CN101567263A - 电容器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种小型且能提高电容密度、提高电极金属任意性、简化制造过程的电容器及其制造方法。电容器元件12由以下部分构成：一对导电体层14、16；多个大致成管状的电介质18；该电介质18的内侧的第1电极20及外侧的第2电极24；将所述第1电极20和导电体层16绝缘的绝缘帽22；将所述第2电极24和导电体层14绝缘的绝缘帽26。电介质18具有高纵横比，通过金属基材的阳极氧化形成。通过在形成蜂窝状结构的六边形的顶点和其中央配置该电介质18，使决定电容的面积增大，可以实现高电容化。另外，由于在电介质18形成后向空隙部填充电极材料，所以可以提高电极材料任意性及简化制造过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种电容器及其制造方法，更具体而言，本发明涉及一种电容密度提高、电极金属任意性提高、制造过程简化的电容器及其制造方法。
背景技术
作为目前广泛使用的电容器，已知有Al电解电容器或层合陶瓷电容器。Al电解电容器因为使用电解液所以会发生漏液等问题。另外，层合陶瓷电容器必须进行烧成，存在电极和电介质间热收缩等问题。作为实现小型且大电容的电容器的技术，例如有下述专利文献1中公开的晶界绝缘型半导体磁性电容器、以及专利文献2中公开的电容器结构体及其制造方法。
上述专利文献1中公开了一种电容器，所述电容器由以下部分构成：具有向相对置端面伸出的多个通孔的半导体晶界绝缘型电介质陶瓷、在此电介质陶瓷的上述相对置端面分别设置的外部连接用电极、和插入上述电介质陶瓷各通孔中的由高熔点金属构成的电容用电极体，此电容用电极体中相邻的电极体与不同的上述外部连接用电极导通连接。另外，上述专利文献2中公开了一种获得电容器结构体的方法，所述方法将基板经过阳极氧化得到的多孔基板用作掩模，进行薄膜形成处理，在电容器用基板的表面规则地形成多个柱状体，得到第1电极，在上述第1电极表面形成电介质薄膜，使其覆盖上述柱状体的外侧，在上述电介质薄膜的表面形成第2电极，使其覆盖上述柱状体的外侧，得到电容器结构体。
[专利文献1]特公昭61-29133号公报
[专利文献2]特开2003-249417公报
然而，上述背景技术中存在以下问题。首先，上述专利文献1所述的技术的结构为使用具有多个通孔的半导体晶界绝缘型电介质陶瓷作为电介质层，向上述各通孔中选择性地插入电容用电极体，但由于难以进行微细加工，所以难以通过增加面积实现大电容化。另外，上述专利文献2所述的技术存在电极材料附着在用作掩模的多孔基板上、或该多孔基板本身因蚀刻导致孔扩大等问题，因此，难以得到均匀的剖面形状及所期望长度的柱状体。另外，上述柱状体增高时，在之后形成的电介质薄膜上易产生膜厚不均，因此，存在难以通过增高柱状体来实现大电容化等情况。
发明内容
本发明着眼于以上课题，提供一种小型且能够提高电容密度的电容器及其制造方法。另外，本发明提供一种提高了电极金属的任意性及简化了制造过程的电容器及其制造方法。
本发明涉及一种电容器，所述电容器具有以下部分：以规定的间隔对置的一对导电体层；与该导电体层大致垂直、且两端的开口部与上述一对导电体层的内侧主面连接，并且由金属的阳极氧化物形成的具有高纵横比的大致成管状的多个电介质；填充在上述电介质的中空部的第1电极，使其一端与上述导电体层中的一侧导电体层连接，另一端与上述一对导电体层中的另一侧导电体层绝缘；填充在上述电介质间的空隙内的第2电极，使其一端与上述的另一侧导电体层连接，另一端与上述的一侧导电体层绝缘。
由此可以实现上述目的。根据本发明，以由金属的阳极氧化物构成的纵横比高的大致成管状的结构体作为电介质，在该电介质的内侧和外侧设置电极，同轴地形成正极和负极，同时在上述大致成柱状的电极的前端设置绝缘用间隔(间隙)或绝缘体，分开电极，因此可以增加用于决定电容的面积，实现高电容化。
另外，本发明的电容器的主要方案之一的特征在于，通过在上述第1及第2电极与上述导电体层间设置的间隙，绝缘上述电极和导电体层，或通过在上述第1及第2电极与上述导电体层之间设置的绝缘体，绝缘上述电极和导电体层。其它方案的特征在于，上述绝缘体为金属氧化物、SiO2或树脂。进而其它方案的特征在于，在与上述导电体层大致平行的剖面中，上述电介质被配置在形成蜂窝状结构的六边形的顶点和其中央。
另外，本发明涉及一种电容器的制造方法，所述制造方法包括以下工序，
工序1：将金属基材阳极氧化，在与该基材的对置的一对主面大致垂直的方向上形成在一侧主面开口、在另一侧主面闭合的具有高纵横比的多个孔；
工序2：在所述基材的另一侧主面整体上形成导电性的种子层；
工序3：加工所述基材，形成以所述孔为中空部的大致成管状的电介质；
工序4：用导电体填埋所述电介质周围的间隙，使该电介质的开口端以规定厚度露出，在所述种子层上形成第1电极；
工序5：在所述基材的一侧主面上形成导电体层，覆盖所述电介质露出的开口端面，并且在与所述第1电极之间形成绝缘用间隙，同时除去所述种子层；
工序6：在除去所述种子层后露出的基材的主面，以规定厚度切除该主面，将所述电介质的闭合端开口；
工序7：将所述导电体层作为种子，在所述电介质的孔中埋入导电体，在与所述工序6中开口的端部之间形成规定的间隙，形成第2电极；
工序8：形成另一导电体层，所述另一导电体层与上述导电体层对置，覆盖所述工序6中开口的电介质的开口端面，同时在与所述第2电极之间形成绝缘用间隙。
根据上述内容，由于预先形成电介质结构体，然后在空隙部填充电极材料，因此可以得到增加电极金属种类的任意性、同时简化了制造过程的效果。
另外，本发明的电容器的制造方法的主要方案之一包括以下工序：在所述工序4中形成的第1电极上设置用于填补与所述电介质端面的阶差的绝缘体的工序；在所述工序7中形成的第2电极上设置用于填补与所述电介质端部的间隙的绝缘体的工序。其它方案为，在上述第1及第2电极和上述导电体层之间设置的绝缘体为金属氧化物、SiO2或树脂。进而其它方案为，在上述工序1中在与上述基材的主面大致平行的剖面上形成孔，所述孔位于形成蜂窝状结构的六边形的顶点和其中央。通过以下的详细说明及附图，明确本发明的上述及其它目的、特征及优点。
附图说明
[图1]为表示本发明的实施例1的图，(A)为电容器元件的外观斜视图，(B)为沿#A-#A线切断上述(A)，沿箭头方向观察到的剖面图，(C)为本实施例的电容器的剖面，是将上述(A)沿#B-#B线切断沿箭头方向观察到的剖面图。
[图2]表示上述实施例1的制造工序的一例。
[图3]表示上述实施例1的制造工序的一例。
[图4]为表示上述实施例1和比较例的电极结构的剖面形状的模式图。
[图5]为本发明的实施例2的电容器元件的主要剖面图。
[图6]表示上述实施例2的制造工序的一例。
[图7]表示上述实施例2的制造工序的一例。
[符号说明]
10：电容器
12：电容器元件
14：导电体层(表面电极)
16：导电体层(背面电极)
18：电介质
18A，18B：开口端面
18C：闭合端面
20：第1电极(负极)
20A，20B：端面
22，26：绝缘帽
24：第2电极(正极)
24A：表面
24B：背面
28：绝缘膜
30，32：连接盘
34，36：引出部
50：基材
50A：表面
52：氧化物基材
52A：表面
52B：背面
54：孔(hole)
56：种子层
58：空隙
100：电容器元件
102，104：气隙(air gap)
具体实施方式
以下，基于实施例详细地说明用于实施本发明的最佳方案。
[实施例1]
首先，参照图1～图4说明本发明的实施例1。图1(A)为本实施例的电容器元件的外观斜视图，图1(B)为将上述(A)沿着#A-#A线切断沿箭头方向观察到的剖面图，图1(C)为本实施例的电容器的剖面，是将上述(A)沿着#B-#B线切断沿箭头方向观察到的剖面图。图2及图3表示本实施例的制造工序的一例，图4是表示本实施例和比较例的电极结构的剖面形状的模式图。
如图1所示，本实施例的电容器10以电容器元件12为中心构成。上述电容器元件12由以下部分构成：以规定间隔对置的一对导电体层14、16；多个大致成管状的电介质18；填充在该电介质18内侧的第1电极20；填充在上述多个电介质18间的第2电极24；用于绝缘上述第1电极20和导电体层16的绝缘帽22；用于绝缘上述第2电极24和导电体层14的绝缘帽26。上述电介质18与上述导电体层14及16大致垂直，同时两端的开口部与上述导电体层14及16的内侧主面连接。上述形状的电介质18的纵横比大(即、具有高纵横比)，由金属阳极氧化物形成。
特别是，上述第1电极20和在此第1电极的周围形成的电介质18的组合的配置十分重要。优选的配置方案为如图1(B)所示地进行配置，成为形成蜂窝状结构的六边形的各顶点和上述六边形的中央位置的关系，所有组合均具有与上述相同的关系。接下来，通过将电介质18和电介质18之间用上述第2电极24完全填埋，使第1电极20和第2电极24夹持电介质18，由此使形成电容的平衡适当，可实现电容的最大化。所以，优选尽可能小的六边形的顶点和中央的位置关系。此关系的界限取决于蚀刻精度和电介质18的绝缘耐压特性等。随着上述技术的进步，可以实现高电容的电容器。
作为上述电介质18，可以使用阀金属(例如，Al，Ta，Nb，Ti，Zr，Hf，Zn，W，Sb等)的氧化物，作为导电体层14及16，可以使用各种金属(例如，Cu，Ni，Cr，Ag，Au，Pd，Fe，Sn，Pb，Pt，Ir，Rh，Ru，Al等)。另外，作为第1电极20及第2电极24，例如可以使用Cu，Ni，Cr，Ag，Au，Pd，Fe，Sn，Pb，Pt，Co或它们的合金等。作为上述绝缘帽22及26，例如可以使用金属氧化物、或SiO2、电沉积树脂(例如，聚酰亚胺、环氧树脂、丙烯酸树脂等)。作为上述金属氧化物，具体而言包括阀金属(Al，Ta，Nb，Ti，Zr，Hf，Zn，W，Sb等)的氧化物或电沉积TiO2，还包括具有ABO3结构的复合氧化物。
另外，给出上述电容器元件12各部分尺寸的一例，导电体层14和导电体层16的间隔为数μm～数100μm，导电体层14及16的厚度为数10nm～数μm，管状电介质18的直径，内径外径均为数nm～数100nm左右。另外，上述绝缘帽22及26的厚度为数10nm～数10μm，上述电介质18间的间隔为数10nm～数100nm，电介质18的厚度(外径-内径)为数nm～数100nm左右。
本实施例中，以上述导电体层14为表面电极，以导电体层16为背面电极，以第1电极20为负极，以第2电极24为正极，但其只是一个例子，必要时可以适当地改变。如图1(C)所示，上述结构的电容器元件12整体被绝缘膜28被覆，从设置在该绝缘膜28规定位置的开口通过连接盘30、32与导线等的引出部34、36连接。
然后，参照图2及图3，说明本实施例的电容器10的制造方法。首先，如图2(A)所示，准备由阀金属(Al，Ta，Nb，Ti，Zr，Hf，Zn，W，Sb等)构成的基材50。在该基材50的表面50A上按蜂窝状配置形成作为阳极氧化基点的在图中未示出的坑(pit)。然后，如图2(B)所示，通过阳极氧化处理，形成多个大致成柱状的孔54(hole)。本实施例中，形成为在与氧化物基材52的主面大致垂直的剖面，该孔54被配置在形成蜂窝状结构的六边形的顶点和其中央。形成上述孔54的技术为公知技术。图示的例子中，上述孔54的一侧端部在氧化物基材52的表面52A处开口，另一侧端部在氧化物基材52的背面52B侧闭合。
接下来，如图2(C)所示，在背面52B侧形成由导电体构成的种子层56。作为种子层56，可以使用各种金属(例如，Cu、Ni、Cr、Ag、Au、Pd、Fe、Sn、Pb、Pt、Ir、Rh、Ru、Al等)。该种子层56具有电镀种的功能，同时具有支持在以下工序中形成的管状电介质18的功能。接下来，对上述氧化物基材52的上述孔54的成为管状的部分进行蚀刻，除去其周围部分，如图2(D)所示，在上述种子层56上形成以上述孔54为中空部的大致管状的电介质18。此时，在多个电介质18间形成空隙58。然后，通过以上述种子层56作为种子进行电镀，如图2(E)所示，用电镀导体填埋上述空隙58，形成第2电极24。此时，使该第2电极24的表面24A和上述电介质18的开口端面18A之间生成规定的间隙。接下来，如图2(F)所示，在上述第2电极24的表面24A，通过阳极氧化、氧化物电沉积、树脂电沉积等方法，形成绝缘帽26。需要说明的是，进行上述阳极氧化时，以上述种子层56作为供电层施加正电压。
然后，如图3(A)所示，在上述绝缘帽26上通过PVD等方法形成导电体层14(本实施例中为表面电极)。该导电体层14封闭上述电介质18的开口端面18A侧，由于上述绝缘帽26的存在，使上述第2电极24处于绝缘状态。在图3(B)所示的工序以后，将上述图3(A)中形成的结构上下旋转180度，在从背面侧观察的状态下进行说明。
形成上述导电体层14后，除去背面侧的种子层56，如图3(B)所示，使电介质18的闭合端面18C露出。然后，如该图中虚线所示，按与主面大致平行的面切除氧化物基材52，由此如图3(C)所示使上述电介质18的底部开口。接下来，将上述导电体层14作为种子，如图3(D)所示通过电镀填埋上述电介质18的中空部，形成第1电极20。需要说明的是，形成该第1电极20，使端面20B与电介质18的开口端面18B之间具有规定的阶差。然后，如图3(E)所示，通过阳极氧化、氧化物电沉积、树脂电沉积等方法，在上述第2电极20的端面20B上形成绝缘帽22。最后，如图3(F)所示，在上述绝缘帽22上形成导电体层16(背面电极)。按照以上顺序，可以得到导电体层14与电介质18内部的第1电极20连接、导电体层16与电介质18外部的第2电极24连接的同轴结构的电容器元件12。
假设，如图4(A)给出的比较例所示，在形成蜂窝状结构的六边形的顶点处配置第2电极24(正极)，在上述六边形的中心处配置第1电极20(负极)时，形成6根第2电极24通过电介质18包围位于中心的第1电极20的结构，使得位于外周的第2电极24间的空间变得毫无用处。针对于此，如图4(B)所示，本实施例中，第1电极20和第2电极24形成所谓同轴状配置的结构，与如图4(A)给出的比较例的电极配置相比较，能够更有效地利用空间，因此，在正负电极的距离相同的情况下，可以使电容增大1.5倍左右。
如上所述，根据实施例1，在由金属的阳极氧化物构成的具有高纵横比的大致成管状的电介质18的内侧和外侧设置第1电极20和第2电极24，同轴状地形成正极和负极，同时在上述第1电极20和第2电极24的前端设置绝缘帽22、26，将电极分开，由此可以实现以下效果。
(1)可以增加用于决定电容的面积，实现高电容化。
(2)为了分开电极而使用由电介质构成的绝缘帽22、26，因此第1电极20及第2电极24的前端面的面积也可以用于提高电容器10的电容。
(3)形成电介质18的结构体后，在空隙部填充第1电极20及第2电极24，因此，可增加电极材料的任意性，同时简化制造过程。
[实施例2]
接下来参照图5～图7说明本发明的实施例2。需要说明的是，与上述实施例1相同或对应的构成要素使用相同的符号。图5为本实施例的电容器元件的主要剖面图，图6及图7表示本实施例的制造工序的一例。如图5的剖面所示，本实施例中形成如下结构：在第1电极20的前端和导电体层16之间形成气隙102，同时在第2电极24的前端和导电体层14之间形成气隙104，通过上述气隙102及104进行绝缘，从而分开电极。其它的基本结构与上述实施例1相同。
接下来参照图6及图7说明本实施例的制造方法。需要说明的是，图6(A)至(E)的工序与上述实施例1相同，在大致成管状的电介质18间的空隙58中填充第2电极24。本实施例中，在电介质18间的空隙58内填充第2电极24后，如图6(F)所示，通过设置导电体层14封闭上述电介质18的开口端面18A，在该导电体层14和上述第2电极24之间形成绝缘用的气隙104。然后，如图7(A)所示，除去上述种子层56，使上述电介质18的闭合端面18C露出。需要说明的是，本工序以后，将上述图6(F)所得的结构体上下旋转180度，在从背面侧观察的状态下进行说明。然后，如图7(A)中虚线所示，沿着与基材主面大致平行的面切除上述背面，如图7(B)所示，使电介质18的端部开口。
接下来，将上述导电体层14作为种子，如图7(C)所示，通过电镀填埋电介质18的内部，形成第1电极20。此时，第1电极20的端面20B在未达到电介质18的开口端面18B的状态下终止。然后，如图7(D)所示，在上述第2电极背面24B上形成导电体层16。以封闭上述开口端面18B的状态形成该导电体层16，不与上述第1电极20的端面20B连接。按照以上顺序，可以形成导电体层14与电介质18内部的第1电极20连接、另一导电体层16与电介质18外部的第2电极24连接的同轴结构的电容器元件100。本实施例的电容器元件100与上述实施例1相同，其整体也被绝缘膜等被覆，在适当位置引出电极。本实施例的基本效果与上述实施例1基本相同，但由于利用气隙102、104区分电极，所以能够进一步简化制造工序。
需要说明的是，本发明并不限定于上述实施例，在不脱离本发明宗旨的范围内可以进行多种改变。例如包括以下情况。
(1)上述实施例中给出的形状、尺寸只是一个例子，可以根据需要适当改变。
(2)对于材料，同样可以使用公知的各种材料。例如作为形成电介质的金属基材，优选铝，但只要是可以阳极氧化的金属即可，可以使用其它公知的各种金属。
(3)上述实施例1中给出的绝缘帽22、26的形成方法也只是一个例子，可以适当地改变使其发挥相同的效果。例如，上述实施例1中，作为具体例举出阳极氧化，但其也只是一个例子，也可以通过其它绝缘体实现绝缘。例如，也可以在上述实施例1的图2(E)所示的工序后，将种子层56作为供电层，在氯化钛溶液中施加负电压，然后通过在450℃下热处理，形成由TiO2构成的绝缘帽26。另外，在上述图2(E)所示的工序后，可以通过露出的第2电极24电沉积SiO2，或者，在电极表面24A上一旦电沉积Sn-Pd之类催化剂金属再将其作为种在无电场下使SiO2析出。另外，可以涂布树脂填埋电极表面24A和电介质的开口端面18A的间隙，通过采用蚀刻或研磨仅将表面的树脂除去，将树脂残留在上述间隙内。进而，也可以使绝缘体成膜填埋上述间隙，采用蚀刻或研磨仅将表面的绝缘体除去，使绝缘体残留在上述间隙内。另一绝缘帽22也相同。
(4)实施例1给出的电极引出结构也只是一个例子，可以适当改变设计使其发挥相同的效果。
(5)上述实施例给出的制造工序也只是一个例子，可以适当改变使其发挥相同的效果。例如预先形成表面电极和背面电极中的任一个也只是一个例子，可以根据需要适当改变。另外，例如，上述实施例1中为了设置绝缘帽22、26，填充第1电极20及第2电极24至不到达电介质18的一侧端面，但其也只是一个例子，只要在上述第1电极20和第2电极24不接触的范围内即可，可以从上述电介质18的端面露出。
产业上的可利用性
根据本发明，以由金属的阳极氧化物构成的具有高纵横比的大致成管状的结构体为电介质，在该电介质的内侧和外侧设置电极，同轴地形成正极和负极，同时在上述大致成柱状的电极的前端设置绝缘用间隔(间隙)或绝缘体，将电极分开，适于电容器的用途。
Claims (9)
1、一种电容器，其特征在于，具有以下部分，
以规定的间隔对置的一对导电体层；
由金属的阳极氧化物形成的具有高纵横比的大致成管状的多个电介质，所述电介质与所述导电体层大致垂直，且两端的开口部与所述一对导电体层的内侧主面连接；
被填充于所述电介质的中空部中的第1电极，使其一端与所述一对导电体层中的一侧导电体层连接，另一端与所述一对导电体层中的另一侧导电体层绝缘；
被填充于所述电介质间的空隙内的第2电极，使其一端与所述另一侧导电体层连接，另一端与所述一侧导电体层绝缘。
2、如权利要求1所述的电容器，其特征在于，通过在所述第1及第2电极和所述导电体层之间设置的间隙，将所述电极和导电体层绝缘。
3、如权利要求1所述的电容器，其特征在于，通过在所述第1及第2电极和所述导电体层之间设置的绝缘体，将所述电极和导电体层绝缘。
4、如权利要求3所述的电容器，其特征在于，所述绝缘体是金属氧化物、SiO2或树脂。
5、如权利要求1～4中任一项所述的电容器，其特征在于，所述电介质在与所述导电体层大致平行的剖面中被配置在形成蜂窝状结构的六边形的顶点和其中央。
6、一种电容器的制造方法，其特征在于，包括以下工序：
工序1：将金属基材阳极氧化，在与该基材的对置的一对主面大致垂直的方向上形成在一侧主面开口、在另一侧主面闭合的具有高纵横比的多个孔；
工序2：在所述基材的另一侧主面整体上形成导电性的种子层；
工序3：加工所述基材，形成以所述孔为中空部的大致成管状的电介质；
工序4：用导电体填埋所述电介质周围的间隙，使该电介质的开口端以规定厚度露出，在所述种子层上形成第1电极；
工序5：在所述基材的一侧主面上形成导电体层，覆盖所述电介质露出的开口端面，并且在与所述第1电极之间形成绝缘用间隙，同时除去所述种子层；
工序6：在除去所述种子层后露出的基材的主面，以规定厚度切除该主面，将所述电介质的闭合端开口；
工序7：将所述导电体层作为种子，在所述电介质的孔中埋入导电体，使与所述工序6中开口的端部之间形成规定的间隙，形成第2电极；
工序8：形成另一导电体层，所述另一导电体层与上述导电体层对置，覆盖所述工序6中开口的电介质的开口端面，同时在与所述第2电极之间形成绝缘用间隙。
7、如权利要求6所述的电容器的制造方法，其特征在于，还包括以下工序：
在所述工序4中形成的第1电极上设置用于填补与所述电介质端面的阶差的绝缘体的工序；
在所述工序7中形成的第2电极上设置用于填补与所述电介质端部的间隙的绝缘体的工序。
8、如权利要求7所述的电容器的制造方法，其特征在于，在所述第1及第2电极和所述导电体层间设置的绝缘体为金属氧化物、SiO2或树脂。
9、如权利要求6～8中任一项所述的电容器的制造方法，其特征在于，在所述工序1中，在与所述基材的主面大致平行的剖面上形成孔，使其位于形成蜂窝状结构的六边形的顶点和其中央。
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