DE1049189B - Anwendung eines elektrolytischen Verfahrens zur Erzeugung eines spannungsfreien Schnitts in einem Halbleiter - Google Patents

Description

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Viele Nachrichtengeräte erfordern kleine und äußerst genau dimensionierte Körper aus halbleitendem Material. Es wird insbesondere häufig verlangt, daß HaIbleiterplättchen von weniger als 0,25 mm Dicke fast ■ optisch ebene, parallele Oberflächen haben sollen. Solche Plättchen müssen frei von Spannungen sein, damit sie optimale elektrische Eigenschaften, aufweisen. Ihre Herstellung aus Einkristallen hat bisher eine Reihe äußerst komplizierter und kostspieliger Arbeitsgänge notwendig gemacht. Nach dem Absägen eines Plättchens von einem massiven Halbleiterstück müssen die Schnittflächen abgeschliffen werden, um , das thermisch und mechani'sch verspannte Material zu entfernen, danach müssen mehrere chemische Ätzungen durchgeführt werden, um eine spannungsfreie Oberfläche freizulegen und die Plättchendicke auf das endgültig benötigte Maß zu verringern. Bei dieser Behandlungsart geht viel Material verloren, gewöhnlich ist die Ausbeute an nutzbarem Material geringer als 5%. ■

Die Erfindung will demgegenüber eine andere Technik verfügbar machen, welche bei Halbleitern die Erzeugung eines spannungsfreien Schnittes mit größerer Wirtschaftlichkeit ermöglicht.

Dazu lehnt sich die Erfindung an das bekannte Verfahren zum Schneiden von Metall an, wobei einer fest eingespannten, dünnen, geradlinig verlaufenden Drahtelektrode ein in seiner Stärke auf das durch Adhäsion und die Kräfte der Oberflächenspannung gegebene Maß beschränkter Elektrolytstrom zugeleitet und der zu schneidende Gegenstand mit gleichförmiger Geschwindigkeit gegen die Drahtelektrode bewegt wird.

Die Erfindung besteht in der Anwendung dieser Verfahrensweise auf die Erzeugung eines spannungsfreien Schnittes in einem Halbleiter. Es können dabei weder thermische noch mechanische Spannungen des Plättc'hens auftreten; es hat sich außerdem gezeigt, daß bei sorgfältiger Durchführung des Verfahrens unmittelbar in einer Ebene, liegende Schnitte erhalten werden und daß keine Nachbearbeitung oder Nachbehandlung erforderlich ist. Schließlich lassen sich die Schnittfugen außerordentlich eng halten, so daß aus einem gegebenen Halbleiterkörper wesentlich mehr Plättchen gewonnen werden können, als es bisher möglich gewesen ist.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung noch näher erläutert werden; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine vergrößerte perspektivische Anordnung mit Darstellung der Schneidelektrode und des Werk-Stücks,

Fig. 2 einen Schnitt durch Schneidelektrode und Werkstück längs der Ebene 3-3 der Fig. 1, Fig. 3 eine Kurve mit Darstellung der Beziehungen Anwendung

eines elektrolytischen Verfahrens

zur Erzeugung eines spannungsfreien

Schnitts in einem Halbleiter

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y.' (V. St. A.)

Vertreter: Dr. Dr. R. Herbst, Rechtsanwalt,
Fürth (Bay.), Breitscheidstr. 7

Beanspruchte Priorität:
V, St. v. Amerika vom 31. Dezember 1954

Joseph Francis Barry, Quakertown, Pa.,

und Norman Clair Seeley, Easton, Pa. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

zwischen Ätzstrom und dem Abstand der Elektrode vom Schnittgrund (Frontlücke),

Fig. 4 die perspektivische Ansicht eines Elektrodenpaares zur Erzeugung eines nicht eben verlaufenden Schnitts. ' ■■:■·'.

Nach der in Fig. 1 und 2 gezeigten Anordnung wird ein rechteckiger Germaniumstab 11 mittels einet Schneidelektrode 12 in Form eines feinen Drahtes aus Material hoher Zugfestigkeit, z. B. Wolfram'öder einer Gold-Platin-Legierung, geschnitten. Der Draht ist in Klemmen 13 und 14 eingespannt, die von der Stütze 15 gehalten werden. Längs der Elektrode 12 fließt ein durch das Rohr 16 zugeführter Elektrolyt 18. Das Rohr 16 besteht aus Glas und ist an seinem unteren Ende verjüngt, so daß eine enge Austrittsöffnung 17 gebildet wird. Die Anordnung liegt in/dem

809 730/357

Stromkreis der Stromquelle 19, welcher außerdem einen Steuerkreis 24 und einen Widerstand 25 enthält. Der spezifische Widerstand des Elektrolyten soll merklich größer sein als der spezifische Widerstand des Werkstücks.

Zur Durchführung des Schneidvorgangs wird das Werkstück 11 zunächst an den Draht 12 herangeführt, bis es von dem Elektrolyten 18 berührt wird. Dann wi'rd das Werkstück mit gleichmäßiger Geschwindigkeit gegen die Elektrode vorgeschoben. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, entsteht die Sc'hneidfuge 20 bei dem elektroly tischen Ätzvorgang.
■ Um die seitliche Abtragung längs der Flächen 21 und 22 gleichzuhalten und damit Schnittflanken der gewünschten Glätte zu erzeugen, muß das Werkstück 11 genau geführt, werden. Darüber hinaus müssen die Ätzstromdichte und die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks gleichförmig sein. Der Schnittgrund 23 behält dabei immer gleiche Form. Wenn der Querschnitt des Werkstücks unregelmäßig ist, kann der Ätzstrom und/oder der Vorschub geändert werden, um Änderungen hinsichtlich der seitlichen Abtragung zu vermeiden.

Durch Verwendung eines Elektrolyten von hohem Widerstand und durch Einhaltung eines kurzen Ab-Standes zwischen Elektrode und Werkstück wird der Ätzstrom auf den Schnittgrund 23 konzentriert. Die örtliche Beschränkung der Ätzwirkung wird vorteilhaft dadurch erreicht, daß man die Größe des erwähnten Abs'tands kleiner wählt, als es dem doppelten wirksamen Durchmesser der Elektrode entspricht.

Oberflächen außergewöhnlich hoher Qualität haben sich bei dem elektrolytischen Schneiden verschiedener Typen von Halbleitern ergeben. Beispielsweise wurde ein p-Typ-Einkristall-Germaniumstab von 2,5 Ohm/cm Widerstand mit einer Seitenlange von 2,8 mm im Querschnitt in Plättchen von nur 0,025 mm Dicke geschnitten, wobei folgende Bedingungen angewandt wurden. Die Elektrode 12 war ein 0,084 mm starker Wolframdraht. Der Elektrolyt' bestand aus einer Lösung von 0,002 Gewichtsprozent Kaliumhydroxyd in entionisiertem Wasser (Leitfähigkeit weniger als 0,1 Mikro-Siemens). Der Elektrolyt wurde in einer Menge von ungefähr 10 ml/min längs des Drahtes geführt. Es wurde ein konstanter Strom von 28 Milliampere angewandt, und die Vorschubgeschwindigkeit betrug 0,165 mm/min; die Breite der Schnittfuge betrug dabei 0,178 mm. · .

Bei einem anderen SchnittvoTgang wurde ein Germaniumstab mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,318 mm/min bewegt, und die Stromstärke betrug 78 Milliampere. Der Elektrolyt hatte in diesem Beispiel eine höhere Leitfähigkeit und bestand aus einer Lösung von 0,0045 Gewichtsprozent Kaliumhydroxyd in· entiöniisiertem Wasser mit einer Leitfähigkeit von 0,1 Mikro-Siemens. Die Schnittfuge hatte eine Breite von 0,24 mm.

; Dei. Ätzwirkungsgrad wird verringert, und der Materialverlust in der Schnittfuge wird erhöht, wenn das Schneiden mit größerer Geschwindigkeit durchgeführt wird. Das Maß des Ätzwirkungsgrades oder der »Ätzfaktor« ist das Produkt aus Schnittgeschwindigkeit und Schnittfläche, geteilt durch den Ätzstrom. Bei dem ersten Beispiel war der Ätzfaktor 0,0029 mm³ ■je Milliampere-Minute, und bei dem zweiten Beispiel betrug er 0,0027 mm³ je Milliampere-Minute.

Ein Germanium-Einkristall vom Typ mit 2,5 Ohm/cm ..spezifischem Widerstand in Form eines Vierkantstabes von 2,28 mm Seitenlänge wurde mit Wolf ram-,draht von 0,084 mm Stärke in einer Lösung von 0,002 Gewichtsprozent Kaliumhydroxyd in entionisiertem Wasser von 0,05 bis 0,1 Mikro-Siemens Leitfähigkeit und l>ei einem Strom von 40 Milliampere mit einer Geschwindigkeit von 0,178 mm/min geschnitten. Die Schnittfuge war 0,178 mm breit, und der Ätzfaktor betrug 0,0017 mm³ je Milliampere-Minute. Die Schnittfuge kann auf 0,128 mm verengt werden, wenn man einen Wolframdra'ht von 0,025 mm verwendet. Eine höher polierte Oberfläche kann durch Verwendung eines Elektrolyten von höherem Widerstand und eines schwächeren Ätzstromes erreicht werden. Besser poliert waren diese Oberflächen vom η-Typ beim Schnitt mit einer Lösung von 0,00087 Gewichtsprozent Kaliumhydroxyd und einem Strom von 20 Milliampere bei einer Schnittgeschwindigkeit von etwa 0,124 mm/min. Wie bei dem Material vom p-Typ nimmt der Ätzfaktor mit schwächerem Strom zu, in diesem Fall auf 0,0025 mm³ je Milliampere-Minute.

Bei dem elektrolytischen Schneidverfahren ist eine Reihe von Variablen zu berücksichtigen. Es empfiehlt sich, diejenigen Variablen durch Konstante zu ersetzen, die einen verwickeiteren Einfluß haben, oder diejenigen, die schwieriger exakt zu regeln sind. So wird die Temperatur, bei der das Verfahren durchgeführt wird, zweckmäßigerweise konstant gehalten. Die Zusammensetzung des Elektrolyten sollte konstant gehalten werden, indem man ihn in dem Teil der Apparatur, in dem das Ätzen stattfindet, kontinuierlich ersetzt und indem man durch Rühren eine Entmischung der Vorratslösung verhindert.

Als Elektrolyten steht eine ganze Reihe geeigneter Materialien einschließlich einer Anza'hl basischer und saurer Lösungen zur Verfügung. Es ist wünschenswert, daß der Elektrolyt eine möglichst geringe Leitfähigkeit für den Ätzstrom hat, damit die Ätzwirkung auf den Schnittgrund konzentriert ist. Der Elektrolyt sollte im übrigen keine merkliche Einwirkung auf das Werkstück haben, wenn kein Ätzstrom fließt; er sollte mit dem geschnittenen Material ein Reaktionsprodukt bilden, das in ihm löslich ist und sich gegenüber dem Material der Apparatur neutral verhalten, wird. Gegebenenfalls kann dem Elektrolyten ein Netzmittel zugesetzt werden. Auf den Schneidvorgang hat auch die Zuflußgeschwindigkeit des Elektrolyten Einfluß. Wenn für den Zufluß die Schwerkraft ausgenutzt wird und die Schneidelektrode entsprechend steil angeordnet ist, besteht ausreichende Gewähr dafür, daß sich im Schnittbereich keine Verunreinigungen sammeln. Es wurde indessen gefunden, daß es besonders beim Schneiden von Germanium vom η-Typ vorteilhaft ist, einen Flüssigkeitsstrom anzuwenden, die mit etwas größerer Geschwindigkeit fließt, damit auch die elektrolytisch erzeugten Gasblasen fortgeführt werden. Es wurden Schnitte in einem Werkstück von 1,28 mm Seitenkante mit einer Geschwindigkeit von 0,432 mm/min durchgeführt. Für Einkristall-Germanium vom p-Typ mit 2,5 Ohm/cm Widerstand lag der optimale Bereich der Schnittgeschwindigkeit bei 0,178 bis 0,305 mm/min. Die seitliche Abtragung kann gewünschtenfalls während der Bearbeitung des Werkstücks geändert werden, indem man eine gleichmäßige Stromdichte aufrechterhält und die Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode gegen die Schnittfläche verändert. Eine Verringerung des Vorschubes bewirkt ein stärkeres Ausmaß seitlicher Abtragung, und eine Zunahme der Geschwindigkeit verkleinert die seitliche Abtragung. So kann eine Formänderung der bei dem Schneidvorgang entstehenden Oberfläche allein durch Änderung der Relativbewegung zwischen Elektrode und Werkstück erreicht werden. Wenn große

Kurven in der Schnittfläche durch die Schneidelektrode erzeugt werden sollen, kann dies durch 'entsprechende Bewegung des Werkstücks gegenüber der Elektrode geschehen.

Wie in Fig. 3 gezeigt, besteht eine reziproke Beziehung zwischen dem Ätzstrom und dem Abstand der Elektrode von dem Schnittgrund (Frontlücke) in einem System, das mit einer konstanten Spannungsquelle betrieben wird. Da der Ätzstrom der Auflösungsgeschwindigkeit des Materials entspricht, ist es offenbar, daß das Material bei einer engen Schnittfuge in stärkerem Ausmaß in der Schneidrichtung und in geringerem Maße quer dazu entfernt wird. Solange mit konstantem Vorschub gearbeitet wird und die auf eine enge Frontlücke eingestellte Auflösungsgeschwindigkeit des Materials gleichbleibt, bleibt auch diese Frontlücke dank des steilen Verlaufs der Kennlinie nach Fig. 3 erhalten. Wenn aus irgendeinem Grunde die Auflösungsgeschwindigkeit nachläßt, etwa dadurch, daß die Schnittfläche in einen Bereich erhöhten Widerstandes im Werkstück eintritt, bewirkt der konstante Vorschub der Schneidelektrode eine Verkleinerung der Frontlücke. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, führt dies zu einer scharfen Erhöhung des Ätzstroms und damit zur Erhöhung der Auflösungsgeschwindigkeit im Sc'hnittgrund, wodurch die Front mit größerer Geschwindigkeit vorrückt als die Schneidelektrode. Wenn sich die Frontlücke vergrößert, wird der Ätzstrom kleiner, und die Geschwindigkeit, mit der die Front zerschnitten wird, nimmt ab; auf diese Weise stellt sich ein neuer Gleichgewichtszustand ein. Umgekehrt bewirkt eine Vergrößerung der Frontlücke eine Abnahme des Ätzstroms und der Auflösungsgeschwmdigkeit im Schnittgrund, wodurch die Geschwindigkeit des Vorrückens des Schnittgrundes kleiner als die der Schneidelektrode wird, bis die Frontlücke auf ihren Gleichgewitihtswert verringert i'st. Ein Germanium-Einkristall vom p-Typ mit 2,5 Ohm/cm spezifischem Widerstand wurde mit eimer Schnrttge&dhwindigkeiit von 0,178 bis 0,305 mm/min unter Berücksichtigung dieser Gleichgewichtscharakteristik geschnitten, wobei eine Lösung von O,OO2°/o Kaliumhydroxyd und eine Wolframelektrode von 0,838 mm und eine Gleic'hstromspannung von. 100 Volt im Elektrolyten angewandt wurde. Wenn auch das Merkmal der Selbstregelung in allen Systemen vorhanden ist, die mit schmaler wirksamer Elektrode arbeiten, so versteht sich doch, daß die in Fig. 3 abgebildete Charakteristik lediglich der Erläuterung dienen soll und daß die für andere Systeme gezeigten Werte anders sein können. Es versteht sich ferner, daß in Fig. 3 der Strom der wirksamen Stromdichte in der Frontlücke entspricht als ein allgemeines Maß für die Geschwindigkeit der Materialauflösung, das dann verwendbar ist, wenn die Länge des Schnitts sich ändert. Die relativen Größen der in Fig. 3 gezeigten Ätzströme wurden mit einer Serie von Schnitten von 2,8 mm Länge mit einem Platindraht von 0,128 mm und einer O,OO2°/oigen Kaliumhydroxydlösung, die den Draht entlanglief, an (-^ einem Germaniumstück unter Verwendung eines Ätzstroms voii 90 Volt erhalten. Bei einem Vorschub von 0,178 mm/min und einem Ätzstrom von 30 Milliampere behält die Frontlücke gegenüber einem 0,025 mm starken Platindraht, der mit einer 0,002°/oigen Kaliumhydroxydlösung beschickt wurde, eine konstante Größe von 0,018 mm.

Eine andere Methode zur Aufrechterhaltung der Frontlücke zwischen der Schneidelektrode und dem Werkstück besteht darin, daß man eine Schicht aus isolierendem Material auf die Schneidelektrode in einer Dicke aufbringt, die der Lückenstärke entspricht, und daß man den Überzug in Berührung mit der Frontfläche der Schnittfuge hält. Dieses Überzugsmaterial muß so beschaffen sein, daß es eine ausreichende Menge an Elektrolyt führt, um die elektrolytisch^ Schneidwirkung zwischen Elektrode und Werkstück zu unterhalten.

Die A^orteile dieses elektroly tischen Formgebungsverfahrens für die Halbleiterfabrikation ergeben sich besonders daraus, daß keine weitere Behandlung der Schnittflächen vor dem Einbau der Werkstücke in Geräte notwendig ist. Es können Schnittfugen von weniger als 0,128 mm erhalten werden; das entspricht einer Materialausnutzung von 50°/a, wenn Plättchen von 0,128 mm hergestellt werden.

Es ist ohne weiteres möglich, aus einem Werkstück gleichzeitig eine große Zahl von Plättchen zu schneiden. Dazu ist nur erforderlich, daß man eine Mehrzahl von Elektroden und eine entsprechende Schaltung verwendet. Die Elektroden für Vielfachschnitte werden vorteilhaft in der Schneidrichtung gestaffelt.

Durch Anwendung einer Relativbewegung zwischen Elektrode und Werkstück, die dem gewünschten Muster folgt, kann eine Vielzähl von Formen elektrolytisch hergestellt werden. Die Schneidelektrode kann der gewünschten Form entsprechend gestaltet sein, die einem von dem geraden Verlauf abweichenden Schnitt entspricht. In Fig. 4 ist ein Elektrodenpaar gezeigt, das zum Schneiden eines Kristalls mit unregelmäßigem Querschnitt bestimmt ist und sich insbesondere für die Herstellung von Transistoren mit Feldeffekt eignet. Da Vibrationen der Elektrode soweit wie möglich vermieden werden sollen, welche das Ausmaß der seitlichen Abtragung verändern würden, ist es vorteilhaft, der Elektrode eine gewisse Starrheit zugeben, wenn andere als ebene Schnitte ausgeführt werden sollen. Mit einer Elektrodenstruktur nach Fig. 4 kann Steifigkeit erreicht werden, indem man ein Metallblatt verwendet, dessen Form .in den Abmessungen seiner größeren Fläche der gewünschten Form entspricht, während nur ein beschränkter Teil der Elektrode an. der Schneidkante wirksam ist. Der wirksame Teil der Elektrode ist auf die Bandkante 61 beschränkt, indem man eine dünne Isolierschicht 62 über alle anderen Teile des Bandes legt. Die Kanten 61 sind auf den Halbleiter gerichtet und werden während des Schneidvorgangs mit Elektrolyt über Düsen 63 benetzt. Ein Verfahren zur Herstellung dieser Elektrode besteht darin, daß man sie mechanisch in die gewünschte Form bringt, dann mit einem Isolierfilm 62 bedeckt, der von der elektrolytischen Wirkung unbeeinflußt bleibt und dünn genug ist, um die beim Schneiden gebildete Fuge von etwa 0,025 oder 0,05 mm zu passieren, und dann die Isolation von der nach vorn weisenden Kante 61 der Elektrode z. B. durch Schleifen entfernt. Eine Reihe von Materialien kann für den Film verwendet werden, beispielsweise sind Nylon und Äthylzellulose geeignet.

Wenn sich die vorangegangenen Betrachtungen im wesentlichen auf die elektrolytische Formgebung von Germanium vermittels einer langen dünnen Elektrode in enger Nachbarschaft zu einer Germaniumfläche und Durchfluß eines Stroms durch einen Elektrolyten zwischen diesen beschränkt, so versteht sich doch, daß dieses Verfahren auch auf andere Halbleiter, wie Silicium, Silicium-Germanium-Legierung, intermetallische Verbindiungen aus Elementen der III. und V. Gruppe wie Indiumantimonid, Aluminiumarsenid, Galliumphosphid u. dgl., anwendbar ist.

Claims (1)

1. P ATENTANSP I! UCH:

   Anwendung des elektolytischen Verfahrens zum Schneiden von Metall, wobei einer fest eingespannten dünnen, geradlinig verlaufenden- Drahtelektrode ein in serner Stärke auf das durch Adhäsion und die Kräfte der Oberflächenspannung gegebene Maß beschränkter Elektrolytstrom zugeleitet und der zu schneidende Gegenstand mit

   gleichförmiger Geschwindigkeit gegen die Drähtelektrode bewegt wird, auf die Erzeugung eines spannungsfreien Schnitts in einem Halbleiter.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 565 765;
   »Metallkunde«, 1924, S. 132;
   »Proceedings of the I. R. Ε.«, 1953, S. 1706/1707.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen