DE1615869A1

DE1615869A1 - Verfahren zur Stabilisierung des Widerstandes von Halbleitern

Info

Publication number: DE1615869A1
Application number: DE19671615869
Authority: DE
Inventors: John Lopacki
Original assignee: Carborundum Co
Current assignee: Unifrax 1 LLC
Priority date: 1966-03-04
Filing date: 1967-02-18
Publication date: 1970-08-06
Also published as: GB1133807A; NL6702689A; FR1512290A; US3442014A

Description

The Carborundum Company, ΐβ. 2. 1967

Niagara Falls, New York/USA

Verfahren zur Stabilisierung des
Widerstandes von Halbleitern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Herstellung von Halbleitern, insbesondere auf ein
Herstellungsverfahren, durch das der Widerstand des Halbleiters stabilisiert wird.

Ein bei der Herstellung von Halbleitern sich ergebendes Problem ist das Altern des Halbleiters, wobei dann der Widerstand sich infolge Oxydation ändert.
Nach Herstellung mag ein Halbleiter den gewünschten Widerstand haben, aber nach Entnahme aus einem Lager ist der Widerstand nicht mehr vorhanden, so daß die einzelnen Halbleiter erneut getestet werden müssen, damit sie den Anforderungen der Käufer entsprechen. Dieses Problem, verbunden mit der Schwierigkeit, Halb leiter in großen Mengen mit kleinen Widerstandstoleranzen herzustellen, vergrößert die Gesamtverkaufskosten.

Gemäß der Erfindung wird dieses Problem grundsätzlich dadurch gelöst, daß der Widerstand eines Halbleiters stabilisiert wird. Der Halbleiterkörper besteht aus Silizium-Karbid und die metallischen Leitungen sind mit dem Halbleiterkörper verschmolzen mittels einer

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Blndung aus dem Karbid und dem Silizid der metallischen Leitungen. Dann können solche Halbleiterkörper mit engen Widerstandstoleranzen hergestellt werden, und der gewünschte Widerstand bleibt unbegrenzt erhalten. Insbesondere ist bei der Erfindung an die Stabilisierung des Widerstandes eines Thermistors gedacht, bei dem der Halbleiterkörper ein einziges Silizium-Karbid-Kristall ist.

Unter Thermistor soll ein elektrischer Widerstandskörper mit hoher Empfindlichkeit gegen Temperaturänderungen in einem weiten Temperaturbereich verstanden werden. Auch der elektrische Widerstand ist also empfindlich gegenüber Temperaturänderungen. Thermistoren, bei denen sich der Widerstand mit ansteigender Temperatur verringert, haben einen sogenannten negativen Temperaturwiderstands-Koeffizienten. Das ist bei einzelnen Silizium-Karbid-Kristallen der Fall.

Die gewünschten elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers bleiben erhalten, indem man den Halbleiter in einer oxidierenden Atmosphäre auf Reaktionstemperatur erhitzt, die über der Oxidierungstemperatur des metallischen Karbides und Suizides in der Bindung zwischen den Leitungen und dem Halbleiterkörper liegt, aber unterhalb der Oxidierungstemperatur des Halbleiterkörpers für eine sehr kurze Reaktionszeit, aber lange genug, damit das metallische Karbid und Silizid so weit oxidiert, daß der Widerstand sich auf einen gewünschten Wert erhöht. Das Erhitzen kann erfolgen bevor oder nach dem Einkapseln des Körpers und der mit diesem Körper verschmolzenen Leitungen in einer Umwicklung bzw. Umhüllung, Je nach dem Material aus dem diese Umwicklung oder Umhüllung besteht. Bei der erfindungsgemäßen Herstellung haben die Thermistoren einen wiederholbaren Widerstand von -~ 2 % bei 25° C, und dieser Widerstand bleibt unbeschränkt erhalten.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert:

Fig* 1 zeigt stark vergrößert einen Thermistor vor der Einhüllung,

Pig. 2 zeigt stark vergrößert einen Thermistor nach Figur 1 nach der Einhüllung,

Der Thermistor ist allgemein mit A bezeichnet und setzt sich zusammen aus einem Halbleiterkörper ₃ der besteht aus einem einzigen Kristall von mit Bor belegtem Silizium-Karbid in Form einer kreisförmigen Scheibe B mit einem Durchmesser von 1,25 mm und mit einer Dicke von o,25 mm. Quer zur Mitte der gegenüberliegenden Flächen ,. der Scheibe B sind zwei metallische Leitungen oder Drähte C verschweißt oder verschmolzen, und diese Leitungen oder Drähte haben einen Durchmesser von o,125 mm und eine Länge von 12,5 mm. Späterhin sind, wie in Fig. 2 gezeigt, die Scheibe B und die Leitungen C in einer Umhüllung D eingekapselt, die beispielsweise aus Harz oder keramischem Material besteht. Dadurch ergeben sich ein Widerstand gegen Oxydation und eine größere Festigkeit.

Die Leitungen C können direkt mit der Scheibe B verschweißt oder verschmolzen werden, zweckmäßig erfolgt dies aber durch Einleitung elektrischer Impulse in den Körper bis zum Erreichen eines vorbestimmten Impulswertes. Dies ist beschrieben in dem deutschen Patent (Anmeldung C 35 177 VIIId/21 c). Die Leitungen C sind also mit der Scheibe B direkt mit einer Bindung aus dem Karbid und Silizid der metallischen Leitungen ver schmolzen, beispielsweise mit Wolfram- Karbid und Wolfram-Silizid.

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Der Halbleiter A wird in einer oxidierenden Atmosphäre auf einen Reaktions-Temperaturbereich von 75o bis etwa looo° C erhitzt. Diese Temperatur liegt über der Oxidierungs temperatur des metallischen Karbids und SiIizids der Bindung zwischen den Leitungen C u-nd der Scheibe B, aber unterhalb der Oxidierungstemperatur der Silizium-Karbid-Scheibe. Die Reaktionszeit liegt zwischen zwischen 1 und etwa 25 Sekunden je nach der Temperatur, und die Reaktionszeit ist bei höheren Temperaturen kürzer. Das Erhitzen in der Erhitzungszeit kann in einer Temperaturanwendung oder in mehreren Stufen erfolgen, je nachdem wie viel der tatsächliche ψ Widerstand des Körpers A unterhalb dem gewünschten Widerstandswert liegt, und je nachdem ob der Körper eingekapselt ist oder nicht. Das Erhitzen kann erfolgen in einem oxidierenden Flammen- oder Muffelofen, oder durch Durchleitung von elektrischen Impulsen durch den Körper A, und das Erhitzen kann erfolgen vor oder nach dem Einkapseln, je nach dem Kapselmaterial.

Wird eine Harzumkapselung benutzt, dann erfolgt das Erhitzen so, daß der Raumtemperaturwiderstand sich bis zu dem gewünschten Widerstand innerhalb des Toleranzbereiches erhöht, beispielsweise auf 2600 Ohm * 2 % bei 25° C vor der Einkapselung. Sonst würde die Einkapselung bei weiterem Erhitzen zerstört werden.

Wird eine Einkapselung aus keramischem Material benutzt, wie das für einen Betrieb des Körpers A unter -loo° C oder über 2oo° C notwendig ist, dann kann sich die Erhitzung auf die Zeit vor und nach der Einkapselung erstrecken. Der tatsächliche Widerstand des Körpers A kann grob eingestellt werden, indem man vor der Einkapselung bis auf einen vorbestimmten Wert erhitzt, wonach

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dann der Widerstandswert fein eingestellt wird, d.h. innerhalb der vorbestimmten Toleranzen liegt, d.h. 2βοο Ohm i 2 % bei 25° C nach der Einkapselung. Das Erhitzen nach der Einkapselung hat den Vorteil, daß dann die keramische Einkapselung in höherem Grade undurchlässig ist, also fester und widerstandsfähiger gegen Oxydation. Wahlweise kann das Erhitzen auch zuerst erfolgen und danach die Einkapselung·im keramischen Material.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung:

Beispiel 1

6 Thermistoren A mit Drähten C aus Wolfram wurden in keramischem Material D eingekapselt, indem die Scheiben B und die mit diesen Scheiben verschmolzenen Teile der Leitungen C in eine Glasfritte eingelegt wurden und auf 7oo bis 75o° C erhitzt wurden zwecks Dichtbrennens des Materials D. Diese Thermistoren, die einen Widerstand von 199o bis 248o Ohm bei 25° C hatten, wurden in einen oxidierenden Muffelofen eingesetzt und auf 925° C erhitzt, und zwar in Stufen von 1 bis 5 Sekunden für eine Gesamterhitzungszeit von 5 bis 22 Sekunden bis ™ der gewünschte Widerstandswert erreicht war. Die Temperatur von 925° C liegt dicht unter dem Erweichungspunkt des keramischen Materials D. Es ergaben sich die folgenden Resultate:

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IU I ν» UIV/ \J

	Tabelle I	Widerstand nach dem Erhitzen bei 25° C	Gesamter- hitzungszeit bei 925 C in see.
Testkörper	Widerstand vor dem Erhitzen bei 25 C	2605	15
1	2o45	2565	15
2	215o	2550	5
3	248o '	2580	22
4	199o	264o	17
5	22oo	26 Io	14
6	2290	2652° C und 2548°	G waren',
Trotzdem die	Toleranzgrenzen

ergibt sich, daß der Widerstand aller Testkörper innerhalb dieser Grenzen lag. Außerdem war die keramische Umhüllung D mehr durchlässig, also festeyiind widerstandsfähiger gegen Oxydation.

Beispiel 2

6 Thermistoren A mit WoIfram-Drähten C und mit einem Widerstand von ljjoo bis 15oo Ohm bei 25° C bei Verschweißung wurden wie im Beispiel 1 in einer Gesamtzeit von 3 bis 9 Sekunden für jedes Mustej/erhitzt, und es ergaben sich folgende Resultate:

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Tabelle II

Muster (a) (b) .(c) (d) (e) (f)

Widerstand bei I500 l46o IJfo l44o l42o 1500 25° G in Ohm ·

bei Verschweißen '

Widerstand bei I900 2550 2o5o 2ooo 2360 2o5o 25 C in Ohm
nach·Erhitzung

Der Zweck dieses Erhitzens vor dem Einkapseln war, eine ' Erhöhung des Widerstandes auf einen ungefähren Bereich von 1900 bis 2300 Ohm bei 25° C vor der Einkapselung.' Dann wurden die Musterstücke in keramischem Material D eingekapselt und nochmals, wie in Beispiel 1, erhitzt, zwecks Erreichens des gewünschten Widerstandes von

2βοο Ohm ± 2 % bei 25° C. .

Aus der Anwendung der Erfindung lassen sich die folgenden Schlüsse hinsichtlich der besten Erfolge ziehen.

Die Thermistoren Ä sollen verschweißt oder verschmolzen werden* damit sie innerhalb des Bereiches von 1900 bis ä 2I00 Ohm bei 25° C vor dem Einkapseln in dem keramischen Material D fallen. Während des Brennens des Materials D vergrößert sich der Widerstand der Thermistoren um ungefähr 150 bis 3oo Ohm, so daß der Widerstand 21oo bis 24oo Ohm bei 25° C betragt. In diesem Temperaturbereich werden die Thermistoren in sehr kurzer Zeit auf 2βοο Ohm ί 2 % bei 25° C gebracht, und die Gesamterhitzungszeit liegt zwischen etwa 4 und 8 Sekunden.

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Wenn die Thermistoren bei Verschweißung einen niedrigen Widerstandsbereich von 5oo bis 1500 Ohm bei 25° G haben, dann soll die Erhitzung bis auf I900 bis Ohm vor der Einkapselung in der keramischen Umhüllung erfolgen, sonst ist eine längere Zeit zwischen etwa 15 und 25 Sekunden notwendig, um diese Thermistoren auf den gewünschten Widerstandsbereich von 2548 bis 2652⁰ G zu bringen.

Patentansprüche;

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Stabilisierung des Widerstandes von Halbleitern aus Silizium-Karbid mit Metalldrähten, die mit einer Bindung aus den Karbiden und Suiziden der Metalldrähte mit dem Halbleiter verschmolzen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter in einer oxidierenden Atmosphäre auf eine Reaktions.temperatur erhitzt werden, die über der Oxidierungstemperatur der metallischen Karbide und Suizide liegt, aber unterhalb der Oxidierungstempera-tur des Halbleiterkörpers, und daß die Reaktion eine sehr kurze Zeit erfolgt, die aber genügend ist, um die Metalikarbide und -silizide soweit zu oxidieren, daß sich der Widerstand auf einen Wert in einem gewünschten Bereich erhöht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter und die mit ihnen verschmolzenen Drähte nach dem Erhitzen in eine Umhüllung eingekapselt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter und die mit ihnen verschmolzenen Drähte vor dem Erhitzen in ein keramisches Material eingekapselt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Erhitzen die Halbleiter und die mit ihnen verschmolzenen Drähte in eine keramische Umhüllung eingekapselt werden, und daß darauf zwecks Erhöhung des Widerstandes nochmals erhitzt wird bis der Widerstand t 2 % des gewünschten Widerstandes ist.

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Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter ein Thermistor in Form eines einzelnen Siliziumkristalls ist und die Drähte Wolframdrähte sind und daß die Reaktion bei einer Temperatur von 75o bis etwa looo C während 1 bis 25 Sekunden erfolgt, und zwar kürzere Zeit bei höherer Temperatur.

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