JP2003174202A - 熱電装置とこれを用いた光モジュール及びこれらの製造方法 - Google Patents
熱電装置とこれを用いた光モジュール及びこれらの製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 熱電素子の小型化・高密度化が可能であり、
ｎ型とｐ型の熱電素子を直交配列させた配線抵抗の低い
熱電装置、及びこれを用いた光モジュール、並びにこれ
らの製造方法を提供する。 【解決手段】 フォトリソグラフィーとエッチングによ
り基材の両面に多数の細孔を規則的に形成し、この中に
充填した熱電材料を焼結してｎ型とｐ型の熱電素子を製
造する。ｎ型熱電素子５１とｐ型熱電素子５２が縦に４
個以上且つ横に４個以上ＸＹ平面上に直交配列し、全て
の熱電素子５１、５２のＸＹ方向におけるサイズが２５
０μｍ以下であって、ｎ型熱電素子５１に最も近く隣接
した４個の熱電素子がｐ型で、ｐ型熱電素子５２に最も
近く隣接した４個の熱電素子はｎ型である。熱電素子５
１、５２は、基板５４上の長方形又は角が丸い長方形の
電極５４に、金属接合材を介して接合されている。
ｎ型とｐ型の熱電素子を直交配列させた配線抵抗の低い
熱電装置、及びこれを用いた光モジュール、並びにこれ
らの製造方法を提供する。 【解決手段】 フォトリソグラフィーとエッチングによ
り基材の両面に多数の細孔を規則的に形成し、この中に
充填した熱電材料を焼結してｎ型とｐ型の熱電素子を製
造する。ｎ型熱電素子５１とｐ型熱電素子５２が縦に４
個以上且つ横に４個以上ＸＹ平面上に直交配列し、全て
の熱電素子５１、５２のＸＹ方向におけるサイズが２５
０μｍ以下であって、ｎ型熱電素子５１に最も近く隣接
した４個の熱電素子がｐ型で、ｐ型熱電素子５２に最も
近く隣接した４個の熱電素子はｎ型である。熱電素子５
１、５２は、基板５４上の長方形又は角が丸い長方形の
電極５４に、金属接合材を介して接合されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱エネルギーから
電力を得る熱発電や、ペルチェ効果による電子冷却に用
いる熱電装置、並びにこの熱電装置を備えた光通信用の
光モジュールに関する。
電力を得る熱発電や、ペルチェ効果による電子冷却に用
いる熱電装置、並びにこの熱電装置を備えた光通信用の
光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】熱電装置は、コンピュータや自動車内部
の余剰熱を利用した発電装置として、またコンピュータ
内部のＩＣを冷却したり、光通信においてＬＤ素子を冷
却したりするための冷却装置として利用されている。か
かる熱電装置は金属などの電極を介して多数のｎ型とｐ
型の熱電素子を接合したものであり、その構造は大きく
２種類に大別できる。
の余剰熱を利用した発電装置として、またコンピュータ
内部のＩＣを冷却したり、光通信においてＬＤ素子を冷
却したりするための冷却装置として利用されている。か
かる熱電装置は金属などの電極を介して多数のｎ型とｐ
型の熱電素子を接合したものであり、その構造は大きく
２種類に大別できる。
【０００３】その一つは、例えば実開昭５９−９１７６
５号公報に記載される熱電装置（熱電装置Ａと呼ぶ）で
ある。この熱電装置Ａは、図８（ＸＹＺ方向の定義も図
示）に示すように、ｎ型熱電素子１とｐ型熱電素子２を
交互に行列配置し、隣り合う２つの熱電素子１、２の上
面又は下面同士を絶縁性の基板４に設けた電極３で接続
してある。尚、図中の５は、両端の電極３に接続したリ
ードである。
５号公報に記載される熱電装置（熱電装置Ａと呼ぶ）で
ある。この熱電装置Ａは、図８（ＸＹＺ方向の定義も図
示）に示すように、ｎ型熱電素子１とｐ型熱電素子２を
交互に行列配置し、隣り合う２つの熱電素子１、２の上
面又は下面同士を絶縁性の基板４に設けた電極３で接続
してある。尚、図中の５は、両端の電極３に接続したリ
ードである。
【０００４】従って、この熱電装置Ａでは、熱電素子
１、２は縦に４個以上横に４個以上がＸＹ平面上に直交
配列しており、ｎ型熱電素子１に最も近く隣接した４個
の熱電素子はｐ型であって、ｐ型熱電素子２に最も近く
隣接した４個の熱電素子はｎ型である。これらの熱電素
子１、２の上面と下面はＸＹ平面上にて電極３に接合さ
れ、この電極３はアルミナなどのセラミックス絶縁体か
らなる基板４上に形成されている。
１、２は縦に４個以上横に４個以上がＸＹ平面上に直交
配列しており、ｎ型熱電素子１に最も近く隣接した４個
の熱電素子はｐ型であって、ｐ型熱電素子２に最も近く
隣接した４個の熱電素子はｎ型である。これらの熱電素
子１、２の上面と下面はＸＹ平面上にて電極３に接合さ
れ、この電極３はアルミナなどのセラミックス絶縁体か
らなる基板４上に形成されている。
【０００５】尚、熱電素子の接合では、ｐ型とｎ型とで
Ｚ方向の上下面に対して逆方向に電流を流すルールを守
りさえすれば、ｐ型とｎ型の１対の熱電素子で構成され
る熱電素子対は並列接合でも直列接合でも良い。しかし
ながら、発電させる電圧を十分に取るために、又は冷却
時の消費電流を小さくするために、通常の熱電素子対は
電気的に直列に接合されている。
Ｚ方向の上下面に対して逆方向に電流を流すルールを守
りさえすれば、ｐ型とｎ型の１対の熱電素子で構成され
る熱電素子対は並列接合でも直列接合でも良い。しかし
ながら、発電させる電圧を十分に取るために、又は冷却
時の消費電流を小さくするために、通常の熱電素子対は
電気的に直列に接合されている。
【０００６】この熱電装置Ａの製造方法を図９に示す。
まず、ブロック焼結体の熱電材料をスライス加工して、
例えばｎ型熱電材料のウエハ６とし（ａ）、更に研磨加
工してからウエハ６の両面に半田材７をメッキする
（ｂ）。これを四角柱にダイシング加工して複数のｎ型
熱電素子１を用意する（ｃ）。次に、このｎ型熱電素子
１と、同様に用意したｐ型熱電素子２とを交互に行列配
置させて並べ（ｄ）、電極３を形成した基板４で挟み、
加熱することで半田材７により接合する（ｅ）。
まず、ブロック焼結体の熱電材料をスライス加工して、
例えばｎ型熱電材料のウエハ６とし（ａ）、更に研磨加
工してからウエハ６の両面に半田材７をメッキする
（ｂ）。これを四角柱にダイシング加工して複数のｎ型
熱電素子１を用意する（ｃ）。次に、このｎ型熱電素子
１と、同様に用意したｐ型熱電素子２とを交互に行列配
置させて並べ（ｄ）、電極３を形成した基板４で挟み、
加熱することで半田材７により接合する（ｅ）。
【０００７】かかる熱電装置Ａにおいては、熱電素子を
１個づつ加工するため、熱電素子のサイズを小さくする
ことに限界がある。最も一般的な熱電装置Ａにおける熱
電素子のサイズは、ＸＹ平面上で５００〜４０００μｍ
程度、Ｚ方向の高さで５００〜４０００μｍ程度のもの
が実用化されており、５００μｍ未満のサイズとするこ
とは困難な現状である。
１個づつ加工するため、熱電素子のサイズを小さくする
ことに限界がある。最も一般的な熱電装置Ａにおける熱
電素子のサイズは、ＸＹ平面上で５００〜４０００μｍ
程度、Ｚ方向の高さで５００〜４０００μｍ程度のもの
が実用化されており、５００μｍ未満のサイズとするこ
とは困難な現状である。
【０００８】２種類の熱電装置の他の一つは、特開平８
−４６２５１号公報に記載される熱電装置（熱電装置Ｂ
と呼ぶ）である。この熱電装置Ｂは熱電素子の小型化を
図ったものであり、その製造方法を図１０示す。Ｓｉ基
板１０上に電極１１を形成し（ａ）、更にマスク１２で
パターニングを施し（ｂ）、マスク１２の穴にＡｇペー
ストなどの接合材１３を塗布する（ｃ）。次に、ブロッ
ク焼結体の熱電材料（例えばｎ型）から研磨加工で削り
だしたウエハ１４を、Ｓｉ基板１０上に形成した電極１
１に接合材１３で接合する（ｄ）。Ｓｉ基板１０に接合
した熱電材料のウエハ１４を研磨して適度な厚さにした
後（ｅ）、ダイシングによるライン加工で四角柱状の熱
電素子１５を形成する（ｆ）。その後、このｎ型の熱電
素子１５の他端に、同様に作製した例えばｐ型の熱電素
子１６が接合されたＳｉ基板１７を接合して熱電装置を
作製している（ｇ）。
−４６２５１号公報に記載される熱電装置（熱電装置Ｂ
と呼ぶ）である。この熱電装置Ｂは熱電素子の小型化を
図ったものであり、その製造方法を図１０示す。Ｓｉ基
板１０上に電極１１を形成し（ａ）、更にマスク１２で
パターニングを施し（ｂ）、マスク１２の穴にＡｇペー
ストなどの接合材１３を塗布する（ｃ）。次に、ブロッ
ク焼結体の熱電材料（例えばｎ型）から研磨加工で削り
だしたウエハ１４を、Ｓｉ基板１０上に形成した電極１
１に接合材１３で接合する（ｄ）。Ｓｉ基板１０に接合
した熱電材料のウエハ１４を研磨して適度な厚さにした
後（ｅ）、ダイシングによるライン加工で四角柱状の熱
電素子１５を形成する（ｆ）。その後、このｎ型の熱電
素子１５の他端に、同様に作製した例えばｐ型の熱電素
子１６が接合されたＳｉ基板１７を接合して熱電装置を
作製している（ｇ）。
【０００９】このようにして得られる熱電装置Ｂでは、
熱電素子のＸＹ方向におけるサイズを２５０μｍ以下、
最少で８０μｍ程度にすることが可能である。しかし、
この方法では、ダイシングによるライン加工により熱電
素子を加工するため、図１１に示すように、ｎ型熱電素
子１５又はｐ型熱電素子１６に最も近く隣接した４個の
熱電素子は２個のｎ型と２個のｐ型になる。また、この
時の電極１１は、一対のｎ型とｐ型の熱電素子１５、１
６を直列に接合するため、一部の電極は長方形や角が取
られた長方形のような単純な形になっておらず、配線幅
が狭くなったり又は長くなったりしているために、配線
抵抗が高くなる。
熱電素子のＸＹ方向におけるサイズを２５０μｍ以下、
最少で８０μｍ程度にすることが可能である。しかし、
この方法では、ダイシングによるライン加工により熱電
素子を加工するため、図１１に示すように、ｎ型熱電素
子１５又はｐ型熱電素子１６に最も近く隣接した４個の
熱電素子は２個のｎ型と２個のｐ型になる。また、この
時の電極１１は、一対のｎ型とｐ型の熱電素子１５、１
６を直列に接合するため、一部の電極は長方形や角が取
られた長方形のような単純な形になっておらず、配線幅
が狭くなったり又は長くなったりしているために、配線
抵抗が高くなる。
【００１０】一方、微細な構造の素子を作製する方法と
して、ピエゾ素子（圧電素子）の作製方法ではあるが、
特開平１１−２７４５９２号公報に記載の方法がある。
この方法では、図１２に示すように、Ｓｉ基板２０の片
側にフォトレジスト２１によりパターンニングを施し、
選択的な気相反応方法でＳｉ基板２０に複数の穴２２を
開け（ａ）、フォトレジスト２１を除去した後、この穴
２２に圧電素子の粉体とバインダーを含むスラリー２３
を充填する（ｂ）。次に、スラリー２３を焼結して圧電
素子２４とし（ｃ）、得られたＳｉ基板２０と圧電素子
２４の複合体からＳｉ基板２０のみを選択的な気相反応
方法で除去することにより、柱状の圧電素子２４が得ら
れる（ｄ）。
して、ピエゾ素子（圧電素子）の作製方法ではあるが、
特開平１１−２７４５９２号公報に記載の方法がある。
この方法では、図１２に示すように、Ｓｉ基板２０の片
側にフォトレジスト２１によりパターンニングを施し、
選択的な気相反応方法でＳｉ基板２０に複数の穴２２を
開け（ａ）、フォトレジスト２１を除去した後、この穴
２２に圧電素子の粉体とバインダーを含むスラリー２３
を充填する（ｂ）。次に、スラリー２３を焼結して圧電
素子２４とし（ｃ）、得られたＳｉ基板２０と圧電素子
２４の複合体からＳｉ基板２０のみを選択的な気相反応
方法で除去することにより、柱状の圧電素子２４が得ら
れる（ｄ）。
【００１１】この方法によれば、１種類の材料しか柱形
状に形状付与できないものの、得られる圧電素子のＸＹ
平面でのサイズは２５０μｍ以下とすることができ、最
少で２０μｍ程度の大きさまで小さくすることが可能で
ある。また、柱状の圧電素子のＸＹ平面における形状
を、任意の形状に形成することもできる。
状に形状付与できないものの、得られる圧電素子のＸＹ
平面でのサイズは２５０μｍ以下とすることができ、最
少で２０μｍ程度の大きさまで小さくすることが可能で
ある。また、柱状の圧電素子のＸＹ平面における形状
を、任意の形状に形成することもできる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】近年、熱電装置には小
型化・高密度化が要求されている。例えば、発電システ
ムにおいては、ｎ型とｐ型の１対の熱電素子から得られ
る熱起電力が小さいために、十分な起電力を得るために
は電気的直列に多数の熱電素子対を並べる必要がある。
このため、セラミックス基板で挟まれた構造の熱電装置
が大型化し、熱流の設計を困難にしている。
型化・高密度化が要求されている。例えば、発電システ
ムにおいては、ｎ型とｐ型の１対の熱電素子から得られ
る熱起電力が小さいために、十分な起電力を得るために
は電気的直列に多数の熱電素子対を並べる必要がある。
このため、セラミックス基板で挟まれた構造の熱電装置
が大型化し、熱流の設計を困難にしている。
【００１３】また、光モジュールに搭載する熱電装置に
よる冷却効率を高めるためには、ｎ型とｐ型の熱電素子
対の密度を一層高める必要がある。特に、幹線系で用い
られる光ファイバー増幅器の励起用光源や、Ｄ−ＷＤＭ
用の高波長制御光源、あるいは高速信号を得るためのト
ランスミッタ、光制御用の変調器、光半導体増幅器など
を用いた光モジュールにおいては、熱電装置の小型化・
高密度化による冷却効率の向上が強く求められている。
よる冷却効率を高めるためには、ｎ型とｐ型の熱電素子
対の密度を一層高める必要がある。特に、幹線系で用い
られる光ファイバー増幅器の励起用光源や、Ｄ−ＷＤＭ
用の高波長制御光源、あるいは高速信号を得るためのト
ランスミッタ、光制御用の変調器、光半導体増幅器など
を用いた光モジュールにおいては、熱電装置の小型化・
高密度化による冷却効率の向上が強く求められている。
【００１４】しかし、上述した従来の熱電装置Ａの構造
では、熱電素子のサイズをＸＹ平面上で５００μｍ未満
にすることは困難であった。また、従来の熱電装置Ｂの
構造では、熱電素子の小型化は可能であるが、ダイシン
グによるライン加工により熱電素子を加工するため、ｎ
型又はｐ型の熱電素子に最も近く隣接した４個の熱電素
子は２個のｎ型と２個のｐ型になり、ｎ型とｐ型の熱電
素子対を直列に接合する電極が一部で配線幅が狭くなっ
たり又は長くなったりするために、配線抵抗が高くなる
という欠点があった。
では、熱電素子のサイズをＸＹ平面上で５００μｍ未満
にすることは困難であった。また、従来の熱電装置Ｂの
構造では、熱電素子の小型化は可能であるが、ダイシン
グによるライン加工により熱電素子を加工するため、ｎ
型又はｐ型の熱電素子に最も近く隣接した４個の熱電素
子は２個のｎ型と２個のｐ型になり、ｎ型とｐ型の熱電
素子対を直列に接合する電極が一部で配線幅が狭くなっ
たり又は長くなったりするために、配線抵抗が高くなる
という欠点があった。
【００１５】尚、圧電素子を小型化して製造する方法と
して、前記特開平１１−２７４５９２号公報に記載の方
法が知られているが、この方法では素子材料が１種類に
限定されており、熱電装置のｎ型とｐ型の熱電素子のよ
うに２種類の材料を焼結することができない。
して、前記特開平１１−２７４５９２号公報に記載の方
法が知られているが、この方法では素子材料が１種類に
限定されており、熱電装置のｎ型とｐ型の熱電素子のよ
うに２種類の材料を焼結することができない。
【００１６】本発明は、このような従来の事情に鑑み、
熱電素子の小型化・高密度化が可能であると共に、ｎ型
とｐ型の熱電素子を直交配列させ、配線抵抗を低く維持
することができる熱電装置、及びこれを用いた光モジュ
ール、並びにこれらの製造方法を提供することを目的と
する。
熱電素子の小型化・高密度化が可能であると共に、ｎ型
とｐ型の熱電素子を直交配列させ、配線抵抗を低く維持
することができる熱電装置、及びこれを用いた光モジュ
ール、並びにこれらの製造方法を提供することを目的と
する。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、ｎ型とｐ型の熱電素子を縦に４個以上且
つ横に４個以上ＸＹ平面上に直交配列した熱電装置にお
いて、全ての熱電素子のＸＹ方向におけるサイズが２５
０μｍ以下であって、ｎ型の熱電素子に最も近く隣接し
た４個の熱電素子がｐ型であり、ｐ型の熱電素子に最も
近く隣接した４個の熱電素子はｎ型であることを特徴と
する熱電装置を提供するものである。この本発明の熱電
装置においては、前記熱電素子は、絶縁性の基板のＸＹ
平面上に形成された長方形又は角が丸い長方形の電極
に、金属接合材を介して接合されていることを特徴とす
る。
め、本発明は、ｎ型とｐ型の熱電素子を縦に４個以上且
つ横に４個以上ＸＹ平面上に直交配列した熱電装置にお
いて、全ての熱電素子のＸＹ方向におけるサイズが２５
０μｍ以下であって、ｎ型の熱電素子に最も近く隣接し
た４個の熱電素子がｐ型であり、ｐ型の熱電素子に最も
近く隣接した４個の熱電素子はｎ型であることを特徴と
する熱電装置を提供するものである。この本発明の熱電
装置においては、前記熱電素子は、絶縁性の基板のＸＹ
平面上に形成された長方形又は角が丸い長方形の電極
に、金属接合材を介して接合されていることを特徴とす
る。
【００１８】また、本発明の上記熱電装置の製造方法
は、（１）基材の片面に、フォトレジストのパターンを
設けてエッチングすることにより、規則的に配列した多
数の細孔を形成する工程と、（２）前記基材の反対側の
面に、フォトレジストのパターンを設けてエッチングす
ることにより、前記片面の細孔に対してＸＹ方向に交互
に規則的に配列した多数の細孔を形成する工程と、
（３）前記基材の片面に開けた細孔に、ｎ型又はｐ型の
熱電材料を充填する工程と、（４）前記基材の反対側の
面に開けた細孔に、ｐ型又はｎ型の熱電材料を充填する
工程と、（５）前記基材に充填した熱電材料を基材ごと
加熱する工程と、（６）前記基材の両面を研摩又は研削
して、ｎ型とｐ型の熱電素子の上面及び下面を露出させ
る工程とを含むことを特徴とする。
は、（１）基材の片面に、フォトレジストのパターンを
設けてエッチングすることにより、規則的に配列した多
数の細孔を形成する工程と、（２）前記基材の反対側の
面に、フォトレジストのパターンを設けてエッチングす
ることにより、前記片面の細孔に対してＸＹ方向に交互
に規則的に配列した多数の細孔を形成する工程と、
（３）前記基材の片面に開けた細孔に、ｎ型又はｐ型の
熱電材料を充填する工程と、（４）前記基材の反対側の
面に開けた細孔に、ｐ型又はｎ型の熱電材料を充填する
工程と、（５）前記基材に充填した熱電材料を基材ごと
加熱する工程と、（６）前記基材の両面を研摩又は研削
して、ｎ型とｐ型の熱電素子の上面及び下面を露出させ
る工程とを含むことを特徴とする。
【００１９】上記熱電装置の製造方法においては、前記
（６）の工程に続いて、（７）前記ｎ型とｐ型の熱電素
子の上面及び下面を、それぞれ電極を挟んで絶縁性の基
板に接合する工程と、（８）前記基材を除去する工程と
を含むことができる。また、前記（１）及び（２）の工
程において、前記基材の両面に、フォトレジストのパタ
ーンを設けてエッチングすることにより、両面規則的に
配列した多数の細孔を同時に形成することができる。前
記基材としては、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＦｅ８、Ｆ
ｅ、ＦｅＮｉ、石英ガラス又は石英を主成分とするガラ
ス、若しくはＳｉのいずれかであることが好ましい。
（６）の工程に続いて、（７）前記ｎ型とｐ型の熱電素
子の上面及び下面を、それぞれ電極を挟んで絶縁性の基
板に接合する工程と、（８）前記基材を除去する工程と
を含むことができる。また、前記（１）及び（２）の工
程において、前記基材の両面に、フォトレジストのパタ
ーンを設けてエッチングすることにより、両面規則的に
配列した多数の細孔を同時に形成することができる。前
記基材としては、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＦｅ８、Ｆ
ｅ、ＦｅＮｉ、石英ガラス又は石英を主成分とするガラ
ス、若しくはＳｉのいずれかであることが好ましい。
【００２０】本発明は、また、光ファイバーを備えたパ
ッケージの底板に熱電装置が接合され、その熱電装置上
にＬＤ素子若しくは半導体アンプ又は半導体変調器を搭
載した光モジュールにおいて、前記熱電装置として上記
本発明の熱電装置を用いることを特徴とする光モジュー
ルを提供する。
ッケージの底板に熱電装置が接合され、その熱電装置上
にＬＤ素子若しくは半導体アンプ又は半導体変調器を搭
載した光モジュールにおいて、前記熱電装置として上記
本発明の熱電装置を用いることを特徴とする光モジュー
ルを提供する。
【００２１】本発明の上記光モジュールの製造方法は、
（１）基材の片面に、フォトレジストのパターンを設け
てエッチングすることにより、規則的に配列した多数の
細孔を形成する工程と、（２）前記基材の反対側の面
に、フォトレジストのパターンを設けてエッチングする
ことにより、前記片面の細孔に対してＸＹ方向に交互に
規則的に配列した多数の細孔を形成する工程と、（３）
前記基材の片面に開けた細孔に、ｎ型又はｐ型の熱電材
料を充填する工程と、（４）前記基材の反対側の面に開
けた細孔に、ｐ型又はｎ型の熱電材料を充填する工程
と、（５）前記基材に充填した熱電材料を基材ごと加熱
する工程と、（６）前記基材の両面を研摩又は研削し
て、ｎ型とｐ型の熱電素子の上面及び下面を露出させる
工程と、（７）前記ｎ型とｐ型の熱電素子の上面及び下
面を、それぞれ電極を挟んで絶縁性の基板に接合する工
程と、（８）前記基材を除去する工程とを含む方法によ
り熱電装置を製造し、この熱電装置をパッケージの底板
に接合することを特徴とする。
（１）基材の片面に、フォトレジストのパターンを設け
てエッチングすることにより、規則的に配列した多数の
細孔を形成する工程と、（２）前記基材の反対側の面
に、フォトレジストのパターンを設けてエッチングする
ことにより、前記片面の細孔に対してＸＹ方向に交互に
規則的に配列した多数の細孔を形成する工程と、（３）
前記基材の片面に開けた細孔に、ｎ型又はｐ型の熱電材
料を充填する工程と、（４）前記基材の反対側の面に開
けた細孔に、ｐ型又はｎ型の熱電材料を充填する工程
と、（５）前記基材に充填した熱電材料を基材ごと加熱
する工程と、（６）前記基材の両面を研摩又は研削し
て、ｎ型とｐ型の熱電素子の上面及び下面を露出させる
工程と、（７）前記ｎ型とｐ型の熱電素子の上面及び下
面を、それぞれ電極を挟んで絶縁性の基板に接合する工
程と、（８）前記基材を除去する工程とを含む方法によ
り熱電装置を製造し、この熱電装置をパッケージの底板
に接合することを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】本発明による熱電装置の基本的な
構造を図１に示す。この熱電装置は、大別すると上述し
た熱電装置Ａに属するものであり、ｎ型熱電素子５１と
ｐ型熱電素子５２を縦に４個以上且つ横に４個以上ＸＹ
平面上に直交して交互に行列配置し、隣り合う２つの熱
電素子５１、５２の上面又は下面同士を絶縁性の基板５
４に設けた電極５３で接続してある。尚、電極５３の基
板５４から突き出た部分はリードを接続する部分であ
る。
構造を図１に示す。この熱電装置は、大別すると上述し
た熱電装置Ａに属するものであり、ｎ型熱電素子５１と
ｐ型熱電素子５２を縦に４個以上且つ横に４個以上ＸＹ
平面上に直交して交互に行列配置し、隣り合う２つの熱
電素子５１、５２の上面又は下面同士を絶縁性の基板５
４に設けた電極５３で接続してある。尚、電極５３の基
板５４から突き出た部分はリードを接続する部分であ
る。
【００２３】本発明の熱電装置では、隣り合うｎ型熱電
素子５１とｐ型熱電素子５２とが、その上面では図１
（ａ）に且つ下面では図１（ｂ）に示すように対をなし
て、基板５４上のＸＹ平面に形成された電極５３に金属
接合材（図示せず）を介して接合されている。このよう
にｎ型熱電素子５１に最も近く隣接した４個の熱電素子
をｐ型に、ｐ型熱電素子５２に最も近く隣接した４個の
熱電素子をｎ型にすることで、小型化・高密度化と同時
に配線抵抗を低減させることとを両立させることができ
る。
素子５１とｐ型熱電素子５２とが、その上面では図１
（ａ）に且つ下面では図１（ｂ）に示すように対をなし
て、基板５４上のＸＹ平面に形成された電極５３に金属
接合材（図示せず）を介して接合されている。このよう
にｎ型熱電素子５１に最も近く隣接した４個の熱電素子
をｐ型に、ｐ型熱電素子５２に最も近く隣接した４個の
熱電素子をｎ型にすることで、小型化・高密度化と同時
に配線抵抗を低減させることとを両立させることができ
る。
【００２４】即ち、全てのｎ型とｐ型の熱電素子５１、
５２のＸＹ方向におけるサイズを２５０μｍ以下、好ま
しくは８０〜４０μｍ程度又はそれ以下にすることがで
き、熱電装置の小型化・高密度化を達成することができ
る。また、熱電素子５１、５２を接合する全ての電極５
３を基板５４のＸＹ平面上にて長方形又は角が丸い長方
形の一定の形状に形成でき、幅の狭い電極や細長い電極
を設ける必要がなくなるため、電極の配線抵抗を小さく
することができる。
５２のＸＹ方向におけるサイズを２５０μｍ以下、好ま
しくは８０〜４０μｍ程度又はそれ以下にすることがで
き、熱電装置の小型化・高密度化を達成することができ
る。また、熱電素子５１、５２を接合する全ての電極５
３を基板５４のＸＹ平面上にて長方形又は角が丸い長方
形の一定の形状に形成でき、幅の狭い電極や細長い電極
を設ける必要がなくなるため、電極の配線抵抗を小さく
することができる。
【００２５】電極５３をＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、又はＡｕの
ような低電気抵抗材料で形成することにより、配線抵抗
を一層低減することができる。また、熱電素子５１、５
２と電極５３とを接合する金属接合材としては、Ｓｎ、
Ｐｂ、ＰｂＳｎ、ＳｎＳｂ、ＳｎＣｕ、ＳｎＣｕＮｉ、
ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉ、Ａｕのいずれかを９７
重量％以上含むものが好ましく、これらの金属接合材の
使用によって良好な半田接合性が得られことから更に電
気抵抗を低減することができる。
ような低電気抵抗材料で形成することにより、配線抵抗
を一層低減することができる。また、熱電素子５１、５
２と電極５３とを接合する金属接合材としては、Ｓｎ、
Ｐｂ、ＰｂＳｎ、ＳｎＳｂ、ＳｎＣｕ、ＳｎＣｕＮｉ、
ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉ、Ａｕのいずれかを９７
重量％以上含むものが好ましく、これらの金属接合材の
使用によって良好な半田接合性が得られことから更に電
気抵抗を低減することができる。
【００２６】絶縁性の基板５４としては、熱伝導率の高
いＡｌＮ、ベリリア、アルミナのいずれかが好ましい。
これらの基板５４を用いることにより、熱電素子５１、
５２からの放熱性が向上するため、熱電装置の性能、例
えば消費電力のより一層の低減を図ることができる。
いＡｌＮ、ベリリア、アルミナのいずれかが好ましい。
これらの基板５４を用いることにより、熱電素子５１、
５２からの放熱性が向上するため、熱電装置の性能、例
えば消費電力のより一層の低減を図ることができる。
【００２７】次に、本発明の熱電装置の製造方法を、図
２〜３に基づいて説明する。まず、図２に示すように、
Ｓｉウエハなどの基材６０の片面に、フォトリソグラフ
ィーによりフォトレジストパターン６１ａを設け
（ａ）、エッチングすることにより規則的に配列した多
数の細孔６２ａを形成する（ｂ）。同様に、基材６０の
反対側の面に、フォトレジストパターン６１ｂを設け
（ｃ）、エッチングすることにより、片面の細孔６２ａ
に対してＸＹ方向に交互に規則的に配列した多数の細孔
６２ｂを形成する（ｄ）。尚、基材の両面にフォトレジ
ストパターンを設けた後、エッチングすることにより両
面同時に規則的に配列した多数の細孔を形成することも
できる。
２〜３に基づいて説明する。まず、図２に示すように、
Ｓｉウエハなどの基材６０の片面に、フォトリソグラフ
ィーによりフォトレジストパターン６１ａを設け
（ａ）、エッチングすることにより規則的に配列した多
数の細孔６２ａを形成する（ｂ）。同様に、基材６０の
反対側の面に、フォトレジストパターン６１ｂを設け
（ｃ）、エッチングすることにより、片面の細孔６２ａ
に対してＸＹ方向に交互に規則的に配列した多数の細孔
６２ｂを形成する（ｄ）。尚、基材の両面にフォトレジ
ストパターンを設けた後、エッチングすることにより両
面同時に規則的に配列した多数の細孔を形成することも
できる。
【００２８】その後、図３に示すように、フォトレジス
トパターン６１ａ、６１ｂを除去して得た型６０ａを用
いて、その片面の細孔６２ａにはｎ型（又はｐ型）熱電
材料６４ａを充填し、反対側の面の細孔６２ｂにはｐ型
（又はｎ型）熱電材料６４ｂを充填する（ａ）。この型
６０ａに充填した熱電材料６４ａ、６４ｂを型６０ａご
と焼結することにより、細孔６２ａ、６２ｂ内にｎ型と
ｐ型の熱電素子が形成される。図３（ａ）では、ガラス
カプセル６３内に型６０ａと、その両面側に別々に熱電
材料６４ａ、６４ｂの粉末を入れ、ＨＩＰ法により粉末
の圧入充填と加熱焼結とを行なう場合を図示している
が、熱電材料を溶浸法により充填したり、熱電材料の充
填後に改めて焼結を行なうことや、あるいは気相合成法
（ＶＰＥ）や液相成長法（ＬＰＥ）で結晶体、多結晶
体、アモルファスを形成することもできる。
トパターン６１ａ、６１ｂを除去して得た型６０ａを用
いて、その片面の細孔６２ａにはｎ型（又はｐ型）熱電
材料６４ａを充填し、反対側の面の細孔６２ｂにはｐ型
（又はｎ型）熱電材料６４ｂを充填する（ａ）。この型
６０ａに充填した熱電材料６４ａ、６４ｂを型６０ａご
と焼結することにより、細孔６２ａ、６２ｂ内にｎ型と
ｐ型の熱電素子が形成される。図３（ａ）では、ガラス
カプセル６３内に型６０ａと、その両面側に別々に熱電
材料６４ａ、６４ｂの粉末を入れ、ＨＩＰ法により粉末
の圧入充填と加熱焼結とを行なう場合を図示している
が、熱電材料を溶浸法により充填したり、熱電材料の充
填後に改めて焼結を行なうことや、あるいは気相合成法
（ＶＰＥ）や液相成長法（ＬＰＥ）で結晶体、多結晶
体、アモルファスを形成することもできる。
【００２９】続いて、図３に示すように、型６０ａの両
面を研摩又は研削して、両面にｎ型熱電素子６５とｐ型
熱電素子６６の上面と下面とをそれぞれ露出させる
（ｂ）。更に、最終的な熱電装置とするためには、ｎ型
熱電素子６５とｐ型熱電素子６６の上面及び下面にそれ
ぞれ金属接合材６７を設け（ｃ）、電極６９を形成した
回路基板６８に金属接合材６７を介して接合した後、エ
ッチングなどにより型６０ａを除去する（ｄ）。
面を研摩又は研削して、両面にｎ型熱電素子６５とｐ型
熱電素子６６の上面と下面とをそれぞれ露出させる
（ｂ）。更に、最終的な熱電装置とするためには、ｎ型
熱電素子６５とｐ型熱電素子６６の上面及び下面にそれ
ぞれ金属接合材６７を設け（ｃ）、電極６９を形成した
回路基板６８に金属接合材６７を介して接合した後、エ
ッチングなどにより型６０ａを除去する（ｄ）。
【００３０】上記本発明方法で用いる基材としては、熱
電材料の焼結温度以上、具体的には６５０℃以上の融点
を有する材料が使用できる。好ましい材料としては、Ｓ
ｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｓｉ、ＡｌＦｅ８、Ｆｅ、ＦｅＮ
ｉ、石英ガラス又は石英を主成分とするガラスを使用す
ることができ、特にＳｉはヤング率が高く、微細な熱電
素子製造用の型材として好適である。
電材料の焼結温度以上、具体的には６５０℃以上の融点
を有する材料が使用できる。好ましい材料としては、Ｓ
ｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、Ｓｉ、ＡｌＦｅ８、Ｆｅ、ＦｅＮ
ｉ、石英ガラス又は石英を主成分とするガラスを使用す
ることができ、特にＳｉはヤング率が高く、微細な熱電
素子製造用の型材として好適である。
【００３１】さらに、本発明による熱電装置は、光モジ
ュールに搭載することによって、小型・高性能な光モジ
ュールが得られる。即ち、上記のごとく製造した本発明
の熱電装置をパッケージの底板に接合し、その熱電装置
上にＬＤ素子若しくは半導体アンプ又は半導体変調器を
搭載し、パッケージの窓に光ファイバーをＹＡＧ接合す
ることにより、光モジュールを作製することができる。
ュールに搭載することによって、小型・高性能な光モジ
ュールが得られる。即ち、上記のごとく製造した本発明
の熱電装置をパッケージの底板に接合し、その熱電装置
上にＬＤ素子若しくは半導体アンプ又は半導体変調器を
搭載し、パッケージの窓に光ファイバーをＹＡＧ接合す
ることにより、光モジュールを作製することができる。
【００３２】
【実施例】（１）熱電素子を得るための型の作製
図２（ａ）に示すように、基材６０として厚み６００μ
ｍのＳｉウエハを用意し、フォトリソグラフィーによっ
てＳｉウエハの片面に有機物であるフォトレジスト６１
ａのパターンを形成する。フォトレジスト６１ａに形成
した細孔形状は正方形とした。その後、図２（ｂ）に示
すように、この基板６０の片面のみをＳＦ６のＳｉ反応
性イオンガスとＣ４Ｆ８の細孔壁面保護ガスとを用いた
反応性イオンエッチングにより、１辺が４０μｍの正方
形で深さ５００μｍの四角柱形状の細孔６２ａを１２０
μｍピッチでＸＹ方向に規則的に並べて形成した。
ｍのＳｉウエハを用意し、フォトリソグラフィーによっ
てＳｉウエハの片面に有機物であるフォトレジスト６１
ａのパターンを形成する。フォトレジスト６１ａに形成
した細孔形状は正方形とした。その後、図２（ｂ）に示
すように、この基板６０の片面のみをＳＦ６のＳｉ反応
性イオンガスとＣ４Ｆ８の細孔壁面保護ガスとを用いた
反応性イオンエッチングにより、１辺が４０μｍの正方
形で深さ５００μｍの四角柱形状の細孔６２ａを１２０
μｍピッチでＸＹ方向に規則的に並べて形成した。
【００３３】基材の反応性イオンエッチングに用いるガ
スは、基材をエッチングする能力があれば良く、Ｓｉの
基材の場合もＳＦ６だけでなく、ＸｅＦ２等の反応性イ
オンガスも使用できる。また、パターンが大きい場合に
は、ＫＯＨ水溶液のようなエッチング液でも良い。エッ
チング液を用いたエッチング方法でも、１辺が２５０μ
ｍの正方形で深さ１００μｍの細孔を３００μｍピッチ
で規則的に形成することが可能である。尚、細孔の断面
形状は正方形に限定されず、例えば円形のほか、他の自
由な形状のものを形成することができる。
スは、基材をエッチングする能力があれば良く、Ｓｉの
基材の場合もＳＦ６だけでなく、ＸｅＦ２等の反応性イ
オンガスも使用できる。また、パターンが大きい場合に
は、ＫＯＨ水溶液のようなエッチング液でも良い。エッ
チング液を用いたエッチング方法でも、１辺が２５０μ
ｍの正方形で深さ１００μｍの細孔を３００μｍピッチ
で規則的に形成することが可能である。尚、細孔の断面
形状は正方形に限定されず、例えば円形のほか、他の自
由な形状のものを形成することができる。
【００３４】次に、図２（ｃ）に示すように、基材６０
であるＳｉウエハの前記片面と反対側の面（逆面と言
う）に、前記片面に形成された細孔６２ａを基準にし
て、フォトレジスト６１ｂのパターンを形成した。この
時の位置合わせ精度は１.５μｍ以下であり、細孔６２
ａの正方形の１辺４０μｍに比較して極めて小さい値で
あるため、高精度に位置合わせを行なうことができた。
であるＳｉウエハの前記片面と反対側の面（逆面と言
う）に、前記片面に形成された細孔６２ａを基準にし
て、フォトレジスト６１ｂのパターンを形成した。この
時の位置合わせ精度は１.５μｍ以下であり、細孔６２
ａの正方形の１辺４０μｍに比較して極めて小さい値で
あるため、高精度に位置合わせを行なうことができた。
【００３５】フォトレジスト６１ｂのパターンを形成し
た後、ＸｅＦ２のＳｉ反応性イオンガスを用いて逆面を
エッチングし、図２（ｄ）に示すように、１辺が４０μ
ｍの正方形で深さ５００μｍの四角柱形状の細孔６２ｂ
を１２０μｍピッチでＸＹ方向に規則的に並べて形成す
ることができた。このようにして得られたＳｉの型６０
ａは、その片面と逆面に多数の細孔６２ａ、６２ｂを有
すると共に、片面と逆面とは完全にセパレートされてい
た。
た後、ＸｅＦ２のＳｉ反応性イオンガスを用いて逆面を
エッチングし、図２（ｄ）に示すように、１辺が４０μ
ｍの正方形で深さ５００μｍの四角柱形状の細孔６２ｂ
を１２０μｍピッチでＸＹ方向に規則的に並べて形成す
ることができた。このようにして得られたＳｉの型６０
ａは、その片面と逆面に多数の細孔６２ａ、６２ｂを有
すると共に、片面と逆面とは完全にセパレートされてい
た。
【００３６】なお、上記実施例では基材としてＳｉを用
いているが、基材は熱電素子との反応性を利用し、Ｓｉ
のような適度な硬さと６５０℃以上の融点を有するもの
であれば何でも良い。例えば、ＳｉＣやＳｉ３Ｎ４のよ
うなセラミックス基板、ＡｌＦｅ８、Ｆｅ、ＦｅＮｉの
ような金属材料、石英や石英を主成分としたガラス等を
用いることもでき、これらも選択的にエッチングするこ
とができる。
いているが、基材は熱電素子との反応性を利用し、Ｓｉ
のような適度な硬さと６５０℃以上の融点を有するもの
であれば何でも良い。例えば、ＳｉＣやＳｉ３Ｎ４のよ
うなセラミックス基板、ＡｌＦｅ８、Ｆｅ、ＦｅＮｉの
ような金属材料、石英や石英を主成分としたガラス等を
用いることもでき、これらも選択的にエッチングするこ
とができる。
【００３７】（２）Ｓｉ型を利用した熱電素子の作製
上記Ｓｉの型６０ａに充填する熱電材料粉として、ｐ
型、ｎ型共にＢｉ−Ｓｂ−Ｓｅ−Ｔｅを主成分とし、不
純物としてＩ−Ｃｕ−Ｚｎ−Ｐｂを含んだ結晶材のイン
ゴットを砕いて使用した。この熱電材料粉の粒界径が２
０μｍ以下になるまでメカニカルアロイングした。
型、ｎ型共にＢｉ−Ｓｂ−Ｓｅ−Ｔｅを主成分とし、不
純物としてＩ−Ｃｕ−Ｚｎ−Ｐｂを含んだ結晶材のイン
ゴットを砕いて使用した。この熱電材料粉の粒界径が２
０μｍ以下になるまでメカニカルアロイングした。
【００３８】図３（ａ）に示すように、Ｓｉの型６０ａ
の片面に設けた細孔６２ａにはｎ型の熱電材料粉６４ａ
を、逆面に設けた細孔６２ｂにはｐ型の熱電材料粉６４
ｂを、それぞれ１０ｍｍ四方当たり１ｇの割合にて５０
ＭＰａの圧力で両面を同時に圧粉成形した。引き続き、
熱電材料粉６４ａ、６４ｂを充填した型６０ａごと、ガ
ラスチューブ６３の中に真空パックし、これをＢＮ製容
器上に置いてＡｒガス雰囲気中で加圧加熱し、熱電材料
粉６４ａ、６４ｂを焼結させた。
の片面に設けた細孔６２ａにはｎ型の熱電材料粉６４ａ
を、逆面に設けた細孔６２ｂにはｐ型の熱電材料粉６４
ｂを、それぞれ１０ｍｍ四方当たり１ｇの割合にて５０
ＭＰａの圧力で両面を同時に圧粉成形した。引き続き、
熱電材料粉６４ａ、６４ｂを充填した型６０ａごと、ガ
ラスチューブ６３の中に真空パックし、これをＢＮ製容
器上に置いてＡｒガス雰囲気中で加圧加熱し、熱電材料
粉６４ａ、６４ｂを焼結させた。
【００３９】このときの温度と圧力の時間プロファイル
のグラフを図４に示す。温度は熱電素子の融点に近い６
００℃まで単純に昇温し、その後６３０℃まで温度上昇
させながら圧力を０.１４ＭＰａから１ＭＰａまで上昇
させて、ガラスチューブ６３の真空パックを外から加圧
した。６３０℃、１ＭＰａで３０分維持した後、１０℃
／分で降温させながら減圧した。
のグラフを図４に示す。温度は熱電素子の融点に近い６
００℃まで単純に昇温し、その後６３０℃まで温度上昇
させながら圧力を０.１４ＭＰａから１ＭＰａまで上昇
させて、ガラスチューブ６３の真空パックを外から加圧
した。６３０℃、１ＭＰａで３０分維持した後、１０℃
／分で降温させながら減圧した。
【００４０】その後、図３（ｂ）に示すように、Ｓｉの
型６０ａごと両面を同時に１００μｍずつ合計で２００
μｍ研磨した。この研磨により、１辺が４０μｍの正方
形で長さ（高さ）４００μｍのｎ型熱電素子６５とｐ型
熱電素子６６の上面及び下面が型６０ａの両面に露出し
た状態となり、Ｓｉの型６０ａと一体化されたｎ型熱電
素子６５とｐ型熱電素子６６が得られた。図５に、Ｓｉ
の型の片面が現れる程度に研磨したときの熱電素子のＳ
ＥＭ写真を示す。尚、１辺が１００μｍの正方形で長さ
（高さ）１ｍｍ、１辺が２００μｍの正方形で長さ（高
さ）２ｍｍ等、アスペクト比が同じであれば、大きな素
子を作製することもできる。
型６０ａごと両面を同時に１００μｍずつ合計で２００
μｍ研磨した。この研磨により、１辺が４０μｍの正方
形で長さ（高さ）４００μｍのｎ型熱電素子６５とｐ型
熱電素子６６の上面及び下面が型６０ａの両面に露出し
た状態となり、Ｓｉの型６０ａと一体化されたｎ型熱電
素子６５とｐ型熱電素子６６が得られた。図５に、Ｓｉ
の型の片面が現れる程度に研磨したときの熱電素子のＳ
ＥＭ写真を示す。尚、１辺が１００μｍの正方形で長さ
（高さ）１ｍｍ、１辺が２００μｍの正方形で長さ（高
さ）２ｍｍ等、アスペクト比が同じであれば、大きな素
子を作製することもできる。
【００４１】次に、図３（ｃ）に示すように、Ｓｉの型
６０ａの両面に露出したｎ型熱電素子６５とｐ型熱電素
子６６の上面及び下面に、フォトリソグラフィーにより
フォトレジストを設けた後、半田材となる金属接合材６
７をメッキした。金属接合材６７として、Ｓｎ、Ｐｂ、
ＰｂＳｎ、ＳｎＳｂ、ＳｎＣｕ、ＳｎＣｕＮｉ、ＡｕＳ
ｎ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉ、Ａｕのいずれもが、熱電素子
に対して良い塗れ性が得られ、オーミック抵抗も熱電素
子のバルク抵抗に比較して１／１０以下と小さかった。
尚、金属接合材は、蒸着などでメタライズすることもで
きる。その後、複数の熱電素子６５、６６をＳｉの型６
０ａごとダイシングして、所定の大きさと形状のチップ
状にした。
６０ａの両面に露出したｎ型熱電素子６５とｐ型熱電素
子６６の上面及び下面に、フォトリソグラフィーにより
フォトレジストを設けた後、半田材となる金属接合材６
７をメッキした。金属接合材６７として、Ｓｎ、Ｐｂ、
ＰｂＳｎ、ＳｎＳｂ、ＳｎＣｕ、ＳｎＣｕＮｉ、ＡｕＳ
ｎ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉ、Ａｕのいずれもが、熱電素子
に対して良い塗れ性が得られ、オーミック抵抗も熱電素
子のバルク抵抗に比較して１／１０以下と小さかった。
尚、金属接合材は、蒸着などでメタライズすることもで
きる。その後、複数の熱電素子６５、６６をＳｉの型６
０ａごとダイシングして、所定の大きさと形状のチップ
状にした。
【００４２】（３）電極付きセラミック基板の作製
熱電装置の基板としては、セラミックスのように絶縁体
であれば何でも使用できるが、特に熱伝導性に優れるア
ルミナ、ＡｌＮ、ベリリアが好ましい。アルミナに比較
してＡｌＮとベリリアが熱伝導性に優れており、基板を
アルミナからベリリア又はＡｌＮに変更することで、熱
電装置の消費電力を１５％以上抑えることがコンピュー
タシミュレーションによって分った。しかし、ベリリア
は発ガン性等の毒性が強いため取り扱いが難しく、ここ
では基板としてＡｌＮ基板を使用することにした。
であれば何でも使用できるが、特に熱伝導性に優れるア
ルミナ、ＡｌＮ、ベリリアが好ましい。アルミナに比較
してＡｌＮとベリリアが熱伝導性に優れており、基板を
アルミナからベリリア又はＡｌＮに変更することで、熱
電装置の消費電力を１５％以上抑えることがコンピュー
タシミュレーションによって分った。しかし、ベリリア
は発ガン性等の毒性が強いため取り扱いが難しく、ここ
では基板としてＡｌＮ基板を使用することにした。
【００４３】ＡｌＮ基板は焼結後に表面を研磨し、その
一面にＴｉ／Ｐｔ／Ｎｉ又はＣｒ／Ｍｏ／Ｎｉを蒸着若
しくはスパッタにより形成した。Ｔｉ又はＣｒをセラミ
ックス基板上の第１層として使用するのは、セラミック
スと金属の密着性を向上させるためである。ＰｔやＭｏ
はバッファ層であり、上下の電極が熱で合金化して第１
層の金属を変化させ、密着強度を低下させることが無い
ように用いる。表層のＮｉは、他の金属との密着性の良
さを利用するために選択しており、その後のメタライズ
を行ないやすくする。
一面にＴｉ／Ｐｔ／Ｎｉ又はＣｒ／Ｍｏ／Ｎｉを蒸着若
しくはスパッタにより形成した。Ｔｉ又はＣｒをセラミ
ックス基板上の第１層として使用するのは、セラミック
スと金属の密着性を向上させるためである。ＰｔやＭｏ
はバッファ層であり、上下の電極が熱で合金化して第１
層の金属を変化させ、密着強度を低下させることが無い
ように用いる。表層のＮｉは、他の金属との密着性の良
さを利用するために選択しており、その後のメタライズ
を行ないやすくする。
【００４４】このＮｉ層の上に、図３（ｂ）の熱電素子
６５、６６のパターンに対応させフォトリソグラフィー
によってレジストを形成する。このレジスト厚は１４０
μｍで、配線の幅は４０μｍ、ピッチは６０μｍとし
た。このレジストを付けた基板をＣｕメッキすることに
より、Ｃｕは選択的にレジストの無い部分に付着成長す
る。厚み１４５μｍとなるまでＣｕメッキした後、Ｃｕ
とレジストを同時に研磨してＣｕの厚みを１３５μｍと
した。
６５、６６のパターンに対応させフォトリソグラフィー
によってレジストを形成する。このレジスト厚は１４０
μｍで、配線の幅は４０μｍ、ピッチは６０μｍとし
た。このレジストを付けた基板をＣｕメッキすることに
より、Ｃｕは選択的にレジストの無い部分に付着成長す
る。厚み１４５μｍとなるまでＣｕメッキした後、Ｃｕ
とレジストを同時に研磨してＣｕの厚みを１３５μｍと
した。
【００４５】ここで、Ｃｕを成長させたレジスト付きの
基板を酸素によってアッシングし、Ｃｕの側壁部とレジ
ストとの間に隙間を開けた。レジストがない全面にＡｕ
メッキを施し、レジストを有機溶剤で除去した後、Ａｕ
とその他の金属の選択エッチングを利用して、Ｃｕが積
層していないＴｉ／Ｐｔ／Ｎｉ若しくはＣｒ／Ｍｏ／Ｎ
ｉを基板から除去して、規則的に配列した電極のパター
ンを形成した。このＡｌＮ基板をダイシングで分割し、
熱電装置用の回路基板（図３（ｄ）の６８）を形成し
た。
基板を酸素によってアッシングし、Ｃｕの側壁部とレジ
ストとの間に隙間を開けた。レジストがない全面にＡｕ
メッキを施し、レジストを有機溶剤で除去した後、Ａｕ
とその他の金属の選択エッチングを利用して、Ｃｕが積
層していないＴｉ／Ｐｔ／Ｎｉ若しくはＣｒ／Ｍｏ／Ｎ
ｉを基板から除去して、規則的に配列した電極のパター
ンを形成した。このＡｌＮ基板をダイシングで分割し、
熱電装置用の回路基板（図３（ｄ）の６８）を形成し
た。
【００４６】尚、この実施例ではＣｕの電極を例に説明
したが、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕを使用しても同様に電極形成
することができる。また、本方法で作製した電極とセラ
ミックスの密着強度は強く、熱応力にも耐える信頼性の
高い回路基板が得られた。
したが、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕを使用しても同様に電極形成
することができる。また、本方法で作製した電極とセラ
ミックスの密着強度は強く、熱応力にも耐える信頼性の
高い回路基板が得られた。
【００４７】（４）熱電装置の作製
上記のごとく電極回路を形成した２枚の回路基板を用意
し、それぞれフラックスを塗布した。図３（ｃ）に示す
ダイシングした型６０ａ付きの熱電素子６５、６６を２
枚の回路基板の間に挟み、ホットプレート上で熱電素子
６５、６６の上面及び下面に形成した金属接合材６７を
溶かし、回路基板に設けた電極に熱電素子６５、６６を
一括で接合した。この接合時の位置合わせは、熱電素子
６５、６６と一体化しているＳｉ型６０ａのサイズと、
回路基板のサイズとを同一にしておくことで行った。全
ての熱電素子６５、６６と電極は良好な半田付けが可能
であった。
し、それぞれフラックスを塗布した。図３（ｃ）に示す
ダイシングした型６０ａ付きの熱電素子６５、６６を２
枚の回路基板の間に挟み、ホットプレート上で熱電素子
６５、６６の上面及び下面に形成した金属接合材６７を
溶かし、回路基板に設けた電極に熱電素子６５、６６を
一括で接合した。この接合時の位置合わせは、熱電素子
６５、６６と一体化しているＳｉ型６０ａのサイズと、
回路基板のサイズとを同一にしておくことで行った。全
ての熱電素子６５、６６と電極は良好な半田付けが可能
であった。
【００４８】次に、上記の接合体をＸｅＦ２を用いてエ
ッチングし、図３（ｄ）に示すようにＳｉの型６０ａの
みを選択的に除去した。ここで、比較的高価なＸｅＦ２
ガスの代わりに、フッ酸と硝酸の混合液を使用しても良
い。また、基材又は型がＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４のようなセ
ラミックス材料、ＡｌＦｅ８、Ｆｅ、ＦｅＮｉのような
金属材料、石英ガラスや石英を主成分としたガラス等の
場合でも、同等の選択エッチングが可能である。更に、
低融点のＢｉＳｎ半田でリードを接合して、熱電装置を
完成させた。
ッチングし、図３（ｄ）に示すようにＳｉの型６０ａの
みを選択的に除去した。ここで、比較的高価なＸｅＦ２
ガスの代わりに、フッ酸と硝酸の混合液を使用しても良
い。また、基材又は型がＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４のようなセ
ラミックス材料、ＡｌＦｅ８、Ｆｅ、ＦｅＮｉのような
金属材料、石英ガラスや石英を主成分としたガラス等の
場合でも、同等の選択エッチングが可能である。更に、
低融点のＢｉＳｎ半田でリードを接合して、熱電装置を
完成させた。
【００４９】また、半田材となるＳｎ、Ｐｂ、ＰｂＳ
ｎ、ＳｎＳｂ、ＳｎＣｕ、ＳｎＣｕＮｉ、ＡｕＳｎ、Ａ
ｕＧｅ、ＡｕＳｉ、Ａｕのような金属接合材を５０μｍ
以上に厚くメッキしておくと、回路基板に半田接合する
前にＳｉの型をエッチング除去しても、この金属接合材
で充分に熱電素子の形状を維持することができるので、
回路基板との半田接合が可能である。この場合には、基
板がないため、エッチング材が型にまわりやすくなるの
で、エッチング時間を短くすることができる。
ｎ、ＳｎＳｂ、ＳｎＣｕ、ＳｎＣｕＮｉ、ＡｕＳｎ、Ａ
ｕＧｅ、ＡｕＳｉ、Ａｕのような金属接合材を５０μｍ
以上に厚くメッキしておくと、回路基板に半田接合する
前にＳｉの型をエッチング除去しても、この金属接合材
で充分に熱電素子の形状を維持することができるので、
回路基板との半田接合が可能である。この場合には、基
板がないため、エッチング材が型にまわりやすくなるの
で、エッチング時間を短くすることができる。
【００５０】この熱電装置は、発電装置として使用する
と、発電起電力２０Ｖ以上０.１Ａ以上の極めて良好な
性能を得ることができた。冷却装置として利用すると、
配線抵抗は上述した熱電装置Ｂに比較して更に５％低減
することができるうえ、熱電素子と回路基板との歩留率
が増して、製造コストも抑えることができた。また、基
板面での冷却密度は５倍以上になり、装置の小型化と高
性能化を図ることができた。
と、発電起電力２０Ｖ以上０.１Ａ以上の極めて良好な
性能を得ることができた。冷却装置として利用すると、
配線抵抗は上述した熱電装置Ｂに比較して更に５％低減
することができるうえ、熱電素子と回路基板との歩留率
が増して、製造コストも抑えることができた。また、基
板面での冷却密度は５倍以上になり、装置の小型化と高
性能化を図ることができた。
【００５１】（５）光モジュールの作製
光半導体装置、特に光ファイバー増幅器用の光半導体レ
ーザモジュール等の光半導体モジュールにおいては、光
半導体やドライバーＩＣ等を気密に収納するためのパッ
ケージが使用されている。
ーザモジュール等の光半導体モジュールにおいては、光
半導体やドライバーＩＣ等を気密に収納するためのパッ
ケージが使用されている。
【００５２】例えば、一般的にパッケージ８０は、図６
及び７に示すように、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ合金（商品名コ
バール）等からなる枠体８１を、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ合金
又はＦｅ／Ｎｉ合金（商品名４２アロイ）、ＡｌＮ等の
セラミックス、複合金属材料のＣｕＷ等からなる底板８
２に接合して構成されている。パッケージ８０の側壁部
をなす枠体８１は、その一部にセラミックスシートで構
成され且つメタライズを施したセラミックス端子部８３
を備え、セラミックス端子部８３上にはコバール製の複
数の端子リード８４が設けてある。また、枠体８１に
は、内部と外部で光を透過させるための窓８５が設けて
ある。
及び７に示すように、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ合金（商品名コ
バール）等からなる枠体８１を、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｃｏ合金
又はＦｅ／Ｎｉ合金（商品名４２アロイ）、ＡｌＮ等の
セラミックス、複合金属材料のＣｕＷ等からなる底板８
２に接合して構成されている。パッケージ８０の側壁部
をなす枠体８１は、その一部にセラミックスシートで構
成され且つメタライズを施したセラミックス端子部８３
を備え、セラミックス端子部８３上にはコバール製の複
数の端子リード８４が設けてある。また、枠体８１に
は、内部と外部で光を透過させるための窓８５が設けて
ある。
【００５３】これらの枠体８１や底板８２、セラミック
ス端子部８４、窓８５などの各部材は、銀ロウ付けや半
田付けにより接合して組立てられる。組立てたパッケー
ジ８０は最終的にキャップ８６にて気密封止を行なうた
めと、容器の腐食を防ぐためと、後の半導体モジュール
組立時の半田付けを容易にするために、全体にＡｕメッ
キが施される。尚、枠体８１の上面には、キャップ８６
の溶接又は半田付けのために、コバール製の角リング
（図示せず）を必要とする。
ス端子部８４、窓８５などの各部材は、銀ロウ付けや半
田付けにより接合して組立てられる。組立てたパッケー
ジ８０は最終的にキャップ８６にて気密封止を行なうた
めと、容器の腐食を防ぐためと、後の半導体モジュール
組立時の半田付けを容易にするために、全体にＡｕメッ
キが施される。尚、枠体８１の上面には、キャップ８６
の溶接又は半田付けのために、コバール製の角リング
（図示せず）を必要とする。
【００５４】この実施例では、底板８２がＡｌＮであ
り、縦横の大きさが共に従来の１／２で、本体が縦１２
ｍｍ×横７ｍｍ×高さ６ｍｍの光通信用バタフライ型の
パッケージ８０を用意し、上記のごとく作製した熱電装
置をＩｎＳｎを用いて底板８２ダイボンドした。リード
とパッケージの端子はＩｎＳｎで半田付けした。ここで
使用した半田はＩｎＳｎであるが、熱電素子６５、６６
と回路基板６８、６８との間の金属接合材の融点を高く
選択すれば、ＰｂＳｎ、ＳｎＣｕＮｉ、ＳｎＡｇＣｕ等
の強度特性に優れた半田材を使用することができる。
り、縦横の大きさが共に従来の１／２で、本体が縦１２
ｍｍ×横７ｍｍ×高さ６ｍｍの光通信用バタフライ型の
パッケージ８０を用意し、上記のごとく作製した熱電装
置をＩｎＳｎを用いて底板８２ダイボンドした。リード
とパッケージの端子はＩｎＳｎで半田付けした。ここで
使用した半田はＩｎＳｎであるが、熱電素子６５、６６
と回路基板６８、６８との間の金属接合材の融点を高く
選択すれば、ＰｂＳｎ、ＳｎＣｕＮｉ、ＳｎＡｇＣｕ等
の強度特性に優れた半田材を使用することができる。
【００５５】その後、レンズ８７とＬＤ素子８８を光結
合したサブキャリア８９を熱電装置の上にダイボンドし
た。ワイヤボンドでＬＤ素子８８を結線後に、キャップ
８６をシーム溶接し、最後にパッケージ８０の窓８５に
光ファイバー９０をフェルール９１を介してＹＡＧ溶接
した。得られた光モジュールは、冷却能力に優れること
から、従来の１／２の大きさであっても、光出力が１.
５倍に向上した。
合したサブキャリア８９を熱電装置の上にダイボンドし
た。ワイヤボンドでＬＤ素子８８を結線後に、キャップ
８６をシーム溶接し、最後にパッケージ８０の窓８５に
光ファイバー９０をフェルール９１を介してＹＡＧ溶接
した。得られた光モジュールは、冷却能力に優れること
から、従来の１／２の大きさであっても、光出力が１.
５倍に向上した。
【００５６】
【発明の効果】本発明によれば、熱電素子の小型化・高
密度化が可能となり、ｎ型とｐ型の熱電素子を直交配列
させた配線抵抗の低い小型の熱電装置を提供することが
でき、及びこれを用いた小型で光出力の高い光モジュー
ルを提供することができる。
密度化が可能となり、ｎ型とｐ型の熱電素子を直交配列
させた配線抵抗の低い小型の熱電装置を提供することが
でき、及びこれを用いた小型で光出力の高い光モジュー
ルを提供することができる。
【図１】本発明による熱電装置の基本的な構造を示す側
面図であり、（ａ）は熱電素子の上面での配置及び
（ｂ）は下面での配置を示す。
面図であり、（ａ）は熱電素子の上面での配置及び
（ｂ）は下面での配置を示す。
【図２】本発明による熱電装置の製造方法のうち、熱電
素子を得るための型の作製工程を示す概略の断面図であ
る。
素子を得るための型の作製工程を示す概略の断面図であ
る。
【図３】本発明による熱電装置の製造方法のうち、型を
用いた熱電素子の作製から熱電装置の作製までの工程を
示す概略の断面図である。
用いた熱電素子の作製から熱電装置の作製までの工程を
示す概略の断面図である。
【図４】実施例における熱電素子の焼結時の温度と圧力
の時間プロファイルを示すグラフである。
の時間プロファイルを示すグラフである。
【図５】Ｓｉ型中に一体的に形成された熱電素子のＳＥ
Ｍ写真（１００倍）である。
Ｍ写真（１００倍）である。
【図６】光モジュールの製造途中の状態を示す概略の断
面図である。
面図である。
【図７】光モジュールの基本構造を示す概略の斜視図で
ある。
ある。
【図８】従来の熱電装置Ａの基本的な構造を示す概略の
斜視図である。
斜視図である。
【図９】従来の熱電装置Ａの製造方法を示す工程図であ
る。
る。
【図１０】従来の熱電装置Ｂの製造方法を示す工程図で
ある。
ある。
【図１１】従来の熱電装置Ｂの基本的な構造を示す側面
図であり、（ａ）は熱電素子の上面での配置及び（ｂ）
は下面での配置を示す。
図であり、（ａ）は熱電素子の上面での配置及び（ｂ）
は下面での配置を示す。
【図１２】圧電素子を小型化して製造する方法を示す工
程図である。
程図である。
１、５１、６５ ｎ型熱電素子
２、５２、６６ ｐ型熱電素子
３、５３、６９ 電極
４、５４ 基板
６０ 基材
６２ａ、６２ｂ 細孔
６４ａ、６４ｂ 熱電材料粉
６７ 金属接合材
６８ 回路基板
─────────────────────────────────────────────────────
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）
Ｈ０１Ｓ 5/024 Ｈ０１Ｓ 5/024
(72)発明者 李 敬鋒
宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 東北大学
内
(72)発明者 渡辺 龍三
宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 東北大学
内
(72)発明者 田中 秀治
宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 東北大学
内
(72)発明者 江刺 正喜
宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 東北大学
内
(72)発明者 田遠 伸好
兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友
電気工業株式会社伊丹製作所内
Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BA33
5F073 AB27 AB28 BA03 EA29 FA25
Claims (12)
- 【請求項１】 ｎ型とｐ型の熱電素子を縦に４個以上且
つ横に４個以上ＸＹ平面上に直交配列した熱電装置にお
いて、全ての熱電素子のＸＹ方向におけるサイズが２５
０μｍ以下であって、ｎ型の熱電素子に最も近く隣接し
た４個の熱電素子がｐ型であり、ｐ型の熱電素子に最も
近く隣接した４個の熱電素子はｎ型であることを特徴と
する熱電装置。 - 【請求項２】 前記熱電素子は、絶縁性の基板のＸＹ平
面上に形成された長方形又は角が丸い長方形の電極に、
金属接合材を介して接合されていることを特徴とする、
請求項１に記載の熱電装置。 - 【請求項３】 前記電極は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕか
ら選ばれた少なくとも１種を主成分とすることを特徴と
する、請求項２に記載の熱電装置。 - 【請求項４】 前記金属接合材は、Ｓｎ、Ｐｂ、ＰｂＳ
ｎ、ＳｎＳｂ、ＳｎＣｕ、ＳｎＣｕＮｉ、ＡｕＳｎ、Ａ
ｕＧｅ、ＡｕＳｉ、Ａｕのいずれかを９７重量％以上含
むことを特徴とする、請求項２又は３に記載の熱電装
置。 - 【請求項５】 前記基板は、ＡｌＮ、ベリリア、アルミ
ナのいずれかであることを特徴とする、請求項２〜４の
いずれかに記載の熱電装置。 - 【請求項６】 請求項１〜５に記載の熱電装置の製造方
法であって、（１）基材の片面に、フォトレジストのパ
ターンを設けてエッチングすることにより、規則的に配
列した多数の細孔を形成する工程と、（２）前記基材の
反対側の面に、フォトレジストのパターンを設けてエッ
チングすることにより、前記片面の細孔に対してＸＹ方
向に交互に規則的に配列した多数の細孔を形成する工程
と、（３）前記基材の片面に開けた細孔に、ｎ型又はｐ
型の熱電材料を充填する工程と、（４）前記基材の反対
側の面に開けた細孔に、ｐ型又はｎ型の熱電材料を充填
する工程と、（５）前記基材に充填した熱電材料を基材
ごと加熱する工程と、（６）前記基材の両面を研摩又は
研削して、ｎ型とｐ型の熱電素子の上面及び下面を露出
させる工程とを含むことを特徴とする前記熱電装置の製
造方法。 - 【請求項７】 前記（６）の工程に続いて、（７）前記
ｎ型とｐ型の熱電素子の上面及び下面を、それぞれ電極
を挟んで絶縁性の基板に接合する工程と、（８）前記基
材を除去する工程とを含むことを特徴とする、請求項６
に記載の熱電装置の製造方法。 - 【請求項８】 前記（１）及び（２）の工程において、
前記基材の両面に、フォトレジストのパターンを設けて
エッチングすることにより、両面に規則的に配列した多
数の細孔を同時に形成することを特徴とする、請求項６
又は７に記載の熱電装置の製造方法。 - 【請求項９】 前記基材は６５０℃以上の融点を有する
ことを特徴とする、請求項６〜８のいずれかに記載の熱
電装置の製造方法。 - 【請求項１０】 前記基材がＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ
Ｆｅ８、Ｆｅ、ＦｅＮｉ、石英ガラス又は石英を主成分
とするガラス、若しくはＳｉのいずれかであることを特
徴とする、請求項６〜９のいずれかに記載の熱電装置の
製造方法。 - 【請求項１１】 光ファイバーを備えたパッケージの底
板に熱電装置が接合され、その熱電装置上にＬＤ素子若
しくは半導体アンプ又は半導体変調器を搭載した光モジ
ュールにおいて、前記熱電装置として請求項１〜５に記
載の熱電装置を用いることを特徴とする光モジュール。 - 【請求項１２】 請求項１１に記載の光モジュールの製
造方法であって、（１）基材の片面に、フォトレジスト
のパターンを設けてエッチングすることにより、規則的
に配列した多数の細孔を形成する工程と、（２）前記基
材の反対側の面に、フォトレジストのパターンを設けて
エッチングすることにより、前記片面の細孔に対してＸ
Ｙ方向に交互に規則的に配列した多数の細孔を形成する
工程と、（３）前記基材の片面に開けた細孔に、ｎ型又
はｐ型の熱電材料を充填する工程と、（４）前記基材の
反対側の面に開けた細孔に、ｐ型又はｎ型の熱電材料を
充填する工程と、（５）前記基材に充填した熱電材料を
基材ごと加熱する工程と、（６）前記基材の両面を研摩
又は研削して、ｎ型とｐ型の熱電素子の上面及び下面を
露出させる工程と、（７）前記ｎ型とｐ型の熱電素子の
上面及び下面を、それぞれ電極を挟んで絶縁性の基板に
接合する工程と、（８）前記基材を除去する工程とを含
む方法により熱電装置を製造し、この熱電装置をパッケ
ージの底板に接合することを特徴とする光モジュールの
製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002115929A JP2003174202A (ja) | 2001-09-25 | 2002-04-18 | 熱電装置とこれを用いた光モジュール及びこれらの製造方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001-291222 | 2001-09-25 | ||
| JP2001291222 | 2001-09-25 | ||
| JP2002115929A JP2003174202A (ja) | 2001-09-25 | 2002-04-18 | 熱電装置とこれを用いた光モジュール及びこれらの製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003174202A true JP2003174202A (ja) | 2003-06-20 |
Family
ID=26622798
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002115929A Pending JP2003174202A (ja) | 2001-09-25 | 2002-04-18 | 熱電装置とこれを用いた光モジュール及びこれらの製造方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003174202A (ja) |
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- 2002-04-18 JP JP2002115929A patent/JP2003174202A/ja active Pending
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