一种能效与寿命均衡型MEMS红外光源的衬底结构的制作方法

一种能效与寿命均衡型mems红外光源的衬底结构
技术领域
1.本实用新型涉及红外光源领域，特别是涉及一种能效与寿命均衡型mems红外光源的衬底结构。


背景技术：

2.红外光源是一种用于产生红外辐射的光源，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。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红外光源一般包括衬底，在衬底上设有发热电极层以及红外发射层等。通过给发热电极层通电产生焦耳热，使发热电极层升温至预设的工作温度(通常在600-700℃)，发热电极层及其上的红外发射层在工作温度条件下会产生特定发射波长和辐射量的红外辐射。
4.衬底在mems红外光源发光过程中会与发热电极层之间发生热传递，进而提高mems红外光源的功耗，降低mems红外光源的电光转换效率。为了提高mems红外光源的电光转换效率，降低光源的体积和能耗，提升光源的调制频率；现有技术还会将发热电极层下方的衬底掏空，进而使得衬底上方的各层形成“悬膜结构”，通常情况下悬膜的厚度在1-3微米范围。由于悬膜结构无法通过常规的工艺进行生产，为了达到相似的技术效果，技术人员通常会在衬底上方设置支撑层，然后将其它功能层设置在支撑层上。
5.支撑层在mems红外光源中主要作为对悬膜形成承载作用的结构层，通常由介质材料sio2单层、sin单层或者二者的叠层组成，厚度为0.5-1.5微米。这种支撑层在mems芯片制造、切割、封装以及使用过程中很容易受到机械冲击、电应力冲击、热冲击而破膜，严重影响mems红外光源的制造良率和可靠性。此外，支撑层在使用过程中需要与发热电极层直接接触，因此需要具有较高的耐高温和抗热震性性能。然而现有介质材料组成的支撑层大多脆性大、机械强度低、容易与上方的发热电极层发生热失配。这些都成为制约mems红外光源的光电性能和使用寿命提升的重要因素。
6.综上所述，衬底中的悬膜结构中，镂空部分越大则越能够提升抑制器件运行时的热耗的效果，进而提高器件的光电效率。但是，当镂部分过大时又可能导致器件的结构强度和稳定性不足，使得器件生产良率和寿命降低。


技术实现要素：

7.基于此，针对现有技术中mems红外光源在光电转换效率、产品使用寿命和制造成本等方面无法实现平衡的问题；本实用新型提供一种能效与寿命均衡型mems红外光源的衬底结构。
8.一种能效与寿命均衡型mems红外光源的衬底结构，该衬底结构为mems光源的底部
支撑结构，其上负载有mems红外光源的发光结构；发光结构在通电条件下产生红外辐射。衬底结构包括衬底和支撑层；衬底的中央包含一个上下贯穿型的通孔；支撑层位于衬底上方并覆盖通孔。支撑层与衬底形成四边固支结构，进而使得衬底下方产生一个空腔。在支撑层中，位于空腔上方的部分区域形成悬浮区，悬浮区周围的区域为与衬底直接接触的承托区；发光结构中的红外发射层位于正对支撑层中悬浮区的位置。
9.其中，支撑层采用由不同金属层和介质层按照预设数量和顺序交替排列构成复合结构；在支撑层中，与发热电极层相邻的结构层为介质层。
10.作为本实用新型进一步地改进，在支撑层包含的各个结构层中，金属层选自ti、ni、cr、mo、w、nicr合金、pt、pd制备成的结构层；介质层采用sio2或sin制备成的结构。
11.作为本实用新型进一步地改进，支撑层包含结构层总数为3-15层，各层厚度为50-500nm。
12.作为本实用新型进一步地改进，发光结构包括发热电极层、红外发射层，以及与发热电极层电连接的两条发热电极焊盘；发热电极层位于支撑层上方；发热电极焊盘位于发热电极层上方并对称排列在发热电极层两个相对侧的边缘处；红外发射层位于红外电极层上方且位于两条发热电极焊盘之间。
13.作为本实用新型进一步地改进，在发热电极层中，预留安装发热电极焊盘的两侧部分区域位于承托区内，以使得发热电极焊盘下方正对所述衬底的“实心”部分。发热电极层中除预留安装发热电极焊盘的部分区域以外的其它区域均“收缩”在悬浮区内。
14.作为本实用新型进一步地改进，发热电极焊盘呈长条形，且发热电极焊盘的形状与红外发射层外轮廓相吻合。
15.作为本实用新型进一步地改进，在支撑层上，发热电极焊盘的分布区域与悬浮区相离或相切。
16.作为本实用新型进一步地改进，支撑层上方还设置用于提高支撑层和发热电极层界面附着力的过渡层；在支撑层中，与过渡层相邻的结构层为介质层；过渡层根据采用的发热电极层和支撑层材料的不同而选自ti、cr、ni中的任意一种。
17.作为本实用新型进一步地改进，衬底中央的通孔呈上小下大的台体型。
18.作为本实用新型进一步地改进，衬底采用硅衬底或石英衬底。
19.与现有技术相比，本实用新型公开的技术方案具有如下有益效果：
20.本实用新型提供了一种新的mems红外光源的衬底结构，该衬底结构包含衬底好外支撑层，并对衬底中央进行极限式的掏空处理，并采用由金属和绝缘的介质层材料多层交叠构成的复合支撑层对衬底中的通孔进行覆盖。这种由多材料复合的支撑层在实际加工过程中可以采用多层沉积的方式生成，非常易于加工。
21.本案中支撑层在设计过程结合不同材料的属性，按照不同层数、不同顺序，以及不同厚度对各个结构层进行合理优化，进而使得支撑层材料的机械强度、平均热膨胀系数、热导率等参数均满足预期要求。从而提升支撑层的机械强度，降低支撑层与发热电极层之间的热失配，改善复合支撑层的脆性，最终大幅降低mems红外光源在芯片制造、切割、封装以及使用过程中产生的破膜现象，提升mems红外光源的制造良率和可靠性。
22.本实用新型通过对衬底进行极限掏空，使得器件工作的热耗明显降低，提升了器件的光电转换效率。在此基础上，再结合支撑层的改良，以及不同功能层间优化后的相对位
置关系，使得器件的产品寿命和制造良率得以提升，最终实现多维度性能完美平衡，进而提升了产品的实用价值。
附图说明
23.图1为本实用新型实施例1中提供的一种能效与寿命均衡型mems红外光源的整体结构示意图。
24.图2为图中mems红外光源的衬底结构的分层爆炸图。
25.图3为图1中mems红外光源的沿发热电极焊盘延伸方向的角度下的侧视图。
26.图4为图1中mems红外光源中不同结构层的相对位置的分布状态示意图。
27.图5为用于表征衬底中央包含的台体型的镂空结构而绘制的衬底分解图。
28.图中标记为：
29.100、衬底；200、支撑层；300、发热电极层；500、发热电极焊盘；101、通孔；600、红外发射层。
具体实施方式
30.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
31.需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
32.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
33.实施例1
34.本实施例提供一种能效与寿命均衡型mems红外光源的衬底结构，如图1所示，该衬底结构为mems光源的底部支撑结构，其上负载有mems红外光源的发光结构；发光结构在通电条件下产生红外辐射。如图2所示，衬底结构包括衬底100和支撑层200；衬底100采用硅衬底100或石英衬底100。衬底100的中央包含一个上下贯穿型的通孔101；支撑层200位于衬底100上方并覆盖通孔101。支撑层200与衬底100形成四边固支结构，进而使得衬底100下方产生一个空腔。在支撑层200中，位于空腔上方的部分区域形成悬浮区，悬浮区周围的区域为与衬底100直接接触的承托区；如图3所示，发光结构中的红外发射层600位于正对支撑层200中悬浮区的位置。
35.其中，支撑层200采用由不同金属层和介质层按照预设数量和顺序交替排列构成复合结构；在支撑层200中，与发热电极层300相邻的结构层为介质层。
36.在本实施例中，为了使得mems红外光源的光电转换效率和寿命均能得到提升，本
实施方案采取的主要改进如下：1、在保证器件结构强度的基础上，尽量扩大衬底100中央镂空部分的面积，并通过衬底100与支撑层200的四边固支结构来对上层发光结构进行承载。2、通过采用多层复合结构中各结构的数量、顺序和材料的优化选择，使得支撑层200的应力状态、平均热膨胀系数、热导率和机械强度等性能均能够满足上下各功能对支撑层200的要求。
37.具体地，在本实施例支撑层200包含的各个结构层中，金属层选自ti、ni、cr、mo、w、nicr合金、pt、pd制备成的结构层；介质层采用sio2或sin制备成的结构。具体地，支撑层200包含结构层总数为3-15层，各层厚度为50-500nm。
38.本实施例提供的支撑层200中的金属材料均为熔点较高且热膨胀系数较小的金属。同时，这些优选的金属材料和介质材料之间也具较高的材料相容性，形成的复合膜结构各结构层之间附着效果高，膜层的稳定性极强。这种复合支撑层200的应用可以有效改善器件中支撑层200和发热电极层300在温差变化过程中的热失配，降低支撑层200的脆性。有效克服传统mems红外光源方案在芯片制造、切割、封装以及使用过程中容易产生的破膜现象，进而大幅提升mems红外光源的制造良率、可靠性，降低产品生产成本。
39.本实施例提供的衬底结构中，对衬底100进行部分镂空的目标主要是为了抑制上方的发光结构在通电状态下朝向衬底100一侧的热辐射。众所周知，mems光源的发光原理是利用特殊材料在特定高温状态产生的红外辐射，而发热电极层300材料的主要作用即为保证器件中的红外发射材料时刻处于最佳的工作温度。因此如果器件的热损耗越低，则消耗的电能将更多地用于产生红外辐射。当衬底100下方镂空后，发热电极层300朝向衬底100一侧的热传导就会减少，而朝向红外发射层600一侧的热传导的能量则会增大，这会使得器件的光电转换效率提升。同时，考虑到衬底100本身是通过支撑层200与发热电极层300间距接触，当衬底100部分镂空后，整个器件的热容也会相应降低，这会缩短mems光源的启动时间，使得mems光源可以更快速地进入到最佳的发光状态。
40.为了实现对衬底100进行最大程度的镂空处理，除了使用如前述的新型支撑层200材料，使得四边固支结构的强度以及各项耐候性能更高之外，本实施例还对各功能层的结构和位置等进行优化布局；具体的改进如下：
41.参见图3可知，本实施例中发光结构包括发热电极层300、红外发射层600，以及与发热电极层300电连接的两条发热电极焊盘500；发热电极层300位于支撑层200上方；发热电极焊盘500位于发热电极层300上方并对称排列在发热电极层300两个相对侧的边缘处；红外发射层600位于红外电极层上方且位于两条发热电极焊盘500之间。
42.特别地，发热电极层300需要预留安装发热电极焊盘500的位置，本实施例中预留安装发热电极焊盘500的两侧部分区域位于承托区内，以使得发热电极焊盘500下方正对所述衬底100的“实心”部分。而发热电极层300中除预留安装发热电极焊盘500的部分区域以外的其它区域均“收缩”在悬浮区内。具体地，以如图4所示的矩形光源为例，发热电极焊盘500呈长条形，且发热电极焊盘500的形状与红外发射层600外轮廓相吻合。发热电极焊盘500的分布区域与悬浮相离或相切。在实际加工过程中，使得二者恰好相切是最符合要求的，但是因为加工难度较大，因此发热电极焊盘500通常会与悬浮区相离，二者保持一个极小的工艺可实现的间距。
43.而发热电极层300和悬浮的位置分布则满足如下特点：(1)在对应发热电极焊盘
500一侧的方向上，发热电极层300的分布区域是超出悬浮区的。采取用这种设计的原因是：器件加工过程中需要在发热电极边缘预留安装发热电极焊盘500的位置；并使的发热电极层300位于实体的衬底100上而非处于悬空的支撑层200上。发热电极焊盘500完全处于实体的衬底100上之后，当需要对发热电极焊盘500进行后加工时，施加在发热电极焊盘500上的作用力会分布到衬底100上，而不会造成支撑层200破损。
44.(2)在除发热电极焊盘500一侧的其它方向上，发热电极层300则是完全“收缩”在悬浮区内的。采用这一设计的目的是：后期加工的红外发射层600主要是沉积在发热电极层300上的，并位于两条发热电极焊盘500之间。因此当发热电极层300则是完全“收缩”在悬浮区内，则红外发射层600也是完全“收缩”在悬浮区内的。在这一状态，红外发射层600下方悬空，发热电极层300朝下的热传达会被极大抑制，也即是对于红外发射层600而言，它可以完全接收发热电极层300产生的热量的向上传导，保持器件在发光时可以时刻处于最佳的工作温度，保持红外发射层600局部温度的平稳性；并最终降低器件的热功耗，提高器件的光电转换效率。
45.需要特别强调的是：本实施例方案及其配图均采用矩形光源(红外发射层600呈矩形)进行说明，但是在实际应用中，衬底100以及其余各个结构层也可以单独或全部采用其它形状进行设计；以产生不同的效果。只要这些光源的整体布局和结构设计仍采用与本案相似的设计，那么这些技术方案应当仍属于本案公开并要求保护的范围的。
46.在其它实施例更优化的方案中，支撑层200上方还设置用于提高支撑层200和发热电极层300界面附着力的过渡层；在支撑层200中，与过渡层相邻的结构层为介质层；过渡层根据采用的发热电极层300和支撑层200材料的不同而选自ti、cr、ni中的任意一种。
47.如图5所示，本实施例中衬底100中央的通孔101的最佳方案应当是呈上小下大的台体型。采用这一结构之后，发热电极焊盘500下方的衬底100的承压面呈“堤坝”状，因此可以有效改善器件在承压时的应力应变状态，提升器件的使用寿命和加工阶段的良品率。特别地，针对不同形状的光源，本实施例衬底100中通孔101的横截面也可以设计成相似的形状，例如当红外发射层600呈六边形，那么通孔101就设计为正六棱台。红外发射层600呈圆形，衬底100中的通孔101就设计为正圆台形。
48.以上所述实施例仅表达了本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。