DE19632720A1

DE19632720A1 - Mehrschicht-Kondensatoren unter Einsatz von amorphem, hydrierten Kohlenstoff sowie Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE19632720A1
Application number: DE19632720A
Authority: DE
Inventors: Paul Alan Mcconnelee; Kevin Matthew Durocher; Richard Joseph Saia
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1995-08-25
Filing date: 1996-08-14
Publication date: 1997-02-27
Also published as: TW322582B; US5774326A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es mit einigen Technologien möglich, Kondensatoren kompakter als Elektrolyt-Kondensatoren herzustellen und trotzdem nützliche, thermische und elektrische Charakteri stika zu schaffen.

Wie, z. B., in der US-Patentanmeldung Serial Nr. 08/214,508 vom 18. März 1994 von Fisher et al., mit dem Titel "Low-Profile Capacitor and Low-Profile Inte grated Capacitor/Heatspreader" offenbart, wurde ein dielek trisches, amorphes, hydriertes Kohlenstoff-Material, das häufig als "diamantartiger Kohlenstoff" (DLC) bezeichnet wird, im Research and Development Center der General Elec tric Company eingesetzt, um mehrschichtige Chip-Kondensato ren herzustellen, die ein Potential höherer Energie-Spei cherdichte aufweisen, als Kondensatoren, die normalerweise erhältlich sind, und dies wegen der höheren dielektrischen Festigkeit des DLC, der den Einsatz sehr dünner Filme ge stattet. Ein andere Herstellungstechnik für Mehrschicht- Kondensatoren ist in J.L. Davidson et al., "Multilevel DLC (Diamondlike Carbon) capacitor structure", SPIE, Band 871, Space Structures, Power, and Power Conditioning 308 (1988) beschrieben.

Mehrschicht-DLC-Kondensatoren werden typischerweise durch Mustern sowohl der Elektrodenschichten als auch der dielektrischen DLC-Schichten zur Produktion einer Struktur hergestellt, die ähnlich der in Fig. 1 gezeigten ist. Wenn DLC unter Einsatz einer Schablonenmaske während der Plasma- Abscheidung gemustert wird, dann kann die Gleichmäßigkeit der Dicke durch Plasma-Verzerrungen, die sich aus der Topo graphie der Maske ergeben, beeinträchtigt werden. Eine sol che Beeinträchtigung kann dazu führen, daß die DLC-Dicke an der äußeren Grenze um bis zu 50% geringer ist als in der Mitte des definierten Musters. Findet diese Dicke-Variation in einem aktiven Bereich des Kondensators statt, dann sind die Kapazität und die Durchbruchsspannung der Vorrichtung beeinträchtigt. Um solche Beeinträchtigungen zu verhindern, wird die gemusterte Fläche häufig vergrößert, so daß der aktive Bereich in einem zentralen Abschnitt der DLC-Schicht angeordnet ist.

Da die Topographie des Kondensators selbst mit mehre ren Schichten (die mehrere 100 Schichten einschließen kön nen) zunimmt, wird die Möglichkeit, sowohl die Metall- als auch DLC-Schablonenmaske flach auf ein Substrat zu legen schwierig, und die Muster-Definition kann beeinträchtigt werden, wenn Materialien unter die Maske gelangen. Die Kon densator-Ausbeute kann somit bei steigender Anzahl von Schichten abnehmen.

Wenn aufgesprühte Metall-Seitenkanten benutzt werden, um Elektrodenschichten zu koppeln, dann haben die Kanten häufig nur eine 50%ige Stufenabdeckung gegenüber dem ver tikal gemusterten DLC-Stapel (d. h., die Metalldicke ist um 50% verringert), und diese geringe Stufenabdeckung beein flußt den Metall-Widerstand, was den Verlustwert des Kon densators erhöhen kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es wäre erwünscht, ein Verfahren zum Herstellen von vielschichtigen DLC-Kondensatoren mit im wesentlichen gleichmäßiger Dicke der DLC-Schichten zu haben, das eine hohe Ausbeute liefert.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Struktur und ein Verfahren des Verbindens abwechselnder Elektrodenkanten von Vielschicht-Kondensatoren. Die Kondensatoren werden un ter Einsatz amorphen, hydrierten Kohlenstoffes (der übli cherweise als diamantartiger Kohlenstoff oder DLC bezeich net wird), als dem dielektrischen Material, und von elek trisch leitendem Material, als den Elektrodenschichten (Kondensatorplatten), hergestellt. Die Elektrodenschichten können unter Benutzung einer Schablonenmaske gemustert wer den, während die dielektrischen DLC-Schichten abgeschirmt abgeschieden werden können. Nachdem alle Kondensator-Elek troden und dielektrischen Schichten aufgebracht worden sind, werden Löcher ausgebildet, vorzugsweise durch Abtra gen mittel Laser, durch die Kondensatorschichten, um die Kanten abwechselnder Elektrodenschichten freizulegen. Die Metallkanten werden dann gesäubert und weiter freigelegt. Die Elektrodenschichten können durch Anordnen eines elek trisch leitenden Materials in den Löchern verbunden werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das leitende Ma terial durch Zerstäuben einer Metall-Keimschicht in die Lö cher und Füllen der Löcher mit einem leitenden, freiflie ßenden Material, wie Silber-Epoxy oder -Lot aufgebracht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die für neu angesehenen Merkmale der Erfindung sind insbesondere in den beigefügten Ansprüchen enthalten. Die Erfindung selbst, sowohl hinsichtlich ihrer Organisation als auch ihrer Ausführung, mag zusammen mit weiteren Aufga ben und Vorteilen am besten unter Bezugnahme auf die fol gende Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeich nung verstanden werden, in der gleiche Bezugsziffern glei che Komponenten repräsentieren und in der zeigen

Fig. 1 eine Seitenschnittansicht eines konventionel len Vielschicht-Kondensators,

Fig. 2 eine Seitenschnittansicht einer anfänglichen Stufe bei der Herstellung eines Vielschicht-Kondensators der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich der von Fig. 2, die wei ter zwei Löcher in den Kondensatorschichten zeigt,

Fig. 4 eine Ansicht ähnlich der von Fig. 3, die wei ter die Löcher zeigt, nachdem sie erweitert worden sind, um Abschnitte der Kondensator-Elektrodenschichten weiter frei zulegen und

Fig. 5 eine Ansicht ähnlich der von Fig. 4, die zeigt, wie elektrisch leitendes Material in den Löchern abwechselnd einzelne der Elektrodenschichten koppelt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

Fig. 1 ist eine Seitenschnittansicht eines konventio nellen Vielschicht-Kondensators der oben dikutierten Art. Ein Substrat 1 trägt Elektrodenschichten 2, 4 und 6 und di elektrische DLC-Schichten 3, 5 und 7. Die Seitenkante 8 koppelt die Elektrodenschichten 2 und 6 und die Seitenkante 9 schafft eine Verbindung für die Elektrodenschicht 4. Die Ausführungsform der Fig. 1 hat die oben mit bezug auf ge musterte Elektroden- und dielektrische DLC-Schichten disku tierten Einschränkungen.

Fig. 2 ist eine Seitenschnittansicht einer anfängli chen Stufe bei der Herstellung eines Vielschicht-Kondensa tors der vorliegenden Erfindung. Die hier offenbarte Erfin dung bezieht sich auf die Anwendung von Metallabscheidungs- Verfahren und dielektrischen Abscheidungs-Verfahren, die nacheinander auf einem Substrat 10 ausgeführt werden. In einer Ausführungsform werden, z. B., Kondensatoren auf einer flachen, stationären oder sich bewegenden Oberfläche herge stellt, in einer anderen Ausführungsform schließt eine (nicht gezeigte) Vorrichtung zur Herstellung eines Konden sators eine Bahn aus Substratmaterial ein, die von einer Zufuhr-Walze über Walzen-Baueinheiten zu einer Ausgangs- Walze geführt wird, und in noch einer anderen Ausführungs form schließt eine (nicht gezeigte) Vorrichtung zur Her stellung von Kondensatoren eine Trommel mit einem Substrat ein, das einen Abschnitt der Trommel umgibt. Das Verfahren zur Herstellung des Kondensators schließt eine (nicht ge zeigte) Ausrüstung zur Abscheidung von Elektroden des Di elektrikums ein.

Das Substrat 10 kann einen Polyimid-Film, wie Kapton- Polyimid (Kapton ist ein Handelsname von E.I. duPont de Nemours & Co.) umfassen. Vorzugsweise liegt die Dicke des Substrates im Bereich von etwa 0,012 bis etwa 0,125 mm (0,5 bis 5 mils). Andere potentielle Substrat-Filme schließen Polyester-Filme, Polyetherimide, wie Ultem-Polyetherimid (Ultem ist ein Handelsname der General Electric Company), Polycarbonate, wie Lexan-Carbenat (Lexan ist ein Handelsna me der General Electric Company), Polytetrafluorethylene, wie Teflon-Polytetrafluorethylen (Teflon ist ein Handels name der E.I. duPont de Nemours & Co.), Polypropylen, Poly ethylenterephthalat und Polyethylen, ein.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat material geeignet zur Bildung glatter, fehlerfreier Über züge, und es gestattet die Haftung von Vielschicht-Filmen, und das Substrat hat mechanische und thermische Stabilität während der Herstellungsstufen und Anwendungen des Konden sators.

Ein Verfahren zum alternierenden Abscheiden von Elek trodenschichten, die als Elektrodenschichten 12, 16, 20 und 24 gezeigt sind, und von Isolatorschichten, die als dielek trische Schichten 14, 18, 22 und 26 gezeigt sind, wird wie derholt, bis die erwünschte Kapazität pro Einheitsfläche erzielt ist. Der Einfachheit halber sind nur vier Elektro den-Schichten, die durch drei dielektrische Schichten 14, 18 und 22 getrennt und von einer äußeren dielektrischen Schicht 26 abgedeckt sind, gezeigt. Es wird erwartet, daß eine Anzahl zusätzlicher Elektroden- und dielektrischer Schichten bei tatsächlichen Anwendungen benutzt wird. Die aktive Fläche des Kondensators ist die Überlappungsfläche zwischen den Elektrodenschichten.

Die dielektrischen Schichten umfassen hydrierten, amorphen Kohlenstoff, der als DLC bezeichnet wird. Die Dicke einer dielektrischen Schicht wird durch den erwünsch ten Wert des Spannungsdurchbruches des Kondensators dik tiert, und sie beträgt typischerweise 4 µm oder weniger.

Die Elektrodenschichten können elektrisch leitende Schichten, wie Aluminium, Titan, Molybdän, Nickel, Kupfer, Chrom, Gold, Silber, Platin, korrosionsbeständigen Stahl, Titannitrid und deren Kombinationen umfassen. Die Elektro denschichten können typischerweise aufgebracht werden durch Bedampfen, Zerstäuben, andere Formen physikalischer Dampf abscheidung, Elektroplattieren oder chemische Dampfabschei dung, die durch Laser oder Plasma unterstützt wird. Die Dicke einer Elektrodenschicht liegt typischerweise im Be reich von etwa 25 bis 150 nm (250 bis 1.500 Å). Vorzugswei se werden geeignete (nicht gezeigte) Schablonenmasken über vorher aufgebrachte Schichten gelegt, um die Metall-Elek trodenschichten zu mustern.

Fig. 3 ist eine Ansicht ähnlich der nach Fig. 2, die weiter zwei Löcher 28 in den Kondensator-Schichten zeigt. Nachdem die dielektrischen und Elektronenschichten aufge bracht worden sind, werden Löcher 28 durch die Kondensator- Schichten ausgebildet. Die Elektroden-Schichten sind derart gemustert, daß die Löcher so angeordnet werden können, daß sie abwechselnde Elektroden-Schichten schneiden. Obwohl der Einfachheit halber zwei Löcher gezeigt sind, können, falls erwünscht, zusätzliche Löcher gebildet werden, wobei jedes Loch abwechselnde Elektroden-Schichten schneidet.

In einer Ausführungsform können die Löcher unter Ein satz eines Excimer-Lasers gebildet werden. Andere Verfahren zum Bilden von Löchern durch Elektroden- und dielektrische Schichten schließen, z. B., den Einsatz eines mechanischen Schneide-Instrumentes ein, wie eine Rasierklinge, bzw. ein Rasiermesser oder eines Säge. Der Begriff "Loch" umfaßt Schnitte, Schlitze und andere Öffnungen irgendeiner Ge stalt, die die Elektroden- und dielektrischen Schichten freilegen.

Fig. 4 ist eine Ansicht ähnlich der nach Fig. 3, die Löcher 30 zeigt, nachdem dielektrische Abschnitte der Lö cher 28 erweitert wurden, um Kantenabschnitte 32 der Elek troden-Schichten 12, 16, 20 und 24 des Kondensators weiter freizulegen. Obwohl das Erweitern der Löcher nicht erfor derlich ist, ist es sehr brauchbar zur späteren Herstellung einer festen Verbindung mit den Elektroden-Schichten. In einer Ausführungsform kann eine Sauerstoffplasma-Ätztechnik benutzt werden, um Kantenabschnitte 32 durch ein seitliches Ätzen der DLC-Schichten weiter freizulegen. Diese Ätztech nik ist besonders brauchbar, wenn ein Abtragen mit einem Excimer-Laser benutzt wurde, um die Löcher zu bilden, weil das Ätzen gleichzeitig von Ruß reinigen kann, der vom Ab tragen resultiert.

Fig. 5 ist eine Ansicht ähnlich der von Fig. 4, die weiter elektrisch leitendes Material 34 in den Löchern 30 zeigt, das abwechselnde Kantenabschnitte 32 der Elektroden- Schichten 12, 16, 20 und 24 koppelt.

Vorzugsweise wird leitendes Material 34 hergestellt durch Aufbringen einer die Haftung fördernden, elektrisch leitenden Keimschicht, gefolgt vom Zuführen eines freiflie ßenden Füll-Materials, wie Silber-Epoxy oder -Lot. In einer Ausführungsform wird die Keimschicht durch eine Schablonen maske aufgesprüht, und das freifließende Material wird ge gossen. Wird ein freifließendes Material für das leitende Material 34 benutzt, nachdem das Material gegossen ist, aber bevor es härtet, dann können äußere Zuleitungen 36 ge eigneterweise an dem Kondensator angebracht werden, ohne daß eine zusätzliche Haftungsstufe erforderlich ist.

Die Kondensator-Zuleitungen 36 können elektrisch lei tende Materialien umfassen, die beständig sind in der Um gebung, in der der Kondensator benutzt wird, sie, z. B., Kupfer, Gold oder Aluminium. Werden die Kondensator-Zulei tungen an dem leitenden Material 34 angebracht, wenn es sich in fester Form befindet, dann kann ein leitender Kleb stoff benutzt werden, der zum Halten der Zuleitungen an Ort und Stelle in der Lage ist, und der in der Umgebung des endgültigen Einsatzes leitend bleibt.

Sind die Kantenabschnitte nicht in der mit Bezug auf Fig. 4 erläuterten Weise weiter freigelegt, dann kann ein Verfahren, wie das sogenannte "Schoopieren", benutzt wer den, um eine genügend dicke Keimschicht zur Herstellung des Kontaktes mit den Kantenoberflächen der Elektroden-Schich ten zu erhalten. Diese Technik des Schoopierens kann auch benutzt werden, wenn es bei einer besonderen Anwendung er wünscht ist, die Stufe des Füllens einer darunterliegenden Metallschicht mit freifließendem Material wegzulassen.

BEISPIEL

Die Erfindung wurde getestet unter Benutzung von fünf DLC-Schichten von etwa 3 µm Dicke, die abgeschirmt abge schieden worden waren und von fünf gemusterten Elektroden- Schichten, umfassend 100 nm (1.000 Å) Aluminium, die von 10 nm (100 Å) Molybdän überzogen waren. Die Kantenverbindung zu allen Elektroden-Schichten des Kondensators wurde erhal ten durch Abtragen von Löchern unter Benutzung eines Exci mer-Lasers mit zehn Durchgängen bei 60 mJoule und 30 Hz. Eine O₂-Plasma-Ätzung wurde benutzt, um den Laser-Ruß zu beseitigen und weiter Kantenabschnitte der Elektroden- Schichten freizulegen.

Für die Verbindung zu den Elektroden-Kantenabschnitten wurde eine Schicht aus Titan mit einer Dicke von etwa 100 nm (1.000 Å) durch Zerstäuben aufgebracht, und eine Schicht aus Kupfer mit einer Dicke von etwa 300 nm (3.000 Å) wurde durch Zerstäuben auf das Titan aufgebracht. Silber-Epoxy von Ablestik Electronic Materials and Adhesives mit dem Ka talog-Namen Ablebend 84-1LMIS wurde dann in die Löcher ge gossen. Die elektrische Grenzfläche verschlechterte sich auch nach 100 Wärmezyklen von -60°C bis 150°C nicht.

In anderen erfolgreichen Tests bestanden die Elektro den-Schichten aus Molybdän mit einer Dicke von 100 nm (1.000 Å), ohne eine darunterliegende Schicht von Alumini um, und es wurde eine CF₄/O₂-Plasma-Ätzung benutzt, um die Kantenabschnitte der Elektroden-Schichten weiter freizule gen.

Während nur gewisse bevorzugte Merkmale der vorliegen den Erfindung hier veranschaulicht und beschrieben worden sind, kann der Fachmann viele Modifikationen und Änderungen vornehmen. Es sollte daher klar sein, daß die beigefügten Ansprüche alle solchen Modifikationen und Änderungen mit umfassen sollen, die in den Rahmen der Erfindung fallen.

Claims

1. Vielschicht-Kondensator, umfassend:
ein Substrat,
eine Vielzahl von Metallelektroden-Schichten, die ab wechselnd mit einer Vielzahl dielektrischer Schichten auf dem Substrat montiert sind, wobei jede dielektrische Schicht amorphen, hydrierten Kohlenstoff umfaßt, die Elek troden-Schichten und die dielektrischen Schichten als ein Kondensator zu wirken in der Lage sind, und sie mindestens zwei Löcher enthalten, wobei jedes Loch entsprechende, ab wechselnde Elektroden-Schichten schneidet und
ein elektrisch leitendes Material, das in jedem Loch angeordnet ist, um die entsprechenden, abwechselnden Elek troden-Schichten zu koppeln.

2. Kondensator nach Anspruch 1, worin jede der Elektro den-Schichten Molybdän umfaßt.

3. Kondensator nach Anspruch 1, worin jede der Elektro den-Schichten mindestens einen Kantenabschnitt aufweist, der sich in ein entsprechendes Loch erstreckt.

4. Kondensator nach Anspruch 1, worin das elektrisch leitende Material eine elektrisch leitende Schicht umfaßt, die Oberflächen der Löcher überzieht.

5. Kondensator nach Anspruch 4, worin die elektrisch leitende Schicht eine Titanschicht umfaßt, die die Oberflä chen der Löcher überzieht sowie eine Kupferschicht, die die Titanschicht überzieht.

6. Kondensator nach Anspruch 5, worin das elektrisch leitende Material weiter ein elektrisch leitendes Füllma terial in den Löchern umfaßt.

7. Kondensator nach Anspruch 6, worin das Füllmaterial Silber-Epoxy oder -Lot umfaßt.

8. Vielschicht-Kondensator, umfassend:

(a) ein Substrat,
(b) eine Vielzahl von Elektroden-Schichten, die ab wechselnd mit einer Vielzahl dielektrischer Schichten auf dem Substrat montiert sind, wobei

jede Elektroden-Schicht ein Metall umfaßt,
jede dielektrische Schicht amorphen, hydrierten Kohlenstoff umfaßt,
die Elektroden-Schichten und die dielektrischen Schichten mindestens zwei Löcher enthalten, wobei jedes Loch entspre chende, abwechselnde Elektrodenschichten schneidet,
jede Elektrodenschicht mindestens einen Kantenabschnitt aufweist, der sich in ein entsprechendes Loch erstreckt und

(c) ein elektrisch leitendes Material, das in jedem Loch angeordnet ist, um die entsprechenden, abwechselnden Elektroden-Schichten zu koppeln.

9. Kondensator nach Anspruch 8, worin das elektrisch leitende Material eine elektrisch leitende Schicht umfaßt, die Oberflächen der Löcher überzieht, sowie ein elektrisch leitendes Füllmaterial, das die Löcher füllt.

10. Verfahren zum Herstellen eines Vielschicht-Kondensa tors, umfassend die Stufen:
Abscheiden einer Vielzahl von Metallelektroden- Schichten auf einem Substrat abwechselnd mit einer Vielzahl von dielektrischen Schichten- wobei jede dielektrische Schicht amorphen, hydrierten Kohlenstoff umfaßt,
Ausbilden von mindestens zwei Löchern in den Elektro den- und dielektrischen Schichten, wobei jedes Loch ent sprechende, abwechselnde Elektroden-Schichten schneidet, und
Anordnen eines elektrisch leitenden Materials in je dem Loch, um die entsprechenden, abwechselnden Elektroden- Schichten zu koppeln.

11. Verfahren nach Anspruch 10, worin die Stufe des For mens der Löcher den Einsatz eines Gerätes umfaßt, das ein mechanisches Schneideinstrument oder einen Excimer-Laser umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 10, worin die Stufe des Bil dens der Löcher das anfängliche Bilden von Löchern und dann das weitere Freilegen ausgewählter Kantenabschnitte der Elektroden-Schichten durch Erweitern von Abschnitten der dielektrischen Schichten der anfänglichen Löcher ein schließt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, worin die Stufe des wei teren Freilegens ausgewählter Kantenabschnitte das Anwenden einer Plasma-Ätzung auf die anfänglichen Löcher umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 12, worin die Stufe des Ein bringens des elektrisch leitenden Materials das Überziehen von Oberflächen der Löcher mit einer elektrisch leitenden Schicht umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, worin die Stufe des Ein bringens des elektrisch leitenden Materials nach dem Über ziehen der Oberflächen der Löcher weiter das Gießen eines elektrisch leitenden Füllmaterials in die Löcher umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, das nach dem Gießen des Füllmaterials in die Löcher weiter das Anordnen einer Kon densator-Zuleitung benachbart dem Füllmaterial und das An bringen der Zuleitung durch Härten des Füll-Materials ein schließt.

17. Verfahren zum Herstellen eines Vielschicht-Kondensa tors, umfassend die Stufen:
Abscheiden einer Vielzahl von Elektroden-Schichten auf einem Substrat abwechselnd mit einer Vielzahl von di elektrischen Schichten, wobei jede dielektrische Schicht amorphen, hydrierten Kohlenstoff umfaßt,
Bilden von mindestens zwei Löchern in den Elektroden- und dielektrischen Schichten, wobei jedes Loch entspre chende, abwechselnde Elektrodenschichten schneidet,
weiteres Freilegen ausgewählter Kantenabschnitte der Elektroden-Schichten durch Erweitern der Abschnitte der di elektrischen Schichten der Löcher und
Gießen eines elektrisch leitenden Füllmaterials in jedes Loch, um die entsprechenden, abwechselnden Elektroden- Schichten zu koppeln.

18. Verfahren nach Anspruch 17, das vor der Stufe des Gießens des elektrisch leitenden Füllmaterials das Über ziehen von Oberflächen der Löcher mit einer elektrisch lei tenden Schicht einschließt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, worin die Stufe des Über ziehens der Oberflächen der Löcher mit einer elektrisch leitenden Schicht das Sprühen einer Titanschicht auf die Oberflächen der Löcher umfaßt, gefolgt vom Sprühen einer Kupferschicht auf die Titanschicht und
worin die Stufe des Gießens eines elektrisch leiten den Füllmaterials in jedes Loch das Gießen eines Materials aus der Gruppe bestehend aus Silber-Epoxy und -Lot umfaßt.