(57)【要約】【課題】高性能な熱電変換モジュールを簡単に製造する技術の提供。【解決手段】第１熱電材料のウエハからサンドブラスト加工によって複数個の第１熱電素子を形成し、第２熱電材料のウエハからサンドブラスト加工によって前記第１熱電素子の間に配置可能な複数個の第２熱電素子を形成し、第１基板と第２基板との間に複数個の前記第１熱電素子と複数個の前記第２熱電素子とが支持されるとともに、複数個の前記第１熱電素子の間に複数個の前記第２熱電素子が配置された熱電変換モジュールを製造する。【選択図】図１
2013207037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板と第２基板に挟まれた複数個の第１熱電素子と複数個の第２熱電素子とを電気的に直列に接続するように配置してなる熱電モジュールにおいて、
前記第１熱電素子および前記第２熱電素子は、前記第１基板および前記第２基板に垂直な軸に対して略一定の角度で傾斜した複数の側面を有し、
隣接する前記第１熱電素子および前記第２熱電素子において向かい合う前記側面は略平行である、
熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記第１熱電素子と前記第２熱電素子とで性能指数が小さい方の素子における裾が高温部側に向くように配置される
請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
第１熱電材料のウエハからサンドブラスト加工によって複数個の第１熱電素子を形成する第１熱電素子形成工程と、
第２熱電材料のウエハからサンドブラスト加工によって前記第１熱電素子の間に配置可能な複数個の第２熱電素子を形成する第２熱電素子形成工程と、
第１基板と第２基板との間に複数個の前記第１熱電素子と複数個の前記第２熱電素子とが支持されるとともに、複数個の前記第１熱電素子の間に複数個の前記第２熱電素子が配置された熱電変換モジュールを製造するモジュール化工程と、
を含む熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項４】
前記第１熱電素子形成工程では、前記第１基板上に予め形成された電極に前記第１熱電材料のウエハを接合し、当該ウエハに前記第１熱電素子となる部分を保護するマスクを形成し、前記サンドブラスト加工によって前記第１熱電素子を形成し、
前記第２熱電素子形成工程では、前記第２基板上に予め形成された電極に前記第２熱電材料のウエハを接合し、当該ウエハに前記第２熱電素子となる部分を保護するマスクを形成し、前記サンドブラスト加工によって前記第２熱電素子を形成し、
前記モジュール化工程では、前記第１熱電素子が形成された前記第１基板と、前記第２熱電素子が形成された前記第２基板とを向かい合わせた状態で、前記第１基板上に形成された前記電極と前記第２熱電素子とを接合し、前記第２基板上に形成された前記電極と前記第１熱電素子とを接合することで、前記熱電変換モジュールを製造する、
請求項３に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項５】
前記第１熱電素子形成工程では、前記第１基板上で前記電極が形成される面に平行であるとともに互いに直交する２軸に平行な方向に所定間隔で複数個の前記第１熱電素子を形成し、
前記第２熱電素子形成工程では、前記第２基板上で前記電極が形成される面に平行であるとともに互いに直交する２軸に平行な方向に前記所定間隔で複数個の前記第２熱電素子を形成する、
請求項３または請求項４のいずれかに記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項６】
前記第１熱電素子の前記第１基板に垂直な方向の高さおよび前記第２熱電素子の前記第２基板に垂直な方向の高さは１００μｍ以上である、
請求項３〜請求項５のいずれかに記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項７】
請求項３〜請求項６のいずれかに記載の製造方法で製造された熱電変換モジュールにおいて前記第１基板と前記第２基板との一方を高温部、他方を低温部として熱電変換を行う熱電変換方法であって、
前記第１熱電素子と前記第２熱電素子とにおいて前記サンドブラスト加工によって形成された裾であって、前記第１熱電素子と前記第２熱電素子とで性能指数が小さい方の素子における前記裾が前記高温部側に向くように前記第１基板と前記第２基板との方向を設定して熱電変換を行う、
熱電変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱電変換モジュールの製造方法および熱電変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高密度に熱電素子を配置した熱電変換モジュールを製造すると、熱電変換モジュールを高性能にすることができるため、高密度に熱電素子を配置するための各種の技術が開発されている。例えば、特許文献１に開示された技術においては、ｎ型とｐ型の熱電材料の焼結体を細かいピッチで研磨加工することにより溝を形成し、加工部同士を嵌め合わせてから固着一体化し、さらに、当該溝に対して垂直な方向に溝を形成し、溝を絶縁樹脂で埋めた後に上下面を削って配線を行う技術が開示されている。また、特許文献２に開示された技術においては、メッキによってｐ型の熱電材料とｎ型の熱電材料の金属膜を交互に重ねて熱電素子を製造する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−８４１６号公報
【特許文献２】特開平１０−１２５９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の技術においては、高性能な熱電変換モジュールを簡単に製造することができなかった。すなわち、特許文献１に開示された技術においては、ダイサー等の切削機で焼結体を研磨することによってｎ型、ｐ型の熱電材料に複数の溝を形成し、溝同士を互い違いに嵌め合わせる必要がある。従って、研削具の幅よりも小さい溝を形成することができず、ｎ型、ｐ型の熱電材料同士のピッチを研削具の幅よりも小さくすることができない。従って、高密度な実装を行うことが困難であった。さらに、特許文献１に開示された技術においては、多数回の研磨加工が必要である。また、ｎ型とｐ型の熱電材料の配置がｎ型、ｐ型の順に電気的に直列に接続するために必要とされる配線パターンは極めて複雑である。従って、特許文献１に開示された技術を利用して熱電変換モジュールを製造するのは容易ではない。さらに、特許文献２においては、所望の構造（厚さ等）の熱電素子を形成するためにメッキ層の形成処理を複数回繰り返す必要があり、製造工程が複雑である。
本発明は、前記課題に鑑みてなされたもので、高性能な熱電変換モジュールを簡単に製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するため、本発明においては、第１熱電材料のウエハからサンドブラスト加工によって複数個の第１熱電素子を形成し、第２熱電材料のウエハからサンドブラスト加工によって第１熱電素子の間に配置可能な複数個の第２熱電素子を形成する。そして、第１基板と第２基板との間に複数個の第１熱電素子と複数個の第２熱電素子とが支持されるとともに、複数個の第１熱電素子の間に複数個の第２熱電素子が配置された熱電変換モジュールを製造する。
【０００６】
すなわち、サンドブラスト加工によって２種類のウエハのそれぞれにおいて複数個の熱電素子を形成し、一方の熱電素子の間に他方の熱電素子が配置されるようにして基板に挟まれた熱電変換モジュールを製造する。サンドブラスト加工において加工後に形成すべき構造体の大きさを極小化する際、その限界の大きさは当該構造体を研磨材から守るためのマスクの大きさに依存するが、当該マスクの大きさは、一般的にはウエハ等を研削する研削具の幅よりも小さい。さらに、サンドブラスト加工は、加工対象に研磨材を吹き付けることによって構造体を生成することができる。従って、サンドブラスト加工によって熱電素子を形成する構成によれば、極めて微細な構造体の熱電素子を容易に形成することができる。そして、当該微細な構造の熱電素子が第１基板と第２基板とに挟まれた状態とすることにより、高性能な熱電変換モジュールを製造することができる。
【０００７】
ここで、第１熱電素子形成工程においては、第１熱電材料のウエハからサンドブラスト加工によって複数個の第１熱電素子を形成することができればよい。すなわち、複数個の第２熱電素子と組で使用されることによって、熱電変換モジュールを構成できるように複数個の第１熱電素子を形成することができればよい。
【０００８】
第２熱電素子形成工程においては、第２熱電材料のウエハからサンドブラスト加工によって第１熱電素子の間に配置可能な複数個の第２熱電素子を形成することができればよい。すなわち、複数個の第１熱電素子の外縁間の距離より小さい構造体として第２熱電素子を形成し、かつ、各第１熱電素子と干渉しない位置に複数個の第２熱電素子を配置して各熱電素子を基板間に配置することができるようにサンドブラスト加工によって複数個の第２熱電素子を形成することができればよい。
【０００９】
なお、第１熱電材料と第２熱電材料とは、両者を組で使用することによって熱電変換モジュールを製造することができるような材料であればよく、例えば、第１熱電材料と第２熱電材料との一方がｎ型熱電材料、他方がｐ型熱電材料であるように構成すればよい。
【００１０】
モジュール化工程においては、第１基板と第２基板との間に複数個の第１熱電素子と複数個の第２熱電素子とが支持されるとともに、複数個の第１熱電素子の間に複数個の第２熱電素子が配置された熱電変換モジュールを製造することができればよい。従って、サンドブラスト加工によって形成された第１熱電素子および第２熱電素子を熱電変換モジュール化するための各種の工程を行うことが可能である。例えば、モジュール化工程より前の工程において第１基板と第２基板とのそれぞれに熱電素子が接合されている場合には、両基板を合わせて熱電素子が両基板の間に支持されるように構成すればよいし、モジュール化工程より前の工程において第１基板と第２基板とのそれぞれに熱電素子が接合されていない場合には、各基板に熱電素子を接合する工程もモジュール化工程として行うことになる。
【００１１】
熱電変換モジュールを製造するためのより具体的な工程の例として、基板上に支持されたウエハに対してサンドブラスト加工を行う構成としてもよい。例えば、第１熱電素子形成工程において、第１基板上に予め形成された電極に第１熱電材料のウエハを接合し、当該ウエハに第１熱電素子となる部分を保護するマスクを形成し、サンドブラスト加工によって第１熱電素子を形成する構成とする。また、第２熱電素子形成工程では、第２基板上に予め形成された電極に第２熱電材料のウエハを接合し、当該ウエハに第２熱電素子となる部分を保護するマスクを形成し、サンドブラスト加工によって第２熱電素子を形成する構成とする。すなわち、第１基板、第２基板に形成された電極のそれぞれに対して第１熱電材料のウエハ、第２熱電材料のウエハを接合することによって、各ウエハを各基板上に支持する。
【００１２】
この状態において、ウエハに対してサンドブラスト加工を行ってマスクされた部分以外の熱電材料を除去することにより、マスクされた部分に残された構造体を第１熱電素子、第２熱電素子とする。ここで、マスクは第１熱電素子、第２熱電素子となる部分を保護するマスクであるため、各熱電素子が電極に接合された構造体となるようにマスクの位置が設定される。例えば、第１基板、第２基板に平行な面に対してマスクを投影した場合に投影図と電極との少なくとも一部が重なるようにマスクの位置が設定される。以上の構成によれば、極めて容易に、第１基板、第２基板上の電極に接合された第１熱電素子、第２熱電素子を形成することが可能である。
【００１３】
なお、電極は第１基板と第２基板とを向かい合わせる際に対向する各基板上の面に形成され、当該電極に第１熱電素子および第２熱電素子が接合されることによって熱電変換モジュールにおいて熱電変換を行うことができるように熱電素子を電気的に接続することができればよい。例えば、１個の第１熱電素子と１個の第２熱電素子とが第１基板上の１個の電極によって電気的に接続されている場合、当該第１熱電素子と当該第２熱電素子とは第２基板上で異なる電極に接続されているように構成する。すなわち、電気的には第１熱電素子と第２熱電素子とが交互に直列接続されており、第１熱電素子と第２熱電素子との間が電極で接続されるように構成される。
【００１４】
以上のようにして第１基板、第２基板上の電極に接合された第１熱電素子、第２熱電素子が形成されると、両者を向かい合わせた状態で、第１基板上に形成された電極と第２熱電素子とを接合し、第２基板上に形成された電極と第１熱電素子とを接合することによって熱電変換モジュールを製造することができる。以上の構成において、接合は、例えば、半田等によって実現することが可能であり、予め接合対象にメッキを施しておき、所定の温度に加熱する工程等によって実現可能である。従って、極めて容易に基板に複数個の熱電素子が挟まれた構造の熱電変換モジュールを製造することが可能である。むろん、他の方法、例えば、金属粒子を含むペーストを焼結することによって接合を行ってもよい。
【００１５】
第１熱電素子および第２熱電素子は、第１基板と第２基板とを向かい合わせる際に対向する各基板上の面に平行な面内で高密度に配置されていればよく、最密充填されるように第１熱電素子および第２熱電素子を配置してもよいし、他の配置となるように所定の規則に従って整然と配置されていてもよい。当該配置の具体例として、例えば、第１基板上で電極が形成される面に平行であるとともに互いに直交する２軸に平行な方向に所定間隔で複数個の第１熱電素子を形成し、第２基板上で電極が形成される面に平行であるとともに互いに直交する２軸に平行な方向に所定間隔（第１熱電素子と同じ間隔）で複数個の第２熱電素子を形成する構成としてもよい。
【００１６】
この構成によれば、第１基板と第２基板とを向かい合わせた場合に、２次元的に配置された第１熱電素子の間に第２熱電素子が嵌るように各熱電素子が配置される。すなわち、２軸のそれぞれに平行な方向に所定間隔の１／２の間隔で第１熱電素子と第２熱電素子とが交互に並ぶ構成となる。従って、２軸に平行な平面内に２次元的に規則的に第１熱電素子と第２熱電素子とを配置することができる。
【００１７】
なお、所定間隔は、第１熱電素子と第２熱電素子とが互いに干渉しない間隔であればよいが、第１熱電素子と第２熱電素子とが互いに干渉せず、かつ、接触しない範囲でできるだけ小さい方が好ましい。従って、サンドブラスト加工を行うマスクの大きさに応じて形成される第１熱電素子および第２熱電素子の大きさおよび形状に基づいて、第１熱電素子と第２熱電素子とが互いに干渉せず、かつ、接触しない最小の値となるように所定間隔を設定することが好ましい。
【００１８】
第１熱電素子および第２熱電素子はサンドブラスト加工によって形成されればよく、種々の大きさの熱電素子とすることができる。例えば、第１熱電素子および第２熱電素子の基板に垂直な方向の高さを１００μｍ以上とする構成を採用可能である。この構成によれば、第１熱電素子および第２熱電素子の高さ方向の一方を高温側、他方を低温側として熱電変換モジュールによる熱電変換を行う際に、第１熱電素子および第２熱電素子の高さ方向に充分な温度差が生じている状態を維持することができる。なお、１００μｍ以上の高さの熱電素子を一回のメッキ工程で製造することは困難であるが、サンドブラスト加工によれば、一回のサンドブラスト加工工程で１００μｍ以上の高さの熱電素子を製造することができる。
【００１９】
さらに、第１熱電素子および第２熱電素子はサンドブラスト加工によって形成されるため、当該サンドブラスト加工の特性に応じた形状となる。すなわち、第１基板および第２基板において第１熱電素子および第２熱電素子が形成される面を底面とした場合、第１熱電素子および第２熱電素子は当該底面に近づくほど底面に平行な方向の断面の大きさ（面積）が大きく（上面よりも裾が広く）なる。この結果、当該底面に対して垂直な方向への第１熱電素子および第２熱電素子の切断面形状は台形となる。
【００２０】
従って、第１熱電素子および第２熱電素子が形成する台形の上底（上面側の辺）に近い部位と下底（底面側の辺）に近い部位とでは底面に平行な方向の断面積が異なる。また、電気抵抗率ρは、一般に、温度の上昇とともに上昇するので、熱電素子の性能指数Ｚ（Ｚ＝α２／（ρ×κ））は多くの場合、温度の上昇とともに低下する。
【００２１】
一方、第１熱電素子と第２熱電素子との性能指数を比較すると、一般に両者の性能指数は異なる値となり、一方が他方より小さくなる。そこで、熱電変換モジュールにおける第１基板と第２基板との一方を高温部、他方を低温部として熱電変換を行う際に、第１熱電素子と第２熱電素子とにおいてサンドブラスト加工によって形成された裾であって、第１熱電素子と第２熱電素子とで性能指数が小さい方の素子における裾を高温部側に向くように第１基板と第２基板との方向を設定して熱電変換を行う構成としてもよい。
【００２２】
すなわち、第１熱電素子と第２熱電素子とを利用した熱電変換モジュールにおいては、第１熱電素子と第２熱電素子とうちの一方の裾および他方の裾と逆側（上面）が高温側に向けられる状態で熱電変換が行われる。そして、上面と裾では、裾の方が電気抵抗が低いため、第１熱電素子と第２熱電素子とのうちで性能指数が小さい方の裾を高温側とすることにより、相対的に低い素子の性能を素子の形状で補う状態で熱電変換を行うことができる。
【００２３】
さらに、軸方向に沿って断面の大きさが変化する第１熱電素子と第２熱電素子との形状を特定の形状とすることにより、高密度に熱電素子を配置した熱電変換モジュールを構成してもよい。例えば、第１基板と第２基板に挟まれた複数個の第１熱電素子と複数個の第２熱電素子とを電気的に直列に接続するように配置してなる熱電モジュールにおいて、第１熱電素子および第２熱電素子は、第１基板および第２基板に垂直な軸を含む断面の形状が台形であり、軸に対して傾斜した側面を有し、隣接する第１熱電素子および第２熱電素子において向かい合う側面は略平行であり、第２熱電素子の側面は第１熱電素子の側面を軸に対してミラー反転した傾斜を有する構成を採用可能である。
【００２４】
また、第１基板と第２基板に挟まれた複数個の第１熱電素子と複数個の第２熱電素子とを電気的に直列に接続するように配置してなる熱電モジュールにおいて、前記第１熱電素子および前記第２熱電素子は、前記第１基板および前記第２基板に垂直な軸に対して略一定の角度で傾斜した複数の側面を有し、隣接する前記第１熱電素子および前記第２熱電素子において向かい合う前記側面は略平行である構成を採用可能である。
【００２５】
これらの熱電変換モジュールにおいては、第１基板および第２基板の間に、第１熱電素子と第２熱電素子とを近い距離に並べて配置することができる。従って、高性能な熱電変換モジュールを提供することができる。なお、第１熱電素子と第２熱電素子との隣り合う側面は、略平行であることにより、第１基板と第２基板との間において予め決められた距離に第１熱電素子と第２熱電素子とが配置された状態で側面が互いに接触しないように構成されていればよい。むろん、以上の構成において、第１基板および第２基板に平行な方向の断面の形状は四角形であってもよいし、三角形や六角形など、他の多角形であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】熱電変換モジュールの製造方法を示すフローチャートである。
【図２】熱電変換モジュールの製造方法を模式的に示す図である。
【図３】熱電変換モジュールの製造方法を模式的に示す図である。
【図４】（４Ａ）（４Ｂ）（４Ｃ）は熱電素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）熱電変換モジュールの製造方法：
（２）実施形態：
【００２８】
（１）熱電変換モジュールの製造方法：
図１は、熱電変換モジュールの製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。本実施形態における熱電変換モジュールの製造方法は、熱電材料のバルクが製造された後に実行される。すなわち、図１に示す熱電変換モジュールの製造方法を実行する以前に、予め第１熱電材料および第２熱電材料のバルクを製造する。なお、本実施形態において、第１熱電材料がｎ型熱電材料、第２熱電材料がｐ型熱電材料である。本実施形態にかかる第１熱電材料および第２熱電材料はＢｉ２Ｔｅ３系の熱電材料であり、Ｂｉ，Ｓｂからなる群から選択される少なくとも１種の元素と、Ｔｅ，Ｓｅからなる群から選択される少なくとも１種の元素とによって（Ｂｉ，Ｓｂ）２（Ｔｅ，Ｓｅ）３の組成となるように秤量された原料に対して各種の加工法を適用することで第１熱電材料および第２熱電材料が製造される。なお、（Ｂｉ，Ｓｂ）と（Ｔｅ，Ｓｅ）との組成比が２：３から僅かにずれたとしても、Ｂｉ2Ｔｅ3と同様の結晶構造（空間群Ｒ３−ｍの菱面体結晶構造（−は通常、３の上方に表記される））である限り、Ｂｉ２Ｔｅ３系の熱電材料である。
【００２９】
なお、Ｂｉ２Ｔｅ３系の第１熱電材料および第２熱電材料は、例えば、押出処理（ホットプレス法等）や塑性変形を伴う押出処理（せん断付与押出法，ＥＣＡＰ法，ホットフォージ法等）、圧延処理、一方向凝固法，単結晶法等によって特定の結晶軸が特定の配向方位に配向するように加工することで製造することができる。図２および図３は、図１に示す製造方法における主な工程における加工対象を模式的に示す図であり、図２においては図１に示す製造を実行する前に製造済みのバルクをＢｎ，Ｂｐとして示している。ここで、バルクＢｎは第１熱電材料のバルク、バルクＢｐは第２熱電材料のバルクである。
【００３０】
図１に示す製造方法においては、このようなＢｉ２Ｔｅ３系の熱電材料のバルクＢｎ，Ｂｐを切断して薄板状とすることにより、第１熱電材料および第２熱電材料のウエハを製造する（ステップＳ１００）。本実施形態においては、後述する工程により第１基板および第２基板に挟まれる第１熱電素子および第２熱電素子を製造するため、各ウエハの厚さは第１熱電素子および第２熱電素子の大きさに合わせて予め決められた厚さとなるように設定される。図２においては、第１熱電材料のバルクＢｎから製造されたウエハをＷｎ、第２熱電材料のバルクＢｐから製造されたウエハをＷｐとして示している。
【００３１】
ウエハが製造されると、次に、ウエハ表面の接合部に拡散バリア層としてのニッケルメッキ、接合層としてのスズメッキが形成される（ステップＳ１０５）。すなわち、本実施形態においては、ウエハから熱電素子以外の部分が除去され、熱電素子が残るように後述するサンドブラスト加工が行われ、当該サンドブラスト加工は基板上の電極とウエハとが接合された状態で行われる。そこで、熱電素子として残る部分を基板上の電極に接合することができるように、接合面にニッケルメッキおよびスズメッキを形成する。図２においては、ステップＳ１０５においてウエハＷｎ，Ｗｐ上にニッケルメッキおよびスズメッキ層が形成されることが実線の矩形で示されている。なお、図２においては一つのウエハが複数個の基板上の電極に接合される例、すなわち、一つのウエハから複数個の基板上の熱電素子が形成される例を示しており、ウエハＷｎ，Ｗｐ上で一つの基板に対応する部分を破線によって区切って示している。
【００３２】
ニッケルメッキおよびスズメッキが行われると、第１基板および第２基板に電極が形成される（ステップＳ１１０）。すなわち、本実施形態においては、熱電素子を支持するとともに熱電素子に熱を伝達し、熱電素子から熱が伝達される部位として薄い矩形板状の基板が使用されるため、当該基板に対して熱電素子を支持し、かつ、熱電素子を電気的に直列に接続することができるように予め電極の配置パターンが決められており、当該配置パターンとなるように基板上に電極が形成される。当該電極の形成は、例えば、アルミナ等の基板上にＣｕによって電極パターンを形成することで実現可能である。図２においては、第１基板Ｐｂ１上に直方体の電極Ｅが横に３個、縦（図の奥行方向）に２個並べて形成されている例と、当該第１基板Ｐｂ１と組み合わされることによって熱電素子を電気的に直列に接続することが可能な電極Ｅが第２基板Ｐｂ２上に形成されている例とを示している。
【００３３】
なお、本実施形態においては、複数個の基板上の電極と一枚のウエハとが接合される構成を採用しており、一枚のウエハに対して４枚の基板上の電極が接合されるため、図２のステップＳ１１０においては４枚の第１基板Ｐｂ１および４枚の第２基板Ｐｂ２を示している。むろん、図２、図３においては、ウエハ、基板、電極等を模式的に示しており、形状や数は図２、図３に示す例に限定されない。すなわち、実際の熱電変換モジュールにおいては、より多数の電極や熱電素子を形成し得る。例えば、２ｍｍ角程度の基板上に２０個の電極を形成し、２０個の第１熱電素子および２０個の第２熱電素子を基板で挟む構成等が想定される。
【００３４】
次に、電極表面に金メッキが形成される（ステップＳ１１５）。すなわち、本実施形態においては、第１基板および第２基板上に形成された電極に対してウエハを接合する構成を採用している。そこで、当該接合を金−スズ半田によって実現するために電極上に金メッキを形成し、ステップＳ１０５で形成したスズメッキの部分を接合可能な状態とする。図２においては、ステップＳ１１５において第１基板Ｐｂ１および第２基板Ｐｂ２上の電極Ｅ上に金メッキ層が形成されることが実線の矩形で示されている。なお、ステップＳ１１０、Ｓ１１５はステップＳ１００より前に行われてもよい。
【００３５】
次に、第１基板および第２基板とウエハとが接合される（ステップＳ１２０）。すなわち、図３に示すように、第１基板Ｐｂ１に第１熱電材料のウエハＷｎが載せられ、第２基板Ｐｂ２に第２熱電材料のウエハＷｐが載せられる。このとき、第１熱電材料のウエハＷｎに形成されたスズメッキが第１基板Ｐｂ１上の電極Ｅに接し、第２熱電材料のウエハＷｐに形成されたスズメッキが第２基板Ｐｂ２上の電極Ｅに接するように位置が調整される。そして、それぞれを加熱することにより金とスズとを互いに拡散させることで電極とウエハとを接合させる。
【００３６】
次に、ウエハ表面にマスクが形成される（ステップＳ１２５）。ここで、マスクはサンドブラスト加工の際にウエハに吹き付けられる研磨材からウエハを保護するための部材であり、ウエハにおいてマスクが形成されていない部分がサンドブラスト加工によって除去され、マスクが形成されている部分はサンドブラスト加工後に残る部分となる。そこで、ステップＳ１２５においては、ステップＳ１０５においてスズメッキが形成された部分の上方（基板に対して垂直な方向）においてスズメッキの大きさと同一あるいは当該大きさよりも小さくなるようにマスクを形成する。すなわち、マスクより下の部位（マスクから基板にかけての部位）はサンドブラスト加工後に残る部位となり、残存部位はマスクから下方に向けて徐々に外形が大きくなる形状である。そこで、残存部位の最下部（裾）がスズメッキによって電極上の金メッキと接合された状態となるように位置を設定してマスクを形成する。図３においては、ステップＳ１２５においてウエハＷｎ，Ｗｐ上にマスクが形成されることが実線の矩形で示されている。。
【００３７】
次に、サンドブラスト加工が行われる（ステップＳ１３０）。すなわち、第１基板上の電極に接合されたウエハと第２基板上の電極に接合されたウエハとのそれぞれに対して研磨材を吹き付けるサンドブラスト加工を行う。この結果、ウエハ表面においてマスクで保護された部分以外の部分を除去し、第１基板上に複数個の第１熱電素子を形成し、第２基板上に複数個の第２熱電素子を形成する。図３においては、ステップＳ１３０のサンドブラスト加工によって第１基板Ｐｂ１上に残存する第１熱電素子をＰｎ、第２基板Ｐｂ２上に残存する第２熱電素子をＰｐとして示している。なお、第１熱電素子Ｐｎは第１基板Ｐｂ１に向かって裾が広くなった状態で接合し、第２熱電素子Ｐｎは第２基板Ｐｂ２に向かって裾が広くなった状態で接合しているため、接合強度が強くなる。
【００３８】
次に、第１基板および第２基板が向かい合わされて接合される（ステップＳ１３５）。すなわち、本実施形態においては、複数個の第１熱電素子と複数個の第２熱電素子とが所定間隔で２次元的に配列し、かつ、第１熱電素子の間に第２熱電素子を配置することができるように構成されている。そこで、まず、第１熱電素子と第２熱電素子との上端に残存するマスクを除去する。そして、第１基板と第２基板とを向かい合わせ、第１熱電素子の間に第２熱電素子を配置するように両者を近づけると、第１熱電素子と第２熱電素子とが接触しない状態で、第１熱電素子を第２基板上の電極に接触させ、第２熱電素子を第１基板上の電極に接触させた状態とすることができる。
【００３９】
この状態において、加熱を行えば、金とスズとを互いに拡散させることで第１熱電素子を第２基板上の電極に接合させ、第２熱電素子を第１基板上の電極に接合させることができる。図３においては、このようにして接合された状態をステップＳ１３５として示しており、同図に示すように、接合の結果、第１基板Ｐｂ１と第２基板Ｐｂ２との間に第１熱電素子と第２熱電素子とが挟まれるとともに、第１熱電素子と第２熱電素子とが交互に電気的に直列に接続された熱電変換モジュールを製造することが可能である。このように、本実施形態によれば、複数個の熱電素子を１回のサンドブラスト加工工程によって形成することができるため、ダイシングソーやワイヤーソー等によってバルクから熱電素子の構造体を切り出す手法や、メッキを複数回繰り返すことによって熱電素子の構造体を形成する手法と比較して、簡単に熱電素子を製造することができ、簡単に熱電変換モジュールを製造することができる。
【００４０】
以上のような熱電変換モジュールの製造方法において、複数個の第１熱電素子は、第１基板上で電極が形成される面に平行な面内において、互いに直交する２軸に平行な方向に所定間隔で形成される。また、複数個の第２熱電素子は、第２基板上で電極が形成される面に平行な面内において、互いに直交する２軸に平行な方向に所定間隔で形成される。図４Ａは、製造後の熱電変換モジュールにおいて、第１基板Ｐｂ１に平行な面で第１熱電素子Ｐｎおよび第２熱電素子Ｐｐを切断し、切断面を第２基板Ｐｂ２側から眺めた状態を示す図である。図４Ａにおいては、第１基板Ｐｂ１に平行な面をｘ−ｙ平面とし、第１基板Ｐｂ１の辺に平行な方向にｘ軸およびｙ軸を定義している。
【００４１】
同図４Ａに示すように、第１熱電素子Ｐｎはｘ−ｙ平面内で２次元的に交互に並ぶように形成され、互いの距離（中心間の距離）は所定距離Ｌである。同様に、第２熱電素子Ｐｐはｘ−ｙ平面内で２次元的に交互に並ぶように形成され、互いの距離（中心間の距離）は所定距離Ｌである。そして、当該所定距離Ｌは、第１熱電素子と第２熱電素子とを互いに干渉させずに配置可能な最小値となるように設定されている。従って、本実施形態においては、ｘ−ｙ平面内で第１熱電素子Ｐｎと第２熱電素子ＰｐとがＬ／２の距離でｘ方向およびｙ方向に並ぶように構成されるとともに、互いの間隔が最小化されるように構成されている。このため、断面矩形の第１熱電素子Ｐｎと第２熱電素子Ｐｐをｘ−ｙ平面内に高密度に配列することができる。高密度に配置するために熱電素子の平面形状を三角形、六角形等の多角形を選択してもよい。
【００４２】
なお、図１に示す製造方法においては、図４Ａに示すような熱電素子の配列を実現するために、予めスズメッキの位置およびマスクの位置が調整されることになる。すなわち、本実施形態にかかるサンドブラスト加工においては、マスクによって保護された部位が熱電素子となるが、当該加工は研磨材を吹き付けることによってウエハを除去する加工法であるため、マスクの位置においてはマスクと同じ形状の部位が残存するが、マスクから研磨材の吹き付け方向に離れた位置において残存する部位はマスクよりも大きくなる。
【００４３】
図４Ｂは、ｘ−ｚ平面に平行な方向に第１熱電素子および第２熱電素子を切断した状態を示す断面図である（ｚ軸はｘ軸、ｙ軸に垂直な方向）。同図４Ｂに示すように、ｘ−ｚ平面に平行な方向に第１熱電素子および第２熱電素子を切断すると、その断面は台形となる。この場合、隣接して向かい合う側の第１熱電素子Ｐｎの裾の端部と、第２熱電素子Ｐｐの裾の端部が基板に平行な方向において距離が近くなり、高密度に配置が可能になる。
【００４４】
図４Ｃは、図４Ｂに示す第１熱電素子Ｐｎの一つを抜き出して示した図である。第１熱電素子Ｐｎおよび第２熱電素子Ｐｐは、同様のサンドブラスト加工によって形成されるため、第１基板Ｐｂ１および第２基板Ｐｂ２に垂直な方向の軸Ａｘに対する側面の傾斜角α１，α２は略一定である。従って、当該図４Ｃに示す台形を上下反転した状態で左右に並べると、図４Ｂに示すように、第１熱電素子Ｐｎの側面と第２熱電素子Ｐｐの側面とが平行となった状態で並べることができる。
【００４５】
また、隣接して向かい合う第１熱電素子Ｐｎの傾斜面と第２熱電素子Ｐｐの傾斜面が略平行となる。さらに、図４Ｂに示すように、第１熱電素子Ｐｎの傾斜面ＳｎからＬ／２の距離だけ離れた位置における第２熱電素子Ｐｐの傾斜面Ｓｐは、傾斜面の傾斜方向が、当該断面において第１熱電素子Ｐｎの傾斜面Ｓｎに対してＺ方向に対しミラー反転した方向になっている。本実施形態においては、そのように平行に傾斜した面が交互に配置されるため、基板の反りが発生した場合の応力集中を防ぐことができる。また、前記の傾斜した面が交互に配置される方向は直線方向に限らない。例えば前記の三角形の平面形状を有する熱電素子の場合は６０度に角度をもった方向に交互に配置される場合がある。つまり当該傾斜面はＺ方向に対し軸（回転）対象に交互に配置されればよい。
【００４６】
さらに、このような台形の熱電素子において、第１基板Ｐｂ１あるいは第２基板Ｐｂ２に平行な方向の辺のうち、マスク側の辺は短く、マスクと反対側（裾側）の辺は長くなる（図４Ｃにおいては、マスク側の短い辺を上底Ｂｕ、マスクと反対側の長い辺を下底Ｂｌとして示している）。そこで、本実施形態においては、予めサンドブラスト加工により熱電素子が台形となることを見越してマスクの位置および大きさ、スズメッキの位置および大きさを決めておくことにより、図４Ａ，４Ｂに示すように第１熱電素子および第２熱電素子が配置されるように構成されている。すなわち、ステップＳ１２５においては、マスクの形状が正方形であるとともに各辺が第１基板Ｐｂ１あるいは第２基板Ｐｂ２の各辺に平行になるように設定される。また、マスク間の距離（中心間の距離）が所定距離Ｌになるように設定される。
【００４７】
さらに、マスクの各辺の大きさは図４Ｃに示す上底Ｂｕと同一となるように設定されている（すなわち、マスクは上底Ｂｕと同一の長さの４辺を有する正方形である）。さらに、上底Ｂｕの長さは、電極Ｅの幅（例えば、図４Ｂに示す電極Ｅ1におけるｘ方向の幅）よりも小さくなるように設定され、本実施形態においては熱電素子の高さに応じて決められる。すなわち、サンドブラスト加工の加工法に依存して熱電素子が台形となり、当該台形の斜辺の傾きは加工時間（研磨材の吹きつけ時間）に依存した傾きとなる。そこで、予め予定された加工時間のサンドブラスト加工後に形成される下底Ｂｌの長さが電極Ｅの幅（例えば、図４Ｂに示す電極Ｅ1におけるｘ方向の幅）と同一になるように、熱電素子の高さ毎に上底Ｂｕの長さが決められる。
【００４８】
ステップＳ１０５においてスズメッキが形成される部位の形状も正方形であり、当該スズメッキの中心位置は、ステップＳ１２５におけるマスクの中心位置の直下である（マスクの中心位置とスズメッキが形成される部位の中心位置とはｘ−ｙ平面内で同一の位置である）。また、スズメッキが形成される部位となる正方形において、一辺は図４Ｃに示す下底Ｂｌと同一であり、当該下底Ｂｌの大きさは電極Ｅの幅（例えば、図４Ｂに示す電極Ｅ1におけるｘ方向の幅）と同一である。
【００４９】
なお、本実施形態においては、サンドブラスト加工によって第１熱電素子および第２熱電素子の断面形状が台形となるため、ステップＳ１３５において第１基板Ｐｂ１と第２基板Ｐｂ２とを向かい合わせる際の作業が非常に容易である。例えば、第１基板Ｐｂ１に支持された第１熱電素子Ｐｎ同士の間隔は、下底部分で短く、上底部分で長い。第２基板Ｐｂ２に支持された第２熱電素子Ｐｐ同士の間隔も同様である。従って、第１基板Ｐｂ１と第２基板Ｐｂ２とを向かい合わせて近づける際に、熱電素子の角同士が接触する確率は低く、熱電素子同士の接触によって熱電素子が欠けることを防止することができる。
【００５０】
（２）実施形態：
本発明は、上述の実施形態以外にも種々の実施形態を採用することが可能である。また、種々の要素を発明特定事項とすることができる。例えば、第１熱電素子および第２熱電素子に対して絶縁コートを行ってもよい。具体的には、サンドブラスト加工後に形成された複数個の第１熱電素子および第２熱電素子のそれぞれに対して、接合部以外の部位にＺｒＯ2や樹脂などの皮膜を形成し、仮に第１熱電素子と第２熱電素子とが接触した場合であっても両者が電気的に絶縁されているように構成する。この構成によれば、熱電変換モジュールを製造する際の歩留まりを向上することができる。
【００５１】
さらに、第１熱電素子および第２熱電素子の高さ（基板と垂直な方向の長さ）を１００μｍ以上とする構成を採用してもよい。すなわち、熱電変換モジュールにおいては、一対の基板のうちの一方を高温側、他方を低温側とした状態で熱電変換を行うため、基板間には温度差が生じている必要がある。従って、一対の基板（第１基板と第２基板）の間には所定の温度差が生じている状態を維持することが好ましい。そして、基板間に挟まれる熱電素子の高さを１００μｍ以上にすれば、第１熱電素子および第２熱電素子の高さ方向に充分な温度差が生じている状態を維持することができる。
【００５２】
さらに、上述のようにして製造された熱電変換モジュールは、第１基板と第２基板とのいずれか一方を高温側、他方を低温側とすることで熱電変換を行うことができるが、高温側とする基板を選択することによって熱電変換性能を高めることが可能である。図４Ｃ等に示すように、サンドブラスト加工によって形成された熱電素子は高さ方向の断面が台形となる。従って、第１熱電素子および第２熱電素子において上底Ｂｕに近い部位と下底Ｂｌに近い部位とでは基板に平行な方向の断面積が異なり、後者の断面積の方が前者の断面積よりも大きい。
【００５３】
また、一般に、熱電素子の温度が高くなると電気抵抗率ρが大きくなり、性能指数Ｚ（Ｚ＝α２／（ρ×κ））が小さくなる傾向にある。従って、高温側の基板付近においては、低温側の基板付近よりも性能指数Ｚが低下する。
【００５４】
熱電変換モジュールは第１熱電素子と第２熱電素子とを挟む構造であるため、第１熱電素子と第２熱電素子とのいずれにおいても一端が高温側とされ、他端が低温側とされる。しかし、第１熱電素子と第２熱電素子との性能指数Ｚを比較した場合、通常、両者に差があるため、性能指数Ｚがより小さい熱電素子において面積の広い下底Ｂｌが高温側を向くように基板の向きを調整すると、熱電素子を利用する上で不利な条件を軽減することができる。一般的にはＰ型の熱電素子よりもＮ型の熱電素子のほうが性能指数Ｚが低く且つ電気抵抗率ρも大きい。上述の実施形態では実際には電気抵抗率ρの大きなＮ型の熱電素子の裾を高温側へ配置することになる。
【００５５】
すなわち、性能指数Ｚがより小さい熱電素子において面積の広い下底Ｂｌが高温側を向くように基板の向きを調整すると、高温になるにつれて電気抵抗率ρが増加して低下傾向にある熱電性能（性能指数Ｚ）を熱電素子の形状によって軽減することができ、熱電変換モジュールの性能を最大限に発揮することができる。より具体的には、図４Ｂに示す例において、第１熱電素子Ｐｎと第２熱電素子Ｐｐとで第１熱電素子Ｐｎの方が性能指数Ｚが小さい場合、第１熱電素子Ｐｎにおける下底Ｂｌ側の基板である第１基板Ｐｐ１が高温部側に向くように第１基板Ｐｂ１と第２基板Ｐｂ２との方向を設定して熱電変換を行う。この構成によれば、性能指数Ｚが相対的に小さい第１熱電素子Ｐｎが高温になることによって熱電性能が低下することを、面積が大きい下底Ｂｌを高温側とすることによって軽減することができ、熱電変換モジュールの性能を最大限に利用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
Ｂｎ，Ｂｐ…バルク、Ｅ…電極、Ｐｂ１…第１基板、Ｐｂ２…第２基板、Ｐｎ…第１熱電素子、Ｐｐ…第２熱電素子、Ｗｎ，Ｗｐ…ウエハ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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