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Dokumentenidentifikation DE4106978C2 19.10.1995
Titel Verfahren zur Bildung eines Materialmusters auf einer Hauptoberfläche eines verzogenen Substrats
Anmelder Mitsubishi Denki K.K., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Niinobu, Koji, Fukuoka, JP;
Tokunoh, Futoshi, Fukuoka, JP
Vertreter Tiedtke, Bühling, Kinne & Partner, 80336 München
DE-Anmeldedatum 05.03.1991
DE-Aktenzeichen 4106978
Offenlegungstag 12.09.1991
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.10.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.10.1995
IPC-Hauptklasse H01L 21/31
IPC-Nebenklasse G03F 7/24   G03F 9/00   H01L 21/332   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur exakten Bildung eines gewünschten Musters auf einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats, das sich beim Löten auf eine Metallplatte oder ähnlichem verzogen hat, und auf ein Verfahren zur Halbleiterherstellung während des Musterbildungsprozesses.

Bekanntermaßen besteht ein Hochleistungs-Halbleiterbauelement häufig aus einem Halbleitersubstrat, das auf einer Metallplatte befestigt ist. Fig. 8 zeigt als schematischen Teilausschnitt ein Halbleitersubstrat 51, das in einem GTO-Thyristor benutzt wird und bei dem die untere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 51 auf einer Molybdänplatte 53 über eine Anoden-Elektrode 52, die als Lötmaterialschicht dient, gelötet ist. Die Molybdänplatte 53 hat die Funktion einer Unterstützungs- bzw. Verstärkungsplatte für das Halbleitersubstrat 51. Auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 51 ist eine Vielzahl von Emitterzonen 54 angebracht. Die Emitterzonen 54 sind konzentrisch um den Mittelpunkt C des Halbleitersubstrats 51 angebracht und auf ihnen sind Kathodenelektroden 55 ausgeformt. Zur leichter verständlichen Darstellung ist eine Schichtstruktur von aktiven Zonen in dem Halbleitersubstrat 51 und eine Anordnung von Gateelektroden auf der oberen Hauptoberfläche in der Fig. 8 weggelassen. Andererseits wird eine Maske 56 zur Musterbildung der Emitterzonen 54 und eine Maske 57 zur Musterbildung der Kathodenelektroden 55 in Fig. 8 gezeigt.

Während des Lötens des Halbleitersubstrats 51 auf die Molybdänplatte 53 befinden sich beide auf einer hohen Temperatur. Wenn Aluminium als Lötmaterial benutzt wird, werden das Halbleitersubstrat 51 und die Molybdänplatte 53 auf eine Temperatur gleich oder größer als 660°C erhitzt, welche der Schmelzpunkt von Aluminium ist. Dann wird eine Baugruppe 58, die aus dem Halbleitersubstrat 51 und der Molybdänplatte 53 besteht, nach dem Lötprozeß auf Raumtemperatur abgekühlt. Dadurch verzieht sich die Baugruppe 58 entsprechend dem Unterschied zwischen den Temperaturausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien.

Wenn das Halbleitersubstrat 51 aus Silizium besteht, beträgt der Temperaturausdehnungskoeffizient 4,15×10-6/K, wohingegen der Temperaturausdehnungskoeffizient der Molybdänplatte 5,1×10-6/K beträgt, also größer als der erstgenannte ist. Deswegen verzieht sich die Baugruppe 58 nach der Abkühlung. Das Halbleitersubstrat 51 ist dann zu einer konvexen Form gebogen. In Fig. 8 ist ein Teil einer Baugruppe 59, die mit der verzogenen Baugruppe 58 identisch ist, durch eine durchbrochene Linie dargestellt, wobei der Verzug zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt ist.

Andererseits werden auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 51 die Emitterzonen 54 vor dem vorstehend genannten Lötprozeß und die Kathodenelektroden 55 nach dem Lötprozeß gebildet. Somit sind sogar bei perfekter Positionsgenauigkeit zwischen den Mustern der Masken 56 und 57 aufgrund des Verzugs des Halbleitersubstrats 51 die Kathodenelektroden 55 nicht exakt gegenüber den Emitterzonen 54 angeordnet, so daß eine Positions-Ungenauigkeit zwischen diesen besteht.

Eine relativ kleine Positions-Ungenauigkeit ist kein Problem. Wenn sie aber sehr groß ist, wird ein Teil der Kathodenelektroden 55 außerhalb der Emitterzonen 54 ausgebildet. Dies wird in einer vergrößerten Draufsicht in Fig. 9a und einer vergrößerten Teilsicht der Fig. 9b gezeigt. Als Ergebnis sind die Emitterzonen 54 und andere nicht gezeigte aktive Zonen kurzgeschlossen und der GTO-Thyristor arbeitet nicht richtig.

Wichtig ist dabei, daß der Grad der Positions-Ungenauigkeit von verschiedenen Faktoren abhängt und nicht konstant ist. Im wesentlichen hängt die Positions-Ungenauigkeit der Emitterzonen 54 und der Kathodenelektroden 55 von der Entfernung zwischen den Emitterzonen 54 und dem Mittelpunkt C (in Fig. 8) ab, weil die Krümmung der Baugruppe 59 um den Mittelpunkt des Substrats 51 relativ klein ist, während sie in den Zonen nahe der Umfangskante des Substrats relativ groß ist, wie sich aus der Fig. 8 entnehmen läßt. Der Verzug der Baugruppe 59 ändert sich ebenfalls in Abhängigkeit von der Dicke der Molybdänplatte 53 und der Dicke des Halbleitersubstrats 51.

Ist beispielsweise das Halbleitersubstrat 51 0,6 mm dick und die Molybdänplatte 53 66 mm im Durchmesser, ändert sich der Verzug des Halbleitersubstrats 51 in Abhängigkeit von der Dicke der Molybdänplatte wie in Fig. 10, wobei der "Krümmungsgrad" hier einen Betrag der Verformung des Halbleitersubstrats 51 an seinen Rändern bedeutet. Demzufolge hängt der Grad der Positions-Ungenauigkeit der Emitterzonen 54 und der Kathodenelektroden 55 auch von der Dicke der Molybdänplatte 53 und des Halbleitersubstrats 51 ab.

Sogar unter gleichen Rahmenbedingungen weisen viele Halbleitersubstrate eine statistische Verteilung bezüglich ihres Krümmungsgrades beim Löten auf, die nicht gleich ist. Somit ist auch der Grad der Positions-Ungenauigkeit bezüglich der Positionen der Kathodenelektroden 55 nicht gleich und kann demzufolge nicht durch gleichmäßiges Verändern der Ausformungsorte der Kathodenelektroden 55 verhindert werden.

Ein solches Problem wird schwerwiegend, wenn die Muster auf dem Halbleitersubstrat 51 zur Vergrößerung der Integration verkleinert werden. Bei dem GTO-Thyristor sind die feinen Muster zur Verbesserung des Abschaltvermögens notwendig, wodurch allerdings die Bildung der Kathodenelektroden 55 außerhalb der Emitterzonen 54 schon bei einer kleinen Positions-Ungenauigkeit verursacht wird. Auch bei anderen Halbleiterelementen als dem GTO-Thyristor ist es bei feinen Mustern notwendig, wegen des Verzugs des Halbleitersubstrats die Muster vor einer Positions-Ungenauigkeit zu bewahren.

Aus der JP 63-220 249 A2 ist ein Verfahren zur Bildung eines Materialmusters auf der Oberfläche eines gekrümmten Substrats bekannt, bei dem Abberationsfehler, die durch unterschiedliche Abstände zwischen einer Maske und der Substratoberfläche hervorgerufen werden, durch Änderung des Maskenmusters korrigiert werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bildung eines Materialmusters auf einer Hauptoberfläche eines verzogenen Substrats anzugeben, das Positions-Ungenauigkeiten ausschließt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 9 angegeben.

Unter der Annahme, daß ein Substrat flach ist, wird erfindungsgemäß eine Position bestimmt, an der ein Muster gebildet werden soll, und dann wird diese Position korrigiert, um Positions-Ungenauigkeiten aufgrund des Verzugs des Substrats zuzulassen.

Zur Korrektur wird die Entfernung zwischen dem Muster und einer Referenzposition (z. B. dem Mittelpunkt) einer Hauptoberfläche des Substrats berücksichtigt, weil die Referenzposition ein Erfassungspunkt für die Orientierung des Substrats und der Maske darstellt und weil je weiter das Muster von der spezifizierten Position, an der keine Positions-Ungenauigkeit vorliegt, entfernt positioniert wird, der Grad der Positions-Ungenauigkeit größer wird.

Die vorstehend erwähnte Korrektur wird auch ausgeführt, um einen zulässigen Verzugsgrenzwert des Substrats zu tolerieren. Der zulässige Verzugsgrenzwert wird dazu unter Berücksichtigung der Verteilung von Verzugsgraden mehrerer Substrate bestimmt.

Somit können auf einem Substrat, das mit einem geringeren Grad als dem des zulässigen Grenzwertes verzogen ist, Muster an jeder Position des Substrats mit der gleichen Genauigkeit ausgebildet werden.

Der obere Verzugsgrenzwert des Substrats basiert unter Umständen auf der Entscheidung, welch ein Verzug zugelassen werden kann. Wenn der Verzug nämlich sehr groß ist, entstehen außer der Positions-Ungenauigkeit des Musters weitere Ungenauigkeiten und das Substrat ist üblicherweise defekt. Demzufolge besteht keine Notwendigkeit, Muster mit einem zwar zulässigen, aber sehr großen Verzug zu erzeugen. Der zulässige Maximalwert wird allerdings durch so eine Begrenzung bestimmt.

Der untere Grenzwert kann folgendermaßen bestimmt werden:

Der Verzugsgrad des Substrats hängt von verschiedenen Faktoren ab und im allgemeinen wird der begrenzte Verzug in dem Substrat so lange verursacht, wie die Ursache dafür (z. B. eine Lötbehandlung) andauert. Wird das Substrat unter vorbestimmten, innerhalb eines bestimmten Bereichs liegenden Bedingungen verzogen, sollte der Verzug unter Berücksichtigung des Bedingungsbereiches größer als ein echter Minimalwert sein.

Wird z. B. das Halbleitersubstrat auf eine Metallplatte gelötet, kann der Minimalverzugswert des Substrats durch die Materialbestimmung der Komponenten, ihrer Dimensionen und eines Temperaturbereiches beim Löten geschätzt werden. Der Wert kann auch im voraus durch Experimente geschätzt werden.

Somit kann der in Betracht zu ziehende untere Grenzwert des Verzugs mittels Schätzung bestimmt werden.

Wenn der zulässige Maximalwert und der geschätzte Minimalwert des Verzugs bestimmt sind, wird ersterer zur Korrektur der Position der hinteren Kante des Musters und letzterer zur Korrektur der Position der vorderen Kante benutzt.

Wie nachstehend beschrieben gibt es hinsichtlich der Richtung der Positions-Ungenauigkeit, die durch den Verzug des Substrats verursacht wird, eine feste Regel. Daher ist durch Verschieben sowohl der Vorder- als auch der Rückkante in dieser Richtung eine Kompensation der Positions-Ungenauigkeit möglich, ohne die Musterbreite über die Maßen verkleinern zu müssen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Halbleiters werden die Muster, die vor und nach Verzug des Substrats gebildet werden, mittels der Korrektur von Maskenmustern zueinander ausgerichtet. Zur Bildung von Mustern auf dem verzogenen Substrat wird, wie vorstehend beschrieben, deren Position korrigiert und der Positions-Ungenauigkeitsgrad zwischen den Mustern kann innerhalb eines zulässigen Fehlers gehalten werden, und zwar auch dann, wenn Halbleitersubstrate hinsichtlich ihrer Verzugsgrade eine Streuung aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genaue Musterbildung auf allen Substraten, die aufgrund einer bestimmten Behandlung verzogen sind, auch dann zu ermöglichen, wenn diese hinsichtlich ihrer Verzugsgrade eine Streuung aufweisen.

Weiterhin soll die Herstellung eines Halbleiters ermöglicht werden, bei dem entsprechende Muster, die vor und nach Verzug eines Substrats gebildet werden, im wesentlichen zueinander ausgerichtet sind, und zwar auch dann, wenn Substrate hinsichtlich ihrer Verzugsgrade eine Streuung aufweisen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1A und 1B Abbildungen von entsprechend einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gebildeten Mustern hinsichtlich ihrer Positionsgenauigkeiten,

Fig. 1C eine Abbildung der Positionsverhältnisse von Musterecken auf Masken,

Fig. 2 eine schematisierte Draufsicht eines erfindungsgemäß hergestellten GTO-Thyristors,

Fig. 3A und 3B Ausschnittsansichten von verschieden gekrümmten GTO-Thyristoren,

Fig. 4 bis 6 Abbildungen eines Prinzips zur Berechnung des Korrekturbetrags der Mustereckenpositionen,

Fig. 7A bis 7H Schnittansichten, die erfindungsgemäße Herstellungsschritte des GTO-Thyristors darstellen,

Fig. 8 eine Abbildung, die eine Beispielssituation bei der Musterbildung darstellt,

Fig. 9 eine Schnittansicht der fehlerhaften Übereinstimmung von Musterpositionen, die bei einem herkömmlichen Musterbildungsverfahren verursacht wird, und

Fig. 10 einen Kurvenverlauf einer Veränderung des Krümmungsgrades eines Halbleiterelementes im Zusammenhang mit der Dicke einer Molybdänplatte.

A. Struktur und Funktionsweise eines Halbleiterbauelements

Fig. 2 ist eine schematisierte Draufsicht, die ein GTO-Element 100 zeigt, das entsprechend einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel hergestellt wurde, während Fig. 3A eine vergrößerte Schnittansicht längs der Linie III-III in Fig. 2 ist. Das GTO-Element 100 umfaßt ein Halbleitersubstrat 10 (Fig. 3A), dessen untere Hauptoberfläche mittels einer als Lötmaterialschicht dienenden Anoden-Elektrode 2 an eine Molybdänplatte 1 gelötet ist. Die Molybdänplatte 1 dient als Halte- oder Verstärkungsplatte des Halbleitersubstrats 10. Die Anoden-Elektrode bzw. die Lötmaterialschicht 2 ist aus Aluminium gefertigt. Das Halbleitersubstrat 10 umfaßt eine p-Emitterzone 11, eine n-Basiszone 12, eine p-Basiszone 13 und eine Vielzahl von n-Emitterzonen 14a bis 14c, die konzentrisch um die p-Basiszone 13 plaziert sind. Kathodenelektroden 5a bis 5c aus Aluminium sind auf den entsprechenden n-Emitterzonen 14a bis 14c gebildet. In einer alternativen Anordnung werden Gateelektroden 6 mit den n-Emitterzonen 14a bis 14c gebildet. Die Gateelektroden 6 sind bis auf ihre Mittelbereiche mit Isolierfilmen 7 auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats 10 bedeckt. Ein Außenrandbereich des Halbleitersubstrats 10 ist durch Silikongummi 3 geschützt.

Das GTO-Element 100 arbeitet wie folgt: Zunächst wird zum Einschalten, während die Hauptspannung zwischen der Anoden-Elektrode 2 und den Kathodenelektroden 14a bis 14c anliegt, eine Steuerspannung zwischen der Gateelektrode 6 und den Kathodenelektroden 5a bis 5c angelegt, so daß die pn-Verbindungen zwischen der p-Basiszone 13 und den n-Emitterzonen 14a bis 14c in Vorwärtsrichtung betrieben werden. Ansprechend auf die Spannungen bewegen sich Löcher von der p-Basiszone 13 in die n-Emitterzonen 14a bis 14c und dementsprechend bewegen sich Elektronen von den n-Emitterzonen 14a bis 14c in die p-Basiszone 13. Genauer gesagt, es werden auch in die n-Basiszone 12 Überschußelektronen aufgrund der Verstärkung eines npn-Transistors eingespeist, der aus den n-Emitterzonen 14a bis 14c, der p-Basiszone 13 und der n-Basiszone 12 besteht.

Als Ergebnis bleiben die Überschußelektroden in der n-Basiszone 12 und die gleiche Menge an Löchern wird von der p-Emitterzone 11 in die n-Basiszone 12 zur Neutralisierung eingespeist. Des weiteren werden Überschußelektroden in die p-Basiszone 13 aufgrund der Verstärkung in einem pnp-Transistor eingespeist, der aus der p-Emitterzone 11, der n-Basiszone 12 und einer p-Basiszone besteht.

Ist somit das GTO-Element 100 einmal eingeschaltet, treiben sich die npn- und pnp-Transistoren gegenseitig und der Hauptstrom fließt weiterhin zwischen der Anoden-Elektrode 2 und den Kathodenelektroden 14a bis 14c auch für den Fall, daß die Stromzufuhr zu der Gateelektrode 6 abgeschaltet wird.

Zum Abschalten wird andererseits zwischen die Gateelektrode 6 und die Kathodenelektroden 5a bis 5c eine Spannung angelegt, so daß eine pn-Verbindung, die aus der p-Basiszone 13 und den n- Emitterzonen 14a bis 14c besteht, in Rückwärtsrichtung betrieben wird. Dadurch werden die Löcher, die von der n-Basiszone 12 zu den n-Emitterzonen 14a bis 14c fließen sollen, beim Passieren der p-Basiszone 13 durch die Gateelektrode 6 abgesaugt. Das Absaugen beginnt mit den Löchern in unmittelbarer Nähe zur Gateelektrode 6. Dann werden die Löcher, die die n-Emitterzonen 14a bis 14c erreicht haben, in den Mittelbereichen der n-Emitterzonen 14a bis 14c gesammelt und schließlich gelangen die Löcher nicht mehr länger zu den n-Emitterzonen 14a bis 14c. Es bewegen sich also keine Elektronen mehr von den n-Emitterzonen 14a bis 14c zu der p-Basiszone 13 und das GTO-Element 100 schaltet ab.

B. Substratverzug und Grundlagen der Musterbildung

Aufgrund des Unterschieds zwischen den Temperaturausdehnungskoeffizienten des Halbleitersubstrats 100 und der Molybdänplatte 1 verzieht sich eine Baugruppe 20 beim Löten. Ein Verzugsbetrag der Baugruppe 20 kann durch eine Höhendifferenz D zwischen dem Mittelpunkt Q0 an der unteren Oberfläche der Molybdänplatte 1, der dem Mittelpunkt C des Halbleitersubstrats 1 entspricht, und einem Punkt QE am Rand der unteren Oberfläche der Molybdänplatte 1 ausgedrückt werden. Ein Neigungswinkel der unteren Oberfläche der Molybdänplatte 1 am Eckpunkt QE wird mit Θ bezeichnet.

Fig. 3A zeigt einen Fall, bei dem der Verzugsbetrag D relativ klein ist, während Fig. 3B einen Fall zeigt, bei dem der Verzugsbetrag D relativ groß ist. Wie nachstehend beschrieben, werden die n-Emitterzonen 14a bis 14c vor dem Lötprozeß gebildet, während die Kathodenelektroden 5a bis 5c nach dem Lötprozeß gebildet werden. Somit ist es zum Erhalt einer Positions- Ausrichtung zwischen den n-Emitterzonen 14a bis 14c und den Kathodenelektroden 5a bis 5c erforderlich, das Verhältnis zwischen dem Aufbau des Halbleitersubstrats 10 vor und nach dem Lötprozeß zu analysieren. Zur Analyse sollte vorzugsweise die Situation herangezogen werden, in der sich der Verzugsbetrag D entsprechend der Dicke des Substrats 10 ändert. Indes wird im nächsten Absatz der Fall, daß der Verzugsbetrag D nicht von der Dicke abhängt, als ein weiterführender Schritt der Analyse diskutiert.

(B-1) Keine Veränderungen beim Verzugsbetrag

Fig. 4 ist eine Abbildung, die das Verhältnis zwischen Anordnungen bei einem verzogenen Halbleitersubstrat 10 und bei einem flachen Halbleitersubstrat 10F, das sich nicht verzogen hat, zeigt. In Fig. 4 sind Bauteile, die zur Erklärung nicht erforderlich sind, weggelassen und nur die n-Emitterzone 14a wird als äußerste der n-Emitterzonen 14a bis 14c stellvertretend in Fig. 3A gezeigt. Die folgende Analyse dient zur Bestimmung, inwieweit die beiden Ecken T1 und T2 der n-Emitterzone 14a von den Ecken T01 und T02 der n-Emitterzone 14F des flachen Halbleitersubstrats 10F abweichen.

Die dem Mittelpunkt C gegenüberliegende Kante T01 wird als "Vorderkante" bezeichnet, während die Kante T02, die in der gegenüberliegenden Richtung zu dem Mittelpunkt C ausgerichtet ist, als "Hinterkante" bezeichnet ist. Der Verzugsbetrag D und der Neigungswinkel Θ sind in bezug auf die Kante QE der Molybdänplatte 1 in den Fig. 3A und 3B definiert, aber solange die Krümmungen des Substrats 10 und der Molybdänplatte 1 im wesentlichen gleich sind, sind diese Beträge D und Θ in bezug auf die Ecke QSE des Substrats 10 in Fig. 4 definiert.

Eine horizontale Entfernung zwischen der Vorderkante T01 und dem Mittelpunkt C vor dem Verzug ist mit L01 bezeichnet, während eine andere horizontale Entfernung zwischen der Vorderkante T1 und dem Mittelpunkt C nach dem Verzug mit L1 bezeichnet ist. Wie in einer vergrößerten Ansicht in Fig. 5 gezeigt, ist die Differenz ΔL1 zwischen den Entfernungen L01 und L1, die durch die Gleichung:

ΔL&sub1; = L&sub0;&sub1; - L&sub1; (1)

ausgedrückt wird, immer positiv. Dieses ist dadurch begründet, daß Punkte auf dem Substrat 10 ausgehend von den entsprechenden Punkten auf dem flachen Substrat 10F immer in Richtung des Mittelpunkts C verschoben werden.

Zum Ausdruck des Differenzwertes ΔL1 mittels des Verzugsbetrags des Substrats 10 werden ein Verzugsbetrag D1 und ein Neigungswinkel Θ&sub1; an der Position der Vorderkante T1, wie in Fig. 4 gezeigt, definiert. Ebenso ist ein rechtwinkliges Dreieck TA, das durch die Verbindung der Punkte T01, Q1 und T1 gebildet wird, in Fig. 5 definiert.

Fig. 6 ist eine Abbildung zum Auffinden einer Formel, bei der die Differenz ΔL1 durch den Verzugsbetrag D1 und den Neigungswinkel Θ1 ausgedrückt wird. In den Fig. 3A und 3B ist der Verzug des Substrats 10 zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt, obwohl der Verzugsgrad in dem Substrat 10 eigentlich verhältnismäßig klein ist. Betrachtet man daher jeden Teil des verzogenen Substrats 10 im einzelnen, ist die Hauptoberfläche gegenüber der Horizontalen geneigt und im wesentlichen flach. Soweit lediglich ein Gebiet um die n-Emitterzone 14 betrachtet wird, kann die obere Hauptoberfläche des Substrats 10F näherungsweise durch eine gerade Linie CT01 in Fig. 6 ausgedrückt werden und die obere Hauptoberfläche des verzogenen Substrats 10 kann im wesentlichen durch eine andere gerade Linie CT1 ausgedrückt werden. Aufgrund einer so linearen Approximation befinden sich die hinteren Kanten T01 und T1 vor und nach dem Lötprozeß auf einem Bogen AK mit einem Radius L01.

Unter der Annahme, daß eine horizontale Linie T1Q2 durch den Punkt T1 geht, hat ein Winkel CT1Q2 den gleichen Wert wie ein Winkel Θ1 in den Fig. 4 und 5. Obwohl der Winkel Θ1 in den Fig. 4 bis 6 verschieden groß dargestellt ist, beruht dieses mehr auf einem Unterschied in den horizontalen Abbildungsmaßstäben. Tatsächlich sind die Winkel Θ1 in den Fig. 4 bis 6 identisch.

Somit wird unter der Annahme, der Winkel CT1Q1 in Fig. 6 sei α, die folgende Gleichung (2) für ein gleichschenkliges Dreieck CT01T1 erhalten:

Θ&sub1; + α + α = π (2)

Auf gleiche Weise wird für das Dreieck TA oder das Dreieck Q1T01T1 die folgende Gleichung (3) erhalten:

α + Φ + π/2 = π (3)

Somit ergibt sich:

α = (π - Θ&sub1;)/2 (4)

Φ = π - (π/2 + α) = Θ&sub1;/2 (5)

Das heißt, bei der linearen Approximation ist ein Winkel Φ halb so groß wie der Winkel Θ1.

Die Länge des geraden Liniensegments CQ2 in Fig. 6 ist hinsichtlich der Länge dem Verzugsbetrag D1 äquivalent und demzufolge wird die folgende Formel (6) für das Dreieck TA erhalten:

ΔL&sub1; = D&sub1; · tan Φ = D&sub1; · tan(Θ&sub1;/2) (6)

Diese Formel (6) drückt ΔL&sub1; mit D&sub1; und Θ&sub1; aus.

Zurückgehend auf Fig. 5 wird, wie vorstehend beschrieben, ein Positions-Ungenauigkeitsbetrag ΔL1 der Vorderkante T01 aufgrund des Verzugs des Sustrats 10 erhalten. Allerdings gibt es häufig einen Unterschied zwischen dem theoretisch erhaltenen Positions-Ungenauigkeitsbetrag ΔL1 und einem aktuellen Betrag der Positions-Ungenauigkeit. Daher sollte als vorbestimmter Abstand bzw. als zulässiger Grenzfehler ΔX die Kathodenelektrode 5a auf der n-Emitterzone 14a derart gebildet werden, daß eine Vorderkante E1 der Kathodenelektrode 5a in einer Position K1 angebracht ist, die in horizontaler Richtung von dem Mittelpunkt C um die Entfernung R1 entfernt ist:

R&sub1; = L&sub1; + ΔX = L&sub0;&sub1; - ΔL&sub1; + ΔX (7)

Die Entfernung zwischen dem Punkt K1 und dem Punkt T1 längs der oberen Oberfläche der n-Emitterzone 14a ist genau wie folgt:

ΔX · cos Θ&sub1; (8)

Tatsächlich ist der Wert des Winkels Θ1 klein, so daß der Wert der Formel (8) gegen ΔX geht.

Die vorstehende Analyse bezieht sich auf die Vorderkanten T01 und T1 der n-Emitterzone 14a. Allerdings kann auf gleiche Weise unter Bezug auf die Hinterkanten T02 und T2 ein Betrag ΔL2 (= L02-L2) der Positions-Ungenauigkeit aufgrund des Verzugs des Substrats 10 wie folgt erhalten werden:

ΔL&sub2; = D&sub2; · tan (Θ&sub2;/2) (9)

wobei D2 (Fig. 4) ein Verzugsbetrag an der hinteren Kante T2 und Θ2 ein Neigungswinkel an der hinteren Kante T2 ist. Ist auch ein Abstand ΔY zulässig, dann ist der Punkt K2, an dem die hintere Kante E2 der Kathodenelektrode 5a positioniert sein sollte, ein von dem Mittelpunkt C um die Entfernung R2 horizontal entfernter Punkt:

R&sub2; = L&sub0;&sub2; - ΔL&sub2; - ΔY (10)

Da die Abstände ΔX und ΔY derart bestimmt werden, daß die Kathodenelektrode 5a nicht teilweise die n-Emitterzone 14a nach außen hin überlappt, besteht ein Unterschied zwischen den Formeln (7) und (10) dahingehend, daß die erstere den Term (+ΔX) enthält, während die letztere (-ΔY) enthält.

(B-2) Veränderungen beim Verzugsbetrag

Wie vorstehend beschrieben, verändert sich der Verzugsbetrag des Halbleitersubstrats 10 in Abhängigkeit von Faktoren wie der Dicke des Substrats 10 und der Molybdänplatte 1. Daher können an Positionen, an denen die Kathodenelektroden 5a bis 5c unter der Voraussetzung, daß keine Veränderung im Krümmungsgrad auftritt, gebildet werden, bei anderen Substraten als dem des Halbleitersubstrats, das einen spezifizierten Krümmungsbetrag aufweist, die Kathodenelektroden 5a bis 5c möglicherweise zum Teil außerhalb der n-Emitterelektroden 14a bis 14c liegen.

Es ist allerdings sehr aufwendig, bei einer großen Zahl und für verschiedene Arten von Substraten jedesmal den Verzugsbetrag zu messen und entsprechend dem gemessenen Betrag die Positionen, an denen die Muster der Kathodenelektroden 5a bis 5c ausgebildet werden, zu korrigieren. Daher wird erfindungsgemäß ein zulässiger Grenzwert des Verzugsbetrags von Substraten im voraus derart bestimmt, daß vor und nach dem Verzug des Substrats gebildete Muster übereinstimmen, solange sich der Verzug innerhalb eines Bereiches befindet, der durch den zulässigen Grenzwert bestimmt ist. Dieses Prinzip wird auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel wie folgt angewendet:

Zunächst werden Abweichungen im Verzugsbetrag des Substrates 10 nach dem Löten in Abhängigkeit von Faktoren wie der Dicke des Halbleitersubstrats 10 und der Molybdänplatte 1 empirisch ermittelt. Dieses beinhaltet z. B. die Erstellung einer Kurve gemäß in Fig. 10.

Anschließend wird der Minimalwert des Verzugsbetrages nach der Lötbehandlung innerhalb eines Verteilungsbereiches der Dicken derjenigen Halbleitersubstrate und Molybdänplatten ermittelt, die bei der Herstellung des GTO-Elementes 100 verwendet werden. Die in Fig. 10 gezeigte Kurve wurde experimentell für Beispiel- Halbleitersubstrate und Beispiel-Molybdänplatten ermittelt. Obwohl diese Beispiel-Elemente vom gleichen Typ wie das Substrat 10 und die Molybdänplatte 1 sind, entspricht die Kurve gemäß Fig. 10 nicht dem Ergebnis von Messungen des Halbleitersubstrats 10 und der Molybdänplatte 1, die tatsächlich bei der Herstellung des GTO-Elementes 100 verwendet werden. Daher ist der Minimalwert des Verzugsbetrages, der durch so eine Kurve spezifiziert wird, ein "geschätzter Minimalwert" oder "erwarteter Minimalwert" des Verzugsbetrages für das Substrat 10 und die Molybdänplatte 1, die tatsächlich verwendet werden.

Ist der Verzugsbetrag allerdings sehr groß, stellt sich eine derart produzierte Halbleitereinrichtung sogar mit den korrigierten Positions-Ungenauigkeiten der Muster als defekt heraus, da viele Probleme wie beispielsweise ein Bruch des Substrats 10 andere Ursachen als die Positions-Ungenauigkeit der Muster haben. Ein derart stark verzogenes Substrat wird daher möglicherweise hinsichtlich der Positionsgenauigkeit der Muster vergeblich korrigiert. Ein Maximalwert des Verzugsbetragsbereiches, bei dem Halbleitereinrichtungen nicht sofort als defekt zu betrachten sind, wird daher als ein "zulässiger Maximalwert" bezeichnet.

Die Fig. 1A und 1B verdeutlichen ein Prinzip, bei dem die Positionen, an denen die Kathodenelektrode 5a auf der n-Emitterzone 14a gebildet wird, entsprechend dem so spezifizierten zulässigen Maximalwert bzw. geschätzten Minimalwert bestimmt wird. Fig. 1A zeigt einen Fall, bei dem Substrat um einen dem geschätzten Minimalwert entsprechenden Betrag verzogen ist, während die Fig. 1B einen Fall zeigt, bei dem Substrat um einen dem zulässigen Maximalwert entsprechenden Betrag verzogen ist. Die Fig. 1A und 1B entsprechen den in Fig. 3A und 3B gezeigten Zuständen. Fig. 1C ist eine Abbildung, die ein Verhältnis zwischen einer Maske M1, die zur Bildung der n-Emitterzonen 14a bis 14c verwendet wird, und einer Maske M2 darstellt, die zur Bildung der Elektroden 5a bis 5c verwendet wird, wobei die Masken M1 und M2 flache Masken sind.

Entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist in der Maske M2, die zur Bildung des Musters der Kathodenelektrode 5a (Fig. 1C) benutzt wird, eine Position ME1, die eine Vorderkante E1 der Elektrode 5a definiert, in einer Entfernung R1 von dem Mittelpunkt C angeordnet:

R&sub1; = L&sub0;&sub1; - ΔL1min + ΔX (11)

wobei

ΔL1min = D1min · tan (Θ1min/2) (12)

zutrifft, und der Verzugsbetrag D1min sowie der Neigungswinkel Θ1min die Werte des Verzugsbetrags D1 und des Neigungswinkels Θ1 in Fig. 4 sind, wenn das Substrat 10 um einen den geschätzten Minimalwert entsprechenden Betrag verzogen ist. Die Definition der Entfernung L01 ist gleich der in der Fig. 4. Die Formeln (11) und (12) beinhalten D1min, Θ1min und ΔL1min statt der Werte von D1, Θ1 und ΔL1 in den Formeln (7) und (6).

Andererseits wird eine Position ME2 in der Maske M2, die einer Hinterkante E2 der Elektrode 5a entspricht, derart bestimmt, daß sie von dem Mittelpunkt C um R2 entfernt ist:

R&sub2; = L&sub0;&sub2; - ΔL2max - ΔY (13)

wobei:

ΔL2max = D2max · tan (Θ2max/2) (14)

zutrifft, und D2max und Θ2max die Werte des Verzugsbetrages D2 und des Neigungswinkel Θ2 in Fig. 4 sind, wobei das Substrat 10 um einen dem zulässigen Maximalwert entsprechenden Betrag verzogen ist. Die Definition der Entfernung L02 ist gleich der in Fig. 4. Die Formeln (13) und (14) beinhalten D2max, Θ2max und ΔL2max statt der Werte von D2, Θ2 und ΔL2 in den Formeln (10) und (9).

Die entsprechenden Werte von D1min, Θ1min, D2max und Θ2max können im voraus mittels einer Messung an Beispielselementen ermittelt werden. Da im weiteren der Temperaturausdehnungskoeffizient des Halbleitersubstrats 10 und der Molybdänplatte 1 bekannt sind, ist es ebenfalls möglich, den örtlichen Verzugsbetrag und Neigungswinkel mittels einer theoretischen Berechnung oder Simulation zu erhalten.

Im Verlauf der Bestimmung der Muster auf der Maske M2 unter Bezug auf die Maske M1, die zum Ausbilden der n-Emitterzonen 14a bis 14c (im weiteren als "Referenzmaske" bezeichnet) verwendet wird, kann erreicht werden, daß beide Gleichungen (11) und (13) erfüllt sind, indem die Positionen der vorderen und hinteren Kanten ME1 und ME2 der Muster auf der Maske M2 derart bestimmt werden, daß sie von den Positionen MT1 und MT2, die den Kanten T01 und T02 der Referenzmaske M1 entsprechen, um folgende Entfernungen in Richtung des Mittelpunkts C abweichen:

ΔL1min + ΔX (15)

ΔL2max - ΔY (16)

Die mittels der Bestimmung der Entfernungen R1 und R2 nach den Gleichungen (11) und (13) erzielten Vorteile werden nun beschrieben. Wie in den Fig. 1A und 1B gezeigt, wird bei einem größeren Verzug des Substrats 10 das Muster der n-Emitterzone 14a in Richtung des Mittelpunkts C verschoben. Im Gegensatz dazu wird die Maske M2 zur Herstellung von Elektroden unter Bezug auf den Mittelpunkt C angeordnet und immer horizontal gehalten, wobei die horizontalen Entfernungen R1 und R2 von dem Mittelpunkt C zu den Kanten E1 und E2 von dem Verzugsbetrag des Substrats 10 unabhängige konstante Werte annehmen. Aus diesem Grund wird bei einem größeren Verzugsbetrag des Substrats 10 das Intervall zwischen dem hinteren Ende T2 der n-Emitterzone 14a und dem hinteren Ende E2 der Kathodenelektrode 5a kleiner.

Ist daher, falls das Substrat 10 um einen Betrag entsprechend dem zulässigen Maximalwert verzogen ist, wie in Fig. 1B gezeigt, das Intervall zwischen den hinteren Enden T2 und E2 gleich dem Abstand ΔY, dann wird beim Verzug um einen zulässigen Maximalwert oder darunter das Intervall zwischen den hinteren Enden T2 und E2 niemals größer als der Abstand ΔY (siehe auch Fig. 1C). Die Gleichung (13) enthält diese Bedingung, wobei der Positions-Ungenauigkeitsbetrag ΔL2max entsprechend dem zulässigen Maximalwert des Verzugs in der Gleichung (13) verwendet wird. Dadurch kann bei einem Verzugsbetrag des zulässigen Maximalwerts oder darunter die Situation, in der sich die hintere Kante E2 der Kathodenelektrode 5a hinter die hintere Kante der n-Emitterzone 14a erstreckt, wirksam verhindert werden.

Andererseits wird das Gegenstück zwischen den Vorderkanten T1 und E1 kleiner, wenn das Substrat 10 weniger verzogen wird. Wie in Fig. 1A gezeigt, wird durch die Anordnung des Intervalles zwischen den Vorderkanten T1 und E1 in Übereinstimmung mit dem Abstand ΔX, falls das Substrat 10 um einen dem geschätzten Minimalwert entsprechenden Betrag verzogen wird, ein Erstrecken der Vorderkante E1 der Elektrode 5a hinter die Vorderkante E1 der n-Emitterzone 14a für einen Verzug um den geschätzten Minimalwert oder mehr wirkungsvoll verhindert. Diese Bedingung wird in der Gleichung (11) verwendet.

Die Länge der Kathodenelektrode 5a ist die Entfernung zwischen den Kanten E1 und E2 und wird durch die Subtraktion der Gleichung (11) von der Gleichung (13) wie folgt ausgedrückt:

R&sub2; - R&sub1; = (L&sub0;&sub2; - L&sub0;&sub1;) - (ΔL2max - ΔL1min) - (ΔX - ΔY) (17)

Mit der Gleichung (1) und der Anweisung, die Terme der Gleichung (1) durch Terme der hinteren Kanten zu ersetzen, wird die folgende Gleichung (18) erhalten.

L&sub0;&sub2; - L&sub0;&sub1; = L&sub2; - L&sub1; + (ΔL&sub2;- ΔL&sub1;) (18)

Trifft die Gleichung

ΔL&sub2; = ΔL&sub1; (19)

zu, kann die Gleichung (18) wie folgt geschrieben werden:

L&sub0;&sub2; - L&sub0;&sub1; = L&sub2; - L&sub1; (20)

Die Entfernung ΔYa zwischen den Kanten E2 und T2 in Fig. 1A und dem Intervall ΔXa zwischen den vorderen Kanten E1 und T1 in Fig. 1B wird wie folgt ausgedrückt:

ΔXa = (L&sub2; - L&sub1;) - (R&sub2; - R&sub1;) - ΔY (21a)

ΔYa = (L&sub2; - L&sub1;) - (R&sub2; - R&sub1;) - ΔX (21b)

Diese Ausdrücke können mit den Gleichungen (17) und (20) wie folgt modifiziert werden:

ΔXa = (ΔL2max - ΔL1min) + ΔX

ΔYa = (ΔL2max - ΔL1min) + ΔY (22)

Die Gleichung (22) bedeutet folgendes: Trifft zunächst die folgende Ungleichung (23) allgemein zu,

ΔL2max > ΔL1min (23)

ergeben sich die folgenden Ungleichungen (24a) und (24b):

ΔXa > ΔX (24a)

ΔYa > ΔY (24b)

Wie den Ungleichungen (24a) und (24b) zu entnehmen ist, sind die Intervalle ΔXa und ΔYa größer als die entsprechenden Abstände ΔX und ΔY. Mit anderen Worten, die Länge der Kathodenelektrode 5a ist kürzer als in dem in dem in Fig. 5 gezeigten Fall. Dieses ist eines der Ergebnisse, die sich aus der generellen Verwendbarkeit der Maske M&sub2; für Substrate verschiedener Verzugsbeträge ergeben. Nichtsdestotrotz enthält eine Reduzierung:

ΔL2max - ΔL1min (25)

der Länge der Elektrode 5a in Fig. 5 aus folgenden Gründen als Wert die Minimalforderung:

Der in der Gleichung (25) ausgedrückte Wert steht im Verhältnis zu dem zulässigen Bereich bzw. dem Unterschied zwischen dem zulässigen Maximalwert und dem geschätzten Minimalwert des Verzugs des Substrates 10. Ist beispielsweise der geschätzte Minimalwert relativ nahe an dem zulässigen Maximalwert, wird der Wert der Gleichung (25) klein. Ist mit anderen Worten der Verzugsbereich klein, wird eine Längenreduzierung der Elektrode 5a entsprechend klein. Ist dazu gegensätzlich der zulässige Verzugsbereich groß, wird der Wert der Gleichung (25) groß, wodurch Positions-Ungenauigkeiten der Muster für einen derart breiten Verzugsbereich wirksam verhindert werden können.

Die Reduzierung der Länge der Elektrode 5a nimmt unter entsprechenden Bedingungen Minimalwerte an. Als Ergebnis kann die Situation, in der eine Stromkonzentration aufgrund einer übermäßigen Verkürzung der Elektrode 5a eine Aufheizung verursacht, verhindert werden.

Die Abstände ΔX und ΔY haben ungefähr die gleichen Werte und ein Rand t in Richtung der kürzeren Seiten der n-Emitterzone 14a und der Kathodenelektrode 5a in den Fig. 1A und 1B weist ebenfalls den gleichen Wert wie die Abstände ΔX und ΔY auf.

(B-3) Beispielswerte

Nun sollen Beispielswerte zur Anwendung gemäß dem vorstehend beschriebenen Prinzip vorgestellt werden. Unter der Annahme, daß die Horizontalentfernung L02 von dem Mittelpunkt C zu der hinteren Kante T02 in Fig. 4 20 mm beträgt, ist der zulässige Maximalwert des Verzugsbetrages D2 500 µm und der geschätzte Minimalwert dazu 50 µm. Ist (Θ2/2) in der Gleichung (9) sehr klein, erhält man die folgende Gleichung:

tan (Θ&sub2;/2) = Θ&sub2;/2

= (tan Θ&sub2;)/2

= D&sub2;/(2L&sub2;)

= D&sub2;/(2L&sub0;&sub2;) (26)

In der Annahme, daß der mit dem zulässigen Maximalwert 500 µm des Verzugsbetrags D2 korrespondierende Positions-Ungenauigkeitsbetrag ΔL2 in der Gleichung (9) ΔL2max ist und daß der Positions-Ungenauigkeitsbetrag ΔL2, der zu dem geschätzten Minimalwert 50 µm korrespondiert, ΔL1min ist, werden aus den Gleichungen (9) und (26) die folgenden Gleichungen erhalten:

ΔL2max = 0,5 · {0,5/(2 · 20)}

= 6,25 · 10-3 [mm] (27)

ΔL1min = 0,05 · {0,05/(2 · 20)}

= 6,25 · 10-5 [mm] (28)

Somit kann entsprechend der Gleichung (13) die hintere Kante ME2 zur Bildung der Kathodenelektroden 5a bis 5c um die folgende Entfernung R2 von dem Mittelpunkt C der Maske M2 (Fig. 1C) positioniert werden:

R&sub2; = 20 - 6,25 · 10-3 - ΔY [mm] (29)

Wird die Maske M1 zum Bilden der n-Emitterzonen als Referenz hinsichtlich der Positionen benutzt, wird das hintere Ende ME2 der Maske M2 zur Bildung der Elektroden in der Entfernung:

6,25 · 10-3 + ΔY [mm] (30)

näher zu dem Mittelpunkt C von der hinteren Kante ME2 des Musters in der Maske M1 angebracht. Somit befindet sich die hintere Kante E2 in einer von der hinteren Kante T2 der n-Emitterzone 14a um den Abstand ΔY entfernten Position, nachdem das Substrat verzogen wurde (siehe Fig. 1B). Der Positions-Ungenauigkeitsbetrag ΔL1min, der zu dem geschätzten Minimalwert 50 µm korrespondiert, wird bei der Bestimmung der hinteren Kante ME2 nicht verwendet.

Andererseits wird, wie vorstehend beschrieben, zum Bestimmen der Position der vorderen Kante ME1 die Position unter Bezug auf den geschätzten Minimalwert des Verzugsbetrages korrigiert. Jeder der n-Emitterzonen 14a bis 14c des GTO-Elementes 100 ist einige mm oder weniger lang und da die Kanten T1 und T2 relativ nahe zueinander auf dem Substrat 10 liegen, sind die Werte der Parameter der Vorderkante E1 ungefähr gleich wie die der Hinterkante E2. Somit wird eine Gleichung erhalten, in der der Index "2" in den Gleichungen (26) bis (29) durch den Index "1" ersetzt wird und (-ΔY) durch (+ΔX) ersetzt wird. Weiter wird mit einem geschätzten Minimalwert ΔL1min für den Positions-Ungenauigkeitsbetrag entsprechend der Gleichung (28) die vordere Kante E1 in der Maske M2 zum Bilden der Elektroden an eine Position gesetzt, die sich zu der Vorderkante MT1 der Bezugsmaske M1 um die folgende Entfernung näher zum Mittelpunkt C befindet:

6,25 · 10-5 - ΔX (mm] (31)

Wie sich den Gleichungen (30) und (31) entnehmen läßt, wird ein Korrekturverhältnis a2 der Position der hinteren Kante ME2 der Maske M2 aus einem Referenzfall, in dem das Substrat 10 nicht verzogen ist, durch die folgende Gleichung (33) mittels der Approximation (32) erhalten:

L&sub0;&sub2; - ΔY = L&sub0;&sub2; (32)

a&sub2; = ΔL2max/(L&sub0;&sub2; - ΔY)

= ΔL2max/L&sub0;&sub2;

= 6,25 · 10-3/20

= 3,13 · 10-4

= 0,0313 [%] (33)

Ein Korrekturverhältnis a1 der Vorderkante ME1 wird gleichfalls wie folgt annäherungsweise erhalten:

a&sub1; = ΔL1min/(L&sub0;&sub1; - ΔX)

= ΔL1min/L&sub0;&sub1;

= 6,25 · 10-5/20

= 3,13 · 10-6

= 0,000313 [%] (34)

Diese Verhältnisse verändern sich unter Bezug auf den zulässigen Maximalwert oder den Wert der Entfernungen R1 und R2 des Verzugsbetrags und ein zulässiger Maximalwert des Verzugs, der für die Herstellung verschiedener Arten von Halbleiterelementen im allgemeinen zulässig ist, liegt vorzugsweise im folgenden Korrekturbereich:

a&sub1;, a&sub2; ≤ 0,1 [%] (35)

Ist das Substrat 10 in stärkerem Maß verzogen, als in der Gleichung (35) angegeben, ist der Verzug verhältnismäßig groß und das Substrat 10 wird häufig aufgrund eines Bruches oder ähnlichem als defekt angesehen.

Obwohl das Korrekturverhältnis a1 verschiedene Werte für die Kathodenelektroden 5a bis 5c hat, kann ein im Bereich von 0,1% gewählter Wert im allgemeinen für die vorderen Kanten der Kathodenelektroden 5a bis 5c verwendet werden. Gleichfalls kann ein sich innerhalb eines Bereichs von 0,1% befindender Allgemeinwert für das Korrekturverhältnis a2 der hinteren Kanten der Kathodenelektroden 5a bis 5c verwendet werden.

C. Herstellungsprozeß

Die Fig. 7A bis 7H sind Ausschnittsansichten über Herstellungsschritte des GTO-Elementes 100 während der dem vorstehenden Prinzip entsprechenden Musterbildung. In den Ausschnittsansichten sind lediglich die rechten Hälften des GTO-Elementes 100 und der Masken M1 und M2 gezeigt.

Zunächst wird, wie in Fig. 7A gezeigt, aus der p-Emitterzone 11, der n-Basiszone 12 und der p-Basiszone 13 auf dem Substrat 10 durch Eindiffundieren von Fremdatomen in das Halbleitersubstrat 10 oder durch anderen Behandlungen eine Struktur aus drei Schichten geschaffen. Dann wird auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats 10 zum Erhalt eines Feldes von n-Emitterzonen 14a bis 14c eine Halbleiterschicht vom n-Typ gebildet. Die Referenzmaske M1 (erste Maske) wird zur Musterbildung der einzelnen Anordnung der n-Emitterzonen 14a bis 14c (erstes Materialmuster) benutzt. Somit sind die vorderen und hinteren Kanten T01 und T02 der n-Emitterzone 14a in Übereinstimmung mit den Positionen der vorderen und hinteren Kanten MT1 und MT2 des Musters auf der Referenzmaske M1. Dies trifft ebenfalls auf die verbleibenden n-Emitterzonen 14b und 14c zu. Das Substrat 10 ist zu diesem Zeitpunkt im wesentlichen flach und nicht verzogen und die n-Emitterzonen 14a bis 14c, die durch die Maske M1 gebildet werden, sowie das Substrat 10 verbleiben im wesentlichen parallel zueinander.

Danach wird die Molybdänplatte 1 mittels der Anoden-Elektrode 2 an die untere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 10 (Fig. 7B) gelötet. Bei dem Lötprozeß dient die Anoden-Elektrode 2 als Lötmaterialschicht. Die Fig. 7 zeigt den Zustand, in dem die Bauteile 1, 2 und 10 während des Lötprozesses eine hohe Temperatur aufweisen. Somit ist die Baugruppe 20 aus den Bauteilen 1, 2 und 10 im wesentlichen flach.

Wird im nächsten Schritt des Lötprozesses die Baugruppe 20 auf Raumtemperatur abgekühlt, verzieht sich die Baugruppe 20 aufgrund des Unterschieds in den jeweiligen Temperaturausdehnungskoeffizienten des Substrats 10 und der Molybdänplatte 1 (Fig. 7C). Der Betrag des Verzugs wird ausgedrückt durch den Verzugsbetrag D und dem Neigungswinkel Θ in Fig. 7C.

Dann wird über die obere Hauptoberfläche des Substrats 10 eine Aluminiumschicht 31 (Fig. 7D) gebildet. Weiterhin wird über die gesamte Oberfläche der Aluminiumschicht 31 eine Photolackschicht 32 vom Negativtyp (Fig. 7E) gebildet.

Gemäß Fig. 7F wird im nächsten Schritt die Photolackschicht 32 über die Maske M2 (zweite Maske) Licht ausgesetzt und nach der Entwicklung der Photolackschicht 32 sind die unbelichteten Bereiche der Photolackschicht 32 entfernt. Die Maske M2 hat durchsichtige Bereiche 32a bis 32c auf denen n-Emitterzonen 14a bis 14c ebenso wie durchsichtige Bereiche 32G, die wechselseitig zwischen den durchsichtigen Bereichen 32a bis 32c angeordnet sind. Die vorderen und hinteren Kanten ME1 und ME2 des transparenten Bereichs 32a in der Referenzmaske M1 sind von den vorderen und hinteren Kanten MT1 und MT2 um Entfernungen entfernt, die durch die Gleichungen (15) und (16) (Fig. 7A) ausgedrückt werden. Vordere und hintere Kanten F1 und F2 eines auf der n-Emitterzone 14a verbleibenden Photolackes 32K stimmen mit den Positionen der Kanten ME1 und ME2 auf der Maske M2 überein.

Die Art und Weise, in der das Muster der ersten Materialschicht zu der Maske M2 ausgerichtet wird, kann auf die durchsichtigen Bereiche 33b und 33c der verbleibenden n-Emitterzonen 14b und 14c angewendet werden. Die zur Positionierung der vorderen und hinteren Kanten der durchsichtigen Bereiche 33b und 33c verwendeten Beträge ΔL2max und ΔL1min werden unter Bezug auf den zulässigen Maximalwert und den geschätzten Minimalwert des Verzugsbetrages des Substrats 10 an den dazu entsprechenden Positionen der n-Emitterzone 14b und 14c bestimmt. Wie vorstehend erwähnt, können die Korrekturverhältnisse a1 und a2 übliche Verhältnisse für die vorderen und hinteren Kanten sein. In der Praxis werden zufriedenstellende Auswirkungen durch die angenäherte Korrektur unter Verwendung der üblichen Korrekturverhältnisse erreicht.

Die gegenüberliegenden Kanten des durchsichtigen Bereichs 33G werden ebenfalls von der Position, an der die Gateelektrode unter der imaginären Bedingung, daß das Substrat 10 flach sei, gebildet wird, zu dem Mittelpunkt C hin verschoben. Der Verschiebungsbetrag wird ebenfalls unter Bezug auf den zulässigen Maximalwert und den geschätzten Minimalwert des Verzugsbetrags des Substrats 10 bestimmt.

Während des Musterbildungsprozesses stimmen die Ausrichtungen der Maske M2 und des Substrats 10 mit dem Mittelpunkt C des Substrats 10 überein. Die Maske M2 ist nämlich zu der Hauptoberfläche des Substrats 10 nur in dem Mittelpunkt C und an keiner anderen Stelle parallel.

Der Grund, warum die Ausrichtungen im Mittelpunkt C übereinstimmen, liegt darin, daß der Korrekturbetrag der Position der Muster auf der Maske M2 unter Bezug auf den Mittelpunkt C berechnet werden.

Es ist relativ leicht, die Bedingungen für die Übereinstimmung der Ausrichtungen zu erfüllen, weil der Verzug des Substrats 10 zu dem Mittelpunkt C symmetrisch ist und weil, wenn die Baugruppe 20 in einem flachen Zustand verbleibt, sich die Gebiete um den Mittelpunkt C in dem Substrat 10 zu der Oberfläche des flachen Zustandes parallel ausrichten. Somit werden die vorstehenden Ausrichtungsbedingungen durch Beibehalten der Parallelität der flachen Maske M2 mit der Oberfläche des Zustands erreicht.

Dann wird die Aluminiumschicht 31 mit den Photolacken 32K und 32G geätzt und anschließend die Photolacke 32K und 32G entfernt. Mittels eines solchen photolithographischen Verfahrens werden Muster auf der Aluminiumschicht 31 (zweites Materialmuster) gebildet, um Kathodenelektroden 5a bis 5c und die Gateelektrode 6 gemäß Fig. 7G zu bilden. Da die Musterkanten ME1 und ME2 in der Maske M2 unter Bezug auf den Verzug des Substrats korrigiert werden, erstrecken sich die Kanten E1 und E2 der Kathodenelektrode 5a nicht über die n-Emitterzone 14a. Dieses trifft ebenfalls auf die verbleibenden Kathodenelektroden 5b und 5c zu. Die Gateelektrode 6 wird gleichfalls an korrigierten Positionen unter Berücksichtigung des Verzugs des Substrats 10 gebildet.

Anschließend werden, wie in Fig. 7H gezeigt, der Isolierfilm 7 und die Silikongummischicht 3 gebildet. Für eine nicht gezeigte Maske zur Musterbildung auf dem Isolierfilm 7 werden unter Bezug auf den zulässigen Maximalwert und den geschätzten Minimalwert des Verzugsbetrages des Substrats 10 ebenfalls die Positionen der Musterkanten korrigiert. In Übereinstimmung mit den Verfahrensschritten zur Bildung der Kathodenelektroden 5a bis 5c können als Korrekturverhältnisse der Kantenpositionen in den Gateelektroden 6 und dem Isolierfilm 7 gleichfalls übliche Werte verwendet werden.

Durch das vorstehend beschriebene Verfahren kann das GTO-Element 100 gemäß Fig. 3A erhalten werden. Sogar für den Fall, daß das Substrat 10 ebenso stark wie in Fig. 3B gezeigt, verzogen ist, erstrecken sich die Kathodenelektroden 5a bis 5c, die durch die in Fig. 7 gezeigte Maske M2 gebildet werden, nicht über die n-Emitterzonen 14a bis 14c hinaus. Eine Positions-Ungenauigkeit, ohne daß sich die Kathodenelektroden 5a bis 5c über die Emitterelektroden 14a bis 14c hinaus erstrecken, ist ein zulässiger Fehler und somit resultiert aus einer derartigen Positions-Ungenauigkeit kein Problem.

D. Andere Anwendungen

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Herstellung anderer Halbleiterelemente wie zu dem GTO-Thyristor unterschiedlichen Thyristoren, Transistoren, Dioden und ähnlichem verwendet werden. Die Erfindung kann ebenfalls zur Musterbildung auf Substraten für integrierte Schaltkreise verwendet werden.

Die Erfindung ist für alle Fälle wirksam, in denen ein Substrat irgendwie während des Verfahrens verzogen wird, und besonders für den Fall, in dem das Substrat verzogen wird, weil es an eine Hartmetallplatte wie Molybdän, Wolfram oder ähnliches gelötet wird. Die Bezeichnung "Metallplatte" ist nicht auf eine aus einem einzigen Metall hergestellte Platte beschränkt, sondern diese kann ebenfalls aus einer Legierung, einer Platte mit einer Metallschicht und einem Verbundmaterial oder ähnlichem bestehen.

Die Übereinstimmung der Ausrichtungen des verzogenen Substrats und der Maske wird vorzugsweise unter Bezug auf den Mittelpunkt des Substrats durchgeführt. Allerdings ist die Erfindung gleichfalls auf einen Fall anwendbar, in dem die Übereinstimmung der Ausrichtungen unter Bezug auf eine andere Position als die des Mittelpunkts des Substrats durchgeführt wird. Für diesen Fall wird der Korrekturbetrag der Muster auf der Maske unter Bezug auf diese ausgewählte Position bestimmt.

Die Bezeichnung "Maske" ist hinsichtlich der Erfindung nicht auf eine Photomaske oder eine Röntgenmaske beschränkt, sondern kann gleichfalls Maskeninformation zur Modulation für den Fall enthalten, daß das Substrat durch einen Ein/Aus-modulierten Strahl abgetastet und zur Bildung von Mustern bestrahlt wird.

Vorstehend beschrieben ist ein Halbleitersubstrat 10, das n- Emitterzonen 14a-14c umfaßt, die gebildet werden, bevor das Substrat auf eine Molybdänplatte 1 gelötet wird. Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten von Silikon und Molybdän verzieht sich das Substrat während des Lötvorgangs und die Horizontalpositionen der n-Emitterzonen verschieben sich. Daher wird ein Maskenmuster zur Musterbildung auf einer Aluminiumschicht 31 hinsichtlich seiner Position korrigiert, um ein Überlappen der mit Mustern versehenen Aluminiumschicht über die Randbereiche der n-Emitterzonen hinaus zu verhindern.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Bildung eines Materialmusters auf einer Hauptoberfläche eines verzogenen Substrats, wobei der Verzug des Substrats in einem dem Verfahren zur Bildung des Materialmusters vorgeschalteten Arbeitsverfahren verursacht wird und variiert, gekennzeichnet durch die Schritte:
    1. a) Bestimmen eines zulässigen Verzugsgrenzwertes des Substrats,
    2. b) willkürliches Bestimmen einer Referenzposition auf der Hauptoberfläche des Substrats,
    3. c) Bestimmen einer Position eines Bereichs auf der Hauptoberfläche, an der das Materialmuster unter der imaginären Bedingung, daß das Substrat flach sei, gebildet werden soll,
    4. d) Korrigieren der Position des Bereiches als Funktion des zulässigen Verzugsgrenzbereichs und einer Entfernung zwischen dem Bereich und der Referenzposition zur Bestimmung einer korrigierten Position des Bereiches,
    5. e) Erhalt einer mit einem Maskenmuster versehenen Maske an einer der korrigierten Position entsprechenden Position,
    6. f) Bildung einer Materialschicht auf der Hauptoberfläche des Substrats; und
    7. g) Musterbildung auf der Materialschicht mittels der Maske, wobei eine Ausrichtung der Maske hinsichtlich der Referenzposition durchgeführt wird, um derart das Materialmuster auf der Hauptoberfläche des verzogenen Substrats zu erhalten.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (a) die folgenden Schritte umfaßt:
    1. a-1) Bestimmen eines zulässigen Verzugsmaximalwerts in dem Substrat, und
    2. a-2) Schätzen eines minimalen Verzugswerts des Substrats zum Erhalt eines geschätzten Minimalwerts, wobei der zulässige Verzugsgrenzwert aus dem zulässigen Maximalwert und dem geschätzten Minimalwert gebildet ist.
  3. 3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

    daß das Materialmuster eine zu der Referenzposition gerichtete Vorderkante und eine dieser Vorderkante gegenüberliegende Hinterkante aufweist,

    daß das Maskenmuster eine der Vorderkante entsprechende erste Kante und eine der Hinterkante entsprechende zweite Kante aufweist,

    daß die Position des Bereiches durch die entsprechenden Positionen der ersten und zweiten Kanten repräsentiert wird, und daß der Schritt (d) die folgenden Schritte umfaßt:
    1. d-1) Korrektur der Position der ersten Kante als Funktion des geschätzten Minimalwerts und einer Entfernung zwischen der Position der ersten Kante und der Referenzposition, um dadurch eine korrigierte Position der ersten Kante zu erhalten, und
    2. d-2) Korrektur der Position der zweiten Kante als Funktion des zulässigen Maximalwerts und einer Entfernung zwischen der Position der zweiten Kante und der Referenzposition, um dadurch eine korrigierte Position der zweiten Kante zu erhalten, wobei die korrigierte Position des Bereichs durch die korrigierten Positionen der ersten und zweiten Kanten repräsentiert wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (d-1) den folgenden Schritt umfaßt:
    1. (d-1-1) Korrektur der Position der ersten Kante hin zu der Referenzposition.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (d-2) den folgenden Schritt umfaßt:
    1. (d-2-1) Korrektur der Position der zweiten Kante weg von der Referenzposition.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den Verzug des Substrats verursachende vorgeschaltete Arbeitsverfahren ein Aufbringen eines ersten Materialmusters mittels einer ersten Maske auf einer oberen Hauptoberfläche des Substrats und nachfolgendes Löten einer unteren Hauptoberfläche des Substrats auf eine Metallplatte umfaßt, wodurch sich das Substrat aufgrund eines Unterschiedes zwischen den entsprechenden Temperaturausdehnungskoeffizienten des Substrats und der Metallplatte verzieht, woraufhin als Materialmuster ein zweites Materialmuster mittels der Maske als einer zweiten Maske auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats unter positionsmäßiger Ausrichtung des zweiten Materialmusters hinsichtlich des ersten Materialmusters aufgebracht wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Materialmuster eine Vielzahl von einzelnen Mustern aufweist und die Positionsbestimmung (Schritt (c)) und -korrektur (Schritt (d)) für jedes Muster der Vielzahl von einzelnen Mustern durchgeführt wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur der entsprechenden Entfernung zwischen der Referenzposition und entsprechenden Positionen der ersten Kanten der Vielzahl von einzelnen Maskenmustern mit einem ersten konstanten Korrekturverhältnis erfolgt.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur der entsprechenden Entfernungen zwischen der Referenzposition und entsprechenden Positionen der zweiten Kanten der Vielzahl von einzelnen Maskenmustern mittels eines zweiten konstanten Korrekturverhältnisses erfolgt.






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