JP2013229398A - 熱電変換素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】導電部及び非導電部が共に表面平坦に(共に表面が略同一平面となるように)形成され、熱伝導性に優れた信頼性の高い熱電変換素子を実現する。
【解決手段】熱電変換素子は、基板1と、基板1上の所定領域に形成された絶縁層2と、基板1上の絶縁層2の非形成部位に形成された熱電変換特性を有する導電部3と、絶縁層2上に形成された絶縁部4と、導電部3及び絶縁部4上に形成された電極5とを含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する熱電変換素子及びその製造方法に関する。
近年では、二酸化炭素(CO2)の削減及び環境保護の観点から、熱電変換素子が注目されている。熱電変換素子を使用することにより、今まで廃棄されていた熱エネルギーを電気エネルギーに変換して再利用することができる。また、コンピュータのCPU等において局所的に発生する熱を冷却するためのデバイスとしても熱電変換素子が注目されている。
特開2005−223307号公報
熱電変換素子をコンピュータのCPU等の冷却に用いる場合には、高い熱伝導性を有することが望ましい。また、熱電変換薄膜を用いた熱電変換素子では、その高い電圧を得るために微細化した素子を直列接続することが望まれる。この熱電変換素子を製造するには、先ず基板上に熱電変換薄膜を形成し、その後、熱電変換薄膜をエッチング等で加工して非導電部を形成する。そのため、熱電変換薄膜は表面が凹凸状となり、熱伝導性を低下させる要因となっている。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、導電部及び非導電部を共に表面平坦に(共に表面が略同一平面となるように)形成し、熱伝導性に優れた信頼性の高い熱電変換素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
熱電変換素子の一態様は、基板と、前記基板上の所定領域に形成された絶縁層と、前記基板上の前記絶縁層の非形成部位に形成された熱電変換特性を有する導電部と、前記絶縁層上に形成された絶縁部とを含む。
熱電変換素子の製造方法の一態様は、基板上の所定領域に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層上を含む基板上に、熱電変換特性を有する材料を成膜し、前記基板上の前記絶縁層の非形成部位には導電部を、前記絶縁層上には絶縁部をそれぞれ形成する工程とを含む。
上記の諸態様によれば、導電部及び非導電部が共に表面平坦に(共に表面が略同一平面となるように)形成され、熱伝導性に優れた信頼性の高い熱電変換素子が実現する。
本実施形態による熱電変換素子の概略構成を示す模式図である。 本実施形態による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。 熱電変換薄膜について、XRD法により測定した結果を示す特性図である。
以下、熱電変換素子及びその製造方法の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本実施形態による熱電変換素子の概略構成を示す模式図であり、(a)が平面図、(b)が(a)の破線I−I'に沿った断面図、(c)が(a)の破線II−II'に沿った断面図である。
(熱電変換素子の構成)
この熱電変換素子は、基板1と、基板1上の所定領域に形成された絶縁層2と、基板1上で絶縁層2の非形成部位に形成された導電部3と、絶縁層2上に形成された非導電部(絶縁部)4と、導電部3及び絶縁部4上に形成された電極5と、ヒートシンク11,12とを備えて構成されている。
基板1は、LaAlO3[LAO]、(LaAlO3)0.3−(SrAl0.5Ta0.53)0.7[LSAT]、SrTiO3[STO]、NaGaO3、及びDyScO3から選ばれた1種からなる基板である。本実施形態では、基板1は例えばLSAT基板である。
絶縁層2は、基板1上で絶縁部4の形成予定領域に形成されるものであり、酸化マグネシウム酸化物(MgO)、シリコン酸化物(SiO2)、シリコン窒化物(SiN)及びシリコン酸窒化物(SiON)等から選ばれた1種から形成されている。本実施形態では、絶縁層2は例えばMgOを材料として形成される。
導電部3及び絶縁部4は、絶縁層2上を含む基板1上に成膜された熱電変換薄膜を構成する。熱電変換薄膜は、絶縁層2上を含む基板1上に、スパッタ法又はパルスレーザーデポジション(Pulsed Laser Deposition:PLD)法により、例えばLa又はNbを導入したSTOから形成された薄膜である。熱電変換薄膜は、基板1上で絶縁層2の非形成部位では熱電変換特性を有する結晶部分である導電部3が、絶縁層2上では非結晶部分である絶縁部4が形成されてなる薄膜である。導電部3及び絶縁部4は、1層の熱電変換薄膜で形成されるため、共に表面平坦に(共に表面が略同一平面となるように)形成される。
電極5は、導電部3と電気的に接続されるように、導電部3及び絶縁部4に導電材料、例えばクロム(Cr)と金(Au)の積層膜として形成されている。
ヒートシンク11,12は、基板1の上面の両側にCu又はAl等を材料として形成されている。本実施形態では、ヒートシンク11が高温側、ヒートシンク12が低温側とされており、ヒートシンク11に接続された電極5が正極、ヒートシンク12に接続された電極5が負極となる。
(熱電変換素子の製造方法)
図2は、本実施形態による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。図2の各図は、図1(c)と同様に、図1の破線II−II'に沿った断面に対応している。
先ず、図2(a)に示すように、基板1上における絶縁部の形成予定領域に絶縁層2を形成する。
例えば、基板1としてLSAT基板を用意する。
基板1の例えば(100)面上に、基板1の表面で絶縁部の形成予定領域を露出する開口21aを有するメタルマスク21を配置する。
メタルマスク21を用いて、絶縁材料として例えばMgOを、スパッタ法により開口21a内に選択的に成膜する。以上により、基板1上における絶縁部の形成予定領域にMgOからなる絶縁層2が形成される。その後、メタルマスク21は除去される。
続いて、図2(b)に示すように、熱電変換薄膜を成膜して導電部3及び絶縁部4を形成する。
成膜チャンバー内で基板1を600℃程度まで加熱し、例えばArガスを成膜チャンバー内に導入する。熱電変換薄膜のターゲットとして、Laを例えば2at%含有するSTO((La0.02,Sr0.98)TiO3)の多結晶体ターゲットを用いる。スパッタ法により、絶縁層2上を含む基板1上に熱電変換薄膜を、例えば100nm〜1m程度の厚みに成膜する。このとき、熱電変換薄膜の基板1上(即ち絶縁層2の非形成部位)の部分は結晶化し、導電部3が形成される。導電部3は、導電性と共に熱電変換特性を有する。熱電変換薄膜の絶縁層2上の部分は結晶化せずに絶縁部4が形成される。このように、導電部3及び絶縁部4は、1層の熱電変換薄膜で形成されるため、共に表面平坦に(共に表面が略同一平面となるように)形成される。
なお、熱電変換薄膜は、スパッタ法の代わりにPLD法で形成しても良い。この場合、成膜チャンバー内に上記の多結晶体ターゲットを設置し、この多結晶体ターゲットにレーザ光を照射することで多結晶体ターゲットから分子を引き剥がし(アブレーション)、上記と同様に導電部3及び絶縁部4からなる熱電変換薄膜を形成する。
また、熱電変換薄膜のターゲットとしては、STOの代わりに、La又はNb等を導入した、例えば(LaxSr1-x)TiO3-δ,Sr(NbxTi1-x)O3-δ等を用いても良い。
続いて、図2(c)に示すように、電極5を形成する。
熱電変換薄膜上に、電極の形成予定領域を露出する開口22aを有するメタルマスク22を配置する。
メタルマスク21を用いて、導電材料としてCr及びAuを、スパッタ法又は蒸着法により、開口22a内に選択的に成膜する。以上により、導電部3及び絶縁部4上における電極の形成予定領域にCr/Auの積層構成の電極5が形成される。その後、メタルマスク22は除去される。
しかる後、Cu又はAlからなるヒートシンク11,12をそれぞれ電極5と電気的に接続されるように配置する。
以上により、図1(a)〜(c)に示す熱電変換素子が形成される。
ここで、上記の熱電変換薄膜を構成する導電部及び絶縁部について、X線回折(X‐Ray Diffraction:XRD)法により測定した。測定結果を図3に示す。ここでは、STO基板及びMgO基板を用い、STO基板上に形成した、LaをドーピングしたSTO膜と、MgO基板上に形成した、LaをドーピングしたSTO膜とについて測定した。図示のように、前者のSTO膜については強度ピークが確認され、結晶化されていることが判る。これに対して後者のSTO膜については強度ピークが確認されず、結晶化していない(非結晶状態である)ことが判る。
以上説明したように、本実施形態によれば、導電部3及び絶縁部4が共に表面平坦に(共に表面が略同一平面となるように)形成され、熱伝導性に優れた信頼性の高い熱電変換素子が実現する。
以下、熱電変換素子及びその製造方法の諸態様を付記としてまとめて記載する。
(付記1)基板と、
前記基板上の所定領域に形成された絶縁層と、
前記基板上の前記絶縁層の非形成部位に形成された熱電変換特性を有する導電部と、
前記絶縁層上に形成された絶縁部と
を含むことを特徴とする熱電変換素子。
(付記2)前記絶縁層は、酸化マグネシウム酸化物、シリコン酸化物、シリコン窒化物、及びシリコン酸窒化物から選ばれた1種からなることを特徴とする付記1に記載の熱電変換素子。
(付記3)前記基板は、LaAlO3、(LaAlO3)0.3−(SrAl0.5Ta0.53)0.7、SrTiO3、NaGaO3、及びDyScO3から選ばれた1種からなることを特徴とする付記1又は2に記載の熱電変換素子。
(付記4)前記導電部及び前記絶縁部は、同一の材料から形成されることを特徴とする付記1〜3のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
(付記5)前記導電部及び前記絶縁部は、La又はNbが導入されていることを特徴とする付記1〜4のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
(付記6)基板上の所定領域に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上を含む基板上に、熱電変換特性を有する材料を成膜し、前記基板上の前記絶縁層の非形成部位には導電部を、前記絶縁層上には絶縁部をそれぞれ形成する工程と
を含むことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
(付記7)前記絶縁層は、酸化マグネシウム酸化物、シリコン酸化物、シリコン窒化物、及びシリコン酸窒化物から選ばれた1種からなることを特徴とする付記6に記載の熱電変換素子の製造方法。
(付記8)前記基板は、LaAlO3、(LaAlO3)0.3−(SrAl0.5Ta0.53)0.7、SrTiO3、NaGaO3、及びDyScO3から選ばれた1種からなることを特徴とする付記6又は7に記載の熱電変換素子の製造方法。
(付記9)前記導電部及び前記絶縁部は、同一の材料から形成されることを特徴とする付記6〜8のいずれか1項に記載の熱電変換素子の製造方法。
(付記10)前記導電部及び前記絶縁部は、La又はNbが導入されることを特徴とする付記6〜9のいずれか1項に記載の熱電変換素子の製造方法。
1 基板
2 絶縁層
3 導電部
4 絶縁部
5 電極
11,12 ヒートシンク
21,22 メタルマスク
21a,22a 開口

Claims (6)

  1. 基板と、
    前記基板上の所定領域に形成された絶縁層と、
    前記基板上の前記絶縁層の非形成部位に形成された熱電変換特性を有する導電部と、
    前記絶縁層上に形成された絶縁部と
    を含むことを特徴とする熱電変換素子。
  2. 前記絶縁層は、酸化マグネシウム酸化物、シリコン酸化物、シリコン窒化物、及びシリコン酸窒化物から選ばれた1種からなることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換素子。
  3. 前記基板は、LaAlO3、(LaAlO3)0.3−(SrAl0.5Ta0.53)0.7、SrTiO3、NaGaO3、及びDyScO3から選ばれた1種からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱電変換素子。
  4. 前記導電部及び前記絶縁部は、同一の材料から形成されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
  5. 前記導電部及び前記絶縁部は、La又はNbが導入されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
  6. 基板上の所定領域に絶縁層を形成する工程と、
    前記絶縁層上を含む基板上に、熱電変換特性を有する材料を成膜し、前記基板上の前記絶縁層の非形成部位には導電部を、前記絶縁層上には絶縁部をそれぞれ形成する工程と
    を含むことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
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