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Verfahren zum Ätzen und Kontaktieren von Halbleiterelementen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Halbleitervorrichtungen unter Verwendung von Halbleiterelementen aus Germanium, Silizium, oder intermetallischen Verbindungen, insbesondere auf ein Verfahren zum Ätzen und Kontaktieren von Siliziumkörpern mit pn-Übergang zur Herstellung von Leistungsgleichrichtern.
Elektrische Halbleitervorrichtungen enthaltell einen oder mehrere Halbleiterkörper mit einem oder mehreren pn-Übergängen, die vor ihrem Einbau in ein Gehäuse in der Regel einer Ätzbehandlung unterworfen werden, um Verunreinigungen von der Oberfläche des Halbleiterkörpers, insbesondere in der Umgebung des pn-Überganges zu entfernen, so dass Kurzschlüsse am pn-Übergang vermieden werden. Weiter müssen die Halbleiterelemente an den geeigneten Stellen mit elektrischen Anschlüssen versehen wer- den, die entweder einen gleichrichtenden oder einen ohmschen Kontakt mit dem Halbleiter bilden.
Wenn ein Halbleiterkörper mit pn-Übergang, beispielsweise aus Silizium, in eine Ätzlösung getaucht wird, so wird das Halbleitermaterial, je nach der Zusammensetzung der Ätzlösung, an einzelnen Stellen verschieden schnell aufgelöst, bevorzugt in der Nähe des pn-Überganges, was erwünscht ist. Anderseits ist es nicht erwünscht, den ganzen Halbleiterkörper abzutragen, sondern die Einwirkung der Ätzlösung soll sich in der Regel nur auf das Gebiet erstrecken, in dem der pn-Übergang an die Oberfläche des Halbleiterkörpers tritt. Es ist daher erforderlich, die übrigen Teile des Halbleiterkörpers mit einer geeigneten Substanz, welche in der Ätzlösung nicht löslich ist und den Halbleiterkörper nicht nachteilig beeinflusst, abzudecken.
Man verwendet zu diesem Zweck geeignete Lacke, die nach dem Ätzen mindestens teilweise wieder entfernt werden müssen, damit die Anschlüsse an den einzelnen Zonen des Halbleiterkörpers angebracht werden können.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Ätzen und Kontaktieren von Halbleiterelementen, insbesondere von Silizium körpern mit pn-Übergang, zur Herstellung von Leistungsgleichrichtern, bei dem der Halbleiterkörper an den Stellen, die vor dem Angriff der Ätzlösung geschützt werden sollen, mit einem im Ätzmittel unlöslichen Lötmetall überzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper mit einer Bleischicht überzogen wird, auf der durch oberflächliche Umwandlung eine Schutzschicht erzeugt wurde.
Der Halbleiterkörper wird also vor der Ätzbehandlung an den für die Kontaktierung vorgesehenen Stellen mit einem geeigneten Metallüberzug versehen, der später zum Anlöten der Zuleitungsdrähte verwendet wird. Auf diese Weise wird einmal die Verwendung eines Abdecklackes vermieden und zum andern die zusätzlichen Verfahrensschritte, durch die der Lack aufgebracht und teilweise wieder entfernt werden muss. Ausserdem wird eine Verunreinigung des geätzten pn-Überganges weitgehend dadurch vermieden, dass das zum Anlöten der Zuleitungen erforderliche Lötmaterial bereits vor dem Ätzen mit dem Halbleiterkörper verbunden wird. Als geeignetes Metall hat sich beispielsweise bei Silizium Blei bewährt.. Es kann reines Blei verwendet werden oder, gemäss der weiteren Ausbildung der Erfindung, Blei mit einem geringen Silbergehalt, beispielsweise mit etwa 5% Silber.
Um zu verhindern, dass sich auch ganz geringe Spuren von Blei in dem Ätzmittel lösen, wird dieses zweckmässigerweise mit einer dünnen Schicht überzogen, die aus einem Umsetzungsprodukt des Lötmetalls besteht. Das Erzeugen einer solchen zusätzlichen Schicht bedeutet keine wesentliche Komplizierung des Verfahrens, da eine solche Schicht in ganz kurzer Zeit und mit nur sehr geringem Aufwand erzeugt
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werden kann. Wenn beispielsweise Blei als Lötmetall und zum Abdecken beim Ätzen verwendet wird, so kann diese Bleischicht in einfacher Weise durch kurzzeitiges Eintauchen in Salzsäure mit einer Blei chlorid- schicht überzogen werden.
Zweckmässigerweise wird vor dem Ätzen mindestens ein Anschluss mit Hilfe des Lötmetalls an den
Halbleiterkörper angelötet. Dies erleichtert wesentlich die Handhabung bei der Herstellung und dem Ein- bau des Halbleiterelementes, da diese Elemente meist nur sehr geringe Abmessungen haben. Das Auf- bringen der Schutzschicht aus Lötmetall, bzw. das Anlöten der Anschlüsse wird zweckmässigerweise in einer inerten, oder noch besser, reduzierenden Atmosphäre vorgenommen. Beim Aufbringen einer Blei- schicht auf Silizium hat sich eine Atmosphäre aus etwa 70% Stickstoff und Solo Wasserstoff als geeignet erwiesen.
Die Schutzschicht aus Lötmetall wird in einfacher Weise so auf den Halbleiterkörper aufgebracht, dass Plättchen geeigneter Grösse und Dicke aus dem entsprechenden Lötmetall an geeigneten Stellen auf den
Halbleiter aufgelegt werden und der Halbleiterkörper mit den Lötmetallplättchen in einer geeigneten At- mosphäre, beispielsweise in der obengenannten Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff, auf eine Temperatur wenig über dem Schmelzpunkt des Lötmetalls, erhitzt wird. Dabei verbindet sich das Lötmetall mit dem Halbleiterkörper. Die geschützte Fläche wird im wesentlichen durch die Grösse des aufgelegten Lötmetallplättchens bestimmt. Es kann sich aber auch als zweckmässig erweisen, dieses Aufschmelzen des Lötmetalls in einer geeigneten Form vorzunehmen, durch welche das Lötmetall auf einen ganz bestimmten Bereich beschränkt wird.
Selbstverständlich muss hiezu ein Material verwendet werden, das mit dem Lötmetall selbst keine Verbindung eingeht.
Eine besonders geeignete Ausführungsform für einen Anschluss an Halbleiterkörpern besteht aus einem Vieldrahtleiter, der an seinem Kontaktende in einem massiven Metallstück endet. Beispielsweise kann als Anschluss eine Kupferlitze oder eine Silberlitze dienen, deren Kontaktende zu einer massiven Metallkugel zusammengeschmolzen wurde, wie dies bereits vorgeschlagen wurde. Vorteilhafter ist jedoch, wie sich gezeigt hat, ein Verfahren, bei dem auf die Litze ein Ring aus dem gleichen Metall aufgeschoben und anschliessend der Ring radial zusammengepresst wird. Durch den dabei aufgewendeten hohen Druck werden die einzelnen Metalldrähtchen fest zusammengepresst und untereinander sowie mit dem Metallring verschweisst.
Da es zweckmässig ist, mindestens einen Anschluss an dem Halbleiterkörper vor dem Ätzen anzubringen, wird das Ende des Anschlussdrahtes mit einer geeigneten Schicht aus Lötmetall überzogen und an den Halbleiterkörper angelötet, so dass gleichzeitig das untere Ende des Anschlussdrahtes durch den Überzug gegen die Einwirkung der Ätzlösung geschützt wird.
Es ist aber auch möglich, wie oben beschrieben, ein Plättchen aus Lötmetall auf den Halbleiterkörper aufzulegen und den Anschlussdraht mittels einer geeigneten Halterung mit einem geringen aber definierten Druck gegen das Lötmetallplättchen zu drücken und die ganze Anordnung auf eine Temperatur wenig oberhalb des Schmelzpunktes des Lötmetalls zu erhitzen.
Die Erfindung soll an Hand der Figuren näher erläutert werden. In den Fig. 1-7 sind die verschiederen Verfahrensschritte zur Herstellung von Anschlüssen an einem Halbleiterkörper und das gleichzeitige Abdecken des Halbleiters gegen die Einwirkung des Ätzmittels dargestellt.
Zunächst wird ein Anschluss hergestellt, der zur Handhabung des Halbleiterplättchens beim Ätzen dient. Dies ist in den Fig. 1-4 dargestellt.
Eine geeignete Litze l aus Kupferdrähten, Silberdrähten oder versilberten Kupferdrähten wird mit ihrem unteren Ende in einen Metallring 2 aus dem gleichen Material eingeschoben. Durch radiale Verformung des Metallringes 2 wird das untere Ende der Litze zusammengepresst und die einzelnen Drähte werden auf diese Weise untereinander und mit dem Metallröhrchen verschweisst. Man erhält so die in Fig. 2 dargestellte Form. Das untere Ende der Litze 1 besteht dann aus einem mehr oder weniger massiven Metallstück 3.
Der untere Teil des so hergestellten Anschlussleiters, insbesondere das massive Metallstück, wird nun mit einer Schicht eines geeigneten Lötmetalls überzogen. Dies geschieht beispielsweise so, dass ein Plättchen aus Lötmetall in eine geeignete zylindrische Form eingelegt wird und der Anschlussdraht mit seinem massiven Ende mit leichtem Druck auf das Lötmetallplättchen gedrückt wird. Diese Anordnung wird nun mit der Form auf eine Temperatur dicht über dem Schmelzpunkt des Lötmetalls erhitzt, wobei der massive Metallteil in das Lötmetall eindringt.
Bei der Herstellung von Anschlüssen für Siliziumleistungsgleichrichter verwendet man beispielsweise Anschlüsse aus Kupfer- oder Silberdrähten, die am unteren Ende zu einem massiven Metallstück aus Kupfer oder Silber verarbeitet sind, das mit einer Schicht aus Blei, gegebenenfalls mit einem geringen Prozentsatz Silber, überzogen wird. Das Aussehen des Anschluss-
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drahtes nach diesem Verfahrensschritt ist in Fig. 3 dargestellt. Die massive Verbreiterung 3 der Litze 1 ist hier mit einer Bleischicht 4 überzogen. Die Lötmetallschicht muss natürlich nicht mit dem Ende der massiven Verbreiterung enden, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, sondern das Lötmetall kann auch noch einen Teil der Litze bedecken.
Man muss jedoch dabei darauf achten, dass nicht das Lötmetall durch die Kapillarkräfte vollständig in die Zwischenräume zwischen die einzelnen Drähtchen hineingesaugt wird, wodurch nicht nur ein erheblicher Mehrverbrauch an Lötmetall eintritt, sondern der Zuleitungsdraht seine Beweglichkeit verliert, was im Hinblick auf die thermische Belastung der Vorrichtung vermieden werden muss.
Der so vorbereitete Anschlussdraht wird nun mit dem Halbleiterplättchen an einer geeigneten Stelle in Kontakt gebracht und durch Erwärmen auf eine Temperatur, dicht oberhalb des Schmelzpunktes des Lötmetalls mit dem Halbleiter verbunden. Es kann hiezu wieder eine geeignete Form verwendet werden, welche eine unerwünschte Ausbreitung des Lötmetalls auf dem Halbleiter verhindert. Auf diese Weise wird ein Anschluss mit dem Halbleiter verbunden. Es können aber auch gleichzeitig mehrere oder alle Anschlüsse auf diese Weise am Halbleiter befestigt werden.
Wenn nicht alle Anschlüsse auf diese Weise am Halbleiter befestigt werden sollen, weil beispielsweise das Halbleiterelement an der Innenseite eines Gehäuses befestigt werden soll, so werden die andern abzudeckenden Stellen mit Lötmetallplättchen bedeckt, welche dann gleichzeitig am Halbleiter anschmelzen.
Nach dem Verschmelzen des Lötmetalls erhält man eine Anordnung, wie sie beispielsweise in Fig. 4 dargestellt ist. In diesem Falle wurde der in Fig. 3 dargestellte Anschluss mit dem Halbleiterplättchen 5 verschmolzen und gleichzeitig eine Lötmetallschicht 6 an der andern Seite des Halbleiterplättchens 5 angeschmolzen. Durch die gestrichelte Linie im Halbleiterplättchen 5 soll etwa der Verlauf des pn-Überganges im Halbleiter angedeutet werden. Aus Fig. 4 kann entnommen werden, dass der Halbleiter im we-
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Nun kann der Halbleiter in bekannter Weise durch Eintauchen in eine geeignete Ätzlösung geätzt werden. Zuvor kann noch eine weitere Schutzschicht durch Umwandlung der Oberfläche des Lötmetalls auf diesem erzeugt werden. Bei der Verwendung von Blei als Lötmetall kann beispielsweise durch kurz- zeitiges Eintauchen der Vorrichtung in Salzs ure eine Bleichloridschicht auf der Oberfläche der Bleischicht erzeugt werden. Beim Ätzen wird ein Teil des Halbleiters in der Umgebung des pn-Überganges aufgelöst.
Dabei muss gegebenenfalls noch der untere Teil der Litze 1 vor der Einwirkung der Säure geschützt werden, beispielsweise durch Überschieben eines Kunststoffschlauches.
Nach dem Ätzen erhält man eine Form, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. An den mit 7 bezeichneten Stellen ist der Halbleiter mehr oder weniger weit aufgelöst, beispielsweise so weit, dass die Bleischicht 4 etwas über dem Halbleiter hervorsteht, wie dies in Fig. 5 zu sehen ist.
Da eine Verunreinigung des abgeätzten pn-Überganges auf alle Fälle vermieden werden muss, wird nach dem Abspülen der Ätzlösung und dem Trocknen auf den geätzten pn-Übergang eine geeignete Lackschicht 8 aufgebracht, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Das Aufbringen der Lackschicht kann in irgend einer bekannten Weise, beispielsweise durch Aufbringen mit einem Pinsel oder durch Aufsprühen vorgenommen werden.
Das so mit dem Anschluss uad einer weiteren Lötmetallschicht versehene Halbleiterelement wird nun in geeigneter Weise mit einem zweiten Anschluss versehen, wobei die Lötmetallschicht 6 zum Anlöten der Zuleitung dient. Wie in Fig. 7 dargestellt, kann das Halbleiterelement beispielsweise an der Innenseite eines Gehäuses 9 befestigt werden, wobei das Gehäuse in bekannter Weise gleichzeitig als elektrische Zuleitung und zur Ableitung der im Betriebe entstehenden Wärme uient. Damit ein Erweichen der Lötmetallschicht 4 vermieden wird, wird der an der Bleischicht 6 anzulötende Anschluss, beispielsweise der Boden des Gehäuses 9, mit einer Metallschicht überzogen, welche mit der Lötmetallschicht 6 eine niedriger schmelzende Legierung bildet.
Wenn die Schicht 6 beispielsweise aus Blei besteht, so wird der Gehäuseboden des Gehäuses 9 mit einer dünnen Zinnschicht überzogen, so dass sich beim Erwärmen an der Kontaktfläche eine Blei-Zinn-Legierung bildet.
Die Wahl des zu verwendenden Lötmetalls richtet sich einerseits nach der Höhe der zum Löten zulässigen Temperatur und anderseits nach der Zusammensetzung der zum Ätzen verwendeten Säure. Bei der Herstellung von Leistungsgleichrichtern unter Verwendung von Siliziumplättchen mit pn-Übergang wurde zum Ätzen ein Säuregemisch verwendet, das aus etwa 5 Teilen Salpetersäure und 3 Teilen Fluorwasserstoffsäure und 3 Teilen Essigsäure besteht. Gegen diese Säure ist Blei genügend widerstandsfähig und kann gemäss der Erfindung zum Abdecken des Halbleiters und zum Anlöten der Anschlüsse verwendet werden.
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Die Erfindung ist jedoch nicht allein auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Ätzen und Kontaktieren von Halbleiterelementen, insbesondere von Siliziumkör- pern mit pn-Übergang, zur Herstellung von Leistungsgleichrichtern, bei dem der Halbleiterkörper an den Stellen, die vor dem Angriff der Ätzlösung geschützt werden sollen, mit einem im Ätzmittel unlöslichen Lötmetall überzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper mit einer Bleischicht überzogen wird, auf der durch oberflächliche Umwandlung eine Schutzschicht erzeugt wurde.