CN112614932B - 一种具有热电臂结构的热薄膜器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于薄膜热电器件相关技术领域，其公开了一种具有热电臂结构的热薄膜器件及其制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)制作多个镂空的掩膜；(2)采用掩膜在衬底上沉积制备底部电极，并在所述底部电极的间隙处沉积绝缘层；(3)采用掩膜在所述底部电极及所述绝缘层上沉积P型热电臂并在所述P型热电臂上沉积P型扩散阻挡层；采用掩膜在所述底部电极及所述绝缘层上沉积N型热电臂并在所述N型热电臂上沉积N型扩散阻挡层；所述P型热热电臂及所述N型热电臂的边缘直接相连接；(4)在所述P型扩散阻挡层及所述N型扩散阻挡层上沉积制备顶部电极，由此完成制备。本发明简化了工艺，提高了成品率，且降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于薄膜热电器件相关技术领域，更具体地，涉及一种具有热电臂结构的热薄膜器件及其制备方法，特别地涉及一种基于物理气相沉积法、可高度集成的具有热电臂结构的热薄膜器件及其制备方法。
背景技术
近年来，薄膜热电材料由于其卓越的性能相得到了广泛的关注与研究。相应地，薄膜热电制冷器件也因其高冷却通量成为研究热电，热电臂的厚度减小至微米级，整个设备可以与微型芯片集成，因此薄膜热电器件在微型电子器件热管理上具有极大的应用前景。
薄膜热电器件的尺寸是微米级，因此其加工需要基于传统硅基MEMS技术。目前，用于制作薄膜热电器件的工艺分为物理沉积法(PVD)以及化学沉积法(CVD)，其中物理沉积法所得薄膜致密度、结晶质量更好，且更可控，具有更大的前景。薄膜热电器件根据热量传递的方向分为Cross-plane型与In-plane型。热量传递方向与电流相同为In-plane型，而热量传递方向与电流垂直为Cross-plane型，其中Cross-plane型器件在制冷与发电领域都有广泛的应用。对于Cross-plane型薄膜热电器件，除沉积工艺之外，薄膜热电器件的制作最大的难点在于顶部电极的制作。目前常用键合工艺或光刻技术来制备器件顶部电极：键合工艺步骤简单，但制备的器件接触电阻过大，相比之下，光刻技术制备的器件由于顶部电极直接在热电臂顶部沉积，其接触电阻比前者要小很多，其具体步骤为：
(一)采用光刻技术在衬底上制备图案化的掩模，然后利用物理气相沉积的方法在衬底表面沉积底部电极，然后放入胶液并取出光刻胶以及附着在其表面上的材料，完成底部图案化电极的制作；(二)在底部电极图案上继续通过光刻技术制备图案化掩模，沉积n型热电材料，然后利用光刻技术在顶部制备一层掩模再沉积p型热电材料；(三)在上述基础上，再次利用光刻技术制备一层掩模，沉积顶部电极层；(四)最后将衬底放入胶液中，去除光刻胶以及附着在其表面的材料，完成顶部图案化电极制作。
由上述步骤可以发现，利用光刻技术虽然可以制备出高质量的顶部图案化电极，但整体工艺复杂、成本较高。为实现薄膜的图案化，在光刻剥离技术中，需要完成旋涂、曝光、显影、去胶等多个环节，且光刻胶价格高昂，这使得最终成品器件的成本提高和成品率低。除此之外，光刻胶无法耐受高温的特点也限制了器件的制作工艺，从而无法通过高温沉积或者热处理来提升薄膜性能，导致性能变差。相比之下，采用键合工艺来制备顶部电极，虽然工艺相对简单、无温度限制，且可采用掩模来完成薄膜的图案化，但电极与热电臂的连接较差，会大幅影响器件性能。因此，亟需发展一种工艺简单且可以保证电极连接质量的顶部电极结构以及制备工艺。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有热电臂结构的热薄膜器件的制备方法，所述制备方法通过特殊的热电臂结构，可以直接在热电臂顶部沉积顶部电极，大幅度地简化了薄膜器件的顶部电极的制造工艺，降低了器件的成本。同时，仅利用掩膜制作器件，回避了光刻胶的使用，解除了器件制备过程中的温度限制，可以进行高温热沉积以及热处理从而使器件性能更加卓越，且顶部电极为直接沉积，使得热电臂与顶部电极的连接更好。相比于常温沉积或者蒸镀技术，本发明在高温下制备的热电薄膜可以实现最优取向，大幅度地提升性能，且本发明的热电臂结构使P型热电臂及N型热电臂直接相连接，由于热电臂高度远小于其平面尺寸，导致热电臂的面内电阻极大，故电流并不会在热电臂之间传递，而是与传统π型结构热电臂一样通过顶部电极传输，本发明的P型热电臂与N型热电臂之间无间隙，直接相接，使得热电臂顶面相连，无需采用光刻技术便可直接在热电臂顶部沉积电极层，不仅保证期间顶部电极与热电臂的电连接，且大幅度地简化了器件的制备工艺，提升了成品率，降低了器件的成本。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有热电臂结构的热薄膜器件的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)制作多个镂空的掩膜，多个掩膜分别为第一掩膜、第二掩膜、第三掩膜、第四掩膜及第五掩膜；
(2)采用第一掩膜在衬底上沉积制备底部电极，并采用第二掩膜在所述底部电极的间隙处沉积绝缘层；
(3)采用第三掩膜在所述底部电极及所述绝缘层上沉积P型热电臂并进行原位热处理，然后在所述P型热电臂上沉积P型扩散阻挡层；接着，采用第四掩膜在所述底部电极及所述绝缘层上沉积N型热电臂并进行原位热处理，然后在所述N型热电臂上沉积N型扩散阻挡层；其中，所述P型热热电臂及所述N型热电臂的的边缘直接相连接；
(4)在所述P型扩散阻挡层及所述N型扩散阻挡层上沉积制备顶部电极，由此完成所述热薄膜器件的制备。
进一步地，所述衬底为单抛单晶衬底，采用第一掩膜在所述衬底上依次沉积粘接层、底部导电层及扩散阻挡层以获得图案化的所述底部电极。
进一步地，所述粘接层的材料为Cr；底部导电层的材料选用Cu、Ag或者Au。
进一步地，P型扩散阻挡层的材料选用Ni、Cr或Ti，N型扩散阻挡层的材料选用Cr或Ti。
进一步地，采用第二掩模制备的P型热电臂的材料为富Te的碲化铋基材料。
进一步地，在所述P型扩散阻挡层及所述N型扩散阻挡层上依次沉积制备顶部导电层及抗氧化层以获得图案化的顶部电极。
按照本发明的另一个方面，提供了一种具有热电臂结构的热薄膜器件，所述热薄膜期间是采用如上所述的具有热电臂结构的热薄膜器件的制备方法制备而成的。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的具有热电臂结构的热薄膜器件及其制备方法主要具有以下有益效果：
1.本发明采用掩膜制备相连接的P型热电臂及N型热电臂，使得顶部电极可以直接沉积，相对于采用光刻胶的工艺，不仅大幅简化了工艺，降低了成本，且有效解除了光刻剥离技术对器件的制造过程中的温度限制。
2.本发明所采用物理气相沉积的方法在高温下制备Te的锑化铋基材料热电臂并进行原位热处理，既保证了薄膜的最优取向，具有柱状生长结构，这种结构利于材料的电传输，提升了功率因子并降低了热导率。
3.本发明对P型热电材料及N型热电材料采用不同的扩散阻挡层，P型热电材料的扩散阻挡层材料为Ni，N型热电材料的扩散阻挡层材料为Ti或Cr，既保证了热电臂与电极之间的粘接强度，也能有效阻挡材料扩散对器件性能的影响，增强了薄膜器件的稳定性与寿命。
4.本发明采用掩膜制备热电臂结构，使得P型热电臂及N型热电臂直接相接，让其顶部电极可以直接沉积，既保证了顶部电极与热电臂之间的电连接，又简化了工艺，提高了成品率以及器件的性能。
附图说明
图1是掩膜1、掩膜2、掩膜3、掩膜4及掩膜5的示意图；
图2是本发明提供的具有热电臂结构的热薄膜器件的底部电极及绝缘层的结构示意图；
图3是图2中的具有热电臂结构的热薄膜器件的P型热电臂及N型热电臂的结构示意图；
图4是本发明提供的具有热电臂结构的热薄膜器件的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的具有热电臂结构的热薄膜器件的制备方法主要包括以下步骤：
步骤一，制作多个镂空的掩膜，多个掩膜分别为第一掩膜、第二掩膜、第三掩膜、第四掩膜及第五掩膜。
具体地，制作多个镂空的掩膜，这些掩膜分别用于制作热薄膜器件的底部电极、热电臂阵列及顶部电极。
步骤二，采用第一掩膜在衬底上沉积制备底部电极，并采用第二掩膜在所述底部电极的间隙处沉积绝缘层。
具体地，提供单抛单晶衬底，并对所述衬底进行预处理，接着采用第一掩膜在所述衬底上依次沉积粘接层、底部导电层及扩散阻挡层以获得图案化的底部电极，然后采用第二掩膜在所述底部电极的间隙处沉积绝缘层。
本实施方式中，粘接层的材料为Cr，也可以选用Ti、Mo、Ta等，底部导电层的材料选用Cu、Ag、Au等。
步骤三，采用第三掩膜在所述底部电极及所述绝缘层上沉积P型热电臂并进行原位热处理，然后在所述P型热电臂上沉积P型扩散阻挡层；接着，采用第四掩膜在所述底部电极及所述绝缘层上沉积N型热电臂并进行原位热处理，然后在所述N型热电臂上沉积N型扩散阻挡层；其中，所述P型热电臂与所述N型热电臂的边缘直接相连接。
本实施方式中，P型扩散阻挡层的材料选用Ni、Cr或Ti，N型扩散阻挡层的材料选用Cr或Ti；采用第二掩模制备的P型热电臂的材料为富Te的碲化铋基材料，并在高温沉积完成后进行原位热处理以使富余的Te挥发析出，从而形成具有多孔结构的热电臂；所制备的N型热电臂与P型热电臂边缘直接相接，可直接在其顶部沉积平整的顶部电极。
步骤四，在所述P型扩散阻挡层及所述N型扩散阻挡层上依次沉积顶部导电层及抗氧化层以获得图案化的顶部电极，由此完成所述热薄膜器件的制备。
本实施方式中，采用第五掩膜制备的图案化顶部电极的顶部抗氧化层的材料采用Al或Al2O3。
所述热薄膜器件由底部电极、绝缘层、相连接的P型热电臂及N型热电臂及顶部电极组成；当然在其他实施方式中，可以根据实际需要调整电极层的形状及热电臂的集成密度。
本发明还提供了一种具有热电臂结构的热薄膜器件，所述热薄膜器件是采用如上所述的具有热电臂结构的热薄膜器件的制备方法制备而成的。
以下以一个具体实施例来对本发明进行进一步地详细说明。
实施例1
请参阅图1至图4，本实施例采用磁控溅射工艺来制作具有热电臂结构的热薄膜器件，具体的流程和参数如下：
(1)制作掩膜
制作镂空掩膜板及衬底拖，得到的镂空掩膜分别用于制作器件的底部电极、热电臂阵列及顶部电极。
(2)沉积底部电极及绝缘层
将单抛Al2O3衬底依次置于乙醇、丙酮中进行超声波清洗并采用氮气枪吹干，预处理完成后，将衬底与掩膜置于衬底拖中固定并置于腔体中，通过直流溅射在衬底上依次沉积粘接层Cr层、底部导电层Cu层及扩散阻挡层Cr层以获得底部电极；接着将衬底与新的掩膜重新固定在腔体中，在底部电极的间隙沉积AlN绝缘层，具体如图2所示。
(3)沉积热电臂阵列
具体地，对沉积有底部电极的衬底再次进行清洗吹干，然后将其与掩膜和衬底拖固定置于磁控溅射腔体中，对于热电材料采用多靶共溅，首先溅射P型热电材料Bi0.5Sb1.5Te3后进行原位热处理，然后溅射顶部Ni层，之后将样品取出，更换掩模后依然采用多靶依次溅射，首先直流溅射N型热电材料Sb2Te3后进行原位热处理，然后溅射顶部Cr层，完成溅射后，待温度降至室温时从磁控腔体中取出样品，具体如图3所示。
(4)沉积顶部电极
具体地，对上一步制作的沉积有底部图案化电极的衬底再次进行清洗吹干，然后将其与掩模和衬底拖固定置于磁控溅射腔体内，采用直流溅射依次沉积导电层Cu层、抗氧化层Al层，完成所述薄膜热电器件，如图4所示。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具有热电臂结构的热薄膜器件的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
（1）制作多个镂空的掩膜，多个掩膜分别为第一掩膜、第二掩膜、第三掩膜、第四掩膜及第五掩膜；
（2）采用第一掩膜在衬底上沉积制备底部电极，并采用第二掩膜在所述底部电极的间隙处沉积绝缘层；
（3）采用第三掩膜在所述底部电极及所述绝缘层上沉积P型热电臂并进行原位热处理，然后在所述P型热电臂上沉积P型扩散阻挡层；接着，采用第四掩膜在所述底部电极及所述绝缘层上沉积N型热电臂并进行原位热处理，然后在所述N型热电臂上沉积N型扩散阻挡层；其中，P型热电材料及N型热电材料采用不同的扩散阻挡层，所述P型热电臂与所述N型热电臂的侧面直接相连接，使得所述P型热电臂的顶面与所述N型热电臂的顶面相连接，继而能够在所述P型热电臂与所述N型热电臂的顶面直接沉积平整的顶部电极；其中，所述P型热电臂的高度与所述N型热电臂的高度均小于各自的平面尺寸；
（4）在所述P型扩散阻挡层及所述N型扩散阻挡层上直接沉积制备平整的顶部电极，由此完成所述热薄膜器件的制备。
2.如权利要求1所述的具有热电臂结构的热薄膜器件的制备方法，其特征在于：所述衬底为单抛单晶衬底，采用第一掩膜在所述衬底上依次沉积粘接层、底部导电层及扩散阻挡层以获得图案化的所述底部电极。
3.如权利要求2所述的具有热电臂结构的热薄膜器件的制备方法，其特征在于：所述粘接层的材料为Cr；底部导电层的材料选用Cu、Ag或者Au。
4.如权利要求1所述的具有热电臂结构的热薄膜器件的制备方法，其特征在于：P型扩散阻挡层的材料选用Ni、Cr或Ti，N型扩散阻挡层的材料选用Cr或Ti。
5.如权利要求1所述的具有热电臂结构的热薄膜器件的制备方法，其特征在于：采用第二掩模制备的P型热电臂的材料为富Te的碲化铋基材料。
6.如权利要求1-5任一项所述的具有热电臂结构的热薄膜器件的制备方法，其特征在于：在所述P型扩散阻挡层及所述N型扩散阻挡层上依次沉积制备顶部导电层及抗氧化层以获得图案化的顶部电极。
7.一种具有热电臂结构的热薄膜器件，其特征在于：所述热薄膜器件是采用权利要求1-6任一项所述的具有热电臂结构的热薄膜器件的制备方法制备而成的。
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