JPH10303469A - 薄膜熱電変換素子及びそれを用いた半導体デバイス及びそれを用いたプリント基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、低温端と高温端との温度差を有効
に取ることができる、熱電薄膜を用いた薄膜熱電素子を
提供することを目的とする。 【解決手段】 基板２上に設けられた複数の凸部３の表
面に形成されたＰ型熱電薄膜４とＮ型熱電薄膜５とが互
いに隣合うよう接合されており、その接合部６ａ,６ｂ
は前記基板２における凸部３の頂部及び前記凸部３の狭
間に設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱と電気を相互に
変換することのできる熱電材料を用いた薄膜熱電変換素
子、及びそれを用いた半導体デバイス、及びプリント基
板に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属又は半導体から成る２種類の熱電材
料の両端をそれぞれ接合して構成された回路に電圧を印
加すると、一方の接合部は高温となり、他方の接合部は
低温となる(ペルチェ効果)。また、逆に前記接合部に温
度差を設けると電圧を取り出すことができる(ゼーベッ
ク効果)。このような熱電材料によって構成された熱電
変換素子は、太陽熱や廃熱を利用した熱電発電、及び冷
却や加熱に用いられる。

【０００３】上記熱電材料をバルク材と呼ばれる一辺が
数ｍｍの直方状や、円柱状に成形して用いた熱電変換素
子の従来技術について説明する。図１９はバルク材から
成る従来の熱電変換素子８１の斜視図である。該熱電変
換素子８１は、バルク状のＰ型熱電材料８４とＮ型熱電
材料８５とを金属板８２ａでπ型に組み、さらにそれを
金属板８２ｂで接続して、Ｐ型熱電材料８４とＮ型熱電
材料８５とが金属板８２ａ,８２ｂによって、電気的に
直列となるよう構成されたものである。

【０００４】この直列回路の両端に設けられた端子８７
に電圧を印加すると、熱電材料の特性によりＰ型熱電材
料８４の陰極側(又は、Ｎ型熱電材料８５の陽極側)は発
熱し、Ｐ型熱電材料８４の陽極側(又は、Ｎ型熱電材料
８５)の陰極側は吸熱する。故に、例えばＰ型熱電材料
８４の陰極側に密接する金属板８２ａは加熱され、Ｐ型
熱電材料８４の陽極側に密接する金属板８２ｂは冷却さ
れる。また、電流の流れる方向が逆になれば、金属板８
２ａ,８２ｂの加熱と冷却も逆になる。

【０００５】加熱或いは冷却された金属板８２ａ,８２
ｂはそれぞれ平面を形成しているので、ここに広い面積
を有する平板を密接させることで、その平板を一様に加
熱或いは冷却することができる。また、金属板８２ａと
金属板８２ｂとに温度差を設けると、端子８７から電力
を取り出すことができる。

【０００６】ところが、近年、上記熱電材料を薄膜とす
ることが提案されてきている。その理由としては、まず
熱電材料は脆く、バルク形状に成形することが非常に困
難であるのに対し、薄膜形成技術や微細加工技術などの
進展により、薄膜状の熱電材料の形成が容易になり、歩
留まりを高くすることができるようになったからであ
る。また、薄膜にすることにより、用いられる熱電材料
の量がバルク材に比べて遥かに少なくてすみ、コストを
大幅に低減することができるからである。

【０００７】以下、薄膜状の熱電材料で構成された薄膜
熱電変換素子について、２例の従来技術を説明する。図
２０には、電流及び温度差が熱電薄膜の膜面方向に生じ
る薄膜熱電変換素子９１(例えば、Proceeding of The 1
2th International Conference on Thermoelectries,p.
328〜p.333)の模式図が示されている。該薄膜熱電変換
素子９１は、セラミクスなどの基板２上に矩形のＰ型熱
電薄膜４とＮ型熱電薄膜５とを複数形成したものであ
る。

【０００８】これらの熱電薄膜４,５は交互に配置さ
れ、電気的に直列となるよう隣接する異種の熱電薄膜と
その端部で接合されている。また、一連の熱電薄膜４,
５の両端には金属電極膜９７が形成されている。金属電
極膜９７に電圧を印加すると、図中上方に位置するＰ型
熱電薄膜４とＮ型熱電薄膜５との接合部９６ａ、及び下
方に位置するＰ型熱電薄膜４とＮ型熱電薄膜５との接合
部９６ｂのうち、いずれか一方が発熱し、他方が吸熱す
る。どちらの接合部が発熱或いは吸熱するかは、電流の
流れる方向に依存する。

【０００９】次に、電流及び温度差が熱電薄膜の膜厚方
向に生じる薄膜熱電変換素子について説明する。図２１
(イ)は薄膜熱電変換素子１０１の縦方向の切断面を模式
的に示しており、(ロ)は図２１(イ)のＥ−Ｅ´線での切
断面を模式的に示している。該薄膜熱電変換素子１０１
は特開平６−１３６６４号公報によるもので、Ｐ型熱電
薄膜４とＮ型熱電薄膜５とが電極膜１０７ａ,１０７ｂ
によって交互に接続され、電気的に直列となっている。

【００１０】これらはシリコン基板１０２ａと窒化シリ
コン膜１０２ｂにより封じられており、このシリコン基
板１０２ａと窒化シリコン膜１０２ｂとに挟まれた間隙
部１００は真空となっている。尚、ここでは図示しない
が、間隙部１００を保持するための支柱が設けられてい
る。接続されたＰ型熱電薄膜４、Ｎ型熱電薄膜５及び電
極膜１０７ａ,１０７ｂに通電すると、電流の方向によ
ってシリコン基板１０２ａと窒化シリコン膜１０２ｂの
うち、いずれか一方が発熱し、他方が吸熱する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、熱電薄
膜の膜面方向に温度差が生じる上記薄膜熱電変換素子９
１の構成によると、平面内でしか温度差が取れず、バル
ク状の熱電材料で構成された熱電変換素子８１(図１９
参照)のように、広い面積を有するものに対して加熱や
冷却を行うことは困難である。また、同一平面内に高温
端と低温端が生じることから、熱電薄膜４,５やそれら
を設けた基板２の熱伝導によって熱損失が生じ、熱電変
換効率の悪いものとなる。

【００１２】また、熱電薄膜の膜厚方向に温度差が生じ
る前記薄膜熱電変換素子１０１の場合は、非常に近距離
(数μｍ程度)に高温端と低温端が生じるので、たとえ内
部を真空で構成しても、熱電半導体４,５の熱伝導によ
り熱損失が生じ、熱電変換効率の悪いものとなる。

【００１３】本発明は、上記課題に鑑み、低温端と高温
端との温度差を有効に取ることができる、熱電薄膜を用
いた薄膜熱電変換素子を提供することを目的とする。ま
た、その他の目的は物質を効率よく冷却することが可能
な薄膜熱電変換素子を備えた半導体デバイス及びプリン
ト基板を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の薄膜熱電変換素子は、基板上に設けられ
た複数の凸部の表面に形成されたＰ型熱電薄膜とＮ型熱
電薄膜とが互いに隣合うよう接合されており、その接合
部は前記基板における凸部の頂部及び前記凸部の狭間に
設けられたものである。

【００１５】凸部の表面上にＰ型熱電薄膜とＮ型熱電薄
膜とが互いに隣合うよう接合することで、Ｐ型熱電薄膜
及びＮ型熱電薄膜が電気的に直列に接続されたことにな
る。これに通電するとＰ型熱電薄膜とＮ型熱電薄膜との
接合部のうち、Ｐ型熱電薄膜の陰極側(又は、Ｎ型熱電
薄膜の陽極側)に位置するものは発熱し、Ｐ型熱電薄膜
の陽極側(又は、Ｎ型熱電薄膜の陰極側)に位置するもの
は吸熱する。

【００１６】これらの接合部が基板における全ての凸部
の頂部及びその狭間に設けられていると、発熱する接合
部と吸熱する接合部は交互になることから、例えば凸部
の頂部には発熱する接合部が位置し、凸部の狭間には吸
熱する接合部が位置する。尚、電流の向きを逆にすれ
ば、接合部の加熱及び冷却も逆になる。

【００１７】請求項２の薄膜熱電変換素子は、請求項１
に記載の薄膜熱電変換素子において、前記凸部は中空で
あり、該凸部内を真空にして封止したものである。これ
によって、凸部の熱伝導性が低下し、熱損失が軽減され
る。

【００１８】請求項３の薄膜熱電変換素子は、凹凸状の
基板上にＰ型熱電薄膜とＮ型熱電薄膜とが互いに隣合う
よう接合されており、その接合部は前記基板における凸
部の頂部及び前記凸部の狭間に設けられたものである。

【００１９】基板の両表面にＰ型熱電薄膜とＮ型熱電薄
膜とが互いに隣合うよう接合することで、Ｐ型熱電薄膜
及びＮ型熱電薄膜が電気的に直列に接続されたことにな
る。これに通電すると、Ｐ型熱電薄膜とＮ型熱電薄膜と
の接合部のうち、Ｐ型熱電薄膜の陰極側(又は、Ｎ型熱
電薄膜の陽極側)に位置するものは発熱し、Ｐ型熱電薄
膜の陽極側(又は、Ｎ型熱電薄膜の陰極側)に位置するも
のは吸熱する。

【００２０】これらの接合部が基板における全ての凸部
の頂部及び前記凸部の狭間に設けられていると、発熱す
る接合部と吸熱する接合部は交互になることから、例え
ば基板の上面において凸部の頂部に発熱する接合部が位
置し、凸部の狭間には吸熱する接合部が位置する。ま
た、基板を挟んでその両面に発熱する接合部又は吸熱す
る接合部が位置する。

【００２１】請求項４の半導体デバイスは、シリコン基
板の一方の面に半導体デバイスが形成され、他方の面に
請求項１もしくは請求項２に記載の薄膜熱電変換素子が
設けられたものである。該半導体デバイスでは熱損失が
少ない薄膜熱電変換素子によって、効率よく半導体デバ
イスが冷却される。

【００２２】請求項５のプリント基板は、一方の面に電
子回路が形成されたプリント基板において、他方の面に
請求項１もしくは請求項２に記載の薄膜熱電変換素子が
設けられたものである。該プリント基板では熱損失が少
ない薄膜熱電変換素子によって、効率よくプリント基板
が冷却される。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る実施形態を図
面と共に説明する。各図面において同じ名称や構成のも
のについては、同一の符号を付している。まず、第１実
施形態について説明する。図１は、本実施形態の薄膜熱
電変換素子１を模式的に示した斜視図である。該薄膜熱
電変換素子１は、電気絶縁性で熱伝導性の高いセラミク
ス基板２上に、熱絶縁用プラスチックなどの低熱伝導率
材料から成る、先端が平坦状の凸部３が３個一列に並べ
て接着したものである。

【００２４】図２は図１におけるＡ−Ａ´線での切断面
を示している。凸部３の表面には、蒸着、プラズマＣＶ
Ｄ、スパッタリング、或いは蒸圧ＣＶＤなどの方法で、
片斜面ずつＰ型熱電薄膜４及びＮ型熱電薄膜５が形成さ
れている。凸部３の一斜面はそれぞれ隣接する凸部３の
一斜面と密接しており、Ｐ型熱電薄膜４及びＮ型熱電薄
膜５は異種の熱電薄膜同士で隣合うよう交互に位置し、
互いに接合されている。尚、凸部３の頂部では金属薄膜
を介して接合されている。これによって、Ｐ型熱電薄膜
４とＮ型熱電薄膜５とは電気的に直列に接続されたこと
になる。

【００２５】Ｐ型熱電薄膜４とＮ型熱電薄膜５とが接合
する箇所は、いずれも凸部３の頂部か凸部３の狭間に位
置するが、そのうち凸部３の頂部にあるものを接合部６
ａ、凸部３の狭間にあるものを接合部６ｂとする。ま
た、両端に位置する熱電薄膜４,５の接合部６ｂではな
い端部にも金属薄膜７が形成されている。

【００２６】上記薄膜熱電変換素子１において、図中左
端の金属薄膜７にプラス、右端の金属薄膜７にマイナス
の電圧をかけて、左から右の方向に電流を流すと、ペル
チェ効果によって、Ｐ型熱電薄膜４の陰極側(又はＮ型
熱電薄膜５の陽極側)、つまり接合部６ａで発熱が起こ
り、Ｐ型熱電薄膜４の陽極側(又はＮ型熱電薄膜５の陰
極側)、つまり接合部６ｂで吸熱が起こる。

【００２７】従って、該薄膜熱電変換素子１の上方に揃
う接合部６ａはいずれも発熱し、下方に揃う接合部６ｂ
はいずれも吸熱する。電流の向きを逆にすれば接合部６
ａで吸熱が起こり、接合部６ｂで発熱が起こる。例え
ば、広い面積を有する平板を加熱或いは冷却したい場
合、薄膜熱電変換素子１の各接合部６ａに前記平板を密
接させ、薄膜熱電変換素子１に通電すれば、平板を一様
に加熱或いは冷却することができる。また、接合部６ａ
側とセラミクス基板２側とで温度差を与えれば、ゼーベ
ック効果により接合部６ａ,６ｂ間で起電力が発生し、
電力を取り出すことができる。

【００２８】以上説明したように、本実施形態の薄膜熱
電変換素子１では、各熱電薄膜４,５の両端に温度差が
生じ、且つ熱電薄膜４,５は低熱伝導性の材料から成る
凸部３にのみ接しているので、その熱損失は少ない。ま
た、ゼーベック効果によって電力を取り出した場合で
も、その熱損失は少なく、発電効率は高いものとなる。

【００２９】次に、第２実施形態について説明する。本
実施形態の薄膜熱電変換素子１１は、第１実施形態(図
１参照)において、凸部１３の頂部を鋭角状に構成した
ものである。図３は該薄膜熱電変換素子１１の縦断面図
であり、第１実施形態の図２に相当する。Ｐ型熱電薄膜
４やＮ型熱電薄膜５など、その他の構成は第１実施形態
と同じなので、説明は省略する。また、１８は該薄膜熱
電変換素子１１によって加熱或いは冷却される平板であ
り、その説明は後述する。

【００３０】上記薄膜熱電変換素子１１において、図中
左端の金属薄膜７にプラス、右端の金属薄膜７にマイナ
スの電圧をかけて、左から右の方向に電流を流すと、第
１実施形態と同様ペルチェ効果によって、接合部１６ａ
で発熱が起こり、接合部１６ｂで吸熱が起こる。尚、電
流の向きを逆にすれば接合部１６ａで吸熱が起こり、接
合部１６ｂで発熱が起こる。

【００３１】図３には薄膜熱電変換素子１１に取り付け
られた、加熱或いは冷却の対象物である平板１８が示さ
れている。薄膜熱電変換素子１１の凸部１３の形状は、
加熱或いは冷却の対象物の表面の形状に合わせたものな
ので、これらを噛合して接合部１６ａと平板１８とを密
接させることができる。この状態で薄膜熱電変換素子１
１に通電すれば、接合部１６ａが発熱或いは吸熱し、平
板１８は加熱或いは冷却される。

【００３２】以上説明したように、本実施形態の薄膜熱
電変換素子１１では、第１実施形態と同様、熱電薄膜
４,５の両端に温度差が生じ、且つ熱電薄膜４,５は低熱
伝導性の材料から成る凸部１３にのみ接しているので、
その熱損失は少ない。また、加熱或いは冷却の対象物は
接合部１６ａ,１６ｂのみに密接して加熱或いは冷却さ
れることから、その際の熱抵抗は小さく熱損失も少ない
ので、効率のよいものとなる。

【００３３】尚、凸部１３の形状については、成形が可
能な限り制限されるものではなく、例えば、図４に示す
ような凸面も可能であり、また加熱或いは冷却の対象物
によっては図５に示すように凸部１３の形状をそれぞれ
異なったものとすることも可能である。

【００３４】次に、第３実施形態について説明する。本
実施形態の薄膜熱電変換素子２１は、第１実施形態(図
１参照)とは接合部の位置が異なるのみで、その他の構
成は同じである。図６は該熱電変換装置２１の縦断面図
であり、第１実施形態の図２に相当する。図中、３個の
凸部２３のうち中心の凸部２３ｂの右側斜面にはＮ型熱
電薄膜５が形成されており、それに隣接する右側の凸部
２３ｃの左側斜面にもＮ型熱電薄膜５が形成されてい
る。また、右側の凸部２３ｃの右側斜面にはＰ型熱電薄
膜４が形成されている。

【００３５】つまり、左側の凸部２３ａと中心の凸部２
３ｂの頂部には、接合面を挟んで左側にＰ型熱電薄膜
４、右側にＮ型熱電薄膜５が位置する接合部２６ａが設
けられている。そして、左側の凸部２３ａと中心の凸部
２３ｂとの狭間、及び右側の凸部２３ｃの頂部には、接
合面を挟んで左側にＮ型熱電薄膜５、右側にＰ型熱電薄
膜４が位置する接合部２６ｂが設けられている。また、
セラミクス基板２２において、中心の凸部２３ｂと右側
の凸部２３ｃとの狭間に接する箇所には、断熱材２２´
が挟み込まれている。尚、２８は該薄膜熱電変換素子２
１によって加熱或いは冷却される平板であり、その説明
は後述する。

【００３６】上記薄膜熱電変換素子２１において、図中
左端の金属薄膜７にプラス、右端の金属薄膜７にマイナ
スの電圧をかけて、左から右の方向に電流を流すと、第
１実施形態と同様ペルチェ効果によって、接合部２６ａ
で発熱が起こり、接合部２６ｂで吸熱が起こる。

【００３７】図６には薄膜熱電変換素子２１の凸部２３
に密接する、加熱或いは冷却の対象物である平板２８が
示されている。該平板２８は、予め断熱材２８´を挟み
込んだものである。平板２８において、断熱材２８´よ
り左側では接合部２６ａに接し、右側では接合部２６ｂ
に接している。上述したように、熱電薄膜の左から右の
方向に電流を流すと接合部２６ａでは発熱し、接合部２
６ｂでは吸熱するので、平板２８の断熱材２８´より左
側は加熱され、右側は冷却される。

【００３８】以上説明したように、本実施形態の薄膜熱
電変換素子２１では、第１実施形態と同様、熱電薄膜
４,５の両端に温度差が生じ、且つ熱電薄膜４,５は低熱
伝導性の材料から成る凸部２３にのみ密接しているの
で、その熱損失は少ない。また、一平面に対して同時に
加熱及び冷却を行うことができ、加熱及び冷却の対象物
は接合部２６ａ,２６ｂにのみ密接するので、その際の
熱抵抗は小さく熱損失は少ない。尚、凸部２３の設置間
隔、個数、接合部２６ａ,２６ｂの形成箇所によって発
熱及び吸熱箇所の設定は自在であり、どのような加熱及
び冷却の対象物にも対応可能である。

【００３９】次に、第４実施形態について説明する。本
実施形態の薄膜熱電変換素子３１は、第１実施形態(図
１参照)において、凸部３３内を真空で封止したもので
ある。図７は該熱電変換装置３１の縦断面図であり、第
１実施形態の図２に相当する。絶縁用プラスチックなど
の低熱伝導率材料から成る中空の凸部３３は、両側面の
ない状態でセラミクス基板２上に接着されている。真空
中でこの凸部３３の両側面をプラスチック板で封止し、
凸部３３内を真空に保持する。その他の構成は、第１実
施形態と同じなので、説明は省略する。

【００４０】上記薄膜熱電変換装置３１において、図中
左端の金属薄膜７にプラス、右端の金属薄膜７にマイナ
スの電圧をかけて、左から右の方向に電流を流すと、第
１実施形態と同様ペルチェ効果によって、接合部３６ａ
で発熱が起こり、接合部３６ｂで吸熱が起こる。電流の
向きを逆にすれば接合部３６ａで吸熱が起こり、接合部
３６ｂで発熱が起こる。また、接合部３６ａ側とセラミ
クス基板２側とで温度差を与えれば、ゼーベック効果に
より接合部３６ａ,３６ｂ間で起電力が発生し、電力を
取り出すことができる。

【００４１】以上説明したように、本実施形態の薄膜熱
電変換素子３１は、第１実施形態と同様、熱電薄膜４,
５の両端に温度差が生じ、且つ熱電薄膜４,５は内部が
真空となっているので凸部３３の熱伝導率はさらに低下
したものとなる。故に、熱電薄膜はその凸部３３にのみ
接しており、熱損失は少ない。また、加熱或いは冷却の
対象物は接合部３６ａ,３６ｂのみに密接して加熱或い
は冷却されることから、その際の熱抵抗は小さく熱損失
は少ないので、効率のよいものとなる。

【００４２】次に、第５実施形態について説明する。図
８は第５実施形態の薄膜熱電変換素子４１を模式的に示
した斜視図であり、図９は図８におけるＢ−Ｂ´線での
切断面を示している。また、図１０は図９におけるＣ−
Ｃ´線での切断面を示している。該薄膜熱電変換装置４
１はセラミクス基板４２ａ上に、縦３段横３列、合計９
個の凸部４３ａ,４３ｂ,４３ｃが設けられたものであ
る。凸部４３ａ,４３ｂ,４３ｃの表面には、第１実施形
態と同様に片斜面ずつＰ型熱電薄膜４及びＮ型熱電薄膜
５が形成されている。

【００４３】図８中横一列に並んだ凸部４３ａ,４３ｂ,
４３ｃ同士、つまり手前列の凸部４３ａ、中列の凸部４
３ｂ、奥列の凸部４３ｃはそれぞれ接合されており、各
凸部４３ａ,４３ｂ,４３ｃの頂部には接合部４６ａが、
狭間には接合部４６ｂが設けられている。また、手前列
の凸部４３ａと中列の凸部４３ｂとでは最も右側の凸部
同士が、中列の凸部４３ｂと奥列の凸部４３ｃとでは最
も左側の凸部同士が接続されている。金属薄膜７は中列
の凸部４３ｂ、及び奥列の凸部４３ｃの最も左側の凸部
同士を接続している。手前列の凸部４３ａ、及び中列の
凸部４３ｂの最も右側の凸部同士を接続する構成もこれ
と同様となっている。

【００４４】各凸部４３ａ,４３ｂ,４３ｃの頂部には接
合部４６ａが位置し、その接合部３６ａに密接するよう
上方からセラミクス板４２ｂが取り付けられている。ま
た、第４実施形態と同様に、凸部４３ａ,４３ｂ,４３ｃ
は中空となっており、真空中で凸部４３ａ,４３ｂ,４３
ｃ内、及びセラミクス板４２ａ,４２ｂで挟まれた部分
とをプラスチック板で封止し、内部を真空に保持する。

【００４５】上記薄膜熱電変換素子４１において、図中
左端の金属薄膜７にプラス、右端の金属薄膜７にマイナ
スの電圧をかけて、左から右の方向に電流を流すと、第
１実施形態と同様ペルチェ効果によって、接合部４６ａ
で発熱が起こり、接合部４６ｂで吸熱が起こる。電流の
向きを逆にすれば接合部４６ａで吸熱が起こり、接合部
４６ｂで発熱が起こる。また、接合部４６ａ側とセラミ
クス基板２側とで温度差を与えれば、ゼーベック効果に
より接合部４６ａ,４６ｂ間で起電力が発生し、電力を
取り出すことができる。

【００４６】以上説明したように、本実施形態の薄膜熱
電変換素子４１は、第１実施形態と同様、熱電薄膜４,
５の両端に温度差が生じる構成だけでなく、凸部４３
ａ,４３ｂ,４３ｃ内、及びセラミクス板４２ａ,４２ｂ
で挟まれた部分は真空となっているのでその熱伝導率は
さらに低下し、熱損失は少ない。また、加熱或いは冷却
の対象物は接合部４６ａ,４６ｂのみに密接して加熱或
いは冷却されることから、その際の熱抵抗は小さく熱損
失は少ないので、効率のよいものとなる。尚、接合する
凸部の個数及び配置形態は本実施形態に限るものではな
い。また、他の実施形態の薄膜熱電素子も本実施形態と
同様に複数個組み合わせることが可能である。

【００４７】次に、第６実施形態について説明する。図
１１は本実施形態の薄膜熱電変換装置５１を模式的に示
した斜視図であり、図１２は図１１中のＤ−Ｄ´線での
断面図である。この基板５２は電気絶縁性で熱伝導性の
高いセラミクス板５２ａ、及び低熱伝導率のプラスチッ
ク板５２ｂをそれぞれを接着して成るもので、２個の凸
部５３が形成されている。

【００４８】また、両表面には第１実施形態と同様に、
Ｐ型熱電薄膜４及びＮ型熱電薄膜５が片斜面ずつ形成さ
れ、互いに接合している。尚、該薄膜熱電変換素子５１
の機械的強度を保持するため、両側方からプラスチック
板５３´を取り付けて、側面としている。

【００４９】図中基板５２の上面に形成された熱電薄膜
４,５と、下面に形成された熱電薄膜４,５とは右端の金
属薄膜７で接合されており、凸部の上面と下面を通じて
これらの熱電薄膜４,５が電気的に直列に接続されてい
る。基板５２の上面において、凸部５３の頂部には接合
部５６ａが、凸部５３の狭間には接合部５６ｂが設けら
れており、下面側では基板５２に対して上面の接合部５
６ａ及び接合部５６ｂの反対側に、それぞれ接合部５６
ａ及び接合部５６ｂが設けられている。

【００５０】上記薄膜熱電変換素子５１において、図中
基板５２の左端の上面側に設けられた金属薄膜７にプラ
ス、下面側に設けられた金属薄膜７にマイナスの電圧を
かけて、左から右の方向に電流を流すと、ペルチェ効果
によって接合部５６ａで発熱が起こり、接合部５６ｂで
吸熱が起こる。尚、電流の向きを逆にすれば接合部５６
ａで吸熱が起こり、接合部５６ｂで発熱が起こる。

【００５１】以上説明したように、本実施形態の薄膜熱
電変換素子５１では、熱電薄膜４,５の両端に温度差が
生じ、且つ熱電薄膜４,５は低熱伝導性の材料から成る
基板の一部にのみ密接しているので、その熱損失は少な
い。また、発熱或いは吸熱する接合部５６ａ,５６ｂは
熱伝導性の高い基板の一部分５２ａの両面に設けられて
いることから、その基板５２ａを通して発熱及び吸熱さ
れ、その際の熱量は多いものとなる。

【００５２】次に、本発明の薄膜熱電変換素子を備えた
半導体デバイスの一実施形態について説明する。図１３
は本実施形態の半導体デバイス６０を模式的に示した縦
断面図である。該半導体デバイス６０において、シリコ
ン基板６２の上面にはＬＳＩ・６９など形成されてお
り、その下面には本発明に係る薄膜熱電変換素子６１が
設けられている。

【００５３】以下、上記半導体デバイス６０の作成方法
について説明する。図１４は表面にＬＳＩ・６９が形成
されたシリコン基板６２の縦断面図である。このよう
に、予めＬＳＩ・６９や図示しないＩＣなどを、厚さ３
００〜５００μｍ程度のシリコン基板６２の片面に形成
しておく。ここでは、ＬＳＩ・６９の形成方法について
の説明は省略する。このＬＳＩ・６９の上には、フォト
レジストなどを回転塗布、ベーキングして、保護膜を形
成している。

【００５４】次に、ダイサーブレードを使用したダイシ
ングにより、シリコン基板６２のＬＳＩ・６９を形成し
たのと反対側の面に、凸部６３を形成する。図１５(イ)
はこのときに用いられるダイサーブレードの刃先の断面
図であり、(ロ)は図１４のシリコン基板６２において凸
部６３が形成された状態を示している。この凸部６３の
形成は、レジストによるマスキングとエッチングの組み
合わせなどによっても行えるが、一般にダイシングを用
いた方が簡便である。

【００５５】図１６は図１５(ロ)のシリコン基板６２に
おいて、凸部６３の表面にアルミナ膜６３ａ及び窒化シ
リコン膜６３ｂが形成された状態を示している。図１６
に示すように、凸部６３の狭間に位置する平坦部には、
蒸着法などで熱伝導性が良好で電気絶縁性のアルミナ膜
６３ａを数十ｎｍの厚さにパターン形成している。それ
以外の部分にはプラズマＣＶＤ法などで、熱絶縁性が高
く電気絶縁性の窒化シリコン膜６３ｂを数μｍの厚さに
パターン形成している。これらのパターニングには、フ
ォトリソグラフィーによるリフトオフ法などを用いると
よい。

【００５６】図１７は図１６のシリコン基板６２におい
て、前記アルミナ膜６３ａ及び窒化シリコン膜６３ｂの
表面にＰ型熱電薄膜４及びＮ型熱電薄膜５が形成された
状態を示している。Ｐ型熱電薄膜４及びＮ型熱電薄膜５
は第１実施形態と同様、凸部６３の片斜面ずつ、異種の
熱電薄膜同士で隣合うよう交互に形成されている。

【００５７】ここでは、蒸着法により、(Ｂi,Ｓb)₂Ｔe₃
をターゲットとしてＰ型熱電薄膜４が、またＢi₂(Ｓe,
Ｔe)₃をターゲットとしてＮ型熱電薄膜５がそれぞれ数
μｍの厚さにパターン形成されている。この他にも、Ｐ
型熱電材料としてはＺnＳb、Ｓb₂Ｔe₃、Ｂi₂Ｔe₃など
が、Ｎ型熱電材料としては、ＢiＳb、ＰbＳe、ＰbＴeな
どが用いられる。パターニングには、フォトリソグラフ
ィーによるリフトオフ法などを用いるとよい。

【００５８】次に、Ｐ型熱電材料４及びＮ型熱電材料５
が接合する凸部６３の頂部に、銅などの金属薄膜７を蒸
着やスパッタリングなどの方法で数μｍの厚さにパター
ン形成する。パターニングには、フォトリソグラフィー
によるリフトオフ法などを用いるとよい。これによっ
て、Ｐ型熱電薄膜４とＮ型熱電薄膜５とは電気的に直列
に接続されたことになる。最後に、ＬＳＩ・６９の保護
膜を除去して、薄膜熱電変換素子６１を有する半導体デ
バイス６０となる。

【００５９】図１３に示す薄膜熱電変換素子６１におい
て、図中左端の金属薄膜７にプラス、右端の金属薄膜７
にマイナスの電圧をかけて、左から右の方向に電流を流
すと、ペルチェ効果によって接合部６６ａで発熱が起こ
り、接合部６６ｂで吸熱が起こる。このとき、熱絶縁性
の高いシリコン膜６３ｂによって、接合部６６ａで発生
した熱はシリコン基板６２には伝導しない。また、シリ
コン基板６２の熱は熱伝導性の良好なアルミナ膜６３ａ
を通して、接合部６６ｂに吸収される。

【００６０】以上説明したように、該薄膜熱電変換素子
６１は熱電薄膜４,５の両端に温度差が生じ、且つ熱電
薄膜４,５の接合部６６ｂ以外の部分は熱絶縁性の窒化
シリコン膜６３ｂにのみ密接しているので、その熱損失
は少ない。また、シリコン基板６２に直接薄膜熱電変換
素子６１が形成されているので、吸熱する際の熱抵抗は
低い。従って、半導体デバイス６０は薄膜熱電変換素子
６１によって効率よく冷却され、ＬＳＩ・６９の作動速
度を向上させることができる。

【００６１】次に、本発明の薄膜熱電変換素子を備えた
プリント基板の一実施形態について説明する。図１８は
本実施形態のプリント基板７０の縦断面図である。該プ
リント基板７０において、プリント基板７２の上面には
ＬＳＩなどから成る電子回路７９が形成されており、そ
の下面には本発明に係る薄膜熱電変換素子７１が設けら
れている。プリント基板７２の一方の面に前記半導体デ
バイス６０の薄膜熱電変換素子６１と同様の作成方法で
薄膜熱電変換素子７１を形成し、その後、他方の面に電
子回路７９を実装すればよい。ここでは、その作成方法
の説明は省略する。

【００６２】上記薄膜熱電変換素子７１において、図中
左端の金属薄膜７にプラス、右端の金属薄膜７にマイナ
スの電圧をかけて、左から右の方向に電流を流すと、ペ
ルチェ効果によって接合部７６ａで発熱が起こり、接合
部７６ｂで吸熱が起こる。このとき、熱絶縁性の高いシ
リコン膜６３ｂによって、接合部７６ａで発生した熱は
プリント基板７２には伝導しない。また、プリント基板
７２の熱は熱伝導性の良好なアルミナ膜６３ａを通し
て、接合部７６ｂに吸収される。

【００６３】以上説明したように、該薄膜熱電変換素子
７１は熱電薄膜４,５の両端に温度差が生じ、且つ熱電
薄膜４,５の接合部７６ｂ以外の部分は熱絶縁性の窒化
シリコン膜６３ｂにのみ密接しているので、その熱損失
は少ない。また、プリント基板７２に直接薄膜熱電変換
素子７１が形成されているので、吸熱する際の熱抵抗は
低い。従って、プリント基板７０は薄膜熱電変換素子７
１によって効率よく冷却され、電子回路７９の作動速度
を向上させることができる。

【００６４】

【発明の効果】請求項１に記載の薄膜熱電変換素子は、
熱電薄膜の両端に温度差が生じ、且つ熱電薄膜は低熱伝
導性の材料から成る凸部にのみ密接しているので、その
熱損失は少ない。また、薄膜熱電素子の発熱或いは吸熱
する部分に、加熱或いは冷却の対象物が密接するため、
効率よく加熱或いは冷却を行うことができる。この加熱
或いは冷却の対象物は、広い面積を有するのもので同様
の効果を得ることができる。また、ゼーベック効果によ
って電力を取り出した場合でも、その熱損失は少なく、
発電効率は高いものとなる。

【００６５】請求項２に記載の薄膜熱電変換素子は、第
１実施形態と同様、熱電薄膜の両端に温度差が生じ、且
つ熱電薄膜は低熱伝導性の材料から成る凸部にのみ密接
している。さらに、凸部内は真空なのでその熱伝導率は
一層低下し、熱損失は少ないものとなる。

【００６６】請求項３に記載の薄膜熱電変換素子は、熱
電薄膜の両端に温度差が生じ、且つ熱電薄膜は低熱伝導
性の材料から成る基板の一部分にのみ密接しているの
で、その熱損失は少ない。また、発熱或いは吸熱する接
合部は基板を挟んでその両面に設けられていることか
ら、その熱量は多いものとなる。

【００６７】請求項４に記載の半導体デバイスは、熱損
失の少ない薄膜熱電変換素子によってその基板が効率よ
く冷却されるので、半導体デバイスの作動速度を向上さ
せることができる。

【００６８】請求項５に記載のプリント基板は、熱損失
の少ない薄膜熱電変換素子によってその基板が効率よく
冷却されるので、電子回路の作動速度を向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１実施形態の薄膜熱電変換素子を模式的に
示した斜視図である。

【図２】 図１におけるＡ−Ａ´線での断面図である。

【図３】 第２実施形態の薄膜熱電変換素子の縦断面図
である。

【図４】 本発明に係る薄膜熱電変換素子の一例を示し
た図である。

【図５】 本発明に係る薄膜熱電変換素子の一例を示し
た図である。

【図６】 第３実施形態の薄膜熱電変換素子の縦断面図
である。

【図７】 第４実施形態の薄膜熱電変換素子の縦断面図
である。

【図８】 第５実施形態の薄膜熱電変換素子を模式的に
示した斜視図である。

【図９】 図８におけるＢ−Ｂ´線での断面図である。

【図１０】 図８におけるＣ−Ｃ´線での断面図であ
る。

【図１１】 第６実施形態の薄膜熱電変換素子を模式的
に示した斜視図である。

【図１２】 図１１におけるＤ−Ｄ´線での断面図であ
る。

【図１３】 本発明に係る薄膜熱電変換素子を備えた半
導体デバイスの縦断面図である。

【図１４】 片面に半導体デバイスが形成されたシリコ
ン基板の縦断面図である。

【図１５】 (イ)はダイサーブレードの刃先の断面図で
あり、(ロ)は凸部が形成された図１４のシリコン基板の
縦断面図である。

【図１６】 図１５(ロ)の凸部の表面にアルミナ膜及び
窒化シリコン膜が形成された状態を示した図である。

【図１７】 図１６の凸部の表面に熱電薄膜が形成され
た状態を示した図である。

【図１８】 本発明に係る薄膜熱電変換素子を備えたプ
リント基板の縦断面図である。

【図１９】 薄膜熱電変換素子の従来技術の一例を模式
的に示した図である。

【図２０】 薄膜熱電変換素子の従来技術の一例を模式
的に示した図である。

【図２１】 薄膜熱電変換素子の従来技術の一例を模式
的に示した図である。

【符号の説明】

１ 薄膜熱電変換素子 ２ セラミクス基板 ３ 凸部 ４ Ｐ型熱電薄膜 ５ Ｎ型熱電薄膜 ６ａ 接合部 ６ｂ 接合部 ７ 金属薄膜 １１ 薄膜熱電変換素子 ２１ 薄膜熱電変換素子 ３１ 薄膜熱電変換素子 ４１ 薄膜熱電変換素子 ５１ 薄膜熱電変換素子 ６０ 半導体デバイス ６１ 薄膜熱電変換素子 ７０ プリント基板 ７１ 薄膜熱電変換素子 ８１ 薄膜熱電変換素子 ９１ 薄膜熱電変換素子 １０１ 薄膜熱電変換素子

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に設けられた複数の凸部の表面に
   形成されたＰ型熱電薄膜とＮ型熱電薄膜とが互いに隣合
   うよう接合されており、その接合部は前記基板における
   凸部の頂部及び前記凸部の狭間に設けられていることを
   特徴とする薄膜熱電変換素子。
2. 【請求項２】 前記凸部は中空であり、該凸部内を真空
   にして封止したことを特徴とする請求項１に記載の薄膜
   熱電変換素子。
3. 【請求項３】 凹凸状の基板上に形成されたＰ型熱電薄
   膜とＮ型熱電薄膜とが互いに隣合うよう接合されてお
   り、その接合部は前記基板における凸部の頂部及び前記
   凸部の狭間に設けられていることを特徴とする薄膜熱電
   変換素子。
4. 【請求項４】 シリコン基板の一方の面に半導体デバイ
   スが形成され、他方の面に請求項１もしくは請求項２に
   記載の薄膜熱電変換素子が設けられた半導体デバイス。
5. 【請求項５】 一方の面に電子回路が形成されたプリン
   ト基板において、他方の面に請求項１もしくは請求項２
   に記載の薄膜熱電変換素子が設けられたことを特徴とす
   るプリント基板。