DE1621001C - Verfahren zur Herstellung von Festkörperbauelementen mit einer dünnen Glasschicht und an dieser angebrachten Elektroden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Festkörperbauelementen aus dünnen Glasschichten.

Glasfilme bzw. dünne Glasschichten finden in der Elektronik vielfältige Anwendung. Bekannt ist vor allem ihre Verwendung als Schutzüberzug für elektrische Bauelemente. Bauelementegruppen oder ganze Schaltungen und, je nach Zusammensetzung, als passive elektrische Bauelemente, wie Widerstände und Dielektrika für. Kondensatoren, vorwiegend in miniaturisierten' Schaltkreisen. Darüber hinaus wurden in neuerer Zeit elektrische Festkörperbauelemente bekannt, die aus einer zwischen zwei Metallelektroderi befindlichen dünnen Glasschicht bestehen. Diese Elemente haben die Eigenschaft, daß ihr elektrischer Widerstand durch Einwirkung elektrischer Signale entweder kontinuierlich oder sprunghaft geändert werden kann. Das elektrische Verhaken dieser Elemente hängt weitgehend von den Eigenschaften spezieller Gläser ab. Diese Gläser sind im allgemeinen einphasige Mehrstoffsysteme, welche mindestens eine wirksame Komponente, die wenigstens in zwei stabilen Valenzzuständen existieren kann, in möglichst homogener Verteilung enthalten. Die Glasschichten in solchen Bauelementen müssen deshalb in ihrer Beschaffenheit hinsichtlich Zusammensetzung, Einphasigkeit, Homogenität und auch Dicke bestimmten Anforderungen genügen.

Bei der Herstellung der erwähnten Festkörperbauelemente geht man üblicherweise von einem Träger (Substrat) aus, der aus Keramik, Glas oder auch aus Metall besteht. Der Träger hat die Aufgabe, die mechanische Stabilität der Bauelemente zu gewährleisten. Keramik- oder Glasträger werden'durch Anwendung eines der hierfür bekannten Verfahren (z. B. Aufdampfen, Aufstäuben, elektrolytische Abscheidung usw.) mit einer Metallauflage versehen, . welche eine der beiden Elektroden darstellt. Auf diese Metallelektrode wird die die wirksamen Bestandteile enthaltende Glasschicht aufgebracht. Sie

ίο wird mit einer dünnen Metallschicht, der Gegenelektrode, versehen. Besteht der Träger aus Metall, so kann diese Glasschicht direkt aufgebracht werden, und der Metallträger ist gleichzeitig eine der Elektroden.

Die Herstellung der für die Bauelemente geeigneten, die wirksamen Bestandteile enthaltenden dünnen Glasschichten gelingt mit den nachstehend erörterten bekannten Verfahren nur unvollkommen. Das einfachste Verfahren zur Herstellung dünner Glasschichten besteht darin, daß die zu beschichtenden Teile in eine Glasschmelze eingetaucht werden. Dieses Verfahren scheidet von vornherein aus, da sich einmal die Dicken der so gewonnenen Schichten schlecht steuern lassen, zum anderen, da bei hohen

as Schmelztemperaturen der Gläser Schwierigkeiten auftreten.

Andere bekannte Verfahren zur Herstellung dünner Glasschichten gehen deshalb von einem Mutterglas aus, das entweder durch Erhitzen im Vakuum oder durch intensiven Beschüß mit Ionen eines Trägergases bei niedrigen Drücken und starken elektrischen Feldern (Kathodenzerstäubung) in die Dampfphase gebracht und aus dieser auf die zu beschichtenden Substrate in Form dünner Schichten niedergeschlagen wird.

Während sich die Dicken der auf diese Weise erhaltenen Glasschichten durch die zeitliche Bemessung des Bildungsvorgangs einfach steuern lassen, ergeben sich, wenn bestimmte Eigenschaften, wie definierte Zusammensetzung, Einphasigkeit und Homogenität der Glasschichten, angestrebt werden, bei allen Gläsern, die aus mehreren Komponenten bestehen, beträchtliche Schwierigkeiten. .

Setzt sich nämlich das aufzutragende Glas aus mehreren Komponenten zusammen, wie z. B. bei ternären Gläsern, so besteht erfahrungsgemäß bei der Herstellung der Schichten über die Dampfphase die große Gefahr, daß die Einphasigkeit durch Bildung unerwünschter Nebenprodukte verloren geht. So wurde z. B. durch Versuche an einer Reihe besagter spezieller Gläser festgestellt, daß dünne Schichten, die durch Aufdampfen gewonnen wurden, völlig undurchsichtig waren, während Schichten gleicher Dicke, die vom selben Mutterglas über die flüssige Phase hergestellt wurden, vollkommen durchsichtig waren und wesentlich höhere elektrische Durchgangswiderstände aufwiesen. Hinzu kommt, daß die verschiedenen Komponenten in fast allen Fällen voneinander abweichende Dampfdrücke besitzen. Unterschiede im Dampfdruck führen aber dazu, daß einmal durch Anreicherung der Komponenten höheren Dampfdrucks die makroskopische Zusammensetzung der Schichten von derjenigen des Mutterglases in praktisch nicht steuerbarer Weise abweicht. Zum anderen bilden sich längs der Schichtdicke Gradienten derart aus, daß die Zusammensetzung der Schichten in dem zuerst niedergeschlagenen Teil mit Komponenten höheren Dampfdrucks, diejenige in dem zu-

letzt niedergeschlagenen Teil mit Komponenten niederen Dampfdrucks angereichert sind. Auch der Niederschlag auf vorgeheizten Unterlagen führt bei Gläsern nicht zu einem vollständigen Abbau dieser Gradienten.

Mit der Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für dünne Glasschichten angegeben, bei dem die vorgenannten Schwierigkeiten praktisch nicht mehr auftreten und das sich deshalb für die Herstellung von Festkörperbauelementen aus Glas besonders gut eignet.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer extrem dünnen homogenen Glasschicht in einer Vakuumeinrichtung eine vorbestimmte Menge des aufzubringenden Glases auf eine als erste Elektrode dienende Unterlage aufgegeben, daß anschließend das Glas im Vakuum bis zum Fließen erhitzt und daß nach dem Erkalten die zweite Elektrode in an sich bekannter Weise aufgebracht wird.

Dieses Verfahren, das in jeder gebräuchlichen Vakuumeinrichtung, die mit einer Verdampfervorrichtung ausgerüstet ist, durchgeführt werden kann, macht von der Benetzungsfähigkeit flüssigen Glases auf metallischer oder metallisierter Unterlage Gebrauch. Es beruht darauf, daß eine bestimmte Menge eines aufzubringenden Mutterglases der gewünschten Zusammensetzung unter Ausschluß störender Gase im Vakuum auf dem Metall, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient ungefähr dem des Glases entspricht und das eine der Elektroden darstellt, bis zu einer ausreichend dünnflüssigen Phase aufgeschmolzen wird.

Das Aufschmelzen erfolgt z. B. in der Weise, daß die dazu notwendige Wärme durch Wärmeleitung mit oder Wärmestrahlung aus einer üblicherweise elektrischen Wärmequelle zunächst der Unterlage und über diese dem darauf befindlichen Mutterglas zugeführt wird. Die Temperatur der Unterlage wird dabei bis zur Fließtemperatur des Glases erhöht und so lange aufrechterhalten, bis das Glas gleichmäßig über die Unterlage fließt und eine Bindung zwischen Glas und Unterlage besteht. Die Dicke einer so hergestellten Glasschicht hängt von der Menge des aufgebrachten Glases ab und kann deshalb durch genaue Bemessung (z. B. Abwägen) des Mutterglases vorausbestimmt werden.

Bei dem Verfahren kann das Mutterglas entweder fest oder pulverförmig vorliegen, wobei das Glaspulver gegebenenfalls in einem leicht verdampfbaren, inaktiven Lösungsmittel, z. B. Alkohol, auf geschlämmt ist. Diese Abwandlung des Verfahrens ist in manchen Fällen sehr vorteilhaft, da die gesamte zu beschichtende Fläche vor dem Aufschmelzen mit dem Mutterglas bedeckt werden kann. Es können als Elektroden alle Metalle, deren Schmelztemperatur, und alle Keramik- oder Glassubstrate, deren Erweichungstemperatur über der Fließtemperatur des Glases liegen, verwendet werden.

Soll die Beschichtung mit Gläsern erfolgen, die auf Grund ihrer Zusammensetzung oder die bei vorgegebener Art der Metallunterlage auf dieser

ίο schlechte Fließeigenschaften aufweisen, so können mit einer in der Vakuumapparatur befindlichen, von außerhalb zugänglichen Vorrichtung, die es gestattet, die Unterlage bei geschmolzenem Mutterglas zu neigen oder zu rotieren, durch Einwirkung von Schwer- oder Fliehkraft gleichmäßige Glasschichten erzielt werden.

Die chemischen Reaktionen, die durch Einwirkung der flüssigen Glasphase auf Metall auftreten, sind bei fast allen Gläsern schwach und führen nur zu Veränderungen an der Grenzfläche Metall—Glas. Derartige Grenzflächenveränderungen sind aber bei der Herstellung der eingangs erwähnten Bauelemente aus Glas vorteilhaft, da sie, abgesehen von der guten' Haftung des Glases, ohmsche Grenzflächenwiderstände am Übergang Metall—Glas zur Folge haben, die sonst nur durch einen elektrischen Formierungsprozeß erreicht werden können.

Auf die so hergestellten Metall-Glasanordnungen werden im gleichen oder in einem späteren Arbeitsgang Gegenelektroden in Form dünner Metallschichten (z. B. durch Aufdampfen) in der gewünschten Geometrie aufgebracht. An der Grenzfläche Gegenelektrode— Glas auftretende zu große Widerstände lassen sich durch Temperaturbehandlung (z. B. Einbrennen) im Vakuum reduzieren.

Die Funktion der Festkörperbauelemente aus Glas erfordert nur eine aktive Glasfläche von etwa 0,1 X 0,1 mm². Deshalb ist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für die Herstellung von Matrixanordnungen solcher Elemente sehr gut geeignet. Da bei dem hier beschriebenen Verfahren der Einfluß störender Gase bei entsprechender Güte des Vakuums auf ein Minimum reduziert ist, können damit Festkörperbauelemente aus dünnen Schichten beliebig hochschmelzender Gläser hergestellt werden, solange die Schmelztemperatur der gleichzeitig als Unterlage dienenden Metallelektroden bzw. die Erweichungstemperatur der Substrate nicht überschritten wird.

Als Gläser sind unter anderem Übergangsmetalloxidgläser mit Phosphorpentoxid als Glasbildner und mit Metalloxiden der Gruppe II des periodischen Systems als chemische Stabilisatoren sehr geeignet.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Festkörperbauelementen, die aus einer dünnen Glasschicht und an dieser angebrachten Elektroden bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer extrem dünnen homogenen Glasschicht in einer Vakuumeinrichtung eine vorbestimmte Menge des aufzubringenden Glases auf eine als erste Elektrode dienende Unterlage aufgegeben, daß anschließend das Glas im Vakuum bis zum Fließen erhitzt und daß nach dem Erkalten die zweite Elektrode in an sich bekannter Weise auf die Glasschicht aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas pulverisiert aufgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverisierte Glas in einem inaktiven, leicht verdampfbaren Lösungsmittel aufgeschlämmt aufgegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine metallische oder metallisierte Unterlage verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung durch Wärmeleitung oder Wärmestrahlung erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vakuumeinrichtung die Unterlage schnell gedreht und/oder geneigt wird, wenn das Glas flüssig ist.