FR3113985A1 - Procede de fabrication d’un dispositif thermoelectrique - Google Patents

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Guillaume Savelli
Jean-Philippe Colonna
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Abstract

L’invention concerne un procédé de fabrication d’un dispositif (5) thermoélectrique, le procédé comprend les étapes suivantes :a) une étape de fourniture d’un substrat support (10) ;b) une étape de fourniture d’une pluralité de blocs p et n qui comprennent un matériau semi-conducteur ;c) une étape de formation d’une couche thermoélectrique (21) par préhension/positionnement des blocs p et n sur le substrat support (10) ; l’étape c) étant répétée autant de fois que nécessaire de manière à former un empilement thermoélectrique (20), l’empilement thermoélectrique (20) s’étend, à partir de la face avant (11), d’une face inférieure (22) vers une face supérieure (23) dudit empilement, les étapes c) sont en outre exécutées de sorte que les blocs n et les blocs p forment des colonnes dites, respectivement, colonnes n (24) et colonnes p (25), de la face inférieure (22) vers la face supérieure (23). Figure pour l’abrégé : figure 15.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D’UN DISPOSITIF THERMOELECTRIQUE
L’invention se rapporte au domaine des dispositifs thermoélectriques. L’invention concerne, à cet égard, un procédé de fabrication d’un dispositif thermoélectrique impliquant notamment une étape de préhension/positionnement de blocs p et de blocs n afin de répondre aux limitations dimensionnelles inhérentes aux techniques de formation de couches minces.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Il est aujourd’hui connu de l’homme du métier de mettre en œuvre des dispositifs thermoélectriques pour la récupération d’énergie. Ces derniers, tels que représentés à la figure 1, comprennent une alternance de N lignes ou de plots dopés n ou p électriquement connectés en série, et disposés entre deux côtés dits, respectivement, côté chaud (H) et côté froid (C).
Les performances en termes de récupération d’énergie d’un tel dispositif thermoélectrique sont dictées à la fois par les paramètres dimensionnels du dispositif (i.e. : la longueur des lignes, leur section, leur nombre), mais également par les propriétés électriques, et notamment la résistivité du matériau formant lesdites lignes.
La puissance Pu susceptible d’être récupérée par un tel dispositif répond à la relation suivante :
[Math 1]
Où Vocest la tension mesurée aux bornes B1 et B2 du dispositif 1, tandis que Rintest la résistance de l’ensemble formé par les N lignes ou plots.
Cette puissance est ainsi d’autant plus élevée que la tension Vocest importante et la résistance Rintest faible.
Ainsi, deux architectures de dispositif thermoélectrique pour la récupération d’énergie, dites, respectivement, première architecture et deuxième architecture, ont pu être considérées.
La première architecture 1, représentée à la figure 1, comprend des lignes de matériau semi-conducteur parallèles entre elles et qui s’étendent dans le plan d’une face avant 3 d’un support 2. Les lignes comprennent, par ailleurs, en alternance, respectivement, un dopage de type n et un dopage de type p, et sont connectées entre elles par des contacts dits, respectivement, contacts chauds 4 et contacts froids 5.
Cette première architecture présente néanmoins des performances non satisfaisantes en termes de récupération d’énergie.
En effet, une tension Voc importante impose un écart de température entre le côté chaud (H) et le côté froid (C) élevé et par voie de conséquence, une longueur L des lignes ou des plots importante. Néanmoins, une augmentation de la longueur L augmente d’autant la résistance Rintde sorte que l’optimisation géométrique relative à cette première architecture est compliquée.
Par ailleurs, il reste difficilement envisageable de diminuer la résistance en augmentant la section A des lignes n et p. En effet, les lignes n et p, généralement formées par dépôt d’une ou plusieurs couches minces sur la face avant 3 du support 2, présentent une épaisseur intrinsèquement limitée par les techniques de formation de couches usuellement mises en œuvre dans l’industrie de la micro-électronique.
La figure 2 est une représentation schématique de la deuxième architecture.
Selon cette deuxième architecture, le dispositif thermoélectrique comprend des plots dits, respectivement, plots n et plots p, en projection par rapport à la face avant 3 du support 2 sur laquelle ils reposent.
Les plots comprennent, par ailleurs, en alternance, respectivement, un dopage de type n et un dopage de type p, et sont connectés entre eux par des contacts dits, respectivement, contacts chauds 5 et contacts froids 4.
À l’instar de la première architecture, cette deuxième architecture présente également des performances non satisfaisantes en termes de récupération d’énergie.
Plus particulièrement, la longueur L des plots (mesurée selon une direction perpendiculaire à la face avant 3) est limitée par les techniques de formation de couches usuellement mises en œuvre dans l’industrie de la micro-électronique. Ainsi la faible distance entre les côtés chaud H et froid C rend difficile l’obtention d’un écart de température important (et donc d’une tension Voc importante).
Un but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d’un dispositif thermoélectrique dont le dimensionnement n’est pas limité par les contraintes relatives à la formation des couches minces.
Un autre but de la présente invention est donc de proposer un procédé de fabrication d’un dispositif thermoélectrique permettant d’obtenir un micro-générateur thermoélectrique efficace.
Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d’un dispositif thermoélectrique plus simple à mettre en œuvre au regard de ce qui est connu de l’état de la technique.
Les buts de l’invention sont, au moins en partie, atteints par un procédé de fabrication d’un dispositif thermoélectrique sur une face avant d’un substrat support, le procédé comprend les étapes suivantes :
a) une étape de fourniture d’un substrat support pourvu d’une face dite face avant ;
b) une étape de fourniture d’une pluralité de blocs p et de blocs n qui comprennent un matériau semi-conducteur, respectivement, de type p et de type n ;
c) une étape de formation d’une couche, dite couche thermoélectrique, par préhension/positionnement des blocs p et des blocs n sur le substrat support ;
l’étape c) étant répétée autant de fois que nécessaire de manière à former, sur la face avant, un empilement de couches thermoélectriques, dit empilement thermoélectrique, et formant le dispositif thermoélectrique, l’empilement thermoélectrique s’étend, à partir de la face avant, d’une face inférieure vers une face supérieure dudit empilement, les étapes c) sont en outre exécutées de sorte que les blocs n et les blocs p forment des colonnes dites, respectivement, colonnes n et colonnes p, de la face inférieure vers la face supérieure.
Selon un mode de mise en œuvre, ledit procédé comprend également l’exécution, autant de fois que nécessaire et en alternance avec les étapes c), d’une étape d) de formation de contacts électriques, dits contacts intermédiaires, chaque contact intermédiaire étant destiné, au sein de chaque colonne n d’une part et au sein de chaque colonne p d’autre part, à connecter électriquement, respectivement, les blocs n successifs et les blocs p successifs.
Selon un mode de mise en œuvre, chaque séquence comprenant une exécution, dans l’ordre, de l’étape c) et de l’étape d), est suivie de l’exécution d’une étape e) d’enrobage de la couche thermoélectrique et des contacts intermédiaires formés lors des étapes c) et d) considérées.
Selon un mode de mise en œuvre, l’étape e) comprend les sous étapes suivantes :
e1) la formation d’un film d’enrobage en recouvrement de la couche thermoélectrique et des contacts intermédiaires formés lors des étapes c) et d) considérées ;
e2) un amincissement du film d’enrobage de manière à exposer à l’environnement extérieur les contacts intermédiaires.
Selon un mode de mise en œuvre, l’étape b) de fourniture de la pluralité de blocs p et de blocs n comprend, dans l’ordre, les sous étapes suivantes :
b1) la formation d’une première couche de dopage dans un substrat de silicium et qui s’étend à partir d’une première face dudit substrat ;
b2) l’assemblage du substrat de silicium par sa première face avec une face principale d’un substrat temporaire ;
b3) l’amincissement du premier substrat jusqu’à une épaisseur E prédéterminée ;
b4) la formation d’une deuxième couche de dopage dans le substrat de silicium et qui s’étend à partir d’une deuxième face opposée à la première face ;
b5) le retrait du substrat temporaire ;
b6) une étape de découpe du substrat de silicium en blocs n ou en blocs p.
Selon un mode de mise en œuvre, l’étape b) comprend une étape de fabrication d’un cœur de bloc par fabrication additive et deux étapes de formation de contacts métalliques sur deux faces opposées des blocs n et des blocs p.
Selon un mode de mise en œuvre, le cœur de bloc comprend au moins un des matériaux choisi parmi : Bi2Te3, MgSi, HMS, SnTe, CoSbTe, ZrNiSn, Si SiGe.
Selon un mode de mise en œuvre, les blocs n et les blocs p sont de forme parallélépipédique, et présentent une épaisseur, déterminée selon la direction d’empilement thermoélectrique, comprise entre 10 µm et 1000 µm, et présentent également une section selon un plan perpendiculaire à la direction d’empilement de côté compris entre 500µm et 3 cm.
Selon un mode de mise en œuvre, la formation de l’empilement thermoélectrique est suivie de la formation de contacts d’interconnexion supérieurs reposant sur la face supérieure, chaque contact d’interconnexion supérieur connectant électriquement une colonne p et une colonne n.
Selon un mode de mise en œuvre, le procédé comprend également une étape de formation de contacts d’interconnexion inférieurs, notamment sur la face avant, et destiné à connecter électriquement, par la face inférieure, une colonne p et colonne n, les contacts d’interconnexion inférieurs et les contacts d’interconnexion supérieurs étant agencés de sortes que les colonnes p et les colonnes n sont électriquement connectées en série.
Selon un mode de mise en œuvre, ledit procédé comprend en outre une étape de détachement du substrat support de l’empilement thermoélectrique.
L’invention concerne également un procédé d’assemblage d’au moins deux dispositifs thermoélectriques fabriqués selon le procédé selon la présente invention.
Selon un mode de mise en œuvre, ledit procédé d’assemblage comprend la connexion électrique en série des au moins deux dispositifs thermoélectriques.
Selon un mode de mise en œuvre, ledit procédé d’assemblage comprend l’empilement des au moins deux dispositifs par mise en contact de l’une ou l’autre de la face inférieure et de la face supérieure d’un des dispositifs avec l’une ou l’autre de la face inférieure et de la face supérieure de l’autre des dispositifs.
L’invention concerne également un dispositif thermoélectrique formé sur une face avant d’un substrat support, le dispositif comprend un empilement de couches thermoélectriques, dit empilement thermoélectrique, qui s’étend, à partir de la face avant, d’une face inférieure, en contact avec la face avant, vers une face supérieure, chaque couche thermoélectrique étant formée de blocs n et de blocs p qui comprennent un matériau semi-conducteur, respectivement, de type p et de type n, les blocs n et les blocs p sont en outre agencés de manière à former des colonnes dites, respectivement, colonnes n et colonnes p, de la face inférieure vers la face supérieure.
D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre d’un procédé de fabrication d’un dispositif thermoélectrique selon l’invention, donnés à titre d’exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
est une représentation schématique d’un dispositif thermoélectrique selon une première architecture et obtenu selon un procédé connu de l’état de la technique ;
est une représentation schématique d’un dispositif thermoélectrique selon une deuxième architecture et obtenu selon un procédé connu de l’état de la technique ;
sont des représentations schématiques des différentes étapes mises en œuvre pour la formation de blocs n selon une première variante ;
est une représentation schématique d’une étape a) mise en œuvre dans le cadre de la présente invention ;
est une représentation schématique d’une étape c) mise en œuvre dans le cadre de la présente invention ;
est une représentation schématique de la répétition de l’étape c) de manière à former l’empilement thermoélectrique ;
est une représentation schématique de l’exécution d’une séquence d’étapes c) et d) ;
est une représentation schématique de l’exécution de deux séquences successives d’étapes c) et d) ;
est une représentation schématique de l’exécution de trois séquences successives d’étapes c) et d) ;
est une représentation schématique de l’exécution d’une séquence d’étapes c), d) et e) ;
est une représentation schématique de l’exécution de deux séquences successives d’étapes c), d), et e) ;
est une représentation schématique de l’exécution de trois séquences successives d’étapes c), d), et e) ;
illustre de manière schématiquement une étape de formation de contacts supérieurs sur la face supérieure de l’empilement thermoélectrique ;
illustre de manière schématique une étape de formation de contacts inférieurs sur la face avant du substrat support ;
illustre de manière schématique l’agencement des contacts inférieurs et des contacts supérieurs de manière à connecter en série des colonnes n et les colonnes p ;
est une représentation schématique d’une étape de retrait du substrat support ;
sont des représentations schématique des différentes étapes mises en œuvre dans le cadre d’un mode de réalisation particulier de la présente invention ;
est une représentation schématique de deux dispositifs thermoélectriques assemblés en série ;
est une représentation schématique de deux dispositifs thermoélectriques assemblés en parallèle.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La présente invention concerne un procédé de fabrication d’un dispositif thermoélectrique qui comprend un empilement de couches thermoélectriques, dit empilement thermoélectrique sur une face avant d’un substrat.
Chaque couche thermoélectrique est notamment formée par préhension/positionnement (« Pick and Place » selon la terminologie Anglo-Saxonne), sur le substrat support, de blocs p et de blocs n formés d’un matériau semi-conducteur.
À cet égard, l’étape de préhension/positionnement est répétée autant de fois que nécessaire de manière à former, sur la face avant, l’empilement thermoélectrique formant le dispositif thermoélectrique. Cet empilement thermoélectrique s’étend en particulier, à partir de la face avant, d’une face inférieure vers une face supérieure dudit empilement, et les étapes de formation des couches thermoélectriques sont en outre exécutées de sorte que les blocs n et les blocs p forment des colonnes dites, respectivement, colonnes n et colonnes p, qui s’étendent de la face inférieure vers la face supérieure.
Par ailleurs, les blocs n et les blocs p, selon la présente invention, peuvent être formés par des techniques impliquant l’amincissement de substrats ou par des techniques de fabrication additives.
De telles considérations permettent ainsi de s’affranchir des contraintes dimensionnelles relatives à la formation de couches minces, et donnent ainsi accès à des dimensions de colonnes n et de colonnes p jusqu’alors inaccessibles.
Néanmoins, l’invention ne doit pas être limitée au « Pick and Place », et d’autres méthodes de positionnement des blocs p et des blocs n peuvent être considérées. Notamment, l’homme du métier pourra également mettre en œuvre une technique mettant en œuvre des équipements dits « roll to roll pick and place » ou « roll to roll ». Ces équipement permettent à cet de placer de manière collective une pluralité de blocs (en même temps). Ces derniers reposent à cet égard sur un support flexible et peuvent ainsi être reportés sur le substrat support. Il est également possible de considérer
Selon une autre alternative, les méthodes de transfert peuvent également impliquer un transfert de blocs d’un substrat temporaire vers le substrat support.
L’invention est dans la suite de l’énoncé en relation avec les figures 3 à 16.
En particulier, le procédé selon la présente invention concerne un procédé de fabrication d’un dispositif 5 thermoélectrique.
Le procédé comprend à cet égard une étape a) qui consiste à fournir un substrat support 10 pourvu d’une face avant 11 (figure 4).
Le substrat support 10 peut comprendre un matériau semi-conducteur, par exemple du silicium. Néanmoins, et dans la mesure où ce substrat support n’assure qu’une fonction de support temporaire, d’autres matériaux peuvent être considérés.
Le procédé comprend également une étape b) qui consiste à fournir des blocs n et de blocs p qui comprennent un matériau semi-conducteur, respectivement, de type n et de type p.
Par « de type n » et « de type p », on entend, respectivement, dopé n et dopé p.
Les blocs n et les blocs p sont par ailleurs de forme parallélépipédique. Plus particulièrement, les blocs n et les blocs p peuvent présenter une épaisseur comprise entre 10 µm et 1000 µm, et une section selon un plan perpendiculaire à leur épaisseur de côté compris entre 500µm et 3 cm.
Les blocs n peuvent notamment comprendre, selon leur épaisseur, une électrode, une couche de matériau semi-conducteur dopé n, et une autre électrode.
De manière équivalente, les blocs p peuvent notamment comprendre, selon leur épaisseur, une électrode, une couche de matériau semi-conducteur dopé p, et une autre électrode.
La formation des blocs n peut, selon une première variante illustrée aux figures 3a à 3g, comprendre l’exécution, dans l’ordre, des sous étapes suivantes :
b1) la formation d’une première couche de dopage 41 dans un substrat de silicium 40 pré dopé, et qui s’étend à partir d’une première face 42 dudit substrat 40 (figure 3a) ;
b2) l’assemblage du substrat de silicium 40 par sa première face 42 avec une face principale 51 d’un substrat temporaire 50 (figure 3b) ;
b3) l’amincissement du premier substrat jusqu’une épaisseur E prédéterminée non nulle (figure 3c) ;
b4) la formation d’une deuxième couche de dopage 44 dans le substrat de silicium et qui s’étend à partir d’une deuxième face 43 opposée à la première face (figure 3d) ;
b5) le retrait du substrat temporaire (figure 3e) ;
b6) une étape de découpe du substrat de silicium en blocs n (figures 3f et 3g).
Plus particulièrement, l’étape b1) peut comprendre un dopage par implantation d’espèces à partir de la première face 42.
L’étape b2) d’assemblage peut comprendre un collage moléculaire.
L’étape b3) d’amincissement peut être exécutée par amincissement mécanique ou abrasion (« Grinding » selon la terminologie Anglo-Saxonne).
La deuxième couche de dopage formée lors de l’étape b4) peut également impliquer une implantation d’espèces.
Il est entendu que les espèces implantées, ainsi que le pré dopage du substrat de silicium, pour la formation des blocs n, sont de type n.
Les étapes d’implantation permettent par ailleurs d’atteindre des niveaux de dopage de la première couche de dopage et de la deuxième couche de dopage supérieurs à 1019atm/cm3.
Un recuit final, exécuté après l’étape b6) à une température comprise entre 800 °C et 1100 °C, permet d’activer les espèces implantées.
Il est entendu que la formation des blocs p selon cette première variante implique des implantations d’espèces de type p.
De manière alternative, il est possible de former les blocs n et les blocs p selon une deuxième variante. Cette dernière implique notamment une étape de fabrication additive, par exemple par frittage de matière ou par fusion laser d’une poudre.
Plus particulièrement, cette deuxième alternative peut comprendre dans l’ordre :
- une étape de formation d’un contact métallique ;
- une étape de formation d’un bloc, notamment un bloc parallélépipédique, semi-conducteur ;
- une étape de formation d’un autre contact métallique.
Cette deuxième alternative est notamment exécutée de sorte que les deux contacts métalliques reposent chacun sur une face différente du bloc semi-conducteur et opposées l’une de l’autre.
Le matériau formant le bloc peut en particulier comprendre au moins un des matériaux choisi parmi : Bi2Te3, MgSi, HMS, SnTe, CoSbTe, ZrNiSn, Si, SiGe.
La fabrication additive impliquant le Bi2Te3 est notamment décrite dans le document [1] cité à la fin de la description.
Le procédé comprend également la formation d’un empilement, dit empilement thermoélectrique 20, de couches thermoélectriques 21 sur la face avant 11 du substrat support 10. Notamment, l’empilement thermoélectrique 20 s’étend d’une face inférieure 22, en contact avec la face avant 11, vers une face supérieure 23 (figure 6).
En particulier, la formation de l’empilement comprend la répétition, autant de fois que nécessaire, d’une étape c) de formation d’une couche thermoélectrique 21 (figures 5 et 6). En d’autres termes, des couches thermoélectriques 21 sont formées de manière successive et en recouvrement les unes des autres.
A cet égard, l’étape c) de formation d’une couche thermoélectrique 21 est exécutée par préhension/positionnement (« Pick and Place » selon la terminologie Anglo-Saxonne) des blocs p et des blocs n sur le substrat support 10.
En particulier, une couche thermoélectrique 21, formée par exécution de l’étape c), comprend un pavage (ou un damier), par exemple régulier, alternant les blocs n et les blocs p.
Par ailleurs, les couches thermoélectriques, formées par la répétition des étapes c), sont identiques.
Ainsi, chaque bloc n d’une couche thermoélectrique donnée est positionné à l’aplomb d’un bloc n de la couche thermoélectrique formée lors de l’étape c) précédente.
De manière équivalente, chaque bloc p d’une couche thermoélectrique donnée est positionné à l’aplomb d’un bloc p de la couche thermoélectrique formée lors de l’étape c) précédente.
En d’autres termes, les blocs n et les blocs p forment des colonnes dites, respectivement, colonnes n 24 et colonnes p 25, qui s’étendent de la face inférieure 22 vers la face supérieure 23.
Le procédé selon la présente invention peut également comprendre une étape d) de formation de contacts électriques, dits contacts intermédiaires 26. Les contacts intermédiaires 26 sont notamment formés pour connecter électriquement, au sein de chaque colonne n 24 d’une part et au sein de chaque colonne p 25 d’autre part, respectivement, les blocs n successifs et les blocs p successifs.
En d’autres termes, le procédé selon la présente invention comprend l’exécution, autant de fois que nécessaire et en alternance avec les étapes c), de l’étape d) de formation des contacts intermédiaires 26, de manière à connecter, au sein de chaque colonne n 24, les blocs n successifs, et, au sein de chaque colonne p 25, les blocs p successifs. À cet égard, les figures 7, 8 et 9 illustrent l’exécution, respectivement, d’une séquence d’étapes c) et d), de deux séquences successives d’étapes c) et d), et de trois séquences successives d’étapes c) et d).
Le procédé selon la présente invention peut également comprendre une étape e) de formation d’un film d’enrobage 27 destiné à enrober la couche thermoélectrique 21 et les contacts intermédiaires 26 formés lors d’une séquence d’étapes c) et d). En particulier, chaque séquence comprend l’exécution, dans l’ordre, de l’étape c) et de l’étape d), est suivie de l’exécution de l’étape e) d’enrobage de la couche thermoélectrique 21 et des contacts intermédiaires 26 formés lors desdites étapes c) et d) considérées.
Ainsi, les figures 10, 11 et 12 illustrent l’exécution, respectivement, d’une séquence d’étapes c), d) et e), de deux séquences successives d’étapes c), d) et e), et de trois séquences successives d’étapes c), d) et e).
L’exécution d’une étape e) peut, selon la présente invention, comprendre les deux sous étapes suivantes :
e1) la formation d’un film d’enrobage 27 en recouvrement de la couche thermoélectrique 21 et des contacts intermédiaires 26 formés lors des étapes c) et d) considérées ;
e2) un amincissement du film d’enrobage 27 de manière à exposer à l’environnement extérieur les contacts intermédiaires 26.
La sous étape e1) peut comprendre une lamination sous vide d’un film sec, par exemple un film qui comprend un film organique de base d’époxy, de silicone, de siloxane….
L’épaisseur du film d’enrobage 27 est, à cet égard, supérieure à l’épaisseur cumulée de la couche thermoélectrique 21 et des contacts intermédiaires 26.
La sous étape d’amincissement e2) peut être exécutée par abrasion mécanique (« Grinding » selon la terminologie Anglo-Saxonne), de manière à découvrir les contacts intermédiaires 26.
Le procédé selon la présente invention peut également comprendre une étape de formation de contacts supérieurs 28 sur la face supérieure 23, et exécutée après formation de l’empilement thermoélectrique 20. En particulier, chaque contact supérieur 28, tel qu’illustré à la figure 13, connecte électriquement une colonne n avec une colonne p.
De manière équivalente, le procédé peut comprendre une étape de formation de contacts inférieurs 29 sur la face avant 11 du substrat support 10. En particulier, les contacts inférieurs 29 sont intercalés entre la face avant 11 et la face inférieure 22 de l’empilement thermoélectrique 20 de manière à connecter par la face inférieure 22 chaque colonne n 24 avec une colonne p 25 (figure 14). En particulier, les contacts inférieurs et les contacts supérieurs sont agencés de sorte que les colonnes p et les colonnes n sont électriquement connectées en série (figure 15).
Le procédé peut enfin comprendre un détachement du substrat support 10 de manière à libérer le dispositif thermoélectrique (figure 16).
Les figures 17a à 17k sont des représentations schématiques des étapes susceptibles d’être exécutées selon un exemple particulier de réalisation du procédé selon la présente invention.
L’étape a) peut notamment comprendre la fourniture d’un substrat support 10 qui comprend une couche d’oxyde 12 de silicium formée à partir de sa face avant 11. Notamment, la couche d’oxyde de silicium 12 peut être formée par oxydation thermique d’un substrat support 10 fait de silicium.
La fourniture du substrat support 10 est, selon cet exemple, suivie de la formation de contacts inférieurs 29 (figures 17b, 17c et 17d) qui comprennent chacun une piste de cuivre 29a et deux plots métalliques 29b. En particulier, la formation des pistes de cuivre 29a comprend, dans l’ordre, le dépôt d’une couche germe de titane / cuivre, et la croissance de cuivre par électrodéposition. Un masque M, par exemple fait de nitrure de silicium, est ensuite formé. Le masque M comprend par ailleurs des ouvertures O exposant deux sites de chacune des pistes de cuivre 29a. Les plots métalliques 29b sont ensuite formés niveau des ouvertures O.
La figure 17e est une représentation schématique de l’étape c) de préhension / positionnement des blocs n et des blocs p destinée à former une première couche thermoélectrique 20. Le positionnement des blocs n et des blocs p sur les plots métalliques 29b peut faire intervenir une thermocompression.
L’étape d) de formation des contacts intermédiaires 26 est ensuite mise en œuvre (figures 17f). Les contacts intermédiaires 26 peuvent comprendre des plots métalliques 26a ainsi que des piliers d’interconnexion 26b.
L’étape e) d’enrobage de la couche thermoélectrique 21 et des contacts intermédiaires 26, illustrée à la figure 17g, est exécutée après l’étape d), et comprend les sous-étapes e1) et e2) décrites ci-avant.
La figure 17h est une représentation schématique relative à la formation de plots métalliques 26c formés dans la continuité des contacts métalliques 26.
Les plots métalliques 26c peuvent en particulier être formés dans des ouvertures ménagées dans un film de passivation FP en recouvrement du film d’enrobage 27.
Le procédé se poursuit par la répétition des étapes précédemment décrites afin de former le dispositif 5 thermoélectrique tel qu’illustré à la figure 17i et à la figure 17j.
Enfin, le substrat support 10 est retiré afin de libérer le dispositif 5 thermoélectrique (figure 17k).
Le procédé selon la présente invention permet ainsi de former un dispositif 5 thermoélectrique dont les performances ne sont plus limitées par les méthodes de formation de couches minces. En effet, ce procédé qui met en œuvre la formation des blocs n et des blocs p selon l’une et/ou l’autre de la première et de la deuxième variante, permet de former des colonnes p et des colonnes n qui présentent une section suffisamment importante de manière à réduire la résistance électrique de ces dernières.
Ce procédé permet par conséquent d’envisager la formation de dispositifs thermoélectriques dont la longueur des colonnes n et des colonnes p n’est plus limitée par une éventuelle augmentation de la résistivité desdites colonnes.
En outre, dans la mesure où les techniques de fabrication additive sont susceptibles d’être mise en œuvre pour la formation des blocs n et des blocs p, la présente invention ouvre la voie à l’utilisation de matériaux plus performants pour la formation desdits blocs n et p.
Il est également possible, dépendamment des performances visées, de former les blocs n selon la première variante et les blocs p selon la deuxième variante ou inversement.
Enfin, l’invention concerne un procédé d’assemblage d’au moins deux dispositifs 5 thermoélectriques, par exemple deux, fabriqués selon la présente invention.
En particulier, l’assemblage peut comprendre la connexion électrique en série des au moins deux dispositifs 5 thermoélectriques (figure 18).
De manière alternative, le procédé d’assemblage comprend l’empilement des au moins deux dispositifs par mise en contact de l’une ou l’autre de la face inférieure et de la face supérieure d’un des dispositifs avec l’une ou l’autre de la face inférieure et de la face supérieure de l’autre des dispositifs. Cet empilement permet de répondre aux problématiques de contraintes mécaniques susceptibles d’intervenir lors de la formation du dispositif thermoélectrique sur le substrat support (figure 19).
L’assemblage proposé à la figure 19 peut notamment impliquer un assemblage, entre colonnes n d’une part, et colonnes p d’autre part, au moyen de plots métalliques. Cet assemblage alternative permet par ailleurs de considérer un plus dans nombre de couches thermoélectrique et par voie de conséquence des colonnes n et des colonnes p d’une longueur plus importante.
Le dispositif thermoélectrique 5 formé selon la présente invention sera avantageusement mis en œuvre pour la récupération d’énergie, par exemple pour l’alimentation de capteurs autonomes, dans les domaines de la microélectronique, la téléphonie mobile, la domotique, les bâtiments intelligents (« smart building ») et les réseaux intelligents (« smart grid »), etc.
REFERENCE
[1] Jianxu Shi et al., «3D printing fabrication of porous bismuth antimony telluride and study of the thermoelectric properties», Journal of Manufacturing Processes, 37, 370-375, (2019).

Claims (15)

  1. Procédé de fabrication d’un dispositif (5) thermoélectrique sur une face avant (11) d’un substrat support (10), le procédé comprend les étapes suivantes :
    a) une étape de fourniture d’un substrat support (10) pourvu d’une face dite face avant (11) ;
    b) une étape de fourniture d’une pluralité de blocs p et de blocs n qui comprennent un matériau semi-conducteur, respectivement, de type p et de type n ;
    c) une étape de formation d’une couche, dite couche thermoélectrique (21), par positionnement, notamment par préhension/positionnement, des blocs p et des blocs n sur le substrat support (10) ;
    l’étape c) étant répétée autant de fois que nécessaire de manière à former, sur la face avant (11), un empilement de couches thermoélectriques, dit empilement thermoélectrique (20), l’empilement thermoélectrique (20) s’étend, à partir de la face avant (11), d’une face inférieure (22) vers une face supérieure (23) dudit empilement, les étapes c) sont en outre exécutées de sorte que les blocs n et les blocs p forment des colonnes dites, respectivement, colonnes n (24) et colonnes p (25), de la face inférieure (22) vers la face supérieure (23).
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit procédé comprend également l’exécution, autant de fois que nécessaire et en alternance avec les étapes c), d’une étape d) de formation de contacts électriques, dits contacts intermédiaires (26), chaque contact intermédiaire étant destiné, au sein de chaque colonne n d’une part et au sein de chaque colonne p d’autre part, à connecter électriquement, respectivement, les blocs n successifs et les blocs p successifs.
  3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel chaque séquence comprenant une exécution, dans l’ordre, de l’étape c) et de l’étape d), est suivie de l’exécution d’une étape e) d’enrobage de la couche thermoélectrique (21) et des contacts intermédiaires (26) formés lors des étapes c) et d) considérées.
  4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l’étape e) comprend les sous étapes suivantes :
    e1) la formation d’un film d’enrobage (27) en recouvrement de la couche thermoélectrique (21) et des contacts intermédiaires (26) formés lors des étapes c) et d) considérées ;
    e2) un amincissement du film d’enrobage (27) de manière à exposer à l’environnement extérieur les contacts intermédiaires (26).
  5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel une étape b) de fourniture de la pluralité de blocs p et de blocs n comprend, dans l’ordre, les sous étapes suivantes :
    b1) la formation d’une première couche de dopage dans un substrat de silicium et qui s’étend à partir d’une première face dudit substrat ;
    b2) l’assemblage du substrat de silicium par sa première face avec une face principale d’un substrat temporaire ;
    b3) l’amincissement du premier substrat jusqu’une épaisseur E prédéterminée ;
    b4) la formation d’une deuxième couche de dopage dans le substrat de silicium et qui s’étend à partir d’une deuxième face opposée à la première face ;
    b5) le retrait du substrat temporaire ;
    b6) une étape de découpe du substrat de silicium en blocs n ou en blocs p.
  6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’étape b) comprend une étape de fabrication d’un cœur de bloc par fabrication additive et deux étapes de formation de contacts métalliques sur deux faces opposées des blocs n et des blocs p.
  7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le cœur de bloc comprend au moins un des matériaux choisi parmi : Bi2Te3, MgSi, HMS, SnTe, CoSbTe, ZrNiSn, Si SiGe.
  8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel les blocs n et les blocs p sont de forme parallélépipédique, et présentent une épaisseur, déterminée selon la direction d’empilement thermoélectrique (20), comprise entre 10 µm et 1000 µm, et présentent également une section selon un plan perpendiculaire à la direction d’empilement de côté compris entre 500 µm et 3 cm.
  9. Procédé selon l’un des revendications 1 à 8, dans lequel la formation de l’empilement thermoélectrique (20) est suivie de la formation de contacts d’interconnexion supérieurs reposant sur la face supérieure (23), chaque contact d’interconnexion supérieur connectant électriquement une colonne p et une colonne n.
  10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le procédé comprend également une étape de formation de contacts inférieurs, notamment sur la face avant (11), et destiné à connecter électriquement, par la face inférieure (22), une colonne p et colonne n, les contacts inférieurs et les contacts supérieurs étant agencés de sortes que les colonnes p (25) et les colonnes n (24) sont électriquement connectées en série.
  11. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel ledit procédé comprend en outre une étape de détachement du substrat support (10) de l’empilement thermoélectrique (20).
  12. Procédé d’assemblage d’au moins deux dispositifs (5) thermoélectriques fabriqués selon le procédé selon l’une des revendications 1 à 11.
  13. Procédé d’assemblage selon la revendication 12, dans lequel ledit procédé d’assemblage comprend la connexion électrique en série des au moins deux dispositifs (5) thermoélectriques.
  14. Procédé d’assemblage selon la revendication 13, dans lequel ledit procédé d’assemblage comprend l’empilement des au moins deux dispositifs (5) par mise en contact de l’une ou l’autre de la face inférieure (22) et de la face supérieure (23) d’un des dispositifs (5) avec l’une ou l’autre de la face inférieure (22) et de la face supérieure (23) de l’autre des dispositifs (5).
  15. Dispositif (5) thermoélectrique formé sur une face avant (11) d’un substrat support (10), le dispositif (5) comprend un empilement de couches thermoélectriques, dit empilement thermoélectrique (20), qui s’étend, à partir de la face avant (11), d’une face inférieure (22), en contact avec la face avant (11), vers une face supérieure (23), chaque couche thermoélectrique (21) étant formée de blocs n et de blocs p qui comprennent un matériau semi-conducteur, respectivement, de type p et de type n, les blocs n et les blocs p sont en outre agencés de manière à former des colonnes dites, respectivement, colonnes n (24) et colonnes p (25), de la face inférieure (22) vers la face supérieure (23).
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