用光刻技术制造IEDC 体积仅为铝电解电容器的1/1000

日本产业技术综合研究所（以下简称“产综研”）开发出了使用碳纳米管（CNT）作为电极的“CNT集成化微型电容器（IEDC）”。IEDC是利用类似IC的工艺在硅晶圆上制造的超薄双电层电容器（EDLC）。

IEDC性能上的特点是能量密度、输出功率密度及充放电速度均比现有的铝（Al）电解电容器高，能量密度约为后者的1000倍（图1）。与通过小型化不断扩大市场份额的多层陶瓷电容器（MLCC）相比，IEDC也薄很多。

采用超薄梳状电极

这些高性能源于（1）元件结构采用的全新设计的EDLC“微型EDLC”，（2）基于光刻技术的微细、高精度、高密度加工技术，（3）高纯度碳纳米管（CNT）的高导电性和较大的比表面积等。

微型EDLC将电容器的两个电极做成薄膜并采用梳状，使电极之间相互咬合（图1（b））。单个芯片的尺寸不到1mm见方，CNT层的厚度为1～2μm。工作电压约为1V，静电容量约为30μF。微型EDLC的研究从2010年左右就开始了，但此次是首次高密度集成到硅晶圆上。

图1：充放电时间比通常的双电层电容器短很多

将4并4串共16个IEDC组成的单元，与工作电压、静电容量相同的铝电解电容器进行比较（a），体积只有铝电解电容器的约1/838。1个IEDC的结构和尺寸（b）。与铝电解电容器、各种双电层电容器（EDLC）及锂离子二次电池进行比较（c）。充放电时间与铝电解电容器相同，在EDLC中是非常短的。

制造高纯度CNT采用的是产综研开发的“超生长（SG）法”，纯度为99.98％。SG法已达到量产水平。日本瑞翁公司（Zeon）将于2015年下半年开始量产。

IEDC的生产方面，采用的是可批量生产的光刻技术（图2）。将CNT分散到水性溶剂中，制成CNT膏，然后用刀片将其涂在绘好图案的金集电体上。然后，通过光刻和蚀刻，将CNT层加工成与金集电体相同的形状。此次利用这样的工艺，在4英寸（约100mm）硅晶圆上制造了4700个IEDC。

图2：利用光刻技术制成CNT层

IEDC制造工艺的概要：（1）将U形金集电体组合成梳状，然后利用对电解质稀硫酸有很强防水性的环氧树脂（SU8）制作电极隔板。（2）用刀片在其上涂抹CNT膏，（3）利用光刻和蚀刻技术形成CNT层。此次采用了稀硫酸作为电解质。