DE7022778U

DE7022778U - Verbindung fuer ein halbleiterplaettchen

Info

Publication number: DE7022778U
Application number: DE19707022778U
Authority: DE
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-06-23
Filing date: 1970-06-18
Publication date: 1972-04-20
Also published as: DE2029915A1; JPS4840807B1; IE34305B1; FR2047079A1; US3617682A; FR2047079B1; BE752344A; GB1313342A; IE34305L; NL7009064A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Halbleiterelementen und insbesondere auf eine Vorrichtung zur Bildung einer eutektischen 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 Kikrosehaltungen auf einem dünnen Substrat aus Keramik abgeschieden sein. In den vergangenen Jahren haben sich Verfahren zur Verbindung von Gold mit Halbleitermaterialien wie z. 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 Kosfeinstio?* »uf «»h** als 37O G 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 wind demzufolge wird ein guter elektrischer und mechanischer Kontakt nicht zuverlässig hergestellt. Ferner ist es nicht ungewöhnlich, üa& 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, damit die elektrischen Eigenschaften anderer Teile der Schaltung während des Verbindungsvorganges nicht durch überhitzung verändert werden.

Mit dem Aufkommen von Mikroschaltungen, in denen 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 gewünschten Produktes stark herabsetzen, was wiederum zu höheren Kosten pro Einheit führt. Es besteht deshalb ein starkes Bedürfnis an einem Verbindungsverfahren und einer Vorrichtung zur Durchführung dieses ^Verfahrens, die genaue und reproduzierbare Verbindungen zwischen Halbleiterplättchen und Goldelektroden zu liefern vermag, die von der Dicke der Goldelektrode im wesentlichen unabhängig sind, das Halbleiter-

plättchen oder die umgebenen Schaltelenente nicht beschädigen und leicht und schnell durchgerührt werden können-

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäft dadurch gelöst, daß eine Verbindungsvorrichtung verwendet wird, die eine Heizsti fe aus rostfreiem Stahl aufweist, welche auf einem Heizblock montiert ist, der auf eine Temperatur von etwa 3OO 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 Ausführungsfora 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 Ausführungsform.

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

Figur Ί zeigt einen Querschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Aus führungs f01

Figur 5 zeigt eine typische Temperaturvertellung 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 dargestellt ist, und er erweitert sich auf der anderen Seite e'er 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 Ober und gegenüber der Heizstufe 11 befindet sich parallel verlaufend eiae untere Placte 11, die eine in der Mitte angeordnete rechtwinklige öffnung 15 aufweist, üb—er der unteren Platte 1Ί und parallel hierzu befindet sich eine obere Platte 16, die eine in. <*er Nittc angeordnete kreisförmige öffnung 17 aufweist. Auf der Seite der oberen Platte 16 ist gegenüber der unteren Platte 1* eine Vielzahl paralleler Nuten 18 angeordnet, die an ihren Enden dujrch ein Paar quer verlaufender 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 zum Schnittpunkt der Nuten 18 und 19· Wie is folgenden noch beschrieben werden wird, werden die Einlasse 13 und 2O 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 1* und 16 vorzugsweise aus einen transparenten Material mit kleiner thermischer Leitfähigkeit her* gestellt. Diese können beispielsweise aus geschmolzenem Quarz oder einer Form von geschmolzenem Quarz hergestellt sein» das

unter dem Warenzeichen Vycor ν·■·; kauJt wird. Es können aber auch Keramik, Pyrex, Glimmei' oder andere Materialien mit geringer thermischer Leitfähigkeit verwendet werden.

In Figur 2 ist die Heizstufe 11 mit ihren unteren und oberen I Platten 14 bzw. 16 über einem thermostatisch gesteuerten Heiz- ! block 21 angeordnet. Ferner ist in Figur 2 ein Substrat 22 j dargestellt, das innerhalb der rechtwinkligen Öffnung 15 und an j der Heizstufe 11 angrenzend angeordnet ist. Das Substrat 22 kann j beispielsweise aus Keramik oder irgendeinem anderen Isolier- ! material hergestellt sein, das als Unterlage für die Halbleiter- \ elemente verwendbar ist. Auf der oberen Fläche des Substrates ; 22 befindet sich ein Goldstreifen 23, der beispielsweise durch Vakuumabscheidung 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.

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In Figur 3 ist ein Heizdraht aus Platin dargestellt, der an seinen Enden mit Nickeldrähten 29 verbunden ist. Der Heizdraht 28 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-

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 ⁰C 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 Rändern der Heizstufe 11 bzw. der oberen Platte 16 eingeführt. Das Substrat 22 mit einem darauf befindlichen Goldstreifen 23 wird in der rechtwinkligen öffnung 15 angeordnet, indem 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 24 benutzt, um ein Halbleiterplättchen von einer benachbarten Sammelstelle aufzunehmen und dieses nach unten auf den Goldstreifen 23 zu bringen und um dann einen Druck darauf auszuüben. Dann wird ein Strom durch die Nickeldrähte 29 geschickt, um den Heizdraht 28 aus Platin zu erwärmen. Der Strom beträgt typischerweise etwa 30 A und fließt für einen Zeitraum von etwa 15 see. Während dieses Intervalles wird durch die Einlasse 13 und 20 hindurch ein Schutzgas eingelassen, es fließt um den Verbindung3bereich herum und tritt durch die öffnung 17 hindurch wieder aus. Am Ende dieses Zeitintervalles wird das HaIbleiterplättchen 25 gegenüber dem Goldstreifen 23 mit Ultraschall gereinigt (scrubbed), um eine gute Legierung sicherzustellen. Die Reinigung mit Ultraschall kann beispielsweise durch Ultraschallbewegung der Konushülse 2¹» herbeigeführt werden. Verfahren für eine Ultraschall-Bewegung der Konushülse sind bekannt und sind nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Nachdem der Heizstrom für das Platinelement abgeschaltet ist, kann die Konushülse 2Ί angehoben werden und das Verfahren wird für andere Halbleiterplättchen wiederholt. Während des gesamten Verbindungsvorganges überstreicht das den Einlassen 13 und 20

zugef It-*-? Schutzgas vollständig das Substrat 22, und zwar sowohl in de. -ähe des Goldstreifens 23 als auch in der Nähe des aus Platii .estehenden 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 2^l\ 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 lh 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 h 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 2¹» 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 U 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 3** thermisch isoliert ist. Die Funktion des Isolators 3¹* besteht darin, die durch die Hochfrequenzwindungen 31 erzeugte Wärme davor zu bewahren, von dem Nickelchrom-Block 32 weggeleitet zu werden. Wie aus Figur Ί 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 erfyOOfeyftyfnlfiiff* durch das Substrat 22 zu

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dem Goldstreifen 23 und dem Halbleiterpläfctchen 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 Chromnickelblock 52 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 Erzie3.ung 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 herger. „elio werden soll, um keine Beschädigungen hervorzurufen und ut« die elektrischen Eigenschaften der in der Umgebung befindlichen Schaltungselemente nicht zu verändern. In den in den Figuren 2 und ¹J dargestellten Ausführungsformen 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 iialbleiterplättchens. 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 gro.ft 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 zweck-

2 mäßige Größe für den Durchlaß 12 liegt etwa bei 3 mm für ein Heizelement mit einem Kontaktteil 28 a, das eine Größe von etwa

_ ρ
i bi3 i,t> mm hat. Die optimale Größe des Durchlasses 12 hängt selbstverständlich von der Dicke und den thermischen Ausdehnungseigenschaften des Substrates 22 ab. Polglich sind die vorstehenden Abmessungen nur zu Darstellungszwecken und als Beispiele genannt .

Claims

P 20 29

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1. V. .lchtung zur Verbindung einer "unteren" Oberfläche eines . >-lbleiterplättchens mit einem Abschnitt einer "oberen" Oberfläche eines Goldstreifens, wobei die untere Oberfläche und der obere Oberflächenabschnitt praktisch die gleiche flächenmäßige Ausdehnung haben und die untere Oberfläche des Goldstreifens auf einer oberen Oberfläche eines aus elektrisch isolierendem Material hergestellten Substrats vorgeheftet ist, gekennzeichnet durch Haltemittel (24), die die untere Oberfläche des Halbleiterplättchens (25)mit dem oberen Obetflächenäbschnitt des Goldstreifens (23) in Kontakt halten und eine erste Heizvorrichtung (27), die die untere Plättchen ob er fläche und die obere Streifenoberfläche zur Bildung einer eutektischen Verbindung zwischen Plättchen (25) und Streifen (23) erhitzt, wobei die erste Heizvorrichtung (27) über der oberen Oberfläche des Substrates (22) angeordnet ist und ferner eine zweite getrennte, unterhalb der unteren Substratoberfläche angeordnete Heizvorrichtung (28; 31) vorgesehen ist, die Wärme allein auf denjenigen lokalisierten 3ereich der unteren Substratoberfläche richtet, der unterhalb der unteren Plättchenoberfläche liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite getrennte Heizvorrichtung ein Platinheizband (28) aufweist, das mit der unteren Substratoberfläche an einer direkt unterhalb der unteren Plättchenoberfläche liegenden Stelle in Kontakt steht,

3. Vorrichtung nach Anspruch 1,da durch gekennze i chne t, daß die zweite getrennte Heizvorrichtung ein Hochfrequenz-Heizelement (3D aufweist, das mit der unteren Substratoberfläche an einer direkt unterhalb der unteren Plättchenoberfläche liegenden Stelle in Kontakt steht.

U.Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halte-

mittel für das Halbleiterplätzchen (22) eine Konushülse (24) aufweisen, an der die erste Heizvorrichtung (27) befestigt ist, se da£ die Konushülse (24) auf einer im wesentlichen konstanten, vorbestinanten Temperatur haltbar ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (14) zur justierbaren Halterung des Substrates bezüglich der zwei Heizvorrichtungen (27; 28 oder 3D vorgesehen sind.

ό. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichn et, da£ die Halterungsmittel für aas Svibstrat (22), auf dem zahlreiche Goldstreifen und ihre entsprechenden Halbleiterplättchen anzubringen sind, das Substrat (22) nach der Verbindung eines Plättchens mit dessen Golostreifen in der Weise bewegen, daß ein weiterer Satz aus einem Plättchen und einem Golci^trv ifen für dessen Verbindungs Vorgang in die richtige Is--x.*. gebracht ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennze ichnet, da£ zwei Platten (I4,l6) geringer thermischer· Leitfähigkeit vorgesehen sind, mit deren Hilfe das Substrat (22) bezüglich des Heizbandes (28) einstellbar und die Strömung eines Schutzgases über das Substrat (22) steuerbar st, so daß ein Zutritt von Luft in den Verbindungsbereich ausgeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas Stickstoff, Argon oder HeIium ist.