[发明专利]微型热电能量收集器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体领域，特别是涉及一种微型热电能量收集器及其制作方法。

背景技术

随着无线网络传感器技术的发展，其在工业、商业、医学、消费和军事等领域的应用逐步深入，而电源问题一直成为无线网络传感器延长应用寿命和降低成本的关键。在环境恶劣或其他人类无法到达的场合或网络节点移动变化时，电池的更换变得非常困难甚至不可能，因而有效的为无线网络传感器提供能量显得至关重要。一个有效的解决方法是采用能量收集的方法对环境能源采集，对能量进行储存以提供给无线网络传感器。利用塞贝克效应将环境中的温度差转换为电能进行能量收集是目前最常用的一种能量收集方法。而另一方面，系统的微型化使得系统的尺寸和功耗不断减小，系统工作时需要的能量也不断减少，从而可以通过热电芯片采集环境中的能源对系统进行供电。

目前微型热电能量收集器主要分为两种：平面型和垂直型。平面型微型热电能量收集器结构示意图如图1a所示，其热流方向与基板平行，热电偶排布与基板平行。由于平面型热电能量收集器通过器件的横截面和周围环境进行接触，热电能量收集芯片和环境接触的面积较小，这就导致热电能量收集芯片不能和环境实现较好的热接触，影响了热电能量收集芯片的工作效率。然而其基板上热电偶一般采用平面半导体工艺制作，热电偶长度范围为1～1000um，热电偶长度是由光刻工艺决定，热电偶长度可通过版图设计进行控制。此外，为了增大热电能量收集芯片的热阻，热电偶结构一般都要进行绝热处理，即将热电偶下方的基板进行挖空处理，热电偶结构最终是悬浮在基板上，其截面结构如图1b所示。由于热电偶为悬浮结构，热电偶微结构容易发生断裂，这就降低了芯片的可靠性。

垂直型微型热电能量收集器结构示意图如图1c所示，其热流方向与基板垂直，热电偶排布与基板垂直。由于垂直型热电能量收集器通过整个基板和周围环境进行接触，热电能量收集芯片和环境接触的面积较大，这就实现了热电能量收集芯片和环境较好的热接触，提高了热电能量收集芯片的工作效率。然而由于其热电偶排布垂直于基板方向，因此无法采用平面半导体工艺进行制作，热电偶一般采用电镀或者薄膜溅射沉积工艺制作，其热电偶长度受到工艺限制。采用薄膜溅射沉积工艺制作的薄膜厚度一般小于100um，而采用电镀工艺制作的薄膜厚度一般小于1000um。目前垂直型热电能量收集芯片一般都是采用BiTe系材料或者Cu、Ni等金属材料作为热电材料。由于Cu、Ni等金属材料的塞贝克系数较小，因此采用Cu、Ni等金属材料作为热电材料制作的热电能量收集芯片一般效率较低。由于BiTe系材料具有较高的的塞贝克系数，采用BiTe材料制作的热电能量收集芯片一般具有较高的效率。然而，BiTe系材料的成本较高，并且BiTe系材料中含有有毒物质，这些都限制了BiTe热电能量收集芯片的使用。此外，由于热电偶需要两种热电材料组成，垂直型热电能量收集器一般需要进行两次电镀或薄膜溅射沉积工艺才能制作出热电偶材料，这就进一步增加了热电能量收集芯片的成本。而且垂直型热电能量收集器一般是通过芯片级键合将热电能量收集器和上下基板进行热和机械连接，其制作效率也较低。

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微型热电能量收集器及其制作方法，用于解决现有技术中制作成本高、制作效率低及能量收集效率低等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微型热电能量收集器的制作方法，至少包括步骤：1)提供一硅衬底，刻蚀所述硅衬底的上表面以形成至少两个间隔排列的环形沟槽，藉由所述所有的环形沟槽及所述环形沟槽围成的硅柱组成热电堆区域；2)在所述环形沟槽表面形成绝缘层，然后在所述环形沟槽内填充热电材料以形成环形热电柱，以使所述环形热电柱及其所包围的硅柱组成热电偶；3)制作上金属布线以连接同一热电偶中的硅柱及环形热电柱，然后在所述硅衬底上表面制作上保护层；4)提供上支撑衬底，并将该上支撑衬底与所述硅衬底的上表面进行键合；5)减薄所述硅衬底直至露出所述热电偶的下表面；6)制作下金属布线以连接相邻两环形热电偶中的环形热电柱及硅柱，然后在所述硅衬底下表面制作下保护层；7)刻蚀相邻两热电偶之间硅衬底以形成隔离结构；8)提供下支撑衬底，并将该下支撑衬底与所述硅衬底的下表面进行键合以完成微型热电能量收集器的制作。

在本发明的微型热电能量收集器的制作方法中，所述环形热电柱为截面为矩形环状或圆环状的柱状结构，所述硅柱为截面为矩形或圆形的柱状结构。

作为本发明的微型热电能量收集器的制作方法的一个优选方案，所述步骤7)还包括在所述隔离结构内填充绝缘绝热材料的步骤。