DE2457488A1 - Duennschichtwiderstaende und kontaktanschluesse fuer schaltkreise - Google Patents

Description

!Aktenzeichen der Anmelderin: YO 973 05O

'Dünnschichtwiderstände und Kontaktanschlüsse für Schaltkreise

Die Erfindung betrifft Elektrische Kontakte und DünnSchichtwider- !stände für elektronische Schaltkreise, sowie deren Herstellungs-

!Verfahren,

,Dünnschichtwiderstände und elektrische Verbindungen werden in viejlen herkömmlichen Schaltkreisen verwendet, beispielsweise in Form ,metallurgischer Verbindungen zur elektrischen Kontaktierung von Mojduln und Sehaltplättchen (Chips) in integrierten monolithischen

!Schaltkreisen.

jln supraleitenden Schaltkreisen werden oft Widerstände benötigt; jaußerdem müssen zwischen supraleitenden übertragungsleitungen gute ^Kontakte hergestellt werden. Beispielsweise erfordern in Sehaltjkreisen mit Tunnelkontaktelementen die übertragungsleitungen Im-Ipedanzabschlußwiderstände. Ein derartiger Schaltkreis wird im US-Patent 3 758 795 beschrieben. Dort wird ein Schaltkreis mit Josephson-Kontakten zum Einspeisen von Strom in eine supraleitende !Übertragungsleitung verwendet, die mit einem geeigenten Widerstandsmaterial abgeschlossen ist. Diese übertragungsleitung liefert Steuersignale für andere Josephson-Kontakte.

Die Herstellung von Dünnschichtwiderständen ist an sich sehr schwierig, ganz besonders aber für den Fall von supraleitenden Schaltkreisen, Die Widerstände müssen bezüglich Alterungserschei-

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^!nungen, Herstellung und wiederholter Abkühlung von höherer Tempe-I ratur auf supraleitende Temperaturen stabil sein. Um die notwen- ; digen Schaltkreistoleranzen einzuhalten, darf des Werf des Widerstands nur um einen kleinen Prozentsatz (ungefähr 1%) schwanken. Diese Stabilität muß gewährleistet sein, wenn die Schaltkreise bei beliebigen Temperaturen gelagert werden, wenn sie bei höheren Temperaturen (beispielsweise 100 ⁰C) hergestellt werden j und wenn sie wiederholt zwischen Zimmertemperatur und Arbeitstemperatur (d.h. cryogenischen Temperaturen) abgekühlt werden.

Die Widerstände müssen auch reproduzierbar sein, d.h., die verschiedenen Fabrikationslose müssen denselben Widerstandswert auf- ; weisen. Bei der Arbeitstemperatur der Schaltkreise dürfen die [ Widerstandswerte nur innerhalb eines gewissen Herstellungstoleranzbereichs liegen, der beispielsweise 5% oder weniger ausmacht.

Die Reproduzierbarkeit der Widerstandswerte stellt ein schwieriges Problem dar. Der Widerstand von Dünnschichtmaterialien hängt von Fehlstellen ab, von Phononenstreuung, von der Dicke und von Oberflächeneffekten, Zu den Fehlstellen gehören unbesetzte Gitterplätze, Versetzungen, Korngrenzen und Verunreinigungen im Widerstandsmaterial. Reproduzierbare Widerstände können nur erhalten werden, wenn die Korngrehzen bei der Herstellung des Widerstands reproduzierbar sind. Ist die mittlere freie Weglänge der Elektronen im Widerstand kleiner als die Korngrenze und kleiner als die Dicke des Materials, so spielen diese Effekte für die Reproduzierbarkeit der Widerstandswerte keine so große Rolle, Die Streuung von Elektronen an Fehlstellen ist dann jedoch wichtig und muß unbedingt berücksichtigt werden, um reproduzierbare Widerstände zu erhalten.

Der Widerstandsbereich, der mit Hilfe von diesen Dünnschichtwiderständen abgedeckt werden kann, stellt ebenfalls einen wichtigen Gesichtspunkt dar. Die zur Auslegung von supraleitenden Schaltkreisen notwendigen Widerstandswerte müssen in ihm enthalten sein, Für Josephson-Schaltkreise mit Bleilegierungen als supra-

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leitenden Materialien liegen die gewünschten Widerstandswerte in

vielen Fällen bei ungefähr 0,05-2 Qhm/Flächeneinheit» Die Einheit ,

Ohm/Flächeneinheit bedeutet (Widerstand),(Breite)/Länge und ist j

gleichbedeutend mit spezifischem Widerstand/Dicke der Schicht. ;

Beim Entwurf von Schaltkreisen mit Josephson-Kontakten ist es i

weiterhin wünschenswert, über Materialien zu verfügen, die auch | bei geringen Substrattemperaturen reproduzierbar niedergeschla- < gen werden können. So werden beispielsweise oft Grundplatten mit Nb-Zusätzen verwendet. Diese Grundplatten werden mit einer Oxidschicht überzogen und danach die Tunnelsehaltkreise (einschließlich der Widerstände) niedergeschlagen. Wenn die Temperatur, bei der die Dünnschichtwiderstände hergestellt werden, zu hoch ist !(ungefähr 150 ⁰C), so dringt Sauerstoff vom Oxidisolator in die Nb-Grundplatte ein. Dadurch wird die kritische Temperatur der supraleitenden Grundplatte verändert, außerdem auch die Dicke der Oxidisolationsschicht. Diese Dickenänderung der Isolationsischicht ändert die charakteristische Impedanz der übertragungs-¹leitungen, die auf der Isolationsschicht niedergeschlagen werden. Dies wiederum ändßrt die elektrischen Charakteristiken des Schalt-'kreises. Aus diesem Grund ist es nicht wünschenswert, Widerstänjde mit Materialien zu verwenden, die im allgemeinen eine hohe !Temperatur bei der Herstellung erfordern, um reproduzierbar und !stabil zu sein (wie z.B. hochschmelzende Materialien),

.Ein Problem, das bei der Herstellung von Kontakten oder Wider-, !ständen auftritt, ist die Interdiffusion, d.h., die beiden Materialien und die zur Herstellung des Kontakts dazwischen angebrachte metallurgische Verbindungen beginnen ineinander zu diffundieren. Dies ändert die Zusammensetzung der Materialien und da-Jmit auch den elektrischen Widerstandswert des niedergeschlagenen Widerstands, Im Fall von Kontakten kann die Interdiffusion auch die Qualität der Verbindung verändern. Außerdem kann die-. 'se Diffusion auch Auswirkungen auf die Elektroden der Tunnelkon- ^;takte besitzen, die mit dem Widerstand verbunden sind. Die Eigenschaften der Tunnelkontakte erfahren dadurch möglicherweise eine

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beträchtliche Änderung und können zu weiteren Schaltkreisprobleimen führen. Diese Schwierigkeit tritt besonders bei großen, dicht gepackten Matrizen von Josephson-Kontakten auf.

Eine Interdiffusion kann bei Zimmertemperatur oder auch bei der Betriebstemperatur erfolgen. Im Fall von supraleitenden Schaltungen sollte die Interdiffusion bei Zimmertemperatur sehr klein sein und ungefähr bei 0 Prozent liegen. Es ist auch nicht damit zu rechnen, daß die Interdiffusion bei der Arbeitstemperatur von supraleitenden Schaltungen ein ernstes Problem darstellt, da diese [ja im cryogenen Bereich liegt. Die Interdiffus ion ist ja ein thermisch aktivierter Prozeß, so daß. der Betrieb der Schaltkreise bei cryogenen Temperaturen sicher nicht zu ernsthaften Interdiffusionsproblemen führt.

Die Interdiffusion dürfte auch bei den Temperaturen im Herstellrozeß der Schaltkreise minimal sein, ebenso wie bei den Temperaturen, die für andere Herstellschritte verwendet werden, (wie z,B, der Anpassung und der Stabilisierung der elektrischen Kennerte). Widerstände oder Kontakte werden beispielsweise oft in inem frühen Stadium des Herstellprozesses einer supraleitenden chaltung niedergeschlagen. Daraus,folgt, daß diese Materialien .uch höheren Temperaturen widerstehen müssen, wie beispielsweie denjenigen, die in späteren Temperschritten auftreten. Aus diesem Grund muß die Interdiffusion bei den He rs te Ute mp er at uen kontrolliert werden,

usätzlich zu den Interdiffusionsproblemen erleiden die Widerstände und Kontakte in der Schaltung oft Änderungen ihrer St ailität infolge von auftretenden Strukturänderungen in den Materialien, So können beispielsweise Fehlstellen im Material sich 5u Haufen vereinigen oder aber zu Korngrenzen wandern, .Um Spannung! zustände im Material auszugleichen, kann auch eine Rekristallisation auftreten oder es können die Korngrenzen wandern, wodurch Ue Art und Dichte der Fehlstellen im Material verändert wird. 3ie Spannungen können auf Unterschiede des thermischen Ausdeh-

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j " ⁵' "

'nungskoeffizienten zurückzuführen sein oder aber auf den Wachsitumsprozeß, währenddessen Fehlstellen, Versetzungen, unbesetzte ■Gitterplätze usw. zum Spannungsausgleich im Material wandern.

^jDie Stabilität ist ein sehr wesentlicher Gesichtspunkt bei Widerständen, die in Tieftemperaturschaltkreisen (cryogenen Schaltkrei-

isen) eingesetzt werden sollen. Bekannte Materialien, aus denen !Widerstände gebaut werden, wie z.B. Nickel-Chrom, Pb-Ag und Cu-Au können beispielsweise bei sehr tiefen Temperaturen wie j 4,2 K nicht verwendbar.sein.

i
Im bekannten Stand der Technik sind bisher noch keine Versuche unternommen worden, die treibenden Kräfte für die Interdiffusion zwischen verschiedenen Materialien, die in Schaltungen aufeinandertreffen, zu verringern. Ebensowenig wurden die besonderen Projbleme betrachtet und gelöst, die in supraleitenden Schaltungen auftreten, bei denen ein sehr großer Unterschied zwischen HerjStelltemperatur, Zimmertemperatur und Betriebstemperatur besteht.

jDie Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, Dünn-Ischichtwiderstände und Kontaktierungen vorzuschlagen, die diese schwerwiegenden Nachteile des Standes der Technik nicht aufwei-

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete !Erfindung gelöst. Weiterbildungen, Ausgestaltungen und weitere Merkmale der Erfindung' sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die wesentlichen Merkmale der Erfindung lassen sich folgendermaßen kurz zusammenfassen. Zur Reduzierung der Interdiffusion zwischen den zu verbindenden Materialien sollen sich diese Materialien im thermodynautischen Gleichgewicht befinden und Mischkristalle enthalten, die in beiden zu verbindenden Materialien in stabiler Form vorliegen. Bei den Mischkristallen (oder den Zwischenphasen) handelt es sich um Systeme mit mehreren Komponenten;

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Ein besonders gutes Beispiel hierfür bilden die intermetallischen : Verbindungen, die zum Kontaktieren zweier metallischer Materialien verwendet werden. _;

Als besonderes Ausführungsbeispiel werden widerstandsbehaftete j Verbindungen für supraleitende übertragungsleitungen in Josephson-; Kontaktschaltungen beschrieben. Diese widerstandsbehafteten Ver- : bindungsleitungen bestehen aus intermetallischen Verbindungen . oder Mischkristallen, die bei den interessierenden Temperaturen j nicht supraleitend sind und die in den supraleitenden Übertragungsleitungen in stabilen Phasen vorliegen.

Weiterhin schlägt die Erfindung die Herstellung von Dünnschichtwiderständen mit Hilfe einer Schichttechnik vor, in der Metallschichten übereinander niedergeschlagen v/erden, um damit nichtsupraleitende Verbindungen herzustellen, die einen geeigneten Widerstandswert für die Kontakte zu supraleitenden übertragungs- . leitungen aufweisen. Diese Verbindungen liegen in den Übertragungsleitungen als stabile Phasen vor, so daß die Widerstände und die übertragungsleitungen im thermodynamischen Gleichgewicht mit minimaler Interdiffusion sind. Die durch die Erfindung bewirkte Verringerung der Interdiffusion zwischen verschiedenen Materialien ergibt Kontakte und Dünnschichtwiderstände sehr großer Stabilität. Diese lassen sich überall dort einsetzen, wo Kontakte und Anschlüsse zwischen verschiedenen Materialien hergestellt werden müssen, beispielsweise für die Zuführungsleitungen von Schaltkreisplättchen (Chips). Mit besonderem Vorteil werden die erfindungsgemäßen Kontakte jedoch in supraleitenden Schaltkreisen eingesetzt, so beispielsweise für die Anschlußbahnen eines supraleitenden Chips oder innerhalb einer Schaltung zum Verbinden von supraleitenden Leitungen und normalleitenden Widerständen, die entsprechend der Erfindung aufgebaut sind. Neben der eigentlichen Alterungsbeständigkeit und Stabilität der Kontakte selbst wird dadurch auch die Stabilität des gesamten Schaltkreis günstig beeinflußt.

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Wird in der vorliegenden Beschreibung ein Material als normal bezeichnet, (d.h. nicht supraleitend), so bezieht sich dies auf j die Materialeigenschaften bei den interessierenden Temperaturen, ι Beispielsweise liegt die Betriebstemperatur eines typischen Schaltkreises mit Josephson-Kontakten bei der von flüssigem Helium (4,2 ° K); somit wäre in dieser Sprechweise ein Material, das nur bei Temperaturen kleiner- als 4,2 ⁰K supraleitend ist, ein normalleitendes Material bei den interessierenden Temperaturen (d.h. bei den Temperaturen, bei denen das Gerät mit diesem Material benutzt wird).

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schaltkreis mit Josephson-Tunnelkontakten,

der Verbindungsleitungen und Abschlußwiderstände umfaßt,

Fign. 2A und 2B eine Aufsicht bzw, ein Querschnitt eines Teils

der elektrischen Schaltung in Fig, 1 mit den darin enthaltenen metallurgischen Kontakten

3 die Konzentration an In in der Pb-In-Phase einer Pb-In-Au-Legierung, aufgetragen über der Au-

■ Konzentration

4 einen Teil eines ternären Phasendiagramms für ein Pb-In-Au-Legierungssystem,

Fign. 5A und 5B Seitenansichten zur Darstellung,wie Zwiischenpha-

sen (Mischkristalle) in einem Pb-In-Au-System hergestellt werden können,

Fign. 6A und 6B eine weitere Technik zur Herstellung besonders

stabiler Phasen eines Systems Pb- In-Au

Fign. 7A und 7B zwei strukturmäßig verschiedene, metallurgisch YO 973 050

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jedoch äquivalente Verbindungen für die Leiter Sl und S2 derart, daß die Interdiffusion minimal ist

Fign. 8A und 8B zwei Möglichkeiten zur Herstellung von Verbindungen zwischen einem Schaltkreisplättchen und einem Modul, so daß die metallurgischen Eigenschaften der Verbindungsleitungen eine Interdiffusion zwischen den elektrischen Leitungen auf dem Schaltkreisplättchen und dem Modul so gut wie ausschließen.

In Fig, 1 ist ein Schaltkreis mit einem Josephson-Kontakt JTD dargestellt, der aus mit einem Supraleiter 10 verbundenen supraleitenden Elektroden besteht. Der Supraleiter 10 ist mit einer Stromquelle verbunden, die einen Strom I durch den Josephson-Kontakt liefert. An die Elektroden des Josephson-Kontakts angeschlossen sind supraleitende Leitungen Sl und S2, Diese Leitungen können eine supraleitende übertragungsleitung darstellen, wie es beispielsweise aus der US-PS 3 758 795 bekannt ist. Ein Widerstand R dient zum Abschluß der Leitungen Sl und S2. Entsprechend der genannten US-PS kann der Wert des Widerstands R so gewählt werden daß in der aus Sl und S2 gebildeten supraleitenden Schleife Reflexionen praktisch unterdrückt werden, wenn JTD von seinem supraleitenden zum normalleitenden Zustand umschaltet.

Eine Steuerleitung 12 ist mit einer Stromquelle verbunden, die einen Steuerstrom I liefert. Der Strom in der Leitung 12 kann bekanntlich zur Änderung des maximal zulässigen Josephson-Stroms benutzt werden, der durch JTD tunnelt. Auf diese Weise kann der Josephson-Kontakt von seinem supraleitenden zum normalleitendeη Zustand umgeschaltet werden, um damit einen Stromimpuls in die supraleitende Übertragungsleitung aus Sl und S2 abzugeben.

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; Die Figuren 2A und 2B zeigen den Abschlußwiderstand R der Supra-1 leiter Sl und S2 im Schaltkreis der Fig. 1. Die Supraleiter Sl [ und S2 bilden einen elektrischen Kontakt mit dem Widerstand R. • Sl und S2 sind ebenso wie der Widerstand R über einer Isolier-

!schicht 14 niedergeschlagen, die ihrerseits auf einer supraleitenden Grundplatte 16 gebildet wurde. In einem typischen ¹ Josephson-Schaltkreis besteht die Grundplatte 16 aus Nb, die Isolierschicht 14 aus Nb-Oxid, beispielsweise Nb₃O . über der ;Nb-Oxidschicht kann ein weiterer Isolator, wie SiO angeordnet 'sein. Der Josephson-Kontakt besitzt weiterhin Elektroden aus einer Bleilegierung, beispiels weder Pb-In-Au. Die Supraleiter Sl ^: und S2 können ebenfalls aus diesen Bleilegierungen aufgebaut sein.

Die Fig. 2B zeigt einen Querschnitt der in Fig. 2A dargestellten Struktur, Ersichtlich wird der Widerstand R direkt auf das Sub- \strat 14 aufgebracht und danach die Supraleiter Sl und S2 zur !Herstellung eines elektrischen Kontakts mit dem Widerstand R,

Bei einer bevorzugten Herstellungsweise dieser Schaltung wird j der Widerstand R auf der Isolierschicht 14 über der Grundplatte !niedergeschlagen und danach die Grundelektrode des Josephson-Kontakts hergestellt. Daraufhin wird die Tunnelgrenzschicht gebildet und anschließend die Gegenelektrode aufgebracht. Im folgenden Schritt werden die Übertragungsleitungen hergestellt, dann die Isolierung aufgebracht und schließlich die Steuerleitung er- ;zeugt. Hierbei können konventionelle Niederschlagsmethoden verjwendet werden, wie z.B., Aufdampfen oder Kathodenzerstäuben. Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht der Widerstand R aus einem Multikomponenten-System, welches aus einer stabilen Phase der in den Supraleitern Sl und S2 enthaltenen Materialien besteht. Der Widerstand R besteht also aus einem Material, das sich thermodynamisch im Gleichgewicht mit Sl und S2 befindet. Thermodynamisches Gleichgewicht zwischen zwei Materialien heißt hier im Sinne der Erfindung, daß zwischen ihnen keine atomaren Migrations-

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vorgänge in größerem Umfang auftreten. Effekte höherer Ordnung, beispielsweise Oberflächenenergien, elastische Energien, Entropie usw. werden für die vorliegende Betrachtung vernachlässigt.

Das Material des Widerstands R umfaßt weiterhin einen Mischkristall, der als stabile Phase in Sl und S2 vorliegt. Dieser Misch- !kristall ist ein Multikomponentensystem und kann beispielsweise ;aus intermetallischen Verbindungen bestehen. In einigen Fällen ;besteht der Widerstand R aus zwei Materialien, die in Sl und S2 ■stabile Phasen bilden. Die Verwendung von mehrfachen Phasen im Widerstand R erlaubt die Variation der Widerstandswerte. Außerdem kann die Reproduzierbarkeit der Widerstandswerte und die Stabilität verbessert werden.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden solche Mischkristalle herangezogen _? die in den Phasendiagrammen der Materialien deutlich hervortreten« Durch diese Definition werden Elemente und andere Bestandteile ausgeschlossen, die in anderen Materialien nur in mikroskopischen Mengen vorhanden sind (beispielsweise kön-Inen Pb-Cu-Systeme existieren, bei denen das Cu nur in mikroskopischen Mengen in benachbarten Pb-Leitungen vorhanden ist). Wenn der Widerstand R die oben beschriebenen Bedingungen erfüllt, ist er stabil und weist mit den Supraleitern Sl und S2 nur eine minimale j Interdiffusion auf. Die Erklärung hierfür ist, daß die treibende ^! Kraft für die Interdiffusion verschwindend klein wird, wenn der Widerstand R aus einem Multikomponenten-System besteht, das in Sl und S2 stabile Phasen bildet.

In der folgenden Beschreibung brauchen die Leiter Sl und S2 nicht supraleitend zu sein und es ist auch nicht erforderlich, daß das Material R ein Widerstand ist. Die folgenden Beispiele beschreiben also allgemein elektrische Kontakte zu einem Material (mit R bezeichnet), bei denen eine minimale Interdiffusion auftritt. Beispiele werden für Supraleiter und für Nichtsupraleiter gegeben. Ist R ein Widerstand für einen supraleitenden Schaltkreis, sollte

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er selbst nicht supraleitend sein, um bei den cryogenen Betriebstemperaturen einen Widerstand aufzuweisen. Wenn das Material R nicht als Widerstand verwendet werden soll, braucht diese Bedingung natürlich nicht erfüllt zu sein.

Die elektrischen Kontakte und Widerstände der vorliegenden Erfindung besitzen in den gewünschten.Temperaturbereichen die interessierenden stabilen Kennwerte. Wird beispielsweise ein supraleitender Schaltkreis verwendet, so liegen die gewünschten Temperaturbereiche zwischen den cryogenen Temperaturen und ungefähr 100 C.

Da als Beispiele oft Legierungen mit Pb, In und Au verwendet werden, sollen zuerst Systeme beschrieben werden, die aus diesen Materialien bestehen. Die folgende Beschreibung erläutert daher einige Einzelheiten der metallurgischen Probleme mit binären und ternären Systemen aus diesen Elementen,

Fig. 3 zeigt die In-Konzentration in der Pb-In-Phase von dünnen Schichten aus Pb-In-Au-Legierungen als Punktion der gesamt Au-Konzentration in den dünnen Schichten. Diese Kurve wurde ebenso wie das ternäre Phasendiagramm von Fig. 4 durch Analyse der Beugungsfiguren von In + Pb + Au + Pb und In + Au + Pb-Filmen erhalten, die nacheinander (mit konventionellen Methoden) auf einem Substra niedergeschlagen wurden (das Pluszeichen soll andeuten, daß die Dünnschichten in dieser Reihenfolge niedergeschlagen wurden) und dann bei 75 ⁰C während zwei Stunden getempert oder bei Zimmertemperatur 6 Wochen lang nach dem Niederschlag gelagert wurden. Die Filmlegierungen mit 8 Gewichtsprozent In und bis zu ungefähr 6 Gewichtsprozent Au enthalten Pb-In als Mischkristallphase und eine Auln₂-Phase, Wird jedoch die Au-Konzentration über 6 Gewichtsprozent (bis ungefähr 12 Gewichtsprozent) erhöht, so zeigte die Röntgenbeugung das Vorhandensein einer zusätzlichen Phase (AuIn). In diesem Bereich mit drei Phasen blieb die Zusammensetzung jeder Phase in Übereinstimmung mit der Phasenregel konstant. Die Untersuchung der relativen Linienintensitäten in den Beugungsmaxima zeigte, daß der Anteil von AuIn auf Kosten von

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- 12 zunahm, wenn die Au-Konzentration von ungefähr 6 auf 12

!Gewichtsprozent erhöht wurde.

In Fig. 3 nimmt die In-Konzentration der Pb-In-Phase linear von ungefähr 8 Gewichtsprozent mit steigender Au-Konzentration ab. Die dritte Phase (AuIn) erscheint, wenn die In-Konzentration der Pb-In-Phase ungefähr 0,8 Gewichtsprozent beträgt. Die In-Konzentration in der Pb-In-Phase in dem Zweiphasenbereich kann ungefähr aus der Beziehung C- = Co - l»3C_Au abgeschätzt werden, wobei die | Konzentration C in Gewichtsprozent angegeben ist und Co die In- ^: diumkonzentration der Legierung bedeutet. ,

Fig. i\ zeigt einen Auschnitt aus einem ternären Phasendiagramm des Pb-In-Au-Systems in einem Bereich mit hoher Pb-Konzentration. Dieses Diagramm gibt die möglichen Phasen an, die bei verschiedenen Zusammensetzungen und Temperaturen vorliegen. Es stellt nur einen kleinen Teil des vollständigen Phasendiagramms dieses terjnären Systems dar, doch reicht dieser zur Besprechung der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Legierungen aus.

Genauer stellt Fig, 4 den Pb-reichen Abschnitt des ternären Pb-In-Au-Phasendiagramms bei Zimmertemperatur und Normaldruck dar. Es zeigt, daß der Zweiphasenbereich aus einem Mischkristall Pb-In und aus Auln„ besteht. Ein Dreiphasenbereich, der erscheint, wenn die Au-Konzentration ungefähr 6 Prozent beträgt, besteht aus einem Mischkristall aus Pb-O,8 Gewichtsprozent In. Die In-Konzentration bleibt ungefähr konstant für Legierungen mit mehr als ungefähr 6 Gewichtsprozent Au. Die beiden anderen Phasen in diesem Dreiphasenbereich des ternären Systems sind AuIn und AuIn₂.

In den folgend besprochenen Beispielen können die Materialien für Sl und S2 supraleitend oder normalleitend sein. Das mit R bezeichnete Material kann entsprechend einen Widerstand oder einen elektrischen Kontakt darstellen. Das Material R braucht auch nicht mit zwei anderen Leitern Sl und S2 in Verbindung stehen. Es ge-

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. nügt auch ein Kontakt mit einem einzigen Leiter. Die folgenden • Beispiele sind also sehr allgemein und decken verschiedene mög-■ liehe Konfigurationen ab, in denen verschiedene Materialien in Sl, S2 und R verwendet werden.

System 1

: R besteht aus einem Material A, wobei A sowohl in Sl als auch I S2 enthalten ist. Sl und S2 sind identisch. In diesem Fall ist

j die treibende Kraft F für die Interdiffusion null. Das Material A

ι ■ - -

ί ist eine stabile Phase, die sowohl in Sl als auch in S2 vorliegt.

Ein Beispiel für dieses System ist Sl = S2 = Pb - 8 Gew. # In 0 bis zu 6 Gew. % Au und A = AuIn₂. Da AuIn₂ bei Temperaturen über 0,3⁰K normalleitend ist, kann es als Widerstand benutzt werden, wenn die Materialien Sl und S2 Supraleiter sind und die Betriebstemperatur 4,2 % K (flüssiges Helium) beträgt.

: Ein weiteres Beispiel ist gegeben durch Sl. = S2 = Pb - ungefähr ; 5 Gew. % Mg und A = Mg₂Pb. Hier ist Mg₂Pb bei der Betriebstempe-I ratur ein normalleitendes Metall und eine stabile Phase von Sl ; und S2, Als normalleitendes Metall kann es als Widerstand in einer I supraleitenden Schaltung verwendet werden. Sind jedoch nur reine elektrische Kontakte erforderlich, so würde ein Mischkristall R = Pb- Mg genügen, da dieser ebenfalls in Sl und S2 als stabile i Phase vorliegt,

I Ein weiteres Beispiel" ist gegeben durch Sl = S2 = Pb - 28 Gew. % j Au und A = AuPb₂ oder AuPb₃. Hier sind sowohl AuPb₃ und AuPb stabile Phasen in Sl und S2, Jedoch ist AuPb₃ bei ungefähr 4 ⁰K ein Supraleiter und kann somit in supraleitenden Schaltungen nur schlecht als widerstandsbehaftetes Material Verwendung finden. Aus diesem Grund wird AuPb₂ als Widerstandsmaterial vorgezogen.

' Ein weiteres Beispiel ist Sl = S2 = AuIn_-oder AuIn₃ und R = AuIn ·

I AuIn . Hier ist R = A + C, wobei C die in Sl und S2 nicht vorhan-

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- 14 dene Komponente von R darstellt.

In einem weiteren Beispiel wird für Sl = S2 eine Pb-Al-Au-Legie- ; rung verwendet und R bildet eine stabile Phase in der Legierung !von Sl und S2. Beispielsweise könnte R = AuAIp und/oder AuAl sein, !welches .in stabiler Form in Pb-Al-Au-Legierungen vorliegt.

I Ein weiteres Beispiel schließlich benutzt einen Leiter von Al-4 Gew.% Cu und R = CuAl₂, welches ein widerstandsbehaftetes 'Material ist. Wenn gewünscht, kann der Leiter auch zu .Al-25 Gew. % Au gewählt werden, während die Verbindung R = AuAl₂ !ist. Beide intermetallische Verbindungen CuAl₂ und AuAIp können ι in den erwähnten Leitern als stabile Phase existieren.

'Die Leiter Sl und/oder S2 können auch'aus Pb-In-Cu-Legierungen bestehen, wenn R = CUgln^ ist, welches als intermetallische Verbindung in ausgewählten Pb-In-Cu-Legierungen vorkommt. Ein ähnjliches Beispiel benutzt R = AgIn₂ und/oder Ag₂In, während der 'Leiter aus einer Pb-In-Ag-Legierung besteht, welche entweder beide einzeln oder zusammen in diesen intermetallischen Verbindun-I gen enthalten sind.

System 2

R besteht aus A, wobei A eine stabile Phase sowohl in Sl als jauch S2 ist. Sl ist verschieden von S2. In diesem Fall ist die re-'sultierende treibende Kraft ungleich 0, da A in Sl und S2 etwas iverschieden sein kann. Zwischen R und Sl oder R und S2 tritt keiine Interdiffusion aus. Im Gesamtsystem Sl + R + S2 ist die resultierende treibende Kraft jedoch nicht 0, es sei denn, A ist genau stöchiometrisen und damit identisch in Sl und S2. Für viele Anwendungen ist dieses System jedoch sehr gut brauchbar und die Interdiffusion ist minimal.

Ein Beispiel hierfür ist Sl = supraleitendes Pb-8 Gew.% In - 3Gew.S Au, während S2 = supraleitendes Pb - 8 Gew.% In- 8 Gew. % Au ist.

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R=A= AuIn . Damit ist A eine Phase, welche sowohl in Sl als auch S2 vorkommt und stabil ist (siehe Figuren 3 und H).

Ein weiteres Beispiel ist gegeben durch Sl = supraleitendes Pb - 8 'Gew.% In - 3 Gew.% Au und S2 (nicht supraleitend) = AuIn + AuIn₂. Das Material R= A= AuIn₂. Dieses System wird sich nicht in einem perfekten thermodynamischen Gleichgewicht befin- ₍ den, kann aber zur Herstellung eines Widerstands mit Auln_? ver- :

wendet, werden. I

I System 3

51 = S2 und R = A + B, wobei A und B verschiedene Verbindungen oder Mischkristalle sind. A und B sind sowohl in Sl als auch S2 enthalten.

Dieser Fall ist im wesentlichen derselbe wie im System 1, außer, daß hier nun zwei Phasen in R enthalten sind und beide in Sl und

52 vorkommen. Die resultierende treibende Kraft wird damit ungefähr 0 und die Interdiffusion ist vernachlässigbar.

Der Vorteil, zwei Phasen in R vorliegen zu haben, besteht darin, daß die Widerstandswerte und die anderen Eigenschaften durch das ' Vorhandensein der beiden Phasen in gewissem Rahmen modifiziert werden können. Außerdem wird die Stabilität vergrößert.

,Ein Beispiel hierfür ist Sl und S2 = Pb - 8 Gew.% In - 8 Gew.% Au. R = AuIn₂ + AuIn. Diese Phasen, aus denen R besteht, liegen in Sl und S2 vor.

i System 4

Sl Φ S2 und R = A + B, wobei A und B stabile Phasen sind. Die Pha- ! se A liegt in Sl vor und ist dort stabil, während die Phase B in ; S2 vorliegt und in dieser Phase stabil ist.

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j Die Frage, ob sich zwischen Sl und R und zwischen S2 und R eine j Interdiffusion ergibt, hängt von den Materialien ab, aus denen I diese Bestandteile aufgebaut sind.

Ein Beispiel hierfür ist Sl = AuIn₂, S2 = AuIn und R = AuIn₂ + AuIn. Hier ist A = AuIn₂ und B = AuIn.

in weiteres Beispiel ist gegeben durch Sl = Pb - 3 Gew.% In (Mischkristall), S2 = AuIn₂ (intermetallische Verbindung) und R=A+B=Pb-3 Gew.jS In +

Ein ähnliches Beispiel ist durch folgende Zusammenstellung gegeben; Wenn Sl = Pb - 8 Gew.% In- 3 Gew.% Au und S2 = Pb 8 Gew,# In - 8 Gev.% Au ist, so verhindert ein Abschluß R =

I₂Au + AuI teilweise die Interdiffusion, Zwischen R und S2 gäbe es also keine Interdiffusion, zwischen Sl und R dagegen eine Interdiffusion in geringem Umfang. In diesem speziellen Beispiel sind die stabilen Phasen von Sl die Mischkristalle AuIn₂ und Pb - In , Die stabilen Phasen von S2 sind AuIn, AuIn₂ und der Mischkristall Pb-In. Damit umfaßt R zwei Phasen, die beide in S2 vorkommen, während nur eine Phase von R in Sl enthalten ist. Das ganze aus Sl, R und S2 bestehende System ist nur dann stabil, wenn A und B bei gewissen Zusammensetzungen stabil sind. Wenn dies der Fall ist, so haben alle Materialien in allen Teilen des Systems dasselbe chemische Potential und es herrscht Gleichgewicht.

System 5

R besteht aus zwei Phasen, A und B. Sl ist verschieden von S2. Sl besteht aus A + C und S2 aus B + C.

Dieses System ist nur dann im thermodynamischen Gleichgewicht, wenn die Mischkristalle A und B bei gewissen Zusammensetzungen stabil sind. Wenn A und B nur in festgelegten stöchiometrischen Zusammensetzungen auftreten, so herrscht im gesamten System

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- 17 ' S1-R-S2 thermisches Gleichgewicht.

Die Phase A steht im Gleichgewicht mit Sl = A + C, ebenso mit : der Phase B. Diese Gleichgewichte sind jedoch verschieden, so daß einige treibende chemische Potentiale existieren. Deshalb müssen ,A und B feste Zusammensetzungen ohne stöchiometrische bandbreite besitzen, um das gesamte System thermodynamisch iris Gleichgewicht zu bringen. Dasselbe gilt für den Fall R = A + B und jS2 = B +C. Systeme, die aus Materialien aufgebaut sind, die ent-■ sprechend diesen Regeln ausgewählt wurden, sind thermodynamisch jstabil und können für elektrische Kontakte und Widerstände ver-

I -

I wendet werden.

i - ■ ■ -

ί System 6

i Sl ύ und R = A + B, wobei A und B Phasen sind, die miteinander im thermodynamischen Gleichgewicht stehen. Der Leiter Sl besteht I aus A und C, während der Leiter S2 die Zusammensetzung B + D auf-• weist,

j Wie im Fall 5, steht das gesamte System Sl - R - S2 im thermodynamisch en Gleichgewicht, wenn die Phasen A und B innerhalb sehr j enger Bereiche ihrer Bestandteile stabil sind. D.h., die Phasen JA und B, die in Sl bzw, S2 vorliegen, müssen stöchiometrisch sein, damit das gesamte System im Gleichgewicht steht, R steht jedoch nicht im vollständigen thermodynamischen Gleichgewicht mit Sl und S2, da die Phase B nicht in Sl vorkommt und die Phase A nicht in S2,

In den Figuren 5A bis 7B sind verschiede Möglichkeiten dargestellt, wie für Josephson-Kontaktschaltkreise geeignete Widerstände bzw. wie Kontaktelemente für elektronische Baugruppen,hergestellt werden können.

Fig, 5A zeigt Schichten In, Au und In, die nacheinander auf einem

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S Substrat Ik niedergeschlagen wurden. Typischerweise haben die In-I Schichten eine Dicke von ungefähr 1000 $, die Au-Schicht ist un-. gefahr 800 S dick. Diese Schichten werden in der angezeigten Reihenfolge durch Kathodenzerstäubung oder Aufdampfen niedergeschlagen. Natürlich können Au und In auch gleichzeitig aufgedampft werden. Die Diffusion der Schichten erfolgt bei Zimmertemperatur und ergibt dann die Struktur von Fig. 5B. Dort sind die Phasen AuIn und AuIn₂ enthalten.

Die in Fig. 5B dargestellte Struktur weist einen spezifischen elektrischen Widerstand auf, der verschieden von dem einer Struktur ist, die Au und In im stöchiometrischen Verhältnis enthält. Beispielsweise hat die Struktur in Fig. 5B einen höheren spezifischen Widerstand als AuIn₂ (für dieselben Dimensionen). Wenn die Schichten in Fig. 5A mit einer Au-KQnzentration niedergeschlagen werden, die höher ist als AuIn₂» so bilden sich im Innern des Films Au-reiche intermetallische Verbindungen, während an den Oberflächen hauptsächlich AuIn₂ auftritt (wenn Au "< 62%) und möglicherweise noch ein wenig elementares In.

Die entsprechend Fig. 5B zusammengesetzte Schicht kann zur Kontaktierung von Pb-In-Au-Schichten in der früher beschriebenen Weise verwendet werden. Bleibt nach der Bildung von AuIn₂ ein kleiner Rest von In übrig, der nicht reagiert hat, so kann die- j ser in die Pb-In-Au-Schicht diffundieren und läßt damit AuIn₂ j

im Kontakt mit den Pb-In-Au-Schichten. Bleibt andererseits ein ί kleiner Rest von Au übrig, der nicht reagiert hat, so kann dieser | in die Pb-In-Au-Schichten eindiffundieren, ohne den spezifischen I Widerstand der Auln₂-Schichten zu beeinflussen. Solche Restmen- J gen von Au oder In können auftreten, wenn größere Mengen dieser Materialien verwendet werden als der Bildung der Verbindung ent- I spricht, j

In den Widerständen nach den Fign. 5A, 5B, 6A und 6B können die

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J intermetallischen Verbindungen· von In und Au entsprechend den relativen Beträgen dieser Materialien variiert werden. Weiterhin ^; kann auch die Reihenfolge des Niederschlags der Schichten verändert werden. Beispielsweise könnte in Pig. Sk zuerst In niederge- ;schlagen werden und danach eine Au-Schicht. Da die relativen 'Dicken der In- und Au-Schichten die relativen Mengen eines jeden !Materials bestimmen und damit auch die gebildeten Verbindungen, können auf diese Weise bequem Dünnschichtwiderstände mit interimetallischen Verbindungen hergestellt werden» Aus dem Zweiphasendiagramm des In-Äu-Systems kann noch folgendes entnommen werden:

: 1. Beträgt der Gewichtsanteil von Au weniger als 46$, so

;ergibt sich AuIn₂ und freies In. Dieses freie In kann in die Leiiter diffundieren, die mit dieser Struktur (dem In-Au-System) im iKontakt stehen, insbesondere, w.enn die Leiter aus Legierungen, ^:wie z,B, Pb - 8 Gew.# In - 3 Gew_f# Au bestehen,

j 2, Beträgt der Gewichtsanteil von Au ungefähr 46 bis 62%

iund der von In ungefähr 54 bis 38 %, so ergeben sich die Verbindungen AuIn und AuIn₂* Diese können ebenfalls zum Kontaktieren ;von Pb-In-Au-Legierungen verwendet werden., da diese Verbindungen 'dort ebenfalls als stabile Phasen vorkommen.

3. Wenn der Gewichtsanteil von Gold größer ist als ungefähr 63$ und bis zu ungefähr 80$, so bilden sich bei der gegenjseitigen Diffusion van In und Au die Verbindungen Äugln, und AuIn. Diese sind ebenfalls stabile Verbindungen, die als Widerstände ,oder Kontakte zu Leitern verwendet werden können, die diese Ver-{bindungen als stabile Phasen enthalten.

iDie Figuren 6A und 6B zeigen andere Reihenfolgen, in denen die !Niederschläge aufgebracht werden, um stabile Phasen von In und Au zu erhalten. In Fig, 6A wird eine Au-Schicht (typischerweise von ungefähr 800 °Q auf einem Substrat 14 niedergeschlagen und !danach auf der Goldschicht eine In-Schicht von ungefähr 2000 S Dicke. Da Au und In eine hohe gegenseitige Diffusivität aufwei-

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I sen, ergibt sich die Struktur von 6B. Dort liegt eine Schicht der ' 'Phase AuIn unter einer Schicht der Phase

Betragen die Gewichtsanteile von Au und In 56 bzw. 44 %_t so er- ;

gibt der Niederschlag der Au- und In-Schichten die in Fig. 6B '

dargestellten Phasen. Durch Abweichungen der Au- und In-Mengen j vom stöchiometrischen Verhältnis können also verschiedene Pha-

sen geformt werden (inclusive der Phasen AuIn, AUgln^ usw.), die j als elektrische Kontakte oder als Widerstands behaftete Verbindungeil verwendet werden können. Ist beispielsweise die In-Schicht ungefähr 2000 % dick und die Au-Schicht ungefähr 653 8, so ergibt sich die Verbindung AuIn,,.

Im Fall von AuIn₂ gehören zu den Leiterschichten, die durch Niederschlagstechniken mit diesem Material in elektrischen Kontakt gebracht werden können, solche der Zusammensetzung Pb- 8 Gew.% In ·* 3 Gew. % Au. Diese Kontakte aus Blei legierungen lassen sich durch Niederschlag der Legierungen auf der Aulru-Schicht herstellen. Da AuIn im thermody.namisehen Gleichgewicht mit AuIn₂ steht, existiert keine chemische Treibkraft und die Interdiffusion im System ist damit minimal.

Bei der Verwendung von Auln₂-Widerständen zusammen mit Pb-In-Au-Schichten ergeben sich mehrere Vorteile. Infolge der relativ hohen Diffusivitäten (der Diffusionskoeffizienten) von Gold in Indium und umgekehrt, besteht die Möglichkeit, die Verbindungen auch dann bei relativ tiefen Temperaturen herzustellen, wenn die Au- und In-Schichten nacheinander niedergeschlagen werden. Die möglicherweise schädlichen Auswirkungen von erhöhter Temperatur und von thermisch induzierten Spannungen in den Schichten, die vor der Herstellung der Widerstandsschicht niedergeschlagen wurden, sollten dadurch sehr gering bleiben. Beispielsweise kann es notwendig sein, den Widerstand bei verhältnismäßig tiefen Temperaturen (unter ungefähr 100 ⁰C) aufzubringen, um entsprechend der früheren Beschreibung eine mögliche Diffusion von Sauerstoff in eine angrenzende Grundplatte zu verhindern.

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'Ein weiterer möglicher Vorteil bei der Verwendung von AuIn₉-Wi- \ derständen liegt im Vorhandensein von überschüssigem In im System. ;Ist die In-Konzentration größer, als dies dem stoechiometrischen ¹ Verhältnis von AuIn₂ entspricht, so bleibt unterhalb von 154 ⁰C : reines In im thermischen Gleichgewicht mit AuIn₉. In diesem Fall '; ist zu erwarten, daß ein kleiner Überschuß von In im Widerstand ί sehr leicht in die Pb-In-Au-Legierungsschichten der Zwischenverbindungen diffundiert, ohne dabei einen Kontaktwiderstand hervorzurufen oder die supraleitenden Kennwerte dieser Verbindungslei-I tungen zu ändern.

Wie erwähnt, können Auln^-Schichten durch schrittweises Aufdampfen : von ungefähr 54 % In und 46 % Au erzeugt werden. Der Druck wäh-I rend dem Niederschlagsprozeß kann, in der Größenordnung von 10**'

Torr liegen und die Substrate bleiben während des Niederschlags , auf einer Temperatur von ungefähr 75 ⁰C, Typischerweise werden Niederschlagsgeschwxndigkeiten von ungefähr 1 bis 10 Ä/sec. ver^ I wendet und die gesamte Schichtdicke liegt bei ungefähr 2600 2.

j Beugungsuntersuchungen an einem Zusammengesetzen Widerstand mit I 55 % In und 45 % Au zeigen das Vorhandensein von ungefähr ~5% freiem Indium zusätzlich zur Verbindung AuIn₉. Dieses überschüssige Indium wird jedoch, wie früher beschrieben, in die anstoßenden elektrischen Kontaktschichten diffundieren.

Der spezifische Widerstand/Piaehe von Einphasen-Aulng-Schichten (ungefähr 2600 8 'dick) bei 4,2 ⁰K beträgt ungefähr 0,1 Ohm/Fläche ± *15#. Eine Variation von +_ 15# kann nicht als wesentlich angesehen werden, wenn die vielen verschiedenen Bedingungen beim Niederschlag der einzelnen Proben und die Variationen in der Probengeometrie berücksichtigt werden. Bei einem Zweipha- " senwiderstand mit AuIn und AuIn₉ und einer Dicke von ungefähr 2600 A* beträgt der spezifische Widerstand ungefähr 0,2 Ohm/Fläche. Im Fall eines Zweiphasenwiderstands aus Augln^ und AuIn mit einer Dicke von ungefähr 2600 K beträgt der spezifische Widerstand ungefähr 0,4 0hm/Fläche. Es ist also möglich, .verschiedene Wider-

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standswerte zu erhalten, indem Widerstände mit verschiedenen und/oder multiplen Phasen verwendet werden. Außerdem kann der Wert eines Zweiphasenwiderstands durch Änderung seiner Phasen variiert werden. So besitzt ein Widerstand aus AuIn + Au_nIn,. einen höheren spezifischen Widerstand als ein Widerstand der Zusammensetzung AuIn₂ + AuIn.

Der Wert eines Dünnschichtwiderstands gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich auch durch Variieren der Niederschlagsgeschwindigkeit der Au-Schicht ändern, die auf einer In-Schicht aufgebracht wird oder entsprechend durch Änderung der Niederschlagsgeschwindigkeit einer In-Schicht, die auf einer Au-Schicht erzeugt wird. Schließlich kann der Widerstandswert dieser zusammengesetzten Widerstände durch Änderungen der Substrattemperatur während des Niederschlagsprozesses geändert werden. Diese In-Au-Widerstände lassen sich somit bei Substrattemperaturen von typisch ungefähr 100 ⁰C niederschlagen und weisen im allgemeinen eine Dicke von ungefähr 4000 Ä auf.

Werden diese so erzeugten Schichten von AuIn₂ zwei Stunden lang bei 100 ⁰C getempert, so nimmt der Widerstand um weniger als 3% ab. In der Schichtzusammensetzung oder der Struktur treten keine wesentlichen Änderungen auf» Nach dem Tempern eines Widerstands mit einer oben liegenden Pb-In-Au-Schicht zeigte die Beugungsanalyse» daß in diesem System die chemische Treibkraft für Interdiffusion 0 ist.

Dünne Schichten von AuIn₂ können somit in Betracht gezogen werden, um Pb-In-Aü-Legierungsschichten, die als Verbindungsleitun- j gen in Josephson-Kontaktschaltungen verwendet werden, widerstandsH mäßig abzuschließen. Experimentell gemessene Werte der Widerstände von AuIn₃-Schichten bei 4,2 ⁰K lagen bei ungefähr 0,1 Ohm/Fläche, ihr Widerstandsverhältnis ^R298^ok/^R4 2^oK ^betruS ungefähr 4,5. Nimmt] man die durchschnittliche Filmdicke des Widerstands (ungefähr 2600 8) zur Abschätzung des spezifischen Widerstands, so ergibt sich dieser bei 4,2 ⁰K zu ungefähr 2,6 Mikro-Ohm-cm. Dieser Wert

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; steht in Übereinstimmung mit den Daten für· massive Proben von AuIn₂ wenn berücksichtigt wird, daß der spezifische Widerstand

■ des Dünnschichtleiters bei tiefen Temperaturen infolge der Abmessungen, des Vorhandenseins von Korngrenzen, von Fehlstellenkonzentration' usw. größer ist als im Fall von massiven Proben.

^! In den Figuren 5B und 6B sind die aus Au-In-Verbindungen bestehenden Anschlüsse als Schichten dargestellt, d.h., die AuIn und

; Aulnp-Verbindungen haben sich schichtförmig angeordnet. Wird das Gold und das Indium ursprünglich als Schicht niedergeschlagen, so besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit für derartige zusammengesetzte Schichten; dieser Fall ist jedoch idealisiert. Die Verbindungen AuIn und Auln_? werden eher innerhalb des zusammengesetzten Widerstands oder des Kontaktbereichs verteilt sein, Da-• durch ändert sich jedoch das hier beschriebene Prinzip nicht«,

; Die Figuren 7A und 7B zeigen eine andere Struktur für elektrische Anschluß verb indungen oder widerstandsbehaftete Abschlüsse. Hier sind die Leiter Sl und S2 in elektrischem Kontakt mit einer Struktur R, die aus den Phasen A und B besteht. Die Anschlüsse ' sind so ausgestaltet, daß Sl und S2 mit der Phase A von R in > Kontakt stehen.

In Fig. 7B ist eine zur Fig. 7A analoge Ausführungsform dargestellt und die Anordnung der verschiedenen Schichten auf dem Substrat 14 angegeben. Die Strukturen der Figuren 7A' und 7B sind metallurgisch äquivalent. Die Verbindung R besteht aus einer ersten Schicht der Phase B, auf die eine zweite Schicht der Phase A niedergeschlagen wird. Die Dicken dieser beiden Schichten sind nicht kritisch, insbesondere können beide ungefähr gleich dick seein. Beim Aufdampen der Leiter Sl und S2 wird der Kontakt zur Schicht der Phase A erzeugt.

In diesen Beispielen liegt die Phase A in Sl und S2 vor, die Phase B ist jedoch in Sl und S2 nicht enthalten. Sind jedoch die

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Phasen A und B gegenseitig im thermischen Gleichgewicht, so findet zwischen A und Sl und zwischen A und S2 keine resultie- : rende Diffusion statt. Die Phase wird sich nämlich in der Ver- ; bindung R nicht ändern, da sie mit Sl und S2 im Gleichgewicht j steht. j

Für die Phase A kann beispielsweise AuIn verwendet werden, für j die Phase B AuIn. Die Leiter Sl und S2 bestehen, wie früher be- | schrieben, aus Pb - 8 Gew.% In 3 Gew.% Au-Legierungen.

I Da die Phase B nicht im Kontakt mit Sl und S2 steht, kann sie j

aus jedem Material bestehen, welches im Verhältnis zur Phase ;

A stabil ist (d.h. für das bei den interessierenden Temperaturen i keine Diffusion zwischen A und B auftritt). Besteht die Phase A S beispielsweise aus AuIn₀ und Sl aus Pb - 8 Gew. % In - 3 Gew.% Au,ι so kann die Phase B ein hochschmelzendes Material (beispielsweise Ti) sein, welches bei der Betriebstemperatur nicht mit der Phase A reagiert; die Phase B kann aber auch wie im früher.beschriebenen Fall aus AuIn bestehen.

Elektrische Zwischenverbindungen und äußere Anschlüsse

Die vorliegende Erfindung kann auch zur Herstellung von elektrischen Verbindungen zwischen Leitern verwendet werden, so insbesondere bei der Verdrahtung von supraleitenden Bauelementen. Der Einsatz von aus mehreren Komponenten bestehenden stabilen Phasen, die in den zu verbindenden Materialien stabil sind, verringert die Interdiffusionsproblerne auf ein Minimum,

Fig. 8A zeigt einen Schaltkreismodul 18, an dessen Rand ein Leiterzug 20 angebracht ist. Der Modul 18 soll mit den Schaltkreisplättchen (Chips) 1, 2 und 3 verbunden werden, die auf. einem geeigneten Substrat 22 angeordnet sind, Die einzelnen Chips können natürlich auch auf separaten Substraten liegen. Die Chips 1-3 können beispielsweise supraleitende Schaltungen mit Josephson-Tunnelkontakten enthalten.

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Die Chips 1-3 besitzen Leiterzüge 24, die mit dem Leiter 20 über Ans chlußverbindimgen 26 verbunden werden sollen.

Im Fall eines supraleitenden Schaltkreises besteht der Leiter 20 ; beispielsweise aus Pb-ungefähr 5 Gew.% In oder Pb-8 Gew.% In-' 3 Gew.% Au. Der Leiter 24 auf dem Schaltkrexsplättchen könnte ; aus Pb-8 Gew.# In-3 Gew.# Au bestehen. Geeignete Verbindungslei-. tungen 26, bei denen keine Interdiffusion in dem aus den Leitern , 20, 24 und 26 bestehenden System auftritt, könnten aus AuIn₂ oder j Pb-5 Gew.% In bestehen. AuIn₂ ist eine intermetallische Verbin- ; dung, während Pb-5 Gew.% In ein Mischkristall aus Pb und In ist. Besteht der Leiter 20 aus Pb-3 Gew.% In, so ist die Ansehlußver- '■ bindung 26 aus AuIn₂ thermodynamisch stabil im Verhältnis zum Leiter 20 und es tritt keine Diffusion zwischen dem Leiter 20 und der Anschlußverbindung auf. Damit sich eine supraleitende Anordnung aus den Leitern 20, 24 und den Anschlußverbindungen 26 er-, gibt, müssen die AuIn oder Aulnp-Schichten sehr dünn sein (dünner als ungefähr 100 8), Die Herstellung dieser Materialien wurde früher beschrieben und läßt sich an Hand der Kurve von Fig. 3 und , des te mären Phasendiagramms in Fig. 4 verstehen.

; In Fig. 8Bist eine Abwandlung der Anordnung von Fig. 8A darge- ; stellt, in der eine Zwischenschicht M in die Anschlußverbindungen

26 eingefügt wurde. Mit dieser Schicht soll die Belastbarkeit der Verbindung zwischen dem Modul 18 und den verschiedenen Schaltkreis plättchen verstärkt werden. Die Zwischenschicht sollte aus einem Material bestehen, das bei den interessierenden Temperaturen hinsichtlich der Diffusion stabil ist.

Der Leiter 24 in Fig. 8B kann beispielsweise aus Pb-8 Gew.% In-3 Gew.% Au bestehen und der Leiter 20 aus demselben Material oder aus Pb-5 Gew.% In. Das Material A besteht aus Pb-5 Gew. % In, die. Schicht M aus Auln_?,

In einem weiteren Beispiel besteht das Material M aus AuIn und da£

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Material A aus AuIn₂. Besteht die Schicht M aus AuIn₂ und die Schichten A aus Pb-5 Gew„$ In, so wird zweckmäßig der Leiter 20 aus Pb~5 Gew. % In hergestellt. Soll die Verbindung supraleitend ! sein, so muß die Schicht M in allen Fällen sehr dünn gewählt werden (ungefähr 100 & oder weniger), wenn sie aus normalem Material, wie z.B. AuIn oder AuIn₂ besteht. Die Verbindung 26 ist dann infolge des Proximity-Effekts supraleitend. !

Wenn das Material in den Schichten A aus AuIn₂ besteht, können die Verbindungen zwischen den' Chips und dem Schaltkreismodul 18 durch thermische Verfahren hergestellt werden. Auch wenn das Material der Schichten A aus einer lötbaren Verbindung wie Pb- 3 Gew.% In besteht, können thermische Verfahren zur Befestigung des Chips am Schaltkreismodul 18 verwendet werden. Die Dünnschichtwiderstände aus intermetallischen Verbindungen weisen einen spezifischen Widerstand auf, der für Schichtdicken unterhalb von un- ^; gefahr 1300 Ä unabhängig von der Schichtdicke ist. So besitzen Dünnschichtwiderstände mit In- und Au-Verbindungen und einem Au- : Gehalt von ungefähr 46 bis 56 Gewichtsprozent diesen invarianten ', spezifischen Widerstand. Dies deutet darauf hin, daß in Widerständen mit weniger als ungefähr 13ΟΟ S Dicke die mittlere j freie Weglänge für Elektronenstreuung konstant ist. Dieses Ergebnis steht im Gegensatz zu dem, was man normalerweise erwartet; für Anwendungen in elektronischen Schaltkreisen ist dieses Verhalten jedoch höchst erwünscht* Es bedeutet nämlich, daß die Reproduzierbarkeit des Schichtwider stands von Widerständen deren Dicke in dem Bereich des konstanten spezifischen Widerstands liegt, nur durch, die Dimension des Widerstands bestimmt wird und nicht durch irgendwelche Änderungen sonstiger Schichtkennwerte aufgrund von Änderungen der Dimension.

Die vorliegende Erfindung gibt ein Verfahren zur Verbindung von ungleichen Materialien so, daß zwischen diesen Materialien keine Interdiffusion auftritt. Daraus ergibt sich eine hohe thermodynamische Stabilität und die Anwendbarkeit dieses Verfahrens für einen weiten Bereich von Anwendungen, Besonders vorteilhaft

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ist es in supraleitenden Schaltkreise,, wo supraleitende Sehaltplättchen fest verbunden werden müssen oder wo Ab schlußwiderstände ■ an supraleitende Leitungen angeschlossen ,/erden müssen. Gemäß der Erfindung müssen in jedem der zu verbindenden Materialien gemeinsame stabile Phasen vorhanden sein.

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Claims (23)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Elektrischer Kontakt zwischen zwei Leitern in elektronischen Schaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß beide Leiter aus einer oder mehreren Verbindungen bzw. Mischkristallen bestehen und daß mindestens eine Verbindung bzw. ein Mischkristall eines Leiters als stabile Phase im anderen Leiter vorhanden ist.
2. 2. Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leiter als Widerstand ausgebildet ist.
3. 3. Kontakt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen bzw. Mischkristalle aus Metallen •bestehen,
4. ¹J, Kontakt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen bzw. Mischkristalle aus Legierungen bestehen,
5. 5, Kontakt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen bzw. Mischkristalle aus intermetallischen Verbindungen bestehen,
6. 6, Kontakt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leiter aus supraleitendem Material besteht.
7. 7, Kontakt nach Anspruch 2 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste als Widerstand ausgebildete Leiter aus einer intermetallischen Verbindung besteht und der zweite Leiter diese intermetallische Verbindung als stabile Phase enthält,
8. 8, Kontakt nach Anspruch 2 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet daß der erste als Widerstand ausgebildete Leiter aus einem Mischkristall mit mehreren Komponenten besteht und der

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   zweite Leiter diesen Mischkristall als stabile Phase ent- ^: hält.

   ;
9. 9. Kontakte nach Anspruch 1 oder 2 in supraleitenden Schal-

   ι tungen mit Josephson-Elementen, dadurch gekennzeichnet,

   j daß der erste Leiter ein supraleitendes Material und der

   ¹ zweite Leiter ein aus einem Mischkristall oder einer in-

   I termetallischen Verbindung bestehender Widerstand ist

   ■■ und daß der Mischkristall bzw. die intermetallische Ver-

   I bindung als stabile Phase im supraleitenden Leiterzug ent-

   I halten ist.
10. 10, Kontakt nach' Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der als Widerstand ausgebildete zweite Leiter aus einer dünnen Schicht besteht, deren Dicke weniger als ungefähr 1300 8 beträgt, .

    !
11. 11, Kontakt nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der

    ^! supraleitende Leiter aus einer Bleilegierung besteht,

    j
12. 12, Kontakt nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter aus einer Pb-In-Au-Legierung besteht und der Widerstand aus der Verbindung AuIn,
13. 13, Kontakt nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand aus AuIn und AuIn₂ besteht,
14. 14, Kontakt nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand aus einer Verbindung mit In und Cu besteht und daß diese Verbindung in dem aus einer Bleilegierung bestehenden Supraleiter als stabile Phase enthalten ist,
15. 15, Kontakt nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand aus einer Verbindung von In und Ag besteht und daß der aus einer Bleilegierung bestehende" Supraleiter die-

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    - 30 se Verbindung als stabile Phase enthält.
16. 16. Kontakt nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet', daß der Widerstand aus mehreren Mischkristallen oder Verbindungen besteht, die als stabile Phasen im Supraleiter enthalten sind.
17. 17. Herstellungsverfahren für die Kontakte nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der erste als Widerstand ausgebildete Leiter durch folgende Schritte hergestellt wird:

    Niederschlag einer ersten Schicht mit einem ersten Material auf einem Substrat,

    Niederschlag einer zweiten Schicht mit einem zweiten Material auf die erste Schicht,

    Interdiffusion des ersten und zweiten Materials zur Ausbildung einer stabilen Phase und einer stabilen Fehlstellenstruktur und

    daß anschließend der zweite Leiter zur Herstellung des Kontakts auf dem ersten Leiter niedergeschlagen wird.
18. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Material ein Metall ist und die Diffusion eine intermetallische Verbindung ergibt.
19. 19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Materialien zur Bildung einer Verbindung interdiffundieren.
20. 20. Widerstand nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand aus einer intermetallischen Verbindung besteht und eine Dicke aufweist, die kleiner ist als die maximale Dicke, bis zu der der spezifische Widerstand unabhängig von der Dicke bleibt.

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    i
21. 21. Kontakte nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (26) zwischen Anschlüssen (24) der Schaltplättchen (Chips) und den Anschlüssen (20) der Moduln (18) hergestellt werden, auf welche die Chips montiert sind.
22. 22. Kontakte nach Anspruch 21 in einem supraleitenden Schaltkreis, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (20, 24)

    ; -der Moduln und der Chips aus PB-In-Au-Misehkristallen bestehen und die Kontakte (26) aus der intermetallischen

    ι Verbindung AuIn in sehr dünner Schicht·

    j
23. 23. Kontakt nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die ; Kontakte (26) aus AuIn₂ bestehen.

    '. 24, Kontakt nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, • daß in den Kontakt (26) eine sehr dünne Zwischenschicht j (M) zur Verhinderung der Interdiffusion eingebaut ist.

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    Le e rs e it e