CN101887845A - 一种纳米超级电容的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于纳米超级电容技术领域，具体为一种纳米超级电容的制备方法。本发明首先采用阳极氧化铝和金属辅助刻蚀工艺，在重掺杂的低阻硅片上形成密度高、深宽比大，且高度有序的深槽结构，然后以此深槽结构为模板制备得到纳米超级电容。所述的金属催化刻蚀工艺中，金属催化剂是金、银、铂或钯，腐蚀液是氢氟酸和双氧水的混合溶液。所述纳米超级电容采用重掺杂的硅作为负电极；采用Al2O3、HfO2、Ta2O5或ZrO2作为绝缘介质；采用TiN、TaN或W作为种子金属层；采用Ni或Cu作为正电极。本发明工艺简单，成本低廉，而且制备的电容不易损坏。

Description

一种纳米超级电容的制备方法
技术领域
本发明属于纳米超级电容技术领域，具体涉及一种纳米超级电容的制备方法。
背景技术
在用于能量存储的电子器件中，纳米超级电容因同时拥有高的功率和能量密度得到了广泛的关注。纳米超级电容的提出得益于阳极氧化铝这种特殊工艺。阳极氧化铝是一种电化学工艺，简单说来就是高纯度的铝片经阳极氧化可以在氧化铝表面形成超高密度(1010cm-2)的高度有序、六方形排列的多孔结构，并且通过工艺条件的控制可以获得不同直径(30～80nm)和深度的孔。如果在这些微孔里采用特定工艺就可以形成具有较大电极表面积的纳米超级电容。传统的纳米超级电容以阳极氧化铝作为制备模板，经历了在氧化铝孔隙里生长碳纳米管作为电极形成的存储体系再到在氧化铝孔隙里形成MIM(金属-绝缘介质-金属)电容结构的存储体系。
虽然传统的纳米超级电容在多方面都很优异，但是因为阳极氧化铝比较脆弱，制备的纳米超级电极很容易损坏。为了得到深宽比很高的氧化铝多孔结构，通常都要在硅片上淀积很厚的一层铝，这对于半导体工艺是一个很大的挑战。如果能在硅片上形成有序的纳米孔，再依靠硅的强度将可以很好地解决纳米超级电容损坏的问题。近来出现了一种金属催化刻蚀工艺，其原理是利用某些金属颗粒作为催化剂，以氢氟酸和其他氧化剂的混合液作为腐蚀液对硅进行腐蚀，那么只有这些金属颗粒正下方的硅被腐蚀掉，这样就在硅片表面形成了深槽结构。有些研究小组已经使用光刻掩模板和金属催化刻蚀工艺在硅片上形成了密度高、深宽比大，且高度有序的深槽结构，并以此深槽结构作为模板制备了纳米超级电容。但是这种方法采用了光刻掩模板，导致制备成本较高，而且不同的孔径需要不同的掩模板又导致工艺较复杂。如果将阳极氧化铝工艺和金属催化刻蚀工艺结合起来制备纳米超级电容，将可以很好地解决成本高昂和工艺复杂的问题。
参考文献：
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发明内容
基于上述背景技术，本发明的目的在于提出一种工艺简单，成本低廉的纳米超级电容的制备方法。
为了达到上述目的，本发明提出的纳米超级电容的制备方法，首先采用阳极氧化铝工艺在重掺杂的低阻硅片表面形成氧化铝模板。在这里氧化铝只是作为形成硅深槽结构的非光刻掩模板，所以只需要控制氧化铝的孔径大小，无需控制深度，因而只需在硅片上淀积很薄的铝膜。然后，利用金属催化刻蚀工艺在硅片上形成高密度、高深宽比而且高度有序的深槽阵列。最后，以硅片中的深槽作为模板形成MIS(金属-绝缘介质-重掺杂半导体)电容结构。
本发明提出的纳米超级电容的制备方法采用了阳极氧化铝和金属催化的刻蚀工艺。
所述的金属催化的刻蚀工艺，所用的金属催化剂可以是金、银、铂或钯。该工艺所用的腐蚀液是氢氟酸和双氧水的混合溶液。
本发明中，所述纳米超级电容采用重掺杂的硅作为负电极。采用Al2O3、HfO2、Ta2O5或ZrO2作为绝缘介质。采用TiN、TaN或W作为种子金属层。采用Ni或Cu作为正电极。
本发明的具体工艺步骤如下：
(1)在重掺杂的低阻硅片上淀积一层铝；
(2)对铝进行两次阳极氧化得到氧化铝模板，该模板含有规则的柱状纳米孔隙；
(3)在氧化铝孔隙的表面淀积一层金属催化剂；
(4)用盐酸溶解氧化铝模板；
(5)使用氢氟酸和双氧水的混合溶液对硅片进行金属催化刻蚀，从而在硅片中形成深槽阵列；
(6)在深槽的表面淀积一层绝缘介质；
(7)在绝缘介质的表面淀积一层种子金属层；
(8)在种子金属层的表面电镀一层金属作为正电极。。
本发明的制备方法工艺简单，成本低廉，而且制成的电容不易损坏。
附图说明
图1：在重掺杂的低阻硅片上电子束蒸发一层铝。
图2：对铝进行两次阳极氧化得到的氧化铝模板。
图3：在氧化铝孔隙的表面电子束蒸发一层金。
图4：用盐酸溶解氧化铝后得到的硅片。
图5：使用氢氟酸和双氧水的混合溶液对硅片进行金属催化刻蚀后形成的深槽阵列。
图6：在深槽的表面原子层淀积一层氧化铝。
图7：在氧化铝的表面磁控溅射一层氮化钛。
图8：在氮化钛的表面电镀一层铜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详尽的说明。
步骤1：请参照图1，将衬底200放进电子束蒸发系统中淀积一层金属层201，其中200是重掺杂的低阻硅片；金属层201是铝(纯度为99.99％)，厚度是1～2微米。
步骤2：请参照图2，对金属层201采用传统的两次阳极氧化得到氧化铝202。在这里两次阳极氧化的工艺条件相同，均采用浓度为0.4M，温度为15℃的草酸溶液，阳极和阴极之间加40～45V直流电压。通过控制阳极氧化时间可以获得深度为100～400纳米，直径为30～80纳米的柱状孔隙。
步骤3：请参照图3，在氧化铝202的孔隙表面电子束蒸发一层金203，其厚度是5～15纳米。
步骤4：请参照图4，用盐酸溶解掉氧化铝202。
步骤5：请参照图5，使用氢氟酸和双氧水的混合溶液对衬底200进行金属催化刻蚀。
步骤6：请参照图6，在衬底200深槽的表面原子层淀积一层204，该层204是氧化铝，厚度是10～30纳米。
步骤7：请参照图7，在氧化铝204的表面磁控溅射一层氮化钛205，其厚度是5～10纳米。氧化铝204和氮化钛205的厚度之和应不超过衬底200中深槽的直径。
步骤8：请参照图8，在氮化钛205的表面电镀一层镍206，其厚度是200～500纳米。
本发明提出的一种新的纳米超级电容制备方法，制备工艺简单，成本低廉，而且所制备的纳米超级电容不易损坏。

Claims (6)

1.一种纳米超级电容的制备方法，其特征在于，首先采用阳极氧化铝工艺在重掺杂的低阻硅片表面形成了氧化铝模板；然后，利用金属催化刻蚀工艺在硅片上形成高密度、高深宽比而且高度有序的深槽阵列；最后，以硅片中的深槽作为模板形成MIS电容结构。
2.根据权利要求1所述的纳米超级电容的制备方法，其特征在于，所述金属催化刻蚀工艺中所用的金属催化剂是金、银、铂或钯；所用的腐蚀液是氢氟酸和双氧水的混合溶液。
3.根据权利要求2所述的纳米超级电容的制备方法，其特征在于，所述纳米超级电容采用Al2O3、HfO2、Ta2O5或ZrO2作为绝缘介质。
4.根据权利要求3所述的纳米超级电容的制备方法，其特征在于，所述纳米超级电容采用TiN、TaN或W作为种子金属层。
5.根据权利要求4所述的纳米超级电容的制备方法，其特征在于，该纳米超级电容采用Ni或Cu作为正电极。
6.根据权利要求1所述的纳米超级电容的制备方法，其特征在于，具体操作步骤如下：
(1)在重掺杂的硅片上淀积一层铝；
(2)对铝进行两次阳极氧化得到氧化铝模板；
(3)在氧化铝模板的表面淀积一层金属催化剂；
(4)用盐酸溶解氧化铝；
(5)使用氢氟酸和双氧水的混合溶液对硅片进行金属催化刻蚀，得到深槽结构；
(6)在深槽的表面淀积一层绝缘介质；
(7)在绝缘介质的表面淀积一层种子金属层；
(8)在种子金属层的表面电镀一层金属作为正电极。
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