技术领域
[0001] 本公开总体上涉及一种用于直接测量
热能传递的梯度热通量传感器“GHFS”。更具体地，本公开涉及一种用于制造梯度热通量传感器的方法。
背景技术
[0002] 热通量传感器被用在其中局部热通量测量可能比
温度测量更重要的各种动
力工程应用中。热通量传感器能够基于多个热电结，使得数十、数百或甚至数千个热电结被
串联连接。作为另一个实例，热通量传感器能够基于其中通过
塞贝克效应从热通量产生热电动势的一个或多个
各向异性元件。由于各向异性，温度梯度具有在两个方向上的分量：沿着通过传感器的热通量的分量，和横过通过传感器的热通量的分量。产生的电动势与横
过热通量的温度梯度分量成比例。热通量传感器被称为梯度热通量传感器“GHFS”，因为它产生与横过热通量的上述温度梯度分量成比例的电输出
信号。各向异性能够用适当的各向异性材料(例如单晶铋)来实现。基于单晶铋的梯度热通量传感器的缺点在于：由于铋的低熔点，它们不适合于在高温下的热通量测量。
[0003] 用于实现各向异性的另一种选择是多层结构，其中，各个层相对于用于接收热通量的梯度热通量传感器的表面倾斜。该多层结构可以包括第一层和第二层，使得第二层与第一层交错。第一层能够例如由
半导体材料制成，并且第二层能够例如由金属或金属
合金或者与第一层的半导体材料不同的半导体材料制成。基于多层结构的梯度热通量传感器的操作温度的上限能够显著高于基于铋的热通量传感器的操作温度的上限。基于多层结构的梯度热通量传感器的进一步细节能够例如从以下文章中找到：关于工业
电子学的电气与电子工程师协会“IEEE”学报(第60卷，第4852–4860页，2013年)，Hanne K.Jussila、Andrey V.Mityakov、Sergey Z.Sapozhnikov、Vladimir Y.Mityakov和Juha 的“Local Heat Flux Measurement in a Permanent Magnet Motor at No Load(永磁
电动机在无负载时的局部热通量测量)”。
[0004] 然而，基于上述类型的多层结构的梯度热通量传感器并非没有挑战。其中一个挑战与通常难以适应规模生产的制造工艺有关。因此，基于多层结构的梯度热通量传感器的单价可能很高。高单价又限制了梯度热通量传感器在批量生产产品中的使用。
发明内容
[0005] 下面给出简化的概述，以提供对各种本发明
实施例的某些方面的基本理解。该概述不是本发明的广泛概述。它既不旨在标识本发明的关键或重要元素，也不旨在描绘本发明的范围。以下概述仅以简化形式呈现本发明的一些概念，作为对本发明的示例性实施例的更详细描述的序言。
[0006] 在本文中，词语“几何”在用作前缀时表示几何概念，它不一定是任何物理对象的一部分。几何概念能够例如是几何点、笔直或弯曲的几何线、几何平面、非平面几何表面、几何空间，或者零维、一维、二维或三维的任何其它几何实体。
[0007] 根据本发明，提供一种了新的用于制造基于多层结构的梯度热通量传感器的方法，在该多层结构中，各个层相对于用于接收热通量的该梯度热通量传感器的表面倾斜。
[0008] 根据本发明的方法包括：
[0009] -在平面表面上沉积半导体层，
[0010] -从该半导体层移除材料以便形成相互平行的半导体凸脊，这些半导体凸脊彼此分开且具有第一
侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁相对于所述平面表面倾斜并面向第一方向，所述第二侧壁面向不同于第一方向的第二方向，并且随后
[0011] -用包括金属的一种或多种材料填充相邻的半导体凸脊之间的间隙，使得i)在半导体凸脊的至少第一侧壁上形成金属-半导体
接触结(contact junctions)，并且ii)由该一种或多种材料构成且位于不同间隙中的间隙填料彼此分开，使得位于不同间隙中的所述间隙填料的金属彼此之间没有金属接触。
[0012] 上述半导体凸脊和所述间隙填料构成各向异性金属-半导体多层结构，以响应于沿着与所述平面表面垂直的方向通过该各向异性结构的热通量而在垂直于半导体凸脊并与上述平面表面平行的方向上形成电动势。该各向异性金属-半导体多层结构还能够用作热元件(thermoelement)，当
电流在垂直于半导体凸脊并与所述平面表面平行的方向上被驱动通过该热元件时，该热元件在垂直于所述平面表面的方向上从该热元件的第一侧向该热元件的第二侧传递热量。
[0013] 在根据本发明的例示性且非限制性实施例的方法中，上述间隙填料是通过以下方式形成的：
[0014] -在半导体凸脊的第一侧壁上沉积金属层，而留下第二侧壁未被
覆盖，使得这些金属层彼此分开，并且随后
[0015] -用构成半导体填料的半导体材料填充所述间隙，使得位于不同间隙中的半导体填料彼此分开。
[0016] 上述方法的方法阶段类似于例如用于制造集成
电路“IC”的现有方法的方法阶段。因此，该方法适合于批量生产。
[0017] 所述半导体凸脊例如能够用湿法蚀刻技术来形成，该湿法蚀刻技术产生所述半导体凸脊的倾斜的侧壁。然而，也能够使用其它方法从半导体层移除材料以便形成所述半导体凸脊的倾斜的侧壁。因此，上述方法利用了这种材料移除技术(例如湿法蚀刻，其产生凹槽和空穴的非竖直的(即，倾斜的)侧壁)的固有性质。在本文中，术语‘竖直’是指与在其上沉积半导体层的所述平面表面垂直的方向。
[0018] 在所附从属
权利要求中描述了本发明的各种例示性且非限制性实施例。
[0019] 当结合
附图来阅读时，从以下对具体的例示性且非限制实施例的描述中，将最好地理解关于构造和操作方法的、本发明的各种例示性且非限制性实施例及其另外的目的和优点。
[0020] 动词“包括”和“包含”在本文中是作为开放式限定来使用的，既不排除也不要求存在未叙述的特征。除非另有明确说明，否则，
从属权利要求中记载的特征可以相互自由组合。此外，应该理解，贯穿本文，使用的“一”或“一个”(即单数形式)并不排除多个。
附图说明
[0021] 下面以示例的方式并且参考附图来更详细地解释本发明的例示性且非限制性实施例以及它们的优点，其中：
[0022] 图1示出了根据本发明的例示性且非限制性实施例的、用于制造梯度热通量传感器的方法的
流程图；
[0023] 图2a、2b、2c、2d、2e和2f示意了通过根据本发明的例示性且非限制性实施例的方法制造的梯度热通量传感器的多个相继的制造阶段；
[0024] 图3示意了通过根据本发明的例示性且非限制性实施例的方法制造的梯度热通量传感器的结构；
[0025] 图4示意了通过根据本发明的例示性且非限制性实施例的方法制造的梯度热通量传感器的结构；
[0026] 图5示意了通过根据本发明的例示性且非限制性实施例的方法制造的梯度热通量传感器的结构；
[0027] 图6示意了通过根据本发明的例示性且非限制性实施例的方法制造的梯度热通量传感器的结构；并且
[0028] 图7示意了通过根据本发明的例示性且非限制性实施例的方法制造的梯度热通量传感器的结构。
具体实施方式
[0029] 在以下描述中提供的具体示例不应被解释为限制所附权利要求的范围和/或适用性。除非另有明确说明，否则，
说明书中提供的示例的列表和组并不是穷尽的。
[0030] 图1示出了根据本发明的例示性且非限制性实施例的、用于制造梯度热通量传感器的方法的流程图。图2a、2b、2c、2d、2e和2f示意了该梯度热通量传感器的多个相继的制造阶段。在图1中所示的阶段101中，该方法包括：在平面表面上沉积半导体层。在图2a中，该半导体层由附图标记210表示。半导体层210的材料例如能够是n掺杂
硅或p掺杂硅。在这种例示情形中，电绝缘层214被沉积在
基板215上，之后，半导体层210被沉积在该电绝缘层上。取决于基板215和半导体层210的材料，半导体层210也能够直接沉积在基板215上。
[0031] 在图1中所示的阶段102中，该方法包括：从半导体层210移除材料以便形成相互平行的半导体凸脊。在图2b至图2f中，所述半导体凸脊由附图标记211表示。如图2b中所示，半导体凸脊211具有面向第一方向的第一倾斜侧壁和面向不同于第一方向的第二方向的第二侧壁。在图2b中，第一倾斜侧壁由附图标记225表示。如图2b中所示，半导体凸脊211的倾斜侧壁225相对于
坐标系299的竖直xz平面、即相对于与电绝缘层214的所述平面表面垂直且与半导体凸脊211的纵向方向平行的竖直几何平面倾斜。
[0032] 用于形成上述半导体凸脊211的、在图2a所示的结构上制成的凹槽如此之深，使得半导体凸脊211彼此分开。半导体凸脊211例如能够使用湿法蚀刻技术来形成。湿法蚀刻例如能够是各向同性湿法蚀刻，其提供了诸如图2b至图2f中示出的半导体凸脊的圆化边缘。各向同性湿法蚀刻能够基于例如
氟化氢酸、
硝酸或乙酸。在半导体层210具有适当的
晶体结构(例如<100>)的情况下，半导体凸脊211能够使用各向异性湿法蚀刻来形成，其提供了比用各向同性湿法蚀刻形成的那些倾斜侧壁更平坦的倾斜侧壁。也能够用旨在提供倾斜侧壁的各向异性干法蚀刻、例如倾斜DRIE工艺(其中，DRIE是指深度反应离子蚀刻)来形成半导体凸脊211。
[0033] 在图1中所示的阶段103中，该方法包括：填充相邻的半导体凸脊之间的间隙，以便在半导体凸脊的上述第一侧壁上形成金属-半导体接触结。所述间隙被填充，使得形成到这些间隙中的间隙填料彼此分开。在图2e和图2f中，所述间隙填料由附图标记230表示。间隙填料230被彼此分开，因为间隙填料230之间的接触会干扰或甚至阻止该梯度热通量传感器的操作(这是由于它们会至少部分地
短路通过塞贝克效应从热通量产生的电动势)。
[0034] 在图1中和图2a-图2f中示出的例示性情形中，用于填充所述间隙的阶段103包括子阶段103a和103b。子阶段103a包括在半导体凸脊的上述第一侧壁上沉积金属层，而留下上述第二侧壁未被覆盖。在图2c中，所述金属层由附图标记212表示。如图2c中所示，这些金属层彼此分开。所述金属层能够由例如
铝、
铜、钼、康斯坦铜镍合金(constantan)、镍铬合金或某些其它适当的金属制成。子阶段103b包括：用半导体材料填充相邻的半导体凸脊之间的间隙，使得填充所述间隙的该半导体材料构成彼此分开的半导体填料。在图2e中，所述半导体填料由附图标记213表示。半导体填料213有利地是与半导体凸脊211相同的材料，或者是具有与半导体凸脊211的材料类似的
导电性和
塞贝克系数特性的材料。半导体填料213的材料例如能够是n掺杂硅或n掺杂硅。半导体填料213能够由
外延硅或
多晶硅制成。在图2a至图2f中所示的例示性情形中，通过在包括半导体凸脊211和金属层212的结构上沉积半导体层并随后从该半导体层移除材料来形成半导体填料213。在图2d中，上述半导体层由附图标记216表示。上述半导体凸脊211、金属层212和半导体填料213构成各向异性金属-半导体多层结构，用于响应于在与坐标系299的z轴平行的方向上通过该各向异性结构的热通量而沿着与坐标系299的y轴平行的方向形成电动势。
[0035] 在根据本发明的例示性且非限制性实施例的方法中，半导体层216和因此半导体填料213在半导体凸脊的纵向方向上、即在坐标系299的x方向上比半导体凸脊211短，从而所述间隙的端部区域保持未被填充。此方案在以下情形中是有利的：即，如果半导体层216被沉积为完全覆盖包括半导体凸脊211和金属层212的结构，则会存在相邻的半导体填料213将由于工艺的不理想而在半导体凸脊的端部区域上彼此接触的
风险。半导体填料213之间的不希望的接触会干扰或甚至阻止该梯度热通量传感器的操作，因为它们将至少部分地短路通过塞贝克效应从热通量产生的电动势。用于避免不希望的接触的其它方法(例如沟槽隔离或绝缘材料结构)也是可能的。此外，还可以实施专用掩模图案和随后的蚀刻阶段，以移除过量半导体填料材料。
[0036] 根据本发明的例示性且非限制性实施例的方法进一步包括：在包括半导体凸脊211、金属层212和半导体填料213的结构的顶部上沉积电绝缘层。在图2f中，上述电绝缘层由附图标记217表示。
[0037] 图3示意了通过根据本发明的例示性且非限制性实施例的方法制造的梯度热通量传感器的结构。在该例示性情形中，每一个金属层312被沉积在相应一个半导体凸脊311的一个侧壁上和所述的该半导体凸脊的基本平坦的顶表面上。此外，每个半导体凸脊的金属层312与相邻的半导体凸脊的基部接触。如图3中所示，相邻的半导体凸脊311之间的间隙被填充有半导体填料313。
[0038] 图4示意了通过根据本发明的例示性且非限制性实施例的方法制造的梯度热通量传感器的结构。该梯度热通量传感器尤其包括半导体凸脊411、覆盖每个半导体凸脊的一个倾斜侧壁的金属层412、以及在相邻的半导体凸脊之间的半导体填料413。图4中所示的梯度热通量传感器的结构在其它方面类似于图2f中所示的结构，但是半导体凸脊411具有比图2f中所示的半导体凸脊211的横截面轮廓更呈圆形的横截面轮廓。在根据本发明的不同实施例的梯度热通量传感器中，半导体凸脊的横截面轮廓能够具有如下形状：三
角形，梯形，如图2b-2f和图3中所示的具有弯曲侧边的改型梯形，如图4中所示的钟形曲线，或者提供倾斜侧壁并且可用适当的材料移除工艺(例如湿法蚀刻)实现的另一种形状。
[0039] 图5示意了通过根据本发明的例示性且非限制性实施例的方法制造的梯度热通量传感器的结构。在该例示性情形中，所述方法包括在同一个基板上构造很多个各向异性多层结构518、519、520、521和522，用于响应于在与坐标系599的z轴平行的方向上通过各向异性多层结构518-522的热通量而形成电动势。在该例示性情形中，所述方法进一步包括串联地电连接各向异性多层结构518-522，使得
电压U指示通过各向异性多层结构518-522的总热通量。各向异性多层结构518-522借助于
电连接器523被串联连接。还可能的是，上述类型的各向异性多层结构被并联地电连接，或者以混合连接而电连接，其中，例如多组串联连接的各向异性多层结构被并联连接或多组并联连接的各向异性多层结构被串联连接。各向异性多层结构518-522的半导体凸脊能够通过以下方式来制成：形成相互平行的具有倾斜侧壁的第一凹槽，然后，形成相互平行的与第一凹槽垂直的第二凹槽524，以便将相邻的各向异性多层结构彼此分开。在图5中，第一凹槽且因此所述半导体凸脊与坐标系599的x方向平行，而第二凹槽与坐标系599的y方向平行。在图5中，交叉阴影区域指示了在半导体凸脊的适当的倾斜侧壁上沉积的金属层的
位置。
[0040] 图6示意了通过根据本发明的例示性且非限制性实施例的方法制造的梯度热通量传感器的结构。该梯度热通量传感器尤其包括半导体凸脊611和在半导体凸脊611之间的间隙填料630。在该例示性情形中，半导体凸脊611的第一侧壁是倾斜的，但第二侧壁基本垂直于其上形成有半导体凸脊611的平面表面，即，半导体凸脊611的第二侧壁基本与坐标系699的xz平面平行。通过用金属(例如可以是铝、铜、钼、康斯坦铜镍合金、镍铬合金或某些其它适当的金属)填充半导体凸脊611之间的间隙来形成间隙填料630。由于在半导体凸脊的第一侧壁上的倾斜的金属-半导体接触结，响应于在与坐标系699的z轴平行的方向上穿过该梯度热通量传感器的热通量，在与坐标系699的y轴平行的方向上产生电动势。由于第二侧壁基本竖直，所以在第二侧壁的金属-半导体接触结上产生的反电动势是小的，因此，该反电动势不会抵消在第一侧壁上的金属-半导体接触结处产生的电动势。
[0041] 图7示意了通过根据本发明的例示性且非限制性实施例的方法制造的梯度热通量传感器的结构。该梯度热通量传感器尤其包括半导体凸脊711和在半导体凸脊711之间的间隙填料730。在该例示性情形中，通过以下方式形成间隙填料730：在半导体凸脊711的第一侧壁上沉积第一金属的层731，而留下第二侧壁未被覆盖，然后，用不同于第一金属的第二金属填充第一金属层与第二侧壁之间的间隙。第一金属例如能够是铝、铜、钼、康斯坦铜镍合金、镍铬合金或一些其它适当的金属。第二金属例如能够是铜、钼、康斯坦铜镍合金、镍铬合金、铝或不同于第一金属的一些其它适当的金属。所述半导体凸脊的材料、第一金属和第二金属被选择为使得：响应于在与坐标系799的z轴平行的方向上穿过该梯度热通量传感器的热通量，在与坐标系799的y轴平行的方向上产生净电动势。
[0042] 在上文给出的描述中提供的具体示例不应被解释为限制所附权利要求书的适用性和/或解释。应该指出，除非另有明确说明，否则，在本文中给出的示例的列表和组是非穷尽的列表和组。
