一种基于多孔硅的MEMS红外光源及其制备方法

一种基于多孔硅的mems红外光源及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体光电元器件技术领域，特别涉及一种基于多孔硅的mems红外光源及其制备方法。


背景技术：

2.mems红外光源是根据热辐射原理，通过对mems薄膜加热，向外辐射宽谱红外光。mems红外光源基本组成由衬底、支撑薄膜、加热层和辐射层组成。衬底用于支撑整个薄膜及加热层和辐射层结构。支撑薄膜是加热层和辐射层的支撑结构。加热层是用导电金属组成，通过施加一定电压，将电转换成热能。由于辐射层辐射产生的红外光谱取决于辐射温度，光源在正常工作时薄膜区域升温到几百度。然后通过热辐射原理，向外辐射宽谱红外光。
3.目前，mems红外光源是通过半导体工艺加工制作的，起始于硅晶圆衬底，然后在硅晶圆上沉积起支撑作用的薄膜结构，然后再通过在薄膜上制作加热层和辐射层。但是在光源工作的过程中，光源正常的工作温度为几百摄氏度，这样薄膜会由于其自身的热膨胀，产生较大的热应力，热应力会使得薄膜变得不稳定，使得薄膜发生破裂等现象。而且在光源开关过程中，伴随着薄膜温度的升高和降低，会减小其机械强度，降低光源的稳定性。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于多孔硅的mems红外光源及其制备方法，以达到使光源结构具有更高的机械强度，提高mems红外光源可靠性的目的。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于多孔硅的mems红外光源，包括由下到上依次设置的硅衬底、介质薄膜、加热电阻和黑体辐射层，所述加热电阻通过金属剥离工艺形成图形结构，所述黑体辐射层位于加热电阻的中间区域，所述硅衬底正面位于黑体辐射层的下方通过刻蚀形成多孔硅结构，所述硅衬底背面位于多孔硅结构下方通过刻蚀形成背洞区域。
6.上述方案中，所述介质薄膜材质选自二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的至少一种。
7.上述方案中，所述加热电阻为铂金材质。
8.上述方案中，所述黑体辐射层材质为铂黑、碳纳米管或多孔硅。
9.一种基于多孔硅的mems红外光源的制备方法，包括如下步骤：s1、选自一张硅晶圆作为硅衬底；s2、使用电化学刻蚀方法对硅衬底正面中间区域进行刻蚀，形成多孔硅结构；s3、在形成多孔硅结构的硅衬底上使用薄膜生长技术沉积一层介质薄膜；s4、在介质薄膜上沉积加热电阻，并通过金属剥离工艺形成图形结构；s5、在加热电阻的中间区域沉积黑体辐射层；s6、对硅衬底背面多孔硅结构下方进行刻蚀，形成背洞区域。
10.上述方案中，步骤s2中，所述电化学刻蚀方法中用一定体积分数的hf和无水乙醇按照1:1的体积比混合后进行刻蚀。
11.上述方案中，步骤s3中，所述薄膜生长技术为pecvd方法。
12.上述方案中，步骤s4中，使用电子束蒸镀或者溅射工艺沉积加热电阻。
13.上述方案中，步骤s5中，通过电镀的方法沉积黑体辐射层。
14.上述方案中，步骤s6中，采用icp干法刻蚀技术进行刻蚀形成背洞区域。
15.通过上述技术方案，本发明提供的一种基于多孔硅的mems红外光源及其制备方法具有如下有益效果：本发明的mems红外光源通过在硅衬底上加工成红外光源。在加工光源前首先在硅衬底上制作多孔硅结构，然后在多孔硅结构上面沉积介质薄膜、加热电阻和黑体辐射层，多孔硅结构具有低热导率，机械强度高等优点，极大地提高了mems红外光源的可靠性。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
17.图1为本发明实施例所公开的一种基于多孔硅的mems红外光源正视剖面图；图2为本发明实施例所公开的一种基于多孔硅的mems红外光源俯视图；图3为本发明实施例所公开的一种基于多孔硅的mems红外光源的制备方法工艺流程图；图4为1mw激光扫描多孔硅样品不同温度下的拉曼峰；图5为多孔硅结构温度与拉曼峰值的对应关系图；图6为黑体辐射层吸收率测试结果。
18.图中，1、硅衬底；2、介质薄膜；3、加热电阻；4、黑体辐射层；5、背洞区域；6、多孔硅结构。
具体实施方式
19.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。
20.本发明提供了一种基于多孔硅的mems红外光源，如图1和图2所示，包括由下到上依次设置的硅衬底1、介质薄膜2、加热电阻3和黑体辐射层4，加热电阻3通过金属剥离工艺形成图形结构，黑体辐射层4位于加热电阻3的中间区域，硅衬底1正面位于黑体辐射层4的下方通过刻蚀形成多孔硅结构6，硅衬底1背面位于多孔硅结构6下方通过刻蚀形成背洞区域5。
21.本实施例中，介质薄膜2材质选自二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的至少一种。
22.加热电阻3为铂金材质，黑体辐射层4材质为铂黑、碳纳米管或多孔硅。
23.一种基于多孔硅的mems红外光源的制备方法，如图3所示，包括如下步骤：s1、选自一张硅晶圆作为硅衬底1。
24.s2、首先对硅衬底1正面使用lpcvd方法沉积一层氮化硅薄膜作为刻蚀掩膜，然后对硅衬底1进行涂胶、曝光、显影、刻蚀等操作步骤，形成中间区域多孔硅刻蚀窗口，使用电化学刻蚀方法对硅衬底1正面中间区域进行刻蚀，形成多孔硅结构6；电化学刻蚀方法中用体积分数为49%的氢氟酸和无水乙醇按照1:1的体积比混合后进行刻蚀，在刻蚀过程中对硅
衬底1施加恒定电流，通过称重方法，得到制备的多孔硅结构6的孔隙率为68.44%。
25.s3、在形成多孔硅结构6的硅衬底1上使用薄膜生长技术（如pecvd）沉积一层介质薄膜2，并使用椭偏仪测量沉积介质薄膜2的厚度。
26.s4、对生长介质薄膜2后的硅衬底1正面进行涂覆负性光刻胶、曝光、显影等步骤形成图形结构，使用电子束蒸镀或者溅射工艺沉积一层很薄的钛金属作为过渡层，然后再沉积铂金属，并通过金属剥离工艺形成加热电阻3。
27.s5、对形成加热电阻3结构后的硅衬底1正面进行涂胶、曝光、显影等操作形成黑体辐射层4的电镀窗口，将形成电镀窗口的硅衬底1放入到电镀溶液中，并将硅衬底1接入到电源负极，最后通过恒定电流电镀的方法在加热电阻3的中间区域沉积黑体辐射层4。
28.s6、利用双面对准光刻技术对硅衬底1背面进行涂胶、曝光、显影等操作步骤，形成与正面多孔硅结构6相对应的背面刻蚀窗口，然后采用icp干法刻蚀技术对晶圆进行刻蚀，形成背洞区域5。
29.本发明在加工光源前首先在硅衬底1正面制作多孔硅结构6，然后在多孔硅结构6上面沉积介质薄膜2、加热电阻3和黑体辐射层4，通过使用电化学刻蚀方法，将多孔硅制备工艺与半导体加工方法相结合，制备了高机械强度的多孔硅支撑结构，极大地提高了mems红外光源的可靠性。
30.在本实施例中，使用拉曼光谱仪测试了所制备的多孔硅结构6的导热系数，拉曼光谱测试热导率的基本原理是拉曼光谱峰值会随着所测物质温度的变化而向左偏移，而拉曼光谱仪的激光器会使对应位置的多孔硅发生温度升高，根据温升与光谱峰值的对应关系可以推导出多孔硅的热导率。多孔硅局部温升与其导热系数的关系：
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(1)其中，为多孔硅的导热系数，p为引起温升的激光功率，a为激光束光斑的直径，为激光引起的温升，为多孔硅结构6温度。
31.使用温控台依次将多孔硅结构6加热至35℃、135℃、235℃、335℃。再用功率为1 mw的激光功率依次对以上温度进行拉曼峰的扫描如图4所示。由此得到拉曼峰y与多孔硅结构6温度x的对应关系如图5所示，关系曲线为：y=-0.0245x 519.46，并以此计算出的值。最终根据公式（1）计算得到多孔硅结构6的导热系数为3.5 w/(mk)。
32.使用傅里叶光谱仪（ftir）测试黑体辐射层4的吸收率，从而推导其辐射效率，测试结果如图6所示，可以看出，在电流密度相同时，电镀时间越长，电镀铂黑辐射层的吸收率也越高，测试结果显示黑体辐射层4在光谱波长2-14μm范围内吸收率大于99%，极大提高了mems红外光源的辐射效率。
33.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。