(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電変換器を製作するための方法であって；該熱電変換器が複数の直列接続の熱電素子セルを有し、個々の熱電素子セルが、第１伝導形の熱電材料の第１体（４）、および第２伝導形の熱電材料の第２体（５）を有し、個々の熱電素子セルの第１体（４）および第２体（５）は第１導電路（３）によって互いに接続され、
熱電素子セルが複数の第２導電路（６）によって互いに直列に接続され、且つ、第１基板ウエーハ（１）および第２基板ウエーハ（２）の間にサンドウイッチ状で配置され、
前記方法が、下記ステップを含む：
第１基板ウエーハ（１）主領域（８）上の第１導電層（１０）の形成、
第１導電層（１０）上の、第１伝導形を有する熱電材料の第１層（２０）の形成、
第１伝導形を有する熱電材料の第１層（２０）をパターン化して、個々の熱電素子セルの第１体（４）を形成すること、
第１導電層（１０）をパターン化して、個々の熱電素子セルの第１導電路（３）を形成すること、
第２基板ウエーハ（２）主領域（９）上の第２導電層（１２）の形成、
第２導電層（１２）上の、第２伝導形を有する熱電材料の第２層（２１）の形成、
第２伝導形を有する熱電材料の層（２１）をパターン化して、個々の熱電素子セルの第２体（５）を形成すること、
第２導電層（１２）をパターン化して、第２導電路（６）を形成すること、および
個々の熱電素子セルの第１体および第２体（４、５）ならびに第１導電路および第２導電路（３、６）が二つの基板ウエーハ（１、２）の間に配置されて、個々の熱電素子セルの第１体（４）および第２体（５）が第１導電路（３）の一つにより互いに接続され、個々の熱電素子セルが、第２導電路（６）により直列に接続されること。
【請求項２】
第２伝導形を有する熱電材料の第２層（２１）の形成の前に、第２導電層（１２）がパターン化されて、第２導電路（６）を形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１伝導形を有する熱電材料の第１層（２０）の形成の前に、第１導電層（１０）がパターン化されて、第１導電路（３）を形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第１伝導形を有する熱電材料の第１層（２０）の形成の前に、第１導電層（１０）がパターン化されて、第１導電路（３）を形成し、および、第２伝導形を有する熱電材料の第２層（２１）の形成の前に、第２導電層（１２）がパターン化されて、第２導電路（６）を形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
Ｓｉウエーハが基板ウエーハ（１、２）として用いられる請求項１に記載の方法。
【請求項６】
第１体および第２体が、異なる材料組成を有する複数の層を含む多層システムから製作される請求項１に記載の方法。
【請求項７】
電気的に絶縁性のウエーハが基板ウエーハ（１、２）として用いられる請求項１に記載の方法。
【請求項８】
電気絶縁層（１４、１５）を有するウエーハが基板ウエーハ（１、２）として用いられる請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は熱電変換器を製作するための方法に関する。
【０００２】
ＤＥ３９３５６１０Ａ１には、金属ブリッジを補助として共に接続されるｎ−およびｐ−ドープ半導体セグメントの系統連係を有するペルチエ冷却器が記載されている。この場合に、金属ブリッジはＡｌ2Ｏ3基板上に適用され、これら基板の一つに関して言えば半導体セグメントはそこに存在する金属ブリッジ上に蒸着される。このタイプのペルチエ冷却器はセンチメーター範囲の物理的なサイズを有し、電力密度が非常に小さくなってしまうので、容易に小型化することはできない。さらに、Ａｌ2Ｏ3基板は、こうしたペルチエ冷却器の効率を損なう非常に低い熱伝導性を有する。
【０００３】
本発明の目的は、熱電素子セルのより高いインテグレーションレベルを可能とし、それによって、より高い電力密度を備える熱電流成分の製作すを可能とすると共に、費用有効性プロセスが用いられる、序文において述べたタイプの熱電変換器を製作するための方法を開発することにある。
【０００４】
この目的は、請求項１の特徴を有する方法によって達成される。副請求項２〜１０は方法の有利な展開に関する。
【０００５】
本発明による方法は、複数の第１導電路によって互いに直列に接続され、それぞれが第１伝導形の熱電材料からなる第１体および第２伝導形の熱電材料からなる第２体を有し、それらは第２導電路によって互いに接続され、且つ電気絶縁性かまたは電気絶縁層を有する第１および第２基板ウエーハ間のサンドウイッチ状で配置された、複数の直列接続熱電素子セルを有する熱電変換器を製作するために用いられる。
【０００６】
本方法において、第１導電路は、第１基板ウエーハの主領域上に形成される。第２導電路は、第２基板ウエーハの主領域上に作成される。二つの基板ウエーハの内、少なくとも一つに関して言えば、熱電材料からなる少なくとも一つの層は、導電路がその上で作成される同じ側に適用される。前記層は、熱電素子の第１および第２体が作成されるようにフォトマスク技術およびエッチングによってパターン化される。
【０００７】
二つの基板ウエーハの加工後、後者は例えば、熱圧縮、はんだ付け、接着剤結合または陽極結合によって、一緒に接合されて、第１および第２体が、中で二つの基板ウエーハの間に配置され、第１および第２導電路によって接続されて、直列に接続された熱電素子セルを形成するサンドウイッチ複合材を形成する。
【０００８】
それぞれの場合において、第１および第２体は、第１導電路によって第１側面上に接続されて、第１側面の反対側の第２側面上にある第２導電路によって第１体および第２体の互いを直列に接続された熱電素子セルを形成する。
【０００９】
第１導電路および第２導電路ならびに第１体および第２体を作成するための好ましい実施形態において、最初に、第１導電層が、第１基板ウエーハの主領域に適用される。続いて、熱電材料からなる層は前記導電層上に堆積し、その後、複数の第１伝導形のドープ領域、および複数の第２伝導形のドープ領域が、熱電材料からなる前記層において形成される。
【００１０】
熱電材料からなる前記層は、続いてフォトマスク技術およびエッチングによってパターン化されて、第１体および第２体を形成する。すなわち、パターン化の後、互いに分離された第１体および第２体が第１導電層上に残っている。
【００１１】
このプロセス段階後、第１導電層は、例えば、フォトマスク技術およびエッチングによって再度パターン化されて、それぞれが第１体および第２体を互いに体の一方の側の上に接続する第１導電路を形成し、それにより複数の互いに分離した熱電素子セルを作成する。
【００１２】
しかし、第１導電層は、熱電材料からなる層の適用の前にさえ、パターン化されて第１導電路を形成することも可能である。
【００１３】
これら段階の前か、間かまたは後に、第２導電層は、第２基板ウエーハの主領域に適用され、続いて、例えばフォトマスク技術およびエッチングによって再度パターン化されて、熱電素子セルをサンドウイッチ複合材の中で互いに直列に接続する第２導電路を形成する。
【００１４】
二つのウエーハは一緒に接合されて、すでに詳しく上述した方法においてサンドウイッチ複合材を形成する。
【００１５】
第１導電路および第２導電路ならびに第１体および第２体を作成するための他の好ましい実施形態において、第１導電層は、第１基板ウエーハの主領域に適用される。それに続いて、第１伝導形の熱電材料からなる第１層が第１導電層に適用される。
【００１６】
続いて、熱電材料からなるこの第１層は、複数の互いに分離された第１体が第１導電層上で作成されるように、フォトマスク技術およびエッチングによってパターン化される。
【００１７】
このプロセス段階後、第１導電層は、例えば、フォトマスク技術およびエッチングによって再度パターン化されて、第１導電路を形成する。
【００１８】
しかし、この場合においても、熱電材料からなる第１層の適用の前にさえ、第１導電層はパターン化されて、第１導電路を形成することが可能である。
【００１９】
これらプロセス段階の前か、間かまたは後に、第２導電層は第２基板ウエーハの主領域に適用され、第２伝導形である熱電材料からなる第２層が前記第２導電層上に堆積する。
【００２０】
熱電流材料からなるこの第２層は、その後、複数の互いに分離された第２体が第２導電層上で作成されるように、フォトマスク技術およびエッチングによってパターン化される。
【００２１】
続いて、第２導電層は、例えば、フォトマスク技術およびエッチングによって再度パターン化されて、第２導電路を形成する。
【００２２】
熱電材料からなる第２層の適用の前にさえ、第２導電層はパターン化されて、第２導電路を形成することも可能である。
【００２３】
二つのウエーハは一緒に接合されて、すでに詳しく上述した方法で直列に接続された熱電素子セルを備えるサンドウイッチ複合材を形成する。
【００２４】
第１および第２導電路ならびに第１および第２体を作成するためのさらに好ましい実施形態において、第１導電層は、再度第１基板ウエーハの主領域に適用される。それに続いて第１伝導形の熱電材料からなる第１層の第１導電層への適用がなされる。
【００２５】
第１伝導形である熱電材料からなる第１層は、その後、前記第１導電層上に堆積する。この第１層は、続いて、複数の第１体が第１導電層上で作成されるように、フォトマスク技術およびエッチングによってパターン化される。
【００２６】
第２伝導形である熱電材料からなる第２層は、その後、これら第１導電層の第１体および自由表面−第１体の間にある−に適用される。この第２層は、続いて、複数の第２体が第１導電層上で作成されるように、フォトマスク技術およびエッチングによって再度パターン化される。
【００２７】
第１導電層はパターン化されて、熱電材料からなる第１層および第２層の適用の前または後に、第１導電路を形成することが可能である。
【００２８】
これらプロセス段階の前か、間か、または後に、第２導電層は、第２基板ウエーハの主領域に適用され、続いてパターン化されて第２導電路を形成する。
【００２９】
二つのウエーハは一緒に接合されて、すでに詳しく上述した方法で再度、この場合において直列に接続された熱電素子セルを備えるサンドウイッチ複合材を形成する。
【００３０】
上述の方法の特別な利点は、半導体技術のプロセスが、第１導電路および第２導電路ならびに第１体および第２体を製作するために用いることができるということである。結果として、熱電素子セルの統合レベルおよび熱電変換器に対する製作す費用の両方を相当に減少できる。この最後は、半導体チップの大量生産のために用いられる半導体技術の、従来の、および確立されたプロセスが用いられるという事実による。
【００３１】
本発明での方法により製作された熱電変換器は、まったく同じチップ上の、マイクロエレクトロニクスの素子および／またはマイクロシステム技術と一緒に、簡単な方法において、有利に統合することが可能である。
【００３２】
本発明での方法により、第１および第２体は、異なる材料組成物を有する薄い層の多重度を含む多層システムから簡単な方法で製作することが可能である。結果として、熱電変換器の性能は、正確に、互いに調和的に働く層配列の使用により、有利に増大することが可能である。
【００３３】
図１ａ〜１ｇに示される代表的な実施形態において、最初に、第１導電層１０が第１基板ウエーハ１の主領域８上に製作される。前記層は、例えば、金属層、金属層配列または高度にドープされ、従って高度に導電性の半導体層（例えば、拡散シリコン）を含む。
【００３４】
第１基板ウエーハ１は、全体的に低い電気伝導度を有し、例えば、半絶縁シリコンからなり、または主領域８側の上に電気絶縁層１４（例えば、Ｓｉ酸化物またはＳｉ窒化物層）を有する。
【００３５】
第１導電層１０上に熱電材料（例えば、Ｂｉ2Ｔｅ3、Ｂｉ2Ｓｅ3、ＰｂＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅなど）からなる層１１が堆積し、続いてその中で、複数の第１伝導形（例えば、ｐ−導電性）のドープ領域４０、および複数の第２伝導形（ｎ−導電性）のドープ領域５０が、フォトマスク技術および拡散によって形成される（図１ｂ）。
【００３６】
ドープ領域４０、５０を持つ層１１は、その後、パターン化されて、半導体技術から知られる一つ以上の従来のフォトマスクおよびエッチングプロセスによって、第１体４および第２体５を形成する（図１ｃ）。
【００３７】
後に、第１導電層１０は、同様にそれぞれが第１体４および第２体５、および前記体を接続する第１導電路３を有し、互いに分離した複数の熱電素子セルが第１基板ウエーハ１上に作成されるように、フォトマスク技術およびエッチングによってパターン化される（図１ｄ）。
【００３８】
上述の手順に対する代案として、第１導電層１０は、熱電材料からなる層１１の適用の前に、パターン化することも可能である。
【００３９】
さらに、例えば、はんだ合金（例えば、ＡｕＳｎ）または金からなる金属被覆層１３は、それぞれの場合に、第１導電路３の反対側にある第１および第２体４、５の側に適用される（図１ｄ）。
【００４０】
この第１ウエーハプロセスの前か、間か、または後に、第２導電層１２は第２基板ウエーハ２の主領域９上に形成され（図１ｅ）、パターン化されて（１ｆ）、第２導電路６を形成する。
【００４１】
基板ウエーハ１に類似して、第２基板ウエーハ２は、全体的に低い電気伝導度を有し、例えば、半絶縁シリコンからなり、または基板ウエーハ２は主領域９側の上に電気絶縁層１５（例えば、Ｓｉ酸化物またはＳｉ窒化物層）を有する。
【００４２】
第２導電路６のパターン化後、第２基板ウエーハ２は、第２導電路６と一緒に第１体および第２体４、５の金属被覆層１３上に置かれると共に、第２導電路６が、互いと直列のそれぞれ第１および第２体４、５を含む、前に形成された一対を、第１体および第２体４、５の金属被覆層１３上に運び、互いを直列に接続する（図１ｇ）ように、調整される。
【００４３】
続いて、第２導電路６および金属被覆層１３は、例えば、はんだ付け、接着結合または熱圧着によって互いに接続される。
【００４４】
二つのウエーハ１、２および間にある熱電素子セルを含むサンドウイッチ複合材は、その後分離されて、例えば、引き切りにより、複数の熱電変換器を形成する。複数の異なるまたは同一の熱電変換器は、サンドウイッチ複合材から作成することが可能である。熱電変換器の熱電素子セルの直列回路における、最初と最後の個々の熱電素子セルは、それぞれ、熱電変換器がそれを介して、例えば結合線３２、３３によって電気的に接続することが可能である電気パッド３０、３１を有する。
【００４５】
しかし、熱電変換器は、また容易にＳＭＤ（表面取付け装置）成分として、導電手法において主領域８の反対側にある第１基板ウエーハ１の側への道筋を決める電気パッド３０、３１により、実施例示することができる。
【００４６】
サンドウイッチ複合材の分離における有利なプロセスは、二つの基板ウエーハ１、２の内一つが、他よりもより小さくされる２部分引き切りプロセスである。これは、熱電変換器の電気接続を容易にする（参考、図１ｇ）
【００４７】
上述の方法（基板ウエーハの全領域（area）被覆および続いてのパターン化）に対する代案として、導電路３、６は、マスキングおよび金属被覆またはそれぞれの基板ウエーハの中へのドーパントの拡散によって、直接にパターン化される方法において製作することが可能である。
【００４８】
図２ａ〜２ｇにおいて説明される代表的な実施形態は、以下の方法、
第１導電層１０の形成後、第１伝導形を有する熱電材料からなる第１層２０は、前記第１導電層上に堆積する（図２ａおよび２ｂ）、
第１層２０は、複数の互いに分離した物体４が第１導電層１０上に作成されるように、フォトマスク技術およびエッチングによってパターン化される（図２ｃ）、
第２伝導形を有する熱電材料２１からなる第２層は、第１層２０のパターン化後、第１体４の間の無垢である第１導電層１０の表面、および第１体４に適用される（図２ｄ）、および
熱電材料２１からなる第２層は、複数の第２体５が第１体４の間の第１導電層１０上に作成されるように、フォトマスク技術およびエッチングによってパターン化される（図２ｅ）、
が、第１体４、および第２体５を製作するために行われるという事実により、上述のそれとは本質的に異なる。
【００４９】
熱電材料からなる第１層２０および第２層２１の適用の前か後に、第１導電層１０はパターン化されて第１導電路を形成することが可能である。
【００５０】
第２導電路６を備える第２基板ウエーハ２の製作す、および二つのウエーハの接合は、第１の代表的実施形態に類似に達成される（図２ｆおよび２ｇ）。
【００５１】
図３ａ〜３ｆで説明される代表的実施形態において、第１および第２体４、５を製作するための方法は、第２伝導形を有する熱電材料からなる第２層２１が、第１基板ウエーハ１上に堆積しないという事実により、図２ａ〜２ｅのそれとは本質的に異なる。この場合に、第２基板ウエーハ２の主領域９上の、第２導電層１２の形成後、熱電材料２１からなる第２層はその上に堆積し、続いて、第２体５が第２導電層１２上に作成されるように、フォトマスク技術およびエッチングによってパターン化される。
【００５２】
堆積による方法への代案として、図１ａ〜１ｇおよび図３ａ〜３ｅの代表的実施形態において、熱電材料からなる層１１または第１層２０および熱電材料からなる第２層２１は、ウエーハのボンディングによって第１基板ウエーハ１、または個別に第１基板ウエーハ１および個別に第２基板ウエーハ２に接続されるウエーハとして製作することが可能である。
【００５３】
図４ａおよび４ｂは、上述の方法の一つにより製作された熱電変換器の３次元説明図を示す。図４ａは分解組立図であり、図４ｂにおいて第２基板ウエーハ２が分かりやすく示されている。
【００５４】
上述の代表的実施形態において、基板ウエーハ１、２の厚さは、有利には１００〜３００μｍである。熱電材料からなる層１１、２０、２１の厚さは、好ましくは約５０μｍである。導電層１０、１２の厚さは約１μである。
【図面の簡単な説明】
本発明の三つの代表的な実施形態が図１ａ〜４ｃに連係して、以下に説明される。
【図１ａ】  第１の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図１ｂ】  第１の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図１ｃ】  第１の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図１ｄ】  第１の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図１ｅ】  第１の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図１ｆ】  第１の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図１ｇ】  第１の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図２ａ】  第２の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図２ｂ】  第２の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図２ｃ】  第２の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図２ｄ】  第２の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図２ｅ】  第２の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図２ｆ】  第２の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図２ｇ】  第２の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図２ｈ】  第２の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図２ｉ】  第２の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図３ａ】  第３の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図３ｂ】  第３の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図３ｃ】  第３の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図３ｄ】  第３の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図３ｅ】  第３の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図３ｆ】  第３の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図３ｇ】  第３の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図３ｈ】  第３の代表実施形態による方法配列の図式説明を示す。
【図４ａ】  代表実施形態の一つにより製作された熱電変換器の３次元説明図を示す。
【図４ｂ】  代表実施形態の一つにより製作された熱電変換器の３次元説明図を示す。
【図４ｃ】  代表実施形態の一つにより製作された熱電変換器の３次元説明図を示す。
【符号の説明】
図の中で、同一のまたは同一に機能する要素はそれぞれ同じ参照記号を与えている。
【図１Ａ】
0003816750.tif 000002
【図１Ｂ】
0003816750.tif 000003
【図１Ｃ】
0003816750.tif 000004
【図１Ｄ】
0003816750.tif 000005
【図１Ｅ】
0003816750.tif 000006
【図１Ｆ】
0003816750.tif 000007
【図１Ｇ】
0003816750.tif 000008
【図２Ａ】
0003816750.tif 000009
【図２Ｂ】
0003816750.tif 000010
【図２Ｃ】
0003816750.tif 000011
【図２Ｄ】
0003816750.tif 000012
【図２Ｅ】
0003816750.tif 000013
【図２Ｆ】
0003816750.tif 000014
【図２Ｇ】
0003816750.tif 000015
【図３Ａ】
0003816750.tif 000016
【図３Ｂ】
0003816750.tif 000017
【図３Ｃ】
0003816750.tif 000018
【図３Ｄ】
0003816750.tif 000019
【図３Ｅ】
0003816750.tif 000020
【図３Ｆ】
0003816750.tif 000021
【図４Ａ】
0003816750.tif 000022
【図４Ｂ】
0003816750.tif 000023