高功率热电转化模块的大规模集成芯片及其制造工艺

摘要

本发明揭示了一种高功率热电转化模块的大规模集成芯片及其制造工艺。该高功率热电转化模块的大规模集成芯片，在低温区和高温区均具有热电臂-阻挡层-电极的基础结构，在中温区具有热电臂-电极的基础结构，其特征在于所述集成芯片中的基础结构为微米级，其中在低温区的基础结构具有(Bi,Sb)₂Te₃基N型或P型的热电臂，在中温区的基础结构具有PbTe基N型或P型的热电臂和至少为Cu、In、Au、多孔Ni的电极；在高温区的基础结构具有CoSb₃基N型或P型的热电臂，并对应不同的热电臂材料灵活选用性能更匹配的阻挡层和电极。通过采用相对成熟的半导体工艺可实现热电芯片的微米级制造。本发明提高了热电芯片的功率密度，降低了生产成本，适于规模化、批量化生产。

主权项

高功率热电转化模块的大规模集成芯片的制造工艺，所述大规模集成芯片在低温区和高温区均具有热电臂‑阻挡层‑电极的微米级基础结构，在中温区具有热电臂‑电极的微米级基础结构，其中：在低温区的基础结构具有(Bi,Sb)₂Te₃基N型或P型的热电臂，至少为Au、Ag、Ta、TiN、TiW、Ni的阻挡层，以及至少为Cu、Al、Au、Ag的电极；在中温区的基础结构具有PbTe基N型或P型的热电臂和至少为Cu、In、Au、多孔Ni的电极；在高温区的基础结构具有CoSb₃基N型或P型的热电臂，至少为Ti、Ni、Mo、Cr₈₀Si₂₀的阻挡层，以及至少为Cu、Mo、Cu‑Mo合金、Cu‑W合金的电极，其特征在于包括步骤：Ⅰ、基片预处理，在硅片或导热绝缘陶瓷衬底上顺次制备一层厚度为1μm‑5μm的SiO₂膜和一层厚度为0.3μm‑1μm的TiN膜，得到基片；Ⅱ、在基片上制备一层厚度为3μm‑100μm的SiO₂膜，使用光刻加刻蚀工艺制备底电极图形，所述底电极图形的深度0.3μm‑100μm、直径3μm‑120μm；Ⅲ、根据所在温区的不同，在中温区所述底电极图形上沉积对应的电极金属层；在高温区和低温区所述底电极图形上依次沉积对应的电极金属层和阻挡层，沉积完成后磨平上表面形成底电极金属层；Ⅳ、在磨平的底电极金属层表面制备一层厚度为5μm‑200μm的SiO₂膜，并通过光刻加刻蚀工艺形成P型或N型的热电臂图形，所述P型或N型的热电臂图形的深度5μm‑200μm，直径1μm‑40μm；Ⅴ、在步骤Ⅳ所得的片体表面沉积对应温区的热电臂材料并填充P型或N型的热电臂图形，沉积完成后磨平上表面形成底P型或N型热电臂；Ⅵ、再次制备SiO₂膜，并通过光刻加刻蚀工艺形成相对型的热电臂图形，沉积对应温区的热电臂材料并填充相对型的热电臂图形，沉积完成后磨平上表面形成底相对型热电臂；Ⅶ、去除SiO₂膜并磨平，露出所有N型和P型热电臂；Ⅷ、在磨平并露出所有N型和P型热电臂的表面沉积制备SiO₂膜，并通过光刻加刻蚀工艺制备顶电极图形，所述顶电极图形的深度0.3μm‑100μm、直径3μm‑120μm；Ⅸ、根据所在温区的不同，在中温区所述顶电极图形上沉积对应的电极金属层；在高温区和低温区所述顶电极图形上依次沉积对应的阻挡层和电极金属层，沉积完成后磨平上表面形成顶电极金属层；Ⅹ、在步骤Ⅸ所得的集成芯片表面封装导热陶瓷片，留出至少一对电极制成热电芯片，其中所述P型热电臂对应正极、所述N型热电臂对应负极。