DE1127000B

DE1127000B -

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Publication number: DE1127000B
Application number: DE19571127000
Authority: DE
Priority date: 1956-10-31
Filing date: 1957-09-12
Publication date: 1974-04-11
Also published as: NL219101A; GB881832A; GB881834A; US3006067A; BE559732A; NL113327C; DE1127000C2; CH351342A; FR1179416A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

KL. ILg H/UZ

INTERNAT.KL. H Ol 1

ANME LDETAG;

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT:

W 21878 VIII c/21g

12. SEPTEMBER 1957

5. APRIL 1962

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur mechanisch festen Verbindung einer drahtförmigen Elektrode mit einem kristallinen Halbleiterkörper oder dessen fiächenhaften Kontaktelektroden eines Halbleiterbauelementes.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine durch mechanische Vereinigung von Elektrode und Halbleiterkörper hervorgerufene Verbindung von hoher Festigkeit zu schaffen, deren Haltbarkeit durch stoßartige Beanspruchung nicht beeinträchtigt wird, und die rauhen Handhabungen gewachsen ist.

Mittels des bisher vielfach verwendeten Lötverfahrens, dessen Anwendung bei sehr kleinen Halbleiterbauelementen große Schwierigkeiten bereitet, konnten nur Verbindungen von geringer mechanischer Festigkeit erzielt werden.

Auch bei ohne Lötung arbeitenden älteren Verfahren war die mechanische Haltbarkeit der erzielten Verbindung sehr beschränkt. Bei einem dieser älteren Verfahren wird durch die Anwendung von Druck und von Temperaturen, die über der eutektischen Temperatur liegen, eine Diffusionsverbindung zwischen dem Elektrodenende und der Halbleiteroberfläche hergestellt, um dadurch eine pn-Übergangsschicht zu erzeugen oder die Eigenschaften einer solchen Grenzschicht zu verändern. Schmelzverbindungen dieser Art haben aber nur eine geringe Haltbarkeit, da durch die bewußt erzeugte Diffusion das Material an der Verbindungsstelle in unerwünschtem Maße brüchig wird.

Gemäß einem weiteren älteren Verfahren zum Verbinden einer goldhaltigen Elektrode mit einem Germanium-Halbleiterkörper wird durch Stromstöße von erheblicher Stärke, die durch die Verbindungsstelle geschickt werden, eine Schweißverbindung hergestellt, und an der Verbindungsstelle wird eine Legierung aus Gold und Germanium gebildet. Da auch bei diesem Verfahren mit hohen, wesentlich über der eutektischen Temperatur liegenden Temperaturen gearbeitet werden muß, ist die mechanische Festigkeit dieser Verbindung ebenfalls gering.

Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß sich zwischen einer Elektrode und einem Halbleiterkörper eine Verbindung von einer mechanischen Festigkeit, die wesentlich über der von Löt- und Schmelzverbindungen liegt, dadurch erfindungsgemäß erzielen läßt, daß die miteinander zu verbindenden Flächen mechanisch gereinigt werden, daß die drahtförmige Elektrode und der Halbleiterkörper auf eine Temperatur zwischen 100° C und der eutektischen Temperatur der zu verbindenden Stoffe oder auf eine Temperatur, bei der in dem Halbleiterkörper bei Verfahren zum mechanisch festen Verbinden

einer drahtförmigen Elektrode mit einem kristallinen Halbleiterkörper 5 oder dessen flächenhaften Kontaktelektroden eines Halbleiterbauelementes

Anmelder:

15 Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. K. Boehmert ²⁰ und Dipl.-Ing. A. Boehmert, Patentanwälte, Bremen 1, Feldstr. 24

Beanspruchte Priorität: 25 V. St. v. Amerika vom 31. Oktober 1956 (Nr. 619 639)

Orson LaMar Anderson, Summit, N. J., und Howard Christensen, Springfield, N. J.

(V. St. Α.), sind als Erfinder genannt worden

40 Druck Fehlstellen des Kristallgitters auftreten, erhitzt werden, daß die miteinander zu verbindenden Flächen so zusammengedrückt werden, daß eine Änderung des Durchmessers der drahtförmigen Elektrode zwischen 10 und 30% hervorgerufen wird,

45 und daß diese Temperatur und dieser Druck 5 Sekunden bis 15 Minuten lang aufrechterhalten werden.

Der hier verwendete Ausdruck »Fehlstellen des Kristallgitters« bzw. »Dislokationen« betrifft Ab-

50 weichungen oder Unregelmäßigkeiten, die in einem halbleitenden kristallinen Gitter gegenüber der normalen oder regelmäßigen Gitteranordnung auftreten.

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Durch diese Dislokationen wird die normale Gitter- Wendung komplizierter und teurer Verdampfungsanordnung der Atome verzerrt oder verschoben. und Difrusionseinrichtungen, die ein genaues Arbeiten Diese Verzerrungen oder Verschiebungen in der unter hohem Vakuum erfordern, ist bei der Erfindung Gitterstruktur verändern die elektrischen Eigenschaf- nicht unbedingt erforderlich. Es können nach der ten von halbleitenden Stoffen. Siehe dazu z. B. den 5 Erfindung jedoch auch gute Verbindungen mit Artikel »Dislocations and Plastic Deformation« von Metallflächen auf Halbleiterkörpern od. dgl. herge-W. T. R e a d jr. in »Physics Today«, Vol. 6., S. 1 stellt werden, welche als Schicht aus leitendem Matebis 4, 1953. rial aufgedampft und/oder auflegiert wurden.

Bei Verbindungen, die nach der Erfindung herge- Die Vorbehandlung der miteinander zu verbindenstellt wurden, konnten keinerlei Diffusion an der Ver- io den Flächen erfordert bei der Erfindung lediglich bindungsstelle und keinerlei Schmelz- oder Le- eine gründliche mechanische Reinigung dieser gierungserscheinungen festgestelt werden, obwohl die Flächen, beispielsweise durch eine vibrierende oder Untersuchungen nach den modernsten und empfind- eine rotierende Drahtbürste. Die Vorbehandlung kann lichsten der bisher bekannten Methoden mit größter daher schnell und in billiger Weise durchgeführt wer-Sorgfalt angestellt wurden. 15 den. Wenn eine Oxydation einer oder beider der zu

Ein besonders wichtiges Anwendungsgebiet des verbindenden Flächen schädlich sein kann, soll die im folgenden auch Thermokompressorverfahren ge- Reinigung und die Herstellung der Verbindung, wie nannten neuen Verfahrens ist die Herstellung von oben erwähnt, vorzugsweise in einer nichtoxydieren-Transistoren, Halbleitergleichrichtern, Thermistoren, den Schutzatmosphäre erfolgen. Speicherelementen, ferroelektrischen Elementen u. dgl. 20 Da bei der gewählten besonderen Kombination von Mit Hilfe des neuen Verfahrens ist es möglich, solche Temperatur, Druck und Behandlungsdauer gemäß der Elemente in fast mikroskopischer Kleinheit herzu- Erfindung nur eine äußerst geringe Deformation des stellen, weil das Herstellen einer widerstandsfähigen, metallischen Körpers und kein Schmelzen eines der kleinflächigen, genau an die gewünschte Stelle ge- beiden miteinander zu verbindenden Körper in der setzte Verbindung zwischen einem dünnen Draht und 25 Nähe der Verbindungsstelle auftritt, kann die erhaleinem aus halbleitendem Material bestehenden Kör- tene Verbindung weder als Kaltschweißung noch als per sich bei dem neuen Verfahren in äußerst ein- Heißschweißung angesehen werden. Die zur Anwenracher Weise bewerkstelligen läßt. dung gelangenden Temperaturen sind nicht ausrei-

In einigen besonderen Fällen, insbesondere bei der chend, um die äußere Schicht eines der beiden mit-Herstellung von Gleichrichtern, welche halbleitende 30 einander zu verbindenden Körper zu entfernen oder Körper enthalten, kann es, nachdem die Verbindung seine Eigenschaften in anderer Weise zu verändern, hergestellt ist, erwünscht sein, den Halbleiter in der Hieran wird auch dadurch nichts geändert, daß bei Nähe der Verbindungsstelle durch eine kurzzeitige einer weiter unten zu beschreibenden Ausführungszusätzliche Erhitzung auf die eutektische Temperatur form des Verfahrens gemäß der Erfindung das Ende der Verbindungsstelle besonders zu ändern oder zu 35 eines Drahtes od. dgl., der mit einem Halbleiterkörper legieren, wie weiter unten näher erläutert. verbunden werden soll, vor Herstellung der Verbin-

Die Deformation des benutzten Metalls ist bei dung erhitzt wird. Diese Erhitzung beseitigt die inne-Herstellung einer Verbindung nach der Erfindung be- ren Spannungen in dem Drahtende und erzeugt ein deutend geringer als diejenige Deformation, die zur abgerundetes oder sogar kugelförmiges Ende des Herstellung einer Kaltschweißung oder Perkussions- 40 Drahtes.

schweißung erforderlich ist, d. h. der bei Herstellung Eine gute Verbindung nach der Erfindung wird

einer Verbindung nach der vorliegenden Erfindung nicht nur zwischen Flächen nennenswerter Größe ausgeübte Druck ist nicht ausreichend, um eine erzielt, sondern auch zwischen Flächen von mikro-Kaltschweißung oder Perkussionsschweißung zu er- skopisch kleinen Abmessungen. Die Erfindung ist zielen. 45 daher in hervorragendem Maße geeignet, um dünne

Verbindungen zwischen Metallen und kristallinen Drähte mit sehr kleinen halbleitenden Körpern zu Halbleiterstoffen, ζ. B. auch dielektrischen Kristallen verbinden, beispielsweise zwecks Herstellung von für oder keramischen Körpern, die nach der Erfindung Mikrowellen geeigneten Transistoren, Halbleiterhergestellt wurden, sind in mechanischer Hinsicht gleichrichtern, Speicherzellen und bei anderen Baubedeutend stärker als Verbindungen, die nach den 50 elementen, die außerordentlich kleine kristalline halbbisher bekannten Verfahren hergestellt wurden. Ab- leitende Körper, z. B. auch ferroelektrische oder reißversuche hatten bei Verbindungen nach der Er- keramische Körper, enthalten. Hierbei ist es von findung das Ergebnis, daß der Bruch in der Nähe der besonderem Vorteil, daß die Herstellung einer VerVerbindungsstelle auftrat. Die Verbindungsstelle bindung nach der Erfindung in keiner Weise die selbst blieb dabei intakt. Demgemäß soll der in der 55 elektrischen oder mechanischen Eigenschaften des vorliegenden Beschreibung gebrauchte Ausdruck halbleitenden, ferroelektrischen oder dielektrischen »mechanisch feste« Verbindung eine Verbindung be- Materials beeinträchtigt. Die Drähte für derartige zeichnen, die bei einem Abreißversuch nicht an der Bauelemente, die für Mikrowellenfrequenzen beVerbindungsstelle bricht. stimmt sind, können in manchen Fällen beispielsweise Thermokompressionsverbindungen nach der Erfin- 60 Durchmesser haben, die nur den Bruchteil eines dung können in einfacher, schneller, direkter und Millimeters betragen. Auch ganz feine Drähte können billiger Weise bei atmosphärischem Druck und im in sicherer Weise mit nichtmetallischen oder mit allgemeinen auch in Anwesenheit von atmosphärischer »brüchigen« Körpern verbunden werden. Luft hergestellt werden, außer in solchen Fällen, bei Es ist in diesem Zusammenhang darauf hinzudenen eine Oxydation schädlich sein kann. In diesem 65 weisen, daß ganz außerordentlich genaue, an sich Falle ist die Herstellung der Verbindung in einer bekannte Vorrichtungen und Verfahren zur Verfü-Schutzatmosphäre aus Wasserstoff oder einem ande- gung stehen, durch welche bereits der geringste Grad ren Schutzgas vorzuziehen bzw. erforderlich. Die An- der elektrischen oder mechanischen Beeinträchtigung

von. halbleitenden Körpern festgestellt werden kann. Auch die mit größter Gewissenhaftigkeit nach diesen Verfahren angestellten Untersuchungen haben ergeben, daß der halbleitende Körper durch eine Verbindung mit einem Draht od. dgl. nach dem Verfahren der Erfindung keinerlei Veränderung oder Verschlechterung erfährt. Dies steht im Gegensatz zu Verfahren, bei denen der Draht durch Löten oder durch andere Verfahren mit dem Halbleiter verbunden wird und bei denen höhere Temperaturen zur Anwendung gelangen als bei dem Verfahren nach der Erfindung. Für die beiden augenblicklich bevorzugt angewendeten Halbleiterstoffe Germanium und Silizium und bei Drücken, die Deformationen hervorrufen, wie sie bei dem Verfahren nach der Erfindung zur Anwendung gelangen, treten eine Fehlstellen oder Verschiebungen im Kristallgitter nicht auf, wenn man bei den genannten Stoffen unterhalb einer Temperatur von 400 bzw. 450° C bleibt.

Eine wesentliche Bedingung für das Verfahren nach der Erfindung zur Verbindung von Drähten od. dgl. mit halbleitenden Körpern besteht daher darin, daß die Temperaturen, bei denen die Verbindung hergestellt wird, kleiner sein müssen als die eutektische Temperatur der Kombination der zu verbindenden Stoffe sowie ferner kleiner als die Temperatur, bei welcher in dem halbleitenden Körper eine Fehlstelle oder Verschiebung auftritt. Mit anderen Worten: Die zur Anwendung gelangende Temperatur muß geringer sein als die kleinere der beiden genannten Temperaturen. Die in der Praxis zur Anwendung gelangende Temperatur ist vorzugsweise so hoch, wie die genannten Grenzen es zulassen. Der Grund hierfür liegt darin, daß dabei sowohl die Verfahrensdauer als auch die Wahrscheinlichkeit, daß keine »feste« Verbindung erhalten wird, auf ein Minimum reduziert werden.

Die Verbindungen nach der Erfindung können auch benutzt werden, um eine in hervorragendem Maße dichtende Verbindung zwischen Metall und keramischen Massen herzustellen.

Das Problem der Erfindung besteht mithin in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer »festen«, d. h. widerstandsfähigen Verbindung zwischen einem Metall und einem halbleitenden Körper, z. B. auch einem keramischen kristallinen Körper, insbesondere in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer »festen«, genau an der gewünschten Stelle befindlichen kleinflächigen Verbindung zwischen metallischen Drähten od. dgl. von geringem Querschnitt und den halbleitenden Körpern von Transistoren, Gleichrichtern, den für elektrische Gedächtniselemente bestimmten Zellen od. dgl. Eine wesentliche Bedingung darin besteht, daß keine Verschlechterung der elektrischen oder mechanischen Eigenschaften des halbleitenden Körpers eintreten soll.

Das Wesen des Verfahrens nach der Erfindung besteht in den folgenden Verfahrensschritten: Die miteinander zu verbindenden Flächen werden mechanisch gereinigt, der metallische Draht od. dgl. und der Halbleiterkörper od. dgl. werden auf eine Temperatur gebracht, die mindestens 100° C beträgt, jedoch geringer ist als die eutektische Temperatur der Kombination der beiden Stoffe sowie auch geringer als die Temperatur, bei der in dem kritallinen Halbleiterkörper eine Fehlstelle auftritt. Die beiden miteinander zu verbindenden Flächen werden einem Druck ausgesetzt, welcher ausreichend ist, um eine Deformation des Metalls von wenigstens 10%, jedoch nicht mehr als 3O°/o zu erzeugen, und die genannte Temperatur und der genannte Druck werden während einer Dauer von 5 Sekunden bei einer Viertelstunde aufrechterhalten. Als Halbleiterstoff gelangt vorzugsweise Germanium zur Anwendung. Der Metalldraht kann beispielsweise aus Gold oder Aluminium bestehen. Besteht der Metalldraht aus Aluminium, so

ίο wird die Erhitzung in einer Schutzatmosphäre aus Wasserstoff vorgenommen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbedspiels an Hand der Zeichnung hervor.

Fig. 1 zeigt in schematischem Querschnitt die Vorrichtung zur Herstellung einer Verbindung nach der Erfindung;

Fig. 2 zeigt schematisch und in vergrößerter Darstellung die Anwendung des Verfahrens auf die Verbindung von Metalldrähten mit einem für Mikrowellenfrequenzen betimmten Halbleiterkörper;

Fig. 3 zeigt, ebenfalls schematisch und in vergrößerter Darstellung, die durch die Erfindung ermöglichte, außerordentlich starke Verkleinerung eines Halbleiterelements;

Fig. 4 und 5 erläutern die Vorbehandlung eines Drahtes geringen Durchmessers und die Verbindung dieses Drahtes mit einem Halbleiterkörper.

Fig. 1 zeigt einen Tisch 24 einer Presse, der eine Aushöhlung hat, in welcher er ein kleines kristallines Silizium- oder Germaniumplättchen oder eine Platte aus keramischem kristallinem Material 22 derart aufnehmen kann, daß die Platte gegen einen von oben her wirkenden Druck gehalten wird. Der Stempel 10 der Presse hat unten einen zugespitzten oder keilförmig ausgebildeten Ansatz 16, der einen Druck auf einen Punkt oder eine Linie eines kleinen Vorsprunges 20 an der Oberfläche des Halbleiterkörpers 22 ausüben kann. Die Form oder Größe des HaIbleiterkörpers 22 ist hinsichtlich der Herstellung einer Verbindung nach der Erfindung unwesentlich. Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches eine leichte und genaue Herstellung und Behandlung des Halbleiterkörpers hinsichtlich der Bemessung derjenigen Teile desselben gewährleistet, die für die gewünschte Arbeitsweise eines für hohe Frequenzen geeigneten Halbleiterbauelementes wesentlich sind.

Bei der Herstellung außerordentlich kleiner Halbleiterbauelemente, wie Transistoren od. dgl., ist es erforderlich, daß vor der Anwendung des Preßdruckes entweder der Preßtisch 24 oder der Stempel 10 oder beide genau ausgerichtet werden, und zwar sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines Mikromanipulators geschehen, der in Verbindung mit einem Mikroskop benutzt wird, und der es gestattet, bei beginnender Absenkung des Stempels die beiden miteinander zu verbindenden Teile genau zu beobachten und auszurichten. Eine solche Einrichtung gestattet es ferner, die Deformation des mit dem Halbleiterkörper od. dgl. zu verbindenden Metallteiles während des Verfahrens genau zu beobachten und zu regeln. Da derartige Vorrichtungen zum bekannten Stand der Technik gehören, erübrigt sich eine nähere Beschreibung oder eine Darstellung derselben in der Zeichnung.

Zwischen die Oberfläche der Erhöhung 20 des Teiles 22 und die Spitze oder Kante des Einsatzes 16

des Stempels 10 wird ein Drahtstück aus geeignetem leitendem Material gebracht, so daß es unterhalb der Spitze oder Kante des Einsatzes 16 gegen die obere Fläche des Vorsprunges 20 mit einem vorherbestimmten Preßstempeldruck auf den Draht gedrückt werden kann. Dieser Draht kann beispielsweise aus Gold, Silber, dem Eutektikum von Aluminium und Silizium, aus Aluminium, Kupfer, für bestimmte Zwecke aus goldplattiertem Kupfer, silberüberzoge-

dung auch beispielsweise bei Silizium und Germanium durchgeführt werden, deren Fließpunkte erheblich über diesem Wert liegen.

Die Dauer oder die Behandlungszeit, während derer der Druck und die Temperatur aufrechterhalten werden und die erforderlich sind, um eine widerstandsfähige Verbindung nach der Erfindung zu erzielen, ändert sich selbstverständlich mit der Tem-

Preßtisch, das untere Ende des Stempels und die dazwischenliegenden Werkstücke auf eine Temperatur zu erhitzen, die für die Herstellung einer Ver-

pany, Inc., 1956, insbesondere Fig. 6.28 auf S. 267), unterscheidet sich die Verbindung nach der Erfindung einwandfrei von einer Kalt- oder Perkussionsschweißung.

Es ist ferner von Interesse, daß in der genannten Literaturstelle ausgeführt ist, daß eine KaItschweißung überhaupt nicht möglich ist, wenn der Fließpunkt der zur Verwendung gelangenden Stoffe über 21 kg pro Quadratmillimeter liegt. Bei Anwen-

nem Gold oder aus mit Zinn, Antimon, Indium oder io dung des Verfahrens nach der Erfindung jedoch kann Gallium überzogenem Kupfer, Aluminium od. dgl. eine widerstandsfähige Thermokompressionsverbinbestehen. Jedes dieser Metalle ist, wie dem Fachmann
bekannt, für einen bestimmten speziellen Zweck besonders geeignet. Wenn eine punktförmige Verbindung gewünscht wird, muß der Einsatz 16 eine Spitze 15
der gewünschten Größe haben. Wird eine linienförmige Verbindung gewünscht, so muß das untere
Ende des Einsatzes 16 entsprechend der Größe des
gewünschten Linienkontaktes keilförmig ausgebildet
sein. 20 peratur der Oberflächenvorbehandlung und den all-

Es sind ferner Vorrichtungen vorgesehen, um den gemeinen Bedingungen sowie mit der Art der Stoffe,

die miteinander verbunden werden sollen.

Ein Golddraht beispielsweise kann sicher mit einem Germaniumstück in weniger als einer Minute bindung nach der Erfindung geeignet ist. Die in Fig. 1 25 bei einer Temperatur von 200° C und einer Deforbeispielsweise dargestellte Heizeinrichtung enthält mation des Goldes von 20% nach gründlicher Reinielektrische Heizwicklungen 14 und 28 mit den Zu- gung der miteinander zu verbindenden Flächen Verleitungen 12 bzw. 26. Diese Heizwicklungen bringen bunden werden, wenn der Vorgang einschließlich der die miteinander zu verbindenden Stücke und die an- vorhergehenden Reinigung in einer Wasserstoffatmoliegenden Teile der Presse auf eine vorherbestimmte, 30 Sphäre bei etwas weniger als normalem Atmosphärengeeignete Temperatür. Die angewandte Temperatur druck durchgeführt wird. Widerstandsfähige Verbin- und der angewandte Druck sind in keinem Falle so düngen dieser Art wurden sogar schon in nur 5 Sehoch, daß sie die mechanischen oder die elektrischen künden erzielt.

Eigenschaften der beiden miteinander zu verbinden- Werden die Verbindungen nach dem gleichen Ver-

den Stücke beeinträchtigen. Die Temperatur beträgt 35 fahren unter bis auf die Fortlassung der Wasserstoffwenigstens 100° C, vorzugsweise jedoch einige hun- atmosphäre identischen Bedingungen in normaler, dert Grad. Sie liegt in allen Fällen erheblich unter- reiner Laboratoriumsluft hergestellt, so erweisen sich halb der Temperatur, bei der die Stoffe schmelzen, bei einer Behandlungsdauer von nicht mehr als einer und darüber hinaus, wie oben erwähnt, im Falle der Minute nur etwa 30% der erstellten Verbindungen Behandlung von Halbleiterkörpern sowohl unterhalb 40 als »fest«. Wird die Behandlungsdauer jedoch auf der eutektischen Temperatur der betreffenden Korn- etwa 10 Minuten in reiner Laboratoriumsluft erhöht, bination der miteinander zu vereinigenden Stoffe als so erweisen sich mindestens 95 % der hergestellten auch unterhalb der Temperatur, bei der in dem Halb- Verbindungen als »fest«.

leiterkristall bei dem angewandten Arbeitsdruck eine Mit anderen Worten: Wenn ein Minimum an Be-

Fehlstelle oder Verschiebung auftritt. Die erzielte 45 handlungszeit erwünscht ist, müssen die miteinander Verbindung ist daher keine Verbindung derjenigen zu verbindenden Flächen gründlich gereinigt sein, Art, wie sie durch Löten oder Heißschweißen erzielt und es muß die Verbindung in einer von Sauerstoff wird. Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, ein freien Atmosphäre hergestellt werden.
Löt- oder Flußmittel zu benutzen. Wenn es dagegen wünschenswerter erscheint, keine

Bestimmte Stoffe, wie z. B. Germanium, Silizium, 50 Schutzatmosphäre zu verwenden, können »feste« keramische Massen oder dielektrische Kristalle sind, Verbindungen zwischen den meisten Metallen und wie dem Fachmann bekannt, bei den erfindungs- Halbleiterstoffen bei einer Temperatur von 250° C gemäß zur Anwendung gelangenden Temperaturen und einer Metalldeformation von 20% oder weniger praktisch nicht deformierbar, sondern sie zerspringen hergestellt werden, wenn die Behandlungsdauer auf lediglich, wenn der auf sie ausgeübte Druck zu groß 55 etwa 10 bis 15 Minuten gesteigert wird und die mitwird. Bei der Behandlung dieser Stoffe nach dem einander zu verbindenden Flächen kurz vor der Be-Verfahren soll die ausgeübte Kraft derart sein, daß handlung mechanisch gereinigt wurden. Bei AIuder Metalldraht an der dem Druck ausgesetzten Stelle minium oder ähnlichen Stoffen, die rasch an der Luft eine Deformation, d. h. eine Zusammendrückung, von oxydieren, muß die Reinigung unmittelbar vor der 10 bis 20%, in keinem Falle jedoch mehr als 30% 60 Herstellung der Verbindung vorgenommen werden, erleidet. Für die meisten anderen Stoffe kann nach der Reini-

Da bei der Herstellung einer Kalt- oder Perkus- gung eine Zeit bis zu etwa 10 Minuten vergehen, sionsschweißung auf die miteinander zu verbindenden wenn sie sich in reiner Laboratoriumsluft befinden.
Stoffe eine Kraft ausgeübt werden muß, die eine Die angeführten Ausführungsbeispiele sowie eine

Deformation von 50 bis 80% hervorruft (vgl. bei- 6g Reihe weiterer Ausführungsbeispiele, bei denen spielsweise das Buch »Handbook of Fastening and »feste« Verbindungen nach der Erfindung erzielt Joining of Metal Parts« von Laughner und wurden, sind in den nachstehenden Tabellen I und II Hargan, Herausgeber McGraw-Hill Book Com- aufgeführt.

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Tabelle I Verbindungen zwischen Halbleitern und Metallen

Miteinander verbundene Stoffe	Behandlungs temperatur	Behandlungszeit	Eutektische Temperatur der Kombination	Temperatur, bei welcher in dem Halbleiter Fehlstellen auftreten
Gold—Germanium Gold—Germanium Gold—Germanium Aluminium—Germanium * .... Gold—Silizium	300° C 300° C 200° C 300° C 300° C	15 Sekunden Wasserstoff atmosphäre 5 Minuten reine Luft 10 Minuten reine Luft 10 Minuten Wasserstoff atmosphäre 10 Minuten Wasserstoff atmosphäre	356° C 356⁰C 356° C 425° C 375° C	400° C 400° C 400° C 400° C 450° C

* Die Aluminium-Germanium-Verbindung ist ein Beispiel, bei dem die Temperatur zur Bildung von Fehlstellen geringer ist als die eutektische Temperatur der Kombination.

Tabelle II Verbindungen zwischen brüchigen Stoffen und Metallen

Miteinander verbundene Stoffe	Behandlungs temperatur	Behandlungs zeit	Schmelz temperatur des brüchigen Stoffes
Silber—keramischer Stoff aus Al₂ O₃ Silber—Steatit	300° C 300° C 300° C	2 Stunden 1 Stunde 2,5 Stunden	1100° C > 1000° C > 1000° C
Silber—Bariumtitanat

Anmerkung: Alle nichtmetallischen Stoffe der Tabellen werden in der vorliegenden Beschreibung als unter den Begriff »brüchige Stoffe« fallend betrachtet.

Thermokompressionsverbindungen nach der Erfindung wurden bei einer großen Anzahl verschiedener Stoffkombinationen mit geregelten, jedoch voneinander abweichenden Temperaturen, Drücken und Behandlungszeiten hergestellt, von denen die vorstehend angeführten als Beispiele genannt wurden. Schält man aus den verschiedenen Bedingungen das Gemeinsame heraus, so lassen sich die folgenden Grundsätze aufstellen.

Die Temperatur der miteinander zu verbindenden Stücke soll so hoch als möglich sein, jedoch nicht die folgenden Grenzen überschreiten:

1. Die Temperatur soll geringer sein als die Temperatur, bei welcher einer der beiden Stoffe weich zu werden oder zu schmelzen beginnt.

2. Falls einer der beiden miteinander zu verbindenden Stoffe ein Halbleiter ist, soll die Temperatur geringer sein als die niedrigere der beiden nachstehend genannten Temperaturen:

a) die eutektische Temperatur für die jeweils vorliegende Kombination von Stoffen;

b) die Temperatur, bei welcher bei dem Behandlungsdruck in dem Halbleiterkristall Fehlstellen oder Verschiebungen auftreten.

Der bei der Behandlung auf die Werkstücke ausgeübte Druck soll derart gewählt werden, daß die Deformation des metallenen Körpers vorzugsweise zwischen 10 und 20% liegt, in keinem Falle jedoch 30 °/o überschreitet.

Die Behandlungsdauer, während welcher diese Temperatur und dieser Druck aufrechterhalten werden, kann zwischen wenigen Sekunden und mehreren Stunden schwanken. Sie hängt ab von der Art der miteinander zu verbindenden Stoffe, der Reinheit der miteinander zu verbindenden Flächen, der angewendeten Temperatur und der Atmosphäre, die die Werkstücke während der Behandlung umgibt.

Wenn es sich darum handelt, einen Metalldraht mit einem Halbleiterstoff zu verbinden, schwankt die Behandlungszeit im allgemeinen zwischen wenigen Sekunden und einer Viertelstunde. Wenn eine »feste« Verbindung zwischen einem Metall und einem keramischen kristallinen Körper, also zwischen einem Metall und einem »brüchigen« Stoff, hergestellt werden soll, ist im allgemeinen eine Behandlungsdauer von mehreren Stunden erforderlich.

Fig. 2 zeigt in stark vergrößerter Darstellung einen Grad der Verkleinerung eines Transistors, wie er von der Fachwelt angestrebt wird.

Das Bezugszeichen 40 der Fig. 2 stellt einen Block aus halbleitendem Material dar. Germanium oder Silizium wird hierfür zur Zeit am meisten verwendet. Der Block 40 kann beispielsweise quadratisch ausgebildet sein und eine Kantenlänge von 1,27 mm und eine Stärke von 0,13 mm haben. Es sei beispielsweise angenommen, der Block 40 bestehe aus halbleitendem p-Typ-Material. Es wird eine dünne Schicht n-Typ-Materials auf ihn aufgebracht, indem diese in bekannter Weise auf die obere Fläche des Blocks 40 aufgedampft und aufdiffundiert wird. Eine kreisförmige Erhebung 42 wird dadurch erzielt, daß die obere Fläche des Blocks 40 in an sich bekannter

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Weise teilweise abgedeckt und dann geätzt wird. Der Durchmesser der Erhebung 42 kann beispielsweise 0,20 mm betragen und die obere Fläche der Erhebung 42 sich um 0,02 mm über die verbleibende Fläche des Blocks 40 erheben.

In an sich bekannter Weise werden auf der Erhebung 42 Elektroden 44 und 46 gebildet, indem man dünne Streifen aus Aluminium bzw. Gold auf die obere Fläche der Erhebung 42 auflegiert. Wenn der Transistor für Frequenzen von etwa 500 Meghertz bestimmt ist, sind die Elektroden 44 und 46 beispielsweise parallele Streifen von etwa 0,15 mm Länge und 0,02 mm Breite, die durch einen 0,02 mm breiten Zwischenraum voneinander getrennt sind.

Nach der bisher üblichen Praxis müßten nun auf die Elektroden 44 und 46 elektrische Zuleitungen als Drähte aufgelötet werden, die aus schmalen Streifen bestehen. Der Streifen 50 ist aus Aluminium und der Streifen 48 aus Gold. Dies hat aber aus naheliegenden Gründen erhebliche Schwierigkeiten und erfordert darüber hinaus eine ganz außerordentlich große Sorgfalt, um nicht den ganzen Transistor und den Halbleiterkörper zu beschädigen. Zur Lösung dieses Problems hat man daher vorgeschlagen, Zuleitungen als Drähte oder Streifen zu verwenden, welche federnde Kontaktdrähte berühren, die sich gegen die Elektroden legen. Diese Lösung ist jedoch äußerst ungeeignet, wenn der Transistor mechanischen Schwingungen oder Stoßen ausgesetzt ist, da die federnden Kontakte dann nicht die gewünschte Stellung behalten.

Die Arbeiten zur Auffindung eines besseren und weniger schwierigen Verfahrens zur Befestigung der Zuleitungen an den Elektroden des Halbleiterkörpers führten zu der vorliegenden Erfindung, d. h. zur »Thermokompressionsverbindung«, bei welcher sowohl der Block 40 als auch der Draht 50 bzw. der Draht 48 auf eine Temperatur erhitzt werden, die vorzugsweise einige hundert Grad über der Raumtemperatur liegt, jedoch geringer ist als die eutektische Temperatur und die Dislokationstemperatur, und bei der der Draht derart gegen die Elektrode 44 bzw. die Elektrode 46 gepreßt wird, daß er eine Deformation zwischen 10 und 20% erleidet, und die Temperatur und der Druck 5 Sekunden bis eine Viertelstunde lang aufrechterhalten werden. Durch dieses Verfahren werden »fette« Verbindungen der Drähte 50 und 48 mit den Elektroden 44 und 46 erzielt. Die Elektrode 44 stellt, wie bekannt, den Emitter dar, während die Elektrode 46 die Basiselektrode des Transistors bildet. Die Kollektorzone ist der Block 40, der infolge seiner größeren Abmessungen und seiner weniger kritischen Natur leicht in an sich bekannter Weise mit einer Elektrode und Zuleitung versehen werden kann.

In Fig. 3 ist ein Transistor der in Fig. 2 beschriebenen Art in ebenfalls starker Vergrößerung dargestellt, dessen Abmessungen noch weiter verkleinert sind. Er entspricht der Anordnung nach Fig. 2, jedoch hat die Erhebung 62 einen Durchmesser von nur 0,07 mm.

Darüber hinaus wurden auf den Block der Fig. 3 im Gegensatz zu der Anordnung nach Fig. 2 keine »Elektroden« aufgebracht. Das Ende eines Aluminiumdrahtes 66, der einen Durchmesser von beispielsweise 0,018 mm hat, ist direkt mit der Oberfläche der Erhebung 62 verbunden. Die Verbindungsfläche dient in diesem Falle als Emitterelektrode. In ähnlicher Weise ist das Ende eines Golddrahtes 64 von ebenfalls 0,018 mm Durchmesser in einem Abstand von 0,010 mm von dem Aluminiumdraht direkt mit der Oberfläche der Erhebung 62 verbunden und dient als Basiselektrode. Ein solcher Transistor arbeitet bei einer Frequenz von 1500 Meghertz zufriedenstellend. Die Herstellung eines für derartige Frequenzen geeigneten, vollkommen einwandfrei arbeitenden Transistors, wie er in Fig. 3 dargestellt ίο und vorstehend beschrieben ist, wurde von der Fachwelt bisher als unmöglich angesehen, da die mechanischen Schwierigkeiten der Herstellung eines derart verkleinerten Transistors bei Anwendung der bisher bekannten Verfahren unüberwindlich schienen.

Es ist darauf hinzuweisen, daß auch bei der Anordnung nach Fig. 2 die Elektroden 44 und 46 in Fortfall kommen und die Enden der Ausleitungen 50 und 48 entsprechend der Anordnung nach Fig. 3 direkt mit dem Block verbunden werden können.

Dies ist deshalb möglich, weil die Elektroden 44 und 46 in der Hauptsache nur den Zweck hatten, ein Anlöten der Ausleitungen zu ermöglichen. Wird jedoch eine Verbindung nach der Erfindung erstellt, so ist dies nicht erforderlich.

In Fig. 4 und 5 ist die Herstellung einer Thermokompressionsverbindung nach der Erfindung erläutert, wie sie gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zur Herstellung von Transistoren od. dgl. außerordentlich kleiner Abmessungen zur Anwendung gelangt.

Fig. 4 zeigt einen metallenen Leiter oder Draht 100, der beispielsweise aus Gold oder Aluminium besteht und einen Durchmesser von 0,018 mm hat. Als Vorstufe zur Herstellung einer Verbindung nach der Erfindung wird sein Ende erhitzt, bis das Metall weich wird. Die Oberflächenspannung bewirkt dabei, daß sein Ende 102 eine runde oder sogar eine im wesentlichen kugelförmige Gestalt annimmt. Der Durchmesser der Kugel ist etwa doppelt so groß wie der des Drahtes, beispielsweise 0,036 mm. Der Draht wird dann langsam auf eine Temperatur abgekühlt, die erheblich niedriger ist als die Temperatur, bei der das Metall zu erweichen beginnt. Diese Vorbehandlung hat den Zweck, etwaige Spannungen in dem Metall am Ende des Drahtes auszugleichen, sowie den weiteren Zweck, Verunreinigungen an die Oberfläche zu bringen, wo sie leicht entfernt werden können.
Das abgerundete Ende des Drahtes erleichtert die Herstellung einer Verbindung nach der Erfindung. Dies ist in Fig. 5 dargestellt. Bei Anlegung des Druckes wird das abgerundete Ende 102 des in Fig. 4 dargestellten Drahtes 100 etwas abgeflacht, wie in Fig. 5 angedeutet. Der Block 106 der Fig. 6 kann beispielsweise ein quadratisches Plättchen aus Germanium oder Silizium vom p-Typ sein, das an seiner oberen Fläche mit einer dünnen Schicht versehen ist, welche in n-Typ-Material verwandelt ist. Das Plättchen kann eine Kantenlänge von etwa 1,27 mm und eine Stärke von etwa 0,13 mm haben. Das abgeflachte Ende 104 des Drahtes 100 der Fig. 5 kann nach Herstellung der Verbindung nach der Erfindung als Maske dienen und der restliche Teil der oberen Fläche des Blockes 106 gewünschtenfalls fortgeätzt werden, wie durch die gestrichelten Linien 108 angedeutet. Dies ermöglicht die Anbringung einer zweiten Elektrode auf dem durch das Ätzen freigelegten p-Typ-Material, in unmittelbarer Nach-

barschaft der Erhebung aus n-Typ-Material und unterhalb des abgeflachten Endes 104 des Leiters 100. Die Herstellung der Verbindung der zweiten Elektrode mit dem Block 106 bietet keine Schwierigkeiten.

Ein Aluminiumdraht, der gemäß dem Verfahren der Erfindung, beispielsweise wie in Fig. 5 dargestellt, fest mit einem Siliziumblock verbunden ist, ist ein für viele Zwecke hervorragend geeigneter Halbleitergleichrichter. Ein weiterer, sehr brauchbarer Gleichrichter wird erhalten, wenn man einen Aluminiumdraht oder einen Aluminiumstreifen in der in Fig. 1 dargestellten Weise mit einem Siliziumblock verbindet. Falls seine Gleichrichterwirkung nicht genügend ausgeprägt erscheint, kann sie leicht verbessert werden, indem man nach der Herstellung der Verbindung und der langsamen Abkühlung auf Zimmertemperatur für die Dauer von 1 oder 2 Sekunden auf die eutektische Temperatur von Silizium und Aluminium erhitzt. ao

Zahlreiche andere Anwendungsmöglichkeiten der Verwendung einer Thermokompressionsverbindung nach der Erfindung zur Herstellung von Halbleiterbauelementen od. dgl. außerordentlich kleiner Abmessungen liegen für den Fachmann auf der Hand. Es kann beispielsweise eine Reihe außerordentlich kleiner Metallstücke gleichzeitig mit einer Unterlage aus keramischer Masse verbunden werden, um eine Klemmleiste zu erhalten, oder eine Mehrzahl von Zuleitungen kann gleichzeitig mit einer gleichen Anzahl von Speicherelementen verbunden werden, die auf einem gemeinsamen Kristallkörper aus Bariumtitanat angeordnet sind. Als weiteres Beispiel sei folgendes ausgeführt: Bei einer auf eine Unterlage aus keramischer Masse od. dgl. »gedruckten« Schaltung sehr kleiner Dimensionen werden geeignete Punkte der Schaltung durch eine Verbindung nach der Erfindung mit einer Zuleitung versehen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum mechanisch festen Verbinden einer drahtförmigen Elektrode mit einem kristallinen Halbleiterkörper oder dessen flächenhaften Kontaktelektroden eines Halbleiterbauelementes, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander zu verbindenden Flächen mechanisch gereinigt werden, daß die drahtförmige Elektrode und der Halbleiterkörper auf eine Temperatur zwischen 100° C und der eutektischen Temperatur der zu verbindenden Stoffe oder auf eine Temperatur, bei der in dem Halbleiterkörper bei Druck Fehlstellen des Kristallgitters auftreten, erhitzt werden, daß die miteinander zu verbindenden Flächen so zusammengedrückt werden, daß eine Änderung des Durchmessers der drahtförmigen Elektrode zwischen 10 und 30% hervorgerufen wird, und daß diese Temperatur und dieser Druck 5 Sekunden bis 15 Minuten lang aufrechterhalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drahtförmige Elektrode aus Gold und der Halbleiterkörper aus Germanium hergestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drahtförmige Elektrode aus Aluminium und der Halbleiterkörper aus Germanium hergestellt wird, und daß die Erhitzung in einer Wasserstoffatmosphäre vorgenommen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung T 6047 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 17. 9. 1953);
französische Patentschrift Nr. 1 066 234;
schweizerische Patentschrift Nr. 301 205.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen