DE1139923B

DE1139923B - Legierungsform fuer Halbleiteranordnungen

Info

Publication number: DE1139923B
Application number: DEJ18781A
Authority: DE
Inventors: Noble E Hamilton
Original assignee: ELEKTRONIK MBH; TDK Micronas GmbH
Current assignee: ELEKTRONIK MBH; TDK Micronas GmbH
Priority date: 1959-10-06
Filing date: 1960-09-28
Publication date: 1962-11-22
Also published as: US3127646A

Description

Die Erfindung betrifft eine Legierungsform zum Herstellen von Halbleiteranordnungen, insbesondere Transistoren, welche legierte pn-Übergänge auf entgegengesetzten Seiten eines Halbleiterplättchens und einen ohmschen Kontakt besitzen.

Der im folgenden gebrauchte Ausdruck »Kontakt« soll sowohl gleichrichtende als auch nicht gleichrichtende Kontakte umfassen.

Das gegenwärtig am häufigsten verwendete Verfahren zum Herstellen von Halbleiteranordnungen besteht in dem Einlegieren von Legierungspillen oder Plättchen in einen Körper aus Halbleitermaterial des gewünschten Leitfähigkeitstyps. Zum Legieren werden der Halbleiterkörper und das Legierungsmaterial gewöhnlich in passender Lage zueinander in einer Legierungsform untergebracht und zusammengepreßt, um einen mechanischen Kontakt zwischen dem Legierungsmaterial und der Oberfläche des Halbleiterkörpers zu erzeugen. Anschließend wird die gefüllte Legierungsform in einen Legierungsofen gebracht. Gewöhnlich wird gleichzeitig auch die nicht gleichrichtende Basiselektrode mit einlegiert.

Bei der Herstellung des pn-Überganges während des Legierens ist es wichtig, daß das Legierungsmaterial die Oberfläche des Halbleiterkörpers benetzt. Eine schlechte Benetzung während des Legierungsvorganges verursacht schlechte elektrische Eigenschaften der Halbleiteranordnungen. Bei den gebräuchlichen Legierungsverfahren wird gewöhnlich die obere Oberfläche des Halbleiterkörpers besser als die untere Oberfläche benetzt. Die Bezeichnungen »obere« und »untere« beziehen sich auf die Lage des Halbleiterkörpers während der Behandlung im Legierungsofen. Die unterschiedliche Benetzung wird gewöhnlich durch die Unterschiede im Kontaktdruck zwischen der oberen Legierungspille und der oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers einerseits und der unteren Legierungspille und der unteren Oberfläche des Halbleiterplättchens andererseits hervorgerufen. Dieser Unterschied beruht darauf, daß das Legierungsmaterial unterhalb des Halbleiterplättchens in einer Vertiefung am Boden der Legierungsform untergebracht ist. Wegen der durch die Fertigung bedingten Toleranzen in der Abmessung der Vertiefungen und im Volumen des Legierungsmaterials kann ein gleichmäßiger Druck nicht erreicht werden.

Zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten sind früher bereits zahlreiche Versuche mit unterschiedlichem Erfolg unternommen worden. Eine bekannte Lösung besteht in der doppelten. Legierung, bei der der Legierungsvorgang in zwei Schritten durchgeführt wird und das Halbleiterplättchen zwischen den beiden Legierungsform für Halbleiteranordnungen

Anmelder:
Intermetall, Gesellschaft für Metallurgie

und Elektronik m. b. H.,
Freiburg (Breisgau), Hans-Bunte-Str. 19

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 6. Oktober 1959 (Nr. 844 765)

Noble E. Hamilton, Belmont, Mass. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Durchgängen durch den Ofen gedreht wird, so daß die Oberfläche des Halbleiterplättchens, die legiert wird, immer oben liegt. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung von umständlichen Feder- und Kolbenanordnungen, um einen gleichmäßigen Druck sowohl für die obere als auch für die untere Oberfläche des Halbleitermaterials zu erhalten. Beide dieser Möglichkeiten zur Lösung des Problems zeigen befriedigende Ergebnisse, sie sind jedoch beide sehr aufwendig und erfordern zusätzliche Arbeitsgänge oder komplizierte Anordnungen.

Es ist auch bereits bekannt, Legierungsformen mit Bohrungen zu versehen, durch die das flüssige Legierungsmaterial auf die gewünschte Stelle des vorher eingelegten Halbleiterkörpers geleitet wird. Es ist zum Beispiel eine Vorrichtung bekannt, in der das Halbleiterplättchen senkrecht angeordnet ist und das Legierungsmaterial den beiden Oberflächen seitlich zugeführt wird. Die Bohrungen in den bekannten Vorrichtungen haben ausschließlich die Aufgabe, das geschmolzene Legierungsmaterial an die gewünschte Stelle der Oberfläche des Halbleiterplättchens zu leiten. Das Problem des unterschiedlichen Legierungsdruckes auf der oberen und unteren Oberfläche des Halbleiterplättchens wird damit nicht gelöst.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine neue Legierungsform zu schaffen, welche die Schwierigkeiten der bekannten Verfahren beseitigt. Insbesondere sollen es die Legierungsformen nach der

Erfindung ermöglichen, gleichrichtende und/oder ohmsche Kontakte auf beiden Oberflächen eines Halbleiterplättchens gleichzeitig und mit gleich-

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mäßigem oder regelbarem Druck beim Legieren herzustellen. Weiterhin sind die Legierungsformen nach der Erfindung einfach konstruiert, leicht zu handhaben und ohne größere Materialkosten im Vergleich zu. den bekannten Anordnungen herzustellen. Sie besitzen geeignete Vertiefungen" und Aussparungen zur Aufnahme und Fixierung des Legierungsmaterials und des Halbleiterkörpers und zeichnen sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß-mindestens eine an der unteren Oberfläche: des Halbleiterplättchens anliegende, das Legierungsmaterial aufnehmende Aussparung mit einem im Formkörper verlaufenden Kanal in Verbindung steht, in den während des Legierungsvorgangs überschüssiges geschmolzenes Legierungsmaterial eindringen kann und dessen Innenabmessungen so gewählt sind, daß die Oberflächenspannung der eingedrungenen Schmelze einen Druck auf die gesamte Legierungsschmelze ausübt.

Die Legierungsform nach der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den senkrechten Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Legierungsform nach der Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine entsprechende Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Legierungsform 10 dargestellt, welche in ihrer grundsätzlichen Ausbildung bekannt ist. Der ausschnittsweise dargestellte Unterteil 12 ist der Hauptbestandteil der Legierungsform. Es können einzahle Legierungsformen hergestellt werden. Bei der Massenfertigung ist es jedoch üblich, eine Mehrzahl solcher Einzelformen zur Aufnahme zahlreicher zu legierender Anordnungen zusammenzufassen. Der Unterteil 12 kann aus irgendeinem geeignetem Material hergestellt werden, welches durch die darin untergebrachten Elemente weder benetzt wird noch mit diesen reagiert. Für Halbleiteranordnungen aus Germanium werden gewöhnlich Legierungsformen aus Graphit verwendet.

Für jede zu legierende Halbleiteranordnung enthält der Unterteil 12 eine flache Vertiefung 14, deren Abmessungen so ausgebildet sind, daß sie den zu legierenden Halbleiterkörper aufnehmen kann. Die in Fig. 1 dargestellte Legierungsform ist speziell für die Herstellung von Transistoren eingerichtet, die aus einem kreisförmigen Halbleiterplättchen bestehen und einen im Mittelpunkt befindlichen Emitter besitzen, der von einem Basisring konzentrisch umgeben wird und die beide an der unteren Oberfläche des Halbleiterplättchens anliegen. Dementsprechend besitzt die Vertiefung 14 einen zylindrischen Querschnitt und hat an ihrem Boden geeignete Aussparungen zur Aufnahme der Emitter- und Basisringanordnungen. Im vorliegenden Falle besitzt der Boden der Vertiefung 14 zunächst eine zentral gelegene kreisförmige Aussparung 16, welche das Legierungsmaterial zur Herstellung des Emitterüberganges aufnehmen kann.

Die Aussparung 16 ist von einer etwas flacheren ringförmigen Aussparung 18 konzentrisch umgeben, welche das Lötmaterial für den ohmschen Basiskontakt aufnehmen kann. In Fig. 1 ist die Legierungsform 10 mit einem Halbleiterplättchen 20 beladen und die Aussparungen 16 und 18 mit dem Emittermaterial 22 und dem Basisring24. Das Plättchen 20 wird in seiner Stellung gehalten und auf den Boden der flachen Vertiefung 14 mit Hilfe eines rohrförmigen Gebildes 26 gepreßt, das gewöhnlich aus dem gleichen Material wie die Legierungsform, beispielsweise aus Graphit, besteht. Das Rohr 26 ist so ausgebildet, daß es in die Vertiefung 14 gleiten kann und auf dem äußeren Rand des Halbleiterplättchens 20 ruht, wobei es im wesentlichen über dem Basisring in der Vertiefung 18 zu liegen kommt. Das Innere des Rohres 26 stimmt in seiner Ausbildung, Lage und Abmessung mit dem auf der oberen Oberfläche des Halbleiterplättchens 20 zu bildenden Kollektorübergang überein. Wenn daher eine zur Herstellung des Kollektors bestimmte Legierungspille oder ein Legierungsplättchen 28 in dem Rohr 26 liegen, befinden sich diese automatisch an der richtigen Stelle der oberen Oberfläche des Halbleiterplättchens 20 und werden an dieser gehalten. Ein zyünderförmiges Gewicht 30, das in dem Rohr 26 frei gleiten kann, dient zur Erzeugung des Legierungsdruckes für das Kollektorplättehen 28.

Der bisher beschriebene Aufbau ist bekannt. Nach der vorliegenden Erfindung ist ein Kanal vorgesehen, dessen eines Ende mit mindestens einer der Aussparungen auf dem Boden der Vertiefung 14 in offener Verbindung steht. Nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 besteht der Kanal aus einer Bohrung 32, die durch den Boden des Unterteils 12 nach aufwärts führt und sich nach dem Boden der Aussparung 16 hin öffnet. Falls es erforderlich ist, kann ein ähnlicher Kanal wie die Bohrung 32 für die ringförmige Aussparung 18 vorgesehen werden.

Wie aus ..der folgenden Beschreibung der Funktion der Legierungsform zu entnehmen sein wird, können die gewünschten Ergebnisse mit zahlreichen unterschiedlichen Formen und Größen der Kanäle 32 erreicht werden.

Die verschiedenen Teile des herzustellenden Transistors, das Halbleiterplättchen 20, die Emitterscheibe 22, die Kollektorscheibe 28 und der Basisring 24 werden in der Legierungsform, wie in Fig. 1 dargestellt ist, angeordnet. Die Emitterscheibe ist in der Aussparung 16 angeordnet, der Basisring in der ringförmigen Aussparung 18 und das Halbleiterplättchen auf dem Boden der Vertiefung 14. Danach wird das Rohr 26 in die Vertiefung 14 eingesetzt, so daß es auf dem Halbleiterplättchen aufsitzt, und die Kollektorscheibe in das Innere des Rohres bis auf die obere Oberfläche des Halbleiterplättchens eingeführt. Zum Schluß wird das Gewicht 30 so in das Rohr eingeführt, daß es auf der Kollektorscheibe 28 aufsitzt.

Die Fertigungsschwankungen für die Emitterscheibe werden so ausgewählt, daß das kleinste Volumen einer Scheibe immer noch etwas größer als das Volumen der Aussparung 16 ist.

Die in der beschriebenen Weise gefüllte Legierungsform wird in einen Legierungsofen eingeschoben. Dort schmelzen die verschiedenen Scheiben, und das Legieren findet in der bekannten Weise statt. Wegen der oben beschriebenen Größenverhältnisse zwischen der Emitterscheibe 22 und der Emitteraussparung 16 wird die in der Aussparung befindliche Schmelze in den Kanal 32 gepreßt wie bei 34 angedeutet ist. Durch die Oberflächenspannung der gekrümmten Oberfläche 36 der Schmelze 34 in dem Kanal 32 befindet sich das geschmolzene Emittermaterial unter einem der Oberflächenspannung proportionalen Druck. Die Größe des Durchmessers der Bohrung 32 bestimmt den Radius der flüssigen Oberfläche, die die Spannung verursacht. Man hat damit die Möglichkeit, den Druck der Legierungsschmelze zu regulieren. Der Querschnitt des Kanals 32 wird so bemessen, daß ein

für das Benetzen und das Legieren des Emitterüberganges geeigneter Druck entsteht.

Durch Beobachtung der Menge der Schmelze, die in den Kanal 32 gedrückt wird, ist gleichzeitig eine laufende Kontrolle dafür möglich, ob die vorgeschriebenen Toleranzen der Größe des Legierungsplättchens und die Größe der Aussparungen richtig ist. In einigen Fällen können Neueinstellungen wegen der Oberflächenschichten notwendig sein, die von der im Ofen vorhandenen Atmosphäre und der vorangegangenen Ätzbehandlung abhängig sind.

Zusätzlich zu der soeben beschriebenen Funktion hat der Kanal 32 in der in Fig. 1 dargestellten Form außerdem noch die Aufgabe, die Entfernung der fertiggestellten Anordnung aus der Form mit Hilfe eines in den Kanal eingeschobenen Stiftes zu ermöglichen.

Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt die Legierungsform 10' in Fig. 2 dar. Bei dieser entsprechen alle bekannten Teile denen der Fig. 1 und sind deshalb mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Legierungsform 10' ist der der Bohrung 32 in Fig. 1 entsprechende Teil 32' als ringförmiger Zwischenraum zwischen dem Boden der Vertiefung 14, der die Aussparung 18 begrenzt, und dem darüberliegenden Rand des Halbleiterplättchens ausgebildet. Der Zwischenraum 32' entsteht durch eine geeignet ausgebildete Vertiefung 14 im Unterteil 12. Zu diesem Zweck wird der ringförmige Teil 38 auf dem Boden der Vertiefung 14 in radialer Richtung nach außen von der ringförmigen Aussparung 18 etwas tiefer gehalten als der Teil 40, welcher in radialer Richtung innerhalb der ringförmigen Aussparung liegt. Die Größe dieses Zwischenraumes ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Zeichnung stark übertrieben dargestellt.

Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 2 ist die gleiche wie bei Fig. 1.

Aus der bisherigen Beschreibung ist schon zu entnehmen, daß es zahlreiche Möglichkeiten gibt, Kanäle zur Erzeugung der notwendigen Oberflächenspannung anzuordnen. Zum Beispiel kann der ringförmige Kanal 32' der Fig. 2 ebensogut innerhalb der Aussparung 18 oder auch zusätzlich zu dem äußeren Kanal angebracht werden. Weiterhin kann der ringförmige Teil 40 am Boden der Vertiefung 14 zwischen den Aussparungen 16 und 18 tiefer gehalten werden als der am Rand liegende Teil 38, wodurch ein ringförmiger Kanal entsteht, der mit den beiden entsprechenden Teilen der Aussparungen in Berührung steht. Schließlich kann das Prinzip auch für das Legieren auf der Oberfläche des Halbleiterplättchens angewendet werden, obwohl das nicht unbedingt notwendig ist. Auch bei anders aufgebauten Legierungsformen ist es möglich, die Erfindung anzuwenden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Legierungsform zum gleichzeitigen Herstellen von mindestens je einem ohmschen und/ oder gleichrichtenden Kontakt auf jeder der beiden gegenüberliegenden Oberflächen eines Halbleiterplättchens, deren Formkörper mit Vertiefungen und Aussparungen zur Aufnahme des Halbleiterplättchens und des Legierungsmaterials dienen und durch die das Halbleiterplättchen gehalten und das Legierungsmaterial auf die beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Halbleiterplättchens genau zentriert aufgebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine an der unteren Oberfläche des etwa waagerecht angeordneten Halbleiterplättchens anliegende, das Legierungsmaterial (22 bzw. 24)

ίο aufnehmende Aussparung (16 bzw. 18) mit einem im Formkörper (12) verlaufenden Kanal (32 bzw. 32') in Verbindung steht, in den während des Legierungsvorgangs überschüssiges geschmolzenes Legierungsmaterial eindringen kann und dessen Innenabmessungen so gewählt sind, daß die Oberflächenspannung der eingedrungenen Schmelze einen Druck auf die gesamte Legierungsschmelze ausübt.

2. Legierungsform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (32) aus einer durch den Boden der Form verlaufenden Bohrung besteht, deren untere Öffnung nach außen führt und deren obere Öffnung mit der das Legierungsmaterial (22) aufnehmenden Aussparung (16) in Verbindung steht.

3. Legierungsform nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auswerfen der fertig legierten Halbleiteranordnung ein Stift von außen in die Bohrung (32) eingreift.

4. Legierungsform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (32') als ringförmige Aussparung im Formkörper unmittelbar neben einer ringförmigen ,Aussparung (18) für das Legierungsmaterial angeordnet ist und mit dieser in Verbindung steht.

5. Legierungsform nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der für den Legierungsvorgang gewünschte Kontaktdruck zwischen Legierungsmaterial und Halbleiterkörper durch verschiedene Wahl des Durchmessers des Kanals (32 bzw. 32') einstellbar ist.

6. Legierungsform nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterteil der Legierungsform zwei konzentrische Aussparungen (16 und 18) zur Aufnahme des Legierungs- bzw. Kontaktmaterials (22 bzw. 24) hat, von denen mindestens eine mit einem Kanal zur Aufnahme des geschmolzenen Materials verbunden ist.

7. Legierungsverfahren unter Verwendung einer Legierungsform nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des in die Form eingebrachten Legierungsmaterials (22 bzw. 24) größer als das Volumen der Aussparung (16 bzw. 18) gewählt wird und daß das überschüssige Legierungsmaterial beim Legierungsvorgang in den Kanal (32 bzw. 32') eindringt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift S 34815 VIII c/21g (bekanntgemacht am 13. 9. 1956);

österreichische Patentschrift Nr. 207 415.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen