一种MEMS红外光源及其制造方法与流程

一种mems红外光源及其制造方法
技术领域
1.本发明属于红外光源领域，特别是涉及一种mems红外光源及其制造方法。


背景技术：

2.红外传感技术已经被广泛应用于大气质量检测、温度监控、工业过程控制、空间监控、信息通信、医学及军事等领域。红外光源是红外传感技术的重要元件，常用的发光波长为 3-5微米以及8-14微米。红外光源主要有红外发光二极管、量子级联红外激光器和热辐射红外光源。传统热辐射红外光源如白炽灯，其电光转换效率低、调制特性差；而波长在3-5 微米的红外二极管发光效率低，输出功率小，限制了其应用；量子级联红外激光器能够发射高强度的窄带红外激光，但效率也不高，且制造成本高昂。利用微机电系统(mems)技术制作的mems红外光源是一种新型的热辐射红外光源，具有电光转换效率高、体积小、能耗低等特点，同时光谱很容易覆盖2-20微米范围，还具有较快的调制频率，已经被广泛应用于红外传感领域，成为红外光源的趋势性技术。
3.常规结构的mems红外光源如图1所示，具有衬底，在衬底上设有支撑薄膜层，支撑薄膜层和衬底采用四边固支结构连接，在支撑薄膜上设有发热电极层。通过给发热电极层通电产生焦耳热，使发热电极层升温至特定温度(根据所需红外发射波长和辐射量确定)，进而产生红外辐射。为了使mems红外光源更大程度的发挥电光转换效率高、体积小、能耗低以及调制频率快的特点，在设计mems红外光源时通常需要考虑如下几方面的问题：
4.(1)mems红外光源的红外发射材料(可以是发热电极层本身，也可以是发热电极层和位于发热电极层表面的其他具有高红外发射率材料的组合)应具有尽可能小的体积与表面积比。在给定表面积的情况下(平衡增大发射面积和减小mems光源体积后确定的合适表面积)，意味着需要更薄的红外发射材料，相当于降低了红外发射材料的热质量，如此可以降低加热功耗，同时提升电光转换效率和调制频率。
5.(2)mems红外光源主要通过热传导和红外辐射两种途径进行散热，其中热传导是发热电极层通过衬底进行传热，这部分传热应尽可能减小，以提升mems红外光源的电光转换效率并降低加热功耗，红外辐射是mems红外光源工作的核心，需要被加强。因此，需要大幅降低发热电极层的热导，如图1所示通常将发热电极层下方的衬底掏空来减少衬底的热传导；而加强红外辐射可以通过选择高发射率的材料制作发热电极层或者在发热电极层表面增设具有更高红外发射率的红外发射层。
6.(3)mems红外光源的红外辐射主要从两个方向出射：一个是从发热电极层上方向外辐射，这部分红外辐射是能够被红外传感器利用的部分，需要加强；另一个是从发热电极层经由支撑薄膜向衬底掏空部分辐射，这部分红外辐射在mems红外光源封装后将被封装材料和衬底等吸收，无法有效利用，属于能量的浪费，需要尽可能减小甚至消除。
7.(4)其它还包括发热电极层应具有良好的热稳定性和机械参数，高温时具有良好的化学稳定性，低的热容，高的红外发射率等，同时还要考虑整个mems红外光源的结构特性以及各种材料之间的应力匹配性等。
8.基于以上几方面的设计考虑，现有mems红外光源获得了巨大的进步，比如通过衬底掏空技术大幅降低了mems红外光源的热导，提升了mems红外光源的电光转换效率并降低加热功耗，通过在发热电极层上方引入具有高红外发射率的材料或者微结构来提升红外发射能力，从而降低mems红外光源的加热功耗，同时对发热电极层的选择也有了很好的认识。然而，现有mems红外光源仍然存在一些问题：
9.一是目前常用的发热电极层在工作温度下的红外发射率偏低，需要在其上设置额外的红外发射层来提升mems红外光源的红外发射能力，常用的红外发射层包括铂黑、金黑、银黑、黑硅、光子晶体等，这些发射层确实可以大幅提升mems红外光源的红外发射能力，但通常都有数微米到数十微米的厚度，大幅增加了发热电极层的热质量，会增加mems红外光源的加热功耗，同时降低调制频率，另外这些红外发射层制备工艺复杂、成本高，不利于降低mems红外光源的成本。
10.二是现有mems红外光源尚未有效解决发热电极层经由支撑薄膜向衬底掏空部分辐射的红外能量的利用问题，造成红外辐射能量的巨大浪费，增加了mems红外光源的加热功耗。


技术实现要素：

11.针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种mems红外光源及其制造方法，在现有mems红外光源的基础上，在发热电极层和支撑材料背部(位于衬底空腔区域)引入对红外辐射具有高反射率的反射层，从而将发热电极层经由支撑薄膜向衬底空腔部分辐射的红外辐射能量反射回去，并通过发热电极层向上方辐射，加强能够被红外传感器利用的红外辐射能量，大幅提升mems红外光源的光电转换效率并降低加热功耗；同时引入超薄(厚度不大于1微米)红外发射层，在保证mems红外光源具有高的红外发射能力的同时，大幅降低发热电极层热质量，提升mems红外光源的调制频率并进一步降低加热功耗。解决了现有mems红外光源存在的上述两方面问题。
12.本发明的目的是这样实现的：
13.一种mems红外光源，包含衬底、支撑薄膜层、发热电极层、隔离层、发热电极焊盘、红外发射层、保护层和反射层，其特征在于：所述衬底包含空腔结构，所述支撑薄膜层设于具有空腔结构的衬底之上，与衬底形成四边固支结构连接，并在空腔结构上方形成悬浮区，在所述支撑薄膜层上方设有发热电极层，在悬浮区之外的发热电极层两侧设有发热电极焊盘，所述发热电极焊盘与所述发热电极层形成电连接，在所述发热电极层上方除发热电极焊盘之外的区域设有隔离层，在悬浮区上方对应的隔离层上设有红外发射层，所述保护层位于除发热电极焊盘之外的红外发射层、红外电极层和支撑薄膜层上表面，所述反射层位于空腔结构内，与空腔结构侧面的衬底以及空腔结构顶面的支撑薄膜层相连。
14.更进一步，所述反射层为对2-14微米波长范围的红外线具有高反射率的薄膜，为ag、 au、cu、al或者介质膜布拉格反射层。
15.更进一步，所述红外发射层为表面粗糙、厚度在50-1000nm范围且具有高红外发射率的材料，为nicr合金、tin、tialn、非晶碳、sic、nicro化合物、zro2、hfo2、la
1-x
ca
x
cro
3 (0≤x≤0.5)或碳纳米管。
16.更进一步，所述发热电极层为pt、mo、nicr合金、多晶硅、sic、cu、w、hfb2、ptsi 以
及sno2中的一种，可在发热电极层与支撑薄膜层之间引入厚度为1-200nm的ti层、cr 层或ni层等，增加发热电极层与支撑薄膜层之间的粘附力。
17.更进一步，所述支撑薄膜层为氧化硅、氮化硅或氮化硅和氧化硅组成的多层复合膜结构。
18.更进一步，所述隔离层为氧化硅、氮化硅、氧化铝中的一种或者几种的组合。
19.更进一步，所述保护层为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪中的一种或者几种的组合。
20.更进一步，所述发热电极焊盘为alsi合金、au、al、nicr合金和niv合金中的一种。
21.更进一步，所述衬底为单晶硅或者石英。
22.一种mems红外光源制造方法，包括以下步骤：
23.(1)提供衬底，在所述衬底上沉积支撑薄膜层，
24.(2)在所述支撑薄膜层上制作发热电极层，
25.(3)在所述发热电极层上制作隔离层，
26.(4)在所述隔离层两侧采用剥离光刻的方法制作发热电极焊盘，
27.(5)在所述发热电极焊盘内侧的隔离层上制作红外发射层，
28.(6)沉积保护层，覆盖在红外发射层、红外电极层和支持支撑薄膜层的上表面，
29.(7)利用双面对准光刻技术腐蚀衬底背面形成空腔结构，
30.在所述空腔结构上方形成由支撑薄膜层支撑的悬浮区，并使得红外发射层位于悬浮区以内区域，而发热电极焊盘位于悬浮区以外区域，发热电极焊盘下方由支撑薄膜层和衬底形成支撑作用，以方便发热电极焊盘与外电路引线键合；
31.(8)在衬底背面的空腔结构内制作反射层，
32.更进一步，所述红外发射层制作过程包括沉积和表面处理两个步骤，首先在发热电极焊盘内侧的隔离层上沉积红外发射层，然后通过干法刻蚀或者湿法腐蚀的方法对红外发射层进行表面处理，获得表面粗糙、厚度在50-1000nm的红外发射层。
33.相比于现有技术，本发明有如下有益效果：
34.与现有mems红外光源相比，本发明在发热电极层和支撑材料背部(位于衬底空腔区域)引入对红外辐射具有高反射率的反射层，从而将发热电极层经由支撑薄膜向衬底空腔部分辐射的红外辐射能量反射回去(现有结构这部分红外辐射能量被浪费)，并通过发热电极层向上方辐射，使mems红外光源向外辐射的红外辐射能量得到加强，大幅提升了mems 红外光源的光电转换效率并降低加热功耗，于此同时，反射层的引入可以加固悬膜结构，提升悬膜结构的机械强度，降低悬膜结构的破孔率，提升红外光源的制造合格率和使用可靠性；另外相比现有mems红外光源的厚度达数微米到数十微米的红外发射层，本发明还引入了超薄(厚度不大于1微米)红外发射层，在保证mems红外光源具有高的红外发射能力的同时，大幅降低发热电极层热质量，提升mems红外光源的调制频率并进一步降低加热功耗。
附图说明
35.图1为常规结构mems红外光源截面示意图。
36.图2为本发明实施例1中一种mems红外光源截面示意图。
37.图2-1为本发明实施例1中一种mems红外光源制造方法步骤1截面示意图。
38.图2-2为本发明实施例1中一种mems红外光源制造方法步骤2截面示意图。
39.图2-3为本发明实施例1中一种mems红外光源制造方法步骤3截面示意图。
40.图2-4为本发明实施例1中一种mems红外光源制造方法步骤4截面示意图。
41.图2-5为本发明实施例1中一种mems红外光源制造方法步骤5截面示意图。
42.图2-6为本发明实施例1中一种mems红外光源制造方法步骤6截面示意图。
43.图2-7为本发明实施例1中一种mems红外光源制造方法步骤7截面示意图。
44.图2-8为本发明实施例1中一种mems红外光源制造方法步骤8截面示意图。
45.图示说明：100-空腔结构，101-衬底，102-支撑薄膜层，103-发热电极层，104-发热电极焊盘，105-保护层，200-空腔结构，201-衬底，202-支撑薄膜层，203-发热电极层，204
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隔离层，205-发热电极焊盘，206-红外发射层，207-保护层，208-反射层。
具体实施方式
46.下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
47.实施例1：
48.如图2所示为本发明一种mems红外光源截面示意图，包含衬底201、支撑薄膜层202、发热电极层203、隔离层204、发热电极焊盘205、红外发射层206、保护层207和反射层 208，其特征在于：所述衬底201包含空腔结构200，所述支撑薄膜层202设于具有空腔结构的衬底201之上，与衬底201形成四边固支结构连接，并在空腔结构200上方形成悬浮区，在所述支撑薄膜层202上方设有发热电极层203，在悬浮区之外的发热电极层203两侧设有发热电极焊盘205，所述发热电极焊盘205与所述发热电极层203形成电连接，在所述发热电极203上方除发热电极焊盘205之外的区域设有隔离层204，在悬浮区上方对应的隔离层204上设有红外发射层206，所述保护层207位于除发热电极焊盘205之外的红外发射层、红外电极层和支撑薄膜层上表面，所述反射层208位于空腔结构200内，与空腔结构侧面的衬底以及空腔结构顶面的支撑薄膜层相连。
49.所述反射层208为对2-14微米波长范围的红外线具有高反射率的薄膜，包括ag、au、 cu、al或者介质膜布拉格反射层。
50.所述红外发射层206为表面粗糙、厚度在50-1000nm范围且具有高红外发射率的材料，包括nicr合金、tin、tialn、非晶碳、sic、nicro化合物、zro2、hfo2、la
1-x
ca
x
cro3(0 ≤x≤0.5)以及碳纳米管等。
51.所述发热电极层203为pt、mo、nicr合金、多晶硅、sic、cu、w、hfb2、ptsi以及 sno2中的一种，可在发热电极层与支撑薄膜层之间引入ti、cr、ni等，增加发热电极层 203与支撑薄膜层202之间的粘附力。
52.所述支撑薄膜层202为氧化硅、氮化硅或氮化硅和氧化硅组成的多层复合膜结构。
53.所述隔离层204为氧化硅、氮化硅、氧化铝中的一种或者几种的组合。
54.所述保护层207为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪中的一种或者几种的组合。
55.所述发热电极焊盘205为alsi合金、au、al、nicr合金、niv合金中的一种。
56.所述衬底201为单晶硅或者石英。
57.本发明一种mems红外光源制造方法，包括以下步骤：
58.(1)如图2-1所示，提供衬底201，在所述衬底201上沉积支撑薄膜层202，所述支撑
薄膜层202为氧化硅、氮化硅或氮化硅和氧化硅组成的多层复合膜结构，所述衬底201 为单晶硅或者石英；
59.(2)如图2-2所示，在所述支撑薄膜层202上制作发热电极层203，所述发热电极层 203为pt、mo、nicr合金、多晶硅、sic、cu、w、hfb2、ptsi以及sno2中的一种，可在发热电极层203与支撑薄膜层202之间引入ti、cr、ni等，增加发热电极层203与支撑薄膜层202之间的粘附力；
60.(3)如图2-3所示，在所述发热电极层203上制作隔离层204，所述隔离层204为氧化硅、氮化硅、氧化铝中的一种或者几种的组合；
61.(4)如图2-4所示，在所述隔离层204两侧采用剥离光刻的方法制作发热电极焊盘 205，所述发热电极焊盘205与发热电极层203形成电连接，发热电极焊盘为alsi合金、 au、al、nicr合金、niv合金中的一种；
62.(5)如图2-5所示，在所述发热电极焊盘205内侧的隔离层上制作红外发射层206，所述红外发射层206为表面粗糙、厚度在50-1000nm范围且具有高红外发射率的材料，包括nicr合金、tin、tialn、非晶碳、sic、nicro化合物、zro2、hfo2、la
1-x
ca
x
cro3(0≤x ≤0.5)以及碳纳米管等；
63.(6)如图2-6所示，沉积保护层207，覆盖在红外发射层206、红外电极层和支撑薄膜层的上表面，所述保护层207为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪中的一种或者几种的组合；
64.(7)如图2-7所示，利用双面对准光刻技术腐蚀衬底背面形成空腔结构200，在所述空腔结构200上方形成由支撑薄膜层202支撑的悬浮区，并使得红外发射层206位于悬浮区以内区域，而发热电极焊盘205位于悬浮区以外区域，发热电极焊盘205下方由支撑薄膜层202和衬底201形成支撑作用，以方便发热电极焊盘205与外电路引线键合；
65.(8)如图2-8所示，在衬底201背面的空腔结构200内制作反射层208，所述反射层 208与空腔结构200侧面的衬底以及空腔结构顶面的支撑薄膜层相连，反射层208为对2-14 微米波长范围的红外线具有高反射率的薄膜，包括ag、au、cu、al或者介质膜布拉格反射层。
66.所述红外发射层制作过程包括沉积和表面处理两个步骤，首先在发热电极焊盘内侧的隔离层上沉积红外发射层，然后通过干法刻蚀或者湿法腐蚀的方法对红外发射层进行表面处理，获得表面粗糙、厚度在50-1000nm的红外发射层。
67.以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。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、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。