CN104538483A - 一种红外光源及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及红外技术领域，公开了一种红外光源及其制备方法。本发明中，红外光源包含：衬底、反射层、支撑结构与发热电极；反射层覆盖在衬底之上；支撑结构形成在反射层上；支撑结构与反射层之间形成有一空腔，发热电极固定在悬空支撑结构表面。由于空腔内的空气或者真空的隔热效果较佳，从而能够降低发热电极的热传导通路，减少热损耗，此外，位于空腔处的反射层能够更好的将红外光反射回，进一步的提高发热电极的发光强度及发热性能。

Description

一种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。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，并能与IC工艺兼容，实现大批量廉价生产的红外微型光源。由于现有技术中的红外光源的热量会由底部传导出，并且造成了较多的热损耗，降低了红外光源的发光强度。那么，如何提高红外光源的性能，是本领域技术人员急需考虑的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种红外光源及其制备方法，减少热传导通路，降低热损耗，增强红外光源的机械强度，提高光源的辐射性能。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种红外光源，包含：衬底、反射层、支撑结构与发热电极；

所述反射层覆盖在所述衬底之上；所述支撑结构形成在所述反射层上；

其中，所述支撑结构与所述反射层之间形成有一空腔，所述发热电极固定在所述空腔上方的支撑结构表面。

本发明还提供了一种红外光源的制备方法，包含以下步骤：

提供衬底；

在所述衬底上依次形成反射层和牺牲层；

刻蚀去除部分牺牲层，形成图形化牺牲层结构；

在所述反射层和牺牲层的表面形成支撑结构；

在所述支撑结构上溅射发热电极，并图形化；

在所述支撑结构上刻蚀形成释放凹槽，所述释放凹槽暴露出所述牺牲层；

通过所述释放凹槽进行刻蚀，去除所述牺牲层。

本发明实施方式相对于现有技术而言，将发热电极固定在支撑结构上，其中，支撑结构上设计有支撑柱，防止支撑薄膜塌陷，提高支撑薄膜的机械强度。支撑结构和反射层之间形成有空腔，发热电极位于空腔的正上方，由于空腔内的空气或者真空的隔热效果较佳，从而能够降低发热电极的热传导通路，减少热损耗，此外，位于空腔处的反射层能够更好的将红外光反射回去，进一步的提高发热电极的发光强度及发热性能。

另外，所述空腔的深度范围是4微米～8微米。

另外，所述支撑结构包括多个支撑柱，所述支撑柱位于所述发热电极的正下方。

另外，所述支撑柱的高度为2微米～4微米。由于红外光源面积较大，当发热电极形成在架空的支撑结构上时，容易发生塌陷。若发生塌陷时，形成在空腔内的支撑柱能够起到支撑作用，从而减少塌陷对红外光源造成损害。

另外，还包含隔离热绝缘层；所述隔离热绝缘层形成在所述衬底与所述反射层之间。在衬底与反射层之间增设隔离热绝缘层，可以进一步减小发热电极产生的热量向衬底传导，提高红外光源的性能。

另外，所述隔离热绝缘层采用二氧化硅。

另外，所述支撑结构材质为氮化硅。

另外，所述反射层可以采用铝(Al)、金(Au)或者银(Ag)。利用铝(Al)、金(Au)或者银(Ag)制作反射层，红外热反射率高，可以高效地将发热电极产生的热量反射回去。

另外，所述发热电极可以采用氮化钛(TiN)。利用氮化钛(TiN)制作发热电极，熔点高，耐高温，且在高温下化学性质稳定，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，所述牺牲层的材质为二氧化硅。

另外，在所述提供衬底的步骤之后，在所述衬底上覆盖反射层的步骤中，包含以下子步骤：

在所述衬底上淀积隔离热绝缘层；

在所述隔离热绝缘层上溅射反射层。

另外，在所述反射层和牺牲层的表面形成支撑结构之前，包含以下步骤：

刻蚀所述牺牲层，形成多个支撑柱槽，所述支撑柱槽的位于后续形成的发热电极的正下方；

在形成所述支撑结构的同时，填充满所述支撑柱槽，形成支撑柱。

另外，采用干法或者湿法刻蚀沿着所述释放凹槽去除所述牺牲层。由于形成的有释放凹槽，刻蚀所用的气体或者酸液能够沿着所述释放凹槽内进入，对所述牺牲层进行刻蚀，不会对支撑结构造成损害。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的红外光源结构剖面示意图；

图2A是根据本发明第一实施方式中的发热电极的结构示意图；

图2B是根据本发明第一实施方式中的发热电极的结构示意图；

图2C是根据本发明第一实施方式中的发热电极的结构示意图；

图2D是根据本发明第一实施方式中的发热电极的结构示意图；

图3是根据本发明第二实施方式的红外光源结构剖面示意图；

图4是根据本发明第三实施方式的红外光源的制备方法流程图；

图5-7是根据本发明第三实施方式的红外光源的制备过程中的剖面示意图；

图8-13是根据本发明第四实施方式的红外光源的制备过程中的剖面示意图；

图14至图16是根据本发明第四实施方式的红外光源的制备过程中的俯视图。

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红外光源，具体如图1所示，包含：衬底110、反射层130、支撑结构300与发热电极400；

其中，反射层130覆盖在衬底120之上，为了减小发热电极400产生的热量向衬底110传导，同时避免反射层130与衬底110发生反应，通常还会在衬底110与反射层130之间形成一层隔离热绝缘层120，隔离热绝缘层120采用二氧化硅即可。由于二氧化硅可以隔离热，且导电性弱，保证了本实施方式的可行性；

支撑结构300形成在反射层130上，支撑结构300的材质为氮化硅，反射层130采用铝Al、金Au或者银Ag等高反射金属，利用铝(Al)、金(Au)或者银(Ag)制作反射层，红外热反射率高，可以高效地将发热电极产生的热量反射回去，支撑结构300突起，并和反射层130之间形成一个空腔；空腔内可以有空气，也可以是真空，具有良好的热绝缘性；

发热电极400通常可以采用氮化钛TiN、铂金Pt、NiCr合金、多晶硅或WSi化合物等，在本实施例中，优选氮化钛，利用氮化钛(TiN)制作发热电极，熔点高，耐高温，且在高温下化学性质稳定，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。

此外，发热电极400固定在空腔上方的支撑结构300的表面。空腔的深度范围是4微米～8微米，例如是6微米。支撑结构300将发热电极400支撑起来，下方形成一个空腔，由于空腔内的空气或者真空的隔热效果较佳，从而能够降低发热电极400的热传导通路，减少热损耗，此外，位于空腔处的反射层130能够更好的将热量反射出，进一步的提高发热电极400的发光强度及发热性能。

在本实施方式中，发热电极400的俯视图可以采用图2A、图2B、图2C、图2D所示的任意一种。由于发热电极是现有成熟的技术，在此不再赘述。

在本实施方式中，优选地采用铝(Al)来制作反射层130。由于铝的红外热反射率高，可以高效地将发热电极400产生的热量反射回去，减少传递至衬底110的热量；而且，铝的成本低，可以节约成本。当然，在本实施方式中，也可以采用金(Au)或者银(Ag)等红外热反射率高的金属材料制作反射层130，同样可以高效地将发热电极400产生的热量反射回去。

另外，在本实施方式中，衬底110可以采用单晶硅。由于单晶硅衬底耐高温，且可以隔离热，这样，可以减小红外光源对外围器件的影响。而且，制备单晶硅的技术是现有成熟的技术，保证了本实施方式的可行性。

本发明的第二实施方式涉及一种红外光源，具体如图3所示。第二实施方式在第一实施方式的基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第二实施方式中，支撑结构300包括多个支撑柱310，支撑柱310位于发热电极400的正下方。由于红外光源面积较大，当发热电极400形成在架空的支撑结构300上时，容易使发生支撑结构300塌陷。若发生塌陷时，形成在空腔内的支撑柱310能够起到支撑作用，支撑起支撑结构300，避免发热电极400进一步塌陷，从而减少塌陷对红外光源造成损害。

进一步的，支撑柱310与支撑结构300的材质一致，均可以为氮化硅，支撑柱310的高度为2微米～4微米，例如是3微米，高度略小于空腔的深度，避免影响空腔的形成。使支撑柱310位于发热电极400的正下方，是由于发热电极400处的支撑结构300受力较大，更容易发生塌陷，将其置于发热电极400的下方，能够更好的避免塌陷对红外光源造成的损坏。

本发明的第三实施方式涉及一种红外光源的制备方法，具体流程如图4所示，包含以下步骤：

步骤101，提供衬底；

步骤102，在衬底上依次形成反射层和牺牲层；

步骤103，刻蚀去除部分牺牲层，形成图形化牺牲层结构；

步骤104，在所述反射层和牺牲层的表面形成支撑结构；

步骤105，在所述支撑结构上溅射发热电极，并图形化；

步骤106，在所述支撑结构上刻蚀释放凹槽，所述释放凹槽暴露出所述牺牲层；

步骤107，通过所述释放刻蚀凹槽进行刻蚀，去除所述牺牲层。

具体的，请参考图5，在提供衬底110的步骤之后，在衬底上覆盖反射层130的步骤中，包含以下子步骤：

在衬底110上淀积隔离热绝缘层120，隔离热绝缘层120的材质为二氧化硅；在隔离热绝缘层120上溅射反射层130即可，之后形成的牺牲层200位于反射层120的表面。

其中，牺牲层200的材质为二氧化硅、α-碳或多晶硅等，在本实施例中，优选为二氧化硅，其可以采用四乙氧基硅烷(TEOS)作为原材料形成，形成的厚度通常较厚，为4微米～8微米，例如是6微米，便于后续形成空腔。

请参考图6，采用刻蚀工艺对牺牲层200进行刻蚀，暴露出部分反射层130，保留的牺牲层200用于后续形成空腔。

请参考图7，在反射层130和牺牲层200的表面形成支撑结构300，接着在支撑结构300上形成发热电极400，通常工艺中此时还会形成铝焊盘(AlPad)，用于与发热电极400相连，在本实施例及附图中并未显示出铝焊盘，本领域技术人员应知晓铝焊盘的形成工艺，在此不作赘述。在形成支撑结构300和发热电极400之后，采用刻蚀工艺在支撑结构300的表面形成释放凹槽(图7中未示出)，释放凹槽暴露出位于支撑结构300下方的牺牲层200，接着，采用干法或者湿法刻蚀沿着释放凹槽对牺牲层200进行刻蚀，去除牺牲层200形成空腔，从而获得实施例一中如图1所示的红外光源。

由于牺牲层200的材质与支撑结构300的材质不同，因此对牺牲层200进行刻蚀时不会对支撑结构300造成损伤，能够确保支撑结构300架空，支撑起发热电极400。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，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。

本发明的第四实施方式涉及一种红外光源的制备方法。第四实施方式在第三实施方式的基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第四实施方式中，在反射层和牺牲层的表面形成支撑结构之前，包含以下步骤：刻蚀牺牲层，形成多个支撑柱槽，支撑柱槽的位于后续形成的发热电极的正下方；在形成支撑结构的同时，填充满支撑柱槽，形成支撑柱。支撑柱能够起到支撑作用，避免塌陷造成的损伤。

具体地，请参考图8和图9，在衬底110上形成隔离热绝缘层120及牺牲层200的形成方式均与第三实施方式相同，在此不作赘述；

请结合图10和图14，图10是沿图14中A-A’向的剖面示意图，刻蚀牺牲层200，形成多个支撑柱槽210，支撑柱槽210的位置于后续形成的发热电极的位置相同，即支撑柱槽210的位于后续形成的发热电极的正下方；

接着请参考图11，在形成支撑结构300的同时，填充满支撑柱槽210，形成支撑柱310；

接着请结合参考图12和图15，图12是沿图15中B-B’向的剖面示意图，在支撑结构300上形成发热电极400和铝焊盘500，其具体工艺步骤均与第三实施方式相同，在此不作赘述；

接着，请结合参考图13和图16，图13是沿图16中C-C’向的剖面示意图，在支撑结构400上形成释放释放凹槽410，释放释放凹槽410暴露出牺牲层200；在本实施例的其他实施例中，也可以形成多个小孔等，只需暴露出牺牲层200即可；之后，沿着释放凹槽410内对牺牲层200进行刻蚀，去除牺牲层200，形成空腔，从而获得第二实施方式中如图2所示的红外光源。

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。

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 (14)

1.一种红外光源，其特征在于，包含：衬底、反射层、支撑结构与发热电极；

所述反射层覆盖在所述衬底之上；所述支撑结构形成在所述反射层上；

其中，所述支撑结构与所述反射层之间形成有一空腔，所述发热电极固定在所述空腔上方的支撑结构表面。

2.根据权利要求1所述的红外光源，其特征在于，所述空腔的深度范围是4微米～8微米。

3.根据权利要求1所述的红外光源，其特征在于，所述支撑结构包括多个支撑柱，所述支撑柱位于所述发热电极的正下方。

4.根据权利要求3所述的红外光源，其特征在于，所述支撑柱的高度为2微米～4微米。

5.根据权利要求1所述的红外光源，其特征在于，还包含隔离热绝缘层；

所述隔离热绝缘层形成在所述衬底与所述反射层之间。

6.根据权利要求5所述的红外光源，其特征在于，所述隔离热绝缘层采用二氧化硅。

7.根据权利要求1所述的红外光源，其特征在于，所述支撑结构材质为氮化硅。

8.根据权利要求1所述的红外光源，其特征在于，所述反射层采用铝Al、金Au或者银Ag。

9.根据权利要求1所述的红外光源，其特征在于，所述发热电极采用氮化钛TiN、铂金Pt、NiCr合金、多晶硅或WSi化合物。

10.一种红外光源的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

提供衬底；

在所述衬底上依次形成反射层和牺牲层；

刻蚀去除部分牺牲层，形成图形化牺牲层结构；

在所述反射层和牺牲层的表面形成支撑结构；

在所述支撑结构上溅射发热电极，并图形化；

在所述支撑结构上刻蚀形成释放凹槽，所述释放凹槽暴露出所述牺牲层；

通过所述释放凹槽进行刻蚀，去除所述牺牲层。

11.根据权利要求10所述的红外光源的制备方法，其特征在于，所述牺牲层的材质为二氧化硅、α-碳或多晶硅。

12.根据权利要求10所述的红外光源的制备方法，其特征在于，在所述提供衬底的步骤之后，在所述衬底上覆盖反射层的步骤中，包含以下子步骤：

在所述衬底上淀积隔离热绝缘层；

在所述隔离热绝缘层上溅射反射层。

13.根据权利要求10所述的红外光源的制备方法，其特征在于，在所述反射层和牺牲层的表面形成支撑结构之前，包含以下步骤：

刻蚀所述牺牲层，形成多个支撑柱槽，所述支撑柱槽位于后续形成的发热电极的正下方；

在形成所述支撑结构的同时，填充满所述支撑柱槽，形成支撑柱。

14.根据权利要求10所述的红外光源的制备方法，其特征在于，采用干法或者湿法刻蚀沿着所述释放凹槽去除所述牺牲层。