JP4177560B2 - 薄膜コンデンサ及び受動素子内蔵電子部品と高周波対応モジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話等の各種無線通信機器、或いは、その他各種電子機器等に利用可能な薄膜コンデンサ及びそれを用いた受動素子内蔵電子部品と高周波対応モヂュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の携帯型通信機器の小型化・高性能化へのニーズの高まりから、コンデンサも更なる小型化が求められている。
【０００３】
従来のコンデンサは、複数の電極層と無機誘電体層を積層した１０〜１００μｍ厚の積層形態で構成されている。しかし、高誘電率材料を用いた無機誘電体は、結晶化・結晶粒成長・焼結に必要な温度が１０００℃前後と非常に高い。このために一般に数十μｍ以上の厚膜で作製しなければ耐圧が取れなかった。
【０００４】
特開平１１−９７２８７号には、薄膜化のために有機誘電体を用いた割れのない柔軟性のあるコンデンサが開示されている。
【０００５】
また、従来の受動素子内蔵電子部品であるノイズフィルタとしては、別部品としてのコンデンサとインダクタとをモジュール基板上に配設し、これらを配線で結ぶことにより、ＬＣＲ共振回路を形成したものが用いられている。ところが、携帯機器の軽量化・低部品化によりＬＣＲ共振回路も更なる小型化が求められている。そこで、コンデンサ部については、薄膜コンデンサ化して薄膜多層基板内に内装し高集積化する方向へ開発が進んでいる。Ｂｅｌｌ Ｌａｂｓ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｊｕｌｙ‐Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ Ｐ.１１６（１９９８）にはコンデンサ、インダクタ、抵抗を多層基板内に構成した例の開示がある。
【０００６】
特開平4−３０２１１７号公報には、基板／下部電極／誘電体薄膜／上部電極からなる薄膜コンデンサにおいて、誘電体薄膜を形成後、３００‐１０００℃の酸化雰囲気中で熱処理することの開示がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の様にコンデンサの小型化・高容量化のためには、誘電体層の上部電極の大面積化、高誘電体材料の利用、誘電体の薄膜化が必須となる。
【０００８】
コンデンサの容量Ｃは、次式、
Ｃ＝εｒ×ε０×Ａ／ｄ
（式中の、εｒ：誘電体の比誘電率、ε０：真空の誘電率、Ａ：上部電極の面積、ｄ：誘電体の厚み、である。）で表される。
【０００９】
ところが、特開平１１−９７２８７号で開示されている厚みが１０μｍ以下の有機誘電体を有機フィルム又は樹脂基板に形成することで０．４ｍｍ以下の割れないコンデンサを作製できる反面、有機誘電体の比誘電率が３〜４と非常に小さなために高容量化が図れない問題点があった。
【００１０】
また、Ｂｅｌｌ Ｌａｂｓ. Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｊｕｌｙ‐Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ Ｐ.１１６（１９９８）に記載の構造は、比誘電率が約７のＳｉ３Ｎ４の誘電体を用いているために高容量なコンデンサを小型化して形成するには問題があった。さらに、絶縁基板に抵抗率が小さいＳｉを用いているために高周波領域でのノイズ発生源となり、低損失のＬＣＲフィルタが得られない問題があった。
【００１１】
本発明では、小型・高容量な薄膜コンデンサ及び低損失なＬＣＲフィルタである受動素子内蔵電子部品、及び前記ＬＣＲフィルタを搭載した小型・低コストの高周波対応モジュールを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
[１] 本発明は、絶縁基板上に、薄膜形成された下部電極と、該下部電極上に順次薄膜形成された無機誘電体層及び薄膜形成された有機誘電体層と、該無機誘電体層と有機誘電体層との各々を前記下部電極とで挟んで薄膜形成された上部電極とを有し、前記下部電極及び無機誘電体層は前記下部電極の無機誘電体層の形成部と前記無機誘電体層の前記上部電極形成部を除き前記有機誘電体層によって覆われている薄膜コンデンサである。
[２] 本発明は、前記上部電極が、前記無機誘電体層の上面に形成された主上部電極と、該主上部電極並列に前記有機誘電体層の上面に形成された副上部電極とからなる薄膜コンデンサである。
[３] 本発明は、前記上部電極が、前記無機誘電体層の上面に形成された主上部電極と、該主上部電極並列に前記無機誘電体層と有機誘電体層とが順次積層された前記有機誘電体層の上面に形成された副上部電極とからなる薄膜コンデンサである。
[４] 本発明は、前記下部電極が、前記絶縁基板上に主下部電極と副下部電極とが並列して形成されたものからなり、前記主下部電極の上面に無機誘電体層が形成され、前記副下部電極の上面に有機誘電体層が形成されている薄膜コンデンサである。
[５] 本発明は、前記下部電極が、前記絶縁基板上に主下部電極と副下部電極とが並列して形成されたものからなり、前記主下部電極の上面に無機誘電体層が形成され、前記副下部電極の上面に無機誘電体層と有機誘電体層とが順次積層形成されている薄膜コンサであって、無機誘電体層の上面に主上部電極が形成され、無機誘電体層と有機誘電体層の積層誘電体層の上面に副上部電極が並列して形成することで達成される。この場合、無機誘電体層を副上部電極の投影方向にまで広く形成できるために、加工寸法を大きく取れる効果がある。
【００１３】
また、別な本発明は、絶縁基板上に、誘電体膜の積層方向の両面を、電極で挟んだ誘電体層を、複数層設定した薄膜コンデンサであって、絶縁基板上に主下部電極と副下部電極が並列して形成され、前記主下部電極の上面に無機誘電体層が形成され、前記副下部電極の上面に有機誘電体層が形成することで達成される。この形態によれば、最上層の上部電極の加工寸法を大きくできるために加工制御性に優れる特徴を有する。
【００１４】
さらに、絶縁基板上に、誘電体膜の積層方向の両面を、電極で挟んだ誘電体層を、複数層設定した薄膜コンデンサであって、絶縁基板上に主下部電極と副下部電極が並列して形成され、前記主下部電極の上面に無機誘電体層が形成され、前記副下部電極の上面に無機誘電体層と有機誘電体層の積層誘電体層が形成されることが好ましい。
【００１５】
なお、前記下部電極は絶縁基板上に一層目として形成した場合を説明したが、何らこれにとらわれることはなく絶縁基板上に有機誘電体層或いは無機誘電体層を形成した後に下部電極を構成しても良い。
【００１６】
また、下部電極の一部から積層方向の最上面に電極形成できれば、それ以外の全面を無機誘電体層で覆っても良い。
【００１７】
また、絶縁基板として、ステアタイト（ＭｇＯ―ＳｉＯ2）、フォルステライト（ＭｇＯ−ＳｉＯ2）、アルミナ、マグネシア、ＳｉＯ2、Ｓｉ、ガラス、ガラスエポキシ、有機フィルム、樹脂基板を用いても作製が可能である。
【００１８】
また、前記有機誘電体は使用温度が１８０℃以上の耐熱性に優れた材料が好ましく、特にポリイミド、ポリビスマレイド、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ベンゾシクロブテンやそれらを多孔質化したものを用いても良い。
【００１９】
さらに、前記無機誘電体は有機誘電体の比誘電率より数倍以上大きい材料が好ましく、特にＴａＯｘ，ＴｉＯｘ，ＳｒＴｉＯ３，ＣａＴｉＯ３，ＭｇＴｉＯ３，ＢａＴｉＯ３，（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３，ＰｂＴｉＯ３，Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３，（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３，Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３やそれらを組合せたものを用いても良い。
【００２０】
上部、下部電極については、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｌを用いてもよく、下部電極と絶縁基板との間に接着力を上げるために、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、ＴｉＮ、Ｔｉ／Ｗ、Ｔａ，ＴａＮなどをはさんでも構わない。
別な上記目的を達成する本発明の特徴は、絶縁基板上に、上記の薄膜コンデンサとインダクタと抵抗が複数個設けられていることで達成される。
【００２１】
また、絶縁基板にＳｉ基板を用いてもよいが、高周波数帯域でより低損失化が可能なガラス基板を用いても良い。この特徴によれば、抵抗率の小さなＳｉ基板が導体損失の成分として働くために低損失な薄膜コンデンサ及びインダクタの作製が難しかったのに対して高抵抗なガラスを絶縁基板に用いることで低損失な薄膜コンデンサ及びインダクタを提供できる。
【００２２】
別な上記目的を達成する本発明の特徴は、上記小型・高容量な薄膜コンデンサとインダクタと抵抗を同一絶縁基板上に構成することで、小型・低損失な受動素子内蔵電子部品のＬＣＲフィルタを作製することができる。
【００２３】
また、 上記薄膜コンデンサおよび受動素子内蔵電子部品を２５０℃以下の温度で製造することにより、小型化した高容量な薄膜コンデンサを安定して作製できる。従来の無機誘電体からなるコンデンサは、熱処理温度が１０００℃と非常に高温度なために上部電極及び下部電極と無機誘電体との界面に低誘電率な反応層を生成しやすかった。このために目的とする容量が小さくなる課題があった。本発明の特徴によれば、２５０℃以下の低温度で作製するために上部電極及び下部電極と誘電体の界面における反応層の生成を抑制でき、目的とする高容量な薄膜コンデンサを作製できる。
【００２４】
以上に記載した上記受動素子内蔵電子部品に外部端子を設ければ、小型・低損失のＬＣＲフィルタのチップ型素子を作製することが可能であり、さらに、前記チップ型素子を搭載した高周波対応モジュールはフィルタ部の実装面積が低減できて小型化できる上、部品点数の減少により低コスト化が可能である。
【００２５】
以下、本発明を実施例を用いて詳しく説明する。
【００２６】
（実施例１）
図１は、本発明の薄膜コンデンサの層構成の一例を模式的に示す。図１において、１は絶縁基板、２は下部電極、３は無機誘電体層、４は有機誘電体層、５ａは主上部電極、５ｂは副上部電極を表す。
【００２７】
図１、図２で２下部電極の構造を説明すると、下部電極２の一端を、有機誘電体層４上の上部電極５と同一平面までコンタクトホールを引き出している。
【００２８】
次に図１に示した薄膜コンデンサの代表的な製造方法を説明する。絶縁基板１としては、アルミノボロシリケートガラス基板の肉厚０．５ｍｍのものを用いた。歪点は６５０℃である。下部電極２はまずＣｒ／Ｃｕをスパッタ法により各々５０ｎｍ／１μｍ作製した後にレジスト形成、エッチング、レジスト剥離の順に処理し、パターニングを行った。次にＣｕメッキ法によって１０μｍ厚のＣｕを形成した後にＣｒを５０ｎｍ保護膜して形成することで、パターニングされた下部電極２を作製した。
【００２９】
次にＣｕメッキ法によって１０μｍ厚のＣｕを形成した後にＣｒを５０ｎｍ保護膜して形成することで、パターニングされた下部電極２を作製した。次に無機誘電体層３としてＴａＯｘをスパッタ法により基板加熱をせずに０．５μｍ厚で形成した。そしてレジスト形成、エッチング、レジスト剥離の順に処理し、パターニングを行って、無機誘電体層３を作製した。
【００３０】
次に有機誘電体層４の形成を行った。有機誘電体層４はポリイミド系樹脂ＰＩＱ（polyimide iso-indoloquinazolinedione）の低熱膨張率（５×１０-6／℃）タイプのものを用いた。本樹脂層は、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを溶媒とするＰＩＱ溶液をスピンコートにより塗布し、１１０℃、３分でプリベーク後、露光、現像（現像液：テトラメチルアンモニウムハイドライド）してパターンニングした後、２５０℃で熱硬化させて形成した。有機誘電体層４の膜厚は、最終的に１０μｍとした。このとき、後で下部電極２のコンタクトホールと主上部電極５ａのコンタクトホールを埋めるための空間をパターニングにより設けた。
【００３１】
次に、レジスト形成した後に、下部電極２と同一の形成方法でＣｒ／Ｃｕ／Ｃｒ（５０ｎｍ／１０μｍ／５０ｎｍ）の下部電極２のコンタクトホール、主上部電極５ａ、副上部電極５ｂを作製した。
【００３２】
以上の方法で作製した薄膜コンデンサの外観図を図２に示す。最上層の電極形態は、上部電極５ａと副上部電極５ｂが繋がっており、無機誘電体３からなるコンデンサ（これをＣ１とする）と有機誘電体４からなるコンデンサ（これをＣ２とする）は並列接続され、一つのコンデンサ（これをＣとする）として機能する。
【００３３】
合成静電容量は、Ｃ＝Ｃ１＋Ｃ２となる。この場合、比誘電率はＴａＯｘが２４であり、ポリイミド系樹脂ＰＩＱの３．５に比べて約７倍大きい。また両者の膜厚は、ＴａＯｘが０．５μｍ、ポリイミド系樹脂ＰＩＱが１０μｍである。静電容量がＣ＝εｒ×ε０×Ａ／ｄで表されることより、Ａを同一とするとＣ１＞Ｃ２の関係となる。Ｃ２はＣ１の１／１４０と小容量のためにＣ２に比べて、１％以下での微小な範囲での容量調整も容易であり、上部電極５ｂの面積を制御することで調整できる。
【００３４】
上記方法で作製された薄膜コンデンサは、コンデンサ部分の割れ、膜剥離も認められず、水に対する保護耐性も優れていた。
【００３５】
以上の結果は、少なくとも２５０℃の低温度で１％以下での微少な範囲での容量調整が可能な薄膜コンデンサを作製できることを示している。
【００３６】
これより、絶縁基板は２５０℃の温度における熱歪みが小さな材料であれば、高容量・小型化・容量調整を兼ね備えた薄膜コンデンサの作製が可能である。
【００３７】
（実施例２）
次に、図３に示すように、実施の形態１と同様の手法でパターニングされた２下部電極を作製した後に、無機誘電体層３としてＴａＯｘをスパッタ法により基板加熱をせずに０．５μｍ厚で形成した。そしてレジスト形成、エッチング、レジスト剥離の順に処理、パターニングを行って、副上部５ｂ面積の投影方向で副上部５ｂ面積以上の面積を有する無機誘電体層１３を作製した。次に有機誘電体層１４、主上部電極５ａ、副上部電極５ｂは実施の形態１と同様の方法で作製した。
【００３８】
無機誘電体３からなるコンデンサ（これをＣ１とする）と無機誘電体３と有機誘電体４からなるコンデンサ（これをＣ２とする）は並列接続され、一つのコンデンサ（これをＣとする）として機能する。合成静電容量は、Ｃ＝Ｃ１＋Ｃ２となる。Ｃ２は無機誘電体３からなるコンデンサ（これをＣ２ａとする）と有機誘電体４からなるコンデンサ（これをＣ２ｂとする）の直列接続のために、１／Ｃ２＝１／Ｃ２ａ＋１／Ｃ２ｂとなる。Ｃ２は低誘電率な有機誘電体４からなるＣ２ｂに律速されるために、実施の形態１と同様にＣ１と比べて１％以下の微小な容量調整ができる。
【００３９】
上記方法で作製された薄膜コンデンサは、コンデンサ部分の割れ、膜剥離も認められず、水に対する保護耐性も優れていた。
【００４０】
また、上記方法で作製した薄膜コンデンサは、無機誘電体３の加工寸法の精度がゆるやかなために、製品の歩留まり等の向上に効果があった。
【００４１】
（実施例３）
次に下部電極２を二つに分離した薄膜コンデンサについて、図４、図５に断面図と模式図を示す。絶縁基板１としては、アルミノボロシリケートガラス基板の肉厚０．５ｍｍのものを用いた。歪点は６５０℃である。下部電極２はまずＣｒ／Ｃｕをスパッタ法により各々５０ｎｍ／１μｍ作製した後にレジスト形成、エッチング、レジスト剥離の順に処理し、パターニングを行った。パターニング構造は図５に示すように、主下部電極２ａと副下部電極２ｂで構成されている。次にＣｕメッキによって１０μｍ厚形成した後にＣｒを５０ｎｍ保護膜してパターニングされた主下部電極２ａ、副下部電極２ｂを作製した。次に、無機誘電体層３としてＴａＯｘをスパッタ法により基板加熱をせずに０．５μｍ厚で形成した。そしてレジスト形成、エッチング、レジスト剥離の順に処理、パターニングを行って、主下部電極２ａにのみ無機誘電体層３を作製した。次に有機誘電体層４、上部電極５は実施の形態１と同様の方法で作製した。
【００４２】
上記方法で作製した薄膜コンデンサも実施例１と同様に、合成静電容量がＣ＝Ｃ１＋Ｃ２で表される。
【００４３】
電極の分離パターニングを初期作製工程で行うために、製品歩留まりも大きく向上できることが分かった。また、上記薄膜コンデンサは、コンデンサ部分の割れ、膜剥離も認められず、水に対する保護耐性も優れていた。
【００４４】
上記作製方法で、図６に示すように、無機誘電体３を主下部電極２ａ上にだけでなく、副下部電極２ｂ上にも形成した薄膜コンデンサも、コンデンサ部分の割れ、膜剥離も認められず、水に対する保護耐性も優れていた。合成静電容量は実施例２と同様で、Ｃ２に３無機誘電体層からなるコンデンサと有機誘電体層４からなるコンデンサで構成されている。
【００４５】
（実施例４）
１絶縁基板上に複数個のコンデンサを設けた構造を有する複合薄膜コンデンサについて、図７に模式的に示す。電極、有機誘電体、無機誘電体材料、製造方法は実施例１と同じである。図７は３個の薄膜コンデンサの集合体を示してあり、小型化した高容量な薄膜コンデンサである。個々の薄膜コンデンサの場合と同様に、複合集合体においてもコンデンサ部分の割れ、膜剥離も認められず、水に対する保護耐性も優れていた。
【００４６】
また、実施例２、３の方法で作製して得られた複合薄膜コンデンサも、コンデンサ部分の割れ、膜剥離も認められず、水に対する保護耐性も優れていた。
【００４７】
（実施例５）
基板上に複数個のコンデンサと複数個のインダクタと複数個の抵抗を設けた構造を有するＬＣＲフィルタの断面構成を、図８に示す。薄膜コンデンサ６は実施例１〜４の方法を用いて形成された。ちなみに、有機誘電体層４ａを形成した後、インダクタ８は、めっきで形成した１０μｍ厚のＣｕを用いた。また、抵抗７は、１０μｍ厚のＴａＮをスパッタ法で作製した。次に、有機誘電体層４ｂを作製した後に各々の薄膜コンデンサ６、抵抗７、インダクタ８の電極を最上面層まで、実施例１と同じ方法で引き出した。
【００４８】
図８では、単体の薄膜コンデンサ６、抵抗７、インダクタ８を示してあるが、複数個を設けてＬＣＲフィルタについて、Ｑ（１／ｔａｎδ）値の高周波特性を調べたところ、Ｑ＞１００＠１ＧＨｚの低損失な特性を示した。
【００４９】
なお、抵抗の材料がＣｕの場合について記述したが、比抵抗が＜５０μΩ・ｃｍの材料であれば良く、特にＡｇ，Ａｌ，Ａｇ−Ｐｄ，Ｐｔが好ましい。
【００５０】
また、抵抗の材料がＴａＮについて記述したが、抵抗値が数Ωから数ＭΩまでの広範囲を取れる材料であれば良く、特にＮｉ−Ｃｒ，Ｎｉ−Ｐが好ましい。
【００５１】
（実施例６）
図９にＬＣＲフィルタのチップ型素子の模式図を示す。実施例５で作製した複数個の薄膜コンデンサ６、抵抗７、インダクタ８からなるＬＣＲフィルタを作製した後に、引き続いて、有機誘電体層４ｃと配線９の形成を行い、更に有機誘電体層４ｄの保護層を形成した。最後にＰｂ−Ｓｎはんだを用いたバンプとして外部端子１０を形成して、チップ型素子１１を作製した。
【００５２】
図１０に１１チップ型素子が電極配線１２上に搭載された高周波モジュール１３を示す。チップ型素子１１は、２×１×０．８ｍｍ厚（バンプ厚み除く）と別部品としてコンデンサ、インダクタを面実装した場合に比べ、面積で約１／８にできた。ＬＣＲフィルタとしての損失も３％以上向上した。また、２５０℃の低温度作製工程のために生産安定性も高く、チップ型素子１１を９５％を超える歩留まりで作製できた。そして、小型化ができ、かつその性能も電源ノイズの影響を受けにくい低ノイズの良好なものであった。また、高周波対応モジュール１３は小型のチップ型素子１１としてＬＣＲフィルタを実装した結果、小型化できたのに加え、実装にかかる手間も１回で済むため、スループットが上がって、低コスト化が実現できた。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、延性、展性、保護耐性に優れている有機誘電体からなるコンデンサに高い比誘電率を有する無機誘電体からなるコンデンサを内蔵することが、２５０℃の低温度作製工程で可能なために、高容量・小型化した薄膜コンデンサを作製可能である。また、複数個の前記薄膜コンデンサと抵抗、インダクタからなるＬＣＲフィルタを用いて、高歩留まり・小型・低ノイズのチップ型素子、さらに、前記チップを搭載した小型・低コストの高周波対応モジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜コンデンサの層構成の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の薄膜コンデンサの模式図である。
【図３】本発明の薄膜コンデンサの層構成の一例を示す模式図である。
【図４】本発明の薄膜コンデンサの層構成の一例を示す模式図である。
【図５】本発明の下部電極の模式図である。
【図６】本発明の薄膜コンデンサの層構成の一例を示す模式図である。
【図７】本発明の複合薄膜コンデンサの層構成の一例を示す模式図である。
【図８】本発明のＬＣＲフィルタの層構成の一例を示す模式図である。
【図９】本発明のＬＣＲフィルタとしてのチップ型素子の一例を示す模式図である。
【図１０】本発明の高周波対応モジュールを示す模式図である。
【符号の説明】
１…絶縁基板、２…下部電極、２ａ…主下部電極、２b…副下部電極、３…無機誘電体層、４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ…有機誘電体層、５…上部電極、５ａ…主上部電極、５ｂ…副上部電極、６…薄膜コンデンサ、７…抵抗、８…インダクタ、９…配線、１０…外部端子、１１…チップ型素子、１２…電極配線、１３…高周波対応モジュール。
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話等の各種無線通信機器、或いは、その他各種電子機器等に利用可能な薄膜コンデンサ及びそれを用いた受動素子内蔵電子部品と高周波対応モヂュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の携帯型通信機器の小型化・高性能化へのニーズの高まりから、コンデンサも更なる小型化が求められている。
【０００３】
従来のコンデンサは、複数の電極層と無機誘電体層を積層した１０〜１００μｍ厚の積層形態で構成されている。しかし、高誘電率材料を用いた無機誘電体は、結晶化・結晶粒成長・焼結に必要な温度が１０００℃前後と非常に高い。このために一般に数十μｍ以上の厚膜で作製しなければ耐圧が取れなかった。
【０００４】
特開平１１−９７２８７号には、薄膜化のために有機誘電体を用いた割れのない柔軟性のあるコンデンサが開示されている。
【０００５】
また、従来の受動素子内蔵電子部品であるノイズフィルタとしては、別部品としてのコンデンサとインダクタとをモジュール基板上に配設し、これらを配線で結ぶことにより、ＬＣＲ共振回路を形成したものが用いられている。ところが、携帯機器の軽量化・低部品化によりＬＣＲ共振回路も更なる小型化が求められている。そこで、コンデンサ部については、薄膜コンデンサ化して薄膜多層基板内に内装し高集積化する方向へ開発が進んでいる。Ｂｅｌｌ Ｌａｂｓ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｊｕｌｙ‐Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ Ｐ.１１６（１９９８）にはコンデンサ、インダクタ、抵抗を多層基板内に構成した例の開示がある。
【０００６】
特開平4−３０２１１７号公報には、基板／下部電極／誘電体薄膜／上部電極からなる薄膜コンデンサにおいて、誘電体薄膜を形成後、３００‐１０００℃の酸化雰囲気中で熱処理することの開示がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の様にコンデンサの小型化・高容量化のためには、誘電体層の上部電極の大面積化、高誘電体材料の利用、誘電体の薄膜化が必須となる。
【０００８】
コンデンサの容量Ｃは、次式、
Ｃ＝εｒ×ε０×Ａ／ｄ
（式中の、εｒ：誘電体の比誘電率、ε０：真空の誘電率、Ａ：上部電極の面積、ｄ：誘電体の厚み、である。）で表される。
【０００９】
ところが、特開平１１−９７２８７号で開示されている厚みが１０μｍ以下の有機誘電体を有機フィルム又は樹脂基板に形成することで０．４ｍｍ以下の割れないコンデンサを作製できる反面、有機誘電体の比誘電率が３〜４と非常に小さなために高容量化が図れない問題点があった。
【００１０】
また、Ｂｅｌｌ Ｌａｂｓ. Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｊｕｌｙ‐Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ Ｐ.１１６（１９９８）に記載の構造は、比誘電率が約７のＳｉ３Ｎ４の誘電体を用いているために高容量なコンデンサを小型化して形成するには問題があった。さらに、絶縁基板に抵抗率が小さいＳｉを用いているために高周波領域でのノイズ発生源となり、低損失のＬＣＲフィルタが得られない問題があった。
【００１１】
本発明では、小型・高容量な薄膜コンデンサ及び低損失なＬＣＲフィルタである受動素子内蔵電子部品、及び前記ＬＣＲフィルタを搭載した小型・低コストの高周波対応モジュールを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
[１] 本発明は、絶縁基板上に、薄膜形成された下部電極と、該下部電極上に順次薄膜形成された無機誘電体層及び薄膜形成された有機誘電体層と、該無機誘電体層と有機誘電体層との各々を前記下部電極とで挟んで薄膜形成された上部電極とを有し、前記下部電極及び無機誘電体層は前記下部電極の無機誘電体層の形成部と前記無機誘電体層の前記上部電極形成部を除き前記有機誘電体層によって覆われている薄膜コンデンサである。
[２] 本発明は、前記上部電極が、前記無機誘電体層の上面に形成された主上部電極と、該主上部電極並列に前記有機誘電体層の上面に形成された副上部電極とからなる薄膜コンデンサである。
[３] 本発明は、前記上部電極が、前記無機誘電体層の上面に形成された主上部電極と、該主上部電極並列に前記無機誘電体層と有機誘電体層とが順次積層された前記有機誘電体層の上面に形成された副上部電極とからなる薄膜コンデンサである。
[４] 本発明は、前記下部電極が、前記絶縁基板上に主下部電極と副下部電極とが並列して形成されたものからなり、前記主下部電極の上面に無機誘電体層が形成され、前記副下部電極の上面に有機誘電体層が形成されている薄膜コンデンサである。
[５] 本発明は、前記下部電極が、前記絶縁基板上に主下部電極と副下部電極とが並列して形成されたものからなり、前記主下部電極の上面に無機誘電体層が形成され、前記副下部電極の上面に無機誘電体層と有機誘電体層とが順次積層形成されている薄膜コンサであって、無機誘電体層の上面に主上部電極が形成され、無機誘電体層と有機誘電体層の積層誘電体層の上面に副上部電極が並列して形成することで達成される。この場合、無機誘電体層を副上部電極の投影方向にまで広く形成できるために、加工寸法を大きく取れる効果がある。
【００１３】
また、別な本発明は、絶縁基板上に、誘電体膜の積層方向の両面を、電極で挟んだ誘電体層を、複数層設定した薄膜コンデンサであって、絶縁基板上に主下部電極と副下部電極が並列して形成され、前記主下部電極の上面に無機誘電体層が形成され、前記副下部電極の上面に有機誘電体層が形成することで達成される。この形態によれば、最上層の上部電極の加工寸法を大きくできるために加工制御性に優れる特徴を有する。
【００１４】
さらに、絶縁基板上に、誘電体膜の積層方向の両面を、電極で挟んだ誘電体層を、複数層設定した薄膜コンデンサであって、絶縁基板上に主下部電極と副下部電極が並列して形成され、前記主下部電極の上面に無機誘電体層が形成され、前記副下部電極の上面に無機誘電体層と有機誘電体層の積層誘電体層が形成されることが好ましい。
【００１５】
なお、前記下部電極は絶縁基板上に一層目として形成した場合を説明したが、何らこれにとらわれることはなく絶縁基板上に有機誘電体層或いは無機誘電体層を形成した後に下部電極を構成しても良い。
【００１６】
また、下部電極の一部から積層方向の最上面に電極形成できれば、それ以外の全面を無機誘電体層で覆っても良い。
【００１７】
また、絶縁基板として、ステアタイト（ＭｇＯ―ＳｉＯ2）、フォルステライト（ＭｇＯ−ＳｉＯ2）、アルミナ、マグネシア、ＳｉＯ2、Ｓｉ、ガラス、ガラスエポキシ、有機フィルム、樹脂基板を用いても作製が可能である。
【００１８】
また、前記有機誘電体は使用温度が１８０℃以上の耐熱性に優れた材料が好ましく、特にポリイミド、ポリビスマレイド、ポリエステルイミド、ポリアミドイミド、ベンゾシクロブテンやそれらを多孔質化したものを用いても良い。
【００１９】
さらに、前記無機誘電体は有機誘電体の比誘電率より数倍以上大きい材料が好ましく、特にＴａＯｘ，ＴｉＯｘ，ＳｒＴｉＯ３，ＣａＴｉＯ３，ＭｇＴｉＯ３，ＢａＴｉＯ３，（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３，ＰｂＴｉＯ３，Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３，（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３，Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３やそれらを組合せたものを用いても良い。
【００２０】
上部、下部電極については、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｌを用いてもよく、下部電極と絶縁基板との間に接着力を上げるために、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、ＴｉＮ、Ｔｉ／Ｗ、Ｔａ，ＴａＮなどをはさんでも構わない。
別な上記目的を達成する本発明の特徴は、絶縁基板上に、上記の薄膜コンデンサとインダクタと抵抗が複数個設けられていることで達成される。
【００２１】
また、絶縁基板にＳｉ基板を用いてもよいが、高周波数帯域でより低損失化が可能なガラス基板を用いても良い。この特徴によれば、抵抗率の小さなＳｉ基板が導体損失の成分として働くために低損失な薄膜コンデンサ及びインダクタの作製が難しかったのに対して高抵抗なガラスを絶縁基板に用いることで低損失な薄膜コンデンサ及びインダクタを提供できる。
【００２２】
別な上記目的を達成する本発明の特徴は、上記小型・高容量な薄膜コンデンサとインダクタと抵抗を同一絶縁基板上に構成することで、小型・低損失な受動素子内蔵電子部品のＬＣＲフィルタを作製することができる。
【００２３】
また、 上記薄膜コンデンサおよび受動素子内蔵電子部品を２５０℃以下の温度で製造することにより、小型化した高容量な薄膜コンデンサを安定して作製できる。従来の無機誘電体からなるコンデンサは、熱処理温度が１０００℃と非常に高温度なために上部電極及び下部電極と無機誘電体との界面に低誘電率な反応層を生成しやすかった。このために目的とする容量が小さくなる課題があった。本発明の特徴によれば、２５０℃以下の低温度で作製するために上部電極及び下部電極と誘電体の界面における反応層の生成を抑制でき、目的とする高容量な薄膜コンデンサを作製できる。
【００２４】
以上に記載した上記受動素子内蔵電子部品に外部端子を設ければ、小型・低損失のＬＣＲフィルタのチップ型素子を作製することが可能であり、さらに、前記チップ型素子を搭載した高周波対応モジュールはフィルタ部の実装面積が低減できて小型化できる上、部品点数の減少により低コスト化が可能である。
【００２５】
以下、本発明を実施例を用いて詳しく説明する。
【００２６】
（実施例１）
図１は、本発明の薄膜コンデンサの層構成の一例を模式的に示す。図１において、１は絶縁基板、２は下部電極、３は無機誘電体層、４は有機誘電体層、５ａは主上部電極、５ｂは副上部電極を表す。
【００２７】
図１、図２で２下部電極の構造を説明すると、下部電極２の一端を、有機誘電体層４上の上部電極５と同一平面までコンタクトホールを引き出している。
【００２８】
次に図１に示した薄膜コンデンサの代表的な製造方法を説明する。絶縁基板１としては、アルミノボロシリケートガラス基板の肉厚０．５ｍｍのものを用いた。歪点は６５０℃である。下部電極２はまずＣｒ／Ｃｕをスパッタ法により各々５０ｎｍ／１μｍ作製した後にレジスト形成、エッチング、レジスト剥離の順に処理し、パターニングを行った。次にＣｕメッキ法によって１０μｍ厚のＣｕを形成した後にＣｒを５０ｎｍ保護膜して形成することで、パターニングされた下部電極２を作製した。
【００２９】
次にＣｕメッキ法によって１０μｍ厚のＣｕを形成した後にＣｒを５０ｎｍ保護膜して形成することで、パターニングされた下部電極２を作製した。次に無機誘電体層３としてＴａＯｘをスパッタ法により基板加熱をせずに０．５μｍ厚で形成した。そしてレジスト形成、エッチング、レジスト剥離の順に処理し、パターニングを行って、無機誘電体層３を作製した。
【００３０】
次に有機誘電体層４の形成を行った。有機誘電体層４はポリイミド系樹脂ＰＩＱ（polyimide iso-indoloquinazolinedione）の低熱膨張率（５×１０-6／℃）タイプのものを用いた。本樹脂層は、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを溶媒とするＰＩＱ溶液をスピンコートにより塗布し、１１０℃、３分でプリベーク後、露光、現像（現像液：テトラメチルアンモニウムハイドライド）してパターンニングした後、２５０℃で熱硬化させて形成した。有機誘電体層４の膜厚は、最終的に１０μｍとした。このとき、後で下部電極２のコンタクトホールと主上部電極５ａのコンタクトホールを埋めるための空間をパターニングにより設けた。
【００３１】
次に、レジスト形成した後に、下部電極２と同一の形成方法でＣｒ／Ｃｕ／Ｃｒ（５０ｎｍ／１０μｍ／５０ｎｍ）の下部電極２のコンタクトホール、主上部電極５ａ、副上部電極５ｂを作製した。
【００３２】
以上の方法で作製した薄膜コンデンサの外観図を図２に示す。最上層の電極形態は、上部電極５ａと副上部電極５ｂが繋がっており、無機誘電体３からなるコンデンサ（これをＣ１とする）と有機誘電体４からなるコンデンサ（これをＣ２とする）は並列接続され、一つのコンデンサ（これをＣとする）として機能する。
【００３３】
合成静電容量は、Ｃ＝Ｃ１＋Ｃ２となる。この場合、比誘電率はＴａＯｘが２４であり、ポリイミド系樹脂ＰＩＱの３．５に比べて約７倍大きい。また両者の膜厚は、ＴａＯｘが０．５μｍ、ポリイミド系樹脂ＰＩＱが１０μｍである。静電容量がＣ＝εｒ×ε０×Ａ／ｄで表されることより、Ａを同一とするとＣ１＞Ｃ２の関係となる。Ｃ２はＣ１の１／１４０と小容量のためにＣ２に比べて、１％以下での微小な範囲での容量調整も容易であり、上部電極５ｂの面積を制御することで調整できる。
【００３４】
上記方法で作製された薄膜コンデンサは、コンデンサ部分の割れ、膜剥離も認められず、水に対する保護耐性も優れていた。
【００３５】
以上の結果は、少なくとも２５０℃の低温度で１％以下での微少な範囲での容量調整が可能な薄膜コンデンサを作製できることを示している。
【００３６】
これより、絶縁基板は２５０℃の温度における熱歪みが小さな材料であれば、高容量・小型化・容量調整を兼ね備えた薄膜コンデンサの作製が可能である。
【００３７】
（実施例２）
次に、図３に示すように、実施の形態１と同様の手法でパターニングされた２下部電極を作製した後に、無機誘電体層３としてＴａＯｘをスパッタ法により基板加熱をせずに０．５μｍ厚で形成した。そしてレジスト形成、エッチング、レジスト剥離の順に処理、パターニングを行って、副上部５ｂ面積の投影方向で副上部５ｂ面積以上の面積を有する無機誘電体層１３を作製した。次に有機誘電体層１４、主上部電極５ａ、副上部電極５ｂは実施の形態１と同様の方法で作製した。
【００３８】
無機誘電体３からなるコンデンサ（これをＣ１とする）と無機誘電体３と有機誘電体４からなるコンデンサ（これをＣ２とする）は並列接続され、一つのコンデンサ（これをＣとする）として機能する。合成静電容量は、Ｃ＝Ｃ１＋Ｃ２となる。Ｃ２は無機誘電体３からなるコンデンサ（これをＣ２ａとする）と有機誘電体４からなるコンデンサ（これをＣ２ｂとする）の直列接続のために、１／Ｃ２＝１／Ｃ２ａ＋１／Ｃ２ｂとなる。Ｃ２は低誘電率な有機誘電体４からなるＣ２ｂに律速されるために、実施の形態１と同様にＣ１と比べて１％以下の微小な容量調整ができる。
【００３９】
上記方法で作製された薄膜コンデンサは、コンデンサ部分の割れ、膜剥離も認められず、水に対する保護耐性も優れていた。
【００４０】
また、上記方法で作製した薄膜コンデンサは、無機誘電体３の加工寸法の精度がゆるやかなために、製品の歩留まり等の向上に効果があった。
【００４１】
（実施例３）
次に下部電極２を二つに分離した薄膜コンデンサについて、図４、図５に断面図と模式図を示す。絶縁基板１としては、アルミノボロシリケートガラス基板の肉厚０．５ｍｍのものを用いた。歪点は６５０℃である。下部電極２はまずＣｒ／Ｃｕをスパッタ法により各々５０ｎｍ／１μｍ作製した後にレジスト形成、エッチング、レジスト剥離の順に処理し、パターニングを行った。パターニング構造は図５に示すように、主下部電極２ａと副下部電極２ｂで構成されている。次にＣｕメッキによって１０μｍ厚形成した後にＣｒを５０ｎｍ保護膜してパターニングされた主下部電極２ａ、副下部電極２ｂを作製した。次に、無機誘電体層３としてＴａＯｘをスパッタ法により基板加熱をせずに０．５μｍ厚で形成した。そしてレジスト形成、エッチング、レジスト剥離の順に処理、パターニングを行って、主下部電極２ａにのみ無機誘電体層３を作製した。次に有機誘電体層４、上部電極５は実施の形態１と同様の方法で作製した。
【００４２】
上記方法で作製した薄膜コンデンサも実施例１と同様に、合成静電容量がＣ＝Ｃ１＋Ｃ２で表される。
【００４３】
電極の分離パターニングを初期作製工程で行うために、製品歩留まりも大きく向上できることが分かった。また、上記薄膜コンデンサは、コンデンサ部分の割れ、膜剥離も認められず、水に対する保護耐性も優れていた。
【００４４】
上記作製方法で、図６に示すように、無機誘電体３を主下部電極２ａ上にだけでなく、副下部電極２ｂ上にも形成した薄膜コンデンサも、コンデンサ部分の割れ、膜剥離も認められず、水に対する保護耐性も優れていた。合成静電容量は実施例２と同様で、Ｃ２に３無機誘電体層からなるコンデンサと有機誘電体層４からなるコンデンサで構成されている。
【００４５】
（実施例４）
１絶縁基板上に複数個のコンデンサを設けた構造を有する複合薄膜コンデンサについて、図７に模式的に示す。電極、有機誘電体、無機誘電体材料、製造方法は実施例１と同じである。図７は３個の薄膜コンデンサの集合体を示してあり、小型化した高容量な薄膜コンデンサである。個々の薄膜コンデンサの場合と同様に、複合集合体においてもコンデンサ部分の割れ、膜剥離も認められず、水に対する保護耐性も優れていた。
【００４６】
また、実施例２、３の方法で作製して得られた複合薄膜コンデンサも、コンデンサ部分の割れ、膜剥離も認められず、水に対する保護耐性も優れていた。
【００４７】
（実施例５）
基板上に複数個のコンデンサと複数個のインダクタと複数個の抵抗を設けた構造を有するＬＣＲフィルタの断面構成を、図８に示す。薄膜コンデンサ６は実施例１〜４の方法を用いて形成された。ちなみに、有機誘電体層４ａを形成した後、インダクタ８は、めっきで形成した１０μｍ厚のＣｕを用いた。また、抵抗７は、１０μｍ厚のＴａＮをスパッタ法で作製した。次に、有機誘電体層４ｂを作製した後に各々の薄膜コンデンサ６、抵抗７、インダクタ８の電極を最上面層まで、実施例１と同じ方法で引き出した。
【００４８】
図８では、単体の薄膜コンデンサ６、抵抗７、インダクタ８を示してあるが、複数個を設けてＬＣＲフィルタについて、Ｑ（１／ｔａｎδ）値の高周波特性を調べたところ、Ｑ＞１００＠１ＧＨｚの低損失な特性を示した。
【００４９】
なお、抵抗の材料がＣｕの場合について記述したが、比抵抗が＜５０μΩ・ｃｍの材料であれば良く、特にＡｇ，Ａｌ，Ａｇ−Ｐｄ，Ｐｔが好ましい。
【００５０】
また、抵抗の材料がＴａＮについて記述したが、抵抗値が数Ωから数ＭΩまでの広範囲を取れる材料であれば良く、特にＮｉ−Ｃｒ，Ｎｉ−Ｐが好ましい。
【００５１】
（実施例６）
図９にＬＣＲフィルタのチップ型素子の模式図を示す。実施例５で作製した複数個の薄膜コンデンサ６、抵抗７、インダクタ８からなるＬＣＲフィルタを作製した後に、引き続いて、有機誘電体層４ｃと配線９の形成を行い、更に有機誘電体層４ｄの保護層を形成した。最後にＰｂ−Ｓｎはんだを用いたバンプとして外部端子１０を形成して、チップ型素子１１を作製した。
【００５２】
図１０に１１チップ型素子が電極配線１２上に搭載された高周波モジュール１３を示す。チップ型素子１１は、２×１×０．８ｍｍ厚（バンプ厚み除く）と別部品としてコンデンサ、インダクタを面実装した場合に比べ、面積で約１／８にできた。ＬＣＲフィルタとしての損失も３％以上向上した。また、２５０℃の低温度作製工程のために生産安定性も高く、チップ型素子１１を９５％を超える歩留まりで作製できた。そして、小型化ができ、かつその性能も電源ノイズの影響を受けにくい低ノイズの良好なものであった。また、高周波対応モジュール１３は小型のチップ型素子１１としてＬＣＲフィルタを実装した結果、小型化できたのに加え、実装にかかる手間も１回で済むため、スループットが上がって、低コスト化が実現できた。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、延性、展性、保護耐性に優れている有機誘電体からなるコンデンサに高い比誘電率を有する無機誘電体からなるコンデンサを内蔵することが、２５０℃の低温度作製工程で可能なために、高容量・小型化した薄膜コンデンサを作製可能である。また、複数個の前記薄膜コンデンサと抵抗、インダクタからなるＬＣＲフィルタを用いて、高歩留まり・小型・低ノイズのチップ型素子、さらに、前記チップを搭載した小型・低コストの高周波対応モジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜コンデンサの層構成の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の薄膜コンデンサの模式図である。
【図３】本発明の薄膜コンデンサの層構成の一例を示す模式図である。
【図４】本発明の薄膜コンデンサの層構成の一例を示す模式図である。
【図５】本発明の下部電極の模式図である。
【図６】本発明の薄膜コンデンサの層構成の一例を示す模式図である。
【図７】本発明の複合薄膜コンデンサの層構成の一例を示す模式図である。
【図８】本発明のＬＣＲフィルタの層構成の一例を示す模式図である。
【図９】本発明のＬＣＲフィルタとしてのチップ型素子の一例を示す模式図である。
【図１０】本発明の高周波対応モジュールを示す模式図である。
【符号の説明】
１…絶縁基板、２…下部電極、２ａ…主下部電極、２b…副下部電極、３…無機誘電体層、４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ…有機誘電体層、５…上部電極、５ａ…主上部電極、５ｂ…副上部電極、６…薄膜コンデンサ、７…抵抗、８…インダクタ、９…配線、１０…外部端子、１１…チップ型素子、１２…電極配線、１３…高周波対応モジュール。
Claims (10)
- 絶縁基板上に、薄膜形成された下部電極と、該下部電極上に順次薄膜形成された無機誘電体層及び薄膜形成された有機誘電体層と、該無機誘電体層と有機誘電体層との各々を前記下部電極とで挟んで薄膜形成された上部電極とを有し、前記下部電極及び無機誘電体層は前記下部電極の無機誘電体層の形成部と前記無機誘電体層の前記上部電極形成部を除き前記有機誘電体層によって覆われていることを特徴とする薄膜コンデンサ。
- 請求項１において、前記上部電極は、前記無機誘電体層の上面に形成された主上部電極と、該主上部電極に並列して前記有機誘電体層の上面に形成された副上部電極とからなることを特徴とする薄膜コンデンサ。
- 請求項１において、前記上部電極は、前記無機誘電体層の上面に形成された主上部電極と、該主上部電極に並列して前記無機誘電体層と有機誘電体層とが順次積層された前記有機誘電体層の上面に形成された副上部電極とからなることを特徴とする薄膜コンデンサ。
- 請求項１において、前記下部電極は、前記絶縁基板上に主下部電極と副下部電極とが並列して形成されたものからなり、前記主下部電極の上面に前記無機誘電体層が形成され、前記副下部電極の上面に前記有機誘電体層が形成されていることを特徴とする薄膜コンデンサ。
- 請求項１において、前記下部電極は、前記絶縁基板上に主下部電極と副下部電極とが並列して形成されたものからなり、前記主下部電極の上面に前記無機誘電体層が形成され、前記副下部電極の上面に前記無機誘電体層と有機誘電体層とが順次形成されていることを特徴とする薄膜コンデンサ。
- 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記絶縁基板がガラスであることを特徴とする薄膜コンデンサ。
- 請求項１において、前記下部電極は、前記有機誘電体層を貫通してその上面に亘って形成されていることを特徴とする薄膜コンデンサ。
- 請求項５又は６において、前記主下部電極の上面に形成された前記無機誘電体層は、前記副下部電極の上面に形成された前記無機誘電体層より高い誘電率を有することを特徴とする薄膜コンデンサ。
- 請求項１〜８のいずれかに記載の薄膜コンデンサと、前記有機誘電体層内に形成されたインダクタ及び抵抗とを有することを特徴とする受動素子内蔵電子部品。
- 請求項９に記載の受動素子内蔵電子部品に外部端子を備えたチップ型素子を搭載したことを特徴とする高周波対応モジュール。
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