JP2007280998A

JP2007280998A - 薄膜コンデンサ

Info

Publication number: JP2007280998A
Application number: JP2006101769A
Authority: JP
Inventors: Yukinori Takamoto; 幸典高本; Takashi Imanaka; 崇今中
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-04-03
Filing date: 2006-04-03
Publication date: 2007-10-25

Abstract

【課題】耐電圧特性に優れるとともに、誘電体薄膜を薄膜化することで、小型薄膜化することが可能な薄膜コンデンサを提供することを目的とするものである。
【解決手段】有機フィルム５と、有機フィルム５の上に形成された平坦な表面を有する樹脂膜６と、この樹脂膜６の表面に形成された表面最大粗さが０．０５μｍ以下となる凹凸部７とからなる基板２の上に、下面電極膜８と誘電体薄膜９と上面電極膜１０とを気相成長法により順に積層して、コンデンサ素子３を形成することにより、均一な厚みの誘電体薄膜９を形成させる薄膜コンデンサ１とするものである。
【選択図】図１

Description

各種電子機器に用いられる薄膜コンデンサに関するものである。

近年の電子機器の小型化、高密度面実装化に伴い、それらに用いられる薄膜コンデンサにも小型化、薄型化が要望されている。さらに、薄膜コンデンサは誘電体を薄くすることで上記要望に対応する一方、耐電圧特性の向上も要望されている。

図４は、従来の薄膜コンデンサの構成を示す構造図であり、図５はこの断面図における基板表層部の拡大図である。図４において、２１は薄膜コンデンサを示し、この薄膜コンデンサ２１は基板２２と、この基板２２の上に形成されたコンデンサ素子２３と、このコンデンサ素子２３を覆うように基板２２の上に設けられた保護層２４とから構成されている。

このコンデンサ素子２３は基板２２の上に設けられた下面電極膜２５と、この下面電極膜２５の上に形成された誘電体薄膜２６と、この誘電体薄膜２６の上に形成された上面電極膜２７とから形成されている。

そして、第一の外部端子２８は、その一方が下面電極膜２５と接続するとともに、他方が保護層２４の表面から露出するように設けられている。また、第二の外部端子２９は、その一方が上面電極膜２７と接続するとともに、他方が保護層２４の表面から露出するように設けられている。

上記基板２２は、ポリイミドフィルムなどフィルムの中でも融点が高く、薄型化しても十分な強度がある有機フィルムが用いられている。シリコンやガリウム−ヒ素などからなる基板は固くて脆いため、基板２２を薄型化すると割れる恐れがあり、薄膜コンデンサ２１の小型薄型化が困難になるからである。

そして、上記コンデンサ素子２３を形成する下面電極膜２５と誘電体薄膜２６と上面電極膜２７は気相成長法により基板２２の上に薄膜化して形成されている。また、下面電極膜２５と誘電体薄膜２６と上面電極膜２７には有機物からなる基板２２が熱影響で変形収縮しないように３００℃以下の低温で形成可能なものが用いられている。

また、この下面電極膜２５と上面電極膜２７には導電性が高い、アルミニウムなどの金属が用いられ、この誘電体薄膜２６には絶縁性の高い酸化タンタルなどの金属酸化物からなる無機物が用いられる。

なお、この出願に関する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。
特開平１０−３４０９９９号公報

上記従来の薄膜コンデンサ２１では、誘電体薄膜２６を薄膜化すると薄膜コンデンサ２１の耐電圧特性がばらつき、誘電体薄膜２６の薄膜化ができないため、薄膜コンデンサ２１の容量が小さくなるとともに、薄膜コンデンサ２１の小型化が困難となり、さらに、誘電体薄膜２６を厚く形成しているために薄膜コンデンサ２１の生産性が低いという課題を有していた。

これは、図５に示すように、基板２２を形成している有機フィルムの表面には有機フィルム中に含まれるフィラー３０の露出による凹凸３１ａ、または、フィラー３０による有機フィルムの表面隆起による凹凸３１ｂ、さらに、フィルムが製造時などに巻き取られる時にローラによって発生する傷による凹凸３１ｃが発生するため、この基板２２の上に形成される下面電極膜２５も凹凸３１ａ〜３１ｃが反映されて、下面電極膜２５の表面にも凹凸が形成される。そのため、下面電極膜２５の上に形成される誘電体薄膜２６の厚みが不均一になり、この結果、薄膜コンデンサ２１の耐電圧特性が低下するというものである。

また、この課題を解決するために有機フィルムの条件を変更して、有機フィルムに含まれるフィラー３０の粒径を小さくする、またはフィラー３０の含有量を少なくすると有機フィルムの強度を低下させるものであった。また、フィラー３０が含まれない有機フィルムでは製造時に巻き取りができないとともに、有機フィルムの生産性を低下させるものであった。さらに有機フィルムに傷がつかないように有機フィルムを巻き取ることは有機フィルムの生産性を低下させるものでもあった。

一方、金属または無機物からなるコンデンサ素子２３と有機フィルムからなる基板２２との付着性が高くないために、有機フィルムからなる基板２２の表面を平坦化すると、この基板２２の上に形成されるコンデンサ素子２３と基板２２との界面で剥離する恐れもあった。

本発明は、上記課題を解決するとともに、誘電体薄膜２６を薄膜化することで、小型薄膜化が可能であるとともに耐電圧特性に優れた薄膜コンデンサを提供するというものである。

上記課題を解決するために本発明は、前記有機フィルムの表面に形成した樹脂膜と、前記樹脂膜の表面に形成された凹凸部とからなる基板と、前記基板の上に設けられたコンデンサ素子とからなり、前記コンデンサ素子は下面電極膜と、誘電体薄膜と、上面電極膜とをそれぞれ気相成長法により順次積層して形成され、前記凹凸部の表面粗さの最大高さは０．０５μｍ以下にするとともに、前記誘電体薄膜の厚みは１μｍ以下とした構成にするものである。

以上のように本発明による薄膜コンデンサは、有機フィルムの上に樹脂膜を設け、さらにこの樹脂膜の表面に微小な凹凸を設けることで、有機フィルムの表面の凹凸を修復するとともに、付着性が高く平坦な表面を有する基板を形成し、さらに、この基板の上にコンデンサ素子を形成することで、均一な厚みの誘電体薄膜が得られる。この結果、耐電圧特性に優れるとともに、誘電体薄膜を薄膜化することができ、小型化が可能な薄膜コンデンサを実現できるという効果が得られるものである。

以下、実施の形態を用いて、本発明に記載の発明について説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態による薄膜コンデンサの構成を示した断面図であり、図２は、この薄膜コンデンサの基板表面の拡大図である。図１において、１は薄膜コンデンサを示し、この薄膜コンデンサ１は、有機フィルムからなる基板２と、この基板２の上に形成したコンデンサ素子３と、このコンデンサ素子３を覆う絶縁物からなる保護層４とから構成されている。

この基板２は、有機フィルム５と、この有機フィルム５の上に形成された樹脂膜６と、この樹脂膜６の上に形成された凹凸部７とから形成されている。

次に、このコンデンサ素子３は、上記樹脂膜６の上に形成された下面電極膜８と、この下面電極膜８の上に形成された誘電体薄膜９と、この誘電体薄膜９の上に形成された上面電極膜１０とから形成されている。

また、第一の外部電極１１は、その一方が下面電極膜８と接続され、他方が保護層４の表面から露出するように設けられている。また、第二の外部電極１２は、その一方が上面電極膜１０と接続され、他方が保護層４の表面から露出するように設けられている。

さらに、基板２を形成している有機フィルム５はポリイミドフィルムからなり、この有機フィルム５の上に形成されている樹脂膜６は回転塗布（スピンコート）により形成されるとともに、この樹脂膜６の表面に設けられる凹凸部７の表面粗さの最大高さが０．０５μｍ以下になるように形成されている。

そして、コンデンサ素子３を形成する下面電極膜８と誘電体薄膜９と上面電極膜１０の夫々は気相成長法により薄膜に形成され、上記気相成長法は基板２の温度が３００℃以下になるようにして行われている。また、この誘電体薄膜９の厚みが１μｍ以下になるように形成されている。

薄膜コンデンサ１を具体的には次の通り作成した。

有機フィルム５として厚さ４４μｍのポリイミドフィルムを使用し、この有機フィルム５の上に、厚さ５μｍの樹脂膜６を形成して、この樹脂膜６の表面に表面粗さの最大高さが０．０５μｍ以下となる凹凸部７を形成することで、基板２を形成した。

この樹脂膜６は、Ｎ−メチル−２−ピロリドンで希釈した０．２４Ｐａ・ｓのポリイミド前駆体溶液を、スピンコート法により１０００ｒ／ｍｉｎ×６０ｓｅｃの条件で有機フィルム５の上に塗布し、１２０℃、１５ｍｉｎのプリベークと、３５０℃、１ｈｏｕｒの硬化を順次行うことにより形成した。

また、この樹脂膜６の表面に設けられた凹凸部７は、１５Ｐａの酸素雰囲気中でＲＦパワー４００Ｗのプラズマ処理を２分行うことで形成した。

そして、０．５Ｐａの真空中でＤＣスパッタにより、この基板２の上に厚さ１００ｎｍのアルミニウム膜を成膜して、このアルミニウム膜をエッチングすることにより、３５０×２５０μｍの下面電極膜８を基板２の上に形成した。

このアルミニウム膜のエッチングは、アルミニウム膜の上に感光性を有するレジスト樹脂を塗布して、このレジスト樹脂をパターニングすることによりレジスト膜からなるマスクレジストを形成して、リン酸、酢酸などからなるエッチング液を用いて、このアルミニウム膜をエッチングした後、このマスクレジストを剥離して、基板表面を洗浄、乾燥することにより形成した。

また、上面電極膜１０も上記手段と方法を用いてエッチングすることにより所定の形状に形成した。

次に、０．５Ｐａの真空中でＤＣスパッタにより、上記基板２の上に誘電体薄膜９となる厚さ４００ｎｍの酸化タンタル膜を成膜して、続いて、ＤＣスパッタにより、この酸化タンタル膜の上に厚さ１００ｎｍのアルミニウム膜を成膜して、このアルミニウム膜をエッチングすることにより、上記下面電極膜８との対向面積が２７０×２３２μｍとなる上面電極膜１０を基板２の上に形成した。

そして、下面電極膜８と上面電極膜１０との対向部を覆いつつ、この基板２の上に所定形状のレジストマスクを形成して、アルミニウム膜および酸化タンタル膜をエッチングすることにより、基板２の上に３００×９００μｍのコンデンサ素子３を形成した。また、この酸化タンタル膜のエッチングはＣＦ₄およびＯ₂ガスを用いて行った。

続いて、０．５Ｐａの真空中でのＲＦスパッタにより、この基板２の上に厚さ０．１μｍの保護層４となる酸化ケイ素膜を成膜して、この酸化ケイ素膜をエッチングすることにより、保護層４を貫通するように設けられるとともに、下面電極膜８および上面電極膜１０の端部と夫々接続する２００×２００μｍの第一および第二の開口部を形成した。

この酸化ケイ素膜のエッチングは酸化タンタル膜のエッチング同様にＣＦ₄およびＯ₂ガスを用いて行った。

さらに、この基板２の表面を銅の無電解メッキをすることにより、上記第一および第二の開口部を銅で充填した。そこで、この基板２の表面にレジストマスクを形成して、この基板２の表面に形成された銅をエッチングすることにより、その一方が下面電極膜８を接続するとともに、他方が保護層４の表面から露出する第一の外部端子１１と、その一方が上面電極膜１０を接続するとともに、他方が保護層４の表面から露出する第２の外部端子１２とを形成した。

そして、この基板２を所定の寸法にすることにより、有機フィルム５と、この有機フィルム５の上に形成された樹脂膜６と、この樹脂膜６の表面に設けられた凹凸部７とからなる基板２と、この基板２の表面に形成されたコンデンサ素子３とからなる薄膜コンデンサ１を得ることができた（寸法：４００×１０００×５０（μｍ）、静電容量：３３（ｐＦ））。

この構成により、図２に示すように、この樹脂膜６が有機フィルム５に含まれるフィラー１４の露出による凹凸１３ａ、有機フィルム５の表面隆起による凹凸１３ｂや、有機フィルム５の表面に形成された傷による凹凸１３ｃを修復することができる。特に、有機フィルム５の表面に形成された傷による凹凸１３ｃが深く大きい場合でも、樹脂膜６はこの凹凸１３ｃに対して厚く形成することが可能なため、凹凸１３ｃを修復して、平坦な表面を形成することが可能になる。

さらに、この樹脂膜６の表面に形成された凹凸部７が有機フィルム５の表面に形成された凹凸１３ａ〜１３ｃを反映することなく、微小な表面粗さを有するために、樹脂膜６の上に形成されるコンデンサ素子３と樹脂膜６との付着性を損なわないとともに、この樹脂膜６の上に形成される誘電体薄膜９の厚みが均一に形成される。そのため、薄膜コンデンサの耐電圧特性を向上させるとともに、誘電体薄膜９を薄く形成しても高い耐電圧特性が得られるため、薄膜コンデンサ１の小型薄膜化を可能にするものである。

なお、誘電体薄膜９の厚みは１μｍ以下が好ましい。誘電体薄膜９の厚みが１μｍ以上になると、有機フィルム５の表面の凹凸があっても誘電体薄膜９が厚く形成されるため、その厚みに不均一な箇所があっても耐電圧特性には影響が出ないからである。

また、凹凸部７の表面粗さの最大高さは０．０５μｍ以下が好ましい。凹凸部７の表面粗さの最大高さが０．０５μｍ以上になると、樹脂膜６の上に形成される誘電体薄膜９の厚みに影響する恐れがあるからである。

（実施の形態２）
次に実施の形態２について説明する。

実施の形態２は、実施の形態１において、図３に示すように、基板２とコンデンサ素子３との間にＳＯＧ（ｓｐｉｎｏｎｇｌａｓｓ）からなる接着層１６を介在させるとともに、有機フィルム５と樹脂膜６との間にバリア層１５を介在させるようにしたところに特徴を有しており、その他の点については実施の形態１と同様の構成をしている。従って、この接着層１６およびバリア層１５以外の構成および製造方法は実施の形態１の説明を援用することで薄膜コンデンサ１を作成した。

そこで、本実施の形態に特徴構成について説明すると、このＳＯＧからなる接着層１６は、有機ＳＯＧ溶液を、スピンコート法により１０００ｒ／ｍｉｎ×６０ｓｅｃの条件で基板２の上に塗布し、１５０℃、１５ｍｉｎのプリベークと、３００℃ １ｈｏｕｒの硬化を順次行うことより形成したものである。また、この接着層１６の表面は凹凸が非常に小さい平滑なものに形成されている。

このバリア層１５は金属または無機物からなる空気中の酸素や水分に対するバリア性が高く、気相成長法により薄膜に形成できるアルミニウムや酸化アルミニウムなどが用いられる。

具体的には次のとおり薄膜コンデンサ１を作成した。０．５Ｐａの真空中でＤＣスパッタ法により、有機フィルム５の上に厚み５００ｎｍのアルミニウム膜からなるバリア層１５を形成して、ついで、このバリア層１５の上に厚み５μｍの樹脂膜６を形成して、この樹脂膜６の表面に表面粗さの最大高さが０．０５μｍ以下となる凹凸部７を形成して基板２を形成した。

そして、この基板２の上に厚さ０．３μｍの接着層１６を形成することにより、基板２とコンデンサ素子３との間にＳＯＧからなる接着層１６が介在されるとともに、有機フィルム５と樹脂膜６との間にバリア層１５が介在されて薄膜コンデンサ１が得られる（寸法：４００×１０００×５１（μｍ）、静電容量：３３（ｐＦ））。

この構成により、接着層１６はコンデンサ素子３との付着性が高く、その表面に凹凸を設けていないので、この接着層１６の上に形成される誘電体薄膜９をさらに均一な厚みで形成することができ、さらに薄膜コンデンサ１の耐電圧特性を向上させることが可能になるものである。

また、樹脂膜６の表面には凹凸部７が形成されているためにＳＯＧからなる接着層１６と樹脂膜６との付着性は高いものであるので、コンデンサ素子３と樹脂膜６との間で剥離する恐れがないものである。

さらに、有機フィルム５と樹脂膜６との間に空気中の酸素や水分などに対するバリア層１５が設けてあるため、コンデンサ素子３の上面および側面を覆う保護膜４に加え、下面にバリア層１５があるために空気中の酸素や水分などがコンデンサ素子３に侵入することによる薄膜コンデンサ１の特性変化を防ぐことが可能になるものである。

なお、有機フィルム５に一般的に用いられるフィラー１４の粒径は１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度であることから、有機フィルム５の傷による凹凸１３ｃが小さい場合は、有機フィルム５の上に厚さ５００ｎｍ程度のＳＯＧを形成することで、樹脂膜６を形成しなくても有機フィルム５の表面は平滑化されるものである。

しかしながら、有機フィルム５の傷による凹凸１３ｃの深さが５００ｎｍ以上の場合は、ＳＯＧを５００ｎｍ以上の膜厚に形成することが困難であり、また、ＳＯＧからなる膜を積層して厚膜に形成しても、この膜が固く脆いためにひび割れる恐れがあるために、有機フィルム５の表面に形成される凹凸１３ｃを接着層１６のみで平滑化することは困難なものである。

（比較例）
比較例は、従来の薄膜コンデンサとして、実施の形態１において有機フィルムからなる基板の上に樹脂膜を形成しないで、直接コンデンサ素子を形成させたことが異なり、その他の点については実施の形態１と同様の構成を有している。従って基板の上に直接コンデンサ素子を形成した以外の構成および製造方法は実施の形態１の説明を援用することで薄膜コンデンサ２１を作成した。

比較例の特徴構成について具体的に説明すると、基板として、有機フィルムからなる厚さ４０μｍのポリイミドフィルムを使用し、この基板の上にコンデンサ素子を形成して、薄膜コンデンサが得られた（寸法：４００×１０００×４５（μｍ）、静電容量：３３（ｐＦ））。

ここで、実施の形態１および比較例の薄膜コンデンサについて、耐電圧試験を行い、その結果を（表１）に示す。なお、試験数は７２個で行った。

また、前記耐電圧試験は、薄膜コンデンサの定格電圧に対して１．５倍の試験電圧を１分間印加した後、この薄膜コンデンサの絶縁抵抗を測定し、絶縁抵抗が１００ＭΩ以下のものを特性不良とした。

（表１）から明らかなように、本発明における薄膜コンデンサは耐電圧試験による特性劣化が少なく、比較例に比べて大幅に耐電圧特性を改善することができた。

このように、本発明は有機フィルム５の上に樹脂膜６を形成し、この樹脂膜６の表面に凹凸部７を形成して、この樹脂膜６の上にコンデンサ素子を形成する構成とすることにより、誘電体薄膜９が均一な厚みで形成されることで安定した耐電圧特性を得ることが可能となった。

本発明による薄膜コンデンサは、有機フィルムの上に樹脂膜を設けることにより平坦な表面を有する基板を形成し、さらに、この基板の上にコンデンサ素子を形成することで、均一な厚みの誘電体薄膜が得られる。この結果、耐電圧特性に優れるとともに、誘電体薄膜を薄膜化することができ、小型化が可能な薄膜コンデンサを実現できるという効果が得られるものである。

本発明の実施の形態１における薄膜コンデンサの断面図同基板の表層部拡大図同実施の形態２における薄膜コンデンサの断面図従来の薄膜コンデンサの断面図同基板の表層部拡大図

符号の説明

２基板
３コンデンサ素子
４保護層
６樹脂膜
７凹凸部
８下面電極膜
９誘電体薄膜
１０上面電極膜
１５バリア層
１６接着層

Claims

有機フィルムと、前記有機フィルムの表面に形成した樹脂膜と、前記樹脂膜の表面に形成された凹凸部とからなる基板と、前記基板の上に設けられたコンデンサ素子とからなり、前記コンデンサ素子は下面電極膜と、誘電体薄膜と、上面電極膜とをそれぞれ気相成長法により順次積層して形成され、前記凹凸部の表面粗さの最大高さは０．０５μｍ以下とするとともに、前記誘電体薄膜の厚みは１μｍ以下とした薄膜コンデンサ。
有機フィルムと樹脂膜との間に気相成長法により形成された金属または無機物からなるバリア膜を介在させた請求項１に記載の薄膜コンデンサ。
基板とコンデンサ素子との間にＳＯＧ（ｓｐｉｎｏｎｇｌａｓｓ）からなる接着層を介在させた請求項１に記載の薄膜コンデンサ。