DE1639061B1

DE1639061B1 - Verteilte rc schaltung in duennschichtausfuehrung

Info

Publication number: DE1639061B1
Application number: DE19671639061
Authority: DE
Inventors: Walter Worobey
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1966-10-31
Filing date: 1967-10-28
Publication date: 1971-08-26
Also published as: FR1541382A; BE705351A; US3443311A; NL6714773A; MY7400043A; SE318648B; GB1209781A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine verteilte RC-Schaltung in Dünnschichtausführung, enthaltend einen ersten Belag aus einem filmbildenden Metall auf einer Unterlage, eine Oxidschicht des filmbildenden Metalls und einen Gegenbelag, ebenfalls aus einem filmbildenden Metall, wobei eine Schicht aus filmbildendem Material als Widerstandsschicht ausgebildet ist.

Bei einer Schaltung dieser Art ist es bekannt (IEEE Trans, on Parts, Materials and Packaging PMP-I [1965], S. 285 bis 289), die Widerstandsschicht in der ersten Belagschicht zu bilden.

Es sind ferner i?C-Schaltungen bekannt (Wireless World, 65 [1959], S. 545 bis 549), bei denen die Widerstandsschicht unterhalb der dielektrischen und der Kondensatorschichten liegt. Es ist daher unmöglich, die Widerstandsschicht einer Trimm-Anodisierung zu unterwerfen, wenn einmal die beiden anderen Schichten hierauf niedergeschlagen worden sind.

Es ist ferner bekannt (Proc. of the IEEE, 52 [1964], 12, S. 1450 bis 1462), daß normales aufgestäubtes Tantal auf Tantaloxid kein gutes Haftungsvermögen und eine geringe Durchbruchspannung aufweist, so daß dieses für den Gegenbelag weniger in Betracht zu ziehen ist,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verteilte i?C-Schaltung in Dünnschichtausführung zu schaffen, die so beschaffen ist, daß eine präzise Einstellung des Schaltungsverhaltens durch Trimm-Anodisieiung der Schichtwidei stände ermöglicht wird.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Gegenbelag aus einer Tantalschicht niedriger Dichte, nämlich kleiner als 14 g/cm³, und einer Schicht aus dessen Oxid besteht, und als Widerstandsschicht ausgebildet ist.

Die Ausbildung der neuen J?C-Kombination zeigt einen einfachen Weg zur präzisen Justierung des i?C-Produktes durch Tiimm-Anodisierung der Tantalschicht geringer Dichte und ergibt so die gewünschte Resonanzfrequenz. Die hier beschriebenen neuen Konstruktionen erhält man durch Herstellung eines Dünnschichtkondensators nach üblicher Technik, dessen Gegenbelag Tantal geringer Dichte enthält, das mittels kathodischer Zerstäubungstechnik erhalten worden ist. Danach werden konventionelle Photoätzverfahren angewandt, um die gewünschte Ausbildung des Widerstands zu erzeugen.

Die Erfindung wird leichter im Zusammmenhang mit der nachfolgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung und in Verbindung mit den Zeichnungen verständlich sein.

F i g. 1 ist ein Querschnittsbild einer Unterlage mit einer Schicht eines darauf niedergeschlagenen filmbildenden Metalls;

F i g. 2 ist eine perspektivische Ansicht des Körpers der F i g. 1 nach der Erzeugung des gewünschten Musters;

F i g. 3 ist ein Querschnittsbild des Körpers der F i g. 2 nach der Anodisierung;

F i g. 4 ist ein Querschnittsbild des Körpers nach F i g. 3 nach der Abscheidung einer Gegenelektrode und der Erzeugung des gewünschten Musters darin;

F i g. 5 ist ein Querschnittsbild des Körpers der F i g. 4 nach der Trimm-Anodisierung der Oberflächenschicht, und

F i g. 6 ist eine Aufsicht des Körpers nach F i g. 5.

In der F i g. 1 wird eine Unterlage gezeigt, auf der ein Metallmuster gemäß vorliegender Erfindung erzeugt werden soll. Bevorzugte und für diesen Zweck geeignete Unterlagsstoffe sind glasierte Keramika und Gläser.

Der erste Schritt beim Aufbau einer Konstruktion gemäß Erfindung besteht in der Reinigung der Unterlage nach üblichen, in der Technik wohlbekannten Verfahren. Nach dem Reinigungsvorgang wird eine Lage eines schichtbildenden Metalls 12 auf der Unterlage 11 nach irgendeinem üblichen Verfahren wie beispielsweise kathodischem Zerstäuben, Aufdampfen im

ίο Vakuum usw. abgeschieden, wie von L. Holland in »Vakuumabscheidung von Dünnschichten«, J. Wiley & Sons, 1965, beschrieben. Die hier interessierenden schichtbildenden Metalle sind die, deren Oxyde als ausgezeichnete dielektrische Stoffe bekannt sind und umfassen Tantal, Aluminium, Niob, Titan, Zirkon und Hafnium.

Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung hängt die minimale Dicke der auf der Unterlage abgeschiedenen Schicht von zwei Faktoren ab. Der erste ist die Dicke des Metalls, welches während der nachfolgenden Anodisierungsstufe in die Oxydform umgewandelt wird. Der zweite Faktor ist die minimale Dicke an nichtoxydiertem, nach der Anodisierung verbleiben- ύ dem Metall, die für den maximalen Widerstand maßgeblich ist, der in dem Belag aus schichtbildendem Metall tragbar ist. Es wurde festgestellt, daß die bevorzugte minimale Dicke des Metallbelags annähernd 1000 ÄE ist. Es gibt keine Maximalgrenze für diese Dicke, obwohl man wenig Vorteil von einer Erhöhung

über 10 000 ÄE gewinnt.

Nach der Abscheidung wird ein geeignetes Muster in der Schicht 12 nach üblichen Photoätzverfahren hergestellt, wobei sich der perspektivisch in F i g. 2 gezeigte Aufbau ergibt. Vor der Anodisierung der Konstruktion nach F i g. 2 wird ein geeignetes Verfahren eingesetzt, um die Anschlußstelle 13 abzudecken, etwa durch die Anwendung eines Fetts.

Danach wird der Aufbau nach F i g. 2 in einem geeigneten Elektrolyten anodisch behandelt und ergibt so die Bildung einer dielektrischen Oxydschicht 14 auf dem ersten Belag 12. Die Spannung, bei der die Anodisierung durchgeführt wird, ist in erster Linie durch die Spannung bestimmt, bei der das Element arbeiten soll. Geeignete Elektrolyten für diesen Zweck sind Oxal- λ

säure, Zitronensäure usw. Rückätzung und Reanodi- " sierung können danach zwecks Beseitigung von Fehlstellen im dielektrischen Film angewandt werden. Anschließend wird das Fett von der Anschlußstelle 13 entfernt und ergibt so den in F i g. 3 gezeigten Aufbau.

Der nächste Schritt in der Herstellung einer aufgeteilten i?C-Schaltung gemäß Erfindung besteht in der Abscheidung einer Schicht Tantal geringer Dichte auf der Konstruktion nach F i g. 3 .Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird der Ausdruck »Tantal geringer Dichte« als ein Tantal definiert, das eine beträchtlich geringere Dichte als die des stückigen Materials von 16 gem"³ aufweist. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wurde die Verwendung eines Tantals notwendig gefunden, das eine Dichte von weniger als 14 gcm~³ aufweist. Ein Optimum entspricht dem Bereich von 10 bis 12 gcm~³. Es wurde festgestellt, daß Tantal normaler Dichte Strukturen ergibt, die hohe Leckströme und zahlreiche Kurzschlüsse aufweisen. Es wurde die Theorie aufgestellt, daß dies Verhalten durch Schäden verursacht wird, die der dielektrischen Oxydschicht durch das Auftreffen von Tantal-Atomen hoher Energie zugefügt werden. Dementsprechend ist es wichtig, daß die abgeschiedene Tantal-

schicht von geringer Dichte ist, d. h. mit solchen Mitteln erzeugt wird, daß praktisch kein Schaden an der anodischen Oxydschicht auftritt.

Es wurde ferner festgestellt, daß die hier geforderten Tantalschichten geringer Dichte nur durch kathodische Zerstäubungsverfahren unter Verwendung von Zerstäubungsspannungen von 800 bis 2500 Volt und Partialdrücken der Zerstäubungsatmosphäre im Bereich von 10 bis 100 Millitorr erhalten werden können. Abweichungen von den festgestellten äußersten Grenzen erzeugen entweder nicht die gewünschte Glimmentladung oder bewirken die Erzeugung von Tantal normaler Dichte. Für den Fachmann versteht sich, daß neben inerten Gasen, wie Argon, auch reaktionsfähige Gase in der Zerstäubungsreaktion verwendet werden können, wofür Sauerstoff und Stickstoff primäre Beispiele sind. Unmittelbar nach der Abscheidung des Gegenbelags aus Tantal geringer Dichte wird ein Widerstandsmuster 15 (F i g. 4) nach üblichen Photoätztechniken hergestellt und die Anschlüsse 16 abgegrenzt. Danach wird der Körper nach F i g. 4 der Trimm-Anodisierung unterworfen, um die gewünschte Resonanzfrequenz zu erhalten, wobei übliche Anodisierungsverf ahren angewandt werden. Der entstandene Aufbau einschließlich der Oxydschicht 17 wird in F i g. 5 im Querschnitt und in F i g. 6 in der Aufsicht gezeigt. Damit der Fachmann den hier vorgelegten Erfindungsgedanken besser versteht, wird das nachstehende Beispiel als Erläuterung, nicht als Einschränkung gegeben.

Beispiel 1

Ein Objektträger für Mikroskope von 2,5 · 7,6 cm wurde durch Ultraschallwaschungen mit Detergentien und mit kochendem Wasserstoffsuperoxyd gemäß üblichen Verfahren gereinigt. Danach wurde die Unterlage in eine Apparatur zu kathodischer Zerstäubung eingesetzt und eine Tantalschicht von 4000 ÄE Dicke bei 5000 Volt und 300 mA unter Anwendung üblicher Verfahren abgeschieden. Als nächstes wurde die Unterlage den üblichen Photoätztechniken unterworfen, um das gewünschte Muster zu umgrenzen. Anschließend wurde die Tantalschicht in einer 0,01%igen wässerigen Lösung von Zitronensäure anodisiert, wobei ein Gleichstrom von 1 mA cm"² angewandt wurde, bis eine Spannung von 130 Volt erreicht war. In diesem Punkt wurde das Ganze einer Anodisierung von 30 Minuten bei dieser Maximalspannung überlassen.

Nach der Anodisierung wurde das Ganze 5 Sekunden bei 75 Volt in einer 0,01%igen Lösung von Aluminiumchlorid in Methanol zurückgeätzt, um Fehlstellen in der dielektrischen Tantalpentoxydschicht zu beseitigen. Dann wurde das Bauelement 30 Minuten bei der ursprünglichen Anodisierungsspannung reanodisiert. Als nächstes wurde Tantal geringer Dichte auf der anodisierten Schicht mittels kathodischen Zerstäubungsverfahrens bei 1500 Volt und 300 mA bei einem Argondruck von 35 Millitorr niedergeschlagen. Die Zerstäubung wurde 40 Minuten fortgesetzt und ergab so einen Gegenbelag (aus Tantal geringer Dichte) von 1800 ÄE Dicke. Der nächste Schritt bei der Herstellung der integrierten mehrteiligen Schaltung umfaßt die Umgrenzung des Widerstandsmusters einschließlich Zuleitungen in der Gegenbelagsschicht nach üblichen Photoätztechniken, wodurch sich ein Aufbau ähnlich dem in F i g. 4 gezeigten ergibt. Die entstandene Konstruktion zeigte eine Kapazität von 0,10 Mikrofarad cm"², eine Durchbruchspannung in Durchlaßrichtung von 23 Volt, eine Durchlaßspannung in Sperrichtung von 22 Volt (als Durchbruchsspannung wird die Spannung definiert, bei welcher der durchgelassene Strom unter Aufladung des Bauelements mit Volt je Sekunde das Doppelte des ursprünglichen Belastungsstromes erreicht), einem Leckstrom von 1,5 · 10~⁹ Ampere bei 20 Volt und einem Widerstand von 200 000 Ohm.

Die Resonanzfrequenz der Schaltung wurde als nächstes in herkömmlicher Weise als Maß der Ausgangsspannung/Eingangsspannung gegen die Frequenz oder als Maß der Phasendifferenz zwischen Eingang und Ausgang gegen die Frequenz gemessen. Da die Resonanzfrequenz nicht notwendigerweise die bei einer gegebenen Frequenz gewünschte sein wird, kann die Anodisierung des oben aufliegenden Widerstands vollzogen werden, bis die gemessene Resonanzfrequenz der gewünschten gleichkommt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verteilte i?C-Schaltung in Dünnschichtausführung, enthaltend einen ersten Belag aus einem filmbildenden Metall auf einer Unterlage, eine Oxidschicht des filmbildenden Metalls und einen Gegenbelag, ebenfalls aus einem filmbildenden Metall, wobei eine Schicht aus filmbildendem Material als Widerstandsschicht ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenbelag aus einer Tantalschicht (15) niedriger Dichte, nämlich kleiner als 14 g/cm³, und einer Schicht (17) aus dessen Oxid besteht und als Widerstandsschicht ausgebildet ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des Tantals niedriger Dichte im Bereich von 10 bis 12 g/cm³ liegt.

3. Verfahren zur Herstellung der verteilten RC-Schaltung in Dünnschichtausführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Unterlage (11) eine Schicht (12) eines filmbildenden Metalls durch Kondensation niedergeschlagen wird, das filmbildende Metall zur Erzeugung einer anodischen Oxidschicht anodisiert wird, eine Schicht (15) aus Tantal niedriger Dichte, die kleiner ist als 14 g/cm³ auf die anodische Oxidschicht durch kathodisches Zerstäuben bei Spannungen zwischen 800 und 2500 V und Partialdrükken von 10 bis 100 Millitorr des Zerstäubegases niedergeschlagen wird, um eine Gegenbelagschicht (15) auf der anodischen Oxidschicht zu erzeugen, daß ein gewünschtes Widerstandsmuster in der Gegenbelagsschicht durch Entfernen von Teilen derselben erzeugt wird, und daß die Gegenbelag-Widerstands-Schicht zum Erhalt einer Oxidschicht (17) hierauf teilweise oxidiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Tantal niedriger Dichte durch Zerstäuben bei 1500 V und bei einem Argon-Partialdruck von 35 Millitorr niedergeschlagen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen COPV