(57)【要約】本発明の実施例によるシステム及び方法は、細長体のアレイの形状に適合する導電性素子を有するマイクロ及びナノスケールキャパシタを提供する。一実施例では、細長体のアレイの形状に適合する導電性素子を有するマイクロ及びナノスケールキャパシタが、細長体のアレイの形状に適合する第１の導電性素子と、細長体のアレイの形状に適合する第２の導電性素子と、これら第１の導電性素子及び第２の導電性素子間に配置され、これら第１の導電性素子及び第２の導電性素子を互いに物理的に分離させる誘電体材料とを具えるようにする。
2015514315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
細長体のアレイの形状に適合する導電性素子を有するキャパシタであって、このキャパシタが、
細長体のアレイの形状に適合する第１の導電性素子と、
細長体のアレイの形状に適合する第２の導電性素子と、
これら第１の導電性素子及び第２の導電性素子間に配置され、これら第１の導電性素子及び第２の導電性素子を互いに物理的に分離させる誘電体材料と
を具えるキャパシタ。
【請求項２】
請求項１に記載のキャパシタにおいて、
前記第１の導電性素子及び第２の導電性素子は、互いに指合するが、互いに接触しないように構成された互いに異なる構造となっているキャパシタ。
【請求項３】
請求項２に記載のキャパシタにおいて、電極間のギャップが約１０μｍよりも小さくなっているキャパシタ。
【請求項４】
請求項２に記載のキャパシタにおいて、前記第１の導電性素子及び第２の導電性素子の各々が円柱体のアレイの形状に適合しているキャパシタ。
【請求項５】
請求項２に記載のキャパシタにおいて、前記第１の導電性素子及び第２の導電性素子の各々が６角形の細長体のアレイの形状に適合しているキャパシタ。
【請求項６】
請求項２に記載のキャパシタにおいて、前記第１の導電性素子及び第２の導電性素子の各々が細長体のアレイを構成しているキャパシタ。
【請求項７】
請求項２に記載のキャパシタにおいて、前記第１の導電性素子及び第２の導電性素子の各々が細長体のアレイ上に堆積された被膜を構成しているキャパシタ。
【請求項８】
請求項２に記載のキャパシタにおいて、前記誘電体材料がポリベンゾイミダゾールであるキャパシタ。
【請求項９】
請求項８に記載のキャパシタにおいて、前記誘電体材料がセラゾール（Celazole：登録商標）ポリベンゾイミダゾール材料であるキャパシタ。
【請求項１０】
請求項１に記載のキャパシタにおいて、
前記第１の導電性素子は、細長体のアレイ上に配置された層であり、
前記誘電体材料は、この第１の導電性素子上に配置された層であり、
前記第２の導電性素子は、この誘電体材料上に配置された層である
キャパシタ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のキャパシタにおいて、前記細長体のアレイが導電性のシリコンを有しているキャパシタ。
【請求項１２】
請求項１１に記載のキャパシタにおいて、前記細長体のアレイが前記導電性のシリコン上に配置された誘電体材料の層を有しているキャパシタ。
【請求項１３】
請求項１２に記載のキャパシタにおいて、前記第１の導電性素子及び第２の導電性素子の各々がTiＮを有しているキャパシタ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のキャパシタにおいて、前記誘電体材料がAl2 Ｏ3 を有しているキャパシタ。
【請求項１５】
請求項１０に記載のキャパシタにおいて、前記細長体のアレイがカーボンナノチューブを有しているキャパシタ。
【請求項１６】
請求項１５に記載のキャパシタにおいて、前記細長体のアレイが前記カーボンナノチューブ上に層状化されたシリコン酸化物を有しているキャパシタ。
【請求項１７】
請求項１６に記載のキャパシタにおいて、前記第１の導電性素子及び第２の導電性素子の各々がTiＮを有しているキャパシタ。
【請求項１８】
請求項１６に記載のキャパシタにおいて、前記誘電体材料がAl2 Ｏ3 を有しているキャパシタ。
【請求項１９】
請求項１６に記載のキャパシタにおいて、このキャパシタが更に、
第２の誘電体材料と、
第３の導電性素子と、
第３の誘電体材料と、
第４の導電性素子と、
第４の誘電体材料と、
第５の導電性素子と
を具えており、
前記第２の誘電体材料は前記第２の導電性素子上に配置された層とし、
前記第３の導電性素子はこの第２の誘電体材料上に配置された層とし、
前記第３の誘電体材料はこの第３の導電性素子上に配置された層とし、
前記第４の導電性素子はこの第３の誘電体材料上に配置された層とし、
前記第４の誘電体材料はこの第４の導電性素子上に配置された層とし、
前記第５の導電性素子はこの第４の誘電体材料上に配置された層とした
キャパシタ。
【請求項２０】
請求項１に記載のキャパシタにおいて、前記誘電体材料をBaTiＯ3 としたキャパシタ。
【請求項２１】
請求項１に記載のキャパシタにおいて、前記第１の導電性素子と、前記第２の導電性素子と、前記誘電体材料とが同様な熱膨張係数を有しているキャパシタ。
【請求項２２】
請求項１に記載のキャパシタにおいて、前記第１の導電性素子と、前記第２の導電性素子と、前記誘電体材料とが、このキャパシタを約２０℃〜３６０℃の範囲内の温度で動作させうるようにしてあるキャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、キャパシタに関するものである。
（連邦資金提供についての記述）
【０００２】
本明細書に開示された発明は、ＮＡＳＡとの契約に基づいた研究の遂行で成されたものであり、契約者が権利を保有することを選択した一般法９６−５１７（米国特許法第２０２条）の規定に従うものである。
【背景技術】
【０００３】
キャパシタは、電荷を蓄積しうる装置であり、代表的に、互いに接近させてあるが接触されていない２つの導電性物体から成っている。キャパシタは電気回路に広く用いられている。これらのキャパシタは例えば、カメラのフラッシュとして、或いはまた停電の際のエネルギーの予備として後に使用するために電荷を蓄積するのに用いることができる。キャパシタは、電荷及びエネルギーの急上昇（サージ）を阻止して回路を保護したり、無線通信部品を形成したり、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）における２進コード用のメモリとして動作させたりするのに用いることもできる。キャパシタは、印加電圧に比例して、且つキャパシタの固有の特性であるそのキャパシタンスに比例して電荷を蓄積するものである。従って、キャパシタンスが大きく、従って、多くの電荷を蓄積しうるキャパシタを開発するのが有用である。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の例によるシステム及び方法は、細長体のアレイの形状に適合する導電性素子を有するマイクロ・ナノスケールキャパシタを提供する。一例では、細長体のアレイの形状に適合する導電性素子を有するキャパシタは、細長体のアレイの形状に適合する第１の導電性素子と、細長体のアレイの形状に適合する第２の導電性素子と、これら第１の導電性素子及び第２の導電性素子間に配置され、これら第１及び第２の導電性素子を物理的に分離させた誘電体材料とを有している。
【０００５】
他の例では、第１の導電性素子と第２の導電性素子とを、互いに指合しているも互いに物理的に接触していない個別の構成体とする。
【０００６】
更なる例では、電極間のギャップを約１０μｍよりも小さくする。
【０００７】
別の他の例では、第１の導電性素子と第２の導電性素子との各々を円柱体のアレイの形状に適合させる。
【０００８】
別の更なる例では、第１の導電性素子と第２の導電性素子との各々を６角形の細長体のアレイの形状に適合させる。
【０００９】
もう一つの他の例では、第１の導電性素子と第２の導電性素子との各々が細長体のアレイを構成しているようにする。
【００１０】
もう一つの更なる例では、第１の導電性素子と第２の導電性素子との各々が細長体のアレイ上に堆積された被膜を構成しているようにする。
【００１１】
もう一つの別の他の更なる例では、前記誘電体材料をポリベンゾイミダゾールとする。
【００１２】
もう一つの別の更なる例では、前記誘電体材料をセラゾール（Celazole：登録商標）ポリベンゾイミダゾール材料とする。
【００１３】
他の例では、前記第１の導電性素子を細長体のアレイ上に配置された層とし、前記誘電体材料をこの第１の導電性素子上に配置された層とし、前記第２の導電性素子をこの誘電体材料上に配置された層とする。
【００１４】
更なる例では、前記細長体のアレイに導電性のシリコンを含める。
【００１５】
もう一つの他の例では、前記細長体のアレイに、前記導電性のシリコン上に配置された誘電体材料の層を含める。
【００１６】
もう一つの更なる例では、前記第１の導電性素子と前記第２の導電性素子との各々がTiＮを有するようにする。
【００１７】
別の他の例では、前記誘電体材料がAl2 Ｏ3 を含むようにする。
【００１８】
別の更なる例では、前記細長体のアレイがカーボンナノチューブを有するようにする。
【００１９】
もう一つの別の他の例では、前記細長体のアレイがカーボンナノチューブ上で層状にした酸化シリコンを有するようにする。
【００２０】
もう一つの別の更なる例では、前記第１の導電性素子と前記第２の導電性素子との各々がTiＮを含むようにする。
【００２１】
他の例では、前記誘電体材料がAl2 Ｏ3 を有するようにする。
【００２２】
更なる例では、キャパシタが、第２の誘電体材料と、第３の導電性素子と、第３の誘電体材料と、第４の導電性素子と、第４の誘電体材料と、第５の導電性素子とを有し、第２の誘電体材料を前記第２の導電性素子上に配置された層とし、第３の導電性素子は第２の誘電体材料上に配置された層とし、第３の誘電体材料は第３の導電性素子上に配置された層とし、第４の導電性素子は第３の誘電体材料上に配置された層とし、第４の誘電体材料は第４の導電性素子上に配置された層とし、第５の導電性素子は第４の誘電体材料上に配置された層とする。
【００２３】
別の他の例では、誘電体材料をBaTiＯ3 とする。
【００２４】
別の更なる例では、第１の導電性素子と、第２の導電性素子と、誘電体材料とが同様な熱膨張係数を有するようにする。
【００２５】
もう一つの他の例では、第１の導電性素子と、第２の導電性素子と、誘電体材料とにより、キャパシタが約２０℃〜３６０℃の温度範囲内で動作しうるようにする。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】図１Ａは、２つの導電性素子を有するキャパシタであって、各導電性素子を細長体のアレイの形状に適合させるとともに、互いに異なる構造にし、本発明の実施例により互いに指合させる構造としたキャパシタの指合前の状態を示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１のキャパシタの指合後の状態を示す側面図である。
【図２】図２は、指合させるように構成した２つの導電性素子の空間的関係を特徴づけるのに用いうるパラメータを示す説明図である。
【図３】図３は、互いに指合されるように構成された２つの導電性素子のキャパシタンスの期待値を、本発明の実施例によるこれら導電性素子の空間的関係の関数として示すグラフ線図である。
【図４】図４は、細長体が本発明の実施例による形態をとりうるハニカム構造を示す線図である。
【図５】図５は、細長体のアレイの形状に適合する導電性素子を、本発明の実施例により細長体のアレイに如何に被覆させるかを示す線図である。
【図６】図６は、導電性材料と誘電体材料との層を本発明の実施例により導入するマイクロスケールキャパシタを示す線図である。
【図７】図７は、導電性材料と誘電体材料との層を本発明の実施例により導入するナノスケールキャパシタを示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、キャパシタンスの期待値が、キャパシタンスの幾何学的形態の関数として如何に変化しうるかを表す一態様を示す線図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、キャパシタンスの期待値が、キャパシタンスの幾何学的形態の関数として如何に変化しうるかを表す他の一態様を示す線図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、キャパシタンスの期待値が、キャパシタンスの幾何学的形態の関数として如何に変化しうるかを表す更に他の一態様を示す線図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、キャパシタンスの期待値が、キャパシタンスの幾何学的形態の関数として如何に変化しうるかを表す更に他の一態様を示す線図である。
【図８Ｅ】図８Ｅは、キャパシタンスの期待値が、キャパシタンスの幾何学的形態の関数として如何に変化しうるかを表す更に他の一態様を示す線図である。
【図９】図９は、誘電定数が温度の関数として如何に変化しうるかと、この誘電定数を如何に処理しうるかを示すグラフ線図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、高温度の下で動作しうる本発明の一実施例によるキャパシタを示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、高温度の下で動作しうる本発明の他の実施例によるキャパシタを示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、図１１Ａ及び１１Ｂに示すキャパシタの検査結果の一態様を示すグラフ線図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａ及び１１Ｂに示すキャパシタの検査結果の他の一態様を示すグラフ線図である。
【図１２】図１２は、図１０Ａに示すキャパシタが損傷されているが、依然として適切に良好に実行されることを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に図面を参照するに、細長体のアレイの形状に適合する導電性素子を有するマイクロ・ナノスケールキャパシタを提供するシステム及び方法につき説明する。キャパシタのキャパシタンスは、一般に導電性素子の表面積及びこれら導電性素子の分離距離の関数となる。一般に、キャパシタンスは表面積が増大するのに応じて増大し、分離距離が増大するのに応じて減少する。例えば、平行プレートキャパシタのキャパシタンス、すなわち真空中である距離だけ分離された２つの平行な導電性のプレートのキャパシタンスは、以下の関係式を用いて決定しうる。
Ｃ＝（ε0 ・Ａ）／ｄ
ここで、
Ｃはキャパシタンスであり、
ε0 は自由空間の誘電率であり、
Ａはプレートの表面積であり、
ｄはプレートを分離する距離である。
【００２８】
同様に、円柱（円筒）型キャパシタのキャパシタンス、すなわちロッド（棒状体）が円柱（円筒）管内の中央に且つこれと平行に（真空により分離されて）配置されているキャパシタのキャパシタンスは、
Ｃ＝（２πε0 Ｌ）／ln（Ｒa ／Ｒb ）
である。
ここで、
Ｌはロッド及び円柱管の長さであり、
Ｒa は円柱管の内面の半径であり、
Ｒb はロッドの半径である。
【００２９】
又同様に、球型キャパシタのキャパシタンス、すなわち第１の球型シェルが第２の球型シェル内の中央に（真空により分離されて）配置されているキャパシタのキャパシタンスは以下の関係式により決定しうる。
Ｃ＝４πε0 （ｒa ｒb ／（ｒb −ｒa ））
ここで、
ｒa は第１の球型シェルの半径であり、
ｒb は第２の球型シェルの半径である。
【００３０】
キャパシタのキャパシタンスは、導電性素子を分離するのに真空とは対照的に誘電体材料を用いることにより増大させることができること勿論である。これらの場合、キャパシタンスは、誘電体材料の関数である誘電定数Ｋに比例して増大する。幾つかの誘電体材料及びこれらの誘電定数を以下の表１に示す。
【００３１】
【表１】
2015514315.tif 000003
この表１におけるデータは、
「J.E. Sergent, “Chapter 8: Discrete Passive Components for Hybrid Circuits,” in Hybrid Microelectronics Handbook, Second Edition, J.E. Sergent and C.A. Harper, eds., McGraw-Hill, Inc., New York, 1995, pp. 8-1 to 8-40」
から取出したものであり、この文献の開示は参考のためにここに導入されるものである。
【００３２】
要するに、キャパシタのキャパシタンスは、導電性素子の表面積を増大させ、これら導電性素子間の分離距離を減少させ、適切な誘電体材料を用いることにより増大させることができる。従って、本発明の多くの実施例では、キャパシタが、細長体のアレイの形状に適合する導電性素子を有するようにする。このようにすることにより、導電性素子の表面積を著しく増大させることができる。多くの実施例では、キャパシタが、細長体のアレイの形状に適合する第１の導電性素子と、細長体のアレイの形状に適合する第２の導電性素子と、これら第１の導電性素子及び第２の導電性素子間に配置され、これら第１及び第２の導電性素子を物理的に分離させた誘電体材料とを有している。幾つかの実施例では、第１の導電性素子及び第２の導電性素子の各々が、互いに指合されるが物理的に接触されないように異なる構造となるようにする。図１Ａ及び１Ｂは、２つの導電性素子を有するキャパシタを示しており、本発明の実施例によればこれらの導電性素子の各々が互いに異なる構造をしているとともに指合するように構成されているが、互いに物理的に接触しない。特に、キャパシタ１００は、誘電体材料１０６により分離された第１の導電性素子１０２及び第２の導電性素子１０４を有している。図１Ｂは、これらの導電性素子を如何にして指合させることができるかを示している。
【００３３】
多数の実施例で、第１の導電性素子を電極体のアレイの形状に適合させ、誘電体材料をこの第１の導電性素子上で層状にし、第２の導電性素子をこの誘電体材料上で層状にする。これらの方法では、２つの導電性素子の表面積を増大させることができるとともに、これらの導電性素子を分離させる距離を減少させることができ、従って、キャパシタンスを増大させることができる。
【００３４】
高温度の動作に耐えうるキャパシタを開発することも望まれている。従って、多数の実施例では、キャパシタに、高温度に適合しうるようにした、導電性素子と誘電体材料との組合せを導入する。例えば、誘電体材料に対する誘電定数を温度に応じて変えうるようにしうる。従って、高温度の場合でも、比較的高い誘電定数を有する誘電体材料を選択／開発しうるようにする。同様に、高温度の動作に耐えることのできるキャパシタを開発するのに、構成素子を、これらが適合しうるように且つ密着的に機能しうる（例えば、これらが適合性のある熱膨張係数を有する）ように選択しうるようにする。
【００３５】
細長体のアレイの形状に適合し指合する２つの個別の導電性素子を導入するキャパシタを以下に説明する。
（細長体のアレイの形状に適合し指合する２つの導電性素子を導入するキャパシタ）
【００３６】
上述したように、多くの実施例では、キャパシタが、細長体のアレイの形状に適合する第１の導電性素子と、細長体のアレイの形状に適合する第２の導電性素子とを有し、これら第１の導電性素子及び第２の導電性素子は、互いに指合しているも互いに物理的に接触させないようにしている。このようにすることにより、キャパシタを形成するこれら２つの導電性素子間の表面積を著しく増大させうるとともに、これら導電性素子間の距離を減少させることができる。従って、キャパシタンスを増大させることができる。再び図１Ａ及び１Ｂを参照するに、これらの図には、細長体のアレイの形状に適合する第１及び第２の導電性素子を如何にして指合させてキャパシタを形成しうるかを示している。この図示の実施例では、第１の導電性素子１０２及び第２の導電性素子１０４が円柱体のアレイの形態をしている。従って、第１の導電性素子１０２及び第２の導電性素子１０４は、キャパシタ１００を形成するように指合又はかみ合うように構成しうる。第１の導電性素子１０２及び第２の導電性素子１０４間には誘電体材料１０６を差し挟み、キャパシタンスを高めるようにしうる。２つの導電性素子はキャパシタ電極として作用すること勿論である。
【００３７】
図２は、第１の導電性素子と第２の導電性素子との間の空間的関係を特徴づけうる幾つかのパラメータを示しており、これらパラメータによりキャパシタを特徴づけることができる。例えば、電極間のギャップと指合範囲とが示されている。指合範囲は導電性素子間の重複面積と一致することを銘記すべきである。又、キャパシタンスは一般に、重複する表面積が大きくなるにつれ且つ電極間距離が小さくなるにつれ増大する。図３は、微細加工した１mm×１mmのSiプレートに対し電極間構造を３種類の異なる値、すなわち１μｍ、１０μｍ及び１００μｍとした場合の重複面積の関数として期待キャパシタンス値を示すグラフ線図である。電極間距離が最小で、実効重複面積が最大である場合のキャパシタンスが最大であることを銘記すべきである。２つの導電性素子間の特定な空間的関係を開示したが、他のファクタをも考慮しうる。例えば、厚さを減少させることによりキャパシタンスを増大させる能力は、誘電体材料の破壊電圧により又製造処理によっても制限されるおそれがある。従って、多くの実施例では、誘電体材料がその破壊電圧に接近する電位差を受けないように、第１及び第２の導電性素子間の距離を保つようにする。
【００３８】
円柱型の素子を示したが、本発明の実施例では如何なる形状の細長体をも用いることができること勿論である。例えば、横断面が６角形の細長体を用いることができる。図４は、細長体が、本発明の一実施例により用いうるようにした６角形の横断面を有している“ハニカム”構造を示している。このハニカム構造は、導電性素子間の電極間距離を一定に維持しうる限りにおいて有利となりうるものである。本発明の実施例によれば、正方形の横断面を有する細長体（“ポスト”）を同様に用いることができる。上述したところでは、長さ全体に亘って一定の横断面を有している細長体を示しているが、これらの細長体がこれらの長さ全体に亘って一定の横断面を有することは必須なことではなく、これらが先細となるようにしうる。一般に、本発明の実施例により表面積を増大させるのに如何なる細長体をも用いうるものである。
【００３９】
更に、上述したところでは、一様（ソリッド）の細長体を構成する導電性素子を説明したが、本発明の実施例によれば、一様である細長体を構成しない導電性素子を用いることもできる。例えば、ある実施例では、細長体のテンプレートアレイ上に導電性素子を被覆する。従って、この導電性素子は細長体のアレイの形状に適合すると言うことができる。これは、細長体のアレイに拘らず適切な導電性素子の本体の形状となること勿論であり、細長体のアレイは単に表面積を増大させたる形状を規定するものである。図５は、細長体５０２のテンプレートアレイ上に被覆した導電性素子５０４を示している。一般に、導電性素子の表面積は、本発明の実施例による如何なる方法でも細長体のアレイの形状に近似するように増大させることができる。
【００４０】
本発明の実施例によれば如何なる誘電体をも用いることができ、これには表１に掲げた誘電体を含むが、これらに限定されるものではない。この表１には、例えば、セラゾール（Celazole：登録商標）ＰＢＩ（ポリベンゾイミダゾール）が含まれており、例えば、表２に掲げた特性を有するＰＢＩパフォーマンスプロダクツ（Performance Products）社により製造されたセラゾール（Celazole：登録商標）ＰＢＩ（ポリベンゾイミダゾール）を用いることができる。
【００４１】
【表２】
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【００４２】
ポリベンゾイミダゾールを主成分とする適切な如何なる材料も用いることができること勿論である。例えば、ＰＢＩパフォーマンスプロダクツ社により製造された、セラゾールＵ‐６０、セラゾールＵ‐６０ＳＤ、セラゾールＵ‐６０ＥＳＤ、セラゾールＴＵ‐６０、セラゾールＴＦ‐６０Ｃ、セラゾールＴＦ‐６０Ｂ、セラゾールＴＬ‐６０のうちの何れを用いることもできる。セラゾール（Celazole：登録商標）を主成分とする材料を誘電体材料として用いるのが有利な理由は、高温度で機能する能力がある為である。セラゾール（Celazole：登録商標）を参照したが、本発明の実施例では、ポリベンゾイミダゾールを主成分とする他の多くの材料を誘電体として用いることができる。実際に、高温度に耐える適切な如何なるポリマも用いることができる。より一般的に、本発明の実施例によれば、（空気又は真空を含む）適切な如何なる誘電体材料も用いることができる。
【００４３】
上述したように、キャパシタも、導電性素子の層状被膜と、誘電体材料とを用いており、これらは細長体のアレイの形状に適合するものであり、これを以下に詳細に説明する。
（導電性素子と誘電体材料との層を有するキャパシタ）
【００４４】
多くの実施例では、キャパシタが導電性素子の層とキャパシタを形成するための誘電体材料の層とを有している。細長体の形態となる導電性材料の層及び誘電体材料の層を用いると、単一の個別構造を用いて表面積の大きなキャパシタを形成しうる。図６は、導電性素子の層と誘電体材料の層とを使用しているマイクロスケールキャパシタを示している。キャパシタは特に、導電性シリコンの細長体と、第１の誘電体と、導電性素子である第１の金属と、第２の誘電体と、導電性素子である第２の金属とを有している。特に、第１の誘電体は導電性シリコンの細長体上に層状化されており、導電性素子である第１の金属は第１の誘電体上に層状化されており、第２の誘電体は導電性素子である第１の金属上に層状化されており、導電性素子である第２の金属は第２の誘電体上に層状化されている。この場合も、２つの金属は電極として作用しうる。
【００４５】
幾つかの実施例では、細長体のアレイ自体が電極として作用するようにでき、例えば、誘電体材料の層を、第１の電極として作用する細長体のアレイ上に堆積しうるとともに、導電性素子であり第２の電極として作用しうる材料の層を誘電体材料の層上に堆積しうるようにする。
【００４６】
図７は、導電性素子の層と誘電体材料の層とを使用するナノスケールキャパシタを示している。この図示の実施例では、シリコン酸化物の第１の誘電体が単一のカーボンナノチューブ上に層状化され、導電性素子である第１の金属がシリコン酸化物上に層状化され、第２の誘電体が導電性素子である第１の金属上に層状化され、第２の金属が第２の誘電体上に層状化されている。２つの金属はキャパシタに対する電極として作用しうること勿論である。被膜を等角的に層状化するのに原子層堆積法（ＡＬＤ）を用いることができる。本発明の実施例では、適切な如何なる導電性素子をも及び適切な如何なる誘電体材料をも上述したように層状化しうることを銘記すべきである。例えば、多数の実施例で、導電性素子としてTiＮを用いる。幾つかの実施例では、誘電体材料としてAl2 Ｏ3 を用いる。多数の実施例では、室温から少なくとも約３６０℃までの温度でキャパシタがその機能性を維持しうるように材料を選択する。本発明の実施例によれば、表１に掲げた材料を含む（しかしこれらに限定されるものではない）適切な如何なる材料をも用いることができる。
【００４７】
キャパシタの表面積を増大させ、これによりキャパシタンスを増大させるように、導電性材料の被膜及び誘電体材料の層を繰返し設けるようにするのが有利である。例えば、第２の導電性素子の頂面上に第３の誘電体材料を層状化しうるようにするとともに、その後に第３の導電性素子を層状化しうるようにし、このパターンを繰返しうるようにする。実際には、このパターンを繰返すことにより複数の“サブキャパシタ”（すなわち、単一の誘電体材料により分離された何れかの２つの導電性素子）をもたらし、これらを並列に接続して単一のキャパシタが形成されうるようになる。このようにすることにより、キャパシタの表面積を著しく増大させることができ、これに続いてキャパシタンスを著しく増大させることができる。実際に、このように複数の層を用いることにより極めて大きなキャパシタンスを達成することができる。導電性材料の層及び誘電体材料の層の各々を異ならせた、如何なる組合せの材料をも用いることができること勿論である。例えば、同じ導電性材料を用いる必要もなく、同じ誘電体材料を用いる必要もない。更に、当業者が理解しうるように、本発明の実施例によれば、上述した技術の如何なる組合せをも用いて、大きな表面積のキャパシタを構成するようにしうる。
【００４８】
図８Ａ〜８Ｅは、キャパシタのキャパシタンスが導電性素子の幾何学的形状の関数として如何に変化するかが分かるように示している。図８Ａは、標準の平行プレートキャパシタのキャパシタンスを示している。より多くの金属層が設けられる場合には、キャパシタンスが比例して増大することを銘記されたい。図８Ｂは、正方形の“ポスト”（横方向の寸法を１０μｍとし、間隔を２μｍとしたポスト）を用いた場合に、キャパシタンスがポストの高さに比例して如何に増大するかを示している。キャパシタンスが増大する理由は、ポストが高くなると、表面積が増大する為である。図８Ｃは、所定のフットプリントのキャパシタが正方形のポストを用いる場合に、これらの正方形のポストの横方向寸法（すなわち、ポストの正方形の辺の長さ）が減少すると、キャパシタンスが増大することを示している。その理由は、所定のフットプリント内でポストをより高密に詰めこむことができる為である。図８Ｄは、キャパシタンスが、細長体が６角形の形状であるか又は正方形の形状であるかの関数とならないことを示している。最後に、図８Ｅは、導電性素子及び誘電体材料をカーボンナノチューブ上に層状化したキャパシタに対する期待キャパシタンス値を示している。キャパシタンスの値は、カーボンナノチューブがキャパシタに対する基部として作用させる場合により大きくなりうることを銘記されたい。
【００４９】
キャパシタは、高温度の動作に耐えうるように開発することもでき、このことを以下に説明する。
（高温度で動作しうるキャパシタ）
【００５０】
本発明の実施例によれば、高温度（例えば、１８５℃）の動作に耐えうるキャパシタを構成しうる。構成材料は、高温度の動作に適合するように選択することができ、例えば、構成材料が特定の高温度までこれらの物理的及び電気的特性において安定となるようにする。例えば、多くの誘電体材料の性能は高温度で低下し、このことが漏洩の原因となり、これによりキャパシタの絶縁破壊を開始するおそれがある。高温度で形成された材料は、形成温度で安定となる傾向にある。従って、多くの実施例では、高温度（例えば、１８５℃よりも大きい温度）で形成した材料を、キャパシタを形成する際の構成材料として用いる。
【００５１】
特に、種々の材料の誘電定数は温度の関数として変化するおそれがある。例えば、図９は、チタン酸バリウムの誘電定数はその他の幾つかの特性と相俟って温度の関数として如何に変化するかを示している。更に、ピーク温度をシフトさせるのに如何にシフタを加えることができるかをも示してある。例えば、ある種のシフタにはその他のチタン酸塩及びジルコン酸塩が含まれる。図９は、“ディプレッサ（抑制体）”が誘電定数に及ぼしうる影響、すなわち誘電定数を低くする影響をも示している。ある種のディプレッサにはビスマス及びマグネシウムが含まれる。図９におけるデータは、
「J.E. Sergent, “Chapter 8: Discrete Passive Components for Hybrid Circuits,” in Hybrid Microelectronics Handbook, Second Edition, J.E. Sergent and C.A. Harper, eds., McGraw-Hill, Inc., New York, 1995, pp. 8-1 to 8-40」
から取出したものであり、この文献の開示は参考のためにここに導入されるものである。従って、本発明の多くの実施例では、高温度の場合でも適切な誘電定数を有する誘電体材料を選択する。
【００５２】
更に、誘電体材料を選択するに当っては、誘電定数以外にも考慮すべき他のファクタがある。以下の表３に、幾つかのポリマの誘電体材料（及びこれらの商業的供給源）及びこれらの注目すべき特性の幾つかを掲げてある。
【００５３】
【表３】
2015514315.tif 000005
この表３におけるデータは、
「R.R. Gryzbowski and F.P. McCluskey, “High Temperature Performance of Polymer Film Capacitors,” Journal of Microelectronic Packaging, Vol. 1, 1998, pp. 153-158」
から取出したものであり、この文献の開示は参考のためにここに導入されるものである。
【００５４】
本発明の実施例によれば、表３に掲げた誘電体材料（これらに限定されない）を含む如何なる誘電体材料をも用いることができる。多くの実施例では、誘電体材料は、二酸化シリコン、窒化シリコン、高温度に適合しうるパリレン、酸化アルミニウ（アルミナ）、セラゾール（Celazole：登録商標）、テフロン（登録商標）（ポリテトラフルオロエチレン）、ポリイミド及びチタン酸バリウムのうちの１つとする。これらの材料には、高温度適合性があることが確かめられている。
【００５５】
同様に、本発明の実施例によれば、適切な如何なる導電性材料も電極として用いることができる。多くの実施例では、導電性材料を、シリコン、チタン、金、タングステン、モリブデン、プラチナのうちの１つとする。
【００５６】
高温度動作に耐えることのできるキャパシタを設計する場合、キャパシタのパッケージ化も考慮する必要がある。例えば、キャパシタは、気密性の欠如又は熱膨張係数の不一致によるカプセル材料の分離の為に高温度で機能しなくなるおそれがある。更に、キャパシタの種々の素子との相互作用を考慮する必要がある。例えば、タンタルキャパシタは、酸化物層がタンタル電極内に拡散される状態を呈するものであり、その結果、誘電体の厚さが減少されることに付随して誘電体の絶縁破壊電圧を減少させ、その結果、高温度動作中にキャパシタの熱暴走及び突発故障を生ぜしめるおそれがある。更に、大型で大きな値のセラミックキャパシタのような脆弱なキャパシタの寸法は、装置と基板との間の熱膨張係数の不整合の結果によりキャパシタ内に発生される歪みが熱サイクリング中にキャパシタを故障させる為に、制限される。
【００５７】
従って、本発明の多くの実施例では、キャパシタの構成材料が互いに密着的に協同してキャパシタが動作中に高温度に耐えうるように、これらのキャパシタの構成材料を選択する。多くの実施例では、構成素子が同様な熱膨張係数を有し、これらが高温度で（例えば、層間剥離により）機能しなくなることがないようにする。多数の実施例では、構成材料が高温度で例えば、拡散による如何なる質量移動も呈さないようにして、キャパシタの幾何学的形状が実質的に同じに維持されるように（例えば、誘電体の厚さが減少しないように）する。多数の実施例では、カプセル材料の気密性が充分に達成されるようにする。
【００５８】
図１０Ａ及び１０Ｂは、本発明の実施例による、高温度（１８５℃）で機能しうる２つのキャパシタを示している。特に、図１０Ａは、横方向の寸法が１０μｍである正方形ポストのアレイの形状の表面を用いているキャパシタを示しており、図１０Ｂは、横方向の寸法が２０μｍである正方形ポストのアレイの形状の表面を用いているキャパシタを示している。これらのポストは６１μｍの高さを有しており、１cm×１cmのダイ片上に配置され、キャパシタンス面積は５mm×５mmとなっている。これらは１μｍのSiＯ2 誘電体を用いているとともに、シリコン及び金を導電性材料として用いている。これらのキャパシタの動作を１８５℃で検査した。図１１Ａ及び１１Ｂは、これらキャパシタの検査結果を示している。特に、図１１Ａは、４つのキャパシタのキャパシタンスが１０００時間の間保たれていることを示している。図示のグラフ線図において、キャパシタ１及び４は、横方向の寸法が１０μｍであるポストを採用した図１０Ａに示すキャパシタに相当し、キャパシタ２及び３は、横方向の寸法が２０μｍであるポストを採用した図１０Ｂに示すキャパシタに相当することを銘記すべきである。キャパシタ１及び４は、検査前に損傷されたもので、依然として良好に機能するものである。図１２は、これらキャパシタの１つの損傷を示している。
【００５９】
上述した説明から明らかなように、上述した概念は本発明の実施例により種々の構成で実行しうるものである。従って、本発明はある特定の態様で説明したが、当業者にとって明らかなように、多くの追加の改良及び変形が可能である。従って、本発明は明確に上述したこと以外で実行しうることを理解すべきである。従って、本発明の実施例はあらゆる点で例示的なものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【国際調査報告】
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