CN117423548B - 一种电容器衬底、高容量密度电容器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电容器衬底、高容量密度电容器及其制造方法，涉及电容器的技术领域，包括衬底和三维异形图案，所述衬底上设置有若干个三维异形的凹槽或者立柱，在一个切割块内所述凹槽或者所述立柱呈错位排布，或者所述凹槽或者所述立柱的形心呈阵列排布，相邻的所述凹槽或者所述立柱的边缘距离不大于2倍的加工余量。本发明可在缩小电容器尺寸和厚度的情况下，利用凹槽或者立柱阵列的结合，增加了介质层的表面积，有效提高电容器的容量密度。
Description
技术领域
本发明涉及电容器的技术领域，特别是涉及一种电容器衬底、高容量密度电容器及其制造方法。
背景技术
电容器应用很广泛，从手机、笔记本到其它几乎所有的电子产品上，甚至汽车、基站等都大量使用电容器。电容器在电路中起到滤波、耦合、隔直流、储能的作用，广泛应用于各种家用电器、计算机、移动通信、汽车电子、智能电网、航空航天、轨道交通等领域，是电子设备中不可缺少的主要元件之一。
随着电子产品的微型化、高性能、低成本的发展趋势，对电容器高稳定度、高可靠性、高密度、低厚度、低ESL、低ESR等要求越来越高，要求电容器向着高集成度、小型化、多功能等方向发展，通过高K值（介电常数）材料来提高电容密度无法达到期望。采用半导体工艺制作的高深宽比3D结构电容器就可以实现高电容密度，其具有极低的漏电流、极高的可靠性，产品特性一致性好，并且可以左右超薄的尺寸以适用于集成封装对产品尺寸要求小的应用场合。因此要求电容器可以在小尺寸、薄型化的前提下能达到更高的容值，一般通过对衬底进行图形化刻蚀来增大有效面积从而提高单位面积的容量密度。这就要求工艺简单、可行和器件可靠性高的前提设计刻蚀结构，不然可能会得到达不到比表面积最大化且工艺可能无法达成的情况。
传统的电容器是由一层介质层加在导体之间实现的，这些电容器一般都是二维结构的平板电容，其容值非常小而体积大。随着现代通信技术的发展，由于通讯设备的使用要求，使得通讯设备的重量和尺寸要求越来越高，特别是移动通信系统中的电容器的小型化方面的要求越来越强。随着器件尺寸的不断缩小，传统的电容器在占用面积上已基本无法满足要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种电容器衬底、高容量密度电容器及其制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，使在缩小电容器尺寸和厚度情况下仍能提高电容器的容量密度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种电容器衬底，包括衬底和三维异形图案，所述衬底上设置有若干个三维异形的凹槽或者立柱，在一个切割块内所述凹槽或者所述立柱呈错位排布，或者所述凹槽或者所述立柱的形心呈阵列排布，相邻的所述凹槽或者所述立柱的边缘距离不大于2倍的加工余量。
优选的，所述凹槽的深度或者所述立柱的高度至少为50μm；所述加工余量为所述凹槽或者立柱的最窄尺寸，所述凹槽或者所述立柱的边缘距离为1倍加工余量；所述衬底的材质包括硅、陶瓷、玻璃、SiTO3、AlN、SiC和Al2O3。
优选的，所述凹槽或者所述立柱的形状包括边缘圆滑的哑铃形、十字形和四叶草形。
优选的，所述凹槽或者所述立柱的形状为哑铃形时，哑铃形的所述凹槽或者所述立柱的形心纵向呈错位排布、横向呈等间距排布；或者，三个哑铃形所述凹槽或者所述立柱的形心呈正三角形分布并形成一个排布单元，所述排布单元成同向排布或者正反向间隔排布，相邻的所述排布单元的横向间距和纵向间距均不大于2倍的正三角形的边长。
优选的，所述凹槽或者所述立柱的形状为十字形或者四叶草形时，所述十字形或者所述四叶草形与切割边线呈10°-80°夹角排布，相邻的所述凹槽或者所述立柱的形心间距不大于2倍的所述十字形或者所述四叶草形的最大宽度尺寸。
本发明还涉及一种高容量密度电容器，包括依次层叠设置的背面金属电极、上述的电容器衬底、绝缘层、导电层和正面金属电极。
优选的，所述绝缘层的材质包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氧化铪中至少一种。
优选的，所述背面金属电极和所述正面金属电极的材质包括TiW、Cu、Ni、Au、Pt、Al、TiN中的至少一种；所述电容器的金丝键合点设置在所述电容器的任意位置。
优选的，所述绝缘层设置有若干层，相邻的所述绝缘层之间设置有导电层；所述绝缘层的厚度为5nm-15nm。
本发明还涉及一种高容量密度电容器的制造方法，具体包括以下步骤：
S1，使用激光加工、干法刻蚀、湿法刻蚀或者反应离子刻蚀对衬底进行三维异形图案刻蚀，得到需要图案的凹槽或者立柱阵列；
S2，在经过刻蚀得到的带图案衬底上通过低压力化学气相沉积法进行绝缘层沉积，沉积好绝缘层后进行导电层的填充，填充至图案的凹槽或者立柱被完全覆盖；
S3，在填充导电层之后的表面进行正面金属电极的沉积；
S4，对所述衬底的反面进行减薄处理，并在衬底的反面进行背面金属电极的沉积；
S5，使用光刻或者刻蚀的手段在成型电容器的金属表面形成划切道，并按照划切道进行切割分块。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明可在缩小电容器尺寸和厚度的情况下，利用凹槽或者立柱阵列的结合，增加了介质层的表面积，有效提高电容器的容量密度。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例四电容器衬底中哑铃形元胞排布单元的第一种排列结构示意图；
图2为本发明实施例四电容器衬底中哑铃形元胞排布单元的第二种排列结构示意图；
图3为本发明实施例四电容器衬底中哑铃形元胞排布单元的结构示意图；
图4为本发明实施例四电容器衬底中哑铃形元胞的第二种排列结构示意图；
图5为本发明实施例五中电容器衬底的十字形元胞的第二种结构示意图；
图6为本发明实施例六中电容器衬底的四叶草形元胞的第二种结构示意图；
图7为本发明实施例三中高容量密度电容器的制造流程图；
其中：1-衬底，2-绝缘层，3-导电层，4-正面金属电极，5-背面金属电极，6-哑铃形，7-十字形，8-四叶草形，9-三维异形图案。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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付出创造性劳动的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。
本发明的目的是提供一种电容器衬底、高容量密度电容器及其制造方法，以解决现有技术存在的问题，使在缩小电容器尺寸和厚度情况下仍能提高电容器的容量密度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1至图6所示：本实施例提供了一种电容器衬底，包括衬底1和三维异形图案9，衬底1上设置有若干个三维异形的凹槽或者立柱，在一个切割块内凹槽或者立柱呈错位排布，或者凹槽或者立柱的形心呈阵列排布，相邻的凹槽或者立柱的边缘距离不大于2倍的加工余量，实现衬底1表面的最大化均布利用。
作为一种可选方案，本实施例中凹槽的深度或者立柱的高度至少为50μm，可增加足够的侧面积，进而增加电容器的比表面积；加工余量为凹槽或者立柱的最窄尺寸，凹槽或者立柱的边缘距离为1倍加工余量，最大化均布利用衬底1表面；衬底1的材质包括硅、陶瓷、玻璃、SiTO3、AlN、SiC和Al2O3，或者其他单晶材料。
作为一种可选方案，本实施例中凹槽或者立柱的形状包括边缘圆滑的哑铃形6、十字形7和四叶草形8，轮廓曲线足够长，单位面积内增加侧面积较多。
作为一种可选方案，本实施例中凹槽或者立柱的形状为哑铃形6时，哑铃形6的凹槽或者立柱的形心纵向呈错位排布、横向呈等间距排布，上一层哑铃形6的头部或者尾部能够位于充分利用相邻层的哑铃形6凹陷的中部，哑铃形6中部凹陷的空间，进一步减小两排哑铃形6的间距。或者，三个哑铃形6凹槽或者立柱的形心呈正三角形分布并形成一个排布单元，排布单元成同向排布或者正反向间隔排布，相邻的排布单元的横向间距和纵向间距均不大于2倍的正三角形的边长。
作为一种可选方案，本实施例中凹槽或者立柱的形状为十字形7或者四叶草形8时，十字形7或者四叶草形8与切割边线呈10°-80°夹角排布，优选25°或者30°，相邻的凹槽或者立柱的形心间距不大于2倍的十字形7或者四叶草形8的最大宽度尺寸。
实施例二
本实施例涉及一种高容量密度电容器，包括依次层叠设置的背面金属电极5、上述实施例一的电容器衬底1、绝缘层2、导电层3和正面金属电极4。
作为一种可选方案，本实施例中绝缘层2的材质包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氧化铪中至少一种。
作为一种可选方案，本实施例中背面金属电极5和正面金属电极4的材质包括TiW、Cu、Ni、Au、Pt、Al、TiN中的至少一种；电容器的金丝键合点设置在电容器的任意位置。电容器金丝键合点位置可以设置在电容器正中心或其他任意位置，且金丝键合点大小、数量及位置皆可调。
作为一种可选方案，本实施例中绝缘层2设置有若干层，相邻的绝缘层2之间设置有导电层3，导电层3的材质一般为多晶硅，也可以是其他导电金属或者非金属材质；绝缘层2的厚度为5nm-15nm，导电层3一般使用低压力化学气相沉积法（LPCVD）或者原子层沉积（ALD）方式进行沉积。
实施例三
如图7所示：本实施例涉及一种高容量密度电容器的制造方法，具体包括以下步骤：
S1，使用激光加工、干法刻蚀、湿法刻蚀或者反应离子刻蚀对衬底1进行三维异形图案9刻蚀，得到需要图案的凹槽或者立柱阵列。
S2，在经过刻蚀得到的带图案衬底1上通过低压力化学气相沉积法（LPCVD）进行绝缘层2沉积，沉积好绝缘层2后进行导电层3的填充，填充至图案的凹槽或者立柱被完全覆盖。其中，绝缘层2的材料为氧化硅，一般绝缘层2厚度选用10nm，可以3.8的K值进行计算并得出容量以及容量密度。其中，平行板电容器的电容C=KS/4πxd，式中，K是介电常数，S是正对面积，d是极板间的距离（绝缘层2的厚度），x是静电力常量。
S3，在填充导电层3之后的表面进行正面金属电极4的沉积。金属电极填充可采用先溅射金属再电镀填充，如果深槽的宽度较大，需要使用多晶硅进行填充来提高强度。
S4，对衬底1的反面进行减薄处理，并在衬底1的反面进行背面金属电极5的沉积；其中，正面金属电极4、背面金属电极5均采用TiW/Ni/Au三层沉积结构的材料，尺寸均为0.4mm*0.4mm。
S5，使用光刻或者刻蚀的手段在成型电容器的金属表面形成划切道，并按照划切道进行切割分块。
本实施例中高容量密度电容器的制造方法，制备过程简单，容易实现，便于大规模批量生产，通过在硅衬底1上刻蚀出高密度的三维异形图案9阵列结构，能够极大的提高电容器的比表面积，有效增大了电容密度。
实施例四
如图1至图4所示：本实施例与实施例三中的区别在于，三维异形图案9为哑铃形6，每个哑铃形元胞的两端呈圆弧形，中间由凹陷的弧形连接。每个排布单元由三个呈放射性以头对头的形式排列的哑铃形元胞组成，每个元胞的形心连线组成一个等边三角形，因此相邻两个元胞中心之间的夹角为120°。整个衬底1结构由多个排布单元组成，相邻列的排布单元可以分是同正向排列和同反向排列，也可以由正向排布单和反向排布单元间隔排列而成。
如图1所示，本实施例中优选使用正向排布单和反向排布单元间隔排列而成的衬底1刻蚀图案，其中，哑铃形6凹槽的深度或者立柱的高度为60μm，哑铃形6结构的长度为3μm、中间凹陷的宽度为1μm，相邻的凹槽或者立柱的边缘最小间距1.5μm，便于加工成型。本实施例的哑铃形阵列组合结构与相同面积平面衬底1结构相比，表面积增大了44倍，计算容量得到27.3nF，容量密度为148.125 nF/mm2；相同面积衬底1上圆形柱子阵列组合结构的表面积增大了32倍，计算容量得到17.2nF，容量密度为107.5 nF/mm2。显然，同样面积的衬底1，哑铃形阵列结构所增加的面积（44倍）要大于圆形结构阵列（32倍），容量密度相比要增加40nF/mm2；该哑铃阵列结构相对于平面结构的6 nF/mm2容量密度，容量密度提高了约25倍。
实施例五
如图5所示：本实施例与实施例三中的区别在于，三维异形图案9为十字形7，每个十字形元胞的拐角处都需要做圆角处理，十字形元胞的长度和臂宽按设计所需而定，先将十字形元胞先绕形心旋转25°，再按序进行矩阵排列组成整个结构。其中十字架形凹槽的深度或者立柱的高度为60μm，十字形7凹槽或者立柱的臂宽为1.5μm，最大长度为6μm，相邻的凹槽或者立柱的边缘最小间距1.5μm。本实施例的十字形元胞阵列结构与平面衬底1结构相比，面积增大了38.8倍，计算容量得到20.8nF，容量密度为130 nF/mm2；显然，在同样的面积下，十字形元胞阵列结构相对于平面结构的6 nF/mm2容量密度，容量密度提高了约21倍。
实施例六
如图6所示：本实施例与实施例三中的区别在于，三维异形图案9为四叶草形8，每个四叶草形元胞由四个圆弧形叶瓣连接而成，每个叶瓣由弧线连接，四叶草形元胞先绕形心旋转25°，再按序进行矩阵排列组成整个结构，四叶草形8凹槽的深度或者立柱的高度为60μm，四叶草形元胞的最大宽度为2.4μm，每个叶瓣的直径为1.1μm，相邻的凹槽或者立柱的边缘最小间距1.2μm；
本实施例的四叶草形元胞矩阵结构与平面结构相比，面积增大了55倍，计算容量得到29.7nF，容量密度为185.645 nF/mm2；显然，在同样的面积下，四叶草阵列结构相对于平面结构的6 nF/mm2容量密度，容量密度提高了约40倍。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种电容器衬底，其特征在于：包括衬底和三维异形图案，所述衬底上设置有若干个三维异形的立柱，所述立柱的形心呈阵列排布，所述立柱的边缘距离为1倍加工余量，所述加工余量为所述立柱的最窄尺寸；所述立柱的高度至少为50μm；所述立柱的形状包括边缘圆滑的哑铃形、十字形和四叶草形；所述立柱的形状为哑铃形时，三个哑铃形所述立柱的形心呈正三角形分布并形成一个排布单元，所述排布单元成同向排布或者正反向间隔排布，相邻的所述排布单元的横向间距和纵向间距均不大于2倍的正三角形的边长；所述立柱的形状为十字形或者四叶草形时，所述十字形或者所述四叶草形与切割边线呈10°-80°夹角排布，相邻的所述立柱的形心间距不大于2倍的所述十字形或者所述四叶草形的最大宽度尺寸。
2.根据权利要求1所述的电容器衬底，其特征在于：所述衬底的材质包括硅、陶瓷、玻璃、SiTO3、AlN、SiC和Al2O3。
3.一种高容量密度电容器，其特征在于：包括依次层叠设置的背面金属电极、权利要求1-2中任意一项所述的电容器衬底、绝缘层、导电层和正面金属电极。
4.根据权利要求3所述的高容量密度电容器，其特征在于：所述绝缘层的材质包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氧化铪中至少一种。
5.根据权利要求3所述的高容量密度电容器，其特征在于：所述背面金属电极和所述正面金属电极的材质包括TiW、Cu、Ni、Au、Pt、Al、TiN中的至少一种；所述电容器的金丝键合点设置在所述电容器的任意位置。
6.根据权利要求3所述的高容量密度电容器，其特征在于：所述绝缘层设置有若干层，相邻的所述绝缘层之间设置有导电层；所述绝缘层的厚度为5nm-15nm。
7.一种权利要求4-6中任意一项所述的高容量密度电容器的制造方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1，使用激光加工、干法刻蚀、湿法刻蚀或者反应离子刻蚀对衬底进行三维异形图案刻蚀，得到需要图案的立柱阵列；
S2，在经过刻蚀得到的带图案衬底上通过低压力化学气相沉积法进行绝缘层沉积，沉积好绝缘层后进行导电层的填充，填充至图案的立柱被完全覆盖；
S3，在填充导电层之后的表面进行正面金属电极的沉积；
S4，对所述衬底的反面进行减薄处理，并在衬底的反面进行背面金属电极的沉积；
S5，使用光刻或者刻蚀的手段在成型电容器的金属表面形成划切道，并按照划切道进行切割分块。
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