0020]圖10為表面形成介質(zhì)薄膜層的硅片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖11為表面派射金屬金層的娃片的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0022]圖12為下電極層部分暴露的硅片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖13為最終形成的超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖中:1-娃片，2-氧化層，3-光刻膠，4-三維凹槽結(jié)構(gòu)，5-下電極層，
6-CCTO-0.1MT0介質(zhì)薄膜層，7-上電極層，8-銅導(dǎo)電漿料。
【具體實(shí)施方式】
[0025]一種基于高介電常數(shù)薄膜的MEMS超級(jí)電容器，包括硅片，硅片上刻蝕三維凹槽陣列4，刻蝕結(jié)構(gòu)的硅片上重?fù)诫s磷元素作為下電極層5，重?fù)诫s的襯底上通過液相沉積的方法形成CCTO-0.1MT0介質(zhì)薄膜層6，介質(zhì)薄膜層6上再派射金屬金層作為上電極層7，下電極層5部分暴露于上電極層7外，三維凹槽結(jié)構(gòu)4的微孔隙中填充有銅導(dǎo)電漿料8。
[0026]上述的基于高介電常數(shù)薄膜的MEMS超級(jí)電容器的制備方法，包括如下步驟:
51:取 0.06mol 的 Cu(N03)2.3H20、0.02mol 的 Ca(CH3⑶0)2.H20、0.08mol的Ti (0C4H9)4和0.002mol的Mg(CH3C00)2.4H20混合于乙二醇中，滴加濃鹽酸作為催化劑，去離子水控制濃度，在磁力攪拌器下攪拌2小時(shí)，靜置，得到藍(lán)綠色的CaCu3Ti4012-0.lMgTi03 溶膠先驅(qū)；
52:選取4寸硅片作為基底，硅片依次在二甲苯、丙酮、酒精、硫酸/雙氧水、氨水/雙氧水和鹽酸/雙氧水溶液中清洗以去除有機(jī)油、無(wú)機(jī)油，去除氧化膜和金屬離子；如圖2所示;
53:將步驟S2中清洗好的硅片放進(jìn)氧化爐進(jìn)行氧化，依次為濕氧氧化2.5小時(shí)，再通干氧氧化1小時(shí)，氧化出一層厚度約為1微米、均勻致密的氧化層，該氧化層作為腐蝕硅的掩模層；如圖3所示；
54:在步驟S3中硅片形成的氧化層上采用旋轉(zhuǎn)涂膠的方法均勻的涂上一層光刻膠并通過方形陣列掩膜板曝光、顯影，再通過腐蝕的方法去除暴露的氧化層；如圖4、圖5、圖6所示;
55:將步驟S4中已定域腐蝕氧化層的硅片放入已配好的氫氧化鉀/異丙醇/水的硅腐蝕液中，在60°C水浴溫度下腐蝕2.5小時(shí)；如圖7所示；
56:將步驟S5刻蝕硅完成后的硅片放入氟化銨/氫氟酸/水溶液中，將硅片表面的Si02層完全腐蝕掉，最后在硅片表面得到三維凹槽結(jié)構(gòu)4，重復(fù)步驟S2對(duì)硅片進(jìn)行清洗；如圖8所示；
57:將步驟S6中具有三維凹槽結(jié)構(gòu)4的硅片放進(jìn)離子注入系統(tǒng)，在其的表面重?fù)诫s磷元素，重?fù)诫s磷作為下電極層5 ;如圖9所示；
58:將步驟S7中的重?fù)诫s的硅片放入濃硫酸/雙氧水的溶液中，110°C下加熱10分鐘使硅片表面具有親水性；
59:將步驟S8中具有親水性的硅片放入步驟S1配好的溶膠先驅(qū)中，55°C下沉積14小時(shí)，在硅片表面形成一層CCTO-0.1MTO介質(zhì)薄膜層6 ;
510:將步驟S9中沉積好薄膜的硅片在300°C的電熱板上預(yù)處理5分鐘，然后800°C下退火1小時(shí)，升溫速度為5°C /min，CCTO-0.1MT0介質(zhì)薄膜層完成結(jié)晶；如圖10所示；
511:將步驟S10中形成CCTO-0.1MT0介質(zhì)薄膜層的硅片放進(jìn)真空濺射系統(tǒng)，在硅片的薄膜層上濺射一層厚度為300納米的金屬金層；金屬金層作為上電極層7，如圖11所示；
512:在上電極層7表面依次進(jìn)行光刻、刻蝕，使下電極層部分暴露于上電極層外；如圖12所示；
S13:利用深槽微孔隙填充技術(shù)在大比表面積三維凹槽結(jié)構(gòu)的微孔隙中填充銅導(dǎo)電漿料8，最后形成全固態(tài)靜電式超級(jí)電容器；如圖13所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于高介電常數(shù)薄膜的MEMS超級(jí)電容器，包括硅片，其特征在于硅片上刻蝕三維凹槽陣列(4)，刻蝕結(jié)構(gòu)的硅片上重?fù)诫s磷元素作為下電極層(5)，重?fù)诫s的襯底上通過液相沉積的方法形成CCTO-0.1MT0介質(zhì)薄膜層(6)，介質(zhì)薄膜層(6)上再派射金屬金層作為上電極層(7)，下電極層(5)部分暴露于上電極層(7)外，三維凹槽結(jié)構(gòu)(4)的微孔隙中填充有銅導(dǎo)電漿料(8)。2.一種如權(quán)利要求1所述的基于高介電常數(shù)薄膜的MEMS超級(jí)電容器的制備方法，其特征在于包括如下步驟:51:取 Cu (N03) 2.3H20、Ca (CH3C00) 2.H20、Mg (CH3C00) 2.4H20 和 Ti (0C4H9) 4，以乙二醇作為溶劑和穩(wěn)定劑，濃鹽酸為催化劑，在磁力攪拌器下充分?jǐn)嚢?，靜置，制得CaCu3Ti4012-0.lMgTi03 溶膠先驅(qū)； 52:選取硅片(1)并進(jìn)行硅片清洗，去除掉硅片(1)上的有機(jī)油、無(wú)機(jī)油，去除氧化膜和金屬離子； 53:將步驟S2中清洗好的硅片(1)進(jìn)行氧化，在表面氧化出一層氧化層(2)，該氧化層(2)作為腐蝕硅的掩模層； 54:在步驟S3中硅片形成的氧化層(2)上采用旋轉(zhuǎn)涂膠的方法均勻的涂上一層光刻膠(3)并通過方形陣列掩膜板曝光、顯影，再通過腐蝕的方法去除暴露的氧化層(2); 55:將步驟S4中已定域腐蝕氧化層(2)的硅片放入已配好的氫氧化鉀/異丙醇/水的硅腐蝕液中，在60 °C下腐蝕； 56:將步驟S5腐蝕完成后的硅片上殘留的氧化層(2)徹底腐蝕掉，最后在硅片上得到三維凹槽陣列(4)，并對(duì)硅片進(jìn)行清洗； 57:將步驟S6中清洗好具有三維凹槽陣列的硅片放進(jìn)離子注入系統(tǒng)，在其的表面重?fù)诫s磷元素，重?fù)诫s磷作為下電極層(5); 58:將步驟S7中重?fù)诫s的硅片放入濃硫酸/雙氧水的溶液中，110°C下加熱10分鐘使硅片表面具有親水性； 59:將步驟S8中具有親水性的硅片放入溶膠先驅(qū)中，55°C下沉積14小時(shí)，在硅片表面形成一層CCTO-0.1MTO介質(zhì)薄膜層(6); 510:將步驟S9中沉積好薄膜的硅片在300°C的電熱板上預(yù)處理5分鐘，然后800°C下退火結(jié)晶； 511:將步驟10中的硅片放進(jìn)真空濺射系統(tǒng)，在硅片的薄膜層上濺射一層金屬金層，金屬金層作為上電極層(7); 512:在上電極層(7)表面依次進(jìn)行光刻、刻蝕，使下電極層部分暴露于上電極層外； S13:在三維凹槽結(jié)構(gòu)的微孔隙中填充銅導(dǎo)電漿料(8)，最后形成基于高介電常數(shù)薄膜的MEMS超級(jí)電容器。
【專利摘要】本發(fā)明屬于微能源制造技術(shù)范圍，具體為一種基于高介電常數(shù)薄膜的MEMS超級(jí)電容器及其制備方法。超級(jí)電容器，包括硅片，硅片上刻蝕三維凹槽陣列，硅片上重?fù)诫s磷元素作為下電極層，重?fù)诫s的襯底上沉積介質(zhì)薄膜層，介質(zhì)薄膜層上再濺射金屬金層作為上電極層，三維凹槽結(jié)構(gòu)的微孔隙中填充有銅導(dǎo)電漿料。本發(fā)明首先采用高介電常數(shù)薄膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的介質(zhì)層，其次，采用刻蝕有三維凹槽陣列的硅襯底，顯著增加了電極的比表面積，改善了超級(jí)電容器的電容特性。介質(zhì)薄膜具有巨介電特性且介電損耗比較低，溫度穩(wěn)定性非常好，可通過LPD法均勻沉積在襯底上。濕法刻蝕硅片技術(shù)可控制凹槽深寬比，通過設(shè)計(jì)合適的凹槽寬度和高度，大大增加了電極的比表面積。
【IPC分類】H01G11/84, H01G11/86, B81B7/02, B81C1/00, H01G11/22, H01G11/00
【公開號(hào)】CN105355448
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510825741
【發(fā)明人】趙清華, 史健芳, 李剛, 高雅, 段倩倩, 喬學(xué)工
【申請(qǐng)人】太原理工大學(xué)
【公開日】2016年2月24日
【申請(qǐng)日】2015年11月25日