超高电荷密度驻极体及其制作方法与流程

驻极体（electret）是具有准永久嵌入式静电荷和/或准永久极化偶极子的介电材料。特别地，在许多商业和技术应用中利用驻极体材料，这些商业和技术应用诸如例如是静电感测应用（例如，驻极体麦克风、复印机）、信号传输应用（例如，在30khz及以下处进行操作的ulf/vlf发射机）以及能量采集应用（例如，从诸如环境振动、风、热或光之类的外部源导出能量）。

驻极体材料的性能与该材料的每单位空间体积的电荷密度（或c/m³）成比例。然而，由于静电荷经常仅可以被放置在所涉及的驻极体材料的表面上，因此经常按照单位空间面积（或c/m²）表达这些驻极体材料的电荷密度。特别地，在某些应用中利用具有更高电荷密度的现存驻极体材料以最大化所涉及的应用设备的性能。然而，驻极体的最大电荷密度主要由驻极体的介电材料与周围空气之间的电击穿阈值水平限制。

传统的驻极体研究和开发已经主要被限制到具有约30mc/m²的最大电荷密度的二维或平坦表面材料。然而，由于离子化电荷的浅穿透深度，这些二维表面的电荷密度被认为相对较低。特别地，在许多商业和防御应用中，要求利用具有比30mc/m²高得多的电荷密度的驻极体材料的电子或机电设备。例如，在被用于关键长距离和水下通信的vlf信号传输应用中，要求利用具有大于1c/m²的等效电荷密度的驻极体材料的vlf传输设备。在这点上，对于其中期望穿过某些导电介质（例如水、金属、岩石、建筑材料等等）的信号渗透的应用而言，ulf/vlf传输是特别有用的。而且，ulf/vlf传输对于长程通信应用而言非常有用，这是因为这些频率范围中的信号可以耦合到虚拟的电离层到地“波导”，该“波导”环绕地球并以非常少的衰减绕地球传播这种信号。

驻极体材料一般被分离成两个组：有机驻极体材料（例如，聚合物）；以及无机驻极体材料（例如，二氧化硅）。聚合物驻极体材料一般具有低电荷密度（小于5mc/m²）。而且，聚合物材料不与传统的微机电系统（mems）制造过程兼容，并因而可能例如在阵列的扩缩中呈现令人畏惧的设计挑战。

二氧化硅驻极体材料的显著优势是：它们与现存的硅mems制造过程兼容，且典型地具有比有机驻极体材料（诸如，聚合物）高得多的电荷密度（例如，34mc/m²）。而且，二氧化硅驻极体材料相比于聚合物驻极体材料的另一个优势是：二氧化硅驻极体材料可以被嵌入到单极或偶极电荷内。

出于上面声明的原因以及出于对本领域技术人员来说在阅读和理解本说明书后将变得显而易见的下面声明的其他原因，在本领域中存在针对非常高（例如，超高）电荷密度驻极体的需要。

技术实现要素：

本文中所公开的实施例呈现了用于制造超高电荷密度驻极体的技术。在本公开的一个示例实施例中，通过将高表面对体积比的三维硅结构与高表面积的多孔二氧化硅膜进行组合以大幅增加由此形成的驻极体的电荷密度（例如，相比于传统驻极体的电荷密度），来形成多个超高电荷密度驻极体。具体地，针对一个示例实施例，对硅结构（例如硅晶片、管芯等等）进行蚀刻以形成多个正锥形侧壁（例如，金字塔形），所述正锥形侧壁产生大幅增加所涉及的硅结构的表面对体积比的三维纹理表面。在锥形侧壁的多个表面上形成多孔二氧化硅膜，并且在锥形侧壁的多个表面上的所述多孔二氧化硅膜中生成正（或负）电荷，这在所涉及的硅结构的表面上产生多个超高电荷密度驻极体。

附图说明

当鉴于优选实施例和以下附图的描述而考虑时，本公开的实施例可以被更容易地理解，并且其进一步优势和用途可以更加显而易见，在附图中：

图1是图示可被利用以实现本发明的一个示例实施例的硅结构的横截面侧视图的结构图。

图2是图示可被利用以实现本发明的一个示例实施例的第二硅结构的横截面侧视图的结构图。

图3是图示可被利用以实现本发明的一个示例实施例的第三硅结构的横截面侧视图的结构图。

图4是图示在图3中描绘的示例实施例的三维透视图的结构图。

图5是图示在图3中描绘的示例实施例的第二个三维透视图的结构图。

图6是图示由可被利用以制造图3-5中图示的三维硅结构的示例性过程得到的结构的多个二维侧视图的结构图。

图7是图示可被利用以执行图6中描绘的示例性制造过程的示例性方法的流程图。

图8是可被利用以实现本发明的一个示例实施例的系统的简化示意框图。

根据惯例，各种所描述的特征不是按比例绘制的，而是为了强调与本公开相关的特征而绘制的。遍及附图和文本，附图标记表示相似的元素。

具体实施方式

在以下详述描述中，参考形成其部分并且其中作为具体说明性实施例（其中实施例可以被实践）而示出的附图。充分详细地描述这些实施例以使本领域技术人员能够实践实施例，以及要理解的是，可以利用其他实施例，并且可以在不脱离本公开的范围的情况下做出逻辑的、机械的和电气的改变。因此，不应在限制的意义上采取以下详述描述。

图1是图示了硅结构100的横截面侧视图的结构图，硅结构100可以被利用以实现本发明的一个示例实施例。如图1中所图示，硅结构100的表面例如被纹理化成包括具有正锥形侧壁的多个三维结构（例如，102a、102b……102n）。在所示出的示例实施例中，三维结构102a-102n中的每一个是金字塔形的。然而，在第二实施例中，三维结构102a-102n可以以与金字塔的结构不同的方式成形。例如，三维结构102a-102n中的每一个可以以柱状物（例如，具有垂直侧壁）、沟槽（例如，具有垂直或锥形侧壁）或尖状物的形状形成。特别地，三维结构102a-102n的技术优势是：相比于传统二维（例如，平坦表面）硅结构的表面对体积比，三维结构102a-102n大幅增加硅结构100的表面对体积比。而且，硅结构100的与传统二维表面的表面对体积比相比增加的表面对体积比产生了与由传统二维表面产生的电荷密度增益相比电荷密度增益的显著增强（例如，大约50倍高）。

图2是图示了硅结构200的横截面侧视图的结构图，硅结构200可以被利用以实现本发明的一个示例实施例。如图2中所图示，硅结构200包括硅层202（例如硅晶片、管芯等等）以及被形成（例如，蚀刻）到硅层202表面上的多孔硅的层（例如，膜）204。特别地，相比于无孔硅的性质，多孔硅的性质是它的大表面对体积比，与无孔硅的等效结构的有效电荷密度相比，这大幅增加了多孔硅的有效电荷密度。

可以利用合适的电化学蚀刻过程来制造多孔硅结构（例如，层204），其中蚀刻参数管理孔的尺寸和对准以及由于孔所致的空隙空间的百分比。由此，针对图2中图示的示例实施例，利用合适的硅氧化过程来氧化多孔硅结构204以生成多孔二氧化硅膜204。据称，已经产生了具有约300m²/cm³的比表面积的多孔二氧化硅结构。因此，例如，利用100μm多孔二氧化硅膜，可以实现与无孔硅膜相比30000倍（理论上）的表面对体积增强。然而，如图2中所示出的正离子电荷206的有限深度所指示的那样，在不损坏膜的情况下将电荷注入到多孔硅膜204中大于2μm（例如，由虚线208指示的离子穿透深度）是困难的过程。因此，实际来看，在二维多孔硅结构（诸如，图2中所描绘的示例性硅结构204）中实际上仅可以实现大约600倍的表面对体积增强。

图3是图示了增强的三维硅结构300的横截面侧视图的结构图，增强的三维硅结构300可以被利用以实现本发明的一个示例实施例。如图3中所图示，硅结构300的表面被纹理化成包括具有正锥形侧壁（例如，金字塔形侧壁）的多个三维硅结构302a-302n。在硅结构302a-302n的多个侧壁的表面上形成多孔二氧化硅的层（例如，膜）（例如，304a-304n）。特别地，在图3中所描绘的示例实施例中，增强的三维硅结构300有利地将图1中所描绘的三维硅结构100的技术特征与图2中所描绘的多孔二氧化硅膜204的技术特征进行组合。由此，假设（例如，保守地）三维硅结构302可以提供30倍的表面对体积增益中的增强并且多孔二氧化硅膜304可以提供600倍的表面对体积增益中的增强，则在形成图3中所公开的增强硅结构300时可以实现18000倍的表面对体积增益中的总体改进（例如，将图1和图2中所公开的技术特征进行组合）。与现存驻极体材料的驻极体电荷密度相比驻极体电荷密度的该大幅增加实现了诸如例如能够在30khz及以下处发射信号的低尺寸、低重量和低功率（swap）ulf/vlf发射机之类的关键技术的高级开发。

图4是图示了图3中所描绘的示例性实施例中示出的增强的三维硅结构300的部分的三维透视图400的结构图。如上面关于图3所描述的那样，诸如例如金字塔形三维结构402之类的每一个三维硅结构在示例性三维结构402的（例如，四个）表面中的每一个上具有多孔二氧化硅的层或膜404。特别地，这里主要提供透视图400以促进对图3中所描绘的示例实施例的理解。

图5是图示了图3中所描绘的示例性实施例中示出的增强的三维硅结构300的大部分的三维透视图500的结构图。特别地，在图5中所图示的示例性视图中，示出了多个三维硅结构（例如，以具有“n”个行和“m”个列的阵列的形式，其中“n”和“m”可以表示或可以不表示相等的数字）。在任何情况下，阵列中的每一个三维硅结构502a-502n、m在所示出的示例性三维结构的（例如，四个）表面中的每一个上具有多孔二氧化硅的层或膜504a-504n、m。特别地，这里主要提供扩充视图500以图示图3中所描绘的增强的三维硅结构的“纹理”表面。由此，由具有多孔二氧化硅的表面膜504a-504n、m的（例如，金字塔形）三维结构502a-502n、m的阵列形成的驻极体材料能够很可能实现与传统驻极体材料的表面对体积增益相比大约18000倍的表面对体积增益中的总体改进。

图6是图示了由示例性过程600得到的结构的多个二维侧视图的结构图，示例性过程600可以被利用以制造图3-5中所图示的增强的三维硅结构。参考图6，提供（例如，形成或生长）了合适的硅晶片602。然后，利用合适的（例如，光刻的）图案化过程604以在硅晶片上形成多个蚀刻掩模（例如，二氧化硅蚀刻掩模603）。利用合适的蚀刻过程（例如，深反应离子蚀刻或drie过程）606以形成多个三维硅结构（例如，图1中的102a-102n）。在一个示例实施例中，由此形成的每一个三维结构（例如，607）的深度/厚度大约为200μm。然而，在另一个实施例中，由此形成的每一个三维结构的深度/厚度可以在从小于1μm直到正在使用的晶片的厚度的范围内变化。然后，利用合适的蚀刻过程（例如，电化学蚀刻）608以移除掩模并在三维硅结构中的每一个的多个表面上形成多孔硅层609。然后，利用合适的氧化过程（例如热氧化过程等）610以在三维硅结构中的每一个的多个表面上形成多孔二氧化硅层611。接着，利用合适的电离过程（例如，离子注入）612以在三维结构中生成电荷（正或负离子）。如果认为有必要的话，然后可以利用合适的退火过程614，以使离子化表面退火且从而增强针对由此形成的驻极体材料的电荷保留时间。

图7是图示了可被利用以执行图6中所描绘的示例性制造过程600的示例性方法700的流程图。参考图6和图7，该方法通过形成或以其他方式提供硅晶片（或硅盘、管芯等等）（702）而开始。接着，形成（例如，二氧化硅）蚀刻掩模的图案（704）。然后，利用蚀刻过程以形成多个三维结构（706）。然后移除掩模并在三维结构的多个表面上形成（蚀刻）多孔硅层（708）。然后，对多孔硅层进行氧化以形成多孔二氧化硅层（710）。接着，对多孔二氧化硅层进行充电（例如，注入正或负离子）以产生增强的驻极体材料（712）。然后可以使增强的驻极体材料退火，例如如果期望更高电荷保留时间的话（714）。

图8是系统800的简化示意框图，系统800可以被利用以实现本发明的一个示例实施例。针对该示例性实施例，系统800是vlf发射机系统。参考图8，示例系统800包括：文本消息处理器802（例如，语音消息传递在vlf处不实用），被配置成输入并处理来自用户的文本消息；以及发射机（例如，广播）处理器804，耦合到文本消息处理器802并被配置成将来自用户的许多文本消息处理成针对vlf的合适广播格式。信号处理器/编码器806耦合到发射机处理器804，并被配置成将从发射机处理器804接收到的文本消息编码成针对vlf传输的合适编码格式。调制器808耦合到信号处理器806，并被配置成将经编码的文本消息转换成合适的vlf信号。在调制器808中生成的vlf信号耦合到vlf功率放大器812，且然后经由天线814而发射。特别地，在一个示例实施例中，调制器808包括合适的电子和/或机电电路，该合适的电子和/或机电电路被配置成在调制器808中物理地移动超高电荷密度（增强）驻极体810，且从而生成要经由vlf天线814广播或发射的vlf信号。由此，增强驻极体材料810（例如，如上面关于图3-6所描述）能够产生与被利用以传输vlf信号的传统驻极体材料的表面对体积增益相比约18000倍的表面对体积增益中的总体改进。因此，相比于利用传统驻极体材料的现存vlf发射机的swap和传输性能，vlf发射机系统800的swap和传输性能大幅提高。

应当理解的是，上面所描述的实施例和说明性附图的元素可以以与彼此的各种组合而使用，以产生明确地意图在本公开的范围内的更进一步的实施例。

示例实施例

示例1包括一种超高电荷密度驻极体，包括：三维结构；所述三维结构上的多个侧壁；以及在所述多个侧壁上形成的多孔二氧化硅膜，其中所述多孔二氧化硅膜是利用多个正或负离子充电的。

示例2包括示例1的超高电荷密度驻极体，其中所述三维结构为金字塔形硅结构。

示例3包括示例1-2中任一项的超高电荷密度驻极体，其中所述三维结构被形成在硅晶片的表面上。

示例4包括示例1-3中任一项的超高电荷密度驻极体，其中所述三维结构为沟槽形、柱状物形或尖状物形的硅结构中的至少一种。

示例5包括示例1-4中任一项的超高电荷密度驻极体，进一步包括多个三维结构。

示例6包括示例5的超高电荷密度驻极体，其中所述多个三维结构包括三维结构的阵列。

示例7包括一种用于形成超高电荷密度驻极体材料的方法，包括：提供硅晶片；在所述硅晶片的表面上形成图案化的蚀刻掩模；在所述硅晶片的表面上形成多个三维结构；在所述多个三维结构中的每一个的至少一个表面上形成多孔硅层；在所述多个三维结构中的所述每一个的所述至少一个表面上形成氧化多孔硅层；以及在所述多个三维结构中的所述每一个的所述至少一个表面上的所述氧化多孔硅层上形成电荷。

示例8包括示例7的方法，其中形成所述多孔硅层进一步包括：在所述多个三维结构中的所述每一个的多个表面上形成所述多孔硅层。

示例9包括示例7-8中任一项的方法，其中在所述硅晶片的表面上形成所述多个三维结构包括：将所述多个三维结构蚀刻到所述硅晶片的表面上。

示例10包括示例7-9中任一项的方法，其中形成所述氧化多孔硅层进一步包括：形成二氧化硅层、蚀刻所述二氧化硅层、以及从而在所述二氧化硅层中形成多个孔。

示例11包括示例7-10中任一项的方法，其中在所述硅晶片的表面上形成所述多个三维结构包括：在所述硅晶片上形成多个金字塔形结构。

示例12包括示例7-11中任一项的方法，其中在所述硅晶片的表面上形成所述多个三维结构包括：在所述硅晶片上形成多个沟槽形、柱状物形或尖状物形的结构。

示例13包括示例7-12中任一项的方法，其中在所述氧化多孔硅层上形成所述电荷包括：将多个正或负离子注入到所述多个三维结构中的所述每一个的所述至少一个表面中。

示例14包括示例7-13中任一项的方法，进一步包括：使所述多个三维结构中的所述每一个的所述至少一个表面上的所述氧化多孔硅层退火。

示例15包括一种系统，包括：文本消息处理器；耦合到所述文本消息处理器的输出的广播处理器；耦合到所述广播处理器的输出的信号处理器；耦合到所述信号处理器的输出的调制器；耦合到所述调制器的输出的功率放大器；以及耦合到所述功率放大器的输出的天线，其中所述调制器包括多个超高电荷密度驻极体，包括：多个三维结构；所述多个三维结构中的每一个上的多个侧壁；以及在所述多个侧壁上形成的多孔二氧化硅膜，其中所述多孔二氧化硅膜是利用多个正或负离子充电的。

示例16包括示例15的系统，其中所述多个三维结构中的每一个为金字塔形硅结构。

示例17包括示例15-16中任一项的系统，其中所述多个三维结构被形成在硅晶片或管芯的表面上。

示例18包括示例15-17中任一项的系统，其中所述多个三维结构中的每一个为沟槽形、柱状物形或尖状物形的硅结构中的至少一种。

示例19包括示例15-18中任一项的系统，其中所述多个三维结构包括三维结构的阵列。

示例20包括示例15-19中任一项的系统，其中所述多个超高电荷密度驻极体是被配置成生成甚低频（vlf）信号的机电电路的部件。

尽管本文已经图示并描述了具体实施例，但本领域普通技术人员将领会，可以用被预期以实现相同目的的任何布置替代所示出的具体实施例。本申请意图覆盖所呈现的实施例的任何适配或变型。因此，明确意图在于，实施例应仅由权利要求及其等同物限制。