JP2022109873A - 積層型キャパシター - Google Patents

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Abstract

【課題】積層型キャパシターを提供する。【解決手段】本発明の一実施形態は、複数の誘電体層、及び上記誘電体層を挟んで積層された複数の内部電極を含む本体と、上記本体の外部に形成され、上記内部電極と接続された外部電極と、を含む積層型キャパシターであって、上記複数の誘電体層は、Sn成分が含有されたチタン酸バリウム系組成物を含み、上記内部電極はSn成分を含み、上記複数の誘電体層のうち少なくとも1つは、上記内部電極のうち隣接した内部電極と比べてSnの含量が2倍以上である、積層型キャパシターを提供する。【選択図】図1

Description

本発明は、積層型キャパシターに関する。
キャパシターは、電気を貯蔵することができる素子であって、基本的に、2つの電極を対向させ、電圧をかけると各電極に電気が蓄積されるものである。直流電圧を印加した場合には、電気が蓄電されながらキャパシターの内部に電流が流れるが、蓄積が完了すると、電流が流れなくなる。一方、交流電圧を印加した場合には、電極の極性が交番しながら交流電流が流れるようになる。
かかるキャパシターは、電極の間に備えられる絶縁体の種類によって、アルミニウムで電極を構成し、上記アルミニウム電極の間に薄い酸化膜を備えるアルミニウム電解キャパシター、電極材料としてタンタルを用いるタンタルキャパシター、電極の間にチタン酸バリウムなどの高誘電率の誘電体を用いるセラミックキャパシター、電極の間に備えられる誘電体として、高誘電率系セラミックを多層構造として用いる積層セラミックキャパシター(Multi-Layer Ceramic Capacitor、MLCC)、電極の間の誘電体としてポリスチレンフィルムを用いるフィルムキャパシターなど、様々な種類に区分され得る。
中でも、積層セラミックキャパシターは、温度特性及び周波数特性に優れており、小型に実現可能であるという利点を有することから、近年、高周波回路などの様々な分野で多く応用されている。近年、積層セラミックキャパシターをさらに小さく実現するために、誘電体層と内部電極を薄く形成する試みが続けられている。誘電体層が薄くなる場合、高温信頼性及び耐電圧特性が低下するという問題があり、当技術分野では、それを解決しようとする試みが行われ続けられている。
本発明の一目的は、高い高温信頼性及び耐電圧特性が向上可能な積層型キャパシターを提供することにある。
上述の課題を解決するための方法として、本発明は、一例によって積層型キャパシターの新たな構造を提案する。具体的に、複数の誘電体層、及び上記誘電体層を挟んで積層された複数の内部電極を含む本体と、上記本体の外部に形成され、上記内部電極と接続された外部電極と、を含む積層型キャパシターであって、上記複数の誘電体層は、Sn成分が含有されたチタン酸バリウム系組成物を含み、上記内部電極はSn成分を含み、上記複数の誘電体層のうち少なくとも1つは、上記内部電極のうち隣接した内部電極と比べてSnの含量が2倍以上である。
一実施形態において、上記誘電体層は、上記内部電極との界面に形成された第1Snリッチ領域を含み、上記内部電極は、上記誘電体層との界面に形成された第2Snリッチ領域を含むことができる。
一実施形態において、上記第1及び第2Snリッチ領域の厚さの和は5nm以下であることができる。
一実施形態において、上記第1リッチ領域は、上記第2Snリッチ領域より厚いことができる。
一実施形態において、上記第2リッチ領域は、上記第1Snリッチ領域より厚いことができる。
一実施形態において、上記第1及び第2Snリッチ領域にそれぞれ含まれたSnの含量の和は、上記誘電体層のTiの含量100モルに対して0.8モル以上であることができる。
一実施形態において、上記第1Snリッチ領域に含まれたSnの含量は、上記誘電体層において上記第1Snリッチ領域を除いた残りの領域に含まれたSnの含量より多いことができる。
一実施形態において、上記第2Snリッチ領域に含まれたSnの含量は、上記内部電極において上記第2Snリッチ領域を除いた残りの領域に含まれたSnの含量より多いことができる。
一実施形態において、上記第1Snリッチ領域は、上記界面から上記誘電体層の中心方向に向かうにつれてSnの含量が減少することができる。
一実施形態において、上記第2Snリッチ領域は、上記界面から上記内部電極の中心方向に向かうにつれてSnの含量が減少することができる。
一実施形態において、上記界面において上記第1及び第2Snリッチ領域は、Snの含量が互いに同一であることができる。
一実施形態において、上記誘電体層の平均厚さは500nm以下であることができる。
一実施形態において、上記内部電極の平均厚さは400nm以下であることができる。
一方、本発明の他の側面は、複数の誘電体層、及び上記誘電体層を挟んで積層された複数の内部電極を含む本体と、上記本体の外部に形成され、上記内部電極と接続された外部電極と、を含む積層型キャパシターであって、上記複数の誘電体層は、Snが含有されたチタン酸バリウム系組成物を含み、上記内部電極はSnを含み、上記誘電体層は、上記内部電極との界面に形成された第1Snリッチ領域を含み、上記内部電極は、上記誘電体層との界面に形成された第2Snリッチ領域を含み、上記第1及び第2Snリッチ領域の厚さの和が5nm以下である、積層型キャパシターを提供する。
本発明の一例による積層型キャパシターによると、高温信頼性及び耐電圧特性が向上することができる。
本発明の一実施形態による積層型キャパシターの外観を概略的に示した斜視図である。 図1の積層型キャパシターにおいてI-I'線に沿った断面図である。 図1の積層型キャパシターにおいてII-II'線に沿った断面図である。 誘電体層と内部電極の一部を拡大して示したものである。 誘電体層と内部電極におけるSnの含量を示したグラフである。 誘電体層と内部電極におけるSnの含量を示したグラフである。
以下では、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下で説明する実施形態に限定されない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために拡大縮小表示(または強調表示や簡略化表示)がされることがある。
なお、本発明を明確に説明すべく、図面において説明と関係ない部分は省略し、様々な層及び領域を明確に表現するために厚さを拡大して示し、同一思想の範囲内において機能が同一である構成要素に対しては同一の参照符号を用いて説明する。さらに、明細書全体において、ある構成要素を「含む」というのは、特に異なる趣旨の説明がされていない限り、他の構成要素を除外する趣旨ではなく、他の構成要素をさらに含むことができるということを意味する。
図1は本発明の一実施形態による積層型キャパシターの外観を概略的に示した斜視図である。図2は図1の積層型キャパシターにおいてI-I'線に沿った断面図である。図3は図1の積層型キャパシターにおいてII-II'線に沿った断面図である。そして、図4は誘電体層と内部電極の一部を拡大して示したものであり、図5及び図6は誘電体層と内部電極におけるSnの含量を示したグラフである。
図1から図3を参照すると、本発明の一実施形態による積層型キャパシター100は、誘電体層111、及びこれを挟んで積層された複数の内部電極121、122を含む本体110と、外部電極131、132と、を含む。ここで、複数の誘電体層111は、Sn成分が含有されたチタン酸バリウム系組成物を含み、内部電極121、122はSn成分を含む。そして、複数の誘電体層111のうち少なくとも1つは、内部電極121、122のうち隣接したものと比べてSnの含量が2倍以上である。
本体110は、複数の誘電体層111が第1方向(X方向)に積層された積層構造を有し、例えば、複数のグリーンシートを積層してから焼結することで得ることができる。ここで、第1方向(X方向)に垂直で、且つ互いに垂直な2つの方向をそれぞれ第2方向(Y方向)及び第3方向(Z方向)と定義する。図1に示した形態のように、本体110は直方体と類似の形状を有することができる。本体110に含まれた誘電体層111は、高誘電率を有するセラミック材料を含むことができ、チタン酸バリウム(BaTiO)系組成物を含む。具体的に、誘電体層111は、Ba及びTiを含む母材主成分を含むことができる。ここで、上記母材主成分は、BaTiOまたはCa、Zrなどが一部固溶された(Ba,Ca)(Ti,Ca)O、(Ba,Ca)(Ti,Zr)O、Ba(Ti,Zr)Oなどで表される主成分を含むことができる。また、誘電体層111には、主成分であるこのようなセラミック材料とともに、必要に応じて、添加剤、有機溶剤、可塑剤、結合剤、及び分散剤などがさらに含まれることができる。さらに、複数の誘電体層111の上述のチタン酸バリウム系組成物はSn成分を含有し、誘電体層111の製造時に、Sn酸化物の形態で添加されることができる。誘電体層111に存在するSn成分は、焼成後にグレインバウンダリーのショットキー障壁(Schottky Barrier)を強化することができ、また、誘電体グレインの粒成長を調節することができる。これにより、誘電体層111が薄い厚さで形成された場合にも、高温信頼性及び耐電圧特性が向上することができる。
複数の内部電極121、122は、静電容量を形成するものであり、一例として、セラミックグリーンシートの一面に導電性金属を含むペーストを所定の厚さで印刷した後、それを焼結することで得ることができる。この場合、複数の内部電極121、122は、図2に示した形態のように、本体110の互いに対向する第3方向(Z方向)に露出した第1及び第2内部電極121、122を含むことができる。第1及び第2内部電極121、122は、互いに異なる外部電極131、132と連結され、駆動時に互いに異なる極性を有することができ、これらの間に配置された誘電体層111により互いに電気的に分離されることができる。但し、外部電極131、132の個数や内部電極121、122との連結方式は、実施形態によって変わり得る。
内部電極121、122を成す主要構成物質としては、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)などが挙げられ、これらの合金も使用可能である。上述のように、内部電極121、122はSn成分を含む。内部電極121、122に存在するSn成分は、他の金属と合金を成すか、単一体(例えば、Sn層)として存在することができ、後述のように、内部電極121、122と誘電体層111の界面に拡散及び偏析して第2Snリッチ領域221が形成されることができる。かかるSnリッチ領域221は、内部電極121、122の主成分(例えば、Ni)と比べて電気抵抗が大きいため、DC電圧が印加された時に、第2Snリッチ領域221がない場合と比べて電圧降下を大きく起こす。このような作用により、誘電体層111内での電界が弱くなることができ、これにより、積層型キャパシター100のDCバイアス容量特性及び信頼性が向上することができる。
外部電極131、132は、本体110の外部に形成され、第1及び第2内部電極121、122とそれぞれ接続された第1及び第2外部電極131、132を含むことができる。外部電極131、132は、導電性金属を含む物質をペーストに製造した後、それを本体110に塗布する方法などにより形成されることができる。導電性金属の例として、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、金(Au)、またはこれらの合金が挙げられる。ここで、外部電極131、132は、Ni、Snなどを含むめっき層をさらに含むことができる。
本実施形態では、内部電極121、122は、隣接した誘電体層111と比べてSnの含量が少ない。具体的に、複数の誘電体層111のうち少なくとも1つは、隣接した内部電極121、122と比べて、Snの含量が2倍以上である。このような形態は、例えば、製造過程で誘電体層111にSn成分を添加し、添加されたSn成分が内部電極121、122に拡散する場合に得られる。この場合、内部電極121、122に存在するSn成分のうち殆どは、誘電体層111に由来のものであることができる。図4~6を参照して、これを具体的に説明する。
図4に示した形態のように、誘電体層111は、内部電極121、122との界面に形成された第1Snリッチ領域211を含む。そして、内部電極121、122は、誘電体層111との界面に形成された第2Snリッチ領域221を含む。第1及び第2Snリッチ領域211、221は、誘電体層111に添加されたSn成分が拡散し、Snの含量が局所的に高い領域に該当し、その厚さt1、t2の和は5nm以下であることができる。この際、第1Snリッチ領域211は、第2Snリッチ領域221より厚いことができる(t1>t2)。本発明者らの研究によると、Sn成分が内部電極121、122から誘電体層111に拡散する場合、誘電体層111にはSnが十分な含量で存在せず、誘電体層111中に存在するSnリッチ領域は、全Snリッチ領域のうち厚さ比率で20%未満で存在する傾向を示した。本実施形態では、誘電体層111のSnの含量が内部電極121、122と比べて2倍以上であり、Sn成分が十分に確保されることができる。但し、実施形態によっては、誘電体層111のSnの含量が必ずしも内部電極121、122の2倍以上である必要はない。この場合、第1及び第2Snリッチ領域211、221の厚さt1、t2の和は5nm以下に調節されることができ、このような厚さ条件により、誘電体層111と内部電極121、122の電気的特性を大きく低下させることなく、高温信頼性及び耐電圧特性を確保することができる。
第1及び第2Snリッチ領域211、221の上述の厚さ条件は、例えば、Sn成分が誘電体層111に由来するようにし、且つ焼成条件を調節することで得ることができる。例えば、焼成時の還元雰囲気が強い場合、すなわち、酸素分圧が低くなる場合に、Sn酸化物が還元されながら誘電体層111から内部電極121、122へのSn成分の拡散量が多くなり、第2Snリッチ領域221の厚さが増加することができる。このような方式により、第1及び第2Snリッチ領域211、221の全体的な厚さと各厚さの比率などが調節されることができる。
第1及び第2Snリッチ領域211、221にそれぞれ含まれたSnの含量の和は、誘電体層111のTiの含量100モルに対して0.8モル以上であり、この場合、高温信頼性及び耐電圧特性がより向上できる程度の十分な量のSn成分が、誘電体層111と内部電極121、122中に存在することができる。また、第1Snリッチ領域211に含まれたSnの含量は、誘電体層111において第1Snリッチ領域211を除いた残りの領域に含まれたSnの含量より多いことができ、これは、多量のSn成分が第1Snリッチ領域211に存在することを意味する。また、第2Snリッチ領域221に含まれたSnの含量は、内部電極121、122において第2Snリッチ領域221を除いた残りの領域に含まれたSnの含量より多いことができ、第2Snリッチ領域221にSnの含量が十分に確保されることにより、耐電圧特性が向上することができる。
誘電体層111と内部電極121、122で各元素の含量を測定する方法の例を説明する。焼結が完了した本体110の一断面のうち、誘電体層111と内部電極121、122を含む領域から、集束イオンビーム(FIB)装置により薄片化された分析試料を準備する。そして、薄片化された試料を、Arイオンミリングを用いて表面のダメージ層を除去した後、STEM-EDXを用いて得られた画像に対して、各成分のマッピングと定量分析を行う。この際、各成分の定量分析グラフは各元素の質量分率で得られるが、これをモル分率に換算して示すこともできる。図5及び図6は、誘電体層111と内部電極121におけるSnの含量をラインプロファイルの形態で示したものである。図5及び図6には、第1内部電極121と誘電体層111のSn含量を示したが、第2内部電極122と誘電体層111の界面からも、これに類似の形態のラインプロファイルを得ることができる。
図5を参照すると、第1Snリッチ領域211は、誘電体層111と内部電極121の界面Bから誘電体層111の中心方向に向かうにつれてSnの含量が減少することができる。同様に、第2Snリッチ領域221は、界面Bから内部電極121の中心方向に向かうにつれてSnの含量が減少することができる。また、誘電体層111と内部電極121の界面Bにおいて、第1及び第2Snリッチ領域211、221はSnの含量が互いに同一であることができる。
一方、第1及び第2Snリッチ領域211、221の範囲はそれぞれ、誘電体層111と内部電極121、122の中央領域におけるSnの含量を考慮して決定されることができる。例えば、第1Snリッチ領域211は、界面Bから、誘電体層111の中央領域におけるSnの含量と等しい値のSnの含量が初めて現れた領域A1までと定義されることができる。この際、第1Snリッチ領域211外におけるSnの含量は相対的に低いのに対し、ノイズなどによる変化の程度が大きいことを考慮して、誘電体層111の中央領域におけるSnの含量は、界面Bから厚さ方向を基準に誘電体層111の1/4~1/2の厚さの区間C1での平均値として求めることができる。これと類似の方式で、第2Snリッチ領域221は、界面Bから、内部電極121の中央領域におけるSnの含量と等しい値のSnの含量が初めて現れた領域A2までと定義されることができる。この際、第2Snリッチ領域221以外におけるSnの含量は相対的に低いのに対し、ノイズなどによる変化の程度が大きいことを考慮して、内部電極121の中央領域におけるSnの含量は、界面Bから厚さ方向を基準に内部電極121の1/4~1/2の厚さの区間C2での平均値として求めることができる。このような方法の他にも、より簡素化された方法により第1及び第2Snリッチ領域211、221を定義してもよく、例えば、界面Bから、Snの含量が減少してさらに増加し始める領域までとしてもよい。
一方、図5のグラフでは、第1Snリッチ領域211が第2Snリッチ領域221より厚い形態を示しているが、必ずしもこのような構造のみが用いられる必要はない。実施形態によっては、図6のグラフに示されたように、グラフでは第2Snリッチ領域221が第1Snリッチ領域211より厚い形態であってもよく、第2Snリッチ領域221の厚さを増加させることで、内部電極121と誘電体層111の界面での電気絶縁性を増加させることができる。図6のSn含量分布は、例えば、焼成時に酸素分圧を下げ、Sn成分が内部電極121により多く拡散するようにすることで得ることができる。
一方、上述の構造により得られる耐電圧特性などの向上効果は、誘電体層111と内部電極121、122が従来より薄い場合に顕著にみられることができる。誘電体層111の厚さは500nm以下であり、内部電極121、122の厚さは400nm以下であることができる。ここで、誘電体層111の厚さは、内部電極121、122の間に配置される誘電体層111の平均厚さを意味し得る。測定基準の一例として、誘電体層111の平均厚さは、本体110の第1方向(X方向)及び第3方向(Z方向)の断面を走査型電子顕微鏡(SEM、Scanning Electron Microscope)でイメージスキャンして測定することができる。例えば、本体110の第2方向(Y方向)の中央部で切断した第1及び第3方向の断面を走査型電子顕微鏡(SEM、Scanning Electron Microscope)によりスキャンした画像から抽出された任意の誘電体層において、第3方向に等間隔である30個の地点でその厚さを測定し、平均値を測定することができる。上記等間隔である30個の地点で測定した厚さは、内部電極121、122が互いに重なる領域を意味する容量形成部で測定されることができる。
これと類似して、内部電極121、122の厚さは平均厚さを意味し得る。この場合、内部電極121、122の平均厚さは、本体110の第1方向(X方向)及び第3方向(Z方向)の断面を走査型電子顕微鏡(SEM、Scanning Electron Microscope)でイメージスキャンして測定することができる。例えば、本体110の第2方向(Y方向)の中央部で切断した第1及び第3方向の断面を走査型電子顕微鏡(SEM、Scanning Electron Microscope)によりスキャンした画像から抽出された任意の内部電極121、122において、第3方向に等間隔である30個の地点でその厚さを測定し、平均値を測定することができる。上記等間隔である30個の地点は、内部電極121、122が互いに重なる領域を意味する容量形成部で測定されることができる。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態及び添付図面により限定されず、添付の特許請求の範囲により限定される。よって、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で、様々な形態の置換、変形、及び変更が可能であることは、当技術分野の通常の知識を有する者に明らかであり、これも添付の特許請求の範囲に記載の技術的思想に属するといえる。
100 積層型キャパシター
110 本体
111 誘電体層
121、122 内部電極
131、132 外部電極
211、221 Snリッチ領域

Claims (16)

  1. 複数の誘電体層、及び前記誘電体層を挟んで積層された複数の内部電極を含む本体と、
    前記本体の外部に形成され、前記複数の内部電極と接続された外部電極と、を含む積層型キャパシターであって、
    前記複数の誘電体層は、Sn成分が含有されたチタン酸バリウム系組成物を含み、
    前記複数の内部電極はSn成分を含み、
    前記複数の誘電体層のうち少なくとも1つは、前記複数の内部電極のうち隣接した内部電極と比べてSnの含量が2倍以上である、積層型キャパシター。
  2. 前記誘電体層は、前記内部電極との界面に形成された第1Snリッチ領域を含み、
    前記内部電極は、前記誘電体層との界面に形成された第2Snリッチ領域を含む、請求項1に記載の積層型キャパシター。
  3. 前記第1Snリッチ領域及び第2Snリッチ領域の厚さの和が5nm以下である、請求項2に記載の積層型キャパシター。
  4. 前記第1Snリッチ領域が、前記第2Snリッチ領域より厚い、請求項2または3に記載の積層型キャパシター。
  5. 前記第2Snリッチ領域が、前記第1Snリッチ領域より厚い、請求項2または3に記載の積層型キャパシター。
  6. 前記第1Snリッチ領域及び第2Snリッチ領域にそれぞれ含まれたSnの含量の和が、前記誘電体層のTiの含量100モルに対して0.8モル以上である、請求項2から5のいずれか一項に記載の積層型キャパシター。
  7. 前記第1Snリッチ領域に含まれたSnの含量が、前記誘電体層において前記第1Snリッチ領域を除いた残りの領域に含まれたSnの含量より多い、請求項2から6のいずれか一項に記載の積層型キャパシター。
  8. 前記第2Snリッチ領域に含まれたSnの含量が、前記内部電極において前記第2Snリッチ領域を除いた残りの領域に含まれたSnの含量より多い、請求項2から7のいずれか一項に記載の積層型キャパシター。
  9. 前記第1Snリッチ領域は、前記界面から前記誘電体層の中心方向に向かうにつれてSnの含量が減少する、請求項2から8のいずれか一項に記載の積層型キャパシター。
  10. 前記第2Snリッチ領域は、前記界面から前記内部電極の中心方向に向かうにつれてSnの含量が減少する、請求項2から9のいずれか一項に記載の積層型キャパシター。
  11. 前記界面において前記第1Snリッチ領域及び第2Snリッチ領域は、Snの含量が互いに同一である、請求項2から10のいずれか一項に記載の積層型キャパシター。
  12. 前記複数の誘電体層の平均厚さが500nm以下である、請求項1から11のいずれか一項に記載の積層型キャパシター。
  13. 前記複数の内部電極の平均厚さが400nm以下である、請求項1から12のいずれか一項に記載の積層型キャパシター。
  14. 複数の誘電体層、及び前記誘電体層を挟んで積層された複数の内部電極を含む本体と、
    前記本体の外部に形成され、前記複数の内部電極と接続された外部電極と、を含む積層型キャパシターであって、
    前記複数の誘電体層は、Snが含有されたチタン酸バリウム系組成物を含み、
    前記複数の内部電極はSnを含み、
    前記誘電体層は、前記内部電極との界面に形成された第1Snリッチ領域を含み、
    前記内部電極は、前記誘電体層との界面に形成された第2Snリッチ領域を含み、
    前記第1Snリッチ領域及び第2Snリッチ領域の厚さの和が5nm以下である、積層型キャパシター。
  15. 前記第1Snリッチ領域が、前記第2Snリッチ領域より厚い、請求項14に記載の積層型キャパシター。
  16. 前記第2Snリッチ領域が、前記第1Snリッチ領域より厚い、請求項14に記載の積層型キャパシター。
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