WO2007113133A2 - Mikromechanisches bauelement, insbesondere thermogenerator, und verfahren zur herstellung eines bauelementes - Google Patents

Mikromechanisches bauelement, insbesondere thermogenerator, und verfahren zur herstellung eines bauelementes Download PDF

Info

Publication number
WO2007113133A2
WO2007113133A2 PCT/EP2007/052791 EP2007052791W WO2007113133A2 WO 2007113133 A2 WO2007113133 A2 WO 2007113133A2 EP 2007052791 W EP2007052791 W EP 2007052791W WO 2007113133 A2 WO2007113133 A2 WO 2007113133A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
component
thermo
leg
thermo leg
substrate
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/052791
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2007113133A3 (de
Inventor
Thorsten Pannek
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2007113133A2 publication Critical patent/WO2007113133A2/de
Publication of WO2007113133A3 publication Critical patent/WO2007113133A3/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one thermoelectric or thermomagnetic element covered by groups H10N10/00 - H10N15/00
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device

Definitions

  • Micromechanical component in particular thermogenerator, and method for producing a component
  • the invention is based on a micromechanical component according to the preamble of the main claim.
  • a semiconductor thermocouple assembly is known in which a doped layer of polysilicon is present, which is partially doped alternately for electrical conductivities of different signs and which serves as a leg of a thermocouple.
  • a disadvantage here is that a comparatively large wafer area is necessary in order to realize a certain electrical power with the thermal generator.
  • micromechanical component according to the invention and the method for producing a micromechanical component according to the independent claims has the advantage that the known disadvantages of the prior art are avoided or at least reduced and a relatively compact and inexpensive manufacturable micromechanical structure is possible. It is of particular importance that the vertical dimensions of the component, ie in particular the distance in the vertical direction (ie perpendicular to the main extension plane of the component) between the hot contacts and the cold thermal contacts significantly greater than in the prior art can be realized, so that a significantly greater output power at a given ambient temperature difference can be realized than according to the prior art.
  • each thermocouple has a first thermo leg and a second thermo leg, wherein at least one of the thermal legs has epitaxial polysilicon material. This makes it possible to realize a particularly low thermal conductivity in the material of the thermo leg.
  • thermo legs are provided doped, wherein the first thermo leg is doped with respect to the second thermo leg with an opposite charge carrier.
  • the thermal contacts are provided perpendicular to the main plane of extension between about 3 ⁇ m and about 300 ⁇ m, preferably between about 10 ⁇ m and about 100 ⁇ m, particularly preferably between about 25 ⁇ m and about 50 ⁇ m.
  • the first thermo leg is provided insulated with respect to the second thermo leg in the direction of the main extension plane of the substrate with an electrical insulation material, wherein the insulation material is preferably provided as oxide material.
  • thermocouples are provided surrounded by a frame.
  • Another object of the present invention is a method for producing a component according to the independent claim. Such a method is comparatively simple and quick to carry out and makes it possible to produce in a particularly easily controllable manner a thermocouple or a device according to the invention which combines a particularly high output power with a particularly compact construction.
  • FIG. 1 shows a schematic, perspective view of a micromechanical component according to the invention.
  • Figure 2 shows a plan view of a single thermocouple of the device according to the invention.
  • Figure 3 shows a schematic plan view of an arrangement of the micromechanical device together with pads or contact surfaces.
  • FIGS. 4 to 7 illustrate various precursor structures of the component according to the invention.
  • FIGS 8 and 9 illustrate two different embodiments of the device.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective view of a micromechanical component 10 according to the invention.
  • the Component 10 is particularly provided as a thermogenerator with a plurality of thermocouples.
  • Each of the thermocouples 20 comprises a first leg 23 and a second leg 24, which are made of at least differently doped material and have a thermoelectric voltage to each other. If a plurality of such thermocouples thermally connected in parallel but electrically connected in series, then there is an amplification of the thermoelectric effect.
  • each thermocouple 20 on two sides (in Figure 1 above or below), to each of which a thermal contact is provided. Accordingly, each of the thermocouples 20 has a hot thermal contact 21 and a cold thermal contact 22.
  • the thermo legs 23, 24 of the thermocouples 20 extend in a substantially columnar manner and perpendicular to a main extension plane of a substrate 12 or a substrate material 12, which is designated by the reference numeral 13.
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of a single thermocouple 20. Visible is the first thermo leg 23 and the second thermo leg 24, which are provided separated by a distance from each other to achieve electrical insulation.
  • FIG. 3 shows the plan view of a complete component 10.
  • the component 10 is in particular equipped such that it has a thermoelectric core 16 and that it further comprises pads 17 and contact surfaces 17.
  • a frame 15 is arranged, which reinforces the thermoelectric core, in particular mechanically.
  • FIG. 4 schematically shows a first precursor structure of the component 10 according to the invention.
  • a first insulating layer 29a is provided, after which a structured layer of conductive material, referred to as a buried layer 26, is deposited.
  • a second insulating layer 29b is arranged in a structured manner.
  • the material of the substrate 12 is in particular silicon material or generally a semiconductor material.
  • the first insulation layer 29a is in particular an oxide layer and in particular a silicon oxide layer.
  • At the second Insulation layer 29b is in particular a nitride layer and in particular a silicon nitride layer.
  • the buried layer 26 is in particular a polysilicon layer, which is applied for the lower contact between the thermo legs 23, 24 and is also referred to below as the buried polysilicon layer.
  • the second insulation layer 29b is opened where later the contact between the buried layer 26 and the first thermal leg 23 is made.
  • FIG. 5 schematically shows a second precursor structure of the component 10 according to the invention.
  • an epitaxial polysilicon material or generally a semiconductor material having a thickness of preferably 20 to 30 ⁇ m or even a greater thickness is deposited on the first precursor structure (FIG. 4).
  • the frame 15 and the first thermo leg is formed and structured below.
  • epitaxial polysilicon is used as the material for the first thermo leg 23, but any other semiconductor material, in particular silicon material, may also be used.
  • the advantage of a polysilicon material over monocrystalline silicon lies in the significantly lower thermal conductivity 30 W / Km.
  • the material of the first thermo leg 23 may either be n-doped or p-doped.
  • a third insulation layer 29c in particular an oxide material such as, for example, silicon oxide, is deposited for side wall passivation, in particular by means of a CVD method (Chemical Vapor Deposition method).
  • FIG. 6 schematically shows a third precursor structure of the component 10 according to the invention.
  • the oxide material of the third insulating layer 29c is opened at the bottom by an extremely anisotropic oxide etching process. Due to the high levels, a spray catcher is particularly suitable for photolithography.
  • the lower contact with the buried layer 26 for the second thermo leg (not yet shown in FIG. 6) is created. The process can be maskless because all nitride that should not be attacked is protected by an oxide.
  • the second insulating layer 29 b is a first access 27 to the buried layer 26th generated.
  • the upper contact hole for connecting the first and second thermo legs 23, 24 is opened by an oxide etching process. This creates a second access 28.
  • a spray coating process is also suitable for this oxide etching process.
  • FIG. 7 schematically shows a fourth precursor structure of the micromechanical component 10.
  • the second thermo leg 24 is realized by depositing and patterning a polysilicon material, for example by means of LPCVD deposition (Low Pressure Chemical Vapor Deposition).
  • the polysilicon material of the second thermo leg 24 may again be n- or p-doped, but advantageously has a different doping than the first thermo leg 23.
  • the polysilicon of the second thermo leg 24 fills the trenches and forms the second thermo leg 24.
  • the second thermo leg 24 does not necessarily have to be a polysilicon material, but any suitable semiconductor material, in particular silicon material , is usable.
  • the polysilicon material may be used as a lead (reference numeral 24 ') or as an upper contact (hot thermal contact 21 or cold thermal contact 22) between the thermo legs 23, 24.
  • a high doping of the polysilicon material of the second thermo leg 24 is therefore desirable. Due to the arrangement of the materials, a P-N thermo chain has been created.
  • a dielectric for example in oxide material, is deposited on the polysilicon material of the second thermo leg 24 as the fourth insulation layer 29d.
  • the fourth insulation layer 29d is opened and the polysilicon of the second thermo leg 24 for better bondability with a metal such. B. reinforced aluminum.
  • a metal such. B. reinforced aluminum.
  • the contact points 17 are provided on the upper side of the component, ie in the vicinity, for example, of the hot thermal contact 21.
  • an embodiment of the device 10 according to the invention is shown, in which the pads 17 are provided in the vicinity of the cold thermal contact 22 (ie, approximately in a plane with the lower connection between the thermo legs 23, 24).
  • the buried layer 26 is contacted with a terminal metallization.
  • the arrangement shown in Figure 8 is particularly suitable for a flip-chip mounting; In addition, a Drahtbondmontage is possible.
  • the material has to be removed in the area of the contact surfaces 17.
  • the high levels (of the frame 15 or the thermo leg) by the height of the columnar thermo legs 23, 24 make comparatively high demands on photolithography. Depending on the height of the entire structure, flip-chip mounting may still be possible.
  • thermogenerator which supplies a power of 20 ⁇ W at a voltage of 1 V.
  • a temperature difference of 2.5 K is available.
  • the internal resistance of the device must be 12.5 kg ⁇ at about 300 ⁇ V / K realistic Seebeck coefficient and 3 m ⁇ cm specific resistance for the polysilicon material pairing of the first and second thermo leg 23, 24, for example, 1400 thermocouples 20 are necessary, the z. B. in a 40x35 matrix can be arranged.
  • These thermo legs 23, 24 would then have an average side length of about 10 microns.
  • thermo leg 23 the side length of the epi-poly material (first thermo leg 23) in the component will be greater than the side length of the LPCVD polysilicon (second thermo leg).
  • first thermo leg 23 the side length of the epi-poly material in the component
  • second thermo leg the side length of the LPCVD polysilicon

Landscapes

  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

Es wird ein mikromechanisches Bauelement, insbesondere Thermogenerator, und ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements vorgeschlagen, wobei das Bauelement eine Mehrzahl von Thermoelementen und ein Substrat mit einer Haupterstreckungsebene aufweist, wobei jedes Thermoelement einen heißen Thermokontakt und einen kalten Thermokontakt aufweist, wobei die Thermokontakte senkrecht zur Haupterstreckungsebene säulenartig vorgesehen sind.

Description

Beschreibung
Titel
Mikromechanisches Bauelement, insbesondere Thermogenerator, und Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der Patentschrift DE 197 16 343 C2 ist eine Halbleiter-Thermoelementanordnung bekannt, bei der eine dotierte Schicht aus Polysilizium vorhanden ist, die bereichsweise abwechselnd für elektrische Leitfähigkeiten unterschiedlicher Vorzeichen dotiert ist und die als Schenkel eines Thermoelementes dient. Hierbei ist nachteilig, dass eine vergleichsweise große Waferfläche notwendig ist, um eine gewisse elektrische Leistung mit dem Thermogenerator zur realisieren.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement und das Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelementes gemäß den nebengeordneten Patentansprüchen hat demgegenüber den Vorteil, dass die bekannten Nachteile des Standes der Technik vermieden oder zumindest reduziert werden und eine vergleichsweise kompakte und kostengünstig herstellbare mikromechanische Struktur möglich ist. Hierbei ist insbesondere von Bedeutung, dass die vertikalen Ausmaße des Bauelements, d. h. insbesondere der Abstand in vertikaler Richtung (d. h. senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Bauelementes) zwischen den heißen Kontakten und den kalten Thermokontakten erheblich größer als gemäß dem Stand der Technik realisierbar ist, so dass eine erheblich größere Ausgangsleistung bei einer vorgegebenen Umgebungstemperaturdifferenz realisierbar ist als gemäß dem Stand der Technik. Die genannten Vorteile werden auch realisiert durch bzw. es ist gemäß der Erfindung bevorzugt ein Bauelement, bei dem jedes Thermoelement einen ersten Thermoschenkel und einen zweiten Thermoschenkel aufweist, wobei wenigstens einer der Thermoschenkel epitaktisches Polysiliziummaterial aufweist. Hierdurch ist es möglich, eine besonders geringe Wärmeleitfähigkeit in dem Material des Thermoschenkels zu realisieren.
Erfindungsgemäß ist ferner bevorzugt, dass die Thermoschenkel dotiert vorgesehen sind, wobei der erste Thermoschenkel gegenüber dem zweiten Thermoschenkel mit einer gegensätzlichen Ladungsträgerart dotiert ist. Dies hat den Vorteil, dass der thermoelektrische Effekt an dem mikromechanischen Bauelement besonders ausgeprägt ist und darüber hinaus das thermoelektrische Verhalten des Bauelementes durch eine Variation der Dotierung beeinflußbar ist.
Ferner ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Thermokontakte senkrecht zur Haupterstreckungsebene zwischen etwa 3 μm und etwa 300 μm beabstandet vorgesehen sind, bevorzugt zwischen etwa 10 μm und etwa 100 μm, besonders bevorzugt zwischen etwa 25 μm und etwa 50 μm. Hierdurch kann ein besonders großer thermoelektrischer Effekt erzielt werden, so dass die Ausgangsleistung des erfindungsgemäßen Bauelementes besonders groß sein kann bzw. bei gleicher Ausgangsleistung die Abmessung des Bauelementes klein sein kann und damit auch die Herstellungskosten minimiert sein können. Erfindungsgemäß ist weiterhin bevorzugt, dass der erste Thermoschenkel gegenüber dem zweiten Thermoschenkel in Richtung der Haupterstreckungsebene des Substrats mit einem elektrischen Isolationsmaterial isoliert vorgesehen ist, wobei das Isolationsmaterial bevorzugt als Oxidmaterial vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, eine hohe Stabilität des mikromechanischen Bauelementes mit einer guten Isolierung der Thermoschenkel zu kombinieren. Eine hohe Stabilität des Bauelementes wird dadurch erzielt, dass keine Hohlräume bzw. Kavitäten innerhalb des Bauelementes notwendig vorgesehen sind.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin bevorzugt, dass in der Haupterstreckungsebene des Substrats die Thermoelemente von einem Rahmen umgeben vorgesehen sind. Dies ermöglicht es eine besonders stabile Bauweise des erfindungsgemäßen Bauelementes zu realisieren, so dass insbesondere Spannungen bzw. Belastungen, die beispielsweise durch das Vereinzeln (etwa durch Sägen) der hergestellten Bauelemente in das Material eingebracht werden, keine negativen Auswirkungen haben. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes nach dem nebengeordneten Anspruch. Ein solches Verfahren ist vergleichsweise einfach und schnell durchzuführen und erlaubt es, in einer besonders gut kontrollierbaren Weise ein Thermoelement bzw. ein erfindungsgemäßes Bauelement herzustellen, welches eine besonders große Ausgangsleistung mit einer besonders kompakten Bauweise kombiniert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelementes.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf ein einzelnes Thermoelement des erfindungsgemäßen Bauelementes.
Figur 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung des mikromechanischen Bauelementes zusammen mit Anschlußflächen bzw. Kontaktflächen.
Figuren 4 bis 7 stellen verschiedene Vorläuferstrukturen des erfindungsgemäßen Bauelementes dar.
Figuren 8 und 9 stellen zwei verschiedene Ausführungsformen des Bauelementes dar.
Ausfϋhrungsform(en) der Erfindung
In Figur 1 ist eine schematische, perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen, mikromechanischen Bauelementes 10 dargestellt. Das Bauelement 10 ist insbesondere als ein Thermogenerator mit einer Vielzahl von Thermoelementen vorgesehen. Jedes der Thermoelemente 20 umfasst einen ersten Schenkel 23 und einen zweiten Schenkel 24, die aus zumindest unterschiedlich dotiertem Material hergestellt sind und gegeneinander eine Thermospannung aufweisen. Werden eine Vielzahl solcher Thermoelemente thermisch parallel aber elektrisch in Reihe geschaltet, so ergibt sich eine Verstärkung des thermoelektrischen Effekts. Hierzu weist jedes Thermoelement 20 zwei Seiten auf (in Figur 1 oben bzw. unten), an welchen jeweils ein Thermokontakt vorgesehen ist. Entsprechend weist jedes der Thermoelemente 20 einen heißen Thermokontakt 21 und einen kalten Thermokontakt 22 auf. Erkennbar ist aus Figur 1 ebenfalls, dass die Thermoschenkel 23, 24 der Thermoelemente 20 im wesentlichen säulenartig und senkrecht zu einer mit dem Bezugszeichen 13 bezeichneten Haupterstreckungs- ebene eines Substrates 12 bzw. eines Substratmaterials 12 sich erstrecken.
In Figur 2 ist eine schematische Draufsicht auf ein einzelnes Thermoelement 20 dargestellt. Erkennbar ist der erste Thermoschenkel 23 und der zweite Thermoschenkel 24, welche durch einen Abstand voneinander getrennt vorgesehen sind, um eine elektrische Isolierung zu erzielen.
In Figur 3 ist die Draufsicht auf ein komplettes Bauelement 10 dargestellt. Das Bauelement 10 ist insbesondere derart ausgestattet, dass es einen thermoelektrischen Kern 16 aufweist und dass es ferner Anschlußflächen 17 bzw. Kontaktflächen 17 aufweist. Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass um den thermoelektrischen Kern umlaufend ein Rahmen 15 angeordnet ist, der den thermoelektrischen Kern, insbesondere mechanisch, verstärkt.
In Figur 4 ist eine erste Vorläuferstruktur des erfindungsgemäßen Bauelementes 10 schematisch dargestellt. Auf dem Substrat 12 ist eine erste Isolationsschicht 29a vorgesehen, worauf eine strukturierte Schicht leitfähigen Materials abgeschieden ist, die als vergrabene Schicht 26 bezeichnet wird. Auf der vergrabenen Schicht 26 ist eine zweite Isolationsschicht 29b strukturiert angeordnet. Bei dem Material des Substrats 12 handelt es sich insbesondere um Siliziummaterial bzw. generell um ein Halbleitermaterial. Bei der ersten Isolationsschicht 29a handelt sich insbesondere um eine Oxidschicht und insbesondere um eine Siliziumsoxidschicht. Bei der zweiten Isolationsschicht 29b handelt es sich insbesondere um eine Nitridschicht und insbesondere um eine Siliziumnitritschicht. Bei der vergrabenen Schicht 26 handelt es sich insbesondere um eine Polysiliziumschicht, die für die untere Kontaktierung zwischen den Thermoschenkeln 23, 24 aufgebracht wird und im nachfolgenden auch als vergrabene Polysiliziumschicht bezeichnet wird. Die zweite Isolationsschicht 29b wird dort geöffnet, wo später der Kontakt zwischen der vergrabenen Schicht 26 und dem ersten Thermoschenkel 23 hergestellt wird.
In Figur 5 ist eine zweite Vorläuferstruktur des erfindungsgemäßen Bauelements 10 schematische dargestellt. Auf der ersten Vorläuferstruktur (Figur 4) wird ein epitaktisches Polysiliziummaterial bzw. generell ein Halbleitermaterial mit einer Dicke von bevorzugt 20 bis 30 μm oder auch einer größeren Dicke abgeschieden. Hieraus wird der Rahmen 15 und der erste Thermoschenkel gebildet und nachfolgend strukturiert. Bevorzugt wird als Material für den ersten Thermoschenkel 23 epitaktisches Polysilizium verwendet, es kann jedoch auch jedes andere Halbleitermaterial, insbesondere Siliziummaterial, verwendet werden. Der Vorteil eines Polysiliziummaterials gegenüber monokristallinem Silizium liegt in der deutlich geringeren Wärmeleitfähigkeit 30 W/Km. Hierbei kann das Material des ersten Thermoschenkels 23 entweder n-dotiert sein oder p-dotiert sein. Zur elektrischen Isolation des Materials des ersten Thermoschenkels 23 sowie des Rahmens 15 wird insbesondere mittels eines CVD-Verfahrens (Chemical Vapor Deposition-Verfahren) eine dritte Isolationsschicht 29c, insbesondere ein Oxidmaterial wie beispielsweise Siliziumoxid, zur Seitenwandpassivierung abgeschieden.
In Figur 6 ist eine dritte Vorläuferstruktur des erfindungsgemäßen Bauelementes 10 schematisch dargestellt. Zwischen den ersten Thermoschenkeln 23 wird das Oxidmaterial der dritten Isolationsschicht 29c durch eine äußerst anisotropen Oxidätzprozess am Boden geöffnet. Aufgrund der hohen Stufen eignet sich für die Photolithographie insbesondere ein Sprühbeiacker. Insbesondere mittels eines gegen Oxid selektiven Plasma-Nitridätzprozesses wird der untere Kontakt zur vergrabenen Schicht 26 für den zweiten Thermoschenkel (in Figur 6 noch nicht dargestellt) geschaffen. Der Prozess kann maskenlos erfolgen, da alles Nitrid, das nicht angegriffen werden soll, durch ein Oxid geschützt ist. Durch diese Ätzung der zweiten Isolationsschicht 29 b wird ein erster Zugang 27 zur vergrabenen Schicht 26 erzeugt. Weiterhin wird durch eine Oxidätzprozess das obere Kontaktloch zur Verbindung von erstem und zweitem Thermoschenkel 23, 24 geöffnet. Hierdurch entsteht ein zweiter Zugang 28. Auch für diesen Oxidätzprozess eignet sich besonders ein Sprühbelackungsverfahren.
In Figur 7 ist eine vierte Vorläuferstruktur des mikromechanischen Bauelementes 10 schematisch dargestellt. Hierbei ist der zweite Thermoschenkel 24 dadurch realisiert, dass ein Polysiliziummaterial beispielsweise mittels LPCVD-Abscheidung (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) abgeschieden und strukturiert wird. Das Polysiliziummaterial des zweiten Thermoschenkels 24 kann wiederum n- oder p- dotiert sein, weist jedoch vorteilhafterweise eine andere Dotierung als der erste Thermoschenkel 23 auf. Zwischen den ersten Thermoschenkeln 23 füllt das Polysilizium des zweiten Thermoschenkels 24 die Gräben auf und bildet den zweiten Thermoschenkel 24. Es ist klar, dass es sich auch bei dem zweiten Thermoschenkel 24 nicht zwingend um ein Polysiliziummaterial handeln muss, sonder jedes geeignete Halbleitermaterial, insbesondere Siliziummaterial, verwendbar ist. An allen anderen Positionen kann das Polysiliziummaterial als Zuleitung (Bezugszeichen 24') oder als oberer Kontakt (heißer Thermokontakt 21 bzw. kalter Thermokontakt 22) zwischen den Thermoschenkeln 23, 24 verwendet werden. Eine hohe Dotierung des Polysiliziummaterials des zweiten Thermoschenkels 24 ist also wünschenswert. Durch die Anordnung der Materialien ist damit eine P-N-Thermokette entstanden. Zum Schutz und zur elektrischen Isolierung wird auf dem Polysiliziummaterial des zweiten Thermoschenkels 24 ein Dielektrikum, beispielsweise in Oxidmaterial als vierte Isolationsschicht 29d abgeschieden.
Im Bereich der späteren Kontaktpads bzw. Kontaktflächen (vgl. Figur 3, Bezugszeichen 17) wird die vierte Isolationsschicht 29d geöffnet und das Polysilizium des zweiten Thermoschenkels 24 zur besseren Bondbarkeit mit einem Metall wie z. B. Aluminium verstärkt. Dies ist in Figur 8 dargestellt. Figur 8 stellt daher ausschnittsweise ein Thermoelement 20 des fertigen mikromechanischen Bauelementes 10 dar. Hierbei sind die Kontaktstellen 17 (insbesondere mit einer Metallisierung versehen) auf der Oberseite des Bauelementes vorgesehen, d. h. in der Nähe beispielsweise des heißen Thermokontaktes 21. In Figur 9 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelementes 10 dargestellt, bei der die Anschlußflächen 17 in der Nähe des kalten Thermokontaktes 22 vorgesehen sind (d. h. etwa in einer Ebene mit der unteren Verbindung zwischen den Thermoschenkeln 23, 24). Hierzu wird die vergrabene Schicht 26 mit einer Anschlußmetallisierung kontaktiert.
Die in Figur 8 dargestellte Anordnung ist insbesondere für eine Flip-Chip-Montage geeignet; daneben ist auch eine Drahtbondmontage möglich. Bei der zweiten Ausführungsform gemäß Figur 9 muss das Material im Bereich der Kontaktflächen 17 entfernt werde. Die hohen Stufen (des Rahmens 15 bzw. der Thermoschenkel) durch die Höhe der säulenförmig vorgesehenen Thermoschenkel 23, 24 stellen vergleichsweise hohe Anforderungen an die Photolithographie. Ein Flip-Chip- Montage ist je nach Höhe des gesamten Aufbaus unter Umständen noch möglich.
Beispielhaft kann mittels des erfindungsgemäßen Bauelementes 10 ein Thermogenerator realisiert werden, der eine Leistung von 20 μW bei einer Spannung von 1 V liefert. Es steht beispielsweise eine Temperaturdifferenz von 2,5 K zur Verfügung. Bei Leistungsanpassung muss der Innenwiderstand des Bauelementes 12,5 kgΩ betragen bei ca. 300 μV/K realistischem Seebeck-Koeffizient und 3 mΩcm spezifischem Widerstand für die Polysiliziummaterialpaarung des ersten und zweiten Thermoschenkels 23, 24 sind beispielsweise 1400 Thermoelemente 20 notwendig, die z. B. in einer 40x35 Matrix angeordnet werden können. Diese Thermoschenkel 23, 24 hätten dann im Durchschnitt eine Seitenlänge von ca. 10 μm. Technologiebedingt wird aber im Bauelement die Seitenlänge des Epi-Polymaterials (erster Thermoschenkel 23) größer sein als die Seitenlänge des LPCVD- Polysiliziums (zweiter Thermoschenkel). Bei 10 μm durchschnittlichem Abstand zwischen den Thermoschenkeln 23, 24 (vgl. Figur 2) ergibt sich eine Größe für den thermoelektrischen Kern 16 von ca. 1 ,6 mm x 0,7 mm. Das gesamt Bauelement könnte daher mit einer Größe von beispielsweise 2,5 mm x 1 ,1 mm ausgebildet sein.

Claims

Ansprüche
1. Mikromechanisches Bauelement (10), insbesondere Thermogenerator, mit einer Mehrzahl von Thermoelementen (20) und mit einem Substrat (12) mit einer Haupterstreckungsebene (13), wobei jedes Thermoelement (20) einen heißen Thermokontakt (21 ) und einen kalten Thermokontakt (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermokontakte (21 , 22) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (13) säulenartig vorgesehen sind.
2. Bauelement (10) nach Anspruch 1 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jedes Thermoelement (20) einen ersten Thermoschenkel (23) und einen zweiten Thermoschenkel (24) aufweist, wobei wenigstens ein Thermoschenkel (23, 24) epitaktisches Polysiliziummaterial aufweist.
3. Bauelement (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoschenkel (23, 24) dotiert vorgesehen sind, wobei der erste Thermoschenkel (23) gegenüber dem zweiten Thermoschenkel (24) mit einer gegensätzlichen Ladungsträgerart dotiert ist.
4. Bauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermokontakte (21 , 22) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (13) zwischen etwa 3μm und etwa 300μm beabstandet vorgesehen sind, bevorzugt zwischen etwa 10μm und etwa 100μm, besonders bevorzugt zwischen etwa 25μm und etwa 50μm.
5. Bauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Thermoschenkel (23) gegenüber dem zweiten Thermoschenkel (24) in Richtung der Haupterstreckungsebene (13) des Substrats (12) mit einem elektrischen Isolationsmaterial (25) isoliert vorgesehen ist, wobei das Isolationsmaterial (25) bevorzugt als Oxidmaterial vorgesehen ist.
6. Bauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Haupterstreckungsebene (13) des Substrats (12) die Thermoelemente (20) von einem Rahmen (15) umgeben vorgesehen sind.
7. Verfahren zur Herstellung eines Bauelements (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt eine vergrabene Schicht (26) auf dem Substrat (12) erzeugt wird, dass in einem zweiten Schritt das Material des ersten Thermoschenkels (23) strukturiert abgeschieden wird, dass in einem dritten Schritt das Isolationsmaterial (25) abgeschieden wird und ein erster Zugang (27) zur vergrabenen Schicht (26) sowie ein zweiter Zugang (28) zum ersten Thermoschenkel (23) erzeugt wird und dass in einem vierten Schritt das Material des zweiten Thermoschenkels (24) strukturiert abgeschieden wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des ersten Thermoschenkels (23) als epitaktisches Polysilizium aufgebracht wird und dass das Material des zweiten Thermoschenkels (24) als LPCVD- Polysilizium (low pressure chemical vapour deposition) aufgebracht wird.
PCT/EP2007/052791 2006-04-03 2007-03-23 Mikromechanisches bauelement, insbesondere thermogenerator, und verfahren zur herstellung eines bauelementes WO2007113133A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006015492A DE102006015492A1 (de) 2006-04-03 2006-04-03 Mikromechanisches Bauelement, insbesondere Thermogenerator, und Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes
DE102006015492.4 2006-04-03

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2007113133A2 true WO2007113133A2 (de) 2007-10-11
WO2007113133A3 WO2007113133A3 (de) 2008-06-12

Family

ID=38134762

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2007/052791 WO2007113133A2 (de) 2006-04-03 2007-03-23 Mikromechanisches bauelement, insbesondere thermogenerator, und verfahren zur herstellung eines bauelementes

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102006015492A1 (de)
WO (1) WO2007113133A2 (de)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2304818B1 (de) 2008-07-16 2012-05-30 Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung E.V. Thermoelektrisches bauelement und verfahren zu seiner herstellung
DE102016217419A1 (de) 2016-09-13 2018-03-15 Leibniz-Institut Für Festkörper-Und Werkstoffforschung Dresden E.V. Elektrolyte für die elektrochemische Abscheidung von thermoelektrischen Materialien
DE102017214638B4 (de) * 2017-08-22 2021-12-02 Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Mikro-Bauelementen und dreidimensionale Mikro-Bauelemente
EP3913681A3 (de) * 2020-05-18 2022-03-16 STMicroelectronics S.r.l. Verfahren zur herstellung eines integrierten thermoelektrischen wandlers und so erhaltener integrierter thermoelektrischer wandler
US11696504B2 (en) 2020-05-18 2023-07-04 Stmicroelectronics S.R.L. Method of fabrication of an integrated thermoelectric converter, and integrated thermoelectric converter thus obtained
IT202100024386A1 (it) * 2021-09-22 2023-03-22 St Microelectronics Srl Sensore termico integrato e relativo processo di fabbricazione

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19716343A1 (de) * 1997-04-18 1998-10-22 Siemens Ag Elektrische Spannungsquelle für Halbleiterbauelemente
DE10004390A1 (de) * 2000-02-02 2001-08-16 Infineon Technologies Ag Thermoelektrischer Generator
EP1612870A1 (de) * 2004-07-01 2006-01-04 Interuniversitair Microelektronica Centrum Vzw Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Generators und thermoelektrischer Generator dadurch erhalten
US20060102223A1 (en) * 2004-11-12 2006-05-18 Chen Howard H Integrated thermoelectric cooling devices and methods for fabricating same
EP1840980A1 (de) * 2006-03-31 2007-10-03 STMicroelectronics S.r.l. Struktur mit auf einem Halbleitersubstrat integrierten Peltierelement sowie Verfahren zur Herstellung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19716343A1 (de) * 1997-04-18 1998-10-22 Siemens Ag Elektrische Spannungsquelle für Halbleiterbauelemente
DE10004390A1 (de) * 2000-02-02 2001-08-16 Infineon Technologies Ag Thermoelektrischer Generator
EP1612870A1 (de) * 2004-07-01 2006-01-04 Interuniversitair Microelektronica Centrum Vzw Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Generators und thermoelektrischer Generator dadurch erhalten
US20060102223A1 (en) * 2004-11-12 2006-05-18 Chen Howard H Integrated thermoelectric cooling devices and methods for fabricating same
EP1840980A1 (de) * 2006-03-31 2007-10-03 STMicroelectronics S.r.l. Struktur mit auf einem Halbleitersubstrat integrierten Peltierelement sowie Verfahren zur Herstellung

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BOTTNER H ET AL: "New Thermoelectric Components Using Microsystem Technologies" JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, US, Bd. 13, Nr. 3, Juni 2004 (2004-06), Seiten 414-420, XP011113562 ISSN: 1057-7157 *
JACQUOT A ET AL: "Fabrication and modeling of an in-plane thermoelectric micro-generstor" THERMOELECTRICS, 2002. PROCEEDINGS ICT '02. TWENTY-FIRST INTERNATIONAL CONFERENCE ON AUG. 25-29, 2002, PISCATAWAY, NJ, USA,IEEE, 25. August 2002 (2002-08-25), Seiten 561-564, XP010637545 ISBN: 0-7803-7683-8 *
KAVIANY M ET AL: "Fabrication and Measured Performance of a First-Generation Microthermoelectric Cooler" JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, US, Bd. 14, Nr. 5, Oktober 2005 (2005-10), Seiten 1110-1117, XP011140178 ISSN: 1057-7157 *
RYAN M A ET AL: "Where there is heat, there is a way: thermal to electric power conversion using thermoelectric microconverters" ELECTROCHEMICAL SOCIETY INTERFACE, THE SOCIETY, PENNINGTON, NJ, US, Bd. 11, Nr. 2, Juni 2002 (2002-06), Seiten 30-33, XP002308968 ISSN: 1064-8208 *
TORIYAMA T ET AL: "Thermoelectric micro power generator utilizing self-standing polysilicon-metal thermopile" PROCEEDINGS OF THE IEEE 14TH. ANNUAL INTERNATIONAL CONFERENCE ON MICROELECTRO MECHANICAL SYSTEMS. MEMS 2001. INTERLAKEN, SWITZERLAND, JAN. 21 - 25, 2001, IEEE INTERNATIONAL MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS CONFERENCE, NEW YORK, NY : IEEE, US, Bd. CONF. 14, 21. Januar 2001 (2001-01-21), Seiten 562-565, XP010534672 ISBN: 0-7803-5998-4 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2007113133A3 (de) 2008-06-12
DE102006015492A1 (de) 2007-10-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19854269B4 (de) Dünnschichtsolarzellenanordnung sowie Verfahren zur Herstellung derselben
DE102011088581B4 (de) Verfahren zur Herstellung von Gehäuseverbindungen und damit hergestelltes Bauelement
DE102013108987B4 (de) Halbleitervorrichtung und Verfahren zum Ausbilden einer Halbleitervorrichtung
EP1891673B1 (de) Photodiode mit integrierter halbleiterschaltung und verfahren zur herstellung
DE102014115653B4 (de) Verfahren zum herstellen elektronischer komponenten mit elektrisch leitfähigem rahmen auf einem substrat zum aufnehmen von elektronischen chips
DE4341271B4 (de) Beschleunigungssensor aus kristallinem Material und Verfahren zur Herstellung dieses Beschleunigungssensors
DE102012104270B4 (de) Halbleiterkomponente, Halbleiterkomponentenanordnung und Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterkomponente
DE112010002834B4 (de) Thermoelektrische Vorrichtungen
WO2007113133A2 (de) Mikromechanisches bauelement, insbesondere thermogenerator, und verfahren zur herstellung eines bauelementes
DE102006052202B3 (de) Halbleiterbauelement sowie Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements
DE19845104A1 (de) Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Wandlers
DE102013211553A1 (de) Monitorstrukturen und verfahren zu ihrer bildung
DE112014002623B4 (de) Optoelektronisches Bauteil und Herstellungsverfahren hierfür
DE102014115174A1 (de) Halbleitervorrichtung mit einer korrosionsbeständigen metallisierung und verfahren zu ihrer herstellung
DE102008054481B4 (de) Sensor und Verfahren zu dessen Herstellung
DE10004390C2 (de) Thermoelektrischer Generator und Verfahren zu seiner Herstellung
WO2006066690A1 (de) Bauelement mit halbleiterübergang und verfahren zur herstellung
DE19932308A1 (de) Sensor, insbesondere Thermosensor, und Verfahren zur Herstellung einer weitgehend freitragenden Membran
DE10038891B4 (de) Thermoelement, elektronisches Gerät mit Thermoelement und Verfahren zum Herstellen eines Thermoelements
DE102011010362B4 (de) Halbleiterbauelement mit Durchkontaktierung und Herstellungsverfahren
WO2009133510A1 (en) Method of manufacturing a capacitor on a nanowire and integrated circuit having such a capacitor
DE102020120002B4 (de) Wärmeableitung in halbleitervorrichtungen
DE102005026301B3 (de) Verfahren zum Herstellen eines Metall- Halbleiter-Kontakts bei Halbleiterbauelementen
DE102013100025B4 (de) Halbleiterbauelement mit darin integriertem Kondensator und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102011052489B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur und Halbleiterstruktur

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 07727265

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 07727265

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2