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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einer AlGaAs-Schicht und
einer GaAs-Schicht, die aufeinanderfolgend auf einem
GaAs-Substrat abgelagert werden, wobei die AlGaAs-Schicht als eine
Ätzstopschicht verwendet wird, um eine tiefe Nut in die GaAs-
Schicht ätzen zu können.
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Beispielsweise aus der japanischen Patentoffenlegungsschrift
Nr. 53-153537 ist es bekannt, daß sich der Drainstrom eines
Feldeffekttransistors, der einen piezoelektrischen Halbleiter,
wie etwa GaAs aufweist, ändert, wenn an den
Feldeffekttransistor eine Last angelegt wird. Auf Basis dieser Eigenschaft von
Feldeffekttransistoren wurden Halbleitersensoren zum Erfassen
externer Kräfte wie etwa Drücken oder Beschleunigungen
entwickelt und in Verwendung genommen. Diese Halbleitersensoren
umfassend zur höheren Erfassungsempfindlichkeit
Halbleitersensoren vom Ausleger- und Membrantyp.
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Ein herkömmlicher Halbleitersensor vom Auslegertyp hat eine
AlGaAs-Schicht, eine GaAs-Pufferschicht und eine aktive GaAs-
Schicht, die aufeinanderfolgend auf einer GaAs-Schicht
abgelagert sind. Ein im wesentlicher zentraler Bereich des
GaAs-Substrats wird weggeätzt zur Bildung eines dünnen flexiblen
Bereichs, wo ein Feldeffekttransitor angeordnet ist.
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Das GaAs-Substrat wird entsprechend einem Schleuderätzprozeß
geätzt, indem eine ammonialkalische Ätzlösung dem
GaAs-Substrat zugeführt wird, während sich dieses dreht.
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Der Schleuderätzprozeß ist zum Ätzen eines Halbleitersubstrats
wie etwa eines GaAs-Substrats auf eine geringe Tiefe von etwa
einigen Mikrometer geeignet.
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Wenn jedoch das GaAs-Substrat durch den Schleuderätzprozeß zur
Bildung einer relativ tiefen Nut, die 500 Mikrometer tief sein
kann, teilweise wegzuätzen ist, dann tritt folgendes Problem
auf:
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Wenn das GaAs-Substrat geätzt wird, während es mit einer
relativ geringen Geschwindigkeit von beispielsweise 200 UPM oder
darunter gedreht wird, besteht die Neigung, daß die Ätzlösung
in der Nut verbleibt, wenn die Tiefe der Nut größer wird.
Daher entsteht in Reaktion mit der Ätzlösung eine Substanz wie
etwa Galliumoxid und lagert sich in den Ecken der Nut ab, und
die Ablagerung verhindert ein weiteres Ätzen des
GaAs-Substrats.
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Ein Ätzen des GaAs-Substrats zur Bildung einer tiefen Nut
erfordert eine Ätzlösung mit einer hohen Ätzrate zur Verwendung
für eine verkürzte Ätzzeit. Je höher jedoch die Ätzrate ist,
desto größer ist die Menge einer Substanz, die in Reaktion mit
der Ätzlösung pro Einheitszeitperiode entsteht. Die
entstandene Substanz bildet eine Ablagerung in der Nut mit der Folge
eines Ätzfehlers.
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Die Beziehung zwischen den Drehzahlen des Halbleitersubstrats
und den Erträgen wurde experimentell bewertet, und die
Ergebnisse des Experiments sind unten in Tabelle 1 gezeigt. In dem
Experiment wurde Ammoniakwasser enthaltendes
Wasserstoffperoxid als Ätzlösung verwendet. Die Erträge sind durch den
Prozentsatz akzeptabler Nalbleitersensoren vom Auslegertvp
(Figur 1) gewünschter Konfiguration bezeichnet, die jeweils
einen dünnen flexiblen Bereich haben, der durch teilweises
Wegätzen eines GaAs-Substrats gebildet ist.
Tabelle 1
Drehzahl (UPM)
Ertrag (%)
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Wenn die Drehzahl des Halbleitersubstrats steigt, steigt auch
der Ertrag. Jedoch konnte kein ausreichender Ertrag erzielt
werden, weil der Ertrag bei der Drehzahl von 500 UPM nur 20 %
ist. Niedrig ist der Ertrag, weil mit steigender Drehzahl des
Halbleitersubstrats die Ätzlösung dazu neigt, als
lokalisierter Fluß zu fließen.
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Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 63-62235
offenbart ein Verfahren selektiver Ätzung eines GaAs-Substrats oder
einer GaAs-Schicht mit einer als Ätzstopper verwendeten
AlGaAs-Schicht. Gemäß dem offenbarten Ätzverfahren wird eine
wäßrige Lösung eines Gemischs von 28 Gew.-% Ammoniakwasser
(NH&sub4;OH) und 30 Gew.-% Wasserstoffperoxid (H&sub2;O&sub2;) mit einem von
1:750 bis 1:1500 reichenden Mischverhältnis als Ätzlösung
verwendet.
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Mit den von 1:750 bis 1:1500 reichenden Mischverhältnis
zwischen Ammoniakwasser und Wasserstoffperoxid ist jedoch die
Ätzgeschwindigkeit gering und es zeitaufwendig, das
GaAs-Substrat oder diese Schicht auf eine große Tiefe selektiv zu
ätzen.
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Die JP-A-0203132 beschreibt die Herstellung einer
Halbleitervorrichtung, die das Formen einer Deckschicht auf dem
drehenden Substrat durch Auftropfen einer Beschichtungsflüssigkeit
auf das Substrat und danach Ätzen der gebildeten Deckschicht
beinhaltet.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher das Angeben
eines Verfahrens der Herstellung mit hohem Ertrag einer
Halbleitervorrichtung, deren Halbleitersubstrat oder
Halbleiterschicht zur Bildung einer tiefen Nut geätzt ist.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung anzugeben,
durch selektives Ätzen mit hoher Ätzgeschwindigkeit eines
Wafers, der aus auf einem GaAs-Substrat abgelagerten AlGaAs-
Schicht zusammengesetzt ist, auf der Rückseite des GaAs-
Substrats, um mit hohem Ertrag mit hoher Genauigkeit eine
tiefe Nut in dem GaAs-Substrat zu formen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung einer Halbleitervorrichtung angegeben, umfassend die
Schritte:
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Drehen eines Halbleitersubstrats;
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Zugabe einer Ätzlösung zu dem Halbleitersubstrat zum
Ätzen des Halbleitersubstrats oder einer darauf angeordneten
Halbleiterschicht zur Bildung einer Nut darin; und
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progressives Erhöhen der Drehzahl des
Halbleitersubstrats, während das Halbleitersubstrat oder die
Halbleiterschicht durch die Ätzlösung geätzt wird, um auf dem Substrat
Ablagerungen von Substanzen zu verhindern, die in der Nut
durch Reaktion des geätzten Halbleitersubstrats oder der
geätzten Halbleiterschicht mit der Ätzlösung erzeugt sind, durch
Auswerfen der Substanzen durch Zentrifugalkraft von dem
Substrat weg.
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In einer Ausführung kann das Halbleitersubstrat ein Wafer
sein, der ein zu ätzendes GaAs-Substrat und eine auf dessen
nicht zu ätzender Seite abgelagerte AlGaAs-Schicht aufweist.
Die Ätzlösung kann eine wäßrige Lösung sein, die ein Gemisch
aus Wasserstoffperoxid und Ammoniakwasser aufweist, wobei das
Volumenverhältnis von Wasserstoffperoxid zu Ammoniakwasser in
dem Bereich von etwa 20 bis 60 liegt.
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Die wäßrige Ätzlösung, deren Volumenverhältnis von
Wasserstoffperoxid zu Ammoniakwasser in dem Bereich von etwa 20 bis
60 liegt, ist zur Bildung einer tiefen Nut in dem
GaAs-Substrat geeignet. Die Drehzahl des GaAs-Substrats wird
progressiv stufenweise oder kontinuierlich erhöht, um die auf das
GaAs-Substrat wirkenden Zentrifugalkräfte progressiv zu
erhöhen, um hierdurch eine Substanz, die in der Nut in Reaktion
mit der Ätzlösung entsteht, von dem GaAs-Substrat weg
auszuwerfen. Weil hierdurch verhindert wird, daß sich eine solche
Substanz auf dem GaAs-Substrat ablagert, schreitet der
Ätzprozeß gleichförmig ohne Ätzfehler fort.
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Die obigen und weiteren Ziele, Details und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten
Beschreibung einer bevorzugten Ausführung davon ersichtlich,
wenn man sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
liest.
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Figur 1 ist eine Perspektivansicht eines
Halbleitersensors vom Auslegertyp;
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Figur 2 ist eine Perspektivansicht mit Darstellung eines
Schleuderätzprozesses;
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Figur 3 ist ein Graph mit Darstellung der Beziehung
zwischen den Volumenverhältnissen von Wasserstoffperoxid zu
Ammoniak in der wäßrigen Ätzlösung und Ätzraten von GaAs und
AlGaAs;
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Figur 4 ist ein Graph mit Darstellung der Beziehung
zwischen den Volumenverhältnissen von Wasserstoffperoxid zu
Ammoniak in der wäßrigen Ätzlösung und Wahlverhältnissen; und
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Figur 5 ist ein Graph mit Darstellung veränderlichen
Drehzahlen eines Halbleitersubstrats.
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Figur 1 zeigt die Struktur eines Halbleitersensors vom
Auslegertyp.
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Dar Halbleitersensor vom Auslegertyp, in Figur 1 allgemein mit
dem Bezugszeichen 1 versehen, wird wie folgt hergestellt:
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Eine AlGaAs-Schicht 3, eine GaAs-Pufferschicht 4 und eine
aktive GaAs-Schicht 5 werden aufeinanderfolgend auf einer GaAs-
Schicht 2 abgelagert. Dann wird auf der aktiven GaAs-Schicht 5
ein Feldeffekttransistor 6 gebildet. Ein im wesentlichen
zentraler Bereich des GaAs-Substrats 2 wird von der Rückseite des
Halbleitersensors weggeätzt. Der Feldeffekttransistor 6 wird
in einem dünnen flexiblen Bereich 7 angeordnet, wo das GaAs-
Substrat 2 weggeätzt ist. Ein Ende des GaAs-Substrats 2, das
an einer Seite des dünnen flexiblen Bereichs 7 angeordnet
ist, dient als ein fester Bereich 8, während das andere Ende
an der anderen Seite des dünnen flexiblen Bereichs 7 als ein
Gewichtsbereich 9 dient. Auf diese Weise wird der
Halbleitersensor 1 vom Auslegertyp hergestellt.
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Das GaAs-Substrat 2 wird gemäß einem Schleuderätzprozeß
geätzt, indem eine ammonialkalische Ätzlösung auf das
GaAs-Substrat 2 aufgegeben wird, während es gedreht wird.
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Insbesondere, wie in Figur 2 gezeigt, wird ein
Halbleitersubstrat wie etwa ein GaAs-Substrat 12, das mit einem Schutz
beschichtet ist, horizontal auf einer Drehscheibe 11 einer
Schleuderätzvorrichtung 10 angeordnet und auf dieser
befestigt. Während sich das Halbleitersubstrat 12 dreht, wird eine
Ätzlösung 14 von einer über dem Halbleitersubstrat 12
angeordneten Düse 13 zugeführt, so daß sie auf einen im wesentlichen
zentralen Bereich des Halbleitersubstrats 12 tropft. Das
Halbleitersubstrat 12 wird durch Ätzlösung 12 geätzt, wenn sie
unter Zentrifugalkräften gleichmäßig über das
Halbleitersubstrat 12 verteilt wird.
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Zum selektiven Ätzen nur eines GaAs-Substrats, auf dem eine
AlGaAs-Schicht abgelagert ist, wird eine wäßrige Ätzlösung,
die ein Gemisch von Ammoniak und Wasserstoffperoxid ist, auf
das GaAs-Substrat aufgegeben.
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Figur 3 zeigt verschiedene Ätzraten von GaAs und AlGaAs,
gemessen bezüglich verschiedenen Volumenverhältnissen von
Wasserstoffperoxid zu Ammoniak einer solchen Ätzlösung. Das
Mischverhältnis X von Al in AlxGa&sub1;&submin;xAs war 0,3, und die
verwendeten wäßrigen Ätzlösungen bestanden aus 30 Gew.-%
Wasserstoffperoxid und 29 Gew.-% Ammoniak, wobei das
Volumenverhältnis a definiert ist als:
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a = H&sub2;0&sub2;/NH&sub4;OH.
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Die Vertikalachse des Graphs von Figur 3 repräsentiert
Ätzraten (µm/Minute) auf einer logarithmischen Skala, und die
Horizontalachse repräsentiert Volumenverhältnisse a. Die mit der
durchgehenden Linie bezeichnete Kennlinie zeigt Ätzraten von
GaAs, und die mit der gepunkteten Linie bezeichnete Kennlinie
zeigt Ätzraten von AlGaAs. Bei Verwendung von Ätzlösungen,
deren Volumenverhältnis a kleiner als 10 ist, ist die
Differenz zwischen den Ätzraten von GaAs und AlGaAs klein.
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Mit steigendem Volumenverhältnis a, d.h. mit steigender Menge
vön Wasserstoffperoxid im Vergleich mit der Menge von
Ammoniak, nimmt die Ätzrate von AlGaAs ab. Die Ätzrate von
GaAs fällt mit dem Volumenverhältnis a in dem Bereich von 50
bis 60 scharf ab.
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Ein Wählverhältnis S ist wie folgt definiert:
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S = Ätzrate von GaAs/Ätzrate von AlGaAs.
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Figur 4 zeigt die Abhängkeit des Wählverhältnisses S vom
Volumenverhältnis a der Ätzlösung, aufgetragen auf Basis der in
Figur 3 gezeigten Meßdaten. Das Wählverhältnis S
repräsentiert, wieviele Male die GaAs-Ätzrate größer als die
AlGaAsÄtzrate ist.
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Aus Figur 4 ist ersichtlich, daß das Wählverhältnis S einen
Maximalwert von 30 hat, wenn das Volumenverhältnis a von
Wasserstoffperoxid zu Ammoniak etwa 50 ist.
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Die in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ätzkennlinien zeigen, daß
die Ätzlösungen, deren Volumenverhältnis a von etwa 20 bis 60
reicht, zur Verwendung bei einem Herstellungsprozeß zur
Bildung einer tiefen Nut in einem GaAs-Substrat geeignet ist.
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Das Mischverhältnis X von Al war 0,3 in dem AlGaAs, das
zum Erstellen dar Meßdaten von Figur 4 verwendet wurde. Selbst
wenn jedoch der Anteil von Al zunimmt oder abnimmt, ist das
Wählverhältnis S bei dem Volumenverhältnis a = 50 maximal, und
die Ätzlösung, deren Volumenverhältnis a von etwa 20 bis 60
reicht, bleibt zur Bildung einer tiefen Nut in einem
GaAs-Substrat geeignet.
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Eine AlGaAs-Schicht wird auf einem GaAs-Substrat durch einen
bekannten epitaxialen Wuchsprozeß abgelagert, um hierdurch
einen Wafer zu erzeugen. Dann wird ein SiO&sub2;-Film auf der
Rückseite des Wafers entsprechend einem chemischen
Dampfablagerungs-(CVD)-Prozeß abgelagert, wonach auf dem SiO&sub2;-Film eine
Schutzvorlage gebildet wird. Der SiO&sub2;-Film wird auf Basis der
Schutzvorlage entsprechend einem HF-Prozeß zu einer
gewünschten Form gestaltet. Dann wird unter Verwendung der in Figur 2
gezeigten Schleuderätzvorrichtung eine tiefe Nut in dem GaAs-
Substrat des Wafers mit der Ätzlösung geformt, deren
Volumenverhältnis a in dem oben beschriebenen Bereich gewählt wurde.
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Die Drehzahl der Drehscheibe 11 (Figur 2), die den so
hergestellten Wafer trägt, wird progressiv stufenweise von 200 UPM
erhöht, während das GaAs-Substrat geätzt wird.
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Figur 5 zeigt die Art und Weise, mit der die Drehzahl der
Drehscheibe 11 und somit des darauf gehalterten GaAs-Substrats
mit fortschreitendem Schleuderätzprozeß progressiv stufenweise
erhöht wird. In einen anfänglichen Niederdrehzahlbereich von
etwa 200 UPM ist die in dem GaAs-Substrat gebildete Nut flach,
und die aufgebrachte Ätzlösung wird über die
Substratoberfläche gleichmäßig verteilt. Daher ist die geätzte Oberfläche
des GaAs-Substrats relativ flach und gleichmäßig.
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Wenn die in dem Ätzprozeß gebildete Nut tiefer wird, lagert
sich eine in Reaktion zwischen GaAs und der Ätzlösung erzeugte
Substanz auf schrägen Oberflächen ab, die quer zu Richtungen
verlaufen, in die Zentrifugalkräfte wirken. Wenn die
Ablagerungen auf dem Substrat verblieben, würde die geätzte
Oberfläche unregelmäßig werden, und der Ertrag der
Halbleitervorrichtung würde sinken.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Drehzahl des GaAs-
Substrats stufenweise progressiv erhöht, um die auf das GaAs-
Substrat wirkenden Zentrifugalkräfte progressiv zu erhöhen, um
hierdurch die abgelagerte Substanz von dem GaAs-Substrat weg
auszuwerfen. Daher wird verhindert, daß sich eine Substanz,
die in Reaktion mit der Ätzlösung mit fortschreitendem
Ätzprozeß erzeugt wird, auf dem GaAs-Substrat ablagert, um zu
ermöglichen, daß der Ätzprozeß gleichmäßig ohne Ätzfehler
fortschreitet.
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Tabelle 2, unten, zeigt verschiedene Erträge von
Halbleitervorrichtungen mit zwei unterschiedlichen Drehzahlmustern. In
einem Drehzahlmuster wird die Drehzahl durch drei Schritte
erhöht. In dem anderen Drehzahlmuster wird die Drehzahl durch
sechs Schritte erhöht.
Tabelle 2
Drehzahlmuster (UPM)
Ertrag (%)
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Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, ist, wenn das GaAs-Substrat
geätzt wird, während die Drehzahl stufenweise von 200 UPM zu
300 UPM zu 500 UPM erhöht wird, der Ertrag etwa 40 %, und wenn
das GaAs-Substrat geätzt wird, während die Drehzahl
stufenweise mit Inkrementen von 100 UPM von 200 UPM bis 700 UPM
erhöht wird, ist der Ertrag etwa 90 %.
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Das Drehzahlinkrement und die Zeit, mit der die Drehzahl
erhöht wird, kann in Abhängigkeit von der Breite und Tiefe einer
durch Ätzen des Halbleitersubstrats zu bildenden Nut gewählt
werden.
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Wie oben beschrieben, wird das Volumenverhältnis a von
Wasserstoffperoxid zu Ammoniakwasser so gewählt, daß es in einem
gewünschten Bereich liegt, und die Drehzahl des
Halbleitersubstrats
wird in dem Ätzprozeß progressiv stufenweise erhöht.
Mit einem solchen Prozeß lassen sich Halbleitersubstrate mit
in ihnen durch Ätzen gebildeten tiefen Nuten mit hoher
Reproduzierbarkeit, hoher Gleichmäßigkeit, hohem Ertrag und
innerhalb kurzer Ätzzeit herstellen.
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Die Drehzahl des Halbleitersubstrats kann anstelle stufenweise
auch kontinuierlich erhöht werden.
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Der Prozeß ist anwendbar, um in kurzer Zeit mit hohem Ertrag
Halbleitersensoren vom Auslegertyp oder Membrantyp
herzustellen, um eine physikalische Größe wie etwa Druck,
Beschleunigung o.dgl. zu erfassen.
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Falls ein Halbleitersubstrat oder eine auf einem solchen
Halbleitersubstrat abgelagerte Halbleiterschicht zur Bildung einer
tiefen Nut darin mit hoher Ätzrate in einer kurzen Zeitperiode
geätzt wird, ist die Substratmenge, die in Reaktion mit der
Ätzlösung pro Einheitszeitperiode erzeugt wird, erhöht, und
die erzeugte Substanz in der Nut hat weniger die Tendenz,
ausgeworfen zu werden, wenn die Nut tiefer wird. Jedoch kann
durch Verwendung einer Ätzlösung für eine hohe Ätzrate das
Halbleitersubstrat oder die Halbleiterschicht mit einem guten
Ertrag geätzt werden, in dem man die Drehzahl des
Halbleitersubstrats oder der Halbleiterschicht bei der Schleuderätzung
erhöht, wenn der Ätzprozeß fortschreitet.
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Obwohl hierin beschrieben wurde, was gegenwärtig als die
bevorzugte Ausführung der Erfindung betrachtet wird, so ist dies
so zu verstehen, daß die Erfindung in anderen spezifischen
Formen enthalten sein kann, ohne von ihren wesentlichen
Merkmalen abzuweichen. Die vorliegende Ausführung wird daher in
jeder Hinsicht als illustrativ und nicht restriktiv
betrachtet.