JP6860561B2 - 熱電発電器 - Google Patents
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Description
第1の基板または下部基板110(シリコン・ウェハ)と、
下部基板に対向する第2の基板または上部基板120(シリコン・ウェハ)
を備える。
1)単結晶シリコンの基板から開始し、(1μmまたは2μmの厚さの)熱酸化膜が堆積される。この酸化物は、後続のエッチングのためのマスクとして役立つ。
2)フォト・リソグラフィー・プロセスにより、谷の彫りこみ(111V)の実現のために熱酸化物上に開口部が作られる。
3)化学エッチング(湿式)およびプラズマ・エッチング(反応性イオン・エッチ)の組み合わせにより、谷(111V)がボトム・チップのシリコン基板上に実現される。
4)LPCVD(Low Pressure Chemical Vapour Deposition:低圧化学蒸着)技術、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition:プラズマ強化化学蒸着)技術、またはSOG(Spin On Glass:スピン・オン・ガラス)の堆積法により、厚い酸化シリコンの膜(1μmから10μmの厚さ)が堆積される。
5)制御された斜面を有する丘構造(115)(参考文献:OPTICS EXPRESS、2012年、第20巻、第20号、p.22934)が、フォト・リソグラフィ・マスクと、厚いシリコン酸化物の化学エッチング(湿式)とプラズマ・エッチング(反応性イオン・エッチ)の組合せとを通じて実現される。
6)先の攻撃の間に暴露されたシリコン上に熱酸化物を成長させる(数百ナノメートルの厚さ)。この酸化物は、基板を電気的に絶縁するのに用いられる。
7)熱電材料が堆積され(「p」型または「n」型)、フォト・リソグラフィーのために、熱電材料の活性領域が厚い酸化物の丘の上で画定される。
8)スパッダリング法により金属膜が堆積され、ボトム・チップの相互接続領域がフォト・リソグラフィーによって画定される。
1)単結晶シリコンの基板から開始し、(1μmまたは2μmの厚さの)熱酸化物を成長させる。この酸化物は、後続のエッチングのためのマスクとして役立つ。
2)フォト・リソグラフィー・プロセスによって、熱酸化物に開口部が作られる。
3)化学エッチング(湿式)およびプラズマ・エッチング(反応性イオン・エッチ)の組み合わせにより、谷(121V)がトップ・チップのシリコン基板上に実現される。
4)湿式エッチングにより、熱酸化膜を除去する。
5)LPCVD(Low Pressure Chemical Vapour Deposition:低圧化学蒸着)技術、またはPECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition:プラズマ強化化学蒸着)技術を通じて、シリコン窒化膜が堆積される。この窒化膜は、次のステップで説明するように、トップ・チップのウェハ上に実現される相互接続を電気的に絶縁するのに役立つ。
6)スパッダリング技術を通じて金属膜が堆積され、フォト・リソグラフィーによって、トップ・チップの相互接続の領域が画定される。
・S. M. Sze著、「半導体デバイス、物理と技術(Semiconductor Devices, Physics and Technology)」、第2版、ジョン・ウィリー・アンド・サンズ(John Wiley and Sons)、2002年
・Yoshio Nishi編、Robert Doering編、「半導体製造技術ハンドブック(Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology)」、第2版、CRCプレス、2007年
・Fernando Ramiro-Manzano、外4名、「A fully integrated high-Q Whispering-Gallery Wedge Resonator」、OPTICS EXPRESS、2012年、第20巻、第20号、p.22934
−吊り下げまたは橋梁構造の欠如。
−熱を電気に変換する能力が結果として増大する、熱電材料の3次元構造。
−下層と上層との間のより大きい断熱。その結果、外部との熱結合能力の向上と、したがって熱電変換能力の増大。
−熱を運ぶ、下部基板および上部基板の要素の間のより良好な熱接触(従来技術に対する改善は、フリップ・チップ接合または金属−金属接合の使用による。)。
−熱流束と電気流束の両方の強化された管理:高い熱抵抗を有する丘の材料の使用と空洞内の空気/真空の存在が、TE材料内でより良い熱伝達を可能にする。例えば、図3の従来技術の解決策では、酸化ケイ素の存在は、熱い部分と冷たい部分との間に熱的短絡を生じさせ、それと対照的に、図4の解決策では、熱い部分と冷たい部分は、本明細書で開示された、点111Vおよび121Vで示されたウェハの彫りこみがある解決策よりも近くにある。
−薄くして、結果として基板損失が低減された基板の使用。ウェハは、依然として機械的に安定な構造の限界まで薄くする(範囲は10〜100ミクロンであり得る)ことができる。
a)p型とn型の基本要素の2対の直列接続1000S。図9を参照。
b)基本要素pとnの2対の並列接続1000P。図10を参照。
c)基本要素pとnの2対のグリッド接続1000G。図11を参照。
有利には、本発明の目的である熱電発電器は、発電器の両端の温度差を最大にすることを可能にする。第2の利点は、従来技術の熱電発電器(例えば、Strasserらによる刊行物や、Suらによる刊行物に記載されているものなど)とは異なり、本発明の目的である熱電発電器の内部に吊り下げ構造または橋梁構造がないという事実によって与えられる。機械的な観点から、前記吊り下げ構造または橋梁構造は、熱電発電器の構造を弱め、および/または、前記熱電発電器を高温(60℃以上)に耐えるのに、および/または、例えば、フリップ・チップ接合または金属‐金属接合のような、特定のタイプの接合によって密封されるのに不向きにする。
Claims (8)
- それぞれが2つの対向する面を有する基部シリコン・ウェハ(110)と、カバー・シリコン・ウェハ(120)と、からなる面外熱流構成を有する一体型熱電発電器の構成ブロック(100)であって、
前記基部シリコン・ウェハ(110)は、前記2つの対向する面の1つの面の上に、複数の丘(111C)と、前記複数の丘(111C)の間の複数の谷(111V)と、を有し、
前記丘(111C)の各々は、電気的および熱的に絶縁性の材料でできた第2の切頭ピラミッドまたは切頭円錐(115)がその上にある、前記基部シリコン・ウェハ内の第1の切頭ピラミッドまたは切頭円錐を含み、前記第2の切頭ピラミッドまたは切頭円錐の大きいほうの基部が、前記基部シリコン・ウェハ内の前記第1の切頭ピラミッドまたは切頭円錐の小さいほうの基部より小さく、かつ、これに載置されており、
前記第2の切頭ピラミッドまたは切頭円錐の小さいほうの基部およびその側面の少なくとも一部に、前記第1の切頭ピラミッドまたは切頭円錐の小さいほうの基部の少なくとも一部分も越えて延びるp型にドープされた熱電材料の層(116)があり、
頂部電気接点(118)が、前記第2の切頭ピラミッドまたは切頭円錐の小さいほうの基部の少なくとも一部の上にあり、2つ以上の側面接点(117)が、それぞれ一端において前記第1の切頭ピラミッドまたは切頭円錐の小さいほうの基部の少なくとも一部の上の前記熱電材料の層と接触し、かつ前記丘(111C)の前記側面上をそれぞれの谷(111V)の一部まで延在し、
前記カバー・シリコン・ウェハ(120)は、前記対向する面の1つの面の上に、複数の谷(121V)と丘(121C)を有し、
前記カバー・シリコン・ウェハ(120)の前記1つの面の実質的に全体の上には、電気絶縁材料の層(124)があり、
前記カバー・シリコン・ウェハ(120)の前記丘(121C)の頂部には、電気接点と頂部熱接点との両方として作用する金属接点があり、
前記カバー・シリコン・ウェハは、それぞれの頂部接点(118、128)が接触し、
前記カバー・シリコン・ウェハと前記基部シリコン・ウェハとの間の空間が真空にされるか、または気体、特に空気が存在する空間であるように、前記基部シリコン・ウェハに対向している、構成ブロック。 - 前記接点(117、118、128)は、金属で作られている、請求項1に記載の一体型熱電発電器の構成ブロック(100)。
- 前記基部シリコン・ウェハ(110)の前記1つの面の上に電気絶縁材料の層(114)がある、請求項1または2に記載の一体型熱電発電器の構成ブロック(100)。
- 前記熱電材料は、n型またはp型にドープされた半導体である、請求項1から3のいずれか一項に記載の一体型熱電発電器の構成ブロック(100)。
- 請求項1から4のいずれか一項に記載の2つ以上の構成ブロックにより形成される一体型熱電発電器(1000S、1000P、1000G)であって、前記2つ以上の構成ブロックは、前記側面接点(117)と前記頂部接点(128)とによって、直列、並列、若しくはグリッドに接続されるように互いに接続され、ゼーベック効果によって生成された電流が、交互に配置されたn型およびp型にドープされた熱電材料(116)を有する構成ブロックを通って流れる、一体型熱電発電器。
- 前記基部シリコン・ウェハのそれぞれの各頂部接点と前記カバー・シリコン・ウェハとの間にフリップ・チップ接合がある、請求項5に記載の一体型熱電発電器。
- 前記基部シリコン・ウェハと前記カバー・シリコン・ウェハが、整列して結合されている、請求項5または6に記載の一体型熱電発電器。
- 前記構成ブロックの間の電気的接続が、相互接続のためのビアの使用によって前記基部シリコン・ウェハ(110)の背面上に作られる、請求項5から7のいずれか一項に記載の一体型熱電発電器。
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