CN103332648A - 电调制mems 红外光源及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及红外技术领域，公开了一种电调制MEMS红外光源及其制备方法。本发明中，选用四边固支结构，利用固定在支撑薄膜上的发热电极产生对外的红外辐射能量，使得电调制MEMS红外光源的结构稳固，工作性能稳定，占空比高，且制作工艺简单，成本低，便于实现大批量廉价生产。

Description

电调制MEMS 红外光源及其制备方法

技术领域

本发明涉及红外技术领域，特别涉及一种电调制微电子机械系统（MEMS）红外光源及其制备方法。 

背景技术

红外传感技术为二十一世纪技术研究的一个重要领域，目前，红外传感技术已在污染监测检测、温度监控、空间监视、高分辨率成像、医学等领域得到广泛应用。而且，由于红外气体传感技术良好的选择性和极低的误报警，使得红外传感方法在气体分析中得到了广泛应用。此外，由于一些新技术和新材料的引入，红外传感仪器的小型化乃至微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，简称“MEMS”）化已经成为一种发展的趋势。 

在红外传感技术中，红外光源的性能很大程度上决定了红外传感器的质量。在传统的红外探测中，红外灯泡加机械斩波器的光源调制模式已远不能满足仪器发展趋势的需要，研制成本低廉、性能优良的可直接电调制红外辐射单元，成为了红外传感体系的研究重点和热点。在气体的红外探测中，要求可直接电调制的热辐射单元有一定的波长辐射范围，尽可能大的辐射强度和一定的调制频率。传统的红外灯泡或是厚金属薄片制作的红外辐射源一般仅有几个赫兹的调制频率，比较窄的波段覆盖范围，已经远不能满足多气体测量测量系统的需求，为进一步改善红辐射源的性能，提高调制频率，结合MEMS工艺，选择具有小的热质量材料和合适结构的辐射单元自80年代开始发展起来。 

早期的电调制光源通过电脉冲加热，并通过光源与紧邻的周围环境之间的热传导实现冷却。因此，光源温度的调制很微弱，一般只有1－10K的温差。对于探测器而言，红外线（Infra-red，简称“IR”）信号非常微弱，因而测量的灵敏度和精度大大下降，并且，存在大的1/f噪声。另外，这种条件下光源的加热与冷却的物理条件并没有很好的定义，因此想要预先计算设计相应大小的IR信号对应的光源变得更加困难。 

针对传导散热存在的上述问题，利用辐射自冷却的红外光源研究应运而生。与传导散热相比，辐射散热不需要通过介质实现，因而具有瞬时响应的优点。 

与传统光源相比，利用辐射自冷却的红外光源采用热激发电调制的方式，省去了传感体系中的斩波器，在成本、体积、电源功率以及电路复杂性上都有了很大的改进，由于斩波器导致的系统稳定性下降问题也有了很好的解决。弥补了激光及LED产品的单波长辐射的缺点，对探测物质种类的限制大大减小，可用于提高传感体系的准确度。另外，该光源由于与MEMS工艺兼容，且适合大批量生产，具有成本低廉，性能一致的优点。 

目前国内外对红外气体传感器的研究非常活跃，多是结合MEMS工艺技术，研制体积更小，性能更优，并能与IC工艺兼容，实现大批量廉价生产的红外微型光源。例如，德国的微传感执行器和系统研究所、波兰的化学研究所、瑞士的微系统所等在设计可直接调制的红外辐射源时，结合现有的MEMS工艺技术，利用薄金属片或是半导体薄膜作为发热电阻灯丝加工得到;英国卡文笛许实验室采用电子束光刻和反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，简称“RIE”）技术实现光谱控制，在调制频率和电能转换功率上取得了较大成功；美国的伯克利Berkeley、加利福利亚California大学分分别采用重掺杂多晶硅和硅电阻丝作为源的灯丝材料，利用阵列技术，得到运作温度达到1500K，调制频率可到30kHz，最大辐射功率可以达到200mW的调制源。国 内也已开展微辐射源的研制，如直接利用硅桥作为发热电阻，或者薄膜电阻的阵列结构，但由于硅材料本身的局限性和薄膜电阻制作工艺的复杂性，导致器件的性能和成品率并不理想。虽然各国就电调制红外辐射源的MEMS化做了大量研究，但仍停留在实验室研究状态，在技术上尚有许多空白亟待研究，至于器件的最终商品化还需要作大量工作。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种电调制MEMS红外光源及其制备方法，使得电调制MEMS红外光源的结构稳固，性能稳定。 

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种电调制MEMS红外光源，包含：衬底、支撑薄膜层、发热电极； 

其中，所述支撑薄膜层覆盖于所述衬底之上，所述衬底与所述支撑薄膜层的连接采用四边固支结构； 

所述发热电极固定在所述支撑薄膜层之上，位于所述衬底中间被挖空的部分。 

本发明的实施方式还提供了一种电调制MEMS红外光源的制备方法，包含以下步骤： 

提供衬底； 

在所述衬底上制备支撑薄膜层； 

在所述支撑薄膜层上制备发热电极； 

体硅刻蚀，实现薄膜释放。 

本发明实施方式相对于现有技术而言，选用四边固支结构，利用固定在支撑薄膜上的发热电极产生对外的红外辐射能量，使得电调制MEMS红外光源的结构稳固，工作性能稳定，占空比高，且制作工艺简单，成本低，便于 实现大批量廉价生产。 

另外，所述衬底为单晶硅衬底；所述发热电极为铂金或者镍铬电极；所述支撑薄膜层采用氮化硅和二氧化硅复合膜，或者采用低应力SiN_X单膜。 

采用氮化硅和二氧化硅复合膜作为支撑薄膜层的电调制MEMS红外光源可以较高的辐射度情况下，具有较大的辐射效率，并具有较快的响应时间。而采用低应力SiN_X单膜作为支撑薄膜层的电调制MEMS红外光源进一步缩小MEMS红外辐射源的动态响应时间。此外，采用铂金或者镍铬这些物理和化学性质相对稳定的材料作为发热电极，可以使发热电极的体积与表面积之比尽可能的小，在工作于高温时不会产生化学变化，亦不会随着时间的推移而产生性能的退化。 

另外，在采用采用氮化硅和二氧化硅复合膜作为支撑薄膜层时，在所述支撑薄膜层上制备发热电极的步骤之后，还包含如下步骤： 

在电极表面采用等离子体增强化学气相沉积PECVD法淀积Si₃N₄或SiO₂； 

采用反应离子刻蚀RIE法反刻Si₃N₄或SiO₂，得到电极引脚。 

由于铂金的红外发射率较小，可以在电极表面覆盖一层Si₃N₄或SiO₂等作为钝化层，通过电极对钝化层的加热，激发红外光，以提高红外发射率；而且，通过对MEMS红外辐射源的辐射表面进行糙化处理，可以大大提高辐射表面的红外发射率。 

另外，在采用低应力SiN_X单膜作为支撑薄膜层时，在所述支撑薄膜层上制备发热电极之后，还可采用氩离子轰击辐射表面，实现对辐射面的糙化处理，以提高辐射表面的红外发射率。 

另外，在所述支撑薄膜层上制备发热电极的步骤之后，还包含如下步骤： 

采用氧离子轰击辐射表面，对辐射面进行糙化处理。 

通过对对辐射面进行糙化处理，可进一步提高辐射表面的红外发射率。 

另外，在所述体硅刻蚀，实现薄膜释放的步骤中，利用单面腐蚀工艺，用氢氧化钾KOH溶液实现体硅的薄膜释放。通过提供一种无掩蔽、成品率高、成本低的单面体硅微机械加工方法，以及单面腐蚀夹具，避免了使用黑蜡等用于正面保护的掩膜，因而没有掩膜质量不好带来的钻蚀，长时间腐蚀引起的掩膜质量变坏以及去除掩膜困难且易玷污等问题，可以提高硅片的强度，保护薄膜表面，同时也可减少工艺步骤。 

另外，在所述发热电极、支撑薄膜层除了发热电极之外的部分之上还可以覆盖光子晶体层。利用光子晶体的光子禁带特性，使光子晶体红外辐射源在提高辐射效率的同时，实现了传统红外传感器中机械斩波器、干涉滤光片和传统红外辐射源三个分立元件的功能集成，并且，具有发射光谱窄、强度大、辐射效率高、能电调制和微型化等特点。 

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的电调制MEMS红外光源的结构示意图； 

图2是根据本发明第二实施方式的电调制MEMS红外光源的结构示意图； 

图3A是根据本发明第三实施方式的电调制MEMS红外光源的结构示意图之一； 

图3B是根据本发明第三实施方式的电调制MEMS红外光源的结构示意图之二； 

图3C是根据本发明第三实施方式的电调制MEMS红外光源的原理示意图； 

图4是根据本发明的电调制MEMS红外光源的制备方法的流程图； 

图5是根据本发明第四实施方式的电调制MEMS红外光源的制备方法的流程图； 

图6是根据本发明第四实施方式的电调制MEMS红外光源的制备方法的加热电极图形； 

图7是根据本发明第五实施方式的电调制MEMS红外光源的制备方法的流程图； 

图8是根据本发明第六实施方式的电调制MEMS红外光源的制备方法的流程图； 

图9是根据本发明第六实施方式的电调制MEMS红外光源的制备方法的流程图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。 

本发明的第一实施方式涉及一种电调制MEMS红外光源，该光源包含衬底、支撑薄膜层、发热电极；其中，支撑薄膜层覆盖于衬底之上，衬底与支撑薄膜层的连接采用四边固支结构；发热电极固定在支撑薄膜层之上，位于衬底中间被挖空的部分。如图1所示是本实施方式的电调制MEMS红外光源的结构示意图，衬底100为单晶硅衬底，支撑薄膜层采用氮化硅和二氧化硅复合膜，即支撑薄膜层包含二氧化硅层101A和氮化硅层101B，发热电极102 为铂金电极。 

由于电调制红外辐射源多是采用热激发的工作方式，其红外辐射机理类似于灰体辐射，通过发热电阻的电热效应获得高温辐射体，进而获得对外的红外辐射能量。通常用来表征红外辐射源性能优劣的参数有：辐射度M、辐射效率η、调制频率f、调制深度和响应时间τ。一个性能良好的辐射源要求，在较高的辐射度的情况下有尽可能大的辐射效率η，以降低能耗；还要求有快的响应时间τ和在截止f下有较大的调制深度。此外，气体的红外探测中，要求电调制的辐射源有一定的波长辐射范围，尽可能大的辐射强度，一定的调制频率和快速的响应时间。一般说来，器件的性能是由其组成材料的特性与结构决定的，对于电调制MEMS红外辐射源来讲亦是如此。 

具体地说，发热材料的热熔点、机械性能、红外发射率等影响了器件的性能。对于电调制MEMS红外辐射源的设计，发热电极材料的选择首先要满足以下三个条件：（1）选用低热容量的加热材料，加热部件的体积与表面积之比要尽可能的小。（2）除了合适的热特性外，还要求元件有好的机械参数和稳定性。当加热电极工作于高温时不会产生化学变化，或者是发热材料不会随着时间的推移而产生性能的退化，如发热材料由于氧化或腐蚀等原因而导致发热体熔断或机械失效。（3）发热电极材料要有稳定的尽可能接近于1的红外发射率。 

由于金属材料良好的机械强度和延展性能，以及材料制备的简易性，成为我们设计的首选。当采用金属电极的MEMS红外辐射源工作于空气中时，其最大的工作温度不仅由金属本身的熔点决定，还由加热时的蒸汽压决定。对于金属薄膜电极，蒸汽压往往是造成器件工作失效的主要原因。因此，设计时应尽量选择熔点高，化学性质稳定的金属材料，并限制其最大的工作温度。在本实施方式中，选用铂金作为光源的发热材料，主要是因为它具有相对较高的工作温度（熔点高达1768℃）和良好的化学稳定性和较高的机械强度。在一定的温度下，将其直接暴露于空气中时不易被氧化，也不会断裂。 另外，就是铂金具有优秀的机械延展性，可以加工得到仅有纳米级厚的铂金薄膜，极大的提高加热电极的表面积与体积之比。 

值得一提的是，在实际应用中，由于采用铂金作为发热材料，其红外发射率较小，在表面光滑的情况下，低温时的红外发射率仅为0.08，即使在1000K时也仅为0.18。因此，可以针对铂金小的红外发射率，对器件的表面特性作相应的改进，如将电极表面纤维化，节化或者在表面覆盖一层或等的钝化层，通过电极对钝化层的加热，激发出红外光，或者直接在表面涂上一层高激发率的材料。或者，通过采用氧离子轰击辐射表面对MEMS红外辐射源的辐射表面进行糙化处理，可以大大提高辐射表面的红外发射率。 

此外，针对铂金材料的红外发射率过低的不足,发热电极的光源发热丝还可以采用镍铬合金蒸发得到，即发热电极为镍铬合金电极。 

考虑到工艺的兼容性，在本实施方式中选用Si₃N₄和热生长的SiO₂作为MEMS红外辐射源的热绝缘材料和结构支撑材料。用Si₃N₄主要是因为它具有较小的热导率、较好的机械强度及较强的耐腐蚀能力，而SiO₂主要是作为Si₃N₄的应力平衡层。至于淀积薄膜的厚度需要综合器件的响应时间，薄膜的应力平衡和机械强度而定。 

由于热辐射单元的红外辐射机理类似于灰体辐射，通过发热电阻的电热效应获得高温辐射体，进而获得对外的红外辐射能量。由普朗克Plank辐射定理知，辐射能量的大小由发热体的温度、占空比和辐射系数决定，所以要在尽可能低的功耗下得到最大的辐射能量，就需要设计结构合理的辐射源，这也是决定器件性能、器件稳定性和工作寿命的前提条件。 

要成功设计性能优良的电调制MEMS红外光源，还要满足以下两个条件。（1）红外辐射源的结构要具有良好的热绝缘性，以使发热电极的电—热转换能量尽可能的转化为红外辐射。（2）除了合适的热特性外，还要求结构要有好的机械参数，因为受热过程中由于元件的振动或是形变通常会引起红外探测信号的微扰，进而影响探测的准确性，所以机械的稳定性和尽可能小 的热质量必须折衷考虑。在MEMS红外辐射源中，热量通过热传导，对流、和热辐射三种热传输方式冷却。红外辐射源的部分热量是通过热辐射释放出去，这种降温的方式称为自冷却辐射。对于电调制的MEMS红外辐射源，如何在保证高调制频率的情况下，提高自冷却辐射在热传输中的比重，即尽量提高对外的红外辐射能量，成为设计的关键。现有技术中，薄膜电阻、微桥电阻和支撑薄膜电阻三种辐射源结构各有优劣，也适用于本实施方式。但结合红外传感中对辐射源辐射性能的要求，对本实施方式的支撑薄膜电阻结构进行了改进，设计了如图1所示的四边固支结构，即作为衬底的单晶硅的中间被挖空，其余部分与支撑薄膜层连接，用于支撑薄膜层。这样既可以得到毫米级的占空比为1的有效辐射面积，又可以实现良好的热隔离，提高器件的强度。同时，由于结构的简单，也会提高工业制备的成品率，降低生产成本。 

综上所述，与现有技术相比，本实施方式选用四边固支结构，利用复合膜支撑的发热电极产生对外的红外辐射能量，使得电调制MEMS红外光源的结构简单，工作性能稳定，占空比高，且制作工艺简单，成本低，便于实现大批量廉价生产。 

本发明的第二实施方式涉及一种电调制MEMS红外光源。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，支撑薄膜层采用氮化硅和二氧化硅复合膜。而在本发明第二实施方式中，支撑薄膜层采用的是低应力SiN_X单膜，使本实施方式的电调制MEMS红外光源具有更好的动态特性，即可进一步缩小MEMS红外辐射源的动态响应时间。如图2所示，衬底200和发热电极202的材料和结构与本发明第一实施方式的衬底100和发热电极102的材料和结构一致，在此不在赘述。本实施方式的支撑薄膜层201采用低应力SiN_X单膜。 

采用单膜作为支撑薄膜的关键在于单层支撑薄膜材料的选择，它的物理化学性质决定了器件的整体性能。由于SiNx薄膜具有结构致密、低热导率 和高红外辐射效率等优点，并能与现有的微机械加工工艺相兼容，成为本实施方式的首选，而实际应用中的关键是制备低应力或是无应力的支撑薄膜，因为介质薄膜的内应力对膜的机械性能有着显著的影响，决定着器件工作的稳定性和寿命。内应力的大小与介质膜的类型、制备方法以及具体的工艺条件密切相关。在制备过程中，采用两种不同频率的射频激励源淀积SiNx，低频（<4MHz，通常为100～400KHz）时，等离子体生成的薄膜表现为压应力；高频（>4MHz，通常为13.56MHz）时，生成的薄膜表现为张应力；所以交替采用上述不同频率的射频激励法淀积PECVD SiNx，可以得到低应力的SiNx支撑薄膜。 

本发明的第三实施方式涉及一种电调制MEMS红外光源。第三实施方式在第一实施方式或第二实施方式基础上做了进一步改进，其改进之处主要在于：在第三实施方式中，在发热电极、支撑薄膜层除了发热电极之外的部分之上还可以覆盖光子晶体层。利用光子晶体的光子禁带特性，使光子晶体红外辐射源在提高辐射效率的同时，实现了传统红外传感器中机械斩波器、干涉滤光片和传统红外辐射源三个分立元件的功能集成，并且，具有发射光谱窄、强度大、辐射效率高、能电调制和微型化等特点。 

如图3A和图3B所示，衬底300，支撑薄膜层301A和301B，发热电极302的材料和结构与本发明第一实施方式的衬底100，支撑薄膜层101A和101B，发热电极102的材料和结构一致，在此不在赘述。此外，本领域技术人员可以理解，支撑薄膜层也可以采用本发明第二实施方式的低应力SiN_X单膜，在此不在进行详细说明。 

在本实施方式中，光子晶体为二维光子晶体，可以选用三角形结构、四边形结构和六角形结构中的任一种，以银、金、铜、铝中的任一种作为高介电常数介质材料，使空气圆柱分布在金介质中，得到金与空气柱的周期性分布，通过选择合适的晶格常数得到所需的能量禁带宽度。通过在空气柱中淀积硅、二氧化硅、氮化硅中的任一种作为低介电常数介质材料，改变金与另 一种介质的介电常数比，晶格结构及填充率，改善光子晶体的光子禁带，进一步提高源的辐射效率和滤波特性。如图3A所示，在发热电极、支撑薄膜层除了发热电极之外的部分之上直接覆盖光子晶体层，即覆盖SiN_X层303和金Au层304，并采用压印和光刻相结合的方法制作出光子晶体的空气柱。 

或者，如图3B所示，在衬底300上依次覆盖二氧化硅层301A，氮化硅层301B，发热电极302，二氧化硅或SiN_X层303，金Au层304，接着制作出空气柱，形成一种基于表面等离子体共振光子晶体结构MEMS红外光源。利用金属和电介质光子晶体（metal/dielectric photonic crystals，MDPC）对黑体热辐射光谱有增强透射和滤波的剪裁特性，制成能够发射出高性能、波长可调谐的窄带相干光的等离子体MEMS红外辐射源。等离子体MEMS红外光源一般由三个重要的部件组成，如图3C所示：①二维金属亚波长孔（孔的直径不超过入射光波长的一半，即：d≤λ/2）阵列（two-dimensional metallic subwavelength hole arrays,TDMSHA）；②二维光子晶体；③微型加热金属平板（MEMS heater）。其中，TDMSHA一般由金属和电介质构成的双层（或多层）亚波长圆孔阵列结构；而①与②之间会发生相互耦合作用能够形成一种新的二维微型结构－MDPC。二维金属亚波长孔阵列的表面等离子体谐振效应（SPR）实现辐射光的窄带透射增强；采用光子晶体这种周期性微型结构来调制和改善热辐射特性，通过改变晶格周期实现波长的可调；通过标准MEMS工艺实现辐射源的制造。 

本发明第四实施方式涉及一种电调制MEMS红外光源的制备方法，如图4所示，先提供衬底；依次在衬底上制备支撑薄膜层，发热电极；接着体硅刻蚀，实现薄膜释放，得到衬底和支撑薄膜层之间的四边固支结构。其中衬底为单晶硅衬底，支撑薄膜层采用氮化硅和二氧化硅复合膜，发热电极采用铂金电极。下面结合图5来具体说明采用氮化硅和二氧化硅复合膜作为支撑薄膜层电调制MEMS红外光源的具体制备过程。 

步骤501，提供衬底；在本实施方式中，选用3英寸(100)晶向的p型硅 片作为辐射源的衬底材料。 

在准备衬底材料时，首先取全新双面抛光硅片若干，测量硅片厚度，对各硅片进行编号；接着清洗硅片，去除吸附在硅片表面的多种杂质。在70～80℃温度下首先用Ⅰ号液（体积比为NH₃OH:H₂O₂:H₂O=1:2:5）清洗10分钟，用足量去离子水冲洗干净；然后用Ⅱ号液（体积比为HCl:H₂O₂:H₂O=1:2:8）清洗10分钟，用足量去离子水冲洗干净，红外烘干待用。 

接着，执行步骤502和503，在衬底上制备支撑薄膜层。 

具体地说，步骤502，对衬底进行双面热氧化，得到二氧化硅层作为应力缓冲层；在本实施方式中，采用干－湿－干氧化方式，生长6500埃米（10的负10次方米）热氧化二氧化硅薄膜。 

步骤503，在二氧化硅层上淀积氮化硅层，和二氧化硅层一起组成支撑薄膜层；在本实施方式中，采用低压化学气相沉积LPCVD方式淀积2000埃米的氮化硅薄膜；反应气体为四氯氢硅SiHCl₄和氨气NH₃。 

由于介质膜通常都具有一定的内应力，介质膜的内应力对摸的机械性能有着显著影响。大的张应力会使材料发生塑性形变，甚至断裂。大的压应力则会引起膜体表面发生屈曲变形。特别是对于复合介质薄膜，如果构成复合膜的各层介质内应力不匹配，就会引起结构的严重变形或是应力集中在边缘处出现断裂。对于电调制红外辐射源，需要考虑介质层的应力平衡，以使器件由于不断的重复性加热而产生的机械失效减小到最小。由于内应力的大小是与介质膜的种类、制备方法以及具体的工艺条件密切相关，而合理选择的薄膜厚度的淀积比例可以实现介质薄膜间的应力平衡，因此，结合已有的工艺条件和仪器设备，选择氮化硅和二氧化硅之比为Si₃N₄：SiO₂＝1：3.2以实现薄膜间的应力平衡。 

在支撑薄膜层上制备发热电极之前，还需要进行双面光刻对准标记形成、以及背面腐蚀腔开口，为后续处理做准备。具体地说，双面旋涂正胶，80℃烘20min，双面曝光、显影、去离子水冲洗，120℃烘20min；采用反应 离子刻蚀（RIE）法双面刻蚀由低压化学气相沉积LPCVD得到的氮化硅；采用缓冲氢氟酸（BHF）溶液（体积比为HF:NH₄F:H₂O=3:6:10）去除背面腐蚀腔中热氧化二氧化硅。 

接着，执行步骤504和505，在支撑薄膜层上制备发热电极。 

具体地说，步骤504，磁控溅射钛层和铂金层；其中，铂金层作为发热电极，钛层作为铂金发热电极的黏附层。 

步骤505，采用剥离Lift-off方法得到图形化的发热电极，并惰性氛围退火。 

在本实施方式中，首先进行预处理，正面涂厚胶，旋涂，80℃烘20min，曝光、显影、去离子水冲洗，120℃烘20min；接着进行铂金电极溅射：先溅射一层500埃米的薄钛层，作为铂金与支撑薄膜之间的黏附层，然后溅射一层3000埃米的铂金，溅射条件是加速极电压为400V,氩气（Ar）:15ml/min；真空度为6×10^-3Pa；剥离电极图形：丙酮超声波去胶，酒精超声波清洗，红外烘干；接着进行退火：采用450℃下快速热退火，持续2min。 

发热电极的图形结构，线宽线距以及有效辐射面积对红外辐射特性有一定的影响。在本实施方式中，提供了四种发热电阻图形，如图6所示，第一个IR1和第四个IR4是属于串连模式，第二IR2和第三个IR3属于并联模式。针对相同线宽线距不同的电极结构的辐射单元，比较其薄膜的温度分布，电阻的发热效率和辐射效率，得到双螺旋结构（即第一个IR1）的电极具有最优的发热效率。接着，针对不同电极线宽与不同电极间距的MEMS红外辐射源进行比较，在线宽与线距为1：1.5时，有较好的辐射特性。进一步研究辐射面尺寸大小对MEMS红外辐射源辐射性能的影响，对于所设计的MEMS红外辐射源，并非辐射源的面积越大，辐射特性越好。辐射面域为1.6×1.6平方毫米的MEMS红外辐射源比2.0×2.0平方毫米的辐射源具有更好的辐射特性和机械稳定性。在辐射源的功率密度同为195毫瓦/平方毫米时，辐射面域为1.6×1.6平方毫米的MEMS红外辐射源的辐射效率可达到10.62%，而 2.0×2.0平方毫米的辐射源的辐射效率仅为6.54%。因此，在实际应用中，可以通过建立红外光源的有限元立体模型，对器件温场和力场的模拟，寻找合适的参数指导红外光源的制备。 

步骤506，体硅刻蚀，实现薄膜释放，得到衬底和支撑薄膜层之间的四边固支结构；在本实施方式中，采用40％的氢氧化钾KOH溶液，腐蚀温度控制在50℃；腐蚀装置中加入卡盘，以保护硅片正面不用浸入腐蚀液中。 

本实施方式中的一项关键工艺是支撑薄膜的释放，它很大程度上决定了器件的成品率和器件性能。在本实施方式中，选用的铂金电极，Si₃N₄都有比较强的耐酸碱能力，但在KOH腐蚀过程中，由于较长的腐蚀时间，等离子体增强化学气相沉积PECVD得到的Si₃N₄或是SiO₂钝化层都会有不同程度的侵蚀或是完全被腐蚀掉。如果淀积耐腐蚀的保护层或是表面黑蜡保护，虽然可保护表面钝化层和电极，但这必然会增加工艺的复杂性和成本，也会大大降低样品的成品率。由此，本实施方式提供了一种无掩蔽、成品率高、成本低的单面体硅微机械加工方法，并制作了腐蚀夹具。腐蚀夹具由腐蚀溶液器、样品槽、加热孔、弹性垫圈、定位销和的冷凝器的盖子组成，整体用聚四氟乙烯Teflon制作。腐蚀时，将样品放于样品槽的平台上，待腐蚀面朝向容器面，便于与腐蚀液接触。然后通过定位销将底座与腐蚀容器固定，样品由上下两个弹性垫圈紧密固定，防止腐蚀液渗漏。最后将整个夹具放于水浴中，通过加热孔实现对腐蚀液的温度控制。控制腐蚀温度和腐蚀时间，便可实现样品薄膜的释放。通过单面腐蚀夹具的设计，避免了使用黑蜡等用于正面保护的掩膜，因而没有掩膜质量不好带来的钻蚀，长时间腐蚀引起的掩膜质量变坏以及去除掩膜困难且易玷污等问题，可以提高硅片的强度，保护薄膜表面，同时也可减少工艺步骤。实验中，利用此装置样品成品率可达到95%以上。 

此外，由于采用铂金作为发热材料，其红外发射率较小，在表面光滑的情况下，低温时的红外发射率仅为0.08，即使在1000K时也仅为0.18。因此， 在铂金发热丝成形以后，在表面采用等离子体增强化学气相沉积PECVD法淀积Si₃N₄或SiO₂；在本实施方式中，淀积一层2000埃米的氮化硅和二氧化硅； 

接着，采用反应离子刻蚀RIE法反刻Si₃N₄或SiO₂，得到电极引脚； 

采用氧离子轰击辐射表面，对辐射源表面进行糙化处理。 

由于铂金的红外发射率较小，可以在电极表面覆盖一层Si₃N₄或SiO₂等作为钝化层，通过电极对钝化层的加热，激发红外光，以提高红外发射率；而且，通过对MEMS红外辐射源的辐射表面进行糙化处理，可以大大提高辐射表面的红外发射率。 

在发热电极为镍铬合金电极时，其加工流程与采用铂金为发热电极时类似，其具体加工流程简要说明如下： 

（1）如图5中步骤1； 

（2）双面热氧化：采用干－湿－干氧化方式，生长3000埃米热氧化二氧化硅薄膜； 

（3）光刻形成双面对准标记；45℃下，采用BHF溶液（体积比为HF:NH₄F:H₂O=3:6:10）去除热氧化二氧化硅；双面曝光、显影、去离子水冲洗，120℃烘20min； 

（4）预腐蚀：将背面腐蚀腔中硅预先腐蚀150微米； 

（5）双面热氧化：900℃时放入硅片，通干氧温度上升至1100℃，开始湿氧氧化，厚度4000埃米； 

（6）LPCVD方式淀积2000埃米的氮化硅薄膜：800℃，反应气体为SiHCl₄和NH₃； 

（7）剥离工艺形成电极图形：正厚胶光刻，蒸发镍铬，合金化退火；剥离形成电极图形； 

（8）剥离工艺形成引线孔：采用等离子体增强化学气相沉积PECVD法淀积氮化硅1000埃米；RIE刻蚀窗口；不去胶；蒸发镍，丙酮超声波去胶， 酒精超声波清洗，红外烘干； 

（9）PECVD氮化硅淀积，1000埃米，湿法腐蚀释放薄膜；漂洗PECVD氮化硅。 

此外，本领域技术人员可以理解，完成上述所有步骤之后，需要按划片槽分片，得到单个辐射源；然后引线，选用TO5或TO8的封装，完成电调制MEMS红外光源的封装。经过以上工艺，最终得到芯片尺寸为3×3平方毫米的红外辐射单元。 

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。 

本发明第五实施方式涉及一种电调制MEMS红外光源的制备方法。第五实施方式与第四实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第四实施方式中，支撑薄膜层采用的是氮化硅和二氧化硅复合膜。而在本发明第五实施方式中，支撑薄膜层采用的是低应力SiN_X单膜。由于支撑薄膜层采用的材料不一样，其加工流程也有所区别，如图7所示，具体步骤如下： 

步骤701，提供衬底；选用3英寸(100)晶向的p型硅片作为辐射源的衬底材料。 

步骤702，在衬底上淀积SiN_X介质层，作为支撑薄膜层；具体地说，交替采用300K赫兹和13.56M赫兹的双频PECVD方法淀积300纳米SiNx介质层，得到加热电极的支撑层。 

在支撑薄膜层上制备发热电极之前，光刻形成电极图形。 

接着，执行步骤703和704，在支撑薄膜层上制备发热电极。 

步骤703，磁控溅射钛层和铂金层； 

步骤704，采用剥离Lift-off方法得到图形化的发热电极，并惰性氛围退火； 

具体地说，磁控溅射一层50纳米的钛黏附层，然后溅射厚度为300纳米的铂金，300℃氩气氛围里退火20分钟后，采用lift-off方法制得所需的发热电阻。 

在进行薄膜释放之前，用氧离子轰击电极表面，对辐射面进行糙化处理，以改善表面的辐射性能。 

步骤705，体硅刻蚀，实现薄膜释放，得到衬底和支撑薄膜层之间的四边固支结构。具体地说，利用可实现单面腐蚀的夹具，用KOH溶液的各向异性腐蚀实现体硅的薄膜释放。由于腐蚀过程中，发热电极面没有暴露于腐蚀剂中，从而大大提高样片的成品率，改善了器件的表面特性。 

接着，划片，得到单元元件，选用TO5的封装，完成器件的封装。经过以上工艺，得到单元尺寸为3×3平方毫米，有效辐射面积为4平方毫米的红外辐射源。 

由于第二实施方式与本实施方式相互对应，因此本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，在第二实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。 

本发明第六实施方式涉及一种电调制MEMS红外光源的制备方法。第六实施方式在第四实施方式和第五实施方式基础上做了进一步改进，其改进之处主要在于：在本发明第六实施方式中，在发热电极、支撑薄膜层除了发热电极之外的部分之上还可以覆盖光子晶体层。利用光子晶体的光子禁带特性，使光子晶体红外辐射源在提高辐射效率的同时，实现了传统红外传感器中机械斩波器、干涉滤光片和传统红外辐射源三个分立元件的功能集成，并且，具有发射光谱窄、强度大、辐射效率高、能电调制和微型化等特点。 

光子晶体是90年代初出现的一种新型的人工结构材料，由高介电常数介质材料和低介电常数介质材料在空间上作周期交替排列而得到的。它具有 类似于半导体能带的光子禁带，频率处于禁带内的光子将无法传播。如果在光子晶体中引入缺陷，打破其周期性，就可以实现对光子的局域和传输控制。因此，一块光子晶体就是一个自然的理想带阻滤波器，同时又是一个光子态的控制器，能够控制在其内部传输光子的自发发射。在电调制MEMS红外辐射源中引入光子晶体技术，利用光子晶体的禁带特性，将电子驱动功率集中在测量所需波长范围内，在所要求的吸收带宽内得到一个尽可能窄的波峰，即在特定测量带宽内具有高的辐射效率，而在超出这个范围之外具有低辐射效率。波峰的位置可以根据所测气体的特征吸收波长通过调整光子晶体的几何结构、填充比、介电系数等参数控制。所以引入光子晶体可实现辐射源在特定波长能量的集中与加强，即可以大大提高红外辐射源的辐射强度和辐射效率。 

根据气体在中红外区的特征吸收波长，理论设计光子晶体的光子禁带，然后采用MEMS技术，实现光子晶体结构和红外辐射源的工艺集成，得到一微型光子晶体电调制的红外辐射源。与传统红外辐射源相比，这种微型光子晶体红外辐射源具有如此微小的热质量，它发射的光谱经过调制，其微小的热质量使它可以在10几个毫秒内加热或冷却，这便保证了辐射源可以在较大的调制频率范围内直接电调制。这种工作方式，省去了传统传感器中的斩波器，在成本、体积、电源功率以及电路复杂性上都有了很大的改进。 

所以，对于光子晶体电调制红外辐射源，由于光子晶体的引入和MEMS技术的应用，使光子晶体红外辐射源在有更高辐射效率的同时，兼具了直接电调制性、窄波带的可选择性（即滤波特性）和传统红外辐射源的红外辐射特性，这就将传统的分立元件－如红外辐射光源、机械斩波器和光谱干涉滤波片集成为一个整体。这种功能集成减少了红外传感器的体积成本、降低了功耗和热散失，使系统在大幅度提高传感器性能的同时，降低组装零件数和集成的复杂程度。 

根据MEMS红外光声或光电气体传感器对MEMS红外辐射源的设计要 求，结合光子晶体的设计理论和工艺要求，本实施方式提供的电调制MEMS红外光源的结构如图3A和3B所示，两种结构有所不同，其相应的制备方法也有所不同，下面分别予以说明。 

如图3A的电调制MEMS红外光源的制备方法的流程如图8所示，具体步骤如下： 

步骤801至805与本发明第四实施方式的步骤501至505类似，在此不再赘述。 

步骤806，在发热电极、支撑薄膜层表面淀积SiN_X层，作为钝化层；此外，由于采用铂金作为发热材料，其红外发射率较小，可以在电极表面覆盖一层SiN_X、Si₃N₄或SiO₂等作为钝化层，通过电极对钝化层的加热，激发红外光，以提高红外发射率；而且，通过对MEMS红外辐射源的辐射表面进行糙化处理，可以大大提高辐射表面的红外发射率。 

步骤807，在钝化层上制备光子晶体层。 

在制备光子晶体层之前，需要首先基于光子晶体的理论基础确定如下两方面的参数： 

（1）建立有限元模拟模型，确定红外辐射源的各种性能参数，比如，反射谱，辐射谱等； 

（2）确定具有某一频率范围光子禁带的光子晶体相应的参数，比如材料介电常数比、填充率和晶格类型等，比如，光子晶体可以为二维光子晶体、三维光子晶体；选用三角形结构、四边形结构或六角形晶格结构；光子晶体的高介电常数介质材料为银、金、铜、铝中的任一种，光子晶体的低介电常数介质材料为硅、二氧化硅、氮化硅中的任一种。 

在本实施方式中，光子晶体可以是二维光子晶体，选用三角形晶格结构，以金作为高介电常数介质，使空气圆柱分布在金介质中，得到金与空气柱的周期性分布，通过选择合适的晶格常数得到所需的能量禁带宽度；在空气柱中淀积SiN_x或SiO₂等半导体介质材料，改变金与另一种介质的介电常数比， 晶格结构及填充率，改善光子晶体的光子禁带，进一步提高源的辐射效率和滤波特性。 

此外，因为目前光刻工艺的精度很难制作出理想的光子晶体材料，所以工艺中选择压印与光刻相结合的方法，实现图形的高精度转移。如果制作出的光子晶体中空气孔的侧壁很粗糙，会导致光的散射损耗和载流子在界面处的复合，从而会大大降低有源的量子效率。因此在制备过程中，选择反应耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma，简称“ICP”）工艺，通过缩短四氟化硫SF₄和八氟环丁烷C₄F₈两种气体的切换时间和交叉时间，同时控制功率、反应压力和钝化时间来改善侧壁平坦度。 

步骤808，体硅刻蚀，实现薄膜释放，得到衬底和支撑薄膜层之间的四边固支结构；与本发明第五实施方式的步骤506一致，在此不再赘述。 

如图3B的电调制MEMS红外光源的制备方法的流程如图9所示，具体步骤如下： 

步骤901至904与本发明第四实施方式的步骤501至504类似，步骤905与本实施方式步骤806类似，在此不再赘述。 

在步骤906和907中，在发热电极、支撑薄膜层除了发热电极之外的部分之上覆盖光子晶体层。 

具体地说，步骤906，在钝化层上制备金属层‘ 

步骤907，采用标准的双面光刻工艺与离子刻蚀方法，实现所设计的小孔阵列结构； 

根据本流程制备的电调制MEMS红外光源其实是基于表面等离子体共振光子晶体结构MEMS红外辐射源，主要利用金属和电介质光子晶体（MDPC）对黑体热辐射光谱有增强透射和滤波的剪裁特性，制成能够发射出高性能、波长可调谐的窄带相干光的等离子体MEMS红外辐射源。设计的等离子体MEMS红外光源一般由三个重要的部件组成，如图3C所示（图中由下往上依次为：铂金Pt或者铬Cr层，硅Si层，二氧化硅SiO₂层，金Au 或者银Ag层）：①二维金属亚波长孔（孔的直径不超过入射光波长的一半，即：d≤λ/2）阵列（two-dimensional metallic subwavelength hole arrays,TDMSHA）；②二维光子晶体；③微型加热金属平板（MEMS heater）。其中，TDMSHA一般由金属和电介质构成的双层（或多层）亚波长圆孔阵列结构；而①与②之间会发生相互耦合作用能够形成一种新的二维微型结构－MDPC。二维金属亚波长孔阵列的表面等离子体谐振效应（SPR）实现辐射光的窄带透射增强；采用光子晶体这种周期性微型结构来调制和改善热辐射特性，通过改变晶格周期实现波长的可调；通过标准MEMS工艺实现辐射源的制造。 

光通过二维金属亚波长孔阵列时展现出的强透射与滤波特性主要是由于表面等离子体SP共振耦合作用的结果，其耦合效率大小主要取决于以下几个主要参素：孔直径，阵列周期，金属薄膜厚度，不同金属的组成成分和与金属薄膜相邻的不同介质的介电常数大小等。 

根据等光子晶体结构离子体MEMS红外光源器件的工作机理和相关的影响因素，可根据下述三个方面确定金属和电介质光子晶体（MDPC）结构： 

（1）有选择地调制黑体热辐射共振透射峰波长（λ_max）的位置是等离子体MEMS红外光源器件设计的关键点和根本目的。根据SPP共振耦合作用机理，调整晶格周期（a₀）和晶格类型可实现对表面等离子体谐振效应SPR共振峰位置的控制。对于各种不同表面结构和晶格周期（a₀）的金属和电介质光子晶体结构，其表面形貌对耦合效率的和共振透射峰强度的影响；同时，金属和电介质光子晶体结构中空气圆孔深度对黑体热辐射效率也有影响； 

（2）可以根据由银、金、铜和铝等四种不同金属材料组成的二维金属亚波长孔阵列对光强透射特性的影响，以及各种不同的金属薄膜厚度（d）对金属上下两个表面中等离子体激元发生共振耦合的影响；确定金属材料及金属薄膜厚度。 

（3）可以选择硅、二氧化硅和氮化硅三种不同的电介质材料组成的二 维金属亚波长孔阵列结构，并根据不同介质材料的介电参数对光强透射特性的影响，确定最终的电介质材料。 

在本实施方式，在钝化层上覆盖一层金薄膜，以金Au作为二维金属亚波长孔阵列；采用标准的双面光刻工艺与离子刻蚀方法，实现所设计的小孔阵列结构，并采用将压印与光刻相结合的方法，实现图形的高精度转移。 

此外，如果制作出的光子晶体中空气孔的侧壁很粗糙，会导致光的散射损耗和载流子在界面处的复合，降低等离子激元的耦合效率。因此，在制备过程中，选择ICP艺，通过缩短SF₄和C₄F₈两种气体的切换时间和交叉时间，同时控制功率、反应压力和钝化时间来改善侧壁平坦度。 

步骤908，体硅刻蚀，实现薄膜释放，得到衬底和支撑薄膜层之间的四边固支结构；与本发明第五实施方式的步骤506一致，在此不再赘述。 

此外，本领域技术人员可以理解，上述图8和图9所示流程制备方法中均只涉及了支撑薄膜层采用氮化硅和二氧化硅复合膜，在实际应用中，支撑薄膜层还可以采用低应力SiN_X单膜，只需要将制备氮化硅和二氧化硅复合膜的步骤替换成制备低应力SiN_X单膜的步骤即可实现，在此不再赘述。 

由于第三实施方式与本实施方式相互对应，因此本实施方式可与第三实施方式互相配合实施。第三实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，在第三实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第三实施方式中。 

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。 

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体 实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。 

Claims (17)

1.一种电调制MEMS红外光源，其特征在于，包含：衬底、支撑薄膜层、发热电极；

其中，所述支撑薄膜层覆盖于所述衬底之上，所述衬底与所述支撑薄膜层的连接采用四边固支结构；

所述发热电极固定在所述支撑薄膜层之上，位于所述衬底中间被挖空的部分。

2.根据权利要求1所述的电调制MEMS红外光源，其特征在于，所述衬底为单晶硅衬底。

3.根据权利要求1所述的电调制MEMS红外光源，其特征在于，所述支撑薄膜层采用氮化硅和二氧化硅复合膜，或者采用低应力SiN_X单膜。

4.根据权利要求1所述的电调制MEMS红外光源，其特征在于，所述发热电极为铂金或者镍铬合金电极。

5.根据权利要求1至4任一项所述的电调制MEMS红外光源，其特征在于，还包含：光子晶体层；

所述光子晶体层覆盖于所述发热电极、支撑薄膜层除了发热电极之外的部分之上。

6.根据权利要求5所述的电调制MEMS红外光源，其特征在于，所述光子晶体为二维光子晶体，选用三角形结构、四边形结构和六角形结构中的任一种。

7.根据权利要求5所述的电调制MEMS红外光源，其特征在于，所述光子晶体为金属和电介质光子晶体；

其中，所述光子晶体的高介电常数介质材料为银、金、铜、铝中的任一种；

所述光子晶体的低介电常数介质材料为硅、二氧化硅、氮化硅中的任一种。

8.一种电调制MEMS红外光源的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

提供衬底；

在所述衬底上制备支撑薄膜层；

在所述支撑薄膜层上制备发热电极；

体硅刻蚀，实现薄膜释放，得到所述衬底和所述支撑薄膜层之间的四边固支结构。

9.根据权利要求8所述的电调制MEMS红外光源的制备方法，其特征在于，所述衬底为单晶硅衬底。

10.根据权利要求8所述的电调制MEMS红外光源的制备方法，其特征在于，所述支撑薄膜层采用氮化硅和二氧化硅复合膜；

在所述衬底上制备支撑薄膜层的步骤中，包含以下子步骤：

对所述衬底进行双面热氧化，得到二氧化硅层作为应力缓冲层；

在所述二氧化硅层上采用低压化学气相沉积LPCVD法淀积氮化硅层，和二氧化硅SiO₂层一起组成支撑薄膜层；

在所述支撑薄膜层上制备发热电极的步骤中，包含以下子步骤：

磁控溅射钛层和铂金层；

采用剥离Lift-off方法得到图形化的发热电极，并惰性氛围退火；

其中，铂金层作为发热电极，钛层作为铂金发热电极的黏附层。

11.根据权利要求10所述的电调制MEMS红外光源的制备方法，其特征在于，在所述支撑薄膜层上制备发热电极的步骤之后，还包含如下步骤：

采用等离子体增强化学气相沉积PECVD法淀积氮化硅Si₃N₄或二氧化硅SiO₂；

采用反应离子刻蚀RIE法反刻氮化硅Si₃N₄或二氧化硅SiO₂，得到电极引脚。

12.根据权利要求8所述的电调制MEMS红外光源的制备方法，其特征在于，所述支撑薄膜层采用低应力SiN_X单膜。

在所述衬底上制备支撑薄膜层的步骤中，采用等离子体增强化学气相沉积PECVD法淀积SiN_X介质层，作为支撑薄膜层。

在所述支撑薄膜层上制备发热电极的步骤中，包含以下子步骤：

磁控溅射钛层和铂金层；

采用剥离Lift-off方法得到图形化的发热电极后，惰性氛围退火；

其中，铂金层作为发热电极，钛层作为铂金发热电极的黏附层。

13.根据权利要求8所述的电调制MEMS红外光源的制备方法，其特征在于，在所述支撑薄膜层上制备发热电极的步骤之后，还包含如下步骤：

采用氧离子轰击辐射表面，对辐射面进行糙化处理。

14.根据权利要求8所述的电调制MEMS红外光源的制备方法，其特征在于，在所述体硅刻蚀，实现薄膜释放的步骤中，利用单面腐蚀工艺，用氢氧化钾KOH溶液实现体硅的薄膜释放。

15.根据权利要求8所述的电调制MEMS红外光源的制备方法，其特征在于，在所述体硅刻蚀，实现薄膜释放的步骤之后，还包含如下步骤：

在所述发热电极、支撑薄膜层除了发热电极之外的部分之上覆盖光子晶体层。

16.根据权利要求15所述的电调制MEMS红外光源的制备方法，其特征在于，所述光子晶体为二维光子晶体，选用三角形结构、四边形结构和六角形结构中的任一种。

17.根据权利要求15所述的电调制MEMS红外光源的制备方法，其特征在于，所述光子晶体为金属和电介质光子晶体；

其中，所述光子晶体的高介电常数介质材料为银、金、铜、铝中的任一种；

所述光子晶体的低介电常数介质材料为硅、二氧化硅、氮化硅中的任一种。

Images