DE892024C - Verfahren zur Herstellung eines Dielektrikums aus Titandioxyd auf einer Tragerunterlage - Google Patents

Description

Die Eigenschaft des Titandioxydes, in mehreren Kristallformen eine hohe Dielektrizitätskonstante aufzuweisen, hat dazu geführt, keramische Dielektrika zu entwickeln, in denen Titandioxyd hauptsächlich in der Kristallform 'des Rutils zur Anwendung gelangt. Derartige elektrische Kondensatoren mit hoher Dielektrizitätskonstante, die bisher in Plattenform, in Topfform oder in Rö'hrenform bekanntgeworden sind, weisen im allgemeinen eine Schichtdicke oder eine Wandstärke auf, die 1,5 mm nicht unterschreitet. Durch Nachbearbeitung, wie Schleifen, ist es gelungen, für kleinste Kondensatoren dieser' Art eine Wandstärke oder Dicke der Titandioxydschicht bis herab zu V₁₀ mm zu erzielen. Jedoch sind diese Nachbearbeitungsverfahren unwirtschaftlich.

Ein anderer Weg, Dielektrika von geringer Schichtstärke gleichzeitig 'hoher Dielektrizitätskonstante zu erhalten, bestand darin, pulverisiertes Rutil in organische Trägersuhstanzen einzulagern und aus einem soldhen Gemisch auf einer geeigneten Trägerunterlage einen Film zu gießen.

Endlich sind Versuche bekanntgeworden, gepulvertes Rutil mit einem Kunstharz zu vermengen und dieses Gemenge unter Druck und bei höherer Temperatur auf eine metallische Trägerunterlage aufzupressen.

Auch diese Verfahren gestatten nicht, eine Dicke des Dielektrikums von ¹Z₁₀ mm so zu unterschreiten, daß eine Durchschlagfestigkeit dieses Dielektrikums in einem technisch notwendigen Umfange gewährleistet war. Es ist auch nicht bekanntgeworden,

daß die beiden zuletzt geschilderten Verfahren eine technische Bedeutung erlangt haben.

Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß

es möglich ist, sehr dünne Schichten von gleichzeitig hoher Dielektrizitätskonstante als Dielektrika auf einer geeigneten Trägerunterlage zu erzeugen, wenn man nicht, wie bisher, von einer Oxydverbindung des Titans, sondern von Titanmetall selbst ausgeht.

Das neue Verfahren besteht darin, daß man eine

ίο sehr dünne Schicht von Titanmetall auf einer Trägerunterlage, die hohe Temperaturen aushält, niederschlägt und diese Titanschicht anschließend durch eine Temperaturbehandlung in kristallines Titandioxyd überführt. Als Trägerunterlage hat

ι·5 sich beispielsweise Nickel als geeignet erwiesen.

Erfindungsgemäß verfährt man bei der Herstellung der neuen sehr dünnen Schichten aus kristallisiertem Titandioxyd hoher Dielektrizitätskonstante folgendermaßen.: Auf eine blank polierte Niokelscheibe von etwa ι mm Dicke wird beispielsweise durch Aufdampfen im Vakuum eine sehr dünne metallische Titanschicht aufgebracht. Die Nickelscheibe mit dieser Titanschicht wird dann in einem Ofen bei vermindertem Luftzutritt etwa 15 Minuten läng auf eine Temperatur von 1000⁰ C erhitzt und dann langsam abgekühlt. Eine so behandelte Titan-Nickel-Schicht zeigt dann bereits eine wesentlich höhere Kapazität als eine ebensolche und ebenso behandelte Nickelscheibe ohne einen Überzug von Titanmetall. Die auf der bloßen Nickelscheibe durch die Temperaturbehandlung gebildete dünne Schicht einer Oxydverbindung des Nickels zeigt ebenfalls die Eigenschaften eines gut isolierenden Dielektrikums. Beim Vorhandensein einer dünnen Titanmetallschicht auf der Nickeloberfläche ist aber die Kapazität dieser Schicht bei gleich großer Fläche um das Mehrfache größer als die einer Schicht, die aus einer Nickeloxydschicht allein besteht. Es muß dabei angenommen werden, daß sich an der Grenze Titan-Nickel bei der Temperaturbehandlung ein Gemenge von Titan- und Nickel-Oxyd-Verbindungen bildet.

Erfindungsgemäß kann die Dielektrizitätskonstante der sehr dünnen Titandioxydschicht und somit die Kapazität der Anordnung bei gegebener Fläche weiter gesteigert werden, wenn die auf der Nickelscheibe sitzende Titandioxydschicht nach der ersten Temperaturbehandlung einem Temperierungsprozeß bei einer Temperatur zwischen 800 und 1000⁰ C unterworfen wird. Bereits nach einer erneuten Temperatureinwirkung von etwa 1 Stunde kann ein Ansteigen des Kapazitätswertes um den mehrfachen Anfangsbetrag beobachtet werden. Der Temperungsprozeß findet zweckmäßig 'ebenfalls bei vermindertem Luftzutritt statt und kann auch mehrmals wiederholt werden.

Eine weitere Erhöhung der Dielektrizitätskonstante und somit eine Vergrößerung des Kapazitätswertes der beschriebenen Anordnung kann endlich noch erreicht werden, wenn als Auflageschicht auf die Nickelunter lage nicht nur Titanmetall zur Verwendung gelangt, sondern wenn dieses Titanmetall mit metallischem Cer bis zu einem Anteil von 30% vermengt wird. Dies kann durch Aufbringen einer sehr dünnen Schicht einer entsprechenden Legierung der beiden Metalle auf die Nickelunterlage vor der ersten Temperaturbehandlung, wie oben beschrieben, geschehen. Man kann aber auch im Vakuum nacheinander eine metallische Titanschicht und eine metallische Cerschicht auf die Trägerunterlage aufdampfen, so daß sich die beiden sehr dünnen Metallschichten überlagern. Auch diese Kombination mehrerer sehr dünner Schichten aus verschiedenen Metallen kann erfindungsgemäß einer mehrfach aufeinanderfolgenden; Temperaturbehandlung unterworfen werden. Es resultiert dann am Ende auf der Trägerelektrode eine Mischung von Oxyden des Cers, Titans und Nickels.

Es ist in der Hochfrequenzkeramik bekanntgeworden, die Dielektrizitätskonstante von Rutilschichten durch Hinzufügen anderer Metalloxyde, darunter auch von Ceroxyd, zu beeinflussen. Dies hat jedoch mit dem vorliegenden Verfahren nichts gemeinsam, da es sich dort um rein keramische Verfahren und Vorgänge handelt, bei denen bereits von chemischen Verbindungen ausgegangen wird, während hier Elemente, und zwar reine Metalle zugrunde gelegt werden.

Die beschriebenen neuen Titandioxydschichten mit oder ohne Cerzusatz unterschieden sich bereits rein äußerlich von einer Nickeloxydschicht allein, wie eine solche durch eine Temperaturbehandlung der Nickel-Trägerunterlage allein erzeugt werden kann. Während letztere eine grauschwarze Oberfläche aufweist, zeigen die neuen beschriebenen Titanschichten nach der Temperaturbehandlung ein leuchtendes tiefblaues Aussehen.

Die Durchschlagfestigkeit dieser neuen Schichten, die mit einer Dicke von V₁₀₀ mm und darunter hergestellt werden können, ist eine für den praktischen Bau von Kondensatoren ausreichende, besonders wenn' die Deckelelektrode auf der Oxydschicht zweckmäßig angeordnet wird. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn vor dem Aufpressen oder Aufspritzen einer solchen Elektrode die .sehr dünne, kapazitiv wirksame Oxydschicht erst mit einer dünnen .Metallschicht durch Aufdampfen oder mittels Kathodenzerstäubung versehen wird.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   ι. Verfahren zur Herstellung eines Dielektrikums aus Titandioxyd auf einer Trägerunterlage, dadurch gekennzeichnet, daß metallisches Titan auf eine ,Trägerunterlage, insbesondere aus Nickel, in sehr dünner Schicht aufgebracht und zusammen mit dieser Trägerunterlage einer Temperatur von etwa 1000⁰ C für etwa 15 Minuten bei vermindertem Luftzutritt ausgesetzt wird, so daß sich eine kohärente Schicht von Titandioxyd in Kristallform bildet.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß dem metallischen Titan metal-

   - lisdhes Cer in einem Anteil bis zu 30% beigemengt oder überlagert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch

   gekennzeichnet, daß nach der oxydierenden Temperaturbehandlung ein Temperungsverfahren bei 800 bis iooo⁰ C in einer oder mehreren Stufen durchgeführt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der kapazitiv wirksamen Oxydschicht vor Aufbringen einer Deckelelektrode mit einer dünnen Metallschicht durch Aufdampfen oder mittels Kathodenzerstäubung überzogen wird.

   I 5443 9.53