8.6. Изготовление тонкопленочных конденсаторов

В технологии изготовления тонкопленочных конденсаторов важнейшее значение имеет получение заданных физических свойств диэлектрических слоев в конденсаторных структурах, а также стабильность их качества. В ряде случаев на свойства конденсаторов оказывают влияние металлические электроды и изолирующая подложка. Поэтому конструкцию конденсатора и технологический фактор его изготовления необходимо рассматривать комплексно. Так, например, существуют конструкции конденсаторов с пересекающимися электродами (рис. 8.6,а) и с электродами, обеспечивающи-ми минимальное сопротивление (рис. 8.6,б).

Площадь конденсатора определяется площадью перекрытия нижнего и верхнего электродов. Следовательно, точность получения заданной площади конденсатора зависит от точности размера каждого из электродов и их взаимного расположения.

Конструкция (рис. 8.6,б) обеспечивает минимальное сопротивление конденсатора и позволяет избежать погрешностей, связанных с совмещением фотошаблона (или масок), так как при параллельном сдвиге любого электрода площадь конденсатора не изменяется.

а б

Рис. 8.6. Типичные конструктивные схемы конденсаторов

Наиболее важными параметрами конденсаторных устройств являются: диэлектрическая проницаемость ε, его электрическая прочность Е_пр, диэлектрические потери tgδ, температурный коэффициент емкости (ТКЕ), нелинейность емкости, сопротивление изоляции и гладкость поверхности обкладок.

Материалы, применяемые для изготовления тонкопленочных конденсаторов, естественно, обуславливают технологию их производства. Так, например, для создания малых емкостей обычно служат двухслойные структуры из оксида тантала и кремния.

Распространенный класс материалов для конденсаторов – оксиды типа МеО_х. Установлено, что для них параметры ε, Е_пр, ТКЕ и tgδ в конечном счете определяются шириной запрещенной зоны ΔЕ_g и степенью окисления х. Электрическая прочность и диэлектрические потери материалов аппроксимируются следующими выражениями: , (для 1≤ x ≤ 2,5), , где n = 12; k – постоянная Больцмана; Т = 300 К. Обычно используются материалы с ΔЕ_g ≥ 2,5 и tgδ ≈ 10⁻² − 10⁻⁴.

Из всего многообразия соединений, используемых для изготовления пленочных конденсаторов, наиболее перспективны стеклообразные материалы. Их преимущества состоят в широких возможностях подбора основных механических, тепловых, электрических и оптических свойств при получении пленок и управления ими путем изменения химического состава стекла.

В первом приближении в стеклах выполняется правило аддитивности: , где П – свойства стекла; х_i – молярная доля компонента стекла; П_i – значение исследуемого параметра (например, теплопроводность, электропроводность и др.).

Из-за отсутствия у этих материалов четкой температуры плавления при электротренировках возникают механические напряжения в окрестностях локальной области пробоя диэлектрика. Иногда осажденные пленки оксидов получаются пористыми, что связано с избирательной зависимостью параметров осаждения отдельных оксидов от состояния поверхности подложки. Такая избирательная чувствительность к неоднородностям поверхности тем меньше, чем сложнее композиция диэлектрика.

Поскольку выбор материала диэлектрика определяет организацию технологического процесса производства пленочных конденсаторов, то целесообразно рассматривать эти процессы применительно к каждому диэлектрику отдельно.