DE2402709C3 - Festkörperbauelement mit einem dünnen Film aus Vanadinoxyd - Google Patents

Festkörperbauelement mit einem dünnen Film aus Vanadinoxyd

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Description

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Die Erfindung betrifft ein Festkörperbauelement mit einem plattenförmigen Substrat aus einem elektrisch isolierenden Material, auf dessen einer Oberfläche im Abstand voneinander Metallkontakte und ein dünner Film aus Vanadinoxyd einen Teil der Metallkontakte überbrückend angeordnet sind.
Es ist bekannt, Kontakte für Festkörperbauelemente aus Vanadinoxyden, wie beispielsweise Vanadindioxyd (VO2) oder Vanadintrioxyd (V2O3) in der Weise <>5 herzustellen, daß geeignete Metalle auf das Festkörperbauelement durch eine Maske aufgedampft werden. Dieses Aufdampfungsverfahren unterliegt jedoch im Hinblick auf die Ausgestaltung und die Größe der Kontakte Einschränkungen. Darüber hinaus wird der Vanadirioxydfilm während des Aufdampfens der Wirkung eines Vakuums ausgesetzt, wodurch in nachteiliger Weise die Filmeigenschaften beeinflußt werden können. Ferner wird oft ein schlechtes Haften des Metalls an dem Vanadinoxydfilm festgestellt. Oft ist auch der Kontaktwiderstand zwischen dem Metall und dem Vanadinoxydfilm sehr hoch.
In den Philips Research Reports, Bd. 22,1967, wird auf den Seiten 170 bis 177 ein Festkörperbauelement der eingangs genannten Art mit Kontakten aus Aluminium beschrieben. Zur Herstellung dieses Festkörperbauelements wird der Vanadindioxydfilm zuerst auf ein Glas-Substrat aufgebracht, worauf die Aluminiumkontakte über dem Rand des Vanadinoxydfilms aufgetragen werden. Der Vanadinoxydfilm und die Aluminiumkontakte können mit einer Siliziumdioxydschicht bedeckt sein.
Es wurde gefunden, daß bei solchen Festkörperbauelementen ein relativ hoher Widerstand zwischen dem Vanadinoxydfilm und den Metallkontakten in der Größenordnung von 25 bis 100 Ohm auftritt, der wahrscheinlich auf die Bildung eines Oxyds an der Grenzfläche, das nicht sehr leitend ist, zurückzuführen ist. Darüber hinaus treten erhebliche Kontaktwiderstandsschwankungen von einem Festkörperbauelement zu dem anderen auf, die nicht toleriert werden können.
Im \orliegenden Falle ist unter dem Kontaktwiderstand die Summe aus dem Reihenwiderstand in dem Vanadinoxydfilm, der das Kontaktmetall überlappt, dem Zwischenschichtwiderstand zwischen dem Vanadinoxydfilm und dem Kontaktmetall und dem Reihenwiderstand in dem Kontaktmetall, das unter dem Vanadinoxyd liegt, zu verstehen.
Aus der DE-OS 17 64 373 ist es bekannt, ein Festkörperbauelement, dessen Festkörper aus Strontiumvanadat mit sporadischen Vanadinoxydeinschlüssen besteht, mittels Platindrähten zu kontaktieren.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, bei einem Festkörperbauelement der eingangs genannten Art den Kontaktwiderstand wesentlich herabzusetzen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst daß die Metallkontakte aus Platin bestehen. Im Falle dieses erfindungsgemäßen Festkörperbauelements liegt der Kontaktwiderstand in reproduzierbarer Weise unterhalb 10 Ohm.
Es war in Kenntnis des Standes der Technik nicht vorherzusehen, daß Metallkontakte aus Pb*;n einen geringen Kontaktwiderstand zu dem Vanaoinox., Hfilm ermöglichen. Es liegt an der Kompliziertheit des Kontaktwiderstands, daß sich nicht ohne weiteres ein Metall anbietet, das einen geringen Kontaktwiderstand mit Vanadinoxydfilmen gestattet. Die Auswahl der Metallkontakte wird weiter dadurch erschwert, daß keine Reaktion mit dem aufgebrachten Vanadinoxyds erfolgen darf.
Das Substrat des Festkörperbauelements besteht vorzugsweise aus Saphir, es kann jedoch ebenso aus einem polykristallinen Aluminiumoxyd, Berylliumoxyd, Quarz oder Glas bestehen. Wird ein Substrat aus Saphir, Glas oder Quarz verwendet, dann werden zuerst Titankontakte auf dem Substrat abgeschieden, worauf die Platinkontakte auf die Titankontakte aufgebracht werden, da Platin allein ein schlechtes Haftvermögen an Saphir, Glas od?r Quarz besitzt. Natürlich kann man auch andere reaktive Metalle dazu verwenden, das Haftvermögen des Platinfilms zu erhöhen.
Zur Verbesserung der Verbindungen zu den Platinkontakten wird vorzugsweise eine Goldschicht auf den Platinkontakten aufgebracht, um das Verbinden der Abgabeleitungen mit der Goldschicht zu erleichtern. Andere weiche Metalle, beispielsweise Aluminium, können ebenfalls verwendet werden.
Besteht das Substrat aus Saphir oder Quarz oder Glas, dann wird zuerst ein Film aus Titan oder einem anderen reaktiven Metall auf dem Substrat aufgebracht, worauf der Platinfilm auf dem reaktiven Metallfilm aufgebrac.it wird, um das Haften des Platins an dem Substrat zu verbessern. Die nicht gewünschten Teile beider Filme werden zusammen unter Zurücklassung von in einem Abstand vorgesehenen Kontakten entfernt.
Soll eine Gold- oder Aluminiumschicht auf dem Platinfilm aufgebracht werden, dann wird eine derartige Schicht auf dem Platinfilm abgeschieden, wobei das Gold oder das Aluminium zuerst von demjenigen Teil des Platinfilms abgeätzt wird, der mit dem Vanadinoxydfilm kontaktiert werden soll, so daß die Ränder der Platinkontakte frei bleiben, damit das Vanadinoxyd darauf abgeschieden werden kann. Die nicht gewünschten Teile des Platinfilms und des Titanfilms werden, falls derartige Filme vorliegen, anschließend entfernt. Abschließend kann eine Schicht aus Siliciumdioxyd über dem Vanadinoxydiilm sowie über der Gold- oder Aluminiumschicht aufgebracht werden, um das Festkörperbauelement gegenüber Umgebungseinflüssen zu schützen und die Stabilität des Films zu verbessern. Natürlich wird ein Teil des Siliciumdioxydfilms entiernt, um die Gold- oder Aluminiumkontakte freizulegen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Seitenansicht eines Festkörperbauelements,
F i g. 2 eine Draufsicht auf das Festkörperbauelement von Fig. 1 vor der Aufbringung eines Siliciumdioxydfilms.
Die F i g. 1 und 2 zeigen schematisch ein Festkörperbauelement mit einem Substrat 10 aus einem elektrisch isolierenden Material, das beispielsweise eine Breite von 0,37 mm , eine Länge von 0,75 mm und eine Dicke von 0,25 mm besitzt. Ein derartiges Substrat besteht aus einem Saphirmaterial, es kann jedoch auch aus polykristallinem Aluminiumoxyd, Berylliumoxyd, Quarz oder Glas bestehen. Zwei in einem Abstand angebrachte Kontakte 1? sind an jedem Ende eines derartigen Substrats vorgesehen, wobei jeder Kontakt aus einem Titanfilm 14, der auf dem Substrat 10 aufgebracht ist, einem Platinfilm 16, der auf dem Titanfilm 14 aufgebracht ist, und einer Goldschicht 18, die auf dem Platinfilm 16 aufgebracht ist, besteht. Der Titanfilm kann eine Dicke zwischen 100 und 500 A besitzen, während die Dicke des Gold- und Platinfilms zwischen 1000 und 5000 Ä schwanken kann. Ein Vanadinoxyd-Film 20, beispielsweise ein Film aus Vanadindioxyd (VO2) oder Vanadintrioxyd (V2O3), wird auf dem Saphirsubstrat 10 und auf den Rändern der Platinkontakte 16 aufgebracht, um die zwei Platinkontakte zu überbrücken. Die Dicke des Vanadinoxyd-Films liegt zwischen 1000 und 5000 A. Abschließend wird ein Überzug 22 aus Siliciumdioxyd mit einer geeigneten Dicke auf der Vanadinoxyd-Schicht 20 aufgebracht, um das ganze Bauelement gegenüber Umgebungseinflüssen zu schützen.
Das vorstehend beschriebene Substrat kann in einem Standardkopfstück {TO5) befestigt werden, das mit wenigstens zwei Kontaktstiften sowie Verbindungen zwischen den Stiften und den Goldkontakt 18 über eine Drahtverbindung versehen ist.
Zur Herstellung des durch die F i g. 1 und 2 wiedergegebenen Festkörperbauelements wird das Substrat 10 zuerst über seiner ganzen Oberfläche mit einem Titanfilm nach einer bekannten Methode, beispielsweise durch Zerstäuben, überzogen. Durch eine zweite Zerstäubung wird ein Film aus Platin auf dem Titanfilm aufgebracht. Abschließend wird eine dritte Schicht aus Gold ebenfalls nach bekannten Methoden über dem Platinfilm zerstäubt oder auf diesen aufgedampft. Unter Anwendung eines an sich bekannten Photoresist-Verfahrens sowie unter Einsatz einer photographischen Maske zur Ausbildung des Goldmusttrs wird der Goldfilm von dem zentralen Teil des Substrats 10 weggeätzt, wodurch die Goldkontakte 18 freigelegt werden, wie aus den F i g. 1 und 2 hervorgeht. Dann werden nach einem weiteren Photoresist-Verfahren die Platin- und Titanfilme von dem zentralen Abschnitt des Substrats weggeätzt, jedoch in einem etwas geringeren Ausmaß, so daß die Schultern zurückbleiben, auf denen, wie aus F i g. 1 hervorgeht, der Vanadinoxydfilm aufgebracht wird. Der Vanadinoxydfilm 20 wird unter Anwendung eines reaktiven Zerstäubungsverfahrens bei einer Temperatur von ungefähr 4000C in einer Argon/Sauerstoff-Atmosphäre aufgebracht. Die Sauerstoffdrucke liegen zwischen 0 7 und 2,5 mTorr, während der Gesamtdruck mit Argon auf 7,5 mTorr gebracht wird. Die Hochfrequenzleistung bei der Durchführung des Zerstäubungsverfahrens beträgt ungefähr 350 W. Dabei wird eine Abscheidungsgeschwindigkeit erzielt, die mit zunehmendem Sauerstoffdruck zwischen 50 und 35 Ä/Minute schwankt. Ein derartiges Verfahren wird näher in einem Artikel beschrieben, der die Überschrift »Transport and Structural Properties of VO2 Films« trägt und von Clarence C. Y. K w a η et al in »Applied Physics Letters«, Band 20, Nr. 2, 15. |anuar 1972, veröffentlicht ist. Natürlich kann man auch andere Methoden anwenden, um den Vanadinoxydfilm 20 auf das Substrat aufzubringen. Der Vanadinoxydfilm liegt in polykristallinem Zustand vor und bedeckt den mittleren Teil des Substrats 10 sowie die Ränder der Platinschicht 10 und kann in Reihe mit den Kontakten 18 verbunden werden. Das Vanadinoxydmuster wird anschließend nach einem Photoresist-Verfahren ausgebildet, wobei der Vanadinoxydfilm von den Goldkontakten 18 abgeätzt wird. Abschließend wird der Vanadinoxydfilm mit einem Überzug aus Siliciumdioxyd bedeckt, um das Bauelement gegenüber der Umgebung zu schützen und die Stabilität des Films zu verbessern. Natürlich muß der Siliciumdioxydfilm so weit abgeätzt werden, daß die Goldkontakte freigelegt werden.
Die vorstehend beschriebenen Ätzungen werden vorzugsweise chemisch durchgeführt, wenn Gold, Titan. Siliciumdioxyd und Vanadinoxyd entfernt werden sollen, während Platin vorzugsweise unter Anwendung einer Sprühätzmethode entfernt wird.
Es wurde gefunden, daß Platin einen sehr guten Kontakt mit Vanadinoxydfilmen bildet. Platin ist bei 4000C stabil, d.h. bei der Temperatur, die zum Versprühen von Vanadinoxyd auf die Ränder der Plaiinkontakte 16 eingehalten wird. Ferner erfolgen keine chemischen Reaktionen zwischen Vanadinoxyd und Platin bei der vorstehend angegebenen Temperatur. Die vorstehend angegebenen Bedingungen ermöglichen einen niedriaohmieen Kontaktwiderstand sowie ein
gutes Haften /wischen dem Vanadinoxydfilni und dem Platinfilm.
Platin allein haftet nicht gut an Saphir, Glas oder Quarz. Wird daher ein Substrat aus S.iphir, Glas oder Quarz verwendet, dann wird zuerst ein Titanfilm auf dem Substrat aufgebracht, worauf der Platinfilm auf den Titanfilni aufgebracht wird. Andere reaktive Materialien zur Erhöhung des Haflens des Platinfilms können ebenfalls verwendet werden, beispielsweise Vanadin. Molybdän und Tantal.
Die Abgabeleitungen des Bauelements können direkt mit dem Platinfilm verbunden werden, wobei jedoch ein Schweißen oder ein anderweitiges Verbinden schwierig durchzuführen ist. Folglich wird zuerst eine Goldschicht 18 auf dem Platinfilm 16 aufgebracht, worauf die Abgabedrahtc mit den Goldkoniakten 18 verschweißt werden. In ähnlicher Weise kann man andere weiche Metalle, beispielsweise Aluminium, zur Erleichterung des Befestigen^ der Leitungen verwenden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Festkörperbauelement mit einem plattenförmigen Substrat aus einem elektrisch isolierenden Material, auf dessen einer Oberfläche im Abstand voneinander Metallkontakte und ein dünner Film aus Vanadinoxyd einen Teil der Metallkontakte überbrückend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkontakte (16) aus Platin bestehen.
2. Festkörperbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platinkontakte (16) auf auf dem Substrat (10) angeordneten Titankontakten (14) abgeschieden sind, is
3. Festkörperbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Goldschicht (18) auf den Platinkontakten (16) aufgebracht ist.
4. Festkörperbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aluminiumschicht (18) auf den Platinkontakten (16) aufgebracht ist.
5. Verfahren zur Herstellung eines Festkörperbauelements nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Platinfilm auf einem Substrat (10) aus einem elektrisch isolierenden Material aufgebracht wird. Teile des Platinfilms unter Zurücklassung von in einem Abstand angebrachter Platinkontakte (16) entfernt werden, ein dünner Vanadinoxydfilm (20) auf dem Substrat und auf den Platinkontakten aufgebracht wird und das Vanadinoxyd von einem Teil der Platinkontakte unter Zurücklassung von Vanadinoxyd entfernt wird, das die Ränder der Platinkontakte überbrückt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat (10) aus Saphir, Glas oder Quarz zuerst ein Titanfilm (14) und der Platinfilm auf dem Titanfilm aufgebracht wird und Teile beider Filme zusammen entfernt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht (18) aus Gold oder Aluminium auf dem Platinfilm aufgebracht wird, daß diese Schicht zuerst von dem Teil der Platinschicht abgeätzt wird, die mit dem Vanadinoxyd kontaktiert werden soll, so daß die Ränder der Platinkontakte (16) für die Aufbringung des Vanadinoxyds unbedeckt zurückbleiben.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht (22) aus Siliciumdioxyd auf dem Vanadinoxydfilm sowie auf der Schicht aus Gold oder Aluminium aufgebracht wird, worauf das Siliciumdioxyd über den Gold- oder Aluminiumkontakten entfernt wird.
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