CN113336184A - 一种封闭膜结构mems红外光源及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种封闭膜结构MEMS红外光源及其制备方法。所述红外光源包括支撑层、加热层、隔离层、金属电极以及辐射层。支撑层为沉积于承载衬底表面的封闭膜结构；加热层沉积于支撑层表面，并形成内疏外密插热结构，金属电极沉积于支撑层表面并且与加热层侧面相连；隔离层沉积于加热层表面；辐射层沉积于隔离层表面；支撑层、加热层、隔离层和辐射层均悬浮在背部空腔的承载衬底上形成封闭膜结构。不同于传统MEMS红外光源，本发明不仅工艺简单、成本低、易于批量化生产，而且结构稳定性高、温度场均匀，适用于便携式、微型化的气敏检测系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外光源及其制备方法，特别是涉及一种封闭膜结构MEMS红外光源、所述封闭膜结构MEMS红外光源的制备方法、采用所述封闭膜结构MEMS红外光源的气体传感器。
背景技术
随着社会经济和科技的快速发展，人民的生活水平得到不断的提升，与此同时也给生态环境造成了很大压力。如有毒有害气体排放引起的空气污染、CO2排放引起的温室效应等正给人类可持续发展带来越来越多的环境和社会问题。空气质量问题每年造成的人类死亡已经超过艾滋病和疟疾的总和。空气环境监测是日常排放控制与空气治理最直接数据来源，正逐渐成为生活中的标配，气体传感器作为完成空气监测任务的直接手段应用越来越多。目前最为常见的包括电化学、催化燃烧和半导体传感器，均属于接触式传感原理，敏感器件与被测气体直接接触，存在易被“毒死”、使用寿命短、易被干扰等问题。
非分光红外(NDIR)气体传感器就是基于光谱吸收原理的气体检测分析模组，由光源、气室、窄带红外滤光片、红外敏感元件等组成的光学检测系统和微处理单元及其他外围电路组成。NDIR气体传感器可检测多达23种气体，并可同时检测多种气体，能够对多种相似分子结构的混合气体实现快速甄别和定量检测，并且性能稳定，相比较上述类型气体传感器具有寿命长、灵敏度高、稳定性好、适合气体多于维护成本低等一系列优点。
MEMS(Micro Electromechanical System，微机电系统)红外光源作为NDIR气体传感器核心部件，其性能严重影响着气体传感器探测的准确性和灵敏度；但目前MEMS红外光源的温度场均匀性、稳定性、抗干热冲击能力以及制备工艺简易程度，仍不能满足市场发展的需要。
发明内容
基于此，有必要针对现有MEMS红外光源温度场均匀性、稳定性、抗干热冲击性差的技术问题，提供一种封闭膜结构MEMS红外光源、所述封闭膜结构MEMS红外光源的制备方法、采用所述封闭膜结构MEMS红外光源的气体传感器。
本发明采用以下技术方案实现：
一种封闭膜结构MEMS红外光源，其包括：
衬底；
支撑层，其为沉积于衬底表面上的封闭膜结构；
加热层，其沉积于支撑层表面上并形成内疏外密的插热结构；
两个金属电极，其分别沉积于支撑层表面上，且位于加热层的两侧，并延伸至加热层上以与加热层相连；
隔离层，其沉积于加热层表面上且位于两个金属电极之间；以及
辐射层，其沉积于隔离层表面上；
其中，衬底自远离支撑层的一侧向内凹进，形成一个裸露支撑层中部区域的背部空腔，支撑层、加热层、隔离层和辐射层均悬浮在背部空腔的衬底上形成封闭膜结构。
作为上述方案的进一步改进，支撑层为氧化硅、氮化硅或氧化硅与氮化硅多层复合膜层，采用热氧化、PECVD或LPCVD沉积于衬底(1)表面上。
作为上述方案的进一步改进，加热层为半导体掺杂多晶硅、金属铂或钨薄膜，采用PECVD或磁控溅射沉积于支撑层表面上，并利用光刻与刻蚀工艺形成内疏外密的插热结构。
作为上述方案的进一步改进，隔离层为氧化硅或氮化硅薄膜，采用PECVD或LPCVD沉积于加热层表面上，将加热层与隔离层电隔离。
作为上述方案的进一步改进，辐射层为黑硅、黑金或黑铂材料，采用反应离子刻蚀多晶硅、高压氮气蒸发金或电化学工艺沉积于隔离层表面上。
作为上述方案的进一步改进，金属电极为单层金属电极，或者复合金属层电极，利用光刻与刻蚀工艺形成金属电极图案，采用磁控溅射工艺沉积钛或铬金属作为粘附层，沉积金、铂或铝金属作为电极。
作为上述方案的进一步改进，支撑层中部区域裸露的面积大于加热层的面积。
本发明还提供上述任意封闭膜结构MEMS红外光源的制备方法，其包括以下步骤：
I采用单晶Si作为衬底；
II对单晶硅进行氧化，形成双面氧化硅膜层；
III在衬底表面上沉积氮化硅薄膜，形成支撑层；
IV在支撑层表面上沉积多晶硅，P离子注入形成N型半导体，利用光刻与刻蚀工艺形成具有内疏外密的插热结构的加热层；
V在加热层表面上沉积氮化硅薄膜，形成隔离层；
VI在隔离层表面上沉积多晶硅，利用反应离子刻蚀或者等离子浸没离子注入设备刻蚀，通过调节控制刻蚀时间得到不同形貌和高宽比的纳米森林结构，利用气相沉积或电镀的方法，在所述纳米森林结构上方沉积金属层构成黑金属薄膜作为辐射层；
VII在支撑层表面上采用光刻与刻蚀工艺形成金属电极图案，利用磁控溅射工艺沉积钛金属作为粘附层，沉积铂金属作为金属电极；
VIII对衬底远离支撑层的一侧上，利用湿法腐蚀进行湿法释放至裸露支撑层处停止，然后形成最终封闭膜结构MEMS红外光源。
作为上述方案的进一步改进，在步骤I中，采用厚度为500-550μm的单晶Si作为衬底，硅双面抛光，晶向<100>，采用由H2O2和H2SO4混合而成的清洗液进行清洗，然后用去离子水冲洗，并用氮气吹干，置于净化环境中待用。
本发明还提供上述任意封闭膜结构MEMS红外光源的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
I采用单晶Si作为衬底；
II对单晶硅进行氧化，形成双面氧化硅膜层；
III在衬底表面上依次沉积氮化硅和氧化硅薄膜，形成支撑层；
IV利用磁控溅射工艺沉积钛金属作为粘附层，沉积钨金属，利用光刻与刻蚀工艺形成具有内疏外密的插热结构的加热层；
V在加热层表面上沉积氮化硅薄膜，形成隔离层；
VI采用高压氮气蒸发工艺在隔离层表面上沉积金，通过调节控制氮气压力得到不同形貌和高宽比的纳米森林结构，形成金黑薄膜作为辐射层；
VII在支撑层表面上采用光刻与刻蚀工艺形成金属电极图案，利用磁控溅射工艺沉积钛金属作为粘附层，沉积铂金属作为金属电极；
VIII对衬底远离支撑层的一侧上，利用湿法腐蚀进行湿法释放至裸露支撑层处停止，然后形成最终封闭膜结构MEMS红外光源。
作为上述方案的进一步改进，在步骤I中，采用厚度为500-550μm的单晶Si作为衬底，硅双面抛光，晶向<100>，采用由H2O2和H2SO4混合而成的清洗液进行清洗，然后用去离子水冲洗，并用氮气吹干，置于净化环境中待用。
不同于传统MEMS红外光源，本发明的封闭膜结构MEMS红外光源及其制备方法，不仅工艺简单、成本低、易于批量化生产，而且结构稳定性高、温度场均匀，适用于便携式、微型化的气敏检测系统。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明所公开的一种新型封闭膜结构MEMS红外光源与传统技术方法相比，支撑层采用封闭膜结构，具有工艺简单、稳定性高、抗热冲击能力强且易于批量化生产等独特优点。
2.本发明所公开的一种新型封闭膜结构MEMS红外光源与传统技术方法相比，加热层采用内疏外密插热的创新性设计结构，保证了封闭膜结构MEMS红外光源的温度场均匀性，很大程度上提高了气体传感器的准确性和灵敏度。
附图说明
图1是本发明较佳实施例提供的封闭膜结构MEMS红外光源的结构示意图。
图2是图1中加热层的内疏外密的插热结构示意图。
图3是图1中封闭膜结构MEMS红外光源的温度场示意图。
主要元件符号说明
| 衬底 | 1 |
| 支撑层 | 2 |
| 加热层 | 3 |
| 隔离层 | 4 |
| 辐射层 | 5 |
| 金属电极 | 6 |
| 背部空腔 | 7 |
以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
请参阅图1，其为本实施例的封闭膜结构MEMS红外光源的结构示意图。本实施例的封闭膜结构MEMS红外光源包括衬底1、支撑层2、加热层3、两个金属电极6、隔离层4、辐射层5。封闭膜结构MEMS红外光源可应用于气体传感器。
衬底1可采用单晶Si，如采用厚度为500-550μm的单晶Si作为衬底，硅双面抛光，晶向<100>。可采用由H2O2和H2SO4混合而成的清洗液进行清洗，然后用去离子水冲洗，并用氮气吹干，置于净化环境中待用。需要使用时，采用干法热氧化工艺对单晶硅进行氧化，形成双面氧化硅膜层。
支撑层2为沉积于衬底1表面上的封闭膜结构。可在衬底1表面上沉积氮化硅薄膜，形成支撑层2，如采用PECVD工艺沉积氮化硅薄膜，形成支撑层2。在本实施例中，支撑层2为氧化硅、氮化硅或氧化硅与氮化硅多层复合膜层，采用热氧化、PECVD或LPCVD沉积于衬底1表面上。
加热层3沉积于支撑层2表面上并形成内疏外密的插热结构，如图2所示，内疏外密的插热结构实现MEMS红外光源温度场均匀化。加热层3可为半导体掺杂多晶硅、金属铂或钨薄膜，可采用PECVD或磁控溅射沉积于支撑层2表面上，并利用光刻与刻蚀工艺形成内疏外密的插热结构。在本实施例中，采用PECVD工艺沉积多晶硅，P离子注入形成N型半导体，利用光刻与刻蚀工艺形成内疏外密的插热结构的加热层3。加热层3采用内疏外密插热的创新性设计结构，保证了封闭膜结构MEMS红外光源的温度场均匀性如图3所示，很大程度上提高了气体传感器的准确性和灵敏度。
两个金属电极6分别沉积于支撑层2表面上，且位于加热层3的两侧，并延伸至加热层3上以与加热层3相连。隔离层4沉积于加热层3表面上且位于两个金属电极6之间。辐射层5沉积于隔离层4表面上。衬底1自远离支撑层2的一侧向内凹进，形成一个裸露支撑层2中部区域的背部空腔7，支撑层2、加热层3、隔离层4和辐射层5均悬浮在背部空腔7的衬底1上形成封闭膜结构。支撑层2中部区域裸露的面积大于加热层3的面积，利用湿法腐蚀对背腔进行湿法释放至所述支撑层薄膜处停止，然后形成最终封闭膜结构MEMS红外光源。
其中，隔离层4可为氧化硅或氮化硅薄膜，可采用PECVD或LPCVD沉积于加热层3表面上，将加热层3与隔离层4电隔离。在本实施例中，采用PECVD工艺沉积氮化硅薄膜，形成隔离层4。
辐射层5可为黑硅、黑金或黑铂材料，采用反应离子刻蚀多晶硅、高压氮气蒸发金或电化学工艺沉积于隔离层4表面上。在本实施例中，采用PECVD工艺沉积多晶硅，利用反应离子刻蚀或者等离子浸没离子注入设备刻蚀，通过调节控制刻蚀时间得到不同形貌和高宽比的纳米森林结构，利用气相沉积或电镀的方法，在上述纳米森林结构上方沉积金属层构成黑金属薄膜作为辐射层5。
金属电极6可为单层金属电极，或者复合金属层电极，利用光刻与刻蚀工艺形成金属电极图案，采用磁控溅射工艺沉积钛或铬金属作为粘附层，沉积金、铂或铝金属作为电极。在本实施例中，采用光刻与刻蚀工艺形成金属电极图案，利用磁控溅射工艺沉积钛金属作为粘附层，沉积铂金属作为金属电极6。
实施例2
本实施例公开了实施例1的封闭膜结构MEMS红外光源的制备方法。所述制备方法包括以下步骤：
I采用单晶Si作为衬底1。如采用厚度为500-550μm的单晶Si作为衬底，硅双面抛光，晶向<100>。采用由H2O2和H2SO4混合而成的清洗液进行清洗，然后用去离子水冲洗，并用氮气吹干，置于净化环境中待用。
II对单晶硅进行氧化，形成双面氧化硅膜层。可采用干法热氧化工艺对单晶硅进行氧化，形成双面氧化硅膜层。
III在衬底1表面上沉积氮化硅薄膜，形成支撑层2。可采用PECVD工艺沉积氮化硅薄膜，形成支撑层。
IV在支撑层2表面上沉积多晶硅，P离子注入形成N型半导体，利用光刻与刻蚀工艺形成具有内疏外密的插热结构的加热层3。可采用PECVD工艺沉积多晶硅，P离子注入形成N型半导体，利用光刻与刻蚀工艺形成内疏外密插热加热层结构。
V在加热层3表面上沉积氮化硅薄膜，形成隔离层4。可采用PECVD工艺沉积氮化硅薄膜，形成隔离层。
VI在隔离层4表面上沉积多晶硅，利用反应离子刻蚀或者等离子浸没离子注入设备刻蚀，通过调节控制刻蚀时间得到不同形貌和高宽比的纳米森林结构，利用气相沉积或电镀的方法，在所述纳米森林结构上方沉积金属层构成黑金属薄膜作为辐射层5。
VII在支撑层2表面上采用光刻与刻蚀工艺形成金属电极图案，利用磁控溅射工艺沉积钛金属作为粘附层，沉积铂金属作为金属电极6。
VIII对衬底1远离支撑层2的一侧上，利用湿法腐蚀进行湿法释放至裸露支撑层2处停止，然后形成最终封闭膜结构MEMS红外光源。
实施例3
本实施例公开了实施例1的封闭膜结构MEMS红外光源的制备方法，其与实施例2相似，本实施例的封闭膜结构MEMS红外光源的制备方法包括：
I采用单晶Si作为衬底1。如采用厚度为500-550μm的单晶Si作为衬底，硅双面抛光，晶向<100>。采用由H2O2和H2SO4混合而成的清洗液进行清洗，然后用去离子水冲洗，并用氮气吹干，置于净化环境中待用。
II对单晶硅进行氧化，形成双面氧化硅膜层。可利用干法热氧化工艺对单晶硅进行氧化，形成双面氧化硅膜层。
III在衬底1表面上依次沉积氮化硅和氧化硅薄膜，形成支撑层2。可利用PECVD工艺依次沉积氮化硅和氧化硅薄膜，形成支撑层。
IV利用磁控溅射工艺沉积钛金属作为粘附层，沉积钨金属，利用光刻与刻蚀工艺形成具有内疏外密的插热结构的加热层3。可利用磁控溅射工艺沉积钛金属作为粘附层，沉积钨金属作为电极，利用光刻与刻蚀工艺形成内疏外密插热加热层结构。
V在加热层3表面上沉积氮化硅薄膜，形成隔离层4。可采用PECVD工艺沉积氮化硅薄膜，形成隔离层。
VI采用高压氮气蒸发工艺在隔离层4表面上沉积金，通过调节控制氮气压力得到不同形貌和高宽比的纳米森林结构，形成金黑薄膜作为辐射层5。可采用高压氮气蒸发工艺沉积金，通过调节控制氮气压力得到不同形貌和高宽比的纳米森林结构，形成金黑薄膜作为辐射层。
VII在支撑层2表面上采用光刻与刻蚀工艺形成金属电极图案，利用磁控溅射工艺沉积钛金属作为粘附层，沉积铂金属作为金属电极6。
VIII对衬底1远离支撑层2的一侧上，利用湿法腐蚀进行湿法释放至裸露支撑层2处停止，然后形成最终封闭膜结构MEMS红外光源。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种封闭膜结构MEMS红外光源，其特征在于：其包括：
衬底(1)；
支撑层(2)，其为沉积于衬底(1)表面上的封闭膜结构；
加热层(3)，其沉积于支撑层(2)表面上并形成内疏外密的插热结构；
两个金属电极(6)，其分别沉积于支撑层(2)表面上，且位于加热层(3)的两侧，并延伸至加热层(3)上以与加热层(3)相连；
隔离层(4)，其沉积于加热层(3)表面上且位于两个金属电极(6)之间；以及
辐射层(5)，其沉积于隔离层(4)表面上；
其中，衬底(1)自远离支撑层(2)的一侧向内凹进，形成一个裸露支撑层(2)中部区域的背部空腔(7)，支撑层(2)、加热层(3)、隔离层(4)和辐射层(5)均悬浮在背部空腔(7)的衬底(1)上形成封闭膜结构。
2.根据权利要求1所述的封闭膜结构MEMS红外光源，其特征在于，支撑层(2)为氧化硅、氮化硅或氧化硅与氮化硅多层复合膜层，采用热氧化、PECVD或LPCVD沉积于衬底(1)表面上。
3.根据权利要求1所述的封闭膜结构MEMS红外光源，其特征在于，加热层(3)为半导体掺杂多晶硅、金属铂或钨薄膜，采用PECVD或磁控溅射沉积于支撑层(2)表面上，并利用光刻与刻蚀工艺形成内疏外密的插热结构。
4.根据权利要求1所述的封闭膜结构MEMS红外光源，其特征在于，隔离层(4)为氧化硅或氮化硅薄膜，采用PECVD或LPCVD沉积于加热层(3)表面上，将加热层(3)与隔离层(4)电隔离。
5.根据权利要求1所述的封闭膜结构MEMS红外光源，其特征在于，辐射层(5)为黑硅、黑金或黑铂材料，采用反应离子刻蚀多晶硅、高压氮气蒸发金或电化学工艺沉积于隔离层(4)表面上。
6.根据权利要求1所述的封闭膜结构MEMS红外光源，其特征在于，金属电极(6)为单层金属电极，或者复合金属层电极，利用光刻与刻蚀工艺形成金属电极图案，采用磁控溅射工艺沉积钛或铬金属作为粘附层，沉积金、铂或铝金属作为电极。
7.一种如权利要求1至6中任意一项所述的封闭膜结构MEMS红外光源的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
I采用单晶Si作为衬底(1)；
II对单晶硅进行氧化，形成双面氧化硅膜层；
III在衬底(1)表面上沉积氮化硅薄膜，形成支撑层(2)；
IV在支撑层(2)表面上沉积多晶硅，P离子注入形成N型半导体，利用光刻与刻蚀工艺形成具有内疏外密的插热结构的加热层(3)；
V在加热层(3)表面上沉积氮化硅薄膜，形成隔离层(4)；
VI在隔离层(4)表面上沉积多晶硅，利用反应离子刻蚀或者等离子浸没离子注入设备刻蚀，通过调节控制刻蚀时间得到不同形貌和高宽比的纳米森林结构，利用气相沉积或电镀的方法，在所述纳米森林结构上方沉积金属层构成黑金属薄膜作为辐射层(5)；
VII在支撑层(2)表面上采用光刻与刻蚀工艺形成金属电极图案，利用磁控溅射工艺沉积钛金属作为粘附层，沉积铂金属作为金属电极(6)；
VIII对衬底(1)远离支撑层(2)的一侧上，利用湿法腐蚀进行湿法释放至裸露支撑层(2)处停止，然后形成最终封闭膜结构MEMS红外光源。
8.一种如权利要求1至6中任意一项所述的封闭膜结构MEMS红外光源的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
I采用单晶Si作为衬底(1)；
II对单晶硅进行氧化，形成双面氧化硅膜层；
III在衬底(1)表面上依次沉积氮化硅和氧化硅薄膜，形成支撑层(2)；
IV利用磁控溅射工艺沉积钛金属作为粘附层，沉积钨金属，利用光刻与刻蚀工艺形成具有内疏外密的插热结构的加热层(3)；
V在加热层(3)表面上沉积氮化硅薄膜，形成隔离层(4)；
VI采用高压氮气蒸发工艺在隔离层(4)表面上沉积金，通过调节控制氮气压力得到不同形貌和高宽比的纳米森林结构，形成金黑薄膜作为辐射层(5)；
VII在支撑层(2)表面上采用光刻与刻蚀工艺形成金属电极图案，利用磁控溅射工艺沉积钛金属作为粘附层，沉积铂金属作为金属电极(6)；
VIII对衬底(1)远离支撑层(2)的一侧上，利用湿法腐蚀进行湿法释放至裸露支撑层(2)处停止，然后形成最终封闭膜结构MEMS红外光源。
9.根据权利要求7或8所述的封闭膜结构MEMS红外光源的制备方法，其特征在于，在步骤I中，采用厚度为500-550μm的单晶Si作为衬底(1)，硅双面抛光，晶向<100>，采用由H2O2和H2SO4混合而成的清洗液进行清洗，然后用去离子水冲洗，并用氮气吹干，置于净化环境中待用。
10.一种气体传感器，其特征在于，其采用如权利要求1至6中任意一项所述的封闭膜结构MEMS红外光源。
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