JPH0135489B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は薄膜コンデンサの製造方法、特に、回
路基板上に他の電子部品と集積化して直接作り込
むことができ、回路の集積小型化が図れ、実装の
手間を除くことができる、接着のための成分を必
要としない薄膜コンデンサの製造方法に関するも
のである。

粒界障壁を利用した境界層型（粒界層型ともい
う）セラミツクコンデンサは、比較的小型で大容
量のものが得られ、耐圧も高く熱的安定性にも優
れていることから、電子回路に広く用いられるよ
うになつてきた。その代表的なものとして、チタ
ン酸ストロンチウム（SrTiO₃）およびチタン酸
バリウム（BaTiO₃）を主成分とする境界層型セ
ラミツクコンデンサがある。その組成、製法には
種々あるが、基本的には、半導体化したSrTiO₃
結晶粒子またはBaTiO₃結晶粒子と、添加物によ
つて形成された境界層（障壁）からなる微細構造
を有しており、その大きな静電容量は粒界に依存
している。

SrTiO₃境界層型セラミツクコンデンサの代表
的なものは、SrTiO₃に0.5モル％前後のBi₂O₃、
MnO₂を加え、円板状に成型して、温度1000℃以
上の窒素雰囲気中で焼成した後、温度800℃前後
の酸化性雰囲気で粒界に添加物の酸化物膜を形成
することにより得られる。たとえば特開昭51−
147751号公報には、TiO₂とSrOに微量の金属タ
ンタルを加え、1350〜1380℃の範囲内の温度の中
性または還元性の雰囲気中において焼成し、得ら
れた焼結体の表面にCu₂O、Bi₂O₃、Pb₃O₄および
MnO₂などを塗布し、1100〜1300℃の範囲内の温
度の空気中で拡散させることにより、良好な特性
の境界層型磁器コンデンサの得られることが記載
されている。

このような境界層型のセラミツクコンデンサに
おいて、静電容量の大きさは電極間に直列に接続
された粒界の数に反比例する。したがつて、静電
容量は素子径と素子厚みで制御することができ
る。しかし、焼結体であるため、ある程度以上薄
いものを得ることは製造技術的に困難である。通
常の研磨技術によつて得られるSrTiO₃境界層型
セラミツクコンデンサの厚みは、もつとも薄いも
ので300μｍ程度である。BaTiO₃境界層型セラミ
ツクコンデンサについても同様である。

このような境界層型磁器コンデンサの優れた性
質を活かして大容量化を図るために、磁器シート
と電極を複数枚積層して一体化して焼成した小
型、大容量積層磁器コンデンサが、たとえば特開
昭55−72023号公報に記載されている。

一方、近年、半導体IC、LSIの発展に伴い、電
子部品が急速に小型、軽量化されており、これら
を利用して、各種の小型軽量民生用電子機器が開
発されている。そのためには、もつと小型、軽量
で回路にコンパクトに組み込める、すなわち回路
基板上に他の電子部品と集積化して直接作り込む
ことができ、回路の集積小型化が図れ、実装の手
間のいらない大容量コンデンサが必要とされてい
る。

境界層型磁器コンデンサまたは積層磁器コンデ
ンサは、回路基板に実装する場合、各電極に形成
された電極と回路端子とをリード線で接続する必
要がある。電極を直接半田付けできるようにチツ
プ化したものもあるが、いずれにしても十分な集
積小型化は困難であり、また実装の手間を必要と
する。

このような難点を改善するために、塗布技術な
どを用いた種々の厚膜コンデンサが知られてい
る。しかし、従来の厚膜コンデンサの製造方法で
は、基板と接着を図るためコンデンサとしては本
来不必要な成分が加えられる。たとえば特開昭51
−45271号公報には、誘電体成分にガラス成分と
ペースト成分とを適当に混練してペースト状と
し、塗布技術によつて基板上に塗布してから、焼
付ける方法が記載されている。ガラス成分は、通
常硼素、珪素またはこれらの化合物を主成分とす
るものであり、これらの誘電率は２〜５程度で、
磁器コンデンサに用いる通常の材料の誘電率より
も桁違いに小さい。したがつて、これら誘電率の
小さい成分を含まざるを得ない塗布焼き付け型の
厚膜コンデンサにおいては、100％誘電体成分か
らなる磁器コンデンサよりも、同じ寸法、形状に
おいて、特性のよいものは得られない。

本発明はかかる従来の方法にあつた課題を解決
するためになされたもので、回路基板上に他の電
子部品と集積化して直接作り込むことができ、回
路の集積小型化が図れ、実装の手間のいらない、
基板との接着のための成分を必要としない厚膜コ
ンデンサの製造方法を提供するものである。

以下、本発明の実施例についてその詳細を説明
する。

実施例 １ 鏡面に研磨したアルミナセラミツク板を基板と
し、白金をターゲツトとして、Ar雰囲気中での
高周波スパツタリング法により、アルミナセラミ
ツク基板上に白金のスパツタ膜を形成した。次
に、白金膜の上にマスクをのせてSrTiO₃が97.6
モル％で、MnO₂が0.4モル％、SiO₂が1.6モル％、
Bi₂O₃が0.4モル％の組成の焼結体をターゲツトと
して用い、白金膜上に上記組成のスパツタ膜を形
成した。それから、Ar雰囲気中において温度
1000℃で５分熱処理した後、さらに温度800℃の
空気中で５分熱処理し、その後この膜上に、真空
蒸着によつ白金電極を設けた。

図に得られた素子の構造を示す。図において、
１はアルミナセラミツク基板、２は白金電極、３
はSrTiO₃を主成分とするスパツタ膜、４は白金
電極である。

この素子の電極２，４間の誘電特性を調べたと
ころ、約0.01μF／mm²の静電容量を示した。走査型
電子顕微鏡を用いて、得られた膜の微細構造を調
べた結果、SrTiO₃主成分膜の厚みは約5000Åで
あり、非常に細かいSrTiO₃微結晶と、添加物の
一部分が偏析した粒界からなつていた。

次に、熱処理する前のSrTiO₃主成分膜に、同
様にして白金電極を設けて、誘電特性を測定し
た。この場合には、0.001μF／mm²以下の静電容量
しか得られなかつた。この膜について、走査型電
子顕微鏡を用いて微細構造を観察したところ、
SrTiO₃主成分膜は一様で均質な膜となつており、
本実施例で見られたような粒界構造が認められな
かつた。

上記検討結果から明らかなように、本発明は、
SrTiO₃と添加物からなるスパツタ膜中に、熱処
理によつてSrTiO₃微結晶粒子と、添加物の一部
分の析出した境界層を形成せしめることによつ
て、はじめてコンデンサとして使用可能な特性の
ものが得られることがわかる。言い換えればスパ
ツタリングによつて、添加物を均一に含んだ
SrTiO₃を主成分とする薄膜を基板上に形成し、
その後熱処理によつて添加物の偏析した境界層
（粒界）を形成することによつて、薄膜のコンデ
ンサが得られるといえる。したがつて、熱処理温
度としては、添加物の偏析により境界層形成の起
こる温度以上であればよい。また、その原理から
考えて、コンデンサとして有効なその他の添加
物、たとえば各種希土類元素などを加えてもよい
ことは明らかである。

また、スパツタ時に金属などで形成したマスク
を用いることにより、必要な場所にのみスパツタ
膜を形成できることから、回路基板上の必要部分
にのみコンデンサを形成することができる。ある
いはスパツタ膜形成後、通常のホトリソグラフイ
ーによつて必要部分にのみスパツタ膜を残すこと
も可能である。したがつて、スパツタ膜のない部
分に他の回路部品を作り込むことができ、一体に
集積化することができる。

実施例 ２ BaTiO₃が99.4モル％で、Dy₂O₃が0.1モル％、
SiO₂が0.5モル％である組成のターゲツトを使用
し、実施例１と同じ手法で、図に示すような構造
の素子を作製した。

この場合も優れた誘電特性が得られ、実施例１
とほぼ同程度の誘電容量が得られた。すなわち、
実施例１で主成分として用いたSrTiO₃のかわり
にBaTiO₃を用いても、同様の製法によつて薄膜
コンデンサの得られることがわかつた。

その微細構造は実施例１と同様であり、したが
つて、熱処理温度、添加物についてSrTiO₃を主
成分とした場合と同一の考え方ができることがわ
かつた。

なお、上記各実施例では、高周波スパツタリン
グを用いたが、類似の膜の形成できる他の薄膜技
術、たとえばイオンプレーデイング、真空蒸着な
どの手法を用いても同等の効果を期待できる。ま
た、基板の上に形成した電極は、膜の熱処理時に
抵抗が大幅に上昇するものでなければ、白金にこ
だわる必要はなく、たとえば、金などを用いても
よい。

上記実施例で用いた高周波スパツタリングと
は、低真空中の放電を起こし、ガスをイオン化し
て、そのイオンを電界で加速してターゲツトに衝
突させ、ターゲツトより構成原子をはじき飛ば
し、対向して設けられた基板上にターゲツト構成
原子を再び積もらせるという技術で、薄膜形成技
術として知られている。高周波を用いたものは、
とくに本発明のような単一元素の酸化物ではな
く、複数の金属元素の酸化物からなる複合酸化物
のスパツタリング膜形成に適している。上記実施
例では、真空度５×10^-2TorrのArガス中で約
2W／cm²の電力を加え約２時間スパツタリングを
行つた。膜厚は、スパツタリング時間を変えるこ
とによつて通常200Å〜10μｍの間で制御でき、
これに伴ない、厚み方向に使用した場合の耐電圧
と静電容量を制御することができる。従来のセラ
ミツク技術では焼結体を研磨して薄くする場合、
300μｍ程度が、またシート工法では30μｍ程度が
薄くできる限界であり、本発明によればこれらよ
りはるかに薄い膜を得ることができる。これによ
り同一材料では、これらのものより大容量が得ら
れる。また膜厚の精度も高い。したがつて集積回
路に用いる場合、回路定数のばらつきが少なくて
すむ。いずれも集積用コンデンサとして望ましい
ものである。

以上の説明から明らかなように、本発明は、半
導体デバイス形成の分野で用いられる薄膜形成技
術と、セラミツク技術（多結晶体焼結技術）をう
まく結合させることによつて、従来のセラミツク
ス技術では得られない優れた特性を有する超小型
の薄膜コンデンサを量産性よく製造できるもので
ある。しかも回路基板上に他の電子部品と集積化
して直接作り得ることから、回路の集積小型化が
図れ、実装の手間を除くことができる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例で得られる薄膜コンデン
サの断面図である。 １……アルミナセラミツク基板、２，４……白
金電極、３……SrTiO₃を主成分とするスパツタ
膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ チタン酸ストロンチウムまたはチタン酸バリ
   ウムを主成分とし、境界層形セラミツクコンデン
   サを形成するのに有効な添加物を含む焼結体また
   は粉末をターゲツトとし、高周波スパツタリング
   法によつてあらかじめ第１の電極を設けた基板上
   の必要部分にのみ、前記基板と一体に形成したス
   パツタリング膜を熱処理することによつて、前記
   薄膜内部にチタン酸ストロンチウムまたはチタン
   酸バリウムの結晶粒子と、添加物の偏析した粒界
   層とを形成せしめ、しかる後、前記薄膜上に第２
   の電極を形成することを特徴とする薄膜コンデン
   サの製造方法。