(57)【要約】  本発明は一般に、連続表面化学の分野に関する。より具体的には、本発明は、１つまたは複数の材料を表面に堆積させるために原子層堆積法（「ＡＬＤ」）を使用する製品および製品を製造するための方法に関する。ＡＬＤは、少ない分子層で高品質な、欠陥のない膜堆積の能力を有する。本発明は、さまざまな実施形態で、ＡＬＤによってバッテリー、キャパシタおよび電気化学キャパシタなどの電気部品を製造する方法、ならびにそれらの方法によって製造される製品を含む。
2012517717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気部品を製造する方法において、
複数の細孔をその中に有する足場を提供するステップであって、前記複数の細孔は、少なくとも２つの重ならない面で、前記足場の第１の面で、および前記足場の第２の面で終わり、前記複数の細孔の少なくとも１つの細孔は、前記足場の前記第１の面から前記足場の前記第２の面まで前記足場を横断する、ステップと、
前記複数の細孔の内面へ共形的にを含めて前記足場の表面に第１の導体層を堆積させるステップと、
前記複数の細孔の内面へ共形的にを含めて前記第１の導体層に１つまたは複数の材料層を堆積させるステップと、
前記複数の細孔の内面へ共形的にを含めて前記１つまたは複数の材料層に第２の導体層を堆積させるステップと、
前記足場の前記第１の面で前記足場の第１の表面に第１の電気接触領域を設けるステップと、
前記足場の前記第２の面で前記足場の第２の表面に第２の電気接触領域を設けるステップとを含む方法。
【請求項２】
少なくとも１つの堆積ステップを、原子層堆積法（ＡＬＤ）によって遂行する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記足場は、焼結金属材料を含み、前記複数の細孔の少なくとも２つの細孔は、互いに交差する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記複数の細孔は、全体的に直線状であり、前記足場の前記第１の面は、前記細孔の第１の端部が終わる前記足場の領域であり、前記足場の前記第２の面は、前記細孔の第２の端部が終わる前記足場の領域である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
絶縁体を取り付けるステップをさらに含み、前記第１の電気接触領域は、前記絶縁体によって前記第２の電気接触領域から分離される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
第１の端子を前記第１の電気接触領域に付着させるステップと、
第２の端子を前記第２の電気接触領域に付着させるステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の電気接触領域上で前記足場を支持するキャリアを提供するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記１つまたは複数の材料層は、誘電体層である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法によって製造されたキャパシタ。
【請求項１０】
前記１つまたは複数の材料層は、カソード、固体電解質およびアノードの層である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法によって製造されたバッテリー。
【請求項１２】
請求項１０に記載の方法によって製造された電気化学キャパシタ。
【請求項１３】
複数の細孔をその中に有する有孔足場であって、前記細孔は、少なくとも２つの重ならない面で、前記足場の第１の面で、および前記足場の第２の面で終わり、前記複数の細孔の少なくとも１つの細孔は、前記足場の前記第１の面から前記足場の前記第２の面まで前記足場を横断する、有孔足場と、
前記足場内の前記細孔の表面に実質的に共形である少なくとも２つの導体層である、第１の導体層および第２の導体層であって、前記第１の導体層は、前記第２の導体層との直接の電気接触を有さない、少なくとも２つの導体層と、
前記足場の前記第１の面で前記足場の第１の表面に配置される第１の電気接触領域と、
前記足場の前記第２の面で前記足場の第２の表面に配置される第２の電気接触領域とを備える電気部品。
【請求項１４】
前記足場は、焼結金属材料を含み、前記複数の細孔の少なくとも２つの細孔は、互いに交差する、請求項１３に記載の電気部品。
【請求項１５】
前記複数の細孔は、全体的に直線状であり、前記足場の前記第１の面は、前記細孔の第１の端部が終わる前記足場の領域であり、前記足場の前記第２の面は、前記細孔の第２の端部が終わる前記足場の領域である、請求項１３に記載の電気部品。
【請求項１６】
前記足場が前記第１の電気接触領域でその上に取り付けられるキャリアをさらに備える、請求項１３に記載の電気部品。
【請求項１７】
前記第１の電気接触領域を前記第２の電気接触領域から分離する絶縁体をさらに備える、請求項１３に記載の電気部品。
【請求項１８】
前記第１の電気接触領域に付着される第１の端子と、
前記第２の電気接触領域に付着される第２の端子とをさらに備える、請求項１３に記載の電気部品。
【請求項１９】
前記第１の導体層と前記第２の導体層との間の前記細孔に共形的に配置される誘電体層をさらに備える、請求項１３に記載の電気部品。
【請求項２０】
請求項１９によるキャパシタ。
【請求項２１】
前記第１の導体層と前記第２の導体層との間の前記細孔に共形的に配置されるカソード、固体電解質およびアノードの層をさらに備える、請求項１３に記載の電気部品。
【請求項２２】
請求項２１によるバッテリー。
【請求項２３】
請求項２１による電気化学キャパシタ。
【請求項２４】
電気部品を製造する方法において、
複数の細孔をその中に有する足場を提供するステップであって、前記細孔は、少なくとも２つの重ならない面で、前記足場の第１の面で、および前記足場の第２の面で終わり、前記複数の細孔の少なくとも１つの細孔は、前記足場の前記第１の面から前記足場の前記第２の面まで前記足場を横断する、ステップと、
前記複数の細孔の内面内を含めて前記足場に共形なアノード、固体電解質およびカソードの層を堆積させるステップと、
前記足場の前記第１の面で前記足場の第１の表面に第１の電気接触領域を設けるステップと、
前記足場の前記第２の面で前記足場の第２の表面に第２の電気接触領域を設けるステップとを含む方法。
【請求項２５】
少なくとも１つの堆積ステップを、原子層堆積法（ＡＬＤ）によって遂行する、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記足場は、焼結金属材料を含み、前記複数の細孔の少なくとも２つの細孔は、互いに交差する、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記複数の細孔は、全体的に直線状であり、前記第１の面は、前記細孔の第１の端部が終わる前記足場の領域であり、前記第２の面は、前記細孔の第２の端部が終わる前記足場の領域である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
絶縁体を取り付けるステップをさらに含み、前記第１の電気接触領域は、前記絶縁体によって前記第２の電気接触領域から分離される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
第１の端子を前記第１の電気接触領域に付着させるステップと、
第２の端子を前記第２の電気接触領域に付着させるステップとをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１の電気接触領域上で前記足場を支持するキャリアを提供するステップをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項３１】
請求項２４に記載の方法によって製造されたバッテリー。
【請求項３２】
請求項２４に記載の方法によって製造された電気化学キャパシタ。
【請求項３３】
複数の細孔をその中に有する有孔足場であって、前記細孔は、少なくとも２つの重ならない面で、前記足場の第１の面で、および前記足場の第２の面で終わり、前記複数の細孔の少なくとも１つの細孔は、前記足場の前記第１の面から前記足場の前記第２の面まで前記足場を横断する、有孔足場と、
前記複数の細孔の内面内を含めて前記足場に共形に配置されるアノード、固体電解質およびカソードの層と、
前記足場の前記第１の面で前記足場の第１の表面に配置される第１の電気接触領域と、
前記足場の前記第２の面で前記足場の第２の表面に配置される第２の電気接触領域とを備える電気部品。
【請求項３４】
前記足場は、焼結金属材料を含み、前記複数の細孔の少なくとも２つの細孔は、互いに交差する、請求項３３に記載の電気部品。
【請求項３５】
前記複数の細孔は、全体的に直線状であり、前記第１の面は、前記細孔の第１の端部が終わる前記足場の領域であり、前記第２の面は、前記細孔の第２の端部が終わる前記足場の領域である、請求項３３に記載の電気部品。
【請求項３６】
前記足場が前記第１の電気的接触領域でその上に取り付けられるキャリアをさらに備える、請求項３３に記載の電気部品。
【請求項３７】
前記第１の電気接触領域を前記第２の電気接触領域から分離する絶縁体をさらに備える、請求項３３に記載の電気部品。
【請求項３８】
前記第１の電気接触領域に付着される第１の端子と、
前記第２の電気接触領域に付着される第２の端子とをさらに備える、請求項３３に記載の電気部品。
【請求項３９】
請求項３３によるバッテリー。
【請求項４０】
請求項３３による電気化学キャパシタ。
【請求項４１】
電気部品を製造する方法において、
複数の細孔をその中に有する焼結金属足場を提供するステップであって、前記足場材料は、ほとんど酸化されない、ステップと、
前記足場の第１の表面に第１の電気接触領域を設けるステップと、
ＡＬＤを用いて、前記複数の細孔の内面を含めて前記足場の表面に材料層を共形的に堆積させるステップと、
前記足場の第２の表面に第２の電気接触領域を設けるステップと、
前記第１および第２の電気接触領域を分離する絶縁体を取り付けるステップとを含み、
前記第１の表面および前記第２の表面は、重なりを有さない、方法。
【請求項４２】
第１の端子を前記第１の電気接触領域に付着させるステップと、
第２の端子を前記第２の電気接触領域に付着させるステップとをさらに含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記材料層は、誘電体層および導体層である、請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
請求項４３に記載の方法によって製造されたキャパシタ。
【請求項４５】
前記材料層は、カソード、固体電解質およびアノードの層である、請求項４１に記載の方法。
【請求項４６】
請求項４５に記載の方法によって製造されたバッテリー。
【請求項４７】
請求項４５に記載の方法によって製造された電気化学キャパシタ。
【請求項４８】
複数の細孔をその中に有する焼結金属足場と、
前記足場の表面に配置され、前記複数の細孔の内面を含めて前記足場の前記表面に共形である材料層と、
前記足場の第１の表面に配置され、前記足場と電気接触する第１の電気接触領域と、
前記足場の第２の表面に配置され、前記材料層の１つと電気接触する第２の電気接触領域と、
前記第１および第２の電気接触領域を分離する絶縁体とを備え、
前記第１の表面および前記第２の表面は、重なりを有さない、電気部品。
【請求項４９】
前記第１の電気接触領域に付着される第１の端子と、
前記第２の電気接触領域に付着される第２の端子とをさらに備える、請求項４８に記載の電気部品。
【請求項５０】
前記材料層は、誘電体層および導体層である、請求項４８に記載の電気部品。
【請求項５１】
請求項５０によるキャパシタ。
【請求項５２】
前記材料層は、アノード、固体電解質およびカソードの層である、請求項４８に記載の電気部品。
【請求項５３】
請求項５２によるバッテリー。
【請求項５４】
請求項５２による電気化学キャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００９年２月１２日に出願された米国特許出願第１２／３７０，３９４号の利益を主張するものであり、その出願は、両方とも２００８年２月１３日に出願された米国仮特許出願第６１／０２８，３８３号および第６１／０２８，４０２号の利益を主張するものであり、それらはすべて、参照により全体が本明細書に組み込まれる。本出願はまた、２００９年１１月９日に出願された米国仮特許出願第６１／２５９，５５０号および２００９年１１月１９日に出願された米国仮特許出願第６１／２６２，８５１号の利益を主張するものであり、それらの両方とも、参照により全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は一般に、連続表面化学の分野に関する。より具体的には、本発明は、１つまたは複数の材料を表面に堆積させるために原子層堆積法（「ＡＬＤ」）を使用する製品および製品を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ＡＬＤは、気相化学プロセスの連続的使用に基づく薄膜堆積技術である。ＡＬＤは、高品質で、分子スケールの膜堆積の能力を有する。ＡＬＤは、今まで約４０年にわたって使用されており、ＡＬＤ技術に関連する詳細については、すべての内容が参照により全体として本明細書に組み込まれる、米国特許第４，０５８，４３０号、米国特許第４，４１３，０２２号、http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_Layer_Depositionならびにhttp://www.colorado.edu/chemistry/GeorgeResearchGroup/intro/IntroALD.pdfを参照されたい。ＡＬＤ製造技術は、高いレベルまで開発されており、堆積装置は、いくつかの会社から入手できる。例えば、すべてが参照により全体として本明細書に組み込まれる、www.picosun.com、www.beneq.com、www.oxford-instruments.com、www.cambridgenanotech.com、www.sundewtech.comを参照されたい。
【０００４】
化学気相堆積（「ＣＶＤ」）プロセスは、電極などの材料層を基板表面に形成するのに有用である。しかしながら、基板に堆積される層の不均一性は、空隙および厚さの変動につながる可能性があり、それによって電極または他の電気部品を動作不可能な状態にする。加えて、ＣＶＤは、基板の露出面を被覆するが、ＡＬＤは、侵入性があり、ＡＬＤプロセスの自己限定的性質に起因して、露出面および隠れた面の両方に共形で、均等な厚さの層を被覆することになる。このようなＣＶＤに似た特徴は、蒸着およびスパッタリングにも見られる。これらの特徴のいくつかは、被覆が露出面にのみ必要とされる場合に役立つとして使用できる。
【０００５】
高比容量（本明細書では単位立方ミリメートル当たりのマイクロファラッドとボルトの積として定義される）を持つキャパシタのための現在の技術は、アルミニウムおよびタンタル電解キャパシタであり、http://en.wikipedia/org/wiki/Electrolytic_capacitorを参照されたい。例えば、表面実装応用のための１０Ｖ、１０μＦ、タンタル電解キャパシタのサイズは、約２×２×３．５ｍｍ３である。そのような電解キャパシタの比容量は、７．１ＶμＦ／ｍｍ３であり、それは、定格電圧の印加の約２分後に約１μＡの漏れ電流を有することになる。ｔａｎδは、０．０６である。この電解キャパシタは、８５℃および定格電圧で約２０００時間持ちこたえるはずである。要するに、電解キャパシタは、短い寿命（特に高温での）に起因するそれらの応用の厳しい制限、高い直列抵抗、加熱をもたらすリップル電流に起因するエネルギー損失、ＡＣ応用で使用できないこと、有害な故障モード（導電性電解質の拡散）、限られた動作温度範囲、高い漏れ電流、キャパシタがどのくらい長く印加電圧下にあったかに依存する静電容量、その他を有する。
【０００６】
ナノ細孔を持つアノードＡｌにＡＬＤによって堆積されるキャパシタを構成する試みが行われてきた。本明細書に全体として組み込まれる「Nanotubular metal-insulator-metal capacitor arrays for energy storage」、Parag Banerjeeおよびその他、Nature Nanotechnology、VOL 4、2009年5月、292頁を参照されたい。しかしながら、そのような設計には、この部品をかなり低い抵抗で電気配線に接続することを可能にする解決策が欠けている。
【０００７】
半導体応用でのＡＬＤ製造ゲートおよびキャパシタは、他の周知の製造方法に優る利点を実証する。いくつかのＡＬＤ膜は特別に、１〜２分子層に至るまで欠陥がなく、応力がなく、ピンホールがない。この比類ない特徴は、ゲートおよびキャパシタ誘電体、拡散障壁ならびにシード層の堆積に有用である。一般的な議論については、すべてが参照により全体として本明細書に組み込まれる、http://www.semiconductor.net/article/279085-IMEC_Tips_10_nm_Options_at_Tech_Forum.php、http://www.semiconductor.net/article/206893-ALD_PVD_Barrier_Reduces_RC_and_Improves_Reliability.php、http://www.semiconductor.net/article/358034-High_Power_Transistors_Emerge_at_CEATEC.phpならびに「Needs for Next Generation Memory and Enabling Solutions Based on Advanced Vaporizer ALD Technology」、Zia Karimおよびその他、Proceedings of the 9th International Conference on Atomic Layer deposition、2009年7月、Monterey、CA、USA、57頁を参照されたい。
【０００８】
電気化学キャパシタ（また電気二重層キャパシタまたはスーパーキャパシタとしても周知）は、大きな静電容量が必要とされるときに使用され、電荷を貯蔵するためにセルのイオンの流れを活用する。電気化学キャパシタは、多数の、典型的には数百万回の充放電サイクルを有し、速い充放電時間を有することができるが、しかしバッテリーよりも少ないエネルギーしか貯蔵できない。
【０００９】
電気バッテリーは、エネルギーを貯蔵するために化学合成物を利用する。例えば、すべてが参照により全体として本明細書に組み込まれる、「Batteries and electrochemical capacitors」、Hector D. Abruiioおよびその他、Physics Today、2008年12月、43頁ならびに「Solid-state microscale lithium batteries prepared with microfabrication processes」、Jie Songおよびその他、2009年、J. Micromech. Microeng. 19 045004(6pp)を参照されたい。
【００１０】
本明細書で使用されるような術語「バッテリー」は一般に、そうでないと明確に述べられない限り電気バッテリーのことである。化学反応は、バッテリー中のイオンの流れおよびバッテリーから外への電流の流れを発生させる。いくつかのバッテリー（二次電池）は、イオンの流れおよび化学結合でのエネルギーの貯蔵を引き起こす電流を印加することによって充電できる。大部分のバッテリーは、充放電サイクルの数がわずか数千サイクルに制限され、充放電時間が比較的遅く、大部分のバッテリーが動作中に熱を発するという制限を有する。
【００１１】
バッテリーのためのアノード、カソード、電解質およびセパレーターとして適用できる材料についてかなりの量の研究があった。先進設計では、１つの材料が、電解質およびセパレーターの両方として使用され、高速イオン伝導体、固体電解質または超イオン伝導体と呼ばれる。術語「固体電解質」が、本明細書では使用されることになる。
【００１２】
しかしながら、前述の問題を克服し、またサイズの減少、より良好な性能パラメーターおよび信頼性の改善に起因してより効率的である部品を作製もする、バッテリー、キャパシタ、電気化学キャパシタおよび他の部品などの電気部品を製造する改善された方法の必要性がなおある。本発明のさまざまな実施形態は、これらの必要性に取り組む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第４，０５８，４３０号明細書
【特許文献２】米国特許第４，４１３，０２２号明細書
【特許文献３】米国特許第３，５７４，６８１号明細書
【特許文献４】米国特許第３，８５０，７６２号明細書
【特許文献５】米国特許第４，６８７，５５１号明細書
【特許文献６】米国特許第５，１１２，４４９号明細書
【特許文献７】米国特許第６，８３８，２９７号明細書
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】インターネット〈URL:http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_Layer_Deposition〉
【非特許文献２】インターネット〈URL:http://www.colorado.edu/chemistry/GeorgeResearchGroup/intro/IntroALD.pdf〉
【非特許文献３】インターネット〈URL:www.picosun.com〉
【非特許文献４】インターネット〈URL:www.beneq.com〉
【非特許文献５】インターネット〈URL:www.oxford-instruments.com〉
【非特許文献６】インターネット〈URL:www.cambridgenanotech.com〉
【非特許文献７】インターネット〈URL:www.sundewtech.com〉
【非特許文献８】インターネット〈URL:http://en.wikipedia.org/wiki/Electrolytic_capacitor〉
【非特許文献９】Parag Banerjee、「Nanotubular metal-insulator-metal capacitor arrays for energy storage」、Nature Nanotechnology、2009年5月、VOL 4、292頁
【非特許文献１０】インターネット〈URL:http://www.semiconductor.net/article/279085-IMEC_Tips_10_nm_Options_at_Tech_Forum.php〉
【非特許文献１１】インターネット〈URL:http://www.semiconductor.net/article/206893-ALD_PVD_Barrier_Reduces_RC_and_Improves_Reliability.php〉
【非特許文献１２】インターネット〈URL:http://www.semiconductor.net/article/358034-High_Power_Transistors_Emerge_at_CEATEC.php〉
【非特許文献１３】Zia Karim、「Needs for Next Generation Memory and Enabling Solutions Based on Advanced Vaporizer ALD Technology」、Proceedings of the 9th International Conference on Atomic Layer deposition、2009年7月、Monterey、CA、USA、57頁
【非特許文献１４】Hector D. Abruiio、「Batteries and electrochemical capacitors」、Physics Today、2008年12月、43頁
【非特許文献１５】Jie Song、「Solid-state microscale lithium batteries prepared with microfabrication processes」、2009年、J. Micromech. Microeng. 19 045004(6pp)
【非特許文献１６】インターネット〈URL:http://www.whatman.com/PRODAnoporeInorganicMembranes.aspx〉
【非特許文献１７】インターネット〈URL:http://www.2spi.com/catalog/spec_prep/filter2.shtml〉
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一実施形態では、
１００％未満の充填率を持つほとんど酸化されない金属粒子でできている焼結構造体で形成される第１の電極と、
ＡＬＤによって形成される誘電体層であって、第１の電極を実質的に取り囲む誘電体層と、
焼結構造体の露出面に形成される絶縁体と、
第１の電極および誘電体層を完全にまたは部分的に補足するために残りの体積に形成される第２の電極と、
焼結構造体および第２の電極とそれぞれ電気的接続して配置される第１および第２の端子とで構成される電気部品が、提供される。
【００１６】
これらの焼結キャパシタは、完全にモノリシックな構造を有し、漏れがなく、低い直列抵抗およびインダクタンス、高温での長寿命を有し、故障の場合に周囲の電子機器に損傷を引き起こすことなく、完全なＡＣ動作ができることになる。この実施形態に従って製造される焼結キャパシタは、例としてだが限定ではなく、タンタルキャパシタよりも３．５倍高く、アルミニウムキャパシタよりも３５倍高い、２５ＶμＦ／ｍｍ３の比容量を有する。
【００１７】
なお別の実施形態によると、電気化学キャパシタまたはバッテリーは、先の実施形態でのように提供されるが、しかし誘電体は、アノード材料、カソード材料および固体電解質材料に置き換えられる。主としてイオンがカソードとアノードとの間を移動する必要がある距離が、従来のそのような部品での数ミリメートルまたは数ミリメートルの１０分の１と比較してナノメートル程度であるという事実に起因して、これらの電気化学キャパシタおよびバッテリーは、従来の電気化学キャパシタまたはバッテリーと比較して改善された性能を有することになる。
【００１８】
なお別の実施形態によると、電気化学キャパシタまたはバッテリーは、先の実施形態でのように提供されるが、しかし第２の電極は、省略され、カソードかまたはアノードが、どちらも第１の電極からさらに遠いが、電流を第２の端子に運ぶことになる。
【００１９】
本発明の別の実施形態によると、電気部品を製造する方法が、提供され、その方法は、
ほとんど酸化されない１００％未満の充填率を持つ金属粒子でできている焼結構造体で形成される第１の電極を提供するステップと、
第１の端子と第１の電極との間に機械的および電気的接続を形成するために第１の端子を焼結構造体にはんだ付けする、ろう付けするまたは他の技術により接続するステップと、
ＡＬＤを用いて誘電体層を堆積させるステップであって、誘電体層は、第１の電極を実質的に取り囲む、ステップと、
構造体の露出面に形成される絶縁体を取り付けるステップ（このステップおよび先のステップは逆にできることに留意されたい）と、
第１の電極および誘電体層を補足するために残りの体積の一部またはすべてに形成される第２の電極を提供するステップと、
第２の電極と電気的接続して配置される第２の端子をはんだ付けする、ろう付けするまたは他の技術により接続するステップとを含む。
【００２０】
なお別の実施形態によると、電気化学キャパシタまたはバッテリーを製造する方法は、先の実施形態でのように提供されるが、しかし誘電体を堆積させるステップは、ＡＬＤを用いてアノード材料、固体電解質材料およびカソード材料をこの順番でまたは逆の順番で堆積させるステップに置き換えられ、絶縁体を取り付けるステップは、固体電解質を堆積させるステップの前かまたは後に行われる。
【００２１】
なお別の実施形態によると、電気化学キャパシタまたはバッテリーを製造する方法は、先の実施形態でのように提供されるが、しかし第２の電極を堆積させるステップは、省略され、カソードかまたはアノードが、どちらも第１の電極からさらに遠いが、電流を第２の端子に運ぶことになる。
【００２２】
なお別の実施形態によると、
複数の細孔をその中に有する足場であって、少なくとも１つの細孔は、足場を第１の面から第２の面まで横断する、足場と、
複数の細孔の内面上を含めて足場の表面に堆積される第１の導体と、
第１の導体と電気接触する第１の面での第１の導電性表面と、
第１の導電性表面にろう付けされるまたははんだ付けされる第１の端子と、
複数の細孔の内面上を含めて第１の導体の表面に堆積される誘電体と、
足場の露出面に取り付けられる絶縁体と、
複数の細孔の内面上を含めて誘電体の表面に堆積される第２の導体と、
第２の面での第２の導電性表面であって、第２の導体と電気接触する第２の導電性表面と、
第２の導電性表面にろう付けされるまたははんだ付けされる第２の端子とを有するキャパシタが、提供される。
【００２３】
なお別の実施形態によると、電気化学キャパシタまたはバッテリーは、先の実施形態でのように提供されるが、しかし誘電体は、アノード材料、固体電解質材料およびカソード材料に置き換えられる。
【００２４】
なお別の実施形態によると、電気化学キャパシタまたはバッテリーは、先の実施形態でのように提供されるが、しかし第１の導体および第２の導体は、省略され、アノードおよびカソードが、電流を第１の導電性表面および第２の導電性表面にそれぞれまたは第２の導電性表面および第１の導電性表面にそれぞれ運ぶ。
【００２５】
なお別の実施形態によると、キャパシタを製造する方法が、提供され、その方法は、
複数の細孔をその中に有する足場を提供するステップであって、少なくとも１つの細孔は、足場を第１の面から第２の面まで横断する、ステップと、
ＡＬＤを用いて、複数の細孔の内面上を含めて足場の表面に第１の導体を堆積させるステップと、
ＣＶＤ、蒸着、スパッタリングまたは別の技術を用いて、一般に足場の第１の面にだが一般に細孔中にではなく、導体と電気接触する第１の導電性表面を設置するステップと、
第１の端子を第１の導電性表面にろう付けするまたははんだ付けするステップと、
ＡＬＤを用いて、複数の細孔の内面上を含めて第１の導体の表面に誘電体を堆積させるステップと、
足場の露出面に絶縁体を取り付けるステップ（このステップおよび先のステップは最終部品が同じ性能を持って交換できることに留意されたい）と、
ＡＬＤを用いて、複数の細孔の内面上を含めて誘電体の表面に第２の導体を堆積させるステップと、
ＣＶＤ、蒸着、スパッタリングまたは別の技術を用いて、第２の面に第２の導電性表面を設置するステップであって、第２の導電性表面は、第２の導体と電気接触する、ステップと、
第２の端子を第２の導電性表面にろう付けするまたははんだ付けするステップとを含む。
【００２６】
なお別の実施形態によると、電気化学キャパシタまたはバッテリーを製造する方法は、先の実施形態でのように提供されるが、しかし誘電体を堆積させるステップは、ＡＬＤを用いてアノード材料、固体電解質材料およびカソード材料をこの順番でまたは逆の順番で堆積させるステップに置き換えられる。絶縁体を取り付けるステップは、固体電解質を堆積させるステップの前または後に行われることになる。
【００２７】
なお別の実施形態によると、電気化学キャパシタまたはバッテリーを製造する方法は、先の実施形態でのように提供されるが、しかしＡＬＤを用いて第１の導体を堆積させるステップおよびＡＬＤを用いて第２の導体を堆積させるステップは、省略される。
【００２８】
なお別の実施形態によると、
複数の細孔を有する有孔足場であって、少なくとも１つの細孔は、足場を第１の面から第２の面まで横断する、有孔足場と、
足場に堆積され、足場内の細孔のすべての表面を実質的に覆う導電性材料の２つ以上の層であって、導電性材料の２つの層は、互いに直接電気接触しない、導電性材料の２つ以上の層と、
第１の面に堆積される第１の接点と、
第２の面に堆積される第２の接点とを含む電気部品が、提供される。
【００２９】
上記へのオプションの追加として、第１の接点に付着される第１の端子が、提供されてもよく、第２の接点に付着される第２の端子が、提供されてもよい。
【００３０】
なお別の実施形態によると、
複数の細孔を有する有孔足場であって、少なくとも１つの細孔は、足場を第１の面から第２の面まで横断する、有孔足場と、
足場の細孔中を含めて足場のすべての表面に実質的に及ぶアノード材料の少なくとも１つの層と、
足場の細孔中を含めて足場のすべての表面に実質的に及ぶ固体電解質材料の少なくとも１つの層と、
足場の細孔中を含めて足場のすべての表面に実質的に及ぶカソード材料の少なくとも１つの層と、
第１の面に配置される第１の接点と、
第２の面に配置される第２の接点と、
足場の外面でアノードをカソードから分離する絶縁材料とを含み、すべての層は、足場に堆積され、足場内の細孔のすべての表面を実質的に覆っている、電気部品が、提供される。
【００３１】
本明細書で使用されるように、術語「すべての表面に実質的に及ぶ」は一般に、部品（例えば、足場または足場に提供される層）の全表面が、細孔などの隠れた特徴の内面を含めて層によって覆われていることを意味する。これは通常、現在はＡＬＤを用いて成し遂げることができるが、しかし部品の表面に材料層を形成するための他のプロセスもまた、本発明の範囲から逸脱することなく所望の表面被覆を達成するために利用できる。
【００３２】
本明細書で提示される概念は、２、３例を挙げると低静電容量キャパシタ、抵抗器、変換器、変圧器、ダイオード、トランジスタ、および導体を含む、上で列挙されたそれら以外のいろいろな他のマイクロ電子部品および電子部品とともに使用するために適用できることが、当業者には理解されよう。本発明は、いろいろな異なるバージョンまたは実施形態を含み、この「発明の概要」は、限定的または包括的であることを意図されないこともまた、理解すべきである。すなわち、この「発明の概要」は、ある実施形態の一般的な記述を提供するが、しかしまたある他の実施形態のより具体的な記述を含んでもよい。例えば、本明細書で取り組まれる概念は、マイクロ電子部品および電子部品ならびに従属部品を製造するまたは構成する方法、同様にこれらの方法によって製造される部品および従属部品の両方に適用できる。その上、術語部品および／または従属部品の使用は、どんな点においても限定的であることを意図されず、本明細書のさまざまな実施形態で開示される製造方法およびデバイスは、印刷回路基板（「ＰＣＢ」）または集積回路（「ＩＣ」）部品などとともに、他のデバイスに依存しない完全なスタンドアローン型デバイスを含んでもよいことを、明確に理解すべきである。
【００３３】
それに応じて、本発明のさまざまな実施形態は、添付の図で例示され、本明細書で提供されるようなおよび特許請求の範囲によって具体化されるような本発明の詳細な記述で述べられる。しかしながら、この「発明の概要」は、本発明の態様および実施形態のすべてを含有しないことをおよび本明細書で開示されるような本発明は、それへの明らかな改良および変更を包含することが当業者には理解されるであろうことを理解すべきである。
【００３４】
本発明の追加の利点は、特に付随する図面と一緒になされるとき、次の議論から容易に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に従って製造される焼結キャパシタの断面図である。
【図２】図１で示される焼結キャパシタの部分的断面図である。
【図３】図１で示される焼結キャパシタの別の部分的断面図である。
【図４】図１で示される焼結キャパシタのなお別の部分的断面図である。
【図５】図１で示される焼結キャパシタのなお別の部分的断面図である。
【図６】図１で示される焼結キャパシタのなお別の部分的断面図である。
【図７】図１で示される焼結キャパシタのなお別の部分的断面図である。
【図８】図１で示される焼結キャパシタのなお別の部分的断面図である。
【図９】本発明の少なくとも一実施形態によるナノ細孔キャパシタの断面図である。
【図１０】本発明の少なくとも一実施形態によるナノ細孔キャパシタを構成するために使用される足場の斜視図である。
【図１１】本発明の少なくとも一実施形態による電気化学キャパシタまたはバッテリーの部分的断面図である。
【図１２】図９で示されるキャパシタの部分的断面図である。
【図１３】図９で示されるキャパシタの別の部分的断面図である。
【図１４】図９で示されるキャパシタのなお別の部分的断面図である。
【図１５】図９で示されるキャパシタのなお別の部分的断面図である。
【図１６】図９で示されるキャパシタのなお別の部分的断面図である。
【図１７】図９で示されるキャパシタのなお別の部分的断面図である。
【図１８】本発明の少なくとも一実施形態に従ってキャリアに構築されるナノ細孔キャパシタの断面図である。
【図１９】本発明の少なくとも一実施形態による窒化物導体およびプラグを備える陽極酸化ナノ細孔キャパシタの断面図である。
【図２０】本発明の少なくとも一実施形態による窒化物導体およびプラグを備える焼結キャパシタの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図面は、必ずしも一定の縮尺でなく、本発明のある部分を強調するためにいくつかの事例では誇張されることもある。
【００３７】
上で論じられたように、ＡＬＤは、材料の１つもしくは複数の原子または分子層が表面に堆積されることを可能にする製造技術であり、これらに限定されないが、以前の技術では達成できない露出面および隠れた面への一貫した信頼できる均一な被覆厚さを提供することを含む、他の製造方法に優るいくつかの利点を有する。典型的なＡＬＤプロセスは、多重サイクルを含み、各サイクルが２つの前駆体段階および２つのパージ段階を含むものとまとめることができる。ＡＬＤプロセスの説明は、上記の「背景技術」の項で記載される。
【００３８】
ここで、例としてだが限定ではない、Ａｌ２Ｏ３の堆積のためのＡＬＤプロセスについて説明する。最初に、ＡＬＤが行われる反応チャンバーが、排気される。第１の前駆体段階では、選択された第１の前駆体が、表面と反応させる目的で反応チャンバーに導入される。例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスが、反応チャンバー中のすべての表面と反応するための第１の前駆体として使用され得る。これは、チャンバー自体およびチャンバー中に設置される任意の１つまたは複数のパーツの表面を含む。前駆体段階は、すべての表面が不動態化されるまで続けられる。アルミニウム原子は、堆積されて表面に付着し、メチル基は、そのＡｌに付着する。穴、細孔、クラックおよび同様のものの内面などのいくつかの表面に達するのが困難な場合、より長い時間が、必要とされる。第１の前駆体の表面との反応に続いて、第１のパージ段階が、チャンバーを排気することによって適用されて、反応しなかったいかなる過剰な前駆体もまたは望ましくない副産物がチャンバーから除去される。前駆体を基本的に「フラッシングする」ことによって前駆体をより良くパージするためにチャンバーに不活性ガスを導入してもよい。
【００３９】
第２の前駆体段階では、選択された第２の前駆体が、反応チャンバーに導入される。上記の例を続けると、水蒸気が、チャンバーに導入されて、水蒸気と材料の表面に存在する未結合メチル基との間で反応が引き起こされ得る。この反応は、アルミニウム−酸素化学結合を形成し、その後のＴＭＡ前駆体段階のために露出水酸基を持つ新しい表面をさらに形成する。第２の前駆体元素が導入され、表面が再度不動態化された後、第２のパージ段階が、第１のパージ段階と同様に適用され、過剰な前駆体が、反応チャンバーから排出される。２つの前駆体段階および２つのパージ段階の完了は、１サイクルと呼ばれる。上で述べられたような前駆体を使ったＡＬＤサイクルの最終結果は、反応チャンバー体積に開かれたすべての表面に堆積されるＡｌ２Ｏ３の単一分子層をもたらす。
【００４０】
ＡＬＤプロセスは、所望の厚さを形成するために、時には数千の程度の多重サイクルを含んでもよい。各層が、材料表面および各先行層に共形的に、均一に堆積されるので、所望の厚さは、サイクル数によって正確に、一貫して制御できる。ＡＬＤプロセスは、ＰＣに基づく、ＰＬＣ（プログラマブル論理コントローラ）に基づくなどの多数の周知の制御論理階層によって、または他の制御システムによって監視でき、制御できる。
【００４１】
ＡＬＤプロセスは、細孔への非常に深い侵入を達成することが周知である。しかしながら、極めて深い侵入のために、サイクルでの各段階は、前駆体またはパージガスが細孔の深さに侵入する時間を考慮するために延長することができる。チャンバーに接続される真空ポンプは、サイクルの各段階の長時間にわたってチャンバーから弁で調節できる（切り離すことができる）。
【００４２】
現在のＡＬＤ技術では、堆積のための高品質プロセスが、達成できる。例としてだが限定ではなく、堆積材料は、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＳｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＨｆＳｉＯ４、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＷＮ、Ｃｕ、Ｗ、ＴｉＳｉ２、ＰｔＳｉ、ＣｏＳｉ２、ＮｉＳｉ、ＷＳｉ２、Ｓｉ３Ｎ４その他とすることができる。現在、数百ではないにせよ数十の材料が、ＡＬＤによって堆積されることが周知である。ＡＬＤによって堆積できることが周知の材料には、誘電体、導体、アノード、カソード、固体電解質その他が含まれる。各分子層は、ＡＬＤツールの仕様に応じて約０．５から５秒かかるプロセスの１サイクルで堆積される。
【００４３】
例としてだが限定ではなく、Ａｌ２Ｏ３でできている誘電体層を論じることにする。Ａｌ２Ｏ３の１分子層は、約０．０８５ｎｍ（０．８５Å）の厚さを有する。誘電体層に使用され得る他の種類の誘電体材料には、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＳｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＨｆＳｉＯ４、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４および他の非導電性元素または材料が含まれるが、限定はされない。誘電体層のある例は、本明細書ではＡｌ２Ｏ３を含むように述べられることになるけれども、本発明は、この種の誘電体にそのように限定されず、任意の他の周知の種類の誘電体材料が、Ａｌ２Ｏ３の代用でまたはＡｌ２Ｏ３への補足として使用できることが、当業者には理解されよう。
【００４４】
例えば、Ａｌ２Ｏ３の誘電体層は、１０ｎｍの厚さを有する必要があると仮定する。この厚さに達するためには、１２０層が、堆積される必要がある。一般に入手可能なプロセスツールを使用すると、ＡＬＤプロセスは、約６０から６００秒かかることになる。
【００４５】
ＡＬＤ堆積Ａｌ２Ｏ３は、約８の比誘電率εｒを有する。２つの金属電極間にＡｌ２Ｏ３の１０ｎｍ厚さの層でできている平行平板キャパシタの１ｃｍ２の容量の計算は、次のとおりである。
Ｃ＝ε０×εｒ×Ａ／ｄε０＝１／（３６×π×１０９）
ここでεｒは、誘電体材料の比誘電率であり、Ａは、ｍ２単位での面積であり、ｄは、メートル単位での絶縁体厚さである。Ｃは、ファラッド単位では
Ｃ＝（１／（３６×π×１０９））×８×１×１０−４／１０×１０−９＝７×１０−７＝０．７μＦ
となる。
従って、０．７μＦ／ｃｍ２の容量が、達成できる。
【００４６】
Ａｌ２Ｏ３の絶縁破壊電圧は、８〜１０ＭＶ／ｃｍである。８×１０８Ｖ／ｍを採用すると、
Ｖ＝１０×１０−９×８×１０８＝８Ｖ
絶縁破壊の半分の電圧レベルを使用すると、４Ｖの実用的な動作電圧が、それ故に妥当である。
【００４７】
より高い電圧を必要とする応用の例として、０．０２８μＦ／ｃｍ２を持つ１００ボルト仕様のキャパシタは、３０００層のＡｌ２Ｏ３を堆積されることもあり得る。当業者なら理解するように、層の材料および数は、そのようなキャパシタについて広範囲の静電容量および電圧を達成するために変更できる。
【００４８】
バッテリーの部品の構成に適した材料のかなりの研究がある。アノード層構成のためのいくつかの候補材料があり、例としてだが限定ではなく、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、Ｇｅ（Ｌｉ４．４Ｇｅ）、Ｓｉ（Ｌｉ４．４Ｇｅ）、チタン酸リチウム、または酸化リチウムバナジウムがある。カソード層は、例としてだが限定ではなく、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭＰＯ４、ただしＭは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｔｉ、その他などの金属を表し、ＬｉＦｅ０．９５Ｖ０．０５ＰＯ４またはＡ２ＦｅＰＯ４ＦただしＡ＝Ｎａ、Ｌｉ、から構成できる。固体電解質層は、例としてだが限定ではなく、２、３例を挙げると、リン酸リチウムオキシナイトライド（Ｌｉｐｏｎ）、チタン酸リチウムランタン（ＬＬＴ）、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｌｉ＋、Ａｇ＋、Ｈ＋、Ｐｂ２＋、Ｓｒ２＋もしくはＢａ２＋などの移動イオンと錯体を形成するベータアルミナ、非化学量論的アルミン酸ナトリウム、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）または（Ｌｉ、Ｌａ）ｘＴｉｙＯｚから構成できる。
【００４９】
以降において、図面（図１〜２０）を詳細に参照して、本発明のさまざまな実施形態が、述べられる。
【００５０】
この発明の実施形態によると、焼結キャパシタおよびＡＬＤによって焼結キャパシタを製造する方法が、開示される。一実施形態に従ってＡＬＤによって製造される焼結キャパシタは、図１で横断面図で示される。構造全体は、ミリメートルの程度であるが、球状焼結粒子は、マイクロメートルまたはナノメートルの程度であるので、図１の図面は、一定の縮尺でないことに留意することが重要である。焼結キャパシタ１００は、焼結材料１０４で構成される。好ましい実施形態では、焼結材料１０４はまた、焼結キャパシタ１００の電極の１つとしての役割も果たし、好ましくは導電性金属でできている。焼結材料は、１００％未満の充填率を有し、焼結プロセスにより一緒に融合される材料粒子および細孔を含み、少なくとも１つの細孔は、足場を第１の面から第２の面まで横断する。０．１μｍから１０μｍの間の粒子直径が、金属を焼結する場合には一般的であるが、しかしながら計算目的のために、例としてだが限定ではなく、１μｍの直径であると仮定される。焼結材料１０４の細孔内の隠れた面を含む焼結材料１０４の全表面は、上で述べられた方法に従ってＡＬＤによって堆積されてもよい誘電体材料１１２によって被覆される。焼結材料１０４および誘電体材料１１２によって残される空の補足スペースは、導電性材料でできている電極材料１１８で完全にまたは部分的に充填される。電極材料１１８は、ＡＬＤプロセスによって、または溶融金属でぬらすような他のプロセスによる一代替実施形態に従って、または２つのプロセスの組合せによって形成できる。好ましい実施形態では、焼結材料１０４および電極材料１１８は、フィラー１２４、１４０によって端子１２８、１４４に接続される。代替実施形態では、焼結材料１０４および電極材料１１８は、はんだ１２４、１４０によって端子１２８、１４４に接続される。絶縁体１３２は好ましくは、外面での短絡の可能性を最小限にするために設置される。絶縁体１３２は好ましくは、ガラスまたはプラスチック材料でできている。
【００５１】
本発明の別の実施形態では、先の実施形態の誘電体層１１２は、バッテリーまたは電気化学キャパシタを作るために、上で述べられた材料でできているアノード、固体電解質およびカソードの層で置き換えられる。代替実施形態では、もしアノードまたはカソードが、どちらも焼結材料１０４から離れているが、電流を運ぶことができるならば、電極材料１１８は、省略される。
【００５２】
焼結キャパシタの詳細な構成は、この発明の、焼結キャパシタを製造する方法の実施形態の記述によってより良く理解されることになる。構成プロセスは、図２〜８に関連して述べられる。次に図２を参照すると、焼結材料１０４は、焼結粉末として横断面図で示される。焼結キャパシタ１００の構成は、金属粉末の焼結によって電極を形成するために焼結材料１０４を作ることから始める。銅、真ちゅう、銀、ニッケル、ステンレス鋼、その他などの１つまたは複数の導電性金属が、使用されることが好ましい。一代替実施形態では、真ちゅうなどの金属合成物および／または同じもしくは別の金属で被覆された金属粒子が、使用される。別の代替実施形態では、セラミックなどの非金属が、もし焼結の前かまたは後に金属で被覆されるならば、使用できる。焼結の周知の技術の間に、金属粉末は、プレスされ、材料の融点より下の温度まで加熱されて、粒子の局所的融合を引き起こす。図２では、球形粒子が、図示されるが、しかし他の形状も、可能である。粒子は、図２で示されるように固体とすることができ、または用いられる材料および技術に応じて多孔質とすることができる。粒子は、非常に均一なサイズまたはいろいろなサイズを有することができる。焼結体は、任意の形状またはサイズを有してもよいが、１ｍｍから１０ｍｍのサイズの立方体、直角柱または円柱形状体が、生産ではより一般的となる。５０％の充填率が、例としてだが限定ではなく、本明細書で使用されることになるが、しかし他の充填率が、周知の焼結プロセスに従って使用されてもよい。焼結材料の体積は、多孔質であり、少なくとも１つの細孔は、足場を第１の面から第２の面まで横断する。例としてだが限定ではなく、もし１ミクロン粒子が使用されるならば、２×２×２ｍｍ３寸法の立方体は、５０％の充填率で約４×１０９個の粒子を有し、約２４，０００ｍｍ２の全表面積を持つことになる。実際の数字は、粒子形状、サイズ変化その他に依存するので、これらは、非常に粗い概算である。他の状況については、数字は、材料構造に従って異なることもある。焼結プロセスは、焼結材料１０４で構成される電極を形成するという結果になる。
【００５３】
なお別の代替実施形態によると、いろいろな技術によって作られた任意の多孔質材料が、第１の電極に使用できる。いくつかの多孔質材料は、大きな容量を持つキャパシタを作るのに有用となる非常に大きな表面積を有する。もし導電性でないならば、材料は、少なくとも１つの導電層で被覆されてもよい。
【００５４】
なお別の代替実施形態によると、焼結材料は、ほとんど酸化されず、すなわち、焼結材料を被覆する誘電体層はなく、もしあっても、それは、非常に薄く、次のステップで堆積される誘電体層よりも薄い。
【００５５】
次に図３を参照すると、底部端子１２８が、好ましくは簡便なまたは一般的な導電性金属で形成され、フィラー１２４を使って焼結材料１０４にろう付けされる。焼結材料１０４の表面は、はんだまたはフィラー材料の良好なぬれを可能にするためにおよび次の堆積ステップのための準備としてどんな酸化物層も除去するためにエッチングまたは他の技術によって洗浄されてもよい。ろう付けプロセスは、フィラーの融点より上まで温度を適切に上げることによって、製造の次のステップに使用されるのと同じチャンバー中で行われることもあり得る。
【００５６】
大量生産では、底部端子１２８は、焼結材料１０４の数千の立方体、直角柱または円柱が、その上にろう付けされる一片の金属薄板から形成できる。ただ１つの立方体または円柱の横断面図が、明確にするために図３で示される。例としてだが限定ではなく、一般的な寸法は、約０．５ｍｍの厚さ、４００×４００ｍｍ２の幅および長さの底部端子を含み、その上に２×２×２ｍｍ３の立方体１０，０００個が、約４ｍｍのピッチでろう付けされる。フィラー１２４を使ってろう付けすることは別として、はんだ付け、焼結の別のステップ、または底部端子１２８と直接接触しながら焼結材料１０４を焼結するなどの、焼結材料１０４と底部端子１２８との間の接続の他の形態が、可能である。
【００５７】
次に図４を詳細に参照すると、焼結材料１０４に形成される誘電体材料層１１２が、横断面図で示される。このステップでは、ＡＬＤは、焼結材料１０４から形成される電極を取り囲む誘電体材料層１１２を形成するために使用できる。ＡＬＤは、非常に深い空洞中への材料の非常によく一致する層の堆積を可能にするので、このステップでは特に有用である。そのプロセスは、上で説明されたように、プロセスの各サイクルで１分子層を作るように自己終結的である。好ましい実施形態によると、誘電体材料層１１２は、高誘電定数および高誘電強度を有するべきである。そのようなＡＬＤ応用での周知の材料は、上記および下記で例として使用されるＡｌ２Ｏ３である。代替実施形態では、例としてだが限定ではなく、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＳｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＨｆＳｉＯ４、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、またはＳｉ３Ｎ４などの他の誘電体が、使用できる。
【００５８】
例としてＡｌ２Ｏ３を使用すると、この材料は、約８の誘電定数および８〜１０ＭＶ／ｃｍの間の絶縁破壊電圧を有する。例としてだが限定ではなく、目的は、１０Ｖの動作電圧を持つキャパシタを製造することであり、使用電圧として約４ＭＶ／ｃｍまたは４×１０８Ｖ／ｍを有することが、望まれると仮定する。１０ボルト動作のキャパシタについては、誘電体厚さは、次の通りに計算される。
Ｔ＝１０／４×１０８＝２．５×１０−８ｍまたは２５ｎｍ
【００５９】
Ａｌ２Ｏ３の各分子層は、厚さが約０．０８５ｎｍである。従って、約３００層が、誘電体層１１２に必要とされる。異なる動作電圧については、厚さは、ほとんど直線的に変化する。
【００６０】
次に図５を参照すると、次のステップは、誘電体材料層１１２被覆の焼結材料１０４の側面に絶縁体１３２を追加するステップである。絶縁体１３２の理由は、２つの電極（焼結材料１０４および電極材料１１８）が数ナノメートルだけ分離される部品の周辺部を作ることが望ましくないことである（電極材料１１８は図６に関連して後で詳細に説明される）。好ましい実施形態によると、絶縁体１３２は、高い溶融温度を持つ熱硬化性または熱可塑性プラスチックで構成される。別法として、さまざまな種類のガラス材料から成るガラスが、絶縁体１３２を作るために使用できる。ガラス絶縁体１３２の熱膨張係数は、ガラスに損傷を与えることなく極端な作業温度を可能にするために焼結材料１０４および電極材料１１８の複合係数に適合させるべきである。絶縁体１３２は、個々のキャパシタユニットの立方体、直角柱または円柱の間を充填するために粉末、ペースト、または予備成形材料として構造化され、次いで固化またはリフローされてもよい。絶縁体１３２は、焼結粒子間の体積の大部分に浸潤しないように十分に粘性が高くなければならない。
【００６１】
この発明の別の実施形態では、絶縁体１３２は、誘電体１１２が形成される前に設置される。この変形形態は、キャパシタ１００または同様に構成される電気部品の性能を変えないことになる。
【００６２】
次に図６を参照すると、焼結キャパシタセンブリの横断面図が、第２の電極１１８を含んで示される。このステップでは、電極材料１１８のＡＬＤ堆積が、行われる。金属ＡＬＤは、焼結材料１０４粒子間に形成されるすべてのスペースを充填するためにかなりの数の層（数千に至るまで）を必要とすることもある。金属または導電性材料のＡＬＤが好ましいが、他の技術が、このステップを完了するために使用されてもよい。真空条件下の溶融金属は、はんだ付けによく似たプロセスで電極材料１１８を作るために使用できる。誘電体層１１２の材料によく接着する金属をＡＬＤによって最初に被覆するステップおよび次いで別の金属を溶け込ませるステップの組合せもまた、使用できる。そのような場合は、ＡＬＤ堆積層は、溶融金属が表面をぬらし、浸潤するのを助ける。
【００６３】
代替実施形態では、あるスペースは、充填されないままに残され、その後のステップで塞がれてもよい。電極材料１１８は好ましくは、絶縁体１３２を溶融しない温度で堆積される。一代替実施形態によると、電極材料１１８は、上部接点として使用でき、または別の材料層が、以下で示されるように上部接点として使用されてもよい。
【００６４】
次に、図７を参照する。次のステップは、上部端子１４４を所望の位置に設置するステップを含む。図７で見られるように、上部端子１４４は好ましくは、フィラー１４０を使って電極材料１１８にろう付けされる。上部端子１４４は好ましくは、底部端子１２８と同じ寸法を有することになり、単一ステップですべてのキャパシタ１００にろう付けされることになる。ろう付けは、キャパシタ１００のどんな充填されない体積も排気された状態に保ち、すべてのそのような充填されない体積を密閉するために真空下で行うことができる。別法として、ろう付けは、充填されない体積に何が残されるかを制御するために制御環境下で行うことができる。このステップの後、個々の焼結キャパシタ１００は、構造体を絶縁体の真ん中で２方向に切断することによって形成されることになり、結果的に図８で示されるキャパシタをもたらす。
【００６５】
はんだ障壁１３０は、図１で示されるように、上部および底部端子１４４、１２８に適用でき、このはんだ障壁１３０は、組立ての準備をするためにはんだ材料で被覆することができる。代替実施形態では、レーザーマーキングが、適用できる。上記のさまざまな実施形態で述べられる製造プロセスは、結果的に図１で示されるような最終部品をもたらす。ユニット全体は、自動組立てのためにテープパッケージに設置されてもよい。
【００６６】
平行平板キャパシタの容量は、次の通りに計算される。
Ｃ＝ε０×εｒ×Ａ／ｄ      ただし、ε０＝１／（３６×π×１０９）
ここでεｒは、誘電体材料の比誘電率であり、Ａは、ｍ２単位での面積であり、ｄは、メートル単位での絶縁体厚さである。Ｃは、ファラッド単位となる。
【００６７】
上で述べられた例のキャパシタについては、
Ａ  ＝２４，０００ｍｍ２    または    ２４×１０−３ｍ２
Ｄ  ＝２５ｎｍ        または    ２５×１０−９ｍ
ＡＬＤ堆積Ａｌ２Ｏ３についてはεｒ＝８
Ｃ  ＝ε０×８×２４×１０−３／２５×１０−９＝６８μＦ
【００６８】
その例の完成した焼結キャパシタ１００は、約３×３×３＝２７ｍｍ３の寸法を有することになる。比静電容量は、
６８×１０／２７＝２５ＶμＦ／ｍｍ３
となる。
【００６９】
７ＶμＦ／ｍｍ３の典型的なタンタル電解キャパシタおよび０．７ＶμＦ／ｍｍ３の典型的なアルミニウム電解キャパシタとの比較は、現行技術のキャパシタおよび製造方法に優る大幅な改善を示唆する。誘電体が、多くの欠陥を有する電気的に作られた酸化物でできている電解キャパシタと比較して、高品質の誘電体材料を有する焼結キャパシタの構成に起因して、焼結キャパシタは、市場で電解キャパシタに完全に取って代わることになると期待される。より高い比容量は、取って代わる力を増加させることになるだけである。上記の議論の比静電容量は、単に例であり、異なる大きさおよび形状の粉末、焼結材料を作るために使用される異なる焼結プロセス、ならびに異なる誘電体材料は、比静電容量を変化させることになる。例えば、誘電体としてＴａ２Ｏ５を使用することは、比静電容量を大幅に増加させることになる。
【００７０】
本発明の別の実施形態では、バッテリーが、構成される。先の実施形態の誘電体層は、アノード層、固体電解質層、およびカソード層の堆積で置き換えられることになり、すべてがＡＬＤプロセスによってこの順番でまたは逆の順番で堆積される。アノード層構成のためのいくつかの候補材料があり、例としてだが限定ではなく、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、Ｇｅ（Ｌｉ４．４Ｇｅ）、Ｓｉ（Ｌｉ４．４Ｇｅ）、チタン酸リチウムまたは酸化リチウムバナジウムがある。カソード層は、例としてだが限定ではなく、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭＰＯ４、ただしＭは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｔｉ、その他などの金属を表し、ＬｉＦｅ０．９５Ｖ０．０５ＰＯ４またはＡ２ＦｅＰＯ４ＦただしＡ＝Ｎａ、Ｌｉ、から構成できる。固体電解質層は、例としてだが限定ではなく、２、３例を挙げると、リン酸リチウムオキシナイトライド（Ｌｉｐｏｎ）、チタン酸リチウムランタン（ＬＬＴ）、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｌｉ＋、Ａｇ＋、Ｈ＋、Ｐｂ２＋、Ｓｒ２＋もしくはＢａ２＋などの移動イオンと錯体を形成するベータアルミナ、非化学量論的アルミン酸ナトリウム、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）または（Ｌｉ、Ｌａ）ｘＴｉｙＯｚから構成できる。
【００７１】
この実施形態では、絶縁体は、端子で巨視的にアノードをカソードから分離するために、固体電解質を堆積させるステップの前かまたは後に取り付けられる。
【００７２】
本発明の別の実施形態では、バッテリーは、カソードまたはアノードが、どちらも焼結材料１０４と接触していないが、電流を第２の端子に運ぶことを当てにして、電極材料１１８を取り付けるステップを省略して構成される。
【００７３】
ＡＬＤ堆積アノード、カソードおよび固体電解質を備える焼結材料の構成は、ＣＶＤ被覆炭素構造を持つ従来のバッテリーよりも耐久性のある構造を与えることになる。欠陥がなく、ピンホールがない層を堆積させるＡＬＤプロセスの能力は、アノードとカソードとの間の内部短絡を防止するために、固体電解質の堆積にとって重要である。加えて、非常に短いイオン輸送距離に起因して、バッテリー内部抵抗は、低くなり、バッテリーは、速い充放電時間を有することになる。
【００７４】
本発明の別の実施形態では、電気化学キャパシタが、構成される。先の実施形態と同様に、アノード層、固体電解質層およびカソード層があり、すべてがＡＬＤプロセスによって堆積される。例としてだが限定ではなく、バッテリーについて上で記載された材料に似た、アノード、カソードおよび固体電解質層構成のためのいくつかの候補材料がある。
【００７５】
次に図９〜１７を参照して、例となるナノ細孔型キャパシタ２００が、本発明の実施形態に従って述べられることになる。特に、図１０でわかるように、キャパシタ２００は、ナノ細孔Ａｌ２Ｏ３または同様の種類の材料でできている足場２０４を含む。足場２０４は、ナノメートル程度の直径の細孔２０６を含み、少なくとも１つの細孔は、足場を第１の面から第２の面まで横断する。
【００７６】
それに応じて、図９は、足場２０４の横断面で４つの細孔２０６を描写するだけであり、図１０は、比較的少数の細孔２０６を描写するだけであるけれども、キャパシタ２００の足場２０４および他の部品の一定の縮尺での描写は、本発明を素早く容易に理解できないことが、当業者には理解されよう。特に、一定の縮尺でない図は、明確化のため、および本発明の理解を促進するために提供されており、数千または数百万の細孔２０６が、キャパシタ２００の単一の横断面図に存在してもよいことは、当業者には理解されよう。アセンブリ全体のサイズは、側面でおよそ数百マイクロメートルから数ミリメートルであり、細孔２０６は、直径が数十から数百ナノメートルである。さらに、細孔２０６は、数マイクロメートルから数ミリメートルに至るまでに及ぶ長さを含んでもよい。
【００７７】
例としてだが限定ではなく、１００ｎｍの平均細孔２０６直径を持つ２×２×２ｍｍ３の足場２０４の細孔数の計算が、行われる。細孔２０６の横断面積は、
ａ＝π×２／４＝３．１４×（１００×１０−９）２／４＝７．８５×１０−１５ｍ２である。
【００７８】
細孔２０６全横断面積は、足場２０４の面の全利用可能面積の半分を覆うと仮定する。細孔２０６の数は近似的に、
Ｎ＝０．５×（２×１０−３）２／７．８５×１０−１５＝２５４×１０６
に等しい。
【００７９】
従って、約１６，０００個の細孔２０６が、足場２０４の横断面で見られることになると理解される。
【００８０】
この発明の一実施形態では、図９および１０で見られるように、ナノ細孔キャパシタ２００は、
複数の細孔２０６を有するナノ細孔足場２０４であって、少なくとも１つの細孔は、足場を第１の面から第２の面まで横断する、ナノ細孔足場２０４と、
足場２０４および足場２０４の実質的にすべての露出面および細孔の実質的にすべての内面に共形であり、それによってキャパシタの第１の電極としての役割を果たす導体２０８と、
導体２０８に共形である誘電体２１２と、
誘電体２１２に共形であり、キャパシタの第２の電極としての役割を果たすプラグ２１６と、
フィラーまたははんだ２２４を使って導体２０８に付着され、キャパシタを他の電子部品、ワイヤー、ＰＣＢおよび同様のものに接続するために第１の接触領域としての役割を果たす底部端子２２８と、
フィラーまたははんだ２４０を使ってプラグ２１６に付着され、キャパシタを他の電子部品、ワイヤー、ＰＣＢおよび同様のものに接続するために第２の接触領域としての役割を果たす上部端子２４４と、
キャパシタ２００の２つの端子およびそれらに接続される実質的にすべての導電性材料を物理的に分離するためにキャパシタ２００の外周に配置される絶縁体２３２とで構成される。
【００８１】
別の実施形態では、電気化学キャパシタおよびバッテリーは、誘電体２１２をカソード、固体電解質およびアノードの層で置き換えることによって構成できる。この実施形態の細孔の一部は、図１１で示され、大きく拡大され、一定の縮尺でない。細孔は、足場２０４の内部に示される。細孔中には、導体２０８、アノード２７２、固体電解質２７４、カソード２７６およびプラグ２１６の同心円層がある。同様の性能のために、アノード層２７２およびカソード層２７６の位置は、逆であってもよい。イオン輸送距離２７８は、イオンが充放電の間に移動する必要がある距離である。例としてだが限定ではなく、アノード、カソードおよび固体電解質の材料は、上で論じられたようにすることができ、イオン輸送距離２７８は、およそ数十ナノメートルであり、結果的に低い抵抗および速い充放電をもたらす。
【００８２】
図１１は、全体的に足場２０４の細孔内の５層構成を描写するけれども、３層構成もまた、本発明の範囲から逸脱することなく利用されてもよいことが、当業者には理解されよう。特に、カソード、電解質、およびアノード層は、もしカソードおよびアノード層の伝導度がバッテリーの所望の動作を支援するのに十分であるならば、細孔の実質的にすべてで提供されてもよい。
【００８３】
本発明の別の実施形態は、ナノ細孔キャパシタ２００を製造する方法である。その方法の説明は、ナノ細孔キャパシタ２００の構造を理解するのに役立つことになる。ナノ細孔キャパシタ２００を構成する方法は、図９、１０および１２〜１７を参照して説明されることになる。図１〜１１と同様に、図１２〜１７は、必ずしも一定の縮尺で描画されない。
【００８４】
いくつかの実施形態では、足場２０４は、酸性電解質を使用しながらアルミニウムを通して電流を流すことによって金属アルミニウムから作られ、結果的にＡｌ２Ｏ３（サファイア）でできた足場２０４をもたらす。足場２０４の構成は、すべてが参照により全体として本明細書に組み込まれる、米国特許第３，５７４，６８１号、第３，８５０，７６２号、第４，６８７，５５１号および第５，１１２，４４９号でさらに詳細に述べられる。その上、Ｗｈａｔｍａｎ  Ｌｔｄ．によって製造され、Ａｎｏｐｏｒｅ（登録商標）として市販される商品は、粒子フィルターとして提供される。参照により全体として本明細書に組み込まれる、http://www.whatman.com/PRODAnoporeInorganicMembranes.aspxおよびhttp://www.2spi.com/catalog/spec_prep/filter2.shtmlを参照されたい。気体または液体の流れの中で粒子フィルターとして有用であるためには、細孔は、流れがフィルターに入る面から流れがフィルターから出る面まで伸びる必要がある。細孔２０６のサイズは、プロセスパラメーターすなわち電解質の種類、電流量その他によって制御できる。標準的な直径の細孔は、２０ｎｍ、１００ｎｍ、および２００ｎｍのサイズで市販されている。本明細書で述べられるキャパシタで使用される細孔２０６のサイズは、部品設計および顧客選好に従って変化してもよいことが、当業者には理解されよう。同様の足場は、マスクを通じた結晶の方向性エッチングおよび他の技術などの異なる技術によって作ることができることもまた、当業者には理解されよう。
【００８５】
比類なくかつ有利なことに、足場２０４内の細孔２０６サイズの非常に引き締まった分布は、周知の処理技術を利用して達成できる。細孔２０６は、連続的であり、足場２０４の上面から足場２０４の底面まで直径が全体的に均一である。一般に細孔２０６間の相互接続、分岐または交差はないが、しかしながらもし細孔のどんな相互接続、分岐または交差があっても、それは、本明細書の実施形態のいずれかによると、製造のためのどんな困難もまたは部品の性能のどんな差も引き起こさないことになる。その上、足場２０４を構成するために使用される材料は、不活性であり、高温、腐食性液体、およびその他などの極端な環境条件に耐えることができる。
【００８６】
次に図１２を参照すると、ナノ細孔キャパシタ２００の足場２０４は、第１の導体２０８の多層の堆積をもたらす多重サイクルを含むＡＬＤプロセスを用いて第１の導体２０８によって覆われる。いくつかの実施形態では、第１の導体２０８は、金属または半導体材料を含む。第１の導体２０８は、キャパシタ２００の第１の電極としての役割を果たすように提供され、数ナノメートルから数十ナノメートルに至るまでに及ぶ厚さを有してもよい。
【００８７】
図１３で見られるように、いったん第１の導体２０８が足場２０４に満足に堆積されると、第１の導体２０８を備える足場２０４は、フィラー２２４を使ってベース端子２２８にろう付けされる、はんだ付けされる、または焼結されてもよい。ベース端子２２８は、金属でできており、キャパシタから外へキャパシタ２００の外部にある電気回路に電気的接続をするために使用される。また、フィラー２２４は、足場２０４の底部側で足場２０４の細孔２０６を密封するために、また第１の導体２０８とベース端子２２８との間の電気接触を容易にするために提供されてもよい。ベース端子２２８は、例としてだが限定ではなく、数百ミクロンから１ミリメートルを越えるまでに及ぶ厚さを有してもよい。
【００８８】
次に図１４を参照すると、誘電体２１２の層が次いで、ＡＬＤプロセスを使用して構造全体（足場２０４、第１の導体２０８、フィラー２２４およびベース端子２２８）に堆積される。誘電体２１２の厚さは、ある所定の使用電圧について設計される。ＡＬＤは、欠陥、ピンホールまたは第１の導体２０８が露出するどんな他の点もなく、誘電体２１２の完全な層を作るメカニズムを提供し、それによってキャパシタ２００での短絡の機会を低減するまたは排除する。いくつかの実施形態では、誘電体２１２は、例としてだが限定ではなく、所要の静電容量および動作電圧に応じて数ナノメートルから数十および数百ナノメートルにさえ至るまでに及ぶ厚さを有してもよい。
【００８９】
図１５で見られるように、絶縁体２３２が次いで、足場２０４の外周面に設置される。言い換えれば、絶縁体２３２は、その面が細孔２０６全体を切り離すことになる足場２０４の表面に（すなわち、細孔開口２０６が露出されない足場２０４の表面に）設置される。いくつかの実施形態では、絶縁体２３２は、例としてだが限定ではなく、数百マイクロメートルから１ミリメートルを越えるまでに及ぶ厚さを含む。
【００９０】
次に図１６を参照すると、プラグ２１６が、ＡＬＤを使用して堆積されて、第１の導体２０８および誘電体２１２によってまだ充填されていない細孔２０６の残りの部分を実質的に充填する。プラグ２１６は、キャパシタ２００の第２の電極としての役割を果たし、金属または半導体材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、プラグ２１６は、約１０ナノメートルから１００ｎｍに至るまでに及ぶ厚さを含む。いくつかの実施形態では、プラグ２１６は、細孔２０６を充填しない。
【００９１】
図１７で見られるように、上部端子２４４が次いで、フィラー２４０を使ってプラグ２１６の上部にはんだ付けされる、ろう付けされる、または焼結される。いくつかの実施形態では、上部端子２４４は、数百ミクロンから１ミリメートルを越えるまでに及ぶ厚さを含む。プラグ２１６および誘電体２１２の余分な層が次いで、エッチングされまたは研削されて取り除かれ、図９で描写されるキャパシタ２００に到達する。
【００９２】
結果として生じるキャパシタ２００は、例としてだが限定ではなく、従来のタンタル電解キャパシタによって提供される７ＶμＦ／ｍｍ３と比較して４００ＶμＦ／ｍｍ３の比容量を含むこともある。その上、キャパシタ２００の直列抵抗は、およそ数マイクロオームであり、直列インダクタンスは、非常に低く、それによって極めて高い性能をもたらす。キャパシタ２００の構成に起因して、それは、高い信頼性、拡大した作業温度および伝統的な電解キャパシタよりも実質的に長い平均寿命を有することになる。
【００９３】
別の実施形態では、上記の議論と同様に、電気化学キャパシタおよびバッテリーは、誘電体２１２を堆積させるステップを、図１１で描写されるように、ＡＬＤによってカソード２７６、固体電解質２７４およびアノード２７２をその順番でまたは逆の順番で堆積させるいくつかのステップで置き換えることによって構成される。この実施形態では、絶縁体２３２は、固体電解質２７４を堆積させる前または後に取り付けられるべきである。
【００９４】
なお別の実施形態によると、電気化学キャパシタまたはバッテリーを製造する方法は、先の実施形態でのように提供されるが、しかし第１の導体２０８およびプラグ２１６を堆積させるステップは、省略され、カソードおよびアノードが、電流を端子に運ぶ。
【００９５】
次に図９〜１７を参照して、ナノ細孔キャパシタ２００、電気化学キャパシタまたはバッテリーを構成するためのプロセスが、さらに詳細に説明される。図１〜８と同様に、図９〜１７は、必ずしも一定の縮尺で描画されない。足場２０４が提供された後、製造プロセスは、キャパシタ２００、電気化学キャパシタまたはバッテリーの第１の電極の作製を続ける。特に、足場２０４は、導電性材料で被覆され、それによって第１の導電層２０８をもたらす。例としてだが限定ではなく、第１の導電層２０８を構成するために使用される材料は、銀、銅、金、インジウム、アルミニウム、タングステン、ニッケル、コバルト、鉄、チタン、ルテニウム、亜鉛、スズ、タンタルなどの純金属、またはそれらの組合せとすることができる。第１の導電層２０８は別法として、または加えて、ドープシリコン、ドープゲルマニウム、または同様のものなどの半導体材料で構成できる。別法として、または加えて、第１の導電層２０８は、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＷＮなどの金属窒化物、ＴｉＳｉ２、ＰｔＳｉ、ＣｏＳｉ２、ＮｉＳｉ、ＷＳｉ２などの金属シリサイドおよび同様のものを含むことができる。別法として、または加えて、第１の導電層２０８は、化合物または層状材料を含むことができる。別法として、または加えて、第１の導電層２０８は、任意の導電性材料または任意の導電性合成物または導電性材料もしくは合成物の層を含むことができる。好ましくは、第１の導体２０８は、比較的低い抵抗を示し、それによって金属または金属化合物を適切な選択にする。異なる材料の異なる種類の層もまた、第１の導体２０８を構成するために使用できる。いくつかの実施形態では、非金属が、足場２０４に堆積される最初の層の少なくともいくつかを構成するために使用されるならば、そのとき第１の導体２０８として足場に堆積される最後の層のいくつかは、金属を含んでもよく、それによって後のステップでの十分な接着およびことによると拡散阻止障壁を容易にする。
【００９６】
上で述べたように、および図１２でわかるように、第１の導体２０８は好ましくは、ＡＬＤプロセスを使用して堆積される。ＡＬＤプロセスは、原子または分子層が極めて共形な方法で堆積されるようにする。ＡＬＤプロセスの各サイクルは、１原子または分子層を堆積させ、Ｎ層を堆積させるためには、単にプロセスをＮサイクル実行する必要があるだけである。細孔２０６の高アスペクト比に起因して、現在周知の他の堆積技術は、細孔２０６の中心領域の被覆が不十分となるので、実用的でない。足場２０４は、ＡＬＤプロセスチャンバーで被覆を受け入れないように扱われる表面に置かれてもよいが、しかしながらこれは、必要条件ではない。足場と表面との間の接触面積が限定される状態では、足場の底部の大部分は、ほとんど完全に被覆されることになる。およそ１００，０００：１に至るまでの、細孔２０６のことによると巨大なアスペクト比に起因して、長い滞留時間が、長いパージ時間と同様に反応チャンバーでの前駆体のために必要とされることになる。
【００９７】
第１の導体２０８は、キャパシタ２００の第１の電極としてまたは電流をバッテリー電極から端子に運ぶ電気化学キャパシタもしくはバッテリーの第１の電流運搬素子としての役割を果たすように構成される。第１の導体２０８は、許容される最大直列抵抗に応じて、ことによるとおよそ１〜３０ｎｍの妥当な厚さを有するべきである。限定しない一例として、銅の約７０原子層が、ＡＬＤを使用して堆積でき、約１０ｎｍの厚さが結果として得られる。もしアノードまたはカソードが、どちらも最初に堆積されるが、最終部品での適切な動作のために十分な電気伝導度を有するならば、第１の導体２０８は、省略できることに留意されたい。
【００９８】
いくつかの実施形態では、足場２０４中への金属の拡散を防止するために、拡散障壁層が、第１の導体２０８の堆積の前に足場２０４に堆積されてもよい。次のステップで作られる電気接点への接着を改善し、おそらく誘電体への拡散を防止するために、別の障壁層が、第１の導体２０８の堆積の後に堆積されてもよい。
【００９９】
ＡＬＤプロセスに関連して使用される真空条件および高温は、特に酸浴槽での足場の製造後に足場２０４に閉じ込められるどんな水分も除去しようとして、被覆プロセスを開始するより前に所定時間にわたって維持されてもよい。加えて、活性試薬が、不純物に化学的に付着して、除去されるように反応チャンバーに導入されてもよい。
【０１００】
図１３で描写される次のステップは、ベース端子２２８を足場２０４に付着させるステップを含む。このベース端子２２８は、キャパシタ、電気化学キャパシタまたはバッテリー２００の第１の電気接点としての役割を果たすことになり、またワイヤーもしくは同様の電気接点のための接続点も容易にすることになる。いくつかの実施形態では、ベース端子２２８は、例えば表面実装技術を用いてＰＣＢのパッドに直接はんだ付けされることになる。
【０１０１】
ベース端子２２８の付着は、細孔２０６の実質的に大部分の開口の中および隣接する第１の導体２０８への良好な電気接触を有するような方法で行われることになる。これは、低い直列抵抗を達成するために不可欠である。第１の導体２０８の厚さは、数ナノメートルから数十ナノメートルに至るまでの間に及ぶことができ、ベース端子２２８は一般に、足場２０４の平坦性にそのような程度にまで共形である必要はない。ベース端子２２８は、それが柔軟になり、おそらく力を印加することで所望の形状に一致する温度まで加熱することによって焼結できる。足場２０４は、極めて硬い材料を含むことに留意すべきである。いくつかの実施形態では、付着は、ろう付けによって達成でき、この場合フィラー２２４の薄い層が、ベース端子２２８と第１の導体２０８との間に配置される。フィラー層２２４は、細孔２０６中にあまり多く浸潤しないように薄くすべきである。フィラー２２４は、正確な厚さにベース端子２２８へ電気めっきするまたはベース端子２２８と一緒にローラーで延ばすことができる。
【０１０２】
スパッタリング、蒸着、ＣＶＤまたは同様の技術は、フィラー２２４の一部になる材料の金属層で足場２０４の１つの面を覆うために使用できる。ＣＶＤ、蒸着またはスパッタリングプロセスの限定された侵入に起因して、非常に限定された量のフィラー２２４が、最終的に細孔２０６に入ることになる。しかしながら、細孔２０６は、フィラー２２４が堆積された底部側で効果的に閉じられることになり、それによって足場２０４の細孔２０６を充填しないまたはわずかに充填する状態でベース端子２２８を足場２０４にろう付けするまたははんだ付けすることを可能にする。
【０１０３】
先のステップが、おそらく足場がプロセスチャンバーでその上に置かれている表面との大きな接触面積に起因して、足場２０４の底部で第１の導体２０８の不満足な厚さをもたらしたならば、足場２０４および第１の導体２０８の上面が、ベース端子２２８に付着されてもよい（すなわち、足場２０４は、図１２と１３との間で上下逆にされる）。
【０１０４】
いくつかの実施形態では、第１の導体２０８のＡＬＤ堆積が利用され、次いで同じチャンバーで、足場２０４の上部への細孔２０６の上端をほとんどまたは完全に閉じる金属のＣＶＤ、蒸着、スパッタリングまたは同様のものが、用いられる。その後、足場２０４は、はんだ付けまたはろう付けのためにベース端子２２８に逆にして置かれてもよい。
【０１０５】
いくつかの実施形態では、第１の導体２０８を堆積させるＡＬＤプロセスは、足場２０４がベース端子２２８に置かれている間に行われる。ＡＬＤプロセス（それはまた、ことによるとベース端子２２８の被覆ももたらした）に続いて、温度が、上げられて、ろう付けステップを達成する。このシナリオでは、導体の薄い層が、足場２０４の第１の導体２０８に焼結されるフィラー２２４の上部に堆積され、フィラー２２４は、完全な領域接触のために軟化することができる。
【０１０６】
いくつかの実施形態では、すべての細孔２０６の片側が足場の１つの面において導電性材料で終わるような方法でナノ細孔Ａｌ２Ｏ３を製造することは、周知の技術である。例えば、参照により全体として本明細書に組み込まれる、米国特許第６，８３８，２９７号を参照されたい。そのような実施形態では、ベース端子２２８を足場２０４に付着させる別個の異なるステップは、回避される。第１の導体２０８を堆積させるステップは、ベース端子２２８がすでに付着された状態で行われる。
【０１０７】
１つの大きな金属板が、ベース端子２２８として使用でき、数百または数千の足場＋導体２０４＋２０８ユニットを付着させるために使用でき、生産プロセスで後に個々のユニット（すなわち、個々のキャパシタ２００、電気化学キャパシタまたはバッテリユニット）に分離されることになることに留意されたい。
【０１０８】
図１４からわかるように、製造プロセスの次のステップは、構造体に誘電体２１２を堆積させるステップを含む。誘電体２１２は好ましくは、ＡＬＤプロセスを使用して堆積され、キャパシタ２００の誘電体としての役割を果たすように提供される。誘電体２１２は、キャパシタが機能しなくなる可能性がある内部短絡を避けるために欠陥がなく、ピンホールがないようにしなければならない。ＡＬＤプロセスは、そのような必要性を満たすのに比類なく十分である。
【０１０９】
いくつかの実施形態では、誘電体２１２は、例えば、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＳｉＯ４、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３などの金属酸化物またはＳｉ３Ｎ４などの窒化物を含んでもよい。多くの他の誘電体材料が、本発明の範囲から逸脱することなく使用できる。Ａｌ２Ｏ３−ＨｆＯ２積層などの材料の組合せまたは（Ａｌ２Ｏ３）ｘ（ＨｆＯ２）１−ｘ、ＨｆＡｌＯ（Ｎ）、ＨｆＳｉＯ（Ｎ）、ＨｆｘＳｉ１−ｘＯ２その他などの混合物を使用することが、有益なこともある。すべてのそのような堆積物およびさらに多くのものが、ＡＬＤ分野では周知の技術であり、ＡＬＤプロセスのためのさらに多くの誘電体材料の研究がある。
【０１１０】
例としてだが限定ではなく、Ａｌ２Ｏ３は、ＡＬＤによって堆積される非常に一般的な材料であり、１０ｎｍ厚さの層を作るためには、Ａｌ２Ｏ３の約１１８分子層が、必要とされる。Ａｌ２Ｏ３は、前駆体の１つとして揮発性の高いトリメチルアルミニウム（「ＴＭＡ」）を使用して堆積させるのが比較的容易である。ＴＭＡの高い揮発性は、数千または数百万のアセンブリを収容するプロセスチャンバーで細孔２０６中への誘電体２１２の深い侵入を助けることになる。
【０１１１】
誘電体の比誘電率は、もし誘電体２１２がぎっしり詰まってないならば、より低いこともあり、それは、アモルファス構造が作られる場合に起こり得ることである。例えば、結晶性Ａｌ２Ｏ３の比誘電率は、結晶の光軸方向に応じて９から１１の間であるが、しかしＡＬＤ堆積については、７から８の間である。
【０１１２】
誘電体層２１２が堆積される前および後に、薄い障壁層が、誘電体中への金属の拡散を防止するために堆積されてもよい。銅のための一般的な障壁は、ＴａＮである。
【０１１３】
誘電体層２１２は、図１４でベース端子２８８の底部を被覆するように描写されることに留意されたい。これは、誘電体２１２が堆積されるＡＤＬプロセスの間ベース端子２２８の底部に特別な阻止材料を提供することによって防止されてもよい。ＡＬＤプロセスに続いて、阻止材料は、除去されてもよく、それによって端子２２８を露出させる。別法として、誘電体２１２は、ベース端子２２８の底部に堆積されてもよく、後でエッチングまたは研削によって除去される。
【０１１４】
製造プロセスの次のステップは、図１５で描写され、そこでは絶縁体２３２が、構造体の周囲に設置される。絶縁体２３２は、ガラスまたはプラスチックでできていてもよい。絶縁体２３２は、キャパシタ２００の２つの電極を分離するのにおよびＰＣＢ基板または同様のものへのはんだ付けによってユニットの取り扱いを可能にするのに有用である。これは、２つの電極が数ナノメートルまたは数十ナノメートルだけ離れているので、絶縁体２３２を有することがない場合には困難となる。
【０１１５】
絶縁体２３２は、誘電体２１２への良好な接着性を有するべきである。別法として、絶縁体２３２への良好な接着性を持つ材料の薄い層が、誘電体２１２が堆積された後に堆積される。いくつかの実施形態では、絶縁体２３２は、足場が図１０で描写されるように立方体または直角柱であるならば、足場２０４の４つの側面で構造体に付着され、またはもし足場が円柱（図示されず）ならば外周に付着され、細孔２０６が終わる足場２０４の上面および底面には付着されない。ガラスが、溶融され、ユニットの周囲にリフローされることもあり得る。エポキシ樹脂などのプラスチックが、適用されてもよい。絶縁体２３２は、次のＡＬＤステップに損傷を与えないように、低ガス放出性とすべきである。もしガラスが使用されるならば、熱膨張係数は、構造体の他のパーツの複合係数に適合するように選択できる。
【０１１６】
誘電体２１２を堆積させるステップおよび絶縁体２３２を設置するステップの順番は、最終製品に大きな差がなく逆にすることができる。
【０１１７】
絶縁体２３２の追加に続いて、製造プロセスは、図１６でわかるように続く。特に、キャパシタ２００の第２の電極または電気化学キャパシタもしくはバッテリーの第２の電気接点が、プラグ２１６として構成される。プラグ２１６は、第１の導体２０８に似たまたは同一の導電性材料が構造体に追加されるＡＬＤプロセスを利用することによって構成される。いくつかの実施形態では、プラグ２１６に使用される材料は、第１の導体２０８に使用される材料と異なる（例えば、１つは金属であり、もう１つは異なる金属である、または１つは金属材料であるが、もう１つは半導体材料もしくは金属の窒化物である、その他）。
【０１１８】
いくつかの実施形態では、プラグ２１６は、他の材料によってまだ充填されていない細孔２０６の空隙を実質的に充填する。プラグ２１６を構成するために追加されるＡＬＤ分子または原子層の数は、最も大きな細孔２０６でさえ充填されるような数とすることができる。
【０１１９】
いくつかの実施形態では、プラグ２１６のＡＬＤ層は、あらゆる細孔２０６の全部を充填しないように設計されることになり、その場合はその後のＣＶＤ、蒸着、スパッタリングまたは同様の堆積プロセスが、開いた細孔２０６を閉じて、密閉するために使用できる。そのような場合は、いくつかの閉じ込められた空隙が、細孔２０６の１つまたは複数内に存在することもあるが、しかしそのような空隙が、ＣＶＤ、蒸着またはスパッタリングプロセスからの低圧ガスで充填され、環境から密閉されるならば、そのときキャパシタ、電気化学キャパシタまたはバッテリーの動作は、損なわれないはずである。
【０１２０】
いくつかの実施形態では、いくつかの細孔２０６は、露出したままで残され、その後の製造ステップで処理される。
【０１２１】
いくつかの実施形態では、薄い障壁層が、次のステップへの表面を準備するために、プラグ２１６が堆積された後に堆積されてもよい。
【０１２２】
誘電体２１２に関する場合と同様に、プラグ２１６は、全体として構造体を被覆するように提供されてもよい。
【０１２３】
上部端子２４４が次いで、図１７で描写される次の製造ステップで提供される。図１７でわかるように、上部端子２４４は、金属フィラー２４０を使ってプラグ２１６にろう付けされているように描写される。しかしながら、はんだ付けが、使用されてもよい。両方のオプションでは、はんだ付けまたはろう付けは、真空条件または制御環境で行うことができ、その結果細孔２０６のどんな空隙または露出も、充填されるかまたは密閉されたままで、真空かもしくは制御材料を含有する。別法として、上部端子２４４は、無電解めっき、電気めっきまたは所望の組成の金属の厚い層を作製できる任意の他のプロセスによってプラグ２１６上に直接製造できる。
【０１２４】
もし構成が、大きな底部端子２２８および上部端子２４４を共有する多くのユニットでできているならば、絶縁体２３２の中心に沿って２つの直交方向に構造体を切るステップが、個々のキャパシタ、バッテリーまたは電気化学キャパシタを分離するために使用される。
【０１２５】
製造の最終ステップは、エッチングまたは研削によって不要なプラグ２１６および誘電体２１２を除去することである。絶縁体２３２および端子２２８、２４４のいくらかの厚さが、同様に除去されてもよい。不要なプラグ２１６および誘電体２１２が除去された後、図９で描写される完成したキャパシタ２００が、達成される。いくつかの実施形態では、図１でのはんだ障壁１３０に似たはんだ障壁が、必要であれば取り付けられてもよい。
【０１２６】
性能計算のために、例としてだが限定ではなく、キャパシタは、７０ｎｍの平均細孔２０６直径を持つ１×１×１ｍｍ３ナノ細孔Ａｌ２Ｏ３の足場２０４から作られ、導体層２０８は、１０ｎｍ厚さであり、誘電体層２１２は、１０ｎｍ厚さであり、プラグ２１６直径は、公称３０ｎｍであると仮定される。細孔２０６の横断面積はそのとき、
ａ＝π×Ｄ２／４＝３．１４×（７０×１０−９）２／４＝３．８５×１０−１５ｍ２
である。
【０１２７】
細孔２０６の横断面積は、足場２０４の利用可能な全面積の半分を覆うと仮定する。細孔２０６の数は近似的に、
Ｎ＝０．５×（１０−３）２／３．８５×１０−１５＝１３０×１０６
に等しい。
【０１２８】
中心厚さ（直径４０ｎｍ）での誘電体２１２の外周は、
ｂ＝π×Ｄ＝３．１４×４０×１０−９＝１２６×１０−９ｍ
である。
【０１２９】
全キャパシタ電極面積は、
Ａ＝Ｎ×ｂ×ｈ＝１３０×１０６×１２６×１０−９×１０−３＝１６．４×１０−３ｍ２
である。
【０１３０】
平行平板キャパシタの容量は、
Ｃ＝ε０×εｒ×Ａ／ｄ        ただし、ε０＝１／（３６×π×１０９）
である。
【０１３１】
ここでｄは、メートル単位での誘電体２１２厚さである。Ｃは、ファラッド単位となる。εｒ＝７を持つＡｌ２Ｏ３誘電体を仮定する。
Ｃ＝（１／（３６×π×１０９））×７×１６．４×１０−３／１０×１０−９
＝０．１０１×１０−３Ｆ＝１００μＦ
【０１３２】
１０ｎｍ厚さのＡｌ２Ｏ３は、８Ｖの絶縁破壊電圧を有することになり、４Ｖの使用電圧が、仮定される。従って、比容量は、
１００×４／１３＝４００ＶμＦ／ｍｍ３
であることになる。
【０１３３】
タンタル電解キャパシタの７ＶμＦ／ｍｍ３と比較すると、優れたキャパシタが実現できることが、当業者には理解されよう。絶縁体および端子は、キャパシタの寸法に応じた量だけ、上で計算されたような比静電容量を低減することになる。
【０１３４】
低い抵抗およびインダクタンスは、有用なキャパシタにとって重大な問題である。キャパシタの直列抵抗を計算することには、すべての導体２０８およびプラグ２１６層を並列に結合することが含まれる。同じ例を仮定し、導体およびプラグの両方が、銅でできていると仮定すると、
Ｒ＝（１．７２×１０−８×Ｌ［ｍ］／Ｓ［ｍ２］）／Ｎ
≒（１．７２×１０−８×１０−３／（π×（３０×１０−９）２）／４）／１３０
×１０６
＝１８．７×１０−５Ω＝１８７μΩ
【０１３５】
そのような低い抵抗は、速いエネルギー充放電を可能にし、この場合もやはり非常に望ましいキャパシタ品質を可能にする。
【０１３６】
キャパシタでの電流の直線的な流れに起因して、インダクタンスは、極めて低いことになる。
【０１３７】
本発明の別の実施形態では、バッテリーおよび電気化学キャパシタの製造方法は、いくつかの変更をともなうが先の実施形態に似ている。全体的な構成は、同じとなるが、誘電体２１２を堆積させるステップは、図１１で描写されるように、アノード２７２の層を堆積させる、固体電解質２７４の層を堆積させるおよびカソード２７６の層を堆積させるステップに置き換えられ、すべてが好ましくはＡＬＤ技術によって堆積される。層は、同様の性能を達成するために逆の順序で堆積されてもよい。
【０１３８】
カソード２７６は、例としてだが限定ではなく、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭＰＯ４、ただしＭは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｔｉ、その他などの金属を表し、ＬｉＦｅ０．９５Ｖ０．０５ＰＯ４またはＡ２ＦｅＰＯ４ただしＡ＝Ｎａ、Ｌｉ、からＡＬＤ堆積される。
【０１３９】
固体電解質２７４は、例としてだが限定ではなく、２、３例を挙げると、リン酸リチウムオキシナイトライド（Ｌｉｐｏｎ）、チタン酸リチウムランタン（ＬＬＴ）、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｌｉ＋、Ａｇ＋、Ｈ＋、Ｐｂ２＋、Ｓｒ２＋もしくはＢａ２＋などの移動イオンと錯体を形成するベータアルミナ、非化学量論的アルミン酸ナトリウム、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）または（Ｌｉ、Ｌａ）ｘＴｉｙＯｚからＡＬＤ堆積される。欠陥がなく、ピンホールがない層を作るＡＬＤプロセスの能力は、アノードとカソードとの間の内部短絡を防止するため、固体電解質の堆積に重要である。
【０１４０】
アノード２７２は、例としてだが限定ではなく、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、Ｇｅ（Ｌｉ４．４Ｇｅ）、Ｓｉ（Ｌｉ４．４Ｇｅ）、チタン酸リチウムまたは酸化リチウムバナジウムからＡＬＤ堆積される。
【０１４１】
カソードとアノードとの間の電気的分離を巨視的レベルで保つために、絶縁体２３２は、固体電解質が堆積される前または後に取り付けられるべきである。
【０１４２】
構造に起因して、イオンは、充放電の間に数十または数百ナノメートルよりも長い距離２７８を輸送する必要がなく、それによって直列抵抗および充放電時定数を低減する。
【０１４３】
動作時には、電流は、バッテリーまたは電気化学キャパシタ中を外部電気配線から端子２２８へ、フィラー２２４へ、導体２０８へおよびそこからアノード２７２へ流れる。アノード２７２からカソード２７６へと、電流は、固体電解質２７４に侵入してイオン輸送距離２７８を通り抜けるイオンによって運ばれることになる。カソード２７６からは、電流は、プラグ２１６、フィラー２４０および端子２４４を介して外部配線へ進むことになる。もしカソード２７６が導体２０８に隣接して堆積され、アノード２７２がプラグ２１６に隣接して堆積されるならば、いくらか異なるひと続きが、可能である。加えて、電流は、充放電サイクルの間は逆に流れる。バッテリーの直列抵抗はその結果、主として導体２０８、プラグ２１６およびイオン輸送抵抗のオーム抵抗から成る。イオン輸送距離は、小さく、およそ数十ナノメートルであり、結果的に小さな抵抗をもたらす。
【０１４４】
代替実施形態では、アノード２７２およびカソード２７６が電流を細孔長さに沿って導くことを当てにして、導体２０８およびプラグ２１６は、省略されてもよい。そのような実施形態では、アノード２７２およびカソード２７６の電気抵抗は、最終製品に適するようにすべきである。
【０１４５】
細孔の巨大なアスペクト比、上記の例では１４，０００：１およびことによると１００，０００：１に起因して、前駆体がプロセスチャンバーに短時間パルス状に送り込まれる現在のＡＬＤ装置および堆積の方法は、適していない可能性がある。分子が細孔内部のさらに遠い表面に達する時間を可能にするためのチャンバーでの各前駆体の長い滞留時間、および次の前駆体を中に入れる前に分子の大部分を細孔から除去するための前駆体間の長いパージ時間を有することが、望ましいこともある。不活性ガスが、パージに役立つように前駆体間で使用されてもよく、この場合もやはり長い滞留時間および長いポンプによる排気を必要とする。過度の前駆体を浪費するのを避けるために、反応チャンバーは、長い滞留時間の間真空ポンプから切り離されてもよい。
【０１４６】
堆積方法はその結果、最初にプロセスチャンバーを適切な真空度までポンプで排気し、次いでプロセスチャンバーと真空ポンプとの間のバルブを閉じることによって達成される。第１の前駆体の化学的用量が次いで、プロセスチャンバー中に放出される。用量は、細孔２０６およびチャンバーのすべての露出面をいくらかの余裕を持って被覆するのに十分とするべきである。バルブが次いで、開けられ、使い残しの前駆体および反応の残留物が、ポンプで排出される。パージガスが次いで、反応チャンバーに流入される。このステップの間、真空ポンプは、パージガスのより長い滞留時間を可能にするために接続を切断されてもよいが、しかしこれは、パージガスが安価で、環境にとって問題でないこともあるので、必須ではない。プロセスは、第２の前駆体が第１の前駆体と同様に取り扱われる状態を続ける。
【０１４７】
生産プロセスは、最終製品の所要のパラメーターに応じて、ＡＬＤ技術によって堆積される数百もしくは数千の分子または原子層を含む。層堆積の各サイクルは、他のＡＬＤプロセスよりも長い。ＡＬＤプロセスの深く、完全な侵入に起因して、数千または数百万の部品が、１メートル立方よりも大きくできる全容積を持つ１つの大きなプロセスチャンバーを共有できるので、これは、コスト問題でない。
【０１４８】
次に図１８〜２０を参照して、代替キャパシタ、電気化学キャパシタおよび／またはバッテリー構成ならびに前述のものを製造する方法が、本発明の少なくともいくつかの実施形態に従って述べられる。図１〜１７と同様に、図１８〜２０は、本開示のより良く、より明瞭な理解を容易にするために必ずしも一定の縮尺で描画されない。
【０１４９】
最初に図１８を参照すると、例となるキャパシタ３００は、キャリア３０１上に構成されているように描写される。キャリア３０１は、半導体チップ、チップキャリア、セラミック混成物、マルチチップモジュール（「ＭＣＭ」）、ＰＣＢおよび同様のものの一部である。キャリア３０１は、それの表面の部分が絶縁材料３３２でできている。足場３０４は、所要の寸法に提供される。足場３０４は、第１の導体３０８で被覆され、次いで例えばフィラー材料３２４を使ったろう付けによってキャリア３０１に付着される。第１の導電性領域３５０は、電気接触パッドまたはキャリア３０１上の電気的接続性を持つ任意の他の点に対応してもよい。
【０１５０】
１つのキャパシタ３００だけが、図１８で描写されるが、単一のキャリア３０１は、本明細書で述べられる製造プロセスに従ってその上に構成される１つまたは複数のキャパシタ３００を有してもよいことが、当業者には理解されよう。その上、複数のキャパシタ３００は、キャリア３０１に同時に付着できる。
【０１５１】
代替実施形態では、足場３０４は、最初にキャリア３０１に付着されてもよく、次いで導体３０８が、堆積される。もし足場３０４が、フィラー３２４を容易にぬらさない材料でできているならば、足場３０４は最初に、ろう付けを目的とするその底面に金属またはフィラー３２４をぬらすことになる任意の導電性材料を被覆されてもよい。
【０１５２】
いったん足場３０４がキャリア３０１に付着されると、キャパシタ３００の製造は、誘電体３１２の堆積を続ける。いくつかの実施形態では、誘電体３１２は、足場３０４および足場３０４のない領域を含むキャリア３０１の全体を覆って堆積される。第２の導電性領域３５２が露出される場所では（すなわち、それは足場３０４によって覆われないので）、誘電体３１２は一般に、望ましくない。それに応じて、いくつかの実施形態では、第２の導電性領域３５２上に堆積された誘電体３１２は、機械的に研削される、エッチングで取り除かれるまたはレーザーアブレーションによって除去されるの１つである。いくつかの実施形態では、足場３０４を備えるキャリア３０１は一緒に、平面には程遠い表面を規定するので、不要な誘電体３１２を除去するためにレーザーを利用することが、より効果的であるとわかることもある。いくつかの実施形態では、誘電体３１２の堆積を防止する材料が、誘電体３１２の堆積の前に第２の導電性領域に設置され、誘電体３１２が堆積された後に除去される。
【０１５３】
絶縁体２３２（図９〜１７での）の機能は、今はキャリア３０１の絶縁材料３３２によって果たされてもよい。すなわち、分離絶縁体は、キャパシタ３００がキャリア３０１に直接接続されるときは必ずしも必要とされない。電極は、アクセスできず、さらなるステップで保護されるので、これは、可能である。
【０１５４】
いったん誘電体３１２が、それが不要な領域から除去されると、プラグ３１６が、堆積される。いくつかの実施形態では、プラグ３１６は、細孔３０６を完全に充填するように形造られる。別法として、ＣＶＤ、蒸着またはスパッタリングの最終ステップが、細孔３０６を最後に充填するまたは密封するために使用される。足場３０４を覆うことに加えて、プラグ３１６はまた、キャリア３０１上の誘電体３１２ならびに露出した第２の導電性領域３５２も覆う。プラグ３１６は、キャパシタ３００の第２の電極として動作するので、キャパシタ３００は、第１の導電性領域３５０から第２の導電性領域３５２までに設けられる。
【０１５５】
上部材料層３５４が次いで、ＣＶＤ、スパッタリング、無電解析出、電気めっきを使用して、または材料の比較的厚い層を堆積させることが周知の任意の他のメカニズムによって堆積される。これは、プラグ３１６と第２の導電性領域３５２との間の接続が、確実で、比較的低い抵抗を有することを保証するために行われる。いくつかの実施形態では、いくつかの領域が非導電層で保護されながら、選択的堆積が、例えば電気めっきによって行われてもよい。
【０１５６】
いくつかの実施形態では、足場３０４は、キャリア３０１を覆ってアルミニウムを堆積させ、不要な領域からアルミニウムを除去し、細孔３０６が導電性材料３５０に達するまでアルミニウムを陽極酸化することによってキャリア３０１上にその場作製できる。このプロセスの詳細は、全内容が参照により本明細書にこれによって組み込まれる、米国特許第６，８３８，２９７号で述べられる。
【０１５７】
別の実施形態では、上記の議論と同様に、電気化学キャパシタおよびバッテリーは、誘電体３１２を堆積させるステップを、図１１で描写されるように、ＡＬＤによってカソード２７６、固体電解質２７４およびアノード２７２をその順番でまたは逆の順番で堆積させるいくつかのステップで置き換えることによって構成される。
【０１５８】
別の実施形態では、先の実施形態と同様に、導体３０８およびプラグ３１６を堆積させるステップは、省略され、カソードおよびアノードが、電流を細孔３０６の長さに沿って運ぶ。
【０１５９】
上述の方法から得られる装置は、オンモジュール型（ｏｎ−ｍｏｄｕｌｅ−ｔｙｐｅ）電気素子である。いくつかの実施形態では、描写される足場３０４、細孔３０６、導体３０８の層、誘電体３１２、および同様のものを有するキャパシタが、作られる。オンモジュールキャパシタは、キャリア３０１によって容易に引き渡すことができ、共通キャリア上へのそのようなオンモジュールキャパシタの大量製造が、容易に得られる。いくつかの実施形態では、キャパシタの誘電体層３１２とは対照的にカソードおよびアノード層を含むオンモジュール電気化学キャパシタおよびバッテリーが、作られる。複数のオンモジュール電気化学キャパシタおよびバッテリーが、単一キャリア３０１上に作製でき、それによって複数の電気素子の効率的な作製を容易にする。
【０１６０】
次に図１９を参照すると、別の例となるキャパシタ、バッテリー、または電気化学キャパシタ４００が、本発明の実施形態に従って描写される。特に、非金属の導体４０８およびプラグ４１６を備える陽極酸化ナノ細孔キャパシタ４００が、描写される。キャパシタ、バッテリー、または電気化学キャパシタ４００およびそれの部品の全体的な寸法は、キャパシタ、バッテリー、または電気化学キャパシタ１００および２００の１つまたは両方ならびにそれらの部品に似ている。
【０１６１】
現在のＡＬＤ技術では、金属の堆積は、広く研究されているが、しかし実質的に１０００：１よりも大きいアスペクト比を持つ深い細孔に安価に金属を堆積させるために利用できる技術を有するのは、時間がかかる可能性がある。ＴｉＮ、ＴａＮ、ＷＮおよび他の窒化物ならびにＴｉＳｉ２、ＰｔＳｉ、ＣｏＳｉ２、ＮｉＳｉ、ＷＳｉ２などの金属シリサイドの研究ならびに堆積は、一般的に行われている。窒化物は、金属よりも実質的に高い抵抗、約１０〜１０００倍高い抵抗を有する。金属は、１．７から１０μΩｃｍ（１．７〜１０×１０−８Ωｍ）を有し、堆積されたままの窒化物は、１００〜１０００μΩｃｍを有する。しかしながら、もし適切に設計されるならば、窒化物、シリサイドまたは他の非金属の導体４０８およびプラグ４１６を備えるナノ細孔キャパシタ、バッテリー、または電気化学キャパシタ４００は、既存の電解キャパシタよりも良好な抵抗性能を達成することができる。その上、少なくとも１つの窒化物、シリサイドもしくは他の非金属の導体および／またはプラグを使って構成されるキャパシタは、導体プラグとして異なる種類の純金属を有する比較キャパシタよりも容易に、コスト効率良く製造できる。一例として、窒化物、シリサイドまたは他の非金属材料を堆積させるためのＡＬＤプロセスは、純金属を堆積させるためのＡＬＤプロセスよりも細孔の深さで行うのがいくらか容易である。電気接点を作ることを可能にするためには、金属堆積の必要性があることになるが、しかし露出表面だけであり、深い細孔中ではない。
【０１６２】
図１９のキャパシタ、バッテリー、または電気化学キャパシタ４００は、細孔がその中に規定される足場構造４０４を有するように描写される。足場は、上で述べられたようなナノ細孔材料でできており、少なくとも１つの細孔は、足場を第１の面から第２の面まで横断する。
【０１６３】
図２０で描写される、本発明の別の実施形態は、キャパシタ、バッテリー、または電気化学キャパシタ５００の足場５０４のために焼結材料の使用を熟考する。いくつかの実施形態では、焼結金属が、足場５０４のための焼結材料として利用されてもよい。焼結ステンレス鋼および焼結真ちゅうは、約５００ｎｍの細孔サイズを持つ粒子フィルターとしての使用のために市販されているが、しかしより小さな細孔サイズを有するように作ることもできる。粒子フィルターとしての使用は、焼結材料を第１の面から第２の面まで横断する多くの細孔があることを実証する。
【０１６４】
キャパシタ、バッテリー、または電気化学キャパシタ５００は、微視的細孔をその中に持つ材料の巨視的塊である焼結材料足場５０４を含む。細孔は、真っすぐでもなく均一でもなく、交差しており、キャパシタ、バッテリー、または電気化学キャパシタ４００の足場４０４でのように一様な直径を有さないが、しかしなおキャパシタ、バッテリー、または電気化学キャパシタとしての使用に適している。少なくとも１つの細孔は、足場を第１の面から第２の面まで横断する。
【０１６５】
キャパシタ、バッテリー、または電気化学キャパシタ４００、５００およびそれの部品の寸法は、図１〜１７で描写されるキャパシタの寸法に似似している。
【０１６６】
いくつかの実施形態では、焼結材料足場５０４は、ＡＬＤ堆積の１つのステップを節約するために、導体として使用できる。しかしながら、良好な、酸化されない表面が、焼結材料足場５０４の大部分について維持されなければならない。焼結材料５０４を足場としてだけ使用し、それの導電能力を使用しないことによって、キャパシタ、バッテリー、または電気化学キャパシタは、陽極酸化アルミニウム足場型キャパシタ４００と同様の性能を持って製造できる。キャパシタ４００と５００との間の唯一の差は、細孔が真っすぐでなく、整列せず、それどころか焼結材料足場５０４を有するキャパシタ５００では相互接続されることとなる。
【０１６７】
図１９および２０で描写される実施形態では、導体４０８、５０８の層は、足場４０４、５０４の全面に堆積される。導体４０８、５０８に使用されてもよい材料の例となる種類には、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＷＮ、ＴｉＳｉ２、ＰｔＳｉ、ＣｏＳｉ２、ＮｉＳｉおよびＷＳｉ２が制限なく含まれる。導体４０８、５０８は、キャパシタの第１の電極としておよび電流をキャパシタ、バッテリーまたは電気化学キャパシタ構造に運ぶ電気導体としての役割を果たす。
【０１６８】
構造体の第１の面には、導体４０８、５０８への良好な接着性および電気接触を有し、妥当な電気伝導度を有し、さらなるステップのために金属を容易にぬらすことになり、上で論じられたように足場４０４、５０４の細孔中への侵入がないまたは非常に浅い、金属、いくつかの金属層、複合材料または任意の材料の堆積によって作製される上部接点４３６、５３６がある。
【０１６９】
上部端子４４４、５４４は、上部フィラー材料４４０、５４０を使って上部接点４３６、５３６にろう付けされる。
【０１７０】
誘電体層４１２、５１２は、導体４０８、５０８の全面に堆積される。
【０１７１】
プラグ４１６、５１６は、誘電体４１２、５１２の全面に堆積される。いくつかの実施形態では、プラグ４１６、５１６を構成するために使用される材料は、導体４０８、５０８を構成するために使用される材料に似ているまたは同一である。またいくつかの実施形態では、プラグ４１６、５１６は、足場４０４、５０４の細孔を完全に充填してもよくまたは充填しなくてもよい。プラグは、キャパシタの第２の電極の機能および電流をキャパシタ、バッテリーまたは電気化学キャパシタ構造に運ぶ電気導体としての役割を果たしている。
【０１７２】
足場４０４、５０４の第２の面（上面の反対側）には、上部接点４３６、５３６に似たまたは同じ材料でできている底部接点層４２０、５２０が、上部接点４３６、５３６と同様に、プラグ４１６、５１６上に堆積される。底部端子４２８、５２８は、底部フィラー材料４２４、５２４を使って底部接点層４２０、５２０にろう付けされる。
【０１７３】
足場４０４、５０４の周囲には、絶縁体４３２、５３２が、導体４０８、５０８と電気接触しているどんな導電性材料をもプラグ４１６、５１６と電気接触しているどんな導電性材料からも巨視的に分離するように提供される。
【０１７４】
この発明の別の実施形態では、電気化学キャパシタまたはバッテリーは、先の実施形態と同様に構成されるが、しかし誘電体４１２、５１２は、図１１で描写されるように、アノード２７２、固体電解質２７４およびカソード２７６の層で置き換えられる。図１１は、足場４０４または５０４の細孔の一部を描写する。足場４０４、５０４およびそれの周囲のさまざまな他の層に関して描写される線は、真っすぐであってもよくまたは必ずしも真っすぐでなくてもよいが、しかしそのような層の厚さは、均一であることに留意すべきである。
【０１７５】
この発明の別の実施形態では、電気化学キャパシタまたはバッテリーは、先の実施形態と同様に構成されるが、しかしカソード２７６およびアノード２７２が電流を細孔長さに沿って運ぶことを当てにして、導体２０８およびプラグ２１６がない。
【０１７６】
電気化学キャパシタまたはバッテリーの場合は、絶縁体４３２、５３２は、アノード２７２とカソード２７６との間を分離している。アノード２７２およびカソード２７６の位置は、同様の性能を持って逆にされてもよい。
【０１７７】
本発明の別の実施形態は、キャパシタ４００、５００を製造する方法であり、次のステップを含む。
ａ．一実施形態ではナノ細孔Ａｌ２Ｏ３を作るためにアルミニウムを陽極酸化することによって、足場４０４、５０４を作るステップ。別の実施形態では粉末、好ましくは金属粉末を焼結することによる。金属粉末の伝導度は、電気的性能にあまり影響を及ぼさない。足場は、複数の細孔を有するべきであり、少なくとも１つの細孔は、足場を第１の面から第２の面まで横断する。
ｂ．足場４０４、５０４をＡＬＤプロセスによってＴｉＮ、ＴａＮ、ＷＮ、ＴｉＳｉ２、ＰｔＳｉ、ＣｏＳｉ２、ＮｉＳｉ、ＷＳｉ２またはおよそ１０００μΩｃｍより良好な、かなり良好な伝導度を持つ任意の他の材料でできている導体層４０８、５０８で被覆するステップ。導体材料は、伝導度を改善するために堆積後にアニールされてもよい。導体を堆積させるために使用されるＡＬＤプロセスは、１０，０００：１以上のアスペクト比を持つ細孔中への非常に深い侵入を可能にするべきである。各前駆体用量の長い滞留時間は、完全な侵入を可能にするために望ましいが、しかしこれは、非常に大きなチャンバーでの大量堆積の可能性に起因してコスト問題でない。細孔が足場４０４でまたは足場５０４の任意の端部で終わる足場の少なくとも１つの端部は、同様に被覆される。
ｃ．上部接点材料４３６、５３６の堆積ステップ。これは好ましくは、他の金属の良好なぬれを有することになる金属である。それは、ＣＶＤ、スパッタリング、蒸着、または細孔中への侵入が最小で足場４０４、５０４の第１の面に上部接点４３６、５３６の層を作製できる任意の他の堆積プロセスによって堆積される。ＡＬＤは、もしそれが低い侵入を有するように特別に設計されるならば、同様に使用できる。任意の他の外面領域に堆積されるいくらかの金属を有することは、必要とされないが、しかし問題を生じることはない。ニッケル、クロム、亜鉛、金、タングステン、ルテニウム、パラジウム、銀、金属合成物、層状金属その他を含む多くの金属が、可能である。必要条件は、その後のステップでの溶融を避けるためのかなり高い溶融温度およびステップ間での不活性雰囲気の必要性を最小限にするための遅い酸化である。もし細孔のいくつかまたはすべてが上部接点４３６、５３６によって第１の面で完全に塞がれることになるならば、その必要条件は、受け入れられる。上部接点４３６、５３６は、次のステップまで酸化を防止するために貴金属の薄い層でフラッシングされてもよい。
ｄ．上部端子４４４、５４４を上部接点４３６、５３６にろう付けするステップ。フィラー材料４４０、５４０が、一般的なろう付け技術でのように使用される。上部接点４３６、５３６は、細孔に深く侵入しないので、特にもし導体４０８、５０８が、フィラー４４０、５４０の良好なぬれを有さないならば、フィラー材料４４０、５４０が細孔に入り込んで充填する危険性はほとんどない。いくつかの実施形態では、上部端子４４４、５４４は、銅または銅合金などのバルク金属であり、上部フィラー４４０、５４０は、選択された溶融温度を有するろう付け用フィラーである。上部端子４４４、５４４は、金属のいくつかの層でできていてもよく、外側の層は、ＰＣＢにはんだ付けする準備ができており、好ましくははんだ障壁としての役割を果たすように設計される。上部端子４４４、５４４は、応力を最小限にするために構造体の残りと同様の熱膨張係数を有する金属合金から作られてもよく、またはそれは、構造体に損傷を与えることなく熱応力を受け入れるのに十分に柔軟であってもよい。フィラーの厚さは、上部端子４４４、５４４と足場４０４、５０４の端部との間の平坦性の差を吸収するのに十分とすべきである。洗浄の必要性を避けるためにフラックスなしでろう付けすることが望ましく、従って上部接点４３６、５３６およびフィラー４４０、５４０は、かなり酸化がないようにすべきである。不活性雰囲気が、酸化を防止するためにステップ間で使用されてもよい。加えて、貴金属の薄い層が、ろう付けステップの前にフィラー４４０、５４０を覆っていてもよい。
ｅ．前に論じられたようなＡｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、他の金属酸化物、Ｓｉ３Ｎ４、異なる材料の層または材料の混合物などの、利用可能な多くのものの１つとすることができる誘電体４１２、５１２の堆積ステップ。ＡＬＤプロセスによる絶縁材料、特にＡｌ２Ｏ３の非常に深い侵入は、周知の技術である。ＡＬＤは、ピンホール、欠陥その他のない高品質な堆積層を作製する。堆積プロセスは、絶縁品質を改善するために結晶構造ではなくアモルファス構造を作るように設計できる。細孔の内面全体にわたって欠陥がなく、ピンホールがない層が、重要である。この場合もやはり、各前駆体用量の長い滞留時間が、細孔の全深さへの完全な侵入を達成するために望ましい。
ｆ．ガラスまたはプラスチック材料のリフローまたは鋳造によって足場４０４、５０４のすべての側面に絶縁体４３２、５３２を設置するステップ。ガラスは、全構成のサイズにわたる応力が大きすぎないように、構造体の残りの複合係数にかなり似た熱膨張係数を有する組成から作るべきである。プラスチックは、膨張係数に大きな差があっても応力を受け止めることができることになる。プラスチックは、その後のステップに損傷を与えないように低ガス放出性を有するように選択すべきである。絶縁体がないと、電極のナノメートル程度の分離に起因して、ワイヤーをアセンブリにはんだ付けするまたはアセンブリを印刷回路基板に直接はんだ付けすることによってアセンブリを使用することが困難になるので、絶縁体は、最終アセンブリの有用性にとって非常に重要である。このステップｆは、性能の著しい変化なしにステップｅの前に行われてもよいことに留意されたい。別の実施形態では、ガラスの薄い層およびプラスチックの層または他の混合構成が、同様に使用できる。ガラス層は、およそ１ミクロンから数十ミクロンの厚さとすることができ、このステップｆで堆積でき、一方数百ミクロンのプラスチック層は、プラグ材料がガラスの表面から除去された後のプロセスで後に設置されることになる。このように、どんなプラスチック材料もＡＬＤ堆積チャンバーで設置する必要は、回避される。
ｇ．ＡＬＤによるプラグ４１６、５１６の堆積ステップ。プラグ４１６、５１６は、導体４０８、５０８と同じ導電性材料かまたは同様の特性を持つ異なる材料でできている。導体４０８、５０８と同様の伝導度を有するために、プラグ４１６、５１６は、直径がより小さいのでより厚い層を含むことができる。プラグ４１６、５１６は、細孔を完全に充填することになるのが好ましいが、しかしそれは、必要条件ではない。この場合もやはり、導体４０８、５０８の堆積でのように、プラグ４１６、５１６堆積プロセスは、細孔への深い侵入を容易にすべきである。
ｈ．アセンブリの第２の面への底部接点材料４２０、５２０の堆積ステップ。これは、上部接点４３６、５３６に似た金属であり、同じまたは異なる金属であってもよい。それは、ＡＬＤ、ＣＶＤ、スパッタリング、蒸着、または足場の片側に金属層を作製できる任意の他の堆積プロセスによって堆積される。底部接点４２０、５２０は、プラグ４１６、５１６によって充填されなかったどんな細孔の開口も塞いでもよい。
ｉ．底部フィラー４２４、５２４を使って底部端子４２８、５２８を底部接点４２０、５２０にろう付けするステップであって、完全に充填されないすべての細孔が密封されて、環境材料が細孔に入るのを防止することを最終的に確実にする。底部端子４２８、５２８は、上部端子４４４、５４４と同じ材料であってもよいが、しかし底部フィラー４２４、５２４は、上部フィラー４４０、５４０よりも低い溶融温度を有するべきである。このステップは好ましくは、最後に塞がれる任意の開いた細孔に何が閉じ込められるかを制御するために真空または選択雰囲気で行われる。
ｊ．もしステップｂ〜ｉがアレイ中の多くのキャパシタの間で共有されたならば、個々のキャパシタ４００、５００を分離するステップ。表面に露出され、望まれないすべての不要な誘電体、プラグおよび底部接点を機械的にまたは化学的に除去するステップ。
【０１７８】
上部端子および底部端子は、電気化学析出または無電解析出などの、金属の厚い層を作ることができる技術によって直接上部および底部接点に堆積されてもよいことに留意すべきである。そのような厚い堆積技術は、もし上部端子がこのように堆積されるならば、液体中で行われるので、電解質は、さらなるステップの前に細孔から完全に除去すべきである。もし底部端子が、そのような方法で堆積されるならば、細孔は、どんな液体も細孔に閉じ込めらるのを避けるために、プラグによって完全に充填されるまたは底部接点によって完全に塞がれなければならない。別法として、もし上部接点４３６、５３６および底部接点４２０、５２０が、すべての細孔が密閉されるような方法で堆積されるならば、そのとき端子４２８、４４４、５２８および５４４は、ステップｊの前に液体環境で直接一緒に堆積されてもよい。
【０１７９】
拡散障壁層は、層から層への材料の拡散を防止するために堆積されてもよいことにまた留意すべきである。いくらかの拡散は、例えば接点層とフィラー材料との間で避けられないこともあり、または望ましいことさえある。
【０１８０】
シード層は、導体およびプラグへの接点層材料の良好な接着を可能にするために使用されてもよい。例えば、金属シード層は、ＡＬＤまたはＣＶＤによって導体またはプラグに堆積されてもよく、接点が次いで、スパッタリングまたは蒸着によってシード層に堆積される。
【０１８１】
また、酸化防止層、例えば蒸着金の薄い層は、酸化を防止するために上部接点および底部接点に堆積されてもよい。この層は、ろう付けの間にフィラー材料中に拡散してもよい。
【０１８２】
加えて、図１でのはんだ障壁１３０に似たはんだ障壁は、ＰＣＢおよび同様のものへの組立てプロセスを改善するために適用されてもよく、または別法としてそれは、ろう付けする前の電極の一部であってもよい。
【０１８３】
この発明の別の実施形態は、バッテリーまたは電気化学キャパシタの製造方法である。この実施形態では、誘電体層を堆積させることから成る先の実施形態のステップｅおよび絶縁体を取り付けるステップｆは、次のステップに置き換えられる。
ｍ．アノード材料について上で論じられた材料から図１１で描写されるようなアノード２７２を堆積させるステップ。
ｎ．固体電解質について上で論じられた材料から図１１で描写されるような固体電解質２７４を堆積させるステップ。
ｏ．絶縁体４３２、５３２を設置するステップ。このステップは、同様の製品性能を持ってステップｎの前に行われてもよい。
ｐ．カソード材料について上で論じられた材料から図１１で描写されるようなカソード２７６を堆積させるステップ。このステップおよびステップｍは、同様の製品性能を持って交換できることに留意されたい。
【０１８４】
別の実施形態では、電気化学キャパシタまたはバッテリーは、導体４０８、５０８およびプラグ４１６、５１６を堆積させることなく製造され、アノード２７２およびカソード２７４は、バッテリー電極機能に加えて電流を細孔長さに沿って導く機能を果たしている。
【０１８５】
低い漏れ電流は、有用なキャパシタ、バッテリーまたは電気化学キャパシタにとって重大な問題である。そのような漏れ電流は、キャパシタの場合は誘電体４１２、５１２をまたはバッテリーもしくは電気化学キャパシタの場合は固体電解質２７４を堆積させるためにＡＬＤ堆積プロセスを利用することによって制限される。ＡＬＤは、細孔または欠陥のない非常に共形な被覆を達成することが周知であり、それは、少数の分子層で良質の層を可能にする。
【０１８６】
電解キャパシタと比較してキャパシタの現在の設計には、より良好な信頼性、広範囲の使用温度、長寿命、バイポーラ動作、故障しても非汚染、より良好な静電容量精度、パラメーターのより良好な温度安定性、電圧スパイクへの耐性その他などの、他の利点がある。電気化学キャパシタおよびバッテリーへの利点には、短いイオン輸送距離、速い充放電その他が含まれる。
【０１８７】
低い直列抵抗もまた、有用なキャパシタ、バッテリーまたは電気化学キャパシタにとって大きな関心事である。キャパシタの直列抵抗を計算することには、導体およびプラグ層を並列に結合することが含まれる。例としてだが限定ではなく、キャパシタは、７０ｎｍの平均細孔直径および１３０×１０６個の細孔を持つ、１×１×１ｍｍ３のナノ有孔Ａｌ２Ｏ３から作られたと仮定する。導体層は、６ｎｍ厚さであり、絶縁層は、１０ｎｍ厚さであり、プラグ直径は、公称３８ｎｍ、すなわち１９ｎｍ厚さの層の堆積である。前の実施形態の例で計算されたような静電容量は、１００μＦである。導体およびプラグは、堆積されたままの層について達成可能な抵抗であり、アニールまたは他の技術によって大幅に改善されることもあり得る、１０００μΩｃｍまたは１０−５Ωｍを持つＴｉＮでできているとさらに仮定する。計算を容易にするために、導体の管は、６ｎｍの厚さおよび６７ｎｍの平均直径を有し、また３８ｎｍ直径のプラグとほとんど同じ横断面積も有すると仮定できる。抵抗は、
Ｒ＝（１０−５×Ｌ［ｍ］／Ｓ［ｍ２］）／Ｎ
＝（１０−５×１０−３／（π×（３８×１０−９）２／４））／１３０×１０６
＝７×１０−２Ω＝７０ｍΩ
である。
【０１８８】
１００μＦの静電容量を持つタンタル電解キャパシタは、０．９〜１．５Ωの直列抵抗を有することが周知である。それに応じて、現在利用できる電解キャパシタの性能を越えて改善される優れた性能のために、導体およびプラグに導電性が不十分な材料を使用しても、差し支えない。
【０１８９】
インダクタンスは、電流のほとんど直線的な流れに起因して非常に低いことになり、インピーダンスは、多層セラミックキャパシタと同様に、非常に高い周波数に至るまで同じままであると期待される。従って、各電解キャパシタの隣にセラミックキャパシタを設置する現在の慣例と対照的に、そのような慣例は、キャパシタ４００、５００については必要とされない。
【０１９０】
電気化学キャパシタまたはバッテリーについては、図１１で示されるような電解質でのイオンの短いイオン輸送距離２７８は基本的に、数十ナノメートルの距離にわたる細孔での径方向移動である。イオンがアノードからカソードへ移動し、戻るのに必要な時間は、低減され、従来の電気化学キャパシタまたはバッテリーと比較して直列抵抗の低減および充電／放電の最大許容電流の増加もまたある。
【０１９１】
構造アセンブリの変形形態が可能であることを理解すべきである。例えば、別の実施形態では、上部接点は、例えばスパッタリングによって足場の１つの面に直接堆積される。次に、上部端子が、この上部接点にろう付けされる。次いで導体が、ＡＬＤ堆積され、誘電体が、ＡＬＤ堆積される。次いで絶縁体が、取り付けられ、次いでプラグが、ＡＬＤ堆積される。最後に底部接点が、上部接点と同様に堆積され、底部端子が、ろう付けされる。別の変形形態は、次の通りであり、上部接点が、例えばスパッタリングによって足場の１つの面に直接堆積される。次に、上部端子が、この上部接点にろう付けされる。次いで導体が、ＡＬＤ堆積される。次いで絶縁体が、取り付けられ、誘電体が、ＡＬＤ堆積され、次いでプラグが、ＡＬＤ堆積される。最後に底部接点が、堆積され、底部端子が、ろう付けされる。
【０１９２】
別の実施形態では、陽極酸化ナノ細孔足場は、陽極酸化プロセスを止める異なる金属の層を有し、細孔が異なる金属で直接終わるようにするアルミニウム構造体に作られる。もし異なる金属が、電解質によって酸化されないならば、乾燥の後足場は、すでに作り付けの上部端子を有する。次いで導体が、ＡＬＤ堆積され、誘電体が、ＡＬＤ堆積される。次いで絶縁体が、取り付けられ、次いでプラグが、ＡＬＤ堆積される。最後に底部接点が、堆積され、底部端子が、ろう付けされる。
【０１９３】
前述の議論は、例示および説明の目的のために提示された。前述のものは、本発明を本明細書で開示される１つまたは複数の形態に限定することを意図していない。例えば前述の「詳細な説明」では、本発明のさまざまな特徴は、本発明を簡素化する目的のために１つまたは複数の実施形態で一緒にまとめられる。この発明の方法は、特許請求される発明が各請求項で明確に列挙されるよりも多くの特徴を要求するという意図を反映していると解釈すべきでない。それどころか、次の特許請求の範囲が反映するように、発明となる態様は、単一の前述の開示された実施形態のすべてに満たない特徴にある。このように、次の特許請求の範囲は、本明細書によりこの「詳細な説明」に組み込まれ、各請求項は、本発明の別個の好ましい実施形態としてそれ自体を主張する。
【０１９４】
本発明のさまざまな実施形態が、詳細に述べられたが、それらの実施形態の変更および改造が、当業者なら思い当たることは明らかである。しかしながら、そのような変更および改造は、次の特許請求の範囲に記載のとおり、本発明の精神および範囲内であることを明確に理解すべきである。
【符号の説明】
【０１９５】
１００  焼結キャパシタ
１０４  焼結金属
１１２  誘電体
１１８  電極
１２４  フィラー
１２８  底部端子
１３０  はんだ障壁
１３２  絶縁体
１４０  フィラー
１４４  上部端子
２００  キャパシタ
２０４  足場
２０６  細孔
２０８  導体
２１２  誘電体
２１６  プラグ
２２４  フィラー
２２８  底部端子
２３２  絶縁体
２４０  フィラー
２４４  上部端子
２７２  アノード
２７４  固体電解質
２７６  カソード
２７８  イオン輸送距離
３００  キャパシタ
３０１  キャリア
３０４  足場
３０６  細孔
３０８  導体
３１２  誘電体
３１６  プラグ
３２４  フィラー
３３２  絶縁体
３５０  第１の導電性領域
３５２  第２の導電性領域
３５４  上部材料層
４００  バッテリーまたは電気化学キャパシタ
４０４  足場
４０８  導体
４１６  プラグ
４１２  誘電体
４２０  底部接点
４２４  底部フィラー
４２８  底部端子
４３２  絶縁体
４３６  上部接点
４４０  上部フィラー
４４４  上部端子
５００  キャパシタ、バッテリー、または電気化学キャパシタ
５０４  足場
５０８  導体
５１２  誘電体
５１６  プラグ
５２０  底部接点
５２４  底部フィラー
５２８  底部端子
５３２  絶縁体
５３６  上部接点
５４０  上部フィラー
５４４  上部端子
【図１】
2012517717.tif 000003
【図２】
2012517717.tif 000004
【図３】
2012517717.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012517717.tif 000009
【図８】
2012517717.tif 000010
【図９】
2012517717.tif 000011
【図１０】
2012517717.tif 000012
【図１１】
2012517717.tif 000013
【図１２】
2012517717.tif 000014
【図１３】
2012517717.tif 000015
【図１４】
2012517717.tif 000016
【図１５】
2012517717.tif 000017
【図１６】
2012517717.tif 000018
【図１７】
2012517717.tif 000019
【図１８】
2012517717.tif 000020
【図１９】
2012517717.tif 000021
【図２０】
2012517717.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成23年10月13日(2011.10.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気部品を製造する方法において、
足場の内面によって画定される不規則な形状の細孔のネットワークを有して形成される有孔足場を提供するステップであって、少なくとも１つの細孔が前記足場の第１及び第２外面領域上にそれぞれ第１及び第２開口部を有する、ステップと、
前記少なくとも１つの細孔の内面の少なくとも一部分上に複数の隣接する共形層を形成するステップと、
前記第１開口部で第１の前記複数の共形層及び前記足場の少なくとも１つに第１電気接点を提供するステップと、
前記第２開口部で第２の前記複数の共形層に第２電気接点を提供するステップと、
前記第１接点を前記第２接点から絶縁する絶縁材料を堆積させるステップとを含む方法。
【請求項２】
少なくとも１つの前記共形層を、原子層堆積法（ＡＬＤ）によって形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２の複数の共形層を形成する前に前記絶縁材料を堆積させる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１層が、前記内面の少なくとも一部分上に直接共形的に形成された誘電体材料を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記第２層が、前記第１層に共形的に形成された導電材料を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記複数の層が３層を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記第１および第２層が導電材料を含み、それらの間に誘電体材料から形成された第３層が挟まれる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第１および第２層がそれぞれアノード及びカソードを含み、それらの間に電解質から形成された第３が挟まれる、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
足場の内面によって画定される不規則な形状の細孔のネットワークを有して形成された有孔足場であって、少なくとも１つの細孔が前記足場の第１及び第２外面領域上にそれぞれ第１及び第２開口部を有する、有孔足場と、
前記少なくとも１つの細孔の内面の少なくとも一部分上にある複数の隣接する共形層と、
前記第１開口部における第１の前記複数の共形層及び前記足場の少なくとも１つへの第１電気接点と、
前記第２開口部における第２の前記複数の共形層への第２電気接点と、
前記第１接点を前記第２接点から絶縁する絶縁材料とを備える電気部品。
【請求項１０】
前記第１層が、前記内面の少なくとも一部分上に直接共形的に形成された誘電体材料を含み、前記第２層が前記第１層に共形的に形成された導電材料を含む、請求項９に記載の電気部品。
【請求項１１】
前記複数の層が３層を含む、請求項９に記載の電気部品。
【請求項１２】
前記第１および第２層がそれぞれアノード及びカソードを含み、それらの間に電解質から形成された第３層が挟まれている、請求項１１に記載の電気部品。
【請求項１３】
前記第１および第２層が導電材料を含み、それらの間に誘電体から形成された第３層が挟まれている、請求項１１に記載の電気部品。
【国際調査報告】
2012517717.tif 000023