DE2457488C3

DE2457488C3 - Elektrische Verbindung zwischen Bauelementen aus verschiedenen Materialien, sowie Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE2457488C3
Application number: DE2457488A
Authority: DE
Inventors: Syamal Kumar Ossining N.Y. Lahiri (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-12-28
Filing date: 1974-12-05
Publication date: 1979-07-12
Also published as: DE2457488A1; GB1492580A; SE397020B; SE7415973L; CA1023872A; NL7416759A; US3913120A; IT1027857B; JPS5097895A; FR2256546A1; DE2457488B2; JPS551682B2; FR2256546B1; US4083029A

Description

25. Elektrische Verbindung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten Elemente voneinander verschiedene Zusammensetzung haben und das dritte Element eine in beiden ersten Elementen stabile Phase bildet

26. Elektrische Verbindung nach Anspruch 25,

dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Element in beiden ersten Elementen in stöchiometrischer Zusammensetzung auftritt

27. Elektrische Verbindung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten

Elemente voneinander verschiedene Zusammensetzung haben, daß das dritte Element aus mehreren Verbindungen bzw. Phasen besteht und daß die ersten und zweiten Elemente jeweils mindestens ι ο eine Verbindung bzw. Phase des dritten Elements als stabile Phase enthalten.

28. Elektrische Verbindung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die im ersten und zweiten Element vorliegenden Verbindungen bzw.

is Phasen des dritten Elements in stöchiometrischer Zusammensetzung vorliegen.

29. Elektrische Verbindung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet daß die beiden ersten Elemente und das dritte Element jeweils in einer der folgenden Kombinationen auftreten:

Sl

52

Pb-In (8 Gew.-%)-Au

(3 Gew.-%) Pb-In (8 Gew.-%)-Au

(3 Gew.-%) Aulri2

Pb-In (3 Gew.-o/o) Pb-In(8Gew.-o/o)-Au

(3 Gew.-%)

Pb-In(8Gew.-%)-Au (8 Gew.-%)

AuIn
Aulri2

Pb-In (8 Gew.-o/o)-Au (8 Gew.-%)

Pb-In (3 Gew.-%) + AuIn₂

30. Elektrische Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 oder 22 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung (26) zwischen Anschlüssen (24) der Schaltplättchen (Chips) und den Anschlüssen (20) von Moduln (18) hergestellt werden, auf welche die Chips montiert sind.

31. Elektrische Verbindung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß bei supraleitenden Schaltungen die Anschlüsse (20,24) der Moduln und der Chips aus Pb-In—Au-Mischkristallen bestehen und die Verbindungen (26) aus der intermetallischen Verbindung AuIn in sehr dünner Schicht

32. Elektrische Verbindung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet daß die Verbindungen (26) aus AuIn₂ bestehen.

33. Elektrische Verbindung nach Anspruch 31 ode,r 32, dadurch gekennzeichnet daß in die Verbindung (26) eine sehr dünne Zwischenschicht (M) eingebaut ist

Die Erfindung betrifft elektrische Verbindungen zwischen Bauelementen aus verschiedenen Materialien, insbesondere elektrische Kontakte in supraleitenden Schaltungen; außerdem wird ein Herstellungsverfahren für derartige Verbindungen angegeben.

Elektrische Kantakte werden in vielen herkömmli- y, chen Schaltkreisen verwendet beispielsweise in Form metallurgischer Verbindungen zur Kontaktierung von Moduln und Schaltplättchen (Chips) in integrierten monolithischen Schaltkreisen.

In supraleitenden Schaltkreisen spielt richtige Wahl ho der Kontaktierung eine besondere Rolle, da durch sie Stabilität und Reproduzierbarkeit der Schaltkreise maßgeblich beeinflußt werden können; dies gilt insbesondere für die Kontakte zu den auch in supraleitenden Schaltkreisen notwendigen Widerständen und für des Verbindung von supraleitenden Leiterzügen untereinander. Beispielsweise erfordern in Schaltkreisen mit Tutmelkontaktelementen die Übertragungsleitungen Impedanzabschlußwiderstände. Ein derartiger Schaltkreis wird im US-Patent 37 58 795 beschrieben. Dort wird ein Schaltkreis mit Josephron-Kontakten zum Einspeisen von Strom in eine supraleitende Übertragungsleitung verwendet die mit einem geeigneten Widerstandsmaterial abgeschlossen ist Diese Übertragungsleitung liefert Stetersignale für andere Josephson-Kontakte. Die Widerstände sind dabei oft als Dünnschicht widerstände ausgebildet

Die Herstellung von Dünnschichtwiderständen ist an sich sehr schwierig, ganz besonders aber for den Fall von supraleitenden Schaltkreisen. Die Widerstände müssen bezüglich Allerungserscheinunf»en, Herstellung und wiederholter Abkühlung von höherer Temperatur auf supraleitende Temperaturen stabil sein. Um die notwendigen Schaltkreistoleranzen einzuhalten, darf der Wert 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° C) hergestellt werden und wenn sie wiederholt zwischen Zimmertemperatur und Arbeitstemperatur (d. h. cryogenen Temperaturen) abgekühlt werden.

Die Widerstände müssen auch reproduzierbar sein, d. h. die verschiedenen Fabrikationslose müssen denselben Widerstandswert aufweisen. 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 Oberflächeneffekt«!. Zu den Fehlstellen gehören unbesetzte Gitterplätze, Versetzungen, Konigrenzen und Verunreinigungen im Widerstandsmaterial. Reproduzierbare Widerstände können nur erhalten werden, wenn die Korngrenzen 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 weden, 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 supraleitenden Materialien liegen die gewünschten Widerstandswerte in vielen Fällen bei ungefähr 0.05-2 Ohm/Flächeneinheit. Die Einheit Ohm/Flächeneinheit bedeutet (Widerstand). (Breite)/Länge und ist gleichbedeutend mit spezifischem Widerstand/Dicke der Schicht

Beim Entwurf von Schaltkreisen mit Josephson-Kontakten ist es weiterhin wünschenswert, über Materialien zu verfügen, die auch bei geringen Substrattemperaturen reproduzierbar niedergeschlagen werden können. So werden beispiesweise oft Grundplatten mit Nb-Zusätzen verwendet Diese Grundplatten werden mit einer Oxidschicht überzogen und danach die Tunnelschaltkreise (einschließlich der Widerstände) niedergeschlagen. Wenn die Temperatur, bei der die Dünnschichtwiderstände hergestellt werden, zu hoch ist (ungefähr 150⁰C), so dring: 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 Isolationsschicht ändert die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitungen, die auf der Isolationsschicht niedergeschlagen werden. Dies wiederum ändert die elektrischen Charakteristiken des Schaltkreises. Aus diesem Grund ist es nicht wünschenswert, Widerstände 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 Widerständen 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 damit auch den elektrischen Widerstandswert des niedergeschlagenen Widerstands. Im Fall von Kontakten kann die lnterdiffusion auch die Qualität der Verbindung verändern. Außerdem kann diese Diffusion auch Auswirkungen auf die Elektroden der Tunnelkontakte besitzen, die mit dem Widerstand verbunden sind. Die Eigenschaften der Tunnelkontakte erfahren dadurch möglicherweise eine beträchtliche Änderung und können zu weiteren Schaltkreisproblenien führen. Diese Schwierigkeit tritt besonders bei großen, HKlil gepackten Matrizen von Josephson-Kontakten auf.

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

Die lnterdiffusion sollte auch bei den Temperaturen im Herstellprozeß der Schaltkreise minimal sein, ebenso ν/'* bei den Temperaturen, die für andere Herstellungsschritte verwendet werden, (wie z. B. der Anpassung und der Stabilisierung der elektrischen Kennwerte). Widerstände oder Kontakte werden beispielsweise oft in einem frühen Stadium des Heriieüungsprozesses einer supraleitenden Schaltung niedergeschlagen. Daraus folgt, daß diese Materialien auch höheren Temperaturen widerstehen müssen, wie beispielsweise denjenigen, die in späteren Temperschritten auftreten. Aus diesem Grund muß die lnterdiffusion bei den Herstelltemperaturen kontrolliert werden.

Zusätzlich zu den Interdiffusionsproblemen erleiden die Widerstände und Kontakte in der Schaltung oft Änderungen ihrer Stabilität infolge von auftretenden Strukturänderungen in den Materialien. So können beispielsweise Fehlstellen im Material sich zu Haufen vereinigen oder aber zu Korngrenzen wandern. Um Spannungszustände im Material auszugleichen, kann auch eine Rekristallisation auftreten oder es können die Korngrenzen wandern, wodurch die Art und Dichte der Fehlstellen im Material verändert wird. Die Spannungen können auf Unterschiede des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zurückzuführen sein oder aber auf den Wachstumsprozeß, währenddessen Fehlstellen, Versetzungen, unbesetzte Gitterplätze usw. zum spannungsausgleich im Material wandern.

Die Stabilität ist ein sehr wesentlicher Gesichtspunkt bei Widerständen, die in Tieftemperaturschaltungen (cryogenen Schaltkreisen) 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 42° K nicht verwendbar sein.

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

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, elektrische Verbindungen zwischen Bauelementen aus verschiedenen Materialien vorzuschlagen, bei denen keine oder nur eine sehr geringe Interdiffusion auftritt; dabei solle.ri in supraleitenden Schaltkrei- -, sen die Bauelemente so beschaffen sein, daß sie gleich;jitig die weiteren, für den Schaltungsaufbau notwendigen Parameter (z. B. Widerstandst—eich, Stabilität, Reproduzierbarkeit) aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 ι π gekennzeichnete Erfindung gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteranspüchen gekennzeichnet.

Die technische Lehre der Erfindung läßt sich foigendermaßen kurz zusammenfassen. Zur Reduzierung der Interdiffusion zwischen den zu verbindenden ι > Materialien sollen sich diese Materialien im thermodynamischen 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 _'n mehreren Komponenten.

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

Als besonderes Ausführungsbeispiel werden wider- r> standsbehaftete Verbindungen für supraleitende Übertragungsleitungen in Josephson-Koritaktschaltungen beschrieben. Diese widerstandsbehafteten Verbindungsleitungen bestehen aus intermetallischen Verbindungen oder Mischkristallen, die bei den interessieren- w den Temperaturen nicht supraleitend sind und die in den supraleitenden Übertragungsleitungen in stabilen Phasen vorliegen.

Zur Erzielung stabiler Kontakte schlägt die Erfindung weiterhin vor, Dünnschichtwiderstände mit Hilfe einer r> Schichttechnik herzustellen, in der Metallschichten übereinander niedergeschlagen werden; dabei entstehen nichtsupraleitende Verbindungen, die einen geeigneten Widerstandswert für die Kontakte zu supraleitenden Übertragungsleitungen aufweisen. Diese Verbin- 4<> düngen 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 4-> 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 -,5 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 Schaltkreises günstig beeinflußt

Wird in der vorliegenden Beschreibung ein Material als normalleitend bezeichnet, (d. h. nicht supraleitend), so bezieht sich dies auf die Materialeigenschaften bei der, interessierenden Temperaturen. Beispielsweise &5 liegt die Betriebstemperatur eines typischen Schaltkreises mit Josephson-Kontakten bei der von flüssigem Helium (4,2⁰K); somit wäre in dieser Sprechweise ein Material, das nur bei Temperaturen kleiner als 4,2° K 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 zeigt

F i g. 1 einen Schaltkreis mit Josephson-Tunnelkontakten, der Verbindungsleitungen und Abschlußwiderstände umfaßt,

Fig.2A und 2B eine Aufsicht bzw. ein Querschnitt eines Teils der elektrischen Schaltung in F i g. 1 mit den darin enthaltenen metallurgischen Kontakten,

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

F i g. 4 einen Teil eines ternären Phasendiagramms für ein Pb-In —Au-Legierunessystem,

F i g. 5A und 5B Seitenansichte zur Darstellung, wie Zwischenphasen (Mischkristalle) in einem Pb- In — Au-System hergestellt werden können,

F i g. 6A und 6B eine weitere Technik zur Herstellung besonders stabiler Phasen eines Systems Pb- In—Au,

F i g. 7A unf 7B zwei strukturmäßig verschiedene, metallurgisch jedoch äquivalente Verbindungen für die Leiter S1 und S 2 derart, daß die Interdiffusion minimal ist,

F i g. 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 F i g. 1 ist ein Schaltkreis mit einem Josephson-Kontakt JTD dargesellt, der aus mit einem Supraleiter 10 verbundenen supraleitenden Elektroden besteht. Der Supraleiter 10 ist mit einer Stromquelle verbunden, die einen Strom /^durch den Josephson-Kontakt liefert. An die Elektroden des Josephson-Kontakts angeschlossen sind supraleitende Leitungen 51 und 52. Diese Leitungen können eine supraleitende Übertragungsleitung darstellen, wie es beispiesweise aus der US-PS 37 58 795 bekannt ist Ein Widerstand R dient zum Abschluß der Leitungen 51 und 52 Entsprechend der genannten US-PS kann der Wert des Widerstands R so gewählt werden, daß in der aus 51 und 52 gebildeten supraleitenden Schleife Reflexion praktisch unterdrückt werden, wenn JTD von seinem supraleitenden zum normalleitenden Zustand umschaltet.

Eine Steuerleitung 12 ist mit einer Stromquelle ve -bunden, die einen Steuerstrom /_c 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 normalleitenden Zustand umgeschaltet werden, um damit einen Stromimpuls in die supraleitende Übertragungsleitung aus 51 und 5 2 abzugeben.

Die F i g. 2A und 2B zeigen den Abschlußwiderstand R der Supraleiter 51 und 52 im Schaltkreis der F i g. 1. Die Supraleiter 51 und 52 bilden einen elektrischen Kontakt mit dem Widerstand Λ 51 und 52 sind ebenso wie der Widerstand R über einer Isolierschicht 14 niedergeschlagen, die ihrerseits auf einer supraleitenden Grundplatte 16 gebildet wurde. In einem typischen Josephson-Schaltkreis besteht die Grundplatte 16 aus Nb, die Isolierschicht 14 aus Nb-Oxid, beispielsweise

bO Über der Nb-Oxidschicht kann ein weiterer

Isolator, wie SiO angeordnet sein. Der Josephson-Kontakt besitzt weiterhin Elektroden aus einer Bleilegierung, beispielsweise Pb-In —Au. Die Supraleiter 51 und 52 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 Substrat 14 aufgebracht und danach die Supraleiter 51 und 52 zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit dem Widerstand R.

Bei einer bevorzugten Herstellungsweise dieser Schaltung wird der Widerstand R auf der Isolierschicht 14 über der Grundplatte niedergeschlagen und danach die Grundelektode 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 erzeugt. Hierbei können konventionelle Niederschlagsmethoden verwendet 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 51 und 52 enthaltenen Materialien besteht. Der Widerstand R besteht also aus einem Material, das sich thermodynamisch im Gleichgewicht mit 51 und 52 befindet Thermodynamisches Gleichgewicht zwischen zwei Materialien heißt hier im Sinne der Erfindung, daß zwischen ihnen keine atomaren Migrationsvorgänge 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 51 und 52 vorliegt Dieser Mischkristall ist ein Multikomponentensystem und kann beispielsweise aus intermetallischen Verbindungen bestehen. In einigen Fällen besteht der Widerstand R aus zwei Materialien, die in 51 und 52 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 (beispiesweise können Pb-Cu-Systeme existieren, bei denen das Cu nur in mikroskopischen Mengen in benachbarten Pb-Leitungen vorhanden ist). Wenn der Widerstand R die oben beschrier/enen Bedingungen erfüllt, ist er stabil und weist mit den Supraleitern 51 und 52 nur eine minimale 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 51 und 52 stabile Phasen bildet

In der folgenden Beschreibung brauchen die Leiter 51 und 52 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 h.terdiffusion auftritt Beispiele werden für Supraleiter und für Nichtsupraleiter gegeben. Ist R ein Widerstand für einen suprale'.'enden Schaltkreis, sollte 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

in 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

π verwendet werden, sollen zuerst Systeme beschrieben werden, die aus diesen Materialien bestreben. Die folgende Beschreibung erläutert daher einige Einzeineiten der metallurgischen Probleme mit binären and ternären Systemen aus diesen Elementen.

F i g. 3 zeigt die In-Konzentration in der Pb-In-Phase von dünnen Schichten aus Pb-In—Au-Legierungen als Funktion der gesamten Au-Konzentration in den dünnen Schichten. Diese Kurve wurde ebenso wie das ternäre Phasendiagramm von F i g. 4 durch Analyse der Beugungsfiguren von In + Pb + Au + Pb und In + Au + Pb-Filmen erhalten, die nacheinander (mit konventionellen Methoden) auf einem Substrat niedergeschlagen wurden (das Pluszeichen soll andeuten, daß die Dünnschichten in dieser Reihenfolge niedergeschla gen wurden) und dann bei 75° C 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 Mischkristall phase und eine Auln₂-Phase Wird jedoch die Au-Kon zentration 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 AuIn₂ zunahm, wenn die Au-Konzentration von ungefähr 6 auf 12 Gewichtsprozent erhöht wurde.

In Fig.3 nimmt die In-Konzentration der Pb-InPhase linear von ungefähr 8 Gewichtsprozent mit steigender Au-Konzentration ab. Die dritte Phase (AuIn) erscheint, wen die In-Konzentraion der Pb-In- Phase ungefähr 03 Gewichtsprozent beträgt Die In-Konzentration in der Pb-In-Phase in dem Zweiphasenbereich kann ungefähr aus der Beziehung

abgeschätzt werden, wobei die Konzentration C in Gewichtsprozent angegeben ist und Co die Indiumkonzentration der Legierung bedeutet Fig.4 zeigt einen Ausschnitt 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 Phasen diagramms dieses ternären Systems dar, doch reicht dieser zur Besprechung der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Legierung aus. Genauer stellt F i g. 4 den Pb-reichen Abschnitt des ■

tertiären Pb—In—Au-Phasendiagramms bei Zimmertemperatur und Normaldruck dar. Es zeigt, daß der Zweiph?senbereich aus einem Mischkristall Pb-In₁ und aus Aulri2 besteht Ein Dreiphasenbereich, der erscheint, wenn die Au-Konzentration ungefähr 6 Prozent beträgt, besteht aus einem Mischkristall aus Pb-0,8 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 AuW

In den folgend besprochenen Beispielen können die Materialien für 51 und 52 supraleitend oder normalleitend sein. Das mit R bezeichnete Material kann entsprechend einen Widerstand oder einen elektrischen Kontakt darsteilen. Das Material R braucht auch nicht mit zwei anderen Leitern 51 und 52 in Verbindung stehen. Es genügt auch ein Kontakt mit einem einzigen Leiter. Die folgenden Beispiele sind also sehr allgemein und decken verschiedene mögliche Konfigurationen ab, in denen verschiedene Materialien in Si, 52 und R verwendet werden.

System 1

R besteht aus einem Material A, wobei A sowohl in 51 als auch 52 enthalten ist. 51 und 52 sind identisch. In diesem Fall ist die treibende Kraft F für die Interdiffusion null Das Material A ist eine stabile Phase, die sowohl in 51 als auch in 5 2 vorliegt.

Ein Beispiel für dieses Syaem ist 51=52 = Pb-8Gew.-% In-O⁺ bis zu 6 Gew.-% Au und A = AuIn₂. Da Auln2 bei Temperaturen über 0,3° K normalleitend ist, kann es als Widerstand benutzt werden, wenn die Materialien 51 und 52 Supraleiter sind und die Betriebstemperatur 4,2% K (flüssiges Helium) beträgt.

Ein weiteres Beispiel ist gegeben durch 51 =52=Pb— ungefähr 5 Gew.-% Mgund A = Mg₂Pb. Hier ist Mg₂Pb bei der Betriebstemperatur ein normalleitendes Metall und eine stabile Phase von 51 und 52. Als normalleitendes Metall kann es als Widerstand in einer supraleitenden Schaltung verwendet werden. Sind jedoch nur reine elektrische Kontakte erforderlich, so würde ein Mischkristall R=Pb-Mg genügen, da dieser ebenfalls in 51 und 52 als stabile Phase vorliegt

Ein weiteres Beispielist gegebendurchS 1 = 52 = Pb-28Gew.-% Aa and A=AuPb₂ oder AuPb₃. Hier sind sowohl AuPb₂ und AuPb₃ stabile Phasen in 51 und 52. Jedoch ist AuPb₃ bei ungefähr 4° K 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 51 = 52=AuIn oder AuIn₂ und R=AuIn + AuIn₂. Hier ist R=A + C, wobei C die in 51 und 52 nicht vorhandene Komponente von R darstellt

In einem weiteren Beispiel wird für 51 = 52 eine Pb-Al—Au-Legierung verwendet und R bildet eine stabile Phase in der Legierung von 51 und 52. Beispielsweise könnte R=AuAl₂ und/oder AuAl sein, welches in stabiler Form in Pb-Al—Au-Legierungen vorliegt

Ein weiteres Beispiel schließlich benutzt einen Leiter von Al—4Gew.-% Cu und R=CuAl₂, welche ein

kann der Leiter auch zu AI—25 Gew.-% Au gewählt werden, während die Verbindung R=AuAl₂ ist Beide intermetallische Verbindungen CuAl₂ und AuAl₂ können in den erwähnten Leitern als stabile Phase existieren.

Die Leiter 51 und/oder 52 können auch aus Pb — In—Cu-Legierungen bestehen, wenn R=Cugln4 ist,

■-. welches als intermetallische Verbindung in ausgewählten Pb-In—Cu-Legierungen vorkommt Ein ähnliches Beispiel benutzt R=Agln2 und/ode·· Ag₂In, während der Leiter aus einer Pb-In—Ag-Legierung besteht, welche entweder beide einzeln oder zusammen in diesen

ι (, intermetallischen Verbindungen enthalten sind.

System 2

R besteht aus A, wobei A eine stabile Phase sowohl in

ι -ι 51 als auch 52 ist. 51 ist verschieden von 52. In diesem Fall ist die resultierende treibende Kraft ungleich 0, da A in 51 und 52 etwas verschieden sein kann. Zwischen R und 51 oder R und 52 tritt keine interdiffusion aus. Im Gesamtsystem 51 + R + 52 ist die resultierende

in treibende Kraft jedoch nicht 0, es sei denn, A ist genau stöchiometrisch und damit identisch in 51 und 52. Für viele Anwendungen ist dieses System jedoch sehr gut brauchbar und die Interdiffusion ist minimal.

Ein Beispiel hierfür ist 51=supraleitendes Pb-

2-, 8Gew.-% In—3Gew.-% Au, während 52=supraleitendes Pb - 8 Gew.% In - Gew.-% Au ist

R=A = Auln2. Damit ist A eine Phase, welche sowohl in 51 als auch 52 vorkommt und stabil ist (siehe F i g. 3 und 4).

jo Ein weiteres Beispiel ist gegeben durch 51 = supraleitendes Pb - 8Gew.-% In — 3Gew.-% Au und 52 (nicht supraleitend)=AuIn + AuIn₂. Das Material R = A = AuIn2. Dieses System wird sich nicht in einem perfekten thermodynamischen Gleichgewicht befinden,

si kann aber zur Herstellung eines Widerstands mit AuIn₂ verwendet werden.

System 3

S1 = S 2 und R=A + B, wobei A und B verschiedene Verbindungen oder Mischkristalle sind. A und B sind sowohl in 51 als auch 52 enthalten.

Dieser Fall ist im wesentlichen derselbe wie im System 1, außer, daß hier nun zwei Phasen in R

enthalten sind und beide in 51 und 52 vorkommen. Die resultierende treibende Kraft wird damit ungefäh; 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

ίο beiden Phasen in gewissem Rahmen modifiziert werden können. Außerdem wird die Stabilität vergrößert

Ein Beispiel hierfür ist 51 und 52= Pb — 8Gew.-% In — 8Gew.-% Au. R=AuIn₂ + AuIn. Diese Phasen, aus denen R besteht liegen in 51 und 52 vor.

System 4

51 #52 und R=A + B, wobei A und B stabile Phasen sind. Die Phase A liegt in 51 vor und ist dort stabil, während die Phase B in 52 vorliegt und in dieser Phase stabil ist

Die Frage, ob sich zwischen S1 und R und zwischen 52 und R eine Interdiffusion ergibt, hängt von den Materialien ab, aus denen diese Bestandteile aufgebaut sind.

Ein Beispiel hierfür ist 5I=AuIn₂, 52=AuIn und R=AuIn₂ + AuIaHieristA=AaIr,2undS=AuIn.

Ein weiteres Beispiel ist gegeben durch 51 = Pb — 3Gew.-% In (Mischkristall), 52=AuIn₂ (intermetalli-

sehe Verbindung) und R=A + B=Pb - 3Gew.-% In + AuIn*

Ein ähnliches Beispiel ist durch folgende Zusammenstellung gegeben: Wenn 5I = Pb — 8Gew.-% In — 3 Gew.-% Au und 2?2=Pb - 8 Gew.-% In - 8 Gew.-% Au ist, so verhindert ein Abschluß A=In₂Au -f- AuIn teilweise die Interdiffusion. Zwischen R und 52 gäbe es also keine Interdiffusion, zwischen 51 und R dagegen eine Interdiffusion in geringem Umfang. In diesem speziellen Beispiel sind die stabilen Phasen von 51 die Mischkristalle AuIn₂ und Pb-In₁. Die stabilen Phasen von 52 sind AuIn, Auüfc und der Mischkristall Pb-In. Damit umfaßt R zwei Phasen, die beide in 52 vorkommen, während nur eine Phase von Λ in Sl enthalten ist Das ganze aus 51, Λ und 52 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. 51 ist verschieden von 52.51 besteht aus A + C und 52 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 stöchiorretrischen Zusammensetzungen auftreten, so herrscht im gesamten System 51 — R—52 thermisches Gleichgewicht

Die Phase A steht im Gleichgewicht mit 51 = A + C, ebenso mit der Phase R 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 ins Gleichgewicht zu bringen. Dasselbe gilt für den Fall R-A + B und Sl=B + C Systeme die aus Materialien aufgebaut sind, die entsprechend diesen Regeln ausgewählt wurden, sind thermodynamisch stabil und können für elektrische Kontakte und Widerstände verwendet werden.

System 6

51 # und R—A + B, wobei A und B Phasen sind,die miteinander im thermodynamischen Gleichgewicht stehen. Der Leiter 51 besteht aus A und C während der Leier 52 die Zusammensetzung B + D aufweist.

Wie im Fall 5, steht das gesamte System Si-R-S 2 im thermodynamischen Gleichgewicht, wenn die Phasen A und B innerhalb sehr enger Bereiche ihrer Bestandteile stabil sind Das heißt die Phasen A und B. die in 51 bzw. 52 vorliegen, müssen stöchiometrisch sein, damit das gesamte System im Gleichgewicht steht. R steht jedoch nicht im vollständigen thermodynamischen Gleichgewicht mit 51 und 52, da die Phase B nicht in 51 vorkommt und die Phase A nicht in 5 2.

In den F i g. 5A bis 7B sind verschiedene Möglichkeiten dargestellt, wie für Josephson-Kontaktschaltkreise geeignete Widerstände bzw. wie Kontakelemente für elektronische Baugruppen hergestellt werden können.

F i g. 5 A zeigt Schichten In, Au und In, die nacheinander auf einem Substrat 14 niedergeschlagen wurden. Typischerweise haben die In-Schichten eine Dicke von ungefähr 1000 Λ, die Au-Schicht ist ungefähr 800 Ä dick. Diese Schichten werden in der angezeigten Reihenfolge durch Kathodenzerstäubung oder Auf dampfen niedergeschlagen. Natürlich können Au und In auch gleichzeitig aufgedampft werden. Die Diffusion der Schichten erfolgt bei Zimmertemperatur und ergibt dann die Struktur von F i g. 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 F i g. 5A mit einer Au-Konzentration niedergeschlagen werden, die höher ist als AuIn₂ so bilden sich im Innern des Films Au-reiche intermetallische Verbindungen, während an den Oberflächen hauptsächlich AuIn_x auftritt (wenn Au < 62%) und möglicherweise noch ein wenig elementares In.

Die entsprechend F i g. 5B zusammengesetzte Schicht kann zur Kontaktierung von Pb-In—Au-Schichten in der früher beschriebenen Weise verwendet werdea Bleibt nach der Bildung von AuIn₂ ein kleiner Rest von In übrig, der nicht reagiert hat so kann dieser in die Pb- In—Au-Schicht diffundieren und läßt damit AuIn₂ im Kontakt mit den Pb-In—Au-Schichten. Bleibt andererseits ein kleiner Rest von Au übrig, der nicht reagien hat so kann dieser in die Pb-In—Au-Schichten eindiffundieren, ohne den spezifischen Widerstand der AuInrSc'.iichter. zu beeinflussen. Solche Restmengen von Au oder In können auftreten, wenn größere Mengen dieser Materialien verwendet werden als der Bildung der Verbindung entspricht

in den Widerständen nach den Fig.5A, 5B, 6A und 6B können die 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 Fig.6A zuerst In niedergeschlagen werden und danach eine Au-Schicht Da die relativen Dicken der In- und Au-Schichten die relativen Mengen eines jedesn Materials bestimmen und damit auch die gebildeten Verbindungen, können auf diese Weise bequem Dünnschichtwiderstände mit intermetallischen Verbindungen hergestellt werden Aus dem Zweiphasendiagramm des In—Au-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 Leiter diffundieren, die mit dieser Struktur (dem In—Au-System) im Kontakt stehen, insbesondere wenn die Leiter aus Legierungen, wie z.B. Pb — 8 Gew.-% In - 3 Gew.-% Au bestehen.

2. Beträgt der Gewichtsanteil von Au ungefähr 46 bi 62% und 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 al ungefähr 63% und bis zu ungefähr 80%, so bilden sich bei der gegenseitgen Diffusion von In und Au die Verbindungen Augin« und AuIn. Diese sind ebenfalls stabile Verbindungen, die als Widerstände oder Kontakte zu Leitern verwendet werden können, die diese Verbindungen als stabile Phasen enthalten.

Die F i g. 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 A) auf einem Substrat 14 niedergeschlagen und danach auf der Goldschicht eine In-Schicht von ungefähr 2000 A Dicke. Da Au und In eine hohe gegenseitige Diffusivität aufweisen, ergibt sich die Struktur von 6B. Dort liegt eine Schicht der Phase AuIn unter einer Schicht der Phase AuIn₂,-

Betragen die Gewichtsteile von Au und In 56- bzw. 44%, so ergibt der Niederschlag der Au- und In-Schichten die in F i g. 6B dargestellten Phasen. Durch Abweichungen der Au- und In-Mengen vom stöchiometrischen Verhältnis können also verschiedene Phasen geformt werden (inklusive der Phasen AuIn, Auglru usw.), die als elektrische Kontakte oder als widerstandsbehaftete Verbindungen verwendet werden können. Ist beispielsweise die In-Schicht ungefähr 2000 A dick und die Au-Schicht ungefähr 653 A, so ergibt sich die Verbindung Auln2.

Im Fall von Auln2 gehören zu den Leiterschichten, die durch Niederschlagstechniken mit diesem Material in elektrischen Kontakt gebracht werden können, solche der Zusammensetzung^ — 8 Gew.-% In — 3 Gew.-% Au. Diese Kontakte aus Bleilegierungen lassen sich durch Niederschlag der Legierungen auf der AuIn₂-Schicht herstellen. Da AuIn im thermodynamischen Gleichgewicht mit AuIn₂ steht, existiert keine chemische Treibkraft und die Interdiffusion im System ist damit minimal.

Bei der Verwendung von AulnrWiderständen zusammen mit Pb-In—Au-Schichten ergeben sich mehrere Vorteile. Infolge der relativ hohen Diffusivitä-.ten (der Diffusionskoeffizienten) von Gold in Indium und umgekehrt, besteht die Möglichkeit, die Verbindungen HKh 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 100⁰C) aufzubringen, um entsprechend der früheren Beschreibung eine mögliche Diffusion von Sauerstoff in eine angrenzende Grundplatte zu verhindern.

Ein weiterer möglicher Vorteil bei der Verwendung von AuIn₂-Widerständen liegt im Vorhandensein von überschüssigem In im System. Ist die In-Konzentration größer, als dies dem stöchiometrischen Verhältnis von AuIn? entspricht, so bleibt unterhalb von 154°C reines In im thermischen Gleichgewicht mit AuIn₂. In diesem Fall ist zu erwarten, daß ein kleiner Überschuß von In im Widerstand sehr leicht in die Pb-In—Au-Legierungsschichten der Zwischenverbindungen diffundiert, ohne dabei einen Kontaktwiderstand hervorzurufen oder die supraleitenden Kennwerte dieser Verbindungsleitungen zu ändern.

Wie erwähnt, können Auln₂-Schichten durch schrittweises Aufdampfen von ungefähr 54% In und 46% Au erzeugt werden. Der Druck während dem Niederschlagsprozeß kann in der Größenordnung von 10~⁷ Torr liegen und die Substrate bleiben während des Niederschlags auf einer Temperatur von ungefähr 75° C. Typischerweise werden Niederschlagsgeschwindigkeiten von ungefähr I bis loA/sec verwendet und die gesamte Schichtdick liegt bei ungefähr 2600 A.

Beugungsuntersuchungen an einem zusammengesetzten Widerstand mit 55% In und 45% Au zeigen das Vorhandensein von ungefähr 3% freiem Indium zusätzlich zur Verbindung AuIn₂. Dieses überschüssige Indium wird jedoch, wie früher beschrieben in die anstoßenden elektrischen Kontaktschichten diffundieren.

Der spezifische Widerstand/Fläche von Einphasen-AutarSchichten (ungefähr 2600 A dick) bei 4,2⁰K beträgt ungefähr 0,1 Ohm/Fläche ± 15%. Eine Variation von ±15% kann nicht als wesentlich angesehen

ίο werden, wenn die vielen verschiedenen Bedingungen beim Niederschlag der einzelnen Proben und die Variationen in der Probengeometrie berücksichtigt werden. Bei einem Zweiphaxenwiderstand mit AuIn und AuIn₂ und einer Dicke von ungefähr 2600 A beträgt der spezifische Widerstand ungefähr 0,2 Ohm/Fläche. Im Fall eines Zweiphasenwiderstandes aus Auglm und AuIn mit einer Dicke von ungefähr 2600 A betrage der spezifische Widerstand ungefähr 0,4 Ohm/Fläche. Es ist also möglich, verschiedene Widerstandswerte zu erhal ten, 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 + Äugln» einen höheren spezifi sehen Widerstand als ein Widerstand der Zusammenset zung AuIn₂ + AuIn.

Der Wert eines Dünnschichtwiderstands gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich auch durch Variieren der Niederschlagsgeschwindigkeit der Au-Schicht än dem, 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 Ände rangen der Substrattemperatur während des Nieder schlagsprozesses geändert werden. Diese In-Au-Widerstände lassen sich somit bei Substrattemperaturen von typisch ungefähr 100°C niederschlagen und weisen im allgemeinen eine Dicke von ungefähr 4000 A

Werden diese so erzeugten Schichten von AuIn₂ zwei Stunden lang bei 100°C getempert, so nimmt der Widerstand um weniger als 3% ab. In der Schichtzusammensetzung oder der Struktur treten keine wesent-

liehen Änderungen auf. Nach dem Tempern eines Widerstands mit einer oben liegenden Pb- In—Au-Schicht zeigte die Beugungsanalyse, daß in diesem System die chemische Teibkraf I für Interdiffpsion 0 ist. Dünne Schichten von AuIn₂ können somit in Betracht gezogen werden, um Pb-In—Au-Legierungsschichten, die als Verbindungsleitungen in Josephson-Kontaktschaltungen verwendet werden, widerstandsmäßig abzuschließen. Experimentell gemessene Werte der Widerstände von Auln₂-Schichten bei 4,2° K lagen bei

ν-, ungefähr 0,1 Ohm/Fläche, ihr Widerstandsverhältnis Rwe'K/RirK betrug ungefähr 4,5. Nimmt man die durchschnittliche Filmdicke des Widerstands (ungefähr 2600 A) zur Abschätzung des spezifischen Widerstands, so ergibt sich dieser bei 4,2° K zu ungefähr 2,6

Mikro-Ohm-cm. Dieser Wert 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,

bi von Fehlstellenkonzentration usw. größer ist als im Fall von massiven Proben.

In den Fig.5B und 6B sind die aus Au —In-Verbindungen bestehenden Anschlüsse als Schichten daree-

stellt, & h, die AuIn und AulnrVerbindungen 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 s idealisiert Die Verbindungen AuIn und Auln2 werden eher innerhalb des zusammengesetzten Widerstands oder des Kontaktbereichs verteilt sein. Dadurch ändert sich jedoch das hier beschriebene Prinzip nicht

Die Fig. 7A und 7B zeigen eine andere Struktur für ι ο elektrische Anschlußverbindungen oder widerstandsbehaftete Abschlüsse. Hier sind die Leiter 51 und 52 in elektrischem Kontakt mit einer Struktur R, die aus den Phasen A und B besteht Die Anschlüsse sind so ausgestaltet, daß 51 und 52 mit der Phase A von R in Kontaktstellen.

In F i g. 7B ist eine zur F i g. 7A analoge Ausführungsform dargestellt und die Anordnung der verschiedenen Schichten auf dem Substrat 14 angegeben. Die Strukturen der Fig.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 sein. Beim Aufdiimpfen der Leiter 51 und 52 wird der Kontakt zur Schicht der Phase A erzeugt

In diesen Beispielen liegt die Phase Λ in 51 und 52 vor, die Phase B ist jedoch in 51 und 5 2 nicht enthalten. Sind jedoch die Phasen A und B gegenseitig im thermischen Gleichgewicht so findet zwischen A und 51 und zwischen A und 52 keine resultierende Diffusion statt Die Phase wird sich nämlich in der Verbindung R nicht ändern, ds sie iut 51 und 52 im Gleichgewicht steht

Für die Phase A kann beispielsweise Aulri2 verwendet werden, für die Phase B AuIn. Die Leiter 51 und 52 bestehen, wie früher beschrieben, aus Pb — 8 Gew.-% In 3 Gew.-% Au-Legierungen.

Da die Phase B nicht im Kontakt mit 51 und 52 steht, kann sie aus jedem Material bestehen, welches im Verhältnis zur Phase A stabil ist (d. h. für das bei den interessierenden Temperaturen keine Diffusion zwischen A und B auftritt). Besteht die Phase A beispielsweise aus AuIn₂ und 51 aus Pb — 8 Gew.-% In — 3 Gew.-% Au₁ 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 Lettern verwendet werden, so insbesondere bei der Verdrahtung von supraleitenden Bauelementen. Der Einsaz von aus mehreren Komponenten bestehenden stabilen Phasen, die in den zu verbindenden Materialien stabil sind, verringert die Interdiffusionsprobleme auf ein t>o Minimum.

F i g. 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.

Die Chips 1—3 besitzen Leiterzüge 24, die mit dem Leiter 20 über Anschlußverbindungen 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 Schaltkreisplättchen könnte aus Pb — 8Gew.-% In — 3Gew.-% Au bestehen. Geeignete Verbindungsleitungen 26, bei denen keine Interdiffusion in dem aus den Leitern 20, 24 und 26 bestehenden System auftritt könnten aus AuIn₂ oder Pb — 5 Gew.-% In bestehen. AuIn₂ ist eine intermetallische Verbindung, während Pb — 5 Gew.-% In ein Mischkristail aus Pb und In ist Besteht der Leiter 20 aus Pb — 3 Gew.-% In, so ist die AnschluBverbindung 26 aus AuIn₂ thermodynamisch stabil im Verhältnis zum Leiter 20 und es tritt keine Diffusion zwischen dem Leiter 20 und der AnschluBverbindung auf. Damit sich eine supraleitende Anordnung aus den Leitern 20,24 und den Anschlußverbindungen 26 ergibt, müssen die AuIn oder AuIn₂-Schichten sehr dünn sein (dünner als ungefähr 100 A). Die Herstellung dieser Materialien wurde früher beschrieben und läßt sich an Hand der Kurve von F i g. 3 und des ternären Phasendiagramms in F i g. 4 verstehen.

In F i g. 8B ist eine Abwandlung der Anordnung von F i g. 8A dargestellt 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 Schaltkreisplättchen verstärkt werden. Die Zwischenschicht sollte aus einem Material bestehen, das bei den interessierenden Temperaturen hinsichtlich der Diffusion stabil ist

Der Leiter 24 in F i g. 8B kann beispielsweise aus Pb

— 8Gew.-% In — 3Gew.-% Au bestehen und der Leiter 20 aus demselben Material oder aus Pb — 5Gew.-% In. Das Material A besteht aus Pb -5 Gew.-% In, die Schicht Maus AuIn₂.

In einem weiteren Beispiel besteht das Material M aus AuIn und das Material A aus AuIn₂. Besteht die Schicht Maus 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 muB die Schicht M in allen Fällen sehr dünn gewählt werden (ungefähr 100 A oder weniger), wenn sie aus normalem Material, wie z. B. AuIn oder AuIn₂ besteht Die Verbindung 26 >st 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 ungefähr 1300 A 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 1300 A Dicke die mittlere freie Weglänge für Elektronenstreuung konstant ist Dieses Ergebnis steht im Gegensatz zu dem, was man normalerweise erwartet; für Anwendun-

in elektronischen Schaltkreisen ist dieses Verhalten )ch höchst erwünscht Es bedeutet nämlich, daß die roduzierbarkeit des Schichtwiderstands von Widerdert, deren Dicke in dem Beeich des konstanten dfiscben Widerstands liegt nur durch die Dimension Widerstands bestimmt wird und nicht durch ndwelche Änderungen sonstiger Schichtkennwerte Tund von Änderungen der Dimension, ie vorliegende Erfindung gibt ein Verfahren zur bindung von ungleichen Materialien, so daß

zwischen diesen Materialien keine Interdiffusion auftritt Daraus ergibt sich eine hohe thermodynamisdie Stabilität und die Anwendbarkeit dieses Verfahrens für einen weiten Bereich von Anwendungen. Besonders vorteilhaft ist es in supraleitenden Schaltkreise, wo supraleitende Schaltplättchen fest verbunden werden müssen oder wo AbschluBwiderstände an supraleitende Leitungen angeschlossen werden müssen. Gemäß der Erfindung müssen in jedem der zu verbindenden Materialien gemeinsame stabile Phasen vorhanden sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Verbindung zwischen Bauelementen aus verschiedenen Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei miteinander zu verbindende Bauelemente aus einer oder mehreren Verbindungen bzw. Mischkristallen bestehen und daß mindestens eine Verbindung bzw. ein Mischkristall eines Bauelements als stabile Phase im anderen Bauelement vorhanden ist ι ο

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente zwei elektrische Verbindungsleitungen sind.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente eine Verbindungslei- ;ϊ tung und ein Widerstand sind.

4. Elektrische Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen bzw. Mischkristalle aus Metallen bestehen

5. Elektrische Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen bzw. Mischkristalle aus Legierungen bestehen.

6. Elektrische Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen bzw. Mischkristalle aus intermetallischen Verbindungen bestehen.

7. Elektrische Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein 3η Leiter aus supraleitendem Material besteht

8. Elektrische Verbindung nach einem der Ansprüche 3 oder 7, dadutih gekennzeichnet, daß der erste als Widerstand ausgebildete Leiter aus einer intermetallischen Verbi: Jung besteht und der zweite Leiter diese intermetallische Verbindung als stabile Phase enthält

9. Elektrische Verbindung nach Anspruch 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste als Widerstand ausgebildete Leiter aus einem Mischkristall mit mehreren Komponenten besteht und der zweite Leiter diesen Mischkristall als stabile Phase enthält

10. Elektrische Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß bei supraleitenden Schaltungen mit Josephson-Elementen der erste Leiter ein supraleitendes Material und der zweite Leiter ein aus einem Mischkristall oder einer intermetallischen Verbindung bestehender Widerstand ist und daß der Mischkristall b::w. die intermetallische Verbindung als stabile Phase im supraleitenden Leiterzug enthalten ist

11. Elektrische Verbindung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der als Widerstand ausgebildete zweite Leiter aus einer dünnen Schicht besteht, deren Dicke weniger als ungefähr 1300 A r, beträgt

12. Elektrische Verbindung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Leiter aus einer Bleilegierung besteht.

13. Elektrische Verbindung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter aus einer Pb- In—Au- Legierung besteht und der Widerstand aus der Verbindung AuIn.

14. Elektrische Verbindung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand aus t>5 AuIn und AuIn₂ besteht

15. Elektrische Verbindung nach Anspruch 12, 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.

16. Elektrische Verbindung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand aus einer Verbindung von In und Ag besteht ir-.d daß der aus einer Bleilegierung bestehende Supraleiter diese Verbindung als stabile Phase enthält

17. Elektrische Verbindung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand aus mehreren Mischkristallen oder Verbindungen besteht, die als stabile Phasen im Supraleiter enthalten sind.

18. Herstellungsverfahren für elektrische Verbindungen nach einem der Ansprüche 1 bis 17, 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 der elektrischen Verbindung auf dem ersten Leiter niedergeschlagen wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Material ein Metall ist und die Diffusion eine intermetallische Verbindung ergibt

20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Materialien zur Bildung einer Verbindung interdiffundieren.

21. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet daß der Widerstand aus einer intermetallischen Verbindung hergestellt und bis zu einer Dicke niedergeschlagen wird, die kleiner ist als die maximale Dicke, bis zu der der spezifische Widerstand unabhängig von der Dicke bleibt

22 Elektrische Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes und ein zweites Bauelement (Si, S2; Fig. 5) mit einem dritten Bauelement (R) verbunden sind und daß in jedem der ersten Bauelemente mindestens eine Komponente des dritten Elements als stabile Phase vorliegt.

23. Elektrische Verbindung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten Elemente gleich sind und die Verbindung bzw. Verbindungen des dritten Elements als stabile Phase enthalten.

24. Elektrische Verbindung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten Elemente (Sl und 52) und das dritte Element (R) jeweils in einer der folgenden Kombinationen auftreten:

Pb-In(8Gew.-°/o)-Au AuIn₂

(0... 6 Gew.-o/o) Pb-Mg (~5Gew.-°/o) Mg₂Pb

Fortsetzung

Si=S2

Pb-Mg (~5Gew.-%) Pb-Au (28 Gew.-%) AuIn oder AuIm Pb-AI-Au Al-Cu (4 Gew.-%) Al-Au (-?5Gew.-%) Pb-In-Cu Pb-In—Ag

Pb-In(8Gew.-%)-Au (8 Gew.-%)

Pb-Mg

AuPbi oder AuPbj

Au!n+Aulri2

AuAb und/oder AuAl

CuAl₃

AuAl₂

Cu₉In₄

Agln2 und/oder Ag2ln

AuIn₂-HAuIn