DE1294559B

DE1294559B - Verfahren zum Verbinden einer Flaeche eines Halbleiterkoeprers mit einer hieran zu befestigenden Flaeche aus Metall

Info

Publication number: DE1294559B
Application number: DEW29456A
Authority: DE
Inventors: Avila Arthur Julian
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1960-02-25
Filing date: 1961-02-10
Publication date: 1969-05-08
Also published as: FR1280491A; NL261280A; GB921845A; BE600188A; CH398799A; US3051826A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum eine Scheuerwirkung setzt das Vorhandensein zweier im Rahmen der Halbleiterbauelement-Herstellung fester, gegeneinander bewegt werdender Körper vorerfolgenden Verbinden einer Fläche eines Halbleiter- aus. Sie verschwindet automatisch, wenn einer dieser körpers mit einem hieran zu befestigenden Bauteil, Körper flüssig ist. Andererseits sind die beiden mitdas zumindest an der dieser Halbleiterfläche züge- 5 einander zu verbindenden Flächen beim Verfahren wandten Fläche aus einem Metall besteht, das mit auf Grund des gewählten Temperaturbereiches überdem Material der Halbleiterfläche ein Eutektikum all dort noch im festen Zustand, wo sich Verbildet, durch unter Druck erfolgendes Aufeinander- unreinigungen, insbesondere Oxydschichten, zwipressen dieser beiden Flächen und durch Erwärmen sehen ihnen befinden, und erst nach dem Abderselben auf eine Temperatur, die mindestens gleich io scheuern dieser Verunreinigungen können dann die der Erstarrungstemperatur des Eutektikums, aber beiden aneinandergrenzenden Flächen über Auskleiner als die Schmelztemperatur sowohl des tauschvorgänge eine flüssige Grenzschicht etwa Metalls als auch des Halbleitermaterials ist. eutektischer Zusammensetzung bilden. Die so ge-

Bei einem solchen Verfahren war es bisher un- bildete flüssige Phase wird daher zunächst die ababdingbares Erfordernis, vor der Herstellung der 15 abgescheuerten Verunreinigungen aufschwemmen, Verbindung die miteinander zu verbindenden Ober- wegen der zugleich vorgesehenen Druckausübung flächen sorgfältig zu reinigen. Ein solcher Reini- wird aber die solcher Art verunreinigte flüssige gungsschritt ist aber ersichtlich umständlich, zeit- Phase abgequetscht. Da die flüssige Phase unter raubend und kostensteigernd und muß darüber hin- den gegebenen Bedingungen laufend weiter entsteht, aus mit äußerster Sorgfalt ausgeführt werden, um ao wird daher die anfänglich unreine flüssige Phase die Qualität der herzustellenden Verbindung in er- sukzessive durch eine reine ersetzt, fraglichen Grenzen halten zu können. Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung

Es ist auch für die Kontaktierung von Halbleiter- des Verfahrens ist im Anspruch 2 gekennzeichnet bauelementen bekannt, daß, wenn das Kontaktgebiet und in der Zeichnung beschrieben; es zeigt mit Ultraschall beschallt wird, das Legieren des 35 F i g. 1 die einzelnen Teile einer aufgebauten An-Kontaktmaterials an den Halbleiterkörper bei ver- Ordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen gleichsweise niedriger Temperatur durchgeführt wer- Verfahrens,

den kann, nichtsdestoweniger aber die Ultraschall- F i g. 2 einen Querschnitt eines goldplattierten

beaufschlagung eine einwandfreie Benetzung des Tragkörpers, der eine Kovar-Einlage zur inneren Halbleiterkörpers durch das geschmolzene Kontakt- 30 Erwärmung des Tragkörpers besitzt, und material sicherzustellen. So genügt es, das Kontakt- Fig. 3 einen Aufriß entlang der Linie 3-3 der

material nur wenige Grade über seinen Schmelz- F i g. 1 des Tragkörpers, eingespannt zwischen den punkt hinaus zu erhitzen, was ohne Ultraschall- Elektroden, auf denen sich ein Plättchen befindet, einwirkung längst nicht zu einer einwandfreien Be- In der Zeichnung nach Fig. 1 wird eine auf-

netzung führen würde. 35 gebaute Anordnung zur Ausführung des vorliegen-

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, mit den Verbindungsverfahrens gezeigt. Der Behälter 10 einem Verfahren der einleitend beschriebenen Art ist so ausgeführt, daß darin eine neutrale Atmoeine stets einwandfreie Verbindung auch dann her- sphäre hergestellt werden kann. Auf dem Boden zustellen, wenn die miteinander zu verbindenden des Behälters 10 ist eine verlängerte, mit einer öff-Flächen mit Oxydhäuten und anderen Verunreini- 40 nung versehene Plattform 11 befestigt, die den Traggungen behaftet sind, so daß also der bisher er- körper 12 trägt und mit Hilfe der Öffnung die Zuforderliche umständliche Reinigungsvorgang weg- leitungen 16 zum Halbleiterbauelement aufnimmt, fallen kann. Zwei einstellbare Elektroden 17 und 18, die an den

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß Seiten des Behälters 10 befestigt sind, sind zueinzum Entfernen von Oxydhäuten und anderen Ver- 45 ander so ausgerichtet, daß sie die Seiten des Tragunreinigungen von den Flächen zwischen denselben körpers 12 erfassen, wenn die Elektroden aufeineine während der Bildung einer eutektischen Ver- ander zu bewegt werden. Dicht oberhalb der Plattbindung erfolgende Scheuerwirkung erzeugt wird, form 11 ragt durch eine Öffnung 19 des abnehm- und zwar dadurch, daß während der Druck- baren Deckels 24 des Behälters 10 ein zurückziehausübung Ultraschallenergie in mindestens einen der 50 barer Stab 20. Der Deckel 24 besteht vorzugsweise beiden miteinander zu verbindenden Teile unter aus durchsichtigem Material, um die Beobachtung einer Richtung eingeleitet wird, die eine in den der Teile innerhalb des Behälters 10 durch eine Be-Flächen verlaufende Komponente besitzt. dienungsperson zu ermöglichen. Wenn der Stab 20

Beim erfindungsgemäßen Verfahren rinden also auf die Plattform 11 zu bewegt wird, kommt er in grundsätzlich andere Vorgänge als bei dem vor- 55 Berührung mit einem Halbleiterplättchen 21, das stehend erwähnten bekannten Verfahren statt. Dort sich auf dem Tragkörper befindet. Mit den Elektrowird auf eine bereits gereinigte Oberfläche das den 17 und 18 ist eine Stromquelle 22 verbunden, Kontaktierungsmaterial aufgebracht, homogen ge- die einen Stromfluß zwischen den Elektroden und schmolzen und unter Einwirkung von Ultraschall durch den Tragkörper 12 bewirkt. Da die Elektrode zur Benetzung mit dem Grundmaterial gebracht. Der 60 17 außerdem mit einer Ultraschallquelle 23 verZweck der Beschallung ist dort lediglich der, mit bunden ist, wird der Tragkörper 12 in Ultraschallder Temperatur des erschmolzenen Kontaktierungs- schwingungen versetzt und bewirkt so eine Relativmaterials so weit wie möglich heruntergehen zu kön- bewegung zwischen dem Plättchen und dem Tragnen, d. h., daß eine zuverlässige Benetzung schon körper, wodurch eine Scheuerbewegung zwischen bei Temperaturen erhalten wird, die dicht oberhalb 65 beiden entsteht.

des Schmelzpunktes des verwendeten Kontaktie- Fig. 2 zeigt einen Tragkörper in einer Aus-

rungsmaterials liegen. Bei dem bekannten Verfahren führung, die mit Hilfe der Anordnung nach Fig. 1 tritt daher keinesfalls eine Scheuerwirkung auf; denn mit einem Halbleiterplättchen verbunden werden

kann. Der Tragkörper besteht aus einer dünnen Goldauflage 13, einer Einlage 14 aus einem Material mit hohem Widerstand, wie z. B. Kovar, das als Heizer beim Durchgang von Strom wirkt, und einem gasgefüllten Teil 15, durch den die Zuleitungen 16 herausgeführt sind.

F i g. 3 zeigt die Art und Weise, in der die Elektroden 17 und 18 vorzugsweise die Seiten des Tragkörpers 12 berühren und wie das Silizium-Plättchen 21 auf dem Tragkörper 12 angeordnet ist. Die Oberflächen der Elektroden 17 und 18, die den goldplattierten Tragkörper 12 berühren, sind vorzugsweise goldplattiert, um heiße Punkte auf der Kontaktfläche der Elektrode zu vermeiden.

Der erfindungsgemäße Verbindungsvorgang wird vorzugsweise auf folgende Art vorgenommen: Der Deckel 24 des Behälters 10 wird entfernt, der goldplattierte Tragkörper 12 auf der Plattform 11 angeordnet und das Silizium-Plättchen 21 auf den Tragkörper 12 gelegt. Der Deckel 24 des Behälters ao

10 wird dann zurückgelegt, und der Luftauslaß 25 und der Gaseinlaß 26 des Behälters 10 werden in geeigneter Weise angeschlossen, um eine neutrale Atmosphäre in dem Behälter herzustellen. Der zurückziehbare Stab 20 wird dann auf die Plattform

11 zu bewegt, bis das Plättchen 21 mit einem Druck von wenigstens 140 kp/cm² gegen den Tragkörper

12 gepreßt wird. Die Elektroden 17 und 18 werden aufeinander zu bewegt, bis sie den Tragkörper 12 erfassen. Auf Grund der Stromquelle 22, die mit den Elektroden 17 und 18 verbunden ist, fließt bei dieser Anordnung ein Strom durch den Tragkörper 12 und veranlaßt die Kovar-Einlage 14 des Tragkörpers 12, Wärme an die Goldauflage 13 und die benachbarte Oberfläche des Plättchens 21 abzugeben, um diese damit wenigstens auf die eutektische Temperatur von Gold und Silizium, 370° C, aber niedriger als die Schmelztemperaturen des Tragkörpers und des Plättchens zu erhitzen. Mit Hilfe der Elektrode 17, die direkt mit der Ultraschallquelle 23 verbunden ist, werden dann Ultraschallschwingungen im Frequenzbereich von 18 bis 60 kHz auf den Tragkörper 12 gegeben.

Die Kombination der neutralen Atmosphäre, der Verbindungstemperatur, die wenigstens so hoch ist wie die eutektische Temperatur, des Drucks auf das Plättchen 21 und den Tragkörper 12 und der Ultraschallenergie, die auf den Tragkörper 12 gegeben wird, verursachen eine Scheuerbewegung zwischen dem Plättchen und dem Tragkörper, wodurch eine eutektische Verbindung von Gold und Silizium zwischen ihnen hergestellt wird. Als Folge dieser Scheuerbewegung werden ein großer Teil der Oxyde und fremden Verunreinigungen auf den Oberflächen aus der Verbindungszone entfernt.

Dementsprechend wird durch das Zusammenwirken von Scheuern und Verbinden eine engbegrenzte, einheitliche Verbindung hoher Qualität zwischen dem Plättchen und dem Tragkörper hergestellt, und zwar ohne irgendeine meßbare Beeinflussung der elektrischen oder mechanischen Eigenschaften dieser Teile, sogar obwohl die Oberflächen der Teile vor dem Verbindungsvorgang nicht besonders sauber waren.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum im Rahmen der Halbleiterbauelement-Herstellung erfolgenden Verbinden einer Fläche eines Halbleiterkörpers mit einem hieran zu befestigenden Bauteil, das zumindest an der dieser Halbleiterfläche zugewandten Fläche aus einem Metall besteht, das mit dem Material der Halbleiterfläche ein Eutektikum bildet, durch unter Druck erfolgendes Aufeinanderpressen dieser beiden Flächen und durch Erwärmen derselben auf eine Temperatur, die mindestens gleich der Erstarrungstemperatur des Eutektikums, aber kleiner als die Schmelztemperatur sowohl des Metalles als auch des Halbleitermaterials ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Entfernen von Oxydhäuten und anderen Verunreinigungen von den Flächen zwischen denselben eine während der Bildung einer eutektischen Verbindung erfolgende Scheuerwirkung erzeugt wird, und zwar dadurch, daß während der Druckausübung Ultraschallenergie in mindestens einen der beiden miteinander zu verbindenden Teile unter einer Richtung eingeleitet wird, die eine in den Flächen verlaufende Komponente besitzt.

2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Behälter (10) mit einstellbarer Luft- oder Gasfüllung, der eine Zugangsmöglichkeit (24) zum Einlegen der Teile (12, 21), die innerhalb des Behälters verbunden werden sollen, besitzt, durch eine verlängerte, mit einer öffnung versehene Plattform (11), die auf der Innenfläche des Bodens des Behälters (10) befestigt ist, und von der die Teile (12, 21) getragen werden sollen, durch einen zurückziehbaren Stab (20), der durch eine öffnung (19) des Behälters hindurchragt und genau fluchtend mit der Plattform angeordnet ist, um Druck auf die Teile (12, 21) auszuüben, durch zwei einstellbare Elektroden (17, 18), die an dem Behälter befestigt sind, und so angeordnet sind, daß sie die Teile (12, 21) erfassen, wenn sie aufeinander zubewegt werden, und die mit einer elektrischen Stromquelle (22) verbunden sind, die einen Strom zwischen den Elektroden und durch wenigstens eines der Elemente (12, 21) hindurchschickt, um die Temperaturerhöhung in den Teilen (12, 21) zu bewirken, und durch eine Ultraschallquelle (23), die mit einer der Elektroden verbunden ist, um eine Scheuerbewegung zwischen den Teilen (12, 21) zu bewirken.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen