一种MEMS红外光源的制备方法及其应用与流程

本发明属于红外光源领域，更具体地，涉及一种mems红外光源的制备方法及其应用。

背景技术：

红外光源是一种焦耳生热而辐射出红外光的非照明光源，具有抗干扰能力强、环境适应性好、空间分辨率和灵敏度高等优点，主要应用在红外成像、红外遥控、检查金属线、塑料樽内部检查等领域。传统红外光源一般需要使用斩波器对红外信号进行调制，限制了便携化、集成化、低功耗发展。mems(microelectromechanicalsystems，微机电系统)技术的发展促进了电可调制红外光源的开发。mems红外光源通过加热丝(如pt)产热对黑体辐射层加热或其自身作为黑体辐射源，使黑体辐射层辐射出红外光，可实现快调制特性，兼有体积小、功耗低和易集成的特点，同时该光源兼具辐射强度高、电光转换效率高、调制频率高、工作可靠性好等显著优势，因此在大气环境监测，工业生产安全以及信息通信等方面有重要的应用价值。

现有关于mems红外光源的制备，已有大量研究，例如，专利cn206014406u公开了一种基于湿法预释放结构的mems红外光源，包括嵌入式空腔的承载衬底及所述承载衬底上的红外光源结构，采用湿法刻蚀形成嵌入式空腔结构，同时利用硅片晶向分布和各向异性湿法腐蚀特性，在表面制作释放孔，能够提高光源的辐射效率，操作简单，功耗和成本较低，稳定性高，且与cmos工艺兼容；专利cn103500788b公开了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，再对锥状纳米结构进行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，减小热量在硅丝欧姆发热过程中的损耗，提高光源的工作功率；专利cn203754412u公开了一种mems红外光源，包括一具有悬空结构的单晶硅衬底，所述单晶硅衬底的正面和反面分别为sio2薄膜层，所述单晶硅衬底正面的sio2薄膜层包括一层si3n4薄膜层，所述si3n4薄膜层上设置有一电极连接层，所述电极连接层上为一红外热辐射体，所述电极连接层与红外热辐射体形成的加热电极成一条纹结构设置在所述si3n4薄膜层上。

基于上述，现有mems红外光源均采用正面发射，然而在对光源结构及其工艺集成性有特殊要求的器件应用中无法满足设计要求。例如硅基mems红外气体传感器中，采用传统正面发射的mems光源难以与气室、红外探测器等核心部件进行集成和混合封装，必须对器件内部刻蚀，增加器件制备工艺难度，而且由于mems光源是高温发射体，集成在内部不易于热量扩散，会对内部元件的正常工作造成影响，而且采用传统mems红外光源内部的引线键合难度较高，严重增加了器件的集成化难度，限制了器件的结构设计与性能提升。

技术实现要素：

本发明提供一种mems红外光源的制备方法及其应用，用以解决现有mems红外光源因采用正面发射的结构而导致在集成应用中集成难度高、光源散热困难而存在应用成本高的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种mems红外光源的制备方法，包括：

在单晶硅片的一面上制备能透红外光的支撑层；

在所述单晶硅片的另一面上采用mems工艺刻蚀并将该单晶硅片的中间区域刻穿，形成掏空结构；

在所述支撑层上进行图案溅射，得到红外热辐射体，并在所述红外热辐射体表面沉积能透红外光且绝热的隔离层，以及在所述隔离层上沉积反射层，得到背发射式结构的硅基mems红外光源。

本发明的有益效果是：本发明在单晶硅片的一面设置支撑层后，在另一面进行mems工艺刻蚀，形成边缘为硅基且中间区域刻穿的掏空结构，同时在支撑层依次设置红外热辐射体、隔离层和反射层。红外热辐射体用于在两端加电压后而发热产生红外光，支撑层起着支撑红外热辐射体的作用，但该支撑层必须能透红外光，使得红外热辐射体发射的红外光能够透过支撑层，并经硅基的空腔而射出，这相当于是从单晶硅体的背部射出，另外，隔离层起着绝热的作用，防止红外辐射体加压升温并散热时通过隔离层将热量散出而影响红外辐射体的红外光发射效率的问题，由于红外辐射体的红外光是向四周发散，不可避免的会向硅基的上部发射大量红外光，此时在隔离层的上部设置反射层，使得几乎全部红外光有效的向硅基的背部发射而通过空腔射出，提高红外光利用率和发射效率。因此，该mems红外光源制备方法利用mems结构，既保证了绝热性能，也提供了反射红外光射出通道，提高了红外光发生效率。同时由于掏空结构可以易于与更多的结构集成为系统，而无需其他的设备或部件来固定光源和探测设备以及避免热量散失，有望与更多的结构集成作为系统的光源模块，有效降低集成难度、集成成本。

上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述反射层的材料为au。

本发明的进一步有益效果是：该mems红外光源用au作为金属背板，au对红外光的反射率高达99％，金的反射率达到99％，几乎可以完全反射加热丝辐射的所有红外光，因此可以有效的反射辐射出的红外光，使得mems红外光源达到良好的红外光发射效果。

进一步，所述红外热辐射体的材料为金属铂或金属钨。

进一步，所述支撑层为sio2层或si3n4层。

进一步，所述支撑层为依次间隔层叠设置的n层sio2和n层si3n4层，n≥1。

本发明的进一步有益效果是：该mems红外光源使用sio2或者si3n4或者两者复合的多层膜作为支撑层，既保证了结构的稳定性，也起到了绝热的作用，也能很好的透过红外光。

进一步，所述隔离层的材料为si3n4。

本发明的进一步有益效果是：该mems红外光源用si3n4作为隔离层，si3n4材料具有良好的红外透过性，可以保证加热丝辐射出的红外光，从氮化硅的一侧通过氮化硅到达反射层。

进一步，所述支撑层和所述隔离层的厚度均为百纳米级。

进一步，所述支撑层的所述中间区域正对的区域经所述刻蚀而刻穿。

本发明的进一步有益效果是：由于掏空结构本身是一个相对较小和封闭的区域，可以起着对红外热辐射体热量绝热的作用，因此，这里为了更好的使得红外热辐射体的红外光通过掏空结构从硅基的背部射出，在采用mems工艺刻蚀硅基的背部中间区域时，也可将支撑层的部分区域刻穿，此时由于刻穿而绝热性差，支撑层主要作用仅是支撑和透红外光的作用，红外热辐射体热量主要由掏空结构和隔离层进行绝热。

本发明还提供一种mems红外光源装置，包括：采用如上所述的任一种mems红外光源的制备方法制备得到mems红外光源，以及与所述光源中的红外热辐射体电连接的电源。

本发明还提供一种红外探测集成系统，包括：如上所述的一种mems红外光源装置，以及其对应的后端红外接收装置，其中，所述红外光源装置中的所述掏空结构的边缘与所述红外接收装置的红外光输入口端连接。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种mems红外光源的制备方法的流程图；

图2为图1对应的制备方法制备得到的mems红外光源剖面示意图：

图3为本发明实施例提供的一种mems红外光源的制备方法制备得到的另一种mems红外光源剖面示意图；

图4为本发明实施例提供的mems红外光源的制备方法制备得到的mems红外光源剖面示意图；

图5为本发明实施例提供的一种微型化全集成ndir气体传感器结构剖面示意图；

图6为图5对应的微型化全集成ndir气体传感器示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1、mems红外光源，2、光电探测器，3、气室腔体，4、硅基衬底。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

一种mems红外光源的制备方法100，如图1所示，包括：

步骤110、在单晶硅片的一面上制备能透红外光的支撑层；

步骤120、在单晶硅片的另一面上采用mems工艺刻蚀并将该单晶硅片的中间区域刻穿，形成掏空结构；在支撑层上进行图案溅射，得到红外热辐射体，并在红外热辐射体表面沉积能透红外光且绝热的隔离层，以及在隔离层上沉积反射层，得到背发射式结构的硅基mems红外光源。

需要说明的是，在步骤120中，采用mems工艺刻蚀形成掏空结构以及在支撑层上图案溅射，两步操作没有必须的前后顺序，可根据实际需要选择制备顺序。另外，还可以利用乙醇溶液和去离子水对刻蚀过的单晶硅进行清洗，得到背发射式mems红外光源。

制备得到的mems红外光源如图2所示，自上而下包括反射层、隔离层，红外热辐射体(加热丝状)、支撑层、硅基衬底，因此该红外光源是从背部si空腔辐射出红外光。

本方法在单晶硅片的一面设置支撑层后，在另一面进行mems工艺刻蚀，形成边缘为硅基且中间区域刻穿的掏空结构，同时在支撑层依次设置红外热辐射体、隔离层和反射层。红外热辐射体用于在两端加电压后而发热产生红外光，支撑层起着支撑红外热辐射体的作用，但该支撑层必须能透红外光，使得红外热辐射体发射的红外光能够透过支撑层，并经硅基的空腔而射出，这相当于是从单晶硅体的背部射出，另外，隔离层起着绝热的作用，防止红外辐射体加压升温并散热时通过隔离层将热量散出而影响红外辐射体的红外光发射效率的问题，由于红外辐射体的红外光是向四周发散，不可避免的会向硅基的上部发射大量红外光，此时在隔离层的上部设置反射层，使得几乎全部红外光有效的向硅基的背部发射而通过空腔射出，提高红外光利用率和发射效率。

因此，该mems红外光源利用mems结构，既保证了绝热性能，也提供了反射红外光射出通道，提高了红外光发生效率。同时由于掏空结构可以易于与更多的结构集成为系统，而无需其他的设备或部件来固定光源和探测设备以及避免热量散失，有望与更多的结构集成作为系统的光源模块，有效降低集成难度和集成成本。

优选的，反射层的材料为au。

该mems红外光源用au作为金属背板，au对红外光的反射率高达99％，金的反射率达到99％，几乎可以完全反射加热丝辐射的所有红外光，因此可以有效的反射辐射出的红外光，使得mems红外光源达到良好的红外光发射效果。

优选的，红外热辐射体的材料为金属pt或金属钨，通过图案溅射得到红外热辐射体，该辐射体可为丝状。

优选的，支撑层为sio2层或si3n4层，或者，支撑层为依次间隔层叠设置的n层sio2和n层si3n4层，n≥1。氧化硅和氮化硅的多层复合薄膜。

该mems红外光源使用sio2或者si3n4或者两者复合的多层膜作为支撑层，既保证了结构的稳定性，也起到了绝热的作用，也能很好的透过红外光。

优选的，隔离层的材料为si3n4。

该mems红外光源用si3n4作为隔离层，si3n4材料具有良好的红外透过性，可以保证加热丝辐射出的红外光，从氮化硅的一侧通过氮化硅到达反射层。

优选的，支撑层和隔离层的厚度均为百纳米级。

优选的，支撑层的上述中间区域正对的区域经上述刻蚀而刻穿，如图3所示。由于掏空结构本身是一个相对较小和封闭的区域，可以起着对红外热辐射体热量绝热的作用，因此，这里为了更好的使得红外热辐射体的红外光通过掏空结构从硅基的背部射出，在采用mems工艺刻蚀硅基的背部中间区域时，也可将支撑层的部分区域刻穿，此时由于刻穿而绝热性差，支撑层主要作用仅是支撑和透红外光的作用，红外热辐射体热量主要由掏空结构和隔离层进行绝热。

则基于上述，关于mems红外光源的制备，可具体包括如下步骤：

1)清洗单晶硅片

将厚度为500-550um的单晶硅片依次在h2o2溶液和hcl溶液中清洗，然后用用去离子水冲洗，最后用氮气枪吹干，单晶硅片用作衬底；

2)单面氧化单晶硅衬底

采用干法氧化的方法，在单晶硅衬底上的一面生长厚度约300-500nmsio2，sio2作为支撑层，也作绝热层；

3)利用mems工艺对衬底的另一面进行刻蚀形成掏空结构

从背部在单晶硅衬底反面进行掏空，采用icp刻蚀设备，对单晶硅进行刻蚀，刻蚀深度为500-550um(要将单晶硅片刻穿)；

4)图案化红外热辐射体溅射

通过磁控溅射设备在sio2支撑层上方溅射一层厚度为100-200nm的金属pt作为红外热辐射体；

5)隔离层制备

通过物理法如pecvd，在支撑层上沉积一层100-200nm的隔离层si3n4；

6)反射层制备

通过热蒸发技术，在隔离层si3n4上沉积一层50-100nm厚的au作为反射层。

按照上述方案，另一种背发射式mems红外光源的制备方法，包括如下步骤：

1)清洗单晶硅片

将厚度为500-550um的单晶硅片依次在h2o2溶液和hcl溶液中清洗，然后用去离子水冲洗，最后用氮气枪吹干，单晶硅片用作衬底；

2)支撑层的制备

通过物理法pecvd，在单晶硅一面生长一层厚度为300-500nmsi3n4作为支撑层，同时也起绝热作用；

3)利用mems工艺对衬底进行刻蚀形成背部掏空结构

从背部在单晶硅衬底另一面进行掏空，采用icp刻蚀设备对单晶硅进行刻蚀，刻蚀深度为500-550um(要将单晶硅片刻穿)；

4)图案化红外热辐射体溅射

通过磁控溅射设备在sio2支撑层上方溅射一层厚度为100-200nm的金属pt作为红外热辐射体；

5)隔离层制备

通过物理法如pecvd，沉积一层100-200nm的隔离层si3n4；

6)反射层制备

通过热蒸发技术在隔离层si3n4上沉积一层50-100nm厚的au作为反射层。

按照上述方案，另一种背发射式mems红外光源的制备方法，包括如下步骤：

1)清洗单晶硅片

将厚度为500-550um单面抛光的硅片依次在h2o2溶液和hcl溶液中清洗，然后用用去离子水冲洗，最后用氮气枪吹干，单晶硅片用作衬底；

2)支撑层的制备

先用干法氧化的方法，在单晶硅衬底的抛光面生长200-400nm的sio2的绝热层，再利用pecvd在sio2上方沉积一层100-200nm的si3n4作为红外透过窗口，两者复合多层膜共同作为支撑层；

3)利用mems工艺对衬底进行刻蚀形成背部掏空结构

从背部在单晶硅衬底反面进行掏空，采用icp刻蚀设备对单晶硅进行刻蚀，刻蚀深度为500-550um(要将单晶硅片刻穿)；

4)图案化红外热辐射体溅射

通过磁控溅射设备在si3n4支撑层上方溅射一层厚度为100-200nm的金属pt作为红外热辐射体；

5)隔离层制备

通过物理法如pecvd沉积一层100-200nm的隔离层si3n4；

6)反射层制备

通过热蒸发技术在隔离层si3n4上沉积一层50-100nm厚的au作为反射层。

按照上述方案，另一种背发射式mems红外光源的制备方法，包括如下步骤：

1)清洗单晶硅片

将厚度为500-550um的单晶硅片依次在h2o2溶液和hcl溶液中清洗，然后用去离子水冲洗，最后用氮气枪吹干，单晶硅片用作衬底；

2)支撑层的制备

通过物理法pecvd，在单晶硅生长一层厚度为300-500nmsi3n4作为支撑层，同时也起绝热作用；

3)图案化红外热辐射体溅射

通过磁控溅射设备在sio2支撑层上方溅射一层厚度为100-200nm的金属pt作为红外热辐射体；

4)隔离层制备

通过物理法如pecvd沉积一层100-200nm的隔离层si3n4；

5)反射层制备

通过热蒸发技术在隔离层si3n4上沉积一层50-100nm厚的au作为反射层。

6)利用mems工艺对衬底进行刻蚀形成背部掏空结构

从背部在所述单晶硅衬底反面进行掏空，采用icp刻蚀设备对单晶硅进行刻蚀，刻蚀深度为500-550um。

本实施例的背发射式mems红外光源的制备方法不局限于上述制备方法，其中，au反射层可以通过磁控溅射技术来得到；支撑层的厚度可以变化；红外热辐射体图案化也可以通过光刻来实现，上述四种制备方法制备得到的红外光源可如图4所示。

实施例二

一种mems红外光源装置，包括：采用如上实施例一所述的任一种mems红外光源的制备方法制备得到mems红外光源，以及与该光源中的红外热辐射体电连接的电源。

以加热丝(如pt)作为辐射源，上层氮化硅作为隔离层(起绝热作用并隔绝加热丝和反射层)，以金层作为反射层，金的反射率达到99％，几乎可以完全反射加热丝辐射的所有红外光，从背部硅的空腔辐射出去，形成背发射式的mems红外光源。制备出的背发射mems红外光源既可以减少黑体辐射辐射光的损失，又可增强光源强度，也利于将mems红外光源集成到所需系统中。对比现有的mems红外光源，这种背发射mems红外光源，更容易集成在这些具有特殊结构的器件中，可以显著减少能量损失，进一步提高mems红外光源的集成化与辐射性能，有效提高mems红外光源在器件集成中发挥的效益。

相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。

实施例三

一种红外探测集成系统，包括：如上实施例二所述的一种mems红外光源装置，以及其对应的后端红外接收装置，其中，红外光源装置中的掏空结构的边缘与红外接收装置的红外光输入口端连接。

例如，基于非色散红外(non-dispersiveinfra-red，ndir)吸收原理的ndir红外气体传感器是基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系(朗伯-比尔定律)鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。当前ndir红外气体传感器通常由光源、气室、探测器等分立元件构成。根据ndir测量原理，传感器的灵敏度、检测限和量程范围等指标均依赖于气室的尺寸。因此，集成度低、测量精度差等成为制约红外气体传感器应用的主要问题。采用正向发射的mems红外光源需要额外固定光路装置，同时难以与气室、红外探测器等核心部件进行集成和混合封装，必须对器件内部刻蚀，增加器件制备工艺难度。mems光源是高温发射体，集成在内部不易于热量扩散，会对内部元件的正常工作造成影响。

如图5和图6所示，微型化全集成ndir气体传感器，包括本发明制备得到的mems红外光源1；光电探测器2，其还连接信号处理asic芯片；气室腔体3；硅基衬底4。需要在气室上开设分别对准mems红外光源1和光电探测器2的键合窗口通过引线键合连接。气室内需要蒸镀一层金反射层，mems红外光源发出的光经过金反射层多次反射增加光程，气体对红外的吸收符合朗伯-比尔定律：

i＝i0exp(-kcl)

式中i是出射光强度，i0是入射光强度，k为摩尔吸光系数，k与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关，c为测试气体的浓度，l为气室有效长度，从而达到对气室气体实时精确测量的目的。因此，在此应用中采用上述背发射mems红外光源能有效改善这些问题，可以有效减少热量扩散对内部元件正常工作造成的影响，并且可以通过直接刻蚀硅基，通过刻蚀形成的掏空结构将红外光集中射向气室，同时缩小mems红外光源部件体积，有利于制备低尺寸高性能的ndir气体传感器。

相关技术方案同实施例一和实施例二，在此不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。