DE1289192B - Verfahren zum Verloeten eines Silizium-Halbleiterkoerpers - Google Patents

Verfahren zum Verloeten eines Silizium-Halbleiterkoerpers

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DE1289192B
DE1289192B DEM59522A DEM0059522A DE1289192B DE 1289192 B DE1289192 B DE 1289192B DE M59522 A DEM59522 A DE M59522A DE M0059522 A DEM0059522 A DE M0059522A DE 1289192 B DE1289192 B DE 1289192B
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Description

1 2
Die halbleitende Einheit gewisser Gleichrichter dann im Gegenstrom von dem Gemisch aus gas- und Dioden besteht aus einem Einkristall von SiIi- förmigem Nickelcarbonyl und dem inerten Gas zium mit einem inneren pn-übergang und mit umströmt.
plattenförmigen Metallkontakten an Oberflächen, Nach dem Aufbringen des Nickelfilms können die
die parallel zum pn-übergang verlaufen. Elektrische 5 Silizium-Halbleiterplatten in einzelne Halbleiter-Leiter sind an diesen Metallplatten angelötet, und elemente aufgeteilt werden. Vor dem Plattieren mit häufig bildet einer dieser Leiter einen Teil des Ge- Nickel können die Halbleiterkörper gereinigt werden, häuses, welches die Halbleiteranordnung umschließt. um etwa vorhandene Verunreinigungen von Silizium-Metallüberzüge sind erforderlich, weil das übliche dioxyd und/oder Silikaten zu entfernen. Lötmaterial das Silizium nicht gut genug benetzt, io Beim Löten wird das Lötmaterial direkt mit dem um ein direktes Verlöten mit den Leitungen zu er- Silizium verbunden, wobei keine Flußmittel außer möglichen. dem Nickelfilm erforderlich sind. Auch wenn das
Nach einem bekannten Verfahren bringt man Silizium lediglich mit einem dünnen Nickelfilm übereinen ersten Nickelüberzug auf die Siliziumscheiben zogen ist, wird in der Regel ein gutes Benetzen der auf, indem man sie in ein Nickelplattierbad ein- 15 Einheiten durch das Lötmittel erreicht. Silizium mit taucht. Dann werden die Platten erhitzt, um die einem dünnen Überzug aus Nickel, der durch ZerHaftung des Nickels an ihnen zu verbessern. Über Setzung von Nickelcarbonyl entstanden ist, wird von dem ersten Überzug wird dann ein zweiter Nickel- den meisten Lötmitteln gut benetzt und enthält weniüberzug aufgebracht, wobei man immer so verfährt, ger Verunreinigungen als Überzüge, die durch Bedaß man die Platten in Plattierbäder eintaucht und ao handeln mit den üblicherweise in der Halbleiterzwischen den einzelnen Plattierschritten spült und technik verwendeten Lösungen erhalten worden trocknet. Dieses recht komplizierte Verfahren zum sind.
Naßplattieren mit Lösungen bringt einen wesent- Siliziumplatten für die Herstellung von halbleiten-
lichen Teil der Kosten bei der Herstellung von Halb- den Gleichrichtern können nach beliebigen bekannleiteranordnungen. Die Überzüge enthalten ferner 25 ten Verfahren hergestellt werden. Bei einem dieser häufig Verunreinigungen, die aus den Plattierbädern Verfahren läßt man einen Siliziumkristall wachsen stammen und die elektrischen Eigenschaften der und teilt ihn dann zu dünnen flachen Platten. Diese Halbleiteranordnungen ungünstig beeinflussen. Solche Platten werden dann geschliffen, poliert oder anders-Verunreinigungen verursachen mitunter einen höhe- artig behandelt, bis sie die gewünschte Dicke und ren Rückstrom bei Gleichrichtern als erwünscht ist. 30 eine glatte, saubere Oberfläche haben. Solche Platten
Es ist ferner bekannt, bei der Herstellung von haben in der Regel eine Dicke von 0,2 bis 0,3 mm. pn-Übergängen dünne Verbindungsschichten durch Die Zeichnungen zeigen beispielsweise einige Ausgemeinsames Legieren und Diffundieren herzustellen. führungsformen der Erfindung. Es zeigt Bei diesem bekannten Verfahren handelt es sich nicht F i g. 1 eine Siüziumkristallplatte, die das Aus-
um die Herstellung von ohmschen Kontakten, jedoch 35 gangsmaterial für das Verfahren nach der Erfinwerden dabei bereits dünne Metallfilme, insbeson- dung ist,
dere auch Nickel, zum Zwecke der besseren Be- Fig. 2 ein Flußdiagramm für das Verfahren zur
netzung des aufzulegierenden Metalls mit dem Halb- Überführung solcher Platten in Halbleiterbauleiterkörper verwendet. elemente,
In anderem Zusammenhang ist es auch bekannt, 40 Fig. 3 einen Teil der Anlage, die man zum Gasdünne Nickelschichten durch Zersetzung von Nickel- plattieren verwenden kann, carbonyl in der Gasphase herzustellen. F i g. 4 den Schritt, bei welchem das Silizium-
Ein Ziel der Erfindung ist die Vereinfachung des element mit den anderen metallischen Teilen verlötet Verfahrens zur Herstellung ohmscher Verbindungen wird.
an Halbleiterbauelementen aus Silizium unter Ver- 45 Das Flußdiagramm nach Fig.2 zeigt, daß zumeidung des nassen Plattierens, und zwar zur Her- nächst eine Diffusion vorgenommen wird, um in der stellung gelöteter elektrischer Verbindungen am SiIi- Platte einen pn-übergang herzustellen und um an ziummaterial der Halbleiter; diese Verbindungen sind den Oberflächen des Siliziums Zonen geringen mechanisch und elektrisch zuverlässig und enthalten Widerstandes zu bilden. Solche Diffusionsverfahren praktisch keine Verunreinigungen. 50 sind in der Halbleitertechnik bekannt und sollen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verlöten im einzelnen hier nicht beschrieben werden. Bei eines Silizium-Halbleiterkörpers mit einer Metall- einem typischen Verfahren läßt man Phosphor auf platte, bei dem auf die zu verlötenden Seiten des der einen Seite der Platte und Bor auf der entgegen-Halbleiterkörpers eine als Lötgrund dienende Nickel- gesetzten Seite eindiffundieren. Hierzu streicht man schicht aufgebracht wird. Das Verfahren ist dadurch 55 auf die eine Seite der Platte eine organische Lösung gekennzeichnet, daß die als Netzmittel für das Lot von Bordioxyd und auf die andere Seite der Platte dienende Nickelschicht in einer Stärke von 2,5 bis eine organische Lösung von Phosphorpentoxyd auf. 50 X 10~6 cm, vorzugsweise 12,5 X 10~6 cm, in in Diese Aufstriche dienen als Quellen für Bor und anderem Zusammenhang bekannter Weise aus einem Phosphor bei der Diffusion. Eine Anzahl der so begasförmigen Gemisch von Nickelcarbonyl mit einem 60 handelten Platten wird dann in einem Diffusionsofen diesem gegenüber inerten Gas auf den erhitzten in einer Gasatmosphäre, üblicherweise in Sauerstoff, Halbleiterkörper niedergeschlagen wird, und der so auf eine Temperatur von etwa 1300° C erhitzt, wobehandelte Halbleiterkörper anschließend mit der bei Bor und Phosphor in die Platten eindiffundieren. Metallplatte verlötet wird, wobei sich das Lot Wenn als Ausgangsmaterial ein η-leitendes Silizium
unmittelbar mit dem Silizium verbindet. 65 verwendet wird, so bildet die Zone, in welche das
Vorzugsweise werden die Sihzium-Halbleiterkörper Bor eindiffundiert ist, einen pn-übergang mit der in Form ungeteilter Platten kontinuierlich in einer Hauptmasse der Platte, und die Zone, in welche inerten Gasatmosphäre zugeführt und erhitzt und der Phosphor eindiffundiert ist, bildet eine Verbin-
3 4
dung geringen Widerstandes zu der Hauptmasse der Inertgas. Die Platten 10 werden erhitzt, während sie
Platte. Wird als Ausgangsmaterial ein p-leitendes sich durch den rechten Teil des Rohres bewegen.
Silizium verwendet, so bildet die Zone, in welche Zum Heizen kann beispielsweise eine Widerstands-
der Phosphor eindiffundiert ist, die gleichrichtende heizung 17 verwendet werden, man kann aber auch
Verbindung, und die Zone, in welche das Bor ein- 5 eine Infrarotheizung oder eine Induktionsheizung
diffundiert ist, bildet eine Verbindung geringen verwenden.
Widerstandes. Während ihrer Bewegung durch das Rohr bleiben
Während der Diffusion bilden sich glasartige die Platten heiß, wobei die Glasträger hierzu bei-
Silikatschichten auf den Oberflächen der Platte. Auf tragen, da sie ihre Wärme langsamer verlieren als
einer Seite entsteht ein Borsilikatglas und auf der io die Platten. In der linken Seite des Rohres wird das
anderen Seite ein Phosphorsilikatglas. Verschiedene Nickelcarbonyl thermisch an den Platten zersetzt,
geeignete Verfahren zur Entfernung dieser Silikate Hierbei entstehen als Zersetzungsprodukte metal-
sind in der Technik bekannt. Bei einem dieser Ver- lisches Nickel und Kohlenstoffmonoxyd. Das Nickel
fahren taucht man die Platten in Fluorwasserstoff- wird auf den Platten niedergeschlagen, während das
säure während mindestens 15 Minuten, spült dann 15 Kohlenmonoxyd durch den Auslaß 14 entweicht,
und taucht sie dann kurz in eine Ätzlösung, welche Nachdem die Platten auf diese Art einseitig mit
noch geringe Mengen von Silizium von den Platten Nickel überzogen sind, werden sie umgedreht und
entfernt. Eine geeignete Ätzlösung kann 5 Teile SaI- erneut durch das System geführt, um auch die
petersäure, 1 Teil Fluorwasserstoffsäure und 4 Teile andere Seite mit Nickel zu überziehen.
Essigsäure enthalten. so Wie schon oben gesagt, muß der Nickelüberzug
Auch eine heiße wäßrige Lösung eines Alkali- auf den Platten sehr dünn sein, um eine feste Bin-
metallhydroxyds ist eine geeignete Ätzlösung. Für dung des Lötmaterials mit dem darunterliegenden
manche Zwecke genügt es, die Platten in Fluor- Silizium zu erreichen. Um eine zufriedenstellende
wasserstoffsäure zu tauchen und sie dann mit einem Verlötung zu erhalten, muß der Nickelüberzug etwa
Sandstrahl zu behandeln, um das Silizium frei- 25 2,5 bis 50Xl0~ecm dick sein. Die beste Verlötung
zulegen. Wenn man die Platten schließlich durch wird erzielt, wenn der Nickelüberzug eine Dicke von
Anreißen und Brechen zu Halbleitereinheiten zerlegt, etwa 12,5 X 10~6 cm hat.
so ist das Zweistufenätzverfahren vorzuziehen, weil Die Dicke des Nickelüberzuges kann bei einer An-
mit Sandstrahl behandelte Platten leichter nach dem lage nach F i g. 3 durch die Fortbewegungsgeschwin-
Anreißen zerbrechen. 3° digkeit des Förderers 13, die Temperatur, auf welche
Erfindungsgemäß besteht der nächste Schritt in die Platten 10 durch die Heizanlage 17 erwärmt dem Überziehen der Platten mit einer sehr dünnen werden, und durch die Konzentration des Nickel-Schicht aus Nickel. Hierbei arbeitet man in der Gas- carbonyls in der Atmosphäre geregelt werden, phase, wobei Nickelcarbonyl thermisch zersetzt wird Nickelcarbonyl zersetzt sich bei etwa 150 bis und metallisches Nickel auf den Platten nieder- 35 300° C. Die Platten müssen hoch genug erhitzt wergeschlagen wird. F i g. 3 zeigt schematisch ein ge- den, um Temperaturverluste bei ihrer Förderung von eignetes System zur kontinuierlichen Durchführung der Heizzone zu der Plattierzone auszugleichen, dieses Verfahrens. Eine Anzahl von Platten 10 wird Nickelüberzüge der gewünschten Dicke entstehen, auf Trägern 11 mittels des Förderers 13 durch das wenn die Platten durch die Heizvorrichtung auf etwa Rohr 12 hindurchbewegt. Die Träger und das Rohr 40 3000C erwärmt werden, wenn die Fördervorrich-12 können aus Glas bestehen. Nach der F i g. 3 be- tung sich mit einer Geschwindigkeit von 875 bis wegen sich die Träger 11 mit den Platten durch das 1250 cm/min bewegt und wenn die Konzentration Rohr 12 von rechts nach links hindurch. Von beiden des Nickelcarbonyle 0,1 bis 2% beträgt. Durch Enden des Rohres 12 wird Gas eingeleitet, welches Änderung dieser Arbeitsbedingungen kann die Dicke durch den Auslaß 14, der nach der F i g. 3 etwa in 45 des Nickelüberzuges geregelt werden,
der Mitte des Rohres angeordnet ist, abfließt. Die Der Nickelüberzug auf den Platten ist außer-Atmosphäre sollte keinen Zutritt zum Rohr 12 haben, ordentlich rein. Er enthält keinen Phosphor, keinen was durch Anordnung von Luftschleusen an jedem Schwefel und keine anderen Verunreinigungen, die Ende des Rohres erreicht wird. Die aus dem Auslaß in Nickelüberzügen aus den üblichen Bädern ent-14 austretenden Gase können verbrannt werden, ein 50 halten sind. Ein geringer Gehalt von Kohlenstoff in Teil von ihnen kann aber auch, falls es gewünscht den Überzügen ist nicht schädlich und kann sogar wird, in das System zurückgeführt werden. die Verlötbarkeit des Siliziums verbessern.
Gasförmiges Nickelcarbonyl wird im System durch Die plattierten Platten werden dann zu scheibendie Leitung 16 zugeführt. Das Nickelcarbonyl wird förmigen halbleitenden Einheiten aufgeteilt. Hierfür mit Hilfe eines Trägergases gefördert und kann mit 55 sind verschiedene Verfahren bekannt. Man kann diesem in einem üblichen Blasenapparat gemischt z. B. die Platten mit Diamanten in rechtwinklig zuwerden. Das Trägergas und das Gas, welches an einander verlaufenden Linien anritzen, wobei den Enden des Rohres eingeführt wird, dürfen mit quadratische oder rechtwinklige Halbleitereinheiten Nickelcarbonyl nicht reagieren; geeignete derartige entstehen. Dann kann die Platte entlang den einGase sind beispielsweise Helium, Argon und 60 geritzten Linien durch Druck gebrochen werden. Kohlendioxyd. Man kann aber auch durch Ultraschall, durch Sägen
Das gasförmige Nickelcarbonyl aus der Leitung 16 oder durch Ätzen die Platten in an sich bekannter wird mit dem Inertgas gemischt, das am linken Ende Art in die gewünschten Einheiten überführen,
des Rohres eintritt; dieses Gasgemisch fließt dann Die einzelnen Halbleitereinheiten werden dann zum Auslaß 14. Wie die Figur zeigt, ist also Nickel- 65 mit den Verbindungselementen und dem Lötmaterial carbonyl nur in dem Teil des Rohres enthalten, das vereinigt, worauf das Ganze zum Verlöten der Versich links von dem Auslaß 14 befindet; rechts von bindungselemente mit dem Silizium erhitzt wird. Eine dem Auslaß 14 enthält das Rohr lediglich das reine typische derartige Anordnung ist beispielsweise in
der F i g. 4 gezeigt. Hierbei wird die halbleitende Einheit 21 am Boden mit einem Metallglied 22 verlötet, welches die Unterlage für das gesamte halbleitende Gebilde bildet. Die andere Seite der Einheit 21 wird mit einer Metallscheibe 23 verlötet, die ihrerseits mit einer elastischen Leitung 24 verlötet wird. Für manche Zwecke bestehen die Teile 22, 23 und 24 aus Kupfer, da es eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Man kann aber natürlich auch andere Metalle verwenden. In manchen Fällen besteht die Scheibe 22 aus Molybdän, dessen thermische Ausdehnung der des Halbleiters aus Silizium 21 sehr ähnlich ist.
Das Lötmittel 25, 26 und 27 wird in Form von Scheiben verwendet. Alle üblicherweise in der Halbleitertechnik verwendeten Lötstoffe sind geeignet. Typische Lötstoffe für Halbleiter enthalten beispielsweise 60% Blei und 40% Zinn oder 95% Blei und 5% Zinn. Wenn man bei 430 bis 4900C in einer reduzierenden oder inerten Atmosphäre lötet, so so wird eine genügende Haftung des Lötmetalls an dem Silizium 21 erreicht. Der Nickelüberzug auf dem Silizium ist so dünn, daß er strukturell in dem gesamten Aggregat keine Rolle spielt. Er wirkt nur als Netzmittel während des Verlötens, so daß das Lötmittel netzt und sich mit dem Silizium verbindet. Die erhaltene Verbindung hat ohmschen Charakter.
Der Rückstrom in Siliziumgleichrichtern, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt worden sind, ist wesentlich geringer als der Rückstrom bei Gleichrichtern, die nach dem üblichen Naßverfahren hergestellt sind. Typische Gleichrichter, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt sind, haben einen Rückstrom von etwa 0 bis 100 mA, im Mittel von 30 bis 50 mA, bei 40 V5 während die bekannten Gleichrichter, die nach dem Naßverfahren hergestellt sind, einen Rückstrom von 0 bis 1000 mA, im Durchschnitt von 300 mA, bei 40 V, haben. Dieser Fortschritt kann mit der Reinheit des Nickels und mit der Abwesenheit absorbierter Verunreinigungen gegenüber dem bekannten Verfahren erklärt werden.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Verlöten eines Silizium-Halbleiterkörpers mit einer Metallplatte, bei dem auf die zu verlötenden Seiten des Halbleiterkörpers eine als Lötgrund dienende Nickelschicht aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die als Netzmittel dienende Nickelschicht in einer Stärke von 2,5 bis 50 X 10~6 cm, vorzugsweise 12,5 X 10~e cm, in in anderem Zusammenhang bekannter Weise aus einem gasförmigen Gemisch von Nickelcarbonyl mit einem diesem gegenüber inerten Gas auf den erhitzten Halbleiterkörper niedergeschlagen wird, und der so behandelte Halbleiterkörper anschließend mit der Metallplatte verlötet wird, wobei sich das Lot unmittelbar mit dem Silizium verbindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Silizium- Halbleiterplatten kontinuierlich in einer inerten Gasatmosphäre zugeführt und erhitzt werden und dann im Gegenstrom von dem Gemisch aus gasförmigem Nickelcarbonyl und dem inerten Gas umströmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die SiHzium-Halbleiterplatten nach dem Aufbringen des Nickelfilms in einzelne Halbleiterelemente aufgeteilt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
DEM59522A 1963-01-14 1964-01-14 Verfahren zum Verloeten eines Silizium-Halbleiterkoerpers Pending DE1289192B (de)

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