(57)【要約】スーパーキャパシタは、基板と、基板内に一体化された少なくとも２つの多孔性電極と、少なくとも２つの多孔性電極の間に拡がる電解質とを有する。電解質は基板と一体化され、かつ基板内に配置される。少なくとも２つの多孔性電極および電解質はスーパーキャパシタとして電荷を蓄積するように構成される。基板は３方向において最大の寸法を有し、少なくとも２つの電極は基板の最大の寸法内に完全に配置される。スーパーキャパシタは、少なくとも２つの多孔性電極を覆う電流コレクタをさらに備える。
2017536691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板内に一体化された少なくとも２つの多孔性電極と、
前記少なくとも２つの多孔性電極の間に拡がる電解質であって、前記基板と一体化され、かつ前記基板内に存在する、電解質と、を備え
前記少なくとも２つの多孔性電極および電解質はスーパーキャパシタとして電荷を蓄積するように構成されている、スーパーキャパシタ。
【請求項２】
前記基板は３方向において最大の寸法を有し、前記少なくとも２つの電極は前記基板の前記最大の寸法内に完全に配置される、請求項１に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項３】
前記少なくとも２つの多孔性電極を覆う電流コレクタをさらに備える、請求項１に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項４】
前記少なくとも２つの多孔性電極は、互いに離間しかつほぼ並行である、請求項１に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項５】
前記基板は、シリコンを含む、請求項１に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項６】
前記少なくとも２つの多孔性電極および電解質は、前記基板内に非直線の経路を形成する、請求項１に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項７】
前記少なくとも２つの多孔性電極および電解質は、前記基板内に曲がりくねった経路を形成する、請求項６に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項８】
前記基板の上および／または中に形成されたＭＥＭＳ構造を備え、前記ＭＥＭＳ構造は前記少なくとも２つの多孔性電極に電気的に接続され、前記少なくとも２つの多孔性電極および電解質は前記ＭＥＭＳ構造から離間している、請求項１に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項９】
前記少なくとも２つの多孔性電極は、グラフェンを含む、請求項１に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項１０】
前記基板の上および／または中に形成された能動回路をさらに備え、前記能動回路は前記少なくとも２つの多孔性電極と電気的に接続されている、請求項１に記載のスーパーキャパシタ。
【請求項１１】
基板と、
前記基板内に一体化された少なくとも２つの電極と、
前記少なくとも２つの電極の間に拡がる電解質であって、前記基板と一体化され、かつ前記基板内に存在する、電解質と、を備え
前記少なくとも２つの電極および電解質は、電荷を蓄積するように構成されている、エネルギー蓄積デバイス。
【請求項１２】
前記少なくとも２つの電極および電解質は、バッテリとして電荷を蓄積するように構成されている、請求項１１に記載のエネルギー蓄積デバイス。
【請求項１３】
前記基板は、シリコンを含む、請求項１１に記載のエネルギー蓄積デバイス。
【請求項１４】
前記少なくとも２つの電極および電解質は、前記基板内に非直線の経路を形成する、請求項１１に記載のエネルギー蓄積デバイス。
【請求項１５】
前記電極のうちの１つと前記電解質との間に分離器をさらに備える、請求項１１に記載のエネルギー蓄積デバイス。
【請求項１６】
前記基板の上および／または中にＭＥＭＳデバイスおよび能動回路の一方または両方をさらに備える、請求項１１に記載のエネルギー蓄積デバイス。
【請求項１７】
スーパーキャパシタを形成する方法であって、
当初の外面を有する基板を提供することと、
前記基板内に少なくとも２つの多孔性電極であって、前記基板の前記当初の外面を実質的に超えて拡がらないように形成される、少なくとも２つの多孔性電極を形成することと、
電解質を収容する電解質領域であって、前記少なくとも２つの電極の間に存在する、電解質領域を形成することと、
前記電解質領域に電解質であって、前記基板の前記当初の外面を実質的に超えて拡がらないように形成される、電解質を加えることと、
少なくとも２つの電流コレクタを形成することであって、各電極が前記電流コレクタの１つと電気的に導通する、形成することと、を含む、方法。
【請求項１８】
電解質領域を形成することは、
前記少なくとも２つの電極の間に複数の壁を形成することと、
前記壁を酸化することと、
前記酸化された壁を除去して、前記少なくとも２つの電極の間に開口した空洞を形成することと、を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
２つの多孔性電極を形成することは、前記基板内に第１の井戸および第２の井戸を形成することを含み、前記第１および第２の井戸が互いに離間しかつほぼ並行であり、前記第１および第２の井戸が非直線である、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
電解質を加えることは、
前記電解質領域に液体状の電解質を加えることと、
前記液体状の電解質に真空浸透を適用することと、を含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にはスーパーキャパシタに関し、特に、小型形状のスーパーキャパシタの形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯型電子デバイスの形状は縮小し続けているけれども、それらのエネルギーの要件は往々にして同じ程度には減少していない。例えば、次世代のＭＥＭＳ加速度計は、前の世代のＭＥＭＳ加速度計より体積が１０パーセント小さくなる場合があるが、電力の要件は５パーセントしか少なくなっていない。その場合において、ＭＥＭＳチップの多くはエネルギー蓄積のために使用され得る。残念ながら、この傾向は、そのような電子デバイスの小型軽量化および適用可能性を制限するおそれがある。
【０００３】
技術は、（例えば、「マイクロスーパーキャパシタ」としても知られている）チップレベルのスーパーキャパシタを開発することによってこの問題に対応してきた。それらは、従来のキャパシタよりも非常に大きな容量を持っている。特に、従来のキャパシタおよびバッテリと比較した場合、スーパーキャパシタは一般的により高い電力密度、より短い充電および放電時間、より長い寿命、ならびにより速いスイッチング能力を持っている。
【０００４】
スーパーキャパシタは、それの高い容量にもかかわらず、なおも（例えば、パッケージのために）それらの高さや形状が往々にしてかなり大きいという制限をさらに有し、かつ、チップ上にスーパーキャパシタを収容して形成するための有効な面積が往々にして不足している。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの実施形態において、スーパーキャパシタは、基板と、基板内に一体化された少なくとも２つの多孔性電極と、少なくとも２つの多孔性電極の間に拡がる電解質とを有する。電解質は基板と一体化されて、基板内に配置されている。少なくとも２つの多孔性電極および電解質は、スーパーキャパシタとして電荷を蓄積するように構成されている。
【０００６】
基板は、３つの方向（例えば、直角座標内でＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向）において最大の寸法を有する。少なくとも２つの電極は、基板の最大の寸法内に完全に配置されることが望ましい。スーパーキャパシタはまた、少なくとも２つの多孔性電極を覆う電流コレクタを有してもよい。
【０００７】
なお、スーパーキャパシタを形成する場合、基板は追加の構成要素を有してもよい。例えば、装置は、基板の上および／または基板の中に形成されたＭＥＭＳ構造を有してもよい。その場合において、ＭＥＭＳ構造は少なくとも２つの多孔性電極と必要に応じて電気的に接続され、少なくとも２つの多孔性電極および電解質はＭＥＭＳ構造から物理的に離間している。しかしながら、いくつかの実施形態は、ＭＥＭＳ構造をスーパーキャパシタに電気的に接続しなくてもよい。別の実施形態のように、装置はまた、基板の上および／または基板の中に形成された能動回路を有してもよい。能動回路は、少なくとも２つの多孔性電極と必要に応じて電気的に接続されてもよい。
【０００８】
少なくとも２つの多孔性電極は、互いに離間しかつほぼ並行であることが望ましい。当業者は、スーパーキャパシタの様々な構成要素のために適切な材料を選択することが望ましい。例えば、基板は、シリコン（例えば、シリコンウエハからの単結晶シリコン）を含んでもよく、および／または少なくとも２つの多孔性電極はグラフェンを含んでもよい。
【０００９】
少なくとも２つの多孔性電極および電解質は、基板内で非直線の経路を形成してもよい。このことは基板の体積や面積のさらに最適な使用を可能にするので、多くの直線実装よりも高い容量を可能にする。例えば、少なくとも２つの多孔性電極および電解質は、基板内で曲がりくねった経路を形成してもよい。
【００１０】
別の実施形態において、エネルギー蓄積デバイスは、基板、基板内に一体化された少なくとも２つの電極、および少なくとも２つの電極の間に拡がる電解質を有する。電解質は、基板と一体化されて基板内に配置される。少なくとも２つの電極および電解質は、（例えば、バッテリまたはスーパーキャパシタとして）電荷を蓄積するように構成される。
【００１１】
他の実施形態において、スーパーキャパシタを形成する方法は、当初の外面を有する（すなわち、著しくエッチングされる前のまたは溝が形成される前の）基板を提供し、次に基板内に少なくとも２つの多孔性電極を形成する。方法はまた、少なくとも２つの電極の間に、電解質を収容するための電解質領域を形成し、次に電解質領域に電解質を加える。この場合において、電極および電解質は、基板の当初の外面を超えて拡がらないように形成されることが望ましい。方法はさらに、少なくとも２つの電流コレクタを形成して、その結果、各電極を電流コレクタの１つと電気的に導通させる。
【００１２】
当業者は、このすぐ後の要約された図面を参照して検討することで、次の「例示的な実施形態の説明」から本発明の様々な実施形態の利点をより十分に理解するはずである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の例示的な実施形態によって構成されたスーパーキャパシタの斜視図を概略的に示している。
【図１Ｂ】図１Ｂは、スーパーキャパシタの内部構成要素をより良く示すための透視として示された多くの基板壁を有する図１Ａのスーパーキャパシタを概略的に示している。
【図２】図２は、本発明の例示的な実施形態における図１Ａのスーパーキャパシタを形成するプロセスを示している。
【図３Ａ】図３Ａ〜３Ｃは、図２のプロセスのステップ２０２におけるスーパーキャパシタの異なる視点を概略的に示している。図３Ａおよび４〜８における周囲のシリコンは、内部構造を良く見せるために省略されている。周囲の酸化物は、デバイスの酸化部分を良く見せるために誇張された形状で示されている。
【図３Ｂ】図３Ａ〜３Ｃは、図２のプロセスのステップ２０２におけるスーパーキャパシタの異なる視点を概略的に示している。図３Ａおよび４〜８における周囲のシリコンは、内部構造を良く見せるために省略されている。周囲の酸化物は、デバイスの酸化部分を良く見せるために誇張された形状で示されている。
【図３Ｃ】図３Ａ〜３Ｃは、図２のプロセスのステップ２０２におけるスーパーキャパシタの異なる視点を概略的に示している。図３Ａおよび４〜８における周囲のシリコンは、内部構造を良く見せるために省略されている。周囲の酸化物は、デバイスの酸化部分を良く見せるために誇張された形状で示されている。
【図４】図４は、図２のステップ２０４におけるスーパーキャパシタの一部を概略的に示している。
【図５Ａ】図５Ａ〜５Ｂは、図２のステップ２０６におけるスーパーキャパシタの一部を概略的に示している。
【図５Ｂ】図５Ａ〜５Ｂは、図２のステップ２０６におけるスーパーキャパシタの一部を概略的に示している。
【図６】図６は、図２のステップ２０８におけるスーパーキャパシタの一部を概略的に示している。
【図７】図７は、図２のステップ２１０におけるスーパーキャパシタの一部を概略的に示している。
【図８】図８は、図２のステップ２１２におけるスーパーキャパシタの一部を概略的に示している。
【図９】図９は、電極および電解質が非直線的な構成、この実施例では曲がりくねった形状を有するスーパーキャパシタの実施形態を概略的に示している。
【図１０】図１０は、同一のチップすなわち基板上の回路および／またはＭＥＭＳデバイスを有するスーパーキャパシタの実施形態を概略的に示している。
【発明の詳細な説明】
【００１４】
例示的な実施形態において、スーパーキャパシタは最小限の形状で構成されているので、プリント回路基板などのより大きなシステムにおいてスーパーキャパシタが必要とする垂直の現実の占有量を削減する。これらの目的のために、スーパーキャパシタは、その基板（例えば、シリコンチップ）の外側の境界を超えて拡がることのない少なくとも２つの電極および電解質を有する。実際には、スーパーキャパシタを形成せずに、同じ構造がバッテリまたは他の電荷蓄積デバイスの基礎として使用するに十分な汎用性がある。例示的な実施形態について以下詳細に説明する。
【００１５】
図１Ａは、本発明の例示的な実施形態において構成されたマイクロスーパーキャパシタ（以下、「スーパーキャパシタ１０」）の斜視図を概略的に示している。図１Ｂは、同じスーパーキャパシタ１０を概略的に示しているが、その内部構成要素のいくつかを明確に示すために透明化されたその支持構造の多くを有する。特に、図１Ａおよび１Ｂのスーパーキャパシタ１０は、電解質材料（「電解質１６」）の各側面に一対の電極１４を有する基板１２を備える単一のチップレベルのデバイスである。他のスーパーキャパシタと同様に、電極１４および電解質１６は協働して上記の電荷を蓄積する容量を有する。
【００１６】
スーパーキャパシタ１０はまた、電極１４における電荷を収集する電流コレクタ１８の層を有し、電流コレクタ１８の上部を覆って形成された薄い不活性化体のパッケージ材料２０の層を有する。各電流コレクタ１８は、その露出された１つ以上の表面上のパッド２２と電気的に接続されてもよく、デバイスの外部の電子構成要素との電気的導通を可能にする。
【００１７】
上記したように、電極１４および電解質１６は基板１２の中において一体化され、それらは基板１２の外部に拡がらないように基板１２の中に埋め込まれることが望ましい。言い換えれば、基板１２は、直角座標システムの３つの寸法において最大の寸法を有し、電極１４および電解質１６はそれらの寸法内に存在する。例えば、図１Ａのスーパーキャパシタ１０の基板１２は、Ｘ方向にＤ１、Ｙ方向にＤ２、およびＺ方向にＤ３の長さを持っている。その場合において、電極１４および電解質１６の各々は、それぞれの寸法においてＤ１、Ｄ２、およびＤ３の任意の１つとほぼ同一またはそれより小さい寸法であるＸ、Ｙ、およびＺの寸法を有し、すべての３つの寸法Ｄ１、Ｄ２、およびＤ３と同一またはそれらより小さいことが望ましい。図１Ｂの視点は、この関係をより明確に示している。しかしながら、代替のいくつかの実施形態では、電極１４および電解質１６の一部がそれらの上記した境界の１つ以上を超えて拡がることを可能にしてもよい。
【００１８】
同様の方法において、不活性体２０、電流コレクタ１８およびパッド２２もまた、基板１２の外に一括してではあるが明確に分かるほどではなく拡がって形成されてもよく、その代わりに、それらの構成要素は基板１２の内部に一体化されるかまたは基板１２の上にせいぜい無視できる程度に拡がってもよい。とりわけ、パッド２２は、表面実装かまたは従来の線接続で接続できることが望ましい。したがって、その場合に、スーパーキャパシタ１０の形状は基板１２の形状をそれと分かるほど超えるべきではない。しかしながら、他の実施形態において、電流コレクタ１８、不活性体２０、および／またはパッド２２は、基板１２の厚さを超える薄いが顕著な追加の厚さを加える。上記実施例を用いた場合には、電流コレクタ１８、不活性体２０、および／またはパッド２２によってスーパーキャパシタ構造全体がＤ１、Ｄ２、および／またはＤ３をある程度超えてもよい。そのような実施形態は、それらの境界を超えて大きく拡がらないことが望ましく、このため関連する寸法に実質的に余分な量（例えば、２ないし５パーセントの拡張）を追加するだけである。しかしながら、他のそのような実施形態は、寸法の１つに実質的に追加してもよい。
【００１９】
電極１４は、スーパーキャパシタの技術分野において知られている従来の材料、好ましくは多孔性の個体材料から形成されてもよい。例えば、詳細については後述するが、電極１４はグラフェンから形成されてもよく、それは曲がりくねった内面および外面を持つ多孔性の材料であることが知られている。実際のところ、電解質１６に露出されている電極１４のすべての表面はしたがって、周知の式で表されるキャパシタンスプレートの表面領域の一部と考えられてもよい：
Ｃ＝ε＊（Ａ／Ｄ）（式１）、
式中、
Ｃは容量であり、
εは定数であり、
Ａは面積であり、
Ｄは距離である。
【００２０】
事実、当業者は、ほんの少し例を挙げれば、活性炭素、炭素エアロゲル、またはカーボンナノチューブなどの他の材料を使用して、電極１４を形成することができる。したがって、グラフェンの検討は例示にすぎず、本発明の様々な他の実施形態を制限するものではない。
【００２１】
同様の方法において、電解質１６は、従来のキャパシタ（すなわち、スーパーキャパシタでないもの、典型的にはイオン材料でなく誘電性材料を有する異なるデバイス）には存在しないものであり、幅広い様々な他の対応する材料のいずれからも形成することができる。例えば、電解質１６は、塩化ナトリウムなどの水溶性の塩、または塩の中に吸収されたポリビニルアルコールのポリなどのゲルから形成されることが可能である。いくつかの実施形態はイオン化液体を使用してもよく、その中では、イオンは室温では液体状態である。必ずしも水溶性である必要はないが、そのような電解質１６は、それらのイオンのかなり自由な動きのために極めて導電性であることが知られている。発明者らは、電解質１６がかなり高いエネルギー蓄積能力を持つスーパーキャパシタ１０を生産するはずであり、何故なら、キャパシタのエネルギー蓄積が電圧の二乗の関数であることが当業者によって知られているからである。
【００２２】
上記したように、電解質１６は、電極１４の内面および外面の両方とほぼ一体化されることが望ましい。とりわけ、内面は、電極１４内で曲がりくねった内部通路および孔によって形成されてもよい。外面は、単に電極の外部から見えるそれらの表面であればよい。このため電解質１６および上記の電極表面は、エネルギーを蓄積するインターフェースを形成すると考えられる。
【００２３】
電極材料にもよるが、電子は電極１４の内である程度自由に流れることができる。例えば、電子はグラフェン内を流れることができる。しかしながら、電解質１６は絶縁体として作用するので、電極１４からの電子を導通させない。対応する方法において、電解質１６内のイオンは、電極１４を有するインターフェースにまである程度自由に移動することができる。電極１４内の電子と同様に、電解質１６内のイオンはそのインターフェースを介しては移動しない。
【００２４】
電界がかけられた場合には、電解質１６内のイオンは移動して電界に一直線に揃う。このことによって、電極１４内の電子および正孔が対応する方法で移動して有効にエネルギーを蓄積する。例えば、上記した電界の中では、電解質１６内の正イオンは第１の電極表面（例えば、図１Ｂの左の電極１４の右側の表面）に向かって移動してもよく、電解質１６内の負イオンは第２の電極（例えば、図１Ｂの右の電極１４の左側の電極）に向かって移動してもよい。その場合、第１の電極表面付近の正イオンは、（電極１４内の）電子をそのインターフェースの方向に引き寄せる。一方、第２の電極表面付近の負イオンは、（電極１４内の）正孔をそのインターフェースの方向に引き寄せる。インターフェースまでのイオンの距離と（そのインターフェースとは反対側の）同じインターフェースまでの電子または正孔の距離との和は、上記の式１の距離「ｄ」を表す。
【００２５】
グラフェンは電極材料として有効であるが、最適な導電性の性質を依然として持ってはいない。したがって、例示の実施形態もまた、基板１２の上またはその一部として上記の電流コレクタ１８およびパッド２２を形成して、電極１４に対して外部アクセスを実現する。とりわけ、電流コレクタ１８は、金などの高い導電性の金属、または多結晶シリコンなどの不純物が高く注入された半導体から形成されることがある。当業者は、この目的のために他の材料を選択することができる。
【００２６】
図２は、本発明の例示的な実施形態において図１Ａおよび１Ｂのスーパーキャパシタ１０を製造するプロセスを示し、任意の様々な技術の１つとして微細加工のプロセスを使用する。当業者は、印刷などの他の生産技術を使用してもよい。したがって、微細加工の検討は様々な実施形態を制限するものではない。
【００２７】
このプロセスは、スーパーキャパシタ１０を形成するために普通に使用される長いプロセスを実質的に簡略化していることに留意されたい。したがって、スーパーキャパシタ１０を形成するプロセスは、試験ステップ、エッチングステップ、または追加の不活性化ステップなどの多くのステップを含み、当業者はそれらのステップを同様に使用するであろう。なお、いくつかのステップは、示された順序とは異なる順序で、または同時に実行されてもよい。したがって、当業者は適宜そのプロセスを変更することができる。さらに、上および下で指摘されるように、記載された多くの材料および構造は、使用される広範で様々な異なる材料および構造の１つにすぎない。当業者は、応用および他の制約にしたがって適切な材料および構造を選択することができる。したがって、特定の材料および構成の検討は、すべての実施形態を制限するものではない。
【００２８】
図２のプロセスはバルクの微細加工技術を使用することが望ましく、その技術は同じウエハすなわち基板上に同時に複数のスーパーキャパシタ１０を形成する。はるかに効率的ではないが、当業者は１つだけのスーパーキャパシタ１０を形成するプロセスにこれらの原理を適用することができる。
【００２９】
図２のプロセスはステップ２００で始まり、そこでは微細加工プロセスがチップである基板１２（すなわち、バルクのプロセスでは、この説明におけるチップ１２は、当業者の認識が最終的には単一のデバイスを形成するウエハの一部である）の中に複数の溝２４および井戸２６を形成する。溝２４および井戸２６の形成において、プロセスはチップ１２内の開口空間を画定する複数の壁を効率的に形成する。また特に、２つの井戸２６の間の領域２８は、後で説明するように、後のステップにおいて十分に酸化されて電解質１６を収容するより大きな開口を形成する複数の薄い壁を有することが望ましい。
【００３０】
この段階では、チップ１２は、溝２４および井戸２６を形成する前の当初の外面を有すると考えられる。上記したように、完成された製品の電極１４および／または電解質１６は、この当初の表面を超えて拡がらないことが望ましい。しかしながら、他の実施形態は、溝２４および井戸２６を形成し、次にチップ１２に変更を加え、その当初の外面を除去してもよい。例えば、それらの実施形態は、溝２４および井戸２６を形成し、次にチップ１２の上部層を除去してもよい。この場合において、新たな外面は、「当初の外面」であると考えられてもよい。特に、スーパーキャパシタ１０を有するチップ１２が形成された場合、電極１４および／または電解質の高さ、寸法がそれに対して比較される表面は、プロセスの開始時にそれが存在したか否かに関係なく、当初の外面であると考えられてもよい。
【００３１】
チップ１２は、シリコン、絶縁体上のシリコン（「ＳＯＩ」）、ポリメタクリル酸メチル（「ＰＭＭＡ」）、ポリジメチルシロキサン（「ＰＤＭＳ」）、または他の剛性もしくは柔軟性の材料などの、任意の様々な材料から形成されてもよい。例示的な実施形態は、バルクシリコンウエハを使用する。こういった意味では、井戸２６は最終的には電極１４を含むことになる。一方、溝２４は、それらの壁が参加された場合には、最終的に合成して電解質１６を含むことになる。図３Ａは、チップ１２の一部に含まれる井戸２６および溝２４を概略的に示している。この図および関連する図面は、（説明を簡単にするために）酸化された部分２７、井戸２６、溝２４、電極１４、電解質１６などだけを示しているが、それらはチップ１２を示している訳ではない。
【００３２】
また特に、プロセスは溝２４を酸化しかつシールする（ステップ２０２）。その目的のために、微細加工のプロセスは、チップ１２全体を十分に熱的に酸化してもよいので、その結果、酸化シリコンは露出されたすべての表面上に均一に成長することができる。酸化シリコンは、一般的には、符号２７によって図中に画定される。図３Ｂおよび３Ｃは、酸化プロセスを水平方向における断面図によってよりいっそう詳細に示している。特に、図３Ｂに示されているように、その中でも、酸化物２７は、最初は、チップ１２のほぼ中間領域２８における溝２４の内部の壁（すなわち、井戸２６の間）に成長する。したがって、そのプロセスのこの時点では、基板材料である壁（すなわち、この実施例ではシリコン）は、溝２４を互いに分離し、かつ井戸２６から分離する。
【００３３】
図３Ｃは、そのプロセスの後の時点における酸化プロセスを示している。そこに示されているように、中間領域２８における酸化シリコン２７は、溝２４の間のシリコンである壁を完全に酸化する。なお、酸化シリコン２７は、溝２４および井戸２６の間のシリコンである壁を完全に酸化する。したがって、この時点では、酸化シリコン２７のみが２つの井戸２６の間に配置される。
【００３４】
しかしながら、例示的な実施形態では、井戸２６の間のシリコンを酸化するに必要な時間よりも長く、酸化シリコン２７がチップ内のシリコンの酸化を継続してもよい。例えば、井戸２６の間のシリコンを酸化するのに３０分かかる場合であっても、熱酸化プロセスはさらに３時間の間、井戸２６の周囲のシリコン、すなわち、井戸２６の隣および下のシリコンの酸化を継続してもよい。図３Ａは、井戸２６、溝２４、およびそれらの領域の各々の周囲の酸化されたチップ部分を概略的に示している。図３Ａは、シリコンチップ１２の残りを示しておらず、その残りは示された酸化領域を超えて拡がる。
【００３５】
熱酸化プロセスが完了した後も、溝２４はまだ存在しているので、チップ１２の中間に空間を形成する。処理を容易にするために、ステップ２０２は、浅い酸化物の酸化物堆積（例えば、プラズマ強化化学気相成長、ＰＥＣＶＤ）によって終了してもよい。溝２４においては、酸化物が溝の内部に入る前に、それらの狭い空隙の開口を酸化物が急速にシールする。その結果、ほとんどの溝空間は空間を残す。これと反対に、井戸２６においては、それらの開口がかなり大きいので、この酸化ステップは井戸をシールせず、このため井戸は開口したままである。
【００３６】
プロセスはステップ２０４に移行し、電極１４を形成する。その目的のために、従来の微細加工のプロセスは、グラフェン懸濁液などの電極材料で２つの井戸２６を充填してもよい。例示的な実施形態では、グラフェン懸濁液が自然乾燥できるので、電極ブロックを形成する。上記したように、電極１４は、チップ１２の形状を超えて拡がらないことが望ましい。図４は、プロセスのこの段階におけるデバイスを概略的に示している。代替の実施形態は、井戸２６の中に予め作られたグラフェンブロックを組み立てることなどによる他の技術を用いて電極１４を形成してもよい。
【００３７】
ここで、電極１４がチップ１２の中で一体化されると、プロセスは電極１４の間に電解質１６の形成を開始する。この目的のために、ステップ２０６は、チップ１２から中間の酸化物２７を除去して開口した空洞を形成する。特に、図５Ａに示されるように、プロセスはまずチップ１２の上部表面の上にフォトレジストマスク２９を形成して、電極１４の両方を覆うが、中間の酸化物２７は露出させる。次に、図５Ｂに示されるように、このステップは、マスク２９における開口を通して時限エッチングを行い、中間領域における酸化シリコン２７のほとんどまたはすべてを完全に除去することが望ましい。しかしながら、このステップは、その領域の外側の酸化物２７を除去しないことが望ましい。
【００３８】
したがって、ステップ２０６は、電解質１６を収容する上記の開口した空洞を形成することによって終了する。いくつかの実施形態は、開口した空洞の壁に分離器（図示せず）をオプションとして形成してもよく、できれば空洞内の電極１４の横壁に形成することが望ましい。例示的な実施形態において、分離器はイオン浸透性ポリマーで形成される。したがって、プロセスはステップ２０８に移行して、その開口した空洞に電解質１６を加える。図６に示されるように、電解質１６はマスク２９の開口部を通って加えられることが望ましい。例示的な実施形態では、真空浸透を用いて電解質１６が電極１４とより一体化され、次に電解質１６がゲルの中で硬化できる。また、上記したように、他の電解質が使用されてもよく、したがって、その特定のタイプの電解質は、説明の目的のために検討されるにすぎない。
【００３９】
ステップ２１０は、チップ１２の上部表面の上に電流コレクタ１８およびパッド２２を加える（図７）。この目的のために、例示的な実施形態は図６に示されたマスク２９を除去して、その位置におけるチップ１２の上部にわたって新たなマスク２７を形成する。しかしながら、この時点では、マスクは電極１４を露出させ、かつ上部表面の残りを覆う。次に、このステップは、金などの導電性の金属を堆積して、電流コレクタ１８およびパッド２２を形成する。図に示されるように、電流コレクタ１８およびパッド２２は、電気的に接続されることが望ましい。この場合において、電流コレクタ１８およびパッド２２は、実質的に材料の単一の層で形成される。
【００４０】
プロセスはステップ２１２で終了するが、そのステップは上部表面を不活性化し、スーパーキャパシタ１０の上部表面全体のほとんどを効果的に電気的に絶縁する。例示的な実施形態では、この不活性化ステップは、パッド２２を除く上部表面の上にスーパーキャパシタ１０の主要部分のすべての部分を覆う。したがって、とりわけ、不活性部２０は、電解質１６および電流コレクタ１８の両方を絶縁する。例示的な実施形態では、このステップは酸化シリコンを用いて上部表面を不活性化する。何人かの当業者は、現場でパッケージを形成するときにこのステップを参照してもよい。このステップを完了した後、従来のプロセスは、ウエハのダイシングすなわち切断処理、試験処理、その他などのさらなるステップを実行してもよい。
【００４１】
したがって、発明者らは、微細加工技術が単一の基板１２すなわちチップ１２の内側の中でほぼ完全にスーパーキャパシタ１０を有効に形成できることを発見した。しかしながら、すべての実施形態をスーパーキャパシタ１０に限定するのではなく、発明者らは、すべての実施形態がバッテリとして動作する例示的な実施形態に拡張できる可能性をさらに発見する。したがって、いくつかの実施形態は、同じ構造を実質的に有するバッテリに関する。
【００４２】
事実、様々な実施形態は、曲がりくねった方法でチップ１２の内部にスーパーキャパシタ１０を形成し、長さを拡張し、その結果、スーパーキャパシタ１０を構成する面積を拡張する。図９は、そのような設計の１つの実施例を概略的に示し、そこでは電極１４および電解質１６が直線にはなっていない。その代わりに、それらはチップ１２の内部で曲がってもまたは方向転換をしてもよい。図９は、曲がりくねった形状の実施例を示し、そこでは電極１４は互いに離間しかつほぼ平行である。実際は、当業者は、他の形状および配置を用いて同じ結果を実現できる。
【００４３】
いくつかの実施形態は、他の構成要素なしに、簡潔にチップ１２上にスーパーキャパシタ１０を有する。しかしながら、他の実施形態は、スーパーキャパシタ１０を有する同じチップ１２の中に一体化された他の回路および構成要素を含めてもよい。例えば、図１０は、チップ１２が付随的なＭＥＭＳ構造を持つＭＥＭＳデバイス３０およびスーパーキャパシタ１０を有する１つの実施形態を示している。ＭＥＭＳデバイス３０は、この技術分野で知られている任意の様々なＭＥＭＳデバイスを実装するように構成されてもよい。例えば、ＭＥＭＳデバイス３０は、ジャイロスコープ、加速度計、マイクロホン、圧力センサ、温度センサ、化学センサ、共振器、アクチュエータなどを実装してもよい。
【００４４】
この場合において、ＭＥＭＳデバイス３０のＭＥＭＳ構造はスーパーキャパシタ１０によって囲まれている。もちろん、図１０は、ＭＥＭＳ構造およびスーパーキャパシタの両方を有するチップ１２の多くの実装の中の１つの実施例にすぎない。例えば、ＭＥＭＳ構造は、チップ１２上のスーパーキャパシタの半径方向外側に存在し得る。あるいは、ＭＥＭＳ構成およびスーパーキャパシタ１０は、チップ１２の反対側に存在するか、またはランダムに配列され得る。いくつかの実施形態は、ＭＥＭＳ構造の有無にかかわらず、同じチップ１２上に多数のスーパーキャパシタ１０を有してもよい。
【００４５】
図１０における実装はまた、単一のチップ１２上のスーパーキャパシタ１０（または、バッテリ）と協働する能動回路および／または受動回路３２を含むことができる。したがって、そのようなチップ１２は、１つ以上のＭＥＭＳデバイス３０、回路３２、および１つ以上のスーパーキャパシタ１０を有する可能性がある。しかしながら、いくつかの実施形態は、１つ以上のスーパーキャパシタ１０に加えて（能動および／または受動）回路３２を単に有してもよい。そのような実施形態では、回路３２はスーパーキャパシタ１０からある程度の電力を引き出し得る。
【００４６】
発明者らは、それらがさらなる実装を想定することに気づいている。例えば、スーパーキャパシタ１０が２つの電極１４および１つの電解質１６を有するのでなく、いくつかの実施形態は、電極１４および電解質１６のもっと多くの層を交互に有してもよい。そのような実装は、２つの電解質１６を持つ３つの電極１４（すなわち、電極、電解質、電極、電解質、電極の順序のもの）、１０個の電極１４および９個の電解質１６（類似の構造であるが、より多くの電極、電解質を有するもの）などを有してもよい。この積層配列は、スーパーキャパシタ１０の電荷蓄積能力を強化することができる。
【００４７】
上記の検討は本発明の様々な模範の実施形態を開示しているが、当業者は、本発明の真の範囲から逸脱することなく、本発明のいくつかの利点を達成するような様々な変形を行い得ることは明らかである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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