CN105097276B - 一种多层薄膜电容器的无掩膜制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层薄膜电容器的无掩膜制备方法。该方法先配制纳米金属粉体浆料或采用溶胶凝胶法制备非金属导电氧化物胶体，并均匀涂覆在基片上，然后通过可控温度的红外光斑对基片定向扫描加热，从而使浆料或胶体在干燥、挥发过程中发生定向收缩并形成初始电极图案，最后采用激光光斑加热，使金属电极材料发生表面粘结或使非金属导电氧化物结晶并形成清晰的电极图案最后采用溶胶凝胶法或溅射法制备介质薄膜，再按上述方法在介质薄膜上制备电极薄膜，并利用定向扫描加热使第二层电极与底电极形成错层，重复上述步骤制成具有叉指结构的多层薄膜电容器。本发明无需使用掩膜或光刻技术即可实现多层薄膜电容器的制备，具有成本低，工艺控制简单的特点。
Description
技术领域
本发明属于薄膜元器件制备技术领域，涉及一种多层薄膜电容器的无掩膜制备方法，特别是涉及一种采用红外光斑定向加热胶体并使胶体定向收缩而达到电极薄膜图案化的方法。
背景技术
随着电子元器件，特别是多层陶瓷电容器（MLCC）微型化、高容量发展的需要，如先进的MLCC产品尺寸已发展到01005尺寸，传统的厚膜法制造MLCC已受到材料、浆料、丝网印刷技术等的诸多限制，难以满足MLCC元器件进一步微小型化发展的需要。半导体薄膜技术已成为制造微小型电子元器件的主要发展方向之一。然而由于MLCC的叉指结构，在其制作过程中，电极的图案是一个关键的技术，现行的电极薄膜图案化的方法主要有：①光刻技术；②物理掩膜技术；③无掩膜技术，如采用电子束写入技术在基片上制作出需要的图案，或通过激光刻蚀技术刻蚀出所需图案。
对于薄膜化的元器件，特别是多层薄膜电容器，在电极薄膜图案的过程中，如果采用传统的光刻技术，每层电极均需要进行图案化处理，而面对成百上千层的制作工艺要求，高成本、低效率的问题还难以突破；物理掩膜技术则对掩膜板及对位精度要求很高，对于微小尺寸的MLCC产品工艺控制要求高，难以满足实际应用要求。无掩膜技术由于不需要光刻和掩膜板，因此图案化速度快，具有十分突出的成本优势。因此，制作过程中的图形化问题是制约多层薄膜电容器规模化制备的关键因素之一，迫切需要一种快速且低成本的图案化技术。
为了实现上述目的，本发明以纳米金属粉体浆料或非金属导电氧化物胶体，通过匀胶方式在基片上均匀涂覆，再先后采用可控温度的红外光斑和激光光斑对基片进行定向加热，利用胶体在受热过程中的定向收缩实现电极薄膜的图案化，随后沉积介质薄膜，并在介质薄膜上参照上述方法在制备图案化的电极薄膜，以此反复从而实现多层薄膜电容器的制作。采用本方法制备薄膜电容器，通过定向加热方式即可以实现电极薄膜胶体的定向收缩，从而实现电极薄膜的图案化，具有快速、低成本特点，适合于多层薄膜电容器的批量制备。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种多层薄膜电容器的无掩膜制备方法，通过该方法可以实现多层薄膜电容器电极薄膜的快捷图案化，具有工艺简单、成本低、适合批量制备等优势。
本发明解决上述技术问题的方案是：
一种多层薄膜电容器的无掩膜制备方法，其特征在于：包括底电极、介质薄膜、电极薄膜和多层薄膜电容器的制备，主要工艺操作为：
①底电极制备：配制纳米金属粉体浆料或采用溶胶凝胶法制备非金属导电氧化物胶体，并均匀涂覆在基片上，然后通过可控温度的红外光斑对基片定向扫描加热，从而使浆料或胶体在干燥、挥发过程中发生定向收缩并形成初始电极图案，最后采用激光光斑加热，使金属电极材料发生表面粘结为金属薄膜或使非金属导电氧化物结晶为非金属导电氧化物薄膜，并形成清晰的电极图案；
②介质薄膜制备：介质薄膜制备的方法是采用溶胶凝胶法或溅射法，即在上述底电极上，通过溶胶凝胶匀胶方式制备介质薄膜，或以陶瓷靶材、粉末靶材采用磁控溅射方式制备介质薄膜；
③电极薄膜制备：在步骤②得到的介质薄膜的基础上，按上述步骤①底电极薄膜制备方式配制纳米金属粉体浆料或采用溶胶凝胶法制备非金属导电氧化物胶体，并均匀涂覆在介质薄膜上制备第二层电极薄膜，并利用定向扫描加热使第二层电极与底电极形成错层；
④重复上述的方法交叉制成具有叉指结构的多层薄膜电容器。
以上步骤①所述纳米金属粉体浆料是以纳米金属粉体分散于有机胶中，纳米金属粉体包括Cu、Ni、Ag、Au、Al、Pd、In单质金属粉或所述纳米金属粉的混合物，纳米金属粉的平均粒径范围为20～500nm。
以上步骤①所述的纳米金属粉体浆料的组分质量比为：金属粉:环氧树脂=5～7∶3～5。
以上步骤①或②所述的溶胶凝胶法是采用醋酸盐或无机盐与有机胶体物质配制而成的溶胶，再通过均胶方式制备薄膜。
以上步骤①所述的非金属导电氧化物是指ITO、AZO材料。
以上步骤①所述的金属薄膜或非金属导电氧化物薄膜的厚度范围为100nm～2μm。
以上步骤①所述的基片包括氧化铝、石英、硅片、氧化锆。
以上所述的红外光斑的加热温度范围为50～300℃。
以上所述的激光光斑加热温度范围为200～800℃。
以上所述的红外定向扫描加热和激光定向加热，以条状矩阵进行，或是按某一形状和方向采用步进扫描进行。
以上所述的介质薄膜是指钛酸钡及其钛酸钡基的各种可用于多层薄膜电容器的材料，如Y5V、X7R、X8R瓷粉。
以上所述的介质薄膜的厚度范围是100nm～3μm。
本发明的优点和积极效果：
1、本发明采用红外和激光光斑对电极浆料或胶体进行定向加热，通过浆料和胶体的定向收缩实现电极薄膜的图案化；
2、本发明采用纳米金属粉体制成的浆料或以非金属导电氧化物的溶胶为原料，可以实现电极薄膜的大面积快速成膜；
3、本发明采用溶胶凝胶技术可以实现介质薄膜的快速均匀制备，并利用红外光斑与激光加热组合方式，一方面可以实现薄膜电极的图案化，另一方面可以利用激光实现对电极薄膜和介质薄膜快速烧结，极大地减化了薄膜制备工艺，无需使用掩膜或光刻技术即可实现多层薄膜电容器的制备，具有成本低，工艺控制简单的特点。
附图说明
图1：红外光斑加热示意图，图中01为红外光斑的行走路径，02为胶体，03为胶体收缩后形成的图案化空白区域。
图2：激光光斑加热示意图，11为激光光斑，12为胶体收缩方向，13为收缩后形成的图案化空白区域。
图3：MLCC错层电极实现示意图，其中21为激光光斑，22为收缩方向，23为定向收缩后的图案化的空白区。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容。
实施例1
如上述发明专利，具体实施步骤如下：
（1）以平均粒径为50nm的金属Ag粉，按金属粉∶环氧树脂=50∶50（质量百分比）配制成浆料，然后在氧化铝陶瓷基片匀胶制备厚度为200nm电极层，随后采用90℃、边长为0.05mm的正方形红外光斑按图1所示的方式在薄膜表面进行定向扫描加热，定向扫描加热区的长宽为0.2×0.1mm，最后采用温度为550℃，线宽为30μm，长度为0.1mm的激光束按图2所示的方式对薄膜进行定向加热，最终使金属电极形成所需的电极图案。
（2）以钛酸丁脂、醋酸钡、冰醋酸和乙酰丙酮为原料，配制金属离子深度为0.5mol/L的溶胶，在上述图案化电极基板上制备通过若干次匀胶、激光退火等工艺制备厚度为500nm的钛酸钡薄膜。
（3）在上述介质薄膜上参照（1）所述的方式制备Ag电极薄膜，通过调整红外光斑和激光加热的位置，如图3激光加热示意图所示，从而制成与底电极对应并形成错层结构的电极层。
（4）重复上述步骤制成具有叉指结构的多层薄膜电容器。
实施例2
（1）以平均粒径为20nm的金属Ni粉，按金属粉:环氧树脂=60:40（质量百分比）配制成浆料，然后在石英基片匀胶制备厚度为100nm的电极层，随后采用50℃、直径为0.03mm的圆形红外光斑按图1所示的方式在薄膜表面进行定向扫描加热，定向扫描加热区的长宽为0.4×0.2mm，最后采用温度为450℃，线宽为10μm，长度为0.2mm的激光束按图2所示的方式对薄膜进行定向加热，最终使金属电极形成所需的电极图案。
（2）以钛酸丁脂、醋酸钡、冰醋酸和乙酰丙酮、醋酸锆等原料按Y5V瓷粉比例，配制金属离子深度为0.3mol/L的溶胶，在上述图案化电极基板上制备通过若干次匀胶、激光退火等工艺制备厚度为300nm的Y5V介质薄膜。
（3）在上述介质薄膜上参照（1）所述的方式制备Ni电极薄膜，通过调整红外光斑和激光加热的位置，如图3激光加热示意图所示，从而制成与底电极对应并形成错层结构的电极层。
（4）重复上述步骤制成具有叉指结构的多层薄膜电容器。
实施例3
（1）以平均粒径为200nm的金属Cu粉，按金属粉:环氧树脂=65:35（质量百分比）配制成浆料，然后在硅片上匀胶制备厚度为500nm的电极层，随后采用150℃、直径为0.05mm的圆形红外光斑按图1所示的方式在薄膜表面进行定向扫描加热，定向扫描加热区的长宽为0.6×0.3薄膜进行定向加热，最后采用温度为550℃，线宽为10μm，长度为0.3mm的激光束按图2所示的方式对薄膜进行定向加热，最终使金属电极形成所需的电极图案。
（2）以钛酸丁脂、醋酸钡、冰醋酸和乙酰丙酮、醋酸锆等原料按Y5V瓷粉比例，配制金属离子深度为0.2mol/L的溶胶，在上述图案化电极基板上制备通过若干次匀胶、激光退火等工艺制备厚度为300nm的Y5V介质薄膜。
（3）在上述介质薄膜上参照（1）所述的方式制备Cu电极薄膜，通过调整红外光斑和激光加热的位置，如图3激光加热示意图所示，从而制成与底电极对应并形成错层结构的电极层。
（4）重复上述步骤制成具有叉指结构的多层薄膜电容器。
实施例4
（1）以平均粒径为150nm的金属Au粉，按金属粉:环氧树脂=50:50（质量百分比）配制成浆料，然后在硅片上匀胶制备厚度为100nm的电极层，随后采用200℃、直径为0.05mm的圆形红外光斑按图1所示的方式在薄膜表面进行定向扫描加热，定向扫描加热区的长宽为0.8×0.5薄膜进行定向加热，最后采用温度为800℃，线宽为50μm，长度为0.5mm的激光束按图2所示的方式对薄膜进行定向加热，最终使金属电极形成所需的电极图案。
（2）以钛酸丁脂、醋酸钡、冰醋酸和乙酰丙酮、醋酸锆、醋酸锶等原料按X7R瓷粉比例，配制金属离子深度为0.5mol/L的溶胶，在上述图案化电极基板上制备通过若干次匀胶、激光退火等工艺制备厚度为400nm的X7R介质薄膜。
（3）在上述介质薄膜上参照（1）所述的方式制备Au电极薄膜，通过调整红外光斑和激光加热的位置，如图3激光加热示意图所示，从而制成与底电极对应并形成错层结构的电极层。
（4）重复上述步骤制成具有叉指结构的多层薄膜电容器。
实施例5
（1）以平均粒径为500nm的金属Al粉，按金属粉:环氧树脂=55:45（质量百分比）配制成浆料，然后在氧化锆陶瓷基片上匀胶制备厚度为2μm的电极层，随后采用300℃、长为0.3mm，宽为0.1mm长条形红外光斑按图1所示的方式在薄膜表面进行定向扫描加热，定向扫描加热区的长宽为1.0×0.5薄膜进行定向加热，最后采用温度为650℃，线宽为50μm，长度为0.5mm的激光束按图2所示的方式对薄膜进行定向加热，最终使金属电极形成所需的电极图案。
（2）以钛酸丁脂、醋酸钡、冰醋酸和乙酰丙酮、醋酸锆、醋酸锶等原料按X7R瓷粉比例，配制金属离子深度为0.8mol/L的溶胶，在上述图案化电极基板上制备通过若干次匀胶、退火等工艺制备厚度为3μm的X7R介质薄膜。
（3）在上述介质薄膜上参照（1）所述的方式制备Cu电极薄膜，通过调整红外光斑和激光加热的位置，如图3激光加热示意图所示，从而制成与底电极对应并形成错层结构的电极层。
（4）重复上述步骤制成具有叉指结构的多层薄膜电容器。
实施例6
（1）以平均粒径为200nm的金属Cu粉和平均粒径为250nm的Pd粉，两种纳米金属粉体按90:10的质量比混合，再按混合金属粉:环氧树脂=70:30（质量百分比）配制成浆料，然后在氧化锆陶瓷基片上匀胶制备厚度为100nm的电极层，随后采用120℃、直径为0.05mm的圆形红外光斑按图1所示的方式在薄膜表面进行定向扫描加热，定向扫描加热区的长宽为0.6×0.3薄膜进行定向加热，最后采用温度为500℃，线宽为30μm，长度为0.3mm的激光束按图2所示的方式对薄膜进行定向加热，最终使金属电极形成所需的电极图案。
（2）以钛酸丁脂、醋酸钡、冰醋酸和乙酰丙酮、醋酸锆、酸酸锶等原料按X8R瓷粉比例，配制金属离子深度为0.5mol/L的溶胶，在上述图案化电极基板上制备通过若干次匀胶、退火等工艺制备厚度为500nm的X8R介质薄膜。
（3）在上述介质薄膜上参照（1）所述的方式制备Cu电极薄膜，通过调整红外光斑和激光加热的位置，如图3激光加热示意图所示，从而制成与底电极对应并形成错层结构的电极层。
（4）重复上述步骤制成具有叉指结构的多层薄膜电容器。
实施例7
优化地，采用平均粒径为500nm的金属Cu粉体和300nm的金属In粉，按70:30的比例（质量比）配成混合粉体，再按实施例1的后续步骤实验多层薄膜电容器的制备。
实施例8
（1）以氯化铟、氯化锡、冰醋酸等为原料，按In2O3:SnO2=90:10（质量比）配制溶胶，然后在石英基片匀胶制备厚度为200nm的电极层，随后采用70℃、边长为0.1mm的方形红外光斑按图1所示的方式在薄膜表面进行定向扫描加热，定向扫描加热区的长宽为1.0×0.5mm，最后采用温度为500℃，线宽为100μm，长度为0.5mm的激光束按图2所示的方式对薄膜进行定向加热，最终使ITO电极形成所需的电极图案。
（2）以钛酸丁脂、醋酸钡、冰醋酸和乙酰丙酮为原料配制金属离子深度为0.6mol/L的溶胶，在上述图案化电极基板上制备通过若干次匀胶、激光退火等工艺制备厚度为350nm的钛酸钡介质薄膜。
（3）在上述介质薄膜上参照（1）所述的方式制备ITO电极薄膜，通过调整红外光斑和激光加热的位置，如图3激光加热示意图所示，从而制成与底电极对应并形成错层结构的电极层。
（4）重复上述步骤制成具有叉指结构的多层薄膜电容器。
实施例9
优化地，以醋酸铝、醋酸锌、冰醋酸等为原料，按实施例8的步骤也可以实现多层薄膜电容器的制备。
Claims (9)
1.一种多层薄膜电容器的无掩膜制备方法，其特征在于：经过底电极薄膜、介质薄膜、电极薄膜和多层薄膜电容器的制备工序，主要工艺操作为：
①底电极薄膜制备：配制纳米金属粉体浆料或采用溶胶凝胶法制备非金属导电氧化物胶体，并均匀涂覆在基片上，然后通过可控温度的红外光斑对基片定向扫描加热，从而使浆料或胶体在干燥、挥发过程中发生定向收缩并形成初始电极图案，最后采用激光光斑加热，使金属电极材料发生表面粘结为金属薄膜或使非金属导电氧化物结晶为非金属导电氧化物的底电极薄膜，并形成清晰的电极图案；
②介质薄膜制备：采用溶胶凝胶法或溅射法制备介质薄膜，即在上述步骤①得到的底电极薄膜的基础上，通过溶胶凝胶匀胶方式制备介质薄膜，或以陶瓷靶材或粉末靶材采用磁控溅射方式制备介质薄膜；
③电极薄膜制备：在步骤②得到的介质薄膜的基础上，按上述步骤①底电极薄膜制备方式配制纳米金属粉体浆料或采用溶胶凝胶法制备非金属导电氧化物胶体，并均匀涂覆在介质薄膜上制备第二层电极薄膜，并使定向扫描加热的第二层电极薄膜与底电极薄膜形成错层；
④多层薄膜制备：重复上述②-③的方法交叉制成具有叉指结构的多层薄膜电容器；
所述纳米金属粉体浆料的组分质量比为：金属粉:环氧树脂=5～7:3～5；
所述的溶胶凝胶法是采用醋酸盐或无机盐与有机胶体物质配制而成的溶胶，再通过均胶方式制备薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种多层薄膜电容器的无掩膜制备方法，其特征在于：步骤①所述纳米金属粉体浆料是以纳米金属粉体分散于有机胶中；所述纳米金属粉体包括Cu、Ni、Ag、Au、Al、Pd或In中的一种单质金属粉，纳米金属粉的平均粒径范围为20～500nm。
3.根据权利要求1所述的一种多层薄膜电容器的无掩膜制备方法，其特征在于：步骤①所述的非金属导电氧化物是指ITO或AZO材料中的一种或两种混合物；所述的基片的材料包括氧化铝、石英、硅片或氧化锆中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种多层薄膜电容器的无掩膜制备方法，其特征在于：步骤①所述的金属薄膜或非金属导电氧化物薄膜的厚度范围为100nm～2μm。
5.根据权利要求1所述的一种多层薄膜电容器的无掩膜制备方法，其特征在于：所述的红外光斑加热温度范围为50～300℃。
6.根据权利要求1所述的一种多层薄膜电容器的无掩膜制备方法，其特征在于：所述的激光光斑加热温度范围为200～800℃。
7.根据权利要求1所述的一种多层薄膜电容器的无掩膜制备方法，其特征在于：所述的红外定向扫描加热和激光定向加热，以条状矩阵进行，或是按某一形状和方向采用步进扫描进行。
8.根据权利要求1所述的一种多层薄膜电容器的无掩膜制备方法，其特征在于：所述的介质薄膜的材料为Y5V、X7R、X8R瓷粉中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种多层薄膜电容器的无掩膜制备方法，其特征在于：所述的介质薄膜的厚度范围是100nm～3μm。
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |