一種mems紅外光源及其製備方法
2023-05-08 04:02:36 1
一種mems紅外光源及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種MEMS紅外光源及其製備方法，通過MEMS加工技術，製備出適合氣體檢測的MEMS紅外光源，包括如下步驟：1）在雙面拋光的單晶矽襯底上，利用幹法氧化的方法，在兩面形成緻密的氧化矽薄膜，隨後以化學氣相沉積的方式在正面生長氮化矽薄膜；2）在氮化矽薄膜上，以磁控濺射的方式生長電極連接層Ti和電極層Pt；3）以MEMS加工工藝中的光刻、刻蝕等方法，圖形化出加熱電極；4）以反應離子刻蝕的方式，去除多餘的氧化矽和氮化矽；5）以幹法刻蝕和溼法刻蝕相結合的方式，形成懸空結構。本發明製備的MEMS紅外光源工藝簡單，成本低，易於批量化生產，適用於可攜式、微型化的氣敏檢測系統。
【專利說明】一種MEMS紅外光源及其製備方法
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明涉及一種用於氣體檢測的紅外光源，具體的說，涉及一種基於MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,指微機電系統)微納加工技術製備的氣體檢測紅外光源。
[0003]
【背景技術】
[0004]隨著人們生活水平的提高和對生活環境的日益重視，人們對環境中的有害氣體檢測越來越關注。尤其是現代工業的快速發展以及各種建築裝修材料的應用，很多的有毒氣體在不斷侵害人們的身體。一方面工業方面排放的二氧化硫、硫化氫等有毒氣體，對人類的生活造成很大的傷害；另一方面，人們在追求舒適生活的同時，對家庭室內的裝修材料使用的越來越多，從而造成室內的甲醛等氣體嚴重超標；最後一方面石油化工、藥物合成等方面產生的有機氣體，也對人們的健康產生較大的威脅。因此，如何準確、快速的對環境中的這些有毒氣體進行有效的監測，是保護人類生活和健康的必要手段之一。
[0005]氣體傳感器是把空氣中的某種特定的氣體成分檢測出來，並轉換成相應電學信號的傳感器件。因此，人們對氣體傳感器進行了大量的研究，其中之一就是用來對有毒有害氣體的檢測，從而去幫助人們 改善和改正周圍的環境。而且，隨著生活環境的多元化，對氣體傳感器的檢測要求也越來越高。目前在氣體傳感器檢測方面，金屬氧化物半導體氣敏傳感器和固態電解質傳感器佔據了絕大部分市場。但是這兩種都需要在較高的溫度下進行工作，消耗功率大，靈敏度低，而且抗幹擾能力差。
[0006]紅外氣體傳感器主要是利用被檢測氣體通入傳感器檢測腔體，吸收紅外光源發出的特定波長，用紅外探測器來檢測紅外光的強度，並測量吸收光譜，即可得出被檢測氣體的濃度。而且利用紅外光譜吸收的方法檢測氣體的紅外氣體傳感器具有很多優點，它不僅精度高，選擇性好，而且使用壽命長，量程較寬，抗幹擾能力強。
[0007]但是，如果以傳統的鎳或能斯特燈作為紅外光源，並以機械斬波器或電機機械調製光源，會造成紅外氣體傳感器的體積較為龐大，而且系統功耗嚴重，穩定性變差。也難以滿足現代化傳感器低功耗、可攜式的測試需求。隨著近些年來微電子技術和MEMS微納加工工藝的迅速發展，氣體傳感器逐漸在向小型化和微型化發展，並且其紅外光源部分可以與半導體和MEMS的工藝相兼容。
[0008]
【發明內容】
[0009]為克服現有紅外氣體傳感器中的紅外光源調製部件的體積龐大、價格昂貴、能耗較高等方面的缺點，本發明的目的在於提供一種功耗低、體積小、易於批量化生產的MEMS紅外光源。
[0010]本發明的另一目的在於提供一種採用MEMS微納加工工藝，在矽襯底上製備出功耗低、體積小、易於批量化生產的紅外MEMS光源，滿足現代化傳感器的測試需求。
[0011]為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案實現:
一種MEMS紅外光源,其包括一具有懸空結構的單晶娃襯底,所述單晶娃襯底的正面和反面分別為SiO2薄膜層，所述單晶矽襯底正面的SiO2薄膜層包括一層Si3N4薄膜層，所述Si3N4薄膜層上設置有一電極連接層，所述電極連接層上為一電極層，所述電極連接層與電極層形成的加熱電極成一條紋結構設置在所述Si3N4薄膜層上。
[0012]進一步的,所述金屬連接層的材質為金屬Ti。
[0013]進一步的，所述電極層的材質為金屬Pt。
[0014]一種MEMS紅外光源的製備方法，其包括以下製備步驟:
步驟1:清洗單晶矽片，
將厚度為500-550um的雙面拋光的單晶矽片放在由H2O2和H2SO4混合而成的清洗液中清洗，然後用去離子水衝洗，並用氮氣吹乾，置於淨化環境中作為單晶矽襯底待用；
步驟2:雙面熱氧化單晶矽襯底，
採用幹法氧化的方法，在所述單晶矽襯底正、反面形成SiO2薄膜層；
步驟3:生長Si3N4薄膜層，
利用LPCVD/PECVD設備在所述單晶矽襯底正面的SiO2薄膜層上生長Si3N4薄膜層； 步驟4:圖形化加熱電極，
在生長Si02、Si3N4薄膜層上，利用MEMS工藝圖形化出加熱電極圖案，具體包括以下步
驟:
步驟4.1)電極連接層濺射，通過磁控濺射設備濺射一層金屬Ti作為電極連接層； 步驟4.2)電極層濺射，在所述電極連接層上，濺射一層金屬Pt層作為電極層；
步驟5:圖形化懸空區域，
在所述單晶矽襯底反面的SiO2薄膜層上，利用MEMS工藝圖形化出需要懸空區域的圖案，具體包括以下步驟:
步驟5.1) SiO2刻蝕，在所述單晶矽襯底反面圖形化後的需要懸空的區域，利用RIE刻蝕設備進行SiO2刻蝕；
步驟5.2)單晶矽刻蝕，在刻蝕SiO2後的單晶矽襯底上，利用ICP矽刻蝕設備進行單晶矽刻蝕，刻蝕深度為400-450um ；
步驟6:加熱電極釋放，具體包括以下步驟:
步驟6.1)利用化學腐蝕方法去除單晶矽襯底正面多餘的金屬T1、Pt及光刻膠；
步驟6.2) Si3N4刻蝕，在去除光刻膠和多餘的金屬T1、Pt之後，利用RIE刻蝕設備將加熱電極旁邊殘餘的Si3N4刻蝕掉；
步驟6.3)Si02刻蝕，在刻蝕Si3N4之後，利用RIE刻蝕設備將加熱電極旁邊殘餘的SiO2刻蝕掉；
步驟7:矽穿通刻蝕，
利用單晶矽溼法刻蝕工藝，在刻蝕溶液中穿通刻蝕，以刻蝕出具有懸空結構的單晶矽襯底； 步驟8:清洗，利用有機溶劑乙醇和去離子水，對刻蝕後的單晶矽進行清洗；
步驟9:機械劃片，利用機械劃片機，對陣列器件進行劃片，分割成單個的MEMS紅外光源。
[0015]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
本發明是以MEMS加工技術製備的用於紅外氣體檢測儀中的紅外光源，其工藝完全和IC加工工藝兼容，器件加工精度高，而且工藝相對簡單、器件成本低、易於批量化生產，可以滿足紅外氣體檢測儀的小型化、集成化需求。
[0016]上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，並可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例並配合附圖詳細說明如後。本發明的【具體實施方式】由以下實施例及其附圖詳細給出。
[0017]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中:
圖1示出了本發明的MEMS紅外光源截面示意圖。
[0019]圖中標號說明:1、單晶矽襯底，101、懸空結構，102、條紋結構，2、SiO2薄膜層，3、Si3N4薄I吳層，4、電極連接層，5、電極層。
[0020]
【具體實施方式】
[0021]下面將參考附圖並結合實施例，來詳細說明本發明。
[0022]實施例1:
參見圖1所不，一種MEMS紅外光源其包括一具有懸空結構101的單晶娃襯底1，所述單晶矽襯底I的正面和反面分別為SiO2薄膜層2，所述單晶矽襯底I正面的SiO2薄膜層2包括一層Si3N4薄膜層3，所述Si3N4薄膜層3上設置有一電極連接層4，所述電極連接層4上為一電極層5，所述電極連接層4與電極層5形成的加熱電極成一條紋結構102設置在所述Si3N4薄I旲層3上。
[0023]進一步的，所述金屬連接層4的材質為金屬Ti。
[0024]優選的，所述金屬連接層4的厚度為30_50nm。
[0025]進一步的，所述電極層5的材質為金屬Pt。
[0026]優選的，所述電極層5的厚度為150_200nm。
[0027]優選的，所述SiO2薄膜層2的厚度為300_500nm。
[0028]優選的，所述Si3N4薄膜層3的厚度為100_200nm。
[0029]優選的，所述單晶矽襯底I的厚度為500_550um。
[0030]實施例2:
一種MEMS紅外光源的製備方法，其包括以下製備步驟:
步驟1:清洗單晶矽片，
將厚度為500-550um雙面拋光的單晶矽片放在由H2O2和&504混合而成的清洗液中清洗，然後用去離子水衝洗，並用氮氣吹乾，置於淨化環境中作為單晶矽襯底待用；
步驟2:雙面熱氧化單晶矽襯底，
採用幹法氧化的方法，在所述單晶矽襯底正、反面形成厚度為300-500nm的SiO2薄膜
層；
步驟3:生長Si3N4薄膜層，
利用LPCVD/PECVD設備在所述單晶矽襯底正面的SiO2薄膜層上生長厚度為100_200nm的Si3N4薄膜層；
步驟4:圖形化加熱電極，
在生長Si02、Si3N4薄膜層上，利用MEMS工藝圖形化出加熱電極圖案，具體包括以下步
驟:
步驟4.1)電極連接層濺射，通過磁控濺射設備濺射一層厚度為30-50nm的金屬Ti作為電極連接層；
步驟4.2)電極層濺射，在所述電極連接層上，濺射一層厚度為150-200nm的金屬Pt層作為電極層；
步驟5:圖形化懸空區域，
在所述單晶矽襯底反面的SiO2薄膜層上，利用MEMS工藝圖形化出需要懸空區域的圖案，具體包括以下步驟:
步驟5.1) SiO2刻蝕，在所述單晶矽襯底反面圖形化後的需要懸空的區域，利用RIE刻蝕設備進行SiO2刻蝕；
步驟5.2)單晶矽刻蝕，在刻蝕SiO2後的單晶矽襯底上，利用ICP矽刻蝕設備進行單晶矽刻蝕，刻蝕深度為400-450um ；
步驟6:加熱電極釋放，具體包括以下步驟:
步驟6.1)利用化學腐蝕方法去除單晶矽襯底正面多餘的金屬T1、Pt及光刻膠；
步驟6.2) Si3N4刻蝕，在去除光刻膠和多餘的金屬T1、Pt之後，利用RIE刻蝕設備將加熱電極旁邊殘餘的Si3N4刻蝕掉；
步驟6.3)Si02刻蝕，在刻蝕Si3N4之後，利用RIE刻蝕設備將加熱電極旁邊殘餘的SiO2刻蝕掉；
步驟7:矽穿通刻蝕，
利用單晶矽溼法刻蝕工藝，在刻蝕溶液中穿通刻蝕，以刻蝕出具有懸空結構的單晶矽襯底；
步驟8:清洗，利用有機溶劑乙醇和去離子水，對刻蝕後的單晶矽進行清洗；
步驟9:機械劃片，利用機械劃片機，對陣列器件進行劃片，分割成單個的MEMS紅外光源。
[0031]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種MEMS紅外光源,其特徵在於:包括一具有懸空結構(101)的單晶娃襯底(I),所述單晶矽襯底(I)的正面和反面分別為SiO2薄膜層(2)，所述單晶矽襯底(I)正面的SiO2薄膜層(2)包括一層Si3N4薄膜層(3)，所述Si3N4薄膜層(3)上設置有一電極連接層(4)，所述電極連接層(4)上為一電極層(5)，所述電極連接層(4)與電極層(5)形成的加熱電極成一條紋結構(102)設置在所述Si3N4薄膜層(3)上。
2.根據權利要求1所述的MEMS紅外光源，其特徵在於:所述金屬連接層(4)的材質為金屬Ti，所述金屬連接層(4)的厚度為30-50nm;所述電極層(5)的材質為金屬Pt，所述電極層(5)的厚度為150-200nm。
3.根據權利要求1所述的MEMS紅外光源，其特徵在於:所述SiO2薄膜層(2)的厚度為300_500nm。
4.根據權利要求1所述的MEMS紅外光源，其特徵在於:所述Si3N4薄膜層(3)的厚度為 100_200nm。
5.根據權利要求1至4中任意一項所述的MEMS紅外光源，其特徵在於:所述單晶矽襯底(I)的厚度為500— 550um。
6.一種MEMS紅外光源的製備方法，其特徵在於，包括以下製備步驟: 步驟1:清洗單晶矽片， 將厚度為500-550um的雙面拋光的單晶矽片放在由H2O2和&504混合而成的清洗液中清洗，然後用去離子水衝洗，並用氮氣吹乾，置於淨化環境中作為單晶矽襯底待用； 步驟2:雙面熱氧化單晶矽襯底， 採用幹法氧化的方法，在所述單晶矽襯底正、反面形成SiO2薄膜層； 步驟3:生長Si3N4薄膜層， 利用LPCVD/PECVD設備在所述單晶矽襯底正面的SiO2薄膜層上生長Si3N4薄膜層； 步驟4:圖形化加熱電極， 在生長Si02、Si3N4薄膜層上，利用MEMS工藝圖形化出加熱電極圖案，具體包括以下步驟: 步驟4.1)電極連接層濺射，通過磁控濺射設備濺射一層金屬Ti作為電極連接層； 步驟4.2)電極層濺射，在所述電極連接層上，濺射一層金屬Pt層作為電極層； 步驟5:圖形化懸空區域， 在所述單晶矽襯底反面的SiO2薄膜層上，利用MEMS工藝圖形化出需要懸空區域的圖案，具體包括以下步驟: 步驟5.1) SiO2刻蝕，在所述單晶矽襯底反面圖形化後的需要懸空的區域，利用RIE刻蝕設備進行SiO2刻蝕； 步驟5.2)單晶矽刻蝕，在刻蝕SiO2後的單晶矽襯底上，利用ICP矽刻蝕設備進行單晶矽刻蝕，刻蝕深度為400-450um ； 步驟6:加熱電極釋放，具體包括以下步驟: 步驟6.1)利用化學腐蝕方法去除單晶矽襯底正面多餘的金屬T1、Pt及光刻膠； 步驟6.2) Si3N4刻蝕，在去除光刻膠和多餘的金屬T1、Pt之後，利用RIE刻蝕設備將加熱電極旁邊殘餘的Si3N4刻蝕掉； 步驟6.3)Si02刻蝕，在刻蝕Si3N4之後，利用RIE刻蝕設備將加熱電極旁邊殘餘的SiO2刻蝕掉； 步驟7:矽穿通刻蝕， 利用單晶矽溼法刻蝕工藝，在刻蝕溶液中穿通刻蝕，以刻蝕出具有懸空結構的單晶矽襯底； 步驟8:清洗，利用有機溶劑乙醇和去離子水，對刻蝕後的單晶矽進行清洗； 步驟9:機械劃片，利用機械劃片機，對陣列器件進行劃片，分割成單個的MEMS紅外光源。
7.根據權利要求6所述的MEMS紅外光源的製備方法，其特徵在於:所述金屬連接層的厚度為30-50nm ;所述電極層的厚度為150_200nm。
8.根據權利要求6所述的MEMS紅外光源的製備方法，其特徵在於:所述SiO2薄膜層的厚度為 300-500nm。
9.根據權利要求6所述的MEMS紅外光源的製備方法，其特徵在於:所述Si3N4薄膜層的厚度為100-200nm。
10.根據權利要求6至9中任意一項所述的MEMS紅外光源的製備方法，其特徵在於:所述單晶矽襯底的厚度為500um。
【文檔編號】B81B7/00GK103896203SQ201410111761
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月24日 優先權日:2014年3月24日
【發明者】石威, 趙真真, 吳奇, 李永方 申請人:蘇州宏態環保科技有限公司