DE2436911B2 - Verfahren zur herstellung von duennschicht-heissleiterelementen auf der basis von vanadiumoxidmaterial - Google Patents

Verfahren zur herstellung von duennschicht-heissleiterelementen auf der basis von vanadiumoxidmaterial

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Description

45
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Heißleiterelementen auf der Basis von Vanadiumoxidmaterial, bei dem auf ein geeignetes Substrat durch reaktives Zerstäuben eine dünne Schicht aufgebracht wird, die überwiegend aus einem Vanadiumoxidmaterial mit einer allein durch das Material selbst festgelegten Übergangstemperatur besteht.
Ein derartiges Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-HeiQleiterelementen auf der Basis von Vanadiumoxid ist aus »Appl. Phys.Lett.«, 20(1972), Nr. 2, S. 93 bis 95, bekannt. Bei diesem Verfahren werden durch reaktives Zerstäuben in einer Argon-Sauerstoff-Atmosphäre VCh-Filme auf ein geeignetes Substrat aufgebracht zur Herstellung von sogenannten »Sprungheißleitern«. In dieser Literaturstelle wird darauf hingewiesen, daß das verwendete Material VO2 mit seinem strukturellen Aufbau dem TiOj- ähnelt, das wesentlicher Bestandteil des für die Herstellung von »Sprungkaltleitern« bekannten BaTiOj ist, in denen die Sprungtemperatur, das heißt der Curie-Punkt, durch Zusät/e verschoben werden kann. Bei dem zuletzt genannten Verfahren wird das Bariumtitanat jedoch nicht durch reaktives Zerstäuben auf ein Substrat aufgebracht, sondern durch Sintern hergestellt (vergleiche die DT-PS 9 29 350).
Es sind auch bereits verschiedene Verfahren zur Herstellung von temperaturempfindlichen Widerständen auf der Basis eines mit verschiedenen Verbindungen dotierten Vanadiumoxidmaterials bekannt (US-PS 34 02 131). Durch Zugabe der Dotierungsverbindung zu dem Vanadiumoxidmaterial soll dessen Widerstands-Temperatur-Charakteristik verändert und insbesondere die Übergangstemperatur dieses Materials erniedrigt oder erhöht und die Schärfe der abrupten Widerstandsänderung bei der Obergangstemperatur modifiziert werden. Bei diesem bekannten Verfahren werden die Dotierungsmaterialien und das Vanadiumoxidmaterial durch Sintern miteinander umgesetzt unter Bildung einer kompakten Masse, die einen erheblichen Anteil Vanadiumoxidmaterial enthält. Die elektrischen Kontakte werden in der Weise hergestellt, daß man Metalldrähte in diese Masse einbettet. Bei den bekannten Verfahren treten jedoch Schwierigkeiten in bezug auf die Reproduzierbarkeit der gewünschten elektrischen Widerstände auf, und diese Verfahren lassen sich nicht ohne weiteres auf die Herstellung miniaturisierter Bauteile anwenden, wie sie für integrierte Schaltungen erforderlich sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, das eingangs genannte bekannte Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Heißleiterelementen auf der Basis von Vanadiumoxidmaterial dahingehend weiterzuentwikkeln, daß damit Dünnschicht-Heißleiierelcniente hergestellt werden können, deren Übergangstemperatur über bzw. unter dem Wert liegt, der durch das Vanadiumoxidmaterial selbst festgelegt ist, das zu Produkten mit gut reduzierteren Eigenschaften führt und auch für die Hersuellung miniaturisierter Bauteile für integrierte Schaltungen angewendet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäli dadurch gelöst, daß Wolfram, Molybdän, Titan, Niob. Germanium, Silicium, Kohlenstoff, Chrom, Mangan, Aluminium und/oder Gallium als Dotierungsmaterial eingesetzt werden, und zwar in einer Menge von 0,025 bis 25 Atomprozent.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, auf reproduzierbare Weise Dünnschicht-Heißleiterelemente mit genau reproduzierbaren Eigenschaften herzustellen, die auch über längere Zeiträume hinweg stabil sind. Das erfindungsgemäUe Verfahren läßt sich ohne weiteres auch auf die Herstellung miniaturisierter Bauteile anwenden, wie sie für integrier! e Schaltungen benötigt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verwendet man als Vanadiumoxidmaterial Vanadiumdioxid und als Dotierungsmaterial Germanium in einer Menge von 0,1 bis 15 Atomprozent. Dadurch ist es möglich, die Übergangstemperatur des Vanadiumdioxids von etwa 65 auf etwa 85° C zu steigern.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verwendet man als Vanadiumoxidmaterial Vanadiumdioxid und als Dotierungsmaterial Wolfram in einer Menge von 0,1 bis I Atomprozent. Dadurch ist es möglich, die Übergangstemperatur des Vanadiumdioxids von etwa 65 auf etwa 35°C /u senken.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung führt man das reaktive Zerstäuben unter Verv. cndung eines zusammengesetzten Targets, das aus einer Legierung aus Vanadium und einem der oben
genannten Dotierungsmaterialien besteht, oder unter Verwendung eines zusammengesetzten Sintermetalltargets, das aus Pulvern von Vanadin und einem der oben genannten Dotierungsmaterialien hergestellt worden ist, oder unter Verwendung eines zusammengesetzten Targets durch, das aus metallischem Vanadium besteht, an dem Stücke aus einem der obengenannten Dotierungsmaterialien befestigt sind. In jedem Falle wird das Dotierungsmaterial zusammen mit dem Vanadium zerstäubt und in den wachsenden Vanadiumoxidfilm eingebaut
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in der verschiedene Widerstands-Temperatur-Charakteristiken von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Dünnsehicht-Heißleitereiementen dargestellt sind.
Die Kurve a) der Zeichnung zeigt die Widerstands-Temperatur-Charakteristik von reinem Vanadiumdioxid. Die Obergangstemperatur dieses Materials liegt bei 650C.
Die Kurve b) zeigt die Widerstands-Temperatur-Charakteristik von Vanadiumdioxid, das mit 035 Atomprozent Wolfram dotiert ist. Die Übergangstemperatur dieses Materials ist durch die Dotierung auf etwa 520C gesunken.
Die Kurve c) gibt die Widerstands-Temperatur-Chrakteristik von Vanadiumdioxid, das mit 10 Atomprozent Germanium dotiert ist, an. In diesem Falle ist die Übergangstemperatur durch die Dotierung auf 8O0C gestiegen.
Die Kurve d) zeigt die Widerstands-Temperatur-Charakteristik von mit 12,5 Atomprozent Germanium dotiertem Vanadiumdioxid. Die Übergangstemperatur ist in diesem Falle auf 85°C gestiegen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfphren ist es möglich, durch reaktives Zerstäuben Dotierungsmaterialien enthaltende Vanadiumdioxidfilme mit Übergangstemperaturen von 35 bis 90° C herzustellen. Solche Filme werden mit Hilfe eines zusammengesetzten Metalltargets in einer oxydierenden Atmosphäre unter Verwendung einer üblichen reaktiven Zerstäubungstechnik aufgebracht. Bei diesem Verfahren läßt man Vanadium- und Sauerstoffdämpfe unter Bedingungen, die ein Wachstum von Vanadiumdioxidkristallen gewährleisten, auf einem erhitzten Substrat kondensieren und miteinander reagieren. Ein geeignetes Aiifspritzverfahren ist in »Applied Physics Letters«, Band 20 (1972), S. 93 bis 95, näher beschrieben. Erfindungsgerräß können auch andere Aufspritzverfahren angewendet werden. Im vorliegenden Falle wird zur Einarbeitung des Dotierungsmaterials ein zusammengesetztes Target verwendet, das den gewünschten Anteil an Dotierungsmaterial enthält. Das verwendete Target kann die weiter oben angegebene Zusammensetzung haben.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, Dünnschicht-Heißleiterelemente beispielsweise für kleine Temperatursensoren hei zustellen. Solche Sensorenbauteile können nach den Angaben in der DT-Patentanmeldung P 24 02 709.6-34, die als DT-OS 24 02 709 veröffentlicht ist, mit Dünnschicht-Platinkontakten versehen werden. Die aktive Fläche zwischen den Kontakten kann zur Erzielung der gewünschten Impedanz variiert werden, sie beträgt jedoch in der Regel 0254 mm7. Diese Sensorelemente werden auf Saphir-Einkristallsubstrate aufgebracht, welche die Bildung grobkörniger Vanadiumoxidfilme begünstigen.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Bauteile können sehr klein sein, so daß deren physikalische Masse ebenfalls klein gehalten werden kann und überwiegend von der Umhüllung abhängt, die für das Anbringen von Leitungsdrähten und für den physikalischen Schutz erforderlich ist. Derartige Bauteile können in Metallgehäusen mit Glasdichtungen hergestellt werden, die sehr schnell auf Änderungen der Umgebungstemperatur ansprechen, so daß solche Bauteile für die schnelle Bestimmung von Temperaturänderungen und für die genaue Temperatursteuerung kleiner Massen verwendet werden können.
Auf die vorstehend beschriebene Weise können erfindungsgemäß auch thermische Überlastungsrelais hergestellt werden, die eine Heizeinrichtung zum Aufheizen der Vanadiumdioxidfilme aufweisen. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren keimen unter Anwendung des erfindungsgemäßen Zerstäubungsverfahrens thermische Überlastungsrelais hergestellt werden, die Vanadiumdioxidmaterial enthalten, dessen Umwandlungstemperatur innerhalb des Bereiches von 35 bis 900C liegt.
Obgleich in der Zeichnung nur Widerstands-Temperatur-Kurven dargestellt sind, die man mit dotiertem Vanadiumdioxid mit einer Übergangsteniperatur von 65°C erhält, können selbstverständlich auch andere Vanadiumoxide mit anderen Übergangstemperaiuren auf die erfindungsgemäß vorgeschlagene Weise hergestellt werden, deren Übergangstemperatur gegenüber dem Wert des reinen Vanadiumoxids erhöht oder erniedrigt ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Heißleiterelementen auf der Basis von Vanadiumoxidmaterial, wobei auf ein geeignetes Substrat S durch reaktives Zerstäuben eine dünne Schicht aufgebracht wird, die überwiegend aus einem Vanadiumoxidmaterial mit einer allein durch das Material selbst festgelegten Obergangstemperatur besteht, dadurch gekennzeichnet, daß to Wolfram, Molybdän, Titan, Niob, Germanium, Silicium, Kohlenstoff, Chrom, Mangan, Aluminium und/oder Gallium als Dotierungsmaterial eingesetzt werden, und zwar in einer Menge von 0,05 bis 25 Atomprozent.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Vanadiumoxidmaterial Vanadiumdioxid und als Dotierungsmaterial Germanium in einer Menge von 0,1 bis 15 Atomprozent eingesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Vanadiumoxidmaterial Vanadiumdioxid und als Dotierungsmaterial Wolfram in einer Menge von 0,1 bis 1 Atomprozent eingesetzt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive Zerstäuben unter Verwendung eines zusammengesetzten Targets durchgeführt wird, das aus einer Legierung aus Vanadium und einem der genannten Dotierungsmaterialien besteht.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive Zerstäuben unter Verwendung eines zusammengesetzten Sintermetalltargets durchgeführt wird, das aus Pulvern von Vanadium und einem der genannten Dotierungsmaterialien hergestellt worden ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive Zerstäuben unter Verwendung eines zusammengesetzten Targets durchgeführt wird, das aus metallischem Vanadium besteht, an dem Stücke aus einem der genannten Dotierungsmaterialien befestigt sind.
DE19742436911 1973-08-01 1974-07-31 Verfahren zur herstellung von duennschicht-heissleiterelementen auf der basis von vanadiumoxidmaterial Withdrawn DE2436911B2 (de)

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