CN105206737B - 一种基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法，所述制备方法包括：器件层的制备，先在P型硅上刻蚀深孔，再在深孔中填充热电材料，并通过顶部电连接层实现热电偶对之间的串联，之后通过键合将器件层转移到顶部衬底片，减薄器件层底部的P型硅，制作底部互联，释放器件层P型硅，得到热电偶阵列，最后黏附底部衬底片，即得到微型热电能量采集器。本发明的方法制备的热电能量采集器与传统平面结构的采集器相比，其垂直结构的热电偶臂端面与导热板之间具有较大的接触面积，可以降低接触热阻和接触电阻，提高器件的温差利用率和发电功率；同时，相比垂直结构分立的热电偶臂阵列，可以进一步提高器件的集成度。该方法成本低，可以实现批量化生产。

Description

一种基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法

技术领域

本发明属于热电转化技术领域，涉及一种热电能量采集器及其制备方法，特别是涉及一种基于体硅微机械加工工艺的微型热电能量采集器制备方法。

背景技术

热电转换技术是一种基于材料的塞贝克效应将热能直接转化成电能的电力技术。作为一种新能源和可再生能源的利用技术，由于其体积小、质量轻、寿命长、无机械运动部件、绿色环保等优点，热电转换技术引起了国内外科研人员的广泛关注。热电转换技术能够充分利用工业余热、废热、地热等低品位能源，为解决能源危机带来新的希望。

由于每个热电单元输出的电压很低，为了获得较高的电压以满足实际应用的需求，通常将很多热电偶对串联成热电堆，从而获得具有较高输出电压的热电能量采集器。微型热电能量采集器可用于无线传感网络、可穿戴设备等电源供电，具有广阔的应用前景。

根据热流流经方向的不同，热电能量采集器主要分为垂直结构和平面结构。垂直结构由于热电偶臂端面与导热衬底接触面积较大，有良好的接触，可以降低接触热阻和接触电阻，但也因较大的接触面导致器件具有较低的集成度。目前垂直结构所用的BiTe基材料，加工工艺与CMOS-MEMS工艺不兼容，且对人体和环境造成危害。平面结构一般为热流方向沿热电偶臂与导热衬底平行的薄膜热电偶器件，其加工工艺与CMOS-MEMS工艺兼容。相比垂直结构的热电能量采集器，平面结构的器件热流路径不及前者，但由于其具有较小的接触面，从而导致器件具有较高的集成度。但是由于器件内部的接触电阻和接触热阻都比较大，以及制备这种结构所使用的材料本身热电优值系数低，导致器件的温差利用率低、输出功率较小。

热电能量采集器的研究工作主要集中在两方面：1、寻找易于加工的具有高优值系数的热电材料；2、优化器件结构，使温差尽可能的落在热电偶臂两端。热电能量采集器的发展目标是运用具有较高热电优值系数的材料制备易于加工和集成的具有良好热流路径的器件。

因此，提供一种新型热电能量采集器及其制备方法是本领域技术人员需要解决的课题。

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基于体硅微加工工艺的微型热电能量采集器制备方法，用于解决现有技术中平面结构的热电能量采集器接触热阻和接触电阻高、垂直结构的热电能量采集器集成度低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于体硅微加工工艺的微型热电能量采集器制备方法，所述制备方法至少包括步骤：

1)制作器件层和顶部衬底片；

其中，制作所述器件层包括步骤：

1-1A)提供一P型硅，刻蚀所述P型硅，形成若干深孔；

1-1B)在所述P型硅和深孔表面形成第一绝缘层，并在所述深孔的侧壁及底部溅射种子层，之后在所述深孔中填充热电材料，所述热电材料与第一绝缘层的表面齐平；

1-1C)在所述步骤1-1B)获得的结构表面形成第二绝缘层，刻蚀所述第一绝缘层和第二绝缘层，形成暴露所述热电材料的第一开口和暴露所述P型硅的第二开口；

1-1D)溅射顶部电连接层，所述顶部电连接层溅射在所述第一开口、第二开口及第二绝缘层表面，之后图形化所述顶部电连接层，暴露出第一开口和第二开口之间的第二绝缘层；

1-1E)在所述顶部电连接层及第二绝缘层表面形成第三绝缘层；

1-1F)在所述第三绝缘层表面形成第一键合层；

制作所述顶部衬底片包括步骤：

1-1a)提供一顶部衬底，在所述顶部衬底表面形成第四绝缘层；

1-1b)在所述第四绝缘层表面形成第二键合层；

2)将所述器件层的第一键合层与顶部衬底片的第二键合层进行键合；

3)减薄所述P型硅的底部，直至暴露所述第一绝缘层；

4)在所述P型硅的底部形成第五绝缘层，刻蚀所述第五绝缘层和第一绝缘层，形成暴露所述种子层和P型硅的第三开口；

5)在所述第三开口中形成与所述种子层及热电材料电连的底部电连接层；

6)形成第六绝缘层，刻蚀所述第五绝缘层和第六绝缘以及P型硅，暴露第一绝缘层，剩余的P型硅和热电材料通过顶部电连接层形成串联的热电偶对；

7)在所述第六绝缘层上粘附一底部衬底片，从而形成热电能量采集器。

可选地，所述步骤1-1B)的过程为：在所述P型硅和深孔表面依次形成第一绝缘层和种子层，之后通过电镀工艺在所述深孔中填充热电材料，接着利用化学机械抛光工艺使表面平坦化，并使所述热电材料与第一绝缘层的表面齐平，最后退火。

可选地，所述步骤1-1F)中第一键合层为TiW/Au或Ti/Au，步骤1-1b)中第二键合层包括依次形成在所述第四绝缘层表面的非晶硅层和Ti/Au层，步骤2)中第一键合层和第二键合层的键合方式为Au-Si共晶键合。

可选地，所述步骤1-1F)中第一键合层为TiW/Au或Ti/Au，步骤1-1b)中第二键合层为TiW/Au或Ti/Au，步骤2)中第一键合层和第二键合层的键合方式为Au-Au热压键合。

可选地，所述步骤3)采用先湿法腐蚀后化学机械抛光的方式减薄所述P型硅的底部或直接采用化学机械抛光减薄所述P型硅的底部。

可选地，所述步骤6)中，形成第六绝缘层后，先旋涂光刻胶，然后进行光刻以及干法刻蚀工艺刻蚀所述第五绝缘层和第六绝缘层释放孔，去除所述光刻胶，再利用干法腐蚀工艺释放P型硅，从而暴露出所述第一绝缘层，形成热电偶对。

可选地，所述步骤6)中热电偶对包括热电材料和环绕在所述热电材料周围的P型硅。

可选地，所述步骤7)中，所述底部衬底片通过绝缘导热硅胶与所述第六绝缘层粘贴。

可选地，所述步骤7)中，所述底部衬底片为硅盖板、Al片或者陶瓷盖板。

如上所述，本发明的基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法，所述制备方法包括：器件层的制备，先将在P型硅上刻蚀深孔，再在深孔中填充热电材料，并通过顶部电连接层实现热电偶对之间的串联，之后通过键合将器件层转移到顶部衬底片，减薄器件层底部的P型硅，制作底部互联，释放器件层P型硅，得到热电偶阵列，最后黏附底部衬底片，即得到微型热电能量采集器。本发明的热电能量采集器与传统平面结构的采集器相比，其垂直结构的热电偶臂端面与导热板之间具有较大的接触面积，可以降低接触热阻和接触电阻，提高器件的温差利用率和发电功率；同时，相比垂直结构分立的热电偶臂阵列，这种柱与环的嵌套结构可以进一步提高器件的集成度。本发明的制备方法可以实现微型热电能量采集器的低成本、批量化生产。

附图说明

图1～图9为本发明步骤1)中制作器件层的结构流程示意图。

图10～图11为本发明步骤1)中制作顶部衬底片的结构流程示意图。

图12为本发明基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法步骤2)呈现的结构示意图。

图13为本发明基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法步骤3)呈现的结构示意图。

图14～图15为本发明基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法步骤4)呈现的结构示意图。

图16为本发明基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法步骤5)呈现的结构示意图。

图17～图19为本发明基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法步骤6)呈现的结构示意图。

图20为本发明基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法步骤7)呈现的结构示意图。

元件标号说明

10 器件层

101 P型硅

102 深孔

103 第一绝缘层

104 种子层

105 热电材料

106 第二绝缘层

107 第一开口

108 第二开口

109 顶部电连接层

110 第三绝缘层

111 第一键合层

20 顶部衬底片

201 顶部衬底

202 第四绝缘层

203 第二键合层

301 第五绝缘层

302 第三开口

303 底部电连接层

304 第六绝缘层

401 底部衬底片

402 绝缘导热硅胶

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。

请参阅附图。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。

本发明提供一种基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：

首先执行步骤1)，制作器件层10和顶部衬底片20。

在该步骤中，制作所述器件层10和顶部衬底片20的顺序可以互换。

其中，制作所述器件层10包括如下步骤：

首先进行步骤1-1A)，如图1所示，提供一P型硅101，刻蚀所述P型硅101，形成若干深孔102。

所述深孔102的形状不限，例如，可以是方孔或者圆孔等等。所述深孔102不穿透所述P型硅101，即为盲孔。

然后进行步骤1-1B)，在所述P型硅101和深孔102表面形成第一绝缘层103，并在所述深孔102的侧壁及底部溅射种子层104，之后在所述深孔102中填充热电材料105，所述热电材料105与第一绝缘层103的表面齐平。

本步骤具体为：如图2所示，先在所述P型硅101表面氧化生长二氧化硅作为第一绝缘层103，之后再所述第一绝缘层103表面溅射种子层104(例如TiW/Cu)，然后利用电镀工艺在所述深孔102中填充热电材料105，接着利用化学机械抛光工艺去除所述P型硅101表面的种子层104，使表面平坦化，并使所述热电材料105与第一绝缘层103的表面齐平，最后退火。

填充的所述热电材料105可以是易于填充的且与CMOS-MEMS工艺兼容的材料，例如，可以是Cu。

接着进行步骤1-1C)，如图4～图5所示，在所述步骤1-1B)获得的结构表面形成第二绝缘层106，刻蚀所述第一绝缘层103和第二绝缘层106，形成暴露所述热电材料105的第一开口107和暴露所述P型硅101的第二开口108。

如图4所示，形成的第二绝缘层106为二氧化硅。之后旋涂光刻胶进行光刻，并刻蚀形成第一开口107和第二开口108作为接触孔，再去除光刻胶。形成的第一开口107和第二开口108如图5所示。

接着进行步骤1-1D)，如图6～图7所示，溅射顶部电连接层109，所述顶部电连接层109溅射在所述第一开口107、第二开口108及第二绝缘层106的表面，之后图形化所述顶部电连接层109，暴露出第一开口107和第二开口108之间的第二绝缘层106。

溅射形成的顶部电连接层109可以是Al，当然，也可以是其他合适的电连材料，在此不限。顶部电连接层109作为后续制作的热电偶对的顶部电互联，通过顶部电连接层109将热电偶对转变为串联结构。

图形化所述顶部电连接层109的过程为：旋涂光刻胶进行光刻，之后腐蚀顶部电连接层109，暴露出所述第一开口107和第二开口108之间的第二绝缘层106，最后去光刻胶。

再进行步骤1-1E)，如图8所示，在所述顶部电连接层109及第二绝缘层106表面形成第三绝缘层110。

可以采用PECVD或LPCVD方式制备所述第三绝缘层110，形成的第三绝缘层110为二氧化硅。

最后进行步骤1-1F)，如图9所示，在所述第三绝缘层110表面形成第一键合层111。

本实施例中，所述第一键合层111为包括Au层的键合层，可以是TiW/Au或者Ti/Au层，用于与后续制作的顶部衬底片键合。

形成第一键合层111之后，便可获得所述器件层10。

另外，所述顶部衬底片20的制备包括以下步骤：

首先进行步骤1-1a)，如图10所示，提供一顶部衬底201，在顶部衬底201表面形成第四绝缘层202。

可以使用普通硅片作为顶部衬底201，在硅片表面氧化生成二氧化硅作为第四绝缘层202。

首先进行步骤1-1b)，如图11所示，在所述第四绝缘层202表面形成第二键合层203。

本步骤中，顶部衬底201的两个表面均形成有第四绝缘层202，而第二键合层203只制作在顶部衬底201一侧表面的第四绝缘层202上。

本实施例中，第二键合层203包括依次形成在所述第四绝缘层202表面的非晶硅层和Ti/Au层，即，先采用PECVD工艺在所述第四绝缘层202表面沉积非晶硅层，再在所述非晶硅层表面溅射Ti/Au层。

形成第二键合层203之后，便可获得所述顶部衬底片20。

分别完成器件层10和顶部衬底片20的制作后，执行步骤2)，如图12所示，将所述器件层10的第一键合层111与顶部衬底片20的第二键合层203进行键合。

由于第二键合层203中包含非晶硅，因此，本步骤中所述第一键合层111和第二键合层203的键合方式为Au-Si共晶键合。

接着执行步骤3)，如图13所示，减薄所述P型硅101的底部，直至暴露所述第一绝缘层103。

可以采用湿法腐蚀和化学机械抛光相结合的方式来进行减薄，具体的，先采用KOH湿法腐蚀，快速减薄P型硅101的底部，之后采用化学机械抛光(CMP)使表面平坦化，便于后期工艺的实施；或者也可以直接采用CMP的方式减薄P型硅101的底部。本实施例中，优选采用湿法腐蚀和化学机械抛光相结合的方式来进行减薄。

再执行步骤4)，如图14～图15所示，在所述P型硅101的底部形成第五绝缘层301，刻蚀所述第五绝缘层301和第一绝缘层103，形成暴露所述种子层104和P型硅101的第三开口302。

请参阅附图14，形成第五绝缘层301为二氧化硅，之后旋涂光刻胶进行光刻，再参阅附图15，刻蚀第五绝缘层301和第一绝缘层103(二氧化硅)，形成暴露所述种子层104和P型硅101的第三开口302，最后去除旋涂的光刻胶。

接着执行步骤5)，如图16所示，在所述第三开口302中形成与所述种子层104及热电材料105电连的底部电连接层303。

通过溅射工艺形成底部电连接层303，形成的底部电连接层303可以是Al，当然，也可以是其他合适的电连材料，在此不限。

具体过程为：先溅射Al层覆盖在器件层10结构的底部，之后旋涂光刻胶进行光刻，再腐蚀掉第五绝缘层301表面的Al，剩下第三开口302中的Al作为底部电连接层303，最后去光刻胶。

接着执行步骤6)，如图17～图19所示，形成第六绝缘层304，刻蚀所述第五绝缘层301和第六绝缘304以及P型硅101，暴露第一绝缘层103，剩余的P型硅101和热电材料105通过顶部电连接层109形成串联的热电偶对。

该步骤中，如图17所示，先在整个器件层底部形成第六绝缘层304，之后分两步释放，先旋涂光刻胶进行光刻，再进行干法刻蚀工艺刻蚀所述第五绝缘层301和第六绝缘层304释放孔，去除所述光刻胶，形成如图18所示的结构。再利用干法腐蚀工艺释放P型硅101，从而暴露出所述第一绝缘层103，形成热电偶对，如图19所示。形成的热电偶对包括热电105和环绕在所述热电材料105周围的P型硅101。

最后执行步骤7)，如图20所示，在所述第六绝缘层304上粘附一底部衬底片401，从而形成热电能量采集器。

所述底部衬底片401可以通过涂抹绝缘导热硅胶402来与所述第六绝缘层304粘贴。当然，除了绝缘导热硅胶402，也可以选择其他合适的粘结材料将底部衬底片401粘附在底部的第六绝缘层304上。

所述底部衬底片401可以为硅盖板、Al片或者陶瓷盖板等等，在此不限。本实施例中，所述底部衬底片401为硅盖板。

实施例二

本实施例与实施例一制备方法的区别在于，本实施例的步骤1-1b)中，所述第四绝缘层202表面形成第二键合层203不包括非晶硅层，而仅仅为TiW/Au或Ti/Au层，这样，本实施例步骤2)中的所述第一键合层111和第二键合层203的键合方式则为Au-Au热压键合。

综上所述，本发明提供一种基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法，所述制备方法包括：器件层的制备，先在P型硅上刻蚀深孔，再在深孔中填充热电材料，并通过顶部电连接层实现热电偶对之间的串联，之后通过键合将器件层转移到顶部衬底片，减薄器件层底部的P型硅，制作底部互联，释放器件层P型硅，得到热电偶阵列，最后黏附底部衬底片，即得到微型热电能量采集器。本发明的方法制备的热电能量采集器与传统平面结构的采集器相比，其垂直结构的热电偶臂端面与导热板之间具有较大的接触面积，可以降低接触热阻和接触电阻，提高器件的温差利用率和发电功率；同时，相比垂直结构分立的热电偶臂阵列，这种柱与环的嵌套结构可以进一步提高器件的集成度。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括步骤：

1)制作器件层和顶部衬底片；

其中，制作所述器件层包括步骤：

1-1A)提供一P型硅，刻蚀所述P型硅，形成若干深孔；

1-1B)在所述P型硅和深孔表面形成第一绝缘层，并在所述深孔的侧壁及底部溅射种子层，之后在所述深孔中填充热电材料，所述热电材料与第一绝缘层的表面齐平；

1-1C)在所述步骤1-1B)获得的结构表面形成第二绝缘层，刻蚀所述第一绝缘层和第二绝缘层，形成暴露所述热电材料的第一开口和暴露所述P型硅的第二开口；

1-1D)溅射顶部电连接层，所述顶部电连接层溅射在所述第一开口、第二开口及第二绝缘层表面，之后图形化所述顶部电连接层，暴露出第一开口和第二开口之间的第二绝缘层；

1-1E)在所述顶部电连接层及第二绝缘层表面形成第三绝缘层；

1-1F)在所述第三绝缘层表面形成第一键合层；

制作所述顶部衬底片包括步骤：

1-1a)提供一顶部衬底，在所述顶部衬底表面形成第四绝缘层；

1-1b)在所述第四绝缘层表面形成第二键合层；

2)将所述器件层的第一键合层与顶部衬底片的第二键合层进行键合；

3)减薄所述P型硅的底部，直至暴露所述第一绝缘层；

4)在所述P型硅的底部形成第五绝缘层，刻蚀所述第五绝缘层和第一绝缘层，形成暴露所述种子层和P型硅的第三开口；

5)在所述第三开口中形成与所述种子层及热电材料电连的底部电连接层；

6)形成第六绝缘层，刻蚀所述第五绝缘层和第六绝缘以及P型硅，暴露第一绝缘层，剩余的P型硅和热电材料通过顶部电连接层形成串联的热电偶对；

7)在所述第六绝缘层上粘附一底部衬底片，从而形成热电能量采集器。

2.根据权利要求1所述的基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法，其特征在于：所述步骤1-1B)的工艺过程为：在所述P型硅和深孔表面依次形成第一绝缘层和种子层，之后通过电镀工艺在所述深孔中填充热电材料，接着利用化学机械抛光工艺使表面平坦化，并使所述热电材料与第一绝缘层的表面齐平，最后退火。

3.根据权利要求1所述的基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法，其特征在于：所述步骤1-1F)中第一键合层为TiW/Au或Ti/Au，步骤1-1b)中第二键合层包括依次形成在所述第四绝缘层表面的非晶硅层和Ti/Au层，步骤2)中第一键合层和第二键合层的键合方式为Au-Si共晶键合。

4.根据权利要求1所述的基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法，其特征在于：所述步骤1-1F)中第一键合层为TiW/Au或Ti/Au，步骤1-1b)中第二键合层为TiW/Au或Ti/Au，步骤2)中第一键合层和第二键合层的键合方式为Au-Au热压键合。

5.根据权利要求1所述的基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法，其特征在于：所述步骤3)采用先湿法腐蚀后化学机械抛光的方式减薄所述P型硅的底部或直接采用化学机械抛光减薄所述P型硅的底部。

6.根据权利要求1所述的基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法，其特征在于：所述步骤6)中，形成第六绝缘层后，先旋涂光刻胶，然后进行光刻以及干法刻蚀工艺刻蚀所述第五绝缘层和第六绝缘层释放孔，去除所述光刻胶，再利用干法刻蚀工艺释放P型硅，从而暴露出所述第一绝缘层，形成热电偶对。

7.根据权利要求1所述的基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法，其特征在于：所述步骤6)中热电偶对包括热电材料和环绕在所述热电材料周围的P型硅。

8.根据权利要求1所述的基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法，其特征在于：所述步骤7)中，所述底部衬底片通过绝缘导热硅胶与所述第六绝缘层粘贴。

9.根据权利要求1所述的基于体硅加工工艺的微型热电能量采集器的制备方法，其特征在于：所述步骤7)中，所述底部衬底片为硅盖板、Al片或者陶瓷盖板。