DE3935610A1

DE3935610A1 - Monolithisch integrierbares peltier-kuehlelement

Info

Publication number: DE3935610A1
Application number: DE3935610A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Phys Dr Seidel; Gerhard Dr Mueller
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1989-10-26
Filing date: 1989-10-26
Publication date: 1991-05-02
Also published as: DE8915890U1

Description

Die Erfindung betrifft einen auf mikromechanischem Wege hergestellten Chip insbesondere Halbleiter-Chip mit durch anisotropes Ätzen herge stellter dünner Membran bestehend aus Substratmaterial oder auf dem Substrat aufgebracht, insbesondere in Form einer Folie.

Peltier-Kühler bestehen in der Regel aus einer Zusammenschaltung von n und p-dotierten Halbleitersegmenten, die mit Hilfe von Metallbrücken un tereinander verbunden werden. Bei Stromfluß entsteht dabei an einer Kon taktseite ein Abkühlungseffekt, während an der zweiten eine Erwärmung erfolgt. Eine bekannte Anordnung ist in Fig. 1a und Fig. 1b dargestellt. Das am meisten verwendete Halbleitermaterial ist dabei Wismuttellurid Bi₂Te₃, da es die günstigsten Gütezahlen, die aus der Thermokraft sowie der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit ermittelt werden, besitzt.

Solche Kühler sind relativ große Gebilde (im cm Bereich), die nicht ohne weiteres miniaturisierbar sind.

Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen auf mikromechanischem Wege herge stellten Chip mit monolithisch integrierbarem Peltier-Kühler zu schaf fen. Eine vorteilhafte Anwendung für ein solches Element ist ein Tau punktfühler, der in der Lage ist, mit sehr hoher Genauigkeit die absolu te Feuchte eines Gases, insbesondere der Luft zu bestimmen. Bis heute stehen nur sehr unbefriedigende Lösungen für miniaturisierte und kosten günstige Feuchtefühler (z. B. nach dem kapazitiven Prinzip) zur Verfü gung, die gewöhnlich sehr große Temperaturabhängigkeiten und Streuungen zeigen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt, wie aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele hervorgeht.

Es zeigen:

Fig. 1a ein bekanntes Peltier-Element im Querschnitt,

Fig. 1b ein bekanntes Peltier-Element in Draufsicht,

Fig. 2 eine Membran auf einem Substrat aufgebracht,

Fig. 3 eine neue Peltier-Element-Anordnung auf einer Membran (als Sen sor),

Fig. 4 eine neue Peltier-Element-Anordnung in zweistufiger Ausführung (als hochempfindlicher Sensor) ,

Fig. 5 einen integrierten Schaltkreis (IC) mit zusätzlich integriertem Peltier-Element,

Fig. 6 eine Laserdiode mit integriertem Peltier-Element.

Das Peltier-Element ist so ausgelegt, daß es mit den in der Mikroelek tronik üblichen Fertigungsverfahren der Planartechnik herstellbar ist. Für die praktische Verwendung insbesondere als Taupunktfühler wird es auf einer abgedünnten Folie 1 angeordnet, um eine möglichst optimale thermische Isolation und eine sehr geringe thermische Masse zu er reichen. Eine solche dünne Membran in Form einer Folie 1 soll mit den anisotropen Ätzverfahren der Mikromechanik hergestellt werden. Eine schematische Darstellung des Querschnittes zeigt Fig. 2. Als Substrat 2 wird vorzugsweise Silizium verwendet, aber auch andere Halbleiterma terialien, wie z. B. GaAs oder Germanium sind geeignet. Die Membran kann aus einer dielektrischen Schicht, wie z.B. SiO₂ oder Si₃N₄,oder aus Silizium selbst bestehen. Im letzteren Fall müßte aus Gründen der elektrischen Isolierung allerdings noch ein Dielektrikum auf der Sili ziummembran angebracht werden. Typische Dicken solcher Membranen liegen im Bereich von 0,1-5 µm.

Eine Draufsicht des Peltier-Elementes ist in Fig. 3 dargestellt. In ei ner näherungsweise konzentrischen Anordnung sollen jeweils p- bzw. n-do tierte Halbleiterbahnen 3, 4 zum Zentrum der Membran laufen und dort mit Metallbrücken verbunden werden. Damit werden alle kalten Punkte des Pel tierelementes auf der Membran in einem zentralen Bereich/Insel 5 konzen triert, während die warmen Stellen, die ebenfalls mit Metallbrücken ver bunden sind, außerhalb der Membran in einen Rahmenbereich 6 gelegt wer den, wo aufgrund des dicken Substrates die auftretende Wärme gut abge führt werden kann. Die Halbleiterschichten 3, 4 werden aufgrund der ver wendbaren Abscheidetechniken (LP/CVD, oder Plasmaabscheidung) im allge meinen polykristallin oder amorph werden. Als Schichten-Material bietet sich aufgrund seiner Kompatibilität mit anderen Prozessen wiederum Sili zium an erster Stelle an, das z. B. mit Hilfe der Ionenimplantation in der gewünschten Weise dotiert werden kann (z. B. Bor für p-Typ, Phosphor für n-Typ). Grundsätzlich ist es auch möglich, eine Dünnfilmanordnung von Wismuttellurid zu verwenden, das im Vergleich zu Silizium bessere Gütezahlen aufweist, jedoch sind hier wesentlich größere Kompatibili tätsprobleme zu erwarten.

Die Funktionsweise eines Taupunktfühlers nach Fig. 3 besteht darin, daß durch das Peltier-Element 3, 4 auf der dünnen Folie 1 eine lokale Abküh lung erfolgt, die schließlich beim Erreichen des Taupunktes zum Auskon densieren der Feuchtigkeit führt. Da bei der Kondensation eine relativ große Wärmemenge frei wird, bedeutet das, daß die Membran 1 nicht weiter heruntergekühlt werden kann. Somit genügt das Messen der Temperatur auf der Membran zur Ermittlung der Taupunkttemperatur, die bei bekannter Um gebungstemperatur in eine relative Feuchte umgerechnet werden kann. Die Temperaturmessung kann mit einem speziell für diesen Zweck aufgebrachten Temperaturfühler 7 erfolgen (z. B. Platin-Meßwiderstand), oder auch durch Ermittlung des elektrischen Widerstandes des Peltier-Elementes 3, 4 selbst, mit Hilfe elektrischer Leiterbahnen 8 und Kontaktpunkten (Bond pads) 9.

Für Anwendungen, wo besonders große Temperaturdifferenzen erforderlich sind, ist es auch möglich, eine zweistufige Anordnung des Peltier-Ele mentes vorzusehen, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Dabei wird kon zentrisch um das erste Peltierelement 3, 4 herum ein zweites 10, 11 an geordnet, so daß die warme Seite des inneren Elementes 3, 4 von der kal ten Siete des äußeren 10, 11 gekühlt wird.

Mit vorliegender Erfindung ist es auch möglich, Halbleiter/IC-Chips in planarer Anordnung und mit guter Kompatibilität zu den üblichen Prozes sen der Mikroelektronik mit Peltier-Kühlern zu integrieren.

Eine Anwendung ist die Kühlung von mikroelektronischen Schaltungen mit hoher Leistungsaufnahme, z. B. für Höchstgeschwindigkeitslogik. Eine da für geeignete Anordnung zeigt Fig. 5. Die elektronische Schaltung befin det sich auf einer Substratinsel 5, die über eine dünne Membran 1 mit einem Substratrahmen 6 verbunden, aber dadurch weitgehend thermisch ent koppelt ist. Über der Membran 1 befindet sich ein Peltier-Element 12, 13, dessen kalte Seite auf der Substratinsel liegt, während die warme Seite auf dem äußeren Substratrahmen liegt, so daß darüber die entstehen de Wärme abgeführt werden kann.

Eine ähnliche Ausführung ist anwendbar für die integrierte Kühlung von optoelektronischen Bauelementen, insbesondere von Halbleiter-Laserdio den, siehe Fig. 6. Dort ist eine sehr hohe Temperaturkonstanz gefordert, die nur mit einer aktiven Temperaturregelung erfüllt werden kann. Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, eine komplette Kühleinheit mit Tem peratursensor und Regelelektronik zusammen mit der Laserdiode zu inte grieren. Laserdioden werden im allgemeinen aus Verbindungshalbleitern, wie z. B. GaAs oder InP aufgebaut.

In Fig. 6 ist die optische Bank 1 aus Halbleiter-Substrat mit Halterung 28 für Teile der Optik, wie Spiegel 23, Linsen 24 ersichtlich. Dazu sind die Halteteile 28 so ausgebildet, daß diese aus je zwei Balken in Form der V-Gräben 2′ kreuzförmig (ineinander) z. B. elektrisch, magnetisch, fluidisch (mittels Überdruck/Unterdruck) in der Leitung 29 verschiebbar und/oder versetzbar sind (vgl. die Pfeile für mögliche Schiebebewegung in X-Y-Richtung). Die optischen Teile 23, 24, 25 sind kardanisch aufge hängt und sind von Aktuatoren 27 bewegbar, insbesondere schwenkbar, drehbar, längs und/oder quer, sowie relativ zu anderen Komponenten, Tei len, Elementen des Systems und der Basis 1′, auch auf andere Niveaus (Z-Richtung). Ein Photoelement 21 dient zur Leistungsregelung der Laser diode 1′′ mit Hilfe des Halbleiters 10′′.

Die Aktuatoren/Stellantriebe (elektrisch, magnetisch, fluidisch) und/oder Justierhilfen und/oder Regelung für Positionsänderungen ein zelner Bauelemente/Bauteile wie Laserdiode 1′′/Halbleiter 10′′, IC,s u. a. und ihre Steuerung können vom Fachmann je nach Anwendungsfall der Erfindung ausgewählt und daran angepaßt werden. Gleiches gilt für die Kühlung, Wärmeabfuhr, Wärmesenke, ohne auf die beschriebenen Ausführun gen beschränkt zu sein.

Claims

1. Auf mikromechanischem Wege hergestelltes monolithisches Bauele ment insbesondere Halbleiter-Chip mit durch anisotropes Ätzen herge stellter dünner Membran bestehend aus Substratmaterial oder auf dem Sub strat aufgebracht, insbesondere in Form einer Folie, dadurch gekenn zeichnet, daß sich über der Membran ein Peltier-Element befindet, des sen kalte Seite auf einem inselartigen Bereich des Substrats liegt, wäh rend die warme Seite auf einem äußeren rahmenartigen Bereich des Sub strats angeordnet ist.

2. Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich Segmente von p- bzw. n-dotierten Halbleitern vom äußeren Rahmen des Substrats bis zum inneren inselartigen Bereich des Substrats erstrecken und unterein ander mit Metallbrücken verbunden werden.

3. Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß als Substrat Materialien die Halbleiter Silizium, Gal liumarsenid, Germanium oder Indiumphosphid angewandt sind.

4. Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Membran aus einer dielektrischen Schicht wie z.B. Si liziumdioxid oder Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Diamant, Siliziumkar bonitrid besteht oder aus einem der Substratmaterialien nach Anspruch 3, insbesondere als Folie in einer Dicke von 0,1-5 µm, und auf mikro mechanischem Weg hergestellt wurde.

5. Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Membran mit dem Substrat anodisch verbunden ist.

6. Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Peltier-Element in abwechselnd zwischen Metallbrücken angeordnete p- bzw. n-dotierte Bereich aufgeteilt ist und diese in Dünn schichttechnik abgeschieden sind, insbesondere durch Niederdruck Ab scheidung auf physikalischem oder chemischem Wege (LPCVD) oder Plasma abscheidung (PECV D), wobei die Dotierung insbesondere mit Hilfe der Ionenimplantation durchgeführt wird.

7. Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Temperatur-Meßwiderstand, insbesondere ein Platin meßwiderstand ebenfalls in Dünnschichttechnik aufgebracht ist auf dem Inselbereich (Membran) im Zentrum des Chips.

8. Verwendung eines Chips nach einem der vorhergehenden Ansprüche für Sensoren mit integriertem Kühler, insbesondere Taupunktsensoren.

9. Chip nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Pel tier-Element 2-stufig einander umgebend angeordnet ist.

10. Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung für integrierte Schaltkreise die von einem Pel tier-Kühlelement kühlbar sind.

11. Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung bei Halbleiterlaserdioden, die mit Hilfe eines Pel tier-Elementes gekühlt werden und sowohl einen Temperatursensor als auch eine Temperaturregelung aufweisen.