TWI506655B - 用於多孔性電化學電容器的奈米加工結構 - Google Patents

用於多孔性電化學電容器的奈米加工結構 Download PDF

Info

Publication number
TWI506655B
TWI506655B TW102133898A TW102133898A TWI506655B TW I506655 B TWI506655 B TW I506655B TW 102133898 A TW102133898 A TW 102133898A TW 102133898 A TW102133898 A TW 102133898A TW I506655 B TWI506655 B TW I506655B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
energy storage
storage device
porous structure
porous
major surface
Prior art date
Application number
TW102133898A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201423789A (zh
Inventor
Donald S Gardner
Charles W Holzwarth
Win Jei
Original Assignee
Intel Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Intel Corp filed Critical Intel Corp
Publication of TW201423789A publication Critical patent/TW201423789A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI506655B publication Critical patent/TWI506655B/zh

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22Electrodes
    • H01G11/26Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25FPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC REMOVAL OF MATERIALS FROM OBJECTS; APPARATUS THEREFOR
    • C25F3/00Electrolytic etching or polishing
    • C25F3/02Etching
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25FPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC REMOVAL OF MATERIALS FROM OBJECTS; APPARATUS THEREFOR
    • C25F3/00Electrolytic etching or polishing
    • C25F3/02Etching
    • C25F3/12Etching of semiconducting materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25FPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC REMOVAL OF MATERIALS FROM OBJECTS; APPARATUS THEREFOR
    • C25F3/00Electrolytic etching or polishing
    • C25F3/02Etching
    • C25F3/14Etching locally
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22Electrodes
    • H01G11/30Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32Carbon-based
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22Electrodes
    • H01G11/30Electrodes characterised by their material
    • H01G11/50Electrodes characterised by their material specially adapted for lithium-ion capacitors, e.g. for lithium-doping or for intercalation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/52Separators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • H01G11/86Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • H01M4/0438Processes of manufacture in general by electrochemical processing
    • H01M4/044Activating, forming or electrochemical attack of the supporting material
    • H01M4/0442Anodisation, Oxidation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/133Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • H01M4/1393Processes of manufacture of electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64Carriers or collectors
    • H01M4/70Carriers or collectors characterised by shape or form
    • H01M4/76Containers for holding the active material, e.g. tubes, capsules
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64Carriers or collectors
    • H01M4/70Carriers or collectors characterised by shape or form
    • H01M4/80Porous plates, e.g. sintered carriers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L28/00Passive two-terminal components without a potential-jump or surface barrier for integrated circuits; Details thereof; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L28/40Capacitors
    • H01L28/60Electrodes
    • H01L28/82Electrodes with an enlarged surface, e.g. formed by texturisation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134Electrodes based on metals, Si or alloys
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00Metal working
    • Y10T29/49Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002Electrical device making
    • Y10T29/49117Conductor or circuit manufacturing
    • Y10T29/49124On flat or curved insulated base, e.g., printed circuit, etc.
    • Y10T29/49126Assembling bases

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)

Description

用於多孔性電化學電容器的奈米加工結構
本發明揭示之實施例一般係關於能量儲存裝置,並且尤其是,關於形成高表面區域多孔性電極之方法。
發明背景
現代社會依賴方便可利用性之能量。由於對於能量之要求增加,可有效地儲存能量之裝置成為越來越重要。因而,能量儲存裝置,包含電池、電容器、電化學電容器(EC)(包含擬電容器以及電氣雙層電容器(EDLC)-同時也是習知為超級電容器)、混合EC、以及其類似者是廣泛地被使用於電子領域以及往後。尤其是,電容器是廣泛地被使用於自電氣電路以及電力傳送至電壓調整以及電池更換之應用範圍。電化學電容器是具特徵於高能量儲存容量以及包含高電力密度、小尺度,以及低重量之其他所需的特性,並且因此成為供許多能量儲存應用所使用之有潛力的候選者。
於一相關之專利申請第PCT/US2010/029821號案中,被公佈為WO 2011/123135,標題是“用以形成高能量密度電化學電容器之三維結構”被揭示。於一些揭示之實施 例中,一濕性蝕刻處理被使用以蝕刻細孔深入一矽結構中並且該等細孔被充填電解質或高-k介電質材料及/或與電解質組合之細導電薄膜。
依據本發明之一實施例,係特地提出一種能量儲存裝置,其包括:一多孔性結構,其包含在一導電結構內之複數個主通道;其中該等主通道之各者具有至該多孔性結構之一主要表面的一開孔,並且該等主通道之各者與該主要表面呈一銳角而延伸進入該導電結構。
為圖解說明之簡明以及清晰故,圖形以圖解方式說明一般構造方式,並且習知特點與技術之說明以及細節可被省略以避免非必要地混淆被說明之本發明實施例的討論。另外地,圖形中之元件不必定得依其尺度被繪製。例如,圖形中一些元件的尺度可相對於其他元件地被放大以協助改進對本發明實施例之了解。某些圖形可以理想化形式被展示以便有助於了解,例如,當結構被展示而具有直 線、銳角及/或平行之平面或類似者時,而在真實世界情況下將很可能顯著地較不對稱以及有序。不同圖形中之相同參考號碼代表相同元件,而相似參考號碼可能,但不必定是,代表相似元件。
於該說明文中以及於申請專利範圍中之用詞“第一”、“第二”、“第三”、“第四”以及其類似者,如果可能,將被使用於相似元件之間的辨認並且不必定得用於敘述一特定序列或時間順序。應了解,因此被使用之用詞在適當情況之下是可交換的,以至於除了那些圖解地說明或於此處以不同方式被說明者之外,此處被說明之本發明實施例,例如,是可連續地操作。同樣地,如果此處說明之方法如包括一系列之步驟,如被呈現於此處的此等步驟之順序,不必定得僅是依此等步驟可被進行之順序,並且某些敘述之步驟也許可被省略及/或未於此處被說明的某些其他步驟也許可被添加至方法中。更進一步地,用詞“包括”、“包含”、“具有”、以及其任何變化,是意欲涵蓋一非唯一的內含物,以至於包括一元件列表之一處理程序、方法、物件、或設備,不必定得受限定於那些的元件,但是可能包含未明確地被列出或潛在於此處理程序、方法、物件或設備之其他元件中。
於說明文中以及於申請專利範圍中之用詞“左方”、“右方”、“前方”、“後方”、“頂部”、“底部”、“在…上方”、“在…下方”以及其類似者,如果有可能,將被使用於記述目的並且除非以不同方式明確地或利用本文脈絡被指 示,否則不必定得用於敘述永久之相對位置。應了解,因此被使用之用詞在適當情況之下是可交換的,以至於除了那些圖解地說明或於此處以不同方式被說明者之外,此處被說明之本發明實施例,例如,是可於其他情況下操作。用詞“耦合”,如此處之使用,被界定如以電氣或非電氣方式直接地或間接地被連接。此處說明之物件如彼此“相鄰”可以是彼此實際接觸,彼此接近,或如彼此在相同的一般區域或區塊中,如詞組被使用於本文脈絡時所適宜。此處出現之詞組“於一實施例中”不必定得都涉及相同實施例。
100‧‧‧能量儲存裝置
110‧‧‧導電結構
111、121‧‧‧主通道
112‧‧‧開孔
115‧‧‧主要表面
111A、111B‧‧‧側表面
117‧‧‧側通道
120‧‧‧導電結構
121‧‧‧主通道
122‧‧‧開孔
125‧‧‧主要表面
127‧‧‧側通道
130‧‧‧分隔物
140‧‧‧塗層
150‧‧‧電解質
230‧‧‧電氣雙層(EDL)
322‧‧‧矽表面
810-830‧‧‧形成多孔性電極之步驟
910‧‧‧貯存區域
920‧‧‧連接區域
1100‧‧‧形成多孔性電極流程圖
1110-1120‧‧‧形成多孔性電極之步驟
1410-1430‧‧‧形成具有V凹槽或角錐形凹處之一陣列之步驟
1510‧‧‧線陣列
1660‧‧‧V凹槽凹處
1660A、1660B‧‧‧側表面
1710‧‧‧線陣列
1870‧‧‧角錐形凹處
1870A-1870D‧‧‧側表面
2210-2220‧‧‧形成能量儲存裝置之步驟
2300‧‧‧量儲存裝置
2310‧‧‧第一導電多孔性電極
2320‧‧‧第二導電多孔性電極
2330‧‧‧電路
2410-2420‧‧‧形成能量儲存裝置之步驟
2500‧‧‧電化學蝕刻槽
2502、2504‧‧‧電極
2506‧‧‧貯藏槽
2510‧‧‧導電基片
2512‧‧‧多孔性結構
2520‧‧‧基片固持器
2530‧‧‧分隔平板
2540‧‧‧蝕刻溶液
2600‧‧‧移動式電子裝置
2610‧‧‧基片
2620‧‧‧微處理器
2630‧‧‧能量儲存裝置
2640‧‧‧切換網路
2650‧‧‧感知器網路
2660‧‧‧電壓控制單元
2670‧‧‧溫度感知器
2681‧‧‧顯示器
2682‧‧‧天線/射頻元件
2683‧‧‧網路介面
2684‧‧‧資料輸入裝置
2685‧‧‧麥克風
2686‧‧‧攝影機
2687‧‧‧視訊投射器
2688‧‧‧廣域定位系統接收器
2700‧‧‧微電子裝置
2710‧‧‧基片
2720‧‧‧微處理器
2730‧‧‧能量儲存裝置
被揭示之實施例將自下面的詳細說明之閱讀,配合圖形中之附圖而較佳地被了解,於其中:圖1是依據本發明一實施例之一能量儲存裝置的橫截面側視圖;圖2是依據本發明一實施例在一能量儲存裝置的多孔性結構內之一電氣雙層的橫截面側視圖;圖3是依據本發明一實施例之被形成於一(1011)矽表面中之一多孔性結構的橫截面側視圖;圖4是依據本發明一實施例之一能量儲存裝置的橫截面側視圖;圖5是依據本發明一實施例之一主通道之特寫的橫截面側視圖;圖6是依據本發明一實施例被形成於一(322)矽表面中之一多孔性結構影像的橫截面側視圖; 圖7是依據本發明一實施例被形成於一(111)矽表面中之一多孔性結構的橫截面側視圖;圖8是依據本發明一實施例而圖解地說明形成一多孔性電極之方法的流程圖;圖9-10是依據本發明實施例之一多孔性結構的圖解橫截面側視圖;圖11是依據本發明一實施例而圖解地說明形成一多孔性電極之方法的流程圖。
圖12-13是依據本發明實施例之一多孔性結構的圖解橫截面側視圖;依據本發明一實施例之電化學地蝕刻一多孔性結構之方法;圖14是依據本發明一實施例而圖解地說明形成具有V凹槽或角錐形凹處之陣列的多孔性電極之方法的流程圖;圖15是依據本發明一實施例被形成於一基片上之一陣列遮罩線的頂視圖;圖16是依據本發明一實施例被形成於一基片上之V凹槽凹處的陣列之頂視圖;圖17是依據本發明一實施例被形成於一基片上之一陣列遮罩線的頂視圖;圖18是依據本發明一實施例被形成於一基片上之角錐形凹處的陣列之頂視圖;圖19是依據本發明一實施例之一能量儲存裝置 的多孔性結構之橫截面側視圖;圖20是依據本發明一實施例之一能量儲存裝置的多孔性結構之橫截面側視圖;圖21是依據本發明一實施例之一能量儲存裝置的橫截面側視圖;圖22是依據本發明一實施例而圖解地說明形成一能量儲存裝置之方法的流程圖;圖23A-23B是依據本發明實施例之一能量儲存裝置的橫截面側視圖;圖24是依據本發明一實施例而圖解地說明形成一能量儲存裝置之方法的流程圖;圖25是依據本發明一實施例自一電化學蝕刻槽中之導電基片被釋出的一多孔性結構之橫截面側視圖;圖26是依據本發明一實施例之一移動式電子裝置之方塊說明圖;以及圖27是依據本發明一實施例之一微電子裝置之方塊說明圖。
詳細說明
於一論點中,本發明實施例說明一能量儲存裝置以及形成一能量儲存裝置之方法,其中,包含在一導電結構內之複數個主通道的一多孔性結構之表面區域,藉由於導電結構中沿著一晶體平面方向而形成主通道地被增加。於一實施例中,主通道之各者沿著與多孔性結構之主要表面呈一銳角的方位之一晶體平面方向而延伸進入該導電結構。於一實施例中,側通道自主通道之各者的一側表面,例如,沿著一電化學蝕刻槽中的一蝕刻電流方向,而延伸進入導電結構。
於一論點中,本發明實施例說明一能量儲存裝置以及形成一具有一降低的擴散路線長度之能量儲存裝置之方法。於一實施例中,一能量儲存裝置包含一多孔性結構,該多孔性結構含有線性地錐形之複數個主通道。例如,線 性地錐形之主通道可藉由以一非線性形式變化一電化學蝕刻電流而被形成。於另一實施例中,該電化學蝕刻電流可以非線性地變化以於複數個主通道中形成貯存區域。此等結構可降低離子之擴散路線長度,其減少擴散時間常數並且允許此等能量儲存裝置以較高的功率之操作。
於一論點中,本發明實施例說明一能量儲存裝置以及形成一具有強化之多孔性結構的能量儲存裝置之方法。於一實施例中,一能量儲存裝置包含一含有複數個主通道之多孔性結構,該等複數個主通道包含一主要表面形狀以及被重疊於該主要表面形狀上之一次要表面形狀。於一實施例中,一次要電化學蝕刻電流變化被重疊於主要電化學電流變化之上。例如,該次要電化學蝕刻電流變化可以是弦波函數之一線性相加。此一弦波變化可消除多孔性結構中之突然的改變,其降低應力集中並且強化該多孔性結構。
於一論點中,本發明實施例說明一能量儲存裝置以及形成一能量儲存裝置之方法,其中電化學蝕刻條件被控制以降低細孔尺度,因而增加能量儲存裝置之細孔表面區域以及電容。於一實施例中,該電化學蝕刻槽在大約室溫或更低之溫度被操作。於一實施例中,該電化學蝕刻槽包含一HF:乙醇濃度為2:1或更大的HF濃度。於一實施例中,乙醇可以是異丙基或乙醇。
於一論點中,本發明實施例說明一能量儲存裝置以及形成一能量儲存裝置之方法,其藉由增加在能量儲存 裝置的二電極之間的表面區域而降低有效的串列電阻。於一實施例中,該表面區域藉由於該等多孔性電極結構之一者或兩者的多孔性結構主要表面中形成V凹槽或角錐形凹處之一陣列而被增加。
於一論點中,本發明實施例說明用以形成一能量儲存裝置之一混合材料方法。於一實施例中,一第一多孔性電極藉由電化學地蝕刻一導電基片中的一多孔性結構而被形成。於一實施例中,第一多孔性電極可與其他電路被整合於導電基片中。一分隔物以及第二多孔性電極接著可利用一薄膜沈積技術被沈積在第一多孔性電極上。
於一論點中,本發明實施例說明一能量儲存裝置以及形成一能量儲存裝置之方法,其利用制式電化學蝕刻以獲得自由之多孔性結構。於一實施例中,一多孔性結構以被浸沒於一電化學蝕刻槽中之方式而於一導電基片中被形成,接著躍升該電化學蝕刻電流以自導電基片釋出該多孔性結構。該被釋出的多孔性結構接著被連結於一分隔物層以及一第二多孔性結構以形成一能量儲存裝置。
雖然此處許多之討論將集中於電化學電容器(包含擬電容器以及電氣雙層電容器),“能量儲存裝置”指示,除了EC之外,明確地包含,混合EC、以及電池、燃料電池、以及儲存能量之相似裝置。依據本發明實施例之能量儲存裝置可被使用於廣泛的多種應用,包含應用於汽車、公車、火車、飛機、其他運輸工具、家庭能量儲存裝置、用於藉由太陽能或風能量產生器所產生的能量儲存裝置(特別是 能量獲得裝置)、以及許多其他者。
電化學電容器依據相似於那些管理習見的平行板電容器之原理而操作,但是某些重要差異也適用。一主要的差異係關於電荷分離機構。對於一重要類之EC,這一般採用所謂的電氣雙重層、或EDL之形式,而不是習見的電容器之介電質。該EDL在一高表面區域電極以及一電解質之間的一介面利用離子之電化學反應而被產生,並且不管多個層是如此接近在一起之事實而導致一有效的電荷分離。(實際的分離距離是在一單一奈米級數。)因此,一般的EDL電容器可被視為儲存電荷於其之EDL中。EDL之各層是導電性,但是雙層性質則防止電流經過它們之間的界線。(該EDL將在下面配合圖2而進一步地討論。)
如於習見的電容器中所知,一EDL電容器中之電容是成比例於電極之表面區域並且成反比例於電荷分離距離。於EDL電容器中可達到的非常高之電容部分地是可歸因於多通道多孔性結構之非常高的表面積以及可歸因於EDL之奈米尺度電荷分離距離,其由於電解質存在而上升,如上面之說明。可依據本發明實施例被使用之一電解質形式是一離子液體。另一者是包括含離子之溶劑的電解質。有機電解質、水性電解質、以及固態電解質也是可能。
另一類之電化學電容器是擬電容器,其中,除了EDL電容之外,一另外的儲存機構-即是法拉第(Faradaic)但不是靜電之一者一可在某些型式之電極表面形成。該另外的儲存機構一般被稱為“擬電容”,並且是具特徵於相似 於許多固態電極電池之操作的電荷儲存處理程序。二個儲存機構彼此互補,導致甚至可能比單獨的EDL電容較大之能量儲存電位。一般,擬電容器的電極之一者以一過渡金屬氧化物,例如,二氧化錳(MnO2 )、二氧化釕(RuO2 )、氧化鎳(NiOx )、五氧化二鈮(Nb2 O5 )、五氧化二釩(V2 O5 )等等被塗層,或藉由包含Mo2 N、VN、W2 N、W2 C(碳化鎢)、Mo2 C、VC之其他材料、一適當的導電聚合物、或相似材料被塗層。這些材料可與電解質,例如,氫氧化鉀(KOH)溶液被使用;當裝置被充電時,電解質將與材料反應並且驅動一電荷轉換能量被儲存之反應。更明確地說,這些材料經由高度可逆之表面以及近表面之電子轉移(例如,氧化還原反應(法拉第))反應,而儲存它們多數的能量,其由於快速充電以及放電動力學而可引動比習見電池中的大量儲存較高的電力。
應了解,除了上面提到的一電解質之外,擬電容器可使用其他電解質被構成。例如,含離子溶劑,例如,Li2 SO4 或LiPF6 可被使用作為電解質;這些導致涉及物種插入主體結構表面而不會破壞任何結合力之一插入反應。這反應,相同於先前提到之其他擬電容性反應,導致電荷之轉移,因此它也是法拉第(Faradaic)式以及被認為是一氧化還原反應,雖然它也是一特殊類型之氧化還原反應。
混合電化學電容器是能量儲存裝置,其組合EC以及電池之特性。於一範例中,以鋰離子材料被塗層之電極與電化學電容器被組合,以便產生具有EC之快速充電以 及放電特性以及電池的高能量密度之裝置。另一方面,混合EC,相同於電池,具有比電化學電容器較短之預期的使用壽命。
圖1是依據本發明實施例之能量儲存裝置100的橫截面圖。如圖解地被展示,能量儲存裝置100包括利用分隔物130彼此分離的一導電結構110以及一導電結構120,該分隔物130是一電氣絕緣體以及一離子導體。分隔物130防止導電結構110以及120彼此實際地接觸,以便防止電氣短路。例如,分隔物130可以是可滲透性薄膜或其他多孔性聚合物分隔物。一般,分隔物防止陽極以及陰極之實際接觸(其將導致裝置中之電氣故障),而允許離子電荷載體之轉移。除了聚合物分隔物之外,許多其他分隔物型式是可能的。這些包含非編織而成的纖維薄片、液狀薄膜、聚合物電解質、固態離子導體、和其類似者。於其他實施例中,分隔物不是必須並且可被省略。
導電結構110以及120之至少一者包括一多孔性結構。於圖1之圖解展示的實施例中,兩導電結構皆包括一導電多孔性結構。依據一些實施例,多孔性結構包含複數個主通道111以及121,其各具有至分別的多孔性結構之一主要表面的一開孔。這特點可以是將在下面被說明被使用以形成多孔性結構的電化學蝕刻處理之結果。如一範例,多孔性結構可在一導電材料之內被形成,例如,導電材料或半導電材料。另外地,多孔性結構可在一絕緣材料(例如氧化鋁)之內被形成,該絕緣材料已以導電薄膜被塗層(例 如,一ALD導電薄膜,例如,氮化鈦(TiN))。於這點上,具有較大的導電性之材料是有利的,因為它們降低有效的串聯電阻(ESR)。於圖解說明之實施例中,導電結構110以及導電結構120兩者皆包括此一多孔性結構。因此,導電結構110包括具有至對應的多孔性結構之一主要表面115的開孔112之主通道111,並且導電結構120包括具有至對應的多孔性結構之一主要表面125的開孔122之主通道121。於一實施例中,其中導電結構110以及120僅有一者包括具有複數個主通道之一多孔性結構,另一導電結構可以是,例如,一金屬電極、一多晶矽結構、碳、一碳基材料、包含鋰離子之材料或擬電容材料。
於一實施例中,一多孔性矽結構可藉由於一電化學蝕刻槽中蝕刻具有氫氟酸和醇之混合物的一導電矽基片而被產生。但是,本發明實施例是不受限定於多孔性矽結構,同時本發明實施例也是不受限定於電化學蝕刻。於此處被說明之電化學蝕刻作為於一導電結構中形成一多孔性結構之一方法。除多孔性矽外,依據本發明實施例,特別地可適用於能量儲存裝置之一些其他材料是多孔性鍺以及多孔性錫。使用多孔性矽之可能優點包含其與現有矽技術之兼容性。對於該材料之現有技術之結果,多孔性鍺擁有一相似優點,以及當比較至矽時,將擁有其之天然氧化物(鍺氧化物)是水溶性的並且因此是容易地被移除的進一步可能優點。(形成在矽表面上之天然氧化物可套取電荷-其是非所需的結果-尤其是,其中該矽多孔性是較大於大約 20個百分比。)多孔性鍺同時也是高度地可與矽技術相容。使用多孔性錫之可能優點,其是一零帶隙材料,包含其相對於某些其他導體以及半導體材料之提高的導電性。其他材料也可被使用於多孔性結構,包含矽碳化物、合金,例如,矽以及鍺之合金,以及金屬,例如,銅、鋁、鎳、鈣、鎢、鉬、以及錳。
能量儲存裝置100可選擇地在至少一部份的多孔性結構上以及在至少一些的主通道111及/或主通道121中包含一塗層140。於一實施例中,塗層140是介電質層。介電質層可被引介以進一步地提高能量儲存裝置之電容,或為了其他理由,例如,但是不受限定於,表面鈍化以及潤濕性強化。於一實施例中,塗層140是一導電塗層以保持或提高多孔性結構之導電性,或其可以是有助於降低ESR,因而改善性能。例如,具有降低的ESR之裝置是可傳送較高的電力(就較大的加速度而論,其可被證實有更多的功率等等)。相對地,較高的ESR(常見於一般電池內部之情況)限制可用的能量數量,至少部份地由於大量能量被浪費為熱之事實。
圖1中也圖解被展示的是一電解質150,其提升至電氣雙層(EDL)。該EDL分解地被展示於圖2中。如圖2中之圖解說明,一EDL 230已被形成在主通道111之一者內。EDL 230是由二電荷層所組成,其之一者是主通道111側壁之電荷(於圖2中被展示如正性,但是其也可以是負性),並且其中之另一者藉由電解質中之自由離子被形成。EDL 230電氣 地隔離表面,因此提供電容器必須的電荷分離功能。由於在電解質離子以及電極表面電荷之間的小(大約地1奈米)分離,大的電容以及因此EDLC之能量儲存電位上升。於一些實施例中,電解質150是有機的。依據本發明實施例可被使用之一電解質型式是一離子溶液(液態或固態)。另一者是一電解質(例如,Li2 SO4 、LiPF6 ),其包括一含離子溶劑。如一範例,電解質可以是有機材料之液態或固態溶液,例如,乙腈中之四氟硼酸四乙基銨。其他範例包含硼酸、硼酸鈉、或弱有機酸為基礎之溶液。有機電解質以及固態電解質也是可能。電解質150(以及此處所述之其他電解質)使用圓圈之隨機配置方式被呈現於圖形中。這表示是欲傳達該電解質是含有自由離子之一物質(液態或固態,包含類似膠體材料)的概念。為了便利之故,該等圓圈被選擇並且是不欲暗示成分或數量之任何限制,包含有關尺度、形狀、或離子數量之任何限制。
也應注意到,圖1中之多孔性結構的展示是高度地理想化,只提到一範例,所有的主通道111以及121被展示如以單一方向而延伸。實際上,該等主通道可具有粗糙表面以及於複數個方向離開之分支。多孔性結構範例被展示於圖3以及圖6-7中。同樣地,圖2中之主通道111表面圖解地被展示如粗糙表面。
於一實施例中,導電結構110及/或120之多孔性結構包含在導電結構110、120內之複數個主通道111、121,並且該等主通道之各者具有至對應的多孔性結構之一主要 表面115、125的一開孔112、122,並且該等主通道111、121之各者以與該等主要表面115、125呈一銳角而延伸進入導電結構110、120。該等複數個主通道111、121可以是在電化學蝕刻期間藉由局部性電流之流動方向而蝕刻進入導電結構之方位的“電流線路”,或該等複數個主通道111、121可以是以一晶體方向優先地蝕刻進入導電結構中。於一實施例中,主要表面115是一(1011)表面,並且該等主通道111之各者沿著與主要表面呈銳角之一<100>晶體平面方向而延伸進入導電結構110,如圖3中所提供之橫截面側視圖之展示。於一實施例中,側通道自該等主通道之各者的一側表面延伸進入多孔性結構。圖4是依據本發明實施例之相似於圖1中圖解說明之一者的能量儲存裝置100之橫截面側視圖。如圖解之說明,導電結構110及/或120之多孔性結構包含複數個主通道111、121,該等主通道之各者具有至對應的多孔性結構之一主要表面115、125的一開孔112、122。此外,側通道117、127被形成於主通道111、121以及主要表面115、125之一側表面中。
圖5是依據本發明一實施例被形成於導電結構110中之主通道111特寫的橫截面側視圖。如於圖5之圖解說明中,側通道117是優先地被形成在相對於側表面111A之側表面111B中。於一實施例中,側通道117之優先的形成是沿著電化學蝕刻電流方向而被構成。圖6是依據本發明一實施例被形成於一(322)矽表面中之多孔性結構的橫截面側視圖。如圖解地說明,主通道111沿著以與多孔性結構之(322) 主要表面115呈一銳角之<100>晶體平面方向而延伸進入導電結構110。比較至側表面111A,側通道117是優先地被形成於一側表面111B中。圖7是依據本發明一實施例被形成於一(111)矽表面中之一多孔性結構的橫截面側視圖。如圖解地展示,主通道111沿著以與多孔性結構之(111)主要表面115呈一銳角之<113>晶體平面方向而延伸進入導電結構110。比較至側表面111A,側通道117是優先地被形成於一側表面111B中。於另一實施例中,主通道沿著一<100>晶體平面方向而延伸進入一導電(5512)基片。
再次參看至圖1以及4,一能量儲存裝置100包含一第一多孔性結構、一第二多孔性結構、以及在第一以及第二多孔性結構之間的分隔物130。第二多孔性結構可包含複數個第二主通道121,其與一第二主要表面125呈一第二銳角而延伸進入一第二導電結構120,該等第二主通道之各者具有至第二主要表面125之一第二開孔122。於一實施例中,第一多孔性結構之複數個主通道111,以及第二多孔性結構之複數個主通道121是彼此平行。例如,主要表面115、125可沿著相同晶體平面被形成。於一實施例中,主要表面沿著(1011)、(322)、(111)或(5512)晶體平面被形成。
如將在下面之進一步詳細說明中被說明,主通道可被形成以降低擴散時間常數。於一實施例中,主通道是線性地成錐形。於一實施例中,主通道包含貯存區域。例如,主通道可包含具有交錯之貯存區域以及連接區域的一滴漏器形狀,該等貯存區域是較寬於連接區域。
如將在下面之進一步詳細說明中被說明,主通道可被形成以強化多孔性結構。例如,複數個主通道可包含一主要表面形狀,以及重疊於該主要表面形狀上的一次要表面形狀。於一實施例中,該主要表面形狀是線性或一線性錐形。於一實施例中,該次要表面形狀是正弦波形。此一弦波變化可消除多孔性結構中之突然的改變,其降低應力集中以及強化多孔性電極結構。
如將在下面之進一步的詳細說明中被說明,當蝕刻主通道以降低細孔尺度時,電化學蝕刻槽條件也可被控制,並且藉由驅動蝕刻批次溫度向下,以及驅動蝕刻槽之氫氟酸(HF)濃度向上而增加表面區域,以使氧化以及氧化物移除順序緩慢。
應了解,雖然下面許多的變化分別地被說明,某些實施例是不必定地得分離並且當適當時可被組合。
於一實施例中,一多孔性電極藉由電化學地蝕刻複數個主通道進入一導電基片而被形成,因此各主通道具有至導電基片之一主要表面的一開孔,並且該等主通道之各者以與該主要表面呈一銳角而延伸進入導電基片。複數個主通道可於電化學蝕刻槽中沿著與電流之流動方向呈銳角而被形成,或可沿著導電基片中之一晶體平面方向而被形成。於一實施例中,電化學蝕刻包含浸泡導電基片於包括氫氟酸或一有機電解質(例如,乙莞硫氧化物(DMSO))之一蝕刻槽中。電化學蝕刻處理程序本身是高度地異向性,但是一般在電化學蝕刻處理程序期間,一第二等向性蝕刻 機構緩慢地發生。這第二蝕刻機構可包含藉由呈現於蝕刻槽中之一氧化性物種(例如,水)的導電基片之自發性氧化(例如,矽),及利用氫氟酸將這氧化物移除。依據一實施例,電化學蝕刻槽中之氧化性物種數量被降低,以便降低等向性蝕刻機構速率,導致提高全部蝕刻的異向性。
圖8是依據本發明一實施例而圖解地說明形成多孔性電極之方法的流程圖。如所展示,在操作810,一導電基片被浸泡在一電化學蝕刻槽中。在操作820,一蝕刻電流被施加而經過導電基片。在操作830,蝕刻電流以一非線性形式變化以於導電基片中產生包含複數個主通道之一多孔性結構,該等主通道之各者具有至多孔性結構之一主要表面的一開孔。
依據本發明實施例,圖8中圖解地被說明之方法可被採用以形成具有降低的擴散路線長度之一能量儲存裝置,其降低擴散時間常數並且允許此等能量儲存裝置以較高的電力操作。例如,於圖1以及圖4中圖解地被說明之導電結構110以及120之多孔性電極形成期間,或例如,在下面被說明之有關圖19-21、以及圖24-25之其他多孔性結構形成期間,圖8中圖解被說明之方法也可於該等期間被實作。於一實施例中,在操作830,以一非線性形式而變化蝕刻電流,包含以相對較高以及較低電流之交錯節點而變化該蝕刻電流。例如,這可導致交錯之貯存區域910以及連接區域920,如於圖9中圖解地被說明之實施例的展示,其中該等貯存區域是較寬於連接區域。於一實施例中,主通道111具 有大約地0.05-5μm之一平均寬度,或更明確地說,大約地0.2μm,並且在貯存區域910以及連接區域920之間的寬度變化是大約地0.01-0.25μm。於一實施例中,在操作830,以一非線性形式變化蝕刻電流,包含連續地降低蝕刻電流。例如,這可導致自各主通道111的主要表面115至一底部之往內部形成錐形側壁111A、111B,如於圖10中圖解被說明之實施例的展示。於一實施例中,在主通道111底部之寬度是在0.01-0.25μm之間而較小於在主要表面115之主通道111的寬度。應了解,雖然於圖9-10中圖解被說明之主通道111是與主要表面呈一銳角,此一圖解說明只是範例,並且本發明實施例是不因此受限定。例如,圖9之交錯的貯存區域以及連接區域或圖10之向內形成之錐形側壁可於圖19-21以及圖23B中圖解說明之實施例中被實作,其中該等主通道圖解地被展示如正交於主要表面。
圖11是依據本發明一實施例而圖解地說明形成一多孔性電極之方法的流程圖。如所展示,在操作1110,一導電基片被浸泡在一電化學蝕刻槽中。在操作1120,一蝕刻電流被施加而經過該導電基片以於導電基片中產生包含複數個主通道之多孔性結構,該等主通道之各者具有至多孔性結構之一主要表面的一開孔,並且其中該蝕刻電流包含重疊於一主要電流變化上的一次要蝕刻電流變化。
依據本發明實施例,於圖11中圖解地被說明之方法可被採用以形成具有一強化之多孔性結構的一能量儲存裝置。圖解地被說明於圖11中之方法也可在一多孔性電極 之形成期間被實作,例如,圖解地被說明於圖1以及圖4中之導電結構110、120中,或例如,在下面被說明之有關圖19-21、以及圖24-25的其他多孔性結構之形成期間被實作。於一實施例中,主要電流變化可以是一非線性電流變化。於一實施例中,該非線性電流變化是利用一個二次或三次多項式被近似。於一實施例中,該第二電流變化是一弦波函數之線性相加。此一弦波變化可消除多孔性結構中之突然的改變,其降低應力集中並且強化多孔性結構。圖12是包含具有一主要線性形狀以及一重疊正弦波形狀的側壁111A、111B之主通道111的圖解說明,其中該等側壁實質上是平行的。圖13是包含具有一主要線性形狀以及一重疊之正弦波形狀的側壁111A、111B之主通道111的圖解說明,其中該等側壁是向內地形成錐形。於一實施例中,主通道具有大約地0.05-5μm,或更明確地是大約地0.2μm之平均寬度,並且沿著該重疊之次要形狀的寬度之變化是2-50奈米(nm),其可能是足以消除多孔性中之突然的改變以及移除高應力集中。應了解,雖然圖解地被說明於圖12-13中之主通道111是與主要表面呈一銳角,此一圖解說明只是範例並且本發明實施例是不因此受限定。例如,圖12-13之重疊的正弦波形狀可被實作於圖解說明之圖19-21以及圖23B的實施例中,其中該等主通道圖解地被展示如正交於該主要表面。
如上所述,電化學蝕刻可被使用以形成多孔性電極之多孔性結構。於一些實施例中,特定蝕刻技術被進行, 以便增加表面區欲或降低擴散路線長度。於一些實施例中,電化學蝕刻條件進一步被控制以降低細孔尺度,因而增加細孔表面區域以及能量儲存裝置之電容。於一實施例中,形成多孔性電極之方法包含將一導電基片浸泡於一電化學蝕刻槽中,並且施加一蝕刻電流經過該導電基片以產生包含在該導電基片內之複數個主通道的一多孔性結構,而保持該電化學蝕刻槽在大約地室溫或更低溫。標準電化學蝕刻處理程序可能不控制該蝕刻槽溫度,並且該溫度時常在電化學蝕刻處理期間加熱升到室溫之上。當電化學蝕刻進行時,被蝕刻之基片是被氧化並且接著該氧化物繼續不斷地被蝕刻。在較高的溫度,氧化以及移除之處理變得更快速。因此,於一實施例中,在電化學蝕刻期間保持該蝕刻槽溫度在室溫或更低將使氧化以及氧化物蝕刻處理程序緩慢而導致較小的細孔。
於一實施例中,形成一多孔性電極之方法包含將一導電基片浸泡於包含一HF:乙醇的濃度為2:1或更大的HF濃度之一電化學蝕刻槽中,並且施加一蝕刻電流經過該導電基片以產生包含在導電基片內之複數個主通道的一多孔性結構。於一實施例中,該HF:乙醇濃度是3:1或較大的HF濃度。其已被注意到,氧化以及蝕刻氧化物的進展是降低HF濃度之結果。因此,於一實施例中,該HF:乙醇濃度對於HF被增加至2:1,或更明確地是3:1。於一些實施例中,蝕刻槽溫度被保持在室溫或較低,並且該HF:乙醇濃度是至少2:1,或更明確地至少是3:1。
接著參看至圖14,依據本發明一實施例而形成具有V凹槽或角錐形凹處之陣列的一多孔性電極之方法被展示。在操作1410,一硬遮罩被成型在晶體基片上以形成一線陣列。在操作1420,該晶體基片接著被蝕刻以於晶體基片一主要表面中形成V凹槽或角錐形凹處之一陣列。該晶體基片主要表面可以是相同於如此處說明之多孔性結構主要表面。在操作1430,晶體基片中之複數個主通道電化學地被蝕刻,而該等複數個主通道具有於V凹槽或角錐形凹處之陣列中之開孔。於主要表面中具有開孔之該等主通道也可被形成。
圖15-16是依據本發明實施例而形成V凹槽凹處之一陣列的方法之圖解說明的頂視圖,該V凹槽凹處之陣列是在多孔性結構的一主要表面115中被形成。如於圖15之展示,一硬遮罩,例如,矽氮化物(Si3 N4 )以一線陣列1510被成型在一晶體基片上。於圖解地被說明之該特定實施例中,該晶體基片是如此處被說明之一導電基片110,但也可以是其他基片,如包含,但是不受限定於,導電基片120。於一實施例中,晶體基片是一(100)矽基片。接著參看至圖16,V凹槽凹處1660之一陣列被蝕刻進入晶體基片。於一實施例中,V凹槽凹處1660之一陣列被蝕刻進入一晶體(100)矽基片而形成沿著(111)平面被形成之側表面1660A、1660B。V凹槽凹處陣列之蝕刻可包含在<100>平面方向之一適當的蝕刻劑,使該<100>平面方向之蝕刻劑具有比<111>平面方向之一較高的蝕刻選擇性,例如,一鉀氫氧化 物(KOH)、乙烯二氨鄰苯二酚(EDP)、或四甲基銨氫氧氧化物(TMAH)。
圖17-18是依據本發明實施例而在多孔性結構一主要表面115中被形成之角錐形凹處之一陣列的形成方法之圖解頂視圖。如於圖17之展示,一硬遮罩,例如,矽氮化物Si3 N4 )以一線陣列1710被成型於一晶體基片上。於圖解地被說明之該特定的實施例中,該晶體基片是如此處被說明之一導電結構110,但也可以是其他基片,如包含,但是不受限定於,導電結構120。於一實施例中,該晶體基片是一(100)矽基片。接著參看至圖18,角錐形凹處1870之一陣列被蝕刻進入晶體基片。於一實施例中,角錐形凹處1870之一陣列被蝕刻進入一晶體(100)矽基片而形成沿著(111)平面被形成的側表面1870A、1870B、1870C、1870D。角錐形凹處之陣列的蝕刻可包含一適當的蝕刻劑,該蝕刻劑在<100>平面方向中具有比在<111>平面方向之一較高的蝕刻選擇性,例如,一鉀氫氧化物(KOH)、乙烯二氨鄰苯二酚(EDP)、或四甲基銨氫氧氧化物(TMAH)。
再次參看至圖16以及圖18,當在V凹槽1660或角錐形1870凹處之陣列的蝕刻之後被成型的硬遮罩線1510移除時,主要表面115之一實質平坦部份被曝露。但是,應了解,包含複數個主通道之多孔性結構是還沒完全地被形成並且多孔性結構之主要表面115也可對應於晶體基片之一主要表面,或導電結構,例如導電結構110。
圖19-20是依據本發明一實施例在複數個主通道 形成之後,包含V凹槽1660或角錐形1870凹處之一陣列的一能量儲存裝置之多孔性結構的圖解說明之橫截面側視圖。如圖解地被展示,複數個主通道111具有於V凹槽1660或角錐形1870凹處之陣列中的開孔112。於圖19中圖解地被展示之實施例中,於晶體基片110之主要表面115中沒有最上方之平坦部份。於圖20中圖解地被說明之實施例中,V凹槽1660或角錐形1870凹處之陣列是藉由晶體基片110之主要表面115中的最上方平坦部份116被分隔。最上方平坦部份116或其缺少部份之寬度,可藉由被成型之硬遮罩線1510、1710的寬度之選擇而被控制。
於圖19-20中圖解地被說明之實施例中,主通道111是電化學地在呈現正交於主要表面115之平坦部份116的晶體基片110中被蝕刻。例如,其中該晶體基片是晶體(100)矽基片情況,主通道111可以正交於(100)表面之<100>平面方向電化學地被蝕刻。應了解,雖然於圖19-20中圖解地被說明之主通道111是正交於主要表面,此一圖解說明只是範例,並且本發明實施例是不因此受限定。例如,主通道111可藉由與主要表面呈一銳角之電流線電化學蝕刻方向之方位被形成。
接著參看至圖21,依據本發明一實施例之一能量儲存裝置的圖解說明之橫截面側視圖被展示。如圖解地被展示,一能量儲存裝置100可包含一第一以及第二導電結構110、120(例如,多孔性電極)以及在第一以及第二導電結構110、120之各者內的一多孔性結構之間的一分隔物130。各 個多孔性結構包含於多孔性結構之一主要表面115、125中的V凹槽或角錐形凹處之一陣列,以及複數個主通道111、121,其延伸進入導電結構110、120以供用於具有各主通道111、121之各V凹槽或角錐形凹處,而各主通道111、121具有於對應的V凹槽或角錐形凹處中之一開孔112、122。於圖21中圖解地被說明之實施例中,分隔物130延伸進入V凹槽或角錐形凹處之陣列。於一實施例中,第二導電結構120之第二多孔性結構延伸進入第一導電結構110之多孔性結構中的V凹槽或角錐形凹處之陣列。分隔物130可以多種方式被形成在導電結構110上。例如,分隔物130可被沈積或被堆疊。於一實施例中,分隔物130是被置於導電基片110上之一可延展薄膜。
圖22是依據本發明一實施例而圖解地說明形成一能量儲存裝置之方法的流程圖。圖23A-23B是依據本發明實施例之能量儲存裝置2300的圖解說明之橫截面側視圖。在操作2210,分隔物層130被形成於包含複數個主通道111的一第一導電多孔性電極之上,各主通道具有至第一導電多孔性電極之主要表面115的一開孔。分隔物130可以多種方式被形成於第一導電多孔性電極上。例如,分隔物130可被沈積或被堆疊。於一實施例中,分隔物130是被置於第一導電多孔性電極上之一可延展薄膜。導電多孔性電極可以是此處說明之任何的導電結構。於一實施例中,導電多孔性電極是如於圖1、圖4、圖19-21中之圖解被說明的導電結構110,或其任何變化。於圖23A中圖解地被說明之實施例 中,主要表面115是相對地平坦。於該實施例中,於圖23B中之圖解說明中,V凹槽1160或角錐形1870凹處之一陣列被形成於主要表面115中。複數個主通道111可延伸進入正交於多孔性結構的主要表面115之導電結構110,或可與主要表面115呈一銳角地延伸進入導電結構110。在操作2220,一第二導電多孔性電極2320使用一適當的薄膜沈積技術被沈積在分隔物層130上,例如,化學氣相沈積(CVD)、自旋塗層、物理氣相沈積(PVD)、以及電鍍。於一實施例中,第二導電多孔性電極2320是一材料,例如,碳、碳基材料、或擬電容性材料,並且第一導電多孔性電極是一材料,其是選自包含矽、矽碳化物、鍺、以及錫之族群的材料。於一實施例中,第二導電多孔性電極是CVD沈積之摻雜鋰的碳。於一實施例中,第二導電多孔性電極是一奈米鑽石碳薄膜。該奈米鑽石碳薄膜可以是關聯於熱汲取。於圖23A-23B中圖解地被說明之混合材料方法中,第一多孔性電極可與其他電路2330被整合於一導電基片中。例如,電路2330可以是被形成在矽基片110內之一積體電路,其也可以是形成第一多孔性電極之導電結構110。於一實施例中,該能量儲存裝置2300被置於如微處理器之相同導電結構110上。於另一實施例中,能量儲存裝置2300被置於微處理器之一導電結構110上。於一實施例中,能量儲存裝置2300被形成在一移動式電子裝置之罩殼之內,例如,一移動式電話、一膝上型電腦電腦、或一平板電腦電腦。於一實施例中,能量儲存裝置被形成於連接二個晶圓的一矽橋上。
接著參看至圖24,依據本發明一實施例形成一能量儲存裝置之方法圖解地被說明。在操作2410,一導電基片電化學地被蝕刻以自導電基片釋出一多孔性結構。圖25是依據本發明一實施例自一電化學蝕刻槽2500中之一導電基片2510被釋出的一多孔性結構2512之橫截面側視圖。為了圖解說明之目的,電化學蝕刻槽2500可包含一對電極2502、2504,例如,被裝設於貯藏槽2506各側內之鉑網電極。於另一實施例中,電化學蝕刻槽可以是一水平蝕刻槽。導電基片2510可被裝設在一可移動的基片固持器2520內,其可被置於分隔平板2530中的一開孔之前,並且被固定在具有一卡銷扣的位置內。當該扣是關上時,左方以及右方隔間彼此電氣地被隔離。電化學蝕刻槽2500可被充填足夠的蝕刻溶液2540以覆蓋導電基片2510以及電極2502、2504。例如,其中該基片包括矽,蝕刻溶液範例包含氫氟酸(HF)以及氫氟乙醇溶液。
電化學蝕刻一多孔性結構2512進入導電基片2510可依據習見技術被進行。例如,一固定電流可被保持在負以及正的電極2502、2504之間。由於蝕刻槽2500中之蝕刻溶液2540的導電性之損失,在電化學蝕刻期間稍微變化電壓可能是所需的。進一步地,此處說明之任何的蝕刻變化,例如,可與關於圖24之上述方法被組合,例如,以增加多孔性電極表面區欲、降低擴散路徑、降低細孔尺度、,以及增加細孔強度。多孔性結構2512可在陰極充電式電極2502之側上被蝕刻進入基片2510。於一實施例中,制式蝕 刻被使用以自導電基片2510釋出多孔性結構2512。例如,電化學蝕刻電流可快速地被躍升以釋出多孔性結構2512。
再次參看至圖24,多孔性結構2512接著可以一分隔物層及一第二多孔性結構而接合以形成一能量儲存裝置。接合可以多種方式被形成。例如,接合可包含沈積一分隔物層在多孔性結構上。接合可包含堆疊該多孔性結構在該分隔物層上,或堆疊該分隔物層在該多孔性結構上。接合也可包含堆疊一第二多孔性結構於分隔物層上。第二多孔性結構可以如多孔性結構2512之相同或不同方式被形成。
圖26是依據本發明一實施例而代表移動式電子裝置2600之方塊圖。如於圖26中圖解地被說明,移動式電子裝置2600包括一基片2610,一微處理器2620以及關聯於微處理器2620之一能量儲存裝置2630被配置在基片2610上。能量儲存裝置2630可以是遠離微處理器2620而被安置於基片2610上,如以實線之展示,或其可被安置於微處理器2620它自身之上,如以虛線之展示。於一實施例中,能量儲存裝置2630包括利用一分隔物彼此分離的第一以及第二導電結構,其中第一以及第二導電結構之至少一者包括含有複數個通道之多孔性結構。如一範例,這實施例可以是相似於以先前圖形被展示以及伴隨之文字被說明的一個或多個實施例。
於至少一些實施例中,能量儲存裝置2630是被包含在移動式電子裝置2600之內的複數個能量儲存裝置之一 者,其可成串地被堆疊,(其皆可於圖26中利用方塊2630被表示)。於那些實施例的一個或多個中,移動式電子裝置2600進一步地包括關聯於能量儲存裝置之一切換網路2640。當一電容器是正放電時,其並不保持一固定電壓,但是卻以一指數方式衰退(其不相同於一電池,該電池在放電期間,其之電壓相對地保持固定)。切換網路2640包括切換各種電容器之進以及出的電路或一些其他機構,以至於一相對地固定之電壓被保持。例如,能量儲存裝置可起始地彼此平行被連接並且接著,在電壓衰退某一數量之後,能量儲存裝置之一子集可藉由切換網路而被改變,以便被串接,以至於它們分別電壓的提供可提高正下降之全面電壓。於一實施例中,切換網路2640可使用現有的矽裝置技術被實作,如於本技術中之使用者(電晶體、矽控制整流器(SCR)等等),而於其他實施例中,其可使用微機電系統(MEMS)中繼器或切換器被實作(應注意到,其是傾向於具有非常低的電阻)。
於一些實施例中,移動式電子裝置2600進一步包括關聯於能量儲存裝置2630之一感知器網路2650。於至少一些實施例中,多數能量儲存裝置之各者將具有其之自己的感知器,其指示能量儲存裝置之某種性能參數。例如,感知器可指示現有的電壓位準以及進行之放電反應,其兩者皆是可被切換網路所使用的參數-特別是於其中被使用之介電質材料(或其他電氣絕緣體)不是線性的但卻是具有隨電壓而變化之一介電質常數之情況中。於那些情況中, 其可以是有利地包含感知器網路與一有限狀態機器,例如,電壓控制單元2660,其了解介電質是何種性能並且因此反應。一了解介電質之電壓控制單元可補償任何的非線性。關聯於能量儲存裝置2630之一溫度感知器2670也可被包含,以便檢測溫度(或其他安全相關參數)。於本發明某些實施例中,移動式電子裝置2600進一步包括一個或多個下列構件:一顯示器2681、天線/射頻元件2682、一網路介面2683、一資料輸入裝置2684(例如,一袖珍型鍵盤或一觸控屏幕)、一麥克風2685、一攝影機2686、一視訊投射器2687、一全球定位系統(GPS)接收器2688、以及其類似者。
圖27是依據本發明一實施例,代表微電子裝置2700之方塊圖。如於圖27中之圖解地展示,微電子裝置2700包括一基片2710、在基片2710上之一微處理器2720、以及關聯於微處理器2720之一能量儲存裝置2730。能量儲存裝置2730可以被安置於基片2710上而遠離微處理器2720(例如,一晶圓側電容器),如以實線之展示,或其可被安置於微處理器2720它本身上(例如,在微處理器上面的建構層中),如以虛線之展示。於一實施例中,能量儲存裝置2730包括利用分隔物彼此分離的第一以及第二導電結構,第一以及第二導電結構之其中至少一者包括一多孔性結構。如一範例,這實施例可以是相似於任何先前圖形中被展示以及伴隨文字被說明之一個或多個實施例。於另一實施例中,能量儲存裝置2730包括複數個導電結構,該等複數個導電結構包括成串被堆疊之多孔性結構。於一實施例中, 能量儲存裝置2730包含一多孔性結構,該多孔性結構包含複數個主通道而以與多孔性結構之一主要表面呈一銳角延伸進入該多孔性結構。於一實施例中,能量儲存裝置2730包含一多孔性結構,該多孔性結構包含於一主要結構中之V凹槽或角錐形凹處的一陣列,並且複數個主通道延伸進入各V凹槽或角錐形凹處。於一實施例中,能量儲存裝置2730包含一多孔性結構,該多孔性結構包含複數個主通道,該等複數個主通道具有包含一主要表面形狀以及重疊於該主要表面形狀上之一第二表面形狀的側壁。於一實施例中,能量儲存裝置2730包含一第一多孔性電極,該第一多孔性電極包括矽、矽碳化物、鍺、錫、以及一擬電容性材料,並且能量儲存裝置2730包含一第二多孔性電極,該第二多孔性電極包括碳、碳基材料、矽碳化物、以及矽。
此處揭示之能量儲存裝置可於一些實施例中被使用作為在微電子裝置2700內之一解耦電容器-其中之一者是較小的並且,為了在別處被說明之理由,其提供比現有的解耦電容器更高的電容以及更低的阻抗。如先前所述,能量儲存裝置2730可以是支援積體電路(IC)之部件或晶片或其可被置於微處理器晶圓它本身上。如一範例,依據本發明實施例,其之一者可以是能夠在一微處理器晶圓上形成多孔性矽之區域(或如上所述之類似者),並且接著在微處理器晶圓之基片上產生被嵌進解耦電容器上方之一高-表面-區域。因為矽之多孔性,被嵌進的電容器將具有非常高的表面區域。對於被揭示之能量儲存裝置的其他可能之 使用,包含使用作為一記憶體儲存元件(其中嵌入式DRAM方法之z-方向尺度問題可藉由大大地增加每單位區域之法拉(電容量單位)而被解決)或作為電壓提升電路中之電壓轉換器的一構件,或許配合電路區塊、分別的微處理器核心、或其類似者使用。於一實施例中,能量儲存裝置被包含在一電子裝置之內,該能量儲存裝置是關聯於一微處理器。例如,該能量儲存裝置可在一移動式電子裝置,例如,移動式電話、一膝上型電腦、以及一平板電腦,之罩殼之內被形成。於一實施例中,該能量儲存裝置被形成在連接二個晶圓之矽橋上。
如一範例,較高的電容數值於這脈絡中是有利的,因為電路之部份接著可表面上地以一特定(相對地低)電壓進行,但是接著達到於其中較高的電壓是所需要的情況,以便增加電壓可被提升至一較高數值的速度(例如,快取記憶體、輸入/輸出(I/O)應用)。這類型之一操作機構,於其中較高的電壓到處被使用之一者情況上,將很可能是較佳地;亦即,於其中僅小數量的電路需要較高的電壓之情況中,其很可能將是較佳地自供用於那小部份的電路之一較低基線電壓而提高電壓,而不是自供用於多數電路之一較高基線數值下降電壓。未來之微處理器世代也可能利用此處說明之型式的電壓轉換器。具有將被部署在一封裝周圍或一微處理器晶圓周圍之更多可用的電容可協助解決在一電路周圍轉移電壓的電晶體之間無法忍受的高感應之現有的議題。
下面的範例被提供作為本發明實施例之特定實作例,並且是意欲作為展示說明而不是限定。
如一第一實施範例,一能量儲存裝置包含一多孔性結構,該多孔性結構包含在一導電結構內之複數個主通道;其中該等主通道之各者具有至該多孔性結構之一主要表面的一開孔,並且該等主通道之各者與該主要表面呈一銳角而延伸進入該導電結構。各主通道沿著與該主要表面呈一銳角的方位之一晶體平面方向而延伸進入該導電結構。側通道可自該等主通道之各者的一側表面而延伸進入該導電結構。其中該主要表面是一(1011)表面,該等主通道之各者沿著與該主要表面呈一銳角的一<100>晶體平面方向而延伸進入該導電結構。側通道也可自該等主通道之各者的一側表面延伸以沿著一<100>晶體平面方向而延伸進入該導電結構。其中該主要表面是一(322)表面,該等主通道之各者沿著與該主要表面呈一銳角的一<100>晶體平面方向而延伸進入該導電結構。側通道也可自該等主通道之各者的一側表面延伸以沿著一<100>晶體平面方向而延伸進入該導電結構。其中該主要表面是一(111)表面,該等主通道之各者沿著與該主要表面呈一銳角的一<113>晶體平面方向而延伸進入該導電結構。側通道也可自該等主通道之各者的一側表面延伸以沿著一<113>晶體平面方向而延伸進入該導電結構。該能量儲存裝置也可包含一第二導電結構中之一第二多孔性結構,以及在該多孔性結構和該第二多孔性結構之間的一分隔物。該第二多孔性結構可包含 複數個第二主通道,並且該等第二主通道之各者具有至該第二多孔性結構之一第二主要表面的一第二開孔,並且該等第二主通道之各者與該第二主要表面呈一第二銳角而延伸進入該第二導電結構。該等複數個主通道以及該等複數個第二主通道可以是彼此平行的。該主要表面以及該第二主要表面可沿著該相同晶體平面被形成,例如,一(1011)、(322)、(111)、或(5512)平面。該能量儲存裝置可被包含在一電子裝置之內,並且關聯於一微處理器。例如,該能量儲存裝置可被形成在移動式電子裝置之一罩殼內,例如,一移動式電話、膝上型電腦、以及平板電腦。該能量儲存裝置可被形成於連接二個晶圓之一矽鍵橋上。能量儲存裝置中之該等主通道各者可延伸進入具有側壁之該導電結構中導電結構,該等側壁包含一主要表面形狀以及重疊於該主要表面形狀上之一次要表面形狀。例如,該主要表面形狀可以是線性。例如,該主要表面形狀可以是一線性錐形。於一實施例中,該次要表面形狀是正弦波形。於一實施例中,該次要表面形狀包含交錯之貯存區域以及連接區域。
如一第二實施範例,形成一多孔性電極之方法包含電化學地蝕刻複數個主通道進入一導電基片,因此各主通道具有至該基片之一主要表面的一開孔,並且該等主通道之各者與主要表面呈一銳角而延伸進入該基片。該等複數個主通道可沿著一電化學蝕刻槽中之電流的流動方向而被形成。該等複數個主通道可沿著該基片中之一晶體平面方向而被形成。電化學蝕刻可包含浸泡該基片於包含氫氟 酸(HF)或乙烷硫氧化物(DMSO)之蝕刻槽中。電化學蝕刻該等複數個主通道進入導電基片可進一步包含浸泡該導電基片於一電化學蝕刻槽中,施加一蝕刻電流經過該導電基片,以及以一非線性方式變化該蝕刻電流以在該導電基片之內產生包含複數個主通道之一多孔性結構。以一非線性形式而變化該蝕刻電流可包括以相對較高以及較低電流之交錯節點而變化該蝕刻電流。這可導致各主通道包含交錯貯存區域以及連接區域,其中該等貯存區域是較寬於該等連接區域。以一非線性形式變化該蝕刻電流可包含連續地降低該蝕刻電流。這可導致各主通道包含連續地自各主通道之主要表面至一底部表面而向內地形成錐形之側壁。電化學地蝕刻該複數個通道進入導電基片可包含浸泡該導電基片於一電化學蝕刻槽中,並且施加一蝕刻電流經過該導電基片以在該導電基片之內產生包含複數個主通道之一多孔性結構,該蝕刻電流包含重疊於一主要蝕刻電流變化上之一次要蝕刻電流變化。主要的蝕刻電流變化可以是一非線性電流變化。次要蝕刻電流變化可以是一弦波函數之線性相加。該非線性電流變化可以是利用一個二次或三次多項式被近似。於一實施例中,複數個主通道包括側壁具有一主要線性形狀以及一重疊正弦波形狀。電化學地蝕刻複數個主通道進入導電基片可包含電化學地蝕刻導電基片以自導電基片釋出包含複數個主通道之一多孔性結構。電化學地蝕刻複數個主通道進入導電基片可包含保持一電化學蝕刻槽在大約地室溫或更低。電化學地蝕刻複數個主通道 進入導電基片可包含浸泡該導電基片於一電化學蝕刻槽中,其中該電化學蝕刻槽包含一HF:乙醇的濃度為2:1或更大的HF濃度。於一實施例中,該蝕刻槽包含HF:乙醇的濃度為3:1或更大的HF濃度。
如一第三實施範例,一能量儲存裝置包含在一導電結構內之一多孔性結構,該多孔性結構包含在該多孔性結構之一主要表面中的V凹槽或角錐形凹處之陣列,以及複數個主通道,其延伸進入供用於各V凹槽或角錐形凹處之該導電結構,各主通道具有對應的V凹槽或角錐形凹處中之一開孔。該主要表面可以是一(100)平面。各V凹槽或角錐形凹處可包含沿著導電結構中之一<111>平面方向而延伸的一側表面。能量儲存裝置也可包含在一第二導電結構內之一第二多孔性結構,以及在該多孔性結構以及該第二多孔性結構之間的一分隔物。該分隔物可延伸進入該V凹槽或該角錐形凹處之陣列。第二多孔性結構可延伸進入V凹槽或角錐形凹處之陣列。第二導電結構可以是,例如,碳、碳基材料、以及擬電容性材料之一材料。第二多孔性結構可包含在該第二多孔性結構之一第二主要表面中的V凹槽或角錐形凹處之一第二陣列,以及一延伸進入該第二導電結構之主通道的第二陣列,各主通道具有在對應的V凹槽或角錐形凹處中之一開孔。第二多孔性結構可延伸進入該多孔性結構之V凹槽或角錐形凹處。分隔物可完全地充填V凹槽或角錐形凹處之陣列。能量儲存裝置可被形成在連接二個晶圓之一矽鍵橋上。能量儲存裝置中的主通道之各者可延伸 進入具有側壁之導電結構,該等側壁包含一主要表面形狀以及重疊於該主要表面形狀上之一次要表面形狀。例如,該主要表面形狀可以是線性。例如,該主要表面形狀可以是一線性錐形。於一實施例中,該次要表面形狀是正弦波形。於一實施例中,該次要表面形狀包含交錯之貯存區域以及連接區域。能量儲存裝置中的主通道之各者可延伸進入具有側壁之導電結構,該等側壁包含一主要表面形狀以及重疊於該主要表面形狀上之一次要表面形狀。例如,該主要表面形狀可以是線性。例如,該主要表面形狀可以是線性錐形。於一實施例中,次要表面形狀是弦波狀。於一實施例中,次要表面形狀包含交錯之貯存區域以及連接區域。於一實施例中,第二多孔性電極包含摻雜鋰的碳。於一實施例中,該第二多孔性電極包含一奈米鑽石薄膜。
如一第四實施範例,形成一多孔性電極之方法包含成型一硬遮罩於一晶體基片上以形成一線陣列、於晶體基片之一主要表面中蝕刻V凹槽或角錐形凹處之一陣列、以及電化學地蝕刻晶體基片中之複數個主通道,該等複數個主通道各者具有於V凹槽或角錐形凹處之陣列中的一開孔。於一實施例中,該晶體基片是一(100)矽基片,並且V凹槽或角錐形凹處之蝕刻包含一鉀氫氧化物(KOH)蝕刻劑。該方法也可包含在V凹槽或角錐形凹處的陣列之上形成一分隔物層,並且沈積一多孔性電極在該分隔物層上。於一實施例中,該多孔性電極藉由化學氣相沈積(CVD)被沈積。電化學地蝕刻晶體基片中之複數個主通道可包含浸泡 該晶體基片於一電化學蝕刻槽中,施加一蝕刻電流經過該晶體基片,以及以一非線性形式變化該蝕刻電流以於晶體基片中產生包含複數個主通道之一多孔性結構,其中該等主通道各者具有至V凹槽或角錐形凹處的陣列中之一表面的一開孔。以一非線性形式變化蝕刻電流可包括以相對較高以及較低電流之交錯節點變化該蝕刻電流。這可導致各主通道包含交錯之貯存區域以及連接區域,其中該等貯存區域是較寬於該等連接區域。以一非線性形式變化該蝕刻電流可包含連續地降低該蝕刻電流。這可導致各主通道包含連續地自各主通道之主要表面至一底部表面向內地形成錐形之側壁。電化學地蝕刻該等複數個通道進入晶體基片可包含浸泡該晶體基片於一電化學蝕刻槽中,以及施加一蝕刻電流經過該晶體基片以產生包含在晶體基片內之複數個主通道的一多孔性結構,該蝕刻電流包含重疊於一主要的蝕刻電流變化上之一次要蝕刻電流變化。主要蝕刻電流變化可以是一非線性電流變化。次要蝕刻電流變化可以是一弦波函數之線性相加。非線性電流變化可以是利用一個二次或三次多項式被近似。於一實施例中,複數個主通道包括具有一主要線性形狀以及一重疊正弦波形狀之側壁。電化學地蝕刻複數個主通道進入晶體基片可包含電化學地蝕刻電氣晶體基片以自晶體基片釋出包含複數個主通道之一多孔性結構。電化學地蝕刻複數個主通道進入晶體基片可包含保持一電化學蝕刻槽在大約地室溫或更低。電化學地蝕刻複數個主通道進入晶體基片可包含浸泡晶體基片於 一電化學蝕刻槽中,其中該電化學蝕刻槽包含一HF:乙醇的濃度為2:1或更大的HF濃度。於一實施例中,該蝕刻槽包含一HF:乙醇的濃度為3:1或更大的HF濃度。
如一第五實施範例,形成一多孔性電極之方法包含浸泡一導電基片於一電化學蝕刻槽中,施加一蝕刻電流經過導電基片,以及以一非線性形式變化該蝕刻電流以在該導電基片中產生包含複數個主通道之一多孔性結構,其中該等主通道各者具有至該多孔性結構之一主要表面的一開孔。以一非線性方式變化該蝕刻電流可包括以相對較高以及較低電流之交錯節點變化該蝕刻電流。這可導致各主通道包含交錯之貯存區域以及連接區域,其中該等貯存區域是較寬於該等連接區域。以一非線性形式變化蝕刻電流可包含連續地降低該蝕刻電流。這可導致各主通道包含連續地自各主通道之主要表面至一底部表面向內地形成錐形之側壁。
如一第六實施範例,形成一多孔性電極之方法包含浸泡一導電基片於一電化學蝕刻槽中,並且施加一蝕刻電流經過該導電基片以於導電基片中產生包含複數個主通道之一多孔性結構,其中該等主通道各者具有至多孔性結構之一主要表面的一開孔,並且該蝕刻電流包含重疊於一主要的蝕刻電流變化上之一次要蝕刻電流變化。該主要的蝕刻電流變化可以是一非線性電流變化。該次要蝕刻電流變化可以是一弦波函數之線性相加。該非線性的電流變化可以是利用一個二次或三次多項式被近似。於一實施例 中,複數個主通道包括具有一主要線性形狀以及一重疊正弦波形狀之側壁。
如一第七實施範例,一能量儲存裝置包含一多孔性結構,該多孔性結構包含在一導電結構內之複數個主通道,其中該等主通道各者具有至多孔性結構之一主要表面的一開孔,並且該等主通道之各者延伸進入具有側壁之導電結構,該等側壁包含一主要表面形狀以及重疊於該主要表面形狀上之一次要表面形狀。例如,該主要表面形狀可以是線性。例如,該主要表面形狀可以是一線性錐形。於一實施例中,次要表面形狀是正弦波形。於一實施例中,次要表面形狀包含交錯之貯存區域以及連接區域。
如一第八實施範例,形成一能量儲存裝置之方法包含在一第一導電多孔性電極之上形成一分隔物層,其中該第一導電多孔性電極包含複數個主通道,其中該等主通道各者具有至該第一導電多孔性電極之一主要表面的一開孔,並且沈積一第二導電多孔性電極於該分隔物層上。該方法也可包含電化學地蝕刻一導電基片以形成第一導電多孔性電極。沈積該第二導電多孔性電極可包含一操作,例如,化學氣相沈積(CVD)、自旋塗層、物理氣相沈積(PVD)、以及電鍍。
如一第九實施範例,一能量儲存裝置包含一第一多孔性電極,該第一多孔性電極包含複數個主通道,其中該等主通道各者具有至該第一多孔性電極之一主要表面的一開孔,並且其中該第一多孔性電極包含矽、矽碳化物、 鍺、或錫;一分隔物是在該第一多孔性電極上;並且一第二電極是在該分隔物層上,其中該第二多孔性電極包含碳、一碳基材料、或一擬電容性材料。於一實施例中,該第二多孔性電極包含摻雜鋰的碳。於一實施例中,該第二多孔性電極包含一奈米鑽石薄膜。
如一第十實施範例,形成一能量儲存裝置之方法包含電化學地蝕刻一導電基片以自該導電基片釋出一多孔性結構,以及以一分隔物層接合該多孔性結構以及一第二多孔性結構。接合可包含沈積該分隔物層於多孔性結構上。接合可包含堆疊該多孔性結構於該分隔物層上。接合可包含堆疊該分隔物層於該多孔性結構上。接合可包含堆疊該第二多孔性結構於該堆疊的分隔物層上。該方法也可包含電化學地蝕刻一第二導電基片以自第二導電基片釋出第二多孔性結構。
如一第十一實施例,形成一多孔性電極之方法包含浸泡一導電基片於一電化學蝕刻槽中,以及施加一蝕刻電流經過導電基片以在導電基片之內產生包含複數個主通道之多孔性結構,而保持該電化學蝕刻槽在大約地室溫或更低,其中該等主通道各者具有至多孔性結構之一主要表面的一開孔。於一實施例中,該蝕刻槽包含一HF:乙醇的濃度為2:1或更大的HF濃度。
如一第十二實施範例,形成一多孔性電極之方法包含浸泡一導電基片於一電化學蝕刻槽中,其中該電化學蝕刻槽包含一HF:乙醇的濃度為2:1或更大的HF濃度,以 及施加一蝕刻電流經過導電基片以在導電基片之內產生包含複數個主通道之一多孔性結構,其中該等主通道各者具有至多孔性結構之一主要表面的一開孔。於一實施例中,該蝕刻槽包含一HF:乙醇的濃度為3:1或更大的HF濃度。
雖然本發明已參考特定實施例被說明,那些的熟習本技術者應了解,實施例可有各種改變而不脫離本發明之精神或範疇。因此,本發明揭示之實施例是意欲圖解說明本發明之範疇並且無意受限定。其是意欲於本發明之範疇將僅受限定於附加申請專利範圍所請求的限度。例如,熟習本技術者應了解,此處討論之能量儲存裝置以及相關結構與方法可以多種實施例被實作,並且這些實施例之某些先前討論不必定地代表所有的可能實施例之一完全的說明。
另外地,關於特定實施例之利益、其他優點、以及問題之解決辦法已被說明。但是,該等利益、優點、問題之解決辦法,以及可更被宣稱導致發生或成為任何利益、優點、或解決辦法的任何元件,其將不是被建構為任何或所有申請專利範圍之主要的、所需的或必要的特點或要素。
此外,在專用之原則下,此處揭示之實施例以及限制不是專用於公眾的,如果該等實施例及/或限制:(1)在該等申請專利範圍中未明確地被宣稱權益;以及(2)在等效原則下之是或可能是明確表示元件之等效者及/或申請專利範圍的限制。
100‧‧‧能量儲存裝置
110‧‧‧導電結構
111‧‧‧主通道
112‧‧‧開孔
115‧‧‧主要表面
120‧‧‧導電結構
121‧‧‧主通道
122‧‧‧開孔
125‧‧‧主要表面
130‧‧‧分隔物
140‧‧‧塗層
150‧‧‧電解質

Claims (34)

  1. 一種能量儲存裝置,其包括:一多孔性結構,其包含在一導電結構內之複數個主通道,其中該等主通道之各者具有至該多孔性結構之一主要表面的一開孔,並且該等主通道之各者與該主要表面呈一銳角而延伸進入該導電結構;以及側通道,其自該等主通道之各者的一側表面而延伸進入該導電結構。
  2. 如請求項1之能量儲存裝置,其中各主通道沿著與該主要表面呈一銳角的方位之一晶體平面方向而延伸進入該導電結構。
  3. 如請求項1之能量儲存裝置,其中:該主要表面是一(1011)表面,並且該等主通道之各者沿著與該主要表面呈一銳角的一<100>晶體平面方向而延伸進入該導電結構;該主要表面是一(322)表面,並且該等主通道之各者沿著與該主要表面呈一銳角的一<100>晶體平面方向而延伸進入該導電結構;該主要表面是一(111)表面,並且該等主通道之各者沿著與該主要表面呈一銳角的一<113>晶體平面方向而延伸進入該導電結構;或該主要表面是一(5512)表面,並且該等主通道之各者沿著與該主要表面呈一銳角的一<100>晶體平面方向 而延伸進入該導電結構。
  4. 如請求項1之能量儲存裝置,其中該能量儲存裝置被包含在一電子裝置之內,該能量儲存裝置是關聯於一微處理器。
  5. 如請求項1之能量儲存裝置,其中該等主通道之各者延伸進入具有側壁之該導電結構中,該等側壁包含一主要表面形狀以及疊加於該主要表面形狀上之一次要表面形狀。
  6. 如請求項5之能量儲存裝置,其中該主要表面形狀是一線性漸縮形。
  7. 如請求項6之能量儲存裝置,其中該次要表面形狀是正弦波形。
  8. 如請求項5之能量儲存裝置,其中該等主通道之各者包含交錯之貯存區域以及連接區域。
  9. 一種能量儲存裝置,其包括:一多孔性結構,其包含在一導電結構內之複數個主通道,其中該等主通道之各者具有至該多孔性結構之一主要表面的一開孔,並且該等主通道之各者與該主要表面呈一銳角而延伸進入該導電結構;以及在一第二導電結構中之一第二多孔性結構,以及在該多孔性結構以及該第二多孔性結構之間的一分隔物。
  10. 如請求項9之能量儲存裝置,其中該第二多孔性結構包含複數個第二主通道,並且該等第二主通道之各者具有至該第二多孔性結構之一第二主要表面的一第二開 孔,並且該等第二主通道之各者與該第二主要表面呈一第二銳角而延伸進入該第二導電結構;並且其中該主要表面以及該第二主要表面是彼此平行並且沿著一相同晶體平面被形成。
  11. 一種能量儲存裝置,其包括:一導電結構內之多孔性結構,該多孔性結構包含在該多孔性結構之一主要表面中的V凹槽或角錐形凹處之一陣列;以及複數個主通道,其延伸進入供用於各V凹槽或角錐形凹處之該導電結構,其中各主通道具有在對應的V凹槽或角錐形凹處中之一開孔。
  12. 如請求項11之能量儲存裝置,進一步包括在一第二導電結構內之一第二多孔性結構,以及在該多孔性結構以及該第二多孔性結構之間的一分隔物,其中該分隔物延伸進入該V凹槽或該角錐形凹處之陣列。
  13. 如請求項12之能量儲存裝置,其中該第二多孔性結構延伸進入該V凹槽或該角錐形凹處之陣列。
  14. 如請求項12之能量儲存裝置,其中該第二導電結構是選自包含下列材料之族群的一材料:碳、一碳基材料、以及一擬電容性材料。
  15. 如請求項12之能量儲存裝置,其中該第二多孔性結構包含在該第二多孔性結構之一第二主要表面中的V凹槽或角錐形凹處之一第二陣列;以及一延伸進入該第二導電結構之主通道的第二陣 列,其中各主通道具有在對應的V凹槽或角錐形凹處中之一開孔,其中該第二多孔性結構延伸進入該多孔性結構之V凹槽或角錐形凹處。
  16. 如請求項12之能量儲存裝置,其中分隔物完全地充填該V凹槽或該角錐形凹處之陣列。
  17. 如請求項11之能量儲存裝置,其中該能量儲存裝置被包含在一電子裝置之內,該能量儲存裝置是關聯於一微處理器。
  18. 如請求項11之能量儲存裝置,其中該等主通道之各者延伸進入具有側壁之該導電結構中,該等側壁包含一主要表面形狀以及疊加於該主要表面形狀上的一次要表面形狀。
  19. 如請求項18之能量儲存裝置,其中該主要表面形狀是一線性漸縮形。
  20. 如請求項19之能量儲存裝置,其中該次要表面形狀是正弦波形。
  21. 如請求項18之能量儲存裝置,其中該等主通道之各者包含交錯之貯存區域以及連接區域。
  22. 如請求項12之能量儲存裝置,其中第二多孔性電極包括摻雜鋰之碳。
  23. 如請求項12之能量儲存裝置,其中第二多孔性電極包括一奈米鑽石薄膜。
  24. 一種形成一多孔性電極之方法,方法包括下列步驟:浸泡一導電基片於一電化學蝕刻槽中;以及 施加一蝕刻電流經過該導電基片;其中施加該蝕刻電流包括:以一非線性方式變化該蝕刻電流,以在該導電基片中產生包含複數個主通道之一多孔性結構,其中該等主通道之各者具有至該多孔性結構之一主要表面的一開孔;或疊加一次要蝕刻電流變化於一主要蝕刻電流變化上。
  25. 如請求項24之方法,其中以一非線性方式變化該蝕刻電流包括以相對較高以及較低電流之交錯節點變化該蝕刻電流。
  26. 如請求項25之方法,其中以一非線性方式變化該蝕刻電流包括連續地降低該蝕刻電流。
  27. 如請求項24之方法,其中該主要蝕刻電流變化是一非線性電流變化並且該次要蝕刻電流變化是一弦波函數之一線性相加。
  28. 如請求項27之方法,其中該非線性電流變化是利用一個二次或三次多項式被近似。
  29. 如請求項24之方法,其中該電化學蝕刻槽包含一HF:乙醇的濃度為2:1或更大的HF濃度。
  30. 如請求項24之方法,其進一步包括當施加該蝕刻電流時保持電化學蝕刻槽在大約為室溫或更低。
  31. 一種形成一能量儲存裝置之方法,其包括下列步驟:電化學地蝕刻一導電基片以自該導電基片釋出一 多孔性結構;以及以一分隔物層接合該多孔性結構以及一第二多孔性結構。
  32. 如請求項31之方法,其中該接合包括沈積該分隔物層在該多孔性結構上。
  33. 如請求項32之方法,其中該接合包括堆疊該多孔性結構在該分隔物層上或堆疊該分隔物層在該多孔性結構上。
  34. 如請求項31之方法,其進一步包括電化學地蝕刻一第二導電基片以自該第二導電基片釋出該第二多孔性結構。
TW102133898A 2012-09-28 2013-09-18 用於多孔性電化學電容器的奈米加工結構 TWI506655B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/631,579 US9206523B2 (en) 2012-09-28 2012-09-28 Nanomachined structures for porous electrochemical capacitors

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201423789A TW201423789A (zh) 2014-06-16
TWI506655B true TWI506655B (zh) 2015-11-01

Family

ID=50385514

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW102133898A TWI506655B (zh) 2012-09-28 2013-09-18 用於多孔性電化學電容器的奈米加工結構

Country Status (8)

Country Link
US (2) US9206523B2 (zh)
EP (1) EP2751816A4 (zh)
JP (1) JP2014533894A (zh)
KR (2) KR20150064238A (zh)
CN (1) CN104584159B (zh)
BR (1) BR112015004095A2 (zh)
TW (1) TWI506655B (zh)
WO (1) WO2014051772A1 (zh)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014535124A (ja) 2011-09-30 2014-12-25 インテル コーポレイション エネルギー貯蔵デバイスのエネルギー密度及び達成可能な電力出力を増やす方法
EP2788997A4 (en) * 2011-12-08 2015-11-04 Intel Corp ENERGY STORAGE DEVICE, METHOD FOR MANUFACTURING POROUS STRUCTURE THEREFOR, AND MICROELECTRONIC ASSEMBLY AND SYSTEM CONTAINING THE DEVICE
US9496337B2 (en) * 2013-12-19 2016-11-15 Infineon Technologies Austria Ag Method for producing a semiconductor device having a beveled edge termination
SG10201911005SA (en) * 2015-05-22 2020-01-30 Univ Nanyang Tech Energy conversion device and method of forming the same
CN104900849A (zh) * 2015-07-02 2015-09-09 中国科学院电子学研究所 一种在三维立柱阵列表面形成多孔结构的方法
US10270094B2 (en) * 2015-07-06 2019-04-23 Mossey Creek Technologies, Inc. Porous sintered superstructure with interstitial silicon for use in anodes for lithium batteries
WO2017214246A1 (en) * 2016-06-07 2017-12-14 Northwestern University Deformable electrodes and devices for converting mechanical energy to electrical energy
US10957491B2 (en) * 2016-09-16 2021-03-23 Japan Capacitor Industrial Co., Ltd. Electrolytic capacitor-specific electrode member and electrolytic capacitor
WO2019190453A1 (en) * 2018-03-26 2019-10-03 Intel Corporation Selective etching and controlled atomic layer etching of transition metal oxide films for device fabrication
US20200335826A1 (en) * 2019-04-18 2020-10-22 International Business Machines Corporation Lithium energy storage
WO2021186893A1 (ja) * 2020-03-17 2021-09-23 パナソニックIpマネジメント株式会社 キャパシタ及びその製造方法
JP7553027B2 (ja) 2021-08-19 2024-09-18 日本電信電話株式会社 電気二重層キャパシタの作製方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090142656A1 (en) * 2004-04-27 2009-06-04 Tel Aviv University Future Technology Development L.P. 3-d microbatteries based on interlaced micro-container structures
JP2011151376A (ja) * 2009-12-24 2011-08-04 Panasonic Corp アルミ電解コンデンサ電極用アルミニウム箔

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3838329A1 (de) 1987-11-11 1989-05-24 Ricoh Kk Negative elektrode fuer sekundaerbatterie
US5450279A (en) * 1993-05-19 1995-09-12 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Electric double layer capacitor
JP2802730B2 (ja) * 1993-12-28 1998-09-24 日本蓄電器工業株式会社 電解コンデンサ用アルミニウム箔のエッチング方法
JP2787801B2 (ja) * 1994-03-10 1998-08-20 日本蓄電器工業株式会社 電解コンデンサ用アルミニウム電極箔のエッチング方法
DE4427921C2 (de) * 1994-08-06 2002-09-26 Forschungszentrum Juelich Gmbh Chemische Sensoren, insbesondere Biosensoren, auf Siliciumbasis
US6233135B1 (en) * 1994-10-07 2001-05-15 Maxwell Energy Products, Inc. Multi-electrode double layer capacitor having single electrolyte seal and aluminum-impregnated carbon cloth electrodes
US5862035A (en) 1994-10-07 1999-01-19 Maxwell Energy Products, Inc. Multi-electrode double layer capacitor having single electrolyte seal and aluminum-impregnated carbon cloth electrodes
DE69629316T2 (de) 1996-04-03 2004-05-27 "Okb" "Titan", Zao Verfahren und vorrichtung zum aufbringen von porösen schichten und kathodenfilm eines elektrolytischen kondensors
JPH10163073A (ja) * 1996-12-05 1998-06-19 Matsushita Electric Ind Co Ltd アルミ電解コンデンサ用電極箔のエッチング方法
CN1901255B (zh) * 2000-10-20 2013-11-06 麻省理工学院 孔隙度受控的网状的电池结构
AU2002330924A1 (en) 2001-07-27 2003-02-17 A 123 Systems Battery structures, self-organizing structures and related methods
JP2003075386A (ja) * 2001-09-03 2003-03-12 Ricoh Co Ltd マイクロデバイス及びその製造方法
CN101427415A (zh) * 2004-04-27 2009-05-06 特拉维夫大学未来技术研发有限公司 基于交错的微容器结构的三维微电池
EP1624472A3 (en) 2004-07-08 2011-03-16 Sumitomo Chemical Company, Limited Porous Electrodes, Devices including the Porous Electrodes, and Methods for their Production
JP4573594B2 (ja) * 2004-07-27 2010-11-04 株式会社神戸製鋼所 二次電池
US20070235342A1 (en) 2004-10-01 2007-10-11 Canon Kabushiki Kaisha Method for manufacturing nanostructure
JP2006130868A (ja) * 2004-11-09 2006-05-25 Canon Inc インクジェット記録ヘッド及びその製造方法
EP1817810A2 (en) * 2004-11-26 2007-08-15 Koninklijke Philips Electronics N.V. Electrochemical energy source, electronic module, electronic device, and method for manufacturing of said energy source
US7939218B2 (en) 2004-12-09 2011-05-10 Nanosys, Inc. Nanowire structures comprising carbon
GB0601318D0 (en) 2006-01-23 2006-03-01 Imp Innovations Ltd Method of etching a silicon-based material
CN101501903A (zh) 2006-08-04 2009-08-05 皇家飞利浦电子股份有限公司 电化学能量源、电子设备和制造这种电化学能量源的方法
JP2008078119A (ja) * 2006-08-25 2008-04-03 Ngk Insulators Ltd 全固体蓄電素子
US20080248192A1 (en) * 2006-09-11 2008-10-09 Long Jeffrey W Electroless deposition of nanoscale manganese oxide on ultraporous carbon nanoarchitectures
US20110159312A1 (en) * 2009-12-24 2011-06-30 Panasonic Corporation Aluminum foil for aluminum electrolytic capacitor electrode and method for manufacturing the same
WO2011123135A1 (en) 2010-04-02 2011-10-06 Intel Corporation Charge storage device, method of making same, method of making an electrically conductive structure for same, mobile electronic device using same, and microelectronic device containing same
GB201005979D0 (en) 2010-04-09 2010-05-26 Nexeon Ltd A method of fabricating structured particles composed of silicon or a silicon-based material and their use in lithium rechargeable batteries
US9123954B2 (en) 2010-06-06 2015-09-01 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Three-dimensional microbattery having a porous silicon anode
JP2012061585A (ja) * 2010-09-17 2012-03-29 Tokyo Electron Ltd 真空処理装置、真空処理方法及び微細加工装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090142656A1 (en) * 2004-04-27 2009-06-04 Tel Aviv University Future Technology Development L.P. 3-d microbatteries based on interlaced micro-container structures
JP2011151376A (ja) * 2009-12-24 2011-08-04 Panasonic Corp アルミ電解コンデンサ電極用アルミニウム箔

Also Published As

Publication number Publication date
KR20150064238A (ko) 2015-06-10
KR101567374B1 (ko) 2015-11-10
CN104584159B (zh) 2019-07-09
RU2014111796A (ru) 2015-10-10
EP2751816A1 (en) 2014-07-09
US9206523B2 (en) 2015-12-08
KR20140073537A (ko) 2014-06-16
CN104584159A (zh) 2015-04-29
BR112015004095A2 (pt) 2017-07-04
WO2014051772A1 (en) 2014-04-03
EP2751816A4 (en) 2015-11-04
JP2014533894A (ja) 2014-12-15
TW201423789A (zh) 2014-06-16
US20140093782A1 (en) 2014-04-03
US20160064152A1 (en) 2016-03-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI506655B (zh) 用於多孔性電化學電容器的奈米加工結構
US9928966B2 (en) Nanostructured electrolytic energy storage devices
US9409767B2 (en) Energy storage structure, method of manufacturing a support structure for same, and microelectronic assembly and system containing same
CN107103993B (zh) 能量存储设备、制造其的方法以及包含其的移动电子设备
US9406450B2 (en) Energy storage devices with at least one porous polycrystalline substrate
TWI493580B (zh) 儲能裝置及其製造方法,及包含儲能裝置的行動電子裝置
US9685278B2 (en) Energy storage devices having enhanced specific energy and associated methods
US10014123B2 (en) Overcoming variance in stacked capacitors
RU2588036C2 (ru) Структуры, изготовленные с использованием нанотехнологии, для пористых электрохимических конденсаторов