VOLKERT, Fritz (Burggartenstraße 26, Bottmingen, CH-4103, CH)
SCHUBERT, Axel (Sommerstrasse 25, München, 81543, DE)
NURNUS, Joachim (Im Kleegärtle 7, Neuenburg, 79395, DE)
VOLKERT, Fritz (Burggartenstraße 26, Bottmingen, CH-4103, CH)
SCHUBERT, Axel (Sommerstrasse 25, München, 81543, DE)
Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen mindestens einer thermoelektrischen Vorrichtung, mit den Schritten: - Bereitstellen eines ersten Wafers (1 ), der aus einem thermoelektrischen Material eines ersten Leitungstyps gebildet ist;
Bereitstellen eines zweiten Wafers, der aus einem thermoelektrischen Materials eines zweiten Leitungstyps gebildet ist;
Strukturieren des ersten Wafers (1 ), so dass eine Gruppe erster thermoelektri- scher Strukturen (7) entsteht;
Strukturieren des zweiten Wafers, so dass eine Gruppe zweiter thermoelektri- scher Strukturen entsteht;
- Verbinden des ersten mit dem zweiten Wafer derart, dass die ersten und die zweiten thermoelektrischen Strukturen elektrisch miteinander verbunden sind und so die thermoelektrische Vorrichtung ausbilden,
dadurch gekennzeichnet, dass
vor dem Strukturieren des ersten Wafers (1 ) ein erstes elektrisch leitfähiges Kontakt- material (3) auf dem ersten Wafer (1 ) und/oder vor dem Strukturieren des zweiten
Wafers ein zweites elektrisch leitfähiges Kontaktmaterial auf dem zweiten Wafer abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass - an dem ersten Wafer (1 ) ein erstes Kontaktmaterial (3) und an dem zweiten Wafer ein zweites Kontaktmaterial abgeschieden wird; und nach dem Verbinden des ersten mit dem zweiten Wafer die ersten und die zweiten thermoelektrischen Strukturen über das erste und das zweite Kontaktmaterial elektrisch in Reihe geschaltet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Strukturieren des ersten und des zweiten Wafers jeweils eine Mehrzahl von Gruppen erster Strukturen und eine Mehrzahl von Gruppen zweiter Strukturen so erzeugt wird, dass durch das Verbinden des ersten mit dem zweiten Wafer eine Mehrzahl thermoelektri- scher Vorrichtungen ausgebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Vorrichtungen voneinander getrennt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Kontaktmaterial derart strukturiert wird, dass jeweils eine Mehrzahl erster elektrischer Kontakte für die herzustellenden ersten Strukturen und/oder eine Mehrzahl zweiter elektrischer Kontakte für die herzustellenden zweiten Strukturen entsteht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abscheiden des Kontaktmaterials (3) eine Diffusionssperrschicht (2) auf dem ersten und/oder dem zweiten Wafer erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einem der Wafer (1 ) ein erster Träger (8) zur mechanischen Stabilisierung des Wafers (1 ) angeordnet wird, wobei - der erste Träger (8) an einer Seite des Wafers (1 ) angeordnet wird, der der Seite des Wafers (1 ) abgewandt ist, an der das Kontaktmaterial (3) angeordnet ist oder angeordnet werden soll; und / oder ein zweiter Träger (5) zur mechanischen Stabilisierung des Wafers (1 ) angeordnet wird, wobei - der zweite Träger (5) an einer Seite des Wafers (1 ) angeordnet wird, an der das
Kontaktmaterial (3) angeordnet ist oder angeordnet werden soll.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Träger (8) vor dem Abscheiden des Kontaktmaterials (3) angeordnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Träger (8) vor dem Strukturieren des Wafers (1 ) entfernt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass - an dem ersten Träger (8) vor seinem Anordnen an dem Wafer ein Lotmaterial erzeugt wird, wobei das Lotmaterial nach dem Entfernen des ersten Trägers (8) an dem Wafer (1 ) verbleibt; und das Verbinden der beiden Wafer das Verbinden der thermoelektrischen Struktu- ren des Wafers mit dem anderen der beiden Wafer über das Lotmaterial umfasst.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer dem ersten Träger (8) abgewandten Seite des Wafers der zweite Träger (5) angeordnet wird; und der erste Träger (8) nach dem Anordnen des zweiten Trägers (5) entfernt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Träger (5) nach dem Abscheiden des Kontaktmaterials (3) angeordnet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Träger (5) galvanisch erzeugt wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und / oder das zweite Kontaktmaterial so ausgebildet wird, dass es den jeweiligen Wafer mechanisch stabilisiert.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und / oder das zweite Kontaktmaterial unter Verwendung einer an dem jeweiligen Wafer angeordneten Maske abgeschieden wird, so dass - das erste und / oder das zweite Kontaktmaterial jeweils eine Mehrzahl erster und / oder zweiter Kontakte ausbildet, wobei die Maske an dem Wafer verbleibt und jeweils die ersten und / oder die zweiten Kontakte elektrisch voneinander isoliert.
16. Verfahren nach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (2) nach dem Anordnen des ersten Trägers (8) so erfolgt, dass dieser zumindest abschnittsweise von der Diffusionssperrschicht (2) bedeckt ist.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Wafer Bismuttellurid, Bleiselenid oder Silizium- Germanium aufweist.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturieren des ersten und/oder des zweiten Wafers durch ätzen oder
Sägen erfolgt.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Vorrichtung ein thermoelektrisches Heiz- und/oder Kühlelement oder ein thermoelektrischer Generator ist.
20. Thermoelektrischer Wafer, der aus einem thermoelektrischen Material gebildet ist und an dem ein elektrisch leitfähiges Kontaktmaterial abgeschieden ist. |
Verfahren zum Herstellen einer thermoelektrischen Vorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Anspruch 1 zum Herstellen mindestens einer thermoelektrischen Vorrichtung. Ein derartiges Verfahren ist z. B. aus der EP 1 1 18 127 B1 bekannt.
Das von der Erfindung zu lösende Problem besteht darin, ein möglichst einfaches und möglichst kostengünstiges Verfahren zum Herstellen einer thermoelektrischen Vorrichtung zu schaffen.
Dieses Problem wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach wird ein Verfahren angegeben, das die Schritte aufweist:
- Bereitstellen eines ersten Wafers, der aus einem thermoelektrischen Material eines ersten Leitungstyps gebildet ist;
- Bereitstellen eines zweiten Wafers, der aus einem thermoelektrischen Materials eines zweiten Leitungstyps gebildet ist;
- Strukturieren des ersten Wafers, so dass eine Gruppe erster thermoelektrischer Strukturen entsteht; - Strukturieren des zweiten Wafers, so dass eine Gruppe zweiter thermoelektrischer Strukturen entsteht;
- Verbinden des ersten mit dem zweiten Wafer derart, dass die ersten und die zweiten thermoelektrischen Strukturen elektrisch miteinander verbunden, z.B. in Reihe geschaltet, sind und so die thermoelektrische Vorrichtung ausbilden, wobei
- vor dem Strukturieren des ersten Wafers ein erstes Kontaktmaterial auf dem ersten Wafer und/oder vor dem Strukturieren des zweiten Wafers ein zweites Kontaktmaterial auf dem zweiten Wafer abgeschieden wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit vor, bei der Herstellung einer thermoelekt- rischen Vorrichtung (d. h. eines thermoelektrischen Heiz- und/oder Kühlelementes bzw. eines Thermogenerators) das thermoelektrische Material nicht als Schicht auf einem Substrat abzuscheiden, sondern in Form eines Wafers bereitzustellen und diesen Wafer zu strukturieren.
Ein „Wafer" bezeichnet hierbei ein als „Bulk" vorliegendes Material, wobei die Geometrie des Wafers beliebig sein kann, z.B. rechteckig oder rund. Insbesondere ist ein „Wafer" ein scheibenförmiges Material, das z.B. Dicken zwischen 100 μm - 500 μm aufweist.
Der Herstellungsschritt des Abscheidens eines (elektrisch leitfähigen) Kontaktmaterials (insbesondere in Form einer Schicht), aus dem elektrische Kontakte zu den jeweiligen ersten und/oder zweiten Strukturen erzeugt werden, erfolgt auf dem thermoelektrischen Wafer und nicht auf einem (aus einem nicht thermoelektrischen Material gebildeten) Substrat. Das Kontaktmaterial weist z.B. Titan, Platin, Bismut, Gold oder Kupfer auf. Das „Abscheiden" des Kontaktmaterials umfasst insbesondere das Erzeugen der Kontaktschicht per Galvanik oder mittels eines PVD-Verfahrens, z.B. Sputtern oder Elektronen- strahlverdampfen. Das Verbinden (Bonden) eines Substrats, an dem eine Kontaktschicht erzeugt wurde, mit dem thermoelektrischen Wafer, so dass die Kontaktschicht in Kontakt mit dem Wafer kommt, zählt nicht dazu.
Das erste Kontaktmaterial, das an dem ersten Wafer erzeugt wird, kann identisch mit dem zweiten Kontaktmaterial sein, das an dem zweiten Wafer erzeugt wird. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Analog können das erste und das zweite thermoelektrische Material und/oder die ersten und die zweiten thermoelektrischen Strukturen iden- tisch sein bzw. identisch ausgebildet sein.
Ein „thermoelektrisches Material" ist ein Material, das einen thermoelektrischen Koeffizienten aufweist, der hoch genug ist, um mit dem Material ein thermoelektrisches Bauelemente realisieren zu können. Als thermoelektrisches Material für den ersten und/oder den zweiten Wafer kommt z.B. ein Material der Hauptgruppen V-Vl oder IV-VI, z.B. Bis- muttellurid oder Bleiselenid, aber auch Silizium-Germanium in Frage.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird sowohl an dem ersten als auch an dem zweiten Wafer ein (erstes bzw. zweites) Kontaktmaterial abgeschieden. Nach dem Verbinden des ersten mit dem zweiten Wafer sind die ersten und die zweiten thermoelektrischen Strukturen über das erste und das zweite Kontaktmaterial elektrisch miteinander in Reihe geschaltet.
In einer anderen Variante der Erfindung wird durch das Strukturieren des ersten und des zweiten Wafers jeweils eine Mehrzahl von Gruppen erster Strukturen und einer Mehrzahl von Gruppen zweiter Strukturen so erzeugt, dass durch das Verbinden des ersten mit dem zweiten Wafer eine Mehrzahl thermoelektrischer Vorrichtungen ausgebildet werden. Mit anderen Worten werden die beiden miteinander zu verbindenden Wafer jeweils so strukturiert, dass eine Vielzahl thermoelektrischer Vorrichtungen entsteht.
Das Herstellen der Mehrzahl der thermoelektrischen Vorrichtungen erfolgt also durch Prozessieren des Wafers. Das Vereinzeln (Voneinandertrennen) der thermoelektrischen Vorrichtungen erfolgt erst nach dem Verbinden des ersten mit dem zweiten Wafer, z. B. durch Sägen oder ätzen.
Insbesondere werden das erste und/oder das zweite Kontaktmaterial derart strukturiert, dass jeweils eine Mehrzahl erster elektrischer Kontakte für die herzustellenden ersten Strukturen und/oder eine Mehrzahl zweiter elektrischer Kontakte für die herzustellenden zweiten Strukturen entsteht.
Die durch Strukturieren des ersten bzw. zweiten Wafers herzustellenden ersten bzw. zweiten Strukturen können z. B. längserstreckte Elemente (Schenkel) oder Säulen sein. Entsprechend können die durch das Strukturieren der ersten bzw. der zweiten Kontaktschicht erzeugten ersten bzw. zweiten elektrischen Kontakte längliche oder rechteckige Flächen ausbilden, die mit den ersten bzw. zweiten thermoelektrischen Strukturen verbunden sind und in elektrischem Kontakt stehen.
In einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem Abscheiden des Kontaktmaterials eine Diffusionssperrschicht, z. B. galvanisch, per CVD oder PVD, auf dem ersten und/oder dem zweiten Wafer erzeugt.
Darüber hinaus ist gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass an zumindest einem der Wafer, d.h. an dem ersten und / oder dem zweiten thermoelektrischen Wafer, ein erster Träger zur mechanischen Stabilisierung des Wafers angeordnet wird, wobei
der erste Träger an einer Seite des Wafers angeordnet wird, der der Seite des Wafers abgewandt ist, an der das Kontaktmaterial angeordnet ist oder angeordnet werden soll; und / oder ein zweiter Träger zur mechanischen Stabilisierung des Wafers angeordnet wird, wo- bei der zweite Träger an einer Seite des Wafers angeordnet wird, an der das Kontaktmaterial angeordnet ist oder angeordnet werden soll.
Der erste und/oder der zweite Träger können z.B. durchgehend ausgebildet oder in Form eines Rahmens gestaltet sein. Das Anordnen des ersten Träger erfolgt insbesondere vor dem Abscheiden des Kontaktmaterials. Des Weiteren kann der erste Träger vor dem Strukturieren des Wafers entfernt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass zwar an jeder Seite des thermoelektrischen Wafers ein Träger angeordnet sein kann. Dies ist jedoch nicht zwingend, es kann auch nur ein Träger zur mechanischen Stabilisierung verwendet werden. Beispielsweise kann nur der zweite Träger vorgesehen werden, d.h. nur ein Träger, der auf der Seite des Kontaktmaterials angeordnet wird. Insbesondere wird ein thermoelektrischer Wafer mit einer Dicke verwendet, die eine sichere Handhabung des Wafers ermöglicht, beispielsweise eine Dicke von mindestens 500 μm. Nach Anordnen des (zweiten) Trägers wird der thermo- elektrische Wafer auf die für die thermoelektrische Vorrichtung erforderliche Dicke (z.B. 100μm) abgedünnt (z.B. per CMP).
Des Weiteren dient der erste bzw. der zweite Träger zur mechanischen Stabilisierung, er kann jedoch auch weitere Funktionen haben, z.B. einen elektrischen Kontakt ausbilden.
In einer Variante wird an dem ersten Träger vor seinem Anordnen an dem Wafer ein Lotmaterial erzeugt, wobei das Lotmaterial nach dem Entfernen des ersten Trägers an dem Wafer verbleibt. Das Verbinden der beiden Wafer, d.h. des ersten mit dem zweiten Wa- fer, umfasst das Verbinden der thermoelektrischen Strukturen des Wafers (d.h. des ersten oder des zweiten Wafers) mit dem anderen der beiden Wafer (d.h. mit dem zweiten bzw. dem ersten Wafer) über das Lotmaterial. Als Lotmaterial kann z.B. eine Legierung aus Bismut-Gold verwendet werden, insbesondere, wenn die thermoelektrischen Wafer aus Bismuttellurid bestehen.
Der erste und/oder der zweite Träger werden z.B. galvanisch erzeugt. Dabei wird die Dicke des Trägers so gewählt, dass eine Stabilisierung des jeweiligen thermoelektrischen
Wafers erzielt wird. Insbesondere ist der zweite Träger eine Kupferschicht mit einer Dicke zwischen 50 μm und 200 μm.
In einer weiteren Ausgestaltung wird auf einer dem ersten Träger abgewandten Seite des Wafers der zweite Träger angeordnet und der erste Träger nach dem Anordnen des zweiten Trägers entfernt.
In einem Ausführungsbeispiel ist einer der beiden thermoelektrischen Wafer ein Si-Ge- Wafer eines ersten Leitungstyps. Der erste Träger ist ein Siliziumwafer, an dem vor dem Verbinden mit dem Si-Ge-Wafer eine Lotschicht oder mehrere Materialschichten zum Ausbilden eines Lotmaterials erzeugt werden. Nach dem Erzeugen des Lotmaterials an dem Siliziumwafer wird dieser mit dem Si-Ge-Wafer verbunden, z.B. durch Bonden.
Dann werden an der dem Siliziumwafer gegenüberliegenden Seite des Si-Ge-Wafers ein Kontaktmaterial und ein zweiter Träger, z.B. eine galvanisch erzeugte Kupferschicht, angeordnet. Anschließend wird der Si-Ge-Wafer zur Erzeugung (erster) thermoelektrischer Strukturen strukturiert. Nach dem Anordnen des zweiten Trägers wird der Siliziumwafer entfernt, wobei das Lotmaterial an dem Si-Ge-Wafer verbleibt. Der Si-Ge-Wafer mit einem zweiten, z.B. einem weiteren (ebenfall strukturierten) Si-Ge-Wafer eines anderen Leitungstyps, über das Lotmaterial verbunden. Das Prozessieren (Strukturieren) des zweiten Si-Ge-Wafers erfolgt insbesondere analog zum ersten Si-Ge-Wafer.
In einer anderen Variante wird nicht der Siliziumwafer, d.h. der erste Träger, mit einem Lotmaterial versehen, sondern das Anordnen des Lotmaterials erfolgt an dem Si-Ge- Wafer nach Erzeugen des zweiten Trägers und nach Trennen des Siliziumwafers von dem Si-Ge-Wafer. Dabei wird das Lotmaterial an einer dem zweiten Träger abgewandten Seite des Si-Ge-Wafers erzeugt.
Es sei erwähnt, dass der erste Träger selbstverständlich nicht unbedingt ein Siliziumwa- fer sein muss. Als Träger kommen auch andere, z.B. plattenartig ausgebildete, Materialien in Frage, die eine Stabilisierung des Wafers ermöglichen.
Darüber hinaus kann nach dem Strukturieren zumindest eines der thermoelektrischen Wafer (und z.B. auch nach dem Verbinden des ersten mit dem zweiten Wafer) ein gut wärmeleitender Träger an dem Wafer angeordnet werden. Dieser gut wärmeleitende Träger kann mit dem (zweiten) Träger verbunden werden, der an der Seite des Wafers angeordnet ist, an der das Kontaktmaterial abgeschieden wurde.
In einer weiteren Variante der Erfindung wird vor dem Abscheiden des Kontaktmaterials Kontaktschicht eine Diffusionssperrschicht an dem ersten und/oder dem zweiten Wafer erzeugt, wobei das Anordnen der Diffusionssperrschicht nach Anordnen des ersten Trägers erfolgt, so dass dieser zumindest abschnittsweise von der Diffusionssperrschicht bedeckt ist.
Darüber hinaus kann das erste und/oder das zweite Kontaktmaterial so ausgebildet werden, dass es den jeweiligen Wafer mechanisch stabilisiert. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass das zweite Kontaktmaterial mit einer entsprechenden Dicke erzeugt wird. Beispielsweise erfolgt die mechanische Stabilisierung des Wafers ausschließlich durch das Kontaktmaterial und nicht durch zusätzliche Stabilisierungsträger.
In einem weiteren Beispiel kann das erste und/oder das zweite Kontaktmaterial unter Verwendung einer an dem jeweiligen Wafer angeordneten Maske abgeschieden wird, so dass das erste und/oder das zweite Kontaktmaterial jeweils eine Mehrzahl erster und/oder zweiter Kontakte ausbildet, die als elektrischer Kontakt zu den herzustellenden thermoelektrischen Strukturen dienen sollen.
Dabei verbleibt die Maske an dem Wafer und isoliert jeweils die ersten und/oder die zweiten Kontakte elektrisch voneinander. Die Maske wird insbesondere aus einem strukturier- ten Fotolack gebildet, der an dem Wafer angeordnet wird. Die Kontakte werden z.B. per Galvanik unter Verwendung des strukturierten Fotolacks erzeugt.
Die Kontakte und die an dem Wafer verbleibende Maske können z.B. so ausgebildet sein, dass sie eine Trägerschicht bilden, die den Wafer mechanisch stabilisiert; insbe- sondere durch Erzeugen der Kontakte und der Maske mit einer hierfür ausreichenden Dicke. Somit dienen die Kontakte einerseits zur elektrischen Kontaktierung der thermoelektrischen Strukturen und zusammen mit der an dem Wafer verbleibenden Maske zur mechanischen Stabilisierung des Wafers.
Das Strukturieren des ersten und/oder des zweiten Wafers, das dazu dient, die Gruppe erster bzw. zweiter thermoelektrischer Strukturen zu erzeugen, erfolgt beispielsweise durch ätzen oder Sägen, z.B. per Laser, Wasser- oder Sandstrahlen.
In einem weiteren Aspekt betrifft
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figuren 1 bis 9 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figuren 10 und 1 1 eine Weiterbildung des Verfahrens der Figuren 1 bis 1 1 ;
Figur 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Figuren 1 bis 11 zeigen schematisch Verfahrensschritte bei der Prozessierung eines ersten thermoelektrischen Wafers 1 , die vor dem Verbinden des ersten Wafers 1 mit ei- nem zweiten thermoelektrischen Wafer (nicht dargestellt) erfolgen.
Der thermoelektrische Wafer 1 ist aus einem thermoelektrisch aktiven Material eines ersten Leitungstyps, d. h. ein n- oder p-dotiertes Material, gebildet. Der zweite thermoelektrische Wafer, der mit dem ersten Wafer verbunden wird, ist aus einem Material eines zwei- ten Leitungstyps, d. h. komplementär zum ersten Wafer ein p- oder n-dotiertes thermoelektrisch aktives Material, gebildet. Der zweite Wafer kann analog zum ersten Wafer gemäß den Verfahrensschritten der Figuren 1 bis 1 1 prozessiert werden.
Der thermoelektrische Wafer 1 wird gemäß Figur 1 zur Oberflächenverbesserung und / oder zur Dickenreduzierung auf einer oder auf beiden Seiten bearbeitet, z. B. durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP).
In einem nachfolgenden Schritt (Fig. 2) wird der Wafer 1 mit einer Diffusionssperrschicht 2 versehen, z. B. galvanisch oder mittels eines PVD- oder CVD-Verfahrens. Als Material für die Diffusionssperrschicht wird insbesondere ein metallisches Material wie z. B. Nickel oder Platin verwendet, das ein Eindiffundieren des Kontaktmaterials in den thermoelektrischen Wafer vermindern oder ganz vermeiden soll.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Diffusionssperrschicht 2 nicht zwingend - wie in Fig. 2 dargestellt - an beiden Seiten des Wafers 1 erzeugt werden muss. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Diffusionssperrschicht den Wafer nicht vollständig umschließt und z. B. nur auf einer Seite oder nur abschnittsweise auf einer Seite des Wafers 1 angeordnet wird.
Fig. 3 zeigt, dass nach dem Erzeugen der Diffusionssperrschicht 2 ein (erstes) Kontaktmaterial in Form einer (ersten) Kontaktschicht 3 auf dem (ersten) thermoelektrischen Wafer 1 abgeschieden wird. Das Abscheiden der Kontaktschicht 3 kann z. B. per Galvanik,
Elektronenstrahlverdampfen oder Sputtern erfolgen. Es ist nicht unbedingt notwendig, dass die Kontaktschicht 3 die komplette Seite des Wafers 1 bedeckt, beispielsweise kann das Abscheiden der Kontaktschicht auch so erfolgen, dass nur Abschnitte einer Seite des Wafers 1 bedeckt werden.
Gemäß Fig. 4 wird die Kontaktschicht 3 derart strukturiert, dass eine Mehrzahl (erster) elektrischer Kontakte 31 entsteht. Die Kontakte 31 dienen später dazu, die herzustellenden (ersten) thermoelektrischen Strukturen mit den in den zweiten thermoelektrischen Wafer herzustellenden zweiten thermoelektrischen Strukturen elektrisch miteinander zu verbinden, insbesondere in Reihe zu schalten. Die Kontakte 31 sind z. B. als rechteck- oder streifenförmige Flächen ausgebildet.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Erzeugen der Kontakte 31 nicht unbedingt durch Strukturieren einer vorher abgeschiedenen Kontaktschicht erfolgen muss. In einer ande- ren Variante der Erfindung werden unmittelbar einzelne Kontaktstrukturen 31 erzeugt, z. B. per Lift-off-Prozess oder Galvanik unter Verwendung eines entsprechend strukturierten Maskenmaterials (z.B. strukturierter Fotolack).
Nach Erzeugen der Kontakte 31 wird gemäß Figur 5 eine Isolationsschicht 4 angeordnet, die zumindest einige der Kontakte 31 und Zwischenräume zwischen Kontakten 31 bedeckt, so dass diese gegeneinander elektrisch isoliert sind. Als Material für die Isolationsschicht kommt z. B. Siliziumoxid oder Siliziumnitrid in Frage, das insbesondere per PVD oder CVD erzeugt werden kann.
Nach Erzeugen der Isolationsschicht 4 wird an der Seite, an der die Kontakte 31 angeordnet sind, ein (zweiter) Träger in Form einer galvanisch erzeugten Trägerschicht 5 angeordnet, z.B. einer Kupferschicht. Dies ist in Figur 6 dargestellt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel trennt die Isolationsschicht 4 die Kontakte 31 von der Trägerschicht 5.
Die Trägerschicht 5 kann im Bereich der Zwischenräume zwischen benachbarten Kontakten 31 Einbuchtungen aufweisen. Optional kann daher eine Glättung oder Abdünnung der Trägerschicht 5 erfolgen, z. B. per CMP (Fig. 7). Die Dicke der Trägerschicht 5 ist insbesondere auch nach dem Polieren so ausgebildet, dass sie zu einer Stabilisierung des Wafers 1 beiträgt.
Nach dem Anordnen der Trägerschicht 5 wird gemäß Fig. 8 an der den Kontakten 31 abgewandten Seite des Wafers 1 ein Lotmaterial in Form einer Lotschicht 6 angeordnet, beispielsweise durch Verdampfen oder Sputtern. Die Lotschicht 6 kann z. B. eine metallische Legierung, z.B. Bismut-Gold, aufweisen.
Die Lotschicht 6, die Diffusionssperrschicht 2 sowie der thermoelektrische Wafer 1 werden nachfolgend strukturiert (z.B. durch ätzen und/oder Sägen), so dass eine Mehrzahl thermoelektrischer Strukturen 7 entsteht, die übereinander angeordnete Abschnitte 61 , 21 , 11 , 22 der jeweiligen Schichten aufweisen. Das Strukturieren der Lotschicht 6, der Diffusionssperrschicht 2 sowie des thermoelektrischen Materials 1 kann in einem Schritt oder in mehreren Teilschritten erfolgen. Die Dicke der Kontaktschicht ist ausreichend groß gewählt, so dass ein vollständiges Entfernen der Kontakte 31 beim Strukturieren der Lotschicht 6, der Diffusionssperrschicht 2 sowie des thermoelektrischen Materials 1 , insbesondere wenn dieses durch Sägen erfolgt, vermieden wird. Zudem kann die Dicke der Kontaktschicht so gewählt werden, dass Schwankungen der Dicke des thermoelektrischen Wafers ausgeglichen werden.
Das Strukturieren des thermoelektrischen Wafers 1 sowie der Diffusionssperrschicht 2 und der Lotschicht 6 erfolgt so, dass die thermoelektrischen Strukturen 7 zueinander beabstandet und z. B. säulen- oder schenkelartig ausgebildet sind.
Die thermoelektrischen Strukturen 7 werden im Bereich der elektrischen Kontakte 31 erzeugt, wobei sie insbesondere so in Bezug zu den Kontakten 31 positioniert sind, dass die Kontakte 31 jeweils freie Abschnitte aufweisen, auf die die entsprechenden (zweiten) thermoelektrischen Strukturen des zweiten thermoelektrischen Wafers aufsetzen können, wenn der erste mit dem zweiten Wafer verbunden wird.
Es sei erwähnt, dass die Figuren 1 bis 12 insofern schematisch sind, als sie das Verfahren anhand der Herstellung von vier thermoelektrischen Strukturen zeigt. Die Verfahrens- schritte können natürlich so ausgeführt werden, dass weniger und insbesondere auch mehr thermoelektrische Strukturen erzeugt werden können, die nach dem Verbinden der Wafer z.B. auch eine Mehrzahl thermoelektrischer Vorrichtungen bilden können
Vor dem Verbinden des ersten Wafers 1 mit dem zweiten Wafer können die thermoelekt- rischen Strukturen 7, insbesondere im Bereich ihrer jeweiligen Seitenwände, mit einer schützenden (passivierenden) Schicht versehen werden. Die schützende Schicht verhindert z.B., dass beim Verbinden des ersten mit dem zweiten Wafer Lotmaterial an die Sei-
tewände der thermoelektrischen Strukturen gelangt und das elektrische Verhalten der thermoelektrischen Vorrichtung verschlechtert. Die schützende Schicht kann auch ausgebildet sein, die thermoelektrischen Strukturen (bereits vor dem Verbinden der Wafer) vor Umwelteinflüssen, insbesondere vor Feuchtigkeit, zu schützen.
Die schützende Schicht wird in einem Beispiel in Form einer Polymerschicht (z.B. Fotolack, Polyimid oder BCB) ausgebildet. Insbesondere wird eine dünne Polymerschicht verwendet, z.B. mit einer Dicke von einigen Mikrometern.
Es wird darauf hingewiesen, dass neben den in den Figuren 1 bis 9 dargestellten Prozessschritten zusätzliche oder alternative Herstellungsschritte beim Prozessieren des ersten und / oder des zweiten Wafers vorgesehen sein können.
Die Figuren 10 und 11 betreffen eine Weiterbildung des zuvor beschriebenen Verfahrens. Hiernach wird vor dem Erzeugen der Kontaktschicht und vor dem Erzeugen der Diffusionssperrschicht (vgl. Fig. 2) ein (erster) Träger in Form eines Substrats 8 an dem ersten thermoelektrischen Wafer 1 angeordnet. Genauer ist das Substrat 8 an einer Seite des thermoelektrischen Wafers 1 angeordnet, z. B. durch Bonden, die der Seite des Wafers gegenüber liegt, an der die elektrische Kontaktschicht (vgl. Fig. 3) erzeugt werden soll.
In Fig. 11 ist gezeigt, dass nach dem Anordnen des Substrats 8 die Diffusionssperrschicht 2 erzeugt wird, wobei eine Seite des Substrats 8 ebenfalls mit der Diffusionssperrschicht bedeckt wird. Das Anordnen der Diffusionssperrschicht 2 kann jedoch auch so erfolgen, dass sie nur im Bereich des thermoelektrischen Wafers 1 ausgebildet wird, d.h. insbesondere an einer Seite des Wafers, die dem Substrat 8 gegenüberliegt.
Nach Anordnung der Diffusionssperrschicht 2 erfolgen z. B. die Herstellungsschritte gemäß den Figuren 3 bis 9, d. h. es wird zusätzlich zu dem Substrat 8 der galvanisch erzeugte (zweite) Träger 5 angeordnet. In einer anderen Variante der Erfindung wird jedoch auf einen zweiten Träger 5 verzichtet und die Stabilität des thermoelektrischen Wafers 1 nur über das Substrat 8 gewährleistet. Vor dem Verbinden des (ersten) Wafers 1 mit dem zweiten Wafer, insbesondere vor dem Strukturieren des Wafers 1 , wird das Substrat 8 entfernt.
Figur 12 bezieht sich auf eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. An dem thermoelektrischen Wafer 1 wird zur Herstellung der Kontakte im Unterschied zu den Figuren 3 bis 6 keine Kontaktschicht abgeschieden, die in einem nachfol-
genden Schritt strukturiert wird. Stattdessen wird eine Maske 9 aus lithografisch strukturiertem Fotolack (z.B. SU-8) an dem Wafer angeordnet, die zu einander beabstandete öffnungen 91 aufweist.
Mit dem so vorbereiteten Wafer wird ein Galvanikschritt durchgeführt, so dass an dem Wafer 1 ein Metall, z.B. Kupfer, im Bereich der öffnungen 91 abgeschieden wird. Die öffnungen 91 sind so beschaffen und angeordnet, dass das galvanisch abgeschieden Material Kontakte 31 ausbildet, die zum Kontaktieren der (noch herzustellenden) thermo- elektrischen Strukturen dienen.
Die Maske 9 verbleibt nach Fertigstellung der Kontakte 31 auf dem Wafer 1 , so dass die Kontakte 31 durch die verbleibende Maske 9 voneinander elektrisch isoliert sind. Gleichzeitig sorgen die quer zum thermoelektrischen Wafer 1 verlaufenden, rippenartigen Fotolackstrukturen der Maske 9 für eine mechanische Stabilisierung des Wafers 1. Die Maske 9 und die in den öffnungen 91 der Maske gebildeten Kontakte 31 bilden somit eine Trägerschicht aus, die den Wafer 1 mechanisch stabilisiert. Hierfür wird insbesondere die Dicke der Maske entsprechend gewählt, z.B. zwischen 100 μm und 200 μm.
Nach Fertigstellung können die Kontakte 31 zusammen mit der verbleibenden Maske planarisiert werden. Anschließend werden mit dem Wafer 1 weitere Prozessschritte durchgeführt, z.B. gemäß den oben beschriebenen Figuren 8 und 9.
* * * * *
Bezugszeichenliste
1 thermoelektrischer Wafer
2 Diffusionssperrschicht
3 Kontaktschicht
4 Isolationsschicht
5 zweiter Träger
6 Lotschicht
7 thermoelektrische Struktur
8 erster Träger
9 Maske
1 1 Abschnitt des thermoelektrischen Wafers 21 , 22 Abschnitt der Diffusionssperrschicht
31 elektrischer Kontakt
61 Abschnitt der Lotschicht
91 öffnung