JP2011530781A - 陽極酸化法を用いた瞬間パルスフィルターの製造方法及びその製造方法によって製造された瞬間パルスフィルター - Google Patents
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Abstract
陽極酸化法によりポア（ｐｏｒｅ）が形成されたアルミニウム酸化物薄膜層上に金属物質を蒸着し、また、上記ポアにナノロッドを形成することにより、導体が規則的な分布を有し、導体間のエネルギー障壁が均一である、陽極酸化法を用いた瞬間パルスフィルターの製造方法及びその製造方法によって製造された瞬間パルスフィルターを提供する。本発明は、半導体素子の誤動作、短い寿命などの原因になり得る瞬間パルスを防ぐことができる瞬間パルスフィルターをアルミニウム陽極酸化法を用いて製造したものであり、特に絶縁体基板１００の上側にアルミニウム薄膜層２００を形成させる第１の段階と、陽極酸化法を用いて上記アルミニウム薄膜層２００を酸化させることにより、ポア３１０が形成されたアルミニウム酸化物薄膜層３００を形成させる第２の段階と、上記ポア３１０を埋め込むために、金属物質を上記アルミニウム酸化物薄膜層３００の上側に蒸着させる第３の段階と、上記ポア３１０の内部以外に蒸着された金属物質を除去することにより、上記アルミニウム薄膜層２００の内部にナノロッド４００を形成させる第４の段階と、上記ナノロッド４００が形成されたアルミニウム薄膜層２００の上部に内部電極５００を形成させる第５の段階と、上記アルミニウム薄膜層２００及び内部電極５００を外部環境から保護するために、その上層に保護膜層６００を形成させる第６の段階と、上記保護膜層６００が形成された基板の両端に外部電極７００を形成させる第７の段階とを含んでなることを特徴とする陽極酸化法を用いた瞬間パルスフィルターの製造方法及びその製造方法によって製造された瞬間パルスフィルターを要旨とし、それにより導電性ナノロッドからなる導体の規則的な分布とエネルギー障壁の均一性を確保することができるので、従来技術に比べて良い非線形特性及び高い瞬間パルス耐量の特性を有するチップ形態の過電圧保護部品を製造できる利点がある。
Description
本発明は、半導体素子の誤動作、短い寿命などの原因になり得る瞬間パルスを防ぐことができる瞬間パルスフィルターをアルミニウム陽極酸化法を用いて製造する瞬間パルスフィルターの製造方法及びその製造方法によって製造された瞬間パルスフィルターに関し、より詳細には、陽極酸化法により規則的なナノロッドからなる導体を形成し、導体間のエネルギー障壁が均一である、陽極酸化法を用いた瞬間パルスフィルターの製造方法及びその製造方法によって製造された瞬間パルスフィルターに関する。
携帯機器の発達とともに大容量のデータを速く伝送しなければならないこの頃の環境で、速い処理速度だけでなく部品の小型化は必須である。これは、高集積化された半導体、速い処理速度のための高速スイッチング素子、そして携帯型機器の使用にともなう低電圧、低電力型の半導体の使用を増加させる契機になった。
結果的に、これは、瞬間パルスと過渡電圧（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｖｏｌｔａｇｅ）に敏感な回路を構成するようになる原因になり、さらにＩＣの破壊が頻繁に起きているので、これを防止するために瞬間パルスフィルターを必須に用いるようになった。
このような瞬間パルスフィルターは、高速のデータ伝送が要求される装置、即ち携帯電話、ノートブック、ＵＳＢ２．０デバイスコントローラ、ＨＤＴＶ、セットトップボックス、アンテナ、ＲＦ回路などに主に用いられ、今後持続的なデータの高集積化及び高速化傾向に従って瞬間パルスに対する対策はさらに重要なものとなる。
従来の上記瞬間パルスに対する対策は、図１に示すように、高分子樹脂３０に導電性粉末４０を混合した高分子複合材料を用いた方式で、エポキシ基板１０に、内部電極２０を形成した後、内部電極２０間に高分子複合材料を形成させ、エポキシ基板１０の両端に外部電極５０を形成させたものである。
図示されているように、エポキシ基板１０の上側に、低い放電電圧を得るために高分子複合材料を形成しており、上記高分子複合材料は、高分子樹脂３０に金属導電性粉末４０を分散させ、上記導電性粉末４０を通じて瞬間パルス経路６０を形成し、これを放電電極に活用したものであって、低い静電容量、低いリーク電流などの長所を有していると知られている。
また、もう一つの従来技術は、電圧可変型抵抗物質であるＺｎＯ系積層バリスタを用いるものである。
上記従来技術による瞬間パルスフィルターの原理は、高分子を用いた場合、高分子内に隣接する導電性粒子間の電場による電子のトンネリングを用いたものであって、積層バリスタの場合、ＺｎＯ粒と粒界との間に形成されたショットキー障壁の電場による電子のトンネリングを用いたものである。
しかし、上記高分子を用いた従来技術は、導電性金属粉末を分散させた高分子樹脂が過度な瞬間パルスに脆弱で、その機能を発揮できない場合がある。即ち、炭化（抵抗が低くなり）され、高速のデジタル信号に対して接地へのリークが発生し、データの歪み／損失をもたらすようになり、デジタル信号が印加されずに接地へと流れ、システムの動作を妨害する問題点がある。
また、高分子を用いた場合、導電性粒子の無秩序な分布によりエネルギー障壁の厚さが一定でなく、そのため、素子の電圧に対する抵抗の非線形性が悪く、電圧可変型抵抗物質に電流が流れるとき、障壁のエネルギーが低い所に電流が流れるのは容易であるため、瞬間パルスの耐量特性が悪く（電極間の電圧可変型抵抗物質全体を同一の電流路として用いることができない）、薄い障壁の電流路が形成される場合、そちらへ多くの電流が流れることにより素子の寿命も短くなる。
そして、上記積層バリスタを用いた場合には、非線形性及び高い瞬間パルス吸収能力などの長所を有しているものの、大きな静電容量のため、高速データの伝送時にデータの歪み問題をもたらすことがある。
また、上記高分子やＺｎＯ積層バリスタを用いた場合は、微細構造のエネルギー障壁の大きさを調節するにおいて容易でない問題がある。
従って、導体の規則的な分布とエネルギー障壁の均一性は、瞬間パルスフィルターの根本的な重要要素であり、そのような特性を得るために、本発明の目的は、陽極酸化法によりポア（ｐｏｒｅ）が形成されたアルミニウム酸化物薄膜層上に金属物質を蒸着して、上記ポアにナノロッドを形成することにより、導体が規則的な分布を有し、導体間のエネルギー障壁が均一である、陽極酸化法を用いた瞬間パルスフィルターの製造方法及びその製造方法により製造された瞬間パルスフィルターを提供することである。
また、本発明のもう一つの目的は、上記アルミニウム酸化物の薄膜にワイドニングと熱処理工程をさらに行うことにより、導体間におけるエネルギー障壁の厚さを容易に調節することができる、陽極酸化法を用いた瞬間パルスフィルターの製造方法及びその製造方法により製造された瞬間パルスフィルターを提供することである。
上記目的を達成するために、絶縁体基板の上側にアルミニウム薄膜層を形成させる第１の段階と、陽極酸化法を用いて上記アルミニウム薄膜層を酸化させることにより、ポアが形成されたアルミニウム酸化物薄膜層を形成させる第２の段階と、上記ポアを埋め込むために、金属物質を上記アルミニウム酸化物薄膜層の上側に蒸着させる第３の段階と、上記ポアの内部以外に蒸着された金属物質を除去することにより、上記アルミニウム酸化物薄膜層の内部にナノロッドを形成させる第４の段階と、上記ナノロッドが形成されたアルミニウム酸化物薄膜層の上部に内部電極を形成させる第５の段階と、上記アルミニウム酸化物薄膜層及び内部電極を外部環境から保護するために、上記アルミニウム酸化物薄膜層及び内部電極の上層に保護膜層を形成させる第６の段階と、上記保護膜層が形成された基板の両端に外部電極を形成させる第７の段階とを含んでなることを特徴とする陽極酸化法を用いた瞬間パルスフィルターの製造方法及びその製造方法により製造された瞬間パルスフィルターが提供される。
また、上記基板は、アルミナ、シリコン、ガラス及びガラス質の樹脂（ｇｌａｓｓ ｅｐｏｘｙ）のうちのいずれか一つからなることが望ましい。
また、上記第２の段階のポアは、陽極酸化後にワイドニングまたは熱処理工程をさらに経ることが望ましく、上記ポアは、幅が１００ｎｍ〜１０μｍであり、その間隔は１００ｎｍ以下であることが望ましい。
また、上記ナノロッドの高さは、１０μｍ以下であることが望ましい。
また、上記内部電極は、平面状であることが望ましい。
本発明は、上記課題の解決手段により、導性ナノロッドからなる導体の規則的な分布とエネルギー障壁の均一性を確保することができるので、従来技術に比べて良い非線形特性と高い瞬間パルス耐量の特性を有するチップ形態の過電圧保護部品を製造できる効果を奏する。
また、陽極酸化後にワイドニング工程または熱処理工程をさらに行うことにより、導体間におけるエネルギー障壁の厚さの調節が容易であるので、電極間の距離が変化することなく、トリガー電圧及びクランプ電圧、リーク電流などを調節できる効果を奏する。
図２は、本発明による瞬間パルスフィルターの断面図であり、図３は、本発明による瞬間パルスフィルターの概略的な工程図であり、図４は、本発明による瞬間パルスフィルターのワイドニング工程及びナノロッド形成工程に関する模式図である。
図３に示すように、本発明による陽極酸化法を用いた瞬間パルスフィルターの製造方法は、絶縁体基板１００を用意し（図３（ａ））、絶縁体基板１００の上側にアルミニウム薄膜層２００を形成させる第１の段階（図３（ｂ））と、陽極酸化法を用いて上記アルミニウム薄膜層２００を酸化させることにより、ポア３１０が形成されたアルミニウム酸化物薄膜層３００を形成させる第２の段階（図３（ｃ））と、上記ポア３１０を埋め込むために、金属物質を上記アルミニウム酸化物薄膜層３００の上側に蒸着させる第３の段階（図３（ｄ））と、上記ポア３１０の内部以外に蒸着された金属物質を除去することにより、上記アルミニウム酸化物薄膜層３００の内部にナノロッド４００を形成させる第４の段階（図３（ｅ））と、上記ナノロッド４００が形成されたアルミニウム酸化物薄膜層３００の上部に内部電極５００を形成させる第５の段階（図３（ｆ））と、上記アルミニウム酸化物薄膜層３００及び内部電極５００を外部環境から保護するために、上記アルミニウム酸化物薄膜層３００及び内部電極５００の上層に保護膜層６００を形成させる第６の段階（図３（ｇ））と、上記保護膜層６００が形成された基板１００の両端に外部電極７００を形成させる第７の段階（図３（ｈ））と備える。
即ち、絶縁体基板１００の上側にアルミニウム薄膜層２００を形成し、陽極酸化法によりアルミニウム薄膜層２００を酸化させて内部にポア３１０を形成した後、上記ポア３１０に金属物質を埋め込んでナノロッド４００を製造し、内部電極５００、保護膜層６００及び外部電極７００を形成させるものであって、陽極酸化により規則的な形状及び一定の大きさに形成されたポア３１０に金属物質を埋め込んでナノロッド４００を形成させることにより、従来の高分子樹脂に不規則かつ不均一に分散した導電性粉末で形成された瞬間パルスフィルターの問題点を解決し、高い瞬間パルス耐量と低い静電容量設計による速い反応特性を有するチップ形態の過電圧保護部品を製造できるようにしたものである。
以下では、添付した図面を参照し、本発明の望ましい実施例について説明する。
まず、第１の段階は、絶縁体基板１００の上側にアルミニウム薄膜層２００を形成させるものである。
上記絶縁体基板１００の材料は、アルミナ、シリコン、ガラス及びガラス質の樹脂のうちのいずれか一つであり、予め形成したチップ形態の溝有無に関係なく用いることができる。
そして、上記アルミニウム薄膜層２００の蒸着方法には、スパッタリング、エバポレーション、ＰＬＤ（ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法がある。
そして、第２の段階は、陽極酸化法を用いて上記アルミニウム薄膜層２００を酸化させることにより、内部にポア３１０が形成されたアルミニウム酸化物薄膜層３００を形成させるものであって、クロム酸（ＣｒＯ３；２.５３％）、硫酸（Ｈ２ＳＯ４；１５.２０％）、シュウ酸（Ｃ２Ｈ２Ｏ４；５.１０％）、ホウ酸（Ｈ３ＢＯ３；９.１５％）、リン酸（Ｈ３ＰＯ４；１０％）のうちの一つが電解液に用いられ、上記電解液が入っている酸化処理反応槽に、アルミニウム薄膜層２００の形成された絶縁体基板１００を浸漬し、陽極をかけた後、基準電極として白金板を酸化処理反応槽に浸漬し、陰極をかけて酸化させる。
ここで、陽極酸化の後、ポア３１０の大きさの調節、隣接するポア３１０間の絶縁障壁の厚さの調節、規則性の向上などのために、ワイドニングまたは熱処理工程をさらに行うことができ、ワイドニングの場合、希薄したＨ３ＰＯ４溶液などを用いることができる。
図４に示すように、絶縁体基板１００の上側にポア３１０が形成されたアルミニウム酸化物薄膜層３００を形成させた後、さらにワイドニング工程を行うことにより、ポア３１０の幅が大きくなるように調節することができ、アルミニウム酸化物薄膜層３００の上層に金属物質を蒸着した後に除去し、幅及び間隔が調節されたナノロッド４００を形成させることができる。
上記ワイドニング工程や熱処理工程により、上記ポア３１０の大きさ及びその間隔などを調節することにより、エネルギー障壁の厚さの調節が容易になる。これは、電極間の距離が変化することなく、容易にトリガー電圧及びクランプ電圧、リーク電流などを調節することができるという長所として作用する。
そして、第３の段階は、上記ポア３１０を埋め込むために、金属物質を上記アルミニウム酸化物薄膜層３００の上側に蒸着させるものであって、ゾルゲルコーティング、ＡＬＤ（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、エバポレーションまたは電気メッキなどの方法を用いることができ、用いられる金属物質には、蒸着方法に応じて純金属だけでなく、ドープされた複数種の半導体も用いられ得る。
そして、第４の段階は、上記ポア３１０の内部以外に蒸着された金属物質を除去し、上記アルミニウム酸化物薄膜層３００の内部にナノロッド４００を形成させるものであって、物理的または化学的な多様な方法が用いられ、例えば、Ｒｕが蒸着されている場合、Ｃｌ２ガスを用いたプラズマ反応性イオン‐エッチングが用いられ、また、Ｃｕが蒸着されている場合、塩素が含まれた溶液に浸漬した後、紫外線を照射する方法などが用いられ得る。
従って、上記ナノロッド４００を介して電場による電子のトンネリングがなされ、瞬間パルス経路（Ｓ）を形成し、また、ナノロッド４００間のアルミニウム酸化物によっては絶縁が行われ、エネルギー障壁が形成されるようにする。
そして、第５の段階は、上記ナノロッド４００が形成されたアルミニウム酸化物薄膜層３００の上部に平面状の内部電極５００を形成させるものであって、一般の半導体のリソグラフィ工程と金属の薄膜蒸着工程に従うことができ、内部電極５００の物質としては、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、錫（Ｓｎ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）などがあり、また、形成方法は、真空物理蒸着、真空化学蒸着、メッキ、スクリーンプリンティングまたは２つ以上の蒸着法を混用してもよい。
そして、第６の段階は、上記ナノロッド４００が形成されたアルミニウム酸化物薄膜層３００及び内部電極５００を外部環境から保護するために、アルミニウム酸化物薄膜層３００及び内部電極５００の上層に保護膜層６００を形成させるものであって、上記保護膜層６００をなす物質としては、無機質のシリコン、ガラス質、フッ素樹脂系があり、また、形成方法では、スパッタリング、ゾルゲル、スクリーンプリンティングなどがある。
また、上記内部電極５００は、電圧可変型抵抗物質の片面にのみ２つ以上形成させ、静電容量を極端に低くすることができる高速通信用瞬間パルスフィルターの製造が可能になる。
そして、第７の段階は、上記保護膜層６００が形成された基板１００の両端に外部電極７００を形成させるものであって、スクリーン印刷方法などのような、一般のチップ部品の外部電極７００の形成方法からなる。
上記製造方法により、絶縁体基板１００の上側にアルミニウム薄膜層２００を形成し、陽極酸化法により上記アルミニウム薄膜層２００を酸化させてポア３１０が形成されたアルミニウム酸化物薄膜層３００を形成し、また、アルミニウム酸化物薄膜層３００の上層に金属物質を蒸着し、ポア３１０の内部以外に蒸着された金属物質を除去し、それによって、アルミニウム酸化物薄膜層３００の内部に規則的に形成されたナノロッド４００と、アルミニウム酸化物薄膜層３００の上層に形成された内部電極５００および保護膜層６００と、基板１００の両端に形成された外部電極７００とを含んでなる瞬間パルスフィルターが製造される。
上述したように、本発明は、絶縁体基板１００上にアルミニウムを蒸着する工程と、陽極酸化により規則的な形状と一定の大きさのポア３１０が形成されたアルミニウム酸化物薄膜層３００を形成させる工程と、電気メッキやＡＬＤまたはエバポレーションなどの方法を用いてポア３１０が埋め込まれるように金属物質を蒸着する工程と、化学的または物理的にポア３１０の内部以外の金属を除去してナノロッド４００を形成する工程と、ナノロッド４００が形成されたアルミニウム酸化物薄膜層３００の一側面内に内部電極５００を２つ以上形成する工程と、そして保護膜層６００及び外部電極７００を形成する工程とにより、過度な瞬間パルスが流入しても、上記ナノロッドを介して瞬間パルス経路（Ｓ）を形成し、従来の高分子樹脂で発生する炭化を防止することにより、高信頼性を有するようにしたものである。
また、本発明は、一つの電圧可変型抵抗物質の厚さを調節し、単に電極のギャップを調整するだけで容易に放電電圧を調整することができるので、規格変更が非常に容易であり、それにより高速通信用瞬間パルスフィルターの製造が可能になる。
本発明は、その精神または基本的な特徴から逸脱することなく、いくつの形で具現することができるが、上述の諸実施形態は特に定めのない限り上記の説明の詳細のいずれに限定されず、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の精神および範囲内で広く解釈されるべきであり、したがって特許請求の範囲の境界またはこのような境界の均等物内にある変形および変更はすべて、添付の特許請求の範囲に包含されるものであることも理解されたい。
Claims (14)
- 陽極酸化法を用いた瞬間パルスフィルターの製造方法であって、
絶縁体基板（１００）の上側にアルミニウム薄膜層（２００）を形成させる第１の段階と、
陽極酸化法を用いて前記アルミニウム薄膜層（２００）を酸化させることにより、ポア（３１０）が形成されたアルミニウム酸化物薄膜層（３００）を形成させる第２の段階と、
前記ポア（３１０）を埋め込むために、金属物質を前記アルミニウム酸化物薄膜層（３００）の上側に蒸着させる第３の段階と、
前記ポア（３１０）の内部以外に蒸着された金属物質を除去することにより、前記アルミニウム酸化物薄膜層（３００）の内部にナノロッド（４００）を形成させる第４の段階と、
前記ナノロッド（４００）が形成された前記アルミニウム酸化物薄膜層（３００）の上部に内部電極（５００）を形成させる第５の段階と、
前記アルミニウム酸化物薄膜層（３００）及び前記内部電極（５００）を外部環境から保護するために、前記アルミニウム酸化物薄膜層（３００）及び前記内部電極（５００）の上層に保護膜層（６００）を形成させる第６の段階と、
前記保護膜層（６００）が形成された前記基板（１００）の両端に外部電極（７００）を形成させる第７の段階と
を含んでなることを特徴とする方法。 - 前記基板（１００）は、アルミナ、シリコン、ガラス及びガラス質の樹脂のうちのいずれか一つからなることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記第２の段階の前記ポア（３１０）は、陽極酸化後に、ワイドニング工程または熱処理工程をさらに経ることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記ポア（３１０）は、幅が１００ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記ナノロッド（４００）の高さは、１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記ポア（３１０）間の間隔は、１００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記内部電極（５００）は、平面状であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 陽極酸化法を用いた瞬間パルスフィルターであって、
絶縁体基板（１００）と、
前記絶縁体基板（１００）の上側に形成され、内部に陽極酸化法によりポア（３１０）が形成された、アルミニウム酸化物からなるアルミニウム酸化物薄膜層（３００）と、
前記ポア（３１０）に金属物質を蒸着することにより、前記アルミニウム酸化物薄膜層（３００）の内部に形成されたナノロッド（４００）と、
前記ナノロッド（４００）が形成された前記アルミニウム酸化物薄膜層（３００）の上部に形成された内部電極（５００）と、
前記アルミニウム酸化物薄膜層（３００）及び前記内部電極（５００）を外部環境から保護するために、前記アルミニウム酸化物薄膜層（３００）及び前記内部電極（５００）の上層に形成された保護膜層（６００）と、
前記保護膜層（６００）が形成された前記基板（１００）の両端に形成された外部電極（７００）と
を含んでなることを特徴とする、瞬間パルスフィルター。 - 前記基板（１００）は、アルミナ、シリコン、ガラス及びガラス質の樹脂のうちのいずれか一つからなることを特徴とする、請求項８に記載の瞬間パルスフィルター。
- 前記ポア（３１０）は、陽極酸化後に、ワイドニング工程または熱処理工程をさらに経ることを特徴とする、請求項８に記載の瞬間パルスフィルター。
- 前記ポア（３１０）は、幅が１００ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする、請求項８に記載の瞬間パルスフィルター。
- 前記ナノロッド（４００）の高さは、１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項８に記載の瞬間パルスフィルター。
- 前記ポア（３１０）間の間隔は、１００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項８に記載の瞬間パルスフィルター。
- 前記内部電極（５００）は、平面状であることを特徴とする、請求項８に記載の瞬間パルスフィルター。
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