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Verfahren zur Herstellung eines nichtelektrolytischen Kondensators
mit Metalloxyddielektrikum Die Erfindung befaßt sich mit Verfahren zur Herstellung
von nichtelektrolytischen Kondensatoren unter Verwendung eines filmbildenden Metalls
als den einen Belag, einer Oxydschicht des filmbildenden Metalls als Dielektrikum,
welche durch anodische Behandlung entstanden ist, und einer elektrisch leitenden
Schicht als Gegenbelag. Kondensatoren, die nach solchen Verfahren hergestellt sind,
sind besonders zur Verwendung in gedruckten Schaltungen geeignet.
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Es gibt eine Gruppe von Metallen, zu denen Tantal, Wolfram, Aluminium,
Niob, Titan, Hafnium und Zirkon gehören, deren Oxyde als ausgezeichnete dielektrische
Stoffe bekannt sind und die sich gut für die Verwendung in Kondensatoren eignen.
Ein besonderer Vorteil bei der Verwendung solcher Oxyde als dielektrische Schicht
in einem Kondensator ist der, daß die Oxydschicht durch elektrolytische anodische
Behandlung eines Körpers aus dem reinen Metall erzeugt werden kann. Der Körper seinerseits
bildet einen Belag des Kondensators. Bisher wurden solche anodisch behandelten Elektroden
mit Erfolg bei festen Elektrolytkondensatoren verwendet, in denen der Elektrolyt
das Ausheilen oder den Wiederaufbau von Diskontinuitäten oder Unregelmäßigkeiten
im dielektrischen Oxydfilm ermöglichte.
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Mit dem Aufkommen der Halbleiter wurde der Miniaturbau von Schaltungen
und Geräten ermöglicht. Ein allgemein verwendetes Verfahren zur Verkleinerung elektrischer
Geräte ist der Einsatz gedruckter Schaltungen für bestimmte Bauteile. Die Verwendung
von Halbleiteranordnungen in gedruckten Schaltungen ist ein großer Fortschritt in
Richtung auf das Ziel, die Herstellung einer gedruckten Schaltung zu ermöglichen,
die die Zusammenstellung von Bauteilen vollständig ersetzt.
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Viele vorbekannte Versuche zur Herstellung eines nichtelektrolytischen
Kondensators in einer für die Verwendung in gedruckten Schaltungen geeigneten Ausführung
sahen den Aufbau mit einem metallischen Gegenbelag vor, der in direktem Kontakt
mit dem anodisch entstandenen Oxydfilm eines filmbildenden Metalls steht. Es ist
auch bereits bekannt, das filmbildende Metall durch Kondensation auf eine metallische
Unterlage aufzubringen und anschließend vollständig anodisch zu befilmen.
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Infolge von Kurzschlüssen zwischen beiden Belägen waren diese Konstruktionen
im allgemeinen wenig brauchbar. Abgewandelte Ausführungen, die keine Kurzschlüsse
ergaben, litten an dem schwerwiegenden Nachteil, daß die maximale Arbeitsspannung
nur 10 bis 15 0/a der Anodisierungsspannung betrug. Es mußten daher übermäßig hohe
Spannungen während der anodischen Behandlung angewandt werden, um einen Kondensator
für brauchbare Arbeitsspannungen zu erhalten. Da die bei der anodischen Behandlung
erzeugte Dicke der Oxydschicht der verwendeten Spannung proportional und der Kapazität
der Dicke dieses Oxydfilmes umgekehrt proportional ist, muß die wirksame Belagfläche
vergrößert werden, um gleiche Kapazitätswerte zu erhalten.
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Zur Herstellung nasser Elektrolytkondensatoren ist auch schon ein
Verfahren bekannt, bei dem die oxydbildende Metallschicht durch Kondensation eines
filmbildenden Metalls auf einer nichtleitenden Unterlage aufgebracht wird. Hierbei
treten jedoch die oben erläuterten Probleme bei nichtelektrolytischen Metalloxydkondensatoren
nicht auf.
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Die vorliegende Erfindung will ein Verfahren zur Herstellung eines
nichtelektrolytischen Kondensators mit Metalloxyddielektrikum durch teilweise Umsetzung
einer Metallschicht zu einer dielektrischen Metalloxydschicht und Aufbringen einer
leitenden Schicht auf die Metalloxydschicht als Gegenbelag schaffen, das diese Nachteile
vermeidet. Sie empfiehlt dazu, daß die Metallschicht durch Kondensation eines filmbildenden
Metalls auf einer nichtleitenden Unterlage aufgebracht, danach ein Teil der Oberfläche
der Metallschicht elektrolytisch-anodisch behandelt und
schließlich
der Gegenbelag unmittelbar auf die so erzeugte dielektrische Oxydschicht aufgebracht
wird.
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Mit der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von
Kondensatoren der oben beschriebenen Bauart entwickelt worden, die für einen Dauerbetrieb
mit 75 0/c der -Anodisierungsspannung oder mehr geeignet sind. Die nach diesem Verfahren
hergestellten Kondensatoren haben extrem hohe Kapazitäten je Volumeinheit, da eine
Vergrößerung der Dicke der Oxydschicht nicht erforderlich ist, um erträgliche Arbeitsspannungen
zu erhalten, und sie haben im allgemeinen sehr geringe Leckströme, die mit denen
von Glimmerkondensatoren vergleichbar sind.
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Die nach der Erfindung hergestellten Kondensatoren sind praktisch
zweidimensional, da sie Dicken von nur 1 Mikron haben; sie sind demgemäß besonders
gut zur Verwendung in gedruckten Schaltungen geeignet. Ein weiterer Vorteil ist
der, daß die Kondensatoren direkt auf solchen Unterlagen hergestellt werden können,
die bei gedruckten Schaltungen verwendet werden.
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Das Verfahren nach der Erfindung wird in Verbindung mit den Zeichnungen
noch im einzelnen beschrieben.
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Fig.l ist eine schematische Darstellung einer Apparatur zur Herstellung
einer Metallschicht durch kathodische Zerstäubung gemäß vorliegender Erfindung;
Fig.2 ist eine schematische Darstellung einer Apparatur zur Herstellung eines Metallfilms
mittels Aufdampfen im Vakuum gemäß vorliegender Erfindung; Fig. 3 A bis 3 C sind
Ansichten auf einen nach der Erfindung hergestellten Kondensator in aufeinanderfolgenden
Fabrikationsstufen, und Fig. 4 ist ein Schnitt durch einen nach der Erfindung hergestellten
Kondensator.
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Fig. 1 zeigt eine Apparatur zur Abscheidung eines filmbildenden Metalls
durch kathodische Zerstäubung. Sie zeigt eine Vakuumkammer 10, in der eine Kathode
11 und eine Anode 12 untergebracht sind. Die Kathode 11 kann aus dem niederzuschlagenden,
filmbildenden Metall bestehen oder alternativ als Basis des filmbildenden Metalls
dienen, das in Form eines überzugs, einer Folie oder in anderer geeigneter Form
vorliegen kann.
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Zwischen Kathode 11 und Anode 12 liegt der Anschluß für ein elektrisches
Potential 13.
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Die Plattform 14 dient als tragende Stütze für die Unterlage 15, auf
der die zerstäubte Schicht niedergeschlagen werden soll. Auf der Unterlage 15 wird
eine Maske 16 angebracht, um die Abscheidung auf das gewünschte Gebiet zu beschränken.
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Fig.2 ist eine schematische Darstellung einer Apparatur, die zum Niederschlagen
eines filmbildenden Metalls durch Aufdampfen im Vakuum geeignet ist. Diese Figur
zeigt eine Vakuumkammer 31, die einen Glühfaden 32 und eine Plattform 33 enthält,
welch letztere als tragende Stütze für die Unterlage 34 dient. Die Maske 35 wird
in der geeigneten Form zur Beschränkung der Film-Abscheidung auf das gewünschte
Gebiet verwendet.
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Die Enden des Glühdrahts 32 sind mit elektrischen Zuleitungen 36 verbunden,
damit hierdurch Strom aus einer nicht gezeigten Quelle fließen kann.
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Fig. 3 A bis 3 C sind Ansichten eines Kondensators, der gemäß vorliegender
Erfindung hergestellt ist. Fig. 3 A zeigt die Unterlage 50, auf der eine
Schicht 51 aus filmbildendem Metall niedergeschlagen ist. Diese Schicht 51 kann
mittels Kondensation aus kathodischer Zerstäubung oder Vakuum-Aufdampfung hergestellt
werden.
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Die Metallschicht 51 wird zunächst in einen typischen Anodisierungs-Elektrolyten
getaucht und als positiver Pol gegen eine andere in den Elektrolyten getauchte Elektrode
geschaltet. Die anodische Behandlung wird zwecks Erzeugung eines in Fig. 3 B gezeigten
Oxydfilms 52 durchgeführt. Wie in dieser Figur gezeigt, hat ein Teil der ursprünglichen
Metallschicht 51 keinen Oxydüberzug. Dieses oxydfreie Gebiet ist ein Teil der Schicht
51, an den die Anodisierungsspannung angeschlossen war und dementsprechend nicht
in den Elektrolyten eintauchte.
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Die letzte Stufe des vorliegenden Verfahrens besteht im Anbringen
eines Gegenbelags, der in Kontakt mit dem Oxdfilm 52 steht. Dies wird am besten
durch Aufdampfen im Vakuum durchgeführt. Es sind auch andere bekannte Methoden zum
Anbringen einer leitenden Schicht brauchbar, vorausgesetzt, daß die Oxydschicht
52 weder thermisch noch mechanisch gestört wird. In Fig. 3 C wird der Gegenbelag
53 in Kontakt mit dem Oxydfilm 52 gezeigt.
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Fig. 4 ist ein Schnittbild des Kondensators, der in Fig. 3 C in Aufsicht
gezeigt wird. Wie man aus Fig. 4 ersieht, liegt die ursprüngliche Schicht 51 unter
einer Oxydlage 52. Der Teil der Schicht 51, der außerhalb der Oxydschicht 52 liegt,
liefert die Möglichkeit der Herstellung elektrischer Anschlüsse an diesen Belag
des Kondensators. Bei der Herstellung des abgebildeten Bauelements wird eine Maske
oder andere Vorrichtung verwendet, um einen Kurzschluß zwischen dem Gegenbelag 53
und dem nichtoxydierten Teil der Metallschicht 51 zu verhüten.
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Nach der Lehre der Erfindung sieht das Verfahren die Verwendung einer
Unterlage vor, auf welcher der Kondensator hergestellt wird. Damit sie geeignet
ist, muß die Unterlage den durch die verschiedenen Verfahrensstufen bedingten Anforderungen
entsprechen. In einigen dieser Verfahrensstufen können zwar zusätzliche Mittel angewandt
werden, um gewisse Mängel eines Unterlagsmaterials auszugleichen und so seine Verwendung
zu gestatten. Indessen werden Stoffe vorgezogen, die von Natur aus geeignet sind,
da ihre Verwendung das Gesamtverfahren vereinfacht.
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Um einen Metallniederschlag bester Qualität zu erhalten, soll die
Unterlage eine glatte Oberfläche besitzen, die völlig frei von starken Höhenunterschieden
ist. Die Unterlage sollte ferner Temperaturen von 300 bis 400° C widerstehen können,
da sie während des Niederschlagens auf Temperaturen in dieser Höhe erhitzt werden
kann. Die kathodische Zerstäubung erhitzt die Oberfläche durch Gasionenbombardement,
die außerdem als Auffänger für die Wärme dient, die beim Niederschlagen der Metallschicht
freigesetzt wird. Beim Niederschlagen mittels Vakuum-Aufdampfung wird die Unterlage
stark durch Strahlung vom heißen Glühdraht erhitzt. Indessen kann äußere Kühlung
auch die Verwendung von weniger hitzebeständigen Stoffen gestatten.
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Die Anforderungen des Anodisierungsschrittes schaffen zusätzliche
Begrenzungen in der Wahl des Unterlagsmaterials. Im Idealfall sollte die Unterlage
einen hohen elektrischen Widerstand wie beispielsweise Glas oder keramisches Material
haben. Diese Begrenzung ergibt sich aus der Tatsache, daß der
Strom
durch die Oberfläche fließet. muß, die zur Erzeugung einer Oxydschicht anodisch
behandelt werden muß. Während der Anfangsperiode eines Anodisierungsverfahrens beginnt
ein dünner Film des dielektrischen Oxyds sich auf der Oberfläche auszubilden. Wenn
das Unterlagsmaterial eine merklich größere Leitfähigkeit als dieser Oxydfilm hat,
wird der Strom, der zuvor durch die zu anodisierende Oberfläche floß, den leichteren
Weg durch die Unterlage nehmen und damit die Anodisierung praktisch beenden. Demgemäß
muß eine geeignete Unterlage einen elektrischen Widerstand haben, der dem des dielektrischen
Oxyds mindestens vergleichbar ist. Als Alternative zur Verwendung dielektrischen
Materials können elektrisch leitende Stoffe durch äußere Isolation geeignet gemacht
werden, indem die Unterlage beispielsweise mit einem geeigneten -.solationsmaterial
überzogen wird.
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Das jeweils verwendete Kondensationsverfahren wird vom Dampfdruck
des zu verwendenden, filmbildenden Metalls bestimmt. Metalle mit niedrigen Dampfdrücken,
wie Tautal und Niob, werden sehr befriedigend durch kathodische Zerstäubung niedergeschlagen.
Andere Metalle mit höheren Dampfdrücken, wie Aluminium und Titan, werden bequem
durch Aufdampfen im Vakuum niedergeschlagen.
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Die vorliegende Erfindung wird am besten an Hand eines ersten, erläuternden
Beispiels beschrieben, bei welchem Tantal als filmbildendes Metall benutzt wird.
Wie oben angegeben, wird Tantal sehr befriedigend durch kathodische Zerstäubung
niedergeschlagen, und demgemäß wird eine Apparatur, ähnlich der in Fig. 1 gezeigten,
verwendet, um eine Tantalschicht auf der Unterlage zu erzeugen.
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Bevorzugte Unterlagsmaterialien nach der Erfindung sind Gläser und
glasierte keramische Stoffe. Diese Stoffe entsprechen der Forderung nach Hitzebeständigkeit
und fehlender Leitfähigkeit, wie oben auseinandergesetzt wurde. Glas und glasierte
keramische Stoffe haben von Natur aus ausreichend glatte Oberfläche. Bei anderen
Unterlagen ist nötigenfalls die Abwesenheit grober Unregelmäßigkeiten der Oberfläche
sicherzustellen, um einen Film bester Qualität zu erhalten.
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Die Unterlage 15 wird zunächst energisch gesäubert. Die üblichen Reinigungsmittel
sind brauchbar, und die Auswahl eines besonderen Mittels hängt von der Zusammensetzung
der Unterlage selbst ab. Wenn beispielsweise die Unterlage aus Glas oder einem glasierten
keramischen Material besteht, ist das Auskochen in Königswasser eine bequeme Methode
zur Reinigung der Oberfläche.
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Die Unterlage 15 wird auf die Plattform 14 gelegt, wie in Fig. 1 gezeigt,
und dann die Maske 16 passend angebracht. Plattform 14 und Maske 16 können aus irgendeinem
feuerfesten Material angefertigt sein. Es ist jedoch bequem, ein Metall, wie Aluminium,
wegen der leichten Herstellung der Maske zu verwenden. Um scharf begrenzte Niederschläge
zu erhalten, ist es notwendig, daß sich die Maske 16 unter äußerem Druck eng an
die Unterlage 15 anlegt.
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Die Bedingungen für das kathodische Zerstäuben, wie es bei der Erfindung
verwendet wird, sind bekannt (s. zum Beispiel, L. H o 11 a n d, » Vacuum Deposition
of Thin Films«, J. Wylie & Sons, Inc., New York 1956). Nach diesem Verfahren
wird die Vakuumkammer zuerst evakuiert, mit einem inerten Gas, beispielsweise einem
der Edelgase Helium. Argon oder Neon, gespült und die Kammer wieder evakuiert. Die
Höhe des erforderlichen Vakuums hängt von der Berücksichtigung verschiedener Faktoren
ab.
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Die Erhöhung des Gasdrucks und damit die Herabsetzung des Vakuums
in der Kammer 1ƒ erhöht die Geschwindigkeit, mit der das zerstäubte Metall
von der Kathode entfernt wird, und erhöht dementsprechend die Niederschlagsgeschwindigkeit.
Der Maximaldruck wird gewöhnlich von Beschränkungen der Energiezufuhr bestimmt,
da eine Erhöhung des Drucks auch den Stromfluß zwischen Anode 12 und Kathode 11
erhöht. Eine praktische obere Grenze in dieser Beziehung liegt bei 150 1£Hg für
eine Zerstäubungspannung in der Größenordnung von 5000 Volt. Der Maximaldruck ist
der, bei dem die Zerstäubung innerhalb der vorgeschriebenen Toleranzen annehmbar
geregelt werden kann.
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Aus der vorangegangenen Diskussion folgt, daß der Minimaldruck von
der kleinsten Niederschlagsgeschwindigkeit bestimmt wird, die wirtschaftlich erträglich
ist.
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Nachdem der erforderliche Druck erreicht ist, wird die Kathode 11,
die aus Tantal besteht oder alternativ mit Tantal, beispielsweise in Form einer
Folie, bedeckt wird, in bezug auf Anode 12 elektrisch negativ gemacht.
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Die zur Zerstäubung erforderliche Minimalspannung hängt vom besonderen
filmbildenden Metall ab, Es wird beispielsweise ein Gleichstrompotential von etwa
4000 Volt benötigt, um eine Zerstäubungsschicht von Tantal, die für die Zwecke der
Erfindung geeignet ist, zu erzeugen. Die Minimalspannungen für andere Metalle sind
dem Fachmann bekannt. Die Erhöhung der Potentialdifferenz zwischen Anode 12 und
Kathode 11 hat die gleiche Wirkung wie eine Druckerhöhung, nämlich eine Erhöhung
der Abscheidungsgeschwindigkeit und des Stromflusses. Dementsprechend wird die Maximalspannung
durch Abwägen der gleichen Faktoren bestimmt, die den Maximaldruck regeln.
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Die Entfernung zwischen Anode und Kathode ist nicht kritisch. Jedoch
ist der Mindestabstand der, der zur Erzeugung einer Glimmentladung erforderlich
ist, die zum Eintritt der Zerstäubung vorhanden sein muß. In der während der Zerstäubung
erzeugten Glimmentladung treten viele dunkle Streifungen auf. Einige von diesen
Streifungen sind wohlbekannt und haben Namen erhalten, wie z. B. der Crookessche
Dunkelraum (s. J o o s , »Theoretische Physik«, Hafner, New York 1950, S. 435 ff.).
Für den besten Wirkungsgrad während der Zerstäubung sollte die Unterlage 15 unmittelbar
außerhalb des Crookesschen Dunkelraums auf der der Anode 12 nächstgelegenen Seite
angeordnet werden. Eine Anordnung der Unterlage 15 näher zur Kathode 11 ergibt einen
Metallniederschlag von minderer Qualität. Eine entferntere Anordnung der Unterlage
15 von der Kathode 11 bewirkt das Auftreffen eines kleineren Anteils des gesamten
zerstäubten Materials auf der Unterlage, wodurch die Zeit zur Erzeugung eines Niederschlags
gegebener Dicke anwächst.
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Es ist zu beachten, daß die Lage des Crookesschen Dunkelraums sich
mit Druckänderung verschiebt, wobei er sich mit zunehmendem Druck näher zur Kathode
hin bewegt. Wenn die Unterlage sich näher zur Kathode hin bewegt, wirkt sie als
Hindernis im Wege der Gasionen, die die Kathode bombardieren.
Dementsprechend
sollte der Druck genügend niedrig gehalten werden, damit der Crookessche Dunkelraum
an eine Stelle gelegt wird, an der die Unterlage keine Abschirmung der Kathode bewirkt.
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Das Ausbalancieren der veschiedenen - Einflüsse von Spannung, Druck
und relativer Stellung von Kathode, Anode und Unterlage zum Erhalt eines Niederschlags
von hoher Qualität sind in der Technik der Kathodenzerstäubung wohlbekannt. Außer
der Wirkung der vorerwähnten Faktoren ist zu beachten, daß die tatsächliche Zerstäubungsgeschwindigkeit
auch vom speziell zerstäubten Metall abhängig ist.
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Bei Berücksichtigung des besonderen, zur Diskussion stehenden Beispiels
erhält man nun unter Anwendung geeigneter Spannung, geeigneten Drucks und Abstands
der verschiedenen Elemente in der Vakuumkammer die Ablagerung einer Tantalschicht
in der durch Maske 16 festgelegten Form. Die Zerstäubung wird während eines zum
Erhalt der gewünschten Dicke ausgerechneten Zeitabschnitts durchgeführt.
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Für die Zwecke der Erfindung hängt die Dicke der auf der Unterlage
abzulagernden Schicht von zwei Faktoren ab. Der erste der Faktoren ist die Dicke
der Metallschicht, die während der Anodisierungsstufe in die Oxydform verwandelt
wird. Der zweite Faktor ist die Minimaldicke an unöxydiertem Metall, das nach der
anodischen Behandlung mit Rücksicht auf den Maximalwiderstand verbleibt, der in
dem filmbildenden Belag noch erträglich ist. Es wurde festgestellt, daß die bevorzugte
Minimaldicke der Metallschicht annähernd 500 Angström ohne Rücksicht auf das speziell
verwendete Metall ist. Es gibt keine Maximalgrenze für diese Dicke, obwohl wenig
Vorteil bei Vermehrung über 1500 Angström gewonnen wird.
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Für Anodisierungspannungen bis zu 250 Volt würde festgestellt, daß
ein Metallniederschlag von wenigstens 4.000 Angström vorzuziehen ist. Es wird angenommen,
daß von diesen 4000 Angström ein Maximum von etwa 2500 Angström während der Anodisierungsstufe
umgewandelt wird, so etwa 1500 Angström als Belagdicke verbleiben.
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Nach dem Zerstäubungsvorgang wird die Metallschicht in einem geeigneten
Elektrolyten anodisch behandelt. Die Spannung, bei der die Anodisierung durchgeführt
wird, hängt primär von der Spannung ab, bei welcher die Kondensatoren arbeiten sollen.
Das gewöhnlich eingeschlagene Verfahren ist den üblichen Anodisierungsmethoden ähnlich,
bei denen anfänglich niedrige Spannung angelegt und bei denen die Spannung dann
erhöht wird, bis ein kontanter Anodisierungsstrom eingehalten wird.
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Für die Anodisierung von Tontal gemäß vorliegender Erfindung wurde
gefunden, daß Elektrolyten geringer Leitfähigkeit gute Resultate ergeben. Beispiele
für bevorzugte Elektrolyten sind wässerige Lösungen von Oxalsäure, Zitronensäure,
Weinsäure und Phenol.
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Der letzte Schritt in der Herstellung eines Kondensators nach vorliegender
Erfindung ist das Anbringen eines Gegenbelags, der in Kontakt mit der Oxydschicht
steht. Jede geeignete Methode zur Erzeugung einer elektrisch leitenden Schicht auf
der Oberfläche der Oxydschicht ist geeignet, vorausgesetzt, daß das Verfahren die
Oxydschicht weder mechanisch noch thermisch beschädigt. Das Aufdampfen im Vakuum
wurde für die Erzeugung von Gegenbelägen besonders geeignet gefunden, wobei Metalle,
wie Gold und Aluminium, in Verbindung mit dieser Technik verwendet werden können.
Die aufgedampfte Schicht wird von einer Maske begrenzt. Wie man in Fig. 3 C sieht,
erleichtert die benutzte Konfiguration das Herstellen eines äußeren elektrischen
Kontaktes.
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Da der Gegenbelag den gesamten Strom leiten muß, der durch den Kondensator
fließt, sollte sein elektrischer Widerstand möglichst klein sein. Die minimale Dicke
ist etwa 500 Angström, der bevorzugte Bereich liegt zwischen 1000 und 2000 Angström.
Durch größere Dicken wird wenig Vorteil gewonnen.
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Ein zweites erläuterndes Beispiel zur vorliegenden Erfindung ist die
Herstellung eines Kondensators unter Anwendung der Vakuum-Aufdampftechnik zwecks
Erzeugung einer Schicht aus filmbildendem Metall. Das Gesamtverfahren entspricht
mit Ausnahme der Niederschlagungsstufe praktisch dem im ersten Beispiel beschriebenen.
Für die Zwecke dieser Beschreibung wird Aluminium als filmbildendes Mttall gewählt,
welches aufgedampft wird.
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Das Aufdampfen im Vakuum wird im allgemeinen bei extrem niedrigen
Drücken durchgeführt. Man verwendet für diesen Verfahrensschritt vorteilhaft eine
ähnliche Apparatur wie die in Fig. 2 gezeigte. Die Höhe des Vakuums wird von einer
Betrachtung des Dampfdruckes des zu verdampfenden Metalls bestimmt. Bei den üblichen
Vakuum-Aufdampfverfahren rechnet man allgemein, daß der Dampfdruck des zu verdampfenden
Metalls wenigstens zehnmal größer sein sollte als der Druck, auf den das System
evakuiert wird. Im allgemeinen werden Filme besserer Qualität bei höherem Vakuum
erhalten. Wenn Metalle mit relativ hohen Dampfdrücken verwendet werden, ist der
tragbare Maximaldruck derjenige, oberhalb dessen der vorhandene Sauerstoff die Abscheidung
eines reinen metallischen Films stört. Für die Aufdampfung eines Metalls, wie Aluminium,
wurde gefunden, daß ein Druck von etwa 1/1o u Hg befriedigt.
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Das übliche Verfahren zur Erhitzung des zu verdampfenden Metalls ist
seine Anordnung in der Nähe eines Glühdrahtes, der elektrisch erhitzt werden kann.
Dies wird in einfacher Weise durch Verwendung eines Wolframdrahts in Form einer
Wendel, wie in Fig. 2 gezeigt, erreicht, innerhalb derer das zu verdampfende Metall
untergebracht wird. Die erforderliche Temperatur wird durch Regelung der Stromstärke
erhalten, die durch den Draht fließt. Alternativ kann ein Draht aus dem zu verdampfenden
Metall in den Fällen verwendet werden, in denen das Metall bei Temperaturen unterhalb
seines Schmelzpunktes einen ausreichend hohen Dampfdruck hat.
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Die Vakuumkammer 31 wird auf den vorgeschriebenen Druck evakuiert
und Strom durch den Wolframdraht 32 geleitet. Der Glühdraht wird erhitzt und veranlaßt,
das in Fig. 2 nicht gezeigte Aluminium zu verdampfen.
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Die oben bezüglich der Dicke der im ersten Beispiel erzeugten Schichten
besprochenen Erwägungen greifen auch hier Platz. Die Dicke des erzeugten Niederschlags
hängt von der Anordnung der Unterlage und der Gesamtmenge an verdampftem Metall
ab. Diese Faktoren sind dem Fachmann bekannt.
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Die Verfahrensstufen zur Anodisierung der aufgedampften Schicht und
der Erzeugung des Gegenbelags entsprechen den oben im ersten Beispiel beschriebenen.
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Die Kapazität von Kondensatoren, die nach dem die Erfindung bildenden
Verfahren hergestellt wurden,
ist der wirksamen Belagfläche des
Gegenbelags proportional und der Anodisierungsspannung umgekehrt proportional. Dementsprechend
können durch Auswahl der Anodisierungsspannung und der Größe des Gegenbelags Kondensatoren
nach Maß angefertigt werden, die sich beinahe jeder gewünschten Kombination von
Arbeitsspannung und Kapazität anpassen. Als Hinweis auf die Größe der Kapazität
von erfindungsgemäß hergestellten Einheiten diene, daß Tantal-Kondensatoren, die
bei 100 Volt anodisch behandelt wurden, eine Kapazität von annähernd 0,08 Mikrofarad
je Quadratzentimeter Gegenbelag besaßen. Demgemäß hat ein Kondensator, in dem der
kapazitiv wirksame Gegenbelag einen Kreis von 2,4 mm Durchmesser darstellt, eine
Kapazität von annähernd 4500 Picofarad. Das hohe Verhältnis von Kapazität zu Volumen
von Kondensatoren nach der Erfindung wird deutlich, wenn man sich vorstellt, daß
ein Kondensator von weniger als 0,025 mm Dicke, in dem der Gegenbelag ein Kreis
von 12,7 mm Durchmesser ist, eine Kapazität von mehr als 0,1 Mikrofarad hat.
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Die nach der Erfindung hergestellten Kondensatoren zeigen gewisse
polare Eigenschaften, die es wünschenswert machen, daß der filmbildende Belag mit
Bezug auf den Gegenbelag elektrisch positiv wird, wenn der Kondensator in einen
Gleichstromkreis eingeschaltet ist. Diese polaren Eigenschaften sind nicht so ausgeprägt
wie in den üblichen nassen oder trokkenen Elektrolyt-Kondensatoren. Kondensatoren
nach der Erfindung können in bestimmten Wechselstromschaltungen ohne Vorspannung
angeschlossen werden.
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Es ist möglich, außergewöhnlich hohe Kapazitäten je Volumeinheit zu
erhalten, indem man das Verfahren nach der Erfindung in folgender Weise ausübt:
Ein filmbildendes Metall wird auf beiden Seiten einer dünnen Unterlage, etwa einem
Glasstreifen von 0,076 mm Dicke, niedergeschlagen. Die beiden Metallniederschläge
werden anodisiert und Gegenbeläge angebracht. Mehrere solcher Einheiten werden zusammengesetzt
und eine erste gemeinsame Zuleitung zwischen den Gegenbelägen und eine zweite gemeinsame
Zuleitung zwischen den Belägen aus filmbildendem Metall hergestellt. Mit einem solchen
Aufbau können Kapazitäten bis zu 5,25 Mikrofarad je Kubikzentimeter erreicht werden.
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Nachstehend werden noch vier Beispiele von besonders vorteilhaften
Durchführungen des Verfahrens nach der Erfindung angegeben: Beispiel 1 Das Beispiel
beschreibt die Herstellung eines Kondensators nach der Erfindung, der Tantal als
filmbildendes Metall verwendet.
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Eine. Apparatur zum kathodischen Zerstäuben, ähnlich der in Fig.1
gezeigten, wurde zur Herstellung der Tantalschicht verwendet. In der verwendeten
Apparatur war die Anode geerdet, und die Potentialdifferenz wurde erhalten, indem
die Kathode gegen Erde negativ gehalten wurde.
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Ein Deckglas für mikroskopische Zwecke wurde als Unterlage benutzt.
Das Deckglas wurde in Königwasser ausgekocht, mit destilliertem Wasser gewaschen
und über der Flamme getrocknet, um eine saubere Oberfläche zu erhalten. Das Tantal
in für Kondensatorherstellung geeigneter Qualität wurde in Form einer Folie verwendet,
die um die Kathode der Zerstäubungsapparatur gewickelt wurde. Die Vakuumkammer wurde
zuerst auf einen niedrigen Druck von der Größenordnung 0,4 #tHg evakuiert, mit Argon
gespült und wieder auf 20 tL evakuiert.
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Anode und Kathode waren etwa 10 cm voneinander entfernt, und die maskierte
Unterlage in einer dazwischenliegenden Stellung unmittelbar außerhalb des Crookesschen
Dunkelraums angebracht. Eine Gleichspannung von etwa 4500 Volt wurde zwischen Kathode
und Anode gelegt. Bei den hier verwendeten Werten für Spannung und Druck war die
Lage des Crookes.schen Dunkelraums so, daß die Stellung des Deckgläschens 5 cm Abstand
von der Kathode haben mußte.
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Die Zerstäubung wurde 60 Minuten durchgeführt und ergab eine Tantalschicht
von 2000 Angström Dicke in dem von der Maske freigegebenen Gebiet.
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Die aufgestäubte Tantalschicht wurde dann in einem Elektrolyten anodisch
behandelt, der aus 60 Gewichtsteilen Oxalsäure, 180 Gewichtsteilen Äthylenglycol
und 120 Gewichtsteilen destilliertem Wasser bestand. Der Elektrolyt wurde während
der Anodisierung auf etwa 105°C gehalten. Nach dem eingeschlagenen Verfahren benutzte
man zunächst eine niedrige Spannung zwecks Erhalt einer Stromdichte von Milliampere
je Quadratzentimeter Oberfläche. Die Spannung wurde auf 100 Volt erhöht, während
der Strom auf einem annähernd konstanten Wert gehalten wurde. Die Spannung wurde
etwa 4 Stunden auf 100 Volt gehalten, wonach die anodische Schicht in destilliertem
Wasser gewaschen wurde. Eine kreisförmige Goldschicht als Gegenbelag von 2,4 mm
Durchmesser und 1000 Angström Dicke wurde auf das anodisierte Metall aufgedampft.
Der so hergestellte Kondensator hatte eine Kapazität von annähernd 5000 Picofarad.
Beispiel 2 Dies Beispiel beschreibt die Herstellung eines Kondensators nach der
Erfindung, in welchem Aluminium auf eine Unterlage aufgedampft wurde, um die erforderliche
Metallschicht zu bilden.
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Es wurde eine ähnliche Apparatur wie die in Fig. 2 gezeigte verwendet,
wobei der Glühdraht aus Wolfram bestand. Die verwendete Unterlage war ein mikroskopisches
Deckglas, welches ähnlich der im Beispiel 1 beschriebenen Art gereinigt wurde. Nach
dem Säubern wurde das Deckgläschen etwa 8 cm entfernt vom W olframdraht angeordnet
und eine Maske auf das Deckgläschen gelegt. Ein 5 cm langes Stück von hochreinem
Aluminiumdraht mit 0,76 mm Durchmesser wurde innerhalb des Wolframdrahts untergebracht.
Die Vakuumkammer wurde auf einen Druck von etwa 0,01u Hg evakuiert. Es wurde Strom
durch den Glühdraht geschickt, der ihn zum Glühen brachte. und damit den Aluminiumdraht
erhitzte und zum Verdampfen brachte. Das 5 cm lange Stück Aluminiumdraht wurde in
einer Zeit von weniger als 3 Minuten völlig verdampft und eine Aluminiumschicht
von 3000 Angström Dicke auf den frei liegenden Teilen des Deckgläschens erzeugt.
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Die Aluminiumschicht wurde dann in einem in folgender Weise hergestellten
Elektrolyten anodisch behandelt: 12 g Weinsäure wurden in 400 ml destilliertes Wasser
gegeben. Es wurde sechsfach normales Ammoniumhydroxyd bis zum Erhalt eines p11-Wertes
von 5,5 zugegeben. Während des Anodisierungsvorgangs wurde der Elektrolyt auf etwa
25° C gehalten.
Zunächst wurde eine niedrige Spannung verwendet,
um eine Stromdichte von annähernd 10 Milliampere je Quadratzentimeter Oberfläche
zu erhalten. Die Anodisierungsspannung wurde unter Konstanthalten der Stromdichte
auf 100 Volt erhöht und das Verfahren 1 Stunde lang bei einer Spannung von
100 Volt durchgeführt.
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Eine kreisförmige Aluminiumschicht als Gegenbelag von 2,4 mm Durchmesser
und 2000 Angström Dicke wurde auf die anodisierte Schicht aufgedampft. Der so hergestellte
Kondensator hatte eine Kapazität von etwa 3500 Picofarad. Beispiel 3 Dieses Beispiel
beschreibt die Herstellung eines Kondensators, bei welchem Titan als filmbildendes
Metall verwendet wurde. Die Titanschicht wurde auf einem Deckglas in ähnlicher Weise
wie im Beispiel 2 hergestellt und ein 5 cm langes Stück aus hochreinem Titandraht
von 0,76 mm Durchmesser als Verdampfungsmaterial benutzt.
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Das Deckglas wurde während des Aufdampfens auf etwa 200° C gehalten,
um die Herstellung einer besser haftenden Metallschicht zu ermöglichen. Es wurde
eine Titanschicht von 3000 Angström Dicke erzeugt. Nach dem Aufdampfen wurden Deckglas
und Metallschicht auf etwa 75° C abgekühlt, bevor sie aus der Vakuumkammer entfernt
wurden.
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Der verwendete Anodisierungs-Elektrolyt bestand aus etwa 120 g Borsäure,
etwa 20 g Natriumborat (Na.,B40; ' 10 H.0) und etwa 41 destilliertem Wasser. Dieser
Elektrolyt wurde während der Anodisie# rungsstufe auf 25° C gehalten. Die Anodisierungsspannung
von 50 Volt wurde ohne Rücksicht auf die Stromdichte von Anfang an angelegt und
diese Spannung für eine Zeit von etwa 30 Minuten aufrechterhalten. Deckglas und
anodisierte Schicht wurden dann mit destilliertem Wasser gewaschen.
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Eine kreisförmige Goldschicht als Gegenbelag von 2,4 mm Durchmesser
und 2000 Angström Dicke wurde auf das anodisierte Titan aufgedampft. Der so hergestellte
Kondensator hatte eine Kapazität von annähernd 13 000 Picofarad. Beispiel 4 Dieses
Beispiel beschreibt die Herstellung eines Kondensators nach der Erfindung unter
Verwendung von Niob als filmbildendes Metall. Das angewandte Verfahren war praktisch
das gleiche wie in Beispiel 1.
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Als Niobquelle diente eine Folie, die um die Kathode in der Zerstäubungsapparatur
gewickelt wurde.
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Der Argondruck, bei welchem die Zerstäubung durchgeführt wurde, betrug
20 #t Hg, die angelegte Spannung war eine Gleichspannung von 4500 Volt. Das Zerstäuben
wurde etwa 60 Minuten lang durchgeführt und erzeugte eine Niobschicht von etwa 3000
Angström Dicke. Während des Zerstäubens waren Anode, Kathode und Unterlage in einer
mit Beispiel 1 identischen Art ärageordnet.
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Der Anodisierungsvorgang war genau der gleiche wie im Beispiel 1,
mit dem Unterschied, daß der Elektrolyt auf 75' C gehalten wurde, daß die
Anodisierungsspannung 40 Volt betrug und daß die Zeit 30 Minuten war.
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Ein kreisförmiger Gegenbelag aus Gold mit 2,4 mm Durchmesser und 2000
Angström Dicke wurde auf das anodisierte Niob aufgedampft. Der so hergestellte Kondensator
hatte eine Kapazität von 9000 Picofarad.