能量转换装置及形成其的方法制造方法及图纸

各种实施例可以提供形成能量转换装置的方法。该方法可以包括在半导体基板的第一表面上形成电解质层。该方法也可以包括使用深反应性离子蚀刻而在半导体基板的第二表面上形成腔穴。方法可以进一步包括藉由进行一或更多次湿式蚀刻而放大该腔穴，如此则放大的腔穴至少部分由垂直的排列所界定，该排列包括：半导体基板的第一侧向腔穴表面，其实质沿着第一方向而延伸；以及半导体基板的第二侧向腔穴表面，其邻接第一侧向腔穴表面。方法可以包括在电解质层的第一表面上形成第一电极，以及在电解质层的第二表面上形成第二电极。

Energy conversion device and the method to form it

Various embodiments may provide a method of forming an energy conversion device. The method may include the formation of an electrolyte layer on the first surface of the semiconductor substrate. The method may also include the formation of cavities on the second surface of the semiconductor substrate by using deep reactive ion etching. The method may further include one or more times by wet etching and enlarge the cavity, so the amplification cavity is at least partially defined by vertical arrangement, the arrangement comprises a first lateral cavity surface of the semiconductor substrate, it extends along the first direction; and a semiconductor substrate second lateral cavity surface. The adjacent to the first lateral cavity surface. The method may include the formation of a first electrode on the first surface of the electrolyte layer and the formation of a second electrode on the second surface of the electrolyte layer.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】能量转换装置及形成其的方法相关申请的交叉引用本申请主张于2015年5月22日提交的新加坡申请10201504046S的优先权，该申请的内容在此以引用的方式全文并入本申请。
本公开的多样方面涉及能量转换装置及形成其的方法。
技术介绍
固态氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell，SOFC)是有效率的能量转换装置，其可灵活地选择碳氢化合物燃料。目前来说，缩减电解质厚度以减少欧姆电阻已经是进一步改善SOFC在低于500℃的低操作温度下之效能的有效方式。为了将电解质厚度巨幅减少到纳米尺度，SOFC已经成功利用了使用化学蚀刻之基于硅的微加工工艺。在50到150纳米之间的纳米级厚度的薄膜电解质先前是藉由基于微机电系统(MEMS)的微加工工艺而以原子层沉积(atomiclayerdeposition，ALD)、溅镀或脉冲式激光沉积(pulsedlaserdeposition，PLD)来制作。进一步而言，也报导了由氧化钇稳定化之氧化锆(yttria-stabilizedzirconia，YSZ)电解质的燃料电池效能，其在500℃具有每平方厘米高于1000毫瓦的较优功率密度。无论如何，由于隔膜上有严重的残留应力，故具有纳米尺度薄电解质的成功的低温SOFC目前仅在迷你尺度下是可行的。50纳米厚的自立式YSZ隔膜典型而言局限在仅几百微米的侧向尺度，这限制了可得的电化学作用面积。虽然其他地方已经报导了在减少温度下有较优的功率密度，但是此种SOFC的微小度导致仅在微瓦级的不显著功率输出，因而限制了它们作为实际电源的应用。单纯放大此种薄隔膜的尺寸以增加表面积几乎是不实际的。因此，放大具有稳健隔膜机械强度之纳米薄膜YSZ隔膜SOFC的有效方法便是较高总功率输出的首要条件。为了在局限尺度里使电化学作用面积达到最大，已经制作了自立式阵列的微固态氧化物燃料电池(μ-SOFC)。藉由从预先图案化的硅基板生成自立式皱折的YSZ电解质膜，则硅晶圆上的表面利用度显著增加了30％到64％。600微米乘以600微米的阵列在低于500℃的温度下传递3.1毫瓦的较高总功率输出。然而，由于单个电池的特色在于自立的和杯状的结构，故有许多几何不连续，其可以是机械弱点。在方形模板上排成阵列的电池可以经历非均匀的隔膜应力分布。尤其，在经历的应力集中为最高的每个角落附近的电池可以受损，而导致隔膜在燃料电池操作期间失效。Kerman等人(K.Kerman、T.Tallinen、S.Ramanathan和L.Mahadevan，电源期刊，2013年，第222期，第359～366页)藉由数值模拟而报导方形薄膜SOFC边界附近的应力行为，并且确认应力高度集中在方形隔膜的角落。Su等人(P.C.Su和F.B.Prinz，电化学通讯，2012年，第16期，第77～79页)提出具有硅支持层的电解质隔膜阵列μ-SOFC以改善阵列隔膜的机械稳定性。单个电池是由包围的单晶硅所支持，并且成功示范了6毫米乘以6毫米的方形YSZ隔膜电解质阵列。无论如何，这结构在方形模板的每个角落仍具有应力集中点。
技术实现思路
本公开的多样方面提供形成能量转换装置的方法。方法可以包括在半导体基板的第一表面上形成电解质层。方法也可以包括使用深反应性离子蚀刻而在半导体基板的第二表面上形成腔穴。方法可以进一步包括藉由进行一或更多次湿式蚀刻而放大该腔穴，如此则放大的腔穴至少部分由垂直的排列所界定，该排列包括：半导体基板的第一侧向腔穴表面，其实质沿着第一方向而延伸；以及半导体基板的第二侧向腔穴表面，其邻接第一侧向腔穴表面。第二侧向腔穴可以实质沿着不同于第一方向的第二方向而延伸。方法可以额外包括在电解质层的第一表面上形成第一电极。方法也可以包括在电解质层的第二表面上形成第二电极。在各个实施例中，可以提供能量转换装置。能量转换装置可以包括半导体基板，其具有第一表面和相对于第一表面的第二表面。半导体基板可以包括在第二表面上的放大的腔穴。放大的腔穴可以至少部分由垂直的排列所界定，该排列包括：第一侧向腔穴表面，其实质沿着第一方向而延伸；以及第二侧向腔穴表面，其邻接第一侧向腔穴表面。第二侧向腔穴表面可以实质沿着不同于第一方向的第二方向而延伸。能量转换装置也可以包括在半导体基板之第一表面上的电解质层。能量转换装置可以额外包括在电解质层之第一表面上的第一电极。能量转换装置也可以包括在电解质层之第二表面上的第二电极。【附图说明】当配合非限制性范例和伴随图式来考虑而参考【实施方式】时，将更好理解本专利技术。图1是图解，其示范可以根据各实施例所提供的形成能量转换装置的方法；图2是示意图，其显示根据各实施例的能量转换装置；图3A是示意图，其显示在使用氢氧化钾(KOH)蚀刻来蚀刻之前的结构仰视图，其中基板是由例如氮化硅(Si3N4)的介电层所覆盖；图3B是示意图，其显示图3A所示结构的侧视图；图3C是示意图，其显示在使用氢氧化钾(KOH)蚀刻来蚀刻之后的结构侧视图；图3D是结构的光学影像；图4A是示意图，其显示根据各实施例而在使用氢氧化钾(KOH)蚀刻来蚀刻之前的结构仰视图，其中基板是由例如氮化硅(Si3N4)的介电层所覆盖；图4B是示意图，其显示图4A所示结构的侧视图；图4C是示意图，其显示根据各实施例而在使用氢氧化钾(KOH)蚀刻来蚀刻之后的结构侧视图；图4D是根据各实施例的结构的光学影像；图5A是示意图，其示范根据各实施例而硅晶圆正被蚀刻的侧视图；图5B是影像，其显示根据各实施例的晶圆表面的俯视图；图5C是示意图，其示范根据各实施例的介电层正形成在晶圆上的晶圆侧视图；图5D是示意图，其示范根据各实施例的电解质层正形成于硅晶圆顶面上方的晶圆侧视图；图5E是示意图，其示范根据各实施例的当中腔穴被放大的晶圆侧视图；图5F是影像，其显示根据各实施例的在湿式蚀刻之后从底部来看的圆形阵列状电池；图5G是示意图，其示范根据各实施例的当中放大的腔穴所暴露的介电层也被蚀刻的晶圆侧视图；图5H是影像，其显示根据各实施例的在1.5毫米乘以1.5毫米的硅芯片上的圆形阵列；图5I是示意图，其示范根据各实施例的形成有电极的晶圆侧视图；图6A显示根据各实施例的微固态氧化物燃料电池(μSOFC)的示意图和影像；图6B显示摄自底部的影像，其显示根据各实施例的不同平面和电池阵列；图6C是影像，其显示根据各实施例而在(100)平面和电池阵列之间的转变；图7A是根据各实施例的圆形微固态氧化物燃料电池(μSOFC)的电压(伏特)/功率密度(毫瓦/平方厘米)对电流密度(毫安/平方厘米)的图形；图7B是根据各实施例的微固态氧化物燃料电池(μSOFC)的开路电压(伏特)对持续时间(小时或h)的图形，其显示开路电压稳定性；图7C是影像，其显示根据各实施例而在开路电压(opencircuitvoltage，OCV)测试之后的电池阴极侧；图7D是影像，其显示根据各实施例而在开路电压(OCV)测试之后的电池阳极侧；图8A是开路电压(伏特)/温度(℃)对热循环次数的图形，其显示根据各实施例而在热循环测试期间具有适度热循环(每分钟10℃)之装置的开路电压改变；图8B是开路电压(伏特)/温度(℃)对热循环次数的图形，其显示根据各实施例而在热循环测试期间具有剧烈热循环本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成能量转换装置的方法，该方法包括：提供半导体基板，其具有第一表面和相对于该第一表面的第二表面；在该半导体基板的该第一表面上形成电解质层；使用深反应性离子蚀刻，在该半导体基板的该第二表面上形成腔穴；藉由进行或更多次湿式蚀刻而放大该腔穴，使得放大的该腔穴系至少部分由垂直的排列所界定，该排列包括：该半导体基板的第一侧向腔穴表面，其实质沿着第一方向而延伸；以及该半导体基板的第二侧向腔穴表面，其邻接该第一侧向腔穴表面，该第二侧向腔穴实质沿着不同于该第一方向的第二方向而延伸；在该电解质层的第一表面上形成第一电极；以及在该电解质层的第二表面上形成第二电极。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.22 SG 10201504046S1.一种形成能量转换装置的方法，该方法包括：提供半导体基板，其具有第一表面和相对于该第一表面的第二表面；在该半导体基板的该第一表面上形成电解质层；使用深反应性离子蚀刻，在该半导体基板的该第二表面上形成腔穴；藉由进行或更多次湿式蚀刻而放大该腔穴，使得放大的该腔穴系至少部分由垂直的排列所界定，该排列包括：该半导体基板的第一侧向腔穴表面，其实质沿着第一方向而延伸；以及该半导体基板的第二侧向腔穴表面，其邻接该第一侧向腔穴表面，该第二侧向腔穴实质沿着不同于该第一方向的第二方向而延伸；在该电解质层的第一表面上形成第一电极；以及在该电解质层的第二表面上形成第二电极。2.根据权利要求1所述的方法，其中该第二侧向腔穴表面以一角度从该半导体基板的该第一表面延伸，该角度选自于约3°到约4°的范围。3.根据权利要求1所述的方法，其中该第二侧向腔穴表面是肩部区域，其实质平行于该半导体基板的该第一表面而延伸；以及其中放大的该腔穴进一步由邻接该第二侧向腔穴表面的第三侧向腔穴表面所界定，使得该第二侧向腔穴表面在该第一侧向腔穴表面和该第三侧向腔穴表面之间。4.根据前面任一项权利要求所述的方法，其进一步包括：在形成该电解质层之前，在该半导体基板的该第一表面上形成多个沟槽。5.根据前面任一项权利要求所述的方法，其进一步包括：在形成该电解质层之前，在该半导体基板的该第一表面上形成第一介电层，以及在该半导体基板的该第二表面上形成第二介电层。6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括：移除该第二介电层的一部分，使得该半导体基板的该第二表面的一部分被暴露以形成该腔穴。7.根据权利要求6所述的方法，其中该第二介电层的该部分是使用反应性离子蚀刻而移除的。8.根据前面任一项权利要求所述的方法，其中该一次或多次湿式蚀刻包括在第一温度进行的第一湿式蚀刻和在低于该第一温度的第二温度进行的第二湿式蚀刻。9.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏培珍，尹勇轸，白宗大，
申请(专利权)人：南洋理工大学，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG