CN104291263B - 一种金刚石桥膜结构微型红外光源芯片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种金刚石桥膜结构微型红外光源芯片及制备方法，涉及红外技术领域。所述金刚石桥膜结构微型红外光源芯片设有衬底、支撑层、电隔离层、电加热层、金属电极。以清洗处理后的基片的器件层为支撑层；在支撑层上制备电隔离层；在电隔离层上制备电加热层；在衬底上的电加热层位置制备金属电极；沿着与金属电极长边垂直且靠近衬底内侧边缘的方向对电加热层的两侧进行刻蚀，穿过电加热层、电隔离层、支撑层和隔离氧化硅层，形成凹弧形桥面结构；在基片的另一侧，采用干法刻蚀技术对其刻蚀，以隔离氧化层作为刻蚀停止层，形成背部空腔结构，使得支撑层、电隔离层和电加热层悬浮在框架上，形成凹弧形桥式结构，得金刚石桥膜结构微型红外光源芯片。
Description
技术领域
本发明涉及红外技术领域，特别是涉及一种弧形桥式悬浮金刚石薄膜结构的微型红外光源芯片及制备方法。
背景技术
随着红外技术研究的不断进步，红外技术大量应用于温度控制、环境监测、空间监视、高分辨率成像、气体探测等领域。目前，基于红外吸收光谱技术的气体探测系统中，红外光源的性能直接决定着气体探测的精度和灵敏度。目前商业可供选择的红外光源主要有：量子级联红外激光器、红外发光二极管和热辐射红外光源。其中红外发光二极管在红外中远波段输出的光功率很低，限制了其适用范围；大功率的铅盐类红外激光器能发射波段很窄的红外激光，但需要低温制冷，且体积较大，而量子级联激光器由于技术复杂，制造成本高而增加了使用成本。传统热辐射光源利用高温加热体发射宽谱中远红外辐射光，其光电转换效率低，无法直接调制，需要借助外部机械斩波器来调制红外光，因此增加应用系统的体积和成本。而相比之下，采用微机械加工技术制备的微电子机械系统(MEMS)红外光源是通过加热悬浮薄膜电阻层实现高温辐射红外光，与传统的红外光源相比，具有体积小、能耗低、可调制、成本低和适于大规模生产制造。目前国内外在红外气体传感器领域大多结合MEMS工艺技术，研制开发体积小、可靠性高、光电性能优良的MEMS红外光源。
目前，MEMS红外光源由于工作温度高，需要考虑其高温稳定性和结构的稳定性两方面的因素。
对于高温稳定性，电加热层必须使用耐高温的材料。目前用于MEMS红外光源电加热层的材料主要有铂金属、多晶硅、金属氧化物和碳化硅等。由于红外光源长时间工作在高温条件下，当暴露在空气、潮湿和被探测气体的环境中，这些耐高温材料的稳定性都不是很良好，有的材料会发生相变和质变，例如，金属加热到高温易被氧化；多晶硅在高温下会发生再结晶现象；金属氧化物则会对吸附气体导致电阻变化，铂金属催化反应分解水分子产生氢气等。
对于MEMS红外光源的结构设计，主要有悬浮封闭薄膜型和悬臂薄膜型。悬浮封闭薄膜型外光源在工作时，由于材料在高温下的热膨胀从而在结构内部产生了较大的热应力，尤其是悬浮薄膜与支撑框架的接触边缘应力很高。通过把接触边缘部分开槽形成打开的窗口，并用悬臂实现连接和支撑形成悬臂薄膜型结构，可以释放接触边缘的集中应力，并起到阻隔热传导通道的作用。对于开窗后形成的悬臂薄膜结构不仅可以降低结构应力，还可以有效地减少热损耗提高电光转换效率。但是这种结构的悬臂存在强度低和应力集中大的缺点，容易导致悬臂结构破损和断裂。因此有必要对MEMS红外光源的材料和结构进行改进，以解决上述的问题。
中国专利CN103030094A公开一种红外光发射与分光集成芯片及其制备方法，该发明是要解决现有的分析仪器由于红外灯泡加上机械斩波器的光源调制模式很难实现仪器的微型化、现有的闪耀光栅制备方法存在成本高和难度大的问题。该系统由芯片内芯、封装外壳、反射镜组成；芯片内芯是由硅基片、二氧化硅隔离层、闪耀光栅、光源电极、测温电阻、光隔离梁和隔离槽组成。制备方法为：一、准备硅基片；二、制备二氧化硅隔离层；三、制备光源电极、测温电阻和光隔离梁；四、制备闪耀光栅；五、制备隔离槽；六、制备反射镜；七、封装。
中国专利CN200810070672公开了一种硅基红外光源及其制备方法。该发明提供了一种基于绝缘体上硅晶片制备的红外光源芯片，具有体积小、能耗低、发射强度高、调制频率高等特点。该发明中使用多晶硅作为加热层。该MEMS红外光源结构组成为：衬底框架、支撑层，氧化硅隔离层、电加热多晶硅层和电极。该光源芯片的支撑层为封闭薄膜结构，电加热多晶硅层置于支撑层上方。制备方法：一、准备SOI片，二、重掺杂制备红外吸收层并作为支撑层结构，三、制作氧化硅作为隔离层，四、制作多晶硅层为加热层，五、制备氧化硅作为保护层，六，制作金属电极，七、体硅刻蚀形成空腔结构
中国专利CN201310124547公开一种电调制MEMS红外光源及其制备方法。该发明中利用固定在支撑层上的金属铂电阻丝产生对外的红外辐射，具有电调制性能稳定、占空比高、结构稳定的特点。为增强金属表面红外发射率，对其表面进行粗糙化处理来提高其发射效率。该MEMS红外光源包含衬底框架、支撑薄层，发热电极。其结构组成为，支撑薄层覆盖于衬底框架之上，支撑层为封闭薄膜结构，金属铂电阻丝固定在支撑层薄膜上。其制备方法为：一、准备硅晶片，二、制备支撑薄膜层，三、制备发热电极，四、体硅刻蚀形成空腔结构。
发明内容
本发明的目的在于提供具有体积小、功耗低、响应快、可调制和可靠性高等特点的一种金刚石桥膜结构微型红外光源芯片及制备方法。
所述金刚石桥膜结构微型红外光源芯片设有衬底、支撑层、电隔离层、电加热层、金属电极；
所述电加热层沉积在电隔离层上表面，金属电极通过电极粘附层沉积在电加热层上，电隔离层制备在支撑层上表面，支撑层制备在隔离氧化硅层上表面，所述隔离氧化硅层制备在衬底的顶部，在衬底的底部加工刻蚀停止层并形成背部空腔结构，电加热层、电隔离层、支撑层和隔离氧化硅层在衬底上形成凹弧形桥面结构。
所述衬底可采用硅框架衬底，所述硅框架衬底可采用矩形硅框架衬底，优选正方形硅框架衬底。硅框架衬底是利用微电子体硅加工技术在硅片上制备出中空的矩形框架结构。
所述支撑层可采用薄膜支撑层，支撑层可以是硅支撑层、氧化硅支撑层、氮化硅支撑层、氧化硅与氮化硅多层复合膜支撑层；支撑层前后两端与硅框架衬底接触形成桥式悬浮薄膜结构；支撑层侧面两端做成凹弧形状以分散四个接触角的集中应力，从而改善桥式结构的稳定性和可靠性。凹弧的曲线可以为椭圆形曲线、双曲线、幂指数曲线等。
所述电隔离层可采用氧化硅电隔离层或氮化硅电隔离层，该电隔离层可以将支撑层分别与金刚石层和衬底隔离。
所述电加热层可采用n型或p型的金刚石材料或类金刚石材料。电加热层可采用矩形电加热层，并沉积在电隔离层上，经掺杂的金刚石材料或类金刚石具有电阻特性。
所述电极可采用复合金属层电极，电极底层可以使用薄的钛或铬金属作为粘附层，在粘附层上再沉积金属，如金、铂或铝等。
所述一种金刚石桥膜结构微型红外光源芯片的制备方法，包括以下步骤：
1)将基片进行清洗处理；
2)以清洗处理后的基片的器件层为支撑层；
3)在支撑层上制备电隔离层；
4)在电隔离层上制备p型或n型的金刚石层或类金刚石层，作为电加热层；
5)在衬底上的电加热层位置制备金属电极；
6)沿着与金属电极长边垂直且靠近衬底内侧边缘的方向对电加热层的两侧进行刻蚀，穿过电加热层、电隔离层、支撑层和隔离氧化硅层，形成凹弧形桥面结构；
7)在基片的另一侧，采用干法刻蚀技术对其刻蚀，以隔离氧化层作为刻蚀停止层，形成背部空腔结构，使得支撑层、电隔离层和电加热层悬浮在框架上，形成凹弧形桥式结构，得金刚石桥膜结构微型红外光源芯片。
在步骤1)中，所述基片可采用绝缘体上硅(SOI)晶片或单晶硅片等。
在步骤2)中，所述以清洗处理后的基片的器件层为支撑层的具体方法可为：
当基片采用SOI基片时，以SOI基片的器件层为支撑层；
当基片采用单晶硅片时，采用物理或化学沉积方法在单晶硅片上制作隔离氧化硅层，或氮化硅层，或氧化硅与氮化硅的多层复合结构层为支撑层；
在步骤3)中，所述在支撑层上制备电隔离层的方法可为：采用物理或化学沉积方法在支撑层上制备氧化硅电隔离层，或氮化硅电隔离层。
在步骤4)中，在电隔离层上制备p型或n型的金刚石层或类金刚石层可采用物理化学气相沉积方法在隔离层上制备p型或n型的金刚石层或类金刚石层。
在步骤5)中，所述在衬底上的电加热层位置制备金属电极的方法可为：首先采用物理或化学沉积方法制作一层钛或铬金属作为电极的粘附层，然后在粘附层上再沉积金属层，所述金属层可采用金层、铂层或铝层等。
本发明的光源采用SOI晶片或单晶硅片制作，采用干法刻蚀形成硅框架衬底和桥式悬浮薄膜结构，桥式悬浮薄膜前后两端与硅框架衬底接触，桥式悬浮薄膜侧面两端做成凹弧形状以分散四个接触角的集中应力。在悬浮薄膜上方设置金刚石或类金刚石材料作为电加热层，并在金刚石层两端制作金属电极实现电阻加热效应。
本发明的金刚石桥膜结构微型红外光源芯片利用已知的高温稳定性最好的金刚石或类金刚石材料作为光源高温热辐射材料，并利用弧形桥式悬浮薄膜结构解决悬浮封闭薄膜型和悬臂薄膜型红外光源热应力大和结构易破裂的问题，并有效地提高辐射效率。使得该红外光源具有体积小、功耗低、响应快、可调制和可靠性高等特点。
本发明的优点：
1.金刚石和类金刚石材料的热稳定性好。金刚石的键结构为sp3是已知材料中硬度、导热率和弹性模量最高的材料。金刚石具有极佳的耐高温特性，且性能稳定，在红外和紫外区域表现出很好的折射率和极低的吸收系数。类金刚石为sp3和sp2键的形式结合生成的亚稳态材料，兼具了金刚石和石墨的优良特性，而具有高硬度和高电阻率特性。两种材料都可采用与MEMS工艺相兼容的一些物理化学的方法制备出不同形状和结构的薄膜。使用金刚石和类金刚石材料作为电加热材料可以提高红外光源的高温稳定性和可靠性；
2.金刚石和类金刚石材料的表面发射率高。金刚石和类金刚石材料为碳，其材料表面在中远红外波段的发射率接近黑体，因此，可以提高光源的红外辐射强度和光电转换效率；
3.凹弧形桥式悬浮薄膜结构可降低结构热应力。基于MEMS加工技术，设计了凹弧形桥式悬浮金刚石薄膜结构的微型红外光源，凹弧形状的悬浮桥以分散桥与衬底框架连接处的四个接触角的集中应力。与直通型的桥式悬浮薄膜相比，凹弧形桥的四个接触角的集中应力大幅下降，从有效地改善了桥式结构的稳定性和可靠性，降低了桥式薄膜破裂的几率，提高了光源的使用寿命；
4.凹弧形桥式悬浮薄膜结构提高了光源的电学和光学性。弧形桥式悬浮薄膜结构两侧与衬底框架不接触，通过空气实现热隔离，因此阻隔了热量从桥式薄膜两侧向衬底框架的通道，使薄膜上的热分布更加均匀，热损耗更低，电调制响应更快、红外辐射强度和光电转换效率更高。
附图说明
图1为本发明所述金刚石桥膜结构微型红外光源芯片实施例的俯视结构示意图。
图2为图1的A-A剖面示意图。
图3为图1的B-B剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方法。
参见图1～3，所述金刚石桥膜结构微型红外光源芯片实施例设有衬底6、支撑层4、电隔离层1、电加热层2、金属电极3。
所述电加热层2沉积在电隔离层1上表面，金属电极3通过电极粘附层沉积在电加热层2上，电隔离层1制备在支撑层4上表面，支撑层4制备在隔离氧化硅层7上表面，所述隔离氧化硅层7制备在衬底6的顶部，在衬底6的底部加工刻蚀停止层5并形成背部空腔结构，电加热层2、电隔离层1、支撑层4和隔离氧化硅层7在衬底6上形成凹弧形桥面结构。
所述衬底6可采用硅框架衬底，所述硅框架衬底可采用矩形硅框架衬底，优选正方形硅框架衬底。硅框架衬底是利用微电子体硅加工技术在硅片上制备出中空的矩形框架结构。
所述支撑层4可采用薄膜支撑层，支撑层可以是硅支撑层、氧化硅支撑层、氮化硅支撑层、氧化硅与氮化硅多层复合膜支撑层；支撑层前后两端与硅框架衬底接触形成桥式悬浮薄膜结构；支撑层侧面两端做成凹弧形状以分散四个接触角的集中应力，从而改善桥式结构的稳定性和可靠性。凹弧的曲线可以为椭圆形曲线、双曲线、幂指数曲线等。
所述电隔离层可采用氧化硅电隔离层或氮化硅电隔离层，该电隔离层可以将支撑层分别与金刚石层和衬底隔离。
所述电加热层2采用n型或p型的金刚石材料或类金刚石材料。电加热层可采用矩形电加热层，并沉积在电隔离层上，经掺杂的金刚石材料或类金刚石具有电阻特性。
所述电极可采用复合金属层电极，电极底层可以使用薄的钛或铬金属作为粘附层，在粘附层上再沉积金属，如金、铂或铝等。
以下给出所述金刚石桥膜结构微型红外光源芯片的制备方法：
1)对SOI基片(或者单晶硅片)进行清洗处理；
2)以SOI基片的器件层为支撑层。对于单晶硅片，采用物理或化学沉积方法在硅片上方制作隔离氧化硅层或者氮化硅层，或者氧化硅和氮化硅的多层复合结构作为支撑层；
3)接着在支撑层上制备电隔离层，采用物理或化学沉积方法制作氧化硅或者氮化硅层，使得支撑层和上方的电加热层隔离；
4)采用物理化学气相沉积方法在电隔离层上制备p型或n型的金刚石层或类金刚石层，作为电加热层；
5)接着在衬底框架上方的电加热层位置制备金属电极，首先采用物理或化学沉积方法制作一层钛或铬金属作为电极的粘附层，然后在其上方再沉积金属层，如金、铂或铝等；
6)沿着与金属电极长边垂直且靠近硅框架衬底内侧边缘的方向对电加热层的两侧进行刻蚀，穿过电加热层、电隔离层、支撑层和SOI的隔离氧化层，形成凹弧桥面结构；
7)在SOI片(或者单晶硅片)的另一侧，采用干法刻蚀技术对其刻蚀，以SOI的隔离氧化层(或者单晶硅片上的氧化层)作为刻蚀停止层，形成背部空腔结构，使得支撑层、电隔离层和电加热层悬浮在框架上，形成凹弧形桥式结构。
Claims (9)
1.一种金刚石桥膜结构微型红外光源芯片，其特征在于设有衬底、支撑层、电隔离层、电加热层、金属电极；
所述电加热层沉积在电隔离层上表面，金属电极通过电极粘附层沉积在电加热层上，电隔离层制备在支撑层上表面，支撑层制备在隔离氧化硅层上表面，所述隔离氧化硅层制备在衬底的顶部，在衬底的底部加工刻蚀停止层并形成背部空腔结构，电加热层、电隔离层、支撑层和隔离氧化硅层在衬底上形成凹弧形桥面结构；
所述支撑层为硅薄膜支撑层、氧化硅薄膜支撑层、氮化硅薄膜支撑层或氧化硅与氮化硅多层复合膜薄膜支撑层；支撑层前后两端与衬底接触形成桥式悬浮薄膜结构；支撑层侧面两端做成凹弧形状；
所述电隔离层采用氧化硅电隔离层或氮化硅电隔离层，所述电隔离层将支撑层与电加热层隔离；
所述电加热层采用n型或p型的金刚石材料或类金刚石材料；电加热层采用矩形电加热层，并沉积在电隔离层上；
所述电极采用复合金属层电极，电极底层使用薄的钛或铬金属作为粘附层，在粘附层上再沉积金属层，所述金属层为金层、铂层或铝层。
2.如权利要求1所述一种金刚石桥膜结构微型红外光源芯片，其特征在于所述衬底为硅框架衬底。
3.如权利要求2所述一种金刚石桥膜结构微型红外光源芯片，其特征在于所述硅框架衬底采用矩形硅框架衬底。
4.如权利要求3所述一种金刚石桥膜结构微型红外光源芯片，其特征在于所述硅框架衬底采用正方形硅框架衬底。
5.如权利要求1～4中任一所述一种金刚石桥膜结构微型红外光源芯片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将基片进行清洗处理；
2)以清洗处理后的基片为支撑层，将支撑层制备在隔离氧化硅层上；
3)在支撑层上制备电隔离层；
4)在电隔离层上制备p型或n型的金刚石层或类金刚石层，作为电加热层；
5)在衬底上的电加热层位置制备金属电极；
6)沿着与金属电极长边垂直且靠近衬底内侧边缘的方向对电加热层的两侧进行刻蚀，穿过电加热层、电隔离层、支撑层和隔离氧化硅层，形成凹弧形桥面结构；
7)在基片的另一侧，采用干法刻蚀技术对其刻蚀，以隔离氧化层作为刻蚀停止层，形成背部空腔结构，使得支撑层、电隔离层和电加热层悬浮在框架上，形成凹弧形桥式结构，得金刚石桥膜结构微型红外光源芯片。
6.如权利要求5所述一种金刚石桥膜结构微型红外光源芯片的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述基片采用绝缘体上硅(SOI)晶片或单晶硅片。
7.如权利要求5所述一种金刚石桥膜结构微型红外光源芯片的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述在支撑层上制备电隔离层的方法为：采用物理或化学沉积方法在支撑层上制备氧化硅电隔离层，或氮化硅电隔离层。
8.如权利要求5所述一种金刚石桥膜结构微型红外光源芯片的制备方法，其特征在于在步骤4)中，在电隔离层上制备p型或n型的金刚石层或类金刚石层采用物理化学气相沉积方法在隔离层上制备p型或n型的金刚石层或类金刚石层。
9.如权利要求5所述一种金刚石桥膜结构微型红外光源芯片的制备方法，其特征在于在步骤5)中，所述在衬底上的电加热层位置制备金属电极的方法为：首先采用物理或化学沉积方法制作一层钛或铬金属作为电极的粘附层，然后在粘附层上再沉积金属层，所述金属层采用金层、铂层或铝层。
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