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HALBLEITERVORRICHTUNG UND VERFAHREN
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ZU DEREN HERSTELLUNG Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung
und Verfahren zu deren Herstellung, insbesondere die Verdrahtung einer Halbleitervorrichtung
und deren Herstellung.
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Die Halbleitervorrichtung umfaßt eine Siglalschaltung, wie eine Logikschaltung,
eine Speicherzelle, eine Fühlerverstärkerschaltung, eine Dekodierschaltung und dergleiche.
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Die Halbleitervorrichtung umfaßt außerdem eine Verdrahtung zum Verbinden
der Schaltungselemente untereinander sowie zur Zuführung elektrischer Energie zu
den Schaltungselementen.
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Da Halbleitervorrichtungen in neuerer Zeit hochintegriert sind, ist
für die Schaltungselemente ein feines Schaltungsmuster erforderlich, und ferner
muß die Verdrahtung, insbesondere die zur Zuführung elektrischer Energie zur Signalschaltung
und anderen Schaltungselementen, einen hohen elektrischen Strom führen.
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Wenn ein hoher Strom durch eine feine Verdrahtung fließt, tritt eine
erhöhte Stromdichte auf. Infolgedessen kann die Verdrahtung brechen, und zwar aufgrund
einer Elektrowanderung und des erhöhten Spannungsabfalls, die sowohl durch den erhöhten
Widerstand als auch die Selbstinduktivität der feinen Verdrahtung verursacht werden.
Das Brechen der Verdrahtung kann vermieden werden, indem man die Verdrahtung in
den Schaltungen breit und/oder dick macht. Wenn die Verdrahtung breit und dick gemacht
wird, ist es jedoch unmöglich, eine Halbleitervorrichtung mit hoher Schaltungspackungsdichte
zu erzeugen. Wenn die Verdrahtung dick gemacht wird aber nicht breit, ist es schwierig,
eine lerdrahtung mit feinem Schaltungsmuster herzustellen, und zwar aufgrund der
vergrößerten Höhe der Verdrahtung. Wenn die Dicke der Fotolackschicht im Vergleich
zur Breite der Metalleiter der Verdrahtung gemacht wird, ist es schwierig, ein feines
Verdrahtungsmuster zr erzeugen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleitervorrichtung
verfügbar zu machen, bei der die Verdrahtung und die Schaltungselemente mit einem
feinen Muster hergestellt sind und bei der die Metalleitungen zur Zuführung elektrischer
Energie zu den Schaltungselementen nicht bricht.
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Ferner soll der Spannungsabfall in der Verdrahtung verringert werden,
so daß diese konstant einen großen Strom leiten kann, und soll die gegenelektromotorische
Kraft der Verdrahtung herabgesetzt werden.
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Darüberhinaus soll eine Verdrahtung mit einem feinen Schaltungsmuster
erzeugt werden, die hohe Widerstandsfähigkeit gegen Brechen besitzt.
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Zudem soll eine feine Verdrahtung, die gegen Brechen hoch widerstandsfähig
ist, durch eine Maskenausrichtmethode geschaffen werden, wobei die Maskenausrichtung
nicht mit sehr hoher Genauigkeit ausgeführt zu werden braucht.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Halbleitervorrichtung,
wie sie im Anspruch 1 gekennzaichnet und in den Ansprüchen 2 bis 4 vorteilhaft weitergebildet
ist, sowie in einem Verfahren, wie es im Anspruch 5 gekennzeichnet und in den Ansprüchen
6 bis 8 vorteilhaft weitergebildet ist, oder einem Verfahren, wie es im Anspruch
9 gekennzeichnet und im Anspruch 10 vorteilhaft weitergebildet ist.
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Der Ausdruck Verdrahtung, wie er hier verwendet wird, bezeichnet kollektiv
die Signalverdrahtung und die unten
definierte Sammelleitungsschaltung
und bezeichnet ferner eine Gruppe von Metalleitungen zur Verbindung der verschiedenen
Elemente der Halbleitervorrichtung miteinander, wobei die Metalleiter in Form einer
Schicht auf einer Isolierschicht der Halbleitervorrichtung niedergeschlagen sind.
Der Ausdruck Mehrschichtverdrahtung, wie er hier verwendet wird, bezeichnet eine
Gruppe von Verdrahtungen, in denen eine Isolierschicht, die zwischen den oberen
und den unteren Metalleitern angeordnet ist, diese Metalleiter isoliert.
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Der hier verwendete Ausdruck Signalverdrahtung bezeichnet die Verdrahtung
zur Verbindung der Schaltungselemente miteinander. Der hier verwendete Ausdruck
Sammelleitungsschaltung bezeichnet eine Schaltung zum Heranführen von elektrischer
Energie an die Schaltungselemente und besteht aus dem zusätzlichen Metalleiter und
der Stromversorgungssammelleitung.
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Das Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung umfaßt die
Herstellung einer Verdrahtung mit einem feinen Schaltungsmuster zur Erzeugung einer
Signalverdrahtung für die Verbindung der Schaltungselemente miteinander und wenigstens
einer Stromversorgungssammelleitung zur Heranführung der elektrischen Energie an
die Schaltungselemente.
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Das Verfahren umfaßt ferner das Niederschlagen einer zusätzlichen
Metalleitung derart, daß diese mindestens überwiegend auf wenigstens einem wesentlichen
Teil wenigstens der Stromversorgungssammelleitung angeordnet ist. Ein Aluminiummuster
für die Signalverdrahtung und die Stromversorgungssammelleitung werden unter Verwendung
einer fotolithografischen oder einer elektronenstrahllithografischen Methode hergestellt,
und dann wird das freigelegte Aluminium mittels einer H3P04-Lösung geätzt. Eine
Metallschicht wird zunächst in der Form niedergeschlagen, daß sie die Signalverdrahtung
und die Stromversorgungssammelleitung gänzlich bedeckt, und wird dann auf wenigstens
einem wesentlichen Teil der Stromversorgungsleitung belassen. Vorzugsweise wird
die zusätz#iche Metalleitung gänzlich auf der Stromversorgungssammelleitung angeordnet.
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Für das Niederschlagen les Metalls, gewöhnlich Aluminium, wird eine
Dampfniederschlagsmethode bei einer Temperatur von 30 bis 300 0C unter einem Druck
von 10 bis 10 Pascal verwendet. Das Aluminium wird auf der gesamten oberen Oberfläche
der Halbleitervorrichtung niedergeschlagen, die verschiedenen Teile in Abhängigkeit
vom vorausgehenden Herstellungsschritt aufweist. Die erwähnte obere Oberfläche umfaßt
die Signalverdrahtung, die Stromversorgungssammelleitung und die Isolierschicht.
Diese Isolierschicht kann beispielsweise eine SiO2-Schicht und eine Phosphorsilikatglas
-(PSG)schicht
sein. Die Verdrahtung wird durch Öffnungen in dieser Schicht mit den freigelegten
Teilen der Schaltungselemente in Berührung gebracht.
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Vorzugsweise sind die zusätzlichen Metalleitungen schmaler als die
Stromversorgungssammelleitung. Die Breite der zusätzlichen Metalleitungen sollte
im Bereich von 50 bis 96 % derjenigen der Stromversorgungssammelleitung liegen.
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Vorzugsweise besitzen die Metalleitungen der Signalverdrahtung und
der Sammelleitungsschaltung folgende Abmessungen.
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Jede Metalleitung der Signalverdrahtung besitzt eine Breite von 1
bis 500 rm, gewöhnlich bis zu 200 ßm, und eine Dicke von 0,5 bis 2 ßm. Die Stromversorgungssammelleitung
besitzt eine Breite von 1 bis 500 ßm, gewöhnlich bis zu 200 ßm, und eine Dicke von
0,5 bis 2 rm. Die Breite der zusätzlichen Metalleitungen der Sammelleitungsschaltung
sollte im Bereich von 0,5 bis 480 ßm liegen, gewöhnlich bis zu 180 ßm, und deren
Dicke sollte im Bereich von 0,5 bis 2 ßm liegen. Ferner überschreitet die Dicke
der zusätzlichen Metalleitung vorzugsweise nicht diejenige der Stromversorgungssammelleitung.
Die oben erwähnte Breite von mehr als 200 ßm kann entsprechend der Auslegung der
Halbleitervorrichtung verwendet werden, insbesondere, wenn eine Halbleitervorrichtung
entworfen
wird, die einen hohen Strom leiten muß.
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Bei dieser Vorrichtung ist es erforderlich, den elektrischen Strom
gleichförmig zu jeden Bereich der Vorrichtung zu leiten und daher eine breite Stromversorgungssammelleitung
für jene Teile der Sammelleitung zu verwenden, welche zu deren Anschlußflecken führen.
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Das Material für die Metalleitungen und die Stromversorgungssammelleitung
kann Aluminium, Molybdänund polykristallines Silicium sein, ist jedoch vorzugsweise
Aluminium.
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Es ist möglich, nacheinander wenigstens zwei Metalleitungen der Sammelleitungsschaltung
in solcher Weise zu bilden, daß die Breite der oberen Metalleitungen kleiner ist
als die Breite der unteren Metalleitungen. Diese aufeinanderfolgende Bildung der
Metalleitungen wäre vorteilhaft, um durch diese einen besonders hohen Strom zu leiten.
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Ein bevorzugtes Verfahren, das nachfolgend als Abhebeverfahren bezeichnet
wird, umfaßt folgende Schritte: Es wird eine Maskierungsschicht auf der oberen Oberfläche
der Signalverdrahtung und wenigstens einer Stromversorgungssammelleitung sowie auf
Trägerteilen einer Isolierschicht, welche den Halbleiter oder ein Substrat bedeckt
und Öffnungen zum Freilegen der Schaltungselemente besitzt, niederschlagen;
in
der Maskierschicht wird eine Öffnung gebildet, um die Stromversorgungssammelleitung
mit Ausnahme von deren beiden Seiten freizulegen; das Metall der zusätzlichen Metalleitung
wird auf der Maskierschicht und dem freigelegten Teil der Stromversorgungssammelleitung
mit einer Dicke niedergeschlagen, die geringer ist als die Dicke der Maskierschicht;
und die Maskierschicht wird zusammen mit dem auf ihr niedergeschlagenen Metall der
zusätzlichen Metalleitung entfernt oder abgehoben.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand vor. Ausführungsformen näher
erläutert. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine Querschnittsansicht von den Metallteilen
der Sammelleitungsschaltung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform; Fig. 2 eine
Querschnittsansicht von der zusätzlichen Metalleitung, der Stromversorgungssammelleitung
der Sammelleitungsschaltung und einer Metalleitung der Signalverdrahtung einer anderen
erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 3 eine vergrößerte Teildraufsicht
auf eine Halbleiterspeichervorrichtung; Fig. 4 einzelne Stufen bei der Herstellung
bis 5 eines Bauelementes mit einer Verdrahtung, die eine zusätzliche Metalleitung
gemäß der Erfindung aufweist.
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In Fig. 1 bestehen die Metallteile einer Sammelleitungsschaltung 10
zum Leiten eines hohen Stroms aus einer Stromversorgungssammelleitung 2 und einer
zusätzlichen Metallleitung 3. Die Stromversorgungssammelleitung 2 besitzt im wesentlichen
die gleiche Dicke wie eine (nicht gezeigte)
Metalleitung der Signalverdrahtung.
Die Metallteile der Sammelleitungsschaltung 10 können Metallteile einer einzigen
Verdrahtungsschicht sein oder sie können Metallteile der oberen Verdrahtung einer
Mehrschichtverdrahtung sein. Die zusätzliche Metalleitung 3 ist auf der Stromversorgungssammelleitung
2 niedergeschlagen. Die zusätzliche Metalleitung der Sammelleitungsschaltung ist
schmaler als die Stromversorgungssammelleitung. Daher ist es möglich, integriert
niedergeschlagene zusätzliche Metallleitungen zu erzeugen und auch die Querschnittsfläche
der Sammelleitungsschaltung zu erhöhen. Folglich kann die Stromdichte durch Erhöhen
der Querschnittsfläche der Sammelleitungsschaltung reduziert werden, und die Halbleitervorrichtung
kann hoch integriert sein und ein feines Schaltungsmuster aufweisen, obgleich die
Querschnittsfläche der Sammelleitungsschaltung erhöht ist. Eine große Stromdichte
sollte vermieden werden, da die ZuverlässigkeLt der Halbleitervorrichtung dadurch
verschlechtert würde.
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Da ein MOS-Transistor der Halbleitervorrichtung eine Schwellenspannung
Vth besitzt, die sich auf etwa 0,8 Volt beläuft, kann der Wert der gegenelektromotorischen
Kraft, die in einer herkömmlichen Stromversorgungssammelleitung einer Signalverdrahtung
durch einen impulsförmigen Strom
erzeugt wird, den Wert von Vth
erreichen. Im vorliegenden Fall ist die elektromotorische Kraft der Sammelleitungsschaltung
aufgrund der Doppel struktur dieser Schaltung niedrig.
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Es kann ein wesentlicher Teil der zusätzlichen Metalleitung 3 auf
der Stromversorgungssammelleitung 2 niedergeschlagen werden, wie es in Fig. 2 gezeigt
ist, was von der Genauigkeit der Maskenausrichtung abhängt. Die zusätzliche Metalleitung
3 kann deshalb an einer Stelle niedergeschlagen werden, die von einer vorbestimmten
Stelle auf der Isolierschicht 1 verschieden ist. Die zusätzliche Metallleitung 3
kann jedoch von einer benachbarten Metalleitung 4 getrennt gehalte werden, da die
zusätzliche Metalleitung 3 schmaler als die Stromversorgungssammelleitung 2 ist
und da ferner der Abstand zwischen der Schaltung 10 und benachbarten Leitungen 4
gewöhnlich größer als die Breite der Metalleitungen ist. Demgemäß ist es möglich,
benachbarte Metalleiter dicht nebeneinander anzuordnen und damit eine hoch integrierte
Halbleitervorrichtung zu schaffen.
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Ein Beispiel für eine Halbleitervorvichtung, die mit der Signalverdrahtung
und der Sammelleitungsschaltung gemäß vorliegender Erfindung versehen ist, wird
in Verbindung mit Fig. 3 erläutert, die eine Draufsicht auf eine solche
Vorrichtung
zeigt.
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In Fig. 3 stellt der oben rechts befindliche Abstand, der durch strichpunktierte
Linien A und B definiert und mit der Bezugsziffer 31 gekennzeichnet ist, einen Speicherzellenbereich
einer M0S-Halbleiterspeichervorrichtung dar.
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In diesem Speicherzellenbereich ist eine Anzahl von Metallleitungen
enthalten. Jede der Metalleitungen im Speicherzellenbereich besteht aus einer einzigen
Metall schicht und ist an Stellen, die in der Zeichnung durch schwarze Flecken dargestellt
sind, je mit dem Gate einer (nicht dargestellten) M0S-Transistor-Speicherzelle verbunden.
Die durch Pfeile S1, S2 und S3 gekennzeichneten breiten Linien stellen Stromversorgungssammelleitungen
zum Führen eines hohen Stroms dar. Diese Stromversorgungssammelleitungen s1 bis
S3 bestehen aus Doppelstruktur-Metalleitungen mit feinem Schaltungsmuster. Ein durch
die Linie S1 definierter linker Abschnitt 32 stellt den Fühlerverstärker dar und
umfaßt die Signalverdrahtung des Fühlerverstärkers. Die Enden dieser Verdrahtung,
die in Fig. 3 durch Flecken gezeigt sind, sind mit der Verdrahtung der Speicherzellen
31 durch Metalleiter verbunden (cie in Fig. 3 nicht gezeigt sind, die jedoch unter
der Stromversorgungssammelleitung S1 angeordnet sind).
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Der Fühlersverstärker erfühlt und verstärkt die in der Speicherzelle
gespeicherte Information. Der Abschnitt 33 zwischen
den Linien
S1 und S2 stellt eine Treiberschaltung eines Dekodierers dar. Die Verdrahtung in
diesem Treiberschaltungsabschnitt 33 führt unter sowohl der Stromversorgungssammelleitung
S1 als auch den im Speicherzellenbereich 31 gezeigten Metalleitungen durch. Die
Verdrahtung im Treiberschaltungsabschnitt 33 ist mit den Drainzonen der (nicht gezeigten)
MOS-Transistor-Speicherzellen im Speicherzellenbereich 31 verbunden. Der Abschnitt
34 unter der Stromversorgungssammelleitung s2 stellt den Dekodierer dar. Die Verdrahtung
des Dekodiererabschnitts führt unter der Stromversorgungssammelleitung s2 durch
und ist an Stellen, die in der Zeichnung mit schwarzen Flecken dargestellt sind,
mit der Verdrahtung des Treiberschaltungsabschnitts 33 verbunden. Die Verdrahtung
des Dekodiererabschnitts 34 ist außerdem mit der Logikschaltung von MOS-Transistoren,
die in Fig. 3 nicht gezeigt, jedoch im Abschnitt 33 vorgesehen sind, verbunden.
Der Dekodierer bezeichnet und wählt eine Adresse der Speicherzellen. Der Abschnitt
35 kennzeichnet einen Teil der Verdrahtung eine Wortadressenschaltung. Die Stromverso=qungssammelleitung
S1 entspricht der Sammelleitung zum Heranführen elektrischer Energie an die Signalschaltungen
31 bis 33, während die Stromversorgungssammelleitungen S2 und S3 den Massesammelleitungen
entsprechen. Die Signalschaltung kann Informationseingangs- und Informationsausgangsschaltungen,
eine Pufferschaltung
und eine Auffang- oder Halteschaltung (Latch-Schaltung)
einer Speichervorrichtung sowie die Logikschaltung der integrierten Schaltung umfassen.
Die Metalleitungen dieser Schaltungen sind in einer einzigen Metallschicht enthalten.
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Es wird nun das erfindungsgemäße Abhebeverfahren in Verbindung mit
den Fig. 4 bis 6 erläutert, die einen Verdrahtungsprozeß zeigen.
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Eine Fotolackschicht 5 wird auf die auf einer SiO2-Schicht 1 oder
und dergleichen niedergeschlagene Stromversorgungssammelleitung 2 aus Aluminium
niedergeschlagen. Wenn auch in Fig. 2 nur die Stromversorgungssammelleitung 2 der
Schaltung zum Leiten des hohen Stroms gezeigt ist, werden die Aluminiumleitungen
der Signalverdrahtung ebenfalls durch die Fotolackschicht 5 bedeckt. Die Fotolackschicht
wird vorzugsweise dick aufgetragen, beispielsweise mit einer Dicke von 0,7 bis 5
ßm.
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Die Maskierungsschicht, beispielsweise die Fotolackschicht 5 oder
eine auf andere Strahlung, beispielsweise auf ein Elektronenstrahlenbündel, ansprechende
Maskierungsschicht wird zur Bildung einer Öffnung 5A selektiv belichtet bzw.
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bestrahlt und entwickelt (Fig. 5), wodurch der mittlere Teil
der
oberen Oberfläche der Stromversorgungssammelleitung 2 für das Leiten eines hohen
Stroms mit Ausnahme von deren beiden Peripherierändern freigelegt wird. Die Al-Schicht
6 (Fig. 6) wird aus der Dampfphase auf der gesamten Oberfläche der Fotolackschicht
5 und der durch das Fenster 5A freigelegten Stromversorgungssammelleitung 2 niedergeschlagen.
Die Al-Schicht besitzt vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 2 ßm. Der
auf der Stromversorgungssammelleitung 2 niedergeschlagene Teil der Al-Schicht 6B
wird von dem auf der Fotolackschicht 5 niedergeschlagenen Teil der Al-Schicht 6A
an den Enden dieser Schichten 6A und 6B getrennt. Die Fotolackschicht 5 wird von
der SiO2 1? Schicht durch »tellern des Fotolacks abgeschält; daher wird der Teil
6A der Al-Schicht zusammen mit der Fotolackschicht 5 entfernt. Der Teil 6B der Al-Schicht
bleibt auf der Stromversorgungssammelleitung 2 und kann als in integrierter Weise
auf der Strojuversorgungssammelleitung niedergeschlagene zusätzliche Metallschicht
der Sammelleitungsschaltung verwendet werden. Da für das Niederschlagen der zusätzlichen
Metalleitung 6B auf der Stromversorgungssammelleitung 2 keine Ätzung angewendet
wird, kann die Stromversorgungssammelleitung 2 nicht durch ein Ätzmittel korrodiert
werden.
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Beispiele der physikalischen und elektrischen Eigenschaften der Sammelleitungsschaltung
werden nun anhand der Fig. 3 erläutert.
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Beispiel 1 (Kontrollbeispiel) Die Verdrahtung des Speicherzellenbereichs
31 und der in Fig. 3 gezeigten Abschnitte 32 bis 35 wurden durch Al-Leitungen mit
einer Dicke von 700 nm und einer Breite von 1,5 am erzeugt. Ein Strom mit einem
Mittelwert von Imit von 0,25 A und einer zeitlichen Anderung mit einem (di/dt)-Wert
von 108 A/s konnte die Stromversorgungssammelleitung S1 bis S3 passieren.Diese Stromversorgungssammelleitungen
S1 bis S3 wurden aus Aluminiumleitungen mit einer Dicke von 700 nm und einer Breite
von 10 ßm hergestellt. Die Selbstinduktivität L der Al-Leitungen betrug etwa 2,6
x 10## 9 H pro 5 mm der Al-Leitung. Die gegenelektromotorische Kraft der Verdrahtung
S1 bis S3 wurde entsprechend folgender Gleichung berechnet:
Der Widerstard R der 5 mm langen Al-Leitungen der Stromversorgungssammelleitungen
S1 bis S3 betrug etwa 0,2 Ohm, und der Spannungsabfall IR war daher 50 mV. Die Stromdichte
J in den Stromversorgungssammelleitungen S1 bis S3 war 3,5 x 106 A/cm2, wenn durch
die Stromversorgungssammelleitungen ein Strom von 0,5 A floß.
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Beispiel 2 (Erfindung) Die Stromversorgungssammelleitungen S1 bis
S3 bestanden aus den folgenden Al-Leitungen in zwei Schichten.
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Erste Schicht: Breite: 10 rm; Dicke: 1 rom; Widerstand: 0,27 Ohm
(pro 1 cm der ersten Schicht); Selbstinduktivität: 5,2 x 10 H.
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Zweite Schicht: Breite: 6 Fm; Dicke: 1 um; Widerstand: 0,45 Ohm (pro
1 cm der zweiten Schicht); Selbstinduktivität: 5,6 x 10-9 H.
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Die zweite Schicht wurde gänzlich auf der ersten Schicht angeordnet.
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Der Gesamtwiderstand Rt der ersten und der zweiten Schicht wurde berechnet
unter Verwendung der folgenden Gleichung:
Die Gesamtinduktivität Lt der ersten und der zweiten Schicht wurde veranschlagt
auf: Lt = 4.5x10 (H).
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Aus obigem Beispiel sieht man, daß die vorliegende Erfindung äußerst
wirksam ist zur Erzeugung einer Verdrahtung, durch die konstant ein großer Strom
geleitet werden muß oder in der eine große Xnderung des sie passierenden Stroms
auftritt. Dies liegt daran, daß sowohl der Widerstand (R) als auch die Induktivität
(L) sowie die Stromdichte durch die Vergrößerung der Querschnittsfläche der Verdrahtung
herabgesetzt sind.