DE2805152A1

DE2805152A1 - Aus einem organischen polymerisat bestehendes dielektrikum und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2805152A1
Application number: DE19782805152
Authority: DE
Inventors: Jean Claude Dubois; Maryse Gazard
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1977-02-08
Filing date: 1978-02-07
Publication date: 1978-08-10
Also published as: FR2379889B1; US4153925A; GB1575777A; FR2379889A1; JPS5399455A

Description

Aus einem organischen Polymerisat bestehendes Dielektrikum und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft aus organischen Polymerisaten bestehende, in Form dünner Schichten verwendbare Dielektrika. Die Erfindung umfaßt auch das Verfahren zur Herstellung solcher DUnnschichten, die Anwendung dieses Verfahrens auf die Herstellung von elektrischen Kapazitäten sowie die so erhaltenen Kondensatoren mit einer oder mehreren dielektrischen Schichten.

In drei Kategorien einteilbare Verfahren zur Erzielung einer dünnen Polymerisatschicht mit interessanten dielektrischen Eigenschaften, ausgehend von organischen Verbindungen, sind bekannt:

Dr.Ha/Ma

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Erste Verfahrenskategorie: Durch Eintauchen eines Substrats in eine organische Polymerlösung kann man eine dünne Schicht auf dem Substrat erhalten; das Verfahren läßt sich jedoch nur schwer auf die technische Herstellung in größeren Mengen, insbesondere für die Kondensatoren, anwenden.

Zweite Verfahrenskategorie: Durch Elektronenbeschuß oder durch Ultraviolettbestrahlung eines organischen Monomeren kann man homogene und gleichförmige dielektrische Schichten erhalten; die Bildungsgeschwindigkeit einer solchen Schicht ist Jedoch sehr langsam und liegt in der Größenordnung von 10 Ä/Min..

Dritte Verfahrenskategorie: Durch "lumineszierende" elektrische Entladung erhält man, ausgehend von einer Gasphase des Monomeren, eine Polymerisatschicht, die um einige hundert bis zu einigen tausend Angström pro Minute wächst. Das so erhaltene Dielektrikum besitzt jedoch in der Regel nicht alle erforderlichen Eigenschaften, nämlich:

- eine ausreichende WärmeStabilität, indem nämlich die dielektrischen Eigenschaften außerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs verschwinden;

- ausreichend niedrige dielektrische Verluste, insbesondere bei hoher Frequenz;

- einen geringen Temperaturkoeffizient, indem nämlich die Kapazität mehr oder weniger mit der Temperatur und der Frequenz variiert; ·

- ein ausreichend hohes elektrisches Durchschlagfeld.

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Die Erfindung ermöglicht bei Anwendung eines Verfahrens der dritten Kategorie die Erzielung einer Dielektrikumsschicht mit insgesamt besseren Eigenschaften als eine Schicht aus bekannten Polymerisaten, wobei die Wachstumsgeschwindigkeit der Schicht zu den schnellsten gehört.

Das erfindungsgemäße Dielektrikum besteht aus dem Polymerisationsprodukt der organischen Verbindung der Formel

C F₃ -CF=CF-C F₃ (Perfluor-2-buten).

Die Polymerisation wird erzielt, indem man die Gasphase dieser Verbindung einem elektrischen Wechselfeld aussetzt, welches lumineszierende Entladungen erzeugen kann.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt eine perspektivische Darstellung eines Kondensators mit einer einzigen dielektrischen Schicht.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Dielektrikums verwendet man Perfluor-2-buten (C^ F_Q) der vorstehenden Formel, z.B. handelsübliches Perfluorbuten, d.h. in Spezialbehältern geliefertes verflüssigtes Gas.

Das Gas wird in eine übliche elektrische Entladungsvorrichtung mit einem Vakuumbehälter und einer einen Teil dieses Behälters bildenden Entladungskammer eingeführt. Diese Kammer ist mit einer isolierten ortsfesten Elektrode, die unter Spannung gesetzt werden kann, und einer an Masse angeschlossenen beweglichen Elektrode ausgerüstet. Die ortsfeste Elektrode nimmt ein Substrat auf, auf welchem das aus dem zwischen den Elektroden befindlichen Gas gebil-

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dete Polymere abgeschieden wird. Der Gasdruck wird auf einen Wert zwischen 0,05 und 0,3 Torr erniedrigt.

Man legt dann an die ortsfeste Elektrode eine elektrische Wechselspannung mit einer Frequenz zwischen 25 Hz und 15 MHz an, z.B. eine der beiden folgenden Frequenzen:

- 1000 Hz für den Betrieb bei verhältnismäßig niedriger Frequenz;

- 13,56 MHz bei technischem Hochfrequenzbetrieb.

Man regelt entweder den Wert der Spannung oder die Stellung der beweglichen Elektrode so, daß man eine lumineszierende Entladung erhält. Diese erfolgt z.B. bei einer Wechselspannung von 300 V, wenn zwischen den in einem Abstand von 3 cm angeordneten Elektroden ein Druck von 0,1 Torr herrscht.

Dabei bildet sich eine gleichförmige und homogene Dünnschicht aus abgeschiedenem Polymerisat. Zur Gewinnung dieser Abscheidung bringt man vorher auf der ortsfesten Elektrode der Entladungsvorrichtung ein Substrat an.

Dieses Polymere ist sehr stark vernetzt. Es ist in den üblichen Lösungsmitteln für organische Verbindungen unlöslich und wird von üblichen chemischen Mitteln nicht angegriffen.

Die Bildungsgeschwindigkeit der Schicht liegt in der Größenordnung von 4000 bis 7000 Ä/Min. bei einem Druck von 0,1 Torr und einer Entladung mit einem Stromverbrauch von 5 bis 10 W/cm Elektrode. Man regelt die Leistung, indem man auf den Abstand der Elektroden und auf den Wert

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der Spannung einwirkt. Die Bildungsgeschwindigkeit ist umso größer, je mehr sich diese Leistung 5 W/cm annähert.

Eine Temperaturerhöhung des Substrats bewirkt eine Verringerung der Bildungsgeschwindigkeit der Schicht. Diese liegt höher als die vorstehend genannten Werte, wenn das Substrat auf etwa O⁰C abgekühlt wird. Man erreicht so eine Wachstumsgeschwindigkeit der Schichtdicke in der Größenordnung von 0,7 Αϊ/Min, bei einer Frequenz der angelegten Spannung von 13»56 MHz.

Die Erfindung ist auf die Herstellung von Kondensatoren mit einer oder mehreren dielektrischen, durch Metallbelegungen getrennten Schichten anwendbar.

Die Zeichnung zeigt eine beispielsweise Ausführungsform eines Kondensators, Er besteht aus einem Substrat 1 (aus Glas, Keramik, Kunststoff, gegebenenfalls Metall), einer ersten Belegung 100 mit einem Ansatz 101, der die Rolle einer Anschlußelektrode spielt. Auf dieser Belegung befindet sich eine erfindungsgemäße Polymerisatschicht 2, welche auf der Seite der Elektrode 101 deutlich die Belegung 100 mit einem Polymerisatteil 21 überlappt, der jedoch nur einen sehr kleinen Teil der Elektrode 101 bedeckt. Auf der Polymerisatschicht 2 befindet sich eine zweite Belegung 200, welche über die Schicht 2 nur mit einem auf dem Substrat 1 aufliegenden Teil 201 übersteht und eine analoge Rolle wie die Elektrode 101 spielt.

Das Herstellungsverfahren eines solchen Kondensators umfaßt drei Hauptstufen:

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Erste Stufe; Herstellung der Belegung 100 durch Abscheidung einer Metallschicht auf dem Substrat 1. Eine solche Abscheidung kann z.B. durch Vakuumaufdampfung von Aluminium nach vorheriger Anbringung einer die Umrisse der Belegung begrenzenden Metallmaske erfolgen, welche den außerhalb des festgelegten Umrisses befindlichen Bereich vor einer Metallabscheidung schützt.

Anstelle einer Metallmaske kann man auch durch Lichtätzung eine Harzmaske herstellen.

Zweite Stufe: Herstellung der Polymerisatschicht 2 mittels des vorstehend beschriebenen elektrischen Entladungsverfahrens. Zuvor muß auf das mit der Belegung 100 versehene Substrat eine Metallmaske oder eine Harzmaske aufgebracht werden, so daß die Oberfläche der gewünschten Schicht begrenzt wird. Der am Rand abgelagerte Polymerisatüberschuß wird entweder durch Entfernung der Maske oder durch Auflösung des Harzes der Maske entfernt.

Dritte Stufe: Herstellung der Belegung 200. Diese Stufe verläuft analog der ersten Stufe.

Man kann einen "mehrschichtigen" Kondensator, ausgehend von dem nach den vorstehend beschriebenen drei Stufen erhaltenen Kondensator, nach Durchführung der folgenden Verfahrensschritte erhalten:

- Abscheidung einer zusätzlichen Polymerisatschicht auf gleiche Weise wie in Stufe 2, ohne die Elektroden 101 und 201 zu bedecken;

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- Bildung einer zusätzlichen Belegung auf die gleiche Weise wie in der ersten Stufe, wobei die Belegung zum Teil die zusätzliche Polymerisatschicht und den größten Teil der Elektrode 101 überdeckt;

- Wiederholung der vorstehenden Maßnahmen, wobei die gebildeten Belegungen abwechselnde Schichten auf der Elektrode 201 und auf der Elektrode 101 bilden, während der ganze "mehrschichtige" Kondensator nur ein einziges Elektrodenpaar besitzt.

Zu den noch nicht genannten, mit der Erfindung erzielten Vorteilen gehören die folgenden Eigenschaften des Dielektrikums :

spezifischer Widerstand in der Größenordnung von

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10 Ohm-cm;

- relative Dielektrizitätskonstante von etwa 3;

- Tangente des Verlustwinkels in der Größenordnung von 3.10" , wobei dieser Wert praktisch unabhängig von der Frequenz ist (zwischen 1 Hz und 100 KHz);

- elektrisches Durchschlagfeld von über 200 V/u;

- Koeffizient der relativen Kapazitätsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur in der Größenordnung von 10" pro Grad Celsius in einem Bereich von - 65⁰C bis + 150⁰C;

- geringe Änderung des Verlustwinkels von Raumtemperatur bis zu 150⁰C;

- Wärmebeständigkeit von - 100⁰C bis + 300⁰C.

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Man kann in einem Dielektrikumvolumen von 6 mm auf 6 mm bei einer Dicke von etwa 1/2 ja eine elektrische Kapazität von 2000 pF unterbringen.

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Claims

PatentanwMe 2600152 Dipl.-lng. Dipl.-Chem. Dipl.-lng. E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser Ernsbergerstrasse 19 8 München 60 THOMSON - CSF 2. Februar 1978 173» Bd. Haussmann 75008 Paris / Frankreich Unser Zeichen; T 3054 Patentansprüche

1. j Durch Einwirkung eines zur Erzeugung lumineszierender " ' Entladungen fähigen elektrischen Wechselfelds auf die Gasphase einer organischen Verbindung unter Polymerisation derselben erhaltenes Dielektrikum, dadurch gekennzeichnet, daß es aus dem Polymerisationsprodukt von CF, -CF = CF-C F-, (Perf luor-2-buten) besteht.

2. Verfahren zur Herstellung eines Dielektrikums gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasphase einem Druck zwischen 0,05 und 0,3 Torr bei einer das elektrische Feld erzeugenden Spannungsfrequenz zwischen 25 Hz und 13,56 MHz ausgesetzt und das dielektrische Polymerisat auf einem in der Gasphase angeordneten Substrat aufgefangen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz 1000 Hz beträgt.

^Dr-^Ha/Ma 80983 2/0943 ORIGINAL INSPECTED

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz 13,56 MHz beträgt.

5. Mindestens eine Schicht aus einem Dielektrikum gemäß Anspruch 1 enthaltender elektrischer Kondensator.

6. Kondensator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei oder mehr dielektrische Schichten besitzt.

7. Verfahren zur Herstellung eines Kondensators nach einem der Ansprüche 5 und 6, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensstufen:

a) Abscheidung einer Metallschicht auf einem Substrat;

b) Erzeugung einer Polymerisatschicht auf der in der vorhergehenden Stufe abgeschiedenen Schicht durch lumineszierende Entladungen in einer Gasphase des das dielektrische Polymerisat ergebenden Monomeren;

c) Abscheidung einer zweiten Metallschicht auf der in der vorhergehenden Stufe abgeschiedenen Polymerisatschicht.

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