一种MEMS红外光源及其制备方法

一种mems红外光源及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及光电元器件技术领域，特别涉及一种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。衬底用于支撑整个支撑薄膜及加热层和辐射层。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。由于黑体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摄氏度。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，然后硅在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400℃，这样薄膜由于其自身的热膨胀，会产生较大的热应力，薄膜易发生破裂。而且在光源开关过程中，薄膜温度会不断地升高和降低，这样便减小了其机械强度，降低了光源的稳定性。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种mems红外光源及其制备方法，在支撑薄膜的边缘位置处增加波纹膜结构，以达到释放光源工作时产生的热应力，提高红外光源的稳定性的目的。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一种mems红外光源，从下到上依次包括衬底、支撑薄膜、加热层和辐射层，所述加热层表面通过刻蚀形成加热电阻结构，所述辐射层位于加热电阻结构上方，所述衬底上开设上下贯穿所述衬底的空腔，所述空腔的横截面积大于所述辐射层的面积，所述支撑薄膜位于所述空腔上方边缘的位置处为波纹膜结构。
7.在一种技术方案中，所述支撑薄膜为单层薄膜，所述单层薄膜为氧化硅薄膜或氮化硅薄膜。
8.在另一种技术方案中，所述支撑薄膜为双层薄膜，所述双层薄膜包括位于下层的氧化硅薄膜和位于上层的氮化硅薄膜。
9.上述方案中，所述衬底为硅材料，所述加热层为铂金属，所述辐射层为铂黑、碳纳米管或多孔硅。
10.一种支撑薄膜为单层薄膜的mems红外光源的制备方法，包括如下步骤：
11.(1)选择一硅晶圆作为衬底；
12.(2)在硅晶圆上表面用于形成波纹膜结构的区域进行刻蚀，形成凹槽结构；
13.(3)在硅晶圆上沉积氧化硅薄膜或氮化硅薄膜；
14.(4)在氧化硅薄膜或氮化硅薄膜上生长加热层，并进行金属剥离形成加热电阻结构；
15.(5)在硅晶圆背面进行干法刻蚀或湿法腐蚀形成空腔，并在加热层的加热电阻结构上方沉积辐射层。
16.一种支撑薄膜为单层薄膜的mems红外光源的另一种制备方法，包括如下步骤：
17.(1)选择一硅晶圆作为衬底；
18.(2)在硅晶圆上表面沉积氧化硅薄膜或氮化硅薄膜，并在用于形成波纹膜结构的区域进行刻蚀，形成凹槽结构；
19.(3)在氧化硅薄膜或氮化硅薄膜上生长加热层，并进行金属剥离形成加热电阻结构；
20.(4)在硅晶圆背面进行干法刻蚀或湿法腐蚀形成空腔，并在加热层的加热电阻结构上方沉积辐射层。
21.一种支撑薄膜为双层薄膜的mems红外光源的制备方法，包括如下步骤：
22.(1)选择一硅晶圆作为衬底；
23.(2)在硅晶圆上表面用于形成波纹膜结构的区域进行刻蚀，形成凹槽结构；
24.(3)在硅晶圆上沉积氧化硅薄膜，并在氧化硅薄膜上沉积氮化硅薄膜；
25.(4)在氮化硅薄膜上生长加热层，并进行金属剥离形成加热电阻结构；
26.(5)在硅晶圆背面进行干法刻蚀或湿法腐蚀形成空腔，并在加热层的加热电阻结构上方沉积辐射层。
27.一种支撑薄膜为双层薄膜的mems红外光源的另一种制备方法，包括如下步骤：
28.(1)选择一硅晶圆作为衬底；
29.(2)在硅晶圆上表面沉积氧化硅薄膜，并在用于形成波纹膜结构的区域进行刻蚀，形成凹槽结构；
30.(3)在氧化硅薄膜上沉积氮化硅薄膜；
31.(4)在氮化硅薄膜上生长加热层，并进行金属剥离形成加热电阻结构；
32.(5)在硅晶圆背面进行干法刻蚀或湿法腐蚀形成空腔，并在加热层的加热电阻结构上方沉积辐射层。
33.在上述制备方法中，所述加热层采用蒸镀或溅射方法生长，所述辐射层采用涂覆或电镀方法沉积，所述氧化硅薄膜或氮化硅薄膜采用pecvd技术形成。
34.在上述制备方法中，所述氧化硅薄膜采用rie或者icp方法进行刻蚀形成凹槽结构。
35.通过上述技术方案，本发明提供的一种mems红外光源及其制备方法具有如下有益效果：
36.本发明采用边缘带波纹膜结构的支撑薄膜，可以利用波纹膜结构将应力转换为水平方向的位移，从而释放红外光源工作时产生的热应力，避免在辐射层的局部高温下，支撑薄膜的中心发生很大的纵向位移；进而解决了红外光源在工作时，热应力导致的支撑薄膜破裂问题，提高了红外光源的稳定性，有利于延长红外光源的使用寿命。
附图说明
37.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。
38.图1为本发明实施例1所公开的一种mems红外光源的结构示意图；
39.图2为本发明实施例2所公开的一种mems红外光源的结构示意图；
40.图3为本发明实施例3所公开的一种mems红外光源的结构示意图；
41.图4为本发明实施例4所公开的一种mems红外光源的结构示意图；
42.图5为本发明实施例1所公开的一种mems红外光源的制备过程示意图；
43.图6为本发明实施例2所公开的一种mems红外光源的制备过程示意图；
44.图7为本发明实施例3所公开的一种mems红外光源的制备过程示意图；
45.图8为本发明实施例4所公开的一种mems红外光源的制备过程示意图。
46.图中，1、衬底；21、氧化硅薄膜；22、氮化硅薄膜；3、加热层；4、辐射层；5、空腔；6、沟槽；7、波纹膜结构。
具体实施方式
47.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。
48.本发明提供了一种mems红外光源，如图1、图2、图3和图4所示，从下到上依次包括衬底1、支撑薄膜、加热层3和辐射层4，加热层3表面通过刻蚀形成加热电阻结构，辐射层4位于加热电阻结构的上方。衬底1上开设上下贯穿衬底1的空腔5，空腔5的横截面积大于辐射层4的面积，支撑薄膜位于空腔5上方边缘的位置处为波纹膜结构7。
49.在图1所示的实施例1以及图2所示的实施例2中，支撑薄膜为单层薄膜，单层薄膜为氧化硅薄膜21或氮化硅薄膜22。
50.在图3所示的实施例3以及图4所示的实施例4中，支撑薄膜为双层薄膜，双层薄膜包括位于下层的氧化硅薄膜21和位于上层的氮化硅薄膜22。
51.在本发明的所有实施例中，衬底1为硅材料，加热层3为铂金属，辐射层4为铂黑、碳纳米管或多孔硅。
52.一种实施例1的支撑薄膜为单层薄膜的mems红外光源的制备方法，如图5所示，包括如下步骤：
53.(1)选择一硅晶圆作为衬底1；
54.(2)在硅晶圆上表面用于形成波纹膜结构7的区域进行刻蚀，形成凹槽结构；
55.(3)在硅晶圆上沉积氧化硅薄膜21或氮化硅薄膜22；
56.(4)在氧化硅薄膜21或氮化硅薄膜22上生长加热层3，并进行金属剥离形成加热电阻结构，在剥离的地方会形成沟槽6，加热层3的边缘部分为电极区域；
57.(5)在硅晶圆背面进行干法刻蚀或湿法腐蚀形成空腔5；并在加热层3的加热电阻结构上方沉积辐射层4。
58.一种实施例2的支撑薄膜为单层薄膜的mems红外光源的制备方法，如图6所示，包括如下步骤：
59.(1)选择一硅晶圆作为衬底1；
60.(2)在硅晶圆上表面沉积氧化硅薄膜21或氮化硅薄膜22，并在用于形成波纹膜结构的区域进行刻蚀，形成凹槽结构；
61.(3)在氧化硅薄膜21或氮化硅薄膜22上生长加热层3，并进行金属剥离形成加热电
阻结构，在剥离的地方会形成沟槽6，加热层3的边缘部分为电极区域；
62.(4)在硅晶圆背面进行干法刻蚀或湿法腐蚀形成空腔5，并在加热层3的加热电阻结构上方沉积辐射层4。
63.一种实施例3所示的支撑薄膜为双层薄膜的mems红外光源的制备方法，如图7所示，包括如下步骤：
64.(1)选择一硅晶圆作为衬底1；
65.(2)在硅晶圆上表面用于形成波纹膜结构7的区域进行刻蚀，形成凹槽结构；
66.(3)在硅晶圆上沉积氧化硅薄膜21，并在氧化硅薄膜21上沉积氮化硅薄膜22；
67.(4)在氮化硅薄膜22上生长加热层3，并进行金属剥离形成加热电阻结构，在剥离的地方会形成沟槽6，加热层3的边缘部分为电极区域；
68.(5)在硅晶圆背面进行干法刻蚀或湿法腐蚀形成空腔5，并在加热层3的加热电阻结构上方沉积辐射层4。
69.一种实施例4所示的支撑薄膜为双层薄膜的mems红外光源的制备方法，如图8所示，包括如下步骤：
70.(1)选择一硅晶圆作为衬底1；
71.(2)在硅晶圆上表面沉积氧化硅薄膜21，并在用于形成波纹膜结构7的区域进行刻蚀，形成凹槽结构；
72.(3)在氧化硅薄膜21上沉积氮化硅薄膜22；
73.(4)在氮化硅薄膜22上生长加热层3，并进行金属剥离形成加热电阻结构，在剥离的地方会形成沟槽6，加热层3的边缘部分为电极区域；
74.(5)在硅晶圆背面进行干法刻蚀或湿法腐蚀形成空腔5；并在加热层3的加热电阻结构上方沉积辐射层4。
75.在上述制备方法中，加热层3采用蒸镀或溅射方法生长，辐射层4采用涂覆或电镀方法沉积，氧化硅薄膜21或氮化硅薄膜22采用pecvd技术形成。
76.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。