СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАНАРНОГО КОНДЕНСАТОРА ПОВЫШЕННОЙ ЕМКОСТИ Российский патент 2014 года по МПК H01G4/00 B82B3/00 

Областями применения изобретения являются микро- и наноэлеткроника, где используются кратковременные и комбинированные источники тока. В частности, изобретение может быть использовано в качестве накопителя энергии, например в качестве источников бесперебойного питания, компонентов силовых импульсных устройств, пассивных компонентов полупроводниковых интегральных схем и в других приборах, где существует необходимость быстродействующего источника энергии.

Планарный конденсатор повышенной емкости, в отличие от обычного плоского электрического конденсатора, обладает очень высоким значением электрической емкости при малых размерах. Большая емкость достигается за счет повышения эффективной площади обкладок и уменьшения эффективного расстояния между ними до нескольких нанометров. В большинстве представленных на рынке конденсаторов повышенной емкости обкладки выполнены из материалов, обладающих высокой удельной площадью.

Ионистор или конденсатор повышенной емкости с двойным электрическим слоем - это электрохимический конденсатор, энергия в котором хранится электростатически с помощью обратного поглощения ионов электролита активным материалом, являющимся электрохимически стабильным и имеющим большую площадь удельной поверхности, доступной для химических реакций [1]. В настоящее время емкость ионисторов достигает порядка 900-3000 Ф. Однако на сегодняшний день такие суперконденсаторы имеют низкие пробивные напряжения.

Один из путей решения этой проблемы - это использование в основе материала электродов углеродные наноструктуры, которые имеют развитую поверхность, и разработка электролита с высокой диэлектрической проницаемостью [2].

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ изготовления конденсатора повышенной емкости, включающий формирование первого электрода путем осаждения слоя профилированного материла, который имеет высокую удельную поверхность, окисление поверхности профилированного материала, в результате чего возникает тонкий диэлектрический слой естественного оксида, и осаждение проводящего материала второго электрода конденсатора так, что он заполняет неровности профилированного материала, покрытого диэлектрическим слоем своего оксида [3].

Недостатками способа является то, что в качестве материала диэлектрического слоя может выступать только естественный оксид профилированного материала, который может обладать относительно невысокой диэлектрической проницаемостью, и пробивное напряжение конденсатора, получаемого с помощью данного способа, является низким из-за высокой напряженности электрического поля на вершинах неровностей профилированного материала электродов с развитой удельной поверхностью по сравнению с плоским электродом.

Задача настоящего изобретения - увеличение пробивного напряжения, увеличение емкости, а следовательно и удельной мощности планарного конденсатора повышенной емкости.

Для достижения поставленной задачи в способе изготовления планарного конденсатора повышенной емкости, включающем создание первого электрода путем формирования проводящего слоя с развитой поверхностью на проводящей электродной основе, формирование однородного по толщине тонкого диэлектрического слоя, повторяющего рельеф поверхности проводящего слоя с развитой поверхностью, и создание второго электрода путем заполнения пустот проводящим материалом между неровностями первого электрода, покрытого диэлектрическим слоем, формирование проводящего слоя с развитой поверхностью формируется из материала, имеющего анизотропию проводимости электрического тока такую, что в горизонтальном направлении электрическая проводимость выше электрической проводимости в вертикальном направлении.

Проводящий слой с развитой поверхностью представляет собой углеродную наноструктуру в виде столбиков, который формируется плазмостимулированным химическим осаждением из газовой фазы. Проводящий слой с развитой поверхностью содержит металлические или интерметаллические нанокластеры, с целью понижения удельного сопротивления проводящего материала. Однородный по толщине тонкий диэлектрический слой формируется атомно-слоевым осаждением. Материал диэлектрического слоя выбирается из группы Al₂O₃, ZrO₂, HfO₂, TiO₂, цирконат-титанат свинца. Второй электрод, состоящий из проводящего материала, формируется электрохимическим осаждением. Перед электрохимическим осаждением проводящего материала второго электрода производится формирование адгезионно-смачивающего слоя поверх тонкого диэлектрического слоя. Материал адгезионного-смачивающего слоя содержит элемент из группы Ti, Zr, Hf, Та, W, Cr, V.

Таким образом, отличительными признаками изобретения является то, что проводящий слой первого электрода с развитой поверхностью формируется из материала, имеющего анизотропию проводимости электрического тока такую, что в горизонтальном направлении электрическая проводимость выше электрической проводимости в вертикальном направлении.

Совокупность отличительных признаков позволяет достичь поставленную задачу и устранить недостатки прототипа, обеспечивая увеличение пробивного напряжения и удельной мощности конденсатора повышенной емкости.

Известно, что электрическая проводимость монокристаллов графита анизотропна, в направлении, параллельном базисной плоскости, близка к металлической, в перпендикулярном - в сотни раз меньше. В этой связи целесообразно в качестве проводящего слоя с развитой поверхностью формировать углеродную наноструктуру в виде столбиков, которая имеет анизотропию проводимости электрического тока такую, что в горизонтальном направлении электрическая проводимость выше электрической проводимости в вертикальном направлении.

Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что проводящий слой с развитой поверхностью представляет собой углеродную наноструктуру в виде столбиков.

Химическое осаждение из газовой фазы (ХОГФ) является распространенным синтезом углеродных наноструктур [4, 5], поскольку обеспечивает управляемый рост с заданными размерами формами углеродных наноструктур.

Предпочтительно процесс роста углеродной структуры осуществлять химическим осаждением из газовой фазы, стимулированным плазмой. Известно, что традиционный процесс ХОГФ углеродных наноструктур происходит при достаточно высоких температурах порядка 600-700°С. Однако для некоторых технологий, и в частности для технологии интегральных схем, такие температуры не приемлемы, поскольку вызывают деградацию элементов полупроводниковых приборов, сформированных на предыдущих операциях технологического цикла изготовления ИС. Стимуляция плазмой ХОГФ позволяет снизить температуру процесса формирования углеродных наноструктур на 100-300°С [6].

Понизить удельное сопротивление материала необходимо с точки зрения минимизации потерь энергии планарного конденсататора повышенной емкости, можно это осуществить за счет введения вовнутрь развитой наноструктуры металлических или интерметаллических нанокластеров с низким удельным сопротивлением.

С целью увеличения проводимости слоя с развитой поверхностью целесообразно металлические или интерметаллические нанокластеры формировать ионно-плазменным распылением одновременно с плазмостимулированным химическим осаждением из газовой фазы проводящего слоя с развитой поверхностью для помещения металлических или интерметаллических нанокластеров вонутрь слоя с развитой поверхностью.

Атомно-слоевое осаждение используется для формирования сверхтонких и конформных тонкопленочных диэлектрический слоев. Технология атомно-слоевого осаждения заключается в выполнении последовательных самоограниченных поверхностных реакций, позволяющих контролировать рост пленок в монослойном или субмонослойном режиме. Достоинством технологии атомно-слоевого осаждения в том, что формируемые слои не имеют дефектов и пор, что позволяет использовать его для формирования сверхтонких диффузионно-барьерных и изоляционных слоев на поверхностях со сложным рельефом.

Электрохимическое осаждение является технологически простым и дешевым процессом нанесения металлических пленок, осуществляемым при комнатных температурах и позволяющим заполнять пустоты между неровностями слоя с развитой поверхностью.

С целью повышения адгезии предпочтительно проводящий материал второго электрода осаждать поверх адгезионного слоя.

Желательно, чтобы материал адгезионного слоя содержал элемент из группы Ti, Zr, Hf, Та, W, Cr, V, поскольку указанные элементы и их сплавы хорошо известны и используются в качестве адгезионных слоев.

Целесообразно в качестве материала диэлектрического слоя использовать такие материалы, как ZrO₂, HfO₂, TiO₂, цирконат-титанат свинца, поскольку они имеют высокую диэлектрическую проницаемость, а следовательно обеспечат высокую удельную емкость суперконденсатора.

На фиг.1-3 приведены этапы предлагаемого способа изготовления суперконденсатора.

На фиг.1 представлен разрез структуры после формирования первого электрода путем формирования проводящего слоя 1 с развитой поверхностью, неровности которого обладают анизотропией проводимости электрического тока такой, что в горизонтальном направлении электрическая проводимость выше электрической проводимости в вертикальном направлении, на проводящей электродной основе 2.

На фиг.2 представлен разрез структуры после процесса формирования однородного по толщине тонкого диэлектрического слоя 3, повторяющего рельеф поверхности проводящего слоя с развитой поверхностью

На фиг.3 представлен разрез структуры после проведения процесса формирования второго электрода 4 путем заполнения пустот проводящим материалом между неровностями первого электрода, покрытого диэлектрическим слоем.

На фиг.4 показана фотография углеродной наноструктуры, которая является проводящим слоем 1 с развитой поверхностью, неровности которого хорошо проводят электрический ток в горизонтальном направлении и плохо в вертикальном.

Проведенные патентные исследования показали, что совокупность признаков предлагаемого изобретения является новой, что доказывает новизну способа изготовления планарного конденсатора повышенной емкости. Кроме того, патентные исследования показали, что в литературе отсутствуют данные, оказывающие влияние отличительных признаков заявляемого изобретения на достижение технического результата, что подтверждает изобретательский уровень предлагаемого способа.

Пример 1. В качестве электродной основы суперконденсатора использована алюминиевая фольга. С помощью плазмостимулированного метода химического осаждения из газовой фазы формируются первый электрод в виде углеродных наностолбиков, высота которых порядка 300 нм, расстояние между наностолбиками составляет 30 нм. Измерение сопротивления данной углеродной структуры показало анизотропию данного свойства: вдоль столбика - 165 Ом*м, в поперечном направлении столбика - 25 мОм*м. На полученном проводящем слое с развитой поверхностью с помощью метода атомно-слоевого осаждения формируется тонкий диэлектрический слой Al₂O₃ толщиной 20 нанометров. Используя метод импульсного электрохимического осаждения, происходит создание второго электрода путем осаждения слоя Cu толщиной 500 нм.

Пример 2. В качестве электродной основы суперконденсатора использована кремниевая подложка с нанесенным на нее проводящим слоем меди. С помощью плазмостимулированного метода химического осаждения из газовой фазы формируется первый электрод в виде углеродные наностолбиков, высота которых порядка 300 нм, расстояние между наностолбиками составляет 30 нм. Измерение сопротивления данной углеродной структуры показало анизотропию данного свойства: вдоль столбика - 165 Ом*м, в поперечном направлении столбика - 25 мОм*м. На полученном проводящем слое с развитой поверхностью с помощью метода атомно-слоевого осаждения формируется тонкий диэлектрический слой Al₂O₃ толщиной 20 нанометров. Используя метод магнетронного нанесения в одном процессе, производится формирование адгезионного слоя поверх тонкого диэлектрического слоя Ti толщиной 10 нм, затем происходит создание второго электрода путем нанесения слоя Cu толщиной 500 нм.

Преимущества использования конденсаторов повышенной емкости в качестве источников энергии перед обычными аккумуляторами хорошо известны: значительно меньшее время, требуемое на перезарядку (от нескольких секунд до нескольких минут), на порядки большее количество выдерживаемых циклов заряда-разряда, высокая плотность энергии, низкая себестоимость, больший срок службы, экологичность, возможность работы в экстремальных условиях.

Источники информации

1. Р.Кютз, М.Карлен. Принципы и применения электрохимических конденсаторов. Электрохим. 45, 2483 (2000).

2. Ф.Симон, Я.Гогости. Материалы для электрохимических конденсаторов. Естест. Мат.7, 825 (2008).

3. Патент США №7605048 - прототип.

4. П.Н.Дьячков. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применения. - М.: Бином, 2006. - 293 с.

5. Э.Г.Раков. Нанотрубки и фуллерены. - М.: Университетская книга. Логос, 2006. - 376 с.

6. Д.Г.Громов, С.А.Гаврилов, С.В.Дубков. Формирование углеродных наноструктур плазмостимулированным осаждением из газовой фазы на постоянном токе. Международная конференция Микро- и Наноэлектроники 2009. МООИФ. 7521 (2010).

Изобретение относится к области микро- и наноэлеткроники, где используются кратковременные и комбинированные источники тока. В частности, изобретение может быть использовано в качестве накопителя энергии. Способ изготовления планарного конденсатора повышенной емкости включает создание первого электрода путем формирования проводящего слоя с развитой поверхностью на проводящей электродной основе, формирование однородного по толщине тонкого диэлектрического слоя, повторяющего рельеф поверхности проводящего слоя с развитой поверхностью, и создание второго электрода путем заполнения пустот проводящим материалом между неровностями первого электрода, покрытого диэлектрическим слоем, формирование проводящего слоя с развитой поверхностью формируется из материала, имеющего анизотропию проводимости электрического тока такую, что в горизонтальном направлении электрическая проводимость выше электрической проводимости в вертикальном направлении. Технический результат - создание планарного конденсатора повышенной емкости с более высоким значением удельной мощности.10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ изготовления планарного конденсатора повышенной емкости, включающий создание первого электрода путем формирования проводящего слоя с развитой поверхностью на проводящей электродной основе, формирование однородного по толщине тонкого диэлектрического слоя, повторяющего рельеф поверхности проводящего слоя с развитой поверхностью, заполнение пустот проводящим материалом между неровностями первого электрода, покрытого диэлектрическим слоем, создавая тем самым второй электрод, отличающийся тем, что проводящий слой с развитой поверхностью формируется из материала, имеющего анизотропию проводимости электрического тока такую, что в горизонтальном направлении электрическая проводимость выше электрической проводимости в вертикальном направлении.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводящий слой с развитой поверхностью представляет собой углеродную наноструктуру в виде столбиков.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводящий слой с развитой поверхностью формируется химическим осаждением из газовой фазы.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что химическое осаждение из газовой фазы стимулировано плазмой.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что проводящий слой с развитой поверхностью содержит металлические или интерметаллические нанокластеры.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что проводящий слой с развитой поверхностью формируется плазмостимулированным химическим осаждением из газовой фазы при одновременном физическом осаждении из газовой фазы металлических или интерметаллических нанокластеров,

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что тонкий диэлектрический слой формируется атомно-слоевым осаждением.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что второй электрод, состоящий из проводящего материала, заполняющего пустоты между неровностями слоя с развитой поверхностью, покрытого диэлектрическим слоем, формируется электрохимическим осаждением.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что перед электрохимическим осаждением проводящего материала второго электрода производится формирование адгезионно-смачивающего слоя поверх тонкого диэлектрического слоя.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что материал адгезионного-смачивающего слоя содержит элемент из группы Ti, Zr, Hf, Та, W, Cr, V.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что материал диэлектрического слоя выбирается из группы Al₂O₃, ZrO₂, HfO₂, TiO₂, цирконат-титанат свинца.