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Verfahren zur Herstellung von iMcu-ischen HaiMeitergeräten
Das Stammpatent Nr. 196920 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitergeräten, bei dem ein, insbesondere von einkristallinem Gefüge Ha1bleiter'körper, z. B. aus Germanium, Silizium oder aus einerintemnetallischen Verbindung von Elementen der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems, mit einer oder mehreren metallischen Elektroden versehen wird, die mit dem Halbleiter aufeinandergelegt und unter Anwendung von mechanischem Druck durch Erhitzung zusammenlqgiett werden.
Nach dem Stammpatent wird das aus Halbleiter und Elektrodenmetall bestehende Einsatzaggregat zur Vorbereitung des Legierungsprozesses in Pulver einer mit den Bestandteilen des Einsatzes nicht reagierenden Substanz (Graphit, Magnesiumoxyd, Aluminiumoxyd od. dgl. ) eingebettet und in diesem Zustand der Erhitzung bis zur Legierungsbil- dung ausgesetzt. Das Pulver bildet beim Zusam- menpressen eine sich dem eingeschlossenen Einsatzaggregat von selbst genau anpassende Form, wobei von dem Pulver ein allseitiger Druck wie von einer Flüssigkeit auf den Einsatz ausgeübt wird.
Eine Vereinfachung des im Stammpatent beschriebenen Verfahrens und der dazu verwendeten Vorrichtung ist möglich für den Fall, dass die unter der Halbleiterscheibe befindlichen Teile des Halb- leiteraggregates eine gleichgrosse oder grössere Fläche haben als die Halbleiterscheibe selbst. Diese Voraussetzung lässt sich in der Regel ohne weiteres erfüllen indem man der unteren Elektrode eine genügende Grösse gibt. Dann wird nach der weiteren Erfindung das Halbleiteraggregat auf eine Beste, ebene Unterlage gelegt und nur von oben her, also einseitig mit dem Einbettungspulver umgeben. Der Arbeitsvorgang zur Herstellung dieser einseitigen Einbettung ist noch einfacher und leichter als bei der allseitigen Einbettung.
Bei einseitiger Einbettung werden ferner senkrechte Versetzungen vermieden, die bei allseitiger Einbettung vorkom- men können, wenn die untere Bettung vor dem Drauflegen des Einsatzaggregates nicht über den ganzen Horizontalquerschnitt gleichmässig dicht gepackt ist. Solche Versetzungen können bei sehr dünnen Halbleiterscheiben zum Bruch derselben führen, wenn die Einbettung zusammengepresst wird. Die einseitige Einbettung ist also für sehr dünne Halbleiterscheiben, die bevorzugt für Tran- sistoren benötigt werden, besonders gut geeignet.
Weitere Einzelheiten soll an Hand der Fig. l bis 3 erläutert werden. Fig. 1 zeigt ein Einsatz- aggregat, das zu einem Gleichrichterlement zu- sammenlegiert werden sollen, in Magnesiumoxyd- pulver halb eingebettet, Fig. 2 ein Transistorelement, das nach der Erfindung hergestellt ist, und Fig. 3 mehrere Einsatzeinheiten in einem Quarzrohr unter Gewichtsbelastung.
Nach Fig. l bildet der Boden eines Eisengefässes
17, das zur Aufnahme des Pulvers für die Einbettung geeignet ist, unmittelbar die Unterlage für das Einsatzaggregat. Eine solche Metallunterlage kann allgemein verwendet werden, wenn das Einsatzaggregat auf seiner Unterseite ein Metall aufweist, das mit dem Metall der Unterlage nicht legiert oder verschweisst oder verlötet, wenigstens nicht bei der zum Zusammenlegieren des Halbleiteraggregates erforderlichen Behandlungstemperatur von zirka 8000 C bei Silizium und etwas niedriger, etwa 500-6000 C, bei Germanium.
Geeignete Trägermetalle für Silizium sind beispielsweise Molybdän und Wolfram, die bei den genannten Temperaturen. und bei ausreichendem Pressdruck, durch den eine gleichmässige Benetzung erzwungen wird, mit Aluminium gut legieren, ohne dass die gleichzeitige Legierungsbildung des Aluminiums mit Silizium beeinträchtigt wird. Demgemäss besteht bei dem Einsatzaggregat nach Fig. 1 die Trägerplatte 18 aus Molybdän. Sie ist auf ihrer Oberseite eben geläppt.
Auf ihrer Unterseite wird, die Molybdänscheibe 18 vorteilhaft mit einer dünnen Schicht Fernico (Vakon, Kovar) plattiert, welche bei der nachfolgenden Wärmebehandlung mit dem Metall der Unterlage, d. h. des Bodens des eisernen Behälters 17, weder verschweisst, noch
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verlötet, jedoch es später ermöglicht, Anschlussleitungen, Kühlplatten und andere metallene Bauteile mittels eines üblichen Weichlotes an der Trägerplatte 18 anzulöten. Die Molybdänscheibe 18 hat beispielsweise eine Dicke von 0, 5 mm und einen Durchmesser von 11 mm. Die Fernico- (Vakon-, Kovar-) Plattierung auf der Unterseite möge 0, 02 mm stark sein.
Ober der Trägerplatte befindet sich eine etwa 0, 4 mm starke Halbleiterscheibe 8a aus p-Silizium mit einem Durchmesser von etwa 10 mm und mit einer Aluminiumfolie 8b, deren Stärke etwa 0, 05 mm betragen kann, auf der Unter- und einer Goldfolie von etwa l % Antimongehalt, deren Stärke etwa 0, 05 mm beträgt, auf der Oberseite, wobei allerdings der Durchmesser der Aluminiumfolie 8b nicht kleiner sein soll als der Durchmesser der Siliziumscheibe 8a, aber auch nicht grösser als der Durchmesser der Trägerplatte 18.
Besteht die Halbleiterscheibe jedoch beispielsweise aus n-leitendem Germanium, so wird man dieses vorteilhaft auf der Oberseite mit Indium legieren, damit auch hier sich der p-n-Übergang nicht etwa in der Nähe der von der Trägerplatte bedeckten Unterseite bildet, sondern in der Nähe der freien Oberseite der Germaniumscheibe, wo er später leichter zugänglich ist, beispielsweise zur nachträglichen Atzung der äusseren p-n-Grenze, an
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die p-n-Übergangsflächeseite der Germaniumscheibe kann eine antimon- haltige Goldfolie zur sperrfreien Kontaktierung ver- wendet werden. Die Wahl eines geeigneten Mate- rials für eine Trägerplatte bietet bei Germanium wesentlich geringere Schwierigkeiten, weil Germa- nium bei weitem nicht so spröde ist wie Silizium.
Obwohl dem Fachmann viele Materialien bekannt sind, sei als Beispiel Eisen genannt, welches auf der Oberseite vernickelt und vergoldet ist, was bei- spielsweise durch Bedampfen oder auf galvanischem
Wege erfolgen kann. Auch die Unterseite der
Eisenscheibe kann mit einem geeigneten Metall überzogen sein, welches das Anlöten von Anschluss- leitungen oder metallischen Bauteilen mittels eines üblichen Weichlotes ermöglicht.
Das aus den Teilen 8a, 8b, 8c und 18 beste- hende Einsatzaggregat wird nach Fig. l innerhalb des Behälters 17 von oben her mit einer Schicht 20, z. B. aus Magnesiumoxydpulver, bedeckt, die ihrerseits mittels einer festen Scheibe 19, z. B. aus Graphit, gleichmässig festgepresst wird. Dann kann durch eine nachfolgende Wärmebehandlung, deren Art und Verlauf bereits oben beschrieben ist, das ganze Gleichrichteraggregat nach Fig. l in 'einem einzigen Arbeitsgang zusammenlegiert wer- den. Damit etwa entstehende Gase entweichen können, ist der Boden des Gefässes 17 vorteilhaft an verschiedenen Stellen mit engen Bohrungen 22 versehen.
Natürlich kann das ganze Gefäss 17 auch aus anderem geeigneten Material bestehen. Es kann beispielsweise ein keramisches Gefäss sein, dessen Boden nach dem Brennen völlig eben geschliffen ist. Es kann auch aus einem festen Graphitstab von entsprechend grossem Durchmesser auf einer Drehbank herausgearbeitet sein. An Stelle des Bodens des Gefässes 17 kann auch eine besondere Unterlage verwendet werden. Eine solche kann aus neutralem Pulver, z. B. Magnesiumoxyd- oder Graphitpulver, mit sehr hohem Druck vorgepresst und dadurch hinreichend verfestigt sein. Es kann auch eine gebrannte und eben geschliffene Keramikscheibe als Unterlage verwendet werden. Ferner können von einem festen Graphitstab Scheiben geeigneter Dicke von einigen Millimetern, z. B.
5-10mm, abgeschnitten und zwecks Verwendung als Unterlagen sauber plangedreht werden.
Zur Herstellung eines Transistorelementes nach Fig. 2 mit einem scheibenförmigen Haleiter- grundkörper 21 aus p-leitendem Silizium und mit einer antimonhaltigen Goldelektrode 23 als Kollektor auf der Unterseite der Siliziumscheibe wird vorteilhaft von einer gleichzeitigen Vereinigung mit einer Trägerplatte aus Molybdän oder Wolfram abgesehen, weil hier die Gefahr besteht, dass bei der Behandlung mit der genannten Temperatur von zirka 8000 C die Bildung des p-n-Überganges durch Molybdän oder-in geringerem Gradeauch durch Wolfram, das durch Lösung in die Gold-Antimon-Siliziumlegierung mit hineingelangt, beeinträchtigt wird.
Es hat sich aber herausgestellt, dass bei Verwendung einer Goldfolie, deren Stärke ein Drittel der Dicke der Siliziumscheibe oder mehr beträgt, infolge des von Silizium verschiedenen Wärmedeh- nungskoeffizienten des Goldes mechanische Spannungen entstehen können, so dass z. B. Halbleiterelemente mit einem Scheibendurchmesser von 10 mm und darüber und mit einer Dicke des Halbleiterkörpers von 0, 1 mm nach der Abkühlung unter Umständen eine gewölbte Form haben. Diese mechanischen Spannungen können sich selbst, wenn sie nicht zur Rissbildung oder sogar zum Bruch des Siliziumkörpers führen, jedenfalls schädlich auf die Gitterstruktur und die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterelementes auswirken.
Die erwähnten mechanischen Spannungen können zwar durch Verwendung dünnerer Goldfolien vermieden werden, weil sich dann die Goldlegierung beim Abkühlen reckt, aber bei solchen extrem dünnen Goldfolien von z. B. 0, 025 mm und weni-
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Die vorerwähnten Schwierigkeiten konnten durch die Benutzung einer festen Unterlage und einer Erhöhung des Pressdruckes während der Wärmebehandlung behoben werden, ind'em dadurch die Verwendung einer verhältnismässig dicken Goldfolie ohne schädliche Folgen ermöglicht wurde.
Bei einem Druck von etwa 1 kg/cm2 oder mehr wird nämlich die Goldfolie in die feinen Poren- öffnungen an der Oberseite der festen Unterlage aus Graphit, Magnesiumoxyd oder Keramik mindestens teilweise hineingedrückt. Infolgedessen findet hier die goldhaltige Legierungsschicht beim Wieder-
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erkalten auf ihrer ganzen Fläche einen gleichmässigen Halt und wird dadurch gezwungen, sich zu recken, bzw. gehindert, in den beiden Dimensionen der Halbleiterebene zu schrumpfen, so dass das Hajbleiteraggregat nach beendeter Behandlung keine schädlichen mechanischen Spannungen aufweist. Auf diese Weise wurden z. B.
Halbleiterelemente aus p-leitendem Silizium von 0, 1 mm Dicke und 12 mm Durchmesser mit einer GoldAntimonfolie von etwa 0, 04 mm Stärke einwandfrei und ohne sichtbare Formänderung zusammenlegiert und mit gleichzeitig auf der Oberseite in P. ulverbettung einlegierten Emitter- und Basiselek- tioden aus Gold-Antimonfolien bzw. Aluminiumfolien in Gestalt konzentrischer Ringe hochwertige Leistungs-Transistorelemente hergestellt.
Die Anordnung der Emitter- und Basiselektroden ist ebenfalls aus Fig. 2 ersichtlich. Die ringförmige Emitterelektrode ist mit 24 bezeichnet. Von derselben befindet sich in Richtung nach dem Inneren des Siliziumkörpers 21 ein p-n-Übergang, der in der Schnittzeichnung durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Ein in gleicher Weise angedeuteter p-n-Übergang befindet sich auch vor der Kollektorelektrode 23. Es wurde beobachtet, dass sich das Elektrodenmetall der letzteren beim Zusammenlegieren am Rande der dünnen Siliziumscheibe nach oben zieht, so dass auch der p-n-Übergang der Kollektorelektrode an der freien Oberseite der Siliziumscheibe an die Oberfläche tritt.
Er bleibt infolgedessen auch dann bequem zugänglich und leicht zu beobachten, wenn das Transistorelement in an sich bekannter Weise mit seiner Unterseite auf einem weiteren Bau- oder/und Anschlussteil befestigt wird, z. B. auf einer Kühlplatte oder am Boden eines Gehäuses. Die Basiselektrode des Transistorelementes nach Fig. 2 besteht aus einem inneren kreisförmigen Teil 25a und einem äusseren ringförmigen Teil 25b. Zwischen diesen beiden Teilen einerseits und der ringförmigen Emitterelektrode 24 anderseits befinden sich ringförmige Zwischenräume, deren Breite 0, 05 bis 0, 1 mm beträgt und auf dem ganzen Umfang möglichst gleichmässig sein soll. An die Teile 24,25a und 25b können Anschlussleitungen mit Weichlot angelötet werden.
Fig. 3 zeigt im unteren Teil die Vorbereitung eines Einsatzaggregates zur Herstellung eines Transistorelementes gemäss Fig. 2. In einen Eisenbehälter 27 mit durchlöchertem Boden ist eine Einlage 26 aus Aluminiumoxydpulver mit so hohem Druck eingepresst, dass sie eine feste Unterlage mit völlig ebener Auflagefläche bildet. Auf die letztere ist zunächst eine Gold-Antimonfolie 23 gelegt, deren Durchmesser vorteilhaft etwas grösser gemacht wird als der Durchmesser der darüber befindlichen Siliziumscheibe 21. Auf der oberen Seite der letzteren befindet sich eine kreisförmige Aluminiumfolie 25a, eine ringförmige Gold-Antimonfolie 24 und eine ebenfalls ringförmige Aluminiumfolie 25b.
Auf dieses Einsatzaggregat ist von oben her eine Bettung 28 aus Graphitpulver aufgebracht, die mittels einer darüber befindlichen festen Graphitscheibe 29 festgepresst wird.
Gemäss Fig. 3 können mehrere solche Vorrichtungen wie die oben beschriebene in einem Rohr
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teilhaft aus Quarz bestehen kann, übereinandergestapelt werden. In Fig. 3 sind nur zwei solche Vorrichtungen dargestellt, es können aber bis zu 10 und mehr sein, die zusammen eine Ofenr charge bilden. Zur Erzeugung des erforderlichen Pressdruckes dient ein in das Quarzrohr 30 passendes zylinderförmiges Metallstück 31, von dem in Fig. 3 ebenfalls nur ein Teil zu sehen ist. Zwischen dem Gewicht 31 und der Graphitscheibe 29 der obersten Vorrichtung befindet sich ein Dorn 32, der an dem Gewicht 31 befestigt sein kann und durch den eine zentrische Druckübertragung gewährleistet ist.
Ferner bildet der Dorn 32 einen Wärmeleitungswiderstand, der verhindert, dass von den Einbettungsvorrichtungen über das Gewichtstück 31 zu einer kälteren Zone des Heizofens so viel Wärme abgeführt wird, dass dadurch die Gleichmässigkeit der Behandlungstemperatur der verschiedenen Bestandteile einer Ofencharge gestört werden könnte. Vorteilhaft besteht daher der Dorn 32 aus einem Material von geringer Wärmeleitfähigkeit, es kann z. B. ein Keramikröhrchen als Dorn verwendet werden.
Das in der Zeichnung nicht sichtbare obere Ende des Quarzrohres 30 ist vorteilhaft mit einem Schliff zum gasdichten Anschluss einer Vakuumpumpe versehen, mit der es evakuiert werden kann, nachdem es in den Heizofen so eingesetzt ist, dass das obere Ende herausragt,. und mit der das Vakuum im Rohr 30 während der Behandlungsdauer aufrechterhalten werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Halbleitergeräten, wobei ein Halbleiterkörper, insbesondere von einkristallinem Gefüge, und Elektrodenmetall aufeinandergelegt und unter Anwendung von mechanischem Druck durch Erhitzung zusammenle- : giert werden, wobei das aus Halbleiter und Elektrodenmetall bestehende Einsatzaggregat zur Vorberei-
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Erhitzung bis zur Legierungsbildung ausgesetzt wird, nach dem Patent Nr. 196920, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzaggregat nur einseitig in das Einbettungspulver eingebettet wird.