CN103647016A - 基于核壳结构的热电器件制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于核壳结构的热电器件制备方法，包括：在衬底上淀积一层第一绝缘材料层，形成纳米线结构；在纳米线结构上淀积一层包裹材料层，形成核壳结构并填充第二绝缘材料层；去除核壳结构一侧周围的第二绝缘材料层，形成基片；淀积一层第三绝缘材料层，并淀积一层第一金属材料层，刻蚀部分第一金属材料层，保留的第一金属材料层在核壳结构上的为上电极，在衬底上的为下电极；淀积一层第四绝缘材料层及第二金属材料层，采用光刻和剥离的方法，使第二金属材料层形成蛇形电阻；在第四绝缘材料层上开孔，暴露出第一金属材料层；在暴露出的第一金属材料层和第二金属材料层上淀积一层第三金属材料层，该第三金属材料层为加厚电极，完成制备。

Description

基于核壳结构的热电器件制备方法

技术领域

本发明涉及微纳电子加工及温差发电领域，尤其涉及一种基于核壳结构的热电器件制备方法。

背景技术

能源是社会发展的动力，而电能是使用最广泛、最便利的能源，人类的衣食住行都离不开它。一直以来，电能主要来自于化石燃料的燃烧。这些化石燃料的燃烧往往只有30％-40％的转化效率，也就是说有大约15太瓦的热能消失于周围环境之中，而热电材料能将这些损耗掉的能量转化为电能。另一方面，由于日益增长的人口和不断提高的生产生活需求，迅速消耗这些有限的不可再生能源。经过预测，石油、天然气将在未来五十年间完全用尽；煤的开采年限也只剩下二百年左右。这些化石能源的燃烧排放的废气，还引起了严重的环境问题。热电材料作为一种将热能和电能相互转换的功能材料，应用起来无噪声、无污染，是一种具有广泛应用前景的功能材料。

根据摩尔定律，集成电路上容纳的晶体管数目每18个月就增加一倍。越来越密集的晶体管在工作时产生了大量的热量，这些热量使芯片的性能下降。使用片上集成的热电器件能将这部分热量转换成电能，不仅可以降低芯片温度，提高芯片性能，还可以将转换成的电能给芯片供能。

硅是一种广泛应用于微电子行业的材料，其资源丰富、价格低廉。虽然硅体材料热电性能较差，但人们通过理论计算和实验研究发现，一维纳米结构的硅纳米线其热电性能远高于相应的体材料。而核壳结构的纳米线其热电性能又优于硅纳米线。基于核壳结构的热电器件，与传统IC工艺兼容，可以集成在芯片上，将芯片工作时产生的大量热量转换成电能加以利用。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于核壳结构的热电器件制备方法，该方法可以降低芯片温度，提高芯片性能，还可以将转换成的电能给芯片供能，其热电转换效率可以提高10％-80％。

为达到上述目的，本发明提供一种基于核壳结构的热电器件制备方法，包括：

步骤1：在衬底上淀积一层第一绝缘材料层，作为形成纳米线的硬掩膜；

步骤2：采用光刻和刻蚀的方法，形成纳米线结构；

步骤3：去除纳米线结构上的第一绝缘材料层，在纳米线结构上淀积一层包裹材料层，形成核壳结构；

步骤4：在衬底上和核壳结构的周围填充第二绝缘材料层，以支撑核壳结构；

步骤5：利用光刻和刻蚀的方法，去除核壳结构一侧周围的第二绝缘材料层，形成基片；

步骤6：在基片上淀积一层第三绝缘材料层，并在第三绝缘材料层上开孔，露出核壳结构的尖端，及部分衬底；

步骤7：在开了孔的基片上淀积一层第一金属材料层，刻蚀部分第一金属材料层，使其暴露出部分第三绝缘材料层，保留的第一金属材料层在核壳结构上的为上电极，在衬底上的为下电极；

步骤8：在具有上下电极的基片上淀积一层第四绝缘材料层及第二金属材料层，采用光刻和剥离的方法，使第二金属材料层形成蛇形电阻；

步骤9：在第四绝缘材料层上开孔，暴露出第一金属材料层；

步骤10：在暴露出的第一金属材料层和第二金属材料层上淀积一层第三金属材料层，该第三金属材料层为加厚电极，完成制备。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1.利用本发明，由于制备方法采用光刻工艺、刻蚀工艺和薄膜工艺，可以有效与CMOS工艺兼容，可以批量生产。

2.利用本发明，可以将热电器件集成在芯片上，可以有效降低芯片温度，提高性能，并且将芯片上散失的热能转换成电能加以利用。

附图说明

为进一步描述本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1为本发明的制备流程图；

图2-图11是一种基于核壳结构的热电器件制备方法的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，结合参阅图2-图11所示，本发明一种基于核壳结构的热电器件制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底10上淀积一层第一绝缘材料层11，作为形成纳米线的硬掩膜，所述衬底10的材料是硅片，所述衬底10的晶向是<100>、<110>或<111>中任一种，所述衬底10的类型是非掺杂的本征硅片、引入受主杂质的P型硅片或引入施主杂质的N型硅片，所述P型硅片的受主杂质是III族杂质，所述N型硅片的施主杂质是V族杂质，所述P型硅片是任意掺杂浓度，所述N型硅片是任意掺杂浓度，所述第一绝缘材料层11的材料是二氧化硅或氮化硅，所述第一绝缘材料层11的制备是采用溅射法、蒸发法、化学气相淀积法、等离子体辅助淀积法、热氧化法、金属有机物热分解法或激光辅助淀积法中的任一种(如图2所示)；

步骤2：采用光刻和刻蚀的方法，形成纳米线结构11’，所述纳米线结构11’的直径为10-500nm，长度为500-20000nm，间距为10-50000nm(如图3所示)；

步骤3：去除纳米线结构11’上的第一绝缘材料层11，在纳米线结构11’上淀积一层包裹材料层12，形成核壳结构12’，所述包裹材料层12的材料是Ge，所述包裹材料层12的制备是采用溅射法、蒸发法或原子层沉积法中的任一种(如图4所示)，因为采用了在纳米线结构11’上淀积一层包裹材料层12的步骤，可以使本发明得到一个意想不到的技术效果，其热电转换效率可以提高10％80％；

步骤4：在衬底10上和核壳结构12’的周围填充第二绝缘材料层13，以支撑核壳结构12’，所述第二绝缘材料层13的材料是聚酰亚胺、光刻胶或旋涂玻璃电热绝缘的液体材料中的任一种(如图5所示)；

步骤5：利用光刻和刻蚀的方法，去除核壳结构12’一侧周围的第二绝缘材料层13，形成基片(如图6所示)；

步骤6：在基片上淀积一层第三绝缘材料层14，并在第三绝缘材料层14上开孔，露出核壳结构12’的尖端，及部分衬底10，所述第三绝缘材料层14的材料是二氧化硅或氮化硅，所述第三绝缘材料层14的制备是采用溅射法、蒸发法、化学气相淀积法、等离子体辅助淀积法、热氧化法、金属有机物热分解法或激光辅助淀积法中的任一种，所述露出核壳结构12’尖端的长度为整个核壳结构12’长度的1％-20％(如图7所示)；

步骤7：在开了孔的基片上淀积一层第一金属材料层15，刻蚀部分第一金属材料层15，使其暴露出部分第三绝缘材料层14，保留的第一金属材料层15在核壳结构12’上的为上电极，在衬底10上的为下电极，所述第一金属材料层15的材料是铝、镍、钛、铂、金、银、铜、钨或氮化钛中的一种或任意多种的组合，所述第一金属材料层15的制备是采用溅射法、蒸发法或化学气相淀积法中的任一种(如图8所示)；

步骤8：在具有上下电极的基片上淀积一层第四绝缘材料层16及第二金属材料层17，采用光刻和剥离的方法，使第二金属材料层17形成蛇形电阻，所述第四绝缘材料层16的材料是二氧化硅或氮化硅，所述第四绝缘材料层16的制备是采用溅射法、蒸发法、化学气相淀积法、等离子体辅助淀积法、热氧化法、金属有机物热分解法或激光辅助淀积法中的任一种，所述第二金属材料层17的材料是铝、镍、钛、铂、金、银、铜、钨或氮化钛中的一种或任意多种的组合，所述第二金属材料层17的制备是采用溅射法、蒸发法或化学气相淀积法中的任一种(如图9所示)；

步骤9：在第四绝缘材料层16上开孔，暴露出第一金属材料层15(如图10所示)；

步骤10：在暴露出的第一金属材料层15和第二金属材料层17上淀积一层第三金属材料层18，该第三金属材料层18为加厚电极，完成制备，所述第三金属材料层18的材料是铝、镍、钛、铂、金、银、铜、钨或氮化钛中的一种或任意多种的组合，所述第三金属材料层18的制备是采用溅射法、蒸发法或化学气相淀积法中的任一种(如图11所示)。

实施例：

1.采用晶向为<100>的非掺杂的本征硅片作为衬底10，用化学气相淀积法淀积一层200nm的二氧化硅作为第一绝缘材料层11，作为形成纳米线的硬掩膜；

2.采用电子束光刻和感应耦合等离子体(ICP)刻蚀的方法，形成直径为150nm，长度为1μm，间距为1μm的纳米线结构11’；

3.采用HF湿法腐蚀的方法去除第一绝缘材料层11，在纳米线结构11’上用电子束蒸发的方法淀积一层20nm的锗作为包裹材料层12，形成核壳结构12’，其热电转换效率与硅纳米线相比，可以提高10％-80％；

4.在衬底10上和核壳结构12’的周围填充旋涂玻璃作为第二绝缘材料层13，以支撑纳米线结构12’，旋涂厚度要大于核壳结构12’的高度；

5.利用光刻和ICP刻蚀的方法，去除核壳结构12’一侧周围的第二绝缘材料层13，形成基片；

6.用化学气相淀积法淀积一层200nm的二氧化硅作为第三绝缘材料层14，并在第三绝缘材料层14上开孔，露出核壳结构12’的尖端100nm及部分衬底10；

7.用电子束蒸发的方法在开了孔的基片上淀积一层铝作为第一金属材料层15，刻蚀部分第一金属材料层15，使其暴露出部分第三绝缘材料层14，保留的第一金属材料层15在核壳结构12’上的为上电极，在衬底10上的为下电极；

8.在具有上下电极的基片上用化学气相淀积法淀积一层二氧化硅作为第四绝缘材料层16，再在第四绝缘材料层16上面，用电子束蒸发的方法淀积钛／铂作为第二金属材料层17，采用光刻和剥离的方法，使第二金属材料层17形成蛇形电阻；

9.在第四绝缘材料层16上开孔，暴露出第一金属材料层15；

10.在暴露出的第一金属材料层15和第二金属材料层17上用电子束蒸发的方法淀积一层铝作为第三金属材料层18，该第三金属材料层18为加厚电极，完成制备。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于核壳结构的热电器件制备方法，包括：

步骤1：在衬底上淀积一层第一绝缘材料层，作为形成纳米线的硬掩膜；

步骤2：采用光刻和刻蚀的方法，形成纳米线结构；

步骤3：去除纳米线结构上的第一绝缘材料层，在纳米线结构上淀积一层包裹材料层，形成核壳结构；

步骤4：在衬底上和核壳结构的周围填充第二绝缘材料层，以支撑核壳结构；

步骤5：利用光刻和刻蚀的方法，去除核壳结构一侧周围的第二绝缘材料层，形成基片；

步骤6：在基片上淀积一层第三绝缘材料层，并在第三绝缘材料层上开孔，露出核壳结构的尖端，及部分衬底；

步骤7：在开了孔的基片上淀积一层第一金属材料层，刻蚀部分第一金属材料层，使其暴露出部分第三绝缘材料层，保留的第一金属材料层在核壳结构上的为上电极，在衬底上的为下电极；

步骤8：在具有上下电极的基片上淀积一层第四绝缘材料层及第二金属材料层，采用光刻和剥离的方法，使第二金属材料层形成蛇形电阻；

步骤9：在第四绝缘材料层上开孔，暴露出第一金属材料层；

步骤10：在暴露出的第一金属材料层和第二金属材料层上淀积一层第三金属材料层，该第三金属材料层为加厚电极，完成制备。

2.根据权利要求1所述的基于核壳结构的热电器件制备方法，其中所述衬底的材料是硅片，所述衬底的晶向是<100>、<110>或<111>中任一种，所述衬底的类型是非掺杂的本征硅片、引入受主杂质的P型硅片或引入施主杂质的N型硅片。

3.根据权利要求2所述的基于核壳结构的热电器件制备方法，其中所述P型硅片的受主杂质是III族杂质，所述N型硅片的施主杂质是V族杂质，所述P型硅片是任意掺杂浓度，所述N型硅片是任意掺杂浓度。

4.根据权利要求1所述的基于核壳结构的热电器件制备方法，其中所述第一、第三和第四绝缘材料层的材料是二氧化硅或氮化硅，所述第一、第三和第四绝缘材料层的制备是采用溅射法、蒸发法、化学气相淀积法、等离子体辅助淀积法、热氧化法、金属有机物热分解法或激光辅助淀积法中的任一种。

5.根据权利要求1所述的基于核壳结构的热电器件制备方法，其中所述包裹材料层的材料是Ge，所述包裹材料层的制备是采用溅射法、蒸发法或原子层沉积法中的任一种。

6.根据权利要求1所述的基于核壳结构的热电器件制备方法，其中所述第二绝缘材料层的材料是聚酰亚胺、光刻胶或旋涂玻璃电热绝缘的液体材料中的任一种。

7.根据权利要求1所述的基于核壳结构的热电器件制备方法，其中所述露出核壳结构尖端的长度为整个核壳结构长度的1％-20％。

8.根据权利要求1所述的基于核壳结构的热电器件制备方法，其中所述第一、第二和第三金属材料层的材料是铝、镍、钛、铂、金、银、铜、钨或氮化钛中的一种或任意多种的组合，所述第一、第二和第三金属材料层的制备是采用溅射法、蒸发法或化学气相淀积法中的任一种。

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