一种沟槽式同位素微电池上电极的制作方法

摘要

本发明一种沟槽式同位素微电池上电极的制作方法，属于微机械电子系统中的微能源领域。采用SU8胶剥离工艺制作沟槽式同位素微电池的上电极，采用P型硅为衬底；在P型硅表面热氧化SiO2掩膜层；用掩膜版光刻，按设计要求湿法刻蚀掉沟槽区的SiO2形成湿法刻蚀硅的窗口；用KOH湿法刻蚀出倒金字塔和V型槽阵列；制作P+-P背电场；正面掺杂磷，形成N-P结；旋涂SU8胶，用掩膜版光刻，形成掺杂N+区的窗口；二次掺杂磷，形成N+-N结；旋涂BP212正胶，作为去除SU8胶的牺牲层；旋涂SU8胶，用掩膜版光刻，形成溅射上电极的窗口；溅射金属，剥离掉金属电极外的多余金属，形成同位素电池的上电极。采用该方法制作沟槽式同位素微电池的上电极，操作简单、无污染、可重复性好。

权利要求

1.一种沟槽式同位素微电池上电极的制作方法，使用SU8胶剥离工艺的方法来制作同位素电池的上电极，其制作方法的特征是，使用BP212正胶作为牺牲层，避免了SU8胶与硅片的直接接触，从而有效地去除了交联后沟槽内的SU8胶，制作出了完整的上电极，具体步骤为：第一步采用掺杂浓度为1014/cm3～1017/cm3晶向为<100>的P型硅为衬底；

第二步在P型硅表面热氧化2μm SiO2掩膜层；

第三步用掩膜版光刻，按设计要求湿法刻蚀掉沟槽区的SiO2形成湿法刻蚀硅的窗口；

第四步用KOH湿法刻蚀出倒金字塔和V型槽阵列；

第五步除去SiO2掩膜层，背面掺杂硼，形成结深为1μm，P+区浓度为1015/cm3～1018/cm3的P+-P背电场；

第六步正面掺杂磷，形成结深为1μm，N区浓度为1019/cm3或1020/cm3的N-P结；

第七步旋涂SU8胶，用掩膜版光刻，形成掺杂N+区的窗口；

第八步二次掺杂磷，形成结深为2μm，N+区浓度为1020/cm3或1021/cm3的N+-N结；

第九步旋涂BP212正胶，作为去除SU8胶的牺牲层；

第十步旋涂SU8胶，用掩膜版光刻，形成溅射上电极的窗口；

第十一步溅射金属，然后剥离掉金属电极外的多余金属，形成同位素微电池的上电极。

说明书

技术领域

本发明属于微机械电子系统中的微能源领域。

背景技术

随着MEMS技术的发展，能源问题已经成为制约MEMS技术发展的首要问题。为了解决微系统中的能源问题，世界各国都相继开展了微能源的研究工作，制作出了许多微能源。如微型太阳能电池、微型燃料电池、微型内燃机系统等，但燃料电池和微型内燃机系统在工作过程中需要补充燃料，微型太阳能电池需要光照，因此它们的正常运转都具有一定的局限性，不能很好的适用于MEMS系统。同位素电池是利用放射性同位素衰变时发射粒子所带动能发电的电源装置，由于其能量密度高、使用寿命长而备受人们关注。近几年，James Blanchard等人尝试使用放射性同位素63Ni制作辐射伏特效应同位素微电池，获得了初步成功。随着半导体材料性能和工艺水平的迅速提高，辐射伏特效应同位素微电池的研究，将成为放射性同位素微电池研究领域中的一个新热点。
同位素微电池主要有以下几种结构：平板式、沟槽式、倒金字塔式。由James Blanchard等人的研究成果以及我们的仿真计算可知：当电池的表面积增大时，电池的短路电流和开路电压会得到提高。因此，在电池表面刻蚀沟槽结构后，可以在不改变电池体积的前提下增大电池的表面积，从而提高电池的输出性能。
平板式电池的电极可以使用标准的光刻工艺来制作，而沟槽式同位素微电池的上表面上，由于使用了各向异性刻蚀的方法制作了沟槽结构，表面起伏过大，在甩胶时会产生堆胶现象，从而无法使用普通的光刻工艺制作电池电极。
2004年6月台湾清华大学陈宏铭的硕士论文中曾提出使用金属模具制作同位素微电池的表面电极。他们的办法是在薄金属片上加工出电极图形，精确对准后溅射金属铝，最后将硅片与模具分离，得到电极图形。但由于金属模具与硅片直接接触造成了金属离子沾污，而且在溅射表面金属电极时会产生金属离子的侧漏现象，因此会使电池性能严重下降。对此，我们使用硅片制作模具，有效地避免了金属离子沾污。该方法原理简单、可靠性较高，但由于硅片的强度较差，因此模具极易损坏，不能长期使用；并且对准困难，需要制作专门的用于对准的夹具，操作较繁琐。因此，不适用于同位素微电池的大批量生产。
SU8胶是MicroChem公司生产的一种环氧型近紫外负性光刻胶，能够用于低成本的MEMS制作。SU8胶在近紫外光范围内吸收率低，因此在整个光刻胶厚度上都有较好的曝光均匀性。SU8胶的另一个优点是在前烘中具有良好的自平整能力，通过甩胶时在硅片边缘涂胶边去除剂EBR-PG，可以有效的去除边缘效应，在接触式光刻中使掩模板和光刻胶之间有良好的接触，有利于形成质量良好的细线条。SU8胶经过曝光、交联、固化以后具有良好的抗腐蚀性能，并且热稳定性大于200℃，因此可以用于高温腐蚀工艺。SU8胶粘性很高，易于得到较厚的胶层。
使用SU8胶剥离工艺制作沟槽式同位素微电池表面电极的缺点是，沟槽内部曝光交联后的SU8胶很难去除干净，如图3所示在沟槽中可以清晰看到SU8胶残胶颗粒。目前较有效的去胶方法有熔盐法、激光烧灼法、等离子去胶法等，但操作复杂，并且需要专用设备。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服沟槽内部曝光交联后的SU8胶很难去除的缺点，即使用牺牲层技术来有效去除交联后沟槽内SU8胶的新工艺，其步骤是：在制作同位素电池表面电极时，先在硅片上旋涂一层BP212正胶作为牺牲层，烘干后旋涂SU8胶，在曝光、显影后溅射铝，之后剥离掉金属电极外的多余金属，形成同位素电池的上电极。使用该方法来制作同位素电池的上电极时，由于避免了SU8胶与硅片的直接接触，从而解决了沟槽内SU8胶不易去除的难题，制作出了理想的同位素电池的上电极。采用该方法制作沟槽式同位素微电池的上电极，操作简单、无污染、可重复性好。
本发明采用的技术方案是采用SU8胶剥离工艺制作沟槽式同位素微电池的上电极，具体步骤为：第一步采用掺杂浓度为1014/cm3～1017/cm3晶向为<100>的P型硅为衬底；第二步在P型硅表面热氧化2μm SiO2掩膜层；第三步用掩膜版光刻，按设计要求湿法刻蚀掉沟槽区的SiO2形成湿法刻蚀硅的窗口；第四步用KOH湿法刻蚀出倒金字塔和V型槽阵列；第五步除去SiO2掩膜层，背面掺杂硼，形成结深为1μm，P+区浓度为1015/cm3～1018/cm3的P+-P背电场；第六步正面掺杂磷，形成结深为1μm，N区浓度为1019/cm3或1020/cm3的N-P结；第七步旋涂SU8胶，用掩膜版光刻，形成掺杂N+区的窗口；第八步二次掺杂磷，形成结深为2μm，N+区浓度为1020/cm3或1021/cm3的N+-N结；第九步旋涂BP212正胶，作为去除SU8胶的牺牲层；第十步旋涂SU8胶，用掩膜版光刻，形成溅射上电极的窗口；第十一步溅射金属，剥离掉金属电极外的多余金属，形成同位素电池的上电极。
本发明的效果在于：采用SU8胶剥离工艺制作上电极，避免了采用金属掩模制作沟槽式电池上电极带来的金属离子污染问题和硅片掩模易碎的问题，而且成本低廉、可重复性好、操作简单方便，便于大批量生产；采用BP212正胶作为去除SU8胶的牺牲层，解决了SU8胶不易去除，特别是沟槽中的SU8胶无法去除的难题。

附图说明

图1是沟槽式同位素微电池结构图，图中：1为上电极；2为N型区；3为PN结；4为P型区；5为P+型区；6为下电极；图2是制作上电极的工序图，图3是使用现有技术制作上电极时沟槽中无法去除的SU8胶残胶，图4是采用本发明SU8胶显影效果局部放大照片，图5是使用本发明制作的上电极局部放大照片。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施，实施方式一：采用SU8胶剥离工艺制作沟槽式同位素微电池的上电极，采用如图2所示的制作工序图，有以下步骤：第一步采用掺杂浓度为1014/cm3～1015/cm3晶向为<100>的P型硅为衬底；第二步在P型硅表面热氧化2μm SiO2掩膜层；第三步用掩膜版光刻，按设计要求湿法刻蚀掉沟槽区的SiO2形成湿法刻蚀硅的窗口；第四步用KOH湿法刻蚀出倒金字塔和V型槽阵列；第五步除去SiO2掩膜层，背面掺杂硼，形成结深为1μm，P+区浓度为1016/cm3的P+-P背电场；第六步正面掺杂磷，形成结深为1μm，N区浓度为1019/cm3或1020/cm3的N-P结；第七步旋涂SU8胶，用掩膜版光刻，形成掺杂N+区的窗口；第八步二次掺杂磷，形成结深为2μm，N+区浓度为1020/cm3或1021/cm3的N+-N结；第九步旋涂BP212正胶，作为去除SU8胶的牺牲层；第十步旋涂SU8胶，用掩膜版光刻，形成溅射上电极的窗口；第十一步溅射金属，剥离掉金属电极外的多余金属，形成同位素电池的上电极。图1是利用本方法制成的沟槽式同位素微电池结构图。
我们使用的SU8-2075胶，黏度为22000cSt，即使甩胶速度高达3000rpm时，仍然能够得到75μm左右的胶膜，而溅射的铝膜厚度仅为1μm左右，远小于光刻胶的厚度，同时，SU8胶在显影后会呈现上窄下宽的正“八”字图形。这样在沉积金属膜后，图形边缘过渡区的金属膜会产生断裂，剥离液很容易渗透到光刻胶，使剥离工艺能够顺利进行。
图4是采用本发明SU8胶显影效果局部放大照片，图5是使用本发明制作的上电极局部放大照片。从图中可以看出，制作出的同位素电池的上电极，边缘平直，沟槽中未见明显残胶颗粒。