WO2022053755A1 - Procede de fabrication d'un dispositif thermoelectrique - Google Patents

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WO2022053755A1
WO2022053755A1 PCT/FR2021/051523 FR2021051523W WO2022053755A1 WO 2022053755 A1 WO2022053755 A1 WO 2022053755A1 FR 2021051523 W FR2021051523 W FR 2021051523W WO 2022053755 A1 WO2022053755 A1 WO 2022053755A1
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thermoelectric
face
contacts
columns
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PCT/FR2021/051523
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Inventor
Guillaume Savelli
Jean-Philippe Colonna
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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    • 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
    • H10N10/01—Manufacture or treatment
    • 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

  • the invention relates to the field of thermoelectric devices.
  • the invention relates, in this regard, to a method of manufacturing a thermoelectric device involving in particular a step of gripping/positioning p-blocks and n-blocks in order to meet the dimensional limitations inherent in the techniques for forming thin layers.
  • thermoelectric devices for energy recovery.
  • the latter as represented in FIG. 1, comprise an alternation of N rows or n- or p-doped pads electrically connected in series, and arranged between two sides called, respectively, the hot side (H) and the cold side (C).
  • thermoelectric device The performance in terms of energy harvesting of such a thermoelectric device is dictated both by the dimensional parameters of the device (ie: the length of the lines, their section, their number), but also by the electrical properties, and in particular the resistivity of the material forming said lines.
  • the power Pu likely to be recovered by such a device responds to the following relationship:
  • Voc is the voltage measured at terminals B1 and B2 of device 1
  • Rmt is the resistance of the assembly formed by the N lines or pads.
  • thermoelectric device architectures for energy harvesting called, respectively, first architecture and second architecture, could be considered.
  • the first architecture 1, represented in FIG. 1, comprises rows of semiconductor material parallel to each other and which extend in the plane of a front face 3 of a support 2.
  • the rows comprise, moreover, in alternation, respectively, n-type doping and p-type doping, and are connected to each other by contacts called, respectively, hot contacts 4 and cold contacts 5.
  • This first architecture nevertheless has unsatisfactory performance in terms of energy recovery.
  • the lines n and p generally formed by depositing one or more thin layers on the front face 3 of the support 2, have a thickness intrinsically limited by the techniques for forming layers usually implemented in the industry of micro-electronics.
  • Figure 2 is a schematic representation of the second architecture.
  • thermoelectric device comprises so-called pads, respectively, pads n and pads p, in projection with respect to the front face 3 of the support 2 on which they rest.
  • the pads also comprise, alternately, n-type doping and p-type doping, respectively, and are connected to each other by contacts called, respectively, hot contacts 5 and cold contacts 4.
  • this second architecture also exhibits unsatisfactory performance in terms of energy recovery.
  • the length L of the pads (measured in a direction perpendicular to the front face 3) is limited by the layer formation techniques usually implemented in the microelectronics industry.
  • the small distance between the hot H and cold C sides makes it difficult to obtain a large temperature difference (and therefore a large voltage Voc).
  • An object of the present invention is to propose a method of manufacturing a thermoelectric device whose dimensioning is not limited by the constraints relating to the formation of thin layers.
  • Another object of the present invention is therefore to propose a method of manufacturing a thermoelectric device making it possible to obtain an efficient thermoelectric micro-generator.
  • Another object of the present invention is to propose a method of manufacturing a thermoelectric device that is simpler to implement with regard to what is known from the state of the art.
  • thermoelectric device on a front face of a support substrate, the method comprising the following steps: a) a step for supplying a support substrate provided with a face called the front face; b) a step of providing a plurality of p-blocks and n-blocks which comprise a p-type and n-type semiconductor material, respectively; c) a step of forming a layer, called a thermoelectric layer, by gripping/positioning the p blocks and the n blocks on the support substrate; step c) being repeated as many times as necessary so as to form, on the front face, a stack of thermoelectric layers, called a stack thermoelectric, and forming the thermoelectric device, the thermoelectric stack extends, from the front face, from a lower face towards an upper face of said stack, steps c) are also carried out so that the blocks n and the blocks p form columns called, respectively, columns n and columns p, from the lower face
  • said method also comprises the execution, as many times as necessary and alternately with steps c), of a step d) of forming electrical contacts, called intermediate contacts, each intermediate contact being intended, within each column n on the one hand and within each column p on the other hand, to electrically connect, respectively, the successive blocks n and the successive blocks p.
  • each sequence comprising an execution, in order, of step c) and of step d), is followed by the execution of a step e) of coating the thermoelectric layer and intermediate contacts formed during steps c) and d) considered.
  • step e) comprises the following sub-steps: el) the formation of a coating film covering the thermoelectric layer and the intermediate contacts formed during steps c) and d) considered ; e2) a thinning of the coating film so as to expose the intermediate contacts to the external environment.
  • step b) of supplying the plurality of p blocks and n blocks comprises, in order, the following sub-steps: bl) the formation of a first doping layer in a silicon substrate and which extends from a first face of said substrate; b2) the assembly of the silicon substrate by its first face with a main face of a temporary substrate; b3) thinning the first substrate to a predetermined thickness E; b4) the formation of a second doping layer in the silicon substrate and which extends from a second face opposite the first face; b5) removing the temporary substrate; b6) a step of cutting the silicon substrate into n-blocks or P- blocks
  • step b) comprises a step of manufacturing a block core by additive manufacturing and two steps of forming metal contacts on two opposite faces of the n blocks and the p blocks.
  • the block core comprises at least one of the materials chosen from: Bi2Te3, MgSi, HMS, SnTe, CoSbTe, ZrNiSn, Si SiGe.
  • the blocks n and the blocks p are parallelepipedic in shape, and have a thickness, determined according to the direction of thermoelectric stacking, of between 10 ⁇ m and 1000 ⁇ m, and also have a section along a plane perpendicular to the side stacking direction between 500pm and 3 cm.
  • thermoelectric stack is followed by the formation of upper interconnect contacts resting on the upper face, each upper interconnect contact electrically connecting a p column and an n column.
  • the method also comprises a step of forming lower interconnection contacts, in particular on the front face, and intended to electrically connect, via the lower face, a column p and column n, the contacts d the lower interconnect and the upper interconnect contacts being arranged such that the p columns and the n columns are electrically connected in series.
  • said method further comprises a step of detaching the support substrate from the thermoelectric stack.
  • the invention also relates to a method for assembling at least two thermoelectric devices manufactured according to the method according to the present invention.
  • said assembly method comprises the electrical connection in series of at least two thermoelectric devices.
  • said assembly method comprises the stacking of at least two devices by bringing one or the other of the lower face and the upper face of one of the devices into contact with the either of the lower face and the upper face of the other of the devices.
  • thermoelectric device formed on a front face of a support substrate, the device comprises a stack of thermoelectric layers, called a thermoelectric stack, which extends, from the front face, from a lower face, in contact with the front face, towards an upper face, each thermoelectric layer being formed of n-blocks and p-blocks which comprise a semiconductor material, respectively, of p-type and n-type, the n-blocks and the p-blocks are furthermore arranged so as to form columns called, respectively, columns n and columns p, from the lower face towards the upper face.
  • a thermoelectric stack which extends, from the front face, from a lower face, in contact with the front face, towards an upper face
  • each thermoelectric layer being formed of n-blocks and p-blocks which comprise a semiconductor material, respectively, of p-type and n-type
  • the n-blocks and the p-blocks are furthermore arranged so as to form columns called, respectively, columns n and columns p, from the lower
  • thermoelectric device according to the invention, given by way of non-limiting examples, with reference to the appended drawings in which:
  • thermoelectric device 1 is a schematic representation of a thermoelectric device according to a first architecture and obtained according to a method known from the state of the art
  • thermoelectric device according to a second architecture and obtained according to a method known from the state of the art
  • FIGS. 3a to 3g are schematic representations of the various steps implemented for the formation of blocks n according to a first variant;
  • FIG. 4 is a schematic representation of a step a) implemented in the context of the present invention;
  • FIG. 5 is a schematic representation of a step c) implemented in the context of the present invention.
  • thermoelectric stack is a schematic representation of the repetition of step c) so as to form the thermoelectric stack
  • FIG. 7 is a schematic representation of the execution of a sequence of steps c) and d);
  • FIG. 8 is a schematic representation of the execution of two successive sequences of steps c) and d);
  • FIG. 9 is a schematic representation of the execution of three successive sequences of steps c) and d);
  • FIG. 10 is a schematic representation of the execution of a sequence of steps c), d) and e);
  • FIG. 11 is a schematic representation of the execution of two successive sequences of steps c), d), and e);
  • FIG. 12 is a schematic representation of the execution of three successive sequences of steps c), d), and e);
  • FIG. 13 schematically illustrates a step of forming upper contacts on the upper face of the thermoelectric stack
  • FIG. 14 schematically illustrates a step of forming lower contacts on the front face of the support substrate
  • FIG. 15 schematically illustrates the arrangement of the lower contacts and the upper contacts so as to connect the n columns and the p columns in series;
  • FIG. 16 is a schematic representation of a support substrate removal step
  • FIG. 17a to 17k are schematic representations of the different steps implemented in the context of a particular embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a schematic representation of two thermoelectric devices assembled in series
  • FIG. 19 is a schematic representation of two thermoelectric devices assembled in parallel.
  • the present invention relates to a method of manufacturing a thermoelectric device which comprises a stack of thermoelectric layers, called a thermoelectric stack on a front face of a substrate.
  • thermoelectric layer is in particular formed by gripping/positioning (“Pick and Place” according to Anglo-Saxon terminology), on the support substrate, of p blocks and n blocks formed of a semiconductor material.
  • thermoelectric stack forming the thermoelectric device.
  • This thermoelectric stack extends in particular, from the front face, from a lower face towards an upper face of said stack, and the steps of forming the thermoelectric layers are also carried out so that the n blocks and the p blocks form columns called, respectively, columns n and columns p, which extend from the lower face towards the upper face.
  • n-blocks and the p-blocks can be formed by techniques involving the thinning of substrates or by additive manufacturing techniques.
  • the transfer methods can also involve a transfer of blocks from a temporary substrate to the support substrate.
  • the method according to the present invention relates to a method of manufacturing a thermoelectric device.
  • the method comprises in this regard a step a) which consists in providing a support substrate 10 provided with a front face 11 (FIG. 4).
  • Support substrate 10 may comprise a semiconductor material, for example silicon. Nevertheless, and insofar as this support substrate only performs a temporary support function, other materials can be considered.
  • the method also comprises a step b) which consists in providing n-blocks and p-blocks which comprise a semiconductor material, respectively, of n-type and of p-type.
  • n-type and p-type is meant, respectively, n-doped and p-doped.
  • the n-blocks and the p-blocks are moreover parallelepipedic in shape. More particularly, the n blocks and the p blocks can have a thickness comprised between 10 ⁇ m and 1000 ⁇ m, and a section along a plane perpendicular to their side thickness comprised between 500 ⁇ m and 3 cm.
  • the n blocks may in particular comprise, depending on their thickness, an electrode, a layer of n-doped semiconductor material, and another electrode.
  • the p blocks may in particular comprise, depending on their thickness, an electrode, a layer of p-doped semiconductor material, and another electrode.
  • the formation of the n blocks can, according to a first variant illustrated in FIGS. 3a to 3g, comprise the execution, in order, of the following sub-steps: b1) the formation of a first doping layer 41 in a silicon substrate 40 pre-doped, and which extends from a first face 42 of said substrate 40 (FIG. 3a); b2) the assembly of the silicon substrate 40 by its first face 42 with a main face 51 of a temporary substrate 50 (FIG. 3b); b3) the thinning of the first substrate to a predetermined non-zero thickness E (FIG. 3c); b4) the formation of a second doping layer 44 in the silicon substrate and which extends from a second face 43 opposite the first face (FIG. 3d); b5) removal of the temporary substrate ( Figure 3e); b6) a step of cutting the silicon substrate into blocks n (FIGS. 3f and 3g).
  • step b1) can comprise doping by implantation of species from the first face 42.
  • Step b2) of assembly may comprise molecular bonding.
  • Step b3) of thinning can be performed by mechanical thinning or abrasion (“Grinding” according to Anglo-Saxon terminology).
  • the second doping layer formed during step b4) can also involve an implantation of species.
  • the species implanted, as well as the pre-doping of the silicon substrate, for the formation of the n blocks, are of the n type.
  • the implantation steps also make it possible to achieve doping levels of the first doping layer and of the second doping layer greater than 10 19 atm/cm 3 .
  • the formation of the p blocks according to this first variant involves implantations of type p species.
  • n blocks and the p blocks according to a second variant.
  • the latter notably involves an additive manufacturing step, for example by material sintering or by laser melting of a powder.
  • this second alternative may comprise in order:
  • a step of forming a block in particular a parallelepiped block, semi-conductor
  • This second alternative is in particular executed so that the two metal contacts each rest on a different face of the semiconductor block and opposite one another.
  • the material forming the block may in particular comprise at least one of the materials chosen from: Bi2Te3, MgSi, HMS, SnTe, CoSbTe, ZrNiSn, Si, SiGe.
  • the method also comprises the formation of a stack, called thermoelectric stack 20, of thermoelectric layers 21 on the front face 11 of the support substrate 10.
  • thermoelectric stack 20 extends from a lower face 22, in contact with the front face 11, towards an upper face 23 (FIG. 6).
  • the formation of the stack comprises the repetition, as many times as necessary, of a step c) of formation of a layer thermoelectric 21 (FIGS. 5 and 6).
  • thermoelectric layers 21 are formed successively and overlapping one another.
  • step c) of forming a thermoelectric layer 21 is performed by gripping/positioning (“Pick and Place” according to Anglo-Saxon terminology) of the p blocks and the n blocks on the support substrate 10.
  • thermoelectric layer 21, formed by performing step c), comprises a tiling (or a checkerboard), for example regular, alternating n blocks and p blocks.
  • thermoelectric layers formed by the repetition of steps c), are identical.
  • each block n of a given thermoelectric layer is positioned directly above a block n of the thermoelectric layer formed during step c) above.
  • each block p of a given thermoelectric layer is positioned directly above a block p of the thermoelectric layer formed during step c) above.
  • the blocks n and the blocks p form columns called, respectively, columns n 24 and columns p 25, which extend from the lower face 22 towards the upper face 23.
  • the method according to the present invention may also comprise a step d) of forming electrical contacts, called intermediate contacts 26.
  • the intermediate contacts 26 are in particular formed to electrically connect, within each column n 24 on the one hand and within each column p 25 on the other hand, respectively, the successive blocks n and the successive blocks p.
  • the method according to the present invention comprises the execution, as many times as necessary and alternately with steps c), of step d) of forming the intermediate contacts 26, so as to connect, to the within each column n 24, the successive blocks n, and, within each column p 25, the successive blocks p.
  • figures 7, 8 and 9 illustrate the execution, respectively, of a sequence of steps c) and d), of two successive sequences of steps c) and d), and of three successive sequences of steps c) and d).
  • the method according to the present invention can also comprise a step e) of forming a coating film T1 intended to coat the thermoelectric layer 21 and the intermediate contacts 26 formed during a sequence of steps c) and d).
  • each sequence comprises the execution, in order, of step c) and of step d), is followed by the execution of step e) of coating the thermoelectric layer 21 and intermediate contacts 26 formed during said steps c) and d) considered.
  • FIGS. 10, 11 and 12 illustrate the execution, respectively, of a sequence of steps c), d) and e), of two successive sequences of steps c), d) and e), and of three successive sequences of steps c), d) and e).
  • the execution of a step e) can, according to the present invention, comprise the following two sub-steps: el) the formation of a coating film T1 covering the thermoelectric layer 21 and the intermediate contacts 26 formed during the steps c) and d) considered; e2) a thinning of the coating film T1 so as to expose the intermediate contacts 26 to the external environment.
  • the sub-step el) may comprise vacuum lamination of a dry film, for example a film which comprises an organic film based on epoxy, silicone, siloxane, etc.
  • the thickness of the coating film T1 is, in this respect, greater than the combined thickness of the thermoelectric layer 21 and the intermediate contacts 26.
  • the thinning sub-step e2) can be performed by mechanical abrasion (“Grinding” according to Anglo-Saxon terminology), so as to uncover the intermediate contacts 26.
  • the method according to the present invention can also comprise a step of forming upper contacts 28 on the upper face 23, and carried out after formation of the thermoelectric stack 20.
  • the method may comprise a step of forming lower contacts 29 on the front face 11 of the support substrate 10.
  • the lower contacts 29 are inserted between the front face 11 and the lower face 22 of the thermoelectric stack 20 so as to connect via the underside 22 each n column 24 with a p column 25 (FIG. 14).
  • the lower contacts and the upper contacts are arranged so that the p columns and the n columns are electrically connected in series (FIG. 15).
  • the method can finally comprise a detachment of the support substrate 10 so as to release the thermoelectric device (FIG. 16).
  • FIGS. 17a to 17k are schematic representations of the steps capable of being executed according to a particular embodiment of the method according to the present invention.
  • Step a) may in particular comprise the provision of a support substrate 10 which comprises a layer 12 of silicon oxide formed from its front face 11.
  • the layer of silicon oxide 12 may be formed by oxidation heat of a support substrate 10 made of silicon.
  • the supply of the support substrate 10 is, according to this example, followed by the formation of lower contacts 29 (FIGS. 17b, 17c and 17d) which each comprise a copper track 29a and two metal pads 29b.
  • the formation of the copper tracks 29a includes, in order, the deposition of a titanium/copper seed layer, and the growth of copper by electrodeposition.
  • a mask M for example made of silicon nitride, is then formed.
  • the mask M also comprises openings O exposing two sites of each of the copper tracks 29a.
  • the metal studs 29b are then formed at the level of the openings O.
  • FIG. 17e is a schematic representation of step c) of gripping/positioning the blocks n and the blocks p intended to form a first thermoelectric layer 20.
  • the positioning of the blocks n and the blocks p on the metal pads 29b may involve a thermocompression.
  • Step d) of forming intermediate contacts 26 is then implemented (FIG. 17f).
  • Intermediate contacts 26 may include metal pads 26a as well as interconnect pillars 26b.
  • Step e) of coating the thermoelectric layer 21 and the intermediate contacts 26, illustrated in FIG. 17g, is carried out after step d), and comprises the sub-steps el) and e2) described above.
  • Figure 17h is a schematic representation relating to the formation of metal pads 26c formed in the continuity of metal contacts 26.
  • the metal studs 26c can in particular be formed in openings made in a passivation film FP covering the coating film 27.
  • thermoelectric device 5 As illustrated in FIG. 17i and in FIG. 17j.
  • thermoelectric device 5 (FIG. 17k).
  • thermoelectric device whose performance is no longer limited by the methods for forming thin layers.
  • this method which implements the formation of the blocks n and the blocks p according to one and/or the other of the first and the second variant, makes it possible to form columns p and columns n which have a sufficiently large section so as to reduce the electrical resistance of the latter.
  • thermoelectric devices in which the length of the n columns and of the p columns is no longer limited by a possible increase in the resistivity of said columns.
  • the present invention opens the way to the use of more efficient materials for the formation of said blocks.
  • n and p It is also possible, depending on the targeted performance, to form the blocks n according to the first variant and the blocks p according to the second variant or vice versa.
  • thermoelectric devices for example two
  • the assembly may comprise the electrical connection in series of the at least two thermoelectric devices (FIG. 18).
  • the assembly method comprises stacking the at least two devices by bringing one or the other of the lower face and the upper face of one of the devices into contact with one or the other. the other of the lower face and the upper face of the other of the devices.
  • This stack makes it possible to respond to the problems of mechanical stresses likely to occur during the formation of the thermoelectric device on the support substrate (FIG. 19).
  • the assembly proposed in FIG. 19 may in particular involve an assembly, between columns n on the one hand, and columns p on the other hand, by means of metal studs.
  • This alternative assembly also makes it possible to consider a plus in the number of thermoelectric layers and consequently n columns and p columns of greater length.
  • thermoelectric device 5 formed according to the present invention will be advantageously implemented for the recovery of energy, for example for the supply of autonomous sensors, in the fields of microelectronics, mobile telephony, home automation, intelligent buildings (“ smart building”) and intelligent networks (“smart grid”), etc.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif (5) thermoélectrique, le procédé comprend les étapes suivantes : a) une étape de fourniture d'un substrat support (10); b) une étape de fourniture d'une pluralité de blocs p et n qui comprennent un matériau semi-conducteur; c) une étape de formation d'une couche thermoélectrique (21) par préhension/positionnement des blocs p et n sur le substrat support (10); l'étape c) étant répétée autant de fois que nécessaire de manière à former un empilement thermoélectrique (20), l'empilement thermoélectrique (20) s'étend, à partir de la face avant (11), d'une face inférieure (22) vers une face supérieure (23) dudit empilement, les étapes c) sont en outre exécutées de sorte que les blocs n et les blocs p forment des colonnes dites, respectivement, colonnes n (24) et colonnes p (25), de la face inférieure (22) vers la face supérieure (23).

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN DISPOSITIF THERMOELECTRIQUE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention se rapporte au domaine des dispositifs thermoélectriques. L'invention concerne, à cet égard, un procédé de fabrication d'un dispositif thermoélectrique impliquant notamment une étape de préhension/positionnement de blocs p et de blocs n afin de répondre aux limitations dimensionnelles inhérentes aux techniques de formation de couches minces.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Il est aujourd'hui connu de l'homme du métier de mettre en œuvre des dispositifs thermoélectriques pour la récupération d'énergie. Ces derniers, tels que représentés à la figure 1, comprennent une alternance de N lignes ou de plots dopés n ou p électriquement connectés en série, et disposés entre deux côtés dits, respectivement, côté chaud (H) et côté froid (C).
Les performances en termes de récupération d'énergie d'un tel dispositif thermoélectrique sont dictées à la fois par les paramètres dimensionnels du dispositif (i.e. : la longueur des lignes, leur section, leur nombre), mais également par les propriétés électriques, et notamment la résistivité du matériau formant lesdites lignes.
La puissance Pu susceptible d'être récupérée par un tel dispositif répond à la relation suivante :
Figure imgf000003_0001
Où Voc est la tension mesurée aux bornes B1 et B2 du dispositif 1, tandis que Rmt est la résistance de l'ensemble formé par les N lignes ou plots.
Cette puissance est ainsi d'autant plus élevée que la tension Voc est importante et la résistance Rjnt est faible. Ainsi, deux architectures de dispositif thermoélectrique pour la récupération d'énergie, dites, respectivement, première architecture et deuxième architecture, ont pu être considérées.
La première architecture 1, représentée à la figure 1, comprend des lignes de matériau semi-conducteur parallèles entre elles et qui s'étendent dans le plan d'une face avant 3 d'un support 2. Les lignes comprennent, par ailleurs, en alternance, respectivement, un dopage de type n et un dopage de type p, et sont connectées entre elles par des contacts dits, respectivement, contacts chauds 4 et contacts froids 5.
Cette première architecture présente néanmoins des performances non satisfaisantes en termes de récupération d'énergie.
En effet, une tension Voc importante impose un écart de température entre le côté chaud (H) et le côté froid (C) élevé et par voie de conséquence, une longueur L des lignes ou des plots importante. Néanmoins, une augmentation de la longueur L augmente d'autant la résistance Rmt de sorte que l'optimisation géométrique relative à cette première architecture est compliquée.
Par ailleurs, il reste difficilement envisageable de diminuer la résistance en augmentant la section A des lignes n et p. En effet, les lignes n et p, généralement formées par dépôt d'une ou plusieurs couches minces sur la face avant 3 du support 2, présentent une épaisseur intrinsèquement limitée par les techniques de formation de couches usuellement mises en œuvre dans l'industrie de la micro-électronique.
La figure 2 est une représentation schématique de la deuxième architecture.
Selon cette deuxième architecture, le dispositif thermoélectrique comprend des plots dits, respectivement, plots n et plots p, en projection par rapport à la face avant 3 du support 2 sur laquelle ils reposent.
Les plots comprennent, par ailleurs, en alternance, respectivement, un dopage de type n et un dopage de type p, et sont connectés entre eux par des contacts dits, respectivement, contacts chauds 5 et contacts froids 4. À l'instar de la première architecture, cette deuxième architecture présente également des performances non satisfaisantes en termes de récupération d'énergie.
Plus particulièrement, la longueur L des plots (mesurée selon une direction perpendiculaire à la face avant 3) est limitée par les techniques de formation de couches usuellement mises en œuvre dans l'industrie de la micro-électronique. Ainsi la faible distance entre les côtés chaud H et froid C rend difficile l'obtention d'un écart de température important (et donc d'une tension Voc importante).
Un but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'un dispositif thermoélectrique dont le dimensionnement n'est pas limité par les contraintes relatives à la formation des couches minces.
Un autre but de la présente invention est donc de proposer un procédé de fabrication d'un dispositif thermoélectrique permettant d'obtenir un micro-générateur thermoélectrique efficace.
Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'un dispositif thermoélectrique plus simple à mettre en œuvre au regard de ce qui est connu de l'état de la technique.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Les buts de l'invention sont, au moins en partie, atteints par un procédé de fabrication d'un dispositif thermoélectrique sur une face avant d'un substrat support, le procédé comprend les étapes suivantes : a) une étape de fourniture d'un substrat support pourvu d'une face dite face avant ; b) une étape de fourniture d'une pluralité de blocs p et de blocs n qui comprennent un matériau semi-conducteur, respectivement, de type p et de type n ; c) une étape de formation d'une couche, dite couche thermoélectrique, par préhension/positionnement des blocs p et des blocs n sur le substrat support ; l'étape c) étant répétée autant de fois que nécessaire de manière à former, sur la face avant, un empilement de couches thermoélectriques, dit empilement thermoélectrique, et formant le dispositif thermoélectrique, l'empilement thermoélectrique s'étend, à partir de la face avant, d'une face inférieure vers une face supérieure dudit empilement, les étapes c) sont en outre exécutées de sorte que les blocs n et les blocs p forment des colonnes dites, respectivement, colonnes n et colonnes p, de la face inférieure vers la face supérieure.
Selon un mode de mise en œuvre, ledit procédé comprend également l'exécution, autant de fois que nécessaire et en alternance avec les étapes c), d'une étape d) de formation de contacts électriques, dits contacts intermédiaires, chaque contact intermédiaire étant destiné, au sein de chaque colonne n d'une part et au sein de chaque colonne p d'autre part, à connecter électriquement, respectivement, les blocs n successifs et les blocs p successifs.
Selon un mode de mise en œuvre, chaque séquence comprenant une exécution, dans l'ordre, de l'étape c) et de l'étape d), est suivie de l'exécution d'une étape e) d'enrobage de la couche thermoélectrique et des contacts intermédiaires formés lors des étapes c) et d) considérées.
Selon un mode de mise en œuvre, l'étape e) comprend les sous étapes suivantes : el) la formation d'un film d'enrobage en recouvrement de la couche thermoélectrique et des contacts intermédiaires formés lors des étapes c) et d) considérées ; e2) un amincissement du film d'enrobage de manière à exposer à l'environnement extérieur les contacts intermédiaires.
Selon un mode de mise en œuvre, l'étape b) de fourniture de la pluralité de blocs p et de blocs n comprend, dans l'ordre, les sous étapes suivantes : bl) la formation d'une première couche de dopage dans un substrat de silicium et qui s'étend à partir d'une première face dudit substrat ; b2) l'assemblage du substrat de silicium par sa première face avec une face principale d'un substrat temporaire ; b3) l'amincissement du premier substrat jusqu'à une épaisseur E prédéterminée ; b4) la formation d'une deuxième couche de dopage dans le substrat de silicium et qui s'étend à partir d'une deuxième face opposée à la première face ; b5) le retrait du substrat temporaire ; b6) une étape de découpe du substrat de silicium en blocs n ou en blocs P-
Selon un mode de mise en œuvre, l'étape b) comprend une étape de fabrication d'un cœur de bloc par fabrication additive et deux étapes de formation de contacts métalliques sur deux faces opposées des blocs n et des blocs p.
Selon un mode de mise en œuvre, le cœur de bloc comprend au moins un des matériaux choisi parmi : Bi2Te3, MgSi, HMS, SnTe, CoSbTe, ZrNiSn, Si SiGe.
Selon un mode de mise en œuvre, les blocs n et les blocs p sont de forme parallélépipédique, et présentent une épaisseur, déterminée selon la direction d'empilement thermoélectrique, comprise entre 10 pm et 1000 pm, et présentent également une section selon un plan perpendiculaire à la direction d'empilement de côté compris entre 500pm et 3 cm.
Selon un mode de mise en œuvre, la formation de l'empilement thermoélectrique est suivie de la formation de contacts d'interconnexion supérieurs reposant sur la face supérieure, chaque contact d'interconnexion supérieur connectant électriquement une colonne p et une colonne n.
Selon un mode de mise en œuvre, le procédé comprend également une étape de formation de contacts d'interconnexion inférieurs, notamment sur la face avant, et destiné à connecter électriquement, par la face inférieure, une colonne p et colonne n, les contacts d'interconnexion inférieurs et les contacts d'interconnexion supérieurs étant agencés de sortes que les colonnes p et les colonnes n sont électriquement connectées en série.
Selon un mode de mise en œuvre, ledit procédé comprend en outre une étape de détachement du substrat support de l'empilement thermoélectrique.
L'invention concerne également un procédé d'assemblage d'au moins deux dispositifs thermoélectriques fabriqués selon le procédé selon la présente invention. Selon un mode de mise en œuvre, ledit procédé d'assemblage comprend la connexion électrique en série des au moins deux dispositifs thermoélectriques.
Selon un mode de mise en œuvre, ledit procédé d'assemblage comprend l'empilement des au moins deux dispositifs par mise en contact de l'une ou l'autre de la face inférieure et de la face supérieure d'un des dispositifs avec l'une ou l'autre de la face inférieure et de la face supérieure de l'autre des dispositifs.
L'invention concerne également un dispositif thermoélectrique formé sur une face avant d'un substrat support, le dispositif comprend un empilement de couches thermoélectriques, dit empilement thermoélectrique, qui s'étend, à partir de la face avant, d'une face inférieure, en contact avec la face avant, vers une face supérieure, chaque couche thermoélectrique étant formée de blocs n et de blocs p qui comprennent un matériau semi-conducteur, respectivement, de type p et de type n, les blocs n et les blocs p sont en outre agencés de manière à former des colonnes dites, respectivement, colonnes n et colonnes p, de la face inférieure vers la face supérieure.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre d'un procédé de fabrication d'un dispositif thermoélectrique selon l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- La figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif thermoélectrique selon une première architecture et obtenu selon un procédé connu de l'état de la technique ;
- la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif thermoélectrique selon une deuxième architecture et obtenu selon un procédé connu de l'état de la technique ;
- les figures 3a à 3g sont des représentations schématiques des différentes étapes mises en œuvre pour la formation de blocs n selon une première variante ; - la figure 4 est une représentation schématique d'une étape a) mise en œuvre dans le cadre de la présente invention ;
- la figure 5 est une représentation schématique d'une étape c) mise en œuvre dans le cadre de la présente invention ;
- la figure 6 est une représentation schématique de la répétition de l'étape c) de manière à former l'empilement thermoélectrique ;
- la figure 7 est une représentation schématique de l'exécution d'une séquence d'étapes c) et d) ;
- la figure 8 est une représentation schématique de l'exécution de deux séquences successives d'étapes c) et d) ;
- la figure 9 est une représentation schématique de l'exécution de trois séquences successives d'étapes c) et d) ;
- la figure 10 est une représentation schématique de l'exécution d'une séquence d'étapes c), d) et e) ;
- la figure 11 est une représentation schématique de l'exécution de deux séquences successives d'étapes c), d), et e) ;
- la figure 12 est une représentation schématique de l'exécution de trois séquences successives d'étapes c), d), et e) ;
- la figure 13 illustre de manière schématiquement une étape de formation de contacts supérieurs sur la face supérieure de l'empilement thermoélectrique ;
- la figure 14 illustre de manière schématique une étape de formation de contacts inférieurs sur la face avant du substrat support ;
- la figure 15 illustre de manière schématique l'agencement des contacts inférieurs et des contacts supérieurs de manière à connecter en série des colonnes n et les colonnes p ;
- la figure 16 est une représentation schématique d'une étape de retrait du substrat support ; - les figures 17a à 17k sont des représentations schématique des différentes étapes mises en œuvre dans le cadre d'un mode de réalisation particulier de la présente invention ;
- la figure 18 est une représentation schématique de deux dispositifs thermoélectriques assemblés en série ;
- la figure 19 est une représentation schématique de deux dispositifs thermoélectriques assemblés en parallèle.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif thermoélectrique qui comprend un empilement de couches thermoélectriques, dit empilement thermoélectrique sur une face avant d'un substrat.
Chaque couche thermoélectrique est notamment formée par préhension/positionnement (« Pick and Place » selon la terminologie Anglo-Saxonne), sur le substrat support, de blocs p et de blocs n formés d'un matériau semi-conducteur.
À cet égard, l'étape de préhension/positionnement est répétée autant de fois que nécessaire de manière à former, sur la face avant, l'empilement thermoélectrique formant le dispositif thermoélectrique. Cet empilement thermoélectrique s'étend en particulier, à partir de la face avant, d'une face inférieure vers une face supérieure dudit empilement, et les étapes de formation des couches thermoélectriques sont en outre exécutées de sorte que les blocs n et les blocs p forment des colonnes dites, respectivement, colonnes n et colonnes p, qui s'étendent de la face inférieure vers la face supérieure.
Par ailleurs, les blocs n et les blocs p, selon la présente invention, peuvent être formés par des techniques impliquant l'amincissement de substrats ou par des techniques de fabrication additives.
De telles considérations permettent ainsi de s'affranchir des contraintes dimensionnelles relatives à la formation de couches minces, et donnent ainsi accès à des dimensions de colonnes n et de colonnes p jusqu'alors inaccessibles. Néanmoins, l'invention ne doit pas être limitée au « Pick and Place », et d'autres méthodes de positionnement des blocs p et des blocs n peuvent être considérées. Notamment, l'homme du métier pourra également mettre en œuvre une technique mettant en œuvre des équipements dits « roll to roll pick and place » ou « roll to roll ». Ces équipement permettent à cet de placer de manière collective une pluralité de blocs (en même temps). Ces derniers reposent à cet égard sur un support flexible et peuvent ainsi être reportés sur le substrat support. Il est également possible de considérer
Selon une autre alternative, les méthodes de transfert peuvent également impliquer un transfert de blocs d'un substrat temporaire vers le substrat support.
L'invention est dans la suite de l'énoncé en relation avec les figures 3 à 16.
En particulier, le procédé selon la présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif s thermoélectrique.
Le procédé comprend à cet égard une étape a) qui consiste à fournir un substrat support 10 pourvu d'une face avant 11 (figure 4).
Le substrat support 10 peut comprendre un matériau semi-conducteur, par exemple du silicium. Néanmoins, et dans la mesure où ce substrat support n'assure qu'une fonction de support temporaire, d'autres matériaux peuvent être considérés.
Le procédé comprend également une étape b) qui consiste à fournir des blocs n et de blocs p qui comprennent un matériau semi-conducteur, respectivement, de type n et de type p.
Par « de type n » et « de type p », on entend, respectivement, dopé n et dopé p.
Les blocs n et les blocs p sont par ailleurs de forme parallélépipédique. Plus particulièrement, les blocs n et les blocs p peuvent présenter une épaisseur comprise entre 10 pm et 1000 pm, et une section selon un plan perpendiculaire à leur épaisseur de côté compris entre 500pm et 3 cm. Les blocs n peuvent notamment comprendre, selon leur épaisseur, une électrode, une couche de matériau semi-conducteur dopé n, et une autre électrode.
De manière équivalente, les blocs p peuvent notamment comprendre, selon leur épaisseur, une électrode, une couche de matériau semi-conducteur dopé p, et une autre électrode.
La formation des blocs n peut, selon une première variante illustrée aux figures 3a à 3g, comprendre l'exécution, dans l'ordre, des sous étapes suivantes : bl) la formation d'une première couche de dopage 41 dans un substrat de silicium 40 pré dopé, et qui s'étend à partir d'une première face 42 dudit substrat 40 (figure 3a) ; b2) l'assemblage du substrat de silicium 40 par sa première face 42 avec une face principale 51 d'un substrat temporaire 50 (figure 3b) ; b3) l'amincissement du premier substrat jusqu'une épaisseur E prédéterminée non nulle (figure 3c) ; b4) la formation d'une deuxième couche de dopage 44 dans le substrat de silicium et qui s'étend à partir d'une deuxième face 43 opposée à la première face (figure 3d) ; b5) le retrait du substrat temporaire (figure 3e) ; b6) une étape de découpe du substrat de silicium en blocs n (figures 3f et 3g).
Plus particulièrement, l'étape bl) peut comprendre un dopage par implantation d'espèces à partir de la première face 42.
L'étape b2) d'assemblage peut comprendre un collage moléculaire.
L'étape b3) d'amincissement peut être exécutée par amincissement mécanique ou abrasion (« Grinding » selon la terminologie Anglo-Saxonne).
La deuxième couche de dopage formée lors de l'étape b4) peut également impliquer une implantation d'espèces.
Il est entendu que les espèces implantées, ainsi que le pré dopage du substrat de silicium, pour la formation des blocs n, sont de type n. Les étapes d'implantation permettent par ailleurs d'atteindre des niveaux de dopage de la première couche de dopage et de la deuxième couche de dopage supérieurs à 1019 atm/cm3.
Un recuit final, exécuté après l'étape b6) à une température comprise entre 800 °C et 1100 °C, permet d'activer les espèces implantées.
Il est entendu que la formation des blocs p selon cette première variante implique des implantations d'espèces de type p.
De manière alternative, il est possible de former les blocs n et les blocs p selon une deuxième variante. Cette dernière implique notamment une étape de fabrication additive, par exemple par frittage de matière ou par fusion laser d'une poudre.
Plus particulièrement, cette deuxième alternative peut comprendre dans l'ordre :
- une étape de formation d'un contact métallique ;
- une étape de formation d'un bloc, notamment un bloc parallélépipédique, semi-conducteur ;
- une étape de formation d'un autre contact métallique.
Cette deuxième alternative est notamment exécutée de sorte que les deux contacts métalliques reposent chacun sur une face différente du bloc semi- conducteur et opposées l'une de l'autre.
Le matériau formant le bloc peut en particulier comprendre au moins un des matériaux choisi parmi : Bi2Te3, MgSi, HMS, SnTe, CoSbTe, ZrNiSn, Si, SiGe.
La fabrication additive impliquant le Bi2Te3 est notamment décrite dans le document [1] cité à la fin de la description.
Le procédé comprend également la formation d'un empilement, dit empilement thermoélectrique 20, de couches thermoélectriques 21 sur la face avant 11 du substrat support 10. Notamment, l'empilement thermoélectrique 20 s'étend d'une face inférieure 22, en contact avec la face avant 11, vers une face supérieure 23 (figure 6).
En particulier, la formation de l'empilement comprend la répétition, autant de fois que nécessaire, d'une étape c) de formation d'une couche thermoélectrique 21 (figures 5 et 6). En d'autres termes, des couches thermoélectriques 21 sont formées de manière successive et en recouvrement les unes des autres.
A cet égard, l'étape c) de formation d'une couche thermoélectrique 21 est exécutée par préhension/positionnement (« Pick and Place » selon la terminologie Anglo-Saxonne) des blocs p et des blocs n sur le substrat support 10.
En particulier, une couche thermoélectrique 21, formée par exécution de l'étape c), comprend un pavage (ou un damier), par exemple régulier, alternant les blocs n et les blocs p.
Par ailleurs, les couches thermoélectriques, formées par la répétition des étapes c), sont identiques.
Ainsi, chaque bloc n d'une couche thermoélectrique donnée est positionné à l'aplomb d'un bloc n de la couche thermoélectrique formée lors de l'étape c) précédente.
De manière équivalente, chaque bloc p d'une couche thermoélectrique donnée est positionné à l'aplomb d'un bloc p de la couche thermoélectrique formée lors de l'étape c) précédente.
En d'autres termes, les blocs n et les blocs p forment des colonnes dites, respectivement, colonnes n 24 et colonnes p 25, qui s'étendent de la face inférieure 22 vers la face supérieure 23.
Le procédé selon la présente invention peut également comprendre une étape d) de formation de contacts électriques, dits contacts intermédiaires 26. Les contacts intermédiaires 26 sont notamment formés pour connecter électriquement, au sein de chaque colonne n 24 d'une part et au sein de chaque colonne p 25 d'autre part, respectivement, les blocs n successifs et les blocs p successifs.
En d'autres termes, le procédé selon la présente invention comprend l'exécution, autant de fois que nécessaire et en alternance avec les étapes c), de l'étape d) de formation des contacts intermédiaires 26, de manière à connecter, au sein de chaque colonne n 24, les blocs n successifs, et, au sein de chaque colonne p 25, les blocs p successifs. À cet égard, les figures 7, 8 et 9 illustrent l'exécution, respectivement, d'une séquence d'étapes c) et d), de deux séquences successives d'étapes c) et d), et de trois séquences successives d'étapes c) et d).
Le procédé selon la présente invention peut également comprendre une étape e) de formation d'un film d'enrobage Tl destiné à enrober la couche thermoélectrique 21 et les contacts intermédiaires 26 formés lors d'une séquence d'étapes c) et d). En particulier, chaque séquence comprend l'exécution, dans l'ordre, de l'étape c) et de l'étape d), est suivie de l'exécution de l'étape e) d'enrobage de la couche thermoélectrique 21 et des contacts intermédiaires 26 formés lors desdites étapes c) et d) considérées.
Ainsi, les figures 10, 11 et 12 illustrent l'exécution, respectivement, d'une séquence d'étapes c), d) et e), de deux séquences successives d'étapes c), d) et e), et de trois séquences successives d'étapes c), d) et e).
L'exécution d'une étape e) peut, selon la présente invention, comprendre les deux sous étapes suivantes : el) la formation d'un film d'enrobage Tl en recouvrement de la couche thermoélectrique 21 et des contacts intermédiaires 26 formés lors des étapes c) et d) considérées ; e2) un amincissement du film d'enrobage Tl de manière à exposer à l'environnement extérieur les contacts intermédiaires 26.
La sous étape el) peut comprendre une lamination sous vide d'un film sec, par exemple un film qui comprend un film organique de base d'époxy, de silicone, de siloxane....
L'épaisseur du film d'enrobage Tl est, à cet égard, supérieure à l'épaisseur cumulée de la couche thermoélectrique 21 et des contacts intermédiaires 26.
La sous étape d'amincissement e2) peut être exécutée par abrasion mécanique (« Grinding » selon la terminologie Anglo-Saxonne), de manière à découvrir les contacts intermédiaires 26.
Le procédé selon la présente invention peut également comprendre une étape de formation de contacts supérieurs 28 sur la face supérieure 23, et exécutée après formation de l'empilement thermoélectrique 20. En particulier, chaque contact supérieur 28, tel qu'illustré à la figure 13, connecte électriquement une colonne n avec une colonne
P-
De manière équivalente, le procédé peut comprendre une étape de formation de contacts inférieurs 29 sur la face avant 11 du substrat support 10. En particulier, les contacts inférieurs 29 sont intercalés entre la face avant 11 et la face inférieure 22 de l'empilement thermoélectrique 20 de manière à connecter par la face inférieure 22 chaque colonne n 24 avec une colonne p 25 (figure 14). En particulier, les contacts inférieurs et les contacts supérieurs sont agencés de sorte que les colonnes p et les colonnes n sont électriquement connectées en série (figure 15).
Le procédé peut enfin comprendre un détachement du substrat support 10 de manière à libérer le dispositif thermoélectrique (figure 16).
Les figures 17a à 17k sont des représentations schématiques des étapes susceptibles d'être exécutées selon un exemple particulier de réalisation du procédé selon la présente invention.
L'étape a) peut notamment comprendre la fourniture d'un substrat support 10 qui comprend une couche d'oxyde 12 de silicium formée à partir de sa face avant 11. Notamment, la couche d'oxyde de silicium 12 peut être formée par oxydation thermique d'un substrat support 10 fait de silicium.
La fourniture du substrat support 10 est, selon cet exemple, suivie de la formation de contacts inférieurs 29 (figures 17b, 17c et 17d) qui comprennent chacun une piste de cuivre 29a et deux plots métalliques 29b. En particulier, la formation des pistes de cuivre 29a comprend, dans l'ordre, le dépôt d'une couche germe de titane / cuivre, et la croissance de cuivre par électrodéposition. Un masque M, par exemple fait de nitrure de silicium, est ensuite formé. Le masque M comprend par ailleurs des ouvertures O exposant deux sites de chacune des pistes de cuivre 29a. Les plots métalliques 29b sont ensuite formés niveau des ouvertures O.
La figure 17e est une représentation schématique de l'étape c) de préhension / positionnement des blocs n et des blocs p destinée à former une première couche thermoélectrique 20. Le positionnement des blocs n et des blocs p sur les plots métalliques 29b peut faire intervenir une thermocompression. L'étape d) de formation des contacts intermédiaires 26 est ensuite mise en œuvre (figures 17f). Les contacts intermédiaires 26 peuvent comprendre des plots métalliques 26a ainsi que des piliers d'interconnexion 26b.
L'étape e) d'enrobage de la couche thermoélectrique 21 et des contacts intermédiaires 26, illustrée à la figure 17g, est exécutée après l'étape d), et comprend les sous-étapes el) et e2) décrites ci-avant.
La figure 17h est une représentation schématique relative à la formation de plots métalliques 26c formés dans la continuité des contacts métalliques 26.
Les plots métalliques 26c peuvent en particulier être formés dans des ouvertures ménagées dans un film de passivation FP en recouvrement du film d'enrobage 27.
Le procédé se poursuit par la répétition des étapes précédemment décrites afin de former le dispositif 5 thermoélectrique tel qu'illustré à la figure 17i et à la figure 17j.
Enfin, le substrat support 10 est retiré afin de libérer le dispositif 5 thermoélectrique (figure 17k).
Le procédé selon la présente invention permet ainsi de former un dispositif 5 thermoélectrique dont les performances ne sont plus limitées par les méthodes de formation de couches minces. En effet, ce procédé qui met en œuvre la formation des blocs n et des blocs p selon l'une et/ou l'autre de la première et de la deuxième variante, permet de former des colonnes p et des colonnes n qui présentent une section suffisamment importante de manière à réduire la résistance électrique de ces dernières.
Ce procédé permet par conséquent d'envisager la formation de dispositifs thermoélectriques dont la longueur des colonnes n et des colonnes p n'est plus limitée par une éventuelle augmentation de la résistivité desdites colonnes.
En outre, dans la mesure où les techniques de fabrication additive sont susceptibles d'être mise en œuvre pour la formation des blocs n et des blocs p, la présente invention ouvre la voie à l'utilisation de matériaux plus performants pour la formation desdits blocs n et p. Il est également possible, dépendamment des performances visées, de former les blocs n selon la première variante et les blocs p selon la deuxième variante ou inversement.
Enfin, l'invention concerne un procédé d'assemblage d'au moins deux dispositifs 5 thermoélectriques, par exemple deux, fabriqués selon la présente invention.
En particulier, l'assemblage peut comprendre la connexion électrique en série des au moins deux dispositifs 5 thermoélectriques (figure 18).
De manière alternative, le procédé d'assemblage comprend l'empilement des au moins deux dispositifs par mise en contact de l'une ou l'autre de la face inférieure et de la face supérieure d'un des dispositifs avec l'une ou l'autre de la face inférieure et de la face supérieure de l'autre des dispositifs. Cet empilement permet de répondre aux problématiques de contraintes mécaniques susceptibles d'intervenir lors de la formation du dispositif thermoélectrique sur le substrat support (figure 19).
L'assemblage proposé à la figure 19 peut notamment impliquer un assemblage, entre colonnes n d'une part, et colonnes p d'autre part, au moyen de plots métalliques. Cet assemblage alternative permet par ailleurs de considérer un plus dans nombre de couches thermoélectrique et par voie de conséquence des colonnes n et des colonnes p d'une longueur plus importante.
Le dispositif thermoélectrique 5 formé selon la présente invention sera avantageusement mis en œuvre pour la récupération d'énergie, par exemple pour l'alimentation de capteurs autonomes, dans les domaines de la microélectronique, la téléphonie mobile, la domotique, les bâtiments intelligents (« smart building ») et les réseaux intelligents (« smart grid »), etc.
REFERENCE
[1] Jianxu Shi et al., « 3D printing fabrication of porous bismuth antimony telluride and study of the thermoelectric properties », Journal of Manufacturing Processes, 37, 370-375, (2019).

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'un dispositif (5) thermoélectrique sur une face avant (11) d'un substrat support (10), le procédé comprend les étapes suivantes : a) une étape de fourniture d'un substrat support (10) pourvu d'une face dite face avant (11) ; b) une étape de fourniture d'une pluralité de blocs p et de blocs n qui comprennent un matériau semi-conducteur, respectivement, de type p et de type n ; c) une étape de formation d'une couche, dite couche thermoélectrique (21), par positionnement, notamment par préhension/positionnement, des blocs p et des blocs n sur le substrat support (10) ; l'étape c) étant répétée autant de fois que nécessaire de manière à former, sur la face avant (11), un empilement de couches thermoélectriques, dit empilement thermoélectrique (20), l'empilement thermoélectrique (20) s'étend, à partir de la face avant (11), d'une face inférieure (22) vers une face supérieure (23) dudit empilement, les étapes c) sont en outre exécutées de sorte que les blocs n et les blocs p forment des colonnes dites, respectivement, colonnes n (24) et colonnes p (25), de la face inférieure (22) vers la face supérieure (23).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit procédé comprend également l'exécution, autant de fois que nécessaire et en alternance avec les étapes c), d'une étape d) de formation de contacts électriques, dits contacts intermédiaires (26), chaque contact intermédiaire étant destiné, au sein de chaque colonne n d'une part et au sein de chaque colonne p d'autre part, à connecter électriquement, respectivement, les blocs n successifs et les blocs p successifs.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel chaque séquence comprenant une exécution, dans l'ordre, de l'étape c) et de l'étape d), est suivie de l'exécution d'une étape e) d'enrobage de la couche thermoélectrique (21) et des contacts intermédiaires (26) formés lors des étapes c) et d) considérées.
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'étape e) comprend les sous étapes suivantes : el) la formation d'un film d'enrobage (27) en recouvrement de la couche thermoélectrique (21) et des contacts intermédiaires (26) formés lors des étapes c) et d) considérées ; e2) un amincissement du film d'enrobage (27) de manière à exposer à l'environnement extérieur les contacts intermédiaires (26).
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel une étape b) de fourniture de la pluralité de blocs p et de blocs n comprend, dans l'ordre, les sous étapes suivantes : bl) la formation d'une première couche de dopage dans un substrat de silicium et qui s'étend à partir d'une première face dudit substrat ; b2) l'assemblage du substrat de silicium par sa première face avec une face principale d'un substrat temporaire ; b3) l'amincissement du premier substrat jusqu'une épaisseur E prédéterminée ; b4) la formation d'une deuxième couche de dopage dans le substrat de silicium et qui s'étend à partir d'une deuxième face opposée à la première face ; b5) le retrait du substrat temporaire ; b6) une étape de découpe du substrat de silicium en blocs n ou en blocs P-
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'étape b) comprend une étape de fabrication d'un cœur de bloc par fabrication additive et deux étapes de formation de contacts métalliques sur deux faces opposées des blocs n et des blocs p.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le cœur de bloc comprend au moins un des matériaux choisi parmi : Bi2Te3, MgSi, HMS, SnTe, CoSbTe, ZrNiSn, Si SiGe.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les blocs n et les blocs p sont de forme parallélépipédique, et présentent une épaisseur, déterminée selon la direction d'empilement thermoélectrique (20), comprise entre 10 pm et 1000 pm, et présentent également une section selon un plan perpendiculaire à la direction d'empilement de côté compris entre 500 pm et 3 cm.
9. Procédé selon l'un des revendications 1 à 8, dans lequel la formation de l'empilement thermoélectrique (20) est suivie de la formation de contacts d'interconnexion supérieurs reposant sur la face supérieure (23), chaque contact d'interconnexion supérieur connectant électriquement une colonne p et une colonne n.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le procédé comprend également une étape de formation de contacts inférieurs, notamment sur la face avant (11), et destiné à connecter électriquement, par la face inférieure (22), une colonne p et colonne n, les contacts inférieurs et les contacts supérieurs étant agencés de sortes que les colonnes p (25) et les colonnes n (24) sont électriquement connectées en série.
11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel ledit procédé comprend en outre une étape de détachement du substrat support (10) de l'empilement thermoélectrique (20).
12. Procédé d'assemblage d'au moins deux dispositifs (5) thermoélectriques fabriqués selon le procédé selon l'une des revendications 1 à 11. 21
13. Procédé d'assemblage selon la revendication 12, dans lequel ledit procédé d'assemblage comprend la connexion électrique en série des au moins deux dispositifs (5) thermoélectriques.
14. Procédé d'assemblage selon la revendication 13, dans lequel ledit procédé d'assemblage comprend l'empilement des au moins deux dispositifs (5) par mise en contact de l'une ou l'autre de la face inférieure (22) et de la face supérieure (23) d'un des dispositifs (5) avec l'une ou l'autre de la face inférieure (22) et de la face supérieure (23) de l'autre des dispositifs (5).
15. Dispositif (5) thermoélectrique formé sur une face avant (11) d'un substrat support (10), le dispositif (5) comprend un empilement de couches thermoélectriques, dit empilement thermoélectrique (20), qui s'étend, à partir de la face avant (11), d'une face inférieure (22), en contact avec la face avant (11), vers une face supérieure (23), chaque couche thermoélectrique (21) étant formée de blocs n et de blocs p qui comprennent un matériau semi-conducteur, respectivement, de type p et de type n, les blocs n et les blocs p sont en outre agencés de manière à former des colonnes dites, respectivement, colonnes n (24) et colonnes p (25), de la face inférieure (22) vers la face supérieure (23).
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005109535A2 (fr) * 2004-05-06 2005-11-17 Koninklijke Philips Electronics N.V. Procede de fabrication d'un dispositif thermoelectrique
CN103199188B (zh) * 2012-01-09 2016-06-08 天津大学 由薄膜温差电材料制造的叠层结构微型温差电器件及制造方法
EP3506375A1 (fr) * 2017-12-28 2019-07-03 Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives Dispositif thermoelectrique et procede de fabrication du dispositif thermoelectrique
CN107623067B (zh) * 2017-08-10 2019-11-12 南京航空航天大学 一种便携式高纵横比层间连接的微型垂直结构热电器件及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005109535A2 (fr) * 2004-05-06 2005-11-17 Koninklijke Philips Electronics N.V. Procede de fabrication d'un dispositif thermoelectrique
CN103199188B (zh) * 2012-01-09 2016-06-08 天津大学 由薄膜温差电材料制造的叠层结构微型温差电器件及制造方法
CN107623067B (zh) * 2017-08-10 2019-11-12 南京航空航天大学 一种便携式高纵横比层间连接的微型垂直结构热电器件及其制备方法
EP3506375A1 (fr) * 2017-12-28 2019-07-03 Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives Dispositif thermoelectrique et procede de fabrication du dispositif thermoelectrique

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIANXU SHI ET AL.: "3D printing fabrication of porous bismuth antimony telluride and study of the thermoelectric properties", JOURNAL OF MANUFACTURING PROCESSES, vol. 37, 2019, pages 370 - 375, XP085638859, DOI: 10.1016/j.jmapro.2018.11.001
ROWE D M ET AL: "Design theory of thermoelectric modules for electrical power generation", IEE PROCEEDINGS: SCIENCE, MEASUREMENT AND TECHNOLOGY, IEE, STEVENAGE, HERTS, GB, vol. 143, no. 6, 5 November 1996 (1996-11-05), pages 351 - 356, XP006006814, ISSN: 1350-2344, DOI: 10.1049/IP-SMT:19960714 *

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