專利名稱:一種溝槽式同位素微電池上電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)械電子系統(tǒng)中的微能源領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，能源問題已經(jīng)成為制約MEMS技術(shù)發(fā)展的首要問題。為了解決微系統(tǒng)中的能源問題，世界各國都相繼開展了微能源的研究工作，制作出了許多微能源。如微型太陽能電池、微型燃料電池、微型內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)等，但燃料電池和微型內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)在工作過程中需要補(bǔ)充燃料，微型太陽能電池需要光照，因此它們的正常運(yùn)轉(zhuǎn)都具有一定的局限性，不能很好的適用于MEMS系統(tǒng)。同位素電池是利用放射性同位素衰變時發(fā)射粒子所帶動能發(fā)電的電源裝置，由于其能量密度高、使用壽命長而備受人們關(guān)注。近幾年，JamesBlanchard等人嘗試使用放射性同位素"Ni制作輻射伏特效應(yīng)同位素微電池，獲得了初步成功。隨著半導(dǎo)體材料性能和工藝水平的迅速提高，輻射伏特效應(yīng)同位素微電池的研究，將成為放射性同位素微電池研究領(lǐng)域中的一個新熱點。
同位素微電池主要有以下幾種結(jié)構(gòu)平板式、溝槽式、倒金字塔式。由JamesBlanchard等人的研究成果以及我們的仿真計算可知當(dāng)電池的表面積增大時，電池的短路電流和開路電壓會得到提高。因此，在電池表面刻蝕溝槽結(jié)構(gòu)后，可以在不改變電池體積的前提下增大電池的表面積，從而提高電池的輸出性能。
平板式電池的電極可以使用標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝來制作，而溝槽式同位素微電池的上表面上，由于使用了各向異性刻蝕的方法制作了溝槽結(jié)構(gòu)，表面起伏過大，在甩膠時會產(chǎn)生堆膠現(xiàn)象，從而無法使用普通的光刻工藝制作電池電極。
2004年6月臺灣清華大學(xué)陳宏銘的碩士論文中曾提出使用金屬模具制作同位素微電池的表面電極。他們的辦法是在薄金屬片上加工出電極圖形，精確對準(zhǔn)后濺射金屬鋁，最后將硅片與模具分離，得到電極圖形。但由于金屬模具與硅片直接接觸造成了金屬離子沾污，而且在濺射表面金屬電極時會產(chǎn)生金屬離子的側(cè)漏現(xiàn)象，因此會使電池性能嚴(yán)重下降。對此，我們使用硅片制作模具，有效地避免了金屬離子沾污。該方法原理簡單、可靠性較高，但由于硅片的強(qiáng)度較差，因此模具極易損壞，不能長期使用；并且對準(zhǔn)困難，需要制作專門的用于對準(zhǔn)的夾具，操作較繁瑣。因此，不適用于同位素微電池的大批量生產(chǎn)。[0006] SU8膠是MicroChem公司生產(chǎn)的一種環(huán)氧型近紫外負(fù)性光刻膠，能夠用于低成本的MEMS制作。SU8膠在近紫外光范圍內(nèi)吸收率低，因此在整個光刻膠厚度上都有較好的曝光均勻性。SU8膠的另一個優(yōu)點是在前烘中具有良好的自平整能力，通過甩膠時在硅片邊緣涂膠邊去除劑EBR-PG，可以有效的去除邊緣效應(yīng)，在接觸式光刻中使掩模板和光刻膠之間有良好的接觸，有利于形成質(zhì)量良好的細(xì)線條。SU8膠經(jīng)過曝光、交聯(lián)、固化以后具有良好的抗腐蝕性能，并且熱穩(wěn)定性大于200°C ，因此可以用于高溫腐蝕工藝。SU8膠粘性很高，易于得到較厚的膠層。
使用SU8膠剝離工藝制作溝槽式同位素微電池表面電極的缺點是，溝槽內(nèi)部曝光交聯(lián)后的SU8膠很難去除干凈，如圖3所示在溝槽中可以清晰看到SU8膠殘膠顆粒。目前較有效的去膠方法有熔鹽法、激光燒灼法、等離子去膠法等，但操作復(fù)雜，并且需要專用設(shè)備。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服溝槽內(nèi)部曝光交聯(lián)后的SU8膠很難去除的缺點，即使用犧牲層技術(shù)來有效去除交聯(lián)后溝槽內(nèi)SU8膠的新工藝，其步驟是在制作同位素電池表面電極時，先在硅片上旋涂一層BP212正膠作為犧牲層，烘干后旋涂SU8膠，在曝光、顯影后濺射鋁，之后剝離掉金屬電極外的多余金屬，形成同位素電池的上電極。使用該方法來制作同位素電池的上電極時，由于避免了 SU8膠與硅片的直接接觸，從而解決了溝槽內(nèi)SU8膠不易去除的難題，制作出了理想的同位素電池的上電極。采用該方法制作溝槽式同位素微電池的上電極，操作簡單、無污染、可重復(fù)性好。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是采用SU8膠剝離工藝制作溝槽式同位素微電池的上電極，具體步驟為第一步采用摻雜濃度為10，cm3 10"/cm3晶向為〈100〉的P型硅為襯底；第二步在P型硅表面熱氧化2 ii m Si02掩膜層；第三步用掩膜版光刻，按設(shè)計要求濕法刻蝕掉溝槽區(qū)的Si(^形成濕法刻蝕硅的窗口 ；第四步用KOH濕法刻蝕出倒金字塔和V型槽陣列；第五步除去Si02掩膜層，背面摻雜硼，形成結(jié)深為lym，P+區(qū)濃度為1015/cm3 1018/cm3的P+-P背電場；第六步正面摻雜磷，形成結(jié)深為1 P m， N區(qū)濃度為1019/cm3或102°/Cm3的N_P結(jié)；第七步旋涂SU8膠，用掩膜版光刻，形成摻雜K區(qū)的窗口 ；第八步二次摻雜磷，形成結(jié)深為2 ii m， N+區(qū)濃度為1027cm3或1021/cm3的N+-N結(jié)；第九步旋涂BP212正膠，作為去除SU8膠的犧牲層；第十步旋涂SU8膠，用掩膜版光刻，形成濺射上電極的窗口 ；第十一步濺射金屬，剝離掉金屬電極外的多余金屬，形成同位素電池的上電極。
本發(fā)明的效果在于采用SU8膠剝離工藝制作上電極，避免了采用金屬掩模制作溝槽式電池上電極帶來的金屬離子污染問題和硅片掩模易碎的問題，而且成本低廉、可重復(fù)性好、操作簡單方便，便于大批量生產(chǎn)；采用BP212正膠作為去除SU8膠的犧牲層，解決了SU8膠不易去除，特別是溝槽中的SU8膠無法去除的難題。


圖1是溝槽式同位素微電池結(jié)構(gòu)圖，圖中1為上電極；2為N型區(qū)；3為PN結(jié)；4
為P型區(qū)；5為P+型區(qū)；6為下電極；圖2是制作上電極的工序圖，圖3是使用現(xiàn)有技術(shù)制作上電極時溝槽中無法去除的SU8膠殘膠，圖4是采用本發(fā)明SU8膠顯影效果局部放大照片，圖5是使用本發(fā)明制作的上電極局部放大照片。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實施，實施方式一 采用SU8膠剝離工藝制作溝槽式同位素微電池的上電極，采用如圖2所示的制作工序圖，有以下步驟第一步采用摻雜濃度為1014/cm3 10"/ci^晶向為〈100〉的P型硅為襯底；第二步在P型硅表面熱氧化2ym Si(^掩膜層；第三步用掩膜版光刻，按設(shè)計要求濕法刻蝕掉溝槽區(qū)的Si(^形成濕法刻蝕硅的窗口 ；第四步用KOH濕法刻蝕出倒金字塔和V型槽陣列；第五步除去Si(^掩膜層，背面摻雜硼，形成結(jié)深為1 P m， P+區(qū)濃度為1016/cm3的P+-P背電場；第六步正面摻雜磷，形成結(jié)深為1 P m，N區(qū)濃度為1019/Cm3或1027cm3的N_P結(jié)；第七步旋涂SU8膠，用掩膜版光刻，形成摻雜N+區(qū)的窗口 ；第八步二次摻雜磷，形成結(jié)深為2ym， N+區(qū)濃度為102°/cm3或1021/
cm3的N+-N結(jié)；第九步旋涂BP212正膠，作為去除SU8膠的犧牲層；第十步旋涂SU8膠，用掩
膜版光刻，形成濺射上電極的窗口 ；第十一步濺射金屬，剝離掉金屬電極外的多余金屬，形
成同位素電池的上電極。圖1是利用本方法制成的溝槽式同位素微電池結(jié)構(gòu)圖。
我們使用的SU8-2075膠，黏度為22000cSt，即使甩膠速度高達(dá)3000rpm時，仍然能
夠得到75 ii m左右的膠膜，而濺射的鋁膜厚度僅為1 P m左右，遠(yuǎn)小于光刻膠的厚度，同時，
SU8膠在顯影后會呈現(xiàn)上窄下寬的正"八"字圖形。這樣在沉積金屬膜后，圖形邊緣過渡區(qū)
的金屬膜會產(chǎn)生斷裂，剝離液很容易滲透到光刻膠，使剝離工藝能夠順利進(jìn)行。
圖4是采用本發(fā)明SU8膠顯影效果局部放大照片，圖5是使用本發(fā)明制作的上電
極局部放大照片。從圖中可以看出，制作出的同位素電池的上電極，邊緣平直，溝槽中未見
明顯殘膠顆粒。
5
權(quán)利要求
一種溝槽式同位素微電池上電極的制作方法，使用SU8膠剝離工藝的方法來制作同位素電池的上電極，其制作方法的特征是，使用BP212正膠作為犧牲層，避免了SU8膠與硅片的直接接觸，從而有效地去除了交聯(lián)后溝槽內(nèi)的SU8膠，制作出了完整的上電極，具體步驟為第一步采用摻雜濃度為1014/cm3～1017/cm3晶向為<100>的P型硅為襯底；第二步在P型硅表面熱氧化2μm SiO2掩膜層；第三步用掩膜版光刻，按設(shè)計要求濕法刻蝕掉溝槽區(qū)的SiO2形成濕法刻蝕硅的窗口；第四步用KOH濕法刻蝕出倒金字塔和V型槽陣列；第五步除去SiO2掩膜層，背面摻雜硼，形成結(jié)深為1μm，P+區(qū)濃度為1015/cm3～1018/cm3的P+-P背電場；第六步正面摻雜磷，形成結(jié)深為1μm，N區(qū)濃度為1019/cm3或1020/cm3的N-P結(jié)；第七步旋涂SU8膠，用掩膜版光刻，形成摻雜N+區(qū)的窗口；第八步二次摻雜磷，形成結(jié)深為2μm，N+區(qū)濃度為1020/cm3或1021/cm3的N+-N結(jié)；第九步旋涂BP212正膠，作為去除SU8膠的犧牲層；第十步旋涂SU8膠，用掩膜版光刻，形成濺射上電極的窗口；第十一步濺射金屬，然后剝離掉金屬電極外的多余金屬，形成同位素微電池的上電極。
專利摘要
本發(fā)明一種溝槽式同位素微電池上電極的制作方法，屬于微機(jī)械電子系統(tǒng)中的微能源領(lǐng)域。采用SU8膠剝離工藝制作溝槽式同位素微電池的上電極，采用P型硅為襯底；在P型硅表面熱氧化SiO2掩膜層；用掩膜版光刻，按設(shè)計要求濕法刻蝕掉溝槽區(qū)的SiO2形成濕法刻蝕硅的窗口；用KOH濕法刻蝕出倒金字塔和V型槽陣列；制作P+-P背電場；正面摻雜磷，形成N-P結(jié)；旋涂SU8膠，用掩膜版光刻，形成摻雜N+區(qū)的窗口；二次摻雜磷，形成N+-N結(jié)；旋涂BP212正膠，作為去除SU8膠的犧牲層；旋涂SU8膠，用掩膜版光刻，形成濺射上電極的窗口；濺射金屬，剝離掉金屬電極外的多余金屬，形成同位素電池的上電極。采用該方法制作溝槽式同位素微電池的上電極，操作簡單、無污染、可重復(fù)性好。
文檔編號G21H1/00GKCN101174484SQ200710012855
公開日2010年5月19日 申請日期2007年9月14日
發(fā)明者樸相鎬, 王培超, 褚金奎 申請人:大連理工大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (2), 非專利引用 (2),