CN1197103C - 温度补偿用薄膜电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供出一种可以容易地实现小型化、薄型化、轻型化且可以实施温度补偿的薄膜电容器，本发明的另一目的在于提供出一种可以满足上述条件且在高频频带处具有良好Q值的薄膜电容器。本发明提供的一种薄膜电容器的特征在于在一对电极3、7之间，夹装有两个以上的、相对介电常数彼此不同的第一电介质材料薄膜4、6和第二电介质材料薄膜5。而且，本发明提供的一种薄膜电容器还可以进一步使所述第一电介质材料薄膜的容量温度系数绝对值为50ppm/℃以下，使所述第二电介质材料薄膜的容量温度系数为负值且使其绝对值为500ppm/℃以上。
Description
技术领域
本发明涉及可以对半导体元件的结合电容量对温度的依赖性实施补偿，进而可以减小使用着这种薄膜电容器的电子线路对温度依赖性的薄膜电容器。
背景技术
这类薄膜电容器通常由叠层设置在基板上的下部电极层、电介质材料层和上部电极层构成，根据不同情况，也可以在具有下部电极层功能的半导体基板上，依次叠层设置有电介质材料层和上部电极层。
对于这种薄膜电容器，需要能够使电介质材料层的相对介电常数和Q值比较大，并且在共振频率的温度系数方面需要获得以0为中心的正值或负值的温度系数。
现有技术中作为具有这种性质的电介质组成物，目前有以下的已经是公知的。这类电介质组成物是在BaO-TiO2类的电介质材料中，添加入诸如氧化钐(Sm2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化镝(Dy2O3)、氧化铕(Eu2O3)烧制而成的材料。但是，为获得这种现有技术中的电介质型瓷质组成物的技术，只能将相对介电常数εr控制在61～72的范围内，将温度系数τ控制在-24～31ppm/℃的范围内。
发明内容
在这种技术背景下进行的技术开发，已经能够获得对由共振频率用温度系数为正值的第一电介质型瓷质组成物构成的薄板，和由共振频率用温度系数为负值的第二电介质型瓷质组成物构成的薄板实施叠层粘贴组合，而构成的电介质型瓷质组成物。
采用这种技术，便可以对所需要的组成原料实施混合而成型出直径为16mm、厚度为9mm的圆板状部件，将该成型部件在1260～1450℃的温度下烧制数小时而制作出第一电介质型瓷质组成物，并且可以对与所述组成原料不同的组成原料实施成型和烧制处理，以制作出尺寸相同的第二电介质型瓷质组成物，进而将这两个电介质型瓷质组成物切割成厚度为1mm左右的薄板状部件，对它们实施叠层处理以构成具有这种叠层结构的电介质型瓷质磁性组成物。
如果具体的讲就是，通过对相对介电常数彼此不同或相同的电介质型瓷质组成物实施叠层处理，并通过对两者的体积组成比实施调整的方式，可以获得所需要的相对介电常数和温度系数。
然而，如果采用这种技术，仅可以对通过烧制方式制作出的第一电介质型瓷质组成物和第二电介质型瓷质组成物构成的厚度大约为1mm的若干个薄板实施叠层设置，这使得与其相对应的薄板状叠层电容器难以进一步实现小型化、轻型化。如果举例来说，采用这种技术将难以获得厚度为1mm以下的电容器，难以实现进一步薄膜化。
而且，当通过粘贴方式对由电介质型瓷质组成物构成的薄板实施叠层处理时，在薄板与薄板间的分界部分处将存在有与电介质材料不同的粘贴层或空气层，从而这种叠层薄板沿厚度方向将具有若干个不连续部分，因此存在难以获得具有理想的目标温度系数的电介质材料体的问题。
而且，这种呈薄板形状的电介质型瓷质组成物为多结晶型厚膜电介质材料体，所以沿薄膜厚度方向将具有许多个晶粒边界，因此难以降低位于1GHz以上的高频频带区域处的介电损失。
本发明就是解决上述问题用的发明，本发明的目的就是提供一种可以容易地实现小型化、薄型化、轻型化且可以实施温度补偿的薄膜电容器。而且，本发明的另一目的就是提供一种可以满足上述条件且在高频频带处具有良好Q值的薄膜电容器。而且，本发明的再一目的就是提供一种可以减少泄露电流的薄膜电容器。
为了解决上述问题，本发明构造的一种薄膜电容器，其特征在于可以在一对电极之间夹装有两个以上的、相对介电常数彼此不同的第一电介质材料薄膜和第二电介质材料薄膜。
具有这种构成形式的薄膜电容器，由于可以在电极之间夹装有两个以上的、相对介电常数彼此不同的第一和第二电介质材料薄膜，所以可以通过对这些电介质材料薄膜实施适当组合的方式，对Q值实施调整，对耐电压强度实施调整，并且可以实施温度补偿。
而且，根据本发明构造的一种薄膜电容器，其进一步特征在于所述第一电介质材料薄膜的容量温度系数绝对值为50ppm/℃以下，所述第二电介质材料薄膜的容量温度系数为负值且使其绝对值为500ppm/℃以上。
上述范围的电介质材料薄膜，通过呈叠形式可以对温度系数实施调整，对温度实施补偿。
而且，根据本发明构造的一种薄膜电容器，其进一步特征在于还可以使所述第二电介质材料薄膜由多结晶体构成，并且可以使由构成所述第二电介质材料薄膜用的若干个结晶颗粒构成的晶粒边界，为沿所述第二电介质材料薄膜的膜面方向存在有若干个，沿薄膜厚度方向不存在有10个以上。
具有这种构成形式的薄膜电容器，由于可以采用沿薄膜厚度方向不存在有10个以上晶粒边界的第二电介质材料薄膜，最好是采用沿薄膜厚度方向不存在有若干个(比如说两个以上)晶粒边界的第二电介质材料薄膜，所以还可以降低位于高频频带区域的介电损失，提高位于高频频带区域处的Q值。
而且，根据本发明构造的一种温度补偿用薄膜电容器，还可以进一步使第一电介质材料薄膜的相对介电常数为10以下，耐电场强度为5MV/cm以上，最好为8MV/cm以上，并且使频率为1GHz时的Q值为200以上，最好为500以上，使介电缓和时间为1秒以上。采用这种构成形式，便可以获得薄型且耐电压强度比较大的薄膜电容器，并且可以获得能够适用于高频电路的薄膜电容器。
而且，根据本发明构造的一种温度补偿用薄膜电容器，还可以进一步使第二电介质材料薄膜的相对介电常数为150以下，并且使频率为1GHz时的Q值为50以上，最好为100以上。
而且，根据本发明构造的一种薄膜电容器，其特征在于所述第一电介质材料薄膜由SiOxNy构成。
而且，根据本发明构造的一种薄膜电容器，其特征在于所述第二电介质材料薄膜由TiOx或CaTiO3构成。
具有这种构成形式的薄膜电容器，由于可以使第一电介质材料薄膜由SiOxNy构成，所以其耐电压强度良好，并且可以容易地获得比较大的Q值，如果使所述第二电介质材料薄膜由TiOx或CaTiO3构成，就可以通过对厚度实施调整的方式，容易地对容量温度系数实施调整。
而且，根据本发明构造的一种薄膜电容器，其特征在于作为夹装在所述一对电极之间的电介质材料薄膜，在与各电极相接侧处分别设置有第一电介质材料薄膜，在这两个第一电介质材料薄膜之间夹装有第二电介质材料薄膜。
如果使第一电介质材料薄膜由SiOxNy构成并靠近电极侧，就可以使耐电压强度良好且可以减少泄露电流，如果在一对第一电介质材料薄膜之间设置第二电介质材料薄膜，就可以容易地对温度系数实施控制。
如上所述，本发明则可以在一对电极之间夹装有两个以上的、相对介电常数彼此不同的第一电介质材料薄膜和第二电介质材料薄膜，由于在电极之间夹装有两个以上的、相对介电常数彼此不同的第一和第二电介质材料薄膜，所以可以通过对这些电介质材料薄膜实施适当组合的方式，对Q值实施调整，对耐电压强度实施调整，并且可以实施温度补偿。
在本发明所述构造的基础上，如果使第一电介质材料薄膜的容量温度系数绝对值为50ppm/℃以下，使所述第二电介质材料薄膜的容量温度系数为负值且使其绝对值为500ppm/℃以上，就可以实施温度调整，进而可以实施温度补偿。
而且，在本发明中，如果使第二电介质材料薄膜由多结晶体构成，并且使由构成所述第二电介质材料薄膜用的若干个结晶颗粒构成的晶粒边界，为沿薄膜厚度方向不存在有若干个，就可以降低位于高频频带区域的介电损失，提高高频频带处的Q值。
而且，在本发明中还可以使第一电介质材料薄膜的相对介电常数为10以下，使耐电场强度为5MV/cm以上，最好为8MV/cm以上，使频率为1GHz时的Q值为200以上，最好为1000以上，并且可以使介电缓和时间为1秒以上。
而且，在本发明中还可以使第二电介质材料薄膜的相对介电常数为150以下，使频率为1GHz时的Q值为50以上，最好为100以上。
而且，在本发明中，如果使第一电介质材料薄膜由SiOxNy构成，就可以通过对组成比率和厚度实施调整的方式，容易地对Q值、耐电压强度、温度系数实施调整，而且如果使第二电介质材料薄膜由TiOx构成，就可以通过对厚度实施调整的方式，容易地对容量温度系数实施调整。
附图说明
下面参考附图说明本发明的最佳实施例，然而本发明并不仅限于如下所述的各实施例。
图1为表示根据本发明构造的温度补偿用薄膜电容器的第一实施例用的示意性剖面结构构成图。
图2为表示如图1所示的薄膜电容器用的示意性平面图。
图3为表示根据本发明构造的温度补偿用薄膜电容器的第二实施例用的示意性剖面结构构成图。
图4为表示设置有根据本发明构造的薄膜电容器的一种电路用的示意性电路图。
图5为表示对根据本发明构造的薄膜电容器的温度系数与变容二极管的温度系数实施比较用的示意图。
图6为表示厚度为2000的SiOx薄膜(X＝1.9，Y＝0)的耐电场强度特性的测定结果用的示意图。
图7为表示厚度为2000的SiOxNy薄膜(X＝1.4，Y＝0.3)的耐电场强度特性的测定结果用的示意图。
图8为表示厚度为2000的SiNy薄膜(X＝0，Y＝1.3)的耐电场强度特性的测定结果用的示意图。
图9为表示厚度为3000的TiO2薄膜实施绝缘耐压强度特性的测定结果用的示意图。
图10为表示如图1所示的薄膜电容器的耐电场强度特性的测定结果用的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明第一实施例构造的薄膜电容器，作为第一实施例的薄膜电容器1可以在平面呈矩形形状的基板2上的一个表面处，叠层形成呈薄膜状的第一电极层(下部电极层)3，呈薄膜状的第一电介质材料薄膜4，呈薄膜状的第二电介质材料薄膜5，呈薄膜状的第一电介质材料薄膜6和呈薄膜状的第二电极层(上部电极层)7。
本发明对所述基板2的材料性质并没有特殊的限制，只要能够具有足够的厚度以使整个电容器具有适当的刚性，并且能够承受按照薄膜成型方式，在基板2上形成各个呈薄膜状的第一电极层3、第一电介质材料薄膜4、第二电介质材料薄膜5、第一电介质材料薄膜6和第二电极层7时的薄膜成型处理温度即可。如果举例来说，满足上述条件的材料体实例可以是其表面由盖覆有硅的、诸如硅片等的部件，还可以为诸如SiO2、Al2O3等的材料体。
所述第一电极层3和第二电极层7可以为由诸如Cu、Ag、Au、Pt等单一金属构成的单层构造体，也可以为由若干层金属层构成的叠层构造体。对于采用叠层构造的情况，可以为由诸如硅氧化物、Cr、Ni、铬氧化物、镍氧化物、Pt等构成两层以上叠层构造。
所述第一电介质材料薄膜4、6可以由相同的材料构成，而且最好在耐高电压强度条件下，具有比如后所述的第二电介质材料薄膜5更高的Q值，并且具有更低的温度变化率。
如果更具体的讲就是，最好是采用容量温度系数的绝对值为50ppm/℃以下，相对介电常数为10以下，耐电场强度为5MV/cm以上，最好为8MV/cm以上，无负载时的Q值为200以上，最好为500以上(当频率为1GHz以上时)，介电缓和时间为1秒以上的材料，制作第一电介质材料薄膜4、6。而且，第一电介质材料薄膜4、6的厚度位于1μm(1×10-6m)以下时比较好，位于500～5000(0.05～0.5μm)时更好。采用这种构成形式，便可以确保其耐电压强度，并且可以实现薄膜化和高生产性。
如果举例来说，满足这些条件的材料可以为非结晶型SiOxNy层、SiOx层等。而且如果举例来说，可以通过诸如测射法或PECVD方法等的薄膜成型法，形成这种非结晶型SiOxNy层。
所述第二电介质材料薄膜5在耐电压强度方面和Q值方面，可以比第一电介质材料薄膜4、6略差一些，而且最好是采用比第一电介质材料薄膜4、6具有更高温度变化率的材料制作。
如果具体的讲就是，最好是采用容量温度系数为负值且其绝对值为500ppm/℃以上，相对介电常数为150以下，无负载时的Q值为50以上，最好为100以上(当频率为1GHz以上时)，介电缓和时间为1秒以上的材料，制作第二电介质材料薄膜5。而且，第二电介质材料薄膜5的厚度位于2μm(2×10-6m)以下时比较好，位于1μm(1×10-6m)以下时更好。在此，当构成第二电介质材料薄膜5的结晶颗粒粒径为0.5μm至1μm时，沿薄膜厚度方向将不会形成若干个晶粒边界。
而且，当构成第二电介质材料薄膜5的结晶颗粒粒径为0.1μm至0.5μm时，沿薄膜厚度方向的晶粒边界将不会形成为10个以上。沿薄膜厚度方向的晶粒边界数目越少越好，如果晶粒边界数目为两个以下时更好，最理想情况是沿薄膜厚度方向不存在有晶粒边界(即沿薄膜厚度方向仅存在有一个晶粒)。
如果举例来说，由满足这些条件的材料制作的层可以为TiO2层，或者是CaTiO3层。TiO2层和CaTiO3层具有为比较大负值的温度系数，并且为对第一电介质材料薄膜4、6的温度系数实施调整目的而设置的，所以其耐电压强度比所述的电介质材料薄膜4、6低一些，虽然存在有泄露电流的可能性，但由于在电极层3、7侧设置有耐电压强度比较高的第一电介质材料薄膜4、6，所以薄膜电容器的整体耐电压性能将不会出现问题。如果举例来说，可以通过诸如溅射方式等的薄膜成型法，对这种TiO2层或CaTiO3层实施制作。
具有这种构成形式的薄膜电容器1由于在电极层3、7侧，配置有与其相结合的、耐电压强度方面比较好的第一电介质材料薄膜4、6，所以可以使其具有良好的耐电压强度。而且，由于这种薄膜电容器1是通过第一电介质材料薄膜4、6和第二电介质材料薄膜5叠层构成的，所以与现有技术中由薄板状电介质型瓷质组合物构成的叠层构造体不同，本发明有利于实现薄层化、小型化，进而可以容易地使其厚度小于5μm(5×10-6m)左右。而且，可以通过对所使用的第一电介质材料薄膜4、6和第二电介质材料薄膜5的薄膜厚度、组成比率等实施调整的方式，对电容器的Q值、耐电压强度和容量温度系数实施调整，因此即使使用环境的温度变化比较大，也可以获得良好的温度稳定性。
如上所述，具有如图1所示构成形式的薄膜电容器1，可以使用在诸如便携式电子设备、微波通信设备等需要对温度实施补偿的电子设备电路中。如果举例来说，本发明可以与用电压控制振荡频率的元件、变容二极管等组合使用。
图3示出了根据本发明第二实施例构造的薄膜电容器，作为第二实施例的薄膜电容器10可以在基板2上，依次叠层形成下部电极层3，第二电介质材料薄膜5，第一电介质材料薄膜4，第二电介质材料薄膜5和上部电极层7。
在如图3所示的构成形式中，也可以利用第一电介质材料薄膜4和第二电介质材料薄膜5、5间的温度系数差，对薄膜电容器10的整体温度系数实施调整，从而可以获得与如上所述的、根据第一实施例构造的薄膜电容器1相同的技术效果。
图4示出了将由根据本发明构造的薄膜电容器1或10构成的薄膜电容器C1，组装在一种实用的电路中时的示意性构成实例。在这一电路中，电容器C0和变容二极管Dc相对于线圈L并联连接，根据如前所述实施例构造的薄膜电容器C1并联连接在所述变容二极管Dc处，位于薄膜电容器C1处的上部电极7和下部电极3与输入输出端子11、12相连接，而且可以在输入输出端子12与薄膜电容器C1上的一个电极之间组装电阻器R。
在如图4所示的电路中，变容二极管Dc的电容量随电压的变化而变化，而且该变容二极管Dc的温度系数为预定的正值，所以可以用薄膜电容器C1对该变容二极管Dc的温度系数实施抵消处理，以便可以提供出一种温度稳定性能良好的共振电路。
图5中示出了相应的温度系数分布状况，当变容二极管Dc的温度系数位于+200～+500ppm/℃的范围之内时，可以使薄膜电容器C1的温度系数分布在-200～-500ppm/℃的范围之内，从而可以对两者的温度系数实施调整，以提高温度稳定性。而且，对于如上所述的、公开在在先专利中的电容器，也可以在-200～-500ppm/℃的宽范围之内，对其实施温度系数调整。
这种薄膜电容器可以应用于诸如变容二极管用温度补偿电路等、需要实施温度补偿的许多技术领域。
实施例
利用诸如溅射方法等，在由诸如氧化铝或玻璃等构成的基板上，室温成型出由诸如Cu等构成的、薄膜厚度为1.3μm(1.3×10-6m)的下部电极层。随后，利用诸如PECVD方法等，在300℃的温度下在该下部电极层上，成型出薄膜厚度为500～1700的非结晶型SiOxNy层(第一电介质材料薄膜)，接着利用诸如溅射方法等，室温成型出薄膜厚度为4600～10000的TiO2层(第二电介质材料薄膜)，然后再利用诸如PECVD方法等，在300℃的温度下成型出薄膜厚度为500～1700的非结晶型SiOxNy层(第一电介质材料薄膜)，最后再利用诸如溅射方法等，室温成型出由诸如Cu等构成的、薄膜厚度为1.3μm(1.3×10-6m)的上部电极层，从而制作出叠层型薄膜电容器。这种薄膜电容器的薄膜容量设定值为120pF/mm2。
[表1]
| 第二电介质材料层的厚度 | 第一电介质材料层的组成 | 第一电介质材料层的厚度(两层合计) | 电容器的Q值 | 耐电压强度 | 容量温度系数 |
| TiO2层() | SiOxNy | SiOxNy() | (1.5GHz) | (v) | (ppm/℃) |
| 4600 | X＝1.9，Y＝0 | 2200 | 183 | 266 | -220 |
| 4600 | X＝1.4，Y＝0.3 | 2600 | 179 | 306 | -220 |
| 4600 | X＝0，Y＝1.3 | 3400 | 175 | 386 | -220 |
| 7000 | X＝1.9，Y＝0 | 1700 | 180 | 240 | -330 |
| 7000 | X＝1.4，Y＝0.3 | 2000 | 177 | 270 | -330 |
| 7000 | X＝0，Y＝1.3 | 2600 | 173 | 330 | -330 |
| 10000 | X＝1.9，Y＝0 | 1000 | 176 | 200 | -470 |
| 10000 | X＝1.4，Y＝0.3 | 1300 | 174 | 230 | -470 |
| 10000 | X＝0，Y＝1.3 | 1600 | 171 | 260 | -470 |
正如表1中的结果所示，可以在4600～10000的范围内对第二电介质材料薄膜的薄膜厚度实施调整，在1000～3400的范围内对第一电介质材料薄膜的薄膜厚度实施调整，并且可以对其组成比实施调整，从而可以在173～183之间对Q值实施调整，而且可以在200～386V的范围内对耐电压强度实施调整，在-220～-470ppm/℃的范围内对容量温度系数实施调整。因此，如果采用根据这一实例构造的薄膜电容器，便可以在-220～-470ppm/℃的范围内对容量温度系数实施调整，因此可以将其用于对诸如变容二极管等温度系数为正值的电子设备实施的温度补偿。
图6示出了对厚度为2000的SiOx薄膜(X＝1.9，Y＝0)实施耐电场强度测定时的测定结果，图7示出了对厚度为2000的SiOxNy薄膜(X＝1.4，Y＝0.3)实施耐电场强度测定时的测定结果，图8示出了对厚度为2000的SiNy薄膜(X＝0，Y＝1.3)实施耐电场强度测定时的测定结果，图9示出了对厚度为3000的TiO2薄膜实施耐电场强度测定时的测定结果，图10示出了具有三层结构(SiN1.3膜/TiO2膜/SiN1.3膜)的薄膜电容器的耐电场强度特性。
如图6～图8所示，可以使整个SiOxNy薄膜的耐电场强度为8MV/cm以上。如图9所示，可以使厚度为3000的TiO2薄膜自身的耐电场强度为0.3MV/cm左右。如图10所示，则还可以通过由如图6～图8所示的SiOxNy薄膜夹持着耐电场强度为0.3MV/cm的TiO2薄膜的方式，获得耐电场强度为3MV/cm以上的薄膜电容器。
当耐电场强度为3MV/cm以上时，耐电压强度可为180V以上(3MV/cm×6×10-5cm(6000)＝180V)，因此可以使用在常规的、要求为100V以上的电子设备中。
图6表明绝缘破坏在大约8MV/cm时出现。图7和图8表明不会出现绝缘破坏。但是，在大约8MV/cm以上时将发生完全佛伦克尔传导。图9表明在超过0.3MV/cm时会出现绝缘破坏。图10表明即使超过4MV/cm也不会出现绝缘破坏。
Claims (6)
1.一种温度补偿用薄膜电容器，在一对电极之间夹装有两个以上的、相对介电常数彼此不同的第一电介质材料薄膜和第二电介质材料薄膜，其特征在于所述第一电介质材料薄膜由SiOxNy构成。
2.如权利要求1所述的温度补偿用薄膜电容器，其特征在于所述第一电介质材料薄膜的容量温度系数绝对值为50ppm/℃以下，所述第二电介质材料薄膜的容量温度系数为负值且使其绝对值为500ppm/℃以上。
3.如权利要求1所述的温度补偿用薄膜电容器，其特征在于所述第二电介质材料薄膜由TiO2或CaTiO3构成。
4.如权利要求1所述的温度补偿用薄膜电容器，其特征在于作为夹装在所述一对电极之间的电介质材料薄膜，在与各电极相接侧处分别设置有第一电介质材料薄膜，在这两个第一电介质材料薄膜之间夹装有第二电介质材料薄膜。
5.如权利要求1所述的温度补偿用薄膜电容器，其特征在于所述第一电介质材料薄膜的厚度是1μm以下，所述第二电介质材料薄膜的厚度是2μm以下。
6.如权利要求1所述的温度补偿用薄膜电容器，其特征在于所述第一电介质材料薄膜在所述一对电极的其中一个上通过PECVD法在300℃下成膜出非结晶型SiOxNy层而形成，所述第二电介质材料薄膜在所述第一电介质材料薄膜上通过溅射法在室温下成膜出TiO2层而形成。
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