集成纳米结构的MEMS红外光源及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种集成纳米结构的MEMS红外光源及其制备方法。所述集成纳米结构的MEMS红外光源包括承载衬底、支撑层、隔离层、图形化金属电极以及纳米材料辐射层；所述纳米材料辐射层覆盖在图形化金属电极上；所述图形化金属电极设于隔离层上方；所述隔离层设于支撑层上方；所述纳米材料辐射层、图形化电极、隔离层、支撑层均悬浮于所述承载衬底上。本发明专利技术可以大幅减少热传导通路，降低热质量，提高红外光源的性能；并且避免后续干法释放对结构的损坏，提高了结构稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及红外光源
，尤其涉及一种集成纳米结构的MEMS红外光源及其制备方法。
技术介绍
红外技术在大气环境监测、工业生产安全及控制、信息通信等方面有着重要的应用价值。同时，它还用于目标跟踪和识别，广泛应用于军事领域。红外光源是红外技术应用的重要元件。目前，红外光源主要有红外发光二极管、红外激光器和热辐射红外光源。传统的热辐射光源如白炽灯，其电光转换效率低、调制特性差；而红外二极管的输出功率很低，限制了应用范围；红外激光器能够发射高强度窄带红外激光，但其制造成本高昂。利用微机电系统(MEMS)技术制作的MEMS红外光源可实现快调制特性，具有电光转化效率高、体积小、能耗低等特点，因此被广泛地工程化应用。MEMS红外光源表面红外发射率是光源性能的一个重要指标，但目前应用的红外光源表面发射率基本都是灰体辐射(辐射率小于1)，如何制备出耐高温和抗氧化的黑体辐射表面(辐射率接近于1)，同时与CMOS工艺兼容的材料成为改善MEMS红外光源的当务之急。中国专利CN103500788A公开一种可集成的纳米结构红外光源，利用MEMS/CMOS工艺，对非晶硅表面进行纳米修饰加工，形成锥状纳米结构，然后进行TiN镀层加工；最后采用正面XeF2释放技术，对硅衬底进行深硅刻蚀，分离窄带红外光源与硅衬底的接触，减少热量在硅衬底的热损耗，提高光源的工作功率。此专利利用金属诱导晶化技术实现红外光源的表面修饰，工艺操作较为复杂；并且在后期采用正面释放技术形成释放空腔，对正面结构会造成一部分损伤，影响光源的性能。中国专利CN104591076A公开了一种基于纳米结构的红外光源芯片，采用紧密排列的多孔纳米结构覆盖在电加热层表面；支撑层、电加热层、纳米结构辐射层均悬浮在衬底上方并形成悬浮桥面结构；最后采用干法刻蚀，以支撑氧化硅层作为刻蚀停止层，形成背部空腔结构。此专利采用电化学阳极氧化的方法制备纳米结构辐射层，与标准的CMOS工艺不兼容；而且最后采用干法刻蚀，容易造成释放不完全的现象，即一部分硅基仍然与结构相连，导致一部分热量自衬底流失，大大减小了热辐射效率。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种集成纳米结构的MEMS红外光源及其制备方法，功耗较低、响应快速、辐射功率大、光电转换效率高、与CMOS工艺兼容、工艺操作简单。本专利技术提供一种集成纳米结构的MEMS红外光源，所述集成纳米结构的MEMS红外光源包括承载衬底、支撑层、隔离层、图形化金属电极以及纳米材料辐射层；所述纳米材料辐射层覆盖在图形化金属电极上；所述图形化金属电极设于隔离层上方；所述隔离层设于支撑层上方；所述纳米材料辐射层、图形化电极、隔离层、支撑层均悬浮于所述承载衬底上。可选的，所述纳米材料辐射层为紧密排列的纳米针状森林结构，使用反应离子刻蚀多晶硅来制备。可选的，所述纳米材料辐射层为紧密排列的纳米柱状森林结构，使用等离子浸没离子注入进行刻蚀来制备。可选的，所述支撑层为氧化硅、氮化硅或者氧化硅与氮化硅多层复合膜支撑层中的一种。可选的，所述隔离层为氧化硅隔离层或者氮化硅隔离层，所述隔离层将硅片上系列释放窗口缝合。可选的，所述金属电极采用复合金属层电极，电极底层采用薄的钛金属作为粘附层，粘附层沉积有铂金属。本专利技术提供一种集成纳米结构的MEMS红外光源的制备方法，包括：提供洁净的单抛100单晶硅片衬底，在所述单晶硅衬底利用LPCVD/PECVD设备生长支撑层薄膜；在生长的薄膜层上，利用MEMS工艺图形化圆形干法释放阵列口；使用XeF2对硅基进行干法刻蚀，形成纵向深度在50微米至100微米，横向穿透，表面形成悬浮膜层的结构；利用化学气相沉积法(PECVD)的工艺制备隔离层，填充圆孔表面洞口，形成表面平整，悬浮膜层下方为空腔的结构，使辐射区域的下方与硅基隔离；溅射金属电极，图形化形成金属加热层；在金属加热层上使用化学气相沉积法制备多晶硅，然后进行刻蚀得到纳米结构；然后在其表面溅射金属。可选的，所述使用化学气相沉积法制备多晶硅，然后进行刻蚀得到纳米结构包括：使用化学气相沉积法制备100nm至2000nm的多晶硅，然后在Cl2:SF6＝9:1的气体氛围内反应离子刻蚀，形成纳米针状森林结构。可选的，所述使用化学气相沉积法制备多晶硅，然后进行刻蚀得到纳米结构包括：使用化学气相沉积法制备100nm至2000nm的多晶硅，然后在O2:SF6＝4:1的气体氛围内使用等离子浸没离子注入进行刻蚀，形成纳米柱状森林结构。可选的，所述金属电极采用复合金属层电极，电极底层采用薄的钛金属作为粘附层，粘附层沉积有铂金属。本专利技术提供的集成纳米结构的MEMS红外光源及其制备方法，可以解决纳米结构辐射层制作简单且与CMOS工艺兼容，实现增大辐射率的效果；同时，采用创新的工艺方法，解决了工艺后期释放对结构的损坏以及释放不完全的问题，极大程度地减小热量自承载衬底的热传导，增大了辐射效率。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为承载衬底表层长有氧化硅、氮化硅保护层作为掩膜的剖视图；图2为刻蚀表面，光刻圆形干法释放阵列口的剖视图；图3为XeF2干法刻蚀，形成表面悬浮，纵向深度50微米左右的空腔的剖视图；图4为使用化学气相沉积法(PECVD)生长氧化硅隔离层完全填充窗口效果图的剖视图；图5为磁控溅射金属电极并图形化金属电极，形成加热结构及电极的剖视图；图6为使用低压力化学气相沉积法(LPCVD)制备多晶硅，并且反应离子刻蚀纳米硅材料辐射层的剖视图；图7为在图1所示的结构的辐射区域部分光刻圆形干法释放阵列口的俯视图；图8为在图5所示的结构使用PECVD的工艺制备100nm至2000nm的多晶硅，然后在Cl2:SF6＝9:1的气体氛围内进行反应离子刻蚀，形成的纳米针状森林结构示意图；图9为在图5所示的结构使用PECVD的工艺制备1.2μm至1.5μm的多晶硅，然后在O2:SF6＝20:5＝4:1的气体氛围内使用等离子浸没离子注入(PIII)进行刻蚀，形成的纳米柱状森林结构示意图；图10为通过控制刻蚀时间控制图8所示的纳米结构的高宽比和表面的吸收率的结果示意图；图11为通过控制刻蚀时间控制图9所示的纳米结构的高宽比和表面的吸收率的结果示意图。图中：1：承载衬底；2：氧化硅支撑层；3：氮化硅支撑层；4：隔离层；5：金属电极；6：纳米材料辐射层；101：释放阵列口；102：空腔。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例提供一种集成纳米结构的MEMS红外光源，如图6所示，所述集成纳米结构的MEMS红外光源从底部到顶部依次包括：承载衬底1、氧化硅支撑层2、氮化硅支撑层3、隔离层4、金属电极5、纳米材料辐射层6；所述承载衬底1具有释放空腔102。其中，所述纳米材料辐射层6覆盖在图形化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成纳米结构的MEMS红外光源，其特征在于，所述集成纳米结构的MEMS红外光源包括承载衬底、支撑层、隔离层、图形化金属电极以及纳米材料辐射层；所述纳米材料辐射层覆盖在图形化金属电极上；所述图形化金属电极设于隔离层上方；所述隔离层设于支撑层上方；所述纳米材料辐射层、图形化电极、隔离层、支撑层均悬浮于所述承载衬底上。

【技术特征摘要】
1.一种集成纳米结构的MEMS红外光源，其特征在于，所述集成纳米结构的MEMS红外光源包括承载衬底、支撑层、隔离层、图形化金属电极以及纳米材料辐射层；所述纳米材料辐射层覆盖在图形化金属电极上；所述图形化金属电极设于隔离层上方；所述隔离层设于支撑层上方；所述纳米材料辐射层、图形化电极、隔离层、支撑层均悬浮于所述承载衬底上。2.根据权利要求1所述的集成纳米结构的MEMS红外光源，其特征在于，所述纳米材料辐射层为紧密排列的纳米针状森林结构，使用反应离子刻蚀多晶硅来制备。3.根据权利要求1所述的集成纳米结构的MEMS红外光源，其特征在于，所述纳米材料辐射层为紧密排列的纳米柱状森林结构，使用等离子浸没离子注入进行刻蚀来制备。4.根据权利要求1所述的集成纳米结构的MEMS红外光源，其特征在于，所述支撑层为氧化硅、氮化硅或者氧化硅与氮化硅多层复合膜支撑层中的一种。5.根据权利要求1所述的集成纳米结构的MEMS红外光源，其特征在于，所述隔离层为氧化硅隔离层或者氮化硅隔离层，所述隔离层将硅片上系列释放窗口缝合。6.根据权利要求1所述的集成纳米结构的MEMS红外光源，其特征在于，所述金属电极采用复合金属层电极，电极底层采用薄的钛金属作为粘附层，粘附层沉积有铂金属。7.一种集成纳米结构的MEMS红外光源的制备方法，其特征在于，包括：提供洁净...

【专利技术属性】
技术研发人员：明安杰，刘卫兵，李超波，王玮冰，陈大鹏，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11