JP4186309B2 - セラミックコンデンサおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、水熱合成法で形成されたペロブスカイト型複合酸化物からなる誘電体層を含むセラミックコンデンサに関するものであり、詳しくは、耐電圧を向上させた薄膜セラミックコンデンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
電子機器の小型化に伴い、コンデンサは、静電容量を低下させることなく、小型化することが進められている。静電容量を大きくするためには、誘電率を大きくし、厚さを小さくすることが必要であり、そのため、誘電体材料として誘電率の大きなペロブスカイト型セラミック材料が使われ、薄膜の形成方法の一つとして、アルカリ水溶液中で薄膜化する水熱合成法が、小型で大容量のコンデンサが容易に製造できるという理由から、いくつか提案されている。
【0003】
しかしながら、水熱合成で形成できる薄膜は、固相法のように自由に組成を制御したり、目的とする成分からなる薄膜を形成することは難しく、その開発が種々進められている。
【0004】
従来、水熱合成により形成した薄膜を利用したセラミック薄膜コンデンサとして、以下の通り開示されている。
【0005】
例えば、特開平4−111408号公報には、チタンからなる陽極体上に、水熱電気化学的にチタン酸バリウムからなる誘電体を形成したコンデンサが開示されている。
【0006】
また、特開平6−21976号公報には、チタン又はジルコニウム基板をアルカリ水溶液中で水熱反応させ、SrTiO3、BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3、PZTの薄膜を形成し、コンデンサとする方法が開示されている。
【0007】
更に、特開平7−86075号公報、特開平7−86076号公報にも、Ti基板または酸化チタン基板上にBaTiO3、SrTiO3薄膜を形成してコンデンサとし、その特性を開示している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、コンデンサとして使用する場合、静電容量と共に、耐電圧がその使用上重要な特性となる。特に、薄膜を使用する場合、静電容量を大きくしようとすると、厚さが小さくなり、コンデンサの破壊電圧が下がってしまい、実用上問題となる。上記の公報で開示されているような水熱合成の材料では、誘電体膜の生成は、Ti又はZr等の基板の中にBa、Sr等が進入して、反応する機構で進行するため、生成した薄膜は緻密なものでなく、絶縁破壊が起こり易いという問題がある。
【0009】
そこで、本発明は、水熱合成法で形成する薄膜を利用した、誘電率を犠牲にすることなく耐電圧の高いコンデンサを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、誘電率が高く、かつ耐電圧の高い誘電体材料の水熱合成を種々検討した結果、本発明を創生するに至った。
【0011】
本発明は、少なくとも表面にTi元素を有しかつ電極となる基板と、基板上に水熱合成法で形成されたペロブスカイト型酸化物からなる誘電体層と、その上に形成された電極を有するコンデンサにおいて、前記誘電体層の一部が少なくとも水熱合成法で形成されたLaを含むPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)層を含み、耐電圧が30k V/ mm以上であるセラミックコンデンサに関する。本発明において、前記誘電体層がさらに少なくとも水熱合成法で形成されたPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)層を含むことが好ましい。本発明において、前記誘電体層がさらに少なくとも水熱合成法で形成されたPSZT(チタン酸ジルコン酸ストロンチウム鉛)層を含むことが好ましい。また、本発明は、少なくとも表面にTi元素を有する基板またはペロブスカイト型誘電体層を有する基板を、Pbイオン、Zrイオン、TiイオンおよびLaイオンを含み、Pbの濃度は、50mmol/l〜500mmol/l、ZrまたはTiの濃度は0mmol/l〜500mmol/l(但し、0mmol/lを除く)、Laの濃度は0.01〜100mmol/lの範囲で、アルカリ水溶液中で80〜200℃の温度で加熱し、基板上にLaを含有したPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)薄膜を形成することを特徴とする前記セラミックコンデンサの製造方法に関する。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミックコンデンサは、電極となる基板と、基板上に水熱合成法で形成されたペロブスカイト型複合酸化物からなる誘電体層と、その上に形成された電極を有するコンデンサにおいて、誘電体層が少なくとも水熱合成法で形成されたLaを含むPZT層を含むことを特徴とする。
【0013】
水熱合成法で形成されたLaを含むPZT薄膜は、従来の水熱合成法により形成された誘電体薄膜より耐電圧が高く、また、誘電率も比較的高いため、薄膜のコンデンサとして有用である。
【0014】
また、Laを含むPZT膜単独でなく、水熱合成により得られる他の薄膜と組み合わせても、組み合わせる薄膜の特性に応じて好適なコンデンサを形成することができる。
【0015】
例えば、Ti上に水熱法で容易に形成でき誘電率の高いPZT層と組み合わせると、製造が容易で誘電率の高くかつ高耐電圧のある薄膜セラミックコンデンサとすることができる。
【0016】
さらに、PSZT(チタン酸ジルコン酸ストロンチウム鉛、Pb1−xSrxZr1−yTiyO3(0<x≦1、0≦y<1))は、Ti上に緻密に薄膜を形成することができるため、PSZT層とLaを含むPZT層と組み合わせて、薄膜セラミックコンデンサとすると、基板との密着性が良く、緻密な誘電体層を有する耐電圧の高い薄膜セラミックコンデンサが得られる。
【0017】
さらに、これらのすべてを組み合わせ、Ti等の基板上に、PSZT層を形成し、その上にPZT層、さらにLaを含むPZT層を形成することもでき、その結果、緻密で、誘電率が高く、高耐電圧も備えた誘電体層を有する薄膜セラミックコンデンサを容易に製造することができる。
【0018】
コンデンサの電極となる基板としては、Ti元素を含有する金属基板、または少なくともTi元素をわずかでも表面に有する基板、またはTi元素を含有するチタン複合酸化物を表面に有する基板であればよく、水熱合成のアルカリ溶液で安定なものであれば、無機材料、有機材料等を問わない。ただし、基板表面の層の導電性がなく、電極として十分でない場合、その下に電極となる導電性の層を含むことが必要である。このような材料としては、Ni、Cu、Pt、Au等がある。
【0019】
Tiを基板の表面に形成する方法としては、メッキ法、スパッタ法、蒸着法および焼付法等がある。
【0020】
水熱合成によるLaを含むPZT層の形成は、以下のようにして行う。
【0021】
少なくとも表面にTi元素を有する基板またはPZT等のペロブスカイト層を形成した基板を、Pbイオン、Zrイオン、Tiイオン及びLaイオンを含むアルカリ水溶液中で加熱することにより、基板上にLaを含むPZT膜が形成される。Pb、Zr、Ti及びLaの各イオンを含む原料化合物としては、アルカリ溶液中でイオンになるものであれば、何でも良いが、例えば、Pb(NO3)2、ZrOCl2、TiCl4、LaCl2等がある。Pbの濃度は、50mmol/l〜500mmol/l、ZrまたはTiの濃度は0mmol/l〜500mmol/l、Laの濃度は0.01〜100mmol/lの範囲であればよく、反応温度は、50〜250℃の範囲であればよく、実用的には、80〜200℃の範囲が好ましい。アルカリ水溶液とするため、NaOH、KOH等を使用することもできる。アルカリが強いほど結晶化し易く、pH12以上が好ましい。水熱処理における加熱方法は油浴や電気炉等による。その後、一般的な洗浄を行う。例えば、純水中で超音波洗浄を行い、100〜200℃で2時間以上乾燥させる。洗浄には酢酸等の有機酸、硝酸、硫酸等の使用もできる。
【0022】
PZT膜の水熱合成法による形成は、以下のようにして行う。
Pb(NO3)2水溶液50mmol/l〜500mmol/l、ZrOCl2水溶液0mmol/l〜500mmol/l、TiCl4水溶液0mmol/l〜500mmol/lおよびKOH水溶液100mmol/l〜8000mmol/lの混合溶液中に、少なくとも表面にTi元素を有する基板または、PSZT等のペロブスカイト層を形成した基板を任意の場所に設置固定し、80〜200℃、好ましくは100〜160℃、さらに好ましくは120〜160℃で1分以上、好ましくは10分以上水熱処理を行う。これより基板上にPZT圧電結晶膜が形成される。
【0023】
PSZT膜の水熱合成法による形成は、以下のようにして行う。
【0024】
少なくとも表面にTi元素を有する基板を、Pbイオン、Srイオン、Zrイオン、Tiイオンを含むアルカリ水溶液中で加熱することにより、基板上にPSZT膜が形成される。Pb、Sr、Zr、Tiの各イオンを含む原料化合物としては、アルカリ溶液中でイオンになるものであれば、何でも良いが、例えば、Pb(NO3)2、Sr(NO3)2、ZrOCl2、TiCl4等がある。PbおよびSrの濃度は、50〜500mmol/l、Zrの濃度は10〜500mmol/l、Tiの濃度は0〜500mmol/lの範囲であればよく、反応温度は、80〜200℃、好ましくは100〜160℃の範囲であればよい。アルカリ水溶液とするため、NaOH、KOH等を使用することもできる。アルカリが強いほど結晶化し易く、pH12以上が好ましい。KOHを使用する場合、100〜8000mmol/lの濃度で使用すると緻密な膜ができ、好ましい。
【0025】
目的とするコンデンサの誘電体層が複数の誘電体膜を含む場合は、上記基板の代わりに、誘電体層を形成した基板を使用して、上記の製造方法を順に実行することにより、誘電体層の上に他の誘電体層を形成し、目的とするコンデンサを製造できる。
【0026】
最後に、誘電体上に、メッキ法、スパッタ法、蒸着法および焼付法等の方法によって、上部電極を形成することにより、本発明のコンデンサを得る。
【0027】
【実施例】
以下、実施例を示してこの発明を具体的に説明する。
【0028】
実施例1
オートクレーブの内容器にTi基板(50μm)を設置し、硝酸鉛0.22mol/l、オキシ塩化ジルコニウム0.10mol/l、四塩化チタン0.10mol/l、塩化ランタン0.003mol/lおよび水酸化カリウム2.04mol/lの混合水溶液中、130℃で4時間反応させた。その結果、Ti基板表面上に2.0μmの厚みのLa含有Pb(Zr,Ti)O3薄膜を得た。得られたLa含有Pb(Zr,Ti)O3薄膜のX線回折パターンを図1に、La含有Pb(Zr,Ti)O3薄膜のSEM写真を図2に示す。得られたLa含有Pb(Zr,Ti)O3薄膜の比誘電率は約1200であった。また、耐電圧は、約30kV/mmであった。
【0029】
比較例1
0.5mol/lのBa(OH)2のアルカリ水溶液中にTi基板(50μm)を浸漬し、160℃で48時間反応させ、厚さ0.2μmのBaTiO3膜(BT膜)を得た。この膜の比誘電率は約200であり、また耐電圧は約12kV/mmであった。
【0030】
比較例2
比較例1のBaをSrに代えて行った以外は同様な方法で、厚さ0.2μmのSrTiO3膜(ST膜)を形成した。この膜の比誘電率は約150であり、また耐電圧は、約9kV/mmであった。
【0031】
比較例3
オートクレーブの内容器にTi基板(50μm)を設置し、水酸化鉛0.1mol/l、オキシ塩化ジルコニウム0.053mol/l、四塩化チタン0.001mol/lおよび水酸化カリウム1.5mol/lの混合水溶液中、160℃で4時間反応させた。その結果、Ti基板表面上に2.5μmの厚みのPb(Zr,Ti)O3薄膜を得た。得られたPb(Zr,Ti)O3薄膜(PZT薄膜)の比誘電率は約1000であった。また、耐電圧は、約21kV/mmであった。
【0032】
実施例2
オートクレーブの内容器にTi基板(50μm)を設置し、水酸化鉛0.19mol/l、水酸化ストロンチウム0.01mol/l、オキシ塩化ジルコニウム0.05mol/l、四塩化チタン0.05mol/lおよび水酸化カリウム2.2mol/lの混合水溶液中、150℃で2時間反応させた。その結果、Ti基板表面上に1.0μmの厚みの(Pb,Sr)(Zr,Ti)O3薄膜を得た。次にこの基板を、水酸化鉛0.33mol/l、オキシ塩化ジルコニウム0.15mol/l、四塩化チタン0.15mol/l、塩化ランタン0.006mol/lおよび水酸化カリウム3.06mol/lの混合溶液中、130℃で4時間反応させた。その結果、(Pb,Sr)(Zr,Ti)O3薄膜上に2.0μm厚みのLaを含むPb(Zr,Ti)O3薄膜を得た。得られたLa含有PZT/PSZT/Ti複合体の表面にAuのスパッタによって電極を形成し、特性を測定したところ、比誘電率は約1100であった。またこの耐電圧は、約40kV/mmであった。比誘電率も高く、耐電圧が改良されたコンデンサが可能になった。
表1に得られたLa含有PZT/PSZT/Ti複合体の誘電特性の周波数変化を示す。表1から誘電特性の対周波数変化率が優れることががわかる。
また表2に得られたLa含有PZT/PSZT/Ti複合体のDCバイアス特性を示す。表2から誘電特性の対DCバイアス特性が優れることががわかる。
【0033】
他の材料のデータもあわせ、上記の結果を一覧表にすると表3のようになる。このことから、BaTiO3、SrTiO3及びPZT等の従来の材料に比べ、誘電率、耐電圧ともにを大きく向上させることができることがわかる。また、PZT、BaTiO3、及びSrTiO3等の他の組成物との複合化も可能であることがわかる。その際、PSZTを基板のすぐ上に形成すると、基板との密着性が良く、緻密な誘電体層を有するコンデンサを製造することができる。
【0034】
【表1】
【0035】
【表2】
【0036】
【表3】
【0037】
【発明の効果】
Laを含むPZT薄膜を水熱合成法で作製する方法を開発し、この方法で作製したLaを含むPZT薄膜をコンデンサの誘電体層に使用することにより、薄膜で、高い静電容量を示し、かつ、高い耐電圧を有するコンデンサを容易に製造することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の水熱合成法で得られたLaを含むPZT薄膜のX線回折図である。
【図2】実施例1の水熱合成法で得られたLaを含むPZT薄膜の表面状態を示す図面に代わるSEM写真である。
Claims (4)
- 少なくとも表面にTi元素を有しかつ電極となる基板と、基板上に水熱合成法で形成されたペロブスカイト型酸化物からなる誘電体層と、その上に形成された電極を有するコンデンサにおいて、前記誘電体層の一部が少なくとも水熱合成法で形成されたLaを含むPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)層を含み、耐電圧が30k V/ mm以上であるセラミックコンデンサ。
- 誘電体層が少なくとも水熱合成法で形成されたPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)層を含むことを特徴とする請求項1記載のセラミックコンデンサ。
- 誘電体層が少なくとも水熱合成法で形成されたPSZT(チタン酸ジルコン酸ストロンチウム鉛)層を含むことを特徴とする請求項1または請求項2記載のセラミックコンデンサ。
- 少なくとも表面にTi元素を有する基板またはペロブスカイト型誘電体層を有する基板を、Pbイオン、Zrイオン、TiイオンおよびLaイオンを含み、Pbの濃度は、50mmol/l〜500mmol/l、ZrまたはTiの濃度は0mmol/l〜500mmol/l(但し、0mmol/lを除く)、Laの濃度は0.01〜100mmol/lの範囲で、アルカリ水溶液中で、80〜200℃の温度で加熱し、基板上にLaを含有したPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)薄膜を形成することを特徴とする請求項1記載のセラミックコンデンサの製造方法。
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