悬浮结构的MEMS红外光源及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种悬浮结构的MEMS红外光源及其制备方法。所述悬浮结构的MEMS红外光源包括薄膜悬浮结构及所述悬浮结构上的红外光源结构；所述薄膜悬浮结构为图形化的支撑层，所述支撑层为沉积在承载衬底上的凹弧状的四梁固支结构；所述红外光源结构包括：加热层、隔离层、图形化金属电极以及辐射层；所述加热层沉积在所述支撑层上面，所述图形化金属电极沉积在所述支撑层上面并且与所述加热层侧面相连；所述隔离层制备在所述加热层上面；所述辐射层制备在所述隔离层上表面；所述辐射层、隔离层、加热层和支撑层均悬浮在背部空腔的承载衬底上形成所述薄膜悬浮结构。本发明专利技术可以大幅减少热传导通路，降低热质量，提高红外光源的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及红外光源
，尤其涉及一种悬浮结构的MEMS红外光源及其制备方法。
技术介绍
随着全球经济的迅速发展，地球环境持续恶化，各种有毒、有害气体的排放导致的空气污染问题日益严峻，严重影响了人类自身的生存和发展。进入二十一世纪，随着信息技术的成熟和人们对环境问题的关切，为气体传感器带来了巨大的市场需求。基于非色散红外吸收光谱(NDIR)的气体传感器克服了传统的催化原理、电化学原理气体传感器容易中毒老化、寿命短等缺点，具有检测精度高、量程大、可靠性高、使用寿命长等公认的优点，从而成为研究的热点和气体传感器未来的发展方向。在NDIR气体传感器中，红外光源发射红外光，二氧化碳、一氧化碳、甲烷等可产生偶极矩变化的气体分子由于会与红外光产生共振而被吸收，且特定的气体分子只会与特定波长的红外光发生共振，不同的气体浓度会导致红外光被吸收的能量不同，因而探测器可在另一端检测红外辐射能量的变化，并以此来分析气体成分和计算气体浓度。由于红外探测器一般对变化的红外光敏感，传统的NDIR气体传感器需要在红外光源处安装一个机械斩波器来产生可变化的红外光，这一复杂结构不能满足气体传感器微型化、便携化和低功耗化的要求。MEMS技术的发展实现了电可调制红外光源，成功的解决了这一问题。MEMS红外光源作为NDIR气体传感器的核心部件，其性能严重影响着气体传感器探测的准确性和灵敏度，目前小尺寸、低功耗和高发射率特点且制备工艺简单的可电调制MEMS红外光源的研制成为当前半导体气体传感器的研究热点。中国专利CN104591076A公开了一种基于纳米结构的红外光源芯片，采用紧密排列的纳米深孔薄膜结构作为辐射层提高辐射效率，芯片设有衬底、支撑层、电加热层、纳米结构辐射层、金属电极；支撑层、电加热层、纳米结构辐射层均悬浮在衬底上方并形成悬浮桥面结构，减少热传导损耗。此专利采用干法刻蚀形成背部空腔，很容易出现释放不完全，大部分硅基与结构相连，大大减小了热辐射效率。中国专利CN103500788A公开一种可集成的纳米结构红外光源，利用MEMS/CMOS工艺，对非晶硅表面进行纳米修饰加工，形成锥状纳米结构，再对锥状纳米结构进行TiN镀层加工；最后采用正面XeF2释放技术，对硅衬底进行深硅刻蚀，减小热量在硅丝欧姆发热过程中的损耗，提高光源的工作功率。此专利采用最后的正面干法刻蚀形成释放空腔，容易对结构造成损伤，并且工艺操作较为复杂。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种悬浮结构的MEMS红外光源及其制备方法，能够大幅减少热传导损失，提高光源的辐射效率，操作简单，功耗较低，稳定性高，且与CMOS工艺兼容。本专利技术提供一种悬浮结构的MEMS红外光源，包括薄膜悬浮结构及所述悬浮结构上的红外光源结构；所述薄膜悬浮结构为图形化的支撑层，所述支撑层为沉积在承载衬底上的凹弧状的四梁固支结构；所述红外光源结构包括：加热层、隔离层、图形化金属电极以及辐射层；所述加热层沉积在所述支撑层上面，所述图形化金属电极沉积在所述支撑层上面并且与所述加热层侧面相连；所述隔离层制备在所述加热层上面；所述辐射层制备在所述隔离层上表面；所述辐射层、隔离层、加热层和支撑层均悬浮在背部空腔的承载衬底上形成所述薄膜悬浮结构。可选的，所述支撑层为氧化硅、氮化硅或者氧化硅与氮化硅多层复合膜支撑层，所述支撑层与承载衬底接触并且中间为凹弧形状的四个隔离槽结构；所述承载衬底为硅方形框架的硅基衬底。可选的，所述隔离层为氧化硅隔离层或氮化硅隔离层，将所述加热层与所述辐射层电隔离。可选的，所述加热层为半导体材料矩形加热层，沉积在所述支撑层之上。可选的，所述金属电极为单层金属电极，或者复合金属层电极，电极底层使用钛或铬金属作为粘附层，粘附层上沉积有金、铂或铝金属。可选的，所述辐射层采用反应离子刻蚀刻蚀多晶硅，形成紧密直立排列的锥状森林结构的纳米硅材料。本专利技术提供一种悬浮结构的MEMS红外光源的制备方法，包括：提供洁净的双抛100单晶硅片衬底，在所述单晶硅衬底正面生长支撑层，然后在反面薄膜层上生长腐蚀掩膜层；利用LPCVD/PECVD设备在所述支撑层上依次掺杂后的半导体材料加热层、隔离层和辐射层；对所述加热层、隔离层、辐射层经过两次光刻，图形化出加热层敏感区和辐射层敏感区；在生长支撑层、加热层、隔离层、辐射层薄膜层上，利用MEMS工艺图形化出金属电极图案；利用反应离子刻蚀或者等离子浸没离子注入设备刻蚀顶层多晶硅材料辐射层，通过调节控制刻蚀时间得到不同形貌和高宽比的纳米森林结构，利用气相沉积或电镀的方法在所述纳米森林结构上方沉积金属层构成黑金属薄膜；制备悬浮结构。可选的，所述在生长支撑层、加热层、隔离层、辐射层薄膜层上，利用MEMS工艺图形化出金属电极图案包括：利用磁控溅射或蒸发一层金属电极或者复合金属层电极；在所述金属电极层利用湿法腐蚀设备图形化电极图案。可选的，所述制备悬浮结构包括：对所述支撑层薄膜图形化凹弧状的四个隔离槽结构；对所述单晶硅衬底背面掩膜图形化背腔释放窗口；利用湿法腐蚀对背腔进行湿法释放至距离所述支撑层薄膜50um～100um处停止，然后利用XeF2干法释放出悬浮结构。本专利技术提供的悬浮结构的MEMS红外光源及其制备方法，提供一种新的凹弧状的四梁固支悬浮的结构，能够大幅减少热传导损失，提高光源的辐射效率；采用了湿法腐蚀和干法刻蚀混合释放的工艺方法，先进行背部湿法腐蚀释放，然后进行干法XeF2释放工艺，能够提高工艺兼容性，避免了常规工艺后期进行深反应离子刻蚀(DRIE)对背部硅基的释放不完全，还有背部湿法空腔过大的弊端，同时增加了背腔完全释放的稳定性，减小了工艺难度。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为承载衬底正面热氧化氧化硅，然后双面LPCVD氮化硅薄膜的剖视图；图2为在正面LPCVD两层多晶硅，分别作为加热层和辐射层，中间PECVD氧化硅作为隔离层，并且在加热层多晶硅材料重掺杂B改变电阻值的剖视图；图3为两层多晶硅层图形化，形成辐射层和加热层的剖视图；图4为图形化氮化硅支撑层，形成隔离槽以及正面气相HF刻蚀窗口的剖视图；图5为图形化氮化硅支撑层，形成隔离槽的俯视图；图6为背面氮化硅掩膜的图形化，形成背腔释放口的剖视图；图7为背面氮化硅掩膜的图形化，形成背腔释放口的仰视图；图8为图形化Al电极并且RIE辐射层多晶硅形成纳米硅材料的剖视图；图9为磁控溅射Al，电极图形化以及RIE多晶硅辐射层的俯视图；图10为TMAH湿法腐蚀背腔释放口的剖视图；图11为XeF2干法释放背腔释放口的剖视图；图12为正面气相HF对氧化硅支撑层的穿通刻蚀的剖视图；图13为悬浮结构的制备完成，最终红外光源器件的完成的俯视图。图中：1：承载衬底；2：氧化硅支撑层；3：氮化硅支撑层；4：多晶硅加热层；5：氧化硅隔离层；6：多晶硅辐射层；7：氮化硅掩膜层；8：纳米硅辐射层；101：辐射结构；102：加热层结构；103：隔离槽结构；104：背腔释放口结构；105：金属电极结构；106：背腔湿法释放结构；10本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种悬浮结构的MEMS红外光源，其特征在于，包括薄膜悬浮结构及所述悬浮结构上的红外光源结构；所述薄膜悬浮结构为图形化的支撑层，所述支撑层为沉积在承载衬底上的凹弧状的四梁固支结构；所述红外光源结构包括：加热层、隔离层、图形化金属电极以及辐射层；所述加热层沉积在所述支撑层上面，所述图形化金属电极沉积在所述支撑层上面并且与所述加热层侧面相连；所述隔离层制备在所述加热层上面；所述辐射层制备在所述隔离层上表面；所述辐射层、隔离层、加热层和支撑层均悬浮在背部空腔的承载衬底上形成所述薄膜悬浮结构。

【技术特征摘要】
1.一种悬浮结构的MEMS红外光源，其特征在于，包括薄膜悬浮结构及所述悬浮结构上的红外光源结构；所述薄膜悬浮结构为图形化的支撑层，所述支撑层为沉积在承载衬底上的凹弧状的四梁固支结构；所述红外光源结构包括：加热层、隔离层、图形化金属电极以及辐射层；所述加热层沉积在所述支撑层上面，所述图形化金属电极沉积在所述支撑层上面并且与所述加热层侧面相连；所述隔离层制备在所述加热层上面；所述辐射层制备在所述隔离层上表面；所述辐射层、隔离层、加热层和支撑层均悬浮在背部空腔的承载衬底上形成所述薄膜悬浮结构。2.根据权利要求1所述的悬浮结构的MEMS红外光源，其特征在于，所述支撑层为氧化硅、氮化硅或者氧化硅与氮化硅多层复合膜支撑层，所述支撑层与承载衬底接触并且中间为凹弧形状的四个隔离槽结构。所述承载衬底为硅方形框架的硅基衬底。3.根据权利要求1所述的悬浮结构的MEMS红外光源，其特征在于，所述隔离层为氧化硅隔离层或氮化硅隔离层，将所述加热层与所述辐射层电隔离。4.根据权利要求1所述的悬浮结构的MEMS红外光源，其特征在于，所述加热层为半导体材料矩形加热层，沉积在所述支撑层之上。5.根据权利要求1所述的悬浮结构的MEMS红外光源，其特征在于，所述金属电极为单层金属电极，或者复合金属层电极，电极底层使用钛或铬金属作为粘附层，粘附层上沉积有金、铂或铝金属。6.根据权利要求1所述的悬浮结构的MEMS红外光源，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：明安杰，刘卫兵，任耀辉，毛海央，谭秋林，王玮冰，熊继军，陈大鹏，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11