DE4312529A1 - Elektronische Vorrichtung mit Diamantfilm und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Vor­ richtung mit Diamantfilm und auf deren Herstellungsver­ fahren, wobei Bor-dotierte halbleitende Diamantfilme verwendet werden.

Als halbleitendes Material weist Diamant einen großen Bandabstand und eine hervorragende Stabilität gegenüber chemischen Reaktionen und bei Bestrahlung auf. Folglich wird es für elektronische Vorrichtungen verwendet, die bei harten Umgebungsbedingungen eingesetzt werden. Ins­ besondere Thermistoren, welche einen Bor-dotierten Dia­ mantfilm verwenden (nachfolgend als B-dotierte Diamant­ filme bezeichnet), arbeiten in einem weiten Temperatur­ bereich zwischen Zimmertemperatur und sehr hohen Tempe­ raturen, wobei sie eine kurze Ansprechzeit und hervorra­ gende chemische Widerstandseigenschaften aufweisen. Ver­ suche zur Herstellung derartiger Thermisotoren wurden z. B. von Fujimori und anderen beschrieben (New Diamond, Vol. 5, No. 2, p. 32, 1989 und japanische Offenlegungs­ schrift Nr. HEI 3-83 301).

Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines herkömm­ lichen Thermistors, welcher B-dotierte Diamantfilme ver­ wendet. Ein B-dotierter Diamantfilm 32 ist auf einem aus Si₃N₄ bestehenden Substrat 31 ausgebildet. Ein Paar von Elektroden 33 sind auf dem Diamantfilm 32 ausgebildet. Die Elektroden 33 bestehen aus einer Zweifachschicht von Ti/Au-Filmen oder aus einer Mehrfachschicht von Ti/Mo/Au-Filmen. Des weiteren befindet sich eine aus SiO₂ bestehende Schutzschicht 34 zwischen dem Paar von Elektroden 33, wobei daß sie leicht über die Elektroden 33 hinausragt.

Ferner sind aus Ni bestehende Zuführungsdrähte 35 mit den von der Schutzschicht 34 unbedeckten Bereichen der Elektroden 33 mittels Ag-Pasten 36 verbunden.

Der vorhergehend beschriebene Thermistor besitzt einen negativen Temperaturkoeffizienten, in welchem der Wider­ stand mit ansteigender Temperatur fällt.

Dieser Thermistor und andere elektronische Vorrichtungen mit ähnlicher Struktur haben jedoch folgende Nachteile: elektronische Vorrichtungen mit halbleitendem Diamanten werden üblicherweise bei hohen Temperaturen und harten Umgebungsbedingungen eingesetzt. Bei den herkömmlichen elektronischen Vorrichtungen mit Diamantfilm sind jedoch die Metallelektroden der Luft ausgesetzt. Daher können sich die Eigenschaften der elektronischen Vorrichtungen verschlechtern, selbst wenn die Diamantfilme nicht durch die harten Umgebungsbedingungen beschädigt werden, weil die Elektrodenoberflächen, herausrausragende Elektroden­ abschnitte, Zuführungsdrähte und dergleichen direkt der Hitze und der äußeren Atmosphäre ausgesetzt sind. Zum Schutze der Elektrodenabschnitte kann die ganze Oberflä­ che der Vorrichtung mit einer Schutzschicht bedeckt wer­ den oder die Vorrichtung kann in einen Schutzbehälter gepackt werden. Verwendet man jedoch solche Methoden für Thermistoren mit Diamantfilm, so wird der temperaturfüh­ lende Teil des Thermistors (d. h. der B-dotierte Dia­ mantfilm) von der Umgebung getrennt und die thermische Ansprechzeit wird sehr viel länger.

Darüberhinaus weisen herkömmliche Thermistoren mit Dia­ mantfilm bei der Massenproduktion Nachteil auf, daß starke Unterschiede in den Thermistorcharakteristika von einem Thermistor zum anderen unvermeidbar sind, da nur ein Satz von Diamantfilm und Elektroden auf jeweils ei­ nem Substrat ausgebildet wird. Ferner ist die Produkti­ vität gering und damit die Herstellungskosten hoch, da ein Satz von Diamantfilm und Elektroden unabhängig von­ einander auf einem jeweiligem Substrat ausgebildet wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Vorrichtung mit Diamantfilm zu schaffen, welche ein hervorragendes thermisches Ansprechverhalten und eine große Stabilität gegenüber harten Umgebungsbe­ dingungen aufweist. Ferner sollen die Charakteristikaab­ weichungen von Vorrichtung zu Vorrichtung verringert und die Herstellungskosten gesenkt werden.

Eine erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung mit Dia­ mantfilm umfaßt ein Substrat, wahlweise auf dem Substrat ausgebildete Elektroden und einen Bor-dotierten Diamant­ film, der wahlweise auf dem Substrat ausgebildet ist und wenigstens einen Teil von jeder Elektrode bedeckt.

Ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung mit Diamantfilm umfaßt die Schritte des Formens von einer Vielzahl von elektroni­ schen Vorrichtungen mit Diamantfilm auf einem einzigen Substrat, wobei jede der Vorrichtungen aus wahlweise auf dem Substrat ausgebildeten Elektroden besteht und einem Bor-dotierten Diamantfilm, der wenigstens einen Teil von jeder Elektrode überdeckt und dem Schneiden des Sub­ strats zum Trennen der Vielzahl von elektronischen Vor­ richtungen mit Diamantfilm voneinander.

Bei der erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung mit Diamantfilm ist zumindest ein Teil von jeder Elektrode mit einem Bor-dotierten Diamantfilm bedeckt. Die elek­ tronische Vorrichtung mit Diamantfilm kann zum Beispiel derart verwendet werden, daß sie in einem Behälter mit einer Öffnung aufgenommen wird, wobei lediglich der Bor- dotierte Diamantfilm herausragt, oder daß die Vorrich­ tung direkt in die Wandoberfläche eines mit Gas oder Flüssigkeit gefüllten Behälters bzw. eines Rohres einge­ baut wird, dessen Temperatur gemessen werden soll. In diesem Fall sind die Elektroden durch Löcher, welche sich an den von dem Bor-dotierten Diamantfilm unbedeck­ ten Abschnitten oder an den Substratabschnitten entspre­ chend der Elektrodenposition vorgesehen sind, elektrisch mit einem Meßapparat verbunden.

Bei einem derartigen Aufbau ist es möglich, die Ver­ schlechterung der Elektroden selbst dann zu verhindern, wenn die Umgebung korrosiv ist, da die Elektroden durch den Bor-dotierten Diamantfilm geschützt und der Umgebung nicht direkt ausgesetzt sind. In gleicher Weise können auch herausragende Elektrodenabschnitte und Zuführungs­ drähte vor Korrosion geschützt werden, da sie nicht der Umgebung ausgesetzt sind. Des weiteren behält der Ther­ mistor eine kurze Ansprechzeit, da der Bor-dotierte Dia­ mantfilm in direktem Kontakt mit der Umgebung ist.

Zum Schutz der elektronischen Vorrichtung mit Diamant­ film vor den verschiedensten Umgebungsbedingungen, soll­ ten eine oder mehrere Schutzschichten wie zum Beispiel SiO₂, Si₃N₄, BN oder Diamant über dem Diamantfilm ausge­ bildet werden.

Im Falle, daß der Bor-dotierte Diamantfilm sich direkt auf dem Substrat befindet, zeigt der Bor-dotierte Dia­ mantfilm in der Nähe des Substrats üblicherweise schlechte Kristalleigenschaften, wodurch auch schlechte elektrische Eigenschaften entstehen können. Zur Vermei­ dung solcher Unzulänglichkeiten, ist es vorteilhaft zu­ erst einen isolierenden Diamantfilm auf dem Substrat aufzubringen und nachfolgend den Bor-dotierten Diamant­ film auszubilden.

Erfindungsgemäß werden auch eine Vielzahl von elektroni­ schen Vorrichtungen mit Diamantfilm gleichzeitig auf ei­ nem einzelnen Substrat ausgebildet und anschließend durch Schneiden des Substrats voneinander getrennt. Die Charakteristika der Thermistoren sind von der Dotier- Konzentration, der Dicke des Bor-dotierten Diamantfilms und der Größe der Vorrichtung abhängig. Aufgrund der er­ findungsgemäßen gleichzeitigen Herstellung von einer Vielzahl von elektronischen Vorrichtungen mit Diamant­ film wird jedoch eine geringe Abweichung der Charakteri­ stika von Gerät zu Gerät bewirkt, wodurch sich die Her­ stellungskosten verringern.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer elektronischen Vorrich­ tung mit Diamantfilm (Thermistor) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines ersten Schrittes bei der Herstellung der elektronischen Vorrichtung mit Dia­ mantfilm;

Fig. 3 eine Schnittansicht eines zweiten Schrittes bei der Herstellung der elektronischen Vorrichtung mit Dia­ mantfilm;

Fig. 4 eine Schnittansicht eines dritten Schrittes bei der Herstellung der elektronischen Vorrichtung mit Dia­ mantfilm;

Fig. 5 eine Schnittansicht eines vierten Schrittes bei der Herstellung der elektronischen Vorrichtung mit Dia­ mantfilm;

Fig. 6 eine Schnittansicht einer elektronischen Vorrich­ tung mit Diamantfilm gemäß einem zweiten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung;

Fig. 7 eine Schnittansicht einer elektronischen Vorrich­ tung mit Diamantfilm gemäß einem dritten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung;

Fig. 8 eine Schnittansicht einer elektronischen Vorrich­ tung mit Diamantfilm gemäß einem fünften Ausführungsbei­ spiel der Erfindung; und

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Thermistors mit Diamantfilm.

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer elektronischen Vorrichtung mit Diamantfilm (Thermistor) gemäß einem er­ sten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Als erstes wer­ den ein Paar von Elektroden 3 auf einem Substrat 1 aus­ gebildet. Ein nicht dotierter Diamantfilm 2 (isolierender Diamantfilm) wird nachfolgend zwischen den Elektroden 3 mit einem bestimmten Muster ausgebildet.

Ein B-dotierter Diamantfilm 4 wird anschließend derart auf den nicht dotierten Diamantfilm 2 aufgebracht, daß er über die Elektroden 3 hinausragt.

Zuführungsdrähte 5 werden zum Zuführen von Signalen an einen Meßapparat an Abschnitte der Elektroden 3 gebon­ det, welche nicht von dem B-dotierten Diamantfilm 4 be­ deckt sind. Ein Schutzbehälter 6, der die elektronische Vorrichtung aufnimmt, weist einen Öffnungsabschnitt 6a mit einer bestimmten Form auf, aus der lediglich der B- dotierte Diamantfilm 4 herausragt. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel ist es möglich, die Elektroden 3 und die Zuführungsdrähte 5 vor der Verschlechterung durch Korro­ sion aufgrund äußerer Umgebungsbedingungen zu verhin­ dern, da die Elektroden 3 teilweise von dem B-dotierten Diamantfilm 4 bedeckt sind, und weil ferner die verblei­ benden Abschnitte der Elektroden 3 und der Zuführungs­ drähte 5 vom Schutzbehälter 6 ummantelt sind. Darüber­ hinaus ist der B-dotierte Diamantfilm 4, der den Tempe­ raturfühlerabschnitt darstellt, direkt mit der äußeren Umgebung in Kontakt, da der Behälter 6 den Öffnungsab­ schnitt 6a aufweist. Dadurch ist es möglich, ein gutes thermisches Ansprechverhalten beizubehalten. Aufgrund der Tatsache, daß der B-dotierte Diamantfilm 4 auf dem nicht dotierten Diamantfilm 2 ausgebildet ist, sind die kristallinen Eigenschaften des B-dotierten Diamantfilms 4 besonders gut, wodurch besonders vorteilhafte Charak­ teristika der elektronischen Vorrichtung mit Diamantfilm (Thermistor) erreicht werden.

Fig. 2 bis 5 zeigen Schnittansichten für ein Verfahren zur Herstellung des vorhergehend beschriebenen Thermi­ stors mit Diamantfilm, in der Reihenfolge der einzelnen Herstellungsschritte.

Als erstes wird das isolierende Substrat 1 einer Auf­ rauh-Behandlung unterworfen, um die Keimbildungsdichte des Diamanten beim nachfolgend beschriebenen Diamantfilm-Herstellungsprozeß zu erhöhen.

Gemäß Fig. 2 wird unter Verwendung von fotolithografi­ schen Standardmethoden, Mo-sputtern der metallischen Elektroden, SiO₂-sputtern und einem Abhebeverfahren ein Muster des SiO₂/Mo Zweischichtfilms auf bestimmten Be­ reichen der Substratoberfläche ausgebildet. Der SiO₂ Film 7 ist ca. 200 nm (2000Å) dick.

Gemäß Fig. 3 wird ein nicht dotierter Diamantfilm auf dem Substrat 1 aufgebracht, so daß ein nicht dotierter Diamantfilm 2 wahlweise zwischen den Elektroden 3 in ei­ nem bestimmten Muster ausgebildet wird. Für das Erzeugen des undotierten Diamantfilms wird ein "microwave plasma chemical vapor deposition" (CVD)-Apparat verwendet. Für das Reaktionsgau wird 0,5 Vol.-% von CH₄ und 0,1 Vol.-% von O₂ in Wasserstoff verwendet. Während dem Erzeugen des Films ist die Substrattemperatur 800°C, der Gasdruck 35 Torr und die Aufwachs-Zeit 7 Stunden.

Als nächstes wird gemäß Fig. 4 ein Teil des SiO₂ Films 7 auf jeder Elektrode 3 durch Lithographie entfernt, wo­ nach ein B-dotierter Diamantfilm 4 wahlweise sowohl auf dem nicht dotierten Diamantfilm 2 als auch auf den Elek­ troden 3 zwischen den SiO₂ Filmen 7 aufgebracht wird. Der B-dotierte Diamantfilm 4 wird mittels einer Gasreak­ tion ausgebildet, welche 0,5 Vol.-% von CH₄ mit 1 ppm von B₂H₆ in Wasserstoff enthält. Während dem Aufwachsen des Films ist die Substrattemperatur 80°C, der Gasdruck 35 Torr und die Aufwachs-Zeit 7 Stunden.

Gemäß Fig. 5 werden die SiO₂ Filme 7 vollständig ent­ fernt, wonach Zuführungsdrähte 5 an vom B-dotierten Dia­ mantfilm 4 nicht bedeckte Abschnitte der Elektroden 3 angeschlossen werden. Nachfolgend wird gemäß Fig. 1 das Substrat 1 in einem Schutzbehälter 6 befestigt, wobei der B-dotierte Diamantfilm 4 zur Umgebung herausragt. Somit ergibt sich der Thermistor gemäß dem ersten Aus­ führungsbeispiel.

Bei dem vorherstehend genannten Herstellungsverfahren wird ein einzelner Thermistor auf einem einzelnen Sub­ strat ausgebildet; es ist jedoch auch möglich, gleich­ zeitig eine Vielzahl von Thermistoren auf einem großen Substrat auszubilden und anschließend durch Schneiden des Substrats diese voneinander zu trennen. Dadurch wird es möglich, eine Vielzahl von Thermistoren mit einer ge­ ringen Abweichung in den Charakteristika gleichzeitig herzustellen und folglich die Herstellungskosten zu ver­ ringern.

Ausführungsbeispiel 2

Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht einer elektronischen Vorrichtung mit Diamantfilm (Thermistor) gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ein Paar von Elektroden, zum Beispiel Mo, werden auf ei­ nem isolierenden Substrat 11 ausgebildet. Ein B-dotier­ ter Diamantfilm 12 wird wahlweise derart auf dem Sub­ strat 11 ausgebildet, so daß er leicht über die Elektro­ den 13 hinausragt. Zuführungsdrähte 15 werden an vom Diamantfilm 12 nicht bedeckte Abschnitte der Elektroden 13 gebondet.

In diesem Ausführungsbeispiel ist das thermische An­ sprechverhalten geringer als im Ausführungsbeispiel 1, da ein isolierender Diamantfilm nicht zwischen dem B-do­ tierten Diamantfilm 12 und dem Substrat 11 ausgebildet ist. Dieses Ausführungsbeispiel ist jedoch besonders da­ für geeignet, die Herstellungskosten zu verringern.

Ausführungsbeispiel 3

Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht einer elektronischen Vorrichtung mit Diamantfilm (Thermistor) gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ein Paar von Elektroden 18 sind auf einem Substrat 16 ausgebildet. Ein B-dotierter Diamantfilm 17 ist wahl­ weise auf dem Substrat 16 ausgebildet, wobei er den ge­ samten Bereich der Elektroden 18 umfaßt. Des weiteren sind Durchgangslöcher 16a entsprechend den Positionen der Elektroden 18 im Substrat 16 vorgesehen. Die Elek­ troden 18 werden elektrisch auf die gegenüberliegende Seite des Substrats 16 mittels Zuführungsdrähten 19 her­ ausgeführt, welche durch die Durchgangslöcher 16a füh­ ren.

In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich keine der Elektroden 18 auf der oberen Oberflächenseite der Vor­ richtung. Dadurch wird das Einbetten des Thermistors in die Wandoberfläche des Behälters oder in die Wandober­ fläche der Isolationswand des Behälters erleichtert, welcher mit Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt ist, de­ ren Temperatur zu messen ist. In diesem Ausführungsbei­ spiel erhält man den gleichen Effekt wie im Ausführungs­ beispiel 2.

Ausführungsbeispiel 4

Fig. 8 zeigt eine Schnittansicht einer elektronischen Vorrichtung mit Diamantfilm (Thermistor) gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Dieses Ausführungsbeispiel ist dem Ausführungsbeispiel 3 ähnlich mit Ausnahme, daß ein nicht dotierter Diamant­ film 22 zwischen dem Substrat 21 und dem B-dotierten Diamantfilm 24 vorgesehen ist.

In diesem Ausführungsbeispiel ist ein nicht dotierter Diamantfilm 22 auf dem Substrat 21 ausgebildet. Die Elektroden 23 sind derart ausgebildet, daß sie in einem vom nicht dotierten Diamantfilm 22 vorgesehenen Öff­ nungsabschnitt eingebettet werden und leicht über den nicht dotierten Diamantfilm 22 hinausragen. Des weiteren ist ein B-dotierter Diamantfilm 24 wahlweise auf einem Bereich auf dem nicht dotierten Diamantfilm 22 derart ausgebildet, daß er die Bereiche der Elektroden 23 um­ faßt. Die Elektroden 23 sind vollkommen vom B-dotierten Diamantfilm 24 überdeckt.

In diesem Ausführungsbeispiel, wie im Ausführungsbei­ spiel 3, sind Durchgangslöcher 21a entsprechend den Elektroden 23 im Substrat 21 vorgesehen. Die Elektroden 23 sind elektrisch über Zuführungsdrähte 25, welche durch die Durchgangslöcher 21a führen, mit dem Meßappa­ rat oder dergleichen elektrisch verbunden.

In diesem Ausführungsbeispiel erhält man den gleichen Effekt wie beim Ausführungsbeispiel 3. Des weiteren er­ hält man gute Kristalleigenschaften des B-dotierten Dia­ mantfilms 24 und folglich ein hervorragendes thermisches Ansprechverhalten, da der B-dotierte Diamantfilm 24 auf dem nicht dotierten Diamantfilm 22 ausgebildet ist.

In den vorherstehend genannten Ausführungsbeispielen enthält das Elektrodenmaterial Mo; jedoch können auch andere Materalien wie zum Beispiel W, SiC, halbleitendes Si (polykristallines Si), Ti und ihre Mischungen verwen­ det werden.

Wie bereits einleitend ausgeführt, sollte zum Schutze der elektrischen Vorrichtung mit Diamantfilm vor den verschiedenen Umgebungsbedingungen eine oder mehrere Schutzschichten wie zum Beispiel SiO₂, Si₃N₄, BN oder Diamant auf dem Diamantfilm vorgesehen sein. Wie vorher­ gehend beschrieben ist erfindungsgemäß die Elektrode durch den B-dotierten Diamantfilm selbst bei korrosiver Atmosphäre geschützt, da wenigstens ein Teil von jeder Elektrode durch den B-dotierten Diamantfilm bedeckt ist, wodurch die Verschlechterung der Elektroden verhindert werden kann. Dadurch erhält man elektronische Vorrich­ tungen mit Diamantfilm, welche hervorragende Stabilität gegenüber harten Umgebungsbedingungen aufweisen.

Ferner ist es möglich, gleichzeitig eine Vielzahl von elektronischen Vorrichtungen mit Diamantfilm herzustel­ len, die eine geringe Abweichung in den Charakteristika haben. Folglich ist es möglich, die Herstellungskosten zu reduzieren, da eine Vielzahl von derartigen elektro­ nischen Vorrichtungen mit Diamantfilm auf einem einzel­ nen Substrat ausgebildet und anschließend durch Schnei­ den des Substrats voneinander getrennt werden kann.

Ein Paar von Elektroden werden auf einem Substrat ausge­ bildet. Nachfolgend wird ein nicht dotierter Diamantfilm wahlweise zwischen die Elektroden gelegt. Ein B-dotier­ ter Diamantfilm wird wahlweise sowohl auf dem isolieren­ den Diamantfilm als auch auf einem Teil einer jeden Elektrode aufgebracht. Das Substrat kann in einem Behäl­ ter eingefaßt sein, der einen Öffnungsabschnitt auf­ weist, aus dem nur der B-dotierte Diamantfilm heraus­ ragt.

Claims (5)

1. Eine elektronische Vorrichtung mit Diamantfilm, gekennzeichnet durch
ein Substrat (1);
Elektroden (3), welche wahlweise auf dem Substrat (1) ausgebildet sind; und
einen Bor-dotierten Diamantfilm (4), der wahlweise auf dem Substrat (1) ausgebildet ist und wenigstens einen Teil der jeweiligen Elektroden (3) überdeckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein isolierender Diamantfilm (2) zwischen dem Substrat (1) und dem Bor-dotierten Diamantfilm (4) vor­ gesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Substrat (1) in einem Behälter (6) eingefaßt ist, der einen Öffnungsabschnitt (6a) auf­ weist, aus dem lediglich der Bor-dotierte Diamantfilm (4) herausragt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (3) elektrisch auf die gegenüberliegende Seite des Sub­ strats (1) durch im Substrat (1) vorgesehene Durchgangs­ löcher (16a; 21a) herausgeführt sind.

5. Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Vorrichtung mit Diamantfilm, gekennzeichnet durch die Schritte des
Ausbildens einer Vielzahl von elektronischen Vor­ richtungen mit Diamantfilm, wobei jedes aus einem Sub­ strat (1), wahlweise auf dem Substrat (1) ausgebildeten Elektroden (3) und einem Bor-dotierten Diamantfilm (4) besteht, der wenigstens einen Teil der jeweiligen Elek­ troden (3) bedeckt; und dem
Teilen des Substrats (1) und voneinander Auftrennens in eine Vielzahl von elektronischen Vorrichtungen mit Diamantfilm.