JP2012518894A - 高密度コンデンサまたは他の顕微鏡的層を有する機械的デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

非常に大きい層数を有する大容量コンデンサを生成する方法。導電および絶縁材料の相互層構造は、真空または不活性ガスチャンバを壊すことなくイオン堆積によって堆積される。平面基板のために、層堆積は、基板の両面上に、そして複数の基板上に、同時に進行してよい。連続堆積は、丸い基板のために用いられてよい。デバイスの内側層は、容量の改良のために原子近接効果を生み出すために、酸化アルミニウムのための約８０〜１４０のオングストロームの、そしてアルミニウムのための約４０〜７０のオングストロームの範囲の顕微鏡的な厚みを有してよい。欠陥は、自己回復作用によって、そして、隔離アイランドの作成によって、適応されてよい。
【選択図】図２

Description

［関連出願］
本願は、２００９年２月２日に発明者クラウス・ボルマンによって出願された米国特許仮出願第６１／１４９，０４１号に関連して、その出願の優先日を主張する。

［発明の技術分野］
本願は、高密度コンデンサおよび、顕微鏡的な層を有する他の機械的デバイスを製造する方法に関する。

［非常に大きなコンデンサの必要性］
エネルギー回収の分野においても、非常に短い時間を通して巨大な量の電力を要求する他のシステムの使用のためにも、非常に高い電流の吸収および分配を行うコンデンサの必要性がある。

高電流の吸収および分配を行うコンデンサの１つの適用は、制動エネルギーをコンデンサに保存するための電気自動車などがある。

［従来技術の製造法］
コンデンサを製造するための従来の１つの一般的技術は、複数の箔層を積み重ねるか、または巻き込むことである。後述するように、この種のコンデンサは、高い強度を有していない。そして、比較的低コストでより強度のあるコンデンサを提供することは、望ましい。

本発明によって製造されるコンデンサは、薄膜層およびその結果としての原子近接効果の理由で、従来のすなわち巻込形コンデンサと比較して、改良された電気の侵入および噴出（ｉｎｒｕｓｈ ａｎｄ ｏｕｔｒｕｓｈ）特性を有する。

［定義］
本明細書において、用語「非常に高い容量コンデンサ」は、数百または数千ファラッドより大きい容量を有するコンデンサを意味する。これらのコンデンサは、何万もの層または何十万もの層を必要とする。そのため、歩留り問題および製造時間は、経済的なデバイスを提供することができるうえで重要な態様である。

本明細書において、用語「容量密度」は、全デバイスボリュームまたは全デバイス重量で割った全デバイス容量を意味する。

本明細書において、用語「機械的デバイス」は、複数の層を有するデバイスを意味する。ここで、少なくともいくつかの層は、原子近接効果が達成される場合、酸化アルミニウムに対して約８０〜１４０オングストローム（１オングストローム＝０．１ｎｍ）の、そしてアルミニウムに対して約４０〜７０オングストロームの範囲の顕微鏡的な厚みを有する。デバイスのより高い動作電圧が所望される用途のために、堆積誘電体のより厚い層を使用する場合は、ボリューム当たりの容量はわずかに減少する。１４０オングストロームの誘電体は、５０ボルト（２５ボルトについて８０オングストロームの厚みの誘電層）を安全に支える。金および他の材料は、他の範囲の層の厚みを有する。層は、スパッタリングによって、あるいは、不活性ガス中または真空中の静電気効果によるそれらの原子または分子のそれ以外の移動によって、堆積されてよい。

本明細書において、用語「真空」は、空にされたチャンバまたは不活性ガスを有するチャンバを指す。本発明の一態様は、空にされたまたは不活性チャンバをリリースおよび再確立することなく、複数の導電および絶縁層を堆積させる能力である。多数の層を生産する間、真空または不活性チャンバを周期的に更新することは望ましくてよいにもかかわらず、すべての層にとってそうすることは一般に必要でない。プロセスが高真空において機能する場合であっても、アルゴンのような不活性ガスは、それが黒鉛、銀、アルミニウム、酸化アルミニウムまたは金に不活性であるが、しかしソースとターゲットとの間の電離を補助するものとして堆積されることができる一貫性（ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ）を改良することができる。そして、ソースは加熱カソードであり、ターゲットは、カソードからの材料が堆積されるアノードである。本発明の一実施形態は、そのように成長するデバイスを変化させまたは扱うことなく、１つのチャンバ内で高密度コンデンサを作成するための堆積プロセスを改良するために、アルゴンまたは他のガスを使用することである。

本明細書において、用語「原子付近」は、原子間または原子層間の距離を指す。「原子近接効果」とは、原子付近に起因する電子軌道の変化のような要因によって生じる、特性の変化を指す。例えば、コンデンサは、対向する層の極端な近接効果から、追加の容量を得てもよい。

本明細書において、用語「自己回復作用」は、短絡によって生じる局部的な溶融を意味する。より洗練された自己回復作用特性は、局部的な溶融がデバイスの定義済みボリュームの範囲内で続けられることができる、隔離「アイランド」を提供するような技術によって、デバイスの内部に設計されることができる。

本明細書において、用語「静電力堆積プロセス」は、成形された原料物質から原子をもぎ取って、原子または分子を基板上に堆積させるために静電力を使用するプロセスを意味する。スパッタリングは、この種の静電力堆積プロセスを使用する１つの例である。

本明細書において、用語「ターンテーブル」は、カソードに対して基板を移動するための任意の機構を意味する。

［実施形態の要約］
本発明は、相応なコストで、非常に高い容量コンデンサを提供するための大量製造方法の４つの実施形態を記述する。

第１実施形態は、任意の形状のコンデンサを提供する。本発明の製造方法は、他の製造方法によって実際的であるよりも、別々の断面形状を可能にする。形状における１つの要因は、電極の形状および電極が通電（ｅｎｅｒｇｉｚｅ）されるシーケンスである。基板は提供されて、基板の上に層が順次構築される。

第２実施形態は、基板の２つの側面に層を加えることによって、製造時間を改善する。

第３実施形態は、丸い断面を有するコンデンサのための連続プロセスを提供する。

第４実施態様は、強い機械的接続を有するコンデンサを記述する。

これらの実施形態の１つの共通の態様は、真空において効率的に層を作るための共通のサブプロセスである。

［非常に高い容量コンデンサ］
数百または数千ファラッドの範囲の非常に高い容量コンデンサは、何万もの層または何十万もの層を必要とする。したがって、プロセスが、デバイスを作るために最少のエネルギー量、取り扱い、材料、および合理的な時間を有するこの種のデバイスを生み出すことができることは、最高である。製造プロセスが、層当たりの極めて高い品質も有するか、または、デバイス設計が、層上の欠陥に関して堅牢であるか、または好ましくは、これらの態様（非常に高い層歩留り、および層上の欠陥の取り扱いへの堅牢な可能性）の両方が、提供されることも、重要である。

［他の機械的デバイス］
しかしながら、本発明は、コンデンサに限られておらず、スパッタリングによって、あるいは、不活性ガス中または真空中の静電気効果によりそれらの原子または分子を移動することによって、堆積することができる任意の材料とともに、本明細書に記述される方法のいずれかを使用して効率的に生み出すことができる、すべての機械的デバイスをカバーする。

他のデバイスの例としては、インダクタおよびトランスが挙げられる。

［原子付近］
本発明は、原子付近の効果を利用する。コンデンサは、対向する層の極端な近接効果から、追加の容量を得る。

１枚の層を作成するための基本の方法は、成形された原料物質から原子をもぎ取って、原子または分子を基板上に堆積させるために静電力を使用することである。

［自己回復作用］
分子サイズの誘電層を穴があくことから保護する１つの方法は、基板で始まり、機械的に強固な端部の層で終わる。しかしながら、本発明の一実施形態の薄膜層は、自己回復作用の特性を有するコンデンサを提供する。層に穴があいた場合、穴のあいたエリアは、過熱して、溶融する。一実施形態において、この自己回復作用の特徴は、層の範囲内で故意にアイランドを生み出すことによって改良される。

［サブプロセス］
図８に示すように以下のステップは、後述する各実施形態に共通のサブプロセスを記述する。

ステップ１０００で、特定の基板１００から始めて、初期導電層２００（形状１）を堆積させる。ステップ１２００で、絶縁誘電層３００（形状１）を堆積させる。ステップ１４００で、導電層２１０（形状３）を堆積させる。ステップ１６００で、絶縁誘電層３１０（形状２）を堆積させる。ステップ１８００で、導電層２２０（形状１）を堆積させる。ステップ１４００〜１８００を繰り返す。

図１４は、本発明の方法から製造されるコンデンサの基板および層の断面図を示す。層の厚みは誇張される。図の意図は、層の相対位置を示すことである。

分子または原子を堆積させるために用いてよい１つの技術は、音楽またはコンピュータＣＤの製造において既知であり、使用されている。この技術は、マグネトロンまたは他の高周波（ＨＦ）ソースを有する原料物質を加熱するステップ、および、ターゲットとソースとの間に、真空中で、原料物質から反対極性の帯電原子または分子を除去するために十分な高電流を生成する電圧を適用するステップ、を含む。この原料物質は、それからターゲットに向けて加速される。加熱は、導電性カソード物質を通して高電流を提供することによって、または温度の良好な制御を許容する他の方法によって、提供されてよい。

図１を参照すると、基板は、形状１の第１の層が、導電性の内側または外側の円周リング、導電Ｌ形状または導電側部に接続するように、導電性ターンテーブル５０上に載置される基板の側部に露出する面の２つの反対側上に導電するように、準備される。

本発明の一態様は、その方法が、非常に多い層数を有する高密度コンデンサ・デバイスを構築するために、実際的なアプローチを提供することである。この速度（最初に非常に薄い層が可能である）を許容するいくつかの要因があり、それで、層当たりの堆積時間は、他のプロセスよりも短くありえる。他の要因は、各層または層ペアのための真空を生み出して、そしてリリースすることが必要でないように、方法が、真空の範囲内で完全に導通されることである。他の要因は、コンデンサが２つの側面から同時に構築されることができて、これにより、製造速度を事実上２倍になることである。

本発明の一態様は、１つの真空チャンバ内において、２つまたは３つの層の連続堆積を得るための能力である。一実施形態において、複数の（３を超える）層の堆積と堆積との間において、基板の取り扱いはない。本発明の一態様は、繰り返し排気処理ステップを必要としない単一の真空チャンバにおいて、デバイスが作成され得ることである。結果として生じるコンデンサが、バッテリまたは電解型コンデンサと比較して、改良された充電および放電特性を有する非電解型であるように、導電性金属および非導電材料の交互層は適用されてよい。

本発明の他の態様は、制御された方法で単一〜複数の原子厚みを有する導電および非導電層を堆積させる能力である。導電および非導電材料の堆積は、同じプロセスチャンバにおいて作成されてよい。

本発明の他の態様は、アルミニウム、金または他の導体も、絶縁物（例えば酸化アルミニウム）も、このような別々のタイプの材料を堆積させるために同じプロセスを使用する能力である。

本発明の他の態様は、箔ベースのコンデンサよりむしろ剛性のあるコンデンサを作成する能力である。本発明において、加えられるすべての層エレメントは、構造そのもののエレメントとして役立ってよい。

本発明の他の態様は、他の材料（例えば、より良好な電流分布のための金またはアルミニウムを交互的に有する、第４の同時堆積としてのより高い表面密度のための黒鉛）を堆積させる能力である。

本発明の他の態様は、従来のまたは巻込形コンデンサよりも高い侵入および噴出電流を有するコンデンサを提供する能力である。

本発明の他の態様は、自己回復作用の可能性を設計する能力である。この特徴は、大容量コンデンサの非常に多い総数の層に起因して、高い実際的な重要性を有する。

本発明の他の態様は、シリコンベースの非電解積層コンデンサと比較して、より低コストの原材料を使用する能力である。

本発明の他の態様は、高い機械的強度、および、連続した方法で作られる高い侵入および噴出電流を許容する高い記憶密度を有する、改良された非電解積層コンデンサの製造を完全に自動化する能力である。

図１は、ターンテーブルおよび基板ホルダの上面図である。 図２は、スパッタリングシステムの例におけるコンポーネントの側面図である。 図３は、複数のカソードの形状を示す。 図４は、基板の２つの側面上に層を作るための製造デバイスの概略図である。 図５は、層の連続製造のための製造デバイスの概略図である。 図６は、アノードに強固な機械的接続ができるようにする基板の例の縦断側面図である。 図７は、丸い横断面を有する基板のための連続製造デバイスの側方斜視図である。 図８は、層を作る共通のサブプロセスを要約するフローチャートである。 図９Ａは、本発明の一実施形態におけるターンテーブル運動を要約するフローチャートである。 図９Ｂは、本発明の一実施形態におけるターンテーブル運動を要約するフローチャートである。 図１０は、１つの製造方法のための最初の処理シーケンスを要約するフローチャートである。 図１１は、１つの製造方法のための連続処理シーケンスを要約するフローチャートである。 図１２Ａは、最終の導電層のための最終の処理シーケンスを要約するフローチャートである。 図１２Ｂは、最終の絶縁層のための最終の処理シーケンスを要約するフローチャートである。 図１３は、連続製造方法における層製造のためのサブ処理シーケンスを要約するフローチャートである。 図１４は、本発明の方法から製造されるコンデンサの基板および層の断面図を示す。

［任意の形状の構造のための方法］
この実施形態は、任意の形状（例えば丸、三角、四角、または任意の自由な抽出された形状）のデバイスを作るために、方法を提供する。任意の形状の１つの利点は、改良された実装密度である。例えば、輸送手段の場合、コンデンサは、乗物、船舶または航空機におけるコンパートメントの形状をとることができる。しかしながら、このように作られるデバイスは、概して壊れやすく、衝撃からの保護を必要とする。このことは、それらが機械的構造の一部として使用されてはならず、いかなる側との衝突の後でも、電気的に実行することを期待されてはならないことを意味する。

任意の形状の他の利点は、部品数を減らす能力である。

図１は、ターンテーブルおよび基板ホルダの上面図である。この例では、基板ホルダは、その実際の位置に関するフィードバックを有する正確なモータ駆動ターンテーブル５０の一部である。シーケンサ６２によって制御されるモータドライバ６０は、４つの層の適用ごとに、ターンテーブルを時計回りに９０°回す。

この例では、ターンテーブル５０は、４つの基板ホルダ５２、５３、５４、５５を支持する。基板ホルダは、第１の被加熱アルミニウムまたは金のカソード形状１、２つの酸化アルミニウムまたは他の誘電体形状２、および第２の被加熱アルミニウムまたは金のカソード形状３、を含む。スライダ５８は、提供される。

図２は、実施形態のスパッタリングシステムにおけるコンポーネントの側面図である。３つのＨＦソースおよび３つのカソードだけがこの図に示されて、そして、第４のエレメントはこの斜視図から隠されることに注意されたい。この例では、４つのマグネトロンまたは他のＨＦソース８０、８１、８２、８３は、提供される。マグネトロンリフトモータ７０は、４つのマグネトロンまたは他のＨＦソースを、カソードと関連して上下させるために提供される。４つのカソード３０、３１、３２、３３は、提供される。これらのカソードは、ＨＦソースからフレキシブル接続によって適用される加熱巻き線を概して有する。加熱巻き線は、カソードの温度を上昇させるために用いられる。ターンテーブル５０は、基板９０によって表わされる基板を支持する。温度センサ６８は、提供される。共通のアノード２０は、提供される。カソードリフト３５、３６、３７、３８とカソードとの間のセラミックカップリング４５、４６、４７、４８は、負に帯電したカソードを切り離すために用いられる。

１００以上の層を有する大容量コンデンサまたは機械的層構造にとって、基板は、温度制御される（主として冷却される）ことが好ましい。冷却する１つの方法は、ターンテーブルに冷却ガスまたは液状パイプを提供することである。

［ターンテーブル］
図９Ａは、後述するように、ターンテーブルの１回転シーケンスにおけるオペレーションをまとめたフローチャートである。

この例は、カソードが回転しないで、基板ホルダを有するターンテーブルが、カソードに関連する位置内に基板を回転させる構成を記述する。カソードに関連して基板を回転させることが一般により便利であるにもかかわらず、基板に関してカソードを回転させることも可能である。「カソードに関して基板の位置を回転させる」プロセスの記述は、回転（カソードまたは基板の）よりはむしろ、並進させる方法に関してと同様に、いずれの構成にも関連する。

ステップ２０００で、ターンテーブルを時計回りにｘ度回転させる。ステップ２１００で、ターンテーブルを反時計回りにｘ度回転させる。ステップ２２００で、ステップ２０００〜２１００のシーケンスを繰り返す。

図９Ｂは、後述するように、ターンテーブルの交互回転シーケンスにおけるオペレーションをまとめたフローチャートである。

ステップ２４００で、ターンテーブルを反時計回りにｘ度回転させる。ステップ２５００で、ターンテーブルを時計回りにｘ度回転させる。ステップ２６００で、ステップ２４００〜２５００のシーケンスを繰り返す。

この例では、最初と最後の層の間、カソードの導電層タイプのみのアプリケーションが、適用されている。

シーケンサ６２は、電圧および電圧適用期間を制御する。

この例では、カソードは、正確なリフト７０に関連して移動している。そしてそれは、カソード３０、３１、３２、３３を加熱するためにＨＦソース８０も担持する。各カソードは、基板に対するその距離を個々に調整することができる、その個々のリフト機構およびコントローラを有する。

圧力センサ６４およびガス・スペクトルアナライザ６６は、気圧および、スパッタリングの間、要求される効果を改良するかまたは妨げてよいアルゴンまたは他の任意のガスの存在、を常に測定するシーケンサに接続される。このデータに応じて、気圧は、シーケンサによって制御されてよい。

［同時基板堆積］
この例では、１つのコンデンサ層は、約０．１〜０．３秒の期間に適用されることができる。この時間は、基板ホルダを、より大きいターンテーブル上および、同時に適用される層数を増加させる数の成形されたカソード上に、二度またはそれ以上の回数置くことによって、大幅に向上することができる。

［初期シーケンス］
この時点で、基板はロードされて、そして、基板ターンテーブルを有する平面およびレベルが確かめられる。初期シーケンスは、図１０にまとめられる。

ステップ３０００で、基板１００から安全な距離に、マグネトロンリフト７０をもたらす。この距離は、後述するように、カソードリフトの最大行程によって決定される。

ステップ３１００で、各カソードリフトを基板と接触するように調整する。個々のカソードが基板に触れる圧力を測定する。そして、圧力が非常に低くほぼ１グラムになるまで、カソードを持ち上げることによって、必要に応じて圧力を減らす。基準点を決定するのに用いる圧力の量は、基板の誘電体および機械的圧縮特性に応じて変化することができる。そして、誘電体基板の上面と底面との間の距離如何は、基板全体の容量に影響を与える。

任意のステップ３２００で、カソードのいずれもが、完全に延びたカソードリフトを有する基板に接触することができない場合、カソードのうちの少なくとも１つが基板に接触するまで、ステップ３２１０で、マグネトロンリフトを下降させる。それから、ステップ３２２０で、基板に接触する電極を決定して、そして、その基準点をとって、電極をカソードリフトの中間位置７２へ移動させる。そして、すべてのカソードがそれらの基準点セットを有するまで、ステップ３２２０を続ける。

ステップ３３００で、作業距離に到達するまで、マグネトロンリフト７０を基板に向けて動かす。

ステップ３４００で、加熱されるときの各カソードの膨張を考慮しながら、作業距離を修正するために各カソードを個々に調整する。

ステップ３５００で、カソード３０、３２を加熱する。

一旦カソード３０、３２が拡散温度まで加熱されると、ステップ３６００で、電圧を適用して、その時間にわたる電流の流れに応じて、あらかじめ決められた時間（ほぼ０．１〜０．３秒）の間の電流（ほぼ５０マイクロアンペア）にしたがって、カソードの距離を調整する。この時間は、堆積する材料の量の直接的な徴候である。

ステップ３７００で、ターンテーブルを９０°回転させる。デバイスは、連続シーケンスの準備ができている。

［連続シーケンス］
この例において、この時点で少なくとも２枚の基板は、堆積する初期層を有する。後述する連続シーケンスは、コンデンサまたは他のデバイスの大部分の層を提供するために、導電および絶縁層構築のためのプロセスを繰り返す。連続シーケンスは、図１１にまとめられる。

ステップ４０００で、カソード３０、３１、３２、３３を加熱するために、すべてのマグネトロンコントローラ（ＨＦ Ｓｏｕｒｃｅ）の電源をオンする。

一旦カソードが拡散温度に加熱されると、ステップ４１００で、その電圧を適用して、その時間にわたる電流の流れに応じて、あらかじめ決められた時間（ほぼ０．１〜０．３秒）の間カソードを通る電流（ほぼ５０マイクロアンペア）にしたがって、カソードの距離を調整する。この時間は、堆積する材料の量の直接的な徴候である。

ステップ４２００で、マグネトロンコントローラ（ＨＦ Ｓｏｕｒｃｅ）の電源をオフする。

ステップ４３００で、最後の移動の反対方向にターンテーブルを９０°回転させる。より小さいコンデンサにとって、基板キャリア（ターンテーブル）を冷却することによって基板の冷却を保証するのに十分に基板が加熱されない場合、回転は、一方向にのみ９０°可能である。

ステップ４４００で、要求される層数または要求される容量を点検する。必要な層数または必要な容量に達すると、この連続シーケンスを出て、下記のステップ５０００で最終シーケンスを続ける。

［最終シーケンス］
所望の効果に応じて、最終絶縁層または最終導電層のいずれかを有することが典型的である。この最終シーケンスは、その優先傾向にしたがって選択されてよい。

ステップ５０００〜５４００は、最終的な導電表面仕上げのために実行される。

ステップ５０００で、カソード３０、３２を加熱する。

ステップ５１００で、一旦カソードが拡散温度まで加熱されると、その電圧を適用して、堆積する材料の量の直接的な徴候である時間にわたる電流の流れに応じて、あらかじめ決められた時間（ほぼ０．１〜０．５秒）の間カソードの中を流れる電流（ほぼ１５０マイクロアンペア）にしたがって、その距離を調整する。追加の機械的安定度を得るために、材料のより厚い層は、カソードを通る電流を増加させて、時間を増加させることによって、加えられてよい。

ステップ５２００で、最後の移動の反対方向にターンテーブルを９０°回転させる。

ステップ５３００で、ステップ５０００、５１００を繰り返す。

ステップ５４００で、プロセスは終了して、ガスは空にされる。そして、チャンバは、熱いアルミニウムカソードの酸化を防止するために、窒素または他の不活性ガスによって加圧される。金カソードが用いられる場合、空気で加圧することが可能でもよい。

ステップ５５００〜５９００は、最終的な非導電性表面仕上げのために実行される。

ステップ５５００で、カソード３１、３３を加熱する。

一旦カソードが拡散温度まで加熱されると、ステップ５６００で、その電圧を適用して、時間にわたる電流の流れに応じて、あらかじめ決められた時間（ほぼ０．１〜０．５秒）の間カソードの中を流れる電流（ほぼ１５０マイクロアンペア）にしたがって、その距離を調整する。追加の機械的安定度を得るために、材料のより厚い層は、カソードを通る電流を増加させて、時間を増加させることによって、加えられてよい。

ステップ５７００で、最後の回転の反対方向にターンテーブルを９０°回転させる。

ステップ５８００で、ステップ５５００、５６００を繰り返す。

ステップ５９００で、プロセスは終了して、ガスは空にされる。そして、チャンバは、熱いアルミニウムカソードの酸化を防止するために、窒素または他の不活性ガスによって加圧される。

この明細書において、９０°の移動は、一例として４つの基板ホルダを有するターンテーブルのためにある。そして、より多くのまたはより少ない回転が、別々の数の基板ホルダのために使われてよい。本発明は、等しく間隔をあけた角度位置、または任意のランダムな間隔を置かれた位置における、任意の数の基板ホルダをカバーする。等しく間隔をあけた基板ホルダのために、ステップ間の角度回転は、次式で決定される。
３６０°／基板キャリアの数

ランダムな間隔を置かれた基板ホルダのために、各ステップ間の角度移動は、ａ）目下の基板ホルダと、ｂ）次の基板ホルダの位置との間の絶対的な角距離によって、決定される。

本発明はまた、任意の数の追加的なカソードが、追加的な機械的特徴を補償するかまたは生成するために用いられてよい状況もカバーする。

本発明はまた、カソード位置が、コンデンサまたはデバイスの特定の機械的構造を達成するためにスキップされることができるように、プロセスステップへの修正もカバーする。

本発明はまた、本発明は、宇宙または任意の無重力環境において使用されるデバイスもカバーする。

［実施例］
本発明はまた、任意の数のカソードにおいて、同じ装置の範囲内で任意の数の材料の使用もカバーする。

本発明はまた、スパッタされた冷却が可能な材料にもあてはまる。

本発明はまた、実施形態において記述されるよりも別の任意の方法で加熱される材料にも適用されてよい。実施形態は、誘導加熱を記述する。しかし、より小さいカソードを要求するアプリケーションにとっては、カソードを流れる電流は、カソード構造から原子または分子を除去するために、材料を適切な温度にもたらすために用いてよいことが考えられる。

他の実施形態において、カソードは、レーザーによって加熱されてよい。レーザーは、適用材料の分離を達成するために加えられてもよく、または適用材料の形状を生成してもよい。

場合によっては、特定のプロセスが表面をガスで処理することは、必要でもよい。本発明は、パブリックドメインにおける現在の多数の表面操作技術を使用する機械的構造の構築を含む。例えば、１つ以上のガス表面処理ステップは、これらの実施形態において記述されるプロセスステップ間に加えられてよい。

［実施形態の記述−基板の２つの側面上の構造のための方法］
この実施形態は、上述の任意形状の構造のための方法のバリエーションを記述する。

上記の実施形態において記述されるプロセスは、真空近くにおいて機能する。さまざまな実施形態において、プロセスは、基板の両面上の構造を成長させることが可能であるように、いかなる顕著な効果に対しても重力によって影響を受けないか、または、重力のいかなる影響も装置の範囲内で補償される。基板の両面上に層を加えるこの能力は、デバイスまたは多くのデバイスを製造する時間を半分にする。

図４は、基板の２つの側面上の層を作るための製造デバイスの簡略図を示す。

この例では、カソード堆積素子３０Ａ、３１Ａ、３２Ａ、３３Ａの第１のセットは、基板の一側に配置され、そして、カソード堆積素子３０Ｂ、３１Ｂ、３２Ｂ、３３Ｂの第２のセットは、基板の他側に配置される。図４において、一側は基板の上面であり、そして、他側は基板の下面である。この実施形態において、カソード堆積エレメントの第２のセットが基板の底面上に層を堆積するのと同時に、カソード堆積エレメントの第１のセットが基板の表面上に層を堆積するように、初期シーケンス、連続シーケンスおよび最終シーケンスは、同時に導通される。垂直基板のような他の方向が、用いられてよい。

［実施形態の記述−原子付近を利用する構造のための方法］
この実施形態は、連続堆積プロセスを有する層をなした機械的構造を達成して、そして基板の位置決めを除去するプロセスを提供する。この実施形態は、したがって、上述の任意形状の構造のための方法（方法１）の改良である。この実施形態は、線形構造であるデバイスに適している。

この実施形態は、前述の実施形態のように、原子付近の効果を利用する。コンデンサは、対向する層の極端な近接効果から、追加機能を得る。

１枚の層を作成するための基本の方法は、成形された原料物質から原子をもぎ取って、原子または分子を基板上に堆積させるために静電力を使用することである。

基板で始めて機械的に強固な端部の層で終了することは、分子サイズの誘電層を穴があくことから保護するために重要である。しかしながら、コンデンサは、穴があいたエリアが過熱して、容量の損失を伴って酸化する穴の場合は、自己回復作用である特性を有する。

この実施形態のためのサブプロセスは、後述されて、図１３にまとめられる。図５に示すように、基板は、この実施形態の１例において回転される過去のカソードである。

ステップ６０００で、特定の平坦な基板から始めて、カソード３０を活性化して、初期導電層を堆積させ始める。

ステップ６１００で、カソード３０からの堆積する導電層がカソード３１に到達するときに、カソード３１を活性化することによって絶縁誘電層を堆積させ始める。

ステップ６２００で。それから最初の２枚の層がカソード３２に到達するときに、カソード３２を活性化することによって反対側の導電層を堆積させ始める。

ステップ６３００で、層のターゲット数に達するまで、基板の回転数を計数する。または、ターゲット容量に達するまで、容量を測定する。

ステップ６４００で、カソード３０、３２のスイッチを切る。そして、最終的な絶縁誘電層を加えるために、いくつかの回転のための回転および堆積を続ける。

分子または原子を堆積させるために用いる技術は、音楽またはコンピュータＣＤの製造において既知であり、使用されている。一般の方法は、マグネトロンまたは他のＨＦソースを有する原料物質を加熱するステップ、および、ターゲットとソースとの間に、真空近くまたは不活発なガス雰囲気において、原料物質から反対極性の帯電原子または分子を除去するために十分な高電流を生成する電圧を適用するステップ、を含む。この原料物質は、それからターゲットに向けて加速される。

基板は、形状１の第１の層が、導電性の内側または外側の円周リング、導電Ｌ形状または導電側部に接続するように、導電性ターンテーブル１ａ上に載置される基板の側部に露出する面の２つの反対側上に導電するように、準備される。

図５は、層の連続製造のための製造デバイスの概略図である。図５において、カソードに対するアタッチメント９０、９２、９３は、カソード形状の修正を示す。特定の放射エリアは、次の層が等しいレベルであることができるために、堆積するよりも多くの材料を有する。

このように作られるデバイスは、その層の半分が形状の外側に接続されて、かつ、誘電体によって分離された反対側の層が形状の内側に接続された、丸い柱形状になる。

［実施形態の記述−管状または丸い形状の構造のための方法］
この実施形態は、特定のタイプの機械的構造のためのさらなる改良を提供する。図６は、アノードに強固な機械的接続ができるようにする基板の例の縦断側面図である。本実施形態において、基板は、管または固くて丸い材料またはそれらの組み合わせであり、強固で機械的に強い接続によって、層をなす構造に作成されることができる。

図７は、丸い断面積を有する基板のための連続製造デバイスの側面の斜視図である。

このプロセスは、別々の電流密度を収容するために、複数の導電カソードを含んでよい。例えば、１つの接続を構築する丸いコンデンサの外周部は、他の接続を構築する内周部よりも小さい電流密度を概して有する。本発明の一実施形態において、少なくとも１つの金カソードおよび少なくとも１つのアルミニウムカソード、または２つ以上の導電材料タイプは、１つの真空チャンバの中で堆積する。

［実施形態の記述−より低コストの材料を使用するための方法］
本発明の他の態様は、シリコンベースの無電解多層コンデンサと比較して、より低コストの原材料を使用する能力である。

［機械的デバイスの構造のための一般的方法］
上記の実施形態は、コンデンサを構築するための方法として記述された。他の実施態様において、インダクタおよびトランスのような他のデバイスは、提供されることができる。

［実施形態の記述−自己回復作用および欠陥分離］
大容量のコンデンサは、２つの挑戦的な歩留り問題を提起する。第１に、高密度コンデンサの断面エリアは、例えば、シリコンウエハ上の半導体デバイスのエリアよりも、概して非常に大きい。半導体製造において、一部のウエハ上の欠陥は、単一のデバイスをスクラップすることに概してつながり、そして、ウエハ上の他のデバイスは確保されることができる。大きな表面積のコンデンサにおいては、欠陥はどこであれ、全デバイスの損失を生じさせ得る。

第２の問題は、高密度コンデンサの層数が何千または何十万まで増加するにつれて、層当たりの少ない欠陥率でさえ、問題を含むということである。

本発明の一態様は、その方法にしたがって製造されるコンデンサが自己回復作用特性を有することである。この自己回復作用特性は、本発明で可能な非常に薄い層によって改良される。この自己回復作用特性は、デバイス設計を通してさらに改良されることができる。

欠陥が存在する場合、それは、デバイスが製造されるまで検出されなくてよいささいな場所である。オペレーションにおいて、目下のものは、欠陥の場所で導体を溶融させる。この種の欠陥は予想されることができる。そして、デバイス構造は、ポケット内の蒸発する材料をとり、そしてプロセスそのものの停止を作ることを許容するプロセスアイランドとともに設計されることができる。１つの実施形態において、このプロセスは、層が電流の侵入または噴出として許容しなければならない最大電流に対して、本質的に各層を溶融（ｆｕｓｅ）させる。何千もの層が不完全な層に電力を供給する場合、不完全な層が溶融することは、ポケット内に蒸発して、破壊的なプロセスを止める。各層は、課題を有するセグメントだけがオフにされるように、個々に溶融するいくつかのセグメントを有することができる。

上述の実施形態は、本発明によれば実現されることができるデバイス、システムおよび方法の２、３を図示する。請求項の範囲は、これらの具体例に限られない。

Claims (20)

1. 顕微鏡的な層をなす機械的デバイスの製造方法であって：
   第１の基板ホルダ、
   導電材料の少なくとも１つのカソード、
   誘電材料の少なくとも１つのカソード、
   前記導電材料の少なくとも１つのカソードおよび前記誘電材料の少なくとも１つのカソードに関して、前記第１の基板ホルダの位置を移動する基板ホルダ機構、
   真空生成器、
   を含む、層製造デバイスを提供する工程；
   第１側部および第２側部を有する第１の基板を、前記第１の基板ホルダ内に配置する工程；
   真空下で、前記基板の前記第１側部上に初期の導電および絶縁層を堆積する工程であって、
   前記基板の前記第１側部上に、真空において、導電材料のカソードを有する第１側部初期導電層を堆積させる工程、
   導電材料の前記カソードと関連して前記基板の位置を回転させる工程、
   前記第１側部初期導電層上に、真空をリリースせずに、誘電材料のカソードを有する第１側部絶縁誘電層を堆積させる工程、
   誘電材料の前記カソードと関連して前記基板の位置を回転させる工程、
   を含む工程；および、
   複数の層のために、以下のステップを繰り返すことによって、初期導電および絶縁層上に、複数の導電および絶縁層を堆積する工程であって、
   真空がリリースされるよりも前に複数の層が堆積されるように、
   前記基板の前記第１側部上に、導電材料のカソードを有する導電層を堆積するステップ、
   導電材料の前記カソードと関連して前記基板の位置を回転させるステップ、
   前記基板の前記第１側部上に、誘電材料のカソードを有する絶縁誘電層を堆積するステップ、
   誘電材料の前記カソードと関連して前記基板の位置を回転させるステップ、
   を含む工程；
   を含む製造方法。
2. 前記基板の前記第１側部上に、最終的な導電および絶縁層を堆積する工程であって、
   前記基板の前記第１側部上に、真空において、導電材料のカソードを有する第１側部の最終的な導電層を堆積する工程、
   導電材料の前記カソードと関連して前記基板の位置を回転させる工程、および、
   前記第１側部の最終的な導電層上に、真空をリリースせずに、誘電材料のカソードを有する第１側部の最終的な絶縁誘電層を堆積する工程、
   を含む工程、
   をさらに含む、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記層製造デバイスは、基板冷却器をさらに含み、
   前記第１の基板は、層堆積後に冷却される、請求項１に記載の製造方法。
4. 前記複数の絶縁層は、約８０〜１４０オングストロームの範囲の厚みを有する酸化アルミニウムである、請求項１に記載の製造方法。
5. 前記複数の導電層は、約４０〜７０オングストロームの範囲の厚みを有するアルミニウムである、請求項４に記載の製造方法。
6. 前記絶縁および導電層は、原子近接効果を呈する、請求項５に記載の製造方法。
7. 前記導電および絶縁層の層数は、１０００を上回る、請求項１に記載の製造方法。
8. 前記導電および絶縁層の層数は、１００，０００を上回る、請求項１に記載の製造方法。
9. 前記複数の導電および絶縁層における隔離アイランドを生み出す工程をさらに含む、請求項１に記載の製造方法。
10. 前記層を堆積させるステップは、マグネトロンまたは他の高周波（ＨＦ）ソースとともに原料物質を加熱する工程、および前記第１の基板と前記ソースとの間に電圧を適用する工程、をさらに含む、請求項１に記載の製造方法。
11. 前記導電および絶縁層の厚みは、前記第１の基板と前記ソースとの間に適用される電圧の量および時間を制御することによって制御される、請求項１に記載の製造方法。
12. 前記第１の基板は、プレーナである、請求項１に記載の製造方法。
13. 前記第１の基板は、円筒状である、請求項１に記載の製造方法。
14. 前記層製造デバイスは、
    複数の基板ホルダ、
    導電材料の複数のカソード、
    誘電材料の複数のカソード、
    導電材料および誘電材料の前記カソードに関して前記複数の基板ホルダの位置を移動する基板ホルダ機構、
    をさらに含み；
    前記複数の基板ホルダにおける各々の基板を配置する工程；
    初期導電および絶縁層を各基板の前記第１側部上に堆積する工程；および、
    導電および絶縁層が２以上の基板上に同時に堆積されるように、基板ごとに、複数の導電および絶縁層上に初期導電および絶縁層を堆積する工程；
    をさらに含む、請求項１に記載の製造方法。
15. 前記導電材料の複数のカソードは、少なくとも１つの金カソードおよび少なくとも１つのアルミニウムカソードを含む、請求項１４に記載の製造方法。
16. 前記導電材料の複数のカソードは、少なくとも１つのグラファイトカソードを含む、請求項１４に記載の製造方法。
17. 前記顕微鏡的な層をなした機械的デバイスは、高密度コンデンサである、請求項１に記載の製造方法。
18. 前記顕微鏡的な層をなした機械的デバイスは、インダクタである、請求項１に記載の製造方法。
19. 前記顕微鏡的な層をなした機械的デバイスは、トランスである、請求項１に記載の製造方法。
20. 前記第１の基板の前記第１側部および前記第２側部上に同時に層を作成する工程をさらに含む請求項１に記載の製造方法であって：
    真空下で、初期導電および絶縁層を前記基板の前記第２側部上に堆積する工程であって、
    前記基板の前記第２側部上に、真空において、導電材料のカソードを有する第２側部の初期導電層を堆積する工程、
    導電材料の前記カソードと関連して前記基板の位置を回転させる工程、
    前記第２側部の初期導電層上に、誘電材料のカソードを有する第２側部の絶縁誘電層を堆積する工程、
    誘電材料の前記カソードと関連して前記基板の位置を回転させる工程、
    を含む工程；および、
    複数の層のために、以下のステップを繰り返すことによって、初期導電および絶縁層上に複数の導電および絶縁層を堆積させる工程であって、
    前記基板の前記第２側部上に、導電材料のカソードを有する導電層を堆積するステップ、
    導電材料の前記カソードと関連して前記基板の位置を回転させるステップ、
    前記基板の前記第２側部上に、誘電材料のカソードを有する絶縁誘電層を堆積するステップ、
    誘電材料の前記カソードと関連して前記基板の位置を回転させるステップ、
    を含む工程；
    を含む製造方法。