一种高频薄膜热电变换器的结构及制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高频薄膜热电变换器的结构及制作方法。薄膜热电变换器的加热电阻(3)由中心的氮化硅或二氧化硅绝缘芯层(8)及包围绝缘芯层(8)的表面导电层(7)组成，可减小趋肤效应对薄膜热电变换器的热电转换性能的影响。在腐蚀绝热薄膜(2)的同时将加热电阻焊盘(5)之间硅衬底完全腐蚀。由于空气的介电常数远小于硅材料的介电常数，因此可以有效减小加热电阻焊盘(5)之间的电容，从而减小热电转换器过程中的交直流转换误差。
【专利说明】一种高频薄膜热电变换器的结构及制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及热电变换器的结构及制造方法，特别是一种高频薄膜热电变换器的结构及制作方法，属于微电子机械系统(MEMS)领域。
【背景技术】
[0002]交直流转换标准是基本电学标准之一,通过这个标准可以将1Hz?IMHz的交流电压(或电流)从相应的直流量导出，并溯源到约瑟夫森直流量子电压基准(不确定度优于10_8)。目前国际上最精确的交直流转换标准系统是通过热电转换器实现的。热电转换器由加热电阻和温度传感器组成。交流电压(或电流)和直流电压(或电流)依次轮流施加在加热电阻上，温度传感器测量加热电阻的温度，比较它们产生的焦耳热，就可以计量交流电压(或电流)产生电功率的大小。对于理想的热电转换器，等功率的交流和直流电压施加在相同的加热电阻两端，温度传感器的输出电压也应当相等。
[0003]作为交直流转换标准的热电转换器有以下三种主要类型:单元热电转换器、立体多元热电转换器和薄膜(或平面)型热电转换器。
[0004]单元热电转换器于上世纪50年代研制成功，由真空玻璃泡里的一根细灯丝加热器和一对热偶组成。热偶通过绝缘的玻璃或陶瓷小球与加热器中点热接触以测量加热器的温度。SJTC结构简单、频响范围宽(最高工作频率可达到GHz)，长期漂移可忽略不计，广泛应用于交直流转换标准和交流功率标准。通过与分流器的并联，电流测量范围可扩展到ImA?20A之间；通过与感应分压器或量程扩展电阻的串连，电压测量范围可扩展到
0.001?1000V之间。用它建立的交直流转换标准的不确定度为10_6量级。SJTC的缺点在于输出热电势信号比较微弱，为达到10_6量级转换精度，热电势测量精度需要达到纳伏量级。
[0005]上世纪70?80年代出现的立体多元热电转换器最早是由德国联邦标准实验室研制成功。制作这种立体多元热电转换器需要在显微镜下将直径为10 μ m的热偶丝通过点焊或氩弧焊等方式串联起来形成螺旋线型热电堆，热电堆上支承一个双线加热器，利用热电堆测量加热器温度。立体多元热电转换器的缺点在于使用频率范围窄、易被静电击穿、手工操作、不适合批量生产、价格昂贵。
[0006]随着现代科学技术的发展，特别是微机械加工技术和薄膜技术的不断成熟，热电转换器的结构和制作工艺发生了显著的变化。1989年德国联邦标准实验室研制了世界上第一台基于热电堆测温原理的多元薄膜热电转换器。加热电阻和热偶的热端位于背面各向异性腐蚀制作的Si3N4/Si02/Si3N4绝热薄膜上表面，热偶的冷端在硅衬底上。采用100多对CuNi44-Cu或塞贝尔系数更大的B1-Sb热电偶测量加热电阻温度，两根热偶丝通常在同一平面，也可以通过绝缘夹层上下重叠在一起。早期的加热电阻材料为CuNi44，后来改用低汤姆逊系数的NiCr或Ni45Cr5tlSi5等材料，采用合适的退火工艺可使电阻温度系数达到几个ppm/°C以下。所制得的薄膜热电转换器的交直流转换误差在中频范围(100Hz?10kHz)内为0.1 X 1^6j10kHz时为8X1(T6, IMHz时为40 X 1(Γ6，年稳定性优于0.1%.采用134对B1-Sb热电偶组成的热电转换器在空气中的响应率(输出电压与交流信号功率比值)为16V/W，真空中的响应率为120V/W。
[0007]除德国联邦标准实验室外，美国标准技术研究院、韩国Inje大学、日本国立先进工业科学与技术研究所均采用这种测温方法实现薄膜热电转换器，性能与PTB研制的器件相近。与立体多元热电转换器相比，这种基于热电堆测温技术实现的多元薄膜热电转换器具有以下优点:(I)利用背面各向异性腐蚀制作的Si3N4/Si02/Si3N4绝热膜隔热效果好，最大输出电压一般大于100mV。(2)米用薄膜工艺和微机械加工技术中的双面光刻、蒸发(或溅射)等工艺代替手工操作制作热电堆具有理想的周期性结构，使加热电阻各段的热阻和温度基本相同，减小了汤姆逊效应引入的交直流转换误差。(3)在硅衬底表面的二氧化硅绝缘层上制作加热电阻与外引线之间的焊盘可以使因帕尔帖效应产生的热量被硅衬底有效地传导，对热电转换所产生的误差基本可以忽略。(4)利用微机械加工技术可以实现批量制作，成本大幅度下降。因此薄膜多元热电转换器是目前热电转换器研究的热点。
[0008]多元薄膜热电转换器在低频(10Hz以下)和高频(10KHz以上)下具有较大的热电转换误差。在低频下，热电转换误差主要源自于热惯性不足产生的倍频热纹波。为了增加热电转换器的时间常数，需要在加热电阻下方制作一硅质量块，提高热时间常数，结合片上补偿电路可使得交直流转换误差在1Hz时小于3X10_6。
[0009]高频下，薄膜热电变换器的热电转换误差主要源自于加热电阻的趋肤效应、加热电阻两个焊盘之间的电容耦合。
[0010](I)当通过加热电阻的电流频率增加时，由于涡流的影响，使导体中心部分的阻抗增加，电流大部分由导体表面流过，这种现象就是趋肤效应。趋肤效应使得加热电阻的直流等效电阻与通入高频交流电流时的交流等效电阻不同，产生了交直流转换差。
[0011](2)在两种不同金属的接触处，由于材料的化学势不同，产生接触电位差，因而在接触处形成局部电场，当电场方向与电流方向一致时，在节点上放热，反之则吸热，这种现象称为帕尔帖效应。帕尔帖效应产生的热量相对于加热电阻产生的焦耳热来说是一种干扰，为了减小因帕尔帖效应引入的热电转换误差，需要将加热电阻与外弓I线之间的焊盘制作在具有良好热导率的硅衬底上。研究表明:焊盘之间的电容是高频下热电转换误差的主要来源之一。提高热电变换器的高频响应特性可以通过减小焊盘电容实现，亦即减小焊盘的面积，增加焊盘之间的距离，或者在低介电常数的石英晶体或熔融石英衬底上制作焊盘。例如德国联邦标准实验室的L.Scar1n1、美国标准技术研究院(NIST)的T.E.Lipe等人将传统的硅衬底改为石英晶体或熔融石英衬底，由于石英的相对介电常数小于硅衬底，因此减小了加热电阻焊盘之间的电容量，提高了薄膜热电转换器在高频下的性能。在100?500kHz范围内交直流转换误差降低到3父10-6，在7001(取?IMHz范围内为5X10'然而石英材料难以加工，当薄膜的厚度小到几十微米时，变得十分脆弱易碎。
[0012]综上所述，为了减小薄膜热电变换器在高频下的交直流转换误差、降低器件制作成本，必须采用新的技术路线减小趋肤效应和加热电阻焊盘之间的电容耦合对薄膜热电变换器的影响。
【发明内容】
[0013]本发明的目的在于发明一种高频薄膜热电变换器，降低加热电阻趋肤效应和加热电阻焊盘之间的电容耦合对薄膜热电变换器的影响，减小热电转换过程中的交直流转换误差。
[0014]为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是:薄膜热电变换器的加热电阻(3)由中心的氮化硅或二氧化硅绝缘芯层(8)及围绕绝缘芯层(8)的表面导电层(7)组成。由于加热电阻(3)的中心部分是绝缘材料，减小了涡流的影响，无论是高频还是低频电流通过加热电阻(3)时，电流都是由表面导电层(7)流过，因此可以减小趋肤效应对热电转换性能的影响。
[0015]本发明所涉及的高频薄膜热电变换器的电热电阻(3)可采用以下方法制作:
[0016](6)蒸发或溅射工艺淀积金属薄膜。
[0017](7)低压化学气相沉淀(LPCVD)技术、等离子增强型化学气相沉积(PECVD)技术或溅射工艺制作氮化硅或二氧化硅绝缘薄膜。
[0018](8)光刻加热电阻绝缘芯层，干法刻蚀或湿法腐蚀氮化硅或二氧化硅绝缘薄膜，去胶，形成绝缘芯层(8)。
[0019](9)再一次蒸发或溅射淀积金属薄膜。
[0020](10)光刻加热电阻形状，干法刻蚀或湿法腐蚀第(I)步和第(4)步工艺淀积的金属薄膜形成加热电阻(3)的表面导电层(7)。
[0021]为减小加热电阻焊盘(5)之间的电容耦合对器件的影响，减小热电转换器过程中的交直流转换误差，本发明所采用的技术方案是:在从背面腐蚀绝热薄膜(2)的同时将加热电阻焊盘(5)之间娃衬底完全腐蚀，形成隔离槽(6)。由于空气的介电常数远小于娃材料的介电常数，因此可以有效减小加热电阻焊盘(5)之间的电容，从而减小热电转换器过程中的交直流转换误差。
[0022]本发明所涉及的高频薄膜热电变换器具有以下优点:由于减小了趋肤效应和加热电阻焊盘(5)之间的电容耦合，因此在高频下具有较小的交直流转换误差。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明所涉及的高频薄膜热电变换器结构示意图。
[0024]图2是本发明所涉及的高频薄膜热电变换器的加热电阻的结构示意图。
[0025]图3(a)是本发明所涉及的高频薄膜热电变换器从背面观察时的结构示意图。图3(b)是从芯片背面腐蚀该绝热结构的掩膜示意图。
[0026]图4是作为本发明实施例的高频薄膜热电变换器的制作工艺流程图。
[0027]附图中:
[0028]1-衬底2-绝热薄膜3-加热电阻
[0029]4-热电堆5-加热电阻焊盘 6-隔离槽
[0030]7-表面导电层 8-绝缘芯层9-凸角补偿图形
[0031]10-二氧化硅薄膜11-氮化硅薄膜 12-多晶硅薄膜
[0032]13-多晶硅电极 14-NiCrSi薄膜 15-氮化硅绝缘薄膜
[0033]16-铝电极
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但并不局限于该实施例。
[0035]实施例:
[0036]利用本发明的技术方案制作一种高频薄膜热电变换器。其制作工艺流程如下:
[0037]I)衬底⑴为(100)面、电阻率I?10 Ω.cm、双面抛光N型硅片。(见附图4 [I])
[0038]2)热氧化，生长0.6微米厚二氧化硅薄膜(10)。(见附图4[2])
[0039]3)低压化学气相淀积法(LPCVD)淀积氮化硅薄膜(11)，厚度200nm。(见附图4 [3])
[0040]4)低压化学气相淀积多晶硅薄膜(12)，厚度600nm，利用扩散工艺对多晶硅薄膜
(12)掺杂硼原子，950°C，氮气气氛下退火30分钟。(见附图4[4])
[0041]5)光刻刻蚀工艺相结合制作组成热电堆的多晶硅电极(13)。(见附图4[5])
[0042]6)磁控溅射工艺淀积NiCrSi薄膜(14)，厚度0.1微米。(见附图4[6])
[0043]7)等离子增强型化学气相沉积(PECVD)工艺制作氮化硅绝缘薄膜(15)。(见附图4 [7])
[0044]8)光刻加热电阻绝缘芯层(8)图形，干法刻蚀氮化硅绝缘薄膜，去胶。(见附图4 [8])
[0045]9)磁控溅射工艺淀积NiCrSi薄膜(14)，厚度0.1微米。(见附图4[9])
[0046]10)光刻加热电阻(3)形状，硝酸铈溶液(硝酸铈10g，70%HN03溶液10ml，10mlH2O)湿法腐蚀NiCrSi薄膜(14)，形成加热电阻(3)。(见附图4[10])
[0047]11)溅射铝薄膜(16)，反刻招，70°C磷酸溶液中腐蚀铝线，作为组成热电堆⑷的铝电极(18)和焊盘(5)。450°C，氮气气氛中合金化30分钟。(见附图4[11])
[0048]12)背面光刻，正面保护，腐蚀或刻蚀背面二氧化硅和氮化硅薄膜，形成背腐蚀窗口(17)，各向异性腐蚀绝热薄膜(2)下面的硅衬底，直到背面暴露出绝热薄膜(2)。(见附图 4[12])
[0049]显然，上述说明并非是本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本【技术领域】的技术人员在本发明的实质范围内所做的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种高频薄膜热电变换器，其特征在于薄膜热电变换器的加热电阻(3)由中心的氮化硅或二氧化硅绝缘芯层(8)及包围绝缘芯层(8)的表面导电层(7)组成；在腐蚀绝热薄膜(2)的同时将加热电阻焊盘(5)之间硅衬底完全腐蚀，形成隔离槽(6)。
2.根据权利要求1所述的高频薄膜热电变换器，其特征在于:加热电阻(3)的中心部分是绝缘材料，减小了涡流的影响，无论是高频还是低频电流通过加热电阻(3)时，电流都是由表面导电层(7)流过，因此可以减小趋肤效应对热电转换性能的影响，提高热电变换器使用频率范围的上限。
3.根据权利要求1所述的高频薄膜热电变换器，其特征在于:本发明所涉及的高频薄膜热电变换器的电热电阻可采用以下方法制作: (1)蒸发或溅射工艺淀积金属薄膜； (2)等离子增强型化学气相沉积(PECVD)技术或溅射工艺制作氮化硅或二氧化硅绝缘薄膜； (3)光刻加热电阻绝缘芯层，干法刻蚀或湿法腐蚀氮化硅或二氧化硅绝缘薄膜，去胶，形成绝缘芯层(8)； (4)再一次蒸发或溅射淀积金属薄膜； (5)光刻加热电阻形状，干法刻蚀或湿法腐蚀前后两次淀积的金属薄膜形成加热电阻(3)的表面导电层(7)。
【文档编号】H01L35/34GK104409622SQ201410545132
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】韩建强, 俞亦茂, 厉森, 程冰, 李青 申请人:中国计量学院