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Verfahren zum Behandeln von zur Fertigung von Halbleiterbauelementen
dienenden Bauteilen in einer Flüssigkeit In der Fertigungstechnik von Halbleiterbauelementen
oder ihren Halbfabrikaten werden Behandlungen eingeschaltet, die mit einem flüssigen
Ätzmittel, einer Spülflüssigkeit oder einer oxydierend auf die Halbleiterkristalle
wirkenden Flüssigkeit vorgenommen werden. Dabei ist es häufig erwünscht, eine größere
Anzahl von Bauelementen bzw. Halbfabrikaten, z. B. Halbleiterkristallen, die gegebenenfalls
bereits mit einem Teil ihrer Elektroden versehen sein können, auf einmal zu behandeln.
Dabei tritt leicht der Fall auf, daß die zu behandelnden Werkstücke nach dem Einbringen
in das Flüssigkeitsbad aufeinanderzuliegen kommen, was eine ungleichmäßige Einwirkung
des flüssigen Behandlungsmittels auf die einzelnen Werkstücke und z. B. bei einer
mit einer chemischen Umsetzung verbundenen Behandlung eine Erschwerung der Abfuhr
der freiwerdenden Reaktionsräume zur Folge hat. Eine Verbesserung, welche man dadurch
erreicht, daß man den Behälter, in welchem die zu behandelnden Bauelemente in der
Behandlungsflüssigkeit liegen, einer mechanischen Bewegung, z. B. eirer gegebenenfalls
bei geneigter Achse des Behälhälters stattfindenden Rotation unterwirft, kann dabei
erfahrungsgemäß nur geringfügige Abhilfe bringen. Eine allerdings sehr aufwendige
Möglichkeit besteht darin, daß man ein Behandlungsgefäß verwendet, welches in eine
der Zahl der gleichzeitig zu behandelnden Bauelemente entsprechende Anzahl von Zellen
unterteilt ist, in welche die Bauelemente dann einzeln eingeführt werden müssen.
Bei der Serienfertigung wäre es jedoch unerwünscht, ohne einen solchen umständlichen
Vorgang auskommen zu können.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Behandeln von zur
Fertigung von Halbleiterbauelementen dienenden Bauteilen in einer Flüssigkeit, insbesondere
einer Ätz- oder Spülflüssigkeit.
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Die Erfindung schlägt vor, daß die teilweise aus ferromagnetischem
Material bestehenden Bauteile, z. B. eine Basiselektrode aus Nickel, in einen mit
der Behandlungsflüssigkeit gefüllten Behälter eingebracht werden, daß die Menge
der Behandlungsflüssigkeit so bemessen wird, daß sie die am Boden des Behälters
liegenden Bauteile bedeckt und daß darüber ein eine -ertikale Bewegung der Bauteile
erlaubender Flüssig-.eitsraum entsteht, daß ferner ein pulsierendes Magnetfeld auf
die Bauteile zur Einwirkung gebracht wird, dessen Stärke, Pulsationsfrequenz und
Inhomogenitätsgrad so bemessen werden, daß die Bauteile durch das Magnetfeld in
ständiger Aufwärts- und Abwärtsbewegung in der sie umgebenden Behandlungsflüssigkeit
gehalten werden. Ein Beispiel ist in der F i g. 1 dargestellt. Ein Elektromagnet
1, der mit einem korrosionsfesten Schutzüberzug 2 versehen ist, taucht in der aus
F i g. 1 ersichtlichen Weise in das Behandlungsbad 3, in welches die zu behandelnden
Werkstücke 4 eingebracht sind. Schickt man durch die Spule 5 des Elektromagneten
1 einen intermittierenden Gleichstrom, so steigen bei entsprechender Stärke der
Stromimpulse die Werkstücke im Rhythmus der Stromstöße in dem Flüssigkeitsbad 3
hoch und sinken bei stromlosem Zustand des Elektromagneten 1 wieder auf den Boden
des Behandlungsgefäßes 6 zurück. Bei geeigneter Einstellung der Unterbrechungspausen
bleiben die Werkstücke in dauernder Aufwärts- und Abwärtsbewegung, wodurch ein gleichmäßiger
Zutritt des flüssigen Behandlungsmittels an die Oberfläche dieser Werkstücke gewährleistet
und außerdem eine gründliche Durchmischung des Flüssigkeitsbades 3 erreicht wird.
Lokale Erwärmungs- und Konzentrationsunterschiede, die beispielsweise einen unterschiedlichen
Ätzabtrag, eine unterschiedliche Reinigungswirkung oder eine unterschiedliche Oxydation
ergeben könnten, sind ersichtlich somit vermieden. Das Behandlungsgefäß besteht
zweckmäßig aber nicht unbedingt notwendig aus einem isolierenden Material wie Kunststoffff,
Glas oder Quarz. Es muß natürlich gegen das flüssige Medium genügend beständig sein.
Die Verwendung eines aus ferromagnetischem Material bestehenden Behälters ist dagegen
unzweckmäßig.
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Eine ähnlich wirkende Anordnung ist in der F i g. 2 dargestellt. In
der Höhe des Flüssigkeitsspiegels des Behandlungsmittels 3 befindet sich eine das
Behandlungsgefäß 6 von außen umgebende Spule 7, die an Stelle des Elektromagneten
1 in der F i g. 1 das auf
die Werkstücke einwirkende Magnetfeld
erzeugt. Die übrigen Bezugszeichen sind die gleichen wie in der F i g. l . Die Spule
wird mit Stromimpulsen gespeist, die bei genügender Stärke in gleicher Weise wie
der Elektromagnet die Bewegung der halbleitenden Werkstücke 4 veranlaßt.
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Notwendig ist. daß die zu behandelnden Werkstücke einen ferromagnetischen
Bauteil besitzen. Der Begriff »Bauteil;, soll jedoch nicht voraussetzen, daß dieser
Bauteil einen Bestandteil des fertigen Halbleiterbauelements bilden muß, sondern
kann gegebenenfalls nach erfolgter Behandlung wieder entfernt werden. So ist es
z. B. denkbar, an eine Zuleitung des Halbleiterbauelements einen aus ferromagnetischem
Material bestehenden Hilfskörper anzuhängen. Vielfach ist es jedoch üblich, bei
Transistoren eine aus Nickel bestehende, insbesondere ringförmige Basiselektrode
zu verwenden. In ähnlicher Weise kann bei den meisten Halbleiterbauelementen anderer
Art eine nicht gleichrichtende Elektrode vorgesehen sein, die dann ohne weiteres
aus einem ferromagnetischen Material bestehen kann. In Fällen, bei denen eine solche
Elektrode aus irgend einem Grund unerwünscht sein sollte, besteht noch die Möglichkeit
der Anwendung der bereits genannten Hilfskörper.
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Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung kommt es wesentlich darauf an,
da.ß das magnetische Feld in der Lage ist. eine Translationsbewegung der auf die
beschriebene Weise ausgestatteten Werkstücke entgegen der Schwerkraftsrichtung zu
erzeugen. Wesentlich ist hierbei vor allem, daß das Magnetfeld am Ort der am Boden
des Behandlungsgefäßes ruhenden Werkstücke und in dem darüber befindlichen Flüssigkeitsraum
derart inhomogen ist, daß die magnetischen Feldlinien nach oben zusammenlaufen.
Dann wird das durch die Einwirkung des Magnetfeldes in dem ferromagnetischen Bauteil
der zu behandelnden Werkstücke induzierte magnetische Moment zusammen mit dem Feld
eine Translationskraft auf die Werkstücke erzeugen, welche der Schwerkraft entgegengesetzt
gerichtet ist. Das von der Stirnfläche eines Stabmagneten sowie dem Pol eines Elektromagneten
ausgehende magnetische Feld ist im allgemeinen ausreichend inhomogen, um die erforderliche
Translationskraft bereits bei mäßigen Polstärken zu erzeugen. Die bequeme Erzeugungs-
und Abschaltmöglichkeit eines Elektromagneten oder einer stromdurchflossenen Spule
läßt die Anwendung eines durch Stromfluß erzeugten magnetischen Feldes gegenüber
einem mit permanenten Magneten erzeugten Feldes als wesentlich vorteilhafter erscheinen,
so daß der Fall eines Permanentmagneten nicht näher diskutiert werden soll.
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Der Elektromagnet 1 in der Anordnung nach der F i g. 1 taucht in das
Flüssigkeistbad 2 etwas ein, um zu vermeiden, daß die im Sinne der Doppelpfeile
sich bewegenden Bauelemente 3 bei ihrer Aufwärtsbewegung mit atmosphärischer Luft
in Berührung kommen. Bei einer Anordnung nach der F i g. 2 ist eine derartige Vorsichtsmaßnahme
nicht erforderlich, wenn die Spule mindestens bis zu ihrer mittleren Querschnittsebene
unterhalb des Flüssigkeitsspiegels des Behandlungsgefäßes liegt, da dort der Gradient
des Magnetfeldes verschwindet und deshalb die Bewegung in der Höhe der mittleren
Querschnittsebene der Spule zum Stillstand kommt. Handelt es sich um die Verwendung
einer langgestreckten Spule, so kommt die Bewegung der Werkstücke nach oben zum
Stillstand, sobald die Halbleiterbauelemente in das Spuleninnere mit seinem homogenen
Magnetfeld gelangen. Bei einer Vorrichtung entsprechend der F i g. 2 sollte also
mindestens der untere Rand der Spule 5, vorzugsweise sogar die mittlere Querschnittsebene,
etwas tiefer als der Spiegel des Flüssigkeitsbades 2 liegen. Die Spule 5 befindet
sich zweckmäßig, wie in der F i g. 2 dargestellt, doch nicht notwendig, außerhalb
des Behandlungsgefäßes 4. Taucht die Spule in das Flüssigkeitsbad ein, so empfiehlt
sich auch hier wiederum, einen Korrosionsschutz, der auch das Einwandern von Verunreinigungen
in das Flüssigkeitsbad verhindert, in Betracht zu ziehen.
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Die Stärke des Magnetfeldes und die Wahl der Frequenz des magnetischen
Feldes ist im wesentlichen eine Angelegenheit der Erfahrung, so daß das am Schluß
dieser Beschreibung gebrachte Ausführungsbeispiel nur für diesen speziellen Fall
unbedingt Gültigkeit beanspruchen kann. Es ist nämlich folgendes zu berücksichtigen:
Die Spule 5 oder der Elektromagnet 1. kann nicht nur mit pulsierendem Gleichstrom
betrieben werden. Die Anwendung von Wechselstrom mit positiver und negativer Amplitude,
z. B. von sinusförmigem Strom, liefert im Prinzip das gleiche Ergebnis, wenn die
Amplitude groß genug ist, um die Halbleiterbauelemente in der erforderlichen Weise
in Bewegung zu versetzen. Damit ist eine untere Grenze der Stärke des Magnetfeldes
gegeben, die sich in der Praxis ohne Schwierigkeiten feststellen läßt; eine obere
Grenze ist dadurch gegeben, daß sich die Halbleiterbauelemente möglichst wenig durch
das einwirkende Magnetfeld erwärmen und eine pulsierende Bewegung mit der Frequenz
des Magnetfeldes ausüben sollen.
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In dieser Beziehung ist jedoch der Frequenz des Magnetfeldes weit
größere Beachtung als der Stärke des Magnetfeldes zu schenken, da prinzipiell die
magnetisierende Wirkung des Magnetfeldes auf das Werkstück auch einen frequenzabhängigen
Teil besitzt. Wird nämlich ein mindestens teilweise aus ferromagnetischem Material
bestehender Körper der Wirkung eines statischen magnetischen Feldes ausgesetzt,
so wird in diesem durch Umklappung der Weißschen Bezirke ein magnetisches Moment
erzeugt, welches so gerichtet ist, daß der Körper aus dem Gebiet geringerer Felddichte
in ein Gebiet höherer Feldstärke hineingezogen wird. Handelt es sich um die Einwirkung
eines elektromagnetischen Wechselfeldes, so wirkt sich außer der soeben erwähnten
Magnetisierung noch eine Magnetisierung aus, welche durch die in dem Körper induzierten
Wirbelströme bedingt ist. Das Ausmaß dieser Wirbelströme hängt natürlich. von der
spezifischen Leitfähigkeit ab. Ihr Einfluß ist jedoch so, daß der Körper aus dem
Gebiet der höheren Felddichte in ein Gebiet niederer Felddichte verschoben wird,
so daß also das induzierte Wirbelstrommoment dem durch Ferromagnetisierung hervorgerufenen
Moment entgegenwirkt. Da die Stärke der Wirbelströme nicht nur mit steigender Amplitude,
sondern vor allem auch mit wachsender Frequenz des magnetischen Wechselfeldes zunimmt
und außerdem der auf Ferromagnetisierung beruhende Effekt im Vergleich zu dem Induktionseffekt
in wesentlich höherem Maße trägheitsbehaftet ist, ist im allgemeinen eine Verminderung
der Anziehungskraft des Spulenfeldes bzw. des Feldes des Elektromagneten 1 mit wachsender
Frequenz des Betriebsstromes zu erwarten. Ein Versagen der Anziehungskraft
ist
bei Frequenzen von einigen kHz zu erwarten. Bei noch höheren Frequenzen tritt erfahrungsgemäß
statt der Anziehungs- eine Abstoßungskraft auf, die man zwar im Prinzip ebenfalls
zur Erzeugung einer Kraftwirkung heranziehen kann, die jedoch infolge der hohen
Frequenzen nur zu einem stationären Schweben der Bauteile in der Flüssigkeit führen
könnten, wozu noch - im Gegensatz zum vorher Beschriebenen - die Kraftlinien des
Feldes am Ort der Körper nach oben auseinanderlaufen müßten. Zudem wäre ein auf
diese Weise erzieltes Schweben mit einer merklichen Erwärmung der Bauteile sowie
der Behandlungsflüssigkeit verbunden, so daß eine scharfe Kühlung unbedingt erforderlich
wäre.
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Entsprechend den vorstehenden Ausführungen empfiehlt es sich, die
Frequenzen des magnetischen Wechselfeldes etwa im Bereich von 0,1 bis 100 Hz zu
wählen. Bei den zur Erprobung der Erfindung durchgeführten Versuchen wurde ein automatischer
Kontaktgeber (z. B. Synchronmotor) benutzt, der einen etwa 1/2 bis 2 Sekunden dauernden
Kontaktschluß mit einer Häufigkeit von vier Kontaktschlüssen pro 10 Sekunden lieferte.
Die Halbleiterbauelemente besaßen ein Gewicht von etwa 16 mg und bestanden zu etwa
50% ihres Gewichtes aus Nickel. Bei Anwendung einer Vorrichtung nach der F i g.
2 wurde ein zylindrischer PVC-Becher mit einem Innenradius von 5 cm verwendet, der
in einer Höhe von 5 cm mit der Behandlungsflüssigkeit, einem oxydierenden Säuregemisch,
gefüllt war. Die Spule hatte eine Höhe von 10 mm und befand sich mit ihrer mittleren
Querschnittsebene in der Höhe des Flüssigkeitsspiegels. Sie wurde von den angegebenen
Strömen durchflossen. Die Zahl der im Becherglas anwesenden Bauelemente betrug 100
bis 1000 Stück. Auf Grund der angegebenen Ströme vollführten die Bauelemente eine
Pendelbewegung mit einer Amplitude von 5 cm.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Prinzip nicht nur für physikalisch-chemische
Behandlungsverfahren an Halbleiterbauelementen mit ferromagnetischen Bestandteilen
in Flüssigkeitsbädern, sondern allgemein für Prozesse geeignet, bei denen ferromagnetische
Stoffe bzw. ferromagnetische Bestandteile enthaltende Körper in Behandlungsflüssigkeiten
eingebracht werden, die nicht zu hoch temperiert sind (Curiepunkt) und bei denen
ein möglichst gleichmäßiger Zutritt des flüssigen Mediums an die Oberfläche aller
Körper erfolgen soll bzw. bei denen zur Erzielung optimaler Reaktionsbedingungen
an ihrer Oberfläche eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Körper im flüssigen
Medium angestrebt wird. Dementsprechend ist das erfindungsgemäße Verfahren ebenso
dazu geeignet, um auch außerhalb der unmittelbaren Halbleiterfabrikation liegenden
--Verfahren, die sich mit dem Ätzen, Waschen, Spülen, Entfetten oder Beizen, einer
elektrodenlosen Metallabscheidung (Zementation), einem Reduktions-, Fällungs- oder
katalytischen Prozeß befassen, zu dienen. Schließlich kann das Verfahren auch dazu
dienen, um Flüssigkeiten, Lösungen, gegebenenfalls auch Schmelzen, zu rühren, in
denen ferromagnetische Teile, die mit einem korrosionsfesten Überzug versehen sein
können, mittels eines magnetischen Feldes in der Flüssigkeit in stetiger Aufwärts-
und Abwärtsbewegung gehalten werden.
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Wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Ätzen angewendet, so empfiehlt
es sich, das Behandlungsgefäß zu kühlen. Diese Aufgabe kann gegebenenfalls auch
dem zur Erzeugung des Magnetfeldes dienenden Elektromagneten bzw. der das Magnetfeld
hervorrufenden Spule übertragen werden, wenn man diese in bekannter Weise mit Hohlräumen
versieht, die von einem entsprechend niedertemperierten Kühlmittel durchströmt sind.
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Arbeitet man mit mehreren Flüssigkeitsbehältern, so kann man die Spule
bzw. den Elektromagneten der Reihe nach auf die verschiedenen Flüssigkeitsbehälter
und die sich in ihrem Innern befindlichen Bauelemente bzw. Halbfabrikate anwenden.
Die Behandlunsgefäße werden dann in gewünschter Taktzeit unter dem Elektromagneten
bzw. der Spule hindurchbewegt. Dabei kann man den Elektromagneten dazu verwenden,
um die zu behandelnden Werkstücke der einen Behandlungsflüssigkeit, z. B. dem Ätzbad,
zu entnehmen und in eine weitere Behandlungsflüssigkeit, z. B. ein Spülbad, einzubringen.
Hierbei wird die Magnetisierung des Elektromagneten oder der Spule konstant aufrechterhalten,
gegebenenfalls sogar verstärkt, so daß die Bauelemente zusammen mit dem Magneten
oder der Spule aus der Flüssigkeit entnommen werden können. Zum Einbringen in die
folgende Flüssigkeit wird der Elektromagnet oder die Spule oberhalb der zweiten
Flüssigkeit in Stellung gebracht und dann entmagnetisiert. Nach dem Spülvorgang
können sich weitere Behandlungsvorgänge anschließen. Zum Schluß werden die Halbleiterbauelemente
in ein Trockengefäß abgeworfen oder, wenn sie noch am Magneten haften, mittels eines
Warmluftstromes getrocknet. Es ist statt dessen auch möglich, die einzelnen Arbeitsgänge,
wie Ätzen, Spülen usw., in einem einzigen Behandlungsgefäß vorzunehmen, das durch
Zulaufen und Absaugen mit den jeweils erforderlichen Behandlungsflüssigkeiten gefüllt
wird.