(57)【要約】  直列接続された帯状部品（２Ａ、３Ａ）の２つのグループ（２、３）が上に形成されている可撓性の箔（１）を備え、そこで、２つのグループの部品（２Ａ、３Ａ）のために選ばれた材料が異なる熱電係数を有する材料であり、一方のグループ（２）の１つの部品（２Ａ）と他方のグループ（３）の別の部品（３Ａ）との間の接続部（４）が箔（１）の２つの間隔を開けて離れた領域（Ｇ１、Ｇ２）に交互に位置付けされるように、前記２つのグループの部品がパターン（１００）に形成されており、さらに、基板（５）に部品（２Ａ、３Ａ）を形成した後で、箔（１）が帯状部品（２Ａ、３Ａ）に取り付けられ、その後で基板（５）が除去された熱電デバイス（１０）、特に熱電発電機（１０）を製造する方法に、本発明は関する。本発明に従って、基板（５）に硬質（＝比較的厚い）基板（５）が使用され、基板（５）が除去される前に硬質（＝比較的厚い）支持板（６）が箔（１）に取り付けられ、その硬質支持板は硬質基板（５）の除去後に箔（１）から再び除去される。このように、本方法は、化学機械研磨で素早く除去することができる半導体基板（５）の使用に特に適している。好ましくは、デバイス（１０）の付いた箔（１）は、使用前に、折り畳まれるか、または巻かれる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された帯状部品の２つのグループが上に設けられている可撓性箔を備え、前記２つのグループの部品のために選ばれた材料が異なる熱電係数を有し、一方のグループの部品と他方のグループの別の部品との間の接続部が互いに離れた所に位置する前記箔の２つの領域のうちの１つにいつも交互に位置するように前記グループの部品がパターンに形成されており、さらに、基板に前記帯状部品を設けた後で、前記箔が前記帯状部品の上に設けられ、その後で前記基板が除去された熱電デバイスを製造する方法であって、前記基板に硬質基板が使用され、かつ前記硬質基板の除去の前に硬質支持板が前記箔に取り付けられ、その硬質支持板は前記硬質基板が除去された後で前記可撓性箔から再び除去されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記硬質基板の少なくともより大きな部分が、研削によって除去されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記支持板が接着層によって前記箔に取り付けられ、前記基板の除去後に、前記箔を引っ張って前記接着層から自由にすることで、前記箔が除去されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記接着層の材料に、１，６ヘキサンジオールジアクリレート（ＨＤＤＡ）が接着剤として使用され、そして前記箔の材料にポリイミドが使用されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記基板に半導体基板が使用されることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
帯状部品の前記グループの少なくとも１つの材料に、半導体材料が使用されることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
多結晶シリコン層が上に堆積されている分離層を備えた単結晶シリコン基板が、前記基板に使用されることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
酸素原子の打ち込みによって埋め込み酸化物層が形成されかつ前記酸化物層の下に位置する単結晶シリコン基板の一部で、前記基板が形成されることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
帯状部品の２つの直列接続グループのいくつかが、前記箔に形成された２個の帯状導体の間に並列に配列されていることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記箔が折り畳まれるか、または巻かれており、前記折畳みまたは巻くことが、帯状部品の前記２つの相互接続グループの前記接続部が２つの間隔を開けて離れた位置に依然としてあるようなやり方で、前記畳み込みまたは巻きが行われることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれかに記載されるような方法によって得られた熱電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直列接続された帯状部品の２つのグループがその上に設けられている可撓性の箔を備える熱電デバイスを製造する方法に関し、その２つのグループの部品用に選ばれた材料は異なる熱電係数を有し、前記グループの部品は、一方のグループの部品と他方のグループの他の部品の間の接続部が互いに離れた所に位置している箔の２つの領域の１つにいつも交互に位置しており、さらに、基板上に帯状部品を設けた後で箔が帯状部品の上に設けられ、その後で基板が除去される。そのような方法で得られたデバイスは、バッテリ電源の魅力的な代替品を構成する。そのようなデバイスの場合、デバイスの近傍に存在する温度差だけが、このデバイスを発電機として動作させるために使用される。電源のような電気回路網を介してデバイスを元に戻すことまたは充電することは必要ない。
【背景技術】
【０００２】
そのような方法は、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．と略される）、１１（２００１）ｐｐ．１４６−１５２に発表されたＷｅｎｍｉｎ  Ｑｕ等による「Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ  ｏｎ  ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｆｏｉｌ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ  ａｓ  ａ  ｐｏｗｅｒ  ｓｏｕｒｃｅ  ｆｏｒ  ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ  ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ」という名称の発表から知られている。前記の発表において（１４７ページ、左手欄を参照されたい）、アンチモン（Ｓｂ）とビスマス（Ｂｉ）の帯状部品のグループが、熱電発電機としての使用に望ましいパターンに従って、電着によって、厚さ５０μｍの可撓性銅箔にどのようにして取り付けられるかについての説明が与えられている。その後、帯状部品はエポキシ膜を回転塗布され、そこで、エポキシ膜の硬化後、帯状部品は埋め込まれる。最後に、可撓性銅箔は、エッチングによって除去される。
【０００３】
知られているデバイスの欠点は、銅箔でなく半導体基板のような硬質基板の使用にあまり適していない点にある。そのような半導体基板は、しばしば１００μｍを超え、またしばしば５００μｍより上でさえあるその厚さのために、比較的硬質である。半導体基板の使用は、半導体材料を含む帯状部品の１つまたは複数の材料を有するデバイスをより簡単に形成することができるという有利点を有する。半導体基板の比較的大きな厚さのために、前記基板のエッチングは比較的時間がかかり、このことは好ましくない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の目的は、半導体基板のような比較的硬質でしたがって厚い基板の使用に適し、それにもかかわらず高速を可能にする方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
これを達成するために、本発明に従って、冒頭段落で言及された型式の方法は、基板に硬質基板が使用されかつその硬質基板の除去前に硬質支持板が箔に取り付けられ、その硬質支持板は硬質基板が除去された後で可撓性箔から再び除去されることを特徴とする。本発明は、先ず第１に、基板が除去される前に箔に硬質支持板を設けることによって、硬質支持板の存在のために基板の段階的な除去中に、デバイスは常に硬質のままであるという認識に基づいている。さらに本発明は、これによって硬質基板を除去するために研削技術の使用が可能になるという認識に基づいている。そのような技術は化学エッチング技術よりも遥かに速いので、基板または少なくともそれのほとんどの部分は、非常に素早く除去することができる。硬質基板の除去後、再び硬質支持板を除去することができ、これによって結果として、帯状部品のグループを備え、かつ熱電発電機として作用することができる可撓性（合成樹脂）箔が生じる。硬質支持板に、例えばガラス板または石英板を使用することができる。本明細書で使用されるような硬質という用語は、「曲がらない、または少なくとも容易に曲がらない」を意味するように解釈すべきである。前記の用語は、「可撓性の」という用語に対比する位置にある。同じ材料を使用すると、このことは、硬質物体がこの材料の可撓性物体（箔）よりも実質的に厚いことを意味する。
【０００６】
方法の好ましい実施形態では、したがって、硬質基板の少なくともより大きな部分は研削によって除去される。好ましくは、硬質基板の残りの比較的薄い部分だけが、単に化学エッチング技術によって除去される。これにもかかわらず、本発明に従った方法は依然として非常に速い。この好ましい実施形態では、好ましくは半導体基板が使用される。
【０００７】
好ましくは、硬質支持板が接着層によって箔に取り付けられ、基板の除去後に、箔を引っ張って接着層から自由にすることで、箔が除去される。そのような方法は特に簡単なので、魅力的である。この方法では、接着層の適切な選択によって、一方では、接着層と支持板と合成樹脂箔との間の接着を、本発明に従った方法を実施できるほどに強力にすることができるが、他方では、接着層と箔の間の接着は、箔を引っ張って接着層が取り付けられた支持板から自由にすることで箔を除去できるほどに小さい。この目的に特に適していることが分かった接着層は、１，６ヘキサンジオールジアクリレートを含む。ポリイミドを含む箔およびガラスの基板と組み合わせてこの接着層を使用して、優れた結果が達成された。
【０００８】
先に言及したように、半導体基板を使用することによって、半導体材料から帯状部品の１つまたは複数のグループを製造することがいっそう容易になる。本発明に従った方法の特定の有利点は、帯状部品を多結晶半導体材料でなく単結晶半導体材料で容易に作ることもできることである。そのような単結晶半導体材料の熱電係数は比較的高いが、他方で、電気抵抗は十分に小さいことがある。このようにして得られたデバイスは、適切な熱電発電機を形成し、その上、それの製造は、デバイスの他の構成要素の製造と両立できる。そこで、この構成要素はＩＣ（＝集積回路）のような半導体部品を備えることが多いので、熱電発電機は電源として組み込まれるだろう。さらに、そのような構成要素との一体化は比較的容易である。
【０００９】
本発明に従った方法の魅力のある変形例では、多結晶シリコン層が上に堆積されている分離層を備えた単結晶シリコン基板が基板に使用される。分離層には、熱酸化またはＣＶＤ（＝化学気相成長法）によって形成することができるシリコン酸化物またはシリコン窒化物の層が利用できる。多結晶シリコン層は、例えばＣＶＤによって堆積される。この修正は、得られた方法とデバイスの両方が比較的安価であるという有利点を有する。
【００１０】
他の同じく好ましい変形例では、酸素イオンの打ち込みによって単結晶シリコン基板に埋め込み分離層が形成される。そのとき、硬質基板は、埋め込み層の下に位置するシリコン基板の部分によって形成されるが、一方で、上にある（単結晶！）部分は帯状部品のグループの形成に使用される。埋め込み分離層は、例えばＫＯＨに基づいたエッチング液に対して適切なエッチング停止層を形成するので、硬質基板（の最後の部分）は、エッチングによって、容易に除去することができる。また、埋め込み層は、帯状部品を（電気的に）分離することができる。その上、硬質基板の除去後に、この段階で依然として存在する分離層は、望ましい場合には、デバイスに技術的な改造を行うために使用することができる。
【００１１】
好ましくは、帯状部品の２つの直列接続グループのいくつかが、箔に形成された２個の帯状導体の間に並列に配列されている。このやり方で、製造されたデバイスで供給可能な電力を実質的に増すことができ、デバイスのより大きな応用性をもたらす。好ましくは、箔を特定の方法で折り畳むか巻いた後で、すべての帯状部品の接続部が、（折り畳まれた、または巻かれた）デバイスの２つの間隔を開けて離れた部分または領域に交互に位置するように、帯状部品の並列配列のパターンだけでなく個々のグループの帯状部品のパターンも選ばれる。したがって、デバイスは、小型であることがあり、また既存の温度勾配と容易に接触させることができる。
【００１２】
また、本発明は、本発明に従った方法によって得られた熱電デバイス、特に熱電発電機を含む。
【００１３】
本発明のこれらおよび他の態様は、以下で説明する実施形態から明らかになり、またこの実施形態を参照して説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
これらの図は一定の比率に応じて描かれていないし、さらに、厚さ方向の寸法のようないくつかの寸法は、はっきりさせるために誇張されている。異なる図において、対応する領域または部品は、可能である時はいつでも、同じ参照数字またはハッチングを使用して表されている。
【００１５】
図１は、本発明に従った方法によって製造された熱電デバイスの概略平面図であり、図２は、図１に示すデバイスの線ＩＩ−ＩＩで描かれた厚さ方向の概略断面図である。ここで、デバイス１０は、この場合には帯状である可撓性合成樹脂箔１を備え、この可撓性合成樹脂箔１には、接続部４を介して直列接続された帯状部品２Ａ、３Ａの２つのグループ２、３が埋め込まれている。この場合には、部品２Ａはアルミニウム帯板を備え、部品３Ａは単結晶シリコンを備える。相互接続されたグループ２、３のジグザグ・パターン１００によって、接続部４は、箔の２つの間隔を開けて離れた領域Ｇ１、Ｇ２に交互に位置するようになる。それによって、接続部４は、より温度の低い領域とより温度の高い領域に交互に容易に入れることができる。もちろんそのような温度勾配が存在する限りにおいてである。この場合、帯状半導体部品３Ａは、この場合二酸化珪素でできている２つの分離層８、９の間にさらに埋め込まれる。分離層９は穴を備え、この穴に、シリコン部品３Ａとアルミニウム帯板２Ａの間の接続部４が形成されている。
【００１６】
この例では、デバイス１０は複数のジグザグ・パターン１００、１０１を備え、図にはそのうちの２つだけが示されており、これらのジグザグ・パターンは、並列に配列され、かつ箔１の外側縁部の近くに位置しているアルミニウムの２つの帯状導体２２、２３に接続されている。それによって、熱電発電機１０のキャパシタンスは実質的に増加する。パターン１０１は、この例のデバイス１０を折り畳むことを意図して、パターン１００に対して映されている。
【００１７】
図３から１０は、本発明に従った方法の実施形態による製造の連続する段階における、図１のデバイスの厚さ方向に対して直角に向かった概略断面図である。デバイス１０の製造は、２０Ωｃｍの抵抗率を有する単結晶半導体基板５５の使用に基づき（図３を参照されたい）、そこで、埋め込み分離層８は酸素イオンの打ち込みで形成されている。このように形成された領域５、８、５５Ａの厚さは、この場合、それぞれ６５０μｍ、０．４μｍ、および０．２μｍである。
【００１８】
次に、（図４を参照されたい）、分離層８の上に位置しているシリコン基板５５の部分５５Ａは、この場合には砒素イオンのイオン打ち込みＩによって高濃度にｎ型ドープされている。砒素原子のフラックスは、例えば１０１６原子／ｃｍ２である。
【００１９】
その後、（図５を参照されたい）、ｎ型ドープ部分は、フォトリソグラフィとプラズマ・エッチングとによって大きく除去されて、相互接続された半導体帯板３Ａとまだ用意すべきアルミニウム帯板とで形成されるジグ−ザグ・パターンの部分を形成する山形状パターンで、帯状部品３Ａが配列されている。この例では、例えば、５μｍの幅と３μｍの相互間隔とを有する１２５０個のシリコンの帯板３Ａが形成される。図面に示されているものと違って、ここで帯板３Ａは箔の縁に対して平行に延びている。しかし、図に示すような真のジグ−ザグ構成も実現可能である。図３から１０では、図１のように、２つのジグ−ザグ・パターン１００、１０１の形成だけが示されている。この場合、帯板３Ａの長さはほぼ１ｍｍであり、厚さはほぼ０．２μｍである。ジグ−ザグの全体的な幅は１２５０×８μｍで、１ｃｍである。
【００２０】
次に、二酸化珪素の他の分離層９が、ＣＶＤによってメサ状帯板３Ａを覆って形成される（図６を参照されたい）。この場合、この層９の厚さは０．３μｍである。帯板３Ａの端の上に、例えば２μｍ×２μｍの穴が分離層９にフォトリソグラフィとエッチングによって形成される。その後、この場合厚さ０．７μｍのアルミニウム層が、この場合蒸着によって、形成されるべきデバイス１０を覆って堆積される。フォトリソグラフィとエッチングによって、このアルミニウム層は、帯板２Ａの山形状パターンに形成され、この帯板２Ａは、半導体帯板３Ａの山形状パターンと共に、図１のジグ−ザグ構造を形成する。そのとき、アルミニウム帯板２Ａとシリコン帯板３Ａの間の接続部４は、図１にＧ１とＧ２とによって示される２つの間隔を開けて離れた領域に交互に位置している。デバイス１０の周囲に存在するかまたは加えられた温度勾配がこれらの領域にまたがって存在する場合、そのとき、デバイス１０は発電機として作用する。もちろん、この例では、図１に示す導体トラック２２、２３は、アルミニウム層から同時に形成される。このように、パターン１００、１０１は、これらの導体２２、２３の間に並列配置で組み込まれる。
【００２１】
その後、（図７を参照されたい）、ポリイミド層１が、回転塗布によって、この例では１０μｍの厚さで設けられ、そこに、硬化後、パターン１００、１０１が埋め込まれる。このように、箔１は、この場合、ポリイミド合成樹脂を備える。
【００２２】
次に、（図８を参照されたい）、硬質支持板６、この場合には厚さ３４０μｍのガラス板６が、接着剤によって箔１に取り付けられる。この接着層７は、この場合、前文で言及したＨＤＤＡの厚さ１０μｍの層を備える。
【００２３】
その後、（図９を参照されたい）、ＤＩＳＣＯＴＭ研削機械を使用する研削によって、基板部分５がほとんど除去される。そのとき、形成されるべきデバイス１０は、接着層７に対して映される向きで、図示されない研削機械に位置しており、したがって基板部分５は研削プロセスが行われる上側に位置している。基板５のほぼ６００μｍが研削によって除去される。基板５の残り５０μｍは、この場合にはＫＯＨ水溶液を使用するウェット化学エッチングによって除去され、このプロセスで、分離層８はエッチング停止層として作用する。
【００２４】
最後に、（図１０を参照されたい）、例えば小刀を使用して、箔１がガラス板６の縁に近い接着層７から引き離される。それから、ピンセットを使用して、または手で、箔１は、接着層７が取り付けられたガラス板６から全体を掴まれ、かつ引っ張られる。今や、デバイス１０は、以下で説明するように、巻きまたは折畳みのようなさらに他の処理の用意ができている。
【００２５】
図１１は、図１に示すデバイスの第１の改良例の平面図と一部想像図とを概略で示す。図１のデバイスおよびそれの関連した製造との最も重要な差は、次の通りである。すなわち、この場合に使用された箔は、穴４を備えた予め製造された合成樹脂箔１である。それの一方の側に、図１１に断続線によって示された半導体帯板３Ａが、図３から９に関して述べたように形成される。箔１の他方の側に、アルミニウム帯板２Ａが図７に対応する段階で形成され、この帯板は、箔の穴４を介してシリコン帯板３Ａに接続されている。図１１では、ただ１つのジグ−ザグ・パターン１００だけが示されている。
【００２６】
図１２は、折り畳まれた状態の図１に示すデバイスの概略透視図である。１つか２つの歯付き型を使用して、図１のデバイスを図１２に示すように折り畳むことができる。型は図面に示されていない。折畳みを容易にするために、型を使用して、または使用しないで、必要であれば、２つの隣接するパターン１００、１０１の間に位置する図示しない折畳み線を、箔１に設けることができる。次に、例えば銅の熱良伝導板Ｐ１、Ｐ２が、例えば熱良伝導接着剤によって下側と上側とに設けられる。デバイス１０の動作中に、図面に一部だけが示されるこれらの板Ｐ１、Ｐ２は、そのとき、それぞれ高温と（より）低温とを有するゾーンに入れられる。デバイス１０で供給される電力は、図示されない外部電気接続領域から引き出すことができる。図面に示されないさらに他の修正形態では、折り畳まれた箔は、中空のパイプのまわりにさらに折り畳まれ、そして次に、他の中空のパイプで取り囲まれる。後者は、例えばより低温の媒体に曝すことができるが、より高温の媒体は内側の中空パイプで形成される。
【００２７】
図１３は、図１のデバイスの第２の改良例の概略平面図である。図１４は、巻かれた状態の図１３に示すデバイスの概略透視図である。図１のデバイスとの唯一の差は（図１３を参照されたい）、ジグ−ザグ・パターン１００、１０１が、並列に配列されたパターン１００、１０１が依然として接続されている導体トラック２２、２３に対して９０度回転されていることである。この巻かれた状態（図１４を参照されたい）で、２個の板Ｐ１、Ｐ２は再びデバイス１０に取り付けられている。
【００２８】
本発明は、本明細書で説明した例に限定されず、本発明の範囲内で、当業者には多くの変形例と改良例とが可能である。例えば、異なる形状および／または異なる寸法を有するデバイスを製造することができる。Ｓｉの基板でなく、代替的にガラス、セラミックまたは合成樹脂の基板を利用することができる。
【００２９】
例で言及したもの以外の材料を本発明の範囲内で使用できることに、さらに留意されたい。また、言及した材料または他の材料に、スパッタリングのような他の堆積技術も使用することができる。ウェット化学エッチング法でなく代替的に、プラズマ・エッチングのような「ドライ」・エッチングを、また逆に、利用することができる。
【００３０】
本デバイスは、集積回路の形であろうと無かろうと、ダイオードおよび／またはトランジスタと抵抗器および／またはコンデンサとのような他の能動および受動半導体素子または電子部品を備えることができることに、さらに留意されたい。本発明の状況の中で、一時的な電力蓄積を簡単なやり方で実現することを可能にするダイオードとコンデンサとが、特に適しているかもしれない。もちろん、製造はこれに効率的に適合される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に従った方法によって製造された熱電デバイスを示す概略平面図である。
【図２】図１に示すデバイスの線ＩＩ−ＩＩで描かれた厚さ方向の概略断面図である。
【図３】本発明に従った方法の第１の実施形態による製造の連続する段階における図１に示すデバイスの厚さ方向に対して直角に向かった概略断面図である。
【図４】本発明に従った方法の第１の実施形態による製造の連続する段階における図１に示すデバイスの厚さ方向に対して直角に向かった概略断面図である。
【図５】本発明に従った方法の第１の実施形態による製造の連続する段階における図１に示すデバイスの厚さ方向に対して直角に向かった概略断面図である。
【図６】本発明に従った方法の第１の実施形態による製造の連続する段階における図１に示すデバイスの厚さ方向に対して直角に向かった概略断面図である。
【図７】本発明に従った方法の第１の実施形態による製造の連続する段階における図１に示すデバイスの厚さ方向に対して直角に向かった概略断面図である。
【図８】本発明に従った方法の第１の実施形態による製造の連続する段階における図１に示すデバイスの厚さ方向に対して直角に向かった概略断面図である。
【図９】本発明に従った方法の第１の実施形態による製造の連続する段階における図１に示すデバイスの厚さ方向に対して直角に向かった概略断面図である。
【図１０】本発明に従った方法の第１の実施形態による製造の連続する段階における図１に示すデバイスの厚さ方向に対して直角に向かった概略断面図である。
【図１１】図１に示すデバイスの第１の改良例を示す概略平面図である。
【図１２】折り畳まれた状態の図１に示すデバイスの概略透視図である。
【図１３】図１に示すデバイスの第２の改良例を示す概略平面図である。
【図１４】巻かれた状態の図１３に示すデバイスの概略透視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
2007511893.tif 000017
2007511893.tif 000018
2007511893.tif 000019