KR20090031567A - Glass flux assisted sintering of chemical solution deposited thin dielectric films - Google Patents

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이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
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Abstract

A method of making dense dielectrics layers via chemical solution deposition by adding inorganic glass fluxed material to high dielectric constant compositions, depositing the resultant mixture onto a substrate and annealing the substrate at temperatures between the softening point of the inorganic glass flux and the melting point of the substrate. A method of making a capacitor comprising a dense dielectric layer.

Description

화학 용액 증착 박막 유전층을 유리 플럭스 존재하에 소결하는 방법{GLASS FLUX ASSISTED SINTERING OF CHEMICAL SOLUTION DEPOSITED THIN DIELECTRIC FILMS}Chemical solution deposition thin film dielectric layer is sintered in the presence of glass flux {GLASS FLUX ASSISTED SINTERING OF CHEMICAL SOLUTION DEPOSITED THIN DIELECTRIC FILMS}

본 발명은 매립형 커패시터, 구체적으로 박층 유전층을 갖는 커패시터에 관한 것이다.The present invention relates to a buried capacitor, in particular a capacitor having a thin dielectric layer.

인쇄배선반(printed wiring boards, PWB)에 매립형 커패시터를 실장하면, 회로 크기를 줄일 수 있고 회로 성능을 향상시킬 수 있다. 커패시터는 일반적으로 적층되어 배선 회로에 의해 연결된 패널에 매립되며, 상기 패널 적층체가 인쇄 배선반을 형성한다.Embedded capacitors in printed wiring boards (PWB) can reduce circuit size and improve circuit performance. Capacitors are generally stacked and embedded in panels connected by wiring circuitry, which panel laminate forms a printed wiring board.

박막상 소성(fired-on-foil) 박층(thin-film) 커패시터 기술이 알려져 있다. 보랜드(Borland) 등에게 허여된 미국 특허 제 7,029,971호는 화학 용액 증착(chemical solution deposition, CSD) 박막상 박층 공정을 개시하고 있으며, 여기서는 먼저 얇은 커패시터 유전층 전구체 물질 층을 금속 박막 기재상에, 일반적으로 스핀 코팅법에 의해 증착시킴으로써 박막상 소성 박층 CSD 커패시터를 제조한다. 몇 개의 스핀 코팅된 층들을 이용할 수 있다. 상기 금속 박막 기재는 구리 박막일 수 있으며, 일반적으로 그 두께는 12 내지 36 마이크로미터 범위일 수 있다. 증착된 CSD 박층 커패시터 유전층 물질을 소성 또는 어니일링(annealing) 공 정으로 처리하여 유전층을 결정화시키고, 입자 성장을 증가시킴으로써 유전율을 상승시킨다. 상기 소성 공정은 고온, 예컨대 900℃에서 환원된 산소 대기하에 수행하여 하층의 금속 박막이 산화되는 것을 방지할 수 있다. 소성 공정 이후에, 유전층은 일반적으로 균일한 세라믹 층이 될 것이며, 두께는 약 0.6 마이크로미터일 것이다.Fired-on-foil thin-film capacitor technology is known. U.S. Pat.No. 7,029,971 to Borland et al. Discloses a chemical solution deposition (CSD) thin film thin-film process, wherein a thin capacitor dielectric layer precursor material layer is first deposited on a metal thin film substrate. The thin film calcined thin layer CSD capacitor is manufactured by depositing by spin coating. Several spin coated layers can be used. The metal thin film substrate may be a copper thin film, and generally its thickness may range from 12 to 36 micrometers. The deposited CSD thin film capacitor dielectric layer material is subjected to a calcination or annealing process to crystallize the dielectric layer and increase the dielectric constant by increasing particle growth. The firing process may be performed under a reduced oxygen atmosphere at a high temperature, for example, 900 ° C. to prevent the metal layer of the lower layer from being oxidized. After the firing process, the dielectric layer will generally be a uniform ceramic layer and the thickness will be about 0.6 micrometers.

이어서, 금속 전극을 상기 박막상 소성 박층 세라믹 커패시터 유전층상에 증착시킨다. 전극에 대한 증착법은 여러 가지 증착법중 어느 하나일 수 있다. 스퍼터링(sputtering)이 일반적으로 바람직한 방법이다. 전극을 증착시킨 후에, 박층 커패시터는 높은 커패시턴스(capacitance) 밀도 및 다른 바람직한 특성을 나타낼 수 있다.A metal electrode is then deposited on the thin film calcined thin ceramic capacitor dielectric layer. The deposition method for the electrode may be any one of various deposition methods. Sputtering is generally the preferred method. After depositing the electrode, the thin layer capacitor can exhibit high capacitance density and other desirable properties.

매립형 세라믹 커패시터는, 예를 들면, 높은 커패시턴스 밀도, 허용 가능한 파괴 전압(breakdown voltage), 낮은 유전 손실 및 높은 신뢰성등을 필요로 한다.Embedded ceramic capacitors require, for example, high capacitance densities, allowable breakdown voltages, low dielectric losses and high reliability.

커패시턴스 밀도가 높은 커패시터는, 커패시터에 박층이고 고유전율을 갖는 유전층을 사용함으로써 얻을 수 있다. 높은 신뢰성과 우수한 파괴 전압에 대한 요건은 일반적으로 박층내의 어떠한 공극도 절연되는 100% 밀도에 가까운 높은 수준의 고밀도화이다. 구리 박막상에 증착된 CSD 유전층을 소성하면, 소결이 일어나고 고유전율 물질에 의해 나타나는 고도의 내화성이 공존할 때 "z"축 또는 수직 방향으로의 수축이 제한되므로, 높은 수준의 고밀도화를 얻기가 매우 곤란하다. 900℃에서 소성할 때, 소성된 두께가 총 0.5 내지 1.0 마이크로미터 범위로 제작된 6개 이하의 층들을 갖는 CSD 유전층은, 일반적으로 60-80%의 고밀도화율을 달성하고, 유전층의 나머지는 다공성이 되며, 공극들의 대다수는 서로 연결되어 있다. 신뢰성에 대한 우려 이외에도, 공기의 유전율이 1이기 때문에, 이와 같은 높은 다공도는 유전율의 저하를 초래할 것이다.Capacitors having a high capacitance density can be obtained by using a dielectric layer having a thin layer and a high dielectric constant in the capacitor. The requirement for high reliability and good breakdown voltage is generally a high level of densification close to 100% density, which isolates any voids in the thin layer. Firing a CSD dielectric layer deposited on a copper thin film limits the shrinkage in the "z" axis or in the vertical direction when sintering occurs and the high fire resistance exhibited by the high-k material coexists, resulting in very high levels of densification. It is difficult. When fired at 900 ° C., a CSD dielectric layer having up to six layers with a fired thickness ranging from 0.5 to 1.0 micrometers in total, typically achieves a densification rate of 60-80% and the remainder of the dielectric layer is porous Most of the voids are connected to one another. In addition to concerns about reliability, since the dielectric constant of air is 1, such high porosity will result in a lower dielectric constant.

따라서, 현재 전자 회로 산업 분야에서는 다른 바람직한 특성, 예를 들면 높은 커패시턴스 밀도를 유지함과 동시에 박막상 소성 커패시터의 고밀도 CSD 유전층을 제조해야 한다는 과제가 있다. 보다 높은 고온에서 소성을 하는 것도 높은 수준의 고밀도화를 달성하기 위한 한 가지 방법이 될 수 있으나, 소성 온도가 금속 박막의 융점보다는 더 낮아야 한다. 구리 박막의 경우에, 소성 온도는 약 1050℃보다 낮아야 한다. 따라서, 고밀도 CSD 유전층을 제조한다는 과제를 해결하기 위한 한 가지 수단은 무기 유리 플럭스(flux)를 유전층 전구체 물질에 첨가하여, 유전층의 어니일링 온도를 저하시키는 작용을 하도록 함으로써 박막이 용융되지 않도록 하는 것이다.Therefore, the current field of electronic circuit industry has a problem to manufacture a high-density CSD dielectric layer of a thin film plastic capacitor while maintaining other desirable characteristics, for example high capacitance density. Firing at higher temperatures may be one way to achieve high levels of density, but the firing temperature should be lower than the melting point of the metal thin film. In the case of a copper thin film, the firing temperature should be lower than about 1050 ° C. Therefore, one means to solve the problem of manufacturing a high density CSD dielectric layer is to add an inorganic glass flux to the dielectric layer precursor material, thereby lowering the annealing temperature of the dielectric layer so that the thin film does not melt. .

발명의 개요Summary of the Invention

본 발명은 박막상 소성 커패시터의 고밀도 CSD 유전층을 제조하는 방법에 관한 것이며, 본 발명의 방법은The present invention relates to a method for producing a high density CSD dielectric layer of a thin film plastic capacitor, the method of the present invention

소량의 무기 유리를 고유전율 전구체 물질에 첨가하는 단계;Adding a small amount of inorganic glass to the high dielectric constant precursor material;

금속 박막상에 유전층을 형성하는 단계; 및Forming a dielectric layer on the metal thin film; And

상기 유전층을 상기 유리의 연화점 또는 융점보다 높지만 상기 박막의 융점보다는 더 낮은 온도에서 소성하는 단계를 포함한다.Firing the dielectric layer at a temperature above the softening or melting point of the glass but below the melting point of the thin film.

또한, 본 발명은 이와 같은 고밀도 CSD 유전층을 포함하는 커패시터를 제조하는 방법에 관한 것이다.The invention also relates to a method of manufacturing a capacitor comprising such a high density CSD dielectric layer.

첨부된 도면에 거론된 다양한 형상들은 축척에 따라 정확히 도시한 것은 아니다. 본 발명의 실시양태를 보다 명확하게 나타내기 위해서, 도면중 다양한 형상 및 구성 요소들의 규모를 다소 확대하거나 축소하기도 하였다. 이하에서는 첨부 도면에 의거하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 도면에서 유사한 도면 부호는 유사한 구성 요소를 가리킨다.The various shapes discussed in the accompanying drawings are not drawn to scale. In order to more clearly illustrate embodiments of the present invention, the scales of various shapes and components in the drawings may be somewhat enlarged or reduced. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings indicate like elements.

도 1은 붕산바륨 플럭스로 도우핑된, 고밀도 유전체인 티탄산바륨 전구체 용액의 제조 방법을 도시한 블록 다이아그램이다.FIG. 1 is a block diagram illustrating a method for preparing a high density dielectric barium titanate precursor solution doped with barium borate flux.

도 2는 구리 박막상 고밀도 커패시터의 제조 과정을 도시한 블록 다이아그램이다.2 is a block diagram illustrating a manufacturing process of a high density capacitor on a copper thin film.

도 3은 산화바륨-산화붕소(BaO-B2O3) 상 다이아그램을 도시한 것이며, 상 변화를 관찰하는데 사용된 산화붕소와 붕산바륨 플럭스의 조성 및 100% 산화붕소, 25몰% 산화바륨-75 몰% 산화붕소, 33 몰% 산화바륨-67 몰% 산화붕소, 및 37 몰% 산화바륨-63 몰% 산화붕소에 대한 융점을 보여주는 도면이다.Figure 3 shows a barium oxide-boron oxide (BaO-B 2 O 3 ) phase diagram, the composition of the boron oxide and barium borate flux used to observe the phase change and 100% boron oxide, 25 mol% barium oxide Figure showing melting points for -75 mol% boron oxide, 33 mol% barium oxide-67 mol% boron oxide, and 37 mol% barium oxide-63 mol% boron oxide.

도 4는 유전층에 0, 0.69 및 1.38 몰%로 첨가된 산화붕소 유리 플럭스를 함유하는 티탄산바륨 박층의 유전율 및 유전 손실(loss tangent) 대비 온도의 그래프이다.FIG. 4 is a graph of dielectric constant and loss tangent versus temperature of a thin barium titanate layer containing boron oxide glass flux added at 0, 0.69 and 1.38 mol% to the dielectric layer.

도 5는 유전층에 1.38 몰%로 첨가된 산화붕소 유리 플럭스를 함유하는 구리 박막상 박층 티탄산바륨 커패시터의 상대 유전율 및 손실 계수 대비 전계 강도의 그래프이다.FIG. 5 is a graph of electric field strength vs. relative permittivity and loss factor of a copper thin film thin layered barium titanate capacitor containing boron oxide glass flux added at 1.38 mol% in the dielectric layer.

도 6a 내지 도 6c는 유전층에 0.69, 1.38 및 2.76 몰%로 첨가된 산화붕소를 함유하는, 파열된 구리 박막상 박층 티탄산바륨 커패시터 유전층의 횡단면에 대한 일련의 주사 전자 현미경 사진들이다. 6A-6C are a series of scanning electron micrographs of the cross section of a ruptured copper thin film barium titanate capacitor dielectric layer containing boron oxide added at 0.69, 1.38 and 2.76 mole percent in the dielectric layer.

도 7a 내지 도 7c는 유전층에 0, 1.5 및 3.0 몰%로 첨가된 산화붕소를 함유하는 구리 박막상 박층 티탄산바륨 커패시터 유전층의 횡단면에 대한 일련의 FIB(focused ion beam, 집속 이온빔) 영상들이며, 여기서 유전층은 마커(marker) 700을 사용해서 확인하였다.7A-7C are a series of focused ion beam (FIB) images of a cross-section of a thin copper thin film barium titanate capacitor dielectric layer containing boron oxide added to the dielectric layer at 0, 1.5 and 3.0 mol%, wherein The dielectric layer was identified using marker 700.

도 8은 유전층에 0, 0.5 및 1 몰%로 첨가된 붕산바륨(25 몰% 산화바륨-75 몰% 산화붕소)를 함유하는 티탄산바륨 박층의 유전율 및 유전 손실 대비 온도의 그래프이다.FIG. 8 is a graph of dielectric constant and dielectric loss versus temperature of a barium titanate thin layer containing barium borate (25 mol% barium oxide-75 mol% boron oxide) added at 0, 0.5 and 1 mol% to the dielectric layer.

도 9는 유전층에 1 몰%로 첨가된 붕산바륨(25 몰% 산화바륨-75 몰% 산화붕소)를 함유한 구리 박막상 박층 티탄산바륨 커패시터의 커패시턴스 밀도 및 손실 계수 대비 전계 강도의 그래프이다.FIG. 9 is a graph of electric field strength versus capacitance density and loss factor of a thin copper thin layered barium titanate capacitor containing barium borate (25 mol% barium oxide-75 mol% boron oxide) added to the dielectric layer at 1 mol%.

도 10은 유전층에 0.5, 1.0 및 2.5 몰%로 첨가된 붕산바륨(25 몰% 산화바륨-75 몰% 산화붕소)를 함유하는, 파열된 구리 박막상 박층 티탄산바륨 커패시터 유전층의 횡단면에 대한 일련의 주사 전자 현미경 사진들이다.FIG. 10 is a series of cross sectional views of a ruptured copper thin-film thin barium titanate capacitor dielectric layer containing barium borate (25 mol% barium oxide-75 mol% boron oxide) added to the dielectric layer at 0.5, 1.0, and 2.5 mol%. Scanning electron micrographs.

도 11은 유전층에 0.5, 1.0 및 2.5 몰%로 첨가된 붕산바륨(33 몰% 산화바륨- 67 몰% 산화붕소) 유리 플럭스를 함유하는 구리 박막상 티탄산바륨 박층의 유전울 및 유전 손실 대비 온도의 그래프이다.11 is a plot of dielectric loss and dielectric loss versus temperature of a thin copper thin barium titanate layer containing barium borate (33 mol% barium oxide-67 mol% boron oxide) glass flux added to the dielectric layer at 0.5, 1.0, and 2.5 mol%. It is a graph.

도 12는 0.5, 1.0 및 2.5 몰%로 첨가된 붕산바륨(33 몰% 산화바륨-67 몰% 산화붕소) 유리 플럭스를 함유하는, 파열된 구리 박막상 박층 티탄산바륨 커패시터 유전층의 횡단면에 대한 일련의 주사 전자 현미경 사진들이다.FIG. 12 is a series of cross sectional views of a ruptured copper thin-film thin barium titanate capacitor dielectric layer containing barium borate (33 mol% barium oxide-67 mol% boron oxide) glass flux added at 0.5, 1.0 and 2.5 mol%. Scanning electron micrographs.

도 13은 0, 0.5 및 1 몰%로 첨가된 붕산바륨(37 몰% 산화바륨-63 몰% 산화붕소) 유리 플럭스를 함유하는 티탄산바륨 박층의 유전율 및 유전 손실 대비 온도의 그래프이다.FIG. 13 is a graph of dielectric constant and dielectric loss versus temperature of a barium titanate thin layer containing barium borate (37 mol% barium oxide-63 mol% boron oxide) glass flux added at 0, 0.5 and 1 mol%.

도 14는 0.5, 1.0 및 2.0 몰%로 첨가된 붕산바륨(37 몰% 산화바륨-63 몰% 산화붕소) 유리 플럭스를 함유하는, 파열된 구리 박막상 박층 티탄산바륨 커패시터 유전층의 횡단면에 대한 일련의 주사 전자 현미경 사진들이다.FIG. 14 is a series of cross sectional views of a ruptured copper thin-film thin barium titanate capacitor dielectric layer containing barium borate (37 mol% barium oxide-63 mol% boron oxide) glass flux added at 0.5, 1.0, and 2.0 mol%. Scanning electron micrographs.

도 15는 다양한 산화붕소 함량하의 산화붕소 및 붕산바륨이 박층 티탄산바륨계 층의 입자 크기에 미치는 영향을 도시한 그래프이다.FIG. 15 is a graph illustrating the effects of boron oxide and barium borate under various boron oxide contents on the particle size of a thin barium titanate-based layer.

도 16은 유전층에 0, 2.5 및 5 몰%로 첨가된 산화붕소 유리 플럭스를 함유하는 구리 박막상 박층 바륨 스트론튬 티타네이트(Ba0.65Sr0.35TiO3) 커패시터 유전층에 대한 일련의 FIB 영상들이며, 여기서 상기 유전층은 마커 1600에 의해 확인하였다.FIG. 16 is a series of FIB images of a copper thin film barium strontium titanate (Ba 0.65 Sr 0.35 TiO 3 ) capacitor dielectric layer containing boron oxide glass flux added at 0, 2.5 and 5 mol% to the dielectric layer, wherein The dielectric layer was identified by marker 1600.

도 17 내지 도 20은 유전층에 1.0, 1.5, 2.5 및 5 몰%로 첨가된 타탄산바륨 박층 커패시터에 대한 커패시턴스 밀도 및 유전 손실을 나타낸 그래프이다.17-20 are graphs showing capacitance densities and dielectric losses for barium titanate thin film capacitors added at 1.0, 1.5, 2.5, and 5 mole percent to the dielectric layer.

도 21은 인산바륨의 첨가가 티탄산바륨 박층의 입자 크기에 미치는 영향을 보여주는 그래프이다.21 is a graph showing the effect of the addition of barium phosphate to the particle size of the barium titanate thin layer.

상세한 설명details

본 명세서에서 사용한 용어 "고유전율"은 고유전상수와 동등한 의미를 가지며, 2000보다 큰 값을 의미한다.The term "high dielectric constant" as used herein has the same meaning as the high dielectric constant, it means a value greater than 2000.

본 명세서에서 사용한 "플럭스"라는 용어는 물질 전달 속도를 증가시킴으로써 고밀도화를 촉진하는 유체 물질을 의미한다.As used herein, the term "flux" means a fluid material that promotes densification by increasing the mass transfer rate.

본 명세서에서 사용한 "유리 플럭스" 또는 "무기 유리 플럭스"라는 용어는 어니일링하는 동안에 용융되어 유전층에 대한 플럭스로서 작용하는 유리 조성물을 언급한 것이다.The term "glass flux" or "inorganic glass flux" as used herein refers to a glass composition that melts during annealing and acts as a flux to the dielectric layer.

본 발명은 높은 커패시턴스 밀도를 가지며, 고유전율 전구체 물질에 소량의 무기 유리 플럭스를 첨가함으로써 화학 용액 증착법에 의해 유전층으로서 증착된 고밀도 유전층 조성물을 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 고밀도 유전층 조성물을 포함하는 커패시터의 제조 방법에 관한 것이다. 유전층의 커패시턴스 밀도는 그 유전율을 유전층 두께로 나눈 값에 비례한다. 그러므로, 커패시턴스 밀도가 높은 커패시터는 커패시터에 박층의 고유전율 유전층 조성물을 사용함으로써 얻을 수 있다.The present invention relates to a method for producing a high density dielectric layer composition having a high capacitance density and deposited as a dielectric layer by chemical solution deposition by adding a small amount of inorganic glass flux to a high dielectric constant precursor material. The present invention also relates to a method of manufacturing a capacitor comprising the high density dielectric layer composition. The capacitance density of the dielectric layer is proportional to its permittivity divided by the dielectric layer thickness. Therefore, a capacitor with high capacitance density can be obtained by using a thin high-k dielectric layer composition for the capacitor.

소성 또는 어니일링을 수행하는 동안에, 고유전율 물질은 자체적으로 더 낮은 밀도 유전층을 형성하므로, 소량의 무기 유리 플럭스를 첨가하는 것이 본 발명의 기술적 해결 수단이 된다. 구체적으로, 소량의 무기 유리 플럭스를 첨가하면, 고체상 소결이 아닌 액체상 소결에 의해서 고유전율 물질의 고밀도화가 용이해진 다. 따라서, 유전성 물질은 높은 커패시턴스 밀도를 유지함과 동시에 보다 용이하게 높은 소결 밀도를 달성한다.During firing or annealing, the high dielectric constant material itself forms a lower density dielectric layer, so adding a small amount of inorganic glass flux is a technical solution of the present invention. Specifically, the addition of a small amount of inorganic glass flux facilitates high density of the high dielectric constant material by liquid phase sintering rather than solid phase sintering. Thus, the dielectric material more easily achieves a high sintered density while maintaining a high capacitance density.

소성된 유전층 조성물의 유전율은 조성물이 함유하는 별도의 임의 제 2 상의 함량에 의해 영향을 받는다. 박층으로 형성될 수 있는, 소성된 유전층 조성물의 유전율은 제 2 상의 부피 및 유전율을 알 때 대략적으로 계산이 가능하다. 여러 가지 방정식 또는 분석법을 사용할 수 있다. 그와 같은 분석법의 일례를 들면 하기 수학식 1과 같다:The dielectric constant of the fired dielectric layer composition is affected by the content of any optional second phase that the composition contains. The permittivity of the calcined dielectric layer composition, which may be formed into a thin layer, can be approximately calculated when the volume and permittivity of the second phase are known. Several equations or methods can be used. An example of such an assay is shown in Equation 1 below:

Log DK(comp) = Vf(incl) * Log DK(incl) + Vf(hk mat) * Log DK(hk mat)Log DK (comp) = Vf (incl) * Log DK (incl) + Vf (hk mat) * Log DK (hk mat)

상기 식에서, Log DK(comp)는 형성된 박층의 유전율에 대한 로그값이고;In the above formula, Log DK (comp) is a logarithm of the dielectric constant of the formed thin layer;

Vf(incl)은 제 2 상의 부피 분율이며;Vf (incl) is the volume fraction of the second phase;

Log DK(incl)은 제 2 상의 유전율에 대한 로그값이고;Log DK (incl) is the logarithm of the dielectric constant of the second phase;

VF(hk mat)는 고유전율 물질의 부피 분율이며;VF (hk mat) is the volume fraction of the high dielectric constant material;

Log DK(hk mat)는 고유전율 물질의 유전율에 대한 로그값이다.Log DK (hk mat) is a logarithmic value of the dielectric constant of the high dielectric constant material.

위와 같은 수학적 분석법에서, 상기 제 2 상은 상기 고유전율 물질로부터 구별되는 별개의 상이어야 한다. 이와 같은 제 2 상은 공기 또는 유리일 수 있다. 그러므로, 공기의 유전율은 1 이고 상기 방법에 사용된 유리는 공기의 유전율보다 더 높은 유전율을 가지므로, 공기를 유리 플럭스로 단순히 대체하는 것만으로도, 나머지 조건이 모두 동일하게 유지된다면, 유전층 조성물의 유전율을 상승시킬 수 있다. 그런데, 적절한 유리 플럭스를 소량으로 사용하면 다공도를 현저하게 저하 시킬 수 있으므로, 형성된 박층은 최종 입자 크기와 같은 다른 모든 인자들이 일정하게 유지되는 한, 현저하게 더 높은 유전율을 가질 수 있다.In the above mathematical analysis, the second phase should be a separate phase distinguished from the high dielectric constant material. This second phase can be air or glass. Therefore, the dielectric constant of air is 1 and the glass used in the method has a dielectric constant higher than that of air, so if simply replacing the air with the glass flux, all remaining conditions remain the same, The dielectric constant can be raised. However, the use of small amounts of suitable glass flux can significantly reduce the porosity, so that the formed thin layer can have a significantly higher permittivity as long as all other factors, such as final particle size, remain constant.

고유전율 물질에 대한 한가지 요건은 극성 비-중심대칭 상을 형성한다는 것이다. 이러한 상(일반적으로는 정방정계이지만, 마름모결정계, 사방정계 또는 단사정계일 수도 있음)을 형성하기 위해서는, 일반적으로 유전층내의 최소 결정 입자 크기를 초과하여야 한다. 일반식 ABO3로 표시되는 페로브스카이트(Perovskite)는 이와 같은 결정 규모 요건을 갖추고 있다. 상기 페로브스카이트에는 결정질 티탄산바륨(BT), 납 지르코네이트 티타네이트(PZT), 납 란탄 지르코네이트 티타네이트(PLZT), 납 마그네슘 니오베이트(PMN) 및 바륨 스트론튬 티타네이트(BST)가 포함된다. 예를 들면, 다결정질 BaTiO3계 물질에서, 평균 입자 크기가 0.1 마이크로미터 미만의 범위일때 유전율은 급감한다. 그러므로, 티탄산바륨 평균 입자 크기가 상기 치수를 초과하는 것이 바람직하다. 그러므로, 이러한 구조는 본 발명의 박층 또는 층을 형성하는 고유전율 또는 고유전상수 조성물을 제조하기 위한 원료, 즉, 전구체 물질로서 유용하다.One requirement for high dielectric constant materials is that they form a polar non-centerymmetric phase. To form such a phase (typically tetragonal, but may also be a rhombic, tetragonal or monoclinic), it should generally exceed the minimum crystal grain size in the dielectric layer. Perovskite, represented by the general formula ABO 3 , has this crystal size requirement. The perovskite includes crystalline barium titanate (BT), lead zirconate titanate (PZT), lead lanthanum zirconate titanate (PLZT), lead magnesium niobate (PMN) and barium strontium titanate (BST). Included. For example, in polycrystalline BaTiO 3 -based materials, the dielectric constant drops sharply when the average particle size is in the range of less than 0.1 micrometer. Therefore, it is preferable that the barium titanate average particle size exceed the above dimension. Therefore, such a structure is useful as a raw material, i.e., a precursor material, for producing a high dielectric constant or high dielectric constant composition forming the thin layer or layer of the present invention.

본 발명의 박층 유전층은 고밀도 미세구조를 가지며, 선택된 유리 플럭스에 따라서 플럭스를 사용하지 않은 해당 물질에 비해서 상당히 더 높은 유전 상수 또는 유전율을 나타낼 수 있다. 이러한 박층 유전층은 경제적인 방식으로 6회 이하의 코팅에 의해 증착되며, 약 0.5 내지 1.0 마이크로미터 범위의 강성 소성 두께를 갖고, 소정의 온도 범위에 걸쳐 허용 가능한 커패시턴스 안정성 및 낮은 유전 손실 율을 나타낸다.The thin dielectric layer of the present invention has a high density microstructure and can exhibit significantly higher dielectric constants or permittivity relative to the material in which the flux is not used, depending on the glass flux selected. This thin dielectric layer is deposited by up to six coatings in an economical manner, has a rigid plastic thickness in the range of about 0.5 to 1.0 micrometers, and exhibits acceptable capacitance stability and low dielectric loss rates over a range of temperatures.

적절한 입자 크기를 갖는 결정질 티탄산바륨 및 바륨 스트론튬 티타네이트 막은 높은 유전율을 나타내고 납을 함유하지 않기 때문에, 이들은 커패시턴스 밀도가 매우 높은 소자를 제작할 수 있는 고밀도 유전층을 제조하는데 특히 유용하다. 요컨대, 본 발명의 조성물은 금속 박막상에 형성되는 고밀도 유전층으로서 사용될 수 있다. 이어서, 상기 고밀도 유전층상에 전도층을 형성함으로써, 상기 박막, 고밀도 유전층 및 전도층이 커패시턴스 밀도가 높은 커패시터를 형성하도록 한다. 이러한 커패시터는 고밀도 유전층 미세구조를 가지며, 내층 패널내로 매립할 수 있으며, 이어서 인쇄 배선반에 통합시킬 수 있다. 유전층 전구체 물질에 첨가되는 무기 유리 플럭스의 조성에 따라서, 입자 성장을 극소화시키거나 촉진할 수 있으므로, 플럭스가 첨가되지 않은 상응하는 커패시터에 비해서 유전율이 더 낮거나 높은 커패시터를 제공할 수 있다.Since crystalline barium titanate and barium strontium titanate films with appropriate particle sizes exhibit high dielectric constants and do not contain lead, they are particularly useful for making high density dielectric layers capable of fabricating devices with very high capacitance densities. In short, the composition of the present invention can be used as a high density dielectric layer formed on a thin metal film. Subsequently, by forming a conductive layer on the high density dielectric layer, the thin film, the high density dielectric layer and the conductive layer form a capacitor having a high capacitance density. Such capacitors have a high density dielectric layer microstructure and can be embedded into an innerlayer panel and then integrated into a printed wiring board. Depending on the composition of the inorganic glass flux that is added to the dielectric layer precursor material, the growth of particles can be minimized or promoted, thereby providing capacitors with lower or higher dielectric constants than corresponding capacitors without flux added.

치환체 및 도펀트(dopant) 양이온을 플럭스가 첨가된 고유전율 물질에 첨가하여 유전 특성을 향상시킬 수 있다. 고밀도 유전층 커패시터에 바람직한 특성은 첨가된 도펀트들의 특정한 조합에 좌우될 것이다.Substituents and dopant cations can be added to the flux-added high-k material to improve dielectric properties. Desirable properties for the high density dielectric layer capacitor will depend on the particular combination of dopants added.

소량의 적당한 도펀트는 R2O3 (식중 R은 희토류 양이온, 예컨대 Y, Ho, Dy, La, Eu임)의 바람직한 산화물 화학양론식을 갖는 희토류 양이온을 포함한다. 희토류 도펀트는 형성되는 유전층에서 절연 저항 특성을 향상시킨다.Small amounts of suitable dopants include rare earth cations with the preferred oxide stoichiometry of R 2 O 3 , wherein R is a rare earth cation such as Y, Ho, Dy, La, Eu. Rare earth dopants improve the insulation resistance properties in the dielectric layer formed.

전이 금속 양이온 도펀트, 예컨대 Mn과 Fe를 사용하여 유전층 환원에 대한 내성을 향상시키고 절연 저항 특성을 향상시킬 수도 있다. MO2의 바람직한 산화물 화학양론식을 갖는 기타 전이 금속 양이온, 예를 들면 Zr, Hf, Sn, Ce도 적당한 도펀트 양이온이 될 수 있다. 이러한 전이 금속 양이온은 유전층의 유전율의 온도 의존성을 "핀칭(pinching)", 즉, 온도 공간에서 서로 근접한 BaTiO3의 3개의 상 전이인 이동 과정을 통해서 평탄하게 만든다.Transition metal cation dopants such as Mn and Fe may also be used to improve resistance to dielectric layer reduction and to improve insulation resistance properties. Other transition metal cations with the preferred oxide stoichiometry of MO 2 , for example Zr, Hf, Sn, Ce, may also be suitable dopant cations. These transition metal cations flatten the temperature dependence of the dielectric constant of the dielectric layer through a process of "pinching", ie, three phase transitions of BaTiO 3 in close proximity to each other in the temperature space.

MO (식중, M은 Ca, Sr, Mg와 같은 알칼리토류 금속임)의 바람직한 산화물 화학양론식을 갖는 금속 양이온을 사용하여 유전층 온도 최고치를 보다 낮은 온도로 이동시켜서, 유전층의 온도 의존성 응답 특성을 더욱 평탄하게 만들 수도 있다.A metal cation having a preferred oxide stoichiometry of MO (wherein M is an alkaline earth metal such as Ca, Sr, Mg) is used to shift the dielectric layer maximum to a lower temperature, thereby further enhancing the temperature dependent response characteristics of the dielectric layer. You can even make it flat.

전술한 바와 같은 도펀트, 또는 이들의 혼합물을 플럭스 첨가된 페로브스카이트, 예를 들면 BaTiO3와 함께 다양한 농도로 사용할 수 있다. 바람직한 농도 범위는 최종 제제의 약 0 내지 5 몰%이다.Dopants as described above, or mixtures thereof, may be used in various concentrations with fluxed perovskite, such as BaTiO 3 . Preferred concentration ranges are from about 0 to 5 mole percent of the final formulation.

화학 용액 증착법(CSD)을 사용하여 전술한 방법에 의해 제조된 고밀도 유전층을 형성한다. 왜냐하면, CSD 기법이 간단하고 경제적이어서 바람직하기 때문이다.Chemical solution deposition (CSD) is used to form a high density dielectric layer prepared by the method described above. This is because the CSD technique is desirable because it is simple and economical.

화학 전구체 용액Chemical precursor solution

화학 전구체 용액은 소정의 고유전율 물질에 대한 소정량의 각 성분 뿐만 아니라 다른 목적, 예를 들면 균열 제거를 달성하는데 유용한 첨가제들을 함유한다. 따라서, 소정의 고유전율 물질이 티탄산바륨인 경우에, 화학 전구체 용액은 아세트산바륨과 티타늄 이소프로폭사이드를 포함할 것이다. 가열시, 상기 용액은 초기에 분해되어 매우 미세한 산화바륨 또는 탄산바륨 및 이산화티타늄의 입자들을 형성한다. 차후 가열시, 이들은 함께 반응하여 최종 티탄산바륨 조성물을 형성한다.The chemical precursor solution contains additives useful for achieving a predetermined amount of each component for a given high dielectric constant material as well as other purposes, such as crack removal. Thus, when the predetermined high dielectric constant material is barium titanate, the chemical precursor solution will comprise barium acetate and titanium isopropoxide. Upon heating, the solution initially decomposes to form very fine barium oxide or particles of barium carbonate and titanium dioxide. On subsequent heating, they react together to form the final barium titanate composition.

화학 전구체 용액과 소정의 고유전율 물질간의 관계를 입증하기 위한 일례로서, 티탄산바륨(BaTiO3)을 얻기 위한 화학 조성을 제시하였다. 플럭스를 첨가하지 않은(또는 순수한) BaTiO3는 바람직하게는 다음과 같은 화학물질들을 해당하는 양으로 사용함으로써 제조된다:As an example for demonstrating the relationship between the chemical precursor solution and the predetermined high dielectric constant material, a chemical composition for obtaining barium titanate (BaTiO 3 ) has been presented. BaTiO 3 without flux (or pure) is preferably prepared by using the following chemicals in the corresponding amounts:

아세트산바륨 5.12 그램5.12 grams of barium acetate

티타늄 이소프로폭사이드 5.68 그램5.68 grams of titanium isopropoxide

아세틸아세톤 4.12 밀리리터4.12 milliliters of acetylacetone

아세트산 43.52 밀리리터Acetic acid 43.52 milliliters

아세트산과 아세틸아세톤은 아세트산바륨과 티타늄 이소프로폭사이드에 대한 용해 매체이다.Acetic acid and acetylacetone are dissolution media for barium acetate and titanium isopropoxide.

디에탄올아민(DEA)을 아세트산바륨 중량의 8-12%로 첨가하여 유전층의 균열을 방지할 수 있다. 따라서, 예를 들면 전술한 바와 같은 전구체 용액에 대하여 DEA의 첨가량은 총 0.58 g이 될 수 있다.Diethanolamine (DEA) may be added at 8-12% of the barium acetate weight to prevent cracking of the dielectric layer. Thus, for example, the amount of DEA added to the precursor solution as described above may be 0.58 g in total.

일단 고유전율 물질 티탄산바륨에 대한 소정의 전구체 조성물을 제조한 다음에, 다음과 같은 물질들을 사용하여 전구체 용액에 대해 무기 유리 플럭스를 첨가할 수 있다: 아세트산바륨; 트리에틸보레이트 또는 트리-n-부틸보레이트; 디-2-에틸헥실인산; 및 아세트산.Once the desired precursor composition for the high dielectric constant material barium titanate is prepared, inorganic glass flux can be added to the precursor solution using the following materials: barium acetate; Triethylborate or tri-n-butylborate; Di-2-ethylhexyl phosphoric acid; And acetic acid.

다음에 열거한 화학물질들을 전술한 전구체 용액에 첨가하여 해당하는 양이온을 공급할 수 있다. 예를 들면, Mn을 공급하기 위해 아세트산망간 4수화물을 첨가할 수 있고: Y를 공급하기 위한 아세트산이트륨 수화물을 첨가할 수 있으며; Zr을 공급하기 위해 지르코늄 프로폭사이드를 첨가할 수 있고; Ca를 공급하기 위해 아세트산칼슘 수화물을 첨가할 수 있으며; Sr을 공급하기 위해 아세트산스트론튬 수화물을 첨가할 수 있고; Ho를 공급하기 위해 아세트산홀뮴 수화물을 첨가할 수 있으며; Dy를 공급하기 위해 아세트산디스프로슘 수화물을 첨가할 수 있고; Hf를 공급하기 위해 테트라키스(1-메톡시-2-메틸-3-프로폭시)하프늄을 첨가할 수 있으며; Fe를 공급하기 위해 아세트산철을 첨가할 수 있고; Mg를 공급하기 위해 아세트산마그네슘 4수화물을 첨가할 수 있다.The chemicals listed below may be added to the precursor solution described above to supply the corresponding cations. For example, manganese acetate tetrahydrate can be added to feed Mn: yttrium acetate hydrate to feed Y can be added; Zirconium propoxide can be added to feed Zr; Calcium acetate hydrate can be added to feed Ca; Strontium acetate hydrate can be added to feed Sr; Holmium acetate hydrate can be added to supply Ho; Dysprosium acetate hydrate can be added to supply Dy; Tetrakis (1-methoxy-2-methyl-3-propoxy) hafnium can be added to feed Hf; Iron acetate may be added to feed Fe; Magnesium acetate tetrahydrate can be added to feed Mg.

일반적인 방법Common way

본 발명의 고밀도 유전층을 제조하는 일반적인 방법은, 소성시 플럭스가 첨가되지 않은 고유전율 물질을 생성할 수 있는 특정한 화합물들(앞에서 티탄산바륨에 대해 설명함)의 특정한 화학 전구체 용액을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 화학 전구체 용액에 유리 플러스 물질(및 임의로 도펀트)을 첨가하여 플럭스 첨가된 혼합물을 생성하고, 이 혼합물을 화학 용액 증착법을 통해서 기재, 일반적으로 금속 박막에 증착시킨다. 상기 코팅을 가열하여 일반적으로 어니일링 온도보다 낮은 온도에서 그 건조를 도모할 수 있다. 이어서, 코팅된 기재를 어니일링(즉, 소성)하여 화학 전구체 용액을 결정화하고 소정의 유전층을 생성한다. 본 발명의 방법의 특징은 어니일링 온도가 소정의 범위내에 포함된다는 점, 즉, 어니일링이 유 리 플럭스 첨가물의 연화점보다 높은 온도이되 금속 박막 기재의 융점보다는 낮은 온도 범위에서 일어난다는 점이다.A general method of making the high density dielectric layer of the present invention includes providing a specific chemical precursor solution of certain compounds (described above for barium titanate) that can produce a high dielectric constant material that is free of flux upon firing. do. A glass plus material (and optionally a dopant) is added to the chemical precursor solution to produce a fluxed mixture, which is deposited on a substrate, generally a metal thin film, via chemical solution deposition. The coating can be heated to achieve drying at temperatures generally below the annealing temperature. The coated substrate is then annealed (ie calcined) to crystallize the chemical precursor solution and produce the desired dielectric layer. A feature of the process of the present invention is that the annealing temperature is within a predetermined range, that is, the annealing occurs at a temperature above the softening point of the glass flux additive but at a temperature range below the melting point of the metal thin film substrate.

앞서 거론한 바와 같이, 티탄산바륨(BT), 납 지르코네이트 티타네이트(PZT), 납 란탄 지르코네이트 티타네이트(PLZT), 납 마그네슘 니오베이트(PMN) 및 바륨 스트론튬 티타네이트(BST) 및 이들의 혼합물이 본 발명의 고유전율 또는 고유전상수 층 또는 박층을 제조하는데 유용하다. 더욱이, 결정질 티탄산바륨과 바륨 스트론튬 티타네이트는 특히 유용한 고밀도 유전층을 생성하며, 이러한 고밀도 유전층으로부터 커패시턴스 밀도가 높은 소자를 제작할 수 있다.As discussed earlier, barium titanate (BT), lead zirconate titanate (PZT), lead lanthanum zirconate titanate (PLZT), lead magnesium niobate (PMN) and barium strontium titanate (BST) and these Mixtures of are useful for preparing the high dielectric constant or high dielectric constant layers or thin layers of the invention. Furthermore, crystalline barium titanate and barium strontium titanate produce particularly useful high density dielectric layers, from which high capacitance density devices can be fabricated.

도 1은 본 발명의 방법에 따라 유전층을 제조하는데 사용될 수 있는 전구체 용액의 제조 방법을 도시한 블록 다이아그램이다. 단계 S110에서, 티타늄 이소프로폭사이드를 아세틸아세톤과 예비 혼합한다. 상기 예비 혼합 단계는, 예를 들면, 파이렉스(PYREX®) 용기에서 수행할 수 있다. 단계 S120에서, 아세트산을 아세트산바륨에 첨가하고 실온에서 교반하여 아세트산바륨을 용해시킨다. 단계 S130에서, 아세트산에 용해된 아세트산바륨을 티타늄 이소프로폭사이드와 아세틸아세톤의 혼합물에 첨가하고 교반한다. 단계 S140에서, 디에탄올아민(DEA)을 상기 용액에 첨가하고 교반한다. 단계 S150에서, 소정량의 플럭스 조성물, 이 경우에는, 붕산바륨, 및 소정량의 상기 열거한 화학 물질들중에서 선택된 임의의 도우핑 화학 물질을 용기에 첨가하고, 상기 화학 물질이 용해될 때까지 용액을 교반한다. 이와 같이 하여, 증착용 전구체 용액을 제공한다.1 is a block diagram illustrating a method of preparing a precursor solution that can be used to prepare a dielectric layer in accordance with the method of the present invention. In step S110, titanium isopropoxide is premixed with acetylacetone. The premixing step is, for example, can be carried out in the Pyrex (PYREX ®) vessel. In step S120, acetic acid is added to barium acetate and stirred at room temperature to dissolve barium acetate. In step S130, barium acetate dissolved in acetic acid is added to the mixture of titanium isopropoxide and acetylacetone and stirred. In step S140, diethanolamine (DEA) is added to the solution and stirred. In step S150, a predetermined amount of flux composition, in this case barium borate, and a predetermined amount of any doping chemical selected from the above-listed chemicals are added to the vessel, and the solution is dissolved until the chemical is dissolved. Stir. In this way, a precursor solution for vapor deposition is provided.

증착deposition

도 2는 본 발명에 의해 커패시터를 제조하는 한 방법에 대한 블록 다이아그램이다. 제조된 커패시터의 유전층은 도 1과 관련하여 앞에서 설명한 전구체 용액을 사용해서 제조할 수 있다. 전술한 전구체 용액중의 아세트산, 아세틸아세톤 및 티타늄 이소프로폭사이드 성분들의 변형예를 사용할 수도 있다. 예를 들면 아세트산 일부를 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 아세톤, 부탄올 및 기타 알코올로 대체할 수 있다. 아세틸아세톤 대신에 예를 들면 에탄올아민, 예컨대 3-에탄올아민, 디에탄올아민 또는 모노에탄올아민을 사용할 수 있다. 티타늄 이소프로폭사이드 대신에 티타늄 부톡사이드를 사용할 수 있다.2 is a block diagram of one method of manufacturing a capacitor in accordance with the present invention. The dielectric layer of the prepared capacitor can be prepared using the precursor solution described above with respect to FIG. 1. Modifications of the acetic acid, acetylacetone and titanium isopropoxide components in the precursor solutions described above may be used. For example, some of acetic acid can be replaced with methanol, ethanol, isopropanol, acetone, butanol and other alcohols. Instead of acetylacetone, for example ethanolamines such as 3-ethanolamine, diethanolamine or monoethanolamine can be used. Titanium butoxide may be used instead of titanium isopropoxide.

도 2에 도시된 용액 증착법은 스핀 코팅법이다. 다른 용액 증착법, 예를 들면 딥(dip) 코팅, 슬롯 다이(slot die) 코팅, 그라비아(gravure) 코팅 또는 분무 코팅을 사용해서 전구체 용액을 증착시킬 수도 있다. 도 2에 도시된 방법은 단일의 커패시터의 제조에 관한 것이다. 그러나, 도 2에 도시된 방법을 사용해서 회분식으로 몇 개의 커패시터들을 제조할 수 있다.The solution deposition method shown in FIG. 2 is a spin coating method. Other solution deposition methods, such as dip coating, slot die coating, gravure coating or spray coating, may also be used to deposit the precursor solution. The method shown in FIG. 2 relates to the manufacture of a single capacitor. However, several capacitors can be manufactured batchwise using the method shown in FIG.

단계 S210에서, 금속 박막을 세정한다. 상기 금속 박막은 구리로 제조된 것일 수 있다. 구리 박막은 값이 저렴하고 취급이 용이하기 때문에 바람직하다. 상기 구리 박막은 기재로서 사용되어, 당해 기재상에서 커패시터를 제작하게 된다. 또한, 상기 구리 박막은 최종 커패시터 제품에서 커패시터 "하단" 전극으로도 작용한다. 한 실시양태에서, 상기 기재는 두께가 18 ㎛인 무전해 구리 박막이다. 기타 미처리된 박막, 예를 들면, 1 온즈 구리 박막도 적당하다. 적당한 세정 조건으 로는, 상기 박막을 30초 동안 염산중의 묽은 염화구리 용액에서 에칭하는 것을 들 수 있다. 상기 에칭 용액은 농축된 형태로부터 약 10,000배 희석할 수 있다. 세정 과정에 의해서 과잉량의 산화물 층, 지문 및 기타 박막으로부터 축적된 이물질을 제거한다. 상기 구리 박막을 상업체 또는 다른 공급원으로부터 실질적으로 세정된 상태로 입수하여, 주의 깊게 취급한후 재빨리 사용한다면, 위에서 권장한 세정 과정이 필요하지 않을 수 있다.In step S210, the metal thin film is cleaned. The metal thin film may be made of copper. Copper thin films are preferred because they are inexpensive and easy to handle. The copper thin film is used as a substrate to produce a capacitor on the substrate. The thin copper film also acts as a capacitor "bottom" electrode in the final capacitor product. In one embodiment, the substrate is an electroless copper thin film having a thickness of 18 μm. Other untreated thin films, such as 1 oz copper thin films, are also suitable. Suitable washing conditions include etching the thin film in a dilute copper chloride solution in hydrochloric acid for 30 seconds. The etching solution can be diluted about 10,000 times from the concentrated form. The cleaning process removes accumulated foreign matter from excess oxide layers, fingerprints and other thin films. If the copper thin film is obtained substantially from a commercially available source or other source and is carefully handled and quickly used, the cleaning procedure recommended above may not be necessary.

구리 박막은 유기 첨가제로 처리하지 않는 것이 바람직하다. 경우에 따라 유기 첨가제를 사용하여 에폭시 수지에 대한 금속 기재의 접착력을 증가시키기도 한다. 그러나, 유기 첨가제는 어니일링하는 동안에 유전층을 열화시킬 수 있다.The copper thin film is preferably not treated with an organic additive. In some cases, organic additives may be used to increase the adhesion of the metal substrate to the epoxy resin. However, organic additives can degrade the dielectric layer during annealing.

단계 S220에서, 도 1과 관련하여 전술한 바와 같은 전구체 용액을 구리 박막 기재상에 증착시킨다. 상기 전구체 용액은, 예를 들면, 플라스틱 시린지를 사용해서 부착시킬 수 있다. 상기 전구체 용액을 구리 박막 기재의 드럼 측면(또는 "평활한 측면")상에 증착시킨다.In step S220, a precursor solution as described above with respect to FIG. 1 is deposited on a copper thin film substrate. The precursor solution can be attached, for example, using a plastic syringe. The precursor solution is deposited on the drum side (or “smooth side”) of the copper thin film substrate.

단계 S230에서, 스핀 코팅을 위해 기재를 회전시킨다. 적당한 회전 시간 및 속도는 1분당 3000 회전하에 30초 동안이다. 단계 S240에서, 기재를 열 처리한다. 열 처리는 예를 들면, 5분 내지 10분 동안 250℃의 온도에서 수행할 수 있다. 열 처리를 사용해서 전구체 용액중의 용매를 증발시킴으로써 전구체 용액을 건조시킨다. 열 처리한 후에, 건조된 유전층 전구체의 두께는 약 150 nm이다. 연속하는 회전 단계들을 사용해서 박막 기재를 소정의 두께까지 코팅할 수 있다. 예를 들면, 6회의 회전 단계들을 사용하여 두께가 약 1 ㎛인 최종 건조된 유전층 전구체를 제조할 수 있다.In step S230, the substrate is rotated for spin coating. Suitable rotation times and speeds are for 30 seconds at 3000 revolutions per minute. In step S240, the substrate is heat treated. The heat treatment can be carried out, for example, at a temperature of 250 ° C. for 5 to 10 minutes. The precursor solution is dried by evaporating the solvent in the precursor solution using heat treatment. After heat treatment, the dried dielectric layer precursor is about 150 nm thick. Successive rotating steps can be used to coat the thin film substrate to a predetermined thickness. For example, six rotational steps can be used to produce the final dried dielectric layer precursor having a thickness of about 1 μm.

어니일링Annealing

단계 S250에서는, 코팅된 기재를 어니일링한다. 어니일링에 의해서 먼저 잔류하는 유기물을 제거한 다음, 건조된 유전층 전구체를 결정화시킨다. 어니일링은 고온에서 낮은 산소 분압 환경하에 구리 박막상에 증착된 유전층에 대해 수행할 수 있다. 적합한 전체 압력 환경은 약 1 기압이다. 구리 박막상의 유전층에 대한 적합한 산소 분압은 10-10 내지 10-12 기압이다.In step S250, the coated substrate is annealed. Annealing first removes remaining organics and then crystallizes the dried dielectric layer precursor. Annealing can be performed on dielectric layers deposited on copper thin films under high oxygen partial pressure environments at high temperatures. Suitable total pressure environment is about 1 atmosphere. Suitable oxygen partial pressures for the dielectric layer on the copper thin film are 10 -10 to 10 -12 atmospheres.

단계 S250에서, 낮은 산소 분압은 온도 조절된 수조를 통해 고순도 질소를 발포시킴으로써 달성할 수 있다. 그 밖의 기체의 조합, 예컨대 소량의 수소 함유 합성 가스를 기체 혼합물에 첨가하는 것도 가능하다. 어니일링 온도는 유리 플럭스 첨가물의 연화점보다 높지만 금속 박막 기재의 융점보다는 낮아야 한다. 한 실시양태에서, 구리 박막을 기재로서 사용하고, 산화바륨 25몰%와 산화붕소 75 몰%로 이루어진 조성물 1 몰%를 첨가하여 플럭스로서 사용하고, 요로(furnace) 온도는 약 900℃이며, 산소 분압은 약 10-12 기압이다. 수조는 약 25℃의 온도로 존재할 수 있다. 상기 코팅된 박막 기재를 250℃ 미만의 온도하에 요로내로 삽입함으로써 어니일링을 수행할 수 있다. 이어서, 요로를 약 30℃/분의 속도로 900℃까지 상승시킨다. 요로를 30분 동안 900℃에서 유지시킨다.In step S250, low oxygen partial pressure can be achieved by foaming high purity nitrogen through a temperature controlled water bath. It is also possible to add other gas combinations, such as small amounts of hydrogen containing synthesis gas, to the gas mixture. The annealing temperature should be higher than the softening point of the glass flux additive but below the melting point of the metal thin film substrate. In one embodiment, a thin copper film is used as a substrate, 1 mol% of a composition consisting of 25 mol% of barium oxide and 75 mol% of boron oxide is used as the flux, and the furnace temperature is about 900 ° C, and oxygen the partial pressure of about 10-12 atmospheres. The bath may be present at a temperature of about 25 ° C. Annealing may be performed by inserting the coated thin film substrate into the urinary tract at a temperature below 250 ° C. The urinary tract is then raised to 900 ° C. at a rate of about 30 ° C./min. The urinary tract is kept at 900 ° C. for 30 minutes.

위와 같은 900℃의 어니일링 온도는 구리 박막을 기재로서 사용할 수 있도록 하는 동시에 유리 플럭스를 연화시키고 유동시켜서 유전층을 최대로 고밀도화한다. 또한, 어니일링을 통해서 증착된 유전층을 결정화시킬 수 있다.This annealing temperature of 900 ° C. allows the copper thin film to be used as a substrate while at the same time softening and flowing the glass flux to maximize density of the dielectric layer. In addition, annealing may crystallize the deposited dielectric layer.

또한, 900℃보다 높은 어니일링 온도에서 바람직한 결과를 얻을 수도 있다. 보다 높은 온도, 예를 들면 1200℃를 적절한 대기와 병용하여 금속 기재의 산화를 방지하고, 다양한 유리 플럭스 및 니켈과 같은 다양한 금속 기재의 사용을 도모할 수 있다. 또한, 기재의 화학적 특성이 허락하는한, 어니일링을 공기중에서 환원성 대기 없이 수행할 수도 있다. 상기 기재는 귀금속 박막 또는 세라믹 산화물 조성물을 포함할 수 있다.It is also possible to obtain desirable results at annealing temperatures higher than 900 ° C. Higher temperatures, such as 1200 ° C., may be used in combination with a suitable atmosphere to prevent oxidation of the metal substrate and to facilitate the use of various metal substrates such as various glass fluxes and nickel. In addition, annealing may be performed in air without a reducing atmosphere, as the chemical properties of the substrate permit. The substrate may include a noble metal thin film or a ceramic oxide composition.

일반적으로, 다결정질 BaTiO3계 물질의 유전율은 평균 입자 크기가 0.1 마이크로미터 미만의 범위일때 급감한다. 플럭스 조성물의 선택에 따라서, 일반적으로 유리 플럭스 첨가된 유전층에서 0.1 마이크로미터 내지 0.2 마이크로미터 범위의 평균 입자 크기가 얻어지며, 2500을 넘는 유전율 값을 제공할 수 있다.In general, the dielectric constant of polycrystalline BaTiO 3 -based materials drops sharply when the average particle size is in the range of less than 0.1 micrometer. Depending on the choice of flux composition, an average particle size in the range of 0.1 micrometers to 0.2 micrometers is generally obtained in the glass fluxed dielectric layer, which can provide dielectric constant values above 2500.

입자 크기가 더 클 경우에는 보다 높은 유전율을 얻을 수 있다. 보다 큰 입자 크기는 적절한 조성의 추가의 플럭스를 사용하거나, 보다 높은 어니일링 온도를 사용하거나, 보다 긴 어니일링 시간을 사용하거나, 또는 이들을 병용함으로써 얻을 수 있다. 그러나, 유전층을 가로질러 (즉, 전극들 사이의 박층 폭을 가로질러) 수 개의 입자들이 존재하는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 입자들이 허용 가능한 커패시터의 장기 신뢰성을 제공하기 때문이다. 그러므로, 입자 크기는 유전층에 대한 소정의 두께에 알맞게 조정할 수 있다. 예를 들면, 0.5 내지 1.0 마이크로미터 범위의 유전층 두께인 경우, 평균 입자 크기가 0.1 내지 0.2 마이크로미터일 때 한 전극으로부터 다른 전극까지 대략 5 내지 8개의 입자들이 연장할 수 있다. 일반적으로 유전층을 가로질러 5개 이상의 입자들이 존재하는 것이 허용 가능한 커패시터의 장기 신뢰성 면에서 바람직하다. 보다 두꺼운 유전층, 예컨대 두께가 2 마이크로미터인 유전층의 경우에, 0.2 내지 0.4 마이크로미터 범위의 보다 큰 입자 크기들이 허용될 수 있으며, 이에 따라 보다 높은 유전율을 제공할 수 있다. 0.5 마이크로미터보다 얇은 유전층이 바람직할 경우에는, 입자 성장을 제한하는 적절한 플럭스 조성을 선택하여 보다 작은 입자 크기를 사용할 수 있다.If the particle size is larger, higher permittivity can be obtained. Larger particle sizes can be obtained by using additional flux of appropriate composition, using higher annealing temperatures, using longer annealing times, or using them in combination. However, it is desirable to have several particles across the dielectric layer (i.e. across the thin layer widths between the electrodes) because the particles provide an acceptable long term reliability of the capacitor. Therefore, the particle size can be adjusted to suit the desired thickness for the dielectric layer. For example, with a dielectric layer thickness in the range of 0.5-1.0 micrometers, approximately 5-8 particles may extend from one electrode to another when the average particle size is 0.1-0.2 micrometers. In general, the presence of five or more particles across the dielectric layer is desirable in view of the long term reliability of the acceptable capacitor. In the case of thicker dielectric layers, such as dielectric layers having a thickness of 2 micrometers, larger particle sizes in the range of 0.2 to 0.4 micrometers can be tolerated, thus providing higher permittivity. If a dielectric layer thinner than 0.5 micrometers is desired, smaller particle sizes can be used by selecting an appropriate flux composition that limits particle growth.

전술한 바와 같은 구리 박막상의 유전층에 대한 어니일링 과정에 의하면, 일반적으로 구리 박막을 Cu2O 또는 CuO로 산화시킬 필요가 없다. 산화 반응은 단계 S250에서 어니일링하는 동안에 사용된 높은 처리 온도에 대하여 적절하게 낮은 산소 분압을 선택함으로써 배제된다. 구리 산화를 확실히 배제하고 유전층을 유해하게 환원시키지 않는 산소 분압의 범위는 1X10-9 내지 1X10-14 기압 범위이다. 따라서, 구리 박막을 산화시키는 일 없이 또는 어니일링하는 동안에 유전층을 심각하게 열화시키는 일 없이, 양질의 BaTiO3 또는 기타 고유전율 층을 제조할 수 있다. 다른 금속 박막 및 어니일링 온도를 사용할 경우에는 상이한 기압이 필요할 수 있다. 이러한 기압은 문헌 [F.D. Richardson and J.H.E. Jeffes, J. Iron Steel Inst., 160: 261 (1948)]에 기재된 바와 같은 온도의 함수로서 산화물 형성의 표준 자유 에너지로부터 계산될 수 있다.According to the annealing process for the dielectric layer on the copper thin film as described above, it is generally not necessary to oxidize the copper thin film to Cu 2 O or CuO. The oxidation reaction is excluded by selecting an appropriately low oxygen partial pressure for the high processing temperature used during annealing in step S250. The oxygen partial pressure range that reliably excludes copper oxidation and does not deleteriously reduce the dielectric layer ranges from 1 × 10 −9 to 1 × 10 −14 atmospheres. Thus, a good BaTiO 3 or other high dielectric constant layer can be produced without oxidizing the copper thin film or severely degrading the dielectric layer during annealing. Different air pressures may be required when using different metal thin films and annealing temperatures. This air pressure can be calculated from standard free energy of oxide formation as a function of temperature as described in FD Richardson and JHE Jeffes, J. Iron Steel Inst., 160: 261 (1948).

어니일링 이후After annealing

단계 S260에서, 박막 기재를 냉각시킨다. 냉각 단계는 간단히 요로의 스위치를 끄는 것일 수 있다. 다른 방법으로서, 요로 온도를 특정한 속도로 하강시킬 수도 있다. 요로 온도가 약 450℃에 도달했을 때, 박막 기재를 구리 박막상의 바람직하지 못한 산화 작용의 위험이 없는 상태로 요로로부터 안전하게 제거할 수 있다. 다른 방법으로서, 요로를 실온으로 도달하게 한 다음에, 박막 기재를 요로로부터 제거할 수도 있다.In step S260, the thin film substrate is cooled. The cooling step may simply be switching off the urinary tract. Alternatively, the urinary tract temperature can be lowered at a certain rate. When the urinary tract temperature reaches about 450 ° C., the thin film substrate can be safely removed from the urinary tract without the risk of undesirable oxidation on the copper thin film. Alternatively, the urinary tract may be allowed to reach room temperature and then the thin film substrate may be removed from the urinary tract.

단계 S270에서, 고유전율 유전층 또는 박층을 재산화 공정으로 처리하여 당해 유전층의 절연 저항 특성을 향상시킬 수 있다. 재산화는 450℃에서 대략 10-4 기압의 산소 분압하에 30분간 어니일링하는 것에 해당할 수 있다. 재산화를 예컨대 상기 냉각 단계 S260에 통합시키거나, 또는 냉각 단계 이후에 별도의 단계로서 수행할 수 있다. 적절한 수용체 도펀트를 사용할 경우, 재산화 단계가 필요하지 않을 수 있다. 이와 같은 수용체 도펀트로서는 망간, 마그네슘 등을 들 수 있다.In step S270, the high-k dielectric layer or thin layer may be subjected to a reoxidation process to improve insulation resistance characteristics of the dielectric layer. Reoxidation may correspond to annealing at 450 ° C. for 30 minutes under an oxygen partial pressure of approximately 10 −4 atmospheres. Reoxidation can be integrated, for example, into the cooling step S260, or performed as a separate step after the cooling step. If an appropriate receptor dopant is used, no reoxidation step may be required. Manganese, magnesium, etc. are mentioned as such a receptor dopant.

단계 S280에서, "상단" 전극을 형성된 유전층상에 형성한다. 박막 기재는 상기 방법으로 제조된 커패시터의 하단 전극으로서 작용한다. 상기 상단 전극은, 예컨대, 스퍼터링, 연소 화학 증착, 무전해 도금, 프린팅 또는 다른 적합한 증착 방법에 의해 형성할 수 있다. 한 실시양태에서, 스퍼터링된 백금 전극을 사용한다. 상단 전극용으로 적합한 다른 물질로서는, 니켈, 구리 및 팔라듐을 들 수 있다. 또한, 상단 전극을 도금하여 그 두께를 증가시킬 수도 있다.In step S280, an "top" electrode is formed on the formed dielectric layer. The thin film substrate serves as the bottom electrode of the capacitor manufactured by the above method. The top electrode can be formed by, for example, sputtering, combustion chemical vapor deposition, electroless plating, printing or other suitable deposition method. In one embodiment, sputtered platinum electrodes are used. Other materials suitable for the top electrode include nickel, copper and palladium. It is also possible to increase the thickness by plating the top electrode.

이하에서는 본 발명의 방법에 따라 제조된 유전층 조성물 및 이를 포함하는 커패시터의 유용한 특성을 실시예를 통해 설명하고자 한다. 후술하는 실시에에서, 함량, 농도 또는 다른 값이나 변수가 범위로서, 하나 이상의 바람직한 범위로서, 또는 바람직한 상한치 및 바람직한 하한치의 목록으로서 주어진 경우, 당해 범위 또는 목록은, 구체적으로 임의의 상한치 또는 바람직한 값 및 임의의 하한치 또는 바람직한 값의 임의의 쌍으로부터 형성되는 모든 범위를, 해당하는 쌍을 별도로 기재하였는지의 여부와 무관하게, 나타내는 것임을 알아 두아야 한다.Hereinafter, useful properties of the dielectric layer composition manufactured according to the method of the present invention and a capacitor including the same will be described through examples. In the embodiments described below, where a content, concentration or other value or variable is given as a range, as one or more preferred ranges, or as a list of preferred upper and preferred lower limits, the range or list is specifically any upper or preferred value. And all ranges formed from any lower limit or any pair of desirable values, regardless of whether the corresponding pair is described separately.

실시예 1-3 Example 1-3

티탄산바륨 박층 커패시터를 도 2에 도시된 방법을 사용해서 구리 박막상에서 제조하였다. 전구체 조성물은 적절한 양의 트리에틸보레이트를 티탄산바륨 용액에 첨가함으로써 0, 0.69 및 1.38 몰%의 산화붕소 유리 플럭스 첨가물을 함유하였다. 어니일링은 900℃에서 30분동안, 10-12기압의 산소 분압의 대기하에 수행하였다. 유전층 조성물을 어니일링한 후에 450℃에서 30분 동안 10-4 기압의 산소 분압의 대기하에 재산화시켰다. 그 결과 얻어진 티탄산바륨 박층의 최대 유전율 또는 상대 유전율은 도 4에 도시한 바와 같이 0, 0.69 및 1.38 몰%의 산화붕소 농도하에 각각 대략 1600, 2250, 그리고 3000보다 약간 낮은 값이었다. 산화붕소 플럭스 1.38 몰%를 첨가한 티탄산바륨 박층의 전계 강도 대비 상대 유전율 및 손실 계수를 도 5에 도시하였다. 티탄산바륨 박층의 파열된 샘플에 대한 횡단면 주사 전자 현미경 사진을 도 6a 내지 도 6c에 도시하였다. 산화붕소 플럭스가 티탄산바륨 의 입자 크기에 미치는 영향을 도 15에 도시하였다.A barium titanate thin layer capacitor was fabricated on a thin copper film using the method shown in FIG. The precursor composition contained 0, 0.69 and 1.38 mol% boron oxide glass flux additive by adding the appropriate amount of triethylborate to the barium titanate solution. Annealing was performed at 900 ° C. for 30 minutes under an atmosphere of oxygen partial pressure of 10 −12 atmospheres. The dielectric layer composition was reannealed at 450 ° C. for 30 minutes under an atmosphere of oxygen partial pressure of 10 −4 atmospheres. The maximum or relative permittivity of the resulting barium titanate thin layer was slightly lower than approximately 1600, 2250, and 3000, respectively, at boron oxide concentrations of 0, 0.69, and 1.38 mol%, as shown in FIG. The relative permittivity and loss factor of the electric field strength of the barium titanate thin layer to which 1.38 mol% of boron oxide flux was added are shown in FIG. 5. Cross-sectional scanning electron micrographs of ruptured samples of thin barium titanate layers are shown in FIGS. 6A-6C. The effect of boron oxide flux on the particle size of barium titanate is shown in FIG. 15.

실시예 4-6Example 4-6

도 2에 도시된 방법을 사용하여 구리 박막상에서 티탄산바륨 박층 커패시터를 제조하였다. 조성물은 적절한 양의 트리-n-부틸보레이트를 티탄산바륨 용액에 첨가함으로써 0, 1.5 및 3.0 몰%의 산화붕소 유리 플럭스 첨가물을 함유하였다. 900℃에서 30분 동안 10-12 기압의 산소 분압의 대기하에 어니일링을 수행하였다. 유전층의 횡단면을 만들어서 집속 이온빔(FIB) 영상을 상기 횡단면으로부터 촬영하여 다공도를 관찰하였다. 해당하는 영상들을 도 7a 내지 도 7c에 도시하였으며, 여기서 유전층은 마커 700에 의해 확인한 것이다.A barium titanate thin layer capacitor was fabricated on a copper thin film using the method shown in FIG. The composition contained 0, 1.5 and 3.0 mol% boron oxide glass flux additive by adding the appropriate amount of tri-n-butylborate to the barium titanate solution. Annealing was performed at 900 ° C. for 30 minutes under an atmosphere of oxygen partial pressure of 10 −12 atmospheres. A cross section of the dielectric layer was made and focused ion beam (FIB) images were taken from the cross section to observe porosity. Corresponding images are shown in FIGS. 7A-7C, where the dielectric layer is identified by marker 700.

실시예 7-9Example 7-9

도 2에 도시된 방법을 사용하여 구리 박막상에서 티탄산바륨 박층 커패시터를 제조하였다. 조성물은, 적절한 양의 아세트산바륨과 트리에틸보레이트를 티탄산바륨 용액에 첨가함으로써 0, 0.5 및 1.0 몰%의 붕산바륨(25 몰% 산화바륨-75 몰% 산화붕소) 유리 플럭스 첨가물을 함유하였다. 900℃에서 30분 동안 10-12 기압의 산소 분압의 대기하에 어니일링을 수행하였다. 유전층을 어니일링한 후에 450℃에서 30분 동안 10-4 기압의 산소 분압하에 재산화시켰다. 그 결과 얻어진 순수한 티탄산바륨 및 붕산바륨 플럭스가 첨가된 티탄산바륨 박층의 최대 유전율 또는 상대 유전율은, 도 8에 도시한 바와 같이, 0 몰%, 0.5 몰% 및 1.0 몰%의 붕산바륨(25 몰% 산화바륨-75 몰% 산화붕소) 유리 플럭스 첨가물에 대하여 각각 대략 1500, 2400, 및 대략 3000이었다. 1.0 몰%의 붕산바륨(25 몰% 산화바륨-75 몰% 산화붕소) 유리 플럭스 첨가물을 함유하는 티탄산바륨 박층의 상대 유전율 및 손실 계수 대비 전계 강도를 도 9에 도시하였다. 티탄산바륨 박층의 파열된 샘플에 대한 횡단면 주사 전자 현미경 사진을 도 10a 내지 도 10c에 도시하였다. 상기 플럭스가 티탄산바륨의 입자 크기에 미치는 영향을 도 15에 도시하였다.A barium titanate thin layer capacitor was fabricated on a copper thin film using the method shown in FIG. The composition contained 0, 0.5 and 1.0 mol% barium borate (25 mol% barium oxide-75 mol% boron oxide) glass flux additive by adding the appropriate amounts of barium acetate and triethylborate to the barium titanate solution. Annealing was performed at 900 ° C. for 30 minutes under an atmosphere of oxygen partial pressure of 10 −12 atmospheres. The dielectric layer was annealed and then reoxidized at 450 ° C. for 30 minutes under an oxygen partial pressure of 10 −4 atmospheres. The maximum dielectric constant or relative permittivity of the resultant thin barium titanate thin layer added with barium titanate and barium borate flux is 0 mol%, 0.5 mol% and 1.0 mol% of barium borate (25 mol%), as shown in FIG. 8. Barium oxide-75 mol% boron oxide) glass flux additives were approximately 1500, 2400, and approximately 3000, respectively. The field strength relative to the relative permittivity and loss factor of a thin barium titanate layer containing 1.0 mol% barium borate (25 mol% barium oxide-75 mol% boron oxide) glass flux additive is shown in FIG. 9. Cross-sectional scanning electron micrographs of ruptured samples of thin barium titanate layers are shown in FIGS. 10A-10C. The effect of the flux on the particle size of barium titanate is shown in FIG. 15.

실시예 10-12Example 10-12

도 2에 도시된 방법을 사용하여 구리 박막상에서 티탄산바륨 박층 커패시터를 제조하였다. 조성물은, 적절한 양의 아세트산바륨과 트리에틸보레이트를 티탄산바륨 용액에 첨가함으로써 0, 0.5 및 1.0 몰%의 붕산바륨(33 몰% 산화바륨-67 몰% 산화붕소) 유리 플럭스 첨가물을 함유하였다. 900℃에서 30분 동안 10-12 기압의 산소 분압의 대기하에 어니일링을 수행하였다. 유전층을 어니일링한 후에 450℃에서 30분 동안 10-4 기압의 산소 분압하에 재산화시켰다. 그 결과 얻어진 순수한 티탄산바륨 및 붕산바륨(33 몰% 산화바륨-67 몰% 산화붕소) 플럭스가 첨가된 티탄산바륨 박층의 최대 유전율 또는 상대 유전율은, 도 11에 도시한 바와 같이, 0 몰%, 0.5 몰% 및 1.0 몰%의 붕산바륨(33 몰% 산화바륨-67 몰% 산화붕소) 유리 플럭스 첨가물에 대하여 각각 대략 1500, 2200, 및 2700이었다. 티탄산바륨 박층의 파열된 샘플에 대한 횡단면 주사 전자 현미경 사진을 도 12a 내지 도 12c에 도시하였다. 상기 플럭스가 티탄산바륨의 입자 크기에 미치는 영향을 도 15에 도시하였다.A barium titanate thin layer capacitor was fabricated on a copper thin film using the method shown in FIG. The composition contained 0, 0.5 and 1.0 mol% barium borate (33 mol% barium oxide-67 mol% boron oxide) glass flux additive by adding the appropriate amounts of barium acetate and triethylborate to the barium titanate solution. Annealing was performed at 900 ° C. for 30 minutes under an atmosphere of oxygen partial pressure of 10 −12 atmospheres. The dielectric layer was annealed and then reoxidized at 450 ° C. for 30 minutes under an oxygen partial pressure of 10 −4 atmospheres. The maximum permittivity or relative permittivity of the barium titanate thin layer to which the resultant pure barium titanate and barium borate (33 mol% barium oxide-67 mol% boron oxide) flux was added is 0 mol%, 0.5, as shown in FIG. For mol% and 1.0 mol% barium borate (33 mol% barium oxide-67 mol% boron oxide) glass flux additives were approximately 1500, 2200, and 2700, respectively. Cross-sectional scanning electron micrographs of ruptured samples of thin barium titanate layers are shown in FIGS. 12A-12C. The effect of the flux on the particle size of barium titanate is shown in FIG. 15.

실시예 13-15Example 13-15

도 2에 도시된 방법을 사용하여 구리 박막상에서 티탄산바륨 박층 커패시터를 제조하였다. 조성물은, 적절한 양의 아세트산바륨과 트리에틸보레이트를 티탄산바륨 용액에 첨가함으로써 0, 0.5 및 1.0 몰%의 붕산바륨(37 몰% 산화바륨-63 몰% 산화붕소) 유리 플럭스 첨가물을 함유하였다. 900℃에서 30분 동안 10-12 기압의 산소 분압의 대기하에 어니일링을 수행하였다. 유전층을 어니일링한 후에 450℃에서 30분 동안 10-4 기압의 산소 분압하에 재산화시켰다. 그 결과 얻어진 순수한 티탄산바륨 및 붕산바륨(37 몰% 산화바륨-63 몰% 산화붕소) 플럭스가 첨가된 티탄산바륨 박층의 최대 유전율 또는 상대 유전율은, 도 13에 도시한 바와 같이, 0 몰%, 0.5 몰% 및 1.0 몰%의 붕산바륨(37 몰% 산화바륨-63 몰% 산화붕소) 유리 플럭스 첨가물에 대하여 각각 대략 1500, 1900, 및 2600이었다. 티탄산바륨 박층의 파열된 샘플에 대한 횡단면 주사 전자 현미경 사진을 도 14a 내지 도 14c에 도시하였다. 상기 플럭스가 티탄산바륨의 입자 크기에 미치는 영향을 도 15에 도시하였다.A barium titanate thin layer capacitor was fabricated on a copper thin film using the method shown in FIG. The composition contained 0, 0.5 and 1.0 mol% barium borate (37 mol% barium oxide-63 mol% boron oxide) glass flux additive by adding the appropriate amounts of barium acetate and triethylborate to the barium titanate solution. Annealing was performed at 900 ° C. for 30 minutes under an atmosphere of oxygen partial pressure of 10 −12 atmospheres. The dielectric layer was annealed and then reoxidized at 450 ° C. for 30 minutes under an oxygen partial pressure of 10 −4 atmospheres. The maximum permittivity or relative permittivity of the barium titanate thin layer to which the resultant pure barium titanate and barium borate (37 mol% barium oxide-63 mol% boron oxide) flux was added is 0 mol%, 0.5, as shown in FIG. For mol% and 1.0 mol% barium borate (37 mol% barium oxide-63 mol% boron oxide) glass flux additives were approximately 1500, 1900, and 2600, respectively. Cross-sectional scanning electron micrographs of ruptured samples of thin barium titanate layers are shown in FIGS. 14A-14C. The effect of the flux on the particle size of barium titanate is shown in FIG. 15.

실시예 16-18Example 16-18

도 2에 도시된 방법을 사용하여 구리 박막상에서 바륨 스트론튬 티타네이트(Ba0.65Sr0.25TiO3) 박층 커패시터를 제조하였다. 조성물은 적절한 양의 트리-n-부틸보레이트를 티탄산바륨 용액에 첨가함으로써 0, 2.5 및 5.0 몰%의 산화붕소 유리 플럭스 첨가물을 함유하였다. 900℃에서 30분 동안 10-12 기압의 산소 분압의 대기하에 어니일링을 수행하였다. 유전층의 횡단면을 만들어서 집속 이온빔(FIB) 영상 을 상기 횡단면으로부터 촬영하여 다공도를 관찰하였다. 해당하는 영상들을 도 16a 내지 도 16c에 도시하였으며, 여기서 유전층은 마커 1600에 의해 확인한 것이다.A barium strontium titanate (Ba 0.65 Sr 0.25 TiO 3 ) thin layer capacitor was prepared on a copper thin film using the method shown in FIG. 2. The composition contained 0, 2.5 and 5.0 mol% boron oxide glass flux additive by adding the appropriate amount of tri-n-butylborate to the barium titanate solution. Annealing was performed at 900 ° C. for 30 minutes under an atmosphere of oxygen partial pressure of 10 −12 atmospheres. A cross section of the dielectric layer was made and focused ion beam (FIB) images were taken from the cross section to observe porosity. Corresponding images are shown in FIGS. 16A-16C, where the dielectric layer is identified by marker 1600.

실시예 19-22Example 19-22

도 2에 도시된 방법을 사용하여 구리 박막상에서 티탄산바륨 박층 커패시터를 제조하였다. 조성물은, 적절한 양의 아세트산바륨과 2-에틸헥실인산을 티탄산바륨 용액에 첨가함으로써 1, 1.5 및 2.5 몰%의 인산바륨(47.5 몰% 산화바륨-52.5 몰% 오산화인) 유리 플럭스 첨가물을 함유하였다. 900℃에서 30분 동안 10-12 기압의 산소 분압의 대기하에 어니일링을 수행하였다. 유전층을 어니일링한 후에 450℃에서 30분 동안 10-4 기압의 산소 분압하에 재산화시켰다. 그 결과 얻어진 인산바륨 플럭스가 첨가된 티탄산바륨 박층의 최대 커패시턴스 밀도는, 도 17-20에 도시한 바와 같이, 1.0 몰%, 1.5 몰%, 2.5 몰% 및 5.0 몰%의 인산바륨(47.5 몰% 산화바륨-52.5 몰% 오산화인) 유리 플럭스 첨가물에 대하여 각각 대략 0.75, 0.65, 0.6 및 0.3 μF/cm2이었다. 인산바륨 플럭스 첨가물의 첨가가 티탄산바륨의 입자 크기에 미치는 영향을 도 21에 도시하였다.A barium titanate thin layer capacitor was fabricated on a copper thin film using the method shown in FIG. The composition contained 1, 1.5 and 2.5 mol% barium phosphate (47.5 mol% barium oxide-52.5 mol% phosphorus pentoxide) glass flux additive by adding an appropriate amount of barium acetate and 2-ethylhexylphosphate to the barium titanate solution. . Annealing was performed at 900 ° C. for 30 minutes under an atmosphere of oxygen partial pressure of 10 −12 atmospheres. The dielectric layer was annealed and then reoxidized at 450 ° C. for 30 minutes under an oxygen partial pressure of 10 −4 atmospheres. As a result, the maximum capacitance density of the obtained barium titanate thin layer added with barium phosphate flux was 1.0 mol%, 1.5 mol%, 2.5 mol% and 5.0 mol% of barium phosphate (47.5 mol%). Barium oxide-52.5 mol% phosphorus pentoxide) were approximately 0.75, 0.65, 0.6 and 0.3 μF / cm 2 , respectively, for the glass flux additive. The effect of the addition of barium phosphate flux additive on the particle size of barium titanate is shown in FIG. 21.

도 6, 7, 10, 12, 14 및 16에 도시한 일련의 현미경 사진을 통해 알 수 있는 바와 같이, 소량의 산화붕소 또는 붕산바륨(25/75, 33-67 및 37-63 몰비율의 산화바륨 대 산화붕소) 유리 플럭스를 첨가하면, 티탄산바륨 박층의 고밀도화가 현저하게 향상된다. 일반적으로, 플럭스의 양이 증가함에 따라서 다공성 특성이 연결된 공극으로부터 분리된 공극으로 변화한다. 연결된 공극들은 바람직하지 못한데, 그 이유는 이러한 공극들이 수분 투과 채널을 형성하여 장기 신뢰성면에서 문제를 유발할 수 있기 때문이다. 현미경 사진으로부터, 산화붕소 또는 붕산 바륨 유리 플럭스가 대략 1 내지 2 몰%일 때 분리된 공극들을 갖는 미세구조를 얻을 수 있다는 것을 예측할 수 있다.As can be seen from the series of micrographs shown in FIGS. 6, 7, 10, 12, 14 and 16, small amounts of boron oxide or barium borate (25/75, 33-67 and 37-63 molar ratios of oxidation The addition of barium to boron oxide glass flux significantly improves the densification of the barium titanate thin layer. In general, as the amount of flux increases, the porous properties change into pores separated from the connected pores. Connected pores are undesirable because these pores can form moisture permeable channels and cause problems in terms of long term reliability. From the micrographs, it can be expected that a microstructure with separated pores can be obtained when the boron oxide or barium borate glass flux is approximately 1 to 2 mol%.

도 4, 8, 11 및 13을 통해 알 수 있는 바와 같이, 소량의 산화붕소 또는 붕산바륨을 첨가하면 최대 유전율이 상승한다. 이는 조사한 농도하에서 산화붕소 또는 붕산바륨 유리를 희석한 효과가 고밀도에 기인하여 유전율이 향상된 효과보다 낮다는 것을 시사한다. 또한, 도면을 통해 알 수 있는 바와 같이, -55℃ 내지 +125℃ 범위의 온도에 걸쳐서, 유전율은 약 15%를 넘지 않게 변화한다.As can be seen from FIGS. 4, 8, 11 and 13, the addition of a small amount of boron oxide or barium borate increases the maximum dielectric constant. This suggests that the effect of diluting boron oxide or barium borate glass under the investigated concentration is lower than the effect of improving the dielectric constant due to high density. In addition, as can be seen from the figure, over a temperature range of -55 ° C to + 125 ° C, the dielectric constant varies no more than about 15%.

도 5 및 도 9는 1.38 몰%의 산화붕소 및 1 몰%의 (25 몰% 산화바륨-75 몰% 산화붕소)를 사용한 티탄산바륨의 상대 유전율 및 손실 계수 대비 전계 강도를 도시한 것이다. 도면을 통해 알 수 있는 바와 같이, 유전율은 2500 내지 3000 범위이고, 분말을 사용하여 제조한 유사한 입자 크기를 나타내는 고밀도화 압축 박층으로부터 측정된 유전율에 필적한다. 이러한 결과 또한, 조사한 농도하에서 붕산바륨 유리를 희석한 효과가 고밀도에 기인하여 유전율이 향상된 효과보다 낮다는 것을 시사한다. 또한, 손실 계수는 꽤 높은 전계 강도에 대해서도 우수한 값을 나타낸다.5 and 9 show the electric field strength versus the relative permittivity and loss factor of barium titanate using 1.38 mol% boron oxide and 1 mol% (25 mol% barium oxide-75 mol% boron oxide). As can be seen from the figure, the permittivity ranges from 2500 to 3000, comparable to the permittivity measured from the densified compacted thin layers exhibiting similar particle sizes made using powders. These results also suggest that the effect of diluting the barium borate glass under the investigated concentration is lower than the effect of improving the dielectric constant due to high density. In addition, the loss coefficient shows excellent values even for a fairly high electric field strength.

도 15는 붕산바륨의 첨가가 티탄산바륨의 입자 크기에 미치는 효과를 도시한 것이다. 도면을 통해 알 수 있는 바와 같이, 붕산바륨을 첨가하면 동일한 어니일 링 조건하에서 입자 성장이 촉진된다. 이는 어느 정도는 유전율이 상승함과 동시에 밀도가 증가하는데 기인한 것이라 할 수 있다. 3 몰% 이상을 첨가하면 다소 확장된 입자 성장이 일어나서 평균 입자 크기의 측정이 곤란해진다.FIG. 15 shows the effect of the addition of barium borate on the particle size of barium titanate. As can be seen from the figure, the addition of barium borate promotes grain growth under the same annealing conditions. This is partly due to an increase in dielectric constant and an increase in density. Adding more than 3 mole% results in somewhat expanded particle growth, making it difficult to measure the average particle size.

도 17-20은 1 내지 5 몰%의 인산바륨을 함유하며 10-12 기압의 산소 분압하에서 어니일링한 티탄산바륨 박층에 대한 커패시턴스 밀도와 손실 계수를 도시한 것이다. 상기 박층은 붕산바륨을 첨가한 박층과 대등한 고밀도화 특성을 나타내지만, 도면을 통해 알 수 있는 바와 같이, 커패시턴스 밀도가 순수한 티탄산바륨 박층 또는 대등한 붕산바륨 유리 플럭스 첨가물을 사용한 티탄산바륨 박층에 비해 감소된다.Figure 17 to 20 is a first phosphoric acid to 5 mol% of barium shows a annealing a capacitance density and loss factor of the barium titanate thin layer under an oxygen partial pressure of 10 -12 atm. The thin layer exhibits the same densification characteristics as the thin layer added with barium borate, but as can be seen from the drawing, the capacitance density is reduced compared to the thin barium titanate layer or the barium titanate thin layer using the equivalent barium borate glass flux additive. do.

도 21은 인산바륨의 첨가가 티탄산바륨 박층의 입자 크기에 미치는 효과를 도시한 것이다. 도면을 통해 알 수 있는 바와 같이, 입자 크기는 0.08 마이크로미터 미만으로 현저하게 감소하므로, 커패시턴스 밀도가 낮은 까닭을 설명해준다. 인산바륨은 입자 성장 억제제로서 작용하는 반면, 붕산바륨은 입자 성장 증진제로서 작용하는 것으로 생각된다. 그러므로, 인산바륨 플럭스를 첨가하는 것은 유전층이 매우 얇고, 예를 들면 0.5 마이크로미터 미만이고, 고밀도 미세구조가 필요한 커패시터에 있어서 매우 유용할 것이다.FIG. 21 shows the effect of the addition of barium phosphate on the particle size of the thin barium titanate layer. As can be seen from the figure, the particle size is significantly reduced to less than 0.08 micrometers, which explains why the capacitance density is low. It is believed that barium phosphate acts as a particle growth inhibitor, while barium borate acts as a particle growth enhancer. Therefore, the addition of barium phosphate flux would be very useful for capacitors where the dielectric layer is very thin, for example less than 0.5 micrometers, and where high density microstructures are needed.

Claims (11)

고유전율 물질을 포함하는 용액을, 무기 플럭스 물질이 유전층 조성물의 0.5 내지 5 몰%를 구성하도록 일정량의 무기 유리 플럭스 물질을 포함하는 용액과 혼합하고;Mixing a solution comprising a high dielectric constant material with a solution comprising an amount of an inorganic glass flux material such that the inorganic flux material constitutes 0.5-5 mole percent of the dielectric layer composition; 상기 혼합물로 기재를 코팅하여 식별 가능한 두께의 코팅을 갖는 기재를 형성하고;Coating the substrate with the mixture to form a substrate having a coating of identifiable thickness; 상기 코팅된 기재를 상기 무기 유리 플럭스 물질의 연화점보다 높지만 상기 기재의 연화점 또는 융점보다는 낮은 온도에서 어니일링하여 유전층 조성물을 형성하는 것을 포함하며,Annealing the coated substrate at a temperature above the softening point of the inorganic glass flux material but below the softening point or melting point of the substrate to form a dielectric layer composition, 여기서, 어니일링시에, 상기 유전층 조성물의 고밀도화가 증가함으로써 얻어지는 상기 유전층 조성물의 유전율의 증가분은 상기 무기 유리 플럭스 물질로 희석하는 것에 의한 상기 유전층 조성물의 유전율의 감소분보다 더 큰, 화학 용액 증착법을 통해 고유전율을 갖는 유전층 조성물을 제조하는 방법.Here, upon annealing, the increase in dielectric constant of the dielectric layer composition obtained by increasing the density of the dielectric layer composition is greater than the decrease in dielectric constant of the dielectric layer composition by dilution with the inorganic glass flux material, through a chemical solution deposition method. A method of making a dielectric layer composition having a high dielectric constant. 금속 박막을 제공하고;Providing a metal thin film; 고유전율 물질을 포함하는 용액을, 무기 플럭스 물질이 유전층 조성물의 0.5 내지 5 몰%를 구성하도록 일정량의 무기 유리 플럭스 물질을 포함하는 용액과 혼합하고;Mixing a solution comprising a high dielectric constant material with a solution comprising an amount of an inorganic glass flux material such that the inorganic flux material constitutes 0.5-5 mole percent of the dielectric layer composition; 상기 박막상에 상기 혼합물을 포함하는 유전층을 형성하고;Forming a dielectric layer comprising said mixture on said thin film; 상기 유전층을 상기 무기 유리 플럭스 물질의 연화점보다 높지만 상기 금속 박막의 융점보다는 낮은 온도에서 어니일링하여 고유전율을 갖는 유전층 조성물을 형성하고;Annealing the dielectric layer at a temperature above the softening point of the inorganic glass flux material but below the melting point of the metal thin film to form a dielectric layer composition having a high dielectric constant; 상기 유전층상에 전도층을 형성하는 것을 포함하며,Forming a conductive layer on the dielectric layer, 여기서, 어니일링시에, 상기 유전층 조성물의 고밀도화가 증가함으로써 얻어지는 유전율의 증가분은 상기 무기 유리 플럭스 물질로 희석하는 것에 의한 상기 유전층 조성물의 유전율의 감소분보다 더 큰, 커패시터의 제조 방법. Wherein, in annealing, the increase in permittivity obtained by increasing the densification of the dielectric layer composition is greater than the decrease in permittivity of the dielectric layer composition by dilution with the inorganic glass flux material. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 임의로 상기 코팅된 기재 또는 상기 유전층을 재산화시키는 것을 더 포함하는 방법.The method of claim 1 or 2, further comprising optionally reoxidizing the coated substrate or the dielectric layer. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고유전율 물질이 상기 유전층 조성물의 0.05 내지 0.5 몰%의 도펀트를 포함하는 것인 방법.The method of claim 1 or 2, wherein the high dielectric constant material comprises 0.05 to 0.5 mole percent dopant of the dielectric layer composition. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고유전율 물질이 티탄산바륨, 바륨 스트론튬 티타네이트, 납 지르코네이트 티타네이트, 납 마그네슘 니오베이트, 납 란탄 지르코네이트 티타네이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군중에서 선택된 것인 방법.3. The method of claim 1 or 2, wherein the high dielectric constant material is selected from the group consisting of barium titanate, barium strontium titanate, lead zirconate titanate, lead magnesium niobate, lead lanthanum zirconate titanate, and mixtures thereof. The method selected. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 무기 유리 플럭스 물질이 금속 붕산 염, 인산염, 플루오라이드, 산화붕소, 붕산바륨 플럭스 및 이들의 혼합물로 이루어진 군중에서 선택된 것인 방법.The method of claim 1 or 2, wherein the inorganic glass flux material is selected from the group consisting of metal borate salts, phosphates, fluorides, boron oxides, barium borate fluxes and mixtures thereof. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기재가 금속 박막인 방법.The method of claim 1 or 2, wherein the substrate is a metal thin film. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 코팅의 두께가 0.1 마이크로미터 내지 2.0 마이크로미터 범위인 방법.The method of claim 1 or 2, wherein the thickness of the coating ranges from 0.1 micrometers to 2.0 micrometers. 제 2 항의 방법에 의해 제조된 커패시터.A capacitor manufactured by the method of claim 2. 제 2 항의 방법에 의해 제조된 커패시터를 포함하는 인쇄 배선반.A printed wiring board comprising a capacitor manufactured by the method of claim 2. 제 1 항에서 정의한 방법에 의해 제조된 유전층 조성물을 포함하는 커패시터를 포함하는 인쇄 배선반. A printed wiring board comprising a capacitor comprising a dielectric layer composition prepared by the method as defined in claim 1.
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