DE2029915A1

DE2029915A1 - Verbindung fur ein Halbleiterplatt chen

Info

Publication number: DE2029915A1
Application number: DE19702029915
Authority: DE
Inventors: Robert Noel Schenectadv N Y Hall (V St A)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-06-23
Filing date: 1970-06-18
Publication date: 1971-01-07
Also published as: IE34305L; JPS4840807B1; US3617682A; DE7022778U; FR2047079A1; BE752344A; NL7009064A; IE34305B1; FR2047079B1; GB1313342A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Halbleiterelementen und insbesondere auf eine Vorrichtung zur Bildung einer eutektiachen Verbindung zwischen einem Halbleiterplättchen und der Oberfläche einer Elektrode.

Auf dem Gebiet der Halbleiterherstellung ist es häufig erforderlich, eine Verbindung zwischen dem Halbleiterplättchen und einem Goldstreifen oder einem Kontakt zu bilden. Der Goldstreifen kann wie im Falle von Mikrosehaltungen auf einem dünnen Substrat aus. Keramik abgeschieden sein. In den vergangenen Jahren haben sich Verfahren zur Verbindung von Gold mit Halbleitermaterialien wie a. B. Germanium oder Silizium entwickelt. Ein derartiges Ver-

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bindungsverfahren für Gold beinhaltet die Anordnung eines HaIbleiterplättchens auf einem Gold- oder goldplattierten Kontakt, indem zwischen diesen Elementen eine bestimmte Kraft entwickelt und die Temperatur dieser Kombination auf mehr als 370 ⁰C erhöht wird, bis sich eine eutektische Verbindung ausbildet. Es sind verschiedene Verfahren angewendet worden, um diese erwünschte Erwärmung herbeizuführen. Nach einem derartigen Verfahren werden die Elektroden auf die gegenüberliegenden Enden des Goldstreifens gebracht,und es wird ein Strom hindurchgeschickt, um den Streifen auf die gewünschte Temperatur zu erhitzen. Obwohl dieses Verfahren eine breite Anwendung gefunden hat, so ist es doch nicht' zufriedenstellend, da ein kleiner Dickenunterschied des Goldstreifens die bei gegebenem Strom erzielte Temperatur verändert und demzufolge wird ein guter elektrischer und mechanischer Kontakt nicht zuverlässig hergestellt. Ferner ist es nicht ungewöhnlich, daß das Halbleiterplättchen durch überhitzung beschädigt wird. Im Falle dünner Goldstreifen kann auch ein zu großer Strom diesen Goldstreifen vollständig durchbrennen. Es ist ferner im allgemeinen wünschenswert, daß der erwärmte Bereich auf die unmittelbare Nachbarschaft des zu verbindenden Goldstreifens begrenzt ist_s damit, die elektrischen Eigenschaften anderer Teile der Schaltung während des VerbindungsVorganges nicht durch überhitzung verändert werden,,

Mit dem Aufkommen von Mikros ehalt langen, in deinen zahlreiche Funktionen auf einem einzigen Substrat durchgeführt werden, hat sich das Erfordernis, für eine genaue Herstellung reproduzierbarer Verbindungen stark vergrößert, da mangelhafte Verbindungsverfahren die Ausbeute des gewünscht;©« Produktes stark herabsetzen, was wiederum zu höheren Kosten pro Einheit führt. Es bestehtdeshalb ein starkes Bedürfnis an einem Verbindungsverfahren und einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die genaue und reproduzierbare Verbindungen swisehen Halbleifcerplättcheü und Goldelektroden zu liefern vermag«, die von der Dick© des* Goldelektrode im wesentlichen unabhängig sindj," das Halbleiter-

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mm "Z mm

plättchen oder die umgebenen Schaltelemente nicht beschädigen und leicht und schnell durchgeführt werden können.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Verbindungsvorrichtung verwendet wird, die eine Heizstufe aus rostfreiem Stahl aufweist, welche auf einem Heizblock montiert ist, der auf eine Temperatur von etwa 300 ⁰C eingestellt ist. Durch einen Durchlaß in der Oberfläche der Heizstufe ragt ein Heizelement hindurch, wobei sich das Heizelement mit der gegenüberliegenden Oberfläche eines Substrats in Kontakt befindet, an dem eine Goldelektrode oder ein Streifen befestigt ist und an dem ein Halbleiterplättchen angebracht ist. Gemäß einer Ausführungsform wird ein Platinband als Heizelement verwendet, und es wird ein bestimmter Strom hindurchgeschickt» um eine örtliche Erwärmung des Substrates und des Goldstreifens herbeizuführen. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird eine durch Hochfrequenz erhitzte Spitze als Heizelement verwendet. In beiden Ausführungsformen bildet ein mit dem Goldstreifen in Kontakt befindliches Halbleiterplättchen eine eutektische Verbindung bei einer Temperatur von etwa 380 ⁰C. Die Verbindung wird in einer Stickstoffatmosphäre ausgebildet, so daß die Bildung und die Benetzung der eutektischen Verbindung reproduzierbarer und vollständiger ist.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. ■,'■■.'

Figur 1 ist eine perspektivische Darstellung einer Heizstufe mit zwei für die Durchführung der Erfindung verwendbaren Justierplatten.

. Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ausführ ungs form .

Figur 3 ist eine perspektivische Darstellung eines entsprechend der Erfindung hergestellten Heizelementes.

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Figur 1 zeigt einen Querschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Figur 5 zeigt eine typische Temperaturverteilung entlang des Substrates.

Figur 1 zeigt eine rechteckförmige Heizstufe 11, die vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt ist und in der Mitte einen Durchlaß -12 aufweist, der sich durch die gesamte Dicke der Heizstufe 11 erstreckt. Auf einer Oberfläche der Heizstufe 11 ist der Durchlaß 12 im allgemeinen quadratisch, was noch deutlicher in Figur 2 dargestellt ist, und er erweitert sich auf der anderen Seite der Heizstufe 11 abrupt zu einer größeren kreisförmigen öffnung. Der im allgemeinen konisch geformte Durchlaß 12 weist einen Einlaß 13 auf, der von der schrägen Wand des Durchlasses 12 zum Außenrand der Heizstufe 11 verläuft. Direkt über und gegenüber der Heizstufe 11 befindet sich parallel verlaufend eine untere Platte 11, die eine in der Mitte angeordnete rechtwinklige öffnung 15 aufweist, üb—er der unteren Platte 11 und parallel hierzu befindet sich eine obere Platte 16, die eine in der Mitte angeordnete kreisförmige öffnung 17 aufweist. Auf der Seite der oberen Platte 16 ist gegenüber der unteren Platte 11 eine Vielzahl paralleler Nuten 18 angeordnet, die an ihren Enden durch ein Paar quer ver-

W laufender Nuten bzw. Vertiefungen 19 miteinander verbunden, von denen aus Gründen der Klarheit in Figur 1 nur eine dargestellt ist. Ein Einlaß 20 erstreckt sich vom Rand der oberen Platte 16 zum Schnittpunkt der Nuten 18 und 19. Wie im folgenden noch beschrieben werden wird, werden die Einlasse 13 und 20 dazu verwendet, ein Schutzgas in den Bereich um den Durchlaß 12 herum eintreten zu lassen. Während die Heizstufe aus rostfreiem Stahl hergestellt ist und somit eine große thermische Leitfähigkeit ' aufweist, sind die Platten 11 und 16 vorzugsweise aus einem transparenten Material mit kleiner thermischer Leitfähigkeit hergestellt. Diese können beispielsweise aus geschmolzenem Quarz oder einer Form von geschmolzenem Quarz hergestellt sein,, das

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unter dem Warenzeichen Vyeor verkauft wird. Es können aber auch Keramik, Pyrex, Glimmer oder andere Materialien mit geringer thermischer Leitfähigkeit verwendet werden.

In Figur 2 ist die Heizstufe 11 mit ihren unteren und oberen Platten 14 bzw. 16 über einem thermostatisch gesteuerten Heizblock 21 angeordnet. Ferner ist in Figur 2 ein Substrat 22 dargestellt, das innerhalb der rechtwinkligen Öffnung 15 und an der Heizstufe 11 angrenzend angeordnet ist. Das Substrat 22 kann λ beispielsweise aus Keramik oder irgendeinem anderen Isoliermaterial hergestellt sein, das als Unterlage für die Halbleiterelemente verwendbar ist. Auf der oberen Fläche des Substrates 22 befindet sich ein Goldstreifen 23» der beispielsweise durch Vakuumabseheidung aufgebracht sein kann. Oberhalb des Goldstreifens 23 ist durch eine Konushülse 24 ein Halbleiterplättchen oder ein chip 25 angeordnet, das beispielsweise aus Silizium oder Germanium bestehen kann. Die Konushülse 24 weist eine Vakuumleitung 26 auf, die in der Mitte durch die Konushülse 24 hindurchführt und an deren Spitze endet, wodurch die Halbleiterplättchen an einer Sammelstelle aufgenommen und über dem Goldstreifen 23 in ihre richtige Lage gebracht werden können. Um die Spitze der Konushülse 24 herum ist ein Chromnickel-Heizelement 27 gewickelt und mit einer nicht dargestellten elektrischen Energiequelle verbunden, um die Konushülse auf einer gewünschten Temperatur von vorzugsweise etwa 300 ⁰C zu halten.

In Figur 3 ist ein Heizdraht aus Platin dargestellt,· der an seinen Enden mit Nickeldrähten 29 verbunden ist. Der Heizdraht ist vorzugsweise ein flaches Band mit einer invertierten U-Form und weist an seinem Mittelteil einen dünneren Abschnitt 28 a auf. Der Zweck dieses dünneren Abschnittes 28 a besteht darin, den Widerstand pro Flächeneinheit zu vergrößern und dadurch die Erwärmung in diesem Bereich zu erhöhen. Der Heizdraht 28 ist mit Stellmitteln, die der Klarheit wegen in den Zeichnungen nicht dargestellt sind, innerhalb des konisch geformten Durch-

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lasses 12 angeordnet, wie er in Figur 2 dargestellt ist, so daß der dünnere Abschnitt 28 a des Heizdrahtes bündig mit der Oberfläche der Heizstufe 11 abschließt und mit dem Substrat 22 in Berührung ist.

Im Betrieb wird der Heizblock 21 auf eine Temperatur von etwa 300 C gebracht und thermostatisch auf diesem Wert gehalten. Ein Schutzgas, wie z. B. Stickstoff, Argon, Helium oder ein anderes Inertgas, wird in die Einlasse 13 und 20 an den Händern der Heizstufe 11 bzw. der oberen Platte 16 eingeführt« Das Substrat 22

} mit einem darauf befindliehen Goldstreifen 23 wird in der rechtwinkligen öffnung 15 angeordnet, ind@ai die obere Platte 16 angehoben und das Substrat in seine Lage eingeschoben wird. Dann wird die untere Platte verschoben«, um auf diese Weise den Goldstreifen 23 direkt über dem Heizdraht 28 anzuordnen. Dann wird die Konushülse 2H benutzt₉ um ein Halbleiterplättchen von einer benachbarten Sammelstelle aufzunehmen und dieses nach unten auf den Goldstreifen 23 ssu bringen und um dann einen Druck darauf auszuüben. Dann wird ela Strom aureh die Niekeldrähte 29 ge~ schickt, um den Heizdraht 28 aus Platin zu er-wärmen. Der Strom beträgt typischerweise etwa 30. A und fließt für einen Zeitraum von etwa 15 see. Währeßd dieses Intervalles wird durch die Ein-. lasse 13 und 20 hindurch ein Schutzgas eingelassen, es fließt um

" den Verbindungsbereich herum und tritt dareh die öffnung 17 hindurch wieder aus. Am Enö© dieses Zeifcintervalles wird das Halbleiterplättchen 25 gegenüber dem Goldstreifen 23 mit Ultraschall gereinigt (scrubbed), um eine gut© Legierung sieherzustellen. Die Reinigung mit Ultraschall kann beispielsweise durch Ultraschallbewegung der Konushülse 2h herbeigeführt' werden. Verfahren für eine Ultraschall-Bewegung der Konushülse sind bekannt und sind nicht Gegenstand dei" vorliegenden Erfindung.

Nachdem der Heizstrom für das Plafcimelemeiit abgeschaltet ist₉" kann die Konushülse 2¹J angehoben werden und das Verfahren wird für andere Halbleiterplättchen wiederholt,.Während d@s gesamten Verbindungsvorganges überstreicht das den Einlassen 13 and 20

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zugeführte Schutzgas vollständig das Substrat 22, und zwar sowohl in der Nähe des Goldstreifens 23 als auch in der Nähe des aus Platin bestehenden Heizdrahtes 28. Das Schutzgas Übt mehrere Funktionen aus. Beispielsweise unterstützt es die Bildung und Benetzung der eutektischen Verbindung, so daß diese Verbindung reproduzierbarer und vollständiger ist. Weiterhin bildet das Schutzgas einen Puffer zwischen dem Heizdraht 28 und dem Substrat 22 während des Intervalles, in dem die Konushülse 24 kein Plättchen gegen einen Goldstreifen drückt. Während dieses Intervalles kann das Substrat 22 sehr leicht in eine neue Lage gebracht werden, um das nächste Halbleiterplättchen einzulegen, indem die untere Platte 14 in horizontaler Richtung verschoben wird. Der durch das Schutzgas gebildete Puffer hat die Wirkung, daß das Substrat 22 auf dem Gas schwebt und vermeidet dadurch eine Abnutzung auf dem aus Platin bestehenden Heizdraht 28, wenn das Substrat 22 zwischen jedem Bindevorgang bewegt wird.

In Figur 4 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsform enthält eine Heizstufe 11, über der das Substrat 22 mit einem darauf befindlichen Goldstreifen 23 angeordnet ist. Eine Konushülse 24 ist in der Weise dargestellt, daß sie ein Halbleiterplättchen 25 über den Goldstreifen 23 zu bringen vermag. Während die Ausführungsform gemäß Figur 3 einen Heizdraht aus Platin verwendet, wird in der Ausführungsform gemäß Figur 4 eine Hochfrequenzquelle 30 benutzt, die mit einem Heizelement 31 verbunden ist. Dieses Heizelement kann einen Block 32 aus Chromnickel enthalten, wobei ein Teil 32 a davon mit dem Substrat 22 in Berührung ist. Der Chromnickel-Block 22 wird von einer Halterung 33 gehalten, die gegenüber dem Chromnickel-Block 32 durch einen Isolator 34 ther-,misch isoliert ist. Die Funktion des Isolators 34 besteht darin, die durch die Hochfrequenzwindungen 31 erzeugte Wärme davor zu bewahren, von dem Nickelchrom-Block 32 weggeleitet zu werden. Wie aus Figur 4 deutlich wird, ist der Teil 32 a des Chromnickel-Blockes 32 so eingestellt, daß er mit der Oberfläche der Heizstufe 11 bündig abschließt, so daß die durch das Hochfrequenz-Heizelement 31 erzeugte Wärme leicht durch das Substrat 22. zu

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dem Goldstreifen 23 und dem Halbleiterplättchen 25 geleitet werden kann, um die Bildung der eutektischen Verbindung zu gestatten. Es können Justiermittel vorgesehen sein, die zwar in den Zeichnungen nicht dargestellt sind, um den Chromnickelblöck 32 in die gewünschte Lage zu bringen. Als weitere Alternative, um eine örtliche Erwärmung auf der Unterfläche des Substrates 22 hervorzurufen, kann ein heißer Stickstoffstrahl von unten durch den Durchlaß 12 gerichtet werden. Hierfür könnte eine Heißgaskanone verwendet werden.

Zusätzlich zur Erzielung einer genauen und reproduzierbaren Bildung der eutektischen Verbindung durch die richtige Steuerung der Temperatur, welche durch den erhitzten Teil des Substrates 22 erreicht wird, ist es wesentlich, daß der erhitzte Bereich des Substrates auf die unmittelbare Nachbarschaft des Bereiches begrenzt wird, mit dem die Verbindung hergestellt werden soll, um keine Beschädigungen hervorzurufen und um die elektrischen Eigenschaften der in der Umgebung befindlichen Schaltungselemente nicht zu verändern. In den in den Figuren 2 und 4 dargestellten Ausfuhrungsformen wurde dies dadurch erreicht, daß für einen engen thermischen Kontakt zwischen den umgebenden Abschnitten des Substrates 22 und der Heizstufe 11 gesorgt wurde, die auf einer durch den thermostatisch gesteuerten Heizblock 21 bestimmten Temperatur gehalten wird. Diese Temperatur wurde in dem oben beschriebenen Beispiel mit etwa 300 ⁰C gewählt.

Es wurde gefunden, daß die Temperaturverteilung als Funktion des Abstandes von der Mitte des Halbleiterplättchens ein sehr scharf begrenzter Bereich ist. Figur 5 zeigt eine typische Temperaturverteilung als Funktion des Abstandes von der Mitte des Halbleiterplättchens. Aus dieser Kurve wird leicht deutlich, daß benachbarte Komponenten nicht unnötig den höheren Verbindungstemperaturen ausgesetzt werden. Somit wird eine nachteilige Beeinflussung der empfindlichen Transistoren oder anderer Schaltungselemente stark herabsetzt, da die erhöhte Temperatur lokalisiert * und nur für einen kurzen Zeitraum existent ist.

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Das Ausmaß der seitlichen Ausdehnung der Temperaturverteilung wird durch die Größe des das Heizelement 28 a umgebenden Durchlasses 12 bestimmt. Wenn der Durchlaß 12 zu groß ist, dann wird auch der Durchmesser des erhitzten Bereiches des Substrates 22 so groß sein, daß die in der Umgebung befindlichen Schaltungselemente auf dem Substrat 22 übermäßigen Temperaturen ausgesetzt sind und ihre elektrischen Eigenschaften können in unerwünschter Weise verändert werden. Wenn andererseits der Durchlaß 12 zu klein ist, dann wird der Temperaturgradient innerhalb des Substrates 22 zu groß, was zur Folge hat, daß infolge der thermischen Ausdehnung übermäßige Beanspruchungen auftreten, was zur Bildung von Rissen in dem Substrat 22 führt. Eine zweckmäßige Größe für den Durchlaß 12 liegt etwa bei 3 mm für ein Heizelement mit einem Kontaktteil 28 a, das eine Größe von etwa 1 bis 1,5 nun hat. Die optimale Größe des Durchlasses 12 hängt selbstverständlich von der Dicke und den thermischen Ausdehnungseigenschaften des Substrates 22 ab. Folglich sind die vorstehenden Abmessungen nur zu Darstellungszwecken und als Beispiele genannt .

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Claims

Ansprüche

1.^Vorrichtung zur Bildung einer eutektischen Verbindung zwisehen einem Halbleiterplättchen und einem Goldstreifen, gekennzeichnet durch ein Substrat (22) mit dem auf eine Oberfläche des Substrates aufgebrachten Goldstreifen (23)» eine Haltevorrichtung, die das Halbleiterplättchen (25) mit dem Goldstreifen in Kontakt hält, und eine Heizvorrichtung, die einem Bereich auf der entgegengesetzten Oberfläche des Substrates, der kleiner ist als der Goldstreifen, zur Bildung einer eutektischen Verbindung zwischen dem GoIdstreifen (23) und dem Halbleiterplättchen (25) Wärme liefert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß durch Einlasse (13, 20) hindurch ein Schutzgas in die Nähe der zu bildenden Verbindung leitbar 13t.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2_S dadurch gekennzeichnet , daß die Heizvorrichtung ein mit dem Substrat (22) in Kontakt befindliches Platinband (28) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung ein mit dem Substrat in Kontakt befindliches Hochfrequenz-Heizelement (31) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch l_s dadurch gekennzeichnet , daß die Haltevorrichtung für das Halbleiterplättchen (22) eine Konushülse (24) aufweist, an der ein Heizelement (27) befestigt ist und die auf einer nahezu konstanten, vorbestimmten Temperatur haltbar ist ο

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekenn-

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zeichnet, daß Mittel zur justierbaren Halterung des Substrates (22) bezüglich der Heizvorrichtung vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas Stickstoff, Argon oder Helium ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Plat* ten (1Ί, 16) geringer thermischer Leitfähigkeit vorgesehen sind, mit deren Hilfe das Substrat (22) bezüglich des Heizdrahtes (28) einstellbar und die Strömung des Schutzgases über das Substrat (22) steuerbar ist, so daß ein Zutritt von Luft in den Verbindungsbereich ausgeschlossen ist.

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