專利名稱：一種耐高壓高儲能密度電容器及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鐵電陶瓷薄膜電容器及其制備方法。
背景技術：
在與普通電池及電化學電容器相比，常規(guī)電容器由于具有輕便，高效，環(huán)境友好，比功率高等特性，但其比能量低。近年來，由于新技術的發(fā)展和新應用的要求，高儲能、小型化、輕質量、低成本、高可靠性的高儲能密度電容器得到越來越廣泛的研究。目前應用較多的電容器主要有以下三類:1)電解電容器(Al，Ta)。這種電容器的電容量大，但高溫高頻下電容減小，漏導電流增大。2)聚合物薄膜電容器。這種電容器擊穿場強大，但介電常數(shù)較低，而且工作溫度< 150°C，在高溫下容易失效。3)陶瓷電容器。這種電容器具有高的介電常數(shù)但擊穿場強小。前兩種材料無法滿足環(huán)境的友好可持續(xù)發(fā)展，而陶瓷材料(無鉛陶瓷)由于其環(huán)境友好性好，將會得到越來越廣泛的應用。這三種電容器的共性在于儲能密度低。儲能密度與介電常數(shù)的一次方，電場強度的二次方成正比，與電容器的體積成反比。所以可以通過提高介電層的介電常數(shù)和擊穿電場強度，減小電容器的體積來增加電容器的儲能密度。針對提高電容器儲能密度的問題，國內(nèi)外有很多學者進行了深入的研究。J.K.Yuan分別以PVDF和PANI為基體和填料，制備出的混合物介電材料，介電常數(shù)在IkHz達到385，擊穿電場和儲能密度分別為10MV.m^1, 6.1J.cm—3。B.J.Chu優(yōu)化PVDF聚合物，得到的介電材料在575MV.πΓ1時，儲能密度達到17J.cm_3。這類技術主要是通過提高聚合物的介電常數(shù)來提高其儲能密度；E.P.Gorzkowski制備的鈦酸鍶鋇(BST)玻璃陶瓷，介電常數(shù)和擊穿場強分別達到1000和800KV/cm,儲能密度為0.3 - 0.9J/cm3。J.Luo等用15.4Na20-15.4Pb0-23.lNb205-46.2Si028 50°C結晶的玻璃陶瓷作介電層，儲能密度達到8J/cm3。Dong等在Baa3Sra7TiO3中添加ZnO，得到了細顆粒高密度的介電材料，儲能密度達到3.9J/cm3。這類技術主要是通過提高陶瓷材料的擊穿電場來提高其儲能密度。這些研究雖然提高了介電材料的存儲密度，但存在以下幾個不足:1)制備方法復雜2)陶瓷的燒結溫度高3)制備出的電容器體積相對薄膜電容器大4)與半導體集成兼容性差5)儲能密度低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決電容器儲能密度低，電容器體積大，環(huán)境友好要求以及與半導體集成工藝兼容性差的問題，而提供一種耐高壓高儲能密度電容器及其制備方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的:一種耐高壓高儲能密度電容器，包括基體、底電極、介電層、頂電極，用Si或SiO2/Si作為基體，底電極為金屬薄膜、導電氧化物薄膜、或兩種組合，厚度為100 IOOOnm ;介電層由BaTiO3鐵電薄膜組成，厚度為200nm 5 μ m ;頂電極為直徑20 500 μ m的金屬薄膜點電極。 金屬薄膜可為T1、Pt等；導電氧化物薄膜可為鈦酸鍶、鎳酸鑭、鈷酸鑭鍶等；金屬薄膜點電極為金或銀。底電極優(yōu)選為金屬薄膜與導電氧化物薄膜組合，金屬薄膜為T1、Pt薄膜，導電氧化物薄膜采用鈣鈦礦ABO3結構的導電陶瓷材料，如LaNiO315上述的耐高壓高儲能密度電容器的制備方法，包括步驟如下:(I)基體處理:選用Si或Si02/Si作為薄膜電容器的基體，用丙酮和酒精對其進行超聲清洗，吹干，將其加熱到200 500°C ；(2)在基體上沉積底電極采用金屬靶或/和導電氧化物靶，單靶以射頻或直流磁控濺射的方式在基體上沉積金屬薄膜、或導電氧化物薄膜、或先沉積金屬薄膜再沉積導電氧化物薄膜；沉積金屬薄膜時氣氛為純Ar氣，氣流控制在20 IOOsccm,氣壓控制在0.3 3Pa，靶功率密度為2-5W/cm2 ;沉積導電氧化物薄膜時氣氛為Ar和O2的混合氣體，Ar氣流量控制在20-100sCCm，O2流量控制在10 40sccm，氣壓控制在0.3 3Pa，靶功率密度為2.5_10W/cm2，底電極總膜厚為100-1000nm。(3)在底電極上沉積介電層采用陶瓷BaTiO 3靶，以射頻磁控濺射的方式在底電極上沉積BaTiO3層，濺射氣氛為Ar和O2的混合氣體，Ar氣流量控制在20-100sccm，O2流量控制在10 40sccm，BaTiO3靶的功率密度為2.5-10ff/cm2,厚度為200nm-5 μ m。(4)在介電層上沉積頂電極采用金屬靶，以射頻磁控濺射方式沉積，濺射氣氛為空氣，靶功率密度為2-5W/cm2，上電極的直徑控制在20-500 μ m。射頻磁控濺射制備薄膜具有以下優(yōu)點:1)濺射效率高2)制備出的薄膜致密度高
3)與集成工藝兼容性好。磁控濺射發(fā)制備薄膜的原理如圖3所示:磁控濺射電子在電場的作用下，在飛向基片的過程中與氬原子發(fā)生碰撞，使其電離出Ar+。Ar+在電場作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射，在濺射粒子中，中性的靶原子或分子則沉積在基片上形成薄膜。通過射頻磁控濺射可以制備多種薄膜材料，如金屬材料，陶瓷材料等。有很多因素(如氣體流量，靶材功率等)可以影響磁控濺射所得薄膜的質量，所以在鍍膜實踐過程中應該控制好各個工藝參數(shù)以提高薄膜的均勻性以及性能的穩(wěn)定性。本發(fā)明薄膜電容器的介電層是由通過中低溫磁控單靶濺射制備的鈣鈦礦型無鉛鐵電陶瓷鈦酸鋇薄膜組成的。本發(fā)明所制備的薄膜電容器直接與半導體Si集成，所得到的電容器具有比高分子材料高的介電常數(shù)，比陶瓷材料高的耐壓性以及高的儲能密度。在民用及軍用方面，如太陽能，風能等新能源發(fā)電系統(tǒng)，定向能武器，電氣化發(fā)射平臺等；以及在器件的微型化發(fā)展方面有很大的應用前景。本發(fā)明的有益效果為:(I)該電容器結構的核心-介電層，其材料采用了綠色環(huán)保的無鉛鐵電陶瓷材料-BaTiO3薄膜。(2)其制備方法-中低溫磁控濺射，與半導體集成工藝高度兼容，操作簡易，可以實現(xiàn)低成本、高效率制備。(3)制備出的薄膜電容器體積小，耐高壓，其擊穿場強Eb高于lOOOkV/cm;其實際放電能量密度不低于10J/cm3;損耗低，在lOOOkV/cm外場下?lián)p耗正切角小于2%，在-100-200°C的溫度范圍內(nèi)，或kHz-MHz的頻率范圍內(nèi)，介電性能保持穩(wěn)定。(4)具鈣鈦礦ABO3結構的導電氧化物薄膜作為緩沖層能夠優(yōu)化薄膜的取向及電學性能。


圖1為本發(fā)明制得的電容器結構的示意圖。圖2為本發(fā)明所用制備方法原理示意圖。圖3為本發(fā)明所用制備方法的結構示意圖。圖4為本發(fā)明實施例2制得的電容器形貌圖。其中1-Si基體、2-底電極、3_BaTi03介電層薄膜、4-Au頂電極、5-基片臺、6-爐絲、7-基片架、8-等離子體、9-靶材、10-擋板、11-進氣孔。
具體實施例方式下面結合實施例進一步說明。本發(fā)明的主要實驗設備為磁控濺射儀。該設備的磁控濺射結構示意圖如圖3所示，主要包括爐絲、靶材、基片架。該設備的磁控濺射腔室用機械泵抽氣實現(xiàn)低真空，再由分子泵抽高真空至低于10 4pa。 向腔室內(nèi)通入20-100sccm的Ar氣，調節(jié)設備板閥使腔室壓強保持在0.3_3pa。實施例1將基體通過加熱絲加熱到200_500°C，調整公轉電機使基片處于正對于Ti靶的位置，開啟Ti靶的射頻電源，調整Ti靶功率密度為2-5W/cm2，制備厚度為20-100nm的Ti金屬膜作為電極Pt與Si基體之間的過渡層。調整公轉電機使基片處于正對于Pt靶的位置，開啟Pt靶的射頻電源，調整Pt靶功率密度為2-5W/cm2，制備厚度為80-500nm的Pt金屬膜。再向腔室通入流量為10-40sCCm的氧氣，調節(jié)設備板閥使腔室壓強保持在
0.3-3pa。調整公轉電機使基片處于正對于BaTiO^E的位置，開啟BaTiO3靶的射頻電源，調整BaTiO3靶的功率密度為2.5-10ff/cm2,制備厚度為200nm_5 μ m的BaTiO3薄膜作為該薄膜電容器的介電層。用采用金箔靶，以射頻磁控濺射方式沉積頂電極。濺射氣氛為空氣，頂電極的直徑控制在20-500 μ m。實施例2所有薄膜均在在中低溫條件下制備(< 500° C)。采用單靶依次進行射頻磁控共軸濺射，包括以下步驟:( i )基體處理:選用Si或Si02/Si作為薄膜電容器的基體，用丙酮和酒精對其進行超聲清洗，吹干。將其加熱到200 500° C。( )在基體上沉積金屬薄膜:
采用金屬Ti靶和Pt靶，以射頻磁控濺射的方式完成。濺射氣氛為純Ar，氣體流量控制在20 IOOsccm,氣壓為0.3 3Pa，靶功率密度為2_5W/cm2，總膜厚控制在100_600nmo(iii)沉積導電氧化物薄膜:采用鈣鈦礦LaNiO3祀，以射頻磁控濺射的方式完成。濺射氣氛為Ar和02，Ar氣流量控制在20-100sccm，O2流量控制在10 40sccm，靶功率密度為2.5_10W/cm2。LaNiO3緩沖層厚度控制在100-400nm。(iv)沉積介電層:采用陶瓷BaTiO3靶，以射頻磁控濺射 的方式完成。濺射氣氛為Ar和02，Ar氣流量控制在20-100sccm，O2流量控制在10 40sccm，BaTiO3靶的功率密度為2.5-lOW/cm2，BaTiO3介電層厚度控制在200nm-5 μ m。(V)在介電層上沉積頂電極。采用金箔靶或其他金屬靶，以光刻或掩模板濺射的方式完成。用光刻方式制備電極步驟為:在薄膜表面涂膠，用掩模板對其進行光刻，將樣品放入腔室進行磁控濺射，再去掉殘余的膠。用掩模板濺射制備電極的步驟為:將帶有電極形狀及尺寸的掩模板蓋在薄膜上方，濺射儀直接濺射，濺射氣氛為空氣。頂電極的直徑控制在20-500μπι。性能測試在零偏壓下對薄膜電容器進行介電頻譜測試，其損耗正切角小于1% ；對薄膜電容器進行介電溫譜和頻譜測試，在-100-200°C的溫度范圍內(nèi)，或kHz-MHz的頻率范圍內(nèi)，介電性能保持穩(wěn)定。對薄膜電容器進行C-V測試，在lOOOkV/cm外場下?lián)p耗正切角小于2%。用脈沖充放電方式在大于IOV電壓下對薄膜電容器進行充放電，其實際放電能量密度不低于10J/cm3，擊穿場強Eb不低于1000kV/cm。
權利要求
1.一種耐高壓高儲能密度電容器，其特征是，包括基體、底電極、介電層、頂電極，用Si或Si02/Si作為基體，底電極為金屬薄膜、導電氧化物薄膜、或兩種組合，厚度為100 IOOOnm ;介電層由BaTiO3鐵電薄膜組成，厚度為200nm 5 μ m ;頂電極為直徑20 500 μ m的金屬薄膜點電極。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種耐高壓高儲能密度電容器，其特征是，金屬薄膜選自T1、Pt。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種耐高壓高儲能密度電容器，其特征是，導電氧化物薄膜采用鈣鈦礦ABO3結構的導電陶瓷材料鈦酸鍶、鎳酸鑭或鈷酸鑭鍶。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種耐高壓高儲能密度電容器，其特征是，金屬薄膜點電極為金或銀。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種耐高壓高儲能密度電容器，其特征是，底電極為金屬薄膜與導電氧化物薄膜 組合，金屬薄膜為T1、Pt薄膜，導電氧化物薄膜采用鈣鈦礦ABO3結構的導電陶瓷材料LaNiO3。
6.一種耐高壓高儲能密度電容器的制備方法，其特征是，包括步驟如下: (1)基體處理: 選用Si或Si02/Si作為薄膜電容器的基體，用丙酮和酒精對其進行超聲清洗，吹干，將其加熱到200 5000C ； (2)在基體上沉積底電極 采用金屬靶或/和導電氧化物靶，單靶以射頻或直流磁控濺射的方式在基體上沉積金屬薄膜、或導電氧化物薄膜、或先沉積金屬薄膜再沉積導電氧化物薄膜；沉積金屬薄膜時氣氛為純Ar氣，氣流控制在20 IOOsccm,氣壓控制在0.3 3Pa，靶功率密度為2_5W/cm2 ；沉積導電氧化物薄膜時氣氛為Ar和O2的混合氣體，Ar氣流量控制在20-100sCCm，O2流量控制在10 40sccm，氣壓控制在0.3 3Pa，靶功率密度為2.5_10W/cm2，底電極總膜厚為IOO-1OOOnm ； (3 )在底電極上沉積介電層 采用陶瓷BaTiO3靶，以射頻磁控濺射的方式在底電極上沉積BaTiO3層，濺射氣氛為Ar和O2的混合氣體，Ar氣流量控制在20-100sccm，O2流量控制在10 40sccm，BaTiO3靶的功率密度為2.5-10ff/cm2,厚度為200nm-5 μ m ； (4)在介電層上沉積頂電極 采用金屬靶，以射頻磁控濺射方式沉積，濺射氣氛為空氣，靶功率密度為2-5W/cm2，上電極的直徑控制在20-500 μ m。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種耐高壓高儲能密度電容器及其制備方法，包括基體、底電極、介電層、頂電極，用Si或SiO2/Si作為基體，底電極為金屬薄膜、導電氧化物薄膜、或兩種組合；介電層由BaTiO3鐵電薄膜組成，頂電極為金屬薄膜點電極。采用金屬靶或/和導電氧化物靶，單靶以射頻或直流磁控濺射的方式在基體上沉積金屬薄膜、或導電氧化物薄膜、或先沉積金屬薄膜再沉積導電氧化物薄膜，采用陶瓷BaTiO3靶，以射頻磁控濺射的方式在底電極上沉積BaTiO3層，采用金屬靶，以射頻磁控濺射方式沉積頂電極。本發(fā)明制備出的薄膜電容器體積小，耐高壓，其擊穿場強Eb高于1000kV/cm;其實際放電能量密度不低于10J/cm3;損耗低，在頻率及溫度變化時，介電性能保持穩(wěn)定。
文檔編號H01G4/008GK103219153SQ201310099868
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月26日 優(yōu)先權日2013年3月26日
發(fā)明者歐陽俊, 袁美玲 申請人:歐陽俊