Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ХИМИКО-ДИНАМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ ГЕРМАНИЕВЫХ ПОДЛОЖЕК

Изобретение относится к области электрического оборудования, в частности к полупроводниковым приборам, а именно к устройствам химико-динамического травления.

Известно устройство химико-динамического травления полупроводниковых слоев Si, Si_1-x, Ge_x и Ge, в котором на поверхность пластин в процессе вращения непрерывно подается раствор травителя. Посредством механической руки струю травителя сканируют по заданной траектории вдоль поверхности пластины, что позволяет добиться равномерности травления центральных и периферийных участков. В качестве травителя использован состав: HF÷H₂O₂ (30%)÷СН₃СООН (99,8%)=1÷2÷3 с различным процентным содержанием HF: 50, 20, 10%.

Скорости травления слоя германия при этом составляют 4; 1,2; 0,11 мкм/мин соответственно. При высокой скорости вращения пластины более 600 об/мин однородность травления снижается и увеличивается непроизводительный расход травителя. Оптимальная скорость вращения составляет 200 об/мин, (см. Hollander В., Buca D., Mantl S., Hartmann J.M., Wet Chemical Etching of Si, Si_1-x, Ge_x and Ge in HF÷H₂O₂÷CH₃COOH, Journal of The Electrochemical Society, 157(6) H643-H646, 2010).

Недостаток данного устройства заключается в том, что в нем реализуется поштучная обработка пластин с непроизводительным расходом реактивов.

Признак, общий с предлагаемым устройством химико-динамического травления германиевых подложек, следующий: ограничение толщины слоя травителя над подложкой.

Известно устройство химико-динамического травления германиевых подложек (см. патент РФ №2520955, опубл. 27.06.2014 г.), включающее платформу с реакционными сосудами, выполненную с возможностью совершения орбитального движения в горизонтальной плоскости, причем платформа выполнена в виде короба и снабжена цилиндрическими ванночками, при этом на дно ванночек установлены диски вкладышей, на которых горизонтально расположены пластины подложкой вверх, кроме того, крышки-втулки ванночек выполнены с возможностью ограничения толщины слоя травителя на поверхности пластин, а дно ванночек выполнено с возможностью его охлаждения проточной водой.

Частота орбитального движения платформы с ванночками составляет 200 об/мин. Нижняя профилированная сторона крышки-втулки ограничивает толщину слоя травителя над поверхностью подложки. Чем меньше толщина слоя и скорость течения травителя над поверхностью подложки, тем меньше скорость травления в этой области, таким образом, задавая определенную конфигурацию нижней стороны крышки-втулки, выравнивают скорости травления центрального и периферийного участков пластины.

Недостаток устройства-прототипа заключается в сложности эксплуатации из-за того, что для многократной смены травителя в ванночках необходимо снимать и вновь устанавливать крышку-втулку, кроме того, возможно прикрепление газовых пузырьков к поверхности неподвижной втулки, ухудшающее однородность травления.

Признаки прототипа, общие с предлагаемым устройством химико-динамического травления германиевых подложек, следующие: 1) платформа с реакционными сосудами выполнена с возможностью совершения орбитального движения в горизонтальной плоскости и имеет форму короба; 2) платформа снабжена цилиндрическими ванночками; 3) в ванночках горизонтально расположены пластины подложкой вверх; 4) крышки-втулки ванночек выполнены с возможностью ограничения толщины слоя травителя на поверхности пластин; 5) дно ванночек выполнено с возможностью его охлаждения проточной водой.

Технический результат, достигаемый в предлагаемом устройстве химико-динамического травления германиевых подложек, заключается в упрощении конструкции и улучшении однородности травления.

Отличительные признаки предлагаемого устройства химико-динамического травления германиевых подложек, обуславливающие его соответствие критерию «новизна», следующие: каждая крышка-втулка выполнена в виде перемешивающего плоского диска круглой формы из полипропилена с определенной конфигурацией технологических отверстий и с возможностью скольжения по поверхности подложки в слое травителя за счет орбитального движения платформы, кроме того, перемешивающий диск снабжен фторопластовыми вставками и держателем.

Для подтверждения критерия «изобретательский уровень» был проведен анализ известных и отличительных признаков предлагаемого устройства по литературным источникам, в результате которого не обнаружено технических решений, содержащих совокупность известных и отличительных признаков предлагаемого устройства, дающих вышеуказанный технический результат. Поэтому, по мнению автора, предлагаемое устройство химико-динамического травления германиевых подложек соответствует критерию «изобретательский уровень».

Конкретный пример использования предлагаемого устройства химико-динамического травления германиевых подложек иллюстрирован фотографиями на фиг. 1, 2, 5 и чертежами на фиг. 3, 4.

На фиг. 1 представлен вид перемешивающего диска, на фиг. 2 представлен вид перемешивающего диска в ванночке для травления, на фиг. 3 представлен вид ванночки для травления в сборе с пластиной и перемешивающим диском на платформе устройства, на фиг. 4 представлен вид блока управления с платформой устройства химико-динамического травления германиевых подложек, на фиг. 5 представлен вид утоненной пластины толщиной 86,5 мкм в области интегрального диода фотопреобразователя.

Принцип действия устройства химико-динамического травления германиевых подложек показан на фиг. 3, 4, где: 1 - ванночка для травления; 2 - раствор травителя; 3 - полупроводниковая пластина с германиевой подложкой; 4 - проточная вода для обеспечения теплоотвода; 5 - платформа; 6 перемешивающий диск; 7 - технологическое отверстие в перемешивающем диске; 8 - фторопластовая вставка в перемешивающем диске; 9 - лепесток перемешивающего диска, закрывающий центральную часть подложки; 10 - держатель перемешивающего диска; 11 - блок управления.

Предлагаемое устройство химико-динамического травления германиевых подложек применено в технологии изготовления фотопреобразователей с трехкаскадной эпитаксиальной структурой GalnAs/GalnP/Ge на германиевой подложке с диаметром ⌀100 мм. Предварительно на эпитаксиальной стороне полупроводниковой пластины формируют лицевые контакты фотопреобразователя и встроенного диода, выполняют меза-изолирующее травление, наносят защитный слой фоторезиста ФП 2550. В цилиндрические ванночки 1 (с внутренним диаметром ⌀105 мм) заливают травитель 2 состава HF (50%)÷Н₂O₂ (30%)÷Н₂O=1÷1÷4 в объеме 25 мл, при этом толщина слоя травителя 2 в ванночке 1 составляет ~2,9 мм. Пластины 3 укладывают на дно ванночек 1 германиевой подложкой вверх. Ванночки 1 омываются проточной водой 4 с температурой ~25°C для обеспечения теплоотвода. Платформа 5 с ванночками 1 совершает орбитальное круговое движение в горизонтальной плоскости с частотой 200 об/мин, радиусом 2,5 мм. На пластину 3 в ванночке 1 с травителем 2 укладывают перемешивающий плоский круглый диск 6 диаметром 0104 мм толщиной 6 мм из полипропилена, в котором сформированы технологические отверстия 7 определенной конфигурации, при этом в технологических отверстиях 7 перемешивающего диска 6 образуются локальные ванночки со слоем травителя 2 значительно большей толщины, чем на закрытых участках пластины 3. Перемешивающий диск 6 приводится во вращение вокруг своей оси и скользит по поверхности подложки 3 в слое травителя 2 за счет орбитального движения платформы 5. Скорость вращения перемешивающего диска 6 составляет ~2 об/мин. В технологических отверстиях 7 перемешивающего диска 6 травление протекает интенсивнее, чем на закрытых участках подложки 3 с меньшей толщиной слоя травителя 2, при этом за счет вращательного движения перемешивающего диска 6 на подложке 3 образуются круговые области равной толщины.

Форма и расположение технологических отверстий 7 подбирались экспериментально, при этом вновь создаваемыми технологическими отверстиями 7 в перемешивающем диске 6 увеличивалась скорость травления на более толстых участках подложки 3.

Перемешивающий диск 6 снабжен фторопластовыми вставками 8 и имеет лепесток 9, закрывающий центральную часть подложки, а также содержит держатель 10. Фторопластовые вставки 8 используются для утяжеления перемешивающего диска 6 и прижатия его к поверхности подложки 3, так как полипропилен легче воды (плотности используемых материалов: полипропилена ~0,9 г/см³, фторопласта ~2,2 г/см³). Фторопластовые вставки 8 выполнены из отрезков фторопластовых стержней, плотно вставленных в перемешивающий диск 6, симметрично относительно его центра.

Аналогичный результат утяжеления без фторопластовых вставок 8 достигается за счет увеличения толщины перемешивающего диска 6, но при этом снижается скорость его вращения. В случае всплытия полипропиленового перемешивающего диска 6 над подложкой 3 более чем на ~1 мм влияние технологических отверстий 7 ослабевает и однородность травления ухудшается. При изготовлении из фторопласта перемешивающий диск 6 не вращается. Центральная часть подложки 3 всегда закрыта лепестком 9 перемешивающего диска 6 для предотвращения образования в слое травителя 2 вихревого потока. В отсутствие перемешивающего диска 6 происходит волнообразное движение травителя 2 по закручивающейся к центру ванночки 1 спирали. Целесообразно применение перемешивающих дисков 6 с толщинами от 2 до 10 мм при толщинах слоя травителя 2 до погружения перемешивающих дисков 6 от 1,5 до 4 мм (что соответствует объемам травителя 2 от 13 до 35 мл).

Выбранный для использования диапазон толщин слоя травителя 2 оптимален для обеспечения контролируемости и воспроизводимости процесса травления.

Применение перемешивающих дисков 6 больших толщин нецелесообразно из-за непроизводительного расхода материала и громоздкости конструкции.

Перемешивающие диски 6 с меньшими толщинами соответствуют слоям травителя 2 с непроизводительно низкими скоростями травления. Перемешивающий диск 6 снабжен держателем 10 из полипропилена, что позволяет избежать всплеска травителя 2 при укладывании перемешивающего диска 6 в ванночку 1, а также для удобного извлечения перемешивающего диска 6 по окончании процесса травления.

Задание движения и остановка платформы 5 осуществляется с помощью блока управления 11.

Для используемых полупроводниковых пластин 3 с толщинами более 150 мкм утонение до 85÷90 мкм в конкретном примере выполняется за три цикла травления с двумя сменами израсходованного раствора на свежий без промывки деионизованной водой (см. табл. 1).

Выполнение 1-го цикла выравнивающего травления позволяет более производительно использовать устройство для одновременной обработки пластин 3 с разной исходной толщиной.

По окончании травления ванночки 1 промывают деионизованной водой, утоненные пластины 3 извлекают при помощи изогнутого полимерного шпателя. Далее удаляют фоторезистивный слой защиты, напыляют тыльный контакт фотопреобразователя на установке ВАК 761, отжигают контакты на установке ATVSR0 706, создают просветляющее покрытие ТiO₂/Аl₂О₃ на установке ВАК 761 opt., вырезают фотопреобразователи на установке DFD6240. Вес изготовленного фотопреобразователя с габаритными размерами 40×80 мм составляет 1,65 г, толщина пластины 86,5 мкм.

Предложенное устройство химико-динамического травления германиевых подложек 3 обеспечивает равномерное травление по площади пластины благодаря определенной конфигурации корректирующих технологических отверстий 7 в перемешивающем диске 6. При вращательном скольжении перемешивающего диска 6 в слое травителя 2 по поверхности подложки 3 отсутствует зависание газовых пузырьков и образование микронеровностей. Отсутствует необходимость удаления диска 6 из ванночки 1 при неоднократной смене травителя 2 за счет упрощения конструкции.

Предлагаемое устройство экономично, для стравливания ~70 мкм германиевой подложки 3 расходуется ~12 мл компонентов травителя 2:HF и Н₂O₂.