CN116374940A - 一种高性能低成本的mems红外光源及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高性能低成本的MEMS红外光源及其制备方法，涉及红外光源技术领域。该高性能低成本的MEMS红外光源，包括半导体衬底、支撑层、金属层、辐射层，所述半导体衬底位于最下方，且从下往上依次设置有支撑层、金属层、辐射层，所述半导体衬底内部设置有矩形空腔，所述支撑层完全覆盖于所述半导体衬底之上，并形成四边固支结构，所述加热层位于所述支撑层之上。本发明中，先采用干法将衬底刻蚀至剩余较薄厚度，此时硅各向异性倾斜角导致的尺寸增大相比于芯片毫米级的尺寸可忽略，因此芯片尺寸变化不大，同时相比单一的干法刻蚀工艺，最后采用湿法腐蚀能够保证空腔位置衬底完全无残留，因此能减小热量损失从而提升性能。
Description
技术领域
本发明涉及红外光源技术领域，具体为一种高性能低成本的MEMS红外光源及其制备方法。
背景技术
在红外气体传感器、红外光谱探测、红外医学成像等应用领域，红外光源都是不可缺少的部件，红外光源的性能极大地影响着整个红外系统的性能。目前主流的红外光源主要有三类，红外发光二极管、量子级联激光器、热辐射红外光源。其中，基于MEMS技术的热辐射红外光源因其具有功耗低、尺寸小、加工工艺简单、宽辐射光谱、优异的电调制性能等优点而备受关注，而且随着MEMS加工技术的迅速发展，MEMS红外光源的成本也在不断下降。
MEMS红外光源是通过MEMS加工技术将很小的热电阻图形做到衬底上，然后热电阻上方在沉积做一层红外辐射层，热电阻通电后发热产生热量，传导至红外辐射层，对外界产生红外热辐射。为了减小热量损失，MEMS红外光源通常需要将热电阻下方的衬底去除掉，形成空腔。当前的衬底刻蚀主要两种方法，分别是干法刻蚀和湿法刻蚀。
在现有专利(申请号为：CN114890373A)中，采用的是ICP干法刻蚀的方法，该方法能够保证刻蚀的侧壁垂直，但开窗边缘存在衬底刻蚀不完全的问题，进而造成热量损失增大，辐射区温度下降，光源性能降低。
另外，现有专利(申请号为：专利CN103332648A)中，采用的是KOH体硅腐蚀工艺，该方法具有较好地刻蚀选择性，因此不会有刻蚀不完全的问题，但是，湿法刻蚀无法得到垂直的侧壁，只能通过增大芯片尺寸来保证辐射区下方完全刻蚀干净，尺寸增大导致了成本的增加。
因此，本领域技术人员提供了一种高性能低成本的MEMS红外光源及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高性能低成本的MEMS红外光源及其制备方法，先采用干法将衬底刻蚀至剩余较薄厚度，此时硅各向异性倾斜角导致的尺寸增大相比于芯片毫米级的尺寸可忽略，因此芯片尺寸变化不大，同时相比单一的干法刻蚀工艺，最后采用湿法腐蚀能够保证空腔位置衬底完全无残留，因此能减小热量损失从而提升性能，解决了传统红外光源在使用时热量损失大和尺寸大的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种高性能低成本的MEMS红外光源，包括半导体衬底、支撑层、金属层、辐射层，所述半导体衬底位于最下方，且从下往上依次设置有支撑层、金属层、辐射层，所述半导体衬底内部设置有矩形空腔，所述支撑层完全覆盖于所述半导体衬底之上，并形成四边固支结构，所述加热层位于所述支撑层之上，所述辐射层位于所述加热层之上，且位于半导体衬底内部矩形空腔位置的正上方，所述矩形空腔外部设置有衬底空腔边缘。
优选的，一种高性能低成本的MEMS红外光源的制备方法，具体包含以下步骤：
S1.首先提供一个半导体衬底，以作备用；
S2.在所述半导体衬底的正面和背面均制备支撑薄膜层；
S3.在所述正面支撑层上制作金属层，并进行图形化；
S4.在所述背面支撑层上进行光刻处理，再对背面支撑层及半导体衬底进行背面干法刻蚀，直至半导体衬底剩余较薄的厚度；
S5.在所述正面金属层上制备辐射层，并进行图形化；
S6.对剩余的半导体衬底进行湿法腐蚀，直至辐射层下方的半导体衬底释放完全，即制得该MEMS红外光源。
优选的，所述步骤S1中的半导体衬底为单晶硅。
优选的，所述步骤S2中的支撑层为氮化硅膜或氮化硅和氧化硅复合膜，其采用等离子体气相沉积工艺或低压化学气相沉积工艺制备。
优选的，所述步骤S3中的金属层包含粘附层和电阻层，所述粘附层材料为Ti、Cr等中的一种，所述电阻层材料为Pt、Au、Ni等中的一种。
优选的，所述步骤S4中的背面干法刻蚀工艺为Bosch刻蚀工艺，干法刻蚀完半导体衬底剩余的厚度具体为0.01-0.05mm。
优选的，所述步骤S5中的辐射层为一种红外发射率较高的材料，具体为金黑、银黑、铂黑、炭黑等中的一种。
优选的，所述步骤S6中的半导体衬底湿法腐蚀工艺为硅各向异性腐蚀，腐蚀液为KOH溶液、TMAH溶液中的一种。
(三)有益效果
本发明提供了一种高性能低成本的MEMS红外光源及其制备方法。具备以下有益效果：
1、本发明提供了一种高性能低成本的MEMS红外光源及其制备方法，该方法采用干法刻蚀和湿法刻蚀相结合的思路，先采用干法刻蚀衬底至剩余较薄的厚度，以获得垂直的刻蚀侧壁，然后接着采用湿法释放掉剩余的衬底，以保证辐射层下方衬底完全干净，这样同时改进了热量损失大和尺寸大的问题，对于红外光源降成本和提性能方面均有优势。
2、本发明提供了一种高性能低成本的MEMS红外光源及其制备方法，该方法先采用干法将衬底刻蚀至剩余较薄厚度，此时硅各向异性倾斜角导致的尺寸增大相比于芯片毫米级的尺寸可忽略，因此芯片尺寸变化不大，同时相比单一的干法刻蚀工艺，最后采用湿法腐蚀能够保证空腔位置衬底完全无残留，因此能减小热量损失从而提升性能。
附图说明
图1为本发明的实施例公开的MEMS红外光源结构剖面图；
图2为本发明的实施例公开的MEMS红外光源金属层内部结构示意图；
图3为本发明的实施例公开的MEMS红外光源初始半导体衬底剖面图；
图4为本发明的实施例公开的MEMS红外光源半导体衬底正反面沉积支撑层薄膜的剖面图；
图5为本发明的实施例公开的MEMS红外光源沉积金属层图形化后的剖面图；
图6为本发明的实施例公开的MEMS红外光源背面干法刻蚀至衬底剩余较薄厚度的剖面图；
图7为本发明的实施例公开的MEMS红外光源正面沉积辐射层后的剖面图；
图8为本发明的实施例公开的MEMS红外光源湿法腐蚀掉辐射区下方剩余衬底的剖面图。
其中，1、半导体衬底；2、空腔；3、支撑层；4、金属层；5、辐射层；6、衬底空腔边缘。
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。
实施例：
本发明实施例提供一种高性能低成本的MEMS红外光源，包括半导体衬底1、支撑层3、金属层4、辐射层5，半导体衬底1位于最下方，且从下往上依次设置有支撑层3、金属层4、辐射层5；
如图1所示，半导体衬底1内部设置有矩形空腔2，支撑层3完全覆盖于半导体衬底1之上，并形成四边固支结构，加热层4位于支撑层3之上，辐射层5位于加热层4之上，且位于半导体衬底1内部矩形空腔2位置的正上方，矩形空腔2外部设置有衬底空腔边缘6。
如图2所示，本发明实施例公开的一种MEMS红外光源金属层内部结构图形，金属层4位于支撑层薄膜之上，图形大部分位于半导体衬底1的空腔2范围以内，金属图形焊盘则位于结构的固支处，这种设计使得MEMS红外光源在通电工作时，金属层4产生的焦耳热绝大部分位于半导体衬底1的空腔2范围以内，这样就极大减小了半导体衬底1热传导导致的热量损失，进而使得在相同功率输入时辐射区范围温度更大，因而辐射总能量更大。
另外，如图3-8所示，本发明实施例还提供一种高性能低成本MEMS红外光源的制备方法，具体包含以下步骤：
S1.首先提供一个半导体衬底1，以作备用，半导体衬底1为单晶硅，硅晶向为100；
S2.在半导体衬底1的正面和背面均制备支撑薄膜层，支撑膜3覆盖在半导体衬底1之上，形成四边固支结构，用于支撑金属加热层。考虑到结构的机械稳定性，支撑层3必须具有较低的应力，另外由于MEMS红外光源工作时辐射区温度较高，支撑层4薄膜需要具有不错的热稳定性。因此，支撑层4材料为氮化硅膜或氮化硅和氧化硅复合膜，采用等离子体气相沉积工艺或低压化学气相沉积工艺制备；
S3.在正面支撑层上制作金属层4，并进行图形化，金属层4包含粘附层和电阻层，粘附层材料为Ti、Cr等中的一种，电阻层材料为Pt、Au、Ni等中的一种；
S4.在背面支撑层上进行光刻处理，再对背面支撑层及半导体衬底1进行背面干法刻蚀，直至半导体衬底1剩余较薄的厚度；
S5.在正面金属层4上制备辐射层5，并进行图形化，辐射层5为一种红外发射率较高的材料，具体为金黑、银黑、铂黑、炭黑等中的一种，采用溅射沉积或电镀沉积等工艺制备；
S6.对剩余的半导体衬底1进行湿法腐蚀，直至辐射层5下方的半导体衬底1释放完全，即制得该MEMS红外光源，半导体衬底1湿法腐蚀工艺为硅各向异性腐蚀，腐蚀液为KOH溶液、TMAH溶液中的一种。
对硅100晶圆进行各向异性腐蚀，腐蚀截止面为111面，所得侧壁倾斜角为54.74°，在衬底为常规0.5mm厚度时使用该方法腐蚀，背面掩膜开窗需比正面空腔尺寸大0.7mm，这意味着芯片尺寸需增大，而本发明则是先采用干法将衬底刻蚀至剩余较薄厚度，此时硅各向异性倾斜角导致的尺寸增大相比于芯片毫米级的尺寸可忽略，因此芯片尺寸变化不大，同时相比单一的干法刻蚀工艺，本发明最后采用湿法腐蚀能够保证空腔位置衬底完全无残留，因此能减小热量损失从而提升性能。
该方法采用干法刻蚀和湿法刻蚀相结合的思路，先采用干法刻蚀衬底至剩余较薄的厚度，以获得垂直的刻蚀侧壁，然后接着采用湿法释放掉剩余的衬底，以保证辐射层下方衬底完全干净，这样同时改进了热量损失大和尺寸大的问题，对于红外光源降成本和提性能方面均有优势。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种高性能低成本的MEMS红外光源，包括半导体衬底(1)、支撑层(3)、金属层(4)、辐射层(5)，其特征在于：所述半导体衬底(1)位于最下方，且从下往上依次设置有支撑层(3)、金属层(4)、辐射层(5)，所述半导体衬底(1)内部设置有矩形空腔(2)，所述支撑层(3)完全覆盖于所述半导体衬底(1)之上，并形成四边固支结构，所述加热层(4)位于所述支撑层(3)之上，所述辐射层(5)位于所述加热层(4)之上，且位于半导体衬底(1)内部矩形空腔(2)位置的正上方，所述矩形空腔(2)外部设置有衬底空腔边缘(6)。
2.根据权利要求1所述的一种高性能低成本的MEMS红外光源的制备方法，其特征在于：具体包含以下步骤：
S1.首先提供一个半导体衬底(1)，以作备用；
S2.在所述半导体衬底(1)的正面和背面均制备支撑薄膜层；
S3.在所述正面支撑层上制作金属层(4)，并进行图形化；
S4.在所述背面支撑层上进行光刻处理，再对背面支撑层及半导体衬底(1)进行背面干法刻蚀，直至半导体衬底(1)剩余较薄的厚度；
S5.在所述正面金属层(4)上制备辐射层(5)，并进行图形化；
S6.对剩余的半导体衬底(1)进行湿法腐蚀，直至辐射层(5)下方的半导体衬底(1)释放完全，即制得该MEMS红外光源。
3.根据权利要求2所述的一种高性能低成本的MEMS红外光源及其制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的半导体衬底(1)为单晶硅。
4.根据权利要求2所述的一种高性能低成本的MEMS红外光源及其制备方法，其特征在于：所述步骤S2中的支撑层(3)为氮化硅膜或氮化硅和氧化硅复合膜，其采用等离子体气相沉积工艺或低压化学气相沉积工艺制备。
5.根据权利要求2所述的一种高性能低成本的MEMS红外光源及其制备方法，其特征在于：所述步骤S3中的金属层(4)包含粘附层和电阻层，所述粘附层材料为Ti、Cr等中的一种，所述电阻层材料为Pt、Au、Ni等中的一种。
6.根据权利要求2所述的一种高性能低成本的MEMS红外光源及其制备方法，其特征在于：所述步骤S4中的背面干法刻蚀工艺为Bosch刻蚀工艺，干法刻蚀完半导体衬底(1)剩余的厚度具体为0.01-0.05mm。
7.根据权利要求2所述的一种高性能低成本的MEMS红外光源及其制备方法，其特征在于：所述步骤S5中的辐射层(5)为一种红外发射率较高的材料，具体为金黑、银黑、铂黑、炭黑等中的一种。
8.根据权利要求2所述的一种高性能低成本的MEMS红外光源及其制备方法，其特征在于：所述步骤S6中的半导体衬底(1)湿法腐蚀工艺为硅各向异性腐蚀，腐蚀液为KOH溶液、TMAH溶液中的一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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