CN103500788A - 一种可集成的纳米结构红外光源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了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，分离窄带红外光源与硅衬底的接触，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。本发明采用MEMS/CMOS光源制造技术，利用金属诱导晶化技术实现红外光源的表面修饰，得到锥状纳米结构，并对其进行表面TiN镀层加工，实现Si-TiN，TiN-Air之间的表面等离子体共振技术。采用正面释放技术形成微悬臂梁对红外光源进行支撑来降低热损耗，并通过在加热层下预埋介质层氮化硅，来降低结构应力。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS红外光气体传感器技术领域，尤其涉及的是一种基于纳米修饰技术的可集成的纳米结构红外光源。
背景技术
随着气体传感器、热光伏电池和分子检测等方面的应用快速发展，MEMS红外光源因其功率低，体积小等特点而在上述领域得到了广泛的应用。MEMS红外光源采用热激发调制模式，占空比低，功耗小，在成本、体积以及器件寿命等具备巨大优势。而红外窄带光源不需光学滤波器，就可针对不同气体实现特异性测试，同时避免其他波段的干扰。台湾大学的Ming-Wei Tsai设计一种类似三明治结构的三层薄膜的结构，当该设备被加热，产生在SiO2层得热辐射就会在两层Ag薄膜发生共振，同时在Ag/SiO2和Ag/air产生表面等离子体共振，并耦合进光辐射，从而实现窄带红外辐射。但是这种方法中采用的Ag不能兼容于CMOS工艺，且没有形成表面的纳米修饰。
有关术语定义：
纳米修饰：以制备成的微纳级别厚度的薄膜进行进一步加工，得到表面的纳米微结构作为修饰。
红外光源：以产生红外辐射为主要目的的非照明用电光源。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种可集成的纳米结构红外光源及其加工工艺。
本发明的技术方案如下：
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的加工，形成锥状纳米结构，再对锥状纳米结构进行TiN镀层加工；采用正面XeF2释放技术，对硅衬底进行深硅刻蚀，分离窄带红外光源与硅衬底的接触，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。
根据权利要求1所述的纳米结构红外光源，其具体加工工艺为：
(a)、在单晶硅衬底上生长氮化硅；
(b)、非晶硅的淀积；
(c)、Al溅射和退火；
(d)、湿法腐蚀Al膜：采用Al腐蚀液，腐蚀后样品表面剩下Al-Si化合物颗粒；
(e)、非晶硅干法刻蚀；
(f)、正面释放孔的刻蚀，为释放硅衬底做准备；
(g)、XeF2正面释放硅衬底。
所述的纳米结构红外光源，所述步骤(a)中，工艺条件为：温度780℃，330mTorr，SiH2Cl2：24sccm，NH3：90sccm。
所述的纳米结构红外光源，所述步骤(b)中，工艺条件为：温度为270℃，气体比例分别为SIH4：24％NH3：55％N2：5.2％RF：170。
所述的纳米结构红外光源，所述步骤(c)中，工艺条件为：条件：磁控溅射Al，气压10mTorr，通入Ar满足气压条件后，设置RF为8400W，然后在450℃下、时间90min进行退火处理。
所述的纳米结构红外光源，所述步骤(f)中，工艺条件为；气体CHF37sccm，He100sccm，SF630sccm，RF150W，压力400mTorr。采用磁控溅射的方法，溅射40-50A的TiN包覆金属硅化物和非晶硅外层，具体的实验条件为Ar22.4sccm，N23.0sccm，压力为5e-3Torr，功率为1000W,真空度为8e-7Pa。
所述的纳米结构红外光源，所述步骤(g)中，工艺条件为：XeF24Torr，N220mTorr，温度为20℃。
本发明采用MEMS/CMOS光源制造技术，利用金属诱导晶化技术实现红外光源的表面修饰，得到锥状纳米结构，并对其进行表面TiN镀层加工，实现Si-TiN，TiN-Air之间的表面等离子体共振技术。采用正面释放技术形成微悬臂梁对红外光源进行支撑来降低热损耗，并通过在加热层下预埋介质层氮化硅，来降低结构应力。
附图说明
图1本发明制备工艺流程及原理示意图，1硅衬底，2氮化硅，3非晶硅，4Al，5TiN；
图2为纳米结构红外光源锥状纳米结构SEM电镜照片；
图3为本发明纳米结构红外光源红外发射率分析；
图4为本发明纳米结构红外光源表面应力仿真；
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
本发明中涉及的红外光源以硅(多晶、单晶、非晶硅)为发热层，利用MEMS/CMOS工艺，对非晶硅表面进行纳米修饰的加工，形成锥状纳米结构，再对锥状纳米结构进行TiN镀层加工，通过这种方式来增强表面等离子体共振增强效应；采用正面XeF2释放技术，对硅衬底进行深硅刻蚀，分离窄带红外光源与衬底硅的接触，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。
作为一个具体例子，参考图1中步骤(a)-(g)，对本发明可集成的纳米结构红外光源的制备工艺详述如下：
(a)、在单晶硅衬底1上生长氮化硅2，实验条件：温度780℃，330mTorr，SiH2Cl2：24sccm，NH3：90sccm；
(b)、非晶硅3的淀积：温度为270℃，气体流量和比例分别为SIH4：24％NH3：55％N2：5.2％RF：170；
(c)、Al溅射和退火：磁控溅射Al，条件：气压10mTorr，通入Ar满足气压条件后，设置RF为8400W，然后在450℃下90min时间进行退火处理；
(d)、湿法腐蚀Al膜：采用常规的Al腐蚀液，腐蚀后样品表面剩下Al-Si化合物颗粒。
(e)、非晶硅干法刻蚀：采用Cl2180sccm，压力300mTorr，RF350W,He200sccm，温度35-40℃，刻蚀完成后仅剩下表面的金属硅化物。
(f)、正面释放孔的刻蚀，为释放单晶硅衬底做准备：气体CHF37sccm，He100sccm，SF630sccm，RF150W,压力400mTorr。采用磁控溅射的方法，溅射40-50A的TiN包覆金属硅化物和非晶硅外层，具体的实验条件为Ar22.4sccm，N23.0sccm，压力为5e-3Torr，功率为1000W，真空度为8e-7Pa。
(g)、XeF2正面释放硅衬底，形成微悬臂梁对红外光源进行支撑，条件为XeF24Torr，N220mTorr，温度为20℃。
步骤(c)中，采用的是金属诱导晶化方法制备锥状森林结构，利用金属和硅互溶原理，在界面层形成金属硅化物颗粒，在金属湿法腐蚀的过程，不进行去硅点清洗，保留金属硅化物颗粒作为下一步刻蚀的掩蔽。对刻蚀形成的锥状纳米结构进行了SEM电镜照片拍摄，如图2所示的锥状结构表面积增加了5倍左右，在对其表面进行TiN溅射后，进行了红外发射率分析，如图3所示，在HCl和NO检测领域高于70％发射率、在CH4、SO2、CO2和NO2检测具备领域高于60％发射率，且在8-10μm波段，存在高于70％的红外发射率，XPS元素分析和价态分析(表1、表2)。表1显示了常规工艺中的C,O,Si,以及在金属诱导晶化过程发生作用的F和Al，表2显示，制备的红外光源加工后，主要存在的化学物是AlFX，AlSiX。而金属诱导晶化过程中产生的金属硅化物，已在制备过程被刻蚀完全。
表1XPS元素分析
| 移除厚度(nm) | C | O | F | Al | Si |
| 2.1 | 7.8 | 37.1 | 6.2 | 3.2 | 45.8 |
表2XPS价态分析
采用Al-Si互溶技术形成金属硅化物，作为微掩蔽对注入的硅进行刻蚀，形成锥状纳米结构，并在其表面溅射40-50A的TiN，增强表面等离子体共振效应，提高发射率约5％左右。采用深硅刻蚀技术，实现窄带红外光源的正面释放，降低光源发热过程的热损耗。为降低悬浮本发明的红外光源的结构应力，采用SiN作为与发热层(本实施例为非晶硅3)进行直接接触的介质层，来降低残余应力问题，有仿真实例证明效果如图4所示。仿真模型是利用comsol mutiphisics软件，研究热源加载0.2V电压时，在欧姆发热效应的影响下，结构应力的变化，在加入氮化硅介质层后，窄带红外光源的最大应力仅为0.1299Gpa，可以保证结构的稳定性。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种可集成的纳米结构红外光源，其特征在于，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，分离窄带红外光源与硅衬底的接触，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。
2.根据权利要求1所述的纳米结构红外光源，其特征在于，其具体加工工艺为：
(a)、在单晶硅衬底上生长氮化硅；
(b)、非晶硅的淀积；
(c)、Al溅射和退火；
(d)、湿法腐蚀Al膜：采用Al腐蚀液，腐蚀后样品表面剩下Al-Si化合物颗粒；
(e)、非晶硅干法刻蚀；
(f)、正面释放孔的刻蚀，为释放硅衬底做准备；
(g)、XeF2正面释放硅衬底。
3.根据权利要求2所述的纳米结构红外光源，其特征在于，所述步骤(a)中，工艺条件为：温度780℃，330mTorr，SiH2Cl2：24sccm，NH3：90sccm。
4.根据权利要求2所述的纳米结构红外光源，其特征在于，所述步骤(b)中，工艺条件为：温度为270℃，气体比例分别为SIH4：24％NH3：55％N2：5.2％RF：170。
5.根据权利要求2所述的纳米结构红外光源，其特征在于，所述步骤(c)中，工艺条件为：条件：磁控溅射Al，气压10mTorr，通入Ar满足气压条件后，设置RF为8400W，然后在450℃下、时间90min进行退火处理。
6.根据权利要求2所述的纳米结构红外光源，其特征在于，所述步骤(f)中，工艺条件为：气体CHF37sccm，He100sccm，SF630sccm，RF150W,压力400mTorr。采用磁控溅射的方法，溅射40-50A的TiN包覆金属硅化物和非晶硅外层，具体的实验条件为Ar22.4sccm，N23.0sccm，压力为5e-3Torr，功率为1000W,真空度为8e-7Pa。
7.根据权利要求2所述的纳米结构红外光源，其特征在于，所述步骤(g)中，工艺条件为：XeF24Torr，N220mTorr,温度为20℃。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |