CN1203690A

CN1203690A - 单块集成器件

Info

Publication number: CN1203690A
Application number: CN96198712A
Authority: CN
Inventors: 马巴尔道·马斯托马特奥
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1995-11-30
Filing date: 1996-11-26
Publication date: 1998-12-30
Also published as: ITMI952502A1; WO1997020320A1; JP2000503762A; AU7709796A; IT1276998B1; ITMI952502A0; BR9611784A; EP0864159A1; RU2175788C2

Abstract

根据本发明的单块集成器件包括第一衬底(SUB)和至少在一部分中:a)以固体形态在保证产生热能的情况下适合吸收氢的第一材料组成的叠放在所述的衬底(SUB)上的第一结构(ST1);b)以固体形态在其达到高于预先指定的温度的温度时适合释放氢的第二材料组成的叠放在所述的衬底(SUB)上的第二结构(ST2);c)以固体形态当其受到电流通路作用时适合产生热能的第三材料组成的按至少与所述的第二结构(ST2)热耦合这样配置的第三结构(ST3);其中所述的第一结构(ST1)和所述的第二结构(ST2)至少互相部分地接触。

Description

单块集成器件

本发明涉及根据由低温核聚变反应造成的物理现象能够产生热能的单块集成器件。

在一些物理现象中注意到低温核聚变反应：G.F.Cerofolini和A.Fogli-Para，的文章“双核原子能解决低温核聚变难题？”(“Canbinuclear atoms solve the cold fusion puzzle？”)聚变技术(FUSIONTECHNOLOGY)，Vol.23 PP.98-102，1993，简短地说明这样的现象和有关的化学和核反应；在文献中也提到一些感兴趣的文章。

在内容上对研究对象具有实用意义的技术和涉及专利的文献是非常丰富的。

大家知道在1989年已进行由于M.Fleischmann和S.Pons所造成象这样的低温核聚变方面的初期研究；他们研究的现象是通过用钯和钛制成的电极装氘；在这样的现象中注意到出乎意外的热能产生，产生的热能被认为是由于氘原子之间的常温聚变反应而生成氦所造成的。

本发明根据的物理现象正是这种物理现象。

到现时为止进行的实验中，一些能够吸收氢及其同位素的材料被成功地用于电极的构造，其中有钯、钛、铂、镍、铌。

到现时为止进行的实验中，一直从气态燃料例如氢的混合气体或者从液体燃料例如重水中氢的电解质化合物溶液获得氘；这些燃料的缺点是浪费聚变材料，即氢。事实上，正当在其内部浓度达到用来引起聚变的数值时，氢在电极近处以气体形态释放并逸出。此外，在电极的温度增加时，液体沸腾，而在气体中原子的浓度降低；这妨碍核聚变。

本发明的目的是提供一种能够通过利用所述现象有效地产生热能并能够克服所述缺点的单块集成器件。

通过具有权利要求1中所述的特征的器件达到所述目的；本发明其它先进的方面在从属权利要求中提出。

通过使用以固体形态在其达到高于预先指定的温度的温度时适合释放氢的材料组成的一种结构并且通过使这种结构与另一种以固态形态在保证产生热能的情况下适合吸收氢的材料组成的另一种结构接触，而且如果“释放的”材料至少在短时间内，至少在一部分中温度超过所述预先指定的温度时则有另一种材料产生的热能，在该时间内持续产生热能而且由于在固体材料中氢、核聚变材料不能轻易逃逸，并且工作温度阈是很高的，相当于固体形态材料中的一种固体形态材料的熔点，所以热能量是惊人的。

通过与附图一起考虑的下面的描述，将更清楚地强调本发明。

图1表示根据本发明的第一种器件的剖面图，

图2表示图1中的器件的顶视图，

图3表示根据本发明的第二种器件的剖面图，

图4表示图3中的器件的顶视图，

图5表示根据本发明的第三种器件的部分剖面图，

图6表示图5中的器件的底视图，

图7表示图1中的器件的较大部分的剖面图，

图8表示图3中的器件的较大部分的剖面图，

图9表示图5中的器件的较大部分的剖面图，

图10示意地表示图8中的器件产生热能和电能的所有部分的顶视图，

图11示意地表示图8中的整个器件的顶视图，和

图12示意地表示能在图10的器件中使用的已知类型的热电堆的顶视图。

本发明从在集成电路的领域中对已知道在集成电路制造期间一些组成材料例如氮化硼、碳化硅、氮化硅、砷化铝、砷化镓富集氢而导致性能下降的事实的认识开始；例如在S.ManZini的文章“在n^+-P硅表面雪崩二极管中的有源掺杂的不稳性”(“Active doping instabili-ty in n^+-p silicon surface avalanche diodes”固态电子学(Solid formElectronics)32卷，第二期，331-337页1995年和在参考文献中提及的一些文章中解释了所述的现象。

然后我们打算有效地利用所述材料的这种“有害”的性质。

典型的导致富氢材料生成的集成电路制造技术中的工艺步骤是PECVD(等离子增强化学气相沉积)；可以从S.M.Sze的著作，Mc-Graw-Hill，1988“VLSI工艺学”获得关于这样的工艺步骤和关于硅基集成电路的全部制造技术的详细情况；此外，在文献中以锗和砷化镓为基础的集成电路的具体的制造技术是众所周知的。

采用PECVD技术时氢化物之间的典型的化学反应为下面的一种反应：

[1]

如果我们获得相当高的温度T1，例如400℃以及如果我们使左边二个反应物不是成气相而是等离子态，则所述的氧化还原反应[1]从左边向右边进行；象这样的低温T₁时，反应[1]是不完全的并且不是化学配比的，所以在氢和A以及B元素之间保留许多键，通常这些键是单一的，即“j”和“k”等于1；根据反应式[1]获得固体组分，它具有高含量化学束缚氢(而因此具有高含量氘和氚)和气态氢高成分，气态氢在组分中不是大量的。

如果以后(甚至在可能冷却到室温以后)使这样获得的固体组分加热到高于所述的温度的温度T2，例如800℃，则反应[1]是完全的而且是化学配比的，即进行下列的反应：

[2] 在释放含有的氢的条件下。

在包括T1和T2之间的温度时只有键合更弱的原子会被释放。

当然，温度T1和T2随使用的A和B元素而定；此外，必须考虑到没有引起反应[1]和[2]的反应速度突然变化经的临界值。

因此，根据本发明的方法，就保证热能的产生来说，拟用由以固体形态适合吸收氢的第一材料组成的第一结构，而当其处于高于预先指定的温度的温度时，拟用由以固体形态适合释放氢的第二材料组成的第二结构，使所述的第一和第二结构至少部分地处于互相接触，而且至少在开始时使第二结构加热，至少一直到第二结构在至少一部分内具有超过所述预先指定的温度的温度；也可以由放置这二种结构的环境引起初始加热。

初始加热引起在第二结构中释放一些氢；由于第一结构是与第二结构处于接触，所以例如通过固态内的扩散，所述的氢会流动而进入第一结构。

由于设想的核聚变反应，所以第一结构吸收氢而开始产生热能，然后开始加热。

由于二种结构处于接触，所以第一结构会使第二结构受热，而因此继续保持氢气释放过程；结果，第一结构继续加热。如果第一结构不能够充分加热第二结构，那么例如在热能产生过程的整个时期内要求继续“初始”加热。

当然，所述的氮化硅基固体成分只是着重所述释放性质的可能的第二材料之一；当然，可以按照各种不同的技术生产所述的第二材料，PECVD是各种不同技术中的一种技术。

同样，可以在钯、钛、铂、镍及其合金和显示所述吸收性质的任何其他材料中选择一种材料作为第一材料。

通过二种结构的接触，在某些情况中第二结构的初始加热也可以是第一结构的初始加热，由于在所述情况中促进第一结构的吸收氢，所以这样的实际情况是有利的；如有必要，通过材料和热能源的适当组合也可以促进所述的加热。

依靠第二结构中氢向第一结构自发移动会导致热能产生不足。

为了避免所述缺陷，最简便的是使至少部分的第二结构受到电场作用，电场的电力线具有这样的形状和方向促使在第二结构中的所述被释放的氢的原子核向第一结构移动。

能够根据所希望的热能量预先确定电场强度。

如果产生的热量没有被适当地排除，那么这两种结构的温度会继续升高，直到两种结构被熔化而装置被毁坏；倘若人们想在不同的时间获得不同的热能量，那么通过电场强度控制所产生的热能是最便利的；通过电场反向甚至可能做到消除氢自发移动的效应，而因此完全抑止热能产生。

在第二材料是氮化硅基固体成分的情况中，由于二种材料相互接触而且二种材料都是固体，所以通过反应[2]释放的氢及其同位素被第一吸收材料高效率地吸收。

最重要的是第二材料中以每立方厘米原子为单位的氢浓度足以引起相当大的第一材料中每体积单位的核聚变现象的数量。

就氮化硅和镍来说，对于氢在氮化硅中可以选择10²²的浓度而且使氮化硅的质量比镍的质量大9倍；这样，能够释放的氢原子数量大约等于可用的镍原子的数量；事实上镍的密度等于9×10²²。

实际上，就以固体燃料使用的意图来说，AxBy化合物在固体成分中的存在不是绝对不可缺少的；如果存在A-Hj+B-Hk那么就无关紧要：因此，仅使用或是A-Hj或是B-Hk在理论上应该是可能实现的。

当然，人们不能排除在固体成分内存在的在A、B、H元素之间的化学反应中完全或者在相应的范围内不能起作用的其他元素或化合物。

就以作为固体燃料使用的目的来说，使反应[1]不在反应[2]内完成是最重要的，以便在生成的固体组分中捕获许多氢；当然，倘若在组分中捕获一些不是化学健合氢而是，例如原子和/或分子和/或离子形式的氢，这不会是个问题，相反而是个有利条件，因为只要使组分加热到高于T1的温度就必定会被释放。

在氮化硅和采用前述的PECVD技术的情况下，容易获得氢浓度等于每立方厘米10²²原子。

通过单块集成器件能够实现所述的方法，单块集成器件包括衬底和至少在一个元件中：

a)成固体形态在保证热能产生的情况下适合吸收氢的第一材料组成的叠放在所述的衬底上的第一结构，和

b)成固体形态在其达到高于预先指定温度的温度时适合释放氢的第二材料组成的叠放在所述的衬底上的第二结构，并且其中第一和第二结构至少部分地相互接触。

在图1、2、3、4、5、6中，用ST1表示第一结构和用ST2表示第二结构，而用SUB表示衬底；衬底的作用是承载器件并且例如可以用硅组成衬底。

使结构ST1与结构ST2接触存在着几种方法；在图1的实施例中，使结构ST1和结构ST2重叠，所以结构ST2释放的氢沿着大体上垂直的路径进入结构ST1；在图3的实施例中，使结构ST1和结构ST2并列放置，所以氢沿着大体上水平的路径；在图5的实施例中，结构ST2围绕结构ST1，所以氢沿着取决于其起始位置并且可以是水平或是垂直或是倾斜的路径。

我们以后将继续提到的由结构ST1、结构ST2和有可能的第三结构组成的整体形成热能发生器GE。

把绝缘结构STS或者热绝缘材料有效地放置在发生器GE和衬底SUB之间，以便防止所述的发生器GE产生的热能通过在衬底中的传导而散失或者损坏衬底；在图1、3、5的实施例中，结构STS的材料一般也是电绝缘体，以防止电流流失；对于二氧化硅来说，适合这种STS结构材料。

为了获得已经叙述过的初始加热，器件通常应该至少在发生器GE占有的部分中进一步包括，由以固体形态当其有电流流过时适合产生热能的第三材料组成并安装成至少与第二结构ST2热耦合的第三结构ST3；所述的第三材料例如可以是多晶硅或者是掺杂多晶硅；因此结构STS是在集成电路的区域中以许多众所周知的方式中的任一种方式实现的一种电阻器。

在图1、2的实施例中，把结构ST1和结构ST3设计成最好是弯曲并且差不多完全重叠的线条；第三结构ST3的线宽比第一结构ST1的线宽宽得多，因此获得充分的加热是可能实现的；结构ST2填满空间的剩余部并设计成基本上为矩形平板。

在图3、4的实施例中，结构ST1、ST2、ST3基本上都设计成弯曲的线条并且被并列放置；如图所示，差别在于结构ST1的构造形成把齿状物嵌入弯曲线条环路中的“梳齿”状；另一个差别在于使结构ST1和ST2具有同样的形状。

在图5、6的实施例中，例如如图所示，结构ST1和ST3具有基本上相同的形状并由许多例如如附图所示具有正方形的通过窄又薄的通道互相连接的单元组成；结构ST2填满空间的剩余部分。

用另一种方法，即结构ST3除了加热作用外可以与结构ST1联合在一起，具有极化结构ST2组成材料的功能；通过施加这些适当的电压，可以产生具有推动在结构ST2中释放所述的氢的核子向结构ST1移动的电场线的电场。

在图5、6的实施例中，把一部分结构ST3，特别是单元，主要用于极化功能，把另外一部分结构ST3，特别是线道，主要用于加热功能。在图1、2和图3、4的实施例中，结构ST3执行这二种功能。

参阅图1、2的实施例，结构ST1至少装有二个终端T1、T4而结构ST3至少装有二个终端T5、T7，此外，有与结构ST1的二个终端T1、T4耦合的第一电压产生器G1、与结构ST3的二个终端T5、T7耦合的第二电压产生器G2和与终端T4及终端T5耦合的第三电压产生器G3；可注意到结构ST1和结构ST3大致形成具有二块平坦的平行板、由结构ST2组成的介质放入其内的电容器。

产生器G2执行加热功能，而产生器G3执行极化功能；在必要的情况下，可以有效地使用产生器G1，以使极化功能最佳化；事实上，由于结构ST3的电压因为产生器G2而逐点变化并由于结构ST1的材料和结构ST3的材料一般来说是不一样的，所以例如为了获得均匀产生热能，当位置变化时通过产生器G3控制电场的强度而因此控制结构ST2的极化可能是重要的。

图2同样表示附加于结构ST1的终端T2和T3以及附加于结构STS的终端T6；可以便利地配合“正规”终端使用所述的附加终端，不但较好控制结构ST2的极化而且较好控制结构ST1的加热，并且例如通过仅使部分结构ST3与产生的热能完全隔绝，就能较好控制热能产生。

当然，为了利用图1、2的器件提供的一切机会，必须为与所述终端连接的产生器安装各个控制电路。

同样在图3、4和图5、6的实施例中，即使在所述的图中没有表示出，但是结构ST1和结构ST3可以装有同样的终端。

如上所述，发生器GE的最典型和最有效的一种应用是产生热能。

为了获得这种效果，必须提供按照本发明装有热能转换到电能的转换器的器件，适用于至少转换由结构ST1产生的部分热能。如果基本上用热电堆系统来组成转换器，那么以单块形式集成更为简便，这种热电堆系统应该配置成其热接触区域至少与结构ST1、有效热源热耦合。

根据热电堆系统一种方式，通常是许多热电堆互相串联连接；不能排除在适当选择材料的情况下和在某些应用中可以只用一块热电堆形成热电堆系统。热电堆一般是通过利用塞贝克(Seebeck)效应而工作的众所周知的器件。

在图1和7中，发生器Ge放在衬底STS上并用由电绝缘和热传导材料例如金刚石组成的结构ST1覆盖；把热电堆转换器STP用其热接触部分放在结构ST1上，保证良好的热耦合，其余部分放在结构STS上。

在图3、8中，把发生器GE放在结构ST1上，用结构ST1的翻面把结构ST1放在结构STS上；结构ST1超过发生器的边缘伸出很多；把热电堆转换器STP放在发生器GE旁侧，更详细地说，用其热接触部分把热电堆转换器STP放在结构ST1上，保证良好的热传递，其余部分放在结构STS上。

在图5、9中，发生器GE放在结构ST1上，保证良好的热耦合，把结构ST1用其翻面放在热电堆转换器STP的热接触部分上，转换器STP放在结构STS上。

图12示意地表示热电堆TP的顶视图；热电堆TP包括由第四导电材料组成成“L”形的第四平坦结构ST4，除第四结构ST4外，由第六导电材料组成取为“L”形的第六平坦结构ST6和由导电材料组成的第五平坦结构ST5；结构ST5具有补足结构ST6的形状和位于后者在“L”二边的侧面；把结构ST4叠放在另外二个结构上，因此在第一末端上具有与结构ST6电接触的区域，称为热接触区；在第二末端上分别引出第一终端P1和第二终端P2。如果结构ST4和ST6的第一末端达到高于其第二末端温度的温度，则在终端P1和P2之间通常产生几百毫伏数量级的电动势差，电动势差取决于温度差；因此需要串联连接。在文献中可用于元件E1和E2的材料是众所周知的。

从已陈述的内容中显而易见，热电堆还起发生器GE的温度传感器作用。

假使如图8所示，发生器GE和热电堆转换器STP互相成并列放置，则选择与结构ST1材料相同的结构ST4材料，与结构ST1材料相同的结构ST4材料，和选择与结构ST3材料相同的结构ST6材料是有利的，以便能够通过同一工艺步骤既获得热电堆TP又获得发生器GE。

通过选择与结构ST3相同的结构ST4材料、选择与结构ST2材料相同的结构ST5材料和选择与结构ST1材料相同的结构ST6材料可以达到同样的目的。

图10表示可以构成能封装到管壳里并适合装入电路或电子线路的整个器件的构造。

整个件的构造包括发生器GE，例如图3、4、8所示的发生器GE连接于例如作为整体形成用于控制热能产生的总线BC的装到结构ST1和STS中的终端的四条电连线，和包括由十五个互相电绝缘的中央凸起围绕发生器GE排列的热电堆组成的与发生器GE电绝缘但是热耦合的热电堆转换器STP；使总线BC的通道能与中央凸起部分相通。

使热电堆TP互相串联连接，即：使其中之一的热电堆的终端P2与毗邻的热电堆的终端P1连接；第一个热电堆的终端P1与正连线LP连接；最后一个热电堆的终端P2与负连接LN连接。连线LP和LN因此可以被用作电压产生器的终端。

在一般的集成系统内可以用图10的结构替换作供电电源。

图11表示这样的一种集成电路结构，其结构包括：发生器GE、与发生器GE连接的控制总线BC、转换器STP、与转换器STP连接的二条正和负的连线LP和LN、与总线BC及连线LP和LN连接的单块集成的控制电路SC、与电路SC连接的供电和大容量的二条连线VCC和GND、适合执行通用类型的模拟和/或逻辑电信号的功能而与用来传送连线VCC和GND连接的单块集成的应用电路CC。

在简化的实施例中也许被省略的电路CC能够执行下列功能：获得电路CC要求的电流、通过总线BC把适用的电压传送到发生器GE的结构中的终端、通过连线LP和LN读出发生器GE的温度、通过连线LP和LN接收转换器STP产生的电压、稳定供电连线VCC和GND的电压。

Claims

1.一种单块集成器件，包括衬底(SUB)和至少在一部分中：

a)由以固体形态在保证热能产生的情况下适合吸收氢的第一材料组成的叠放到所述的衬底(SUB)上的第一结构(ST1)，和

b)由以固体形态在其达到高于预先指定的温度的温度时适合释放氢的第二材料组成的叠放到所述的衬底(SUB)上的第二结构(ST2)，

其中所述的第一(ST1)和所述的第二(ST2)结构至少部分地相互接触。

2.根据权利要求1所述的器件，其中所述的第一(ST1)和所述的第二(ST2)结构至少部分地相互重叠。

3.根据权利要求1或2所述的器件，还包括至少在所述的部分中在所述的第一(ST1)及所述的第二(ST2)结构和所述的衬底(SUB)之间设置的热绝缘材料组成的绝缘结构(STS)。

4.根据权利要求1或者2或者3所述的器件，还包括至少在所述的部分中由以固体形态适合在其在电流流过时产生热能的第三材料组成的安置成至少与所述的第二结构(ST2)热耦合的第三结构(ST3)。

5.根据权利要求4所述的器件，其中使所述的第一(ST1)和第三(ST3)结构成线条状，最好是弯曲并且几乎完全重叠的线条和其中所述的第三结构(ST3)的线宽比所述的第一结构(ST1)的线宽宽得多。

6.根据权利要求4所述的器件，其中所述的第一结构(ST1)装有至少二个终端(T1、T4)，所述的结构(ST3)至少装有二个终端(T5、T7)，并进一步包括与所述的第一结构(ST1)的两个终端(T1，T4)耦合的第一电压产生器(G1)、与所述的第三结构(ST3)的二个终端(T5、T7)耦合的第二电压产生器(G2)、与所述的第一结构(ST1)的终端(T4)和与所述的第三结构(ST3)的终端(T5)耦合的第三电压产生器(G3)，以及用于所述的电压产生器(G1、G2、G3)的控制电路(Sc)。

7.根据权利要求6所述的器件，其中所述的第一结构(ST1)装有许多终端(T1、T2、T3、T4)。

8.根据前面的权利要求中的任一权利要求所述的器件，进一步包括热能转换成电能的转换器(STP)适于转换由所述的第一结构(ST1)产生的至少部分电能。

9.根据权利要求8所述的器件，其中所述的转换器(STP)包括使其热接触区域至少与所述的第一结构(ST1)热耦合这样放置的热电堆系统。

10.根据权利要求9所述的器件，其中所述的热电堆系统包括：

a)第四材料组成的第四结构(ST4)，

b)电绝缘材料组成的第五结构(ST5)，和

c)与所述的第四材料不同的第六材料组成的第六结构(ST6)，并且把热电堆系统至少部分地放置在所述的第一(ST1)和第二(ST2)结构下面。

11.根据权利要求9所述的器件，其中所述的热电堆系统包括：

a)与所述的第一或第三材料一样的第四材料组成的第四结构(ST4)，

b)与所述的第二材料一样的电绝缘材料组成的第五结构(ST5)，和

c)与所述的第四材料不同而与所述的第三或所述的第一材料一样的第六材料组成的第六结构(ST6)，并且至少把所述的热电堆系统放置在所述的第一(ST1)和所述的第二(ST2)结构的旁侧。

12.根据权利要求8直到11中的任一权利要求所述的器件包括在所述的衬底(SUB)上单块集成并由所述的转换器(STP)供电的电路(CC)。