CN103035833A - 一种平面型半导体热电芯片及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平面型半导体热电芯片及制备方法，该方法包括：制备包括两端完全隔离的导热层（100）、位于导热层上的绝缘层（200）以及位于绝缘层上的发电层（300）的硅片，发电层包括热电偶对（302）及连接热电偶对的金属引线及电极（301）；制备设有凹部并采用绝热材料的支撑层（400）；将支撑层（400）与所述硅片键合，并且键合后对硅片背面进行减薄抛光；释放热电偶对（302），导热层的两端通过该热电偶对桥接。本发明极大的提高了单个平面型半导体热电发电芯片内的热电偶对数量和温差利用率，从而实现平面型半导体热电发电芯片高电压、大功率输出。本发明工艺简单，成本低廉，可实现批量化制作，具有应用前景。

Description

一种平面型半导体热电芯片及制备方法

技术领域

本发明提出了一种平面型半导体热电芯片及制备方法，属于半导体热电发电及微机电加工技术领域。 

背景技术

自1821年发现塞贝克效应以来，随着半导体技术的成熟以及热电材料研究的开展，热电技术逐渐得到了人们的重视。 

基于热电材料塞贝克效应原理的半导体热电器件中，通常将两种不同的半导体材料(通常一种P型，一种N型的半导体材料)串联起来，两者两邻端和相对端分别连接冷源和热源，如果冷源和热源之间存在温度差，根据塞贝克效应，会在串联结构两端形成一个电压，这样就构成一个温差发电机。设半导体材料冷端和热端温度差为ΔT_tp，两种材料的塞贝克系数分别为α_p和α_n，热电偶总对数为N，则这种发电机输出电压可表示为： 

U＝N·(α_p-α_n)·ΔT_tp      (1) 

若发电机总内阻为R_TEG，负载电阻为R_L，则其输出功率可表示为： 

$P=\frac{U^2}{{(R_{\mathrm{TEG}}+R_L)}^2}\·R_L=\frac{N^2\·{({\mathrm{\α}}_p-{\mathrm{\α}}_n)}^2\·{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{tp}}}^2}{{(R_{\mathrm{TEG}}+R_L)}^2}\·R_L---\left(2\right)$

若令每一对热电偶的电阻为R，则R_TEG＝N*R，当R_TEG＝R_L时，器件达到最大输出功率 

$P_{\max }=\frac{N\·{({\mathrm{\α}}_p-{\mathrm{\α}}_n)}^2\·{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{tp}}}^2}{4R}---\left(3\right)$

在热电材料没有突破性进展的情况下，提高输出电压和输出功率的方法主要依赖对热电偶对的排布结构进行优化。目前热电偶对的排布结构大体上分为两种：一种为垂直排布，热电偶对呈柱状或爬坡结构排列，其特征为冷端和热端的连线与热电偶阵列面垂直，另一种为平面排布，其特征为冷端和热端的连线与热电偶阵列面平行。 

垂直排布方式的热电偶对能够实现较高的排布密度，但由于热电偶部分相对热阻较小，两端的温差较小，而且制作工艺相对复杂，成本较高；平面排布方式热电偶相对热阻较大，而且制作简单，成本较低，但常见的热电偶排布方式，热电偶对数较少，而且冷端和热端没有完全隔离，热电偶两端温差较小，很难达到较高的输出电压和输出功率。 

鉴于此，有必要设计一种新的平面型半导体热电芯片以解决上述技术问题。 

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种平面型半导体热电芯片及制备方法，用于解决现有技术中热电偶对数较少，而且冷端和热端没有完全隔离，热电偶两端温差较小的问题，从而实现了更高的输出电压和热电效率。 

为实现上述目的及其他相关目的，本发明采用如下技术方案：一种平面型半导体热电芯片的制备方法，该方法包括以下步骤： 

1)制备包括两端完全隔离的导热层(100)、位于导热层上的绝缘层(200)以及位于绝缘层上发电层(300)的硅片，所述发电层包括热电偶对(302)以及连接该热电偶对的金属引线及电极(301)；制备设有凹部并采用绝热材料的支撑层(400)； 

2)将所述支撑层(400)与所述硅片键合，并且键合后对硅片背面进行减薄抛光； 

3)释放热电偶对(302)，所述导热层的两端通过该热电偶对桥接。 

优选地，所述发电层制备方法如下：在绝缘层上生长多晶硅薄膜，对该薄膜进行P型和N型离子掺杂，干法刻蚀形成P、N两种类型电阻；溅射铝(15)，湿法腐蚀后合金化形成铝电极，实现热电偶对的电连接；干法刻蚀氮化硅、氧化硅，露出硅衬底，预留键合区域。 

优选地，所述步骤1)中制备包括热电偶对结构的硅片步骤如下： 

a)在作为导热层的普通硅片(14)的正面依次生长氧化硅层(13)和氮化硅层(12)，用于形成绝缘层； 

b)在所述绝缘层上用不同塞贝克系数的材料制作成热电偶对；制作金属引线和电极，实现热电偶对的电连接形成发电层； 

c)根据需要制作键合区域。 

优选地，所述步骤1)中制备采用绝热材料的支撑层(400)步骤如下： 

A.在玻璃片上下两面分别制备耐酸薄膜(17)，涂胶光刻对耐酸薄膜(17)进行图形化处理，作为湿法腐蚀掩膜； 

B.用氢氟酸和浓盐酸按体积比10∶1进行配液，形成玻璃各向同性腐蚀液； 

C.将步骤A之后获得的结构放入步骤B的玻璃各向同性腐蚀液中静置，形成腐蚀槽； 

D.去除玻璃片表面的耐酸掩膜(17)。 

优选地，所述步骤3)中释放热电偶对结构步骤如下：对硅片背面进行DRIE深刻蚀， 在氧化硅层(13)和氮化硅层(12)形成的绝缘层处自停止，形成梳齿形状导热层，从而释放热电偶对结构。 

本发明还包括一种平面型半导体热电芯片，该热电芯片包括两端完全隔离的导热层(100)、位于导热层上的绝缘层(200)以及位于绝缘层上的发电层(300)，所述发电层包括热电偶对(302)以及连接该热电偶对的金属引线及电极(301)； 

设有凹部(401)并与该导热层键合形成用于收容发电层(300)的空腔的支撑层(400)； 

所述热电偶对包括呈方波状的热电偶，该热电偶以及连接该热电偶的金属引线及电极(301)用于桥接导热层；所述热电偶对的材料为具有不同塞贝克系数的两种材料。 

优选地，所述导热层(100)采用梳齿结构隔离，该梳齿结构包括自导热层两端交错延伸的梳齿臂(103)，热电偶对(302)以及连接该热电偶对的金属引线及电极(301)与所述梳齿臂(103)桥接。 

优选地，所述绝缘层为一层或多层结构。 

优选地，所述导热层为一层或多层结构。 

优选地，所述支撑层为一层或多层，其位于导热层的上面或下面。 

优选地，所述梳齿结构中的梳齿臂间距为0.5um～1000um，梳齿宽度为1um～1000um，梳齿对数为1.5～5000对。 

优选地，所述热电偶臂的间距为0.5-500um。 

优选地，所述支撑层材料为热玻璃。 

本发明属于半导体热电发电范畴，具有以下优点 

①相对于垂直型结构，本发明的芯片结构具有更好的温度分布特性，冷端热端两端之间的热阻非常大，温度梯度几乎完全落在热电偶臂上，热电转化效率更高，同样的材料和冷热源温度条件下，单个热电偶对的输出性能优于垂直型结构。 

②相对于垂直型结构，本发明工艺简单，成本低廉，对各种热电材料具有良好的工艺兼容性，为以后新热电材料的应用带来极大方便。 

③相对于传统平面结构，本发明极大地提高了单芯片内热电偶对数量，能达到更高的输出电压和输出功率，使得平面型结构具有实用性。 

附图说明

图1：本发明提出的基于梳齿结构的热电芯片结构示意图。 

图2-1：硅片准备，通过热氧化、LPCVD分别在硅片表面生长氧化硅和沉积氮化硅、多晶硅。 

图2-2：多晶硅离子注入掺杂形成P型、N型电阻，干法刻蚀多晶硅形成热电偶对结构。 

图2-3：溅射金属铝，湿法腐蚀后合金化形成电极，实现热电偶对的电连接。 

图2-4：干法RIE刻蚀氮化硅、氧化硅，露出硅衬底，形成键合区域。 

图2-5：与带腐蚀槽的Pyrex7740玻璃进行阳极键合，硅片背面CMP减薄抛光。 

图2-6：硅片背面DRIE深刻蚀，在氧化硅、氮化硅复合膜处自停止，形成梳齿基底结构。 

图3-1：准备Pyrex7740玻璃片，双面沉积CYTOP耐酸材料。 

图3-2：图形化CYTOP掩膜，用40％氢氟酸和浓盐酸按体积比10∶1进行配液，将玻璃片静置其中腐蚀。 

图3-3：腐蚀完毕后，用等离子去胶法去除CYTOP掩膜。 

图4：实施例1结构与下层绝热支撑层键合示意图。 

图5a为本发明中支撑层的示意图。 

图5b为本发明中发电层的示意图。 

图5c为本发明中绝缘层的示意图。 

图5d为本发明中导热层的示意图。 

元件符号说明 

多晶硅层  11 

氮化硅层  12 

氧化硅层  13 

硅片      14 

金属铝    15 

耐酸掩膜  17 

支撑层    400 

凹部      401 

发电层    300 

绝缘层         200 

导热层         100 

热端           101 

冷端           102 

金属引线及电极 301 

热电偶对       302 

梳齿臂         103 

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。 

请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。 

请参阅图1所示，一种平面型半导体热电芯片，该热电芯片包括设有梳齿结构或其它可以使两端隔离的结构的导热层100、设有凹部401的并与该导热层键合形成空腔的支撑层400以及位于该空腔内的发电层300；所述发电层和导热层之间设有绝缘层200；该平面型半导体热电芯片结构如图5a-5d所示。 

所述发电层300设有热电偶对302以及和该热电偶对连接的金属导线及电极301，所述导热层100的梳齿结构中包括热端101、冷端102以及分别自热端和冷端自由延伸并交错的梳齿臂103；该热电偶对通过该热电偶以及和热电偶连接的金属导线及电极301导热层的梳齿臂桥接。所述发电层300包括热电偶对302以及实现热电偶对电连接的金属引线和电极301；所述热电偶对的材料为具有不同塞贝克系数的两种材料。 

所述梳齿结构使得导热层的两端完全隔离，所述梳齿臂103通过键合工艺分别连接在 支撑层凹部401的两端。 

所述热电偶对包括呈方波状的若干组热电偶，用于桥接导热层上的梳齿臂。 

绝缘层200可为一层或多层结构；导热层100可为一层或多层结构；发电层300所用的热电偶材料为具有不同塞贝克系数的两种材料。支撑层400可为一层或多层，位置可为导热层一侧或两侧。 

导热层100采用梳齿结构，梳齿臂103间距为0.5um～1000um，梳齿宽度为1um～1000um，梳齿对数为1.5～5000对(0.5表示半对梳齿，即一侧比另一侧多一根梳齿)。导热层的梳齿结构单元不局限于直条形状，而包括所有相同或相近形状的交叠式重复排列。梳齿结构导热层及绝缘层上，热电偶对通过金属导线及电极301分别与相邻两个梳齿臂桥接，热电偶间距为0.5-500um。导热层的冷端与热端完全隔离，通过键合工艺分别连接在支撑层上，冷端与热端仅有热电偶部分桥接。 

一种新型平面型半导体热电芯片的加工方法，包括以下步骤： 

1)取普通硅片作为导热层材料，用热氧化、LPCVD的方法分别在硅片正面生长氧化硅、氮化硅，形成电绝缘层。 

2)在电绝缘层上用不同塞贝克系数的材料制作成热电偶对。 

3)用淀积的方法在电绝缘层上制作金属引线和电极，实现热电偶对的电连接形成发电层。 

4)根据需要制作键合区域。 

5)用绝热材料作为支撑层，与硅片进行键合，并且键合后对硅片背面进行CMP减薄抛光。 

6)对硅片背面进行DRIE深刻蚀，在氧化硅、氮化硅复合膜处自停止，形成梳齿形状导热层，并且释放热电偶对结构。 

用玻璃作为支撑层，单晶硅作为导热层，先进行键合工艺，再对热电偶进行释放。支撑层可在键合前进行加工，表面形成槽型结构或穿孔结构，导电层上的电极可在划片后在芯片侧面或上下表面通过金属材料引出。 

实施例1 

热电偶材料选用P型多晶硅和N型多晶硅，支撑层采用Pyrex7740耐热玻璃，键合方式采用硅-玻璃阳极键合。 

1)取(100)硅片14(单晶硅)，用热氧化、两次LPCVD的方法分别在硅片正面生长氧 化硅13、氮化硅12、多晶硅薄膜(11)。见图2-1。 

2)对多晶硅进行P型和N型离子掺杂，干法刻蚀形成P、N两种类型电阻。见图2-2。 

3)溅射铝15，湿法腐蚀后合金化形成铝电极，实现热电偶对的电连接。见图2-3。 

4)干法刻蚀氮化硅、氧化硅，露出硅衬底，预留键合区域。见图2-4。 

5)取Pyrex7740玻璃片16，表面各向同性湿法腐蚀处理后，与硅片进行阳极键合键合，并且键合后对硅片背面进行CMP减薄抛光。见图2-5。 

6)对硅片背面进行DRIE深刻蚀，在氧化硅、氮化硅复合膜处自停止，形成梳齿形状基底，释放热电偶对结构。见图2-6。 

由于阳极键合与玻璃接触的硅衬底表面比多晶硅电阻区域低了几微米，容易导致因键合面凹凸不平造成键合失效甚至碎裂，因此需要在玻璃片一侧事先制备键合空腔结构。空腔结构的制作主要是利用对玻璃的湿法腐蚀工艺完成的，制备过程如下： 

耐酸薄膜17选用AGC Chemicals(日本)公司的CYTOP非晶含氟聚合物。 

a.取Pyrex7740玻璃片16，双面制作耐酸薄膜17，涂胶光刻对耐酸薄膜进行图形化处理，作为湿法腐蚀掩膜。见图3-1。 

b.用40％氢氟酸和浓盐酸按体积比10∶1进行配液，形成玻璃各向同性腐蚀液。 

c.将玻璃片放入腐蚀液中静置10分钟，形成40um深的腐蚀槽，腐蚀速率约为4um/min。见图3-2。 

d.去除玻璃表面的耐酸掩膜17。见图3-3。 

实施例2 

热电偶材料选用多晶硅和金属铝，其具体实施步骤和实施例1基本相同，主要区别在于：步骤2中对多晶硅薄膜进行一次离子掺杂使其导电，在步骤3中铝图形化形成电极的同时也形成相应的热电偶，与多晶硅电阻配对形成热电偶对，其余部分不变。 

实施例3 

在实施例1的结构上增加下层支撑层，具体实施步骤和实施例1基本相同，在步骤6后增加一次键合工艺，与下层绝热支撑层实现键合，支撑层材料选用Pyrex7740耐热玻璃。见图4. 

本发明提出了一种平面型热电芯片结构及制作方法，这种热电芯片结构包括导热层、电绝缘层、发电层、支撑层4个部分，将导热层两端与冷源和热源相连，固定在支撑层上，导热层中部制成梳齿结构，并且表面制作电绝缘层，位于电绝缘层上的热电偶臂两端分别连接在相邻的梳齿臂上，通过电绝缘层上的金属引线连接形成发电层，如图1、图2所示。 

相对于传统平面热电芯片，这种梳齿形导热层结构的设计，成倍地增加了热电偶排布数量，更有效的利用了芯片面积，实现了热电偶沿着梳齿臂的紧密排布，同时绝热支撑层得应用使得结构的冷端和热端实现了热隔离，两端的温度梯度几乎完全落在热电偶臂上，因此，这种结构的平面型热电芯片能够实现更高的输出电压和热电效率。而相比于垂直型半导体热电发电芯片，本发明结构具有更好的温度分布特性，并且工艺简单，成本低廉，具有更高的性价比。 

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。 

Claims (13)

1.一种平面型半导体热电芯片的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)制备包括两端完全隔离的导热层(100)、位于导热层上的绝缘层(200)以及位于绝缘层上发电层(300)的硅片，所述发电层包括热电偶对(302)以及连接该热电偶对的金属引线及电极(301)；制备设有凹部并采用绝热材料的支撑层(400)；

2)将所述支撑层(400)与所述硅片键合，并且键合后对硅片背面进行减薄抛光；

3)释放热电偶对(302)，所述导热层的两端通过该热电偶对桥接。

2.根据权利要求1所述的一种平面型半导体热电芯片的制备方法，其特征在于：所述发电层制备方法如下：在绝缘层上生长多晶硅薄膜，对该薄膜进行P型和N型离子掺杂，干法刻蚀形成P、N两种类型电阻；溅射铝(15)，湿法腐蚀后合金化形成铝电极，实现热电偶对的电连接；干法刻蚀氮化硅、氧化硅，露出硅衬底，预留键合区域。

3.根据权利要求1所述的一种平面型半导体热电芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中制备包括热电偶对结构的硅片步骤如下：

a.在作为导热层的普通硅片(14)的正面依次生长氧化硅层(13)和氮化硅层(12)，用于形成绝缘层；

b.在所述绝缘层上用不同塞贝克系数的材料制作成热电偶对；制作金属引线和电极，实现热电偶对的电连接形成发电层；

c.根据需要制作键合区域。

4.根据权利要求1所述的一种平面型半导体热电芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中制备采用绝热材料的支撑层(400)步骤如下：

A.在玻璃片上下两面分别制备耐酸薄膜(17)，涂胶光刻对耐酸薄膜(17)进行图形化处理，作为湿法腐蚀掩膜；

B.用氢氟酸和浓盐酸按体积比10∶1进行配液，形成玻璃各向同性腐蚀液；

C.将步骤A之后获得的结构放入步骤B的玻璃各向同性腐蚀液中静置，形成腐蚀槽；

D.去除玻璃片表面的耐酸掩膜(17)。

5.根据权利要求1所述的一种平面型半导体热电芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中释放热电偶对结构步骤如下：对硅片背面进行DRIE深刻蚀，在氧化硅层(13)和氮化硅层(12)形成的绝缘层处自停止，形成梳齿形状导热层，从而释放热电偶对结构。

6.一种平面型半导体热电芯片，其特征在于：该热电芯片包括两端完全隔离的导热层(100)、位于导热层上的绝缘层(200)以及位于绝缘层上的发电层(300)，所述发电层包括热电偶对(302)以及连接该热电偶对的金属引线及电极(301)；

设有凹部(401)并与该导热层键合形成用于收容发电层(300)的空腔的支撑层(400)；

所述热电偶对包括呈方波状的热电偶，该热电偶以及连接该热电偶的金属引线及电极(301)用于桥接导热层；所述热电偶对的材料为具有不同塞贝克系数的两种材料。

7.根据权利要求6所述的一种平面型半导体热电芯片，其特征在于：所述导热层(100)采用梳齿结构隔离，该梳齿结构包括自导热层两端交错延伸的梳齿臂(103)，热电偶对(302)以及连接该热电偶对的金属引线及电极(301)与所述梳齿臂(103)桥接。

8.根据权利要求6所述的一种平面型半导体热电芯片，其特征在于：所述绝缘层为一层或多层结构。

9.根据权利要求6所述的一种平面型半导体热电芯片，其特征在于：所述导热层为一层或多层结构。

10.根据权利要求6所述的一种平面型半导体热电芯片，其特征在于：所述支撑层为一层或多层，其位于导热层的上面或下面。

11.根据权利要求7所述的一种平面型半导体热电芯片，其特征在于：所述梳齿结构中的梳齿臂间距为0.5um～1000um，梳齿宽度为1um～1000um，梳齿对数为1.5～5000对。

12.根据权利要求7所述的一种平面型半导体热电芯片，其特征在于：所述热电偶的间距为0.5-500um。

13.根据权利要求6所述的一种平面型半导体热电芯片，其特征在于：所述支撑层材料为热玻璃。

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