DE1514012A1

DE1514012A1 - Duennschichtkondensator mit einem in vorherbestimmbaren Bereichen temperaturunabhaengigen Dielektrikum und Verfahren zur Herstellung dieses Kondensators

Info

Publication number: DE1514012A1
Application number: DE1965J0028213
Authority: DE
Inventors: Harold Kaiser; Arthur Mones
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1964-05-27
Filing date: 1965-05-25
Publication date: 1969-05-14
Also published as: GB1098616A; DE1514012B2; DE1514012C3

Description

Dünnschichtkondensator mit einem in vorherbestimmbaren Bereichen temperaturunabhängigen Dielektrikum und Verfahren zur Herstellung dieses Kondensators _

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dünnschichtkondensator mit einem in vorherbestimmbaren Bereichen temperaturunabhängigen Dielektrikum.

Bei der Entwicklung von mikroelektronischen Schaltungen, die z. B. in Digitalrechnern verwendbar sind, ist die gewünschte räumliche Verkleinerung der verschiedenen elektronischen Komponenten oft durch die von den entsprechenden Komponenten in Übereinstimmung

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mit den Schaltungsentwurfen geforderten elektrischen Werten und Charakteristiken begrenzt. Somit stellt ein verbesserter Schaltungsentwurf oft nur das Ergebnis von Verbesserungen der in dieser Schaltung verwendeten Komponenten dar. Die Erfindung ist nun auf Kondensatoren gerichtet, deren räumliche Verkleinerung durch die Verwendung von dielektrischen Materialien mit größeren Dielektrizitätskonstanten erzielbar ist.

In den vergangenen Jahren wurden für die Verwendung als dielektrisches Material für mikroelektronische Kondensatorenferroelektrisehe Materialien geprüft. Diese Materialien haben relativ hohe Dielektrizitätskonstanten, besonders In der Nähe ihrer ferroelektrisehen Curie-Temperatur. Die Dielektrizitätskonstante eines solchen Materlales 1st jedoch höchst temperaturabhängig und wird kleiner, wenn die Temperatur von der Curie-Temperatur abweicht. Dadurch ist; es erforderlich, daß derartige Kondensatoren aufweisende. Schaltungen mit einer Temperaturregelanlage ausgerüstet sein müssen, was Jedoch sehr aufwendig ist und dem Verkleinern der derartige Schaltungen verwendenden Einrichtungen entgegen wirkt.

Ferroelektrisehe Materialien können allgemein als ein dielektrisches Material angesehen werden, dessen Kristallaufbau ein Symmetriezentruin fehlt und einen Hysterese-Effekt aufweist, wenn es in ein wechselndes elektrisches Feld gebracht wird. Die ferroelektrische Curie-Temperatur dieses Materlales ist die Temperatur, bei ^

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deren überschreiten das Material seine ferroelektriechen Eigenschaften verliert. Eine besondere. Gruppe der ferroelektrischen Materialien« welche weitgehend als dielektrische Materialien verwendet werden, ist die Gruppe der sogenannten Perowskiten. Diese Gruppe ist duroh die allgemeine chemische Formel ABO» gekennzeichnet, worin A ein zwei- oder einwertiges Metall und B ein vier- oder fünfwertiges Metall let. Aus dieser Gruppe der ferroelektrischen Materialien ist Bariumtitanat (BaTiO,), das am meisten verwendete Material, das drei Ubergangsteraperaturen hat, die bei 120⁰C, 3⁰C bzw. -30⁰C liegen. Die höchste dieser ubergangsteraperaturen ist die sogenannte ferroelektrische Curie-Temperatur, oberhalb welcher Bariumtitanat nicht ferroelektrisch und durch einen kubischen Kristallaufbau gekennzeichnet 1st. Im Temperaturbereich von 5°C und 120⁰C ist der Kristallaufbau tetragonal, im Bereich von -80 C und 5°C rhombisch und unterhalb von -60⁰C ist der Kristallaufbau rhomboedrisch. In der Nähe jeder dieser Übergangstemperaturen wird die dielektrische Konstante des Bariumtitanate erhöht und erstreckt sich von 4000 bei der niedrigsten Übergangstemperatur bis 10 000 bei der Curie-Temperatur .'' für einzelne Kristalle. Zwischen den betreffenden bbergangstemperaturenfällt jedoch die dielektrische Konstante beträchtlich ab.

Ee 1st nicht wünschenswert, einen mlkroelektronisehen Stromkreis in der Nähe yon 5⁰C oder 120⁰C zu betätigen oder Einrichtungen vorzusehen, um Komponenten und Schaltungen auf diesen Temperaturen zu halten.

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Es 1st allgemein bekannt, daß die Ubergangstemperaturen und besonders die Curie-Temperatur des Bariumtitanats durch den Zusatz anderer Materialien zum Kristallgitter herabgesetzt werden können. Der Zusatz z. B. von Strontiumtitanat (3rTiO,) kann die Wirkung der

Herabsetzung der Curie-Temperatur bis auf 0 C haben bei einem Zusatz von annähernd 33 Prozent an Strontiumtitanat. Auf diese Weise können bestimmte Zusammensetzungen erhalten werden, die eine Curie-Temperatur und somit eine hohe dielektrische Konstante bei oder nahe der Raumtemperatur haben. Infolge der veränderlichen Eigenschaft des ferroelektriechen Materiales in der Nähe seiner Curie-Temperatur ist Jedoch die dielektrische Konstante noch sehr temperaturabhängig und die eine solche Zusammensetzung verwendenden Komponenten erfordern eine temperaturgeregelte Atmosphäre.

Es ist auch bekannt, daß die Beigabe mit Bleitltanat (PbTiO,) oder von Bleicirkonat (PbZrO,) dazu dienen kann, die Curie-Temperatur^der Bariumtitanat-Zusammensetzung zu erhöhen. In Jedem Falle ist ein gesintertes Gemisch der betreffenden Kombination von Materialien durch eine bestimmte Curie-Temperatur gekennzeichnet, als ob die Kombination eine einzige homogene Zusammensetzung wäre mit dem Ergebnis, daß die Dielektrizitätskonstante noch sehr temperaturabhängig ist, besonders in der Nähe der Curie-Temperatur.

Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Dünnsohichtkondensator zu schaffen, der ein in bei der Herstellung vorherbestimmbaren Bereichen

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temperatürunabhängiges Dielektrikum besitzt. ·

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst, daß das zwischen den Elektroden angeordnete Dielektrikum mindestens zwei voneinander getrennt gehaltene verschiedene ferroelektrische Materialien, die unterschiedliche Curie-Temperaturen aufweisen, enthält. Ein Kondensator mit einem derartigen Dielektrikum ist nicht durch eine einzige Curie-Temperatur gekennzeichnet, bei welcher die dielektrische Konstante ihren Bestwert hat, sondern sie ist durch eine Dielektrizitätskonstante gekennzeichnet, welche als annähernd proportional zur Summe der Dielektrizitätskonstanten der verschiedenen ferroelektrlschen Materialien betrachtet werden kann. Wenn daher eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten des Dielektrikums für einen besonderen Arbeitstemperaturbereich erforderlich ist, kann diese Forderung durch die Beigabe einer entsprechenden Menge eines ferroelektrischen Materiales erfüllt werden, das eine optimale Dielektrizitätskonstante in diesem Temperaturbereich hat.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht jedes der verwendeten ferroelektrischen Materialien aus einer Mischung von Bariumtitanat und Strontiuratitanat, wobei die Mischungsverhältnisse unterschiedlich sind, wodurch die Dielektrizitätskonstante in der Nähe der Raumtemperatur verbessert wird.

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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht jedes der verwendeten ferroelektrischen Materialien aus einer Mischung von Bariumtitanat und Bleitltanat, wobei die Mischungsverhältnisse unterschiedlich sind, wodurch die Dielektrizitätskonstante oberhalb der Raumtemperatur verbessert wird.

Dieäe Verbesserung der Dielektrizitätskonstanten oberhalb der Raumtemperatur ist gemäß einer anderen Weitergestaltung der Erfindung P auch erreichbar, wenn jedes der verwendeten ferroelektrischen Materialien aus einer Mischung von Barlumtitanat und Bleieirkonat besteht, wobei die Mischungsverhältnisse unterschiedlich sind.

Durch eine andere Weiterbildung der Erfindung, die besagt, daü die Dielektrika je eine getrennte Schicht bilden und aufeinander geschichtet sind, wird sogar die Notwendigkeit eines die verschiedenen ferroelektrischen Materialien trennenden Bindemittels vermieden.

k Weitere Merkmale der Erfindung sind den Ansprüchen zu entnehmen.

Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend anhand von in den Figuren veranschaulichten Ausführüngsbelspielen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines Kondensators der eine einzige Schicht eines verschiedene ierroelektrische

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,-;■ _: . Materialien aufweisenden Dielektrikums besitzt,

Fig. 2 ein Teraperatur-Dielektrizitätskonstante-Diagramm

für verschiedene Materialkombinationen,

Fig. 5 ein Diagramm wie in Fig. 2 für eine Anzahl von Barium-Strontium-Titanaten,

Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit ä

der Curie-Temperatur vom Prozentgehalt an Strontiumtitanat und Bleititanat,

Fig. 5 einen (Querschnitt eines Kondensators, der ein Dielektrikum aus zwei voneinander getrennten Schichten von verschiedenen ferroelektrlschen Materialien besitzt und

Fig. 6 ein Temperatur-Dielektrizitätskonstante-DlaGramra für

verschiedene im Kondensator nach Fig. 5 verwendete Dielektrika.

Die Fig. 1 zeigt einen DUnnfilmkondensator der In einer mikroelektronischen Schaltung verwendbar ist. Der Kondensator 10 kann durch ein" gebräuchliches Siebdruck-Verfahren hergestellt werden, bei welchem die Elektrode 12 auf dem keramischen Modul 11 abgesetzt und

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dann erhitzt wird. Das dlelektrieohe Material 12# dessen Zusammeneetzung anschließend ausführlich beschrieben wird« wird auf der Elektrode 12 mittels eines noch zu beschreibenden Verfahrens abgelagert, worauf auf diesem Material eine zweite Elektrode 14 durch ein gebrauch· Hohes Siebdruok-Verfahren abgesetzt wird. Wenn erwünscht, können eine Vielzahl von Elektroden und dielektrischen Lagen aufeinander geschichtet werden. Die in einem solchen mikroelektronischen Kondensator verwendeten Elektroden und Dielektrika können etwa 0/5 mm lang und etwa 0,12 bis 0,17 mn» dick sein.

Zur Erläuterung der durch die Erfindung erzielten Ergebnisse wird auf die Flg. 2 Bezug genommen. Die Kurven A-E stellen die Dielektrizitätskonstante als Punktion der Arbeitetemperatur dar, und zwar die Kurve A für eine 75 % Bariumtitanat und 25 % Strontiumtitanat enthaltende Mischung von gesinterten Teilchen , die mit einem glasartigen Bindemittel im Oewiohtsverhältnls von 75 % der pulverigen Teilchen zu 25 % des Bindemateriales oder im Volumenverhältnis von 82 % der pulverigen Teilchen zu 18 # des Bindemateriales gemischt sind, wobei das Bindematerial Wismuttrloxid (BigO,) ist und die Kurve B für den gleiohen Prozentgehalt der in der gleiohen Menge des Olasblndemateriales verteilten pulverigen Tellohen aus 85 % Bariumtitanat und 15 % Strontiumtitanat bestehen. Wie noch ausführlicher beschrieben wird, hat die durch die Kurve A gekennzeichnete Zusammensetzung einen Curie-Punkt bei annähernd 30°C, während die durch die Kurve B gekennzeichnete Zusammensetzung ihre optimale dlelektrlsohe Konstante

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bei einem Curie-Punkt von annähernd 75⁰C hat. Die Kurve C stellt die* welter oben erwähnte Punktion für eine dielektrische Zusammensetzung dar, die aus gleichen Teilen der entsprechenden durch die Kurven A und B gekennzeichneten Materialien geformt ist. Es ist zu erkennen, daß die Kurve C oberhalb von 45°C von der Temperatur ganz unabhängig ist, obwohl die dielektrische Konstante zu fallen beginnt, wenn die Temperatur unter diesen Punkt verringert wird. Dieser Abfall der Dielektrizitätskonstante unter 45⁰C kann leicht durch die Erhöhung des prozentualen Anteiles des durch die Kurve A gekennzeichneten Materl- " ales korrigiert werden. „

Es ist zu bemerken, daß die Werte der dielektrischen Konstante, wie in der Fig. 2 dargestellt, relativ niedrig sind Im Vergleich zu den optimalen dielektrischen Konstanten jedes der entsprechenden verwendeten ferroelektrischen Materialien. Dies bedingt hauptsächlich die große Menge des verwendeten Glasbindematerlales. Wenn der prozentuale Anteil des Bindemateriales verringert wird, erhöht sich die Dielektrizitätskonstante, wie noch ausführlich beschrieben wird* {

Da es der Zweck dee Glasbindemittels 1st, sowohl jedes der einzelnen dielektrischen Teilchen einzuhüllen und von den anderen zu Isolieren, als auch die Lücken eu füllen und die Porosität zu verringern, ist zu erkennen, daß nicht die Gewichtsprozente sondern die Volumenprozente des ülftsblnde«Ät«rlalee wichtig sind. Daher sind inder Beschreibung die entsprechenden ferroelektrleohen Materialien mit ihren

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Gewichtsanteilen angegeben, während für das Glasbindematerial die Volumenprozente aufgeführt sind.

Zur weiteren Erläuterung des Einflusses des prozentualen Anteiles des Bindematerlales auf die dielektrische Zusammensetzung und auch zur weiteren Erläuterung der Veränderung der Curie-Temperatur für Barium-Strontium-Titanat-Systeme bei verschiedenen Prozentgehalten von Bariumtltanat und Strontlum-Tltanat wird nun auf die Fig. j5 Be-

" zug genommen, deren Kurven die Dielektrizitätskonstante als Funktion der Arbeitetemperatur für vier verschiedene Barium-Strontium-Titanat-Systerne darstellen. Ss ist zu bemerken, daß eine Barium-Strontium-Titanat-Zusammensetzung mit einem Barium-Titanat-Anteil von 6j% eine maximale Dielektrizitätskonstante bei einer Curie-Temperatur von annähernd 4°C hat, wie dies aus der Kurve F hervorgeht. Die Kurve G stellt eine 74 % Barlum-Titanat enthaltende Zusammensetzung dar und es ist zu beobachten, daß diese eine maximale Dielektrizitätskonstante¹ bei ungefähr 20⁰C hat. Die Kurve H stellt eine Zusammensetzung

mit 81 % Barium-Titanat dar, die ihre maximale Dielektrizitätskonstante bei einer Curie-Temperatur von ungefähr 55⁰C hat, während das

i Material der Kurve J 88 % Barium-Titanat besitzt und eine maximale Dielektrizitätskonstante bei einer Curie-Temperatur von annähernd 82⁰C aufweist.

Bei jeder der Kurven F, Q, H und J let das Material eine gesinterte Mischung der verschiedenen Prozentanteile von Barium-Titanat und

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Strontium-Titanat, und in Jedem Falle besteht das ßarium-Stromtium-Titanat-System aus 85 % der Zusammensetzung und 15 Volumenprozenten eines geeigneten Glasbindemittels. Die Auswirkung der Verringerung des Anteiles des Glasbindemittels von 18 auf 15 % ist aus dem Vergleich der Fig. 3 und 2 ersichtlich.

Die durch die Kurve A in der Fig. 2 gekennzeichnete Material-Zusammensetzung ähnelt der durch die Kurve G in der Fig. 3 gekennzeichneten Zusammensetzung» jedoch mit dem hauptsächlichen Unterschied, daß das erstere Material (Kurve A) 18 Prozent Glasbindematerial enthält, während die zweite Zusammensetzung nur 15 Prozent Glasbindematerial enthält. Das durch die Kurve A gekennzeichnete Material hat eine maximale Dielektrizitätskonstante von annähernd 500, während das durch die Kurve G gekennzeichnete Material eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 590 besitzt. In einer ähnlichen Weise weist die in der Fig. 2 durch die Kurve B gekennzeichnete Materialzusammensetzung eine Dielektrizitätskonstante zwischen 510 und 525 auf, während eine entsprechende Kurve in der Fig. 2, die ( etwa zwischen den Kurven H und J liegen würde, eine maximale Dielektrizitätskonstante von annähernd 650 - 700 haben würde. Eb ist somit ersichtlich, daß durch die Verringerung der Menge des Glasblndemateriales von 18 auf 15 Prozent eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstante um annähernd 20 # erzielt wird.

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Die Kurven D in den Fig, 2 und 3 sind von einem dielektrischen Material abgenommen, das eine zusammengesetzte Mischung von gleichen Teilen der verschiedenen durch die Kurven F, G, H und J in der Fig. j$ dargestellten Barium-Strontium-Titanat-Systeme darstellt, welche in pulverige Teilchen gemahlen und in einem Glasbindematerial vollkommen verteilt werden, wie noch beschrieben wird. Das Bindematerial macht annähernd 15 Volumenprozent des dielektrischen Ma-■ teriales aus. Bei einer Raumtemperatur von 1Q⁰C bis 40⁰C ist die fc Dielektrizitätskonstante relativ temperaturunabhängig und ist gegenüber der Dielektrizitätskonstante des der Kurve C entsprechenden Materiales um ungefähr 20 % erhöht. Wie aus der Flg. C erkenntlich, ist bezüglich der Kurve D zu erkennen, daß sich die Dielektrizitätskonstante des durch diese Kurve gekennzeichneten zusammengesetzten Materlales unterhalb von 20⁰C und oberhalb von 40⁰C zu verringern beginnt. In der letzteren Situation kann die Dielektrizitätskonstante durch die Vergrößerung des Anteiles der durch die Kurven H und J-dargestellten Barium-Strontium-Titanat-Systeme erhöht werden.

Die Kurven E in den Fig. 2 und 2 sind von einem dielektrischen Material abgewonnen, das eine Mischung darstellt, die aus den glei-: chen durch die Kurven F, G, H und J in der Fig. 3 dargestellten entsprechenden Barium-StrontiuiB-Titanat-Systemen im Verhältnis von Je

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drei Teilen der durch die Kurven H und J dargestellten Systeme (d. h. 81 % Barlum-Titanat bzw, 88 % Barium-Titanat) zu je einem Teil der durch die Kurven F und G dargestellten Systeme (d. h. 67 fi

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Barium-Titanat, bzw. "J4 % Barium-Titanat) besteht; diese Mischung enthält auch 15 Volumenprozente glasartiges Bindematerial. Die Dielektrizitätskonstante der durch die Kurve E gekennzeichneten Zusammensetzung ist bedeutsam erhöht, besonders im Temperaturbereich über 40 C. Im Falle der Kurve E wurde der prozentuale Anteil der Titanate mit höherer Curie-Temperatur vergrößert, um den dadurch . zu erzielenden Effekt zu erhöhen, und es ist zu erkennen, daß eine geeignete Auswahl der verschiedenen Prozentgehalte der entsprechenden Tltanantsysteme in einer spezifischen von der Temperatur unab- f| hängigen Dielektrizitätskonstante oberhalb von 45°C resultieren kann, ähnlich der in der Fig. 2 dargestellten Kurve C.

Während eine Verringerung des Prozentgehaltes des Glasbindemateriales eine Gesamterhöhung der Dielektrizitätskonstante der zusammengesetzten Mischung ergibt, konnte beobachtet werden, daß die Wirksamkeit des Bindemateriales abnimmt, wenn der Prozentanteil des Bindemateriales unter 15 % des Volumens des zusammengesetzten dielektrischen Materiales verringert wird. D. h., der Zweck des Bindemateriales 1st die gegenseitige Isolierung der einzelnen pulverförmigen ferroelektrischen Materialte,ilchen, und wenn der Prozentgehalt des liindemateriales unter 15 Volumenprozente verringert wird, beginnt ein Zusammensintern einiger der verschiedenen ferroelektrisehen Teilehen einzutreten und die Zusammengesetzte Mischung beginnt, die Eigenschaften einer durch eine bestimmte einzige Gurie-Temperatur gekennzeichneten Einzelzusammensetzung anzunehmen.

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Zur besseren Beschreibung der dielektrischen Kompositionen gemärt der Erfindung, soll nun das Verfahren zur Herstellung solcher Zusammensetzungen erläutert werden. Gomä'b dor Erfindung wird jedes einzelne Barium-Strontium-Titanat-System zuerst durch sachgemäßes Schleifen und Erhitzen gebildet, um die einzelnen gesinterten Mischungen zu erzeilen. Die so erhaltenen Systeme werden dann zerrieben und mit den erforderlichen Prozentanteilen zusammengemischt und auch mit der angemessenen Menge des Glasbindemateriales vermengt und mit einem geeigneten für ein zweckmäßiges Siebdruck-Verfahren erforderlichen Quetschmittel versehen. Die resultierende Mischung wird dann im Siebdruck-Verfahren auf einer geeigneten Unterlage oder Elektrode abgesetzt und erhitzt, um das Endergebnis zu erzielen.

Als ein spezifisches Beispiel wird das Verfahren gemäß der Erfindung nun in Hinsicht auf besondere Materialzusammensetzungen beschrieben. Betrachtet wird das zusammengesetzte ferroelektrische Material gemäß, der Erfindung, das aus 85 Volumenprozenten von zwei besonderen pulverigen Barium-Strontium-Titanat-Systemen, verteilt in 15 Volumenprozenten eines glasförrnigen Bindemateriales, gebildet ist. Eines dieser ferroelekfrischen Systeme enthält 75 # Barium-Titanat und 25 % Strontlumtitanat, während das andere System 85 # Bariumtitanat und 15 % Strontiumtitanat enthält. Jedes einzelne System wird durch innige Mischung der angeaemessenen Menge der Barium-Strontium-Titanate gebildet, und das Mischen kann in einer

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Kugelmühle oder durch andere bekannte Vorfahren bewerkstelligt werden. Die Mischung wird dann getrocknet und bei einer Temperatur von 1000 bis HOO⁰C mit einer Dauer von zwei bis drei Stunden gebrannt. Das gebrannte Material wird dann gebrochen und erneut durch und durch gemischt und bei einer Temperatur von rund 1350⁰C mit einer Dauer von zwei bis vier Stunden erhitzt, um eine gründliche Sinterung der entsprechenden ferroelektrischen Komponenterimaterialien sieherzustellen.

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Nachdem jedes der zwei besonderen Barium-Strontium-Titariat-Jyateme in der beschriebenen Weise gebildet wurden, werden sie in dem zur Erzielung des gewünschten Endresultates erforderlichen Mengenverhältnis miteinander vermählen. Gleichzeitig wird ein geeignetes Glasbindemittel in einer solchen Menge beigegeben, damit dieses 15 % des Volumens der gesamten Zusammensetzung bildet. Die sich ergebende Mischung wird dann durch Naßmahlen in einem Mörser mit Stössel auf die passende Teilchengröße zerrieben und in einem geeigneten Absaugemedium für das spätere Absetzverfahren im Verhältnis 70 % zu JO % dispergiert und erhitzt.

Ein besonderes Verfahren zur Herstellung eines Kondensator aus dem dielektrischen Material gemäß der Erfindung schließt das Absetzen und Erhitzen der unteren Elektrode mittels gebräuchlicher Arbeitsweisen ein, wonach eine Schicht des beschriebenen dielektrischen Materiales auf der unteren Elektrode abgesetzt wird. Diese Kombi-

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nation wird dann 15 Minuten lang bei einer Temperatur von 15O⁰C ge-. trocknet, worauf eine zweite Schicht des dielektrischen Materiales auf die erste Jchicht aufgetragen und dieser Schicht eine halbe Stunde Zeit zum Setzen gegeben und anschließend erneut bei 150⁰C mit einer Dauer von ungefähr 15 Minuten getrocknet wird. Die resultierende Kombination wird dann auf eine Tonerde-Heizplatte gelegt und bei 1000⁰C für annähernd zwei Stunden gebrannt, worauf sie aus dem Brennofen genommen und durch das Einlegen in einen großen Aluminiumblock * gekühlt wird. Hierauf wird das obere Elektrodenmaterial durch ein gebräuchliches Verfahren auf dem dielektrischen Material abgesetzt.

Der Kondensator 10 (Fig. 5) wird durch die Aufbringung der ersten Elektrode 12 auf ein Trägerelement 11 gebildet, wonach Schichten aus verschiedenen ferroelektri'schen Materialien, wie die Schichten 15 und 14, nacheinander mittels bekannter Siebdruckverfahren aufge-. bracht werden. Die Anzahl der verwendeten Schichten, oder genaue!* die Anzahl der verschiedenen verwendeten ferroelektrischen Materik alien hängt ab von dem erwünschten Endresultat, wie im folgenden ausführlicher beschrieben ist. Um die Struktur zu vervollständigen, wird die zweite Elektrode 15 auf das dielektrische Material aufge-^ bracht unter Anwendung bekannter Elektrodentechniken. Bei der Herstellung der. Struktur ist es besser, jede Schicht des dielektrischen Materiales in Übereinstimmung mit dem Verfahren zu brennen, um die Diffusion des Materiales einer Schicht· in das Material der benachbarten Schichten zu verringern. Selbst mit dieser Sicherheits-

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maßnahme wird ein bestimmtes Maß an Diffusion auftreten, wie aus dem Querschnitt 16 hervorgeht.

B¹Ig. β zeigt die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten für die gesamte otruktur, wie oben beschrieben, sowie die Temper at urabhängigke it der verschiedenen Schichten der entsprechenden, darin verwendeten dielektrischen Materialien. Kurve Λ der Pig· 6 zeigt die dielektrische Konstante als eine Funktion der Temperatur eines Bariumtitanat-Strontiumtitanats-Systems, welches 7^ Gewichts-Prozent Bariumtitanat enthält, und Kurve B stellt ein ähnliches System mit 88 Gewichtsprozent Bariumtitanat dar. Ha wurde festgestellt, daß beide Systeme in starkem Maße temperaturabhängig sind; das Material.der Kurve A hat eine optimale Dielektrizitätskonstante an seinem Curie-Punkt bei ca. 25 C, während das Material der Kurve B seine optimale Dielektrizitätskonstante bei seinem Curie-Punkt bei 75 C hat. Werden diese zwei Titanat-Systeme in voneinander getrennten Schichten verwendet, wie in Fig. 1 gezeigt, so ist die Dielektrizitätskonstante der gesamten Struktur die von Kurve G in Fig. 6 dargestellte, die annähernd temperaturunabhängig ist innerllfclb einem Bereich von 25° - 75°C. Obwohl die Gesamt-Dielektrizitätskonstante sinkt, wenn die Temperatur des Kondensatorsmit einer solchen Struktur unter 25⁰C oder über 75°C fällt, kann ein solches Sinken korrigiert werden durch die Verwendung eines dritten ferroelektrischen Materlales mit einer Curie-Temperatur innerhalb der besonderen Temperaturspanne, in der die Gesamt-Dielektrizitätskon-

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.stante erhöht werden soll. Die Form der Kurve C kann ebenfalls verändert werden durch Veränderung der Mengen der benutzten Bariumtitanats-Strontiumtitanat-Systeme. In diesem Sinne ist darauf hinzuweisen, daß die Kurve C eine Gesamt-Dielektrizitätskonstante für eine Struktur darstellt, die gleiche Mengen des 7²J- %-igen Bariumtitanatsystems und des 88 #-lgen Bariumtitanatsystems verwendet, wie es genauer bei der Beschreibung der Herstellungsmethode der Struktur von Fig. 5 erläutert wird.

Um eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 5 herzustellen, wird zuerst die Elektrode 12 auf das Trägerelement 11 aufgebracht mittels bekannter Elektroden-Siebdruckverfahren. Darauf wird die Jehicht 1j5 des ersten ferroelektrischen Materiales aufgebracht und die sich ergebende Struktur bei einer Temperatur von ca. 1350⁰C für ungefähr 10 Minuten gebrannt. Dieser Brennvorgang sintert die Partikel dieses er- · sten ferroelektrischen Materiales zusammen und vertreibt das Absaugmedium, das beim Siebdruckverfahren verwendet wurde. Nach dem Brennverfahren für die erste Schicht wird auf die erste Schicht die zweite Schicht eines anderen ferroelektrischen Materiales aufgebracht und

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bei ungefähr 1JOO⁰C während ungefähr* 10 Minuten gebrannt. Während des zweiten Brennvorganges tritt ein bestimmtesMaß an Diffusion der Partikel des Materiales auf, die die zweite Schicht über die Zwischenfläche und die zuvor gesinterte erste Schicht bilden, und auf diese Weise wird die Grenze zwischen den verschiedenen Schichten in Form einer Zone auftreten wie das Feld 16 In Fig. 5# das die Eigen-

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schaft eines gesinterten ferroelektrischen Material.es. aufweist, die sich unterscheidet von der des Materiales der ersten und zweiten Schicht. Um die Zone 16 zu reduzieren, wird die zweite Schicht des ferroelektrischen Materiales bei einer etwas niedrigeren Temperatur gebrannt als die erste Schicht, obgleich beide Schichten innerhalb der Sintertemperaturspanne für Bariumtitanatsysteme gebrannt werden. Aus zu diesem Zweck werden die Brennvorgänge nur für ungefähr 10 Minuten ausgeführt, während bei einem Standard-Bariumtitanatsystem das Brennen über eine Zeitspanne bis zu einer Stunde aus- | gedehnt wird. Nachdem das gesamte dielektrische Material so gebildet wurde, wird die zweite Elektrode 15 nach konventioneller Elektrodentechnik angebracht. Die sich ergebende Dicke der verschiedenen Schichten der einzelnen ferroelektrischen Materialien war in dem oben beschriebenen Vorgang dieselbe, wird jedoch gewünscht, die Menge von einem der obengenannten Materialien, wie oben beschrieben, zu erhöhen, so kann dies erreicht werden durch Erhöhung der Schichtstärken des betreffenden Materiales.

Es ist zu -erkennen, daß die vorher beschriebeilen Verfahren zur Herstellung jedes dielektrischen Materiales einschließlich der Kombination von zwei oder mehreren Barium-Strontium-Titanat-Systemen benutzt werden können. Falls die Verwendung anderer dielektrischer Materialien statt der besonderen Barium-Strontium-Tltanat-Systeme gewünscht ißt, liegt es im Rahmen fachmännischen Könnens, das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend abzuwandeln.

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Die verwendeten Elektroden-Materialien sind nicht besonders kritisch -und sie können Platin, Gold, Silber oder Jede Kombination von Edelmetallen sein, obwohl eine Gold-Platin-Legierung bevorzugt wird.

Das in dem einen Verfahren erforderliche Glasbindematerial kann aus ; Jedem "electrical grade" Glas oder aus glasbildenden Oxiden geformt" werden, z. B. aus Bariumborsilikat, Bleiborsilikat mit geringem Blei gehalt oder aus Wismuttrioxid. Ein solches "electrical grade" Glas erweicht bei einer Temperatur von 80O⁰C bis 900⁰C.

Während bekannt ist, daß die Beimengung von Strontiumtitanat zu Bariumtitanat einen zusammengesetzten Körper ergibt, dessen Curie-Punkt niedriger als der des reinen Barium-Titanates ist, können andere Kompositionen mit ähnlichen Kristallgittern dem Bariumtitanat beigemengt werden, um einen erhöhten Curie-Punkt zu erzielen, falls dies gewünscht wird. Besondere Materialien, die zu diesem Zwecke

benutzt werden können, schließen Bleititanat und Bleicirkonat ein. Um den Einfluß der Beimengung eines olchen Materiales zu Bariumtitanat in Bezug auf den Einfluß der Beimengung von Strontiumtitanat zu Bariumtitanat zu zeigen* wird auf die Fig. 4 Bezug genommen, in der die Temperaturen aufgetragen sind, bei welchen die optimale · Dielektrizitätskonstante (d. h. Curie-Temperatur) erhalten wird für verschiedene Prozentgehalte von Strontiumtitanat und Blei titanat,· die dem Bariumtitanat beigemengt werden. Aus der Fig. 4 ist zu entnehmen, daß eine Vergrößerung der Menge des dem Bariumtitanat beige-

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■ fügten Strontiumtitanat die Curie-Temperatur in einer annähernd linearen Weise erniedrigt, während die Hinzufügung von Bleititanat zum Bariumtitanat die Curie-Temperatur des Systems fast in der gleichen linearen Weise erhöhen.

Es sollte hervorgehoben werden, dai3, wenn ein besonderes ferroelektrisches Material einem anderen beigemengt wird, um eine gesinterte Komposition mit einem bestimmten Curie-Punkt zu erhalten, die beiden Materialien ein gleiches Kristallgitter haben sollten, was für g die verschiedenen vorher erläuterten Materialien und für die Gruppe der sogenannten Perowskiten zutrifft. Hs ist jedoch zu erkennen, daß die vorliegende Erfindung auf die Kombination zweier oder mehrerer ferroelektrischer Materialien in pulverförmiger Form gerichtet ist; dieses Pulver ist vollkommen In einem Glasbinder dispergiert, um die entsprechenden Materialteilchen voneinander zu trennen und eine durch eine hohe dielektrische Konstante gekennzeichnete dielektrische Komposition zu erhalten, welche nicht die besonderen und unerwünschten Eigenschaften solcher ferroelektrischen Materialien, wie eine besondere Curie-Temperatur und eine höchst temperaturabhängige Dielektrizitätskonstante hat.

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Claims

Patentansprüche

1. Dünnschichtkondensator mit einem in vorherbestimmbaren Bereichen temperaturunabhängigen Dielektrikum, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den Elektroden (12, 14, Fig. 1 bzw. 12, 15, Fig. 5) angeordnete Dielektrikum (1;>) mindestens zwei voneinander getrennt gehaltene verschiedene ferroelektrische Materialien, die unterschiedliche Curie-Temperaturen aufweisen, enthält.

2. DUnnschichtkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrika eine einzige Schicht (Fig. 1), die als Bindemittel mindestens 15 Volumenprozente eines Glases oder glasähnlichen Mediums enthält, bilden.

3. Dünnschichtkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrika je eine getrennte Schicht (Fig. 5) bilden und aufeinander geschichtet sind.

4. DUnnschichtkondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der verwendeten ferroelektrischen Materialien aus einer Mischung von Bariunjtitanat und Strontiumtitanat besteht, wobei die Mischungsverhältnisse unterschiedlich sind.

5· DUnnschichtkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der verwendeten ferroelektrischen Materialien aus

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einer Mischung von Bariumtitariat und Bleititanat besteht, wobei die Mischungsverhältnisse unterschiedlich sind.

6* Dünnsehichtkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der verwendeten ferroelektrischeri Materialien aus einer Mischung von Bariumtltanat und Bleicirkonat besteht, wobei die Mischungsverhältnisse unterschiedlich sind,

7. DUnnschichtkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, f daß jedes der verwendeten ferroelektrischen Materialien aus einer Mischung von Karbonaten und Oxiden besteht, wobei die Mischungsverhältnisse unterschiedlich sind.

8. DUnnschichtkondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel Wisrauttrioxid darstellt.

9. Verfahren für die Herstellung der dielektrischen Jchicht nach Anspruch 2, 8 und einem der Ansprüche 4 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß jedes der fcrroelektrischen Materialien getrennt gesintert und geraeinsam mit dem Bindemittel gemahlen und vermengt werden und daß die erhaltene Mischung mit einem geeigneten Absaugrnedlum in einein Verhältnis von 70 zu ^O dispergiert wird, worauf ein Erhitzen erfolgt.

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15U012

10. Verfahren für die Herstellung eines Dünnschichtkondensators nach Anspruch J> und einem der Ansprüche 4 bis 7» dadurch ge-, kennzeichnet, daß auf eine Elektrodenplatte eine erste Schicht eines ferroelektrischen Materiales aufgebracht wird, worauf ein Sintern bei einer Temperatur von etwa 135O⁰C erfolgt, daß hernach die zweite Schicht aufgebracht und bis etwa 1JOO⁰C gesintert wird, worauf die zweite Elektrode abgelagert wird.

11. Verfahren zur Herstellung eines DUnnschichtkondensators nach den Ansprüchen 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Elektrodenplatte das dielektrische Material in Form einer Schicht abgelagert und bei etwa 150⁰C getrocknet wird, worauf eine zweite Schicht desselben dielektrischen Materiales auf die erste Schicht aufgebracht und ebenfalls bei etwa 150⁰C getrocknet wird, daß hierauf ein Brennen bei etwa 1000 C, ein anschließendes Abkühlen und das Ablagern der zweiten Elektrode erfolgt.

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