懸浮結構的MEMS紅外光源的製作方法

2023-06-01 03:17:11 2

本實用新型涉及紅外光源技術領域，尤其涉及一種懸浮結構的MEMS紅外光源。

背景技術：

隨著全球經濟的迅速發展，地球環境持續惡化，各種有毒、有害氣體的排放導致的空氣汙染問題日益嚴峻，嚴重影響了人類自身的生存和發展。進入二十一世紀，隨著信息技術的成熟和人們對環境問題的關切，為氣體傳感器帶來了巨大的市場需求。

基於非色散紅外吸收光譜(NDIR)的氣體傳感器克服了傳統的催化原理、電化學原理氣體傳感器容易中毒老化、壽命短等缺點，具有檢測精度高、量程大、可靠性高、使用壽命長等公認的優點，從而成為研究的熱點和氣體傳感器未來的發展方向。在NDIR氣體傳感器中，紅外光源發射紅外光，二氧化碳、一氧化碳、甲烷等可產生偶極矩變化的氣體分子由於會與紅外光產生共振而被吸收，且特定的氣體分子只會與特定波長的紅外光發生共振，不同的氣體濃度會導致紅外光被吸收的能量不同，因而探測器可在另一端檢測紅外輻射能量的變化，並以此來分析氣體成分和計算氣體濃度。由於紅外探測器一般對變化的紅外光敏感，傳統的NDIR氣體傳感器需要在紅外光源處安裝一個機械斬波器來產生可變化的紅外光，這一複雜結構不能滿足氣體傳感器微型化、便攜化和低功耗化的要求。MEMS技術的發展實現了電可調製紅外光源，成功的解決了這一問題。

MEMS紅外光源作為NDIR氣體傳感器的核心部件，其性能嚴重影響著氣體傳感器探測的準確性和靈敏度，目前小尺寸、低功耗和高發射率特點且製備工藝簡單的可電調製MEMS紅外光源的研製成為當前半導體氣體傳感器的研究熱點。

中國專利CN104591076A公開了一種基於納米結構的紅外光源晶片，採用緊密排列的納米深孔薄膜結構作為輻射層提高輻射效率，晶片設有襯底、支撐層、電加熱層、納米結構輻射層、金屬電極；支撐層、電加熱層、納米結構輻射層均懸浮在襯底上方並形成懸浮橋面結構，減少熱傳導損耗。此專利採用幹法刻蝕形成背部空腔，很容易出現釋放不完全，大部分矽基與結構相連，大大減小了熱輻射效率。

中國專利CN103500788A公開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，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。此專利採用最後的正面幹法刻蝕形成釋放空腔，容易對結構造成損傷，並且工藝操作較為複雜。

技術實現要素：

有鑑於此，本實用新型提供一種懸浮結構的MEMS紅外光源，能夠大幅減少熱傳導損失，提高光源的輻射效率，操作簡單，功耗較低，穩定性高，且與CMOS工藝兼容。

本實用新型提供一種懸浮結構的MEMS紅外光源，所述懸浮結構的MEMS紅外光源包括薄膜懸浮結構及所述懸浮結構上的紅外光源結構；所述薄膜懸浮結構為圖形化的支撐層，所述支撐層為沉積在承載襯底上的凹弧狀的四梁固支結構；所述紅外光源結構包括：加熱層、隔離層、圖形化金屬電極以及輻射層；所述加熱層沉積在所述支撐層上面，所述圖形化金屬電極沉積在所述支撐層上面並且與所述加熱層側面相連；所述隔離層製備在所述加熱層上面；所述輻射層製備在所述隔離層上表面；所述輻射層、隔離層、加熱層和支撐層均懸浮在背部空腔的承載襯底上形成所述薄膜懸浮結構。

可選的，所述支撐層為氧化矽、氮化矽或者氧化矽與氮化矽多層複合膜支撐層，所述支撐層與承載襯底接觸並且中間為凹弧形狀的四個隔離槽結構；所述承載襯底為矽方形框架的矽基襯底。

可選的，所述隔離層為氧化矽隔離層或氮化矽隔離層，將所述加熱層與所述輻射層電隔離。

可選的，所述加熱層為半導體材料矩形加熱層，沉積在所述支撐層之上。

可選的，所述金屬電極為單層金屬電極，或者複合金屬層電極，電極底層使用鈦或鉻金屬作為粘附層，粘附層上沉積有金、鉑或鋁金屬。

可選的，所述輻射層採用反應離子刻蝕刻蝕多晶矽，形成緊密直立排列的錐狀森林結構的納米矽材料。

本實用新型提供的懸浮結構的MEMS紅外光源，提供一種新的凹弧狀的四梁固支懸浮的結構，能夠大幅減少熱傳導損失，提高光源的輻射效率；採用了溼法腐蝕和幹法刻蝕混合釋放的工藝方法，先進行背部溼法腐蝕釋放，然後進行幹法XeF2釋放工藝，能夠提高工藝兼容性，避免了常規工藝後期進行深反應離子刻蝕(DRIE)對背部矽基的釋放不完全，還有背部溼法空腔過大的弊端，同時增加了背腔完全釋放的穩定性，減小了工藝難度。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為承載襯底正面熱氧化氧化矽，然後雙面LPCVD氮化矽薄膜的剖視圖；

圖2為在正面LPCVD兩層多晶矽，分別作為加熱層和輻射層，中間PECVD氧化矽作為隔離層，並且在加熱層多晶矽材料重摻雜B改變電阻值的剖視圖；

圖3為兩層多晶矽層圖形化，形成輻射層和加熱層的剖視圖；

圖4為圖形化氮化矽支撐層，形成隔離槽以及正面氣相HF刻蝕窗口的剖視圖；

圖5為圖形化氮化矽支撐層，形成隔離槽的俯視圖；

圖6為背面氮化矽掩膜的圖形化，形成背腔釋放口的剖視圖；

圖7為背面氮化矽掩膜的圖形化，形成背腔釋放口的仰視圖；

圖8為圖形化Al電極並且RIE輻射層多晶矽形成納米矽材料的剖視圖；

圖9為磁控濺射Al，電極圖形化以及RIE多晶矽輻射層的俯視圖；

圖10為TMAH溼法腐蝕背腔釋放口的剖視圖；

圖11為XeF2幹法釋放背腔釋放口的剖視圖；

圖12為正面氣相HF對氧化矽支撐層的穿通刻蝕的剖視圖；

圖13為懸浮結構的製備完成，最終紅外光源器件的完成的俯視圖。

圖中：

1：承載襯底；2：氧化矽支撐層；3：氮化矽支撐層；

4：多晶矽加熱層；5：氧化矽隔離層；6：多晶矽輻射層；

7：氮化矽掩膜層；8：納米矽輻射層；

101：輻射結構；102：加熱層結構；103：隔離槽結構；

104：背腔釋放口結構；105：金屬電極結構；106：背腔溼法釋放結構；

107：幹法釋放結構；108：穿通刻蝕結構。

具體實施方式

下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

本實用新型實施例提供一種懸浮結構的MEMS紅外光源，如圖12和圖13所示，所述懸浮結構的MEMS紅外光源從底部到頂部依次包括：氮化矽掩膜層7、承載襯底1、氧化矽支撐層2、氮化矽支撐層3、多晶矽加熱層4、氧化矽隔離層5、多晶矽輻射層6；所述懸浮結構的MEMS紅外光源還包括圖形化金屬電極結構105、隔離槽結構103、幹法釋放結構107和穿通刻蝕結構108。

其中，所述多晶矽輻射層6採用反應離子刻蝕(RIE)刻蝕多晶矽，形成森林納米矽輻射層8，用於輻射紅外線，並且通過氧化矽隔離層5覆蓋在多晶矽加熱層4上；多晶矽加熱層4設於氧化矽支撐層2和氮化矽支撐層3之上，用於對多晶矽輻射層6提供能量；所述氧化矽支撐層2和氮化矽支撐層3、多晶矽加熱層4、氧化矽隔離層5、多晶矽輻射層6均懸浮在承載襯底1上方並形成四梁固支懸浮結構。

所述承載襯底為矽基襯底，所述矽基襯底可採用矽方形框架襯底，可利用微電子體矽加工技術在矽片上製備出中空的方形框架結構。

所述支撐層為氧化矽、氮化矽或者氧化矽與氮化矽多層複合膜支撐層，支撐層與矽襯底接觸並且中間做成凹弧形狀的四個隔離槽結構；所述隔離層採用氧化矽或者氮化矽隔離層，該隔離層將加熱層與輻射層電隔離。

所述加熱層採用半導體材料加熱層，採用物理或化學的方法沉積一層半導體薄膜，並對半導體材料進行摻雜使其具有電阻加熱特性；加熱層可採用矩形加熱層，並沉積在支撐層上；所述金屬電極可採用單層金屬電極，如銅、鉑、鋁、鈦、鎢，也可以採用複合金屬層電極，電極底層可以使用鈦或鉻金屬作為粘附層，在粘附層上再沉積金屬，如金、鉑、鋁。

其中，所述金屬電極層總厚度為0.8μm～1.2μm或者電極連接層的厚度為200～400nm，電極層的厚度為600～800nm；所述半導體材料加熱層厚度為500nm～600nm。

所述支撐層薄膜的總厚度為0.6μm～1μm，所述隔離層厚度為30nm～50nm。

所述單晶矽承載襯底的厚度為500μm。

本實用新型實施例提供的懸浮結構的MEMS紅外光源具有如下結構特點：

所述支撐層結構採用氧化矽和氮化矽雙膜結構來減小薄膜的內應力。首先在潔淨的雙拋(100)矽片上正面熱氧化一層SiO2，再在雙面使用低壓化學氣相沉積(LPCVD)沉積一層Si3N4。正面的雙膜結構作為整個懸浮結構的支撐層，背面的作為後續溼法釋放的掩膜結構。所述的加熱層結構，採用摻雜B後的多晶矽作為加熱電阻結構，並且通過控制摻雜濃度和劑量來控制多晶矽的電阻；

所述輻射層採用刻蝕多晶矽材料製備。在摻雜多晶矽層和刻蝕多晶矽層之間生長一層薄氧化矽層，起到隔離的作用。所述的電極結構，使用磁控濺射的方法製備，使用純淨的金屬靶作為轟擊材料，製備的晶粒直徑在50納米，膜層的厚度在800納米。之後在表面光刻，使用溼法腐蝕的方法進行電極的圖形化；

所述釋放結構採用創新的混合的釋放工藝方法。在製備完成正面結構後，在背部掩膜的作用下，對背部矽基進行溼法腐蝕釋放，在釋放到距離正面自停止支撐層50～100微米的地方停止腐蝕；然後使用XeF2對矽基進行幹法刻蝕，形成整個器件釋放的結構；

所述懸浮結構採用凹弧狀四梁固支的新型懸浮結構，加熱層、電隔離層、輻射層都僅僅靠四支凹弧狀懸臂梁與矽基相連接，利用弧形式懸浮薄膜結構解決懸浮封閉薄膜型和懸臂薄膜型紅外光源熱應力大和結構易破裂的問題，並有效地提高輻射效率。使得該紅外光源具有體積小、功耗低、響應快、可調製和可靠性高等特點。

所述懸浮結構採用創新的混合的釋放工藝方法。在製備完成正面結構後，在背部氮化矽掩膜層7的作用下，對背部矽基進行溼法腐蝕釋放106，在釋放到距離正面支撐層SiO2 50～100微米的地方停止腐蝕；繼續使用XeF2對矽基進行幹法刻蝕，在刻蝕到正面SiO2層時自停止，形成背面矽基的釋放結構107；然後在正面使用氣相HF對SiO2層進行穿通刻蝕108，形成整個器件釋放的結構。

本實用新型實施例提供一種懸浮結構的MEMS紅外光源的製備方法，包括如下步驟：

步驟S11、將P型(100)雙拋矽片按照標準清洗處理；

步驟S12、如圖1所示，以清洗處理後的矽片製作支撐層：在矽片上熱氧化一層500nm～700nm氧化矽薄層，接著在雙面再LPCVD一層氮化矽，其厚度在150nm～200nm，形成一層複合型的薄膜結構；

步驟S13、如圖2所示，在圖1所示的結構上緊接著正面LPCVD一層600nm～800nm多晶矽，接著採用擴散的方法摻雜，形成N型摻雜，提高多晶矽的導電性。接著再在摻雜後的多晶矽表面製作一層50nm～100nm氧化矽進行隔離，最後LPCVD一層500nm～800nm多晶矽用於納米矽材料的製備；

步驟S14、如圖3所示，在圖2所示的結構上兩次光刻，分別是輻射層101和加熱層102的圖形化，臺階用於加熱層與電極的電性接觸；

步驟S15、如圖4所示，在圖3所示的結構上繼續光刻，圖形化氮化矽支撐層形成隔離槽，用於最終正面氣相HF穿通刻蝕的釋放窗口，俯視圖見圖5；

步驟S16、如圖6所示，在圖5所示的正面結構的基礎上，進行背腔氮化矽掩膜的圖形化，用於後續溼法腐蝕釋放，仰視圖見圖7；

步驟S17、如圖8所示，在圖6所示的正面結構上磁控濺射Pt電極，並圖形化電極，電極形狀見圖9；緊接著在正面繼續使用反應離子刻蝕(RIE)刻蝕頂層多晶矽輻射層，使用Cl2以及SF6氣體刻蝕，He用於冷卻，形成森林結構的納米矽材料，輻射率接近於黑體；

步驟S18、如圖10～13所示，在圖8所示的正面結構基礎上，首先進行背腔釋放窗口的溼法腐蝕，由於單晶矽的各向異性，腐蝕口呈現54.47°，如圖10所示；在腐蝕到距離氧化矽層50～70微米處，繼續使用幹法XeF2刻蝕，刻蝕到氧化矽處停止，如圖11所示；最後在正面使用氣相HF在隔離槽釋放口進行穿通刻蝕，如圖12所示，最終釋放結構完成，如圖13所示。

至此，懸浮結構的MEMS紅外光源製備完成。

本實用新型實施例提供另外一種懸浮結構的MEMS紅外光源的製備方法，包括如下步驟：

步驟S21、將P型(100)雙拋矽片按照標準清洗處理；

步驟S22、以清洗處理後的矽片製作支撐層：在矽片上熱氧化一層500nm～700nm氧化矽薄層，接著在雙面再LPCVD一層氮化矽，其厚度在150nm～200nm，形成一層複合型的薄膜結構；

步驟S23、緊接著正面LPCVD一層600nm多晶矽，接著採用擴散的方法摻雜，形成N型摻雜，提高多晶矽的導電性。接著再在摻雜後的多晶矽表面製作一層50nm～100nm氧化矽進行隔離，最後LPCVD一層500nm～800nm多晶矽用於納米矽材料的製備；

步驟S24、在上述結構上兩次光刻，分別是輻射層101和加熱層102的圖形化，臺階用於加熱層與電極的電性接觸；

步驟S25、在上述結構上繼續光刻，圖形化氮化矽和氧化矽支撐層形成隔離槽，用於正面幹法釋放窗口；

步驟S26、在上述正面結構的基礎上，進行背腔氮化矽掩膜的圖形化，用於後續溼法腐蝕釋放；

步驟S27、在正面結構上磁控濺射Pt電極，並圖形化電極；緊接著在正面繼續使用反應離子刻蝕(RIE)刻蝕頂層多晶矽輻射層，使用Cl2以及SF6氣體刻蝕，He用於冷卻，形成森林結構的納米矽材料，輻射率接近於黑體；

步驟S28、在上述正面結構基礎上，首先進行背腔釋放窗口的溼法腐蝕，由於單晶矽的各向異性，腐蝕口呈現54.47°；在腐蝕到距離氧化矽層50～70微米處，在正面使用XeF2通過隔離槽釋放窗口進行穿通刻蝕，最終釋放結構完成。

至此，懸浮結構的MEMS紅外光源製備完成。

本實用新型實施例提供的懸浮結構的MEMS紅外光源及其製備方法，提供一種新的凹弧狀的四梁固支懸浮的結構，能夠大幅減少熱傳導損失，提高光源的輻射效率；採用了溼法腐蝕和幹法刻蝕混合釋放的工藝方法，先進行背部溼法腐蝕釋放，然後進行幹法XeF2釋放工藝，能夠提高工藝兼容性，避免了常規工藝後期進行深反應離子刻蝕(DRIE)對背部矽基的釋放不完全，還有背部溼法空腔過大的弊端，同時增加了背腔完全釋放的穩定性，減小了工藝難度。

以上所述，僅為本實用新型的具體實施方式，但本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。因此，本實用新型的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。