Opis patentowy opublikowano: 30.09.1983 Int. Cl. H01L 29/747 H01L 21/603 CZY1ELNIA Urzedu Patentowego hUkuj ItttZfMiMlMJ Twórcywynalazku: Viktor Efimowic Misanin, Vsevolod Aleksandrowic Zuravlev, Jurij lvanovic Kozlov, Leonid Nikolaevic Krylov, Vladimir Denisovic Gorodenskij, Gennadij Vasilevic Gorbunov Uprawniony z patentu: Vsesojuznyj Elektrotechniceskij Institut im. V.I. Lenina, Moskwa (Zwiazek Socjalistycznych Republik Radzieckich) Sposób wytwarzania zlacza rezystancyjnego tyrystora symetrycznego Niniejszy wynalazek dotyczy przyrzadów pólprzewodnikowych, a zwlaszcza sposobu wytwarzania zlacza rezystancyjnego tyrystora symetrycznego.Znany jest sposób wytwarzania zlacza rezystancyjnego tyrystora symetrycznego, opisany w patencie angielskim nr 1 225088, klasa H01 11/14, opublikowanym 1703 1971. r., obejmujacy wykonanie nastepuja¬ cych operacji: nalozenie na powierzchnie struktury krzemowej tyrystora symetrycznego po stronie, przeciw¬ leglej do tej strony, na której jest utworzona elektroda sterujaca, warstwy materialu przekladki, zdolnego tworzyc polaczenie eutektyczne z krzemem, nalozenie warstwy materialu termokompensujacego i nagrzewa¬ nie otrzymanej struktury do temperatury równej lub nieco przewyzszajacej temperature eutektyki ukladu material przekladki-krzem.Nalozenie warstwy przekladki wedlug wymienionego wyzej patentu realizowane jest w sposób nastepu¬ jacy. Na powierzchnie struktury krzemowej, na której ma byc utworzone zlacze, majacej co najmniej dwa obszary o odeminnym typie przewodnictwa (obszar o przewodnictwie typu p i obszar o przewodnictwie typu n) sposobem prózniowym nakladana jest warstwa aluminium o grubosci 10-40jum, a na powierzchnie zlaczowa materialu termokompensujacego sposobem rozpylenia w prózni nakladana jest warstwa stopu aluminium-krzem o grubosci 30-80/zm.Nastepnie powierzchnie zlaczowe struktury krzemowej i materialu termokompensujacego z nalozonymi warstwami dociska sie do siebie, nagrzewa sie do temperatury 577-600°C. Przy tym miedzy obszarem struktury krzemowej o przewodnictwie typu p i warstwe materialu termokompensujacego tworzy sie zlacze rezystancyjneo malej warstosci rezystancji. Miedzy obszarem struktury krzemowej o przewodnictwie typu n i warstwa materialu termokompensujacego tworzy sie zlacze rezystancyjne o zwiekszonej rezystancji, ponie¬ waz w procesie stapiania zachodzi czesciowe rozpuszczenie sie materialu obszaru struktury krzemowej o przewodnictwie typu n, i na granice ze stopem przekladki wychodza warstwy krzemu o mniejszej koncentra¬ cji domieszek. Istnienie polaczenia rezystancyjnego o zwiekszonej rezystancji na obszarze powierzchni pod elektroda sterujaca wymaga zwiekszonych wartosci natezenia pradu i napiecia sterujacego do przelaczenia tyrystora symetrycznego na prace zgodnie z galezia charakterystyki pradowo-napieciowej odwzorowywanej w trzecim kwadrancie, co z kolei, powoduje niepotrzebne straty mocy w obwodzie sterowania tyrystora symetrycznego.2 119679 Zadaniem wynalazkujest opracowanie sposobu wytwarzania zlacza rezystancyjnego tyrystora symetry¬ cznego, który by zapewnial zachowanie koncentracji powierzchniowej domieszek w obszarze pod elektroda sterujaca tyrystora o przewodnictwie typu n w tym celu, aby wartosci natezenia pradu i napiecia sterujacego dla galezi charakterystyki pradowo-napieciowej tyrystora symetrycznego odwzorowywanej w trzecim kwad- rancie nie przewyzszaly wartosci natezenia pradu i napiecia sterujacego dla galezi charakterystyki pradowo- napieciowej, odwzorowanej w pierwszym kwadrancie.Zadanie /ostalo rozwiazane w wyniku opracowania sposobu wytwarzania zlacza rezystancyjnego, polegajacego na tym, ze na powierzchnie struktury krzemowej tyrystora symetrycznego po stronie, przeciw¬ leglej do strony, na której jest utworzona elektroda sterujaca, najpierw nakladana jest warstwa przekladki z materialu, /dolnego tworzyc polaczenie eutektyczne z krzemem, a nastepnie warstwe materialu termokom¬ pensujacego, po~ezym cTtzymana strukture poddaje sie nagrzewaniu do temperatury równej lub nieco przewyzszajacej temperature eutektyki ukladu material przekladki-krzem. Zgodnie z wynalazkiem warstwe materialu przekladki naklada sie, pozostawiajac swobodny obszar powierzchni pod elektroda sterujaca, a nastepnie teni obszar wypelnia sie materialem, zapobiegajacym rozpuszczeniu sie w nim krzemu przy temperaturze nagrzewania.Celem uproszczenia procesu technologicznego korzystnym jest, gdy swobodny obszar napelnia sie materialem poprzez umieszczenie na warstwe przekladki dodatkowej warstwy materialu, zdolnego wytwa¬ rzac z materialem podstawowej warstwy przekladki ciekly stop przy temperaturach nagrzewania.Sposób wytwarzania zlacza rezystancyjnego tyrystora symetrycznego, realizowany zgodnie z wynalaz¬ kiem, pozwala zapewnic w wytwarzanych tyrystorach symetrycznych znaczne zmniejszenie natezenia pradu i napiecia sterujacego przy pracy tyrystora w warunkach, odwzorowywanych przez charakterystyke pradowo- napieciowa tyrystora symetrycznego, usytuowana w trzecim kwadrancie, co powoduje zmniejszenie strat mocy w obwodzie sterowania tyrystora symetrycznego.Sposób wedlug wynalazku odznacza sie duza powtarzalnoscia parametrów technicznych wytwarzanych tyrystorów symetrycznych w warunkach produkcji masowej, co jest spowodowane jego prostota technologiczna.Wynalazek jest objasniony w przykladachjego realizacji w oparciu o zalaczony rysunek, na którym fig. 1 przedstawia strukture krzemowa tyrystora symetrycznego z warstwa przekladki, w której pozostawiono swobodny obszar; fig. 2 — taka sama strukture, jak na fig. 1 z wypelnionym obszarem swobodnym; fig. 3 — taka sama strukture, jak na fig. 2 z warstwa termokompensatora; fig. 4 — taka sama strukture, jak na fig. Iz dodatkowa warstwa przekladki i z warstwa termokompensatora.Sposób wytwarzania zlacza rezystancyjnego tyrystora symetrycznego wedlug niniejszego wynalazku polega na tym, ze na powierzchnie struktury krzemowej 1 (fig. 1) naklada sie warstwe 2 przekladki po stronie przeciwleglej od strony, na której utworzona jest elektroda sterujaca 3. Struktura krzemowa 1 tyrystora symetrycznego sklada sie z nastepujacych obszarów o na przemian zmieniajacym sie typie przewodnictwa, wytworzonych na przyklad, metoda dyfuzji, przy czym na powierzchni struktuy krzemowej po stronie, przeciwleglej do strony, na której jest utworzona elektroda sterujaca 3, znajduja sie obszary o przewodnictwie typu p i n. Warstwa 2 przekladki przedstawia soba pierscien o grubosci 10-30 /xm z otworem srodkowym 4, którego srednica jest równa lub nieco wieksza od srednicy obszaru elektrody sterujacej 3. Otwór 4ogranicza obszar swobodny struktury krzemowej 1 pod elektroda sterujaca 3. Jako material warstwy 2 przekladki moga byc wykorzystywane pierwiastki, które moga tworzyc z krzemem stopy eutektyczne, na przyklad: aluminium, srebro-zloto lub stopy, otrzymywane na podstawie tych pierwiastków. Nastepnie otwór 4 w warstwie 2 przekladki wypelnia sie materialem 5 (fig. 2), w którym nie rozpuszcza sie krzem przy temperatu¬ rach równych lub nieco wiekszych od temperatury tworzenia sie stopów eutektycznych ukladu material przekladki-krzem. Jako material 5 wykorzystuje sie na przyklad, wolfram, molibdenlub stopy eutektyczne aluminium, srebra lub zlota z krzemem, uksztaltowane w postaci krazka o grubosci 10-30 /xm i srednicy, równej srednicy otworu 4. Nastepnie na warstwe 2 przekladki i wypelniony materialem 5 otwór nakladana jest warstwa 6 materialu termokompensujacego, utworzona w postaci krazka o grubosci 1,5-2,0mm. Jako material warstwy 6 materialu termokompensujacego moga byc wykorzystywane, na przyklad, wolfram, molibden lub stopy otrzymywane na ich podstawie.Montaz elementów skladowych tyrystora symetrycznego wygodnie jest przeprowadzac w kasecie (na rysunku nie pokazanej) w nastepujacej kolejnosci: warstwa 6 materialu termokompensujacego, warstwa 2 przekladki, material 5, struktura krzemowa 1. Pozostala objetosc kasety wypelnia sie proszkiem grafitowym, który zaprasowuje sie celem zapewnienia dobrego przylegania do siebie skladowych elementów tyrystora symetrycznego. Zmontowana kasete umieszcza sie w piecu celem stopienia warstw. Proces stapiania przepro¬ wadzany jest w prózni, atmosferze wodoru lub w innym srodowisku ochronnym przy temperaturze równej lub nieco wiekszej od temperatury eutektyki ukladu material przekladki-krzem.119679 3 W procesie stapiania nastepuje zwilzenie powierzchni zlaczowej struktury krzemowej 1 i czesciowe rozpuszczenie sie tej struktury w obszarze pod warstwa 2 przekladki. Material 5 wypelniajacy otwór 4, przy temperaturach stapiania znajduje sie w stanie cieklo-twardym, przy tym zwilza on obszar struktury krzemo¬ wej 1 pod elektroda sterujaca 3, lecz nie rozpuszcza struktury krzemowej 1, poniewaz material Sjest przesycony krzemem. W przypadku wypelnienia otworu 4 materialem 5, otrzymanym na przyklad, na podstawie wolframu lub molibdenu, równiez nie wystepuje rozpuszczenie sie struktury krzemowej 1 pod elektroda sterujaca 3, poniewaz przy temperaturach stapiania te materialy nie rozpuszczaja krzemu. W wyniku otrzymywana jest struktura tyrystora symetrycznego, w którym wartosci natezenia pradu i napiecia sterujacego odpowiadajace charakterystyce pradowo-napieciowej odwzorowywanej w trzecim kwadrancie nie sa wieksze od wartosci natezenia pradu i napiecia sterujacego, odpowiadajacych charakterystyce pradowo-napieciowej, odwzorowywanej w pierwszym kwadrancie.Mozliwy jest równiez inny przyklad realizacji operacji wypelnienia otworu 4 (fig. 4) w warstwie 2 przekladki. W tym przykladzie realizacji sposobu na warstwe 2 przekladki naklada sie dodatkowa warstwe 7 przekladki z materialu, zdolnego tworzyc zwiazki eutektyczne z krzemem a z materialem warstwy podstawo¬ wej 2 przykladki - ciekly stop przy temperaturach nagrzewania. Warstwa 7 przedstawia soba krazek o grubosci 10-30 /xm. Jako material warstwy 7 wykorzystuje sie, na przyklad, stopy eutektyczne aluminium, srebra lub zlota z krzemem. Nastepnie na warstwe 7 przekladki nakladana jest warstwa 6 materialu termokompensujacego. Montaz elementów skladowych tyrystora symetrycznego realizuje sie w kasecie w nastepujacej kolejnosci: warstwa 6 materialu termokompensujacego, dodatkowa warstwa 7 przekladki, warstwa 2 przekladki, struktura krzemowa 1, obciazenie. Jako obciazenie mozna wykorzystac krazki materialu termokompensujacego. Nastepnie proces stapiania jest realizowany w ten sam sposób,jak zostalo opisane powyzej. W procesie stapiania zwilzanie powierzchni zlaczowej struktury krzemowej 1 i czesciowe rozpuszczenie sie jej ma miejsce w obszarach pod warstwa 2 przekladki. Warstwa dodatkowa 7 przekladki tworzy z materialem warstwy 2 przekladki stop ciekly, który pod wplywem obciazenia wypelnia otwór 4. W wyniku uzyskuje sie tyrystor symetryczny, który odznacza sie tym, ze wartosci natezenia pradu i napiecia sterujacego sa tego samego rzedu, jak w przypadku tyrystora, wytwarzanego zgodnie z pierwszym przykla¬ dem realizacji sposobu wedlug wynalazku.Celem bardziej dokladnego wyjasnienia istoty wynalazku ponizej podane sa konkretne przyklady realizacji sposobu wedlug wynalazku.Przyklad I. Do wytworzenia zlacza rezystancyjnego wykorzystana zostala struktura krzemowa 1 tyrystora symetrycznego o srednicy 30mm. Jako material warstwy 2 przekladki wykorzystana zostala folia aluminiowa o srednicy 30mm, grubosci 12-15 jon, z otworem srodkowym 4 o srednicy 8mm. Wkladka z materialu 5, wypelniajacego otwór 4jest wykonana ze stopu, zawierajacego 80% aluminium i 20% krzemu.Wkladka ma srednice 8 mm, a jej grubosc wynosi 12-15 /xm. Jako material warstwy 6 termokompensacyj- nego wykorzystany zostal krazek wolframowy o srednicy 30mm i grubosci l,8-2,0mm.Ukladanie elementów skladowych tyrystora symetrycznego w kasecie, w której ten tyrystor poddawany jest stapianiu realizowane jest w nastepujacej kolejnosci: warstwa wolframowa 6 termokompensatora, warstwa 2 przekladki z aluminium z otworem 4, wkladka 5 do wypelnienia otworu 4ze stopu, zawierajacego 80% aluminium i 20% krzemu, struktura krzemowa 1. Pozostala objetosc kasety wypelniono proszkiem grafitowym, który poddawany jest prasowaniu z naciskiem 200 kg. Po sprasowaniu kasety umieszczano w piecu prózniowym celem stapiania. Stapiani bylo przeprowadzane przy temperaturze 590°C.Po zakonczeniu procesu obróbki ostatecznej tyrystora symetrycznego natezenia pradu i napiecia sterowania mialy nastepujace wartosci odpowiednio: w pierwszym kwadrancie —1= 100- 120mA —U= 1-1,5V w trzecim kwadrancie —1= 100- 130mA —U= 1,5-2,0V Przyklad II. Do kasety celem stapiania umieszczano w nastepujacej kolejnosci: warstwe wolframowa 6 termokompensatora o srednicy 30mm, grubosci l,8-2,0mm, warstwe 7 przekladki ze stopu zawierajacego 80% aluminium i 20% krzemu o srednicy 30mm, grubosci 20-25 /xm, warstwe 2 przekladki z aluminium o srednicy 30mm, grubosci 12-15/xm z otworem o srednicy 8mm, strukture krzemowa 1 i obciazenie.Kasete z zawartoscia umieszczono w piecu prózniowym celem stapiania struktury. Stapianie odbywalo sie przy temperaturze 590°C.Po zakonczeniu procesu obróbki ostatecznej zmierzone wartosci natezenia pradu i napiecia sterujacego byly tego samego rzedu, jak w przypadku tyrystorów wytworzonych zgodnie z przykladem I realizacji wynalazku.4 119679 PL