JP7015304B2

JP7015304B2 - 集積熱電発電機および関連する製造方法

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Publication number: JP7015304B2
Application number: JP2019522979A
Authority: JP
Inventors: スパツィアーニ、ファビオ; イウリアネッラ、エンリコ; ナルドゥッチ、ダリオ; マスコロ、ダニーロ; ブオシオーロ、アントニエッタ; ラテッサ、ジュゼッペ; ギソン、イターロ
Original assignee: コンソルツィオデルタティリサーチ
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2022-02-02
Anticipated expiration: 2037-10-24
Also published as: JP2020513713A; EP3533085B1; IT201600109345A1; CN109891590A; EP3533085A1; WO2018078515A1; US20190252462A1

Description

本開示は、広く言えば、固体熱電デバイスに関し、特にＣＭＯＳまたはＢｉＣＭＯＳ技術を用いた製造に適した熱電発電機（ＴＥＧ）、および関連する製造方法に係るものである。

熱電発電機（ＴＥＧ）は、環境に優しい材料でできていることに加えて、優れた堅牢性、信頼性、および実質的に無制限の耐用年数の低エンタルピー廃熱利用デバイスとして鋭意研究されている。

ますます普及している電子デバイスの電力消費が絶えず最小化されるにつれて、ＴＥＧは、電池またはスーパーキャパシタのような他のエネルギー蓄積装置に接続する、あるいはその代わりにさえなる補助的な電源として検討され始めている。

平面処理、微細加工注入、および注入後処理、フリップチップ、およびボンディング技術などのような、マイクロエレクトロニクスおよび微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）で開発された十分に確立された処理技術を利用する薄膜技術ＴＥＧに関する出版物が増えている。

非特許文献１および非特許文献２は、固体ヒートポンプおよび発電機用の熱電デバイスの分野における最先端の慣行についての広範な序説的レビューを提供している。

このレビューはまた、シリコン互換性のあるマイクロおよびナノテクノロジーで製造された２つのファミリーのＴＥＧを包含する：第１のファミリーのデバイスでは、熱流は基板に平行であり、そして他のファミリーでは、基板に対して直角である。これらの集積ＴＥＧのアーキテクチャは一般的に、基本セルが熱的に並列で電気的に直列であるように配置されたｎ－ｐドープされた脚部を有する多数の基本セルを含む。

典型的には、熱が基板と平行に流れる集積ＴＥＧデバイスは、非常に高い耐熱材料または膜の上に堆積され、基板の上方数百マイクロメートルに懸架された熱電活性材料の導電性脚部を有することができるか、または活性材料の脚部自体は自立している［膜が無い］。

他の関連する例は、
・非特許文献３
・非特許文献４
・非特許文献５
・非特許文献６
・非特許文献７
・非特許文献８
・非特許文献９
・非特許文献１０
・特許文献１
に報告されている。
・また、膜上の小型熱電対列が、非特許文献１１に記載されている。

平行熱流ＴＥＧ構造の他の例は、導体（ナノワイヤ）の集団を成長させるまたは画定する能力に依存している。文献：非特許文献１～４、特許文献２～５は、そのようなアプローチに従って実践のレビューを提供している。

（Ｌｅｏｎｏｖらによる）特許文献６は、膜層によって支持することができるか、または自己支持性であることができる熱電対列を開示している。これらのデバイスの明らかに容易な製造可能性にもかかわらず、熱はかなりの熱損失を伴って複雑な構造内を移動することを強いられる。さらに、場合によっては、初期基板の上面または下面で熱源との熱的接触を確実にするために接着剤が必要とされる。その結果、システムレベルでの熱結合が悪くなり、熱経路の損失や機械的な脆弱性、熱電対列の性能を低下させるすべての機能をもたらす。

ＴＥＧデバイスの第２のファミリーは、しばしば「面外」熱流束ＴＥＧと呼ばれる。それらは、熱が基板に対して直角に流れるという事実によって特徴付けられる。これらのデバイスでは、熱電活性材料は通常、基板上に立設する高アスペクト比の支持構造上に敷設されているか、またはのその一部である。より高度で明らかに高価な製造プロセスにもかかわらず、この構成は熱損失を最小にし、システムレベルでの熱結合を単純化して全体の性能を向上させる。

「面外」熱流束ＴＥＧは、他の用途の中でも、マイクロエレクトロニクスデバイスおよびオプトエレクトロニクスデバイスにおける小型化および集積化に適している。例は、非特許文献１６および非特許文献１７に報告されている。面外または直交熱流束薄膜構造は、無数の用途、例えばマイクロ発電、または複雑な統合システムにおける温度管理、エネルギー回収または収集に有用である。

その教示に基づいて請求項８の前文が起草されている特許文献７（Ｃｈｅｎら）は、直列に接続された複数のＰ型およびＮ型の熱電素子を有する図１に示す熱電エネルギーハーベスタを開示している。熱電エネルギーハーベスタは、一緒に取り付けることができる２つの異なる基板６３０および６４０上に実現された別々の熱電素子６１０Ａ、６１０Ｂを用いて形成することができる。

その教示に基づいて請求項１の前文が起草されている特許文献８は、比較的低い熱伝導率の材料の間隔の開いた丘部が上に画定されている誘電体ベース層を含む集積熱電発電機を開示している。多結晶半導体のセグメントの規定された薄膜ラインの交互にｐ型ドープおよびｎ型ドープされたセグメントおよびｎ型ドープされた並置セグメントは、発電機に直交する方向に流れる熱の一部を電気に変換するために丘部の傾斜した対向する側面の上に延在する。丘頂部接点および谷底部接点は、ｐ型ドープセグメントおよびｎ型ドープセグメントの並置端部を接合する。非導電性にするためにシリコン結晶の表面上に形成された薄い誘電体層を備えたシリコン結晶からなる第２のウェハは、薄い誘電体層の上に画定された金属パッドを有するように画定される。第２のウェハは、第２のウェハの金属パッドが丘頂部接点と直接接触するように、丘頂部接点を覆って接合される。低熱伝導率材料の丘部間の空隙は、中実であり穴のない誘電体材料の薄層によって封止される。第２のウェハのシリコン結晶を貫通して、丘頂部接点または谷底部コンタクトと幾何学的に投射対応して間隔を置いて平行なシリコンビアホールが形成され、中実の薄い誘電体層で終端を迎える。空隙を封止する薄層は、発電機のキャビティの上から閉じ、底部からシリコン結晶を貫通して形成された平行なシリコンビアホールを閉じるように孔を全く有していない。前述のように、特許文献８に開示されている集積熱電発電機は、フリップチップボンディング技術を用いて実現される。

特許文献９は、シリコン基板上に膜センサを製造する方法を開示している。凹部を充填するために犠牲層がシリコン基板の凹面上に共形に堆積され、炭化ケイ素または窒化ケイ素の薄膜層がシリコン基板および犠牲層の上に堆積される。貫通孔は薄膜層全体に画定され、犠牲層は貫通孔全体に注がれたエッチング溶液によって完全にエッチングされ、薄層膜は凹状キャビティ上に懸架されたままにされる。

この保護層が膜よりも薄く、かつ保護層が貫通孔を開いたままの状態にすることを条件として、膜は、外方へ向けられた膜の自由表面を汚れから保護するために、窒化ケイ素または炭化ケイ素の保護層で被覆することができる。

米国特許第７，８７５，７９１Ｂ１号明細書「Ｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇａｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅｏｎａｍｅｍｂｒａｎｅａｎｄａｍｅｍｂｒａｎｅ－ｌｅｓｓｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ，ｔｈｅｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅｔｈｕｓｏｂｔａｉｎｅｄａｎｄａｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｇｅｎｅｒａｔｏｒｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇｓｕｃｈｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅｓ（膜上の熱電対列および膜のない熱電対列の製造方法、そのようにして得られた熱電対列、およびそのような熱電対列を含む熱電発電機）」ＶｌａｄｉｍｉｒＬｅｏｎｏｖ，ＰａｏｌｏＦｉｏｒｉｎｉ，ＣｈｒｉｓＶａｎＨｏｏｆ（２０１１）国際特許出願公開第２００９／１２５３１７号パンフレット欧州特許第１，０８３，６１０号明細書国際特許出願公開第２０１１／００７２４１号パンフレット国際特許出願公開第２０１１／０７３１４２号パンフレット米国特許第７，８７５，７９１Ｂ１号明細書米国特許出願公開第２０１４／０２４６０６６号明細書国際特許出願公開２０１６／０５５８９２号パンフレット米国特許第６，８２５，０５７号明細書

ＩｓｒａｅｌＢｏｎｉｃｈｅによる博士論文"Ｓｉｌｉｃｏｎ－ＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃＧｅｎｅｒａｔｏｒｓｆｏｒＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｉｏｎｆｒｏｍｈｏｔｇａｓｓｔｒｅａｍｓ"（「高温ガス流からの発電のためのシリコン微細加工された熱電発電機」），ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＦｌｏｒｉｄａ，２０１０．ＤｉａｎａＤａｖｉｌａＰｉｎｅｄａによる博士論文"ＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆＶＬＳｓｉｌｉｃｏｎｎａｎｏｗｉｒｅｓｉｎｔｏｐｌａｎａｒｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ"（「平面熱電発電機へのＶＬＳシリコンナノワイヤのモノリシック統合」），ＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＢａｒｃｅｌｏｎａ，２０１１．Ｈｕｅｓｇｅｎ，Ｔ．；Ｗｏｉｓ，Ｐ．；Ｋｏｃｋｍａｎｎ，Ｎ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆＭＥＭＳｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｗｉｔｈｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ（「高い温度効率を有するＭＥＭＳ熱電発電機の設計と製作」）．Ｓｅｎｓ．ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ２００８，１４５-１４６，４２３-４２９．Ｘｉｅ，Ｊ．；Ｌｅｅ，Ｃ．；Ｆｅｎｇ，Ｈ．Ｄｅｓｉｇｎ，ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＣＭＯＳＭＥＭＳ－ｂａｓｅｄｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ（「ＣＭＯＳＭＥＭＳベースの熱電発電機の設計、製作、および特性評価」）．Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｓｙｓｔ．２０１０，１９，３１７-３２４．Ｗａｎｇ，Ｚ．；Ｌｅｏｎｏｖ，Ｖ．；Ｆｉｏｒｉｎｉ，Ｐ．；ｖａｎＨｏｏｆ，Ｃ．Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆａｗｅａｒａｂｌｅｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｇｅｎｅｒａｔｏｒｆｏｒｈｕｍａｎｂｏｄｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（「人体アプリケーション用ウェアラブル小型熱電発電機の実現」）．Ｓｅｎｓ．ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ２００９，１５６，９５-１０２．Ｗａｎｇ，Ｚ．；Ｆｉｏｒｉｎｉ，Ｐ．；Ｌｅｏｎｏｖ，Ｖ．；ｖａｎＨｏｏｆ，Ｃ．ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＳｉ７０％Ｇｅ３０％ｆｏｒｓｕｒｆａｃｅｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅｓｉｎｈｕｍａｎｂｏｄｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（「人体アプリケーションにおける表面微細加工熱電対列のための多結晶Ｓｉ７０％Ｇｅ３０％の特性評価および最適化」）．Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．２００９，ｄｏｉ：１０．１０８８／０９６０－１３１７／１９／９／０９４０１１．Ｓｕ，Ｊ．；Ｌｅｏｎｏｖ，Ｖ．；Ｇｏｅｄｂｌｏｅｄ，Ｍ．；ｖａｎＡｎｄｅｌ，Ｙ．；ｄｅＮｏｏｉｊｅｒ，Ｍ．Ｃ．；Ｅｌｆｒｉｎｋ，Ｒ．；Ｗａｎｇ，Ｚ．；Ｖｕｌｌｅｒｓ，Ｒ．Ｊ．Ａｂａｔｃｈｐｒｏｃｅｓｓｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒ：Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ（「バッチプロセス微細加工熱電エネルギーハーベスタ：製作と特性評価」）．Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．２０１０，ｄｏｉ：１０．１０８８／０９６０－１３１７／２０／１０／１０４００５．Ｙａｎｇ，Ｓ．Ｍ．；Ｌｅｅ，Ｔ．；Ｊｅｎｇ，Ｃ．Ａ．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒｗｉｔｈｔｈｅｒｍａｌｉｓｏｌａｔｉｏｎｃａｖｉｔｙｂｙｓｔａｎｄａｒｄＣＭＯＳｐｒｏｃｅｓｓ（「標準的なＣＭＯＳプロセスによる熱絶縁空洞を有する熱電エネルギーハーベスタの開発」）．Ｓｅｎｓ．ＡｃｔｕａｔｏｒｓＡ２００９，１５３，２４４-２５０．Ｋａｏ，Ｐ．－Ｈ．；Ｓｈｉｈ，Ｐ．－Ｊ．；Ｄａｉ，Ｃ．－Ｌ．；Ｌｉｕ，Ｍ．－Ｃ．ＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＣＭＯＳ－ＭＥＭＳｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｍｉｃｒｏｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ（「ＣＭＯＳ－ＭＥＭＳ熱電マイクロ発電機の製作と特性評価」）．Ｓｅｎｓｏｒｓ２０１０，１０，１３１５-１３２５．Ｗａｎｇ，Ｚ．；ｖａｎＡｎｄｅｌ，Ｙ．；Ｊａｍｂｕｎａｔｈａｎ，Ｍ．；Ｌｅｏｎｏｖ，Ｖ．；Ｅｌｆｒｉｎｋ，Ｒ．；Ｖｕｌｌｅｒｓ，Ｊ．Ｍ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆａｂｕｌｋ－ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｍｅｍｂｒａｎｅｌｅｓｓｉｎ－ｐｌａｎｅｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ（「バルクマイクロマシニングした膜のない面内熱電対列の特性評価」）．Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｍａｔｅｒ．２０１１，４０，４９９-５０３．１３．Ａ．Ｊａｃｑｕｏｔ，Ｗ．Ｌ．Ｌｉｕ，Ｇ．Ｃｈｅｎ，Ｊ．Ｐ．Ｆｌｒｉａｌ，Ａ．Ｄａｕｓｃｈｅｒ，Ｂ．Ｌｅｎｏｉｒ，ｉｎ "ＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄＭｏｄｅｌｉｎｇｏｆａｎｉｎ－ｐｌａｎｅｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｍｉｃｒｏ－ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（「面内熱電マイクロ発電機の製造およびモデリング」）"，ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓＩＣＴ’０２．２１ｓｔＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，ｐ．５６１－５６４（２００２）Ａ．Ｉ．Ｈｏｃｈｂａｕｍ，Ｒ．Ｋ．Ｃｈｅｎ，Ｒ．Ｄ．Ｄｅｌｇａｄｏ，Ｗ．Ｊ．Ｌｉａｎｇ，Ｅ．Ｃ．Ｇａｒｎｅｔｔ，Ｍ．Ｎａｊａｒｉａｎ，Ａ．Ｍａｊｕｍｄａｒ，ａｎｄＰ．Ｄ．Ｙａｎｇ，Ｎａｔｕｒｅ４５１，１６３－Ｕ５（２００８）Ａ．Ｉ．Ｂｏｕｋａｉ，Ｙ．Ｂｕｎｉｍｏｖｉｃｈ，Ｊ．Ｔａｈｉｒ－Ｋｈｅｌｉ，Ｊ．－Ｋ．Ｙｕ，Ｗ．Ａ．ＧｏｄｄａｒｄＩＩＩ，ａｎｄＪ．Ｒ．Ｈｅａｔｈ，Ｎａｔｕｒｅ４５１，１６８－１７１（２００８）Ｆ．Ｓｕｒｉａｎｏ，Ｍ．Ｆｅｒｒｉ，Ｆ．Ｍｏｓｃａｔｅｌｌｉ，Ｆ．Ｍａｎｃａｒｅｌｌａ，Ｌ．Ｂｅｌｓｉｔｏ，Ｓ．Ｓｏｌｍｉ，Ａ．Ｒｏｎｃａｇｌｉａ，Ｓ．Ｆｒａｂｂｏｎｉ，Ｇ．Ｃ．Ｇａｚｚａｄｉ，ａｎｄＤ．Ｎａｒｄｕｃｃｉ， ‘ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＧｒａｉｎＳｉｚｅｏｎｔｈｅＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＰｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＳｉｌｉｃｏｎＮａｎｏｗｉｒｅｓ（「多結晶シリコンナノワイヤの熱電特性に及ぼす粒径の影響」）’，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ，４４（２０１５）３７１（ＵＳＡ）Ｎ．Ｎｅｏｐｈｙｔｏｕ，Ｘ．Ｚｉａｎｎｉ，Ｍ．Ｆｅｒｒｉ，Ａ．Ｒｏｎｃａｇｌｉａ，Ｇ．Ｆ．Ｃｅｒｏｆｏｌｉｎｉ，ａｎｄＤ．Ｎａｒｄｕｃｃｉ， ‘Ｎａｎｏｇｒａｉｎｅｆｆｅｃｔｓｏｎｔｈｅｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐｏｌｙ－Ｓｉｎａｎｏｗｉｒｅｓ（「ポリシリコンナノワイヤの熱電特性に及ぼすナノ粒子効果」）’，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ，４２（２０１３）２３９３（ＵＳＡ）（２００１年６月１０－１４日にドイツのミュンヘンで開催されたＴｈｅ１１ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｏｌｉｄ－ＳｔａｔｅＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓで発表された）Ｍ．Ｓｔｒａｓｓｅｒらによる"ＭｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃＧｅｎｅｒａｔｏｒｓＢａｓｅｄｏｎＰｏｌｙ－ＳｉａｎｄＰｏｌｙ－ＳｉＧｅＳｕｒｆａｃｅＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ（「Ｐｏｌｙ－ＳｉおよびＰｏｌｙ－ＳｉＧｅ表面のマイクロマシニングに基づく小型熱電発電機」）"．（２００３年６月８－１２日に米国のボストンで開催されたＴｈｅ１２ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｏｌｉｄ－ＳｔａｔｅＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓａｎｄＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓで発表された"ＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄＣＭＯＳＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃＧｅｎｅｒａｔｏｒｓａｓＯｎ－ＣｈｉｐＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ（「オンチップ電源としての微細加工されたＣＭＯＳ熱電発電機」）"．

ＩＣ製造プロセスと互換性のある一般的な半導体または任意の材料に基づく従来技術の面外または直交熱流束デバイスの、所与の熱流からの電力収率および設置面積に対する電力収率は、強化されてきた。しかし、標準的なＣＭＯＳまたはＢｉＣＭＯＳ技術と完全に互換性のあるプロセスによって実現することができる、より効率的でコンパクトなＴＥＧが必要とされている。

既知のデバイスのように、本開示の発電機は、平坦な発電機に直交する方向に流れる熱の一部を電気に変換するのに有用な、誘電体材料の丘部および谷部の傾斜した対向する側面の上に交互にｐ型ドープおよびｎ型ドープされたセグメントの並置端部を接合する丘頂部接合金属接点および谷底部接合金属接点と、丘頂部接合金属接点の上に敷設され、非導電性カバー層によって頂部で画定された間隙である谷部の上方に懸架された平坦な非導電性カバー層とを有する。

本出願人は、標準的なフロントエンドＣＭＯＳまたはＢｉＣＭＯＳ技術と完全に互換性のあるプロセスで製造することができる面外熱流束構成の集積熱電発電機を見出した。この開示によれば、谷部の上方の平坦な非導電性カバー層の部分は、犠牲層をエッチングすることによって空隙を形成するために、非導電性カバー層（９）の厚さを通って等方性エッチング溶液またはエッチングプラズマを通過させるのに十分な大きさの貫通孔を有する。発電機は、非導電性カバー層（９）の貫通孔（１０）を塞ぐように、前記平坦な非導電性カバー層（９）の空隙に対して反対方向に向けられた自由表面上に堆積された頂部キャッピング層（１１）をさらに有する。

面外熱流束構成の集積熱電発電機を製造する方法もまた開示される。

出願された特許請求の範囲は本明細書の不可欠な部分であり、参照により本明細書に組み込まれる。

従来の熱電エネルギーハーベスタを示す。本開示に係る集積熱電発電機のセルの製造プロセスの工程を連続して示す。本開示に係る集積熱電発電機のセルの製造プロセスの工程を連続して示す。本開示に係る集積熱電発電機のセルの製造プロセスの工程を連続して示す。本開示に係る集積熱電発電機のセルの製造プロセスの工程を連続して示す。本開示に係る集積熱電発電機のセルの製造プロセスの工程を連続して示す。本開示に係る集積熱電発電機のセルの製造プロセスの工程を連続して示す。本開示に係る集積熱電発電機のセルの製造プロセスの工程を連続して示す。本開示に係る集積熱電発電機のセルの製造プロセスの工程を連続して示す。本開示に係る集積熱電発電機のセルの製造プロセスの工程を連続して示す。本開示に係る集積熱電発電機のセルの製造プロセスの工程を連続して示す。

図２～図１１は、本開示の熱電発電機の単一セルの製造工程を示す。図示の構造は、ＣＭＯＳおよびＢｉＣＭＯＳ技術と完全に互換性のある製造プロセスを用いて集積熱電発電機を実現するために、シリコンウェハ上に同様に複製することができる。

図２～図１１を参照すると、シリコンウェハとすることができる底部基板１が、その上に面外（直交）熱流束型の集積ＴＥＧを製造するために使用される。任意のサイズの市販のシリコンウェハを使用することができる。

例えば二酸化ケイ素からなることができる、実質的に均一な厚さの誘電体ベース層２（図２）が、底部基板１上に熱酸化またはＰＥＣＶＤ堆積によって成長または堆積される。十分に確立した技術によって、誘電体ベース層２は、誘電体層２のより薄い部分に対応する、谷部３によって隔てられたより厚い部分に対応して、丘部を画定するために不均一な厚さを有するように成形される。

誘電体ベース層２は、有意な熱抵抗を導入することなく必要な底部電気絶縁を提供するのに十分な谷部３に対応する最小厚さを有する。離間した丘部の高さは、概ね０．１～５０μｍにできる。丘部の典型的な傾斜側面はそれらの間に谷部３を画定し、その実質的に平坦な底部は、概ね、丘部の頂部の幅と同様に、０．１～１００μｍ、最も好ましくは０．２～５０μｍの幅を有することができる。丘部は、漸進的にエッチングされる谷部３の壁を、好ましくは４５度～８５度の、ベース面からの傾斜角だけ実質的に平坦な底部に向かって傾斜させるために、一連のマスキングおよびエッチング工程を通し形成できる。

熱電（ＴＥ）材料の薄膜セグメント４および５は、誘電体ベース層２によって形成された丘部および谷部３の上に堆積される。一実施形態によれば、薄膜セグメント４および５は、例えば、ドープされたＳｉまたはＳｉＧｅなどのｐ型ドープおよびｎ型ドープされた多結晶半導体材料で作られる。底部誘電体２および離間した丘部の上に実質的に均一な厚さの薄膜の形態で堆積されたセグメント４および５は、谷底部の接合部を丘部の頂部の２つの隣接する接合部に電気的に接続する熱電材料の２つの脚部を構成する。熱電効果を得るために、図４に示すように、薄膜セグメントを左右に堆積させて異なる熱電材料の接合部を形成してもよく、または添付の図に示されていない代替案によれば、隣接するセグメント４と５の間に金属が充填されている間隙があってもよい。

丘部材料は、切頭四角錐形の丘部または１つの軸に沿って台形の断面及びそれに直交する真っ直ぐな面または側面を有する丘部の対向する傾斜面上に画定された多結晶ドープ半導体薄膜セグメントまたは脚部に沿った有効な熱伝導の経路に代わる熱伝導流の迂回経路をさらに防ぐために、上に支持された導電性材料のｐ型およびｎ型セグメントの材料の熱伝導率よりも著しく低い低熱伝導率を有するべきである。

熱電的に活性な多結晶半導体の熱伝導率よりも低い熱伝導率の適切な材料の例およびそれらのそれぞれの熱伝導率を以下の表に報告する。

セグメント４および５の堆積されたドープ多結晶シリコン層は、一般的に１０～１０００ｎｍの厚さを有することができるが、考えられる用途、基本セル構造のスケーリング、使用する多結晶半導体材料の特性、および集積ＴＥＧの設計上の選択によっては、１マイクロメートル以上の厚さでもよい。それぞれ谷底部および丘頂部の低温接合部および高温接合部、あるいはその逆は両方とも、それぞれ低アスペクト比の金属接点６および７によって構成され、隣接するｐ型ドープセグメント５およびｎ型ドープセグメント４の端部を電気的に接続する。金属接点６、７は、例えば、アルミニウム－シリコン合金で作ることができる。

当該技術分野で一般的に当てはまるものとは異なり、ｐ－ｎ接合の形成を回避するために、金属で充填された間隙で分離された隣接するｐ型ドープセグメント５およびｎ型ドープセグメント４を有することは必須ではない。本出願人は、熱電発電機の高温電極および低温電極として作用するために実現されなければならない金属接点６および７が、全空乏領域を覆うｐ－ｎ接合を短絡させるのに十分大きいので、発電機を通る電流の流れを接合が妨げないことに気付いた。熱電セグメントを並べて画定することは、発電機の性能が悪化しないため便利であるが、セグメント４とセグメント５との間の（金属で充填される）間隙を画定するための追加のマスキング工程が不要であるため製造プロセスはかなり単純化される。

多結晶半導体の２つのセグメント４、５の端部を覆ってそれらと電気的に接触して延びる接合金属接点６、７の堆積金属層は、約０．１～約５μｍの範囲の厚さを有することができる。

熱発電機の高温または低温電極のいずれかを構成する丘頂部金属接点６と、低温または高温電極のいずれかを構成する谷底部金属接点７との間の熱的隔離を高めるために、真空下で空隙の谷部を封止することは非常に有益である。フロントエンドＣＭＯＳまたはＢｉＣＭＯＳ製造技術と完全に互換性のある製造プロセスを使用して、丘部間の空隙の谷部３を固体層とすることができるキャッピング層１１（図１１）で閉じるために、図６～図１１に示される工程が実行される。

湿式エッチング溶液またはエッチングプラズマで等方的にエッチングされるように適合された犠牲材料の層８（図６）が、谷部３を充填し、金属接点６、７とセグメント４、５を埋めるように、図５の構造上に堆積される。この犠牲材料は、例えば低温で堆積された二酸化ケイ素または炭素系材料でとすることができる。次に、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）技術またはエッチバック技術またはそれら２つの組み合わせで、丘頂部金属接点６の上面を露出させるように、犠牲層８を平坦化する（図７）。

犠牲層８の平坦化された自由表面上および丘頂部金属接点６の上面上に、非導電性カバー層９を堆積させる（図８）。例えば、カバー層９は、従来の低温ＰＥＣＶＤ技術を使用して堆積された窒化ケイ素または二酸化ケイ素で作ることができる。次に、例えば標準的なフォトリソグラフィ工程およびドライエッチング工程を用いて、その厚さを通じて孔１０（図９）を形成するように、谷部に対応する非導電性カバー層９の一部を穿孔する。貫通孔１０は、等方性エッチング溶液またはエッチングプラズマを通過させるのに十分に大きく、例えばフッ化水素酸蒸気を流すことによる湿式エッチングプロセス、または、例えば酸素プラズマを用いたドライエッチングプロセスのいずれかで犠牲層８（図１０）を効率的に除去するように配置および成形される。

ほんの一例として、貫通孔１０は、エッチングプラズマのエッチング溶液を通過させるのに十分に広く、かつキャッピング層の材料を空隙に落とすことなくキャッピング層１１の堆積によって塞ぐのに十分に狭くなるように定義される直径を有することができる。

ほんの一例として、孔は５００ｎｍ以下の直径を有することができる。直径の最小サイズは、犠牲層を除去するために使用されるプロセスに従って、かつ犠牲層を除去するために固定される最大時間に従って決定することができる。孔を確実に塞ぐために、キャッピング層１１の厚さは、少なくとも貫通孔１０の直径以上、例えば、２倍または３倍とすることができる。

犠牲層全体が除去されると、カバー層９の一部が谷部３に対応して空隙の上方に懸架される。

最後に、非導電性カバー層９の貫通孔１０を塞ぐように、例えばスパッタリング法で、非導電性層９の上に頂部キャッピング層１１を堆積させる（図１１）。多数の材料をこの最後のステップのために使用でき、好ましくは、アルミニウムのような金属が、良好な電気的および熱的結合の両方を有する頂部キャッピング層１１を実現するために使用可能である。

好ましくは、基板１または層１１と熱電セグメント４および５の接合部との間の熱損失を低減することを目的として、デバイス製造後に、それぞれ熱源または冷熱源と接触するように配置されることになる底部基板１および上部キャッピング層１１に薄肉化処理を施す。一実施形態によれば、底部基板１の厚さおよび頂部キャッピング層１１の厚さは、それぞれ０．５～２．０ミクロンおよび０．１～２ミクロンの範囲である。

谷部３に対応する空隙は、底部基板１と非導電性カバー層９との間の側部間隙を塞ぐことによって、パッケージングまたはバックエンド作業中に恒久的に封止され、パッケージング時に排気される。

図１１に示すセルは、シリコンウェハ上に何度も同じように複製することができ、対応する高温電極６および低温電極７を互いに電気的および熱的に接続してマルチセル熱電発電機の高温電極および低温電極を形成することができる。

本開示の熱電発電機は、以下の利点を有する。
・フリップチップまたはウェハ間技術などのいかなる接合技術も使用せずに、ＣＭＯＳまたはＢｉＣＭＯＳ完全に互換性のあるプロセスで製造できる。
・接合技術におけるように熱損失を増大させ、したがって熱電発電機の全体効率を低下させる位置合わせ不良の危険性もなく、樹脂を使用する必要もない。
・空洞／空間内を真空にすることで、熱損失を最小限に抑えることができる。

Claims

面外熱流束構成の集積熱電発電機であって、
底部基板（１）と、
誘電材料の丘部と谷部を形成するために不均一な厚さを有する、前記底部基板（１）の面上に堆積された誘電体層（２）と、
多結晶半導体のセグメントからなる薄膜ラインが、交互にｐ型ドープおよびｎ型ドープされた、並置されたセグメント（４、５）であって、前記集積熱電発電機に直交する方向に流れる熱の一部を電気に変換するのに有用であり、前記丘部の傾斜した対向する側面上に延在する、並置されたセグメント（４、５）と、
交互にｐ型ドープおよびｎ型ドープされた前記セグメント（４、５）の並置された端部を接合する丘頂部接合金属接点（６）および谷底部接合金属接点（７）と、
前記丘頂部接合金属接点上に敷設され、前記谷部の上方に懸架された平坦な非導電性カバー層（９）であって、前記丘部（３）の間の全ての前記谷部は、前記非導電性カバー層（９）によって頂部を画定された空隙を形成する、前記非導電性カバー層（９）と
を備える集積熱電発電機において、
前記平坦な非導電性カバー層（９）のうちの前記谷部の各谷部の上に懸架された部分は、標準的なフォトリソグラフィ工程およびドライエッチング工程を用いて実現された貫通孔（１０）を有し、前記貫通孔（１０）は前記空隙と連通し、前記非導電性カバー層（９）の厚さを通って等方性エッチング溶液またはエッチングプラズマを通過させるのに十分な大きさを有し、
前記集積熱電発電機は、前記平坦な非導電性カバー層（９）の前記空隙に対して反対方向に向けられた自由表面上に堆積されたキャッピング層（１１）をさらに有し、該キャッピング層（１１）は、前記非導電性カバー層（９）の前記貫通孔（１０）を塞いでいることを特徴とする集積熱電発電機。
前記空隙は、パッケージングまたはバックエンド作業中に、前記底部基板（１）と前記非導電性カバー層（９）との間の側部間隙を塞ぐことによって恒久的に封止される、請求項１に記載の熱電発電機。
前記空隙は、パッケージング時に排気される、請求項１または請求項２に記載の熱電発電機
前記ｐ型ドープおよびｎ型ドープされたセグメント（４、５）は交互に接合されてｐ－ｎ接合を形成しており、前記丘頂部接合金属接点（６）および谷底部接合金属接点（７）は前記ｐ－ｎ接合のそれぞれ１つを短絡するように配置されている、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の熱電発電機。
前記キャッピング層（１１）は金属層である、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の熱電発電機。
前記ｎ型ドープおよびｐ型ドープ薄膜セグメント（４、５）は多結晶シリコンからなる、請求項１に記載の熱電発電機。
前記丘部（３）は等間隔であり、切頭四角錐形状、または１つの軸に沿った台形の断面とそれに直交する直線状の面または側面とを有する、請求項１に記載の熱電発電機。
面外熱流束構成の集積熱電発電機を製造する方法であって、
誘電体材料の丘部と谷部を画定するために、底部基板（１）の面上に不均一な厚さを有する誘電体層（２）を堆積させるステップと、
多結晶半導体のセグメントからなる薄膜ラインが、交互にｐ型ドープおよびｎ型ドープされた、並置されたセグメント（４、５）であって、前記丘部の傾斜した対向する側面上に延在する並置されたセグメント（４、５）を堆積させるステップと、
交互にｐ型ドープおよびｎ型ドープされた前記セグメント（４、５）の並置された端部を接合する丘頂部接合金属接点（６）および谷底部接合金属接点（７）を堆積させるステップと、
前記谷部を埋め、前記並置されたセグメント（４、５）を覆うが、前記丘頂部接合金属接点（６）の上面のみが覆われないように、犠牲材料（８）の層を堆積させるステップと、
前記丘頂部接合金属接点上に敷設された平坦な非導電性カバー層（９）を堆積させるステップと
を含む方法において、
前記方法は、フロントエンドＣＭＯＳまたはＢｉＣＭＯＳ製造技術と完全に互換性があり、
前記非導電性カバー層（９）の厚さを通って等方性エッチング溶液またはエッチングプラズマを通過させるのに十分に大きな貫通孔（１０）を標準的なフォトリソグラフィ工程およびドライエッチング工程を用いて形成するステップと、
前記平坦な非導電性カバー層（９）を前記丘頂部接合金属接点の上に敷設して、前記谷部の上方に懸架させるために、前記貫通孔（１０）全体を通して等方性エッチング液またはエッチングプラズマを注入することによって前記犠牲材料（８）を除去するステップであって、前記丘部（３）の間の全ての谷部は、前記非導電性カバー層（９）によって頂部を画定された空隙を形成し、前記貫通孔（１０）は、前記空隙と連通するようにする、前記犠牲材料（８）を除去するステップと、
前記非導電性カバー層（９）の前記貫通孔（１０）を塞ぐように、前記平坦な非導電性カバー層（９）の前記空隙に対して反対方向に向けられた自由表面上にキャッピング層（１１）を堆積させるステップと
をさらに含むことを特徴とする方法。
パッケージング時に前記空隙を排気するステップと、
前記底部基板（１）と前記非導電性カバー層（９）との間の側部間隙を塞ぐことによって、パッケージングまたはバックエンド作業中に前記空隙を恒久的に封止するステップとをさらに含む、請求項８に記載の方法。