CN110143567A - 一种悬空的黑介质薄膜及其制备方法以及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种悬空的黑介质薄膜及其制备方法以及应用，包括：S1：提供一种半导体单晶衬底，在该衬底表面制备出薄膜掩膜，并刻蚀出窗口阵列，露出窗口阵列内的半导体单晶衬底表面；S2：采用湿法技术腐蚀该半导体单晶衬底表面，形成微纳金字塔结构；S3：移除薄膜掩膜，继而在半导体单晶衬底的表面制备出薄膜，在微纳金字塔结构表面制备出黑介质薄膜；S4：对薄膜进行图形化和薄膜刻蚀形成释放区域；以及S5：采用干法刻蚀技术或湿法腐蚀技术释放所述黑介质薄膜和支撑膜结构，即得。本发明采用微加工技术，以微纳金字塔结构为模，批量制备出悬空的黑介质薄膜，该薄膜在未来可广泛应用于增强光吸收辐射和减少热量损耗的光探测和光源等领域。

Description

一种悬空的黑介质薄膜及其制备方法以及应用

技术领域

本发明涉及MEMS传感器薄膜制造领域，更具体地涉及一种悬空的黑介质薄膜及其制备方法以及应用。

背景技术

MEMS传感器领域中，关于热传递和光吸收问题是两个重要问题。在气体传感器领域中，基于有机或无机气体敏感材料涂覆的MEMS传感器是当今主流器件，但是这些材料需要至少260摄氏度的温度才会有强的响应，除了发展气体敏感材料外，如何降低热传导、提高热稳定性和降低功耗是该类器件的研究重点。在红外吸收领域，如红外传感器等，由于二维的平面材料对光的吸收效率并不是很强，如何增强光吸收率，提高输出响应成为研究重点，一方面可以发展吸光效率更高的新型材料和复合结构，另一方可以改进材料的结构，制备出一些三维结构或涂覆光吸收率高的材料。

黑硅材料自问世以来就以其在全太阳光谱范围内接近于黑体的吸收效果而受到广泛关注，同时扩张了体硅的吸收光谱。黑硅通过对光的多次反射损耗，可以大大增强光的吸收效率，提高器件的输出响应。黑硅的制造方法包括湿法腐蚀单晶硅形成微纳金字塔黑硅的方法、等离子刻蚀多晶硅和激光烧蚀多晶形成多晶纳米森林黑硅的方法。在红外探测传感器领域，科学家们在红外吸收区域利用等离子刻蚀或激光烧蚀多晶的方法在吸收区制备出多晶硅纳米森林黑体或者涂覆黑材料，提高了探测器的探测率，但是这些制备方法不具备圆片级批量生产的特性、器件与器件的性能差异大、刻蚀制备可控性差以及涂覆工艺与CMOS工艺不兼容等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种悬空的黑介质薄膜及其制备方法以及应用，从而解决现有技术中当前MEMS传感器中二维薄膜热损耗大以及红外吸率低，以及现有制备方法不与CMOS工艺相兼容，不能批量制备的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

根据本发明的第一方面，提供一种悬空的黑介质薄膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：S1：提供一种半导体单晶衬底，在所述半导体单晶衬底的表面制备出薄膜掩膜，并在所述薄膜掩膜表面刻蚀出窗口阵列，露出所述窗口阵列内的半导体单晶衬底表面；S2：采用湿法技术腐蚀所述窗口阵列内露出的半导体单晶衬底表面，并在该表面形成微纳金字塔结构；S3：移除步骤S1中形成的所述薄膜掩膜，继而在所述半导体单晶衬底的表面制备出薄膜，在步骤S2中形成的所述微纳金字塔结构表面制备出黑介质薄膜；S4：对步骤S3中在所述半导体单晶衬底的表面形成的薄膜进行图形化和薄膜刻蚀形成释放区域；以及S5：采用干法刻蚀技术或湿法腐蚀技术释放所述黑介质薄膜和支撑膜结构，获得一种悬空的黑介质薄膜。

在所述步骤S1中：半导体单晶衬底包括单晶硅衬底、SOI衬底以及锗衬底中的任意一种；所述薄膜掩膜包括高温热氧化形成的氧化硅或者化学气相沉积形成的氧化硅或氮化硅；所述窗口阵列采用等离子刻蚀方法刻蚀；所述窗口阵列的形状包括正方形、矩形或圆形中的任意一种或者组合。

根据本发明的制备方法的一种实施方式，步骤S1包括：将标准清洗后的硅片放入高温氧化炉中，在硅片表面高温热氧化生长一层氧化硅层，用于后期的干法刻蚀掩膜层和湿法腐蚀过程中的阻挡层。

所述步骤S2中采用的湿法技术选自以下方法中的任意一种：a、采用氢氧化钾、异丙醇和去离子水的混合溶液在80～85℃下进行的硅腐蚀技术；b、采用氢氧化钠、亚硫酸钠、异丙醇和去离子水的混合溶液在75～80℃下进行的硅腐蚀技术；以及c、采用TMAH溶液进行的硅腐蚀技术。

所述步骤S2中得到的微纳金字塔结构具有0.5um～1.5um的台阶高度，金字塔由(111)晶面组成，所述(111)晶面与所述半导体单晶衬底表面之间的夹角为54.7度。相对于平面材料，具有该特定角度的材料才能更好地吸收光或存储热能等。

根据本发明的制备方法的一种实施方式，步骤S2包括：采用光刻技术图形化硅片表面，再用刻蚀技术将图形刻蚀到硅片表面。具体过程：首先，设计出光刻版，在版图中设计出规律排列的曝光区域；接着进行光刻，然后去离子水冲洗和氮气吹干；最后进行干法刻蚀，采用Samco等离子刻蚀设备刻蚀氧化硅1000埃，刻蚀，去除光刻胶，暴露出圆形区域中的衬底表面。使用湿法腐蚀工艺处理步骤S4所述的硅片，在圆形区域内的衬底表面制备微纳金字塔结构，又称黑硅结构。具体步骤为：首先配置湿法腐蚀混合溶液，取KOH、异丙醇和去离子水放到烧杯中充分搅拌，水浴加热；接着将所述硅片平放到混合溶液中，腐蚀；最后将硅片放到去离子水中冲洗和氮气吹干。

所述步骤S3中黑介质薄膜的制备方法选自以下方法中的任意一种：高温热氧化法、化学气相沉积法以及等离子增强化学沉积法。

所述步骤S3中在单晶衬底表面制备的薄膜可以是单层薄膜，也可以是多层的复合薄膜。

所述步骤S3中制备的薄膜包括：氧化硅薄膜、氮化硅薄膜或多晶硅薄膜。

所述步骤S3中制备的薄膜包括高温热氧化、化学气相沉积和等离子增强化学沉积制备的氧化硅、氮化硅等绝热性好的薄膜，还包括用于热释电红外探测的热释电各种薄膜，以及多晶硅薄膜。

根据本发明的制备方法的一种实施方式，步骤S3包括：在所述硅片的表面沉积绝热的多层薄膜。具体步骤：首先将硅片放入高温氧化炉中，在硅片表面高温热氧化生长一层氧化硅层；然后将其放到低压化学气相沉积系统中沉积低应力氮化硅，残余应力在50～200MPa范围。

在所述步骤S4中，图形化采用紫外光刻技术；薄膜刻蚀采用等离子体刻蚀技术；支撑膜结构包括封闭膜式结构和悬臂膜式结构，所述悬臂膜式结构包括：单悬臂梁、双悬臂梁、三根悬臂梁或四根悬臂梁等等。

根据本发明的制备方法的一种实施方式，步骤S4包括：采用光刻技术转移图形到所述硅片表面，然后等离子刻蚀出释放区域图形。具体步骤：首先，设计出光刻版，在版图中设计出规律排列的图形；接着进行光刻，然后去离子水冲洗和氮气吹干；最后进行干法刻蚀，采用Samco等离子刻蚀设备刻蚀复合薄膜1.35um，刻蚀，去除光刻胶，暴露出图形区域中的衬底表面。

所述步骤S5中采用的干法刻蚀技术包括等离子体刻蚀技术和氟化氙各向同性腐蚀技术，湿法腐蚀技术包括KOH和TMAH的各向异性腐蚀技术以及硝酸/双氧水的各向同性腐蚀技术。

根据本发明的制备方法的一种实施方式，步骤S5包括：首先将TMAH溶液水浴加热到80摄氏度，磁力搅拌速度为500转/秒；接着将所述的硅片放入溶液中，湿法腐蚀4h后去离子清洗和氮气吹干。

根据本发明的第二方面，提供一种根据上述制备方法制备得到的悬空的黑介质薄膜。

根据本发明的第三方面，提供一种悬空的黑介质薄膜在增强光吸收辐射和减少热量损耗的光探测和光源中的应用。

首先，本发明提出了一种悬空的黑介质薄膜的制备方法，该制备方法采用微加工技术，以微纳金字塔结构为模，可以实现一种悬空的黑介质薄膜结构的批量化制备，制造工艺与CMOS兼容、可圆片级批量制造、制备工艺可控性强；其次，这种悬空的黑介质薄膜结构完全具备黑硅的特性，具有薄膜吸收效率高、薄膜之间的吸收效率均匀性好以及热损耗低等优点；最后，该悬空的黑介质薄膜结构在未来可广泛应用于增强光吸收辐射和减少热量损耗的光探测和光源等领域。

附图说明

图1显示为(100)单晶硅衬底；

图2显示为在(100)单晶硅衬底表面高温热氧化制备出氧化硅掩膜层之后的结构示意图；

图3显示为采用等离子刻蚀技术在氧化硅掩膜层上刻蚀出圆形窗口之后的结构示意图；

图4显示为圆形窗口内湿法腐蚀制备微纳金字塔结构之后的结构示意图，图4A显示为微纳金字塔结构的放大示意图；

图5显示为通过BOE去除氧化硅掩膜层之后的结构示意图；

图6显示为采用薄膜制备技术沉积单层或多层薄膜，制备出黑介质薄膜之后的结构示意图；

图7显示为采用等离子刻蚀技术刻蚀出释放区域之后的结构示意图；

图8显示为采用湿法腐蚀技术制备的一种圆形的悬空的黑介质薄膜；

图9显示为根据本发明的另一优选实施例制备的一种正方形的悬空的黑介质薄膜；

其中，1-单晶硅衬底；2-氧化硅层；3-刻蚀出的圆形窗口；4-微纳金字塔结构；5-单层或多层薄膜；6-黑介质薄膜；7-刻蚀的释放区；8-悬臂梁；9-腐蚀槽；10-悬空的黑介质薄膜；11-正方形的悬空的黑介质薄膜。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

根据本发明的一个优选实施例，提供一种悬空的黑介质薄膜的制备方法，具体步骤如下：

1)选择一种(100)晶面的双面抛光的单晶硅衬底1，晶圆的大切边晶向为<110>晶向，晶圆尺寸为4寸，厚度为400um～420um，电阻率为3～8欧姆厘米，掺杂类型为N型，如图1所示。实际上，该步骤1)中所选用的半导体衬底并不仅限于单晶硅衬底，也可以是SOI衬底或锗衬底等等。

2)使用半导体工艺中的标准清洗过程对步骤1)中选择的单晶硅衬底1进行标洗。根据本发明的一个优选实施例，具体过程如下：将步骤1)选择的硅片首先放入体积比为7:1的浓硫酸和双氧水混合溶液中，清洗温度为120摄氏度，清洗10分钟后去离子水冲洗；接着将硅片放入体积比为7:1:1的去离子水、双氧水和氨水的混合溶液中，清洗温度为75摄氏度，清洗10分钟后去离子水冲洗；最后将硅片放入体积比为50:1的去离子水和氢氟酸混合溶液中，常温下清洗10分钟后去离子水冲洗，然后氮气吹干。

3)将步骤2)标准清洗后的硅片放入高温氧化炉中，温度设置为1100摄氏度，在单晶硅衬底1表面高温热氧化生长一层1000埃的高质量的氧化硅掩膜层2，用于后期的干法刻蚀掩膜层和湿法腐蚀过程中的阻挡层，如图2所示。图2显示为在(100)单晶硅衬底表面高温热氧化制备氧化硅掩膜层，1表示单晶硅，2表示为高温生长的氧化硅掩膜层。

4)采用光刻技术图形化硅片表面，再采用刻蚀技术将图形刻蚀到硅片表面。具体过程：首先，设计出光刻版，在版图中设计出规律排列的圆形的曝光区域，圆的半径为75um，周期为2mm；接着进行光刻，轨道涂胶机旋涂1.7um的LC100A光刻胶，前烘90s，紫外曝光4.5s，显影45s，然后去离子水冲洗和氮气吹干，后烘30min；最后进行干法刻蚀，采用Samco等离子刻蚀设备刻蚀氧化硅1000埃，刻蚀时间1min，去除光刻胶，暴露出圆形区域中的衬底表面。图3显示为等离子刻蚀技术刻蚀出圆形窗口，3表示为圆形窗口。

5)使用湿法腐蚀工艺处理步骤4)制作的硅片，在圆形区域内的衬底表面制备微纳金字塔结构4，又称黑硅结构。具体步骤为：首先配置湿法腐蚀混合溶液，取16.18g的KOH、40mL的异丙醇和760mL的去离子水放到烧杯中充分搅拌，水浴加热到85摄氏度；接着将步骤4)获得的硅片平放到混合溶液中，腐蚀5min；最后将硅片放到去离子水中冲洗和氮气吹干。图4显示为圆形窗口内湿法腐蚀制备的微纳金字塔结构，4表示微纳金字塔结构，图4A显示为微纳金字塔结构的示意图。该微纳金字塔结构4的台阶高度为0.5um～1.5um，金字塔由(111)晶面组成，(111)晶面与衬底表面之间的夹角θ为54.7度。

6)使用BOE溶液去除步骤5)所述硅片表面的氧化硅掩膜层2，腐蚀时间2min后去离子水冲洗和氮气吹干。图5显示为通过BOE去除氧化硅掩膜层，4表示微纳金字塔结构。

7)在步骤6)所述硅片的表面沉积绝热的单层或多层薄膜5。具体步骤：首先将硅片放入高温氧化炉中，温度设置为1100摄氏度，在硅片表面高温热氧化生长一层3500埃的高质量的氧化硅层；然后将其放到低压化学气相沉积系统中沉积1um的低应力氮化硅，残余应力在50～200MPa范围。图6显示为薄膜制备技术沉积的单层或多层薄膜，5表示单层或多层薄膜，6表示黑介质薄膜。

8)采用光刻技术转移图形7到步骤7)所述的硅片表面，然后等离子刻蚀出释放区域图形。具体步骤：首先，设计出光刻版，在版图中设计出规律排列的如图7所示的图形7，周期为2mm；接着进行光刻，轨道涂胶机旋涂3um的LC100A光刻胶，前烘90s，紫外曝光14s，显影55s，然后去离子水冲洗和氮气吹干，后烘30min；最后进行干法刻蚀，采用Samco等离子刻蚀设备刻蚀复合薄膜1.35um，刻蚀时间8min30s，去除光刻胶，暴露出图形7区域中的衬底表面。图7显示为等离子刻蚀技术刻蚀的释放区域，6表示黑介质薄膜，7表示为干法刻蚀的释放区域，8表示悬臂梁。本实施例中采用的是四根悬臂梁的支撑膜结构，但是应当理解的是，此处仅作为举例而非限制，实际上还可以根据需求调整为单悬臂梁、双悬臂梁、三根悬臂梁或封闭膜式结构等等任何其他的结构，只要能够实现对黑介质薄膜的支撑作用即可。

9)使用各向异性湿法腐蚀工艺腐蚀步骤8)所述的硅片，获得悬空的黑介质薄膜。具体步骤：首先将TMAH溶液水浴加热到80摄氏度，磁力搅拌速度为500转/秒；接着将步骤8)所述的硅片放入溶液中，湿法腐蚀4h后去离子清洗和氮气吹干。图8显示为湿法腐蚀后悬空的黑介质薄膜，9表示为腐蚀槽，10表示为悬空的黑介质薄膜。

10)重复步骤1)-步骤9)，不同之处仅在于将薄膜区域设计为正方形，便可以获得正方形的悬空的黑介质薄膜11，如图9所示。因此应当理解的是，该悬空的黑介质薄膜除了可以是圆形和正方形这样的常用图形，还可以是其他任何满足光刻图形化精度的图形。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种悬空的黑介质薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

S1：提供一种半导体单晶衬底，在所述半导体单晶衬底的表面制备出薄膜掩膜，并在所述薄膜掩膜表面刻蚀出窗口阵列，露出所述窗口阵列内的半导体单晶衬底表面；

S2：采用湿法技术腐蚀所述窗口阵列内露出的半导体单晶衬底表面，并在该表面形成微纳金字塔结构；

S3：移除步骤S1中形成的所述薄膜掩膜，继而在所述半导体单晶衬底的表面制备出单层薄膜或复合薄膜，在步骤S2中形成的所述微纳金字塔结构表面制备出黑介质薄膜；

S4：对步骤S3中在所述半导体单晶衬底的表面形成的单层薄膜或复合薄膜进行图形化和薄膜刻蚀形成释放区域，所述微纳结构薄膜通过支撑膜结构支撑；以及

S5：采用干法刻蚀技术或湿法腐蚀技术释放所述黑介质薄膜和支撑膜结构，获得一种悬空的黑介质薄膜。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中：半导体单晶衬底包括单晶硅衬底、SOI衬底以及锗衬底中的任意一种；所述薄膜掩膜包括高温热氧化形成的氧化硅或者化学气相沉积形成的氧化硅或氮化硅；所述窗口阵列采用等离子刻蚀方法刻蚀；所述窗口阵列的形状包括正方形、矩形或圆形中的任意一种或者组合。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中采用的湿法技术选自以下方法中的任意一种：a、采用氢氧化钾、异丙醇和去离子水的混合溶液在80～85℃下进行的硅腐蚀技术；b、采用氢氧化钠、亚硫酸钠、异丙醇和去离子水的混合溶液在75～80℃下进行的硅腐蚀技术；以及c、采用TMAH溶液进行的硅腐蚀技术。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中得到的微纳金字塔结构具有0.5um～1.5um的台阶高度，金字塔由(111)晶面组成，所述(111)晶面与所述半导体单晶衬底表面之间的夹角为54.7度。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中单层薄膜或复合薄膜以及黑介质薄膜的制备方法选自以下方法中的任意一种：高温热氧化法、化学气相沉积法以及等离子增强化学沉积法。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中制备的单层薄膜或复合薄膜以及黑介质薄膜包括：氧化硅薄膜、氮化硅薄膜或多晶硅薄膜。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中，图形化采用紫外光刻技术；薄膜刻蚀采用等离子体刻蚀技术；支撑膜结构包括封闭膜式结构和悬臂膜式结构，所述悬臂膜式结构包括：单悬臂梁、双悬臂梁、三根悬臂梁或四根悬臂梁中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中采用的干法刻蚀技术包括等离子体刻蚀技术和氟化氙各向同性腐蚀技术，湿法腐蚀技术包括KOH和TMAH的各向异性腐蚀技术以及硝酸/双氧水的各向同性腐蚀技术。

9.一种根据权利要求1-8中任意一项所述的制备方法制备得到的悬空的黑介质薄膜。

10.一种根据权利要求9所述的悬空的黑介质薄膜在增强光吸收辐射和减少热量损耗的光探测和光源领域中的应用。