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Verfahren zur Herstellung von elektrisch hochwertigen, als Kondensatordielektrikum
oder Isolierstoff dienenden Metalloxyden Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Herstellung von als Kondensatordielektrikum oder Isolierstoff dienenden Metalloxyden.
An sich sind verschiedene Metalloxyde auf Grund ihrer teilweise brauchbaren Isoliereigenschaften
für derartige Zwecke bereits verwendet worden. Jedoch stellten sich bei allen Anwendungsfällen
nachteilige Erscheinungen ein, beispielsweise, daß die Verlustwinkel groß waren
oder daß die Isoliereigenschaften der Oxyde infolge halbleitender Stellen sehr schwankten.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Metalloxyde bezüglich
der Beeinflußbarkeit ihrer elektronischen Leitfähigkeit durch Sauerstoff sich verschieden
verhalten. Es hat sich herausgestellt, daß die meisten homogenen leitenden Oxyde
entweder die Eigenschaft haben, ihre Warm- oder Kaltleitfähigkeit mit zunehmendem
Sauerstoffgehalt dauernd zu erhöhen oder dauernd zu erniedrigen. Die ersten werden
mit Oxvdationshalbleiter und die letzten mit Reduktionshaibleiter bezeichnet. Dabei
ist zu beachten, daß die Oxydation oder Reduktion eines Oxydes in dem Intervall,
in welchem Zusammenhang mit der Leitfähigkeit besteht, nie bis zur Bildung einer
neuen Phase, also einer höheren Oxydphase oder der Metallphase fortschreitend zu
denken ist; die Oxydation und Reduktion soll vielmehr nur in einer Veränderung des
relativen
Sauerstoffgehaltes der betreffenden Oxydphase selbst, deren chemische Formel also
nicht verändert wird, bestehen.
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Versuche zeigen, daß ein Teil der Oxyde am schlechtesten leitet, wenn
möglichst wenig Sauerstoff darin ist, der andere, wenn möglichst viel Sauerstoff
darin ist. Darüber hinaus ist aber an einigen Oxydationslialbleitern (Ni0) nachgewiesen,
daß in ihrem sauerstoffreichsten Zustand ein absoluter Überschuß von Sauerstoff
vorhanden ist; auf jede tausendste bis zweitausendste NiO-Gruppe kommt dann ein
überschüssiges Sauerstoffatom. Dagegen zeigen die sauerstoffärmsten Oxvdationshalbleiter
mit aller meßbaren Genauigkeit die stöchiometrische Zusammensetzung. Daraus, daß
bei einem Oxydationshalbleiter eine desto größere Leitfähigkeit vorhanden ist, je
größer der ihm durch die Vorbehandlung eingeimpfte Sauerstoffgehalt ist, und daraus,
daß mit abnehmendem Sauerstoffgehalt noch, nie eine vom Sauerstoffgehalt unabhängige
Grundleitfähigkeit oder gar ein Wiederanstieg der Leitfähigkeit gefunden worden
ist, schließt man für die Erfindung, daß die Leitfähigkeit nur von dem überschüssigen
Sauerstoff herrührt, also verschwindet, wenn der Sauerstoffüberschuß verschwindet.
Da bei den Reduktionshalbleitern das umgekehrte Verhalten beobachtet wird (Verminderung
der Leitfähigkeit bei wachsendem Sauerstoffdruck, Erhöhung bei vermindertem Sauerstoffdruck),
wird man hier als Ursache der Leitfähigkeit solche Einbettung in das Oxydgitter
ansehen, die mit abnehmendem Sauerstoffgehalt an Zahl zunehmen. Da nun der abnehmende
äußere Sauerstoffdruck nach thermodynamischen Gesetzen einem zunehmenden Partialdruck
der metallischen Komponente über dem Oxyd entspricht und man annehmen muß, daß die
Zahl der überschüssig in das Oxyd eingebauten Metallatome zu diesem metallischen
Partialdruck parallel ansteigt und abfällt, wird man für die Reduktionshalbleiter
annehmen, daß ihre Leitfähigkeit nur von einem Metallüberschuß herrührt und verschwindet,
wenn der Metallüberschuß verschwindet.
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In der Tabelle sind die als Oxydations- bzw. Reduktionshalbleiter
nachgewiesenen Oxyde zusammengestellt. Die in Elektrolytgleichrichtern wirksamen
Metalloxyde werden für die Erfindung den Reduktionshalbleitern gleichgesetzt.
Tabelle |
Oxvdationshalbleiter Reduktionshalbleiter |
NiO Zn O |
Co0 CdO |
L? 02 Pb O |
Ba0 |
Ti 02 |
w03 |
_ u o, |
m003 |
Oxyde der Ventilmetalle: |
Al, Ta, Bi, Ce, Nb. |
Wird eine Oxydschicht durch Bildung einer oberflächlichen Oxvdhaut auf ihrem Muttermetall
hergestellt, so schreitet nach einiger Zeit der Bildungsprozeß nur noch sehr langsam
«-eiter fort, und es kann für die Zusammensetzung der Oxydschicht an der Außen-
und Innenseite nahezu thermodynamisches Gleichgewicht mit den betreffenden Nachbarphasen
(Sauerstoff oder Luft außen, Metall innen) angenommen werden. Bei der Abkühlung
der Oxydschicht auf Zimmertemperatur (bei thermischer Oxydation) oder Unterschreitung
der Formierspannung (bei anodischer elektrolytischer Oxydation) bleibt dann dieser
Zustand eingefroren bestehen; die Schichten besitzen außen einen wesentlich höheren
Sauerstoffgehalt als innen. Dadurch ist bedingt, daß jede durch einen Anlaufvorgang
entstandene Schicht eines Oxydations- oder Reduktionshalbleiters eine größenordnungsmäßige
Variation ihrer spezifischen Leitfähigkeit innerhalb der Schicht aufweisen muß,
und zwar müssen die Oxydationshalbleiter die Zone guter Leitfähigkeit außen, die
Reduktionshalbleiter die gute Leitfähigkeit innen haben. In beiden Fällen werden
die bei der betreffenden Temperatur erreichbaren unteren Grenzwerte der spezifischen
Leitfähigkeit, die an sich vielfach zu Isolations- und Kondensatorzwecken ausreichen,
nur in einem ganz kleinen Teil der Schicht, innen oder außen, realisiert; vorgeschaltet
ist eine besser, aber immer noch nicht metallisch leitende Schicht, die den Durchschlag
erleichtert und die Verluste erhöht. Deshalb haben bisher alle Versuche, mit derart
hergestellten Oxy dschichten Kondensatoren oder durchschlagsichere Isolierschichten
herzustellen, kein befriedigendes Ergebnis gehabt. Der Weg, zu besseren Ergebnissen
zu gelangen, ist durch die Erfindung gegeben. Man muß erfindungsgemäß nach der Herstellung
die Oxydschichten, soweit sie Reduktionshalbleiter sind, in ihrer ganzen Tiefe auf
möglichst großen Sauerstoffgehalt bringen. Demgemäß schlägt die Erfindung bei einem
Verfahren zur Herstellung von elektrisch hochwertigen als Mondensatordielektrikum
oder Isolierstoff dienenden Metalloxyden, deren Leitfähigkeit bei sinkendem Sauerstoffgehalt
zunimmt, vor, eine noch halbleitende Stellen enthaltende Metalloxydschicht mittels
Sauerstoff, ins- i besondere unter Erhitzung, zu behandeln, so daß halbleitende
Stellen in der Schicht nichtleitend gemacht werden. Es werden also diejenigen Metalloxyde,
deren Leitfähigkeit bei steigendem Sauerstoffdruck abnimmt, so lange mittels Sauerstoff
behandelt, bis alle i etwaigen halbleitenden Stellen nichtleitend sind.
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Während der Sauerstoffbehandlung, am besten aber auch im kalten Betriebszustand,
dürfen sie daher nicht in Berührwlg mit ihrem Muttermetall stehen, welches in diesem
Zusammenhang als Reduktions- i mittel wirksam wäre.
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Die Herstellung der homogenen sauerstoffreichen Schichten der in Frage
kommenden reduktionshalbleitenden Oxyde kann z. B. durch thermische Durchoxvdation
von Folien ihrer Muttermetalle und nachträgliche Temperung unter Sauerstoffdruck
geschehen.
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Für diese Oxyde ist anzunehmen, daß sie bei konstantem Sauerstoffdruck
ihren Gleichgewichtsgehalt an überschüssigem Metall mit zunehmender Temperatur stark
erhöhen; es ist also eine Temperung bei
möglichst hohem Sauerstoffdruck
und der niedrigsten gemäß der Schichtdicke aus reaktionskinetischen Gründen noch
möglichen Temperatur vorzuschreiben.
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Ein anderes Herstellungsverfahren der sauerstoffreichen, reduktionshalbleitenden
Oxydschicht besteht im Auftragen einer dünnen Schicht des Ausgangsinetalls auf ein
Metall, d«s unter der_ für ciie Oxydation und Temperung in Frage kommenden Bedingungen
von Sauerstoff nicht angegriffen wird, z. B. Silber. Man känn Al, Ta oder ein anderes
Ventilmetall in dünner Schicht auf Silber aufwalzen und dann gemeinsam mit seiner
Unterlage der Sauerstoffbehandlung zur elektrolytischen oder thermischen Oxydation
und Temperung der Schicht unterwerfen. Das Edelmetall kann man seinerseits in dünner
Schicht auf ein etwas unedleres Metall aufbringen, das dann durch die Edelinetallschicht
vor Oxydation geschützt wird. Wählt man die Dicke einer Muttermetallschicht etwas
kleiner, als den Metallgehalt der beabsichtigten Oxydationstemperatur bzw. Formierungsspannung
bilden würde, so wird gegen Ende des Prozesses der eindringende Sauerstoff statt
zur Oxydation weiteren Muttermetalls zur Beseitigung des an der Innenseite im Oxvd
zunächst noch vorhandenen Metallüberschusses verwendet; dabei entsteht schließlich
eine homogene, sauerstoffreiche Schicht.
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Man kann auch das Verfahren so abändern, daß Oxydschichten von Reduktionshalbleitern
dadurch gebildet werden, daß man eine Verbindung des Oxydes mit einem abdissoziierbaren
Radikal, z. B. Ba0 - C02, in dünner Paste auf ein hinreichend edles Metall (Silber,
Nickel, Platin oder deren Legierungen) aufträgt und bei hoher Temperatur langsam
zersetzt. Daran ist eine Temperung bei genügend hohem Sauerstoffdruck anzuschließen.
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Endlich ist auch insbesondere für das ziemlich niedrig schmelzende
Aluminium ein Verfahren brauchbar, bei dem die Oxydhaut zunächst elektrolytisch
oder durch thermische Oxydation bei einer Temperatur unterhalb des Muttermetallschmelzpunktes
hergestellt wird, wonach durch Überschreiten des Schmelzpunktes oder durch Anwendung
von Ätzmitteln das überschüssige Muttermetall entfernt wird und schließlich die
zurückbleibende Oxydhaut in allseitiger Sauerstoffumspülung behandelt wird.
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Bei den beschriebenen Herstellungsverfahren besitzen die sauerstoffreichen
Oxy dschichten nach ihrer Herstellung entweder nur auf einer oder auf keiner Seite
eine Metallelektrode. Das Aufbringen der zweiten bzw. beider Metallelektroden muß
nun in der Weise vor sich gehen, daß dadurch der Sauerstoffgehalt der Schicht nicht
wieder unzulässig erniedrigt wird. Man darf also nicht reduzierend wirkende Stoffe
bzw. Verfahren anwenden, z. B. nicht das Muttermetall oder ein ähnlich unedles Metall
bei höherer Temperatur aufdampfen oder aufspritzen. Verwendbar sind auch Schichten
von Kolloidalgraphit (insbesondere mit Metallfolienhinterlegung zur Verminderung
des Widerstandes) und aufgedampfte Edelmetallschichten. Gegebenenfalls kann durch
Aufrechterhalten eines gewissen Sauerstoffdruckes beim Aufdampfen der Metallschichten
sowie beim Trocknen der Graphitschicht die bei diesen Verfahren sonst noch mögliche
Sauerstoffverarmung noch weiter vermindert werden. Von den sonstigen Verfahren zur
Herstellung von Edelmetallüberzügen auf Isolierstoff sind diejenigen, die mit nicht
reduzierenden Verbindungen und Lösungsmitteln arbeiten, bevorzugt, auch kann man
thermisch zersetzbare Oxyde, z. B. Pb 02, zur Bildung der Belegungen benutzen.
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In Fällen, bei denen z. B. die Kondensatoren zu Glättungszwecken mit
dauernd anodischer Vorspannung gebraucht werden, kommt auch ein Elektrolyt als Gegenelektrode
in Frage. Man hat dann einen Elektrolytkondensator, der sich von dem gewöhnlichen
dadurch unterscheidet, daß seine Oxydschicht einen homogenen hohen Sauerstoffgehalt
hat und deshalb einen bedeutend kleineren Reststrom durchläßt und einen bedeutend
kleineren Verlustwinkel hat. Bei diesem Aufbau ist es möglich, das ganze Sauerstoffbehandlungsverfahren
im fertig zusammengebauten System vorzunehmen; man hat nur statt des gewöhnlichen
Ventilmetalls ein Edelmetall mit hinreichend dünnerVentilmetallschicht in die üblichen
Elektrolytkondensatoren einzusetzen und die Formierungszeit mit möglichst hoher
Spannung (unterhalb Funkenspannung) gegenüber den gewöhnlichen Elektrolytkondensatoren
zu verlängern, bis die Ventilmetallauflage vollständig durchoxydiert und auf ihren
höchsten Sauerstoffgehalt gebracht 'ist.