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Halbleitervorrichtung
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Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Halbleitervorrichtung
mit einer verbesserten Möglichkeit zum Befestigen der Halbleiterelemente auf den
Chipbefestigungs- bzw. Anschlußteilen (pads).
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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 ßm 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 OC. 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 Siliciumchip erhitzt wird. Zwischen die eutektische Schicht und das Chipbefestigungsteil
wird eine Goldfolie oder eine Goldlegierungsfolie eingefügt. Das Chip, das Befestigungsteil,
die eutektische Schicht und die Folie werden zusammengefügt und dann auf eine Temperatur
oberhalb der eutektischen Temperatur von Gold-Silicium erhitzt, wodurch das Chip
auf dem Befestigungsteil befestigt wird.
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c) Auf einer Oberfläche eines Siliciumsubstrats 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 Halbleitervorrichtung 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 ßm 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 wm 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 erhaltene Produkt infolge der schlechten Bindung zwischen der Legierungsschicht
und dem Siliciumsubstrat unzuverlässig.
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Ziel dieser Erfindung ist eine Halbleitervorrichtung, bei der das
Halbleiterelement auf dem Chipbefestigungsteil exakt positioniert ist, das mit geringen
Kosten hergestellt werden kann und das eine starke Bindung 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 Flalbleitervorrichtung, 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 einen Chipbefestigungsteil
und ein Halbleiterelement mit zwei Metallschichten, die zwischen dem Befestigungsteil
und dem Element eingefügt sind. Die erste Metallschicht wird auf eine Oberfläche
des Halbleiterelementes aufgebracht und besteht aus Nickel oder einer Legierung
auf der Basis von Nickel. Die zweite Metallschicht wird auf die erste Metallschicht
gebracht und ist aus einer Gold-Germaniuin-Legierung oder einer Legierung auf der
Basis von Gold-Germanium hergestellt. Die zweite Metallschicht wirkt als Lötmaterial,
das das Halbleiterelement an dem Chipbefestigungsteil befestigt. Die erste Metallschicht
dient dazu, die Bindung zwischen dem Halbleiterelement und der zweiten Metallschicht
zu verstärken.
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Die zweite Metallschicht kann oxidiert werden, während sie gebildet
wird. Falls dies auftritt, wird die Haftfestigkeit
zwischen der
zweiten Metall schicht und dem Chipbefestigungsteil herabgesetzt. Um eine derartige
Herabsetzung der Haftfestigkeit zu verhindern, kann die zweite Metallschicht mit
einer dritten Metallschicht bedeckt werden, die aus einem Metall hergestellt ist,
das aus der Gruppe Gold, Silber und Platin ausgewählt ist.
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Wird auf der Nickelschicht oder auf einer Legierungsschicht auf der
Basis von Nickel eine Gold-Germanium-Antimon-Legierung abgeschieden, dann wird zunächst
Antimon abgeschieden, da der Dampfdruck von Antimon höher ist als der von Gold oder
Germanium. Das abgeschiedene Antimon reagiert mit Nickel und bewirkt, daß der thermische
Widerstand Rth der Halbleitervorrichtung erhöht wird. Um eine derartige Reaktion
zwischen Nickel und Antimon zu vermeiden, kann zwischen der Nickelschicht bzw. der
Legierungsschicht auf der Basis von Nickel und der Gold-Germanium-Antimon-Schicht
Gold, Germanium oder eine Gold-Germanium-Legierung gebildet werden.
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Ferner kann auch zwischen der zweiten und der dritten Metallschicht
eine Gold-Germanium-Schicht gebildet werden.
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Als Legierung auf der Basis von Nickel, d. h. als Material der ersten
Metallschicht, kann eine Nickel-Chrom-Legierung verwendet werden. Als Legierung
auf der Basis von Gold-Germanium, d. h. als Material der zweiten Schicht, kann eine
Gold-Germanium-Antimon-Legierung
oder eine Gold-Germanium-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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Vorzugsweise liegt der Germanium-Anteil der Gold-Germanium-Legierung
im Bereich von 4 bis 20 Gew.-%. Falls der Germanium Anteil kleiner als 4 Gew.-%
ist, wird die Legierung so weich, daß das Schneiden in Würfel schwierig wird. Ist
der Germanium-Anteil größer als 20 Gew.-%, dann kann die zweite Metallschicht keine
ausreichende Haftung mehr zwischen dem Halbleiterelement und dem Chipbefestigungsteil
gewährleisten.
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Vorzugsweise sollte der Germanium-Anteil im Bereich zwischen 6 und
12 Gew.-% liegen. Am günstigsten wird ein Anteil von 12 Gew.-% angesehen, so daß
ein Gold-Germanium-Eutektikum gebildet wird.
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Vorzugsweise liegt der Antimon-Gehalt der Gold-Germanium-Antimon-Liegerung
im Bereich von 0,005 bis 1,0 Gew.-% beruhend auf der Menge an Gold-Germanium. Es
ist vorteilhafter, wenn der Antimon-Anteil im Bereich zwischen 0,03 und 0,2 Gew.-%
liegt. Vorzugsweise weist die erste Metallschicht eine Dicke von 300 bis 5.000 Å
auf, die zweite Metallschicht eine Dicke von 0,8 bis 3,5 ßm und die dritte Metallschicht
eine Dicke von 500 bis 5.000 Å.
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Es werden im folgenden anhand der Figuren mehrere Beispiele der Erfindung
erläutert.
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Beispiel 1 Wie in Fig. 2 dargestellt, wurde eine erste Metallschicht
12 von ungefähr 1.000 Å Dicke aus Nickel aus der Gasphase auf einer Oberfläche eines
Siliciumsubstrats 11 abgeschieden, in dem PNP-Transistoren 11a, 11b, 11c und lid
gebildet wurden. Auf der ersten Metallschicht 12 wurde eine zweite Metallschicht
13 aus der Gasphase abgeschieden, die aus einer Gold-Germanium-Legierung (Germanium-Anteil:
12 Gew.-%) bestand und ungefähr 1,0 ßm dick war. Das Siliciumsubstrat 11 wurde dann
auf der anderen Oberfläche mittels eines Diamantschneiders angerissen. Danach wurde
das Substrat 11 in Chips geteilt. Jedes Chip wurde auf einem silberbeschichteten
Leiterrahmen 2,wie in Fig. 3 dargestellt, befestigt, wobei die zweite Metallschicht
als Lötmaterial diente. Auf diese Weise wurden Halbleitervorrichtungen hergestellt,
von denen jede ein Halbleiterchip enthielt.
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Die Ausbeute war höher als die der nach den bekannten Verfahren hergestellten
Erzeugnisse. Darüberhinaus wiesen die Vorrichtungen eine niedrigere Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung
Vces und einen niedrigeren thermischen Widerstand Rth ces als die nach bekannten
Verfahren hergestellten Halbleitervorrichtungen
auf. Genauer gesagt
lag Vces der Vorrichtungen zwischen 0,15 und 0,20 Volt, während Vces der nach bekannten
Verfahren hergestellten Halbleitervorrichtungen zwischen 0,2 und 0,3 Volt lag. Fig.
4 zeigt die Verteilung des thermischen Widerstandes in Halbleitervorrichtungen A1
und A2, die nach bekannten Verfahren hergestellt wurden, sowie die Verteilung des
thermischen Widerstandes in der Halbleitervorrichtung B nach Beispiel 1.
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Wie Fig. 4 deutlich erkennen läßt, war der thermische Widerstand der
Halbleitervorrichtungen nach Beispiel 1 niedrig und variierte nur gering von Vorrichtung
zu Vorrichtung verglichen 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-Transistor-Chips gebildet
wurden und die zweite Metallschicht aus einer Gold-Germanium-Antimon-Legierung (Antimon-Anteil:
0,1 Gew.-% beruhend auf der Menge an Gold-Germanium) hergestellt wurde.
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Die Ausbeute war höher als die der nach bekannten Verfahren hergestellten
Erzeugnisse. Ähnlich wie bei Beispiel 1
wiesen die Halbleitervorrichtungen
eine niedrigere Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung Vces und einen niedrigeren
thermischen Widerstand Rth als die nach bekannten Verfahren hergestellten Halbleitervorrichtungen
auf. Der thermische Widerstand Rth variierte von Halbleiteranordnung zu Halbleiteranordnung
nur wenig. Zufolge des Antimon-Anteils in der Gold-Germanium-Antimon-Legierung war
die Spannung Vces niedriger als die der 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 der zweiten Metallschicht
13 eine dritte Metallschicht 14 aus Gold in einer Dicke von 500 Å aus der Gasphase
abgeschieden wurde. Die dritte Metallschicht 14 verhinderte eine Oxidation der zweiten
Metallschicht 13. Die Haftung zwischen der zweiten Metallschicht 13 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. Ähnlich wie bei Beispiel 1 zeigten die Halbleitervorrichtunqen 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 wenig von Vorrichtung zu Vorrichtung.
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Beispiel 4 Es wurden in der gleichen Weise wie bei Beispiel 2 Halbleitervorrichtungen
hergestellt mit der Ausnahme, daß auf der zweiten Metallschicht 13, wie in Fig.
5 dargestellt, eine dritte Metallschicht 14 aus Gold,die eine Dicke von 500 Å hatte,
aus der Gasphase abgeschieden wurde.
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Die dritte Metallschicht 14 verhinderte eine Oxidation der zweiten
Metallschicht 13. Die Haftung zwischen der zweiten Metallschicht 13 und dem Leiterrahmen
2 wurde deshalb nicht nachteilig beeinflußt.
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Die Ausbeute war höher als bei nach den bekannten Verfahren hergestellten
Erzeugnissen. Wie bei Beispiel 1 wiesen die Halbleitervorrichtungen eine niedrigere
Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung Vces und einen kleineren thermischen Widerstand
Rth auf, als die nach bekannten Verfahren hergestellten Halbleitervorrichtungen.
Der thermische Widerstand Rth variierte nur wenig von Vorrichtung zu Vorrichtung.
Zufolge des Antimons in der Gold-Germanium-Antimon-
Legierung war
die Spannung Vces niedriger als bei den Halbleitervorrichtungen gemäß den Beispielen
1 und 3.
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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 Einriclltung 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 Germaniumgehait 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 -1 den
Wert 5,5 x 10 Torr (siehe RCA-Review, Juni 1969, S. 292 und 293). Der Dampfdruck
von Silicium hat bei ~2 2000 K einen Wert von 3,0 x 10 2 Torr.