DE1072045B

DE1072045B - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Flüssigkeitsströmung beim elektrolytischen Ätzen, oder Galvanisieren

Info

Publication number: DE1072045B
Application number: DENDAT1072045D
Authority: DE
Inventors: Cheltenham Pa. Robert Thoma Vauighan (V. St. A.)
Original assignee: Fhilco Corporation, Philadelphia, Pa. (V. St. A.)
Priority date: 1955-06-23
Publication date: 1959-12-24
Also published as: US2937124A; FR1153749A; NL208297A; NL104994C; BE564480A; GB834821A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Flüssigkeitsströmung an einer Werkstückoberfläche, insbesondere von Halbleiterkörpern, beim elektrolytischen Ätzen oder Galvanisieren.

Die elektrolytische Bearbeitung von Werkstücken ist bekanntlich im Zuge der Entwicklung der Halbleitertechnik zu besonderer Bedeutung gelangt. Bei der Halbleiterherstellung müssen bekanntlich Halbleiterkörper mit sehr kleinen Abmessungen innerhalb geringer Toleranzen hergestellt werden, wobei sich elektrolytische Formgebungsverfahren als besonders einfach, wirksam und zur Massenherstellung geeignet erwiesen haben.

Man hat bereits zur Formgebung und zum Aufplattieren bestimmter Materialien ein ,elektrolytisches Strahlverfahren vorgeschlagen, wobei hinsichtlich des Leitfähigkeitstyps des Halbleiters, des verwendeten Elektrolyten, der Widerstände des Halbleiters und des Strahles, der verwendeten Potentiale zwischen Halbleiterkörper und Elektrolytstrahl sowie der Ätzbzw. Abscheidungsgeschwindigkeit verschiedene Zusammenhänge bestehen.

Man hat ferner bereits vorgeschlagen, zur möglichst genauen Lokalisierung der Ätzwirkung beim elektrolytischen Strahlätzen den zu bearbeitenden Körper mit einem Metallüberzug zu versehen, wobei durch Verwendung geeigneter elektrischer Potentiale zwischen dem Elektrolyten und dem Körper eine gute Lokalisierung der Ätzung erzielt werden kann. Ein derartiges Verfahren ist in der USA.-Patentschrift 2J799 63Z₁ beschrieben. " ~

Ferner hat man bereits vorgeschlagen, durch Um^ kehr des zwischen Elektrolyt und_jIaliLL^pi¹"'^:'^r angelegten Potentials mit der selben Verrichtung und dem gleichen Elektrolytstrahl aufeinanderfolgend zunächst eine Formätzung und anschließend eine Galvanisierung vorzunehmen.

Bei diesen sämtlichen bisher vorgeschlagenen Verfahren zur Formgebung von Werkstücken im elektrolytischen Strahlverfahren ist zur genauen Lokalisierung der Ätzwirkung und zur möglichst genauen Formgebung sowie auch zur Erzielung guter Abscheidungen erwünscht, daß der zwischen dem Elektrolyten und dem Halbleiter fließende elektrolytische Strom im Zentrum des Strahlauftreffbereiches größer als an radial entfernten Punkten ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine Vorbedingung hierfür ein möglichst glattes und gleichmäßiges Abfließen der Flüssigkeit vom Auftreffpunkt weg ist, daß also eine Ansammlung oder Zusammenstellung der Flüssigkeit an der Auftreffstelle verhindert werden muß.

Diese Forderung nach möglichst glattem, unge-Verfahren und Vorrichtung

zur Regelung der Flüssigkeitsströmung

beim elektrolytischen Ätzen

oder Galvanisieren

Anmelder:

Philco Corporation,

Philadelphia, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. C. Wallach, Patentanwalt,
München 2, Kaufingerstr. 8

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 23. Juni 1955

Robert Thoma Vaughan, Cheltenham, Pa. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

störtem Abfluß des Elektrolyten ist neben der erwähnten Bedeutung für die Lokalisierung der Wirkung neuerdings noch insofern wichtig geworden, als nach einem vorgeschlagenen Verfahren die Dickenkontrolle beim Strahlätzen mittels elektromagnetischer Strahlung erfolgt, die durch den Elektrolytstrahl in Längsrichtung hindurch auf den Halbleiterkörper gerichtet wird. Jede Ansammlung oder Zusammenballung der Elektrolytflüssigkeit an der Strahlauftreffstelle und die damit verbundene Unregelmäßigkeit der Strömungsverteilung würde eine unkontrollierbare Beeinflussung der Absorption der Meßstrahlung und damit eine Verfälschung der Dickenmessung ergeben.

Während anfänglich bei der Herstellung von Transistoren und sonstigen Halbleiteranordnungen mittels elektrolytischer Strahlbehandlung solche relativ großen Strahldurchmesser verwendet werden konnten, daß sich durch die Masse der Flüssigkeitsstrahlen eine natürliche Strömungsform mit glattem Abfluß an der Auftreffstelle ergab, hat die neuere Entwicklung mit ihrer Richtung immer kleineren Abmessungen und dementsprechend höheren Anforderungen an die Genauigkeit der Lokalisierung der Formgebung zur Verwendung immer geringerer Strahldurchmesser gezwungen. Dabei ergibt sich die Erscheinung, daß bei derartig feinen Strahlen die Elektrolytflüssigkeit beim Auftreffen auf die Werkstückoberfläche infolge der

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Oberflächenspannung und von Adhäsionskräften sich im Auftreffpunkt ansammelt und zusammenballt und erst nach Ausbildung eines genügend großen Tropfens, der zur Durchbrechung der Oberflächenspannung ausreicht, abfließt. An der Auftreffstelle findet somit ein periodisch sich wiederholender Aufbau von Flüssigkeitszusammenballungen bis zu einer bestimmten, durch die jeweilige Oberflächenspannung bestimmten Größe mit nachfolgendem Platzen des Tropfens und Abfließen statt. Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Regelung der Flüssigkeitsströmung an einer Werkstückoberfläche, insbesondere aus halbleitendem Material, beim elektrolytischen Ätzen oder Galvanisieren, wobei der Elektrolyt in Form eines Strahles mit einem Durchmesser von etwa 0,2 mm oder weniger gegen die zu bearbeitende Fläche des Werkstückes gerichtet wird.

Zur Vermeidung der angeführten Nachteile und zur Erzielung eines glatten Abflusses der Elektrolytflüssigkeit an der Auftreffstelle ohne Bildung von Zusammenballungen wird eine derartiges Verfahren gemäß der Erfindung so ausgeführt, daß an der oder den zu behandelnden Flächen des Werkstückes ein Bereich geringeren Druckes erzeugt wird.

Durch diese Maßnahme wird auch bei Verwendung feinster Flüssigkeitsstrahlen, wie sie zur genauen, exakt lokalisierten Formgebung erforderlich ist, die gewünschte glatte, regelmäßige, dünne Strömungsschicht des Elektrolyten an der Oberfläche des Werkstückes aufrechterhalten.

Die Erfindung ist dabei auch in solchen Fällen anwendbar, wo der Strahl mit nur einem geringen oder überhaupt ohne Druck austritt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß der Strahl unter einem rechten Winkel auf die zu bearbeitende Fläche des Werkstückes auftrifft.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform kann eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung so ausgebildet sein, daß an der zu behandelnden Fläche des Werkstückes in gleichmäßiger Winkelstellung um den Flüssigkeitsstrahl Sauggebläse mit je einem auf den Auftreffbereich des Strahles gerichteten, unter geringerem Druck stehenden Saugmundstück angeordnet sind.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß bei gleichzeitiger Bearbeitung des flächenförmigen Werkstückes auf den gegenüberliegenden Seiten die Sauggebläse so in der Ebene des Werkstückes und senkrecht zu der Richtung der Flüssigkeitsstrahlen angeordnet sind, daß gleichzeitig an beiden Seiten Bereiche geringeren Druckes in der Nähe der Auftreffstellen der Flüssigkeitsstrahlen erzeugt werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung an Hand der Zeichnung. In dieser zeigt

Fig. 1 schematisch ein zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung geeignetes Gerät,

Fig. 2 die erwünschte, durch Düsen mit verhältnismäßig großem Durchmesser erzielte Strömungsform,

Fig. 3 den bei Verwendung äußerst feiner Strahlen und ohne Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung erzielten unerwünschten Zusammenballungszustand,

Fig. 4 in stark vergrößerter Ansicht die bei dem Verfahren nach der Erfindung erzielte Strömungsform des Elektrolyten und

Fig. 5 einen Schnitt durch einen fertigen Transistorrohling.

Da die Erfindung insbesondere auf dem Halbleitergebiet Anwendung findet und sich besonders, jedoch nicht ausschließlich auf Ätzverfahren bezieht, ist in der Beschreibung und den Zeichnungen die Anwendung der Erfindung auf das Ätzen von Halbleitern, insbesondere auf die als Transistoren bezeichnete Art von Halbleitern, beschrieben und dargestellt.

In Fig. 2 der Zeichnung ist der gewünschte glatte, dünne Fluß der Ätzflüssigkeit an den einander gegenüberliegenden Oberflächen des Transistorrohlings oder Plättchens 10 dargestellt. Diese Strömungsform ergibt sich als Folge bei der \^erwendung von Strahlen 11 und 12 von verhältnismäßig großem Durchmesser, z. B. 0,23 mm oder mehr. Wie oben erklärt, erzeugt diese laminare Strömung den stärksten Ätzstrom an den Auftreffpunkten 13 und 14 an den einander gegenüberliegenden Seiten des Transistors, wo Mulden 15 und 16 entstehen, die nur durch einen sehr dünnen Bereich 17 (Fig. 5) getrennt sein sollen. Die Erfindung ist selbstverständlich ebenfalls anwendbar auf das Ätzen mit einem einzigen Strahl.

Bei der Verwendung von Strahlen mit einem Durchmesser von 0,23 mm oder mehr läßt sich die gewünschte Strömung erzielen, während mit Strahlen zwischen 0,23 und 0,077 mm Durchmesser die Ätzflüssigkeit häufig Zusammenballungen 18 (Fig. 3) bildet. Bei der Verwendung von Strahlen mit 0,077 mm oder weniger bildet sich fast immer dieser Zustand aus. Die Folge ist, daß der Ätzstrom nicht seinen größten Wert am Auftreffpunkt hat, sondern über einen großen Bereich und in solchem Maße verteilt ist, daß seine Fähigkeit, die Oberfläche des Transistors durch Ätzen in die gewünschte, in Fig. 5 dargestellte Form zu bringen, stark beeinträchtigt wird.

Nach der Erfindung werden solche Zusammenballungen vollständig beseitigt. Außerdem wird erreicht, daß die Ätzflüssigkeit von ihrem Auftreffbereich an dem Plättchen glatt hinwegfließt. Dies wird durch Erzeugung eines Bereiches geringeren Druckes neben den Strahlen und an deren Auftreffflächen erzielt, wodurch über die Oberflächen des Transistors ein Luftstrom hinwegstreicht. Zwischen dem Auftreffpunkt des Strahles und dem Umfang des zu ätzenden Bereiches wird also ein Druckabfall aufrechterhalten, so daß der Bereich höheren Druckes den Flüssigkeitsball umgibt, wodurch der Ball flachgedrückt wird.

Zur Erzeugung eines solchen Bereiches geringeren Druckes kann das in Fig. 1 und 4 schematisch dargestellte Gerät benutzt werden.

Fig. 1 zeigt, daß das Transistorbasisplättchen 10 zwischen gegeneinandergerichteten Strahlen 19 und 20 angeordnet ist, die von einem durch eine Pumpe über Düsen 21 und 22 aufrechterhaltenen Elektrolytkreislauf erzeugt werden. Diese vorzugsweise identischen Düsen 21 und 22 weisen jede eine nicht abgebildete kreisförmige öffnung von äußerst kleinem Durchmesser, z. B. von der Größenordnung 0,08 mm, auf. Die Düsen werden von Leitungen 23 bzw. 24 gespeist. Diese bilden Abzweigungen einer Leitung 25, in der eine Flüssigkeitspumpe 26 beliebiger Art angeordnet ist und Elektrolyt 27 aus einem Behälter 28 ansaugt. Vorzugsweise sind alle Teile des Gerätes, die mit der Ätzflüssigkeit in Berührung kommen, aus einem Werkstoff hergestellt, der im wesentlichen nicht mit der Ätzflüssigkeit reagiert, so daß eine Verunreinigung der Lösung verhindert wird.

Soll z. B. Germanium elektrolytisch geätzt werden, so kann der Elektrolyt 27 eines bzw. eine von vielen leicht ionisierbaren Alkalisalzen bzw. -säuren ent-

halten. Obwohl wäßrige oder nicht wäßrige Elektrolyten verwendet werden können, wird eine wäßrige Lösung, z. B. von Natriumnitrat, Natriumchlorid, Kaliumnitrat, Natriumkaliumsulfat, Salpetersäure. oder einem von vielen anderen ElekTrolyten verwendet.

Den Strahlen 19 und 20 und dem Plättchen 10 wird von einer Spannungsquelle 29 unter Zwischenschaltung eines stromregulierenden Widerstandes 30 und eines Schalters 31 über Leitungen 32 und 33 elektrischer Strom zugeführt Die Leitung 33 ist hierbei an einer Elektrode 34 befestigt, die innerhalb der Leitung 25 angeordnet ist und aus einem Werkstoff besteht, der mit dem Elektrolyten nicht reagiert. Diese Elektrode kann z. B. aus einem Stück Blech aus nichtrostendem Stahl bestehen.

Werden bei dem beschriebenen Gerät stärkere Strahlen verwendet, so kann hierdurch aus dem Plättchen 10 ein Transistorrohling wie der in Fig. 5 dargestellte hergestellt werden. Bei genauer Untersuchung der Form der in der Transistoroberfläche ausgebildete" MnIrWi hat sich jedoch die Verwendung besonders feiner Strahlen als vorteilhaft herausgestellt. Die Strahlen 19 und 20 haben die Größenordnung von 0,08 mm, und es sind daher, wie oben erklärt, Mittel vorgesehen, die eine Zusammenballung des Ätzmittels nach Fig. 3 verhindern und dafür sorgen, daß die Ätzflüssigkeit glatt über die Oberfläche des Plättchens strömt.

Zur Erzeugung eines Bereiches geringeren Druckes in der Umfangsgegend der Stellen, an denen die Strahlen 19 und 20 auf die Oberfläche des Plättchens 10 auftreffen, sind zwei Saugmundstücke 35 und 36 angeordnet, die mit Abzweigungen 37 bzw. 38 einer Leitung 39 verbunden sind, deren Ende 40 in ein Gefäß 41 mündet, das einen Vakuumbehälter und gleichzeitig eine Ätzmittelfalle darstellt. Der Behälter wird mittels einer Vakuumpumpe 42 auf einem Druck unterhalb des Atmosphärendruckes gehalten. Eine ventilgesteuerte Leitung 43 dient zur Rückführung des Ätzmittels 27 aus dem Behälter 41 in den Behälter 28. Die Pumpen 26 und 42 werden aus einer Stromquelle 44 über die Leitungen 45, 46 und 47 gespeist, wenn der Schalter 48 geschlossen ist.

Zur Inbetriebnahme der Vorrichtung wird der Schalter 48 geschlossen, wodurch die Pumpen 26 und 42 gleichzeitig gespeist werden. Die Pumpe 26 drückt die Ätzflüssigkeit 27 durch die Düsen 21 und 22, so daß Strahlen 19 und 20 entstehen, die vorzugsweise in Richtung der Normalen auf gegenüberliegenden Flächen gegen das Plättchen gerichtet sind. Gleichzeitig verringert die Vakuumpumpe 42 den Druck innerhalb des Behälters 41 und erzeugt dabei einen Bereich geringeren Druckes in der Nachbarschaft der Saugmundstücke 35 und 36. Der Bereich geringen Druckes liegt so dicht bei den Strahlen 19 und 20, daß er einen Luftstrom erzeugt, der im allgemeinen parallel zu den Strahlen gerichtet ist und dann über die Flächen des Transistorplättchens streicht, was durch die Pfeile in Fig. 4 dargestellt ist. Hierdurch wird eine glatte, dünne, strömende Schicht des Elektrolyten auf den Transistorflächen erzeugt. Nach Verlassen des Plättchens fließt der Elektrolyt in die Saugmundstücke 35 und 36 und von dort durch die Leitung 39 in den Behälter 41. Wenn die Strahlen gut ausgebildet sind, wird der Schalter 31 und dadurch der Stromkreis geschlossen.

Die dem Transistorplättchen benachbarte Vorrichtung ist deutlicher in Fig. 4 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß das Ätzmittel über die Flächen des Plätt- chens und in die Mundstücke 35 und 36 hineinfließt.

Zur Beschreibung wurde ein für Trioden geeigneter

Transistorrohling mit gegenüberliegenden Mulden 15 und 16 herangezogen. Jedoch kann das Verfahren und die Vorrichtung auch zur Herstellung von Dioden verwendet werden, wobei dann nur einer der Strahlen und 20 benötigt wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Regelung der Flüssigkeitsströmung an einer Werkstückoberfläche, insbesondere aus halbleitendem Material, beim elektrolytischen Ätzen oder Galvanisieren, wobei der Elektrolyt in Form eines Strahles mit einem Durchmesser von etwa 0,2 mm oder weniger gegen die zu bearbeitende Fläche des Werkstückes gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß an der oder den zu behandelnden Flächen des Werkstückes ein Bereich geringeren Druckes erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl unter einem rechten Winkel auf die zu bearbeitende Fläche des Werkstückes gerichtet wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der zu behandelnden Fläche des Werkstückes in gleichmäßiger Winkelverteilung um den Flüssigkeitsstrahl_Sauggebläse mit je einem auf den Äuftreffbereich des Strahles gerichteten, unter geringerem Druck stehendeniSaugmundstück (35,36) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche zwei hinsichtlich des Flüssigkeitsstrahles einander gegenüberliegende, unter einem Winkel von 90° zu diesem angeordnete Sauggebläse mit je einem Mundstück (35, 36) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzeitiger Bearbeitung des flächenförmigen Werkstückes auf den beiden gegenüberliegenden Seiten die Sauggebläse so in der Ebene des Werkstückes (10, Fig. 4) und senkrecht zu der Richtung der Flüssigkeitsstrahlen (19, 20) angeordnet sind, daß gleichzeitig an beiden Seiten Bereiche geringeren Druckes in der Nähe der Auftreffstellen der Flüssigkeitsstrahlen erzeugt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Proceedings of the I. R. Ε.«, 1953, S. 1707.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen