DE2757821B2 - Verfahren zur Herstellung einer Mesa-Halbleiteranordnung mit Druckkontakt - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Mesa-Halbleiteranordnung mit Druckkontakt

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Mesa-Halbleiteranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches I.
In der Druckschrift »PESC 75 RECORD, EEE Power Electronics SPECIALISTS CONFERENCE-1975«, Seiten 274 bis 281 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem zur Herstellung einer Mesa-Halbleiteranordnung.die im Betrieb unter einem zwischen einer Anodenanschlußplatte und einer Kathodenanschlußplatte angelegten Druck eingesetzt wird. Dabei weist der Halbleiterkörper der Anordnung eine in eine Anzahl von Außenschichtabschnitten unterteilte Außenschicht auf. Zu nächst wird der Halbleiterkörper mit zwei Außenschichten hergestellt, von denen die obere in eine Anzahl von Außenschichtabschnitten unterteilt ist. Auf jedem Außenschichtabschnitt ist eine erste Elektrode vorgesehen. Die untere Außenschicht ist mit einer zweiten Elektrode versehen. An der so hergestellten Anordnung wird sodann eine Tragplatte derart angeordnet, daß die zweite Elektrode mit der einen Fläche der Tragplatte in Berührung gelangt. An den ersten Elektroden wird eine Preßplatte angebracht, deren Breite nicht kleiner ist als die Entfernung von der Innenkante einer äußersten ersten Elektrode zur Innenkante der anderen gegenüberliegenden äußersten Elektrode.
Während der Anwendung der Halbleiteranordnung w;fd auf die Preßplatte und somit auch auf die ersten Elektroden ein Druck ausgeübt. Dabei biegen sich die ersten Elektroden und die darunter befindlichen Außenschichtabschnitte nach unten. Im Falle eir.er über die äußersten Elektroden überstehenden Preßplattc besteht dabei die Möglichkeit, daß die Enden der Preuptälie in einen elektrischen Kontakt mit den Anschlußdrähten der Gate-Elektroden gelangen.
Um ein solches Kurzschließen zu vermeiden, kann
eine Preßplatte verwendet werden, die schmaler ist als die Entfernung zwischen den Außenkanten der äußersten ersten Elektroden. Ein Nachteil einer solchen schmaleren Preßplaue ergibt sich aber daraus, daß sich die äußersten ersten Elektroden und die darunter
JO angeordneten Außenschichtabschnitte dadurch verformen, daß jeweils nur ein Teil ihrer Oberfläche durch den auf die Preßplatte ausgeübten Druck verformt wird. Dadurch kann einerseits jeweils die Fläche der äußersten ersten Elektroden, die mit der Preßplatte in Berührung steht, im Vergleich zur Fläche, die nicht mit der Preßplatte in Berührung steht, nach unten gedrückt werden. Dabei kann die äußersten ersten Elektroden bildendes Material herausgepeßt werden, so daß es längs der inneren Seitenwände der unter den äußersten ersten Elektroden befindlichen Außctischichiabschnitte herausquillt und dabei nach längerem Gebrauch einen Kurzschluß zur benachbarten Gate-Elektrode herstellt. Andererseits wird die Fläche der mit der Preßplattc in Berührung stehenden äußersten ersten Elektroden verkleinert, so daß die Stromdichte im Kontaklbereich erhöht wird, was zu einem schädlichen Durchbruch führen kann.
In der DE-OS 15 64 185 ist eine Halbleiteranordnung vom Mesa-Typ beschrieben, deren Kathodenschicht aus einer Mehrzahl von Abschnitten gebildet ist. Eine Preßplatte zum Anlegen eines äußeren Druckes ist jedoch nicht vorgesehen.
Aus der DE-AS Il 9t 044 ist es im Zusammenhang mit einem Verfahren zur Herstellung von Halbleiteran- Ordnungen in anderem Zusammenhang bekannt, eine Preßplatte zu verwenden, die breiter ist als die Halbleiterplatte der Halbleiteranordnung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung einer Mesa-Halbleiteranord nung anzugeben, durch das vermieden wird, daß ein über eine Preßplatte auf einzelne Außenschichtabschnitte mit darauf befindlichen ersten Elektroden während des Betriebs ausgeübter Druck eine Verformung der Außenschichtabschnitte und der ersten
Elektroden bewirkt.
Diese Aufgabe wird durch ein eingangs bereits erwähntes Verfahren zur Herstellung einer Mesa-Halbleiteranordnung gelöst, das durch die in dem kennzeich-
ienden Teil des Patentanspruches I aufgeführten Merkmale gekennzeichnet ist.
Im folgenden sind bevorzugte Ausfübrungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert Es zeigt
Fig. I einen Schnitt durch eine Mesa-Halbleiteranordnung wobei eine flache Platte aufgebracht ist,
Fig.2 die Anordnung nach der Fig. I, auf die ein äußerer Druck Fausgeübt wird,
Fig.3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem äußeren Druck F und der maximalen Abweichung der unter diesem Druck gekrümmten Konfiguration,
F i g. 4 eine vergrößerte Darstellung der gekrümmten Konfiguration,
F i g. 5 eine Anordnung nach der F i g. 2, bei der die flache Platte entfernt wurde und dafür eine Preßplatte aufgebracht wurde und
Fig.6 und 7 eine weitere Ausführungsform des beanspruchten Verfahrens.
Im folgenden wird zunächst anhand der F i g. 1 ein Verfahren zur Herstellung der bekannten Mesa-Halbleiteranordnung, beispielsweise einer unter Dr-'.ckanlegung arbeitender Thyristor-Anordnung, beschrieben. Zunächst wird nach einem an sich bekannten Verfahren, beispielsweise nach dem Fremdatom-Diffusionsverfahren, dem Epitaxialverfahren oder einem ähnlichen Verfahren, ein Halbleiterkörper aus drei Schichten 62, 64, 66 und einer weiteren, auf der Schicht 66 aufgebrachten Schicht gebildet. Die P-Schicht 62, die ω N-Schicht 64, die P-Schicht 66 und die weitere N-Schicht dienen hierbei als Anoden-Außenschicht, als Zwischenschicht, als Gate-Schicht und als Kathoden-Außenschicht. Die weitere als N-Kathoden-Außenschicht dienende Schicht ist in eine Anzahl von « Mesa-Außenschichtabschnitten 68a, 686, 68c und 68c/ unterteilt, die mit ersten Elektroden 70a, 70b, 60c bzw. 70t/ aus z. B. Aluminium belegt wird, die als Kathoden dienen. Ebenso sind die P-Anoden-Außenschichten 62 und die P-Gate-Schicht 66 jeweils mit einer zweiten Elektrode 72 die als Anode dient bzw. mit einer Gate-Elektrode 74 aus z. B. Aluminium versehen. Die Gate-Elektrode 74 wird in an sich bekannter Weise, beispielsweise durch Hochfrequenz-Strahlschweißen mit dem einen Ende einer Gate-Zuleitung 76 verbunden. Seitenwände der P-Anoden-Außenschicht 62, der N-Zwischeiuchicht 6-i und der P-Gai :-Sichicht 66 sind mit einem Schutzfilm aus /.. B. Silikongummi 78 bedeckt.
Die beschriebene Anordnung wird an einer Tragplatte 80 so angebracht, daß die als Anode dienende zweite Elektrode 72 mit der Tragplatte 80 in Berührung steht.
Gemäß der Fig. 1 wird hierauf auf die ersten Elektroden 70a bis 7Od eine beispielsweise aus Metall bestehende, flache Platte 86 mit einer Querbreite aufgebracht, welche zumindest dem Abstand von der Außenkante der äußersten ersten Elektrode 70a zur Außenkante der anderen gegenüberliegenden äußersten ersten Elektrode 70c/ entspricht oder größer als dieser Abstand ist. Die flache Platte 86 kann aber auch aus einem isolierendem Material oder aus einem t>o Halbleitermaterial bestehen. Im Falle dieser Materialien muß sie jedoch vorzugsweise eine solche Festigkeit aufweisen, daß sie bei der Druckbeaufschlagung weder bricht noch einer Rißbildung oder Absplitterung unterworfen ist. Gemäß F i g. 1 ist die Querbreite der flachen Platte 86 größer als der Abstand zwischen den Außenkanten der äußersten ersten Elektroden 70e und Gemäß Fig.2 wird die Anordnung anschließend entlang der flachen Plate 86 in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung mit einem Druck F beaufschlagt. Wie aus der Fig.2 ersichtlich ist, wird die Halbleiteranordnung dadurch so verformt, daß ihr mittlerer Bereich nach unten durchgedrückt wird. Dies hat zur Folge, daß die Gesamtkonfiguration an der Oberseite konkav wird. Da hierbei als Kathoden dienende erste Elektroden 70a und 70c/mit dem äußeren Druck Füber eine flache Platte 86 beaufschlagt werden, die sich vollständig über diese ersten Elektroden nämlich von der Außenkante der einen äußersten ersten Elektrode 70a bis zur Außenkante der a/ideren gegenüberliegenden äußersten ersten Elektrode 7Od, erstreckt, werden die Außenschichtabschnitte 68a und 60c/ ohne jede Verformung in demselben Maß durchgedrückt wie die Auüenschichtabschnitte 68b und 68c Infolgedessen liegen die Oberflächen aller ersten Elektroden 70a bis 70c/in derselben Ebene. Obgleich in F i g. 2 jede erste Elektrode als nur auf dem Mittelteil des betreffenden Außens^hichtabschnitts angeordnet dargestellt ist, bedeckt sie talsäcl;„L-h die gesamte Fläche dieses Außenschichtabschnitts. /.us den noch näher zu erläuternden Gründen muß der zu diesem Zeitpunkt angelegte äußere Druck F in jedem Fall höher sein als der Druck, dem die Anordnung im Gebrauoii unterworfen wird. Üblicherweise ist die Lötmittelschicht 100 bis 200 μιη dick, wobei der auüere Druck F bei 350 bis 450 bar liegen sollte. Diese Beziehung geht deutlich aus der Kennlinie gemäß F i g. 3 hervor, die die Beziehung zwischen dem äußeren Druck F (bar) und der Abweichung (μπι) der Oberflächenebene der ersten Elektroden der Thyristor-Anordnung (GTO-Anordnung) zeigt. Die Kennlinie gemäß Fig. 3 wurde für eine Thyristor-Anordnung mit einer Lötschichtdicke von 100 bis 200 μm ermittelt, wobei die dünnen lotrechten Linien die Abweichungen (Toleranzen) in der Oberflächenebene der ersten Elektroden dieser Vorrichtung zeigen. Diese Abweichung entspricht Null, wenn die als Kathoden dienenden ersten Elektroden 70a bis 7Od in einer Linie bzw. in derselben Ebene liegen. Wie anhand der Kennlinie gemäß Fig. 3 ersichtlich ist, ist die Thyristor-Anordnung gemäß Fig.4 vor dem Anlegen des äußeren Drucks F tatsächlich an der Oberseite konvex 'positive Seite ( + ) in Fig. 3). In Fig. 4 ist dieser Auslenk- bzw. Abweichzustand mehr oder weniger übertrieben stark dargestellt. Die für den beschriebenen Versuch verwendete Thyristor-Anordnung ist dann, wenn sie noch nicht mit dem äußeren Druck beaufschlagt worden ist, bis zu einer Erhöhung von etwa 13 μπι konvex, während sie praktisch die Abweich-Nullmarke erreicht, wenn sie einem äußeren Druck von etwa 225 bar unterworfer wird. Bei Beaufschlagung der Thyristor-Anordnung mit de.η Druck F wird diese Vorrichtung eingedrückt bzw. konkav (negative ( — ) in Fig. 3). Bei Beaufschlagung mit einem äußeren Drue* Fvon 300 bar oder höher wird die Verformung der Thyristor-Anordnung praktisch zur Sättigung gebracht.
Die Thyristor-A"ordnung wird mit dem auf sie einwirkenden äußeren Druck eingesetzt, um den thermischen Widerstand zu reduzieren. Sobald der Beaufschlagungsdruck eine feste Groß«; erreicht hat, ändert sich der thermische Widerstand kaun noch, auch wenn der äußere Druck weiter erhöht wird. Bei einer Thyristor-Anordnung mit einer Lötmetalldicke von etwa 100 bis 200 μπι liegt der äußere Druck, bei dem sich der thermsiche Druck einDeeelt. bei 300 bar oder
darüber, worauf sich der thermische Widerstand kaum noch ändert, auch wenn der Bcaufschlagungsdruck auf 450 bar oder mehr erhöht wird. Infolgedessen sollte der bei der Fertigung ausgeübte äußere Druck vorzugsweise im Bereich von 350 bis 450 bar liegen.
In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß die zweckmäßige Höhe des von außen angelegten Beaufschlagungsdrucks F hauptsächlich von der Dicke der Lötmetallschicht 82 abhängt.
Im nächsten Verfahrensschritt wird die flache Platte 86 abgenommen und durch eine Preßplatte 88 ersetzt, die gemäß F i g. 5 auf den ersten F-Iektroden 70a bis 70b angeordnet wird. Dies Preßplatte 88 besitzt in Querrichtung keine sich voll über alle ersten Elektroden 70,i bis 70i) hinweg erstreckende Breite. Die Breite der Preßplatte 88 ist vielmehr kleiner als die Strecke von der Außenkante der äußersten ersten Elektrode 70a zur Außenkante der ecEenüberliegenden äußersten ersten Elektrode 70c/. Infolgedessen sind die äußersten ersten Elektroden 70a und 70c/nur teilweise von der Preßplatte 88 bedeckt.
Im folgenden wird nunmehr der Grund dafür beschrieben, weshalb der während der Herstellung auf die Thyristor-Anordnung (GTO-Anordnung) ausgeübte Druck F höher sein sollte als der diese Anordnung im Betrieb beaufschlagende Druck.
Wenn nämlich der im Gebrauch bzw. im Betrieb auf die Anordnung einwirkende Druck höher wäre als der Beaufschlagungsdruck während der Fertigung, könnten sich die Außenschichtabschnitte 68a und 686 möglicherweise verformen, da nämlich die Preßplatte 88 in Querrichtung nicht so breit ist, daß sie alle ersten Elektroden 70a bis 70c/ voll bedeckt, sondern nur teilweise über die beiden äußersten Elektroden 70a und 70c/ greift. Dabei kommen die äußersten ersten Elektroden 70a und 70d mit dem Randabschnitt der Preßplatte 88 in Berührung. Wenn dann während des Betriebs ein über dem bei der Fertigung angewendeten Druck Fliegender Druck auf die Vorrichtung ausgeübt würde, könnten sich die ersten Elektroden 70a und 70c/ und die entsprechenden Außenschichtabschnitte in der im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen Weise plastisch verformen.
Bei der beschriebenen Ausführungsform wird die Lötmetallschicht 82 dadurch plastisch verformt, ohne daß dies eine Verformung der mit den Randabschnitten der Preßplatte 88 in Berührung stehenden Außenschichtabschnitte 68a und 68c/ zur Folge hätte, daß die Vorrichtung während der Fertigung mittels der beschriebenen flachen Platte 86 vor der Anbringung der Preßplatte 88 mit einem äußeren Druck /-'beaufschlagt wird, der höher als der im Betrieb über die Preßplatte 88 ausgeübte Druck, so daß sich die Außenschichtabschnitte 68a und 68c/ im Betrieb auch dann nicht verformen, wenn der von außen her einwirkende Druck über die Kathoden-Anschlußplatte 90 und die Preßplatte 88 angelegt wird. Hierdurch wird infolgedessen die Möglichkeit für eine Erhöhung der Stromdichte an den als Kathode dienenden ersten Elektroden 70a und 70c/
ίο ausgeschaltet, die zu einem Durchbruch der Anordnung sowie zur Möglichkeit eines Kurzschlusses zwischen den äußersten ersten Elektroden 70a und 70c/einerseits und der Gate- Elektrode 74 andererseits führen könnte.
Gemäß der F i g. 6 entspricht die Querbreite der
\·> flachen Platte 86 der Strecke von der Außenkante der äußersten ersten Elektrode 70a zur Außenkante der anderen äußersten ersten Elektrode 70c/. In diesem Fall wird dieselbe Wirkung erreicht wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform.
In Fig. 5 besitzt die Preßplatte 88 eine Qucrbrciie. die kleiner ist als die Strecke von der Außenkante der äußersten ersten Elektrode 70a zur Außenkante der gegenüberliegenden äußersten ersten Elektrode 70c/. Wie aus der Fig. 7 hervorgeht, kann jedoch die
λϊ Querbreite der Preßplatte 88 genau der Entfernung zwischen der Außenkante der äußersten ersten Elektrode 70a zur Außenkante der gegenüberliegenden äußersten ersten Elektrode 70c/cntsprechen.
Die Preßplatte 88 kann wahlweise auch eine solche Querbreite besitzen, daß sie die Oberflächen aller Außenschichtabschnitte 68a bis 68c/ überspannt, d. h. daß sie sich von der Außenkante des Außenschichtabschnitts 68a zur Außenkante des Außcnschichtab· Schnitts 68 b erstreckt.
Die als Kathoden dienenden ersten Elektroden 68a und 68c/ sind bei diesen Ausführungsformen ebenfalls keiner Verformung unterworfen, so daß diese Ausführungsformen dieselbe Wirkung gewährleisten wie die Ausführungsformen gemäß F i g. 5.
Bei der letzten Ausführungsform erstreckt sich die Preßplatte 88 nur ein kleines Stück über die Außenkanten der äußersten erster. Elektrode 70a und 70c/hinaus, so daß nur eine sehr geringe Möglichkeit für die Entstehung eines Kurzschlusses mit der Gate-Zulei-
•■i tung 76 besteht.
Das erfindungsgemäßc Verfahren ist auch auf gewöhnliche Thyristoren, Transistoren, Dioden oder dergleichen anwendbar, sofern diese unter Druckbeaufschlagung arbeiten.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche?
1. Verfahren zur Herstellung einer Mesa-Halbleiteranordnung, die im Betrieb unter einem zwischen einer Tragplatte (80) und einer Preßplatte (88) angelegten Druck eingesetzt wird und die einen Halbleiterkörper mit einer in eine Anzahl von Außenschichtabschnitten (68a, 68Zj, 68c, 68uf; unterteilte Außenschicht aufweist, wobei zunächst ein Halbleiterkörper mit zwei Außenschichten (62, 66) hergestellt wird, von denen die eine in eine Anzahl von Außenschichtabschnitten (68a, 686, 68c 68d) unterteilt ist, von denen jeder mit einer ersten Elektrode (70a, 70b, 70c, 7Od) versehen ist, während die andere Schicht (62) mit einer zweiten Elektrode (72) versehen ist, wobei sodann eine Tragplatte (80) für das so hergestellte Gebilde derart angebracht wird, daß die zweite Elektrode (72) mit der einen Fläche der Tragplatte (80) in Berührung gelangt, wobei an den ersten Elektroden (70a, 706, 70c, IQd) eine Preßplatte angebracht wird, deren Breite nicht kleiner ist als die Entfernung von der Innenkante einer äußeren Elektrode (7Oa^ zur Innenkante der anderen gegenüberliegenden äußeren ersten Elektrode {JQd) und nicht größer ist als die Entfernung von der Außenkante der einen äußeren ersten Elektrode (7Oa^ zur Außenkante der anderen gegenüberliegenden äußersten Elektroden (7Od), dadurch gekennzeichnet, daß vor der Anbringung der Preßplatte (88) an den ersten Elektroden (70a—70d) auf letztere eine flache Platte (86) mit einer -eichen Breite aufgesetzt wird, die sich zumindest von der Außenkante der einen äußersten ersten Elektrode (7Oa^ bis zur Außenkante der gegenüberliegenden äubersten »rsten Elektrode (7Oc(J erstreckt, daß hierauf von außen her über die flache Platte (86) ein Druck, der im Bereich von 350 bis 450 bar liegt, auf den Halbleiterkörper ausgeübt wird, und daß anschließend die flache Platte (86) entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der flachen Platte (86) der Strecke von der Außenkante der einen äußersten ersten Elektrode (7Oa^ bis zur Außenkante der anderen gegenüberliegenden äußersten ersten Elektrode (7Od^ entspricht (Fig. 6).
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der flachen Platte (86) größer ist als die Entfernung von der Außenkante der einen äußersten ersten Elektrode (70a) bis zur Außenkante der anderen gegenüberliegenden äußersten ersten Elektrode (7Od)(V i g. I).
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