DE2650743A1

DE2650743A1 - Herstellung von schadensfreien oberflaechen von alpha-aluminiumoxid

Info

Publication number: DE2650743A1
Application number: DE19762650743
Authority: DE
Inventors: Henry Wilhelm Gutsche
Original assignee: Monsanto Co
Current assignee: Monsanto Co
Priority date: 1975-11-07
Filing date: 1976-11-05
Publication date: 1977-05-12
Also published as: FR2330754A1; US4011099A; JPS5259093A; FR2330754B1; CA1061691A; GB1527280A; BE848061A

Description

Diese Erfindung betrifft das Polieren einer Oberfläche von alpha-Aluminiumoxid, das meist als Saphir bezeichnet wird.

Nach dem Stand der Technik verwendet man zum Polieren einer alpha-Aluminiumoxidoberfläche mechanische Verfahren, bei denen das alpha-Aluminiumoxid durch Schneiden mit einem diamantbesetzten Sägeblatt geschnitten und danach mit Diamanten geringerer Größe oder mit Garborundpulver poliert wird. Es weisen 19-21-0241A GW

(0*9) 988272 987043 983310

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Banken: Bayerische Vereinsbank München 453100 Hypo-Bank München 3892623 Postscheck München 65343-808

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jedoch die diamantpolierten Oberflächen Bearbeitungsschäden . . von einer Tiefe auf, die wenigstens der Größe des beim Polieren verwendeten Diamantpartikel entspricht. Die Schaden können sogar bis unter die alpha-Aluminiumoxidoberflache reichen.

Wenn alpha-Aluminiumoxid als Isoliersubstrat für elektronische Zwecke, wie für Halbleitervorrichtungen und Mikrοschaltungen · verwendet wird, hängt die Qualität des Endprodukts wesentlich von den Eigenschaften des Halbleiterfilms ab, der seinerseits unmittelbar von der Ebenheit und der schadensfreien Qualität des Substrats abhängt.

Die mechanisch polierten alpha-Aluminiumoxidoberfläehen können dann einer Endbehandlung zum "Heilen" der Oberflächenschäden in einem Glühverfahren bei Temperaturen über 1200 C in Wasserstoff, .unterworfen werden. Es können aber auch die '.mechanischen Schaden chemisch entfernt werden. .Das chemische Polieren ist .in British Journal of Applied-Physics, Band 18-, Seiten 1357 1382 (1967) in einem Artikel unter der Bezeichnung "Single-Crystal Films of Silicon on Insulators", von J.D. Filby und S. Nielsen beschrieben. -Die chemischen Verfahren bestehen darin, daß man mit geschmolzenen Materialien wie Bleifluorid, Kaliumpersulfat in Boroxid, Borax, wasserfreiem HGl, Schwefelfluoriden und Siliciumdämpfen ätzt. Diese Verfahren benötigen jedoch hohe Temperaturen wie 1000°C für Borax und 1400⁰G für wasserfreien HCl. Darüberhinaus ist ein weiterer Nachteil, daß ein Rückstand, gebildet wird, der schwierig zu entfernen ist, wie dies bei Verwendung von Borax beschrieben ist.

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Ein Beispiel des chemischen Ätzens ist in der U.S.-Patentschrift 3 753 775 beschrieben, bei dem man Boraxdämpfe bei Temperaturen zwischen 1000 und 1200⁰G verwendet. Ein bedeutender Nachteil dieses Verfahren ist, daß man für die Vorrichtungen Materialien benötigt, die nicht mit Borax bei hohen Temperaturen reagieren. Das für dieses Verfahren vorgesehene Material ist Platin, dessen Verwendung einen bedeutenden wirtschaftlichen Nachteil bringt.

Diese Erfindung betrifft ein chemisches Polierverfahren zur Herstellung einer ungeschädigten Oberfläche auf alpha-Aluminiumoxid, ohne daß man vorausgehend mechanisch polieren muß und das bei niedereren Temperaturen wirksam ist, als diese nach dem Stand der Technik erforderlich sind.

Das chemische Polierverfahren für alpha-Aluminiumoxid beinhaltet die Verwendung einer Siliciumdioxid-Kolloidpolierflüssigkeit, die sowohl ein Reaktionspartner als auch ein Medium für die Entfernung des Reaktionsprodukts ist.

Es wurde festgestellt, daß eine chemische Reaktion zwischen Siliciumdioxid und alpha-Aluminiumoxid abläuft, die ein chemisches Polierverfahren für alpha-Aluminiumoxid bei relativ niederen Temperaturen ermöglicht.

Die zum Polieren vorgesehene alpha-Aluminiumoxidoberflache hat vorzugsweise die Form einer dünnen Platte, die aus einer Saphirperle mit Hilfe eines diamantbesetzten Sägeblattes geschnitten ist. Um zu verhindern, daß Diamantpartikel in den chemi-

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sehen Polierablauf überführt werden, werden alle "rohen" alpha-Aluminiumoxidplatten etwa 10 Minuten in Sauerstoff auf etwa 100O⁰G erhitzt, um irgendwelche vorhandene Diamantreste zu oxidieren.

Die Polierflüssigkeit ist eine kolloide Siliciumdioxidflüssigkeit, vorzugsweise ein hydratisiertes Siliciumdioxidkolloid in einem Lösungsmittel, wie Wasser. Flüssigkeiten mit 10 bis 5O# Feststoffgehalt werden bevorzugt. Die Polierflüssigkeit dieser Erfindung hat zwei Primärzwecke. Der erste besteht darin, den SiOp-Reaktionspartner auf die Oberfläche des alpha-Aluminiumoxids zu bringen und der zweite, das Reaktionsprodukt von der auf diese Weise polieiten alpha-Aluminiumoxidfläche abzutransportieren. Obgleich die Reaktion noch nicht vollständig geklärt ist, wird angenommen, daß sie wie folgt ab läuft :

O₅ + ySiO₂ + H₂O » Al_2x Si

Bevorzugte Siliciumdioxidpolierflüssigkeiten sind die SYTON-Kolloidsuspensionen von hydratisiertem Siliciumdioxid in Wasser, hergestellt von der Monsanto Company. Weil Al₂O-, eine amphotere Natur aufweist, ist es nicht überraschend, daß die Reaktion am schnellsten bei einem p_H-Wert von etwa 7 abläuft. Da aber SYTON einen p_H~Wert von etwa 10,5 hat, wird Säure vor zugsweise der kolloiden Siliciumdioxidflüssigkeit vor ihrer Verwendung zugegeben. Obgleich Säuren, wie Schwefelsäure, ver wendet werden können, wird Salzsäure bevorzugt. Der ρττ-Wert der verwendeten Poiierflüssigkeit ist vorzugsweise 7 bis 8.

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Obgleich Siliciumdioxid, das einen Härtewert von etwa 7 auf der Moß¹ sehen Skala hat, dafür bekannt ist, daß es ein wirksames mechanisches Poliermittel für Materialien mit Moß¹sehen Härtwerten von 2 bis 7 ist, wurde nach dieser Erfindung festgestellt, daß ein Siliciumdioxidkolloid eine überlegene Polierfläche auf alpha-Aluminiumoxid durch chemische Wirkung bilden kann. Da weiterhin die Härte des alpha-Aluminiumoxids wesentlich die von Siliciumdioxid überschreitet, kann keine Fragmentbildung auftreten.

Die voraus beschriebene Reaktion ist bis zu einem Ausmaß von etwa 14,6 K Gal/Mol bei 400°K endotherm und es hängt daher die Geschwindigkeit von der Wärmezuführung ab. Weil alle herausragenden Teile der Oberfläche der alpha-Aluminiumoxidplatte eher örtliche Reibungswärme empfangen und der stärkeren Flüssigkeit sentfernung als die nicht hervorragenden Teile unterliegen, reagieren die geschädigten Flächen schneller und werden schneller als die nicht geschädigten Flächen entfernt.

In Verbindung mit dem Problem von Schäden steht das Auftreten von Verunreinigungen auf der Oberfläche. Da Vorsprünge und Vertiefungen entfernt werden, wird die Neigung der Oberfläche, Verunreinigungen zurückzuhalten, ebenso verringert und daraus ergibt sich eine leichtere Reinigung. Es werden daher die drei Faktoren, die am stärksten das Verhalten des Endprodukts beeinträchtigen, nämlich die Schaden, die Konturen und die Verunreinigungen, wesentlich durch das Verfahren dieser Erfindung beseitigt.

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Nach Entfernung der alpha-Aluminiumoxidplatte von der Oxidierungsbehandlung zur Entfernung der Diamantpartikel, wie oben beschrieben, wird die gekühlte Platte mit der kolloiden SiIiciumdioxidflüssigkeit und einem Poliertuch oder einem anderen Material unter Druck poliert, um ausreichend Reibungswärme zu schaffen, die gewünschte Reaktionsgeschwindigkeit und damit eine gewünschte Geschwindigkeit der Oberflächenentfernung beizubehalten. Der verwendete Druck kann je nach der Stärke der Platte variieren. Bei einer Platte von 5 cni Durchmesser und 350 /Ui Stärke werden Drücke von 20 bis 30 kg ausreichend sein. Drücke sollten vorzugsweise so eingestellt werden, daß die Temperatur an der Oberfläche der verwendeten Polierdrehplatte etwa 80⁰C beträgt, obgleich Temperaturen von 60 bis 100⁰C verwendet werden können.

Nach dem Polieren mit der kolloiden Siliciumdioxidflüssigkeit können die Flüssigkeitsrückstände durch Eintauchen in Fluorwasserstoffsäure unter nachfolgendem Spülen mit entionisiertem Wasser entfernt werden.

Das Endprodukt kann dann Anwendung als Isolierungssubstrat für Hochleistungs-, Silicium-auf-Halbleitervorrichtungen, Transistoren und Mikroschaltkreise im besonderen verwendet werden· Der Halbleiter, bei dem die Endplatte Verwendung findet, kann ein dünner, zum Beispiel weniger als 1 /um starker (100)-orientierter Film sein, der heteroepitaxial auf der alpha-Aluminiumoxidoberflache abgelagert ist.

Das nachfolgende Beispiel dient der Erläuterung der Arbeits-

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weise dieser Erfindung, ohne den Erfindungsbereich einzuschränken.

Beispiel

Vier kreisrunde gesägte Rohstücke aus alpha-Aluminiumoxid mit einem Durchmesser von 5 cm und einer Stärke von 350/um wurden 10 Minuten in einen Halbleiteroxidationsofen gegeben. Nach Entfernen aus dem Ofen und Kühlen wurden die Rohstücke gegen einen kreisrunden Polierblock mit einem Durchmesser von 12,7 cm und einer Stärke von 1,9 cm gedrückt. Die Blockoberfläche (Unterseite) weist einen feuchten Stoff auf, beispielsweise "Buehler Microcloth". Die Oberseite des Blocks hat im Zentrum eine 1,9 x 1,9 cm kreisrunde Öffnung, die mit einem 0,32 cm starken Nylonlager ausgekleidet ist. Der Polierblock, mit der Plattenseite abwärts, wird dann gegenüber der Drehplatte einer Poliermaschine angebracht und gegen diese mit einem Stift gedrückt, der an einem Druckarm befestigt ist. Die Polierplatte ist mit einem glatten Polierstoff, beispielsweise Pellon 3480 H Papier mittels Klebstoff bezogen. Dieser Polierstoff, Gewebe oder Papier eignet sich zur Aufnahme der Polierflüssigkeit und zum Benetzen der alpha-Aluminiumoxidoberflächen, während sich die Drehplatte mit etwa 300 UpM dreht. Die Polierflüssigkeit besteht aus 25# "SYTON HT 40" mit Wasser mit einem p_H~Wert zwischen 7 und 8 und einer Partikelgröße von 250 bis 300 Ä. Die Polierflüssigkeit wird im Zentrum der Drehplatte mit einer Geschwindigkeit von 50 ml/Min, abgegeben. Der Druck auf den Polierblock wird so eingestellt, daß die Temperatur an der Oberfläche der Drehplatte nahe etwa 80⁰C verbleibt. Das Polieren, d.h. die Ma-

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terialentfernung verläuft dann je nach dem Grad der Schädigung der alpha-Aluminiumoxidoberflache mit einer Geschwindigkeit von 4-0 bis 20/Utn/Std. Das Ende des Polierens wird in der Weise geprüft, daß man die Endoberfläche bei 100-facher Vergrößerung unter einem metallographischen Mikroskop, wie Reichert oder Leitz, prüft. Unter Phasenkontrasterhellung können so geringe Änderungen der Ebene wie 30 A* mit einer Nomarski-Vorrichtung festgestellt werden. Ein formloses nicht charakteristisches Aussehen der Oberfläche zeigt das Fehlen von Schaden an.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein chemisches Polierverfahren für alpha-Aluminiurnoxid unter Verwendung einer Siliciumdioxidkolloid-Polierflüssigkeit, die sowohl ein Reaktionspartner als auch ein Medium zur Entfernung des Reaktionsprodukts ist.

Obgleich die Erfindung im Hinblick auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, ist darauf hinzuweisen, daß von dem Fachmann Änderungen oder Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Erfindungsgedanken abzuweichen.

-Patentansprüche-709819/1058

Claims

Patentansprüche :

1.) Verfahren zur Herstellung einer schadlosen Oberfläche auf
alpha-Aluminiumoxid, dadur.ch. gekennzeichnet, daß man eine alpha-Aluminiumoxidoberflache mit einer wäßrigen Suspension eines Siliciumdioxidkolloids poliert.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennz e ichnet , daß man eine Flüssigkeit verwendet, die
kolloides Siliciumdioxid in Wasser umfaßt.

J. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß man eine Flüssigkeit verwendet, die
einen p^-Wert von etwa 7 bis 8 hat.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß man eine Flüssigkeit verwendet, die weiterhin Salzsäure enthält.

5. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das kolloide Siliciumdioxid eine Partikelgröße von 250 bis 3OO Ä aufweist.

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ORIGINAL INSPECTED