玻璃襯底上的plzt電容器的制造方法
【專利說(shuō)明】玻璃襯底上的PLZT電容器
政府許可權(quán)聲明:
[0001]本發(fā)明由美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Argonne Nat1nal Lab)和德爾福汽車系統(tǒng)有限責(zé)任公司(Delphi Automotive System, LLC)聯(lián)合開發(fā)。美國(guó)政府依據(jù)美國(guó)政府和代表阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的芝加哥大學(xué)阿貢有限責(zé)任公司(UChicago Argonne, LLC)之間的合約號(hào)DE-AC02 - 06CH11357以及美國(guó)政府能源部和德爾福汽車系統(tǒng)有限責(zé)任公司間的合約號(hào)DE-FC26-07NT43121對(duì)此專利享有權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本公開涉及電容器，特別涉及使用鋯鈦酸鑭鉛(PLZT)作為介電層并使用玻璃作為襯底形成的電容器。
【背景技術(shù)】
[0003]鋯鈦酸鑭鉛(PLZT)是一種已被發(fā)現(xiàn)可用于作為電容器電介質(zhì)的陶瓷材料，因?yàn)镻LZT有介電常數(shù)并且能夠用于相對(duì)高溫操作，例如，高達(dá)150°C的操作。然而，PLZT需要非常光滑并且能經(jīng)受650°C溫度的襯底以給PLZT退火。形成PLZT電容器的先前嘗試中使用了拋光鎳(Ni)箔或涂覆鉬(Pt)硅晶片作為電容器的襯底。然而，鎳箔需要拋光并且氧化迅速，所以需要無(wú)氧工作環(huán)境。此外，需要鑭鎳氧化物緩沖層(LNO)以用來(lái)防止鎳和PLZT材料之間的擴(kuò)散。所有這些問(wèn)題使鎳箔成為一個(gè)復(fù)雜的且過(guò)于昂貴的襯底材料選擇。涂覆鉬硅晶片是剛性的，所以在此襯底上形成的電容器不能被彎曲或卷起以滿足一定的包裝要求。并且，像鎳箔一樣，涂覆鉬硅晶片也是過(guò)于昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供了一種電容器。所述電容器包括襯底、第一金屬化物、介電層、以及第二金屬化物。所述襯底由玻璃形成，所述第一金屬化物層被置于襯底的頂側(cè)以形成第一電極。所述介電層由鋯鈦酸鑭鉛(PLZT)形成并被置于第一金屬化物層上。所述第二金屬化物層被置于介電層上以形成第二電極。
[0005]在另外一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種形成電容器的方法。所述方法包括提供由玻璃形成的襯底的步驟。所述方法也包括通過(guò)電子束蒸發(fā)將第一電極沉積于襯底的頂端的步驟。所述方法還包括使用溶膠-凝膠處理將由鋯鈦酸鑭鉛(PLZT)形成的介電層沉積于第一電極的頂端的步驟。本方法還包括通過(guò)電子束蒸發(fā)將第二電極沉積于介電層的頂端的步驟。
[0006]在閱讀了下面通過(guò)非限制性例子給出的優(yōu)選實(shí)施例的具體描述并參考附圖后，進(jìn)一步的特征和優(yōu)點(diǎn)將顯得更加清晰。
【附圖說(shuō)明】
[0007]本發(fā)明將通過(guò)參考附圖的范例來(lái)描述，其中:
[0008]圖1是根據(jù)一實(shí)施例的鋯鈦酸鑭鉛(PLZT)電容器的截面圖；以及
[0009]圖2是根據(jù)一實(shí)施例制作圖1的電容器方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]圖1示出了本文描述的以形成電容器10的各種層的非限制性范例。示出的諸個(gè)層的相對(duì)厚度不旨在推斷形成電容器10的材料的實(shí)際層的相對(duì)厚度，而僅是以不同的厚度顯示以使下文描述更加容易想象。
[0011]電容器通常在玻璃形成的襯底12上形成或建立。如本文所用的，玻璃是具有玻璃相變的非結(jié)晶固體材料，所述玻璃相變是非晶材料(或在半結(jié)晶材料內(nèi)的無(wú)定形區(qū)域中)從通常被認(rèn)為是堅(jiān)硬的和相對(duì)易碎的狀態(tài)變?yōu)槿廴诨蛳鹉z狀狀態(tài)的可逆轉(zhuǎn)換。然而，正如下面將詳細(xì)描述的，制造玻璃薄層的近期發(fā)展表明了薄層可以比較柔韌?？偟膩?lái)說(shuō)，用于襯底12的玻璃是鈉鈣玻璃，由約75%的二氧化硅(S12)加上從蘇打灰(碳酸鈉)制備的氧化鈉(Na2O)、石灰(CaO)和潛在的幾種小添加劑組成。像這樣用作襯底12的基礎(chǔ)材料可以與幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)用于窗戶和酒具這樣熟悉類型的玻璃材料相比。然而，用于平板顯示器的玻璃的玻璃制造的相對(duì)近期發(fā)展提供了足夠光滑作為襯底12的玻璃。
[0012]在一個(gè)實(shí)施例中,襯底12可以由柳樹玻璃(Willow Glass)超薄片形成,所述柳樹玻璃(Willow Glass)超薄片可從位于美國(guó)紐約康寧的康寧公司(Corning Inc)及其它地方獲得。厚度為100微米(100 μ m)或更少的玻璃通常被歸類為超薄玻璃。合適的超薄玻璃也可從日本電器硝子美國(guó)公司(Nippon Electric Glass America)獲得。
[0013]優(yōu)選地，玻璃的表面粗糙度(Ra)小于3納米(3nm)。鋯鈦酸鑭鉛(PLZT)的典型介電層厚度是每層0.15微米，所以襯底表面的粗糙度可能是一個(gè)問(wèn)題。先前在襯底而不是玻璃上制造PLZT電容器的嘗試經(jīng)常需要對(duì)應(yīng)用PLZT的金屬層進(jìn)行花費(fèi)昂貴的拋光。對(duì)于由鎳箔來(lái)形成應(yīng)用PLZT的金屬層的情況下，3nm被選作上限。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)玻璃通常更光滑。從日本獲得的玻璃樣本被測(cè)出0.45nm的粗糙度。因此，使用玻璃作為襯底這樣做可以避免特殊的拋光操作，有特別的優(yōu)勢(shì)。
[0014]優(yōu)選地，玻璃有相對(duì)較低的鈉(Na)離子濃度，例如，小于百萬(wàn)分之十(1ppm)。諸如鈉離子和/或鉀(K)離子的低離子濃度是期望的，因?yàn)橛兄鄬?duì)較高濃度的這些離子的出現(xiàn)可使襯底12變?yōu)殡妼?dǎo)性，即不是電絕緣體，并且因此如果下面描述的各個(gè)層被建在襯底12的兩側(cè)上，將變得更不可取。因此，一些被用作窗戶的市售玻璃可能不適合形成襯底。雖然沒有符合任何特定的理論，但如果離子污染或濃度太高，可以相信在電場(chǎng)和偏壓存在時(shí)會(huì)發(fā)生離子的移動(dòng)或遷移，這可導(dǎo)致不期望的電氣隔離或泄漏問(wèn)題。
[0015]雖然任意厚度的襯底12都可以使用，但用厚度小于100微米(10ym)的玻璃來(lái)形成襯底可能是有優(yōu)勢(shì)的。如果電容器10被塑形或彎曲成非扁平的一些形狀，這種超薄玻璃可能是有優(yōu)勢(shì)的，通過(guò)非限制性示例的方式，電容器10可最初是使用卷對(duì)卷制程而制造的薄片形式，并且薄片可被卷成筒狀，以使電容器10可被包裝在管狀型封裝中，就類似于常用作鋁電解式電容器的那種封裝。
[0016]電容器10包括第一金屬化物層14,所述第一金屬化物層14通常被沉積于襯底12的頂側(cè)16上以形成第一電極18。本文所用的，術(shù)語(yǔ)“頂側(cè)”只是一個(gè)相對(duì)的術(shù)語(yǔ)，且也可以是“第一側(cè)”。通過(guò)非限制性示例，第一金屬化物層14可用已知的電子束蒸發(fā)處理來(lái)沉積。電容器10的原型可通過(guò)如下方式來(lái)獲得:在從日本電器硝子美國(guó)公司(Nippon ElectricGlass America)獲得的超薄柔性玻璃的表面使用200納米(200nm)鉬層以形成第一電極18。可替換地，第一電極18可由鎳、銅、或鋁形成。第一電極18的其它預(yù)期但未說(shuō)明的特征包括，觸點(diǎn)或端點(diǎn)，使得其它金屬化物層可被互連以形成多層電容器，和/或?qū)㈦娙萜?0和其它電路電連接，這些都可被電容器制造領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員所意識(shí)到。
[0017]電容器10包括由沉積于第一金屬化物層14上的鋯鈦酸鑭鉛(PLZT)所形成的介電層20。PLZT的沉積可包括使用溶膠一凝膠過(guò)程。所述溶膠一凝膠過(guò)程是已知的化學(xué)制程:其中在溶劑中的材料(“溶膠”)逐漸朝著膠狀物質(zhì)演化。通過(guò)非限制性實(shí)施例，PLZT溶液可被旋涂至第一金屬化物層14之上，并在升高的溫度下￠50攝氏度)處理以制造大約0.1 μ m厚的PLZT薄層。通常需要多個(gè)層以滿足電容器10的擊穿電壓要求。通過(guò)進(jìn)一步的示例，電容器10的原型使用涂覆在(形成第一金屬化物層14的)鉬表面的五層PLZT來(lái)形成介電層20。
[0018]當(dāng)制造電容器10的原型時(shí)，0.5M濃度PLZT的前體溶液由修改的2_甲氧基乙醇(2M0E)合成路線所制備，其使用了全部來(lái)自西格瑪奧德里奇(Sigma-Aldrich)的適量異丙氧基鈦、正丙醇鋯、三水合醋酸鉛和六水合硝酸鑭。在下面描述的熱處理過(guò)程中，所得的原液含有20%超量的鉛以補(bǔ)償鉛損耗。
[0019]在用于涂覆之前，PLZT前體溶液被配有0.22 μ m開孔尺寸的瑞斯泰克聚四氟乙烯(PTFE)注射器式過(guò)濾器(可從賓夕法尼亞州Bellefonte的瑞斯泰克公司Restek Corp獲得)過(guò)濾。過(guò)濾后的PLZT前體溶液由Laurell WS400旋轉(zhuǎn)處理器(可從賓夕法尼亞州North Wales的勞雷爾技術(shù)公司Laurell T