CN111128558A - 一种基于片上电化学的电容器芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种基于片上电化学的电容器芯片及其制备方法。所述电容器芯片包括衬底层、正金属电极、负金属电极、导电集流层和凝胶电解质，所述衬底层由上到下包括绝缘层和硅层，所述正金属电极和负金属电极分别通过导电集流层独立位于所述绝缘层上方，所述正金属电极和负金属电极为多孔金属结构，且在所述多孔金属结构表面覆盖低维赝电容材料，在所述正金属电极和负金属电极周围为所述凝胶电解质，本发明实施例通过在硅片上形成电容器芯片，所述电容器芯片的正金属电极和负金属电极为多孔金属结构且表面覆盖低维赝电容材料，从而在高电频下实现高电容密度，且实现了电解电容器的小型化和量产。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种基于片上电化学的电容器芯片及其制备方法。
背景技术
随着可穿戴设备和物联网的迅速发展，目前对于电子设备的小型化与柔性化有着越来越严苛的要求。对于目前的电子设备之中，用于处理低频信号的电路模块是体积最庞大、最难以集成于芯片的电路模块，这主要是因为其中必然要用到大体积电解电容器。
当前电路之中使用的电容器是基于介电层的静电电容器，其单位体积的电容值有限。
发明内容
由于现有方法存在上述问题，本发明实施例提供一种基于片上电化学的电容器芯片及其制备方法。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于片上电化学的电容器芯片，包括：
衬底层、正金属电极、负金属电极、导电集流层和凝胶电解质，所述衬底层由上到下包括绝缘层和硅层，所述正金属电极和负金属电极分别通过导电集流层独立位于所述绝缘层上方，所述正金属电极和负金属电极为多孔金属结构，且在所述多孔金属结构表面覆盖低维赝电容材料，在所述正金属电极和负金属电极周围为所述凝胶电解质。
进一步地，构成所述正金属电极和负金属电极的金属材料为金。
进一步地，所述正金属电极和负金属电极的多孔金属结构的孔径大于300nm。
进一步地，所述电容器芯片由光刻胶进行封装。
第二方面，本发明实施例提供了如下所述的任一基于片上电化学的电容器芯片的制备方法，其特征在于，包括：
获取第一硅片，所述第一硅片由上到下包括绝缘层和硅层；
在所述绝缘层上方，沉积导电集流层；
在所述导电集流层上根据金属共溅射沉积技术分别采用预设的第一功率和第二功率将第一金属材料和第二金属材料沉积到所述绝缘层上方，形成合金属电极层，得到第二硅片；其中，所述第二功率至少大于所述第一功率的三倍；
利用预设的光刻胶掩膜，对所述合金属电极层进行刻蚀，以形成两个独立的正金属电极和负金属电极；
去除所述正金属电极和负金属电极中的第二金属材料，以使所述正金属电极和负金属电极形成多孔金属结构；其中，所述多孔金属结构的孔径大于300nm；
利用低维赝电容材料溶液，在所述正金属电极和负金属电极的多孔金属结构表面覆盖所述低维赝电容材料；
在所述正金属电极和负金属电极之间填充凝胶电解质，从而得到所述电容器芯片。
进一步地，所述制备方法还包括：
采用光刻胶技术对所述电容器芯片进行封装。
进一步地，所述第一金属材料为金，所述第二金属材料为银。
本发明实施例提供的基于片上电化学的电容器芯片及其制备方法，通过在硅片上形成电容器芯片，所述电容器芯片的正金属电极和负金属电极为多孔金属结构且表面覆盖低维赝电容材料，从而在高电频下实现高电容密度，且实现了电解电容器的小型化和量产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的基于片上电化学的电容器芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例的另一基于片上电化学的电容器芯片的结构示意图；
图3为本发明实施例的基于片上电化学的电容器芯片的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例的基于片上电化学的电容器芯片的结构示意图，如图1所示，所述电容器芯片包括：
衬底层10、正金属电极121、负金属电极122、导电集流层11和凝胶电解质14，所述衬底层10由上到下包括绝缘层102和硅层101，所述正金属电极121和负金属电极122通过导电集流层11分别独立位于所述绝缘层102上方，所述正金属电极121和负金属电极122为多孔金属结构，且在所述多孔金属结构表面覆盖低维赝电容材料13，在所述正金属电极121和负金属电极122周围为所述凝胶电解质14。
为了解决电解电容带来的体积庞大、电容值小等技术问题。本发明实施例提出了一种在硅片上成型的电容器芯片。
所述电容器芯片的衬底层10由绝缘层102和硅层101组成，所述绝缘层102位于硅层101的上方。所述绝缘层102具体可以为绝缘氧化硅层或者氮化硅层。
在所述绝缘层102的上方分别沉积形独立的正金属电极121和负金属电极122。为了保证导电性能，在所述正金属电极121与绝缘层102之间，以及在所述负金属电极122与绝缘层102之间，沉积了导电集流层11。
所述正金属电极121和负金属电极122通过共溅和选择性刻蚀工艺实现图形化的多孔金属结构。
另外为了增加电容密度在所述正金属电极121和负金属电极122的多孔金属结构的内外表面沉积低维赝电容材料13。
在所述正金属电极121和负金属电极122周围填充了凝胶电解质14。
进一步地，构成所述正金属电极和负金属电极的金属材料为金。
用于构成正金属电极121和负金属电极122的金属材料可根据实际的需要来进行设定，可以采用相同的金属材料，也可以根据不同的需要设定不同的金属材料，例如，金、银、铜、钛等，本发明实施例仅以金为例来进行举例说明。
进一步地，所述正金属电极121和负金属电极122的多孔金属结构的孔径大于300nm。
通过对溅射工艺的调整，所述正金属电极121和负金属电极122可以形成不同孔径大小的多孔金属结构。本发明实施例以孔径大于300nm为例进行举例说明。
本发明实施例通过在硅片上形成电容器芯片，所述电容器芯片的正金属电极121和负金属电极122为多孔金属结构且表面覆盖低维赝电容材料，从而在高电频下实现高电容密度，且实现了电解电容器的小型化和量产。
图2为本发明实施例的另一基于片上电化学的电容器芯片的结构示意图，基于上述实施例，进一步地，所述电容器芯片由光刻胶进行封装。
由于本发明实施例的电容器芯片不耐热，因此，无法采用传统的芯片封装方法，而采用了光刻胶来对所述电容器芯片进行封装。如图2所示，由封装光刻胶层15来对电容器芯片进行封装。
本发明实施例的正金属电极和负金属电极采用叉指结构，因此，如图2所示的金属电极12分别为交叉排列的正金属电极和负金属电极。例如，从左到右可以分别为正金属电极、负金属电极和正金属电极。
本发明实施例通过光刻胶对所述电容器芯片进行封装，从而解决了电容器芯片不耐热的问题，使电容器芯片易于量产，且降低了电容器芯片的生产成本。
图3为本发明实施例的基于片上电化学的电容器芯片的制备方法流程图，如图3所示，所述方法包括：
步骤S01、获取第一硅片，所述第一硅片由上到下包括绝缘层和硅层。
获取第一硅片，所述第一硅片由上到下包括绝缘层和硅层。具体可通过在干净的硅片上通过热氧生长一层绝缘氧化硅层或者氮化硅层来作为绝缘层。
步骤S02、在所述绝缘层上方，沉积导电集流层；
步骤S03、在所述导电集流层上根据金属共溅射沉积技术分别采用预设的第一功率和第二功率将第一金属材料和第二金属材料沉积到所述绝缘层上方，形成合金属电极层，得到第二硅片；其中，所述第二功率至少大于所述第一功率的三倍；
采用金属溅射沉积技术，根据预设的第一功率和第二功率分别将第一金属材料和第二金属材料同时沉积到所述绝缘层的上方，从而形成了包含合金属电极层的第二硅片。为了在高电频下获得更好的电容密度，需要将所述第二功率设置为所述第一功率的三倍以上。例如，分别以500W和1600W的功率溅射金靶和银靶于所述第一硅片的绝缘层上。
另外，为了保证金属电极的接触性能，在所述绝缘层和合金属电极层之间还可以先沉积一个导电集流层，该导电集流层的厚度可以根据实际的需要来进行设定，例如20nm或50nm等。
步骤S04、利用预设的光刻胶掩膜，对所述合金属电极层进行刻蚀，以形成两个独立的正金属电极和负金属电极；
在沉积好的合金属电极层上旋涂一层光刻胶，随后使用标准曝光工艺显影去除部分光刻胶，使得剩余光刻胶成为图形化的掩膜层。
利用该掩膜层，对所述合金属电极层进行刻蚀，具体的刻蚀方法可以采用湿刻、干刻等工艺，在此，仅以一种湿刻方法为例进行举例说明：使用与构建合金属电极层的金属材料对应的标准金属刻蚀液和王水分别刻蚀所述合金属电极层。例如，金属刻蚀液1小时，王水3小时，从而使具有光刻胶掩膜层的部分得以保留形成两个独立的正金属电极和负金属电极。而未被保护的部分被刻蚀去除。
当然，如果存在所述导电集流层，则可采用相同的掩膜层同样对所述导电集流层进行刻蚀，使所述导电集流层保留的部分与合金属电极层保留的部分保持同步。
步骤S05、去除所述正金属电极和负金属电极中的第二金属材料，以使所述正金属电极和负金属电极形成多孔金属结构；其中，所述多孔金属结构的孔径大于300nm。
使用丙酮去除列余的光刻胶，然后采用特定的溶液去除保留的正金属电极和负金属电极中的第二金属材料。从而使所述正金属电极和负金属电极形成多孔金属结构。
进一步地，所述第一金属材料为金，所述第二金属材料为银。
以第一金属材料为金，第二金属材料为银进行举例说有，可使用硝酸溶液刻蚀掉正金属电极和负金属电极中的银材料，从而使残余的金材料形成了多孔金属结构。
由于在进行前期的溅射沉积过程中第二功率远大于第一功率，因此，在去掉第二金属材料后，其得到的多孔金属结构的孔径较大，将大于300nm。
步骤S06、利用低维赝电容材料溶液，在所述正金属电极和负金属电极的多孔金属结构表面覆盖所述低维赝电容材料。
将形成了多孔金属结构的硅片放置于预先准备好的低维赝电容材料Mxene溶液之中，使用电化学原位沉积的方法在多孔金属的外表面和内表面沉积了低维赝电容材料。
步骤S07、在所述正金属电极和负金属电极之间填充凝胶电解质，从而得到所述电容器芯片。
再在电容器芯片上滴涂凝胶电解质，并置于真空低压环境中自然干涸，以使所述正金属电极和负金属电极之间填充了凝胶电解质。从而得到了所述电容器芯片。
本发明实施例通过预设的工艺流程实现了对于电容器芯片的硅上成形，所制备得到的算上器件与标准CMOS工艺可以兼容。此处，片上电容器在100Hz实现超过10mF/cm2的电容密度，超过电解电容一个数量级。
基于上述实施例，进一步地，所述制备方法还包括：
采用光刻胶技术对所述电容器芯片进行封装。
在所述电容器芯片上旋涂厚光刻胶，例如，SU-8光刻胶，使用标准光刻工艺去除非芯片电极区域的光刻胶，并固化电极区域光刻胶，从而完成芯片封装。
本发明实施例采用光刻胶对所述电容器芯片进行封装，从而解决了所述电容器芯片不耐热的问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种基于片上电化学的电容器芯片，其特征在于，包括：
衬底层、正金属电极、负金属电极、导电集流层和凝胶电解质，所述衬底层由上到下包括绝缘层和硅层，所述正金属电极和负金属电极通过导电集流层分别独立位于所述绝缘层上方，所述正金属电极和负金属电极为多孔金属结构，且在所述多孔金属结构表面覆盖低维赝电容材料，在所述正金属电极和负金属电极周围为所述凝胶电解质。
2.根据权利要求1所述的基于片上电化学的电容器芯片，其特征在于，构成所述正金属电极和负金属电极的金属材料为金。
3.根据权利要求2所述的基于片上电化学的电容器芯片，其特征在于，所述正金属电极和负金属电极的多孔金属结构的孔径大于300nm。
4.根据权利要求3所述的基于片上电化学的电容器芯片，其特征在于，所述电容器芯片由光刻胶进行封装。
5.一种如权利要求1-4任一所述的基于片上电化学的电容器芯片的制备方法，其特征在于，包括：
获取第一硅片，所述第一硅片由上到下包括绝缘层和硅层；
在所述绝缘层上方，沉积导电集流层；
在所述导电集流层上根据金属共溅射沉积技术分别采用预设的第一功率和第二功率将第一金属材料和第二金属材料沉积到所述绝缘层上方，形成合金属电极层，得到第二硅片；其中，所述第二功率至少大于所述第一功率的三倍；
利用预设的光刻胶掩膜，对所述合金属电极层进行刻蚀，以形成两个独立的正金属电极和负金属电极；
去除所述正金属电极和负金属电极中的第二金属材料，以使所述正金属电极和负金属电极形成多孔金属结构；其中，所述多孔金属结构的孔径大于300nm；
利用低维赝电容材料溶液，在所述正金属电极和负金属电极的多孔金属结构表面覆盖所述低维赝电容材料；
在所述正金属电极和负金属电极之间填充凝胶电解质，从而得到所述电容器芯片。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
采用光刻胶技术对所述电容器芯片进行封装。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一金属材料为金，所述第二金属材料为银。
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2019
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