DE3316114A1 - Verbundfilm, insbesondere fuer elektrolumineszenzstrukturen - Google Patents

Verbundfilm, insbesondere fuer elektrolumineszenzstrukturen

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Description

Ψ W β · ft
- 3 -Besc h r e i b u η κ
Verbundfilm, insbesondere für Elektrolumineszenzstrukturen ___
Die Erfindung bezieht sich auf einen auch als Kombinationsfilm zu bezeichnenden Verbundfilm auf der Grundlage von Aluminiumoxid (A12ü„) und Titanoxid (TiO2).
Ein derartiger Film bzw. eine derartige Schicht kann am zweckmäßigsten dadurch hergestellt werden, daß sie nach der.i sogenannten ALK- (Atom-Schicht-Epitaxie)-Verfahren aufgewachsen wird. Dieses Verfahren ist beispielsweise in den finnischen Patentanmeldungen 7^3 473 (US-PS k Ο58 430) und 790 680 beschrieben.
Zum Stand der Technik werden ferner folgende Veröffentlichungen aufgeführt:
/1/ Takeuchi, M et al: "Dielectric Properties of Sputtered TiO3 Films", Thin Solid Films, (51), 1978
/2/ De Wit, K J et al: "The Dielectric Breakdown of Anodic Aluminium Oxide", Journal of Electrochemical Society, Vol. 123, No. 10, Oct. 1979
/3/ Maissel, L I and Glang, R: Handbook of
Thin Film Technology, McGraw-Hill /Ί/ Chopra, K L: Thin Film Phenomena, McGraw-Hill, N.Y. 1969
/5/ Silvestri, V J et al: "Properties of Ai0O,
Film Dencsited from the AiCl-, CG,, and H-
3 £. 2
System", J. Electrochem. Soc. Vol. 125, No. 6, Jun. IS78
COPY
3316ΊΊ4
• β · ♦ It IM *· ··
/6/ The Mercx Index, 9th edition, USA, 1976 PI Nguyen, T H et al: "The Chemical Nature of Aluminium Corrosion: III The Dissolution
Mechanism of Aluminium Oxide and Aluminium Powder in Various Electrolytes", J. Electrochem. Soc, Vol. 127, No. 12, Dec. 1980 /ß/ Bernard, W J et al: "Trapped Oxygen in Aluminium Oxide Films and Its effect on
Dielectric Stability", J. Electrochem. Soc, Vol. 127, No. 6, Jun. 1980 /9/ Niinistö, private report
/10/ Feuersanger, A E: "Titanium Dioxide
Dielectric Films Prepared by Vapor
Reaction", Proc of the IEEE, Dec. 1964 /11/ Hayashi, S et al: "Chemical Vapor Deposition on Rutile Films", Journal of
Crystal ,Growth, 36, 1976
, — '
/12/ Harris, L A and Schumacher, R: "The Influence of Preparation on Semiconducting Rutile (TiO2)" J. Electrochem. Soc, Vol. 127, No. 5, May 1980
/13/ Armigliato, A et al: "Characterization of TiO Films and Their Application as Antireflection Coatings for Silicon Solar Cells" Solar Cells, (3) 1981.
Aluminiumoxid ist ein amorphes Isolationsmaterial, welches in. der Dünnfilmindustrie in weitem Umfang benutzt wird. Es wird durch sämtliche typischen Dünnfilm-Her-. stellverfahren hergestellt, und zwar beginnend von der Anodisierung von Aluminiummetall und endend mit verschiedenen CVD-Aufwachs-Verfahren.
Die über Aluminiumoxid angegebenen Daten umfassen eine große Zahl von verbreiteten Daten, die sich sowohl aus der großen Anzahl von Herstellungsverfahren als auch aus den verschiedenen Meßsystemen ergeben. In der Tabelle 1 sind typische Werte aufgeführt, die bezüglich Aluminiumoxid angegeben sind (der Variationsbereich ist in Klammern angegeben).
ε V. /MV cm"1 Q/MV cm η Band ab- /ev α·10~6 stand 8.8 (6-10) 6-8 35-70 1.55-1.76 ca 8 7+1
Tabelle 1. Typische Werte von Al O_-Dünnfilmen /2,3,4,5/
Die Abnahme des Dielektrizitätskoeffizienten von dem typischen Wert von etwa 9 bis 6 wird mit einer mangelhaften Verbindung der Oxidstruktur erklärt.
In Verbindung mit Ergebnissen der dielektrischen Durchschlagfestigkeit wird üblicherweise die Meßanordnung bzw. das Meßsystem nicht erwähnt bzw. angegeben. Demgemäß ist es schwierig die Werte miteinander zu vergleichen.
Eine Änderung im Brechungsindex äußert sich in Änderungen in der Dichte des Substrats, wenn die Struktur in anderer Hinsicht unverändert bleibt.
Aluminiumoxid ist chemisch sehr stabil. Es löst sich selbst nicht in Wasser /6/, Auch Aluminiumhydroxid. Al (OH) löst sich nicht. Wenn der Film Chlor enthält, findet vielmehr die Lösung in Form Al(OH?)Cl ~ statt /7/. Wenn der Aluminiumoxidfilm Poren enthält, kann die Lösung des Films auch durch ihr Vermögen erklärt werden /8/.
ORIGINAL INSPECTED
'*· '· ο ο ι ο ι ι
Aluminiumoxid ist einer der ALE-Filme, die am längsten in der Produktion sind, obwohl sie unerklärliche Änderungen bzw. Schwankungen in ihrer Qualität zeigen. Eines der konkretesten Beispiele für Qualitätsänderungen ist die Lösung von Aluminiumoxid in Wasser. Während einer bestimmten Periode (im Sommer I981) lösten sich Aluminiumoxide vollständig in kochendem ionengetauschtem Wasser. Eine Reihe von Monaten danach wurde indessen keine Auflösung mehr festgestellt.
.
Titanoxid weist drei Kristallformen auf: Rutil, Brookit und Anatas. Rutil ist die üblichste und stabilste Kristallform der betreffenden Kristallformen. TiO __ kann ebenfalls in amorpher Form auftreten. Die verschiedenen Eigenschaften hängen von der Kristallform ab, und darüber hinaus sind Unterschiede in den verschiedenen Kristallausrichtungen vorhanden.
In Dünnfilmen treten verschiedene Kristallformen sowie 20. amorphes TiO2 gleichzeitig auf. Dies ist der Grund dafür, daß die Eigenschaften unterschiedlicher Filme aufgrund von Unterschieden in der Herstellung stark voneinander differieren.
Tabelle 3 zeigt Eigenschaften unterschiedlicher dünner Filme.
Ti0 ε ν /MV cm Π ρ/Ω cm E /eV Ct/Wärmeausdeh-
2 r . - - nungskoeffizient
Dünner 40-60(25-80) 0.2-0.7 2.2-2.8 104-107 8-10~6 Film (1Q2-1012)
Rutile 117 ■ 2.7 1012 3
Brookite 78
Anatase 31 2.35
Tabelle 3· Angegebene Eigenschaften von
COPY
ORIGINAL INSPECTED
Die elektrooptischen Eigenschaften von Titanoxid sind eine hohe Dielektrizitätskonstante (£ ), ein hoher Brechungsindex (n) und ein spezifischer Widerstand (9)» der sich innerhalb eines großen Bereiches ändert. Der große Änderungsbereich des spezifischen Widerstands ergibt sich teilweise aus Differenzen in den Kristallstrukturen der Filme, teilweise aus Mangeln in den Filmen. Sauerstoff-Leerstellen haben einen starken Einfluß auf die Leitfähigkeit, was aber auch für einige Dotierungsstoffe zutrifft; so steigern beispielsweise Fluor und Wasserstoff die Leitfähigkeit. Es ist darüber berichtet worden, daß Sauers toff-Leers teilen im Vakuum während der Wärmebehandlung (7OO C) hervorgerufen werden, wobei TiOp Sauerstoff liefert und seine Leitfähigkeit erhöht ist /12/. Mit Rücksicht auf seine ziemlich geringe Breite des verbotenen Bandabstands (3eV) weist außerdem Titanoxid Neigungen zur Fotoleitfähigkeit auf.
Die Kristallstruktur eines Titanoxidfilms hängt von der Herstellungstechnik und von den Herstellungspararaetern ab. Wenn die Wachsturastemperatur niedrig ist (50 bis 300 C), dann ist der Film amorph und führt über verschiedene Mischforraen zu Rutil, wenn die Temperatur ansteigt /13/·
25
Die Auswirkung der Kristallstruktur auf die Leitfähigkeit ist in der Literaturstelle /lh/ beschrieben worden, wobei der spezifische Widerstand und die Dielektrizitätskonstante eines aufgesprühten TiO?-Films in Abhängigkeit von der Filmdicke untersucht worden sind.
Der spezifische Widerstand ist bis zu einer Dicke von 1 um niedrig; von da aus beginnt er exponentiell zuzunehmen. Demgemäß sind bei einer Röntgenstrahlen-Beu— gungv... s unter suchung des Films: lediglich bei 1 um Zeichen eines kristallisierten Films festzustellen (Anatas-
coPY
·' .... .«·» a JOIUl I '
-δ-
und Rutil-Mischung) . Je veiter der Film kristallisiert ist, um so niedriger ist die Leitfähigkeit und um so höher ist die Dielektrizitätskonstante.
Die Zunahme im Brechungsindex eines durch Reaktion aufgedampften TiO2-FiImS als Funktion der Aufwachstemperatur /l3/ kann durch Änderungen in der Kristallstruktur des Films erklärt werden (Amorph - Rutil).
Hinsichtlich seiner chemischen Eigenschaften ist Titanoxid stark passiv. Es löst sich nicht in Wasser, nicht in HCl bzw. nicht in HN0„. Es löst sich in heißer HF und H2SO^ /6/.
In durchgeführten Tests sind Versuche unternommen worden, um die Eigenschaften eines ALE-TiO_-Filmes aufzuzeichnen, der bei 5OO C gewachsen ist, und teilweise die Abhängigkeit dieser Eigenschaften von der Wachstumstemperatur zu ermitteln.
Titanoxid wird aus Titantetrachlorid und Wasser hergestellt. Die Grundreaktion läuft entsprechend der Formel 1 ab:
(1) TiCl^ + 2 H2O - TiO2 + 4 HCl .
Es ist bereits darüber berichtet worden, daß die Reaktion sogar bei Temperaturen unterhalb der Zimmertemperatur bei CVD-Wachstumsverfahren stattfindet /12/. 30
Auf der Grundlage der Tests kann über ΤχΟ? zusammenfassend folgendes gesagt werden:
ALE-TiOp ist ein stark kristallisierender, dekorativer Film. Der Film benötigt eine Al„O_-Wachstumsbasis. Hinsichtlich seiner Materialeigenschaften liegt ALE-Titan-
ORIGINAL INSPECTED
oxid zwischen einem Isolator und einem Leiter. Der spezifische Widerstand beträgt 10 Ohm·cm. Der spezifische Widerbtand ist in starkem Ausmaß eine Funktion der Wachstums t emperatur.
Die Mesvsungen des Brechungsindex waren nicht zuverlässig. Auf der Grundlage dieser Messungen zeigte es sich jedoch, daß das Titanoxid entweder nicht sehr dicht war oder daß die Kristallform des Films irgendeine andere Kristallform war als die von Rutil.
20
Chemisch gesehen ist Titanoxid stark inaktiv. Der Film könnte lediglich in heißer konzentrierter Flußsäure gelöst werden.
In der folgenden Tabelle sind die Eigenschaften aufgeführt, die bei 500 C heißem ALE-TiO- gemessen wurden.
*) unbestimmt
p/£fcm η *>
- 106 2,4 + 0,2
Tabelle U, Gemessene Eigenschaften von ALE-TiO„.
Es ist nun eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gemischten Film bzw. Mischfilm aus Titanoxid und Aluminiumoxid zu entwickeln, in welchem die dielektrischen und die optischen Eigenschaften zwischen den ursprünglichen Filmen liegen. Da hohe Mischverhältnisse durch gleichzeitiges Mischen nicht erzielt worden sind /i/, ist die neue Struktur ausjeinander abwechselnden dünnen Al 0„- und TiO -Schichten hergestellt worden, die Schicht um Schicht aufgewachsen sind.
' BAD ORIGINAL
-ΙΟΙ Anhand von Zeichnungen vird die Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in einer grafischen Darstellung die Mischkonzentrationen, zweier Filmreihen gemäß der vorliegenden Erfindung als Funktion des Periodenverhältnisses .
Fig. 2 zeigt in einer grafischen Darstellung die dielektrische Durchschlagfestigkeit eines Filmes gemäß der Erfindung in Abhängigkeit von der Mischkunzentration.
Fig. 3 zeigt in einer grafischen Darstellung die dielektrische Durchschlagfestigkeit eines Films gemäß der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von der Dicke der AlpO^-Schichten. Fig. 4 zeigt eine elektrische Ersatzschaltung, welche
die dielektrischen Eigenschaften des Films gemäß der Erfindung veranschaulicht. Fig. 5 zeigt eine weitere elektrische Ersatzschaltung des Films gemäß der Erfindung.
Fig. 6 veranschaulicht in einer grafischen Darstellung die Abhängigkeit des Brechungsindex eines Films gemäß der Erfindung von dem Mischverhältnis.
Es ist bekannt, daß für Titanoxid Werte von ko bis 60 als Dielektrizitätskonstante und von 2,7 für den Brechungsindex angegeben worden sind. Die entsprechenden Werte für Aluminiumoxid sind 9 bzw. 1,7· Der optimale Brechungsindex für das Isolationsmaterial, welches zwischen ITO (Indium-Zinn-Oxid) und ZnS angeordnet vird bzw. ist, ist durch das geometrische Mittel der Brechungsindizes dieser Substanzen gegeben; er beträgt etwa 2,17· wenn dieser Wert als Ausgangspunkt angenommen wird und wenn das erforderliche .-Mischverhältnis von TiO /Al0O berechnet wird, dann wird 0,45/0,55 bei diesem Wert erhalten. Rechnet man mit diesem Verhältnis, so wird der Wert 25 für £ des Isolationsmaterials erzielt. Diese
ORIGINAL INSPECTED C0PY
β ο
*■ 1 t» P
33161U
-11-
Werte können als Optimum für den Verbund- bzw. Kombination sf.i 1 in betrachtet werden.
Eine Schicht um Schicht gewachsene Al O /TiOp-Struktur nutzt in hervorragender Art und Weise den Vorteil der Leichtigkeit der Steuerung der Dicke des zu wachsenden Films bei dem ALE-Verfahren aus. Obwohl es nicht unmöglich ist, die Schichtstruktur mittels anderer Dünnfilm-Wachstumsverfahren herzustellen, ist das ALE-Verfahren für das Schicht-Wachsen von TiOp und Al?0„ selbstverständlich besser geeignet als die anderen Verfahren.
Titanoxid und Aluminiumoxid unterscheiden sich in einem erheblichen Ausmaß voneinander: Isolator bzw. Leiter, amorph bzw. kristallin, niedriger Brechungsindex bzw.
hoher Brechungsindex. Wenn jedoch diese Stoffe in geeigneter Weise als Schichten übereinander angeordnet werden, dann werden Eigenschaften erzielt, die zwischen den Eigenschaften der gesonderten Materialien liegen (Brechungsindex, £ , Kristallstruktur) und die teilweise -von den Eigenschaften beider Materialien bzw. Stoffe differieren (Isolationseigenschaften).
Der neue Film besteht vorzugsweise aus sehr dünnen (z.B.
30 ä) Al 0 - und TzO^-Schichten. Wenn die Schichtendicken so gering sind vie diese Schichten, dann ist es schwer, die Eigenschaften der Filme dadurch vorherzusagen, daß von Testergebnissen ausgegangen wird, die mit dickeren Filmen erzielt werden. Sehr dünne Filme sind tinter dem Gesichtspunkt der Dielektrizität untersuclat worden, so daß die Feste teilung der Eigenschaften der Sch.ieht.konstruKtiun eigene experimentelle Messungen erfordert. Das einzige Wissen, welches die Herstellung dünner Filme trägt, besteht darin, daß die dielektrischen EigenschafLeu von Isolationsfilmen dann verbessert sind, wenn die Dicke des Films vermindert wird. Tests haben
COPY
'. ■ - 12 -
χ gezeigt, daß der mögliche praktische Dickenbereich der Schichten zwischen 3 und 1000 A, vorzugsweise zwischen 20 und 100 X liegt.
Die AIpO^- und TiO^-Schichten werden in derselben Weise hergestellt wie entsprechende einzelne Schichten bzw. Filme, wie dies oben erläutert worden ist. Die einzige wesentliche spezielle Eigenschaft bezüglich des Wachsens des Films wird durch eine Ätz-Reaktion (3) zwischen Aluminiumchlorid rind Titanoxid eingeführtJ
(3) h AlCl3 + 3 TiO2 -» 3 ^iCl4 + 2
Wenn die Reaktion 3 endlos durchgeführt werden könnte bzw. angehen könnte, wäre eine Schicht struktur durch Anwendung des ALE-Verfahrens mit diesen Ausgangsstoffen nicht möglich. Das in der Reaktion erzeugte Al_0~ wirkt jedoch als chemische Barriere zwischen dem Titan oxid und AlCl,, und stoppt damit die Reaktion.
Die Dicke der hergestellten Aluminiumoxidschicht kann durch Konzentrationsmessungen und durch elektrische Messungen beurteilt bzw. abgeschätzt werden.
Fig. 1 zeigt die Mischungsverhältnisse zweier verschiedener kombinierter Strukturen in Abhängigkeit von dem Perioden- bzw, Zyklusverhältnis.
Aus der betreffenden Fig. geht hervor, daß in beiden Fällen die zu dem Perioden- bzw. Zyklusverhältnis von 1, d.h. zu reinem TiO- extrapolierte Kurve wesentlich unter 100 /6 bleibt. Dies geht auf die Ätzschicht zurück, die in der Art und Weise einer Stufenfunktion wirkt. Die Dicke der Ätzschicht kann nunmehr in Be-Ziehung zu der Wachstumsrate von Titanoxid berechnet werden. Im Falle der 30-Serie beträgt der erzielte
ORIGINAL INSPECTED
Wert 13 * Ti/c, und im Falle der 100-Serie beträgt der betreffende Wert entsprechend 11 ♦ Ti/c. Bei einer Wachstuiiisrate von 0,5 a/c von Titanoxid wird ein Wert von etwa 6 X als Dicke der Ätzschicht erhalten. Dieser Wert koinzidiert außerdem mit den Werten, die durch optische und elektrische Messungen erhalten werden (io ± 5 S).
Das Molvolumen von Aluminiumoxid wird mit 26 cm angegeben, und dasjenige von Titanoxid (Rutil) entsprechend mit 19 cm . Gemäß der Gleichung (4) wird das Verhältnis von geätztem Titanoxid und geformtem Aluminiumoxid zu 3/2 erhalten. Wenn das Verhältnis der Molvolumen mit diesem Verhältnis multipliziert wird, wird das Verhaltnis der in der Reaktion teilnehmenden Volumen erzielt: V /V = 1,1 ä 1. Demgemäß ist bei der Reaktion die Dicke des geätzten Titanoxids etwa gleich der Dicke des geformten Aluminiumoxids.
Auf der Grundlage der obigen Verhältnisse ist es möglicht, eine ziemlich grob abgeschätzte Formel für die Beziehung der Mischkonzentration und Perioden- bzw. Zyklusveihältnisse anzugeben:
(h) Ti/ATOk = ^ (ATO:Aluminium-Titan-Oxü)
In der obigen Formel bzw. Gleichung bezeichnet ATO, die Menge des kombinierten Filmmaterials bzw. das kombinierte Filmmaterial. Wenn die Schichtdicke zunimmt, wird der relative Anteil der Ätzschicht vermindert. Im Falle sehr dünner Schichtdicken ist die betreffende Formel nicht mehr genau. Die Formel nimmt konstante und gleiche Wachstumsraten an, was indessen zu Beginn des Wachstumsprozesses nicht genau stimmt (die Oberflächensitxiation ist verschieden). Bei sehr dünnen TiOp-Schichten (K 12 Perioden bzw. Zyklen), sind erhebliche ^engen an
ORIGINAL INSPECTED
Titan (ς£30 ^) gefunden worden.
' Die Dicke der Schicht, -die':geätzt, wird, - scheijit; ;ni von "der· Dosierungskonzentration-des. A1C1_-Stosses. abzuhängen. Die Dosierung von AlCl„ wurde innerhalb von
Grenzen zwischen ;3 uiid^ 6,7 Dosierungseinheiten variiert, : wobei kein'.Unterschied. in den elektrischen Ergebnissen
bemerkt wurde;.· Demgemäß, ist· die Diffusion.des Aluniinium-" "Chlorids in1-das Aluminiumoxid gering. J; - r- ; .._■ -.. liUT
Ein ATO.-Material kann aus AlpO«- und TiO -Scliichten mit ■'·'· stark' variierenden Dicken -hergestellt; werden. Die mini-' ·· malen Schichtdicken hängen von den .Schichten ab, ,die durch die Ätzreaktion erzeugt werden. Die Dickenforderung bezüglich der Titanoxidschicht beträgt etwa 10 A, und die der Aluminiumoxidschicht wird "aus der Dicke von etwa 5 Ä erhalten, welche allein durch die Ätzreaktion erzeugt wird. Die maximalen Schichtdicken werden auf der Basis der optischen Eigenschaften und der TiOg-Leit-20. fähigkeitseigenschaften bestimmt. Die Größenordnung der maximalen Schichtdicke liegt bei 25 nm. Diese Werte bestimmen die Schichtendicken, innerhalb der die Eigenschaften von ATOv untersucht. werden-können. ·
Bei den betreffenden Filmen wurde die dielektrische Durchschlagskraft in der_^selben Weise bestimmt, wie dies oben beschrieben worden ist. ■
Fig. 2 zeigt die gemessenen Q-Werte-als Funktion des Ti/Al-Verhältnisses;-·'.--= :■-=." : .: ■: . ..;. ->. ..
Die Bestimmungen der chemischen Konzentration wurden mit einer'Genauigkeit von 10 %. durchgeführt. Dies führt zu einer Unsicherheit in den Ergebnissen, auch in Richtung der x-Achse. Was von Bedeutung ist, ist entweder eine sehr scharfe Abhängigkeit der':dielektrischen,
ORIGINAL INSPECTED ' COPY %
Durchschlagsfestigkeit vom Mischungsverhältnis, oder daß keine derartige Abhängigkeit vorhanden ist, wobei der Vert durch andere Faktoren bestimmt ist.
In Fig. 3 ist die Abhängigkeit des Q-Vertes von der Dicke der Aluniiniumoxidschicht dargestellt.
Die dielektrischen Eigenschaften des ATO, -Films sind proportional der Dicke der jeweiligen individuellen
Al 0 -Schicht. Der Q-Wert nimmt während der ersten
Nanometer sehr steil zu (etwa 5 A werden während des Ätzens erzeugt). Der Wert erreicht sein Maximum bei
etwa 60 A* und beginnt allmählich abzufallen, wenn der
Al 0 -Film dicker wird.
Für die Dielektrizitätskonstante von AT(X kann weder in dem Mischungsverhältnis noch in der Schichtdicke des Aluminiumoxids eine deutliche Abhängigkeit festgestellt werden. Durch das Mischungsverhältnis und die Schichtdicke wird die Gesamtdicke des Aluminiumoxids erhalten. Wenn dieser Wert als effektive Isolationsdicke benutzt wird, ist es möglich, die Dielektrizitätskonstante für verschiedene Strukturen zu berechnen und mit denen von Aluminiumoxid zu vergleichen.
·
Die Tc.belle" 5 zeigt Werte, die auf diese Weise für bestimmte ATO -Strukturen berechnet wurden.
-K-
Zyklusver
hältnis		 Mischver
hältnis d.		 flCX /rm 0Al 0/nm C/pF r/
30 Alo0_/Ti0p Al/(A1+Ti) 2 3· •
: 90/5 0.46 123 57 25 ' 6.
100/50 0.43 265*} 103 14 · 7.
- 100/100 0.56 273 153 13 9".
100/200
35
* geschätzt		 - °·67 181 121 15 8.
Tabelle 5. COPY
ORIGINAL INSPECTED
Gemäß dieser Tabelle würden die Dielektrizitätseigenschaften von ATO ausschließlich aus dünnen Al 0.-Schichten resultieren. Titanoxid wirkt als niederohmige Verbindung zwischen den verschiedenen Isolationsschichten, wie dies aus Fig. h ersichtlich ist.
Werden die obigen Ergebnisse überprüft, so ist die einzige Eigenschaft von ATO. , die als Mittelwert oder als Kombination der Eigenschaften der meisten Filme nicht erklärt werden kann, die dielektrische Durchschlagfestigkeit.
Titanoxid ist ein Leiter, Aluminiumoxid ist ein Isolator; bestenfalls sind jedoch die Isolationseigenschaften von ATO, dreimal besser als jene von Aluminiumoxid.
iC
Wie oben erläutert, sind dann, wenn die Dicke eines Isolationsfilms vermindert ist, dessen Feld-Viderstandseigenschaften verbessert.
Wenn berechnet wird, welche Feldstärken durch das Aluminiumoxid auszuhalten bleiben, beispielsweise im Falle von ATO (IOO/IOO), wobei Q = 60 MV · cm" beträgt, dann wird als Durchbruchsfeld ein Wert von 6,7 MV · cm erzielt. Dieser Wert beträgt etwa das dreifache des Wertes, der mit dickeren ALE-AIpO,,-Filmen gemessen worden ist. Der Wert liegt jedoch innerhalb eines vollständig verständlichen bzw. vernünftigen Bereichs.
Eine Aluminiumoxidschicht wird in zwei verschiedenen Arten gebildet: Durch Ätzen und durch das ALE-Wachsen. Dies kann als Erklärung dafür herangezogen werden, warum Isolationsschichten als dünne Schichten (wie bei £' 50 A.) fest sein können. Andererseits mischen die leitenden TiOp-Schichten zunächst die Struktur, und außerdem haben sie durch ihre elektrischen Eigen-
ORIGINAL INSPECTED
schäften eine Wirkung, welche die Feld-Widerstandseigenschaften der Gesamtstruktur verbessert. Es sei nunmehr diese zuletzt erwähnte Alternative genauer betrachtet.
Der Durchbruch eines Films findet stets an der schwächsten Filmstelle statt. Bei einer derartigen ßunktförmigen Stelle ist das Feld stärker als sonstwo, und der Durchbruch findet hier statt. Infolgedessen wird diese Stelle des Films heiß, was üblicherweise auch die FeId-Widerstaridseigenschaften der nächsten Umgebung schwächt. Hierdurch kann das Fortschreiten des Durchbruchs beginnen, wobei es jedoch auch aufhören kann, so daß lediglich die Elektrode an der Durchbruchsstelle verdampft wi rd.
Wenn angenommen wird, daß der Durchbruch längs eines Leitkanals mit dem Radius r stattfindet, dann kann die folgende Gleichung 5 für das Durchbruchsfeld geschrieben werden:
wobei £ , C und ^ Isolationsmaterial-Konstanten sind, A = Elektrodenfläche,
T= Umgebungstemperatur,
T,= Isolationsmaterialtemperatur, r = Radius des Durchbruchs-Leitkanals. 30
Daraus ergibt sich, daß der Wert des Durchbruchsfeldes proportional dem Radius r des Leit- bzw. Leitfähigkeitskanals ist.
Eine elektrische Ersatzschaltung kann für den ATCK-FiIm als RC-Netzwerk angegeben werden, wie dies in Fig. 5 veranschaulicht ist.
I. Z * -Z ' I Z 1*11.; ο ο ι υ ι ι -t
- 18 -
Das Titanoxid kann als ein Reihenwiderstand in der horizontalen Richtung und als ein Kurzschluß in der vertikalen Richtung betrachtet werden. In entsprechender Veise bildet Aluminiumoxid aufeinanderfolgende Kondensatorebenen in der vertikalen Richtung.
Wenn der Film eine etwas schwächere Stelle aufweist (in der Fig. ist ein Kondensator kurzgeschlossen), tritt an dieser Stelle eine Verstärkung im elektrischen Feld auf. Die Titanoxid-Widerstände teilen jedoch nunmehr das Feld über einen weiteren Bereich auf. Übertragen auf die Formel 5 bedeutet dies, daß der geforderte Radius r des Leitkanals vergrößert ist.
Darüber hinaus ist die in der Kapazität geladene Energie zwischen sämtliche Alp0„-Schichten aufgeteilt worden, und im Falle einer Kurzschlußschaltung wird diese Energie über den TiO_-Widerstand entladen. Im Falle einer normalen Isolation hat die gesamte in dem Kondensator geladene Energie Zugang über die Elektroden in den Durchbruchskanal.
Eine Röntgenstrahlen-Brechungsanalyse wurde bezüglich der ATO, (100/100)-Struktur an der Finland University of Technology durchgeführt. Durch diese Untersuchung war die Bedeutung bzw. der Zweck herauszufinden, ob irgendein Kristallisationsgrad in dem Film festgestellt werden kann. Bei dieser Messung konnten keine Brechungsbzw. Beugungsspitzen in dem Film festgestellt werden, der allerdings als amorpher Film festzustellen war.
Wenn SEM- bzw.' Rasterelektronenmikroskop-Bilder eines derartigen Films mit Bildern des Films bei gleicher. Dicke von Al„0„ und von TiO„ verglichen werden, könnte festgestellt werden, daß die Oberflächenqualität der Probe zwischen den betreffenden Proben liegt. Ein ge-
ORIGINAL INSPECTED
ÜO-*Ü">*O-': 33161H
wisses Maß der Kristallisation hat in dem Film stattgefunden.
Der Umstand, daß die Röntgenstrahlenbeugung keinerlei Ergebnis lieferte, welches für die Kristallisation kennzeichnend ist, besagt, daß die verschiedenen TiO-Schichten nicht in derselben Kristallisationsphase lagen. Da jedoch eine makroskopische Kristallisation in dem ATO festgestellt werden kann, bedeutet dies, daß die dünnen Al„0 -Schichten nicht vollständig die Information zwischen den Titanoxidschichten abschalten bzw. beseitigen. Die darunter liegenden kristallisierten Schicht en wirken auf die darüberliegenden Schichten so ein, daß bei einem dicken Film eine Ungleichmäßigkeit in der Filmfläche bereits gesehen werden kann.
Im Hinblick auf seinen Brechungsindex liegt das ATO1 -
ic
Material zwischen seinen Mutterfilmen, und zwar in der Art, wie sie durch das Mischverhältnis bestimmt ist. Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit der Brechungsindize der
ATO (100/x)-Strukturen von dem Mischungsverhältnis ic
bzw. Mischverhältnis.
Die Auswirkungen der Schichtdicken wurden nicht untersuclit; sie sollten jedoch keinerlei Auswirkung haben, solange die optischen Schichtdicken wesentlich geringexsind als die Lichtwellenlänge.
Die Atzbarkeit -von ATO1 liegt zwisehen den Eigenschaften von Titanoxid und Aluminiumoxid. Die HF-Ätzrate nimmt ab, wenn der Anteil von Titanoxid zunimmt.
ATO (lOO/iOO) wird sich als Schuppen loslösen. Die
JC
Ätzgrenaeist sehr scharf. Dies ruft Schwierigkeiten bei Interferometer-Dickenmessungen hervor.
- 20 -
Es ist wahrscheinlich, daß HF längs der Kristallgrenzen durch den Film eindringt und entweder das darunter liegende Aluminiumoxid oder die Zwischenschichten ätzt.
Die optimalen Feld-Widerstandseigenschaften von ATO1. werden bei einer Schichtdicke von 55 A des Aluiainiumoxids erzielt. Wenn dieser Vert festliegt, erfordert eine optimale Anpassung von ITO und ZnS einen Wert von 73 A von Titanoxid. Bei den Wachstumszyklon macht dies etwa 160 Zyklen aus. Die Spannung, die die Isolation aushält» ist proportional der Isolationsdicke und im Falle von ATO, proportional der Gesamtdicke der Aluminiumoxidschicht. Daraus folgt, daß eine ATO (1 6o/i 00)-Struktur 30 c/o dicker gemacht werden muß im Vergleich zu einer IOO/I00-Struktur, wenn eine Spannungsgrenze als einzuhaltender Wert überlagert ist.
Wenn die Gesamtdicke und die Verarbeitungszei L einer EL-Struktur auf einem vernünftigen Wert zu halten sind, muß die obere Isolation mit einem höheren Al„0„-Verhältnis, beispielsweise mit einem Verhältnis von 75/^50 oder IOO/2OO hergestellt werden. Bei dieser Dicke der Al20„-Schicht ist die dielektrische Durchschlagsfestigkeit noch hoch» und nunmehr kann die Isolation dünner gemacht werden.
Verbund- bzw. Kombinationsfilme gemäß der Erfindung sind besonders geeignet als Isolationsschichten zwischen der Lumineszenz- (ZnS:Mn)-Schicht und den Elektrodenschichten (z.B. Indium-Zinn-Oxid) als Substitut für bekannte Al_0„-Schichten.
Patentanwalt

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1 . Vt-; uujidf i In: auf der Grundlage von Aluminiumoxid (Al„o. ) ujid Tit-anoxid (TiO0) für die Verwendung- ins-
    C J d
    besojiüure in Dümif ilni-Elektroluiniiieszenzs trukturon, dadurch. gekennzeichnet, da; J
    mehrere einander abwechselnde Al0O- und TiOp-Schich-L cn vorgesehen sind, deren Dicke 3 bis 1000 A, vorzu£sveise 5 bis 25O A beträgt.
    2. Vui'bundf ilm nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schichten 20 bis 100 A, vorzugsweise 40 bis 70 A beträgt.
    3. Verbundfilm nach Anspruch 2, dadurch
    gekennzeichnet Schichten etwa 30 A* beträgt.
    daß die Dicke der
    h. Verbundfilm nach Anspruch. 1 , dadurch gekennzeichnet , daß der Film durch V/achsc-n nach dem sogenannten ALE- (Atom-Schicht- hpi ι a.-'de," -Verfahren hergestellt ist.
    COPY
    ^ 5· Verbundf i Im nach Anspruch. 1, dadurch Ce~ kennzeich.net , daß die Schichten zumindest weitgehend von gleicher Dicke sind.
    6. Verbundfilm nach Anspruch, !,dadurch gekennzeichnet , daß die Gesamtzahl der einander abwechselnden Schichten IO bis 200, vorzugsweise etwa 50 beträgt.
    IQ 7 . Verbundfilm nach Anspruch '4,·. d a, d u r c h. gekennzeichnet , daß das.· Zyklusverhältnis
    Al O /TiO im Bereich von 5/5ΟΟ bis 30/5 liegt.
    8. Verbundfilm nach Anspruch 1,dadurch g e kennzeichnet, daß das Gewichtsvertüiltnis
    Ti/(Al+Ti) in dem betreffenden Film 0,45 bis 0,55, vorzugsweise etwa 0,5 beträgt.
    9. Verbundfilra nach Anspruch 1,dadurch g e kennzeichnet, daß die Dicke der A1„O.,-
    Schichten 5O bis fO A, vorzugsweise etwa 60 A beträgt.
    [ COPY
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