DE1489019B2 - METHOD OF MANUFACTURING THIN FILM CAPACITORS - Google Patents
METHOD OF MANUFACTURING THIN FILM CAPACITORSInfo
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Description
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 eingetauchten Elektrode positive Vorspannung angelegt wird. Diese Vorspannung wird aufrechterhalten, bis sich die Anodisations-Formierungsspannung einem konstanten Wert nähert. Dies tritt, wie F i g. 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 Weft 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 is applied, to be precise by placing the metal layer 4 as an anode in an anodization electrolyte bath is immersed, with the metal layer one with respect to another in the Electrolyte immersed electrode positive bias is applied. This bias is maintained until the anodization forming voltage approaches a constant value. this occurs as shown in FIG. 2 shows a when the anodizing current (dashed line in FIG. 2) is in its Curve flattens out, which occurs about ten to twenty minutes after the start of the process. to At this point the polarity of the voltage is briefly for a duration of about thirty seconds conversely to a value which corresponds to about half the voltage initially applied, whereby the metal layer becomes the cathode. The magnitude of the reverse voltage applied and the duration Their effectiveness can exceed the specified values, but are harmful effects 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 etwa 200 Ä erreicht. Nach Beendigung der Anodisation wird eine Gegenelektrode 8 aus einem' dafür geeigneten Metall, wie z. B. Gold, Zinn, Zink oder Aluminium, in einer Stärke von mehreren tausend Ä durch Aufdampfen im Vakuum auf die Oxydschicht 6 aufgebracht.Then 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 Å. After completion of the anodization, a counter electrode 8 made of a 'suitable metal, such as B. gold, tin, zinc or aluminum, in a thickness of several thousand Å by vapor deposition applied to the oxide layer 6 in a vacuum.
Bei der Umkehrung der Polarität in dem Anodisierungsverfahren ist es zweckmäßig, ein Keramiksubstrat mit rauher Oberfläche zu verwenden, also mit einer Rauhigkeit von zwischen 1,0 und 2,5 μ, im Gegensatz zu den bisher verwendeten Substraten mit einer Oberflächenrauhigkeit von etwa 0,15 μ. In der nachstehenden Tabelle I ist die Ausbeute von Kondensatoren, die auf Keramiksubstraten aufgebaut sind, mit verschiedenen Spannungen mit und ohne Anwendung der beschriebenen Umkehrtechnik verglichen. Aus dieser Zusammenstellung geht hervor, daß die Ausbeute bei Anwendung der Polaritätsumkehrung 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, it is desirable to use a ceramic substrate to be used with a rough surface, i.e. with a roughness of between 1.0 and 2.5 μ, im In contrast to the previously used substrates with a surface roughness of about 0.15 μ. In the Table I below shows the yield of capacitors built on ceramic substrates are compared with different voltages with and without the application of the reversal technique described. From this compilation it can be seen that the yield when the polarity reversal is used is increased significantly, but that reached below a voltage of 15 volts Effect decreases at higher voltages.
Tantal Tantalum
Tantaloxyd .Tantalum oxide.
Niob niobium
Nioboxyd ..Niobium Oxide ..
Wismut
Wismutoxydbismuth
Bismuth oxide
Titan titanium
Titanoxyd ..Titanium oxide ..
16,6
8/716.6
8/7
8,6
4,88.6
4.8
9,8
5,69.8
5.6
4,5
4,264.5
4.26
MoIe-MoIe-
kular-kular-
Gewichtweight
180,9
441,8180.9
441.8
92,9
265,892.9
265.8
209,0
466,0209.0
466.0
47,9
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79.9
Mol-Volumen Mole volume
11,4 50,811.4 50.8
10,8 55,310.8 55.3
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10,6 18,810.6 18.8
Grad derdegree of
Fehlanpassung Mismatch
2,2 2,55 2,0 1,82.2 2.55 2.0 1.8
Im folgenden wird eine Hypothese für die Ursachen der durch das Verfahren speziell bei Dünnschichtkondensatoren erreichbaren Ergebnisse entwickelt. Bei der Umwandlung von schwer schmelzbarem Metall in ein Oxyd entsteht eine gewisse Gitterfehlanpassung, wie aus Tabelle II hervorgeht. Diese Gitterfehlanpassung ist 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 anodisiert diese Stelle schneller als die anderen glatten Oberflächenbereiche. Das Oxyd neigt demnach dazu, sich zu glätten, anstatt dem ursprünglichen Rauhigkeitsprofil zu folgen.The following is a hypothesis for the causes of the process especially in the case of thin film capacitors achievable results. When converting difficult-to-melt metal into an oxide, a certain lattice mismatch occurs, as shown in Table II. This lattice mismatch is of no concern while a completely smooth metal layer is oxidized, since the oxide grows uniformly both into and out of the metal, in a way that that the ratio of the oxide strength to the strength of the metal that was 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 electric field strength in the vicinity of the rough spot, this spot anodizes faster than the other smooth surface areas. The oxide therefore tends to smooth itself out instead of following the original roughness profile.
Eine vollständige Glättung tritt bei etwa 60 Volt der Formierungsspannung ein. Als Ergebnis wird überall dort, wo sich in der ursprünglichen Schicht eine rauhe Stelle befand, mehr Material als vorher dort war, in ein gegebenes Volumen gepreßt. Dies hat eine beträchtliehe Spannung in der Oxydschicht zur Folge, die diese nur durch Rißbildung aufhebt. Die Neigung zur Bildung von Rissen ist eine Funktion der makroskopischen Struktur der Keramikoberfläche und als Quelle der Kurzschlüsse festgestellt worden.Complete smoothing occurs at about 60 volts of the formation voltage. As a result, it will be everywhere where there was a rough spot in the original layer, there was more material than before, in pressed a given volume. This results in a considerable amount of stress in the oxide layer this can only be canceled by cracking. The tendency for cracks to form is a function of the macroscopic one 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 Ä oder weniger begrenzt wird, was bei Zimmertemperatur einer Formierungsspannung von etwa 15 Volt entspricht. Bei der Anodisierung von Schichten bei niedrigen Spannungen zum Erreichen der gewünschten Stärke ist die Leistung sehr niedrig infolge der Passivierung an verschiedenen Stellen an der Oberfläche des schwer schmelzbaren Metalls. An diesen passivierten Stellen findet nämlich keine Oxydation statt, was danach zu den in dem fertigen Kondensator auftretenden Kurzschlüssen führt.The tension in the oxide layer is greatly reduced when the layer thickness is reduced to a depth of is limited to about 200 Å or less, which corresponds to a formation voltage of corresponds to about 15 volts. When anodizing layers at low voltages to achieve of the desired strength, the performance is very low due to the passivation at various points the surface of the refractory metal. There is no oxidation at these passivated areas instead, which then leads to the short circuits occurring in the finished capacitor.
Durch 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 Oxydschicht ermöglicht ist. Mit der Umkehr der Polarität entstehen somit durchgehende Schichten, die frei von Kurzschlüssen sind.By briefly reversing the polarity of the applied voltage when the formation voltage approaches a constant value, the passivated areas can be activated so that there the growth of the oxide layer is enabled. When the polarity is reversed, continuous ones are created Layers that are free from short circuits.
Zur Herstellung des Kondensators wird zunächst ein Keramiksubstrat, z. B. Aluminiumoxyd, gereinigt, indem es in eine Lösung eines kochenden Reinigungsmittels eingetaucht, in Wasser abgespült, erneut in einer 15%igen Lösung von Wasserstoffsuperoxyd gekocht, wieder in Wasser abgespült, in Isopropylalkohol gewaschen und dann in Isopropylalkohol dampfentfettet wird.To manufacture the capacitor, a ceramic substrate, e.g. B. aluminum oxide, cleaned, by dipping it in a solution of a boiling detergent, rinsing it in water, re-in boiled a 15% solution of hydrogen peroxide, rinsed again in water, in isopropyl alcohol washed and then steam degreased in isopropyl alcohol.
Dann wird ein schwer schmelzbares Metall, z. B. Tantal, auf die Substratoberfläche aufgebracht, bei-Then a difficult-to-melt metal, e.g. B. tantalum, applied to the substrate surface, both
spielsweise durch Kathodenzerstäubung. Die dünnen Schichten werden in einer Argon-Glimmentladung, beispielsweise 3000 Volt bei 1 mA/cm2 mit einer Geschwindigkeit von etwa lOÄ/s für die Dauer von etwa 15 Minuten aufgebracht. Solche Schichten haben spezifische Flächenwiderstände von etwa 4 Ohm/cm2.for example by cathode sputtering. The thin layers are applied in an argon glow discharge, for example 3000 volts at 1 mA / cm 2 at a rate of about 10E / s for a period of about 15 minutes. Such layers have specific sheet resistances of about 4 ohm / cm 2 .
Dann wird das Substrat in ein Anodisierbad derart eingetaucht, daß die Schicht als Anode des Stromkreises dient. Die Anodisation erfolgt in einem entsprechenden Elektrolyten, der die Metalloxydschicht bei deren Formierung nicht löst. Für diesen Zweck ist eine l%ige wäßrige Lösung von Ammoniumtetraborat besonders geeignet, es kann aber auch eine andere l%ige Lösung benützt werden, wie z.B. Natriumsulphat, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Natriumzitrat oder Zitronensäure. Während der Anodisation wird die Temperatur des Elektrolyten etwa auf Zimmertemperatur gehalten, die Stromdichte beträgt zwischen 0,1 und 1 mA/cm2 der Anodenfläche, bis die Formierungsspannung erreicht ist.The substrate is then immersed in an anodizing bath in such a way that the layer serves as the anode of the circuit. The anodization takes place in a suitable electrolyte, which does not dissolve the metal oxide layer when it is formed. A 1% aqueous solution of ammonium tetraborate is particularly suitable for this purpose, but another 1% solution can also be used, such as sodium sulphate, sulfuric acid, phosphoric acid, sodium citrate or citric acid. During the anodization, the temperature of the electrolyte is kept approximately at room temperature, the current density is between 0.1 and 1 mA / cm 2 of the anode area, until the formation voltage is reached.
Die Oxydschicht wird anodisch auf der Tantalschicht mit einer konstanten Stromdichte formiert, während die Spannung an dem wachsenden Oxyd auf die gewünschte Formierungsspannung erhöht wird, Gemäß F i g. 2 flacht sich bei einer anfänglichen Formierungsstromdichte von etwa 1 mA/cm2 der Anodenfläche der Formierungsstrom ab auf einen Wert von etwa 1 μΑ/cm2 der Anodenfläche, während die Formierungsspannung auf ihren gewünschten Wert von etwa 15 Volt ansteigt. Bei dieser konstanten Spannung wird der Formierungsprozeß fortgesetzt, wie es die Abnahme des Stromverlustes bis hinunter in den μΑ-Bereich verdeutlicht. Wenn sich die Formierungsspannung diesem konstanten Wert nähert bzw. ihn erreicht und wenn der Formierungsstrom sich asymptotisch abzuflachen beginnt, wird die Polarität der angelegten Spannung für die Dauer von etwa 30 Sekunden umgekehrt, so daß die Metallschicht nunmehr Kathode ist. Hierdurch werden die bezüglich der Oxydbildung resistenten Bereiche aktiviert. Danach wird wieder umgepolt bei einer Spannung von etwa 7,5 Volt, und der Vorgang wird fortgesetzt, bis die Oxydschicht etwa 200 Ä beträgt.The oxide layer is formed anodically on the tantalum layer with a constant current density, while the voltage on the growing oxide is increased to the desired formation voltage, according to FIG. 2, at an initial formation current density of about 1 mA / cm 2 of the anode area, the formation current levels off to a value of about 1 μΑ / cm 2 of the anode area, while the formation voltage rises to its desired value of about 15 volts. The formation process is continued at this constant voltage, as illustrated by the decrease in current loss down to the μΑ range. When the formation voltage approaches or reaches this constant value and when the formation current begins to flatten out asymptotically, the polarity of the applied voltage is reversed for a period of about 30 seconds so that the metal layer is now the cathode. This activates the areas that are resistant to oxide formation. The polarity is then reversed again at a voltage of around 7.5 volts, and the process is continued until the oxide layer is around 200 Å.
Danach wird eine Gegenelektrode aus elektrisch leitendem Metall in einer Stärke von etwa 1000 Ä aufgebracht, indem Aluminium durch eine entsprechende Maske auf die Oberfläche der dielektrischen Tantaloxydschicht aufgedampft wird.Then a counter electrode made of electrically conductive metal with a thickness of about 1000 Å applied by placing aluminum through a suitable mask on the surface of the dielectric Tantalum oxide is evaporated.
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