СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР С ГЕРМАНИЕВОЙ ПОДЛОЖКОЙ
METHOD FOR PROCESSING SEMICONDUCTOR STRUCTURES WITH A GERMANIUM SUBSTRATE

Изобретение относится к электротехнике, в частности к полупроводниковой технике, и может быть использовано при изготовлении фотопреобразователей.
Известен способ обработки полупроводниковых пластин (см. патент РФ №2249881, опубл. 10.04.2005 г.), принятый за аналог, включающий: наклейку на планшайбу с использованием прижима и механическую обработку поверхности полупроводниковых пластин. При этом планшайбу выполняют по крайней мере с двумя зонами для наклейки, разделенными друг от друга глухими пазами. На одну из зон наклеивают стопорные пластины из материала с твердостью, большей твердости материала полупроводниковых пластин. В качестве стопорных пластин используют пластины из алюмооксидной керамики. Наклеивают стопорные пластины на планшайбу, используя в качестве клея смесь парафина с канифолью при температуре 90°С. После наклейки стопорные пластины шлифуют до фиксированной толщины. Затем наклеивают кремниевые пластины, используя клей на основе воска и канифоли с меньшей температурой плавления 60°С. Закрепленные на планшайбе кремниевые пластины шлифуют и полируют до тех пор, пока толщина не достигнет толщины стопорных пластин. Обработанные полупроводниковые пластины открепляют от планшайбы и отмывают от остатков клея.
Недостаток способа-аналога, применительно к технологии изготовления фотопреобразователей, заключается в том, что утоненные до 20÷30 мкм полупроводниковые структуры подвергаются интенсивному трещинообразованию на последующих операциях химической обработки, напыления металлизации и разделения на чипы в связи с различными факторами механического воздействия.
Признаки, общие с предлагаемым способом обработки полупроводниковых структур с германиевой подложкой, следующие: наклейка полупроводниковых структур на диск-носитель (планшайбу), утонение полупроводниковых структур.
Известны метод и устройство для утонения подложек (см. патент США №20090227047 А1, опубл. 03.06.2008 г.), принятый за аналог, в котором утоняемая пластина располагается на вращающемся столике, при этом вдоль обрабатываемой поверхности по радиусу перемещается форсунка, через которую подается раствор травителя. В процессе травления осуществляется оптический контроль толщины пластины по всей ее поверхности. На основе полученной карты неравномерности управляющая система формирует сигнал корректировки положения форсунки.
Недостаток способа-аналога заключается в низкой производительности поштучной обработки пластин, в необходимости высоких капитальных затрат на приобретение сложного дорогостоящего оборудования.
Признаки способа - аналога, общие с предлагаемым способом обработки полупроводниковых структур с германиевой подложкой, следующие: фиксация полупроводниковой структуры на диске-носителе (вращающемся столике), выполнение химико-динамического утонения подложки.
Известен метод изготовления ультратонких подложек (см. статью «Wafer Thinning: Techniques for Ultra - thin Wafers, раздел «Thinning Concept)), авторов Manfred Reiche, Gerald Wagner, журнал Solid State Technology, March 2003), принятый за прототип, согласно которому осуществляется временная фиксация подложки на носителе посредством наклеивания для выполнения нескольких технологических операций, в том числе: утонения, разделения на чипы (при условии предварительного скрайбирования лицевой стороны полупроводниковой структуры), напыления тыльной металлизации с нагревом подложки, снятия металлизированных чипов с носителя.
Недостаток метода-прототипа, применительно к технологии изготовления фотопреобразователей, заключается в том, что наклейка, осуществляемая всей поверхностью лицевой стороны подложки на носитель, усложняет последующее снятие утоненной полупроводниковой структуры, так как доступ растворителя в этом случае недостаточен. Кроме того, отсутствует необходимое сочетание свойств термостойкости и химической стойкости клеевых соединений. Несовместимость используемых материалов по коэффициентам термического расширения приводит к короблению утоненной полупроводниковой структуры. В результате снижается выход годных фотопреобразователей.
Признаки прототипа, общие с предлагаемым способом обработки полупроводниковых структур с германиевой подложкой, следующие: фиксация полупроводниковой структуры на диске-носителе посредством клеевого соединения, утонение подложки, разделение полупроводниковой структуры на чипы, напыление тыльной металлизации с нагревом подложки, снятие металлизированных чипов с диска-носителя.
Отличительные признаки предлагаемого способа обработки полупроводниковых структур с германиевой подложкой, обеспечивающие ему соответствие критерию «новизна» следующие: фиксация полупроводниковой структуры на диске-носителе, выполненная на выступах, имеющих вид полос, закрепленных вертикально на диске-носителе, при этом диск-носитель и выступы изготавливаются из материалов с близкими к германиевой подложке коэффициентами термического расширения; расположение выступов с внутренней стороны контура разделения полупроводниковой структуры, фиксация которой на выступах выполняется посредством эпоксидно-пластизолевой смеси.
Технический результат заключается в увеличении выхода годных фотопреобразователей за счет устранения травмирующих факторов механического воздействия на полупроводниковую структуру в процессе выполнения технологических операций химико-динамического утонения подложки, разделения полупроводниковой структуры на чипы, напыления тыльной металлизации на чипы с нагревом подложки. Кроме того, обеспечивается эффективное снятие чипов с диска-носителя в органическом растворителе, и, как следствие, многократное использование дисков-носителей.
Для обоснования соответствия предлагаемого способа обработки полупроводниковых структур с германиевой подложкой критерию «изобретательский уровень» был выполнен анализ известных технических решений по литературным источникам, в результате которого не обнаружено технических решений, содержащих совокупность известных и отличительных признаков, дающих вышеуказанный технический результат. Поэтому, по мнению автора, предлагаемый способ обработки полупроводниковых структур с германиевой подложкой соответствует критерию «изобретательский уровень».
Достигается это тем, что в способе обработки полупроводниковых структур с германиевой подложкой, включающем фиксацию полупроводниковой структуры лицевой стороной на диске-носителе посредством клеевого соединения, утонение подложки, разделение полупроводниковой структуры на чипы, напыление тыльной металлизации с нагревом подложки, снятие металлизированных чипов с диска-носителя, фиксацию полупроводниковой структуры на диске-носителе выполняют на выступах, имеющих вид полос, закрепленных вертикально на диске-носителе, при этом диск-носитель и выступы изготавливают из материалов с близкими к германиевой подложке коэффициентами термического расширения, а выступы располагают с внутренней стороны контура разделения полупроводниковой структуры, фиксацию которой на выступах выполняют посредством эпоксидно-пластизолевой смеси.
Предложенный способ обработки полупроводниковой структуры с германиевой подложкой иллюстрирован на чертежах (фиг. 1, 2) и фотографиях (фиг. 3÷6).
На фиг. 1 представлен общий вид полупроводниковой структуры с эпитаксиальными слоями 1, выращенными на германиевой подложке 2, на лицевой стороне которой сформированы лицевые контакты 3 фотопреобразователей, меза-изолирующие канавки 4, разделительные углубления 5 и нанесена защитная маска 6. Полупроводниковая структура зафиксирована лицевой стороной с защитной маской 6 на торцевой поверхности выступов 7 диска-носителя 8 посредством клеевого соединения 9. Выступы 7 выполнены в виде полос трапецеидальной конфигурации, которые закреплены вертикально на диске-носителе 8 посредством держателей 10, имеющих конфигурацию полусферы.
На фиг. 2 представлен вид в плане полупроводниковой структуры с линиями разделительных углублений 5 (линиями дискового скрайбирования), образующими замкнутый контур разделения 11. При разделении полупроводниковой структуры на чипы осуществляется отделение незакрепленных на выступах 7 нефункциональных сегментов 12 по контуру разделения 11.
На фиг. 3 представлен вид диска-носителя 8 с выступами 7, изготовленных из кремниевой полупроводниковой подложки.
На фиг. 4 представлен вид диска-носителя 8, изготовленного из материала на основе эпоксидной затирки с выступами 7 из кремниевой полупроводниковой подложки.
На фиг. 5 представлен вид полупроводниковой структуры после утонения подложки 2, отделения нефункциональных сегментов 12 и напыления тыльной металлизации.
На фиг. 6 представлен вид изготовленных фотопреобразователей.
Пример конкретного использования предлагаемого способа обработки полупроводниковой структуры с германиевой подложкой в технологии изготовления фотопреобразователей.
Полупроводниковую трехкаскадную структуру GaInP/GaInAs/GeGe с эпитаксиальными слоями 1, выращенными на германиевой подложке 2 диаметром ∅ 100 мм, на лицевой стороне которой сформированы лицевые контакты 3 двух фотопреобразователей с габаритными размерами 40×80 мм, меза-изолирующие канавки 4, разделительные углубления 5 и нанесена защитная маска 6 закрепляют лицевой стороной на торцевой поверхности выступов 7 диска-носителя 8 посредством клеевого соединения 9 (см. фиг. 1).
В качестве клея используют смесь состава (объемных частей): эпоксидный экспресс клей «Контакт» - 2 части, пластизоль Д-2АОС - 1 часть.
Добавка пластизоля (ТУ2241-404-00208947-2004) на основе поливинилхлорида позволяет получить эластичный прочный контакт, термостабильный в широком интервале температур (до 180°С), химически стойкий в травителе германиевой подложки. Выступы 7 диска-носителя 8 имеют вид полос трапецеидальной конфигурации толщиной ~0,5 мм, шириной ~7 мм с верхним основанием длиной ~50 мм, которые закреплены вертикально на диске-носителе 8 посредством держателей 10. Держатели 10 выполнены в виде полусфер из материала на основе кислото- и щелочностойкой эпоксидной затирки «Диамант» (шовный заполнитель для стеклянной мозаики, керамической плитки и материалов из камня, ТУ 2312-001-31724482-2014). Полусферы держателей 10, в материале которых зафиксированы угловыми областями выступы 7 (см. фиг. 1, 3, 4), закреплены на диске-носителе 8 посредством эпоксидного экспресс клея «Контакт».
-6
-1
-6
-1
-6
-1
-6
-1
керамической
плитки
В качестве диска-носителя 8 и выступов 7 применяют пластины из материалов, близких по коэффициенту термического расширения (КТР) к германиевой подложке (КТР ~6,1⋅10 °С). Для конкретных примеров изготовления используют: кремниевую полупроводниковую подложку (КТР ~ 5,1⋅10 °С) диаметром ∅ 100 мм, толщиной ~0,5 мм с выступами из: пластин, вырезанных из поликоровой подложки (КТР ~6,9⋅10 °С); пластин, вырезанных из кремниевой полупроводниковой подложки (см. фиг. 3); диск-носитель 8, изготовленный из материала на основе эпоксидной затирки (КТР ~5,9⋅10 °С) с выступами 7 из кремниевой полупроводниковой подложки (см. фиг. 4), при этом в результате взаимодиффузии материалов держателей 10 и диска-носителя 8 формируется монолитная структура. Для повышения механической прочности материала диска-носителя 8 и держателей 10, после формирования из эпоксидной затирки, выполняют выдержку в органическом растворителе ацетон÷диметилформамид=2÷1 в течение 4 часов с последующей сушкой и термообработкой 120°С в течение 2 часов. Затем держатели 10 с выступами 7 наклеивают на диск-носитель 8 из кремниевой полупроводниковой подложки.
2
2
2
Используемый для изготовления диска-носителя 8 и держателей 10 материал на основе эпоксидной затирки «Диамант» имеет близкий с германиевой подложкой коэффициент термического расширения и обладает необходимой химической стойкостью в водном травителе германиевой подложки на основе плавиковой кислоты и перекиси водорода состава HF÷HO÷HO=1÷1÷4, а также в органическом растворителе состава ацетон÷диметилформамид=2÷1. На кремниевую полупроводниковую подложку используемый травитель практически не воздействует.
Далее выполняют следующие технологические операции: химико-динамического утонения (стравливания) германиевой подложки 2 до разделительных углублений 5 в меза-канавке 4 с одновременным разделением полупроводниковой структуры на чипы, при этом по контуру разделения 11 (см. фиг. 1, 2) с диска-носителя 8 удаляются незакрепленные клеевым соединением 9 нефункциональные сегменты 12 полупроводниковой структуры; химической обработки поверхности полупроводниковой структуры перед напылением металлизации; электронно-лучевого напыления тыльной металлизации на основе серебра Cr/Au/Ag/Au с нагревом подложки 2 до ~100°С (см. фиг. 5); снятия металлизированных чипов с выступов 7 диска-носителя 8 в органическом растворителе состава ацетон÷диметилформамид=2÷1 за время t ~30 мин.
Остаточная толщина германиевой подложки 2 составляет ~30 мкм. Узкие полосы выступов 7 диска-носителя 8 обеспечивают доступ растворителя с эффективным удалением защитной маски 6 в области клеевого соединения 9. Клеевой состав эпоксидно-пластизолевой смеси в используемом растворителе за время, необходимое для снятия металлизированных чипов, переходит в размягченное состояние и легко удаляется механически. В случае применения эпоксидного клея в чистом виде (после отверждения) очистка выступов 7 представляет значительные трудности. В чистом виде пластизоль не обладает клеящими свойствами. На держатели 10 выступов 7 и диск-носитель 8, выполненные из эпоксидной затирки «Диамант», используемый растворитель не оказывает существенного воздействия, что позволяет применять диск-носитель 8 многократно. При очередной наклейке полупроводниковой структуры целесообразна термообработка при плавном повышении температуры до ~100°С, 30 мин для обезгаживания клеевых соединений 9.
Расположение выступов 7 с внутренней стороны контура разделения 11 полупроводниковой структуры (см. фиг. 1, 2) необходимо для фиксации края чипов в процессе химико-динамического травления с целью предотвращения трещинообразования утоненной полупроводниковой структуры, а также для освобождения периферии диска-носителя 8 от нефункциональных сегментов 12 полупроводниковой структуры и его последующей загрузки в опорное кольцо планетарного механизма установки напыления. Опорное кольцо может быть снабжено сегментными экранами для защиты от запыления металлом поверхности диска-носителя 8. Химико-динамическое травление осуществляют с помощью устройства для одновременной обработки восьми полупроводниковых структур.
-6
Выполняют электронно-лучевое напыление тыльной металлизации с нагревом подложки 2, при этом близость коэффициентов термического расширения германиевой подложки 2 и диска-носителя 8 с выступами 7, находящихся в диапазоне КТР (5÷7)⋅10 °С, предотвращает коробление утоненной полупроводниковой структуры.
После снятия в растворителе металлизированных чипов с выступов 7 диска-носителя 8 отжигают контакты фотопреобразователей. Вскрывают оптическое окно травлением по маске лицевых контактов 3. Напыляют просветляющее покрытие. Изготовленные фотопреобразователи (см. фиг. 6) с габаритными размерами 40×80 мм имеют вес 0,6÷0,8 г; коэффициент полезного действия более 29%.
Предложенный способ обработки полупроводниковых структур с германиевой подложкой обеспечивает выполнение следующих технологических операций: утонения подложки до 20÷30 мкм с одновременным разделением полупроводниковой структуры на чипы; химической обработки; сушки центрифугированием; напыления тыльной металлизации, в процессе которых полупроводниковая структура закреплена на выступах 7 диска-носителя 8 и предотвращается воздействие травмирующих факторов, связанных с соприкосновением поверхностей. Предложенные материалы для изготовления диска-носителя 8, выступов 7, держателей 10 имеют близкие с германиевой подложкой 2 коэффициенты термического расширения, что позволяет выполнить напыление тыльной металлизации с нагревом до ~100°С без коробления утоненной полупроводниковой структуры. В результате снижается вероятность трещинообразования, увеличивается выход годных фотопреобразователей.
Предложенные клеевые соединения 9 выступов 7 с полупроводниковой структурой на основе эпоксидно-пластизолевой смеси обеспечивают надежное крепление в процессе обработки полупроводниковой структуры, эффективную очистку и многократное использование диска-носителя.