热电发电器件及其制作方法

摘要

本发明提供一种热电发电器件及其制作方法，通过将P型热电柱及N型热电柱内嵌在基底的导通孔中，可形成无空心结构，提高热电发电器件的可靠性；P型热电柱及N型热电柱之间的间距可通过基底中的导通孔的间距进行控制，可便捷的实现高密度集成及小尺寸化的热电发电器件；基底可采用晶圆级基底，以实现批量化生产，提高生产效率。

权利要求

1.一种热电发电器件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供基底，于所述基底中形成导通孔；

于所述导通孔中形成P型热电柱及N型热电柱，对应设置的所述P型热电柱及N型热电柱构成热电偶对；

对所述基底进行平整化处理，于所述基底的第一面显露所述P型热电柱及N型热电柱的第一端，以及于所述基底的第二面显露所述P型热电柱及N型热电柱的第二端；

形成金属布线，所述金属布线包括与所述P型热电柱及N型热电柱的第一端相接触的上金属布线，及与所述P型热电柱及N型热电柱的第二端相接触的下金属布线。

2.根据权利要求1所述的热电发电器件的制作方法，其特征在于：所述基底包括晶圆级基底，且在形成所述金属布线的步骤后，还包括进行切割的步骤。

3.根据权利要求1所述的热电发电器件的制作方法，其特征在于：所述基底为绝缘绝热基底，所述绝缘绝热基底包括玻璃基底或聚合物基底。

4.根据权利要求1所述的热电发电器件的制作方法，其特征在于：所述热电偶对中，所述P型热电柱及N型热电柱之间的间距D的取值为D≥20μm；所述P型热电柱及N型热电柱分别为BiTe热电柱、多晶硅热电柱、Cu热电柱、Ni热电柱、Au热电柱中的一种或组合。

5.根据权利要求1所述的热电发电器件的制作方法，其特征在于：所述导通孔包括贯通孔或盲孔，于所述导通孔中形成所述P型热电柱及N型热电柱的方法包括插塞法或气相沉积法；当采用插塞法形成所述P型热电柱及N型热电柱时，还包括于所述导通孔中形成绝缘绝热填充层的步骤。

6.根据权利要求1所述的热电发电器件的制作方法，其特征在于：所述平整化处理包括对所述基底的第一面及所述基底的第二面均进行CMP平整化处理及机械平整化处理中的一种或组合。

7.一种热电发电器件，其特征在于，所述热电发电器件包括：

基底，所述基底具有第一面及相对的第二面，且所述基底中具有贯通孔；

P型热电柱及N型热电柱，所述P型热电柱及N型热电柱位于所述贯通孔中，对应设置的所述P型热电柱及N型热电柱构成热电偶对，且所述基底的第一面显露所述P型热电柱及N型热电柱的第一端，以及所述基底的第二面显露所述P型热电柱及N型热电柱的第二端；

金属布线，所述金属布线包括与所述P型热电柱及N型热电柱的第一端相连接的上金属布线，及与所述P型热电柱及N型热电柱的第二端相连接的下金属布线。

8.根据权利要求7所述的热电发电器件，其特征在于：所述基底为绝缘绝热基底，所述绝缘绝热基底包括玻璃基底或聚合物基底。

9.根据权利要求7所述的热电发电器件，其特征在于：所述热电偶对中，所述P型热电柱及N型热电柱之间的间距D的取值为D≥20μm。

10.根据权利要求7所述的热电发电器件，其特征在于：所述P型热电柱及N型热电柱分别为BiTe热电柱、多晶硅热电柱、Cu热电柱、Ni热电柱、Au热电柱中的一种或组合。

说明书

热电发电器件及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明属于半导体领域，特别是涉及一种热电发电器件及其制作方法。

背景技术

[0002] 所谓热电发电就是将热能直接转变成电能，通过高温与低温的温差产生的热将移动的热能转变成电能使其发电。

[0003] 热电发电具有以下其他发电方式所没有的特征：1)利用有易于环境的清洁能源，不依赖化石燃料和放射性同位素元素，仅靠温度差便可发电。2)可从地球上所有的热源中获取能量，在自然界中的所有热源，如太阳热、海洋热、地热和人体热等，人工热源如工业废热、汽车废热和燃烧垃圾的废热等。3)比较小的温度差就可获取能量，只要有数十度的温度差就可发电。4)长寿命，没有机械的驱动部分，不易发生各零件的损耗和劣化，从而热电发电器件具有广泛的应用场合。

[0004] 现有的，在使用P型热电柱和N型热电柱制备热电发电器件时，通常将N型热电柱和P型热电柱以进行逐个焊接的方式形成在具有下电极的下基板上，且N型热电柱和P型热电柱之间设置成具有空心间距结构，以通过空心间距结构实现绝热效果，然后再在上基板上制作N型热电柱和P型热电柱的上电极，并进行焊接，以实现完整的热电器件的制作。然而，该方法中，由于热电柱需要在下基板上进行逐个焊接，且每次只能做单个热电器件，从而采用该方法制备热电器件的生产效率低；及由于热电柱之间具有空心间距结构，从而热电发电器件的可靠性较差；及由于热电柱是逐个分别焊接，从而热电柱的放置间隔偏大，使得热电发电器件的尺寸较大，难以实现高密度集成。

[0005] 鉴于以上原因，提供一种新型的热电发电器件及其制作方法，实属必要。

发明内容

[0006] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种热电发电器件及其制作方法，用于解决现有技术中热电发电器件生产效率低、可靠性差、尺寸大的问题。

[0007] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种热电发电器件的制作方法，包括以下步骤：

[0008] 提供基底，于所述基底中形成导通孔；

[0009] 于所述导通孔中形成P型热电柱及N型热电柱，对应设置的所述P型热电柱及N型热电柱构成热电偶对；

[0010] 对所述基底进行平整化处理，于所述基底的第一面显露所述P型热电柱及N型热电柱的第一端，以及于所述基底的第二面显露所述P型热电柱及N型热电柱的第二端；

[0011] 形成金属布线，所述金属布线包括与所述P型热电柱及N型热电柱的第一端相接触的上金属布线，及与所述P型热电柱及N型热电柱的第二端相接触的下金属布线。

[0012] 可选地，所述基底包括晶圆级基底，且在形成所述金属布线的步骤后，还包括进行切割的步骤。

[0013] 可选地，所述基底为绝缘绝热基底，所述绝缘绝热基底包括玻璃基底或聚合物基底。

[0014] 可选地，所述热电偶对中，所述P型热电柱及N型热电柱之间的间距D的取值为D≥20μm；所述P型热电柱及N型热电柱分别为BiTe热电柱、多晶硅热电柱、Cu热电柱、Ni热电柱、Au热电柱中的一种或组合。

[0015] 可选地，所述导通孔包括贯通孔或盲孔，于所述导通孔中形成所述P型热电柱及N型热电柱的方法包括插塞法或气相沉积法；当采用插塞法形成所述P型热电柱及N型热电柱时，还包括于所述导通孔中形成绝缘绝热填充层的步骤。

[0016] 可选地，所述平整化处理包括对所述基底的第一面及所述基底的第二面均进行CMP平整化处理及机械平整化处理中的一种或组合。

[0017] 本发明还提供一种热电发电器件，所述热电发电器件包括：

[0018] 基底，所述基底具有第一面及相对的第二面，且所述基底中具有贯通孔；

[0019] P型热电柱及N型热电柱，所述P型热电柱及N型热电柱位于所述贯通孔中，对应设置的所述P型热电柱及N型热电柱构成热电偶对，且所述基底的第一面显露所述P型热电柱及N型热电柱的第一端，以及所述基底的第二面显露所述P型热电柱及N型热电柱的第二端；

[0020] 金属布线，所述金属布线包括与所述P型热电柱及N型热电柱的第一端相连接的上金属布线，及与所述P型热电柱及N型热电柱的第二端相连接的下金属布线。

[0021] 可选地，所述基底为绝缘绝热基底，所述绝缘绝热基底包括玻璃基底或聚合物基底。

[0022] 可选地，所述热电偶对中，所述P型热电柱及N型热电柱之间的间距D的取值为D≥20μm。

[0023] 可选地，所述P型热电柱及N型热电柱分别为BiTe热电柱、多晶硅热电柱、Cu热电柱、Ni热电柱、Au热电柱中的一种或组合。

[0024] 如上所述，本发明的热电发电器件及其制作方法，通过将P型热电柱及N型热电柱内嵌在基底的导通孔中，可形成无空心结构，提高热电发电器件的可靠性；P型热电柱及N型热电柱之间的间距可通过基底中的导通孔的间距进行控制，可便捷的实现高密度集成及小尺寸化的热电发电器件；基底可采用晶圆级基底，以实现批量化生产，提高生产效率。

附图说明

[0025] 图1显示为本发明实施例中热电发电器件的制作工艺流程示意图。

[0026] 图2显示为本发明实施例中于基底中形成导通孔后的结构示意图。

[0027] 图3显示为本发明实施例中形成P型热电柱后的结构示意图。

[0028] 图4显示为本发明实施例中形成N型热电柱及对基底进行平整化处理后的结构示意图。

[0029] 图5显示为本发明实施例中形成金属布线后的结构示意图。

[0030] 元件标号说明

[0031] 100                    基底

[0032] 101                    第一导通孔

[0033] 102                    第二导通孔

[0034] 201                    P型热电柱

[0035] 202                    N型热电柱

[0036] 301                    上金属布线

[0037] 302                    下金属布线

[0038] S1～S4                 步骤

具体实施方式

[0039] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

[0040] 如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

[0041] 为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。

[0042] 在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

[0043] 需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。

[0044] 如图1所示，本实施例提供一种热电发电器件的制作方法，包括以下步骤：

[0045] S1：提供基底，于所述基底中形成导通孔；

[0046] S2：于所述导通孔中形成P型热电柱及N型热电柱，对应设置的所述P型热电柱及N型热电柱构成热电偶对；

[0047] S3：对所述基底进行平整化处理，于所述基底的第一面显露所述P型热电柱及N型热电柱的第一端，以及于所述基底的第二面显露所述P型热电柱及N型热电柱的第二端；

[0048] S4：形成金属布线，所述金属布线包括与所述P型热电柱及N型热电柱的第一端相接触的上金属布线，及与所述P型热电柱及N型热电柱的第二端相接触的下金属布线。

[0049] 具体的，以下结合附图2～图5，对所述热电发电器件的制作方法进行进一步的介绍。其中，制备所述热电发电器件的工艺步骤的顺序并非局限于此，可根据需要进行适应性的变换。

[0050] 具体可包括：

[0051] 首先，进行步骤S1，如图2，提供基底100，于所述基底100中形成导通孔。

[0052] 具体的，所述导通孔可为后续形成P型热电柱201及N型热电柱202提供收容空间，所述基底100则作为所述P型热电柱201及N型热电柱202的支撑部，通过将所述P型热电柱201及N型热电柱202内嵌在所述基底100中的所述导通孔中，可最终形成无空心结构的热电发电器件，从而可提高所述热电发电器件的可靠性。

[0053] 作为示例，所述基底100可为绝缘绝热基底，所述绝缘绝热基底可包括玻璃基底或聚合物基底。

[0054] 具体的，当所述基底100采用具有良好的绝缘性能及绝热性能的绝缘绝热基底时，如玻璃基底或聚合物基底等，可通过所述绝缘绝热基底进一步的提高所述热电发电器件的热电效率，从而可降低所述热电发电器件的损耗。本实施例中，所述基底100采用玻璃基底，但所述基底100的种类并非局限于此。

[0055] 接着，进行步骤S2，如图3及图4，于所述导通孔中形成P型热电柱201及N型热电柱202，对应设置的所述P型热电柱201及N型热电柱202构成热电偶对。

[0056] 具体的，如图3及图4，本实施例中，先于所述第一导通孔101中形成所述P型热电柱201，而后于所述第二导通孔102中形成所述N型热电柱202，但形成所述P型热电柱201及N型热电柱202的顺序并非局限于此，可根据需要进行选择。

[0057] 作为示例，所述导通孔可包括贯通孔或盲孔，于所述导通孔中形成所述P型热电柱201及N型热电柱202的方法可包括插塞法或气相沉积法；当采用插塞法形成所述P型热电柱
201及N型热电柱202时，还包括于所述导通孔中形成绝缘绝热填充层的步骤(未图示)。

[0058] 具体的，所述导通孔可采用贯通孔，即可形成贯穿所述基底100的第一贯通孔101及第二贯通孔102，其中，所述第一贯通孔101可为所述P型热电柱201提供收容空间，所述第二贯通孔102则为所述N型热电柱202提供收容空间，所述第一贯通孔101及第二贯通孔102的形貌、尺寸及分布的选择可根据所述P型热电柱201及N型热电柱202的需求进行适用性的调整，如所述第一贯通孔101及第二贯通孔102的形貌可为圆形或方形等，有关所述第一贯通孔101、第二贯通孔102、P型热电柱201及N型热电柱202的形貌、尺寸及分布情况此处不作过分限制。

[0059] 其中，当所述导通孔为贯通孔时，于所述导通孔中形成所述P型热电柱201及N型热电柱202的方法可包括插塞法或气相沉积法，如图2所示，本实施例中所述导通孔采用贯通孔，且形成所述P型热电柱201及N型热电柱202的方法采用插塞法，即先提供P型热电柱201及N型热电柱202，而后将所述P型热电柱201及N型热电柱202插塞进与其对应的所述第一贯通孔101及第二贯通孔102中。

[0060] 进一步的，在采用插塞法形成所述P型热电柱201及N型热电柱202之后，还可包括于所述导通孔中形成绝缘绝热填充层(未图示)的步骤，以通过所述绝缘绝热填充层使得所述P型热电柱201及N型热电柱202与所述基底100形成良好接触，以提高所述热电发电器件的可靠性。有关所述绝缘绝热填充层的材质及形成方法此处不作过分限制。

[0061] 可以理解，所述导通孔也可为未贯穿所述基底100的盲孔，若所述导通孔为盲孔，则同样可采用插塞法形成所述P型热电柱201及N型热电柱202，以及形成所述绝缘绝热填充层。当然也可直接采用气相沉积法于所述盲孔中形成所述P型热电柱201及N型热电柱202。当然，若所述导通孔为贯通孔，也可采用气相沉积法形成所述P型热电柱201及N型热电柱
202，此时在采用气相沉积法时，则需在所述基底100的一面形成支撑衬底(未图示)，在采用气相沉积法形成所述P型热电柱201及N型热电柱202后，以及后续形成上金属布线301后，可再去除所述支撑衬底，而后形成下金属布线302，当然也可在形成所述P型热电柱201及N型热电柱202后即去除所述支撑衬底，关于所述支撑衬底的种类及形成方法，此处不作过分限制。

[0062] 作为示例，所述热电偶对中，所述P型热电柱201及N型热电柱202之间的间距D的取值可为D≥20μm。

[0063] 具体的，由于所述P型热电柱201及N型热电柱202形成于所述基底100中的所述导通孔中，从而所述P型热电柱201及N型热电柱202之间的间距可通过所述基底100中的所述导通孔的间距进行控制，从而可便捷的实现高密度集成及小尺寸化的所述热电发电器件。如所述P型热电柱201及N型热电柱202之间的间距D的取值可为D≥20μm，如20μm、30μm、50μm等，但并非局限于此。

[0064] 作为示例，所述P型热电柱201及N型热电柱202可分别为BiTe热电柱、多晶硅热电柱、Cu热电柱、Ni热电柱、Au热电柱中的一种或组合。有关所述P型热电柱201及N型热电柱202具体材质的选择，此处不作过分限制。

[0065] 接着，进行步骤S3，如图4，对所述基底100进行平整化处理，于所述基底100的第一面显露所述P型热电柱201及N型热电柱202的第一端，以及于所述基底100的第二面显露所述P型热电柱201及N型热电柱202的第二端。

[0066] 作为示例，所述平整化处理可包括对所述基底100的第一面及所述基底100的第二面均进行CMP平整化处理及机械平整化处理中的一种或组合，以提供较为平坦的基底表面，以便于后续材料层的制备，以提高所述热电发电器件的质量。

[0067] 接着，进行步骤S4，如图5，形成金属布线，所述金属布线包括与所述P型热电柱201及N型热电柱202的第一端相接触的上金属布线301，及与所述P型热电柱201及N型热电柱202的第二端相接触的下金属布线302。

[0068] 具体的，通过所述金属布线可将对应设置的所述P型热电柱201及N型热电柱202进行电连接，以形成对应的热电偶及对应的热电偶堆，其中，形成所述述金属布线的方法可采用电镀法、化学气相沉积法等，有关所述金属布线的材质、形成方法及分布此处不作过分限制。

[0069] 需要说明的是，在进行所述平整化处理及形成所述金属布线的过程中，可先对所述基底100的第一面及第二面均进行平整化处理后，再形成所述上金属布线301及下金属布线302；当然也可先对所述基底100的第一面进行平整化处理及形成所述上金属布线301后，再对所述基底100的第二面进行平整化处理及形成所述下金属布线302；以及在所述平整化处理之后还可包括提供与所述基底100进行键合的支撑衬底的步骤，关于所述平整化处理及形成所述金属布线的步骤及方法此处不作过分限制。

[0070] 作为示例，所述基底100可包括晶圆级基底，且在形成所述金属布线的步骤后，还可包括进行切割的步骤。

[0071] 具体的，所述基底100可包括6寸、8寸及12寸等晶圆级基底，以基于所述晶圆级基底，在形成所述金属布线的步骤后通过切割，即可实现批量化生产，以提高生产效率。

[0072] 参阅图5，本实施例还提供一种热电发电器件，所述热电发电器件可采用上述制作方法形成，但并非局限于此。

[0073] 具体的，所述热电发电器件包括基底100、P型热电柱201及N型热电柱202、以及金属布线。其中，所述基底100具有第一面及相对的第二面，且所述基底100中具有贯通孔；所述P型热电柱201及N型热电柱202位于所述贯通孔中，对应设置的所述P型热电柱201及N型热电柱202构成热电偶对，且所述基底100的第一面显露所述P型热电柱201及N型热电柱202的第一端，以及所述基底100的第二面显露所述P型热电柱201及N型热电柱202的第二端；所述金属布线包括与所述P型热电柱201及N型热电柱202的第一端相连接的上金属布线301，及与所述P型热电柱201及N型热电柱202的第二端相连接的下金属布线302。

[0074] 作为示例，所述基底100优选为绝缘绝热基底，所述绝缘绝热基底可包括玻璃基底或聚合物基底。如玻璃基底或聚合物基底等，从而可通过所述绝缘绝热基底进一步的提高所述热电发电器件的热电效率，从而可降低所述热电发电器件的损耗。本实施例中，所述基底100采用玻璃基底，但所述基底100的种类并非局限于此。

[0075] 作为示例，所述热电偶对中，所述P型热电柱201及N型热电柱202之间的间距D的取值可为D≥20μm。

[0076] 具体的，由于所述P型热电柱201及N型热电柱202形成于所述基底100中的所述导通孔中，从而所述P型热电柱201及N型热电柱202之间的间距可通过所述基底100中的所述导通孔的间距进行控制，从而可便捷的实现高密度集成及小尺寸化的热电发电器件。如所述P型热电柱201及N型热电柱202之间的间距D的取值可为D≥20μm，如20μm、30μm、50μm等。

[0077] 作为示例，所述P型热电柱201及N型热电柱202可分别为BiTe热电柱、多晶硅热电柱、Cu热电柱、Ni热电柱、Au热电柱中的一种或组合。有关所述P型热电柱201及N型热电柱202具体材质的选择，此处不作过分限制。

[0078] 综上所述，本发明的热电发电器件及其制作方法，通过将P型热电柱及N型热电柱内嵌在基底的导通孔中，可形成无空心结构，提高热电发电器件的可靠性；P型热电柱及N型热电柱之间的间距可通过基底中的导通孔的间距进行控制，可便捷的实现高密度集成及小尺寸化的热电发电器件；基底可采用晶圆级基底，以实现批量化生产，提高生产效率。

[0079] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。