JP2002374010A - 電極構造と半導体装置と熱電装置ならびにその製造方法 - Google Patents

電極構造と半導体装置と熱電装置ならびにその製造方法

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JP2002374010A
JP2002374010A JP2001181715A JP2001181715A JP2002374010A JP 2002374010 A JP2002374010 A JP 2002374010A JP 2001181715 A JP2001181715 A JP 2001181715A JP 2001181715 A JP2001181715 A JP 2001181715A JP 2002374010 A JP2002374010 A JP 2002374010A
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Sakutaro Yamaguchi
作太郎 山口
Keiji Nakamura
圭二 中村
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Abstract

(57)【要約】 【課題】電極と絶縁部の接合部で熱抵抗を低下させると
ともに、電極の剥がれを回避する製造方法と装置の提
供。 【解決手段】導電性基板1を、酸化処理又は窒化処理し
て表面に、酸化膜又は窒化膜の絶縁膜2を形成する工程
と、基板表面の電極パタン以外の領域をマスク3を形成
する工程と、金属イオンを基板表面と裏面に打ち込む工
程と、前記マスクを除去する工程と、メッキ処理を行う
工程と、熱電素子と熱源を、基板表面と裏面のメッキ面
に半田またはロウ付けで接続する工程と、を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に関し、特に、熱電半導体素子の電極の製造
技術に関する。
【0002】
【従来の技術】熱電素子は、P型熱電半導体材料とN型
熱電半導体材料を金属電極を介して接合しPN接合対を
形成することで形成される。この熱電素子は、PN接合
対間に温度差を与えることでゼーベック効果により発電
したり、熱電素子に電流を流すことにより、接合部の一
方で冷却、他方で発熱が起こるペルチェ効果を利用した
冷却装置等の用途がある。熱電素子は、通常、性能を高
めるため、数十乃至数百個という複数個のPN接合対を
直列に形成した熱電(サーモ)モジュールとして作成さ
れる。
【0003】図3は、熱電装置の構成を示す図である。
図3に示すように、熱電素子10、電極11、絶縁物1
2を接合して構成される。絶縁物12は、セラミック
ス、アルミナ、窒化アルミウム等からなり、厚さは例え
ば0.3mm以上とされる。この絶縁物12は、一側の
端面が熱源(Heat Source)13に接合される。
【0004】電極11は、絶縁物12(絶縁基板)にメ
タライズして接合されている。
【0005】熱電素子10は、例えばビスマス・テレル
BiTe等よりなり、表面処理して半田等で電極11が
取り付けられる。なお、熱電素子10は、PN接合対の
構成とされ、電極11は、例えばPN接合対(π型)の
熱電素子の接合電極に対応しており、熱源13の温度
(電極11側の温度)、熱電素子10の電極11の反対
側の端部の温度差(温度勾配)に応じた発電を行うか、
あるいは熱電素子10に電流を流すことにより冷却を行
う。
【0006】熱電半導体に発生する温度差で、発電/冷
却を行うため、絶縁物12、電極11、及び、これらを
接合している界面で発生する熱抵抗は、変換効率を低下
させる。よって、接合部の界面での熱抵抗はできる限り
小さい方がよい。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところで、図3に示し
た構成の場合、メタライズは、電極11とセラミック1
2の接合に用いられるが、電極11の剥がれが生じる場
合がある。これは、高温で熱処理して接合するため、電
極材料とセラミックスの熱膨張率との相違による。熱源
と素子セラミクス部との接合部でも生じる。
【0008】このため、安定した絶縁物と電極(金属)
の接合を実現するには、熱処理温度を下げることが必要
となる。
【0009】接合強度を高めるために、界面は凹凸にし
てあったが、これは熱抵抗を上げることにもなり、でき
れば、鏡面仕上げ状態での接合が望ましい。
【0010】したがって、本発明が解決しようとする課
題は、電極と絶縁部の接合部で熱抵抗を低下させるとと
もに、電極の剥がれを回避する構造の装置及びその製造
方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記課題は、以下の説明
からも明らかとされる通り、本願特許請求の範囲の各請
求項に記載されている発明によって解決される。本発明
は、その一つのアスペクトとして、導電性金属の基板表
面に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜表面に選択的
に金属層のパタンを形成する工程と、メッキ処理を行
い、少なくとも前記金属層が形成されたパタン領域上に
電極を形成する工程と、を含む。
【0012】本発明は、他のアスペクトにおいて、基板
表面に酸化膜又は窒化膜が形成された導電性の基板を有
し、基板表面の電極パタンには金属イオンが選択的にイ
オン注入されてなり、前記電極パタン領域上にメッキで
形成された電極を備えている。
【0013】
【発明の実施の形態】発明の実施の形態について説明す
る。本発明に係る製造方法は、その好ましい一実施の形
態において、導電性金属の基板表面(図1(a)の1)
を酸化処理又は窒化処理して、絶縁性の膜(酸化膜又は
窒化膜)(図1(a)の2)を形成する第1の工程と、
基板表面にマスクパタン(図1(b)の3)を形成する
第2の工程と、電極パタン領域に選択的に金属イオンを
打ち込み金属層パタン(図1(c)の4)を形成する第
3の工程と、マスク(図1の3)を除去する第4の工程
(図2(a))と、メッキ処理を行って電極パタン領域
上に電極(図2(b)の5)を形成する第5の工程と、
半導体素子を、電極(図2(c)の5)に半田またはロ
ウ付けで接続する第6の工程と、を有する。
【0014】なお、図1(c)の構成の後の図2(a)
の工程を、図2(b)の工程のあとに行うようにしても
よい。また、第3の工程の金属イオンの注入で、基板裏
面にも、金属イオンが注入されて金属層が形成され、第
5の工程のメッキ処理(図2(b))で、基板裏面がメ
ッキされ、基板裏面のメッキ面に、熱源素子(図2
(c)の13)が半田又はロウ付けで接合されるように
してもよい。かかる本発明によれば、絶縁物と熱源、絶
縁物の電極の接合部の熱抵抗を縮減し、熱電変換の効率
を向上するとともに、電極の剥がれを回避することがで
きる。
【0015】本発明の一実施の形態に係る装置は、基板
表面に絶縁性酸化膜が形成された導電性金属の基板(図
2(c)の1)を有し、基板表面の電極パタンには金属
イオンが選択的にイオン注入されて金属層(図2(c)
の4)が形成され、基板表面の前記金属層上にメッキで
形成された電極(図2(c)の5)を備え、前記電極に
半田またはロウ付けで接続される半導体素子(図2
(c)の10)と、を備えている。
【0016】なお、本発明の実施の形態の装置は、基板
裏面にも前記金属イオンがイオン注入されて金属層が形
成され、基板裏面がメッキされ、基板表面の前記電極パ
タン領域上にメッキで形成された電極を備え、前記電極
に半田またはロウ付けで接続される熱電素子と、前記基
板裏面に半田またはロウ付けで接続される熱源素子(図
2(c)の13)と、を備えている構成としてもよい。
【0017】
【実施例】本発明の実施例について図面を参照して説明
する。図1及び図2は、本発明の一実施例の製造方法の
主な工程を工程順に示した図である。なお、図1と図2
は、単に図面作成の都合で分図されたものである。
【0018】まず、図1(a)に示すように、アルミ板
1(基板)を、陽極酸化により、酸化処理(もしくは窒
化処理)して、表面にアルミナ層(もしくは窒化アルミ
層)を形成する。基板表面に形成されるアルミナ層(窒
化アルミ層)の膜厚は、数マイクロメートルとされる。
絶縁電圧は1kV程度とされる。
【0019】次に図1(b)に示すように、基板表面の
電極形成領域以外の箇所にマスク3を形成する。マスク
3が形成された領域以外の部分が電極パタンに対応す
る。
【0020】次に図1(c)に示すように、基板両面
に、プラズマイオンインプランテーションを行い、金属
を表面が注入され、その金属層4の上にメッキを成長さ
せることができる。なお、この工程ではプラズマガンを
利用してもよい。アルミナ層の上に電極が通常接合でき
ない。そこで、本発明は、電離された金属イオンを加速
して表面に打ち込む、プラズマイオンインプランテーシ
ョンを利用している。
【0021】次に図2(a)に示すように、化学処理に
よりマスクを除去する。電極パタン上にのみ、プラズマ
イオンインプランテーションにより金属イオンが打ち込
まれており、電極パタン上にのみ、金属層(原子層)4
がアルミナ層2の上に形成され、他側では金属層(原子
層)4がアルミ1の面上に形成されている。図2(b)
の工程の後にしてもよい。すなわち、メッキ処理後に、
マスクを取り除く工程を加えてもよい。
【0022】次に図2(b)に示すように、メッキ処理
を行う。メッキは、基板上で、プラズマイオンインプラ
ンテーションが行われた領域にのみ行われ(導電性があ
るため)、マスク3が形成領域には、メッキは行われな
い。このメッキ処理により、電極部の金属膜厚が増大す
る。
【0023】次に図2(c)に示すように、BiTe、
SbTe、あるいはBiTeとSbTeの混晶系等の熱
電素子10と熱源(素子)13を、メッキ面に半田また
はロウ付けで接続する。
【0024】熱電素子の絶縁電圧は、通常100V程度
であるため、アルミナ層は数マイクロメートル程度とす
ることで、電気絶縁が可能であり、信頼性も高い。これ
は、LSI製造技術等でも実証されている。
【0025】一般に、アルミナ板は稠密(緻密)構造で
はない。アルミナ層の膜厚は、一般に、0.3mm以上
と厚い。これに対して、本実施例によれば、アルミナ層
(もしくは窒化アルミ層)を薄くすることで、電気絶縁
層による熱抵抗は100倍程度減少することが期待され
る。
【0026】界面の熱抵抗は、界面の表面状態に依存す
る。アルミ表面を酸化処理した場合、金属面の荒れ(粗
さ)が少ないこと、アルミナが単結晶に近いことから、
界面の熱抵抗の低減が期待できる。
【0027】図1の各工程、もしくは図2(a)の工程
は、連続プロセスとすることができる。なお、上記実施
例では、熱電素子の電極構造を例に説明したが、絶縁し
た金属板(図2の1)に、CPU、コントローラ、メモ
リ等のLSI素子等を搭載した場合、接合部での熱抵抗
が低いことから、LSI素子を効果的に冷却することが
できる。この場合も、絶縁した金属板(図2の1)上に
搭載される熱電素子10を、冷却素子として用いてもよ
いことは勿論である。
【0028】本発明において、熱電材料としては、例え
ば熱電冷却用にはBiTe、SbTe、BiSe等のカ
ルコゲン系化合物、あるいはこれらの混合物が用いられ
る。また熱発電材料には、ZnSb、PbTeなどのカ
ルコゲン系化合物、GeSi、FeSi等のケイ化
物、β−ボロン、TiB、ZrB等のホウ化物、そ
の他RuSi、LaxSy等の希土類系化合物等を用
いてもよい。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
絶縁物と熱源、絶縁物の電極の接合部の熱抵抗を縮減
し、熱電変換の効率を向上するとともに、電極の剥がれ
を回避することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の製造方法を説明するための
図である。
【図2】本発明の一実施例の製造方法を説明するための
図である。
【図3】従来の熱電装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
1 アルミ板(基板) 2 アルミナ層(酸化膜) 3 マスク 4 金属原子層 5 メッキ 6 半田/ロウ付け(電極と熱電素子の接合部) 7 半田/ロウ付け(絶縁物と熱源の接合部) 10 熱電素子(半導体装置) 11 電極 12 絶縁物 13 熱源(素子)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 35/32 H01L 35/32 A

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】導電性金属の基板表面に絶縁膜を形成する
    工程と、 前記絶縁膜表面に選択的に金属層のパタンを形成する工
    程と、 メッキ処理を行い、少なくとも前記金属層が形成された
    パタン領域上に電極を形成する工程とを含む、ことを特
    徴とする電極の製造方法。
  2. 【請求項2】導電性金属の基板を、酸化処理又は窒化処
    理して、その表面に、酸化膜又は窒化膜を形成する工程
    と、 基板表面の電極パタン領域に選択的に金属イオンを打ち
    込む工程と、 メッキ処理を行い、前記金属イオンが打ち込まれた基板
    表面の電極パタン領域上に電極を形成する工程とを含
    む、ことを特徴とする電極の製造方法。
  3. 【請求項3】導電性金属の基板を、酸化処理又は窒化処
    理して、その表面に、酸化膜又は窒化膜を形成する工程
    と、 基板表面にマスクを形成し電極パタン領域に選択的に金
    属イオンを打ち込む工程と、 前記マスクを除去する工程と、 メッキ処理を行い、前記金属イオンが打ち込まれた基板
    表面の前記電極パタン領域上に電極を形成する工程と半
    導体素子を、前記電極に、半田またはロウ付けで接続す
    る工程と、 を含む、ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】導電性金属の基板を、酸化処理又は窒化処
    理して、その表面に、酸化膜又は窒化膜を形成する工程
    と、 基板表面の電極パタン以外の領域をマスクを形成する工
    程と、 金属イオンを基板表面と裏面に打ち込む工程と、 前記マスクを除去する工程と、 メッキ処理を行う工程と熱電素子と熱源素子を、それぞ
    れ、基板表面と、裏面のメッキ面に半田またはロウ付け
    で接続する工程と、 を含む、ことを特徴とする熱電装置の製造方法。
  5. 【請求項5】前記導電性金属がアルミニウムよりなり、
    前記導電性金属の基板を酸化処理して形成される前記酸
    化膜がアルミナよりなる、ことを特徴とする請求項4記
    載の熱電装置の製造方法。
  6. 【請求項6】前記導電性金属がアルミニウムよりなり、
    前記導電性金属の基板を窒化処理して形成される前記窒
    化膜が窒化アルミよりなる、ことを特徴とする請求項4
    記載の熱電装置の製造方法。
  7. 【請求項7】前記アルミナの膜厚が数μm(マイクロメ
    ートル)程度とされる、ことを特徴とする請求項5記載
    の熱電装置の製造方法。
  8. 【請求項8】前記酸化膜が陽極酸化で形成される、こと
    を特徴とする請求項4記載の熱電装置の製造方法。
  9. 【請求項9】表面に絶縁膜が形成された導電性金属の基
    板を有し、基板表面には金属イオンが選択的に注入され
    てなる金属層パタンを有し、前記金属層上にメッキ処理
    で形成されてなる電極を備えている、ことを特徴とする
    電極構造。
  10. 【請求項10】表面に絶縁性の酸化膜又は窒化膜が形成
    された導電性金属の基板を有し、 基板表面には金属イオンが選択的に注入されてなる金属
    層のパタンを有し、 前記金属層上にメッキで形成された電極を備え、 前記電極に半田またはロウ付けで接続される半導体素子
    を備えている、ことを特徴とする半導体装置。
  11. 【請求項11】基板表面に絶縁性の酸化膜が形成された
    導電性の基板を有し、 基板表面の電極パタンには金属イオンが選択的にイオン
    注入され、基板裏面にも前記金属イオンがイオン注入さ
    れてなり、 基板裏面がメッキされ、基板表面の前記電極パタン領域
    上にメッキで形成された電極を備え、 前記電極に、半田またはロウ付けで接続される熱電素子
    と、 前記基板裏面のメッキ面に、半田またはロウ付けで接続
    される熱源と、 を備えている、ことを特徴とする熱電装置。
  12. 【請求項12】前記導電性基板がアルミニウムよりな
    り、前記酸化膜がアルミナよりなる、ことを特徴とする
    請求項11記載の熱電装置。
  13. 【請求項13】前記基板表面に、前記酸化膜の代わり
    に、絶縁性の窒化膜が形成された導電性の基板を有す
    る、ことを特徴とする請求項11記載の熱電装置。
  14. 【請求項14】前記導電性基板がアルミニウムよりな
    り、前記窒化膜が窒化アルミよりなる、ことを特徴とす
    る請求項13記載の熱電装置。
  15. 【請求項15】前記アルミナの膜厚が数μm(マイクロ
    メートル)程度とされることを特徴とする請求項12記
    載の熱電装置。
  16. 【請求項16】前記窒化アルミの膜厚が数μm(マイク
    ロメートル)程度とされることを特徴とする請求項14
    記載の熱電装置。
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