Исследование электрохимического получения микрои нанорельефов в полупроводниковых материалах с применением импульсно-цикличиских схем

УДК 621.047.4

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ МИКРО- И НАНОРЕЛЬЕФОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛАХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИМПУЛЬСНО-ЦИКЛИЧИСКИХ СХЕМ

В.В. Любимов, А.Ю. Веневцев

В работе приведены результаты исследований импульсно-циклических схем при электрохимической микрообработке кремния. Рассмотрены различные варианты реализации импульсно-циклических схем, проведены исследования при различных энергетических параметрах обработки.

Ключевые слова: электрохимическая обработка полупроводников, микрообработка кремния, наносекундные импульсы, режимы обработки, импульсно-циклическая схема, точность.

Целью исследования является электрохимическая обработка кремния с применением различных импульсно-циклических схем. При этом в процессе исследования необходимо решить следующие задачи:

1) обосновать возможные виды импульсно-циклических схем обработки кремния;

2) обосновать и выбрать режимы и технологическое оснащение импульсно-циклической обработки кремния;

3) провести экспериментальные исследования процесса МЭХО кремния в импульсно-циклических режимах.

4) выбрать метод измерения лунок и оценки точности электрохимического формообразования в импульсно-циклических режимах.

Известны различные виды импульсно-циклических схем, используемых при электрохимической обработке макрообъектов, изготавливаемых из различных металлов и сплавов. Однако эти схемы и рекомендуемые режимы обработки не могут быть перенесены в процесс обработки кремния. Это связано с тем, что:

фиксация нулевого межэлектродного зазора при обработке кремния затруднена из-за образования полупроводниковых пленок на поверхности заготовок, имеющих большое омическое сопротивление, что затрудняет работу узла фиксации нулевого межэлектродного зазора;

проток электролита при МЭХО не осуществляется, что ухудшает условия эвакуации продуктов анодного растворения из зоны обработки.

Поэтому анализу были подвергнуты импульсно-циклические схемы, приведенные на рис. 1. Схемы включают кинематику перемещения электрода-инструмента У=£(1;) и цикличность приложенного импульсного напряжения и=£(1;).

Рис. 1. Варианты импульсно-циклических схем микроэлектрохимической обработки: а - цикл перемещений электрода-инструмента с использованием касания с заготовкой (точка 1) УЭИ=0; ттб - цикл перемещений электрода-инструмента без касания (точка 1) с зазором Як и УЭИ=0;

в - цикл перемещений электрода-инструмента с использованием касания (точка 1) и подводом ЭИ, УЭИ> 0; Sв - величина перемещения ЭИ при подводе; А - величина анодного растворения за цикл; г - цикл перемещений электрода-инструмента без касания; д, е - цикл перемещений электрода-инструмента без касания с применением промывочного зазора Япр,

Предварительные эксперименты показали, что в условиях микро-межэлектродных зазоров ^=5-20 мкм) и отсутствия протока электролита наиболее эффективны схемы, приведенные на рис. 1,д,е. В этом случае при отводе электрода-инструмента на промывку на величину $пр 0,3 мм обеспечивается замена электролита в рабочей зоне, что повышает эффективность анодного растворения кремния. Схема 1,е при некотором снижении точности обработки из-за ухудшения контроля за межэлектродным зазором обеспечивает повышение стабильности процесса, так как контроль за МЭЗ через касание электродов (схема 1, д) менее стабилен из-за большого омического сопротивления полупроводниковых пленок на поверхности кремния.

Применяемая импульсно-циклическая схема работы оборудования представлена на рис. 2.

Расстояние для промывки - -

Расстояние точной доводки

Межэлектродный зазор------

Нулевая координата--------

Рис. 2. Циклограмма работы экспериментальной установки.

Количество циклов без подвода электрода-инструмента к поверхности обрабатываемой заготовки варьировалось от 3 до 30, время обработки составляло 60 минут.

Обоснование и выбор технологического оснащения и режимов микроэлектрохимической обработки.

Для обеспечения импульсно-циклического режима перемещения ЭИ и энергетического обеспечения электрохимической ячейки были применены:

Привод электрода-инструмента. Для обеспечения возможности применения импульсно-циклических схем была разработана экспериментальная установка на основе моторизованного линейного транслятора 8MT30-50, производства компании Vicon Standa (рис. 3).

Для проведения электрохимической обработки кремния была разработана программа управления данным линейным транслятором. Интер-

Рис. 3. Привод электрода-инструмента:

1 - линейный транслятор 8МТ30-50;

2 - электрод-инструмент; 3 - стол

Рис. 4. Интерфейс программы работы линейного транслятора 8МТ30-50

2. Импульсный источник питания. В качестве импульсного источника питания использовался генератор рабочих импульсов на базе полевых транзисторов MOSFET. Во время экспериментальных исследований процесса электрохимического формообразования в кремнии на импульсно-

циклических схемах использовались следующие режимы: длительность импульсов: 200 нс; 1 мкс; 10 мкс; коэффициент заполнения импульсов в пакете: 1 50%;

амплитуда напряжения: 1,5; 3; 8; 12; 16 В; частота следования импульсов: 10; 100; 300; 500 кГц; электролит: 5; 10; 20; 30% ОТ; межэлектродный зазор: 1; 5; 20; 50 мкм.

Экспериментальные исследования процесса МЭХО лунок в кремнии в импульсно-циклическом режиме

С применением режимов, приведенных в таблице 1, в кремниевых заготовках были получены лунки, пример которых приведенные на рисунке 5.

Таблица 1

Параметры микроэлектрохимической обработки

№ Параметр Номер образца

1 2 3 4 5 6 7 8

1 Плотность тока, мА/см 200 300 270 300 230 220 250 250

2 Напряжение, В 6 12 12 6 8 7 9 8

3 Время обработки, мин 20 30 30 25 17 30 25 30

4 Вид режима Импульсно-циклический

5 Длительность импульсов, мкс 0,15 1 1 1 0,15 0,15 0,3 1

6 Коэффициент заполнения импульсов в пакете, % 50 20 10 10 50 50 30 3

7 Рабочая среда (электролит) 20% ОТ 30% ОТ 10% ОТ 20% ОТ 30% от

В результате измерений получены следующие данные по точности лунок, сформированных в кремниевых заготовках. Если при использовании постоянных режимов погрешность составила 135^152 мкм, то при использовании импульсно-циклических режимов А не превышает 37^90 мкм. Однако при использовании длительных циклов (^ > 0,1с) наблюдалось снижение точности обработки (см. рис. 4, образец №2). Уменьшение МЭЗ до 20^50 мкм приводит к повышению точности обработки, однако, влияние МЭЗ на точность неоднозначно, так как связна с длительностью цикла. В отличие от обработки металлов и сплавов на процесс анодного растворения кремния оказывают влияние его полупроводниковые свойства.

01160

Ф725

а б в

Рис. 4. Схемы погрешности формообразования (а); электроды-инструменты (б); «лунки» в кремнии (в).

Размеры приведены в мкм; справа указаны номера образцов; режимы обработки соответствующих образцов приведены в табл. 1

Применение импульсно-циклических схем МЭХО существенно расширяет возможности процесса МЭХО по точности обработки. Точность лунок, полученных при выполнении данного этапа с применением импульсно-циклических схем МЭХО существенно выше точности лунок, полученных на этапах №5 и №6 без применения таких схем. Предложенные схемы импульсно-циклической обработки могут быть применены при МЭХО полупроводниковых материалов, имеющих на поверхности пленки с большим омическим сопротивлением.

В процессе исследования решены следующие задачи:

1. Обоснована эффективность микроэлектрохимической обработки (МЭХО) кремния в импульсно-циклическом режиме.

2. Установлен диапазон эффективных технологических режимов

МЭХО (длительность цикла, скважность, рабочие и промывочные межэ-лектродные зазоры). Однако необходимы дополнительные исследования по уточнению эффективных длительностей циклов обработки кремния.

3. Выявлена связь режимов обработки с точностью формообразования.

Список литературы

1. Estimation of the process localization at the electrochemical machining by microsecond pulses of bipolar current/A.N.Zaytsev u.o.// Journal of Materials Processing Technology:Elsevier, Scotland, 2004. Vol.149/1-3. P. 475481.

2. Веневцев А.Ю. «Создание экспериментальной электрохимической установки для получения микро- и нанорельефов импульсами нано-секундной длительности»// Материалы докладов XI Всероссийской научно-технической конференции студ., маг., асп. и молодых ученых «Техника xxi глазами молодых ученых и специалистов», Тула, 2012. С. 380.

3. Поставка научного оборудования для лабораторий и промышленных компаний [сайт]. [2013]. URL: http://standa.vicon-se.ru/ (дата обращения: 01.08.2013).

Любимов Виктор Васильевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, lvv400@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Веневцев Алексей Юрьевич, аспирант, venevtsev@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

IMPRO VEMENT DEVICES FOR ELECTROCHEMICAL PROCESSING OF

SEMICONDUCTOR MATERIALS USING PULSE-ROUND-ROBINSCHEME

V. V. Lubimov, A.Y. Venevtsev

The paper presents the results of studies ofpulse-cyclical patterns in electrochemical micromachining of silicon. Various embodiments of the pulse-cyclic schemes studied at various energy parameters of treatment.

Key words: electrochemical processing of semiconductors, silicon micromachining, nanosecond pulses, processing modes, pulse-cyclic scheme accuracy.

Lubimov Victor Vasilievich, doctor of technical science, professor, manager of department ENT, lvv400@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Venevtsev Alexey Yurievich, postgraduate, venevtsev@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University