DE1047911B

DE1047911B - Verfahren zur Herstellung temperaturempfindlicher Hochohmwiderstaende geringer Waermetraegheit, insbesondere zur Strahlungsmessung

Info

Publication number: DE1047911B
Application number: DED20615A
Authority: DE
Inventors: Dr Erwin Daniels
Original assignee: DR ERWIN DANIELS
Current assignee: DR ERWIN DANIELS
Priority date: 1955-06-07
Filing date: 1955-06-07
Publication date: 1958-12-31

Description

Verfahren zur Herstellung temperaturempfindlicher Hochohmwiderstände geringer Wärmeträgheit, insbesondere zur Strahlungsmessung Die Verwendung sogenannter Feinschichtwiderstände aus dünnen Halbleiterfolien, insbesondere zur Strahlungsmessung im UR, ist bekannt. Zu ihrer Herstellung wird ein dünner Film auf eine Trägerplatte aufgestrichen. Nach Verdampfen des flüchtigen Lösungsmittels läßt sich der Film, nachdem er in Wasser gequollen ist, von der Glasfläche lösen- Nach einem Sinterungsprozeß bei Temperaturen von über 1000° C erhält man mechanisch feste Halbleiterfolien, die in Streifen geschnitten und mit Kontakten ,ersehen werden. Die so erhaltenen Widerstände sind sehr hochohmig und haben einen negativen Widerstands-Temperatur-Koeffizienten (WTK) von mehreren Prozent pro Grad Temperaturdifferenz. Ihre Stamda,rddfcke beträgt etwa 10 [,. Vermöge ihrer Dicke haben diese Feinschichtwiderstände eine relativ große Wärmekapazität und damit große Zeitkonstante, wenn man nicht für einen mehr oder weniger guten Wärmekontakt mit einer thermischen Senke sorgt. Letzteres hat naturgemäß eine Verminderung der Empfindlichkeit zur Folge. Durch Verwendung eines dünnen Luftspaltes zwischen Feinschichtwiderstand und metallischer thermischer Senke wurden beispielsweise Zeitkonstanten von 20 bis 40 ms erzielt. Kleine Zeitkonstanten sind für die Anwendung der Wechsellichtmethode, deren Vorteile hier als bekannt vorausgesetzt werden sollen, aus verstärkertechnischen Gründen wie auch für die Anzeigegeschwindigkeit sehr erwünscht.
Die Verwendung sehr dünner Metallschichten für Bolometer mit Zeitkonstanten von etwa 3 ms ist ebenfalls bekannt. Hierunter fällt auch das Wismut-Bolometer, bei dem im Vakuum auf eine etwa 40 mg, dicke Zaponlackfo:lie eine etwa 6 m#t dicke Schicht Wismut aufgedampft ist, das in diesem Zustand Halbleitereigenschaften, nämlich einen negativen WTK von etwa -0,2 % pro Grad zeigt. Die Folie ist in einem Rahmen aufgespannt, der auch die Elektroden trägt. Die Ouadratwiderstände dieser Bolo, meter liegen zwischen 100 und 300 Ohm und werden mit wenigen Volt Spannung in einer Brücke betrieben. Die Signalspannung wird unter Zwischenschaltung eines Transformators mit einem Verstärker auf einen für die Anzeige erforderlichen Wert gebracht. Wegen der kleinen Bolometerwiderstände machen sich die Kontaktwiderstände zwischen Elektroden und Wismutschicht störend bemerkbar.
Die Nachteile der bekannten Widerstandstypen werden vermieden bei temperaturempfindlichen Hochohmwiderständen aus Halbleiterfolien dünner als 1 #t" hergestellt nach einem Verfahren, das gemäß der Erfindung durch die gleichzeitige Anwendung der folgenden, an sich bekannten Verfahrensschritte gekennzeichnet ist: 1. Aufbringen einer löslichen Trägerschicht auf eine ebene Platte; 2. Erzeugung einer Halbleiterschicht auf der löslichen Trägerschicht durch Bedampfung; 3. Ablösen der Halbleiterschicht durch ein Lösungsmittel; 4. Abheben der Halbleiterfolie von der Oberfläche des Lösungsmittels mit einem. Rahmen; 5. Aufdampfen von Elektroden auf die Halbleiterfolie.
Das Verfahren gestattet ohne Schwierigkeit die Herstellung von Hochohmwiderständen in der Größenordnung 104 bis 107 Ohm bei einer Dicke von 200 ml..
Gegenüber den Feinschichtwiderständen ergeben sich hier schon ohne Wärmekontakt mit der Umgebung (im Vakuum betrieben) Zeitkonstanten von etwa 15 ms, die bei Anwendung einer thermischen Senke in Verbindung mit einem dünnen Luftspalt unter 2 ms herabgedrückt werden können. Die bei der Herstellung von Halbleitern notwendigen hohen Anforderungen an die Reinheit der Ausgangsmaterialien sind bei dem neuen Verfahren durch das Aufdampfen con selbst erfüllt.
Gegenüber den Metallbolometern ist vor allem die Hochohmigkeit von Vorteil, die es erlaubt, die Widerstände direkt an den Verstärker anzukoppeln und sie mit höherer Spannung zu betreiben und durch die auch die Kontaktwiderstände zwischen Elektroden und Widerstandsmaterial bedeutungslos werden. Da zudem auch der Temperaturkoeffizient hier etwa 10mal größer ist, entstehen von vornherein große Effekte, so, daß nicht so, hoch verstärkt zu werden braucht. Auch der große Variahilitätsbereich des Widerstandswertes bei der Herstellung der Hochohmwiderstände bedeutet - für die Anwendungstechnik einen großen Vorteil.
An Hand der Fig. 1 bis 4 wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Halbleiterfolien sowie deren Weiterverarbeitung zu Hochohmwiderständen im folgenden näher erklärt.
In Fig. 1 ist auf eine ebene Platte P zunächst eine in einem Lösungsmittel lösliche Trägerschicht T aufgebracht, auf welcher nachfolgend eine Halbleiterschicht H erzeugt wird. Fig. 2 zeigt das Ablösen der Halbleiterschicht H von der Platte P durch langsames Vordringen des Lösungsmittels W. Nach Beendigung des Ablöseprozesses schwimmt die Halbleiterschicht H als Halbleiterfolie F auf der Oberfläche des Lösungsmittels W. Mit einem Rahmen R nach Fig. 3 und 4 läßt sich. die Halbleiterfolie F bzw. ein Stück derselben leicht von der Oberfläche des Lösungsmittels W abheben. Nach dem Trocknen der Halbleiterfolie F und Befestigen auf diesem Rahmen werden im Vakuum. Elektroden aufgedampft.
Als Platte P kann zweckmäßig eine etwa 2 mm dicke Glasplatte von etwa 6 # 6 cm2 verwendet werden. Für die Trägerschicht T benutzt man am besten eine wasserlösliche Substanz, z. B. NaCI oder NaF, welche im Vakuum aufgedampft wird, und als Lösungsmittel W Wasser (E. Fenn.er, Z. techn. Phys., 20, S. 295).
Für die Halbleiterschicht H eignen sich Oxyde und Oxydgemische von beispielsweise Co, Cu, Ni, Mn, Fe, Zn, U und Cd. Sie kann durch Aufdampfen der Oxyde oder der entsprechenden Metalle wie auch durch Kathodenzerstäubung der entsprechenden Metalle in einer Sauerstoffatmosphäre in an sich bekannter Weise erzeugt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, auf die Trägerschicht T im. Vakuum zunächst die entsprechende Metallschicht aufzudampfen und diese anschließend durch Temperung in einer Sauerstoffatmosphäre zu oxydieren. Die Temperung kann z. B, in Luft bei einer Temperatur zwischen 250 und 450° C erfolgen.
Die Halbleiterschicht H wird im allgemeinen eine solche Ausdehnung haben, daß man aus ihr etwa 20 bis 50 Hochohmwiderstände von ziemlich genau gleichen Eigenschaften - ein weiterer Vorteil der Erfindung - herstellen kann. Das bedingt eine Aufteilung vor dem Abheben von der Oberfläche des Lösungsmittels W, die bei der auf der Oberfläche schwimmenden Halbleiterfolie F nicht ohne Schwierigkeiten ist. Es ist daher vorteilhaft, die Aufteilung der Halbleiterschicht H in kleine Rechtecke von z. B. 10. 10 mm2. schon vor ihrem Ablösen derart vorzunehmen, daß die Teilungsschnitte in der einen Richtung (Fortschreitungsrichtung des Lösungsmittels) ganz, in der dazu orthogonalen Richtung nur teilweise, in der Art einer Perforation, ausgeführt werden, wie Fig. 1 zeigt. Andernfalls schieben sich die Stücke beim Ablösen leicht übereinander. Die so vorbereitete Halbleiterschicht H läßt sich nach dem Ablösen gut mit einer Rasierklinge in kleinere Halbleiterfolien, die ebenfalls mit F bezeichnet werden, vollständig aufteilen.
Da eine Weiterverarbeitung der Halbleiterfolie F nach dem Abheben von der Lösungsmitteloberfläche außerhalb des Rahmens R nur mit äußersten Schwierigkeiten möglich ist, verwendet man zweckmäßig einen Rahmen aus isolierendem. Material, in dem die Halbleiterfolie endgültig gehaltert bleibt. Dazu eignet sich sehr gut ein Deckgläschen von 18 - 18 mm, in dessen Mitte mit Flußsäure ein Loch von 1 bis 3 mm Durchmesser geätzt wurde. Zum besseren Abfließen des Lösungsmittels W von der Halbleiterfolie F, wie zu deren Schutz" ist das Deckgläschen in der Umgebung des Loches zur Aufnahme der Halbleiterfolie im selben Arbeitsgang auf etwa die halbe Dicke dünner geätzt (Fig. 3 und 4).
Nach dem Trocknen der Halbleiterfalle F auf einem derartigen Rahmen R wird sie mit diesem in der Weise fest verbunden, daß man den frei gebliebenen Teil des Rahmens und den auf dem Rahmen aufliegenden Teil der Halbleiterfolie mit einer Lackschicht L überzieht (Fig. 3 und 4).
Nitrocelluloseläcke können hierfür verwendet werden. Soll der Hochohmwiderstand im Vakuum betrieben werden, so empfiehlt sich als Lack ein Stoff mit sehr kleinem Dampfdruck, wie z. B. ein Zweikomponentenkleber.
In diesem Fertigungszustand wird nun nach Fig. 3 als Elektroden E ein über dem. Loch des Rahmens R unterbrochener metallischer Streifen von der maximalen Breite des Lochdurchmessers aufgedampft, der sich zweckmäßige.rweise nach den Enden zu, wo der Rahmen seine volle Dicke hat, zur Anbringung von Kontakten verbreitert und verstärkt. Als Material für die Elektroden, die eine Breite von etwa 1 mm und einen Abstand von 0,2 bis 2 mm haben, kann Gold -verwendet werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die inneren Teile der Elektroden schon vor dem Ablösen der Halbleiterschicht H auf dieselbe aufzudampfen und nach dem Befestigen der Halbleiterfolie F auf dem Rahmen R ihre äußeren Teile in der Weise, daß sich beide Teile über dem auf dem Rahmen aufliegenden, Teil der Halbleiterfolie überlappen. Für diesen Fall ist die Halbleiterfolie nicht ganz bis an das Loch heran mit der Lackschicht L zu überziehen.
Der so hergestellte Hochohmwiderstand kann nun noch zur Verminderung seines Rauschens künstlich gealtert werden, vorzugsweise durch elektrische Rufheizung, wobei der Stromwert denjenigen, bei dem der Hochohmwiderstand betrieben werden soll, übersteigt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung temperaturempfindlicher Hochohmwiderstände, insbesondere zur Strahlungsmessung, aus Halbleiterfolien dünner als 1 g,, gekennzeichnet durch die gleichzeitige Anwendung der folgenden, an sich bekannten Verfahrensschritte: 1. Aufbringen einer löslichen Trägerschicht (T) auf eine ebene Platte (P) ; 2. Erzeugung einer Halbleiterschicht (H) auf der löslichen Trägerschicht durch Bedampfung ; 3. Ablösen der Halbleiterschicht durch ein Lösungsmittel (W) ; 4. Abheben der Halbleiterfolie (F) von der Oberfläche des Lösungsmittels mit einem Rahmen (R) ; 5. Aufdampfen von Elektroden (E) auf die Halbleiterfolie.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als ebene Platte eine etwa 2 mm dicke Glasplatte von 6 # 6 cm2 verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägerschicht eine wasserlösliche Substanz, z. B. NaCI oder NaF, und als Lösungsmittel Wasser verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht im Vakuum aufgedampft wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Halbleiterschicht Oxyde oder Oxydgemische, vorzugsweise von Co, Cu, Ni, Mn, Fe, Zn, U und Cd, verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht durch Aufdampfen der Oxyde oder der entsprechenden Metalle in einer Sauerstoffatmosphäre erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht durch Katho,denzerstäubung der entsprechenden Metalle in einer Sauerstoffatmosphäre erzeugt wird. B. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht durch Aufdampfen der entsprechenden Metalle im Vakuum und anschließender Temperung in einer Sauerstoffatmosphäre erzeugt wird. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperung in Luft bei einer Temperatur zwischen 250 und 450° C erfolgt. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht vor dem Ablösen in kleine Rechtecke, z. B. 10. 10 mm2, so aufgeteilt wird, daß die Teilungsschnitte in der einen Richtung (Fortschreitungsrichtung des Lösungsmittels) ganz, in der dazu orthogonalen Richtung nur teilweise, in der Art einer Perforation, ausgeführt werden. 11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d:aß die Halbleiterfolie mit einem Rahmen aus isolierendem Material von der Lösungsmitteloberfläche abgehoben und auf diesem getrocknet wird. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen aus Glas besteht, vorzugsweise aus einem Deckgläschen von 18 - 18 mm., in dessen Mitte mit Flußsäure ein Loch von 1 bis 3 mm Durchmesser geätzt wurde, und daß das Deckgläschen in der Umgebung des Loches zur Aufnahme der Halbleiterfolie im selben Arbeitsgang auf etwa die halbe Dicke dünner geätzt ist. 13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterfolie nach dem Trocknen in der Weise mit dem: Rahmen fest verbunden wird, daß man den frei gebliebenen Teil des Rahmens und den auf dem Rahmen aufliegenden Teil der Halbleiterfolie mit einer Lackschicht (L) überzieht. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Lack ein Nitrocelluloselack verwendet wird. 15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Lack ein Stoff mit sehr kleinem Dampfdruck verwendet ist, wie z. B. ein Zweikomponentenkleber. 16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektroden über der Halbleiterfolie und der Lackschicht ein über dem Loch unterbrochener metallischer Streifen. von der maximalen Breite des Lochdurchmessers aufgedampft wird, der sich zweckmäßigerweise nach den Enden zu, wo der Rahmen seine volle Dicke hat, zur Anbringung von Kontakten verbreitert und verstärkt. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Elektroden Gold verwendet wird. 18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden eine Breite von etwa 1 mm und einen Abstand von 0,2 bis 2 mm haben. 19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren. Teile der Elektroden schon vor dem Ablösen der Halbleiterschicht auf dieselbe aufgedampft werden und nach dem Befestigen der Halbleiterfolie auf dem Rahmen ihre äußeren Teile in der Weise, daß sich beide Teile über dem auf dem Rahmen aufliegenden Teil der Halbleiterfolie überlappen; für diesen Fall ist die Halbleiterfolie nicht ganz bis an. das Loch heran mit der Lackschicht zu überziehen. 20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochohmwiderstand zur Verminderung seines Rauschens künstlich gealtert wird, vorzugsweise durch elektrische Aufheizung, wobei der Strom--wert denjenigen, bei dem der Hochohmwiderstand betrieben werden soll, übersteigt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 842 966; »Annalen der Physik«, 6. Folge, Bd. 8, 1951, S. 65 bis 86.