JP2008010704A - Thermoelectric device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電装置に関し、特にゼーベック効果により熱電材料内の温度差を用いて発電を行う熱電装置に関する。 The present invention relates to a thermoelectric device, and more particularly to a thermoelectric device that generates power using a temperature difference in a thermoelectric material by the Seebeck effect.
従来から熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子として、ゼーベック効果を利用した熱電変換素子(熱電装置)が知られている(たとえば、特許文献1参照)。 Conventionally, a thermoelectric conversion element (thermoelectric device) using the Seebeck effect is known as an element that converts thermal energy into electric energy (see, for example, Patent Document 1).
上記特許文献1では、熱電材料を温度勾配に対して垂直な方向に平面状に構成し、熱電材料の温度勾配上流側もしくは下流側に断熱材を配することにより、熱電材料内の温度差を確保し発電する方法が提案されている。
In the above-mentioned
図10は上記特許文献1に開示された従来の熱電装置の構造を概略的に示した断面図である。従来の熱電装置では、石英ガラス基板101の上にN型熱電材料102とP型熱電材料103と交互に配置している。この熱電材料の間にAg電極104を形成した後、断熱材として発泡ポリウレタンシート105をAg電極104上に1つおきに形成している。この熱電装置を温度勾配のある環境(熱流が石英ガラス基板101側から発泡ポリウレタンシート105側に流れる環境)に置くことにより、発泡ポリウレタンシート105によって放熱が妨げられる部分とそうでない部分との間で温度差を生じさせ、起電力を得ている。
ところで、従来の熱電装置はその構造が大きく、近年では熱電装置の小型化・高集積化が強く求められている。これを実現するためには、半導体製造プロセスを採用して半導体基板(たとえば、シリコン基板)の上に熱電装置を形成する必要がある。しかしながら、従来技術では発泡ポリウレタンシートのみによって温度差を生じさせているが、現状の発砲ポリウレタンシートはその耐熱温度が約80℃であり、半導体製造プロセスにおける信頼性評価試験(たとえば、高温保存試験85℃)を合格して通過することができず、熱電装置の信頼性を確保することができないという問題点があった。 By the way, the conventional thermoelectric device has a large structure, and in recent years, miniaturization and high integration of the thermoelectric device are strongly demanded. In order to realize this, it is necessary to form a thermoelectric device on a semiconductor substrate (for example, a silicon substrate) using a semiconductor manufacturing process. However, in the prior art, the temperature difference is caused only by the foamed polyurethane sheet, but the current foamed polyurethane sheet has a heat-resistant temperature of about 80 ° C., and thus a reliability evaluation test in a semiconductor manufacturing process (for example, a high temperature storage test 85). ° C) cannot pass and pass, and the reliability of the thermoelectric device cannot be ensured.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱電材料内に温度差を生じさせ、発電を行う熱電装置において、小型化・高集積化を実現するとともに、その信頼性を高めることを可能とする熱電装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and its purpose is to produce a temperature difference in the thermoelectric material, and to achieve downsizing and high integration in a thermoelectric device that generates electric power and to improve its reliability. It is to provide a thermoelectric device that can be enhanced.
上記課題を解決するために、本発明に係る熱電装置は、半導体基板の表面に短冊状に設けられたN型部材およびP型部材と、N型部材およびP型部材を含む半導体基板の上に設けられた絶縁層と、を備え、N型部材およびP型部材は長手方向のそれぞれの一端が接続され、N型部材およびP型部材の他端側に冷却手段が設けられていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a thermoelectric device according to the present invention includes an N-type member and a P-type member provided in a strip shape on the surface of a semiconductor substrate, and a semiconductor substrate including the N-type member and the P-type member. An N-type member and a P-type member are connected to one end in the longitudinal direction, and cooling means is provided on the other end side of the N-type member and the P-type member. And
この発明によれば、N型部材およびP型部材の他端側に設けた冷却手段によってその部分が冷却されるので、N型部材およびP型部材の他端の温度をN型部材およびP型部材の一端に比べ低くすることができる。この結果、短冊状のN型部材およびP型部材内のそれぞれに温度差が生じ、起電力を発生させることができる。 According to the present invention, since the portion is cooled by the cooling means provided on the other end side of the N-type member and the P-type member, the temperature of the other end of the N-type member and the P-type member is set to the N-type member and the P-type. It can be made lower than one end of the member. As a result, a temperature difference is generated in each of the strip-shaped N-type member and P-type member, and an electromotive force can be generated.
上記構成において、冷却手段は絶縁層の上面側から半導体基板に向かうように設けられ
た凹状の第1の開口部であることを特徴とする。このようにすることで、N型部材およびP型部材の他端側に設けた第1の開口部によってその部分が大気(空気)に晒されるので、N型部材およびP型部材の他端の温度をN型部材およびP型部材の一端に比べ低くすることができる。特に熱電装置がその上面側の温度が下面側(裏面側)よりも低温となる温度環境に配される場合には、N型部材およびP型部材の他端側に設けた第1の開口部によってその部分が低温環境に晒されるので、N型部材およびP型部材の他端の温度をより効果的に低くすることができる。この結果、短冊状のN型部材およびP型部材内のそれぞれに温度差が生じ、起電力を発生させることができる。
In the above structure, the cooling means is a concave first opening provided so as to face the semiconductor substrate from the upper surface side of the insulating layer. By doing in this way, since the part is exposed to air | atmosphere (air) by the 1st opening part provided in the other end side of the N-type member and the P-type member, the other end of the N-type member and the P-type member The temperature can be lowered compared to one end of the N-type member and the P-type member. In particular, when the thermoelectric device is arranged in a temperature environment in which the temperature on the upper surface side is lower than the lower surface side (back surface side), the first opening provided on the other end side of the N-type member and the P-type member Therefore, the temperature of the other end of the N-type member and the P-type member can be lowered more effectively. As a result, a temperature difference is generated in each of the strip-shaped N-type member and P-type member, and an electromotive force can be generated.
上記構成において、第1の開口部は、その開口部内にN型部材およびP型部材が露出して設けられていることが好ましい。この場合、N型部材およびP型部材の他端の接合部位(具体的には、N型部材と第2の配線パターンとの接合部位およびP型部材と第2の配線パターンとの接合部位)が開口部内の大気(空気)の温度の影響を受け易くなり、より効果的に冷却されるので、N型部材およびP型部材内における温度差を拡大することができる。この結果、より大きな起電力を発生させることができるようになる。 In the above configuration, the first opening is preferably provided with the N-type member and the P-type member exposed in the opening. In this case, the joint part of the other end of the N-type member and the P-type member (specifically, the joint part of the N-type member and the second wiring pattern and the joint part of the P-type member and the second wiring pattern). Is easily affected by the temperature of the atmosphere (air) in the opening and is cooled more effectively, so that the temperature difference between the N-type member and the P-type member can be expanded. As a result, a larger electromotive force can be generated.
上記課題を解決するために、本発明に係る別の熱電装置は、N型部材とP型部材のそれぞれの一端は、絶縁層の表面から露出して設けられた第1の配線パターンを介して接続され、N型部材およびP型部材の他端は、絶縁層の表面から露出して設けられた第2の配線パターンがそれぞれに接続され、冷却手段は、露出面積が第1の配線パターンよりも大きくなるように設けられた第2の配線パターンであることを特徴とする。このようにすることで、第2の配線パターンが大気(空気)の温度の影響をより強く受け、この第2の配線パターンとN型部材およびP型部材との接合部位がより効果的に冷却される。この結果、N型部材およびP型部材内における温度差を拡大することができ、より大きな起電力を発生させることができるようになる。 In order to solve the above-mentioned problem, another thermoelectric device according to the present invention is configured such that one end of each of the N-type member and the P-type member is exposed through the first wiring pattern provided exposed from the surface of the insulating layer. The other end of each of the N-type member and the P-type member is connected to a second wiring pattern that is exposed from the surface of the insulating layer, and the cooling means has an exposed area that is greater than that of the first wiring pattern. The second wiring pattern is provided so as to be larger. By doing so, the second wiring pattern is more strongly affected by the temperature of the atmosphere (air), and the joint portion between the second wiring pattern and the N-type member and P-type member is cooled more effectively. Is done. As a result, the temperature difference between the N-type member and the P-type member can be increased, and a larger electromotive force can be generated.
上記構成において、第1の配線パターンを覆うように絶縁保護層がさらに設けられていてもよい。この場合、第1の配線パターンは絶縁保護層によって大気(空気)の温度の影響が低減されるので、N型部材およびP型部材内における他端との温度差を拡大することができ、より大きな起電力を発生させることができるようになる。 In the above configuration, an insulating protective layer may be further provided so as to cover the first wiring pattern. In this case, since the influence of the temperature of the atmosphere (air) is reduced by the insulating protective layer in the first wiring pattern, the temperature difference between the other end in the N-type member and the P-type member can be expanded. A large electromotive force can be generated.
上記課題を解決するために、本発明に係るさらに別の熱電装置は、下面側(裏面側)の温度が上面側よりも高温となる温度環境に配される熱電装置において、N型部材およびP型部材の一端側の下方領域において、半導体基板の下面側から凹状の第2の開口部がさらに設けられていることを特徴とする。このようにすることで、N型部材およびP型部材の一端側の下方領域に設けた第2の開口部によってその部分が高温環境に晒されるので、N型部材およびP型部材の一端の温度をさらに高くすることができる。この結果、N型部材およびP型部材内における温度差を拡大することができ、より大きな起電力を発生させることができるようになる。 In order to solve the above-described problem, still another thermoelectric device according to the present invention includes an N-type member and a P-type thermoelectric device arranged in a temperature environment in which the temperature on the lower surface side (back surface side) is higher than that on the upper surface side. In the lower region on one end side of the mold member, a concave second opening is further provided from the lower surface side of the semiconductor substrate. By doing in this way, since the part is exposed to a high temperature environment by the 2nd opening part provided in the downward area | region of the one end side of a N-type member and a P-type member, the temperature of the one end of a N-type member and a P-type member Can be further increased. As a result, the temperature difference between the N-type member and the P-type member can be increased, and a larger electromotive force can be generated.
本発明によれば、熱電材料内に温度差を生じさせ、発電を行う熱電装置において、小型化・高集積化を実現するとともに、その信頼性を高めることを可能とする熱電装置を提供することができる。 According to the present invention, in a thermoelectric device that generates a temperature difference in a thermoelectric material and generates power, it is possible to provide a thermoelectric device that can be downsized and highly integrated, and can increase its reliability. Can do.
以下、本発明を具現化した実施形態について図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態に係る熱電装置の構成を示す概略上面図であり、図2は図
1の熱電装置のX−X線に沿った断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic top view showing the configuration of the thermoelectric device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line XX of the thermoelectric device of FIG.
第1実施形態の熱電装置には、P型シリコン基板1、埋め込み酸化膜2、及び単結晶シリコン層3から構成されるSOI(Silicon on Insulator)基板4において、単結晶シリコン層3に短冊状のN型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bが交互に複数形成されている。単結晶シリコン層3には、埋め込み酸化膜2にまで達するSTI(Shallow Trench Isolation)領域5が形成されている。このSTI領域5によってN型不純物領域3aとP型不純物領域3bとが電気的に分離されている。なお、SOI基板4は本発明の「半導体基板」、N型不純物領域3aは本発明の「N型部材」、及びP型不純物領域3bは本発明の「P型部材」の一例である。
The thermoelectric device according to the first embodiment includes a strip-like single
N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bを含む単結晶シリコン層3の上面にはシリコン酸化膜などからなる絶縁層6が形成されている。この絶縁層6には接続孔6aおよび配線溝6bからなるトレンチ溝が形成され、このトレンチ溝内に銅(Cu)からなる導体部(配線パターン7a,7b)が埋め込んで形成されている。
An insulating
N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bはこれらの上に形成された接続孔6aを介して導体部(配線パターン7a,7b)と接続されている。交互に形成されたN型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bは電気的に直列となるよう隣接する異種の不純物領域とその端部で接合されている。具体的には、N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bの長手方向のそれぞれの一端(一方の端部)が配線パターン7bを介して接続され、N型不純物領域3a(P型不純物領域3b)の他端(もう一方の端部)は隣接する別のP型不純物領域3b(N型不純物領域3a)と配線パターン7aを介して接続されている。なお、配線パターン7aは本発明の「第2の配線パターン」および配線パターン7bは本発明の「第1の配線パターン」の一例である。
N-
配線パターン7aはN型不純物領域3aおよびP型不純物領域3b内で発生する起電力(電圧)を外部に引き出すための端子Aおよび端子Bが接続されている。また、配線パターン7bはシリコン窒化膜などからなる絶縁保護膜8によって覆われている。なお、絶縁保護膜8は本発明の「絶縁保護層」の一例である。
The
N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bの他端側(配線パターン7a側)の領域には絶縁層6の上面から凹状の開口部9aが形成されている。開口部9aはN型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bの他端側に沿って直線状に設けられている。開口部9aの開口幅は1000nm程度である。また、この開口部9aの底部はSOI基板4中のP型シリコン基板1に達して設けられ、開口部9a内においてN型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bの側壁がそれぞれ露出している。なお、開口部9aは本発明の「冷却手段」または「第1の開口部」の一例である。
(製造方法)
図3および図4は本発明の第1実施形態による熱電装置の製造プロセスを説明するための断面図である。
A
(Production method)
3 and 4 are cross-sectional views for explaining the manufacturing process of the thermoelectric device according to the first embodiment of the present invention.
図3(A)に示すように、P型シリコン基板1、埋め込み酸化膜2、及び単結晶シリコン層3から構成されるSOI(Silicon on Insulator)基板4を用意する。なお、単結晶シリコン層3の層厚は10〜200nmであり、より好ましくは100nmである。埋め込み酸化膜2の膜厚は10〜200nmであり、より好ましくは100nmである。
As shown in FIG. 3A, an SOI (Silicon on Insulator)
図3(B)に示すように、SOI基板4の単結晶シリコン層3内に埋め込み酸化膜2まで達するSTI領域5を形成する。単結晶シリコン層3はこのSTI領域5によって電気的に区画した領域に分離される。
As shown in FIG. 3B, an
図3(C)に示すように、SOI基板4上にN型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bを形成するためのレジストマスク(図示せず)をそれぞれ形成し、イオン注入法を用いてN型用不純物およびP型用不純物をその領域に導入する。なお、両不純物は、図1に示したように、短冊状に交互に配するように導入する。イオン注入条件は、N型用不純物の場合には、たとえば、リン(P)を10〜30keVの加速エネルギーで、1〜5×1015cm−2の注入量とする。また、P型用不純物の場合には、たとえば、ボロン(B)を10〜30keVの加速エネルギーで、1〜5×1015cm−2の注入量とする。両不純物を注入してレジストマスクを除去した後、N型用不純物およびP型用不純物が導入された領域を熱処理(700〜900℃、30分、N2雰囲気)して活性化する。これにより、N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bをそれぞれ形成する。
As shown in FIG. 3C, resist masks (not shown) for forming the N-
図3(D)に示すように、N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bなどが設けられたSOI基板4の上にプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法により、シリコン酸化膜からなる絶縁層6を形成する。絶縁層6の膜厚は1000nm程度である。
As shown in FIG. 3D, an insulating
次に、図4(A)に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、絶縁層6に接続孔6a(寸法:500nm程度)および配線溝6bからなるトレンチ溝を形成する。なお、接続孔6aおよび配線溝6bの深さはそれぞれ500nm程度とする。
Next, as shown in FIG. 4A, a trench groove including a
図4(B)に示すように、トレンチ溝を含む絶縁層6上全体に窒化タンタル(TaN)からなるバリアメタル膜(図示せず)および電解めっきのシード層となる銅膜(図示せず)をスパッタ法によりこの順に形成する。そして、電解めっき法を用いてトレンチ溝に銅膜を埋め込む。引き続き、不要部分の銅膜およびバリアメタル膜をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により順に研磨除去する。これにより、絶縁層6を貫通するように、絶縁層6に埋め込まれた導体部(配線パターン7a,7b)が形成される。なお、本実施形態では、図4(A)および図4(B)で示したデュアルダマシン法を用いて絶縁層6に導体部(配線パターン7a,7b)を形成したが、シングルダマシン法を繰り返して導体部(配線パターン7a,7b)を形成してもよい。
As shown in FIG. 4B, a barrier metal film (not shown) made of tantalum nitride (TaN) and a copper film (not shown) serving as a seed layer for electrolytic plating are formed on the entire insulating
図4(C)に示すように、絶縁層6および導体部(配線パターン7a,7b)上全体にプラズマCVD法を用いてシリコン窒化膜からなる絶縁保護膜8を形成する。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて不要部分の絶縁保護膜8を除去する。これにより、配線パターン7bのみを選択的に覆う絶縁保護膜8を形成する。
As shown in FIG. 4C, an insulating
最後に、図2に示したように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてN型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bの他端側(配線パターン7a側)の所定の領域に、絶縁層6の上面からP型シリコン基板1に達する凹状の開口部9aを形成する。開口部9aはN型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bの他端側に沿って直線状に設けられ、開口部9aの開口幅は1000nm程度である。これにより、開口部9a内にN型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bがそれぞれ露出する。
Finally, as shown in FIG. 2, the insulating
これらの工程により、第1実施形態の熱電装置が製造される。 Through these steps, the thermoelectric device of the first embodiment is manufactured.
以下に、熱電材料(N型不純物領域3a、P型不純物領域3b)の他端側の近傍に開口部を有する構造が熱電材料に温度差を生じさせるのに有効であることについて図5を用いて説明する。
Hereinafter, the structure having an opening in the vicinity of the other end side of the thermoelectric material (N-
図5は熱電装置における開口部の深さと熱電材料内の温度差との関係を示すシミュレーション結果である。このシミュレーションでは、SOI基板4の厚さを10μm、熱電材
料(N型不純物領域3aまたはP型不純物領域3b)の長手方向の長さを10μm、絶縁層6の厚さを1μm、接続孔6aおよび配線溝6bの深さをそれぞれ0.5μm、及び開口部9aの幅を1μmとしている。また、熱電装置の上面側(絶縁層6の上面側)の外部温度を25℃および下面側(SOI基板4の下面側)の外部温度を35℃としている。なお、開口部9aは絶縁層6の上面から設けており、開口部9aの深さは絶縁層6の上面(導体部(配線パターン7a,7b)の上面)の位置を基準(ゼロ)としている。
FIG. 5 is a simulation result showing the relationship between the depth of the opening in the thermoelectric device and the temperature difference in the thermoelectric material. In this simulation, the thickness of the
図5から明らかなように、熱電材料の他端側の近傍に開口部9aを配置することで、熱電材料の長手方向の両端での温度差が生じていることがわかる。特に開口部9aの深さが0.5μm以上になると温度差が急激に大きくなり、たとえば、SOI基板4の表面に達する場合(深さ1μm)には温度差が約0.5℃、さらにSOI基板4中のP型シリコン基板1に達する場合には温度差が約0.9℃となっている。これは絶縁層6の上面側から開口部9aを設けたことでこの開口部9a内の温度が絶縁層6の上面側の外部温度25℃となり、熱電材料の他端(具体的には、熱電材料と導体部との接合部位)がこの開口部9aを介して外部温度(25℃)の影響を受けるためである。
As is clear from FIG. 5, it is understood that a temperature difference is generated at both ends in the longitudinal direction of the thermoelectric material by arranging the
以上説明した第1実施形態の熱電装置によれば、以下のような効果を得ることができるようになる。
(1)N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bの他端側に設けた冷却手段によってその部分が冷却されるので、N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bの他端の温度をN型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bの一端に比べ低くすることができる。この結果、短冊状のN型不純物領域3aおよびP型不純物領域3b内のそれぞれに温度差が生じ、ゼーベック効果により起電力を発生させることができる。
(2)絶縁層6の上面側からSOI基板4に向かって設けた凹状の開口部9aによってその部分が大気(空気)に晒されるので、N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bの他端の温度をN型部材およびP型部材の一端に比べ低くすることができる。特に熱電装置がその上面側の温度が下面側(裏面側)よりも低温となる温度環境に配される場合には、開口部9aによってその部分が低温環境に晒されるので、N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bの他端の温度をより効果的に低くすることができる。この結果、短冊状のN型不純物領域3aおよびP型不純物領域3b材内のそれぞれに温度差が生じ、ゼーベック効果により起電力を発生させることができる。
(3)開口部9aの底部がSOI基板4に達し、開口部9a内にはN型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bが露出して設けたことによって、N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bの他端の接合部位(具体的には、N型不純物領域3aと配線パターン7aとの接合部位およびP型不純物領域3bと配線パターン7aとの接合部位)が開口部9a内の大気(空気)の温度の影響を受け易くなり、より効果的に冷却されるので、N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3b内における温度差を拡大することができる。この結果、より大きな起電力を発生させることができるようになる。
(4)N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bの一端側に形成された配線パターン7bを覆うように絶縁保護膜8を設けたことによって、断熱効果により配線パターン7bへの外部温度(大気温度)の影響が低減されるので、N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bの一端側における温度変化(冷却)が抑制される。この結果、N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3b内での他端との温度差を拡大することができ、より大きな起電力を発生させることができるようになる。
(5)一般の半導体装置を製造する場合と同様のリソグラフィー技術、エッチング技術、成膜技術、イオン注入技術、及びCMP研磨技術などを用いて熱電材料(N型不純物領域3a、P型不純物領域3b)および電極(配線パターン7a,7b)の形成が可能となるので、熱電装置の小型化・高集積化を容易に実現することができる。
(6)半導体製造プロセスを用いて熱電装置を形成することができるので、熱電材料(N型不純物領域3a、P型不純物領域3b)を高集積化し、それらを直列(または並列)に
配列することによって単位面積あたりの起電力(発電量)を大きくすることができる。
(7)従来の熱電装置のように発泡ポリウレタンを採用することなく熱電材料内に温度差を生じさせ、発電を行うことができる。
According to the thermoelectric device of the first embodiment described above, the following effects can be obtained.
(1) Since the portions are cooled by the cooling means provided on the other end side of the N-
(2) Since the portion is exposed to the atmosphere (air) by the
(3) The bottom of the
(4) By providing the insulating
(5) Thermoelectric materials (N-
(6) Since a thermoelectric device can be formed using a semiconductor manufacturing process, the thermoelectric materials (N-
(7) It is possible to generate electric power by generating a temperature difference in the thermoelectric material without adopting polyurethane foam as in the conventional thermoelectric device.
(第2実施形態)
図6は本発明の第2実施形態に係る熱電装置の構成を示す概略上面図であり、図7は図6の熱電装置のX−X線に沿った断面図である。第1実施形態と異なる箇所は、絶縁層6の表面から露出して設けられた配線パターン7cの露出面積が配線パターン7bよりも大きく形成されていることである。それ以外については、第1実施形態と同様である。なお、配線パターン7cの露出面積を配線パターン7bよりも大きく形成することは本発明の「冷却手段」の一例である。
(Second Embodiment)
6 is a schematic top view showing the configuration of the thermoelectric device according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a cross-sectional view of the thermoelectric device of FIG. 6 along the line XX. The difference from the first embodiment is that the exposed area of the
この第2実施形態の熱電装置によれば、先の第1実施形態に示した上記効果に加え、以下のような効果を得ることができるようになる。
(8)絶縁層6の表面から露出して設けた配線パターン7cの露出面積が、絶縁層6の表面から露出して設けた配線パターン7bよりも大きくなるように設けたことで、配線パターン7cが大気(空気)の温度の影響をより強く受け、この配線パターン7cとN型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bとの接合部位がより効果的に冷却される。この結果、N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3b内における温度差を拡大することができ、より大きな起電力を発生させることができるようになる。
According to the thermoelectric device of the second embodiment, the following effects can be obtained in addition to the effects described in the first embodiment.
(8) The
(第3実施形態)
図8は本発明の第3実施形態に係る熱電装置の構成を示す概略上面図であり、図9は図8の熱電装置のX−X線に沿った断面図である。第1実施形態と異なる箇所は、N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bの一端側(配線パターン7b側)の下方領域において、SOI基板4の下面側から凹状の開口部9bが設けられていることである。それ以外については、第1実施形態と同様である。なお、開口部9bは本発明の「第2の開口部」の一例である。
(Third embodiment)
FIG. 8 is a schematic top view showing the configuration of the thermoelectric device according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line XX of the thermoelectric device of FIG. A difference from the first embodiment is that a
第3実施形態の開口部9bは第1実施形態で製造された熱電装置に対して追加処理を行うことで形成される。具体的には、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてN型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bの一端側(配線パターン7b側)にP型シリコン基板1の裏面側から埋め込み酸化膜2に達する凹状の開口部9bが形成される。
The
この第3実施形態の熱電装置によれば、先の第1実施形態に示した上記の効果に加え、以下のような効果を得ることができるようになる。
(9)熱電装置の下面側(裏面側)の温度が上面側よりも高温となる温度環境に配される場合、N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bの一端側(配線パターン7b側)の下方領域に設けた開口部9bによってその部分が高温環境に晒されるので、N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3bの一端の温度をさらに高くすることができる。この結果、N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3b内における温度差を拡大することができ、より大きな起電力を発生させることができるようになる。
According to the thermoelectric device of the third embodiment, the following effects can be obtained in addition to the effects described in the first embodiment.
(9) When the thermoelectric device is placed in a temperature environment where the temperature on the lower surface side (back surface side) is higher than that on the upper surface side, one end side of the N-
なお、上記第2実施形態では、冷却手段として開口部9aを設けた状態で配線パターン7a,7cの露出面積に違いを生じさせた例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、熱電装置に開口部9aを設けず、配線パターン7a,7cの露出面積に違いを生じさせるだけであってもよい。この場合にも熱電材料(N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3b)内に温度差を生じさせ、起電力を発生させることができる。
In the second embodiment, the example in which the exposed areas of the
上記第3実施形態では、熱電装置の下面側の開口部9bを上面側の開口部9aとともに
設けた例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、熱電装置の下面側の開口部9bのみであってもよい。この場合にも熱電材料(N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3b)内に温度差を生じさせ、起電力を発生させることができる。
In the third embodiment, the example in which the
上記実施形態では、配線パターン7bのみを選択的に覆うように絶縁保護膜8を設けた例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、熱電装置に絶縁保護膜8を設けなくてもよい。また、配線パターン7aを含めた全面に絶縁保護膜8を設けてもよい。これらの場合、上記(4)以外の効果を享受することができる。
In the above embodiment, the example in which the insulating
上記実施形態では、半導体基板(SOI基板4)上に熱電装置のみを設けた例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、熱電装置を制御するためのLSIなどの半導体デバイスが形成された半導体基板上に熱電装置を設けてもよい。この場合、小型化された熱電モジュールが提供される。 In the above embodiment, an example in which only the thermoelectric device is provided on the semiconductor substrate (SOI substrate 4) has been shown. However, the present invention is not limited to this, and for example, a semiconductor device such as an LSI for controlling the thermoelectric device is formed. A thermoelectric device may be provided on the formed semiconductor substrate. In this case, a miniaturized thermoelectric module is provided.
上記実施形態では、半導体基板(SOI基板4)内にイオン注入法を用いて熱電材料(N型不純物領域3aおよびP型不純物領域3b)を設けた例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、半導体基板(P型シリコン基板)上に減圧CVD法を用いてN型ポリシリコン膜およびP型ポリシリコン膜をそれぞれ成膜して製造するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, an example in which the thermoelectric material (N-
1・・・P型シリコン基板、2・・・埋め込み酸化膜、3・・・単結晶シリコン層、4・・・SOI基板、5・・・STI領域、6・・・絶縁層、6a・・・接続孔、6b・・・配線溝、7a,7b・・・配線パターン、8・・・絶縁保護膜、9a・・・開口部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記N型部材および前記P型部材を含む前記半導体基板の上に設けられた絶縁層と、
を備え、
前記N型部材および前記P型部材は長手方向のそれぞれの一端が接続され、
前記N型部材および前記P型部材の他端側に冷却手段が設けられている熱電装置。 An N-type member and a P-type member provided in a strip shape on the surface of the semiconductor substrate;
An insulating layer provided on the semiconductor substrate including the N-type member and the P-type member;
With
One end of each of the N-type member and the P-type member in the longitudinal direction is connected,
A thermoelectric device in which cooling means is provided on the other end side of the N-type member and the P-type member.
前記N型部材および前記P型部材の他端は、前記絶縁層の表面から露出して設けられた第2の配線パターンがそれぞれに接続され、
前記冷却手段は、露出面積が前記第1の配線パターンよりも大きくなるように設けられた前記第2の配線パターンである請求項1に記載の熱電装置。 One end of each of the N-type member and the P-type member is connected via a first wiring pattern provided exposed from the surface of the insulating layer,
The other end of each of the N-type member and the P-type member is connected to a second wiring pattern that is exposed from the surface of the insulating layer.
2. The thermoelectric device according to claim 1, wherein the cooling unit is the second wiring pattern provided such that an exposed area is larger than the first wiring pattern.
前記N型部材および前記P型部材の一端側の下方領域において、前記半導体基板の下面側から凹状の第2の開口部がさらに設けられている請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱電装置。 In a thermoelectric device arranged in a temperature environment in which the temperature on the lower surface side is higher than that on the upper surface side,
5. The recessed second opening is further provided from the lower surface side of the semiconductor substrate in a lower region on one end side of the N-type member and the P-type member. Thermoelectric device.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2006180778A JP2008010704A (en) | 2006-06-30 | 2006-06-30 | Thermoelectric device |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010055754A1 (en) * | 2008-11-12 | 2010-05-20 | ミツミ電機株式会社 | Thermoelectric conversion module and thermoelectric conversion device |
| JP2011517109A (en) * | 2008-04-11 | 2011-05-26 | ウニベルジッタ デグリ スツディ ディ ミラノ−ビコッカ | Bidirectional thermoelectric conversion device using the Savebeck / Peltier effect using nanowires made of conductive material or semiconductor material |
-
2006
- 2006-06-30 JP JP2006180778A patent/JP2008010704A/en active Pending
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