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Haible itervorrichtung
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Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Haibleitervorrichtung gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Haibleitervorrichtung
mit einer verbesserten Möglichkeit zum Befestigen der Halbleiterelemente auf den
Chipbefestigungs- bzw. Anschlußteilen (pfads).
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Fig. 1 stellt einen Teil einer bekannten Halbleitervorrichtung dar,
bei dem ein Halbleiterelement 1 aus Silicium
(im folgenden "Siliciumchip"
genannt) auf einem Chipbefestigungsteil 2 wie einem Leiterrahmen und einem Stiel
befestigt ist. Der Kollektorbereich des Siliciumchips 1 ist mit dem Chipbefestigungsteil
2 verbunden. Die Basis-und Emitterbereiche des Chips 1 sind mittels Befestigungsdrähten
3 mit Leitungsstücken 4 verbunden.
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Es sind verschiedene Verfahren bekannt, um ein Siliciumchip auf einem
Chipbefestigungsteil zu befestigen. Von diesen Verfahren werden die folgenden im
allgemeinen angewandt: a) Es wird zwischen einem Siliciumchip und einem Chipbefestigungsteil
eine Goldfolie oder eine Goldlegierungsfolie von etwa 10 ijm Dicke eingefügt. Dann
wird das Chip und das Befestigungsteil mit der zwischenliegenden Folie auf eine
Temperatur erhitzt, die höher als die eutektische Temperatur von Gold-Silicium ist,
d. h. höher als 373 °C. Zwischen dem Chip und der Befestigungsplatte wird damit
eine Gold-Silicium-Legierung gebildet und hierdurch das Siliciumchip auf dem Chipbefestigungsteil
befestigt.
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b) Zwischen einem Siliciumchip und einem Chipbefestigungsteil wird
eine eutektische Gold-Silicium-Schicht gebildet, indem eine Gold- oder eine Goldlegierungsschicht
auf
dem Siliciuincüip erhitzt wird. Zwischen die e tische Schicht und das Chipbeft tigungsteil
wird Goldfolie oder eine Goldlegierungsrolie eingefügt- Das Chip, das Befestigungsteil,
die # cutektiche Schicht w ~osrn die Folie werden zusammengefügt und dann au eine
Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur 1 von Gold-Silicium erhitzt, wodurch
das c?#tp all dem Befestigungteil befestigt wird.
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c) Auf einer Oberfläche eines Siliciurnsitstrats wird eine Gold-Silicium-Legierungsschicht
einer geeigneten Dicke gebildet. Das Siliciumsubstrat wird dann zu Chips geschnitten.
Unter Verwendung der Legierungsschicht als Lötmittel wird das jeweilige Siliciumchip
auf dem Chipbefestigungsteil befestigt.
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d) Eine Gold-Germanium-Legierungsschicht bzw. eine Gold-Antimon-Legierungsschicht
geeigneter Dicke wird auf einer Oberfläche eines Siliciumsubstrats gebildet.
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Das Siliciumsubstrat wird dann zu Chips geschnitten.
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Unter Verwendung der Legierungsschicht als Lötmittel wird das Siliciumchip
auf dem Chipbefestigungsteil befestigt.
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Das Verfahren a) weist Mängel in folgender Hinsicht auf:
1)
Da die Folie viel größer ist als das Siliciumchip, ist die Genauigkeit der Positionierung
des Chips schlecht. Dies verursacht unvermeidbar Schwierigkeiten bei den darauffolgenden
Herstellungsprozessen der Halbleitervorrichtung.
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2) Um die Folie auf dem Chipbefestigungsteil anzubringen, ist eine
Vorrichtung hoher Genauigkeit erforderlich.
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3) Es ist eine große Menge an Gold erforderlich, das sehr teuer ist.
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4) Es ist schwierig, eine ausreichend starke Bindung zwischen dem
Chip und dem Befestigungsteil herzustellen.
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Die Haftfestigkeit ist von Ifalbleitervorrichtung zu Halbleitervorrichtung
verschieden. Die Erzeugnisse sind deshalb nicht ausreichend zuverlässig.
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Das Verfahren (b) ist zwar gegenüber dem Verfahren a) vorteilhaft
insofern, als es eine stärkere Haftung zwischen dem Siliciumchip und dem Chipbefestigungsteil
ermöglicht.
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Es haften ihm aber auch noch die unter 1) bis 3) angegebenen Mängel
an.
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Das Verfahren gemäß c) erlaubt es, die Kosten der Halbleitervorrichtung
herabzusetzen, da es keine Goldfolie benutzt. Aus diesem Grund benötigt es auch
keine Vorrichtung zum Positionieren einer Folie auf dem Chipbefestigungsteil. Es
ist bei diesem Verfahren aber außerordentlich schwierig, ein gutes Zerteilen des
Siliciumsubstrats in Würfel zu erzielen. Da die eutektische Gold-Silicium-Schicht
ein jim oder dicker ist, wird das Substrat längs Würfellinien von der Oberfläche
aus geschnitten, auf der die eutektische Schicht gebildet ist, wie dies in der japanischen
Patentveröffentlichung 13 27 78/77 beschrieben ist. In der Praxis ist es jedoch
außerordentlich schwierig, das Substrat exakt längs der Würfellinien zu schneiden.
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In den meisten Fällen wird das Substrat längs einer Linie geschnitten,
die 100 am oder mehr von der Würfellinie entfernt ist.
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Das Verfahren d) weist insofern Mängel auf, als die Bindung zwischen
der Legierungsschicht und dem Siliciumsubstrat nicht ausreichend stark ist. Als
Folge besteht die Gefahr, daß sich die Legierungsschicht während des Würfelschneidens
vom Substrat ablöst. Falls sich die Legierungsschicht nicht vom Substrat löst, ist
das erhalt-ene Produkt infolge der schlechten Bindung zwischen der Legierungsschicht
und dem Siliciumsubstrat unzuverlässig.
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Ziel dieser Erfindung ist eine Haibleitervorrichtung, bei de das Halbleiterelement
auf dem Chipbefestigungsteil e:::iJ-t positioniert ist, das mit geringen Kosten
hergestellt werden kann und das eine starkeBindung zwischen dem Halbleiterelement
und dem Chipbefestigungsteil aufweist.
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Die Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gekennzeichnet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele anhand von 5 Figuren
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer
bekannten Halbleitervorrichtung, bei der ein Siliciumchip auf einem Leiterrahmen
befestigt ist; Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Siliciumsubstrats gemäß dieser
Erfindung; Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß dieser
Erfindung, bei der auf einem Chipbefestigungsteil ein Siliciumchip befestigt ist;
Fig.
4 ein Diagramm, das die Verteilung des thermischen Widerstandes in einer erfindungsgemäßen
Halbleitervorrichtung zeigt; und Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines weiteren
Siliciumsubstrats gemäß dieser Erfindung.
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Eine Halbleitervorrichtung gemäß dieser Erfindung enthält ein Chipbefestigungsteil
und ein Halbleiterelement mit drei Metallschichten, die zwischen dem Befestigungsteil
und dem Element eingefügt sind. Die erste Metallschicht ist auf eine Oberfläche
des Halbleiterelementes aufgebracht und aus einem Metall hergestellt, das aus der
Gruppe Vanadium, Aluminium, Titan, Chrom, Molybdän und Nickel-Chrom-Legierung ausgewählt
ist. Die zweite Metallschicht, die auf die erste Metallschicht aufgebracht ist,
ist aus einem Metall hergestellt, das aus der Gruppe Kupfer, Legierung auf Kupferbasis,
Nickel und Legierung auf Nickelbasis ausgewählt ist. Die dritte Metallschicht, die
auf die zweite Metallschicht aufgebracht ist, ist aus einer Gold-Germanium-Legierung
oder aus einer Legierung auf der Basis von Gold-Germanium hergestellt. Die dritte
Metallschicht wirkt als Lötmaterial, das das Halbleiterelement am Chipbefestigungsteil
befestigt.
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Die erste und die zweite Metallschicht bewirken eine Verstärkung der
Bindung zwischen dem Halbleiterelement und der dritten Metallschicht.
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Die dritte Metallschicht kann,während sie gebildet wird, oxidiert
werden. Falls dies geschieht, wird die Haftfestigkeit zwischen der dritten Metallschicht
und dem Chipbefestigungsteil herabgesetzt. Um eine solche Verminderung der Haftfestigkeit
zu vermeiden, kann die dritte Metallschicht mit einer vierten Metallschicht bedeckt
werden, die aus der
Gruppe Gold, Silber und Platin ausgewählt ist.
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Als Legierung auf Kupferbasis und als Legierung auf Nickelbasis, d.
h. als Material der zweiten Metallschicht, können eine Kupfer-Nickel-Legierung und
eine Ni#kel-Chrom-Legierung verwendet werden. Als Legierung auf Gold-Germanium-Basis,
d. h. als Material der dritten Metallschicht, kann eine Gold-Germanium-Antimon-Legierung
oder eine Gold-Germar.ium-Gallium-Legierung verwendet werden. Das Antimon in der
Gold-Germanium-Antimon-Legierung dient dazu, die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung
Vces der Halbleitervorrichtung herabzusetzen.
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Wird eine Gold-Germanium-Antlmon-Legierung auf einer Nickelschicht
oder einer Legierungsschicht auf der Basis von Nickel abgeschieden, dann wird zuerst
Antimon abgeschieden, da der Dampfdruck von Antimon höher als der von Gold oder
Germanium ist. Das niedergeschlagene Antimon reagiert mit Nickel in der Weise, daß
es eine Erhöhung des thermischen Widerstandes Rth der Halbleitervorrichtung verursacht.
Um diese Reaktion zwischen Nickel und Antimon zu vermeiden, kann zwischen der Nickelschicht
bzw. der LegieruncJsschicht auf Nickelbasis und der Gold-Germanium-Antimon-Schicht
Gold, Germanium oder eine Gold-Germanium-Legierung gebildet werden.
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Ferner kann zwischen der dritten und der vierten Metallschicht
ebenfalls
eine Gold-Germanium-Schicht gebildet werden.
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Vorzugsweise liegt der Germanium-Anteil in der Gold-Germanium-Legierung
im Bereich zwischen 4 und 20 Gew.-%. Ist der Germanium-Anteil geringer als 4 Gew.-%,
dann wird die Legierung so weich, daß das Schneiden in WUrfel schwierig wird. Übersteigt
der Anteil 20 Gew.-90, dann kann die dritte Metallschicht keine ausreichende Bindung
mehr zwischen dem Halbleiterelement und dem Chipbefestigungsteil herstellen. Vorzugsweise
sollte der Germanium-Anteil im Bereich zwischen 6 und 12 Gew.-% liegen. Am vorteilhaftesten
ist es, wenn er bei 12 Gew.-% liegt, so daß ein Gold-Germanium-Eutektikum gebildet
wird. Der Antimon-Anteil der Gold-Germanium-Antimon-Legierung liegt vorzugsweise
im Bereich zwischen 0,005 und 1,0 Gew.-%, beruhend auf der Menge an Gold-Germanium.
Am vorteilhaftesten ist es, wenn der Antimon-Anteil im Bereich zwischen 0,03 bis
0,2 Gew.-t liegt. Die erste Metallschicht sollte 50 bis 2.000 Å dick sein, die zweite
Metallschicht 300 bis 5.000 Å, die dritte Metallschicht 0,8 bis 3,5 tim und die
vierte Metallschicht 500 bis 5.000 Å. Es werden nun anhand der Zeichnung mehrere
Beispiele dieser Erfindung erläutert.
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Beispiel 1 Wie in Fig. 2 dargestellt, wurde eine erste Metallschicht
12
von ungefähr 300 Å Dicke aus Saaadium,und damit geeignet auf
einer Siliciumschicht gut befestigt zu werden, auf einer Oberfläche eines Siliciumsubstrats
11, in dem pNP-Transistorchips lla, 11b, 11c und 11d gebildet wurden, aus der Gasphase
abgeschieden. Auf der ersten Metallschicht 12 wurde eine zweite Metallschicht 13
aufgedampft, die aus Nickel hergestellt war und eine Dicke von etwa 1.000 A hatte.
Auf der zweiten Metallschicht 13 wurde eine dritte Metallschicht 14 aufgedampft
bzw. aus der Gasphase abgeschieden, die aus einer Gold-Germanium-Legierung (Germanium-Anteil:
12 Gew.-%) hergestellt war und eine Dicke von etwa 1 ßm hatte. Das Siliciumsubstrat
11 wurde dann mittels eines Diamantschneiders auf der anderen Oberfläche angerissen.
Danach wurde das Substrat 11 in Chips geteilt. Jedes Chip wurde auf einem silberplatierten
Leiterrahmen 2 befestigt, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, wobei die dritte Metallschicht
14 als Lötmaterial diente. Auf diese Weise wurden Halbleitervorrichtungen, von denen
jede ein Halbleiterchip enthielt, hergestellt.
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Die Ausbeute war größer als bei den nach bekannten Verfahren hergestellten
Produkten. Außerdem zeigten die Vorrichtungen eine niedrigere Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung
Vces und einen niedrigeren thermischen Widerstand Rth als die nach bekannten Verfahren
hergestellten Halbleitervorrichtungen. Genauer gesagt lag Vces der Vorrichtungen
zwischen
0,15 und 0,20 Volt, während V ces der nach bekannten Verfahren hergestellten Halbleitenvorrichtungen
zwischen 0,2 und 0,3 Volt lag. Fig. 4 zeigt die Verteilung des thermischen Widerstandes
in den Halbleitervorrichtungen A1 und A2, die nach bekannten Verfahren hergestellt
worden sind, sowie in der Halbleitervorrichtung B gemäß Beispiel 1. Wie Fig. t klar
erkennen läßt, war der thermische Widerstand der Halbleitervorrichtungen nach Beispiel
1 niedrig und variierte nur wenig von Vorrichtung zu Vorrichtung im Vergleich zu
den bekannten Halbleitervorrichtungen.
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Beispiel 2 Es wurden in der gleichen Weise wie bei Beispiel 1 Halbleitervorrichtungen
hergestellt mit der Ausnahme, daß in dem Siliciumsubstrat NPN-Transistorchips gebildet
wurden und die erste Metallschicht, die zweite Metallschicht und die dritte Metallschicht
aus Titan, Kupfer bzw. einer Gold-Germanium-Antimon-Legierung (Antimon-Anteil: 0,1
Gew.-% beruhend auf der Menge an Gold-Germanium) hergestellt waren.
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Die Ausbeute war höher als bei den nach bekannten Verfahren hergestellten
Erzeugnissen. Ähnlich wie bei Beispiel 1 zeigten die Halbleitervorrichtungen eine
kleinere Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung Vces und einen kleineren thermischen
Widerstand
Rth als die nach bekannten Verfahren hergestellten
Halbleitervorrichtungen. Der thermische Widerstand Rth variierte nur ein wenig von
Vorrichtung zu Vorrichtung.
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Zufolge des Antimon-Anteils in der Gold-Germanium-Antimon-Legierung
war die Spannung Vces niedriger als bei den Halbleitervorrichtungen nach Beispiel
1.
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Beispiel 3 Es wurden in der gleichen Weise wie bei Beispiel 1 Halbleitervorrichtungen
hergestellt mit der Ausnahme, daß, wie in Fig. 5 dargestellt, auf die dritte Metallschicht
14 eine vierte Metallschicht 15 aus Gold, deren Dicke 500 A betrug, aufgedampft
wurde. Die vierte Metallschicht 15 verhinderte eine Oxidation der dritten Metallschicht
14. Die Bindung zwischen der dritten Metallschicht 14 und dem Leiterrahmen 2 wurde
deshalb nicht so stark beeinträchtigt.
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Die Ausbeute war höher als bei nach bekannten Verfahren hergestellten
Erzeugnissen. Ähnlich wie bei Beispiel 1 zeigten die Halbleitervorrichtungen eine
niedrigere Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung Vces und einen niedrigeren thermischen
Widerstand Rth als die nach bekannten Verfahren hergestellten Halbleitervorrichtungen.
Der thermische Widerstand R th variierte nur wenig von Vorrichtung zu Vorrichtung.
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Beispiel 4 Es wurden in der gleichen Weise wie bei Beispiel 2 Halbleitervorrichtunqen
hergestellt, mit der Ausnahme, daß, wie in Fig. 5 dargestellt, auf die dritte Metallschicht
14 eine vierte Metallschicht 15 aus Gold, die eine Dicke von 500 Å aufwies, aufgedamyçft
wurde. Die vierte Metallschicht 15 verhinderte eine Oxidation der dritten Metallschicht
14.
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Die Bindung zwischen der dritten rsetallschicht 14 und dem Leiterrahmen
2 wurde deshalb nicht ungünstig beeinflußt.
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Die Ausbeute war höher als bei den nach bekannten Verfahren hergestellten
Erzeugnissen. Wie bei Beispiel 1 zeigten die Halbleitewvorrichtungen eine niedrigere
Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung Vces und einen niedrigeren thermischen Widerstand
Rth als die nach bekannten Verfahren hergestellten Halbleitervorrichtungen. Der
thermische Widerstand Rth variierte nur etwas von Vorrichtung zu Vorrichtung. Zufolge
des Antimon-Anteils in der Gold-Germanium-Antimon-Legierung war die Spannung V niedriger
als bei den nach den Beices spielen 1 und 3 hergestellten Halbleitervorrichtungen.
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Die Halbleitervorrichtung nach der Erfindung weist die folgenden Vorteile
auf: 1) Da anstelle einer Goldfolie eine extrem kleine Menge an einer Gold-Germanium-Legierung
verwendet ist, um die Siliciumchips auf den Chipbefestigungsteilen zu befestigen,
werden die Chips so exakt positioniert, daß beim Anbringen der Drähte keine Schwierigkeiten
entstehen.
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2) Da keine Goldfolie benutzt wird, ist der Verfahrensschritt eine
Goldfolie auf einem Chipbefestigungsteil zu plazieren oder eine Einrichtung zur
Durchführung dieses Vorgangs nicht erforderlich.
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3) Da die Menge an Gold, das ein sehr teures Metall ist und welches
bei der Erfindung in Form einer Gold-Germanium-Legierung verwendet wird, außerordentlich
gering ist, kann die Vorrichtung mit niedrigen Kosten hergestellt werden.
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4) Da zwischen ein Siliciumsubstrat und eine Gold-Germanium-Legierungsschicht
Metallschichten eingefügt werden, die
gut sowohl mit Silicium als
auch mit der Gold-Germanium-Legierung verbunden werden können, wird eine ausreichend
starke Bindung bzw. Haftung zwischen dem Siliciumchip und dem Chipbefestigungsteil
erzielt, wodurch die Zuverlässigkeit der Vorrichtung verbessert wird.
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5) Da als Lötmaterial eine Gold-Germanium-Legierung anstelle einer
Gold-Silicium-Legierung verwendet wird, kann das Siliciumsubstrat auf einfache Weise
in Chips unterteilt werden und das Siliciumsubstrat kann auf der oberen Fläche längs
Würfellinien angerissen werden, nicht auf den Legierungsschichten. Die Verwendung
der Gold-Germanium-Legierung erleichtert das Brechen des Siliciumsubstrats in Chips
aus dem folgenden Grund. Der Siliciumgehalt in der eutektischen Gold-Silicium-Verbindung
beträgt 2,85 Gew.-%, während der Germaniumgehalt in der eutektischen Gold-Germanium-Verbindung
12 Gew.-% beträgt. Die spezifischen Dichten von Gold, Silicium und Germanium sind
19,3; 2,42 bzw. 5,46. Somit nimmt volumenmäßig Silicium 19 % der eutektischen Gold-Silicium-Legierung
ein, während Germanium 33 % der Gold-Germanium-Legierung einnimmt. Offensichtlich
ist damit volumenmäßig der Goldgehalt in der eutektischen Gold-Germanium-Legierung
viel kleiner als in der eutektischen Gold-Silicium-Legierung.
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6) Im allgemeinen wird das Metall aus der Gasphase unter einem Druck
von 10 1 bis 10 2 Torr niedergeschlagen bzw.
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abgeschieden. Die Temperatur, bei der Gold einen derartigen Dampf-
bzw. Gasdruck aufweist, ist nahezu gleich der Temperatur, bei der Germanium einen
solchen Dampfdruck hat. Mit anderen Worten sind die Dampfdrücke von Gold und Germanium
bei einer für die Dampfabscheidung von Gold und Germanium geeigneten Temperatur
nahezu gleich groß. Anders als bei Gold-Silicium oder Gold-Antimon kann Gold-Germanium
leicht ohne fraktionelles Verdampfen aufgedampft werden.
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Z. B. hat der Dampfdruck von Gold und Germanium bei 2000 K den Wert
5,5 x 10 Torr (siehe RCA-Review, Juni 1969, 5. 292 und 293). Der Dampfdruck von
Silicium hat bei 2000 K einen Wert von 3,0 x 10 Torr.