DE2801153A1 - Herstellungsverfahren fuer leistungshalbleiter mit pressanschluessen - Google Patents

Description

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?rr,LUmnr,VE7>.FMV.V.)r. FÜR LiJloTUITGSJL.LBLUITIJi

Die l-irfindung betriff:; -?in llerscelluncj-r; ■:-".■ fa'ir --n "'ir Halbleiter nit Preßims^hlii'j.-i v_t, d.h. ;i;io '/■:)"rii¹:!:¹n-j, b?i ("'ir di-ϊ -.slok-¹:.--.IrJi-Jh^Ii Kontnktmiti: ;1 :v7i3ch«n dor JIaI';!-.xL i-:^ln\;^:: -r und dom ''-ehdus^ aus I-Ic;-cM.LlJccn.:r.kt^ti br^'xh:^, ^i: rv:'-ir oir¹-^ι.·."3ηΐι;ϊ-Ξ.'" ;la.5i:iüGh fjurch dn; G^'iiuo:; od:3V ;in:i ä'iß^ro iCühl-'lahtc aiii (Ii-T Pin ti;'? gedrückt v.-2rd:n.

Bei Hochl'iirstungr-ihr;V^:5l-?i-i'.:rn -3rrjYiJ-^n /si^h Ko.i'.:nJit;.>robl ;::κ da durch cii.-; .Mi^ChIUSST hohrj .icröm-i fliaß in und die "Jlbrmaf.bloil:ung nxoht ατ-jtört v/csrd^n d?. rf. Hit Pre^iinn^hlurs joti vird iin Koritajrt "i.Tjr '?ine q^-oß;- Ob^r-" .^Tläoh- nnd ;ino ".'-.ina^ableitunq ^!Äh :r di3 b-?idon Joiton dor Pin ti-·"- ^-r.r.-icht, 30 <-> 1 rii-3 :;h'-rnii.3':]r; .-sioh spiirhnv ν jr:-:ing3ri:.

Bc-i allen neu^rtig-j 1 Vorrichtunctsn jsd.och, v?io bei-'-.'aise bei schnellen "j'liyristoren, Leistungstranaigtoren, integrierten Leistungsschaltungen, Schaltungen mit raehreren in einem Gehäuse vereinigten Funktionen usw., sind auf einer Seitenfläche mehrere Bereiche vorhanden, die mit Metallschichton badeckt werden und voneinandex^ isoliert bleiben müssen. Wenn darübar hinaus die.-ie Bereiche stark ineinander verschachtelt sind, so ist dia Herstellung von Preßanschlüssen, die nur gewisse dieser Bereiche betrifft, schwierig, da Kurzschlußgefahren unbedingt ausgeschlossen werden müssen.

Eine bekannte Lösung dieses Problems besteht darin, bei der Herstellung der Ilalbleiterstruktur ausgehend von einer rnonokristallinen Scheibe in der mit den ineinander verschachtelten Bereichen zu versehende -leite vertiefte Stellen vorzugehen,

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die diejenigen Bereiche umfassen, die beim Aufdrücken des Preßanschlusses auf dieser Seite von ihm isoliert werden müssen.

Diese Lösung bietet den Nachteil, die Herstellung der Halbloiterstruktur und somit auch die elektrischen Funktionen der Struktur zu verkomplizieren.

Eine andere bekannte Lösung besteht darin, auf diesen verschiedenen Bereichen Metallschichten unterschiedlicher Stärke herzustellen. Ein Metallkontakt mit vollkommen ebener Oberfläche tritt dann nur noch mit den dicksten Schichten in Berührung, wenn er auf die diese Metallschichten tragende Seite gepreßt wird. Die Herstellung zweier Metallschichten unterschiedlicher Stärke erfolgt im allgemeinen in zwei aufeinanderfolgenden Schritten. Bei jedem dieser Schritte wird zunächst durch Verdampfen unter Unterdruck die gesamte Seite der Platte mit einer Metallschicht versehen und anschließend durch Gravur in bestimmten Bereichen das aufgebrachte Metall wieder entfernt. Jeder dieser Schritte ist kostspielig. Außerdem sind die erzsielten Unterschiede in der Schichtdicke gering (15 bis 20 Mikron) und zwingen dazu, zur Vermeidung von Kurzschlüssen besondere Vorsichtsmaßnahmen zu ergreifen. Man könnte daran denken, eine einzige Metallschicht durch Vakuumaufdampfen aufzubringen, jedoch sind dann Gravuren erforderlich, mit denen an bestimmten Stellen die Metallschicht völlig, an anderen Stellen die Metallschicht überhaupt nicht und an wiederum anderen Stellen die Metallschicht teilweise entfernt werden muß« Mit bekannten Gravurverfahren sind derartige Arbeitsgänge auf wirtschaftliche und zuverlässige Weise nicht durchführbar.

Die Erfindung zielt darauf ab, ein Herstellungsverfahren

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für Leistungshalbl#itar mit Preßanschlüssen zu schaffen, durch das auf wirtschaftliche Weise über bestimmten Bereichen einer Seite einer Halbleiterplatte Schichten hergestellt werden können, die mit der Platte in gutem ohmschen Kontakt stehen und große Dickenunterschiede von einem Bereich zum anderen und dabei eine praktisch völlig ebene obere Seite aufweisen.

Dieses Ziel wird durch das Verfahren gemäß Hauptanspruch erreicht.

Das unter der Bezeichnung Siebdruck (oder Serigraphie) bekannte Verfahren wurde bereits für das Aufbringen von Metallschichten auf Hybridschaltungen zur Herstellung der elektrischen Anschlüsse zwischen den Metallklemmen der verschiedenen Elektronikbauteile auf einer Isolierplatte angewandt.

Jedoch hielt man es nicht für die Herstellung eines elektronischen Bauteils geeignet, vielleicht weil es einen schlechten elektrischen Kontakt auf dem Halbleitermaterial zu ergeben schien und weil es schwierig schien, eine ausreichend präzise Auflösung zu erhalten.

Es hat sich jedoch überraschend herausgestellt, daß dieses an sich bekannte Verfahren unter gewissen Bedingungen für die Herstellung von elektronischen Leistungsbauteilen geeignet ist, und daß dieses Verfahren dann erhebliche Vorteile bietet.

Anhand der beiliegenden neun Figuren wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt in einer axialen Ebene AA durch einen Teil einer erfindungsgemäß hergestellten Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang einer senkrecht zur Achse verlaufenden Ebene BB durch einen Teil der Vorrichtung aus Fig. 1.

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Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang einer axialen Ebene durch die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung, jedoch in kleinerem Maßstab.

Die Figuren 4 bis 9 zeigen Achsenschnitte eines Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach den verschiedenen Herstellungsschritten für diese Vorrichtung.

Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Halbleiterprodukt, wie die an Hand der Figuren 1, 2 und 3 in ihrem Endzustand beschriebene Vorrichtung. Diese Vorrichtung ist im gewählten Beispiel ein Leistungsthyristor, bei dem die Kathode und die Steuerelektrode miteinander verschachtelt sind. Dieser Thyristor besteht aus einer monokristallinen Siliziumplatte 2, die auf bekannte Weise die Halbleiterübergänge aufweist, die sie in zwei P-Schichten 4 und 6 und zwei N-Schichten 8 und 10 unterteilt. Die den Emitter bildende Schicht 10 ist auf der oberen Seite der Platte 2 in mehrere durch die Schicht 6 untergliederte Bereiche aufgeteilt. Die darunterliegenden Schichten 8 und 4 sind durchgehend. In einer derartigen Halbleiterstruktur fließt der Hauptstrom von der Schicht 4 zur Schicht Io. Über eine erste Kontaktelektrode 16 kann ein Steuersignal auf die Schicht 6 gegeben werden; derjenige Bereich der oberen Seite, der von der Kontaktelektrode 16 bedeckt ist, bildet den sogenannten "ersten Bereich".

Um das Passieren des Hauptstroms zu gestatten, ist eine Anodenplatte 12 auf die Unterseite der Platte 2 gelötet. Sie besteht aus einem Material, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der in etwa gleich dem des Siliziums ist, beispielsweise Wolfram oder Molybdän. Jedoch ist die Angleichung der Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht vollständig, so daß sich durch die beim Löten erfolgende Erwärmung eine Krümmung des Gesamtgebildes

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nach dem Abkühlen ergibt. So kann eine Vorrichtung von 50 mm Durchmesser dann wie eine Kugelkalotte aussehen mit einer Wölbung von etwa 40 bis 50 Mikron. Der thermische oder elektrische Kontakt mit den Kontakten des Gehäuses verliert dann trotz der Elastizität des Materials unter dem Druckeinfluß einen großen Teil seiner Wirksamkeit. Was die obere Seite betrifft, so ist auf einem Teil der Emitterschicht 10, die den oben angeführten "zweiten Bereich" dieser Seite bildet, eine zweite Kontaktelektrode 14 angeordnet. Die Elektroden 14 und 16 bilden Kontakte mit dem Emitter bzw. mit der Steuerelektrode. Eine Abgleichplatte 18, die aus demselben Material besteht wie die Platte 12, liegt auf der zweiten Metallschicht 14, die dicker gewählt wird als die erste Metallschicht 16, so daß der Kontakt zwischen dieser ersten Metallschicht und der Abgleichplatte vermieden wird. Die obere Seite der Elektrode 16 wird eben hergestellt, d.h., daß sie dank des weiter unten beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens nicht die durch das Löten hervorgerufene Wölbung aufweist. Zwei Preßanschlüsse oder Kontakte 20 und 22 aus massivem Kupfer werden auf die obere Seite der Platte 18 bzw. auf die untere Seite der Platte 12 gedrückt, wobei der Druck ausreichend groß ist, um einen guten elektrischen und thermischen Kontakt herzustellen.

Wenn der Spannungsunterschied zwischen den Elektroden 14 und 16 gering ist, reicht ein Dickenunterschied von etwa 15 Mikron zur Isolierung aus. Wenn diese Spannung jedoch höher wird, beispielsweise über 30 Volt liegt, ist dieser Dickenunterschied nicht mehr für eine sichere Isolierung ausreichend.

Fig. 3 zeigt die bekannten Einspann- und Kühlmittel und vervollständigt die Figuren 1 und 2.

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Auf die Seitenwandung der beiden Kontakte 20 und 22 sind zwei horizontale Metalldeckel 24 und 26 gelötet, die über eine zylindrische senkrecht stehende Keramikhülse 28 miteinander verbunden sind, so daß sich ein in etwa zylindrisches Gehäuse ergibt, das die Halbleiterplatte 2 enthält. Durch die beiden Deckel 2Λ und 26 dringen die Kontakte 20 und 22 hindurch und stehen nach außen aus dem Gehäuse hervor. Diese beiden Deckel sind ausreichend elastisch, damit die auf den vorspringenden Teil eines dieser Kontakte ausgeübte Druckkraft auf die Platte 2 übertragen wird.

Ein Steuerelektrodenleiter 30, der den Hilfsleiter bildet, besteht aus einem an den peripheren Bereich der Steuerelektrode 16 angeschlossenen Metalldraht, wobei dieser Teil nicht durch die Abgleichplatte 10 bedeckt wird. Der Steuerelektrodenleiter durchquert abgedichtet die Hülse 28.

Auf die Rückseite der Kontakte 20 und 22 sind zwei Metallkühlkörper 32 und 34 gedrückt. Sie sind durch zwei Metallschrauben 36 und 38 unter Zwischenschaltung von Federscheiben 40 und 42 miteinander verbunden, so daß sie einen Druck auf die Kontakte 20 und 22 ausüben. Isolierhülsen wie beispielsweise 44 und 46 sind so angeordnet, daß sie die Schrauben 36 und 38 von den Kühlkörpern 32 und 34 isolieren. Zwei Anschlußdrlhte 48 urifl 50 sind an die Kühlkörper 32 bzw. 34 angeschlossen.

Die Figuren 4 bis 9 zeigen die Herstellung der ersten und zweiten Elektrode. Diese werden durch aufeinanderfolgendes Aufbringen von zwei Metallschichten erhalten, wobei örtlich die erste Metallschicht entfernt wird.

Eins der vorzugsweise für das Aufbringen der ersten Schichte verwendeten Verfahren ist das Aufdampfen von Aluminium

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unter Vakuum, jedoch kann auch die Kathodenzerstäubung, ein chemisches oder elektrochemisches Verfahren angewandt werden. Es genügt, wenn die Geschwindigkeit ausreicht, um bei jedem Arbeitsgang Dicken von mehreren Mikron zu erreichen.

Das örtliche Entfernen des Metalls erfolgt vorzugsweise durch die bekannten Fotogravurverfahren, bei denen lichtempfindliche Harze verwendet werden, die durch ein Fotoklischee hindurch aktiviert werden. Das Metall wird dann durch die Öffnungen mit Hilfe einer geeigneten Lösung weggeätzt. Auch andere Gravurverfahren mit Metallmasken, Wachs- oder Lithographieverfahren sind verwendbar.

Nachfolgend wird die Herstellung der Elektroden 14 und 16 des in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellten Thyristors beschrieben.

1. Phase :

Kontinuierliches Aufbringen einer ersten Metallschicht 80 beispielsweise aus Aluminium durch Verdampfen unter Vakuum mit einer Dicke von 10 Mikron auf einer Halbleiterstruktur 82; das Ergebnis wird in Fig. 4 dargestellt.

2. Phase :

Kontinuierliches Aufbringen einer lichtempfindlichen Harzschicht 84 auf der Metallschicht 80; das Ergebnis wird in Fig. 5 gezeigt.

3. Phase :

Belichten des Harzes 84 durch eine Fotomaske, die den dritten Bereich verdeckt, und Entwicklung, d.h. Entfernen des Harzes an den nichtbelichteten Stellen; das Ergebnis wird in Fig. 6 gezeigt.

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- 10 4. Phase :

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Wegätzen des Metalls der Schicht 80 über ihre gesamte Dicke hinweg an den vom Harz 84 befreiten Stellen; das Ergebnis wird in Fig. 7 gezeigt.

5. Phase :

Entfernen des verbleibenden Harzes; das Ergebnis wird in Fig. 8 gezeigt.

Die erste Elektrode 16 ist somit vollständig hergestellt.

6. Phase :

Serigraphisches Aufbringen einer 30 Mikron dicken Metallschicht 86 auf die Schicht 80 im zweiten Bereich. Hierzu wird ein Nylongewebesieb verwendet.

Dieses Sieb besteht aus Nylonfäden mit einem Durchmesser von 5 Mikron und umfaßt 13 Fäden pro Quadratmillimeter in den beiden senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen. Die Maschen werden im ersten und dritten Bereich mit Hilfe eines Lacks verschlossen.

Auf diese Maske wird eine Paste mit einer Schichtdicke von 30 Mikron gestrichen. Diese Paste enthält beispielsweise 70 Gewichtsprozent Silber. Mit Hilfe eines beweglichen Abstreiforgans wird die Paste in einer herkömmlichen Serigraphiemaschine durch die freien Maschen der Maske gedrückt. Die geradlinige Abstreife kante des Abstreiforgans bewegt sich in einer vollkommen ebenen Fläche, so daß eine Pastenschicht erhalten wird, deren obere Seite ebenfalls vollkommen eben ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit die auf die Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten des verwendeten Lots und des Siliziums zurückzuführende Wölbung ausgeglichen werden.

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7. Phase :

Der nichtmetallische Binder dieser Paste wird durch 15-minütiges Brennen bei 5iO C entfernt.

So erhält man eine kompakte Metallschicht 86, die einen guten Kontakt mit der Schicht OO bietet und die Elektrode 14 bildet.

Ferner kann man durch das Brennen einen guten ohmschen Kontakt zwischen der Schicht 80 und der Halbleiterplatte erzielen. Es ist darauf hinzuweisen, daß die gewählte Brenntemperatur unter der Temperatur von 577 C liegt, bei der es zu einer sofortigen Legierungsbildung zwischen Aluminium und Silizium käme. Deshalb wird vorzugsweise eine Paste gewählt, die bei einer Temperatur von unter 530 C gebrannt werden kann. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die gewählte Paste einen hohen Metallanteil aufweist, damit die erhaltene Schicht nach dem Brennen kompakt ist. Dieser Anteil muß größer als 50% sein und beträgt vorzugsweise 65 Gewichtsprozente.

Ferner soll die gewählte Pasts frei von Verunreinigungen wie beispielsweise Blei sein, durch die die Qualität der darunterliegenden Struktur beeinträchtigt werden könnte. Es wurde vor allem festgestellt, daß gewisse Aluminiumpasten nicht geeignet sind.

Das oben beschriebene Beispiel bezieht sich auf einen Thyristor, jedoch ist die Erfindung selbstverständlich auch für andere Vorrichtungen mit Preßanschlüssen anwendbar, beispielsweise für bipolare Leistungstransistoren oder Feldeffekttransistoren, wie beispielsweise Leistungsgridistoren, sowie für integrierte Leistungsschaltungen.

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Die ^!:i f indunc; weirat folgende Vorteile auf :

- MüqJ i ('hJreit, .-.u beiden Seiten von Junktionen des ebenen Ty]JiJ Kontn'rto herzustellen und dabei das .iohutzoK^d auf der Fluchtlini'" der .Tun!:.ion beizubehalten;

- o"lir feine ·■ u Π öaung und ausgezeichnste Keproduzierbarkeit der Kont.n\"l.bi?rc-iclui dank de¹" Fotogravur-

- Mö'ii.iehkei 1:, Γ.·intakte auf der Oberfläche, d.h. einem Bereich mit. 'H=HfUUOi- Dotiervirunrein.rgungskonzentration herzustellen, während dort, v/o gemäß dem Stand der Technik Kontakte nach .ieha ffnnc: von Vertiefungen in dar Oberfläche der Halbleiter-

die

nichi; g.-?nau Jioknnnt sind;

- qror'o Kontak!:flach'? auf der .Seite mit den ineinander verschachtieli'.i'n ]Vr-(/j cir.Mi, v.'odurch die Temperatur- und Stroin^tärkehomogenität in der HalJjleii:er^f.ruktur verbessert v.'ird. Dieser Vorteil ist bei Hochlcj stunqstraiiijistoren beträchtlich, durch die beispielsweise mehrere ?:ehn hmpere fliegen, da jetzt die Grenzwerte für einen "zweiten Utromdurchschlag" erweitert werden und so die Leistung verqrößert wird, die- der Transistor aufnehmen kann;

- ein großer Dickenunterschied zwischen der ersten und zweiten KontaktmeLallschirht und folglich Wegfall der Kurzschlußgefahr; τ niedriger Herstellungspreis, da nur ein einziger Maskiervorgang mit lichtempfindlichem Harz notwendig ist;

- Möglichkeit, die Wölbung der Platte auszugleichen, da die Wölbungen sich auf der beschichteten Seite durch Niveauunterschiede äußern, die wesentlich unter dem Dickenunterschied zwischen den beiden Mofcallisierungs.-jchichten liegen. Diesen Ausgleich erhält man automatisch in den Serigraphiermaschinen beim Aufstreichen

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dar Motn Llpnstvi durch di; .L;h, d~. d-r-i . η V-.;-: .»Lr:Ii'>r· -., Mi- ';n Ui Pa JJ fco aufcf^fitr i :h:.·η -^!Lrd, ii.n ^; '[.;,-■'!· . ;^;*:- i. : :-n\·; : μ i Ji-' > ί ; , disich Ln oinor fivm^n !.'1".-Jh? b^-.'i-'ft, ;o ein ! ^Lc:; .n..i . :1; i.:·!,'.: r-.-.i:: ebener O^!>:ϊγ.3_;> L ·:ο ?*:c; Lb r .

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L e e r s e ί f e

Claims (1)

1. Fo 10 699 D

   38, avenue Klobar 0 Q Π 1 1

   75784 PARIJ CEDEX 16, Frankreich IO \J I I

   ΡΛΤ ENT?»113 PR JCHi)

   1-1 Herstellungsverfahren für eine Leisfcungühalbleitör-Vorrichtung mit Preßanschlüssen, bei ctern zuerst, eine monokristalline Sili^ium-Halbl'jiberplattfj hergestellt v/ird, in der die Halbleiterübergänge gebildet worden, wobei eine orst-a .rjit-j dieser Platte mindestens einen ersten, einen iwaitsn und iinsn dritten Bereich aufweist, bei dem dann eine Kontnktplatta auf der zweiten Seite der Platte befestigt wird, weiter sine erste und eine zweite Kontaktelektrode auf dem ersten bzw. zweitem Bereich gebildet wird, wobei die Dicke der zweit3n elektrode größer als die der ersten Elektrode ist, dann ein erscoa und ein zweites metallisches Flachkontaktorgan hergestellt werdan, die auf den genannten Elektroden und auf der Konbaktplatca angebracht werden und die die Hauptanschlußklemmen der Vorrichtung bilden, und schließlich Spannmittel aufgebracht werden, mit denen die beiden Kontaktorgane gegen die Ilalbleiterplatte gedrückt werden, so daß der Kontakt des ersten Kontaktorgans mit der zweiten Elektrode und der Kontakt des zweiten Kontaktorgans mit der Kontaktplatte gewährleistet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der ersten und der zweiten Kontaktelektrode zuerst eine dünne durchgehende Aluminiumschicht auf der ersten Seite der Halblexterplatte mit Hilfe eines Verfahrens

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   '"!b<j-'lnfpri wird, flay airi3ri guic-n ohn.-ichan Kontakt ,iui el >i: FIa Ib-L-;it'ir;)].n::r.-j gebührLoistot, worauf dio A Luminiamschl jhi: örtlich vaggoä-'it". .-."ird, :>o daß ^:ji-3 V.xlLglich fiuf don or jt;;n und x.v/eicon R^roichen variiLeibc, dn;3 dann mittels Siebdrucl: ( >J3:igriphie) •iin-j dicJv? ParjtGnschichu an J den s.-.'oicin Boraich aufgebracht v/ird, v;o!v~i cli^se Panto einen I-lotnliant-iil von "i.bor 5Q.. .sn-vio «Lnen vi'iJio'ien Binder enthält, worauf schließlich tli! Pasteiisehioht bei oiner Tsra'tsraL'i?: von unter 577^s C vährcmd iiner ausraichond Langen 3;.'it gn^rnnnc v;i.rcl, um ä-in Bindor aus der Pa.ste ^u emcfsrmn, '3ο daß din'.;e PciTtanjchicht xn ^ine kompakte Motall-

   v;ird.

   1 — V?;r.-:ahr-"in nach J.nc-iprucii 1, da d u r c h

   g ο !: ο η η :: -η ι c h η ο t, daß dan Brennon boi omer Ί.'->.ιιρυ ratur von uivfcar 5'iO C erfolgt.

   "i - Vorfahran nach Anspruch 1, dadurch

   g ο 1; ο η η ζ -5 i c h η ο t, daß as sich bei der Paate um eine Silberpaste handelt, die einen Metallanteil· von mehr als 65% enthält.

   ORIGINAL INSPECTED '^/m