CN108352398B - 热电发电机 - Google Patents
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Abstract
一种具有基座硅晶片和覆盖硅晶片的紧凑尺寸的热电发电机，具有被构造成用于提高热能到电能的转化效率的简单结构，使得由于每单位表面的热量大于现有技术设备薄膜而也有可能转换为电流，其中覆盖硅晶片面对所述基座硅晶片，使得相应顶部触点接触并且覆盖硅晶片和基座硅晶片之间的空间是形成真空的空间或者存在气体，特别是空气的空间。
Description
技术领域
本发明涉及热电发电机。
更特别地，本发明涉及基于薄膜形式的热电材料并且利用微电子技术实现的、可以通过平面工艺和3D异质或混合集成的相关技术来制造的热电发电机的结构。
背景技术
热电发电机是允许将热能转化为电能的设备，这种转化归功于可能利用被称为塞贝克(Seebeck)效应的效应。
大多数现有技术的热电发电机的功能基于使用具有高品质因数ZT的热电材料，诸如碲化铋(bismute telluride)及其合金。
尽管如此，碲化铋及其合金在自然界几乎不可获得，因此热电发电机很昂贵并且几乎不适合大规模生产。
此外，这些材料不能被轻易缩小，因为它们与微电子制造行业中使用的制造工艺不兼容。
因此，不可能大规模地实现热电发电机或满足大市场(汽车、消费电子)，因此几乎不符合诸如物联网或可穿戴电子产品的发展趋势。
因此，在过去的几十年中，已经注意到使用通常用于MEMS器件、CMOS器件以及更一般地用于IC的工艺技术来实现小型化热电发电机的可能性。
热电发电机由一组热电偶组成。
热电偶由两种导电材料组成，或者作为替代，由通常通过金属实现的具有高导电性的连接件连接在一起的p掺杂半导体和n掺杂半导体组成。
热电偶通常被电串联和热并联连接，以便获得足以给电子设备供电的电压。
取决于在热电偶中流动的热通量是平行于电流流动的平面还是与电流流动的平面正交，热电偶的构造可以或者是平面中的(in-plane)或者是平面外的(out-of-plane)。
从某个角度来看，其热电偶是平面中构造(参见描绘Y.Van Andel等人的出版物的构造的图1)的热电发电机的制造工艺比其热电偶是平面外构造的热电发电机的制造工艺更简单。
从另一个角度来看，其热电偶是平面中构造的热电发电机相对于其热电偶是平面外构造的热电发电机的缺点是面积占用较大并且因此存在小型化方面的不足。在微电子工业中，通常越大的面积意味着热电发电机的生产成本越高。
在以下出版物中公开了以平面中构造的小型化热电发电机的示例：
-Y.Van Andel，M.Jambunathan，R.J.M.Vullers，V.Leonov，Membrane-less in-plane bulk-micromachined thermopiles for energy harvesting,MicroelectronicEngineering，Vol.87(2010)1294-1296；
-Xie,J.；Lee,C.；Feng,H.Design,fabrication and characterization of CMOSMEMS-based thermoelectric power generators.J.Micromech.Syst.2010,19,317–324；
-Kao,P.-H.；Shih,P.-J.；Dai,C.-L.；Liu,M.-C.Fabrication andcharacterization of CMOS-MEMS thermoelectric micro generators.Sensors 2010,10,1315–1325；
-Wang,Z.；Van Andel,Y.；Jambunathan,M.；Leonov,V.；Elfrink,R.；Vullers,J.M.Characterization of a bulk-micromachined membraneless in-plane thermopile.J.Electron.Mater.2011,40,499–503.13；
-美国专利US 7,875,791“Method for manufacturing a thermopile on amembrane and amembrane-less thermopile,the thermopile thus obtained and athermoelectric generator comprising such thermopiles”Vladimir Leonov，PaoloFiorini，Chris Van Hoof(2011)。
以下出版物中公开了以平面外构造的小型化热电发电机的示例：
-Bottner H.,Nurnus,J.；Schubert,A.；Volkert,F.“New high density microstructured thermogenerators for stand alone sensor systems”in Proceedings of26th International Conference on Thermoelectrics,2007.ICT 2007(3-7June 2007)第306–309页。
-M.Strasser,R.Aigner,M.Franosch,G.Wachutka,“Miniaturizedthermoelectric generators based on poly-Si and poly-SiGe surfacemicromachining”,Sensors and Actuators A,Vol.97-98,535-542(2002)。
-Su,J.；Leonov,V.；Goedbloed,M.；van Andel,Y.；de Nooijer,M.C.；Elfrink,R.；Wang,Z.；Vullers,R.J.A batch process micromachined thermoelectric energyharvester:Fabrication and characterization.J.Micromech.Microeng.2010,doi:10.1088/0960-1317/20/10/104005。
参考在Bottner等人的出版物中提到的并且在图2中示出的小型化热电发电机，这种小型化热电发电机是通过倒装芯片键合(flip chip bonding)技术获得的。尽管如此，所使用的材料是已知的类型，即，碲化铋及其合金，并且通过溅射沉积在硅晶片上。
参考在Strasser等人的出版物中提到的并且在图3中示出的热电发电机，这种热电发电机是通过表面微加工实现的。
特别地，这种热电发电机由两个BiCMOS技术实现的热电偶组成。
所述热电偶的热部分和冷部分之间的隔离是通过氧化物势垒LOCOS(硅的局部氧化)实现的。
热电材料是400nm厚度的多晶硅层，该多晶硅中部分掺杂有用于实现n型部分的磷并且部分掺杂有用于实现p型部分的硼。
铝桥的存在防止了否则将存在于相邻热电部分之间的p-n结的形成。
为了提高热能到电能的转化产率，在硅基板中已经实现了许多空腔。
参考在Su等人的出版物中提到的并且在图4中示出的热电发电机，该热电发电机由在p型和n型多晶SiGe中实现的并用铝在它们之间连接的热电偶组成。
特别地，所述热电发电机的热电偶是独立式的。
由于底层材料已被去除以增加热电材料的端子上的温差，因此热电材料基本上成形为桥。
所述热电发电机的下部和上部通过倒装芯片键合技术并通过粘性糊剂密封在一起。
发明内容
本发明的目的是克服所述缺点，从而提供一种紧凑尺寸的热电发电机，其具有被构造成用于提高热能到电能的转化效率的简单结构，使得由于每单位表面的热量大于现有技术设备薄膜而也有可能转换为电流。
因此，本发明的目的是根据作为本说明书的组成部分的所附权利要求的热电发电机。
附图说明
将根据实施例，特别地参考附图公开本发明，这仅仅是用于说明而非限制性目的，附
图中：
图1示出了根据现有技术的平面中构造设备的布局。
图2示出了根据现有技术的利用薄膜技术实现的平面外构造中的TEG的示意图。
图3示出了根据现有技术的由BiCMOS实现的平面外构造中的两个热电偶的示意图。
图4示出了根据现有技术的独立式结构的示例。
图5示出了根据本发明的热电发电机的部分截面的视图。
图6示出了(a)图5的热电发电机的第一基板的截面，(b)图5的热电发电机的第二基板的一部分。
图7示出了图5的热电发电机的一部分的透视图，其中在第一基板的第一山丘的一部分上放置了电绝缘和热绝缘材料层，其被成形为截棱锥形、实心或甚至部分中空，并且被热电材料涂覆，热电材料与金属导体接触。
图8示出了根据本发明的热电发电机的实施例的基座元件的截面侧视图。
图9示出了根据本发明的方面的串联连接的根据图7的元件的透视图。
图10示出根据本发明的方面的并联连接的根据图7的元件的透视图。
图11示出了根据本发明的方面的作为网格连接的根据图7的元件的透视图。
图12示出了根据本发明的热电发电机的实施例的不同基座元件的透视图。
图13示出了根据本发明的方面的作为网格连接的根据图12的元件的透视图。
图14示出了本发明的另一个实施例，其中构建块之间的电连接通过互连通孔(VIAS)在基座硅晶片的背部上实现。
具体实施方式
参考图5-8，图示了根据本发明的热电发电机的构建块100。
热电发电机100的所述部分包括：
-第一基板或底部基板110(硅晶片)；
-面对底部基板的第二基板或顶部基板120(硅晶片)。
在图5中，在底部基板110中示出了两个基座元件130，其具有连接件140，该连接件140在下文中将更详细地公开(参见图9、10、11)。在底部基板和顶部基板之间存在空气或真空间隙150。
参考图6中的(a)，其中图示了底部基板110的结构。它具有表面111，其中山丘111C和山谷111V彼此交替。
参考图6中的(b)，其中示出了顶部基板120的结构。它具有表面121，其中山丘121C和山谷121V彼此交替。
所述第一基板110和所述第二基板120彼此面对，使得第一基板110的每个山丘111C面对所述第二基板120的相应山丘121C并且使得第一基板110的每个山谷111V面对第二基板120的相应山谷121V，如图5中清楚示出的。这两个层的相应山丘通过它们的峰接触。
第一基板1的山谷111V和第二基板2的山谷121V有助于增加所述基板之间的间隙中存在的空气的热阻。
在所示的实施例中，所述基板中的每个基板由相应的硅晶片组成。
参考底部基板110，在整个表面111上存在与硅晶片接触的第一电隔离材料层114，例如氧化硅或氮化硅，其厚度可以为几纳米至一微米。
与第一电隔离材料层114接触时，存在组成山丘111C的本体的电隔离材料(例如氧化硅、氮化硅)的局部化层115。当热电材料(下文中示出)处于几百纳米的量级时，该局部化层115的厚度在1微米到数百微米的范围内，优选地为几十微米的量级。对于这种山丘材料，被赋予具有任何基座形状的截棱锥形，例如矩形或正方形基座(在所示的示例中)，或通过标准光刻技术的截圆锥形状。在这个区域中的材料的几何形状及其热特性使得产生比构成基座元件的其它部分的热阻明显更大的热阻(山丘材料应该是电隔离的，并且从热学角度来看它应该具有相对于热电材料的热导率尽可能低的热导率)。
在局部化层115的下面，存在p型或n型的热电材料层116。该热电材料沉积在截棱锥形或截圆锥结构115的所有侧面上(或仅在两个面上)(参见图7)。厚度范围可以在10到1000nm之间，但是取决于为其设计TEG的特定应用，厚度可能甚至大于1微米。
TE材料的示例是重掺杂半导体，诸如Si或SiGe。
第一基板110和第二基板120可以是薄化或超薄化的晶体硅晶片，用于向热电材料的端子运送更大的热通量。
最后，在第一隔离层114上方，在山谷的大约一半和山丘的起点之间延伸的金属117被沉积。在热电材料116上方的山丘111C的顶部还有另一个金属118。所有这些金属都是电触点。位于截棱锥或截圆锥结构的山峰上的金属118的基座也是热触点。
底层110的基座元件130在图7中以透视图示出。示出了可以被认为是金属117的延伸并且围绕山峰的金属119。
叠置于热电材料薄膜上的所述金属触点之间的电触点118和119可以通过多层界面来固定，以便减少电触点电阻，该多层界面包括属于由TiSi2、WSi2、MoSi2、PtSi2和CoSi2组成的组的硅化物膜。以相同的方式，可以通过包括属于由W、Ti、Ta组成的组的难熔金属的中间膜和与金属接触的氮化钛膜的多层界面来固定相同的金属触点。
参考顶部基板120，在整个表面121上存在与硅晶片接触的电绝缘材料(例如氧化硅或氮化硅)的第一层124，其厚度可以在几纳米和一微米之间的范围内。
电触点128在山丘121C的峰处沉积在隔离层124上。
放置在上层和下层的山峰处的触点与根据本发明的设备接触。图8以放大的视图显示了这个触点。
上面提到的硅晶片可以是微加工的、通过智能切割处理或由Soitec提供的用于转移层的Smart StackingTM技术连接在一起。
就底部基板的实施例而言(底部芯片，图6中的(a))，可以使用已知技术和未来技术。特别地，可以例如如下进行：
1)从单晶硅基板开始，沉积热氧化物膜(厚度为1μm或2μm)。这种氧化物将用作以下蚀刻的掩模。
2)通过光刻工艺，在热氧化物中制作开口用于实现山谷雕刻(111V)。
3)通过化学蚀刻(湿法)和等离子体蚀刻(反应性离子蚀刻)的组合，在底部芯片的硅基板上实现山谷(111V)。
4)通过LPCVD(低压化学气相沉积)技术、PECVD(等离子体增强化学气相沉积)技术或通过SOG(旋涂玻璃)的沉积来沉积厚氧化硅膜(厚度从1μm至10μm)。
5)利用受控的斜率[参考OPTICS EXPRESS，第20卷，第20期/22934(2012)]，通过光刻掩模以及厚氧化硅的化学蚀刻(湿法)和等离子蚀刻(反应性离子蚀刻)的组合来实现山丘结构(115)。
6)在先前的侵蚀期间已经暴露的硅上生长热氧化物(厚度为几百纳米)。这种氧化物将用于电隔离基板。
7)沉积热电材料(“p”型或“n”型)，并且对于光刻，在厚氧化物的山丘上界定热电材料的活性区域。
8)通过溅射技术来沉积金属膜，并且通过光刻来界定底部芯片的互连区域。
就实现顶部基板(图6中的(b))而言，可以使用已知技术和未来技术。特别地，可以例如如下进行：
1)从单晶硅基板开始生长(厚度为1μm或2μm)的热氧化物。这种氧化物将用作以下蚀刻的掩模。
2)通过光刻工艺，在热氧化物中制作开口。
3)通过化学蚀刻(湿法)和等离子蚀刻(反应性离子蚀刻)的组合，在顶部芯片的硅基板上实现山谷(121V)。
4)通过湿法蚀刻，去除热氧化物膜。
5)通过LPCVD(低压化学气相沉积)技术或PECVD(等离子体增强化学气相沉积)技术沉积氮化硅膜。如下一步所示，这种氮化物膜将用作电隔离要在顶部芯片的晶片上实现的互连。
6)通过溅射技术和光刻沉积金属膜，界定顶部芯片的互连区域。
这项技术涉及以下出版物：
·"Semiconductor Devices,Physics and Technology,第二版",S.M.Sze.JohnWiley and Sons(2002)
·Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology,第二版,YoshioNishi,Robert Doering.CRC Press(2007)
·"A fully integrated high-Q Whispering-Gallery Wedge Resonator"Fernando Ramiro-Manzano,Nikola Prtljaga,Lorenzo Pavesi,Georg Pucker和MherGhulinyan,OPTICS EXPRESS,第20卷,第20期/22934(2012)。
使本文提出的设备与根据现有技术的设备不同的几个特征是：
-没有悬吊或桥结构；
-热电材料的3D结构，其结果增加了将热量转化为电能的能力；
-底层和顶层之间更大的热绝缘。因此，增强了与外部热耦合的能力，并且因此增强了热电转换的能力；
-在底部基板和顶部基板的承载热量的元件之间更好的热接触(该相对于现有技术的改进是由于使用了倒装芯片键合或金属对金属键合)；
-增强了对热通量和电通量的管理：使用具有高热阻的山丘材料以及在空腔中存在空气/真空，允许在TE材料内部更好地传递热量。例如，在图3的现有技术解决方案中，氧化硅的存在在热部分和冷部分之间产生热短路；作为对照，在图4的解决方案中，热部分和冷部分比在本文中公开的在晶片中存在雕刻的解决方案封闭，如点111V和121V所示；
-使用薄化基板，其结果减少了基板损耗。晶片可以减薄至具有仍然机械稳定结构的极限(范围可以从10至1000微米)。
为了获得在热电材料的端子处具有最大温差(ΔTeffettivo)的热电发电机，利用了真空中的气隙或间隙以便允许底部基板和顶部基板之间更好的热分离，而不是由Strasser等人在文献中公开的氧化物层LOCOS。
作为对照，相对于由Su，Leonov等人在文献中公开的设备，获得了更大的ΔTeffettivo，因为底部基板和顶部基板的集成是通过倒装芯片键合或金属对金属键合执行的，而不使用不可避免地导致决定ΔTeffettivo的热通量的损失的粘合剂。而且，使用薄化基板允许减少相关的热损失。通过金属或通过氧化物存在的键合而不是考虑使用聚合物材料或热膏的键合也允许在降解之前获得更高的温度。
为了从基座元件开始获得TEG，有必要以最适当的方式连接更多的p型和n型基座元件。当热电材料由其中大多数载流子由电子组成的重掺杂(例如用硼)半导体(例如硅)构成时，基座元件是n型，当热电材料(例如，硅)由其中大多数载流子为空穴的重掺杂半导体(例如用磷)组成时，基座元件是p型。
下文中图示了p型(100P)的两个基座元件和n型(100N)的两个基座元件之间的电连接：
a)两对p型和n型基座元件的串联连接件1000S，参见图9。
b)两对基座元件p和n的并联连接件1000P，参见图10。
c)两对基座元件p和n的网格连接件1000G，参见图11。
在图9-11中，示出了基座元件之间的不同电连接，箭头指示的意义是：电流将在其中热电发电机的顶部基板与处于温度T热的热浴槽(bath)接触并且热电发电机的底部基板与处于温度T冷的一个接触的假设下流动。
所提出的本发明的另一个可能的实施例设想了具有截棱锥山丘211C的底层230的基块，热电材料216仅在截棱锥的两个侧面上沉积，并且侧面217和上面218电触点如图12所示。
为了获得从图5所示的基座元件开始的热电发电机，有必要连接多个如上所示的p型和n型基座元件。仅仅作为示例，图13描绘了在p型的基座元件230P和n型的基座元件230N之间的网格类型连接件2000G。
构建块通过在电流通量中交替p型元件和n型元件进行连接。通过对齐构建块的联合根据芯片上芯片模式(chip-on-chip)、晶片上芯片(chip-on-wafer)、晶片上晶片(wafer-on-wafer)来执行；或者根据基板上晶片上芯片(chip-on-wafer-on-substrate)或基板上芯片上芯片(chip-on-chip-on-substrate)模式来执行。
参考图14，强调了本发明的另一个有利的实施例，其中构建块之间的电连接通过使用互连VIAS在基座硅晶片110的背侧上实现。VIAS的存在构成了与以上公开的其余几何结构的协同作用(synergy)。事实上，存在更好的散热，因为热量必须遵循路径；它不应该进入基板，而是应该穿过基板并且沉没到硅基板之外。而且，在这些VIAS中，电能同时流过其。VIAS优选地在薄化晶片中实现。
本发明的优点
有利的是，作为本发明的目的的热发电机允许发电机的端子上的温差最大化。第二个优点是以下事实：与现有技术的热电发电机(诸如例如在Strasser等人的出版物中和在Su，Leonov等人的出版物中公开的那些热电发电机)不同，在作为本发明的目的的热电发电机内部不存在悬吊结构或桥结构。从机械的角度来看，所述悬吊结构或桥结构削弱了热电发电机的结构和/或使所述热电发电机不适合抵抗高温(大于60℃)和/或通过特定类型的键合(诸如例如倒装芯片键合或金属对金属键合)被密封。
因此，没有悬吊结构或桥结构使得作为本发明的目的的热发电机从机械的角度看更坚固。
此外，该结构可以被小型化并直接集成到传统电子设备中，或者直接集成到硅上或异构集成中。
为了响应于特定的应用需求，可以通过根据期望在输出端处获得的电量电串联和/或并联地放置基座元件来以更复杂的体系架构组织基座元件。例如，可以通过在基座元件之间的串并联电互连上工作来在一定范围内修改发电机的输出电量：例如，如果n个基座元件全部电串联放置，则将获得最大可输送电压和最大电阻(一系列n个单位电阻)；如果n个基座元件并联放置，则将获得具有最小电阻(n个单位电阻平行)的发电机；串并联连接允许获得可以在两端之间或者完全串联或者完全并联进行调制的电响应。
本发明仅仅是为了说明性而非限制性目的根据优选实施例而公开，但是应该理解的是，本领域技术人员可以执行变化和/或修改，而不会因此偏离作为在所附权利要求书中定义的保护范围。
Claims (11)
1.一种具有平面外热流构造的集成热电发电机的构建块(100)，包括各自具有两个相对面的基座硅晶片(110)和覆盖硅晶片(120)，其中：
-所述基座硅晶片(110)在所述相对面的一个面上具有多个山丘(111C)和在所述山丘(111C)之间的多个山谷(111V)；
-所述山丘(111C)中的每个山丘包括在硅晶片中的第一截棱锥或截圆锥，第二截棱锥或截圆锥(115)连接在所述第一截棱锥或截圆锥上，所述第二截棱锥或截圆锥由电绝缘和热绝缘材料制成，其中所述第二截棱锥或截圆锥的较大基座小于所述硅晶片中的所述第一截棱锥或截圆锥的较小基座并与其接触；
-在所述第二截棱锥或截圆锥的较小基座上并且至少部分地在所述第二截棱锥或截圆锥的侧表面上存在p型掺杂热电材料层(116)，所述p型掺杂热电材料层(116)还在所述第一截棱锥或截圆锥的所述较小基座的至少一部分上延伸，
-顶部电触点(118)存在于所述第二截棱锥或截圆锥的所述较小基座上，并且在一端处的两个或更多个侧触点(117)与所述第一截棱锥或截圆锥的所述较小基座的所述至少一部分上的所述热电材料层接触并且在所述山丘(111C)的一侧上延伸直到相应山谷(111V)的一部分；
-所述覆盖硅晶片(120)在所述相对面的一个面上具有多个山谷(121V)和山丘(121C)，
-在基本上整个所述覆盖硅晶片(120)的所述一个面上存在电绝缘材料层(124)；
-在所述覆盖硅晶片(120)的山丘(121C)的顶部，放置既用作电触点又用作顶部热触点的金属触点；
-所述覆盖硅晶片以这样的方式面对所述基座硅晶片，即，相应的顶部触点(118,128)接触并且所述覆盖硅晶片和所述基座硅晶片之间的空间是形成真空的空间或者存在空气的空间。
2.如权利要求1所述的集成热电发电机的构建块(100)，其中所述触点(117,118,128)由金属或金属合金制成。
3.如权利要求2所述的集成热电发电机的构建块(100)，其中所述触点(117,118,128)由铝、铜或银制成。
4.如权利要求1至3中任一项所述的集成热电发电机的构建块(100)，其中，在所述基座硅晶片(110)的所述一个面上存在电绝缘材料层(114)，所述电绝缘材料层(114)的厚度包括在1纳米至1微米之间。
5.如权利要求1至3中任一项所述的集成热电发电机的构建块(100)，其中所述热电材料是n型或p型掺杂半导体。
6.如权利要求1至3中任一项所述的集成热电发电机的构建块(100)，其中所述第二截棱锥或截圆锥(115)具有在1微米和500微米之间的高度。
7.如权利要求1至3中任一项所述的集成热电发电机的构建块(100)，其中所述第二截棱锥或截圆锥(115)含有属于由以下组成的组的材料：二氧化硅、具有高耐导热性的氧化物、纳米材料声子的晶格结构以及硅纳米薄膜的超级胶乳。
8.一种由两个或更多个如权利要求1至7中任一项所述的构建块形成的集成热电发电机(1000S，1000P，1000G)，其中所述两个或更多个构建块通过所述侧触点(117)和所述顶部触点(128)彼此连接，使得它们串联或并联或以网格连接，并且使得由Seeback效应生成的电流交替流过具有n型掺杂和p型掺杂的热电材料(116)的构建块。
9.如权利要求8所述的集成热电发电机，其中在所述基座硅晶片和所述覆盖硅晶片的相应顶部触点之间存在倒装芯片键合。
10.如权利要求8所述的集成热电发电机，其中所述基座硅晶片和所述覆盖硅晶片利用属于包括以下各项或由以下各项组成的组的技术对齐连接：金属对金属键合、金属对金属热压缩、等离子体联合、通过苯并环丁烯联合、通过聚酰胺联合、通过金属间化合物联合、通过固液互扩散(SLID)联合、通过共晶合金联合、铜-氧化物联合、金属-金属氧化物联合、阳极联合和通过微凸块联合。
11.如权利要求8至10中任一项所述的集成热电发电机，其中所述构建块之间的电连接通过使用用于互连的通孔在所述基座硅晶片(110)的背面上进行。
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