DE102007026086B4 - A method of forming a dielectric thin film on a titanium substrate, a titanium substrate with a thin film produced by the method, and its use - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Ausbildung einer dielektrischen Dünnschicht auf einem Titansubstrat,
bei dem ein Titansubstrat mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99%
an der Oberfläche,
an der die Dünnschicht
ausgebildet werden soll, zur Oberflächenverbesserung und/oder Reinigung
poliert oder modifiziert wird;
im Anschluss wird eine elektrochemische
Oxidation mit einem Elektrolyten, der einen pH-Wert im Bereich 4
bis 10 aufweist, durch Anlegen einer elektrischen Spannung im Bereich
von –1
bis 70 V durchgeführt,
wobei das Titansubstrat als Anode geschaltet ist;
dabei wird
eine TiO2-Dünnschicht mit konstanter Schichtdicke über die
Fläche,
mit einer in Abhängigkeit
der maximalen elektrischen Spannung vorgebbaren Schichtdicke ausgebildet,
die unabhängig
von der Kornorientierung des Titansubstrats ist.A method of forming a dielectric thin film on a titanium substrate, in which a titanium substrate having a purity of at least 99% at the surface where the thin film is to be formed is polished or modified for surface improvement and / or cleaning;
Subsequently, an electrochemical oxidation is carried out with an electrolyte having a pH in the range 4 to 10, by applying an electric voltage in the range of -1 to 70 V, wherein the titanium substrate is connected as an anode;
In this case, a TiO 2 thin film having a constant layer thickness is formed over the surface, with a predeterminable depending on the maximum electrical voltage layer thickness, which is independent of the grain orientation of the titanium substrate.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer dielektrischen Dünnschicht auf einem Titansubstrat, mit diesem Verfahren hergestellte Titansubstrate mit Dünnschicht sowie mögliche Verwendungen. So kann ein erfindungsgemäß hergestelltes Titansubstrat bevorzugt für elektrische Kondensatoren und in der Elektronik eingesetzt werden.The The invention relates to a method for forming a dielectric thin on a titanium substrate, titanium substrates prepared by this method with thin film as well as possible Uses. Thus, a titanium substrate produced according to the invention preferred for electrical capacitors and used in electronics.
Ein wesentliches Charakteristikum von elektrischen Kondensatoren ist deren jeweilige Kapazität. Diese hängt bekanntermaßen neben der jeweils nutzbaren Fläche zwischen Elektroden auch von den dielektrischen Eigenschaften, der dazwischen angeordneten dielektrischen Schicht ab. Insbesondere in der Mikroelektronik ist es Ziel, sehr dünne dielektrische Schichten ein zusetzen, die aus einem Stoff oder einer chemischen Verbindung mit sehr hoher relativer Dielektrizitätskonstante gebildet sind.One essential characteristic of electrical capacitors their respective capacity. These is known to hang next to you each usable area between electrodes also of the dielectric properties, the interposed dielectric layer. Especially In microelectronics, the goal is very thin dielectric layers A clog made of a substance or a chemical compound are formed with very high relative dielectric constant.
In der Mikroelektronik werden solche dielektrischen Dünnschichten üblicherweise aus Siliziumdioxid und wegen der höheren erreichbaren relativen Dielektrizitätskonstanten auch mit Oxiden oder anderen Verbindungen von Tontal, Niob oder Aluminium gebildet. Keramiken, die eigentlich sehr hohe relative Dielektrizitätskonstanten aufweisen, sind für viele Anwendungen aber ungeeignet, da sie nur mit erhöhten Schichtdicken auf entsprechenden für Elektroden geeigneten Substraten ausgebildet oder als dielektrische, trennende Schichten hergestellt werden können.In In microelectronics, such dielectric thin films usually become of silicon dioxide and because of the higher achievable relative dielectric constants also with oxides or other compounds of Tontal, Niobium or Aluminum formed. Ceramics, which are actually very high relative dielectric constants are for many applications but unsuitable because they only with increased layer thicknesses on appropriate for Electrodes suitable substrates or as a dielectric, separating layers can be produced.
Mit dünner ausgebildeten dielektrischen Dünnschichten kann ein höheres Volumen-Kapazitäts-Verhältnis von elektrischen Kondensatoren erreicht werden.With thinner formed dielectric thin films can be a higher one Volume capacity ratio of electrical capacitors can be achieved.
Mit den bereits angesprochenen chemischen Elementen Tantal und Niob kann dies mit den entsprechenden Oxiden auch erreicht werden, wobei jedoch hier eine Begrenzung der maximal erreichbaren relativen Dielektrizitätskonstanten unterhalb von 45 liegt. Ein weiterer erheblicher Nachteil dieser chemischen Elemente liegt in den sehr hohen Kosten, was ihren Einsatz begrenzen kann.With the already mentioned chemical elements tantalum and niobium this can also be achieved with the corresponding oxides, where However, here is a limitation of the maximum achievable relative dielectric constant is below 45. Another significant disadvantage of this Chemical elements lies in the very high cost of what their use can limit.
Dabei ist es bekannt, solche dielektrischen Dünnschichten durch elektrochemische Oxidation auf einem Metall, wie dies die genannten chemischen Elemente Tontal und Niob sind, auszubilden.there it is known, such dielectric thin films by electrochemical Oxidation on a metal, as the said chemical elements Tontal and niobium are training.
In der Vergangenheit wurden aber auch entsprechende Versuche unternommen, um dies mit einer elektrochemisch ausgebildeten Titanoxid-Dünnschicht auf einem Titansubstrat erreichen zu können. Dabei wirken sich die Kornorientierung im Substrat so aus, dass eine Variation der Schichtdicke über die Fläche, auf der eine Titanoxid-Dünnschicht ausgebildet werden soll, nicht vermieden werden konnte. Es liegt auf der Hand, dass die so auftretenden Schichtdickenschwankungen für viele Anwendungen und insbesondere bei einem Einsatz als Dielektrikum an elektrischen Kondensatoren äußerst nachteilig wirken, so dass bisher der Kostenfaktor beim Einsatz von beispielsweise Tantal mit einer aus Titanoxid gebildeten dielektrischen Dünnschicht in Kauf genommen worden ist.In However, in the past, similar attempts have been made to to do this with an electrochemically formed titanium oxide thin film to reach on a Titansubstrat. This affects the Grain orientation in the substrate so that a variation of the layer thickness over the area, on the one titanium oxide thin film should be avoided, could not be avoided. It lies on the hand, that the occurring layer thickness variations for many Applications and in particular for use as a dielectric on electrical capacitors extremely disadvantageous act, so far the cost factor in the use of, for example Tantalum with a dielectric thin film formed of titanium oxide has been accepted.
Aus
Die
In
Die
in
Eine
wässrige
Lösung
von Phosphorsäure, einem
Alkoholamin und einem aprotischen polaren Lösungsmittel bilden gemäß
Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, auf Titansubstraten dielektrische Dünnschichten auszubilden, die auf elektrochemischem Wege hergestellt werden können und dabei über die jeweilige Fläche eine konstante Schichtdicke sowie eine erhöhte relative Dielektrizitätskonstante aufweisen.outgoing It is therefore an object of the present invention on titanium substrates dielectric thin films form, which can be prepared by electrochemical means and over it the respective area a constant layer thickness and an increased relative dielectric constant exhibit.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Ein entsprechendes Titansubstrat weist die Merkmale des Anspruchs 15 auf. Anspruch 19 gibt Verwendungen eines so hergestellten Titansubstrates an.According to the invention this Object with a method having the features of claim 1, solved. A corresponding titanium substrate has the features of the claim 15 on. Claim 19 discloses uses of a titanium substrate thus produced at.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.advantageous Embodiments and developments of the invention can with in subordinate claims designated characteristics can be achieved.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ausbildung einer dielektrischen Dünnschicht auf Titansubstraten wird so vorgegangen, dass ein Titansubstrat mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99%, bevorzugt von 99,9%, an der jeweiligen Oberfläche, an der die Dünnschicht ausgebildet werden soll, zur Oberflächenverbesserung und/oder Reinigung bearbeitet, d. h. poliert bzw. modifiziert wird. Im Anschluss an eine solche Politur wird eine elektrochemische Oxidation mit einem Elektrolyten durchgeführt. Der Elektrolyt soll dabei einen pH-Wert im Bereich von 4 bis 10 aufweisen. Bei der elektrochemischen Oxidation wird eine elektrische Spannung im Bereich von –1 bis 20 Volt angelegt, wobei dann das Titansubstrat als Anode geschaltet wird.In a method according to the invention for forming a dielectric thin film on titanium substrates, the procedure is such that a titanium substrate having a purity of at least 99%, preferably 99.9%, at the respective surface on which the thin film is to be formed is used for surface improvement and / or or cleaning, ie polished or modified. Following such a polish is an electro chemical oxidation is carried out with an electrolyte. The electrolyte should have a pH in the range of 4 to 10. In the electrochemical oxidation, an electrical voltage in the range of -1 to 20 volts is applied, in which case the titanium substrate is connected as an anode.
Das Titansubstrat kann dabei als ebener Träger z. B. aus Glas mit aufgedampfter Titanschicht, als Titan-Pulverpressling mit schaumartiger 3D Struktur zur Maximierung der Oberfläche, als Volumenkörper aus Titan oder dergleichen ausgebildet sein.The Titanium substrate can be used as a planar carrier z. B. glass with vaporized Titanium layer, as titanium powder compact with foamy 3D structure to maximize the surface, as Solid body out Titanium or the like may be formed.
Bei der elektrochemischen Oxidation wird eine Titanoxid-Dünnschicht mit konstanter Schichtdicke über die Fläche ausgebildet. Die Schichtdicke kann durch eine vorgegebene maximale elektrische Spannung beeinflusst werden und ist unabhängig von der Kornorientierung des Titansubstrats.at the electrochemical oxidation becomes a titanium oxide thin film with constant layer thickness over the area educated. The layer thickness can be determined by a given maximum electrical voltage can be influenced and is independent of the grain orientation of the titanium substrate.
So kann beispielsweise mit einer maximalen elektrischen Spannung von 2 Volt eine Schichtdicke von 6,5 nm, bei einer elektrischen Spannung von 4 Volt eine Schichtdicke von 12 nm, bei einer elektrischen Spannung von 6 Volt eine Schichtdicke von 18 nm, bei einer elektrischen Spannung von 8 Volt eine Schichtdicke von 23 nm und bei einer elektrischen Spannung von 9,5 Volt eine Schichtdicke von 27,5 nm ausgebildet werden.So For example, with a maximum electrical voltage of 2 volts a layer thickness of 6.5 nm, at an electrical voltage of 4 volts a layer thickness of 12 nm, at an electrical voltage of 6 volts a layer thickness of 18 nm, at an electrical voltage of 8 volts a layer thickness of 23 nm and at an electrical voltage of 9.5 volts a layer thickness of 27.5 nm are formed.
Auch unter dem Aspekt, dass Titan üblicherweise an seiner Oberfläche eine Titanoxidschicht ausbildet, die an ihrer Oberfläche aber kontaminiert sein kann und eine unzureichende Oberflächengüte aufweisen kann, erfolgt vor der elektrochemischen Oxidation eine Bearbeitung zur Oberflächenverbesserung und/oder Reinigung in Form eines Polierens bzw. Modifizierens der entsprechenden Oberfläche. Dies kann mechanisch aber auch elektrochemisch erreicht werden, wobei auch eine mechanische Polierung mit nachfolgender elektrochemischer Polierung durchgeführt werden kann. Dabei sollte ein Rauhigkeitsfaktor Ra von ca. 7 nm über die Fläche eingehalten werden. Durch das Elektropolierverfahren wird nicht nur die Rauhigkeit Der Ti-Oberfläche reduziert (eigentlicher Poliereffekt), sondern es tritt eine chemisch relevante Oberflächenveränderung auf, die zu einer defektfreieren anodischen Oxidbildung führt, die zudem eine erhebliche geringere Kristallorientierungsunabhängigkeit aufweist (Modifizierung). Dies könnte z. B. durch eine Änderung der Überführungszahlen, d. h. eine Behinderung der Ti-Ionenmigration und damit ein bevorzugtes Wachstum der Oxidschicht am Elektrolyt/Oxid Interface und nicht, wie sonst üblich, am Metall/Oxid Interface verursacht werden (Ausbildung einer Barriereschicht).Also, from the aspect that titanium usually forms on its surface a titanium oxide layer, which may be contaminated on its surface and may have an insufficient surface quality, is carried out before the electrochemical oxidation, a surface treatment and / or cleaning treatment in the form of polishing or modifying the corresponding surface. This can be achieved mechanically as well as electrochemically, wherein a mechanical polishing with subsequent electrochemical polishing can be performed. In doing so, a roughness factor R a of approximately 7 nm over the area should be maintained. The electropolishing process not only reduces the roughness of the Ti surface (actual polishing effect), but also leads to a chemically relevant surface change, which leads to a defect-free anodic oxide formation, which also has a considerably lower crystal orientation independence (modification). This could be z. B. by a change in the transfer numbers, ie a hindrance of Ti ion migration and thus a preferred growth of the oxide layer on the electrolyte / oxide interface and not, as usual, caused on the metal / oxide interface (formation of a barrier layer).
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, eine Oberfläche eines mit einer dielektrischen Dünnschicht zu versehendes Titansubstrat elektrochemisch zu polieren, wobei als Polierelektrolyt eine Säure-Alkohol-Lösung, beispielsweise Methanol mit Schwefelsäure in hoher Konzentration, eingesetzt werden kann. Besonders vorteilhaft ist eine Mischung aus rauchendem Schwefel (Oleum) und Methanol, in einer Zusammensetzung von beispielsweise 15% zu 85%. Es sollte auch unter Berücksichtigung der Zusammensetzung des einge setzten Polierelektrolyten, bei einer Temperatur unterhalb von 0°C elektrochemisch poliert werden. Bei einem Polierelektrolyten, der mit Methanol und Schwefelsäure gebildet wird, sollte bei einer Temperatur unterhalb von –10°C elektrochemisch poliert werden, um insbesondere die Affinität zu Wasser aus einer Umgebungsatmosphäre zu berücksichtigen. Die Temperatur beeinflusst die Viskosität. Oberhalb –10°C ist die Viskosität so gering, dass die elektrochemische Reaktion zu schnell abläuft und dadurch Ätzeffekte auftreten können. Die Affinität zu Wasser ist durch die niedrige Temperatur nachteilig. Es kann zu einer ständigen Wasseraufnahme durch Kondensation kommen. Der Polierelektrolyt sollte daher unter Luftabschlussbedingungen gelagert werden. Der Wasseranteil im Polierelektrolyten steigt bei Luftkontakt ständig an. Ist der Wasseranteil dann zu hoch verringert sich die erreichbare Oberflächenqualität der zu polierenden Oberfläche und der Polierelektrolyt wird unbrauchbar.It has proven to be particularly advantageous, a surface of a with a dielectric thin film to be electrochemically polished titanium substrate to be provided, wherein as a polishing electrolyte, an acid-alcohol solution, for example Methanol with sulfuric acid in high concentration, can be used. Especially advantageous is a mixture of fuming sulfur (oleum) and methanol, in a composition of, for example, 15% to 85%. It should also considering the composition of the used polishing electrolyte, in a Temperature below 0 ° C electrochemically polished. In a polishing electrolyte, the with methanol and sulfuric acid is formed, should be at a temperature below -10 ° C electrochemically be polished, in particular to take into account the affinity for water from an ambient atmosphere. The Temperature affects the viscosity. Above -10 ° C is the viscosity so small that the electrochemical reaction takes place too fast and thereby etching effects may occur. The affinity water is disadvantageous due to the low temperature. It can be too a permanent one Water absorption by condensation come. The polishing electrolyte should therefore be stored under exclusion conditions. The water content in the polishing electrolyte rises constantly in contact with air. Is the water content then too high the achievable surface quality decreases polishing surface and the polishing electrolyte becomes unusable.
Diesem nachteiligen Effekt eines solchen Polierelektrolyten kann aber auch mit einer inerten Umgebungsatmosphäre, beispielsweise einem Edelgas oder auch Stickstoff, während der elektrochemischen Politur entgegengetreten werden. Auch beim elektrochemischen Polieren sollte das Titansubstrat als Anode und die in dem Polierelektrolyten, bevorzugt parallel zur Oberfläche des Titansubstrates ausgerichtete Gegenelektrode, dann als Kathode geschaltet sein.this but adverse effect of such a polishing electrolyte can also with an inert ambient atmosphere, such as a noble gas or nitrogen, while the electrochemical polish are countered. Also in electrochemical The titanium substrate should be polished as the anode and that in the polishing electrolyte, preferably parallel to the surface the titanium substrate aligned counter electrode, then as a cathode be switched.
Beim elektrochemischen Polieren kann mit einer konstanten elektrischen Stromdichte gearbeitet werden.At the Electrochemical polishing can be done with a constant electrical Current density to be worked.
Im Nachgang zum Polieren bzw. Modifizieren der Oberfläche des Titansubstrates kann dann die elektroche mische Oxidation zur Ausbildung der Titanoxid-Dünnschicht durchgeführt werden. Dabei kann mit konstant gehaltener elektrischer Spannung (potentiostatisch) oder auch mittels galvanostatischer Pulspolarisation verfahren werden, wobei auch Kombinationen davon möglich sind.in the Subsequent to polishing or modifying the surface of the Titanium substrate can then the electrochemical mixing oxidation for training the titanium oxide thin film carried out become. It can be done with constant voltage (potentiostatic) or by means of galvanostatic pulse polarization, although combinations of it possible are.
Bevorzugt wird die elektrochemische Oxidation jedoch so durchgeführt, dass die angelegte elektrische Spannung bis auf einen vorgegebenen maximalen elektrischen Spannungswert ansteigt. Wie bereits angesprochen, wird durch die maximale elektrische Spannung die erreichbare Schichtdicke der dielektrischen, aus Titanoxid gebildeten Dünnschicht, vorgegeben.However, the electrochemical oxidation is preferably carried out such that the applied electrical voltage rises to a predetermined maximum electrical voltage value. As already mentioned, the maximum electrical voltage achieves the achievable layer thickness of the dielectric thin film formed from titanium oxide, specified.
Der Anstieg der elektrischen Spannung bei der elektrochemischen Oxidation kann dabei in Stufen erfolgen und mit bei Erreichen einer Stufe eingehaltener Haltezeit konstant gehalten werden.Of the Increase in electrical voltage during electrochemical oxidation can be done in stages and with on reaching a level maintained holding time are kept constant.
Es kann aber auch mit konstantem Anstieg der elektrischen Spannung gearbeitet werden. Der Anstieg der elektrischen Spannung kann im Bereich von 1 bis 1000 mV/s, bevorzugt bei 100 mV/s gehalten werden.It but also with constant increase of the electrical voltage to be worked. The increase in electrical voltage can occur in the Range of 1 to 1000 mV / s, preferably maintained at 100 mV / s.
Vorteilhaft kann es außerdem sein, die elektrochemische Oxidation in mehreren Zyklen durchzuführen. So besteht die Möglichkeit, einen ersten Zyklus, beispielsweise von einer Ausgangsspannung in Höhe von –0,5 Volt mit konstantem Anstieg der elektrischen Spannung bis zum Erreichen eines maximalen elektrischen Spannungswertes durchzuführen, wobei nach Erreichen der maximalen elektrischen Spannung wieder eine Verringerung bis auf den Ausgangswert der elektrischen Spannung von –0,5 Volt erfolgt. Diesem ersten Zyklus kann sich dann mindestens ein weiterer Zyklus anschließen, bei dem in identischer Form vorgegangen wird.Advantageous it can also be to perform the electrochemical oxidation in several cycles. So it is possible, a first cycle, for example from an output voltage of -0.5 volts with constant increase in voltage until reaching to perform a maximum electrical voltage value, wherein After reaching the maximum electrical voltage again a reduction down to the initial value of the electrical voltage of -0.5 volts. This first cycle can then be followed by at least one additional cycle, at which is done in identical form.
Vorteilhaft ist es aber, bei jeweils einem nachfolgenden Zyklus die maximale elektrische Spannung sukzessive zu erhöhen, bis bei einem letzten Zyklus die elektrische Spannung erreicht ist, mit der die jeweils gewünschte maximale Schichtdicke der Titanoxid-Dünnschicht auf dem Titansubstrat erreicht werden kann.Advantageous but it is, in each case a subsequent cycle, the maximum gradually increase the voltage until it reaches a final one Cycle the electrical voltage is reached, with which the respectively desired maximum layer thickness of the titanium oxide thin film can be achieved on the titanium substrate.
Für die elektrochemische Oxidation kann vorteilhaft ein Elektrolyt eingesetzt werden, der aus Natriumacetat und Essigsäure gebildet wird. Der Elektrolyt sollte einen pH-Wert im Bereich zwischen 4,5 bis 6,5 aufweisen, wobei dies mit den jeweiligen Anteilen an Natriumacetat, Essigsäure und den dem Elektrolyten zugemischtem deionisiertem Wasser einstellbar ist.For the electrochemical Oxidation can be advantageously used an electrolyte, the from sodium acetate and acetic acid is formed. The electrolyte should have a pH in the range between 4.5 to 6.5, with the respective proportions of sodium acetate, acetic acid and the deionized water mixed with the electrolyte is.
Nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auf der jeweiligen Oberfläche des Titansubstrates eine dielektrische Dünnschicht aus TiO2 ausgebildet worden. Die Dünnschicht weist über die gesamte Fläche eine konstante Schichtdicke von mindestens 5 nm auf. Es konnte eine relative Dielektrizitätskonstante εr von mindestens 35 erreicht werden. Erfindungsgemäß hergestellte Titanoxid-Dünnschichten erreichten aber auch relative Dielektrizitätskonstanten von ca. 50 und darüber hinaus, so dass diese für elektrische Kondensatoren mit erhöhtem Volumen-Kapazitäts-Verhältnis besonders geeignet sind.After carrying out the method according to the invention, a dielectric thin layer of TiO 2 has been formed on the respective surface of the titanium substrate. The thin film has a constant layer thickness of at least 5 nm over the entire surface. It was possible to achieve a relative dielectric constant ε r of at least 35. However, titanium oxide thin films produced according to the invention also achieved relative dielectric constants of about 50 and more, so that they are particularly suitable for electrical capacitors with an increased volume-capacitance ratio.
Die Titanoxid-Dünnschichten wiesen eine von der Kornorientierung des Titansubstrates unabhängige konstante Schichtdicke auf und sind überwiegend aus amorphem Titanoxid gebildet worden.The Titanium oxide thin films had a constant independent of the grain orientation of the titanium substrate Layer thickness and are predominant made of amorphous titanium oxide.
An erfindungsgemäß ausgebildeten Titanoxid-Dünnschichten konnten Ladungsträgerkonzentrationen im Bereich von 0,1·1018 bis 100·1018 cm–3 nachgewiesen werden. Dabei war eine Verringerung der Ladungsträgerkonzentrationen mit steigender Schichtdicke zu verzeichnen, so dass die erhöhten Ladungsträgerkonzentrationen bei den kleineren Schichtdicken ermittelt worden sind.Carrier concentrations in the range of 0.1 × 10 18 to 100 × 10 18 cm -3 could be detected on titanium oxide thin films formed according to the invention. In this case, a decrease in the charge carrier concentrations with increasing layer thickness was recorded, so that the increased carrier concentrations were determined at the smaller layer thicknesses.
Die Bestimmung der Ladungsträgerkonzentration erfolgte dabei unter Berücksichtigung des Mott-Schottky-Plots.The Determination of the charge carrier concentration took place under consideration of the Mott-Schottky plot.
Mittels der Mott-Schottky-Gleichung konnte wegen des linearen Zusammenhangs von C–2 und E eine Gerade mit dem Mott-Schottky-Plot erhalten werden. Durch Analyse des Anstiegs der Gerade konnte die Ladungsträgerkonzentration bestimmt werden. Diese Art der Bestimmung ist in EUNG-LEE, u. a. „Analysis of nonlinear Mott-Schottky-Plots obtained from anodically passivating amorphous and polykristalline TiO2 films", Journal of Applied Electrochemistry, 22 (1992), S. 156–160, beschrieben.By means of the Mott-Schottky equation Due to the linear relationship of C -2 and E, a straight line with the Mott-Schottky plot could be obtained. By analysis of the slope of the straight line the carrier concentration could be determined. This type of determination is described in EUNG-LEE, inter alia, "Analysis of nonlinear Mott-Schottky Plots obtained from anodically passivating amorphous and polycrystalline TiO 2 films", Journal of Applied Electrochemistry, 22 (1992), pp. 156-160.
Die relativen Dielektrizitätskonstanten εr konnten nach Bestimmung der elektrischen Kapazität ermittelt werden, wobei so vorgegangen worden ist, wie dies von A. Michaelis in „Optische und photoelektrochemische Mikro-Verfahren zur Charakterisierung ultradünner Deckschichten am Beispiel des Systems Ti/TiO2", Dissertation Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, 1994, beschrieben worden ist.The relative dielectric constants ε r could be determined after determining the electrical capacitance, the procedure being as described by A. Michaelis in "Optical and photoelectrochemical micro-methods for characterizing ultrathin cover layers using the example of the system Ti / TiO 2 ", Dissertation Heinrich University of Düsseldorf, 1994, has been described.
Mit der Erfindung können extrem dünne dielektrische Schichten mit Schichtdicken von einigen wenigen Nanometern ausgebildet werden, die insbesondere infolge der hohen relativen Dielektrizitätskonstanten und ihrer konstanten Schichtdicke auf Titansubstraten besonders für den Einsatz bei elektrischen Kondensatoren in der Mikroelektronik geeignet sind. Neben der höheren erreichbaren relativen Dielektrizitätskonstanten wirken sich aber auch die reduzierten Kosten gegenüber den bisher in vergleichbarer Form eingesetzten chemischen Elementen Tantal und Niob, besonders vorteilhaft aus. Wie bereits zum Ausdruck gebracht, lassen sich gezielt Schichtdicken der Titanoxid-Dünnschichten ausbilden, was auch reproduzierbar unter industriellen Herstellungsbedingungen erreichbar ist.With of the invention extremely thin dielectric layers with layer thicknesses of a few nanometers be formed, in particular due to the high relative permittivity and their constant layer thickness on titanium substrates especially for the Use in electrical capacitors in microelectronics suitable are. In addition to the higher achievable relative dielectric constant but affect also the reduced costs compared to the previously comparable Form used chemical elements tantalum and niobium, especially advantageous. As already expressed, can be specifically form layer thicknesses of the titanium oxide thin films, what also reproducible under industrial production conditions is reachable.
Die ausgebildeten Titanoxid-Dünnschichten sind im Wesentlichen homogen, was nicht nur auf die Schichtdicke, sondern auch auf den Schichtaufbau und die Konsistenz zutrifft, so dass homogene elektrische Eigenschaften über die gesamte ausgebildete Schichtfläche erreicht werden können.The formed titanium oxide thin films are essentially homogeneous, which is not only on the layer thickness, but also applies to the layer structure and the consistency, so that achieved homogeneous electrical properties over the entire trained layer surface can be.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert werden.following the invention will be explained in more detail with reference to an example.
Ein planares Titansubstrat mit einem Reinheitsgrad von 99,9% wurde mechanisch an zumindest der Oberfläche, die mit einer Titanoxid-Dünnschicht versehen werden sollte, poliert.One planar titanium substrate with a purity of 99.9% became mechanical at least on the surface, those with a titanium oxide thin film should be provided polished.
Das so vorbereitete Titansubstrat wurde dann elektrochemisch poliert, wobei ein Polierelektrolyt, der aus 85 Vol-% Methanol und 15 Vol-% überkonzentrierter (rauchender) Schwefelsäure (65%-ig) gebildet worden ist, eingesetzt wurde.The titanium substrate prepared in this way was then electrochemically polished, wherein a polishing electrolyte consisting of 85% by volume of methanol and 15% by volume more concentrated (fuming) sulfuric acid (65%) has been used.
Bei diesem Beispiel wurde der Polierelektrolyt vor dem elektrochemischen Polieren luftdicht verschlossen gehalten und auf eine Temperatur von –32° C gekühlt. Nach Erreichen dieser Temperatur wurde das Titansubstrat mit einer aus Gold gebildeten Gegenelektrode in den Polierelektrolyten eingesetzt, wobei ein Abstand im Bereich zwischen 10 und 20 mm und eine parallele Ausrichtung der zu polierenden Oberfläche des Titansubstrates mit der Gegenelektrode eingehalten worden ist. Titansubstrat und Gegenelektrode waren vollständig in den Polierelektrolyten eingetaucht.at This example was the polishing electrolyte before the electrochemical Polishing kept airtight and at a temperature cooled from -32 ° C. To Reaching this temperature, the titanium substrate with a Gold formed counter electrode used in the polishing electrolyte, being a distance in the range between 10 and 20 mm and a parallel Alignment of the surface of the titanium substrate to be polished with the counter electrode has been maintained. Titanium substrate and counter electrode were complete immersed in the polishing electrolyte.
Das Titansubstrat wurde als Anode und die Gegenelektrode als Kathode geschaltet. Beim elektrochemischen Polieren waren Titansubstrat und Gegenelektrode an eine elektrische Spannungsversorgung angeschlossen, mit der eine konstante Stromdichte von ca. 0,25 A/cm2 eingehalten werden konnte.The titanium substrate was connected as the anode and the counter electrode as the cathode. During electrochemical polishing, titanium substrate and counter electrode were connected to an electrical power supply, with which a constant current density of about 0.25 A / cm 2 could be maintained.
Nach dem Anlegen der elektrischen Spannung kam es zu einer Schleierbildung an der Oberfläche des Titansubstrates, die sich langsam ablöste. Nach dem Ablösen des Schleiers erfolgte unmittelbar eine Abschaltung der angelegten elektrischen Spannung, was ca. 40 Sekunden nach Beginn des elektrochemischen Polierens der Fall war.To The application of electrical voltage caused fogging on the surface of the titanium substrate, which slowly peeled off. After detaching the Schleiers was immediately a shutdown of the applied electrical Voltage, which is about 40 seconds after the start of the electrochemical Polishing was the case.
Eine länger dauernde elektrochemische Polierung bzw. Modifizierung sollte vermieden werden, da sich diese nachteilig auf die Oberflächengüte des Titansubstra tes auswirken kann.A longer Permanent electrochemical polishing or modification should be avoided be, as these adversely affect the surface quality of Titansubstra tes can.
Während des elektrochemischen Polierens erreichte die Temperatur des Polierelektrolyten die maximale Obergrenze von –10°C nicht, so dass eine Aufnahme von Wasser in den Polierelektrolyten vermieden werden konnte.During the electrochemical polishing reached the temperature of the polishing electrolyte the maximum upper limit of -10 ° C is not, so that absorption of water in the polishing electrolyte is avoided could be.
Das so vorbereitete Titansubstrat wurde möglichst unmittelbar im Anschluss an das elektrochemische Polieren einer elektrochemischen Oxidation unterzogen.The prepared titanium substrate was as immediately as possible after to the electrochemical polishing of an electrochemical oxidation subjected.
Bei der elektrochemischen Oxidation wurde ein Elektrolyt eingesetzt, der mit 74,2 g/l Natriumacetat C2H3NaO2, 2,9 g/l Essigsäure CH3COOH und deionisiertem Wasser gebildet worden ist. Der Elektrolyt wies einen pH-Wert von 5,9 auf.In the electrochemical oxidation, an electrolyte was used, which was formed with 74.2 g / l sodium acetate C 2 H 3 NaO 2 , 2.9 g / l acetic acid CH 3 COOH and deionized water. The electrolyte had a pH of 5.9.
Die elektrische Oxidation wurde in mehreren Zyklen in Form einer Dreieckspotentialkurve durchgeführt. Die elektrische Anfangsspannung lag dabei bei –0,5 Volt und wurde während eines Zyklus unter Einhaltung eines Anstiegs in Höhe von 100 mV/s bis auf eine für einen Zyklus vorgegebene elektrische Maximalspannung erhöht und daraufhin wieder auf die –0,5 Volt reduziert. Die jeweiligen maximalen elektrischen Spannungen lagen dabei bei 2, 4, 6, 8 und 9,5 Volt.The electrical oxidation was in several cycles in the form of a triangular potential curve carried out. The initial electrical voltage was -0.5 volts and was during a Cycle while maintaining a rise of 100 mV / s except one for one Cycle specified maximum electrical voltage increases and then back to the -0.5 Volts reduced. The respective maximum electrical voltages were at 2, 4, 6, 8 and 9.5 volts.
Nach jedem dieser Zyklen wurden Untersuchungen der dielektrischen Eigenschaften durch elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), sowie eine Impedanzmessung durchgeführt. Bei der Impedanzmessung wurde mit einer elektrischen Gleichspannung polarisiert. Die Gleichspannung wurde mit einer elektrischen Wechselspannung (konst. 10 mV) frequenzüberlagert. Die elektrische Gleichspannung ist zwischen –0,5 und 1 V in 0,05 V-Schritten variiert und bei jedem Schritt, der Wechselstromwiderstand (Impedanz) gemessen worden.To Each of these cycles has been studied for dielectric properties by electrochemical impedance spectroscopy (EIS), as well as an impedance measurement carried out. In the impedance measurement was with a DC electrical voltage polarized. The DC voltage was measured with an electrical AC voltage (const. 10 mV) frequency-superimposed. The DC electrical voltage is between -0.5 and 1 V in 0.05 V increments varies and at each step, the AC resistance (impedance) measured.
Dabei konnte eine mittlere relative Dielektrizitätskonstante von 49 und Ladungsträgerkonzentrationen, wie sie im allgemeinen Teil der Beschreibung bezeichnet worden sind, nachgewiesen werden. So erreichte eine mit maximal 2 V gebildete Dünnschicht eine Ladungsträgerkonzentration von ca. 90·1018 cm–3, eine mit maximal 4 V gebildete Dünnschicht eine Ladungsträgerkonzentration von ca. 16·1018 cm–3 eine 6 nm Dicke Dünnschicht, eine Ladungsträgerkonzentration von ca. 6·1018 cm–3 eine bei maximal 8 V gebildete Dünnschicht eine Ladungsträgerkonzentration von ca. 5,6·1018 cm–3 und eine bei maximal 9,5 V gebildete Dünnschicht eine Ladungsträgerkonzentration von ca. 5·1018 cm–3.In this case, an average relative dielectric constant of 49 and carrier concentrations, as have been designated in the general part of the description, could be detected. Thus, a thin film formed with a maximum of 2 V reached a charge carrier concentration of about 90 × 10 18 cm -3 , a thin film formed with a maximum of 4 V, a carrier concentration of about 16 × 10 18 cm -3, a 6 nm thick thin film, a carrier concentration of about 6 × 10 18 cm -3 a thin film formed at a maximum of 8 V, a charge carrier concentration of about 5.6 × 10 18 cm -3 and a thin film formed at a maximum of 9.5 V has a charge carrier concentration of about 5 × 10 18 cm -3 .
Dies trifft auch auf die unter Berücksichtigung der jeweiligen maximalen elektrischen Spannungen bereits erwähnten erreichbaren Schichtdicken für die auf dem Titansubstrat ausgebildeten Titanoxid-Dünnschichten zu.This also applies to the under consideration the respective maximum electrical voltages already mentioned achievable Layer thicknesses for the titanium oxide thin films formed on the titanium substrate to.
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