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JP2982275B2 - Manufacturing method of thin film thermoelectric element - Google Patents
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JP2982275B2 - Manufacturing method of thin film thermoelectric element - Google Patents

Manufacturing method of thin film thermoelectric element

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JP2982275B2
JP2982275B2 JP2277010A JP27701090A JP2982275B2 JP 2982275 B2 JP2982275 B2 JP 2982275B2 JP 2277010 A JP2277010 A JP 2277010A JP 27701090 A JP27701090 A JP 27701090A JP 2982275 B2 JP2982275 B2 JP 2982275B2
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thin film
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幸夫 吉野
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Description

【発明の詳細な説明】 (a)産業上の利用分野 この発明は、赤外線センサ、温度センサ、熱センサな
どに用いられる小型で高感度な熱電素子の製造方法に関
する。
The present invention relates to a method for manufacturing a small and highly sensitive thermoelectric element used for an infrared sensor, a temperature sensor, a heat sensor and the like.

(b)従来の技術 従来より、赤外線センサ、温度センサ、熱センサなど
として用いられる、熱電対を多数直列接続したいわゆる
サーモパイル型熱電素子が開発されている。
(B) Conventional technology Conventionally, a so-called thermopile type thermoelectric element, which is used as an infrared sensor, a temperature sensor, a heat sensor, or the like and has a plurality of thermocouples connected in series, has been developed.

一般に、サーモパイル型熱電素子は、熱電材料が多数
直列接続され、温度差から生じる熱起電力が加算される
構造を有し、大きな熱起電力を得ることができる。これ
により高効率の熱電力変換素子や微少温度差を検知する
高感度な赤外線、温度、熱センサとして利用することが
できる。特に、センサ用途には小型化、高感度化、応答
速度の高速化のために、主に薄膜型の熱電素子が用いら
れる。
Generally, a thermopile type thermoelectric element has a structure in which a large number of thermoelectric materials are connected in series, and a thermoelectromotive force generated from a temperature difference is added, and a large thermoelectromotive force can be obtained. As a result, it can be used as a high-efficiency thermoelectric power conversion element or a highly sensitive infrared, temperature, or heat sensor for detecting a minute temperature difference. In particular, thin-film thermoelectric elements are mainly used for sensor applications in order to reduce the size, increase the sensitivity, and increase the response speed.

従来の薄膜型熱電素子はn型熱電材料からなる細線パ
ターンとp型熱電材料からなる細線パターンを基板上に
形成し、更に電極を形成することによって熱電対を直列
接続している。
In a conventional thin-film thermoelectric element, a thin wire pattern made of an n-type thermoelectric material and a thin wire pattern made of a p-type thermoelectric material are formed on a substrate, and thermocouples are connected in series by forming electrodes.

このような従来の薄膜熱電素子の熱電材料にはコンス
タンタン−ニクロム(特公昭57−40154号)、As−Te
(特開昭53−132282号)、Si,Ge(特開昭57−7172
号)、Bi−Sb−Te(特開昭61−22676号)などの半導体
材料が用いられてきた。
The thermoelectric materials of such conventional thin film thermoelectric elements include Constantan-Nichrome (Japanese Patent Publication No. 57-40154), As-Te
(JP-A-53-132282), Si, Ge (JP-A-57-7172).
Semiconductor materials such as Bi-Sb-Te (Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-22676).

(c)発明が解決しようとする課題 これら従来の熱電材料は比抵抗が小さく熱電変換効率
が高いという長所があるが、ゼーベック係数が小さく、
また酸化し易いため、高温下で使用できないという欠点
を有している。
(C) Problems to be Solved by the Invention These conventional thermoelectric materials have the advantage of low specific resistance and high thermoelectric conversion efficiency, but have a small Seebeck coefficient,
Further, it has a drawback that it cannot be used at high temperatures because it is easily oxidized.

本発明はこのような従来の問題点を解消して、薄膜で
かつ高い熱起電力が得られ、高温度域でも使用可能なセ
ンサ用薄膜熱電素子の製造方法を提供することを目的と
する。
An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a thin-film thermoelectric element for a sensor which can solve such a conventional problem and can obtain a thin film and high thermoelectromotive force and can be used even in a high temperature range.

(d)課題を解決するための手段 前記目的を達成するためには高温度下で使用でき、か
つゼーベック係数の高い材料が必要である。
(D) Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, a material that can be used at a high temperature and has a high Seebeck coefficient is required.

珪化物半導体は300〜700μV/Kという高いゼーベック
係数を有し、耐熱性が高く高温度下での熱電力変換素子
として注目されている。
Silicide semiconductors have a high Seebeck coefficient of 300 to 700 μV / K, have high heat resistance, and are attracting attention as thermoelectric power conversion elements at high temperatures.

発明者らは珪化鉄半導体材料を薄膜化することによっ
て、高感度で高温下でも使用でるサーモパイル型熱電素
子が得られることを見出した。
The inventors have found that a thermopile type thermoelectric element which can be used even at high temperature with high sensitivity can be obtained by thinning an iron silicide semiconductor material.

この発明の薄膜熱電素子の製造方法は、ドナーおよび
アクセプタとしての不純物を交互に配列してなる薄膜熱
電対パターンと珪化鉄膜の薄膜熱電対パターンとをそれ
ぞれ絶縁基板上に積層形成し、熱処理により上記珪化鉄
膜に対する上記不純物の熱拡散を行い、珪化鉄n型半導
体膜と珪化鉄p型半導体膜による熱電対パターンを形成
することを特徴とする。
The method for manufacturing a thin-film thermoelectric element according to the present invention includes the steps of: The method is characterized in that the impurity is thermally diffused into the iron silicide film to form a thermocouple pattern of the iron silicide n-type semiconductor film and the iron silicide p-type semiconductor film.

(e)作用 この発明の薄膜熱電素子の製造方法では、珪化鉄膜の
熱電対パターンと不純物膜の熱電対パターンがそれぞれ
上記絶縁基板上に薄膜形成される。そして熱処理により
不純物が珪化鉄膜に熱拡散して、ドナーの拡散した部分
がn型半導体化され、アクセプタの拡散した領域がp型
半導体化される。これにより絶縁基板上に珪化鉄n型半
導体膜と珪化鉄p型半導体膜による熱電対パターンが形
成される。このように真性半導体である珪化鉄膜とそれ
に対するドナーまたはアクセプタとしての不純物をそれ
ぞれ熱電対パターン状に薄膜形成するようにしたため、
各組成物の量を正確に制御することができ、所望のキャ
リア濃度を有する珪化鉄半導体膜からなる薄膜熱電素子
が得られる。
(E) Function In the method for manufacturing a thin film thermoelectric element of the present invention, a thermocouple pattern of an iron silicide film and a thermocouple pattern of an impurity film are formed as thin films on the insulating substrate, respectively. Then, the impurities are thermally diffused into the iron silicide film by the heat treatment, the part where the donor is diffused becomes an n-type semiconductor, and the region where the acceptor is diffused becomes a p-type semiconductor. Thus, a thermocouple pattern of the iron silicide n-type semiconductor film and the iron silicide p-type semiconductor film is formed on the insulating substrate. As described above, since the intrinsic silicide iron silicide film and the impurity as a donor or an acceptor thereof are formed into thin films in a thermocouple pattern, respectively.
The amount of each composition can be accurately controlled, and a thin-film thermoelectric element made of an iron silicide semiconductor film having a desired carrier concentration can be obtained.

(f)実施例 この発明の実施例を第1図〜第8図に基づいて製造工
程順に説明する。
(F) Embodiment An embodiment of the present invention will be described in the order of manufacturing steps with reference to FIGS.

先ず、FeとSiの粉末を混合して、高周波溶解炉で1600
℃で溶解し円板状の金型に鋳込み冷却する。これにより
円板状の珪化鉄インゴットを得る。そしてその表面を研
磨して珪化鉄ターゲットとする。
First, the powders of Fe and Si were mixed, and the
Melted at ℃, cast into a disk-shaped mold and cooled. Thereby, a disk-shaped iron silicide ingot is obtained. Then, the surface is polished to obtain an iron silicide target.

次に、第1図に示すようにSiO2基板1の上部にマスク
を用いて、上記珪化鉄ターゲットをAr中でRFスパッタリ
ングして熱電対パターン状に珪化鉄薄膜2を成膜する。
このときのスパッタリング条件は次のとおりである。
Next, as shown in FIG. 1, the above-mentioned iron silicide target is subjected to RF sputtering in Ar using a mask on the SiO 2 substrate 1 to form an iron silicide thin film 2 in a thermocouple pattern.
The sputtering conditions at this time are as follows.

基板温度:300℃ 高周波出力:500W〜1.5kW レート:1〜10μm/hr 次に第2図のようにドナーを拡散させる部分を開口し
たマスク3により基板上を覆い、ドナーとしてのCoをAr
中でRFスパッタリングする。このときの、スパッタリン
グ条件は次のとおりである。
Substrate temperature: 300 ° C. High frequency output: 500 W to 1.5 kW Rate: 1 to 10 μm / hr Next, as shown in FIG.
RF sputtering in. The sputtering conditions at this time are as follows.

基板温度:150℃ 高周波出力:500W〜1.5kW レート:2〜20μm/hr これにより第3図に示すように珪化鉄薄膜2からなる
熱電対パターンの各熱電対の片側にそれぞれCo薄膜4が
積層被着される。
Substrate temperature: 150 ° C. High frequency output: 500 W to 1.5 kW Rate: 2 to 20 μm / hr As a result, as shown in FIG. Be deposited.

続いて第4図のようにアクセプタを拡散させる部分に
開口部を形成したマスク5を用い、アクセプタとしての
MnをAr中でRFスパッタリングする。このときのスパッタ
リング条件は次のとおりである。
Subsequently, as shown in FIG. 4, a mask 5 having an opening formed in a portion where an acceptor is diffused was used as an acceptor.
RF sputtering Mn in Ar. The sputtering conditions at this time are as follows.

基板温度:150℃ 高周波出力:500W〜1.5kW レート:1〜15μm/hr これにより、第5図に示すように珪化鉄薄膜の表面に
Mn薄膜6が被着される。
Substrate temperature: 150 ° C. High frequency output: 500 W to 1.5 kW Rate: 1 to 15 μm / hr As a result, as shown in FIG.
An Mn thin film 6 is deposited.

その後、基板全体を真空中1200〜1300℃で熱処理を行
う。これにより第6図に示すように、珪化鉄薄膜にCo,M
nがそれぞれ拡散してn,p型半導体薄膜7,8となって、基
板の中心部と周辺部にそれぞれ温冷接を有する複数の熱
電対が多数直列接続されたサーモパイルが構成される。
Thereafter, the entire substrate is heat-treated at 1200 to 1300 ° C. in a vacuum. As a result, as shown in FIG. 6, Co, M
The n is diffused into n, p-type semiconductor thin films 7 and 8, respectively, to form a thermopile in which a plurality of thermocouples each having a hot / cold junction are connected in series at the center and the periphery of the substrate.

最後に、第7図に示すように端子形成部に切欠を形成
したマスク9を用いて電極材料を蒸着することによっ
て、第8図に示すようにリード取り付け端子10,11を形
成する。
Finally, as shown in FIG. 7, the lead mounting terminals 10 and 11 are formed by vapor-depositing an electrode material using a mask 9 having notches formed in the terminal forming portions, as shown in FIG.

以上に示した実施例では、図面を明瞭化するために熱
電対の対数を少なく描いたが、各パターンはスパッタリ
ング法などにより薄膜形成するものであるため、その熱
電対パターンを微細化することによって熱起電圧を高め
ることができる。例えば第8図に示した構造において5m
m角基板で100対の珪化鉄熱電対を有する熱電素子を作成
し、その感度を計測したところ、約100V/Wであった。ま
た、その素子を700℃で1000時間放置しても特性に変化
はなかった。
In the above-described embodiments, the number of thermocouples is reduced in order to clarify the drawing.However, since each pattern is formed by a thin film by a sputtering method or the like, by miniaturizing the thermocouple pattern, The thermoelectromotive voltage can be increased. For example, in the structure shown in FIG.
A thermoelectric element having 100 pairs of iron silicide thermocouples was prepared on an m-square substrate, and its sensitivity was measured. As a result, it was about 100 V / W. Even when the device was left at 700 ° C. for 1000 hours, the characteristics did not change.

(g)発明の効果 この発明によれば小型で高感度且つ耐熱性に優れた薄
膜熱電素子が得られるため、例えば自動車エンジン用や
溶鉱炉用の非接触温度センサまたは熱センサに応用する
ことができる。また、薄膜形成の際不純物を含んだター
ゲットを用いないため、半導体膜の不純物濃度の制御が
容易になり、特性の揃った薄膜熱電素子が得られる。
(G) Effects of the Invention According to the present invention, a thin-film thermoelectric element having a small size, high sensitivity and excellent heat resistance can be obtained, and thus can be applied to, for example, a non-contact temperature sensor or heat sensor for an automobile engine or a blast furnace. . In addition, since a target containing impurities is not used in forming the thin film, the impurity concentration of the semiconductor film can be easily controlled, and a thin film thermoelectric element having uniform characteristics can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図〜第7図はこの発明の実施例に係る薄膜熱電素子
の製造時の各工程における基板上の状態を表す平面図、
第8図は完成した薄膜熱電素子の平面図である。 1……基板、 2……珪化鉄薄膜、 3,5,9……マスク、 4……不純物(ドナー)膜、 6……不純物(アクセプタ)膜、 7……珪化鉄n型半導体膜、 8……珪化鉄p型半導体膜、 10,11……リード取付端子。
FIG. 1 to FIG. 7 are plan views showing states on a substrate in respective steps in manufacturing a thin film thermoelectric element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a plan view of the completed thin film thermoelectric element. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... Iron silicide thin film, 3,5,9 ... Mask, 4 ... Impurity (donor) film, 6 ... Impurity (acceptor) film, 7 ... Iron silicide n-type semiconductor film, 8 ...... Iron silicide p-type semiconductor film, 10, 11 ... Lead mounting terminals.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−47850(JP,A) 特開 昭53−117962(JP,A) 特開 昭62−177985(JP,A) 特開 昭53−31985(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 35/32 H01L 35/14 H01L 35/34 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-64-47850 (JP, A) JP-A-53-117962 (JP, A) JP-A-62-177985 (JP, A) 31985 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) H01L 35/32 H01L 35/14 H01L 35/34

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】ドナーおよびアクセプタとしての不純物を
交互に配列してなる薄膜熱電対パターンと珪化鉄鉄膜の
薄膜熱電対パターンとをそれぞれ絶縁基板上に積層形成
し、 熱処理により上記珪化膜に対する上記不純物の熱拡散を
行い、珪化鉄n型半導体膜と珪化鉄p型半導体膜による
熱電対パターンを形成することを特徴とする薄膜熱電素
子の製造方法。
1. A thin-film thermocouple pattern in which impurities as donors and acceptors are alternately arranged and a thin-film thermocouple pattern of an iron silicide film are respectively formed on an insulating substrate, and heat treatment is performed on the silicide film. A method for manufacturing a thin-film thermoelectric device, comprising: performing thermal diffusion of impurities to form a thermocouple pattern of an iron silicide n-type semiconductor film and an iron silicide p-type semiconductor film.
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