CN107004503A - 用于制造紧凑型微米或纳米电容器的方法和紧凑型微米或纳米电容器 - Google Patents

用于制造紧凑型微米或纳米电容器的方法和紧凑型微米或纳米电容器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微电子的领域并且涉及紧凑型电容器，其例如可用在高频振荡电路和高频滤波器中。本发明的目的是提出一种紧凑型微米或纳米电容器，其具有功能层的可靠且简单的接触。该目的通过用于制造紧凑型微米或纳米电容器的方法实现，其特征在于，在衬底上布置有叠层，其含有至少两个功能层、由二维材料构成的两个层以及由电绝缘材料构成的至少两个层，并且具有二维材料层和至少两个功能层布置成横向于卷起方向在每一侧上交替地伸出超过叠层的宽度，并且随后卷起叠层以及使伸出的层彼此材料连接。

Description

用于制造紧凑型微米或纳米电容器的方法和紧凑型微米或纳 米电容器
技术领域
本发明涉及微电子和材料科学的领域并且涉及一种用于制造紧凑型微米或纳米电容器的方法和一种紧凑型微米或纳米电容器，其例如可在电气和电子设备中作为用于确定频率和时间的应用的部件以及用在高频振荡电路和滤波器中。
背景技术
我们的移动电子社会一直需要新的成就/改进，以便可在途中舒适地使用用于移动使用的紧凑的、集成的部件。随着过去几十年来的持续小型化，特别在数字电子领域，在集成的逻辑电路的外设中所需的部件也必须越来越小。在此，微米或纳米尺寸的紧凑型电容器元件特别重要。
在此，在本发明的范围中，物体应该是在微米范围中的尺寸，其主要组成部分多数并且至少沿着三个轴线中的一个具有0.1至500微米的大小，并且在纳米范围中具有1至100纳米的大小(Definition EU-Kommission，欧盟委员会的定义)。
在卷制工艺中，将层涂覆到衬底上并且随后将其卷起。卷起的机制可通过在应力状态下涂覆层并且然后消除内应力实现或通过涂覆并且然后除去牺牲层来实现(Y.Mei etal:Advanced Materials,2008,20；O.G.Schmidt und K.Eberl:Nature 2001,410)。
根据布冯(Bufon)的文章同样已知电容器层构造，其布置在牺牲层上并且通过除去牺牲层卷起。电容器的直径>10μm。[C.C.B.Bufon et al.,Nano Letters,2010,10,2506-2510]。
已知的现有技术的缺点是，制造卷起的部件在工艺上仍很困难。这尤其是因为在越来越小的直径的情况下期望越来越多的卷绕，以便可制成具有微米或纳米尺寸的越来越紧凑的部件，这对薄层的机械特性提出了越来越高的要求。同样，在这种超紧凑型部件中的功能层在微米或纳米尺寸的情况下可越来越困难地实现接触，因为随着层的逐渐增加的卷绕长度，接触的长度增大并且因此其阻抗也增大。此外，尤其由于接触材料，部件的厚度不期望地增大。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于制造紧凑型微米或纳米电容器的简单且成本低廉的方法，该微米或纳米电容器具有功能层的可靠且简单的接触。
该目的通过在在权利要求中给出的发明实现。从属权利要求的内容是有利的设计方案。
在用于制造紧凑型微米或纳米电容器的根据本发明的方法中，在衬底上依次顺序制成叠层：至少两个功能层和分别布置在至少两个功能层上的至少两个二维材料层和至少两个电绝缘材料层，所述至少两个电绝缘材料层分别布置在至少两个功能层和至少两个二维材料层之间，以用于电绝缘(或电气绝缘)，其中，二维材料层至少部分地具有与功能层的材料连接，或者，叠层由至少两个二维材料层和至少两个电绝缘材料层构成，其中，在至少两个二维材料层之间布置有至少一个电绝缘材料层，以用于电绝缘，具有二维材料层的至少一个功能层或二维材料层布置成基本上横向于卷起方向在一侧上伸出超过叠层的宽度，并且具有第二二维材料层的至少第二功能层或第二二维材料层布置成基本上横向于卷起方向在另一侧上伸出超过叠层的宽度，并且随后在衬底上卷起叠层，并且使分别螺旋形地伸出超过卷起的部件的宽度的层至少部分地彼此材料连接并且与电接头接触。
有利地，叠层张紧地布置在衬底上，其中，有利地，叠层的张力梯度垂直于衬底表面取向，并且随后卷起叠层。
进一步有利地，将牺牲层涂覆到衬底上，并且随后将叠层布置到牺牲层上，并且随后至少部分地除去牺牲层。
同样有利地，在液体中进行叠层的卷起，并且随后干燥卷起的叠层，其中，仍然有利地，在由水或含水的溶液或溶剂或溶剂混合物构成的液体中进行叠层的卷起，并且其中，同样仍然有利地，在15℃至400℃的温度下进行卷起的叠层的干燥。
同样有利地，使接触在一起的二维材料通过镍或铜与电接头接触。
根据本发明的方法制成的根据本发明的紧凑型微米或纳米电容器包括分别具有至少一个二维材料层的至少两个功能层和至少两个电绝缘材料层，所述至少一个二维材料层至少部分地具有与功能层的材料连接；或者该紧凑型微米或纳米电容器包括至少两个二维材料层和至少两个电绝缘材料层；其中，具有二维材料层的功能层或二维材料层通过电绝缘材料层分别电绝缘地并彼此分离地布置，并且这些相叠布置的层被卷起，并且具有至少一个二维材料层的至少一个功能层或至少一个二维材料层布置成基本上横向于卷起方向在一侧上以其总宽度的至少5％伸出超过卷起的叠层的宽度，并且具有至少第二二维材料层的至少第二功能层或至少第二二维材料层布置成基本上横向于卷起方向在另一侧上以其总宽度的至少5％伸出超过卷起的叠层的宽度，并且在卷起的叠层的每一侧上，所有螺旋形地伸出的具有至少一个二维材料层的功能层或至少一个二维材料层至少部分地彼此材料连接并且电接触。
有利地是，微米或纳米电容器卷起时具有最大200μm的外直径。
有利地，石墨烯存在作为二维材料。
进一步有利地，导电材料、例如铜或镍存在作为功能层。
同样有利地，Al2O3或TIO2存在作为电绝缘材料。
有利的是，具有二维材料层的功能层或二维材料层布置成基本上横向于卷起方向分别在一侧上以其总宽度的至少5-30％伸出超过卷起的叠层的宽度。
同样有利的是，卷起的叠层由功能层、布置在功能层上的二维材料层、布置在二维材料层上的电绝缘材料层、布置在电绝缘材料层上的另一功能层、布置在另一功能层上的另一二维材料层、布置在另一二维材料层上的另一电绝缘材料层实现，或者，卷起的叠层由电绝缘材料层、布置在电绝缘材料层上的功能层、布置在功能层上的二维材料层、布置在二维材料层上的另一电绝缘材料层、布置在另一电绝缘材料层上的另一功能层、布置在另一功能层上的另一二维材料层实现。
同样有利的是，卷起的叠层由二维材料层、布置在二维材料层上的电绝缘材料层、布置在电绝缘材料层上的另一二维材料层、布置在另一二维材料层上的另一电绝缘材料层实现，或者，卷起的叠层由电绝缘材料层、布置在电绝缘材料层上的二维材料层、布置在二维材料层上的另一电绝缘材料层、布置在另一电绝缘材料层上的另一二维材料层实现。
进一步有利的是，二维材料层与功能层完全材料连接。
同样有利的是，二维材料层具有≤5个原子层、进一步有优选为1至2个原子层的厚度。
同样有利的是，二维材料层完全或部分地以生成的方式布置在功能层上。
通过根据本发明的溶液可首次得到用于制造紧凑型微米或纳米电容器的简单且成本低廉的方法。同样，可首次得到紧凑型微米或纳米电容器，其具有功能层的可靠且简单的接触。
如果这通过用于制造紧凑型微米或纳米电容器的方法实现，在其中卷起的叠层主要由分别具有至少一个二维材料层的至少两个功能层、至少两个电绝缘材料层或由至少两个二维材料层和至少两个电绝缘材料层制成，其中，二维材料层与功能层材料连接并且同时具有至少一个二维材料层的至少一个功能层或至少一个二维材料层布置成基本上横向于卷起方向在一侧上以其总宽度的至少5％伸出超过卷起的叠层的宽度，并且具有至少第二二维材料层的至少第二功能层或至少第二二维材料层布置成基本上横向于卷起方向在另一侧上以其总宽度的至少5％伸出超过卷起的叠层的宽度，并且因此至少两个功能层和/或至少两个二维材料层对于导电接触而言实现彼此分开。
层的伸出超过卷起的叠层的总宽度的区域可分别以其总宽度的5％至30％在每侧上伸出超过卷起的叠层的总宽度。总体或也在没有完全均匀卷起叠层的情况下，伸出的层区域的宽度可能在每侧也不一样大。
同时，至少两个功能层和/或至少两个二维材料层的在每侧上伸出超过卷起的叠层的总宽度的区域至少部分地彼此材料连接并且此时电接触。层的伸出的区域的材料连接在层卷起期间和/或在层卷起之后进行，由于卷起的叠层的层厚度和直径的小的尺寸，没有其他的行动或辅助措施。由此，螺旋形地伸出的层区域彼此相同地电气连接并且可较简单地电接触。
以这种方式避免长的接触并且其阻抗被保持很小。
在此特别重要的是，二维材料极薄，使得其导电性很好，并且还具有足够好的弹性和机械稳定性。石墨烯层例如具有所有这些特性。
石墨烯层还具有的优点是，这种石墨烯层可生成在金属的功能层上并且因此可特别薄地实现，有利地呈仅仅一个或几个原子层厚度，有利地≤5个原子层厚度。有利地，二维材料层、例如石墨烯层以仅仅一至两个原子层来涂覆。
根据本发明的具有微米或纳米尺寸的紧凑型电气或电子部件的层构造可以如下方式呈现：
功能层、布置在功能层上的二维材料层、布置在二维材料层上的电绝缘材料层、布置在电绝缘材料层上的另一功能层、布置在另一功能层上的另一二维材料层、布置在另一二维材料层上的另一电绝缘材料层；
或
电绝缘材料层、布置在电绝缘材料层上的功能层、布置在功能层上的二维材料层、布置在二维材料层上的另一电绝缘材料层、布置在另一电绝缘材料层上的另一功能层、布置在另一功能层上的另一二维材料层。
代替功能层和二维的层同样可仅仅分别布置二维材料层，因为其是导电的并且可承担在根据本发明的紧凑型电容器中的功能层的功能。
此外，特别重要的是，二维材料层伸出超过叠层的宽度。在此，其可直接横向于卷起方向或成角度地实现。必须确保，在卷起叠层之后，至少两个二维材料层在卷起的部件的各侧上以下述程度伸出，使得其可电接触。这通过以下方式来确保，即，相应的层在每侧上以其总宽度的至少5％伸出超过卷起的叠层的总宽度。同样，必须确保，至少两个二维材料层彼此具有不导电的接触。这通过以下方式来实现，即，分别具有至少第一二维材料层的至少第一功能层或至少第一二维材料层在一侧上伸出超过卷起的叠层的总宽度，并且具有至少第二二维材料层的相应第二功能层或至少第二二维材料层在另一侧上伸出超过卷起的叠层的总宽度。
同样特别重要的是，由于二维材料的很好的弹性和机械特性，其在卷起过程中没有折断和/或断裂并且可很好地导电接触。
卷起过程可通过以下方式实现，即，将牺牲层涂覆到衬底上，将用于根据本发明的部件的叠层涂覆在牺牲层上，并且通过至少部分地除去牺牲层触发卷起叠层。同样可将用于根据本发明的部件的叠层以张紧的方式和方法涂覆到衬底上，其中，有利地，叠层的张力梯度垂直于衬底表面取向，并且通过释放张力触发叠层的卷起。
有利地，在液体中执行卷起过程，液体例如可为水或含水溶液或溶剂或溶剂混合物。在液体中卷起的情况下，必须干燥卷起的叠层，这有利地在15℃和400℃之间的温度下进行。
在液体中卷起叠层并且随后干燥具有的优点是，相对均匀地卷起叠层并且通过干燥卷起的叠层同时显示出改善的机械稳定性。
作为根据本发明的电气或电子部件，紧凑型微米和纳米电容器可制成位具有如下有利的尺寸：100nm至200μm的宽度和50nm至100μm的直径。这种电容器的市场>5十亿欧元(Mrd.€)。
附图说明
下面借助实施例进一步阐述本发明。在此，
图1示出了用于根据本发明的部件的叠层。
具体实施方式
示例
在由硅构成的衬底上涂覆由聚合物构成的牺牲层。然后借助于热蒸发涂覆由铜构成的、厚度为10nm的功能层。在功能层的表面上，借助于气相沉积(CVD)生成由石墨烯构成的层，其作为二维材料层，具有一个原子层的厚度，其中，功能层和石墨烯层定位在牺牲层上，沿卷起方向超出右边缘、超出随后将沉积在牺牲层上的Al2O3层。随后将Al2O3层借助于原子层沉积(ALD)以10nm的厚度涂覆到功能层和石墨烯层上，其中，在沿卷起方向的右边缘处石墨烯层的条带并未涂有Al2O3层。然后将由铜构成的第二功能层借助于热蒸发涂覆在Al2O3层上，并且在此第二功能层上借助于CVD生成第二石墨烯层，其中，第二功能层和第二石墨烯层定位在牺牲层上，沿卷起方向超出左边缘、超出Al2O3层。在第二功能层和第二石墨烯层上，借助于ALD涂覆第二Al2O3层，其中，在沿卷起方向的左边缘处石墨烯层的条带并未涂有Al2O3层。各个第二层与相应的第一层具有相同厚度。
卷起的叠层在没有伸出的层区域的情况下具有50μm的宽度和20μm的厚度。
随后通过水除去牺牲层，并且在五分钟的时间内卷起叠层。
此时在卷起的叠层的宽度的两侧上伸出的功能层与石墨烯层和铜接触并且封装在壳体中。
以这种方式和方法简单且成本低廉地制成紧凑型微米或纳米电容器，该紧凑型微米或纳米电容器具有功能层的可靠且简单的接触。
附图标记列表
1 衬底
2 牺牲层
3 具有二维层的功能层
4 绝缘层

Claims (19)

1.一种用于制造紧凑型微米或纳米电容器的方法，其中，在衬底上以此顺序制成叠层：至少两个功能层和分别布置在所述功能层上的至少两个二维材料层、以及所述叠层含有至少两个电绝缘材料层，所述至少两个电绝缘材料层分别布置在所述至少两个功能层和所述至少两个二维材料层之间，以用于电绝缘，其中，所述二维材料层至少部分地具有与所述功能层的材料接触，或者，所述叠层由至少两个二维材料层和至少两个电绝缘材料层构成，其中，在所述至少两个二维材料层之间布置有至少一个电绝缘材料层，以用于电绝缘，具有所述二维材料层的至少一个功能层或一个所述二维材料层布置成基本上横向于卷起方向在一侧上伸出超过所述叠层的宽度，并且具有第二二维材料层的至少第二功能层或第二二维材料层布置成基本上横向于卷起方向在另一侧上伸出超过所述叠层的宽度，并且随后在所述衬底上卷起所述叠层，并且分别螺旋形地伸出超过卷起的部件的宽度的层至少部分地彼此材料连接并且与电接头接触。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述叠层张紧地布置在所述衬底上，其中，优选地，所述叠层的张力梯度垂直于所述衬底的表面取向，随后卷起所述叠层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，将牺牲层涂覆到所述衬底上，并且随后将所述叠层布置到所述牺牲层上，并且随后至少部分地除去所述牺牲层。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在液体中进行所述叠层的卷起，并且随后干燥卷起的所述叠层。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在由水或含水的溶液或溶剂或溶剂混合物构成的液体中进行所述叠层的卷起。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，在15℃至400℃的温度下进行卷起的所述叠层的干燥。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，彼此连接的所述二维材料通过镍或铜与电接头接触。
8.一种根据权利要求1所述的方法制成的紧凑型微米或纳米电容器，该微米或纳米电容器包括至少两个功能层和至少两个电绝缘材料层，所述至少两个功能层分别具有至少一个二维材料层，所述至少一个二维材料层至少部分地具有与所述功能层的材料连接；或该微米或纳米电容器包括至少两个二维材料层和至少两个电绝缘材料层，其中，具有所述二维材料层的所述功能层或二维材料层通过电绝缘材料层分别电绝缘地以及彼此分离地布置，并且这些相叠布置的层被卷起，并且具有所述至少一个二维材料层的所述至少一个功能层或至少一个二维材料层布置成基本上横向于卷起方向在一侧上以其总宽度的至少5％伸出超过卷起的所述叠层的宽度，并且具有至少第二二维材料层的至少第二功能层或至少第二二维材料层布置成基本上横向于卷起方向在另一侧上以其总宽度的至少5％伸出超过卷起的所述叠层的宽度，并且在卷起的所述叠层的每一侧上，所有螺旋形地伸出的具有至少一个二维材料层的功能层或至少一个二维材料层至少部分地彼此材料连接并且电接触。
9.根据权利要求8所述的紧凑型微米或纳米电容器，其中，所述电容器在卷起的情况下具有最大200μm的外直径。
10.根据权利要求8所述的紧凑型微米或纳米电容器，其中，石墨烯存在作为所述二维材料。
11.根据权利要求8所述的紧凑型微米或纳米电容器，其中，导电材料、例如铜或镍存在作为所述功能层。
12.根据权利要求8所述的紧凑型微米或纳米电容器，其中，Al2O3或ΤiΟ2存在作为所述电绝缘材料。
13.根据权利要求8所述的紧凑型微米或纳米电容器，其中，具有所述二维材料层的所述功能层或二维材料层布置成基本上横向于卷起方向分别在一侧上以其总宽度的至少5-30％伸出超过卷起的所述叠层的宽度。
14.根据权利要求8所述的紧凑型微米或纳米电容器，其中，卷起的所述叠层由功能层、布置在所述功能层上的二维材料层、布置在所述二维材料层上的电绝缘材料层、布置在所述电绝缘材料层上的另一功能层、布置在所述另一功能层上的另一二维材料层、布置在所述另一二维材料层上的另一电绝缘材料层实现，
或卷起的所述叠层由电绝缘材料层、布置在所述电绝缘材料层上的功能层、布置在所述功能层上的二维材料层、布置在所述二维材料层上的另一电绝缘材料层、布置在所述另一电绝缘材料层上的另一功能层、布置在所述另一功能层上的另一二维材料层实现。
15.根据权利要求8所述的紧凑型微米或纳米电容器，其中，卷起的所述叠层由二维材料层、布置在所述二维材料层上的电绝缘材料层、布置在所述电绝缘材料层上的另一二维材料层、布置在所述另一二维材料层上的另一电绝缘材料层实现，
或卷起的所述叠层由电绝缘材料层、布置在所述电绝缘材料层上的二维材料层、布置在所述二维材料层上的另一电绝缘材料层、布置在所述另一电绝缘材料层上的另一二维材料层实现。
16.根据权利要求8所述的紧凑型微米或纳米电容器，其中，仅仅存在具有两个二维材料层的两个功能层和两个电绝缘材料层，或者，仅仅存在两个二维材料层和两个电绝缘材料层。
17.根据权利要求8所述的紧凑型微米或纳米电容器，其中，所述二维材料层与所述功能层完全材料连接地接触。
18.根据权利要求8所述的紧凑型微米或纳米电容器，其中，所述二维材料层具有≤5个原子层、有利地为1至2个原子层的厚度。
19.根据权利要求8所述的紧凑型微米或纳米电容器，其中，所述二维材料层完全或部分地以生成的方式布置在所述功能层上。
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