CN104599864B - 一种可增加mems超级电容器电极比表面积的斜光刻方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法，包括如下步骤：首先在清洁烘干后的硅基底上旋涂一定厚度的光刻胶，然后将旋涂有光刻胶的硅片固定在一个特别设计的铸钢架上，钢架倾斜角度为15°，之后对硅片上的光刻胶进行两次曝光，第一次曝光完成后将硅片在其所在平面内旋转180°，进行第二次曝光，两次曝光结束即完成了斜光刻的曝光过程，最后显影形成“X”型三维电极阵列结构，并制备三维微电极。本发明从设计工艺的角度出发，通过改进曝光方式来提高三维阵列结构的比表面积，相比传统垂直电极阵列结构，“X”型阵列表现出深宽比高、比表面积大而且结构稳定等特点。因此，该结构在MEMS超级电容器电极结构设计中可被广泛采用。

Description

一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法
技术领域
本发明涉及微机电系统（Micro Electro Mechanical System MEMS）技术领域，具体为一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法。
背景技术
随着信息技术的进步，高端电子设备朝小型化、便携式、长寿命方向发展，要求电子设备中的电容器容量大、功率密度高、体积小，然而目前为电子设备供能的微型发电机存在不能持续供能且功率较低的缺陷，而传统的微型电池则存在充放电效率低、循环次数有限、不具备大功率充放电能力且安全性较差等缺点。因此研制具有较大脉冲放电功率、体积小、效率高、充电速度快、循环性能好等特点的微型超级电容器成为国内外研究热点，具有迫切的应用需求和广阔的市场前景。
电极是超级电容器的核心部件，电极的性能与电极表面积密切相关，表面积越大，电容器容量越大，同时与电解液的接触面积也越大，电极活性物质利用率高，大电流放电能力越强。因此研制性能优良的电极是制备高性能微型超级电容器的关键，对于制备满足军民两用需求的微型超级电容器具有十分重要的意义。微型超级电容器的空间有限，若采用常规方法来制备，则其储存的能量非常有限。因此必须在微型超级电容器有限的空间内利用各种方法尽可能多的增加电极表面积，制作三维电极结构能够增大电极表面积，便于在电极上搭载更多活性物质，是一种有效增大电极比电容、提升超级电容器性能的方法。
发明内容
本发明为了解决小型电子设备中微型超级电容器能量密度低，不能满足长时间供电的要求，提供了一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法，包括以下步骤：
S1：选取硅片作为基底，并对硅片进行清洗、烘干；
S2：在硅片上旋涂上光刻胶,然后将硅片和掩膜板通过铸钢架倾斜固定：
S3：对固定好的硅片先进行第一次曝光，然后将硅片在其所在平面内旋转180°，进行第二次曝光；
S4：曝光结束后，对硅片上的光刻胶进行显影，形成“X”型三维电极阵列结构。
S5：在“X”型三维微电极阵列结构表面采用电化学沉积、溅射方法沉积电极活性物质功能薄膜，得到三维微电极。
本发明采用了半导体集成电路的加工工艺——光刻技术，选择硅片作为基材，采用改进的曝光方式——斜光刻技术，并将硅片旋转180°在硅片基底上制备出“X”型三维电极阵列结构，并最终制得三维微电极。“X”型三维电极阵列结构的深宽比高，比表面积大，结构稳定，有效增大电极比电容、提升超级电容器性能，使得超级电容器满足电子设备供电要求。
上述的一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法，硅片清洗时，依次在二甲苯、丙酮、酒精、硫酸、氨水和盐酸溶液中清洗，以去除硅片上的油污、氧化膜和金属离子。
上述的一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法，旋涂光刻胶时，先将硅片加热到45℃，然后进行第一次甩胶并烘干固化，等固化后进行第二次甩胶，完成光刻胶的旋涂，光刻胶可以很好地粘附在硅片上。
上述的一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法，硅片在由铸钢架倾斜固定之前，硅片上的光刻胶先在65℃环境中前烘20min，且曝光结束后，硅片上的光刻胶在50℃环境中后烘 4小时，最后显影。前烘是为了去除光刻胶中的溶剂，减少涂胶时产生的应力，增大光刻胶与基底的结合力。如果胶中溶剂挥发不完全，单位体积内光引发剂所占的百分数较小，曝光后曝光区域产生的酸催化剂较少，烘烤后交联程度不足，使得制备的结构不致密，线宽变小，稳定性变差，容易倒塌。后烘的目的是促使已曝光的光刻胶进一步发生交联，使曝光中形成的潜像转变成稳定的微电极阵列结构。如果后烘不足，则已曝光的光刻胶交联不完全，导致制备的结构出现分辨率低、深宽比小、对基底的附着力较小等问题。
上述的一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法，第一次曝光时间为70s，第二次曝光时间为70s，曝光效果好。
上述的一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法，所述的铸钢架包括底座、圆盘和圆环，底座的顶面和底面的夹角为15°，顶面上还设有圆盘形凹槽，圆盘形凹槽内还设有两盲孔，且两盲孔位于圆盘形凹槽所在圆的直径上，圆盘的顶面上设有放置硅片的凹槽，放置硅片的凹槽内还设有通孔，且通孔处向下延伸有可以插入到底座的圆盘形凹槽内任意盲孔中的固定管，圆盘的四周边缘设有螺丝孔，圆环上设有和圆盘上的螺丝孔对应的螺丝孔，硅片和掩膜板放置在圆盘上的凹槽内，圆环和圆盘通过螺丝连接后将硅片和掩膜板固定(圆环的内径应小于掩膜板的外径)，然后将圆盘放置在底座上的圆盘形凹槽内，且圆盘上的固定管插入到一盲孔内，即硅片和掩膜板倾斜固定在铸钢架上，硅片第一次曝光后，将圆盘上的固定管插入到另一盲孔内，硅片在其所在平面内旋转180°，然后完成第二次曝光。
本发明采用斜光刻技术制备的三维阵列结构具有以下优点： 1.精度高，可以达到光刻的纳米级尺寸，而且阵列数量的多少对尺寸几乎没有影响；2.斜光刻技术所制备的三维阵列结构的比表面积显著增大，和常规的光刻技术制备的阵列结构相比，比表面积可以增大约15%---40%；3.制作工艺相对简单，得到的电极结构性能优良，同时，可以使工艺技巧更加多样化；4.设备投资成本低，而且产能比较大，性能提高显著，可以满足市场大规模生产的需要。
附图说明
图1为斜光刻所形成的阵列结构示意图。
图2为底座的结构示意图。
图3为图2的俯视图。
图4为圆盘的结构示意图。
图5为图4的侧视图。
图6为圆环的结构示意图。
图7为图6的侧视图。
图中：1-底座，2-圆盘，3-圆环，4-圆盘形凹槽，5-盲孔，6-凹槽，7-通孔，8-固定管，9-螺丝孔。
具体实施方式
一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法，包括以下步骤：
S1：选取硅片作为基底，并对硅片进行清洗、烘干；
S2：在硅片上旋涂上光刻胶,然后将硅片和掩膜板通过铸钢架倾斜固定：
S3：对固定好的硅片先进行第一次曝光，然后将硅片在其所在平面内旋转180°，进行第二次曝光；
S4：曝光结束后，对硅片上的光刻胶进行显影，形成“X”型三维电极阵列结构；
S5：在“X”型三维电极阵列结构表面采用电化学沉积、溅射方法沉积电极活性物质功能薄膜（如氧化锰），得到三维微电极。
上述的一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法，硅片清洗时，依次在二甲苯、丙酮、酒精、硫酸、氨水和盐酸溶液中清洗。
上述的一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法，旋涂光刻胶时，先将硅片加热到45℃，然后进行第一次甩胶并烘干固化，等固化后进行第二次甩胶，完成光刻胶的旋涂。
上述的一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法，硅片在由铸钢架倾斜固定之前，硅片上的光刻胶先在65℃环境中前烘20min，且曝光结束后，硅片上的光刻胶在50℃环境中后烘 4小时，最后显影。
上述的一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法，第一次曝光时间为70s，第二次曝光时间为70s。
上述的一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法，所述的铸钢架包括底座1、圆盘2和圆环3，底座1的顶面和底面的夹角为15°，顶面上还设有圆盘形凹槽4，圆盘形凹槽4内还设有两盲孔5，且两盲孔5位于圆盘形凹槽的直径上，圆盘2的顶面上设有放置硅片的凹槽6，放置硅片的凹槽6内还设有通孔7，且通孔7处向下延伸有可以插入到底座的圆盘形凹槽内任意盲孔中的固定管8，圆盘2的四周边缘设有螺丝孔9，圆环3上设有和圆盘上的螺丝孔对应的螺丝孔9。

Claims (5)

1.一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：选取硅片作为基底，并对硅片进行清洗、烘干；
S2：在硅片上旋涂上光刻胶,然后将硅片和掩膜板通过铸钢架倾斜固定：
S3：对固定好的硅片先进行第一次曝光，然后将硅片在其所在平面内旋转180°，进行第二次曝光；
S4：曝光结束后，对硅片上的光刻胶进行显影，形成“X”型三维电极阵列结构；
S5：在“X”型三维电极阵列结构表面采用电化学沉积、溅射方法沉积电极活性物质功能薄膜，得到三维微电极；
所述的铸钢架包括底座（1）、圆盘（2）和圆环（3），底座（1）的顶面和底面的夹角为15°，顶面上还设有圆盘形凹槽（4），圆盘形凹槽（4）内还设有两盲孔（5），且两盲孔（5）位于圆盘形凹槽的直径上，圆盘（2）的顶面上设有放置硅片的凹槽（6），放置硅片的凹槽（6）内还设有通孔（7），且通孔（7）处向下延伸有可以插入到底座的圆盘形凹槽内任意盲孔中的固定管（8），圆盘（2）的四周边缘设有螺丝孔（9），圆环（3）上设有和圆盘上的螺丝孔对应的螺丝孔（9）。
2.根据权利要求1所述的一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法，其特征在于硅片清洗时，依次在二甲苯、丙酮、酒精、硫酸、氨水和盐酸溶液中清洗。
3.根据权利要求1或2所述的一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法，其特征在于旋涂光刻胶时，先将硅片加热到45℃，然后进行第一次甩胶并烘干固化，等固化后进行第二次甩胶，完成光刻胶的旋涂。
4.根据权利要求1或2所述的一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法，其特征在于硅片在由铸钢架倾斜固定之前，硅片上的光刻胶先在65℃环境中前烘20min，且曝光结束后，硅片上的光刻胶在50℃环境中后烘 4小时，最后显影。
5.根据权利要求1或2所述的一种可增加MEMS超级电容器电极比表面积的斜光刻方法，其特征在于第一次曝光时间为70s，第二次曝光时间为70s。
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