[发明专利]一种介质膜厚度可控的MEMS超级电容器的制备方法

说明书

本发明属于微能源制造技术领域，具体为一种介质膜厚度可控的MEMS超级电容器的制备方法。本发明首先采用湿法刻蚀在硅基底上刻蚀三维凹槽阵列结构作为电极的载体，一方面显著增加了电极的比表面积，改善了超级电容器的电容特性，另一方面易于集成制造。阳极氧化法可以直接在电极薄膜的基础上形成厚度可控的Al₂O₃薄膜作为电容器的介质层，该方法工艺简单、厚度可控且不受基底形貌的限制。硅片的湿法刻蚀技术可控制凹槽深宽比，通过设计合适的凹槽宽度和高度，大大增加了电极的比表面积，与传统的静电式电容器相比，基于阳极氧化法和刻蚀有凹槽阵列衬底制备的静电式超级电容器在工艺成本和性能方面均具有很大的优势。

技术领域

本发明属于微能源制造技术领域，涉及应用于微系统中一种工艺简单、介质薄膜厚度可控、能量密度高的MEMS静电式超级电容器的制备方法，具体为一种介质膜厚度可控的MEMS超级电容器的制备方法。

技术背景

微电子机械系统(Micro Electro Mechanical System)，简称MEMS,是近年来发展起来的一种新型多学科交叉技术，它集微结构、微传感器、微执行器、微电源以及信号处理控制等功能于一体，具有成本低、体积小、自控性强、可靠性高等优点，是建立在微米/纳米技术基础上的21世纪前沿技术。其中，微型电源是微电子机械系统中关键的基础部件，电源的微型化，可集成化是各种MEMS器件及系统独立工作、真正实现“lab-on-a-chip”愿景的根本保证。

MEMS超级电容器是当今能量存储系统的先进领域，在具备传统超级电容器能量密度大、循环寿命长等优势的同时也表现出产品微型化、可集成和批量生产等特点，市场前景乐观。根据储能原理不同可将MEMS超级电容器分为电化学超级电容器和静电式超级电容器。电化学超级电容器具有能量密度大、循环寿命长等优点，但由于充放电速率低，其功率密度比静电式电容器低3~5个数量级，且液态电解质易泄露不易集成，降低了电化学电容器的可靠性。静电式超级电容器作为MEMS超级电容器的另一分支，虽然其能量密度低且目前研究并不广泛，但具有功率密度大、热稳定性好、工艺成本低以及实现全固态等优点。为了提高静电式超级电容器的能量密度，本申请将MEMS工艺应用到超级电容器的制备中，通过在硅基底上刻蚀三维凹槽阵列结构作为电极的基底，通过增大电极的比表面积提高静电式超级电容器的能量密度。

对于刻蚀有三维凹槽阵列的硅基底，在其表面沉积均匀的电介质薄膜将会有更高的技术要求。传统的溶胶-凝胶法、磁控溅射法等薄膜制备方法会受到基底形貌的限制，很难实现介质薄膜在三维凹槽基底上的均匀沉积，而原子层沉积法（ALD）虽然不受基底形貌的限制，但该方法具有工艺复杂、耗时长、成本高等缺点。本申请基于刻蚀有三维凹槽阵列的硅基底，提出使用阳极氧化法直接在金属Al电极薄膜上生成致密的氧化铝介质薄膜。阳极氧化法是以金属作为阳极，在电介质溶液中进行通电处理，利用电解作用在金属表面生成致密的氧化物薄膜。该方法可以直接在金属薄膜的基础上生成电介质薄膜，制备不受基底形貌的限制，且工艺简单，成本低。除此之外，阳极氧化法制备的薄膜厚度可以直接通过通电时间加以控制，解决了薄膜器件中薄膜厚度难可控的问题。

本发明选用硅片做基底实现可集成的片上超级电容器。同时，为了进一步增大超级电容器的能量密度，我们利用湿法刻蚀硅片技术，刻蚀出具有三维凹槽阵列的硅基底，通过选择合适的掩膜图形和刻蚀时间，增大电极的比表面积，充分利用高度空间进行储能以获得更高的能量和功率密度，满足其在体积、温度适用范围、集成度和低损耗等方面的应用需求。

发明内容

本发明从薄膜的制备工艺和提高静电式超级电容器能量密度的角度出发，提供一种介质膜厚度可控的MEMS超级电容器的制备方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：静电式超级电容器的制备，先在硅片上刻蚀三维凹槽阵列，并在刻蚀后的硅基底上溅射金属铝，采用阳极氧化法在铝表面生成氧化铝介质薄膜，通过阳极氧化时间控制介质薄膜的厚度，溅射金作为超级电容器的上电极，使用铜导电浆料填充凹槽，提高超级电容器的可靠性。