CN108933041A - 薄膜电容及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本揭示提供一种薄膜电容及其制造方法。薄膜电容包含：一介电层，以及一对石墨烯层，分别设置在所述介电层的相对两侧，以作为所述薄膜电容的电极。所述电极可进一步包括一对金属层位在所述石墨烯层之外。本揭示可解决习用薄膜电容因在制造过程中金属离子因高温扩散进入介电层，导致电容效果不佳的问题。
Description
技术领域
本揭示涉及一种薄膜电容及其制造方法，特别是涉及一种具有石墨烯结构的薄膜电容及其制造方法。
背景技术
现今，薄膜电容已被广泛地应用在多种电子产品中，例如用于存储能量、进行信号的耦合或解耦、及电子滤波等。一般来说，薄膜电容通过在两块导电板之间设置一介电层而构成，其中介电层可使两块导电板之间形成电气绝缘。当施加电压时，电荷会堆积在导电板上并且产生电场。当施加的电压除去时，电荷仍然保持在两块导电板上，以达到存储能量的功效。
请参照图1，其显示一种现有的薄膜电容10的结构示意图。薄膜电容10包含第一金属层11、第二金属层12、和介电层13，其中介电层13设置在第一金属层11和第二金属层12之间。由于设置在介电层13两端的第一金属层11和第二金属层12皆是以金属材料制成，因此，在薄膜电容10的制作过程中会因高温而导致第一金属层11和第二金属层12中的金属离子扩散进入介电层13中，进而在金属层介电层13接近第一金属层11与第二金属层1的部分中分别形成扩散区14。然而，扩散区14的形成会造成介电层13的介电系数下降，导致电容性能不佳(如电容值下降)的问题。
有鉴于此，有必要提供一种薄膜电容及其制造方法，以解决现有技术所存在的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本揭示的目的在于提供一种薄膜电容及其制造方法，其能改善在制造过程中因金属离子扩散进入介电层，导致电容性能不佳的问题。
为达成上述目的，本揭示提供一种薄膜电容，包含：一介电层；以及一对石墨烯层，分别设置在所述介电层的相对两侧，以作为所述薄膜电容的电极。
于本揭示其中之一优选实施例中，每一所述石墨烯层的厚度介于0.3纳米至10微米之间。
于本揭示其中之一优选实施例中，所述薄膜电容的电极还包含一对金属层，分别设置在所述对石墨烯层的相对两外侧，如此其中之一所述石墨烯层设置在所述介电层与其中之一所述金属层之间。
于本揭示其中之一优选实施例中，每一所述金属层的厚度介于1微米至30微米之间。
于本揭示其中之一优选实施例中，所述介电层的厚度介于200纳米至800纳米之间。
于本揭示其中之一优选实施例中，所述介电层的材料选自于BaTiO3、Ta2O5、TiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3、La2O3、Pr2O3及上述任意组合的其中之一。
本揭示还提供一种薄膜电容的制作方法，包含形成一第一石墨烯层；在所述第一石墨烯层上形成一介电层；以及在所述介电层上形成一第二石墨烯层，使得所述介电层位在所述第一石墨烯层与所述第二石墨烯层之间。
于本揭示其中之一优选实施例中，形成所述第一石墨烯层的步骤还包含：形成一第一金属层；以及在所述第一金属层上形成所述第一石墨烯层。
于本揭示其中之一优选实施例中，形成所述第一金属层的步骤还包含：提供一绝缘基板；在所述绝缘基板上形成一金属层；以及对所述金属层进行一光刻工艺以形成所述第一金属层。
于本揭示其中之一优选实施例中，在形成所述第二石墨烯层之后还包含：在所述第二石墨烯层上形成一第二金属层。
相较于现有技术，本揭示通过采用石墨烯层作为薄膜电容的电极层，或者是将石墨烯层设置在介电层与金属层之间以使所述石墨烯层和所述金属层一起作用为所述薄膜电容的电极层，进而能解决在制造过程中金属离子因高温扩散进入介电层，导致电容效果不佳的问题。
附图说明
图1显示一种现有的薄膜电容的结构示意图；
图2显示一种根据本揭示第一优选实施例的薄膜电容的结构爆炸示意图；
图3A至图3C为一系列的剖面图，显示图2的薄膜电容的制造流程；
图4显示一种根据本揭示第二优选实施例的薄膜电容的结构爆炸示意图；以及
图5A至图5F为一系列的剖面图，显示图4的薄膜电容的制造流程。
具体实施方式
为了让本揭示的上述及其他目的、特征、优点能更明显易懂，下文将特举本揭示优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。
请参照图2，其显示一种根据本揭示第一优选实施例的薄膜电容20的立结构爆炸示意图。薄膜电容20包含介电层21、第一石墨烯层22、和第二石墨烯层23，其中第一石墨烯层22和第二石墨烯层23分别设置在介电层21的相对两侧。在本揭示第一优选实施例中，第一石墨烯层22和第二石墨烯层23是作为薄膜电容20的电极使用。利用石墨烯本身具有的良好特性，可有效地增强薄膜电容20的使用寿命与电特性表现、提升电容存储能力、以及降低应用于高速信号量测时所产生的整体阻抗。另外，还可有效地达到提升薄膜电容20散热能力以及使得薄膜电容20的整体构型小型化的效果。也就是说，在本揭示中，将第一石墨烯层22和第二石墨烯层23作为薄膜电容20的电极是增加薄膜电容20的效能的主要因子，且有利于将薄膜电容20应用于积体电路布线或是内埋式电容。
详言之，石墨烯是由单层的碳原子以sp2轨域互相键结而组成的具有六角环形蜂巢状的平面二维结构，其拥有多种优越的物理性质。举例来说，石墨烯的热传导系数高达5300W/m·K，藉此特点，可大幅度地提升薄膜电容20的散热能力。因此，当将薄膜电容20应用在作为储能元件时，可提升所述元件于高温工作环境的使用寿命。又，石墨烯是一种坚硬的纳米材料，具有极高的杨氏系数(约1100GPa)，并且其机械强度远高于钢铁等金属材料，藉此特点，将第一石墨烯层22和第二石墨烯层23作为薄膜电容20的电极使用时，还可兼具保护的效果。
再者，单层的石墨烯的厚度仅约0.3纳米，并且石墨烯在室温下的电阻率仅约10–6Ω·cm，比铜或银还低。又，石墨烯的比表面积高(约2,630m2g-1)且拥有丰富的中孔结构。中孔结构有助于电荷快速迁移至石墨烯表面。也就是说，石墨烯为一种薄型且具有高导电度的材料。因此，通过将具有高比表面积的第一石墨烯层22和第二石墨烯层23作为薄膜电容20的电极层，不但可加速介电层21存储电荷以使得薄膜电容20拥有更高的能量密度与充放电速率，还可以使得整体构型更为轻薄，以实现元件小型化的目的。此外，如图2所示，信号是透过第一石墨烯层22和第二石墨烯层23制作成的电极做传递。由于石墨烯具有厚度薄、高比表面积与优异的电性表现，因此相对电子传输路径较短，电容阻抗影响也较低，有利于用在高频信号传输。
又，现有的薄膜电容均采用将金属电极与介电材料直接接触的架构，因此，在制作过程中会因高温而导致金属离子扩散进入介电材料中，进而造成介电材料的介电系数下降，导致电容性能不佳的问题。反观，在本揭示中，由于石墨烯本身具有稳定的物理、化学特性，在与其他材料接触后并不会产生离子扩散问题，故具有能优化接面电性的效果。因此，采用将介电层21与具有良好的稳定性的第一石墨烯层22和第二石墨烯层23直接接触的架构，能有效地解决离子扩散进入介电层21的问题，以达成优化薄膜电容20效能的功效。
请参照图3A至图3C，其为一系列的剖面图，显示图2的薄膜电容20的制造流程。首先，如图3A所示，提供一绝缘基板1，并且在绝缘基板1上形成第一石墨烯层22，其中第一石墨烯层22的厚度D1介于0.3纳米至10微米之间。接着，如图3B所示，在第一石墨烯层22上形成介电层21，其中介电层21的厚度D2介于200纳米至800纳米之间。介电层21是以高介电(high-K)材料制成。优选地，介电层21的材料选自于BaTiO3、Ta2O5、TiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3、La2O3、Pr2O3及上述任意组合的其中之一。接着，如图3C所示，在介电层21上形成第二石墨烯层23，其中第二石墨烯层23的厚度D3介于0.3纳米至10微米之间。如图3B所示，介电层21位在第一石墨烯层22和第二石墨烯层23之间。最后，将绝缘基板1移除，进而完成薄膜电容20的制作。
请参照图4，其显示一种根据本揭示第二优选实施例的薄膜电容30的结构爆炸示意图。薄膜电容30包含介电层31、第一石墨烯层32、第二石墨烯层33、第一金属层34和第二金属层35，其中第一石墨烯层32和第二石墨烯层33分别设置在介电层31的相对两侧，以及第一金属层34和第二金属层35分别设置在第一石墨烯层32和第二石墨烯层33的相对两侧。也就是说，第一石墨烯层32设置在介电层31与第一金属层34之间，以及第二石墨烯层33设置在介电层31与第二金属层35之间。相较于第一优选实施例，在第二优选实施例中第一石墨烯层32和第二石墨烯层33会与第一金属层34和第二金属层35一起作用为所述薄膜电容30的电极，并且第一石墨烯层32和第二石墨烯层33还可进一步作为介电层31与金属层34、35之间的阻障层使用，可有效地增加薄膜电容30的效能，例如提升充放电速率、电荷存储量以及降低使用频率点的电容阻抗影响等。
在第二优选实施例中，将石墨烯应用在薄膜电容30中同样可发挥前述列举的各项优点，具体说明如下。如图4所示，电流是透过第一金属层34和第二金属层35做传递，接着再透过第一石墨烯层32和第二石墨烯层33传导至介电层31。由于石墨烯的比表面积高且拥有丰富的中孔结构，中孔结构有助于将电荷从第一金属层34和第二金属层35快速迁移至第一石墨烯层32和第二石墨烯层33的表面，进而提升介电层31存储电荷的速率。因此，相较于市售的采用活性碳材料作为电极的电容，在本揭示中采用将金属层34、35与石墨烯层32、33结合并作为薄膜电容30的电极的结构能获得更高的能量密度与较快的充放电速率。
再者，如图4所示，薄膜电容30的信号是通过金属层34、35与石墨烯层32、33结合而成的电极进行传递。由于石墨烯具有厚度薄、高比表面积与优异的电性表现，因此相对电子传输路径较短，电容阻抗影响也较低，有利于将薄膜电容30应用在高频信号传输。
又，由于单层石墨烯的厚度仅约0.3纳米，因此即使在第一金属层34和第二金属层35与介电层31之间增设第一石墨烯层32和第二石墨烯层33，并不会对于整体元件厚度产生不良影响。且由于石墨烯表面具有凡德瓦尔力，可提供第一金属层34和第二金属层35与介电层31间具有良好的结合力，有利于缩小元件尺寸。
又，现有的薄膜电容最大的问题存在于金属电极与介电材料之间的接面效应。两者之间的接合会造成金属离子扩散至介电材料中，导致介电系数与电容性能下降的问题。反观，在本揭示的第二优选实施例中，由于采用具有稳定的物理和化学特性的第一石墨烯层32和第二石墨烯层33作为介电层31与金属层34、35之间的阻障层使用。能有效地避免离子扩散问题，以优化接面电性进而使薄膜电容30达到良好的电特性表现。
又，石墨烯的热传导系数高达5300W/m·K，藉此特点，可实现介电层31与环境间的高效散热。因此，当将薄膜电容20应用在作为储能元件时，可提升所述元件于高温工作环境的使用寿命。
请参照图5A至图5F，其为一系列的剖面图，显示图4的薄膜电容的制造流程。首先，如图5A所示，提供一绝缘基板1，并且在绝缘基板1上形成金属层34’。接着，如图5B所示，对金属层34’进行一光刻工艺以形成具有特定尺寸的第一金属层34，其中第一金属层34的厚度D4介于1微米至30微米之间。优选地，第一金属层34的材料选自于铜或镍。接着，如图5C所示，在第一金属层34之上形成第一石墨烯层32，其中第一石墨烯层32的厚度D5介于0.3纳米至10微米之间。接着，如图5D所示，在第一石墨烯层32上形成介电层31，其中介电层31的厚度D6介于200纳米至800纳米之间。介电层21是以高介电(high-K)材料制成。优选地，介电层21的材料选自于BaTiO3、Ta2O5、TiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3、La2O3、Pr2O3及上述任意组合的其中之一。应当注意的是，在此步骤中，由于第一石墨烯层32发挥阻障层的效果，使得在高温的制作环境下第一金属层34的金属离子不会扩散到介电层21。接着，如图5E所示，在介电层31上形成第二石墨烯层33，其中第二石墨烯层33的厚度D7介于0.3纳米至10微米之间。接着，如图5F所示，在第二石墨烯层33上形成第二金属层35，其中第二金属层35的厚度D8介于1微米至30微米之间。优选地，第二金属层35的材料选自于铜或镍。应当注意的是，在此步骤中，由于第二石墨烯层33发挥阻障层的效果，使得在高温的制作环境下第二金属层35的金属离子不会扩散到介电层21。如图5F所示，第一石墨烯层32设置在介电层31与第一金属层34之间，以及第二石墨烯层33设置在介电层31与第二金属层35之间。最后，将绝缘基板1移除，进而完成薄膜电容30的制作。
综上所述，本揭示通过采用石墨烯层作为薄膜电容的电极层，或者是将石墨烯层设置在介电层与金属层之间以使所述石墨烯层和所述金属层一起作用为所述薄膜电容的电极层，进而能解决在制造过程中因金属离子扩散进入介电层，导致电容性能不佳的问题。再者，通过将石墨烯应用在本揭示的薄膜电容中，使得薄膜电容具有优选的充电速率、电荷存储及充放电能力。并且，利用石墨烯本身具有的良好特性可增强薄膜电容的电极的使用寿命与电荷传输速度，以提升电容存储能力，以及降低应用于高速信号量测时所产生的整体阻抗。
虽然本揭示已用优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本揭示，本揭示所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本揭示的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本揭示的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。
Claims (10)
1.一种薄膜电容，其特征在于，包含：
一介电层；以及
一对石墨烯层，分别设置在所述介电层的相对两侧，以作为所述薄膜电容的电极。
2.如权利要求1所述的薄膜电容，其特征在于，每一所述石墨烯层的厚度介于0.3纳米至10微米之间。
3.如权利要求1所述的薄膜电容，其特征在于，所述薄膜电容的所述电极还包含一对金属层，分别设置在所述对石墨烯层的相对两外侧，如此其中之一所述石墨烯层设置在所述介电层与其中之一所述金属层之间。
4.如权利要求3所述的薄膜电容，其特征在于，每一所述金属层的厚度介于1微米至30微米之间。
5.如权利要求1所述的薄膜电容，其特征在于，所述介电层的厚度介于200纳米至800纳米之间。
6.如权利要求1所述的薄膜电容，其特征在于，所述介电层的材料选自于BaTiO3、Ta2O5、TiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3、La2O3、Pr2O3及上述任意组合的其中之一。
7.一种薄膜电容的制作方法，其特征在于，包含：
形成一第一石墨烯层；
在所述第一石墨烯层上形成一介电层；以及
在所述介电层上形成一第二石墨烯层，使得所述介电层位在所述第一石墨烯层与所述第二石墨烯层之间。
8.如权利要求7所述的薄膜电容的制作方法，其特征在于，形成所述第一石墨烯层的步骤还包含：
形成一第一金属层；以及
在所述第一金属层上形成所述第一石墨烯层。
9.如权利要求8所述的薄膜电容的制作方法，其特征在于，形成所述第一金属层的步骤还包含：
提供一绝缘基板；
在所述绝缘基板上形成一金属层；以及
对所述金属层进行一光刻工艺以形成所述第一金属层。
10.如权利要求8所述的薄膜电容的制作方法，其特征在于，在形成所述第二石墨烯层之后还包含：在所述第二石墨烯层上形成一第二金属层。
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