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Title:
THIN-FILM MULTILAYER CONDENSER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1997/044797
Kind Code:
A1
Abstract:
This invention concerns a multilayer condenser with thin-layer construction with increased capacitance and/or reduced space requirement, the dielectric layers of which are arranged alternately between electrode layers on a substrate. By means of alternating electrode layer bonding, parallel interconnexion of the individual condenser layers is achieved. Thus, the individual capacitances are summed, while the temperature behavior can be optimized by a suitable selection or combination of differing dielectric layers.

Inventors:
BRUCHHAUS RAINER (DE)
PITZER DANA (DE)
PRIMIG ROBERT (DE)
WERSING WOLFRAM (DE)
HOENLEIN WOLFGANG (DE)
Application Number:
PCT/DE1997/000914
Publication Date:
November 27, 1997
Filing Date:
May 05, 1997
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
BRUCHHAUS RAINER (DE)
PITZER DANA (DE)
PRIMIG ROBERT (DE)
WERSING WOLFRAM (DE)
HOENLEIN WOLFGANG (DE)
International Classes:
H01G4/12; H01G4/06; H01G4/228; H01G4/30; (IPC1-7): H01G4/30
Foreign References:
DE4300808C11994-03-17
EP0664548A21995-07-26
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 096, no. 004 30 April 1996 (1996-04-30)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 095, no. 009 31 October 1995 (1995-10-31)
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Claims:
Patentansprüche
1. Mehrschichtkondensator in Dünnschichtbauweise mit den fol¬ genden Merkmalen auf einem Substrat (1) sind alternierend insgesamt n+1 Elektrodenschichten (E) und n dielektrische keramische Schichten (D) mit einer maximalen Schichtdicke von 2um zu einem Schichtaufbau angeordnet, eine erste (12) und eine zweite Kontaktschicht (15) sind getrennt voneinander seitlich des Schichtaufbaus und annä¬ hernd vertikal zu den Schichtebenen angeordnet, die Elektrodenschichten (E) sind alternierend mit der er¬ sten beziehungsweise mit der zweiten Kontaktschicht (15) elektrisch leitend verbunden für die Anzahl n gilt: 1 < n < 100.
2. Mehrschichtkondensator nach Anspruch 1, bei dem die mit der ersten Kontaktschicht (12) verbundenen ersten Elektrodenschichten (E) aus einem anderen Elektroden Material als die mit der zweiten Kontaktschicht (15) verbun¬ denen zweiten Elektrodenschichten (E') bestehen, wobei auch das Oxidationspotential der beiden ElektrodenMaterialien un¬ terschiedlich ist .
3. Mehrschichtkondensator nach Anspruch 1 oder 2, bei dem jede der dielektrischen Schichten für sich aus ein¬ heitlichem dielektrischen Material besteht, die verschiedenen dielektrischen Schichten aber zumindest zwei unterschiedliche dielektrische Materialien umfassen.
4. Mehrschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die dielektrischen Schichten (D) ferroelektrische Schichten umfassen.
5. Mehrschichtkondensator nach Anspruch 4, bei dem der Schichtaufbau unterschiedliche ferroelektrische Schichten mit unterschiedlichem Temperaturverhalten umfaßt, die so ausgewählt sind, daß sich durch Mittelwertbildung ein gewünschtes Temperaturverhalten für den gesamten Mehrschicht kondensator ergibt .
6. Mehrschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem gilt 5 < n < 20.
7. Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtkondensators mit den Schritten a)auf einem Substrat (1) wird eine erste Elektrodenschicht (El) aufgebracht b)auf der ersten Elektrodenschicht wird eine erste dielektri¬ schen Schicht (Dl) aufgebracht c)auf der ersten dielektrischen Schicht wird eine zweite Elektrodenschicht (E'2) aus einem von der ersten Elektro¬ denschicht unterschiedlichen Material aufgebracht d)die Schritte b) und c) werden so oft wiederholt, bis eine gewünschte Anzahl von n dielektrischen Schichten (D) ent¬ standen ist, wobei die Elektrodenschichten (E) alternierend aus erstem und zweitem ElektrodenMaterial bestehen und 1 < n < 100 e)an einer ersten, annähernd vertikal zu den Schichtebenen stehenden Seitenfläche des auf dem Substrat (1) erzeugten Schichtaufbaus wird selektiv ein Teil des Elektroden Materials (E') mit dem niedrigeren Oxidationspotential her¬ ausgelöst f)die so entstandenen Vertiefungen (8) werden mit Isolations¬ material (11) aufgefüllt g)an einer zweiten, von der ersten getrennten Seitenfläche des Schichtaufbaus wird selektiv das ElektrodenMaterial (E) mit dem höheren Oxidationspotential zum Teil herausge löst h)die so entstandenen Vertiefungen (13) werden mit Isolati¬ onsmaterial (14) aufgefüllt i)auf den beiden Seitenflächen wird nach Schritt f) bezie¬ hungsweise nach Schritt h) je eine Kontaktschicht aufge¬ bracht, die jeweils alle aus dem gleichen Elektroden Material bestehenden Elektrodenschichten elektrisch leitend miteinander verbindet.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Herauslösen des ElektrodenMaterials mit dem hö¬ heren Oxidationspotential durch elektrochemisches Ätzen er folgt, wobei die entsprechenden im vorhergehenden Proze߬ schritt elektrisch miteinander verbundenen Elektrodenschich¬ ten mit der Anode verbunden werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Herauslösen des ElektrodenMaterials mit dem niedrigeren Oxidationspotential durch naßchemisches Ätzen er¬ folgt.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem in einem Elektrolytbad ElektrodenMaterial stromlos über den Elektrodenschichten (E) mit dem höheren Oxidati¬ onspotential abgeschieden wird, wobei das ElektrodenMaterial (E') mit dem niedrigeren Oxidationspotential als Opferkathode dient und zum Teil herausgelöst wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem zum Auffüllen der Vertiefungen (8, 13) über den Sei¬ tenflächen jeweils ganzflächig eine Isolationsschicht aufge¬ bracht wird, und die Isolationsschicht durch Abtragen paral lel zur Seitenfläche soweit entfernt wird, bis die jeweils nicht zum Teil herausgelösten Elektrodenschichte:ι freigelegt sind.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Abtragen der Isolationsschicht durch chemisch me¬ chanisches Polieren erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem ein großflächiges Substrat (1) verwendet wird, bei dem das Substrat nach Verfahrensschritt d) in streifen förmige Kondensatorreihen (3) zerteilt wird, bei dem mehrere der Kondensatorreihen übereinander in Rich¬ tung des Schichtaufbaus gestapelt werden bei dem die Verfahrensschritte e) bis i) im Stapel für meh¬ rere Kondensatorreihen gleichzeitig durchgeführt werden bei dem die Kondensatorreihen abschließend wieder voneinan¬ der getrennt und weiter in die einzelnen Mehrschichtkonden¬ satoren aufgeteilt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem ein Substrat (1) verwendet wird, welches zur Unter¬ stützung der Zerteilung in Kondensatorreihen (3) und einzelne Mehrschichtkondenεatoren in der Oberfläche ein der Aufteilung entsprechendes Grabenmuster (2, 4) aufweist.
Description:
Beschreibung

DÜNNFILM MEHRSCHICHTKONDENSATOR

Bekannte Mehrschichtkondensatoren sind keramische Bauelemen¬ te, bei denen abwechselnd Elektrodenschichten und dünne kera¬ mische Schichten übereinander angeordnet sind. Je eine kera¬ mische Schicht mit den beiden benachbarten Elektrodenschich- ten bildet dabei einen Einzelkondensator. Die einzelnen Kon¬ densatoren sind durch entsprechende Kontaktierung der Elek¬ trodenschichten elektrisch parallel geschaltet. Zur Herstel¬ lung solcher keramischer Mehrschichtkondensatoren werden „nasse" Verfahren verwendet, wobei zum Beispiel Grünfolien mit Hilfe eines Schlickers oder eines Sol-Gel-Verfahrens her¬ gestellt und dann mit Elektrodenmaterial bedruckt werden. Durch Übereinanderstapeln solcher bedruckter Grünfolien und gemeinsames Sintern werden kompakte Bauelemente erhalten, die in einem letzten Verfahrensschritt noch mit elektrischen An- Schlüssen versehen werden.

Zur Steigerung der Kapazität solcher keramischer Vielschicht- kondensatoren kann die Anzahl der Einzelkondensatoren, also die Anzahl der Schichten des Mehrschichtkondensators erhöht werden. Mehrschichtkondensatoren mit hoher Kapazität im Be¬ reich einiger μF sind auf diese Art und Weise aber nur mit hohem fertigungstechnischem Aufwand zu realisieren.

Herkömmliche und bereits heute verfügbare Elektrolytkondensa- toren lassen sich zwar mit solch hohen Kapazitäten im Bereich einiger μF realisieren, besitzen jedoch oft unbefriedigende elektrische Eigenschaften. Insbesondere sind Elektrolytkon¬ densatoren bezüglich des Frequenzgangs, des Schaltstromver¬ haltens (Innenwiderstand), des Leckstroms und des Temperatur- bereichs, in dem sie einsetzbar sind, verbesserungsfähig.

Desweiteren lassen sich mit Elektrolytkondensatoren keine ex-

trem flachen Bauformen, wie sie insbesondere für die SMD- Technik erforderlich sind, realisieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Mehrschicht- kondensatoren mit hoher Kapazität anzugeben, die sich in fla¬ cher Bauform realisieren lassen, deren Herstellaufwand gegen¬ über bekannten Mehrschichtkondensatoren reduziert ist und de¬ ren elektrische Eigenschaften gegenüber Elektrolytkondensato¬ ren verbessert sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Mehrschicht- kondensator nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltun¬ gen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Mehrschichtkondensators sind weiteren Ansprüchen zu entneh- men.

Erfindungsgemäß umfaßt der Mehrschichtkondensator einen auf einem Substrat angeordneten Mehrschichtaufbau, in dem alter¬ nierend Elektrodenschichten und dielektrische Schichten je- weils als Dünnschicht übereinander angeordnet sind. Die Elek¬ trodenschichten sind alternierend mit einer ersten und einer zweiten Kontaktschicht verbunden, die jeweils seitlich ent¬ lang des Schichtaufbaus und annähernd vertikal zu den Schich¬ tebenen angeordnet ist. Die Anzahl n der dielektrischen Schichten wird größer als 1 und kleiner als 100 gewählt. Sie liegt vorzugsweise bei 5 bis 20 Schichten.

Die keramischen dielektrischen Schichten, die mit herkömmli¬ chen Dünnschichtverfahren aufgebracht sind, besitzen eine ma- ximale Schichtdicke von ca. 1 μm. Gegenüber bekannten naßke- ramisch hergestellten Vielschichtkondensatoren, deren dielek¬ trische Schichten im besten Fall auf etwa 5 μm Dicke redu¬ ziert werden können, bedeutet dies mindestens eine Schicht¬ dickenverringerung um den Faktor 5. Da mit bekannten Dünn- schichtverfahren aber bereits heute geringe Schichtdicken von bis zu 0,1 μm sicher und reproduzierbar erreichbar sind, wird mit der Erfindung eine Schichtdickenreduzierung um bis zu

Faktor 50 möglich. Da andererseits die spezifische Kapazität (= Kapazität/Volumen) umgekehrt proportional zum Quadrat der Dicke der dielektrischen Schichten ist, läßt sich mit der Er¬ findung die spezifische Kapazität gegenüber den besten be- kannten Vielschichtkondensatoren um bis zu Faktor 2500 stei¬ gern. Mit der Erfindung wird daher gegenüber bekannten kera¬ mischen Vielschichtkondensatoren eine Materialersparnis, und gegenüber allen anderen bekannten Kondensatoren eine wesent¬ lich flachere Bauweise und ein wesentlich geringerer Raumbe- darf bei zumindest gleichbleibender Kapazität erzielt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektrodenschichten alternierend aus zwei unterschiedlichen Elektrodenmaterialien ausgebildet, die auch ein unterschied- liches Oxidationspotential besitzen. Dieser Aufbau ist beson¬ ders günstig für das ebenfalls erfindungsgemäße Herstellver¬ fahren des Mehrschichtkondensators, da es aufwendige photoli- thographische Schritte für die Strukturierung bzw. Kontaktie- rung der Elektrodenschichten mit erster und zweiter Kontakt- schicht vermeidet.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die die¬ lektrischen Schichten des Mehrschichtkondensators aus zumin¬ dest zwei unterschiedlichen dielektrischen Materialien ausge- bildet. Auf diese Weise ist es möglich, die elektrischen Ei¬ genschaften des Mehrschichtkondensators durch Auswahl mehre¬ rer geeigneter dielektrischer Materialien einem gewünschten Profil exakt anzupassen. So kann insbesondere das Temperatur¬ verhalten bzw. die Temperaturcharakteristik der elektrischen Werte des Mehrschichtkondensators, der sogenannte Temperatur¬ gang des Kondensators, eingestellt werden. Da das Temperatur¬ verhalten neben der absoluten Höhe der Kondensatorkapazität von hoher Bedeutung für die Verwendbarkeit des Mehrschicht- kondensators als Bauelement in elektrischen und elektroni- sehen Schaltungen ist, erschließt die Erfindung ein weites Anwendungsgebiet für erfindungsgemäße Mehrschichtkondensato¬ ren. So ist es möglich, einzelne dielektrische Schichten aus

einem Material herzustellen, welches für sich allein eine schlechte Temperaturcharakteristik in einem 1-Schicht- Kondensator ergäbe. Entscheidend ist allein die Tempera¬ turcharakteristik des gesamten Mehrschichtkondensators, die sich bei der erfindungsgemäßen parallelen Verschaltung von Einzelschichtkondensatoren im Schichtaufbau als Mittelwert ergibt. Aus einzelnen dielektrischen Schichten, die in einem gegebenen Temperaturbereich eine große Änderung ihrer elek¬ trischen Werte aufweisen, läßt sich durch geeignete Kombina- tion ein Temperaturverhalten mit minimalen Änderungen der elektrischen Werte im Mehrschichtkondensator zusammenstellen.

Besonders hohe Kapazitäten werden erhalten, wenn die dielek¬ trischen Schichten paraelektrische Schichten sind, also fer- roelektrische Materialien umfassen. Das besonders ungünstige Temperaturverhalten einzelner ferroelektrischer oder parae¬ lektrischer Schichten in 1-Schicht-Kondensatoren wird im er¬ findungsgemäßen Mehrschichtkondensator wie eben beschrieben besonders vorteilhafterweiεe ausgeglichen. Ferroelektrische Schichten zeigen bei der Curie-Temperatur einen Übergang von ferroelektrischem zu paraelektrischem Verhalten. In einem Kondensator bewirkt dies eine extreme Änderung der elektri¬ schen Eigenschaften bei der Curie-Temperatur. Für einen aus ferroelektrischen Schichten aufgebauten erfindungsgemäßen Mehrschichtkondensator weist ein geeigneter Schichtaufbau da¬ her mehrere ferroelektrische Materialien auf, deren Curie- Temperaturen gleichmäßig über den für eine Anwendung ge¬ wünschten gewünschten Temperaturbereich verteilt sind.

Die Dünnschichtverfahren, mit denen die ferroelektrischen bzw. dielektrischen Schichten des Mehrschichtkondensators er¬ zeugt werden, erlauben eine einfache Variation der Zusammen¬ setzung in den Komponenten, die für die Eigenschaften aus¬ schlaggebend sind. Insbesondere durch Multi-Target-Sputtern kann durch Austauschen der Targets, durch Abdecken von Targe¬ toberflächen oder eleganter durch Änderung der Leistung an den Targets die Zusammensetzung der aufwachsenden dielektri-

sehen oder ferroelektrischen Schichten von Schicht zu Schicht in einfacher Weise variiert werden.

Als dielektrische Schichten eignen sich prinzipiell alle die- lektrischen Materialien, die mit Dünnschichtverfahren erzeug¬ bar sind und deren dielektrische Eigenschaften aufgrund be¬ kannter Gesetzmäßigkeiten und Abhängigkeiten im Mehrschicht- kondensator die gewünschten Gesamteigenschaften ergeben. Für die Funktionsfähigkeit des Mehrschichtkondensators ist vor allem die Durchschlagsfestigkeit bei der gegebenen Schicht¬ dicke gegenüber einer gewünschten Einsatzspannung von Bedeu¬ tung. Weiterhin muß eine ausreichend homogene Abscheidbarkeit gegeben' sein, um im Schichtaufbau die Homogenität von Schicht zu Schicht zu gewährleisten. Inhomogenitäten könnten zu höhe- ren Leckströmen und damit zur verminderten Brauchbarkeit des Mehrschichtkondensators führen. Entsprechende Materialien finden bereits bei herkömmlichen keramischen Mehrschichtkon¬ densatoren Verwendung. Als Beispiel seien hier nur COG-Massen auf der Basis der Keramiksysteme BaNd2Ti4θi2- BaLa2Ti4θi2 oder Zr(Sn, TDO4 und Massen für den Kondensator-Standard XR7 auf der Basis von BaTiC>3 oder Massen für den Standard Z5U auf der Basis von Relaxorferroelektrika genannt, wie zum Beispiel Pb(Mgι/3Nb2/3)Ü3 (=PMN) . Der erfindungsgemäße Aufbau hat dar¬ über hinaus den Vorteil, daß auch solche dielektrische Mate- rialien verwendet werden können, die in einem 1-Schicht-

Kondensator an sich ungeeignet wären, im erfindungsgemaßen Mehrschichtkondensator aber zur Abrundung dessen Eigenschaf¬ ten dienen können.

Als ferroelektrische Schichten eignen sich Kombinationen aus dem Materialsystem (Baι_ υ Sr u )TiC<3, aus dem System Ba(Tiι_ x Zr x )C>3 oder aus RelaxorSystemen wie zum Beispiel Pb[Ti _ x ' M 9l/3 Ta 2/3)χ^°3 • Mit diesen Materialien sind standardisierte Temperaturcharakteristiken wie beispielsweise X7R oder Z5U gemäß dem CIA-Standard möglich. Für diese Materialien sind alle gebräuchliche Abscheidungsverfahren wie MOD, Sol-Gel, MOCVD oder Sputtern möglich.

Die Elektrodenschichten umfassen Elektrodenmaterialien, die die relativ hohen Prozeßtemperaturen bis ca. 600°C unbeschä¬ digt überstehen. Geeignete Materialien sind beispielsweise Platin, Iridium, Ruthenium, Ruθ2, SrRuC>3 oder (LaSr)CoC>3.

Auch die Elektrodenschichten werden mit Dünnschichtverfahren wie beispielsweise CVD oder durch Sputtern hergestellt. Auch Elektronenstrahlverdampfen ist geeignet. Aus den angegebenen Elektrodenmaterialien lassen sich Paare mit unterschiedlichem Oxidationspotential zusammenstellen, wie sie im erfindungsge¬ mäßen Herstellverfahren erforderlich sind. Die aus kerami¬ schen Verbindungen bestehenden Elektrodenmaterialien haben den Vorteil, daß sich bei ihnen besonders leicht durch Varia¬ tion der Zusammensetzung das Oxidationspotential einstellen läßt.

Im folgenden wird die Erfindung und insbesondere das erfin¬ dungsgemäße Herstellverfahren anhand von Ausführungsbeispie- len und der dazugehörigen elf Figuren näher erläutert. Die Figuren sind zur Erläuterung nur vereinfachend und in nicht maßstabsgetreuer, schematischer Darstellung ausgeführt.

Figur 1 zeigt ein verwendbares Substrat in der Draufsicht

Figur 2 zeigt einen Schichtaufbau im Querschnitt

Figuren 3 bis 9 zeigen verschiedene Verfahrensstufen bei der erfindungsgemäßen Herstellung der elektrischen Ver- schaltung,

Figur 10 zeigt Temperaturgänge für verschiedene Keramikzusam¬ mensetzungen und

Figur 11 zeigt den Temperaturgang eines erfindungsgemäßen Mehrschichtkondensators.

Allgemeines Prinzip zur Herstellung eines Mehrschichtkonden¬ sators :

Figuren 1 und 2 : Es wird vorzugsweise ein kostengünstiges Substrat verwendet, beispielsweise AI2O3, Silizium oder Glas. Möglich sind auch metallische Substrate. Das Substrat 1 ist mit einer herkömmlichen Haftvermittlerschicht 6 beschichtet, die sowohl ein homogenes Aufwachsen der ersten Elektroden¬ schicht El als auch eine gute Haftung derselben gewährlei- stet. Eine bekannte Haftvermittlerschicht für Glas ist bei¬ spielsweise Titanoxid Tiθ2.

Die Herstellung des Mehrschichtkondensators erfolgt vorzugs¬ weise auf einem großflächigen Substrat 1, welches zur Unter- Stützung der späteren Zerteilung in die Einzelkondensatoren der gewünschten Grundfläche bereits ein Grabenmuster aus Ril¬ len oder Furchen aufweist. In der Figur 1 ist beispielhaft ein solches Muster aus horizontalen Gräben 2 und vertikalen Gräben 4 dargestellt, die die Substratoberfläche in Reihen 3 und Spalten 5 aufteilen. Vorzugsweise werden Substrate mit

Standardformaten verwendet, beispielsweise im 8' '-Nutzen, die für herkömmliche Dünnschichtabscheidungsvorrichtungen gut ge¬ eignet sind.

Figur 2 zeigt bereits den vollständigen Schichtaufbau anhand eines schematischen Querschnitts (siehe Linie F2 in Figur 1) durch das Substrat 1 parallel zu den horizontalen Gräben 2. Dargestellt ist ein Schichtaufbau mit einer ersten Elektro¬ denschicht El aus einem Elektrodenmaterial mit einem ersten Oxidationspotential. Vorzugsweise ist diese erste Elektroden¬ schicht El aus einem solchen Elektrodenmaterial ausgebildet, welches eine gute Haftung zum Substrat 1 bzw. zur Haftver¬ mittlerschicht 6 zeigt und sich außerdem homogen und mit mög¬ lichst ebener und glatter Oberfläche abscheiden läßt. Ein gut geeignetes Material für die ersten Elektrodenschicht El ist beispielsweise Platin.

Darüber wurde eine erste dielektrische Schicht Dl abgeschie¬ den, beispielsweise ebenfalls mit einem Dünnschichtverfahren. Als nächstes folgt die zweite Elektrodenschicht E'2 aus einem zweiten Elektrodenmaterial, das ein zweites Oxidationspoten- tial besitzt, welches niedriger als das Oxidationspotential der ersten Elektrodenschicht El ist. Gut geeignete Kombina¬ tionen mit der ersten Pt-Elektrode El bilden zum Beispiel IR oder (LaSr) C0O3. ^ s weitere Schichten folgen eine zweite dielektrische Schicht D2, die aus gleichem Material wie die erste dielektrische Schicht Dl besteht oder von dieser unter¬ schiedlich ist. Darüber wird eine dritte Elektrodenschicht E3 erzeugt, die wieder aus dem ersten Elektrodenmaterial mit dem ersten Oxidationspotential besteht.

Bei einem aus mehr als zwei dielektrischen Schichten beste¬ henden Schichtaufbau werden weitere dielektrische Schichten D und Elektrodenschichten E und E' in entsprechend alternieren¬ der Abfolge übereinander angeordnet. Obergrenze für die An¬ zahl n der dielektrischen Schichten ist einerseits die gege- benenfalls nachlassende Homogenität und andererseits der er¬ höhte Verfahrensaufwand, der sich nicht zuletzt in den Kosten niederschlägt .

Abschließende Schicht auf dem Schichtaufbau ist eine Schutz- schicht 7, die im Ausführungsbeispiel aus einem dielektri¬ schen Material besteht .

Anschließend werden die Substrate 1 mit dem darüber aufge¬ brachten Schichtaufbau entlang der horizontalen Gräben 2 in Kondensatorreihen 3 aufgeteilt. Zur Auftrennung des Schicht¬ aufbaus kann als Abtragsmethode Ionenstrahlätzen verwendet werden. Das Substrat dagegen kann gesägt oder entlang der vertikalen Gräben 4 gebrochen werden.

Figur 3 zeigt einen weiteren schematischen Querschnitt durch den Schichtaufbau. Die in der Figur nach oben weisende Fläche stellt eine Seitenfläche des Schichtaufbaus aus Figur 2 dar.

Im nächsten Schritt wird nun selektiv Elektrodenmaterial der Elektrodenschichten mit dem niedrigeren Oxidationspotential von der Oberfläche (= Seitenfläche des Schichtaufbaus) her entfernt. Aufgrund des unterschiedlichen Oxidationspotentials der beiden Elektrodenmaterialien gelingt die selektive Ent¬ fernung eines Teils der Elektrode mit dem niedrigeren Oxida¬ tionspotential durch einfaches naßchemisches Ätzen mit ent¬ sprechend starkem Ätzmittel. Figur 4a zeigt den Schichtaufbau nach dem Ätzschritt, bei dem durch Entfernen eines Teils der Elektrode E'2 eine Vertiefung 8 in der Seitenfläche entstan¬ den ist.

Als alternative Methode zum selektiven Ätzen kann die Seiten¬ fläche in einem, zusätzliche Metallionen (z.B. Elektrodenma- terial mit höherem Oxidationspotential) enthaltenden, Elek¬ trolyten behandelt werden. Dabei geht durch einen entspre¬ chenden Redoxprozeß das Elektrodenmaterial mit dem niedrige¬ ren Oxidationspotential in Lösung, während über dem Elektro¬ denmaterial mit dem höheren Oxidationspotential eine Metall- abscheidung 9 stattfindet. Figur 4b zeigt die Anordnung nach diesem Schritt.

Als nächstes wird die Vertiefung 8 mit Isolationsmaterial ge¬ füllt, um die angeätzten Elektrodenschichten E'2 gegen den späteren elektrischen Kontakt zu isolieren. Vorzugsweise wird dazu auf der Seitenfläche ganzflächig eine Isolationsschicht

10 abgeschieden, die die Vertiefung 8 mit auffüllt. Die Figu¬ ren 5a und 5b zeigen die Anordnung nach diesem Schritt.

Durch gleichmäßiges Abtragen der Isolationsschicht 10 paral¬ lel zur Oberfläche (Seitenfläche) , beispielsweise durch che¬ misch mechanisches Polieren (CMP) , werden die Elektroden¬ schichten El und E3 mit dem höheren Oxidationspotential frei¬ gelegt. Die Elektrodenschicht E'2 mit dem niedrigeren Oxida- tionspotential ist nun in der Vertiefung 8 mit einem Streifen

11 aus Isolationsmaterial bedeckt und damit elektrisch iso¬ liert .

Zur Kontaktierung der Elektrodenschichten El und E3 wird auf der Oberfläche nun eine erste Kontaktschicht 12 aufgebracht. Diese kann eine aus Chrom und/oder Nickel bestehende Haftver- mittlerschicht, eine gesputterte Diffusiossperrschicht aus Platin sowie solche weiteren Elektrodenschichten (zum Bei¬ spiel aus Gold) umfassen, die ein Anschließen durch Löten er¬ möglichen.

Im nächsten Schritt wird auf der Seitenfläche, die der Kon¬ taktschicht 12 gegenüberliegt, aus den Elektrodenschichten El und E3 ein Teil des Elektrodenmaterials herausgelöst. Dies erfolgt in einfacher Weise durch anodisch unterstütztes elek¬ trochemisches Ätzen, bei dem die Kontaktschicht 12 in einem elektrolytischen Ätzbad mit der Anode verbunden wird. Figur 8 zeigt die Anordnung nach dem elektrolytischen Ätzen. Durch Entfernen des Elektrodenmaterials der Elektrodenschichten El und E3 von der Oberfläche her sind Vertiefungen 13 entstan¬ den.

In analoger Weise werden diese Vertiefungen 13 nun ebenfalls mit Isolationsmaterial 14 befüllt, die Oberfläche der Elek¬ trodenschicht E'2 durch chemisch mechanisches Polieren frei¬ gelegt und mit einer darüber abgeschiedenen zweiten Kontakt- schicht 15 elektrisch leitend verbunden.

Die anhand der Figuren 3 bis 9 beschriebenen Verfahrens¬ schritte können vorteilhafterweise für mehrere Kondensator¬ reihen 3 gleichzeitig durchgeführt werden. Vorzugsweise wer- den mehrere Kondensatorreihen dazu so übereinandergestapelt, daß sämtliche Seitenflächen der Kondensatorreihen eine ge¬ meinsame Oberfläche bilden. Abschließend werden die Kondensa¬ torreihen 3 durch Zerteilen entlang der Gräben 4 in die ein¬ zelnen Mehrschichtkondensatoren mit der gewünschten Grundflä- ehe zerteilt.

Herstellung eines Mehrschichtkondensators mit dem Temperatur¬ gang X7R:

Ein Mehrschichtkondensator mit dem Temperaturgang X7R nach dem CIA-Standard läßt sich mit einem Schichtaufbau realisie¬ ren, dessen dielektrische Schichten D aus dem Materialsystem (Baι_ u Sr u )Tiθ3 (= BST) , oder aus dem System Ba(Tiχ_ x Zr x )θ3 oder aus Relaxorsystemen wie zum Beispiel Pb[Tiι_ x (Mgι/3Nb2/3 )χ]03 bestehen. Durch Variation der Zusammenset- zung, das heißt durch Variation der Parameter u oder x werden im Schichtaufbau mehrere unterschiedliche dielektrische Schichten Dl bis Dn realisiert. Die Materialzusammensetzung der unterschiedlichen dielektrischen Schichten wird dabei so gewählt, daß die kritischen Temperaturbereiche der einzelnen dielektrischen Schichten möglichst gleichmäßig über den zu beobachtenden Temperaturbereich verteilt sind, in dem der Mehrschichtkondensator definitionsgemäß das gewünschte Tempe¬ raturverhalten X7R zeigen soll. Die Figur 10 zeigt anhand des BST-Systems (Baι_ u Sr u )Tiθ3, wie der Temperaturgang des Wertes ε r durch Variation des Parameters u über einen Temperaturbe¬ reich von über 160°C verändert werden kann. Stellvertretend sind sieben Meßkurven für unterschiedliche Parameter u ange¬ geben, deren Maxima gleichmäßig über den dargestellten Tempe¬ raturbereich von - 50 bis + 110°C verteilt sind. Die Figur soll nur exemplarisch zeigen, daß eine gleichmäßige Vertei¬ lung der Maxima möglich ist. Geeignete Zusammensetzungen für den angestrebten Standard X7R können auch mit BST- Zusammensetzungen mit anderem Barium/Strontium-Verhältnis oder anderen StoffSystemen erzielt werden. Zur Feinabstimmung ist es auch möglich, im Mehrschichtkondensator unterschiedli¬ che Zusammensetzungen oder StoffSysteme zu verwenden, wobei jedoch auch mehrere Schichten die gleiche Zusammensetzung aufweisen können. Der kritische Temperaturbereich einer ein¬ zelnen dielektrischen Schicht D ist dabei der Bereich, in dem die größten relativen Eigenschaftsänderungen auftreten. Die¬ ser kritische Bereich ist bei ferroelektrischen Schichten ein scharf definierter Temperaturbereich rund um die Curie-

Temperatur, bei Relaxorsystemen dagegen ein relativ breiter Bereich um den Punkt der ferroelektrischen Phasenumwandlung herum. Das Temperaturverhalten des kompletten Mehrschichtkon¬ densators ergibt sich gewissermaßen als Mittelwert bzw. durch Überlagerung der entsprechenden Temperaturprofile der einzel¬ nen dielektrischen Schichten und läßt sich so auf die ge¬ wünschten Spezifikationen für X7R einstellen.

Figur 11 zeigt den Temperaturgang eines erfindungsgemäßen Mehrschichtkondensators, der den Standard X7R erfüllt. Die Meßkurve für den Temperaturgang weist zwar noch die Maxima auf, die den Maxima der Meßkurven für die Einzelschichten entsprechen, jedoch wird insgesamt eine nur geringe Abwei¬ chung vom Mittelwert beobachtet, wie es vom Standard gefor- dert wird. Zwischen - 55° und + 125°C dürfen dafür die rela¬ tiven Kapazitätsänderungen ΔC/C des Mehrschichtkondensators Werte von ± 15 Prozent erreichen.

Herstellung eines Mehrschichtkondensators mit dem Temperatur- gang Y5V:

Ein Mehrschichtkondensator mit dem Temperaturgang Y5V kann in einfacher Weise aus Relaxormaterialien hergestellt werden, wobei sämtliche dielektrischen Schichten D aus dem gleichen Relaxormaterial bestehen können. Es kann dazu das im vorigen

Ausführungsbeispiel angegebene Relaxorsystem eingesetzt wer¬ den. Zur Erfüllung des geforderten Temperaturgangε können die dielektrischen Schichten D auch aus unterschiedlichen Re¬ laxormaterialien erzeugt werden, um etwa anstelle der Y5V Charakteristik des obengenannten Systems PMN-PT eine Z5V-

Charakteristik zu erhalten. Die für den Standard geforderten relativen Kapazitätsänderunge: ΔC/C des Mehrschichtkondensa¬ tors dürfen für Y5V im Intervc_i von - 30° bis + 85°C maximal +22%/-82%, und für Z5V im Intervall von + 10° bis 85°C +22%/ -56% betragen.

Herstellung eines Mehrschichtkondensators mit dem Temperatur¬ gang COG:

Der Temperaturgang COG läßt sich erfindungsgemäß mit einem Mehrschichtkondensator realisieren, dessen Schichtaufbau im wesentlichen dielektrische Schichten D mit niedriger Permit- tivität ε r umfaßt. Dies sind insbesondere nicht-ferroelek- trische Materialien. Ein geeignetes Materialsystem zur Erfül¬ lung dieses Standards ist beispielsweise (Sn, Zr)Tiθ4 mit ε r = 40. Durch Variation des Kationenverhältnisses Sn/Zr lassen sich auch hier dielektrische Schichten mit unterschiedlichem Temperaturverhalten kombinieren, die im gesamten Mehrschicht¬ kondensator im Ergebnis einen äußerst gleichmäßigen Tempera¬ turgang mit nur geringen relativen und absoluten Eigenschaft- sänderungen ergeben. Die Temperaturgangstoleranzen lassen sich hier, falls gewünscht, auch besser einstellen, als es der Standard COG erfordert . Für den Standard COG muß über den gesamten Betriebstemperaturbereich des Kondensators der Tem- dε peraturkoeffizient TCε = = 0 ± 30 ppm/K betragen. edT

Der erfindungsgemäße Mehrschichtkondensator kann mit sehr großer Kapazität als Ersatz für Elektrolytkondensatoren die¬ nen. Alternativ kann er als Kondensator mit geringem Platzbe¬ darf oder mit geringer Bauhöhe eingesetzt werden, zum Bei- spiel zur Integration in Chipgehäusen oder zum Einbau in kon¬ taktlose Chipkarten (smart cards) . Gegenüber konventionellen keramischen Mehrschichtkondensatoren (multilayer capacitor) besitzt er bei vergleichbarer Schichtanzahl eine typischer¬ weise 100 mal höhere spezifische Kapazität. Pro Quadratmilli- meter Fläche einer dielektrischen Schicht mit ε = 500 können typischerweise Kapazitäten von ca. 10 nF erzielt werden. Mit größer werdenem ε erhöht sich dieser Wert entsprechend.




 
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