CN117878106A - 硅电容电极结构及硅电容 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅电容电极结构及硅电容，其中在硅电容电极结构中，通过在基底上制造按照不同周期性网格分布的多组柱体基元阵列，并将多组柱体基元阵列嵌套组合，提高电极结构表面积的同时提高结构稳定性，降低等效串联电阻，以满足应用需求。

Description

硅电容电极结构及硅电容

技术领域

本发明是关于微纳技术领域，特别是关于一种硅电容电极结构及硅电容。

背景技术

在微纳技术领域，在需要在应用中实现大电容的情况下，每平方半导体衬底面积的成本以及对电容的需求都在不断增加。为了增加电容密度，柱体的纵横比可以增加，其中纵横比被定义为其长度与垂直于其长度方向的最小横截面尺寸之比。增加电容密度的策略是增加柱体的长度，或者减小柱体的横截面尺寸或占地面积，进而在同样的衬底面积上放置更多的柱体。然而，具有高纵横比的圆形柱体在受到剪切力时易于断裂和/或倾倒，例如在处理和/或加工过程中可能发生的情况，现有的电极设计通常不能满足特定应用中对电极表面积和结构稳定性的需求，从而限制了电容器的应用领域。其次，现有的电极设计，其在衬底上的排布存在不尽合理之处，导致形成的电极结构的等效串联电阻（ESR）较高。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅电容电极结构及硅电容，其能够通过在基底上制造按照不同周期性网格分布的多组柱体基元阵列，并将多组柱体基元阵列嵌套组合，提高电极结构表面积的同时提高结构稳定性，降低等效串联电阻，以满足应用需求。

为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种硅电容电极结构，包括基底，第一柱体基元阵列以及第二柱体基元阵列。基底具有第一表面。第一柱体基元阵列形成于所述基底的第一表面上，所述第一柱体基元阵列包括多个呈第一周期性网格分布的第一柱体基元，每个所述第一柱体基元包括位于两端的第一主体部A和第一主体部B以及连接所述第一主体部A和第一主体部B的第一连接部，所述第一柱体基元中的第一主体部A的中心点构成所述第一周期性网格的格点；第二柱体基元阵列形成于所述基底的第一表面上，所述第二柱体基元阵列包括多个呈第二周期性网格分布的第二柱体基元，每个所述第二柱体基元包括位于两端的第二主体部A和第二主体部B以及连接所述第二主体部A和第二主体部B的第二连接部，所述第二柱体基元中的第二主体部A的中心点构成所述第二周期性网格的格点；其中，所述第一周期性网格的任一格点与所述第二周期性网格的任一格点不重合设置，且所述第一柱体基元与所述第二柱体基元之间不接触设置。

在本发明的一个或多个实施方式中，在所述第一表面上，所述第一柱体基元中第一主体部A和第一主体部B的中心连线所在直线与所述第二柱体基元中第二主体部A和第二主体部B的中心连线所在直线平行或相交。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述第二柱体基元的尺寸与所述第一柱体基元相同，且所述第二柱体基元由所述第一柱体基元移动并绕其第一主体部A的中心点旋转α₁角度后形成。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述α₁角度的范围为0°~180°。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述α₁角度为90°。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一周期性网格包括具有单元格ABCD的平行四边形网格；所述第二周期性网格包括具有单元格A’B’C’D’的平行四边形网格；所述具有单元格ABCD的平行四边形网格与所述具有单元格A’B’C’D’的平行四边形网格尺寸相同。

在本发明的一个或多个实施方式中，边AB平行于边A’B’，边AC平行于边A’C’。

在本发明的一个或多个实施方式中，每个所述第二柱体基元中的第二主体部A的中心点均位于以所述第一柱体基元中的第一主体部A的中心点为格点所构成的第一周期性网格的一个单元格的中心点上。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一主体部A被构造成直径为R_A1的圆柱，所述第一主体部B被构造成直径为R_B1的圆柱，所述第一连接部具有垂直于所述第一主体部A和第一主体部B中心连线的长度R₁，其中，R_A1=R_B1=R₁；所述第二主体部A被构造成直径为R_A2的圆柱，所述第二主体部B被构造成直径为R_B2的圆柱，所述第二连接部具有垂直于所述第二主体部A和第二主体部B中心连线的长度R₂，其中，R_A2=R_B2=R₂。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一柱体基元中第一主体部A和第一主体部B的中心连线具有长度L₁，所述长度L₁大于或等于第一主体部A或第一主体部B的一半周长；所述第二柱体基元中第二主体部A和第二主体部B的中心连线具有长度L₂，所述长度L₂大于或等于第二主体部A或第二主体部B的一半周长。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述硅电容电极结构还包括第三柱体基元阵列，所述第三柱体基元阵列形成于所述基底的第一表面上，所述第三柱体基元阵列包括多个呈第三周期性网格分布的第三柱体基元，每个所述第三柱体基元包括位于两端的第三主体部A和第三主体部B以及连接所述第三主体部A和第三主体部B的第三连接部，所述第三柱体基元中的第三主体部A的中心点构成所述第三周期性网格的格点；其中，所述第三周期性网格的任一格点与所述第二周期性网格的任一格点以及所述第一周期性网格的任一格点均不重合设置，且所述第三柱体基元与所述第一柱体基元和所述第二柱体基元之间均不接触设置。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述第三柱体基元中第三主体部A和第三主体部B的中心连线所在直线与所述第一柱体基元中第一主体部A和第一主体部B的中心连线所在直线或所述第二柱体基元中第二主体部A和第二主体部B的中心连线所在直线平行或相交。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述第三柱体基元的尺寸与所述第一柱体基元相同，且所述第三柱体基元由所述第一柱体基元移动并绕其第一主体部A的中心点旋转α₂角度后形成，所述α₂角度的范围为0°~180°。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一周期性网格包括具有单元格ABCD的平行四边形网格；所述第二周期性网格包括具有单元格A’B’C’D’的平行四边形网格；所述第三周期性网格包括具有单元格A’’B’’C’’D’’的平行四边形网格；所述具有单元格ABCD的平行四边形网格、所述具有单元格A’B’C’D’的平行四边形网格以及所述具有单元格A’’B’’C’’D’’的平行四边形网格的尺寸均相同。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一周期性网格包括具有单元格ABC的等腰三角形网格；所述第二周期性网格包括具有单元格A’B’C’的等腰三角形网格；所述第三周期性网格包括具有单元格A’’B’’C’’的等腰三角形网格；所述具有单元格ABC的等腰三角形网格、所述具有单元格A’B’C’的等腰三角形网格以及所述具有单元格A’’B’’C’’的等腰三角形网格的尺寸均相同。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述第三主体部A被构造成直径为R_A3的圆柱，所述第三主体部B被构造成直径为R_B3的圆柱，所述第三连接部具有垂直于所述第三主体部A和第三主体部B中心连线的长度R₃，其中，R_A3=R_B3=R₃；所述第三柱体基元中第三主体部A和第三主体部B的中心连线具有长度L₃，所述长度L₃大于或等于第三主体部A或第三主体部B的一半周长。

在本发明的一个或多个实施方式中，边AB平行于边A’B’，边AC平行于边A’C’。

本发明还提供了一种硅电容，包括上述的硅电容电极结构。

与现有技术相比，根据本发明实施方式的硅电容电极结构，通过采用不同周期性网格分布的多组柱体基元阵列嵌套组合的方式，可以在有限的空间内增加电极的表面积，提高电容器的电容量，使其能够存储更多的电荷。

根据本发明实施方式的硅电容电极结构，通过第一、第二、第三柱体基元的特殊形状设置，能够减少电子在外周面上的聚集，配合不同周期性网格的排列，进一步降低硅电容电极结构的等效串联电阻（ESR）。

根据本发明实施方式的硅电容电极结构，通过不同阵列的周期性网格排设增加表面积，在保持电容量不变的情况下，可以减小电容器的体积，这对于集成在小型电子设备中非常重要，能在有限的空间内实现更高的电容。

根据本发明实施方式的硅电容电极结构，能提高能量密度。由于电容器的能量密度与其电容量和工作电压有关，通过增加电容量就可以在相同的体积内存储更多的能量。本实施方式的硅电容电极结构，通过不同阵列的组合嵌套排设，在相同的空间内增加电极的表面积，提高电容器的电容量。

根据本发明实施方式的硅电容电极结构，能进一步提高性能和稳定性。呈周期性网格排设的柱体基元阵列可以提供均匀的电场分布，有助于提高电容器的性能和稳定性。均匀的电场分布有助于减小电容器的漏电流，提高绝缘性能，并降低损耗。呈周期性网格排设的柱体基元阵列可以通过精确的制造工艺来实现，提高制造过程的一致性。这有助于减小电容器之间的性能差异，提高制造的可控性。

根据本发明实施方式的硅电容电极结构，能提高机械稳定性，增强散热性能。柱体基元的周期性网格排设具有更好的机械稳定性。这对于在振动或机械应力较大的环境中使用的电容器尤为重要。柱体基元的周期性网格排设还能够提高电容器的散热性能，因为基元之间留有间隙，有利于空气流动，降低电容器工作时的温度。

根据本发明实施方式的硅电容电极结构，通过随机路径全同电介质（电阻）模型进行其多组柱体基元阵列的嵌套排设，更易对硅电容电极结构获取其中关于材料中导电路径分布和电荷传输行为的信息。

根据本发明实施方式的硅电容电极结构，通过随机导电路径渗透模型，对多组柱体基元阵列的嵌套排设进行模拟和分析其电容3D结构等效电阻随机并联的情况，可以更好地设计3D形貌和预测电容ESR。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的硅电容电极结构的平面形貌示意图；

图2是图1中的部分放大图。

图3是根据本发明第二实施方式的硅电容电极结构的平面形貌示意图；

图4是图3中的部分放大图。

图5是根据本发明第三实施方式的硅电容电极结构的平面形貌示意图；

图6是图5中的部分放大图。

图7是根据本发明第四实施方式的硅电容电极结构的平面形貌示意图；

图8是图7中的部分放大图

图9是图7中的另一部分放大图。

图10是根据本发明的实施方式的硅电容电极结构与现有技术中三叉星柱模型的电极结构的容值仿真图。

图11是根据本发明的实施方式的硅电容电极结构与现有技术中三叉星柱模型的电极结构的阻抗仿真图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如背景技术所言，为了增加电容密度，可以采取的方案有增加柱体的纵横比，即增加柱体的长度或者减小柱体的横截面尺寸或占地面积，进而在同样的衬底面积上放置更多的柱体。然而，具有高纵横比的柱体在受到剪切力时易于断裂和/或倾倒，例如在处理和/或加工过程中可能发生的情况，现有的电极设计通常不能满足特定应用中对电极表面积和结构稳定性的需求，从而限制了电容器的应用领域。其次，现有的电极设计，其在衬底上的排布存在不尽合理之处，导致形成的电极结构的等效串联电阻（ESR）较高。

为了解决上述技术问题，本发明基于随机路径全同电介质（电阻）模型以及随机导电路径逾渗模型，提供了一种硅电容电极结构，首先通过构造具有主体部以及连接部的柱体基元，增强电极结构的稳定性，同时，并使柱体基元按照不同的周期性网格进行阵列排设并将按照不同周期性网格阵列排设的多组柱体基元阵列嵌套组合，且多组柱体基元阵列中的柱体基元相对基低的角度不同，增强柱体基元承受应力的能力的同时，能在有限的空间内进一步提高电极的表面积，降低等效串联电阻，以满足应用需求。

随机路径全同电介质（电阻）模型，用于描述介质材料中具有随机性的导电路径的分布和性质。这种模型将应用于分析复杂介质中的电导行为，其中电荷在材料中通过随机分布的导电路径传输。通过模拟和分析随机路径全同电介质模型，可以获取关于材料中导电路径分布和电荷传输行为的信息。这种模型是一种理论化的简化描述，实际材料的电学行为可能受到更多因素的影响，如材料微观结构、电荷载流子的性质等。在使用随机路径全同电介质（电阻）模型时，需要根据具体材料和实验条件进行适当的修正和验证，以确保模型的适用性和准确性。

随机导电路径逾渗模型用于描述具有随机性的导电路径在复杂介质中的分布和性质。这种模型将应用于分析材料中导电性的逾渗行为。随机导电路径逾渗模型用于描述3D电容等效电阻的随机并联性质的模型，考虑导电路径随机分布的情况。其等效以周期性规则分布的方式并联。随机导电路径渗透模型通过模拟和分析这种随机并联的情况，可以帮助更好地预测ESR。

如图1、图3、图5和图7所示，根据本发明一实施方式的硅电容电极结构，包括：基底10，第一柱体基元阵列以及第二柱体基元阵列。

基底10具有第一表面，用作第一柱体基元阵列和第二柱体基元阵列以及后续其他柱体基元阵列的底部支撑。以基底10的第一表面为底平面，在其上建立三维直角坐标系，横向方向被定义为x方向，纵向方向则被定义为y方向，垂直于第一表面的方向则被定义为z方向。

第一柱体基元阵列形成于基底10的第一表面上。第一柱体基元阵列包括多个第一柱体基元21。

如图2所示，第一柱体基元21从第一表面在z方向上延伸，且延伸长度为L_Z1。第一柱体基元21为电极结构的一部分。每个第一柱体基元21包括位于两端的第一主体部A211和第一主体部B212以及连接第一主体部A211和第一主体部B212的第一连接部213。在z方向上，第一主体部A211和第一主体部B212的长度相同，均为L_Z1；第一连接部213的长度与第一主体部A211和第一主体部B212的长度相同，同为L_Z1。优选的，第一主体部A211被构造为直径为R_A1的圆形柱体结构；第一主体部B212被构造成直径为R_B1的圆形柱体结构；第一柱体基元21中第一主体部A211和第一主体部B212的中心连线具有长度L₁，长度L₁大于或等于第一主体部A211或第一主体部B212的周长的一半，此设置使得，第一柱体基元21具有更大的表面积。第一连接部213具有垂直于第一主体部A211和第一主体部B212中心连线的长度R₁，其中，R_A1=R_B1=R₁。因此，第一主体部A211具有垂直于第一表面（即在z方向上）且穿过第一主体部A211自身中心点的第一截面；第一主体部B212具有垂直于第一表面（即在z方向上）且穿过第一主体部B212自身中心点的第二截面；第一连接部213具有垂直于第一主体部A211和第一主体部B212中心连线且垂直于第一表面的第三截面；第一连接部213在从第一主体部A211到第一主体部B212方向上的任一第三截面始终与第一主体部A211的第一截面和第一主体部B212的第二截面完全重合。

多个第一柱体基元21呈第一周期性网格分布于基底10的第一表面上。其中，第一柱体基元21中的第一主体部A211的中心点构成第一周期性网格的格点。可以理解的是，相邻两行两列的相邻四个第一柱体基元21中的第一主体部A211的中心点即构成单元格ABCD的四个顶点A，B，C，D。则第一周期性网格可以包括具有多个单元格ABCD的四边形网格。优选的，第一周期性网格包括具有单元格ABCD的平行四边形网格，即单元格ABCD为平行四边形的单元格。

第二柱体基元阵列形成于基底10的第一表面上。第二柱体基元阵列包括多个第二柱体基元31。

第二柱体基元31从第一表面在z方向上延伸，且延伸长度为L_Z2。第二柱体基元31为电极结构的一部分。每个第二柱体基元31包括两端的第二主体部A311和第二主体部B312以及连接第二主体部A311和第二主体部B312的第二连接部313。在z方向上，第二主体部A311和第二主体部B312的长度相同，均为L_Z2；第二连接部313的长度与第二主体部A311和第二主体部B312的长度相同，同为L_Z2。优选的，第二主体部A311被构造为直径为R_A2的圆形柱体结构；第二主体部B312被构造成直径为R_B2的圆形柱体结构；第二柱体基元31中第二主体部A311和第二主体部B312的中心连线具有长度L₂，长度L₂大于或等于第二主体部A311或第二主体部B312的周长的一半，此设置使得，第二柱体基元31具有更大的表面积。第二连接部313具有垂直于第二主体部A311和第二主体部B312中心连线的长度R₂，其中，R_A2=R_B2=R₂。因此，第二主体部A311具有垂直于第一表面（即在z方向上）且穿过第二主体部A311自身中心点的第四截面；第二主体部B312具有垂直于第一表面（即在z方向上）且穿过第二主体部B312自身中心点的第五截面；第二连接部313具有垂直于第二主体部A311和第二主体部B312中心连线且垂直于第一表面的第六截面；第二连接部313在从第二主体部A311到第二主体部B312方向上的任一第六截面始终与第二主体部A311的第四截面和第二主体部B312的第五截面完全重合。

多个第二柱体基元31呈第二周期性网格分布于基底10的第一表面上。其中，第二柱体基元31中的第二主体部A311的中心点构成第二周期性网格的格点。可以理解的是，相邻两行两列的相邻四个第二柱体基元31中的第二主体部A311的中心点即构成单元格A’B’C’D’的四个顶点A’，B’，C’，D’。则第二周期性网格可以包括具有多个单元格A’B’C’D的四边形网格。优选的，第二周期性网格包括具有单元格A’B’C’D’的平行四边形网格，即单元格A’B’C’D’为平行四边形的单元格。

在基底10的第一表面上，由第一柱体基元阵列形成的第一周期性网格与由第二柱体基元阵列形成的第二周期性网格嵌套设置。其中，第一周期性网格中具有单元格ABCD的平行四边形网格与第二周期性网格中具有单元格A’B’C’D’的平行四边形网格尺寸相同，且单元格ABCD中的边AB平行于单元格A’B’C’D’中的边A’B’，单元格ABCD中的边AC平行于单元格A’B’C’D’中的边A’C’。第一周期性网格的任一格点-即第一柱体基元21的第一主体部A211与第二周期性网格的任一格点-即第二柱体基元31的第二主体部A311不重合设置，第一柱体基元21与第二柱体基元31之间也不接触设置。

在一实施例中，第一柱体基元21中第一主体部A211和第一主体部B212的中心连线所在直线与第二柱体基元31中第二主体部A311和第二主体部B312的中心连线所在直线平行。在又一实施例中，第一柱体基元21中第一主体部A211和第一主体部B212的中心连线所在直线与第二柱体基元31中第二主体部A311和第二主体部B312的中心连线所在直线相交，如图2所示。

优选的，第二柱体基元31的尺寸与第一柱体基元21的尺寸完全相同，且第二柱体基元31可以看成由第一柱体基元21移动并绕其第一主体部A211的中心点旋转α₁角度后形成，旋转的方向可以为顺时针方向，也可以为逆时针方向。α₁角度的范围可以为0°~180°。且，第二柱体基元31的第二主体部A311的中心点距第一柱体基元21的第一主体部A211的中心点之间的水平距离为x1，垂直距离为y1。

请参考图1和图2所示，在图1和图2所示的硅电容电极结构中，第一柱体基元阵列形成的第一周期性网格呈方形网格分布，且，每个单元格ABCD的边AB均与x方向平行，边AC均与y方向平行。第二柱体基元阵列形成的第二周期性网格同样呈方形网格分布，且，每个单元格A’B’C’D’的边A’B’均与x方向平行，边A’C’均与y方向平行。其中，边AB的长度等于边A’B’的长度，边AC的长度等于边A’C’的长度。优选的，每个第二柱体基元31的第二主体部A311的中心点均位于第一周期性网格中的一个单元格的中心点上。可以理解为，第二柱体基元阵列是由第一柱体基元阵列整体先沿x方向平移边AB的1/2长度，在沿y方向平移边AC的1/2长度，最后每个第一柱体基元21再以第一主体部A211的中心点旋转α₁角度后形成。本实施方式中，α₁的角度为45°。

请参考图3和图4所示，在图3和图4所示的硅电容电极结构中，第一柱体基元阵列形成的第一周期性网格呈菱形状网格分布，且，每个单元格ABCD的边AB与x方向的夹角为45°，边AC与y方向的夹角为45°。第二柱体基元阵列形成的第二周期性网格同样呈菱形状网格分布，且，每个单元格A’B’C’D’的边A’B’与x方向的夹角为45°，边A’C’与y方向的夹角为45°。其中，边AB的长度等于边A’B’的长度，边AC的长度等于边A’C’的长度。可以理解为，第二柱体基元阵列是由第一柱体基元阵列整体先沿x方向平移一定距离x1，再沿y方向平移一定距离y1，最后每个第一柱体基元21再以第一主体部A211的中心点旋转α₁角度后形成。本实施方式中，α₁的角度为90°。

请参考图5和图6所示，在图5和图6所示的硅电容电极结构中，第一柱体基元阵列形成的第一周期性网格同样呈方形网格分布，且，每个单元格ABCD的边AB与x方向形成角度为α₃的夹角，边AC与y方向形成角度为α₄的夹角，优选的，α₄=α₃。第二柱体基元阵列形成的第二周期性网格同样呈方形网格分布，且，每个单元格A’B’C’D’的边A’B’与x方向形成角度为α₃的夹角，边A’C’与y方向形成角度为α₄的夹角，优选的，α₄=α₃。其中，边AB的长度等于边A’B’的长度，边AC的长度等于边A’C’的长度。优选的，每个第二柱体基元31的第二主体部A311的中心点均位于第一周期性网格中的一个单元格的中心点上。可以理解为，第二柱体基元阵列是由第一柱体基元阵列整体先沿边AB方向平移边AB的1/2长度，在沿边AC方向平移边AC的1/2长度，最后每个第一柱体基元21再以第一主体部A211的中心点旋转α₁角度后形成。α₁的角度为0°-180°。

上述实施例中，硅电容电极结构均包括两组柱体基元阵列。当然，硅电容电极结构也可以包括三组柱体基元阵列。其中第一柱体基元阵列中的第一柱体基元和第二柱体基元阵列中的第二柱体基元与上述实施例中的相同，本实施例不再详细展开阐述。

参考图7所示，第三柱体基元阵列形成于基底10的第一表面上。第三柱体基元阵列包括多个第三柱体基元41。

参考图8所示，第三柱体基元41从第一表面在z方向上延伸，且延伸长度为L_Z3。第三柱体基元41为电极结构的一部分。每个第三柱体基元41包括位于两端的第三主体部A411和第三主体部B412以及连接第三主体部A411和第三主体部B412的第三连接部413。在z方向上，第三主体部A411和第三主体部B412的长度相同，均为L_Z3；第三连接部413的长度与第三主体部A411和第三主体部B412的长度相同，同为L_Z3。优选的，第三主体部A411被构造为直径为R_A3的圆形柱体结构；第三主体部B412被构造成直径为R_B3的圆形柱体结构；第三柱体基元41中第三主体部A411和第三主体部B412的中心连线具有长度L₃，长度L₃大于或等于第三主体部A411或第三主体部B412的周长的一半，此设置使得，第三柱体基元41具有更大的表面积。第三连接部413具有垂直于第三主体部A411和第三主体部B412中心连线的长度R₃，其中，R_A3=R_B3=R₃。因此，第三主体部A411具有垂直于第一表面（即在z方向上）且穿过第三主体部A411自身中心点的第七截面；第三主体部B412具有垂直于第一表面（即在z方向上）且穿过第三主体部B412自身中心点的第八截面；第三连接部413具有垂直于第三主体部A411和第三主体部B412中心连线且垂直于第一表面的第九截面；第三连接部413在从第三主体部A411到第三主体部B412方向上的任一第九截面始终与第三主体部A411的第七截面和第三主体部B412的第八截面完全重合。

多个第三柱体基元41呈第三周期性网格分布于基底10的第一表面上。其中，第三柱体基元41中的第三主体部A411的中心点构成第三周期性网格的格点。可以理解的是，相邻两行两列的相邻四个第三柱体基元41中的第三主体部A411的中心点即构成单元格A’’B’’C’’D’’的四个顶点A’’，B’’，C’’，D’’。则第三周期性网格可以包括具有多个单元格A’’B’’C’’D’’的四边形网格。优选的，第三周期性网格包括具有单元格A’’B’’C’’D’’的平行四边形网格，即单元格A’’B’’C’’D’’为平行四边形的单元格。

在基底10的第一表面上，由第一柱体基元阵列形成的第一周期性网格与由第二柱体基元阵列形成的第二周期性网格以及由第三柱体基元阵列形成的第三周期性网格相互嵌套设置。其中，第一周期性网格中具有单元格ABCD的平行四边形网格与第二周期性网格中具有单元格A’B’C’D’的平行四边形网格以及第三相同周期性网格中具有单元格A’’B’’C’’D’’的平行四边形网格的尺寸相同，且单元格ABCD中的边AB与单元格A’B’C’D’中的边A’B’以及单元格A’’B’’C’’D’’中的边A’’B’’均平行设置，单元格ABCD中的边AC与单元格A’B’C’D’中的边A’C’以及单元格A’’B’’C’’D’’中的边A’’C’’均平行设置。第一周期性网格的任一格点-即第一柱体基元21的第一主体部A211与第二周期性网格的任一格点-即第二柱体基元31的第二主体部A311以及第三周期性网格的任一格点-即第三柱体基元41的第三主体部A411两两不重合设置，第一柱体基元21、第二柱体基元31以及第三柱体基元41之间也两两不接触设置。

在一实施例中，第一柱体基元21中第一主体部A211和第一主体部B212的中心连线所在直线与第二柱体基元31中第二主体部A311和第二主体部B312的中心连线所在直线以及第三柱体基元41中第三主体部A411和第三主体部B412的中心连线所在直线平行。在又一实施例中，第一柱体基元21中第一主体部A211和第一主体部B212的中心连线所在直线与第二柱体基元31中第二主体部A311和第二主体部B312的中心连线所在直线以及第三柱体基元41中第三主体部A411和第三主体部B412的中心连线所在直线相交，参考图8所示。

优选的，第三柱体基元41的尺寸与第一柱体基元21的尺寸完全相同，且第三柱体基元41可以看成由第一柱体基元21移动并绕其第一主体部A211的中心点旋转α₂角度后形成，旋转的方向可以为顺时针方向，也可以为逆时针方向。α₂角度的范围可以为0°~180°。且第三柱体基元41的第三主体部A411的中心点距第一柱体基元21的第一主体部A211的中心点之间的水平距离为x2，垂直距离为y2。

请参考图7和图8所示，在图7和图8所示的硅电容电极结构中，第一柱体基元阵列形成的第一周期性网格呈平行四边形网格分布，且，每个单元格ABCD的边AB均与x方向平行，边AC与y方向形成角度为α₅的夹角，优选的，α₅的角度范围为0°-90°。第二柱体基元阵列形成的第二周期性网格同样呈平行四边形网格分布，且，每个单元格A’B’C’D’的边A’B’均与x方向平行，边A’C’与y方向形成角度为α₅的夹角，优选的，α₅的角度范围为0°-90°。其中，边AB的长度等于边A’B’的长度，边AC的长度等于边A’C’的长度。第三柱体基元阵列形成的第三周期性网格同样呈平行四边形网格分布，且，每个单元格A’’B’’C’’D’’的边A’’B’’均与x方向平行，边A’’C’’与y方向形成角度为α₅的夹角，优选的，α₅的角度范围为0°-90°。其中，边AB的长度等于边A’B’的长度，边AC的长度等于边A’C’的长度。

可以理解的是，第二柱体基元阵列可以由第一柱体基元阵列整体先沿x方向平移一定长度x1，再沿y方向平移一定长度y1，最后每个第一柱体基元21再以第一主体部A211的中心点逆时针旋转α₁角度后形成。α₁的角度为0°-180°。第三柱体基元阵列可以由第一柱体基元阵列整体先沿x方向平移一定长度x2，再沿y方向平移一定长度y2，最后每个第一柱体基元21再以第一主体部A211的中心点顺时针旋转α₂角度后形成。α₂的角度为0°-180°。

请参考图7和图9所示，在图7的硅电容电极结构中，第一柱体基元阵列形成的第一周期性网格还可以呈等腰三角形网格分布，且，每个单元格ABC的边AB与x方向形成角度为α₆的夹角，优选的，α₆的角度范围为0°-90°。边AC与y方向形成角度为α₇的夹角，优选的，α₇的角度范围为0°-90°。第二柱体基元阵列形成的第二周期性网格同样呈等腰三角形网格分布，且，每个单元格A’B’C’的边A’B’均与x方向形成角度为α₆的夹角，优选的，α₆的角度范围为0°-90°，边A’C’与y方向形成角度为α₇的夹角，优选的，α₇的角度范围为0°-90°。其中，边AB的长度等于边A’B’的长度，边AC的长度等于边A’C’的长度。第三柱体基元阵列形成的第三周期性网格同样呈等腰三角形网格分布，且，每个单元格A’’B’’C’’的边A’’B’’均与x方向形成角度为α₆的夹角，优选的，α₆的角度范围为0°-90°，边A’’C’’与y方向形成角度为α₇的夹角，优选的，α₇的角度范围为0°-90°。其中，边AB的长度等于边A’B’的长度，边AC的长度等于边A’C’的长度。α₆和α₇的角度之和为90°。

可以理解的是，第二柱体基元阵列可以由第一柱体基元阵列整体先沿x方向平移一定长度x1，再沿y方向平移一定长度y1，最后每个第一柱体基元21再以第一主体部A211的中心点逆时针旋转α₁角度后形成。α₁的角度为0°-180°。第三柱体基元阵列可以由第一柱体基元阵列整体先沿x方向平移一定长度x2，再沿y方向平移一定长度y2，最后每个第一柱体基元21再以第一主体部A211的中心点顺时针旋转α₁角度后形成。α₁的角度为0°-180°。

可以理解的是，在上述的硅电容电极结构的基底的第一表面以及柱体基元的外表面上进行后续的层结构的制作（采用传统方式），即可得到硅电容结构。因后续的层结构的制作不是本申请的重点，本申请在此不做详细展开阐述。

在上述多个实施例中，不同周期性网格分布的多组柱体基元阵列嵌套组合的方式，无论是从随机路径全同电介质（电阻）模型或者是随机导电路径逾渗模型来分析，都具有更高的电容值，更低的等效串联电阻以及更长的使用寿命。

参考图10所示，图10为本申请的第二实施方式、第四实施方式中的硅电容电极结构以及现有技术中的三叉星柱模型的电极结构的容值仿真图，从图中可以看出，C_{第四实施方式}=0.362pF@1GHz，C_{第二实施方式}= 0.312pF@1GHz，C_三叉星柱= 0.244pF@1GHz。

参考图11所示，图11为本申请的第二实施方式、第四实施方式中的硅电容电极结构以及现有技术中的三叉星柱模型的电极结构的阻抗仿真图，从图中可以看出，ESR_{第四实施方式}= 0.74ohm@SRF，ESR_{第二实施方式}= 0.75ohm@SRF，ESR_三叉星柱= 0.83ohm@SRF。

因而可以得出结论，本申请中的硅电容电极结构所形成的硅电容，相比于传统技术中的三叉星柱模型的电极结构所形成的硅电容，具有更高的单位面积电容值以及更低的等效串联电阻。另外，从上述图中可以看出，三种柱体基元阵列的组合嵌套比两种柱体基元阵列的组合嵌套制成的硅电容，单位面积容值高且等效串联电阻低。

与现有技术相比，根据本发明实施方式的硅电容电极结构，通过采用不同周期性网格分布的多组柱体基元阵列嵌套组合的方式，可以在有限的空间内增加电极的表面积，提高电容器的电容量，使其能够存储更多的电荷。

根据本发明实施方式的硅电容电极结构，通过第一、第二、第三柱体基元的特殊形状设置，能够减少电子在外周面上的聚集，配合不同周期性网格的排列，进一步降低硅电容电极结构的等效串联电阻（ESR）。

根据本发明实施方式的硅电容电极结构，通过不同阵列的周期性网格排设增加表面积，在保持电容量不变的情况下，可以减小电容器的体积，这对于集成在小型电子设备中非常重要，能在有限的空间内实现更高的电容。

根据本发明实施方式的硅电容电极结构，能提高能量密度。由于电容器的能量密度与其电容量和工作电压有关，通过增加电容量就可以在相同的体积内存储更多的能量。本实施方式的硅电容电极结构，通过不同阵列的组合嵌套排设，在相同的空间内增加电极的表面积，提高电容器的电容量。

根据本发明实施方式的硅电容电极结构，能进一步提高性能和稳定性。呈周期性网格排设的柱体基元阵列可以提供均匀的电场分布，有助于提高电容器的性能和稳定性。均匀的电场分布有助于减小电容器的漏电流，提高绝缘性能，并降低损耗。呈周期性网格排设的柱体基元阵列可以通过精确的制造工艺来实现，提高制造过程的一致性。这有助于减小电容器之间的性能差异，提高制造的可控性。

根据本发明实施方式的硅电容电极结构，能提高机械稳定性，增强散热性能。柱体基元的周期性网格排设具有更好的机械稳定性。这对于在振动或机械应力较大的环境中使用的电容器尤为重要。柱体基元的周期性网格排设还能够提高电容器的散热性能，因为基元之间留有间隙，有利于空气流动，降低电容器工作时的温度。

根据本发明实施方式的硅电容电极结构，通过随机路径全同电介质（电阻）模型进行其多组柱体基元阵列的嵌套排设，更易对硅电容电极结构获取其中关于材料中导电路径分布和电荷传输行为的信息。

根据本发明实施方式的硅电容电极结构，通过随机导电路径渗透模型，对多组柱体基元阵列的嵌套排设进行模拟和分析其电容3D结构等效电阻随机并联的情况，可以更好地设计3D形貌和预测电容ESR。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (15)

1.一种硅电容电极结构，其特征在于，包括：

基底，具有第一表面；

第一柱体基元阵列，形成于所述基底的第一表面上，所述第一柱体基元阵列包括多个呈第一周期性网格分布的第一柱体基元，每个所述第一柱体基元包括位于两端的第一主体部A和第一主体部B以及连接所述第一主体部A和第一主体部B的第一连接部，所述第一柱体基元中的第一主体部A的中心点构成所述第一周期性网格的格点；

第二柱体基元阵列，形成于所述基底的第一表面上，所述第二柱体基元阵列包括多个呈第二周期性网格分布的第二柱体基元，每个所述第二柱体基元包括位于两端的第二主体部A和第二主体部B以及连接所述第二主体部A和第二主体部B的第二连接部，所述第二柱体基元中的第二主体部A的中心点构成所述第二周期性网格的格点；

其中，所述第一周期性网格的任一格点与所述第二周期性网格的任一格点不重合设置，且所述第一柱体基元与所述第二柱体基元之间不接触设置。

2.如权利要求1所述的硅电容电极结构，其特征在于，在所述第一表面上，所述第一柱体基元中第一主体部A和第一主体部B的中心连线所在直线与所述第二柱体基元中第二主体部A和第二主体部B的中心连线所在直线平行或相交。

3.如权利要求1所述的硅电容电极结构，其特征在于，所述第二柱体基元的尺寸与所述第一柱体基元相同，且所述第二柱体基元由所述第一柱体基元移动并绕其第一主体部A的中心点旋转α₁角度后形成。

4.如权利要求3所述的硅电容电极结构，其特征在于，所述α₁角度的范围为0°~180°。

5.如权利要求4所述的硅电容电极结构，其特征在于，所述α₁角度为90°。

6.如权利要求1所述的硅电容电极结构，其特征在于，所述第一周期性网格包括具有单元格ABCD的平行四边形网格；所述第二周期性网格包括具有单元格A’B’C’D’的平行四边形网格；所述具有单元格ABCD的平行四边形网格与所述具有单元格A’B’C’D’的平行四边形网格尺寸相同。

7.如权利要求6所述的硅电容电极结构，其特征在于，边AB平行于边A’B’，边AC平行于边A’C’。

8.如权利要求1所述的硅电容电极结构，其特征在于，每个所述第二柱体基元中的第二主体部A的中心点均位于以所述第一柱体基元中的第一主体部A的中心点为格点所构成的第一周期性网格的一个单元格的中心点上。

9.如权利要求1所述的硅电容电极结构，其特征在于，所述第一主体部A被构造成直径为R_A1的圆柱，所述第一主体部B被构造成直径为R_B1的圆柱，所述第一连接部具有垂直于所述第一主体部A和第一主体部B中心连线的长度R₁，其中，R_A1=R_B1=R₁；

所述第二主体部A被构造成直径为R_A2的圆柱，所述第二主体部B被构造成直径为R_B2的圆柱，所述第二连接部具有垂直于所述第二主体部A和第二主体部B中心连线的长度R₂，其中，R_A2=R_B2=R₂。

10.如权利要求1所述的硅电容电极结构，其特征在于，还包括第三柱体基元阵列，所述第三柱体基元阵列形成于所述基底的第一表面上，所述第三柱体基元阵列包括多个呈第三周期性网格分布的第三柱体基元，每个所述第三柱体基元包括位于两端的第三主体部A和第三主体部B以及连接所述第三主体部A和第三主体部B的第三连接部，所述第三柱体基元中的第三主体部A的中心点构成所述第三周期性网格的格点；

其中，所述第三周期性网格的任一格点与所述第二周期性网格的任一格点以及所述第一周期性网格的任一格点均不重合设置，且所述第三柱体基元与所述第一柱体基元和所述第二柱体基元之间均不接触设置。

11.如权利要求10所述的硅电容电极结构，其特征在于，所述第三柱体基元中第三主体部A和第三主体部B的中心连线所在直线与所述第一柱体基元中第一主体部A和第一主体部B的中心连线所在直线或所述第二柱体基元中第二主体部A和第二主体部B的中心连线所在直线平行或相交。

12.如权利要求10所述的硅电容电极结构，其特征在于，所述第三柱体基元的尺寸与所述第一柱体基元相同，且所述第三柱体基元由所述第一柱体基元移动并绕其第一主体部A的中心点旋转α₂角度后形成，所述α₂角度的范围为0°~180°。

13.如权利要求10所述的硅电容电极结构，其特征在于，所述第一周期性网格包括具有单元格ABCD的平行四边形网格；所述第二周期性网格包括具有单元格A’B’C’D’的平行四边形网格；所述第三周期性网格包括具有单元格A’’B’’C’’D’’的平行四边形网格；所述具有单元格ABCD的平行四边形网格、所述具有单元格A’B’C’D’的平行四边形网格以及所述具有单元格A’’B’’C’’D’’的平行四边形网格的尺寸均相同；或者，

所述第一周期性网格包括具有单元格ABC的等腰三角形网格；所述第二周期性网格包括具有单元格A’B’C’的等腰三角形网格；所述第三周期性网格包括具有单元格A’’B’’C’’的等腰三角形网格；所述具有单元格ABC的等腰三角形网格、所述具有单元格A’B’C’的等腰三角形网格以及所述具有单元格A’’B’’C’’的等腰三角形网格的尺寸均相同。

14.如权利要求10所述的硅电容电极结构，其特征在于，所述第三主体部A被构造成直径为R_A3的圆柱，所述第三主体部B被构造成直径为R_B3的圆柱，所述第三连接部具有垂直于所述第三主体部A和第三主体部B中心连线的长度R₃，其中，R_A3=R_B3=R₃；

所述第三柱体基元中第三主体部A和第三主体部B的中心连线具有长度L₃，所述长度L₃大于或等于第三主体部A或第三主体部B的一半周长。

15.一种硅电容，其特征在于，包括如权利要求1-14任一所述的硅电容电极结构。