Condensador de silicio macroporoso de baja resistencia serie.

La presente solicitud de Patente de Invención consiste conforme indica su enunciado,

en un "condensador de silicio macroporoso de baja resistencia serie", cuyas nuevas características de construcción conformación y diseño le confieren alta relación capacidad/superficie de la muestra a la vez que mejora la respuesta frecuencial respecto a dispositivos anteriores.

Condensador de silicio macroporoso de baja resistencia serie

La presente patente consiste en la aplicación del silicio macroporoso como condensador, constituyendo una de las placas conductoras del mismo que proporciona también la estructura física del dispositivo. Como alternativa se puede utilizar el silicio macroporoso como molde para dar forma a una capa conductora de otro material.

Para obtener una baja resistencia serie se determina que la otras placa sea altamente conductora, para ello se propone el uso de metal en el interior de la estructura porosa. Para realizar este rellenado se propone una técnica de electrodepósito de metales en membranas creadas a partir del silicio macroporoso.

Con el fin de reducir más la resistencia serie del dispositivo se propone también el dopado del silicio e incluso el uso de éste como molde para una segunda metalización más conductora.

La estructura en que una de las placas está constituida por silicio macroporoso permite obtener condensadores de efecto de campo. Por ello tiene especial interés en su aplicación a dispositivos microelectrónicos modernos que pretendan mejorar la miniaturización e incluso para el embebido en sistemas digitales de microprocesado de datos, entre otras aplicaciones.

Sector de la técnica

Los sectores de la técnica objetos de esta invención son los condensadores eléctricos de elevada capacidad, el silicio macroporoso y los dispositivos electrónicos analógicos.

Estado de la técnica

El silicio macroporoso es un material estructurado que consiste en una red de poros, que pueden estar ordenados, perforados en silicio. El silicio macroporoso es un material nuevo que despierta interés por sus propiedades eléctricas, químicas, ópticas, etc. El silicio macroporoso está dando lugar a una amplia variedad de dispositivos que están dando lugar a un extenso ámbito de aplicaciones de interés industrial y científico.

Esta patente se centra en una aplicación de este material a la fabricación de condensadores eléctricos de elevada capacidad, aprovechando la gran relación superficie a volumen que presenta este material.

Particularmente aplicando el silicio macroporoso al ámbito de los condensadores, se encuentran algunos trabajos preliminares. Tales trabajos hacen referencia a monolitos de silicio perforados por medios electroquímicos, oxidación anódica. A modo de ejemplo tenemos los artículos doi: 10.1016/0040-6090(95)08038-4,

doi: 10.1002/pssc.200779412 ,doi:10.1016/j.mee.2009.02.031

doi: 10.1016/j.mee.2007.01.233.

En estos trabajos se presentan unos condensadores en los que el material aislante consiste en una capa de óxido e silicio y las placas conductoras son ambas de silicio (una de ellas es de polisilicio)

En esta patente se mejoran aspectos de funcionamiento de otras estructuras de condensadores existentes.

La presente invención está basada en los siguientes puntos:

1- Creación de una estructura de gran relación superficie/volumen. Mediante el uso de silicio macroporoso, se consigue crear estructuras de tubos huecos perforados en silicio separados por finas paredes.

2- Una técnica de fabricación empleada para crear el silicio macroporoso es el Ataque Electroquímico Asistido por Luz, aunque existen otras técnicas como por ejemplo el Reactive Ion Etching (RIE) que permite fabricar estructuras similares. La técnica usada en la presente, nos permite crear tubos ordenados de diferente profundidad, diámetro y separación entre ellos.

3- La técnica de fabricación de ataque electroquímico asistido por luz, permite además la modulación del diámetro de los tubos en profundidad, lo que posibilita la obtención de relaciones superficie / volumen todavía mayores.

4- Para obtener una baja resistencia serie, una de las placas es metálica. Para ello se rellenan los tubos de la estructura porosa con metal. Un método propuesto para realizar este rellenado, es el electrodepósito de metales. Para esto, se necesita abrir ambos extremos de los tubos, por lo tanto una de las caras del silicio macroporoso se rebaja mediante un ataque al silicio, formando así una membrana en la que los poros van de lado a lado de la misma.

5- Además para mejorar la conductividad en la placa de silicio, se realiza un proceso de difusión de dopante.

6- El dieléctrico necesario para obtener un condensador necesita recubrir de manera uniforme toda la estructura de silicio. Para ello se propone el crecimiento térmico de óxido de silicio. Existen otras técnicas alternativas o complementarias para obtener la capa aislante como por ejemplo el ALD (Atomic Layer Deposition), CVD (Chemical Vapour Deposition) u otras.

Descripción detallada de la invención

La presente invención consiste en un condensador eléctrico en el que una de las placas es de silicio macroporoso, y la otra es de metal rellenando los poros. Ambos electrodos se separan por una fina capa dieléctrica. Se obtienen así dispositivos de alta capacidad, con un margen frecuencial amplio, con un margen de tensiones de operación ajustables mediante el proceso de fabricación, y con la posibilidad de crear un dispositivo de capacidad variable con la tensión de trabajo.

Una de las formas del silicio macroporoso propuesto es la membrana liberada completamente. Ésta permite por un lado facilitar la limpieza de la misma en los procesos posteriores, así como facilitar la introducción de metales, polímeros y otros materiales.

Un aspecto importante en la fabricación de estos dispositivos es la limpieza de la estructura de silicio macroporoso a la hora de llevar a cabo los diferentes pasos de fabricación, en particular en la etapa previa a la formación de la capa dieléctrica. Un aspecto clave en la limpieza de la membrana radica en la dificultad de llegar al interior del poro dada la elevada relación de aspecto en el caso de que haya aire o gas

atrapado en el interior de los tubos. El hecho de tener una membrana donde los poros conectan ambos lados ayuda en los pasos de limpieza.

Además del método propuesto en el punto 4- para el rellenado de los tubos, y obtener así una baja resistencia en serie; existen otras posibilidades para esto, como por ejemplo el uso de polímeros conductores. En algunos casos, para la introducción de los materiales, se puede utilizar el sistema de primero hacer vacío, después depositar el material en los tubos, y finalmente presurizar de nuevo. Este sistema es aplicable al caso de que los poros no atraviesen la capa de silicio.

Una elevada resistencia de aislamiento es obtenible mediante el uso del óxido de silicio por oxidación térmica. Este óxido en condiciones de limpieza adecuadas ofrece una aislamiento excelente. De la calidad de este óxido dependerá también la tensión de ruptura de los condensadores. De forma opcional es posible añadir otras capas de dieléctrico para mejorar las características del aislante.

Por otra parte, se propone el dopado del silicio con la finalidad de reducir la resistencia del electrodo semiconductor. El elemento dopante puede introducirse fácilmente mediante difusión térmica, en atmósfera dopante, utilizando obleas dopantes, u otros métodos. Este proceso es rápido y de bajo coste, sin requerir elevada capacidad tecnológica, siendo el resultado un dopado uniforme en toda la estructura y una importante reducción de la resistencia serie del dispositivo.

Breve descripción de las figuras

En la figura 1 se muestra una representación del dispositivo capacitivo completo.

Se muestra el dispositivo formado por una estructura base de silicio macroporoso (1) a la que se le ha crecido una capa de material aislante (dióxido de silicio) (2) y en la que posteriormente se ha introducido un metal (níquel) (3). Los contactos eléctricos en el silicio (4) y el metal (5) definen a estos como las placas del condensador.

En la figura 2 se muestra dos ejemplos de silicio macroporoso con tubos rectos y tubos modulados.

Los tubos crecidos mediante el ataque electroquímico descrito en los puntos 2- y

3- del silicio macroporoso, puede ser recto (1) o modulado (2). La disposición de los tubos puede ajustarse según el proceso, así como el diámetro de estos.

En la figura 3 se muestra la creación de una membrana de silicio macroporoso.

Partiendo de una estructura (A) de silicio macroporoso (1), en (B) se crea una capa de detención mediante el crecimiento de dióxido de silicio (2) en una estructura porosa. Obtenida esta capa, en (C) se procede al ataque en medio alcalino de la cara posterior. El proceso finaliza en (D) en cuanto se alcanza la capa de detención. Finalmente se abre la membrana (E) eliminando el óxido de silicio de protección.

1- Condensador de alta densidad de capacidad de silicio macroporoso basado en una estructura de trincheras en un volumen de silicio que comprende un electrodo de metal, una capa aislante dieléctrica y un segundo electrodo de silicio poroso; caracterizado porque el electrodo metálico penetra en el interior del volumen de silicio a través de los poros y el segundo electrodo lo forma la propia estructura de silicio macroporoso.

2- Condensador de alta densidad de capacidad según la reivindicación 1 compuesto por dos electrodos de metal separados por una capa aislante caracterizado porque se ha empleado la estructura de trincheras del silicio macroporoso como molde sacrificial.

3- Condensador de alta densidad de capacidad basado en silicio macroporoso según la reivindicación 1 en el que el electrodo de metal se sustituye por un polímero conductor.

4- Método de fabricación de un condensador de alta densidad de capacidad basado en silicio macroporoso caracterizado por la creación de una estructura base de silicio macroporoso para la obtención de las trincheras, la creación de una membrana porosa a partir de la estructura original de silicio macroporoso, el depósito de una capa aislante en toda la superficie porosa y el crecimiento o depósito de metal en el interior de los poros.

5- Método de fabricación de un condensador de alta densidad de capacidad basado en silicio macroporoso según la reivindicación 4 caracterizado porque la estructura de silicio macroporoso se elimina después de la introducción del primer electrodo metálico y posteriormente se añade el segundo electrodo asimismo de metal.

6- Método de fabricación de un condensador de alta densidad de capacidad basado en silicio macroporoso según la reivindicación 4 en el que el electrodo de silicio macroporoso se obtiene mediante la técnica de ataque electroquímico asistido por luz, caracterizado porque se obtiene una membrana porosa a partir de este mediante un ataque selectivo de la cara no porosa.

7- Método de fabricación de un condensador de alta densidad de capacidad basado en silicio macroporoso según la reivindicación 6 en el que el diámetro de los poros en la estructura de silicio poroso se modula en función de la profundidad preferentemente durante el ataque electroquímico o por técnicas de post-procesado.

8- Método de fabricación de un condensador de alta densidad de capacidad basado en silicio macroporoso según la reivindicación 4 en que la estructura de silicio macroporoso se dopa para obtener silicio altamente conductor.

9- Método de fabricación de un condensador de alta densidad de capacidad basado en silicio macroporoso según la reivindicación 4 en que la capa

aislante dieléctrica se crea mediante la oxidación térmica de la estructura de silicio macroporoso o se puede depositar mediante técnicas CVD (Chemical Vapour Deposition).

10- Método de fabricación de un condensador de alta densidad de capacidad basado en silicio macroporoso según la reivindicación 9 caracterizado porque la capa aislante se sustituye o suplementa por una multicapa de diferentes materiales dieléctricos.

11- Método de fabricación de un condensador de alta densidad de capacidad basado en silicio macroporoso según la reivindicación 5 y 9 en el cual la capa aislante se deposita sobre el electrodo metálico una vez eliminado el molde sacrificial de silicio macroporoso.

12- Método de fabricación de un condensador de alta densidad de capacidad basado en silicio macroporoso según las reivindicaciones4 y 5caracterizado porque el electrodo de metal se introduce en el interior de los poros mediante la técnica de electrodepósito (galvanización, galvanoplastia).

13- Método de fabricación de un condensador de alta densidad de capacidad basado en silicio macroporoso según la reivindicación 12 caracterizado porque el metal se introduce en el interior de los poros haciendo penetrar nanopartículas o nanotubos conductores, o mediante la fusión del metal y su infiltración en el silicio poroso, o mediante el uso de una reacción REDOX (técnica electroless deposition).

14- Método de fabricación de un condensador de alta densidad de capacidad basado en silicio macroporoso según la reivindicación 12 caracterizado porque se emplea un electrodo de polímero conductor en lugar de metal, y se introduce mediante infiltración u otras técnicas.

15- Método de fabricación de un condensador de alta densidad de capacidad basado en silicio macroporoso según la reivindicación 10 caracterizado porque la estructura de silicio poroso se mantiene a un potencial positivo, manteniendo la tensión del ánodo, durante el electrodepósito, con el propósito de mejorar el crecimiento de los pilares de metal dentro de los tubos.

16- Método de fabricación de un condensador de alta densidad de capacidad basado en silicio macroporoso según la reivindicación 4 caracterizado por la creación una capa aislante suplementaria, ya sea mediante depósito o por anodización, en la cara externa del silicio macroporoso para mejorar el aislamiento eléctrico del contacto.

17- Método de fabricación de un condensador de alta densidad de capacidad basado en silicio macroporoso según la reivindicación 16 que se complementa con un recocido para mejorar las características del aislante depositado.