專利名稱：熱電器件的制造方法和通過該方法得到的熱電器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱電器件的制造方法，該熱電器件包括撓性箔，其上設(shè)置兩組串聯(lián)連接的、帶狀部分，其中兩組部分所選擇的材料具有不同的熱電系數(shù)，對所述組的部分進(jìn)行布圖，使得一組的一部分和另一組的另一部分之間的連接每次交替位于箔的兩個(gè)區(qū)域之一中，這兩個(gè)區(qū)域彼此隔開一定的距離，并且其中，在基板上設(shè)置帶狀部分之后，在帶狀部分上設(shè)置箔，此后去除該基板。通過這種方法得到的器件構(gòu)成了引人注目的電池電源的替代品。在這種器件的情況下，僅使用在器件附近存在的溫差來使得該器件作為發(fā)電機(jī)(generator)工作。不需要更換該器件或者通過電氣網(wǎng)絡(luò)、例如電力干線給該器件充電。
從Wenmin Qu等人在Journal of Micromechanics andMicroengineering(縮寫成J.Micromech.Microeng)，11(2001)pp.146-152中出版的名稱為“Microfabrication of thermoelectric generators onflexible foil substrates as a power source for autonomous Microsystems”的公開文獻(xiàn)中得知這種方法。在所述公開文獻(xiàn)(參見147頁左欄)中，描述了如何通過電沉積根據(jù)熱電發(fā)電機(jī)(thermoelectric generator)所希望的圖案為50μm厚的撓性銅箔設(shè)置銻(Sb)和鉍(Bi)的帶狀部分組。接著，利用環(huán)氧樹脂膜對帶狀部分進(jìn)行旋涂，其中在環(huán)氧樹脂膜固化之后掩埋(embed)帶狀部分。最后，通過蝕刻去除撓性銅箔。
已知器件的缺陷在于，幾乎不適合于取代銅箔的剛性基板例如半導(dǎo)體基板的使用。由于其厚度這種半導(dǎo)體基板相對較硬，所述厚度經(jīng)常超過100μm，甚至頻繁超過500μm。使用半導(dǎo)體基板具有下列好處，即可以更容易地形成其帶狀部分的一種或者多種材料包括半導(dǎo)體材料的器件。由于半導(dǎo)體基板的相對較大的厚度，因此蝕刻所述基板相對費(fèi)時(shí)，這是所不希望的。
因此本發(fā)明的目的是提供一種方法，其適合于相對硬并因此厚的基板例如半導(dǎo)體基板的使用，并且仍然允許高速。
為了實(shí)現(xiàn)該目的，根據(jù)本發(fā)明，在第一段提到的那種方法的特征在于，基板使用剛性基板，在去除剛性基板之前，將剛性載體板附著到箔上，在去除剛性基板之后，再從撓性箔去除剛性載體板。本發(fā)明首先基于這樣的認(rèn)識，通過在去除基板之前在箔上設(shè)置剛性載體板，由于該剛性載體板的存在，在逐漸去除基板的過程中，該器件始終保持剛性。本發(fā)明進(jìn)一步基于以下認(rèn)識，即這允許使用研磨技術(shù)去除剛性基板。由于這樣的技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于化學(xué)蝕刻技術(shù)，所以可以非?？焖俚厝コ澹蛘咧辽倨錁O大的部分。去除剛性基板之后，可以再去除剛性載體板，這得到包括帶狀部分組并且可以用作熱電發(fā)電機(jī)的撓性(合成樹脂)箔。對于剛性載體板，例如可以使用玻璃或者石英板。這里使用的術(shù)語“剛性”的含義是“不可彎曲或者至少不容易彎曲”。所述術(shù)語與術(shù)語“撓性”相對。使用相同的材料時(shí)，這意味著剛性體基本上厚于該材料的撓性體(箔)。
在方法的優(yōu)選實(shí)施例中，借助于研磨因此至少去除了剛性基板的較大部分。優(yōu)選地，通過化學(xué)蝕刻技術(shù)僅去除剛性基板剩余的、僅相對較薄的部分。盡管如此，根據(jù)本發(fā)明的方法仍是非?？斓摹Ｔ谠搩?yōu)選實(shí)施例中，優(yōu)選使用半導(dǎo)體基板。
優(yōu)選地，通過粘接層將剛性載體板附著到箔上，并且在去除基板之后，通過從粘接層將其拉松來去除該箔。這種方法特別簡單，因此引人注目。在該方法中，基于這樣的認(rèn)識，即一方面，適當(dāng)選擇粘接層能使粘接層、載體板和合成樹脂箔之間的粘接足夠強(qiáng)以便進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明的方法，而另一方面，粘接層和箔之間的粘接足夠小，以至于通過從具有粘接層的載體板將其拉松就能去除該箔。證明特別適于該目的的粘接層包括1，6-己二醇二丙烯酸酯。使用該粘接層與包括聚酰亞胺的箔和玻璃基板結(jié)合，得到了很好的結(jié)果。
如上所述，通過使用半導(dǎo)體基板，更容易由半導(dǎo)體材料制造一組或者多組帶狀部分。根據(jù)本發(fā)明的方法的特殊優(yōu)點(diǎn)在于，帶狀部分還可以容易地由單晶半導(dǎo)體材料而非多晶半導(dǎo)體材料制成。這種單晶半導(dǎo)體材料的熱電系數(shù)相對較高，而另一方面，電阻可以足夠低。如此得到的器件形成適當(dāng)?shù)臒犭姲l(fā)電機(jī)，另外，它們的制造與器件的其它元件的制造兼容，其中由于這些元件經(jīng)常包括諸如IC(集成電路)的半導(dǎo)體元件，因此熱電發(fā)電機(jī)將作為電源而被并入。此外，與這種元件的集成相對容易。
在對根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行的引人注目的修改中，對于基板，使用設(shè)有隔離層的單晶硅基板，在所述隔離層上沉積多晶硅層。對于隔離層，可以使用氧化硅層或者氮化硅層，其可以通過熱氧化或者CVD(化學(xué)汽相沉積)而形成。例如，通過CVD沉積多晶硅層。該修改具有方法和所得到的器件都相對便宜的優(yōu)點(diǎn)。
另外，還存在有利的修改，即通過氧離子注入在單晶硅基板中形成掩埋隔離層。然后通過硅基板位于掩埋層下面的部分形成剛性基板，而上覆的(單晶)部分用于形成帶狀部分組。由于掩埋隔離層形成了對于例如基于KOH蝕刻劑來說適當(dāng)?shù)奈g刻停止層，因此通過蝕刻可以容易地去除剛性基板(的最后部分)。掩埋層還可以(電)隔離帶狀部分。另外，在去除剛性基板之后，如果需要，可以使用在此階段仍然存在的隔離層來進(jìn)行該器件的技術(shù)適配(technologicaladaptation)。
優(yōu)選地，在形成在箔上的兩個(gè)帶狀導(dǎo)體之間并行設(shè)置大量的兩個(gè)串聯(lián)連接的帶狀部分組。以這種方式，基本上可以增加由制造的器件可提供的功率，導(dǎo)致該器件的更大應(yīng)用性。優(yōu)選選擇各個(gè)組的帶狀部分的圖案及其并行設(shè)置的圖案，使得在以某種方式折疊或者卷繞箔之后，所有帶狀部分的連接交替位于(折疊或者卷繞的)器件的兩個(gè)隔開的部分或者區(qū)域中。這樣該器件可以是緊湊的，并且可以容易地與存在的溫度梯度接觸。
本發(fā)明還包括通過根據(jù)本發(fā)明的方法得到的熱電器件，尤其是熱電發(fā)電機(jī)。
通過參考以下所述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其它方面將是顯而易見的并且將對其進(jìn)行說明。


圖1是通過根據(jù)本發(fā)明方法制造的熱電器件的示意平面圖；圖2是在厚度方向上沿著圖1所示器件的線II-II上截取的示意截面圖；圖3至10是在通過根據(jù)本發(fā)明方法的第一實(shí)施例制造的連續(xù)步驟中垂直于圖1所示器件的厚度方向的示意截面圖；圖11是圖1所示器件的第一修改例的示意平面圖；圖12是在折疊狀態(tài)下圖1所示器件的示意透視圖；圖13是圖1所示器件的第二修改例的示意平面圖；以及圖14是在卷繞狀態(tài)下圖13所示器件的示意透視圖。
這些圖沒有按比例繪制，為了清楚放大了一些尺寸，例如厚度方向上的尺寸。在不同的圖中，只要可能，就利用相同的附圖標(biāo)記或者陰影表示相應(yīng)的區(qū)域或者部分。
圖1是根據(jù)本發(fā)明方法制造的熱電器件的示意平面圖，而圖2是圖1所示器件在厚度方向上沿著線II-II截取的示意截面圖。這里的器件10包括撓性合成樹脂箔1，其在這種情況下是帶狀的，并且其中掩埋了通過連接4串聯(lián)連接的兩組2、3帶狀部分2A、3A。在這種情況下，部分2A包括鋁帶，而部分3A包括單晶硅?；ミB組2、3的之字形圖案100使得連接4交替位于箔的兩個(gè)隔開的區(qū)域G1、G2中。為此，可以容易地將連接4交替地引入到具有較低溫度的區(qū)域和具有較高溫度的區(qū)域中，當(dāng)然倘若存在這種溫度梯度的話。在這種情況下，帶狀半導(dǎo)體部分3A還掩埋在兩個(gè)隔離層8、9之間，在這種情況下，所述隔離層8、9由二氧化硅制成。隔離層9設(shè)有孔，其中形成了硅部分3A和鋁帶2A之間的連接4。
在該例子中，器件10包括多個(gè)之字形圖案100、101，圖中只示出了兩個(gè)，并行設(shè)置所述之字形圖案并且將其連接到位于箔1的外邊緣附近的鋁的兩個(gè)帶狀導(dǎo)體22、23。為此，基本上增加了熱電發(fā)電機(jī)10的容量。根據(jù)折疊該例子的器件10的視圖，圖案101相對于圖案100鏡像對稱。
圖3至10是在通過根據(jù)本發(fā)明方法的實(shí)施例制造的連續(xù)步驟中，垂直于圖1的器件厚度方向的示意截面圖。器件10的制造基于(參見圖3)具有20Ωcm電阻率的單晶半導(dǎo)體基板55的使用，其中通過氧離子注入形成掩埋隔離層8。在這種情況下，如此形成的區(qū)域5、8、55A的厚度分別為650μm、0.4μm和0.2μm。
接下來，(參見圖4)通過離子注入I，在這種情況下是砷離子的注入，n型重?fù)诫s硅基板55位于隔離層8上面的部分55A。砷離子的流量例如為1016原子/cm2。
接著，(參見圖5)通過光刻和等離子蝕刻大量去除該n型摻雜部分，以山形(chevron-shaped)圖案設(shè)置形成之字形圖案的一部分的帶狀部分3A，所述之字形圖案由互連的半導(dǎo)體帶3A和以后將設(shè)置的鋁帶形成。在該例子中，例如形成寬為5μm和間隔為3μm的1250個(gè)硅帶3A。不像在附圖中所建議的那樣，這里帶3A平行于箔的邊緣延伸。然而，如圖所示的真正之字形結(jié)構(gòu)也是可能的。在圖3至10中，如在圖1中那樣僅示出了兩個(gè)之字形圖案100、101的形成。在這種情況下，帶3A的長度大約1mm，厚度大約0.2μm。之字形的整個(gè)寬度為1250×8μm，即1cm。
接下來，通過CVD在臺狀帶3A上進(jìn)一步形成二氧化硅的隔離層9(參見圖6)。在這種情況下，該層9的厚度為0.3μm。在帶3A的端部之上，通過光刻和蝕刻在隔離層9中形成例如2μm×2μm的孔。接著，在這種情況下，在將形成的器件10之上，通過汽相淀積，淀積0.7μm厚的鋁層。通過光刻和蝕刻，將該鋁層形成為具有山形圖案的帶2A，其與具有山形圖案的半導(dǎo)體帶3A結(jié)合形成圖1的之字形結(jié)構(gòu)。然后使鋁帶2A和硅帶3A之間的連接4交替位于通過圖1中的G1和G2表示的兩個(gè)隔開的區(qū)域中。如果在這些區(qū)域存在存在于器件10的周圍或者施加于器件10的周圍的溫度梯度，那么器件10將用作發(fā)電機(jī)。當(dāng)然，在該例子中，圖1所示的導(dǎo)體帶22、23同時(shí)由鋁層形成。這樣在這些導(dǎo)體22、23之間并行設(shè)置圖形100、101。
接著，(參見圖7)通過旋涂設(shè)置該例子中10μm厚的聚酰亞胺層1，其中在固化之后，掩埋圖形100、101。這樣在這種情況下箔1包括聚酰亞胺合成樹脂。
接下來，(參見圖8)，將剛性載體板6，在這種情況下是340μm厚的玻璃板6，通過粘合劑附著到箔1上。在這種情況下，粘合劑層7包括10μm厚的導(dǎo)言所述的HDDA層。
接著，(參見圖9)通過利用DISCO研磨機(jī)的研磨大量去除基板部分5。然后在相對于粘合劑層7的鏡像取向上使待形成的器件10位于未示出的研磨機(jī)中，這樣基板部分5位于上側(cè)，在此進(jìn)行研磨處理。通過研磨去除大約600μm的基板5。在這種情況下，通過利用KOH水溶液的濕法化學(xué)蝕刻去除剩余的50μm厚的基板部分5，在該過程中隔離層8用作蝕刻停止層。
最后，(參見圖10)，利用例如解剖刀在玻璃板6的邊緣附近使箔1與粘合劑層7分離。然后利用鑷子或者用手從設(shè)有粘合劑層7的玻璃板6整體夾緊和用力拉箔1?，F(xiàn)在器件10準(zhǔn)備用于進(jìn)一步的處理，例如卷繞或者折疊，如下面將說明的那樣。
圖11示意性地部分示出圖1所示器件的第一修改例的平面圖和透視圖。與圖1的器件及其相關(guān)制造最重要的區(qū)別如下這種情況下使用的箔是設(shè)有孔4的預(yù)制合成樹脂箔1。在其一側(cè)，如根據(jù)圖3至9所討論的那樣，形成由圖11中的虛線表示的半導(dǎo)體帶3A。在箔1的另一側(cè)，在對應(yīng)于圖7的階段形成鋁帶2A，該鋁帶2A通過箔中的孔4連接到硅帶3A。在圖11中，僅示出了一個(gè)之字形圖形100。
圖12是在折疊狀態(tài)圖1所示器件的示意透視圖。利用一個(gè)或者兩個(gè)鋸齒狀模具，可以折疊圖1的器件，如圖12所示。圖中未示出模具。為了便于折疊，可以使用或者不使用模具，如果需要，箔1可以設(shè)有位于兩個(gè)相鄰圖案100、101之間的未示出的折疊線。接著，例如，通過良導(dǎo)熱粘合劑在底側(cè)和上側(cè)設(shè)置例如銅的良導(dǎo)熱板P1、P2。然后在器件10工作期間，將圖中僅示出一部分的這些板P1、P2引入到分別具有高和低(較低)溫的區(qū)域中。從未示出的外部電連接區(qū)可以引出器件10所提供的功率。在進(jìn)一步的修改中，圖中未示出，在空管(hollow pipe)周圍進(jìn)一步折疊已經(jīng)折疊的箔，反過來已經(jīng)折疊的箔被進(jìn)一步的空管圍繞。例如，后者可以暴露于具有較低溫度的介質(zhì)(medium)，而通過內(nèi)空管形成具有較高溫度的介質(zhì)。
圖13是圖1器件的第二修改例的示意平面圖。圖14是圖13所示器件在卷繞狀態(tài)下的示意透視圖。與圖1器件的區(qū)別(參見圖13)僅在于，之字形圖案100、101相對于導(dǎo)體帶22、23旋轉(zhuǎn)了90度，并行設(shè)置的圖案100、101仍然連接到所述導(dǎo)體帶22、23。在卷繞狀態(tài)下(參見圖14)，兩個(gè)板P1、P2還附著到器件10。
本發(fā)明并不限于這里所述的例子，并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以作出許多變化和修改。例如，可以制造具有不同幾何形狀和/或不同尺寸的器件。取代Si基板，可以選擇地使用玻璃、陶瓷或者合成樹脂基板。
應(yīng)進(jìn)一步注意的是，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以使用除了在本例中提到的那些材料以外的材料。可以使用其它淀積技術(shù)，例如濺射，用于所提到的材料或者其它材料。取代濕法化學(xué)蝕刻法，可以選擇地反過來使用“干法”技術(shù)，例如等離子蝕刻。
還應(yīng)注意的是，器件可以包括另外的有源和無源半導(dǎo)體元件或者電子元件，例如二極管和/或晶體管以及電阻器和/或電容器，無論是否是以集成電路的形式。在本發(fā)明的上下文中，能夠以簡單的方式實(shí)現(xiàn)臨時(shí)功率存儲(chǔ)的二極管和電容器應(yīng)是尤其適合的。當(dāng)然制造也有效地與其適應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種制造熱電器件(10)的方法，該熱電器件(10)包括撓性箔(1)，其上設(shè)置兩組(2、3)串聯(lián)連接的、帶狀部分(2A、3A)，其中兩組部分(2A、3A)所選擇的材料具有不同的熱電系數(shù)，對所述組的部分進(jìn)行構(gòu)圖，使得一組(2)的部分(2A)和另一組(3)的另一部分(3A)之間的連接(4)每次交替位于彼此離開一定距離的所述箔(1)的兩個(gè)區(qū)域(G1、G2)之一中，并且其中在基板(5)上設(shè)置所述帶狀部分(2A、3A)之后，在所述帶狀部分(2A、3A)上設(shè)置所述箔(1)，此后去除所述基板(5)，該方法的特征在于，所述基板(5)使用剛性基板(5)，并且在去除所述剛性基板(5)之前，將剛性載體板(6)附著到所述箔(1)上，在去除所述剛性基板(5)之后，再從所述撓性箔(1)去除該剛性載體板。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過研磨至少去除所述剛性基板(5)的較大部分。
3.如權(quán)利要求1或者2所述的方法，其特征在于，通過粘合劑層(7)將所述載體板(6)附著到所述箔(1)上，并且在去除所述基板(5)之后，通過從所述粘合劑層(7)將所述箔(1)拉松來去除它。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，對于所述粘合劑層(7)的材料，使用1，6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)作為粘合劑，并且對于所述箔(1)的材料，使用聚酰亞胺。
5.如權(quán)利要求1、2、3或者4所述的方法，其特征在于，對于基板(5)，使用半導(dǎo)體基板(5)。
6.如權(quán)利要求1、2、3、4或者5所述的方法，其特征在于，對于帶狀部分(3A)的組(2、3)中的至少一組(3)的材料，使用半導(dǎo)體材料。
7.如在前權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，對于基板(5)，使用設(shè)有隔離層(8)的單晶硅基板(5)，在所述隔離層(8)上淀積多晶硅層(55A)。
8.如權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過單晶硅基板(55)的部分形成所述基板(5)，在所述單晶硅基板(55)中通過氧原子注入形成掩埋氧化物層(8)，并且所述基板(5)位于所述氧化物層(8)的下面。
9.如在前權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在形成在所述箔(1)上的兩個(gè)帶狀導(dǎo)體(22、23)之間并行設(shè)置大量的帶狀部分(2A、3A)的兩個(gè)串聯(lián)連接的組(2、3)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，折疊或者卷繞所述箔(1)，以這種方式進(jìn)行所述折疊或者卷繞，以至于帶狀部分(2A、3A)的兩個(gè)互連組(2、3)的連接(4)保持在兩個(gè)隔開的位置(P1、P2)上。
11.通過如在前權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法得到的熱電器件(10)。
全文摘要
本發(fā)明涉及熱電器件(10)尤其是熱電發(fā)電機(jī)(10)的制造方法，該熱電器件(10)包括其上形成兩組(2、3)串聯(lián)連接的帶狀部分(2A、3A)的撓性箔(1)，其中兩組部分(2A、3A)所選擇的材料是具有不同熱電系數(shù)的材料，以圖案(100)形成所述兩組部分，以至于一組(2)的一部分(2A)和另一組(3)的另一部分(3A)之間的連接(4)交替位于箔(1)的兩個(gè)隔開的區(qū)域(G1、G2)中，并且在基板(5)上形成部分(2A、3A)之后，將箔(1)附著到帶狀部分(2A、3A)，此后去除基板(5)。根據(jù)本發(fā)明，基板(5)使用剛性(＝相對厚的)基板(5)，并且在去除基板(5)之前，將剛性(＝相對厚的)載體板(6)附著到箔(1)上，在去除剛性基板(5)之后，從箔(1)再次去除剛性載體板。這樣，該方法尤其適于可以通過化學(xué)機(jī)械拋光快速去除的半導(dǎo)體基板(5)的使用。優(yōu)選地，在使用之前折疊或者卷繞具有器件(10)的箔(1)。
文檔編號H01L35/34GK1795568SQ200480014094
公開日2006年6月28日 申請日期2004年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月23日
發(fā)明者馬丁·奧維爾克爾克, 羅納德·德克爾, 馬克西姆·R·L·梅利耶, 塞巴斯蒂安·埃格納, 克萊門絲·J·M·拉桑斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司