专利名称：硅加热元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种硅加热元件，正如南斯拉夫的申请号为1097/85、申请日为1985年6月28日的专利申请书所说明的那样，及其制造方法。
传统的电加热器具有丝加热元件，这种加热器效率低，尤其是在敞开结构(此时，不是强制将热量从热源传送到负载上)以及低的和中等的加热温度(直到400℃)时，效率低。其重要原因在于相对于所要求的工作温度，加热温度很高(大约800℃)由于高温的加热器向四周辐射热量而损失大部分热能，结果只有一部分热能到达有效位置。
传统的加热元件由Cr-Ni-Fe-Al合金制成，其电阻大约为0.04Ω/cm。这种加热材料的较低的电阻率和差的导热性决定了其使用方式加热器制成线圈形式，它必须用坚固的陶瓷或者相当的绝缘材料来绝缘，所用陶瓷或相当的绝缘材料本身也具有低的导热率。最后，用金属外壳将元件保护起来。这样的元件质量大，并由于导热率低而使它被加热到大约800℃时才能使热量尽可能快地到达加热位置。加热元件的高温导致热量向各个方向辐射并由此而使效率降低。这特别关系到较小的加热组件，如家用加热器具。
传统加热元件不可能获得较高的效率的本质问题在于热的传递方式是从加热-热源-直到工作区-负载。如此远的传递主要局限于辐射，从而效率必然相当低，并且能量损失相当大。如果满足下列条件，则可以获得高效率a、用作加热元件的工作部件的材料本身的热阻尽可能地低;
b、加热元件的质量尽可能地小;
c、从热源到负载的热阻也尽可能地低;
d、工作温度与加热温度之差尽可能地小。传统加热元件不可能满足这些要求。
用简单的工艺(例如将丝绕制成线圈)就能够容易地制成传统的金属丝加热器。在过去的六十年中，传统的加热元件被广泛应用，节约能量还没有成为进一步开发新型节能加热元件的动力。仅仅近几年，节约能量成为现代技术的重要课题，而且传统的加热器已不能有效地节约能量。如今，节约能源变得格外重要，全世界都期望开发一种加热元件使其能耗更经济的研究工作取得重大进展。
本发明提供一种由掺杂的多晶或非晶硅制成的新型加热元件，其加热温度直到400℃。多晶或非晶硅的导热率大约是传统加热器的丝材料的5倍。因此，热能可以以最小的能量损失传递到耗热位置。这种新型加热元件包括6个基本构形1、一种由具有高导热率的电绝缘基底构成的元件，其上涂敷一层掺杂的多晶或非晶硅的工作层，以及与工作电源连接的表面电极。
2、一种为使电阻达到最佳而将其中表面加热层制成波形状的元件。
3、一种用耐熔金属(Mo、Tu、W等)导体层加强的连接接点元件。
4、一种安置在合适的、由高导热性金属制成的基底上的元件。
5、一种在制成以后安置到由高导热性金属(Al、Cu或类似金属)制成的基底上的元件，它将热量从热源直接传导到热负载上。
6、一种由上述两个元件叠成“夹层”状并具有熔合的连接接点的元件，它可以形成串联结构或并联结构以适应电源电压并获得所需功率。这个派生的结构可以与具有高导热性基底的结构5组合，其三面封闭，引出连接线在第四面上。
本发明的重大意义是基于下列两点理由1、多晶或非晶硅比半导体单晶硅便宜50到100倍。
2、多晶或非晶硅能够以薄膜(膜厚范围从0.1到1μm)形式涂敷在基底上。利用选择蚀刻技术(例如公知的半导体工艺)，就能将这种薄膜制成更合适的表面结构形状(例如曲波形)，并且在选择令人满意的元件电阻方面提供了更好的可能性。
多晶或非晶硅的其它特性与半导体单晶硅非常相似。这特别涉及到高导热性和冶金的合金特性，这些就是为什么硅被选作新材料的主要原因。
下面叙述硅的一般特性和特殊特性，这些特性使得硅优于传统加热器所用的材料1、传统加热器的材料具有一个确定的电阻率，它不能改变。而具体所用的硅的电阻率可以在几个数量级的大范围内变化，既可以通过加工方法使其改变，也可以通过以后的热处理方法使其改变。这样就可以使加热器以最小的质量获得所需要的电阻。
2、硅的热阻比传统的加热丝材料低5倍。硅能够完全与金属熔合，因此，用其它材料熔焊或硬焊到加热器的工作层上就可制成连接引线。利用硅的熔接或熔合特性可以将热量以最小的能量损失直接传导到加热介质上。在传统的丝加热器中，这是不可能的。
3、利用化学气相沉积(CVD)工艺或低压化学气相沉积(CPCVD)工艺扩散或沉积硅，就可以在基底上涂敷一层非常薄的硅。所说的工艺便宜又适合批量生产，并且需要的投资少。用这种方法所得到的薄层能够在沉积过程中掺杂，其掺杂量受到控制，这样就可予先确定该层的具体电阻率。还可以在该层沉积到基底上之后进行掺杂。这样提高了制造过程的灵活性。
4、利用合适的工艺过程，就可使硅被二氧化物膜所覆盖。这是一层石英玻璃，它有效地使硅层避免进一步氧化，并且使其表面钝化。二氧化物膜直接从硅层长出，因此，产生裂缝的危险降到最小程度。
5、硅电阻的温度系数是正的，其电阻值随温度的升高而增大。硅加热元件的这个特性可用来作内在的过载保护。在合适的结构中，加热器的一个部分还可以用作温度传感器。多晶或非晶硅层保持电阻的正温度系数直到600-800℃，上限温度的高低取决于掺杂量。
为了获得最佳的硅加热元件，本发明最大程度利用了硅的上述特性，这种加热元件利用这种材料的全部所述的优点，或者根据需要只利用其中的一部分。
下面参照附图进行说明。
图1表示本发明的硅加热元件的构形1的示意图。多晶或非晶硅层B涂敷在一个陶瓷片A上。硅层B在涂敷过程中掺杂或者涂敷时不掺杂而在以后掺杂。接点C位于陶瓷片的端部并熔合在硅层B上。表面没有构图形成，而通过片A的形状、硅层B的厚度和硅层的掺杂量来获得合适的电阻。
如图1所示的新的、节能型的硅加热元件使热能从热源定向传到热负载上，这应当归功于，在具有合适的表面形状和高导热性的电绝缘基底A上，涂敷一层多晶或非晶硅B，它或者在涂敷过程中，或者在硅层涂敷完成之后，用P型或N型半导体掺杂剂在高于1018/厘米3的浓度下掺杂，在这个硅层表面的端部，熔合耐高温的接点C，以便与电源连接。
图1a表示实现本发明方法的最佳方案，这将在后面结合实施例进行说明。
图1b是从图1a所示的厚片上切下的单个加热元件放大后的视图。
图2是本申请的加热器的构形2的示意图，与构形1不同，这里带有接点图形(图2)的高熔点金属(Mo、Ta、W或者类似金属)层C′首先涂敷在基底端部。在整个表面上涂敷硅层B，然后用图2b所示的掩膜蚀刻;其后，使得与层B和层C′结合并能够与电源连接的接点C″既与硅层断面熔合又与高熔点金属C′熔合(图2C(细节K))。由于高熔点金属接点可以在高达600～800℃的高温下承受负载力，因此，这种结构适合于在高温状态下工作。
图3表示图2的一种变形，但是用掩膜光刻和蚀刻的方法将硅层B图形线制成曲波形或类似的所需形状，以便在需要时(例如工作电压较高而加热电流强度小的情况下)，获得较高的加热器电阻。
图4表示图1、2和3所示加热器的一种变形，在掺杂的多晶或非晶硅层B上有一层二氧化硅防护层D。通过在高温(1000℃)下，在氧化性水蒸汽气氛中使硅层B氧化而获得这层防护层，从而使导电层被二氧化硅绝缘层D所覆盖，绝缘层D使得有效的加热层钝化并对加热层起保护作用，因而提高了其安全性和耐用性。当掺杂是在涂敷过程中进行时，上述工艺步骤就在向硅层中扩散掺杂剂的同时发生，即在其分散并使其均匀的同时发生。因此，通过氧化获得防护层不需要另外的工艺步骤。
图5表示加热器的一种变形，其中，加热器安装在一个具有高导热性的金属(例如Cu、Al或类似金属)基座E上而形成一个加热单元。这给出了一种组合的加热元件，其热量从加热位置向热耗位置传输的第一步在加热元件本身的范围内进行。基座E将热能从热源传到热负载上。
在图6所示的加热器中，有两个图1到4所示的加热元件，这两个元件组合成“夹层”I，它以简单的方式使加热功率成倍，并且使“封闭的”加热器结构通过基座F将热量从加热器传送到负载的热传递的第一步在图6所示的加热元件的“夹层”I内部进行。在图6中它是画阴影线的区域。
将连接接点熔合而使两个加热元件组合成“夹层”形结构，并使两个加热元件形成串联的或并联的结构单元，以适应电源电压并得到所需的功率。这种夹层结构以封闭的方式安置在一个由高导热性金属制成的基底上。
在上述新型硅加热元件的所有构形中，关键是在基底上涂敷硅膜，基底应该是电绝缘体同时又是出色的导热体。由于工作温度高，因此，用陶瓷材料作基底是合适的。然而陶瓷的导热性差。直到几年前，就导热性而言，比其它陶瓷材料优越的仅仅是陶瓷材料氧化铍(BeO)，其导热性与纯铝的导热性大致相等。不幸的是，BeO是剧毒物质，因而其应用受到限制。
在过去的五年中，世界高技术的发展导致了一种新陶瓷材料的诞生，这种新陶瓷材料的特性与BeO的特性非常相似，但它完全无毒性，且便宜得多，这就是氮化铝(AlN)，因此，尽管在基底的高导热性不是必需的情况下，其它材料的基底能满足某些要求，但在本发明中，我们首先选定AlN来作新型硅加热器的基底。
本发明的硅加热元件代表了一种新型的和独创性的部件，可以想象，其工业应用的可能性很大。从两个方面可以说明它一定会得到应用1、在不超出与半导体工业有关的工业的范围生产硅加热元件，将其作为生产相应器具和设备的部件。
2、对所有中、小功率的电热产品来说，因为节约电能变得重要，而且要求减少尺寸、重量和价格，因此，可以想象，在这些产品中应用硅加热元件是有重要意义的。
由于这些元件能够在高达600℃的温度下使用，因此，希望其应用不仅仅限于家用加热器(电散热器)、炊具以及所有广泛使用的电热器具，而且还应拓宽到某些特殊的专业器具。
应该说重要的是这种元件不仅由于其较高的效率而能节约能量，而且在生产几个器具时由于分别使用这种新型的加热元件而能有效地节约材料。为了减少尺寸，可以将它直接插入加热体中或在其最近的地方，即正好在必须加热的位置上，并且因此而删去坚硬的绝缘体和传热装置，今天的加热器具中的大量的质量是这两部分的质量。
此外，小尺寸的、直接控制的可能性和温度配准将会导致这样过去不可能有的、现在也难以想象的应用。
现在参照下面的实施例来说明实现本发明方法的最佳方案，下面的实施例细分为步骤a到f，采用氮化铝(AlN)作绝缘基底A。
实施例
a、尺寸为5×5到10×10cm(图1a)的方形AlN片在清洁处理以后放到低压化学气压沉积(CPCVD)反应器中适合的石英支托上。同时将20到40个这样的AlN片放在支托上(根据反应器的类型)。AlN片被两个一起、两个一起地垂直放置在支托上，从而只有一面暴露在外可供沉积硅，反应器中的温度必须为800°～850℃，容许误差0.25%。
b、当反应器中的压力达到最低值时，将气体的硅载体导入反应器的腔室内，我们用硅烷或二氯硅烷作硅的载体材料;如果选择掺杂过程与沉积过程同时进行，则可以同时将掺杂剂的气体载体导入该腔室内。掺杂剂的量必须保证掺杂层中掺杂剂的浓度从1018到5×1020个掺杂剂原子/cm3。具体的层电阻和层电阻的温度系数取决于掺杂剂的量，并且这些参数可以通过掺杂来控制。反应器腔室中的工作压力必须在30～150KPa之间。层沉积的速度取决于压力的大小，但是根据有效的测量，其特性与压力的大小无关。沉积层的厚度必须在10至20μm的范围内。沉积到这样厚度所需要的时间为30到60分钟，它取决于反应器腔室中的压力。
c、在片上沉积硅层后，将片从反应器中取出，然后将这些片子置于1150℃的温度下保持60到90分钟。在该方案中，沉积硅层时不进行掺杂，掺杂是在上述高温处理的过程中用半导体工业中公知的方法进行。在高温处理以后，层电阻必须是5～10Ω/□。高温处理部分地在氧化的气氛中进行，使其表面形成或最高可达1μm厚的SiO2层。
d、利用光刻法通过在HF中蚀刻，经清洗和干燥的过程有选择地除去SiO2，然后厚度大约为0.5μm的钛(Ti)层涂敷在片的整个表面上，而后在800℃的温度下，在中性气氛中使钛层与硅层熔合。完成光刻后，在平行线的地方去除了SiO2层，从而，仅仅在氧化层被去除的地方实现了熔合。在熔合步骤以后，可以用蚀刻的方法将未熔合的钛除去。图1a表示这样制得的还没有切割的片子。
e、应当说是重要的，全部所述的工艺过程都是“成批的”进行。一个尺寸为10×10cm的AlN片具有100cm2的表面。加热器的比功率是大约1000W/cm2。这就意味着利用一部分“成批的”工艺过程制造250W的加热元件，持续数小时，我们就能得到至少800个加热元件。处理过程用的工作时间最多，这取决于自动化程度，它占工艺时间的5-20%，而人的操作仅占工作时间的较小部分。
f、根据轮廓线(图1a)来切割片子，从而我们得到单个加热元件。图1b是一个这种单个加热元件的示意图。用金刚锯或者用激光束进行切割，其后沿这些切过的线条折下。
权利要求
1.一种硅加热元件，包括一个高导热性的电绝缘基底(A)，该基底(A)上承载着一层硅层(B)和电接点(C)，其特征在于，硅层(B)由多晶或非晶硅组成，而接点是耐高温的，并且接点熔合到硅层(B)上。
2.根据权利要求1所述的硅加热元件，其特征在于，电绝缘基底(A)由一种陶瓷材料制成，最好是氧化铍或氮化铝。
3.根据权利要求1或2所述的硅加热元件，其特征在于，硅层(B)掺杂了P型或N型半导体掺杂剂，最好掺杂浓度高于1018/cm3，特别是使用硼或磷。
4.根据上述权利要求中任一权利要求所述的硅加热元件，其特征在于，电接点(C)由耐熔金属例如钼和锰的合金的接点层(C′)和第二耐温材料(C″)组成，接点层(C′)与电绝缘基底(A)接触，第二耐温材料(C″)熔合在接点层(C′)上。
5.根据上述权利要求中的任一权利要求所述的硅加热元件，其特征在于，硅层(B)以确保一个予定的电阻的方式成型或蚀刻，最好是曲波形状。
6.根据上述权利要求中的任一权利要求所述的硅加热元件，其特征在于，硅层(B)被绝缘的防护层D所覆盖，最好是二氧化硅防护层。
7.根据上述权利要求中的任一权利要求所述的硅加热元件，其特征在于，它具有至少一个与另一个硅加热元件共用的电接点(C)，这些加热元件是串联或并联连接的，并且最好叠层在一起。
8.根据上述权利要求中任一权利要求所述的硅加热元件，其特征在于，它安置在一个高导热性的金属基底(E)上，最好是铝基座。
9.利用上述权利要求中的任一权利要求所述的硅加热元件作为温度传感器。
10.一种制造硅加热元件的方法，其中，将一硅层(B)涂敷在一个高导热性的电绝缘基底(A)上，将电接点(C)连接到硅层(B)上，其特征在于，硅层(B)由多晶或非晶硅组成，并且是沉积在电绝缘基底(A)上的薄层(B)(最好在0.1到1μm的范围内)，硅层(B)在其沉积的过程中或者在沉积以后用P型或N型半导体掺杂剂进行掺杂，最好掺杂浓度高于1018/cm3。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，通过光刻或者用一种分离剂将硅层制成具体的形状，最好制成曲波形。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，硅层(B)上覆盖一层薄的防护层(D)，最好是二氧化硅防护层。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在大约1000℃到1150℃的温度下，特别是在水蒸汽气氛中，将硅层(B)氧化，最好在将硅层(B)沉积到绝缘基底(A)过程的同时或者在沉积以后进行掺杂。
14.根据权利要求10到13中的任一权利要求所述的方法，其特征在于下列步骤-在沉积硅层(B)之前，在绝缘基底(A)的端部熔合一层耐熔金属层(C′);-在绝缘基底(A)和耐熔金属层(C′)上沉积硅层(B);-利用掩膜，将耐熔金属层(C′)位置上的硅层(B)蚀刻掉一部分;-将电接点(C″)熔合到具有一定形状的硅层(B)上和金属层(C′)上。
全文摘要
一种硅加热元件，包括一个高导热性的电绝缘基底(A)，该基底(A)承载着一硅层(B)和电接点(C)，最好用氧化铍或氮化铝来制作基底(A)。硅层(B)由多晶或非晶硅组成，其中掺杂P型或N型半导体掺杂剂，最好掺杂浓度高于10
文档编号H05B3/03GK1068006SQ91105300
公开日1993年1月13日 申请日期1991年6月27日 优先权日1991年6月27日
发明者博日达·佐里奇, 佩塔尔·比扬诺维奇, 兹德拉夫科·本德科维奇 申请人:比罗工程师企业公司