KR20220111141A - 커패시터, 그 제조방법 및 커패시터용 전극 - Google Patents

커패시터, 그 제조방법 및 커패시터용 전극 Download PDF

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KR20220111141A
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박승호
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(주)포인트엔지니어링
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Abstract

본 발명은 커패시터의 적어도 하나의 전극을 3차원의 격자 모양으로 형성하여 정전용량을 키운 커패시터, 그 제조방법 및 커패시터용 전극을 제공한다.

Description

커패시터, 그 제조방법 및 커패시터용 전극{Capacitor, Manufacturing method the capacitor and Electrod for the capacitor}
본 발명은 커패시터, 그 제조방법 및 커패시터용 전극에 관한 것이다.
적층 칩 전자 부품의 하나인 적층 세라믹 커패시터(MLCC: multi-layered ceramic capacitor)는 소형이면서 고용량이 보장되고 실장이 용이하다는 장점으로 인하여 다양한 전자 장치에 사용된다. 적층 세라믹 커패시터는, 복수의 유전체층과 상기 유전체층 사이에 상이한 극성의 내부 전극이 번갈아 배치된 구조를 가진다. 최근 전자기기들이 소형화되는 경향에 따라 적층 세라믹 커패시터도 소형화되는 경향을 따르고 있으며, 이에 소형화를 위해 유전체층을 박막화하고 내부 전극의 적층 수를 높임으로써 고용량의 적층 세라믹 커패시터를 구현하고 있다.
적층 세라믹 커패시터는 복수의 유전체층과 유전체층 상에 형성된 제1,2내부 전극을 포함하며 내부 전극이 형성된 복수의 유전체층이 적층되어 형성되며 제1,2내부 전극은 하나의 유전체층을 사이에 두고 서로 대향되도록 배치된다.
그러나 이러한 커패시터는 내부 전극이 2차원 평면 형태이기 때문에 정전용량을 키우는데 한계가 있다.
한국 등록특허공보 등록번호 제10-2192426호 한국 등록특허공보 등록번호 제10-2189805호
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 커패시터의 적어도 하나의 전극을 3차원의 격자 모양으로 형성하여 정전용량을 키운 커패시터, 그 제조방법 및 커패시터용 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 커패시터는, 격자형 제1전극; 상기 제1전극의 표면상에 형성된 유전체;및 상기 유전체의 표면상에 형성된 제2전극;을 포함한다.
또한, 상기 격자형 제1전극은, 제1-1전극과 상기 제1-1전극과 교차되는 제1-2전극을 포함하는 교차 전극부; 및 상기 교차 전극부의 외측에 구비되는 측부 공통 전극부를 포함한다.
또한, 상기 측부 공통 전극부는, 복수개의 상기 제1-1전극과 연결되는 제1-1공통 전극부; 및 복수개의 상기 제1-2전극과 연결되는 제1-2공통 전극부를 포함한다.
또한, 인접하는 제1-1전극들과 인접하는 제1-2전극들 사이에 형성되는 관통부를 포함한다.
또한, 상기 격자형 제1전극은, 제1-1전극과 상기 제1-1전극과 교차되는 제1-2전극을 포함하는 교차 전극부; 및 상기 교차 전극부의 하면에 구비되는 하부 공통 전극부를 포함한다.
또한, 상기 유전체는 상기 하부 공통 전극부의 표면상에도 형성된다.
한편, 본 발명에 따른 커패시터의 제조방법은, 서로 교차하는 복수개의 개구부가 구비된 기판에서 상기 개구부에 금속을 충진하여 격자형 제1전극을 형성하는 단계; 상기 기판의 적어도 일부를 제거하여 상기 격자형 제1전극의 표면을 노출하는 단계; 상기 노출된 격자형 제1전극의 표면에 유전체를 형성하는 단계; 및 상기 유전체 상에 제2전극을 형성하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 기판은 양극산화막 재질로 구성되는 양극산화막 기판이다.
한편, 본 발명에 따른 커패시터는, 복수개의 제1-1전극과 복수개의 제1-2전극이 서로 교차하여 격자방을 형성하면서 구비되는 교차 전극부를 포함하는 제1전극; 상기 교차 전극부 표면상에 형성되는 유전체; 및 상기 유전체상에 형성되는 제2전극;을 포함한다.
또한, 상기 제1전극의 격자방 측면에 형성된 요철부를 포함한다.
또한, 상기 유전체는 상기 교차 전극부의 표면을 전체적으로 감싸면서 형성되고, 상기 제2전극은 상기 교차 전극부의 표면에 형성된 유전체의 표면을 전체적으로 감싸면서 형성된다.
한편, 본 발명에 따른 커패시터는, 격자형 제1전극; 상기 제1전극의 표면상에 형성된 유전체;및 상기 유전체의 표면상에 형성된 제2전극;을 포함하는 단위 커패시터를 포함하되, 상기 단위 커패시터들이 서로 직렬연결된다.
한편, 본 발명에 따른 커패시터는, 격자형 제1전극; 상기 제1전극의 표면상에 형성된 유전체;및 상기 유전체의 표면상에 형성된 제2전극;을 포함하는 단위 커패시터를 포함하되, 상기 단위 커패시터들이 서로 병렬연결된다.
한편, 본 발명에 따른 커패시터는, 격자형 제1전극; 상기 제1전극의 표면상에 형성된 유전체;및 상기 유전체의 표면상에 형성된 제2전극;을 포함하는 단위 커패시터를 포함하되, 상기 단위 커패시터들이 서로 직렬 및 병렬연결된다.
한편, 본 발명에 따른 커패시터용 전극은, 복수개의 제1-1전극과 복수개의 제1-2전극이 서로 교차하여 격자방을 형성하면서 구비되는 교차 전극부; 및 상기 교차 전극부의 외측에 구비되는 측부 공통 전극부;를 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 커패시터용 전극은, 복수개의 제1-1전극과 복수개의 제1-2전극이 서로 교차하여 격자방을 형성하면서 구비되는 교차 전극부; 및 상기 교차 전극부의 하면에 구비되는 하부 공통 전극부;를 포함한다.
본 발명은 커패시터의 적어도 하나의 전극을 3차원의 격자 모양으로 형성하여 정전용량을 키운 커패시터, 그 제조방법 및 커패시터용 전극을 제공한다.
도1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 커패시터의 사시도.
도 2는 도1의 A-A'단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1실시예를 위한 양극산화막을 도시한 도면.
도 4 내지 도 13은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 커패시터의 제조방법을 도시한 도면.
도 14는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 단위 커패시터를 도시한 도면.
도 15는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 단위 커패시터를 전기적으로 병렬 연결한 것을 도시한 도면.
도 16은 본 발명의바람직한 제1실시예에 따른 단위 커패시터를 전기적으로 직렬 연결한 것을 도시한 도면.
도 17은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 커패시터를 도시한 도면.
도 18 내지 도 23은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 커패시터의 제조방법을 도시한 도면.
도 24는 본 발명의 바람직한 제2실시예의 변형례를 도시한 도면.
이하의 내용은 단지 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 발명의 원리를 구현하고 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시 예들은 원칙적으로, 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시 예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시 도인 단면도 및/또는 사시도들을 참고하여 설명될 것이다. 이러한 도면들에 도시된 막 및 영역들의 두께 등은 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 또한 도면에 도시된 성형물의 개수는 예시적으로 일부만을 도면에 도시한 것이다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다.
다양한 실시예들을 설명함에 있어서, 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대해서는 실시예가 다르더라도 편의상 동일한 명칭 및 동일한 참조번호를 부여하기로 한다. 또한, 이미 다른 실시예에서 설명된 구성 및 작동에 대해서는 편의상 생략하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 커패시터는 단위 커패시터를 포함한다. 또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 커패시터는 적층 커패시터를 포함한다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 커패시터는 단위 커패시터들이 여러 개 결합된 형태를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 커패시터(100)는 격자형 제1전극(200), 격자형 제1전극(200)의 표면상에 형성된 유전체(300) 및 유전체(300)의 표면상에 형성된 제2전극(400)을 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 커패시터의 제조방법은 서로 교차하는 복수개의 개구부(11)가 구비된 기판(10)에서 개구부(11)에 금속(12)을 충진하여 격자형 제1전극(200)을 형성하는 단계, 기판(10)의 적어도 일부를 제거하여 격자형 제1전극(200)의 표면을 노출하는 단계, 노출된 격자형 제1전극(200)의 표면에 유전체(300)를 형성하는 단계 및 유전체(300) 상에 제2전극(400)을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 커패시터(100)는 적어도 하나의 전극이 3차원의 격자형 모양을 가진다. 격자형 전극은 소정의 높이를 가지는 복수개의 세부 전극이 서로 교차하여 격자방을 형성하는 구조를 포함하며 이를 통해 전극의 표면적을 3차원적으로 확장하게 된다. 격자형 전극의 표면에는 유전체(300)와 또 다른 전극이 순차적으로 형성됨으로써 커패시터(100)의 정전용량을 향상시킬 수 있게 된다.
먼저, 본 발명에 따른 제1실시예에 대해 살펴본다.
도1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 커패시터의 사시도이고, 도2는 도1의 A-A'단면도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 제1실시예를 위한 양극산화막을 도시한 도면이고, 도 4 내지 도 13은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 커패시터의 제조방법을 도시한 도면이며, 도 14는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 단위 커패시터를 도시한 도면이고, 도 15는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 단위 커패시터를 전기적으로 병렬 연결한 것을 도시한 도면이며, 도 16은 본 발명의바람직한 제1실시예에 따른 단위 커패시터를 전기적으로 직렬 연결한 것을 도시한 도면이다.
도 1, 도 2 및 도9를 참조하면, 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 커패시터는, 격자형 제1전극(200); 제1전극(200)의 표면상에 형성된 유전체(300); 및 유전체(300)의 표면상에 형성된 제2전극(400)을 포함한다.
격자형 제1전극(200)은, 교차 전극부(210)와 측부 공통 전극부(220)를 포함한다. 교차 전극부(210)는 복수개의 제1-1전극(211)과 복수개의 제1-2전극(213)이 서로 교차하여 격자방(240)을 형성하면서 구비된다.
격자형 제1전극(200)은 도전성 금속으로 형성되며, 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 주석(Sn), 산화인듐(ITO), 팔라듐(Pd) 또는 이들의 합금일 수 있으며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제1-1전극(211)과 제1-2전극(213)은 소정의 높이를 가지는 평면 전극으로 형성된다. 제1-1전극(211)과 제1-2전극(213)는 수십 ㎛의 높이로 형성되며, 바람직하는 1㎛이상 300㎛이하의 높이로 형성된다.
제1-1전극(211)과 제1-2전극(213)은 서로 교차하여 서로 인접하는 제1-1전극(211) 및 제1-2전극(213) 사이에 격자방(240)을 형성한다. 제1-1전극(211)과 제1-2전극(213)은 '+'형태로 서로 교차할 수 있으며 이 경우 격자방(240)은 사각의 형태로 형성될 수 있다. 제1-1전극(211)과 제1-2전극(213)이 서로 교차하는 각도는 90°에 한정되는 것은 것은 아니며 격자방(240)은 사각의 형태로 한정되는 것도 아니다.
측부 공통 전극부(220)는 교차 전극부(210)의 외측에 구비된다.
측부 공통 전극부(220)는 교차 전극부(210)의 높이와 실질적으로 동일한 높이로 형성된다. 따라서 측부 공통 전극부(220)는 수십 ㎛의 높이로 형성되며, 바람직하는 1㎛이상 300㎛이하의 높이로 형성된다.
측부 공통 전극부(220)는 제1-1공통 전극부(221)와 제1-2공통 전극부(223)을 포함한다. 제1-1공통 전극부(221)는 복수개의 제1-1전극(211)과 연결되고, 제1-2공통 전극부(223)는 복수개의 제1-2전극(213)과 연결된다.
도 1을 참조하면, 커패시터(100)는 제1-1전극(211)과 제1-2전극(213)이 십자가 형태로 교차('+' 형상)하는 교차 전극부(210)가 내측에 구비되고 교차 전극부(210)의 외측에는 폐쇄 형태('ㅁ'자 형상)의 측부 공통 전극부(220)가 형성된다. 이를 통해 교차 전극부(210)와 측부 공통 전극부(220)는 서로 일체적으로 형성되어 커패시터(100)의 격자형 제1전극(200)이 된다.
격자형 제1전극(200)의 표면상에는 유전체(300)가 형성된다. 유전체(300)은 노출된 격자형 제1전극(200)의 표면에 전체적으로 형성된다. 유전체(300)는 교차 전극부(210)의 표면을 전체적으로 감싸면서 형성된다. 또한 유전체(300)는 측부 공통 전극부(220)의 표면에도 형성되며, 바람직하게는 측부 공통 전극부(220)의 외측면을 제외한 표면에 전체적으로 형성된다.
유전체(300)는 탄탈 옥사이드(Ta2O5), 알루미늄 옥사이드(Al2O3), 티타늄 옥사이드(TiO2), 지코늄 옥사이드(ZrO2), 하프늄 옥사이드(HfO2), 티탄산바륨(BaTiO3)계 또는 티탄산스트론튬(SrTiO3)계 분말 또는 이들의 복합 유전체 중 적어도 하나를 포함하며, 충분한 정전용량을 발휘할 수 있는 재질인 것이 바람직하다. 유전체(300)는 증착공정(CVD, PVD, ALD)을 통해 형성될 수 있다.
유전체(300)의 표면상에는 제2전극(400)이 형성된다. 제2전극(400)은 유전체(300)가 형성된 영역에서 유전체(300)의 표면 상에 형성된다. 제2전극(400)은 교차 전극부(210)상에 형성된 유전체(300)의 표면을 전체적으로 감싸면서 형성된다. 또한, 측부 공통 전극부(220)의 표면상에 형성된 유전체(300)의 표면에도 형성되며, 바람직하게는 측부 공통 전극부(220)의 외측면을 제외한 표면에 전체적으로 형성된다.
제2전극(400)은 도전성 금속으로 형성되며, 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 주석(Sn), 산화인듐(ITO), 팔라듐(Pd) 또는 이들의 합금일 수 있으며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 제2전극(400)은 격자형 제1전극(200)과 동일한 재질로 형성될 수 있다.
격자형 제1전극(200)은 상면, 격자방(240)의 측면 및 하면에서 그 표면이 노출되어 구성되고, 유전체(300)는 격자형 제1전극(200)의 노출 표면 상에 형성되므로, 유전체(300) 역시 상면, 격자방(240)의 측면 및 하면에서 그 표면이 노출되어 형성된다. 또한 제2전극(400)은 유전체(300)의 노출 표면 상에 형성되므로 제2전극(400) 역시 상면, 격자방(240)의 측면 및 하면에서 그 표면이 노출되어 형성된다.
본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 커패시터(100)는 전극의 표면적이 3차원적으로 확장된 격자형 제1전극(200)을 포함하고, 3차원적으로 확장된 표면을 가지는 격자형 제1전극(200)의 표면상에 유전체(300)와 제2전극(400)을 형성함으로써 커패시터(100)의 정전용량을 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 커패시터(100)는 인접하는 제1-1전극(211)들과 인접하는 제1-2전극(213)들 사이에 형성되는 관통부(250)를 포함한다. 인접하는 제1-1전극(211)들과 인접하는 제1-2전극(213)들 사이는 격자방(240)이 형성되고, 격자방(240)은 상,하로 오픈되어 관통부(250)가 형성된다. 격자방(240)이 관통부(250)의 구성으로 형성됨에 따라 커패시터(300)의 온도 상승에 따른 방열을 보다 효과적으로 달성할 수 있다. 또한 관통부(250)를 통과하는 냉각 유체(기체, 액체)를 이용하여 커패시터(300)의 냉각을 보다 효과적으로 달성할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 커패시터(100)의 제조방법에 대해 설명한다.
도 3은 제1실시예에 따른 커패시터(100)의 제조방법에 사용되는 양극산화막(10)을 도시한 도면이다. 양극산화막(10)은 양극산화막은 모재인 금속을 양극산화하여 형성된 막을 의미하고, 포어는 금속을 양극산화하여 양극산화막을 형성하는 과정에서 형성되는 구멍을 의미한다. 예컨대, 모재인 금속이 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금인 경우, 모재를 양극산화하면 모재의 표면에 알루미늄 산화물(Al203) 재질의 양극산화막이 형성된다. 위와 같이 형성된 양극산화막은 수직적으로 내부에 포어(P)가 형성되지 않은 배리어층(12)과, 내부에 포어(P)가 형성된 다공층(11)으로 구분된다. 배리어층(12)과 다공층(11)을 갖는 양극산화막이 표면에 형성된 모재에서, 모재를 제거하게 되면, 알루미늄 산화물(Al203) 재질의 양극산화막만이 남게 된다.
양극산화막(10)은 양극산화시 형성된 배리어층(12)이 그대로 남아 포어(P)의 상, 하 중 일단부를 밀폐하는 구조로 형성될 수 있다. 포어(P)는 1 ㎚ 이상 100 ㎚ 이하의 직경을 가진다.
양극산화막은 2~3ppm/℃의 열팽창 계수를 갖는다. 이로 인해 고온의 환경에 노출될 경우, 온도에 의한 열변형이 적다. 따라서 커패시터의 제작 환경이 비록 고온의 환경이라 하더라도 열 변형없이 정밀한 커패시터를 제작할 수 있고, 사용환경이 고온의 환경이라 하더라도 내구성이 높은 커패시터를 제공할 수 있게 된다.
이와 같은 양극산화막(10)은 본 발명의 바람직한 제1실시예의 커패시터(100)를 제조함에 있어서 기판으로 이용된다. 이하에서는 양극산화막(10)을 이용하여 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 커패시터(100)의 제조방법에 대해 설명한다.
도 4는 하면에 시드층(20)이 구비된 양극산화막(10)을 도시한 도면으로서, 도 4a는 평면도이고 도 4b는 도 4a의 A-A'단면도이다.
도 4를 참조하면, 먼저 양극산화막(10)을 준비하고 양극산화막(10)의 하면에는 시드층(20)을 구비한다. 시드층(20)은 구리(Cu) 재질일 수 있다. 양극산화막(10)은 모재인 금속을 양극산화하여 형성한 후 모재를 제거함으로써 준비된다. 시드층(20)은 증착공정(CVD, PVD, ALD)을 통해 형성될 수 있다.
도 5는 양극산화막(10)에 개구부(15)를 형성한 것을 도시한 도면으로서, 도 5a는 평면도이고 도 5b는 도 5a의 A-A'단면도이다.
도 5를 참조하면, 양극산화막(10)에 개구부(15)를 형성한다. 개구부(15)는 양극산화막(10)을 에칭하여 형성될 수 있다. 이를 위해 양극산화막(10)의 상면, 보다 바람직하게는 배리어층(12)의 상면에 포토 레지스트를 구비하고 이를 패터닝한 다음, 패터닝되어 오픈된 영역의 양극산화막(10)이 에칭 용액과 반응하여 개구부(15)가 형성된다. 구체적으로 설명하면, 개구부(15)을 형성하기 전의 양극산화막(10)의 상면에 감광성 재료를 구비한 다음 노광 및 현상 공정이 수행될 수 있다. 감광성 재료는 노광 및 현상 공정에 의해 오픈영역을 형성하면서 적어도 일부가 패터닝되어 제거될 수 있다. 양극산화막(10)은 패터닝 과정에 의해 감광성 재료가 제거된 오픈영역을 통해 에칭 공정이 수행되어 그 일부가 제거되어 개구부(15)를 형성하게 된다. 양극산화막(10)을 에칭 용액으로 습식 에칭함으로써 수직한 내벽을 가지는 개구부(15)가 구비된다.
여기서 배리어층(12)의 상면에 포토레지스트를 형성하는 이유는, 다공층(11)의 상면에 포토레지스트(20)를 형성할 경우에는 패터닝 공정 이후에 포토레지스트(20)의 제거가 용이하지 않고, 포토레지스트(20)의 제거시 완벽하게 제거되지 못한 포토제지스트(20) 찌꺼기들이 다공층(11)의 포어(P) 내부에 잔존하고 있다가 추후에 방출되는 것을 방지하기 위함이다.
개구부(15)의 측면벽에는 트렌치(19)가 구비된다. 트렌치(19)는 양극산화막 제조시 형성된 포어(P)가 에칭 과정에서 오픈되면서 형성되는 포어형 트렌치(19a)일 수 있다. 이 경우, 포어형 트렌치(19a)의 폭과 깊이는 10 ㎚ 이상 1㎛ 이하의 범위를 가진다.
트렌치(19)는 포어형 트렌치(19a)와는 별개로, 양극산화막(10)의 에칭 과정에서 형성되는 에칭형 트렌치(19b)를 포함할 수 있다.
양극산화막(10)은 포토레지스트의 오픈 영역에서 에칭 용액과 반응하면서 포토레지스트의 오픈 패턴의 형상을 따라 수직한 방향으로 에칭되면서 개구부(15)가 형성된다. 포토레지스트를 패터닝할 때에 포토레지스트의 오픈 영역의 패턴 경계가 요철의 형태를 갖도록 하면, 포토레지스트의 요철 패턴 경계면에 의해 양극산화막 에칭시 양극산화막의 개구부(15)의 측면벽도 수평 단면에서 요철 패턴을 가지게 되며 개구부(15)의 측면벽에서의 요철부가 에칭형 트렌치(19b)가 된다. 에칭형 트렌치(19b)의 벽면에는 포어형 트렌치(19a)가 복수개 형성된다. 포어형 트렌치(19a)는 에칭형 트렌치(19b)의 벽면을 따라 형성되므로, 거시적인 관점에서 트렌치(19)는 포어형 트렌치(19a)와 에칭형 트렌치(19b)를 포함하게 된다. 에칭형 트렌치(19b)의 폭과 깊이는 포어형 트렌치(19a)의 폭과 깊이보다 더 크게 형성된다. 바람직하게는 에칭형 트렌치(19b)의 폭과 깊이는 100㎚ 이상 30㎛이하의 범위를 가진다.
이상과 같이, 트렌치(19)는 양극산화막 제조시 형성된 포어(P)가 에칭 과정에서 오픈되면서 형성되는 포어형 트렌치(19a)와 포토레지스트의 요철 패턴 경계면에 대응하여 양극산화막(10)의 에칭시 형성되는 에칭형 트렌치(19b)를 포함한다.
도 6 및 도 7은 양극산화막(10)의 개구부(15)의 내부에 도전성 금속(16)을 충진한 것을 도시한 도면으로서, 도 6a는 평면도이고 도 6b는 도 6a의 A-A'단면도이며 도 7은 도 6의 사시도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 개구부(15)의 내부에 도전성 금속(16)을 충진한다. 개구부(15)의 내부에 충진되는 도전성 금속(16)은 도금 방법에 의해 형성될 수 있다. 양극산화막(10)의 하면에 구비된 시드층(20)를 이용하여 전해 도금함으로써 개구부(15)의 내부에 도전성 금속(16)을 충진할 수 있다. 다만 이러한 제조 방법으로만 한정되는 것은 아니고 증착 방법을 이용하는 것도 가능하다. 도금 공정이 완료되면 평탄화 공정을 수행한다. 화학적 기계적 연마(CMP) 공정을 통해 양극산화막(10)의 상면으로 돌출된 도전성 금속(16)을 제거하면서 평탄화시킨다.
개구부(15)에 충진된 도전성 금속(16)은 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 주석(Sn), 산화인듐(ITO), 팔라듐(Pd) 또는 이들의 합금일 수 있으며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
개구부(15)에 충진된 도전성 금속(16)은 격자형 제1전극(200)이 된다. 격자형 제1전극(200)은, 교차 전극부(210)와 측부 공통 전극부(220)를 포함한다. 교차 전극부(210)는 복수개의 제1-1전극(211)과 복수개의 제1-2전극(213)이 서로 교차하여 격자방(240)을 형성하면서 구비된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 트렌치(19)는 포어형 트렌치(19a)와 에칭형 트렌치(19b)를 포함하고, 제1전극(200)이 포어형 트렌치(19a)와 에칭형 트렌치(19b)의 표면상에 형성된다. 제1전극(200)의 격자방(240) 측면에는 트렌치(19)의 표면에 도전성 금속(16)이 형성되어 요철부가 형성된다. 구체적으로, 포어형 트렌치(19a)의 표면에 도전성 금속(16)이 형성되어 포어형 요철부가 형성되고, 에칭형 트렌치(19b)의 표면에 도전성 금속(16)이 형성되어 에칭형 요철부가 형성됨으로써, 제1전극(200)의 표면적이 더욱 커지게 된다.
이후 양극산화막(10)의 하부에 구비된 시드층(20)은 제거된다. 시드층(20)은 구리(Cu) 에천트를 이용하여 제거될 수 있다.
도 8 및 도 9는 측부 공통 전극부(220)의 내측에 존재하는 양극산화막(10)을 제거한 것을 도시한 도면으로서, 도 8a는 평면도이고 도 8b는 도 8a의 A-A'단면도이며 도 9는 도 8의 사시도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 격자형 제1전극(200)의 측부 공통 전극부(220)의 내측에 존재하는 양극산화막(10)을 제거한다. 이를 위해 도전성 금속(16)이 충진된 양극산화막(10)의 상면에 포토 레지스트를 구비하고 이를 패터닝한 다음, 패터닝되어 오픈된 영역의 양극산화막(10)이 에칭 용액과 반응하여 측부 공통 전극부(220)의 내측의 양극산화막(10)이 제거된다. 그 결과 격자형 제1전극(200)의 표면이 외부로 노출되게 된다.
도 10 및 도 11은 노출된 격자형 제1전극(200)의 표면에 유전체(300)를 형성한 것을 도면으로서, 도 10a는 평면도이고 도 10b는 도 10a의 A-A'단면도이며 도 11은 도 10의 사시도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 노출된 격자형 제1전극(200)의 표면에 유전체(300)를 형성한다 유전체(300)는 탄탈 옥사이드(Ta2O5), 알루미늄 옥사이드(Al2O3), 티타늄 옥사이드(TiO2), 지코늄 옥사이드(ZrO2), 하프늄 옥사이드(HfO2), 티탄산바륨(BaTiO3)계 또는 티탄산스트론튬(SrTiO3)계 분말 또는 이들의 복합 유전체 중 적어도 하나를 포함하며, 충분한 정전용량을 발휘할 수 있는 재질인 것이 바람직하다. 유전체(300)는 증착공정(CVD, PVD, ALD)을 통해 형성될 수 있다.
도 12 및 도 13은 유전체(300)의 표면상에는 도전성 금속(17)을 형성한 것을 도시한 도면으로서, 도 12a는 평면도이고 도 12b는 도 12a의 A-A'단면도이며 도 13은 도 12의 사시도이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 유전체(300)의 표면상에는 도전성 금속(17)을 형성한다. 도전성 금속(17)은 제2전극(400)이 형성된다. 도전성 금속(17)은 교차 전극부(210)상에 형성된 유전체(300)의 표면을 전체적으로 감싸면서 형성된다. 또한, 도전성 금속(17)은 측부 공통 전극부(220)의 표면상에 형성된 유전체(300)의 표면에도 형성된다.
이후 테두리측의 유전체(300), 제2전극(400) 및 양극산화막(10)을 제거하여 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 커패시터(100)를 완성하게 된다. 한편 이와는 다르게 양극산화막(10)은 제거되지 않을 수 있으며, 따라서 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 커패시터(100)는 측부 공통 전극부(220)의 외측에 양극산화막(10)이 구비된 구조를 포함한다. 이 경우 측부 공통 전극부(220)의 외측에 구비된 양극산화막(10)은 측부 공통 전극부(220)의 외측면을 절연시키는 기능을 수행할 수 있다. 한편 배선연결을 위해 상면 및 하면 중 적어도 일부에서 제2전극(400) 및 유전체(300) 부분을 제거한 후 격자형 제1전극(200) 부분을 노출시켜 배선과 연결할 수 있다.
도 14는 측부 공통 전극부(220)의 외측면의 양극산화막(10)을 제거하여 측부 공통 전극부(220)의 외측면이 노출된 것을 도시한 도면이다. 노출된 측부 공통 전극부(220)의 외측면에 하나의 외부 전극을 연결하고, 제2전극(400)에 다른 하나의 외부 전극을 형성하여 커패시터를 형성하게 된다.
격자형 제1전극(200)과 제2전극(400)은 유전체(300)을 사이에 두고 서로 대향되게 구비된다. 제1전극(200)은 격자형으로 구성된 3차원 전극이고 제2전극(400)은 제1전극(200)의 표면을 따라 형성되므로 제2전극(400) 역시 격자형으로 구성된 3차원 전극이 된다. 이러한 격자형으로 형성되는 2개의 제1, 2전극(200, 400)에 외부 전극을 통해 전압을 인가하면 서로 대향하는 제1전극(211)과 제2전극(231) 사이에 전하가 축적되고, 이때 단위 커패시터의 정전 용량은 제1전극(200) 및 제2전극(400)의 서로 중첩되는 영역의 면적과 비례하게 된다. 여기서 제1전극(200) 및 제2전극(400)은 격자형으로 구성되는 3차원 전극이기 때문에 단위 커패시터의 정전용량을 크게 향상시킬 수 있게 된다.
단위 커패시터는 전기적으로 서로 직렬 연결되거나 병렬 연결되거나 직렬 및 병렬 연결될 수 있다. 도 15를 참조하면, 도 15는 격자형 제1전극(200), 제1전극(200)의 표면상에 형성된 유전체(300) 및 유전체(300)의 표면상에 형성된 제2전극(400)을 포함하는 단위 커패시터들이 서로 병렬 연결되는 구조를 도시한 도면이다. 도 16을 참조하면, 도 16은 격자형 제1전극(200), 제1전극(200)의 표면상에 형성된 유전체(300) 및 유전체(300)의 표면상에 형성된 제2전극(400)을 포함하는 단위 커패시터들이 서로 직렬 연결되는 구조를 도시한 도면이다.
복수개의 단위 커패시터들이 서로 직렬 연결되는 구조에 따르면 커패시터(100)의 내전압특성을 향상시킬 수 있다. 또한 복수개의 단위 커패시터들이 서로 병렬 연결되는 구조에 따르면 커패시터(100)의 정전용량을 더욱 크게할 수 있다.
한편, 단위 커패시터(10)들을 서로 직렬 연결 또는 병렬 연결하는 다양한 구조들은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 단위 커패시터의 개시 구성에 기초하여 통상의 기술자가 배선구조를 적절하게 형성하므로써 쉽게 도출할 수 있는 구조를 모두 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 커패시터(100) 및 그 제조방법에 대해 설명한다. 단, 이하 설명되는 실시예들은 상기 제1실시예와 비교하여 특징적인 구성요소들을 중심으로 설명하겠으며, 제1실시예와 동일하거나 유사한 구성요소들에 대한 설명은 생략한다.
도 17은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 커패시터를 도시한 도면이고, 도 18 내지 도 23은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 커패시터의 제조방법을 도시한 도면이다.
도 17을 참조하면, 도 17a는 제2실시예에 따른 커패시터(100)의 사시도이고, 도 17b는 도 17a의 A-A'단면도이다.
본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 커패시터(100)는, 격자형 제1전극(200), 제1전극(200)의 표면상에 형성된 유전체(300) 및 유전체(300)의 표면상에 형성된 제2전극(400)를 포함한다. 제2실시예에 따른 커패시터(100)는, 제1실시예에 따른 커패시터(100)와는 달리, 격자방(240)의 하면을 전극으로 이용한다는 점에서 차이가 있다.
격자형 제1전극(200)은, 교차 전극부(210)와 하부 공통 전극부(230)를 포함한다. 교차 전극부(210)는 복수개의 제1-1전극(211)과 복수개의 제1-2전극(213)이 서로 교차하여 격자방(240)을 형성하면서 구비된다.
하부 공통 전극부(230)는 교차 전극부(210)의 하면에 구비된다. 인접하는 제1-1전극(211)들과 인접하는 제1-2전극(213)들 사이에 형성되는 격자방(240)은 하부 공통 전극부(230)에 의해 그 하부가 막혀있는 형태의 구조가 된다.
교차 전극부(210)와 하부 공통 전극부(230)는 도전성 금속으로 형성되며, 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 주석(Sn), 산화인듐(ITO), 팔라듐(Pd) 또는 이들의 합금일 수 있으며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
유전체(300)는 교차 전극부(210)의 표면을 전체적으로 감싸면서 형성된다. 또한 유전체(300)는 하부 공통 전극부(220)의 상부 표면에도 형성된다.
제2전극(400)은 유전체(300)가 형성된 영역에서 유전체(300)의 표면 상에 형성된다.
이하 도 18 내지 도 23을 참조하여, 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 커패시터(100)의 제조방법에 대해 설명한다.
도 18은 하부에 시드층(20)이 구비된 양극산화막(10)을 도시한 도면으로서, 도 18a는 평면도이고 도 18b는 도 18a의 A-A'단면도이다.
도 18을 참조하면, 먼저 양극산화막(10)을 준비하고 양극산화막(10)의 하면에는 시드층(20)을 구비한다. 시드층(20)은 구리(Cu) 재질일 수 있다. 여기서의 시드층(20)은 하부 공통 전극부(230)를 구성할 수 있다. 물론 이에 한정되는 것은 아니고 시드층(20)은 후술하는 전기 도금 이후에 제거된 후 시드층(20)이 있던 영역에 금속층을 증착하여 해당 금속층이 하부 공통 전극부(230)를 구성하도록 할 수도 있다.
도 19는 개구부(15)가 형성된 양극산화막(10)을 도시한 도면으로서, 도 19a는 평면도이고 도 19b는 도 19a의 A-A'단면도이다.
도 19를 참조하면, 양극산화막(10)에 개구부(15)를 형성한다. 개구부(15)는 양극산화막(10)을 에칭하여 형성될 수 있다. 이를 위해 양극산화막(10)의 상면에 포토 레지스트를 구비하고 이를 패터닝한 다음, 패터닝되어 오픈된 영역의 양극산화막(10)이 에칭 용액과 반응하여 개구부(15)가 형성된다. 구체적으로 설명하면, 개구부(15)을 형성하기 전의 양극산화막(10)의 상면에 감광성 재료를 구비한 다음 노광 및 현상 공정이 수행될 수 있다. 감광성 재료는 노광 및 현상 공정에 의해 오픈영역을 형성하면서 적어도 일부가 패터닝되어 제거될 수 있다. 양극산화막(10)은 패터닝 과정에 의해 감광성 재료가 제거된 오픈영역을 통해 에칭 공정이 수행되어 그 일부가 제거되어 개구부(15)를 형성하게 된다. 양극산화막(10)을 에칭 용액으로 습식 에칭함으로써 수직한 내벽을 가지는 개구부(15)가 구비된다.
도 20은 양극산화막(10)의 개구부(15) 내부에 도전성 금속(16)을 충진한 것을 도시한 도면으로서, 도 20a는 평면도이고 도 20b는 도 20a의 A-A'단면도이다.
도 20을 참조하면, 개구부(15)의 내부에 도전성 금속(16)을 충진한다. 개구부(15)의 내부에 충진되는 도전성 금속(16)은 도금 방법에 의해 형성될 수 있다. 양극산화막(10)의 하면에 구비된 시드층(20)를 이용하여 전해 도금함으로써 개구부(15)의 내부에 도전성 금속(16)을 충진할 수 있다. 다만 이러한 제조 방법으로만 한정되는 것은 아니고 증착 방법을 이용하는 것도 가능하다. 도금 공정이 완료되면 평탄화 공정을 수행한다. 화학적 기계적 연마(CMP) 공정을 통해 양극산화막(10)의 상면으로 돌출된 도전성 금속(16)을 제거하면서 평탄화시킨다.
개구부(15)에 충진된 도전성 금속(16)은 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 주석(Sn), 산화인듐(ITO), 팔라듐(Pd) 또는 이들의 합금일 수 있으며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
개구부(15)에 충진된 도전성 금속(16)은 격자형 제1전극(200)이 된다. 격자형 제1전극(200)은, 교차 전극부(210)와 측부 공통 전극부(220)를 포함한다. 교차 전극부(210)는 복수개의 제1-1전극(211)과 복수개의 제1-2전극(213)이 서로 교차하여 격자방(240)을 형성하면서 구비된다. 격자방(240)은 상부는 개구되고 하부는 밀폐는 형태로 구성된다.
도 21은 격자형 제1전극(200)의 측부 공통 전극부(220)의 내측에 존재하는 양극산화막(10)을 제거한 것을 도시한 도면으로서, 도 21a는 평면도이고 도 21b는 도 21a의 A-A'단면도이다.
도 21을 참조하면, 격자형 제1전극(200)의 측부 공통 전극부(220)의 내측에 존재하는 양극산화막(10)을 제거한다. 이를 위해 도전성 금속(16)이 충진된 양극산화막(10)의 상면에 포토 레지스트를 구비하고 이를 패터닝한 다음, 패터닝되어 오픈된 영역의 양극산화막(10)이 에칭 용액과 반응하여 측부 공통 전극부(220)의 내측의 양극산화막(10)이 제거된다. 그 결과 격자형 제1전극(200)의 표면이 외부로 노출되게 된다.
도 22는 노출된 격자형 제1전극(200)의 표면에 유전체(300)를 형성한 것을 도시한 도면으로서, 도 22a는 평면도이고 도 22b는 도 22a의 A-A'단면도이다.
도 22를 참조하면, 노출된 격자형 제1전극(200)의 표면에 유전체(300)를 형성한다. 유전체(300)는 노출된 교차 전극부(210), 측부 공통 전극부(220) 및 하부 공통 전극부(230)의 표면 상에 형성된다. 유전체(300)가 하부 공통 전극부(230)의 표면 상에도 형성된다는 점에서 제1실시예의 유전체(300) 형성 영역과 차이가 있다.
도 23은 유전체(300)의 표면상에는 도전성 금속(17)을 형성한 것을 도시한 도면으로서, 도 23a는 평면도이고 도 23b는 도 23a의 A-A'단면도이다.
도 23을 참조하면, 유전체(300)의 표면상에는 도전성 금속(17)을 형성한다. 도전성 금속(17)은 제2전극(400)이 형성된다. 도전성 금속(17)은 교차 전극부(210)상에 형성된 유전체(300)의 표면에 전체적으로 형성된다. 또한, 도전성 금속(17)은 측부 공통 전극부(220)의 표면상에 형성된 유전체(300)의 표면에도 형성되며, 하부 공통 전극부(230)의 표면상에 형성된 유전체(300)의 표면에도 형성된다.
이후 양극산화막(10)을 제거하여 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 커패시터(100)를 완성하게 된다. 한편 이와는 다르게 양극산화막(10)은 제거되지 않을 수 있으며, 따라서 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 커패시터(100)는 측부 공통 전극부(220)의 외측에 양극산화막(10)이 구비된 구조를 포함한다. 이 경우 측부 공통 전극부(220)의 외측에 구비된 양극산화막(10)은 측부 공통 전극부(220)의 외측면을 절연시키는 기능을 수행할 수 있다.
도 24는 본 발명의 바람직한 제2실시예의 변형례를 도시한 도면이다. 도 24를 참조하면, 기본 구성은 앞서 설명한 제2실시예의 구조와 동일하지만, 제2실시예의 변형례는 제2전극(400)이 격자방(240)의 내부 전체를 채우면서 형성되는 구성이라는 점에서 격자방(240)의 내부 전체를 채우지 않는 제2실시예의 구조와 차이가 있다.
이상과 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 커패시터(100)는 적어도 하나의 전극이 3차원의 격자형 모양을 가진다. 격자형 전극은 소정의 높이를 가지는 복수개의 전극판들이 서로 교차하여 격자방을 형성하는 구조를 포함하며 이를 통해 전극의 표면적을 3차원적으로 확장하게 된다. 격자형 전극의 표면에는 유전체(300)와 또 다른 전극이 순차적으로 형성됨으로써 커패시터(100)의 정전용량을 향상시킬 수 있게 된다.
앞선 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예로서 제1, 2실시예만을 예로서 설명하고 제1,2실시예의 구성들을 조합하는 다른 실시예 내지는 변형례의 구성은 편의상 설명을 생략하였으나, 이러한 실시예 내지는 변형례 역시 본 발명의 바람직한 실시예가 될 수 있음은 분명하다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 통상의 기술자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
100: 커패시터 200: 격자형 제1전극
300: 유전체 400: 제2전극

Claims (16)

  1. 격자형 제1전극;
    상기 제1전극의 표면상에 형성된 유전체;및
    상기 유전체의 표면상에 형성된 제2전극;을 포함하는, 커패시터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 격자형 제1전극은,
    제1-1전극과 상기 제1-1전극과 교차되는 제1-2전극을 포함하는 교차 전극부; 및
    상기 교차 전극부의 외측에 구비되는 측부 공통 전극부를 포함하는, 커패시터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 측부 공통 전극부는,
    복수개의 상기 제1-1전극과 연결되는 제1-1공통 전극부; 및
    복수개의 상기 제1-2전극과 연결되는 제1-2공통 전극부를 포함하는, 커패시터.
  4. 제2항에 있어서,
    인접하는 제1-1전극들과 인접하는 제1-2전극들 사이에 형성되는 관통부를 포함하는, 커패시터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 격자형 제1전극은,
    제1-1전극과 상기 제1-1전극과 교차되는 제1-2전극을 포함하는 교차 전극부; 및
    상기 교차 전극부의 하면에 구비되는 하부 공통 전극부를 포함하는, 커패시터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유전체는 상기 하부 공통 전극부의 표면상에도 형성되는, 커패시터.
  7. 서로 교차하는 복수개의 개구부가 구비된 기판에서 상기 개구부에 금속을 충진하여 격자형 제1전극을 형성하는 단계;
    상기 기판의 적어도 일부를 제거하여 상기 격자형 제1전극의 표면을 노출하는 단계;
    상기 노출된 격자형 제1전극의 표면에 유전체를 형성하는 단계; 및
    상기 유전체 상에 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하는 커패시터의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기판은 양극산화막 재질로 구성되는 양극산화막 기판인, 커패시터의 제조방법.
  9. 복수개의 제1-1전극과 복수개의 제1-2전극이 서로 교차하여 격자방을 형성하면서 구비되는 교차 전극부를 포함하는 제1전극;
    상기 교차 전극부 표면상에 형성되는 유전체; 및
    상기 유전체상에 형성되는 제2전극;을 포함하는, 커패시터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1전극의 격자방 측면에 형성된 요철부를 포함하는, 커패시터.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 유전체는 상기 교차 전극부의 표면을 전체적으로 감싸면서 형성되고, 상기 제2전극은 상기 교차 전극부의 표면에 형성된 유전체의 표면을 전체적으로 감싸면서 형성되는, 커패시터.
  12. 격자형 제1전극; 상기 제1전극의 표면상에 형성된 유전체;및 상기 유전체의 표면상에 형성된 제2전극;을 포함하는 단위 커패시터를 포함하되,
    상기 단위 커패시터들이 서로 직렬연결되는, 커패시터.
  13. 격자형 제1전극; 상기 제1전극의 표면상에 형성된 유전체;및 상기 유전체의 표면상에 형성된 제2전극;을 포함하는 단위 커패시터를 포함하되,
    상기 단위 커패시터들이 서로 병렬연결되는, 커패시터
  14. 격자형 제1전극; 상기 제1전극의 표면상에 형성된 유전체;및 상기 유전체의 표면상에 형성된 제2전극;을 포함하는 단위 커패시터를 포함하되,
    상기 단위 커패시터들이 서로 직렬 및 병렬연결되는, 커패시터.
  15. 복수개의 제1-1전극과 복수개의 제1-2전극이 서로 교차하여 격자방을 형성하면서 구비되는 교차 전극부; 및
    상기 교차 전극부의 외측에 구비되는 측부 공통 전극부;를 포함하는, 커패시터용 전극.
  16. 복수개의 제1-1전극과 복수개의 제1-2전극이 서로 교차하여 격자방을 형성하면서 구비되는 교차 전극부; 및
    상기 교차 전극부의 하면에 구비되는 하부 공통 전극부;를 포함하는, 커패시터용 전극.

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