DE102004030043B4 - Verfahren zum Herstellen eines Thermoelements - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Thermoelements (100)
• bei dem mehrere Schichtenfolgenelemente (102) gebildet werden, indem auf einem Substrat (108) eine elektrisch isolierende Schicht (107) aus einem Material aufgebracht wird, das derart gewählt ist, dass das Substrat (108) selektiv gegenüber dem Material der elektrisch isolierenden Schicht (107) entfernbar ist;
• bei dem auf der elektrisch isolierenden Schicht eine Thermopaar-Struktur aus einem ein Thermopaar bildenden ersten Thermopaarmaterial (109) und zweiten Thermopaarmaterial (110) gebildet wird, wobei das erste Thermopaarmaterial (109) und das zweite Thermopaarmaterial (110) unterschiedliche Seebeck-Koeffizienten aufweisen;
• bei dem das Substrat (108) selektiv zu der elektrisch isolierenden Schicht (107) vollständig entfernt wird, wobei die elektrisch isolierende Schicht (107) verbleibt;
• bei dem die Schichtenfolgenelemente (102) aufeinander aufgebracht und miteinander elektrisch verbunden werden, so dass das Thermoelement (100) gebildet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Thermoelements.
  • Ein thermoelektrisches Element (Thermoelement) macht sich den thermoelektrischen Effekt zu Nutze, welcher von Thomas Johann Seebeck im Jahre 1821 entdeckt wurde und zu dessen Ehren Seebeck-Effekt genannt wird. Der Seebeck-Effekt ist die Umkehrung des Peltier-Effekts, welcher im Jahre 1834 von Jean Charles Athanase Peltier entdeckt wurde. Beim Seebeck-Effekt wird an den freien Enden zweier elektrischer Leiter aus verschiedenen, jeweils homogenen sowie isotropen elektrisch leitfähigen Materialien auf Grund der unterschiedlichen Elektronegativität eine elektrische Spannung erzeugt, wenn die Kontaktstelle der beiden Leiter einerseits und die freien Enden der beiden Leiter andererseits unterschiedliche Temperaturen haben. Diese Spannung wird "Thermokraft" oder "Thermospannung" genannt. Die Kontaktstelle der beiden Materialien wird "Thermoübergang" genannt. Werden die freien Enden der beiden Leiter kurzgeschlossen, so fließt ein als "Thermostrom" bezeichneter elektrischer Strom.
  • Beim Peltier-Effekt wird hingegen an der Kontaktstelle zweier verschiedener, jeweils homogener sowie isotroper elektrisch leitfähiger Materialien mit zueinander unterschiedlicher Elektronegativität bei Stromfluss Wärme erzeugt oder entzogen.
  • Ein Thermopaar, welches den Peltier-Effekt ausnutzt, kann sowohl als Kühlelement als auch als Heizelement verwendet werden.
  • Ein solches Thermopaar weist zwei elektrische Leiter aus zwei verschiedenen, jeweils homogenen sowie isotropen elektrisch leitfähigen Materialien auf, welche an ihrem einen Ende miteinander gekoppelt sind und an ihrem anderen Ende mit einem geeigneten elektrischen Schaltkreis gekoppelt sind.
  • Aus Lehmann V.: "The Physics of Macropore Formation in Low Doped N-Type Silicon", J. of Electrochemical Society, Vol. 140, No. 10, S. 2836–2843 (1993), ist eine Übersicht über unterschiedliche Thermopaare und den diesen Thermopaaren zugeordneten Thermospannungen bekannt.
  • Werden die Kontaktstelle sowie die beiden freien Enden eines solchen Thermopaares einer Temperaturdifferenz ausgesetzt, so wird zwischen den beiden freien Enden eine Thermospannung erzeugt, welche als Energielieferant für elektronische Schaltkreise verwendet werden kann. Somit kann ein Thermopaar, welches einer Temperaturdifferenz ausgesetzt ist und welches folglich den Seebeck-Effekt ausnutzt, als thermoelektrischer Generator verwendet werden. Üblicherweise werden mehrere Thermopaare hintereinander, d.h. in Serie, geschaltet, wodurch ein thermoelektrischer Generator mit einem Thermopaar-Mehrfachstapel und mehreren Thermoübergängen gebildet wird. Die von einem thermoelektrischen Generator bereitgestellte Gesamtspannung ist dann im Wesentlichen die Summe der Thermospannungen der einzelnen Thermopaare. Die Höhe der einzelnen Thermospannung ist dabei eine Funktion des Seebeck-Koeffizienten der für das Thermopaar verwendeten Materialkombination.
  • Für ein einfaches Thermopaar bzw. für einen Thermopaar-Mehrfachstapel mit mehreren hintereinander geschalteten Thermopaaren wird üblicherweise eine der folgenden Materialkombinationen eingesetzt, welche einzeln oder in Kombination miteinander verwendet werden können:
    • • Kupfer als erstes elektrisch leitfähiges Material und Kupfer-Nickel als zweites elektrisch leitfähiges Material, und/oder
    • • Nickel als erstes elektrisch leitfähiges Material und Nickel-Chrom als zweites elektrisch leitfähiges Material, und/oder
    • • Platin-Rhodium als erstes elektrisch leitfähiges Material und Platin als zweites elektrisch leitfähiges Material, und/oder
    • • Wismuth-Tellurid als Wirtsmaterial für n-Dotierung als erstes elektrisch leitfähiges Material und für p-Dotierung als zweites elektrisch leitfähiges Material.
  • Diese Materialkombinationen gewährleisten jeweils auf Grund großer Seebeck-Koeffizienten eine erhebliche Thermospannung und ermöglichen somit einen effizienten thermoelektrischen Generator.
  • Es wird insbesondere die Materialkombination Nickel und Nickel-Chrom eingesetzt, da diese Materialien überdies eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und somit auch bei hohen Temperaturen ein linearer Verlauf der Thermospannungen erreicht werden kann.
  • Aus Fedorov M. I. et. al.: "Universal Thermoelectric Unit", AIP Conf. Proc., Vol. 316, S. 324–327 (1995), ist ein makroskopisch aufgebauter thermoelektrischer Generator bekannt.
  • Bei diesem makroskopischen thermoelektrischen Generator werden die mechanischen Kopplungen der Thermoübergänge zwischen den verschiedenen elektrisch leitfähigen Materialien beispielsweise mittels Verschweißens erzeugt. Allerdings resultiert daraus ein großvolumiger thermoelektrischer Generator mit nur einigen wenigen Thermoübergängen. Somit kann der bekannte makroskopische thermoelektrische Generator lediglich geringe Thermospannungen im mV-Bereich liefern.
  • Ein in Halbleiter-Prozesstechnik hergestellter integrierter thermoelektrischer Generator ist aus Glosch H. et. al.: "A Thermoelectric Converter for Energy Supply", Sensors and Actuators, Vol. 74, S. 246–250 (1999), und Strasser M. et. al.: "Miniaturized Thermoelectric Generators Based on Poly-Si and Poly-SiGe Surface Micromachining", Proc. of Eurosensors XV, S. 26–29 (2001), bekannt.
  • Dieser integrierte thermoelektrische Generator ist im Vergleich zu einem makroskopischen thermoelektrischen Generator erheblich miniaturisiert. Somit ergibt sich lediglich ein geringer Abstand zwischen "warmen" und "kalten" Thermoübergängen, welche sich auf Grund der an dem thermoelektrischen Generator bereitgestellten Temperaturdifferenz ergeben. Da bei einem integrierten thermoelektrischen Generator meist der auftretende Effekt der Wärmeleitung störend ist, ist der Temperaturunterschied zwischen "warmen" und "kalten" Thermoübergängen nur gering. Daraus resultiert folglich eine nur geringe Thermospannung. Überdies beschränkt die beim Herstellen verwendete Halbleiter-Prozesstechnik die einsetzbaren elektrisch leitfähigen Materialien für die Thermopaare eines integrierten thermoelektrischen Generators.
  • Eine weitere Problematik der in reiner CMOS-Technik hergestellten thermoelektrischen Generatoren gemäß Strasser M. et. al., Proc. of Eurosensors XV, 2001, ist die Tatsache, dass das Substrat-Silizium einen thermischen Kurzschluss verursacht, der den Wirkungsgrad des Thermogenerators stark beeinträchtigt. Dem wird in Strasser M. et. al., Proc. of Eurosensors XV, 2001, durch Unterätzung der Thermopaare entgegengewirkt.
  • Aus Stark I., Stordeur M.: "New Micro Thermoelectric Devices Based On Bismuth Telluride-Type Thin Solid Films", IEEE Proc. 18th Int. Conf. on Thermoelectrics, S. 465–472 (1999), ist ein in Dünnfilmtechnik hergestellter thermoelektrischer Dünnfilm-Generator bekannt.
  • Beim Herstellen dieses thermoelektrischen Dünnfilm-Generators werden dünne Schichten geeigneter Materialien aufeinander abgeschieden und danach mäanderförmig strukturiert. Um eine ausreichend hohe Gesamtspannung bereitzustellen, weist der thermoelektrische Dünnfilm-Generator üblicherweise eine Vielzahl von Thermoübergängen auf. Dabei ergibt sich jedoch wegen der als Dünnfilme ausgebildeten elektrischen Leiterschichten ein hoher Innenwiderstand in dem thermoelektrischen Dünnfilm-Generator und somit kann der thermoelektrische Dünnfilm-Generator nur eine geringe Gesamtleistung im μW-Bereich bereitstellen.
  • Außerdem ist das in Stark I. Stordeur M., IEEE Proc. on Thermoelectrics, 1999, beschriebene Herstellungsverfahren nicht nur teuer und aufwändig sondern auch sehr materialbelastend für bereits erzeugte Teile des thermoelektrischen Dünnfilm-Generators.
  • Als Materialkombination wird Nickel und Nickel-Chrom verwendet und zum Aufdampfen von Chrom und Nickel werden sehr hohe Temperaturen benötigt.
  • Auf Grund der Strahlungswärme, welche von der zum Aufdampfen benötigten Wärmequelle abgestrahlt wird, kommt es zu erheblichen mechanischen Verspannungen in den bereits erzeugten Thermopaar-Schichten des thermoelektrischen Dünnfilm-Generators. Dies hat nicht selten Brüche in den Thermopaar-Schichten und damit einen Ausfall des gesamten thermoelektrischen Dünnfilm-Generators zur Folge.
  • In der US 5,982,014 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Thermosäulen-Sensors (thermopile sensor) beschrieben, bei dem eine Siliziumdioxid-Schicht auf einem Substrat ausgebildet wird, und bei dem in einem nachfolgenden Prozess-Schritt ein Teil des Substratmaterials entfernt wird, um Wärmesenken zu bilden.
  • In der US 5,897,330 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Thermoelements beschrieben, bei dem auf einem Kupfer-Substrat eine elektrisch isolierende Schicht ausgebildet wird, und bei dem in nachfolgenden Prozess-Schritten das Substrat und die elektrisch isolierende Schicht vollständig entfernt werden.
  • In der EP 1 102 333 A2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Thermosäulen-Sensors beschrieben, bei dem ein Substrat mittels Nassätzens entfernt wird.
    •
  • Der Erfindung liegt das Problem zugrunde ein einfacheres und kostengünstigeres Verfahren zum Herstellen eines Thermoelements anzugeben.
  • Das Problem wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Elementes mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Thermoelements werden mehrere Schichtenfolgenelemente gebildet, indem zum Bilden jeweils eines Schichtenfolgenelements jeweils folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden. Auf einem Substrat wird eine elektrisch isolierende Schicht aus einem Material aufgebracht, das derart gewählt ist, dass das Substrat selektiv gegenüber diesem Material entfernbar ist. Auf der elektrisch isolierenden Schicht wird eine Thermopaar-Struktur aus einem ein Thermopaar bildenden ersten, vorzugsweise elektrisch leitfähigen, Thermopaarmaterial und einem zweiten, vorzugsweise elektrisch leitfähigen, Thermopaarmaterial gebildet, wobei das erste Thermopaarmaterial und das zweite Thermopaarmaterial unterschiedliche Seebeck-Koeffizienten aufweisen und miteinander elektrisch leitend verbunden werden. Vorzugsweise werden das erste Thermopaarmaterial und das zweite Thermopaarmaterial derart kontaktiert, dass sie seriell miteinander verbunden sind. Anschließend wird das Substrat selektiv zu der elektrisch isolierenden Schicht, vorzugsweise rückseitig, entfernt.
  • Anschaulich kann die Erfindung in der Verwendung von einer Opferstruktur als Trägersubstrat für das zu bildende Thermoelement gesehen werden, wobei die Opferstruktur im Rahmen des Herstellungsverfahrens selektiv gegenüber dem Material des schließlich herzustellenden Thermoelements entfernt wird.
  • Die gebildeten Schichtenfolgenelemente werden aufeinander aufgebracht und miteinander elektrisch verbunden, so dass das Thermoelement gebildet wird.
  • Der beschriebene erfindungsgemäße Prozess hat gegenüber der reinen CMOS-Produktionstechnik den Vorteil, dass das zu thermischen Kurzschlüssen führende Siliziumsubstrat vor dem Zusammenfügen der Schichtenfolgenelemente im erfindungsgemäßen Prozess entfernt wird.
  • Die erfindungsgemäße Herstellung der Schichtenfolgenelemente bietet weiterhin die Möglichkeit, auf bekannte, Siliziumsubstrat verwendende, CMOS-Produktionstechniken zurückzugreifen, wodurch im Gegensatz zu komplizierten Dünnfilmtechniken gemäß Stark I. Stordeur M., IEEE Proc. on Thermoelectrics, 1999, die Kosten bei der erfindungsgemäßen Prozessierung vergleichsweise gering gehalten werden können.
  • Das selektive Entfernen der Opferstruktur erfolgt vorzugsweise durch selektives Ätzen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird die elektrisch isolierende Schicht auf das Substrat abgeschieden, vorzugsweise mittels eines Abscheideverfahrens aus der Gasphase, besonders bevorzugt mittels eines physikalischen Abscheideverfahrens aus der Gasphase (Physical Vapour Deposition, PVD), alternativ mittels eines chemischen Abscheideverfahrens aus der Gasphase (Chemical Vapour Deposition, CVD).
  • Diese Art des Aufbringens der elektrisch isolierenden Schicht auf das Substrat ist kostengünstig, einfach und prozessuell sehr gut beherrscht.
  • Vorzugsweise wird das Substrat aus einem oder mehreren Halbleitermaterialien hergestellt, vorzugsweise aus mindestens einem der folgenden Materialien: Silizium, Gallium-Arsenid, Saphir.
  • Insbesondere Silizium eignet sich sehr gut für den Einsatz als Substratmaterial im Rahmen des Herstellungsverfahrens, insbesondere, da Silizium einerseits sehr kostengünstig hergestellt werden kann und somit ein geeigneter Kandidat für eine Opferstruktur ist und andererseits auch gegenüber einer Vielzahl von Materialien, welche als Substrat des Thermoelements verwendet werden können (beispielsweise Siliziumoxid oder Siliziumnitrid) selektiv ätzbar ist.
  • Vorzugsweise weist das Material der isolierenden Schicht Siliziumoxid, alternativ Siliziumnitrid, auf.
  • Das erste elektrisch leitfähige Thermopaarmaterial und/oder das zweite elektrisch leitfähige Thermopaarmaterial weisen/weist bevorzugt mindestens eines der folgenden Materialien auf: Chrom, Eisen, Kupfer, Nickel, Platin, Rhodium, Titan, eine Legierung aus den vorangegangenen Metallen, ein elektrisch leitfähiges Polymer, einen p-Halbleiter, insbesondere p-dotiertes Silizium und/oder Wismut-Antimon-Tellurid, und/oder einen n-Halbleiter, insbesondere n-dotiertes Silizium und/oder Wismut-Selenid-Tellurid. Als Wismut-Antimon-Tellurid kommt insbesondere Material mit der Strukturformel (Bi0,25Sb0,75)2Te3 zur Anwendung. Als Wismut-Selenid-Tellurid kommt insbesondere Material mit der Strukturformel Bi2(Se0,1Te0,9)3 zur Anwendung.
  • Zusammenfassend werden vorzugsweise folgende Materialkombinationen eingesetzt, welche einzeln oder in Kombination miteinander verwendet werden können:
    • • Kupfer als erstes elektrisch leitfähiges Thermopaarmaterial und Kupfer-Nickel als zweites elektrisch leitfähiges Thermopaarmaterial, und/oder
    • • Nickel als erstes elektrisch leitfähiges Thermopaarmaterial und Nickel-Chrom als zweites elektrisch leitfähiges Thermopaarmaterial, und/oder
    • • Platin-Rhodium als erstes elektrisch leitfähiges Thermopaarmaterial und Platin als zweites elektrisch leitfähiges Thermopaarmaterial, und/oder
    • • Wismuth-Tellurid als Wirtsmaterial für n-Dotierung als erstes elektrisch leitfähiges Thermopaarmaterial und für p-Dotierung als zweites elektrisch leitfähiges Thermopaarmaterial.
  • Die elektrisch leitfähige Verbindungsschicht bzw. das Material zum elektrischen Verbinden der Thermopaarmaterialien weist bevorzugt mindestens ein Material aus der nachfolgenden Gruppe auf: Aluminium, Chrom, Gold, Kupfer, Nickel, Silber, Platin und/oder Titan.
  • Vorzugsweise weisen das erste elektrisch leitfähige Thermopaarmaterial, das zweite elektrisch leitfähige Thermopaarmaterial sowie das elektrisch isolierende Material und das Füllmaterial zum Auffüllen der Thermopaar-Struktur eine Wärmeleitfähigkeit von unter 100 WK–1m–1 auf. Solche geringen Werte für die Wärmeleitfähigkeit haben den Vorteil, dass jedes einzelne Thermopaar eine anliegende Temperaturdifferenz zwischen Thermoübergang und Anschlussenden so effizient wie möglich umsetzt. Somit generiert ein Thermopaar mit geringer Wärmeleitfähigkeit eine höhere Thermospannung als ein gleichartiges Thermoelement mit höherer Wärmeleitfähigkeit.
  • Bei den nachfolgend aufgeführten Materialien ist in der jeweiligen Klammer die ungefähre Wärmeleitfähigkeit angegeben: Chrom (43 WK–1m–1), Nickel (90 WK–1m–1), Plastomere (0,2 WK–1m–1), Silizium (1,4 WK–1m–1) und Siliziumdioxid (150 WK–1 m–1).
  • Die elektrische Verschaltung, d.h. Verbindung der einzelnen Schichtenfolgenelemente erfolgt vorzugsweise durch Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Schicht auf den Randkontakten der jeweiligen Thermopaar-Struktur an den Außenseiten des jeweiligen Schichtenfolgenelements.
  • Vorzugsweise weist das Material der elektrisch leitfähigen Schicht mindestens eines der in der nachfolgenden Gruppe aufgeführten Materialien auf: Aluminium, Chrom, Gold, Kupfer, Nickel, Silber, Platin und/oder Titan.
  • Die mechanische Verbindung der Schichtenfolgenelemente erfolgt bevorzugt mittels Laminierens.
  • Bei einer möglichen Art von Laminierung werden mindestens zwei Schichtenfolgenelemente aufeinandergepresst. Das Pressen der thermoelektrischen Elemente kann beispielsweise mittels Walzens erfolgen. Alternativ können auch andere Arten von Laminierung wie z.B. Erhitzen des Thermoelementstapels zur Anwendung kommen.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mindestens zwei Schichtenfolgenelemente elektrisch seriell miteinander verschaltet, d.h. elektrisch miteinander in Serie gekoppelt.
  • Dies hat den Vorteil, dass eine größere Ausgangs-Thermospannung des Gesamtschichtstapels, d.h. des Thermoelements erreicht wird.
  • In einer anderen bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mindestens zwei Schichtenfolgenelemente elektrisch parallel verschaltet. Dies hat den Vorteil, dass ein größerer Ausgangs-Thermostrom des gebildeten Thermoelements erreicht wird.
  • Anschaulich stellt das gebildete Thermoelement somit eine Sandwich-artige Struktur dar. Diese Struktur bildet einen Thermogenerator oder ein Kühlelement, je nach Anwendungsart, d.h. je nachdem, ob der Seebeck-Effekt oder der Peltier-Effekt ausgenutzt werden im Rahmen des Einsatzes des erfindungsgemäß hergestellten Thermoelements.
  • Vorzugsweise wird zum Fertigstellen des Thermoelements über allen Seitenflächen des Thermoelementstapels und somit über allen elektrisch leitfähigen Verbindungsschichten eine Passivierungsschicht aufgebracht.
  • Die Passivierungsschicht hat die Aufgabe, das thermoelektrische Element gegenüber der Umgebung elektrisch zu isolieren, um unbeabsichtigte elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden. Außerdem reduziert die Passivierungsschicht die Einflüsse der Umwelt auf die elektrisch leitfähigen Verbindungsschichten, d.h. die Korrosion der elektrisch leitfähigen Verbindungsschichten.
  • Die im Rahmen der CMOS-Technologie üblicherweise eingesetzte Silizium-Waferscheibe als Substrat-Opferscheibe ist kostengünstig und hat im Gegensatz zu der in Strasser M. et. al., Proc. of Eurosensors XV, 2001, beschriebenen Vorgehensweise insbesondere den Vorteil, dass alle Designparameter für das Thermoelement, vorzugsweise für den Thermogenerator, also Anzahl der Thermopaare, Schenkelbreite, Schenkellänge, Anzahl der parallelen Thermoelemente, voll ausgenutzt werden können.
  • Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem in Strasser M. et. al., Proc. of Eurosensors XV, 2001, beschriebenen Verfahren besteht darin, dass die explizit Abhängigkeit der Länge der Thermoschenkel von der Höhe des Feldoxids entfällt.
  • Ein zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem in Strasser M. et. al., Proc. of Eurosensors XV, 2001, beschriebenen Verfahren besteht darin, dass in Richtung des Wärmeflusses bei dem gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung hergestellten Thermoelement nur das Feldoxid und die Verbindungsschicht der einzelnen Schichtenfolgenelemente vorhanden ist. Beide Schichten werden zweckmäßigerweise so gewählt, dass sie einen deutlich größeren thermischen Widerstand besitzen als Silizium.
  • Ein Aspekt der Erfindung kann zusammenfassend in der Verwendung einer Substratopferscheibe gesehen werden, auf der ein kostengünstiger, hochauflösender CMOS-Prozess eingesetzt wird zum Erzeugen der Thermopaar-Struktur. Die Designfreiheit entspricht voll einem Folienprozess, hat aber eine wesentlich höhere Auflösung und somit Integrationsdichte. Durch den anschließenden Transfer und die gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehene Einbettung der Thermopaar-Strukturen in einen Füllstoff entfallen die beiden Hauptnachteile einer reinen CMOS-Lösung, nämlich die geringe Länge der Thermoschenkel und die parallele Wärmeleitung durch das gut wärmeleitfähige Silizium.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten.
    •
  • Es zeigen
  • 1a bis 1h eine schematische Perspektiv-Querschnittsdarstellung der herzustellenden Thermopaare zu unterschiedlichen Zeitpunkten während des Herstellungsverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2 einen fertig ausgesägten Thermogenerator in schematischer, perspektivischer Querschnittsdarstellung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung: Die Randkontakte sind elektrisch miteinander verbunden;
  • 3a eine schematische Querschnittsdarstellung von thermoelektrischen Paaren zu einem ersten Zeitpunkt eines Herstellungsverfahrens zu dessen Herstellung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung: Aufbringen der isolierenden Schicht aus Siliziumoxid auf die Silizium-Substratscheibe;
  • 3b eine schematische Querschnittsdarstellung sowie eine schematische Draufsicht der thermoelektrischen Paare zu einem zweiten Zeitpunkt eines Herstellungsverfahrens zu dessen Herstellung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung: Aufbringen eines ersten elektrisch leitfähigen Thermopaarmaterials und eines zweiten elektrisch leitfähigen Thermopaarmaterials auf die isolierende Siliziumoxidschicht;
  • 3c eine schematische Querschnittsdarstellung sowie eine schematische Draufsicht auf die thermoelektrischen Paare zu einem dritten Zeitpunkt eines Herstellungsverfahrens zu dessen Herstellung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung: Aufbringen einer Verbindungsschicht eines elektrisch leitfähigen Materials auf die Strukturen der ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Materialien, wodurch diese Struktur der ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Materialien zu Thermopaarstrukturen ergänzt werden;
  • 3d eine schematische Querschnittsdarstellung von thermoelektrischen Paaren zu einem vierten Zeitpunkt eines Herstellungsverfahrens zu dessen Herstellung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung: Auffüllen der Thermopaarstrukturen mit einem Füllstoff;
  • 3e eine schematische Querschnittsdarstellung von thermoelektrischen Paaren zu einem fünften Zeitpunkt eines Herstellungsverfahrens zu dessen Herstellung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung: Selektives Entfernen der Silizium-Substratscheibe;
  • 3f eine schematische Querschnittsdarstellung sowie eine perspektivische Draufsicht auf die thermoelektrischen Paare zu einem sechsten Zeitpunkt eines Herstellungsverfahrens zu dessen Herstellung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung: Aneinanderfügen der Schichtenfolgenelemente zu einem Thermoelementstapel.
  • 4 zeigt einen fertig ausgesägten Thermogenerator in perspektivischer Schnittdarstellung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Zunächst wird auf eine Substratscheibe 108 aus kristallinem Silizium (Silizium-Wafer) (vgl. 1a) eine erste elektrisch isolierende Schicht 107 aus Siliziumoxid aufgebracht (vgl. 1b und 3a).
  • Anschließend wird, wie in 1c dargestellt ist, auf die elektrisch isolierende Schicht 107 eines Thermopaar-Struktur aufgebracht, bestehend aus einem Thermopaarschenkel aus einem ersten elektrisch leitfähigen Thermopaarmaterial 109, gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus hoch Bor-dotiertem Polysilizium (p+-dotiertes Polysilizium), und einem zweiten Thermopaarschenkel aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Thermopaarmaterial 110, gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus hoch Phosphor-dotiertem Polysilizium (n+-dotiertes Polysilizium). Die Thermopaar-Struktur weist eine Vielzahl quaderförmiger, langgezogene Thermopaarschenkel des ersten elektrisch leitfähigen Thermopaarmaterials 109 und parallel und jeweils zwischen diesen und zu diesen verlaufende quaderförmige, langgezogene Thermopaarschenkel des zweiten elektrisch leitenden Thermopaarmaterials 110 auf. Die Thermopaarschenkel des ersten elektrisch leitenden Thermopaarmaterials 109 und die Thermopaarschenkel des zweiten elektrisch leitenden Thermopaarmaterials 110 sind in gleichmäßigem Abstand 115 voneinander angeordnet (vgl. 3b).
  • Die Abmessungen jeweils eines Thermopaarschenkels 109, 110 sind gemäß dem Ausführungsbeispiel wie folgt: Breite 50 μm, Höhe 1mm, Dicke 1 μm. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die Angaben hinsichtlich Breite, Höhe und Dicke der Thermopaarschenkel nicht kritisch sind. Die Abmessungen können je nach Erfordernis der Anwendung geeignet dimensioniert werden.
  • Nun wird eine Verbindungsschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material 111 auf die Thermopaarschenkel 109, 110 auf der elektrisch isolierenden Schicht 107 aufgebracht, wobei die Thermopaarschenkel 109, 110 gemeinsam mit einer Struktur des aufgebrachten elektrisch leitfähigen Materials 111 gemäß dem Ausführungsbeispiel eine neuen Struktur, die Thermopaar-Struktur, bildet (vgl. 1d und 3c).
  • Die Struktur des auf die elektrisch isolierende Schicht 107 und die Thermopaarschenkel 109, 110 aufgebrachten elektrisch leitfähigen Materials 111 ist derart gewählt, dass das aufgebrachte Material jeweils genau zwei benachbarte Thermopaarschenkel 109, 110 elektrisch leitend miteinander verbindet.
  • Bei Thermopaarschenkeln 109, 110, die genau einen benachbarten Thermopaarschenkel 109, 110 besitzen, wird der Teil des aufgebrachten elektrisch leitfähigen Materials, der keine Verbindung zweier Thermopaarschenkel 109, 110 miteinander darstellt, sondern anschaulich einen "Außenkontakt" bildet, großflächiger ausgeführt als die restlichen zusammenhängenden Teile des aufgebrachten elektrisch leitfähigen Materials.
  • Auf die oben beschriebene Weise werden jeweils zwei Thermopaarschenkel 109, 110 zu einem Thermopaar verbunden.
  • Es entsteht somit eine Mäanderstruktur von in Serie geschalteten Thermopaaren auf der elektrisch isolierenden Schicht 107.
  • Auf die elektrisch isolierende Schicht 107 sowie auf die Thermopaarschenkel 109, 110 und das aufgebrachte elektrisch leitfähige Material wird elektrisch isolierendes Füllmaterial 112, gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung Polyimid, alternativ Bisbenzocyclobutene (BCB) oder ein anderer prozesstechnisch geeigneter Kunststoff, aufgebracht. Anschaulich wird insbesondere der Zwischenraum zwischen den Thermopaarschenkeln 109, 110 mit dem Füllmaterial 112 aufgefüllt und überfüllt, so dass die Thermopaarschenkel 109, 110 entlang ihrer Längserstreckung voneinander elektrisch isoliert sind und nur mittels des aufgebrachten elektrisch leitfähigen Materials elektrisch miteinander gekoppelt sind (vgl. 1e und 3d).
  • Die mittels des Füllmaterials 112 gebildete Isolationsschicht wird planarisiert, vorzugsweise mittels eines chemisch-mechanischen Polierverfahrens (CMP-Verfahren, so dass eine plane Oberfläche gebildet wird. Auf die Planarisierung kann gegebenenfalls verzichtet werden. So ist die Planarisierung beispielsweise bei Verwendung von BCB als Material für die Isolationsschicht überflüssig.
  • Anschließend wird das Silizium-Substratscheibe 108 mittels Nassätzens, gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung von KOH, selektiv zu der elektrisch isolierenden Schicht 107 vollständig entfernt, womit ein Schichtenfolgenelement 102 gebildet ist (vgl. 1f und 3e). Das Schichtenfolgenelement 102 weist eine Dicke von ungefähr 20 μm auf.
  • Eine Mehrzahl, vorzugsweise eine Vielzahl, gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung mehrere Tausend solcher in 1f dargestellter Schichtenfolgenelemente 102 wird aufeinander angeordnet und miteinander mechanisch verbunden, gemäß diesem Ausführungsbeispiel laminiert, so dass ein Thermoelementstapel 101 gebildet wird (vgl. 1g und 3f). Das Laminieren erfolgt vorzugsweise durch Erhitzen, Pressen oder durch eine Kombination beider Verfahren.
  • Der Thermoelementstapel 101 wird unter Entfernung von Redundanzmaterial zu einem Thermoelementstapel ohne entferntes Redundanzmaterial 117 weiterprozessiert (vgl. 1h).
  • Das Entfernen des Redundanzmaterials erfolgt derart, dass die Abtrennrichtung senkrecht ist zu den Hauptoberflächen der Schichten des Thermoelementstapels 101 und dass jene Thermopaare aller innerhalb eines Thermoelementstapels 101 befindlichen Schichtenfolgenelemente 102 innerhalb des Thermoelementstapels ohne entferntes Redundanzmaterial 117 verbleiben, die in einer Schnittebene, die sich senkrecht zu allen Schichten des Thermoelementstapels 101 und parallel zu allen Thermopaarschenkeln erstreckt, parallel und zusammenhängend angeordnet sind.
  • Der Abtrennvorgang, wodurch der Thermoelementstapel ohne entferntes Redundanzmaterial 117 gebildet wird, erfolgt außerdem derart, dass die Randkontakte der Verbindungsschicht des aufgebrachten elektrisch leitfähigen Materials 111 der Schichtenfolgenelemente 102 in einem Randbereich des Thermoelementstapels ohne entferntes Redundanzmaterial 117 zumindest teilweise zur elektrischen Kontaktierung von außerhalb des Thermoelementstapels freigelegt sind.
  • Der Abtrennvorgang erfolgt vorzugsweise durch Sägen, durch Lasertrennung oder durch eine Kombination der beiden Methoden.
  • Der Randbereich wird im Folgenden als Grundfläche 116 des Thermogenerators 100 bezeichnet (vgl. 2 und 4).
  • Die am Thermoelementstapel ohne entferntes Redundanzmaterial 117 übereinander liegenden ohne weiteren Abtragprozess zugänglichen Oberflächengebiete des aufgebrachten elektrisch leitfähigen Materials 111 werden mittels einer aufgebrachten Verbindungsschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material 113 elektrisch miteinander verbunden.
  • Wahlweise kann die Verbindung der am Thermoelementstapel ohne entferntes Redundanzmaterial 117 übereinander liegenden ohne weiteren Abtragprozess zugänglichen Oberflächengebiete des aufgebrachten elektrisch leitfähigen Materials 111 auch durch Aufkleben des Thermogenerators auf eine strukturierte Grundfläche mittels eines elektrisch leitfähigen Kontaktklebers erfolgen.
  • Der so verschaltete Thermoelementstapel ohne Redundanzmaterial 117 wird abschließend mit einer Passivierungsschicht 114 überzogen um die Oberflächen vor Umwelteinflüssen zu schützen, wobei Kontaktbereiche auf dem elektrisch leitfähigen Material 113 frei zugänglich bleiben.
  • Das Produkt aller beschriebenen Verfahrensschritte ist der in 2 dargestellte Thermogenerator 100.
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel ergibt sich für den Thermogenerator 100 eine Grundfläche 116 des Thermogenerators 100 von 40 mm2 und eine Höhe von 1 mm. Bei einer von außen über den Thermogenerator 100 angelegten Temperaturdifferenz von 5 °C ist dann im Fall der Leistungsanpassung eine Ausgangsleistung von etwa 80 μW (200 μW/cm2) zu erwarten.
  • Dies entspricht einer Verbesserung der Ausgangsleistung gegenüber den herkömmlichen Silizium-Thermogeneratoren auf CMOS-Basis um den Faktor 200. Dabei wurden die Materialparameter und Gleichungen gemäß Strasser M. et. al., Strasser, M., Aigner, R., Lauterbach, C., Sturm, T.F., Franosch, M., Wachutka, G., "Micromachined CMOS Thermoelectric Generators as On-Chip Power Supply", Dig. Techn. Papers, Transducers '03, 12th IEEE Int. Conf. on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Boston, USA (2003), S. 45–48, Dig. Techn. Papers, 2003, zugrunde gelegt.
    • 100
    Thermogenerator
    101
    Thermoelementstapel
    102
    Schichtenfolgenelement
    107
    erste elektrisch isolierende Schicht
    108
    Substratscheibe
    109
    erstes elektrisch leitfähiges Thermopaarmaterial
    110
    zweites elektrisch leitfähiges Thermopaarmaterial
    111
    Verbindungsschicht aus einem elektrisch leitfähigen
    Material
    112
    elektrisch isolierendes Füllmaterial
    113
    Verbindungsschicht aus einem elektrisch leitfähigen
    Material
    114
    Passivierungsschicht
    115
    Abstand
    116
    Grundfläche des Thermogenerators
    117
    Thermoelementstapel ohne entferntes Redundanzmaterial

Claims (8)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Thermoelements (100) • bei dem mehrere Schichtenfolgenelemente (102) gebildet werden, indem auf einem Substrat (108) eine elektrisch isolierende Schicht (107) aus einem Material aufgebracht wird, das derart gewählt ist, dass das Substrat (108) selektiv gegenüber dem Material der elektrisch isolierenden Schicht (107) entfernbar ist; • bei dem auf der elektrisch isolierenden Schicht eine Thermopaar-Struktur aus einem ein Thermopaar bildenden ersten Thermopaarmaterial (109) und zweiten Thermopaarmaterial (110) gebildet wird, wobei das erste Thermopaarmaterial (109) und das zweite Thermopaarmaterial (110) unterschiedliche Seebeck-Koeffizienten aufweisen; • bei dem das Substrat (108) selektiv zu der elektrisch isolierenden Schicht (107) vollständig entfernt wird, wobei die elektrisch isolierende Schicht (107) verbleibt; • bei dem die Schichtenfolgenelemente (102) aufeinander aufgebracht und miteinander elektrisch verbunden werden, so dass das Thermoelement (100) gebildet wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die elektrisch isolierende Schicht (107) auf das Substrat (108) abgeschieden wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem die elektrisch isolierende Schicht (107) auf das Substrat (108) mittels eines Abscheideverfahrens aus der Gasphase abgeschieden wird.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem als Substrat (108) Halbleiter-Substrat verwendet wird.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem als Substrat (108) eines der folgenden Substrate verwendet wird: • ein Silizium-Substrat, • ein Gallium-Arsenid-Substrat, • ein Saphir-Substrat.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem als Material der elektrisch isolierenden Schicht (107) Siliziumoxid oder Siliziumnitrid verwendet wird.
  7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Substrat (108) mittels Ätzens entfernt wird.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem das Substrat (108) mittels Nassätzens entfernt wird.
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