DE1490296C - Verfahren zur Herstellung sehr dunner elektrisch hochisolierender Schichten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung sehr dünner, elektrisch hochisolierender Schichten auf Unterlagen, bei dem auf die Unterlage eine Schicht aus einem Ventilmetall, ζ. Β. Aluminium, aufgebracht wjird und diese mit einer dünnen sauerstoffhaltigen ionenleitenden Schicht überzogen wird.

Für elektrische Kondensatoren, für elektrische Mikrobauelemente sowie für eine Reihe anderer Anwendungsbereiche, bei denen mehrere Metall- und Isolierschichten übereinander angeordnet sind, werden Verfahren benötigt, nach denen außerordentlich dünne elektrische Isolierschichten hergestellt werden können.

Aus dem Aufsatz »Ultrathin Dielectric Films« in der Zeitschrift »Electro-Technology«, Dezember 1969, S. 157 bis 159, ist es bekannt, durch Aufdampfen von Siliziummonoxid zwischen zwei Aluminiumelektroden isolierende Schichten herzustellen.

Aus der deutschen Patentanmeldung B 16 842 (bekanntgemacht am 18. 12. 1952) ist es bekannt, Aufdampfschichten aus Titanaten, Zirkonaten u. dgl. dadurch zu bilden, daß die in den Verbindungen enthaltenen Metalle auf eine Unterlage aufgedampft werden und die aufgedampften metallischen Schichten durch thermische Oxydation in einer oxydierenden Atmosphäre in die entsprechenden Oxide umgewandelt werden.

Bei der Herstellung elektrischer Kondensatoren ist es bereits bekannt, durch Auftragen von Lack Schichten in der Größenordnung von einigen μ herzustellen und als Koridensatordielektrikum zu verwenden. Es ist weiterhin bekannt, solche Dielektrikumsschichten durch Aufdampfen anorganischer oder organischer Isolierstoffe herzustellen. Die nach diesem Verfahren hergestellten Schichten müssen, um eine ausreichende Spannungsfestigkeit und genügend hohes Isolationsvermögen zu erhalten, gleichfalls in einer Stärke, die 1 μ kaum unterschreitet, hergestellt werden.

Außerordentlich dünne Isolierstoffschichten kommen in Elektrolytkondensatoren zur Anwendung. Die Stärke dieser Schichten liegt in der Größenordnung von etwa 100 A. Trotz der geringen Stärke der als Dielektrikum wirkenden Oxydschicht in Elektrolytkondensatoren ist der Abstand zwischen Anode und Kathode in Elektrolytkondensatoren stets wesentlich größer, da zwischen Oxydschicht und der Kathode stets noch ein Elektrolyt oder bei den sogenannten Trockenelektrolytkondensätoren eine Halbleiterschicht angeordnet werden muß, deren Stärke die Stärke der eigentlichen Oxydschicht wesentlich übersteigt. Auch auf diesem Wege ist es daher nicht möglich, Isolierschichten herzustellen, die die Anordnung voneinander zu isolierender Teile in einem Abstand in der Größenordnung von etwa 1Ö0 Ä ermöglichen.

In wissenschaftlichen Veröffentlichungen sind auch schon Isolierschichten außerordentlich geringer Starke beschrieben worden, die durch Vernetzen von Silikonöl hergestellt werden und die eine außerordentlich hohe Isolationsfestigkeit besitzen sollen.

Durch eingehende Untersuchungen wurde festgestellt, daß auch die beschriebenen Vernetzungsschichten zumindest in geringer Stärke kein ausreichendes Isolationsvermögen besitzen. Weiterhin ist es in der Regel nicht möglich, auch aus ausgezeichneten Isolierstoffen durch Aufdampfen oder Auflackieren Isolierschichten in einer Stärke von etwa 100 A herzustellen, die über ausreichende Spannungsfestigkeit und ein hohes Isolationsvermögen verfügen. Hingegen gibt die Erfindung ein Verfahren an, das die Herstellung derartig dünner Isolierschichten gestattet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, elektrisch hochisolierende Schichten auf Unterlagen im Angströmbereich (10² bis 10³A) aufzubringen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der Ventilmetallschicht eine dünne ionenleitende Schicht durch Aufdampfen oder Vernetzen "aus der

ίο Dampfphase im Vakuum gebildet wird und durch'¹ nachfolgende Oxydation des Ventilmetalls zwischen diesem und def iönenleitenden dünnen Schicht eine Oxydschicht gebildet wird. Die eigentliche Isolation bewirkt hierbei die Oxydschicht, während die ionenleitende Schicht gewissermaßen als Trockenelektrolyt wirkt. Während jedoch bei gebräuchlichen Elektrolytkondensatoren oder Trockenelektrolytkondensatoren der Elektrolyt bzw. eine Halbleiterschicht, die diesen ersetzt, eine erhebliche Stärke besitzt und besitzen muß, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die ionenleitende Schicht in der Stärke von etwa 100 A aufgedampft öder durch Vernetzung auf-, gebracht werden. Beispielsweise kann die Stärke der ionenleitenden Schicht zwischen 10² und ΙΟ³ Α liegen.

Als Gegenelektrode zur Durchführung der anodischen Oxydation kann auf die ionenleitende Schicht eine leitende Schicht, z. B. aus einem Nichtventilmetall, aufgebracht werden.

Die auf dem Ventilmetall gebildeten Oxydschichten wirken im wesentlichen dann nur so sperrend, wenn die Ventilmetallschicht positiv gepolt ist, also als Anode geschaltet ist, weshalb es vorteilhaft ist, wenn für bipolare Artwendung der Isolierschicht über der ionenleitenden dünnen Schicht eine zweite Ventilmetallschicht aufgebracht werden muß, worauf auch zwischen der zweiten Ventilmetallschicht und der ionenleitenden Schicht durch anodische Oxydation eine Oxydschicht gebildet wird.

Die ionenleitende dünne Schicht kann z. B. durch Vernetzung von Silikonöl aus der Dampfphase gebildet werden. Die Vernetzung der Silikoirölschicht kann durch Beschüß mit Elektronenstrahlen erfolgen.

Andererseits läßt sich die ionenleitende dünne Schicht auch durch Aufdampfen von Siliziumoxyd herstellen.

Die Bildung der Oxydschichten zwischen den ionenleitenden Schichten und den Ventilmetallschichten durch anodische Oxydation erfolgt ohne zusätzliche Verwendung besonderer FöfmieYeTefoolyte und unter Verwendung der ionenleitenden Schicht als Formierelektrolyt. Insbesondere ist es daher möglich, Mikrobauelemente mit mehreren aufeinanderfolgend aufgedampften Kombinationen aus Ventiimetallschichten und ionenleitenden Schichten in einem Arbeitsgang herzustellen und erst nach Fertigstellung zu formieren, was mit den bisherigen obenerwähnten Methoden ebenfalls nicht möglich ist. Isolierschichten, hergestellt auf Aluminium mittels Vernetzungsschichten aus Silikonöl, erreichten Durchschlagsfeldstärken von 10⁷ V/cm und spezifische Widerstände von 10¹⁶ Ohm/cm. Es ergibt sich hieraus die Verwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Dielektrikumsschichten elektrischer Kondensatoren, insbesondere auch von Isolierschichten bei der Herstellung von Mikrobauelementen u. dgl.. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung kann die Figur dienen. In der Figur ist eine Isolierschicht, hergestellt nach dem Verfahren gemäß der Erfindung,

dargestellt. Es wurde hierzu auf eine Unterlage 1 eine Ventilmetallschicht 2 aufgedampft, die z. B. aus Aluminium bestehen kann; hierauf wurde durch Vernetzen von Silikonöl eine ionenleitende Schicht 3 in der Stärke zwischen 10² und ΙΟ⁴ Α hergestellt und hierauf eine zweite Ventilmetallschicht 4 aufgedampft. Durch anodische Oxydation wurden sodann zwischen den Ventilmetallschichten 2 und 4 und der ionenleitenden Schicht 3 Oxydschichten 5 und 6 hergestellt, wobei während der Formierung die Formierspannung id langsam von kleinen Werten ausgehend erhöht wird. Das Verfahren erlaubt es, insbesondere eine größere Zahl derartiger Kombinationen aus aufeinanderfolgenden sehr dünnen Ventilmetallschichten abwechselnd mit supraleitenden oder anderen Metallschichten und ionenleitenden Schichten in beliebiger Form übereinanderzudampfen und nach Fertigstellung zu formieren. Insbesondere ist es möglich, auch auf stabförmige, rotierende Unterlagen viele, sehr dünne Ventilmetallschichten und dazwischenliegende sehr dünne ionenleitende Vernetzungs- oder Aufdampfschichten spiralförmig aufzubringen und nachträglich zu formieren.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung sehr dünner elektrisch hochisolierender Schichten auf Unterlagen, bei dem auf die Unterlage eine Schicht aus einem Ventilmetall, ζ. Β. Aluminium, aufgebracht wird und diese mit einer dünnen sauerstoffhaltigen ionenleitenden Schicht überzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch Stromfluß zwischen einer auf der ionenleitenden Schicht aufgebrachten Stromzuführung und der Ventilmetallschicht die Ventilmetallschicht durch die sauerstoffhaltigen Anionen der ionenleitenden Schicht anodisch oxydiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die ionenleitende dünne Schicht eine zweite Ventilmetallschicht aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zweiten Ventilmetallschicht und der ionenleitenden dünnen Schicht durch anodische Oxydation eine Oxydschicht gebildet wird.

4. Verfahren · nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ionenleitende dünne Schicht durch Vernetzung von Silikonöl aus der Dampfphase gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vernetzung durch Beschüß mit Elektronenstrahlen vorgenommen wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ionenleitende dünne Schicht durch Aufdampfen von Siliziumoxyd gebildet wird.

7. Verwendung einer dünnen hochisolierenden Schicht, hergestellt nach dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1,4,5 und 6, als Gleichrichterelement.

8. Verwendung einer dünnen hochisolierenden Schicht, hergestellt nach dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, als Isolierschicht für Mikrobauelemente.

9. Verwendung einer dünnen hochisolierenden Schicht, hergestellt nach dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, als Dielektrikum eines elektrischen Kondensators.

10. Verwendung von mehreren übereinanderliegenden Schichtkombinationen nach Anspruch 8 für Mikrobauelemente.

11. Verwendung von mehreren übereinanderliegenden Schichtkombinationen nach Anspruch 9 in ebener oder spiralförmiger Anordnung als Kondensator.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen