一種可集成的納米結構紅外光源的製作方法
2023-06-01 01:15:06 1
一種可集成的納米結構紅外光源的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種可集成的納米結構紅外光源，利用MEMS/CMOS工藝，對非晶矽表面進行納米修飾加工，形成錐狀納米結構，再對錐狀納米結構進行TiN鍍層加工；最後採用正面XeF2釋放技術，對矽襯底進行深矽刻蝕，分離窄帶紅外光源與矽襯底的接觸，減小熱量在矽絲歐姆發熱過程中的損耗，提高光源的工作功率。本發明採用MEMS/CMOS光源製造技術，利用金屬誘導晶化技術實現紅外光源的表面修飾，得到錐狀納米結構，並對其進行表面TiN鍍層加工，實現Si-TiN，TiN-Air之間的表面等離子體共振技術。採用正面釋放技術形成微懸臂梁對紅外光源進行支撐來降低熱損耗，並通過在加熱層下預埋介質層氮化矽，來降低結構應力。
【專利說明】一種可集成的納米結構紅外光源
【技術領域】
[0001]本發明涉及MEMS紅外光氣體傳感器【技術領域】，尤其涉及的是一種基於納米修飾技術的可集成的納米結構紅外光源。
【背景技術】
[0002]隨著氣體傳感器、熱光伏電池和分子檢測等方面的應用快速發展，MEMS紅外光源因其功率低，體積小等特點而在上述領域得到了廣泛的應用。MEMS紅外光源採用熱激發調製模式，佔空比低，功耗小，在成本、體積以及器件壽命等具備巨大優勢。而紅外窄帶光源不需光學濾波器，就可針對不同氣體實現特異性測試，同時避免其他波段的幹擾。臺灣大學的Ming-Wei Tsai設計一種類似三明治結構的三層薄膜的結構，當該設備被加熱，產生在SiO2層得熱輻射就會在兩層Ag薄膜發生共振，同時在Ag/Si02和Ag/air產生表面等離子體共振，並耦合進光輻射，從而實現窄帶紅外輻射。但是這種方法中採用的Ag不能兼容於CMOS工藝，且沒有形成表面的納米修飾。
[0003]有關術語定義:
[0004]納米修飾:以製備成的微納級別厚度的薄膜進行進一步加工，得到表面的納米微結構作為修飾。
[0005]紅外光源:以產生紅外輻射為主要目的的非照明用電光源。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足提供一種可集成的納米結構紅外光源及其加工工藝。
[0007]本發明的技術方案如下:
[0008]一種可集成的納米結構紅外光源，利用MEMS/CM0S工藝，對非晶矽表面進行納米修飾的加工，形成錐狀納米結構，再對錐狀納米結構進行TiN鍍層加工；採用正面XeF2釋放技術，對矽襯底進行深矽刻蝕，分離窄帶紅外光源與矽襯底的接觸，減小熱量在矽絲歐姆發熱過程中的損耗，提高光源的工作功率。
[0009]根據權利要求1所述的納米結構紅外光源，其具體加工工藝為:
[0010](a)、在單晶矽襯底上生長氮化矽；
[0011](b)、非晶矽的澱積；
[0012](C)、Al濺射和退火；
[0013](d)、溼法腐蝕Al膜:採用Al腐蝕液，腐蝕後樣品表面剩下Al-Si化合物顆粒；
[0014](e)、非晶矽幹法刻蝕；
[0015](f)、正面釋放孔的刻蝕，為釋放矽襯底做準備；
[0016](g)、XeF2正面釋放矽襯底。
[0017]所述的納米結構紅外光源,所述步驟(a)中，工藝條件為:溫度780°C,330mTorr,SiH2Cl2:24sccm，NH3:90sccm。[0018]所述的納米結構紅外光源，所述步驟(b)中，工藝條件為:溫度為270°C，氣體比例分別為 SIH4:24% NH3:55% N2:5.2% RF:170。
[0019]所述的納米結構紅外光源，所述步驟(C)中，工藝條件為:條件:磁控濺射Al，氣壓IOmTorr，通入Ar滿足氣壓條件後，設置RF為8400W，然後在450°C下、時間90min進行退火處理。
[0020]所述的納米結構紅外光源，所述步驟(f)中，工藝條件為；氣體CHF37sccm,HelOOsccm, SF630sccm, RF150W,壓力 400mTorr。採用磁控濺射的方法，濺射 40-50A 的TiN包覆金屬矽化物和非晶矽外層，具體的實驗條件為Ar22.4sccm, N23.0sccm,壓力為5e-3Torr，功率為 1000W,真空度為 8e_7Pa。
[0021]所述的納米結構紅外光源，所述步驟(g)中，工藝條件為:XeF24Torr, N220mTorr,溫度為20°C。
[0022]本發明採用MEMS/CMOS光源製造技術，利用金屬誘導晶化技術實現紅外光源的表面修飾，得到錐狀納米結構，並對其進行表面TiN鍍層加工，實現S1-TiN，TiN-Air之間的表面等離子體共振技術。採用正面釋放技術形成微懸臂梁對紅外光源進行支撐來降低熱損耗，並通過在加熱層下預埋介質層氮化矽，來降低結構應力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1本發明製備工藝流程及原理示意圖，I矽襯底，2氮化矽，3非晶矽，4Al，5TiN ；
[0024]圖2為納米結構紅外光源錐狀納米結構SEM電鏡照片；
[0025]圖3為本發明納米結構紅外光源紅外發射率分析；
[0026]圖4為本發明納米結構紅外光源表面應力仿真；
【具體實施方式】
[0027]以下結合具體實施例，對本發明進行詳細說明。
[0028]本發明中涉及的紅外光源以矽(多晶、單晶、非晶矽)為發熱層，利用MEMS/CMOS工藝，對非晶矽表面進行納米修飾的加工，形成錐狀納米結構，再對錐狀納米結構進行TiN鍍層加工，通過這種方式來增強表面等離子體共振增強效應；採用正面XeF2釋放技術，對矽襯底進行深矽刻蝕，分離窄帶紅外光源與襯底矽的接觸，減小熱量在矽絲歐姆發熱過程中的損耗，提高光源的工作功率。
[0029]作為一個具體例子，參考圖1中步驟(a)-(g)，對本發明可集成的納米結構紅外光源的製備工藝詳述如下:
[0030](a)、在單晶矽襯底I上生長氮化矽2，實驗條件:溫度780°C，330mTorr，SiH2Cl2:24sccm，NH3:90sccm ；
[0031](b)、非晶矽3的澱積:溫度為270°C，氣體流量和比例分別為SIH4:24% NH3:55%N2:5.2% RF:170 ；
[0032](c)、Al濺射和退火:磁控濺射Al，條件:氣壓IOmTorr，通入Ar滿足氣壓條件後，設置RF為8400W，然後在450°C下90min時間進行退火處理；
[0033](d)、溼法腐蝕Al膜:採用常規的Al腐蝕液，腐蝕後樣品表面剩下Al-Si化合物顆粒。[0034](e)、非晶矽幹法刻蝕:採用 Cl2I8Osccm,壓力 300mTorr，RF35OW, He2OOsccm,溫度35-40 °C,刻蝕完成後僅剩下表面的金屬娃化物。
[0035](f)、正面釋放孔的刻蝕，為釋放單晶矽襯底做準備:氣體CHF37sCCm，HelOOsccm,SF630sccm,RF150ff,壓力400mTorr。採用磁控濺射的方法，濺射40-50A的TiN包覆金屬矽化物和非晶矽外層，具體的實驗條件為Ar22.4sccm, N23.0sccm,壓力為5e-3Torr，功率為1000W，真空度為 8e-7Pa。
[0036](g)、XeF2正面釋放矽襯底，形成微懸臂梁對紅外光源進行支撐，條件為XeF24Torr, N220mTorr，溫度為 2(TC。
[0037]步驟(c)中，採用的是金屬誘導晶化方法製備錐狀森林結構，利用金屬和矽互溶原理，在界面層形成金屬矽化物顆粒，在金屬溼法腐蝕的過程，不進行去矽點清洗，保留金屬矽化物顆粒作為下一步刻蝕的掩蔽。對刻蝕形成的錐狀納米結構進行了 SEM電鏡照片拍攝，如圖2所示的錐狀結構表面積增加了 5倍左右，在對其表面進行TiN濺射後，進行了紅外發射率分析，如圖3所示，在HCl和NO檢測領域高於70%發射率、在CH4、S02、C02和N02檢測具備領域高於60%發射率，且在8-10 μ m波段，存在高於70%的紅外發射率，XPS元素分析和價態分析(表1、表2)。表1顯示了常規工藝中的C，0，Si，以及在金屬誘導晶化過程發生作用的F和Al，表2顯示，製備的紅外光源加工後，主要存在的化學物是A1FX，AlSix。而金屬誘導晶化過程中產生的金屬矽化物，已在製備過程被刻蝕完全。
[0038]表1XPS元素分析
[0039]
【權利要求】
1.一種可集成的納米結構紅外光源，其特徵在於，利用MEMS/CMOS工藝，對非晶矽表面進行納米修飾加工，形成錐狀納米結構，再對錐狀納米結構進行TiN鍍層加工；最後採用正面XeF2釋放技術，對矽襯底進行深矽刻蝕，分離窄帶紅外光源與矽襯底的接觸，減小熱量在矽絲歐姆發熱過程中的損耗，提高光源的工作功率。
2.根據權利要求1所述的納米結構紅外光源，其特徵在於，其具體加工工藝為: (a)、在單晶矽襯底上生長氮化矽； (b)、非晶矽的澱積； (c)、Al濺射和退火； (d)、溼法腐蝕Al膜:採用Al腐蝕液，腐蝕後樣品表面剩下Al-Si化合物顆粒； (e)、非晶矽幹法刻蝕； (f)、正面釋放孔的刻蝕，為釋放矽襯底做準備； (g)> XeF2正面釋放矽襯底。
3.根據權利要求2所述的納米結構紅外光源，其特徵在於，所述步驟(a)中，工藝條件為:溫度 780°C,330mTorr, SiH2Cl2:24sccm, NH3:90sccm。
4.根據權利要求2所述的納米結構紅外光源，其特徵在於，所述步驟(b)中，工藝條件為:溫度為 270°C，氣體比例分別為 SIH4:24% NH3:55% N2:5.2% RF:170。
5.根據權利要求2所述的納米結構紅外光源，其特徵在於，所述步驟(c)中，工藝條件為:條件:磁控濺射Al，氣壓IOmTorr,通入Ar滿足氣壓條件後，設置RF為8400W，然後在450°C下、時間90min進行退火處理。
6.根據權利要求2所述的納米結構紅外光源，其特徵在於，所述步驟(f)中，工藝條件為:氣體 CHF37sccm，HelOOsccm, SF630sccm, RF150W,壓力 400mTorr。採用磁控濺射的方法，濺射40-50A的TiN包覆金屬矽化物和非晶矽外層，具體的實驗條件為Ar22.4sccm,Ν23.0sccm，壓力為 5e-3Torr，功率為 1000W,真空度為 8e_7Pa。
7.根據權利要求2所述的納米結構紅外光源，其特徵在於，所述步驟(g)中，工藝條件為:XeF24Torr，N22OmTorr,溫度為 20°C。
【文檔編號】B81B7/02GK103500788SQ201310500968
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月23日 優先權日:2013年10月23日
【發明者】譚秋林, 陳媛靖, 熊繼軍, 薛晨陽, 張文棟, 劉俊, 毛海央, 明安傑, 歐文, 陳大鵬 申請人:中北大學