KR101408670B1 - Method for manufacturing thermoelectric module using silicon-mask - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 실리콘 마스크를 이용한 열전 소자 제조 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 마이크로 열전 소자의 제조 공정을 단순화하고, 고온에서도 N타입, P타입 반도체 층을 형성시키는 것이 가능한 열전 소자 제조 방법에 대한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a thermoelectric device using a silicon mask, and more particularly, to a thermoelectric device manufacturing method capable of simplifying a manufacturing process of a micro-thermoelectric device and forming an N-type and P-type semiconductor layer at a high temperature .
또한, 본 발명은 실리콘 마스크를 이용하므로 포토레지스터 잔류물이 없어서 크리닝 공정 및 패터닝 공정 수를 줄일 수 있는 열전 소자 제조 방법에 관한 것이다.
In addition, the present invention relates to a method of manufacturing a thermoelectric device that can reduce the number of cleaning processes and patterning processes due to the absence of a photoresist residue due to the use of a silicon mask.
제벡 효과(Seebeck)나 펠티에(Peltier) 효과 등 열의 흐름과 전류가 서로 영향을 미치는 물리 현상은 "열전 효과(thermoelectric effects)"로 총칭된다. The physical phenomena in which heat flow and currents interact with each other, such as the Seebeck effect and the Peltier effect, are collectively referred to as "thermoelectric effects".
그리고, 열전 효과는 다른 열전 성능(thermoelectric properties: 熱電性能)을 갖는 이종금속이나 이종 반도체를 접합한 회로에서 발생한다. And, the thermoelectric effect occurs in circuits bonded with dissimilar metals or heterogeneous semiconductors with different thermoelectric properties (thermoelectric properties).
이러한 이종금속이나 이종 반도체의 접합부에 온도차가 있는 경우, 이 회로에서 전류가 발생하는 현상을 제벡 효과(Seebeck)라 한다. 이러한 제벡효과는 온도 측정 센서 분야 및 폐열을 이용한 열전변환장치의 실용화에 널리 이용되고 있다.If there is a temperature difference between the junctions of these dissimilar metals or hetero-semiconductors, the phenomenon of current generation in this circuit is called Seebeck effect. The Seebeck effect is widely used in the field of temperature measurement sensors and in the practical use of thermoelectric conversion devices using waste heat.
그리고, 이종금속 회로나 이종 반도체를 접합한 회로에 직류전류를 인가하면, 상기 접합부의 한쪽은 발열하고, 다른 쪽은 흡열하는 현상이 일어나는데, 이 현상을 펠티에(Peltier) 효과라 한다. When a DC current is applied to a circuit obtained by bonding a dissimilar metal circuit or a hetero semiconductor, a phenomenon occurs in which one of the junction generates heat and the other absorbs heat. This phenomenon is referred to as a Peltier effect.
이러한 펠티에(Peltier) 효과는 CPU(Central Processing Unit)를 포함하는 각종 칩(chip)과 디바이스(device) 등을 열전냉각 하는데 이용되고 있다.Such a Peltier effect is used for thermoelectric cooling various chips and devices including a CPU (Central Processing Unit).
이러한 열전 소자를 제조하는 기술로는 쉐도우 마스크를 이용하여 열전 소자를 제조하는 방식이 있다. 이러한 쉐도우 마스크를 보여주는 도면이 도 1에 도시된다. 도 1의 쉐도우 마스크는 멤브레인 패턴층(141')과 멤브레인 보강층(142')을 가진다.As a technique for manufacturing such a thermoelectric element, there is a method of manufacturing a thermoelectric element by using a shadow mask. A view showing such a shadow mask is shown in FIG. The shadow mask of FIG. 1 has a membrane pattern layer 141 'and a membrane reinforcing layer 142'.
도 1을 참조하면 멤브레인 패턴층(141')에는 멤브레인 패턴층(141')의 상하를 관통하는 하부 개구(140'-1)가 형성된다. 하부 개구(140'-1)는 하부 개구(140'-1)의 상층부를 이루는 제1 하부 개구(140'-1a)와 제1 하부 개구(140'-1a)의 하단부로부터 확장되어 하부 개구(140'-1)의 하층부를 이루는 제2 하부 개구(140'-1b)로 이루어질 수 있다. 멤브레인 패턴층(141')은 Ni 등을 도금공정으로 증착하여 형성할 수 있다.Referring to FIG. 1, a lower opening 140'-1 penetrating the membrane pattern layer 141 'is formed in the membrane pattern layer 141'. The lower opening 140'-1 extends from the lower end of the first lower opening 140'-1a and the lower end of the first lower opening 140'-1 a forming the upper layer of the lower opening 140'- And a second lower opening 140'-1b that forms a lower layer portion of the first lower opening 140'-1. The membrane pattern layer 141 'may be formed by depositing Ni or the like by a plating process.
따라서, 멤브레인 패턴층(141')은 제1 하부 개구(140'-1a)가 형성되는 상부 멤브레인 패턴층(141'-1)과 제2 하부 개구(140'-1b)가 형성되는 하부 멤브레인 패턴층(141'-2)으로 구분될 수 있다. 상부 멤브레인 패턴층(141'-1) 및 하부 멤브레인 패턴층(141'-2)은 도금 공정을 통하여 형성된다. Accordingly, the membrane pattern layer 141 'is formed with a lower membrane pattern 141'-1' in which the upper membrane pattern layer 141'-1 and the second lower opening 140'-1b, in which the first lower opening 140'- And a layer 141'-2. The upper membrane pattern layer 141'-1 and the lower membrane pattern layer 141'-2 are formed through a plating process.
도 1을 참조하면 멤브레인 보강층(142')은 멤브레인 패턴층(141') 상부에 적층된다. 멤브레인 보강층(142')에는 멤브레인 보강층(142')의 상하를 관통하는 상부 개구(140'-2)가 형성되는데, 상부 개구(140'-2)는 하부 개구(140'-1)와 연통되도록 형성된다.Referring to FIG. 1, a membrane reinforcing layer 142 'is deposited on the membrane pattern layer 141'. An upper opening 140'-2 penetrating the membrane reinforcing layer 142 'is formed in the membrane reinforcing layer 142' so that the upper opening 140'-2 communicates with the lower opening 140'-1. .
도 1을 참조하면 멤브레인 보강층(142')은 실리콘 웨이퍼 패턴층(142'-1), 일측 절연 패턴층(142'-2), 접착 보조 패턴층(142'-3), 도금 전측 패턴층(142'-4), 타측 절연 패턴층(142'-5) 및 식각 보호 패턴층(142'-6)을 포함한다.1, the membrane reinforcing layer 142 'includes a silicon wafer pattern layer 142'-1, a first insulating pattern layer 142'-2, an adhesion assisting pattern layer 142'-3, The other side insulating pattern layer 142'-5, and the etching protection pattern layer 142'-6.
도 1을 참조하면 일측 절연 패턴층(142'-2)은 실리콘 웨이퍼 패턴층(142'-1) 하부에 적층 형성되고, 접착 보조 패턴층(142'-3)은 일측 절연 패턴층(142'-2) 하부에 적층 형성된다.1, the one side insulating pattern layer 142'-2 is laminated on the lower side of the silicon wafer pattern layer 142'-1, and the adhesion auxiliary pattern layer 142'-3 is laminated on the other side insulating pattern layer 142 ' -2).
도 1을 참조하면 도금 전측 패턴층(142'-4)은 접착 보조 패턴층(142'-3) 하부에 적층 형성되어, 하면이 상부 멤브레인 패턴층(141'-1) 상면에 접촉된다. 도금 전측 패턴층(142'-4)은 제1 도금 전극 패턴층(142'-4a) 및 제2 도금 전극 패턴층(142-4b)이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다. 제1 도금 전극 패턴층(142'-4a)은 티타늄(Ti) 또는 탄탈륨(Ta)으로 형성되고, 제2 도금 전극 패턴층(142-4b)은 구리(Cu)로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 1, the plating front-side pattern layer 142'-4 is laminated on the lower part of the adhesion assisting pattern layer 142'-3 so that the lower surface thereof is in contact with the upper surface of the upper membrane pattern layer 141'-1. The plating front-side pattern layer 142'-4 may have a structure in which a first plating electrode pattern layer 142'-4a and a second plating electrode pattern layer 142-4b are sequentially stacked. The first plating electrode pattern layer 142'-4a may be formed of titanium (Ti) or tantalum (Ta), and the second plating electrode pattern layer 142-4b may be formed of copper (Cu).
도 1을 참조하면 타측 절연 패턴층(142'-5)은 실리콘 웨이퍼 패턴층(142'-1) 상부에 적층 형성되고, 식각 보호 패턴층(142'-6)은 타측 절연 패턴층(142'-5) 상부에 적층 형성된다.1, the other insulating pattern layer 142'-5 is laminated on the silicon wafer pattern layer 142'-1, and the etching protection pattern layer 142'-6 is formed on the other insulating pattern layer 142 ' -5).
종래 기술에 따르면, 기판상에 포토레지스트 잔류물을 제거하기 위한 크리닝 공정이 필요하다. According to the prior art, there is a need for a cleaning process to remove photoresist residues on the substrate.
또한, 쉐도우 마스크가 연질 재료이므로 P타입, N타입 반도체층을 고온 증착하는 것이 어렵다. Further, since the shadow mask is a soft material, it is difficult to deposit the P-type and N-type semiconductor layers at a high temperature.
또한, 웨이퍼의 열팽창 계수와 쉐도우 마스크의 열팽창 계수가 다르므로 기판상에 잔류 응력이 발생한다. Further, since the thermal expansion coefficient of the wafer differs from that of the shadow mask, residual stress is generated on the substrate.
또한, UV(UtraViolet) 공정, 스핀코팅 공정, 스트립 공정 등의 패터닝 공정이 필요하다.
In addition, a patterning process such as UV (Utraviolet) process, spin coating process, and strip process is required.
본 발명은 종래기술에 따른 단점을 극복하기 위해, 고온에서도 P타입, N타입 반도체층을 고온 증착시키는 열전 소자 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a thermoelectric device for depositing P type and N type semiconductor layers at a high temperature in order to overcome the disadvantages of the prior art.
또한, 본 발명은 마스크와 웨이퍼의 열팽창 계수 차이로 발생하는 잔류 응력을 제거하는 열전 소자 제조 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다. It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a thermoelectric device that removes residual stress caused by a difference in thermal expansion coefficient between a mask and a wafer.
또한, 본 발명은 포토레지스트 잔류물이 없게 하여 크리닝 공정을 줄일 수 있는 열전 소자 제조 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다. It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a thermoelectric device that eliminates a photoresist residue to reduce the cleaning process.
또한, 본 발명은 UV(Ultravilet) 공정, 스핀코팅(spincoating) 공정, 스트립(stripping) 공정 등의 패터닝 공정을 줄일 수 있는 열전 소자 제조 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a thermoelectric device capable of reducing the patterning process such as UV (ultraviolet) process, spincoating process, and stripping process.
본 발명의 일실시예는 위에서 제기된 과제를 달성하기 위해 실리콘 마스크를 이용한 열전 소자 제조 방법을 제공한다. 상기 열전 소자 제조 방법은, 기판 일측면에 실리콘 산화막, 전극이 순차적으로 적층 형성하는 단계; 상기 전극을 내삽하게 하단에 제 1 전극층 요홈 및 상기 제 1 전극층 요홈과 연결되는 제 1 개구부가 형성된 제 1 마스크를 상기 실리콘 기판 일측면에 대향되게 상기 실리콘 기판 일측면상에 안착시키는 단계; 스퍼터링 수단에 의해 반도체층을 상기 제 1 개구부내에 증착시키는 단계; 상기 제 1 마스크를 제거하고, 증착된 반도체층을 내삽하게 하단에 반도체층 요홈이 형성되고 상기 반도체층 요홈과 소정의 간격으로 이격된 제 2 개구부가 형성되며 상기 반도체층 요홈 및 상기 제 2 개구부와 연결되어 상기 전극을 내삽하게 제 2 전극층 요홈이 형성된 제 2 마스크를 상기 실리콘 기판 일측면에 대향되게 상기 실리콘 기판 일측면상에 안착시키는 단계; 상기 스퍼터링 수단에 의해 상기 반도체층과 다른 이종 반도체층을 상기 제 2 개구부내에 증착시키는 단계; 상기 제 2 마스크를 제거하고, 각각 다른 전극 상에 형성된 상기 이종 반도체층과 상기 반도체층의 상단면을 연결 전극판으로 연결하는 단계; 및 상기 연결 전극판 표면에 열전도성 커버를 부착시키는 단계를 포함한다. One embodiment of the present invention provides a method of manufacturing a thermoelectric device using a silicon mask to accomplish the above-mentioned problems. The thermoelectric-element manufacturing method includes: sequentially forming a silicon oxide film and an electrode on one side of a substrate; Placing a first mask having a first electrode layer recess and a first opening connected to the first electrode layer recess on a lower surface of the silicon substrate so as to face the first surface of the silicon substrate; Depositing a semiconductor layer into the first opening by sputtering means; A semiconductor layer recess is formed at a lower end of the first mask to interpolate the deposited semiconductor layer, a second opening portion spaced apart from the semiconductor layer recess by a predetermined distance is formed, and the semiconductor layer recess and the second opening Depositing a second mask having a second electrode layer recess on the one side of the silicon substrate so as to face the first side of the silicon substrate; Depositing a hetero semiconductor layer different from the semiconductor layer in the second opening by the sputtering means; Removing the second mask and connecting the upper surface of the semiconductor layer and the hetero semiconductor layer formed on the different electrode to each other with a connection electrode plate; And attaching a thermally conductive cover to the surface of the connecting electrode plate.
본 발명의 다른 실시예는 실리콘 마스크를 이용한 열전 소자 제조 방법을 제공한다. 상기 열전 소자 제조 방법은, 제 1 실리콘 기판 일측면에 실리콘 산화막, 전극이 순차적으로 적층 형성하는 단계; 상기 전극을 내삽하게 하단에 제 1 전극층 요홈 및 상기 제 1 전극층 요홈과 연결되는 제 1 개구부가 형성된 제 1 마스크를 상기 실리콘 기판 일측면에 대향되게 상기 기판 일측면상에 안착시키는 단계; 스퍼터링 수단에 의해 반도체층을 상기 제 1 개구부내에 증착시키는 단계; 상기 제 2 기판 일측면에 실리콘 산화막, 전극이 순차적으로 적층 형성하는 단계; 전극을 내삽하게 하단에 제 1 전극층 요홈 및 상기 제 1 전극층 요홈과 연결되는 제 1 개구부가 형성된 제 1 마스크를 상기 기판 일측면에 대향되게 상기 기판 일측면상에 안착시키는 단계; 상기 스퍼터링 수단에 의해 상기 반도체층과 다른 이종 반도체층을 상기 제 1 개구부내에 증착시키는 단계; 및 상기 제 1 기판 일측면에 대향하게 상기 제 2 기판을 포개어 접합하는 단계를 포함한다. Another embodiment of the present invention provides a method of manufacturing a thermoelectric device using a silicon mask. The thermoelectric-element manufacturing method includes: sequentially forming a silicon oxide layer and an electrode on one side of a first silicon substrate; Placing a first mask having a first electrode layer recess and a first opening portion connected to the first electrode layer recess on a bottom surface of the substrate so as to face the one side surface of the silicon substrate; Depositing a semiconductor layer into the first opening by sputtering means; Forming a silicon oxide layer and an electrode sequentially on one side surface of the second substrate; Placing a first mask having a first electrode layer groove and a first opening portion connected to the first electrode layer groove on a bottom surface of the substrate so as to face the first surface of the substrate; Depositing a hetero semiconductor layer different from the semiconductor layer in the first opening by the sputtering means; And joining and joining the second substrate to one side of the first substrate.
이때, 상기 기판과 상기 마스크는 동일한 재질이되, 상기 재질은 실리콘인 것을 특징으로 한다. At this time, the substrate and the mask are made of the same material, and the material is silicon.
이때, 상기 반도체층은 N 타입 반도체층이고, 상기 이종 반도체층은 P 타입 반도체층인 것을 특징으로 한다. In this case, the semiconductor layer is an N-type semiconductor layer, and the hetero semiconductor layer is a P-type semiconductor layer.
이때, 상기 기판과 상기 마스크는 동일한 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 한다.
In this case, the substrate and the mask have the same thermal expansion coefficient.
본 발명에 따르면, 실리콘 마스크를 이용하여 증착하므로 고온에서도 P타입, N타입 반도체층을 고온 증착시켜 열전 소자 제조하는 것이 가능하다.According to the present invention, it is possible to manufacture a thermoelectric device by depositing P-type and N-type semiconductor layers at a high temperature even at a high temperature because of deposition using a silicon mask.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 실리콘 마스크를 이용하므로 실리콘 마스크와 웨이퍼의 열팽창 계수가 같아져 기판상에 발생하는 잔류 응력을 제거하는 열전 소자를 제조하는 것이 가능하다는 점을 들 수 있다.Another advantage of the present invention is that it is possible to manufacture a thermoelectric device that eliminates the residual stress generated on the substrate by using the silicon mask and having the same thermal expansion coefficient as the silicon mask and the wafer.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 실리콘 마스크를 이용하므로 기판상에 포토레지스트(photoresister) 잔류물이 없어 크리닝 공정을 줄일 수 있는 열전 소자를 제조하는 것이 가능하다는 점을 들 수 있다. In addition, another advantage of the present invention is that it is possible to manufacture a thermoelectric device which can reduce the cleaning process because there is no photoresist residue on the substrate using a silicon mask.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 실리콘 마스크를 이용하므로 UV(Ultravilet) 공정, 스핀코팅(spin-coating) 공정, 스트립(stripping) 공정 등의 패터닝 공정을 줄일 수 있는 열전 소자를 제조하는 것이 가능하다는 점을 들 수 있다.
Another advantage of the present invention is that it is possible to manufacture a thermoelectric device capable of reducing the patterning process such as UV (ultraviolet) process, spin-coating process, and stripping process by using a silicon mask Points can be mentioned.
도 1은 종래 기술에 따른 열전 소자 제조방법에 사용되는 쉐도우 마스크의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열전 소자의 기판 상에서 전극(220) 배열을 보여주는 평면도이다.
도 3은 도 2에서 X-X'축으로 절개한 기판의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열전 소자 제조 과정 공정을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4의 공정에 따라 제조된 열전 소자를 보여주는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 2-웨이퍼 공정을 보여주는 도면이다.
1 is a cross-sectional view of a shadow mask used in a method of manufacturing a thermoelectric device according to the prior art.
2 is a plan view showing an arrangement of
3 is a cross-sectional view of the substrate cut along the X-X 'axis in FIG.
4 is a view illustrating a process of manufacturing a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
5 is a perspective view showing a thermoelectric device manufactured according to the process of FIG.
6 is a view showing a two-wafer process according to another embodiment of the present invention.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 만족하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention, and not all of the technical ideas of the present invention are satisfied. Therefore, various equivalents It should be understood that water and variations may be present.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 열전 소자 제조 방법을 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, a method of manufacturing a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열전 소자의 기판 상에서 전극(220) 배열을 보여주는 평면도이다. 도 2를 참조하면, 기판(200) 상에 전극(220)이 행과 열로 일정 간격을 두고 배열된 상태를 보여주는 평면도이다. 물론, 좌측에는 "+" 전극단(201)과 "-" 전극단(202)이 구비된다. 이 "+" 전극단(201)과 "-" 전극단(202)은 예시를 위한 것으로 전극단(201)이 "-"이고, 전극단(202)이 "+"가 될 수 있다. 2 is a plan view showing an arrangement of
또한, 도 2를 참조하면 이 전극(220) 상에 N 타입 반도체층(미도시)과 P타입 반도체층(미도시)이 구성되면 전류는 "+" 전극단(201)으로 유입되어 "-" 전극단(202)쪽으로 빠져나오게 된다. 이해하기 쉽게 설명하면 마치 방바닥에 배관되는 엑셀 파이프가 인체의 대장과 소장처럼 배열되는 것을 생각하면 된다. 이를 이해하기 쉽게 보여주는 도면이 도 5에 도시된다. 2, when an N type semiconductor layer (not shown) and a P type semiconductor layer (not shown) are formed on the
도 3은 도 2에서 X-X'축으로 절개한 기판의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 도 2에 도시된 평면도에서 전극(220) 부분만을 X-X'축으로 절개한 단면도이다. 이 단면도를 참조하면, 실리콘 기판(200) 상에 실리콘 산화막(210)이 증착된다. 실리콘 기판(200)은 단결정 실리콘으로 만들어지며, 이 기판(200)의 한 주면 상에 실리콘 산화막(210)이 형성된다. 실리콘 산화막(210)은 응력 완화용 패드 산화막으로서 사용되며 약 30 내지 50nm의 두께를 가질 수 있다. 3 is a cross-sectional view of the substrate cut along the X-X 'axis in FIG. Referring to FIG. 3, only a portion of the
실리콘 산화막(210)의 증착 방식은 CVD(chemical vapor deposition), LPCVD(low pressure CVD), 또는 PECVD(plasma-enhanced CVD) 등의 방법으로 형성하는 화학 증착법들이 알려져 있다. 예를 들어, 고온 LPCVD 또는 APCVD(atmospheric CVD)법은 두 가지 이상의 소스 기체를 공급하여 증착하는 방식이고, PECVD 증착법은 선구물질인 TEOS(tetraethly orthosilicate)에 O2, N2O, O3등의 반응성 기체를 첨가하거나, SiH4에 Ar, O2, N2O 등을 혼합한 기체를 플라즈마로 생성하여 기상상태에서 실리콘 산화막을 얻는 방식이다.The
이 실리콘 산화막(210) 상에 순차적으로 티타늄/백금(Ti/Pt; 221), 크롬층(Cr; 222), 금층(Au; 223)이 스퍼터닝 공정에 의해 증착된다. 이들 티타늄/백금(221), 크롬층(222) 및 금층(223)이 전극(220)이 된다. Titanium / platinum (Ti / Pt) 221, chromium (Cr) 222 and gold (Au) 223 are sequentially deposited on the
따라서, 도 2에 도시된 바와 같은 배열을 갖는 기판(200)이 구비된다. Accordingly, a
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열전 소자 제조 과정의 공정을 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 도 2에 도시된 바와 같은 배열을 갖는 기판(200) 상에 N타입 반도체층과 P타입 반도체층을 형성하는 공정이 순차적으로 도시된다. 4 is a view illustrating a process of manufacturing a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, a process of forming an N-type semiconductor layer and a P-type semiconductor layer on a
도 4a는 기판(200) 상에 실리콘 마스크(400)를 얹힌 상태를 도시한 도면이다. 도 4a를 참조하면, 실리콘 마스크(400)는 좌측에 위아래가 관통되는 개구부(401)가 형성되며, 이 개구부(401)의 하단에는 제 1 전극층 요홈(402)이 형성된다. 제 1 전극층 요홈(402)은 전극(220)이 실리콘 산화막(210) 표면에서 돌출되므로 이를 상쇄시켜 실리콘 마스크(400)와 실리콘 산화막(210)을 밀착시켜 둘 사이에 간극이 적어지게 한다. 물론, 이 실리콘 마스크(400)와 기판(200) 간의 접착은 폴리머 테입 또는 집게 수단 등을 이용한다. 4A is a view showing a state in which a
여기서, 실리콘 마스크(400)는 실리콘(Si) 재질이 사용된다. 따라서, 실리콘 마스크(400)와 기판(200)은 동일한 실리콘(Si) 재질을 사용하게 되므로, 실리콘 마스크(400)와 기판(200)이 같이 늘어나게 된다. 부연하면, 스퍼터링 공정시 기판(200) 상에 잔류 응력(residual stress)이 발생하지 않는다. Here, the
도 4b는 스퍼터링 방법을 이용하여 박막으로 성장된 N 타입 반도체층(410)을 보여주는 도면이다. 부연하면, 스퍼터링 장치(미도시)에 의해 이온화된 나노 입자가 도 4a의 개구부(401)에서 성장하여 N 타입 반도체층(410)의 박막을 형성한다. 4B is a view showing an N
보통 스퍼터링은 진공이 유지된 챔버 내에서 스퍼터링 기체로 불활성 물질(주로 Ar가스 이용)를 도입시키면서 기판과 표적(부착되어지는 물질Cr/Ti등) 사이에 직류전압을 가하여, 이온화시킨 아르곤을 표적에 충돌시켜서 튕겨서 날아가 표적 물질을 기판에 막형성시키는 방법이다. N 타입 반도체층(410)의 경우, 대표적으로 예를 들면, 순수 Bi와 Te 표적을 사용하여 Bi-Te 박막인 Bi2Te3박막이 된다. Normally, sputtering is performed by introducing an inert material (mainly Ar gas) into a sputtering gas in a vacuum maintained chamber, applying a DC voltage between the substrate and the target (such as Cr / Ti) Collides with the target, and is repelled and flies to form a target material on the substrate. In the case of the N-
도 4c는 제 2 실리콘 마스크(430)를 얹힌 상태를 보여주는 도면이다. 4C is a view showing a state in which the
P 타입 반도체층(450)의 경우에는 대표적으로 예를 들면, (BiSb)₂Te₃가 사용된다. 도 4c를 참조하면, 제 2 실리콘 마스크(430)는 좌측에 위아래가 관통되는 개구부(431)가 형성되며, 이 개구부(431)의 하단에는 증착된 N 타입 반도체층(410) 의 박막을 감싸는 제 2 전극층 요홈(433)이 형성된다. In the case of the P-
제 2 실리콘 마스크(430)의 맨 하단에는 전극(220)을 외삽하는 제 2 전극층 요홈(433)이 형성된다. 이 제 2 전극층 요홈(433)은 전극(220)이 실리콘 산화막(210) 표면에서 돌출되므로 이를 상쇄시켜 실리콘 마스크(430)와 실리콘 산화막(210)을 밀착시켜 둘 사이에 간극이 적어지게 한다. 여기서, 실리콘 마스크(400)는 실리콘(Si) 재질이 사용된다. A second
도 4d는 스퍼터링 방법을 이용하여 박막으로 성장된 P 타입 반도체층(450)을 보여주는 도면이다. 부연하면, 앞서 기술한 바와 같이 스퍼터링 장치(미도시)에 의해 이온화된 나노 입자가 도 4c의 개구부(431)에서 성장하여 P 타입 반도체층(410)의 박막이 형성된다.4D is a view showing a P-
도 4e는 N 타입 반도체층(410)과 P 타입 반도체층(430)이 형성된 모양을 보여주는 도면이다. 부연하면, 도 4e는 도 2의 동일한 전극(220) 상에 N타입 반도체층(410)과 P 타입 반도체층(430)이 형성된 상태를 보여준다.4E is a view showing a state in which an N
도 4f는 제 1 전극(220a)과 제 2 전극(220b) 상에 형성된 P 타입 반도체층(450a)과 N 타입 반도체층(410b)을 연결 전극판(470)으로 연결한 상태를 보여주는 도면이다. 도 4f를 참조하면, 도 4e에 도시된 바와 같이, 제 1 전극(220a) 상에 형성된 P 타입 반도체층(450a)과 제 2 전극(220b) 상에 형성된 N 타입 반도체층(450b)이 연결 전극판(470)에 의해 연결된다. 4F is a view illustrating a state in which a P-
부연하면, 도 4e에서 기술한 바와 같이, N 타입 반도체층(410)과 P 타입 반도체층(450)이 전극(220) 상에 증착된 형상이 도 2에 도시된 전극 배열 상태에 따라 복수로 만들어지고, 전극(220) 들간에 전류가 흐르도록 연결 전극판(470)에 의해 연결된다. 4E, the N-
도 5는 도 4a 내지 도 4f의 공정에 따라 제조된 열전 소자를 보여주는 사시도이다. 부연하면, 도 5의 열전 소자는 N 타입 반도체층과 P 타입 반도체층의 반복 배열에 의해 제조되는 열전 소자를 보여준다. 도 5를 참조하면, P타입 반도체층(450) 및 N 타입 반도체층(410)은 전극(220)에 각각 접속되어 있고, 일단부측에 배치되는 P타입 반도체층(450)의 하단부면에는 외부 접속되는 - 전극(202)이 접속되고, 다른 쪽 단부측에 배치되는 N 타입 반도체층(410)의 하단부면에는 외부 접속되는 + 전극(201)이 접속된다. 5 is a perspective view showing a thermoelectric device manufactured according to the processes of FIGS. 4A to 4F. In addition, the thermoelectric element of FIG. 5 shows a thermoelectric device manufactured by a repeated arrangement of an N-type semiconductor layer and a P-type semiconductor layer. 5, the P-
P타입 반도체층(450) 및 N 타입 반도체층(410)은 전극(202)과 전극(201) 사이에 "┏┓"형으로 직렬 접속되어 있다. 즉, 행배열(510)과 열배열(520)로 "┏┓"형의 P타입 반도체층(450) 및 N 타입 반도체층(410)이 배열된다.The P
P타입 반도체층(450) 및 N 타입 반도체층(410)의 상단부면에 접속되는 전극(220)에는 열전도성 커버(good thermally conductive substrate)(500)가 접촉된다. A good thermally
P타입 반도체층(450) 및 N 타입 반도체층(410)의 하단부면에 접속되는 전극(201, 202, 220)에는 기판(200)이 접촉된다. 물론, 기판(200)은 열전도성 재질일 수 있다. The
그리고, 직류 전원이 전극(202)과 전극(201) 사이에 접속되되, 전극(201)을 플러스(+)측으로 하고, 전극(202)을 마이너스(-)측으로 하여 열전 소자에 전류가 흐르게 되면, P타입 반도체층(450)과 N 타입 반도체층(410)의 접합부에 있어서 전류 방향에 의존하여 열전도성의 기판(200)에서는 열을 흡수하여 냉각되고, 열전도성의 기판(200)에서는 열을 방출하여 가열된다. When a direct current is supplied between the
한편, 전극(202)과 전극(201) 사이에 부하를 접속하여 폐회로를 구성하고, 열전도성의 기판(200)을 저온측으로 하고, 열전도성 커버(500)을 고온측으로 하여 기판(200)과 열전도성 커버(500) 사이에 온도차를 부여하면 폐회로에 전류가 흘러 전력을 얻을 수 있다. On the other hand, a load is connected between the
따라서, 열전 소자는 그 기본적인 구성은 대략 동일하며, 제벡 효과를 이용하면 발전하고 펠티에 효과를 이용하면 온도를 제어할 수 있으므로, 열전 소자는 열전 발전 소자 모듈 및 열전 냉각 모듈로서 이용될 수 있다.
Therefore, the basic configuration of the thermoelectric element is substantially the same, and the thermoelectric element can be used as a thermoelectric module and a thermoelectric cooling module since the temperature can be controlled by using the Pebble effect and the Sekebek effect.
도 6은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 2-웨이퍼 공정을 보여주는 도면이다. 즉, 도 6a는 도 4a 내지 도 4f에 의해 제 1 기판(600)상에 N 타입 반도체층(410)이 형성되어 있는 상태를 보여주는 도면이다.6 is a view showing a two-wafer process according to another embodiment of the present invention. That is, FIG. 6A illustrates a state in which the N-
도 6b는 도 4a 내지 도 4f에 의해 제 2 기판(600)상에 P 타입 반도체층(450)이 형성되어 있는 상태를 보여주는 도면이다. FIG. 6B is a view showing a state in which the P-
도 6c는 도 6a의 제 1 기판(600)을 도 6b의 제 2 기판(610) 상에 포개어 놓은 상태를 보여주는 도면이다. 따라서, 2-웨이퍼 공정에 의해 열전 소자의 제조가 가능하다. 물론, 이 2-웨이퍼 방식의 경우 도 4f와 같은 전극판을 연결시키는 공정이 필요하지 않게 된다. 6C is a view showing a state in which the
물론, 이를 위해서는 실리콘 마스크를 2개로 준비하여, 하나는 개구부를 도 4a의 401과 동일하게 하고, 다른 하나는 개구부를 일정한 간격을 두고 형성시키는 방식을 이용할 수 있다. 또는 이와 달리, 동일한 실리콘 마스크의 구조를 사용하되, 제 1 기판(600)을 180도 회전시킨후 제 2 기판(610) 상에 포개어 접합시키는 것도 가능하다. Of course, for this purpose, two silicon masks may be prepared, one of which has the same opening as that of 401 of FIG. 4A, and the other of which has openings formed at regular intervals. Alternatively, it is possible to use the same silicon mask structure, but the
여기서, 제 1 기판(600)과 제 2 기판(610)은 열전도성 재질의 실리콘이 사용될 수 있다. 따라서, 앞서 기술한 열전 발전 소자 모듈 및 열전 냉각 모듈로서 이용될 수 있다.Here, the
200: 실리콘 기판
201: + 전극단 202: - 전극단
210: 실리콘 산화막 221: 티타늄/백금층
222: 크롬층 223: 금층
400: 제 1 실리콘 마스크 401: 개구부
402: 제 1 전극층 요홈 410: N타입 반도체층
430: 제 2 실리콘 마스크 431: 개구부
433: 제 2 전극층 요홈 435: 반도체층 요홈
450: P타입 반도체층 470: 연결 전극판
500: 열전도성 커버(good thermally conductive substrate)
510: 행배열 520: 열배열
600: 제 1 기판 610: 제 2 기판200: silicon substrate
201: + the extreme 202: - the extreme
210: silicon oxide film 221: titanium / platinum layer
222: chrome layer 223: gold layer
400: first silicon mask 401: opening
402: First electrode layer recess 410: N-type semiconductor layer
430: second silicon mask 431: opening
433: second electrode layer recess 435: semiconductor layer recess
450: P-type semiconductor layer 470: connection electrode plate
500: a good thermally conductive substrate
510: row array 520: column array
600: first substrate 610: second substrate
Claims (5)
상기 전극(220)을 내삽하게 하단에 제 1 전극층 요홈(402) 및 상기 제 1 전극층 요홈(402)과 연결되는 제 1 개구부(401)가 형성된 제 1 마스크(400)를 상기 실리콘 기판(200) 일측면에 대향되게 상기 실리콘 기판(200) 일측면상에 안착시키는 단계;
스퍼터링 수단에 의해 반도체층을 상기 제 1 개구부(401)내에 증착시키는 단계;
상기 제 1 마스크(400)를 제거하고, 증착된 반도체층을 내삽하게 하단에 반도체층 요홈(435)이 형성되고 상기 반도체층 요홈(435)과 소정의 간격으로 이격된 제 2 개구부(431)가 형성되며 상기 반도체층 요홈(435) 및 상기 제 2 개구부(431)와 연결되어 상기 전극(220)을 내삽하게 제 2 전극층 요홈(433)이 형성된 제 2 마스크(430)를 상기 실리콘 기판(200) 일측면에 대향되게 상기 실리콘 기판(200) 일측면상에 안착시키는 단계;
상기 스퍼터링 수단에 의해 상기 반도체층과 다른 이종 반도체층을 상기 제 2 개구부(431)내에 증착시키는 단계;
상기 제 2 마스크(430)를 제거하고, 각각 다른 전극(220) 상에 형성된 상기 이종 반도체층과 상기 반도체층의 상단면을 연결 전극판으로 연결하는 단계; 및
상기 연결 전극판 표면에 열전도성 커버(500)를 부착시키는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 마스크를 이용한 열전 소자 제조 방법.
Forming a silicon oxide film (210) and an electrode (220) on one side of the substrate (200) in sequence;
A first mask 400 having a first electrode layer recess 402 and a first opening 401 connected to the first electrode layer recess 402 is formed on the lower surface of the silicon substrate 200, Placing on one side of the silicon substrate (200) so as to face one side;
Depositing a semiconductor layer in the first opening (401) by sputtering means;
A semiconductor layer recess 435 is formed at the lower end of the first mask 400 to expose the deposited semiconductor layer and a second opening 431 spaced apart from the semiconductor layer recess 435 by a predetermined distance And a second mask 430 having a second electrode layer recess 433 formed in the semiconductor layer recess 435 and the second opening 431 and interpolating the electrode 220 is formed on the silicon substrate 200, Placing on one side of the silicon substrate (200) so as to face one side;
Depositing a hetero semiconductor layer different from the semiconductor layer in the second opening (431) by the sputtering means;
Removing the second mask 430, and connecting the hetero semiconductor layer and the upper surface of the semiconductor layer formed on the different electrode 220 to each other with a connection electrode plate; And
Attaching the thermally conductive cover (500) to the surface of the connecting electrode plate
The method of manufacturing a thermoelectric device using the silicon mask according to claim 1,
상기 기판(200)과 상기 마스크는 동일한 재질이되, 상기 재질은 실리콘인 것을 특징으로 하는 실리콘 마스크를 이용한 열전 소자 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the substrate (200) and the mask are made of the same material, and the material is silicon.
상기 반도체층은 N 타입 반도체층이고, 상기 이종 반도체층은 P 타입 반도체층인 것을 특징으로 하는 실리콘 마스크를 이용한 열전 소자 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the semiconductor layer is an N type semiconductor layer and the hetero semiconductor layer is a P type semiconductor layer.
상기 기판(200)과 상기 마스크는 동일한 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 마스크를 이용한 열전 소자 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the substrate (200) and the mask have the same thermal expansion coefficient.
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