[發明專利]基于脈沖激光直寫技術的高密度熱電厚膜器件及制法

有效

• 申請號: 202110505375.3
• 申請日: 2021-05-10
• 公開（公告）號: CN113241399B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 祝薇;周杰;鄧元;于躍東;胡少雄
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H01L35/34
• 分類號: H01L35/34;H01L35/32
• 代理公司: 北京中慧創科知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11721
• 代理人: 由元

本發明涉及一種基于脈沖激光直寫技術的高密度熱電厚膜器件設計及制法。在金屬化襯底上，沉積交替排列的高長寬比矩形n、p型熱電材料，采用脈沖激光直寫技術分別對襯底上金屬電極與熱電材料圖案化加工，并通過在特定區域制備支撐層和上電極得到完整熱電器件；本發明首次將超快脈沖激光直寫技術應用于熱電厚膜器件加工中，可實現微米級熱電堆陣列結構加工，有效提升器件集成度和輸出性能。結合本發明提出的器件邊緣電極“L”形結構設計，同類型熱電堆可實現整列相鄰排列，不同圖案熱電堆與電極多層結構激光直寫加工具有高適配性，有效實現原位一體化集成加工；本發明所述器件集成方法各工藝環節兼容性強，可控高效，具有大規模低成本生產的潛力。

技術領域

本發明屬于功能微器件集成加工技術領域，具體涉及一種基于脈沖激光直寫技術的熱電厚膜器件設計及制備方法。

背景技術

熱電轉換技術是一種將電能與熱能直接轉換的新能源技術，具備純固態、結構緊湊、無振動噪音、可靠性高和環保無污染等特點。熱電材料分別基于塞貝克效應和帕爾貼效應在溫差發電和快速制冷等方面得到應用，實現微能源收集、低品位熱能利用和精準控溫等。熱電器件主要包括襯底、金屬電極、n型和p型半導體熱電材料等。熱電厚膜器件通常具備熱流密度大、響應迅速、體積小巧和易于柔性化等特點，其主要發展方向為高密度、微型化與模塊化。

隨著微型電子器件和可穿戴設備的發展，通過體積小巧的熱電厚膜器件進行供能和熱管理具有重要意義。熱電厚膜器件是多層異質膜材料組成的實現電能與熱能直接轉換的功能性電子器件。當應用場景微型化時，需要實現更大的輸出功率密度，這依賴于制備高密度熱電堆陣列。在滿足高密度、微型化與模塊化時，熱電厚膜器件各層材料需要進行多次圖案化且精度要求高，過程復雜且可靠性差。

目前，傳統高密度熱電堆的膜材料通常基于金屬掩膜法和光刻法進行圖樣化。但是，金屬掩膜法無法構筑微米級精細結構，其精度較低難以實現高密度陣列。光刻法由于光刻膠通常為有機材料，難以耐受高溫，限制了多種熱電材料制備方法的溫度條件，制約熱電厚膜器件性能的提升。同時，金屬掩膜法和光刻法在器件制備過程中需要根據不同的膜材料更換相應的遮蓋圖形，增加制造成本和難度。因此，亟需設計新型熱電器件結構和發展高密度熱電器件集成制造的新型技術手段。

發明內容

為了解決現有技術存在的上述問題，本發明提供了一種基于脈沖激光直寫技術的高密度熱電厚膜器件設計及制備方法。本發明所述方法采用脈沖激光直寫技術實現高密度熱電材料和電極材料高精度圖樣化原位加工，發展出以脈沖激光直寫構筑異質膜材料三維結構為基礎的熱電厚膜器件一體化加工與集成技術。

本發明所采用的技術方案為：

一種基于脈沖激光直寫技術的高密度熱電厚膜器件的制備方法，包括如下步驟：

(1)沉積底電極與阻擋層材料

在預處理后的襯底上依次沉積得到底電極Cu層和阻擋層Ni層、Au層；

(2)沉積高長寬比矩形圖案熱電材料

在步驟(1)所得的金屬化襯底上依次沉積高長寬比矩形的n型與p型熱電材料；

(3)脈沖激光直寫技術一體化加工熱電材料與底電極圖案結構

將步驟(2)沉積熱電材料后的樣品置于超快脈沖激光加工平臺上，利用脈沖激光直寫將熱電材料加工為一定尺寸熱電堆陣列，再將底電極按照設計進行高精度圖案化加工，構建熱電堆陣列下表面的電學聯接，實現不同圖案熱電堆與電極多層結構原位一體化集成加工；

(4)制備上電極支撐層

在步驟(3)所得樣品的表面涂覆一層紫外光敏樹脂，將帶有支撐圖案的光刻板與樣品對準貼合，在紫外光照射下固化，即制得上電極支撐層，并實現熱電材料的絕緣封裝；

(5)沉積頂部阻擋層材料與上電極