(57)【要約】【課題】本発明は、電極部が放／吸熱部を兼ねることに起因する薄膜熱電素子を電子部品に搭載する上での制約がない薄膜熱電素子、および工数が少なく簡便で、設計変更に対して自由度の高い薄膜熱電素子の製造方法を提供するものである。【解決手段】本発明は、簾状に配された２以上のＰ型半導体薄膜と、簾状に配された２以上のＮ型半導体薄膜とが積層された薄膜熱電素子であって、Ｐ型及びＮ型半導体薄膜は、簾の長手方向に離間した端子部においてジグザク状に直列接続されている薄膜熱電素子である。また、もう一つの本発明は、Ｐ型半導体シートとＮ型半導体シートとを積層して薄膜熱電素子を構成する薄膜熱電素子の製造方法である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
簾状に配された２以上のＰ型半導体薄膜と、簾状に配された２以上のＮ型半導体薄膜とが積層された薄膜熱電素子であって、
Ｐ型及びＮ型半導体薄膜は、簾の長手方向に離間した端子部においてジグザク状に直列接続されていることを特徴とする薄膜熱電素子。
【請求項２】
絶縁フィルム／簾状に配された２以上のＰ型半導体薄膜／層間フィルム／簾状に配された２以上のＮ型半導体薄膜／絶縁フィルムの順に積層され、Ｐ型及びＮ型半導体薄膜は、端子部を除いて互いに層間フィルムで絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜熱電素子。
【請求項３】
Ｐ型半導体シートとＮ型半導体シートとを重ねる薄膜熱電素子の製造方法であって、
Ｐ型及びＮ型半導体シートはそれぞれ、絶縁フィルム／簾状に配された２以上の半導体薄膜／絶縁フィルムの順で積層され、前記半導体薄膜の一方の面は全面、他方の面は半導体薄膜毎に簾の長手方向に離間した端子部を露出する如く一部が絶縁フィルムに覆われてなり、
前記Ｐ型半導体シートとＮ型半導体シートとを、一部が絶縁フィルムに覆われた面を対向させて重ね、
Ｐ型半導体薄膜とＮ型半導体薄膜とがジグザグ状に直列接続するようＰ型半導体薄膜の端子部と、Ｎ型半導体薄膜の端子部とを電気的に接続することを特徴とする薄膜熱電素子の製造方法。
【請求項４】
一方若しくは両方に簾状に半導体薄膜を形成した２つの絶縁フィルムを、前記半導体薄膜を形成した面を対向させてロールにより圧着接合してＰ型半導体シートまたはＮ型半導体シートとすることを特徴とする請求項２に記載の薄膜熱電素子の製造方法。
【請求項５】
半導体薄膜の形成は、真空槽内で乾式成膜装置により、二つの絶縁フィルムの一方または両方の被接合面に乾式成膜層を付着して形成することを特徴とする請求項４に記載の薄膜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、熱電材料を薄膜に形成した薄膜熱電素子及び薄膜熱電素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＩＣ等の半導体ディバイスやレーザ光源等の電子部品の冷却には、装置の小型化に適する理由からＰ型とＮ型の半導体を連結させた熱電素子が用いられている。熱電素子には、バルク材を機械的に加工したブロック状の半導体を用いるバルク型熱電素子と、微細加工プロセスにより薄膜として形成した半導体薄膜を用いる薄膜熱電素子とがある。このうち特に薄膜熱電素子は、装置の小型化に適することから、実用化にむけた検討が種々行われている。
【０００３】
例えば図５に示すように、基板上１９にＰ型半導体薄膜１、Ｎ型半導体薄膜２、絶縁層２０、放熱電極２１、吸熱電極２２等を微細加工プロセスにより積層して形成した薄膜熱電素子が提案されている（特許文献１参照。）。
図５に記載の薄膜熱電素子では、左端の放熱電極２１のＮ型半導体薄膜２に接続されている部分から同左端の放熱電極２１のＰ型半導体薄膜に接続されている部分方向へ電圧印加により電流を流すと、ペルチェ効果により吸熱電極２２で冷却が生じ、放熱電極２１では発熱が生じる。図５の薄膜熱電素子において実際に冷却が発生する部分は、Ｐ型半導体薄膜１、Ｎ型半導体薄膜２と吸熱電極２２の接合部分である。すなわち、図５の薄膜熱電素子においてはこの接合部が４箇所あり、全てが基板中央に積層集中している。従って吸熱電極の冷却能力、すなわち、制御可能な熱量を大きくすることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−３１８７３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載の薄膜熱電素子は冷却部の吸熱能力が高い点において優れる。しかしながら、電極がそのまま放／吸熱部を兼ねる構成であることから、電子部品に搭載する場合には、電極部を放／吸熱に支障がない位置となるように薄膜熱電素子を配することが必要である。場合によっては、適用する電子部品の形状に合わせて薄膜熱電素子を設計することが必要となる。すなわち、電子部品等に搭載する上での制約が大きいという問題がある。
加えて、特許文献１に代表される、従来の薄膜熱電素子では、大部分の工程が微細加工プロセスにより行われる為、工数がかかり、さらに専用のマスク等が必要な為、設計上の自由度が低いことが問題である
【０００６】
本発明は、電極部が放／吸熱部を兼ねることに起因する薄膜熱電素子を電子部品に搭載する上での制約がない薄膜熱電素子、および工数が少なく簡便で、設計変更に対して自由度の高い薄膜熱電素子の製造方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、簾状に形成したＰ型及びＮ型半導体薄膜を積層して、交互に直列接続することで上記の問題を解消できることを見出し、本発明を想到した。
即ち本発明は、簾状に配された２以上のＰ型半導体薄膜と、簾状に配された２以上のＮ型半導体薄膜とが積層された薄膜熱電素子であって、
Ｐ型及びＮ型半導体薄膜は、簾の長手方向に離間した端子部においてジグザク状に直列接続されている薄膜熱電素子である。
上記の薄膜熱電素子は絶縁フィルム／簾状に配された２以上のＰ型半導体薄膜／層間フィルム／簾状に配された２以上のＮ型半導体薄膜／絶縁フィルムの順に積層され、Ｐ型及びＮ型半導体薄膜は、端子部を除いて互いに層間フィルムで絶縁されていることが好ましい。
【０００８】
また、本発明者はそれぞれ別個に構成されるＰ型半導体シートとＮ型半導体シートとを積層して薄膜熱電素子を構成することで従来の薄膜熱電素子の製造方法における問題を解消できることを見出した。
すなわち、もう一つの本発明は、Ｐ型半導体シートとＮ型半導体シートとを重ねる薄膜熱電素子の製造方法であって、
Ｐ型及びＮ型半導体シートはそれぞれ、絶縁フィルム／簾状に配された２以上の半導体薄膜／絶縁フィルムの順で積層され、前記半導体薄膜の一方の面は全面、他方の面は半導体薄膜毎に簾の長手方向に離間した端子部を露出する如く一部が絶縁フィルムに覆われてなり、
前記Ｐ型半導体シートとＮ型半導体シートとを、一部が絶縁フィルムに覆われた面を対向させて重ね、
Ｐ型半導体薄膜とＮ型半導体薄膜とがジグザグ状に直列接続するようＰ型半導体薄膜の端子部と、Ｎ型半導体薄膜の端子部とを電気的に接続する薄膜熱電素子の製造方法である。
【０００９】
本発明の薄膜熱電素子の製造方法では、一方若しくは両方に簾状に半導体薄膜を形成した２つの絶縁フィルムを、前記半導体薄膜を形成した面を対向させてロールにより圧着接合してＰ型半導体シートまたはＮ型半導体シートとすることが好ましい。
また、半導体薄膜の形成は、真空槽内で乾式成膜装置により、二つの絶縁フィルムの一方または両方の被接合面に乾式成膜層を付着して形成することが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
上述したように、本発明の重要な特徴は、簾状に形成されたＰ型及びＮ型半導体薄膜を積層して、交互に直列接続させることである。以下に具体例を用いながら本発明を説明する。
本発明において半導体薄膜とは、例えば、物理蒸着や化学蒸着法など、気相やプラズマを利用した乾式の成膜方法（以下乾式成膜法と記す）により形成された半導体の薄膜である。本発明ではこの半導体薄膜を２以上、簾状に配するが、簾状に配するとは図１（ａ）に一例を示すように、２以上のＰ型半導体薄膜１またはＮ型半導体薄膜２が、それぞれ平面上において、隣在するＰ型またはＮ型半導体薄膜と接触することなく、相互に電気的に絶縁した状態で配することである。簾状に配された半導体薄膜は、簾の長手方向に離間した端子部３において、Ｐ型半導体薄膜１とＮ型半導体薄膜２とがジグザク状に直列接続するよう電気的に接続する。
【００１１】
このようにＰ型及びＮ型半導体薄膜をジグザク状に直列接続することで、薄膜熱電素子ではＰ型及びＮ型半導体薄膜の接続部が放／吸熱部４となり、直列接続した半導体薄膜の端部が電極部５となる。本発明では放／吸熱部４と電極部５とを別個に構成することで、電子部品に適用した際に放／吸熱部と他の部品との接触による漏電等を考慮することなく、必要な位置に放／吸熱部を配することが可能となり電子部品等に搭載する上での配置の自由度を高くすることができる。
【００１２】
また、本発明の薄膜熱電素子ではＰ型半導体薄膜１とＮ型半導体薄膜２とは積層して構成されるので、Ｐ型半導体薄膜とＮ型半導体薄膜とを平面方向に交互に配する構成（例えば図５）と比べて、幅方向の装置寸法を半減することが出来る。一方、半導体薄膜の厚さは非常に薄いので、高さ方向の寸法は殆ど増加しない。
なお、本発明ではＰ型及びＮ型半導体薄膜として、従来、薄膜熱電素子に適用されている何れの半導体材料でも適用することが可能である。一例を挙げれば、熱電交換率の良好なＢｉ２ＳｂｘＴｅ３−ｘ、ＢｉｘＳｂ２−ｘＴｅ３等の半導体材料を適用することが好ましい。
【００１３】
本発明は、絶縁フィルム／簾状に配された２以上のＰ型半導体薄膜／層間フィルム／簾状に配された２以上のＮ型半導体薄膜／絶縁フィルムの順に積層され、Ｐ型及びＮ型半導体薄膜は、端子部を除いて互いに層間フィルムで絶縁されていることが好ましい。
この場合、簾の長手方向に離間した端子部を除いてＰ型半導体薄膜とＮ型半導体薄膜とを層間フィルムにより絶縁することで、放／吸熱部をそれぞれ離間させる。これにより、電圧印加時におけるＰ型からＮ型半導体薄膜、またはＮ型からＰ型半導体薄膜の電流の方向が同じとなる端子部同士、換言すると、吸熱部同士または発熱部同士が近接するように層間フィルム６を配することが可能であり、熱交換の効率を向上することができる。また、図１（ｂ）に示すように、放／吸熱部に熱伝導性に優れるＣｕ等の材質からなる放／吸熱部材７を設けることで、より熱交換の効率を向上することができる。
さらに、図２（ｄ）に示すように直列に接続する半導体薄膜の本数を増加することで、熱交換の効率を向上することができる。
【００１４】
なお、層間フィルムは半導体薄膜同士の絶縁を達成できる比抵抗を有する材料であれば如何なる材料を適用することも出来るが、一例を挙げれば、適度な可撓性を有し、入手が容易であるＰＥＴフィルムや、ポリイミドフィルム等を適用することが好ましい。
本発明では薄膜熱電素子の外面を絶縁フィルム８で構成することが好ましいが、これは機械的強度に劣る半導体薄膜を保護すると共に、半導体薄膜を外部から絶縁するためのものである。絶縁フィルムには、上記の層間フィルムと同様に半導体薄膜の絶縁を達成できる比抵抗を有し、半導体薄膜の形状を保持できる強度を有する材料であれば如何なる材料も適用してもよく、層間フィルムと同様にＰＥＴフィルムや、ポリイミドフィルム等を適用することが好ましい。
【００１５】
以上に述べたように、本発明の薄膜熱電素子では放／吸熱部と電極部が別であり、寸法が小さく、加えて互いに離間した一端が吸熱部、他端が放熱部であるという特徴を有する。これらの特徴を有する本発明の好適な適用方法として、例えば図４に示す適用方法が挙げられる。図４に示すように一方の放／吸熱部４を冷却する電子部品９に接触させて電子装置の筐体１０の内部に配し、他方の放／吸熱部４を筐体１０の外部に配して放熱特性を向上することも可能である。
【００１６】
次に、本発明の薄膜熱電素子の製造方法について説明する。上述した本発明の薄膜熱電素子も、以下に示す本発明の薄膜熱電素子の製造方法により製造することができる。
本発明の薄膜熱電素子の製造方法における特徴は、従来の製造方法における大部分の工程が微細加工プロセスにより行われるのに対し、それぞれＰ型半導体シートとＮ型半導体シートとを別個に作製し、これらを重ねて薄膜熱電素子を構成することである。
【００１７】
本発明では図２（ｃ）に示すような半導体シート１２を用いる。この半導体シート１２は二枚の絶縁フィルム８の間に２以上のＰ型またはＮ型半導体薄膜（１、２）を簾状に配したものである。半導体シートは、機械的強度の低い半導体薄膜を絶縁フィルムで補強したものである。従来、バルク型熱電素子に用いられるブロック状の半導体と異なり、薄膜熱電素子に用いる半導体薄膜は強度が低いため一つの部材として単独で取り扱うことが出来ず、薄膜熱電素子の製造工程の殆どは微細加工プロセスにより行われていた。これに対し、本発明では半導体薄膜を絶縁フィルムと複合して半導体シートとし、機械的強度の低い半導体薄膜を一つの部材として単独で取り扱うことで、製造工程の簡素化を達成したものである。
【００１８】
本発明で用いる半導体シート１２は、図２（ｃ）に一例を示すように半導体薄膜の一方の面は全面、他方の面は半導体薄膜毎に簾の長手方向に離間した端子部３を残す如く一部が絶縁フィルム８に覆われてなることを要件とする。このような端子部を具備する半導体シートは、両面の全てが絶縁フィルムの覆われた半導体シート（例えば図２（ｂ））から、一方の面の絶縁フィルムを部分的に剥がして端子部とする方法や、予め端子部とする部分が切り抜かれた形態の絶縁フィルムを用いて半導体シートとする方法等で形成することが出来る。
【００１９】
以上に述べた半導体シートを用いることで、微細加工プロセスを必要とせず、簡素な工程で薄膜熱電素子を製造することができる。
本発明では、Ｐ型半導体シートとＮ型半導体シートとを、一部が絶縁フィルムに覆われた面を対向させて積層し、Ｐ型半導体薄膜とＮ型半導体薄膜とが交互に直列接続するようＰ型半導体薄膜の端子部と、Ｎ型半導体薄膜の端子部とを電気的に接続する。
【００２０】
具体的には、図２（ｄ）の下図にあるように、例えば一つのＰ型半導体薄膜に着目した場合に、対向して配されたＮ型半導体シート上の隣り合う二つのＮ型半導体薄膜にまたがるように位置し、前記Ｐ型半導体薄膜の両端にある端子部は、前述の隣り合う二つのＮ型半導体薄膜の両端にある端子部の一方と、一箇所ずつ接続する。このように接続することで、全てのＰ型半導体薄膜とＮ型半導体薄膜とを交互に直列接続することが可能となる。
【００２１】
端子部の電気的な接続はＳｎ−Ｐｂはんだ等、一般に流通しているろう材により行うことができる。この際、重ねる前の一方の半導体シートの端子部、例えばＰ型半導体シートの端子部のみに予めろう材を付着させておき、Ｐ型及びＮ型半導体シートの端子部を上記の位置関係に配した後（図２（ｄ）下図）、加熱されたコテを用いて両面から絶縁フィルムを挟みこむことで、全ての端子部を同時にろう付けすることが出来る。この方法により端子部をろう付けする場合には、絶縁フィルムとして加熱時に変質、変形しない程度の耐熱性を有する材質を選択する。
以上に述べたように、半導体シートを用いることで、微細加工プロセスを必要とせず、簡素な工程で薄膜熱電素子を製造することができる。
【００２２】
なお、本発明の方法で製造する薄膜熱電素子は、直列接続されたＰ型／Ｎ型半導体薄膜の両端を、外部の電源と接続して用いられる。外部の電源と接続する端子部は、互いに重ねる前のＰ型／Ｎ型半導体シートに形成することが、簡便であり好ましい。具体的には、図２（ｃ）に示すように、直列接続した後に両端となるＰ型／Ｎ型半導体薄膜に、導電性の箔等を予め電極部材１１として接合しておくことが好ましい。
【００２３】
さらに、本発明の製造方法では、工程を殆ど変更することなく、縦、横寸法の異なる薄膜熱電素子の製造が可能であり、設計上の自由度が高い。
図２（ａ）中の点線Ｘは図２（ｂ）に記載の半導体シートの切取り線を示すものである。図２（ｄ）とは放／吸熱部の距離の異なる薄膜熱電素子が必要な場合には、点線Ｙに示すように半導体シートを重ねた際にＰ型半導体薄膜とＮ型半導体薄膜とがなす角度を、適宜調整して半導体シートを切断する。例えば、距離Ｄ（半導体薄膜の中心−中心の距離）の等間隔で半導体薄膜が配されている半導体シートを用いて、放／吸熱部の距離がＬの薄膜熱電素子を製造する場合には、Ｐ型半導体薄膜とＮ型半導体薄膜とがなす角度が２ｓｉｎ−１（Ｄ／２Ｌ）になるよう半導体シートを切断する。換言すると、距離Ｌの方向に対してｓｉｎ−１（Ｄ／２Ｌ）の角度だけ半導体薄膜が斜傾するよう切断する。以降は同様の工程で寸法の異なる薄膜熱電素子を製造することができる。
よって、本発明の製造方法では、工程を殆ど変更することなく、縦、横寸法の異なる薄膜熱電素子の製造が可能であり、設計上の自由度が高い。
【００２４】
本発明で用いる半導体シートは、図２（ｃ）に示す形態の半導体シート１２を個々に製造することも可能であるが、図３に一例を示す方法により連続して製造することが好ましい。図３に示す方法では、二つの巻出しロール１３から、同時に絶縁フィルム８を巻出しながら圧着ロール１４により絶縁フィルムを連続的に圧着接合する。この際、圧着接合前の一方若しくは両方の絶縁フィルムの圧着接合面側に、簾状に半導体薄膜を形成しておく。圧着接合した半導体シート１２は巻取りロール１５で巻取る。
この方法によれば、半導体シートを高い生産効率で連続して製造することが可能である。
【００２５】
上記の方法で半導体シートを製造する場合、簾状の半導体薄膜は真空槽内に配した乾式成膜装置により付着形成することが好ましい。乾式製膜装置とは、既述の乾式成膜法を実施する装置を意味するものである。
具体的には図３に示すように、巻出しロール１３、圧着ロール１４などを全て真空槽１６内に配し、さらに既述の乾式成膜法を実施する為の乾式成膜装置１７を巻出しロール１３と圧着ロール１４の間に配し、この乾式成膜装置１７により簾状のスリット１８を介して巻出される樹脂フィルム上に連続的に成膜を行う。図３では、一方の樹脂フィルムにのみ半導体薄膜を形成する例を示すが、真空槽内に２台の乾式製膜装置を配して両方の樹脂フィルムに半導体薄膜を形成しても良い。
【００２６】
この方法によれば、半導体シートを製造する全ての工程を連続して行うことが可能となる。なお、本発明において真空槽とは、槽内部を減圧することができる密閉可能な容器である。真空槽を用いることで、半導体シートを製造する全ての工程を真空雰囲気や、不活性雰囲気などで行うことが可能となり、酸化などの汚染の少ない半導体シートの製造が可能となる。
連続的に製造されたに長尺の半導体シート（図２（ａ））から図２（ｂ）に示すように、薄膜熱電素子に必要な形状に半導体シートを切り出して薄膜熱電素子とすることができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、電極部が放／吸熱部を兼ねることに起因する薄膜熱電素子を電子部品に搭載する上での制約がない薄膜熱電素子、および工数が少なく簡便で、設計変更に対して自由度の高い薄膜熱電素子の製造方法を提供が可能であり、工業上重要な技術である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜熱電素子の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の薄膜熱電素子の製造方法における工程の流れの一例を示す模式図である。
【図３】半導体シートの製造装置の一例を示す模式図である。
【図４】本発明の薄膜熱電素子の使用形態の一例を示す模式図である。
【図５】従来の薄膜熱電素子の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１．Ｐ型半導体薄膜、２．Ｎ型半導体薄膜、３．端子部、４．放／吸熱部、５．電極部、６．層間フィルム、７．放／吸熱部材、８．絶縁フィルム、９．電子部品、１０．筐体、１１．電極部材、１２．半導体シート、１３．巻出しロール、１４．圧着ロール、１５．巻取りロール、１６．真空槽、１７．乾式成膜装置、１８．スリット、１９．基板、２０．絶縁層、２１．放熱電極、２２．吸熱電極
【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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