一种基于声子晶体的MEMS热电器件制备方法与流程

一种基于声子晶体的mems热电器件制备方法
技术领域
1.本公开涉及热电器件制备技术领域，尤其涉及一种基于声子晶体的mems热电器件制备方法。


背景技术：

2.随着人类社会经济的发展，对能源的消耗量不断增加。在传统化石能源燃烧以及其他机械、电子设备工作过程中，大约有55％以上的能源最终以热量的形式被释放到环境中。热电材料能够利用半导体内部载流子的运动来实现热能和电能的相互转换，将废热重新利用，它与传统发电技术相比，具有以下优点：无机械运动组件，不易发生故障，不产生噪音，没有污染，能够制成小尺寸便携设备。具有声子晶体结构的热电材料，由尺寸效应和界面散射引起材料的热导率降低，而电导率基本不受影响，因此其热电器件能够获得较高的热电优值，具备较好的热电性能。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.本公开提供了一种基于声子晶体的mems热电器件制备方法，该方法通过声子晶体降低热导率，制备悬空结构的热电器件，实现热电转换功能。
5.(二)技术方案
6.一种基于声子晶体的mems热电器件制备方法，包括：s1，在soi衬底的顶层硅上刻蚀出热电转换结构100，热电转换结构100包括一连接部以及连接于连接部两端的两端部；s2，在步骤s1所得结构的上表面生长氮化硅膜102；s3，刻蚀氮化硅膜102以形成支撑臂和支撑岛，其中，支撑岛设于所述两端部，支撑臂与支撑岛连接；s4，在支撑岛上沉积第一金属103，并刻蚀第一金属103以形成金属图形；s5，在支撑臂上沉积第二金属104，通过退火工艺使得第二金属104与顶层硅形成欧姆接触；s6，在热电转换结构100的连接部制备声子晶体；s7，在步骤s6所得结构的上表面和soi衬底的下表面生长掩膜层；s8，刻蚀下表面至所述soi衬底的埋氧层101；s9，去除埋氧层101；s10，去除上表面掩膜层。
7.可选地，步骤s1还包括采用离子注入、扩散或掺杂外延方法中的一种对热电转换结构100进行掺杂以形成低阻特性。
8.可选地，步骤s6包括：s61，采用点阵曝光方式制备声子晶体图形；s62，采用icp干法刻蚀将所述声子晶体图形转移至所述热电转换结构100的连接部。
9.可选地，采用气态hf去除埋氧层101。
10.可选地，步骤s8中采用icp干法刻蚀或溶液湿法刻蚀刻蚀下表面。
11.可选地，第一金属103为cr和pt的组合，采用溅射或蒸发的方式在支撑岛上沉积第一金属103。
12.可选地，第二金属104为cr、ni、ti、pt、au、al、ag、cu、w、pd、mo中的一种、几种或组合合金，采用溅射或蒸发的方式在支撑臂上沉积第二金属104。
13.可选地，若soi衬底厚度大于预设值，则步骤s7之前还包括对下表面研磨抛光，以减薄soi衬底。
14.可选地，采用pecvd、lpcvd或icp-cvd中的一种制备氮化硅膜102。
15.可选地，soi衬底的顶层硅是n型硅或p型硅中的一种，其晶向为<100>、<110>或<111>中的一种。
16.(三)有益效果
17.本技术中由于制备方法采用光刻工艺、刻蚀工艺和薄膜工艺，可以有效与cmos工艺兼容，可以批量生产。另外，可以将热电器件集成在芯片上，能够降低芯片的温度，并利用芯片散发的热量转换为电能，实现废热利用。
附图说明
18.图1示意性示出了根据本公开实施例的基于声子晶体的mems热电器件制备方法的步骤图；
19.图2a示意性示出了根据本公开实施例的soi衬底的顶层硅上制作热电转换结构后的主视图；
20.图2b示意性示出了根据本公开实施例的图2a对应的俯视图；
21.图3a示意性示出了根据本公开实施例的图2a结构上制作支撑臂和支撑岛后的结构示意图；
22.图3b示意性示出了根据本公开实施例的图3a对应的俯视图；
23.图4a示意性示出了根据本公开实施例的图3a结构上制作第一金属后的结构示意图；
24.图4b示意性示出了根据本公开实施例的图4a对应的俯视图；
25.图5a示意性示出了根据本公开实施例的图4a结构上制作第二金属后的结构示意图；
26.图5b示意性示出了根据本公开实施例的图5a对应的俯视图；
27.图6a示意性示出了根据本公开实施例的图5a结构上制作声子晶体的结构示意图；
28.图6b示意性示出了根据本公开实施例的图6a对应的俯视图；
29.图7示意性示出了根据本公开实施例图6a所示结构上表面和下表面生长掩膜层后的结构示意图；
30.图8示意性示出了根据本公开实施例图7下表面被刻蚀后的结构示意图；
31.图9a示意性示出了根据本公开实施例图8去除埋氧层后的结构的主视图；
32.图9b示意性示出了根据本公开实施例的图9a对应的主视图；
33.图10a示意性示出了根据本公开实施例图9a所示结构去除上表面掩膜层后结构的主视图，
34.图10b示意性示出了根据本公开实施例的图10a对应的俯视图；
35.图11示意性示出了根据本公开实施例的soi衬底的顶层硅上制作热电转换结构后的光学显微镜照片图；
36.图12示意性示出了根据本公开实施例的支撑臂和支撑岛的sem照片；
37.图13示意性示出了根据本公开实施例的电子束蒸发cr/pt并剥离图形后的sem照
片；
38.图14示意性示出了根据本公开实施例的声子晶体sem照片。
具体实施方式
39.一种基于声子晶体的mems热电器件制备方法，如图1所示，方法包括：s1，在soi衬底的顶层硅上刻蚀出热电转换结构，所述热电转换结构包括一连接部以及连接于所述连接部两端的两端部；s2，在步骤s1所得结构的上表面生长氮化硅膜；s3，刻蚀氮化硅膜以形成支撑臂和支撑岛，其中，支撑岛设于两端部，支撑臂与所述支撑岛连接；s4，在支撑岛上沉积第一金属，并刻蚀第一金属以形成金属图形；s5，在支撑臂上沉积第二金属，通过退火工艺使得第二金属与顶层硅形成欧姆接触；s6，在热电转换结构的连接部制备声子晶体；s7，在步骤s6所得结构的上表面和soi衬底的下表面生长掩膜层；s8，刻蚀下表面至soi衬底的埋氧层；s9，去除埋氧层；s10，去除上表面掩膜层。
40.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
41.s1，在soi衬底的顶层硅上刻蚀出热电转换结构100，所述热电转换结构100包括一连接部以及连接于所述连接部两端的两端部。
42.在soi衬底的顶层硅上进行光刻和刻蚀制作热电转换结构100，如图2a和图2b所示，其中，图2a为soi衬底的顶层硅上进行光刻和刻蚀制作热电转换结构100的主视图，图2b为图2a对应的俯视图。可以采用离子注入、扩散或掺杂外延方法中的一种对热电转换结构100进行掺杂以形成低阻特性。soi衬底的顶层硅晶向是<100>、<110>或<111>中任一种，顶层硅的掺杂类型是n型或p型的一种，其中，n型掺杂的施主杂质是
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族元素，p型掺杂的受主杂质是ⅲ族元素，n型掺杂是任意掺杂浓度，p型掺杂是任意掺杂浓度，soi衬底的埋氧层101是任意厚度。该热电转换结构100可以为工字形，包括一连接部以及连接于该连接部两端的两端部。
43.s2，在步骤s1所得结构的上表面生长氮化硅膜102。
44.上述步骤s1所得结构的上表面采用pecvd、lpcvd或icp-cvd等相关的方法制备一层氮化硅膜层102，作为绝缘或支撑层。氮化硅膜102的厚度选定原则是提供充分的支撑强度后，厚度尽量薄。
45.s3，刻蚀氮化硅膜102以形成支撑臂和支撑岛，其中，支撑岛设于两端部，支撑臂与所述支撑岛连接；
46.采用光刻或刻蚀的方法定义尺寸和位置，其中，支撑岛设于两端部，支撑臂与支撑岛连接，如图3a和3b所示，其中，图3a为主视图，图4b为图3a对应的俯视图。
47.s4，在支撑岛上沉积第一金属103，并刻蚀第一金属103以形成金属图形；
48.在支撑岛上沉积第一金属103，如图4a和图4b所示，其中，图4a为沉积第一金属103后对应的主视图，图4b为图4a对应的俯视图。第一金属103可以为cr和pt的组合，pt金属具有良好的电阻温度特性。采用溅射或蒸发的方式在支撑岛上沉积第一金属103。第一金属103的位置及尺寸由光刻定义。刻蚀可以是干法或湿法刻蚀。第一金属103的作用是加热或测温，厚度一般为30-200nm，金属的电阻随温度变化呈线性相关性，通过测量电阻值，即可得知温度值。
49.其中一个支撑岛上制备有加热金属，另一支撑岛制备有测温金属。加热金属所产生的热量通过热电转换结构100实现热电转换，产生电势差。
50.s5，在支撑臂上沉积第二金属104，通过退火工艺使得第二金属104与顶层硅形成欧姆接触；
51.在支撑臂上沉积第二金属104，如图5a和图5b所示，第二金属104可以为cr、ni、ti、pt、au、al、ag、cu、w、pd、mo中的一种、几种或组合合金。第二金属104采用溅射或蒸发的方式在支撑臂上沉积。第二金属104的刻蚀可以采用干法或湿法刻蚀，第二金属104用于形成欧姆接触，作为电极互连引线，厚度一般为100-1000nm。
52.s6，在热电转换结构100的连接部制备声子晶体；
53.s61，采用点阵曝光方式制备声子晶体图形；
54.s62，采用icp干法刻蚀将所述声子晶体图形转移至所述热电转换结构100的连接部，如图6a和图6b所示。
55.s7，在步骤s6所得结构的上表面和下表面生长掩膜层；
56.若soi衬底厚度大于预设值，则步骤s7之前还包括对下表面研磨抛光，以减薄soi衬底。然后在其上表面生长掩膜材料106，在其下表面生长掩膜材料107，如图7所示。掩膜材料106和掩膜材料107可以是介质层或金属层，厚度的选定原则是能够在后续刻蚀中提供良好的保护。
57.s8，刻蚀下表面至soi衬底的埋氧层101；
58.对下表面进行光刻，刻蚀掩膜材料107，然后深度刻蚀衬底soi直至埋氧层101，形成悬空薄膜，如图8所示。深度刻蚀方式可以是icp干法刻蚀或者湿法刻蚀中的任意一种，或者两者的组合。
59.s9，去除埋氧层101；
60.将其下部朝上，可以使用气态hf将埋氧层101去除，如图9a和9b所示，其中图9a为对应的主视图，图9b为图9a对应的仰视图。
61.s10，去除上表面掩膜层。
62.将上表面掩膜材料106刻蚀去除，如图10a和图10b所示，图10b为图10a对应的俯视图，获得完全悬空的热电器件。
63.在另一实施例中
64.s210，采用顶层硅的厚度为150nm，埋氧层的厚度为1μm的soi作为衬底，直接用光刻胶作为掩膜，干法刻蚀顶层硅形成热电转换结构100，如图11所示。
65.s220，采用lpcvd沉积380nm厚度的氮化硅，然后光刻并使用icp刻蚀的方法形成支撑臂和支撑岛，如图12所示。
66.s230，使用电子束蒸发沉积cr/pt(10nm/50nm)，并剥离得到加热和测温金属图形，如图13所示。
67.s240，利用磁控溅射沉积cr/au(50nm/250nm)，并剥离得到金属互连线和压焊pad，并采用快速退火获得欧姆接触。
68.s250，通过电子束曝光圆形点阵列来定义声子晶体图形，并采用icp干法刻蚀将图形转移至顶层硅上，如图14所示。
69.s260，下表面采用pecvd沉积4μm二氧化硅，进行下表面光刻，以光刻胶为掩膜，干
法刻蚀二氧化硅，打开深刻蚀硅的窗口。采用bosch工艺深刻蚀硅，直至埋氧层。
70.综上所述，本技术中由于制备方法采用光刻工艺、刻蚀工艺和薄膜工艺，可以有效与cmos工艺兼容，可以批量生产。另外，可以将热电器件集成在芯片上，能够降低芯片的温度，并利用芯片散发的热量转换为电能，实现废热利用。
71.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。