专利名称：高密度能量存储器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种髙密度能量存储器及其制造方法。
背景技术：
新型髙密度能量存储器可潜在地用于与太阳能电池及风力发电或其它发 电装置配套来储存电能。目前电能贮存用的最多的是蓄电池。铅酸蓄电池的发 明已有100多年的历史，它利用化学能和电能的可逆转换，实现充电和放电，
铅酸蓄电池价格较低，但使用寿命短，重量大，需要经常维护。近年来以锂电 池、燃料电池为代表的新型电池是发展能源技术的主力军，但这些电池存在着
使用寿命短，对环境有污染等缺点。在美国每年费弃的电池就高达20亿个。 除了环境有害方面的缺点以外，体积庞大也是大容量的超级电容器存在的主要 问题之一，如近年来多层陶瓷电容器(MLC)技术目前虽然有许多进展，但 目前仍无法做到足够小体积和足够大的电容值来满足日益发展的电子线路髙 密度需求。
因此，为了使得超大级电容器能广泛用于从手机、手提电脑等小型的便携 式电器到混合机动车之类的大型设备以及家用供电，需要找到一种耐久、容易 制造、髙能量密度和/或髙功率密度的器件。
发明内容
本发明的目的是提供一种高密度能量存储器及其制造方法，该存储器具有 体积小、储能量大、寿命长以及环保等优点；其制造工艺比较简单、实用性强、 制造成本较低。
本发明的技术方案是.-
一种髙密度能量存储器，包括衬底，所述衬底表面设有若干向内凹陷的小 槽，所述衬底表面还设有若干电极层、以及分别间隔设置于每相邻两电极层之 间的若干高介电常数介质层，所述电极层和介质层与小槽位置对应的部分填充 于小槽内。
一种上述髙密度能量存储器的制造方法，包括以下步骤
a) 在衬底表面上加工出小槽；
b) 于衬底以及小槽的表面加设一层导电薄膜形成电极层；
c) 于电极层表面加设一层高介电常数介质薄膜形成介质层；再于上述介质层表面加设一层电极层；
d)根据所需要加工的层数重复上述步骤c)。 本发明进一步的技术方案是-
一种高密度能量存储器，包括非导电刚性衬底，所述衬底表面设有若干向 内凹陷的小槽，所述衬底表面还设有若干电极层、以及分别间隔设置于每相邻 两电极层之间的若干高介电常数介质层，所述电极层和介质层与小槽位置对应 的部分填充于小槽内。所述衬底所用材料可以是硅黑金刚石，半导体，氧化物 或非氧化物型陶瓷，如氮化硅、氧化铝、氧化硅、钛酸铝、锆石、堇青石、玻 璃或玻璃陶瓷。上述的小槽可以通过光刻加工，小槽的直径可以达到0.1微米 左右，相邻小槽之间的间距也可设置为0.1微米，使得其在衬底表面的分布密 度可以达到上亿个/平方厘米。若小槽的直径更小时，则其分布密度更高；当 小槽直径较大时，也可采取模具等其它方法加工小槽，此时其分布密度就会较 低。这样髙密度分布的小槽加大了衬底表面的表面积，使之可以达到原来所占 面积的几百倍甚至上千倍，从而使得形成的存储器具有是超大密度的能量存储 性能。上述电极层可以是铜、白金、铅或其它金属材料，可以为厚度仅300埃 米-2000埃米的金属薄膜。上述介质层可以是任何具有髙介电常数的电介质， 可以为厚度IOO埃米-IOOO埃米的薄膜。当然，如果小槽比较大，而且对存 储器的能量存储要求不同，和需要较髙的工作电压和电流情况下，也可根据需 要将电极层和介质层做的厚一点，层数少一点。
根据小槽的大小以及电极层和介质层的薄厚，上述电极层/介质层/电极层 的三明治结构层在衬底上可以从一层到几千层不等，这样每相邻两个电极层以 及其间的介质层形成一个电容。当上述的三明治结构层大于一层时，所述衬底 一端为所有偶数层电极层于该端相互电连接的第一极端，所述衬底另一端为所 有奇数层电极层于该端相互电连接的第二极端。这样，若干个电容之间就成并 联连接，增大了整个存储器的电容容量。其并联连接的方式具体为所述第一 极端除最外层的电极层的其它奇数层电极层以及与这些奇数层电极层相邻的 介质层的端部都短于衬底，其中这些奇数层电极层于该端的外端部被其相邻的 介质层包覆，第一极端的偶数层电极层外端包覆于其内侧的介质层外且与其前 后的偶数层电极层外端相接；所述第二极端所有偶数层电极层以及所有介质层 都短于该端的衬底，其中这些偶数层电极层外端被其相邻的介质层包覆，该端奇数层电极层外端包覆于其内侧的介质层外且与其前后奇数层电极层外端相 接。所述小槽为圆柱形或矩形柱体形状，小槽在衬底表面成阵列分布。 一种上述髙密度能量存储器的制造方法，包括以下步骤
a) 在衬底表面上加工出小槽，小槽的加工根据小槽的大小不同可以采取 不同的加工方法，当小槽的直径较小时，可以用光刻法来加工；
b) 于衬底以及小槽的表面以溅射法加工一层导电薄膜形成电极层；
c) 于电极层表面以溅射、PECVD (等离子体增强化学气相淀积)或ALD (原子层沉积)和淀积后特殊的热处理方法加工一层绝缘的髙介电常数介质薄
膜形成介质层；再于上述介质层表面以溅射法加工一层电极层；
d) 根据所需要加工的层数重复上述步骤c)，当只需要加工两层电极层以 及一层介质层时，就不需要再重复步骤c) 了。
所述衬底一端为所有偶数层电极层于该端相互电连接的第一极端，所述衬 底另一端为所有奇数层电极层于该端相互电连接的第二极端；贴近衬底的第一 层电极层加工覆盖于衬底上以后，再将第一层电极层位于第一极端的端部去除 后再将第一层介质层加工覆盖于第一层电极层以及裸露的衬底上，然后再将该 第一介质层位于第一极端的端部去除后再将第二层电极层加工覆盖于第一介 质层以及裸露的衬底上，其中第一介质层去除掉的端部短于第一电极层去除掉 的端部；除最内和最外电极层以外的每一奇数层电极层及其内侧的介质层加工 好之后，再将该奇数层电极层及其内侧的介质层位于第一极端的端部去除，再 将下一介质层加工覆盖于该电极层以及裸露的上一偶数层电极层外，然后将该 下一介质层于第一极端的端部去除后再将下一偶数层电极层加工覆盖于该下 一介质层以及裸露的上一偶数层电极层外，其中下一介质层去除掉的端部短于 该奇数层电极层去除掉的端部；除最外电极层以外的每一偶数层电极层及其内 侧的介质层加工好之后，再将该偶数层电极层及其内侧的介质层位于第二极端 的端部去除，再将下一介质层加工覆盖于该电极层以及裸露的上一奇数层电极 层外，然后将该下一介质层位于第二极端的端部去除后再将下一奇数层电极层 加工覆盖于该下一介质层以及裸露的上一奇数层电极层外，其中下一介质层去 除掉的端部短于该偶数层电极层去除掉的端部。
上述镀膜过程还可以为在加工奇数层电极层前，在待加工表面邻近第一极 端的边缘设置掩板，然后加工该奇数层电极层接着将第一极端的掩板向外移动，再在该奇数层电极层邻近第二极端的边缘设置掩板，然后在加工奇数层介 质层然后将第一极端的掩板去除后再加工偶数层电极层；接着将第二极端的 掩板向外移动，再在上述偶数层电极层邻近第一极端的边缘设置掩板，再加工 偶数层介质层。
所述小槽为圆柱形或矩形柱体形状，小槽在衬底表面成阵列分布。 本发明优点是
1. 本发明不含有任何对环境有害的电解质，具有环保特性。
2. 本发明的电能储存是同等产品的好几倍，在某些情况下可以取代蓄电池。
3. 本发明的寿命长，充电次数是一般充电电池的1000倍以上。
4. 本发明通过在衬底上设置小槽的方法增大表面积，使得整个存储器体 积小，便于应用到便携式设备上，容易推广。
图l至图11为本发明具体实施例的加工步骤示意图，其中图3至图ll为 截面示意图12为本发明具体实施例镀膜加工的另一实施步骤的截面示意图； 图13为本发明又一具体实施例的截面结构示意图。
其中l衬底2电极层；3介质层4小槽；5第一极端；6第二极端7 光刻胶。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述 具体实施例一
为图示清楚，本实施例仅以三层电极层和M层介质层为例。如图11所示， 一种髙密度能量存储器，包括衬底l,所述衬底l表面设有若干向内凹陷的小 槽4，小槽直径大小为l微米，相邻小槽之间的间距为l微米，小槽的深度为 50微米。所述衬底1表面还设有三层0.1微米厚的电极层2、以及分别间隔设 置于每相邻两电极层2之间的两层0.1微米厚的髙介电常数介质层3，所述电 极层2和介质层3与小槽4位置对应的部分填充于小槽4内。
所述衬底1 一端为所有偶数层电极层2于该端相互电连接的第一极端5, 所述衬底1 一端为第一层和第三层电极层2于该端相互电连接的第二极端6,
8另一端为将第二层电极层于该端露出的第一极端5。
所述第一极端5除最外层的电极层2的其它奇数层电极层2以及与这些奇
数层电极层2相邻的介质层3的端部都短于衬底1,其中这些奇数层电极层2 于该端的外端部被其相邻的介质层3包覆，第一极端5的偶数层电极层2外端 包覆于其内侧的介质层3外且与其前后的偶数层电极层2外端相接；所述第二 极端6所有偶数层电极层2以及所有介质层3都短于该端的衬底1，其中这些 偶数层电极层2外端被其相邻的介质层3包覆，该端奇数层电极层2外端包覆 于其内侧的介质层3外且与其前后奇数层电极层2外端相接。
所述小槽4为圆柱形或矩形柱体形状，小槽4在衬底l表面成阵列分布。
具体实施例二
如图1至图11所示， 一种具体实施例一所述的髙密度能量存储器的制造 方法，包括以下步骤
a) 在衬底1表面上加工出小槽4:如图l，在基底上涂光刻胶7，然后进 行光刻和曝光将密度为2500万个/平方厘米(以小槽大小为l微米，相邻小槽 之间的间距为l微米计算)微型小槽转移光刻胶7上；之后用等离体刻蚀，这 样微型小槽4就在衬底l上形成，见图2和图3;
b) 如图4所示，采用溅射法将金属均匀溅射到整个衬底1以及小槽4的 表面形成电极层2;
c) 如图5所示，将第一层电极层2位于第一极端5的端部去除；
d) 如图6所示，再用PECVD方法或采用溅射方法将髙介电常数的电介 质沉积在电极层2以及裸露的衬底1表面形成介质层3;
e) 如图7所示，将第一介质层3位于第一极端5的端部去除，其去除掉 的部分短于第一电极层2去掉的部分，使得第一电极层2外端被第一介质层3 包覆与外界隔绝；
f) 如图8所示，再采用溅射法将金属均匀溅射到上述第一介质层3表面 形成第二电极层2;
g) 将第二电极层2和第一介质层3于第二极端6的端部部分去除后，在 重复步骤d),加工第二介质层3，如图9所示
h) 如图IO所示，将第二介质层3于第二极端6的端部去除，其中第二介质层3去除掉的端部短于第二电极层2于该端去除掉的端部
i)如图ll所示，最后再重复步骤f),加工第三层电极层2。
具体实施例三
如图12所示，本实施例的其它步骤与具体实施例二相同，但是其各电极 层2和介质层3邻近第一极端5和第二极端6的端部加工如下在加工奇数层 电极层2前，在待加工表面邻近第一极端5的边缘设置掩板，然后加工该奇数 层电极层2;接着将第一极端5的掩板向外移动，再在该奇数层电极层2邻近 第二极端6的边缘设置掩板，然后在加工奇数层介质层3;然后将第一极端5 的掩板去除后再加工偶数层电极层2;接着将第二极端6的掩板向外移动，再 在上述偶数层电极层2邻近第一极端5的边缘设置掩板，再加工偶数层介质层 3o
这样就不需要用光刻等方法将电极层或介质层的端部去除，减少了生产成 本，同时还简化了生产工艺。
具体实施例四
如图13所示为含有四层电极层以及三层介质层的存储器的截面结构示意 图，其最外层的第四电极层为偶数电极层。本实施例用于表示清楚最外层为偶 数电极层的存储器的于第一极端5和第二极端6处电极层和介质层的结构，其 它结构基本与具体实施例一相同，其制造方法也与具体实施例一相同。
本发明存储器具有体积小、储能量大、寿命长以及环保等优点；其制造工 艺比较简单、实用性强、制造成本较低。
权利要求
1. 一种高密度能量存储器，包括衬底(1)，其特征在于所述衬底(1)表面设有若干向内凹陷的小槽(4)，所述衬底(1)表面还设有若干电极层(2)、以及分别间隔设置于每相邻两电极层(2)之间的若干高介电常数介质层(3)，所述电极层(2)和介质层(3)与小槽(4)位置对应的部分填充于小槽(4)内。
2. 根据权利要求1所述的高密度能量存储器，其特征在于所述衬底 (1) 一端为所有偶数层电极层(2)于该端相互电连接的第一极端(5)，所述衬底(1)另一端为所有奇数层电极层(2)于该端相互电连接的第二极端 (6)。
3. 根据权利要求2所述的髙密度能量存储器，其特征在于所述第一 极端(5)除最外层的电极层(2)的其它奇数层电极层(2)以及与这些奇 数层电极层(2)相邻的介质层(3)的端部都短于衬底(1)，其中这些奇数 层电极层(2)于该端的外端部被其相邻的介质层(3)包覆，第一极端(5) 的偶数层电极层(2)外端包覆于其内侧的介质层(3)外且与其前后的偶数 层电极层(2)外端相接；所述第二极端(6)除最外层的电极层(2)以外 的所有偶数层电极层(2)以及所有介质层(3)都短于该端的衬底(1)，其 中这些偶数层电极层(2)外端被其相邻的介质层(3)包覆，该端奇数层电 极层(2)外端包覆于其内侧的介质层(3)外且与其前后奇数层电极层(2) 外端相接。
4. 根据权利要求1所述的髙密度能量存储器，其特征在于所述小槽 (4)为圆柱形或矩形柱体形状，小槽(4)在衬底(1)表面成阵列分布。
5. —种权利要求1所述的髙密度能量存储器的制造方法，其特征在于 包括以下步骤a) 在衬底(1)表面上加工出小槽(4);b) 于衬底(l)以及小槽(4)的表面加设一层导电薄膜形成电极层(2);c) 于电极层(2)表面加设一层髙介电常数介质薄膜形成介质层(3): 再于上述介质层(3)表面加设一层电极层(2);d) 根据所需要加工的层数重复上述步骤c)。
6. 根据权利要求5所述的髙密度能量存储器的制造方法，其特征在于 所述衬底(1) 一端为所有偶数层电极层(2)于该端相互电连接的第一极端(5)，所述衬底(1)另一端为所有奇数层电极层(2)于该端相互电连接的 第二极端(6);贴近衬底(1)的第一层电极层(2)加工覆盖于衬底(1)上以后，再 将第一层电极层(2)位于第一极端(5)的端部去除后再将第一层介质层(3) 加工覆盖于第一层电极层(2)以及裸露的衬底(1)上，然后再将该第一介 质层(3)位于第一极端(5)的端部去除后再将第二层电极层(2)加工覆 盖于第一介质层(3)以及裸露的衬底(1)上，其中第一介质层(3)去除 掉的端部短于第一电极层(2)去除掉的端部；除最内和最外电极层(2)以外的每一奇数层电极层(2)及其内侧的介 质层(3)加工好之后，再将该奇数层电极层(2)及其内侧的介质层(3) 位于第一极端(5)的端部去除，再将下一介质层(3)加工覆盖于该电极层 (2)以及裸露的上一偶数层电极层(2)外，然后将该下一介质层(3)于 第一极端(5)的端部去除后再将下一偶数层电极层(2)加工覆盖于该下一 介质层(3)以及裸露的上一偶数层电极层(2)外，其中下一介质层(3) 去除掉的端部短于该奇数层电极层(2)去除掉的端部；除最外电极层(2)以外的每一偶数层电极层(2)及其内侧的介质层(3) 加工好之后，再将该偶数层电极层(2)及其内侧的介质层(3)位于第二极 端(6)的端部去除，再将下一介质层(3)加工覆盖于该电极层(2)以及 裸露的上一奇数层电极层(2)外，然后将该下一介质层(3)位于第二极端 的端部去除后再将下一奇数层电极层(2)加工覆盖于该下一介质层(3)以 及裸露的上一奇数层电极层(2)外，其中下一介质层(3)去除掉的端部短 于该偶数层电极层(2)去除掉的端部。
7.根据权利要求5所述的髙密度能量存储器的制造方法，其特征在于 所述衬底(1) 一端为所有偶数层电极层(2)于该端相互电连接的第一极端 (5)，所述衬底(1)另一端为所有奇数层电极层(2)于该端相互电连接的 第二极端(6):在加工奇数层电极层(2)前，在待加工表面邻近第一极端(5)的边缘 设置掩板，然后加工该奇数层电极层(2);接着将第一极端(5)的掩板向 外移动，再在该奇数层电极层(2)邻近第二极端(6)的边缘设置掩板，然 后在加工奇数层介质层(3);然后将第一极端(5)的掩板去除后再加工偶数层电极层(2);接着将第二极端(6)的掩板向外移动，再在上述偶数层 电极层(2)邻近第一极端(5)的边缘设置掩板，再加工偶数层介质层(3)。
8.根据权利要求5所述的高密度能量存储器的制造方法，其特征在于 所述小槽(4)为圆柱形或矩形柱体形状，小槽(4)在衬底(1)表面成阵 列分布。
全文摘要
本发明公开了一种高密度能量存储器，包括衬底，所述衬底表面设有若干向内凹陷的小槽，所述衬底表面还设有若干电极层、以及分别间隔设置于每相邻两电极层之间的若干高介电常数介质层，所述电极层和介质层与小槽位置对应的部分填充于小槽内。其制造方法包括以下步骤a)在衬底表面上加工出小槽；b)于衬底以及小槽的表面加设一层导电薄膜形成电极层；c)于电极层表面加设一层高介电常数介质薄膜形成介质层；再于上述介质层表面加设一层电极层；d)根据所需要加工的层数重复上述步骤c)。本发明存储器具有体积小、储能量大、寿命长以及环保等优点；其制造工艺比较简单、实用性强、制造成本较低。
文档编号H01G9/155GK101521120SQ200910115150
公开日2009年9月2日 申请日期2009年3月31日 优先权日2009年3月31日
发明者明 杨 申请人:明 杨