JP2018538699A - 半導体基板の片面エッチングを行うための装置及び方法 - Google Patents

半導体基板の片面エッチングを行うための装置及び方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、半導体層の片面エッチングを行うための装置であって、電解液を収容するための少なくとも一つのエッチング槽、装置の使用時にエッチング槽内に所在する電解液の電気的接触のために配置された第一の電極、半導体層の間接又は直接の電気的接触のために配置された少なくとも一つの第二の電極、エッチング電流を発生させるために第一及び第二の電極と導電接続された少なくとも一つの電源、及び、基本的に半導体層のエッチングさるべきエッチング面のみが装置の使用時にエッチング槽内に所在する電解液によって湿潤され得るようにして半導体層をエッチング槽に対して相対搬送するための少なくとも一つの搬送装置を備える装置に関する。本発明は、電源は可変電源として形成され、該装置は可変電源を制御するための制御ユニットを有し、該装置は、エッチング電流を、エッチングプロセス中、制御ユニットによって自動的に可変化するように形成されていることを特徴とする。本発明はさらに、半導体層の片面エッチングを行うための方法に関する。

Description

本発明は、請求項１及び８のプリアンブルに記載の半導体層の片面エッチングを行うための装置及び方法に関する。
半導体ウェーハ又は半導体デバイスの製造方法において、エッチングプロセスを半導体層の片面のみに実施することが、しばしば望ましい。
そのため、エッチングされない面にはエッチング保護層を付することができ、こうして、爾後のエッチングプロセスにおいて、前記保護層によって被覆されていない面のみが加工されることとなる。しかし、このような手順は、前記保護層が被着されて、その後に再び除去されなければならないために、費用、労力がかかる。
したがって、前記半導体層のうちエッチングさるべき前記面のみが電解液で湿潤される方法が公知である。定電源によって、前記電解液と前記半導体層との間にエッチング電流が発生し、こうして、片面エッチングが行われる。
この種の方法及びそれに適した装置は独国特許出願公開第１０２０１３２１９８８６号明細書から公知である。その際、前記半導体層は、搬送装置によって、エッチングチャンバ内の電解液上を搬送され、基本的に前記半導体層の前記電解液側の前記面のみが前記電解液によって湿潤される。
上述したエッチング方法の適用分野を拡大すると共に、エラー発生率を低下させ、こうして、スループットの高い工業的プロセスへの使用を可能にするという大きなニーズが存在している。
独国特許出願公開第１０２０１３２１９８８６号明細書 国際公開第２０１３／００４８５１号 独国特許出願公開第１０２０１３２１９８３９号明細書
Ｅ．Ｖ．Ａｓｔｒｏｖａ，Ｙ．Ａ．Ｚｈａｒｏｖａ著、「Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｏｒｏｕｓ Ｌａｙｅｒ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｒａｔｅ ｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｗｉｔｈ Ｖａｒｉｏｕｓ Ａｃｃｅｐｔｏｒ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ」，Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ，Ｖｏｌｓ．２０５〜２０６，ｐｐ．３７０〜３７５，Ｏｃｔ．２０１３
そこで、本発明の目的は、半導体層の片面エッチングを行うための前記公知の方法及び前記公知の装置を発展改良し、前記エラー発生率を低下させ及び／又は前記適用分野を拡大することである。
前記目的は、請求項１に記載の半導体層の片面エッチングを行うための装置並びに請求項８に記載の半導体層の片面エッチングを行うための方法及び請求項１６及び１７に記載の使用によって達成される。
請求項１に記載の前記装置は、好ましくは、本発明による方法、特に前記方法の好ましい実施形態を実施するために形成されている。本発明による方法は、好ましくは、本発明による装置によって、特に、前記方法の好ましい実施形態を実施するために形成されている。
半導体層の片面エッチングを行うための本発明による装置は、電解液を収容するためのエッチング槽を有する。さらに前記装置は、前記装置の使用時に前記エッチング槽内に所在する前記電解液の電気的接触のために配置された（アノードを形成するための）第一の電極を有すると共に、前記半導体層の間接又は直接の電気的接触のために配置された（カソードを形成するための）少なくとも一つの第二の電極を有する。
前記装置は、さらに、エッチング電流を発生させるために前記第一及び前記第二の電極と導電接続された少なくとも一つの電源を有する。さらに、前記装置は、前記半導体層を前記エッチング槽に対して相対搬送するための少なくとも一つの搬送装置を有する。前記搬送は、基本的に前記半導体層のエッチングさるべきエッチング面のみが前記装置の使用時に前記エッチング槽内に所在する前記電解液によって湿潤され得るようにして行われる。
この場合、エッチングさるべき前記半導体層は、半導体ディスク、特に半導体ウェーハであってよい。同じく、前記半導体層は、間接又は直接にキャリア基板上に被着された半導体層であってもよい。
同じく、前記半導体層は、真性であってもドープされていてもよい。本発明による装置及び本発明による方法は、特に、シリコン半導体層、及び、特にシリコンウェーハの片面エッチングに適している。
この場合、前記電解液は、前記双方の電極間と共に前記電解液と前記半導体層との間にも流れる前記エッチング電流と連携し、前記半導体層の前記電解液によって湿潤されて前記エッチング電流が流れる前記領域のエッチングが行われるように形成されている。
重要なのは、前記電源が可変電源として形成され、該装置が前記可変電源を制御するための制御ユニットを有することである。その際、該装置は、エッチングプロセス中、前記エッチング電流が前記制御ユニットによって自動的に可変化されるように形成されている。
したがって、本発明による装置において、前記エッチングプロセス中、そのためにユーザによる手動の介入を要することなく、前記エッチング電流の変化が達成される。
これによって、前記装置の前記適用分野が拡大され及び／又は前記エラー発生率が低下される。
エッチングプロセスは、一般に、少なくとも前記エッチング速度の点において前記エッチング電流に依存していることから、前記エッチング電流の自動的な変化によって、意図的に不均一な層、特に、前記半導体層の前記エッチング面に対して垂直な方向における不均一な層又は層システムを発生させるための広い適用分野が開拓されることになる。
例えば、本発明による装置は、前記半導体層の前記エッチング面を多孔化するのに適している。この場合、次の事情、つまり、深さ方向（前記エッチング表面に対して垂直方向）には異なったエッチング速度が存在し、これに対して、前記エッチング表面と平行をなす方向にはより低いエッチング速度が存在するという事情が利用される。この種のエッチング方法によって、前記半導体層に多孔質表面層をつくり出すこと、特に、シリコン半導体層に多孔質表面層をつくり出すことはそれ自体として公知である。
本発明による装置は、今や、前記制御ユニットによって前記エッチングプロセス中の自動的なエッチング電流の変化のプリセットによって、深さ方向において多孔性の相違する層の形成を可能とし、それによって、適用可能性を拡大する。特に、好ましくは、交互に低多孔性及び高多孔性の部分層からなる層システムが形成される。
この種の層システムは、好ましくは、前記制御ユニットによる前記エッチング電流の周期的な変調、特に、正弦又は矩形プロファイル変調によって得られる。
それゆえ、前記制御ユニットは、好ましくは、前記エッチング電流が時間的推移のプリセット、特に、時間的に変調された、とりわけ、正弦又は矩形変調されたエッチング電流のプリセットによって制御し得るように形成されている。
前記適用分野のさらなる拡大は、前記搬送装置による前記エッチング槽に対する前記半導体層の搬送中に、前記エッチング電流の変化が行われることによって招来される。これによって、横方向に（つまり、搬送方向に）異なった層特性をつくり出すことが可能である。同じく、エッチングさるべき面積が前記搬送によって変化する場合にも、以下においてさらに詳しく述べるように、前記エッチング電流の密度（通電される単位面積当たりの電流）を一定に保つことが可能である。
本発明による方法は、電解液と前記半導体層との間のエッチング電流による半導体層の片面エッチングのために形成されている。この場合、前記半導体層は、基本的に、片面が前記電解液によって湿潤されている。重要なのは、前記エッチングプロセス中、前記エッチング電流が自動的に変化させられることである。これによって、上述した利点が得られる。
本願出願人の調査によれば、さらに、それゆえ片面エッチングされた前記半導体層のさらなる前記使用時に頻繁なエラー源が発生し、搬送方向において前記半導体層の端部に不均一性が発生する旨が判明した。詳細な調査によれば、前記エッチング槽への前記半導体層の搬入の際、つまり、前記搬送装置によって前記半導体層が初めて前記電解液との接触がもたらされる、したがって、前記半導体層の第一の、搬送方向において前方に位置する、端部領域がエッチングされる、初期相において、従来公知の装置及び方法において特に高いエッチング電流の密度が現れることが明らかとなった。これは、エッチングさるべき面積が変化する場合にも、定電源によって固有の一定な電流によって惹起される。
同様な効果は、前記半導体層の搬出の際にも発生する。前記半導体層が前記搬送方向の変化によって後方に搬出される場合には、前述した前記端部にこの効果が発生する。ただし、一般に、前記半導体層は前記エッチング槽を一方向に通過してゆくため、前述した、搬送方向において前方に位置する前記端部は最初に前記エッチング槽から離間してゆき、該端部に対して、搬送方向において後方に位置する端部は前記加工終了時に前記エッチング槽を離脱し、この端部において前記電解液と前記半導体層との間の結合が解消される。本願出願人の調査によれば、この後端領域にも、激しく高まるエッチング電流の密度に起因する不均一性が発生する。
したがって、特に好適な実施形態において、前記制御ユニットは、前記エッチングプロセスの開始時に上昇し及び／又は前記エッチングプロセスの終了時に下降するプリセットによって、前記エッチング電流をプリセットすることができるように形成されている。好ましくは、前記エッチングプロセスの開始時に上昇すると共に、前記エッチングプロセスの終了時に下降するエッチング電流がプリセットされ、好ましくは、前記電流は、不変のエッチング電流の密度が達成されるように、変調される。
これによって、前記半導体層が前記エッチング槽に搬入される際及び／又は前記エッチング槽から搬出される際の前記エッチング電流を、前記半導体層の前記全面にわたって均一なエッチングプロセスが生じ、こうして、搬送方向において前方及び後方に位置する前記端部領域にもはや従来生じていたような不均一性が生じないように、プリセットすることが可能である。
この場合、前記エッチング電流の前記変化は、好ましくは、前記エッチング槽への搬入の際の上昇勾配のプリセット及び、同じく、前記エッチング槽からの搬出の際の下降勾配のプリセットによって行われる。特に、前記エッチング槽への搬入の際には、好ましくは、連続的に上昇するエッチング電流がプリセットされ、前記エッチング槽からの搬出の際には、好ましくは、連続的に下降するエッチング電流がプリセットされる。その際、エッチングさるべき前記半導体層は、好ましくは１００ｍｍから１５００ｍｍ、特に１５０から２５０ｍｍの長さを有する。その際、前記傾斜推移中の前記エッチング電流の前記高さは、好ましくは、前記エッチング槽でエッチング可能な最大の半導体層に比較した、すでにないしなお前記エッチング槽内に所在する前記半導体層の前記面積比と結び付けられている。この場合、投入されるエッチング電流は、例えば長さ１５６ｍｍの半導体層の場合、０から５０Ａまで、特に０から３０Ａまで変化する。
好ましくは、前記エッチング電流の前記上昇推移と前記下降推移との間に、エッチング電流が一定に推移するプラトー相がプリセットされている。一般に、前記エッチングチャンバに対して前記半導体層が運動する際に、前記電解液によって湿潤された前記半導体層の面積の大きさが変化しない中間相が生ずる。これは、搬送方向における前記半導体層の前記長さが、前記エッチングチャンバの前記長さよりも大きく、したがって、該中間相において、前記半導体層が前記エッチングチャンバを少なくとも搬送方向において完全に覆っていることに起因していてよい。同じく、搬送方向における前記エッチングチャンバの前記長さが、前記半導体層の前記長さよりも大きく、したがって、該中間相において、前記半導体層が少なくとも搬送方向において全面的に前記電解液によって湿潤されている場合にも、この種の中間相が発生し得る。
好適には、前記中間相については、一定なエッチング電流がプリセットされているが、それは、該中間相において、湿潤された前記面積が不変だからである。
好適な実施態様において、搬入の際に前記エッチング電流が、特に好ましくは、前記電解液によって湿潤された面積に比例して上昇することによって、搬入の際及び／又は搬出の際の不均一性が回避される。別法として又は特に好ましくはさらに加えて、前記エッチング電流は、搬出の際に、特に好ましくは、前記電解液によって湿潤された面積に比例して下降する。
複数の半導体層が同時にエッチング槽へ／から、搬入される／搬出される場合には、好適な実施態様において、前記エッチング電流は、その都度の上昇及び下降する前記エッチング電流の重ね合わせによって前記半導体層にいつでも一定なエッチング電流の密度が保証されるように変調される。これは、例えば、互いに離間して前記エッチング槽に半導体層が搬入／搬出の際に、前記距離が前記エッチング槽の前記長さよりも小さい場合に好適に適用される。その際、前記第一の半導体層の搬出の際に、前記エッチング電流は、既述したように、面積の減少に比例して下降させられ、第二の半導体層が前記エッチング槽に搬入されるや直ちに前記エッチング電流は一定に保たれ、そして、前記第一の半導体層が前記エッチング槽を完全に搬出されるや直ちに前記エッチング電流は面積に比例して、前記第二の半導体層が前記エッチング槽の前記全面積を覆って、前記エッチング電流が今や一定に保たれるまで、上昇する。これによって、前記エッチング電流はいつでも、前記半導体層の全面積にわたって均一なエッチングプロセスが生じ、こうして、搬送方向において前方及び後方に位置する前記端部領域にもはや従来生じていた不均一性が生じないように、プリセットすることが可能である。
特に、前記エッチング電流を前記エッチング槽内で湿潤された半導体面積に比例して変化させるのが好適であり、その際、湿潤された前記半導体面積とは、少なくとも部分的に二つ又はそれを上回る半導体層が同時に前記エッチング槽内で前記電解液によって湿潤される限りにおいて、複数の半導体層の部分面積から加算によって合成される総湿潤半導体面積である。
前記搬送装置による前記半導体層の搬送の際の前記時間的推移が既知である限り、前記エッチング電流の時間的推移のプリセットによって前記所望の効果を達成し及び／又は前記所望の均一性を保証することが可能である。
好適な実施形態において、前記装置の前記制御ユニットは、前記エッチング電流を制御信号、特に検出信号に応じて制御し得るように形成されている。これによって、プリセットされた前記時間的推移が前記制御信号によってトリガされるようにすることが可能である。特に、前記半導体層の少なくとも一つのポジショニングを検出するためのポジション検出器が設けられ、該ポジションセンサが前記制御ユニットと連携し、前記エッチング電流のプリセットされた前記時間的推移をスタートさせるトリガ信号を前記制御ユニットに送信するように形成されているのが好適である。
この種のポジションセンサは、それ自体公知の方法で、機械式スイッチとして形成されていてよい。好ましくは、該ポジションセンサは非接触型ポジションセンサとして、特に好ましくは光電センサとして形成されている。
前記ポジションセンサは、好ましくは、搬送方向において前記エッチング槽の前に配置されているため、搬送方向において前方に位置する前記端部は、好ましくは直接に又は前記エッチング槽への搬入直前に、したがって、前記前端が前記電解液によって湿潤される直前に検出される。同じく、前記ポジションセンサを前記エッチング槽の前記辺縁に対して大きく離間して配置することも本発明の範囲に属する。特に、前記搬送速度が既知であり、特に好ましくは、搬送速度が一定な場合には、前記半導体層の前記前端の検出と前記エッチング槽への該端部の搬入との間の前記タイムラグによって、計算が可能である。さらに、好ましくは、前記半導体層の前記前方辺縁（搬送方向において前方に位置する端部）と後方辺縁（搬送方向において後方に位置する端部）の検出によって、前記搬送速度並びに前記半導体層の前記長さが算定され、特に、好ましくは、こうして、前記電流勾配がそれぞれの半導体層に明確に適合化される。
好適な実施態様において、前記装置は、前記半導体層の幾何学特性又は材料特性を決定し又は前記半導体層の同一性を決定するための少なくとも一つのさらに別なセンサを有する。この少なくとも一つのさらに別なセンサの前記測定値は、適切な処理ユニットによって、特に前記制御ユニットによって、前記エッチング電流の前記プロファイル、特に、その最大高さを前記半導体層の特性に適合させるために使用される。
例えば、好適な実施形態において、前記半導体層の導電率を決定するためのセンサが用いられ、前記測定値に基づき、導電率に依存する前記エッチング速度が一定に保たれるように、前記エッチング電流が適合化される。同様に、前記半導体層の前記面積を決定するためのセンサが、一定なエッチング電流の密度を達成すべく前記エッチング電流を面積に比例して調節するために使用される。前記エッチング速度と導電率との依存性は、例えば、Ｅ．Ｖ．Ａｓｔｒｏｖａ，Ｙ．Ａ．Ｚｈａｒｏｖａ著、“Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｏｒｏｕｓ Ｌａｙｅｒ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｒａｔｅ ｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｗｉｔｈ Ｖａｒｉｏｕｓ Ａｃｃｅｐｔｏｒ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ”，Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ，Ｖｏｌｓ．２０５〜２０６，ｐｐ．３７０〜３７５，Ｏｃｔ．２０１３から公知である。
最適な均一性を達成するために、前記装置は、好ましくは、前記エッチングプロセス中、前記半導体層の前記エッチング電流の密度が一定であり、そのため、単位面積当たりしかも前記半導体層の前記ポジションに関わりなく、常に大略同一のエッチング電流が作用するように、形成されており、これによって、速度が一様であると共にエッチング時間が等しければ、前記所望の最適な均一性が保証される。
さらに別の好ましい実施形態において、時間的に変調された前記エッチング電流と、前記エッチングチャンバへの前記半導体層の搬入の際の前記エッチング電流の上昇及び／又は前記エッチングチャンバからの前記半導体層の搬出の際の前記エッチング電流の下降とのコンビネーションが行われる。したがって、この好ましい実施形態において、前記時間的な変調、特に好ましくは、搬入の際の上昇勾配、中央プラトー領域及び前記ウェーハの搬出の際の下降勾配の正弦状、矩形状、三角状又は鋸歯状の変調、が重ね合わされる。
したがって、この好ましい実施形態において、前記エッチング電流は前記半導体層の搬入の際に時間平均で上昇し及び／又は前記エッチング電流は前記半導体層の搬出の際に時間平均で減少する。
本発明による装置及び本発明による方法は、特に好ましくは、上述したように、多孔質半導体層の製造又は前記半導体層の少なくとも一部の多孔質表面の製造に適している。
特に、本発明による装置及び／又は本発明による方法を用いて、半導体層のエピタキシャル析出用のキャリア基板、とりわけ、シリコン層のエピタキシャル析出用のキャリア基板を形成するのが好適である。
先ず、キャリア基板がエッチングによる多孔質表面の片面形成によって準備され、続いて、該多孔質表面上に、最終的に該キャリア基板から剥離されるシリコン層がエピタキシャル形成される、半導体デバイス、特に太陽光電池を製造するためのこの種の方法は、国際公開第２０１３／００４８５１号に開示されている。
本発明による方法及び本発明による装置は、上述したように、特に、シリコン層をエピタキシャル成長させるためのキャリア基板に多孔質表面を形成するのに適している。
前記エッチング電流は、好ましくは、０．１ｍＡ／ｃｍ２から１０００ｍＡ／ｃｍ２までの範囲、特に好ましくは５ｍＡ／ｃｍ２から５００ｍＡ／ｃｍ２までの範囲のエッチング電流の密度が生ずるようにして選択されている。
好適なエッチング効果を達成するには、以下の組成の前記電解液が好適である。
多孔質シリコンを得るには、純水３０％から８０％、フッ化水素酸１９％から４９％、残りは界面活性剤（例えばエタノール）、例えば、純水３６％、フッ化水素酸４９％、エタノール１５％、の組成が好ましい。フッ化水素酸に代えて、別途の解離性フッ素、塩素又はその他のハロゲン含有化合物を使用することも可能である。
多孔質ガリウムヒ素を得るには、塩素含有電解液、例えば塩酸が好ましく、多孔質リン化インジウムを得るには、ヒドロキシル基含有電解液、例えば苛性カリ液が好ましく、多孔質炭化ケイ素を得るには、フッ化水素酸含有電解液が好ましい。
本発明による装置及び本発明による方法において、前記エッチング電流の電流フローは、前記第一の電極から前記電解液を介して前記半導体層へと行われる。前記第二の電極が前記半導体層と間接又は直接に機械的接触するのも本発明の範囲に属する。この種の接触の好適な実施形態は、例えば、グラファイトブラシ又は金属ブラシからなる弾性軸受された摺動接点である。
同じく、前記半導体層と前記第二の電極との電気的接触のためのその他の接触方法を設けること、特に独国特許出願公開第１０２０１３２１９８３９号明細書に開示の実施形態のいずれか一つを選択することも本発明の範囲に属する。
好適には、搬送方向において少なくとも前記エッチング槽の前に、前記装置の使用時に接触電解液で満たされた、好ましくは、前記エッチング槽に使用されたのと同一の前記電解液で満たされた（カソードを形成するための）第一の接触槽が設けられている。（アノードを形成するための）前記第二の電極は、この好適な実施形態において、前記装置の使用時に接触槽内に所在する前記接触液の電気的接触のために配置されている。
この場合、前記搬送装置は、好ましくは、前記半導体層が先ず前記カソード槽の前記接触液によって少なくとも湿潤されるように配置かつ形成されている。特に、前記エッチング槽の場合と同様に、基本的に前記半導体層のエッチングさるべき前記面のみが前記装置の使用時に前記接触槽内に所在する前記接触液によって湿潤されるようにして、前記半導体層を前記搬送装置によって搬送するのが好適である。したがって、前記半導体層の前記エッチング槽への搬入の際に、前記半導体層は、前記前端から開始して、前記エッチング槽内に所在する前記電解液によって湿潤され（アノード）、これに対して、前記半導体層の前記残りの領域はなお前記接触槽（カソード）の前記接触液によって湿潤されている。したがって、これによって、前記半導体層の電気的接触は、一方で、前記第一の電極を介して前記電解液によって行われ、他方で、前記第二の電極を介して前記接触液によって行われるため、前記エッチングプロセスをエッチング電流の形成によって開始させることが可能である。
特に好適なのは、搬送方向において前記エッチング槽の後に、同じく前記装置の使用時に接触液で満たされた（カソードを形成するための）第二の接触槽を設けることである。該第二の接触槽内には、前記装置の使用時に該第二の接触槽内に所在する前記接触液の電気的接触のために（第二のカソードを形成するための）第三の電極が配置されている。該第二のカソードは、前記第一のカソードと同一の極性を有し、同じく、前記電源と導電接続されている。とりわけ、双方のカソードが導電接続されているのが好適である。
これによって、前記エッチング槽からの前記半導体層の搬出の際に、前記第二のカソード槽への前記半導体層の搬入が行われことから、今や前記エッチング電流が前記アノードと前記第二のカソードを介して流れることが保証されている。
好適には、搬送方向における前記エッチング槽の長さは、搬送方向における前記半導体層の前記長さよりも短いために、常に前記半導体層の一領域が前記エッチング槽の後端及び／又は前端を超え出ており、これらの超え出た領域において常に、上述したように、前記エッチング電流を形成するための接触が保証され得る。
とりわけ、前記第一のカソード槽の前記エッチング槽側の端縁と前記第二のカソード槽の前記エッチング槽側の端縁との間の間隔が、搬送方向と平行な方向で見て、搬送方向における前記半導体層の前記長さよりも短いのが好適である。
本発明による方法及び本発明による装置は、特に、０．０１μｍから２０００μｍの範囲、好ましくは、０．１μｍから５０μｍの範囲のエッチング深さに適している。特に、前記半導体層の多孔質表面を得るために本発明による装置及び本発明による方法が使用される場合には、好ましくは、０．５μｍから５μｍの範囲の深さの多孔質領域が得られる。エッチング電流の前記パラメータ範囲、前記電極、エッチングチャンバ、搬送装置及び前記電解液の前記実施形態は、それ自体として公知の方法で、特に独国特許出願公開第１０２０１３２１９８８６号明細書の開示と同様にして行うことが可能である。
以下、一連の実施例並びに図面を参照して、その他の好ましい特徴及び実施形態を説明する。各図は以下を示す。
二つの接触チャンバを有する本発明による装置の第一の実施例を示す図である。 三つのエッチングチャンバを有する本発明による装置の第二の実施例を示す図である。 均一なエッチング効果を達成するためのエッチング電流の時間的推移を概略的に示す図である。 横方向に相違したエッチング効果を達成するためのエッチング電流の時間的推移を概略的に示す図である。 正弦変調されたエッチング電流の時間的推移を概略的に示す図である。 図５に示した電流推移による表面加工の結果を示す図である。 中間に電流ピークを有する正弦変調されたエッチング電流の時間的推移を概略的に示す図である。
すべての図は概略的な図であり、正確な縮尺に基づくものではない。図中の同一の符号は同一の要素又は同一の機能を有する要素を表すものである。
図１は、半導体層２の片面エッチングを行うための本発明による装置の第一の実施例を示している。半導体層２は、１００μｍから１５００μｍ、本例にあっては７５０μｍの厚さ、ホウ素又はリン、本例にあってはホウ素でドープした、１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３から１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、本例にあっては５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のドーピングを有するシリコンウェーハとして形成されている。半導体層２の下側表面には、半導体層２をシリコン層のエピタキシャル成長用のキャリア基板として使用し得るように、多孔質表面が形成されなければならない。
こうして製造され、続いて、半導体層２から剥離されるシリコン層は、半導体デバイスの製造、特に太陽光電池の製造に使用される。
本装置は、以下の組成、３０％から８０％、本例にあっては４０％のＨ２Ｏ、１９％から４９％、本例にあっては４０％のＨＦ、残りの、本例にあっては２０％の界面活性剤（例えばエタノール）、を有する電解液３で満たされたエッチング槽１（アノード）を有する。
エッチング槽１には、電解液３に電気的に接触すべく、第一の電極４が配置されている。
本装置はさらに搬送装置を有しており、該搬送装置は、分かり易さを優先させて、概略的に搬送ローラ６のみで表されている。不図示の原動機によって同一方向に同一速度で回転される搬送ローラ６によって、半導体層２は、搬送方向Ｔ、つまり図１において左から右に向かって、搬送される。
搬送方向においてエッチング槽１に直接隣接して、それぞれ、接触槽（カソード）７ａ（搬送方向においてエッチング槽の前）及び７ｂ（搬送方向においてエッチング槽の後）が配置されている。双方の接触槽はそれぞれ、本実施例においてエッチング槽１（アノード）の前記接触液と同様の接触液８ａ，８ｂで満たされている。
各接触液（８ａ，８ｂ）の電気的接触を図るため、接触槽７ａには第二の電極５ａ（カソード１）が配置され、接触槽７ｂには第三の電極５ｂ（カソード２）が配置されている。
本装置は、さらに電源９を有し、該電源は、一方で第一の電極４（アノード）と導電接続され、他方で第二の電極５ａ（カソード１）及び第三の電極５ｂ（カソード２）と導電接続されている。したがって、双方のカソードは互いに導電接続されている。
今や、半導体層２が搬送装置によって搬送方向Ｔへ搬送されると、基本的に、半導体層２の下側面のみが接触液８ａ，８ｂないし電解液３によって湿潤される。それゆえ、アノード（電極４）とカソード（電極５ａ並びに電極５ｂ）の一方との間の電位差によって、電解液３及び前記接触液を介してエッチング電流が発生する。
ここで重要なのは、給電系が可変電源として形成されて、制御ユニット１０が設けられていることである。該制御ユニットは、可変電源と連携して、エッチングプロセス中、エッチング電流を自動的に変化させるように形成されている。
したがって、制御ユニット１０によって、特に、時間的推移のプリセット及び／又はトリガ信号、例えばセンサデータ、に応じたエッチング電流の変化のプリセットを通じて、エッチング電流の変化をプリセットすることが可能である。
これによって、特に、エッチングプロセスの均一性の向上によってエラー発生率を低下させ、及び／又は、公知の装置と比較して、より広い適用分野を開拓することが可能である。以下では、これを、図３から６を参照して、説明する。
図２は、本発明による装置の第二の実施例を示している。繰り返しを避けるため、以下では、図１に示した装置に比較した、重要な相違のみに立ち入ることとする。
図２に示した装置において、半導体層２は第二の電極５（カソード）によって直接に接触される。したがって、このカソード（電極５）は半導体層に定置されており、搬送プロセス中、搬送方向Ｔに随伴する。
図２に示した装置は、電解液３で満たされたエッチング槽１を有する。該エッチング槽１の電解液３は、電極（アノード）４を介して接触している。該電解液の組成は以下のとおり、３０から８０％のＨ２Ｏ、１９％から４９％のＨＦ、残りは界面活性剤（例えばエタノール）、である。
したがって、可変電源９は、一方で電極（アノード）４と導電接続されている。他方で、電源９は、第二の電極５（カソード）と導電接続されている。
図１及び図２に示した装置は、さらに、光電センサとして形成されたポジションセンサ１１を有する。それゆえ、該ポジションセンサ１１によって、半導体層の搬送方向における前端２ａが該ポジションセンサ１１の場所に達する時点を検出することができる。該ポジションセンサ１１は、制御ユニット１０にトリガ信号を送信するために、制御ユニット１０と接続されている。
本発明による方法の第一の実施例において、図１に示した装置によって、半導体層２の電解液側の面を片面エッチングすべく、電解液３と半導体層２との間にエッチング電流の形成が行われる。この場合−既述したように−半導体層は、基本的に、片面が電解液によって湿潤される。重要なのは、エッチングプロセス中、エッチング電流は制御ユニット１０によって自動的に変化されせられることである。
本発明による方法のさらにその他の実施例を、以下、図３から６を参照して説明する。
本願出願人の調査によれば、特に、エッチング槽１への半導体層２の搬入の際及びエッチング槽１からの搬出の際に、エッチングプロセスの強度な不均一性が発生することが明らかとなり、特に、これらの領域においてエッチング電流の密度の激しい上昇が確認され得た。
図３から５及び７はそれぞれ、エッチング電流の概略的な時間的推移を示している。図中のＸ軸には常に時間ｔが表され、Ｙ軸にはエッチング電流Ｉが表されている。
したがって、本発明による方法の第一の実施例において、図３に示したエッチング電流Ｉの時間的推移がプリセットされる。
本発明による方法のこの実施例において、時点ｔ＝０に、すなわち、半導体層２の前端２ａがエッチング槽１に搬入される際に、つまり、エッチング槽１の端縁を通り過ぎ、したがって、初めて電解液３によって湿潤される際に、時点ｔ＝１に至るまで、エッチング電流の傾斜状の連続的な上昇が行われる。この時点ｔ＝１は、半導体層２の前端２ａがエッチング槽１の後方の端縁１ｂに達する状況を表している。したがって、この時点ｔ＝１には、半導体層２は、少なくとも搬送方向Ｔにおいて、エッチング槽１を完全に覆う。
図３から看取されるように、今や、エッチング電流のプラトー状の推移が生じ、つまり、エッチング電流は、時点ｔ＝２に至るまで、一定に保たれる。該時点ｔ＝２とは、半導体層２の後端２ｂがエッチング槽１の前方の端縁１ａに達する時点である。したがって、この時点ｔ＝２から、エッチング槽は（少なくとも搬送方向Ｔにおいて）もはや半導体層２によって完全に覆われているわけではない。図３から看取されるように、この時点ｔ＝２から、エッチング電流Ｉの傾斜状の連続的な下降が生ずる。
このようにして、特に、搬送方向の横向きの、エッチング効果の均一性の大幅な改善が達成可能であり、その結果、半導体層２のさらなる使用に際し、従来生じていたエラーを回避しあるいはエラーを少なくとも大幅に減少させることが可能である。
例えば、送り速度１００ｃｍ／ｍｉｎ、エッチング槽長さ５ｃｍ、シリコン半導体層長さ１５ｃｍにて、エッチング槽への搬入の際に、電流は３ｓ間にわたって直線状に０Ａから１０Ａに引き上げられ、次いで、３ｓ間にわたって一定に保たれ、その後に、３ｓ間にわたって１０Ａから０Ａに引き下げられる。この方法によって、厚さ約０．５μｍの多孔質シリコン層の均一な厚さが生み出される。
図４は、横方向に異なったエッチング効果を意図的に発生させるための、本発明による方法の第二の実施例を示している。
本発明による方法のこの実施例において、時点ｔ＝０に、すなわち、半導体層２の前端２ａがエッチング槽１に搬入される際に、つまり、エッチング槽１の端縁を通り過ぎ、したがって、初めて電解液３によって湿潤される際に、時点ｔ＝１に至るまで、エッチング電流の傾斜状の連続的な上昇が行われる。この時点ｔ＝１は、半導体層２の前端２ａがエッチング槽１の後方の端縁１ｂに達する状況を表している。したがって、この時点ｔ＝１には、半導体層２は、少なくとも搬送方向Ｔにおいて、エッチング槽１を完全に覆う。
図４から看取されるように、今や、エッチング電流のプラトー状の推移が生じ、つまり、エッチング電流は、時点ｔ＝２に至るまで、一定に保たれる。時点ｔ＝２からエッチング電流は変化させられ、本実施例において、時点ｔ＝３に至るまで、引き下げられる。引き下げられたエッチング電流は、時点ｔ＝４に至るまで、一定に保たれ、続いて、時点ｔ＝５に至るまで、傾斜状に引き上げられて、当初のレベルに達する。このレベルは、時点ｔ＝６に至るまで、一定に保たれる。該時点ｔ＝６とは、半導体層２の後端２ｂがエッチング槽１の前方の端縁１ａに達する時点である。したがって、この時点ｔ＝６から、エッチング槽は（少なくとも搬送方向Ｔにおいて）もはや半導体層２によって完全に覆われているわけではない。図４から看取されるように、この時点ｔ＝６から、エッチング電流Ｉの傾斜状の連続的な下降が生ずる。
このようにして、半導体層の端部領域に非常に顕著な多孔質領域をつくり出すことができる。これは、国際公開第２０１３／００４８５１号に開示されているように、エッチングされた層上にエピタキシャル成長被着された半導体層を、半導体層２から分離するための分離層として機能する多孔質層の効果にとって特に好適である。別法として、端部領域において、ｔ＝１とｔ＝２との間、並びに、ｔ＝５とｔ＝６との間の電流レベルを、ｔ＝３とｔ＝４との間に印加されている電流レベル以下に低下させることによって、エピタキシャル成長させられた半導体層の意図的な付着を達成することも可能である。
図５は、本発明による方法のさらに別な実施例におけるエッチング電流の変化を示している。
この実施例において、エッチング電流の平均は、図３に示したのと同様な推移を示す。ただし、該エッチング電流は、さらに、正弦変調され、その際、正弦変調の振幅は、時点ｔ＝１とｔ＝２との間のプラトー高さよりも小さい。この方法においても、半導体層の表面に多孔質領域がつくり出される。ただし、この場合、正弦変調によって、図６に示したように、交互に密度が高低変化する重なり合った層からなる層システムが得られる。
図６は、例えば図１に示した装置において、上記の方法で処理された半導体層２を示している。方法の実施に際して多孔質層がつくり出される下側エッチング面は、図６において、上側に表されている。右側に示した部分図には一部が拡大されて示されている。この場合、白色層は、高いエッチング電流によって多くの材料がエッチング除去された低密度の層を表している。黒色で表された層は、エッチング電流が低いためにエッチング除去された材料が少ないことから、相対的に高い密度を有している。
これによって、例えば０．１ｓを下回る範囲の著しく短いエッチング時間が生ずるために、密度の相違する著しく薄い層を達成することが可能である。エッチング電流が規制されていない場合には、これらの時間は非常に高い通過速度によってのみ実現可能である。こうした速度は、実際には実現不能である。
この種の、例えば光反射器として使用可能な層は、好ましくは０．０１Ｈｚから５００Ｈｚの範囲内の周波数、本例にあっては、好ましくは０．２Ｈｚの周波数、によるエッチング電流の正弦変調によって、個々の層のそれぞれの厚さが約１００ｎｍであるようにして製造される。より高い、例えば１Ｈｚから１００Ｈｚの周波数で、個々の層のそれぞれの厚さが大略１ｎｍから数１０ｎｍであるようにして製造された層は、好適には、例えばシリコン・リチウム電池用の電極として適している。
変調された電流振動の強度を連続的に高めることによって、緊張によって生ずる機械的応力を徐々に解消し、それによって低応力表面層をつくり出すことのできる層構造が得られる。
例えば、個々の層の厚さが例えば可視光の範囲内で生ずるように周波数が適合されて行われるこの種の通電によって、個々の層の厚さが連続的に増大する構造体、つまり、特に広帯域で反射するいわゆるチャープ（“ｃｈｉｒｐｅｄ”）ブラッグ反射器が得られる。
図５に示した電流プロファイルを、図７に示したように、一つ又は複数のピークで補完することによって、自らのうちにまたも個別層構造体を有する二つ又はそれを上回る個別層が得られる。これらは、好適には、例えばシリコン・リチウム電池用の電極として使用するために、互いに機械的に分離し得るように形成されていてよい。

Claims (17)

  1. 半導体層の片面エッチングを行うための装置であって、
    電解液（３）を収容するための少なくとも一つのエッチング槽（１）、
    前記装置の使用時に前記エッチング槽（１）内に所在する前記電解液（３）の電気的接触のために配置された第一の電極、
    前記半導体層の間接又は直接の電気的接触のために配置された少なくとも一つの第二の電極、
    エッチング電流を発生させるために前記第一及び前記第二の電極と導電接続された少なくとも一つの電源（９）、及び、
    基本的に前記半導体層のエッチングさるべきエッチング面のみが前記装置の使用時に前記エッチング槽（１）内に所在する前記電解液によって湿潤され得るようにして前記半導体層を前記エッチング槽（１）に対して相対搬送するための少なくとも一つの搬送装置を備える装置において、
    前記電源（９）は可変電源（９）として形成され、
    該装置は前記可変電源（９）を制御するための制御ユニット（１０）を有し、
    該装置は、前記エッチング電流を、エッチングプロセス中、前記制御ユニット（１０）によって自動的に可変化するように形成されていることを特徴とする装置。
  2. 前記制御ユニット（１０）は、前記エッチング電流を、時間的推移のプリセット、特に、前記エッチングプロセスの開始時に上昇する及び／又は前記エッチングプロセスの終了時に下降するエッチング電流のプリセット、及び／又は、時間的に変調された、特に正弦変調されたエッチング電流のプリセットによって、制御し得るように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  3. 前記制御ユニット（１０）は、前記エッチング電流を制御信号、特に検出信号に応じて、制御し得るように形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
  4. 前記装置は、前記エッチング槽（１）に対する前記半導体層の少なくとも一つのポジショニングを検出するためのポジションセンサ（１１）を有し、
    該ポジションセンサ（１１）は前記制御ユニット（１０）と連携するように形成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
  5. 前記ポジションセンサ（１１）は、前記半導体層が前記装置の使用時に前記エッチングチャンバ内に所在する前記電解液（３）によって湿潤される前に、前記半導体層のポジションを検出するように配置かつ形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
  6. 該装置は、前記エッチングプロセス中、前記半導体層の前記エッチング電流の密度が一定に保たれるように形成されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
  7. 前記装置は、前記半導体層の幾何学特性又は材料特性を検出するためのセンサを有し、該センサは前記制御ユニット（１０）と連携して、前記センサデータに応じて前記エッチング電流を制御するように形成され、特に、該センサは導電率センサとして形成されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
  8. 電解液（３）と前記半導体層との間のエッチング電流によって、前記半導体層の片面エッチングを行うための方法であって、
    前記半導体層は基本的に片面が前記電解液（３）によって湿潤されるように構成した方法において、
    前記エッチングプロセス中、前記エッチング電流は自動的に変化させられることを特徴とする方法。
  9. 前記エッチングプロセス中、前記エッチング電流の周期的な変調、特に正弦変調が行われることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
  10. 前記半導体層は、該半導体層が基本的に片面のみ前記電解液（３）によって湿潤されるようにして、前記電解液（３）を含んだエッチングチャンバ上を搬送させられ、
    その際、前記半導体層の搬入の際に前記エッチング電流は上昇し及び／又は前記半導体層の搬出の際に前記エッチング電流は下降することを特徴とする、請求項８又は９に記載の方法。
  11. 前記搬入の際に前記エッチング電流は連続的に上昇し、特に、前記電解液（３）によって覆われた面積に比例して上昇し及び／又は前記搬出の際に前記エッチング電流は連続的に下降し、特に、前記電解液（３）によって覆われた面積に比例して下降することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記エッチング電流は、前記電解液（３）に対する前記半導体層の前記ポジションに応じて変化させられることを特徴とする、請求項８から１１のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記エッチング電流は周期的に変調され、かつ、前記半導体層の搬入の際に時間平均で前記エッチング電流は上昇し及び／又は前記半導体層の搬出の際に時間平均で前記エッチング電流は下降することを特徴とする、請求項９及び請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記エッチング電流は、前記エッチングプロセス中、前記半導体層の前記エッチング電流の密度が一定であるように制御されることを特徴とする、請求項８から１３のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記エッチング電流は、少なくとも一つのセンサの前記測定パラメータに応じて変化させられることを特徴とする、請求項８から１４のいずれか一項に記載の方法。
  16. 多孔質半導体層を製造するための、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置の使用。
  17. 半導体層、特にシリコン層のエピタキシャル析出用のキャリア基板を製造するための、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置の使用。
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