JP5179197B2 - 複合酸化物膜及びその製造方法、複合体及びその製造方法、誘電材料、圧電材料、コンデンサ、圧電素子並びに電子機器 - Google Patents
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Description
静電容量は比誘電率に比例し誘電体層の厚さに反比例するので、高い比誘電率を持つ誘電体層を薄く均一に製膜することが求められている。
また、特開2003−206135号公報(特許文献4;関連出願 EP1445348)には、金属チタン基体をアルカリ金属の水溶液中で処理して基体表面にアルカリ金属のチタン酸塩を形成後ストロンチウム、カルシウム等の金属イオンを含む水溶液で処理してアルカリ金属をストロンチウム、カルシウム等の金属に置換することによって複合チタン酸化被膜を形成する技術が開示されている。さらに特開平11−172489号公報(特許文献5)には、基板上に電気化学的手法によりチタン酸化物被膜を形成し、その被膜をバリウム水溶液中で陽極酸化することによってチタン酸バリウム被膜を製造する方法が開示されている。
すなわち、本発明は、
(1) チタン元素を含む金属酸化物膜を形成する第一工程と、
該金属酸化物膜にストロンチウムイオンを含む溶液を反応させる第二工程と、
を含む、チタン元素及びストロンチウム元素を含む複合酸化物膜の製造方法。
(2) ストロンチウムイオンを含む溶液は、pH11以上のアルカリ性溶液である前記(1)に記載の複合酸化物膜の製造方法。
(3) 第二工程におけるストロンチウムイオンを含む溶液は40℃以上である前記(1)又は(2)に記載の複合酸化物膜の製造方法。
(4) ストロンチウムイオンを含む溶液は、大気圧下又は減圧下で、蒸発、昇華及び熱分解のうちの少なくとも一つの手段で気体となる塩基性化合物を含む前記(1)〜(3)のいずれかに記載の複合酸化物膜の製造方法。
(5) 塩基性化合物は、塩基性有機化合物である前記(4)に記載の複合酸化物膜の製造方法。
(6) 塩基性有機化合物は、水酸化テトラメチルアンモニウムである前記(5)に記載の複合酸化物膜の製造方法。
(7) 前記(1)〜(6)のいずれかに記載の製造方法により得られる複合酸化物膜。
(8) 基体表面にチタン元素を含む金属酸化物層を形成する第一工程と、
該金属酸化物層にストロンチウムイオンを含む溶液を反応させる第二工程と、
を含む、
基体表面にチタン元素及びストロンチウム元素を含む複合酸化物層を有する複合体の製造方法。
(9) 基体は、金属チタン又はチタンを含む合金からなるものである前記(8)に記載の複合体の製造方法。
(10) 第一工程は、前記基体表面を陽極酸化する工程を含む前記(8)又は(9)に記載の複合体の製造方法。
(11) 基体が、厚さ5〜300μmの箔である前記(8)〜(10)のいずれかに記載の複合体の製造方法。
(12) 基体が、平均粒径0.1〜20μmの粒子を焼結させたものである前記(8)〜(11)のいずれかに記載の複合体の製造方法。
(13) 金属チタン又はチタンを含む合金からなる層と、その表面に形成された前記(1)〜(6)のいずれかに記載の製造方法により得られた複合酸化物層とを含有して成る複合体。
(14) 前記(8)〜(12)のいずれかに記載の製造方法により得られた複合体。
(15) 複合酸化物層が、ペロブスカイト化合物を含む前記(13)又は(14)に記載の複合体。
(16) 前記(7)に記載の複合酸化物膜を含む誘電材料。
(17) 前記(13)〜(15)のいずれかに記載の複合体を含む誘電材料。
(18) 前記(16)又は(17)に記載の誘電材料を含むコンデンサ。
(19) 前記(18)に記載のコンデンサを備える電子機器。
(20) 前記(7)に記載の複合酸化物膜を含む圧電材料。
(21) 前記(13)〜(15)のいずれかに記載の複合体を含む圧電材料。
(22) 前記(20)又は(21)に記載の圧電材料を含む圧電素子。
(23) 前記(22)に記載の圧電素子を備える電子機器。
本発明の製造方法によって得られるチタン元素及びストロンチウム元素を含む複合酸化物膜の厚みは、使用する材料及び製造条件との相関関係が明瞭にあり、膜厚のコントロールを容易に行うことができる。
基体として金属チタン又はチタンを含む合金を用いた場合には、この基体を陽極酸化することで膜厚制御されたチタン酸化物膜を容易に得ることができ、このチタン酸化物膜にストロンチウムイオンを含む溶液を反応させることにより、膜厚の制御された、耐電圧の高い誘電体膜を容易に形成できる。
このようにして得られた複合酸化物膜は、高い耐電圧を有している。基体として厚さ5〜300μm、あるいは平均粒径0.1〜20μmの金属チタン又はチタンを含む合金微粒子焼結体を用いると、複合酸化物膜の基体に対する割合を増すことができ、コンデンサなどの電子部品用として好適であり、電子部品の小型化、さらにはこれらの電子部品を含む電子機器の小型化、軽量化が可能となる。
(複合酸化物膜及び複合体の製造方法)
本発明のチタン元素及びストロンチウム元素を含む複合酸化物膜の製造方法は、チタン元素を含む金属酸化物膜を形成する第一工程と、該金属酸化物膜にストロンチウムイオンを含む溶液を反応させる第二工程と、を含むものである。
本発明の基体表面にチタン元素及びストロンチウム元素を含む複合酸化物層を有する複合体の製造方法は、基体表面にチタン元素を含む金属酸化物層を形成する第一工程と、該金属酸化物層にストロンチウムイオンを含む溶液を反応させる第二工程と、を含むものである。
基体は、その材質によって特に制限はなく、用途に応じて導電体、半導体、絶縁体を使用することができる。コンデンサ用途に好ましい材質の例としては、導電体である金属チタン又はチタンを含む合金が挙げられる。導電体表面に誘電体である複合酸化物膜を形成することで得られる複合体はコンデンサの電極としてそのまま使用することができる。
基体はその形状によって特に制限はなく、板状のもの、箔状のもの、さらに表面が平滑でないものも適用できる。コンデンサ用途には、小型、軽量化の観点及び基体質量当たりの表面積が大きいほど複合酸化物膜の基体に対する割合が増し有利である点から、箔状のものが好ましく、厚さ5〜300μm、より好ましくは厚さ5〜100μm、更に好ましくは厚さ5〜30μmの箔が好適である。
基体として用いる箔としては、フッ酸などによる化学エッチングや電解エッチングなどのエッチングを行って、表面に凹凸を形成し、表面積を増やした箔が好適である。
同様に複合酸化物膜の基体に対する割合を増すために、基体として平均粒径0.1〜20μmの粒子を焼結させたもの、好ましくは平均粒径1〜10μmの粒子を焼結させたものが好適である。
金属酸化物膜の厚みは、所望の複合酸化物膜の厚みに応じて適宜調整することができ、好ましくは1〜4000nmの範囲であり、更に好ましくは、5〜2000nmの範囲である。
基体としてチタン金属又はチタン合金を使用する場合は、前記同様の方法を適用できるが、基体表面の自然酸化、熱酸化、陽極酸化等の方法で形成することもできる。本発明においては、電圧により容易に膜厚が制御できる点で陽極酸化が好ましい。
この反応によりチタン元素を含む金属酸化物膜がチタン元素及びストロンチウム元素を含む複合酸化物膜に変化する。チタン元素及びストロンチウム元素を含む複合酸化物膜はペロブスカイト化合物を含むことが好ましい。
ストロンチウムイオンを含む溶液はストロンチウムイオンを含むものであれば特に制限されない。ストロンチウムイオンを含む溶液は、ストロンチウム以外に、例えば、カルシウム、バリウム等のアルカリ土類金属や鉛をストロンチウムより少ない濃度〔mol/l〕で含んでいてもよい。
この溶液は、水溶性であることが好ましく、水酸化物、硝酸塩、酢酸塩、塩化物等の金属化合物の水溶液を使用できる。また、これらの金属化合物は1種類単独で用いてもよく、2種以上を任意の比率で混合して用いてもよい。具体的には、塩化カルシウム、硝酸カルシウム、酢酸カルシウム、塩化ストロンチウム、硝酸ストロンチウム、水酸化バリウム、塩化バリウム、硝酸バリウム、酢酸バリウム、硝酸鉛、酢酸鉛等が用いられる。さらに、Sn、Zr、La、Ce、Mg、Bi、Ni、Al、Si、Zn、B、Nb、W、Mn、Fe、Cu、及びDyよりなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含む化合物を、反応後の複合酸化物膜中にこれらの元素が5mol%未満含まれるように添加しても良い。
溶液は、例えば、塩基性化合物、好ましくは塩基性有機化合物を添加してpH11以上のアルカリ性にすることが好ましい。添加する塩基性化合物は特に制限はないが、後述する乾燥時の温度以下で、かつ、大気圧下又は減圧下で、蒸発、昇華及び/又は熱分解のうちの少なくとも一つの手段で気体となる塩基性化合物が好ましく、例えば、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)、水酸化テトラエチルアンモニウム、コリン等が挙げられる。水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物を添加すると、得られた複合酸化物膜中にアルカリ金属が残存してしまい、用途によっては、製品とした際に誘電材料、圧電材料等の機能材料としての特性が劣る可能性がある。反応後の除去のしやすさや、pH調整のしやすさから、水酸化テトラメチルアンモニウム等の塩基性有機化合物を添加することが好ましい。
反応後、必要に応じて電気透析、イオン交換、水洗、浸透膜、などの方法を用い、反応部位から不純物イオンを除去する。次いで乾燥する。乾燥は、通常室温〜150℃、1〜24時間で行われる。乾燥の雰囲気は特に制限はなく、大気中又は減圧中で行うことができる。
本発明のコンデンサは、前記誘電材料を含むものである。具体的には本発明の複合体をコンデンサの陽極に使用する。陽極にするために、通常、複合体の表面にカーボンペーストを付着させ電気抵抗を下げ、更に銀ペーストを付着させ外部リードと導通させる。このとき、酸化マンガン、導電性高分子、ニッケルなどの金属をコンデンサの陰極に使用する。
本発明の圧電素子は、前記圧電材料を含むものである。そして、これらコンデンサ及び圧電素子は、電子機器に備えることができる。
厚み20μmの純度99.9%のチタン箔(株式会社サンクメタル製)を3.3mm幅に切断したものを13mmずつの長さに切り取り、この箔片の一方の短辺部を金属製ガイドに溶接し固定した。前記チタン箔の固定していない側の端から7mmの箇所にポリイミド樹脂溶液(宇部興産株式会社製)で0.8mm幅の線を描き、約180℃で30分間乾燥させマスキングした。チタン箔の固定していない側の端からマスキングした部分までの部分(片面で約0.22cm2となる)を、5質量%リン酸水溶液に浸漬し、電流密度30mA/cm2、陽極酸化電圧15V、温度40℃で120分間陽極酸化処理し、次いでリン酸水溶液から引き出して、水洗、乾燥して、チタン箔の表面に二酸化チタン膜を形成させた。この陽極酸化条件下で得た二酸化チタン膜の平均膜厚は0.15μmであった。得られた二酸化チタン膜1cm2あたりの二酸化チタンの量は、二酸化チタン膜の平均膜厚(0.15μm)、二酸化チタンの密度(約4g/cm3)、及び二酸化チタンの式量(TiO2=約80)より求めたところ、7.5×10−5molであった。
20%水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液(セイケム昭和株式会社製)に、二酸化チタン膜の物質量(mol)の100倍モルの水酸化ストロンチウム(株式会社高純度化学研究所製)を溶解して溶液を得た。この溶液のpHは14であった。この溶液に前記二酸化チタン膜を形成した箔を100℃で4時間浸漬して反応させ複合酸化物膜を形成させた。
複合酸化物膜をX線回折により同定したところ立方晶のペロブスカイト構造であるチタン酸ストロンチウムであることがわかった。
FIB装置により断面加工した試料をTEM観察し、平均膜厚が0.15μmであることがわかった。この複合酸化物膜の上に電子線蒸着によって膜厚0.2μmニッケル蒸着膜を形成し、負極を得た。この負極を用いて測定した耐電圧は9Vと大きな値であった。
厚み20μmの純度99.9%のチタン箔(株式会社サンクメタル製)を3.3mm幅に切断したものを13mmずつの長さに切り取り、この箔片の一方の短辺部を金属製ガイドに溶接し固定した。前記チタン箔の固定していない側の端から7mmの箇所にポリイミド樹脂溶液(宇部興産株式会社製)で0.8mm幅の線を描き、約180℃で30分間乾燥させマスキングした。チタン箔の固定していない側の端からマスキングした部分までの部分を、5質量%リン酸水溶液に浸漬し、電流密度30mA/cm2、陽極酸化電圧15V、温度40℃で120分間陽極酸化処理し、次いでリン酸水溶液から引き出して、水洗、乾燥して、チタン箔の表面に二酸化チタン膜を形成させた。
0.1molの硝酸バリウムBa(NO3)2と1molの水酸化カリウムKOHを1000mlの水に溶解して溶液を得た。この溶液に前記二酸化チタン膜を形成した箔を100℃で0.5時間浸漬して反応させ複合酸化物膜を形成させた。複合酸化物膜をX線回折により同定したところ立方晶のペロブスカイト構造であるチタン酸バリウムであることがわかった。
FIB装置により断面加工した試料をTEM観察し、平均膜厚が0.04μmであることがわかった。この複合酸化物膜の上に電子線蒸着によって膜厚0.2μmニッケル蒸着膜を形成し、負極を得た。この負極を用いて測定した耐電圧は0.5Vであった。極めて薄い膜が不均一に付着しているために耐電圧が低くなったと考えられる。
本実施例では、複合酸化物膜を誘電体層として用いたコンデンサの一例を説明したが、当該複合酸化物膜は圧電素子の圧電材料としても使用できる。
Claims (21)
- チタン元素を含む金属酸化物膜を、0〜90℃の酸及び/又はその塩の溶液中で5〜15Vの電圧で行う陽極酸化することにより形成する第一工程と、
該金属酸化物膜にストロンチウムイオンを含む溶液を常圧で反応させる第二工程とを含み、
前記ストロンチウムイオンを含む溶液が、大気圧下又は減圧下で、蒸発、昇華及び/又は熱分解のうちの少なくとも一つの手段で気体となる塩基性化合物を含む、
チタン元素及びストロンチウム元素を含む複合酸化物膜の製造方法。 - ストロンチウムイオンを含む溶液は、pH11以上のアルカリ性溶液である請求項1に記載の複合酸化物膜の製造方法。
- 第二工程におけるストロンチウムイオンを含む溶液は40℃以上である請求項1に記載の複合酸化物膜の製造方法。
- 塩基性化合物は、塩基性有機化合物である請求項1に記載の複合酸化物膜の製造方法。
- 塩基性有機化合物は、水酸化テトラメチルアンモニウムである請求項4に記載の複合酸化物膜の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法により得られる複合酸化物膜。
- 基体表面にチタン元素を含む金属酸化物層を、0〜90℃の酸及び/又はその塩の溶液中で5〜15Vの電圧で行う陽極酸化することにより形成する第一工程と、
該金属酸化物層にストロンチウムイオンを含む溶液を常圧で反応させる第二工程とを含み、
前記ストロンチウムイオンを含む溶液が、大気圧下又は減圧下で、蒸発、昇華及び
/又は熱分解のうちの少なくとも一つの手段で気体となる塩基性化合物を含む、
基体表面にチタン元素及びストロンチウム元素を含む複合酸化物層を有する複合体の製造方法。 - 基体は、金属チタン又はチタンを含む合金からなるものである請求項7に記載の複合体の製造方法。
- 基体が、厚さ5〜300μmの箔である請求項7に記載の複合体の製造方法。
- 基体が、平均粒径0.1〜20μmの粒子を焼結させたものである請求項7に記載の複合体の製造方法。
- 金属チタン又はチタンを含む合金からなる層と、その表面に形成された請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法により得られた複合酸化物層とを含有して成る複合体。
- 請求項7〜10のいずれかに記載の製造方法により得られた複合体。
- 複合酸化物層が、ペロブスカイト化合物を含む請求項11又は12に記載の複合体。
- 請求項6に記載の複合酸化物膜を含む誘電材料。
- 請求項11〜13のいずれかに記載の複合体を含む誘電材料。
- 請求項14又は15に記載の誘電材料を含むコンデンサ。
- 請求項16に記載のコンデンサを備える電子機器。
- 請求項6に記載の複合酸化物膜を含む圧電材料。
- 請求項11〜13のいずれかに記載の複合体を含む圧電材料。
- 請求項18又は19に記載の圧電材料を含む圧電素子。
- 請求項20に記載の圧電素子を備える電子機器。
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