JP2023516903A - 修飾された金属ホイル・キャパシタおよび修飾された金属ホイル・キャパシタを製造するための方法 - Google Patents

修飾された金属ホイル・キャパシタおよび修飾された金属ホイル・キャパシタを製造するための方法 Download PDF

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Abstract

Figure 2023516903000001
金属ホイル・キャパシタ、好ましくはアルミニウム・キャパシタを開示する。当該金属ホイル・キャパシタは、修飾された金属ホイルを含んで成り、修飾された金属ホイルは、ベース金属、好ましくはアルミニウムホイルを含んで成る。修飾された金属ホイル・キャパシタは、以下の条件(a)~(d)のうち少なくとも2つを満たしてよい。(a)修飾された金属ホイルの表面積が、修飾されていない金属ホイルと比較して、少なくとも10倍の大きいこと、(b)修飾された金属ホイルの誘電率(k)が、少なくとも5であること、(c)修飾された金属ホイルの厚みが、少なくとも1ミクロン(μm)であること、および/または(d)修飾された金属ホイルが、ベース金属に加えて、少なくとも1つの金属を含んで成ること。この少なくとも1つの金属は、修飾された金属ホイルの総重量を基準として、少なくとも0.01重量%の量で存在する。当該金属ホイル・キャパシタを製造する方法も開示する。
【選択図】図1

Description

(関連出願の相互参照)
本願は、2020年2月6日に出願された米国仮出願第62/971,026号、2020年6月3日に出願された米国仮出願第62/704,941号、2020年10月6日に出願された米国仮出願第63/198,243号、および2020年12月15日に出願された米国仮出願第63/199,229号の利益および優先権を主張しており、これらは全て、参照により全体として本開示に組み込まれる(又は援用される)ものである。
(分野)
本開示は、概して、電子デバイスに関する。より具体的には、金属ベース(例えば、アルミニウムベース)のキャパシタ(又はコンデンサ)に関し、これらは、大きな静電容量(又はキャパシタンス)を有するものであり、組み込み回路(又はエンベデッド・サーキット)および集積回路(又はインテグレーテッド・サーキット)において使用されている。
(背景)
キャパシタ(又はコンデンサ)・デバイスは、電子、電気、マイクロ電気の分野において、多数の用途がある。キャパシタ(又はコンデンサ)・デバイスは、エネルギーの貯蔵(又は保存)に有用である。具体的には、アルミニウム・キャパシタ(又はアルミニウム・コンデンサ)が、小型のデバイス(又は小型の機器又はコンパクト・デバイス)において、一般的に使用されている。なぜなら、アルミニウム・キャパシタ(又はアルミニウム・コンデンサ)は、静電容量密度(キャパシタンス密度)が大きく、電圧適合性(又は電圧互換性又はボルテージ・コンパチビリティ)が比較的に高く、そしてコストが比較的に低いことに起因するからである。キャパシタ(又はコンデンサ)は、概して、大きな静電容量の値を達成するために、大きな表面積を備えている。キャパシタ(又はコンデンサ)は、一般的には、一対の薄い電極(誘電体によって分離され、なおかつタイト(又は気密)な円筒状の構造に巻き上げられているもの)として配置されていて、単位体積当たりの表面積を最大化している。単位体積当たりの表面積が大きいと、静電容量(又はキャパシタンス)が大きくなり、エネルギーの貯蔵量(又は保存量)を増やすことができるため、望ましい。
典型的には、キャパシタ(又はコンデンサ)は、多孔質の高純度のホイル(又は箔)を形成し、次いで、このホイルをアノード化(又はアノダイズ又はアノダイゼーション)することによって製造されている。次いで、液体またはポリマーの電解質(又は電解液)でポートが含侵されている。このようなキャパシタ(又はコンデンサ)は、表面積が大きく、誘電体としてアルミナを使用する場合、誘電率は約10となる。しかし、トンネル・エッチングによって形成されたキャパシタ(又はコンデンサ)については、静電容量(又はキャパシタンス)には上限がある。
(要旨)
実施形態という用語および同様の用語は、本開示および以下の特許請求の範囲に記載の主題のすべてを広く参照することを意図している。これらの用語を含む記述は、本開示に記載されている主題を限定するものでも、以下の特許請求の範囲の意味または範囲を限定するものでもないと理解するべきである。本開示に包含される本開示の実施形態は、以下の特許請求の範囲によって規定されるものであり、この要旨によって規定されるものではない。この要旨は、本開示の様々な態様の高レベルの概要であり、以下の詳細な説明のセクションでさらに説明される概念のいくつかについても紹介している。この要旨は、特許請求の範囲に記載の主題の重要な特徴または必須の特徴を特定することは意図しておらず、特許請求の範囲に記載されている主題の範囲を決定するために単独で使用され得ることについても意図していない。かかる主題は、本開示の明細書全体、任意またはすべての図面、および各請求項の適切な部分を参照することによって理解されるべきである。
いくつかの態様において、本開示は、金属ホイル・キャパシタ(又はメタル・ホイル・キャパシタ又はメタル・ホイル・コンデンサ)に関する。金属ホイル・キャパシタは、修飾(又は改質)された金属ホイルを含んで成る。修飾(又は改質)された金属ホイルは、ベース金属、好ましくはアルミニウムホイル(又はアルミニウム箔)を含んで成る。金属ホイル・キャパシタは、以下の条件のうち、少なくとも2つを満たしてよい。
(a)修飾(又は改質)された金属ホイルの表面積が、修飾(又は改質)されていない金属ホイルと比較して、少なくとも10倍大きいこと;
(b)修飾(又は改質)された金属ホイルの誘電率(k)が、少なくとも5であること;
(c)修飾(又は改質)された金属ホイルの厚みが、少なくとも1ミクロン(μm)であること;および/または
(d)修飾(又は改質)された金属ホイルが、ベース金属に加えて、少なくとも1つの金属を含んで成り、この少なくとも一つの金属が、修飾(又は改質)された金属ホイルの総重量を基準として、少なくとも0.01重量%の量で存在すること。
いくつかの態様において、条件(a)および(b)が満たされている。
いくつかの態様において、条件(a)および(c)が満たされている。
いくつかの態様において、条件(a)および(d)が満たされている。
いくつかの態様において、条件(b)および(c)が満たされている。
いくつかの態様において、条件(b)および(d)が満たされている。
いくつかの態様において、条件(c)および(d)が満たされている。
いくつかの態様において、条件(a)、(b)および(c)が満たされている。
いくつかの態様において、条件(a)、(b)および(d)が満たされている。
いくつかの態様において、条件(b)、(c)および(d)が満たされている。
いくつかの態様において、条件(a)、(b)、(c)および(d)が満たされている。
誘電率(k)は、少なくとも10であってよい。
少なくとも1つの上記金属は、ベース金属(例えば、アルミニウム、銅、金、銀、ニッケル、亜鉛)に加えて、チタン、ジルコニウム、またはそれらの組み合わせであってよい。
少なくとも1つの金属は、ベース金属に加えて、修飾(又は改質)された金属ホイルの総重量を基準として、0.01~30重量%で存在してよい。
修飾(又は改質)された金属ホイルは、修飾(又は改質)された金属ホイルの総重量を基準として、合計で0.01~30重量%のチタンおよびジルコニウムを含んでよい。
いくつかの態様において、本開示は、修飾(又は改質)されたアルミニウムホイルに関する。さらに、修飾(又は改質)されたアルミニウムホイルをアノード化(又はアノダイズ又はアノダイゼーション)することによって、修飾(又は改質)されたアルミニウムホイルにアルミナの層を形成する方法に関する。
いくつかの態様において、本開示は、修飾(又は改質)された金属ホイルを製造(又は形成)する方法に関する。例えば、修飾(又は改質)されたアルミニウムホイルを製造(又は形成)する方法に関する。当該方法は、斜め蒸着(法)(グランシング・アングル・デポジション(glancing angle deposition))(GLAD)を含んでよい。
いくつかの態様において、当該方法は、原子層堆積(法)(又はアトミック・レイヤー・デポジション(atomic layer deposition))(ALD)および/または無電解金属堆積(法)(又は無電解金属メッキ又はエレクトロレス・メタル・デポジション(electroless metal deposition))をさらに含む。
ALDは、Al、Si、Alオキシド(又は酸化Al又はAl酸化物)、Tiオキシド(又は酸化Ti又はTi酸化物)、Alニトリド(又は窒化Al又はAl窒化物)、Tiニトリド(又は窒化Ti又はTi窒化物)、またはそれらの組み合わせの少なくとも1つを含んで成る堆積した層(又は堆積層又は成膜層)を製造(又は形成)するために使用されてよい。
堆積した層(又は堆積層又は成膜層)の伝導性(又は導電性)に応じて、この層は、誘電層またはカソードとして作用(又は機能)してよい。
無電解金属堆積(法)(又はエレクトロレス・メタル・デポジション)は、無電解ニッケル堆積(法)(又は無電解ニッケルめっき)(ELNi)、無電解アルミニウム堆積(法)(又は無電解アルミニウムめっき)、無電解銅堆積(法)(又は無電解銅めっき)、無電解銀堆積(法)(又は無電解銀めっき)、またはこれらの組み合わせを含んでよい。
他の目的および利点は、以下の非限定的な実施例の詳細な説明から明らかである。
本明細書は、以下の添付の図面を参照する。様々な図における同様の参照符号の使用は、同様または類似の構成要素を示すことを意図している。
図1は、キャパシタ(又はコンデンサ)の金属ホイル(例えば、アルミニウムホイル)に対するGLAD/ALD/無電解金属堆積(例えば、ElNi)のプロセス・シーケンスを示す概略図である。 図2Aは、SEM顕微鏡写真であり、特定の実施例のアルミニウムGLAD膜(アルミニウムホイルに堆積されており、公称厚みは、487nmである)の50K倍の平面図を示す。 図2Bは、SEM顕微鏡写真であり、図2Aに示すアルミニウムGLAD膜のAlのALD膜(公称厚み10nm)の堆積後の50K倍の平面図を示す。 図3Aは、SEM顕微鏡写真であり、特定の実施例のチタンGLAD膜(アルミニウムホイルに堆積されており、公称厚みは1000nmである)の50K倍の平面図を示す。 図3Bは、SEM顕微鏡写真であり、図3Aに示すチタンGLAD膜のAlのALD膜(公称厚み10nm)の堆積後の50K倍の平面図を示す。
(詳細な説明)
定義
本開示で使用する通り、用語「発明(invention)」、「上記の発明(又は前記の発明)(the invention)」、「この発明(this invention)」および「本発明(又は本願発明)(the present invention)」は、この特許出願の主題および以下の特許請求の範囲のすべてを広く指すことを意図している。これらの用語を含む記述は、本開示に記載されている主題を限定するものではなく、あるいは以下の特許請求の範囲の意味または範囲を限定しないと理解するべきである。
本明細書中に開示されるすべての範囲は、そこに包含される任意および全てのサブレンジを含むと理解すべきである。例えば、「l~10」という記載の範囲は、最小値1と最大値10との間(および、その両端を含む)の任意および全てのサブレンジ(すなわち、1以上の最小値(例えば、1~6.1)で始まり、10以下の最大値(例えば、5.5~10)で終わる全てのサブレンジ)を含むものと解釈すべきである。他に記載しない限り、表現「最大(又はまで)(up to)」とは、ある元素の組成における量を指す場合、その元素が任意であり、その特定の元素が組成においてゼロ・パーセント(0%)であることが含まれることを意味する。他に記載しない限り、全ての組成の割合(%)は、重量%(wt%)である。
本開示で使用する通り、「a」、「an」、「the」の意味は、文脈上、明らかに異なることが指示されていない限り、単数および複数の意味を包含する。
本開示で使用する通り、「室温」の意味は、約15℃~約30℃、例えば、約15℃、約16℃、約17℃、約18℃、約19℃、約20℃、約21℃、約22℃、約23℃、約24℃、約25℃、約26℃、約27℃、約28℃、約29℃または約30℃の温度を含むことができる。
(序論)
本開示では、金属ホイル(例えば、アルミニウム、銅、銀、金、ニッケルまたは亜鉛のホイル)について説明する。この金属ホイルは、アノード化(又はアノダイズ又はアノダイゼーション)されてよく、キャパシタ(又はコンデンサ)として使用することができる。金属ホイルの表面積および/または誘電率を増加させることによって、高い静電容量(又はキャパシタンス)をもたらす方法で金属ホイルが製造(又は形成)されている。開示のキャパシタ(又はコンデンサ)は、修飾(又は改質)された金属ホイルと、誘電体として作用(又は機能)するオキシド層(又は酸化物層)(例えば、アルミナまたはチタニア)とを採用している。その大きな静電容量(又はキャパシタンス)に部分的に起因して、本開示に記載のキャパシタ(又はコンデンサ)は、例えば、集積回路(又はインテグレーテッド・サーキット)および組み込み回路(又はエンベデッド・サーキット)の構成(又は要素又は成分又は部品又はコンポーネント)として有用である。本開示に記載される金属ホイルは、表面積の増加、誘電率の増加および/または誘電層の厚みの減少に起因して、大きな静電容量(又はキャパシタンス)を有する。
静電容量(又はキャパシタンス)は、C=EA/dとして定義されている。
式中、
Cは、静電容量(又はキャパシタンス)であり、
Eは、誘電率であり、
Aは、表面積であり、
dは、誘電層の厚みである。
また、本開示で使用する通り、誘電率は「k」とも表記する。
従来の方法では、表面積および厚みを適切に変更しててよく、静電容量(又はキャパシタンス)を増加させることができる(すなわち、表面積を増加させて、厚みを減少させることによって、静電容量(又はキャパシタンス)を増加させることができる)。しかし、誘電率の値は、容易には変更することができない。本開示に記載の方法を使用することによって、従来から知られている静電容量よりも多くの量で静電容量を増加させることができる。なぜなら、表面積、誘電率および厚みを変更するからである。
いくつかの態様において、誘電率は10よりも大きい。
いくつかの態様において、キャパシタ・ホイルの表面積は、修飾(又は改質)されていない金属ホイルと比較して、少なくとも10倍大きい。
いくつかの態様において、キャパシタ・ホイルの誘電率(k)は、少なくとも15である。
いくつかの態様において、ホイルの厚みは、1ミクロン(μm)~500ミクロン(μm)である。
いくつかの態様において、キャパシタ・ホイルは、ベース金属に加えて、少なくとも1つの金属(例えば、ドーパント)を含んで成る。
(キャパシタ)
本開示で説明する通り、キャパシタ(又はコンデンサ)は、修飾(又は改質)された金属ホイル(例えば、アルミニウムホイル(又はアルミニウム箔)、銅ホイル(又は銅箔)、金ホイル(又は金箔)、銀ホイル(又は銀箔)、ニッケルホイル(又はニッケル箔)、亜鉛ホイル(又は亜鉛箔)など)を含んで成る。金属ホイルは、任意の純粋な金属または合金から製造されてよく、良好な電気伝導率(又は導電率又は導電性)を有するものである。ホイルは、アノード化されて、薄いオキシド層(又は酸化物層)を形成してよい。本開示では、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)を製造(又は形成)するための方法を開示する。当該方法は、優れた特性を有するキャパシタ(又はコンデンサ)をもたらす。とりわけ、トンネル・エッチングによって調製されたホイルを用いるキャパシタ(又はコンデンサ)と比較して、優れた特性を有するキャパシタ(又はコンデンサ)をもたらす。
いくつかの実施形態において、キャパシタ(又はコンデンサ)の静電容量(又はキャパシタンス)は、修飾(又は改質)されていない金属ホイルを含んで成るキャパシタ(又はコンデンサ)と比較して、少なくとも10倍大きく、例えば、少なくとも15倍大きく、少なくとも20倍大きく、少なくとも25倍大きく、少なくとも30倍大きく、少なくとも35倍大きく、少なくとも40倍大きく、少なくとも45倍大きく、少なくとも50倍大きく、少なくとも55倍大きく、少なくとも60倍大きく、少なくとも65倍大きく、少なくとも70倍大きく、少なくとも75倍大きく、少なくとも80倍大きく、少なくとも85倍大きく、少なくとも90倍大きく、少なくとも95倍大きく、少なくとも100倍大きく、少なくとも105倍大きく、110倍大きく、少なくとも115倍大きく、少なくとも120倍大きく、少なくとも125倍大きく、少なくとも130倍大きく、少なくとも135倍大きく、少なくとも140倍大きく、少なくとも145倍大きく、少なくとも150倍大きく、少なくとも155倍大きく、少なくとも160倍大きく、少なくとも165倍大きく、少なくとも170倍大きく、少なくとも175倍大きく、少なくとも180倍大きく、少なくとも185倍大きく、少なくとも190倍大きく、少なくとも195倍大きく、または少なくとも200倍大きい。
いくつかの態様において、キャパシタ(又はコンデンサ)の静電容量(又はキャパシタンス)は、トンネル・エッチングによって調製されたホイルを含んで成るキャパシタ(又はコンデンサ)と比較して、少なくとも25%、例えば、少なくとも30%、少なくとも35%、少なくとも40%、少なくとも45%、少なくとも50%、少なくとも55%、少なくとも60%、少なくとも65%、少なくとも70%、少なくとも75%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも100%、少なくとも105%、少なくとも110%、少なくとも115%、少なくとも120%、少なくとも125%、少なくとも130%、少なくとも135%、少なくとも140%、少なくとも145%、少なくとも150%、少なくとも155%、少なくとも160%、少なくとも165%、少なくとも170%、少なくとも175%、少なくとも180%、少なくとも185%、少なくとも190%、少なくとも195%、少なくとも200%、少なくとも205%、少なくとも210%、少なくとも215%、少なくとも220%、少なくとも225%、少なくとも230%、少なくとも235%、少なくとも240%、少なくとも245%、および/または少なくとも250%大きい静電容量(又はキャパシタンス)を有する。
いくつかの態様において、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)の表面積は、修飾(又は改質)されていない金属ホイルと比較して、例えば、少なくとも10倍大きい。例えば、少なくとも15倍大きく、少なくとも20倍大きく、少なくとも25倍大きく、少なくとも30倍大きく、少なくとも35倍大きく、少なくとも40倍大きく、少なくとも45倍大きく、少なくとも50倍大きく、少なくとも55倍大きく、少なくとも60倍大きく、少なくとも65倍大きく、少なくとも70倍大きく、少なくとも75倍大きく、少なくとも80倍大きく、少なくとも85倍大きく、少なくとも90倍大きく、少なくとも95倍大きく、少なくとも100倍大きく、少なくとも105倍大きく、110倍大きく、少なくとも115倍大きく、少なくとも120倍大きく、少なくとも125倍大きく、少なくとも130倍大きく、少なくとも135倍大きく、少なくとも140倍大きく、少なくとも145倍大きく、少なくとも150倍大きく、少なくとも155倍大きく、少なくとも160倍大きく、少なくとも165倍大きく、少なくとも170倍大きく、少なくとも175倍大きく、少なくとも180倍大きく、少なくとも185倍大きく、少なくとも190倍大きく、少なくとも195倍大きく、少なくとも200倍大きい。
いくつかの態様において、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)の誘電率(k)は、少なくとも5、少なくとも6、少なくとも7、少なくとも8、少なくとも9、少なくとも10、少なくとも11、少なくとも12、少なくとも13、少なくとも14、少なくとも15、少なくとも16、少なくとも17、少なくとも18、少なくとも19、少なくとも20、少なくとも21、少なくとも22、少なくとも23、少なくとも24、少なくとも25、少なくとも26、少なくとも27、少なくとも28、少なくとも29、少なくとも30、少なくとも31、少なくとも32、少なくとも33、少なくとも34、少なくとも35、少なくとも36、少なくとも37、少なくとも38、少なくとも39、少なくとも40、少なくとも41、少なくとも42、少なくとも43、少なくとも44、少なくとも45、少なくとも46、少なくとも47、少なくとも48、少なくとも49、少なくとも50、少なくとも51、少なくとも52、少なくとも53、少なくとも54、少なくとも55、少なくとも56、少なくとも57、少なくとも58、少なくとも59、少なくとも60、少なくとも61、少なくとも62、少なくとも63、少なくとも64、少なくとも65、少なくとも66、少なくとも67、少なくとも68、少なくとも69、少なくとも70、少なくとも71、少なくとも72、少なくとも73、少なくとも74、少なくとも75、少なくとも76、少なくとも77、少なくとも78、少なくとも79、少なくとも80、少なくとも81、少なくとも82、少なくとも83、少なくとも84、少なくとも85、少なくとも86、少なくとも87、少なくとも88、少なくとも89、少なくとも90、少なくとも91、少なくとも92、少なくとも93、少なくとも94、少なくとも95、少なくとも96、少なくとも97、少なくとも98、少なくとも99、または少なくとも100である。範囲に関して、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)の誘電率は、5~100、10~75、15~50、または20~45であってよい。
いくつかの態様において、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)の厚みは、1~200μm、5~200μm、10~200μm、15~195μm、25~175μm、50~150μm、少なくとも1μm、少なくとも5μm、少なくとも10μm、少なくとも15μm、少なくとも20μm、少なくとも25μm、少なくとも30μm、少なくとも35μm、少なくとも40μm、少なくとも45μm、少なくとも50μm、少なくとも55μm、少なくとも60μm、少なくとも65μm、少なくとも70μm、少なくとも75μm、少なくとも80μm、少なくとも85μm、少なくとも90μm、少なくとも95μm、少なくとも100μm、少なくとも105μm、少なくとも110μm、少なくとも115μm、少なくとも120μm、少なくとも125μm、少なくとも130μm、少なくとも135μm、少なくとも140μm、少なくとも145μm、少なくとも150μm、少なくとも155μm、少なくとも160μm、少なくとも165μm、少なくとも170μm、少なくとも175μm、少なくとも180μm、少なくとも185μm、少なくとも190μm、少なくとも195μm、少なくとも200μm、少なくとも205μm、少なくとも210μm、少なくとも215μm、少なくとも220μm、少なくとも225μm、少なくとも230μm、少なくとも235μm、少なくとも240μm、少なくとも245μm、少なくとも250μm、少なくとも255μm、少なくとも260μm、少なくとも265μm、少なくとも270μm、少なくとも275μm、少なくとも280μm、少なくとも285μm、少なくとも290μm、少なくとも295μm、少なくとも300μm、少なくとも305μm、少なくとも310μm、少なくとも315μm、少なくとも320μm、少なくとも325μm、少なくとも330μm、少なくとも335μm、少なくとも340μm、少なくとも345μm、少なくとも350μm、少なくとも355μm、少なくとも360μm、少なくとも365μm、少なくとも370μm、少なくとも375μm、少なくとも380μm、少なくとも385μm、少なくとも390μm、少なくとも395μm、少なくとも400μm、少なくとも405μm、少なくとも410μm、少なくとも415μm、少なくとも420μm、少なくとも425μm、少なくとも430μm、少なくとも435μm、少なくとも440μm、少なくとも445μm、少なくとも450μm、少なくとも455μm、少なくとも460μm、少なくとも465μm、少なくとも470μm、少なくとも475μm、少なくとも480μm、少なくとも485μm、少なくとも490μm、少なくとも495μm、または少なくとも500μmであってよい。
いくつかの態様において、誘電層(アルミナ層、チタニア層、オキシド(又は酸化物)(Si,Zn,Zr,Ta,Hf,Nb,Ba,Sr,Pb,La,Y,Stのオキシド(又は酸化物))または2以上のオキシド(又は酸化物)の組み合わせであって、上記の修飾(又は改質)された金属ホイルにアノード化または共蒸着(又は共堆積又はコ・デポジション)によって形成されているもの)の厚みは、約5nm~約100nm、例えば、10nm~90nm、20nm~80nm、40nm~60nm、5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm、80nm、85nm、90nm、95nm、または100nmであってよい。
いくつかの態様において、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)は、ベース金属(例えば、アルミニウム)に加えて、少なくとも1つの金属を含んで成る。いくつかの態様において、少なくとも1つの上記金属は、ドーパントの形態または表面コーティングの形態であり、Ti,Si,Zn,Zr,Ta,Hf,La,Y,Srまたはそれらの組み合わせを含んで成る。少なくとも1つの上記金属は、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)の総重量を基準として、少なくとも0.01重量%、少なくとも1.25重量%、少なくとも1.5重量%、少なくとも1.75重量%、少なくとも2重量%、少なくとも2.25重量%、少なくとも2.5重量%、少なくとも2.75重量%、少なくとも3重量%、少なくとも3.25重量%、少なくとも3.5重量%、少なくとも3.75重量%、少なくとも4重量%、少なくとも4.25重量%、少なくとも4.5重量%、少なくとも4.75重量%、少なくとも5重量%、少なくとも5.25重量%、少なくとも5.5重量%、少なくとも5.75重量%、少なくとも6重量%、少なくとも6.25重量%、少なくとも6.5重量%、少なくとも6.75重量%、少なくとも7重量%、少なくとも7.25重量%、少なくとも7.5重量%、少なくとも7.75重量%、少なくとも8重量%、少なくとも8.25重量%、少なくとも8.5重量%、少なくとも8.75重量%、少なくとも9重量%、少なくとも9.25重量%、少なくとも9.5重量%、少なくとも9.75重量%、少なくとも10重量%、少なくとも10.25重量%、少なくとも10.5重量%、少なくとも10.75重量%、少なくとも11重量%、少なくとも11.25重量%、少なくとも11.5重量%、少なくとも11.75重量%、少なくとも12重量%、少なくとも12.25重量%、少なくとも12.5重量%、少なくとも12.75重量%、少なくとも13重量%、少なくとも13.25重量%、少なくとも13.5重量%、少なくとも13.75重量%、少なくとも14重量%、少なくとも14.25重量%、少なくとも14.5重量%、少なくとも14.75重量%、少なくとも15重量%、少なくとも15.25重量%、少なくとも15.5重量%、少なくとも15.75重量%、少なくとも16重量%、少なくとも16.25重量%、少なくとも16.5重量%、少なくとも16.75重量%、少なくとも17重量%、少なくとも17.25重量%、少なくとも17.5重量%、少なくとも17.75重量%、少なくとも18重量%、少なくとも18.25重量%、少なくとも18.5重量%、少なくとも18.75重量%、少なくとも19重量%、少なくとも19.25重量%、少なくとも19.5重量%、少なくとも19.75重量%、少なくとも20重量%、少なくとも20.25重量%、少なくとも20.5重量%、少なくとも20.75重量%、少なくとも21重量%、少なくとも21.25重量%、少なくとも21.5重量%、少なくとも21.75重量%、少なくとも22重量%、少なくとも22.25重量%、少なくとも22.5重量%、少なくとも22.75重量%、少なくとも23重量%、少なくとも23.25重量%、少なくとも23.5重量%、少なくとも23.75重量%、少なくとも24重量%、少なくとも24.25重量%、少なくとも24.5重量%、少なくとも24.75重量%、少なくとも25重量%、少なくとも25.25重量%、少なくとも25.5重量%、少なくとも25.75重量%、少なくとも26重量%、少なくとも26.25重量%、少なくとも26.5重量%、少なくとも26.75重量%、少なくとも27重量%、少なくとも27.25重量%、少なくとも27.5重量%、少なくとも27.75重量%、少なくとも28重量%、少なくとも28.25重量%、少なくとも28.5重量%、少なくとも28.75重量%、少なくとも29重量%、少なくとも29.25重量%、少なくとも29.5重量%、少なくとも29.75重量%、または少なくとも30重量%の量で存在する。例示の範囲に関して、少なくとも1つの上記金属は、1重量%~30重量%、1.25重量%~29重量%、1.5重量%~28重量%、2重量%~25重量%、または3重量%~20重量%、あるいは上記に含まれる値のいずれかで存在してよい。
いくつかの態様において、キャパシタ(又はコンデンサ)は、上記の特徴(誘電率、表面積、厚みおよび/またはドーパントのレベルを含む特徴)のうち少なくとも2つの特徴、例えば、少なくとも3つの特徴、または4つのすべての特徴を有する。
いくつかの態様において、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)の表面積は、修飾(又は改質)されていない金属ホイルと比較して、少なくとも10倍大きくてよい。
いくつかの態様において、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)の表面積は、修飾(又は改質)されていない金属ホイルと比較して、少なくとも10倍大きくてよい。このホイルの誘電率(k)は、少なくとも5であってよい。
いくつかの態様において、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)の表面積は、修飾(又は改質)されていない金属ホイルと比較して、少なくとも10倍大きくてよい。このホイルの厚みは、少なくとも1ミクロン(μm)であってよい。
いくつかの態様において、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)の表面積は、修飾(又は改質)されていない金属ホイルと比較して、少なくとも10倍大きくてよい。ベース金属(例えば、アルミニウム)に加えて、さらに少なくとも1つの金属を有してよい。少なくとも1つの上記金属は、キャパシタ・ホイルの総重量を基準として、少なくとも0.01重量%の量で存在する。
いくつかの態様において、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)の表面積は、修飾(又は改質)されていない金属ホイルと比較して、少なくとも10倍大きくてよい。このホイルの誘電率(k)は、少なくとも5であってよい。このホイルの厚みは、少なくとも1ミクロン(μm)であってよい。
いくつかの態様において、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)の表面積は、修飾(又は改質)されていない金属ホイルと比較して、少なくとも10倍大きくてよい。このホイルの誘電率(k)は、少なくとも5であってよい。このホイルは、ベース金属(例えば、アルミニウム)に加えて、少なくとも1つの金属を含んでよい。少なくとも1つの上記金属は、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)の総重量を基準として、少なくとも0.01重量%の量で存在する。
いくつかの態様において、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)の表面積は、修飾(又は改質)されていない金属ホイルと比較して、少なくとも10倍大きくてよい。このホイルの誘電率(k)は、少なくとも5であってよい。このホイルの厚みは、少なくとも1ミクロン(μm)であってよい。このホイルは、ベース金属(例えば、アルミニウム)に加えて、少なくとも1つの金属を含んでよい。少なくとも1つの上記金属は、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)の総重量を基準として、少なくとも0.01重量%の量で存在している。
いくつかの態様において、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)は、少なくとも5の誘電率(k)と、少なくとも1ミクロン(μm)の厚みとを有していてよい。
いくつかの態様において、ホイルの誘電率(k)は、少なくとも5であってよい。このホイルは、ベース金属(例えば、アルミニウム)に加えて、少なくとも1つの金属を有してよい。少なくとも1つの上記金属は、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)の総重量を基準として、少なくとも0.01重量%の量で存在する。
いくつかの態様において、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)は、少なくとも5の誘電率(k)と、少なくとも1ミクロン(μm)の厚みと、ベース金属(例えば、アルミニウム)に加えて少なくとも1つの金属とを有してよい。少なくとも1つの上記金属は、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)の総重量を基準として、少なくとも0.01重量%の量で存在する。
いくつかの態様において、ホイルの厚みは、少なくとも1ミクロン(μm)であってよい。このホイルは、ベース金属(例えば、アルミニウム)に加えて、少なくとも1つの金属を有してよい。少なくとも1つの上記金属は、キャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)の総重量を基準として、少なくとも0.01重量%の量で存在する。
(斜め蒸着法)
いくつかの実施形態において、本開示において記載されているキャパシタ・ホイル(又はコンデンサ・ホイル)は、斜め蒸着法(グランシング・アングル・デポジション(glancing angle deposition))(GLAD)を用いて、純粋なAl、純粋なTi、Al合金(Ti,Cu,Ag,Au,Zr,Zn,Si,Hf,La,Y,Ta,SrとのAl合金);Ti合金(Al,Cu,Ag,Au,Zr,Zn,Si,Hf,La,Y,Ta,SrとのTi合金);純粋なCu、Ag、Au、Zr、Zn、Si、Hf、La、Y、Ta、Sr;あるいはこれらの純粋な金属または合金の任意の組み合わせを堆積(又は成膜)させることによって形成されてよい。高い誘電率を有する天然オキシド層(又はナチュラル・オキシド・レイヤー)を形成する金属を使用することが有益であってよい。なぜなら、かかる天然オキシド膜(又はオキシド・フィルム)は、ALD膜(又はALDフィルム)によって堆積(又は成膜)される誘電層の性能(又はパフォーマンス)に寄与し得るからである。
GLADは、多孔質の薄膜を作製(又は製造)する際に用いられるナノ加工技術である。一般的な物理蒸着プロセスでは、入射粒子フラックスと基板法線との角度θは、0°近くに固定されている。しかし、この角度θを変化させることによって、膜(又はフィルム)の形態(又はモルホロジー)に影響を与えるための自由度が増す。斜めの入射角θ>70°まで基板を傾けると、分離して傾斜(又はチルト)したナノカラム(nanocolumns)からなる薄膜が形成(又は生成)される。本開示では、傾斜(又はチルト)したナノカラムを有する金属ホイルを「修飾(又は改質)された金属ホイル」と呼ぶことがある。傾斜(又はチルト)したナノカラムは、「表面修飾(物)(又は表面改質(物))」と呼ぶこともある。これは、斜角蒸着(oblique angle deposition)(OAD)と呼ばれるものである。対して、斜めの入射角θと、それと同時の基板の回転とを組み合わせることは、「GLAD」と呼ばれている。GLADは、米国特許第6,206,065号および米国(US)出願公開第2015/0140213号に記載されている。これらの内容および開示事項の全体は、参照により本開示に組み込まれている(又は援用される)。
多孔質の薄膜は、他の方法で形成(又は生成)してよい。例えば、多孔質の薄膜は、物理蒸着(法)(又は物理気相成長(法))(PVD)、化学蒸着(法)(又は化学気相成長(法))(CVD)またはエッチングで形成(又は生成)してよい。
いくつかの態様において、当該方法は、原子層堆積(法)(又は原子層蒸着(法)又はアトミック・レイヤー・デポジション)(ALD)および/または無電解ニッケル堆積(法)(又はエレクトロレス・ニッケル・デポジション)(ELNi)をさらに含んでよい。原子層堆積を使用して、Al、Si、Alオキシド(又は酸化Al又はAl酸化物)、Tiオキシド(又は酸化Ti又はTi酸化物)、Alニトリド(又は窒化Al又はAl窒化物)、Tiニトリド(又は窒化Ti又はTi窒化物)、またはAl、Si、Alの合金オキシド(又は酸化合金又は合金酸化物)、Al合金ニトリド(又は窒化Al合金又はAl合金窒化物)、Ti合金オキシド(又は酸化Ti合金又はTi合金酸化物)、ルテニウム、ルテニウムオキシド(又は酸化ルテニウム又はルテニウム酸化物)、MnO、ストロンチウム・ルテネート、またはTi合金ニトリド(又は窒化Ti合金又はTi合金窒化物)の任意の組み合わせを堆積(又は成膜)させてよい。伝導性(または導電性)に応じて、堆積した膜(又はフィルム)は、誘電層またはカソードとして作用(又は機能)することができる。追加的または代替的に、金属ホイルのアノード化(又はアノダイズ又はアノダイゼーション)によって誘電層が形成されてもよい。ALDまたはALDを通じて形成される誘電層は、以下の1つであってよい。例えば、Al、ZrO、HfO、HfSIO、Ta、La、LaAlO、Nb、TiO、BaTiO、SiTrO、Pb(Zr,Ti)O、または(Pb,La)(Zr,Ti)O、CaCuTi12、ZrOまたはAlおよびTiOの1つであってよい。また、無電解堆積は、高い伝導性(又は導電性)を有する他の金属(例えば、Ni、Cu、Ag、Alなど)を堆積(又は成膜)させるために使用してよい。これにより、従来のキャパシタ(又はコンデンサ)の製造における伝導性ポリマー(又は導電性ポリマー)の適用(又は付与又は塗布)(およびそれに付随する追加の工程)の必要性を排除することができる。これによって、生産性の向上、コストの削減、および潜在的な性能の向上の可能性がある。追加的または代替的に、電解重合を用いて、チオフェン、ポリアニリンまたはP3HTを堆積(又は成膜)させることができる。特定の態様において、多段階法(又はマルチ・ステップ法)は、GLAD-ALD-ELNiの加工ライン(又は処理ライン)を含む。概略を図1に示す。加工ラインは、リール・トゥ・リールの金属ホイル(例えば、アルミニウムホイル)に適合(又はフィット)させることができる。次いで、構造体化された金属層を適用(又は付与)するために、このホイルにGLADを施してよい。次に、構造体化された金属層は、ALDによって、極薄のオキシド・フィルム(又は酸化物フィルム又は酸化物の膜)で封止(又は被覆又はカプセル化)されてよい。極薄のオキシド・フィルムの誘電率は、少なくとも5であってよい。
いくつかの態様において、当該方法は、金属、合金、金属コンポジット(又は金属複合体)またはそれらの組み合わせから作製される任意の伝導体(又は導電体又はコンダクタ)の堆積(又は成膜)をさらに含んでよい。
いくつかの態様において、当該方法は、金属、合金、金属コンポジット(又は金属複合体)またはそれらの組み合わせから作製される任意の伝導体(又は導電体又はコンダクタ)の物理蒸着(法)(又は物理気相成長(法))(PVD)および/または化学蒸着(法)(又は化学気相成長(法))(CVD)をさらに含んでよい。
次に、封止膜(又は封止フィルム)は、ELNiを用いることによって、金属コーティング・プロセスでコーティングされてよい。ニッケルなどの金属で膜(又はフィルム)をコーティングすることによって、構造体化された表面(GLADおよびALDによって形成されている)が保護される。また、これは、伝導性(又は導電性)の対向電極(又はカウンター電極)でもある。
当該方法に従って作製されるホイルの表面積は、修飾(又は改質)されていないホイルと比較して、少なくとも10倍大きくてよい。このホイルの厚みは、少なくとも1ミクロン(μm)であってよい。
以下の実施例は、本発明をさらに説明するのに役立つ。しかし、それと同時に、その限定を構成するものではない。それどころか、本発明の精神から逸脱することなく、本発明の様々な実施形態、変更および均等物が得られてよく、これらは、本開示の説明を読んだ後、当業者に示唆され得るものであることを明確に理解することができるであろう。以下の実施例で説明する研究において、他に言及しない限り、従来の手順に従った。手順のいくつかを例示の目的で以下にて説明する。
(実施例)
実施例1
アルミニウムホイルにGLADで公称厚み487nmのアルミニウムフィルムを堆積させた(又は成膜した)。SEM顕微鏡写真を図2Aに示す。
実施例2
公称厚みが10nmのAlフィルムを実施例1のフィルムに堆積させた(又は成膜した)。SEM顕微鏡写真を図2Bに示す。次いで、GLAD/ALDにより堆積(又は成膜)したフィルムの平均静電容量(又は平均キャパシタンス又はアベレージ・キャパシタンス)を測定した。その結果を以下の表1に報告する。
実施例3
公称厚みが1000nmのチタンフィルムをアルミニウムホイルにGLADで堆積させた(又は成膜した)。SEM顕微鏡写真を図3Aに示す。
実施例4
公称厚みが10nmのAlフィルムを実施例3のフィルムに堆積させた(又は成膜した)。SEM顕微鏡写真を図3Bに示す。次いで、GLAD/ALDにより堆積(又は成膜)したフィルムの平均静電容量を測定した。その結果を以下の表1に報告する。
Figure 2023516903000002
実施例5
概して、本開示に記載の方法を用いて形成されるキャパシタは、100kHzで約1.8~2.2μF/mmの静電容量密度(又はキャパシタンス密度又はキャパシタンス・デンシティ)、約30~160mΩ*mmの等価直列抵抗(又はエクイバレント・シリーズ・レジスタンス)、約10~15MΩ*mmの絶縁抵抗(又はインシュレーション・レジスタンス)を有するものであった。
例示の態様
以下で使用される通り、一連の態様(例えば、「態様1~4」)または数を指定していない群の態様(例えば、「前記または後記の態様のいずれか」)についての参照は、いずれも、これらの態様のそれぞれについて別々に参照しているものとして理解するべきである(例えば、「態様1~4」は、「態様1、2、3または4」として理解されるべきである)。
態様1は、以下の方法である。
金属ホイル・キャパシタ(又はメタル・ホイル・キャパシタ又はメタル・ホイル・コンデンサ)を製造するための方法であって、当該方法は、
(a)金属基体を提供すること(又は工程又はステップ)と、
(b)前記金属基体に多孔質の薄膜を生成させるために前記金属基体を修飾(又は改質)させること(又は工程又はステップ)と、
(c)前記金属基体の前記多孔質の薄膜に誘電層を形成すること(又は工程又はステップ)と、
(d)原子層堆積(又はアトミック・レイヤー・デポジション)を用いて、または無電解堆積(又は無電解メッキ又はエレクトロレス・デポジション)を用いて、前記誘電層に適合する(又は前記誘電層と同形又は同じ形状又はコンフォーマルである)カソード層を堆積させること(又は工程又はステップ)と、
(e)前記金属ホイル・キャパシタを形成するために無電解堆積を用いて、前記カソード層に金属層を堆積させること(又は工程又はステップ)と
を含む、方法。
態様2は、前記または後記の態様のいずれかに記載の方法であって、前記金属基体がアルミニウムを含んで成る、方法。
態様3は、前記または後記の態様のいずれかに記載の方法であって、前記(b)が物理蒸着(法)(又は物理気相成長(法)又はフィジカル・ベーパー・デポジション)(PVD)、化学蒸着(法)(又は化学気相成長(法)又はケミカル・ベーパー・デポジション)(CVD)、斜め蒸着(法)(又はグランシング・アングル・デポジション)(GLAD)またはエッチングを含む、方法。
態様4は、前記または後記の態様のいずれかに記載の方法であって、前記(c)が原子層堆積(法)を用いて、前記金属基体の前記多孔質の薄膜に前記誘電層を堆積させることを含む、方法。
態様5は、前記または後記の態様のいずれかに記載の方法であって、前記(c)が前記金属基体の前記多孔質の薄膜をアノード化することを含む、方法。
態様6は、前記または後記の態様のいずれかに記載の方法であって、前記誘電層がアルミナを含んで成る、方法。
態様7は、前記または後記の態様のいずれかに記載の方法であって、前記誘電層が、チタン(Ti)、ケイ素(Si)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、ハフニウム(Hf)、ランタン(La)、イットリウム(Y)、ストロンチウム(St)のオキシド(又は酸化物)、またはそれらの組み合わせをさらに含んで成る、方法。
態様8は、前記または後記の態様のいずれかに記載の方法であって、前記金属層が、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、銀(Ag)またはアルミニウム(Al)の1以上を含んで成る、方法。
態様9は、前記または後記の態様のいずれかに記載の方法であって、前記金属ホイル・キャパシタの誘電率(k)が少なくとも5、例えば5~100、またはそれ以上である、方法。
態様10は、前記または後記の態様のいずれかに記載の方法であって、前記誘電率(k)が少なくとも10である、方法。
態様11は、前記または後記の態様のいずれかに記載の方法であって、前記金属基体または前記多孔質の薄膜が、少なくとも0.01重量%、例えば0.01重量%~1重量%、またはそれ以上の追加の金属を含んで成る、方法。
態様12は、前記または後記の態様のいずれかに記載の方法であって、前記追加の金属が、チタン(Ti)、ケイ素(Si)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、ハフニウム(Hf)、ランタン(La)、イットリウム(Yt)またはストロンチウム(St)である、方法。
態様13は、前記または後記の態様のいずれかに記載の方法であって、前記追加の金属が、前記金属基体の総重量を基準として、0.01~30重量%で存在する、方法。
態様14は、前記または後記の態様のいずれかに記載の方法であって、前記誘電層の厚みが最大で100ナノメートル(nm)、例えば厚みが5ナノメートル(nm)から100ナノメートル(nm)である、方法。
態様15は、前記または後記の態様のいずれかに記載の方法であって、前記金属ホイル・キャパシタが、少なくとも1μF/mm、例えば1μF/mm~5μF/mm、またはそれ以上の平均静電容量を有する、方法。
態様16は、前記または後記の態様のいずれかに記載の方法であって、前記金属ホイル・キャパシタが、100kHzで少なくとも約1.8μF/mm、例えば100kHzで約1.8μF/mm~100kHzで約5μF/mm、またはそれ以上の静電容量を有する、方法。
態様17は、前記または後記の態様のいずれかに記載の方法であって、前記カソード層が、窒化チタンを含んで成る、方法。
本開示で参照されるすべての特許、刊行物(又は公報)および抄録(又は要約)は、その全体が参照により本開示に組み込まれている(又は援用されている)。上記の実施形態の説明(例示の実施形態を含む)は、例示および説明を目的として示されているに過ぎない。開示された正確な形態を包括すること、または開示された正確な形態に限定することは意図していない。その多数の変更(又は改変)、適用(又は適合)および使用(又は用途)は、当業者には明らかである。

Claims (17)

  1. 金属ホイル・キャパシタを製造するための方法であって、当該方法は、
    (a)金属基体を提供することと、
    (b)前記金属基体に多孔質の薄膜を生成させるために前記金属基体を修飾させることと、
    (c)前記金属基体の前記多孔質の薄膜に誘電層を形成することと、
    (d)原子層堆積を用いて、または無電解堆積を用いて、前記誘電層に適合するカソード層を堆積させることと、
    (e)前記金属ホイル・キャパシタを形成するために無電解堆積を用いて、前記カソード層に金属層を堆積させることと
    を含む、方法。
  2. 前記金属基体がアルミニウムを含んで成る、請求項1に記載の方法。
  3. 前記(b)が物理蒸着(PVD)、化学蒸着(CVD)、斜め蒸着(GLAD)またはエッチングを含む、請求項1に記載の方法。
  4. 前記(c)が原子層堆積を用いて、前記金属基体の前記多孔質の薄膜に前記誘電層を堆積させることを含む、請求項1に記載の方法。
  5. 前記(c)が前記金属基体の前記多孔質の薄膜をアノード化することを含む、請求項1に記載の方法。
  6. 前記誘電層がアルミナを含んで成る、請求項1に記載の方法。
  7. 前記誘電層が、チタン(Ti)、ケイ素(Si)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、ハフニウム(Hf)、ランタン(La)、イットリウム(Y)、ストロンチウム(St)のオキシド、またはそれらの組み合わせをさらに含んで成る、請求項6に記載の方法。
  8. 前記金属層が、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、銀(Ag)またはアルミニウム(Al)の1以上を含んで成る、請求項1に記載の方法。
  9. 前記金属ホイル・キャパシタの誘電率(k)が少なくとも5である、請求項1に記載の方法。
  10. 前記誘電率(k)が少なくとも10である、請求項1に記載の方法。
  11. 前記金属基体または前記多孔質の薄膜が、少なくとも0.01重量%の追加の金属を含んで成る、請求項1に記載の方法。
  12. 前記追加の金属が、チタン(Ti)、ケイ素(Si)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、ハフニウム(Hf)、ランタン(La)、イットリウム(Yt)またはストロンチウム(St)である、請求項11に記載の方法。
  13. 前記追加の金属が、前記金属基体の総重量を基準として、0.01~30重量%で存在する、請求項1に記載の方法。
  14. 前記誘電層の厚みが最大で100ナノメートルである、請求項1に記載の方法。
  15. 前記金属ホイル・キャパシタが、少なくとも1μF/mmの平均静電容量を有する、請求項1に記載の方法。
  16. 前記金属ホイル・キャパシタが、100kHzで少なくとも約1.8μF/mmの静電容量を有する、請求項1に記載の方法。
  17. 前記カソード層が、窒化チタンを含んで成る、請求項1に記載の方法。
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