DE2325351B2 - Verfahren zur Herstellung von Siliziumgleichrichtersäulen mit hoher Durchbruchsspannung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Siliziumgleichrichtersäulen mit hoher DurchbruchsspannungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Siliziumgleichrichlersäulen mit hoher Durchbruchsspannung,
bei dem ein Block aus einer Anzahl aufeinander geschichteter und miteinander verbundener
Siliziumscheiben, die jeweils einen in ihnen ausgebildeten PN-Übergang aufweisen, längs Ebenen senkrecht
zur Hauptfläche der Siliziumscheiben in Säulen geschnitten wird und die Säulen mit einer Ätzlösung
geätzt werden.
Ein solches Verfahren ist aus der DE-OS 15 64 800 bekannt und ermöglicht eine einfache Herstellung von
Siliziumglcichrichtersäulen. Die Ätzbehandlung dient hierbei zur Beseitigung der beim Schneiden der
Gleichrichtersäulen auftretenden Oberflächenfehler, Materialspannungen und Verunreinigungen.
Aus der DE-OS 20 39 676 ist weiterhin ein Verfahren dieser Art bekannt, bei dem wie im FaJIe des aus der
DE-OS 15 64 800 bekannten Verfahrens Siliziumscheiben in übereinander liegender Schichtung durch ein
Lötmittel miteinander verbunden und dieser Block in Siliziumgleichrichtersäulen geschnitten werden, die
anschließend einer Ätzbehandlung unterzogen werden, wobei jedoch die verwendete Ätzlösung derart gewählt
ist, daß lediglich das Siliziummaterial und nicht das Lötmaterial angegriffen wird. Hierdurch werden Hohlkehlen
an den Rändern der einzelnen Siliziumscheiben zwischen den Verbindungsstellen ausgebildet, die nicht
nur zur Beseitigung von Oberflächenspannungen, sondern auch zur Verringerung der entstehenden
Oberflächenfeldstärken dienen sollen. Eine solche, relativ Undefinierte Ätzbehandlung führt jedoch nicht zu
sehr hohen Durchbruchsspannungskennwerten, da die an den einzelnen Siliziumscheiben erzielbaren Durchbruchsspannungen,
d. h., die Einzelspannungen in Sperrichtung bis zum Auftreten des Lawineneffektes,
nicht voll ausgenutzt werden. Erst wenn die einzelnen Siliziumscheiben zwischen den Verbindungsstellen
jeweils kleine Kegelstümpfe bilden, ergibt sich eine wesentliche Steigerung der Durchbruchsspannung der
einzelnen Siliziumscheiben und damit auch der Gleichrichtersäule. Eine solche erwünschte Formgebung ist bei
einem Gleichrichter mit einer einzigen Siliziumscheibe durchaus möglich, wirft jedoch bei einer Gleichrichtersäule
aus vielen miteinander verbundenen Siliziumscheiben erhebliche Herstellungsschwierigkeiten auf.
Aus der DE-AS 12 12 215 ist es zwar bekannt, zur Erhöhung der Durchbruchsspannung eines eine Siliziumscheibe
aus einer N-leitenden und einer darauf befindlichen P+-leitenden Schicht enthaltenden Siliziumgleichrichters
zunächst mittig auf der P+-leitenden Schicht eine kreisscheibenförmige Wachsschicht anzuordnen,
so daß eine Kreisringfläche am Außenrand der P+-leitenden Schicht unbedeckt bleibt, und anschließend
die Siliziumscheibe für 5 bis 9 Minuten in eine langsam wirkende Ätzlösuiig zu tauchen, die aus
Salpetersäure, Flußsäure, Eisessig und Orthophosphorsäure mit einem Volumenverhältnis von 3,3 : 2,5 : 2 :2
besteht und die P+-leitende Schicht niedrigen Widerstandes wesentlich stärker als die N-leitende Schicht
'"' hohen Widerstandes angreift, wodurch ein Teil der
freiliegenden P+-leitenden Schicht abgeätzt und eine um den Umfang her<imgreifende Schulter ausgebildet
wird, an der die Oberfläche der P+-leitenden Schicht mit der Ebene des P+N-Überganges einen Winkel von etwa
5° bildet Dieses Verfahren eignet sich jedoch wegen der erforderlichen Maskierung ausschließlich zur
Herstellung einzelner Gleichrichterbauelemente, nicht jedoch für Gleichrichtersäulen, bei denen nach Schichtung
der einzelnen Siliziumscheiben der gesamte Block zur Bildung von Siliziumgleichrichtersäulen senkrecht
zur Hauptfläche des Blocks geschnitten wird und erst die Ätzbehandlung der geschnittenen Flächen erfolgt.
Würden nämlich zunächst die Siliziumscheiben jeweils einzeln der Ätzung unterworfen und sodann eine
i() Anzahl der bereits geätzten Siliziumscheiben zur
Bildung einer Gleichrichtersäule aufeinandergeschichtet und elektrisch miteinander verbunden, so wäre dies
äußerst unwirtschaftlich und würde darüber hinaus aufgrund der alleinigen starken Abtragung der P+-lei-
*' tenden Schicht auch nicht zu der erstrebenswerten
Kegelstumpfform der einzelnen Siliziumscheiben führen.
Ferner ist aus der Literaturstelle »Journal of the Electrochemical Society«, Band 119,1972, Nr. 3, Seilte
93C Abstract Nr. 25, ein bei der Herstellung dielektrisch isolierter integrierter Schaltkreise angewendetes
Ätzverfahren bekannt, bei dem eine aus Flußsäure, Salpetersäure und Essigsäure in einem nicht
mitgeteilten Volumenverhältnis bestehende Ätzlösung
4> verwendet wird, die hochdotierte Halbleiterschichten
stark angreift und z. B. eine N +-leitende Siliziumschicht von 0,008 Ω · cm mit einer Geschwindigkeit von
2 μπι/min auflöst, während die Auflösungsgeschwindigkeit
für eine N-leitende Siliziumschicht von 0,3 Ω · cm
V) annähernd 0 ist. Bei Verwendung dieser Ätzlösung zum
Ätzen von Gleichrichter-Siliziumscheiben mit einem P+PN+-Schichtenaufbau werden somit sowohl die
P+-leitende Schicht als auch die N+-Ieitende Schicht gleichermaßen stark abgeätzt, so daß sich hierdurch
v' keine von der P+-Ieitenden Schicht über die P-Ieitende
Schicht zu der N+ -leitenden Schicht kegelförmig verjüngende Form der einzelnen Siliziumscheiben
erzielen läßt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur
h" Herstellung von Siliziumgleichrichtersäulen mit hoher
Durchbruchsspannung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß durch eine einfache Ätzbehandlung
eine vorteilhafte Kegelstumpfform der einzelnen Siliziumscheiben der Gleichrichtersäulen erhalten
hr> wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Ätzlösung aus einem Gemisch aus Flußsäure
mit einer Konzentration von 48 Gew.-°/o, Salpetersäure
mit einer Dichtezahl von 1,420 und Eisessig verwendet wird, bei dem das Volumenverhältnis dieser Bestandteile
2 :4 : 1 beträgt
Durch diese Ätzlösung erfolgt innerhalb der äußerst kurzen Zeit von vorzugsweise 80 bis 120 s eine derartige
Abätzung der die Gleichrichtersäulen bildenden, jeweils einen P+PN+-Schichtenaufbau aufv. eisenden Siliziumscheiben,
daß die N+-leitenden Schichten am stärksten abgeätzt werden und die Ätzwirkung entlang der
Gleichrichtersäule jeweils von einer N+-leitenden Schicht £ur nächsten P+-Ieitenden Schicht abnimmt.
Hierdurch wird die gewünschte Form der einzelnen Siliziumscheiben von kleinen Kegelstümpfen zur Erzielung
hoher Durchbruchsspannungen ermöglicht und gleichzeitig die Massenfertigung derartiger Gleichrichtersäulen
durch kurze Ätzzeiten und wenige einfache Verfahrensschritte wesentlich vereinfacht.
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher erläutert, bis zeigt
F i g. 1 eine Schnittansicht einer Siliziumgleichrichtersäule vor der Ätzbehandlung und
Fig.2 die Siliziumgleichrichtersäule gemäß Fig. 1 nach der Ätzbehandlung nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer Siliziumgleichrichtersäule
vor der Ätzbehandlung, die aus einer Anzahl von jeweils Dioden mit sogenannten P+NN + Schichtenaufbau
bildenden Siliziumscheiben mit einer P+ -leitenden Schicht 1, einer N-leitenden Schicht 2 und
einer N+-leitenden Schicht 3 besteht, die rlurch
Lotschichten 4, 5, 6, 7 und 8 in Reihe geschaltet miteinander verbunden sind.
Bei der Ätzbehandlung wird die in F i g. I dargestellte Gleichrichtersäule in bezug auf die einzelnen Siliziunischeiben
aufeinanderfolgend in eine Ätzlösung getaucht, die aus einem Gemisch aus Flußsäure (HF) mit
einer Konzentration von 48 Gew.-%, Salpetersäure (HNO)) mit einer Dichtezahl von 1,420 und Eisessig
(reiner Essigsäure CH3COOH) in einem Volumenverhältnis
von 2:4:1 besteht. Unter der Dichtezahl wird hierbei das Verhältnis der Masse eines Körpers zur
Masse einer volumengleichen Wassermenge bei 4°C ' verstanden (siehe Brockhaus AÜC »CHEMIE«, Leipzig
1965). Diese Ätzlösung wirkt am stärksten auf die N+ -leitende Schicht ein, während sie am schwächsten
auf die P+ -leitende Schicht wirkt Die Gleichrichtersäulen wurden jeweils für eine Zeitdauer von 80 bis 120 s in
ι» die auf Normaltemperatur gehaltene Ätzlösung eingetaucht.
Durch die Ätzbehandlung wurde die Oberfläche der Siliziumscheiben jeweils bis auf eine von der
ursprünglichen Oberfläche zur Grenze zwischen der N-leitenden Schicht und der N +-leitenden Schicht
·"> gemessene Tiefe von 70 bis 1OO μίτι abgeätzt. Das
Ausmaß der Ätzung reichte nicht nur zur Beseitigung der bei der vorherigen mechanischen Bearbeitung
aufgetretenen mechanischen Spannnungen, Oberflächenfehler und Verschmutzungen aus, wie sie bei
'» Verwendung von bekannten Ätzlösungen erzielt wird,
sondern jede Siliziumscheibe hatte auch eine sich kegelförmig verjüngende Oberfläche, bei der die
zwischen der Grenze der P+ -leitenden Schicht mit der
N-leitenden Schicht und der Grenze zwischen der
-'"> N-leitenden Schicht mit der N+-leitsnden Schicht
gemessene Tiefendifferenz des Ätzabtrags 10 bis 69 μηι
betrug.
Somit verjüngt sich nach dem Ätzen der Querschnitt jeder Siliziumscheibe in der in Fig. 2 dargestellten
!" Weise von der P+ -leitenden Schicht 1 zu der
N+-leitender. Schicht 3, bei der die sich ergebende
Oberfläche 10 Kegelstumpfform aufweist. Die Siliziumscheiben der nach diesem Verfahren hergestellten
Gleichrichtersäulen weisen somit sämtlich abgeschrägte
'"' Oberflächen in Kegelstumpfform auf, so daß die Gleichrichtersäule einen hohen Durchbruchsspannungskennwert
und damit eine hohe Festigkeit in bezug auf kurzzeitig überhöhte Sperrspannungen aufweist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von Siliziumgleichrichtersäulen mit hoher Durchbruchsspannung, bei
dem ein Block aus einer Anzahl aufeinander geschichteter und miteinander verbundener Siliziumscheiben,
die jeweils einen in ihnen ausgebildeten PN-Übergang aufweisen, längs Ebenen senkrecht
zur Hauptfläche der Siliziumscheiben in Säulen geschnitten wird und die Säulen mit einer Ätzlösung
geätzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ätzlösung aus einen Gemisch aus Flußsäure
mit einer Konzentration von 48 Gew.-%, Salpetersäure mit einer Dichtezahl von 1,420 und Eisessig
verwendet wird, bei dem das Volumenverhältnis dieser Bestandteile 2:4:1 beträgt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Siliziumglviichrichtersäulen während einer Zeit zwischen 80 und 120 s geätzt werden.
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|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |