DE1489019A1 - Process for the production of thin film capacitors - Google Patents
Process for the production of thin film capacitorsInfo
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Description
New Yorknew York
Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenz. der Anmelderlni Dooket 14 029Official File number: New registration File the applicant Dooket 14 029
Seit einiger Zeit werden im Zuge der Mikrominiaturisierung von elektrischen Schaltungen Fläohenkondensatoren mit schwer sohmelzbaren dünnen Metallfilmen hergestellt· Bei dem Verfahren zur Herstellung soloher Kondensatoren wird auf einem Substrat ein dünner Film aufgetragen, ein Teil der 3chioht durch Eloxierung zu einer dielektrischen Oxydaohioht geformt und dann ein zweiter Metallfilm aufgebracht· Daduroh sind verringerte Stromverluste, ein niedriger Resonansfaktor« ein hoher dielektrischer Wirkungsgrad sowie hohe Kapazitäten pro Flächeneinheit erzielbar.For some time now, as part of the microminiaturization of electrical circuits Area capacitors manufactured with thin metal films that are difficult to melt · In the process of manufacturing single capacitors, a thin metal film is placed on a substrate Film applied to a part of the 3chioht by anodizing to one dielectric Oxydaohioht and then applied a second metal film · Daduroh are reduced current losses, a low resonance factor «a high dielectric efficiency and high capacities per unit area can be achieved.
Die Qrenzen für eine Verbesserung soloher Elemente liegen in der Art des verwendeten Sub·trates begründet, das man für diese Schaltungen verwendet. Bs ist insbesondere bisher nioht möglioh gewesen« schwer schmelzbare· Metall als dielektrische Schicht auf einem j Substrat zu formieren« wenn das Substrat nicht eine außerordentIieh glatte Oberfläche aufwies, und zwar mit einem Rauhigkeitsgrad von 0,15 M oder weniger, line derart geringe Rauhigkeit ist aber nur ; mit Qlassubstraten bsw, glasierten Substraten erreichbar· Auf Substrate höherer Rauhigkeit, z.B. Aluminium, Steatit, Magnesium I oder Beryll aufgebrachte Kondensatoren wiesen hingegen stets >. Kurzsohlußsteilen auf und waren daher in der Praxis nicht anwend- " bar. Zur Erforschung und Bewältigung dieser UnverträglichkeitThe limits for improving single elements are based on the type of substrate used which is used for these circuits. In particular, it has hitherto not been possible to "form difficult-to-melt metal as a dielectric layer on a substrate" if the substrate did not have an extremely smooth surface with a roughness degree of 0.15 M or less, which is such a low roughness but only ; achievable with glass substrates, for example, glazed substrates. On the other hand, capacitors applied to substrates with a higher degree of roughness, eg aluminum, steatite, magnesium I or beryl, always showed>. Short soles and were therefore not applicable in practice. To research and deal with this intolerance
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BAD OBONAL ,·!;.>BAD OBONAL, ·!;.>
H89019H89019
sind zahlreiche Versuche unternehmen worden.numerous attempts have been made.
Durch die Erfindung ist nun ein Verfahren gefunden worden, mittels dessen auch bei relativ honer Oberflächenrauhigkeit des Substrates unter vollständiger Verme idling von Kurzschluss teilen ein DUnnschichtkondensator mit den geforderten Kennwerten herstellbar ist. Das /erfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Metall hohen Schmelzpunktes auf ein Keremiksubstrat relativ hoher Oberflächenrauhigkeit aufgebracht wird, anschließend das Substrat mit der Metallschicht als Anode in ein Elektrolytbad getaucht wird, daß auf die Metallschicht durch Erhöhung der Anodenspannung eine Oxydschicht aufgetragen wird, daß nach Erreichen eines festen Wertes des Elektrolytstromes für eine bestimmte Zeit die Polarität des Anodenstromes umgekehrt wird und schließlich auf den anodisierten Teil des aufgebrachten schwer schmelzbaren Metalls ein elektrisch leitender Metallfilm aufgedampft ·'■·■■. V-I.The invention has now found a method by means of A thin-film capacitor shares a thin-film capacitor even with a relatively fine surface roughness of the substrate while completely avoiding short-circuits can be produced with the required parameters. The / experienced is characterized in that a metal with a high melting point on a ceramic substrate with a relatively high surface roughness is applied, then the substrate with the metal layer as the anode is immersed in an electrolyte bath that on the metal layer an oxide layer is applied by increasing the anode voltage, that after reaching a fixed value of the electrolyte current for a certain time the polarity of the anode current is reversed and finally on the anodized part of the hard applied fusible metal, an electrically conductive metal film is evaporated · '■ · ■■. V-I.
Die Umkehrung der Polarität des Anodenstromes in einem Elektrolytbad ist zwar bekannt, jedoch nur als während der Wirkung des Bades kontinuierliche Umkehrung. Von einem Polaritätsweohsel dieser Art macht die Erfindung aber keinen Gebrauch·The reversal of the polarity of the anode current in an electrolyte bath is known, but only as a continuous reversal during the action of the bath. From a polarity shift of this kind but does not make use of the invention
Durch das erfindungsgemäß© Verfahren 1st es möglioh, Dünnschichtkondensatoren mit verbesserter Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit herzustellen« Die Möglichkeit der Verwendung von Substraten relativ tmubtr Oberfläche wirkt sich dabei auf die Herstellkosten günstig aus. The method according to the invention makes it possible to manufacture thin-film capacitors with improved reliability and performance. The possibility of using substrates with a relatively small surface has a favorable effect on manufacturing costs .
Erläutert uuroh die Zeichnungen wird das erfindungsgemäSe Verfahren im folgenden näher beschrieben.The method according to the invention is explained in the drawings described in more detail below.
Pig· 1 aseigt einen DUnnsohiohtkondensator im Schnitt undPig · 1 aseigt a thin capacitor in section and
ι Pig· 2 dlftgrammatisch den Verlauf von Spannung und Strom während des Anodisierungsvorganges im Elektrolytbad.ι Pig · 2 dlftgrammatically the course of voltage and current during the anodizing process in the electrolyte bath.
909825/0568 bad original909825/0568 bad original
U89019U89019
·. "5 —·. "5 -
Der Dünnschichtkondensator gemäß Fig. 1 ist auf einer Keramikplatte 2 aufgebracht, deren Oberfläche 5 eine Rauhigkeit zwischen 1,0 und 2,5 η aufweist. Schwer schmelzbares Metall 4 ist mittels eines der bekannten Metallbesohiohtungsverfahrenl in einer Stärke zwischen 0,25 und 1,2 η auf die Keramikfläche J aufgebracht, z.B. durch Kathodenzerstäubung, Aufdampfen im Vakuum oder Galvanisierung. Bei der Herstellung der Schicht 4 wird ein Metall mit besonders hohem Schmelzpunkt bevorzugt, wie z.B. Tantal, Niob, Titan oder Wismut. % The thin-film capacitor according to FIG. 1 is applied to a ceramic plate 2, the surface 5 of which has a roughness between 1.0 and 2.5 η . Difficult-to-melt metal 4 is applied to the ceramic surface J in a thickness between 0.25 and 1.2 η by means of one of the known Metallbesohiohtungsverfahrenl, for example by cathode sputtering, vapor deposition in a vacuum or electroplating. When producing layer 4, preference is given to a metal with a particularly high melting point, such as tantalum, niobium, titanium or bismuth, for example. %
Nach dem Aufbringen der Schicht 4 auf die Platte 2 wird die dielektrische Schicht 6 aufgebracht, und zwar indem die Metallschicht 4 als Anode in ein Anodisations-Elektrolytbad eingetaucht wird, wobei an die Metallschicht eine bezüglich einer anderen in den Elektrolyten eingetauchtenElektrode positive Vorspannung angelegt wird. Diese Vorspannung wird aufrechterhalten, bie sich die Anodisations-Formierungsspannung einem konstanten Wert nähert. Dies tritt, wie Fig. 2 zeigt, ein, wenn der Anodisierungsstrom (gestrichelte Linie in Fig. 2) sich in seinem Kurvenverlauf abflacht, was etwa zehn bis zwanzig Minuten nach Beginn des Vorganges eintritt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Polarität der Spannung kurzzeitig für die Dauer von etwa dreißig Sekunden umgekehrt in einen Wert, der etwa der Hälfte der zunächst angelegten Spannung entspricht, wodurch die Metallschicht zur Kathode wird. Die Größe der angelegten umgekehrten Spannung und die Dauer ihrer Wirksamkeit können zwar die angegebenen Werte überschreiten, jedoch sind schädliche Wirkungen möglich, wenn sich die umgekehrte Spannung dem ursprünglichen Wert der angelegten Spannung nähert und länger als zwei Minuten wirksam ist.After the layer 4 has been applied to the plate 2, the dielectric Layer 6 applied by the metal layer 4 is immersed as an anode in an anodization electrolyte bath, wherein a positive bias voltage is applied to the metal layer with respect to another electrode immersed in the electrolyte. This bias is maintained when the anodization forming voltage is maintained approaches a constant value. As shown in FIG. 2, this occurs when the anodizing current (dashed line in Fig. 2) flattens out in its curve, which occurs about ten to twenty minutes after the start of the process. To this Time, the polarity of the voltage is briefly reversed for a period of about thirty seconds to a value that is about Half of the voltage initially applied, whereby the metal layer becomes the cathode. The amount of reverse voltage applied and the duration of their effectiveness may exceed the specified values, however, adverse effects are possible if the reverse voltage is the original value of the applied voltage approaches and is effective for more than two minutes.
Dann wird die Polarität der Spannung wieder umgekehrt und die normale positive Vorspannung angelegt und der Prozeß fortgesetzt, bis die Oxydschicht 6 eine Stärke im Bereich von ca. 200 fi erreicht. Nach Beendigung der Anodisation wird eine Gegenelektrode 8 aus einemThen the polarity of the voltage is reversed again and the normal positive bias applied and the process continued until the oxide layer 6 reaches a thickness in the range of about 200 fi. To Completion of the anodization is a counter electrode 8 from a
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dafür geeigneten Metall, wie z.B. Gold, Zinn, Zink oder Aluminium, in einer Stärke von mehreren tausend S durch Aufdampfen im Vakuum auf die Oxydechioht 6 aufgebracht.suitable metal, such as gold, tin, zinc or aluminum, Applied in a thickness of several thousand S to the Oxydechioht 6 by vapor deposition in a vacuum.
Bei der Umkehrung der Polarität in dem Anodieierungsverfahren ist es zweckmäßig, ein Keramiksubstrat mit rauher Oberfläche zu verwenden, also mit einer Rauhigkeit von zwischen 1,0 und 2,5 u, im Gegensatz zu den bisher verwendeten Substraten mit einer Oberflächenrauhigkeit von etwa 0,15 Ii. In der nachstehenden Tabelle X 1st die Leistung von Kondensatoren, die auf Keramiksubstraten aufgebaut sind, mit verschiedenen Spannungen mit und ohne Anwendung der beschriebenen umkehrteohnik verglichen. Aus dieser Zusammenstellung geht hervor, daß die Leistung bei Anwendung der Polaritatsumkehrung wesentlich gesteigert wird, daß aber die unterhalb einer Spannung von 15 Volt erreichte Wirkung bei höheren Spannungen abnimmt·When reversing the polarity in the anodizing process is it is advisable to use a ceramic substrate with a rough surface, i.e. with a roughness of between 1.0 and 2.5 μm In contrast to the previously used substrates with a surface roughness of about 0.15 Ii. In the following table X is the Performance of capacitors built on ceramic substrates, with different voltages with and without application of the described reversedohnik compared. This compilation shows that the performance using polarity inversion is essential is increased, but the effect achieved below a voltage of 15 volts decreases at higher voltages
Leistung ohne Umpolen Performance without polarity reversal
. 30 % 25 * 12 % . 30 % 25 * 12 %
15 % 0 % 0 % 15 % 0 % 0 %
Im folgenden wird eine Hypothese für die Ursachen der durch das Verfahren speziell bei Dünnsohichtkondensatoren erreichbaren Ergebnisse entwickelt. Bei der Umwandlung von schwer schmelzbarem Metall in ein Oxyd entsteht eine gewisse Gitterfehlanpassung, wie aus Tabelle II hervorgeht.In the following, a hypothesis is given for the causes that can be achieved by the method, especially for thin-film capacitors Results developed. When converting difficult-to-melt metal into an oxide, a certain lattice mismatch occurs, as shown in Table II.
909825/0568 original insfected909825/0568 original insfected
U89019 - 5 -U89019 - 5 -
Dichte Molekular- Mol- Grad der Gewicht Volumen Fehlanpassung Density molecular mole degree of weight volume mismatch
Tantal 16,6 18O,9 11,4 o o Tantalum 16.6 18O, 9 11.4 oo
Niob 8,6 92,9 10,8 o ^ Niobium 8.6 92.9 10.8 o ^
Nioboxyd 4,8 265,8 55,3 >v Niobium oxide 4.8 265.8 55.3 > v
Wismut 9#8 209,0 21,2 o n Bismuth 9 # 8 209.0 21.2 o n
Titan 4,5 47,9 10,6 1 «Titanium 4.5 47.9 10.6 1 «
Titanoxyd 4,26 79,9 18,8 !*°Titanium oxide 4.26 79.9 18.8 ! * °
Diese Gitterfehlanpassung 1st ohne Belang, solange eine vollständig glatte Metallschicht oxydiert wird, da das Oxyd einheitlich sowohl in das Metall hinein als auch aus dem Metall herauswächst, und zwar so, daß das Verhältnis der Oxydstärke zur Stärke des Metalls, das durch die Oxydation verbraucht wurde, gleich dem Verhältnis des Mol-Volumens ist. An einer Stelle rauher Oberfläche trifft dies aber nicht mehr zu. Infolge der größeren elektrischen Feldstärke in der Nähe der rauhen Stelle anodialert diese Stelle schneller als die anderen glatten Oberfläohenbereione. Das Oxyd neigt demnaoh dazu, sioh zu glätten, anstatt dem ursprünglichen Rauhigkeitsprofil zu folgen· Eine vollständige Glättung tritt bei etwa 60 Volt der Formierungs- -Spannung ein. Als Ergebnis wird überall dort, wo sich in der ur- ™ sprUngliohen Schicht eine rauhe Stelle befand, mehr Material, als vorher dort war, in ein gegebenes Volumen gepreßt. Dies hat eine beträchtliche Spannung in der Oxydsohioht zur Folge, die diese nur duroh Rißbildung aufhebt· Die Neigung zur Bildung von Rissen ist eine Funktion der makroskopischen Struktur der Keramikoberfläohe und als Quelle der Kurzschlüsse festgestellt worden.This lattice mismatch is of no concern as long as one is complete smooth metal layer is oxidized as the oxide grows uniformly both in and out of the metal, namely so that the ratio of the oxide strength to the strength of the metal which has been consumed by the oxidation is equal to the ratio of the molar volume. However, this does not apply to a point on the rough surface more to. As a result of the greater electrical field strength in the vicinity of the rough area, this area anodizes faster than the others smooth surface area. The oxide therefore tends to increase smooth instead of following the original roughness profile. Complete smoothing occurs at about 60 volts of the forming voltage. As a result, wherever there is in the ur- ™ cracked layer was a rough place, more material than was there before, pressed into a given volume. This has a considerable tension in the oxydsohioht this only duroh cancels cracking · The tendency to crack is a function of the macroscopic structure of the ceramic surface and identified as the source of the short circuits.
Die Spannung in der Oxydschicht wird stark verringert, wenn die Schichtstärke auf eine Tiefe von etwa 200 8 oder weniger begrenzt wird, was bei Zimmertemperatur einer Formierungsspannung von etwa 15 Volt entspricht. Bei der Anodisierung von Sohichten bei niedrigen Spannungen zum Erreiohen der gewünschten Stärke ist die Leistung sehr niedrig infolge der Passivierung an verschiedenen Stellen an derThe tension in the oxide layer is greatly reduced when the Layer thickness is limited to a depth of about 200 8 or less, which at room temperature of a formation stress of about 15 volts. When anodizing solids at low The achievement is very tense to achieve the desired strength low as a result of passivation at various points on the
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Oberfläohe des schwer schmelzbaren Metalls. An diesen paesivierten Stellen findet nämlich keine Oxydation statt, was danach zu den in dem fertigen Kondensator auftretenden Kurzschlüssen führt.Surface of the refractory metal. Paesivated on these There is no oxidation, which then leads to the in the finished capacitor leads to short circuits.
Duron kurzzeitige Polaritätsumkehrung der angelegten Spannung, wenn die Formierungsspannung sich einem konstanten Wert nähert, können die passivierten Bereiche aktiviert werden, so daß dort das Wachsen der Cb ydschioht ermöglicht ist. Mit der Umkehr der Polarität entstehen somit äurehgehende Schiohten, die frei von P Kurzschlüssen sind,Duron brief polarity reversal of the applied voltage, when the formation voltage approaches a constant value, the passivated areas can be activated so that the growth of the cb ydschioht is possible there. With the reversal of Polarity thus arise outgoing shafts that are free of P are short circuits,
Zur Herstellung des Kondensators wird zunächst ein Keramiksubstrat, z.B. Aluminiumoxyd« gereinigt, indem es in eine Lösung eines koohenden Reinigungsmittels eingetaucht, in Wasser abgespült, erreut in einer 15#ig®n Lösung von Wasserstoffsuperoxyd gekoo!% wieder in Wasser abgespült, in Isopropylalkohol gewaaohen und dann in Isopropylalkohol dampfentfettet wird.To manufacture the capacitor, a ceramic substrate, e.g. aluminum oxide, is first cleaned by placing it in a solution Immersed in a cohesive cleaning agent, rinsed in water, reached in a 15 # ig®n solution of hydrogen peroxide gekoo!% rinsed in water again, washed in isopropyl alcohol and then steam degreased in isopropyl alcohol.
Dann wird ein sohwer sohmelzbares Metall, z.B. Tantal, auf die Substratoberfläche aufgebracht, beispielsweise durch Kathodenzerstäubung. Die dünnen Schiohten werden in einer Argon-Glimmentladung, * beispielsweise 2000 Volt bei 1 mA/om mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 Ä/s für die Dauer von etwa 15 Minuten aufgebracht. Solohe Sohichten haben spezifische Flächenwiderstände von etwa 4 Ohm/cm .Then a so-meltable metal, e.g. tantalum, is applied to the Substrate surface applied, for example by cathode sputtering. The thin sleeves are in an argon glow discharge, * e.g. 2000 volts at 1 mA / om with one speed of about 10 Å / s for a period of about 15 minutes. Solo layers have specific sheet resistances of about 4 ohms / cm.
Dann wird das Substrat in ein Anodisierbad derart eingetaucht, da£ die Schioht als Anode des Stromkreises dient. Die Anodisation erfolgt in einem entsprechenden Elektrolyten, der die Metalloxydsohloht bei deren Formierung nioht löst. Für diesen Zweck ist eine i£ige wässrige Lösung von Ammoniumtetraborat besonders geeignet, es kann aber auch eine andere 1#ige Lösung benutzt werden, wie z.B. Natriumsulphat, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Natriumzitrat oder Zitronensäure. Während der Anodisation wird die TemperaturThen the substrate is immersed in an anodizing bath in such a way that that the schioht serves as the anode of the circuit. The anodization takes place in a corresponding electrolyte, which does not dissolve the metal oxide when it is formed. For this purpose there is one i £ ige aqueous solution of ammonium tetraborate particularly suitable, however, another 1 # solution can also be used, such as e.g. sodium sulphate, sulfuric acid, phosphoric acid, sodium citrate or citric acid. During the anodization, the temperature
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des Elektrolyten etwa auf Zimmertemperatur gehalten, die Stromdichte beträgt zwisohen 0,1 und 1 rungsspannung erreicht ist«of the electrolyte is kept at about room temperature, the current density is between 0.1 and 1 voltage is reached «
beträgt zwisohen 0,1 und 1 mA/cm der Anodenfläche, bis die Formie-is between 0.1 and 1 mA / cm of the anode area until the formation
Die Oxydsohioht wird anodisoh auf der Tantalsohicht mit einer konstanten Stromdichte formiert, während die Spannung an den wachsenden Oxyd auf die gewünschte Formierungsspannung erhöht wird. Gentle Fig. 2 flacht sieh bei einer anfänglichen Formlerungsstromdiohte von etwa 1 mA/cm der Anodenfläohe der Formierungsstrom ab auf einen Wert von etwa 1yuA/om der Anodenfläohe, während die Forraierungeepannung auf Ihren gewünschten Wert von etwa 15 Volt ansteigt. Bei dieser konstanten Spannung wird der Formierungeprozeß fortgesetzt, wie es die Abnahme des Stromverlustes bis hinunter in den uA-Bereloh verdeutlicht. Wenn sloh die Formierungsspannung diesem konstanten Wert nähert bzw· ihn erreicht und wenn der Formierungestrom sloh asymptotisch abzuflachen beginnt« wird die Polarität der angelegten Spannung für die Dauer von etwa 30 Sekunden umgekehrt, so daß die Metallschicht nunmehr Kathode 1st. Hierduroh werden die bezüglich der Oxydbildung resistenten Berelohe aktiviert. Danach wird wieder umgepolt bei einer Spannung von etwa 7*5 Volt, und der Vorgang wird fortgesetzt» bis die Oxydschioht etwa 200 8 beträgt.The Oxydsohioht is anodisoh on the tantalum layer with a constant current density forms, while the voltage on the growing oxide increases to the desired formation voltage will. Gentle Fig. 2, with an initial forming current of about 1 mA / cm of the anode surface, the forming current flattens down to a value of about 1yuA / om of the anode surface, while the Formation voltage to your desired value of about 15 volts increases. At this constant voltage the formation process continues as the current loss decreases down in the uA-Bereloh made clear. When the formation voltage approaches or reaches this constant value and when the Formation current sloh begins to flatten out asymptotically «becomes the polarity of the applied voltage for a period of about 30 seconds vice versa, so that the metal layer is now the cathode. Here you go the Berelohe, which are resistant to oxide formation, are activated. The polarity is then reversed again at a voltage of about 7 * 5 volts, and the process is continued until the oxide layer is about 200 8 amounts to.
Danach wird eine Gegenelektrode aus elektrisch leitendem Netall in einer Stärke von oa. 1000 St aufgebracht, indem Aluminium duroh eine entsprechende Maske auf die Oberfläche der dielektrischen Tantaloxydsohioht aufgedampft wird·Then a counter electrode is made of electrically conductive metal in a strength of oa. 1000 St applied by using aluminum duroh a corresponding mask is vapor-deposited on the surface of the dielectric tantalum oxide
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