CN1688033A - 微机电热电制冷器及其制造方法 - Google Patents

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CN1688033A CN 200510056987 CN200510056987A CN1688033A CN 1688033 A CN1688033 A CN 1688033A CN 200510056987 CN200510056987 CN 200510056987 CN 200510056987 A CN200510056987 A CN 200510056987A CN 1688033 A CN1688033 A CN 1688033A
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廖波
孔德文
李娜
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Beijing University of Technology
Beijing Institute of Technology BIT
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Beijing Institute of Technology BIT
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Abstract

本发明提供一种能够用于集成电路系统芯片制冷的微机电热电制冷器件。所述微机电热电制冷器件采用了双层的热电偶立体阶梯状结构，结构主要由硅片衬底、衬底一面上多晶硅薄膜条、隔离绝缘层、隔离层上面的多晶硅薄膜条、和衬底另一面的空腔构成。这种结构的好处在于，一是增加热电臂的空间分布密度，从而提高了单位体积上的功率，二是上层热电臂由于不与衬底接触而减少了热泄漏，提高了效率，另外阶梯状结构增大了截面积，提高了功率。

Description

微机电热电制冷器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种微机电热电制冷器及制造这种器件的方法，属于微电子领域。
背景技术
由于许多电子元器件工作的有效输出功率比所需的输入功率小得多，这部分多余的功率就会转化为热量，如果累积在组件和元器件内部的热量没有被挥发掉的话，使设备内部产生高温，高温对大多数电子元器件将产生严重影响，元器件的可靠性就会遭到损害，甚至会导致电子元器件的失效，元器件的结温每升高10℃，那么它的失效率将翻番。因此必须在预期的热环境下，把电子元器件的温度控制在规定的数值之下，在热源至外部环境之间提供一条有效的快速通道，以确保热量能够顺利地散发出去。
针对这个问题，采用热电制冷不失为一种很好的方法。热电制冷是利用热电效应的一种制冷方法。由于没有机械运动部件，无磨损，无噪声；因而可靠性高、工作寿命长。而且它的灵活性强，使用方便可靠，非常适合于小功率制冷领域或有特殊要求的用冷场合。比如，在科研、医疗卫生等领域热电制冷广泛地用作电子器件、仪表的冷却器，或用在低温测仪、器械中，或制作小型恒温器等。但是传统的热电器件由于都是用半导体体材料，如Bi2Te3、PbTe等合金半导体。受制造工艺所限，尺寸的缩小空间有限，且制造工艺与现代电子器件的制造工艺不兼容，因而很难做到与被制冷电子器件集成。
微机电技术的发展为微热电制冷器的开发提供了一条新的路径。再加上微机电器件所具有的各种优点和MEMS的应用前景和市场潜力，使得很多的从事热电技术研发的单位和研究人员都开始研究MEMS热电制冷器，如：美国NASA，海军研究实验室，RTI等研究所、实验室，MIT，UCLA，MSU，CalTech等大学，Hi-Z，ADS等公司，欧洲英国、荷兰的一些大学，日本ETL实验室，SEIKO，东京首都大学等。美国的University of California制造的微型热电制冷器，使用的材料为SiGe及SiGe/Si超晶格，测得的结果为在25℃和250℃时最大制冷温度分别为4.3K和13.8K；制冷功率密度在零制冷温度时达600W/cm2，明显优于传统的体材料热电制冷器。英国Cardiff大学研制的一种微型热电制冷器，其中的绝缘膜为SiC。在温差为20K时制冷功率为0.6-1mW，最大温差为30K。这种设计中，中间为制冷区，四周和衬底为散热部分，因而散热效果较好。荷兰Delft大学设计了一种悬臂梁结构的片上集成热电制冷器，其中热电薄膜沉积在悬臂梁上，这种结构的衬底热泄漏相对较小。
然而上述薄膜热电制冷器的设计都难以使组成热电偶元件的热电薄膜在相同长宽比的条件下，增加热电偶对的数量，提高薄膜热电堆的输出量。为了在薄膜热电堆中集成更多的热电偶元件或进一步减少薄膜热电堆尺寸，提高薄膜热电堆性能，本发明改进并设计成一种具有双层叠置薄膜条立体结构的微机电热电制冷器。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用薄膜热电材料、利用微机电工艺设计的新型热电制冷器，即微机电热电制冷器，也可称为MEMS热电制冷器。由于微机电制造工艺与微电子工艺兼容，易于集成，而且薄膜热电材料尺寸可进一步缩小到微米量级，制冷功率密度大，因此这将是未来解决电子器件发热问题的一种很好的方案。
所述微机电热电制冷器件包括单晶硅片衬底；硅片衬底上的一层氧化硅掩膜层；氧化硅掩膜层上的氧化硅绝缘层；氧化硅绝缘层上的组成俩对以上热电偶元件，；一个双层热电偶元件由一个n型多晶硅薄膜条和一个p型多晶硅薄膜条组成，而n型多晶硅薄膜条和p型多晶硅薄膜条之间有一层氧化硅绝缘层；n型多晶硅薄膜条与p型多晶硅薄膜条通过金属电极连接以及单晶硅衬底另一面的空穴腔。其中氧化硅掩膜层是为了保护下面用KOH腐蚀形成热电堆的阶梯的，而多晶硅薄膜条在本发明中起到热电臂的作用。整个微机电热电制冷器件呈阶梯状结构。
所述微机电热电制冷器件采用了电流方向与薄膜平面平行的水平形(in-plane)结构，这种结构的优点是工艺容易实现，臂长易于调节，成本较低。并且所述微机电热电制冷器件采用了双层的热电偶结构，结构主要由硅片衬底、衬底一面上多晶硅薄膜条、隔离绝缘层、隔离层上面的多晶硅薄膜条、和衬底另一面的空腔构成。
本发明是通过以下方法实现的，包括以下步骤：
(a)热氧化做为KOH腐蚀的掩膜，光刻出硅突梁热电臂，然后腐蚀氧化硅，去胶，KOH腐蚀，热氧化作为绝缘层；(b)LPCVD(低压化学气相淀积)淀积下层多晶硅，磷注入，光刻下层多晶硅，去胶，然后用LPCVD淀积氧化硅作为绝缘层；(c)LPCVD淀积上层多晶硅，硼注入，光刻上层多晶硅，去胶，然后用LPCVD淀积氧化硅、氮化硅；(d)退火，背面涂胶，RIE(等离子体刻蚀)干法刻蚀去正面氮化硅，去胶，光刻引线孔，去胶，淀积铬/金，光刻引线，腐蚀，去胶，刻蚀金属；(e)RIE干法刻蚀去背面氮化硅，氧化硅，然后KOH腐蚀出背面的空腔。
采用所述方法制造的微机电热电制冷器与其他热电制冷器相比较，一是增加热电臂的空间分布密度，从而提高了单位体积上的功率，二是p型热电臂由于不与衬底接触而减少了热泄漏，提高了效率，另外阶梯状结构增大了截面积，提高了功率。
附图简要说明
图1为根据本发明的实施例的热电制冷器的简化结构图示。
图2为形成保护下面用KOH腐蚀形成热电堆的阶梯的氧化硅掩膜层。
图3是表示在图2所示的步骤之后形成热电堆的n型热电臂的步骤的图示。
图4是表示在图3所示的步骤之后形成热电堆的p型热电臂的步骤的图示。
图5是表示在图4所示的步骤之后形成过孔的步骤的图示。
图6是表示在图5所示的步骤之后形成金属电极和金属连线的图示。
图7是表示在图6所示的步骤之后形成后面用背面KOH腐蚀形成硅杯结构的氧化硅掩膜层的图示。
图中，1-硅片衬底，2-氧化硅掩膜层，3、5、7-氧化硅绝缘层，4-n型多晶硅薄膜条，6-p型多晶硅薄膜条，8-衬低另一面的氧化硅层，9-衬低另一面的氮化硅层，10-用于淀积金属电极的过孔，11-金属电极，12-单晶硅衬底另一面的空穴腔。
具体实施方式：
现结合说明书附图，对本发明进行进一步的解释
所述微机电热电制冷器件包括单晶硅片衬底(1)；硅片衬底(1)上的一层氧化硅掩膜层(2)，保护下面用KOH腐蚀形成热电堆的阶梯；氧化硅掩膜层(2)上的氧化硅绝缘层(3)；氧化硅绝缘层(3)上的组成俩对以上热电偶元件，热电偶元件是由n型多晶硅薄膜条(4)和p型多晶硅薄膜条(6)组成；n型多晶硅薄膜条(4)和p型多晶硅薄膜条(6)之间有氧化硅绝缘层(5)；n型热电臂与p型热电臂通过金属电极(11)连接以及单晶硅衬底另一面的空穴腔(12)。
本发明的制作方法具体为：
(a)热氧化300nm做为KOH腐蚀的掩膜，光刻出硅突梁热电臂，然后腐蚀氧化硅，去胶，KOH腐蚀4-5μm，热氧化500nm作为绝缘层；(b)LPCVD(低压化学气相淀积)淀积下层多晶硅，厚度为1μm，磷注入，剂量大于1E20，光刻下层多晶硅，去胶，然后用LPCVD淀积500nm的氧化硅作为绝缘层；(c)LPCVD淀积上层多晶硅，厚度为1μm，硼注入，剂量大于1E20，光刻上层多晶硅，去胶，然后用LPCVD淀积500nm的氧化硅，150nm的氮化硅；(d)退火，背面涂胶，RIE(等离子体刻蚀)干法刻蚀去正面氮化硅，去胶，光刻引线孔，去胶，淀积铬/金(300/3000A)，光刻引线，腐蚀，去胶，刻蚀金属，形成金属电极和连线；(e)RIE干法刻蚀去背面氮化硅，氧化硅，然后KOH腐蚀出背面的空腔。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1、一种微机电热电制冷器，包括单晶硅片衬底；硅片衬底上的一层氧化硅掩膜层；氧化硅掩膜层上的氧化硅绝缘层；氧化硅绝缘层上的组成俩对以上热电偶元件；一个双层热电偶元件由一个n型多晶硅薄膜条和一个p型多晶硅薄膜条组成，而n型多晶硅薄膜条和p型多晶硅薄膜条之间有一层氧化硅绝缘层；n型多晶硅薄膜条与p型多晶硅薄膜条通过金属电极连接以及单晶硅衬底另一面的空穴腔。其中氧化硅掩膜层是为了保护下面用KOH腐蚀形成热电堆的阶梯的，而多晶硅薄膜条在本发明中起到热电臂的作用。
2、根据权利要求1所述的微机电热电制冷器件，其特征在于制冷结构采用了电流方向与薄膜平面平行的水平形(in-plane)结构。
3、根据权利要求1所述的微机电热电制冷器件，其特征在于运用双层热电臂结构，增加热电臂的空间分布密度。
4、根据权利要求1所述的微机电热电制冷器，其特征在于p型热电臂不与衬底接触。
5、根据权利要求1所述的微机电热电制冷器，其特征在于阶梯状结构。
6、、根据权利要求1所述的微机电热电制冷器，其特征在于它的制备方法包括以下步骤：
(1)对硅衬底进行热氧化，形成一氧化硅层，并腐蚀氧化硅，再用KOH腐蚀出硅阶梯状结构热电臂，热氧化一层氧化硅层；
(2)用LPCVD在氧化硅层上淀积下层多晶硅，用离子注入的方法对多晶硅层进行磷注入，光刻下层多晶硅，然后用LPCVD淀积一层氧化硅作为绝缘层；
(3)用LPCVD淀积上层多晶硅，用离子注入的方法对多晶硅层进行硼注入，光刻上层多晶硅，然后用LPCVD分别在多晶硅层上和硅衬底背面淀积一层氧化硅，在氧化硅上再淀积一层氮化硅；
(4)用RIE干法刻蚀去除氮化硅层，光刻引线孔，用电极淀积法淀积铬/金，光刻引线，腐蚀金属；
(5)RIE干法刻蚀去背面氮化硅，氧化硅，然后KOH腐蚀出背面的空腔。
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