(57)【要約】【課題】劈開性部材の切断工程における切断方法を改善し、割れや欠けがなく、メッキ層が剥がれ難い熱電素子の製造方法を提供する。【解決手段】Ｂｉ、Ｔｅ、Ｓｅ及びＳｂ元素のうち少なくとも２種からなり、劈開性部材を作製する部材製造工程と、該部材製造工程で作成された劈開性部材を、該劈開性部材の結晶方向に対して略垂直な方向に切断してウエハを作製するウエハ製造工程と、該ウエハ製造工程において作成したウエハを、ウエハの劈開面方向に対して３０〜６０°の方向に切断する切断工程とを具備することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｂｉ、Ｔｅ、Ｓｅ及びＳｂ元素のうち少なくとも２種からなり、劈開性部材を作製する部材製造工程と、該劈開性部材を、結晶方向に対して略垂直な方向に切断してウエハを作製するウエハ製造工程と、作製したウエハを劈開面方向に対して３０〜６０°の方向に切断する切断工程と、を具備することを特徴とする熱電素子の製造方法。
【請求項２】
前記切断工程に先立って、前記ウエハ製造工程で得られたウエハの主面にＮｉ及び／又はＡｕをメッキするメッキ工程を具備することを特徴とする請求項１に記載の熱電素子の製造方法。
【請求項３】
前記切断工程において、前記ウエハ表面を所定の基板に固定した後に切断することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電素子の製造方法。
【請求項４】
前記切断工程において、第一の方向に切断して複数の線材を作製し、しかる後に、該線材を互いに接触するように前記基板に接合し、前記第一の方向と略垂直な第二の方向に前記線材を切断することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱電素子の製造方法。
【請求項５】
前記切断工程で用いられる回転回転ブレードの直径が９０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の熱電素子の製造方法。
【請求項６】
前記切断工程で用いられる回転ブレードの厚みが０．６〜１．５ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の熱電素子の製造方法。
【請求項７】
前記切断工程で用いられる回転ブレードが、ダイヤモンド砥粒をメタルボンドで接着固定したメタル回転ブレードであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の熱電素子の製造方法。
【請求項８】
前記メタルレードの集中度が２０〜５０％、ダイヤモンド砥粒の粒度が８００〜１２００メッシュであることを特徴とする請求項７記載の熱電素子の製造方法。
【請求項９】
前記切断工程における切断条件が、回転ブレードの回転速度が４０００〜１００００ｒｐｍ、送り速度が１００〜５００ｍｍ／分、回転ブレード先出し量が１〜２ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の熱電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体等の発熱体の冷却等に好適に使用され、熱電特性に優れる熱電素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
ペルチェ効果を利用した熱電素子は、構造が簡単で、取り扱いが容易であるにもかかわらず、安定な特性を維持することが出来るため、広範囲にわたる利用が注目されている。特に、局所冷却ができ、室温付近の精密な温度制御が可能であるため、半導体レーザや光集積回路等に代表される一定温度に精密制御される装置や小型冷蔵庫等に利用されている。
【０００３】
熱電素子の材料には、物質固有のゼーベック係数αと比抵抗ρと熱伝導率Ｋによって表わされる性能指数Ｚ（＝α２／ρＫ）が大きな材料が用いられる。熱電半導体材料の多くはその結晶構造に起因した熱電性能の異方性をもつ。すなわち性能指数Ｚは、結晶方位により大きく異なる。そのため、単結晶材料では熱電性能の大きな結晶方位に通電し使用することにより、大きな冷却効率が得られる特徴を有している。
【０００４】
しかし、一般に異方性結晶は劈開性を持ち材料強度が脆弱であるため、熱電素子の切断加工時に素子の割れや欠けが生じ易く、歩留まりが大きく低下するという問題やモジュール組立後熱歪による素子破壊、半田接合点での剥離などの問題があった。
【０００５】
このため、熱電半導体を石英管アンプルに真空封入して溶解凝固させ、熱電半導体塊を作製し、この塊を粉砕して粉砕粒子を作製したのち、この粉砕粒子を加熱融解させた後凝固してＣ面成長させて作製することにより、破壊されにくく、かつ熱電性能の大きな結晶方位に配向させて一方向性凝固材料を形成することにより、単結晶材料に近い熱電特性を有する熱電半導体劈開性部材を作製することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
このようにして得られた劈開性部材は、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｓｅ及びＳｂ元素のうち少なくとも２種類の元素からなり、劈開性を有する劈開性部材を作製する材料合成工程と、該劈開性部材の結晶方向に対して略垂直な方向に切断してウエハを作製するウエハ作製工程と、該ウエハ作製工程で得られたウエハの表面にＮｉ及び／又はＡｕをメッキするメッキ工程と、該メッキ工程を経たウエハを切断する切断工程を具備することが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−３０６９６９号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開平８−２２８０２７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２に記載の熱電素子の製造方法では、劈開性部材が熱電特性に優れているものの、切断工程において熱電素子に割れや欠けが発生するという問題があった。
【００１０】
また、メッキ工程においてウエハ表面に形成したＮｉ層やＡｕ層が剥離し易く、そのために歩留まりが大きく低下するという問題があった。
【００１１】
したがって、本発明は、劈開性部材の切断工程における切断方法を改善し、割れや欠けがなく、メッキ層が剥がれ難い熱電素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、結晶方位がそろい、劈開性を有する劈開性部材からなるウエハを切断する際に、ウエハの劈開方向に対する切断方向を制御することによって、切断工程における熱電素子の割れや欠けを低減するとともに、メッキ層が剥がれ難い熱電素子の製造方法を実現できるという知見に基づくものである。
【００１３】
即ち、本発明の熱電素子の製造方法は、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｓｅ及びＳｂ元素のうち少なくとも２種からなり、劈開性部材を作製する部材製造工程と、該劈開性部材を、結晶方向に対して略垂直な方向に切断してウエハを作製するウエハ製造工程と、作製したウエハを劈開面方向に対して３０〜６０°の方向に切断する切断工程と、を具備することを特徴とするものである。
【００１４】
特に、前記切断工程に先立って、前記ウエハ製造工程で得られたウエハの主面にＮｉ及び／又はＡｕをメッキするメッキ工程を具備すること好ましい。これにより、該熱電素子を銅やアルミニウム等の金属でメタライズしたセラミック基板に半田によって接合することができる。
【００１５】
また、前記切断工程において、前記ウエハ表面を所定の基板に固定した後に切断することが好ましい。これにより、ウエハの表面に形成されたＮｉやＡｕ等のメッキ層の剥がれを低減することができる。
【００１６】
さらに、前記切断工程において、第一の方向に切断して複数の線材を作製し、しかる後に、該線材を互いに接触するように前記基板に接合し、前記第一の方向と略垂直な第二の方向に前記線材を切断することが好ましい。これにより、ダイシングによるチップ切断時に回転ブレードの付加によるチップの割れ、欠けをさらに低減することができる。
【００１７】
さらにまた、前記切断工程で用いられる回転ブレードの直径が９０ｍｍ以上であることが好ましい。これにより、ウエハにかかる負荷が低減され、欠けや割れを低減することができる。
【００１８】
また、前記切断工程で用いられる回転ブレードの厚みが０．６〜１．５ｍｍであることが好ましい。これにより、寸法精度に優れ、かつ欠けや割れのないチップを作製することができる。
【００１９】
さらに、前記切断工程で用いられる回転ブレードが、ダイヤモンド砥粒をメタルボンドで接着固定したメタル回転ブレードであることが好ましい。これにより、ウエハ表面に形成したＮｉ層やＡｕ層のメッキ層の剥離を低減することができる。
【００２０】
さらにまた、前記メタルレードの集中度が２０〜５０％、ダイヤモンド砥粒の粒度が８００〜１２００メッシュであることが好ましい。
【００２１】
また、前記切断工程における切断条件が、回転ブレードの回転速度が４０００〜１００００ｒｐｍ、送り速度が１００〜５００ｍｍ／分、回転ブレード先出し量が１〜２ｍｍであることが好ましい。これにより、寸法精度に優れ、かつ欠けや割れのないチップを作製することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の熱電素子の製造方法は、下記の３つの工程を具備することが重要である。まず、第一の工程は、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｅのうち少なくとも２種からなり、劈開性を有する劈開性部材を作製する部材製造工程である。
【００２３】
劈開性部材として、上記の金属を含むＡ２Ｂ３型金属間化合物及びその固溶体を例示できる。ここで、ＡがＢｉ及び／又はＳｂ、ＢがＴｅ及び／又はＳｅからなる半導体結晶であって、特に組成比Ｂ／Ａが１．４〜１．６であることが、室温における熱電特性を高めるために好ましい。
【００２４】
Ａ２Ｂ３型金属間化合物としては、公知であるＢｉ２Ｔｅ３、Ｓｂ２Ｔｅ３、Ｂｉ２Ｓｅ３の少なくとも１種であることが好ましく、固溶体としてＢｉ２Ｔｅ３とＢｉ２Ｓｅ３の固溶体であるＢｉ２Ｔｅ３−ｘＳｅｘ（ｘ＝０．０５〜０．２５）、又はＢｉ２Ｔｅ３とＳｂ２Ｔｅ３の固溶体であるＢｉｘＳｂ２−ｘＴｅ３（ｘ＝０．１〜０．６）等を例示できる。
【００２５】
また、金属間化合物を効率よく半導体化するために、ドーパントとしてＩ、Ｃｌ及びＢｒ等のハロゲン元素を含むことが好ましい。このハロゲン元素は、半導体化の点で、上記の金属間化合物原料１００重量部に対して０．０１〜５重量部、特に０．１〜４重量部の割合で含まれることが好ましい。
【００２６】
さらに、Ｐ型熱電素子を製造する場合には、キャリア濃度調整のためにＴｅを含むことが好ましい。これにより、Ｎ型熱電素子と同様に、熱電特性を高めることができる。
【００２７】
劈開性部材を合成するには、ゾーンメルティング法、ブリッジマン法、ノーマルフリージング法、チョコラルスキー法等の公知の手法を用いることができる。この中で、ゾーンメルティング法を例として以下にその手順を説明する。
【００２８】
まず、熱電半導体を合成するための原料を準備する。原料はＢｉ、Ｔｅ、Ｓｅ及びＳｂ元素のうち少なくとも２種を含み、単独又は複数の金属又は化合物で構成される。例えば、単独の場合にはＢｉ２Ｔｅ３、Ｓｂ２Ｔｅ３、複数の場合にはＢｉ２Ｔｅ３とＳｂ２Ｔｅ３とＢｉ２Ｓｅ３との組合せを用いることができる。この原料を石英管アンプルに真空封入する。真空中に入れるのは後工程で加熱した際に金属又は合金が酸化しないためである。
【００２９】
次に、真空封入された原料を加熱して溶解する。複数の原料を用いた場合でも、溶解することにより、均一に混合させることができる。溶解した後、これを冷却して凝固させ、熱電半導体塊を作製する。
【００３０】
得られた塊を粉砕して粉砕粒子を作製する。このように粉砕するのは、微細かつ均一な粉砕粒子を得るためである。この粉砕粒子をカーボン型等の鋳型に充填して加熱融解する。しかる後に、鋳型の一方から徐々に冷却して融液を凝固させる。凝固に際してはＣ面成長させて、一方向性凝固材料を作製する。この一方向性凝固材料は、結晶面が特定の方向に並び、劈開面を有し、単結晶材料に近い劈開性部材であって、優れた熱電特性を有する熱電半導体を作製することができる。
【００３１】
第二の工程は、部材製造工程で得られた劈開性部材の結晶方向に対して略垂直な方向に切断してウエハを作製するウエハ作製工程である。例えば、劈開性部材を基板に固定し、メタル回転ブレードを用いて、ダウンカット加工、Ｚ軸送りにて加工を行い、ウエハを作製する。次いで、得られたウエハを平面研削機にて一次加工、仕上加工を施し、目的とする厚みのウエハを作製する。
【００３２】
次いで、所望により、上記ウエハの主面にメッキを施すメッキ工程を行うことができる。下記の切断工程に先立ってメッキ工程を採用すると、すべての熱電素子の上下両面に一括でメッキを施すことが出来、かつメッキが熱電素子側面に形成され電気的に短絡するという問題が発生しないという利点がある。
【００３３】
メッキ材料は、電極としての役割を果たすものであれば、どのような材料でも良く、例えば金属でもセラミックスでも良い。特に、熱電素子への半田付け性が向上し、かつ半田の熱電素子への拡散を防止するため、Ｎｉ、Ａｕが好ましい。また、密着性を高めるため、複数の材料をメッキし、多層構造とすることもできる。
【００３４】
メッキは、周知のメッキ法を採用することができるが、メッキ速度が速く、製造コストを低減することが出来るため、特に無電解メッキ法を用いるのがよい。
【００３５】
第三の工程は、上記第二の工程で得られたウエハを切断して熱電素子を形成する切断工程である。この切断工程においては、例えば図１に示したように、劈開性部材１の結晶方向、即ち劈開方向Ｘに対する切断方向θが３０〜６０°になるように、切断して線材を作製する。なお、切断方向θが０°で劈開方向Ｘと一致する。
【００３６】
この切断方向が３０°未満では、切断面が劈開面と平行に近くなることにより、劈開層に沿って切断面に剥がれが発生するという不都合があり、一方、６０°を超える場合も同様の理由で、切断面の剥がれが発生するという不都合が生じる。
【００３７】
さらに、切断工程における熱電素子の割れや欠けを低減するため、また、メッキ層を具備するウエハを切断する場合には、メッキ層の剥がれを低減するため、上記切断方向を特に３５〜５５℃に、更には４０〜５０°に、より好適には４２．５〜４７．５°が好ましい。
【００３８】
また、切断工程において、ウエハ表面をセラミック基板に接合し、しかる後に切断することが好ましい。これにより、ウエハの表面に形成されたＮｉやＡｕ等のメッキ層の剥がれを低減することができる。
【００３９】
前記セラミック基板は、特に限定されるものではなく、固定に耐え得る材料、形状を採用できるが、ガラス、シリコン、酸化アルミニウム等を用いることが回転ブレードの耐久性にとって好ましい。
【００４０】
さらに、切断工程において、基板上にウエハ１を固定し、ウエハ１を第一の方向（θ）に切断して複数の線材２を作製した後、この線材２を基板から取り外して、切断によって線材２間に形成された隙間をなくすために、図２に示したように、線材２を再度セラミック基板に固定することが望ましい。
【００４１】
そして、線材２を切断して熱電素子３を作製する。この切断の方向は、線材２を作製するために用いられた第一の切断方向と垂直な第二の方向（９０−θ）であることが好ましい。第一の切断方向と第二の切断方向とがお互いに垂直に近いほど、切断加工時の回転ブレードによる応力負荷が低減され、チップの割れ、欠けをさらに抑制することが可能となる。なお、第二の方向も劈開方向に対して３０〜６０°に相当する。
【００４２】
基板へのウエハの固定方法は、真空チャックによる固定法、樹脂や接着剤による固定、機械的な固定方法等の周知の方法を採用することができる。
【００４３】
ウエハ切断用回転ブレードは、直径が９０ｍｍ以上、特に１２０以上、更には１５０以上であることが好ましい。切断時に欠けが発生するのを抑制するためには、劈開性を有するウエハを切断する際にウエハに発生する負荷を小さくすることが望ましいが、回転ブレードの寸法を上記のように制御することで、負荷を低減し、欠けや割れをより効果的に防止することができる。また、表面にメッキ層が設けられたウエハに対しては、メッキ層が剥がれることを効果的に防止する効果も有する。
【００４４】
ウエハ切断用回転ブレードは、厚みが小さい場合、例えば負荷が大きな加工条件では切断加工時に回転ブレードのうねりが発生しやすいため、熱電素子の寸法精度が低下する危険性があるため、下限値は０．６ｍｍが好ましい。一方、厚みが大きい場合、ウエハにかかる負荷が増大し、欠けや割れが発生しやすくなるため、これを防止するために、例えば加工速度を低下する等の負荷を低減する加工条件を選択する必要が生じる。
【００４５】
よって、寸法精度に優れ、かつ欠けや割れのないチップを効率良く作製するため、回転ブレードの厚みを０．６〜１．５ｍｍ、特に０．８〜１．２ｍｍにすることが好ましい。また、この範囲に設定することで、切断加工時に回転ブレードのうねりを抑え、回転ブレードの欠損が少なくし、且つ切断加工によるウエハの削り代（削り量）を小さくでき、１つのウエハから取れる熱電素子数を高めることも可能である。
【００４６】
ウエハ切断用回転ブレードとしては、ダイヤモンド砥粒をメタルボンドで接着固定したメタル回転ブレードであることが好ましい。このようなメタルボンドの回転ブレードを用いると、ウエハにかかる負荷が低減されるという利点がある。その結果、ウエハ表面に形成したＮｉ層やＡｕ層のメッキ層の剥離をさらに低減することができる。
【００４７】
さらに、前記メタルレードの集中度が２０〜５０％、特に２０〜３０％、かつダイヤモンド砥粒の粒度が８００〜１２００メッシュ、特に８００〜１０００メッシュ、更には９００〜１０００メッシュであることが好ましい。このように設定することで、ウエハにかかる負荷が低減されるという利点がある。
【００４８】
切断工程における切断条件は、回転ブレード回転速度は４０００〜１００００ｒｐｍ、特に５０００〜８０００ｒｐｍ、回転ブレード送り速度が１００〜５００ｍｍ／ｍｉｎ、特に１００〜３００ｍｍ／ｍｉｎ、回転ブレード回転ブレード先出し量が１〜２ｍｍ、特に１．５〜２ｍｍであることが好ましい。これにより、寸法精度に優れ、かつ欠けや割れのないチップを比較的容易に作製することができる。
【００４９】
【実施例】
実施例１
Ｂｉ２Ｔｅ３とＳｂ２Ｔｅ３の固溶体であるＢｉｘＳｂ２−ｘＴｅ３（ｘ＝０．１〜０．６）を石英製アンプルに真空封入して溶解凝固させ、熱電半導体塊を作製した。この塊をスタンプミルで粉砕して粉砕粒子を作製したのち、この粉砕粒子をカーボン製鋳型に充填して加熱融解させた後凝固してＣ面成長させて一方向性凝固材料を作製することにより、円柱状の劈開性部材を作製した。
【００５０】
得られた劈開性部材をスライサーにてスライス加工を行った。メタル回転ブレード（砥粒４００メッシュ）を用い、ダウンカット加工、Ｚ軸送りにて加工を行った。この時、スライス加工では結晶方向に対して略垂直な方向に切断して、厚み１ｍｍ程度のウエハを作製した。その後、ロータリー平面研削機にて、ウエハの厚み、表面の表面粗さ、平面度を調整した。
【００５１】
得られたウエハ表面に、無電解メッキ法にてＮｉ薄膜及びＡｕ薄膜からなるメッキ層を形成した。得られたウエハのＮｉおよびＡｕ薄膜の厚みは、それぞれ約５μｍ、０．０５μｍ程度、またメッキ層の密着強度は２．０ｋｇ／ｍｍ２以上であった。
【００５２】
得られたウエハを用いて、表１の条件でチップ切断加工試験を行った。歩留りの評価は、３００個の熱電素子を作製し、そのうちで割れや欠けが熱電素子幅の１／５以下の長さの素子を良品、１／５以上の長さの素子を不良品として分別し、良品を全体数で除して歩留りとした。結果を表１に示した。
【００５３】
【表１】
2004327746.tif 000003
【００５４】
本発明の試料Ｎｏ．２〜４及び６〜２８は、回転ブレードにメタルボンドを使用した場合であり、歩留りは８０％以上であった。
【００５５】
これに対して、メタルボンド回転ブレードを使用しても、切断方向が本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１及び５は、歩留りが８０％に満たなかった。
【００５６】
また、回転ブレードがＣＢＮの試料Ｎｏ．３０及び電鋳回転ブレードを使用した本発明の試料Ｎｏ．３２は、歩留りが７５％以上であった。
【００５７】
これに対して、切断方向が本発明の範囲外の試料Ｎｏ．２９及び３１は、いずれも歩留りが５５％に満たなかった。
【００５８】
【発明の効果】
劈開性を有する劈開性部材からなるウエハを切断する際に、ウエハの劈開方向に対する切断方向を制御することによって、切断時のウエハにかかる負荷が低減されるので、切断工程における熱電素子の割れや欠けを低減するとともに、メッキ層が剥がれ難い熱電素子の製造方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱電素子の製造方法において、ウエハを切断して線材を作製する様子を示す工程図である。
【図２】本発明の熱電素子の製造方法において、線材を切断する様子を示す工程図である。
【符号の説明】
１・・・ウエハ
２・・・線材
３・・・熱電素子
θ・・・切断方向
【図１】
2004327746.tif 000004
【図２】
2004327746.tif 000005