СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАВЛЕНИЯ ЗАГОТОВКИ
METHOD AND DEVICE FOR WORKPIECE ETCHING

Заявляемые технические решения относятся к процессам жидкостного травления материала плоских поверхностей заготовок, в том числе, заготовок в виде пластин, и могут найти применение в различных областях техники, в частности, в областях полупроводниковых и оптических приборов и металлообработки.
Травление - группа технологических приемов для управляемого удаления слоя материала с заготовки под действием химических веществ. В некоторых технологических процессах обработки заготовок, имеющих плоскую поверхность, существует необходимость удаления материала в краевой части такой плоской поверхности заготовки.
Из патентной публикации EP1670051 (A1) «Apparatus and method for cvd copper removal at low temperature» (Аппарат и способ удаления CVD меди при низкой температуре) известны технические решения устройства и способа для удаления материала с полупроводниковой пластины, которые приняты в качестве ближайших аналогов заявляемых технических решений способа и устройства для травления заготовки. Известные технические решения способа и устройства для удаления материала с полупроводниковой пластины в целом относятся к процессам и производству интегральных схем, которые, как известно, содержат множество активных (рабочих) компонентов и межсоединительных структур и могут иметь относительно большие размеры, например, иметь диаметр 6 или 8 дюймов.
Согласно патентной публикации EP1670051 (A1), устройство, ближайший аналог, предназначено для удаления материала покрытия с полупроводниковой пластины, которая выполнена в форме диска и имеет верхнюю и нижнюю поверхности, с краями верхней поверхности и сторонами вдоль края верхней поверхности по периметру поверхностей пластины. Причем устройство, ближайший аналог, содержит:
закрытую камеру;
вращающийся (центробежный) патрон для вращения установленной пластины;
первое сопло для нанесения первого раствора, имеющее, по крайней мере, одно положение примерно над краем пластины для распыления раствора травителя по направлению к сторонам и краю по периметру пластины, для удаления материала покрытия с боков и периметру пластины. Первое сопло может перемещаться во множестве положений между центром пластины и периметром пластины, когда пластина установлена на упомянутом патроне;
второе сопло, имеющее, по крайней мере, одно положение примерно над периметром пластины, для распыления жидкого средства для травления защитного покрытия на краю верхней поверхности пластины по периметру, в результате чего предварительно нанесенное защитное покрытие, маскирующее межсоединительные структуры на верхней поверхности пластины, удаляется с края верхней поверхности и стороны пластины перед нанесением травителя материала;
и третье сопло для нанесения раствора, имеющее, по меньшей мере, одно положение примерно над центром пластины для распыления деионизированной воды на пластину, при этом деионизированная вода используется для удаления травителей и травильных соединений с пластины.
Описанное устройство, ближайший аналог, используют для осуществления способа удаления материала покрытия с упомянутой полупроводниковой пластины, которая выполнена в форме диска и имеет верхнюю и нижнюю поверхности, с краями верхней поверхности и сторонами вдоль края верхней поверхности по периметру поверхностей пластины.
Для этого на верхней поверхности упомянутой пластины выбирают участки, на которых расположены активные структуры и которые, соответственно, не подлежат травлению и должны быть защищены от воздействия травителя.
В центробежный патрон устройства устанавливают горизонтально упомянутую полупроводниковую пластину и обеспечивают ее вращение вокруг своей оси с определенной скоростью. Первое сопло устройства располагают над краем верхней поверхности полупроводниковой пластины, а третье сопло устройства располагают примерно над центром полупроводниковой пластины.
При вращении полупроводниковой пластины осуществляют нанесение травителя материала покрытия на край верхней поверхности пластины посредством первого сопла устройства. Одновременно с этим посредством третьего сопла, расположенного над центром диска полупроводниковой пластины, на верхнюю поверхность пластины подают деионизированную воду. В результате выполнения данных операций материал покрытия удаляется с открытых краев верхней поверхности и сторон пластины, а деионизированная вода защищает структуры на верхней поверхности пластины от повреждения травителем.
Последовательность выполнения этапов способа удаления материала покрытия с полупроводниковой пластины, ближайшего аналога, показана блок-схемой на фигуре 16 в описании патентной публикации EP1670051 (A1).
Способ и устройство, ближайшие аналоги, в частных случаях реализации могут обеспечивать циклическое переключение между стадиями нанесения травителя и воды.
Способ и устройство, ближайшие аналоги, за счет относительно низкой температуры проведения процесса позволяют минимизировать окисление меди в процессе ее удаления с поверхности пластины интегральной схемы, что имеет определенное значение в производстве интегральных схем. Однако способ и устройство, ближайшие аналоги, имеют недостатки, обусловленные следующим.
Так, при работе устройства и осуществлении способа, ближайших аналогов, деионизированная вода, после ее подачи из третьего сопла устройства примерно в центр верхней поверхности вращающейся пластины, растекается до края упомянутой верхней поверхности пластины, где сталкивается с наносимым на этот край жидким травителем. В результате столкновения и смешивания двух потоков жидкостей во время вращательного движения пластины образуются капли травителя или его раствора, которые разбрызгиваются и попадают на выбранные участки верхней поверхности пластины, то есть, те участки на верхней поверхности пластины за пределами ее края (краевой части), которые были выбраны как не подлежащие травлению. Таким образом, выбранные участки пластины не достаточно защищены от попадания и негативного воздействия на них травителя, что в некоторых случаях процесса травления пластин и заготовок может быть неприемлемым.
В связи с этим для достаточной защиты выбранных участков пластины, с тем, чтобы предотвратить попадание на эти участки отдельных капель травителя и/или ускорить смыв таких нежелательных капель с выбранных участков пластины, необходимо в центр верхней поверхности пластины подавать деионизированную воду с относительно большим расходом. В свою очередь, большой расход воды приводит к увеличению степени растворения жидкого травителя вблизи внутренней границы краевой части пластины, тем самым, снижает скорость травления и вызывает необходимость увеличения расхода травителя.
Вместе с этим, не смотря на возможность подачи деионизированной воды с относительно большим расходом, устройство и способ, ближайшие аналоги, все же не исключают попадание отдельных разбрызгиваемых капель травителя на упомянутые выбранные участки и их частичное протравливание, что в результате может ухудшить рабочие и эксплуатационные характеристики активных компонентов и структур, расположенных на этих участках обрабатываемой пластины.
Данная проблема способа и устройства, ближайших аналогов особенно актуальна при травлении поверхностей заготовок с особо чувствительными активными структурами, например, заготовок с фотокатодными эпитаксиальными структурами, для которых взаимодействие даже с очень малым количеством агрессивного травителя или его раствора приводит к дальнейшей неработоспособности активной фотокатодной структуры в приборе.
При работе устройства и осуществлении способа, ближайших аналогов, травитель и деионизированную воду подают на верхнюю поверхность пластины во время вращения последней, причем обе жидкости подают, соответственно, на край и в центр верхней поверхности пластины одновременно. Такой способ подачи травителя и деионизированной воды позволяет защитить от повреждения травителем в большей степени только те выбранные участки на верхней поверхности пластины, которые наиболее приближены к ее центру. Однако те выбранные участки на верхней поверхности пластины, которые наиболее приближены к ее краевой части, остаются не достаточно защищенными от их повреждения травителем.
Это может быть обусловлено тем, что при одновременной подаче травителя и деионизированной воды, соответственно, на край и в центр верхней поверхности пластины, поток воды за счет центробежной силы растекается от центра к краю пластины постепенно и может достигнуть предполагаемой внутренней границы краевой части с некоторой задержкой по времени, в то время как травитель в большой степени уже может диффундировать в слой материала на выбранных участках верхней поверхности пластины и повредить его.
При других же условиях, например, при некотором увеличении подаваемого потока деионизированной воды, краевая часть верхней поверхности пластины вблизи ее внутренней границы может оказаться не достаточно протравленной из-за увеличения степени разбавления травителя водой.
То есть в начальный момент подачи травителя и деионизованной воды способ и устройство, ближайшие аналоги, не обеспечивают достаточной защиты верхней поверхности пластины вдоль внутренней границы ее краевой части, из-за чего существует большая вероятность смещения предполагаемой линии (границы) травления как в сторону центра верхней поверхности пластины, так и в сторону ее края. Образующийся в результате такого травления контур (кромка) нестравленного слоя материала на верхней поверхности пластины получается довольно не ровным и нечетким.
Данный недостаток способа и устройства, ближайших аналогов ограничивает их применение в случаях, например, когда в результате травления края плоского поверхностного слоя материала в некоторой заготовке необходимо сформировать достаточно ровную кромку данного слоя. В том числе, это может быть случай, когда выбранный, не подлежащий травлению, участок охватывает всю верхнюю поверхность пластины вплоть до внутренней границы ее краевой части и, соответственно, внешняя граница данного выбранного участка совпадает с внутренней границей краевой части.
Таким образом, в случаях травления поверхностей с очень чувствительными активными структурами и в случаях формирования ровной кромки плоского поверхностного слоя материала применение способа и устройства, ближайших аналогов, может быть полностью ограничено или, в лучшем случае, малопроизводительным.
Таким образом, устройство и способ для удаления материала с полупроводниковой пластины, ближайшие аналоги, характеризуются низкой эффективностью процесса травления и ограниченной областью применения.
Техническая проблема, на решение которой направлены заявляемые технические решения способа для травления заготовки и устройства для травления заготовки, заключается в повышении эффективности процесса травления заготовки и расширении области применения способа и устройства для травления заготовки.
Указанная техническая проблема решается тем, что в способе травления заготовки, имеющей плоскую поверхность с краевой частью, при котором на упомянутой плоской поверхности заготовки вне ее краевой части выбирают, по меньшей мере, один участок, не подлежащий травлению, используют травитель, который представляет собой жидкое вещество для травления материала, образующего плоскую поверхность заготовки в ее краевой части, используют нейтральное жидкое вещество, которое химически нейтрально по отношению к травителю и к материалам, образующим плоскую поверхность заготовки на каждом выбранном, не подлежащем травлению, участке, заготовку вращают вокруг своей оси при положении плоской поверхности заготовки горизонтально вверх и во время упомянутого вращения заготовки на плоскую поверхность заготовки вне ее краевой части подают нейтральное жидкое вещество, а на краевую часть плоской поверхности заготовки подают травитель, согласно заявляемому техническому решению на плоской поверхности заготовки задают центральную область, представляющую собой часть плоской поверхности заготовки вне ее краевой части, которая имеет форму круга и включает каждый выбранный, не подлежащий травлению, участок, в качестве оси вращения заготовки задают ось вращения заданной центральной области плоской поверхности заготовки, используют защитный элемент с плоской поверхностью, которая по форме и размерам соответствует заданной центральной области плоской поверхности заготовки и образована материалом, химически стойким к травителю, причем защитный элемент имеет, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, выходящее на упомянутую плоскую поверхность защитного элемента, защитный элемент устанавливают в положение, при котором его плоская поверхность располагается над заданной центральной областью плоской поверхности заготовки соосно и с зазором, а нейтральное жидкое вещество подают через упомянутое, по меньшей мере, одно сквозное отверстие в защитном элементе.
За счет такого решения с использованием упомянутого защитного элемента заявляемое техническое решение позволяет исключить попадание и диффундирование разбрызгиваемых капель травителя на все выбранные, не подлежащие травлению, участки плоской поверхности заготовки, причем как в начальный момент подачи травителя и нейтрального жидкого вещества, так и в течение всего времени процесса травления до его окончания.
Соответственно, каждый выбранный, не подлежащий травлению, участок плоской поверхности заготовки защищен от попадания и негативного воздействия на него травителя в большей степени, чем это обеспечивает способ, ближайший аналог.
Это позволяет применять заявляемый способ для травления плоских поверхностей заготовок с особо чувствительными к воздействию травителя активными структурами.
В свою очередь, более высокая степень защиты выбранных, не подлежащих травлению, участков плоской поверхности заготовки позволяет уменьшить расход нейтрального жидкого вещества и, следовательно, уменьшить степень растворения травителя нейтральным жидким веществом и сохранить более высокую концентрацию раствора травителя в области травления. Поскольку травитель растворяется в меньшей степени, то концентрацию раствора травителя, достаточную для протекания процесса травления материала в краевой части плоской поверхности заготовки, можно поддерживать с меньшим расходом травителя.
Кроме этого, уменьшение расхода нейтрального жидкого вещества и, следовательно, уменьшение степени растворения травителя нейтральным жидким веществом вблизи предполагаемой границы травления вместе с тем обстоятельством, что плоская поверхность защитного элемента по форме и размерам соответствует заданной центральной области плоской поверхности заготовки, снижают вероятность смещения в процессе травления границы травления как в сторону центра заданной центральной области, так и в сторону краевой части плоской поверхности заготовки, что в результате травления плоского поверхностного слоя материала заготовки способствует получению более ровного края упомянутого слоя.
Данное преимущество позволяет применять заявляемый способ травления заготовки в случаях, когда в результате травления края плоского поверхностного слоя материала в некоторой заготовке необходимо сформировать достаточно ровную, круглую по периметру, кромку данного слоя. В том числе, в случаях, когда, например, выбранный, не подлежащий травлению, участок охватывает всю верхнюю поверхность пластины вплоть до внутренней границы ее краевой части и, соответственно, внешняя граница данного выбранного участка совпадает с внутренней границей краевой части.
Таким образом, заявляемым техническим решением способа травления заготовки достигаются технические результаты, заключающиеся в уменьшении расхода нейтрального жидкого вещества и расхода травителя, в повышении скорости травления. Данные технические результаты повышают эффективность процесса травления, тем самым решают соответствующую техническую проблему, на решение которой направлен заявляемый способ травления заготовки.
Заявляемым техническим решением способа травления заготовки также достигаются технические результаты, заключающиеся в возможности применения заявляемого способа травления заготовки для травления плоских поверхностей заготовок с особо чувствительными к воздействию травителя активными структурами, а также в возможности применения заявляемого способа травления заготовки для формирования ровного круглого контура или кромки плоского поверхностного слоя материала в заготовке. Данные технические результаты решают проблему расширения области применения способа травления заготовки.
В заявляемом способе травления заготовки используемое нейтральное жидкое вещество может содержать воду и/или поверхностно-активное вещество. Поверхностно-активное вещество в составе нейтрального жидкого вещества способствует ускорению его растекания по плоской поверхности заготовки.
Указанная техническая проблема также решается тем, что в устройстве для травления заготовки, имеющей плоскую поверхность с краевой частью, причем на упомянутой плоской поверхности заготовки вне ее краевой части выбран, по меньшей мере, один участок, не подлежащий травлению, а упомянутое устройство выполнено с возможностью вращения заготовки вокруг своей оси при положении плоской поверхности заготовки горизонтально вверх, а также, с возможностью осуществления во время упомянутого вращения заготовки подачи травителя на краевую часть плоской поверхности заготовки и подачи нейтрального жидкого вещества на плоскую поверхность заготовки вне ее краевой части, причем травитель представляет собой жидкое вещество для травления материала, образующего плоскую поверхность заготовки в ее краевой части, а нейтральное жидкое вещество химически нейтрально по отношению к травителю и к материалу, образующему плоскую поверхность заготовки на каждом выбранном, не подлежащем травлению, участке, согласно заявляемого технического решения на упомянутой плоской поверхности заготовки задана центральная область, представляющая собой часть плоской поверхности заготовки вне ее краевой части, которая имеет форму круга и включает каждый выбранный, не подлежащий травлению, участок, в качестве оси вращения заготовки задана ось вращения упомянутой заданной центральной области плоской поверхности заготовки, а упомянутое устройство содержит защитный элемент с плоской поверхностью, которая по форме и размерам соответствует заданной центральной области плоской поверхности заготовки и образована материалом, химически стойким к травителю, причем защитный элемент имеет, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, выходящее на упомянутую плоскую поверхность защитного элемента, при этом упомянутое устройство выполнено с возможностью установки защитного элемента в положение, при котором его плоская поверхность располагается над заданной центральной областью плоской поверхности заготовки соосно и с зазором, а также с возможностью подачи нейтрального жидкого вещества через упомянутое, по меньшей мере, одно сквозное отверстие в защитном элементе.
За счет такого решения с использованием упомянутого защитного элемента заявляемое устройство при осуществлении в нем процесса травления упомянутой заготовки позволяет исключить попадание и диффундирование разбрызгиваемых капель травителя на все выбранные, не подлежащие травлению, участки плоской поверхности заготовки, причем как в начальный момент подачи травителя и нейтрального жидкого вещества, так и в течение всего времени процесса травления до его окончания.
Соответственно, каждый выбранный, не подлежащий травлению, участок плоской поверхности заготовки защищен от попадания и негативного воздействия на него травителя в большей степени, чем это обеспечивает устройство, ближайший аналог. Это позволяет применять заявляемое устройство для травления плоских поверхностей заготовок с особо чувствительными к воздействию травителя активными структурами.
В свою очередь, более высокая степень защиты выбранных, не подлежащих травлению, участков плоской поверхности заготовки позволяет уменьшить расход нейтрального жидкого вещества и, тем самым, уменьшить степень растворения травителя нейтральным жидким веществом, сохранить более высокую концентрацию раствора травителя в области травления. Соответственно, более высокая концентрация раствора травителя обеспечивает более высокую скорость протекания процесса травления в устройстве для травления заготовки.
Вместе с этим, поскольку травитель растворяется в меньшей степени, то концентрацию раствора травителя, достаточную для протекания процесса травления материала в краевой части плоской поверхности заготовки, можно поддерживать с меньшим расходом травителя.
Кроме этого, уменьшение расхода нейтрального жидкого вещества и, следовательно, уменьшение степени растворения травителя нейтральным жидким веществом вблизи предполагаемой границы травления вместе с тем обстоятельством, что плоская поверхность защитного элемента по форме и размерам соответствует заданной центральной области плоской поверхности заготовки, снижают вероятность смещения в процессе травления границы травления как в сторону центра заданной центральной области, так и в сторону краевой части плоской поверхности заготовки, что в результате травления плоского поверхностного слоя материала заготовки способствует получению более ровного края упомянутого слоя.
Данное преимущество позволяет применять заявляемое устройство для травления заготовки в случаях, когда в результате травления края плоского поверхностного слоя материала в некоторой заготовке необходимо сформировать достаточно ровную, круглую по периметру, кромку данного слоя. В том числе, в случаях, когда, например, выбранный, не подлежащий травлению, участок охватывает всю верхнюю поверхность пластины вплоть до внутренней границы ее краевой части и, соответственно, внешняя граница данного выбранного участка совпадает с внутренней границей краевой части.
Таким образом, заявляемым техническим решением устройства для травления заготовки достигаются технические результаты, заключающиеся в уменьшении расхода нейтрального жидкого вещества и расхода травителя и в повышении скорости процесса травления. Данные технические результаты повышают эффективность процесса травления, тем самым решают соответствующую техническую проблему, на решение которой направлено заявляемое техническое решение устройства для травления заготовки.
Заявляемым техническим решением устройства для травления заготовки также достигаются технические результаты, заключающиеся в возможности применения заявляемого устройства для травления плоских поверхностей заготовок с особо чувствительными к воздействию травителя активными структурами, а также в возможности применения заявляемого устройства для формирования ровного круглого контура или кромки плоского поверхностного слоя материала в заготовке при ее травлении. Данные технические результаты решают проблему расширения области применения устройства для травления заготовки.
В частном случае реализации, для возможности осуществления вращения заготовки вокруг своей оси при положении плоской поверхности заготовки горизонтально вверх, заявляемое устройство содержит патрон и связанный с ним электропривод. Причем упомянутый патрон выполнен с возможностью соосного расположения и удержания в нем упомянутой заготовки при положении ее плоской поверхности горизонтально вверх, а электропривод приводит упомянутый патрон во вращение вокруг своей оси.
В частном случае реализации, для возможности подачи травителя на краевую часть плоской поверхности заготовки заявляемое устройство содержит сопло для подачи травителя и связанный с ним источник травителя. Причем сопло выполнено с возможностью его расположения над краевой частью плоской поверхности заготовки при расположении заготовки в упомянутом патроне.
В частном случае реализации, для возможности подачи нейтрального жидкого вещества на плоскую поверхность заготовки вне ее краевой части через, по меньшей мере, одно сквозное отверстие в защитном элементе, заявляемое устройство содержит, по меньшей мере, одно сопло для подачи нейтрального жидкого вещества и, по меньшей мере, один источник нейтрального жидкого вещества, связанный с упомянутым, по меньшей мере, одним соплом для подачи нейтрального жидкого вещества. Причем, по меньшей мере, одно сопло для подачи нейтрального жидкого вещества выполнено с возможностью его расположения в сквозном отверстии, имеющемся в защитном элементе.
В частном случае реализации заявляемое устройство для травления заготовки выполнено с возможностью регулирования его работы, в том числе, регулирования режимов подачи травителя и нейтрального жидкого вещества, вращения заготовки вокруг своей оси, пространственного положения защитного элемента и сопла для подачи травителя.
На фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства для травления заготовки в одном из вариантов его реализации.
На фиг. 2 представлено полученное сканирующим электронным микроскопом изображение (с увеличением 2000 крат) многослойной структуры заготовки фотокатодного узла до ее травления.
На фиг. 3 представлено полученное сканирующим электронным микроскопом изображение (с увеличением 6000 крат) многослойной структуры заготовки фотокатодного узла после ее травления с использованием заявляемых способа и устройства.
На фиг. 4 представлено полученное оптическим микроскопом изображение (с увеличением 150 крат) со стороны верхней плоской поверхности многослойной структуры заготовки фотокатодного узла после ее травления с использованием известных способа и устройства (ближайших аналогов).
Заявляемое устройство предназначено для травления заготовки 1, имеющей плоскую поверхность 2 с краевой частью (на фигуре не обозначено). Причем на плоской поверхности 2 заготовки 1 вне краевой части упомянутой плоской поверхности 2 выбран, по меньшей мере, один участок (на фигуре не показано), не подлежащий травлению. Также, на плоской поверхности 2 заготовки 1 задана центральная область (на фигуре не показано), представляющая собой часть плоской поверхности 2 заготовки 1 вне краевой части плоской поверхности 2, которая имеет форму круга и включает каждый выбранный, не подлежащий травлению, участок. Ось вращения заданной центральной области задана в качестве оси вращения заготовки 1.
В одном из вариантов реализации устройство для травления заготовки 1 содержит патрон 3, сопло 4 для подачи травителя, одно сопло 5 для подачи нейтрального жидкого вещества, защитный элемент 6 с плоской поверхностью 7 и со сквозным отверстием 8.
Также в одном из вариантов реализации устройство для травления заготовки 1 содержит электропривод (на фигуре не показано), источник травителя (на фигуре не показано) и, по меньшей мере, один источник нейтрального жидкого вещества (на фигуре не показано).
Заготовка 1 располагается и удерживается в патроне 3 соосно с ним и таким образом, что плоская поверхность 2 заготовки 1 расположена горизонтально вверх. Патрон 3 связан с электроприводом (на фигуре не показано), который приводит патрон 3 во вращение вокруг своей оси. Патрон 3, в котором соосно располагается и удерживается заготовка 1 при положении ее плоской поверхности 2 горизонтально вверх, а также связанный с патроном 3 электропривод, который приводит патрон 3 во вращение вокруг своей оси, обеспечивают вращение заготовки 1 вокруг своей оси при положении плоской поверхности 2 заготовки 1 горизонтально вверх.
Травитель представляет собой жидкое вещество для травления материала, образующего плоскую поверхность 2 заготовки 1 в краевой части упомянутой плоской поверхности 2.
Нейтральное жидкое вещество химически нейтрально по отношению к травителю и к материалу, образующему плоскую поверхность 2 заготовки 1 на каждом выбранном, не подлежащем травлению, участке.
Плоская поверхность 7 защитного элемента 6 по форме и размерам соответствует заданной центральной области плоской поверхности 2 заготовки 1 и образована материалом, химически стойким к травителю. В защитном элементе 6 сквозное отверстие 8 выходит на плоскую поверхность 7. В рабочем положении защитного элемента 6 его плоская поверхность 7 располагается над заданной центральной областью плоской поверхности 2 заготовки соосно и с зазором 9.
Сопло 4 в его рабочем положении располагается над краевой частью плоской поверхности 2 заготовки 1 и, при этом, связано с источником травителя (на фигуре не показано). Такое выполнение устройства для травления заготовки 1 обеспечивает подачу травителя на краевую часть плоской поверхности 2 заготовки 1, в том числе, во время вращения заготовки 1 вокруг своей оси. Сопло 4 в его нерабочем положении позволяет устанавливать заготовку 1 в патрон 3 и извлекать ее из патрона 3 обратно.
Сопло 5 в его рабочем положении располагается в сквозном отверстии 8 защитного элемента 6 и, при этом, связано с одним источником нейтрального жидкого вещества (на фигуре не показано). Такое выполнение устройства для травления заготовки 1 при том, что защитный элемент 6 также находится в рабочем положении, обеспечивает подачу нейтрального жидкого вещества на плоскую поверхность заготовки 1 вне ее краевой части, в том числе, во время вращения заготовки 1 вокруг своей оси.
Заявляемые технические решения способа травления заготовки и устройства для травления заготовки реализуют следующим образом.
3
5
2
6
Для реализации способа травления заготовки используют заготовку 1 (фиг.1), имеющую плоскую поверхность 2 с краевой частью плоской поверхности 2. В качестве заготовки 1 используют, например, полупроводниковую пластину с плоской поверхностью, на которой сформированы элементы интегральной схемы. Или, в качестве заготовки 1 используют, например, заготовку фотокатодного узла, которая имеет плоскую поверхность, образованную слоем эпитаксиальной структуры соединений элементов групп АВ или АВ.
На плоской поверхности 2 заготовки 1 вне ее (плоской поверхности 2) краевой части выбирают, по меньшей мере, один участок, не подлежащий травлению. Также задают центральную область, представляющую собой часть плоской поверхности 2 заготовки 1 вне ее краевой части, которая имеет форму круга и включает каждый выбранный, не подлежащий травлению, участок. Исходя из данного условия определяют диаметр упомянутой центральной области.
Ось вращения заданной центральной области задают в качестве оси вращения заготовки 1.
Выбирают травитель из ряда жидких веществ, применяемых для травления материала, образующего плоскую поверхность 2 в ее краевой части. Выбирают нейтральное жидкое вещество из ряда жидких веществ, которые химически нейтральны по отношению к травителю и к материалам, образующим плоскую поверхность 2 заготовки 1 на каждом выбранном, не подлежащем травлению, участке. Например, в качестве нейтрального жидкого вещества выбирают воду или раствор поверхностно-активного вещества.
Задают необходимое количество сопел 5 для подачи выбранного нейтрального жидкого вещества на плоскую поверхность 2 вне ее краевой части.
Изготавливают устройство для осуществления в нем процесса травления заготовки 1, имеющей плоскую поверхность 2 с краевой частью.
Для этого известными техническими средствами изготавливают патрон 3 с возможностью соосного размещения и удерживания в патроне 3 заготовки 1 при положении плоской поверхности 2 заготовки 1 горизонтально вверх. Патрон 3 связывают с электроприводом (на фигуре не показано) таким образом, чтобы электропривод приводил патрон 3 во вращение вокруг своей оси.
Известными техническими средствами изготавливают сопло 4 для подачи выбранного травителя и сопло 5 в заданном количестве для подачи выбранного нейтрального жидкого вещества, защитный элемент 6, а также, источники выбранных травителя и нейтрального жидкого вещества (на фигуре не показаны).
Защитный элемент 6 изготавливают с плоской поверхностью 7, которая по форме и размерам соответствует заданной центральной области плоской поверхности 2 заготовки 1 и образована материалом, химически стойким к выбранному травителю. Также защитный элемент изготавливают с, по меньшей мере, одним сквозным отверстием 8, выходящим на плоскую поверхность 7. Причем, количество сквозных отверстий 8 определяют как соответствующее заданному количеству сопел 5.
При изготовлении устройства для травления заготовки 1 сопло 4 связывают с источником травителя (на фигуре не показано), а каждое сопло 5 связывают с, по меньшей мере, одним источником нейтрального жидкого вещества (на фигуре не показано).
Устройство для травления заготовки 1 также выполняют с возможностью установки сопла 4 в рабочее положение, при котором сопло 4 связано с источником травителя (на фигуре не показано) и располагается над краевой частью плоской поверхности 2 заготовки 1 в то время, когда заготовка 1 размещена в патроне 3. Такое выполнение устройства для травления заготовки 1 позволяет подавать травитель на краевую часть плоской поверхности 2 заготовки 1, в том числе, во время вращения заготовки 1 вокруг своей оси.
Устройство для травления заготовки 1 также выполняют с возможностью установки сопла 4 в нерабочее положение, при котором положение сопла 4 позволяет устанавливать заготовку 1 в патрон 3 и извлекать ее из патрона 3 обратно.
Изготовленные в заданном количестве сопла 5 размещают в сквозных отверстиях 8.
Устройство для травления заготовки 1 также выполняют с возможностью установки защитного элемента 6 в рабочее положение, при котором его плоская поверхность 7 располагается над заданной центральной областью плоской поверхности 2 заготовки 1 соосно и с зазором 9 в то время, когда заготовка 1 размещена в патроне 3.
Устройство для травления заготовки 1 также выполняют с возможностью установки защитного элемента 6 в нерабочее положение, при котором расположение защитного элемента 6 позволяет устанавливать заготовку 1 в патрон 3 и извлекать ее из патрона 3 обратно. Для этого, например, защитный элемент 6 закрепляют на предварительно изготовленном кронштейне (на фигуре не показано). Причем кронштейн выполняют с возможностью установки закрепленного на нем защитного элемента 6, по меньшей мере, в двух положениях, - рабочем и не рабочем.
Для возможности установки сопла 4 в рабочее и нерабочее положения сопло 4, например, закрепляют на том же кронштейне, на котором закреплен защитный элемент 6, причем, таким образом, что при положении защитного элемента 6 в нерабочем положении сопло 4 находится также в нерабочем положении, а при положении защитного элемента 6 в рабочем положении сопло 4 находится также в рабочем положении.
Посредством известных технических средств устройство для травления заготовки 1 выполняют с возможностью регулирования пространственного положения составных элементов и режимов работы устройства, в том числе, с возможностью регулирования пространственного положения защитного элемента 6 и сопла 4 для подачи травителя, режимов подачи травителя и нейтрального жидкого вещества и вращения заготовки 1 вокруг своей оси.
Для сбора отработанных продуктов травления может быть использована предварительно изготовленная чаша, габариты которой позволяют разместить внутри нее, по меньшей мере, патрон 3 с размещенной на нем заготовкой 1, а стенки чаши позволяют ограничить распространение в окружающую среду жидких отработанных продуктов, образующихся в процессе травления заготовки 1.
Для осуществления процесса травления заготовки 1 ее размещают в патроне 3 соосно с последним и при положении плоской поверхности 2 вверх.
Расчетным или опытным путем определяют и задают параметры работы устройства для травления заготовки 1, в том числе, скорость вращения патрона 3, расход и временной режим подачи выбранных травителя и, по меньшей мере, одного нейтрального жидкого вещества при их подаче из соответствующих сопел 4 и 5, пространственное положение сопла 4 относительно плоской поверхности 2 заготовки 1 в ее краевой части, величину зазора 9.
Защитный элемент 6 и сопло 4 устанавливают в рабочее положение. Таким образом, плоская поверхность 7 защитного элемента 6 располагается над заданной центральной областью плоской поверхности 2 соосно и с зазором 9, а краевая часть плоской поверхности 2 заготовки 1 остается открытой и над ней располагается сопло 4.
Патрон 3 с размещенной в нем заготовкой 1 приводят во вращение посредством включения электропривода.
При вращении заготовки 1 через, по меньшей мере, одно сопло 5, подают нейтральное жидкое вещество, а через сопло 4 подают травитель. Травитель и нейтральное жидкое вещество подают с заданным расходом в течение заданного времени. Данные параметры, при необходимости, регулируют в процессе подачи упомянутых жидкостей. Нейтральное жидкое вещество, попадая через зазор 9 на плоскую поверхность 2 в ее центральной области, растекается до краевой части плоской поверхности 2 за счет центробежной силы, возникающей в результате вращения заготовки 1. В предпочтительном варианте травитель подают с некоторой задержкой по времени после подачи нейтрального жидкого вещества, с тем, чтобы до момента подачи травителя нейтральное жидкое вещество растеклось до края плоской поверхности 7 защитного элемента 6 и, соответственно, покрыло центральную область плоской поверхности 2 с выбранными, не подлежащими травлению участками.
По окончании травления материала краевой части плоской поверхности 2 заготовки 1 травитель и нейтральное жидкое вещество прекращают подавать из соответствующих сопел, причем в предпочтительном варианте нейтральное жидкое вещество прекращают подавать через некоторое время после прекращения подачи травителя для того, чтобы смыть с плоской поверхности 2 остатки продуктов травления.
После прекращения подачи травителя и нейтрального жидкого вещества предпочтительно, что заготовку 1 и ее плоскую поверхность 2 высушивают, для чего патрон 3 с заготовкой 1 продолжают вращать еще некоторое время. После чего, вращение патрона 3 прекращают, сопло 4 и защитный элемент 6 устанавливают в нерабочее положение и заготовку 1 извлекают из патрона 3.
Заявляемые способ и устройство для травления заготовки использовали при травлении образцов заготовки фотокатодного узла, предназначенного для использования в составе фотоэлектронного прибора.
3
5
Упомянутая заготовка фотокатодного узла представляла собой многослойную структуру (фиг. 2), в которой на круглой стеклянной пластине 10 были последовательно расположены тонкие слои, в том числе, просветляющий слой 11, буферный слой (на фиг. 2 не обозначен) и верхний активный слой 13 (фиг. 2, 3) с кромкой 14. Активный слой 13 образовывал плоскую поверхность заготовки фотокатодного узла, был сформирован методом эпитаксии из светочувствительного материала на основе соединений группы АВ и по внешнему контуру имел форму, приближенную к кругу. Причем из-за предварительно проведенной технологической обработки упомянутой заготовки фотокатодного узла, краевая часть буферного слоя была стравлена, в результате чего, между краевыми частями просветляющего слоя 11 и активного слоя 13 образовался зазор 12 (на изображении виден в виде узкой темной полости) и, таким образом, краевая часть активного слоя 13 выступала над нижележащим буферным слоем и нависала над просветляющим слоем 11 (фиг. 2). Выступающая краевая часть активного слоя 13, поскольку она не была закреплена на нижележащем буферном слое, была подвержена возникновению в ней повреждений, вплоть до разрушения и обламывания. На изображении видно, что в заготовке фотокатодного узла на краевой части активного слоя 13 имелись такие структурные дефекты, как сколы и отломившиеся участки, в результате чего кромка 14 активного слоя 13 была в большой степени не ровная. При выполнении последующих операций по изготовлению фотокатодного узла и фотоэлектронного прибора, а также в процессе работы готового фотоэлектронного прибора обломившиеся и отделившиеся от края активного слоя 13 частицы могли стать причиной брака или ухудшения эксплуатационных характеристик фотоэлектронного прибора. Например, отломившиеся от активного слоя 13 частицы, при их попадании в фотокатодный промежуток, могут ухудшить характеристику чистоты поля зрения изображения в электронно-оптическом преобразователе. Вместе с этим, структурные дефекты в краевой части активного слоя 13 могут вызвать дефекты наносимого на эту область электропроводящего покрытия, что также негативно влияет на эксплуатационные характеристики фотоэлектронного прибора и его работоспособность.
Для решения данных проблем на упомянутой заготовке фотокатодного узла необходимо было жидкостным травлением удалить выступающую краевую часть активного слоя 13 и сформировать достаточно ровную, круглую по периметру, кромку 14 активного слоя 13 заданного диаметра.
Жидкостному травлению подвергали несколько образцов упомянутой заготовки фотокатодного узла. Причем для травления одной части образцов упомянутой заготовки фотокатодного узла применяли способ и устройство в соответствии с заявляемыми техническими решениями (первый случай процесса травления), а для травления другой части образцов упомянутой заготовки фотокатодного узла применяли способ и устройство в соответствии с техническими решениями ближайших аналогов (второй случай процесса травления).
3
5
В обоих случаях процесса травления в качестве травителя материала на основе соединений группы АВ(поскольку данный материал образует плоскую поверхность в ее краевой части) использовали 50%-ный водный раствор смеси из аммиака и перекиси водорода, причем аммиак и перекись водорода брали в соотношении 1:1. В качестве нейтрального жидкого вещества использовали 0,2%-ный водный раствор поверхностно-активного вещества.
Соответственно поставленной задаче, в обоих случаях процесса травления травлению не подлежал один участок на поверхности активного слоя 13, который располагался вне краевой части данной поверхности и имел форму круга с диаметром, соответствующим заданному диаметру формируемой кромки 14.
При этом в первом случае процесса травления была задана центральная область, которая, соответственно поставленной задаче, совпадала с выбранным, не подлежащим травлению, участком, причем ось вращения заданной центральной области была задана в качестве оси вращения заготовки фотокатодного узла, а в процессе травления использовали вышеописанный защитный элемент 6, в котором его плоская поверхность по форме и размерам соответствовала заданной центральной области и была сформирована из фторопласта, поскольку данный материал является химически стойким к используемому травителю.
На фигуре 3 представлено полученное сканирующим электронным микроскопом изображение (с увеличением 6000 крат) многослойной структуры заготовки фотокатодного узла после ее травления с использованием заявляемых технических решений способа и устройства (первый случай процесса травления). На изображении (фиг. 3) видно, что в результате первого случая процесса травления на неподлежащем травлению участке верхней поверхности активного слоя 13, который ограничен кромкой 14, в том числе, вблизи кромки 14, отсутствуют следы протравов, краевая часть активного слоя 13, которая до травления нависала над просветляющим слоем 11, удалена, зазор 12 (показан на фигуре 2) отсутствует, а на уровне ранее присутствующего зазора 12 видна кромка буферного слоя 16. Поскольку в образцах данной заготовки фотокатодного узла материал буферного слоя 16 также, как и материал краевой части активного слоя 13, был чувствителен к используемому травителю, то в процессе травления краевой части активного слоя 13 край буферного слоя 16 также стравился до уровня заданного диаметра кромки 14 активного слоя 13. На изображении (фиг. 3) видно, что кромка буферного слоя 16 расположена на одном уровне с кромкой 14 активного слоя 13. При этом кромка 14 активного слоя 13 ровная, без существенной кривизны. В данном (первом) случае травления градиент толщины стравленного слоя в области кромки 14 имел малую и равномерную ширину по периметру, а диаметр окружности кромки 14 соответствовал заданному значению. По окончании процесса травления все образцы заготовки фотокатодного узла были годными для дальнейшего их применения в составе фотоэлектронных приборов.
На фигуре 4 представлено полученное оптическим микроскопом изображение (с увеличением в 150 крат) со стороны верхней плоской поверхности активного слоя 13 многослойной структуры заготовки фотокатодного узла после травления краевой части упомянутой плоской поверхности с использованием известных технических решений способа и устройства (ближайших аналогов). На изображении (фиг. 4) видно, что на неподлежащем травлению участке верхней поверхности активного слоя 13, в том числе, вблизи кромки 14, имеются капельные пятна 15, которые образовались в результате контактирования материала активного слоя 13 с используемым травителем. При этом кромка 14 активного слоя 13 имеет заметные неровности. В большей части образцов заготовки фотокатодного узла имелось смещение границы травления в сторону краевой части активного слоя 13, в результате чего, градиент толщины стравленного слоя в области кромки 14 был неравномерным по периметру. Из-за наличия протравов материала на участке поверхности активного слоя 13, который не подлежал травлению, образцы заготовок фотокатодных узлов не могли быть применены при дальнейшем изготовлении фотоэлектронных приборов и поэтому были признаны браком.
Время, затраченное непосредственно на процессы травления образцов заготовок фотокатодного узла в первом случае и во втором случае процесса травления составило 4 минуты и 7,5 минут соответственно. Расход аммиака и перекиси водорода в составе травителя в первом и во втором случаях процесса травления составил, соответственно, по 20 мл и по 48 мл каждого из указанных реагентов. Расход водного раствора поверхностно-активного вещества в первом и во втором случаях процесса травления составил 20 мл и 45 мл соответственно.
Таким образом, в сравнении с ближайшими аналогами, заявляемые технические решения способа и устройства для травления заготовки обеспечили более высокую эффективность процесса травления образцов заготовки фотокатодного узла, исключили химическое повреждение активного слоя 13 и позволили сформировать ровную по форме и по периметру кромку 14 активного слоя 13 с заданным диаметром.