DE10232376A1

DE10232376A1 - Verfahren zum Herstellen einer Mäanderstruktur, Mäanderstruktur und thermoelektrisches Element

Info

Publication number: DE10232376A1
Application number: DE10232376A
Authority: DE
Inventors: Christl Lauterbach
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2004-02-12

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Mäanderstruktur (100) werden zwei elektrisch isolierende Schichten (102) eines Schichtstapels (101) derart selektiv geätzt, dass drei elektrisch leitfähige Schichten (103, 104) über die zwei elektrisch isolierenden Schichten (102) herausragen, wird die zweite elektrisch leitfähige Schicht (104) derart selektiv geätzt, dass die erste und dritte elektrisch leitfähige Schicht (103) weiter über die zwei elektrisch isolierenden Schichten (102) herausragen als die zweite elektrisch leitfähige Schicht (104), und wird ein elektrisch leitfähiges Material unter einem geeigneten spitzen Winkel alpha derart aufgebracht, dass elektrisch leitfähige Kontaktschichten (107) erzeugt werden, so dass eine Mäanderstruktur (100) aus den drei elektrisch leitfähigen Schichten (103, 104) und den Kontaktschichten (107) gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Mäanderstruktur, eine Mäanderstruktur und ein thermoelektrisches Element.
Ein thermoelektrisches Element 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 isotropen 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 [1] 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 Thermospannungen ist dabei eine Funktion des Seebeck-Koeffizienten der für das jeweilige 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.

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 [2] 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 [3] und [4] 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 Effekt der Wärmeleitung störend auftritt, 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.
Aus [5] ist ein in Dünnfilmtechnik hergestellter thermoelektrischer Dünnfilm-Generator bekannt. Beim Herstellen dieses thermoelektrischen Dünnfilm-Generators werden dünne Schichten geeigneter Materialien aufeinander abgeschieden und danach mittels seitlichem ganzflächigen Aufbringens von elektrisch leitfähigem Material sowie Maskierung und nachfolgender Ätzung dieses elektrisch leitfähigen Materials 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 übliche Herstellungsverfahren nicht nur teuer sondern auch sehr aufwändig, insbesondere beim Erzeugen der die Thermopaar-Schichten elektrisch koppelnden Koppelschichten und somit während des letzten Schrittes beim Erzeugen der Mäanderstruktur. Da diese Koppelschichten üblicherweise mittels Photolithographie und Ätzung strukturiert werden, kann es leicht zu unerwünschten mechanischen Versetzungen der Koppelschichten kommen. Dies hat nicht selten unerwünschte fehlerhafte bzw. mangelhafte Kontaktierungen der Thermopaar-Schichten und damit einen Ausfall eines Teils oder des gesamten thermoelektrischen Dünnfilm-Generators zur Folge. Unter fehlerhaften bzw. mangelhaften Kontaktierungen sind elektrische Kurzschlüsse, d.h. mehr als zwei kontaktierte Thermopaar-Schichten, oder Thermopaar-Schichten zu verstehen, die keinerlei elektrischen Kontakt oder einen elektrischen Kontakt mit unerwünscht hohem Widerstand zu einer benachbarten Thermopaar-Schicht aufweisen.
In 2 ist ein schematischer Querschnitt durch eine als thermoelektrisches Element ausgebildete Mäanderstruktur 200 gemäß dem Stand der Technik dargestellt.
Die Mäanderstruktur 200 weist einen Schichtstapel 201 auf. In dem Schichtstapel 201 sind mehrere elektrisch isolierende Schichten 202, dazwischen angeordnete erste elektrisch leitfähige Schichten 203 sowie dazwischen angeordnete zweite elektrisch leitfähige Schichten 204 aufeinanderfolgend vorgesehen. Dabei wechseln sich jeweils eine erste elektrisch leitfähige Schicht 203 und eine zweite elektrisch leitfähige Schicht 204 in der Reihenfolge ihrer Anordnung in dem Schichtstapel 201 ab.
Der Schichtstapel 201 wird von einer ersten Schichtstapel-Seitenwand 205 und einer gegenüberliegenden zweiten Schichtstapel-Seitenwand 206 nach unten bzw. oben begrenzt. Auf der zweiten Schichtstapel-Seitenwand 206 koppelt jeweils ein erstes Koppelschicht-Element 207 eine erste elektrisch leitfähige Schicht 203 mit einer daneben befindlichen zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 204. Um nicht alle ersten elektrisch leitfähigen Schichten 203 mit allen zweiten elektrisch leitfähigen Schichten 204 auf der zweiten Schichtstapel-Seitenwand 206 kurzzuschließen, weisen die ersten Koppelschicht-Elemente 207 elektrisch isolierende erste Aussparungen 208 auf. In vergleichbarer Weise sind auf der ersten Schichtstapel-Seitenwand 205 zweite Koppelschicht-Elemente 209 mit elektrisch isolierenden zweiten Aussparungen 210 vorgesehen. Somit bilden jeweils eine erste elektrisch leitfähige Schicht 203 und eine zweite elektrisch leitfähige Schicht 204 einerseits sowie ein erstes Koppelschicht-Element 207 oder ein zweites Koppelschicht-Element 209 andererseits je ein Thermopaar.
Um die ersten Koppelschicht-Elemente 207 und die zweiten Koppelschicht-Elemente 209 herzustellen, werden zunächst eine erste Gesamtkoppelschicht und eine zweite Gesamtkoppelschicht erzeugt. Anschließend werden die erste Gesamtkoppelschicht und die zweite Gesamtkoppelschicht in geeigneter Weise, beispielsweise mittels Maskierung und Ätzung oder mittels eines Lasers, strukturiert, wobei ein Teil der ersten Gesamtkoppelschicht und ein Teil der zweiten Gesamtkoppelschicht in vorherbestimmten Gebieten wieder entfernt werden.
Um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden ist der Schichtstapel 201 auf allen Seitenwänden mit einer elektrisch isolierenden Passivierungsschicht 211 versehen. Diese Passivierungsschicht 211 ist in 2 nur unterhalb der ersten Schichtstapel-Seitenwand 205 und oberhalb der zweiten Schichtstapel-Seitenwand 206 sichtbar. Die ersten Koppelschicht-Elemente 207 und die zweiten Koppelschicht-Elemente 209 werden von der Passivierungsschicht 211 vollständig überdeckt.
Die als thermoelektrisches Element ausgebildete Mäanderstruktur 200 weist überdies noch zwei Anschlüsse 212 auf. Die Anschlüsse 212 dienen zum Abgreifen der Gesamt-Thermospannung, wenn die Mäanderstruktur 200 als thermoelektrischer Generator verwendet wird und einem Temperaturgradienten ausgesetzt wird, oder zum Einspeisen von elektrischem Strom, wenn die Mäanderstruktur 200 als Heizelement oder als Kühlelement verwendet wird.
Anschaulich werden also die beiden Anschlüsse 212 mittels der ersten elektrisch leitfähigen Schichten 203, der zweiten elektrisch leitfähigen Schichten 204, der ersten Koppelschicht-Elemente 207 und der zweiten Koppelschicht-Elemente 209 elektrisch miteinander gekoppelt.
Beim Strukturieren der ersten Gesamtkoppelschicht sowie der zweiten Gesamtkoppelschicht tritt jedoch das Problem auf, dass sichergestellt werden muss, dass mittels eines ersten Koppelschicht-Elements 207 bzw. mittels eines zweiten Koppelschicht-Elements 209 jeweils nur eine erste elektrisch leitfähige Schicht 203 mit genau einer zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 204 elektrisch gekoppelt werden. Um sicherzustellen, dass Kurzschlüsse bzw. fehlerhafte elektrische Kopplungen vermieden werden, werden gemäß dem Stand der Technik die ersten elektrisch leitfähigen Schichten 203 und die zweiten elektrisch leitfähigen Schichten 204 jeweils mit einem erheblichen Abstand zueinander nebeneinander angeordnet. D.h., die elektrisch isolierenden Schichten 202 weisen eine größere Dicke auf als zur tatsächlichen elektrischen Isolation zwischen den elektrisch leitfähigen Schichten notwendig wäre. Demzufolge weist die Mäanderstruktur 200 in Richtung der Schichtenreihenfolge des Schichtstapels 201 eine unerwünschte, erhebliche Dicke auf.
Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Mäanderstruktur, eine Mäanderstruktur sowie ein thermoelektrisches Element mit einer Mäanderstruktur bereitzustellen, wobei die Mäanderstruktur gegenüber dem Stand der Technik einfacher und mit geringeren Ausmaßen herstellbar ist. Wird die Mäanderstruktur in einem thermoelektrischen Element eingesetzt, soll die Mäanderstruktur zum Erzeugen eines elektrischen Stromes bereits bei einer geringen Temperaturdifferenz eine höhere Spannung sowie eine höhere Leistung bereitstellen.
Das Problem wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer Mäanderstruktur, eine Mäanderstruktur sowie ein thermoelektrisches Element mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Mäanderstruktur wird ein Schichtstapel bereitgestellt, welcher mindestens folgenden Aufbau aufweist: über einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material sind nacheinander eine erste elektrisch isolierende Schicht, eine zweite elektrisch leitfähige Schicht aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material, eine zweite elektrisch isolierende Schicht und eine dritte elektrisch leitfähige Schicht aus dem ersten elektrisch leitfähigen Material angeordnet. Ferner werden die zwei elektrisch isolierenden Schichten auf zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen des Schichtstapels derart selektiv geätzt, dass die erste, zweite und dritte elektrisch leitfähige Schicht über die zwei elektrisch isolierenden Schichten herausragen. Dann wird die zweite elektrisch leitfähige Schicht auf den zwei Seitenflächen des Schichtstapels derart selektiv geätzt, dass die erste und dritte elektrisch leitfähige Schicht auf den zwei Seitenflächen weiter über die zwei elektrisch isolierenden Schichten herausragen als die zweite elektrisch leitfähige Schicht. Außerdem wird ein drittes elektrisch leitfähiges Material unter einem geeigneten spitzen Winkel ? zur Flächennormale der jeweiligen Seitenfläche derart aufgebracht, dass elektrisch leitfähige Kontaktschichten auf den zwei Seitenflächen erzeugt werden. Dabei wird aus der ersten elektrisch leitfähigen Schicht, der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht, der dritten elektrisch leitfähigen Schicht und den Kontaktschichten eine Mäanderstruktur gebildet.
Eine Mäanderstruktur weist einen Schichtstapel auf, welcher mindestens folgenden Aufbau aufweist: über einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material sind nacheinander eine erste elektrisch isolierende Schicht, eine zweite elektrisch leitfähige Schicht aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material, eine zweite elektrisch isolierende Schicht und eine dritte elektrisch leitfähige Schicht aus dem ersten elektrisch leitfähigen Material angeordnet. Die Mäanderstruktur weist ferner auf Kontaktschichten aus einem dritten elektrisch leitfähigen Material auf zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen des Schichtstapels. Dabei stehen die erste elektrisch leitfähige Schicht und die dritte elektrisch leitfähige Schicht über die von den zwei elektrisch isolierenden Schichten und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht gebildeten zwei Seitenflächen des Schichtstapels über. Außerdem koppelt jede einzelne Kontaktschicht jeweils nur entweder die erste elektrisch leitfähige Schicht mit der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht oder die zweite elektrisch leitfähige Schicht mit der dritten elektrisch leitfähigen Schicht elektrisch. Darüber hinaus sind die erste elektrisch leitfähige Schicht, die zweite elektrisch leitfähige Schicht, die dritte elektrisch leitfähige Schicht und die Kontaktschichten mäanderförmig angeordnet und miteinander elektrisch gekoppelt.
Ein thermoelektrisches Element weist eine erfindungsgemäße Mäanderstruktur auf, wobei die erste elektrisch leitfähige Schicht mit einem ersten Endkontakt und die dritte elektrisch leitfähige Schicht mit einem zweiten Endkontakt elektrisch gekoppelt sind.
Anschaulich stellt der Schichtstapel der Mäanderstruktur folglich eine Sandwich-artige Struktur dar. Dabei ermöglichen es die Kontaktschichten auf den zwei Seitenflächen des Schichtstapels, dass das zweite elektrisch leitfähige Material elektrisch mit dem ersten elektrisch leitfähigen Material gekoppelt wird. Die Mäanderstruktur kann somit mehrere hintereinander geschaltete Thermopaare aufweisen.
Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass das thermoelektrische Element bereits bei einer Temperaturdifferenz ΔT von nur ΔT = 5°C eine Gesamtspannung im V-Bereich und eine Gesamtleistung im mW-Bereich bereitstellen kann.
Ein weiterer Vorteil des thermoelektrischen Elements ist, dass das thermoelektrische Element einfach und kostengünstig hergestellt werden kann. Insbesondere das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren basiert auf einfachen, leicht durchzuführenden Prozessen.
Außerdem bietet das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren den Vorteil, dass in der Mäanderstruktur eine sichere elektrische Kontaktierung der ersten, zweiten und dritten elektrisch leitfähigen Schichten gewährleistet wird, wobei die Dicke der zwei elektrisch isolierenden Schichten im Vergleich zum Stand der Technik reduziert werden kann. Dies hat zur Folge, dass die Ausmaße der Mäanderstruktur gegenüber dem Stand der Technik reduzierbar sind.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren hat überdies den Vorteil, dass das Erzeugen der Kontaktschichten unabhängig davon ist, wie der Schichtstapel hergestellt wurde. Beispielsweise können die einzelnen Schichten des Schichtstapels in herkömmlichen Prozessen aufeinanderfolgend abgeschieden werden. Alternativ kann der Schichtstapel auch in einem einfach handhabbaren, sogenannten "roll-to-roll-Verfahren" hergestellt werden. Anschaulich wird bei einem roll-to-roll-Verfahren eine zu bearbeitende Folie von einer Vorratsrolle kontinuierlich abgerollt, auf eine Zielrolle wieder aufgerollt und zwischen Abrollen und Aufrollen bearbeitet. Bekannte roll-to-roll-Verfahren sind der Transport von Filmen in Fotoapparaten und der Transport von Magnetbändern in Videorekordern oder Tonbandgeräten.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird mittels jeder einzelnen Kontaktschicht jeweils nur entweder die erste elektrisch leitfähige Schicht mit der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht oder die zweite elektrisch leitfähige Schicht mit der dritten elektrisch leitfähigen Schicht elektrisch gekoppelt.
Während des Aufbringens des dritten elektrisch leitfähigen Materials wird vorzugsweise mindestens ein Teil der ersten elektrisch isolierenden Schicht bzw, mindestens ein Teil der zweiten elektrisch isolierenden Schicht auf der jeweiligen Seitenfläche von der ersten bzw. dritten elektrisch leitfähigen Schicht abgeschattet.
Vorzugsweise bildet die zweite elektrisch leitfähige Schicht mit den zwei elektrisch isolierenden Schichten auf den zwei Seitenflächen im Wesentlichen eine Ebene, und wird der Winkel α größer als 0° und kleiner als arctan((d₁ + d₂)/h) gewählt, wobei die abschattende erste bzw. dritte elektrisch leitfähige Schicht mit einer Höhe h über die zweite elektrisch leitfähige Schicht und die zwei elektrisch isolierenden Schichten herausragt, wobei die erste bzw. zweite elektrisch isolierende Schicht zwischen der ersten bzw. dritten elektrisch leitfähigen Schicht und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht eine Dicke d₁ aufweist, und wobei die zweite elektrisch leitfähige Schicht zwischen der ersten elektrisch isolierenden Schicht und der zweiten elektrisch isolierenden Schicht eine Dicke d₂ aufweist. Es ist insbesondere bevorzugt, den Winkel α gleich arctan(d₁/h) zu wählen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als erstes elektrisch leitfähiges Material Nickel, als zweites elektrisch leitfähiges Material Chrom, als drittes elektrisch leitfähiges Material Aluminium und als Material für die zwei elektrisch isolierenden Schichten Polyimid verwendet, wodurch aus der Mäanderstruktur ein thermoelektrisches Element gebildet wird. Das selektive Ätzen der zwei elektrisch isolierenden Schichten erfolgt dann bevorzugt mittels einer Veraschung in einem Sauerstoffplasma oder mittels eines 1augenhaltigen Lösungsmittels, beispielsweise Kalilauge (KOH). Außerdem erfolgt das selektive Ätzen der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht vorzugsweise mittels Salzsäure (HCl) mit Aluminium als Katalysator.
Wird alternativ als erstes elektrisch leitfähiges Material Chrom und als zweites elektrisch leitfähiges Material Nickel verwendet, dann erfolgt das selektive Ätzen der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht vorzugsweise mittels Salpetersäure (HNO₃).
Nachfolgend wird ein Zahlenbeispiel aufgeführt: Der Schichtstapel kann zwischen den zwei Seitenflächen eine Breite zwischen 3 mm und 5 mm aufweisen. Die Dicke der einzelnen Schichten kann zwischen 0,5 μm und 1 μm betragen. Nach den beiden selektiven Ätzprozessen können dann die erste und dritte elektrisch leitfähige Schicht ebenfalls jeweils zwischen 0,5 μm und 1 μm über die jeweilige Seitenfläche überstehen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die erste elektrisch leitfähige Schicht mit einem ersten Endkontakt und die dritte elektrisch leitfähige Schicht mit einem zweiten Endkontakt elektrisch gekoppelt. Zusätzlich kann der Schichtstapel mit einer Passivierungsschicht außer an den zwei Endkontakten ummantelt werden. Diese Passivierungsschicht hat die Aufgabe, die Mäanderstruktur gegenüber der Umgebung elektrisch zu isolieren, um unbeabsichtigte elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden.
Jede einzelne Kontaktschicht der Mäanderstruktur ist vorzugsweise im Bereich der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht und der ersten bzw. zweiten elektrisch isolierenden Schicht im Wesentlichen parallel zur jeweiligen Seitenfläche und im Bereich der ersten bzw. dritten elektrisch leitfähigen Schicht im Wesentlichen senkrecht zur jeweiligen Seitenfläche angeordnet.
Das erste elektrisch leitfähige Material und/oder das zweite elektrisch leitfähige Material können/kann beispielsweise mindestens aufweisen: 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 (Bi_0,25Sb_0,75)₂Te₃ zur Anwendung. Als Wismut-Selenid-Tellurid kommt insbesondere Material mit der Strukturformel Bi₂(Se_0,1Te_0,9)₃ zur Anwendung. Das dritte elektrisch leitfähige Material kann beispielsweise Aluminium, Chrom, Gold, Kupfer, Nickel, Platin, Silber und/oder Titan sein. Als Material für die zwei elektrisch isolierenden Schichten kann Benzo-Cyclo-Buten, Polyethylen, Polyimid oder Polytetrafluorethylen verwendet werden. Benzo-Cyclo-Buten bzw. Polytetrafluorethylen werden auch als Cycloten^TM bzw. Teflon^TM bezeichnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Mäanderstruktur weist das erste elektrisch leitfähige Material Nickel, das zweite elektrisch leitfähige Material Chrom, das dritte elektrisch leitfähige Material Aluminium und das Material für die zwei elektrisch isolierenden Schichten Polyimid auf.
Vorzugsweise ist bei dem thermoelektrischen Element der Schichtstapel mit einer Passivierungsschicht außer an den zwei Endkontakten ummantelt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten.
Es zeigen
1 einen schematischen Querschnitt durch eine Mäanderstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 einen schematischen Querschnitt durch eine Mäanderstruktur gemäß dem Stand der Technik;
3 eine Darstellung eines ersten Teils eines Herstellungsverfahrens für eine Mäanderstruktur gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 einen Querschnitt durch die Mäanderstruktur gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach dem ersten Teils des Herstellungsverfahrens;
5 eine Darstellung eines zweiten Teils des Herstellungsverfahrens für eine Mäanderstruktur gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 eine Darstellung eines dritten Teils des Herstellungsverfahrens für eine Mäanderstruktur gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 eine Darstellung eines vierten Teils des Herstellungsverfahrens für eine Mäanderstruktur gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
8 eine Darstellung eines fünften Teils des Herstellungsverfahrens für eine Mäanderstruktur gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
l zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Mäanderstruktur 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Mäanderstruktur 100 ist als thermoelektrisches Element ausgebildet und weist einen Schichtstapel 101 auf. Der Schichtstapel 101 weist seinerseits auf mehrere elektrisch isolierende Schichten 102, dazwischen angeordnete erste elektrisch leitfähige Schichten 103 sowie dazwischen angeordnete zweite elektrisch leitfähige Schichten 104. Dabei wechseln sich jeweils eine erste elektrisch leitfähige Schicht 103 und eine zweite elektrisch leitfähige Schicht 104 in der Reihenfolge ihrer Anordnung in dem Schichtstapel 101 ab.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird als Material für die elektrisch isolierenden Schichten 102 eine Polyimid-Folie verwendet, welche zwischen 2 μm und 7 μm dick ist. Weiterhin werden als erste elektrisch leitfähige Schichten 103 Chrom-Schichten verwendet, welche zwischen 0,5 μm und 1 μm dick sind, während als zweite elektrisch leitfähige Schichten 104 Nickel-Schichten verwendet werden, welche ebenfalls zwischen 0,5 μm und 1 μm dick sind.
Die elektrisch isolierenden Schichten 102 und die zweiten elektrisch leitfähigen Schichten 104 werden von einer ersten Seitenfläche 105 und einer gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche 106 gemäß der Darstellung in 1 nach unten bzw. nach oben begrenzt. Dabei stehen die ersten elektrisch leitfähigen Schichten 103 jeweils sowohl über die erste Seitenfläche 105 als auch über die zweite Seitenfläche 106 über. Somit weist der Schichtstapel 101 an zwei seiner begrenzenden Oberflächen anschaulich jeweils eine geriffelte Oberfläche auf. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ragen die ersten elektrisch leitfähigen Schichten 103 um zwischen 0,5 μm und 1 μm über die zwei Seitenflächen 105, 106 hinaus.
Auf den zwei Seitenflächen 105, 106 koppelt jeweils eine Kontaktschicht 107 eine erste elektrisch leitfähige Schicht 103 mit einer daneben befindlichen zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 104. Um nicht alle ersten elektrisch leitfähigen Schichten 103 mit allen zweiten elektrisch leitfähigen Schichten 104 kurzzuschließen, sind die Kontaktschichten 107 mittels elektrisch isolierenden Aussparungen 108 voneinander getrennt. Somit bilden jeweils eine erste elektrisch leitfähige Schicht 103, eine zweite elektrisch leitfähige Schicht 104 sowie eine Kontaktschicht 107 je ein Thermopaar. Die Kontaktschichten 107 erstrecken sich dabei im Bereich der ersten elektrisch leitfähigen Schichten 103 im Wesentlichen parallel bzw. im Bereich der zweiten elektrisch leitfähigen Schichten 104 im Wesentlichen senkrecht zur jeweiligen Seitenfläche 105, 106.
Um die Kontaktschichten 107 auf der ersten Seitenfläche 105 und die Kontaktschichten 107 auf der zweiten Seitenfläche 106 herzustellen, wird ein elektrisch leitfähiges Material unter einem vorgegebenen spitzen Winkel α zur Flächennormale der jeweiligen Seitenfläche 105, 106 derart mittels Aufdampfens oder Sputterns aufgebracht, dass die über die Seitenflächen 105, 106 überstehenden ersten elektrisch leitfähigen Schichten 103 einen Teil der direkt benachbarten elektrisch isolierenden Schichten 102 auf den Seitenflächen 105, 106 abschatten. Dadurch wird vermieden, dass auf den zwei Seitenflächen 105, 106 durchgängige Kontaktschichten 107 erzeugt werden, welche alle ersten elektrisch leitfähigen Schichten 103 mit allen zweiten elektrisch leitfähigen Schichten 104 kurzschließen.
Die Grenzwerte für den vorgegebenen spitzen Winkel ? ergeben sich aus der Bedingung, dass jede Kontaktschicht 107 lediglich eine einzige erste elektrisch leitfähige Schicht 103 mit einer einzigen benachbarten zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 104 ausreichend gut elektrisch kontaktieren sollte. Demzufolge ergibt sich als unterer Grenzwert für den vorgegebenen spitzen Winkel ? ein Winkel von 0°, welcher nicht eingestellt werden sollte, um die Mäanderstruktur 100 nicht mittels der Kontaktschichten 107 elektrisch kurzzuschließen. Der obere Grenzwert für den vorgegebenen spitzen Winkel α lässt sich mittels der Bedingung α < arctan((d₁ + d₂)/h) berechnen. Dabei bezeichnet h die Höhe, mit der die abschattende erste elektrisch leitfähige Schicht 103 über die jeweilige Seitenfläche 105, 106 herausragt. Mit d₁ wird die Dicke der elektrisch isolierenden Schicht 102 zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 103 und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 104 bezeichnet, während d2 die Dicke der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 104 bezeichnet. Der obere Grenzwert für den vorgegebenen spitzen Winkel ? gibt den Winkel an, welcher eine gerade noch ausreichend gut elektrisch kontaktierende Kontaktschicht 107 zur Folge hat.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird als Material für die Kontaktschichten 107 Nickel mit einer Schichtdicke von zwischen 0,5 μm und 1 μm verwendet. Als vorgegebener spitzer Winkel α zur Flächennormale der jeweiligen Seitenfläche 105, 106 wird bevorzugt ein Winkel zwischen 5° und 25° und insbesondere ein Winkel von 15° verwendet.
Um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden ist der Schichtstapel 101 auf allen Seitenflächen mit einer elektrisch isolierenden Passivierungsschicht 109 versehen. Diese Passivierungsschicht 109 ist in 1 nur unterhalb der ersten Seitenfläche 105 und oberhalb der zweiten Seitenfläche 106 sichtbar. Die Kontaktschichten 107 werden von der Passivierungsschicht 109 vollständig überdeckt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird als Material für die elektrisch isolierende Passivierungsschicht 109 Polyimid verwendet.
Die als thermoelektrisches Element ausgebildete Mäanderstruktur 100 weist überdies noch zwei Anschlüsse 110 auf. Die Anschlüsse 110 dienen zum Abgreifen der Gesamt-Thermospannung, wenn die Mäanderstruktur 100 als thermoelektrischer Generator verwendet wird und einem Temperaturgradienten ausgesetzt wird, oder zum Einspeisen von elektrischem Strom, wenn die Mäanderstruktur 100 als Heizelement oder als Kühlelement verwendet wird.
Anschaulich ist die Mäanderstruktur 100 derart vorgesehen, dass die beiden Anschlüsse 110 mittels der ersten elektrisch leitfähigen Schichten 103, der zweiten elektrisch leitfähigen Schichten 104 und der Kontaktschichten 107 elektrisch miteinander gekoppelt werden. Alle diese elektrisch koppelnden Schichten 103, 104 und 107 sind mäanderförmig angeordnet. Die Mäanderstruktur 100 weist insbesondere mehrere in Serie geschaltete Thermopaare auf.
In einer erfindungsgemäßen Mäanderstruktur 100 mit den oben aufgeführten Materialien wurden 5.000 Thermopaare in Serie geschaltet, wobei die Mäanderstruktur 100 senkrecht zur Zeichenebene eine Flächenausdehnung von 20 mm² hat. Beim Anlegen einer Temperaturdifferenz von 5°C zwischen der ersten Seitenfläche 105 und der zweiten Seitenfläche 106 liefert die Mäanderstruktur 100 dann eine Gesamt-Thermospannung von 1 V und eine nutzbare Leistung von 0,62 mW. Die Mäanderstruktur 100 weist bei 5.000 in Serie geschalteten Thermopaaren in Richtung der gestapelten Schichten folglich eine Länge von rund 8 cm auf.
Eine Mäanderstruktur mit gemäß dem Stand der Technik strukturierten Seitenflächen benötigt hingegen für die elektrisch isolierenden Schichten eine Schichtdicke von jeweils 35 μm und weist somit bei sonst mit der erfindungsgemäßen Mäanderstruktur 100 vergleichbaren Voraussetzungen in Richtung der gestapelten Schichten eine Länge von rund 35 cm auf. Somit ermöglicht die Erfindung entweder eine Reduzierung der Hauptausdehnungsdimension der Mäanderstruktur 100 um einen Faktor vier oder eine Erhöhung der Thermopaaranzahl um den Faktor vier auf 20.000 Thermopaare, was seinerseits eine Erhöhung der Gesamt-Thermospannung um den Faktor vier auf 4 V und eine Erhöhung der nutzbaren Leistung um einen Faktor 16 auf rund 10 mW zur Folge hat.
Die Mäanderstruktur 100 eignet sich damit bei geeigneter Positionierung in einem Temperaturgradienten sehr gut als Spannungsquelle in einem elektronischen Gerät, beispielsweise für eine Uhr, vorzugsweise eine Armbanduhr, für ein Hörgerät oder allgemein für einen elektronischen Sensor.
Im Folgenden wird nun schrittweise ein Herstellungsverfahren für die Mäanderstruktur 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
3 zeigt eine Darstellung eines ersten Teils eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für die Mäanderstruktur 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Dargestellt ist eine Rolle 301 mit einer aufgewickelten Stapelfolie 302, welche in geeigneter Weise strukturiert ist. Wird die strukturierte Stapelfolie 302 von der Rolle 301 abgelöst, resultiert aus der strukturierten Stapelfolie 302 eine Mehrzahl an Schichtstapeln 101. Diese einzelnen Schichtstapel 101 können nachfolgend jeweils für sich alleine weiterbehandelt werden. Die Stapelfolie 302 weist auf eine alternierende Folge einer ersten elektrisch isolierenden Folie, einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht, einer zweiten elektrisch isolierenden Folie und einer zweiten elektrisch leitfähigen Schicht. Die Stapelfolie 302 kann beispielsweise in einem sogenannten roll-to-roll-Verfahren hergestellt und anschließend in geeigneter Weise strukturiert werden.
In einem roll-to-roll-Verfahren werden in einem ersten Schritt auf eine erste Rolle eine erste elektrisch isolierende Folie und auf eine zweite Rolle eine zweite elektrisch isolierende Folie aufgewickelt. In einem zweiten Schritt werden die zwei elektrisch isolierenden Folien von der ersten Rolle bzw. der zweiten Rolle abgerollt und durchlaufen zwei getrennte Bedampfungsprozesse. Die Folienoberseiten der zwei elektrisch isolierenden Folien werden in diesen Bedampfungsprozessen mit unterschiedlichem, dampfförmigem elektrisch leitfähigem Material bedampft, wodurch zwei unterschiedliche bedampfte Folien erzeugt werden. Die zwei unterschiedlichen bedampften Folien weisen folglich jeweils die ursprüngliche elektrisch isolierende Folie sowie eine Schicht aus unterschiedlichem elektrisch leitfähigen Material auf der jeweiligen Folienoberseite auf. Die unterschiedlichen bedampften Folien werden in einem dritten Schritt auf eine dritte Rolle bzw. eine vierte Rolle wieder aufgerollt. In einem vierten Schritt werden die unterschiedlichen bedampften Folien von der dritten Rolle sowie von der vierten Rolle wieder abgerollt, übereinanderliegend miteinander laminiert und dann auf eine fünfte Rolle aufgerollt. Dadurch ergibt sich eine Stapelfolie aus einer ersten elektrisch isolierenden Folie, welche mit einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht beschichtet ist, und einer zweiten elektrisch isolierenden Folie, welche ihrerseits mit einer zweiten elektrisch leitfähigen Schicht beschichtet ist, wobei die beiden Folien miteinander fest verbunden sind. Dieser vierte Schritt wird solange durchgeführt, bis die Stapelfolie die gewünschte Schichtenfolge aufweist.
Der Schichtstapel 101 kann alternativ auch mittels anderen Herstellungsverfahren erzeugt werden. Als Beispiel sei die alternierende Bedampfung eines Substrats mit elektrisch leitfähigem und elektrisch isolierendem Material genannt.
Wird die Stapelfolie 302 nach dem Strukturieren von der Rolle 301 abgelöst, resultiert daraus, wie oben bereits beschrieben, der in 4 im Querschnitt dargestellte Schichtstapel 101, welcher im Vergleich zu 3 um 90° gedreht ist. Der Schichtstapel 101 weist eine alternierende Folge von ersten elektrisch leitfähigen Schichten 103 und zweiten elektrisch leitfähigen Schichten 104 auf, welche mittels elektrisch isolierender Schichten 102 elektrisch voneinander isoliert sind. Dabei wird der Schichtstapel 101 in der Zeichenebene nach unten von einer unteren Hilfsseite 401 und nach oben von einer oberen Hilfsseite 402 begrenzt.
5 zeigt eine Darstellung eines zweiten Teils des Herstellungsverfahrens für eine Mäanderstruktur 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Der Schichtstapel 101 wird nun einem selektiven Ätzprozess 501 unterzogen. Dabei werden die elektrisch isolierenden Schichten 102 von der oberen Hilfsseite 402 her teilweise entfernt und bezüglich der oberen Hilfsseite 402 verkürzt. Der selektive Ätzprozess 501 wird beendet, sobald die elektrisch isolierenden Schichten 102 um eine vorherbestimmte Länge verkürzt worden sind. Nach dem Beenden des selektiven Ätzprozesses 501 bilden die verkürzten elektrisch isolierenden Schichten 102 die zweite Seitenfläche 106 des Schichtstapels 101 aus. Das bedeutet, dass die ersten elektrisch leitfähigen Schichten 103 und die zweiten elektrisch leitfähigen Schichten 104 nun über die zweite Seitenfläche 106 hinausragen.
Der selektive Ätzprozess 501 basiert gemäß dem Ausführungsbeispiel auf einer Veraschung des Materials der elektrisch isolierenden Schichten 102 in einem Sauerstoffplasma. Alternativ kann bei dem selektiven Ätzprozess 501 auch ein laugenhaltiges Lösungsmittel, beispielsweise Kalilauge (KOH), zum Einsatz kommen.
6 zeigt eine Darstellung eines dritten Teils des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für eine Mäanderstruktur 100.
Der Schichtstapel 101 wird nun einem weiteren selektiven Ätzprozess 601 unterzogen. Dabei werden die zweiten elektrisch leitfähigen Schichten 104 von der oberen Hilfsseite 402 her teilweise entfernt und bezüglich der oberen Hilfsseite 402 auf die zweite Seitenfläche 106 des Schichtstapels 101 verkürzt. Der weitere selektive Ätzprozess 601 wird beendet, sobald die Oberkanten der zweiten elektrisch leitfähigen Schichten 104 die zweite Seitenfläche 106 des Schichtstapels 101 erreichen. Das bedeutet, dass nun nur noch die ersten elektrisch leitfähigen Schichten 103 über die zweite Seitenfläche 106 hinausragen.
Der weitere selektive Ätzprozess 601 basiert gemäß dem Ausführungsbeispiel auf dem Einsatz von Salpetersäure (HNO₃), welche selektiv Nickel ätzt und Chrom im Wesentlichen unverändert lässt. Wenn statt Nickel Chrom selektiv geätzt werden soll, kommt in dem weiteren selektiven Ätzprozess 601 Salzsäure (HCl) mit Aluminium als Katalysator zum Einsatz.
In 7 ist eine Darstellung eines vierten Teils des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für eine Mäanderstruktur 100 gezeigt.
Nach dem selektiven Ätzprozess 501 und dem weiteren selektiven Ätzprozess 601 wird der Schichtstapel 101 einem Aufdampfprozess 701 ausgesetzt. Dabei wird das elektrisch leitfähige Material für die Kontaktschichten 107 auf die zweite Seitenfläche 106 des Schichtstapels 101 aufgebracht. Der Aufdampfprozess 701 erfolgt in einer Aufdampfrichtung 703 unter einem vorgegebenen spitzen Aufdampfwinkel ? zur Flächennormale 702 der zweiten Seitenfläche 106. Der Aufdampfwinkel ? wird dabei derart vorherbestimmt, dass die Kontaktschichten 107 jeweils lediglich eine einzige erste elektrisch leitfähige Schicht 103 mit einer einzigen zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 104 in elektrischen Kontakt bringen und dass die Kontaktschichten 107 mittels Aussparungen 108 voneinander elektrisch isoliert sind. Dabei schatten die über die zweite Seitenfläche 106 überstehenden ersten elektrisch leitfähigen Schichten 103 einen Teil der direkt benachbarten elektrisch isolierenden Schichten 102 auf der zweiten Seitenfläche 106 ab. Dadurch wird vermieden, dass auf der zweiten Seitenfläche 106 eine durchgängige Kontaktschicht 107 erzeugt wird, welche alle ersten elektrisch leitfähigen Schichten 103 mit allen zweiten elektrisch leitfähigen Schichten 104 kurzschließen würde.
Die Kontaktschichten 107 ermöglichen somit anschaulich den Thermoübergang zwischen jeweils einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht 103 und einer zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 104. Anschaulich werden somit Thermopaare gebildet.
Die Grenzwerte für den Aufdampfwinkel ? ergeben sich aus der Bedingung, dass jede Kontaktschicht 107 lediglich eine einzige erste elektrisch leitfähige Schicht 103 mit einer einzigen benachbarten zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 104 ausreichend gut elektrisch kontaktieren sollte. Demzufolge ergibt sich als unterer Grenzwert für den Aufdampfwinkel α ein Winkel von 0°, welcher nicht eingestellt werden sollte, um die Mäanderstruktur 100 nicht mittels den Kontaktschichten 107 elektrische kurzzuschließen. Der obere Grenzwert für den Aufdampfwinkel α lässt sich mittels der Bedingung α < arctan((d₁ + d₂)/h) berechnen. Dabei bezeichnet h die Höhe, mit der die abschattende erste elektrisch leitfähige Schicht 103 über die zweite Seitenfläche 106 herausragt. Mit d₁ wird die Dicke der elektrisch isolierenden Schicht 102 zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 103 und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 104 bezeichnet, während d₂ die Dicke der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 104 bezeichnet. Der obere Grenzwert für den Aufdampfwinkel ? gibt den Winkel an, welcher eine gerade noch ausreichend gut elektrisch kontaktierende Kontaktschicht 107 zur Folge hat.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird als Material für die Kontaktschichten 107 Nickel verwendet, welches unter einem Aufdampfwinkel α von zwischen 5° und 25°, insbesondere einem Aufdampfwinkel α von 15°, auf die zweite Seitenfläche 106 des Schichtstapels 101 aufgebracht wird.
8 zeigt eine Darstellung eines fünften Teils des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für eine Mäanderstruktur 100.
Abschließend wird die zweite Seitenfläche 106 des Schichtstapels 101 mit einer elektrisch isolierenden Passivierungsschicht 109 bedeckt. Dabei werden auch die Kontaktschichten 107 auf der zweiten Seitenfläche 106 des Schichtstapels 101 mittels der Passivierungsschicht 109 bedeckt. Die Passivierungsschicht 109 dient, wie oben bereits erwähnt, der elektrischen Isolierung des Schichtstapels 101 gegen unbeabsichtigte elektrische Kurzschlüsse an den Kontaktschichten 107. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird als Material für die Passivierungsschicht 109 Polyimid verwendet. Als alternatives Material für die Passivierungsschicht 109 kann auch Benzo-Cyclo-Buten, Polyamid, Polybenzoxazol, Polytetrafluorethylen oder Siliziumdioxid (SiO₂) verwendet werden.
Nach dem Aufbringen der Passivierungsschicht 109 auf der zweiten Seitenfläche 106 werden die in 5 bis 8 beschriebenen Prozesse in analoger Weise auf der unteren Hilfsseite 401 des Schichtstapels 101 durchgeführt, wodurch die erste Seitenfläche 105 erzeugt wird. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass insbesondere beim Erzeugen der Kontaktschichten 107 auf der ersten Seitenfläche 105 die ersten elektrisch leitfähigen Schichten 103 und die zweiten elektrisch leitfähigen Schichten 104 mittels den Kontaktschichten 107 auf den zwei Seitenflächen 105, 106 des Schichtstapels 101 mäanderförmig elektrisch kontaktiert werden.
Alternativ können die beiden Hilfsseiten 401, 402 während der beiden selektiven Ätzprozesse 501, 601 auch gleichzeitig prozessiert werden. Außerdem kann das Erzeugen der Passivierungsschichten 109 auch nach dem Fertigstellen aller Kontaktschichten 107 auf den zwei Seitenflächen 105, 106 erfolgen.
Zum Herstellen der fertigen Mäanderstruktur 100 werden diejenigen elektrisch leitfähigen Schichten 103, 104, welche lediglich eine einzige benachbarte, parallel verlaufende weitere elektrisch leitfähige Schicht 104, 103 aufweisen, mit jeweils einem auf der ersten Seitenfläche 105 befindlichen Anschluss 110 elektrisch gekoppelt. Beim Erzeugen der Passivierungsschicht 109 auf der ersten Seitenfläche 105 des Schichtstapels 101 bleiben die Anschlüsse 112 frei, d.h. werden nicht mit elektrisch isolierendem Material bedeckt, damit die nun entstandene Mäanderstruktur 100 elektrisch kontaktiert werden kann. Daraus resultiert dann die in l dargestellte Mäanderstruktur 100.
Bei einem alternativen Herstellungsverfahren für den Schichtstapel 101 wird ein geeignetes Trägermaterial, beispielsweise ein Glas- oder Siliziumsubstrat, ganzflächig mit einer ersten elektrisch isolierenden Schicht beschichtet. Vorzugsweise erfolgt das Beschichten in einem Spin-on-Verfahren, einem Sprühverfahren oder mittels Laminierens. Die erste elektrisch isolierende Schicht ist bevorzugt ein schlechter Wärmeleiter und weist eine Dicke im Bereich zwischen 0,5 μm und 1 μm auf. Auf dieser ersten elektrisch isolierenden Schicht wird nun ganzflächig eine erste elektrisch leitfähige Schicht aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material erzeugt. Dieses erste elektrisch leitfähige Material weist bevorzugt einen hohen Seebeck-Koeffizienten auf. Diese erste elektrisch leitfähige Schicht wird nun mit einer zweiten elektrisch isolierenden Schicht ganzflächig beschichtet. Die zweite elektrisch isolierende Schicht kann das gleiche Material und die gleichen Maße wie die erste elektrisch isolierende Schicht aufweisen. Auf diese zweite elektrisch isolierende Schicht wird eine zweite elektrisch leitfähige Schicht aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material ganzflächig aufgebracht. Auch das zweite elektrisch leitfähige Material weist vorzugsweise einen hohen Seebeck-Koeffizienten auf, unterscheidet sich jedoch von dem ersten elektrisch leitfähigen Material. Nun beginnt mit dem Erzeugen einer ersten elektrisch isolierenden Schicht über der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht ein neuer Zyklus. Dabei wird ein immer dicker werdender Schichtenstapel mit einer vorgebbaren Anzahl von Thermopaaren erzeugt. Ist die gewünschte Anzahl von Thermopaaren erreicht, wird der Schichtstapel wie oben zu 4 bis 8 beschreiben weiter bearbeitet.
Im Übrigen sei darauf hingewiesen, dass zum Erhöhen der Gesamt-Thermospannung auch mehrere Mäanderstrukturen 100 seriell miteinander verschaltet werden können, wenn sie als thermoelektrische Generatoren verwendet werden.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:

[1] Lehmann V.: „The Physics of Macropore Formation in Low Doped N-Type Silicon", J. of Electrochemical Society, Vol. 140, No. 10, pp. 2836–2843 (1993)
[2] Fedorov M.I. et. al.: „Universal Thermoelectric Unit", AIP Conf. Proc., Vol. 316, pp. 324–327 (1995)
[3] Glosch H. et. al.: „A Thermoelectric Converter for Energy Supply", Sensors and Actuators, Vol. 74, pp. 246–250 (1999)
[4] Strasser M. et. al.: „Miniaturized Thermoelectric Generators Based on Poly-Si and Poyl-SiGe Surface Micromachining", Proc. of Eurosensors XV, pp. 26–29 (2001)
[5] Stark I., and Stordeur M.: „New Micro Thermoelectric Devices Based On Bismuth Telluride-Type Thin Solid Films", IEEE Proc. 18^th Int. Conf. on Thermoelectrics, pp. 465–472 (1999)

100: Mäanderstruktur gemäß Erfindung
101: Schichtstapel
102: elektrisch isolierende Schicht
103: erste elektrisch leitfähige Schicht
104: zweite elektrisch leitfähige Schicht
105: erste Seitenfläche
106: zweite Seitenfläche
107: Kontaktschicht
108: Aussparung
109: Passivierungsschicht
110: Anschluss
200: Mäanderstruktur gemäß Stand der Technik
201: Schichtstapel
202: elektrisch isolierende Schicht
203: erste elektrisch leitfähige Schicht
204: zweite elektrisch leitfähige Schicht
205: erste Schichtstapel-Seitenwand
206: zweite Schichtstapel-Seitenwand
207: erstes Koppelschicht-Element
208: erste Aussparung
209: zweites Koppelschicht-Element
210: zweite Aussparung
211: Passivierungsschicht
212: Anschluss
301: Rolle
302: Stapelfolie
401: untere Hilfsseite
402: obere Hilfsseite
501: selektiver Ätzprozess für 102
601: weiterer selektiver Ätzprozess für 104
701: Aufdampfprozess
702: Flächennormale von 106
703: Aufdampfrichtung
α: Aufdampfwinkel
h: Höhe, mit der 103 über 106 übersteht
d1: Dicke von 102
d2: Dicke von 104

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Mäanderstruktur, – bei dem ein Schichtstapel bereitgestellt wird, welcher mindestens folgenden Aufbau aufweist: über einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material sind nacheinander eine erste elektrisch isolierende Schicht, eine zweite elektrisch leitfähige Schicht aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material, eine zweite elektrisch isolierende Schicht und eine dritte elektrisch leitfähige Schicht aus dem ersten elektrisch leitfähigen Material angeordnet; – bei dem die zwei elektrisch isolierenden Schichten auf zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen des Schichtstapels derart selektiv geätzt werden, dass die erste, zweite und dritte elektrisch leitfähige Schicht über die zwei elektrisch isolierenden Schichten herausragen; – bei dem die zweite elektrisch leitfähige Schicht auf den zwei Seitenflächen des Schichtstapels derart selektiv geätzt wird, dass die erste und dritte elektrisch leitfähige Schicht auf den zwei Seitenflächen weiter über die zwei elektrisch isolierenden Schichten herausragen als die zweite elektrisch leitfähige Schicht; und – bei dem ein drittes elektrisch leitfähiges Material unter einem geeigneten spitzen Winkel α zur Flächennormale der jeweiligen Seitenfläche derart aufgebracht wird, dass elektrisch leitfähige Kontaktschichten auf den zwei Seitenflächen erzeugt werden; – so dass eine Mäanderstruktur aus der ersten elektrisch leitfähigen Schicht, der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht, der dritten elektrisch leitfähigen Schicht und den Kontaktschichten gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem mittels jeder einzelnen Kontaktschicht jeweils nur entweder die erste elektrisch leitfähige Schicht mit der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht oder die zweite elektrisch leitfähige Schicht mit der dritten elektrisch leitfähigen Schicht elektrisch gekoppelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem während des Aufbringens des dritten elektrisch leitfähigen Materials mindestens ein Teil der ersten elektrisch isolierenden Schicht bzw. mindestens ein Teil der zweiten elektrisch isolierenden Schicht auf der jeweiligen Seitenfläche von der ersten bzw. dritten elektrisch leitfähigen Schicht abgeschattet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die zweite elektrisch leitfähige Schicht mit den zwei elektrisch isolierenden Schichten auf den zwei Seitenflächen im Wesentlichen eine Ebene bildet, und bei dem der Winkel α größer als 0° und kleiner als arctan((d₁ + d₂)/h) gewählt wird, wobei die abschattende erste bzw. dritte elektrisch leitfähige Schicht mit einer Höhe h über die zweite elektrisch leitfähige Schicht und die zwei elektrisch isolierenden Schichten herausragt, wobei die erste bzw. zweite elektrisch isolierende Schicht zwischen der ersten bzw. dritten elektrisch leitfähigen Schicht und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht eine Dicke d1 aufweist, und wobei die zweite elektrisch leitfähige Schicht zwischen der ersten elektrisch isolierenden Schicht und der zweiten elektrisch isolierenden Schicht eine Dicke d2 aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem der Winkel α gleich arctan(d₁/h) gewählt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem als erstes elektrisch leitfähiges Material Nickel, als zweites elektrisch leitfähiges Material Chrom, als drittes elektrisch leitfähiges Material Aluminium und als Material für die zwei elektrisch isolierenden Schichten Polyimid verwendet wird, wodurch aus der Mäanderstruktur ein thermoelektrisches Element gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem das selektive Ätzen der zwei elektrisch isolierenden Schichten mittels einer Veraschung in einem Sauerstoffplasma oder mittels eines laugenhaltigen Lösungsmittels erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem als laugenhaltiges Lösungsmittel Kalilauge (KOH) verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem das selektive Ätzen der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht mittels Salzsäure (HCl) mit Aluminium als Katalysator erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die erste elektrisch leitfähige Schicht mit einem ersten Endkontakt und die dritte elektrisch leitfähige Schicht mit einem zweiten Endkontakt elektrisch gekoppelt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem der Schichtstapel mit einer Passivierungsschicht außer an den zwei Endkontakten ummantelt wird.
Mäanderstruktur – mit einem Schichtstapel, welcher mindestens folgenden Aufbau aufweist: über einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material sind nacheinander eine erste elektrisch isolierende Schicht, eine zweite elektrisch leitfähige Schicht aus einem zweiten elektrisch leitfähigen Material, eine zweite elektrisch isolierende Schicht und eine dritte elektrisch leitfähige Schicht aus dem ersten elektrisch leitfähigen Material angeordnet; und – mit Kontaktschichten aus einem dritten elektrisch leitfähigen Material auf zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen des Schichtstapels; – wobei die erste elektrisch leitfähige Schicht und die dritte elektrisch leitfähige Schicht über die von den zwei elektrisch isolierenden Schichten und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht gebildeten zwei Seitenflächen des Schichtstapels überstehen; – wobei jede einzelne Kontaktschicht jeweils nur entweder die erste elektrisch leitfähige Schicht mit der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht oder die zweite elektrisch leitfähige Schicht mit der dritten elektrisch leitfähigen Schicht elektrisch koppelt; und – wobei die erste elektrisch leitfähige Schicht, die zweite elektrisch leitfähige Schicht, die dritte elektrisch leitfähige Schicht und die Kontaktschichten mäanderförmig angeordnet und miteinander elektrisch gekoppelt sind.
Mäanderstruktur gemäß Anspruch 12, bei der jede einzelne Kontaktschicht im Bereich der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht und der ersten bzw. zweiten elektrisch isolierenden Schicht im Wesentlichen parallel zur jeweiligen Seitenfläche und im Bereich der ersten bzw. dritten elektrisch leitfähigen Schicht im Wesentlichen senkrecht zur jeweiligen Seitenfläche angeordnet ist.
Mäanderstruktur gemäß Anspruch 12 oder 13, bei der das erste elektrisch leitfähige Material Nickel, das zweite elektrisch leitfähige Material Chrom, das dritte elektrisch leitfähige Material Aluminium und das Material für die zwei elektrisch isolierenden Schichten Polyimid aufweist.
Thermoelektrisches Element mit einer Mäanderstruktur gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die erste elektrisch leitfähige Schicht mit einem ersten Endkontakt und die dritte elektrisch leitfähige Schicht mit einem zweiten Endkontakt elektrisch gekoppelt sind.
Thermoelektrisches Element gemäß Anspruch 15, bei dem der Schichtstapel mit einer Passivierungsschicht außer an den zwei Endkontakten ummantelt ist.