WO2018230199A1 - 熱電モジュール - Google Patents

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WO2018230199A1
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surface side
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notch
side electrode
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駿介 櫛引
真人 堀越
大久保　英明
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株式会社Kelk
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    • H01L31/0508—Electrical interconnection means between PV cells inside the PV module, e.g. series connection of PV cells specially adapted for series or parallel connection of solar cells in a module the interconnection means having a particular shape

Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric module.
  • thermoelectric module an electrode is joined to an end face of a thermoelectric element, and adjacent thermoelectric elements are electrically connected to each other by this electrode.
  • a thermoelectric module is described in Patent Document 1, for example.
  • Patent Document 1 proposes a thermoelectric module that can prevent concentration of thermal stress at the four corners of the end face of the thermoelectric element while increasing the area of the electrode joined to the end face of the thermoelectric element.
  • Patent Document 1 As described in the above-mentioned Patent Document 1, when a current is passed through the thermoelectric module, an endothermic phenomenon occurs on one surface of the module to cool the electrode, and a heat dissipation phenomenon occurs on the other surface. As a result, the electrode is heated.
  • Patent Document 1 it is proposed to prevent concentration of thermal stress by disposing electrodes spaced from four corners of the end face of the thermoelectric element on the heat absorption side.
  • Patent Document 1 only proposes a technique for preventing thermal stress concentration at the four corners of the end face when the thermoelectric element has a rectangular end face, and proposes a technique for dealing with other thermal stresses. I don't mean. For example, a technique for dealing with thermal stress caused by thermal expansion of an electrode heated on the heat radiation side of a thermoelectric module has not been proposed in the conventional techniques including Patent Document 1.
  • thermoelectric module that can reduce the stress generated at the joint between the thermoelectric element and the electrode due to thermal expansion of the electrode.
  • the thermoelectric module of the present invention has first and second thermoelectric elements and a plate-like main body, and the first surface of the main body is the first end surface of the first thermoelectric element and the second A first electrode joined to a first end face of the first thermoelectric element to electrically connect the first and second thermoelectric elements to each other, and a side opposite to the first end face of the first thermoelectric element A second electrode joined to the second end face of the second thermoelectric element, and a third electrode joined to the second end face opposite to the first end face of the second thermoelectric element,
  • One electrode includes a first notch formed on a first side in the width direction corresponding to a longitudinal direction connecting the centers of the first and second thermoelectric elements, and a second in the width direction.
  • a second notch formed on the side, between the first side and the second side of the first electrode in the width direction. Between characterized in that at least one of said first notch or said second notch portion is formed.
  • the thermal stress generated by the thermal expansion of the electrode is absorbed by the deformation in the notch portions formed on both sides in the width direction of the electrode, the stress generated at the junction between the thermoelectric element and the electrode is reduced. be able to.
  • produces in an upper surface side electrode.
  • FIG. 1 is a view showing a plasma processing apparatus 100 including a thermoelectric module 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the plasma processing apparatus 100 includes a thermoelectric module 10, a chamber 101, a plasma electrode 102, a high frequency oscillator 103, an electrostatic chuck 104, and a water cooling plate 105.
  • the silicon wafer 110 is attracted by the electrostatic chuck 104 inside the chamber 101.
  • the plasma electrode 102 is disposed so as to face the silicon wafer 110 adsorbed by the electrostatic chuck 104 inside the chamber 101.
  • the electrostatic chuck 104 adsorbs the silicon wafer 110 on the upper surface (the surface facing upward in the drawing; the same applies to the terms of the upper surface and the lower surface).
  • the thermoelectric module 10 and the water cooling plate 105 are disposed on the lower surface of the electrostatic chuck 104.
  • a pipe 105A is formed in the water cooling plate 105, and a cooling fluid is circulated in the pipe 105A.
  • the thermoelectric module 10 is disposed between the electrostatic chuck 104 and the water cooling plate 105, and includes a thermoelectric element 1, an electrode 2, and a polyimide film 3.
  • the thermoelectric element 1 includes P-type thermoelectric elements 1P and N-type thermoelectric elements 1N that are alternately arranged with both end faces facing the upper and lower surfaces of the thermoelectric module 10, respectively. By joining the electrodes 2 to the end faces of the P-type thermoelectric element 1P and the N-type thermoelectric element 1N, the P-type thermoelectric element 1P and the N-type thermoelectric element 1N are electrically connected to each other.
  • the electrode 2 includes an upper surface side electrode 21 disposed on the upper surface side of the thermoelectric module 10 and a lower surface side electrode 22 disposed on the lower surface side.
  • the first electrode is described as the upper surface side electrode 21 and the second and third electrodes are described as the lower surface side electrode 22 based on the arrangement of the plasma processing apparatus 100 as shown in FIG.
  • the arrangement of the thermoelectric module 10 may be reversed with respect to the example of FIG. 1, and the first electrode may be a lower surface side electrode and the second and third electrodes may be upper surface side electrodes.
  • thermoelectric module 10 may be arranged such that the first electrode and the second and third electrodes are not located on both sides in the vertical direction, but are located on both sides in the lateral direction or oblique direction.
  • the polyimide film 3 is disposed on the upper surface side of the thermoelectric module 10, and the upper surface side electrode 21 is bonded to the polyimide film 3. Since polyimide is a material that easily deforms, the upper surface side electrode 21 can thermally expand while deforming the polyimide film 3.
  • the lower surface side electrode 22 is fixed to the substrate on the lower surface side of the thermoelectric module 10.
  • the P-type thermoelectric element 1P and the N-type thermoelectric element 1N are alternately connected by electrically connecting the P-type thermoelectric element 1P and the N-type thermoelectric element 1N in which the upper surface side electrode 21 and the lower surface side electrode 22 are different from each other.
  • a series circuit is formed.
  • current can be supplied to the circuit to cause an endothermic phenomenon at the upper surface side electrode 21 and a heat radiation phenomenon at the lower surface side electrode 22.
  • the heat dissipation phenomenon can be caused by the upper surface side electrode 21 and the heat absorption phenomenon can be caused by the lower surface side electrode 22.
  • the temperature of the silicon wafer 110 adsorbed on the electrostatic chuck 104 can be controlled by causing the heat absorption phenomenon and the heat radiation phenomenon.
  • a reactive gas for generating plasma is introduced from the inlet 101 ⁇ / b> A of the chamber 101, and a high frequency is applied to the plasma electrode 102 by the high frequency oscillator 103. As a result, plasma is generated.
  • the silicon wafer 110 is subjected to processing such as etching. Thereafter, the reactive gas is discharged from the outlet 101B of the chamber 101 by evacuation.
  • the temperature of the silicon wafer 110 adsorbed on the electrostatic chuck 104 is controlled to the target temperature by causing the endothermic phenomenon and the heat dissipation phenomenon in the thermoelectric module 10 as described above.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a planar arrangement of the upper surface side electrode 21 in the thermoelectric module 10 according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 partially shows a planar arrangement of the upper surface side electrode 21 when the thermoelectric module 10 shown in FIG. In FIG. 2, illustration of the thermoelectric element 1 and the lower surface side electrode 22 is omitted.
  • the upper surface side electrodes 21 are arranged two-dimensionally.
  • Each upper surface side electrode 21 has a plate-shaped main body 211. As will be described later, the body portion 211 is formed with one notch portion 213 on each side in the width direction.
  • FIG. 3 is an enlarged view showing the shape of the upper surface side electrode 21 shown in FIG. FIG. 3 also shows a P-type thermoelectric element 1P and an N-type thermoelectric element 1N joined to the upper surface side electrode 21.
  • the upper surface side electrode 21 is the first in the width direction D 2 corresponding to the longitudinal direction D 1.
  • the a slit-shaped cutout portion 213A is formed on the side 211A, and a slit-shaped notch 213B formed in the second side 211B in the width direction D 2.
  • notch 213A, 213B are both extend to the center line CL in the width direction D 2 of the upper side electrode 21 (same as the line indicating the longitudinal D 1). That is, the width direction D 2, the section S 1 between the first side 211A of the upper surface electrode 21 and the second side 211B, at least one notch 213A or notch 213B is formed. Further, in the example shown, the width direction D 2, a portion of the section S 2 between the first side 211A of the upper surface electrode 21 and the second side 211B is notch 213A and the notch 213B Both are formed.
  • FIG. 4 is a diagram showing a state in which thermal stress ST is generated in the upper surface side electrode 21 shown in FIG. In the side views of FIG. 4 (b) and FIG. 5 (b), it protrudes from the lower surface of the main body 211 of the upper surface side electrode 21 and is joined to the upper end surfaces of the P-type thermoelectric element 1P and the N-type thermoelectric element 1N, respectively.
  • a pair of pedestals 212 is shown.
  • 4B and 5B, the bottom surface electrode 22A bonded to the lower end surface of the P-type thermoelectric element 1P and the lower surface bonded to the lower end surface of the N-type thermoelectric element 1N are shown.
  • a side electrode 22B is also shown.
  • the lower surface side electrodes 22A and 22B have a main body portion 221 and a pedestal 222 similar to the main body portion 211 and the pedestal 212 of the upper surface side electrode 21.
  • the lower surface side electrode 22A is also joined to an N type thermoelectric element different from the illustrated N type thermoelectric element 1N, and the lower surface side electrode 22B is P different from the illustrated P type thermoelectric element 1P. It is also bonded to the thermoelectric element.
  • the temperature of the silicon wafer 110 is controlled to the target temperature by causing an endothermic phenomenon or a heat dissipation phenomenon in the upper surface side electrode 21.
  • the upper surface side electrode 21 since heat is exchanged between the silicon wafer 110 and the upper surface side electrode 21 via the electrostatic chuck 104 and the polyimide film 3, the upper surface side electrode 21 also becomes high if the above target temperature is high. .
  • the P-type thermoelectric element 1P and the N-type thermoelectric element 1N joined to the upper surface side electrode 21 are mechanically constrained by being fixed to the substrate via the lower surface side electrode 22, respectively. Therefore, the thermal stress ST is generated in the portion of the upper surface side electrode 21 located between the P-type thermoelectric element 1P and the N-type thermoelectric element 1N.
  • the main body portion 211 is formed even when the P-type thermoelectric element 1P and the N-type thermoelectric element 1N are constrained by the deformation of the notches 213A and 213B.
  • the thermal expansion of is difficult to be inhibited.
  • the generated thermal stress ST is reduced.
  • FIG. 5 is a diagram showing a state in which thermal stress ST is generated when notches 213A and 213B are not formed in the upper surface side electrode 21 as a comparative example to the example of FIG.
  • the body portion 211 of the upper surface electrode 21 is thermally expanded along the arrow TE 2 illustrated, the thermal expansion by P-type thermoelectric elements 1P and N-type thermoelectric element 1N is mechanically constrained Be inhibited.
  • a large thermal stress ST is generated in the upper surface side electrode 21 located between the P-type thermoelectric element 1P and the N-type thermoelectric element 1N.
  • the upper surface side electrode 21 is deformed into an arch shape having a height near the center in the longitudinal direction.
  • the joint P1 between the pedestal 212 of the upper surface side electrode 21 and the upper end surface of the thermoelectric element 1, and the joint portion P2 between the pedestal 222 of the lower surface side electrodes 22A and 22B and the lower end surface of the thermoelectric element 1 are obtained.
  • a large stress combined stress of tensile stress and shear stress
  • a change in stress of the upper surface side electrode 21 due to the formation of the notches 213A and 213B as described above was verified by numerical analysis. Specifically, a notch 213A having a width of 0.3 mm is formed on the upper electrode 21 having a length of 8 mm, a width of 2.9 mm, and a thickness of 0.6 mm (the main body 211 is 0.4 mm and the base 212 is 0.2 mm).
  • 213B when the temperature of the upper surface side electrode 21 is fixed at 60 ° C. and the temperature of the upper surface side electrode 21 is vibrated between 60 ° C. and 120 ° C., the base 212 of the upper surface side electrode 21 is formed. And the amplitude of the stress generated at the joint between the thermoelectric element 1 and the end face of the thermoelectric element 1 (joint P2 shown in FIG. 5).
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the definition of the depth d and the angle ⁇ of the slit-like cutouts 213A and 213B formed in the upper surface side electrode 21 in the embodiment of the present invention.
  • notch 213A, the depth d of the 213B is in the widthwise direction D 2 of the upper surface electrode 21, the center line CL and the notch portion 213A, the distance between the tip of 213B.
  • the depth d when the tips of the notches 213A and 213B have just reached the center line CL is 0, and d> 0 when the tips of the notches 213A and 213B extend beyond the center line CL.
  • d ⁇ 0.
  • the notches 213A and 213B are assumed to have the same depth d.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the depth d of the slit-shaped notches 213A and 213B defined as shown in FIG. 6 and the stress generated in the upper surface side electrode 21. As shown in FIG. In the analysis regarding the depth d, the angle ⁇ of the notches 213A and 213B was set to 20 °. As shown in the graph of FIG.
  • thermoelectric element 1 in the case of d ⁇ 0, i.e., notch 213A between the first side 211A of the upper side electrode 21 when viewed in the width direction D 2 to the second side 211B
  • the cutout portion 213A, the angle ⁇ of 213B, the width direction D 2 of the upper side electrode 21, notch 213A, which is the angle between the direction 213B extend.
  • Notch 213A, in the direction 213B is inclined with respect to the width direction D 2 and longitudinal D 1, when extending facing each other, the angle theta> 0.
  • the notches 213A and 213B approach each other as they approach the center line CL.
  • the cutout portion 213A, in the direction 213B is inclined with respect to the width direction D 2 and longitudinal D 1, if extending back to back with each other, the angle ⁇ becomes ⁇ 0.
  • the notches 213A and 213B extend backward from each other, the notches 213A and 213B are separated from each other as they approach the center line CL.
  • the notches 213A and 213B are assumed to extend substantially in parallel, that is, at substantially the same angle ⁇ .
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the angle ⁇ of the slit-shaped notches 213A and 213B defined as shown in FIG. 6 and the stress generated in the upper surface side electrode 21. As shown in FIG. In the analysis regarding the angle ⁇ , the depth d of the notches 213A and 213B was set to 0.18 mm. As shown in the graph of FIG.
  • thermoelectric element 1 if the theta ⁇ 0, i.e., notch 213A, if 213B Do extending perpendicularly to the longitudinal direction D 1, or extend back toward one another, the upper surface electrodes 21
  • notch 213A, 213B is, in a direction inclined with respect to the longitudinal direction D 1 of the upper surface electrode 21, may extend to face each other, the thermoelectric element 1 by thermal expansion of the top-side electrode 21 This is effective for reducing the stress generated at the joint between the electrode 2 and the electrode 2.
  • the upper surface side electrode 21 has a function of electrically connecting the P-type thermoelectric element 1 ⁇ / b> P and the N-type thermoelectric element 1 ⁇ / b> N and transmitting heat between the polyimide film 3 and the thermoelectric element 1.
  • the upper surface side electrode 21 does not come into contact with the polyimide film 3 in the portion where the notches 213A and 213B are formed as described above, the larger the area occupied by the notches 213A and 213B, the larger the heat that the upper surface side electrode 21 can transfer. The amount decreases.
  • the electrical resistance between the P-type thermoelectric element 1P and the N-type thermoelectric element 1N increases as the area occupied by the notches 213A and 213B increases. To do.
  • the ratio of the total area of 213B (Ss) (Ss) It is desirable to determine the shapes of the notches 213A and 213B so that / Sd) is equal to or less than a predetermined value.
  • the notches 213A and 213B with respect to the area (Sd) of the upper surface side electrode 21 are used. It is desirable that the ratio (Ss / Sd) of the total area (Ss) is less than 0.33 (1/3). For example, the ratio (Ss / Sd) of the total area (Ss) of the notches 213A and 213B to the area (Sd) of the upper surface side electrode 21 shown in FIG. 3 is 0.18.
  • thermoelectric module 10 According to the embodiment of the present invention as described above, it is possible to reduce the stress generated at the joint between the thermoelectric element 1 and the electrode 2 due to the thermal expansion of the upper surface side electrode 21 of the thermoelectric module 10.
  • the upper surface side electrode 21 is bonded to the polyimide film 3 and the lower surface side electrode 22 is fixed to the lower surface side substrate of the thermoelectric module 10, but in other embodiments, the lower surface side The electrode 22 may also be bonded to the substrate via a polyimide film.
  • the lower surface side electrode 22 can also be expanded while deforming the polyimide film, by forming a notch similar to the upper surface side electrode 21 on the lower surface side electrode 22, The stress generated at the joint with the electrode 2 can be reduced.
  • the notch may be formed in both the upper surface side electrode 21 and the lower surface side electrode 22, or may be formed only in the lower surface side electrode 22.
  • each of the one notch 213A of the first side 211A and second side 211B in the width direction D 2 of the upper side electrode 21, but 213B are formed, a first side 211A A plurality of notches may be formed on each of the second side 211B.
  • the notches 213A and 213B formed in the upper surface side electrode 21 have the same depth d. However, in other embodiments, the notches 213A and 213B have different depths. It may be formed with a height d. Similarly, in the above embodiment, the notches 213A and 213B extend at substantially the same angle ⁇ , but in other embodiments, the notch 213A and the notch 213B may extend at different angles ⁇ .
  • the shape of the cutout portion is It does not necessarily have to be a linear slit shape.
  • the notch may be a slit or a slit including a bent portion.
  • the area closer to the first side 211A and the second side 211B is secured after securing an area other than the notch portion of the electrode. You may form the V-shaped notch part which becomes wide.
  • the present invention may adopt other structures or the like as long as the object of the present invention can be achieved.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Plasma processing apparatus, 10 ... Thermoelectric module, 1 ... Thermoelectric element, 2 ... Electrode, 21 ... Upper surface side electrode, 22 ... Lower surface side electrode, 3 ... Polyimide film, 211A ... First side, 211B ... Second side , 213A ... notch, 213B ... notch, D 1 ... longitudinal, D 2 ... width direction.

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Abstract

本発明の熱電モジュール（１０）は、第１および第２の熱電素子（１Ｐ，１Ｎ）と、板状の本体部（２１１）を有し、本体部（２１１）の第１の面に第１の熱電素子（１Ｐ）の第１の端面および第２の熱電素子（１Ｎ）の第１の端面に接合される第１の電極（２１）と、第１の熱電素子（１Ｐ）の第２の端面に接合される第２の電極（２２Ａ）と、第２の熱電素子（１Ｎ）の第２の端面に接合される第３の電極（２２Ｂ）とを備え、第１の電極（２１）は、幅方向（Ｄ２）の第１の側（２１１Ａ）に形成される第１の切欠部（２１３Ａ）と、幅方向（Ｄ２）の第２の側（２１１Ｂ）に形成される第２の切欠部（２１３Ｂ）とを有し、幅方向（Ｄ２）について、第１の電極（２１）の第１の側（２１１Ａ）と第２の側（２１１Ｂ）との間の区間には第１の切欠部（２１３Ａ）または第２の切欠部（２１３Ｂ）の少なくともいずれかが形成される。

Description

熱電モジュール
　本発明は、熱電モジュールに関する。
　一般的に、熱電モジュールでは熱電素子の端面に電極が接合され、この電極によって隣接する熱電素子が互いに電気的に接続される。このような熱電モジュールは、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１では、特に、熱電素子の端面に接合する電極の面積を大きくしながら、熱電素子の端面の四隅での熱応力の集中を防ぐことができる熱電モジュールが提案されている。
特開２０１４－１１２５８７号公報
　上記の特許文献１にも記載されているように、熱電モジュールに電流が通電されると、モジュールの一方の面では吸熱現象が生じることによって電極が冷却され、他方の面では放熱現象が生じることによって電極が加熱される。特許文献１では、吸熱側において、熱電素子の端面の四隅から間隔を空けて電極を配置することによって熱応力の集中を防ぐことが提案されている。
　しかしながら、特許文献１は、熱電素子が矩形の端面を有する場合に端面の四隅で熱応力の集中を防ぐ技術を提案しているにすぎず、それ以外の熱応力に対処する技術を提案しているわけではない。例えば、熱電モジュールの放熱側において加熱された電極が熱膨張することによって生じる熱応力に対処する技術は、特許文献１を含む従来の技術では提案されていない。
　上記に鑑み、本発明の目的の一つは、電極の熱膨張によって熱電素子と電極との接合部に生じる応力を低減することができる熱電モジュールを提供することにある。
　本発明の熱電モジュールは、第１および第２の熱電素子と、板状の本体部を有し、前記本体部の第１の面が前記第１の熱電素子の第１の端面および前記第２の熱電素子の第１の端面に接合されて前記第１および第２の熱電素子を互いに電気的に接続する第１の電極と、前記第１の熱電素子の前記第１の端面とは反対側の第２の端面に接合される第２の電極と、前記第２の熱電素子の前記第１の端面とは反対側の第２の端面に接合される第３の電極とを備え、前記第１の電極は、前記第１および第２の熱電素子のそれぞれの中心を結ぶ長手方向に対応する幅方向の第１の側に形成される第１の切欠部と、前記幅方向の第２の側に形成される第２の切欠部とを有し、前記幅方向について、前記第１の電極の前記第１の側と前記第２の側との間の区間には前記第１の切欠部または前記第２の切欠部の少なくともいずれかが形成されることを特徴とする。
　本発明によれば、電極の熱膨張によって生じる熱応力が、電極の幅方向の両側に形成された切欠部における変形によって吸収されるため、熱電素子と電極との接合部に生じる応力を低減することができる。
本発明の実施形態に係る熱電モジュールを含むプラズマ処理装置を示す図。 本発明の実施形態に係る熱電モジュールにおける上面側電極の平面配置の例を示す図。 図２に示された上面側電極の形状を拡大して示す図。 図３に示された上面側電極に熱応力が発生した状態を示す図。 図４の例に対する比較例として、上面側電極に切欠部が形成されなかった場合に熱応力が発生した状態を示す図。 本発明の実施形態において上面側電極に形成されるスリット状の切欠部の深さおよび角度の定義について説明するための図。 図６に示すように定義されたスリット状の切欠部の深さと、上面側電極に発生する応力との関係を示すグラフ。 図６に示すように定義されたスリット状の切欠部の角度と、上面側電極に発生する応力との関係を示すグラフ。
　図１は、本発明の実施形態に係る熱電モジュール１０を含むプラズマ処理装置１００を示す図である。プラズマ処理装置１００は、熱電モジュール１０、チャンバ１０１、プラズマ電極１０２、高周波発振器１０３、静電チャック１０４、および水冷板１０５を含む。図示された例では、チャンバ１０１の内部でシリコンウェハ１１０が静電チャック１０４によって吸着されている。
　プラズマ電極１０２は、チャンバ１０１の内部で静電チャック１０４に吸着されたシリコンウェハ１１０と対向するように配置されている。静電チャック１０４は、上面（図中の上方を向いた面。以下、上面および下面の用語について同様）でシリコンウェハ１１０を吸着する。一方、静電チャック１０４の下面には熱電モジュール１０および水冷板１０５が配置される。水冷板１０５には管路１０５Ａが形成され、管路１０５Ａ内には冷却流体が循環させられる。
　熱電モジュール１０は、静電チャック１０４と水冷板１０５との間に配置され、熱電素子１、電極２、およびポリイミドフィルム３を含む。熱電素子１は、両端面をそれぞれ熱電モジュール１０の上面および下面に向けて交互に配列されたＰ型熱電素子１ＰおよびＮ型熱電素子１Ｎを含む。Ｐ型熱電素子１ＰおよびＮ型熱電素子１Ｎのそれぞれの端面に電極２が接合されることによって、Ｐ型熱電素子１ＰとＮ型熱電素子１Ｎとは互いに電気的に接続される。
　電極２は、熱電モジュール１０の上面側に配置される上面側電極２１と、下面側に配置される下面側電極２２とを含む。なお、本実施形態では、図１に示されるようなプラズマ処理装置１００の配置に基づいて、第１の電極を上面側電極２１、第２および第３の電極を下面側電極２２として説明するが、他の実施形態では、熱電モジュール１０の配置が図１の例に対して反転し、第１の電極が下面側電極、第２および第３の電極が上面側電極であってもよい。あるいは、熱電モジュール１０は、第１の電極と第２および第３の電極とが上下方向の両側に位置するのではなく、横方向または斜め方向の両側に位置するように配置されてもよい。ポリイミドフィルム３は、熱電モジュール１０の上面側に配置され、上面側電極２１はポリイミドフィルム３に接合される。ポリイミドは変形しやすい材質であるため、上面側電極２１はポリイミドフィルム３を変形させながら熱膨張することができる。一方、下面側電極２２は、熱電モジュール１０の下面側の基板に固定されている。
　上面側電極２１と下面側電極２２とがそれぞれ異なる組み合わせのＰ型熱電素子１ＰおよびＮ型熱電素子１Ｎを電気的に接続することによって、Ｐ型熱電素子１ＰおよびＮ型熱電素子１Ｎが交互に接続された直列回路が形成される。熱電モジュール１０の動作時には、この回路に電流を通電することによって、上面側電極２１で吸熱現象を生じさせ、下面側電極２２で放熱現象を生じさせることができる。また、通電する電流の向きを逆転させれば、上面側電極２１で放熱現象を生じさせ、下面側電極２２で吸熱現象を生じさせることができる。このように吸熱現象および放熱現象を生じさせることによって、静電チャック１０４に吸着されたシリコンウェハ１１０の温度を制御することができる。
　プラズマ処理装置１００では、シリコンウェハ１１０を静電チャック１０４に吸着させた後、チャンバ１０１の入口１０１Ａから内部にプラズマ発生用の反応性ガスが導入され、プラズマ電極１０２に高周波発振器１０３によって高周波が印加されることによってプラズマが発生する。このプラズマによって、シリコンウェハ１１０にエッチングなどの処理が施される。その後、真空排気によってチャンバ１０１の出口１０１Ｂから反応性ガスが排出される。
　上記のようなプラズマ処理の間、シリコンウェハ１１０の温度を目標温度に制御することによって、プラズマ処理の歩留まりを向上させることができる。プラズマ処理装置１００では、上記のように熱電モジュール１０において吸熱現象および放熱現象を生じさせることによって静電チャック１０４に吸着されたシリコンウェハ１１０の温度を目標温度に制御している。
　図２は、本発明の実施形態に係る熱電モジュール１０における上面側電極２１の平面配置の例を示す図である。図２には、図１に示された熱電モジュール１０をＩ－Ｉ線断面で見た場合の上面側電極２１の平面配置が部分的に示されている。なお、図２では、熱電素子１および下面側電極２２の図示を省略している。図示されているように、上面側電極２１は、二次元的に配列されている。それぞれの上面側電極２１は、板状の本体部２１１を有する。後述するように、本体部２１１には、幅方向の両側にそれぞれ１つの切欠部２１３が形成される。
　図３は、図２に示された上面側電極２１の形状を拡大して示す図である。図３には、上面側電極２１に接合されるＰ型熱電素子１ＰおよびＮ型熱電素子１Ｎも図示されている。上面側電極２１は、これらの熱電素子１のそれぞれの端面の中心Ｃ１Ｐ，Ｃ１Ｎを結ぶ方向を長手方向Ｄ１とした場合に、この長手方向Ｄ１に対応する幅方向Ｄ２の第１の側２１１Ａに形成されるスリット状の切欠部２１３Ａと、幅方向Ｄ２の第２の側２１１Ｂに形成されるスリット状の切欠部２１３Ｂとを有する。
　ここで、図示されているように、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂは、いずれも上面側電極２１の幅方向Ｄ２の中心線ＣＬ（長手方向Ｄ１を示す線と同じ）まで延びている。つまり、幅方向Ｄ２について、上面側電極２１の第１の側２１１Ａから第２の側２１１Ｂとの間の区間Ｓ１には、切欠部２１３Ａまたは切欠部２１３Ｂの少なくともいずれかが形成される。さらに、図示された例では、幅方向Ｄ２について、上面側電極２１の第１の側２１１Ａから第２の側２１１Ｂとの間の一部の区間Ｓ２には、切欠部２１３Ａおよび切欠部２１３Ｂの両方が形成される。
　図４は、図３に示された上面側電極２１に熱応力ＳＴが発生した状態を示す図である。図４（ｂ）および図５（ｂ）の側面図には、上面側電極２１の本体部２１１の下面から隆起してＰ型熱電素子１ＰおよびＮ型熱電素子１Ｎの上端面にそれぞれ接合される１対の台座２１２が図示されている。また、図４（ｂ）および図５（ｂ）の側面図には、Ｐ型熱電素子１Ｐの下端面に接合される下面側電極２２Ａ、およびＮ型熱電素子１Ｎの下端面に接合される下面側電極２２Ｂも図示されている。下面側電極２２Ａ，２２Ｂは、上面側電極２１の本体部２１１および台座２１２と同様の本体部２２１および台座２２２を有する。なお、図示していないが、下面側電極２２Ａは図示されたＮ型熱電素子１Ｎとは異なるＮ型熱電素子にも接合され、下面側電極２２Ｂは図示されたＰ型熱電素子１Ｐとは異なるＰ型熱電素子にも接合される。
　上述のように、熱電モジュール１０の動作時には、上面側電極２１において吸熱現象または放熱現象を生じさせることによって、シリコンウェハ１１０の温度が目標温度に制御される。このとき、シリコンウェハ１１０と上面側電極２１との間では静電チャック１０４およびポリイミドフィルム３を介して熱が交換されるため、上記の目標温度が高温であれば上面側電極２１も高温になる。この場合、上面側電極２１の本体部２１１は、上述のようにポリイミドフィルム３を変形させながら、図示された矢印ＴＥ１に沿って熱膨張する。その一方で、上面側電極２１に接合されるＰ型熱電素子１ＰおよびＮ型熱電素子１Ｎは、それぞれ下面側電極２２を介して基板に固定されることによって機械的に拘束されている。それゆえ、Ｐ型熱電素子１ＰとＮ型熱電素子１Ｎとの間に位置する上面側電極２１の部分には熱応力ＳＴが発生する。
　しかしながら、本実施形態に係る熱電モジュール１０の上面側電極２１では、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの部分が変形することによって、Ｐ型熱電素子１ＰおよびＮ型熱電素子１Ｎが拘束されていても本体部２１１の熱膨張が阻害されにくい。この結果として、発生する熱応力ＳＴは小さくなる。
　これに対して、図５は、図４の例に対する比較例として、上面側電極２１に切欠部２１３Ａ，２１３Ｂが形成されなかった場合に熱応力ＳＴが発生した状態を示す図である。この場合、上面側電極２１の本体部２１１は図示された矢印ＴＥ２に沿って熱膨張するが、Ｐ型熱電素子１ＰおよびＮ型熱電素子１Ｎが機械的に拘束されていることによって熱膨張が阻害される。その結果、Ｐ型熱電素子１ＰとＮ型熱電素子１Ｎとの間に位置する上面側電極２１の部分には大きな熱応力ＳＴが発生する。図示されているように、熱応力ＳＴによって、上面側電極２１は長手方向の中心付近が高くなったアーチ状に変形する。この変形によって、上面側電極２１の台座２１２と熱電素子１の上端面との間の接合部Ｐ１、および下面側電極２２Ａ，２２Ｂの台座２２２と熱電素子１の下端面との間の接合部Ｐ２には大きな応力（引張応力とせん断応力との合応力）が発生する。
　続いて、上記のような切欠部２１３Ａ，２１３Ｂを形成したことによる上面側電極２１の応力の変化について、数値解析によって検証した。具体的には、長さ８ｍｍ、幅２．９ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ（本体部２１１が０．４ｍｍ、台座２１２が０．２ｍｍ）の上面側電極２１に、幅０．３ｍｍの切欠部２１３Ａ，２１３Ｂを形成した場合において、上面側電極２１の温度を６０℃で固定し、上面側電極２１の温度を６０℃と１２０℃との間で振動させた場合に、上面側電極２１の台座２１２と熱電素子１の端面との間の接合部（図５に示した接合部Ｐ２）に発生する応力の振幅を算出した。
　図６は、本発明の実施形態において上面側電極２１に形成されるスリット状の切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの深さｄおよび角度θの定義について説明するための図である。図示されているように、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの深さｄは、上面側電極２１の幅方向Ｄ２における、中心線ＣＬと切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの先端との距離である。以下の説明では、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの先端がちょうど中心線ＣＬに達したときの深さｄを０とし、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの先端が中心線ＣＬを越えて延びる場合にｄ＞０、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの先端が中心線ＣＬに達しない場合にｄ＜０とする。なお、以下で説明する解析では、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂは同じ深さｄであるものとした。
　図７は、図６に示すように定義されたスリット状の切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの深さｄと、上面側電極２１に発生する応力との関係を示すグラフである。なお、深さｄに関する解析では、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの角度θは２０°とした。図７のグラフに示されるように、ｄ＜０の場合、すなわち、幅方向Ｄ２で見たときに上面側電極２１の第１の側２１１Ａから第２の側２１１Ｂまでの間に切欠部２１３Ａも切欠部２１３Ｂも形成されない区間がある場合、上面側電極２１の台座２１２と熱電素子１の端面との間の接合部に発生する応力の振幅は比較的大きな値である（ｄ＝－０．２０ｍｍで６４．２ＭＰａ、ｄ＝０．１０ｍｍで６３．５ＭＰａ）。これに対して、ｄ＝０の場合、すなわち、幅方向Ｄ２で見たときに上面側電極２１の第１の側２１１Ａから第２の側２１１Ｂまでの間の区間Ｓ１に切欠部２１３Ａまたは切欠部２１３Ｂのいずれかが形成される場合、応力の振幅は上記の場合よりも小さくなる（５９．９ＭＰａ）。さらに、ｄ＞０の場合、すなわち、第１の側２１１Ａから第２の側２１１Ｂまでの間の一部の区間Ｓ２に切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの両方が形成される場合、応力の振幅はさらに小さくなる（ｄ＝０．１０ｍｍで５６．０ＭＰａ、ｄ＝０．１８ｍｍで５３．９ＭＰａ、ｄ＝０．２０ｍｍで５４．２ＭＰａ、ｄ＝０．３０ｍｍで５１．７ＭＰａ）。
　上記の結果によれば、幅方向Ｄ２で見たときに上面側電極２１の第１の側２１１Ａから第２の側２１１Ｂまでの間の区間Ｓ１に切欠部２１３Ａまたは切欠部２１３Ｂのいずれかが形成されることが、上面側電極２１の熱膨張によって熱電素子１と電極２との接合部に生じる応力を低減するために有効である。また、第１の側２１１Ａから第２の側２１１Ｂまでの間の一部の区間Ｓ２に切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの両方を形成することによって、上面側電極２１の熱膨張によって熱電素子１と電極２との接合部に生じる応力をさらに低減できる。
　再び図６を参照すると、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの角度θは、上面側電極２１の幅方向Ｄ２と、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂが延びる方向とがなす角度である。切欠部２１３Ａ，２１３Ｂが幅方向Ｄ２と平行に、すなわち長手方向Ｄ１に対して垂直に延びる場合、角度θは０になる。切欠部２１３Ａ，２１３Ｂが幅方向Ｄ２および長手方向Ｄ１に対して傾いた方向に、互いに対向して延びる場合、角度θ＞０になる。ここで、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂが互いに対向して延びる場合、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂは中心線ＣＬに近づくにつれて互いに近接する。一方、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂが幅方向Ｄ２および長手方向Ｄ１に対して傾いた方向に、互いに背向して延びる場合、角度θ＜０になる。ここで、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂが互いに背向して延びる場合、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂは中心線ＣＬに近づくにつれて互いに離間する。なお、以下で説明する解析では、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂは略平行に、すなわち略同じ角度θで延びるものとした。
　図８は、図６に示すように定義されたスリット状の切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの角度θと、上面側電極２１に発生する応力との関係を示すグラフである。なお、角度θに関する解析では、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの深さｄは０．１８ｍｍとした。図８のグラフに示されるように、θ≦０の場合、すなわち、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂが長手方向Ｄ１に対して垂直に延びるか、または互いに背向して延びる場合、上面側電極２１の台座２１２と熱電素子１の端面との間の接合部に発生する応力の振幅は比較的大きな値である（θ＝－１０度で５８．１ＭＰａ、θ＝０で５７．７ＭＰａ）。これに対して、θ＞０の場合、すなわち、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの長手方向Ｄ１に対して傾いた方向に、互いに対向して延びる場合、応力の振幅は、角度θが大きくなるにしたがって小さくなる（θ＝１０度で５５．４ＭＰａ、θ＝２０度で５３．９ＭＰａ、θ＝３０度で５２．６Ｍｐａ）。
　上記の結果によれば、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂが、上面側電極２１の長手方向Ｄ１に対して傾いた方向に、互いに対向して延びることが、上面側電極２１の熱膨張によって熱電素子１と電極２との接合部に生じる応力を低減するために有効である。
　なお、熱電モジュール１０において、上面側電極２１は、Ｐ型熱電素子１ＰとＮ型熱電素子１Ｎとを電気的に接続するとともに、ポリイミドフィルム３と熱電素子１との間で熱を伝達する機能を有する。上記のような切欠部２１３Ａ，２１３Ｂが形成された部分では上面側電極２１がポリイミドフィルム３に接触しないため、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂが占める面積が大きくなるほど、上面側電極２１が伝達可能な熱の量は減少する。また、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの深さｄや角度θにもよるが、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂが占める面積が大きくなるほど、Ｐ型熱電素子１ＰとＮ型熱電素子１Ｎとの間の電気抵抗が増大する。
　それゆえ、上面側電極２１の長手方向Ｄ１および幅方向Ｄ２を含む平面で考えた場合、上面側電極２１の面積（Ｓｄ）に対する切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの合計面積（Ｓｓ）の比率（Ｓｓ／Ｓｄ）が所定の値以下になるように切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの形状を決定することが望ましい。本発明者らの知見によれば、図１に示したプラズマ処理装置１００において熱電モジュール１０が十分な性能を発揮するためには、上面側電極２１の面積（Ｓｄ）に対する切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの合計面積（Ｓｓ）の比率（Ｓｓ／Ｓｄ）が０．３３（１／３）未満であることが望ましい。例えば、図３に示した上面側電極２１の面積（Ｓｄ）に対する切欠部２１３Ａ，２１３Ｂの合計面積（Ｓｓ）の比率（Ｓｓ／Ｓｄ）は０．１８である。
　以上で説明したような本発明の実施形態によれば、熱電モジュール１０の上面側電極２１の熱膨張によって熱電素子１と電極２との接合部に生じる応力を低減することができる。
　なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
　例えば、上記の実施形態では、上面側電極２１がポリイミドフィルム３に接合され、下面側電極２２は熱電モジュール１０の下面側の基板に固定されることとしていたが、他の実施形態では、下面側電極２２もポリイミドフィルムを介して基板に接合されてもよい。この場合、下面側電極２２についても、ポリイミドフィルムを変形させながら膨張することが可能になるため、下面側電極２２にも上面側電極２１と同様の切欠部を形成することによって、熱電素子１と電極２との接合部に生じる応力を低減することができる。上記の場合、切欠部は上面側電極２１および下面側電極２２の両方に形成されてもよいし、下面側電極２２だけに形成されてもよい。
　また、上記の実施形態では、上面側電極２１の幅方向Ｄ２の第１の側２１１Ａおよび第２の側２１１Ｂのそれぞれに１つの切欠部２１３Ａ，２１３Ｂが形成されたが、第１の側２１１Ａおよび第２の側２１１Ｂのそれぞれに複数の切欠部が形成されてもよい。
　また、上記の実施形態では、上面側電極２１に形成される切欠部２１３Ａ，２１３Ｂが同じ深さｄであるものとしたが、他の実施形態では、切欠部２１３Ａと切欠部２１３Ｂとが異なる深さｄで形成されてもよい。同様に、上記の実施形態では、切欠部２１３Ａ，２１３Ｂが略同じ角度θで延びるものとしたが、他の実施形態では、切欠部２１３Ａと切欠部２１３Ｂとが異なる角度θで延びてもよい。
　また、上記の実施形態では、上面側電極２１の第１の側２１１Ａおよび第２の側２１１Ｂにそれぞれ形成される切欠部が直線的なスリット状である例について説明したが、切欠部の形状は必ずしも直線的なスリット状でなくてもよい。例えば、切欠部は湾曲した、または屈曲部分を含むスリット状であってもよい。あるいは、上記のように熱の伝達の観点、および熱電素子間の電気抵抗の観点から、電極の切欠部以外の面積を確保した上で、第１の側２１１Ａおよび第２の側２１１Ｂに近づくにつれて幅広になるＶ字形の切欠部を形成してもよい。
　その他、本発明は、本発明の目的を達成できる範囲で、他の構造等を採用してもよい。
　１００…プラズマ処理装置、１０…熱電モジュール、１…熱電素子、２…電極、２１…上面側電極、２２…下面側電極、３…ポリイミドフィルム、２１１Ａ…第１の側、２１１Ｂ…第２の側、２１３Ａ…切欠部、２１３Ｂ…切欠部、Ｄ１…長手方向、Ｄ２…幅方向。

Claims (5)

  1. 　熱電モジュールにおいて、
    　第１および第２の熱電素子と、
    　板状の本体部を有し、前記本体部の第１の面が前記第１の熱電素子の第１の端面および前記第２の熱電素子の第１の端面に接合されて前記第１および第２の熱電素子を互いに電気的に接続する第１の電極と、
    　前記第１の熱電素子の前記第１の端面とは反対側の第２の端面に接合される第２の電極と、
    　前記第２の熱電素子の前記第１の端面とは反対側の第２の端面に接合される第３の電極と
    　を備え、
    　前記第１の電極は、前記第１および第２の熱電素子のそれぞれの端面の中心を結ぶ長手方向に対応する幅方向の第１の側に形成される第１の切欠部と、前記幅方向の第２の側に形成される第２の切欠部とを有し、
    　前記幅方向について、前記第１の電極の前記第１の側と前記第２の側との間の区間には前記第１の切欠部または前記第２の切欠部の少なくともいずれかが形成される
    　ことを特徴とする熱電モジュール。
  2. 　前記幅方向について、前記第１の電極の前記第１の側と前記第２の側との間の一部の区間には前記第１の切欠部および前記第２の切欠部の両方が形成される
    　ことを特徴とする、請求項１に記載の熱電モジュール。
  3. 　前記第１および第２の切欠部は、前記長手方向に対して傾いた方向に、互いに対向して延びる
    　ことを特徴とする、請求項１または２に記載の熱電モジュール。
  4. 　前記第１および第２の切欠部は、互いに略平行な方向に延びる
    　ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の熱電モジュール。
  5. 　前記長手方向および前記幅方向を含む平面において、前記第１の電極の面積に対する前記第１の切欠部および前記第２の切欠部の合計面積の比率は０．３３未満である
    　ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の熱電モジュール。
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