RU2569551C2 - Boring of monocrystal silicon plates - Google Patents

Boring of monocrystal silicon plates Download PDF

Info

Publication number
RU2569551C2
RU2569551C2 RU2014100258/05A RU2014100258A RU2569551C2 RU 2569551 C2 RU2569551 C2 RU 2569551C2 RU 2014100258/05 A RU2014100258/05 A RU 2014100258/05A RU 2014100258 A RU2014100258 A RU 2014100258A RU 2569551 C2 RU2569551 C2 RU 2569551C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silicon
plate
etching
temperature gradient
holes
Prior art date
Application number
RU2014100258/05A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014100258A (en
Inventor
Валерий Александрович Небольсин
Александр Игоревич Дунаев
Александр Александрович Долгачев
Светлана Сергеевна Шмакова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет"
Priority to RU2014100258/05A priority Critical patent/RU2569551C2/en
Publication of RU2014100258A publication Critical patent/RU2014100258A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2569551C2 publication Critical patent/RU2569551C2/en

Links

Abstract

FIELD: process engineering.
SUBSTANCE: invention relates to semiconductor engineering, particularly, to production of microstructure elements of electronic devices. Production of bores in monocrystalline silicon plates comprises preparation of such plate by application on its surface of fine metal particles of catalyst to be coated with a thin film of sodium tetraborate (anhydrous). Plate is placed in radiant furnace and heated. Crosswise temperature gradient of 10-100 K/cm is created and directed from plate face to rear. Atomic silicon undersaturation is created in gas phase by feeding thereon the silicon tetrachloride to effect the gas-phase etching of the plate in crystal→liquid drop→vapour manner.
EFFECT: high-quality through bores in monocrystal silicon plates.
5 ex

Description

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к технологии изготовления полупроводниковых структур, являющихся элементной базой функциональной микроэлектроники, и может быть использовано в технологии изготовления кремниевых мембранных фильтров, солнечных элементов с вертикальными p-n переходами, кремниевых пластин облегченной конструкции, применяемых в оптическом приборостроении.The invention relates to the field of microelectronics, in particular, to the technology of manufacturing semiconductor structures, which are the elemental base of functional microelectronics, and can be used in the technology of manufacturing silicon membrane filters, solar cells with vertical p-n junctions, silicon wafers of lightweight construction used in optical instrumentation.

Известны способы получения отверстий в монокристаллических пластинах кремния [Травление полупроводников [сборник статей]. Пер. с англ. С.Н. Горина. М.: Мир, 1965; Амиров И.И., Морозов О.В., Изюмов М.О., Кальнов В.А., Орликовский А.А., Валиев К.А. // Плазмохимическое травление глубоких канавок в кремнии с высоким аспектным отношением для создания различных элементов микромеханики. // Микросистемная техника. 2004. Т. 12. С. 15-18; Щетинин А.А., Дунаев А.И., Козенков О.Д. О травлении монокристаллов кремния через жидкую фазу и образовании систем обычных и «отрицательных» НК // Воронеж, политехн, ин-т. Воронеж, 1981. 9 с. Деп. в ВИНИТИ 08.12.81, №5596-81]. Известно техническое решение [Травление полупроводников [сборник статей]. Пер. с англ. С.Н. Горина. М.: Мир, 1965], согласно которому отверстия в кремниевой пластине получают избирательным химическим изотропным травлением областей поверхности кристалла, незащищенных окисной фотомаской, в буферном травителе на основе азотной, плавиковой и уксусной кислот. Недостатками данного способа являются невысокая селективность травления (отношение скоростей травления кремния и материала фотомаски), боковое подтравливание под маску и невозможность получать отверстия с высоким аспектным отношением глубина/диаметр.Known methods for producing holes in single-crystal silicon wafers [Etching of semiconductors [collection of articles]. Per. from English S.N. Gorina. M .: Mir, 1965; Amirov I.I., Morozov O.V., Izyumov M.O., Kalnov V.A., Orlikovsky A.A., Valiev K.A. // Plasma-chemical etching of deep grooves in silicon with a high aspect ratio to create various elements of micromechanics. // Microsystem technology. 2004.V. 12. S. 15-18; Schetinin A.A., Dunaev A.I., Kosenkov O.D. On the etching of silicon single crystals through the liquid phase and the formation of conventional and “negative” nanocrystal systems // Voronezh, Polytechnic, Institute of Computer Science. Voronezh, 1981. 9 p. Dep. in VINITI 08.12.81, No. 5596-81]. Known technical solution [Etching of semiconductors [collection of articles]. Per. from English S.N. Gorina. M .: Mir, 1965], according to which holes in a silicon wafer are obtained by selective chemical isotropic etching of surface areas of the crystal unprotected by an oxide photomask in a buffer etchant based on nitric, hydrofluoric, and acetic acids. The disadvantages of this method are the low selectivity of the etching (the ratio of the etching rates of silicon and the material of the photomask), side etching under the mask and the inability to obtain holes with a high aspect ratio, depth / diameter.

Известен способ создания отверстий в монокристаллических пластинах кремния избирательным плазмохимическим травлением за счет химического взаимодействия открытых участков поверхности кремния с химически активными заряженными частицами и образования летучих соединений [Амиров И.И., Морозов О.В., Изюмов М.О., Кальнов В.А., Орликовский А.А., Валиев К.А. // Плазмохимическое травление глубоких канавок в кремнии с высоким аспектным отношением для создания различных элементов микромеханики // Микросистемная техника. 2004. Т. 12. С. 15-18]. Недостатками способа являются невысокая скорость травления (2-10 нм/с), невысокая анизотропия травления (отношение скоростей травления по нормали к поверхности и в тангенциальном направлении), отсутствие аппаратурных возможностей обеспечить протравливание отверстий глубиной, существенно превышающей 100 мкм по нормали к поверхности, а также возможность деградации и разрушения структур на пластине.There is a method of creating holes in single-crystal silicon wafers by selective plasma-chemical etching due to the chemical interaction of open areas of the silicon surface with chemically active charged particles and the formation of volatile compounds [Amirov II, Morozov OV, Izyumov M.O., Kalnov V. A., Orlikovsky A.A., Valiev K.A. // Plasma-chemical etching of deep grooves in silicon with a high aspect ratio to create various elements of micromechanics // Microsystem technique. 2004.V. 12. S. 15-18]. The disadvantages of the method are the low etching rate (2-10 nm / s), low etching anisotropy (the ratio of etching rates along the normal to the surface and in the tangential direction), the lack of hardware capabilities to provide etching of holes with a depth significantly exceeding 100 microns along the normal to the surface, and also the possibility of degradation and destruction of structures on the plate.

Ближайшим аналогом является способ получения отверстий в полупроводниковых пластинах избирательным химическим газофазным травлением с участием мелкодисперсных частиц металлов по схеме кристалл→жидкая капля→пар [Щетинин А.А., Дунаев А.И., Козенков О.Д. О травлении монокристаллов кремния через жидкую фазу и образовании систем обычных и «отрицательных» НК //Томск, 1981, с.2-9, Деп. в ВИНИТИ 08.12.81, №5596-81]. При наличии на пластине частиц металлов в местах их расположения образуются отверстия в форме цилиндрических, призматических или конусовидных протяженных полостей и каналов с диаметрами от 0,05 до 30 мкм. Недостатками способа являются невозможность создания сквозных, проходящих через всю толщину пластины отверстий, существенное влияние на процесс кристаллографической ориентации материала пластины и образование многогранных фигур травления, возможность разбиения капли и образование множества отверстий в виде узких тоннелей под поверхностью пластины, отсутствие возможности контроля направления пространственного расположения отверстия в пластине.The closest analogue is a method of producing holes in semiconductor wafers by selective chemical gas-phase etching with the participation of finely dispersed metal particles according to the crystal → liquid drop → vapor scheme [Shchetinin A.A., Dunaev A.I., Kozenkov O.D. On the etching of silicon single crystals through the liquid phase and the formation of conventional and “negative” nanocrystal systems // Tomsk, 1981, pp. 2-9, Dep. in VINITI 08.12.81, No. 5596-81]. If there are metal particles on the plate at their locations, holes are formed in the form of cylindrical, prismatic or conical extended cavities and channels with diameters from 0.05 to 30 microns. The disadvantages of the method are the inability to create through holes passing through the entire thickness of the plate, a significant effect on the crystallographic orientation of the plate material and the formation of multifaceted etching figures, the possibility of splitting the drop and the formation of many holes in the form of narrow tunnels under the plate surface, the inability to control the direction of the spatial location of the hole in the plate.

Изобретение направлено на получение сквозных отверстий в монокристаллических пластинах кремния.The invention is directed to through holes in single-crystal silicon wafers.

Это достигается тем, что перед помещением кремниевой пластины с нанесенными на ее поверхность мелкодисперсными частицами катализатора в радиационную печь и созданием условий химического газофазного травления по схеме кристалл→жидкая капля→пар катализатор покрывают тонкой пленкой тетрабората натрия Na2B4O7 (безводного), в пластине кремния создают поперечный, направленный от лицевой к тыльной стороне пластины градиент температуры grad Т, причем величину градиента температуры выбирают из диапазона 10≤ grad Т ≤100 К/см.This is achieved by the fact that before placing a silicon wafer with finely dispersed catalyst particles deposited on its surface in a radiation furnace and creating conditions for chemical gas-phase etching according to the crystal → liquid drop → vapor scheme, the catalyst is coated with a thin film of sodium tetraborate Na 2 B 4 O 7 (anhydrous), in the silicon wafer a transverse temperature gradient grad T directed from the front to the back side of the wafer is created, the temperature gradient being selected from a range of 10 ≤ grad T ≤100 K / cm.

Способ получения отверстий в монокристаллических пластинах кремния осуществляют следующим образом. Нанесенные на поверхность полупроводниковой пластины мелкодисперсные металлические частицы катализатора покрывают тонкой пленкой тетрабората натрия Na2B4O7 (безводного). Затем пластина помещается в кварцевый реактор, продуваемый водородом, нагревается до заданной температуры. Затем создаются условия недосыщения атомарного кремния в газовой фазе за счет подачи в газовую фазу тетрахлорида кремния, в пластине кремния создается необходимый поперечный градиент температуры grad T, направленный от лицевой к тыльной стороне пластины, величина которого выбирается из диапазона 10≤ grad Т ≤100 К/см, и производится химическое газофазное травление по схеме кристалл→жидкая капля→шар. Указанный диапазон градиента температуры определяется тем, что при размерах каталитических частиц 10-2-10-3 см для движения капли необходимо обеспечить перепад температуры в самой капле металла не менее 0,1 К/см. При градиенте менее 10 К/см капля в подложку не углубляется, а при градиенте более 100 К/см процесс создания отверстий становится не контролируемым: капля может разбиваться на более мелкие капли, формируя несколько отверстий, ориентированных под разными углами. Покрытие металлических частиц катализатора тонкой пленкой тетрабората натрия Na2B4O7 (безводного) осуществляется в целях понижения поверхностного натяжения жидкофазных частиц катализатора.A method of producing holes in single-crystal silicon wafers is as follows. Finely dispersed metal particles of the catalyst deposited on the surface of the semiconductor wafer are coated with a thin film of sodium tetraborate Na 2 B 4 O 7 (anhydrous). Then the plate is placed in a quartz reactor, purged with hydrogen, is heated to a predetermined temperature. Then, conditions are created for the undersaturation of atomic silicon in the gas phase by feeding silicon tetrachloride into the gas phase; the necessary transverse temperature gradient gradient T is created in the silicon wafer, directed from the front to the back of the wafer, the value of which is selected from the range 10 ≤ grad T ≤100 K / cm, and a chemical gas-phase etching is performed according to the crystal → liquid drop → ball scheme. The indicated range of the temperature gradient is determined by the fact that for catalytic particle sizes of 10 -2 -10 -3 cm, for the droplet to move, it is necessary to ensure a temperature drop in the metal droplet itself of at least 0.1 K / cm With a gradient of less than 10 K / cm, the drop does not deepen into the substrate, and with a gradient of more than 100 K / cm, the process of creating holes becomes uncontrollable: the drop can break into smaller drops, forming several holes oriented at different angles. Coating the metal particles of the catalyst with a thin film of sodium tetraborate Na 2 B 4 O 7 (anhydrous) is carried out in order to reduce the surface tension of the liquid-phase catalyst particles.

Использование предлагаемого способа позволяет обеспечить получение сквозных (проходящих через всю толщину) отверстий в монокристаллических пластинах кремния, высокую селективность и высокую анизотропию процесса травления кремния. Предлагаемый способ позволяет упростить технологию создания кремниевых мембранных фильтров, кремниевых пластин облегченной конструкции, изготовление которых предусматривает получение сквозных отверстий в мембранах. Способ позволяет облегчить создание отверстий в кремниевых пластинах солнечных элементов с вертикальными p-n переходами, а также облегчить создание сквозных отверстий при выводе коллекторных контактов с лицевой на тыльную сторону пластины в кремниевых односторонних фотоэлектрических преобразователях и многое др.Using the proposed method allows to obtain through (passing through the entire thickness) holes in single crystal silicon wafers, high selectivity and high anisotropy of the etching process of silicon. The proposed method allows to simplify the technology of creating silicon membrane filters, silicon wafers of lightweight construction, the manufacture of which provides for through holes in the membranes. The method allows to facilitate the creation of holes in the silicon wafers of solar cells with vertical p-n junctions, as well as to facilitate the creation of through holes when outputting collector contacts from the front to the back of the wafer in silicon single-sided photoelectric converters, and much more.

Примеры осуществления способа.Examples of the method.

Пример 1.Example 1

На полированные с лицевой стороны монокристаллические пластины кремния толщиной 350 мкм с кристаллографической ориентацией {111} с помощью процессов фотолитографии наносились мелкодисперсные частицы Au, имеющие средний характерный линейный размер 20 мкм. Затем частицы покрывались тонкой пленкой предварительно разогретого до температуры 335 К тетрабората натрия Na2B4O7 (безводного). Подготовленные пластины помещались в радиационную печь. Температура печи повышалась до 1300 (±2) К при одновременной подаче водорода. В пластине кремния создавали поперечный градиент температуры 10 К/см, направленный от лицевой к тыльной стороне пластины. Затем в газовую фазу подавали тетрахлорид кремния при молярном соотношении [SiCl4]/[H2]=0,02 и осуществляли процесс химического газофазного травления кремния. Время травления составляло 10 мин. Полученные отверстия были ориентированы перпендикулярно плоскости {111} пластины, имели цилиндрическую форму и носили сквозной, то есть проходящий через всю толщину пластины характер. Диаметр отверстий составил ~20 мкм.Fine-dispersed Au particles having an average characteristic linear size of 20 μm were deposited on the front side polished single-crystal silicon wafers with a thickness of 350 μm and a {111} crystallographic orientation using photolithography processes. Then the particles were covered with a thin film of sodium tetraborate Na 2 B 4 O 7 (anhydrous) preheated to a temperature of 335 K. Prepared plates were placed in a radiation furnace. The temperature of the furnace increased to 1300 (± 2) K with a simultaneous supply of hydrogen. A transverse temperature gradient of 10 K / cm was created in the silicon wafer, directed from the front to the back side of the wafer. Then, silicon tetrachloride was introduced into the gas phase at the molar ratio [SiCl 4 ] / [H 2 ] = 0.02, and a chemical gas-phase etching of silicon was carried out. The etching time was 10 minutes. The holes obtained were oriented perpendicular to the {111} plane of the plate, had a cylindrical shape and wore through, that is, a character passing through the entire thickness of the plate. The diameter of the holes was ~ 20 μm.

Пример 2.Example 2

Выполнение изобретения проводилось аналогично примеру 1, но в качестве катализатора использовались частицы Pt. Полученные результаты полностью соответствовали результатам примера 1.The implementation of the invention was carried out analogously to example 1, but Pt particles were used as a catalyst. The results obtained are fully consistent with the results of example 1.

Пример 3.Example 3

Выполнение изобретения осуществлялось аналогично примеру 1, но толщина пластины составляла 250 мкм, а в качестве катализатора процесса использовались частицы Cu. Время травления составляло 2 мин. Полученные результаты соответствовали результатам примера 1.The invention was carried out analogously to example 1, but the plate thickness was 250 μm, and Cu particles were used as a catalyst for the process. The etching time was 2 minutes. The results obtained were consistent with the results of example 1.

Пример 4.Example 4

Выполнение изобретения осуществлялось аналогично примеру 1, но в качестве подложек применялись монокристаллические пластины кремния толщиной 350 мкм с кристаллографической ориентацией {100}. Полученные результаты соответствовали результатам примеров 1.The invention was carried out analogously to example 1, but single crystal silicon wafers with a thickness of 350 μm with a crystallographic orientation of {100} were used as substrates. The results obtained were consistent with the results of examples 1.

Пример 5.Example 5

Выполнение изобретения осуществлялось аналогично примеру 1, но поперечный градиент температуры составлял 100 К/см. Полученные результаты соответствовали результатам примера 1, но форма отверстий была конусной, а средний диаметр составил величину 22 мкм.The invention was carried out analogously to example 1, but the transverse temperature gradient was 100 K / cm The results obtained were consistent with the results of example 1, but the shape of the holes was conical, and the average diameter was 22 μm.

Claims (1)

Способ получения отверстий в монокристаллических пластинах кремния, включающий подготовку полупроводниковой пластины путем нанесения на ее поверхность мелкодисперсных металлических частиц катализатора с последующим помещением в радиационную печь и нагревом, создание условий недосыщения атомарного кремния в газовой фазе за счет подачи в нее тетрахлорида кремния и химическое газофазное травление по схеме кристалл→жидкая капля→пар, отличающийся тем, что частицы катализатора покрывают тонкой пленкой тетрабората натрия Na2B4O7 (безводного), затем в пластине кремния создают поперечный, направленный от лицевой к тыльной стороне пластины градиент температуры grad Т, причем величину градиента температуры выбирают из диапазона 10≤ grad Т ≤100 К/см. A method for producing holes in single-crystal silicon wafers, including preparing a semiconductor wafer by depositing finely dispersed metal catalyst particles on its surface, followed by placing it in a radiation furnace and heating, creating conditions for the undersaturation of atomic silicon in the gas phase by feeding silicon tetrachloride into it and chemical vapor-phase etching scheme liquid crystal drop → → pairs, characterized in that the catalyst particles are coated with a thin film tetraborate Na 2 B 4 O 7, sodium (anh -stand), then the silicon wafer creates transverse directed from the front to the rear side of the plate the temperature gradient grad T, the temperature gradient value selected from a range of 10≤ grad T ≤100 K / cm.
RU2014100258/05A 2014-01-09 2014-01-09 Boring of monocrystal silicon plates RU2569551C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014100258/05A RU2569551C2 (en) 2014-01-09 2014-01-09 Boring of monocrystal silicon plates

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014100258/05A RU2569551C2 (en) 2014-01-09 2014-01-09 Boring of monocrystal silicon plates

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014100258A RU2014100258A (en) 2015-07-20
RU2569551C2 true RU2569551C2 (en) 2015-11-27

Family

ID=53611282

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014100258/05A RU2569551C2 (en) 2014-01-09 2014-01-09 Boring of monocrystal silicon plates

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2569551C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2692112C1 (en) * 2018-11-09 2019-06-21 Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") Method of producing through microholes in a silicon substrate

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2406689C2 (en) * 2005-04-25 2010-12-20 Смольтек Аб Nanostructure, precursor of nanostructure and method of forming nanostructure and precursor of nanostructure

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2406689C2 (en) * 2005-04-25 2010-12-20 Смольтек Аб Nanostructure, precursor of nanostructure and method of forming nanostructure and precursor of nanostructure

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHIPENG HUANG et al, Metal-Assisted Chemical Etching of Silicon: A Review, "Advanced Materials", 2011, 23, 285-308. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2692112C1 (en) * 2018-11-09 2019-06-21 Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") Method of producing through microholes in a silicon substrate

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014100258A (en) 2015-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8597738B2 (en) Fabrication of single-crystalline graphene arrays
JP6416191B2 (en) Low temperature graphene deposition method on glass, and related article / apparatus
Cheng et al. High-quality ZnO nanowire arrays directly fabricated from photoresists
Chattopadhyay et al. Nanotips: growth, model, and applications
KR20110109680A (en) Method of manufacturing graphene using germanium layer
Han et al. Controllable synthesis and optical properties of novel ZnO cone arrays via vapor transport at low temperature
Dubrovskii et al. Length distributions of Au-catalyzed and In-catalyzed InAs nanowires
CN102259849A (en) Method for preparing graphene by utilizing solid carbon source
CN101560663B (en) Method for electrochemically preparing nano-array structure materials on basis of nano-mask preparation technique
Mohan et al. Mechanism of self-assembled growth of ordered GaAs nanowire arrays by metalorganic vapor phase epitaxy on GaAs vicinal substrates
RU2569551C2 (en) Boring of monocrystal silicon plates
KR101671627B1 (en) Method for graphene-assisted chemical etching of silicon
Diallo et al. In‐Situ Transmission Electron Microscopy Observation of Germanium Growth on Freestanding Graphene: Unfolding Mechanism of 3D Crystal Growth During Van der Waals Epitaxy
US9691849B2 (en) Ultra-long silicon nanostructures, and methods of forming and transferring the same
RU2526066C1 (en) Method of obtaining thread-like nanocrystals of semiconductors
Yasukawa et al. Morphological control of periodic GaAs hole arrays by simple Au-mediated wet etching
CN108892132A (en) Prepare auxiliary device, the graphene and preparation method thereof of graphene
Park et al. The growth behavior of GaN NWs on Si (1 1 1) by the dispersion of Au colloid catalyst using pulsed MOCVD
Ho et al. A reliable method to grow vertically-aligned silicon nanowires by a novel ramp-cooling process
RU2336224C1 (en) Method of production of regular systems of nano-size silicon whiskers
Cheng et al. Kinetic investigation of the electrochemical synthesis of vertically-aligned periodic arrays of silicon nanorods on (001) Si substrate
Nebol’sin et al. Formation of “negative” silicon whiskers
Evtukh et al. Formation of ordered Si nanowires arrays on Si substrate
CN113502464A (en) Patterned titanium dioxide nanowire array and preparation method thereof
Eichfeld et al. Vapor-liquid-solid growth of< 110> silicon nanowire arrays

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160110