DD220536A1 - Verfahren zum verbinden von silizium und germanium - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Diffusionsschweissen von Silizium und Germanium, das die Nachteile der bekannten technischen Loesungen, wie Schweisstemperaturen im Bereich zwischen Eutektikum und Schmelzpunkt, Zerstoerung von Metallstrukturen, die zusaetzlich auf den Grundwerkstoff aufgebracht wurden, negative Beeinflussung des Grundwerkstoffes, negative Einfluesse starker Zwischenschichten auf die Gesamtfestigkeit der Verbindung und den Bedarf an Edelmetallen, vermeidet. Erfindungsgemaess werden die entsprechend vorbereiteten Fuegeflaechen mit einer durch Vakuumbedampfung aufgebrachten Duennschicht eines entsprechenden metallischen Zwischenschichtwerkstoffes versehen und unter Vakuum von 10 4 Torr und einem Druck von 4 bis 6 N mm 2 auf eine Temperatur unterhalb des eutektischen Punktes von Grund- und Zwischenschichtwerkstoff erwaermt. Dadurch koennen die Vorzuege der Duennschichtdiffusion voll wirksam werden.

Description

/τγ Verfahren zum Verbinden von Silizium und Germanium Anwendungegebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zürn Verbinden von' Silizium und Germanium mit Zwischenschichten, mit dem Ziel der Verbindung von Si-Teilen beziehungsweise GeTeilen bei solchen Temperaturen, bei denen keine Schädigungen der Bauteile selbst und in der Fügezone auftreten. ".. '.. . ' .' ". · . ' . ; ' ' .

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen _:

Es ist bekannt, die entsprechenden Teile mit Hilfe des Floating-Zone-Verfahrens zu einem Einkristall zu verschmelzen (DE-OS 1698121). Die dazu erforderlichen Temperaturen sind aber sehr hoch, da der Halbleiterwerkstoff dickflüssig werden muß.

Weiterhin ist bekannt, daß gute Verbindungen zwischen zwei Körpern aus Silizium mit Diffusionsschweißen ohne Zwischenschichten erreichbar sind. Dieses Verfahren erfordert jedoch Schweißtemperaturen von etwa 1100⁰C. Wie bekannt, ist es ebenfalls möglich, die Verbindung durch ein Glaslot bei einer Verschraeiztemperatur von 400. bis 600⁰C herzustellen. Bei diesem Verfahren verbleibt zwischen den beiden Siliziumteilen eine gewöhnlich mehrere /Um dicke

Schicht dieses Glaslotea. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien sind jedoch sehr unterschiedlich und damit treten bei Temperaturänderungen Spannungen auf (US-PS 4085620). Es ist weiter bekannt, zwei Siliziumkörper mit Hilfe von Diffusionsvorgängen zu verbinden (US-PS 4077558),. Dabei wird auf eine Siliziumfläche eine Schicht aus einem Material mit guten Hafteigenschaften, wie zum Beispiel Chrom, Titan oder Aluminium abgeschieden. Diese Schicht wird anschließend mit einem Edelmetall,- vorwiegend Gold oder Platin, bedampft. Die zweite Siliziumfläche wird mit einer Schicht eines niedrigschmelzenden Metallsi wie Zinn oder Indium, versehen und danach ebenfalls mit dem Edel-. metall bedampft. Jetzt werden beide Flächen zusammengebracht, auf eine Temperatur von 100 bis 200⁰C erwärmt und mit einem Druck von mindestens 0,35 JiPa beaufschlagt. Zwischen den Atomen des Edelmetalls einerseits und den Atomen des Edelmetalls und denen des niedrigschmelzenden Metalls andererseits entsteht eine Diffusionsverbindung. Außerdem bildet sich bei entsprechend hohen Temperaturen zum Beispiel bei Verwendung von Gold und Zinn zwischen den zu verbindenden Kristallen eine durchgehende Schicht aus einer Gold-Zinn-Legierung. Die gesamte Zwischenschicht ist beim genannten Verfahren etwa 5/um stark und sehr weich. Das bedeutet, daß schon bei Binsatztemperaturen von etwa 80⁰C und entsprechend hohen Drücken in der Verbindungszone Kriecherscheinungen auftreten. Weiterhin ist bekannt, die Verbindung der entsprechenden Siliziumteile durch eine Flächenbondung zu realisieren (DD-PS 149912). Als Verbindungsmittel werden dabei Gold.und Aluminium verwendet. Nach dem Reinigen der zu verbindenden Flächen wird durch Vakuumbedampfung und anschließende galvanische Verstärkung das Verbindungsmittel auf die Kontaktflächen aufgebracht. Die Schichtdicke beträgt dabei etwa tyunu Die Kontaktflächen werden unter Vakuum bei einer Temperatur von einigen 10 Kelvin oberhalb des eutektischen Punktes von Silizium und des entsprechenden Verbindungsmittels,und einem Druck

von 5 bis 10 MPa zusammengepreßt· Bei der Erwärmung entsteht ein Eutektikum, das durch diesen hohen Druck teilweise aus der Fuge gepreßt wird· Dadurch stoßen die beiden Siliziumflachen an einigen Stellen aneinander und es kommt zum Austausch von Atomen durch Diffusion. Die Verbindung, die an diesen Stellen durch atomare Bindungskräfte zustandekommt, bestimmt die Festigkeit der Flächenbondung. Es ist «reiter bekannt (Svarocnoe Proizvodstvo, 7 (1978)> 3. 4 - 5), zwei Siliziumteile durch Diffusionsschweißen zu verbinden, wobei eine Aluminiumzwischenschicht in Form einer /^s 40 bis 45/um dicken Folie verwendet wird. Die Siliziumteile haben einen Durchmesser von 25 mm und die Kontaktflächen werden mechanisch hochglanzpoliert. Eine Oberfläche der verwendeten Aluminiumfolie wird aufgeschmolzen und in eine Graphitraatrize gepreßt. Hier erstarrt das Material wieder, Dadurch wird auf der Folie ein Profil erzeugt, das aus regelmäßig verteilten Warzen besteht. Diese Warzen haben die Form eines Zylinders, sind 0,3 bis 1,0/um hoch und besitzen einen Durchmesser von 1 mm. Die so vorbereitete Aluminiumfolie wird nun zwischen • die Kontaktflächen der beiden Siliziurateile gelegt und in einer Wassers'toffatmosphäre bei einer Temperatur von 5OQ⁰C verschweißt. Die Schweißzeit beträgt 25 bis 30 Minuten, Am

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Anfang wird ein Druck von 0,72 kp-mm auf die zu verbinden-

, ' den Teile aufgebracht, der dazu führt, daß die Warzen auf der Folienoberfläche plastisch deformiert werden und sich ^ ihre Höhe um etwa die Hälfte verringert. Gegen Ende der Schweißung wird der Druck dann etwas reduziert. Der Nachteil des Verfahrens ist darin zu sehen, daß es sehr aufwendig ist.

Die Mängel der beschriebenen Lösungen sind neben den.bereits genannten darin zu sehen, daß die relativ dicken Zwischenschichten die mechanisch-elastischen Eigenschaften der Verbindung verschlechtern,, daß die aufgebrachten Zwischenschichten zusätzlich galvanisch verstärkt werden, daß Zwischenschichten aufgebracht werden, die aus mehreren verschiedenen Materialien bestehen, daß die verwendeten Zwischenschichten

oder Kombinationen Edelmetalle enthalten, daß unter den teilweise hohen Temperaturen Veränderungen im Gefüge auftreten und daß.zusätzlich auf die Siliziumteile aufgebrachte Metallstrukturen dann zerstört werden, wenn die Schweißtemperatur oberhalb der eutektischen Temperatur, von Grund- und Strukturwerkstoffen liegt. Es ist außerdem zu vermuten, daß unter den teilweise wirkenden hohen Drücken bei den entsprechenden Temperaturen Schädigungen in der Fügezone und im Grundwerkstoff auftreten können, wie beispielsweise Rekristallisation. _; ,

Ziel der Erfindung '

Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, das die beschriebenen Nachteile - Zerstörung von Metallstrukturen, negative Beeinflussung des Grundwerkstoffes, negative Einflüsse zu starker Zwischenschichten auf die Gesamtfestigkeit und der Bedarf an Edelmetallen - vermeidet. . ; ·. .' .. .. ' .· ' · ' ^: :^: . '

Darlegung des Wesens der Erfindung .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zügrunde, eine Verbindung von zu fügenden Teilenbei Temperaturen herzustellen, bei denen keine wesentlichen negativen Gefügeänderüngen auftreten.

Erfindungsgemäß wird die'Aufgäbe dadurch gelöst, daß mit aufgedampften metallischen Zwischenschichten gearbeitet wird, wodurch die Vorteile der" Dünnschichtdiffusion, wie beispielsweise die hohe Diffusionsgeschwindigkeit bei relativ niedrigen Temperaturen, ausgenutzt werden. Der Mndestdruck beträgt ca. 4 Nmm . Die Temperaturen liegen dabei unterhalb des Eutektikums von Grund- und Zwischenschichtwerkstoff. Sie können so gewählt werden, daß zusätzlich auf den Grundwerkstoff aufgebrachte Metallstrukturen, wie ζ.B." integrierte Widerstandsanordnungen, funktionstüchtig bleiben. Ferner ist es möglich, die Dicke der Zwischenschicht in den nm-Bereich zu legen. .

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispisles erläutert werden· Dabei wird einkristallines Silizium als Grundwerkstoff verwendet. Die Kontaktflächen der zu verbindenden Teile weisen nach der Oberflächenbearbeitung eine Abweichung von der Ebene von maximal 1 /um und einen Mittenrauhwert von maximal '0,1·/um auf. Diese hohen Oberflächenqualitäten werden durch Schleifen und anschließendes Polieren erreicht. An die mechanische Bearbeitung der Kontaktflächen schließt sich deren chemische Reinigung an. Die Reinigung ist darauf gerichtet, vorhandene Schmutz-, . Fett-, Stör- und Oxidsenichten von den Oberflächen zu entfernen und sie damit zu aktivieren· Sie erfolgt nach den in der Halbleiterindustrie üblichen Methoden· Jetzt werden^ die zu fügenden' Siliziumflächen durch Vakuumbedampf ung mit einer Aluminiumschicht versehen, deren Dicke sich im Bereich von einigen nm bewegt. Das verwendete Aluminium weist eine Reinheit von 99,99% auf und wird vor dem Verdampfen ebenfalls gereinigt und von Oxiden befreit, die sich an der Oberfläche befinden· Die so aufgebrachte Dünnschicht hat eine sehr feinkörnige Struktur· Die Korngröße liegt in der Größenordnung der Schichtdicke und weist gegenüber kompaktem Zwischenschichtmaterial, das in der Regel turn Größenordnungen grobkörniger ist, entscheidende Torteile auf. Die Aktivierungsenergie beträgt bei Dünnschichtdiffusion von Si und Al nur 0,79 eV gegenüber 1,36 eVfür kompaktes Material. Auch der Diffusionskoeffizient liegt bei Verwendung dünner Schichten wesentlich höher. Bei einer Temperatur von 56O⁰G liegt er für eine Dünnschicht um genau zwei Zehnerpotenzen höher, als für kompaktes Material. Dieses Verhältnis verbessert sich bei niedriger werdenden Temperaturen immer mehr zugunsten der Dünnschicht. Die so vorbehandelten Kontaktflächen werden nun mit einem Druck von 4 bis 6 N mm aneinandeingepreßt und unter einem Vakuum von 10 Torr auf 56O⁰C erwärmt. Die Haltezeit der Schweißung beträgt 3600 s.

Claims (3)

Erfindungsanspruch

1. Verfahren zum Verbinden von Silizium und Germanium, dadurch gekennzeichnet, daß eine aufgedampfte Zwischenschicht verwendet wird, die Fügetemperatur unterhalb des Eutektikums von Grund- und Zwischenschichtwerkstoff liegt und der Mindestdruck während des Verbindungsvorganges ca«

2. Verfahren nach Punkt 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zwischenschicht sogar nur im nra-Bereich liegen kann· '.-.' ^; . -. ^{; :} . . ' .

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4 Umm beträgt·

3· Verfahren nach Punkt 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen so gewählt werden können, daß zusätzlich auf dem Grundwerkstoff aufgebrachte Metallstrukturen ihre Punktionsttichtigkeit durch den relativ geringen Temperatureinfluß beibehalten·