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JP5094415B2 - 複合酸化物膜及びその製造方法、複合体及びその製造方法、誘電材料、圧電材料、コンデンサ並びに電子機器 - Google Patents

複合酸化物膜及びその製造方法、複合体及びその製造方法、誘電材料、圧電材料、コンデンサ並びに電子機器 Download PDF

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Description

本発明は、複合酸化物膜及びその製造方法、複合体及びその製造方法、誘電材料、圧電材料、コンデンサ並びに電子機器に関するものである。さらに詳しくは、比誘電率の高い複合酸化物膜及びその製造方法、その複合酸化物膜を含む複合体及びその製造方法、前記複合酸化物膜又は複合体を含む誘電材料又は圧電材料、温度依存性の小さい複合酸化物膜を含むコンデンサ及びこれを備えた電子機器に関する。
従来、小型コンデンサとしては、積層セラミックコンデンサ、タンタル電解コンデンサ、アルミニウム電解コンデンサが実用化されている。この中で積層セラミックコンデンサには、誘電体として誘電率の大きなチタン酸バリウムや耐電圧の大きなチタン酸ストロンチウムなどの複合酸化物が用いられている。
静電容量は比誘電率に比例し誘電体層の厚さに反比例するので、高い比誘電率を持つ誘電体層を薄く均一に製膜することが求められている。
誘電体層の製膜方法として、特開昭60−116119号公報(特許文献1)及び特開昭61−30678号公報(特許文献2)に、バリウムイオンを含む強アルカリ性水溶液中で金属チタン基材を化成処理することでチタン酸バリウム薄膜を形成する技術が開示されている。特開平5−124817号公報(特許文献3;関連出願 US5328718)に、アルコキシド法により基材上にチタン酸バリウム薄膜を形成する技術が開示されている。
また、特開2003−206135号公報(特許文献4;関連出願 EP1445348)には、金属チタン基体をアルカリ金属の水溶液中で処理して基体表面にアルカリ金属のチタン酸塩を形成後ストロンチウム、カルシウム等の金属イオンを含む水溶液で処理してアルカリ金属をストロンチウム、カルシウム等の金属に置換することによって複合チタン酸化被膜を形成する技術が開示されている。さらに特開平11−172489号公報(特許文献5)には、基板上に電気化学的手法によりチタン酸化物被膜を形成し、その被膜をバリウム水溶液中で陽極酸化することによってチタン酸バリウム被膜を製造する方法が開示されている。
特開昭60−116119号公報 特開昭61−30678号公報 特開平5−124817号公報 特開2003−206135号公報 特開平11−172489号公報
しかしながら、本発明者の検討によると、特許文献1〜5に開示されている方法で得られる誘電体層は、比誘電率の温度依存性が大きく、そのために得られるコンデンサの静電容量の温度依存性が大きいことがわかった。そこで、本発明は、複雑で大掛かりな設備を用いずに、比誘電率が高く、膜厚が任意に制御され、温度依存性の小さい複合酸化物膜とその製造方法、その複合酸化物膜を含む複合体及びその製造方法、前記複合酸化物膜又は複合体を含む誘電材料又は圧電材料、温度依存性の小さい複合酸化物膜を含むコンデンサ又は圧電素子及びこれを備えた電子機器を提供することを課題としている。
本発明者は、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた。その結果、以下の手段によって達成されることを見出した。
すなわち、本発明は、
(1) チタン元素を含む金属酸化物膜を形成する第一工程と、
該金属酸化物膜にカルシウムイオンを含む溶液を反応させる第二工程と、
を含む、チタン元素及びカルシウム元素を含む複合酸化物膜の製造方法。
(2) カルシウムイオンを含む溶液は、pH11以上のアルカリ性溶液である前記(1)に記載の複合酸化物膜の製造方法。
(3) 第二工程におけるカルシウムイオンを含む溶液は40℃以上である前記(1)又は(2)に記載の複合酸化物膜の製造方法。
(4) カルシウムイオンを含む溶液は、大気圧下又は減圧下で、蒸発、昇華及び/又は熱分解のうちの少なくとも一つの手段で気体となる塩基性化合物を含む前記(1)〜(3)のいずれかに記載の複合酸化物膜の製造方法。
(5) 塩基性化合物は、塩基性有機化合物である前記(4)に記載の複合酸化物膜の製造方法。
(6) 塩基性有機化合物は、水酸化テトラメチルアンモニウムである前記(5)に記載の複合酸化物膜の製造方法。
(7) 前記(1)〜(6)のいずれかに記載の製造方法により得られた複合酸化物膜。
(8) 基体表面にチタン元素を含む金属酸化物層を形成する第一工程と、
該金属酸化物層にカルシウムイオンを含む溶液を反応させる第二工程と、
を含む、
基体表面にチタン元素及びカルシウム元素を含む複合酸化物層を有する複合体の製造方法。
(9) 基体は、金属チタン又はチタンを含む合金からなるものである特徴とする前記(8)に記載の複合体の製造方法。
(10) 第一工程は、前記基体表面を陽極酸化する工程を含む前記(8)又は(9)に記載の複合体の製造方法。
(11) 基体が、厚さ5〜300μmの箔である前記(8)〜(10)のいずれかに記載の複合体の製造方法。
(12) 基体が、平均粒径0.1〜20μmの粒子を焼結させたものである前記(8)〜(11)のいずれかに記載の複合体の製造方法。
(13) 金属チタン又はチタンを含む合金からなる層と、その表面に形成された前記(1)〜(6)のいずれかに記載の製造方法により得られた複合酸化物膜とを含有して成る複合体。
(14) 前記(8)〜(12)のいずれかに記載の製造方法により得られる複合体。
(15) 複合酸化物膜が、ペロブスカイト化合物を含む前記(13)又は(14)に記載の複合体。
(16) 前記(7)に記載の複合酸化物膜を含む誘電材料。
(17) 前記(13)〜(15)のいずれかに記載の複合体を含む誘電材料。
(18) 前記(16)又は(17)に記載の誘電材料を含むコンデンサ。
(19) 前記(18)に記載のコンデンサを備える電子機器。
(20) 前記(7)に記載の複合酸化物膜を含む圧電材料。
(21) 前記(13)〜(15)のいずれかに記載の複合体を含む圧電材料。
(22) 前記(20)又は(21)に記載の圧電材料を含む圧電素子。
(23) 前記(22)に記載の圧電素子を備える電子機器。
本発明の複合酸化物膜の製造方法によれば、極めて簡単な方法で、チタン元素及びカルシウム元素を含む複合酸化物膜を形成することができる。そのため、複雑で大掛かりな設備を用いる必要がなく、低コストでの複合酸化物膜の製造が可能である。
本発明の製造方法によって得られるチタン元素及びカルシウム元素を含む複合酸化物膜の厚みは、使用する材料及び製造条件との相関関係が明瞭にあり、膜厚のコントロールを容易に行うことができる。
基体として金属チタン又はチタンを含む合金を用いた場合には、この基体を陽極酸化することで膜厚制御されたチタン酸化物膜を容易に得ることができ、このチタン酸化物膜にカルシウムイオンを含む溶液を反応させることにより、膜厚の制御された耐電圧の高い誘電体膜を容易に形成できる。
ここで、カルシウムイオンを含む溶液としてpHが11以上のアルカリ性溶液を用いることで結晶性の高い誘電体膜が形成でき、高い比誘電率を得ることができる。このアルカリ性溶液のアルカリ成分として、大気圧下又は減圧下で、蒸発、昇華及び熱分解のうちの少なくとも一つの手段で気体となる塩基性化合物を用いると、複合酸化物膜中にアルカリ成分が残存することによる膜の特性低下を抑制することができ、安定した特性を有する複合酸化物膜を得ることができる。また、溶液温度を40℃以上とすることで、反応をより確実に進行させることができる。
このようにして得られた複合酸化物膜は、その静電容量の温度依存性が極めて小さい。基体として厚さ5〜300μm、あるいは平均粒径0.1〜20μmの金属チタン又はチタンを含む合金微粒子焼結体を用いると、複合酸化物膜の基体に対する割合を増すことができ、コンデンサなどの電子部品用として好適であり、電子部品の小型化、さらにはこれらの電子部品を含む電子機器の小型化、軽量化が可能となる。

以下、本発明の実施形態を例示しながら詳しく説明する。
(複合酸化物膜及び複合体の製造方法)
本発明のチタン元素及びカルシウム元素を含む複合酸化物膜の製造方法は、チタン元素を含む金属酸化物膜を形成する第一工程と、該金属酸化物膜にカルシウムイオンを含む溶液を反応させる第二工程と、を含むものである。また本発明の基体表面にチタン元素及びカルシウム元素を含む複合酸化物層を有する複合体の製造方法は、基体表面にチタン元素を含む金属酸化物層を形成する第一工程と、該金属酸化物層にカルシウムイオンを含む溶液を反応させる第二工程とを含むものである。
第一工程では、チタン元素を含む金属酸化物膜を形成する。該金属酸化物膜を形成するための方法は特に制限されないが、本発明においては、基体を用い、その表面にチタン元素を含む金属酸化物層としての金属酸化物膜を形成する方法が好ましい。
基体は、その材質によって特に制限はなく、用途に応じて導電体、半導体、絶縁体を使用することができる。コンデンサ用途に好ましい材質の例としては、導電体である金属チタン又はチタンを含む合金が挙げられる。導電体表面に誘電体である複合酸化物膜を形成することで得られる複合体はコンデンサの電極としてそのまま使用することができる。
基体はその形状によって特に制限はなく、板状のもの、箔状のもの、さらに表面が平滑でないものも適用できる。コンデンサ用途には、小型、軽量化の観点及び基体質量当たりの表面積が大きいほど複合酸化物膜の基体に対する割合が増し有利である点から、箔状のものが好ましく、厚さ5〜300μm、より好ましくは厚さ5〜100μm、更に好ましくは厚さ5〜30μmの箔が好適である。
基体として用いる箔としては、フッ酸などによる化学エッチングや電解エッチングなどのエッチングを行って、表面に凹凸を形成し、表面積を増やした箔が好適である。
同様に複合酸化物膜の基体に対する割合を増すために、基体として平均粒径0.1〜20μmの粒子を焼結させたもの、好ましくは平均粒径1〜10μmの粒子を焼結させたものが好適である。
チタン元素を含む金属酸化物はチタン元素を含むものであれば特に制限されないが、チタン酸化物が好ましい。このチタン酸化物は、一般式TiO・nHO(0.5≦x≦2,0≦n≦2)で表される化合物である。
金属酸化物層の厚みは、所望の複合酸化物膜の厚みに応じて適宜調整することができ、好ましくは1〜4000nmの範囲であり、更に好ましくは、5〜2000nmの範囲である。
チタン元素を含む金属酸化物層の形成方法は特に限定されない。基体としてチタン金属又はチタン合金以外の金属又は合金を使用する場合は、例えばスパッタリング法やプラズマ蒸着法等の乾式プロセスを使用できるが、低コスト製造の観点からゾルーゲル法、電解メッキ法等の湿式プロセスにて形成する方が好ましい。
基体としてチタン金属又はチタン合金を使用する場合は、前記同様の方法を適用できるが、基体表面の自然酸化、熱酸化、陽極酸化等の方法で形成することもできる。本発明においては、電圧により容易に層厚が制御できる点で陽極酸化が好ましい。
陽極酸化では、チタン金属又はチタン合金からなる基体の所定の領域を電解液に浸漬して所定の電圧電流密度で処理を行う。その際電解液の浸漬液面レベルを安定化させるために、基体の所定の位置にマスキング材を塗布して化成を施すことが望ましい。マスキング材は、その材料によって限定されない。マスキング材としては、例えば、一般的な耐熱性樹脂、好ましくは溶剤に可溶あるいは膨潤しうる耐熱性樹脂又はその前駆体、無機質微粉とセルロース系樹脂からなる組成物(特開平11−80596号公報)などが使用できる。マスキング材に用いる材料のより具体的な例としては、ポリフェニルスルホン(PPS)、ポリエーテルスルホン(PES)、シアン酸エステル樹脂、フッ素樹脂(テトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)、ポリイミド及びそれらの誘導体などが挙げられる。これらは、有機溶剤に溶解あるいは分散可能であり、塗布操作に適した任意の固形分濃度(従って粘度)の溶液あるいは分散液を容易に調製することができる。
電解液としては、酸及び/又はその塩の溶液、例えばリン酸、硫酸、蓚酸、ホウ酸、アジピン酸及びそれらの塩の少なくとも一種を含む溶液が挙げられる。電解液中の酸及び/又はその塩の濃度は通常、0.1〜30質量%、好ましくは1〜20質量%、である。電解液の温度は通常0〜90℃、好ましくは20〜80℃である。
電解液に基体を浸漬した後、通常、先ず定電流化成を行い、規定電圧に達した後、定電圧化成を行う。定電流化成及び定電圧化成は、通常、電流密度0.1〜1000mA/cm、電圧2〜400V、時間1ミリ秒〜400分の条件で、好ましくは電流密度1〜400mA/cm、電圧5〜70V、時間1秒〜300分の条件で行う。
次の第二工程では、第一工程により形成したチタン元素を含む金属酸化物層にカルシウムイオンを含む溶液を反応させる。
この反応によりチタン元素を含む金属酸化物層がチタン元素及びカルシウム元素を含む複合酸化物膜に変化する。チタン元素及びカルシウム元素を含む複合酸化物膜はペロブスカイト化合物を含むことが好ましい。
カルシウムイオンを含む溶液はカルシウムイオンを含むものであれば特に制限されない。カルシウムイオンを含む溶液は、カルシウム以外に、例えば、ストロンチウム、バリウム等のアルカリ土類金属や鉛をカルシウムよりも少ない濃度(mol/l)で含んでいてもよい。
この溶液は、水溶性であることが好ましく、水酸化物、硝酸塩、酢酸塩、塩化物等の金属化合物の水溶液を使用できる。また、これらの金属化合物は1種類単独で用いてもよく、2種以上を任意の比率で混合して用いてもよい。具体的には、塩化カルシウム、硝酸カルシウム、酢酸カルシウム、塩化ストロンチウム、硝酸ストロンチウム、水酸化バリウム、塩化バリウム、硝酸バリウム、酢酸バリウム、硝酸鉛、酢酸鉛等が用いられる。さらに、Sn、Zr、La、Ce、Mg、Bi、Ni、Al、Si、Zn、B、Nb、W、Mn、Fe、Cu、及びDyよりなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含む化合物を、反応後の複合酸化物膜中にこれらの元素が5mol%未満含まれるように添加しても良い。
本発明に用いるカルシウムイオンを含む溶液中のカルシウムイオンの量(mol)は、前記チタン元素を含む金属酸化物層の物質量(mol)に対して、1〜1000倍になるように調製されることが好ましい。
この溶液はアルカリ性溶液であることが好ましい。具体的には溶液のpHは好ましくは11以上であり、より好ましくは13以上であり、特に好ましくは14以上である。pHを高くすることで、より結晶性の高い複合酸化物膜を製造することができる。結晶性が高いほど膜の耐電圧が高くなるため望ましい。
溶液は、例えば、塩基性化合物、好ましくは塩基性有機化合物を添加してpH11以上のアルカリ性にすることが好ましい。添加する塩基性化合物は特に制限はないが、後述する乾燥時の温度以下で、かつ、大気圧下又は減圧下で、蒸発、昇華及び/又は熱分解のうちの少なくとも一つの手段で気体となる塩基性化合物が好ましく、例えば、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)、コリン等が挙げられる。水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物を添加すると、得られた複合酸化物膜中にアルカリ金属が残存してしまい、用途によっては、製品とした際に誘電材料、圧電材料等の機能材料としての特性が劣る可能性がある。反応後の除去のしやすさや、pH調整のしやすさから、水酸化テトラメチルアンモニウム等の塩基性有機化合物を添加することが好ましい。
このように調製された溶液を、撹拌しながら常圧において、通常、40℃〜溶液の沸点、好ましくは80℃〜溶液の沸点に加熱保持し、前記チタン元素を含む金属酸化物層に接触さて反応させる。反応時間は通常、10分以上であり、好ましくは1時間以上である。
反応後、必要に応じて電気透析、イオン交換、水洗、浸透膜、などの方法を用い、反応部位から不純物イオンを除去する。次いで乾燥する。乾燥は、通常室温〜150℃、1〜24時間で行われる。乾燥の雰囲気は特に制限はなく、大気中又は減圧中で行うことができる。
以上の方法によって、チタン元素及びカルシウム元素を含む複合酸化物膜又は、基体とチタン元素及びカルシウム元素を含む複合酸化物膜とを有する複合体が得られる。
本発明の複合酸化物膜又は複合体は、誘電材料、圧電材料として用いることができる。
本発明のコンデンサは、前記誘電材料を含むものである。具体的には本発明の複合体をコンデンサの陽極に使用する。陽極にするために、通常、複合体の表面にカーボンペーストを付着させ電気抵抗を下げ、更に銀ペーストを付着させ外部リードと導通させる。このとき、酸化マンガン、導電性高分子、ニッケルなどの金属をコンデンサの陰極に使用する。
本発明の圧電素子は、前記圧電材料を含むものである。そして、これらコンデンサ及び圧電素子は、電子機器に備えることができる。
本発明の複合体(誘電材料)は、誘電体層である複合酸化物膜の厚みが薄く均一である。さらにこの誘電体層は比誘電率が高く、温度依存性が小さい。その結果、本発明の複合体(誘電材料)を含むコンデンサは小型で高い静電容量を持つとともに容量の温度依存性も小さい。このような小型高容量のコンデンサは、電子機器類、特に携帯電話機をはじめとする携帯型機器の部品として好適に用いることができる。
以下、実施例・比較例によって、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
厚み20μmの純度99.9%のチタン箔(株式会社サンクメタル製)を3.3mm幅に切断したものを13mmずつの長さに切り取り、この箔片の一方の短辺部を金属製ガイドに溶接し固定した。前記チタン箔の固定していない側の端から7mmの箇所にポリイミド樹脂溶液(宇部興産株式会社製)で0.8mm幅の線を描き、約180℃で30分間乾燥させマスキングした。チタン箔の固定していない側の端からマスキングした部分までの部分(片面で約0.22cmとなる)を、5質量%リン酸水溶液に浸漬し、電流密度30mA/cm、陽極酸化電圧15V、温度40℃で120分間陽極酸化処理し、次いでリン酸水溶液から引き出して、水洗、乾燥して、チタン箔の表面に二酸化チタン層を形成させた。この陽極酸化条件下で得た二酸化チタン膜の平均膜厚は0.15μmであった。得られた二酸化チタン膜1cmあたりの二酸化チタンの量は、二酸化チタン膜の平均膜厚(0.15μm)、二酸化チタンの密度(約4g/cm)、及び二酸化チタンの式量(TiO=約80)より求めたところ、7.5×10−5molであった。
20%水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液(セイケム昭和株式会社製)に、二酸化チタン層の物質量(mol)の20倍モルの水酸化カルシウム(株式会社高純度化学研究所製)を溶解して溶液を得た。この溶液のpHは14であった。この溶液に前記二酸化チタン層を形成した箔を100℃で4時間浸漬して反応させ複合酸化物膜を形成させた。
複合酸化物膜をX線回折により同定したところ立方晶のペロブスカイト構造であるチタン酸カルシウムであることがわかった。
FIB装置により断面加工した試料をTEM観察し、平均膜厚が0.15μmであることがわかった。この複合酸化物膜の誘電率の温度依存性〔(125℃の比誘電率)/(25℃の比誘電率)−1〕は2000ppmであった。従って、1℃あたりの温度依存性は、20ppm/℃であった。
(比較例1)
厚み20μmの純度99.9%のチタン箔(株式会社サンクメタル製)を3.3mm幅に切断したものを13mmずつの長さに切り取り、この箔片の一方の短辺部を金属製ガイドに溶接し固定した。前記チタン箔の固定していない側の端から7mmの箇所にポリイミド樹脂溶液(宇部興産株式会社製)で0.8mm幅の線を描き、約180℃で30分間乾燥させマスキングした。チタン箔の固定していない側の端からマスキングした部分までの部分を、5質量%リン酸水溶液に浸漬し、電流密度30mA/cm、陽極酸化電圧15V、温度40℃で120分間陽極酸化処理し、次いでリン酸水溶液から引き出して、水洗、乾燥して、チタン箔の表面に二酸化チタン層を形成させた。
0.1molの硝酸バリウムBa(NOと1molの水酸化カリウムKOHを1000mlの水に溶解して溶液を得た。この溶液に前記二酸化チタン層を形成した箔を100℃で0.5時間浸漬して反応させ複合酸化物膜を形成させた。複合酸化物膜をX線回折により同定したところ立方晶のペロブスカイト構造であるチタン酸バリウムであることがわかった。
FIB装置により断面加工した試料をTEM観察し、平均膜厚が0.04μmであることがわかった。この複合酸化物膜の誘電率の温度依存性〔(125℃の比誘電率)/(25℃の比誘電率)−1〕は−40%であった。従って、1℃あたりの温度依存性は0.4%/℃であった。
本実施例では、複合酸化物膜を誘電体層として用いたコンデンサの一例を説明したが、当該複合酸化物膜は圧電素子の圧電材料としても使用できる。

Claims (21)

  1. チタン元素を含む金属酸化物膜を陽極酸化により形成する第一工程と、
    該金属酸化物膜にカルシウムイオンを含む溶液を常圧において反応させる第二工程とを含み、
    前記カルシウムイオンを含む溶液が、大気圧下又は減圧下、室温〜150℃で、蒸発、昇華及び/又は熱分解のうちの少なくとも一つの手段で気体となる塩基性化合物を含む、
    チタン元素及びカルシウム元素を含む複合酸化物膜の製造方法。
  2. カルシウムイオンを含む溶液は、pH11以上のアルカリ性溶液である請求項1に記載の複合酸化物膜の製造方法。
  3. 第二工程におけるカルシウムイオンを含む溶液は40℃以上である請求項1に記載の複合酸化物膜の製造方法。
  4. 塩基性化合物は、塩基性有機化合物である請求項3に記載の複合酸化物膜の製造方法。
  5. 塩基性有機化合物は、水酸化テトラメチルアンモニウムである請求項4に記載の複合酸化物膜の製造方法。
  6. 請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法により得られる複合酸化物膜。
  7. 基体表面にチタン元素を含む金属酸化物層を陽極酸化により形成する第一工程と、
    該金属酸化物層にカルシウムイオンを含む溶液を常圧において反応させる第二工程とを含み、
    前記カルシウムイオンを含む溶液が、大気圧下又は減圧下、室温〜150℃で、蒸発、昇華及び/又は熱分解のうちの少なくとも一つの手段で気体となる塩基性化合物を含む、
    基体表面にチタン元素及びカルシウム元素を含む複合酸化物層を有する複合体の製造方法。
  8. 基体は、金属チタン又はチタンを含む合金からなるものである請求項7に記載の複合体の製造方法。
  9. 基体が、厚さ5〜300μmの箔である請求項7に記載の複合体の製造方法。
  10. 基体が、平均粒径0.1〜20μmの粒子を焼結させたものである請求項7に記載の複合体の製造方法。
  11. 金属チタン又はチタンを含む合金からなる層と、その表面に形成された請求項1に記載の製造方法により得られた複合酸化物膜とを含有して成る複合体。
  12. 請求項7〜10のいずれかに記載の製造方法により得られる複合体。
  13. 複合酸化物膜が、ペロブスカイト化合物を含む請求項11又は12に記載の複合体。
  14. 請求項6に記載の複合酸化物膜を含む誘電材料。
  15. 請求項11〜13のいずれかに記載の複合体を含む誘電材料。
  16. 請求項14又は15に記載の誘電材料を含むコンデンサ。
  17. 請求項16に記載のコンデンサを備える電子機器。
  18. 請求項6に記載の複合酸化物膜を含む圧電材料。
  19. 請求項11〜13のいずれかに記載の複合体を含む圧電材料。
  20. 請求項18又は19に記載の圧電材料を含む圧電素子。
  21. 請求項20に記載の圧電素子を備える電子機器。
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