass die Elektroerosion mit einer Impulsenergie durchgeführt wird, die eine gegenüber der Grösse der einzelnen Lichtaustrittsflächen verschwindend kleine Oberflächenrauhigkeit erzeugt, dass die Substratoberfläche während das Halbleiterplättchen noch auf der Trägerplatte befestigt ist nach Entfernung des entstandenen Belages auf chemischem Weg poliert wird und dass das Plättchen nach Abnahme von der Trägerplatte in Einzeldioden oder Diodengruppen zerschnitten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 zum gleichzeitigen Herstellen einer grösseren Anzahl von Lumineszenzdioden mit Substrataushöhlungen an den Lichtaustrittsstellen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleiterplättchen mit auf einer Seite desselben angeordneten, fertigen Dioden und mit diesen gegenüberliegenden, auf der anderen Seite des Plättchens erzeugten Markierungen mit der Diodenseite nach unten auf einer isolierenden Trägerplatte befestigt wird, eine Elektrodenplatte mit die Negativform der zu erzeugenden Aushöhlungen aufweisenden, in ihrer Anordnung genau der Anordnung der Dioden entsprechenden, aus der Elektrodenplatte herausragenden Teilen parallel zur Trägerplatte mit Hilfe der Markierungen des Halbleitersplättchens justiert wird, so dass die herausragenden Elektrodenteile genau den Dioden gegenüberliegen, dass die Elektroerosion mit einer Impulsenergie durchgeführt wird, die eine derartige Oberflächenrauhigkeit erzeugt, dass der Boden der Substrataushöhlungen eine diffus reflektierende Fläche ergibt, dass der darauf entstandene Belag chemisch entfernt wird während das Plättchen noch auf der Trägerplatte befestigt ist und dass das Plättchen nach Abnahme von der Trägerplatte in Einzeldioden oder Diodengruppen zerschnitten wird.