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#11 Stabilisierte dünne Schicht iür IXtnnschichtbauelemente Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer gegen Inselbildung (Agglemeration)
stabilisierten, elektisch leitenden, insbesondere supraleitenden dünnen Schicht
mit einer Schichtdicke und aus einem Material, bei der bzw. bei dem Inselbildung
bei der technischen Anwendung der Schichten auftritt, wobei die Schicht durch Aufdampfen
oder Aufstäuben des Materials auf einem Substrat, das auf eine Temperatur abgekühlt
ist, bei der noch keine Inselbildung der Schicht eintritt, hergestellt ist.
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Unter"Inselbildung" ist eine Erscheinung zu verstehen, die darin besteht,
daß das Material einer auf der Unterlage an sich gut haftenden Schicht in einzelne
Bereiche aufreißt, so daß die galvanische Verbindung in der Schicht an den Rändern
der Bereiche unterbrochen ist, sich also Inseln bilden. Die Erscheinung beruht auf
einer Eigendiffusion der Teilchen des Schichtmaterials, z.B. der Atome, und tritt
bereits bei Temperaturen weit unter dem Schmelzpunkt auf.
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In der moderen Technik werden in zunehmendem Maße elektronische DUnnschicht-Bauelemente
verlangt. Bei derartigen Bauelementen werden insbesondere supraleitende, und/oder
magnetische und/oder optische Eigenschaften des Materials in einer dünnen Schicht
ausgenutzt, so z.B. bei supraleitenden oder magnetischen Schaltern oder Speichern
oder auch bei elektro-optischen Wandlern.
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Bei der Herstellung dieser Bauelemente werden in großem Umfange dünne
Schichten verwendet, die aus hochreinen Materialien durch Aufdampfen oder durch
Aufstäuben erzeugt worden sind. In der Regel sind die Materialien Metalle, zum einen
in dem engen
quantenmechanischen Sinne, zum anderen aber auch im
weiteren Sinne, so daß insbesondere auch Halbleitermaterialien, insbesondere solche
mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, als eingeschlossen gelten.
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Regelmäßig erfolgt das Aufdampfen oder Aufstäuben des Materials der
Schicht unter extrem sauberen Bedingungen im Ultrahochvakuum, und zwar insbesondere
mit RUcksicht auf die Reprodusierbarkeit der physikalischen Eigenschaften des Materials.
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Der Effekt der Inselbildung tritt gerade bei Schichten aus sehr reinem
Material auf. Es ergibt sich eine Verringerung des elektrischen Leitvermögens derartiger
Schichten und die Inseln können auch elektronenmikroskopisch nachgewiesen werden.
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Aus Journal of Applied Physics, Band 35, 1964, S. 644 - 646, ist eine
Untersuchung bekannt geworden, bei der eine dünne Schicht aus Zinn, die auf ein
auf tiefe Temperatur abgekühltes Substrat aufgedampft worden war, während ihre Erwärmung
auf Zimmertemperatur bei Erreichen dieses Wertes einer Sauerstoffatmosphäre ausgesetzt
wurde. Aus dieser Untersuchung wurde geschlossen, daß der Sauerstoff die Schicht
stabilisiert haben muß. Wie angegeben, ermöglichte diese Stabilisierung die Schicht
weiter zu erwärmen, ohne daß eine Inselbildung aufgetreten sein soll. Es wurde aber
festgestellt, daß Schichten, die in der angegebenen Weise hergestellt waren, bei
einer Erwärmung wie sie bei einer elektronenoptischen Untersuchung auftritt, keine
Stabilisierung gegen Inselbildung mehr aufwiesen.
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Es wurde auch untersucht, ob eventuell durch eine Deckschicht aus
Siliciummonoxid mit einer Dicke von 260 nm eine Stabilisierung einer dünnen Zinnschicht
möglich ist. Dieser Versuch brachte aber kein positives Ergebnis. Im Gegenteil es
wurde festgestellt, daß die das Zinn bedeckende Siliciummonoxidschicht das Eintreten
desjenigen Effektes verhinderte, der bei der direkten Einwirkung von Sauerstoff
auf Zinn beobachtet worden war.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung, gegen
Inselbildung stabilisierter, elektrisch leitender, insbesondere supraleitender;
dünrier Schichten aufzufinden, das Schichten liefert, die insbesondere auch bei
Betriebsteuperaturen oberhalb der Raumtemperatur keine Inselbildung aufweisen.
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Diese Aufgabe wird durch ein wie oben angegebenes Verfahren gelöst,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß auf eine auf dem abgekühlten Substrat aufgebrachte
zu stabilisierende Schicht noch vor Erwärmung des Substrats auf eine Temperatur
bei der Inselbildung bei dieser Schicht auftreten würde eine weitere Schicht aus
Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder aus Europiumsulfid aufgebracht und erst
anschließend eine Erwärmung des Substrats zugelassen wird. Vorteilhafterweise wird
die weitere Schicht bereits bei der Temperatur des Substrats aufgebracht, bei der
auch dient stabilisierende Schicht aufgebracht worden war. Die Schihtdicke einer
derartigen weiteren Schicht beträgt vorzugsweise 1 bis 10 nm. Diese weitere Schicht
wird vorzugsweise durch Aufdampfen aufgebracht. Als Substrat kommen vorteilhafterweise
Glas oder Keramik, die einen hohen elektrischen Widerstand haben, zur Anwendung.
Als Material für die zu stabilisierende Schicht kommen insbesondere Zinn, Indium
oder Blei infrage. Gerade bei diesen Metallen tritt im Falle dünner, an sich gut
haftender Schichten eine relativ starke Neigung zur Inselbildung auf. Dies beruht
insbesondere auf deren niedriger Aktivierungsenergie für die Eigendiffusion.
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Nachdem ein Zusammenhang zwischen der niedrigen Aktivierungsenergie
und der Höhe des Schmelzpunktes dieser Metalle besteht, tritt diese Inselbildung
vorzugsweise bei Schichten aus niedrig schmelzenden Metallen auf. Dünnschichtbaue
lemente mit diesen Metallen sind daher ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für das
erfindungsgemäße Verfahren.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden elektronische Bauelemente
für Schaltungen mit Supraleitungseffekten mit Zinnschichten in der Dicke von 10
bis 50 um mit einer erfindungsgemäß
darauf befindlichen weiteren
Schicht aus Aluminium oder aus Europiumsulfid mit einer Dicke von vorzugsweise 1
bis 10 nm hergestellt.
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Die eine Inselbildung verhindernde Wirkung der erfindungsgemäß vorgesehenen
Schicht aus Aluminium oder Europiumsulfid ist, wie die Untersuchungen gezeigt haben,
wesentlich stärker als sie bei der bekannten Anwendung von Sauerstoff bei gleichen
Schichtdicken des Materials erreicht werden konnten. In diesem Zusammenhang sei
darauf hingewiesen, daß die Inselbildung einer dünnen Schicht aus einem vorgegebenen
Material mit zunehmender Schichtstärke abnimmt und bei höherer Temperatur größer
ist.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte stabilisierte Schichten
können auch für Dünnschichtbauelemente verwendet werden, die im Betrieb und/oder
während des Transports oder der Lagerung eine Erwärmung auf höhere Temperaturen,
z.B. auf 60 bis 800 C, d.h. höher als Raumtemperatur, erreichen. Selbstverständlich
liegen diese Temperaturen noch erheblich unter dem Schmelzpunkt des jeweiligen Materials.
Die Stabilität einer erfindungsgemäß hergestellten Schicht war beispielsweise so
groß, daß bei einer Erwärmung auf ca. 800 C noch keine Inselbildung eintrat.
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Die Figur zeigt eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte
stabilisierte Schicht 1 auf einem Substrat 2. Das Substrat besteht vorzugsweise
aus Glas. Die stabilisierend wirkende, weitere Schicht ist mit 3 bezeichnet. Sie
besteht aus Europiumsulfid. Europiumsulfid hat wie andere Europiumchalkogenide ferromagnetische
Halbleitereigenschaften. Die Erfindung hat besondere Bedeutung für elektronische
Dünnschichtbauelemente, bei denen eine inseifreie supraleitende Metallschicht, insbesondere
aus Zinn oder Blei, und eine Schicht aus ferromagnetischem Halbleitermaterial flächenmäßig
übereinander angeordnet vorgesehen sind.
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9 Patentansprüche 1 Figur