[发明专利]垂直型薄膜热电器件的热电臂阵列的制作方法和制作装置

说明书

技术领域

本发明涉及热电器件的制造领域，具体地，涉及一种垂直型薄膜热电器件的热电臂阵列的制作方法和制作装置。

背景技术

热电器件能够实现热能与电能的直接转换，具有发电和制冷等两个基本功能，可广泛应用于电子，光电子，航天，国防，生物医学等许多重要领域。热电器件为全固体构造，具有结构紧凑，无可移动部件，无燥音，无污染气体排放等突出优点，越来越引起人们的广泛关注。常规热电器件一般采用垂直型（cross-plane）结构，而薄膜热电器件一般可大致分为平面型（in-plane）和垂直型（cross-plane）两种结构。图1显示了一种垂直型热电器件的结构示意图，它的主要部件包括P型（N型）热电臂1、N型（P型）热电臂2、底部连接电极3、顶部连接电极4、底部基板5和顶部基板6等几个主要部分，其中N型和P型热电臂通过底部和顶部连接电极交替地串接在一起，并且所有热电臂都与基板垂直并平行于热流方向。采用垂直型结构的常规热电器件的热电臂一般由块体热电材料制成，其高度可低至几百微米。由于通过热电臂的热流密度（Heat flux）与其高度成反比，因此为了获得较大的电输出功率密度或者制冷功率密度，需要把其高度进一步减小到几十个微米甚至几个微米的范围，从块体热电材料出发加工如此薄的热电臂并将其组装成器件是比较困难的，而采用薄膜生长技术和半导体加工技术则可以相对容易地达到以上目标，并可进行规模化地生产。

最近几年，以德国Micropelt公司和美国Nextreme公司为代表的生产商已经将垂直型薄膜热电器件推入了市场。制作垂直型薄膜热电器件的一个关键是热电臂和电极的图形化以及图形之间的相互对准，图形化主要基于以下两种方法：一种是基于紫外光刻和干（湿）法刻蚀技术，另外一种是基于镂空掩模板（stencil mask）技术，相对于前者，后一种方法相对简便，所需的图形可以在物理气相沉积过程中直接形成，避免了紫外光刻和干（湿）法刻蚀等步骤。目前的模板加工技术已经可以将镂空掩模板的最小开孔尺寸缩小到亚微米水平，对于垂直型热电薄膜器件而言，它的热电臂的横截面的特征尺寸在几微米到几百微米之间，因此采用镂空掩模板技术完成上述热电器件组成部件的图形化在原则上是可行的，然而，由于在器件制作过程中需要使用多块镂空掩模板，掩模板和衬底上已有图案之间就存在一个对准和固定两者相对位置（定位）的问题，这种对准和定位一般需要借助专门的设备才能完成，同时操作步骤比较繁琐，对准精度和重复性也可能存在问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种垂直型薄膜热电器件的热电臂阵列的制作方法和制作装置，以提高垂直型薄膜热电器件的制作效率。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种垂直型薄膜热电器件的热电臂阵列的制作方法，该制作方法包括：步骤一：制作镂空掩模板，该镂空掩模板的镂空图案用于限定所述垂直型薄膜热电器件的热电臂阵列的至少部分图案，并且将衬底固定在衬底托上；步骤二：在所述衬底托和镂空掩模板上分别形成位置相对的至少一套定位孔，每套所述定位孔中包括至少三个定位孔，通过在所述定位孔上放置定位滚珠以将所述镂空掩模板间隔地定位安装在所述衬底托上；步骤三：将所述衬底托和镂空掩模板装夹固定，利用物理气相沉积技术并透过所述镂空掩模板在所述衬底上完成该镂空掩模板的镂空图案的沉积制作。

优选地，用于形成所述垂直型薄膜热电器件的热电臂阵列的图案的所述镂空掩模板为多块，并且所述制作方法还包括：步骤四：更换所述镂空掩模板并定位，重复步骤三，直至完成所述薄膜热电器件的热电臂阵列的整个图案的沉积制作。

优选地，在步骤二中，所述衬底托或镂空掩模板上形成有多套所述定位孔，每套中包括至少三个尺寸相同的所述定位孔，并且各套所述定位孔的尺寸不同，从而通过相应大小的定位滚珠将所述镂空掩模板定位安装在所述衬底托上以适应不同厚度的所述衬底。

优选地，所述垂直型薄膜热电器件的热电臂阵列包括底部电极层、形状相同的多个P型热电臂和N型热电臂，该多个P型热电臂和N型热电臂呈二维阵列对应排布在底部电极层上，所述制作方法包括：在步骤一中，制作镂空掩模板以限定所述底部电极层的图案，所述底部电极层的图案与所述P型热电臂或N型热电臂的图案相配套，另制作两块热电臂镂空掩模板（10、11）以分别限定所述P型热电臂和N型热电臂的图案。

优选地，在所述镂空掩模板的四周加装固定板。

优选地，在步骤三中，将所述衬底托和镂空掩模板通过紧固件装夹固定在上装夹板与下装夹板之间，固定有所述衬底的衬底托安放在下装夹板上，所述上装夹板上设有开口以暴露所述衬底。