[发明专利]三维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，特别是涉及一种三维热电能量收集器及其制作方法。

背景技术

随着物联网技术的发展，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物联网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，因而有效的为物联网节点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物联网的节点。温度差广泛存在于外界环境中，因此利用环境的温度差进行能量收集得到广泛研究。

由于其热流方向与基板垂直，热电能量收集效率较高，垂直型微型热电能量收集器是目前常用的一种结果，其示意图如图1所示。上下基板和外界环境进行热交换，将外界的温度差导入到热电堆上，热电堆通过塞贝克效应将外界环境的温度差转换成电压信号输出，从而实现对外界能量的收集。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。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等金属材料为导体结构，其塞贝克系数较小，因此只采用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系材料为半导体结构，具有较大的的塞贝克系数，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，由于热电偶对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。

鉴于以上原因，提供一种低成本，高效率的热电能量收集器实属必要。

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三维热电能量收集器及其制作方法，用于解决现有技术中热电能量收集器制作成本高、制作效率低、能量收集效率低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种三维热电能量收集器的制作方法，至少包括以下步骤：1)提供一硅衬底，刻蚀所述硅衬底的上表面以形成多个间隔排列的凹槽，藉由各该凹槽及凹槽之间的欲制备硅柱的区域组成热电堆区域；2)在所述凹槽的表面形成绝缘层，然后在各该凹槽内填充热电材料形成多个热电柱，以使所述热电柱及相邻的欲制备硅柱的区域中的硅组成准热电偶对；3)制作上金属布线以连接同一准热电偶对中的热电柱及欲制备硅柱的区域中的硅，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上保护层进行键合；5)减薄所述硅衬底直至露出所述准热电偶对的下表面；6)制作下金属布线以连接相邻两准热电偶对中的热电柱及欲制备硅柱的区域中的硅，然后在所述硅衬底下表面制作下保护层；7)刻蚀所述硅衬底以在所述热电堆区域的外围形成环形沟槽，以隔离所述欲制备硅柱的区域中的硅及硅衬底，以形成多个硅柱，藉由所述热电柱及其相邻的硅柱组成热电偶对；8)提供下支撑衬底，并将该下支撑衬底与所述下保护层进行键合以完成三维热电能量收集器的制作。

在本发明的三维热电能量收集器的制作方法中，所述热电柱及硅柱的为长方柱状结构或圆柱状结构。

作为本发明的三维热电能量收集器的制作方法的一个可选方案，所述步骤7)还包括在所述环形沟槽内填充绝缘绝热材料的步骤。

作为在本发明的三维热电能量收集器的制作方法的一个可选方案，所述步骤4)的键合工艺为圆片级气密键合，步骤8)的键合工艺为圆片级真空密封键合。

作为本发明的三维热电能量收集器的制作方法的一个可选方案，所述上支撑衬底及下支撑衬底均包含有CMOS电路结构，且在所述上、下保护层刻蚀出接线孔，藉由所述接线孔连接所述CMOS电路及所述上、下金属布线。

在本发明的三维热电能量收集器的制作方法中，所述热电柱的材料为BiTe系材料、多晶硅材料及金属Cu、Ni、Au，所述硅衬底为低阻硅片。

本发明还提供一种三维热电能量收集器，至少包括：