DE1665042A1

DE1665042A1 - Halbleiter

Info

Publication number: DE1665042A1
Application number: DE19661665042
Authority: DE
Inventors: Pomerantz Daniel Ira
Original assignee: PR Mallory and Co Inc
Current assignee: Duracell Inc USA
Priority date: 1965-05-06
Filing date: 1966-05-04
Publication date: 1970-10-08
Also published as: GB1138401A; BR6679299D0; SE351518B; NL153720B; DK127988B; CH451273A; FR1478918A; IL25656A; NL6606217A; NO119844B; BE680529A; JPS5328747B1; US3397278A

Description

Die Erfindung betrifft Halbleitergeräte, insbesondere ein neu es Verfahren zum Verbinden von Halbleitern mit Isolatoren.

Es 1st bekannt, daß bei Halbleitergeräten mit verstreuten p-n-Übergängen die freiliegenden Begrenzungsflächen außerordentlich empfindlich hinsichtlich der Umgebungsbedingungen eind, und es wurde allgemein üblich, einen Schutz in Form ge regelter Umgebung durch überzüge vorzusehen. Um Halbleiterp-n-Übergangngeräten diesen fJohutz zu verschaffen, führte die technische Entwicklung zu teuren und komplizierten (jtehäusen oder Behältern,

Hub/M;/

vmlohe

welche den p-n-Übergang schützen, aber eine volle Verwirklichung der ganzen Vorzüge von Halbleitergeräten verhindern. Bekannt ist auch die Verwendung von Halbleitermaterial als integraler Bestandteil der Einkapselung. Diese Bauart führt jedoch zu Schwierigkeiten hinsichtlich der Anbringung der Außenleitungen und zur Anwendung von Metallteilen, welche die Kosten und den Herstellungsaufwand für derartige Geräte erhöhen. Auch ist es bekannt, die planen Oberflächen von Silicium-Halbleitergeräten durch Herstellung einer Schichtstruktur,bei der ein Ring aus Hartglas zwischen die Siliciumscheibe oder Oblate, welche die verstreuten Übergänge enthält und einer als Abdeckung zu verwendenden gewöhnlichen Siliciumscheibe eingebracht wird, die zur verbindenden Oberfläche metallisiert werden,und eine Bindung erzeugt wird, indem der Verbund Temperaturen ausgesetzt wird, die zur Erzeugung einer Hitzebindung ausreichen, einzuschließen. Hierbei wird eine dichte Verbindung von Glas zu Halbleiter geschaffen, indem ein ausreichendes Schmelzen der Stoffe verursacht wird, so daß eine Bindung eintritt. Die zu verbindenden Oberflächen müssen jedoch zuerst mit einem Metall, gewöhnlich Gold, plattiert werden,und die erhaltene Bindung ist-tatsächlich eine Glas auf Metall Versiegelung. Dieses Verfahren beseitigt zwar die Stufe des Verlötens der metallisierten Oberflächen, es ist jedoch immer noch beschwerlich und erfordert eine Anzahl komplizierter Schritte.

Ziel

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ORIGINAL

Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines verbesserten Verfahrens zur Einkapselung der planen Oberflächen von Silicium-Halbleitergeräten und monolithischen Kreisen, die verstreute p-n-Übergänge aufweisen, welches die Nachteile der bisherigen Verfahren beseitigt.

Ein Ziel der Erfindung ist es ferner, die Zahl der Seile, die in p-n-Übergangshalbleitergeräten und monolithischen Kreisen verwendet werden, zu verringern.

Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, die Zahl der Verfahrensstufen und damit auch die Dauer der Herstellung von p-n-Übergangshalbleitergeräten und monolithischen Kreisen zu verringern.

Ziel der Erfindung ist schließlieh auch die Schaffung eines Verfahrens zum Verbinden eines Isoliermaterials direkt mit einem Leitermaterial, einem Halbleitermaterial, einem Halbleitergerät oder einem monolithischen Kreis, welches die Stufen der Metallplattierung der zu verbindenden Oberflächen und der Verlötung oder Heißverschmelzung der metallisierten Oberflächen zur Herstellungen von Verbindungen zwischen ihnen beseitigt.

Die folgende Beschreibung erläutert in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in der gleiche Bezugszahlen Elemente ähnli

cher

0098*1 / U76 _ßA0

eher Punktion bedeuten, die Erfindung.

In der beigefügten Zeichnung, die nur zur Verarischaulichung dient, bedeuten:

Pig. 1 eine Schnitt Einsicht des einfachen. Yerf.-tiirci-is ^α:α Varbiadeyi eir.es Halbleiters mit einem Isolator;

Pig. 2 eine Querschnittansicht einer planen Diode, die durch anodisches Verbindungen eingekapselt ist;

Pig. 3 eine bildhafte .Ansicht eines Sransistorscheibchens und des metallisierten Isolierungsblocks vor dem Zusammenlegen und anodischen Verbinden;

Pig. 4 eine Querschnittansicht eines Silicium-'fransistorscheibchens und eines metallisierten Isolators vor dem anodischen Verbinden auf- der Linie 4-4 von Pig. 3; ■

Pig. 5 eine Querschnittaiisicht des vervollständigen eingekapselten Transistors;

Fig. 6 eine Quersclmittansicht einer planen Diode und eines Transistors, die eingekapselt und durch anodische Verbindung mit einander verbunden sind;

i£. 7

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BAD ORIGiMAk

Pig. 7 eine Querschnittansicht der planen Diode und des !Transistors von Pig. 6 gemäß einer Ausführungsformj.

Fig. 8 eine ähnliche Ansieht wie Pig. 7, welche einen anfänglichen Schritt "bei der Herstellung des Gegenstands von Pig. 6 unter Verwendung einer etwas unterschiedlichen Ausführungsform erläutert.

Allgemein ausgedrückt, schafft die Erfindung ein neuartiges Verfahren zur Verbindung elektrisch leitfähigen Materials mit einem Isolator, indem die zu verbindenden Oberflächen miteinander in Berührung gebracht, die beiden in Berührung stehenden Stoffe miteinander erhitzt v/erden, bis der Isolator schwach leitfähig ist und ein geringer positiver Strom aus dem elektrisch leitfähigen Material zum Isolator geschickt wird. Der Strom fließt durch Druckkontakte, die an die äußeren Oberflächen der beiden Stoffe angelegt werden. Wenn beispielsweise ein Strom geringer Stärke im Bereicü von wenigen jxA/mm vom elektrisch leitenden Material zum Isolator für eine kurze Zeitdauer geschickt wird, bildet sich, eine Verbindung. In einem typischen Beispiel mit einem Halbleiter aus Silicium und einem Isoliermaterial aus Pyrexglas wird die Bindung durch einen Strom von. 10 /λΑ/mm innerhalb etwa 1 Minute bewirkt. Das Verfahren unterscheidet sich klar vom elektrischen Verschweißen, da die entwickelte Joule-Warme nicht ausreicht, um irgendein Schmelzen der Stoffe hervorzurufen» 3b

wird

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wird "besonders darauf hingewiesen, daß keines der beteiligten Materialien-schmilzt. Die Stoffe werden lediglich-erhitzt, um den Isolator elektrisch leitfähig zu machen. Die Verbindung selbst wird einzig durch das Passieren eines positiven elektrischen Stroms vom leitfähigen Material zum"isolierenden Material erzeugt. Mach dem Abkühlen kehrt der Isolator in seinen ursprünglichen, nicht-leitfähigen Zustand zurück. Die Bindung stellt einen gleichmäßigen sauberen Film dar, der als Fortsetzung des Isolators erscheint, von dem jedoch angenommen wird, daß es sich um ein anodisches Wachstum von Oxyd des elektrisch leitenden Material handelt. Zwar werden Werte von 10 jiA/mm während 1 Minute zur Beschreibung der Erfindung angegeben, Stromstärke und Zeit können jedoch unbeschränkt verändert 'werden, solange bis das Strom-Zeitprodukt für ein Bindungswachstum ausreicht. Die genauen Werte von Stromdichte und Zeit verändern sich in Abhängigkeit von den zu verbindenden Stoffen. Wenn man jedoch bestimmte Stoffkombinationen annimmt, läßt sich eine allgemeine Relation von Strom-Zeitprodukt anwenden. Wenn beispielsweise in einem bestimmten Fall ein Bruchteil eines JoA verhältnismäßig lange durch das System geschickt wird, so wird genau so ein Bindungsfilm erzeugt, wie mit einem mA, welches 0,6 Sekunden durchgeleitet wird. Me Zeiten schwanken je nach dem Strom. Ähnlich würde, wenn zur Erzeugung einer Bindung mit einem Strom von 1 jiA ein ungefähr löminütiges Durchleiten des Stroms erforderlich wäre, ein Strom von 20 pA lediglich etwa 30 Sekunden zur Herstellung der Bindung durchgeleitet werden .

...«.; -- Müssen

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BAOPRlGiNAL

müssen. Die Verbindung von Halbleiter-Siliciini zu Quarz und Pyrexglas stellt gute Beispiele dar. Ein positiver Strom von einem Silicium-Plättchen, "welches als Anode dient, zu einer Kathode gILeitet, führt zur Bildung eines anodischen Films auf dem Plättchen, von dem man annimmt, daß es sich um ein Oxyd handelt. Bei der Ausführung der Erfindung wird Silicium mit Quarz verbunden, indem ein positiver Strom von ungefähr 1OpA/

2
mm vom Silicium-Plättchen zum Quarz während ungefähr 1 Minute bei !Temperaturen zwischen 700 und 1200 C geschickt wird. Die Bindung bildet sich unabhängig davon, ob die Siliclum-Oberfläche vorher oxydiert wurde oder nicht. Wenn als Isolator Pyrekglas verwendet wird, liegt der lemperaturbereich zwischen 300 und -7OQ⁰C* Die Temperatur für Weichglas liegt ungefähr im gleichen Bereich, und ähnlich ist es bei keramischen Stoffen, wie Porzellan. Wie oben bereits ausgeführt, muß die Temperatur so hoch sein, daß das normalerweise hoch widerstandsfähige Material geringfügig elektrisch leitfähig wird und ein niederer Strom passieren kann. Gewöhnlich ist eine beträchtliche Spannung im Bereich von einigen 100 bis zu vielleicht mehr als 1000 T erforderlich, auch wenn der Isolator sich auf erhöhter Seaperatur befindet, um die gewünschte Stromstärke zu erhalten, in Abhängigkeit natürlich von derartigen Faktoren, wie der Art dieses Isolators und seiner Dicke.

Das

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Das erfindungsgemäße Verfahren ist beträchtlich einfacher als das₌ frühere Verfahren, welches aus dem Metallisieren der beiden Oberflächen und ihrer Verbindung durch Verlöten oder Heißverschmelzen besteht. Bei einigen Formen iron hybrid-integrierten Kreisen ist es erwünscht, eine Anzahl von getrennten Halbleiter-Plättchen an einem isolierendenSubstrat zu befestigen und anschließend diese zu verbinden oder eine Mehrzahl von monolithischen Silicium-Kreisen auf einem einzigen Substrat zu verbinden und einzukapseln. Die Erfindung schafft ein einfaches Mittel, um beide Schritte auszuführen. Ferner kann das Verfahren zur Einkapselung von Silicium-Halbleitergeräten, insbesondere der planen Art, durch Verbindung einer isolierenden Platte mit der planen Oberfläche des Gerätes angewendet werden. Die Beschreibung der Erfindung erfolgt zwar anhand von Halbleiter-Isolefcarverbindungen, nach dem gleichen Verfahren lassen sich jedoch auch leiter-Isolatorbindungen erzielen, und dieses findet speziell Anwendung auf dem Gebiet der Verbindung von Glas mit Metall. '_

Fig. 1 zeigt die Erfindung in einfachster Art, wobei ein HaIbleiterplättchen 10 auf einen widerstandsbeheizten Streifen 11 gebracht wird. Auf das Halbleiterplä/ttchen 10 wird eine Isolatorplatte 12 gelegt, und ein leichter Druckkontakt 13 wird auf den Isolator 12 gelegt. Der Druckkontakt 13 ist mit dem negativen Pol einer Gleichstromquelle 15 verbunden, una de-r wider- standsbeheizte streifen 11 ist mit dem positiven Pol 16 der

Gl ei oliB tromquelle

■:., ,-_·..... 0098A.1/U76

SAO ORIGINAL

Gleichstromquelle 15 verbunden. Zur Herstellung einer Bindung zwischen dem Halbleiter und dem Isolator wird das System erhitzt, bis der Isolator -schwach leitfähig ist. Ein schwacher positiver Strom wird dann vom Halbleiter zum Isolator geschickt, wobei sich die anodisch gewachsene Oxydbindung 17 bildet. Keines der Materialien schmilzt hierbei, weder durch die Hitze noch durch den Strom. Das Erhitzen dient lediglich dazu, den Isolator leitfähig zu machen. Die Verbindung wird allein dadurch bewirkt, daß ein positiver elektrischer Strom vom Leiter oder Halb leiter zum Isolator geschickt wird.

Iia speziellen Beispiel erfolgt das Erhitzen durch eine Widerstandsplatte 11, die mit einer geeigneten elektrischen Stromquelle Io verbunden ist. Es können jedoch auch andere übliche Erhitzungsmittel, wie Gas oder ein Elektroofen zu diesem Zweck angewendet werden. Gewöhnlich wird die Erhitzung aufrecht erhalten, während die Bindung durch die Stromquelle 15 bewirkt wird, insbesondere wenn die angewandten Bedingungen eine niedere Stromstärke und eine beträchtliche Zeitdauer aufweisen. In der schematischen Darstellung gemäß I¹Ig. 1 wird der verbindende Stromkreis als eine Energiequelle angegeben, die einen gleichmäßigen Gleichstrom liefert. Es ist jedoch auch ein pulsierender Gleichstrom wirksam, vorausgesetzt, daß der Strom in der Eichtung vom Halbleiter zum Isolator fließt, d.h. daß der Halbleiter mit dem positiven EoI verbunden ist und, wie oben beschrieben,

die 0 0 9841/H 7 6

die Anode darstellt. Auch wurde gefunden, daß eine Wechselstromquelle unter "bestimmten begrenzten Bedingungen verwendet werden kann, einschließlich insbesondere einer niedrigen Frequenz unter etwa 50 Hz. Eine Verbindung unter Anwendung von Wechselstrom wird leicht erhalten bei einem nicht-oxydierten Halbleiter im Gegensatz zu einem, eine oxydierte Oberfläche aufweisenden, die von der Bildung des Halbleiterelementes stammt. Aus verschiedenen Versuchen scheint sich zu ergeben, daß das filmbildende Phänomen nicht umkehrbar ist und daher ein Wechselstrom oder irgendein Strom in der entgegengesetzten Richtung die Bindung nicht zerstört oder verschlechtert. Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß der hier verwendete Ausdruck "einen positiven elektrischen Strom" von einer ersten Komponente zu einer anderen Komponente durchleiten bedeutet, daß die erste Komponente die Anode darstellt und der Strom kontinuierlich oder intermittierend sein kann.

TJm sicherzustellen, daß die Bindung und die hermetische Versiegelung sich über die gesamte Berührungsfläche erstrecken, ist es wichtig, daß die gemeinsamen Oberflächen an allen Stellen dicht anliegen. Daher sollten sie bei planen Oberflächen so flach wie möglich sein mit einem guten Finish. Vorzugsweise sollte der Halbleiter oder das Metall und der Isolator einen ähnlichen thermischen Koeffizienten aufweisen, um die Gefahr einer ülrennung beim Abkühlen der Einheit zu verringern. Silicium

und

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BAD ORIGINAL.

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und "bestimmte Gläser einschließlich insbesondere Pyrexglas ' stellen in dieser Hinsicht eine ideale Kombination dar und haben ganz ähnliche Koeffizienten. Im allgemeinen ist eine Abtrennung bei einem duktilen Metall weniger zu befürchten. Auch hilft in jedem Falle eine langsame Abkühlung, eine !rennung zu vermeiden.

Wenn im Beispiel, wie in S¹Ig. 1 gezeigt wird, Silicium und Quarz als Halbleiter bzw. Isolator verwendet werden, wird das System auf eine Temperatur zwischen TOO G und 12ÖO°G erhitzt,

und ein positiver Strom von ungefähr 10 uA/mm wird etwa 1 Minute lang vom Silicium zum Quarz geleitet. In einem speziellen Jail würde das System auf ungefähr 90O⁰G erhitzt. Der anodisch gewachsene Film, von dem angenommen wird, daß er aus Siliciumoxyd besteht; oder dieses enthält, bildet ^Lne außerordentlich feste Verbindung zwischen dem Silicium und dem Quarz.

In einem anderen typischen Beispiel, in dem der Halbleiter aus Silicium und der "Isolator aus Quarz bestanden, wurde ein Yer-

bindungsstrom von 4 fiA/mm und eine Zeitdauer von 20 Minuten angewendet, wobei die Temperatur im oben angegebenen Bereich von 700 bis 1200⁰G lag.

Wenn, wie bereits angegeben, als Isolator Pyrexglas verwendet wird, liegt der Temperaturbereich zwischen 500⁰G und 700⁰G.

In

009841 /H76 . .. .

In einem speziellen Beispiel betrug der Verbindungsstrom

2 '

mm während eines Zeitraums von 20 Minuten, und die temperatur war etwa 400 0.

Die allgemeine Anwendung der Prinzipien der Erfindung wird durch weitere Beispiele erläutert, die unter den vielen Ausführ ungsformen gewählt wurden, welche ausgeführt worden sind und wobei sich in jedem Fall eine starke hermetisch abgedichtete Bindung ergab.

Ein Germanium-Halbleiter wurde nach der in I'ig. 1 allgemein dargestellten Methode mit Pyrexglas verbunden, wobei, die Bedingungen ungefähr ein Verbindungs strom von 3 tiA/mm^ während 2 Minuten bei 45O⁰O waren.

Als Beispiele für andere Isolierstoffe wurde ein Silicium-Halbleiter mit einem Weichglas-Isolator verbunden unter Anwendung von 5 fiA/mm .während 4 Minuten bei 450 C. Auch wurde ein Silicium-Leiter mit einem Saphir-Isolator verbunden unter iminütiger Anwendung von 1 μλ bei 650 C

In einem anderen Beispiel wurde ein Halbleiter aus Galliumarsenid .mit Weicliglas verbunden unter 3minütiger Anwendung von 25 μΑ bei 45O⁰C.

In

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BAD ORIGINAL

IiJ- Pig. 2 v;ircl eine plane Diode 20 gezeigt, die nach dem erf indungsgemäi3en Verfahren eingekapselt wurde. Die Herstellung dieses "Geräts stellt ungefähr das Äußerste an Einfachheit dar. Ein geeigneter Halbleiter, wie z.B. ein SiIieium-Einkristall, wird in bekannter "Vfeise in Plättchenform hergestellt. Das Plättchen 21,aus dem die plane Diode 20 hergestellt werden soll, wird einer Diffusionswärmebehandlung unter Anwendung einer merklichen Verunreinigung zur Erzeugung eines p-n-Übergangs 23 in ■vorgeschriebener Entfernung von einer Oberfläche unterworfen. Der untere oder größere Teil 21a des Plattchens 21 , der als Kathode dient, besteht aus Silicium vom Leitfähigkeitstyp n. Eine Verunreinigung vom ρ-ΐνρ, wie Bor, wird in eine Oberfläche des Plättchens diffundiert, um einen Oberflächeiiteil 21b in den leitfähigkeitstyp ρ umzuwandeln. Der Leitfähigkeitsteil 21b vom p-i'yp dient * als Anode. Eine Isolatorplatte 24 wird auf die oxydierte Oberfläche 26 des Sillcium-Plättchens 21 gelegt. Die Isolatorplatte 24 wird durch geeignete Mittel, wie in Fig. 1 gezeigt, vorerhitzt, und der VerbindungsStromkreis wird quer durch die Komponenten, ähnlich wie in fig. 1 gezeigt, eingerichtet, wobei die positive Klemme der Stromquelle mit dem Plättchen 21 verbunden wird. Sobald ein positiver Strom vom Plättchen 21 zum Isolator

24 fließt, bildet sich das anodisch gewachsene Oxyd 26· und verbindet Plättchen 21 und Isolator 24.

Eine

009841/1476 _BW>offl®NM.

Eine Anodenleitung wird auf die Außenseite des Geräts gebracht vermittels eines Metallfilms 25» der durch eine öffnung in der Isolatorplatte 24 nach der "Verbindung verdampft wird. Die Öffnungen in der Isolatorplatte können vor oder nach Herstellung der Verbindung gebildet werden. Der Metallfilm 25 bedeckt zusammenhängend die Oberfläche der Isolatorplatte und dient auch als Anodenkontakt. Ein Kathoden-Kontakt 22 wird durch einen Me-■ballfilm, der auf den η-Teil 21a des Plättchens 21 aufgedampft wird, hergestellt.

Die erhaltene Packung stellt eine außerordentlich einfache und leicht herstellbare Art eines "pellet"-Gerätes mit folgenden. Vorteilen dar: Der Übergang ist hermetisch in Quarz und/oder Glas eingeschlossen bzw. versiegelt. Lediglieh zwei l'eile sind erforderlieh» Volumen, Fläche und Gewicht sind minimal. Das Silicium kann direkt mit einem Heizkanal zum besseren Wärmeübergang verbunden werden.

In Fig. 3 wird das Verhältnis zwischen einem Silicium-iDransistorscheibehen, dem metallisierten Substrat und den Außenleitungen deutlich gezeigt. Das Silicium-Scheibchen 30 weist metallisierte Verbindungen 34» 35 und 36 auf, die auf entsprechende metallisierte Verbindungen 39 > 40 und 41 auf dem isolierenden Substrat 38 gebracht werden sollen. Die metallisierten Verbindungen 39, 40 und 41 verlaufen auf dem Substrat 38 unter Bildung der Außenleitungen 39^f » 40' bzw. 41'. -.

In

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BAD ORIGINAL

In Fig. 4 wird das Silicium-Transistorplättchen 30 vor der Verbindung mit dem isolierenden Substrat 38 gezeigt. Das Transistorscheibchen 30 ist mit metallisierten Kontakten 34» 35 und 36 hergestellt', welche die Kollektorregion 31» die Basisregion 32 und die Emitterregion 33 berühren. Die verbleibenden Flächen sind gewöhnlich durch eine Isolierschicht 37 aus Siliciumdioxyd geschützt, die während der Herstellung des Geräts gewachsen ist. Das isolierende Substrat 38 weist_% metallisierte Kontakte 39» 40 und 41 auf, welche aufgedampft wurden. Mit Aluminium metallisiertes Pyrexglas erwies sich als hervorragende Kombination* Das Transistorscheibchen 30 wird auf das isolierende Substrat 38 gelegt, so daß die metallisierten Flächen 34» 35 und 36 des Plättcheiis die entsprechend metallisierten Flächen 39» 40 und 41 des Substrats berühren. Das Transistorplättchen 30 und de„s isolierende Substrat 38 werden dann durch anodische Bindung versiegelt, in gleicher Weise wie dies in den einfacheren Kombinationen der Fig. 1 und 2 gezeigt wurde. Obwohl die metallisierten Verbindungspaare 34, 39 und· 35, 40 und 36, 41 in direktem Kontakt stehen, stellte sich beim Betrieb heraus, daß dies keinen Kurzschluß des Verbindungsstromkreises zur Folge hat, mindestens nicht in dem Ausmaß, daß die Bildung des Verbindungsfilmes !verhindert wird, wahrscheinlich infolge des höheren Widerstands des Glases, der zur Folge hat, daß der elektrische Strom auf der

ganzen

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ganzen Fläche der direkten Berührung zwischen dem Glas 38 und dem Silicium-Plättchen 30 verteilt wird.

Fig. 5 gibt eine Schnittansicht des eingekapselten SiIiciumtransistors 43. Die Flächen 42, 42', .42" und 42'" stellen das anodisch gewachsene Oxyd dar, welches den Transistor mit dem Substraten=-verbindet. Man erkennt, daß sie aus dem bei der Herstellung gewachsenen Oxyd 37 herausragen. Die Verbindung kann auf einer vorher oxydierten Oberfläche oder auf einer oxydfreien Oberfläche ausgeführt werden. Die metallisierten Teile 39, 40 und 41 auf dem Substrat 38 erstrecken sich über den Transistor 30 hinaus und schaffen damit die Außenkontakte. Bei der Ausführung der Erfindung ist es nicht- notwendig, das ■üalbleiter-Plättchen zu metallisieren. Es reicht aus, bestimmte Öffnungen im Oxyd zu lassen, welche--entsprechende Silieiumflachen freilegen. Das Aluminium des Substrates kommt in Berührung mit den Siliciumflachen, so daß eine Stufe, das Metallisieren des Halbleiter-ocxieibcliens, weggelassen werden kann.

Fig. 6 zeigt jede von zwei Methoden zur Verbindung verschiedener Silicium-Elemente mit einem Substrat. Einerseits können die Silicium-Elemente 20 und 30 einzeln montiert werden, wie gezeigt. Andererseits kann ein Halbleiter-Plättchen 50, welches mehrere Geräte enthält, mit einem isolierenden Substrat 51 verbunden werden, auf dem ein metallisiertes Muster abgeschie-

den

009841/1476 bad ORlGtHAu

den wurde, um die verschiedenen Geräte entsprechendxeinem bestimmten Stromkreis zu verbinden, lach .der Verbindung werden die Kalbleiterregionen zwischen verschiedenen Geräten durch Atzen oder nach einem anderen geeigneten Verfahren entfernt, um die verschiedenen Halbleitergeräte voneinander zu isolieren. Hierdurch wird die !Notwendigkeit beseitigt, jedes Gerät einzein zu montieren und aufzulegen. Dieses Schema wurde auch dazu verwendet, mehrere monolithische Silicium-Stromkreise miteinander zu verbinden und sie einzukapseln.

Zur Veranschaulichung, wird in" Fig. 6 eine ö-chnittansicht eines Teils eines vollständigen integrierenden, Silicium-Stromkreises 50 gezeigt, der aus einer planen Diode 20, wie in Fig. 2 gezeigt, und einem Transistor 30, wie in Fig. 3 gezeigt, besteht, die miteinander verbunden und eingekapselt wurden. Das isolierende Substrat 51 weist Öffnungen 60 auf, so daß die metallisierten Teile des Substrates 51 entsprechende Abschnitte des Siliciums auf den verschiedenen Geräten berühren können. Der äk Metallkontakt 52 verbindet die Kathode 21a der Diode 20 mit dem Emitter 33 &^es Transistors 30. Der Metallkontakt 35 schafft einen Außenkontakt für die Basis 32 des Transistors 30, und der Eontakt 57 liefert einen Außenkontakt für den Kollektor 31 des Transistors 30. Ähnlich liefert der Kontakt 58 einen Außenkontakt für die Anode 25 der Diode 20. Anodisch gewachsenes Oxyd 59 verbindet die Kreise mit dem Substrat.

Das

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Ί665042

Das Metallisieren und Isolieren der verschiedenen Geräte auf dem Plättchen wird nach dein Verbindungs verfahr en ausgeführt.

Wie o"ben beschrieben, veranschaulicht l?ig. 6 jede der beiden Methoden zur Verbindung verschiedener Halbleiter mit einem Substrat. i"ig. 7 veranschaulicht den ersten Schritt bei einer derartigen Technik. Das Isolator-Substrat 51 weist die vorgebildeten Öffnungen 60 des Endprodukts von Hg- 6 auf. Bs steht in engem planarem Kontakt mit den einzelnen Halbleitern 20 und 50. Das Substrat 21 weist vorzugsweise eine darauf angebrachte Glasplatte 70 zur Verteilung des elektrischen Stroms auf die verschiedenen Teile des Substrats 51 auf,und auf der Platte 70 ist der Widerstaridsheizstreifen 71 angebracht mit seiner elektrischen Energiequelle 72. Die einzelnen Halbleiter 20 und 30 weisen jeweils unabhängige elektrische Stromquellen für die Verbindung auf, wie bei 74 bzw. 75 angedeutet ist. Gegebenenfalls können sie eine gemeinsame negative Leitung 76 aufweisen. Die .Leitung 76 wird in H¹Xg. 7 als mit dem Widerständeheizstreifen 71 verbunden gezeigt, der wiederum elektrisch mit dem Substrat 51 durch die Stromverteilungsplatte 70 in Verbindung steht. Wie oben in Zusammenhang mit Pig. 6 beschrieben, erzeugt die Anwendung der Verbindungs ströme auf die jeweiligen Halbleiter den anodisch gewachsenen Verbindungsfilm 59· In den Zeichnungen- kann der Film 59 als aus dem anodisch gebildeten Verbindungsfilm zusammen mit allem anfänglich vorhandenen Oxyd

film

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BADORIGINÄL

film auf dem Silicium betrachtet werden. Im Anschluß an den Verbindungsarbeitsgang werden der Heizstreifen 71 und die Glasplatte 70 natürlich entfernt und das metallisierte Muster 52 mit den Kontakten 58, 35 und 57, wie in Fig. 6 gezeigt^wird aufgebracht. . ■ " ■

Fig. 8 veranschaulicht den ersten Schritt für eine andere Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung des Gerätes von Fig. 6. In diesem Fall stellt das bei 51^! gezeigte Substrat eine feste, zusammenhängende Platte dar, ohne anfänglich die Öffnungen 60 aufzuweisen,und aaher wird die Glasverteilungsplatte 70 weggelassen. Ansonsten ist das System ähnlich dem von Fig. 7 und ähnliche 'ieile weisen ähnliche Bezugszahlen auf. Im Anschluß an die Bildung des Verbindungsfilms 59 "werden die Öffnungen 60 beispielsweise durch Ätzen oder andere geeignete Mittel gebildet, und das metallisierte Muster 52, welches die Kontakte oder Leitungen 58, 35 und 57 von Fig. 6 aufweist, wird aufgebracht.

In einer Abänderung der Ausführungsformen der Fig. 7 und 8 kann der Halbleiter, wie beispielsweise die Silicium-Elemente 20 und 30, anfänglich aus einem einzigen integralen Plättchen bestehen. Die anfangliche Anordnung kanu dann entweder ahnlich wie in Fig. 7 oder wie in Fig. 8 je nach Wunsch sein, abgesehen davon, daß lediglich ein Verbindungskreis (74 oder 75) erforderlich wäre. !lach dem Verbinden wird die Fläche des Silicon-Plattchens 009841/U76

Plä-fctchens, die, die Elemente 20 und 30 miteinander verMndet, durch. Ätzen oder andere Mittel entfernt, so daß diese voneinander elektrisch isoliert werden» Die v/eiteren Schritte werden je nachdem, wie in Verbindung mil; den "Pig. 7 oder 8 "beschrieben, durchgeführt.

Die -vorstehend angegebenen Beispiele betreffen das Verbinden eines Isolators mit einer Komponeiitenart, die im allgemeinen als Halbleiter bezeichnet wurde und die normalerweise einen Leitungswiderstand gegenüber dem elektrischen Strom aufweist, der beträchtlich höher ist als beispielsweise der von Metallen. Außer der Anwendung bei Halbleitergeräten erwies sich das anodische Verbindungsverfahren auch zur Verbindung von Aluminium und Platin mit Glas zusammen mit einer Anzahl von anderen Metallen, insbesondere den Ventilmetallen, als geeignet. Das Verfahren wurde unter Verwendung einer Anzahl von Isolierstoffen einschließlich von Glas, Quarz und Tonerde * aus ge führ* t. Das Verfahren kann in Luft oder in verschiedenen oxydierenden Atmosphären ausgeführt werden. Eine oxydierende Atmosphäre ist jedoch nicht notwendig, da der Isolator auch Sauerstoff zur Verfugung stellt.

Die folgenden Beispiele erläutern das Verbinden von elektrisch leitenden Metallen mit einem Isolator, wobei in jedem Pail ein System angewendet wird, welches in Anordnung und Bauweise dem von Fig. 1 ähnlich ist, wobei die angegebenen Werte ungefähr sind». ⁼

Aluminiumblech QQ9841/U76

BAD ORIGINAL

Aluminiumblech wurde mit Pyrexglas sinter Anwendung einer Verhindungstromdichte von 1 jiA/mm während 10 Minuten bei einer lemperatur von 400 C verbunden.

Platinfolie wurde mit Weichglas unter Anwendung eines Verbindungs Stroms von 5 μΑ/mm während 7 Minuten bei einer Temperatur von 400 C verbunden.

Berylliumblech v/urde mit Glas unter Anwendung eines Verbindungsstroms von 25 uA/mm während 3 Minuten bei 400 C verbunden. iitanblech wurde mit G-läs bei- ähnlichen Werten für Strom, Dauer und ΐemperatur verbunden.

In der Klasse der keramischen Isolatoren wurde Palladium mit Porzellan unter Anwendung eines Verbindungsstroms vöii 100 pX/ mm während 5 Minuten bei 400 G verbunden* ^:

Die vorliegende Erfindung weist eine Anzahl von Vorteilen auf, von denen die wichtigsten folgende .sinä:

1. Verbindungen und hermetische Abdichtungen zwischen unähnlichen Stoffen können bei niedrigeren liiemperaturen hergestellt werden als mit den konkurrierenden Verfahren, beispielsweise einer Glas auf Metall Versiegelung. :

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2. War keine Schmelzphase vorhanden, werden Verzerrungen "vermindert, und die Dimensionstoleranzen werden verbessert.

3. Da die Verbindung bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen hergestellt werden kann, können Stoffe mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten mit geringerer Rißbildungsgefahr verbunden werden, da sie nicht von so hohen Temperaturen abgekühlt werden müssen. So wurde Aluminium mit Glas verbunden, obwohl seine Wärmedehnung etwa viermal so groß ist. Viele andere Metalle, von denen man gewöhnlich nicht annimmt, daß sie mit Glas versiegelt oder verbunden werden können, sind infolge dieses Faktors für diese Anwendungen brauchbar.

die oben beschriebene ".·Erfindung gibt es viele Anwendungen. Auf dem Gebiet der SiIieium-Halbleitergeräte wurde sie z.B. angewendet: : ■ '.

,1. Zur Einkapselung und Herstellung von leitungen von der planaren Oberfläche eines einzelnen Gerätes.

2. Zur Montierung» Einkapselung der planaren Oberflächen, Verbindung und Schaffung der leitungen einer Mehrzahl getrennter Geräte auf einem einzigen Substrat, und

3. Zur Montierung, Einkapselung der planaren Oberflächen, Verbindung und Herstellung von leitungen für eine Hehrzahl von monolithischen integrierten Siliciura^Kreisen auf einem einzigen Substrat.

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»AD ORIGINAL

-. 23 -

Zwei wahlweise anwendbare Ausführungsformen zur Herstellung der Verbindungen und Leitungen wurden beschrieben. Das eine Verfahren test ent z.B. darin, daß im Substrat "bestimmte Öffnungen gebildet werden, das Substrat so aufgelegt wird, daß die Öffnungen entsprechende Kontakiereiche auf den planaren Oberflächen des Gerätes, der Geräte oder Kreise freiliegen und Aufdampfen der Metallkontakte und der Leitungen nach dem Yerbindungsverfahren. Ein zweites .Verfahren besteht in der Herstellung metallisierter Eontakte auf den Kontaktflächen der planaren Oberflächen oder freiliegenden bestimmten Stellen des Siliciums, Herstellung entsprechender metallisierter Kontakte auf dem Substrat, Aufeinanderlüegen des Gerätes, oder der Geräte und des Substrats vor dem Verbinden, so daß die entsprechenden Kontakte öder Kqntakt-Silieiumflachen aufeinahderliegen und Herstellung der Verbindung, um die Einkapselung und aen elektrischen Kontakt zu bewirken. In letzterem J?all ist das Substrat beträchtlich größer als das SiIicium-Scheibchen,und die.Kontakte auf dem Substrat enden in Außenleitungen auf der Fläche des Substrats, die sich über das Scheibehen hinaus erstreckt»

Palis erforderlich, wird die nicht planare Oberfläche des Ge- . rätes metallisiert, um einen zusätzlichen Kontakt zu schaffen. Wenn eine Mehrzahl von getrennten Geräten oder Kreisen miteinander verbunden und eingekapselt werden sollen, Minnen sie ent

weder

weder auf einem einzigen Plättchen gebildet und durch Ätzen, maschinelle Bearbeitung oder andere geeignete Mittel nach der. Verbindung isoliert werden, oder sie können einzeln auf das Substrat aufgebracht v/erden.

Man erkennt, daß die Erfindung einen weiten Anwendungsbereich aufweist und die hier anhand einer beispieleweisen Ausführungsform gegebene Beschreibung lediglich zum besserenVerständnis dient.

Patentansprüche

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BAD ORIGINAL

Claims

Patentansprüche

1) Verfahren zur "Verbindung eines Isoliermaterials mit einem leitfähigen Material, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Stoffe so aufeinandergelegt werden, daß sie in inniger Berührung stehen, das Isoliermaterial auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der es elektrisch leitfähig ist, die jedoch unter dem Schmelzpunkt der zu verbindenden Elemente liegt,und ein positiver elektrischer Strom quer · Jm über die aufeinanderliegenden Kontaktflächen vom ,leitfähigen Material zum Isoliermaterial geschickt wird.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial auf eine Temperatur zwischen 300 und 1200⁰O erhitzt wird.

3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß als Isoliermaterial Glas, Quarz, Keramik oder Saphir ^ •verwendet wird und als 1extfähiger Stoff ein Halbleiterelement aus Silicium, Germanium oder Galliumarsenid.

4) Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung eines Silicium-Halbleiters mit einem Pyrexglas-Substrat das Substrat auf eine Temperatur von 3OQ⁰C bis 7OQ⁰O erhitzt wird.

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5) Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung eines Silicium-Plättchens mit einem Quarz-Substrat auf 70O⁰G bis 120O⁰C erhitzt wird und etwa 1 Minute

2 lang ein positiver Strom von etwa 10 jaA/mm vom SiIi ciui»- Plättchen zum Quarzsubstrat geschickt wird.

6) Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einkapselung des p-n-Übergangs sines Silicium-HaTbleitergerätes mit planarer Oberfläche ein isolierendes Substrat verwendet wird, welches bestimmte Öffnungen aufweist und nach dem Verbinden von Halbleiter und Isolator bestimmte flächen des Substrats so metallisiert werden,--daß sich die Metallisierung auf die durch die Öffnungen^ fiägelegten Kontaktflächen des G-erätes erstreckt.

7) Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einkapselung des p-n—Übergangs eines. Silicium-Halbleitergerätes mit planarer Oberfläche auf einem isolierenden Substrat nach Herstellung der Verbindungen Öffnungen in das Substrat eingearbeitet werden und bestimmte) (?:· Flächen des Substrats so metallisiert werden, daß-sieh 4Ae Metallisierung auf die durch die Öffnungen freigelegten, ?- Stellen der Kontaktfläche des G-erätes erstreckt«

8j Verfahren nach einein der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einkapselung der p-n-p planeren Oberfläche eines Silicium-Halbleitergerätes auf jede der p-n-p Flächen

009*41/1-476 ein

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ein elektrischer Kontakt aufmetallisiert wird und entsprechende Verbindungen auf die Oberfläche eines isolierenden Substrates, welches.größer ist als das Gerät, aufmetallisiert werden, Substrat und Gerät mit den metallisierten !"lachen passend aufeinandergelegt werden, so daß sich die Verbindungsleitungen auf dem Substrat über das Gerät hinaus erstrecken und dsnn die Verbindung durch Erhitzen und Durchsenden eines, positiven Stroms vorgenommen wird.

9) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung eines Aluminiumgerätes mit einem Glassubstrat auf eine Temperatur zwischen 200^Qö und 700 C erhitzt wird

und etwa 1 Minute lang ein Strom von etwa TO uA/mm vom Aluminium zum Glas geschickt wird.

10) Aus einem elektrisch leitfähigen Material und einem Isoliermaterial bestehender Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß er nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wurde*

11) Gegenstand nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Element aus Aluminium, Platin, Beryllium, Titan oder Palladium und der Isolator aus Glas, Quarz, Keramik oder Saphir besteht.

12) Gegenstand nach Anspruch 11, dadurch, gekennzeichnet, daß er aus Aluminium und Pyrexglas besteht.

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