DE1213922C2 - Verfahren zur Herstellung einer leicht benetzbaren Metallschicht auf einer keramischen Unterlage fuer Halbleiterbauelemente - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Int. CL:

HOIl

Deutsche Kl.: 21 g -11/02

Nummer:

Aktenzeichen:

Anmeldetag:

G 41891 VIIIc/21g
29. Oktober 1964
7. April 1966
20. Oktober 1966

Auslegetag:

Ausgabetag:

Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallisierten Keramikhalterungen für Halbleiterbauelemente, auf denen geschmolzene Edelmetalle wie Gold oder Silber oder auch Edelmetalllegierungen gleichmäßig fließen und dabei die Metallisierung der Keramikhalterungen benetzen können, so daß sich mit diesen metallisierten Keramikhalterungen besonders gut kleine Plättchen eines Halbleitermaterials verbinden lassen.

Die Plättchen aus Halbleitermaterial, die in Halb- to leiterbauelementen wie beispielsweise in Transistoren verwendet werden, sind normalerweise sehr klein und zerbrechlich. Daher ist es bei der Herstellung solcher Bauelemente häufig günstig, solche Plättchen an einer mechanischen Halterung zu befestigen. Das kann man beispielsweise so durchführen, daß man die Plättchen auf eine stabile Unterlage aus einem elektrisch nichtleitenden Material, wie beispielsweise auf einer Keramikplatte, auflötet oder sie anderweitig intermetallisch befestigt. Um nun zwischen dem Halbleiterplättchen und einer keramischen Unterlage eine solche Bindung zustande zu bringen, ist es notwendig, die keramische Unterlage zuerst zu metallisieren oder mit einem fest haftenden metallischen Überzug zu versehen. Anschließend kann dann das Halbleiterplättchen an den metallischen Überzug der Keramikplatte hart angelötet oder mit ihm anderweitig metallisch verbunden werden. Eine Schwierigkeit, die bei einer solchen Konstruktion / auftritt, besteht darin, daß hitzebeständige metallische Überzugsmaterialien, wie beispielsweise Mischungen aus Molybdän und Mangan, die sich gut mit keramischen Unterlagen verbinden und deren thermische Ausdehnungskoeffizienten mit' den Eigenschaften des Halbleitermaterials verträglich sind, von dem Lotmetall, wie beispielsweise von Gold oder Silber, nicht ausreichend gut benetzt werden, die ihrerseits aus mechanischen und elektrischen Gründen gern und häufig zum Löten von Halbleitermaterialien wie Germanium oder Silizium verwendet werden. Um ein Halbreiterplättchen auf den metallischen Überzug einer keramischen Halterung mit Hilfe eines Metalls wie Gold oder Silber aufzulöten, war es bisher notwendig, zwischen die metallische Schicht auf der Keramik und das Lot eine Zwischenschicht aus einem Material wie Kupfer oder Nickel einzusetzen, die insbesondere aufplattiert wurde, so daß sie einmal an dem metallischen Überzug der Keramik haften konnte und zum anderen eine Oberfläche darstellte, die von dem Lot, wie beispielsweise von Gold oder Silber, ausreichend gut benetzt wurde. Dieser Aufbau ist jedoch nach-Verf ahren zur Herstellung einer leicht
benetzbaren Metallschicht auf einer keramischen Unterlage für Halbleiterbauelemente

Patentiert für:

General Electric Company,

Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

John Russell Fahey,

North Syracuse, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 4. November 1963
(321 051)

teilig, da diese zusätzliche Zwischenschicht aus Kupfer oder Nickel erforderlich ist. Damit sind aber zusätzliche Material- und Verfahrenskosten verbunden. Darüber hinaus kann eine Diffusion des Kupfers oder des Nickels aus der Zwischenschicht in die anderen vorhandenen Materialien und damit auch in das Halbleiterplättchen eintreten, so daß die elektrischen Eigenschaften des fertigen Halbleiterbauelementes störend geändert oder vergiftet werden können.

Ziel der Erfindung ist demzufolge ein Aufbau für ein Halbleiterbauelement, bei dem ein Halbleiterplättchen an einer keramischen Unterlage mittels einer metallischen Bindung angebracht ist, die weder das Halbleitermaterial vergiftet noch die metallische Zwischenschicht benötigt, die bisher verwendet worden ist.

Die Erfindung besteht darin, daß bei einem solchen Verfahren auf die keramische Unterlage in gleichförmiger Dicke ein Überzug einer metallisierenden Mischung aufgebracht wird, in der in feiner Verteilung kleine Partikelchen aus Silizium, Germanium oder einer Mischung aus diesen beiden Elementen vorhanden sind, daß dann die keramische

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Unterlage zusammen mit dem Überzug erhitzt wird, Verteilung. Die Partikelchen 3 können beispielsweise so daß sich auf der keramischen Unterlage eine eine Größe haben, daß sie alle durch ein Sieb mit

Metallschicht bildet, daß daraufhin die Metallschicht einer lichten Maschenweite von 0,04 bis 0,05 mm

derart geätzt wird, daß Teile der kleinen Partikelchen hindurchgehen. Der Überzug 3 kann — ausgedrückt

freigelegt werden, so daß diese kleinen Partikelchen 5 in Gewichtsprozenten — folgendermaßen zusammen-

aus dem Material der Metallschicht herausragen und gesetzt sein:
der Metallschicht eine gute Benetzbarkeit verleihen,

und daß dann auf die Metallschicht eine Schicht Molybdän 55 bis 65 %

eines Edelmetallotes aus Gold, Silber oder einer Mangan 25 bis 35 %

Gold-Silber-Legierung aufgeschmolzen wird, so daß io . ■

das EdelmetaUot über die Metallschicht hinwegfließt. Smziumdioxyd 6 bis 8 /o

Im folgenden soll die Erfindung im einzelnen be- Siliziumpartikelchen 2 bis 5 %

schrieben werden.

Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß Mangan und Molybdän werden deswegen gewählt, Edelmetall-Lote, die sich der elektrischen und me- 15 weil der thermische Ausdehnungskoeffizient der chanischen Eigenschaften wegen für Halbleitermate- Mischung mit dem thermischen Ausdehungskoeffirialien wie Germanium und Silizium verwenden zienten der Keramikunterlage 1 verträglich ist und lassen, sich direkt auf eine metallisierte Keramik auf- weil sie auf der Keramikunterlage 1 einen dicht hafbringen lassen und den metallischen Überzug der tenden metallischen Überzug bilden können. Das Keramik auch ausreichend benetzen, wenn der 20 Siliziumdioxyd dient dabei als Flußmittel, um eine metallische Keramiküberzug in feiner Verteilung bessere Haftung der Metallschicht auf der Keramikeine geringe Menge von Germanium oder Silizium unterlage 1 zu erreichen.

oder eine Mischung daraus enthält. Auf eine kera- Um nun den Überzug 2 leichter aufbringen zu mische Unterlage ist in gleichmäßiger Dicke eine können, wird die obengenannte metallisierende Mimetallisierende Paste aufgebracht, die eine Mischung 25 schung mit den feinverteilten Siliziumpartikelchen aus Mangan- und Molybdänpulver enthält, in der mit einer ausreichenden Menge eines organischen kleine Partikelchen aus Germanium und Silizium Bindemittels versetzt, das sich durch Hitze ausfein verteilt sind. Sie können aber auch aus Mischun- treiben oder entfernen läßt, damit sich der Überzug gen dieser Materialien bestehen. Diese Paste wird leichter über der keramischen Unterlage ausbreitet, auf der keramischen Unterlage eingebrannt, so daß 30 Geeignete Bindemittel sind beispielsweise Polyvinylsich auf der keramischen Unterlage eine dicht und chlorid oder Isobutylmethacrylat und Butylcarbitolfest haftende Schicht aus Metall bildet. Anschließend acetat. Der Überzug 2 wird dann zusammen mit der wird dafür gesorgt, daß die feinen Partikelchen keramischen Unterlage an Luft 45 Minuten lang bei reliefartig aus der Oberfläche der metallischen einer Temperatur von etwa 1350° C gebrannt. Dabei Schicht herausragen. Dazu wird die metallische 35 verflüchtigt sich das Bindemittel und wird ausge-Schicht abgeätzt, so daß Teile der Oberfläche der trieben, und die übrigbleibende Mischung verbindet feinen Partikelchen teilweise freigelegt werden. An- sich fest mit der keramischen Unterlage 1. Wie es in schließend fließt das Lot, das in Berührung mit dem der F i g. 2 gezeigt ist, wird auf diese Weise auf der metallischen Überzug geschmolzen wird, frei über keramischen Unterlage 1 eine dicht haftende Metalldie feinen Partikelchen und die dazwischenliegenden 40 schicht 4 hergestellt. Während des Einbrennens Oberflächen des metallischen Überzugs hinweg, be- können zwar einige der feinen Siliziumpartikelchen netzt die Teilchen und die übrigen Oberflächenteile zusammensintern, ein wesentlicher Teil dieser Par- und verbindet sich mit ihnen, so daß eine kontinuier- tikelchen verbleibt jedoch in Partikelform in der liehe, fest haftende und elektrisch leitende Metall- Metallschicht 4 fein verteilt.

schicht entsteht, mit der anschließend ein Halbleiter- 45 Als nächstes wird die. Schicht 4 geätzt, um die plättchen leicht verbunden werden kann. Siliziumpartikelchen freizulegen, so daß sie relief-Die Erfindung soll an Hand der Zeichnungen er- artig aus der Schicht 4 herausragen. Dazu wird die läutert werden. Metallschicht 4 als erstes mit Salpetersäure behandelt,

F i g. 1 bis 5 sind Schnittansichten durch einen um die Oberflächenteile von Mangan und Molybdän Teil eines Halbleiterbauelementes, das unter Anwen- 50 der metallisierenden Schicht abzuätzen, ohne die dung des Verfahrens nach der Erfindung hergestellt Siliziumpartikelchen anzugreifen. Daraufhin wird worden ist; es sind die verschiedenen Schritte des Fluorwasserstoffsäure angewendet, um das Silizium-Verfahrens gezeigt, nach dem auf einer keramischen dioxyd wegzuätzen und die freiliegenden Teile der Unterlage die leicht benetzbare Metallschicht her- Siliziumpartikelchen 3 durch das Entfernen der oxygestellt wird; 55 dierten Teile zu reinigen. Auf diese Weise bestehen

F i g. 6 zeigt ein fertiges Halbleiterbauelement mit am Schluß die freiliegenden Oberflächen der Silizium-

einem Halbleiterplättchen, das auf die leicht benetz- partikelchen aus reinem, elementarem Silizium. Das

bare Metallschicht aus F i g. 5 aufgesetzt ist; Ergebnis dieses Ätzvorganges besteht darin, daß die

F i g. 7, 8 und 9 zeigen perspektivisch, wie die Er- freiliegenden Teile der feinen Siliziumpartikelchen 3

findung an eine bestimmte Ausführungsform ange- 60 auf der zurückgeätzten Oberfläche der Metallschicht

paßt werden kann, um Halbleiterplättchen auf eine als herausragende Teile erscheinen, wie es in der

keramische Halterung aufzusetzen. F i g. 3 gezeigt ist.

In der F i g. 1 ist eine Unterlage oder eine Halte- Um nun eine Keramikunterlage für das Aufsetzen

rung 1 aus einer Aluminiumoxydkeramik gezeigt, auf eines Halbleiterplättchens fertig vorzubereiten, wird

die in gleichmäßiger Dicke ein Überzug 2 aufgebracht 65 eine Schicht eines Lotes 5 auf das Gebilde aus Fi g. 3

worden ist. Der Überzug 2 besteht aus einer Mi- aufgebracht. Das ist in der F i g. 4 gezeigt. Das Lot

schung aus Mangan und Molybdän und enthält kann, was günstig ist, aus einem Edelmetall oder aus

außerdem kleine Partikelchen 3 aus Silizium in feiner einer Legierung oder einer intermetallischen Verbin-

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dung aus Edelmetallen, wie beispielsweise aus Silber die elektrische Stetigkeit oder die Übereinstimmung und aus Gold, bestehen. Auf Wunsch kann man das des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Me-Lot mit einem Donator (oder einem Akzeptor) tallschicht beeinträchtigt. Die Partikelchen 3 sollen dotieren, um zu verhindern, daß sich an einem also nur in einer solchen Menge verwendet werden, N-leitenden (oder P-leitenden) Halbleiterplättchen, 5 die ausreichend ist, die Metallschicht 4 leicht benetzdas anschließend auf die freiliegende Oberfläche des bar zu machen, die jedoch nicht die Grenze überLotes aufgelötet wird, ein elektrisch gleichrichtender steigt, die durch die oben durchgeführte Überlegung Kontakt ausbildet. Es ist zweckmäßig, das Lot in gegeben ist.

Gestalt eines vorgeformten Blättchens oben auf die Das Material, das für die feinen Partikelchen 3 verherausragenden Siliziumpartikelchen 3 aufzulegen io wendet wird, hängt von dem Material des Halbleiterund dann das ganze Gebilde erneut auf eine Tem- plättchens 6 nicht ab. An Stelle von Silizium können peratur von etwa 1140⁰C zu bringen, die ausreicht, die feinen Partikelchen 3 auch aus Germanium oder das Lot zum Schmelzen zu bringen. Beim Schmelzen aus einer Mischung von Germanium und Silizium fließt das Lot über die herausragenden Partikelchen 3 bestehen. Wenn für die feinen Partikelchen 3 Gerund die Zwischenräume zwischen diesen Partikelchen 15 manium verwendet wird, bestimmt sich die Menge unter gleichmäßiger Benetzung, so daß sich zwischen der Partikelchen aus den gleichen Gesichtspunkten, dem Lot, den herausragenden Partikelchen und den die für den Prozentgehalt bei Verwendung von SiIi-Zwischenräumen zwischen den Partikelchen ein zium maßgebend sind. Da jedoch Germanium bei Eutektikum bildet. Beim Abkühlen und Verfestigen dem Abätzen der Oberfläche durch Säuren leichter bildet sich dadurch eine gleichförmige, kontinuier- 20 angegriffen wird, muß dafür Sorge getragen werden, Hch haftende Schicht aus Lötmetall, die über der zu große Zerstörungen der Germaniumpartikelchen 3 Metallschicht 4 und den Siliziumpartikelchen 3 liegt. zu vermeiden.

Anschließend ist es einfach, ein Halbleiterplätt- Wie bereits erwähnt wurde, dient das Siliziumchen, das von der Keramikunterlage getragen und an oxyd in der metallisierenden Mischung als Flußihr befestigt werden soll, mit der Lotschicht 5 blei- «5 mittel, um die Verbindung der metallisierenden Mibend zu verbinden. Dazu braucht man nur das Halb- schung mit der keramischen Unterlage zu erleichtern leiterplättchen 6 auf die Lotschicht 5 aufzulegen und oder möglich zu machen. Das Siliziumoxyd dient jedas ganze Gebilde auf die Temperatur des Schmelz- doch noch einer weiteren Aufgabe. Es hilft nämlich Punktes des eutektischen Gemisches aus dem Halb- gleichzeitig, eine Vergiftung des Halbleiterplättchens leitermaterial und dem Lot zu bringen, um das Lot 3o zu verhindern, da es das Mangan oxydiert und die in die untere Oberfläche des Halbleiterplättchens Diffusion von Mangan aus der Metallschicht in das einzulegieren, wie es in der F i g. .6 gezeigt ist. Halbleiterplättchen hinein beeinträchtigt.

Der Anteil der feinen Siliziumpartikelchen 3 soll, Nach der Erfindung läßt sich also auf einer kera-

wie es als Beispiel oben angegeben worden ist, etwa mischen Unterlage eine Metallschicht herstellen, die

2 bis 5 Gewichtsprozent der metallisierenden Mi- 35 leicht benetzbar ist und eine fest haftende und ver-

schung betragen. Liegt der Gehalt der feinen Par- unreinigungsfreie Verbindung zwischen einem HaIb-

tikelchenS, unabhängig davon, ob es sich um SiIi- leiterplättchen und einer keramischen Unterlage er-

zium, Germanium oder eine Mischung aus diesen laubt. Da es weiterhin auf Grund der Erfindung nicht

beiden Elementen handelt, in diesem Bereich, so ist mehr notwendig ist, eine besondere Zwischenschicht,

das insofern günstig, da innerhalb dieses Bereiches 40 wie beispielsweise eine Kupfer- oder Nickelschicht,

sowohl eine zufriedenstellende Benetzung der Ober- zu verwenden, wie es nach dem bisherigen Stand der

fläche der Metallschicht 4 durch das Lot erreicht Technik notwendig war, kann ein Halbleiterplättchen

wird, als auch erreicht wird, daß die Metallschicht 4 ⁱⁿ höherem Maße verunreinigungsfrei aufgesetzt wer-

gut auf der keramischen Unterlage 1 haftet. Der An- ^den> ^{da eine} Diffusion von Verunreinigungen, die die

teil der feinen Partikelchen 3 ist jedoch nicht kritisch 45 Halbleiterplättchen vergiften könnten, aus der metal-

und kann zur Erzielung der besten Ergebnisse auch üschen Zwischenschicht in das Halbleiterplättchen

außerhalb dieses Bereiches schwanken, wenn unter- hinein nicht mehr auftritt.

schiedliche Lot- und Einbrenntemperaturen ange- Da die Metallschicht 4 leicht benetzbar ist, kann

wendet werden oder eine metallisierende Mischung man Halbleiterplättchen auf keramische Unterlagen

von anderer prozentualer Zusammensetzung ver- 5<> nach einem vereinfachten Verfahren aufsetzen, wie

wendet wird. es in den F i g. 7, 8 und 9 gezeigt ist. Wie man der

Für den Anteil der feinen Partikelchen 3 an der Fig. 7 entnehmen kann, ist eine keramische Haltemetallisierenden Mischung gibt es eine obere Grenze, rung 10 mit mehreren symmetrisch angeordneten die sich aus verschiedenen Überlegungen ergibt. Als Öffnungen 11 a, 11b und lic versehen. Auf der keerstes soll der Anteil der feinen Partikelchen 3 nicht 55 ramischen Halterung 10 sind mehrere Metallschichso groß sein, daß das Haftvermögen der Metall- ten 12 hergestellt, die eine vorgegebene Gestalt schicht 4 auf der Keramikunterlage 1 beeinträchtigt haben. Wie es dargestellt ist, weisen die Schichten 12 wird. Wenn weiterhin in dem Material, aus dem die aus Fig. 7 jeweils einen Teil 13 auf, der die öffnunfeinen Partikelchen 3 bestehen, Verunreinigungen gen 11 α umgibt.

vorhanden sind, führt eine Erhöhung des Anteils an 60 Auf die Metallschichten 12 werden nun vorge-

feinen Partikelchen 3 in der metallisierenden Mi- formte Stücke aus Lötmaterial 14 aufgelegt, wie es in

schung zu einer Erhöhung des gesamten Verunreini- der F i g. 8 gezeigt ist. Da die Metallschichten 12 be-

gungsgehaltes, so daß das Halbleiterplättchen, das sonders gut benetzbar sind, brauchen die vorgeform-

montiert werden soll, selbst durch diese Verunreini- ten Stücke 14 aus Lötmaterial nicht genau mit den

gungen vergiftet werden kann. Der Anteil der Parti- 65 Umrissen der Metallschichten 12 übereinzustimmen,

kelchen 3 darf auch nicht so groß sein, daß er die Es genügt vielmehr, wenn sie angenähert eine ähn-

Verbindung des Molybdän-Mangan-Siliziumdioxyd- liehe Form haben. Außerdem brauchen sie auch

Systems mit der keramischen Unterlage stört oder nicht genau über den Metallschichten 12 zu liegen.

Wenn man nun das zusammengesetzte Gebilde aufheizt, fließt das Lötmaterial der vorgeformten Stücke 14 frei und gleichmäßig über die gesamte Oberfläche der Metallschichten 12 bis zu den Rändern der Metallschichten 12 hin. Anschließend werden Halbleiterplättchen 15 mit Hilfe der Schichten 16 aus Lötmaterial leicht mit den Metallschichten 12 der keramischen Unterlage 10 verschmolzen, wie es in der F i g. 9 gezeigt ist.

Die Lötschichten 16 brauchen nicht nur dafür zu dienen, die Halbleiterkörper 15 dicht haftend mit der keramischen Halterung 10 zu verbinden, um die Halbleiterkörper mechanisch zu haltern. Man kann vielmehr auch über die Lötschichten 16 den elektrischen Kontakt zu denjenigen Halbleitergebieten 15 herstellen, die auf den Lötschichten 16 aufliegen. Dazu kann man zugeordnete elektrische Leitungen 17 verwenden, die durch die öffnungen 11a hindurchgehen und an den Stellen 18 an den Lötschichten 16 verschweißt oder angelötet werden. Um auch die anderen Gebiete der Halbleiterkörper 15 elektrisch anschließen zu können, können weitere Leitungen verwendet werden, die durch die öffnungen 11 & und 11 c hindurchgehen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer leicht benetzbaren Metallschicht auf einer keramischen Unterlage für Halbleiterbauelemente, dadurch gekennzeichnet, daß auf die keramische Unterlage in gleichförmiger Dicke ein Überzug einer metallisierenden Mischung aufgebracht wird, in der in feiner Verteilung kleine Partikelchen aus Silizium, Germanium oder einer Mischung aus diesen beiden Elementen vorhanden sind, daß dann die keramische Unterlage zusammen mit dem Überzug erhitzt wird, so daß sich auf der keramischen Unterlage eine Metallschicht bildet, daß daraufhin die Metallschicht derart geätzt wird, daß Teile der kleinen Partikelchen freigelegt werden, so daß diese kleinen Partikelchen aus dem Material der Metallschicht herausragen und der Metallschicht eine gute Benetzbarkeit verleihen, und daß dann auf die Metallschicht eine Schicht eines Edelmetallotes aus Gold, Silber oder einer Gold-Silber-Legierung aufgeschmolzen wird, so daß das Edelmetallot über die Metallschicht hinwegfließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug eine metallisierende Mischung aus Molybdän und Mangan enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallisierende Mischung 55 bis 65 Gewichtsprozent Mangan, 25 bis 35 Gewichtsprozent Molybdän, 6 bis 8 Gewichtsprozent Siliziumdioxyd und 2 bis 5 Gewichtsprozent der kleinen Partikelchen enthält.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 011 353,
1021782.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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