CN1787232A - 微电池及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微电池以及制作方法，用来解决现有技术中放射源与能量转换结构接触面积小、放射源与能量转换结构之间接触方式简单而导致的电池工作状态不稳定的问题，其特征在于：在N型区(1)上有二维2×2～20×20的垂直侧壁方孔(2)阵列；在垂直侧壁方孔(2) 的表面是P型区(3)，在P型区(3)上面是电镀区(5)；在N型区(1)的一边留出N型区电极(4.1)区和P型区电极(4.2)区。由于本发明采用了垂直侧壁方孔阵列结构，使放射源与能量转换结构接触面积相比现有技术增大了171％，有益于电池电流的增加；采用电镀区结构，使得放射源与能量转换结构的接触方式多样化，也增强了放射源在工作状态下的稳定性。

Description

微电池及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种微电池，还涉及这种微电池的制作方法。
背景技术
参照图4、图5，文献“Final Scientific/Technical Report(US.Department of Energy AwardNo.DE-FG07-99ID13781)《A Nuclear Microbattery for MEMS Devices》”介绍了美国威斯康星大学麦迪逊分校的James Blanchard和Douglass Henderson提出倒三角直槽型与倒金字塔型的能量转换结构；倒三角直槽型转换结构是在表面呈倒三角直槽的N型硅上掺杂一层厚度均匀的倒三角直槽型的P型硅。倒金字塔型能量转换结构是在表面呈倒金字塔型的N型硅上掺杂一层厚度均匀的倒金字塔型的P型硅。液态放射源被引入到以P型硅为表面的倒三角直槽或倒金字塔中。当放射源衰变时，放射出的部分β离子穿过P-N结，促使在P-N结附近的电子发生电离产生了空穴-电子对。载流子在内电场的作用下定向移动，这样就可以将电极从P-N结的两层结构分别引出成为一个电源。
但是，这种倒三角直槽型或倒金字塔型的能量转换结构，其放射源与器件之间接触的表面积小，从而使电池电流较小。以倒金字塔型能量转换结构为例，若倒金字塔的开口边框为单位1，刻蚀深度为0.7，其表面积为1.41。
而且，这种结构使得放射源与能量转换结构的接触方式只能是液态放射源直接填充在P-N结的表面或是将液态放射源在P-N结表面蒸发后形成一层薄膜，结果造成了放射源的不稳定性，在外界干扰下易于移动或脱落。
发明内容
为克服现有技术中放射源与能量转换结构接触面积小、放射源与能量转换结构之间接触方式简单而导致的电池工作状态不稳定的不足，本发明提供一种微电池，同时提供这种微电池的制作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微电池，包括N型区1和P型区3，其特征在于：在N型区1上有二维2×2～20×20的垂直侧壁方孔2阵列；在垂直侧壁方孔2表面是的P型区3，在P型区3上面是电镀区5；在N型区1的一边留出N型区电极4.1区，在P型区3以内电镀区5以外留出P型区电极4.2区。
所述垂直侧壁方孔2的深宽比为1∶1～20∶1。
所述电镀区5的金属层厚度为1000埃。
所述N型区电极4.1和P型区电极4.2相距为1.5～2mm。
一种上述的微电池的制作方法，包括以下步骤：
1)采用掺杂浓度为1×1017～1×1018/cm3晶向为<100>的N型区1为衬底；
2)在N型区1表面淀积2μm SiO2掩膜层，在SiO2表面淀积2μm Si3N4掩膜层；
3)用掩模版光刻，按设计要求干法刻蚀掉2×2～20×20的垂直侧壁方孔2阵列位置的Si3N4与SiO2形成湿法刻蚀的窗口；
4)用KOH湿法腐蚀出深宽比范围为1∶1～20∶1的二维2×2～20×20垂直侧壁方孔2阵列；
5)除去Si3N4掩模层，用掩模版光刻，除去多余SiO2掩膜层，形成掺杂P型区3的窗口，并为N型区电极4.1留出了5倍于N型区电极4.1面积的空间；
6)掺杂，形成结深为1μm，P型区3浓度为1×1020～1×1021/cm3的P-N结；
7)除去SiO2掩膜层，涂胶；
8)用掩模版光刻出N型区电极4.1，P型区电极4.2，留出电镀区5，溅射金属，剥离掉外围多余的金属铜。
本发明的有益效果是：由于采用垂直侧壁方孔结构，使放射源与能量转换结构接触面积由现有技术的1.41提高到3.82，放射源与能量转换结构接触面积增大了171％，这种垂直侧壁方孔结构有益于电池电流的增加；采用电镀区结构，液态放射源不仅可以直接填充在电镀区的表面或是在电镀区表面蒸发形成一层薄膜，还可以将放射源电镀在电镀区的表面，从而使得放射源与能量转换结构的接触方式多样化，也增强了放射源在工作状态下的稳定性。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
图2是图1的B-B向剖视图
图3是图1的A-A向剖视图
图4是本发明制作方法的流程图
图5是倒三角直槽型能量转换结构，是现有技术示意图
图6是倒金字塔型阵列能量转化结构，是现有技术示意图
图中，1-N型区  2-垂直侧壁方孔  3-P型区  4.1-N型区电极  4.2-P型区电极5-电镀区
具体实施方式
结构实施例1：参照图1～3，本发明的能量转换结构，包括N型区1，为了增加表面积，在N型区1上设计二维2×2垂直侧壁方孔2阵列，垂直侧壁方孔2的深宽比为1∶1；在垂直侧壁方孔2表面是1μm的P型区3，在垂直侧壁方孔阵列2上面且在P型区3范围内是电镀区5；在N型区1的一边留出N型区电极4.1区，在P型区3以内电镀区5以外留出P型区电极4.2区；N型区电极4.1约50μm见方，P型区电极4.2约50μm见方。在N型区1表面刻蚀形成二维2×2垂直侧壁方孔2阵列。在垂直侧壁方孔2阵列表面局部掺杂一层厚度均匀的P型区3，掺杂时避开了N型区电极4.1，为N型区电极4.1留出了5倍面积的空间，由N型区1与P型区3共同形成P-N结结构。用于引出导线的N型区电极4.1与P型区电极4.2分别淀积在N型区1与P型区3的表面，两电极相距为2mm。电镀区5淀积在垂直侧壁方孔2阵列的表面。
结构实施例2：参照图1～3，本发明的能量转换结构，包括N型区1，为了增加表面积，在N型区1上设计二维5×20垂直侧壁方孔2阵列，垂直侧壁方孔2的深宽比为10∶1；在垂直侧壁方孔2表面是1μm的P型区3，在垂直侧壁方孔阵列2上面且在P型区3范围内是电镀区5；在N型区1的一边留出N型区电极4.1区，在P型区3以内电镀区5以外留出P型区电极4.2区；N型区电极4.1约50μm见方，P型区电极4.2约50μm见方。在N型区1表面刻蚀形成二维2×2垂直侧壁方孔2阵列。在垂直侧壁方孔2阵列表面局部掺杂一层厚度均匀的P型区3，掺杂时避开了N型区电极4.1，为N型区电极4.1留出了5倍面积的空间，由N型区1与P型区3共同形成P-N结结构。用于引出导线的N型区电极4.1与P型区电极4.2分别淀积在N型区1与P型区3的表面，两电极相距为1.7mm。电镀区5淀积在垂直侧壁方孔2阵列的表面。
结构实施例3：参照图1～3，本发明的能量转换结构，包括N型区1，为了增加表面积，在N型区1上设计二维20×20垂直侧壁方孔2阵列，垂直侧壁方孔2的深宽比为20∶1；在垂直侧壁方孔2表面是1μm的P型区3，在垂直侧壁方孔阵列2上面且在P型区3范围内是电镀区5；在N型区1的一边留出N型区电极4.1区，在P型区3以内电镀区5以外留出P型区电极4.2区；N型区电极4.1约50μm见方，P型区电极4.2约50μm见方。在N型区1表面刻蚀形成二维2×2垂直侧壁方孔2阵列。在垂直侧壁方孔2阵列表面局部掺杂一层厚度均匀的P型区3，掺杂时避开了N型区电极4.1，为N型区电极4.1留出了5倍面积的空间，由N型区1与P型区3共同形成P-N结结构。用于引出导线的N型区电极4.1与P型区电极4.2分别淀积在N型区1与P型区3的表面，两电极相距为1.5mm。电镀区5淀积在垂直侧壁方孔2阵列的表面。
上述实施例的垂直侧壁方孔2结构，使放射源与能量转换结构接触面积增大。若垂直侧壁方孔的边开口框为单位1，刻蚀深度为0.7，则其表面积为3.82。
方法实施例1：参照图4，1)采用掺杂浓度为1×1017/cm3晶向为<100>的N型区1为衬底；
2)在N型区1表面淀积2μm SiO2掩膜层，在SiO2表面淀积2μm Si3N4掩膜层；
3)用掩模版光刻，按设计要求干法刻蚀掉2×2的垂直侧壁方孔2阵列位置的Si3N4与SiO2形成湿法刻蚀的窗口；
4)用KOH湿法腐蚀出深宽比为1∶1，侧壁均为<100>晶向的二维2×2垂直侧壁方孔2阵列；
5)除去Si3N4掩模层，用掩模版光刻，除去多余SiO2掩膜层，形成掺杂P型区3的窗口，此掺杂窗口避开了N型区电极4.1，为N型区电极4.1留出了5倍于N型区电极4.1面积的空间。
6)掺杂，形成结深为1μm，P型区3浓度为1×1020/em3的P-N结；
7)除去SiO2掩膜层，涂胶；
8)用掩模版光刻出N型区电极4.1，P型区电极4.2与电镀区5，溅射金属铜，剥离掉外围多余的金属铜。结果在未被掺杂的N型区1的表面留下N型区电极4.1，在P型区3表面留下P型区电极4.2。N型区电极4.1及P型区电极4.2分别与N型区1及P型区3形成了欧姆联结，并且两电极相距为2mm，避免了过大的漏电流。电镀区5淀积在垂直侧壁方孔2阵列表面，且完全控制在P型区3内，防止因电镀区5覆盖了P型区3与部分N型区1而造成短接。电镀区5的金属层厚度为1000埃，防止了β离子穿过电镀区5过多的能量损耗。形成放射性同位素微电池的能量转换结构。
方法实施例2：参照图4，1)采用掺杂浓度为5×1017/cm3晶向为<100>的N型区1为衬底；
2)在N型区1表面淀积2μm SiO2掩膜层，在SiO2表面淀积2μm Si3N4掩膜层；
3)用掩模版光刻，按设计要求干法刻蚀掉5×20的垂直侧壁方孔2阵列位置的Si3N4与SiO2形成湿法刻蚀的窗口；
4)用KOH湿法腐蚀出深宽比为10∶1，侧壁均为<100>晶向的二维5×20垂直侧壁方孔2阵列；
5)除去Si3N4掩模层，用掩模版光刻，除去多余SiO2掩膜层，形成掺杂P型区3的窗口，此掺杂窗口避开了N型区电极4.1，为N型区电极4.1留出了5倍于N型区电极4.1面积的空间。
6)掺杂，形成结深为1.5μm，P型区3浓度为5×1020/cm3的P-N结；
7)除去SiO2掩膜层，涂胶；
8)用掩模版光刻出N型区电极4.1，P型区电极4.2与电镀区5，溅射金属铜，剥离掉外围多余的金属铜。结果在未被掺杂的N型区1的表面留下N型区电极4.1，在P型区3表面留下P型区电极4.2。N型区电极4.1及P型区电极4.2分别与N型区1及P型区3形成了欧姆联结，并且两电极相距为1.7mm，避免了过大的漏电流。电镀区5淀积在垂直侧壁方孔2阵列表面，且完全控制在P型区3内，防止因电镀区5覆盖了P型区3与部分N型区1而造成短接。电镀区5的金属层厚度为1000埃，防止了β离子穿过电镀区5过多的能量损耗。形成放射性同位素微电池的能量转换结构。
方法实施例3：参照图4，1)采用掺杂浓度为1×1018/cm3晶向为<100>的N型区1为衬底；
2)在N型区1表面淀积2μm SiO2掩膜层，在SiO2表面淀积2μm Si3N4掩膜层；
3)用掩模版光刻，按设计要求干法刻蚀掉20×20的垂直侧壁方孔2阵列位置的Si3N4与SiO2形成湿法刻蚀的窗口；
4)用KOH湿法腐蚀出深宽比为20∶1，侧壁均为<100>晶向的二维20×20垂直侧壁方孔2阵列；
5)除去Si3N4掩模层，用掩模版光刻，除去多余SiO2掩膜层，形成掺杂P型区3的窗口，此掺杂窗口避开了N型区电极4.1，为N型区电极4.1留出了5倍于N型区电极4.1面积的空间。
6)掺杂，形成结深为1.5μm，P型区3浓度为1×1021/cm3的P-N结；
7)除去SiO2掩膜层，涂胶；
8)用掩模版光刻出N型区电极4.1，P型区电极4.2与电镀区5，溅射金属铜，剥离掉外围多余的金属铜。结果在未被掺杂的N型区1的表面留下N型区电极4.1，在P型区3表面留下P型区电极4.2。N型区电极4.1及P型区电极4.2分别与N型区1及P型区3形成了欧姆联结，并且两电极相距为1.5mm，避免了过大的漏电流。电镀区5淀积在垂直侧壁方孔2阵列表面，且完全控制在P型区3内，防止因电镀区5覆盖了P型区3与部分N型区1而造成短接。电镀区5的金属层厚度为1000埃，防止了β离子穿过电镀区5过多的能量损耗。形成放射性同位素微电池的能量转换结构。

Claims (5)

1、一种微电池，包括N型区(1)和P型区(3)，其特征在于：在N型区(1)上有二维2×2～20×20的垂直侧壁方孔(2)阵列；在垂直侧壁方孔(2)表面是的P型区(3)，在P型区(3)上面是电镀区(5)；在N型区(1)的一边留出N型区电极(4.1)区，在P型区(3)以内电镀区(5)以外留出P型区电极(4.2)区。
2、根据权利要求1所述的微电池，其特征在于：所述垂直侧壁方孔(2)的深宽比为1∶1～20∶1。
3、根据权利要求1所述的微电池，其特征在于：所述电镀区(5)的金属层厚度为1000埃。
4、根据权利要求1所述的微电池，其特征在于：所述N型区电极(4.1)和P型区电极(4.2)相距为1.5～2mm。
5、一种根据权利要求1所述的微电池的制作方法，包括以下步骤：
1)采用掺杂浓度为1×1017～1×1018/cm3晶向为<100>的N型区(1)为衬底；
2)在N型区(1)表面淀积2μm SiO2掩膜层，在SiO2表面淀积2μm Si3N4掩膜层；
3)用掩模版光刻，按设计要求干法刻蚀掉2×2～20×20的垂直侧壁方孔(2)阵列位置的Si3N4与SiO2形成湿法刻蚀的窗口；
4)用KOH湿法腐蚀出深宽比范围为1∶1～20∶1的二维2×2～20×20垂直侧壁方孔(2)阵列；
5)除去Si3N4掩模层，用掩模版光刻，除去多余SiO2掩膜层，形成掺杂P型区(3)的窗口，并为N型区电极(4.1)留出了5倍于N型区电极(4.1)面积的空间；
6)掺杂，形成结深为1μm，P型区(3)浓度为1×1020～1×1021/cm3的P-N结；
7)除去SiO2掩膜层，涂胶；
8)用掩模版光刻出N型区电极(4.1)，P型区电极(4.2)，留出电镀区(5)，溅射金属，剥离掉外围多余的金属铜。
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