СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНТАКТОВ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
METHOD OF MAKING PHOTOCONVERTER CONTACTS

Изобретение относится к полупроводниковым устройствам, а именно к преобразователям световой энергии в электрическую.
Известен способ создания омических контактов к композиционным полупроводникам (патент ФРГ №41139690, опубл. 05.11.92 г.), состоящий в том, что на поверхность полупроводниковых пластин с контактным слоем GaAs, AlGaAs, InP и др. ориентации (100) или (111) наносят слои Au-Ge(0,002÷l%) и Au толщиной соответственно (5÷50)нм и (200÷600)нм. Вжигание выполняют либо при температуре 360÷390°С в течение 40-180 мин, либо при 430÷480°С за 5÷20 с.
Недостаток способа применительно к изготовлению контактов фотопреобразователя заключается в недостаточной электропроводности тонких слоев контактной металлизации, используемых для создания низкоомного перехода металл-полупроводник. Необходимая для снижения потерь в токосъемной шине фотопреобразователя толщина металлизации составляет 7÷8 мкм, что требует дополнительного наращивания контакта методом электрохимического осаждения или термического напыления.
Признаки, общие с признаками предлагаемого способа, следующие: нанесение на поверхность полупроводниковой пластины слоев лицевой контактной металлизации Au-Ge и Au с последующим вжиганием.
+
Известен способ изготовления омических контактов полупроводникового прибора (патент США №6033976, опубл. 07.03.2000 г.), в котором на поверхности n-GaAs слоя полупроводниковой пластины создают фоторезистивную маску с рисунком контактов полупроводникового прибора; напыляют слои контактной металлизации никеля, золота, германия; удаляют фоторезист; проводят термообработку пластины при температуре 400÷750°С. Формируемые контакты имеют высокую термостабильность и хорошую морфологию поверхности. Вместо золота допускается использование серебра, платины, палладия.
Недостаток вышеуказанного способа заключается в том, что образующийся после термообработки композиционный слой Ni-Ge не обеспечивает адгезии последующего электрохимически наращиваемого слоя серебра, что приводит к отслаиванию токосъемной шины фотопреобразователя.
Признаки, общие с предлагаемым способом, следующие: создание фоторезистивной маски с рисунком контактов, напыление слоев контактной металлизации, удаление фоторезиста, проведение термообработки пластины.
Известен способ фотопреобразователя (патент РФ №2244986, опубл. 20.05.03), принятый за прототип, в котором описана последовательность операций по изготовлению контактов, а именно: на лицевую сторону германиевой подложки с эпитаксиальными слоями арсенида галлия наносят слой двуокиси кремния; напыляют слой тыльной контактной металлизации; формируют защитный слой фоторезиста на слое двуокиси кремния; наращивают тыльный контакт электрохимическим осаждением серебра; после удаления защитного слоя фоторезиста создают фоторезистивную маску с рисунком лицевых контактов; вытравливают слой двуокиси кремния в окнах; удаляют фоторезист; напыляют слои лицевой контактной металлизации хрома, палладия, серебра; после создания фоторезистивной маски с расширенным рисунком лицевых контактов фотопреобразователя наращивают лицевые контакты электрохимическим осаждением серебра и защитного слоя никеля; удаляют фоторезист; стравливают напыленные слои лицевой контактной металлизации; проводят термообработку пластины.
Недостатком данного способа является образование дендритных наростов металла при электрохимическом наращивании сплошного тыльного контакта в силу неоднородных условий осаждения и недостаточности конвекционного перемешивания электролита при вертикальном расположении пластины большого диаметра (~100 мм).
Дендритные наросты препятствуют равномерному прижатию пластины к шаблону на последующей операции фотолитографии, что приводит к рассовмещению рисунков и механическим повреждениям.
Формирование защитного слоя фоторезиста и его последующее удаление удлиняют технологический маршрут.
Признаки прототипа, общие с предлагаемым способом, следующие: напыление на полупроводниковую пластину слоя тыльной контактной металлизации; наращивание тыльного контакта электрохимическим осаждением серебра; создание фоторезистивной маски с рисунком лицевых контактов; удаление фоторезиста; напыление слоев лицевой контактной металлизации; создание фоторезистивной маски с расширенным рисунком лицевых контактов фотопреобразователя; наращивание лицевых контактов электрохимическим осаждением серебра; проведение термообработки пластины.
Технический результат, достигаемый предлагаемым способом, заключается в повышении качества электрохимически осаждаемых контактов фотопреобразователя и в упрощении технологического маршрута.
Достигается это тем, что на полупроводниковую пластину напыляют слой тыльной контактной металлизации, наращивают тыльный контакт электрохимическим осаждением серебра, создают фоторезистивную маску с рисунком лицевых контактов фотопреобразователя, удаляют фоторезист, напыляют слои лицевой контактной металлизации, создают фоторезистивную маску с расширенным рисунком лицевых контактов фотопреобразователя, наращивают лицевые контакты электрохимическим осаждением серебра, проводят термообработку пластины, а после напыления слоя тыльной контактной металлизации создают фоторезистивную маску с рисунком лицевых контактов и внешней вспомогательной рамки, далее напыляют слои лицевой контактной металлизации, затем после удаления фоторезиста проводят термообработку пластины, а после создания фоторезистивной маски с расширенным рисунком лицевых контактов фотопреобразователя раздельно наращивают лицевые и тыльный контакты в импульсном режиме при горизонтальном расположении пластины над поверхностью электролита, причем после осаждения серебра наращивают защитный слой золота.
Отличительные признаки предлагаемого способа изготовления контактов фотопреобразователя, обеспечивающие соответствие его критерию «новизна», следующие: создание фоторезистивной маски с рисунками лицевых контактов фотопреобразователя и внешней вспомогательной рамки; раздельное наращивание лицевых и тыльного контактов в импульсном режиме при горизонтальном расположении пластины над поверхностью электролита; наращивание защитного слоя золота после осаждения слоя серебра.
Для обоснования соответствия предлагаемого способа изготовления контактов фотопреобразователя критерию «изобретательский уровень» был проведен анализ известных 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 авторов, предлагаемый способ изготовления контактов фотопреобразователя соответствует критерию «изобретательский уровень».
В предлагаемом способе электрохимическое наращивание лицевых и тыльного контактов фотопреобразователя осуществляют раздельно без защитного слоя фоторезиста. При этом полупроводниковую пластину располагают горизонтально над поверхностью электролита, смачивающего только нижнюю обрабатываемую сторону. Верхняя сторона пластины находится вне раствора и ее дополнительной защиты не требуется.
Для обеспечения равномерной толщины лицевых контактов по всей площади создается внешняя вспомогательная рамка металлизации, которая выравнивает катодные потенциалы на разноудаленных от прижимных электродов участках пластины.
Раздельное наращивание лицевых и тыльного контактов фотопреобразователя необходимо в силу большого различия (так как тыльный контакт сплошной) площадей покрытия для получения оптимальной плотности катодного тока. В импульсном режиме осаждения при горизонтальном расположении пластины на нижней обрабатываемой стороне формируется плотный мелкозернистый осадок с ровной геометрией края, бесформенные наросты металла (дендриты) отсутствуют. Электролиты серебрения и золочения имеют совместимые составы, отличающиеся только металлосодержащим компонентом, что позволяет после осаждения серебра переносить пластину в ванну золочения не снимая с держателя, без промывки деионизованной водой. Слой серебра толщиной, например, 7÷9 мкм обеспечивает высокую электропроводность контактов, слой золота толщиной, например, 0,5÷1 мкм выполняет защитные функции как при травлении полупроводника по маске утолщенных контактов, так и при использовании фотопреобразователя в космических условиях.
+
Предлагаемый способ изготовления контактов фотопреобразователя иллюстрирован на чертеже. Общий вид лицевых и тыльного контактов фотопреобразователя, где 1 - n-GaAs контактный слой; 2 - трехкаскадная эпитаксиальная структура; 3 - р-Ge подложка; 4 - напыленный слой золота; 5 - напыленные слои золото-германия, никеля, золота; 6 - электрохимически осажденный слой серебра; 7 - электрохимически осажденный слой золота.
+
Для конкретного примера реализации способа используют трехкаскадные эпитаксиальные структуры с n-GaAs контактным слоем, выращенные на р-Ge подложке диаметром 100 мм.
На тыльную сторону полупроводниковой пластины напыляют слой контактной металлизации золота толщиной ~0,1 мкм.
Создают фоторезистивную маску с рисунками лицевых контактов фотопреобразователя и внешней вспомогательной рамки. Рисунок рамки шириной ~0,5 мм расположен вокруг используемой под изготовление фотопреобразователей центральной части пластины и включает 4 контактные площадки размером 2×2 мм для прижатия внешних электродов.
Используют негативный фоторезист AZnIof 2035, обеспечивающий получение отрицательного наклона стенок в окнах маски.
Напыляют последовательно слои лицевой контактной металлизации золото-германия толщиной ~0,1 мкм, никеля толщиной ~100 Å, золота толщиной ~0,15 мкм. Удаляют фоторезист в N-метилпирролидоне вместе с пленкой металла.
Проводят термообработку пластины при температуре 450°С в течение 5 мин в камере напылительной установки для снижения переходного сопротивления контактной металлизации. Затем создают фоторезистивную маску с расширенным на 1÷2 мкм рисунком лицевых контактов фотопреобразователя. Используют фоторезист ФП-4-04Т.
Наращивают раздельно лицевые и тыльный контакты фотопреобразователя электрохимическим осаждением серебра и золота. При этом вспомогательная рамка металлизации выравнивает катодные потенциалы поверхности пластины и способствует равномерному осаждению лицевых контактов по всей площади.
2
-4
2
-3
2
-4
Расположение полупроводниковой пластины в гальванической ячейке горизонтальное. Электролитом смачивается только нижняя обрабатываемая сторона. Верхняя сторона находится вне раствора и воздействию электролита не подвергается. Токоподвод к обрабатываемой стороне осуществляется посредством четырех дуговых контактов, прижимаемых к вспомогательной рамке металлизации. Поверхность дуговых контактов изолирована за исключением прижимного участка. Осаждение слоя серебра толщиной 8 мкм выполняется с использованием потенциостата ПИ-50-11 в импульсном режиме при плотности катодного тока 120 мA/см длительности импульса t=5·10 с. При больших 170 мA/см плотностях катодного тока и длительности импульса t более 1·10 с имеет место микрогазовыделение на участках прижима внешних электродов и в окнах маски, что недопустимо, так как газовые пузырьки не удаляются и препятствуют осаждению металла. При меньших 70 мA/см плотностях тока и длительности импульса менее 1·10 с временные затраты составляют более 30 мин, что нежелательно в условиях крупномасштабного производства.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
3
Цикл осаждения включает три периода t1, t2, t3. Начальный период t1 принудительного перемешивания электролита (t1~10c) необходим для интенсивного обогащения ионами металла приграничного с пластиной слоя раствора. Перемешивание выполняется посредством магнитной мешалки с наложением ультразвуковых колебаний. Период t2 релаксации электролита (t2~15c) необходим для устранения турбулентных завихрений раствора. В период t3 импульсного осаждения (t3~20c) катодный потенциал подается на пластину и происходит наращивание металла. Толщина покрытия задается количеством циклов осаждения. В случае отсутствия периодов перемешивания и релаксации электролита наблюдается формирование неоднородных наростов металла (дендритов). После осаждения слоя серебра пластину, не снимая с держателя и без промывки деионизованной водой, переносят в ванну золочения, так как составы электролитов являются совместимыми, отличаясь только металлосодержащим компонентом KAg(CN) или KAu(CN). Составы используемых электролитов золочения и серебрения следующие: дицианоаурат калия KAu(CN) в количестве 30 г (в металле) или дицианоаргентат KAg(CN) в количестве 30 г, углекислый калий КСО в количестве 35 г, роданистый калий KCNS в количестве 300 г, деионизованная вода в количестве 1000 мл.
2
-3
Наращивают защитный слой золота 1 мкм при плотности катодного тока 30 мA/см, длительности импульса осаждения 10 с. Сформированные контакты имеют ровную геометрию края, дендритные наросты металла отсутствуют. Обратная сторона пластины воздействию электролита не подвергается.
Далее полупроводниковую пластину снимают, промывают деионизованной водой, сушат потоком воздуха, устанавливают в держатель гальванической ячейки тыльной стороной вниз.
Наращивают тыльный контакт электрохимическим осаждением серебра ~5 мкм и золота ~0,5 мкм.
Горизонтальное расположение пластины, импульсный режим осаждения с перемешиванием и релаксацией электролита способствуют равномерному по площади наращиванию металла. Удаляют фоторезистивную маску в диметилформамиде.
Изготовленные согласно предлагаемому способу контакты фотопреобразователя обладают четкой геометрией края, хорошей адгезией к полупроводниковой пластине, высокой электропроводностью. Поверхность осажденного слоя имеет мелкозернистую структуру, без дендритных образований.
+
Далее создают фоторезистивную маску с окнами по периметру фотопреобразователя и шунтирующего диода. Наносят защитный слой фоторезиста на тыльную сторону пластины. Выполняют вырезку фотопреобразователя с диодом. Электрически изолируют активные области фотопреобразователя и шунтирующего диода вытравливанием меза-канавки до германиевой подложки. Удаляют фоторезист. Вскрывают «оптическое окно» стравливанием n-GaAs контактного слоя по маске утолщенных контактов, используя травитель на основе лимонно-кислого калия, лимонной кислоты и перекиси водорода, не оказывающего существенного воздействия на серебряную составляющую контактов. Создают просветляющее покрытие.
В предложенном способе изготовления контактов фотопреобразователя электрохимическое наращивание лицевых и тыльного контактов осуществляется раздельно, что позволяет оптимизировать режим осаждения для различных площадей покрытия.
Контакты имеют четкую геометрию края, мелкозернистую структуру без дендритных наростов, что необходимо для последующих операций фотолитографии и приварки внешних выводов. Горизонтальное расположение пластины над поверхностью электролита в процессе обработки устраняет необходимость в защите фоторезистом обратной стороны, в результате упрощается технологический маршрут.
Использование совместимых электролитов позволяет наращивать защитный слой золота после осаждения серебра без снятия пластины с держателя и промывки деионизованной водой, что снижает вероятность механического повреждения хрупкой пластины. Гальваническое наращивание контактов только там, где необходимо, позволяет более экономично расходовать драгметаллы в сравнении с термическим напылением. Формирование защитного слоя золота повышает химическую и плазменную стойкость контактов фотопреобразователя в процессе изготовления и в космических условиях.