DE1255822B - Legierungsverfahren zum Verbinden eines Halbleiterkoerpers aus Silizium mit einem Elektrodenkoerper aus Gold - Google Patents

Description

DEUTSCHES V/fflTWS PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT DeutscheKl.: 21g-11/02

Nummer: 1255 822

Aktenzeichen: S 53211 VIII c/21 g

1 255 822 Anmeldetag: 18.April 1957

Auslegetag: 7. Dezember 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Legierungsverfahren zum Verbinden eines Halbleiterkörpers aus Silizium mit einem Elektrodenkörper aus Gold. Ein solcher Elektrodenkörper kann dabei an dem Halbleiterkörper durch einen Legierungsprozeß angebracht werden, um lediglich einen Anschlußkörper, gegebenenfalls mit sperrschichtfreiem Überzug zum Halbleiterkörper, zu erzeugen oder um bei dem Legierungsprozeß unmittelbar gleichzeitig den p-n-Ubergang im Halbleiterkörper herzustellen. Hierbei hat es sich als schwierig ergeben, die Elektrodenkörper derart mit dem Halbleiterkörper zu verbinden, daß sich für die Randlinie des erstarrten Elektrodenkörpers gegenüber der Oberfläche des Halbleiterkörpers, die gleichzeitig die Randlinie des in der Oberfläche des Halbleiterkörpers endenden p-n-Übergangs sein kann, ein einfacher fortlaufender Kurvenzug, z.B. eine Kreislinie, ergibt und nicht eine unregelmäßige, wellige, gegebenenfalls gezackte Randlinie. Eine solche wellige oder gezackte Randlinie ist sehr unerwünscht, denn sie kann bei der Belastung des Gleichrichters in Sperrichtung zu hohen Sperrströmen und gegebenenfalls zu Durchschlägen Anlaß geben.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, einen Germaniumkörper und einen Indiumkörper dadurch miteinander zu verbinden, daß man diese beiden Körper im Vakuum zunächst auf eine Temperatur erhitzt, bei der sie miteinander legieren, anschließend eine geringe Menge von Sauerstoff zuführt und dann auf die zur Legierungsbildung erforderliche Endtemperatur weiter erhitzt. Dabei wird ein Breitlaufen des Indiumkörpers durch Erhöhung der Oberflächenspannung verhindert.

Bei der Materialkombination Silizium—Gold läßt sich eine saubere und definierte Legierungsgrenze an der Oberfläche durch derartige Verfahrensschritte, insbesondere durch eine Erhöhung der Oberflächenspannung nicht erzielen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die unregelmäßige Legierungsgrenze an der Oberfläche darauf zurückzuführen ist, daß sich das Gold beim Erhitzen zusammenzieht. Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird dies durch eine Herabsetzung der Oberflächenspannung verhindert.

Das ist erfindungsgemäß dadurch möglich, daß die aufeinanderliegenden Körper zunächst in einem Behälter im Hochvakuum auf eine noch unter der höchsten angewandten Legierungstemperatur liegende Temperatur erhitzt werfen, bei der jedoch die beiden Körper bereits sicher miteinander legieren, und daß dann in den Behälter ein die Oberflächenspannung des Elektrodenkörpers herabsetzender Stoff einge-Legierungsverfahren zum Verbinden eines
Halbleiterkörpers aus Silizium mit einem
Elektrodenkörper aus Gold

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. Horst Irmler, Mannheim

bracht wird und anschließend die Körper auf die maximale Legierungstemperatur gebracht werden.
Für die grundsätzliche Anwendung dieses soeben ao geschilderten Erfindungsgedankens können verschiedene Lösungswege beschritten werfen.

Ist z. B. für seine Evakuierung der Raum des Behälters, in welchem nach dem Aufbringen der einzelnen Elektrodenmaterialkörper auf den Siliziumkörper as das Legieren mit diesem vorgenommen wird, an eine Reihenschaltung einer Hochvakuumpumpe und einer Vorvakuumpumpe angeschlossen, so kann nach einem dieser Lösungswege die Erfindung in der nachfolgenden Weise verwirklicht werfen. Der Siliziumkörper, welcher mit den aufgelegten dotierten Goldfolien als Elektrodenmaterialkörper versehen worden und gegebenenfalls in eine aus Graphit bestehende Legierungsform eingesetzt ist, wird in den Evakuierungsraum gebracht. Nunmehr wird der Raum dieses Behälters auf ein Hochvakuum von z. B. etwa IO^-5 Torr evakuiert. Nach Erreichen dieses Druckes wird der Ofenraum auf eine Temperatur von etwa 800 bis 900° C gebracht. Bevor jedoch die für den Legierungsvorgang benutzte höchste Temperatur erreicht wird, wird bereits bei einer Temperatur, bei der das Anlegieren zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Siliziumkörper sicher vonstatten gegangen ist, der Evakuierungsraum auf die Vorvakuumpumpeinrichtung umgeschaltet, welche mit einem maximalen Unterdruck von z. B. etwa IO^-1 Torr arbeitet. Hierdurch wird die Atmosphäre in dem Evakuierangsraum mit einem gewissen Betrag von Sauerstoff angereichert. Dadurch wird eine Oxydhaut an der Oberfläche des flüssigen Elektrodenmaterialkörpers erzeugt. Diese Oberflächenschicht erzeugt an der Oberfläche der flüssigen Goldlegierung eine geringere Oberflächenspannung, als sie an sich sonst an deren

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Oberfläche vorhanden wäre. Nach Erreichen der höchsten Temperatur für den Legierungsvorgang, die für eine kurze Zeitdauer von z. B. etwa 1 bis 10 Minuten aufrechterhalten wird, erfolgt das Abschalten der Beheizung und die Abkühlung des Ofens im Verlauf eines Zeitraumes von etwa 3 Stunden.

Ein solches Verfahren gewährleistet, daß beim Anlegieren des Elektrodenmaterialkörpers zunächst ein nur geringer Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre des Evakuierungsraumes vorhanden ist, so daß die dotierten Goldfolien während des Anheizprozesses an der Berührungsfläche zwischen Halbleiterkörper und Elektrodenmaterialkörper nicht oxydieren und damit also ein einwandfreies Anlegieren des Elektrodenmaterialkörpers auf der ganzen Berührungsfläche zwischen beiden stattfindet. Die Entstehung der dann während des Abkühlungsprozesses vorhandenen Oxydhaut gewährleistet, wie entsprechende Versuche ergeben haben, daß sich eine relativ saubere einfache Randlinie, z.B. Kreislinie, am Elektrodenmaterialkörper ergibt und insbesondere scharfe Zacken oder Einbuchtungen und Vorsprünge an dieser nicht mehr entstehen. Für den Halbleiterkörper aus Silizium kann beispielsweise für den einen Elektrodenmaterialkörper eine Legierung aus Gold—Antimon benutzt werden.

Nach einem zweiten Lösungsweg kann z. B. in der Weise verfahren werden, daß statt der Umschaltung des evakuierten Raumes auf die Vorvakuumpumpeinrichtung vor Erreichen der höchsten Legierungstemperatur und nach Absperren der Hochvakuumpumpe sowie nach dem mit Sicherheit gewährleisteten Anlegieren des Elektrodenmaterialkörpers eine geringe Menge eines Stoffes in die Atmosphäre des Evakuierungsraumes eingebracht bzw. eingelassen wird, welcher die Entstehung einer Oberflächenhaut an der flüssigen Goldlegierung begünstigt. Es eignet sich z. B. in Anlehnung an den Lösungsweg, der bereits geschildert worden ist, das Einlassen einer geringen und bestimmten dosierten Menge von Sauerstoff. Statt eines Gases kann jedoch auch ein Stoff in Dampfform in den Evakuierungsraum eingebracht oder in diesem zum Verdampfen gebracht werden. Als ein solcher Stoff eignet sich z. B. ein öl. Dieses Öl wirkt dann, sobald sein Dampf zur entsprechenden angegebenen Zeit in dem Evakuierungsraum erzeugt oder freigegeben wird, an der Oberfläche des flüssigen Elektrodenmaterialkörpers als eine Verunreinigung. Solche Verunreinigungen tragen aber dazu bei, daß die Oberflächenspannung eines flüssigen Körpers durch die Anlagerung dieser Verunreinigungen herabgesetzt wird. Das Verfahren nach der Erfindung ist auch in der Form möglich, daß in dem Evakuierungsbehälter ein kleiner Behälter mit Öl angeordnet wird, der zunächst geschlossen oder auch offen sein kann. Das öl gelangt dann bei der Beheizung des Behälters zur Verdampfung und in die Atmosphäre des zunächst geschlossenen Behälters oder in den Raum eines in einer Art Garage angeordneten Ölbehälters und wird durch Öffnen des Behälters oder Herausfahren des Behälters aus der Garage oder deren öffnen für den Eintritt in die Atmosphäre des Evakuierungsbehälters freigegeben.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen.

In der Anordnung nach der F i g. 1 bezeichnet 1 den Evakuierungsbehälter, 2 eine Hochvakuumpump-

einrichtung und 3 eine Vorvakuumpumpeinrichtung. Dieser Evakuierungsraum im Behälter 1, in welchen die zu legierenden Halbleiterkörper gegebenenfalls in entsprechenden Formen eingebracht werden, wie es durch die Teile 4 angedeutet ist, kann durch den Röhrenofen 5 beheizt werden, der z. B. aus einem elektrisch beheizten Keramikrohr besteht.

In der F i g. 2 ist noch eine Kurve wiedergegeben, in welcher die Temperatur T über der Zeit t aufgetragen ist. Zunächst wird mittels der Vorvakuumpumpe 2 und der Hochvakuumpumpe 3 der Innenraum des Behälters 1 bis zum Zeitpunkt i_t nach F i g. 2 auf Hochvakuum gebracht und auf diesem gehalten. Nunmehr wird die Beheizungseinrichtung 5 eingeschaltet. Bei einer Temperatur entsprechend dem PunktF₁ der eingetragenen Kurve beginnt das Elektrodenmaterial aus Gold, z. B. eine aufgebrachte Gold-Antimon-Folie, mit dem Siliziumkörper zu legieren. Sobald bei dieser Beheizung die Temperatur

ao entsprechend dem Punkt F₂ erreicht ist, wird der Raum des evakuierten Behälters 1 nunmehr auf die Vorvakuumpumpe umgeschaltet. Das erfolgt, indem der Hahn 6 in der Pumpleitung la geöffnet und der Hahn 7 in der Umgehungsleitung 8 für die Hochvakuumpumpe geöffnet wird. Nunmehr findet eine Anreicherung der Atmosphäre in dem Behälter 1 mit Sauerstoff statt, die dann von dem Zeitpunkt t₁ ab bis zum Zeitpunkt t₃ vorhanden ist. Vom Zeitpunkt J₁ an entsprechend der Temperatur gemäß dem PunktF_j kann eine Oxydschicht an der Oberfläche des flüssigen, bereits an die Halbleiterschicht an der Berührungsfläche mit dieser mit Sicherheit anlegierten Elektrodenmaterialkörpers entstehen. In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist auch gleichzeitig die Anwendung der anderen Lösungen, welche oben grundsätzlich geschildert worden sind, angedeutet Hierfür ist an dem Pumprohria, über welches der Behälter 1 an die Hochvakuumpumpeinrichtung angeschlossen ist, eine weitere Leitung 9 angeschlossen, die mit einem Sperrhahn 9 a versehen und an einen Behälter 10 angeschlossen ist, in welchem sich Sauerstoff oder ein Öldampf befindet. In diesem Falle werden wieder, sobald der Zeitpunkt t_x erreicht ist, die Hähne 7 und 6 geschlossen und nunmehr der Hahn 9 für einen kurzen Zeitraum geöffnet, so daß eine dosierte Menge Sauerstoff oder öl bzw. öldampf in den Raum des Behälters eingelassen wird. Nach der dritten Lösung kann in dem Behälter 1 eine Pfanne 11 angeordnet sein, in welcher eine geringe Menge öl untergebracht ist, die unter dem Einfluß der Erwärmung ohne Behinderung in Dampfform übergeht.

Die Erfindung ist sowohl dann anwendbar, wenn es sich darum handelt, gleichzeitig mehrere Elektrodenmaterialkörper für verschiedene Elektroden mit dem Siliziumkörper zu legieren, als auch dann, wenn nur der Elektrodenmaterialkörper für eine einzelne Elektrode mit dem Siliziumkörper legiert werden soll, wobei gegebenenfalls mit dem Siliziumkörper durch einen vorausgehenden oder einen nachfolgenden Legierungsvorgang eine oder mehrere andere Elektrodenmaterialkörper verbunden werden können. Es kann z. B., wenn ein Gleichrichter hergestellt werden soll, in der Weise vorgegangen werden, daß zunächst mit dem Siliziumkörper durch Legieren eine Aluminiumfolie verbunden wird, die bei etwa 900 bis 950° C anlegiert wird. Der in dieser Weise fertiggestellte Halbleiterkörper wird dann zusammen mit einer auf ihn aufgelegten Folie aus Gold—Antimon

Claims (7)

in eine besondere Hilfsform und mit dieser in den Ofenraum eingebracht, wonach dann das erfindungsgemäße Legieren dieser Gold-Antimon-Folie als Elektrodenmaterialkörper mit dem Siliziumkörper durchgeführt wird. Patentansprüche:

1. Legierungsverfahren zum Verbinden eines Halbleiterkörpers aus Silizium mit einem Elektrodenkörper aus Gold, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderliegenden Körper zunächst in einem Behälter im Hochvakuum auf eine noch unter der höchsten angewandten Legierungstemperatur liegende Temperatur erhitzt werden, bei der jedoch die beiden Körper bereits sicher miteinander legieren, und daß dann in den Behälter ein die Oberflächenspannung des Elektrodenkörpers herabsetzender Stoff eingebracht wird und anschließend die Körper auf die so maximale Legierungstemperatur gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Evakuierung des Behälters die Reihenschaltung einer Vorpumpe und einer Hochvakuumpumpe dient, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen der erwähnten Temperatur die Hochvakuum-

pumpe ausgeschaltet und durch einen Nebenschluß umgangen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter nach Erreichen der erwähnten Temperatur mit einem Gefäß verbunden wird, das den erwähnten Stoff in einer dosierten Menge enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oberhalb der erwähnten Temperatur von dem festen oder flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehender Stoff verwendet und vor dem Evakuieren in den Behälter eingebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Stoff Sauerstoff zugesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Körper in einer Legierungsform in den Behälter gebracht werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Goldelektrode mit Antimonzusatz verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 015 936.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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