CN106185784B - 基于湿法预释放结构的mems红外光源及其制备方法 - Google Patents

基于湿法预释放结构的mems红外光源及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于湿法预释放结构的MEMS红外光源及其制备方法。所述基于湿法预释放结构的MEMS红外光源包括嵌入式空腔的承载衬底及所述承载衬底上的红外光源结构；所述红外光源结构设有支撑层、隔离层、图形化金属电极以及辐射层；所述图形化金属电极沉积在隔离层上面，所述辐射层制备在图形化金属电极上表面，所述辐射层、图形化金属电极、隔离层、支撑层均沉积在具有所述嵌入式空腔的衬底上。本发明能够提高光源的辐射效率，操作简单，功耗和成本较低，稳定性高，且与CMOS工艺兼容。

Description

基于湿法预释放结构的MEMS红外光源及其制备方法
技术领域
本发明涉及红外光源技术领域，尤其涉及一种基于湿法预释放结构的MEMS红外光源及其制备方法。
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；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，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，MEMS红外光源具有体积小、能耗低、可调制、成本低以及适于大规模生产制造的优点。
但是，随着体积的减小，红外光源产生的热量无法在短时间内散去，这对红外光源的性能产生了十分不利的影响；并且MEMS红外光源由于工作温度高，需要重点考虑其辐射效率的因素。针对传导散热存在的问题，利用硅基释放空腔的红外光源研究应运而生。与传导硅基散热相比，空腔散热通过空气介质完成，因而具有传导散热少、瞬时响应的优点。
中国专利CN103500788A公开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，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。此专利采用工艺后期的正面干法XeF2刻蚀形成释放空腔，在制造过程中容易对结构造成损伤，并且工艺操作较为复杂。
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、调制频率高等特点。该MEMS红外光源最后经过体硅刻蚀形成空腔结构，在刻蚀完成后容易出现释放不完全，一部分硅基仍然与结构相连，导致很大一部分热能量自衬底流失，大大减小了热辐射效率。
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、结构稳定的特点。该MEMS红外光源最后经过体硅刻蚀形成空腔结构。在刻蚀完成后容易出现释放不完全，一部分硅基仍然与结构相连，导致很大一部分热能量自衬底流失，大大减小了热辐射效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于湿法预释放结构的MEMS红外光源及其制备方法，能够提高光源的辐射效率，操作简单，功耗和成本较低，稳定性高，且与CMOS工艺兼容。
本发明提供一种基于湿法预释放结构的MEMS红外光源，所述基于湿法预释放结构的MEMS红外光源包括嵌入式空腔的承载衬底及所述承载衬底上的红外光源结构；所述红外光源结构设有支撑层、隔离层、图形化金属电极以及辐射层；所述图形化金属电极沉积在隔离层上面，所述辐射层制备在图形化金属电极上表面，所述辐射层、图形化金属电极、隔离层、支撑层均沉积在具有所述嵌入式空腔的衬底上。
可选的，所述支撑层为氧化硅支撑层、氮化硅支撑层或者氧化硅与氮化硅多层复合薄膜中的一种；所述承载衬底为单抛111硅片。
可选的，所述隔离层为氧化硅隔离层或者氮化硅隔离层。
可选的，所述金属电极为复合金属层电极，电极底层采用薄的钛或铬金属作为粘附层，粘附层上沉积有金、铂或铝。
可选的，所述辐射层采用为氮化钛、金黑、银黑、铂黑或者纳米硅材料中的任意一种。
本发明提供一种基于湿法预释放结构的MEMS红外光源的制备方法，包括：
提供洁净的单抛111单晶硅片衬底，在所述单晶硅衬底生长形成支撑薄膜层和钝化保护层作为后续刻蚀的掩膜层；
在生长的薄膜层上，利用MEMS工艺图形化圆形干法释放阵列口；
利用深反应离子刻蚀刻蚀一层浅的单晶硅，形成释放孔；
依次沉积一层低应力薄膜以及一层钝化层作为后续二次干刻的掩膜层；
利用RIE二次干刻，刻蚀释放孔底部的钝化保护层，并继续刻蚀深的的单晶硅，形成高深宽比的一系列释放孔；
湿法各向异性腐蚀释放孔，形成嵌入式空腔；
在上述结构上使用化学气相沉积LPCVD沉积低应力隔离层薄膜将硅片上系列释放窗口缝合，然后快速退火减少内应力；
溅射金属电极，并图形化形成金属加热层；
电极表面通过沉积工艺覆盖一层黑金属或者纳米硅材料，并且通过离子轰击进行糙化处理，红外光源结构最终完成。
可选的，所述隔离层为氧化硅隔离层或者氮化硅隔离层。
可选的，所述金属电极为复合金属层电极，电极底层采用薄的钛或铬金属作为粘附层，粘附层上沉积有金、铂或铝。
可选的，所述辐射层采用为氮化钛、金黑、银黑、铂黑或者纳米硅材料中的任意一种。
本发明提供的基于湿法预释放结构的MEMS红外光源及其制备方法，具有如下优点：
采用创新的工艺方法制备释放空腔，利用了(111)硅片晶向分布和各向异性湿法腐蚀的特性，从而在单晶硅片表面制作一系列微型释放窗口，实现在单晶硅片内部选择性可自停止腐蚀技术，制作出嵌入式内部空腔的方法。相比于在其它MEMS红外光源制备中，最后使用深硅反应离子刻蚀硅基的工艺，解决了硅基释放不完全导致的热传导太大，辐射效率低的问题；避免了刻蚀对辐射层以及金属电极的影响；增加了器件的结构稳定性；保持了器件的完整性；避免由于器件尺寸过大，无法形成悬浮结构的后果；操作简便，对后续的实验步骤没有影响。
此外，相比于最后背腔湿法腐蚀释放或者正面释放口XeF2干法释放，增加了结构的稳定性和释放空腔的尺寸可控性，同时也避免背腔湿法腐蚀释放或者正面释放口XeF2干法释放刻蚀对表面辐射层以及金属电极带来的影响，没有刻蚀污染；操作相对简单，对环境容忍度较高，成本低，与CMOS工艺兼容。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为衬底表层长有氧化硅、氮化硅、TEOS作为后续光刻掩膜的剖视图；
图2为在双模支撑层及TEOS光刻出圆形干法释放阵列口的剖视图；
图3为继续刻蚀出一定深度单晶硅，形成释放孔的剖视图；
图4为在正面再依次沉积氮化硅和TEOS的剖视图；
图5为二次干刻释放孔底部的钝化保护层，并继续刻蚀一定深度的单晶硅的剖视图；
图6为对硅片进行湿法各向异性刻蚀，形成嵌入式空腔结构的剖视图；
图7为沉积隔离层将释放窗口缝合，并且溅射金属电极层的剖视图；
图8为图形化金属电极的剖视图；
图9为沉积辐射层，最终形成MEMS红外光源器件的剖视图；
图10为在图1所示的结构的辐射区域部分光刻圆形干法释放阵列口的俯视图。
图中：
1：承载衬底；2：氧化硅支撑层；3：氮化硅支撑层；
4：TEOS保护层；5：氮化硅保护层；6：TEOS钝化层；
7：隔离层；8：金属电极；9：辐射层；
101：释放阵列口；102：第一释放孔；103：第二释放孔；
104：空腔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种基于湿法预释放结构的MEMS红外光源，如图9所示，所述基于湿法预释放结构的MEMS红外光源从底部到顶部依次包括：承载衬底1、氧化硅支撑层2、氮化硅支撑层3、隔离层7、金属电极8和辐射层9；所述承载衬底1具有空腔104。
其中，所述辐射层9沉积在图形化金属电极8之上，所述图形化金属电极8在隔离层7之上，所述隔离层7在氧化硅支撑层2和氮化硅支撑层3之上，所述图形化金属电极8和辐射层9均固定在氧化硅支撑层2和氮化硅支撑层3上方。
所述承载衬底1选择单抛(111)硅片，利用硅片晶向分布和各向异性湿法腐蚀的特性，在单晶硅片表面制作一系列微型释放窗口，实现在单晶硅片内部选择性可自停止腐蚀技术，制作出内部空腔。
所述氧化硅支撑层2和氮化硅支撑层3选择氧化硅和氮化硅的多层复合膜结构，可以减小热应力，提高结构的强度。
所述隔离层7选择氧化硅隔离层或者氮化硅隔离层，该隔离层可以将微型释放窗口缝合，并且起到电隔离、热绝缘作用。
所述金属电极8是具有图形结构的电阻丝，电阻丝之间留有空隙，这样可以减少热传导通路，降低热质量，提高红外光源的动态性能，电极材料可采用复合金属层电极，电极底层可采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。
所述辐射层9覆盖在所述金属电极8上，可以提高图形化电极的红外发射率，进而提高红外光源的性能，材料可以为以下任意一种：氮化钛、金黑、银黑、铂黑或者纳米硅材料。
其中，所述金属电极总厚度为0.8μm～1.2μm，或者复合金属层电极中粘附层的厚度为200nm～400nm，电极层的厚度为600nm～800nm。
所述支撑层总厚度为0.6μm～1μm，所述隔离层厚度为600nm～800nm。
所述单晶硅衬底的厚度为500μm。
本发明实施例提供一种基于湿法预释放结构的MEMS红外光源的制备方法，所述方法包括如下步骤：
如图1所示，选择单抛(111)单晶硅片作为用来承载MEMS结构的承载衬底1，并且在所述承载衬底1上依次热氧一层100nm～1000nm的氧化硅支撑层2，采用LPCVD(LowPressure Chemical Vapor Deposition，低压力化学气相沉积法)沉积一层100nm～1000nm的低应力氮化硅支撑层3和100nm～1500nm的TEOS(正硅酸乙酯)保护层4作为后续的钝化保护层；
如图2所示，使用steep(浸液式)光刻和刻蚀的方法在图1所示的结构的辐射区域部分光刻圆形干法释放阵列口101，具体图形可参照图10；
如图3所示，在上述结构上利用深反应离子刻蚀(DRIE)继续刻蚀一层浅的单晶硅，形成第一释放孔102；
如图4所示，在图3所示的结构上再依次沉积一层100nm～1000nm的低应力氮化硅保护层5和一层100nm～2000nm的TEOS钝化层6作为后续二次干刻的掩膜层；
如图5所示，在图4所示的结构上利用RIE(Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀)刻蚀第一释放孔102底部的钝化保护层；然后继续利用DRIE(Deep Reactive Ion Etching，深反应离子刻蚀)刻蚀一定深度的单晶硅，形成第二释放孔103。至此，释放孔侧壁作为结构层厚度的上半部分有钝化层覆盖，而作为腔体的下半部分是裸露的单晶硅；
如图6所示，在图5所示的结构上对硅片进行湿法各向异性刻蚀，没有钝化层保护的侧壁下半部分被腐蚀，从而形成空腔104；
如图7所示，在图6所示的结构上使用LPCVD沉积低应力隔离层7将硅片上系列释放窗口缝合，随后进行退火处理消除释放孔内部的内应力；然后分别溅射一层Ti、Pt或Au、Al等常规金属作为红外光源结构的金属电极层；
如图8所示，在图7所示的结构上图形化金属电极8，电极之间留有空隙，这样可以减少热传导通路，降低热质量，提高红外光源的动态性能；
如图9所示，在图8所示的图形化金属电极8之上通过光刻胶碳化或绿色打印方式覆盖一层碳黑、黑金属等纳米高腐蚀率涂层材料，形成辐射层9，可以提高图形化电极的红外发射率，从而提高光源的辐射效率。
至此，基于湿法预释放结构的MEMS红外光源制备完成。
本发明实施例提供的基于湿法预释放结构的MEMS红外光源及其制备方法，具有如下优点：
采用创新的工艺方法制备释放空腔，利用了(111)硅片晶向分布和各向异性湿法腐蚀的特性，从而在单晶硅片表面制作一系列微型释放窗口，实现在单晶硅片内部选择性可自停止腐蚀技术，制作出嵌入式内部空腔的方法。相比于在其它MEMS红外光源制备中，最后使用深硅反应离子刻蚀硅基的工艺，解决了硅基释放不完全导致的热传导太大，辐射效率低的问题；避免了刻蚀对辐射层以及金属电极的影响；增加了器件的结构稳定性；保持了器件的完整性；避免由于器件尺寸过大，无法形成悬浮结构的后果；操作简便，对后续的实验步骤没有影响。
此外，相比于最后背腔湿法腐蚀释放或者正面释放口XeF2干法释放，增加了结构的稳定性和释放空腔的尺寸可控性，同时也避免背腔湿法腐蚀释放或者正面释放口XeF2干法释放刻蚀对表面辐射层以及金属电极带来的影响，没有刻蚀污染；操作相对简单，对环境容忍度较高，成本低，与CMOS工艺兼容。
同时，缝合微型释放窗口并进行后续沉积光刻形成红外光源结构，制作工艺简单，具有单硅片单面加工的优势又便于与IC工艺兼容。所提出的结构和创新的工艺方法可以大幅减少热传导通路，降低热质量，提高红外光源的性能，并且避免后续释放对结构的损坏，提高了结构稳定性。同时，避免了传统工艺后期进行体硅刻蚀释放、强碱背面掏空释放所带来的释放不完全以及刻蚀对正面包括高辐射率结构的损伤，减小了工艺难度，简化了工艺步骤，为后续集成纳米辐射结构奠定基础。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于湿法预释放结构的MEMS红外光源的制备方法，其特征在于，包括：
提供洁净的单抛(111)单晶硅衬底，在所述单晶硅衬底生长形成支撑薄膜层和钝化保护层作为后续刻蚀的掩膜层；
在生长的薄膜层上，利用MEMS工艺图形化圆形干法释放阵列口；
利用深反应离子刻蚀刻蚀一层浅的单晶硅，形成释放孔；
依次沉积一层低应力薄膜以及一层钝化层作为后续二次干刻的掩膜层；
利用RIE二次干刻，刻蚀释放孔底部的钝化层，并继续刻蚀深的单晶硅，形成高深宽比的一系列释放孔；
湿法各向异性腐蚀释放孔，形成嵌入式空腔；
在上述结构上使用化学气相沉积(LPCVD)沉积低应力隔离层薄膜将硅片上一系列释放窗口缝合，然后快速退火减少内应力；
溅射金属电极，并图形化形成金属加热层；
电极表面通过沉积工艺覆盖一层黑金属或者纳米硅材料，并且通过离子轰击进行糙化处理，红外光源结构最终完成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述隔离层为氧化硅隔离层或者氮化硅隔离层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属电极为复合金属层电极，电极底层采用薄的钛或铬金属作为粘附层，粘附层上沉积有金、铂或铝。
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Patentee before: AoXin integrated circuit technology (Guangdong) Co.,Ltd.

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