专利摘要

本发明公开了一种具有微米级热电臂的微型热电元件的微加工方法。具有微米级热电臂的微型热电元件的微加工方法是结合硅晶片的深度离子反应刻蚀技术、微型模具粉末填充技术以及气压熔融微型压铸技术在同一片硅片上一次性制备出P－型和N－型材料交错排列的热电臂阵列结构，并配置上下基板，利用半导体的干法气体腐蚀技术去掉硅膜后，组装成热电元件。排列密度可达10000对P－N结/cm2。本发明的技术适合于制备基于热电效应的微型温差电电池和温差制冷器件。

权利要求

1.一种具有微米级热电臂的微型热电元件的微加工方法，其特征在于：所述具有微米级热电臂的微型热电元件的微加工方法是结合硅晶片的深度离子反应刻蚀技术、微型模具粉末填充技术以及气压熔融微型压铸技术，在同一片硅片上一次性制备出P-型和N-型材料交错排列的热电臂阵列结构，并配置上下基板，利用半导体的干法气体腐蚀技术去掉硅膜后，组装成热电元件；其工艺流程为：

①利用深度反应性离子刻蚀在硅片的两面加工出交错排列的微孔阵列，作为制备微型热电元件的微型模具使用；

②将热电材料的P-型Bi-Te-Sb合金和N-型的Bi-Te-Sb合金的微细粉末分别填充在微型模具的上下两面，并将其真空封入硼酸玻璃包套中；

③将真空密封的试样在热等静压装置或气压烧结炉中在氩气保护下加热至550-750℃，使密封在内部的热电粉末压入模具的微孔内部，烧结致密或熔融；

④冷却后，去除玻璃及留在硅片表面的热电材料，得到含热电臂阵列的硅片模板，利用精密研磨技术对含热电臂阵列的硅片模板的两面进行精密研磨，使背面填充的热电微柱露出头来；

⑤利用光刻和电镀技术，在两面形成P-N结，并配置上下基板，利用半导体的干法气体腐蚀技术去掉硅膜后，组装成热电元件。

说明书

技术领域

本发明属于热电元器件加工技术领域，特别涉及包括热电材料微加工技术和微型热电发电或冷却元器件微加工技术的一种具有微米级热电臂的微型热电元件的微加工方法。

背景技术

热电材料是能直接进行热能和电能相互转换的功能材料。利用温差电材料构制的热电器件在存在温度梯度的条件下通过塞贝克(Seebeck)效应可输出电能，称之为温差电池；另一方面，若将热电器件通电，通过珀尔帖(Peltier)效应可以制冷，称之为热电制冷器件。温差电池和热电制冷器件(以下统称为热电器件)的结构简单、无转动或移动等机械运动部件，很适合于制备成微型电源或局部制冷器件。微型热电器件在各种高、精、尖技术不断向小型化和微型化发展的今天，特别是在微机电系统(如微型探测器、微型控制器、微型传感器)中作为微系统的最佳电源组件有着广泛应用，在微电子技术和生物技术领域作为微区制冷或控温器件具有重要应用前景.

热电器件由P型和N型热电材料的小柱(或称热电臂)相互交错排列，并以串联方式联接在一起。通过热电器件的微型化同时可以提高单位面积上的P-N结的根数，从而达到提高热电转换或冷却效率的目的。实现热电器件的微型化的关键技术是如何制备微细的P-N结。目前，热电器件的加工主要材料机械切割加工技术。但是，由于热电材料一般强度低、韧性差，机械切割加工技术难以适用于微型热电器件的加工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有微米级热电臂的微型热电元件的微加工方法。其特征在于：所述具有微米级热电臂的微型热电元件的微加工方法是结合硅晶片的深度离子反应刻蚀技术、微型模具粉末填充技术以及气压熔融微型压铸技术在同一片硅片上一次性制备出P-型和N-型材料交错排列的热电臂阵列结构，并配置上下基板，利用半导体的干法气体腐蚀技术去掉硅膜后，组装成热电元件。

其工艺流程为：

①利用深度反应性离子刻蚀在硅片的两面加工出交错排列的微孔阵列，作为制备微型热电元件的微型模具使用；

②将热电材料的P-型Bi-Te-Sb合金和N-型的Bi-Te-Sb合金的微细粉末分别填充在微型模具的上下两面，并将其真空封入硼酸玻璃包套中；

③将真空密封的试样在热等静压装置或气压烧结炉中在氩气保护下加热至550-750℃，使密封在内部的热电粉末压入模具的微孔内部，烧结致密或熔融；

④冷却后，去除玻璃及留在硅片表面的热电材料，得到含热电臂阵列的硅片模板，利用精密研磨技术对含热电臂阵列的硅片模板的两面进行精密研磨，使背面填充的热电微柱露出头来；

⑤利用光刻和电镀技术，在两面形成P-N结，并配置上下基板，利用半导体的干法气体腐蚀技术去掉硅膜后，组装成热电元件。

本发明的有益效果是与现有技术相比，本发明使用半导体微加工技术，可以实现热电材料的微米级超微细加工；采用双面模板技术，可以一次在同一模板上加工出大面积的两种材料有序交错排列的微型热电臂的阵列结构。热电臂的直径可达40微米以下，纵横比大于7，排列密度可达10000对P-N结/cm²。本发明的技术适合于制备基于热电效应的微型温差电电池和温差制冷器件。

附图说明

图1(a、b、c、d、e、f)为利用硅模技术制备微型热电元件的微加工工艺流程。

图2为填充热电材料后的硅模表面扫描电镜照片。

图3为填充热电材料后的硅模纵截面扫描电镜照片。

具体实施方式

本发明提供了一种具有微米级热电臂的微型热电元件的微加工方法。具有微米级热电臂的微型热电元件的微加工方法是结合硅晶片的深度离子反应刻蚀技术、微型模具粉末填充技术以及气压熔融微型压铸技术在同一片硅片上一次性制备出P-型和N-型材料交错排列的热电臂阵列结构，并配置上下基板，利用半导体的干法气体腐蚀技术去掉硅膜后，组装成热电元件。其工艺流程为：

①利用深度反应性离子刻蚀在硅片的两面加工出交错排列的微孔阵列，作为制备微型热电元件的微型模具使用；

②将热电材料的P-型Bi-Te-Sb合金和N-型的Bi-Te-Sb合金的微细粉末分别填充在微型模具的上下两面，并将其真空封入硼酸玻璃包套中；

③将真空密封的试样在热等静压装置或气压烧结炉中在氩气保护下加热至550-750℃，使密封在内部的热电粉末压入模具的微孔内部，烧结致密或熔融；

④冷却后，去除玻璃及留在硅片表面的热电材料，得到含热电臂阵列的硅片模板，利用精密研磨技术对含热电臂阵列的硅片模板的两面进行精密研磨，使背面填充的热电微柱露出头来；

⑤利用光刻和电镀技术，在两面形成P-N结，并配置上下基板，利用半导体的干法气体腐蚀技术去掉硅膜后，组装成热电元件。

具体制备工艺如下：

1.双面微孔阵列硅模板的制备是利用深度反应性离子刻蚀在硅片的两面加工出交错排列的微孔阵列(如图1中a，b所示)：使用厚度为400μm，边长为20mm的硅片2，采用标准流程清洗和干燥后，先用勾胶机在该硅片2的一侧表面涂上一层约5μm厚的光刻胶1(型号AZ P4400)，并进行烘干和坚膜处理。在光刻胶1表面覆盖预先制备好的石英玻璃掩膜板，使用曝光机(型号KARL SUSSMJB3-UV40)对光刻胶1进行曝光，再经显影处理后制备光刻胶掩膜。使用反应离子刻蚀(RIE)设备(STS Multiplex ICP ASE)对附有光刻胶掩膜的表面进行刻蚀。使用的腐蚀和保护气体分别是SF₆和C₄F₈，刻蚀速度为1μm/min，刻蚀时间为5小时，在正面刻蚀出装P-型热电材料微孔3，然后对同一硅片2的背面，进行同样的掩膜制备和反应离子刻蚀，刻蚀出装N-型热电材料微孔4。在进行背面的曝光时，通过精密定位使两面的微孔中心相对移动一定距离，使两面的微孔3和4相互错开插入(如图1中b所示)，微孔的边长为40μm，深度为300μm，上下相邻微孔的中心间距为60μm。在边长为20mm的正方形硅片的中央部分(边长10mm的正方形)加工出了上下各有10000个微孔的模板。

2.微型热电元件的微加工：将P-型Bi-Te-Sb合金(化学成分为：(Bi_0.25Sb_0.75)₂(Te_0.93Se_0.07)₃)和N-型的Bi-Te-Sb合金(化学成分为：(Bi₂Te₃)_0.975(Bi₂Se₃)_0.025+0.05wt％SbI)的铸块破碎成粉末。在粉末中加入无水乙醇，使之混合成泥浆，将P-型和N-型粉末泥浆分别填在硅片2两面上的阵列微孔3和微孔4，然后将其放入一段密封的硼酸玻璃包套7中，抽真空后用火焰枪把填充了Bi-Te-Sb合金的硅片2密封在玻璃包套7内(如图1中c所示)。再将如此得到的试样放在氮化硼坩锅里在耐10大气压的气压烧结炉中加热(如图1中d所示)。先以10℃/min的速度将温度升至630℃，炉内预先充填了1大气压的氩气，随着炉内温度升高气压有相应增加。当温度达到630℃，降低升温速度，使温度在30分钟内升至700℃，并调节氩气进气量，使内部气体压力缓慢增加到10大气压。在该条件下保持30分钟后，以10℃/min的速度降温，压力也随之下降。由于P-型和N-型Bi-Te-Sb合金的熔点分别为606℃和588℃，均低于最高加热温度700℃，所以充填在硅模上面的粉末在加热过程均被溶化。另一方面，使用的硼酸玻璃在630℃以上开始软化，可以有效地通过玻璃传递气体压力，使处于熔融状态的Bi-Te-Sb合金受压而渗入微孔内部(如图1中c所示)，得到含热电臂阵列的硅片模板。然后将冷却后的含热电臂阵列的硅片模板去除玻璃及留在硅片表面的热电材料，利用精密研磨技术对含热电臂阵列的硅片模板的两面进行精密研磨，使背面填充的热电微柱露出头来；最后利用光刻和电镀技术，在两面形成P-N结，并配置上下基板8，串联热电臂(如图1中e所示)，利用半导体的干法气体腐蚀技术去掉硅膜后，组装成热电元件(如图1中f所示)。

图2所示是经上述处理得到的试样表面的扫描电镜照片，亮度高的方块是填充在硅模微孔内的P-型Bi-Te-Sb合金微柱的断面。图3所示是对应于图2的纵截面的研磨后的扫描电镜照片，表明我们得到了两种材料交错排列的微柱阵列。

具有微米级热电臂的微型热电元件的微加工方法专利购买费用说明

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