專利名稱：硅加熱元件的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種硅加熱元件，正如南斯拉夫的申請?zhí)枮?097/85、申請日為1985年6月28日的專利申請書所說明的那樣，及其制造方法。
傳統(tǒng)的電加熱器具有絲加熱元件，這種加熱器效率低，尤其是在敞開結(jié)構(gòu)(此時，不是強制將熱量從熱源傳送到負載上)以及低的和中等的加熱溫度(直到400℃)時，效率低。其重要原因在于相對于所要求的工作溫度，加熱溫度很高(大約800℃)由于高溫的加熱器向四周輻射熱量而損失大部分熱能，結(jié)果只有一部分熱能到達有效位置。
傳統(tǒng)的加熱元件由Cr-Ni-Fe-Al合金制成，其電阻大約為0.04Ω/cm。這種加熱材料的較低的電阻率和差的導熱性決定了其使用方式加熱器制成線圈形式，它必須用堅固的陶瓷或者相當?shù)慕^緣材料來絕緣，所用陶瓷或相當?shù)慕^緣材料本身也具有低的導熱率。最后，用金屬外殼將元件保護起來。這樣的元件質(zhì)量大，并由于導熱率低而使它被加熱到大約800℃時才能使熱量盡可能快地到達加熱位置。加熱元件的高溫導致熱量向各個方向輻射并由此而使效率降低。這特別關(guān)系到較小的加熱組件，如家用加熱器具。
傳統(tǒng)加熱元件不可能獲得較高的效率的本質(zhì)問題在于熱的傳遞方式是從加熱-熱源-直到工作區(qū)-負載。如此遠的傳遞主要局限于輻射，從而效率必然相當?shù)停⑶夷芰繐p失相當大。如果滿足下列條件，則可以獲得高效率a、用作加熱元件的工作部件的材料本身的熱阻盡可能地低;
b、加熱元件的質(zhì)量盡可能地小;
c、從熱源到負載的熱阻也盡可能地低;
d、工作溫度與加熱溫度之差盡可能地小。傳統(tǒng)加熱元件不可能滿足這些要求。
用簡單的工藝(例如將絲繞制成線圈)就能夠容易地制成傳統(tǒng)的金屬絲加熱器。在過去的六十年中，傳統(tǒng)的加熱元件被廣泛應用，節(jié)約能量還沒有成為進一步開發(fā)新型節(jié)能加熱元件的動力。僅僅近幾年，節(jié)約能量成為現(xiàn)代技術(shù)的重要課題，而且傳統(tǒng)的加熱器已不能有效地節(jié)約能量。如今，節(jié)約能源變得格外重要，全世界都期望開發(fā)一種加熱元件使其能耗更經(jīng)濟的研究工作取得重大進展。
本發(fā)明提供一種由摻雜的多晶或非晶硅制成的新型加熱元件，其加熱溫度直到400℃。多晶或非晶硅的導熱率大約是傳統(tǒng)加熱器的絲材料的5倍。因此，熱能可以以最小的能量損失傳遞到耗熱位置。這種新型加熱元件包括6個基本構(gòu)形1、一種由具有高導熱率的電絕緣基底構(gòu)成的元件，其上涂敷一層摻雜的多晶或非晶硅的工作層，以及與工作電源連接的表面電極。
2、一種為使電阻達到最佳而將其中表面加熱層制成波形狀的元件。
3、一種用耐熔金屬(Mo、Tu、W等)導體層加強的連接接點元件。
4、一種安置在合適的、由高導熱性金屬制成的基底上的元件。
5、一種在制成以后安置到由高導熱性金屬(Al、Cu或類似金屬)制成的基底上的元件，它將熱量從熱源直接傳導到熱負載上。
6、一種由上述兩個元件疊成“夾層”狀并具有熔合的連接接點的元件，它可以形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)以適應電源電壓并獲得所需功率。這個派生的結(jié)構(gòu)可以與具有高導熱性基底的結(jié)構(gòu)5組合，其三面封閉，引出連接線在第四面上。
本發(fā)明的重大意義是基于下列兩點理由1、多晶或非晶硅比半導體單晶硅便宜50到100倍。
2、多晶或非晶硅能夠以薄膜(膜厚范圍從0.1到1μm)形式涂敷在基底上。利用選擇蝕刻技術(shù)(例如公知的半導體工藝)，就能將這種薄膜制成更合適的表面結(jié)構(gòu)形狀(例如曲波形)，并且在選擇令人滿意的元件電阻方面提供了更好的可能性。
多晶或非晶硅的其它特性與半導體單晶硅非常相似。這特別涉及到高導熱性和冶金的合金特性，這些就是為什么硅被選作新材料的主要原因。
下面敘述硅的一般特性和特殊特性，這些特性使得硅優(yōu)于傳統(tǒng)加熱器所用的材料1、傳統(tǒng)加熱器的材料具有一個確定的電阻率，它不能改變。而具體所用的硅的電阻率可以在幾個數(shù)量級的大范圍內(nèi)變化，既可以通過加工方法使其改變，也可以通過以后的熱處理方法使其改變。這樣就可以使加熱器以最小的質(zhì)量獲得所需要的電阻。
2、硅的熱阻比傳統(tǒng)的加熱絲材料低5倍。硅能夠完全與金屬熔合，因此，用其它材料熔焊或硬焊到加熱器的工作層上就可制成連接引線。利用硅的熔接或熔合特性可以將熱量以最小的能量損失直接傳導到加熱介質(zhì)上。在傳統(tǒng)的絲加熱器中，這是不可能的。
3、利用化學氣相沉積(CVD)工藝或低壓化學氣相沉積(CPCVD)工藝擴散或沉積硅，就可以在基底上涂敷一層非常薄的硅。所說的工藝便宜又適合批量生產(chǎn)，并且需要的投資少。用這種方法所得到的薄層能夠在沉積過程中摻雜，其摻雜量受到控制，這樣就可予先確定該層的具體電阻率。還可以在該層沉積到基底上之后進行摻雜。這樣提高了制造過程的靈活性。
4、利用合適的工藝過程，就可使硅被二氧化物膜所覆蓋。這是一層石英玻璃，它有效地使硅層避免進一步氧化，并且使其表面鈍化。二氧化物膜直接從硅層長出，因此，產(chǎn)生裂縫的危險降到最小程度。
5、硅電阻的溫度系數(shù)是正的，其電阻值隨溫度的升高而增大。硅加熱元件的這個特性可用來作內(nèi)在的過載保護。在合適的結(jié)構(gòu)中，加熱器的一個部分還可以用作溫度傳感器。多晶或非晶硅層保持電阻的正溫度系數(shù)直到600-800℃，上限溫度的高低取決于摻雜量。
為了獲得最佳的硅加熱元件，本發(fā)明最大程度利用了硅的上述特性，這種加熱元件利用這種材料的全部所述的優(yōu)點，或者根據(jù)需要只利用其中的一部分。
下面參照附圖進行說明。


圖1表示本發(fā)明的硅加熱元件的構(gòu)形1的示意圖。多晶或非晶硅層B涂敷在一個陶瓷片A上。硅層B在涂敷過程中摻雜或者涂敷時不摻雜而在以后摻雜。接點C位于陶瓷片的端部并熔合在硅層B上。表面沒有構(gòu)圖形成，而通過片A的形狀、硅層B的厚度和硅層的摻雜量來獲得合適的電阻。
如圖1所示的新的、節(jié)能型的硅加熱元件使熱能從熱源定向傳到熱負載上，這應當歸功于，在具有合適的表面形狀和高導熱性的電絕緣基底A上，涂敷一層多晶或非晶硅B，它或者在涂敷過程中，或者在硅層涂敷完成之后，用P型或N型半導體摻雜劑在高于1018/厘米3的濃度下?lián)诫s，在這個硅層表面的端部，熔合耐高溫的接點C，以便與電源連接。
圖1a表示實現(xiàn)本發(fā)明方法的最佳方案，這將在后面結(jié)合實施例進行說明。
圖1b是從圖1a所示的厚片上切下的單個加熱元件放大后的視圖。
圖2是本申請的加熱器的構(gòu)形2的示意圖，與構(gòu)形1不同，這里帶有接點圖形(圖2)的高熔點金屬(Mo、Ta、W或者類似金屬)層C′首先涂敷在基底端部。在整個表面上涂敷硅層B，然后用圖2b所示的掩膜蝕刻;其后，使得與層B和層C′結(jié)合并能夠與電源連接的接點C″既與硅層斷面熔合又與高熔點金屬C′熔合(圖2C(細節(jié)K))。由于高熔點金屬接點可以在高達600～800℃的高溫下承受負載力，因此，這種結(jié)構(gòu)適合于在高溫狀態(tài)下工作。
圖3表示圖2的一種變形，但是用掩膜光刻和蝕刻的方法將硅層B圖形線制成曲波形或類似的所需形狀，以便在需要時(例如工作電壓較高而加熱電流強度小的情況下)，獲得較高的加熱器電阻。
圖4表示圖1、2和3所示加熱器的一種變形，在摻雜的多晶或非晶硅層B上有一層二氧化硅防護層D。通過在高溫(1000℃)下，在氧化性水蒸汽氣氛中使硅層B氧化而獲得這層防護層，從而使導電層被二氧化硅絕緣層D所覆蓋，絕緣層D使得有效的加熱層鈍化并對加熱層起保護作用，因而提高了其安全性和耐用性。當摻雜是在涂敷過程中進行時，上述工藝步驟就在向硅層中擴散摻雜劑的同時發(fā)生，即在其分散并使其均勻的同時發(fā)生。因此，通過氧化獲得防護層不需要另外的工藝步驟。
圖5表示加熱器的一種變形，其中，加熱器安裝在一個具有高導熱性的金屬(例如Cu、Al或類似金屬)基座E上而形成一個加熱單元。這給出了一種組合的加熱元件，其熱量從加熱位置向熱耗位置傳輸?shù)牡谝徊皆诩訜嵩旧淼姆秶鷥?nèi)進行?；鵈將熱能從熱源傳到熱負載上。
在圖6所示的加熱器中，有兩個圖1到4所示的加熱元件，這兩個元件組合成“夾層”I，它以簡單的方式使加熱功率成倍，并且使“封閉的”加熱器結(jié)構(gòu)通過基座F將熱量從加熱器傳送到負載的熱傳遞的第一步在圖6所示的加熱元件的“夾層”I內(nèi)部進行。在圖6中它是畫陰影線的區(qū)域。
將連接接點熔合而使兩個加熱元件組合成“夾層”形結(jié)構(gòu)，并使兩個加熱元件形成串聯(lián)的或并聯(lián)的結(jié)構(gòu)單元，以適應電源電壓并得到所需的功率。這種夾層結(jié)構(gòu)以封閉的方式安置在一個由高導熱性金屬制成的基底上。
在上述新型硅加熱元件的所有構(gòu)形中，關(guān)鍵是在基底上涂敷硅膜，基底應該是電絕緣體同時又是出色的導熱體。由于工作溫度高，因此，用陶瓷材料作基底是合適的。然而陶瓷的導熱性差。直到幾年前，就導熱性而言，比其它陶瓷材料優(yōu)越的僅僅是陶瓷材料氧化鈹(BeO)，其導熱性與純鋁的導熱性大致相等。不幸的是，BeO是劇毒物質(zhì)，因而其應用受到限制。
在過去的五年中，世界高技術(shù)的發(fā)展導致了一種新陶瓷材料的誕生，這種新陶瓷材料的特性與BeO的特性非常相似，但它完全無毒性，且便宜得多，這就是氮化鋁(AlN)，因此，盡管在基底的高導熱性不是必需的情況下，其它材料的基底能滿足某些要求，但在本發(fā)明中，我們首先選定AlN來作新型硅加熱器的基底。
本發(fā)明的硅加熱元件代表了一種新型的和獨創(chuàng)性的部件，可以想象，其工業(yè)應用的可能性很大。從兩個方面可以說明它一定會得到應用1、在不超出與半導體工業(yè)有關(guān)的工業(yè)的范圍生產(chǎn)硅加熱元件，將其作為生產(chǎn)相應器具和設備的部件。
2、對所有中、小功率的電熱產(chǎn)品來說，因為節(jié)約電能變得重要，而且要求減少尺寸、重量和價格，因此，可以想象，在這些產(chǎn)品中應用硅加熱元件是有重要意義的。
由于這些元件能夠在高達600℃的溫度下使用，因此，希望其應用不僅僅限于家用加熱器(電散熱器)、炊具以及所有廣泛使用的電熱器具，而且還應拓寬到某些特殊的專業(yè)器具。
應該說重要的是這種元件不僅由于其較高的效率而能節(jié)約能量，而且在生產(chǎn)幾個器具時由于分別使用這種新型的加熱元件而能有效地節(jié)約材料。為了減少尺寸，可以將它直接插入加熱體中或在其最近的地方，即正好在必須加熱的位置上，并且因此而刪去堅硬的絕緣體和傳熱裝置，今天的加熱器具中的大量的質(zhì)量是這兩部分的質(zhì)量。
此外，小尺寸的、直接控制的可能性和溫度配準將會導致這樣過去不可能有的、現(xiàn)在也難以想象的應用。
現(xiàn)在參照下面的實施例來說明實現(xiàn)本發(fā)明方法的最佳方案，下面的實施例細分為步驟a到f，采用氮化鋁(AlN)作絕緣基底A。
實施例
a、尺寸為5×5到10×10cm(圖1a)的方形AlN片在清潔處理以后放到低壓化學氣壓沉積(CPCVD)反應器中適合的石英支托上。同時將20到40個這樣的AlN片放在支托上(根據(jù)反應器的類型)。AlN片被兩個一起、兩個一起地垂直放置在支托上，從而只有一面暴露在外可供沉積硅，反應器中的溫度必須為800°～850℃，容許誤差0.25%。
b、當反應器中的壓力達到最低值時，將氣體的硅載體導入反應器的腔室內(nèi)，我們用硅烷或二氯硅烷作硅的載體材料;如果選擇摻雜過程與沉積過程同時進行，則可以同時將摻雜劑的氣體載體導入該腔室內(nèi)。摻雜劑的量必須保證摻雜層中摻雜劑的濃度從1018到5×1020個摻雜劑原子/cm3。具體的層電阻和層電阻的溫度系數(shù)取決于摻雜劑的量，并且這些參數(shù)可以通過摻雜來控制。反應器腔室中的工作壓力必須在30～150KPa之間。層沉積的速度取決于壓力的大小，但是根據(jù)有效的測量，其特性與壓力的大小無關(guān)。沉積層的厚度必須在10至20μm的范圍內(nèi)。沉積到這樣厚度所需要的時間為30到60分鐘，它取決于反應器腔室中的壓力。
c、在片上沉積硅層后，將片從反應器中取出，然后將這些片子置于1150℃的溫度下保持60到90分鐘。在該方案中，沉積硅層時不進行摻雜，摻雜是在上述高溫處理的過程中用半導體工業(yè)中公知的方法進行。在高溫處理以后，層電阻必須是5～10Ω/□。高溫處理部分地在氧化的氣氛中進行，使其表面形成或最高可達1μm厚的SiO2層。
d、利用光刻法通過在HF中蝕刻，經(jīng)清洗和干燥的過程有選擇地除去SiO2，然后厚度大約為0.5μm的鈦(Ti)層涂敷在片的整個表面上，而后在800℃的溫度下，在中性氣氛中使鈦層與硅層熔合。完成光刻后，在平行線的地方去除了SiO2層，從而，僅僅在氧化層被去除的地方實現(xiàn)了熔合。在熔合步驟以后，可以用蝕刻的方法將未熔合的鈦除去。圖1a表示這樣制得的還沒有切割的片子。
e、應當說是重要的，全部所述的工藝過程都是“成批的”進行。一個尺寸為10×10cm的AlN片具有100cm2的表面。加熱器的比功率是大約1000W/cm2。這就意味著利用一部分“成批的”工藝過程制造250W的加熱元件，持續(xù)數(shù)小時，我們就能得到至少800個加熱元件。處理過程用的工作時間最多，這取決于自動化程度，它占工藝時間的5-20%，而人的操作僅占工作時間的較小部分。
f、根據(jù)輪廓線(圖1a)來切割片子，從而我們得到單個加熱元件。圖1b是一個這種單個加熱元件的示意圖。用金剛鋸或者用激光束進行切割，其后沿這些切過的線條折下。
權(quán)利要求
1.一種硅加熱元件，包括一個高導熱性的電絕緣基底(A)，該基底(A)上承載著一層硅層(B)和電接點(C)，其特征在于，硅層(B)由多晶或非晶硅組成，而接點是耐高溫的，并且接點熔合到硅層(B)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅加熱元件，其特征在于，電絕緣基底(A)由一種陶瓷材料制成，最好是氧化鈹或氮化鋁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅加熱元件，其特征在于，硅層(B)摻雜了P型或N型半導體摻雜劑，最好摻雜濃度高于1018/cm3，特別是使用硼或磷。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的硅加熱元件，其特征在于，電接點(C)由耐熔金屬例如鉬和錳的合金的接點層(C′)和第二耐溫材料(C″)組成，接點層(C′)與電絕緣基底(A)接觸，第二耐溫材料(C″)熔合在接點層(C′)上。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一權(quán)利要求所述的硅加熱元件，其特征在于，硅層(B)以確保一個予定的電阻的方式成型或蝕刻，最好是曲波形狀。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一權(quán)利要求所述的硅加熱元件，其特征在于，硅層(B)被絕緣的防護層D所覆蓋，最好是二氧化硅防護層。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一權(quán)利要求所述的硅加熱元件，其特征在于，它具有至少一個與另一個硅加熱元件共用的電接點(C)，這些加熱元件是串聯(lián)或并聯(lián)連接的，并且最好疊層在一起。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的硅加熱元件，其特征在于，它安置在一個高導熱性的金屬基底(E)上，最好是鋁基座。
9.利用上述權(quán)利要求中的任一權(quán)利要求所述的硅加熱元件作為溫度傳感器。
10.一種制造硅加熱元件的方法，其中，將一硅層(B)涂敷在一個高導熱性的電絕緣基底(A)上，將電接點(C)連接到硅層(B)上，其特征在于，硅層(B)由多晶或非晶硅組成，并且是沉積在電絕緣基底(A)上的薄層(B)(最好在0.1到1μm的范圍內(nèi))，硅層(B)在其沉積的過程中或者在沉積以后用P型或N型半導體摻雜劑進行摻雜，最好摻雜濃度高于1018/cm3。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，通過光刻或者用一種分離劑將硅層制成具體的形狀，最好制成曲波形。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于，硅層(B)上覆蓋一層薄的防護層(D)，最好是二氧化硅防護層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，在大約1000℃到1150℃的溫度下，特別是在水蒸汽氣氛中，將硅層(B)氧化，最好在將硅層(B)沉積到絕緣基底(A)過程的同時或者在沉積以后進行摻雜。
14.根據(jù)權(quán)利要求10到13中的任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于下列步驟-在沉積硅層(B)之前，在絕緣基底(A)的端部熔合一層耐熔金屬層(C′);-在絕緣基底(A)和耐熔金屬層(C′)上沉積硅層(B);-利用掩膜，將耐熔金屬層(C′)位置上的硅層(B)蝕刻掉一部分;-將電接點(C″)熔合到具有一定形狀的硅層(B)上和金屬層(C′)上。
全文摘要
一種硅加熱元件，包括一個高導熱性的電絕緣基底(A)，該基底(A)承載著一硅層(B)和電接點(C)，最好用氧化鈹或氮化鋁來制作基底(A)。硅層(B)由多晶或非晶硅組成，其中摻雜P型或N型半導體摻雜劑，最好摻雜濃度高于10
文檔編號H05B3/03GK1068006SQ91105300
公開日1993年1月13日 申請日期1991年6月27日 優(yōu)先權(quán)日1991年6月27日
發(fā)明者博日達·佐里奇, 佩塔爾·比揚諾維奇, 茲德拉夫科·本德科維奇 申請人:比羅工程師企業(yè)公司