Brevet FR2004645A1 — publié le 19691128

î 2004645 lia présente invention se rapporte à un procédé d® fabrication de condensateurs à film mince et aux nouveaux produits ainsi obtenus0 les condensateurs à film mince ayant une valeur élevée de 5 capacitanee, qui n'occupent cependant ou'un faible espace et qui ont un faible facteur de perte„ deviennent de plus en plus importants dans la production de circuits mieroéleetroniquss„ À présent, on peut fabriquer des condensateurs à film mines à faible perte ayant des valeurs de capacitance d'approximativement 0,01 10 j$!cm avec une matière diélectrique en monoxyde de silicium et on peut fabriquer des condensateurs ayant tins capacitance d'ap-proximativement 0,1 yiï/cm avec une matière diélectrique en oxyde de tantale. Des valeurs supérieures de capacitance par cm^ sont nécessaires pour l'utilisation dans certains types de cir-15 cuits microélectroniques tels que des amplificateurs audio. Ces valeurs supérieures peuvent être obtenues suivant un certain nombre de manières. Par exemple, un empilement à couches multiples comprenant des couches alternées de films de diélectrique et de films métalliques convenables peut être déposé sur un 20 substrat. Un autre procédé consiste à réduire l'épaisseur du diélectrique. Cependant* ces procédés présentent les inconvénients suivants. Le premier procédé exige un mode opératoire qui implique des étapes compliquées d'évaporâtions successives à travers différents masques à montage précis. Le dernier procédé produit 25 naturellement un condensateur ayant tin faible voltage de rupture. Une autre voie d'approche a été d'utiliser un diélectrique avec une permittivité supérieure, telle qu'un diélectrique en bioxyde de titane. Cependant, un film mince de bioxyde ds titane a souvent une faible résistance diélectrique. Ces condensateurs ne 30 peuvent pas être utilisés largement dans les circuits microélec-troniques. Un objet principal de la présente invention est de prévoir un condensateur à film mince ayant une capacité élevée, un faible facteur de perte et une résistance diélectrique élevée. 35 Cet objet et d'autres encore dans la présente invention ap paraîtront d'après la description suivante, en relation avec les dessins ci-joints dans lesquels : La figure 1 est une vue en coupe d'un condensateur à film mince selon des caractéristiques de la présente invention. 40 La figure 2 est une vue en coupe longitudinale schématique BAD ORIGINAL 69 08450 2 2004645 d'un dispositif de pulvérisation cathodique ayant une géométrie de magnétron à cathode froide, et La figure 3 est une vue en coupe transversale du dispositif de pulvérisation cathodique de la figure 2, 5 En se référant à la figure 1, le condensateur à film mince 10 selon des caractéristiques de la présente invention comprend une couche diélectrique 4, prise en sandwich entre une éleetro-de supérieure 5 et une électrode de base en titasie 2 déposée sur un substrat 1. L'électrode de base en titane 2 a une couche d'o-10 xyde3 àla surface faisant face à la couche de diélectrique 4. La couche de diélectrique 4 comprend essentiellement de l'oxyde de plomb, de l'oxyde de titane ou leurs composés. Deux fils conducteurs 6 sont connectés, d'une manière conductrice9 à l'électrode supérieure 5 et à l'électrode de base en titane 2, respeetive-T5 ment. L'électrode de base en titane 2 a une épaisseur de 2000 à 5000 A. La couche de diélectrique 4 a une épaisseur de 1000 à » 5000 A. L'électrode supérieure 5 peut être fabriquée par n'importe quel métal conducteur classique, tel que de l'or, et a une 20 épaisseur de 1000 à 3000 A. Le substrat 1 peut être constitué par n'importe quelle matière convenable sous forme de plaque, telle que de l'alumine, du verre ou n'importe quelle matière sous forme de plaque ayant une surface lisse. En se référant à nouveau à la figure 1, le condensateur à 25 film mince 10 selon des caractéristiques de la présente invention, peut être préparé en déposant d'abord un film métallique mince en titane pour servir d'électrode de base 2 sur le substrat 1* Ensuite, une couche diélectrique 4, comprenant essentiellement de l'oxyde de plomb, de l'oxyde de titane ou leurs composés, est formée 30 sur le film métallique mince en titane 2 par pulvérisation à partir d'une cathode composée, comprenant essentiellement du plomb et du titane, sous une atmosphère oxydante. Ceci provoque l'oxydation du film métallique en titane 2 à la surface faisant face à la couche de diélectrique 4, afin de former une couche d'oxyde 35 de titane 3. tTn autre film métallique mince est alors déposé sur la couche 4 pour servir d'électrode supérieure 5. Le film métallique mince en titane, qui sert d'électrode de base* et l'autre film métallique mince, qui sert d'électrode supérieure, sont formés par n'importe quel procédé convenable de dépôt, tel que le 40procédé slassique de dépôt sous vide. 69 08450 î 2004645 Il est préférable que le substrat soit maintenu à une te®.~ pérature allant de 100 à 300°C durant le procédé de pulvérisation. La température à laquelle ce substrat est maintenu a un grand effet sur la capacité du condensateur résultant à fila 5 mince. La raison pour laquelle la tenpérature à laquelle ce substrat est maintenu a un grand effet sur la capacité du condensateur résultant à film mince n'est pas actuellement complètement comprise. Une température supérieure à 300°C amène la surface de l'électrode de base à aroir une structure grossière, qui peut être 10 la cause de la réduction de capacité du condensateur résultant à film mince. Selon des caractéristiques de la présente invention, on a découvert que la fabrication de 1(électrode de base en titane, ayant une couche d'oxyde de titane formée dessus, produisait une 15 capacité supérieure à celle obtenue lorsque l'électrode de base était constituée d'aluminium qui a été largement utilisé jusqu'à présent, comme on. l'indique dans le tableau 1. Le tableau 1 est une comparaison de la capacité de deux genres de condensateurs à film mince qui ont été préparés de la 20 même manière, sauf en ce qui concerne les matières constituant les électrodes de base. Les deux condensateurs avaient des couches • de diélectrique d'environ 1500 A d'épaisseur, pulvérisées à partir d'une cathode composée, renfermant 50 Jé en atome de plomb et 50 1» en atome de titane. La pulvérisation a été réalisée sur un 25 substrat de verre maintenu à 200°C ; l'atmosphère de pulvérisation était de l'argon gazeux comprenant de l'oxygène, sous une pression T. TABLEAU 1 partielle de 2 x 10~* torr. itières de l'électrodeMatières de l'électrodeCapacité par jq j de base supérieure cm*? (jsLg) Aluminium Or 0,6 Titane Or 1 Le tableau 2 indique l'effet de la température de substrat sur la capacité d'un condensateur à film mince, préparé de la 35 même manière que celle décrite en relation avec le tableau 1. On comprendra facilement d'après le tableau 2 que les températures opératoires sont de 100 à 300°C et les températures préférées sont de 150 à 250*C. 69 08450 4 TABLEAU 2 2004645 10 Electrode de base : titane, 3000 1 d'épaisseur Electrode supérieure : ort 2000 A d'épaisseur 15 Epaisseur de la couche de diélectrique : 1500 A i> en poids de plomb dans la cathode composée du dispositif de pulvérisation : 10 i> i» en poids de titane dans la cathode composée du dispositif de pulvérisation : 90 56 20 Epaisseur de la couche d'oxyde t environ 50 A Pression partielle d'oxygène durant la pulvérisations 2x10~* torr. La composition préférée de cette cathode composée du dispositif de pulvérisation, pour donner au condensateur & film mince une capacité élevée, comprend essentiellement un mélange de 8 à 25 22 £ en poids de plomb et de 78 à 92 $ en poids de titane, comme on le présente dans le tableau 3, TABLEAU 3 Température de substrat (°C) Capacité par cm* (pF) 70 0,2 100 0,4 150 0,9 200 1 250 0,95 300 0,4 330 0,1 en poids de plomb dans la cathode composée % en poids de titane dans la cathode composée Capacité par cm {vXY 0 100 0,5 5 95 0,6 8 92 0,8 10 90 1 20 80 0,8 22 78 0,6 30 70 0,3 50 50 0,25 100 0 0,25 69 08450 5 2004645 O Electrode de base : tiitane, 3000 A d'épaisseur O Electrode supérieure ; or, 2000 A d'épaisseur © Epaisseur de la eouelie de diélectrique \ 1500 A O Epaisseur de la coucîis d'oxyde ; environ 50 A 5 Pression partielle d'oxygène durant la pulvérisation?2x10""* terr Température du w^estrat durant le dépfît de la couche de diélectrique : 200° G La cathode eoiaposée peut être préparés ©a.utilisant n'importa qii-2l prccidé disponible et convenable0 Un procédé pré-10 féré consiste à c-oKpriîuer an mélange de plo&ib et de titane mé«= talliques noue ^ssê de poudre ayant des particules d®une dimension allant de 0,149 eat à 0,049 saa (100 à 300 ïsesh) sous une près- O sion de 2100 à 5250 kg/en . Ea.utilisant me"telle cathode composée, comprenant essentiellement vs& mélange de 8 à 22 ^ ea poids 15 de plomb et de 7S à 32 ^ ea poids de titan© s oa produit un condensateur à film air ce .aysat une eoueîie de diélectrique qui comprend uns phas« de titarate âa plsstb ayeat une penaittivité élevée. Selon des caractéristiques de la. présente invention,, on 20 a découvert que ce condensateur à film mince pouvait recevoir «Les propriétés d'isolement perfectionnées par pulvérisation sous une atmosphère oxydante comprenant de 1°oxygène, s@ïis une pression —4 • partielle allant de 2x10 à 2s10 " t®rr„ ]?eur une pressioa. par- «•4L tielle d'oxygène inférieure à 2s10 ' ter*-, le seadeasateur résul-25 tant à film aines a de mauvais^ propriétés d'isolement* Pour une pression partielle d'oxygèae supérieure à 2ac1ô=°"%asvteeondensateur résultant à film mince a également de mauvaises propriétés d'isolement* On préfère §u© 1® précédé de pulvérisation utilisé pour 30 la préparation do la- ooueâe âiélsotriqùe soit réalisé dans un champ magnétique9 ®a utilisant «m dispositif de 'pulvérisation du type aagcétros., ëés;7lt -isas la «leasade âs tosvôt américain N®672.516 déposée le sous 1g titre 35 En se référant a «s .figuro.» 2 çt 5S ©a illustre un dispositif de pulvérisation 2C, dm type sagaétroaj ooaposé de deux électrodes cylindriques £• st S aumtées daas une enveloppe cylindrique 7 ayant une entrée 14 et une sortie 15. Les électrodes 8 et 40 9 sont connectées sur une source d'alimentation de tension 16» BAD ORIGINAL 69 08450 6 2004645 L'une ou l'autre des électrodes cylindriques 8 et 9 peut être la cathode, aais on préfère que l'électrode d9entrée 8 sait la cathode, tel qu'indiqué sur les figures 2 et 3» Ses substrats 13 à revêtir sont .fixés à l'anode» L'enveloppe cylindrique 7 eon-5 tient un Milieu ionisabl© et peut être constituée par n3 importe quelle matière étanche au gaz, non magnétique„ L'enveloppa cylindrique 7 contenant ces-deux électrodes est placée dans un champ magnétique parallèle aux fae&fc des électrodes cylindriques 8 et 9» de sorte que le champ ee'ï transversal 10 par rapport à la iîaeiiarge à partir des électrodes. 0e champ peut être alimenté par a.8 importe qutl moyen disponible 12 de création fie eliasip magnétique#t3l qsi'un électroaimant fixé à 1®extérieur sur les surfaces â"extrémité plates de l'enveloppe cylindrique î. 15 Le ailieu ionisable peut étro un gas réactif, tel que de l'oxygène, ou un mélange à"oxygène et d'argon gazeux. La cathode est une cathode composée d® plomb et d$ titane métalliques, comme on l?a décrit précédemment» Selon des caractéristiques de la présents invention, on a 20 découvert qu9un ehasap magnétique supérieur à environ 1000 gaaes rendait possible la formation de la couche de diélectrique aves une vitesse élevée de dépôt. Dans le dispositif de pulvérisation 20 du type aagnétroa, représenté sur les figures 2 et 3» w couche diélectrique très 25 uniforme peut être obtenue ea plaçatat une électrode auxiliaire 11 à polarisation négative, au voisinage de la cathode. Cette électrode auxiliaire comprend un écras cylindrique de tita&e métallique et rend possible la production d'une couche de diélectrique à permlitivité élevée, avec «aie grande précision. 30 On pense que la présents inveatî^n sera comprise &ps?tss les exemples suivanta. Il apparaît que divers changements peuvent être réalisée dans le» preeésléc às S&pôt des éleetroâes d® bas® ©a des électrodes supérieures, d&as les matièras de susatrat, dans la dissension des parties et les ùw&ditions de pulvérisation 35 pour déposer me couche à® diélecëriqtiQ9 sans s'ésarter de la présents iavts&tioao ESBMPLB 1 Un condensâtes à film ainee est fabriqué en utilisant un tuàsposi j-ii slassiqu© â® évaporation sous vide et un dispositif 40 «laasiqae âe pulvérisation d'électrode plane. Une électrode de 6AD ORIGiNAl 69 08450 7 2004645 base, formée d'un film de titane ayant une épaisseur d'environ 3000 A^est déposée sur un substrat de verre de 0,7 mm d'épaisseur, par évaporation sous vide sous une pression résiduelle gazeuse inférieure à 1x10"^ torr. Une couche de diélectrique d'en-5 viron 1500 A d'épaisseur est déposée sur l'électrode de base par pulvérisation à partir d'une cathode composée . renfermant du plomb et du titane, sous une atmosphère oxydante formée d'un mélange gazeux d'argon et d'oxygène. Le pourcentage en poids de plomb et celui de titane dans la cathode composée sont respectivement 10 i» 10 et 90 La pression totale du mélange de gas est d'environ 1x10 torr et la pression partielle d'oxygène gazeux est d'envi*-ron 2x10""* torr. Le substrat est maintenu à une température d'environ 200°C durant la pulvérisation. Une électrode supérieure, sous forme d'un fil d'or d'environ 2000 A d'épaisseur, est dépo-15 sée sur la couche de diélectrique par évaporation sous vide aeus une pression gazeuse résiduelle inférieure & 1x10"^ torr. Deux fils de conducteurs «n or de 0,1 mm de diamètre sont liés à l'électrode supérieure et à l'électrode de base, respectivement. Le condensateur résultant à film mince a une capacité d'environ 20 y jSlttm , un facteur de perte de 10 ^ ou moins et une tension de rupture de 7,5 volts ou plus. EXEMPLE 2 Un condensateur à film mince est fabriqué en utilisant un dispositif classique d'évaporation sous vide et un dispositif 25 de pulvérisation du type magnétron. Une électrode de base en titane, sous forme de film d'environ 3000 A d'épaisseur, est déposée sur un substrat de verre de 0,7 mm d'épaisseur par pulvérisation à partir d'une cathode en titane sous de l'argon pur, à une pression de 1x10~* torr* en utilisant un dispositif de pulvérisa-30 tion du type magnétron dans un champ magnétique de 3000 gauss. Une couche de diélectrique d'environ 1500 A d'épaisseur est déposée sur l'électrode de base par pulvérisation à partir d'une cathode composée, comprenant du plomb et du titane, sous une atmosphère oxydante formée d'un mélange d'argon et d'oxygène, en utilisant 35 un dispositif de pulvérisation du type magnétron dans un champ magnétique de 7000 gauss» Le pourcentage en poids de plomb et celui de titane dans la cathode composée sont respectivement 10# et 90JÉ. La pression totale du mélange gazeux est d'environ 6x10""* torr et la pression partielle d'oxygène gazeux est d'environ 40 2x10""* torr. La température du substrat est maintenue à environ 69 08450 8 2004645 200°C durant la pulvérisation0 Une électrode supérieure sous for-me d'un film d'or d'environ 2000 A d'épaisseur est déposée sur la couche de diélectrique par évaporation sous vide, à une pression gazeuse résiduelle inférieure à 1x10""*' torr. Deux fils en 5 or de 0,1 mm de diamètre sont liés à l'électrode supérieure et à l'électrode de base, respectivement. le condensatêur résultant à film mince a une capacité d'environ IjiF/ca , un facteur de perte de 1 i> ou moins et une tension de rupture de 15 volts ou plus, la présente invention n'est pas limitée aux exemples de ré-10 alisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. 69 08450 9 2004645 BEVEgDICATIQKS 1 - Condensatet«r à film minces c&raetérisé en ce qu'il ûsei= prend une couche de diélectrique prise sa sandwich, entre une électrode métallique supérieure et une électrode de base en titane t 5 qui est oxydée à la surface faisant face à la couche de diélectrique, cette couche de diélectrique comprenant essentiellement une matière choisie dans le groupe comprenant l'oxyde de plomb} l'oxyde de titane et leurs composés, 2 - Procédé de fabrication d'un condensateur à film mince, 10 caractérisé en ce qu'il consiste à déposer une électrode de basa sous forme d'un film mince de titans métallique sur im substrat, à former sur le film mince de titane métallique un® eouclie de diélectrique mince -, comprenant essentiellement une matière prise dans le groupe comprenait l'oxyde de plomb, l'oxyde.de titane 15 et leurs composés, par pulvérisation sous un® atmosphère oxydante à partir d'une cathode composée, renfermant essentiellement du plomb et du titane et, de ce fait, le film de titane Bétalli-que est oxydé à la surface faisant face h la coucàe da diélectrique, et à déposer une électrode supérieure sur la couche de dié=» 20 lectrique mince sous forme d'un autre film métallique minee® 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé ®m se que le substrat est maintenu à une température de 100 à 300°C durant la pulvérisation. 4 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé ea ce que 25 la cathode composée comprend essentiellement un nélaage de 8 à 22 en poids de plomb et de 78 à 93 # ©n poiâs d® titane. 5 - Procédé selon la revendication 29 caractérisé en ce que l'atmosphère oxydante comprend ds l'oxygéna ssras w pression partielle de 2x10™* à 2x10°"' torr0 30 6 - Procédé selon la revendicatio» 2e caractérisé en ce que le procédé de pulvérisation est csnduit &n appliquant un champ , magnétique parallèle à l'axe d'un dispositif d® pulvérisation du type magnétron, d'un type cylindrique axial3 ayant la cathode composée sous forme d'un cylindre entouré par une aaode cylindri-35 que et ayant une électrode cylindrique auxiliaire en titane autour de la cathode au voisinage de la cathode cylindrique, les parties étant entourées dans une enveloppe étanche au gaz, et en plaçant le substrat avec l'électrode de base sur l'anode opposée à la cathode. 40 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que QAD QRIQINAL 69 08450 10 2004645 1 ' iat-ensité du ehaep Hagaéticjue est supérieure à 1000 gsuss» EAU ORIGINAL