DE3114309C2 - Verfahren zum Herstellen von Infrarot-Detektorelementen - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von Infrarot-Detektorelementen

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ätzen von HgCdTe, PbSnTe oder InSb. Das bisher übliche chemomechanische Ätzverfahren wird durch ein Sprühätzverfahren ersetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Infrarot-Detektorelementen aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid, Blei-Zinn-Tellurid oder Indium-Antimonid durch abschließendes Sprühätzen der Halbleiterkörper unter Vermeidung gleichzeitiger mechanischer Beanspruchung.
Für Infrarotlicht hochempfindliche Detektorzellen bestehen aus Photowiderständen oder Photodioden auf der Basis von HgCdTe-, PbSnTe- oder InSb-Halbleitermaterial. Die Halbleiterkörper aus den genannten Materialien müssen im Verlauf der Fertigung in der Regel mehreren Ätzschritten unterzogen werden, wobei an den Ätzvorgang sehr hohe Anforderungen zu stellen sind. Bisher wurde zum großflächigen Abtragen des Halbleitermaterials üblicherweise ein chemomechanisches Ätzverfahren verwendet, bei dem unter Mitwirkung eines mechanischen Hilfsmittels, z. B. eines Poliertuches, mit einer geeigneten Ätzlösung die erforderliche Materialabtragung stattfindet Dieses Verfahren führt jedoch zur teilweisen Zerstörung der Oberfläche, woraus eine relativ geringe Minoritätsladungsträger-Lebensdauer und Quantenausbeute resultiert, verbunden mit einer niedrigen spektralen Responsivität des Detektorelements.
Das partielle Ätzen, bei dem der Halbleiterkörper in zahlreiche Einzelbereiche unterteilt wurde, erfolgte bisher meist mit Hilfe des Ionenätzverfahrens. Auch dieses Verfahren führt jedoch zu einer gewissen Oberflächenzerstörung.
Auch durch das Eintauchen des maskierten Halbleiterkörpers in eine Ätzlösung werden keine optimalen Ergebnisse erzielt, da in der Folge des ungleichmäßigen Ätzangriffs Strukturen mit bestimmten kleinen Abmessungen und engen Toleranzen nicht mehr verwirklicht werden können.
Aus Wj1VaC ScL TechnoL « 17(5) Sept/Oct 1980 S. tö67—1Ö73 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem ein Halbleiterkörper aus HgCdTe zunächst chemisch abgeläppt und dann einen», abschüeßenden Sprühätzen unterworfen wird. Bei der Abtragung dünner Schichten durch Sprühätzen wird jedoch eine zu geringe effektive Minoritätsladungsträger-Lebensdauer erreicht
Aus dem Buch »Semiconductors and Smimetals« von R- K. Willardson, AC Beer, VoL 5 »Infrared Detectors« Academic Press, New York, 1970, S. 244-246 ist bekannt, daß auf einem Träger aufgebrachte Halbleiterkörper aus HgCdTe durch Läppen und Ätzen auf eine Restdicke von 5—20 um gebracht werden.
Aus »Solid State Technology« VoL 19, Nr. 2,1976, S. 1 und aus der DE-AS 1248 169 sind Sprühätzmaschinen zum gleichmäßigen Abtragen bekannt, bei denen das Halbleitermaterial während des Ätzvorgangs rotieren kann. Aus der EP-OS 00 07 668 ist als Halbleitermaterial für Detektoren neben Quecksilbei Cadmium-Tellurid auch Blei-Zinn-Tellurid und Indium-Antimonid bekannt
Aus der US-PS 41 97 633 ist ein Verfahren bekannt
bei dem das vorher chemisch freigeätzte Substrat durch
Sprühätzen in einzelne Detektorelemente aufgeteilt
wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß auf möglichst einfache Weise gleichmäßig dünne Halbleiterbereiche kleiner Dimensionen mit hoher effektiver Minoritätsladungsträger-Lebensdauer hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine 50— ΙΟΟμπΊ dicke Halble'terscheibe durch Sprühätzen bis auf eine Restdicke zwischen 7—ΙΟμπι großflächig abgetragen wird, und daß danach Teile der Halbleiteroberfläche mit einer ätzbeständigen Schicht abgedeckt und die zwischen diesen abgedeckten Teilen freiliegenden Halbleiterbereiche vollständig durch einen weiteren Sprühätzprozeß entfernt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist ein großflächiges Abätzen von Detektormaterial mit reproduzierbarer Restdicke bei geringen Dickenschwankungen über die Oberfläche möglich. Beim Strukturätzen können in Folge des senkrecht zur Halbleiteroberfläche
verlaufenden Ätzangriffs geringe, gleichmäßige und dadurch tolerierbare Unterätzungen festgestellt werden.
Eine oder mehrere Halbleiterscheiben werden während des Sprühätzverfahrens vorzugsweise auf einer ro-
3 4
tiarsnden Unterlage befestigt Die Ätzflüssigkeit wird in einer Achse senkrecht zur Oberfläche der Halbleiter-
mit Hilfe eines Inertgasstromes auf die Halbleiterober- scheiben mit einer konstanten Umdrehungszahl, z. B.
fläche aufgestäubt 6000 U/min, rotieren. Die verbrauchte Ätzlösung fließt
Es hat sich gezeigt, daß mit Hilfe des erfindungsgemä- von den Halbleiterscheiben nach außen weg und wird in ßen Verfahrens die spektrale Responsivität Rx der pho- 5 einen Auffangbehälter abgeleitet Bei der genannten
toleitenden Infrarotdetektoren, die das Verhältnis der O.·5 VoL%igen Br^Methanollösung ergeben sich beim
Photospannung JV zur eingestrahlten Strahlungslei- Ätzen von Hg!_xCdxTe bei Raumtemperatur reprodu-
stung zf0 wiedergibt, erheblich gesteigert weiden zierbare Ätzraten von 10 μπι je Minute. Der Ätzprozeß
konnte. Die spektrale Responsivität ist ein direktes Maß wird so lange fortgesetzt, bis gemäß der F i g. 2 die ur-
für die Güte des Detektors. Die Verbesserung der spek- io sprünglich dicke Halbleiterscheibe auf eine Restdicke
tralen Responsivität ist darauf zurückzuführen, daß bei 4a von ca. 10 um abgetragen ist
der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Ein Vergleich des Sprühätzverfahrens mit einem cheäußere Quantenausbeute und die effektive Minoritätsla- momechanischen Ätzen ergab beim Sprühätzen eine dungsträger-Lebensdauer aufgrund der verbesserten Verbesserung der effektiven Minoritätsladungsträger-Oberflächen des Halbleitermaterials erheblich gestei- 15 Lebensdauer um den Faktor 4. Die beim Abtragen des gert werden konnten. Halbleitermaterials reproduzierbar erreichten Abwei-
Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausge- chungen in der Restdicke des Halbleiterkörpers betru-
staJtungöOll nachstehend anhand eines Ausführungsbei- gen absolut als auch relativ über die gesamte Oberflä-
spieles noch näher erläutert werden. ehe des Haibleiterkörpers ca. ± 1 μπι.
In der Fig. 1 ist im Schnitt eine Halbleiterscheibe 4 20 Die in d«r Fig.2 dargestellte Halbleiteranordnung dargestellt, die beispielsweise aus einkristallinem mit einem ca. 10 um dicken Halbleierkörper 4a wird HgogCduiTe besteht Die Halbleiterscheibe 4. ist durch zur Unterteilung der Halbleiterscheibe L· einzelne Bauherkömmliche Methoden, z. B. durch mechanisches elemente mit einer ätzbeständigen Passivierungsschicht Läppen und Polieren auf die Dicke von ca. 50—100 μπι 5 versehen, die beispielsweise aus Fotolack besteht und abgedünnt worden und weist auf ihrer Unterseite eine 25 auf den einzelnen, vom Ätzprozeß auszunehmenden Passivierungsschicht 3 auf. Mit dieser Passivierungs- HalbleLurbereichen auf dem Halbleiterkörper 4a belasschicht wurde der Halbleiterkörper mit Hilfe einer dün- sen wird. Die zwischen diesen geschützten Bereichen nen Klebeschicht 2 auf einen Trägerkörper 1 aufge- liegenden Teile des Halbleiterkorpers werden sodann in klebt Die Rückseite des Haibleiterkörpers wird vor- einem weiteren Sprühätzprozeß in der bereits beschriezugsweise vor dem Passivieren und Aufkleben auf den 30 benen Ätzanlage bis zur Klebeschicht 2 entfernt Die Substratkörper durch chemisches Sprühätzen vorbe- sich dann ergebende Halbleiteranordnung mit den Einhandelt zelhalbleiterbereichen 6a und 66 ist in der F i g. 3 darge-
Die zwischen 50 und 100 μπι dicke Halbleiterscheibe stellt. Durch den überwiegend senkrechten Ätzangriff
4 gemäß der F i g. 1 muß bis auf eine relativ geringe beim partiellen Ätzen wurden seitliche Unterätzungen
Restdicke zwischen ca. 7—20 μπι, vorzugsweise 10 μπι, 35 von maximal nur 5 μπι bei einer Gesamtmaterialdicke
abgeätzt werden. Dies geschieht mit Hilfe der in der von 10 μπι.festgestellt, so daß Strukturen sehr kleiner
F i g. 4 dargestellten Sprühätzanlage. Eine oder mehrere Dimensionen in die Halbleiterscheibe eingeätzt werden Halbleiterscheiben 4, die auf einem Substrat 1 befestigt können.
sind, werden in der Sprühätzanlage auf einem drehba- Neben HgCdTe-Halbleitermaterial eignet sich »ias er-
ren Auflage'sller 10 befestigt Der Auflageteller, an dem 40 findungsgemäße Verfahren auch insbesondere für
die die Halbleiterkörper tragenden Substrate durch An- PbSnTe und InSb. Dabei wird PbSnTe vorzugsweise mit
saugen mittels einer Vakuumpumpe befestigt sind, ist einer Lösung aus KOH, Glycerin, H2O2 und Wasser ge-
innerhalb eines Behälters 7 angeordnet und um seine ätzt, während InSb vorzugsweise mit einer Lösung aus
Achse 9 drehbar gelagert Diese Achse 9, durch die auch HF, H2O2 und H2O geätzt wird. Die Ätziösung für
vorzugsweise die für die Halterung der Substrate erfor- 45 PbSnTe besteht beispielsweise aus If ml H2O, 10 g
derliche Szugluft abgeführt wird, wird über einen Motor KOH, 1 ml Glycerin, 0,5 ml H2O2. In Sb wird vorzugs-
8 angetrieben. Während des Sprühätzverfahrens rotiert weise mit einer Lösung aus 1 ml HF, 1 ml H2O2 und
dieser Auflageteller beispielsweise mit einer Drehzahl 40 ml H2O geätzt
von 6000 U/min.
Ober dem Auflageteßsr ist die Sprühvorrichtung an- 50 Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
geordnet Ein Inertgasstrom, beispielsweise Stickstoff,
durchströmt das Zuführungsrohr 11 und tritt über dem
Auflageteller mit einem Druck von ca. 0,4 bar aus einer
Düsenöffnung aus. Unmittelbar an der Düsenöffnung
für den Stickstoff ist die Düse 13 eines Zuführungsroh- 55
res 12 für die Ätzflüssigkeit angeordnet Die Ätzflüssigkeit 15, die in einem Vorratsbehälter 14 angeordnet ist,
in den das Zuführungsrohr 12 mündet besteht bei einem
Halbleiterkörper aus Hgt-,CdxTe beispielsweise aus einer 0,5 VoL-%igen BrrMethanollösung. Diese Ätzflüs- 60
sigkeit wird durch den im Rohr 12 aufgrund des durch
den an der Düsenöffnung 13 vorbeiströmenden Stickstoffstroms entstehenden Unterdrucks angesaugt und
tritt in Form eines fein verteilten Flüssigkeitsnebels 16
aus der Sprühvorrichtung in den Aufnahmebehälter 7 65
aus. Die Atzlösung wird über die gesamte Oberfläche
der Halbleiterscheiben τι it konstanten Druck gleichmäßig aufgesprüht wobei öle Halbleiterscheiben zugleich

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen von Infrarot-Detektorelementen aus Quecksilber-Cadmium-Tellurid, Blei-Zinn-Tellurid oder Indium-Antimonid durch abschließendes Sprühätzen der Halbleiterkörper unter Vermeidung gleichzeitiger mechanischer Beanspruchung, dadurch gekennzeichnet, daß eine 50—100 um dicke Halbleiterscheibe (4 ) durch Sprühätzen bis auf eine Restdicke (4a) zwischen 7—20 um großflächig abgetragen wird und daß danach Teile der Halbleiteroberfläche mit einer ätzbeständigen Schicht (5) abgedeckt und die zwischen diesen abgedeckten Teilen freiliegenden Halbleiterbereiche vollständig durch einen weiteren Sprühätzprozeß entfernt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Halbleiterscheiben (4) während des Sprühätzverfahrens auf einer rotierenden Unterlage (1) befestigt sind und daß jeweils die ÄtzfiOssigkeit (15, ib) mit Krife eines inertgasstromes auf die Halbleiteroberfläche derart aufgestäubt wird, daß sie im wesentlichen senkrecht auftrifft
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgas Stickstoff verwendet wird, der mit einem Druck von ca. 0,4 bar an einer Düsenöffnung (13) derart vorbeiströmt, daß durch den in der Düse (13) entstehenden Unterdruck die Ätzlösung (15,16) aus einem mit der Düse in Verbindung stehenden Vorratsbehälter (14) angesaugt und durch den Stickstoff strom zerstäubt Hrd.
4. Verfahren nach Ansoruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage *1) mit den Halbleiterscheiben (4) während des Ätzvorgangs mit einer konstanten Drehzahl von ca. 6000 U/min rotiert
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ätzen von HgI-Xd1Te eine ca. 0,5 Vol.-%ige BrrMethanol-Lösung verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ätzen von PbSnTr eine Lösung aus 10 ml H20,10 g KOH, 1 ml Glycerin und 0,5 ml H2O2 verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ätzen von InSb eine Lösung aus 1 ml HF, 1 ml H2O2 und 40 ml H2O verwendet wird.
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