Способ изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке и устройство для его осуществления
METHOD FOR MANUFACTURING A PHOTOCONVERTER ON A GERMANIUM SOLDERED SUBSTRATE AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности, к способам изготовления фотопреобразователей на трехкаскадных эпитаксиальных структурах GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенных на германиевой подложке, и может быть использовано в электронной промышленности для преобразования световой энергии в электрическую.
Известен способ утонения обратной стороны полупроводниковых пластин, принятый за аналог, включающий этапы грубой шлифовки с высокой скоростью для удаления основной части полупроводникового материала, шлифовки с низкой скоростью для удаления большей части нарушенного полупроводникового слоя и заключительной обработки для удаления остаточного нарушенного слоя и снятия механических напряжений (см. статья Д. Боднарь «Ультратонкие пластины как тенденция развития полупроводниковых технологий». Журнал «Компоненты и технологии», вып. 11, стр. 180-186, 2012 г.)
Для выполнения заключительного этапа утонения обратной стороны пластины применяются: механическая полировка, плазменное травление, химическое травление.
Недостаток способа заключается в многостадийности процесса утонения, удлиняющей технологический маршрут, конструктивной сложности применяемого оборудования.
Известен способ изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом (патент РФ №2415420, опубл. 10.05.2014 г.), принятый за прототип, в котором создают на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями трехкаскадной структуры фоторезистивную маску с окнами под лицевые контакты фотопреобразователя со встроенным диодом; вытравливают диодную площадку; напыляют слои лицевой металлизации; удаляют фоторезист; создают фоторезистивную маску с окнами под меза-изоляцию фотопреобразователя и встроенного диода; вытравливают мезу с одновременным удалением эпитаксиальных наростов на тыльной стороне германиевой подложки; наносят защитное покрытие на лицевую сторону пластины: слой фоторезиста ФП 9120-2 и слой хлорвинилового клея методом центрифугирования; стравливают германиевую подложку химико-динамически в растворе азотной, плавиковой и уксусной кислот за два цикла травления; удаляют защитное покрытие; напыляют слои тыльной металлизации; отжигают контакты; вскрывают оптическое окно травлением; напыляют просветляющее покрытие; разделяют пластину на чипы фотопреобразователей с помощью дискового реза; выпрямляют фотопреобразователь со встроенным диодом посредством охлаждения в жидком азоте.
Недостатки способа-прототипа заключаются в том, что стравливание германиевой подложки до толщин ~100 мкм выполняется за два цикла травления; используемый для защитного покрытия слой хлорвинилового клея удаляется путем отслаивания, в результате увеличивается трудоемкость операции. Кроме того, данным способом невозможно изготовить фотопреобразователь с толщиной подложки менее 50 мкм в связи с интенсивным трещинообразованием.
Признаки прототипа, общие с предлагаемым способом утонения германиевой подложки, следующие: 1) создание на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями трехкаскадной структуры фоторезистивной маски с окнами под лицевые контакты фотопреобразователя и диода; 2) вытравливание диодной площадки; 3) напыление слоев лицевой металлизации; 4) удаление фоторезиста; 5) создание фоторезистивной маски с окнами под меза-изоляцию фотопреобразователя и диода; 6) вытравливание мезы; 7) нанесение защитного покрытия; 8) стравливание подложки; 9) удаление защитного покрытия; 10) напыление слоев тыльной металлизации; 11) отжиг контактов; 12) вскрытие оптического окна травлением; 13) нанесение просветляющего покрытия; 14) разделение пластины; 15) выпрямление фотопреобразователя со встроенным диодом путем охлаждения в азоте.
Отличительные признаки, предлагаемого способа изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке, обеспечивающие ему соответствие критерию «новизна», следующие: после вытравливания мезы формируют дисковым резом углубление в меза-канавке; наносят защитное покрытие формированием последовательно слоев позитивного, негативного фоторезистов методом центрифугирования и слоя быстросохнущей эмали методом распыления; наклеивают пластину защитным покрытием на выступы диска-носителя; стравливают подложку химико-динамическим травлением в водном растворе плавиковой кислоты и перекиси водорода до углубления в меза-канавке с одновременным разделением пластины на чипы; после напыления тыльной металлизации удаляют защитное покрытие с одновременным откреплением чипов от диска-носителя; выпрямляют чипы после отжига контактов и напыления просветляющего покрытия.
Технический результат, достигаемый в способе изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке, заключается в увеличении выхода годных фотопреобразователей и снижении трудоемкости операции утонения за счет: стравливания германиевой подложки до толщины ~20 мкм за один цикл травления; разделении пластины на чипы в процессе утонения подложки; напылении тыльной металлизации на чипы, закрепленные на носителе; применении защитного покрытия, легко удаляемого в растворителях.
Для обоснования соответствия предлагаемого способа изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке критерию «изобретательский уровень» был проведен анализ известных технических решений по литературным источникам, в результате которого не обнаружено технических решений, содержащих совокупность известных и отличительных признаков предлагаемого способа, дающих вышеуказанный технический результат. Поэтому, по мнению автора, предлагаемый способ изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке соответствует критерию «изобретательский уровень».
Достигается это тем, что в способе изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке, включающем создание на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями трехкаскадной структуры фоторезистивной маски с окнами под лицевые контакты фотопреобразователя и диода, вытравливание диодной площадки, напыление слоев лицевой металлизации, удаление фоторезиста, создание фоторезистивной маски с окнами под меза-изоляцию фотопреобразователя и диода, вытравливание мезы, нанесение защитного покрытия, стравливание подложки, удаление защитного покрытия, напыление слоев тыльной металлизации, отжиг контактов, вскрытие оптического окна травлением, нанесение просветляющего покрытия, разделение пластины, выпрямление фотопреобразователя со встроенным диодом путем охлаждения в азоте, после вытравливания мезы формируют дисковым резом углубление в меза-канавке; наносят защитное покрытие формированием последовательно слоев позитивного, негативного фоторезистов методом центрифугирования и слоя быстросохнущей эмали методом распыления, наклеивают пластину защитным покрытием на выступы диска-носителя, стравливают подложку химико-динамическим травлением в водном растворе плавиковой кислоты и перекиси водорода до углубления в меза-канавке с одновременным разделением пластины на чипы, после напыления тыльной металлизации удаляют защитное покрытие с одновременным откреплением чипов от диска-носителя, а выпрямляют чипы после отжига контактов и напыления просветляющего покрытия.
Предлагаемый способ изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке иллюстрирован на фиг. 1÷8.
На фиг. 1 представлен общий вид полупроводниковой пластины с выполненным углублением от дискового реза и защитным покрытием.
На фиг. 2 представлен вид полупроводниковой пластины, наклеенной защитным покрытием на выступы носителя.
На фиг. 3 представлен вид полупроводниковой пластины после утонения и разделения на чипы фотопреобразователей.
На фиг. 4 представлен вид чипов фотопреобразователя на носителе после напыления тыльной металлизации.
На фиг. 5 представлен вид чипов фотопреобразователей после снятия с диска носителя.
На фиг. 6 представлен вид чипов фотопреобразователей: после отжига контактов и выпрямления.
На фиг. 7а, б представлен вид чипов фотопреобразователей: а) - после напыления просветляющего покрытия; б) - после выпрямления.
На фиг. 8а, б представлены: а) - фотография поперечного сечения и б) - вольт-амперная характеристика изготовленных фотопреобразователей.
Известно устройство химико-динамического травления германиевых подложек, принятое за аналог (см. патент РФ №2520955, опубл. 27.06.2014 г.), включающий платформу с реакционными сосудами, выполненную с возможностью совершения орбитального движения в горизонтальной плоскости, при этом платформа выполнена в виде короба и снабжена цилиндрическими ванночками, причем 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 пластины, а дно ванночек выполнено с возможностью его охлаждения проточной водой.
2
2
2
Устройство применимо в технологии изготовления фотопреобразователей на трехкаскадной структуре, выращенной на германиевой подложке. Формируют защитное покрытие лицевой стороны пластины с использованием фоторезиста ФП2550. Стравливают германиевую подложку до толщины 70÷80 мкм за два цикла травления в растворе состава: HF:HO:HO=1÷1÷4, объемом ~25 мл.
Недостаток устройства-аналога заключается в многостадийности процесса утонения подложки, увеличивающей трудоемкость операции, кроме того, соударение пластин с выступающим краем боковой стенки вкладыша может приводить к выщерблению кромки, трещинообразованию и снижению выхода годных приборов.
Известно устройство химико-динамического травления, принятое за прототип (см. патент РФ №2589517, опубл. 10.07.2016 г.), в котором платформа, выполненная с возможностью совершения орбитального движения в горизонтальной плоскости, имеет форму короба и снабжена цилиндрическими ванночками, в которых располагаются пластины подложкой верх, при этом дно ванночек выполнено с возможностью его охлаждения проточной водой, а сами ванночки снабжены перемешивающим плоским диском круглой формы из полипропилена с определенной конфигурацией технологических отверстий и возможностью скольжения по поверхности подложки в слое травителя за счет орбитального движения платформы, кроме того, перемешивающий диск снабжен фторопластовыми вставками и держателем.
Недостатки устройства-прототипа заключаются в том, что утоненные пластины извлекаются из ванночки с помощью изогнутого полимерного шпателя, при этом, в случае стравливания подложки до толщин менее 80 мкм, это может привести к механическому повреждению края и трещинообразованию пластины. Защитный слой фоторезиста ФП 2550 при соприкосновении с воздухом растрескивается, что нежелательно, так как при промывке происходит воздействие удаляемого травителя на пластину по щелям в маске. Кроме того, многостадийность процесса утонения увеличивает трудоемкость операции.
Признаки прототипа, общие с предлагаемым устройством для осуществления способа изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке, следующие: платформа, выполненная с возможностью совершения орбитального движения в горизонтальной плоскости, имеющая форму короба и снабженная цилиндрическими ванночками, в которых располагаются пластины подложкой вверх, при этом дно ванночек выполнено с возможностью его охлаждения проточной водой, а сами ванночки снабжены перемешивающим диском из полипропилена с определенной конфигурацией технологических отверстий и возможностью скольжения по поверхности подложки в слое травителя за счет орбитального движения платформы, кроме того, перемешивающий диск снабжен фторопластовыми вставками и держателем.
Отличительные признаки предлагаемого устройства для осуществления способа изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке, обеспечивающие ему соответствие критерию «новизна» следующие: ванночки дополнительно снабжены вкладышем, боковая стенка которого встроена в стенку ванночки, кроме того, вкладыш имеет горизонтально расположенное опорное кольцо, на котором размещается диск-носитель с выступами для приклеивания пластин.
Технический результат применения предлагаемого устройства для осуществления способа изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке заключается в увеличении выхода годных фотопреобразователей, изготовленных с утонением подложки до толщины ~20 мкм за счет устранения факторов механического травмирования края и трещинообразования пластины; снижении трудоемкости операции утонения за счет стравливания подложки за один цикл.
Для обоснования соответствия предлагаемого устройства для осуществления способа изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке критерию «изобретательский уровень» был проведен анализ известных технических решений по литературным источникам, в результате которого не обнаружено технических решений, содержащих совокупность известных и отличительных признаков вышеупомянутого предлагаемого устройства, дающих вышеуказанный технический результат.
Поэтому, по мнению автора, предлагаемое устройство для осуществления способа изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке соответствует критерию «изобретательский уровень».
Достигается это тем, что в устройстве для осуществления способа изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке, включающем платформу, выполненную с возможностью совершения орбитального движения в горизонтальной плоскости, имеющую форму короба и снабженную цилиндрическими ванночками, в которых располагаются пластины подложкой вверх, при этом дно ванночек выполнено с возможностью его охлаждения проточной водой, а сами ванночки снабжены перемешивающим диском из полипропилена с определенной конфигурацией технологических отверстий и возможностью скольжения по поверхности подложки в слое травителя за счет орбитального движения платформы, кроме того, диск снабжен фторопластовыми вставками и держателем, ванночки дополнительно снабжены вкладышем, боковая стенка которого встроена в стенку ванночки, а также имеющим горизонтально расположенное опорное кольцо, на котором размещается диск - носитель с выступами для приклеивания пластины.
Предлагаемое устройство для осуществления способа изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке представлено на фиг. 9 и содержит: 1 - ванночку для травления; 2 - раствор травителя; 3 - вкладыш; 4 - опорное кольцо вкладыша; 5 - полупроводниковую пластину с германиевой подложкой; 6 - диск-носитель с выступами для приклеивания пластин 7; 8 - перемешивающий диск из полипропилена с технологическими отверстиями 9; 10 - фторопластовые вставки в перемешивающем диске; 11 - держатель перемешивающего диска; 12 - платформу; 13 - проточную воду.
Диск-носитель 6 изготовлен на основе кремниевой полупроводниковой пластины диаметром ∅100 мм, толщиной ~500 мкм, на которой вертикально закреплены элементы прямоугольной формы, вырезанные из кремниевой полупроводниковой пластины и образующие выступы 7 высотой 5 мм (в качестве варианта исполнения).
На фиг. 10 представлен вид ванночки 1 для травления в сборе с вкладышем 3 и перемешивающим диском 8.
В качестве конкретного примера предлагаемый способ изготовления фотопреобразователя на утоняемой германиевой подложке и устройство для его реализации использованы в технологии изготовления трехкаскадных фотопреобразователей с эпитаксиальной структурой GaInP/GaAs/Ge, выращенной на германиевой подложке диаметром ∅~100 мм, толщиной 145÷155 мкм.
Предварительно создают на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями трехкаскадной структуры фоторезистивную маску с окнами под лицевые контакты фотопреобразователя и встроенного диода; вытравливают диодную площадку; напыляют слои лицевой металлизации; удаляют фоторезист; создают фоторезистивную маску с окнами под меза-изоляцию фотопреобразователя и встроенного диода; вытравливают мезу. Далее формируют дисковым резом углубление в меза-канавке. Величина углубления от дискового реза составляет ~30 мкм. Наносят защитное покрытие на лицевую сторону пластины формированием последовательно слоев позитивного ФП 9120-2, негативного Aznlof 2070 фоторезистов методом центрифугирования и слоя быстросохнущей эмали Universal методом распыления (см. фиг. 1). Общая толщина защитного покрытия составляет ~12 мкм. Тонкий слой позитивного фоторезиста ~2 мкм необходим для обеспечения хорошей адгезии защитного покрытия к поверхности полупроводниковой пластины 5. Толстый слой ~10 мкм негативного фоторезиста необходим в последующем для защиты лицевой поверхности полупроводниковой пластины 5 от проникновения травителя 2, от подпыла при напылении тыльной металлизации, а также для снятия чипов фотопреобразователей, приклеенных к выступам 7 диска-носителя 6, путем растворения защитного покрытия.
2
2
2
Позитивный и негативный фоторезисты имеют различные растворители и перемешиваются незначительно. Слой быстросохнущей эмали проникает в негативный фоторезист и служит связкой, предотвращающей защитное покрытие от растрескивания в процессе травления и при последующем соприкосновении с воздухом. Далее полупроводниковую пластину 5 приклеивают защитным покрытием к выступам 7 диска-носителя 6, используя эпоксидный клей «Контакт» (см. фиг. 2,). Укладывают диск-носитель 6 с полупроводниковой пластиной 5 на опорное кольцо 4 вкладыша 3. Помещают вкладыш 3 в ванночку 1, расположенную на платформе 12 в виде короба с проточной водой 13. Заполняют ванночку 1 травителем 2. В качестве травителя 2 используют водный раствор плавиковой кислоты и перекиси водорода состава HF:HO:HO=1:1:4. Объем раствора составляет 130 мл. Помещают перемешивающий диск 8 в ванночку 1, при этом, благодаря утяжеляющим фторопластовым вставкам 10, перемешивающий диск 8 полностью погружен в травитель 2 и расположен на поверхности германиевой подложки 5 (см. фиг. 9, 10). В качестве утяжеляющего элемента может быть использовано фторопластовое кольцо, располагаемое по краю перемешивающего диска 8. Далее выполняют химико-динамическое травление германиевой подложки 5 до углубления в меза-канавке, при этом происходит разделение пластины на чипы фотопреобразователей. Толщина утоненной германиевой подложки составляет ~20 мкм. Средняя скорость травления ~2,5 мкм/мин. Травитель 2 сливают, придерживая перемешивающий диск за держатель 11, промывают ванночку 1 деионизованной водой. Извлекают вкладыш 3 с полупроводниковой пластиной 5 на диске-носителе 6 (см. фиг. 3). Затем напыляют слои тыльной металлизации на чипы, закрепленные на диске-носителе 6 (см. фиг. 4). Удаляют защитное покрытие в деметилформамиде с одновременным откреплением чипов от диска-носителя 6 (см. фиг. 5). Отжигают контакты. Выпрямляют металлизированные чипы охлаждением в парах азота (см. фиг. 6).
2
2
3
Вскрывают оптическое окно травлением. Наносят просветляющее покрытие TiO/AlO. Выпрямляют фотопреобразователь со встроенным диодом посредством охлаждения (см. фиг. 7а, б).
Изготовленный трехкаскадный фотопреобразователь со встроенным диодом габаритными размерами 40×80 мм на утоненной германиевой подложке (см. фиг. 8 а, б) имеет вес ~0,6 г, коэффициент полезного действия КПД более 29%.
Разделение полупроводниковой пластины на чипы фотопреобразователей осуществляется в процессе стравливания германиевой подложки; напыляют тыльную металлизацию на чипы фотопреобразователей, закрепленные на диске-носителе 6, при этом устраняются факторы, вызывающие механическое повреждение края и трещинообразование, связанные с соприкосновением поверхностей. Предложенное защитное покрытие не растрескивается в процессе травления и последующего напыления, обеспечивает защиту лицевой поверхности полупроводниковой структуры от подпыла, легко удаляется в растворителях. Диск-носитель 6 с выступами 7, на которые приклеивается защитное покрытие, имеет близкий коэффициент термического расширения с германиевой подложкой, что необходимо во избежание коробления чипов в процессе нагрева при напылении тыльной металлизации. Узкие выступы 7 диска - носителя 6 обеспечивают доступ растворителя к наклеенному участку защитного покрытия, его быстрое вымывание и открепление чипов фотопреобразователей. Применение вкладыша 3 необходимо для безопасного извлечения из ванночки 1 и снятия с опорного кольца 4 диска-носителя 6 с утоненной полупроводниковой пластиной 5. В процессе травления полипропиленовый перемешивающий диск 8 полностью погружен в раствор под действием утяжеляющих фторопластовых вставок 10, при этом объем травителя 2 выбирается достаточным для стравливания германиевой подложки до толщины 20÷30 мкм за один цикл.