一种MEMS红外光源的制造方法技术

本发明专利技术属于光电技术领域，具体涉及一种MEMS红外光源的制造方法。该制造方法用于制造一种衬底和支撑层之间含有特殊空腔和反射层的MEMS红外光源。包括如下步骤：(1)衬底的掩膜处理；(2)腐蚀窗口制备；(3)各向异性腐蚀；(4)反射层制备；(5)一次抛光；(6)牺牲层制备；(7)二次抛光；(8)支撑层制备；(9)发热电极层制备；(10)发热电极焊盘制备；(11)红外发射层制备；(12)移除窗口制备；(13)牺牲层去除。工艺原理是：先蚀刻凹坑，再用牺牲层填平凹坑，然后在平面上生成各功能层，最后开设连通凹坑的移除窗口，去除牺牲层，完成产品制造。本发明专利技术生产的产品可以解决现有MEMS红外光源光电转换效率不高、产品良率低等问题。产品良率低等问题。产品良率低等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS红外光源的制造方法


[0001]本专利技术属于光电
，具体涉及一种MEMS红外光源的制造方法。

技术介绍

[0002]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
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5微米以及8
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14微米。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
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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
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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。
[0003]常规结构的MEMS红外光源包含衬底，在衬底上设有支撑层，支撑层和衬底采用四边固支结构连接，在支撑层上设有发热电极层。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。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传导，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。
[0004]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层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。
[0005]现有MEMS红外光源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红外光源多数尚未有效解决发热电极层经由支撑层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。
[0006]为了抑制发热电极层底向扩散的辐射造成能量损失，部分技术人员提出在MEMS红外光源的支持层底面增设反射层(如中国专利技术专利申请公开号CN114249292A)的改进方案。此方案通过反射层将发热电极层经由支撑层向衬底掏空部分辐射的红外线反射回去，再经过发热电极层向上辐射。但是，这类方案在解决红外光辐射损耗的同时，也会造成新的技术问题。例如，与支撑层紧密贴合反射层会增加整个红外发光膜层的热容，进而增大MEMS光源
的热损耗。同时，反射层与支撑层贴合设计还增大了在光源开关阶段容易出现的因热膨胀系数差异而导致的反射层脱落风险，降低了光源的使用寿命。

技术实现思路

[0007]为了解决现有现有MEMS红外光源中光电转换效率不高、产品良率低等问题，本专利技术提供一种MEMS红外光源的制造方法，该制造方法可以生产一种新型的克服传统光源弊端的MEMS红外光源。
[0008]本专利技术采用以下技术方案实现：
[0009]本专利技术提供的MEMS红外光源的制造方法用于制造一种包含衬底、支撑层、发热电极层和红外发射层；且在衬底和支撑层之间含有特殊形态的空腔，空腔内分布有特定形状反射层的MEMS红外光源。
[0010]该制造方法包括如下工艺步骤：
[0011](1)衬底的掩膜处理：
[0012]提供衬底，在衬底的待加工面上沉积预设量的掩膜层的材料，构成所需的腐蚀掩膜层。
[0013](2)腐蚀窗口制备：
[0014]按照预设的窗口尺寸和形状，利用光刻技术去除待加工面上的部分掩膜层以在衬底上形成腐蚀窗口。腐蚀窗口下方露出的区域为需要进行腐蚀的衬底区域。
[0015](3)各向异性腐蚀：
[0016]通过各向异性腐蚀的工艺对所述衬底进行化学腐蚀，以在衬底中的腐蚀窗口区域形成向衬底内部凹陷且口径逐渐缩小的凹坑。
[0017](4)反射层制备：
[0018]采用物理气相沉积工艺在衬底表面的凹坑中沉积预设量的反射层材料，构成所需的反射层。
[0019](5)一次抛光：
[0020]对衬底的待加工面进行抛光处理，去除衬底表面除凹坑以外的其它区域的表面镀层，包括腐蚀掩膜层材料和反射层材料。
[0021](6)牺牲层制备：
[0022]在衬底中的凹坑中填充可通过任意一种手段选择性移除的牺牲层材料。
[0023](7)二次抛光：
[0024]对填充有所述牺牲层材料的衬底的待加工面进行二次抛光处理，以使得凹坑中的牺牲层材料与周围的衬底表面保持齐平。
[0025](8)支撑层制备：
[0026]在衬底中含有牺牲层一侧的表面生成所需的支撑层，支撑层完整覆盖下方的衬底和牺牲层。
[0027](9)发热电极层制备：
[0028]在支撑层表面制备所需的发热电极层，发热电极层位于对应衬底中凹坑上方的位置。发热电极层的左右两侧完整覆盖凹坑，前后两侧位于相对凹坑内侧的区域，未覆盖凹坑。
[0029](10)发热电极焊盘制备：
[0030]在发热电极层上方制备两条相互平行的不超过发热电极层分布区域的长条状的发热电极焊盘。其中，两条发热电极焊盘的分布区域与凹坑上口的围合区域相离或外切。
[0031](11)红外发射层制备：
[0032]在发热电极焊盘内侧的发热电极层上方制备所需的红外发射层。红外发射层位于发热电极焊盘四个端点的连线区域内。
[0033](12)移除窗口制备：
[0034]通过光刻技术对支撑层材料进行蚀刻，在不破坏上方的发热电极层和红外发射层的基础上，选择特定区域加工出至少一个贯穿的移除窗口，以露出下方凹坑中的牺牲层材料。
[0035](13)牺牲层去除：
[0036]根据选择的牺牲材料的特异性，采用特定的技术手段选择性去除凹坑内的填充的所有牺牲层材料，以形成所需的空腔结构；进而制备出所需的MEMS红外光源。
[0037]作为本专利技术进一步的改进，步骤(1)中，衬底材料选择硅，并将硅(100)晶面作为待加工面。掩膜层的材料选自氧化硅、氮化硅、Cr、Au、Pt和NiCr合金中的任意一种。
[0038]作为本专利技术进一步的改进，步骤(3)中，采用TMAH水溶液、KOH水溶液、NaOH水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MEMS红外光源的制造方法，其特征在于：其用于制造一种衬底和支撑层之间含有特殊空腔和反射层的MEMS红外光源；所述制造方法包括如下步骤：(1)衬底的掩膜处理：提供衬底，在所述衬底的待加工面上沉积预设量的掩膜层的材料，构成所需的腐蚀掩膜层；(2)腐蚀窗口制备：按照预设的窗口尺寸和形状，利用光刻技术去除待加工面上的部分掩膜层以在衬底上形成腐蚀窗口；所述腐蚀窗口下方露出的区域为需要进行腐蚀的衬底区域；(3)各向异性腐蚀：通过各向异性腐蚀的工艺对所述衬底进行化学腐蚀，以在所述衬底中的所述腐蚀窗口区域形成向衬底内部凹陷且口径逐渐缩小的凹坑；(4)反射层制备：采用物理气相沉积工艺在所述衬底表面的凹坑中沉积预设量的反射层材料，构成所需的反射层；(5)一次抛光：对衬底的待加工面进行抛光处理，去除衬底表面除凹坑以外的其它区域的表面镀层，包括腐蚀掩膜层材料和反射层材料；(6)牺牲层制备：在所述衬底中的凹坑中填充可通过任意一种手段选择性移除的牺牲层材料；(7)二次抛光：对填充有所述牺牲层材料的衬底的待加工面进行二次抛光处理，以使得凹坑中的牺牲层材料与周围的衬底表面保持齐平；(8)支撑层制备：在衬底中含有牺牲层一侧的表面生成所需的支撑层，所述支撑层完整覆盖下方的衬底和牺牲层；(9)发热电极层制备：在支撑层表面制备所需的发热电极层，所述发热电极层位于对应衬底中凹坑上方的位置；所述发热电极层的左右两侧完整覆盖凹坑，前后两侧位于相对凹坑内侧的区域，未覆盖凹坑；(10)发热电极焊盘制备：在所述发热电极层上方制备两条相互平行的不超过发热电极层分布区域的长条状的发热电极焊盘；其中，两条所述发热电极焊盘的分布区域与所述凹坑上口的围合区域相离或外切；(11)红外发射层制备：在所述发热电极焊盘内侧的发热电极层上方制备所需的红外发射层；所述红外发射层位于所述发热电极焊盘四个端点的连线区域内；(12)移除窗口制备：通过光刻技术对支撑层材料进行蚀刻，在不破坏上方的发热电极层和红外发射层的基础上，选择特定区域加工出至少一个贯穿的移除窗口，以露出下方凹坑中的牺牲层材料；
(13)牺牲层去除：根据选择的牺牲材料的特异性，采用特定的技术手段选择性去除凹坑内的填充的所有牺牲层材料，以形成所需的空腔结构；进而制备出所需的MEMS红外光源。2.如权利要求1所述的MEMS红外光源的制造方法，其特征在于：步骤(1)中，衬底材料选择硅，并将硅(100)晶面作为待加工面；所述掩膜层的材料选自氧化硅、氮化硅、Cr、Au、Pt和NiCr合金中的任意一种；步骤(3)中，采用TMAH水溶液、KOH水溶液、NaOH水溶液、乙二胺和邻苯二酚混合水溶液、NH4OH水溶液中的任意一种作为各向异性腐蚀液；腐蚀的深度控制为1
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50μm。3.如权利要求1所述的MEMS红外光源的制造方法，其特征在于：步骤(4)中，反射层采用Ag、Au、Cu、Al中的一种材料制成的单一金属镀层，或多种材料逐层沉积制成复合金属镀层；或制备介质膜布拉格镀层作为所需的反射层。4.如权利要求1所述的MEMS红外光源的制造方法，其特征在于：步骤(6)中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘军林，吕全江，侯海港，刘桂武，乔冠军，郝俊操，夏松敏，陈杰，
申请(专利权)人：微集电科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：