(57)【要約】  本発明は、第１のキャパシタプレート１０と、第１のキャパシタプレート１０に実質的に平行に且つ前記第１のキャパシタプレートから隔てたところに延在する第２のキャパシタプレート１２と、を有するソリッドステート可変キャパシタであって、少なくとも第１のキャパシタプレート１０は、第１のレイヤードソリッドステートバッテリの一方の側に構造的に結合され、前記第１のソリッドステートバッテリ３の層４―８は、第１のキャパシタプレート１０に実質的に平行に延在し、前記第１のソリッドステートバッテリは、前記層４―８の平面に垂直な方向において、そのサイズの変化を受けることができる、ソリッドステート可変キャパシタに関する。本発明は、ソリッドステートバッテリ３の厚さが、バッテリ内の支配的な条件によって変化するという認識に基づく。移動可能なキャパシタプレート１０が、キャパシタのキャパシタンス値の変化を生じさせる。
2010511999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソリッドステート可変キャパシタであって、
第１のキャパシタプレートと、
前記第１のキャパシタプレートと実質的に平行に且つ前記第１のキャパシタプレートから隔てたところに延在する第２のキャパシタプレートと、
を有し、
少なくとも前記第１のキャパシタプレートは、第１のレイヤードソリッドステートバッテリの一方の側に構造的に結合され、前記第１のソリッドステートバッテリの層は、前記第１のキャパシタプレートに実質的に平行に延在し、
前記第１のソリッドステートバッテリは、前記層の平面に垂直な方向においてそのサイズの変化を受けることができる、可変キャパシタ。
【請求項２】
前記ソリッドステート可変キャパシタは、
基板上に堆積されたバッテリカソード電極層と、
前記バッテリカソード電極層上に堆積された固体電解質層と、
前記固体電解質層上に堆積されたバッテリアノード電極層と、
前記バッテリアノード電極層上に堆積された誘電層と、
前記誘電層上に設けられた前記第１のキャパシタプレートと、
前記第２のキャパシタプレートと、
を有し、前記電極層の少なくとも一方は、その厚さが、前記電極の少なくとも一方における活性種の濃度によって変化する特性を有する、請求項１に記載の可変キャパシタ。
【請求項３】
前記第１のソリッドステートバッテリは、アノード電極の厚さが該電極内の活性種の濃度によって変化するように選択される材料の該アノード電極を有する、請求項１又は２に記載の可変キャパシタ。
【請求項４】
前記活性種は、リチウムであり、前記アノード電極層は、シリコン、スズ、ゲルマニウム、アンチモン、ビスマス、亜鉛又はこれらの材料の合金のグループから選択されるアノード材料を含む、請求項３に記載の可変キャパシタ。
【請求項５】
本発明によるエネルギー源の少なくとも一方の電極が、水素、ベリリウム、マグネシウム、アルミニウム、銅、銀、ナトリウム及びカリウム又は周期表の１族若しくは２族に割り当てられている任意の他の適切な元素のうち少なくとも１つの活性種の蓄積に適応される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の可変キャパシタ。
【請求項６】
前記第１のキャパシタプレート及び前記第１のソリッドステートバッテリの間に誘電層が存在する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の可変キャパシタ。
【請求項７】
前記誘電層は、低い比誘電率を有する、請求項６に記載の可変キャパシタ。
【請求項８】
前記誘電材料は、ドープされたＳｉＯ２、多孔性ＳｉＯ２、ＰＶＤＦ、ＰＳ、ＰＥのようなポリマー、又はポリメチルシルセスキオキサンである、請求項７に記載の可変キャパシタ。
【請求項９】
前記第２のキャパシタプレートは、第２のソリッドステートレイヤードバッテリの一方の側に構造的に結合され、
前記第２のソリッドステートバッテリの層は、前記第２のキャパシタプレートと実質的に平行に延在し、前記第２のソリッドステートバッテリは、前記層の平面と垂直な方向においてそのサイズの変化を受けることができる、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の可変キャパシタ。
【請求項１０】
前記第１及び前記第２のバッテリは、前記第１及び前記第２のキャパシタプレートの中間面の中心に対してミラーリングされる構造を有する、請求項９に記載の可変キャパシタ。
【請求項１１】
前記第１及び前記第２のバッテリは、別個の制御回路に接続される、請求項９又は１０に記載の可変キャパシタ。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の可変キャパシタの複数を有し、前記各キャパシタの前記キャパシタプレートの少なくともいくつが、相互接続される、可変キャパシタ。
【請求項１３】
前記キャパシタの前記第１のキャパシタプレートが相互接続され、前記キャパシタの前記第２のキャパシタプレートが、相互接続される、請求項１２に記載の可変キャパシタ。
【請求項１４】
前記キャパシタプレートは、直列接続又は並列接続で前記キャパシタを接続することを可能にする切り替え可能なネットワークに接続される、請求項１２に記載の可変キャパシタ。
【請求項１５】
前記第１のキャパシタプレートは、第１の基板上に形成され、前記第２のキャパシタプレートは、第２の基板上に形成され、
前記第１及び前記第２の基板は、前記第１及び前記第２キャパシタプレートの形成後、一体化される、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の可変キャパシタ。
【請求項１６】
前記第１及び前記第２のプレート間のスペースは、周囲から囲まれ、封止されており、前記スペースは、気体、液体又は真空で満たされている、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の可変キャパシタ。
【請求項１７】
少なくとも１つの電極は、少なくとも１つのパターン化された表面を備える、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の可変キャパシタ。
【請求項１８】
少なくとも１つの電極の少なくとも１つのパターン化された表面は、複数の空胴を備える、請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の可変キャパシタ。
【請求項１９】
前記空胴の少なくとも一部は、ピラー、トレンチ、スリット又はホールを形成する、請求項１８に記載の可変キャパシタ。
【請求項２０】
前記アノード電極及び前記カソード電極はそれぞれが電流コレクタを有する、請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の可変キャパシタ。
【請求項２１】
少なくとも１つの前記電流コレクタは、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｔａｎ及びＴｉＮの材料のうちの少なくとも１つでできている、請求項２０に記載の可変キャパシタ。
【請求項２２】
前記基板と少なくとも１つの電極との間に堆積される少なくとも１つの電子導電バリヤ層を更に有し、前記バリヤ層が、前記基板へのセルの活性種の拡散を少なくとも実質的に妨げるように適応される、請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の可変キャパシタ。
【請求項２３】
前記少なくとも１つのバリヤ層は、Ｔａ、Ｔａｎ、Ｔｉ及びＴｉＮの材料のうちの少なくとも１つでできている、請求項２２に記載の可変キャパシタ。
【請求項２４】
前記基板は、Ｓｉ及び／又はＧｅを含む、請求項１乃至２３のいずれか１項に記載の可変キャパシタ。
【請求項２５】
前記基板は、カプトン又は金属箔のような可撓性の材料でできている、請求項１乃至２４のいずれか１項に記載の可変キャパシタ。
【請求項２６】
請求項１乃至２４のいずれか１項に記載の可変キャパシタを少なくとも１つ有する電気装置。
【請求項２７】
第１のキャパシタプレートと、
前記第１のキャパシタプレートから隔てたところに前記第１のキャパシタプレートと実質的に並行に延在する第２のキャパシタプレートと、
を有するソリッドステート可変キャパシタを生成する方法であって、前記第１のキャパシタプレートは、第１のレイヤードソリッドステートバッテリ構造の一方の側に構造的に結合され、前記第１のレイヤードソリッドステートバッテリ構造の、前記プレートに垂直な方向におけるサイズは、前記バッテリの充電状態によって変わり、
前記方法が、
基板上にバッテリカソード電極層を堆積するステップと、
前記バッテリカソード電極層上に固体電解質層を堆積するステップと、
前記固体電解質層上にバッテリアノード電極層を堆積するステップと、
前記バッテリアノード電極層上に誘電層を堆積するステップと、
前記誘電層上に前記第１のキャパシタプレートを堆積するステップと、
前記第２のキャパシタプレートを設けるステップと、
を含む方法。
【請求項２８】
前記方法は、ディープトレンチ構造を有する基板において実行され、前記層スタックの形成後、前記トレンチの底部の前記層スタックを除去するステップを更に含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記トレンチの底部の前記層スタックは、ケミカルメカニカルポリシング又は湿式化学エッチングによって除去される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記第２のキャパシタプレートは、前記アセンブリ上に、固定のキャパシタプレートを有する第２の基板をフリップチップすることによって設けられる、請求項２７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
今日、多くの種類の可能な集積キャパシタが、ＩＣ設計において利用されている。しかしながら、電気回路に依存して、これらのキャパシタの少なくともいくつかは、一定の値でなく、可変であり又は調整可能であることが多くの場合望ましい。今日、ＭＥＭＳ技術に基づいて制御可能なキャパシタが存在する。これらは、空気で間隔をあけた可変キャパシタと顕微鏡学的に等価であり、従来のウェハ製造プロセスを使用してシリコンチップに集積化されることができる。これらの装置において、キャパシタンス値は、例えばビーム／メンブレン構造に直流電圧を印加することによって、連続的に調整されることができる。
【背景技術】
【０００２】
制御可能な又は調整可能なＭＥＭＳキャパシタが広く研究されているが、これらの装置は、崩壊しやすく又は「閉じた」状態にはまり込みやすい自立構造（フリースタンディング）のビーム又はメンブレンを用いる。これは、ビームのアンダーエッチング中の不十分な処理から生じることがあり、又はビーム構造にあまりに高い直流電圧を印加した後に生じることがあり、これは過度の応力及びその後のスティッキング（くっつき、張り付き）をもたらす。概して、ＭＥＭＳ調整可能キャパシタにおける自立構造のパーツは、特定の閾値まで、概してメンブレンの元の間隙のサイズの約７５％まで、ゆがむことができる。それを越える場合、崩壊又はスティッキングが生じて、装置を役立たなくする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
キャパシタンス値の変化は、ＭＥＭＳ設計のジオメトリに依存するが、「低い」及び「高い」キャパシタンス状態の間の比率は、小さいフットプリント、すなわち基板上の使用される表面領域、を有する装置の場合は、かなり小さいという事実によって、常に制限される。例えば、非常に長いビーム及びゆえに大きい表面領域の場合のみ、この比率は、実質的により高くなりうる。
【０００４】
加えて、上述したＭＥＭＳ装置を調整し／切り替えるために、連続的に印加される高い直流電圧が、１０−５０Ｖのオーダーで必要とされる。
【０００５】
オールソリッドステート充電式薄膜リチウムイオン電池の３Ｄ集積化のような新しい概念が、国際公開第２００５／０２７２４５Ａ２号パンフレットに記述されている。概して、これらの電源は、例えば埋め込み可能なセンサ及び自律型装置のような多くのアプリケーションに使用されることができる。しかしながら、本願発明者は、これらのバッテリスタックが、完全に調整可能なキャパシタの生成においても有利に使用されることができることが分かった。
【０００６】
本発明は、ソリッドステートバッテリの厚さが、バッテリにおける支配的な条件によって変化するという認識に基づく。このようなスタックされたソリッドステートバッテリの一方の側が固定され、キャパシタプレートが、その反対側に接続される場合、バッテリの充電条件が変えられると、前記キャパシタプレートが移動し、その結果、キャパシタのキャパシタンス値の変化を生じさせる。第２のキャパシタプレートは、固定されることができ、又はその位置を変えるための同様の構造を有してもよい。従って、ある種の電気化学的に調整可能なキャパシタが、得られる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、第１のキャパシタプレートと、第１のキャパシタプレートと実質的に平行に且つ前記第１のキャパシタプレートから隔てたところに延在する、第２のキャパシタプレートと、を有するソリッドステート可変キャパシタであって、少なくとも第１のキャパシタプレートが、第１のレイヤードソリッドステートバッテリの一方の側に構造的に結合され、前記第１のソリッドステートバッテリの層が、第１のキャパシタプレートと実質的に平行に延在し、第１のソリッドステートバッテリが、前記層の平面に垂直な方向においてそのサイズの変化を受けることができる、ソリッドステート可変キャパシタを提供する。
【０００８】
この新しいキャパシタは、従来技術のような自立構造のパーツを有さず、従って、このようなパーツのスティッキング又は崩壊の問題が、本発明によって回避される。
【０００９】
この文献において開示される電気化学的に調整可能なキャパシタを利用して、広範囲のさまざまなキャパシタンス値が、達成可能である。「低い」及び「高い」キャパシタンス状態の間の最大比率は、非常に高くなりうる。これは、充電／放電時に実質的に膨張し／収縮するスタックを生成するようにバッテリスタック内の化学的性質を変えることによって、達成されることができる。これは、大きな表面領域拡大又はフットプリントをもたらさず、従って、従来技術の一部を形成するような非常に長い自立構造のビームを用いる調整可能なＭＥＭＳキャパシタより、ずっと小さいスペース消費ですむ。
【００１０】
最後に、この明細書に記述される電気化学的に調整可能なキャパシタの切り替えは、１―５Ｖの低い電圧及び低い電流を必要とするだけである。これは、上述した従来技術のＭＥＭＳ構造よりかなり低い。
【００１１】
好適な実施例は、上述の種類の可変キャパシタであって、ソリッドステート可変キャパシタが、基板上に堆積されたバッテリカソード電極層と、バッテリカソード電極層上に堆積された固体電解質層と、固体電解質層上に堆積されたバッテリアノード電極層と、バッテリアノード層上に堆積された誘電層と、誘電層に設けられた第１のキャパシタプレートと、第２のキャパシタプレートと、を有し、電極層のうち少なくとも１つは、その厚さが少なくとも１つの電極内の活性種の密度によって変化する特性を有する、可変キャパシタを提供する。
【００１２】
この実施例は、バッテリスタックの厚さの変化が、その電極層に実質的に帰し、特に、前記電極層内の活性種の濃度に帰するという事実を利用するものであり、よって、電極層の注意深い選択及び設計によって、バッテリスタックの設計を、必要とされるキャパシタ特性にあわせて最適化することを可能にする。本願明細書において、電極層は、この種類のバッテリスタックにおいてしばしば使用される電流コレクタ層を有することが理解されるべきである。しかしながら、電流コレクタのボリュームは、実質的に一定であり、電極自体のボリュームが、活性種の濃度のような支配的な条件の影響下で変化することが明らかであろう。
【００１３】
好適には、このようなキャパシタは、第１のキャパシタプレートと、前記第１のキャパシタプレートから隔てたところに、第１のキャパシタプレートと実質的に平行に延在する第２のキャパシタプレートと、を有するソリッドステート可変キャパシタを生成する方法であって、少なくとも第１のキャパシタプレートが、プレートに垂直な方向においてそのサイズが可変である第１のレイヤードソリッドステートバッテリ構造の一方の側に構造的に結合され、前記方法が、基板を準備するステップと、基板上にバッテリカソード層を堆積するステップと、バッテリカソード層上に固体電解質層を堆積するステップと、固体電解質層上にバッテリアノード層を堆積するステップと、バッテリアノード層上に誘電層を堆積するステップと、誘電層上に第１のキャパシタプレートを堆積するステップと、第２のキャパシタプレートを設けるステップと、を含む方法によって、得られる。この方法は、本発明によるキャパシタの構造を構築する簡素な方法を提供し、ソリッドステートバッテリの製造の分野において一般的な技術が使用される。この方法において更に、電極層の適用が、関連する電流コレクタ層をも含むものと理解されることが明らかであろう。
【００１４】
それぞれ異なる層を通じてバッテリスタックの厚さの要求される変化を得ることが可能であるが、バッテリアノードとして使用されることが好ましい材料が、活性種の濃度の影響下で厚さの最も大きな変化を示すようである。従って、好適な実施例は、第１のソリッドステートバッテリが、アノード電極の厚さが当該アノード内の活性種の濃度によって変化するように選択される材料を含む該アノード電極を有するフィーチャを提供する。しかしながら、バッテリスタックの可変の厚さが、他の層における適当な材料の使用を通じて、他の層単独で又は他の層の同様のフィーチャと組み合わされて得られることは、決して排除されない。更に、電極間の活性種の移動により、一方の電極の膨張は、他方の電極の収縮を伴いうることに注意すべきである。しかしながら、これらの効果の一方が他方より実質的に強い場合、バッテリ層の収縮又は膨張が全体として生じる。
【００１５】
他の好適な実施例は、ソリッドステートバッテリ内の活性種が、リチウム（Ｌｉ）によって形成され、アノードが、シリコン（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、亜鉛（Ｚｎ）又はこれらの金属の合金のグループから選択されるアノード材料を含む、というフィーチャを提供する。結果として得られる組み合わせは、アノード層の厚さの魅力的な変化を生じさせることが分かった。
【００１６】
好適には、本発明によるエネルギー源の少なくとも１つの電極は、少なくとも１つの以下の元素の活性種の蓄積に適応される：水素（Ｈ）、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ナトリウム（Ｎａ）及びカリウム（Ｋ）、又は周期表の１族若しくは２族に割り当てられる任意の他の適切な元素。従って、本発明によるキャパシタは、さまざまなインターカレーションメカニズムに基づくことができ、従って、例えばリチウムイオン電池セル、ＮｉＭＨ電池セル、その他のような、それぞれ異なる種類の（リザーブタイプ）バッテリを有するのに適している。
【００１７】
本発明による構造は、２つの異なる電気回路、すなわちバッテリ回路及びキャパシタ回路、を提供し、バッテリ回路は、キャパシタのキャパシタンス値を制御するために使用される。制御回路をキャパシタ回路から独立させることが魅力的である。このような独立性を提供するために、更に別の好適な実施例は、前記第１のキャパシタプレートと第１のソリッドステートバッテリとの間に誘電層が存在するフィーチャを提供する。この層は、それに接続される電流コレクタ層をしばしば含むバッテリアノードからの、キャパシタ電極の適当な分離を提供する。
【００１８】
好適には、誘電層は、低い比誘電率を有する材料でできている。これは、バッテリ又は制御回路とキャパシタ回路との間に更により良好な分離を提供する。
【００１９】
好適には、誘電材料は、ドープしたＳｉＯ２、多孔性ＳｉＯ２、ポリマー（ＰＶＤＦ、ＰＳ，ＰＥ）又はポリメチルシルセスキオキサンである。
【００２０】
第１の好適な構造的実施例によれば、上記キャパシタ構造は、キャパシタプレート間の距離及びゆえにキャパシタの容量の変化を得るために二重化されることができる。このような二重化された構造は、第２のキャパシタプレートが、第２のソリッドステートレイヤードバッテリの一方の側に構造的に結合され、前記第２のソリッドステートバッテリの層が、第２のキャパシタプレートと実質的に平行に延在し、第２のソリッドステートバッテリが、前記層の平面と垂直な方向においてそのサイズの変化を受けることができる場合、得られる。この請求項によって記述される構造は、２つのバッテリ及び単一のキャパシタを有し、キャパシタのキャパシタンスは、各バッテリの充電状態に依存する。
【００２１】
このような構造的実施例によるキャパシタは、好適には、ディープトレンチ構造を有する基板において実行される方法であって、層スタックの形成後、トレンチの底部の層スタックが除去される方法によって得られる。これは、バッテリの分野において有利であることが分かっている技法である。
【００２２】
トレンチの底部の層スタックの除去は、好適には、ケミカルメカニカルポリシング又は湿式化学エッチングによって実施され、これらの技法は、集積回路の処理において良く知られている技法である。
【００２３】
このような構造の製造は、第１及び第２のバッテリが、第１及び第２のキャパシタプレートの中間面の中心に対してミラーリングされた構造を有する場合、簡素化される。この低減は、対称性の効果によって得られる。従って、方法は、ディープトレンチ構造を有する基板において対称に実行されることが好ましい。
【００２４】
好適には、第１及び第２のバッテリは、別個の制御回路に接続され、キャパシタのキャパシタンスの二重制御の可能性を提供する。一例は、容量の粗制御用にバッテリの一方を使用し、その微調整用に他方のバッテリを使用することである。それに応じて構造の材料及びジオメトリが選択される場合、これは特に魅力的である。
【００２５】
更に別の好適な実施例は、上述の種類の可変キャパシタの複数を含む可変キャパシタであって、前記キャパシタのキャパシタプレートが相互接続される、可変キャパシタを提供することである。これらのフィーチャは、より大きい容量を有するキャパシタを構築することができる。更に、実施例は、キャパシタ構造を別々のユニットに分けることを可能にするので、キャパシタの構造を、基板上の利用可能なスペースに適応させることを可能にする。このフィーチャによって得られることができる更に別の利点は、キャパシタンスが２より多くのバッテリによって独立して制御されることができ、新しい制御の可能性を提供することである。
【００２６】
それぞれ異なるキャパシタプレートのプレート間の相互接続は、第１のキャパシタプレートを第２のキャパシタプレートに接続し、より高いキャパシタンス値を有する単一のキャパシタを提供する可能性を提供する。
【００２７】
しかしながら、切り替え可能なネットワークにキャパシタプレートを接続することも可能であり、それによって直列接続又は並列接続でキャパシタを接続することを可能にする。これは、並列でキャパシタを充電し、直列でそれらを放電することによる電圧増倍回路を製造する可能性を提供する。この回路は、それ自体知られているが、本発明は、それが全体としてソリッドステート回路に組み込まれることを可能にする。
【００２８】
第２の構造的実施例は、第１及び第２のキャパシタプレートが、それぞれ異なる基板上に形成され、基板が、第１及び第２キャパシタプレートの形成後に一体化されるフィーチャを提供する。この実施例は、キャパシタプレートの一方が固定され、他方のプレートがバッテリスタックに接続される状況において、特に効果的である。
【００２９】
構造から独立している特別な実施例は、第１及び第２のプレート間のスペースが、周囲から囲まれ、封止されており、スペースが、気体、液体又は真空で満たされているフィーチャを提供する。これは、他の可能性が、キャパシタのキャパシタンスを設計することを可能にする。流体が使用される場合、例えば可撓性のメンブレンを提供することによって、キャパシタプレートの変更可能な位置により空胴のボリュメトリック変化を可能にする対処がなされなければならない。
【００３０】
本発明による電気化学エネルギー源の一方の、好適には両方の電極をパターン化し又は構造化することによって、３次元の表面領域、ゆえに（複数の）電極のフットプリント当たりの増大された表面領域、及び少なくとも１つの電極と電解質スタックとの間のボリューム当たりの増大された接触面が、得られる。（複数の）接触面のこの増加は、充電状態からのキャパシタンスの依存性の改善された効果につながる。好適には、少なくとも１つの電極の少なくとも１つの表面が、実質的に規則正しくパターン化されることが好ましく、より好適には、適用されるパターンは、特にピラー、トレンチ、スリット又はホールのような１又は複数の空胴を備え、かかる特定の空胴は、比較的正確なやり方で適用されることができる。このように、制御可能なキャパシタの増大される性能は、比較的正確なやり方で予め決定されることもできる。この文脈において、スタックが堆積される基板の表面は、実質的に平坦でありえ、又は（基板をカーブさせ、及び／又はトレンチ、ホール及び／又はピラーを有する基板を提供することによって）パターン化されて、３次元に適応されたキャパシタを生成することを容易にすることができることに注意されたい。この文脈において、スタックが堆積される基板の表面は、実質的に平坦でありえ、又は（基板をカーブさせ、及び／又はトレンチ、ホール及び／又はピラーを有する基板を提供することによって）パターン化されて、３次元に適応されたキャパシタを生成することを容易にすることができることに注意されたい。
【００３１】
好適には、各電極は、電流コレクタを有する。電流コレクタによって、セルは、電子装置に容易に接続されることができる。好適には、電流コレクタは、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｔａｎ及びＴｉＮの材料のうち少なくとも１つでできている。他の種類の電流コレクタ、例えばＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰのような好適にはドープされた半導体材料が、電流コレクタとして働くように適用されることもできる。
【００３２】
キャパシタは、好適には、基板と少なくとも１つの電極との間に堆積される少なくとも１つのバリヤ層を有し、バリヤ層は、前記基板へのセルの活性種の拡散を実質的に妨げるように適応される。このように、基板及び電気化学セルは、化学的に分離され、その結果、電気化学セル及びゆえにキャパシタの性能は、比較的長続きするように維持されることができる。リチウムイオンに基づくセルが適用される場合、バリヤ層は、好適には、Ｔａ、Ｔａｎ、Ｔｉ及びＴｉＮの材料のうちの少なくとも１つでできている。更に、他の適切な材料が、バリヤ層として働くために使用されることができることが明らかでありうる。
【００３３】
好適な実施例において、基板をパターン化するために表面処理を受けるのに理想的に適しており、それにより（複数の）電極のパターン化を容易にしうる基板が、好適には適用される。基板は、より好適には、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔａ及びＰｂの材料のうち少なくとも１つでできている。これらの材料の組み合わせが、（複数の）基板を形成するために使用されてもよい。好適には、ｎ型又はｐ型ドープされたＳｉ又はＧｅが、基板として使用され、又はＳｉＧｅ若しくはＳｉＧｅＣのようなドープされたＳｉ関連の及び／又はＧｅ関連の化合物が使用される。比較的強固な材料に加えて、例えばカプトン箔のような実質的に可撓性の材料が、基板を製造するために使用されることもできる。更に、他の適切な材料が、基板材料として使用されうることが明らかでありうる。
【００３４】
本発明は、当該請求項のいずれかに記載の電気化学エネルギー源を有する電気装置を提供する。このような実施例においても、本発明の有益な効果が、非常によく現れる。
【００３５】
更に別の実施例は、第２のキャパシタプレートが、アセンブリ上に固定のキャパシタプレートを有する第２の基板をフリップチップすることによって提供されるフィーチャを提供し、それにより本発明によるキャパシタを生成する特定の魅力的な方法をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】薄膜トレンチ構造を有するシリコン基板におけるＬｉバッテリの概略斜視図。
【図２】完成したスタックが堆積されている、単一トレンチの構造を有するバッテリを有する発明によるキャパシタの概略斜視図。
【図３】基板を薄くすることによるトレンチの底部の除去後のトレンチの構造の概略斜視図。
【図４ａ】異なる状況における、電気的接続を有する本発明によるキャパシタの構造の概略斜視図。
【図４ｂ】異なる状況における、電気的接続を有する本発明によるキャパシタの構造の概略斜視図。
【図５ａ】堆積プロセス後にチップの上半分をフリップさせた後の、第２の構造的実施例によるキャパシタの構造の概略斜視図。
【図５ｂ】堆積プロセス後にチップの上半分をフリップさせた後の、第２の構造的実施例によるキャパシタの構造の概略斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明は、添付の図面の助けを借りて解明される。
【００３８】
図１は、国際公開第２００５／０２７２４５Ａ２号パンフレットに開示されるオールソリッドステート薄膜バッテリを示している。この従来技術の文献に記述される堆積及び集積化技術を使用して、電気化学的に調整可能なキャパシタを作るために使用されることができるスタックが、製造されることができる。このスタックは、図２に示されている。この図において、基板１における単一トレンチの概略的な表現が、示されている。基板には、トレンチ２が、形成されており、参照符号３によってその全体が示されるバッテリスタックは、前述の従来の方法に従って堆積される。
【００３９】
基板１上に適用されるこのバッテリスタック３は、電流コレクタ層４、カソード層５、ソリッドステート電解質層６及びアノード層７を有する。アノード層７上に、電流コレクタ層８が、堆積される。こうして形成されたバッテリスタック３上に、誘電層９が堆積され、その上に導電層１０が堆積される。導電層１０は、電流コレクタ層８からのキャパシタプレートとして使用される。誘電層９は、電流コレクタ層８から導電層１０を保護し、絶縁する。
【００４０】
製造プロシージャにおける次のステップは、互いに鏡像である２つの別個のスタック３を生成するために、トレンチ２の底部の層スタック３を除去することである。これは、図３に示されている。これを達成する最も簡素な方法は、トレンチ２の底部１１が除去されるまで、例えばケミカルメカニカルポリシング（ＣＭＰ）技法又は湿式化学エッチングを使用して、基板１を薄くすることである。ブラインドトレンチ２を有する基板１を使用する代わりに、バイアトレンチを有する基板が、使用されることができる。いずれの場合においても、図３に示される状況が得られる。トレンチ２の底部１１の除去後、２つの個別のスタック３が残り、各々のスタックが、バッテリスタック３、キャパシタプレート１０、前記キャパシタプレート１０とアノード電流コレクタ層８との間に誘電シールド層９を有することが明らかである。
【００４１】
図４は、バッテリスタック３の充電又は放電が、どのようにキャパシタンス値を変えることができるかを図式的に示している。バッテリスタック３の充電又は放電は、定電流的に又は定電位的に行われることができ、概して、利用されるバッテリ電極材料に依存して、１−５Ｖの低い電圧を必要とする。完成したバッテリスタックは、充電及び放電時にそれぞれ膨張し又は収縮することが知られている。スタックにおいて使用される正確なバッテリ電極材料に依存して、完全なボリューム膨張は、低減されることができ／最小限にされることができる。しかしながら、このボリューム変化は、本発明の目的のために更に利用されることができる。
【００４２】
充電／放電時のバッテリスタックの全体の一軸膨張／収縮が大きいように、バッテリ電極材料が選択される場合、バッテリスタックは、キャパシタプレートの移動可能なキャリアとして使用されることができる。非常に高いボリューム膨張を有する適切なバッテリ電極材料は、主に、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｓｂ又はＢｉのようなアノード材料である。
【００４３】
図４ａ及び図４ｂに示される例において、バッテリスタック３は、充電時に膨張し、放電時に収縮する。この効果は、前記アノード内の活性種の変化する濃度による、アノード７のボリュメトリック膨張によって引き起こされる。本発明の構造において使用される薄膜技術において、このボリュメトリック膨張又は縮小が、電極の厚さの変化を生じさせ、その結果、キャパシタプレートの移動を生じさせる。バッテリが放電した状態にある状況において、キャパシタプレートは、図４ａに示すように、それらの間に大きい間隔を有する。バッテリの充電は、図４ｂに示すように、トレンチ２の両側においてバッテリスタック３の一軸膨張を生じさせ、キャパシタプレート１０を互いにより近づける。キャパシタンス値は、接続ポイント１及び２において測定され、利用されることができる。反対の結果を生じさせるバッテリ電極材料の異なる組み合わせが、選択されることができることに注意すべきである。
【００４４】
この設計において、容量結合が、キャパシタプレート１０とアノード電流コレクタ８との間に存在することに注意すべきである。従って、これらの間の誘電層９が重要である。この容量結合を最小限にするために、この層９は、両方のキャパシタプレート１０間の間隔と比較して、非常に厚くなければならず、低誘電率の材料であるべきである。低い比誘電率をもつ材料は、例えばドープされたＳｉＯ２、多孔性ＳｉＯ２、ポリマー（ＰＶＤＦ、ＰＳ、ＰＥ）、又はポリメチルシルセスキオキサンである。
【００４５】
図２乃至図４には、電気化学的に調整可能なキャパシタへの２つの面の方法が、示されている。この装置において、両方のキャパシタプレート１０が、移動可能である。代替例として、製造又は集積化がより容易である場合、片側の方法が選択されることもできる。このオプションは、図５ａ及び図５ｂに示されている。両方の図は、下側のキャパシタプレート１０が、移動可能であり、上側のキャパシタプレート１３が固定されている、構成を示している。図５ａにおいて、図２―図４と同様のプロセスで生成されることができる構成が示されている。ただし、プラナープロセスによっても非常に良好に生成されることができる。しかしながら、図５ｂに示される設計は、プラナー形態でウェハ１上のフルスタック３を初めに処理し、その後、このアセンブリ上に、固定のキャパシタプレート１３を有する基板１２をフリップチップすることによって、製造されることができる。
【００４６】
加えて、ＭＥＭＳ技術が、開示された調整可能なキャパシタのための空胴を製造するために、効果的に利用されることができる。調整可能なキャパシタが、閉じられ封止された空胴内に製造される場合、空胴自体が、（Ｏ２、Ｎ２、Ａｒのような）気体又は真空で満たされることもできることに注意すべきである。両方のキャパシタプレート間の媒体もまた、得られうるキャパシタンス値を決定するので、このフィーチャは、キャパシタンスのより大きな変化の可能性を提供する。この最後のフィーチャは、図２―図４に開示したような構造を有するキャパシタ及び図５の構造を有するキャパシタの両方に、又は任意の他の適切な構造のキャパシタに適用できることに注意されたい。
【００４７】
本明細書に示される実施例から離れて、本発明は、他の構成にも適用できることに注意すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【国際調査報告】
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