(57)【要約】【課題】相対的に大きなキャパシタ容量を実現することができ、しかも信頼性の高いキャパシタを提供すること。【解決手段】キャパシタは、主面を互いに対向させるように配置した一対の電極１１，１２と、一対の電極１１，１２の主面上にそれぞれ設けられた擬似電極層１３，１４と、擬似電極層１３，１４の間に挟持された誘電体層１５とから主に構成されている。擬似電極層１３，１４は、凝集した導電性粒子１６を含み、誘電体層１５にも、導電性粒子１６が含まれている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面を互いに対向させるように配置した一対の電極と、前記一対の電極の一方の電極の主面上に設けられた第１擬似電極層と、前記第１擬似電極層と前記他方の電極の主面との間に挟持された誘電体層と、を具備し、前記第１擬似電極層は、前記一方の電極と電気的に接続する導電性粒子を含むことを特徴とするキャパシタ。
【請求項２】
前記一対の電極の他方の電極の主面上に第２擬似電極層を有し、前記第２擬似電極層は、前記他方の電極と電気的に接続する導電性粒子を含むことを特徴とする請求項１記載のキャパシタ。
【請求項３】
前記誘電体層が前記導電性粒子又はセラミック粒子を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のキャパシタ。
【請求項４】
前記誘電体層が絶縁性粒子を含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のキャパシタ。
【請求項５】
前記第１擬似電極層は、前記誘電体層を構成する材料の誘電率と同等もしくはそれ以上の誘電率を有する材料を含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のキャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はキャパシタに関し、特に大きなキャパシタ容量を必要とする素子として使用可能なキャパシタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、一対の電極が誘電体層を挟持してなるキャパシタについて容量を増加させる試みがなされている。キャパシタの容量を増加させる場合、誘電体層を構成する誘電材料の誘電率を高くする、電極間の間隔を狭くする、及び／又は電極面積を大きくするなどの方法が考えられる。この中で、誘電材料、例えばポリマー材料中に、粒径が１μｍ未満の導電性微粒子又はセラミック微粒子を分散させてなる誘電体層を有するキャパシタがある（特許文献１，２）。例えば、このキャパシタは、図６に示すように、互いに対向して配置された一対の電極２１，２２と、この一対の電極２１，２２間に挟持された誘電体層２３とから主に構成されており、誘電体層２３内には、導電性又はセラミックの微粒子２４が分散されている。このように誘電体層２３内に微粒子２４を分散させることにより、すなわち誘電体層２３内に金属微粒子２４が存在することにより、誘電体層２３の厚さが実質的に短くなり、誘電体層２３を構成する誘電材料が本来有する誘電率よりも、このキャパシタについて測定して得られた容量から求めた誘電率が見掛け上高くなる。また、誘電体層２３内にセラミックの微粒子を分散させた場合の誘電率は、セラミックを分散させる前の誘電体層２３のそのものの誘電率と、分散させるセラミックの誘電率との間の値をとることが知られている。したがって、このように誘電体層２３に微粒子を分散することによって、キャパシタ容量が増加することになる。なお、この見掛け上の誘電率を実効誘電率という。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６，５４４，６５１号
【特許文献２】米国特許出願番号第２００３０００６４０２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、近年ディジタル回路の高速化によりキャパシタにはさらなる容量増加が望まれている。上記のようなキャパシタにおいて、より大きなキャパシタ容量を実現するために、特に誘電体層により多くの金属微粒子を分散させて実効誘電率をさらに高くしようとすると、図７に示すように、誘電体層が絶縁体から導電体に遷移する領域、いわゆるパーコレーション領域に移行してしまう。このパーコレーション領域においては、図７に示すように、導電率の変化が急峻であり、所望の実効誘電率を安定に得ることが困難になる。したがって、このように誘電体層に単に多くの微粒子を分散させたキャパシタは、電子素子としての信頼性が低いという問題がある。また、セラミック微粒子のような誘電体を分散させた場合には、パーコレーションの問題はないものの、得られる誘電率の上限が、分散させるセラミック微粒子の誘電率そのもので決定されてしまうため、上記のような容量の大きなキャパシタを実現しにくいという問題がある。
【０００５】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、相対的に大きなキャパシタ容量を実現することができ、しかも信頼性の高いキャパシタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のキャパシタは、主面を互いに対向させるように配置した一対の電極と、前記一対の電極の一方の電極の主面上に設けられた第１擬似電極層と、前記第１擬似電極層と前記他方の電極の主面との間に挟持された誘電体層と、を具備し、前記第１擬似電極層は、前記一方の電極と電気的に接続する導電性粒子を含むことを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、導電性粒子を含む擬似電極層を有するので、表面積の大きい電極を擬似電極層として備えることになる。すなわち、擬似電極層と電極とで構成される一体の電極として電極面積が大きくなるので、キャパシタ全体としてキャパシタ容量を増加させることができる。しかも、金属微粒子を混入した誘電体層においては、図７のパーコレーション領域に達しないので、高い信頼性を確保することができる。
【０００８】
本発明のキャパシタにおいては、前記一対の電極の他方の電極の主面上に第２擬似電極層を有し、前記第２擬似電極層は、前記他方の電極と電気的に接続する導電性粒子を含むことが好ましい。
【０００９】
本発明のキャパシタにおいては、前記誘電体層が前記導電性粒子又はセラミック粒子を含むことが好ましい。前者の構成によれば、誘電体層の厚さを実質的に短くすることができ、見掛け上の誘電率を高くすることができる。また、後者の構成によれば、誘電体の実質的な誘電率を上昇させることができる。それらの結果、キャパシタ容量を増加させることができる。また、本発明のキャパシタにおいては、前記誘電体層が絶縁性粒子を含むことが好ましい。この構成によれば、キャパシタにおける吸湿性を向上させることができ、吸湿による特性劣化を防止することができる。
【００１０】
本発明のキャパシタにおいては、前記第１擬似電極層は、前記誘電体層を構成する材料の誘電率と同等もしくはそれ以上の誘電率を有する材料を含むことが好ましい。この構成によれば、誘電体層の誘電材料と擬似電極層の誘電材料との間の容量の直列結合を防止することができ、容量低下を回避することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、導電性粒子を含む擬似電極層を有するので、表面積の大きい電極を擬似電極層として備えることになる、すなわち、擬似電極層と電極とで構成される一体の電極として電極面積が大きくなるので、キャパシタ全体としてキャパシタ容量を増加させることができる。また、誘電体層において、金属粒子を分散させる場合は、図７のパーコレーション領域に達しないので、高い信頼性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るキャパシタを示す図である。図１に示すキャパシタは、主面を互いに対向させるように配置した一対の電極１１，１２と、一対の電極１１，１２の主面上にそれぞれ設けられた擬似電極層１３，１４と、擬似電極層１３，１４の間に挟持された誘電体層１５とから主に構成されている。なお、本実施の形態においては、一対の電極１１，１２にそれぞれ擬似電極層１３，１４が設けられている場合について説明しているが、本発明においては、一対の電極１１，１２のいずれかの電極のみに擬似電極層が設けられていても良い。
【００１３】
電極１１，１２としては、通常のキャパシタに使用される電極を用いることができる。また、擬似電極層１３，１４は、図２に示すようになっている。すなわち、擬似電極層１３，１４（図２においては擬似電極層１３）は、電極１１，１２（図２においては電極１１）と電気的に接続する導電性粒子１６を含む。この擬似電極層１３においては、導電性粒子１６が凝集した状態で存在しており、導電性粒子１６が電極１１と電気的に接続している。このため、電極１１と擬似電極層１３とにより全体として一つの電極として機能する。また、多数の導電性粒子１６により擬似電極層１３を構成するので、擬似電極層１３における電極面積は非常に大きくなる。したがって、電極全体の面積が大きくなり、結果としてキャパシタ容量を大きくすることができる。なお、図２については、擬似電極層１３及び電極１１しか図示していないが、擬似電極層１４及び電極１２についても同じ構成を有している。
【００１４】
擬似電極層１３に含まれる導電性粒子１６としては、導電性を有する材料の粒子であれば良く、金、銀、銅、アルミニウムなどの導電性金属の粒子、カーボン（カーボンブラック、カーボンナノチューブを含む）の粒子などのセラミックの粒子などを挙げることができる。また、導電性粒子１６の形態としては、球形状、繊維状などいずれの形状でも良い。さらに、導電性粒子１６の平均粒径としては、キャパシタ全体としての膜厚などを考慮すると、約１．０μｍ以下であることが望ましく、約０．１μｍ以下であることが特に望ましい。導電性粒子１６として、ナノ粒子を用いることが最も望ましい。本実施の形態においては、擬似電極層１３が凝集した導電性粒子１６を含む場合について説明しているが、本発明においては、擬似電極層１３が、電極１１と電気的に接続した１層の導電性粒子層であっても良い。この場合、表面積を大きくすることを考慮すると、間隔をおいて導電性粒子を配置することが好ましい。
【００１５】
擬似電極層１３，１４に含有される導電性粒子１６の分散濃度（含有量）は、図７に示すようなパーコレーション領域から導電体領域に達する程度の相対的に高濃度であることが好ましい。このような濃度で導電性粒子１６を擬似電極層１３，１４に分散させることにより、擬似電極層１３，１４を電極１１，１２と共に一体の電極として効果的に機能させることができる。例えば、擬似電極層１３，１４に含有される導電性粒子１６の分散濃度は、表面積を増大させる効果を考慮すると、３０容量％〜８０容量％であることが好ましい。また、擬似電極層１３，１４の厚さは、キャパシタ全体の厚みなどを考慮すると、０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。
【００１６】
誘電体層１５を構成する誘電材料としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂などのポリマー材料などを用いることができる。誘電体層１５の厚さは、キャパシタとしての容量、製造プロセスなどを考慮すると、０．１μｍ〜１００μｍであることが好ましい。誘電体層１５内には、図１に示すように、金属粒子のような導電性粒子又はセラミック粒子のような絶縁性粒子１６’が含まれていることが好ましい。金属粒子が含まれている場合、誘電体層１５の厚さを実質的に短くすることができ、見掛け上の誘電率を高くすることができる。また、セラミック粒子が含まれている場合、誘電体層１５の誘電率そのものを向上させることができる。それらの結果、キャパシタ容量を増加させることができる。誘電体層１５に含有される絶縁性粒子１６’を分散させる場合の分散濃度は、図７に示すパーコレーション領域から導電体領域に達しない程度の濃度であることが好ましく、１．０容量％〜２０容量％であることが好ましい。導電性粒子又は絶縁性粒子１６’として、ナノ粒子を用いることが最も望ましい。
【００１７】
擬似電極層１３，１４を形成する場合、導電性粒子１６のみで層形成が難しいときには、バインダーなどを用いて導電性粒子１６を層形成するようにしても良い。この場合、バインダーなどの擬似電極層１３，１４に含有する材料としては、誘電体層１５を構成する誘電材料の誘電率と同等もしくはそれ以上の誘電率を有することが好ましい。このように設定することにより、誘電体層１５の誘電材料と擬似電極層１３，１４の誘電材料との間の容量の直列結合を防止することができ、容量低下を回避することができる。なお、本実施の形態においては、擬似電極層１３，１４と誘電体層１５とが別々の層として構成されているが、これらの層が一つの層で構成されており、擬似電極領域と誘電体領域とを含むように構成しても良い。
【００１８】
このように本実施の形態に係るキャパシタは、導電性粒子を含む擬似電極層を有するので、表面積の大きい電極を擬似電極層として備えることになる。すなわち、擬似電極層と電極とで構成される一体の電極として電極面積が大きくなるので、キャパシタ容量を増加させることができる。しかも、誘電体層に金属粒子を分散させる場合においては、図７のパーコレーション領域に達しないので、高い信頼性を確保することができる。
【００１９】
次に、上記構成を有するキャパシタの製造方法について説明する。図４（ａ）〜（ｆ）は、図１に示すキャパシタの製造工程を説明するための図である。まず、図４（ａ）に示すように、基体１８上に電極材料を被着して下部電極である電極１２を形成し、図４（ｂ）に示すように、電極１２を所定のパターンにパターニングする。このパターニングは、電極１２上にレジスト層を形成し、電極１２のパターン用のマスクを用いてレジスト層を露光・現像し、残存したレジスト層をマスクとして電極１２をエッチングした後に、レジスト層を除去することにより行う。レジスト層の材料、露光・現像の条件については通常使用されているものを用いることができ、エッチャント、エッチング条件などについては電極材料に応じて適宜決定することができる。
【００２０】
次に、図４（ｃ）に示すように、電極１２上に擬似電極用材料を塗布し、その後擬似電極用材料を焼成することにより擬似電極層１４を形成する。なお、擬似電極用材料を塗布する方法としては、スピンコート法などの方法を用いることができる。擬似電極用材料は、例えば樹脂材料に上述した導電性粒子１６を混練することにより作製する。具体的には、擬似電極用材料は、ジューサー又はミキサーに樹脂材料及び導電性粒子を投入し、約１２時間から２日間程度混練することにより作製する。
【００２１】
次いで、図４（ｄ）に示すように、電極１２及び擬似電極層１４を設けた基体１８上に誘電体材料を塗布し、その後誘電体材料を焼成することにより誘電体層１５を形成する。なお、誘電体材料を塗布する方法としては、スピンコート法などの方法を用いることができる。誘電体材料は、擬似電極用材料と同様に、例えば樹脂材料に上述した導電性粒子１６を混練することにより作製する。
【００２２】
次に、図４（ｅ）に示すように、誘電体層１５上に擬似電極用材料を塗布し、その後擬似電極用材料を焼成することにより擬似電極層１３を形成する。なお、擬似電極用材料を塗布する方法としては、スピンコート法などの方法を用いることができる。最後に、図４（ｆ）に示すように、擬似電極層１３上に電極材料を被着して上部電極である電極１１を形成し、所定のパターンにパターニングする。このパターニングは、電極１１上にレジスト層を形成し、電極１１のパターン用のマスクを用いてレジスト層を露光・現像し、残存したレジスト層をマスクとして電極１１をエッチングした後に、レジスト層を除去することにより行う。レジスト層の材料、露光・現像の条件については通常使用されているものを用いることができ、エッチャント、エッチング条件などについては電極材料に応じて適宜決定することができる。
【００２３】
次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
電極１１，１２としてアルミニウム電極を用い、擬似電極層１３，１４として、エポキシ樹脂に平均粒径約０．１μｍの銀粒子（導電性粒子１６）を約４０容量％で含有させてなる層を用い、誘電体層１５として、エポキシ樹脂に平均粒径約０．１μｍの銀粒子（導電性粒子）を約１１容量％で含有させてなる層を用いて、上記のようにしてキャパシタを製造した。なお、誘電体層１５の膜厚は１０μｍとし、電極面積は１００μｍ×１００μｍとした。また、擬似電極層１３，１４及び誘電体層１５の形成の際の焼成は、約１５０℃、５分で行った。このキャパシタについて、実効誘電率を測定した。その結果を図３に示す（本発明）。実効誘電率は、キャパシタの両端にプローブを介してＬＣＲメータを接続し、１Ｖp−ｐ、１００ｋＨzの測定条件でキャパシタの容量を測定し、膜厚と電極面積とからＣ＝ε・ｓ／ｄの式を用いて算出した。
【００２４】
誘電体層１５に含有させる銀粒子の量を徐々に増加させた複数のキャパシタを製造し、それぞれのキャパシタについて上記と同様にして実効誘電率を測定した。その結果を図３に併記する（本発明）。さらに、比較のために、擬似電極層を有しないキャパシタ、すなわち電極及び誘電体層からなるキャパシタについて、誘電体層に含有させる銀粒子の量を種々変更した複数のキャパシタを製造し、それぞれのキャパシタについて上記と同様にして実効誘電率を測定した。その結果を図３に併記する（従来例）。
【００２５】
図３から分かるように、本発明のキャパシタは、実効誘電率が従来のキャパシタに比べて高い。これは、擬似電極層１３，１４が存在するために、電極面積が増大したためであると考えられる。なお、本発明のキャパシタも従来例のキャパシタも導電性粒子の含有量が３０容量％で実効誘電率が０になっている。これは、導電性粒子のために誘電体層が導電体化したためであると考えられる。
【００２６】
（実施の形態２）
本実施の形態においては、誘電体層に絶縁性粒子を含有させた場合について説明する。図５は、本発明の実施の形態２に係るキャパシタを示す図である。図５において、図１と同じ部分については、図１と同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００２７】
図５に示すキャパシタにおいては、誘電体層１５に導電性粒子１６と絶縁性粒子１７とが含有されている。誘電体層１５に絶縁性粒子１７を含有させることにより、キャパシタにおける吸湿耐性を向上させることができ、吸湿による特性劣化を防止することができる。例えば、誘電体層１５がポリマー材料で構成されている場合、ポリマー部分で吸湿が起こり、特性に影響を与える可能性がある。したがって、誘電体層１５に絶縁性粒子１７を分散させることにより、絶縁性粒子１７がポリマー部分に置き換えられて相対的にポリマー部分を減らすことができる。その結果、絶縁性を保持しつつ水分の吸湿を防止することができる。絶縁性粒子１７としては、誘電体層１５を構成する材料の誘電率よりも同じもしくはそれ以上の誘電率（例えば、ε＝４０００〜５０００）を有する材料の粒子を用いることが好ましい。このような材料の粒子を絶縁性粒子１７に用いることにより、誘電体部分の誘電率を向上させることができる。このような絶縁性粒子１７としては、例えばシリカ粒子、アルミナ粒子などを挙げることができる。また、絶縁性粒子１７は、１種類で構成されても良く、複数種類のものが混合して構成されていても良い。また、誘電体層１５における絶縁性粒子１７の含有量は、例えば、導電性粒子１６と混合して用いる場合は、導電性粒子１６の含有量よりも多ければ良い。このように絶縁性粒子１７の含有量を導電性粒子１６の含有量よりも多くすることにより、誘電体の誘電率をさらに向上させることができる。誘電体層１５における絶縁性粒子１７の含有量は、例えば４０容量％〜７０容量％であることが好ましい。
【００２８】
上記構成を有するキャパシタの製造方法については、誘電材料の作製工程以外は実施の形態１と同様である。なお、誘電体材料は、例えば樹脂材料に上述した導電性粒子１６及び絶縁性粒子１７を混練することにより作製する。
【００２９】
次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
電極１１，１２としてアルミニウム電極を用い、擬似電極層１３，１４として、ポリイミド樹脂（誘電率３．５）に平均粒径約０．１μｍの銀粒子（導電性粒子１６）を約４０容量％で含有させてなる層を用い、誘電体層１５として、ポリイミド樹脂に、平均粒径約０．１μｍの銀粒子（導電性粒子１６）を約１０容量％で含有させ、さらに平均粒径約０．１μｍのアルミナ粒子（絶縁性粒子１７、誘電率９〜１０）を約４０容量％で含有させてなる層を用いて、上記のようにしてキャパシタを製造した。なお、誘電体層１５の膜厚は１０μｍとし、電極面積は１００μｍ×１００μｍとした。また、擬似電極層１３，１４及び誘電体層１５の形成の際の焼成は、約１５０℃、１０分で行った。このキャパシタについて、実効誘電率を測定した。実効誘電率は、キャパシタの両端にプローブを介してＬＣＲメータを接続し、１Ｖp−ｐ、１００ｋＨzの測定条件でキャパシタの容量を測定し、膜厚と電極面積とからＣ＝ε・ｓ／ｄの式を用いて算出した。さらに、このキャパシタについて、水分の吸湿量を測定した。水分の吸湿量は、４０℃、８０％の雰囲気下における重量変化を精密天秤を用いて測定することにより行った。
【００３０】
比較例として、電極としてアルミニウム電極を用い、誘電体層として、ポリイミド樹脂に、平均粒径約０．１μｍの銀粒子（導電性粒子１６）を約１０容量％で含有させてなる層を用いて、従来のキャパシタを製造した。このキャパシタについても、実効誘電率及び水分の吸湿量を上記と同様にして測定した。
【００３１】
その結果、本発明のキャパシタは、実効誘電率が従来のキャパシタに比べて高く、しかも水分の吸湿による重量変化も少なかった。実効誘電率については、擬似電極層１３，１４が存在するために、電極面積が増大したためであると考えられる。また、水分の吸湿量については、誘電体層におけるアルミナ粒子の体積増加によりポリマー部分の体積が減少し、それにより水分の吸湿量が少なくなったものと考えられる。
【００３２】
本発明は上記実施の形態１，２に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態１，２においては、擬似電極層が上部電極及び下部電極にそれぞれ設けられている場合について説明しているが、本発明においては擬似電極層が上部電極又は下部電極のいずれかに形成されている場合にも適用することができる。また、上記実施の形態１，２においては、誘電体層に導電性粒子が分散されている場合について説明しているが、本発明においては、誘電体層に導電性粒子が分散されていない場合にも適用することができる。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、例えばＩＣのインターポーザのエンベデッドキャパシタ（デカップリングキャパシタ）などのキャパシタに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態１に係るキャパシタを示す図である。
【図２】図１に示すキャパシタの一部を示す拡大図である。
【図３】本発明に係るキャパシタの特性を示す特性図である。
【図４】（ａ）〜（ｆ）は、図１に示すキャパシタの製造工程を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係るキャパシタを示す図である。
【図６】従来のキャパシタを示す図である。
【図７】微粒子分散濃度と導電率及び実効誘電率との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００３５】
１１，１２  電極
１３，１４  擬似電極層
１５  誘電体層
１６  導電性粒子
１７  絶縁性粒子
１８  基体
【図１】
2007013105.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2007013105.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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