JP2003532977A - 燃料電池および電力チップ技術 - Google Patents

燃料電池および電力チップ技術

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Abstract

(57)【要約】 ウェーハ上でチャネルを形成し、前記エッチングされたチャネル内でプロトン交換膜PEMバリヤを形成することにより、前記半導体ウェーハ上に形成される燃料電池が開示されている。前記バリヤが前記チャネルを二つに分割する。水素燃料が前記分割されたチャネルの一方に運ばれ、酸化剤がその他方に運ばれる。前記水素が、前記チャネルの水素側にある陽極の電極上で形成される触媒と反応して、前記PEM内に吸収されることになる水素イオン（プロトン）を放出する。前記プロトンが前記PEMを通って移動し、酸素およびそのPEMの酸素側にある陰極の電極上で循環水素電子と再接続して、水を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【本発明の背景技術】
電気化学的燃料電池は新しいものではない。１８３９年、Alexander Groveに
よって発明された燃料電池は近年、広範囲に開発されている技術である。NASAは
1960年の宇宙計画において燃料電池の原理を利用した。しかし、この技術におけ
る最新の開発の大部分は自動車産業によって推し進められている。Daimler-Chry
slerおよびFord Motor Coは、燃料電池システムを開発するためにパートナー
シップのもとに約7億5000万ドルを投資している。環境問題が増大し、環境関連
の法律が厳しくなるとともに、”緑の”エネルギー源の開発は、要求はされない
ものの、行動方針としてより正当化されるようになる。
【０００２】 情報化時代は、情報を検討し、処理し、管理し、入手利用し、および制御する
新しい方法の必要性の到来を告げている。基本技術および設備が進歩して、これ
らの新しい必要条件を満たすにつれて、より小さく、より軽く、かつより速い（
補給/充電するのが）電気エネルギー源の必要性が増大している。 小型燃料電
池をベースにした電力源は、特に、持ち運びできるコンピューターおよび通信機
器におおいに役立つであろう。
【０００３】
【発明の概要】
本発明によれば、重合体/SAM（自己集合単分子層），MEMS（マイクロ電気機械
システム），“チップ上の化学”および半導体製造技術の組合わせを使用して、
直接基板上で、好ましくは、半導体ウェーハ上で電力電池の配列を形成する方法
および装置が提供される。これらのウェーハは、（電気的に直列または並列に接
続されているもの。および、個々が、様々な電力(V*I)特性およびアプリケーシ
ョン駆動形態を達成するようにプログラムされている）“積み重ねられている”
ものであってよい。
【０００４】 本発明の好適な実施形態の１つは、平板上の半導体ウェーハ上で複数の個々の
燃料電池を製造することにより形成される。この半導体ウェーハ内に、エッチン
グまたは他のよく知られている既知の半導体製造工程により流れチャネルが形成
される。酸素を一方のチャネルに、水素を他方のチャネルに入れており、膜によ
って、この２つのガスが隔てられている。電極が膜の両側に形成され、触媒が電
極および膜の両側に電気伝達状態、つまり電気的に連結された状態で配置されて
いる。最後に、ガス不浸透性カバーまたは蓋が電池に取付けられる。
【０００５】 好ましくは、膜はPEM(プロトン交換膜)であり、基板中のエッチングされたチ
ャネル内へ重合体（ポリマ）の柱状体を配置することによって、または重合体を
積層することによって形成されて、酸素および水素間のガス気密バリヤを形成す
る。このバリヤは、触媒によって生成された水素イオンを該バリヤを横切って運
ぶことができて、水素イオンが他のチャネル内で酸素と接続するときに、接触子
および水を横切って電気を生成する。
【０００６】 さらに、多数の燃料電池は、電気的に相互接続されており、かつ同一のウェー
ハの一部分上でガス源に接続されて、”電力チップ”を形成する。従来の電気回
路は、個々の電池用に動作監視および制御機能を提供するためにウェーハ上でチ
ップとともに一体化される。複数のチップ（電力ディスク）または複数の電池を
含むウェーハを垂直に互いに重ねることができる。
【０００７】 以下の詳細な説明および下記の図面により、本発明の性質および利点のさらな
る理解が得られるであろう。
【０００８】 本発明の前述のものおよび他の目的、ならびに特徴および利点は、全図を通じ
て同一部分に同一符号を付してある添付の図面に例示されているように、好適な
実施形態のさらに詳細な説明によって明らかにされるであろう。図は必ずしも倍
尺または縮尺どおりではなく、かわりに本発明の本質を説明することに強調がお
かれている。
【０００９】 ［発明の詳細な説明］ 本発明の最適な実施形態を以下に説明する。図１には、従来の半導体ウェーハ
１０の平面図が示されている。この半導体ウェーハ上には複数の半導体燃料電池
１２が形成されている。複数の電池が、ウェーハ上で電気的に相互接続された上
でガスが供給されて一つの電力チップ１５を形成する場合もある。簡略化のため
に、燃料電池１２およびチップ１５は倍率どおりに示されていないが、４インチ
ウェーハ上には少なくとも８０００万個の電池を形成することができる。そのよ
うな電池の一つが図２の部分断面図に示されている。この電池の最も簡略な形で
は、各電池１２は基板１４、接触子１６A，１６Bおよび導電性重合体ベース１８
から成っている。この伝導性重合体ベース１８が、非導電性の重合体層支持構造
体２０の第１層２０(ａ)の両側上で形成されており、かつ前記金属電気接触子と
密接している。
【００１０】 中心構造体２０の両側に位置する導電性重合体２２内に触媒粒２８が埋め込ま
れており、この導電性重合体２２は、この中心構造体の左側に存在する水素ガス
を右側に存在する酸素ガスから分離するPEMバリヤを形成する。酸素ガスおよび
水素ガス導入用のエッチングされたチャネル５０Ｂ，５０Ａおよび電池を覆う放
熱用蓋４０が図２に示されている。
【００１１】 図３（A）〜３（H）は、ＰＥＭバリヤ３０の製造工程の詳細を段階的に示して
いる一連の概略断面図である。図３（A）は、半導体基板１４内にエッチングさ
れている電力電池チャネルの底部を示している。また、電子を電力電池１２から
電力配電路および残りの回路へ運ぶ役割を担う接触子１６を示している。これら
の接触子は半導体製造工程において既知のフォトリソグラフ処理によって形成さ
れている。
【００１２】 図３（B）は、構造体に取付けられている導電性重合体ベース１８を示してい
る。この導電性重合体ベース１８は接触子１６と物理的および電気的接触状態に
あり、かつ図３（A）〜３（H）に示されている工程の導電性重合体２２を引きつ
けるように設定されている。
【００１３】 図３（C）は、構造体２０用いられている非導電性重合体ベース２０(ａ)を示
している。この非導電性重合体ベースは二つの導電性重合体ベース１８間に位置
しており、非導電性重合体２０を引きつけるように設定されている。
【００１４】 図３（D）は、構造体に取付けられている重合体レジスト２１を示している。
このレジスト２１は導電性重合体をはねのけて、この重合体が不要な領域内で形
成されるのを防ぐ責任を担っている。
【００１５】 図３（E）は非導電性重合体ベース２０Ａ上に成長形成された非伝導性重合体
の第１層２０Bを示している。この非伝導性重合体はPEMバリヤの中心部材である
。この非導電性重合体は、その外側に、これよりも薄い伝導性重合体２２が構成
されたとき、この伝導性重合体を支持する。
【００１６】 図３（F）は、続いて一層ずつ敷かれて、縦バリヤを形成する非導電性重合体
２０の積み重ねられた複数の層を示している。この縦方向性がバリヤの領域拡大
を可能にしている。
【００１７】 図３（G）は、導電性重合体ベース１８上に成長形成される導電性重合体の第
１層２２Aを示している。この導電性重合体が、ＰＥＭバリヤの触媒を有する外
側壁部材である。
【００１８】 図３（H）は、構造体上に一層ずつ敷かれた導電性重合体２２の積み重ねられ
た複数の層を示している。図２は、重合体レジスト層２１を除去し、蓋４０およ
び簡略化のために図３（A）〜３（H）から削除されているが既に存在している側
壁５２を加えた後の完成された構造体を示している。重合体レジスト層２１が半
導体製造工程において基本的に最終段階のパッシベーション層である場合、この
レジスト層を必ずしも取り除く必要はない。
【００１９】 再び、図２を参照して、燃料電池１２を形成する要素のさらなる詳細を説明す
る。３０で示されているプロトン交換膜PEMは燃料Ｈ2および酸化剤Ｏ2間にバリ
ヤを形成する。
【００２０】 ＰＥＭバリヤ３０は２つの素材から成る３つの部分で構成されている。このＰ
ＥＭバリヤは第１の外面壁２２Ｂ、中心体２０および第２の外面壁２２Ｃを有し
ている。第１の素材から成る中心片２０が第２の素材から成る二つの外面壁に接
触するように構成されている。
【００２１】 中心片を形成する素材２０は、好ましくは、水素イオン（プロトン）を水素側
から酸素側へ通り抜けさせることができるイオン重合体である。素材２０は非導
電性なので、二つの接触子１６Ａ，１６Ｂ間での電力電池の短絡を効果的に防ぐ
。この部材は、Nafion（登録商標）または同様の素材で形成することができる。
電力を引き出すために、点線で示されている外部負荷５を接触子間に接続するこ
とができる。
【００２２】 二つの外面壁を形成する第２の素材２２は、前記素材２０と同様に水素イオン
を導入させることができるイオン重合体である。さらに、この部材は白金触媒ま
たは合金触媒のようなナノサイズの触媒粒２８（ドットで示されている）ドーピ
ングされており、かつ導電性である。この第二の素材２２の側面が基板１４に垂
直な活性面となっている。
【００２３】 触媒粒２８を重合体２２に埋め込むことにより、重合体２２はPEMバリヤ３０
と最大限の密接な接触が得られる。この密接な接触により、イオンの陰極電極１
６Bへの自由な移動を許す通路が容易に得られる。触媒は表面効果なので、触媒
粒２８を重合体２２内に浮遊させることにより、触媒の全表面積を効果的に使用
することができる。これによりシステム効率が飛躍的に増大するであろう。
【００２４】 第２の素材２２を導電性にすることにより、電極が作成される。電極を触媒反
応に近づけることは、電極がどの程度電子を集めるかということに影響する。こ
の方法により触媒反応が効果的に電極自体の中で生じる。触媒粒２８と重合体２
２との密接な接触により、電子の陽極１６Aへの自由な移動を許す通路が容易に
得られて、自由電子の大部分を集めることができる。また、これによりシステム
効率が飛躍的に増大するであろう。
【００２５】 前述のPEMバリヤ３０の電気的および化学的／機能的特性に加えて、以下に説
明される重要な物理的特性がある。この自己集合工程はPEMバリヤの最適な構成
を可能にし、設計によっては、さらに効率的になるであろう。
【００２６】 まず第１に、分離している水素の通路および酸素の通路を形成する問題である
。この問題は、PEM構造体が成長して／形成されて、エッチングされたチャネル
５０を完全に分離している二つのチャネル５０A，５０Bに分けることを必要とし
ている。これは、PEM構造体がチャネルの中心で成長しなければならず、かつ電
力電池の端壁にしっかりと直面していなければならないことを意味する。また、
PEM構造体は、蓋４０の底面上の粘着剤４２と接触するためにチャネルと同一の
高さに成長しなければならない。
【００２７】 第２に、気密封止を形成する事である。この事は、PEM構造体３０がベース構
造体１８，２０A、基板１４、電力電池の端壁（図示せず）、および蓋４０を被
覆する粘着剤４２に完全に接続されていることを必要とする。重合体の適切な選
択により、化学接続が、チャネル内で接触する素材間で形成される。この化学接
続に加えて、PEMバリヤの頂部に蓋４０をかぶせることにより、物理的な封止効
果が得られる。PEMバリヤの高さが正確に制御された場合、かぶせられた蓋の圧
力が機械的“Oリング”型自己封止を形成する。PEM３０を蓋４０と組み合わせる
とき、基板１４上でPEM３０を成長させることは、いかなる微細な位置合わせの
問題を解消する。目標合わせを必要とする微細構造が蓋にはない。
【００２８】 図４の概略斜視図には、鋳造／注入工程を伴うPEMバリヤの他の実施形態が示
されている。
【００２９】 MEMS機械加工方法を使用して、三つのチャネル６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃが半導
体基板１４０内にエッチングされる。外側の二つのチャネル６０Ａ，６０Ｃが薄
壁７０Ａ，７０Ｂにより中央のチャネル６０Ｂから隔てられている。複数の細い
切込み溝Ｓ1〜Ｓnがこれらの薄壁内にエッチングされている。その結果得られた
、フォーク状の歯T1〜Tn+1が触媒２８０を有しており、この触媒が歯の切込み溝
の領域内に配置されている。薄壁７０Ａ，７０Ｂのベース部で、かつ外側のチャ
ネル６０Ａ，６０Ｃの壁面を形成する側に、金属電極１６０Ａ，１６０Ｂが配置
される。電極１６０が配置された後に、触媒２８０が歯上に配置される。このよ
うにして触媒が配置されて、電極と電気的に接触し、かつ薄壁７０A，７０Bのベ
ース部で各電極の一部を覆う。さらに、金属導電体９０が各電極１６０ に接続されるように配置されており、かつチャネル６０Ａ，６０Ｂ側の基板１４
０上に沿って上方へ延び、さらに電池外へ延びている。
【００３０】 蓋４００を基板１４０に接続するために使用される粘着剤４２０が、この蓋に
付けられている。このようにして、三つの分離しているチャネル、つまり水素チ
ャネル６０Ａ、反応チャネル６０Ｂおよび酸素チャネル６０Ｃが基板内に形成さ
れる。さらに、蓋４００が種々の条件に合わせて配置された電解質注入孔（注入
口）５００を有している。これらの孔５００が、反応チャネル６０B内のみで重
合体からなる電解質膜（図示せず）へ導く供給路を提供している。孔が基板を貫
通して形成された場合、一つ以上のチャネルが電池を貫通して垂直に並ぶ。複数
のチャネルへの供給を制御するために、頂部の蓋またはウェーハの底部のいずれ
かの孔にマニフォルドを連絡させることができる。
【００３１】 図４の構造体は以下のようにアセンブリされる。まず最初に、基板機械加工お
よび全ての電気回路の形成を含む半導体製造工程が実行される。
【００３２】 次に、蓋４００が機械加工されて、粘着剤４２０が付着される。蓋４００が基
板１４０に接続される。それから、電解質（図示せず）が構造体に注入される。
【００３３】 反応チャネル６０Bの薄壁７０Ａ，７０Ｂが、電解質鋳造工程の間、電解質を
保持する役目を務める。切込み溝Ｓ1〜Ｓnにより、チャネル６０Ａ，６０Ｂ内の
それぞれ水素および酸素が触媒２８０およびＰＥＭ３００に達することを可能に
する。フォーク状の歯T1〜TN+1の切込み溝の領域を触媒２８０で被覆することに
より、H2ガスが切込み溝に入ってきたときに、反応個所が提供される。電解質が
反応チャネル６０B内に注入されたとき、電解質がチャネル６０Bを完全に満たす
。液体電解質の表面張力によって、この液体電解質が切込み溝内に侵入してガス
・チャネル内を満たすのを妨げる。電解質を使用すると、ある程度の圧力が伴う
ので、圧力が電解質を切込み溝内に押し入れるにつれて、電解質表面のバルーニ
ング（膨れ）効果が現れる。このバルーニング効果が、電解質を切込み溝S1〜SN の側部を被覆する触媒２８０に接触させる。一旦、この接触が形成されて、膜（
電解質）が水化されると、この膜（電解質）はさらに膨らんで、触媒との良好な
接触を確実にする。H2／O2ガスは、触媒領域内で、（極薄、例えば５ミクロンの
）膜内に浸透することができる。膜を薄くできるので、より効率的な作用を生じ
る、つまり抵抗損（Ｉ2R）が少なくなる。この少ない抵抗損により、膜は反応の
三つの成分、つまりＨ2ガス，Ｏ2ガスおよび電解質を互いに接触させる。触媒２
８０と電気的に接触している電極１６０Ａ，１６０Ｂが四番目の成分であり、水
素イオンが電界質膜を導入して、チャネル６０Ｃ上で反応を完了する間、自由電
子（外部の負荷（図示せず）を介して）が通る通路を提供する。
【００３４】 図５〜７の断面図を参照しながら、本発明にかかるPEM構造体の種々の構成を
説明する。図５は、連続する非導電性垂直部材として形成される中心PEM構造体
２０およびリード・ワイヤ９０が取り付けられている非連続部材である電極／触
媒１６，２８を示している。図６は、触媒２８が非導電性コア２０内に埋め込ま
れており、電極１６がこの触媒の横方向に近接して形成されている他のPEM構造
体を示している。最後に、図７は、図５のPEM構造体に似ているが、中心コア２
０1が非連続のPEM構造体を示している。
【００３５】 図８は、本発明により実施可能な電気回路を示す概略ブロック図であり、この
回路を半導体ウェ−ハ１０上で複数のマイクロコントローラと一体化して、複数
の電池の動作を監視し、制御する構成を示す図である。複数のセンサ回路８０，
８２，８４，８６が特定の機能を遂行するために設けられている。
【００３６】 温度回路８０からの入力を受けて、マイクロコントローラ８８が燃料電池１２
の熱的プロフィルを作成する。電圧回路８２が、コンフィグレーション階層また
は電池群の様々なレベルで電圧を監視する。こうすることで負荷内で生じる変化
に関する情報が得られる。この情報に基づいて、プロセッサ８８はシステムのコ
ンフィグレーションを調整して、要求された動作を達成／維持する。電流回路８
４が、上記の電圧監視回路８２と同様な機能を遂行する。
【００３７】 圧力回路８６が、内部のガス通路５０A，５０B内の圧力を監視する。この圧力
がシステムの動作に影響するので、マイクロプロセッサ８８は、これらの読み取
りに基づいて調整を行い、システムを最適な動作で作動するのを維持する。さら
なる機能の追加を見越して、機能を割り当てていない未規定の回路８１がマイク
ロ８８に予備の入力を供給するために利用可能となっている。
【００３８】 さらに、少なくともV*Iスイッチ（図９に関連して説明される）を制御するた
めに、制御プログラムを持つコンフィグレーション回路９４を使用することがで
きる。電圧および電流の可能出力がこれらスイッチのコンフィグレーションによ
って規定される。局部回路９２が、監視回路のパラメータのように、スイッチを
動的にプログラムする必要があるときに設けられる。その変化をもたらすために
これらの出力を使用することができる。局部サブシステム９４が、マイクロ８８
によってガス流量、欠陥隔離および生成物除去を制御するために使用される。局
部電力回路９６が、燃料電池１２によって生成された電気の一部を振り分けて内
蔵エレクトロニクスに電力を供給する。この電力供給回路９６は自己の規制およ
び調整回路を有する。2線式伝達インターフェイス装置98はチップ上に一体化さ
れて、伝達装置とそれらを接続する電力バス（図示せず）との間に電気的インタ
ーフェイスを提供するようにしてもよい。
【００３９】 マイクロコントローラ８８は統合エレクトロニクス・サブシステムの心臓部で
あり、全ての指定されたシステム機能を監視し、制御する責任がある。さらに、
マイクロコントローラ８８はいかなる外部伝達の伝達プロトコルも扱う。マイク
ロコントローラ８８は“回路内プログラミング”が可能なので、重要な制御プロ
グラムを必要通りに更新できる。また、マイクロコントローラ８８はデータ記憶
およびデータ処理、ならびに自己／システム診断およびセキュリティ動作が可能
である。
【００４０】 図９には本発明のさらなる詳細が示されている。この実施形態において、個々
の電力電池１２1，１２2〜１２nはウェーハ上に形成されており、かつ図８のマ
イクロプロセッサ８８により制御されているトランジスタ・スイッチ９７を用い
て、電力バス９９A，９９B間に並列にワイヤ接続されている。スイッチ９７B，
９７Aはそれぞれ負のバス・スイッチおよび正のバス・スイッチであるが、スイ
ッチ９７Cは直列スイッチであり、スイッチ９７Ｄ，９７Ｅはそれぞれ正の並列
スイッチおよび負の並列スイッチである。
【００４１】 この実施形態は、個々の電池または電池群（電力チップ１５）が種々の形態、
例えば並列または直列で導電されることを可能としている。種々の電圧が、直列
に電池を接続することにより生成される。また、電流容量が、電池を並列に接続
することにより増大する。一般に、電力チップの電力プロフィルを動的に制御し
て、“プログラムされた”仕様を達成するか、または維持することができる。逆
に、製造時において、チップを静的プロフィルに構成することもでき、これによ
り、電力スイッチの必要性を除去できる。スイッチをオンおよびオフにすること
により、かつ配線の極性を変えることにより、ACおよびDCの電力出力を発生させ
ることができる。
【００４２】 電力管理サブシステムを実施するためには、電力発生工程からのフィードバッ
クが必要である。回路を直接、チップ上に形成して、電力発生工程の効率性を絶
えず測定することができる。このフィードバックを閉回路内においてシステム制
御を修正するために利用できる。こうすることによりシステムを動的に維持する
ための最大限のシステム効率を得ることができる。これらの回路のうちいくつか
を次に説明する。
【００４３】 システムに対する要求が時間とともに変化するにつれて、電力発生工程の質は
変化する。数種の動作パラメータの実時間状態の把握がシステムの自動調整を可
能にして、最適な動作を維持する。これらのパラメータの境界がプログラムのよ
って規定される。
【００４４】 例えば、個々の電池または電池群の電圧および電流を測定することは可能であ
る。電力出力を監視することができ、電池または電池群が動作していない場合、
動作していない電池を、必要ならば除去することができる。前述の電力スイッチ
９７によって、この作動していない電池を回路から外すことができる。代わりに
、最適なシステム性能を得るために、内蔵MEMS付きマイクロ送風機を燃料電池間
または電力電池群層間で酸素または水素の流れを制御するのに使用してもよい。
【００４５】 チップ上で稼動中の“負荷された”領域を動かしながら、平均電力水準を維持
することができる。常時（１００％時間）、負荷されている領域は存在しないの
で、こうすることによってより良い全体の性能レベルを達成できる。このデュー
ティサイクルが、特に、急激な電力要求に対して適している。ここでの概念はよ
り良い電池使用の特性のために電力を細分化することである。
【００４６】 電力チップの熱特性が電気的負荷によって変化し、かつこの熱が電力電池の電
力発生に悪影響を及ぼすことが予期される。十分な温度感知および電力電池利用
に対する適切な応答によって、熱的蓄積による損傷を最小限に抑えることができ
る。
【００４７】 蓋４０は、二部品からなる“電力チップ”組立てのうちの二番目の部品である
。こわれやすい半導体基板１４に機械的に頑丈な支持体を提供するためには、蓋
４０が金属製であることが好ましい。これによって、電力チップを容易に扱うこ
とが可能になり、かつ“電力積層体”、例えば、文字通り互いに積み重ねられた
複数の電力チップ１５、を作るための安定した土台を提供することが可能である
。ここでの目的はより大きな電力を持つ物理的なユニットを作ることにある。
【００４８】 図１０は、どのようにして燃料５０Aおよび酸化剤／生成物のチャネル５０A（
５０Bは図示されていない）が基板１４の表面内にエッチングされるかを示して
いる。これらのトラフ（溝）は３つの側面を有し、頂部は閉じられて、封止され
ていなければならない。蓋４０および粘着剤４２は、基板１４に接続されて、チ
ャネルを完成したときに気密封止を形成する機能を提供する。これによって、燃
料供給用、酸化剤用、および生成物である水除去用のチャネルの基盤（matrix）
が、基板の表面に形成される。
【００４９】 蓋４０が、機械的に安定しているインターフェイスを提供し、このインターフ
ェイス上に入力／出力孔を形成することができる。これらの孔はガス供給孔およ
び水除去孔である。この設計が、大きな外側世界から基板上のマイクロメーター
サイズの構造へのサイズ移行を含まなければならない。これは、マイクロメータ
ーサイズのチャネルを比較的により大きな孔Hへ通すことによって達成できる。
この孔Hが蓋および基板間の位置あわせを減少させる。蓋の大きな孔は、機械加
工で形成されたマイクロサイズのチャネルを持つ基板に設けた大きな孔に対応し
ており、前記チャネルは基板の孔から動力セルにまで延びている。
【００５０】 各ウェーハは各々、マニフォルドを有してもよい。これによって、燃料供給、
酸化剤および生成物除去のための外部との接続が要求される。この外部への配管
に自動連結システムが必要となることもある。現在のMEMS工程はウェーハを貫通
して孔をエッチングすることを可能としている。このような垂直貫通孔がマニフ
ォルドの設計を容易にし、ガス流れを改良する。
【００５１】 図１１および１２は、電力チップ１５を形成するために数個の電池１２（この
例では、三つの電池が並んでいる）をウェーハ１４上で横に並べることができる
多くの方法のうちの一つを示している。電力ディスクを垂直に互いに重ねること
により、流入孔５０HI，５０OIを備えた垂直の柱状体を形成する。この流入孔５
０HIおよび５０OIがそれぞれ水素および酸素源に連結されている。電力チップを
備えたウェーハの柱状体が電力積層体（９３）を構成している。
【００５２】 図１２は、どのようにして多数の電力ディスク１５の積み重ねが、十分な電力
を備えた電力積層体（９３）を形成するために使用されるかを示している。“積
み重ねる”という単語の使用は理に適っている。なぜなら、この単語は、ウェー
ハが互いに近接して、短い電気的相互接続および最小限の配管を可能としている
ことを示唆しているからである。現実において、この単語は、より大電力の装置
を形成するために複数のウェーハの電力を組み合わせることを言っている。この
組合わせを達成するには、ウェーハを電気的に互いに積み重ねるだけでよい。し
かしながら、最小限の空間内において最大限の効率で最大電力量を発生させるこ
とが望ましい。最短の電気的接続（電力バス）を代案として考慮するとき、主要
なマニフォルドのうち二つを電力バスとして使用する可能性を考慮しなければな
らない。この代案は、これらのマニフォルド／電力バス・セグメント同士を絶縁
して、これらのセグメントを、電力を各ウェーハから次のウェーハまで運ぶため
に使用することによって実現できる。これにより、電力用の配線に要求される事
項を減らし、高い正確性および信頼性を伴って、この電力運搬が自動的に実行さ
れる。
【００５３】 望ましいマニフォルドの設計によって、電力ディスクの積み重ねを可能する。
この設計では、実際のマニフォルド９５が分割して構成され、各分割体が蓋４０
に一体形成される。ディスクが積み重ねられるに従って、マニフォルド（チュー
ブ）が形成される。この設計タイプは外部配管の必要性を大幅に減少させる。特
別な端末キャップをかぶせて電力積層体の端部でマニフォルドを完成させるであ
ろう。
【００５４】 要約すれば、本発明の主要な目的の一つは、準標準の半導体製造方法を利用し
て、複数の電力電池１２を含むウェーハ１０から成る電力チップ１５を大量生産
することにある。この製造が本質的に極小の構造体を支持する。これらの構造体
（電力電池）が電池当りの電力量を極少にする。各電池は、素材が支持（許容）
できる最大限の電力を発生するように設計される。真の実質的な電力を得るため
に、数百万個の燃料電池が単一の電力チップ１５上に形成されて、多数の電力チ
ップが“電力ディスク”（半導体ウェーハ１０）上に形成されるであろう。これ
が単一のウェーハから大きな電力出力が得られる理由である。１０ｕＭ×１０ｕ
Ｍのサイズの電力電池では、１ｃｍ2当りに１００万個の電力電池が設けられる
。最終的な電力電池の形態は構成素材の物理的特性により決定される。
【００５５】 固形重合体水素燃料電池の基本的な電気化学的反応は８０℃から１００℃間の
動作温度で最も効率的である。この温度範囲はシリコンのような典型的な半導体
基板の動作可能範囲内である。しかしながら、複数のウェーハが積み重ねられた
場合、ヒートシンク（放熱装置）がさらに追加される必要がある。いずれにして
もカバーは必要なので、蓋４０をヒートシンクとして放熱能力に余裕をもたせる
ことは道理にかなっている。
【００５６】 燃料および酸化剤／生成物チャネルは半導体基板の表面にエッチングされる。
これらのトラフは３面に壁を持つ構造であり、頂部は閉じられて、封止されてい
なければならない。蓋４０がこの機能を提供する。蓋４０が基板１４に接続され
て、チャネルを完成したとき、粘着剤で被覆されて、気密封止を形成する。これ
によって、燃料供給用、酸化剤用および生成物である水除去用のチャネルの基盤
（matrix）が、基板の表面に形成される。電力電池の二つの主要なチャネルは、
前記と同一の粘着剤に接合されているPEMによって分離されている。したがって
、精密な位置合わせが不要になる。
【００５７】
【均等物】
この発明を、その好ましい実施形態とともに詳細に示し、説明したが、この発
明の特許請求の範囲内で、この発明に関する多くの変更および詳細をこの発明の
範囲から逸脱することなく実行できることは当業者によって理解されよう。例え
ば、よく規定された電気的および機械的特性を有するシリコンを基板１４用素材
として選択できる。一方で、Ｇｄ，ＧｅまたはＧａＡｓのようなIII-V化合物を
他の半導体素材として代用してもよい。代わりに、電池 用基板がガラス，プラスチックまたはフェノールのようなアモルファス材料から
成っていてもよい。この場合、電池の制御回路を別の半導体ダイ上で形成し、電
池群に電気的に接続してハイブリッド構造体を形成することができる。PEM構造
体間のインターフェイスは、好ましくは金から成っている集合単層（SAM）イン
ターフェイスである。しかしながら、銀または白金のような金属を使用してもよ
い。同様に、PEMは多数の分子鎖から成っているが、好ましくは、金との親和力
を備えた塩ベースを有していて、その結果、金から成るSAM構造体に接続できる
。また、白金および銀のような純金属を代わりに使用してもよい。SAMに使用し
て、別の触媒を使用することも可能である。そのような触媒およびPEMを、捨て
鋳型または蒸着およびエッチングを用いて基板に付着させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる半導体燃料電池アレイを示す概略平面図である。
【図２】 本発明にかかる図１の燃料電池１２を線II-II沿って切った簡易概略断面図で
ある。
【図３】 本発明にかかるＰＥＭバリヤ構造体３０の主たる製造工程を示す概略断面工程
図である。
【図４】 別の型形成PEMバリヤ発明を明示する概略断面図である。
【図５】 本発明の一実施形態にかかるPEM構造体を示す断面図である。
【図６】 本発明にかかる他のPEM構造体を示す断面図である。
【図７】 本発明にかかるさらに他のPEM構造体を示す断面図である。
【図８】 燃料電池チップ上に一体化される回路を示すブロック図である。
【図９】 個々の電池または電池群を作動させる一体化制御システム用の配線を示す概略
図である。
【図１０】 電力電池用のマニフォルド・システムを示す概略側面図である。
【図１１】 複数の電池の概略平面図であり、この複数の電池が、ウェーハ上で並んで配置
されて電力チップを形成し、かつ互いの頂面同士を合わせるように重ねられて電
力ディスクを形成する。
【図１２】 図１１の部分側面図である。
【符号の説明】
５…負荷、１０…半導体ウェーハ、１２…燃料電池、１５…電力チップ、１４
…基板、１６A,１６B…接触子、１８…導電性重合体ベース、２０…膜（重合体
層支持構造体）、２０（ａ）…非導電性重合体ベース、２２…電極（導電性重合
体）、２８…触媒、３０…PEMバリヤ、４０…蓋、４２…粘着剤、５０A…水素ガ
ス導入用チャネル、５０B…酸素ガス導入用チャネル。
───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｈ０１Ｍ 4/86 Ｈ０１Ｍ 4/86 Ｂ 8/00 8/00 Ｚ 8/04 8/04 Ｐ 8/10 8/10 8/24 8/24 Ｅ Ｒ Ｚ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS02 AS03 EE17 5H026 AA06 CC03 CC08 CV06 CX05 EE19 5H027 AA06 MM26

Claims (51)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ａ）基板と、 ｂ）燃料導入用の第１のチャネルおよび酸化剤導入用の第２のチャネルと、 ｃ）前記第１のチャネルを前記第２のチャネルから分離する第１および第２の
    側面を有する膜と、 ｄ）前記膜の一方の側にある第１の電極および前記膜の他方の側にある第２の
    電極と、 ｅ）前記膜の側面と前記電極とに電気的に連結されている触媒と、 ｆ）前記膜とともに気密封止を形成するガス不浸透性素材から成るカバーと、 を備える燃料電池。
  2. 【請求項２】 ａ）基板と、 ｂ）燃料導入用の第１の流路および酸化剤導入用の第２の流路と、 ｃ）領域を囲み、かつ前記第１の流路を第２の流路から分離する第１および第
    ２の側面を有する膜と、 ｄ）前記膜の第１の側にある第１の電極および前記膜の第２の側にある第２の
    電極と、 ｅ）前記膜の側面と前記電極とに電気的に連結されている触媒と、 ｆ）前記膜とともに気密封止を形成するガス不浸透性素材から成るカバーと、 を備える燃料電池。
  3. 【請求項３】 請求項１または２において、前記触媒が前記膜の第１および
    第２の側に導入されている燃料電池。
  4. 【請求項４】 請求項１または２において、前記触媒が前記電極内に導入さ
    れている燃料電池。
  5. 【請求項５】 請求項１または２において、前記電極が導電性重合体から成
    る燃料電池。
  6. 【請求項６】 請求項１または２において、前記膜がプロトン交換膜である
    燃料電池。
  7. 【請求項７】 請求項１または２において、前記膜が重合体から成る燃料電
    池。
  8. 【請求項８】 請求項７において、前記重合体が層を形成している燃料電池
    。
  9. 【請求項９】 請求項１または２において、前記膜が鋳造品である燃料電池
    。
  10. 【請求項１０】 請求項９において、前記膜が、ICまたはMEMS製造工程にお
    いて使用される標準素材から成る捨て鋳型で鋳造されている燃料電池。
  11. 【請求項１１】 請求項１または２において、前記膜が薄いまたは厚いフィ
    ルム膜である燃料電池。
  12. 【請求項１２】 請求項１１において、前記膜がエッチングされて、前記第
    １および第２の側面が造られる燃料電池。
  13. 【請求項１３】 請求項１１において、前記膜が、ガラス・スピン技術（SO
    G）のようなスピンコーティング法を用いて形成されている燃料電池。
  14. 【請求項１４】 請求項１または２において、前記膜を波形にして、表面積
    を増大させる燃料電池。
  15. 【請求項１５】 請求項１または２において、突合せまたは埋設接触子を用
    いて、電極への接触が成されている燃料電池。
  16. 【請求項１６】 請求項１５において、PtSi，WSi2，TiSi2，Ti:WおよびTiN
    を用いて、前記埋設接触子が造られている燃料電池。
  17. 【請求項１７】 請求項１５において、Al，Cu，Au，Agまたは金属合金を用
    いて、前記埋設接触子が造られている燃料電池。
  18. 【請求項１８】 請求項１５において、ポリシリコン、けい化ポリシリコン
    または前記基板を用いて、前記接触子が造られている燃料電池。
  19. 【請求項１９】 請求項１または２において、さらに、前記基板上に位置し
    て前記膜の位置決めおよび／または固着を補助する物理的構造体を含む燃料電池
    。
  20. 【請求項２０】 請求項１または２において、前記基板が、燃料または酸化
    剤が流れる孔を有しており、この孔が該基板面に対して垂直である燃料電池。
  21. 【請求項２１】 請求項２０において、前記孔が燃料または酸化剤を燃料電
    池の内側または外側に供給する燃料電池。
  22. 【請求項２２】 請求項１または２において、前記電極への相互接続のため
    に導電性素材が前記膜の下で交わる燃料電池。
  23. 【請求項２３】 ａ）一体化基板と、 ｂ）電力チップを形成するために電気的に相互接続されるように配列された複
    数の燃料電池のアレイであって、 i）複数の、燃料導入用の第１の流路および酸化剤導入用の第２の流路と、 ii）前記第１の流路を前記第２の流路から分離する第１および第２の側面を
    有する複数 の膜と、 iii）前記各膜の第１の側にある第１の電極および前記各膜の第２の側にあ
    る第２の電極 と、 iv）前記膜の第１および第２の側面、ならびに前記電極に電気的に連結され
    た触媒と、 v）前記アレイの膜と気密封止を形成するガス不浸透性素材から成るカバー
    と、 を含む前記燃料電池のアレイと、 ｃ）前記アレイを囲んで、燃料および酸化剤を前記複数の電力電池に分配する
    複数のマニフォルドと、 ｄ）複数の電力ターミナルと、 を備える電力チップ。
  24. 【請求項２４】 請求項２３において、前記基板が絶縁体から成っている電
    力チップ。
  25. 【請求項２５】 請求項２４において、前記絶縁体がサファイア、ガラスお
    よびFR4から成る一群から選択されている電力チップ。
  26. 【請求項２６】 請求項２３において、前記基板が半導体素材から成ってい
    る電力チップ。
  27. 【請求項２７】 請求項２６において、前記半導体部材がSi，GeおよびGaAs
    から成る一群から選択されている電力チップ。
  28. 【請求項２８】 請求項２３において、前記アレイ内の燃料電池のカバーが
    前記マニフォルドと一体化されている電力チップ。
  29. 【請求項２９】 請求項２３において、複数の燃料電池が、コンフィグレー
    ションできる方法で、スイッチ，ヒューズまたは金属リンクを介して電気的に相
    互接続されている電力チップ。
  30. 【請求項３０】 請求項２９において、スイッチが前記基板上に一体形成さ
    れた半導体トランジスタである電力チップ。
  31. 【請求項３１】 請求項２９において、前記コンフィグレーションが一回限
    りでプログラム可能である電力チップ。
  32. 【請求項３２】 請求項２９において、前記コンフィグレーションがマイク
    ロコントローラの制御下にある電力チップ。
  33. 【請求項３３】 請求項２９において、制御下にあるスイッチが燃料消費お
    よび作動効率を最適化する動的作動領域制御を行う電力チップ。
  34. 【請求項３４】 請求項２３において、一以上のマイクロコントローラが電
    力出力、温度または燃料消費のような動作パラメータを監視する電力チップ。
  35. 【請求項３５】 請求項２３において、一以上のマイクロコントローラが前
    記基板上に形成されている電力チップ。
  36. 【請求項３６】 温度、電圧、電流、ガス圧力および流れセンサのような複
    数の一体化されたセンサを含む請求項２３に記載の電力チップ。
  37. 【請求項３７】 内部および外部連絡を支持する請求項２３に記載の電力チ
    ップ。
  38. 【請求項３８】 請求項３７において、前記伝達インターフェイスが前記電
    力ターミナルを使用する電力チップ。
  39. 【請求項３９】 ａ）平板状の基板と、 ｂ）i）燃料および酸化剤導入用の複数の流路、 ii）燃料電池のアレイ、および iii）複数の電力ターミナル、 を備える複数の電力チップと、 ｃ）前記燃料電池のアレイを囲み、燃料および酸化剤を前記複数の電力チップ
    に分配する複数のマニフォルドと、 ｄ）複数の電力バス・ターミナルと、 を備える電力ディスク。
  40. 【請求項４０】 請求項３９において、前記マニフォルドが、交換可能な燃
    料および／または酸化剤サブシステム用のインターフェイス孔を含む電力ディス
    ク。
  41. 【請求項４１】 請求項３９において、前記電力出力がプログラム可能であ
    る燃料電池のアレイ。
  42. 【請求項４２】 ａ）各々が互いに垂直に配置されている複数の電力チップ
    および／または電力ディスクと、 ｂ）前記複数の電力チップおよび／または電力ディスク間の電気的相互接続と
    、 ｃ）燃料および酸化剤を前記電力チップおよび／または電力ディスクに供給す
    るマニフォルドと、 を備える電力積層体。
  43. 【請求項４３】 請求項４２において、複数の電力チップまたは電力ディス
    ク間の前記流路が自己接続する電力積層体。
  44. 【請求項４４】 請求項４２において、電力チップまたは電力ディスク間の
    前記電力バスが自己連結する電力積層体。
  45. 【請求項４５】 ａ）基板を形成するステップと、 ｂ）燃料が通る第１のチャネルおよび酸化剤が通る第２のチャネルを形成する
    ステップと、 ｃ）前記第１のチャネルを前記第２のチャネルから分離する第１および第２の
    側面を有する膜を形成するステップと、 ｄ）前記膜の第１の側に第１の電極および第２の側に第２の電極を形成するス
    テップと、 ｅ）前記膜の側面と前記電極とに電気に連結されている触媒を形成するステッ
    プと、 ｆ）前記膜とともに気密封止を形成するガス不浸透性素材から成るカバーを形
    成するステップと、 を含む燃料電池の形成方法。
  46. 【請求項４６】 ａ）平板状の基板を形成するステップと、 ｂ）i）燃料および酸化剤導入用の複数の流路、 ii）電池のアレイ、および iii）複数の電力ターミナル、 を備える複数の電力チップおよび／または電力ディスクを形成するステップ
    と、 ｃ）前記アレイを囲み、燃料および酸化剤を前記複数の電力チップおよび／ま
    たは電力ディスクに分配する複数のマニフォルドを形成するステップと、 ｄ）複数の電力バス・ターミナルを形成するステップと、 を含む電力装置を形成する方法。
  47. 【請求項４７】 ａ）各々が互いに垂直に配置されている複数の電力チップ
    および／または電力ディスクを形成するステップと、 ｂ）前記電力チップおよび／または電力ディスク間の電気的相互接続を形成す
    るステップと、 ｃ）燃料および酸化剤を前記電力チップおよび／または電力ディスクに供給す
    るマニフォルドを形成するステップと、 を含む電力積層体の形成方法。
  48. 【請求項４８】 ａ）基板内で、複数の垂直な切込み溝を有する壁によって
    各々が互いに分離されている三つの流れチャネルである、一つの内側チャネルお
    よび二つの外側チャネルを形成するステップと、 ｂ）各壁の外側のベース部上に電極を形成するステップと、 ｃ）前記切込み溝間に形成される複数の歯上および前記電極上に触媒を形成す
    るステップと、 を含む燃料電池の形成方法。
  49. 【請求項４９】 平板状の基板を用いて燃料電池を形成する方法であって、
    前記燃料電池の活性表面が前記平板状の基板の面に対して垂直であり、かつ活性
    表面の高さに対する幅の比率が大きい燃料電池形成方法。
  50. 【請求項５０】 コンフィグレーション、および／または燃料消費、および
    ／または効率を感知および／または制御するエレクトロニクスが、基板上に一体
    化され、その同一の基板上で燃料電池を形成する方法。
  51. 【請求項５１】 平板状の基板上で燃料電池を形成する方法であって、孔が
    、燃料および／または酸化剤が垂直に流れるように前期基板内に形成されて、流
    路の長さを短くする、燃料電池形成方法。
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