(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２０００ｐｐｍないし１２０００ｐｐｍの窒素を含有し、その一部又は全部が固溶しているタンタル又はニオブ基材を化成処理することを特徴とするタンタル又はニオブの化成膜の形成方法。
【請求項２】
タンタル又はニオブ基材が粉末焼結体であることを特徴とする請求項１に記載のタンタル又はニオブの化成膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タンタル又はニオブに代表される弁作用金属の陽極酸化膜(以下、化成膜と称する)と、それを利用した固体電解コンデンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
タンタルやニオブに代表される弁作用金属の化成膜（陽極酸化膜）は、良好な絶縁特性と高い誘電率を有するために、コンデンサの主要構成材料として用いられてきた。特にタンタル化成膜については、誘電特性が温度に対して安定である利点も加わって、固体電解コンデンサとしての利用が盛んである。
固体電解コンデンサはその用途によって保証されるべき安定動作期間が異なるが、厳しい環境で使用されるほど長い期間における安定動作が必要となる。静電容量の低下等の動作劣化の原因の一つとして、動作環境下において化成膜中の酸素原子の移動による化成膜質の変化があげられる。そのメカニズムは、アモルファス構造の化成膜中の酸素原子が化成膜−金属の境界を超えて結晶性の基体金属側へ移り、境界での結晶性酸化物の生成が進むことによるとされている（例えば、Corrosion Science,Vol.28,No.1,pp43-56 (1988)参照）。
【０００３】
従来、固体コンデンサの動作安定性の向上を目的とした技術は、固体電解コンデンサの構造、陰極材料、および陽極材料の改良とその形成方法に関するものがほとんどで、化成膜の構造を変えることにより上述の酸素原子の移動を抑制する方法はこれまでのところ見あたらない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、化成膜中の酸素原子の移動を抑制する構造を持つ安定性の高い化成膜を提供し、その安定性の高い化成膜を使用して、過酷な使用環境に耐え、長期間安定した特性を保証できる電解コンデンサを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
電解コンデンサの陽極として使用するタンタル又はニオブの化成膜において、表面からの厚さ方向でタンタル又はニオブ酸化物の化学量論的組成からタンタル又はニオブ金属の組成に遷移する中間組成領域を設け、該中間組成領域の厚さを４０ｎｍ以上に制御することにより、酸素原子の移動を抑制することとした。
すなわち、本発明のタンタル又はニオブの化成膜は、タンタル又はニオブ金属とタンタル又はニオブの酸化物の中間組成部分を有し、該中間組成部分の厚さが４０ｎｍ以上である化成膜とした。
化成膜中の酸素は動作環境中にエネルギーを受けることにより、ポテンシャル障壁を超えて金属側へ移る。ここでのエネルギーとは、主に電界エネルギーと熱エネルギーである。本発明者はこのようなメカニズムのもとで、酸素原子の移動を抑制する構造を鋭意検討した緒果、化成膜中の中間組成領域をポテンシャル障壁として活用し、この中間組成領域を４０ｎｍ以上に厚くすることにより、金属側へ移る酸素原子の量を抑制できることを見い出し本発明に至った。
【０００６】
また、本発明のタンタル又はニオブの化成膜は、前記中間組成部分にさらに窒素を含有させたものとした。窒素を含有させることにより、前記中間組成領域の厚さを制御して酸素の移動を抑制することが可能となる。
【０００７】
さらに本発明の電解コンデンサは、前記タンタル又はニオブ金属とタンタル又はニオブの酸化物の中間組成部分を有し、その厚さが４０ｎｍ以上である化成膜を具備し、酸素原子の移動を抑制することができるようにした、特性の安定した電解コンデンサである。
このような電解コンデンサにあっては、厳しい動作環境下にあってエネルギーを受けても化成膜中の酸素の移動が起こらず、安定性の高い特性を有する電解コンデンサが得られる。
【０００８】
また、本発明のタンタル又はニオブの化成膜の形成方法は、２０００ｐｐｍないし１２０００ｐｐｍの窒素を含有し、その一部又は全部が固溶しているタンタル又はニオブ基材を化成処理する方法である。タンタル又はニオブ基材としては、線、箔あるいは粉末焼結体等が使用できる。特に、タンタル又はニオブの粉末焼結体を使用する場合は表面積が極めて大きく、小型で大容量のコンデンサとすることができる。上記のタンタル又はニオブ基材の結晶中に窒素を固溶させておけば、中間組成領域にも窒素が含有されることになり、中間組成領域の厚さを制御することが可能となるので、中間組成領域を４０ｎｍ以上に厚くすることができる。なお、化成処理の方法は特に制限はなく、従来公知の方法が使用できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
一般に固体電解コンデンサはタンタル、ニオブ等の弁作用を有する金属の線、箔又は粉末焼結体を陽極体として用いている。この陽極体は化成処理（陽極酸化処理）を施して表面に化成膜（酸化皮膜）を形成し、その上に二酸化マンガン等の酸化金属層を付着させ、さらにその上にグラファイト層及び銀塗膜層からなる電極層を形成してコンデンサを形成している。上記化成処理によって得られるタンタル又はニオブの化成膜は強力な誘電体として働く。例えば、タンタル化成膜の金属側に隣接している部分はＴａ2Ｏ5の理論組成以上にＴａ原子を含んだ（換言すれば酸素濃度が低い）ｎ型酸化タンタルで、その厚さは５〜３０ｎｍと推定される。この層に続く層は、Ｔａ2Ｏ5の理論組成を持つ真性半導体とみなされるｉ層で、この層は化成電圧に比例した厚さを有し、静電容量を規定する誘電体として働く層である。
【００１０】
構造制御を行わない通常のタンタル又はニオブ化成膜の場合、その中間組成領域の厚さは４０ｎｍ未満であり、きわめて薄い中間組成領域を有する。中間組成領域の厚さは、代表的にはオージェ電子分光法により、深さ方向の酸素量を測定することにより求めることができる。
化成膜中の酸素は動作環境中に電界エネルギーや熱エネルギー等のエネルギーを受けることにより、中間組成領域のポテンシャル障壁を超えて金属側へ移動する。アモルファス構造の化成膜中の酸素原子が化成膜−金属の境界を超えて結晶性の基体金属側へ移り、境界での結晶性酸化物の生成が進み、化成膜質の変化が起こる。このため固体電解コンデンサの電気特性を劣化させることとなるものと推定される。
【００１１】
したがって、酸素の移動を抑制すれば電解コンデンサの電気特性の劣化を防ぐことが可能となる。本発明では化成膜中の中間組成領域の厚さを厚くすることにより酸素の移動を抑制し、もって電解コンデンサの電気特性の劣化を防ぐこととした。
化成膜の中間組成領域を厚くする方法については、特に限定するものではないが、化成電圧下で起きる酸素原子の電界拡散距離の分布を広くするような方法が全て利用できる。その一つの方法として、基体金属中の拡散速度が酸素よりも小さな元素を、化成前の基体金属中にあらかじめ存在させる方法を採用した。たとえば、窒素原子を固溶させた陽極材料を化成処理した場合、窒素原子により電界拡散を抑制された酸素原子は拡散距離に分布をもつことになり、その分布に応じた厚さで中間組成領域が形成されることになる。
【００１２】
本発明の構造を持つ化成膜が、酸素原子の移動を抑制されたものであることは、以下の実験例によって明らかである。実験例では酸素移動のためのエネルギーを与える方法として、化成膜を真空中で熱処理して熱エネルギーを付与しているが、この方法の妥当性については、例えばJ.Electrochem.Soc.Vo1.110,1264(1963)によって明らかである。この文献には窒素を添加していない通常のタンタルの化成膜について、熱処理の影響による酸素の移動により、誘電率が変わることが示されている。
【００１３】
（実験例）窒素を１７ｐｐｍ、４，３８０ｐｐｍ、１０，７３０ｐｐｍ含有するタンタル薄板を、６０℃の０．１％燐酸水溶液中において、昇電圧時電流密度８μＡ／ｍｍ2 、化成電圧１００Ｖで６０分の化成処理を行った。得られた化成膜について、オージェ電子分光法により深さ方向の酸素原子の分布を測定したところ、図１に示す結果が得られた。図１で横軸は試料表面からの距離、縦軸は酸素濃度を原子％で表わしたものである。試料表面には吸着酸素を示す酸素濃度の高いピークがあり、その後表面から１３０ｎｍ程度までは酸素濃度が約６０原子％の化成膜が形成されているのが判る。その後酸素分布の傾斜部分に相当する中間組成部分を経て、表面から３２０ｎｍ以降は酸素濃度が１０原子％以下の金属組成となっていることを示している。ここで、酸素分布の傾斜部分に相当する中間組成部分を膜厚に換算すると、窒素含有量が１７ｐｐｍの試料では３１ｎｍ（図１の曲線（１）参照）、窒素含有量が４３８０ｐｐｍの試料では９０ｎｍ（図１の曲線（２）参照）、窒素含有量が１０，７３０ｐｐｍの試料では１２９ｎｍ（図１の曲線（３）参照）であった。以上の通り、基材の窒素含有量が高いほど中間組成部分の膜厚は厚くなることが判る。
【００１４】
次に、窒素を１０７３０ｐｐｍ含有するタンタル薄板を使用して形成した、中間組成部分の膜厚が１２９ｎｍの化成膜の安定性の評価を目的として、化成処理後に得られたタンタル薄板を、真空中にて２００℃、３４０℃、４８０℃の３水準において６０分間の熱処理を行った。それぞれの化成膜中の酸素分布を測定したところ、いずれの熱処理温度でも酸素分布は熱処理前試料の酸素分布と変わらず、酸素原子の移動は見られなかった。４８０℃熱処理後の試料の酸素プロファイル（図２の曲線（３’）参照）は、図２に示したとおり熱処理前の酸素プロファイル（図２の曲線（３）参照）とほとんど同じであり、酸素分布の変化は認められなかった。
【００１５】
次に、窒素含有量が４３８０ｐｐｍのタンタル薄板を使用して得られた、中間組成部分の膜厚が９０ｎｍの化成膜について、前記の場合と同様にして安定性の評価を行った。その結果、酸素原子の移動は２００℃、３４０℃での熱処理の場合は認められなかったが、４８０℃の熱処理の場合には酸素原子の移動が認められた。４８０℃で熱処理した後の試料の酸素分布の変化を図３に示した、図３で熱処理前の酸素プロファイルを曲線（２）で示し、熱処理後の酸素プロファイルを曲線（２’）で示した。図３に示すとおり、４８０℃の熱処理後には酸素分布の傾斜部分が化成膜の表面側（図上で左側）にシフトして、酸化膜の厚さが薄くなっている。このシフトした部分の酸素が化成膜から内部のタンタル金属側へ移動した酸素量に相当する。
【００１６】
（比較例）
次ぎに、窒素含有量が１７ｐｐｍと窒素をほとんど含有しない、普通のタンタル薄板を使用して得られた、中間組成部分の膜厚が３１ｎｍの化成膜について、前記の場合と同様にして安定性の評価を行った。その結果、酸素原子の移動は２００℃での熱処理の場合は認められなかったが、３４０℃、４８０℃の熱処理の場合には酸素原子の移動が認められた。３４０℃で熱処理した後の試料の酸素分布の変化を図４に示した。図４で熱処理前の酸素プロファイルを曲線（１）で示し、熱処理後の酸素プロファイルを曲線（１’）で示した。図４に示すとおり、化成膜から内部のタンタル金属側へ酸素が移動した結果、酸素分布の傾斜部分は化成膜の表面側（図上で左側）にシフトして、酸化膜の厚さが薄くなっているのが認められた。中間組成領域の厚さが３１ｎｍと薄いので、前記の場合よりも低い温度で酸素移動が起きている。
【００１７】
以上の結果から、化成膜中の中間組成領域の厚さが厚いほど、酸素原子の移動が起こり難いことが判る。これらの事実を基にさらに詳細に検討を加えた結果、実用される電解コンデンサの厳しい使用環境下においても酸素原子の移動が起こらず、安定した電気特性を維持していくためには、中間組成領域の厚さを４０ｎｍ以上、好ましくは８０ｎｍ以上、さらに好ましくは１００ｎｍ以上とすれば良いとの結論に達した。中間組成領域の厚さは、化成処理電圧によって決まるが、４０ｎｍ以上、好ましくは８０ｎｍ以上、さらに好ましくは１００ｎｍ以上で化成膜厚の４０〜６０％とするのが良い。４０ｎｍ未満では酸素原子の移動を十分抑制できず、化成膜厚の６０％を越えると電解コンデンサの体積当たりの蓄電容量が確保できなくなる。
【００１８】
また、このような厚さの中間組成領域を得るには、窒素含有量が２０００ｐｐｍ以上１２０００ｐｐｍ以下のタンタル又はニオブ基材を使用すれば良いことが判明した。タンタル又はニオブ基材の窒素含有量が２０００ｐｐｍ未満では、化成処理する際に酸素原子の電界拡散距離を制御することができず、１２０００ｐｐｍを越えるとコンデンサに利用する場合に、初期の静電容量が低下する不都合が生じる。
【００１９】
【実施例】
窒素を１０，０５０ｐｐｍ、４，９２０ｐｐｍ、１２０ｐｐｍ含有するタンタル粉末にタンタル線を植え込み、真空中で焼結して陽極ペレットとした。次いでこのペレットを６０℃の０．１％燐酸水溶液中において昇電圧時電流密度８μＡ／ｍｍ2 、化成電圧１００Ｖで６０分の化成処理を行った。ここで、電流密度の対象となる表面積（ｍｍ2 ）は、焼結後のペレットの表面積を示す。
【００２０】
このようにして得た化成後の陽極ペレットについて、真空中にて２００℃、３４０℃、４８０℃で６０分間の熱処理を加えた後の静電容量を測定した。
静電容量の測定は、３０．５ vol％の硫酸溶液中で周波数１２０Ｈｚ、バイアス電圧１．５Ｖの条件で測定した。測定結果を表１に示す。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
表１の結果から、中間組成領域の厚さが１２９ｎｍの実施例１では、４８０℃に加熱後でも静電容量は１．０５ｎＦ／ｍｍ2 から２．５２ｎＦ／ｍｍ2 に変化するのみで、変化量が少なく特性が安定していることを示している。また、中間組成領域の厚さが９０ｎｍの実施例２では、３４０℃に加熱後の静電容量は１．１６ｎＦ／ｍｍ2 から１．５６ｎＦ／ｍｍ2 に変化するのみで変化量が少なく、４８０℃に加熱しても静電容量は１．１６ｎＦ／ｍｍ2 から１１．３８ｎＦ／ｍｍ2 にやや変化するのみで、特性が安定していることを示している。
これに対して中間組成領域の厚さが３１ｎｍである比較例においては、３４０℃に加熱後の静電容量は、１．１６ｎＦ／ｍｍ2 から１．６１ｎＦ／ｍｍ2 に変化する程度で変化量は少ないものの、４８０℃に加熱後は静電容量は４４．９ｎＦ／ｍｍ2 に達しており、静電容量の変化が大きく、特性が変化し易くて安定性に欠けていることを示している。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の形成方法によって得られる４０ｎｍ以上の厚さの中間組成領域を有する化成膜は、酸素原子の移動を抑制する効果を有し、このような化成膜を具備した電解コンデンサは、過酷な使用条件下においても特性が安定性し、高い信頼性を保証できる電解コンデンサが得られる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  酸素濃度プロファイルを示す図である。
【図２】  ４８０℃で熱処理後の酸素濃度プロファイルの一例を示す図である。
【図３】  ４８０℃で熱処理後の酸素濃度プロファイルの他の例を示す図である。
【図４】  ３４０℃で熱処理後の酸素濃度プロファイルの一例を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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