DE2600321B2 - Verfahren zur Herstellung eines Glasüberauges auf einer Halbleiteranordnung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Glasüberauges auf einer Halbleiteranordnung

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Petrus Godefridus Henricus Johannes Smits
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Glasfiberzugs auf einer Halbleiteranordnung, bei dem pulverförmiges Glas in einem flüssigen Dispersionsmedium dispergiert und die Dispersion vermittels Elektrophorese auf die Halbleiteranordnung aufgebracht wird.
Der Vollständigkeit halber wird auf die L1S-PS 33 03 399 hingewiesen, aus der ein Verfahren zur Herstellung eines Glasüberzugs auf einer Halbleiteranordnung bekannt ist, bei dem der unpolare gesättigte Kohlenwasserstoff Hexan als Dispersionsmedium für pulverförmiges Glas verwendet wird. Diese Glasschicht wird jedoch nicht mit Hilfe der Elektrophorese, sondern mechanisch aufgebracht.
Derartige Glasüberzüge können dazu dienen, an die Oberfläche tretende oder an der Oberfläche liegende wesentliche Teile von Halbleiteranordnungen, z. B. PN-Übergänge, die beim Betrieb verhältnismäßig hohen Sperrspannungen ausgesetzt werden müssen, oder für atmosphärische Einflüsse empfindliche Teile zu schützen.
Beim Anbringen derartiger Oberzüge können lange dauernde Erhitzungsbehandlungen bei mäßiger Temperatur die elektrischen Eigenschaften der Haibleiteranordnungen beeinträchtigen. Mit Rücksicht auf eine angemessene abschirmende Wirkung gegen atmosphärische Einflüsse soll der Überzug eine genügende Dicke aufweisen. Bei großen Schichtdicken besteht jedoch die Gefahr thermisch hervorgerufener Spannungen, die eine Beschädigung der Halbleiteranordnung zur Folge haben können Um einen Glasüberzug mit angemessener Dicke zu erhalten und lange Lrhit/.ungshchandlun· gen μ vermeiden, wurde nach einem aus der CiFJ-PS 12 13 807 (Seite h. Zeilen 94 bis IOD bekannten Verfahren die Glasschicht auf elektrophoretischem Weg aus einer Dispersion feinkörniger Glasteilchen in einem Dispersionsmedium, wie Wasser, Methanol oder Äthylacetat, abgelagert Die Ladung der Glasteilchen stammte von an den Teilchen haftenden Ionen. Eine derartige abgelagerte Schicht weist eine genügende Haftung auf, um z, B, Spülbehandlungen aushalten zu können. Für eine bessere Haftung und eine bessere abschirmende Wirkung ist danach eine nur kurzzeitige
ίο Erhitzung bei mäßiger Temperatur ausreichend.
Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die elektrophoretische Ablagerung oft nicht gleichmäßig über die Halbleiteroberfläche verteilt und die Ablagerung manchmal völlig auf diejenigen Teile der Halbleiter-
f 5 oberfläche beschränkt ist, die in der unmittelbaren Nähe des für die Elektrophorese angebrachten Elektrodenanschlusses liegen. Weiter wurde nun gefunden, daß ungleichmäßige Oberzüge bei der Herstellung verschiedener Typen von Halbleiteranordnungen in verschiedenem Maße auftreten.
Ein erster Gedanke, der zu der vorliegenden Erfindung geführt hat, ist der, daß die obengenannten Erscheinungen mit Widerständen: in der Halbleiterscheibe selbst im Zusammenhang stehen können. Wie Versuche nachgewiesen haben, tritt die ungleichmäßige Ablagerung insbesondere stark bei denjenigen Halbleiterscheiben auf, die wenigstens größtenteils aus Material verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstandes bestehen.
μ Der Erfindung liegt nun weiter die Erkenntnis zugrunde, daß bei dem oben beschriebenen bekannten Verfahren die verwendete Suspension eine verhältnismäßig hohe Leitfähigkeit aufweist, wodurch das Glas aus der Suspension bei Elektrophorese ungleichmäßig
j5 abgelagert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Glasdispersionen zur elektrophoretischen Herstellung von Glasüberzügen auf Halbleiterkörpern unterschiedlichster Art zu schaffen, mit denen über die gesamte Halbleiteroberfläche sehr gleichmäßig verteilte Ablagerungen erreicht werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die spezifische elektrische Leitfähigkeit der Dispersion von Glasteilchen höchstens
4·; lO-'oOhm-'cm-' beträgt. Dabei ist die Tatsache zu berücksichtigen, daß das Dispersionsmedium selbst eine geringere Leitfähigkeit als die mit diesem Medium hergestellte Dispersion aufweist, so daß das flüssige Dispersionsmedium aus Flüssigkeiten mit einer spezifi-
w sehen Leitfähigkeit von weniger als Ib-"> Ohm-' cm-' gewählt werden soll. Wasser und Methanol weisen z. B. eine spezifische Leitfähigkeit von mehr als lO-'^Ohm-'cm-' auf; dies gilt auch für Äthylacetat. Hydrolyse kann die Leitfähigkeit von Äthylacetat
M weiter erhöhen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird ein unpolares Dispersionsmedium verwendet. Ein solches unpolares Dispersionsmedium weist eine Eigenleitfähigkeit von weniger als !0-i0Ohm-' cm-'auf.
ho Es empfiehlt sich, das flüssige Dispersionsmedium aus den Kohlenwasserstoffen, vorzugsweise den gesättigten" Kohlenwasserstoffen, /u wählen. Diese weisen eine sehr gelinge Eigenleitfähigkeit auf. Das Dispersionsmedkim brauch ι nicht aus einem einzelnen fliissigen Kohlcnwas-
h', serstoff zu bestehen, sondern kann auch aus einem flüssigem Gemisch von Kohlenwasserstoffen best-hen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die Disper^on noch mindestens ein HilfsdisDcr-
giermittel in Form eines ionisierbaren Stoffes, der ein mehrwertiges Metall und mindestens ein Ion mit mindestens einer unpolaren organischen Gruppe enthält Derarüge Hilfsdispergiermittel sind an sich bekannt Die Zersetzung eines solchen Hiifsdispergiermittels in einem unpolaren Dispersionsmedium wird wahrscheinlich durch das Auftreten van-der-Waals'-scher-Kxäfte zwischen der unpolaren Flüssigkeit und der unpolaren Gruppe (Gruppen) des obengenannten Ions ermöglicht, wodurch ein solches Ion in der unpolaren Flüssigkeit gelöst wird. Das mehrwertige Metall mit daran noch gebundenen Gruppen bildet wahrscheinlich ein einwertiges komplexes Ion, das an den Glasteilchen haftet, wodurch diese Teilchen eine gewisse Ladung erhalten, deren Vorzeichen dem der Ladung der in dem Dispersionsmedium gelösten Ionen entgegengesetzt ist Die an das mehrwertige Metall gebundenen Gruppen des Ions können zu der Dispersion der Glasteilchen einen Beitrag liefern.
Van-der-WaalskJie-Kräfte sind im allgemeinen in bezug auf elektrostatische Bindungskräfte zwischen Ionen entgegengesetzter Vorzeichen oder zwischen einem Ion und einem Dipolmolekül gering. Um trotzdem eine Zersetzung des Hilfsdispergiermittels zu ermöglichen, soll der unpolare Teil der in dem Dispersionsmedium gelösten Ionen verhältnismäßig groß sein. Zum Beispiel kann der unpofare Teil aus einer Kette einer aliphatischen Kohlenwasserstoffgruppe mit einer verhältnismäßig großen Anzahl von Kohlenstoffatomen bestehen. Die Beweglichkeit des Ions, die einen Ju entscheidenden Faktor für die Leitfähigkeit der Dispersion bildet, ist durch die relative Größe des Ions sehr gering.
Weiter kann die niedrige Leitfähigkeit auch der verhältnismäßig niedrigen Konzentration an gelösten i"> Ionen, u.a. infolge eines niedrigen Zersetzungsgrades des Hilfsdispergiermittels, zugeschrieben werden. Die dispergierten Glasteilchen sind von kompensierender Ladung aus einer Wolke gelöster Ionen umgeben, wobei die Wolke in dem unpolaren Dispersionsmedium sehr "? dünn ist
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Dispersion außerdem ein Polymer als Bindemittel für die Glasteilchen zugesetzt. Dadurch werden die Adhäsionskräfte zwischen den abgelagerten ·« Glasteilchen gefördert Ein derartiges polymeres Bindemittel fördert als verstärkendes und stabilisierendes Agens die Dispersion fester Teilchen in einem unpolaren Dispersionsmedium. Insbesondere im vorliegenden Fall der Suspension von Glasteilchen, die selber v> einen polaren Aufbau besitzen, sind Polymere, die als verstärkendes und stabilisierendes Agens wirken können, von besonderem Nutzen. Weiter besteht die Möglichkeit, daß sie an den Teilchen haften und mit ihrem unpolaren Teil eine van-der-Waals'sche-Bindung an die Moleküle des unpolaren Mediums fördern. Das Polymer kann Seitenketten von mindestens vier, vorzugsweise zehn bis zwanzig Kohlenstoffatomen enthalten. Polymetacrylsäureverbindungen können besonders geeignet sein. Bei einer etwaigen, nach der so Ablagerung des Glasüberzugs durchgeführten kurzzeitigen Erhitzungsbehandlung können derartige Verbindungen, u. a. durch Depolymerisation, schnell verchwinden.
Es stellt sich nun heraus, daß mittel.1, des beanspruch- h", ten Verfahrens auf zweckmäßige Weise Glasüberziigc gleichmäßiger Dicke auf Halbleiterscheiben mit vcrhältnismäßie hohen Widerstandswerten ic lateralen Richtungen, sogar auf Scheiben mit einem mittleren Flächenwiderstand in lateralen Richtungen von mindestens 500 Ω angebracht werden können.
Glasüberzüge sind für Halbleiteranordnungen mit PN-Obergängen, für die eine hohe Durchschlagspannung erforderlich ist, von besonderer Bedeutung- Im allgemeinen wird bei der Herstellung derartiger Halbleiteranoi'dnungen von einer Halbleiterscheibe mit hohem spezifischem Widerstand ausgegangen, in der, z. B. durch Diffusion, eine oder mehrere Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps angebracht werden. Eine auf diese Weise behandelte Scheibe besteht über den größten Teil ihrer Dicke aus dem ursprünglichen hochohmigen Material. Durch das bekannte Verfahren gemäß der GB-PS 12 93 807 werden gerade in diesem Fall ungleichmäßige Glasablagerungen erhalten. Durch das beanspruchte Verfahren können nun mit Erfolg Scheiben überzogen werden, die über den größten Teil ihrer Dicke aus Halbleitermaterial mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 20 Ohm cm bestehen.
Glasüberzüge werden bei Halbleiteranordnungen mit hochohmigen Substraten, wie Dioden mit hoher Durchschlagspannung und vielen Thyristoren, dazu benutzt niedrige Durchschlagspannungen infolge von Randstörungen an den Stellen, an denen PN-Obergänge an die Halbleiteroberfläche treten, zu vermeiden. So kann eine Halbleiterscheibe verwendet werden, die ein hochohmiges Substrat enthält auf dem auf mindestens einer Seite mindestens eine Halbleiterzone anderer Leitfähigkeit und/oder anderen Leitfähigkeitstyps angebracht ist Auf der anderen Seite der angebrachten Halbleiterzone(n) kann ein Netzwerk von Nuten bis in das hochohmige Substrat angebracht werden, wonach der Glasüberzug aus der Dispersion in dem unpolaren Dispersionsmedium ebenfalls in den Nuten abgelagert wird. Auf diese Weise können in den Nuten endende PN-Obergänge mit einer stabilisierenden Glasschicht überzogen werden. Dadurch, daß sich ^-ie Nuten bis in das hochohmige Material erstrecken, sind die verschiedenen, von den Nuten eingeschlossenen Halbleiterteile miteinander nur noch durch hochohmiges Substratmateriai verbunden, wodurch nichtvernachlässigbare laterale Widerstände in der Scheibe auftreten. Dies führt bei Anwendung der bekannten Dispersionen von GIf steilchet! in polaren Dispersionsmedien dazu, daß ein ungleichmäßiger oder sogar nur örtlicher Glasiiberzug entsteht, während durch das beanspruchte Verfahren ein Glasüberzug auf da'gesamten Halbleiteroberfläche in praktisch gleichmäßiger Dicke erhalten wird.
Ein weiterer wichtiger Aspekt des beanspruchten Verfahrens ist folgender. Bei der bekannten Ablagerung gemäß der GB-PS werden nur halbleitende und gegebenenfalls metallisch leitende Oberflächenteile überzogen, wohingegen vorhandene Isolierschichten, auch wenn sie verhältnismäßig dünn sind, unbedeckt bleiben. Durch das beanspruchte Verfahren werden auch Oberflächenteile aus Isoliermaterial mit den Glasteilchen überzogen. Dadurch kann eine bessere Abschirmung wesentlicher Teile der herzustellenden Halbleiteranordnung erhalfen werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Glasüberzug auf einer scheibenförmigen Siliciumscheibe angebracht, die z. B. auf folgende Weise erhalten ist:
Es wird von einer runden Scheibe aus einkristallinem Silicium mit einem spezifischen Widerstand von etwa
50 Ω cm ausgegangen. Die Scheibe weist einen Durchmesser von etwa 50 mm und eine Dicke von 200 μΓΠ auf. Sie wurde aus einem stabförmigen Einkristall in einer (lOO)-Ebene geschnitten und anschließend durch Schleifen, Polieren und Ätzen auf die angegebene Dicke gebracht
Durch an sich bekannte Techniken, z. B. Diffusionsvorgänge laid gegebenenfalls epitaktischc Ablagerung, werden auf einer Seite eine oder mehrere für herzustellende Halbleiteranordnungen bestimmte Zon.en angebracht, welche einen anderen Leitfähigkeitstyp und/oder eine andere Leitfähigkeit als der übrige Teil aus dem ursprünglichen Material der Scheibe aufweist (aufweisen). Dieser übrige Teil, der den größten Teil der Scheibe beansprucht, wird, hier nachstehend als das hochohmige Substrat bezeichnet Auf der Halbleiteroberfläche auf der Seite der angebrachten Zone(n) kann noch eine Schicht aus Isoliermaterial, z. B. aus Siliciumoxid, gemäß einem gewünschten Muster angebracht sein.
Auf der Seite der Scheibe, auf df;- die Zone(n) angebracht ist (sind), werden nun Nuten, z. B. gemäß einem Netzwerk von Ritzbahnen gebildet, entlang welchen die Scheibe in eine Anzahl von Halbleiteranordnungen unterteilt werden kann. Diese Nuten können auf an sich bekannte Weise angebracht werden, wobei zunächst eine etwaige Isoliermaterialschicht gemäß dem Nutenmuster entfernt wird. Nach dem gewünschten Nutenmuster wird unter Verwendung einer ätzbeständigen Maskierung das Silicium anisotrop geätzt, und zwar bis zu einer Tiefe, die größer als die Dicke der angebrachten Zone(n) auf der betreffenden Seite ist Obergänge im Halbleitermaterial, z. B. zwischen einer solchen Zone und dem Substratmaterial, können an den Nutenwänden an die Oberfläche treten.
Für die elektrophoretische Ablagerung eines Glasüberzugs auf der Halbleiteroberfläche wird eine Dispersion von Glasteilchen in einem geeigneten flüssigen, Dispersionsmedium hergestellt Die Glasteilchen bestehen aus einem geeigneten hochohmigen, für Halbleiterzwecke an sich bekannten Glas aus Basis von Siliciumoxid, Bleioxid und Aluminiumoxid, das bei etwa 800 bis 850° C erweicht.
Der Korndurchmesser der Glasteilchen liegt zwischen etwa 0,1 und 10 μΐπ mi: einem Mittelwert von etwa 3 μπι.
Als flüssiges Dispersionsmedium wird ein Gemisch von Isoparaffinen mit 9 bis 12 Kohlenstoffatomen pro Molekül, in diesem Fall ein käuflich erhältliches Gemisch, verwendet
Für die zuzusetzenden Hilfsdispergiermittel wird ein Gemisch verwendet, das enthält:
1 Gewichtsteil einer Calciumseife von Didecylester von Sulfobernsteinsäure,
1 Gewichtsteil einer Chromseife von Alkylsalicylaten, deren Alkylgruppe 8 bis 14 Kohlenstoffatome enthält,
1 Gewichtsteil eines Copolymers von Laurylstearylmethacryiat und 2-Methyl-5-vinylpyridin und
3 Gewichtsteile eines geeigneten Lösungsmittels wie Xylol.
Ein derartiges Gemisch ist käuflich erhältlich. 0,75 g dieses Gemisches wird nun in 1 Liter des vorgenannten Gemisches von Isoparaffinen gelöst. Von diesem Gemisch bilden die Calciumseife und die Chromseife die ionisierbaren Hilfsdispergiermittel. Das Copolymer bildet ein verstärkendes und stabilisierendes Agens.
In dem vorliegenden Beispiel wird noch ein weiteres verstärkendes und stabilisierendes Agens in Form einer Laurylstearylpolymethacrylatlösung von 20 g/l des bereits genannten Gemisches von Isoparaffinen verwendet
Die Suspension wird nun wie folgt zusammengesetzt: 1 Liter des als Dispersionsmediums verwendeten Gemisches der Isopraffine werden zugesetzt:
10 g der zu suspendierenden Glasteilchen,
20 ml des vorher hergestellten Hilfsdispergiermittelge-
misches und
10 ml der Polymethacrylatlösung.
Die spezifische Leitfähigkeit der Dispersion ist 5χ10-|2Ω-'αυ-'.
Die zu überziehende Halbleiterscheibe wird über einen Randteil mittels einer Klemme mit einem elektrischen Anschluß verbünde- „ der aus Platin besteht und in die Suspension gehängt tine Gegenelektrode in Form einer runden Platinscheibe mit einem Durchmesser von 5 cm wird der Seite mit den Nuten gegenüber angeordnet so daß der gegenseitige Abstand der zu behandelnden Scheibe und der Plattenelektrode an allen
Stellen etwa 15 mm beträgt
Anschließend wird eine Spannung von 200 V an die Elektrode angelegt wobei der Halbleiterscheibe eine negative Vorspannung in bezug auf die Gegenelektrode gegeben wird. Nach einer Zeitdauer von etwa 1 Minute ist eine gleichmäßig dicke Schicht auf der Halbleiteroberfläche auf der mit den Nuten versehenen Seite mit einer Dicke von etwa 15 μπι angebracht, die sowohl die Halbleiteroberfläche als auch, wenn sie bereits vorhanden sind, die darauf liegenden Isolierschichtteile bedeckt
Nach Trocknung wird die Scheibe mit der aus Glasteilchen bestehenden Überzugsschicht bei der die Glasteilchen im wesentlichen durch Methacrylat gebunden sind, einer Erhitzungsbehandlung in Luft bei einer Temperatur von 5000C während 10 Minuten unterworfen, wobei alle organisch-chemischen Bestandteile, wie das Methacrylat, teilweise durch Depolymerisation und Verdampfung, teilweise durch Oxidation verschwinden. Dann werden die Glasteilchen zu einer dichten Glasschicht bei 9000C während etwa 7 Minuten zusammengeschmolzen.
Vergleichsweise wurden ähnliche Halbleiteroberflächen elektrophoretischen Überzugsbehandlungen in einer Dispersion von Glasteilchen in Methanol als Dispersionsmedium und AlCI3 als Hilfsdispergiermittel unterworfen.
Die spezifische Leitfähigkeit der Dispersion in Methanol lag zwischen 6 · 10~s und 10 · ΙΟ-'Ω-'αη-'. Auch wurde eine Suspension in
Äthylacetat verwendet die eine spezifische Leitfähigkeit von 3 · ΙΟ-'Ω-'cm-' aufwies. Die Scheiben wurden nicht oder nur in der Nähe des angebrachten Elektrodenaa^hlusses auf elektrophoretischem W^g mit einer Schicht aus den Glasteilchen überzogen. Wo
so bereits Isolierschichten vorhanden waren, wurde in keiner dieser Dispersionen mit polaren Dispersionsmedien an irgendeiner Stelle dieser Schichten eine Ablagerung von Glasteüchen erhalten.
Ähnliche Ergebnisse wurden bei der Behandlung von
to Halbleiterscheiben für Thyristoren erzielt, bei denen zu beiden Seiten Zonen in eine hochohmige Siliciumscheibe eindiffundiert waren und ein Netzwerk von Nuten auf beiden Seiten bis in das Substrat aneebracht waren.
7 8
Der laterale Flächenwiderstand dieser Scheiben betrug formen mit Dispersionen in unpolaren Medien bedurchschnittlicR 200 Ω. Zwei scheibenförmige Gegen- schränkt und daß auf entsprechende Weise Halbleiterelektroden wurden dabei zu beiden Seiten der scheiben aus einem anderen Halbleitermaterial als Halbleiterscheibe und in gleichen Abständen von dieser Silicium und/oder mit HeteroÜbergängen im Kahmen Scheibe angebracht. . des beanspruchten Verfahrens mit Glasüber/ügcn
Es wird darauf hingewiesen, daß sich das beanspruch- versehen werden können,
te Verfahren nicht auf die obengenannten Ausführungs-

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines Glasüberzugs auf einer Halbleiteranordnung, bei dem pulverförmiges Glas in einem flüssigen Dispersionsmedium dispergiert und die Dispersion vermittels Elektrophorese auf die HaJbleiteranordnung aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische elektrische Leitfähigkeit der Dispersion höchstens 10-'° Ohm-' cm-' beträgt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein unpolares Dispersionsmedium verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispersionsmedium aus einem oder mehreren Kohlenwasserstoffen besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispersionsmedium aus einem oder mehreren gesättigten Kohlenwasserstoffen besteht
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersion mindestens ein Hilfsdispergiermittel in Form eines ionisierbaren Stoffes enthält, der ein mehrwertiges Metall und mindestens ein Ion mit mindestens einer unpolaren organischen Gruppe enthält
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dispersion ein polymeres Bindemittel beigemengt wird.
DE2600321A 1975-01-16 1976-01-07 Verfahren zur Herstellung eines Glasüberzuges auf einer Halbleiteranordnung Expired DE2600321C3 (de)

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