WO2024048473A1 - 熱電変換素子及び熱電変換素子の製造方法 - Google Patents

熱電変換素子及び熱電変換素子の製造方法 Download PDF

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WO2024048473A1
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thermoelectric
thermoelectric conversion
conductive member
heat insulating
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宏平 高橋
正樹 藤金
邦彦 中村
敦史 姫野
尚基 反保
浩之 田中
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • 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
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    • 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 present disclosure relates to a thermoelectric conversion element and a method for manufacturing the thermoelectric conversion element.
  • Thermoelectric conversion is a technology that directly converts thermal energy into electrical energy by utilizing the Seebeck effect, which generates an electromotive force in proportion to the temperature difference applied to both ends of a substance.
  • it is a technology that converts electrical energy into thermal energy by utilizing the Peltier effect, which creates a temperature difference between the two ends of a material due to an electric current generated in the material.
  • thermoelectric conversion element The performance of the thermoelectric conversion element is evaluated by the figure of merit Z or the dimensionless figure of merit ZT, which is the product of the figure of merit Z and the absolute temperature T.
  • thermoelectric conversion element A ⁇ -type thermoelectric conversion element is known as a thermoelectric conversion element.
  • a p-type thermoelectric member having a positive Seebeck coefficient and an n-type thermoelectric member having a negative Seebeck coefficient are electrically connected in series and thermally connected in parallel to form a thermocouple. It is configured.
  • Unileg type thermoelectric conversion elements are also known as thermoelectric conversion elements.
  • a unireg type thermoelectric conversion element only one of a p-type thermoelectric member and an n-type thermoelectric member is used as a thermoelectric member, and each thermoelectric member is electrically connected in series by a metal plate, and thermally connected in parallel.
  • Patent Documents 1 and 2 describe Unileg type thermoelectric conversion elements.
  • a ⁇ -type thermoelectric conversion element it is important to use a p-type thermoelectric member and an n-type thermoelectric member that have similar characteristics such as electrical resistivity, thermal conductivity, and Seebeck coefficient.
  • the Unileg type thermoelectric conversion element only one of the p-type thermoelectric member and the n-type thermoelectric member is used as the thermoelectric member, so there are fewer restrictions regarding the selection of the thermoelectric member.
  • thermoelectric conversion element is constructed using a thin film thermoelectric member.
  • the present disclosure provides a technique that is advantageous from the viewpoint of thermoelectric conversion performance while using a thin film thermoelectric member in a Unileg type thermoelectric conversion element.
  • thermoelectric conversion element A substrate and a thermocouple including a thin film thermoelectric member and a conductive member arranged along the main surface of the substrate; a heat insulating material in contact with the conductive member,
  • the conductive member includes at least one selected from the group consisting of metals and metal compounds,
  • the thermal conductivity of the heat insulating material is lower than the thermal conductivity of the electrically conductive member.
  • thermoelectric conversion element of the present disclosure is configured as a unileg type thermoelectric conversion element including a thin film thermoelectric member, and is advantageous from the viewpoint of thermoelectric conversion performance.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing an example of the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view schematically showing another example of the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 2A is a plan view showing an example of the thermoelectric member of Embodiment 1.
  • FIG. 2B is a plan view showing another example of the thermoelectric member of Embodiment 1.
  • FIG. 2C is a plan view showing still another example of the thermoelectric member of Embodiment 1.
  • FIG. 2D is a plan view showing still another example of the thermoelectric member of Embodiment 1.
  • FIG. 2E is a plan view showing still another example of the thermoelectric member of Embodiment 1.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing an example of the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view schematically showing another example of the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 2F is a plan view showing still another example of the thermoelectric member of Embodiment 1.
  • FIG. 3A is a plan view showing an example of the conductive member of Embodiment 1.
  • FIG. 3B is a plan view showing another example of the conductive member of Embodiment 1.
  • FIG. 3C is a plan view showing still another example of the conductive member of Embodiment 1.
  • FIG. 3D is a plan view showing still another example of the conductive member of Embodiment 1.
  • FIG. 3E is a plan view showing still another example of the conductive member of Embodiment 1.
  • FIG. 3F is a plan view showing still another example of the conductive member of Embodiment 1.
  • FIG. 3G is a plan view showing yet another example of the conductive member of Embodiment 1.
  • FIG. 3A is a plan view showing an example of the conductive member of Embodiment 1.
  • FIG. 3B is a plan view showing another example of the conductive member of Embodiment 1.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view of the thermocouple taken along line IVA-IVA in FIG. 1A.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view showing another example of the arrangement of the thermoelectric member and the conductive member in the thermocouple of Embodiment 1.
  • FIG. 4C is a cross-sectional view showing still another example of the arrangement of the thermoelectric member and the conductive member in the thermocouple of Embodiment 1.
  • FIG. 4D is a cross-sectional view showing still another example of the arrangement of the thermoelectric member and the conductive member in the thermocouple of Embodiment 1.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view of the thermocouple taken along line IVA-IVA in FIG. 1A.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view showing another example of the arrangement of the thermoelectric member and the conductive member in the thermocouple of Embodiment 1.
  • FIG. 4C is a cross-sectional view showing still another example of the arrangement of the thermo
  • FIG. 4E is a cross-sectional view showing yet another example of the arrangement of the thermoelectric member and the conductive member in the thermocouple of Embodiment 1.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 5C is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 5D is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 5E is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 5F is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 5G is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 5H is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 5I is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 5J is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 5K is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 5L is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 5M is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 5N is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 5O is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view schematically showing an example of the thermoelectric conversion element of Embodiment 2.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view schematically showing another example of the thermoelectric conversion element of Embodiment 2.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view of the thermocouple taken along line VIIA-VIIA in FIG. 6A.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view showing another example of the arrangement of the thermoelectric member and the conductive member in the thermocouple of Embodiment 2.
  • FIG. 7C is a cross-sectional view showing still another example of the arrangement of the thermoelectric member and the conductive member in the thermocouple of Embodiment 2.
  • FIG. 7D is a cross-sectional view showing still another example of the arrangement of the thermoelectric member and the conductive member in the thermocouple of Embodiment 2.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to Embodiment 2.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to Embodiment 2.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to Embodi
  • FIG. 8B is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 2.
  • FIG. 8C is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 2.
  • FIG. 8D is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 2.
  • FIG. 8E is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 2.
  • FIG. 8F is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 2.
  • FIG. 8G is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 2.
  • FIG. 8H is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 2.
  • FIG. 8I is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 2.
  • FIG. 8J is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 2.
  • FIG. 8K is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 2.
  • FIG. 8L is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 2.
  • thermoelectric conversion element In the Unileg type thermoelectric conversion element, the metal plate for electrically connecting the thermoelectric member is considered to have high thermal conductance with respect to the thermoelectric member. For this reason, the thermal conductance of the entire element tends to be higher in the Unileg type thermoelectric conversion element than in the ⁇ type thermoelectric conversion element. This cannot be said to be advantageous from the viewpoint of thermoelectric conversion performance.
  • the thermal conductance G m of the metal plate that constitutes the thermocouple together with the thermoelectric member is determined by the thermal conductivity ⁇ m of the material of the metal plate, the area A m of the end face forming one end of the metal plate in the heat flow direction, and the heat flow direction of the metal plate.
  • the dimension L m ⁇ m ⁇ A m /L m .
  • the dimension L t and the dimension L m can be adjusted to be the same or close to each other.
  • thermoelectric member which is a member that constitutes the thermocouple together with the thermoelectric member in the Unileg type thermoelectric conversion element, is lowered.
  • Cheap the thermal conductance of the conductive member, which is a member that constitutes the thermocouple together with the thermoelectric member in the Unileg type thermoelectric conversion element
  • thermoelectric conversion element equipped with a thermoelectric member made of a bulk obtained through a manufacturing process that includes cutting, it is difficult to produce a metal plate that constitutes a thermocouple together with the thermoelectric member with a fine structure. Therefore, it is conceivable to manufacture a thermoelectric conversion element including a thin film thermoelectric member using a semiconductor manufacturing process or the like. In this case, a fine structure can easily be obtained by a method such as lithography. Therefore, instead of a metal plate, a conductive member that has a small end face that forms one end in the heat flow direction and that contains at least one member selected from the group consisting of metals and metal compounds is used to conduct each thin-film thermoelectric member. It is conceivable to connect electrically.
  • thermoelectric conversion element of the present disclosure was finally completed.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing an example of the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • the thermoelectric conversion element 1a includes a substrate 20, a thermocouple 10t, and a heat insulating material 11.
  • the thermocouple 10t includes a thin film thermoelectric member 10g and a conductive member 10m.
  • the thermoelectric member 10g and the conductive member 10m are arranged along the main surface of the substrate 20.
  • Each of the thermoelectric member 10g and the conductive member 10m extends along the main surface of the substrate 20, for example.
  • the conductive member 10m includes at least one selected from the group consisting of metals and metal compounds.
  • the heat insulating material 11 is in contact with the conductive member.
  • the thermal conductivity of the heat insulating material 11 is lower than that of the conductive member 10m. Due to the heat insulating material 11, the volume of the conductive member 10m tends to be reduced, for example, even if the conductive member 10m is not formed as a fine structure having a dimension of 1 ⁇ m or less in the direction parallel to the main surface of the substrate 20. Therefore, the thermal conductance of the conductive member 10m tends to be low. As a result, the thermoelectric conversion performance of the thermoelectric conversion element 1a tends to be high. In this specification, thermal conductivity means a value at 25°C. Note that the formation of fine structures with dimensions of 1 ⁇ m or less may require process node processes that involve high manufacturing costs.
  • the material forming the thermoelectric member 10g is not limited to a specific material.
  • the material may be a thermoelectric material with a positive Seebeck coefficient or a thermoelectric material with a negative Seebeck coefficient.
  • the material forming the thermoelectric member 10g is preferably a semiconductor material in which carriers responsible for electrical conduction can be adjusted to either holes or electrons by doping. Examples of such semiconductor materials are Si, SiGe, SiC, GaAs, InAs, InSb, InP, GaN, ZnO, and BiTe.
  • the thermoelectric member 10g may be made of other materials.
  • the material forming the thermoelectric member 10g may be a single crystal material, a polycrystalline material, or an amorphous material.
  • the thickness of the thermoelectric member 10g in the direction perpendicular to the main surface of the substrate 20 is not limited to a specific thickness.
  • the thickness is, for example, 100 nm or more and 10 ⁇ m or less.
  • the carrier density of the thermoelectric member 10g is not limited to a specific value.
  • the carrier density is, for example, in the range of 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 to 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 .
  • the metal or metal compound contained in the conductive member 10m is not limited to a specific metal or metal compound.
  • Examples of metals and metal compounds are materials used in semiconductor manufacturing processes such as Al, Cu, TiN, and TaN.
  • the thermal conductivity of the conductive member 10m is not limited to a specific value as long as the thermal conductivity of the heat insulating material 11 is lower than the thermal conductivity of the conductive member 10m.
  • the thermal conductivity of the conductive member 10m is, for example, 15 Wm -1 K -1 or more and 400 Wm -1 K -1 or less.
  • the dimension of the conductive member 10m in the direction perpendicular to the main surface of the substrate 20 is not limited to a specific value. Its dimensions may vary depending on the thickness of the thermoelectric member 10g. Its dimensions are, for example, 100 nm or more and 10 ⁇ m or less.
  • the maximum dimension of the conductive member 10m in the direction parallel to the main surface of the substrate 20 is not limited to a specific value. Its maximum dimension is, for example, 2 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less. According to such a configuration, the conductive member 10m can be formed without using a process node process that involves high manufacturing costs, and the manufacturing cost of the thermoelectric conversion element 1a is unlikely to increase.
  • the thermal conductivity of the heat insulating material 11 is not limited to a specific value as long as it is lower than the thermal conductivity of the conductive member 10m.
  • the thermal conductivity of the heat insulating material 11 is, for example, 10 Wm ⁇ 1 K ⁇ 1 or less. In this case, the thermal conductance of the structure including the conductive member 10m and the heat insulating material 11 tends to be low, and the thermal conductance of the entire thermoelectric conversion element 1a tends to be low. Therefore, the thermoelectric conversion performance of the thermoelectric conversion element 1a tends to be higher.
  • the thermal conductivity of the heat insulating material 11 may be 20 Wm -1 K -1 or less, or may be 10 Wm -1 K -1 or less.
  • the thermal conductivity of the heat insulating material 11 is, for example, 0.1 Wm ⁇ 1 K ⁇ 1 or more.
  • the heat insulating material 11 includes, for example, an amorphous material. In this case, the thermal conductivity of the heat insulating material 11 tends to decrease, and the thermal conductance of the structure including the conductive member 10m and the heat insulating material 11 tends to decrease.
  • the heat insulating material 11 may include a polycrystalline material.
  • the material forming the heat insulating material 11 is not limited to a specific material as long as the thermal conductivity of the heat insulating material 11 is lower than the thermal conductivity of the conductive member 10m. Examples of materials forming the heat insulating material 11 are oxides such as SiO 2 and Al 2 O 3 and metallic glass.
  • the ratio of the volume of the heat insulating material 11 to the sum of the volumes of the conductive member 10m and the heat insulating material 11 is not limited to a specific value.
  • the ratio is, for example, 50% to 90%. According to such a configuration, the thermal conductance of the structure including the conductive member 10m and the heat insulating material 11 tends to be lower, and the overall thermal conductance of the thermoelectric conversion element 1a tends to be lower.
  • the conductive member 10m tends to have desired electrical conductivity.
  • the substrate 20 includes, for example, a base 20a and a base insulating film 20b.
  • a first wiring 30a is arranged on the base insulating film 20b.
  • a thermoelectric member 10g and a conductive member 10m are arranged on the first wiring 30a.
  • a second wiring 30b is arranged on the thermoelectric member 10g and the conductive member 10m.
  • One end surface of the thermoelectric member 10g and the conductive member 10m in the direction perpendicular to the main surface of the substrate 20 is electrically connected to the first wiring 30a.
  • the other end surfaces of the thermoelectric member 10g and the conductive member 10m in the direction perpendicular to the main surface of the substrate 20 are electrically connected to the second wiring 30b.
  • FIG. 1A the heat insulating material 11 is covered with, for example, the second wiring 30b.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view schematically showing another example of the thermoelectric conversion element of Embodiment 1.
  • the thermoelectric conversion element 1b shown in FIG. 1B has the same structure as the thermoelectric conversion element 1a except for the parts to be particularly described.
  • the heat insulating material 11 does not need to be covered by the second wiring 30b.
  • thermoelectric member 10g and the conductive member 10m are electrically connected in series by a first wiring 30a and a second wiring 30b.
  • a thermocouple 10t is configured by the thermoelectric member 10g and the conductive member 10m.
  • the thermoelectric conversion element 1a further includes, for example, a first interlayer insulating film 41 and a second interlayer insulating film 42.
  • the first interlayer insulating film 41 is arranged between the first wiring 30a and the second wiring 30b in a direction perpendicular to the main surface of the substrate 20.
  • the first interlayer insulating film 41 is formed to fill the gap between the thermoelectric member 10g and the conductive member 10m and the periphery of the thermoelectric member 10g and the conductive member 10m.
  • the second interlayer insulating film 42 is formed to cover the second wiring 30b.
  • the thermoelectric conversion element 1a includes, for example, a plurality of plugs 53.
  • Plug 53 extends through second interlayer insulating film 42 in a direction perpendicular to the main surface of substrate 20 .
  • the plug 53 is placed on the second wiring 30b and is electrically connected to the second wiring 30b.
  • the thermoelectric conversion element 1a includes, for example, a first electrode pad 51 and a second electrode pad 52. Each of the first electrode pad 51 and the second electrode pad 52 is electrically connected to a different plug 53. Thereby, the thermocouple 10t is electrically connected to the first electrode pad 51 and the second electrode pad 52 between the first electrode pad 51 and the second electrode pad 52.
  • thermoelectric member 10g is not limited to a specific shape.
  • 2A to 2F are plan views showing examples of the thermoelectric member 10g.
  • the thermoelectric member 10g may have a quadrilateral shape such as a square or a rectangle, a pentagonal shape, a hexagonal shape, or any other shape in a plan view. It may be polygonal.
  • the thermoelectric member 10g may be circular or oval.
  • the arrangement of the heat insulator 11 and the conductive member 10m is not limited to a specific embodiment.
  • the heat insulating material 11 is surrounded by, for example, a conductive member 10m. According to such a configuration, the thermal conductance of the structure including the conductive member 10m and the heat insulating material 11 tends to be low, and the conductive member 10m tends to have desired electrical conductivity.
  • the conductive member 10m may be configured to have at least one selected from the group consisting of a cavity and a recess.
  • the heat insulating material 11 may be arranged to fill at least a portion of the cavity or at least a portion of the recess.
  • FIGS. 3A to 3H are plan views showing examples of the conductive member 10m.
  • the conductive member 10m has, for example, a cavity 10j.
  • the cavity 10j extends, for example, in a direction perpendicular to the main surface of the substrate 20.
  • the cavity 10j may extend through the conductive member 10m in the direction perpendicular to the main surface of the substrate 20, or the cavity 10j may extend through at least both ends of the conductive member 10m in the direction perpendicular to the main surface of the substrate 20. It may extend away from one.
  • the conductive member 10m may include a plurality of cavities 10j. As shown in FIGS.
  • the conductive member 10m may have a quadrilateral outline such as a square or a rectangle, a pentagonal outline, or a hexagonal outline in a plan view. It may have a contour of the shape.
  • the conductive member 10m may have another polygonal contour in plan view.
  • the conductive member 10m may have a circular outline or an elliptical outline in plan view.
  • the cavity 10j of the conductive member 10m has, for example, a polygonal shape such as a quadrangle in plan view.
  • the cavity 10j of the conductive member 10m may be, for example, circular or elliptical in plan view.
  • the conductive member 10m has, for example, a recess 10k.
  • the conductive member 10m may have a plurality of recesses 10k.
  • the recess 10k may be separated from one of the ends of the conductive member 10m in the direction parallel to the main surface of the substrate 20.
  • the recess 10k may extend through the conductive member 10m in a direction parallel to the main surface of the substrate 20.
  • the ratio of the volume of the cavity 10j and the recess 10k to the sum of the volume of the conductive member 10m and the volume of the cavity 10j and the recess 10k is not limited to a specific value.
  • the ratio is, for example, 50% or more and 90% or less. According to such a configuration, the thermal conductance of the structure including the conductive member 10m and the heat insulating material 11 tends to be lower, and the overall thermal conductance of the thermoelectric conversion element 1a tends to be lower.
  • the conductive member 10m tends to have desired electrical conductivity.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view of the thermocouple taken along the line IVA-IVA in FIG. 1A.
  • 4B to 4E are cross-sectional views showing another example of the arrangement of the thermoelectric member 10g and the conductive member 10m in the thermocouple 10t of the first embodiment.
  • the outer dimensions of the thermoelectric member 10g and the conductive member 10m in plan view may be the same or different.
  • the side surfaces of the thermoelectric member 10g and the side surfaces of the conductive member 10m may face each other in one direction, as shown in FIGS. 4A and 4B, or may face each other in a plurality of different directions, as shown in FIGS. 4C, 4D, and 4E. You can face each other.
  • the material forming the base 20a is not limited to a specific material.
  • the base 20a is, for example, a Si substrate.
  • the base 20a may be made of a semiconductor other than Si or a material other than a semiconductor.
  • the material forming the base insulating film 20b is not limited to a specific material.
  • the base insulating film 20b may contain an oxide insulator such as silicon oxide and aluminum oxide, or may contain a nitride insulator such as silicon nitride and aluminum nitride. When the base 20a has electrical insulation, the underlying insulating film 20b may be omitted.
  • the thickness of the base insulating film 20b is not limited to a specific value. Its thickness is, for example, 50 nm to 1 ⁇ m.
  • the material forming the first wiring 30a and the second wiring 30b is not limited to a specific material as long as it has a predetermined conductivity.
  • the first wiring 30a and the second wiring 30b include, for example, a metal or a metal compound. Examples of metals and metal compounds are materials used in semiconductor manufacturing processes such as Al, Cu, TiN, and TaN.
  • the thicknesses of the first wiring 30a and the second wiring 30b are not limited to specific values. Its thickness is, for example, 100 nm to 1 ⁇ m.
  • the materials forming the first interlayer insulating film 41 and the second interlayer insulating film 42 are not limited to specific materials.
  • the first interlayer insulating film 41 and the second interlayer insulating film 42 may contain an oxide insulator such as silicon oxide and aluminum oxide, or may contain a nitride insulator such as silicon nitride and aluminum nitride. Good too.
  • the material forming the first interlayer insulating film 41 and the second interlayer insulating film 42 may be a single crystal material, a polycrystalline material, or an amorphous material.
  • the materials forming the first interlayer insulating film 41 and the second interlayer insulating film 42 may be the same type of material, or may be different types of materials.
  • the thickness of the first interlayer insulating film 41 can vary depending on the thickness of the thermoelectric member 10g. Its thickness is, for example, from 100 nm to 10 ⁇ m.
  • the thickness of the second interlayer insulating film 42 is not limited to a specific value as long as it can cover the second wiring 30b. Its thickness is, for example, 100 nm to 2 ⁇ m.
  • the materials forming the plug 53, the first electrode pad 51, and the second electrode pad 52 are not limited to specific materials.
  • the material is, for example, a metal or a metal compound.
  • the metals and metal compounds may be materials used in semiconductor manufacturing processes, such as Al, Cu, W, TiN, and TaN, for example.
  • the thermoelectric conversion element 1a includes, for example, a plurality of thermocouples 10t.
  • the plurality of thermocouples 10t are electrically connected in series between the first electrode pad 51 and the second electrode pad 52.
  • thermoelectric conversion element of Embodiment 1 when a temperature difference occurs in a direction perpendicular to the main surface of the substrate 20, an electromotive force is generated between the first electrode pad 51 and the second electrode pad 52 due to the Seebeck effect. This electromotive force is output to the outside of the thermoelectric conversion element by the conductive wires connected to the first electrode pad 51 and the second electrode pad 52. Thereby, the thermoelectric conversion element can be used as a power generation device and a heat flow sensor.
  • thermoelectric conversion element of Embodiment 1 by connecting conductive wires to the first electrode pad 51 and the second electrode pad 52 to generate a current, a heat flow is generated in a direction perpendicular to the main surface of the substrate 20 due to the Peltier effect. be able to. The direction of heat flow can change depending on the direction of the current. Thereby, the thermoelectric conversion element of Embodiment 1 can be used as a temperature control device for cooling or heating.
  • the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 1 includes arranging the heat insulating material 11 along the main surface of the substrate 10 together with the thin film thermoelectric member 10g and in contact with the conductive member 10m containing a metal or a metal compound. including.
  • the conductive member 10m has at least one selected from the group consisting of a cavity and a recess, the heat insulating material 11 is arranged so as to fill the cavity or the recess.
  • a base insulating film 20b made of an electrical insulator such as SiO 2 is formed on the surface of a base 20a such as a Si substrate by a method such as sputtering or chemical vapor deposition (CVD), thereby obtaining a substrate 20.
  • a first wiring 30a made of a conductor such as Al is formed.
  • a pattern forming the first wiring 30a is formed by photolithography and etching or lift-off from a film of Al or the like formed by a method such as sputtering.
  • a first interlayer insulating film 41 is formed by a method such as sputtering or CVD so as to cover the first wiring 30a.
  • a recess 15 is formed in the first interlayer insulating film 41 by photolithography and etching. At this stage, a portion of the first wiring 30a is exposed to form the bottom surface of the recess 15.
  • a thermoelectric material thin film 12 made of a semiconductor such as polycrystalline Si is formed from above the first interlayer insulating film 41 by a method such as sputtering or CVD. filled by.
  • FIG. 5C a first interlayer insulating film 41 is formed by a method such as sputtering or CVD so as to cover the first wiring 30a.
  • a recess 15 is formed in the first interlayer insulating film 41 by photolithography and etching. At this stage, a portion of the first wiring 30a is exposed to form the bottom surface of the recess 15.
  • thermoelectric member 10g the thermoelectric material thin film 12 outside the recess 15 is removed by a method such as chemical mechanical polishing (CMP).
  • CMP chemical mechanical polishing
  • a predetermined region is doped to obtain a thermoelectric member 10g.
  • a method such as ion implantation is used for doping.
  • An annealing treatment may be additionally performed to adjust the carrier density to a desired range.
  • the thermoelectric member 10g may be formed as an n-type thermoelectric member having a negative Seebeck coefficient, or may be formed as a p-type thermoelectric member having a positive Seebeck coefficient.
  • Si trivalent elements
  • a thermoelectric member 10g that is an n-type thermoelectric member can be obtained.
  • Si doping Si with pentavalent elements such as boron and gallium, a thermoelectric member 10g which is a p-type thermoelectric member is obtained.
  • a recess 16 is formed in the first interlayer insulating film 41 by photolithography and etching. At this stage, a portion of the first wiring 30a is exposed to form the bottom surface of the recess 16.
  • a metal thin film 13 containing a metal such as Al is formed from above the first interlayer insulating film 41 by methods such as sputtering and CVD.
  • the metal thin film 13 covers the bottom and side surfaces of the recess 16 .
  • the metal thin film 13 outside the recess 16 is removed by photolithography and etching to form a conductive member 10m having a cavity 10j.
  • the cavity 10j is filled from above the first interlayer insulating film 41 with a heat insulating material 11 made of amorphous material such as SiO 2 by sputtering or CVD.
  • a heat insulating material 11 made of amorphous material such as SiO 2 by sputtering or CVD.
  • the heat insulating material 11 outside the cavity 10j is removed by a method such as CMP.
  • a second wiring 30b containing a conductor such as Al is formed.
  • a pattern forming the second wiring 30b is formed from a film of Al or the like formed by a method such as sputtering by photolithography, etching, or lift-off.
  • a second interlayer insulating film 42 is formed of an electrical insulator such as SiO 2 so as to cover the second wiring 30b by a method such as sputtering or CVD.
  • the second wiring 30b and the conductive member 10m may include the same type of material.
  • the second wiring 30b and the conductive member 10m having the cavity 10j may be formed in the same process by photolithography and etching or lift-off.
  • a second interlayer insulating film 42 containing an electrical insulator such as SiO 2 the formation of the second interlayer insulating film 42 and the filling of the heat insulating material 11 into the cavity 10j of the conductive member 10m are performed at the same time. It can be carried out in a process.
  • the second interlayer insulating film 42 and the heat insulating material 11 may be made of the same type of material.
  • a recess 53h is formed in the second interlayer insulating film 42 by photolithography and etching. At this stage, a portion of the second wiring 30b is exposed to form the bottom surface of the recess 53h.
  • thermoelectric conversion element of Embodiment 1 is obtained.
  • the base insulating film 20b, the first interlayer insulating film 41, and the second interlayer insulating film 42 may be formed of different materials, and only the first interlayer insulating film 41 may be removed by etching at the end.
  • the first interlayer insulating film 41 is made of SiO 2
  • the base insulating film 20b and the second interlayer insulating film 42 are made of Al 2 O 3 . Thereafter, the first interlayer insulating film 41 may be removed by etching the SiO 2 with gaseous hydrofluoric acid.
  • thermoelectric conversion element By removing the first interlayer insulating film 41 around the thermoelectric member 10g and the conductive member 10m, the space between one end surface and the other end surface in the direction perpendicular to the main surface of the substrate 20 in the thermoelectric member 10g and the conductive member 10m is removed.
  • the temperature difference that occurs tends to become large. As a result, the performance of the thermoelectric conversion element tends to be higher.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view schematically showing an example of the thermoelectric conversion element of Embodiment 2.
  • the thermoelectric conversion element of Embodiment 2 is configured in the same manner as the thermoelectric conversion element of Embodiment 1, except for particularly explained parts.
  • Components of Embodiment 2 that are the same as or correspond to components of the thermoelectric conversion element of Embodiment 1 are given the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • the description regarding the thermoelectric conversion element of Embodiment 1 also applies to the thermoelectric conversion element of Embodiment 2, unless technically contradictory.
  • thermoelectric member 10g has a first portion 10q and a second portion 10r.
  • First portion 10q has a first thickness.
  • the second portion 10r has a second thickness smaller than the first thickness.
  • a step is formed by the first portion 10q and the second portion 10r. According to such a configuration, for example, the configuration corresponding to the first wiring 30a of the thermoelectric conversion element of Embodiment 1 can be omitted, and the configuration of the thermoelectric conversion element can be easily simplified.
  • the thermoelectric member 10g may include a p-type thermoelectric material having a positive Seebeck coefficient, or may include an n-type thermoelectric material having a negative Seebeck coefficient.
  • the conductive member 10m is placed, for example, on the second portion 10r. According to such a configuration, even if the configuration corresponding to the first wiring 30a of the thermoelectric conversion element of Embodiment 1 is omitted, the electrical connection between the conductive member 10m and the thermoelectric member 10g can be ensured.
  • the second portion 10r plays the same role as the first wiring 30a in the thermoelectric conversion element of the first embodiment.
  • the second thickness of the second portion 10r is not limited to a specific value as long as it is smaller than the first thickness.
  • the second thickness is, for example, 10 nm or more, and preferably 100 nm or more.
  • FIG. 6A the wiring 30 is arranged on the thermoelectric member 10g and the conductive member 10m. Thereby, the thermoelectric member 10g and the conductive member 10m are electrically connected to form a thermocouple 10t.
  • the heat insulating material 11 is covered with, for example, a wiring 30.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view schematically showing another example of the thermoelectric conversion element of Embodiment 2.
  • the thermoelectric conversion element 1d shown in FIG. 6B has the same structure as the thermoelectric conversion element 1c except for the parts to be particularly described. As shown in FIG. 6B, the heat insulating material 11 does not need to be covered by the wiring 30.
  • thermoelectric conversion element 1c further includes a first interlayer insulating film 41 and a second interlayer insulating film 42.
  • the first interlayer insulating film 41 is formed to fill the gap between the thermoelectric member 10g and the conductive member 10m and the space around the thermoelectric member 10g and the conductive member 10m.
  • the second interlayer insulating film 42 is formed on the first interlayer insulating film 41 and covers the wiring 30.
  • the thermoelectric conversion element 1c includes a plurality of plugs 53.
  • the plug 53 penetrates the second interlayer insulating film 42 and is arranged on the wiring 30.
  • the plug 53 is electrically connected to the wiring 30.
  • a first electrode pad 51 and a second electrode pad 52 are arranged on the second interlayer insulating film 42 .
  • the first electrode pad 51 and the second electrode pad 52 are electrically connected to different plugs 53.
  • the thermocouple 10t is electrically connected to the first electrode pad 51 and the second electrode pad 52 between the first electrode pad 51 and the second electrode pad 52.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view of the thermocouple 10t taken along line VIIA-VIIA in FIG. 6A.
  • 7B to 7D are cross-sectional views showing another example of the arrangement of the thermoelectric member 10g and the conductive member 10m in the thermocouple 10t of the second embodiment.
  • the side surface of the thermoelectric member 10g and the side surface of the conductive member 10m may face each other in one direction, or may face each other in a plurality of different directions as shown in FIGS. 7B, 7C, and 7D. It's okay.
  • thermoelectric conversion element of Embodiment 2 An example of a method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 2 will be described.
  • the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of Embodiment 2 is not limited to the following method.
  • a base insulating film 20b is formed on one main surface of the base 20a.
  • the base 20a is, for example, a Si substrate.
  • the base insulating film 20b is, for example, an electrical insulator such as SiO 2 and is formed by a method such as sputtering or CVD.
  • a thermoelectric material thin film 18 is formed on the base insulating film 20b.
  • the thermoelectric material thin film 18 is, for example, a semiconductor such as polycrystalline Si, and is formed by a method such as sputtering or CVD.
  • the laminated body of the base 20a, the base insulating film 20b, and the thermoelectric material thin film 18 may be replaced by a silicon-on-insulator (SOI) substrate.
  • SOI silicon-on-insulator
  • the layer corresponding to the base insulating film 20b is a layer of SiO2
  • the layer corresponding to the thermoelectric material thin film 18 is a layer of single crystal Si.
  • impurity ions are doped into the thermoelectric material thin film 18, and the carrier density of electrons or holes is adjusted to a range of 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 to 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 .
  • Doping is performed, for example, by methods such as ion implantation and thermal diffusion. An additional annealing treatment may be performed to adjust the carrier density to a desired value. Doping may be performed on the entire surface of the thin film 18 for thermoelectric material, or may be performed on a predetermined region using photolithography.
  • a recess 19 is formed in a predetermined region of the thermoelectric material thin film 18 by photolithography and etching.
  • the depth of the recess 19 is adjusted in consideration of the second thickness of the second portion 10r. For example, by measuring the etching rate of the thin film 18 for thermoelectric material in advance and adjusting the etching time based on the measurement result, the depth of the recess 19 can be adjusted to a range suitable for the second thickness of the second portion 10r. Can be adjusted.
  • thermoelectric member 10g is formed by photolithography and etching.
  • a first interlayer insulating film 41 made of a material such as SiO 2 is formed from above the thermoelectric member 10g by a method such as sputtering or CVD so as to cover the thermoelectric member 10g.
  • a portion of the first interlayer insulating film 41 above the thermoelectric member 10g is removed by a method such as CMP.
  • a recess 16 is formed in a predetermined region of the first interlayer insulating film 41 by photolithography and etching. At this stage, a portion of the second portion 10r is exposed so as to form the bottom surface of the recess 16.
  • a metal thin film 13 containing a metal such as Al is formed from above the first interlayer insulating film 41 by methods such as sputtering and CVD. The metal thin film 13 covers the bottom and side surfaces of the recess 16 .
  • the metal thin film 13 outside the recess 16 is removed by photolithography and etching to form a conductive member 10m having a cavity 10j.
  • the cavity 10j is filled from above the first interlayer insulating film 41 with a heat insulating material 11 made of amorphous material such as SiO 2 by sputtering or CVD.
  • a heat insulating material 11 made of amorphous material such as SiO 2 by sputtering or CVD.
  • the heat insulating material 11 outside the cavity 10j is removed by a method such as CMP.
  • wiring 30 containing a conductor such as Al is formed.
  • a pattern forming the wiring 30 is formed by photolithography and etching or lift-off from a film of Al or the like formed by a method such as sputtering.
  • a second interlayer insulating film 42 is formed of an electrical insulator such as SiO 2 so as to cover the wiring 30 by a method such as sputtering or CVD.
  • the wiring 30 and the conductive member 10m include the same type of material
  • the wiring 30 and the conductive member 10m having the cavity 10j are formed in the same process by photolithography and etching or lift-off after the metal thin film 13 is formed. may be done.
  • a second interlayer insulating film 42 containing an electrical insulator such as SiO 2 the formation of the second interlayer insulating film 42 and the filling of the heat insulating material 11 into the cavity 10j of the conductive member 10m are performed at the same time. It can be carried out in a process.
  • the second interlayer insulating film 42 and the heat insulating material 11 may be made of the same type of material.
  • a recess 53h is formed in the second interlayer insulating film 42 by photolithography and etching. At this stage, a portion of the wiring 30 is exposed to form the bottom surface of the recess 53h.
  • thermoelectric conversion element of the second embodiment is obtained.
  • thermocouple including a thin film thermoelectric member and a conductive member arranged along the main surface of the substrate; a heat insulating material in contact with the conductive member,
  • the conductive member includes at least one selected from the group consisting of metals and metal compounds,
  • the thermal conductivity of the heat insulating material is lower than the thermal conductivity of the electrically conductive member.
  • Thermoelectric conversion element
  • thermoelectric conversion performance of the Unileg type thermoelectric conversion element including the thin-film thermoelectric member tends to be high.
  • thermoelectric conversion performance of the thermoelectric conversion element tends to be higher.
  • the thermal conductivity of the heat insulating material is 10 Wm -1 K -1 or less, Thermoelectric conversion element according to technology 1 or 2.
  • thermoelectric conversion performance of the thermoelectric conversion element 1a tends to be higher.
  • the heat insulating material includes an amorphous material.
  • the thermoelectric conversion element according to any one of Techniques 1 to 3.
  • thermoelectric conversion performance of the thermoelectric conversion element tends to be higher.
  • thermoelectric conversion element according to any one of Techniques 1 to 4.
  • thermoelectric conversion performance of the thermoelectric conversion element tends to be higher.
  • thermoelectric member includes a first portion having a first thickness and a second portion having a second thickness smaller than the first thickness, A step is formed by the first part and the second part, The thermoelectric conversion element according to any one of Techniques 1 to 5.
  • thermoelectric conversion element With this configuration, the configuration corresponding to the first wiring 30a of the thermoelectric conversion element of Embodiment 1 can be omitted. Therefore, the configuration of the thermoelectric conversion element tends to be simple.
  • thermoelectric conversion element of Embodiment 1 Even if the configuration corresponding to the first wiring 30a of the thermoelectric conversion element of Embodiment 1 is omitted, the electrical connection between the conductive member and the thermoelectric member can be ensured.
  • a heat insulating material is arranged along the main surface of the substrate together with a thin film thermoelectric member, and includes arranging a heat insulating material so as to be in contact with a conductive member containing at least one selected from the group consisting of a metal and a metal compound, The thermal conductivity of the heat insulating material is lower than the thermal conductivity of the electrically conductive member.
  • the thermal conductance of the conductive member can be lowered by the heat insulating material. Therefore, it is easy to improve the thermoelectric conversion performance of the thermoelectric conversion element while suppressing manufacturing costs.
  • thermoelectric conversion element of Embodiment 1 is not limited to each aspect shown in the following examples.
  • Example A-1 to Sample A-10> A 100 nm thick Al thin film was formed on a 100 nm thick SiO 2 thin film formed on a Si substrate. Photolithography and etching were performed on this Al thin film to form a pattern that would become the first wiring. Next, a SiO 2 film with a thickness of 1.1 ⁇ m was formed to cover the first wiring to obtain a first interlayer insulating film. Photolithography and etching were performed on the first interlayer insulating film to form recesses in the first interlayer insulating film. At this time, a part of the first wiring was exposed so as to form the bottom surface of the recess.
  • thermoelectric member a thin film of polycrystalline Si was formed, and the polycrystalline Si outside the recess was removed by CMP to form a thin film for thermoelectric material in the recess.
  • boron ions were implanted as an impurity into the thin film for thermoelectric material at a dose of 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 2 to obtain a Si thermoelectric member.
  • the bottom surface of the Si thermoelectric member had a square shape with a side length of 100 ⁇ m, and the thickness of the Si thermoelectric member was 1 ⁇ m.
  • a recessed portion was formed in a region of the first interlayer insulating film adjacent to the Si thermoelectric member by photolithography and etching.
  • an Al thin film was formed on the first interlayer insulating film.
  • the Al thin film was formed to cover the bottom and side surfaces of the recess.
  • the Al thin film existing in the area away from the recess is removed, leaving a part of the Al thin film around the recess and the Al thin film on the Si thermoelectric member, and forming the second wiring. Obtained.
  • an Al member having a cavity surrounded by an Al thin film corresponding to the recess in plan view was formed.
  • the bottom surface of the Al member had a square shape with a side length of 100 ⁇ m, and the height, which is the dimension of the Al member in the direction perpendicular to the main surface of the Si substrate, was 1 ⁇ m.
  • the ratio of the volume of the cavity to the sum of the volume of the Al member and the volume of the cavity was 90%.
  • a SiO 2 thin film was formed from above the cavity to fill the entire cavity with SiO 2 .
  • SiO 2 around the Si thermoelectric member and Al member was removed by photolithography and etching to expose a portion of the second wiring. In this way, an element of sample A-1 was obtained.
  • Sample A-1 except that the conditions for forming the Al thin film for producing the Al member were adjusted so that the ratio of the volume of the cavity to the sum of the volume of the Al member and the volume of the cavity was the value shown in Table 1.
  • elements of samples A-2 to A-10 were obtained.
  • the Al member was formed so that no cavities were formed.
  • Sample B-1 to Sample B-10 Elements of samples B-1 to B-10 were fabricated in the same manner as sample A-1 except for the following points.
  • the bottom surface of the Al member had a square shape with a side length of 30 ⁇ m.
  • the conditions for forming the Al thin film for producing the Al members were such that the ratio of the volume of the cavity to the sum of the volume of the Al member and the volume of the cavity was the value shown in Table 2. has been adjusted.
  • Sample C-1 to Sample C-10 Elements of samples C-1 to C-10 were fabricated in the same manner as sample A-1 except for the following points.
  • the bottom surface of the Al member had a square shape with a side length of 20 ⁇ m.
  • the conditions for forming the Al thin film for producing the Al members were set such that the ratio of the volume of the cavity to the sum of the volume of the Al member and the volume of the cavity became the value shown in Table 3. has been adjusted.
  • thermoelectric performance of each sample element was evaluated, and the dimensionless figure of merit ZT at 300K was determined.
  • the electrical resistance of each sample element was measured according to the four-terminal method via the first wiring.
  • the thermal conductance of each sample element was measured according to the thermoreflectance method. Note that a sample containing a polycrystalline Si thin film and an Al thin film fabricated on different substrates was separately fabricated, and the Seebeck coefficient of the Si thermoelectric member was determined using a measuring device ZEM3 manufactured by ULVAC Riko Co., Ltd. and this sample. The value of this Seebeck coefficient was used to determine the dimensionless figure of merit ZT.
  • the dimensionless figure of merit ZT of the element of sample A-4 was more than twice that of the element of sample A-10, which had no cavity in the Al member.
  • the ratio of the volume of the cavity to the sum of the volume of the Al member and the volume of the cavity was 60%, and the cavity was filled with SiO 2 .
  • the thermal conductivity of SiO 2 is lower than that of Al.
  • the dimensionless figure of merit ZT of the element of sample B-3 was more than twice that of the element of sample B-10, which had no cavity in the Al member.
  • the ratio of the volume of the cavity to the sum of the volume of the Al member and the volume of the cavity was 70%, and the cavity was filled with SiO 2 .
  • the dimensionless figure of merit ZT of the element of sample C-2 was more than twice that of the element of sample C-10, which had no cavity in the Al member.
  • the ratio of the volume of the cavity to the sum of the volume of the Al member and the volume of the cavity was 80%, and the cavity was filled with SiO 2 .
  • thermoelectric conversion element of the present disclosure can be used for various purposes including, for example, power generation and temperature control.

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Abstract

熱電変換素子１ａは、基板２０と、熱電対１０ｔと、断熱材１１とを備えている。熱電対１０ｔは、薄膜状の熱電部材１０ｇ及び導電部材１０ｍを含む。熱電部材１０ｇ及び導電部材１０ｍは、基板２０の主面に沿って並んでいる。導電部材１０ｍは、金属及び金属化合物からなる群より選ばれる少なくとも１つを含んでいる。断熱材１１は、導電部材に接している。断熱材１１の熱伝導率は、導電部材１０ｍの熱伝導率より低い。

Description

熱電変換素子及び熱電変換素子の製造方法
　本開示は、熱電変換素子及び熱電変換素子の製造方法に関する。
　熱電変換は、物質の両端に印加された温度差に比例して起電力が生じるゼーベック効果を利用し、熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換する技術である。あるいは、物質に生じた電流により物質の両端に温度差が生じるペルチェ効果を利用し、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する技術である。
　熱電変換素子の性能は、性能指数Ｚ又は性能指数Ｚと絶対温度Ｔとの積である無次元化性能指数ＺＴで評価される。ＺＴは、熱電変換素子に用いられる熱電材料のゼーベック係数Ｓ、電気抵抗率ρ、及び熱伝導率κを用いて、ＺＴ＝Ｓ2Ｔ／ρκと表される。このため、ゼーベック係数Ｓが大きく、かつ、電気抵抗率ρ及び熱伝導率κが低い熱電材料を用いることが熱電変換性能を高める観点から望ましい。
　熱電変換素子としてπ型熱電変換素子が知られている。π型熱電変換素子において、正のゼーベック係数を有するｐ型熱電部材及び負のゼーベック係数を有するｎ型熱電部材が電気的に直列に接続され、かつ、熱的に並列に接続されて熱電対が構成されている。
　熱電変換素子としてユニレグ型熱電変換素子も知られている。ユニレグ型熱電変換素子において、熱電部材として、ｐ型熱電部材及びｎ型熱電部材のいずれか１つのみが使用され、金属板によって各熱電部材が電気的に直列に接続され、かつ、熱的に並列に接続される。例えば、特許文献１及び２には、ユニレグ型熱電変換素子が記載されている。π型熱電変換素子では、電気抵抗率、熱伝導率、及びゼーベック係数等の特性が近いｐ型熱電部材及びｎ型熱電部材を用いることが重要である。一方、ユニレグ型熱電変換素子では、熱電部材として、ｐ型熱電部材及びｎ型熱電部材のいずれか１つのみが使用されるので、熱電部材の選択に関し制約が少ない。
特開２０１５－７０２１７号公報 特開２０１６－１１１３０９号公報
　上記の技術では、薄膜状の熱電部材を用いてユニレグ型熱電変換素子を構成することは想定されていない。
　そこで、本開示は、ユニレグ型熱電変換素子において、薄膜状の熱電部材を用いつつ熱電変換性能の観点から有利な技術を提供する。
　本開示は、以下の熱電変換素子を提供する。
　基板と、
　前記基板の主面に沿って並んでいる、薄膜状の熱電部材及び導電部材を含む、熱電対と、
　前記導電部材に接している断熱材と、を備え、
　前記導電部材は、金属及び金属化合物からなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、
　前記断熱材の熱伝導率は、前記導電部材の熱伝導率より低い、
　熱電変換素子。
　本開示の熱電変換素子は、薄膜状の熱電部材を備えたユニレグ型熱電変換素子として構成され、熱電変換性能の観点から有利である。
図１Ａは、実施形態１の熱電変換素子の一例を模式的に示す断面図である。 図１Ｂは、実施形態１の熱電変換素子の別の一例を模式的に示す断面図である。 図２Ａは、実施形態１の熱電部材の一例を示す平面図である。 図２Ｂは、実施形態１の熱電部材の別の一例を示す平面図である。 図２Ｃは、実施形態１の熱電部材のさらに別の一例を示す平面図である。 図２Ｄは、実施形態１の熱電部材のさらに別の一例を示す平面図である。 図２Ｅは、実施形態１の熱電部材のさらに別の一例を示す平面図である。 図２Ｆは、実施形態１の熱電部材のさらに別の一例を示す平面図である。 図３Ａは、実施形態１の導電部材の一例を示す平面図である。 図３Ｂは、実施形態１の導電部材の別の一例を示す平面図である。 図３Ｃは、実施形態１の導電部材のさらに別の一例を示す平面図である。 図３Ｄは、実施形態１の導電部材のさらに別の一例を示す平面図である。 図３Ｅは、実施形態１の導電部材のさらに別の一例を示す平面図である。 図３Ｆは、実施形態１の導電部材のさらに別の一例を示す平面図である。 図３Ｇは、実施形態１の導電部材のさらに別の一例を示す平面図である。 図３Ｈは、実施形態１の導電部材のさらに別の一例を示す平面図である。 図４Ａは、図１ＡのIVA-IVA線を切断線とする熱電対の断面図である。 図４Ｂは、実施形態１の熱電対における熱電部材及び導電部材の配置の別の一例を示す断面図である。 図４Ｃは、実施形態１の熱電対における熱電部材及び導電部材の配置のさらに別の一例を示す断面図である。 図４Ｄは、実施形態１の熱電対における熱電部材及び導電部材の配置のさらに別の一例を示す断面図である。 図４Ｅは、実施形態１の熱電対における熱電部材及び導電部材の配置のさらに別の一例を示す断面図である。 図５Ａは、実施形態１の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図５Ｂは、実施形態１の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図５Ｃは、実施形態１の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図５Ｄは、実施形態１の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図５Ｅは、実施形態１の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図５Ｆは、実施形態１の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図５Ｇは、実施形態１の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図５Ｈは、実施形態１の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図５Ｉは、実施形態１の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図５Ｊは、実施形態１の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図５Ｋは、実施形態１の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図５Ｌは、実施形態１の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図５Ｍは、実施形態１の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図５Ｎは、実施形態１の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図５Ｏは、実施形態１の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図６Ａは、実施形態２の熱電変換素子の一例を模式的に示す断面図である。 図６Ｂは、実施形態２の熱電変換素子の別の一例を模式的に示す断面図である。 図７Ａは、図６ＡのVIIA-VIIA線を切断線とする熱電対の断面図である。 図７Ｂは、実施形態２の熱電対における熱電部材及び導電部材の配置の別の一例を示す断面図である。 図７Ｃは、実施形態２の熱電対における熱電部材及び導電部材の配置のさらに別の一例を示す断面図である。 図７Ｄは、実施形態２の熱電対における熱電部材及び導電部材の配置のさらに別の一例を示す断面図である。 図８Ａは、実施形態２の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図８Ｂは、実施形態２の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図８Ｃは、実施形態２の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図８Ｄは、実施形態２の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図８Ｅは、実施形態２の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図８Ｆは、実施形態２の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図８Ｇは、実施形態２の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図８Ｈは、実施形態２の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図８Ｉは、実施形態２の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図８Ｊは、実施形態２の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図８Ｋは、実施形態２の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。 図８Ｌは、実施形態２の熱電変換素子の製造方法を示す断面図である。
　（本開示の基礎となった知見）
　ユニレグ型熱電変換素子において、熱電部材を電気的に接続するための金属板は、熱電部材に対して高い熱コンダクタンスを有すると考えられる。このため、ユニレグ型熱電変換素子は、π型熱電変換素子に比べて、素子全体の熱コンダクタンスが高くなりやすい。このことは、熱電変換性能の観点から有利であるとは言い難い。
　ユニレグ型熱電変換素子において、熱電部材の熱コンダクタンスＧtは、熱電部材をなす材料の熱伝導率κt、熱電部材の熱流方向の一端をなす端面の面積Ａt、及び熱電部材の熱流方向の寸法Ｌtを用いて、Ｇt＝κt×Ａt／Ｌtと表される。熱電部材とともに熱電対を構成する金属板の熱コンダクタンスＧmは、金属板の材料の熱伝導率κm、金属板の熱流方向の一端をなす端面の面積Ａm、及び金属板の熱流方向の寸法Ｌmを用いて、Ｇm＝κm×Ａm／Ｌmと表される。ユニレグ型熱電変換素子において、寸法Ｌt及び寸法Ｌmは、同じ又は近い大きさに調整されうる。このため、熱電部材の面積Ａtに対して、金属板の面積Ａmを小さくすることにより、ユニレグ型熱電変換素子において熱電部材とともに熱電対を構成する部材である導電部材の熱コンダクタンスが低くなりやすい。
　切削加工を含む製造プロセスで得られたバルクによって構成された熱電部材を備えた熱電変換素子では、熱電部材とともに熱電対を構成する金属板を微細な構造で作製することは難しい。そこで、半導体製造プロセス等を利用して薄膜状の熱電部材を備えた熱電変換素子を製造することが考えられる。この場合、リソグラフィー等の方法によって微細な構造が得られやすい。そこで、金属板の代わりに、熱流方向の一端をなす端面の面積が小さく、かつ、金属及び金属化合物からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む導電部材を用いて、薄膜状の各熱電部材を電気的に接続することが考えられる。これにより、ユニレグ型熱電変換素子において各熱電部材を電気的に接続する部材の熱コンダクタンスが低減されうる。一方、微細な構造を有する導電部材を形成するには、その構造の微細さの程度によっては、高い製造コストを伴うプロセスノードのプロセスが必要になる。加えて、微細な構造で導電部材の基板の主面に垂直な方向における寸法を大きくすることは難しい。そこで、本発明者らは、ユニレグ型熱電変換素子において薄膜状の熱電部材を用い、製造コストを抑えつつ各熱電部材の電気的な接続のための部材の熱コンダクタンスを低減しうる技術について鋭意検討を重ねた。その結果、本開示の熱電変換素子を遂に完成させた。
　（本開示の実施形態）
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的、又は具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置、及び接続形態、プロセス条件、ステップ、ステップの順序等は一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。
　（実施形態１）
　図１Ａは、実施形態１の熱電変換素子の一例を模式的に示す断面図である。図１Ａに示す通り、熱電変換素子１ａは、基板２０と、熱電対１０ｔと、断熱材１１とを備えている。熱電対１０ｔは、薄膜状の熱電部材１０ｇ及び導電部材１０ｍを含む。熱電部材１０ｇ及び導電部材１０ｍは、基板２０の主面に沿って並んでいる。熱電部材１０ｇ及び導電部材１０ｍのそれぞれは、例えば、基板２０の主面に沿って延びている。導電部材１０ｍは、金属及び金属化合物からなる群より選ばれる少なくとも１つを含んでいる。断熱材１１は、導電部材に接している。断熱材１１の熱伝導率は、導電部材１０ｍの熱伝導率より低い。断熱材１１により、例えば、基板２０の主面に平行な方向において１μｍ以下の寸法を有する微細な構造として導電部材１０ｍが形成されていなくても、導電部材１０ｍの体積が小さくなりやすい。このため、導電部材１０ｍの熱コンダクタンスが低くなりやすい。その結果、熱電変換素子１ａの熱電変換性能が高くなりやすい。本明細書において、熱伝導率は２５℃における値を意味する。なお、１μｍ以下の寸法を有する微細な構造の形成には、高い製造コストを伴うプロセスノードのプロセスが必要とされうる。
　熱電部材１０ｇをなす材料は、特定の材料に限定されない。その材料は、正のゼーベック係数を有する熱電材料であってもよいし、負のゼーベック係数を有する熱電材料であってもよい。熱電部材１０ｇをなす材料は、望ましくは、電気伝導を担うキャリアをドーピングによってホール及び電子のいずれにも調整できる半導体材料である。このような半導体材料の例は、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＺｎＯ、及びＢｉＴｅである。熱電部材１０ｇをなす材料は他の材料であってもよい。熱電部材１０ｇをなす材料は、単結晶材料であってもよいし、多結晶材料であってもよいし、アモルファス材料であってもよい。
　基板２０の主面に垂直な方向における熱電部材１０ｇの厚さは特定の厚さに限定されない。その厚さは、例えば、１００ｎｍ以上１０μｍ以下である。熱電部材１０ｇのキャリア密度は特定の値に限定されない。そのキャリア密度は、例えば、１×１０19ｃｍ-3から１×１０21ｃｍ-3の範囲である。
　導電部材１０ｍに含まれる金属又は金属化合物は、特定の金属又は金属化合物に限定されない。金属及び金属化合物の例は、Ａｌ、Ｃｕ、ＴｉＮ、及びＴａＮ等の半導体製造プロセスで用いられる材料である。
　導電部材１０ｍの熱伝導率は、断熱材１１の熱伝導率が導電部材１０ｍの熱伝導率より低い限り特定の値に限定されない。導電部材１０ｍの熱伝導率は、例えば、１５Ｗｍ-1Ｋ-1以上４００Ｗｍ-1Ｋ-1以下である。
　基板２０の主面に垂直な方向における導電部材１０ｍの寸法は特定の値に限定されない。その寸法は、熱電部材１０ｇの厚さに応じて変動しうる。その寸法は、例えば、１００ｎｍ以上１０μｍ以下である。
　基板２０の主面に平行な方向における導電部材１０ｍの最大寸法は特定の値に限定されない。その最大寸法は、例えば２μｍ以上５０μｍ以下である。このような構成によれば、高い製造コストを伴うプロセスノードのプロセスによらずに導電部材１０ｍを形成でき、熱電変換素子１ａの製造コストが高くなりにくい。
　断熱材１１の熱伝導率は、導電部材１０ｍの熱伝導率より低い限り特定の値に限定されない。断熱材１１の熱伝導率は、例えば１０Ｗｍ-1Ｋ-1以下である。この場合、導電部材１０ｍ及び断熱材１１を含む構造の熱コンダクタンスが低くなりやすく、熱電変換素子１ａの全体の熱コンダクタンスが低くなりやすい。このため、熱電変換素子１ａの熱電変換性能がより高くなりやすい。断熱材１１の熱伝導率は、２０Ｗｍ-1Ｋ-1以下であってもよいし、１０Ｗｍ-1Ｋ-1以下であってもよい。断熱材１１の熱伝導率は、例えば、０．１Ｗｍ-1Ｋ-1以上である。
　断熱材１１は、例えば、アモルファス材料を含む。この場合、断熱材１１の熱伝導率が低くなりやすく、導電部材１０ｍ及び断熱材１１を含む構造の熱コンダクタンスが低くなりやすい。断熱材１１は、多結晶材料を含んでいてもよい。断熱材１１をなす材料は、断熱材１１の熱伝導率が導電部材１０ｍの熱伝導率より低い限り、特定の材料に限定されない。断熱材１１をなす材料の例は、ＳｉＯ2及びＡｌ2Ｏ3等の酸化物、並びに、金属ガラスである。
　熱電変換素子１ａにおいて、導電部材１０ｍ及び断熱材１１の体積の和に対する断熱材１１の体積の比は、特定の値に限定されない。その比は、例えば、５０％から９０％である。このような構成によれば、導電部材１０ｍ及び断熱材１１を含む構造の熱コンダクタンスがより低くなりやすく、熱電変換素子１ａの全体の熱コンダクタンスがより低くなりやすい。加えて、導電部材１０ｍが所望の電気伝導性を有しやすい。
　図１Ａに示す通り、熱電変換素子１ａにおいて、基板２０は、例えば、ベース２０ａ及び下地絶縁膜２０ｂを備えている。下地絶縁膜２０ｂの上には、第一配線３０ａが配置されている。第一配線３０ａの上に熱電部材１０ｇ及び導電部材１０ｍが配置されている。熱電部材１０ｇ及び導電部材１０ｍの上には、第二配線３０ｂが配置されている。基板２０の主面に垂直な方向における熱電部材１０ｇ及び導電部材１０ｍの一方の端面は、第一配線３０ａに電気的に接続されている。基板２０の主面に垂直な方向における熱電部材１０ｇ及び導電部材１０ｍの他方の端面は、第二配線３０ｂに電気的に接続されている。
　図１Ａに示す通り、断熱材１１は、例えば、第二配線３０ｂによって覆われている。図１Ｂは、実施形態１の熱電変換素子の別の一例を模式的に示す断面図である。図１Ｂに示す熱電変換素子１ｂは、特に説明する部分を除き、熱電変換素子１ａと同様に構成されている。図１Ｂに示す通り、断熱材１１は、第二配線３０ｂによって覆われていなくてもよい。
　熱電部材１０ｇ及び導電部材１０ｍは、第一配線３０ａ及び第二配線３０ｂによって電気的に直列に接続されている。これにより、熱電部材１０ｇ及び導電部材１０ｍによって熱電対１０ｔが構成されている。
　図１Ａに示す通り、熱電変換素子１ａは、例えば、第一層間絶縁膜４１及び第二層間絶縁膜４２をさらに備えている。第一層間絶縁膜４１は、基板２０の主面に垂直な方向において、第一配線３０ａと第二配線３０ｂとの間に配置されている。第一層間絶縁膜４１は、熱電部材１０ｇと導電部材１０ｍとの間の隙間及び熱電部材１０ｇ及び導電部材１０ｍの周囲を満たすように形成されている。第二層間絶縁膜４２は、第二配線３０ｂを覆うように形成されている。
　熱電変換素子１ａは、例えば、複数のプラグ５３を備えている。プラグ５３は、基板２０の主面に垂直な方向に第二層間絶縁膜４２を貫通して延びている。プラグ５３は、第二配線３０ｂの上に配置されており、第二配線３０ｂと電気的に接続されている。
　熱電変換素子１ａは、例えば、第一電極パッド５１及び第二電極パッド５２を備えている。第一電極パッド５１及び第二電極パッド５２のそれぞれは、異なるプラグ５３に電気的に接続されている。これにより、第一電極パッド５１と第二電極パッド５２との間で、熱電対１０ｔが第一電極パッド５１及び第二電極パッド５２に電気的に接続されている。
　熱電部材１０ｇの形状は特定の形状に限定されない。図２Ａから図２Ｆは、熱電部材１０ｇの例を示す平面図である。図２Ａから図２Ｄに示す通り、熱電部材１０ｇは、平面視において、正方形及び長方形等の四角形であってもよいし、五角形であってもよいし、六角形であってもよいし、その他の多角形であってもよい。図２Ｅから図２Ｆに示す通り、熱電部材１０ｇは、円形であってもよいし、楕円形であってもよい。
　断熱材１１が導電部材１０ｍに接している限り、断熱材１１及び導電部材１０ｍの配置は特定の態様に限定されない。断熱材１１は、例えば、導電部材１０ｍによって囲まれている。このような構成によれば、導電部材１０ｍ及び断熱材１１を含む構造の熱コンダクタンスが低くなりやすく、かつ、導電部材１０ｍが所望の電気伝導性を有しやすい。
　導電部材１０ｍは、空洞及び凹部からなる群より選ばれる少なくとも１つを有するように構成されていてもよい。この場合、断熱材１１は、空洞の少なくとも一部又は凹部の少なくとも一部を充填するように配置されうる。
　図３Ａから図３Ｈは、導電部材１０ｍの例を示す平面図である。図３Ａから図３Ｆに示す例において、導電部材１０ｍは、例えば、空洞１０ｊを有する。空洞１０ｊは、例えば、基板２０の主面に垂直な方向に延びている。空洞１０ｊは、基板２０の主面に垂直な方向において、導電部材１０ｍを貫通して延びていてもよいし、空洞１０ｊは、基板２０の主面に垂直な方向における導電部材１０ｍの両端の少なくとも１つから離れて延びていてもよい。図３Ｂに示す通り、導電部材１０ｍは、複数の空洞１０ｊを備えていてもよい。図３Ａから図３Ｄに示す通り、導電部材１０ｍは、平面視において、正方形及び長方形等の四角形状の輪郭を有していてもよいし、五角形状の輪郭を有していてもよいし、六角形状の輪郭を有していてもよい。導電部材１０ｍは、平面視において、その他の多角形状の輪郭を有していてもよい。図３Ｅ及び図３Ｆに示す通り、導電部材１０ｍは、平面視において、円形状の輪郭を有していてもよいし、楕円状の輪郭を有していてもよい。導電部材１０ｍの空洞１０ｊは、例えば、平面視において、四角形等の多角形状である。導電部材１０ｍの空洞１０ｊは、例えば、平面視において、円形状又楕円形状であってもよい。
　図３Ｇ及び図３Ｈに示す例において、導電部材１０ｍは、例えば、凹部１０ｋを有する。導電部材１０ｍは、複数の凹部１０ｋを有していてもよい。図３Ｇに示す通り、凹部１０ｋは、基板２０の主面に平行な方向における導電部材１０ｍの両端の一方から離れていてもよい。図３Ｈに示す通り、凹部１０ｋは、基板２０の主面に平行な方向において導電部材１０ｍを貫通して延びていてもよい。
　導電部材１０ｍの体積と空洞１０ｊ及び凹部１０ｋの体積との和に対する、空洞１０ｊ及び凹部１０ｋの体積の比は、特定の値に限定されない。その比は、例えば、５０％以上９０％以下である。このような構成によれば、導電部材１０ｍ及び断熱材１１を含む構造の熱コンダクタンスがより低くなりやすく、熱電変換素子１ａの全体の熱コンダクタンスがより低くなりやすい。加えて、導電部材１０ｍが所望の電気伝導性を有しやすい。
　図４Ａは、図１ＡのIVA-IVA線を切断線とする熱電対の断面図である。図４Ｂから図４Ｅは、実施形態１の熱電対１０ｔにおける熱電部材１０ｇ及び導電部材１０ｍの配置の別の一例を示す断面図である。平面視における熱電部材１０ｇ及び導電部材１０ｍの外形寸法は同じであってもよいし、異なっていてもよい。熱電部材１０ｇの側面及び導電部材１０ｍの側面は、図４Ａ及び図４Ｂに示す通り、１つの方向で向かい合っていてもよいし、図４Ｃ、図４Ｄ、及び図４Ｅに示す通り、複数の異なる方向で向かい合っていてもよい。
　ベース２０ａをなす材料は特定の材料に限定されない。ベース２０ａは、例えばＳｉ基板である。ベース２０ａは、Ｓｉ以外の半導体又は半導体以外の材料によって構成されていてもよい。
　下地絶縁膜２０ｂをなす材料は特定の材料に限定されない。下地絶縁膜２０ｂは、酸化シリコン及び酸化アルミニウム等の酸化物絶縁体を含んでいてもよいし、窒化シリコン及び窒化アルミニウム等の窒化物絶縁体を含んでいてもよい。ベース２０ａが電気的絶縁性を有する場合、下地絶縁膜２０ｂは省略されてもよい。下地絶縁膜２０ｂの厚さは特定の値に限定されない。その厚さは、例えば、５０ｎｍから１μｍである。
　第一配線３０ａ及び第二配線３０ｂをなす材料は、所定の導電性を有する限り、特定の材料に限定されない。第一配線３０ａ及び第二配線３０ｂは、例えば、金属又は金属化合物を含む。金属及び金属化合物の例は、Ａｌ、Ｃｕ、ＴｉＮ、及びＴａＮ等の半導体製造プロセスで用いられる材料である。第一配線３０ａ及び第二配線３０ｂの厚さは特定の値に限定されない。その厚さは、例えば、１００ｎｍから１μｍである。
　第一層間絶縁膜４１及び第二層間絶縁膜４２をなす材料は特定の材料に限定されない。第一層間絶縁膜４１及び第二層間絶縁膜４２は、酸化シリコン及び酸化アルミニウム等の酸化物絶縁体を含んでいてもよいし、窒化シリコン及び窒化アルミニウム等の窒化物絶縁体を含んでいてもよい。第一層間絶縁膜４１及び第二層間絶縁膜４２をなす材料は、単結晶材料であってもよいし、多結晶材料であってもよいし、アモルファス材料であってもよい。第一層間絶縁膜４１及び第二層間絶縁膜４２をなす材料は、同一種類の材料であってもよいし、異なる種類の材料であってもよい。第一層間絶縁膜４１の厚さは、熱電部材１０ｇの厚さに応じて変動しうる。その厚さは、例えば、１００ｎｍから１０μｍである。第二層間絶縁膜４２の厚さは、第二配線３０ｂを覆うことができる限り、特定の値に限定されない。その厚さは、例えば１００ｎｍから２μｍである。
　プラグ５３、第一電極パッド５１、及び第二電極パッド５２をなす材料は、特定の材料に限定されない。その材料は、例えば、金属又は金属化合物である。金属及び金属化合物は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、ＴｉＮ、及びＴａＮ等の半導体製造プロセスで用いられる材料であってもよい。
　図１Ａに示す通り、熱電変換素子１ａは、例えば、複数の熱電対１０ｔを備えている。熱電変換素子１ａにおいて、複数の熱電対１０ｔは第一電極パッド５１と第二電極パッド５２との間で電気的に直列に接続されている。
　実施形態１の熱電変換素子において、基板２０の主面と垂直な方向に温度差が生じると、ゼーベック効果により、第一電極パッド５１と第二電極パッド５２との間に起電力が生じる。第一電極パッド５１及び第二電極パッド５２に接続された導線によりこの起電力が熱電変換素子の外部に出力される。これにより、熱電変換素子は、発電装置及び熱流センサとして使用されうる。
　実施形態１の熱電変換素子において、第一電極パッド５１及び第二電極パッド５２に導線を接続して電流を生じさせることによって、ペルチェ効果により基板２０の主面と垂直な方向に熱流を生じさせることができる。熱流の方向は、電流の向きによって変わりうる。これにより、実施形態１の熱電変換素子は、冷却又は加熱のための温調装置として使用されうる。
　実施形態１の熱電変換素子の製造方法の一例を説明する。熱電変換素子の製造方法は以下の方法に限定されない。実施形態１の熱電変換素子の製造方法は、薄膜状の熱電部材１０ｇとともに基板１０の主面に沿って配置され、金属又は金属化合物を含む導電部材１０ｍに接するように断熱材１１を配置することを含む。導電部材１０ｍが空洞及び凹部からなる群より選ばれる少なくとも１つを有する場合、空洞又は凹部を充填するように断熱材１１が配置される。
　図５Ａに示す通り、Ｓｉ基板等のベース２０ａの表面にスパッタリング及びChemical Vapor Deposition (CVD)等の方法によってＳｉＯ2等の電気絶縁体からなる下地絶縁膜２０ｂが形成され、基板２０が得られる。次に、図５Ｂに示す通り、Ａｌ等の導電体からなる第一配線３０ａが形成される。例えば、スパッタリング等の方法によって形成されたＡｌ等の膜から、フォトリソグラフィー及びエッチング、又は、リフトオフによって、第一配線３０ａをなすパターンが形成される。
　次に、図５Ｃに示す通り、第一配線３０ａを覆うように、スパッタリング及びＣＶＤ等の方法によって第一層間絶縁膜４１が形成される。次に、図５Ｄに示す通り、フォトリソグラフィー及びエッチングによって第一層間絶縁膜４１に凹部１５が形成される。この段階において、第一配線３０ａの一部が凹部１５の底面をなすように露出する。次に、図５Ｅに示す通り、第一層間絶縁膜４１の上方からスパッタリング及びＣＶＤ等の方法によって多結晶Ｓｉ等の半導体からなる熱電材料用薄膜１２が形成され、凹部１５が熱電材料薄膜１２によって充填される。次に、図５Ｆに示す通り、Chemical Mechanical Polishing (CMP)等の方法によって、凹部１５の外側の熱電材料用薄膜１２が取り除かれる。次に、図５Ｇに示す通り、所定の領域にドーピングがなされ、熱電部材１０ｇが得られる。ドーピングには、イオン注入等の方法が用いられる。キャリア密度を所望の範囲に調整するために、アニール処理が追加的になされてもよい。熱電部材１０ｇは負のゼーベック係数を有するｎ型熱電部材として形成されてもよいし、正のゼーベック係数を有するｐ型熱電部材として形成されてもよい。例えば、リン及びヒ素等の３価の元素をＳｉにドーピングすることにより、ｎ型熱電部材である熱電部材１０ｇが得られる。ボロン及びガリウム等の５価の元素をＳｉにドーピングすることにより、ｐ型熱電部材である熱電部材１０ｇが得られる。
　次に、図５Ｈに示す通り、フォトリソグラフィー及びエッチングによって第一層間絶縁膜４１に凹部１６が形成される。この段階において、第一配線３０ａの一部が凹部１６の底面をなすように露出する。
　次に、図５Ｉに示す通り、第一層間絶縁膜４１の上方からスパッタリング及びＣＶＤ等の方法によってＡｌ等の金属を含む金属薄膜１３が形成される。金属薄膜１３は、凹部１６の底面及び側面を覆う。次に、図５Ｊに示す通り、フォトリソグラフィー及びエッチングによって、凹部１６の外側の金属薄膜１３が取り除かれ、空洞１０ｊを有する導電部材１０ｍが形成される。
　次に、第一層間絶縁膜４１の上方から、スパッタリング及びＣＶＤ等のＳｉＯ2等のアモルファスからなる断熱材１１によって空洞１０ｊの少なくとも一部が充填される。次に、図５Ｋに示す通り、ＣＭＰ等の方法によって空洞１０ｊの外部の断熱材１１が取り除かれる。
　次に、図５Ｌに示す通り、Ａｌ等の導電体を含む第二配線３０ｂが形成される。例えば、スパッタリング等の方法によって形成されたＡｌ等の膜から、フォトリソグラフィー及びエッチング、又は、リフトオフによって、第二配線３０ｂをなすパターンが形成される。
　次に、図５Ｍに示す通り、スパッタリング及びＣＶＤ等の方法によって、第二配線３０ｂを覆うようにＳｉＯ2等の電気絶縁体によって第二層間絶縁膜４２が形成される。
　例えば、第二配線３０ｂ及び導電部材１０ｍは同一種類の材料を含んでいてもよい。この場合、金属薄膜１３の形成後に、フォトリソグラフィー及びエッチング、又は、リフトオフによって、第二配線３０ｂと空洞１０ｊを有する導電部材１０ｍとが同一の工程で形成されてもよい。その後、ＳｉＯ2等の電気絶縁体を含む第二層間絶縁膜４２を形成することによって、第二層間絶縁膜４２の形成と、導電部材１０ｍの空洞１０ｊへの断熱材１１の充填とが同一の工程で実施されうる。この場合、第二層間絶縁膜４２及び断熱材１１は同一種類の材料で構成されうる。
　次に、図５Ｎに示す通り、フォトリソグラフィー及びエッチングによって、第二層間絶縁膜４２に凹部５３ｈが形成される。この段階で、第二配線３０ｂの一部が凹部５３ｈの底面をなすように露出する。
　次に、凹部５３ｈが充填されるように、第二層間絶縁膜４２の上方から、Ａｌ及びＴｉＮ等の材料の薄膜がスパッタリング及びＣＶＤ等の方法で形成される。次に、図５Ｏに示す通り、ＣＭＰ等の方法によって、凹部５３ｈの外側の薄膜が取り除かれ、第二層間絶縁膜４２の内部にプラグ５３が形成される。最後に、第二層間絶縁膜４２の上方から、Ａｌ等の材料を含む金属薄膜を形成し、リフトオフ又はリソグラフィー及びエッチングによって、第一電極パッド５１及び第二電極パッド５２が形成される。このようにして、実施形態１の熱電変換素子が得られる。
　下地絶縁膜２０ｂ、第一層間絶縁膜４１、及び第二層間絶縁膜４２を異なる材料で形成しつつ、最後に第一層間絶縁膜４１のみがエッチングで除去されてもよい。例えば、第一層間絶縁膜４１をＳｉＯ2で形成し、下地絶縁膜２０ｂ及び第二層間絶縁膜４２をＡｌ2Ｏ3で形成する。その後、気相フッ酸でＳｉＯ2をエッチングすることにより、第一層間絶縁膜４１が除去されてもよい。熱電部材１０ｇ及び導電部材１０ｍの周囲の第一層間絶縁膜４１の除去により、熱電部材１０ｇ及び導電部材１０ｍにおいて、基板２０の主面に垂直な方向における一方の端面と他方の端面との間に発生する温度差が大きくなりやすい。その結果、熱電変換素子の性能がより高くなりやすい。
　（実施形態２）
　図６Ａは、実施形態２の熱電変換素子の一例を模式的に示す断面図である。実施形態２の熱電変換素子は、特に説明する部分を除き、実施形態１の熱電変換素子と同様に構成されている。実施形態１の熱電変換素子の構成要素と同一又は対応する実施形態２の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。実施形態１の熱電変換素子に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、実施形態２の熱電変換素子にも当てはまる。
　図６Ａに示す通り、熱電変換素子１ｃにおいて、熱電部材１０ｇは、第一部位１０ｑと、第二部位１０ｒとを有する。第一部位１０ｑは第一厚さを有する。第二部位１０ｒは、第一厚さよりも小さい第二厚さを有する。熱電部材１０ｇにおいて、第一部位１０ｑ及び第二部位１０ｒによって段差が形成されている。このような構成によれば、例えば、実施形態１の熱電変換素子の第一配線３０ａに対応する構成を省略でき、熱電変換素子の構成が簡素になりやすい。
　熱電部材１０ｇは、正のゼーベック係数を有するｐ型熱電材料を含んでいてもよいし、負のゼーベック係数を有するｎ型熱電材料を含んでいてもよい。
　導電部材１０ｍは、例えば、第二部位１０ｒの上に配置されている。このような構成によれば、実施形態１の熱電変換素子の第一配線３０ａに対応する構成を省略しても、導電部材１０ｍと熱電部材１０ｇとの電気的な接続が確保されうる。
　第二部位１０ｒは、実施形態１の熱電変換素子における第一配線３０ａと同等の役割を果たす。第二部位１０ｒの第二厚さは、第一厚さよりも小さい限り、特定の値に限定されない。第二厚さは、例えば１０ｎｍ以上であり、望ましくは１００ｎｍ以上である。
　図６Ａに示す通り、熱電部材１０ｇ及び導電部材１０ｍの上に配線３０が配置されている。これにより、熱電部材１０ｇと導電部材１０ｍとが電気的に接続され、熱電対１０ｔが構成されている。熱電変換素子１ｃにおいて、断熱材１１は、例えば、配線３０によって覆われている。図６Ｂは、実施形態２の熱電変換素子の別の一例を模式的に示す断面図である。図６Ｂに示す熱電変換素子１ｄは、特に説明する部分を除き、熱電変換素子１ｃと同様に構成されている。図６Ｂに示す通り、断熱材１１は、配線３０によって覆われていなくてもよい。
　図６Ａに示す通り、熱電部材１０ｇは、基板２０の下地絶縁膜２０ｂの上に配置されている。加えて、導電部材１０ｍは、熱電部材１０ｇの第二部位１０ｒの上に配置されている。熱電変換素子１ｃは、第一層間絶縁膜４１及び第二層間絶縁膜４２をさらに備えている。第一層間絶縁膜４１は、熱電部材１０ｇと導電部材１０ｍとの間の隙間及び熱電部材１０ｇ及び導電部材１０ｍの周囲の空間を満たすように形成されている。第二層間絶縁膜４２は、第一層間絶縁膜４１の上に形成されており、配線３０を覆っている。熱電変換素子１ｃは、複数のプラグ５３を備えている。プラグ５３は、第二層間絶縁膜４２を貫通しており、かつ、配線３０の上に配置されている。プラグ５３は、配線３０と電気的に接続されている。第二層間絶縁膜４２の上には、第一電極パッド５１及び第二電極パッド５２が配置されている。第一電極パッド５１及び第二電極パッド５２は、異なるプラグ５３に電気的に接続されている。これにより、第一電極パッド５１と第二電極パッド５２との間で熱電対１０ｔが第一電極パッド５１及び第二電極パッド５２に電気的に接続されている。
　図７Ａは、図６ＡのVIIA-VIIA線を切断線とする熱電対１０ｔの断面図である。図７Ｂから図７Ｄは、実施形態２の熱電対１０ｔにおける熱電部材１０ｇ及び導電部材１０ｍの配置の別の一例を示す断面図である。図７Ａに示す通り、熱電部材１０ｇの側面及び導電部材１０ｍの側面は、１つの方向で向かい合っていてもよいし、図７Ｂ、図７Ｃ、及び図７Ｄに示す通り、複数の異なる方向で向かい合っていてもよい。
　実施形態２の熱電変換素子の製造方法の一例を説明する。実施形態２の熱電変換素子の製造方法は、以下の方法に限定されない。
　図８Ａに示す通り、ベース２０ａの一方の主面上に、下地絶縁膜２０ｂが形成される。ベース２０ａは、例えばＳｉ基板である。下地絶縁膜２０ｂは、例えばＳｉＯ2等の電気絶縁体であり、スパッタリング又はＣＶＤ等の方法によって形成される。下地絶縁膜２０ｂの上に熱電材料用薄膜１８が形成される。熱電材料用薄膜１８は、例えば、多結晶Ｓｉ等の半導体であり、スパッタリング又はＣＶＤ等の方法によって形成される。ベース２０ａ、下地絶縁膜２０ｂ、及び熱電材料用薄膜１８の積層体は、Silicon-on-insulator（ＳＯＩ）基板で代用されてもよい。ＳＯＩ基板において、下地絶縁膜２０ｂに対応する層はＳｉＯ2の層であり、熱電材料用薄膜１８に対応する層は単結晶Ｓiの層である。
　次に、熱電材料用薄膜１８に不純物イオンがドーピングされ、電子又はホールのキャリア密度が１×１０19ｃｍ-3から１×１０21ｃｍ-3の範囲に調整される。ドーピングは、例えば、イオン注入及び熱拡散等の方法によってなされる。キャリア密度を所望の値に調整するために、追加でアニール処理がなされてもよい。ドーピングは、熱電材料用薄膜１８の全面に対して実施されてもよいし、フォトリソグラフィーを用いて所定の領域に対して実施されてもよい。
　次に、図８Ｂに示す通り、フォトリソグラフィー及びエッチングによって、熱電材料用薄膜１８の所定の領域に凹部１９が形成される。凹部１９の深さは、第二部位１０ｒの第二厚さを考慮して調整される。例えば、熱電材料用薄膜１８のエッチングレートを予め測定し、その測定結果に基づいてエッチングの時間を調整することにより、凹部１９の深さを第二部位１０ｒの第二厚さに適した範囲に調整できる。
　次に、図８Ｃに示す通り、フォトリソグラフィー及びエッチングによって、熱電部材１０ｇが形成される。次に、熱電部材１０ｇが覆われるように、熱電部材１０ｇの上方から、スパッタリング及びＣＶＤ等の方法によって、ＳｉＯ2等の材料からなる第一層間絶縁膜４１が形成される。その後、図８Ｄに示す通り、第一層間絶縁膜４１の熱電部材１０ｇより上方の部位がＣＭＰ等の方法によって取り除かれる。
　次に、図８Ｅに示す通り、フォトリソグラフィー及びエッチングによって、第一層間絶縁膜４１の所定の領域に凹部１６が形成される。この段階において、凹部１６の底面をなすように第二部位１０ｒの一部が露出している。次に、図８Ｆに示す通り、第一層間絶縁膜４１の上方から、スパッタリング及びＣＶＤ等の方法によってＡｌ等の金属を含む金属薄膜１３が形成される。金属薄膜１３は、凹部１６の底面及び側面を覆う。次に、図８Ｇに示す通り、フォトリソグラフィー及びエッチングによって、凹部１６の外側の金属薄膜１３が取り除かれ、空洞１０ｊを有する導電部材１０ｍが形成される。
　次に、第一層間絶縁膜４１の上方から、スパッタリング及びＣＶＤ等のＳｉＯ2等のアモルファスからなる断熱材１１によって空洞１０ｊの少なくとも一部が充填される。次に、図８Ｈに示す通り、ＣＭＰ等の方法によって空洞１０ｊの外部の断熱材１１が取り除かれる。
　次に、図８Ｉに示す通り、Ａｌ等の導電体を含む配線３０が形成される。例えば、スパッタリング等の方法によって形成されたＡｌ等の膜から、フォトリソグラフィー及びエッチング、又は、リフトオフによって、配線３０をなすパターンが形成される。
　次に、図８Ｊに示す通り、スパッタリング及びＣＶＤ等の方法によって、配線３０を覆うようにＳｉＯ2等の電気絶縁体によって第二層間絶縁膜４２が形成される。
　例えば、配線３０及び導電部材１０ｍが同一種類の材料を含む場合、金属薄膜１３の形成後に、フォトリソグラフィー及びエッチング、又は、リフトオフによって、配線３０及び空洞１０ｊを有する導電部材１０ｍが同一の工程で形成されてもよい。その後、ＳｉＯ2等の電気絶縁体を含む第二層間絶縁膜４２を形成することによって、第二層間絶縁膜４２の形成と、導電部材１０ｍの空洞１０ｊへの断熱材１１の充填とが同一の工程で実施されうる。この場合、第二層間絶縁膜４２及び断熱材１１は同一種類の材料で構成されうる。
　次に、図８Ｋに示す通り、フォトリソグラフィー及びエッチングによって、第二層間絶縁膜４２に凹部５３ｈが形成される。この段階で、配線３０の一部が凹部５３ｈの底面をなすように露出する。
　次に、凹部５３ｈが充填されるように、第二層間絶縁膜４２の上方から、Ａｌ及びＴｉＮ等の材料の薄膜がスパッタリング及びＣＶＤ等の方法で形成される。次に、図８Ｌに示す通り、ＣＭＰ等の方法によって、凹部５３ｈの外側の薄膜が取り除かれ、第二層間絶縁膜４２の内部にプラグ５３が形成される。最後に、第二層間絶縁膜４２の上方から、Ａｌ等の材料を含む金属薄膜を形成し、リフトオフ又はリソグラフィー及びエッチングによって、第一電極パッド５１及び第二電極パッド５２が形成される。このようにして、第二実施形態の熱電変換素子が得られる。
（付記）
　以上の記載より、下記の技術が開示される。
（技術１）
　基板と、
　前記基板の主面に沿って並んでいる、薄膜状の熱電部材及び導電部材を含む、熱電対と、
　前記導電部材に接している断熱材と、を備え、
　前記導電部材は、金属及び金属化合物からなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、
　前記断熱材の熱伝導率は、前記導電部材の熱伝導率より低い、
　熱電変換素子。
　この構成により、製造コストを抑えつつ導電部材の熱コンダクタンスが低くなりやすい。そのため、薄膜状の熱電部材を備えたユニレグ型熱電変換素子の熱電変換性能が高くなりやすい。
（技術２）
　前記断熱材は、平面視において前記導電部材によって囲まれている、
　技術１に記載の熱電変換素子。
　この構成により、導電部材及び断熱材を含む構造の熱コンダクタンスが低くなりやすく、かつ、導電部材が所望の電気伝導性を有しやすい。そのため、熱電変換素子の熱電変換性能がより高くなりやすい。
（技術３）
　前記断熱材の熱伝導率は、１０Ｗｍ-1Ｋ-1以下である、
　技術１又は２に記載の熱電変換素子。
　この構成により、導電部材及び断熱材を含む構造の熱コンダクタンスがより低くなりやすい。そのため、熱電変換素子１ａの熱電変換性能がより高くなりやすい。
（技術４）
　前記断熱材は、アモルファス材料を含む、
　技術１から３のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
　この構成により、導電部材及び断熱材を含む構造の熱コンダクタンスがより低くなりやすい。そのため、熱電変換素子の熱電変換性能がより高くなりやすい。
（技術５）
　前記導電部材及び前記断熱材の体積の和に対する前記断熱材の体積の比は、５０％から９０％である、
　技術１から４のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
　この構成により、導電部材及び断熱材を含む構造の熱コンダクタンスがより低くなりやすく、熱電変換素子の全体の熱コンダクタンスがより低くなりやすい。加えて、導電部材が所望の電気伝導性を有しやすい。そのため、熱電変換素子の熱電変換性能がより高くなりやすい。
（技術６）
　前記熱電部材は、第一厚さを有する第一部位と、前記第一厚さよりも小さい第二厚さを有する第二部位と、を備え、
　前記第一部位及び前記第二部位によって段差が形成されている、
　技術１から５のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
　この構成により、実施形態１の熱電変換素子の第一配線３０ａに対応する構成を省略できる。そのため、熱電変換素子の構成が簡素になりやすい。
（技術７）
　前記導電部材は、前記第二部位の上に配置されている、
　技術６に記載の熱電変換素子。
　この構成により、実施形態１の熱電変換素子の第一配線３０ａに対応する構成を省略しても、導電部材と熱電部材との電気的な接続が確保されうる。
（技術８）
　薄膜状の熱電部材とともに基板の主面に沿って配置され、金属及び金属化合物からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む導電部材に接するように断熱材を配置することを含み、
　前記断熱材の熱伝導率は、前記導電部材の熱伝導率より低い、
　熱電変換素子の製造方法。
　このような方法によれば、断熱材により導電部材の熱コンダクタンスを低くできる。そのため、製造コストを抑制しつつ熱電変換素子の熱電変換性能を高めやすい。
　以下、実施例を参照しつつ、本実施形態がより詳細に説明される。ただし、本実施形態１の熱電変換素子は、以下の実施例に示される各態様に限定されない。
　＜サンプルＡ－１からサンプルＡ－１０＞
　Ｓｉ基板上に形成された１００ｎｍの厚さのＳｉＯ2薄膜の上に、１００ｎｍのＡｌ薄膜を形成した。このＡｌ薄膜に対してフォトリソグラフィー及びエッチングを行い、第一配線となるパターンを形成した。次に、第一配線を覆うように１．１μｍの厚みのＳｉＯ2膜を形成し、第一層間絶縁膜を得た。第一層間絶縁膜に対してフォトリソグラフィー及びエッチングを行い、第一層間絶縁膜に凹部を形成した。このとき、第一配線の一部が凹部の底面をなすように露出していた。次に、多結晶Ｓｉの薄膜を形成し、凹部の外部の多結晶ＳｉをＣＭＰによって除去して、凹部に熱電材料用薄膜を形成した。次に、熱電材料用薄膜に対して、１×１０16ｃｍ‐2のドーズ量でボロンイオンを不純物として注入し、Ｓｉ熱電部材を得た。Ｓｉ熱電部材の底面は１辺の長さが１００μｍの正方形状であり、Ｓｉ熱電部材の厚さは１μｍであった。
　次に、第一層間絶縁膜のＳｉ熱電部材と隣接する領域に、フォトリソグラフィー及びエッチングによって凹部を形成した。次に、第一層間絶縁膜の上にＡｌ薄膜を形成した。Ａｌ薄膜は凹部の底面及び側面を覆うように形成されていた。次に、フォトリソグラフィー及びエッチングによって、凹部から離れた領域に存在するＡｌ薄膜を除去しつつ、凹部の周辺のＡｌ薄膜の一部及びＳｉ熱電部材の上のＡｌ薄膜を残して、第二配線を得た。この段階において、平面視において凹部に対応してＡｌ薄膜で囲まれた空洞を有するＡｌ部材が形成されていた。Ａｌ部材の底面は１辺の長さが１００μｍの正方形状であり、Ａｌ部材のＳｉ基板の主面に垂直な方向におけるＡｌ部材の寸法である高さは１μｍであった。Ａｌ部材の体積及び空洞の体積の和に対する空洞の体積の比は９０％であった。次に、空洞の上方からＳｉＯ2薄膜を形成して空洞の全体をＳｉＯ2で充填した。最後にフォトリソグラフィー及びエッチングによってＳｉ熱電部材及びＡｌ部材の周辺のＳｉＯ2を除去して、第二配線の一部を露出させた。このようにして、サンプルＡ－１の素子を得た。
　＜サンプルＡ－２からＡ－１０＞
　Ａｌ部材の体積及び空洞の体積の和に対する空洞の体積の比が表１に示す値になるように、Ａｌ部材の作製のためのＡｌ薄膜の形成条件を調整したこと以外は、サンプルＡ－１と同様にして、サンプルＡ－２からＡ－１０の素子を得た。サンプルＡ－１０では、空洞が生じないようにＡｌ部材が形成された。
　＜サンプルＢ－１からサンプルＢ－１０＞
　下記の点以外は、サンプルＡ－１と同様にして、サンプルＢ－１からサンプルＢ－１０の素子が作製された。サンプルＢ－１からサンプルＢ－１０において、Ａｌ部材の底面は１辺の長さが３０μｍの正方形状であった。サンプルＢ－１からサンプルＢ－１０において、Ａｌ部材の体積及び空洞の体積の和に対する空洞の体積の比が表２に示す値になるように、Ａｌ部材の作製のためのＡｌ薄膜の形成条件が調整された。
　＜サンプルＣ－１からサンプルＣ－１０＞
　下記の点以外は、サンプルＡ－１と同様にして、サンプルＣ－１からサンプルＣ－１０の素子が作製された。サンプルＣ－１からサンプルＣ－１０において、Ａｌ部材の底面は１辺の長さが２０μｍの正方形状であった。サンプルＣ－１からサンプルＣ－１０において、Ａｌ部材の体積及び空洞の体積の和に対する空洞の体積の比が表３に示す値になるように、Ａｌ部材の作製のためのＡｌ薄膜の形成条件が調整された。
　（評価）
　各サンプルの素子の熱電性能を評価し、３００Ｋにおける無次元化性能指数ＺＴを決定した。各サンプルの素子の電気抵抗は、第一配線を介した四端子法に従って測定された。サーモリフレクタス法に従って各サンプルの素子の熱コンダクタンスを測定した。なお、別の基板上に作製された多結晶Ｓｉ薄膜及びＡｌ薄膜を含む試料を別途作製し、アルバック理工社製の測定装置ZEM3及びこの試料を用いて、Ｓｉ熱電部材のゼーベック係数を決定した。無次元化性能指数ＺＴの決定にはこのゼーベック係数の値を用いた。これらの結果を表１から表３に示す。
　表１に示す通り、Ａｌ部材に空洞がないサンプルＡ－１０の素子に比べて、サンプルＡ－４の素子の無次元化性能指数ＺＴは２倍以上であった。サンプルＡ－４において、Ａｌ部材の体積及び空洞の体積の和に対する空洞の体積の比は６０％であり、その空洞がＳｉＯ2で充填されていた。ＳｉＯ2の熱伝導率はＡｌの熱伝導率より低い。
　表２に示す通り、Ａｌ部材に空洞がないサンプルＢ－１０の素子に比べて、サンプルＢ－３の素子の無次元化性能指数ＺＴは２倍以上であった。サンプルＢ－３において、Ａｌ部材の体積及び空洞の体積の和に対する空洞の体積の比は７０％であり、その空洞がＳｉＯ2で充填されていた。
　表３に示す通り、Ａｌ部材に空洞がないサンプルＣ－１０の素子に比べて、サンプルＣ－２の素子の無次元化性能指数ＺＴは２倍以上であった。サンプルＣ－２において、Ａｌ部材の体積及び空洞の体積の和に対する空洞の体積の比は８０％であり、その空洞がＳｉＯ2で充填されていた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　本開示の熱電変換素子は、例えば、発電及び温調等の用途を含む種々の用途に使用できる。

Claims (8)

  1. 　基板と、
    　前記基板の主面に沿って並んでいる、薄膜状の熱電部材及び導電部材を含む、熱電対と、
    　前記導電部材に接している断熱材と、を備え、
    　前記導電部材は、金属及び金属化合物からなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、
    　前記断熱材の熱伝導率は、前記導電部材の熱伝導率より低い、
    　熱電変換素子。
  2. 　前記断熱材は、平面視において前記導電部材によって囲まれている、
    　請求項１に記載の熱電変換素子。
  3. 　前記断熱材の熱伝導率は、１０Ｗｍ-1Ｋ-1以下である、
    　請求項１に記載の熱電変換素子。
  4. 　前記断熱材は、アモルファス材料を含む、
    　請求項１に記載の熱電変換素子。
  5. 　前記導電部材及び前記断熱材の体積の和に対する前記断熱材の体積の比は、５０％から９０％である、
    　請求項１に記載の熱電変換素子。
  6. 　前記熱電部材は、第一厚さを有する第一部位と、前記第一厚さよりも小さい第二厚さを有する第二部位と、を備え、
    　前記第一部位及び前記第二部位によって段差が形成されている、
    　請求項１に記載の熱電変換素子。
  7. 　前記導電部材は、前記第二部位の上に配置されている、
    　請求項６に記載の熱電変換素子。
  8. 　薄膜状の熱電部材とともに基板の主面に沿って配置され、金属及び金属化合物からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む導電部材に接するように断熱材を配置することを含み、
    　前記断熱材の熱伝導率は、前記導電部材の熱伝導率より低い、
    　熱電変換素子の製造方法。
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