DE2146662A1

DE2146662A1 - Elektrisch leitfaehige schicht auf einer hochohmigen unterlage, verfahren zur herstellung der schicht und verwendung der schicht als elektrischer widerstand

Info

Publication number: DE2146662A1
Application number: DE2146662A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr Krimmel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-09-17
Filing date: 1971-09-17
Publication date: 1973-03-22
Also published as: NL7212362A; AT321411B; BE788894A; CH566063A5; GB1387166A; LU66097A1; JPS4839180A; DE2146662B2; IT967539B; SE381530B; US3818413A; CA968864A; FR2152942B1; FR2152942A1

Description

München 2, den Witteisbacherplatz 2

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Elektrisch leitfähige Schicht auf einer hochohmigen Unterlage, Verfahren zu.r Herstellung der Schicht und Verwendung der Schicht als elektrischer Widerstand.

Die Erfindung besieht sich auf eine elektrisch leitfähige Schicht auf einer hochohmigen Unterlage, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung und auf die Anwendung einer derartigen Schicht.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 806 821 ist ein Verfahren zur Herstellung chemisch und physikalisch stabiler Pestkörper-Dberflächenschichten bekannt. Bei diesem Vorfahren wird das Material der Oberflächenschicht durch Aufdampfen unter gleichzeitigem Ionenbeschuß hergestellt.

Aus der Veröffentlichung in Optik, Band 28 (1968/69), S. 190 und 191, ist es bekannt, hochohmige, feldstärkefeste Metallschichtwiäerstände nach dem Verfahren der vorangehend genannten Offenlegungsschrift herzustellen. Bei den für diese Metallschicht-Widerstände verwendeten Schichten handelt es sich um zusammenhängende Schichten, die höchstens Löcher aufweisen.

Bei den bekannten Metallsehichtwiderständen tritt ein Alterungseffekt auf, durch den insbesondere der Wert des elektrischen Widerstandes sich ändert. Durch die Alterung wird auch die Feldstärkefeutigkeit, die Spannungsunabhängigkeit und der Temperaturkoeffizient verändert bzw. beeinträchtigt.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Schicht mit sehr geringer spezifischer Leitfähigkeit auf einer hochohmigen Unterlage anzugeben. Insbesondere soll diese Schicht zur Herstellung von sehr hochohmigen Mikrowiderständen, vorzugsweise geringer Induktivität und/oder Kapazität, geeignet sein. Diese Aufgabe wird durch eine wie oben angegebene elektrisch

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leitfähige Schicht gelöst, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die leitfähige Schicht aus relativ dünnschichtigen Inseln und dazwischenliegenden, angrenzenden, hochohmigen Bereichen der Oberflächenschicht der Unterlage "besteht, wobei das Material der Unterlage in den Bereichen mit Teilchen dotiert ist, die durch Beschüß eingebracht worden sind und das Material in der Oberflächenschicht der Unterlage infolge der hohen Energie der Teilchen während des Beschüsses Strahlenschäden aufweist und wobei die Inseln durch Aufdampfen oder Aufstäuben niederenergetischer Teilchen und Beschüß mit hochenergetischen Teilchen, Ionen oder neutralen Teilchen, eines oder mehrerer Stoffe oder Stoffkombinationen hergestellt sind und wobei der oder die Stoffe und das Material der Unterlage zueinander so ausgewählt sind, daß bei Vorliegen eines elektrischen Feldes in der Schicht ein Ladungsträgertransport durch die Inseln und die Bereiche erfolgt. Insbesondere ist die Oberfläche der Bereiche im wesentlichen frei von einzelnen Teilchen des oder der Stoffe bzw. Stoffkombinationen

Eine der Erfindung gemäße Schicht wird vorzugsweise dadurch hergestellt, daß auf die Unterlage Teilchen des Stoffes, der Stoffkombination oder wenigstens eines der für die Schicht vorgesehenen Stoffe bzw. Stoffkombinationen durch Aufdampfen bzw. Aufstäuben und hochenergetischen Teilchen des Stoffes, der Stoffkombination oder wenigstens eines dieser Stoffe bzw. Stoffkombinationen durch Beschüß in die Oberflächenschicht der Unterlage in noch so geringer Menge in Bezug auf die Gesaratfläche der Schicht gebracht werden, daß nur voneinander getrennte Inseln des aufgedampften oder aufgestäubten Stoffes entstehen. Der Beschüß erfolgt vorzugsweise gleichzeitig mit dem Aufdampfen bzw. Aufstäuben.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sehr hocbohmige Schichten auf einer entsprechend noch höherohmigen Unterlage dadurch erreicht werden können, daß der für die

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hochohmige Schicht vorgesehene Stoff "bzw. Stoffkombination (bzw. die für die Schicht vorgesehenen Stoffe oder Stoffkomhinationen) derart aufgebracht wird, daß auf der Unterlage nur relativ dünnschichtige Inseln entstehen und die dazwischenliegenden, angrenzenden, hochohmigen Bereiche der Oberflächenschicht der Unterlage Strahlenschäden aufweisen. Insbesondere liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß die Bereiche zwischen den einzelnen Inseln möglichst weitgehend frei von einzelnen Teilchea des oder der Stoffe bzw. Stoffkombinationen ist. Unter dünnsctichtig im Zusammenhang mit den Inseln ist eine Dicke zu verstehen, die sehr klein im Verhältnis zum Durchmesser der jeweiligen Inseln ist. Dies ist so zu verstehen, daß Inseln mit größerer Hache etwas dicker sein können, sich aber von einer Kugelkappenform noch wesentlich unterscheiden. Im Regelfall besteht eine Insel aus einer einzigen oder aus nur wenigen Atomlagen. Unter Inseln im Sinne der Erfindung sind bereits Ansammlungen von nur wenigen Atomen zu verstehen. Es ist der Regelfall» daß die Inseln der erfindungsgemäßen Schicht Durchmesser in der Größenordnung von 1 nm besitzen. Im Regelfall liegen die Anstände zwischen den einzelnen Inseln in der gleichen Größenordnung. Die Dicke der Inseln ist insbesondere für die Spannungsunabhängigkeit der spezifischen Leitfähigkeit der Schicht maßgebend.

Unter niederenergetischen Teilchen sind im vorliegenden Falle im wesentlichen Teile thermischer Energie bis höchstens einiger Elektronenvolt zu verstehen. Bei den hochenergetiscben Teilchen handelt es sich um Ionen oder neutrale Teilchen, die zuvor als Ionen elektrisch beschleunigt worden sind. Die Energien dieser Teilchen liegen im wesentlichen höher als 5 keV, vorzugsweise höber als 20 keV. Teilchen dieser Energien dringen in das Material der Unterlage wenigstens einige, im Regelfall viele Atomlagen tief ein und verbleiben dort. Der Verbleib der Teilchen ist wesentlich für die angestrebten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Schicht. Auf diesen Umstand ist ins-

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besondere im Zusammenhang mit der gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorzunehmenden Erwärmung (Temperung) zu achten.

Für den Aufbau der erfindungsgemäßen Schicht auf der hochohmigen Unterlage ist zu ächten, daß die Rate der adsorbierten Teilchen größer ist als die Zerstäubungsrate, die durch den Beschüß mit hochenergetischen Teilchen gegeben ist. Andernfalls würde die Bildung von Inseln unterbleiben. Die Größe des Teilchenstromes der hochenergetischen Teilchen ist auch für die Dicke der Insel maßgeblich.

ψ Im Falle, daß die hochenergetischen Teilchen Ionen sind, liegen die Stromdichten des Beschüsses bei Werten in der Größen-Ordnung von 1 m Amp/cm . Bei nicht geladenen hochenergetischen Teilchen ist die Teilchendichte des Beschüsses entsprechend groß. Für den Beschüß werden Zeitdauern von einigen Sekunden vorgesehen. Bei einem derartig starken Beschüß liegt die Strahlenschädigung bereits im Sättigungsbereich.' Dementsprechend sind die erfindungsgemäßen Schichten bzw. die nach der Erfindung hergestellten Widerstände strahlungsresistent, was insbesondere bei ihrer Verwendung in der Reaktortechnik oder Raumfahrt von •Vorteil ist.

_k Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird dafür gesorgt, daß ™ die Oberfläche der Bereich zwischen den Inseln im wesentlichen frei von einzelnen adsorbierten < Teilchen des Stoffes der Inseln ist. Durch eine entsprechend hoch gewählte Teilchendichte des Stromes der hochenergetischen Teilchen kann dies bewirkt werden.

Die Oberfläche der Bereich kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auch durch Erwärmung der Schicht (Tempern) von eineeinen adsorbierten Teilchen befreit werden, wobei angenommen wird, daß diese einzelnen Teilchen den einzelnen Inseln zudiffundieren und sich dort anlagern.

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Als Stoffe für die Inseln bzw, für den Beschüß mit hochenergeir-ischen Teilchen kommen bevorzugt Metalle oder Halbleiter in Betracht. Es kommen elektronen- und löcherleitende Stoffe in. Frage. Insbesondere eignen sich dafür Gold, Silber, Platin, Nickel, Eisen, Chrom, Aluminium und Legierungen aus diesen mit anderen Metallen und aus anderen Metallen, sov/ie Kohlenstoff, Silizium, Germanium und Verbindungshalbleiter. Besonders bev/ährt hat sich Gold, da dieses zu besonders stabilen Schichten geführt hat.

Als Material für die hochohinige Unterlage können sowohl entsprechend hochohmige Halbleitermaterialien, wie eigenleitendes Silizium und Oxyde und Nitride, insbesondere Siliziumdio.^xd, sowie andere Isolatoren, wie Kunstharze, Bernstein oder Glas verwendet werden.

Das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schicht wlT*d vorzugsweise mittels einer in "Zeitschrift für angewandte Physik", Bd. 31 (1971) S. 51 f, beschriebenen Vorrichtung dux'chge führt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Figuren und der· Beschreibung eines besonders bevorzugten Ausführungsbei-. Spieles nach der Erfindung hervor.

Figur 1 zeigt im Schnitt das Prinzip einer erfindungsgemäßen

Schicht.
Figur 2 zeigt in einer Aufsicht einen elektrischen Widerstand mit einer Schicht nach der Erfindung.

Mit 1 ist ein Teilstück eines vorzugsweise hochohmigen Substrates, z.B. aus einem Halbleitermaterial wie Silizium, bezeichnet. Mit 3 ist die hochohmige, vorzugsweise isolierende Unterlage auf dem Substrat 1 bezeichnet. Das Substrat kann av.ch die Unterlage bilden, soweit es den obigen Bedingungen fur das Material der Unterlage genügt. Die erfindungsgemäße

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Schicht besteht aus den mit 5 bezeichneten Inseln und aus den mit 7 bezeichneten dazwischenliegenden angrenzenden hochohinigen Bereichen der Oberflächenschicht der Unterlage' 3. Mit 9 und 11 sind Teilstücke zweier Elektroden auf der Unterlage 3 auf dem Substrat 1 bezeichnet. Ein angenommener Stromfluß zwischen den Elektroden 9 und 11 verläuft mit Rücksicht auf die gegenüber der erfindungsgemäßen Schicht sehr hochohmige Unterlage im wesentlichen durch die aus 5 und 7 zusammengesetzte elektrisch leitfähige, jedoch erfindungsgemäß sehr hochohmige Schicht. Unterhalb der Inseln 5 fließt in dem Material der Unterlage praktisch kein elektrischer Strom, da die Inseln

fc jeweils einen demgegenüber geringeren elektrischen Widerstand haben. Die Bereiche 7 sind, wie oben angegeben, durch Beschüß mit hochenergetischen Teilchen durch die darin befindlichen Teilchen und durch die in dem Material der Unterlage entstandenen Strahlenschäden entstanden. Es sei darauf hingewiesen, daß sich auch unterhalb der Insel 5 eingeschossene,.zuvor hochenergetische Teilchen befinden und dementsprechend auch dort Strahlenschäden vorhanden sind. Für die Erfindung sind diese Teilchen und Strahlenschäden bereits insofern von Bedeutung, als · sie zu einem guten Anhaften der Inseln auf der Unterlage beitragen. Es ist zu beachten, daß die Darstellung der Figur 1 sehr schematisch ist. Sowohl die Größenverhältnisse der Inseln 5 und der Bereiche 7 sind gegenüber der Dicke der Unterlage 3

ψ stark vergrößert dargestellt. Außerdem sind die Inseln nicht nur in ungleichmäßigen Abständen voneinander angeordnet, sondern sind über die in der Schnittdarstellung der Figur 1 nicht sichtbare Oberfläche der Unterlage 3 statistisch verteilt.

Die Figur 2 zeigt in einer Aufsicht einen elektrischen Widerstand mit Anschlüssen mit einer erfindungsgemäßen Schicht. Mit 3 ist die bereits im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebene Unterlage auf dem Substrat bezeichnet. 9 und 11 Bind die als Anschlüsse dienenden Elektroden. Mit 21 ist die auf der Unterlage 3 befindliche V/iderstandsbahn bezeichnet, die mikror-kopisch aus den im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Inseln 5 und

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den dazwischenliegenden Bereichen 7 zusammengesetzt ist.

Infolge der nach der Erfindung erreichbaren außerordentlich großen Hochohmigkeit der Schicht 21 können selbst sehr hoch ohmige ΐWiderstände noch als gradlinige Bahn ausgeführt werden. Diese Form hat den Vorzug, daß sie die geringste Induktivität und Kapazität aufweist.

10 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

f 1. Elektrisch leitfähige Schicht auf einer hochohmigen Unterlage,' dadurch gekennzeichnet , daß die leitfähige Schicht aus relativ dünrischichtigen Inseln (5) und dazwischenliegenden, angrenzenden, hochohraigen Bereichen (7) der Oberflächenschicht der Unterlage (3) besteht, wobei das Material der Unterlage in den Bereichen mit Teilchen dotiert ist, die durch Beschüß eingebracht worden sind und das Material in der Oberflächenschicht der Unterlage infolge der hohen Energie ■ der Teilchen während des Beschüsses Strahlonschäden aufweist, ) und wobei die Inseln durch Aufdampfen oder Aufstäuben nieder-. energetischer Teilchen und Beschüß mit hochenergetischen Teil-r chen eines oder mehrerer Stoffe oder Stoffkombinationen hergestellt sind und wobei der oder die Stoffe oder Stoffkombinationen so ausgewählt sind, daß bei Vorliegen eines elektrischen Feldes in der Sdicht ein Ladungsträgertransport durch die Inseln und durch die Bereiche erfolgt.
2. Elektrisch leitfähige Schicht nach Anspruch 1, dadurch ge-, kennzeichnet , daß die Oberfläche der Bereiche im

• wesentlichen frei von einzelnen Teiihen des oder der Stoffe

• bzw. Stoffkombination ist.

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3. Elektrisch le itfähige Schicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht an vorgegebenen Stellen ihres Randes mit Elektroden versehen ist.

A. Verfahren zur Herstellung einer Schicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß auf die Unterlage Teilchen des Stoffes der Stoffkombination oder wenigstens einer der für die Schicht vorgesehenen Stoffe bzw. Stoffkombinationen durch Aufdampfen bzw. Aufstäuben und hochenergetische Teilchen des Stoffes der Stoffkombination oder wenigstens einer dieser Stoffe bzw. Stoffkombinationen durch Beschüß in die Oberflächenschicht der Unterlage in noch so geringer Menge in Bezug auf die Gesamtfläche der Schicht aufgebracht wird» daß VPA 9/712/1087 309812/0615

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nur voneinander getrennte Inseln des aufgedampften bzw. aufgestäubten Stoffes entstehen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufdampfen bau. das Aufstäuben und der Bep-chuß gleichzeitig vorgenommen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit Ionen als hochcnergetischen Teilchen beschossen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrom so groß gewählt wird, daß die Oberfläche der Bereiche im wesentlichen frei von einzelnen Teilchen des aufgedampften bzv/. aufgestäubten Stoffes wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Beseitigung der einzelnen Teilchen des aufgedampften bzw. aufgestäubten Stoffes von der Oberfläche der Bereiche durch Erwärmen (Tempern) der Schicht erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Beseitigung der einzelnen Teilchen des aufgedampften bzv/. aufgestäubten Stoffes von der Oberfläche der Bereiche durch eine Oberflächenzerstäubung der Schicht Erfolgt, deren Intensität so gewühlfcist, daß die Inseln noch nicht wesentlich abgetragen werden.

10. Verwendung einer Schicht nach einem der Ansprüche 1 bis 9> für einen hochohmigen, feldstärkefesten elektrischen Widerstand, insbesondere MikroWiderstand.

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