CN103988270A - 克服叠层电容器中的偏差 - Google Patents

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Abstract

在本发明的一个实施例中，说明了一种形成储能设备的方法，其中，在电化学蚀刻浴中电化学蚀刻导电衬底的多孔结构的同时原位测量导电衬底的多孔结构，直到获得预定值为止，此时可以从电化学蚀刻浴中移出导电衬底。在另一个实施例中，说明了一种形成储能设备的方法，其中，测量导电多孔结构以确定导电多孔结构的储能容量。随后减小导电多孔结构的储能容量，直到获得预定储能容量值为止。

Description

克服叠层电容器中的偏差
背景技术
本发明所公开的实施例总体上涉及能量储存设备，更具体地，涉及克服电容器之间的偏差的方法。
现代社会依赖于随时可用的能量。随着对能量的要求增大，能够有效率地存储能量的设备变得日益重要。结果，能量储存设备，包括电池、电容器、电化学电容器(EC)(包括赝电容器和电双层电容器(EDLC)-除了其他名称以外，也称为超级电容器)、混合EC等，广泛地用于电子领域及更多领域中。尤其是电容器广泛地用于从电路和电力传送到电压调节和代替电池范围中的应用。电化学电容器的特征在于高储能容量以及其他所期望的特性，包括高功率密度、尺寸小和重量轻，因而对于几个储能应用中的使用成为有前途的候选。
在相关申请PCT/US2010/029821(公布为WO 2011/123135)中，公开了用于形成高能量密度电化学电容器的三维结构。在一些公开的实施例中，将湿法蚀刻工艺用于蚀刻深入到硅结构中的微孔，并以电解质或结合电解质的高k电介质材料和/或导电薄膜填充微孔。因为利用了电解质，在电化学反应分解电解质，产生气体并损坏部件之前，这个电化学电容器仅可以被充电到几伏。
附图说明
依据结合附图中的图示阅读以下的详细说明，会更好地理解所公开的实施例，在附图中：
图1-2是根据本发明的实施例的储能设备的横截面侧视图；
图3是根据本发明的实施例的一段多孔硅的横截面侧视扫描电子显微镜图像；
图4是根据本发明的实施例的在储能设备的多孔结构内的双电层的横截面侧视示意图；
图5是根据本发明的实施例的在储能设备的电解质与多孔硅结构之间的层的横截面侧视示意图；
图6A-6B是根据本发明的实施例的电化学蚀刻浴的横截面侧视示意图；
图7是示出根据本发明的实施例的形成储能设备的方法的流程图；
图8是根据本发明的实施例的恒电流充电-放电测量的示意图；
图9是示出根据本发明的实施例的形成储能设备的方法的流程图；
图10A是根据本发明的实施例的储能设备的顶视图，所述储能设备包括大容量电容器区和与大容量电容器区分隔开的熔丝微调电容器区；
图10B是根据本发明的实施例的沿图10A中线A-A的横截面侧视图；
图11A是根据本发明的实施例的储能设备的顶视图，所述储能设备包括大容量电容器区和熔丝微调电容器区；
图11B是根据本发明的实施例的沿图11A中线B-B的横截面侧视图；
图12A是根据本发明的实施例的储能设备的顶视图，所述储能设备包括大容量电容器区和与大容量电容器区电气断开的微调电容器区；
图12B是根据本发明的实施例的沿图12A中线C-C的横截面侧视图；
图13是根据本发明的实施例的移动电子设备的框图；以及
图14是根据本发明的实施例的微电子设备的方框示意图。
为了例示的简单和清楚，附图示出了构造的大致样式，且可以省略公知的特征和技术的说明和细节以便不必要地使得本发明的所述实施例的论述模糊不清。另外，附图中的元件不一定按照比例绘制。例如，图中的一些元件的尺寸可以相对于其他元件被放大，以帮助改善对本发明的实施例的理解。为了有助于理解，以理想化样式显示了某些附图，例如在将在现实世界条件下有可能明显不太对称和有序的结构显示为具有直线、锐角、和/或平行平面等时。不同附图中的相同参考标记表示相同的元件，而相似的参考标记可以但不一定表示相似的元件。
如果有的话，说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等用于区分相似的元件，但不一定用于说明特定连续顺序或时间先后顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的环境下是可互换的，以使得本文所述的本发明的实施例例如能够以不同于本文所示或所述的顺序操作。类似地，如果本文将方法说明为包括一系列步骤，本文所呈现的这些步骤的顺序不一定是可以执行这些步骤的唯一顺序，有可能省略某些表述的步骤和/或本文没有说明的某些步骤有可能增加到方法中。而且，术语“包括”、“包含”、“具有”及其任何变化旨在对非排他性的包含进行覆盖，以使得包括一系列要素的过程、方法、制品或装置不一定局限于这些要素，而是可以包括没有明确列出的或这种过程、方法、制品或装置固有的其他要素。
如果有的话，说明书和权利要求书中的术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“下”等是用于说明性目的，而不一定用于说明永久的相对位置，除非具体地或由上下文指出有所不同。应当理解，如此使用的术语在适当的环境下是可互换的，以使得本文所述的本发明的实施例例如能够以不同于本文所示或所述的排列方向操作。本文使用的术语“耦合”定义为以电气的或非电气的方式直接或间接连接。按照适合于短语所使用的上下文，本文描述为彼此“邻近”的物体可以在物理上彼此接触、彼此邻近、或者彼此在大致相同的范围或区域中。本文中出现的术语“在一个实施例中”不一定全都指代同一实施例。
具体实施方式
在本发明的一个实施例中，说明了一种形成储能设备的方法，其中，在电化学蚀刻浴中电化学蚀刻导电衬底的同时原位测量导电衬底的多孔结构，直到获得预定值为止，此时可以从电化学蚀刻浴中移出导电衬底。随着电化学蚀刻导电衬底，多孔结构形成在导电衬底中，多孔结构的相应的表面积和储能容量可以作为蚀刻时间的函数而增大。以此方式，将原位测量用作反馈以在对应于多孔结构的已经被蚀刻的特定表面积和产生的储能容量的特定点终止电化学蚀刻过程。
在另一个实施例中，说明了一种形成储能设备的方法，其中，测量导电多孔结构以确定导电多孔结构的储能容量。基于测量值，减小导电多孔结构的储能容量直至获得预定储能容量值为止。例如，这可以通过借助微调电容器区的选择性激光熔化、或将微调电容器区与大容量电容器区电气断开而减小导电多孔结构的表面积来完成。以此方式，能够首先制造具有特定范围的储能容量的储能设备，并随后微调到更精确的储能容量值。这个减小技术可以用于为多个储能设备匹配储能容量值。
在一个方面中，本发明的实施例提供可以用于控制在储能设备的每一个板(包括导电多孔结构)中的精确储能容量的方法和结构，所述储能设备例如是多孔硅电化学电容器等。这可以允许电容器极为紧密的配合，从而实现了大量电化学电容器串联堆叠，用于在储能效率的降低最少情况下的高工作电压。在另一个方面中，本发明的实施例可以显著地减小对串联堆叠的电化学电容器相关的复杂偏压电路的需要。
许多基于硅的电路都需要在超过3伏的输入电压下运行，因为它们的带隙能量、对强导通偏压的需要和大多数电路堆叠几个晶体管以获得推挽式电路的事实。由于许多电化学电容器包含电解质或离子溶液，它们在超过3伏的电压趋向于分解，这种单一电化学电容器就由于功率调节而不与基于硅的电路耦合。多个电化学电容器并没有串联堆叠以构成储能设备，所述储能设备以每一个电化学电容器的工作电压的n倍电压运行，因为当前制造技术典型地导致电化学电容器在它们的容量上存在+/-20％的偏差。
例如，考虑两个串联的电容器：C和C(1-ε)，其中，ε从0到1变化并表示两个电容器的峰峰值偏差。例如，如果一个电容器高于其指定值+20％，另一个电容器低于其指定值-20％，那么ε就会等于0.40。随着电流施加到叠层，等量的电流流过每一个电容器，导致每一个电容器中的电压上升。当最低电容达到其最大电压(Vmax)时，必须停止施加充电电流，以避免损坏电容器。较大电容器会保持低于Vmax，因为它需要更多的电荷以达到该电压。存储在储能设备中的总能量是用于每一个电容器的项1/2CV2的总和。计算出存储的能量与两个电容器可能的最大存储值的比，效率为：
效率＝1/2(2-3ε+ε2)
因而，失配的电容器不能存储可能的最大能量。在应用中，电容中+/-20％的偏差意味着40％的最坏情况失配。这意味着两个电容器仅存储理想能量的量的1/2，仅与单个电容器一样多。因此，使用当前可用的制造方法和结构来制作多于两个电化学电容器的堆叠在没有复杂偏压电路的情况下是不现实的。
本发明的实施例提供了可以用于通过控制储能设备的每一个板中的精确储能容量来解决电容器之间偏差的方法和结构，所述储能设备例如是多孔硅电化学电容器。以此方式，可以实现电容器极为紧密的配合，使得能够串联堆叠大量电化学电容器，用于在最小的储能效率降低的情况下的高工作电压。另外，根据本发明的实施例，可以显著地减小对与串联堆叠的电化学电容器相关的复杂偏压电路的需要。
尽管本文大部分论述将集中在电化学电容器上(包括赝电容器和双电层电容器)，但“储能设备”指代除了EC、混合EC以外还明确包括电池、燃料电池以及存储能量的类似设备。根据本发明的实施例的储能设备能够用于各种应用，包括自动车、巴士、火车、飞机、其他运输车辆、家庭储能设备、用于由太阳能或风能发电机(尤其是能量收集设备)产生的能量的储存设备、及许多其他的设备。
电化学电容器按照那些与管理传统平行平板电容器的类似的原理进行操作，但确实应用了某些重要区别。一个明显区别涉及电荷分离机制。对于一类重要的EC，典型地采用所谓的双电层或EDL形式，而不是传统电容器的电介质形式。EDL由离子在高表面积电极与电解质之间的分界面的电化学而生成，导致电荷的有效分离，尽管存在层在一起非常接近的事实。(物理分隔距离在单纳米的数量级上)。因而，由于在其EDL中存储电荷，可以考虑典型的EDL电容器。EDL的每一层都导电，但双层特性阻止了电流流过它们之间的边界。(以下结合图4进一步论述EDL)。
如同在传统电容器中也是如此，电化学电容器中的电容与电极的表面积成正比，而与电荷分隔距离成反比。电化学电容器中可获得的极高电容部分是由于归因于多通道多孔结构的极高表面积和归因于EDL的纳米级电荷分隔距离，如上所解释的，它是由于电解质的存在而引起的。根据本发明的实施例，可以使用的一类电解质是离子溶液(液体或固体)。另一类是包括含离子的溶剂的电解质(例如，Li2SO4、LiPF6)。也可以是有机电解质和固态电解质。
另一类电化学电容器是赝电容器，代替EDL电容的一种不同类型的电容-它在起源上是感应电流的而不是静电的-可以出现在某些类型的电极处。这个不同类型的电容称为“伪电容”。赝电容器是行为类似于电容器而且也呈现出导致电荷储存的反应的储能设备。典型地，赝电容器的一个电极以过渡金属氧化物来涂覆，例如MnO2、RuO2、NiOx、Nb2O5、V2O5等，或者以其他材料涂覆，包括Mo2N、VN、W2N、W2C(碳化钨)、Mo2C、VC、适合的导电聚合物、或类似的材料。这些材料可以与诸如氢氧化钾(KOH)的电解质一起使用；当为设备充电时，电解质将与材料在允许以类似于电池的储能的方式存储能量的反应中发生反应。更具体地，这些材料通过极为可逆的表面和表面下氧化还原作用(感应电流的)反应来存储能量，但同时双电层储能机制仍旧保持并提供高功率的潜能。
混合电化学电容器是结合了EC和电池的属性的储能设备。在一个示例中，将涂覆了锂离子材料的电极与电化学电容器组合，以便生成具有EC的快速充电和放电特性与电池的高能量密度的设备。另一方面，类似于电池，混合EC具有比电化学电容器更短的预期使用寿命。
图1-2是根据本发明的实施例的储能设备100的横截面视图。如图1和2所示，储能设备100包括导电结构110和导电结构120，彼此由是电绝缘体和离子导体的间隔物130隔开。间隔物130使得导电结构110和120免于彼此接触，以便避免电气短路。在其他实施例中，间隔物不是必需的且能够被省略。
至少一个导电结构110和120包括多孔结构。在图1-2所示的实施例中，两个导电结构都包括导电多孔结构。根据某些实施例，多孔结构包含多个通道，其每一个都具有通向多孔结构的表面的开口。这个特征可以是下述的用于形成多孔结构的电化学蚀刻过程的结果。示例性地，可以在诸如导体材料或半导体材料的导电材料内形成多孔结构。可替换地，可以在涂覆了导电膜(例如，诸如氮化钛(TiN)之类的ALD导电膜)的绝缘材料(例如氧化铝)内形成多孔结构。在这点上，具有较大电导率的材料是有优势的，因为它们降低了有效串联电阻(ESR)。在所示实施例中，导电结构110和导电结构120都包括这样的多孔结构。因此，导电结构110包括通道111，具有通向相应多孔结构的表面115的开口112，导电结构120包括通道121，具有通向相应多孔结构的表面125的开口122。在仅导电结构110和120之一包括具有多通道的多孔结构的实施例中，另一个导电结构例如可以是金属电极或多晶硅结构。
多种结构的储能设备100是可能的。例如，在图1的实施例中，储能设备100包括两个不同的导电多孔结构(即，导电结构110和导电结构120)，将它们面对面结合在一起，在其间具有间隔物130。作为另一个示例，在图2的实施例中，储能设备100包括单一平面导电多孔结构，其中，第一区(导电结构110)与第二区(导电结构120)由包含间隔物130的沟槽231隔开。一个导电结构为正极侧，而另一个导电结构为负极侧。例如，间隔物130可以是可透膜或其他多孔聚合物间隔物。通常，间隔物防止阳极和阴极的物理接触(这会导致设备中的电气故障)，而允许离子电荷载流子的传递。除了聚合物间隔物以外，也可以是若干其他间隔物类型。这些实例包括无纺纤维板、液膜、聚合物电解质、固体离子导体等。
图2显示了连接导电结构110和导电结构120的材料的小电桥。如果不管它，这个电桥会充当在两个导电结构之间的短路连接。但存在几个可能的解决方案。例如，可以使用抛光操作(导电结构由一些其他装置保持分离)来去除电桥。或者，可以在晶圆的重掺杂顶层或区域中形成导电结构，同时沟槽向下延伸到下层轻掺杂的衬底，该衬底不是很好的良导体。或者可以使用绝缘体上硅结构。
例如，导电结构110和120的多孔结构可以由湿法蚀刻处理产生，其中，涂覆在导电结构表面的液体蚀刻剂以至少某种程度上类似于水能够在岩石中刻出通道的方式蚀刻掉部分导电结构。这是每一个通道都具有通向导电结构的表面的开口的原因；湿法蚀刻法不能够在多孔结构内产生全封闭的空腔，即没有通向表面的开口的空腔，类似于岩石内部圈闭的空气泡。这并不是说这些开口不能由其他材料覆盖或者闭合，因为其他材料的存在或者添加-事实上就是类似于在几个实施例中出现的-但不管是否被覆盖，通向表面的所述开口都是根据本发明至少一个实施例的在每一个多孔结构中的每一个通道的特征。(开口可以被覆盖的一个实施例是外延硅层作为电路或其他布线在通道顶上生长的位置的实施例。)
借助正确的蚀刻剂，应可以从各种材料使得多孔结构具有所述特性。在一个实施例中，通过在电化学蚀刻浴中以氢氟酸和乙醇的混合物蚀刻导电硅结构来产生多孔硅结构。但本发明的实施例不限于多孔硅结构，本发明的实施例也不限于电化学蚀刻。本文将电化学蚀刻描述为在导电结构中形成多孔结构的一种方法，其中，多孔结构可以被原位测量从而确定何时终止与多孔结构的特定表面积和产生的储能容量相对应的蚀刻处理。
除了多孔硅以外，特别适合于根据本发明的实施例的储能设备的某些其他材料是多孔锗和多孔锡。使用多孔硅的可能的优点包括它与现有硅技术的适应性。作为用于该材料的现有技术的结果，多孔锗享有与类似的优点，并且与硅相比，享有其原生氧化物(氧化锗)是水溶性的，所以易于去除的另外可能的优点。(在硅表面上形成的原生氧化物可以俘获电荷－这是不期望得到的结果－尤其是硅孔隙率大于约20％的情况)。多孔锗也与硅技术非常适应。使用是零带隙材料的多孔锡的可能的优点包括其相对于某些其他导体和半导体材料的增强的导电性。其他材料也可以用于多孔结构，包括碳化硅、诸如硅和锗的合金之类的合金、以及诸如铜、铝、镍、钙、钨、钼、和锰之类的金属。
还应注意，在图1-2中的多孔结构的图示是高度理性化的，这只是为了涉及将所有通道111和121都显示为仅垂直延伸这样一个示例。实际上，通道会在多个方向上分支以产生纠缠无序的图案，这些图案可能看上去像图3中所示的多孔结构。
图3是根据本发明的实施例的在电化学蚀刻浴中所蚀刻的一段多孔硅的横截面侧视扫描电子显微镜(SEM)图像。如图所示的，多孔硅300包含多条通道311。应当理解，通道311有可能沿其长度扭曲并旋转，以使得单条通道可以具有垂直和水平部分，以及既不完全垂直也不完全水平而是处于两者之间的部分。在图3所示的实施例中，通道接近但并未完全到达蚀刻结构的底部延伸，从而在通道之下留下未蚀刻的硅层302。在一个实施例中，未蚀刻层302充当多孔结构300(以及相应的储能设备(未示出))的支撑结构。
再次参考图1-2，储能设备100可以进一步包括导电涂层140，所述导电涂层140位于多孔结构的至少部分上并位于通道111和/或通道121的至少某些通道中。这个导电涂层是必要的，以便保持或增强多孔结构的导电性，或者它可以有助于减小ESR，从而改善性能。例如，具有较低ESR的设备能够传送较高的功率(这可以在较大的加速度、更多的马力等方面证明)。相反，较高ESR(在典型电池内部普遍的状况)限制了可用能量的量，至少部分由于大部分能量作为热量被浪费了的事实。示例性地，导电涂层140可以是金属涂层，例如，铝、铜和钨，或者其他电导体的涂层，例如氮化钨、氮化钛、和氮化钽。每一个列出的材料都具有在现有CMOS技术中使用的优点。诸如镍和钙的其他金属也可以用作导电涂层140。可以使用诸如电镀、化学气相沉积(CVD)、和/或原子层沉积(ALD)之类的工艺来应用这些材料。
同样在图1-2中所示的是电解质150，其产生EDL。在某些实施例中，电解质150是有机的。根据本发明的实施例可以使用的一类电解质是离子溶液(液体或固体)。另一类是包括含离子的溶剂的电解质(例如，Li2SO4、LiPF6)。示例性地，电解质可以是有机材料的液体或固体溶液，例如乙腈中的四氟硼酸四乙铵。其他示例包括基于硼酸、硼砂、或弱有机酸的溶液。有机电解质和固态电解质也可以。在附图中使用随机排列的圆圈表示电解质150(以及本文所述的其他电解质)。这个表示旨在传递电解质是包含自由离子的物质(液体或固体、包括类似凝胶的材料)的概念。选择圆圈是为了方便，并非旨在暗示关于组成或质量的任何限制，包括相对于离子的大小、形状或数量的任何限制。
在图4中示意性地示出了双电层。如图4所示，在一条通道111内形成双电层(EDL)430。EDL430由两层电荷组成，其中之一是通道111的侧壁的电荷(图4中示出为正的，但其也可以是负的)，其另一个由电解质中的自由离子形成。EDL430将表面电隔离，从而提供电容器运行所必需的电荷分离。EDLC的大电容及因此的储能潜能起因于在电解质离子与电极表面电荷之间的小间隔(约1nm)。
在某些实施例中，可以将电介质层515设置在图5所示的多孔结构的电解质150与通道111之间。图5中未示出EDL，以避免不必要地使附图复杂。可以引入电介质层515以进一步增强储能设备的容量，或者出于其他原因，例如但不限于，表面钝化和润湿性增强。
如上所述，在某些实施例中，能够在电化学蚀刻浴中将多孔结构蚀刻到导电衬底中。例如，电化学蚀刻浴可以是如图6A所示的双槽电化学蚀刻浴，或者是如图6B所示的水平电化学蚀刻浴。参考图6A，电化学蚀刻浴600可以包括一对电极602、604，例如安装到槽箱606的每一侧中的铂网状电极。衬底610可以安装到可移动衬底支架620中，其可以放置在隔板630中的开口的前面，并以刺爪(bayonette catch)固定就位。当关闭刺爪时，左右隔室彼此电隔离。以足够的蚀刻溶液640填充电化学蚀刻浴600，以覆盖导电衬底610和电极602、604。例如，在衬底包括硅的情况下，示例性蚀刻溶液包括氢氟酸(HF)和HF-乙醇溶液。
可以按照传统技术来执行将多孔结构612电化学蚀刻到导电衬底610中。例如，可以在负与正电极602、604之间保持恒定电流。由于在蚀刻浴600中蚀刻溶液640的导电性的损失，在电化学蚀刻过程中可以需要略微改变电压。如所示的，可以在充负电荷的电极602的一侧上将多孔结构612蚀刻到衬底610中。参考图6B，水平电化学蚀刻浴600与图6A中的基本上类似，除了不存在隔板且将电极604嵌入到衬底支架622中以外，所述衬底支架被配置为使得蚀刻溶液640不与衬底610的背侧接触。
图7是示出形成根据本发明的实施例的储能设备的方法的流程图。在操作710处，将导电衬底610浸入到电化学蚀刻浴600中。在操作720处，在电化学蚀刻浸入到电化学蚀刻浴600中的导电衬底610的同时，原位测量导电衬底610的多孔结构612。在操作730处，在获得预定值时，从电化学蚀刻浴600中移开导电衬底610。产生的多孔结构612可以类似于如以上关于图1-2所述的导电结构110或120中所形成的多孔结构。
在一个实施例中，测量导电衬底610的多孔结构对应于在电化学蚀刻处理期间实时地进行标准恒电流充电-放电测量。图8是根据本发明的实施例的这个恒电流充电－放电测量的图示。在这个实施例中，诸如H+和F-离子的蚀刻浴640中的离子充当弱电解质。测量对改变蚀刻浴600中横跨电极602、604的电压的电气响应给出了在多孔结构612的分界面的双层电容，因此给出了蚀刻到导电衬底610中的多孔结构612的精确表面积。这个测量可以用作反馈，以在对应于多孔结构612的已经被蚀刻的特定表面积以及产生的储能容量的特定点终止电化学蚀刻处理。
能够以各种方式执行原位恒电流充电－放电测量。在一个实施例中，可以停止蚀刻电流，随后以恒电流充电－放电测量来测量结构的双层电容。在另一个实施例中，以恒电流充电-放电测量的电流来调节横跨导电衬底610的蚀刻电流。
除了测量导电结构110的多孔结构从而确定多孔结构的分界面处的电容以外，也可以使用其他测量。例如，在多孔结构的光学反射和超声反射测量也可以用于估计蚀刻的特定表面积(或多孔结构612的厚度)，及作为结果的多孔结构612的储能容量。能够类似地执行光学反射和超声反射测量，同时停止蚀刻电流或者横跨导电衬底610来施加蚀刻电流。
如上所述，导电衬底610的电化学蚀刻可以对应于如上关于图1-2所述的导电结构110或120的电化学蚀刻。在特定实施例中，可以在分离的电化学蚀刻浴600中、或者依次在相同电化学蚀刻浴600中电化学蚀刻图1的导电结构110或120，随后组合以形成储能设备100，例如图1中所示的。以此方式，每一个导电结构110和120都具有相同的储能容量。而且，能够串联堆叠多个储能设备100，以获得每一个储能设备100的工作电压的n倍的运行电压，其允许储能设备堆叠在无需额外的偏压电路的情况下与基于硅的电路耦合。
图9是示出形成根据本发明的实施例的储能设备的方法的流程图。如在以下说明中显而易见的是，图9中的实施例对于在导电结构中形成多孔结构后微调储能设备或部分储能设备中的储能容量尤其有用。例如，在完成电化学蚀刻处理后，或者可替换地，在将导电结构集成到储能设备100、移动电子设备(例如图13)或微电子设备(例如图14)中后，可以调整图1的导电结构110和120的电容。出于示例性目的，相关于图1做出图9的以下说明。然而，应当理解，实施例不限于此，且可以以其他多孔结构实施图9的实施例。
在操作910，测量导电多孔结构的表面以确定导电多孔结构的储能容量。导电多孔结构可以是导电结构110或120的多孔结构。能够使用各种技术来测量表面以确定多孔结构的分界面处的电容、多孔结构处的光学反射和多孔结构处的超声反射，所述技术例如但不限于恒电流充电－放电测量。
在操作920，减小导电多孔结构的储能容量。在一个实施例中，减小表面积包括微调电容器区的选择性激光熔化，如相关于图10A-11B更详细解释的。在实施例中，减小表面积包括将微调电容器区与大容量电容器区电气断开，例如通过激光划片或使保险丝熔断，如关于图12A-12B更详细解释的那样。
在操作920减小了储能容量之后，可以选择性地再次测量导电多孔结构，以确定储能容量是否已经被减小到预定值(或范围内的值)。如果储能值还没有减小到预定值，则重复操作920和可选的操作930，直到获得预定储能容量为止。
图10A是根据本发明的实施例的储能设备的顶视图，其包括大容量电容器区和与大容量电容器区分隔开的熔丝微调电容器区，图10B是根据本发明的实施例的沿图10A中线A-A的横截面侧视图。如所示的，储能设备1000可以包括导电多孔结构1010，其包括具有大表面积的大容量电容器区1004，和与大容量电容器区1004分隔开的微调电容器区1006的阵列。可以使用标准光刻技术将微调电容器区1006的阵列与大容量电容器区1004分隔开。微调电容器区1006的阵列可以具有各种不同的表面积，例如，它可以对应于微调电容器区1006相对于大容量电容器区1004的孔隙率密度或尺寸(例如图10A的顶视图中的宽度)。在操作中，储能设备1000的总储能容量与大容量电容器区1004和微调电容器区1006的表面积的总和相关。如相关于图9所述的，可以通过表示为图10A-10B中的微调电容器区1008的微调电容器区的选择性激光熔化，来减小储能设备1000的总储能容量。由于微调电容器区1006的阵列包括各种不同的表面积，能够基于所期望的储能容量的减小量，来为选择性激光熔化选择对应于特定表面积的特定微调电容器区1006。
在实施例中，导电多孔结构可以是图1的导电结构110或120，所述导电结构110或120包括多条通道111、121，其中每一条通道都具有通向导电结构110或120的表面115、125的开口112、122。在这个实施例中，借助选择性激光熔化的微调电容器区1008的熔丝熔化了包括多条通道的多孔结构，以使得开口112、122被熔丝，从而减小了熔丝微调电容器1008的表面积和导电多孔结构与储能设备100的总储能容量。
在实施例中，可以在导电层1012上形成导电多孔结构1010，所述导电层1012例如是但不限于金属膜。在另一个实施例中，可以在诸如图3中所示的非多孔硅302之类的非多孔块状材料的上表面中形成导电多孔结构1010。
图11A是根据本发明的实施例的包括大容量电容器区和熔丝微调电容器区的储能设备的顶视图，图11B是根据本发明的实施例的沿图11A中线B-B的横截面侧视图。与图10A-10B的储能设备1000不同，图11A-11B的储能设备1100不包括与大容量电容器区1004分隔开的微调电容器区1006的阵列。相反，可以通过选择性激光熔化导电多孔结构1110的多个位置来减小储能设备1100的总储能容量。由于所期望的储能容量的减小量与表面积相关，可以通过改变用于选择性激光熔化的位置的数量或用于形成熔丝微调电容器区1108的激光的尺寸(例如图11A的顶视图中的宽度)来实现表面积的总减小量。在一个实施例中，可以在诸如但不限于金属膜的导电层1112上形成导电多孔结构1110。在另一个实施例中，可以在诸如图3中所示的非多孔硅302之类的非多孔块状材料的上表面中形成导电多孔结构1110。
图12A是根据本发明的实施例的储能设备的顶视图，所述储能设备包括大容量电容器区和与大容量电容器区电气断开的微调电容器区，且图12B是根据本发明的实施例的沿图12A中的线C-C的横截面侧视图。类似于图10A-10B的储能设备1000，图12A-12B的储能设备1200的导电多孔结构1210包括与大容量电容器区1204分隔开的微调电容器区1206的阵列。在一个实施例中，在图案化的导电层1212上形成导电多孔结构1210。在一个实施例中，可以在诸如但不限于金属膜的导电层1212上形成导电多孔结构1210。在另一个实施例中，可以在诸如图3中所示的非多孔硅302之类的非多孔块状材料的上表面中形成导电多孔结构1210。
参考图12A，导电层1212被构图为包括：在大容量电容器区1204之下的块状衬垫1205、和在微调电容器区1206之下的衬垫1207的阵列，以及将衬垫1207的阵列连接到块状衬垫1205的多条迹线1216。
如关于图9所述的，可以通过将微调电容器区1208与大容量电容器区电气断开来减小储能设备1000的总储能容量，如由迹线1216中的断开1214所示的那样。在另一个实施例中，这通过将与同微调电容器区1206耦合的导电衬垫1207电气连接的保险丝熔断来实现。在实施例中，可以提供支撑层1220以支撑能够断开的结构。
图13是表示根据本发明的实施例的移动电子设备1300的框图。如图13所示，移动电子设备1300包括衬底1310，在其上布置了微处理器1320和与微处理器1320相关联的储能设备1330。储能设备1330可以位于远离微处理器1320的衬底1310上，如以实线所示的，或者它可以位于微处理器1320自身上，如以虚线所示的。在一个实施例中，储能设备1330包括第一和第二导电结构，彼此由间隔物分隔开，其中，第一和第二导电结构中的至少一个导电结构包括含有多条通道的多孔结构。示例性地，这个实施例可以类似于图1－5中所示并在所附文字中说明的一个或多个实施例。在另一个实施例中，储能设备1330包括包含串联堆叠的多孔结构的多个导电结构。在另一个实施例中，储能设备1330包括包含大容量电容器区和至少一个微调电容器区的多孔结构。在实施例中，在微调电容器区中以激光划片、保险丝熔断或熔丝开口来减小多孔结构的表面积。
在至少某些实施例中，储能设备1330是包含在移动电子设备1300中的多个储能设备中的一个，所述多个储能设备可以串联堆叠(它们在图13中全部由块1330表示)。在一个或多个这些实施例中，移动电子设备1300进一步包括与储能设备相关联的开关网络1340，当使电容器放电时，它不保持恒定电压，而是代之以指数形式衰减(与电压在放电过程中保持相对恒定的电池不同)。开关网络1340包括电路或一些其他机构，其接通和断开多个电容器，以便保持相对恒定的电压。例如，储能设备最初可以彼此并联连接，随后在特定量的电压衰减后，可以由开关网络改变储能设备的子集以便成为串联连接，以使得它们各自的电压贡献可以提升下降的总电压。在一个实施例中，可以使用本领域中所用的现有硅器件技术(晶体管、可控硅整流器(SCR)等)来实施开关网络1340，而在其他实施例中，可以使用微电机系统(MEMS)继电器或开关(注意，它倾向于具有极低的电阻)来实施开关网络1340。
在某些实施例中，移动电子设备1300进一步包括与储能设备1330相关联的传感器网络1350。在至少某些实施例中，多个储能设备中的每一个都具有其自己的传感器，它指示储能设备的某些行为参数。例如，传感器可以指示现有电压电平以及正在进行的放电响应，二者都是开关网络可以使用的参数－尤其是在所用的电介质材料(或其他电绝缘体)不是线性的，而是具有随电压改变的介电常数的情况下。在这些情况下，连同传感器网络一起包括诸如知晓电介质的行为如何并相应地做出响应的电压控制单元1360的有限状态机是有利的。知晓电介质如何工作的电压控制单元可以补偿任何非线性。还可以包括与储能设备1330相关联的温度传感器1370，以便感测温度(或者其他与安全性有关的参数)。在本发明的某些实施例中，移动电子设备1300进一步包括以下一个或多个设备：显示器1381、天线/RF元件1382、网络接口1383、数据输入设备1384(例如，键盘或触控屏)、话筒1385、照相机1386、视频投影仪1387、全球定位系统(GPS)接收器1388等。
图14是表示根据本发明的实施例的微电子设备1400的框图。如图4所示，微电子设备1400包括衬底1410、衬底1410上的微处理器1420、和与微处理器1420相关联的储能设备1430。储能设备1430可以位于远离微处理器1420的衬底1410上(例如晶片侧电容器)，如以实线所示的，或者它可以位于微处理器1420自身上(例如在微处理器上的内建层中)，如以虚线所示的。在一个实施例中，储能设备1430包括第一和第二导电结构，彼此由间隔物分隔开，其中，第一和第二导电结构中的至少一个导电结构包括多孔结构。示例性地，这个实施例可以类似于图1-5中所示并在所附文字中说明的一个或多个实施例。在另一个实施例中，储能设备1430包括包含串联堆叠的多孔结构的多个导电结构。在另一个实施例中，储能设备1430包括包含大容量电容器区和至少一个微调电容器区的多孔结构。在实施例中，在微调电容器区中以激光划片、保险丝熔断或熔丝开口来减小多孔结构的表面积。
本文所公开的储能设备在某些实施例中可以用作微电子设备1400内的去耦电容器－较小，并出于本文其他部分所述的原因而提供比现有去耦电容器高得多的电容和低得多的阻抗的去耦电容器。如已经提及的，储能设备1430可以是支持集成电路(IC)或芯片的部分，或者它可以位于微处理器晶片自身上。示例性地，根据本发明的实施例，能够在微处理器晶片上形成多孔硅的区域(或者如上所述的类似的区域)，随后直接在微处理器晶片的衬底上生成高表面积嵌入式去耦电容器。由于硅的孔隙率，嵌入式电容器会具有极高的表面积。所公开的储能设备的其他可能使用包括用作存储器储存元件(其中，嵌入式DRAM方案的z向尺寸的问题可以通过极大地增加每单位面积的法拉来解决)，或者用作升压电路中的电压转换器的部件，可能与电路块、单个微处理器核心等一起使用。
例如，较高电容值在这个环境下可能是有利的，因为部分电路于是可以在特定(相对低)的电压下额定运行，但是随后在需要较高电压以增大速度(例如高速缓存器、输入/输出(I/O)应用)的情况下，可以将电压升压到较高值。此类操作方案相对于一直使用较高电压的方案有可能是优选的；即，在仅少量电路需要较高电压的情况下，优选地从用于该小部分电路的较低基线电压提升电压，而不是从用于大部分电路的较高基线值降低电压。未来几代微处理器也可以利用本文所述类型的电压转换器。使得可用的更大电容布置在封装周围或微处理器管芯周围可以有助于解决在电路周围传送电压的晶体管之间的无法忍受的高电感的现有问题。
尽管已经参考特定实施例说明了本发明，但本领域技术人员应当理解，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下做出多种变型。因此，本发明的实施例的公开内容旨在说明本发明的范围，并非旨在进行限制。其意图是本发明的范围应仅被限制为由所附权利要求书要求的范围。例如，对于本领域技术人员显而易见的是，本文所述的储能设备及相关结构和方法可以在各种实施例中实施，这些实施例中的某些的前述讨论不一定代表所有可能的实施例的完整说明。
另外，已经关于特定实施例说明了益处、其他优点和对问题的解决。然而，这些益处、优点、对问题的解决，和可以导致任何益处、优点或对出现的或者变得更为明显的问题的解决方案的任何要素或多个要素不应构成为任意或全部权利要求的关键的、需要的或必要的特征或要素。
此外，如果实施例和/或限定(1)在权利要求书中没有被明确要求；且(2)是或者可能是根据等同原则的权利要求书中的明确要素和/或限定的等同形式，则本文所公开的实施例和限定就并非专用于根据捐献原则的公开。

Claims (30)

1.一种形成储能设备的方法，包括：
将导电衬底浸入到电化学蚀刻浴中；
在对浸入到所述电化学蚀刻浴中的所述导电衬底进行电化学蚀刻的同时原位测量所述导电衬底的多孔结构；以及
在获得预定值之后，从所述电化学蚀刻浴中移出所述导电衬底。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，原位测量所述导电衬底的所述多孔结构包括：确定所述多孔结构的分界面处的电容。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，测量所述导电衬底的所述多孔结构包括：测量所述多孔结构处的光学反射。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，测量所述导电衬底的所述多孔结构包括：测量所述多孔结构处的超声反射。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述导电衬底进行电化学蚀刻包括：将所述多孔结构蚀刻到所述导电衬底中，所述多孔结构包括所述导电衬底中的多条通道，其中，所述通道中的每一条通道都具有通向所述多孔结构的表面的开口。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：
将第二导电衬底浸入到电化学蚀刻浴中；
在对浸入到所述电化学蚀刻浴中的所述第二导电衬底进行电化学蚀刻的同时原位测量所述第二导电衬底的第二多孔结构；以及
在获得预定值之后，从所述电化学蚀刻浴中移出所述第二导电衬底；
其中，对所述第二导电衬底进行电化学蚀刻包括：将所述第二多孔结构蚀刻到所述第二导电衬底中，所述第二多孔结构包括所述第二导电衬底中的多条通道，其中，所述通道中的每一条通道都具有通向所述第二多孔结构的表面的开口。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述多孔结构和所述第二多孔结构具有大致相同的表面积。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，原位测量所述导电衬底的所述多孔结构包括：停止施加横跨所述导电衬底的蚀刻电流的同时测量所述多孔结构。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，原位测量所述导电衬底的所述多孔结构包括：以横跨所述导电结构的测量电流来对蚀刻电流进行调节。
10.一种形成储能设备的方法，包括：
测量导电多孔结构，以确定所述导电多孔结构的储能容量；以及
减小所述导电多孔结构的储能容量直到获得预定储能容量值为止。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述导电多孔结构包括多条通道，其中，所述通道中的每一条通道都具有通向所述导电多孔结构的表面的开口。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，测量所述导电多孔结构包括：确定所述导电多孔结构的分界面处的电容。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，测量所述导电多孔结构包括：测量所述导电多孔结构的分界面处的光学反射。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，测量所述导电多孔结构包括：测量所述导电多孔结构处的超声反射。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，减小所述导电多孔结构的储能容量包括：减小所述导电多孔结构的表面积。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，减小表面积包括：选择性激光熔化微调电容器区。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述微调电容器区与大容量电容器区分隔开。
18.根据权利要求10所述的方法，其中，减小所述导电多孔结构的储能容量包括：将微调电容器区与大容量电容器区电气断开。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，电气断开包括激光划片。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，电气断开包括：使与所述微调电容器区电气连接的保险丝熔断。
21.一种储能设备，包括：
导电多孔结构；
其中，所述导电多孔结构包括：具有大表面积的大容量电容器区和与所述大容量电容器区分隔开的微调电容器区的阵列，所述微调电容器区的阵列包括多个不同的表面积。
22.根据权利要求21所述的储能设备，其中，所述导电多孔结构包括多条通道，其中，所述通道中的每一条通道都具有通向所述导电多孔结构的表面的开口。
23.根据权利要求21所述的储能设备，其中，在金属层上形成所述导电多孔结构，其中，所述金属层包括：在所述大容量电容器区之下的块状衬垫、在所述微调电容器区的阵列之下的衬垫的阵列、和将所述衬垫的阵列连接到所述块状衬垫的多条迹线。
24.根据权利要求21所述的储能设备，进一步包括保险丝，所述保险丝与所述微调电容器区中的至少一个微调电容器区电气连接。
25.根据权利要求21所述的储能设备，其中，所述储能设备被封装在电子设备内并与微处理器相关联。
26.一种储能设备，包括：
导电多孔结构；
其中，所述导电多孔结构包括：具有大单位表面积的大容量电容器区和至少一个微调电容器区，在所述微调电容器区中，所述导电多孔结构被熔丝并具有减小的单位表面积。
27.根据权利要求26所述的储能设备，其中，所述大容量电容器区包括多条通道，其中，所述通道中的每一条通道都具有通向所述导电多孔结构的表面的开口，并且所述微调电容器区包括熔丝通道开口。
28.根据权利要求26所述的储能设备，进一步包括多个微调电容器区。
29.根据权利要求26所述的储能设备，进一步包括多个微调电容器区，所述多个微调电容器区具有跨越所述导电多孔结构表面的多个不同宽度。
30.根据权利要求26所述的储能设备，其中，所述储能设备被封装在电子设备内并与微处理器相关联。
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