CN109231154A - 一种硅-玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种硅‑玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片及制备方法，硅‑玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片包括通过阳极键合的发光薄膜和玻璃晶片；发光薄膜包括依次设置的多晶硅层、隔离氧化硅层、硅器件层和黑硅层；玻璃晶片上设置有凹槽；多晶硅层中部为电加热多晶硅层，多晶硅层的外缘为高阻多晶硅层，电加热多晶硅层覆盖在玻璃晶片的凹槽上方形成密闭空腔；电加热多晶硅层背离玻璃晶片的一侧设置有金属电极，金属电极背离电加热多晶硅层的一侧与电源连接，所述电加热多晶硅层层通过金属电极与外部相连；玻璃晶片的凹槽底部或玻璃晶片的基底上沉积有金属红外反射层。该芯片具有耐高温、抗氧化、可靠性高、寿命长、光电效率高、可调制的优点。
Description
技术领域
本发明涉及红外技术，尤其涉及一种硅-玻璃密封的黑硅表面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、安全监控、夜视成像、物质结构和成份分析、红外识别等领域。红外光源是红外光谱仪器中最重要的元件之一，目前可供选择的中远红外光源主要有三种：量子级联红外激光器、红外发光二极管、热辐射红外光源。量子级联激光器的制备工艺复杂且成本高，使用中需要制冷设备不利于系统的小型化应用；红外二极管在中远红外波段量子效率低导致发光功率较低，不能满足实际的使用需求。热辐射红外光源是利用物体被加热后由物体表面向外界发射宽谱的红外光，发光强度和峰值波长满足黑体辐射定律。传统的热辐射光源(如热板、钨丝、热棒等)光电转换效率较低，且红外光源不具备调制工作特性，限制了其使用范围。相较之下，使用微纳加工技术制备的微电子机械(MEMS)红外光源是利用厚度为微米量级的电加热薄膜结构实现电致加热的热辐射红外光源，与上述传统红外光源相比，具有体积小、能耗低、工艺简单、制备成本低以及可调制的特性，通过硅基MEMS工艺制备技术，可实现光源芯片的批量化大规模制备。
目前，基于MEMS技术的红外光源多使用金属铂、多晶硅、类金刚石或金属氧化物作为电加热的发光层。由于红外光源在工作时处于高温状态，在暴露在空气中工作会导致光源材料电学性能的变化。例如，在空气中发光薄膜容易氧化导致电阻增大；金属氧化物薄膜易吸收气体导致电阻改变；贵金属薄膜会参与催化反应将空气中的水分子分解等。这些问题会导致光源寿命的降低并影响仪器的测试精度。此外，红外光源表面红外发射率是光源性能的一个重要指标，但目前工程化应用的红外光源表面发射率基本都是灰体辐射(辐射率小于1)，如何制备出耐高温和抗氧化的黑体辐射表面(辐射率接近于1)，同时与MEMS工艺兼容的材料成为改善MEMS红外光源的当务之急。
发明内容
本发明的目的在于，针对目前MEMS技术的红外光源在工作时光源材料电学性能易发生变化，导致光源寿命降低并影响仪器测试精度的问题，提出一种硅-玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片，该芯片具有耐高温、抗氧化、可靠性高、寿命长、光电效率高、可调制的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种硅-玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片，包括通过阳极键合的发光薄膜和玻璃晶片；所述发光薄膜包括依次设置的多晶硅层、隔离氧化硅层、硅器件层和黑硅层；所述玻璃晶片上设置有凹槽；所述多晶硅层中部为电加热多晶硅层，所述多晶硅层的外缘为高阻多晶硅层，所述电加热多晶硅层覆盖在玻璃晶片的凹槽上方形成密闭空腔(即所述电加热多晶硅层的外轮廓超出凹槽槽口)；所述电加热多晶硅层背离玻璃晶片的一侧设置有金属电极，所述金属电极背离电加热多晶硅层的一侧与电源连接，所述电加热多晶硅层层通过金属电极与外部相连；所述玻璃晶片的凹槽底部或玻璃晶片的基底上沉积有金属红外反射层，金属红外反射层能将电加热多晶硅层向密闭空腔中发射的红外光反射回来以提高光源芯片的光电转换效率。
进一步地，所述高阻多晶硅层为：(通过化学气相沉积工艺在SOI晶片硅器件层的表面氧化硅层上沉积)厚度250～1000nm的多晶硅层；所述电加热多晶硅层为：(通过化学气相沉积工艺在SOI晶片硅器件层的表面氧化硅层上沉积)厚度为250～1000nm的低电阻多晶硅层，所述低电阻多晶硅层为：在多晶硅层特定区域进行离子注入或扩散工艺掺杂形成的具有低电阻特性的电加热多晶硅层。所述电加热多晶硅层与硅器件层通过高阻多晶硅层进行电隔离。
进一步地，所述密闭空腔内为真空，或充有氮气或惰性气体。
进一步地，所述硅器件层为高阻p型硅材料，厚度为1～6μm，能实现1.5～20μm波长的中远红外光90％以上的透过率。
进一步地，所述玻璃晶片为高硼硅玻璃，所述玻璃晶片与硅器件层(SOI晶片)具有相近的热膨胀系数。所述凹槽为方形凹槽，所述方形凹槽边长为0.5～4mm，深度为10μm～200μm。
进一步地，所述红外反射层为具有反射1.5～20μm波长的中远红外光能力的材料，优选的所述红外反射层所用的材料为金、银或铜。
进一步地，所述黑硅层为厚度为20～1000nm的“纳米硅草”结构。所述黑硅层是通过将硅器件层(SOI晶片)的掩埋氧化层腐蚀移除后，在暴露的硅器件层上干法刻蚀出的“纳米硅草”。纳米硅草”具有高的比表面积和高的可见-红外光吸收效应，表面结构因此呈现“黑色”，并在中远红外区域具有较高的表面红外发射率。
进一步地，所述金属电极个数为多个，优选为四个，均布在电加热多晶硅层3上。
进一步地，金属电极为长条矩形，位于密闭空腔上方发光薄膜两侧，并且金属电极长度与玻璃晶片上的方形凹槽长度一致，宽度为50～300μm，厚度为2μm，金属电极材料为金或铝。所述的金属电极是通过干法刻蚀工艺从硅器件层刻蚀电极窗口至掺杂的电加热多晶硅层，然后沉积金属而成。
本发明的另一个目的还公开了一种硅-玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：硅器件层(SOI晶片)上发光薄膜的制备
1.1清洗硅器件层(SOI晶片)，并对硅器件层进行高温氧化，获得一定厚度的氧化层(隔离氧化硅层)；
1.2在硅器件层一侧沉积特定厚度的多晶硅薄膜，并在特定光刻区域内使用扩散或离子注入的方式进行掺杂形成电加热多晶硅层；
步骤2：玻璃晶片凹槽的制备
2.1清洗高温玻璃晶片；
2.2沉积铬/金两层薄膜作为后续腐蚀工艺的掩模层；
2.3对沉积金属薄膜后的玻璃晶片进行曝光，打开玻璃空腔的腐蚀窗口；
2.4将光刻窗口的金属使用湿法腐蚀去除，后使用含有氢氟酸的溶液腐蚀出方形凹槽；
2.5在凹槽的底部或玻璃晶片的底部沉积一定厚度的红外反射层；
步骤3：键合及封装工艺
3.1将发光薄膜和玻璃晶片1清洗后进行阳极键合，电加热多晶硅层覆盖在玻璃晶片1的凹槽上方形成密闭空腔，根据键合时的氛围，空密闭腔内可以是真空或惰性气体氛围；
3.2把键合后的硅器件层(SOI晶片)硅基底上的氧化层腐蚀移除，然后利用干法刻蚀或湿法腐蚀减薄SOI硅基底层的厚度；
3.3在减薄后的硅器件层(SOI晶片)硅基底层表面制备金属电极光阻掩膜，然后使用干法刻蚀或湿法腐蚀将电极窗口打开，直到电加热多晶硅层暴露出来；
3.4在窗口内沉积金属电极；
3.5利用硅器件层(SOI晶片)的掩埋氧化层作为刻蚀停止层，使用干法刻蚀工艺将硅器件层(SOI晶片)硅基底层移除；然后制备光阻掩膜将金属电极保护起来，并用湿法腐蚀移除硅器件层(SOI晶片)上的掩埋氧化层，将硅器件层(SOI晶片)的硅器件层暴露出来；
3.6使用干法刻蚀的工艺，将硅器件层刻蚀成“纳米硅草”结构，既制备出表面黑硅层
进一步地，发光薄膜厚度是通过腐蚀硅器件层(SOI晶片)基底硅层来控制的。通过湿法化学腐蚀，并利用掩埋氧化层作为腐蚀停止层，能精确控制发光薄膜厚度为3～6μm之间。
本发明硅-玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片及其制备方法，与现有技术相比较具有以下优点：
1)本发明发光薄膜的电加热多晶硅层面向密闭空腔内部被密封保护，防止空气对其高温氧化。本发明密闭空腔内可以提供真空、氮气或惰性气体氛围保护红外光源的电加热多晶硅层，避免其高温氧化。
2)本发发明所述凹槽底部或玻璃晶片的基底上沉积金属红外反射层，能将电加热多晶硅层向密闭空腔中发射的红外光反射回来以提高光源芯片的光电转换效率。
3)本发明利用干法刻蚀技术在发光薄膜的硅器件层表面制备“纳米硅草”的黑硅结构，以提高光源芯片的表面红外发射率。
附图说明
图1为本发明硅-玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片的俯视图；
图2为本发明硅-玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片的剖视图；
图3为玻璃空腔的俯视图。
其中图中标记数字代表意义为：1.玻璃晶片；2.密闭空腔；3.电加热多晶硅层；4.高阻多晶硅层；5.隔离氧化硅层；6.硅器件层；7.金属电极；8.金属红外反射层；9.黑硅层。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进一步说明：
实施例1
本实施例公开了一种硅-玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片，其结构如图1至3所示：包括通过阳极键合的发光薄膜和玻璃晶片1；所述发光薄膜包括依次设置的多晶硅层、隔离氧化硅层5、硅器件层6和黑硅层9；所述玻璃晶片1上设置有凹槽；所述多晶硅层中部为电加热多晶硅层3，所述多晶硅层的外缘为高阻多晶硅层4，所述电加热多晶硅层覆盖在玻璃晶片1的凹槽上方形成密闭空腔2(即所述电加热多晶硅层3的外轮廓超出凹槽槽口)；所述电加热多晶硅层3背离玻璃晶片1的一侧设置有金属电极7，所述金属电极7背离电加热多晶硅层3的一侧与电源连接，所述电加热多晶硅层3层通过金属电极7与外部相连；所述玻璃晶片1的凹槽底部或玻璃晶片1的基底上沉积有金属红外反射层8，金属红外反射层8能将电加热多晶硅层3向密闭空腔中发射的红外光反射回来以提高光源芯片的光电转换效率。
所述高阻多晶硅层4为：(通过化学气相沉积工艺在SOI晶片硅器件层的表面氧化硅层上沉积)厚度250～1000nm的多晶硅层；所述电加热多晶硅层3为：(通过化学气相沉积工艺在SOI晶片硅器件层的表面氧化硅层上沉积)厚度为250～1000nm的低电阻多晶硅层，所述低电阻多晶硅层为：在多晶硅层特定区域进行离子注入或扩散工艺掺杂形成的具有低电阻特性的电加热多晶硅层。所述电加热多晶硅层3与硅器件层通过高阻多晶硅层4进行电隔离。
所述密闭空腔2内为真空，或充有氮气或惰性气体。
所述硅器件层6为高阻p型硅材料，厚度为1～6μm，能实现1.5～20μm波长的中远红外光90％以上的透过率。
所述玻璃晶片1为高硼硅玻璃，所述玻璃晶片1与硅器件层(SOI晶片)具有相近的热膨胀系数。所述凹槽为方形凹槽，所述方形凹槽边长为0.5～4mm，深度为10μm～200μm。
所述红外反射层为具有反射1.5～20μm波长的中远红外光能力的材料，优选的所述红外反射层所用的材料为金、银或铜。
所述黑硅层为厚度为20～1000nm的“纳米硅草”结构。所述黑硅层是通过将硅器件层(SOI晶片)的掩埋氧化层腐蚀移除后，在暴露的硅器件层上干法刻蚀出的“纳米硅草”。
所述金属电极个数为多个，优选为四个，均布在电加热多晶硅层3上。
金属电极为长条矩形，位于密闭空腔上方发光薄膜两侧，并且金属电极长度与玻璃晶片上的方形凹槽长度一致，宽度为50～300μm，厚度为2μm，金属电极材料为金或铝。所述的金属电极是通过干法刻蚀工艺从硅器件层刻蚀电极窗口至掺杂的电加热多晶硅层，然后沉积金属而成。
本实施例硅-玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片及制备方法包括三个部分。它们分别为：键合前SOI晶片上发光薄膜的制造流程，键合前玻璃晶片上方形凹槽的制造流程，以及键合后的制造流程。具体步骤如下：
第一部分：发光薄膜的制备
a.清洗SOI晶片，并对晶片进行高温氧化，获得一定厚度的隔离氧化硅层5；
b.沉积特定厚度的高阻多晶硅层4，并在特定光刻区域内使用扩散或离子注入的方式进行掺杂形成电加热多晶硅层3；
第二部分：玻璃空腔制备
a.清洗玻璃晶片1，沉积铬/金两层薄膜作为后续腐蚀工艺的掩模层；
b.对沉积金属薄膜后的玻璃晶片进行曝光，打开玻璃空腔的腐蚀窗口；
c.将光刻窗口的金属使用湿法腐蚀去除，后使用含有氢氟酸的溶液腐蚀出密闭空腔2；
d.在密闭空腔2的底部沉积一定厚度的金属红外反射层8，或在玻璃晶片1的底部沉积一定厚度的金属红外反射层8；
第三部分：键合及封装工艺
a.将硅片和玻璃片清洗后进行阳极键合，电加热多晶硅层面向玻璃空腔一侧。根据键合时的氛围，密闭空腔2内可以是真空或惰性气体氛围；
b.把键合后的SOI晶片硅基底上的氧化层腐蚀移除，然后利用干法刻蚀或湿法腐蚀减薄SOI硅基底层的厚度；
c.在减薄后的SOI硅基底层表面制备金属电极光阻掩膜，然后使用干法刻蚀或湿法腐蚀将电极窗口打开，直到电加热多晶硅层3暴露出来；
d.在窗口内沉积金属电极7；
e.利用SOI的掩埋氧化层作为刻蚀停止层，使用干法刻蚀工艺将SOI硅基底层移除。然后制备光阻掩膜将金属电极保护起来，并用湿法腐蚀移除SOI晶片上的掩埋氧化层，将SOI晶片的硅器件层暴露出来；
f.使用干法刻蚀的工艺，将硅器件层6刻蚀成“纳米硅草”，既制备出所谓的表面黑硅层9。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种硅-玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片，其特征在于，包括通过阳极键合的发光薄膜和玻璃晶片；所述发光薄膜包括依次设置的多晶硅层、隔离氧化硅层、硅器件层和黑硅层；所述玻璃晶片上设置有凹槽；所述多晶硅层中部为电加热多晶硅层，所述多晶硅层的外缘为高阻多晶硅层，所述电加热多晶硅层覆盖在玻璃晶片的凹槽上方形成密闭空腔；所述电加热多晶硅层背离玻璃晶片的一侧设置有金属电极，所述金属电极背离电加热多晶硅层的一侧与电源连接，所述电加热多晶硅层层通过金属电极与外部相连；所述玻璃晶片的凹槽底部或玻璃晶片的基底上沉积有金属红外反射层。
2.根据权利要求1所述硅-玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片，其特征在于，所述高阻多晶硅层为：厚度250～1000nm的多晶硅层；所述电加热多晶硅层为：厚度为250～1000nm的低电阻多晶硅层。
3.根据权利要求1所述硅-玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片，其特征在于，所述密闭空腔内为真空，或充有氮气或惰性气体。
4.根据权利要求1所述硅-玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片，其特征在于，所述硅器件层为高阻p型硅材料，厚度为1～6μm，能实现1.5～20μm波长的中远红外光90％以上的透过率。
5.根据权利要求1所述硅-玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片，其特征在于，所述玻璃晶片1为高硼硅玻璃，所述玻璃晶片与硅器件层具有相近的热膨胀系数。
6.根据权利要求1所述硅-玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片，其特征在于，所述红外反射层为具有反射1.5～20μm波长的中远红外光能力的材料。
7.根据权利要求1所述硅-玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片，其特征在于，所述黑硅层为厚度为20～1000nm的“纳米硅草”结构。
8.根据权利要求1所述硅-玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片，其特征在于，所述金属电极为长条矩形，位于密闭空腔上方发光薄膜两侧，并且金属电极长度与玻璃晶片上的方形凹槽长度一致，宽度为50～300μm，厚度为2μm，金属电极材料为金或铝。
9.一种权利要求1-8任意一项所述硅-玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：硅器件层上发光薄膜的制备
1.1清洗硅器件层，并对硅器件层进行高温氧化，获得一定厚度的氧化层；
1.2在硅器件层一侧沉积特定厚度的多晶硅薄膜，并在特定光刻区域内使用扩散或离子注入的方式进行掺杂形成电加热多晶硅层；
步骤2：玻璃晶片凹槽的制备
2.1清洗高温玻璃晶片；
2.2沉积铬/金两层薄膜作为后续腐蚀工艺的掩模层；
2.3对沉积金属薄膜后的玻璃晶片进行曝光，打开玻璃空腔的腐蚀窗口；
2.4将光刻窗口的金属使用湿法腐蚀去除，后使用含有氢氟酸的溶液腐蚀出方形凹槽；
2.5在凹槽的底部或玻璃晶片的底部沉积一定厚度的红外反射层；
步骤3：键合及封装工艺
3.1将发光薄膜和玻璃晶片清洗后进行阳极键合，电加热多晶硅层覆盖在玻璃晶片1的凹槽上方形成密闭空腔，根据键合时的氛围，空密闭腔内可以是真空或惰性气体氛围；
3.2把键合后的硅器件层硅基底上的氧化层腐蚀移除，然后利用干法刻蚀或湿法腐蚀减薄硅器件层的硅基底层的厚度；
3.3在减薄后的硅器件层硅基底层表面制备金属电极光阻掩膜，然后使用干法刻蚀或湿法腐蚀将电极窗口打开，直到电加热多晶硅层暴露出来；
3.4在窗口内沉积金属电极；
3.5利用硅器件层的埋氧化层作为刻蚀停止层，使用干法刻蚀工艺将硅器件层硅基底层移除；然后制备光阻掩膜将金属电极保护起来，并用湿法腐蚀移除硅器件层上的掩埋氧化层，将硅器件层的硅器件层暴露出来；
3.6使用干法刻蚀的工艺，将硅器件层刻蚀成“纳米硅草”结构，既制备出表面黑硅层。
10.根据权利要求9所述硅-玻璃密封的黑硅表面红外光源芯片的制备方法，其特征在于，发光薄膜厚度是通过腐蚀硅器件层基底硅层来控制，通过湿法化学腐蚀，并利用掩埋氧化层作为腐蚀停止层，能精确控制发光薄膜厚度为3～6μm之间。
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