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Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von
Halbleiterkörpern mit Metallen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zum Verbinden von Halbleiterkörpern mit
Metallen. Insbesondere befasst sich die Erfindung mit der Aufgabe, eine Siliciumscheibe zwecks Her- stellung von Halbleitereinrichtungen, wie z. B. Transistoren, mit einem goldplattierten Kopfteil zu ver- binden.
Halbleitereinrichtungen finden eine ausgedehnte Anwendung in zahlreichen Arten von elektrischen
Schaltkreisen. Besondere Anstrengungen werden derzeit unternommen, um derartige Einrichtungen kompakter zu machen und die obere Frequenzgrenze im Mikrowellenbereich, bei der sie noch gut verwendbar sind, zu erhöhen. Die letztere Aufgabe bringt gewöhnlich das Problem mit sich, diese Einrichtungen mit sehr kleinen Dimensionen auszubilden. Bisher haben sich bei der Herstellung so kleiner Halblelterein- richtungen ausserordentliche mechanische Schwierigkeiten hinsichtlich der Erzielung von festen, kleinflächigen, genau angeordneten und gleichmässigen Verbindungen zwischen den Halbleiterkörpern und ihren metallischen Kopfteilen ergeben.
Bei den bisher üblichen Verfahren zum Verbinden von Halbleiterkörpern mit Metallteilen unter Anwendung von Wärme und Druck mussten die zu verbindenden Oberflächen sorgfältigst gereinigt werden, beispielsweise durch mechanisches Scheuern der Oberflächen mit vibrierenden oder rotierenden Draht- bürsten. Da eineoxydation der zu verbindenden Oberflächen die Güte der erreichbaren Verbindung nachteilig beeinflusst, mussten diese Reinigungs- und Verbindungsvorgänge notwendigerweise in einer nichtoxydierenden Atmosphäre stattfinden.
Obgleich die bisher üblichen Verbindungsverfahren im allgemeinen zu befriedigenden Halbleitereinrichtungen geführt haben, ist es doch erwünscht, nicht nur die Güte der Halbleiter-Metall-Verbindungen bei solchen Einrichtungen, speziell bei kleinstmöglichen Abmessungen, noch weiter zu erhöhen, sondern auch den erforderlichen Verfahrensschritt des mechanischen Scheuerns zu vermeiden und dadurch die Kosten der Fertigung zu vermindern.
Ein Hauptziel der Erfindung liegt somit darin, ein Verfahen und eine Vorrichtung zu schaffen, das bzw. die auf einfachere Weise die Herstellung einer festen Verbindung zwischen Halbleiterkörpern und Metallen ermöglicht.
Gemäss der Erfindung wird zum Verbinden eines Halbleiterkörpers mit einem Körper mit metallischer Oberfläche unter Anwendung von Wärme und Druck eine Verfahrensweise vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die beiden zu verbindenden Körper, die aus Werkstoffen bestehen, deren eutektische Temperatur niedriger liegt als der Schmelzpunkt eines jeden der Werkstoffe, miteinander unter Druckeinwirkung zur Berührung gebracht werden, worauf die Temperatur der einander berührenden Oberflächen dieser Körper auf einen Wert erhöht wird, der zumindest gleich der eutektischen Temperatur der Werkstoffe ist, aber unter den Schmelzpunkten der Werkstoffe liegt, und wenigstens einer dieser Körper Ultraschallschwingungen in einer Richtung ausgesetzt wird, die eine parallel zu den einander berührenden Körperoberflächen verlaufende Komponente hat,
so dass den beiden Körperflächen flä- chenparallele Relativbewegungen erteilt werden, die zu einer Scheuerwirkung zwischen den beiden Oberflächen und zu einer Entfernung von geschmolzenem, schädliche Verunreinigungen enthaltendem Eutektikum aus dem Berührungsbereich zwischen den beiden Oberflächen führt, während zwischen diesen Oberflächen eine eutektische Bindung entsteht.
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Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, dass es bereits bekannt ist, beim Zusammenschweissen zweier Metallkörper eine senkrecht zur Berührungsfläche dieser Körper verlaufende Ultraschallschwingung anzuwenden. Demgegenüber befasst sich die Erfindung mit der Verbindung von Metallen und Halbleitern und lehrt, zur Erzielung der bereits erläuterten Scheuerwirkung eine Ultraschallschwingung anzuwenden, die parallel zu der Berührungsfläche Metall-Halbleiter verläuft oder wenigstens eine Komponente in dieser Richtung hat.
Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer beschrieben werden. Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Ausübung der Erfindung. Fig. 2 ist ein Querschnitt durch einen goldplattierten Kopfteil mit einer Kovar-Schicht, die zur Erhitzung dieses Kopfteiles von innen her dient, und Fig. 3 ist eine Draufsicht in Richtung der Pfeile 3-3 in Fig. 1 auf den Kopfteil, der zwischen Elektroden eingeklemmt ist und auf dem sich eine Halbleiterscheibe befindet.
Fig 1 zeigt eine Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verbindungsverfahrens. Diese umfasst ein Gefäss 10, in dem eine inerte Atmosphäre aufrechterhalten werden kann. Vom Boden des Gefässes 10 ragt einHohlträger 11 für dieAbstützung eines Transistorteiles 12 nach oben ; die Zuleitungen 16 dieses Kopfteiles 12 werden vom Hohlraum des Hohlträgers 11 aufgenommen. An den Seitenwänden des Gefässes 10 sind zwei verstellbare Elektroden 17, 18 gehaltert, die in bezug aufeinander so ausgerichtet sind, dass sie die Seitenflächen des Kopfteiles 12 erfassen, wenn sie gegeneinander bewegt werden. Unmittelbar oberhalb des Hohlträgers 11 ist ein axial beweglicher Stempel 20 angeordnet, der durch eine Öffnung im abnehmbaren Deckel 24 in das Innere des Gefässes 10 ragt. Der Deckel 24 besteht vorzugs-
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fässes 10 beobachten kann.
Wenn der Stempel 20 gegen den Hohlträger 11 bewegt wird, so kommt er mit der auf den Kopfteil 12 aufgelegten Halbleiterscheibe 21 in Berührung. Mit den Elektroden 17 und 18 ist eine elektrische Stromquelle 22 verbunden, die über die Elektroden einen Strom durch den Kopfteil 12 leitet. Da die Elektrode 17 auch an einen. Ultraschallgeber 23 angeschlossen ist, wird der Kopfteil 12 mit
Ultraschallfrequenz in Schwingung versetzt, so dass eine Relativbewegung zwischen der Halbleiterschei- be 21 und dem metallischen Kopfteil 12 auftritt, die zu einer Scheuerwirkung zwischen diesen Teilen führt.
Fig. 2 stellt einen Transistor-Trägteil dar, der in der Vorrichtung nach Fig. l mit einer Halbleiter- scheibe verbunden werden kann. Dieser Tragteil besteht aus einer dünnen Goldschicht 13, einer Innenschicht 14 aus sehr widerstandsfähigem Material, wie beispielsweise aus Kovar, das als Wärmequelle beim Durchleiten von Strom dient, und aus einem mit Glas gefüllten Abschnitt 15, durch den die Zuleitungen 16 verlaufen.
Fig. 3 stellt dar, in welcherWeise die Elektroden 17 und 18 vorzugsweise die Seitenflächen des Tragteiles 12 berühren sollen und wie eine Siliciumscheibe 21 am Tragteil 12 angeordnet werden kann. Die Oberflächen der Elektroden 17 und 18, welche den goldplattierten Tragteil 12 berühren, sind vorzugsweise ebenfalls goldplattiert, um auf diese Weise örtliche Erhitzungen an den Elektrodenkontaktflächen zu vermeiden.
Der erfindungsgemässe Verbindungsvorgang wird vorzugsweise wie folgt ausgeführt :
Zunächst wird der Deckel 24 vom Gefäss 10 abgenommen, und es wird ein goldplattierter Kopfteil 12 auf den Hohlträger 11 aufgesetzt, und anschliessend wird auf den Kopfteil 12 eine Siliciumscheibe 21 aufgelegt. Hernach wird der Deckel 24 wieder auf das Gefäss 10 aufgesetzt, und der Luftauslass 25 sowie der Gaseinlass 26 am Gefäss 10 werden so bedient, dass sich im Gefäss eine inerte Atmosphäre einstellt. Der axial bewegliche Stempel 20 wird sodann gegen den Hohlträger 11 bewegt, bis die Scheibe 21 am Kopfteil 12 mit einem Druck von wenigstens 140 kg/cm2 aufliegt. Sodann werden die Elektroden 17 und 18 gegeneinander bewegt, bis sie am Kopfteil 12 anliegen.
Nach dieser Kontaktgabe wird von der elektrischen Stromquelle 22, die mit den Elektroden 17 und 18 verbunden ist, ein Strom durch den Kopfteil 12 geleitet, der in der Kovar-Schicht 14 des Kopfteiles eine Verlustwärme erzeugt, welche zur Goldschicht 13 und zu der anliegenden Oberfläche der Scheibe 21 übertragen wird, so dass die Temperatur dieser Teile zumindest die eutektische Temperatur von Gold und Silicium, d. h. 370 C, erreicht, aber unter den Schmelztemperaturen des Kopfteiles und der Scheibe bleibt. Mit Hilfe der Elektrode 17, die direkt mit einem Ultraschallgeber 23 gekuppelt ist, wird sodann der Kopfteil 12 mit Ultraschallschwingungen im Bereich zwischen 18000 und 60000. Hz beaufschlagt..
Die kombinierte Anwendung einer inerten Atmosphäre, einer Arbeitstemperatur, die zumindest so hoch wie die eutektische Temperatur der zu verbindenden Werkstoffe ist, einer auf die Scheibe 21 und den Kopfteil 12 einwirkenden Druckkraft sowie einer dem Kopfteil zugeführten Ultraschallenergie führt zu einer Scheuerwirkung zwischen der Scheibe und-dem Kopfteil, während zwischen dem Gold und dem Sili-
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cium eine eutektische Verbindung hergestellt wird. Infolge dieser Scheuerwirkung wird der grösste Teil von
Oxyden und Fremdkörpern an den einander berührenden Oberflächen aus der Verbindungsfläche herausbe- wegt.
Die gleichzeitig erfolgenden Scheuer- und Verbindungsvorgänge verbürgen daher als Ergebnis eine kleinflächige, gleichmässige Verbindung hoher Güte zwischen der Scheibe und dem Kopfteil, u. zw. ohne jegliche feststellbare Verschlechterung der elektrischen oder mechanischen Eigenschaften dieser Teile, selbst wenn die Oberflächen der erwähnten Teile vor dem Verbindungsvorgang nicht besonders rein wa- ren.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Verbinden eines Halbleiterkörpers mit einem Körper mit metallischer Oberfläche unter Anwendung von Wärme und Druck, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden zu verbindenden Körper, die aus Werkstoffen bestehen, deren eutektische Temperatur niedriger liegt als der Schmelzpunkt eines jeden der Werkstoffe, miteinander unter Druckeinwirkung zur Berührung gebracht werden, worauf die Temperatur der einander berührenden Oberflächen dieser Körper auf einen Wert erhöht wird, der zu- mindest gleich der eutektischen Temperatur der Werkstoffe ist, aber unter den Schmelzpunkten der Werk- stoffe liegt, und wenigstens einer dieser Körper Ultraschallschwingungen in einer Richtung ausgesetzt wird, die eine parallel zu den einander berührenden Körperoberflächen verlaufende Komponente hat,
so dass den beiden Körperflächen flächenparallele Relativbewegungen erteilt werden, die zu einer Scheuer- wirkung zwischen den beiden Oberflächen und zu einer Entfernung von geschmolzenem, schädliche Ver- unreinigungen enthaltendem Eutektikum aus dem Berührungsbereich zwischen den beiden Oberflächen führt, während zwischen diesen Oberflächen eine eutektische Bindung entsteht.