CN103922274A - 一种三维红外光源及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种三维红外光源及其制作方法，提供一硅片；在该硅片的正反面形成氧化硅薄膜；在正面定义阵列窗口并沿阵列窗口刻蚀氧化硅至暴露出硅表面为止；沿阵列窗口刻蚀硅表面形成硅凹槽阵列；去除硅片正面非刻蚀区域的氧化硅并形成复合膜；形成覆盖硅凹槽阵列的电阻丝，在电阻丝表面形成钝化层；在该硅片背面定义包围硅凹槽阵列的窗口；沿窗口刻蚀硅片背面的氧化硅至暴露出硅表面为止；沿窗口继续腐蚀硅表面直到硅被完全腐蚀为止从而制备出三维红外光源结构。本发明采用电阻丝位于凹槽阵列中，减少了发热丝通过衬底的热传导，减少空气热对流引起的热耗散，实现了能量聚集的作用，降低功耗的同时，提高了能量转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外光源及其制作方法，特别是涉及一种具有凹槽阵列结构的三维红外光源及其制作方法。
背景技术
红外技术在国防、信息技术与通讯、污染监测、温度调控、医学等领域得到广泛应用。作为红外技术应用的重要部件，红外光源的研究得到越来越多的关注。
红外光源的一个重要应用是红外气体传感器，其中，红外光源的性能很大程度上决定了传感器的性能。在传统的红外传感器系统中，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的需求，低功耗，可集成，小型化且可直接电调制的红外辐射单元成为红外光源的发展趋势。利用先进的微机电系统(MEMS)技术，可以大大减小红外光源的体积和功耗，并利于集成。国内外MEMS红外光源已开展相关研究，1998年英国剑桥大学GiraudS.O.C.等以钨丝作为加热材料制作了红外辐射光源，其辐射波长达到12μm以上；2001年J.Puton等人以Pt作为加热材料设计、制作了非分光红外(NDIR)气体分析用的红外光源；Intex公司1-20μm的MEMS光源已经产业化。2003年上海技术物理研究所李守荣等利用表面微加工技术，研制出微红外辐射元；2005年复旦大学报道了一种小体积的脉冲式MEMS辐射源，其辐射波长可以达到15μm；2007年天津工业大学王海棠采用导电不定型碳(CAC)多层镀膜技术制作了辐射波长2-9μm的MEMS光源，并以此研制汽车尾气分析仪测量系统。优化的薄膜结构实现了高抗温度冲击能力，纳米黑体材料提升了热辐射效率，MEMS热辐射光源拓展了红外气体传感技术的应用范围，正在逐渐取代传统的小灯泡。但MEMS红外光源停留在实验室研究状态，主要是得到的红外光源能量转换效率低、可靠性差、工艺复杂、成本高等。
目前现有技术中的红外光源普遍为二维结构的红外光源，例如这种红外光源中发热的电阻丝通常会由于其形成在二维的平面而引起热耗散，受空气热对流的影响较大，增加红外光源的功耗同时，降低了能量转换效率，严重降低了能量的利用率，因此，有必要提出一种新型的红外光源来解决现有的红外光源由于热耗散严重而带来能源的不必要浪费。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三维红外光源及其制作方法，用于解决现有技术中红外光源引起热耗散而降低能量利用率的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种三维红外光源及其制作方法，其特征在于，所述方法至少包括：
(1)提供一以(100)晶面作为正反面的硅片；该正反面为抛光面；在所述正反面分别形成氧化硅薄膜；
(2)在所述硅片正面定义出阵列窗口图形，沿所述阵列窗口刻蚀所述氧化硅至暴露出硅表面为止；
(3)沿所述阵列窗口继续刻蚀所述硅表面形成硅凹槽阵列；
(4)去除所述硅片正面非刻蚀区域的氧化硅薄膜；
(5)在所述硅片正面依次交替形成氧化硅层和氮化硅层，形成由氧化硅和氮化硅组成的覆盖所述硅凹槽阵列的至少一层复合膜；
(6)在所述硅片正面定义覆盖所述硅凹槽阵列的电阻丝的图形，在所述电阻丝的图形区域依次形成第一金属层和第二金属层；形成由第一金属层和第二金属层构成的电阻丝；
(7)在所述电阻丝的表面形成一层钝化层；
(8)在所述硅片的背面定义包围所述硅凹槽阵列的窗口；沿所述窗口刻蚀所述硅片背面的氧化硅至暴露出硅表面为止；
(9)沿步骤(8)中所述窗口继续腐蚀所述暴露出的硅表面直到硅被完全腐蚀为止，按照所述硅片表面的划片槽进行划片从而制备出三维红外光源结构。
作为本发明的三维红外光源的制作方法的一种优选方案，所述步骤(1)中形成所述氧化硅薄膜的方法包括热氧化法、低压化学气相沉积法或等离子增强化学气相沉积法。
作为本发明的三维红外光源的制作方法的一种优选方案，所述步骤(2)中定义所述阵列窗口图形的方法包括以下步骤：(1)在所述氧化硅薄膜表面旋涂光刻胶；(2)经过曝光以及显影形成所述阵列窗口图形；所述步骤(2)中刻蚀所述氧化硅的方法包括：反应离子刻蚀或离子束刻蚀。
作为本发明的三维红外光源的制作方法的一种优选方案，所述步骤(3)中的所述硅凹槽阵列中的硅凹槽的纵截面形状包括：V型、倒梯形或半圆形。
作为本发明的三维红外光源的制作方法的一种优选方案，形成所述纵截面为V型或倒梯形的硅凹槽的刻蚀方法为各向异性湿法刻蚀；形成所述纵截面为半圆形的所述硅凹槽的刻蚀方法为各向同性干法刻蚀。
作为本发明的三维红外光源的制作方法的一种优选方案，所述步骤(4)中去除所述硅片正面非刻蚀区域的氧化硅薄膜的方法是用添加氟化铵的氢氟酸溶液进行腐蚀。
作为本发明的三维红外光源的制作方法的一种优选方案，所述步骤(5)中的所述复合膜为2层。
作为本发明的三维红外光源的制作方法的一种优选方案，所述步骤(5)中形成所述氧化硅层的方法包括热氧化、低压化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积；形成所述氮化硅的方法包括低压化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积。
作为本发明的三维红外光源的制作方法的一种优选方案，所述步骤(6)中所述电阻丝的形状包括方波形或蛇形。
作为本发明的三维红外光源的制作方法的一种优选方案，所述步骤(2)中所述阵列窗口图形的排布轮廓包括：矩形、六边形或蛇形。
作为本发明的三维红外光源的制作方法的一种优选方案，所述步骤(6)中所述第一金属层为钛层；所述第二金属层为铂层。
作为本发明的三维红外光源的制作方法的一种优选方案，所述步骤(7)中的钝化层为氮化硅层或氧化硅层。
作为本发明的三维红外光源的制作方法的一种优选方案，所述步骤(9)包括：所述硅表面被完全腐蚀之后，在所述钝化层表面涂一层纳米黑。
本发明还提供一种三维红外光源，所述三维红外光源至少包括：
由氧化硅和氮化硅交替层叠而成的至少一层复合膜；
所述复合膜具有若干凹槽；所述若干凹槽构成阵列；
覆盖于所述若干凹槽中的电阻丝；
覆盖于所述电阻丝表面的钝化层。
如上所述，本发明的三维红外光源及其制作方法，具有以下有益效果：本发明的三维红外光源相比于现有技术中的二维结构的红外光源大大减少了发热丝通过衬底的热传导，处于凹槽中的发热丝可大大减少空气热对流引起的热耗散，实现了能量聚集的作用，降低功耗的同时，提高了能量转换效率。本发明的三维红外光源的制作方法最终得到的是封闭膜三维红外光源，相对于悬梁式的结构机械强度高。仅通过三次光刻工艺就能实现，凹槽结构单元通过硅的各向异性腐蚀或各向同性腐蚀一次形成，本发明利用现有的MEMS技术制作工艺简单、机械强度高并且生产成本低廉，可大批量生产。
附图说明
图1至图11显示为本发明的三维红外光源的制作方法工序示意图。
图12至图14分别显示为本发明中用于制作三维红外光源的三种阵列窗口图形的分布以及电阻丝形状的俯视示意图。
图15显示为本发明中所述硅凹槽的横截面形状呈圆形的示意图。
元件标号说明
10 硅片
11 氧化硅薄膜
12 光刻胶
13 阵列窗口图形
14 硅凹槽阵列
151 氧化硅层
152 氮化硅层
15 复合膜
161 第一金属层
162 第二金属层
16 电阻丝
163 钝化层
17 窗口
18 纳米黑
S1～S9 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图15。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种三维红外光源的制作方法，如图1至图15，表示的是所述三维红外光源的制作方法的工序示意图，所述方法至少包括以下步骤：步骤S1：提供一以(100)晶面作为正反面的硅片作为衬底；该硅片正反面为抛光面；在所述正反面分别形成氧化硅薄膜11；优选地，所述氧化硅薄膜的厚度为0.1微米至3微米；进一步优选地，形成所述氧化硅薄膜的方法包括热氧化法、低压化学气相沉积法或等离子增强化学气相沉积法。如图1所示，表示为形成有氧化硅薄膜11的硅片10。
接着实施步骤S2：在所述硅片正面定义出阵列窗口图形13，沿所述阵列窗口刻蚀所述氧化硅至暴露出硅表面为止；所述阵列窗口图形的分布构成的轮廓可以有多种，优选地，该阵列窗口的排布构成的轮廓包括有：矩形、六边形或蛇形。如图12、图13和图14所示，图12至图14表示为本发明的用于制作三维红外光源的三种阵列窗口图形分布的俯视示意图。其中，图12的所述阵列窗口图形分布为矩形轮廓；图13中所述阵列窗口图形的分布为六边形轮廓；图14所述阵列窗口图形的分布为蛇形轮廓。该步骤中，形成所述阵列窗口图形的方法包括以下几步：(1)在所述氧化硅薄膜11的表面旋涂光刻胶12，形成如图2所示的结构；(2)对所述光刻胶进行曝光以及显影后，形成如图3所示的所述阵列窗口图形13；优选地，所述步骤S2中刻蚀所述氧化硅的方法包括：反应离子刻蚀或离子束刻蚀。本发明中，利用各向异性腐蚀所开的腐蚀窗口的棱边均沿该硅片事先定义的晶向<110>。
所述硅片的正反面选择100晶面以及所刻蚀的阵列窗口的每个棱边均沿该硅片的晶向<110>是利用了硅的各向异性并采用湿法刻蚀，根据刻蚀时间的不同可以得到纵截面形状为V型或倒梯形硅凹槽。
接着实施步骤S3：沿所述阵列窗口继续刻蚀所述硅表面形成图4所示的硅凹槽阵列14；该步骤中，形成所述硅凹槽的刻蚀方法包括干法刻蚀或湿法刻蚀；优选地，所述硅凹槽阵列中单个硅凹槽的纵截面形状包括：V型、倒梯形或半圆形。其中，形成所述纵截面为V型或倒梯形的硅凹槽是利用硅的各向异性湿法腐蚀；在刻蚀时间一定的情况下如得到纵截面为倒梯形的硅凹槽，若再进一步延长刻蚀时间，将在所述纵截面为倒梯形的基础上进一步形成纵截面为V型的硅凹槽，因此，形成V型的纵截面和倒梯形的纵截面不同之处只在与刻蚀时间的不同。而形成如图4所示的纵截面为半圆形的所述硅凹槽是利用硅的各向同性干法刻蚀，反应气体为二氟化氙(XeF2)，同时所述硅凹槽的横截面呈现圆弧形。进一步优选地，所述硅凹槽阵列14中单个硅凹槽的深度为5微米～150微米。
接着实施步骤S4：去除所述硅片正面非刻蚀区域的氧化硅薄膜形成如图5所示的结构。优选地，去除该步骤中所述硅片正面非刻蚀区域的氧化硅薄膜的方法是用添加氟化铵的氢氟酸溶液(BOE)进行腐蚀。优选地，在去除所述硅片正面非刻蚀区域的氧化硅薄膜时，所述硅片背面涂一层光刻胶以防止将该硅片背面的氧化硅薄膜同时去除。
接着实施步骤S5：在所述硅片正面依次交替形成氧化硅层151和氮化硅层152，形成由氧化硅和氮化硅组成的覆盖所述硅凹槽阵列的至少一层复合膜15；形成所述氧化硅层和氮化硅层的方法为沉积法。其中，优选地，沉积所述氧化硅层的方法包括：热氧化、低压化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积；沉积所述氮化硅层的方法包括低压化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积。形成所述氧化硅层和所述氮化硅层在本发明中并无先后顺序，所述一层氧化硅层与一层氮化硅层形成一层所述复合膜；本发明中所述复合膜的层数至少为一层，本发明中优选地，所述复合膜的层数为2层。如图6所示，表示的是形成由一层氧化硅层和一层氮化硅层构成的一层复合膜的结构。其中优选地，所述氧化硅层或所述氮化硅层的单层厚度为0.2微米～1微米。
在步骤S5之后接着实施步骤S6：在所述硅片正面定义覆盖所述硅凹槽阵列的电阻丝的图形，在所述电阻丝16的图形区域依次形成第一金属层161和第二金属层162；形成如图7所示的由第一金属层161和第二金属层162构成的电阻丝16；其中定义所述电阻丝的图形的定义方法为采用喷胶光刻技术，所述的喷胶光刻技术，所述喷胶光刻技术可以对硅片表面的三维结构进行喷胶，并全面覆盖三维结构表面，能很好地保护结构表面和侧壁，同时胶厚可达十微米左右。优选地，所述电阻丝的图形可以是如图12和图13中的方波形电阻丝16，也可以是蛇形，无论形成方波形、蛇形或其他形状的电阻丝，所述电阻丝都覆盖大多数的硅凹槽，所述单个硅凹槽可以是完全被覆盖，也可以是部分被覆盖；而由所述硅凹槽构成的阵列中，大多数的硅凹槽被所述电阻丝覆盖，所述电阻丝区域尽可能地被大多数所述硅凹槽占据，所述大多数硅凹槽分散于所述电阻丝图形的区域。在覆盖所述硅凹槽阵列的同时，所述电阻丝直接与覆盖于所述硅凹槽阵列的所述复合膜15形成接触。所述电阻丝由覆盖于所述复合膜上的第一金属层和覆盖于所述第一金属层上的第二金属层构成，优选地，所述该两层金属层的形成方法为磁控溅射沉积法，优选地，所述第一金属层为钛层，所述第二金属层为铂层。所述钛层的厚度为20纳米～50纳米；所述铂层的厚度为0.2微米～2微米，之所以是先溅射钛层是因为钛层的作用是增加铂层与所述硅片之间的粘附性。
步骤S7：在所述电阻丝的表面形成一层钝化层163，如图8所示，所述钝化层163可以是氮化硅层，也可是氧化硅层，所述钝化层的作用是保护金属，即保护本发明的电阻丝，防止金属失效。
步骤S8：在所述硅片的背面定义包围所述硅凹槽阵列的窗口17；沿所述窗口刻蚀所述硅片背面的氧化硅至暴露出硅表面为止，形成如图9所示的结构；该步骤中定义所述窗口的方法为采用光刻工艺进行定义，优选地，当步骤(4)中去除所述硅片正面非刻蚀区域的氧化硅薄膜时，若其背面涂有光刻胶，则在进行该步骤前需要将所述硅片背面的光刻胶先去除。所述窗口17在所述硅片的正面投影完全覆盖所述硅凹槽阵列。优选地，该步骤中刻蚀所述氧化硅的方法包括：反应离子刻蚀或离子束刻蚀。
步骤S9：沿步骤(8)中所述窗口利用硅各向异性腐蚀，腐蚀所述暴露出的硅表面直到硅被完全腐蚀为止；该步骤中，优选地，腐蚀所述硅表面的腐蚀液可以是：四甲基氢氧化铵(TMAH)、乙二胺-邻苯二酚-水(EPW)或KOH等溶液，该步骤中形成的结构如图10所示。优选地，在所述钝化层表面形成一层纳米黑18，所述纳米黑的作用是提高红外辐射率。最后按照所述硅片表面的划片槽进行划片制作出三维红外光源。
实施例一
1)采用热氧化法在4寸硅片的正反面形成的二氧化硅薄膜作为后续各向异性腐蚀的掩膜，采用的硅片为N型(100)双抛硅片，其正反面为该硅片的100晶面；
2)在步骤(1)中的氧化硅薄膜上采用光刻工艺制作出阵列窗口图形，所述阵列窗口图形13的排布构成的轮廓为如图12所示的矩形；在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀(RIE)沿所述阵列窗口将二氧化硅刻蚀至露出硅表面为止；
3)利用KOH溶液沿所述阵列窗口腐蚀得到深为10μm的硅凹槽阵列；根据腐蚀时间的不同可以得到纵截面为V型的硅凹槽阵列或纵截面为倒梯形的硅凹槽阵列；
4)在所述硅片的背面旋涂一层光刻胶，用添加氟化铵的氢氟酸溶液(BOE)去除所述硅片正面非刻蚀区域的氧化硅薄膜，去除背面的光刻胶；
5)在所述硅片正面热氧化厚度为的氧化硅层，然后利用低压化学气相沉积(LPCVD)淀积的低应力氮化硅层，该二氧化硅和氮化硅层构成一层复合膜，该复合膜为后续形成电阻丝提供支撑；
6)利用喷胶光刻技术在所述硅片正面定义电阻丝图形，所述电阻丝图形为如图12所示的覆盖所述硅凹槽阵列的方波形，图12中显示的是阵列窗口图形13与所述方波形电阻丝的位置关系，而所述硅凹槽阵列是与所述阵列窗口图形相重合的，因此，通过图12中所述阵列窗口图形13与所述电阻丝的位置即可知道所述硅凹槽阵列与所述电阻丝的位置关系。然后通过磁控溅射在所述电阻丝图形区域依次沉积厚度分别为的钛和厚度为的铂，最后用丙酮去光刻胶得到发热的电阻丝。
7)在所述电阻丝的表面形成一层以氮化硅或氧化硅作为保护金属的钝化层。
8)在所述硅片的背面利用光刻技术定义出包围所述硅凹槽阵列的窗口，然后在光刻胶的保护下沿所述窗口利用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀所述窗口中的二氧化硅至暴露出硅表面为止。
9)沿所述窗口用四甲基氢氧化铵溶液腐蚀暴露出的硅表面，直到所述硅被完全腐蚀为止，形成由所述复合膜支撑的电阻丝；在步骤(7)中所述钝化层表面涂覆一层纳米黑，之后按照划片槽裂片，得到三维红外光源单元。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于所述阵列窗口图形的排布构成的轮廓不同，实施例一中，所述阵列窗口图形的排布构成的轮廓为矩形，而本实施例中，所述阵列窗口图形的排布构成的轮廓为正六边形。具体步骤为：
1)采用热氧化法在4寸硅片的正反面形成的二氧化硅薄膜作为后续各向异性腐蚀的掩膜，所述硅片为N型(100)双抛硅片，其正反面为该硅片的100晶面；
2)在步骤(1)中的氧化硅薄膜上采用光刻工艺制作出阵列窗口图形12，所述阵列窗口图形的排布构成的轮廓为如图13所示的正六边形；在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀(RIE)沿所述阵列窗口将二氧化硅刻蚀至露出硅表面为止；
3)利用KOH溶液沿所述阵列窗口腐蚀得到深为10μm的硅凹槽阵列；根据腐蚀时间的不同可以得到纵截面为V型的硅凹槽阵列或纵截面为倒梯形的硅凹槽阵列；
4)在所述硅片的背面旋涂一层光刻胶，用添加氟化铵的氢氟酸溶液(BOE)去除所述硅片正面非刻蚀区域的氧化硅薄膜，去除背面的光刻胶；
5)在所述硅片正面利用热氧化法沉积厚度为的氧化硅层，所述氧化硅层为二氧化硅，然后利用低压化学气相沉积(LPCVD)淀积的低应力氮化硅层，该二氧化硅和氮化硅层构成一层复合膜，该复合膜为后续形成电阻丝提供支撑；
6)利用喷胶光刻技术在所述硅片正面定义电阻丝图形，所述电阻丝图形为如图13所示的覆盖所述硅凹槽阵列14的方波形，图13中显示的是阵列窗口图形13与所述方波形电阻丝的位置关系，而所述硅凹槽阵列是与所述阵列窗口图形相重合的，因此，通过图13中所述阵列窗口图形13与所述电阻丝的位置即可知道所述硅凹槽阵列与所述电阻丝的位置关系。然后通过磁控溅射在所述电阻丝图形区域依次沉积厚度分别为的钛和厚度为的铂，最后用丙酮去光刻胶得到发热的电阻丝。
7)在所述电阻丝的表面形成一层以氮化硅或氧化硅作为保护金属的钝化层。
8)在所述硅片的背面利用光刻技术定义出包围所述硅凹槽阵列的窗口，然后在光刻胶的保护下沿所述窗口利用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀所述窗口中的二氧化硅至暴露出硅表面为止。
9)沿所述窗口用四甲基氢氧化铵溶液腐蚀暴露出的硅表面，直到所述硅被完全腐蚀为止，形成由所述复合膜支撑的电阻丝；在步骤(7)中所述钝化层表面涂覆一层纳米黑，之后按照划片槽裂片，得到三维红外光源单元。
实施例三
本实施例与实施例一、实施例二的区别在于所述阵列窗口图形的排布构成的轮廓图形不同和所述电阻丝的形状不同，实施例一中，所述阵列窗口图形的排布构成的轮廓图形为矩形，实施例二中所述阵列窗口图形的排布构成的轮廓图形为正六边形；实施例一和实施例二中所述电阻丝的形状都为方波形。而本实施例中，所述阵列窗口图形的排布构成的轮廓图形为蛇形，所述电阻丝的形状为与所述阵列窗口图形匹配的蛇形。具体步骤为：
1)采用热氧化法在4寸硅片的正反面形成的二氧化硅薄膜作为后续各向异性腐蚀的掩膜，所述硅片为N型(100)双抛硅片，其正反面为该硅片的100晶面；
2)在步骤(1)中的氧化硅薄膜上采用光刻工艺制作出阵列窗口图形，所述阵列窗口图形的排布构成的轮廓为如图14所示的蛇形；在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀(RIE)沿所述阵列窗口将二氧化硅刻蚀至露出硅表面为止；
3)利用KOH溶液沿所述阵列窗口腐蚀得到深为10μm的硅凹槽阵列；根据腐蚀时间的不同可以得到纵截面为V型的硅凹槽阵列或纵截面为倒梯形的硅凹槽阵列；
4)在所述硅片的背面旋涂一层光刻胶，用添加氟化铵的氢氟酸溶液(BOE)去除所述硅片正面非刻蚀区域的氧化硅薄膜，去除背面的光刻胶；
5)在所述硅片正面利用热氧化法沉积厚度为的氧化硅层，所述氧化硅层为二氧化硅，然后利用低压化学气相沉积(LPCVD)淀积的低应力氮化硅层，该二氧化硅和氮化硅层构成一层复合膜，该复合膜为后续形成电阻丝提供支撑；
6)利用喷胶光刻技术在所述硅片正面定义电阻丝图形，所述电阻丝16的形状为如图14所示的覆盖所述硅凹槽阵列14的蛇形，图14中显示的是阵列窗口图形13与所述蛇形电阻丝的位置关系，而所述硅凹槽阵列是与所述阵列窗口图形相重合的，因此，通过图14中所述阵列窗口图形13与所述电阻丝的位置即可知道所述硅凹槽阵列与所述电阻丝的位置关系。然后通过磁控溅射在所述电阻丝图形区域依次沉积厚度分别为的钛和厚度为的铂，最后用丙酮去光刻胶得到发热的电阻丝。
7)在所述电阻丝的表面形成一层以氮化硅或氧化硅作为保护金属的钝化层。
8)在所述硅片的背面利用光刻技术定义出包围所述硅凹槽阵列的窗口，然后在光刻胶的保护下沿所述窗口利用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀所述窗口中的二氧化硅至暴露出硅表面为止。
9)沿所述窗口用四甲基氢氧化铵溶液腐蚀暴露出的硅表面，直到所述硅被完全腐蚀为止，形成由所述复合膜支撑的电阻丝；在步骤(7)中所述钝化层表面涂覆一层纳米黑，之后按照划片槽裂片，得到三维红外光源单元。
实施例四
本实施例与以上三个实施例的区别在于以上三个实施例中形成所述硅凹槽阵列的方式都是采用各向异性湿法腐蚀得到的。而本实施例中形成所述硅凹槽阵列利用硅的各向同性干法刻蚀得到纵截面形状为半圆形的硅凹槽阵列。
1)采用热氧化法在4寸硅片的正反面形成的二氧化硅薄膜作为后续各向异性腐蚀的掩膜，所述硅片为N型(100)双抛硅片，其正反面为该硅片的100晶面；
2)在步骤(1)中的氧化硅薄膜上采用光刻工艺制作出阵列窗口图形，所述阵列窗口图形的排布构成的轮廓为如图15所示的矩形；在光刻胶的保护下利用反应离子刻蚀(RIE)沿所述阵列窗口将二氧化硅刻蚀至露出硅表面为止；
3)利用硅的各项同性的性质并采用干法刻蚀沿步骤(2)中所述陈列窗口继续刻蚀所述硅，形成深度为10微米、如图15所示的纵截面图形为半圆形且横截面形状为圆形的硅凹槽阵列14；
4)在所述硅片的背面旋涂一层光刻胶，用添加氟化铵的氢氟酸溶液(BOE)去除所述硅片正面非刻蚀区域的氧化硅薄膜，去除背面的光刻胶；
5)在所述硅片正面利用热氧化法沉积厚度为的氧化硅层，所述氧化硅层为二氧化硅，然后利用低压化学气相沉积(LPCVD)淀积的低应力氮化硅层，该二氧化硅和氮化硅层构成一层复合膜，该复合膜为后续形成电阻丝提供支撑；
6)利用喷胶光刻技术在所述硅片正面定义电阻丝图形，所述电阻丝16的形状为如图15所示的覆盖所述硅凹槽阵列14的矩形，然后通过磁控溅射在所述电阻丝图形区域依次沉积厚度分别为的钛和厚度为的铂，最后用丙酮去光刻胶得到发热的电阻丝。
7)在所述电阻丝的表面形成一层以氮化硅或氧化硅作为保护金属的钝化层。
8)在所述硅片的背面利用光刻技术定义出包围所述硅凹槽阵列的窗口，然后在光刻胶的保护下沿所述窗口利用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀所述窗口中的二氧化硅至暴露出硅表面为止。
9)沿所述窗口用四甲基氢氧化铵溶液腐蚀暴露出的硅表面，直到所述硅被完全腐蚀为止，形成由所述复合膜支撑的电阻丝；在步骤(7)中所述钝化层表面涂覆一层纳米黑，之后按照划片槽裂片，得到三维红外光源单元。
本发明四个实施例中所述电阻丝的形状不同以及形成所述硅凹槽的纵截面形状的不同使得可以根据需要，灵活运用制备出不同的三维红外光源。
本发明还提供如图11所示的三维红外光源，所述三维红外光源至少包括：由氧化硅层151和氮化硅层152交替层叠而成的至少一层复合膜15；优选地，本发明中，所述复合膜的层数为一层；所述复合膜具有若干凹槽；所述若干凹槽构成阵列；如图11所示，所述若干凹槽为制备所述三维红外光源过程中刻蚀硅表面形成的硅凹槽阵列14，覆盖于所述若干凹槽中的电阻丝16；所述电阻丝由第一金属层161和覆盖于所述第一金属层表面的第二金属层162构成；依次覆盖于所述电阻丝表面的钝化层163和纳米黑18。
综上所述，本发明的三维红外光源相比于现有技术中的二维结构的红外光源大大减少了发热丝通过衬底的热传导，处于凹槽中的发热丝可大大减少空气热对流引起的热耗散，实现了能量聚集的作用，降低功耗的同时，提高了能量转换效率。本发明的三维红外光源的制作方法最终得到的是封闭膜三维红外光源，相对于悬梁式的结构机械强度高。仅通过三次光刻工艺就能实现，凹槽结构单元通过硅的各向异性腐蚀或各向同性腐蚀一次形成，本发明利用现有的MEMS技术制作工艺简单、机械强度高并且生产成本低廉，可大批量生产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (14)
1.一种三维红外光源的制作方法，其特征在于，所述方法至少包括：
(1)提供一以(100)晶面作为正反面的硅片；该正反面为抛光面；在所述正反面分别形成氧化硅薄膜；
(2)在所述硅片正面定义出阵列窗口图形，沿所述阵列窗口刻蚀所述氧化硅至暴露出硅表面为止；
(3)沿所述阵列窗口继续刻蚀所述硅表面形成硅凹槽阵列；
(4)去除所述硅片正面非刻蚀区域的氧化硅薄膜；
(5)在所述硅片正面依次交替形成氧化硅层和氮化硅层，形成由氧化硅和氮化硅组成的覆盖所述硅凹槽阵列的至少一层复合膜；
(6)在所述硅片正面定义覆盖所述硅凹槽阵列的电阻丝的图形，在所述电阻丝的图形区域依次形成第一金属层和第二金属层；形成由第一金属层和第二金属层构成的电阻丝；
(7)在所述电阻丝的表面形成一层钝化层；
(8)在所述硅片的背面定义包围所述硅凹槽阵列的窗口；沿所述窗口刻蚀所述硅片背面的氧化硅至暴露出硅表面为止；
(9)沿步骤(8)中所述窗口继续腐蚀所述暴露出的硅表面直到硅被完全腐蚀为止，按照所述硅片表面的划片槽进行划片从而制备出三维红外光源结构。
2.根据权利要求1所述的三维红外光源的制作方法，其特征在于：所述步骤(1)中形成所述氧化硅薄膜的方法包括热氧化法、低压化学气相沉积法或等离子增强化学气相沉积法。
3.根据权利要求1所述的三维红外光源的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中定义所述阵列窗口图形的方法包括以下步骤：(1)在所述氧化硅薄膜表面旋涂光刻胶；(2)经过曝光以及显影形成所述阵列窗口图形；所述步骤(2)中刻蚀所述氧化硅的方法包括：反应离子刻蚀或离子束刻蚀。
4.根据权利要求1所述的三维红外光源的制作方法，其特征在于：所述步骤(3)中的所述硅凹槽阵列中的硅凹槽的纵截面形状包括：V型、倒梯形或半圆形。
5.根据权利要求4所述的三维红外光源的制作方法，其特征在于：形成所述纵截面为V型或倒梯形的硅凹槽的刻蚀方法为各向异性的湿法刻蚀；形成所述纵截面为半圆形的所述硅凹槽的刻蚀方法为各向同性的干法刻蚀。
6.根据权利要求1所述的三维红外光源的制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中去除所述硅片正面非刻蚀区域的氧化硅薄膜的方法是用添加氟化铵的氢氟酸溶液进行腐蚀。
7.根据权利要求1所述的三维红外光源的制作方法，其特征在于：所述步骤(5)中的所述复合膜为2层。
8.根据权利要求1所述的三维红外光源的制作方法，其特征在于：所述步骤(5)中形成所述氧化硅层的方法包括热氧化、低压化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积；形成所述氮化硅的方法包括低压化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积。
9.根据权利要求1所述的三维红外光源的制作方法，其特征在于：所述步骤(6)中所述电阻丝的形状包括方波形或蛇形。
10.根据权利要求9所述的三维红外光源的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述阵列窗口图形的排布轮廓包括：矩形、六边形或蛇形。
11.根据权利要求1所述的三维红外光源的制作方法，其特征在于：所述步骤(6)中所述第一金属层为钛层；所述第二金属层为铂层。
12.根据权利要求1所述的三维红外光源的制作方法，其特征在于：所述步骤(7)中的钝化层为氮化硅层或氧化硅层。
13.根据权利要求1所述的三维红外光源的制作方法，其特征在于：所述步骤(9)包括：所述硅表面被完全腐蚀之后，在所述钝化层表面涂一层纳米黑。
14.一种三维红外光源，其特征在于，所述三维红外光源至少包括：
由氧化硅和氮化硅交替层叠而成的至少一层复合膜；
所述复合膜具有若干凹槽；所述若干凹槽构成阵列；
覆盖于所述若干凹槽中的电阻丝；
覆盖于所述电阻丝表面的钝化层。
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