一种自带聚光结构的微机电红外光源及其制备方法与流程

1.本发明属于微机电红外光源领域，涉及一种自带聚光结构的微机电红外光源及其制备方法。背景技术：2.微机电系统红外光源是基于黑体辐射技术的一种低成本、高辐射率的红外光源发射芯片，同时还具备低功耗、小尺寸和高调制速率等优点，可作为核心器件广泛应用于高端红外气体传感器领域。3.在红外气体传感器应用中，其气体探测的灵敏度和精度均与系统接收到的红外光功率有关，因此如何提高系统光耦合效率至关重要。通常微机电红外光源需要采用抛物面形状的抛光铝合金聚光镜进行封装，用于减小光源的发散，提高在使用过程中的光耦合效率。这种方式在提高光耦合效率的同时带来的主要问题包括：第一，红外光源的尺寸较大，不利于后续气体传感器的微型化集成处理；第二，成本大幅度增加。由于中红外波段的透镜价格极为昂贵，因此以镜面抛光的抛物面聚光镜作为替代可实现聚光效果，但其封装成本达到了微机电红外光源芯片成本的5倍以上；第三，缺乏气密保护。虽然可以通过在聚光镜处加入透光薄膜或者滤光片进行保护，但由于聚光镜的尺寸较大，同时中红外的透光薄膜或者滤光片价格较贵，因此大多数微机电红外光源均采用开放式封装，导致其缺乏气密性保护，易受粉尘、水汽等环境因素影响，影响其长期可靠性。技术实现要素：4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自带聚光结构的微机电红外光源及其制备方法，用于解决现有技术中微机电红外光源的辐射角大、封装尺寸大、封装成本高以及封装气密性不好的问题。5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种自带聚光结构的微机电红外光源，所述自带聚光结构的微机电红外光源包括：6.第一结构层，自下而上依次包括衬底层、支撑层及黑体辐射层，所述衬底层中设有真空腔体，所述支撑层中设有与所述真空腔体连通的通孔；7.第二结构层，位于所述第一结构层上方，并通过第一接合层与所述第一结构层键合连接，所述第二结构层中设有聚光腔，所述聚光腔在垂直方向上贯穿所述第二结构层，并与所述通孔连通，所述聚光腔的底部暴露出所述黑体辐射层，所述聚光腔的内壁设有反射层；8.第三结构层，位于所述第二结构层上方，并通过第二接合层与所述第二结构层键合连接，所述第三结构层封闭所述聚光腔的顶部开口，所述第三结构层包括滤光层。9.可选地，所述衬底层的材质包括硅或锗；所述第二结构层的材质包括硅或锗；所述第三结构层的材质包括硅或锗。10.可选地，所述支撑层包括绝缘材质。11.可选地，所述黑体辐射层包括纳米结构，所述纳米结构包括凸起结构或凹陷结构。12.可选地，所述黑体辐射层包括硅黑层。13.可选地，所述第一结构层还包括金属焊盘，所述金属焊盘位于所述支撑层表面，并与所述第二结构层间隔预设距离。14.可选地，所述聚光腔的内壁呈抛物面形状。15.可选地，所述反射层包括金属层、陶瓷层及聚酯层中的至少一种。16.可选地，所述聚光腔的高度范围是0.01mm～10mm。17.可选地，所述滤光层包括一层薄膜或多层薄膜。18.可选地，所述滤光层包括带通滤光片或宽谱透光片。19.可选地，所述第一接合层包括bcb焊料或金锡焊料，所述第二接合层包括bcb焊料或金锡焊料。20.本发明提供一种自带聚光结构的微机电红外光源的制备方法，包括以下步骤：21.形成第一结构层，所述第一结构层自下而上依次包括衬底层、支撑层及黑体辐射层，所述衬底层中设有真空腔体，所述支撑层中设有与所述真空腔体连通的通孔；22.形成第二结构层，所述第二结构层中设有聚光腔，所述聚光腔在垂直方向上贯穿所述第二结构层，所述聚光腔的内壁设有反射层；23.形成第三结构层，所述第三结构层包括滤光层；24.通过第一接合层键合所述第一结构层与所述第二结构层，通过第二接合层键合所述第二结构层与所述第三结构层，所述第二结构层位于所述第一结构层与所述第三结构层之间，所述真空腔体、所述通孔及所述聚光腔依次连通，所述聚光腔的底部暴露出所述黑体辐射层，所述第三结构层封闭所述聚光腔的顶部开口。25.可选地，基于第一晶圆形成所述第一结构层，基于第二晶圆形成所述第二结构层，基于第三晶圆形成所述第三结构层，所述键合采用晶圆级键合。26.可选地，采用干法刻蚀及湿法刻蚀中的至少一种形成所述真空腔室于所述衬底层中。27.可选地，经由所述通孔导入蚀刻剂至所述衬底层表面以刻蚀得到所述真空腔室。28.可选地，采用各向同性刻蚀及各向异性刻蚀中的至少一种在第二结构层中形成所述聚光腔。29.可选地，所述反射层的制备方法包括磁控溅射、热蒸发及化学气相沉积中的一种。30.可选地，将所述第一结构层与所述第二结构层键合连接后再与所述第三结构层键合连接，或者将所述第二结构层与所述第三结构层键合连接后再与所述第一结构层键合连接。31.如上所述，本发明的自带聚光结构的微机电红外光源包括第一结构层、第二结构层及第三结构层，其中，聚光腔与反射层直接制作于第二结构层中以作为聚光结构，三层结构层通过键合依次连接，其中，所述第一结构层、第二结构层于第三结构层均可直接基于低成本的晶圆制作，分别在三片不同的晶圆上微机械加工制备出不同的功能层，从而达到光耦合的目的，所述键合可以是晶圆级键合。与传统抛光铝合金聚光镜方案相比，聚光结构在芯片上直接集成具有高集成度、低制造成本、高度一致性和良好封装气密性的优势。同时，利用本发明的制备方法制备的微机电红外光源器件具有更低的封装成本和更好的红外辐射效果。附图说明32.图1显示为本发明的自带聚光结构的微机电红外光源的制备方法的工艺流程图。33.图2显示为本发明的自带聚光结构的微机电红外光源的第一结构层的剖面结构示意图。34.图3显示为本发明的自带聚光结构的微机电红外光源的第二结构层的剖面结构示意图。35.图4显示为本发明的自带聚光结构的微机电红外光源的第三结构层的剖面结构示意图。36.图5显示为本发明的自带聚光结构的微机电红外光源的剖面结构示意图。37.图6显示为不采用抛物面聚光结构的传统裸红外光源的聚光效果仿真结果。38.图7显示为采用高度为0.5mm的抛物面的本发明的红外光源的聚光效果仿真结果。39.图8显示为采用高度为1mm的抛物面的本发明的红外光源的聚光效果仿真结果。40.元件标号说明[0041]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第一结构层[0042]101ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ衬底层[0043]102ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ支撑层[0044]103ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ黑体辐射层[0045]104ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ真空腔体[0046]105ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ通孔[0047]106ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ金属焊盘[0048]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第二结构层[0049]201ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ聚光腔[0050]202ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ反射层[0051]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第三结构层[0052]301ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ滤光片[0053]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第一接合层[0054]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ第二接合层[0055]s1～s4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ步骤具体实施方式[0056]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。[0057]请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。[0058]实施例一[0059]本实施例提供一种自带聚光结构的微机电红外光源的制备方法，请参阅图1，显示为该制备方法的工艺流程图，包括以下步骤：[0060]s1：形成第一结构层，所述第一结构层自下而上依次包括衬底层、支撑层及黑体辐射层，所述衬底层中设有真空腔体，所述支撑层中设有与所述真空腔体连通的通孔；[0061]s2：形成第二结构层，所述第二结构层中设有聚光腔，所述聚光腔在垂直方向上贯穿所述第二结构层，所述聚光腔的内壁设有反射层；[0062]s3：形成第三结构层，所述第三结构层包括滤光层；[0063]s4：通过第一接合层键合所述第一结构层与所述第二结构层，通过第二接合层键合所述第二结构层与所述第三结构层，所述第二结构层位于所述第一结构层与所述第三结构层之间，所述真空腔体、所述通孔及所述聚光腔依次连通，所述聚光腔的底部暴露出所述黑体辐射层，所述第三结构层封闭所述聚光腔的顶部开口。[0064]请参阅图2，执行步骤s1：形成第一结构层1，所述第一结构层1自下而上依次包括衬底层101、支撑层102及黑体辐射层103，所述衬底层中设有真空腔体104，所述支撑层102中设有与所述真空腔体104连通的通孔105。[0065]具体的，所述黑体辐射层103用于在一定温度下产生红外光。所述支撑层102的一部分悬设于所述真空腔体104上方以支撑所述黑体辐射层103，另一部分位于所述衬底层101表面用以支撑金属焊盘106。所述真空腔体101在后续键合后为真空状态，用于热隔离。[0066]作为示例，所述衬底层1的材质包括但不限于硅、锗或其它合适的半导体衬底，本实施例中，所述衬底层1以硅衬底为例。[0067]作为示例，所述黑体辐射层103可包括纳米结构，例如凸起结构或凹陷结构。本实施例中，所述黑体辐射层103包括硅黑结构。[0068]作为示例，所述第一结构层1还包括金属焊盘106，所述金属焊盘106位于所述支撑层102表面，并与所述第二结构层2间隔预设距离，用于连接外部电路，所述金属焊盘106的材料包括但不限于铝。[0069]作为示例，形成所述第一结构层包括以下步骤：[0070]步骤s1‑1：提供所述衬底层101，通过化学气相沉积、物理气相沉积或其它合适的方法形成所述支撑层102于所述衬底层101上。所述支撑层102可采用绝缘材质，包括但不限于二氧化硅及三氧化二铝中的一种。[0071]步骤s1‑2：形成所述黑体辐射层103于所述支撑层102上。[0072]步骤s1‑3：通过光刻、刻蚀工艺形成所述通孔105于所述支撑层102中，所述通孔105用于后续导入蚀刻剂至所述衬底层表面。[0073]步骤s1‑4：采用干法刻蚀及湿法刻蚀中的至少一种形成所述真空腔室104于所述衬底层101中。本实施例中，优选采用包含xef2(二氟化氙)的刻蚀气体干法刻蚀所述衬底层101以得到所述真空腔体101。在刻蚀之前，可采用保护层对所述支撑层102及所述黑体辐射层进行保护。[0074]需要指出的是，上述步骤的顺序可以根据需要进行调整，不以本实施例为限。[0075]作为示例，可基于第一晶圆形成所述第一结构层1，所述第一晶圆的一部分作为所述衬底层1。后续的键合采用晶圆级键合，最终可通过切割晶圆级键合结构得到多个自带聚光结构的微机电红外光源。[0076]请参阅图3，执行步骤s2：形成第二结构层2，所述第二结构层中设有聚光腔201，所述聚光腔201在垂直方向上贯穿所述第二结构层2，所述聚光腔2的内壁设有反射层202。[0077]具体的，所述聚光腔201及所述反射层202构成聚光结构，用以汇聚光线，所述反射层202具有高反射率。[0078]作为示例，所述第二结构层2的材质包括但不限于硅、锗或其它合适的半导体衬底，本实施例中，所述第二结构层2以硅衬底为例。[0079]作为示例，采用各项同性刻蚀或各项异性刻蚀在所述第二结构层2中形成所述聚光腔201，并采用磁控溅射、热蒸发、化学气相沉积或其它合适的工艺形成所述反射层202，所述反射层202包括但不限于金属层、陶瓷层及聚酯层中的至少一种。[0080]作为示例，所述聚光腔201的内壁呈抛物面形状；所述抛物面的焦点为所述微机电红外光源的中心。[0081]作为示例，所述聚光腔201的高度范围是0.5‑10mm。需要说明的是此微机电红外光源的聚光效果与所述聚光腔201的高度有关，即第二结构层2的厚度，在一定范围内其高度越高、聚光效果越好。在其它实施例中，所述聚光腔201的高度范围也可以根据需要进行调整，不限于0.5‑10mm。[0082]作为示例，可基于第二晶圆形成所述第二结构层2，所述第二晶圆的一部分作为第二结构层2。后续的键合采用晶圆级键合，最终可通过切割晶圆级键合结构得到多个自带聚光结构的微机电红外光源。[0083]请参阅图4，执行步骤s3：形成第三结构层3，所述第三结构层3包括滤光层301。[0084]作为示例，所述第三结构层3的材质包括但不限于硅或锗，本实施例中，所述第三结构层3可包括硅层，并通过薄膜沉积技术在所述硅层表面制备所述滤光层301，所述滤光层301可为单层薄膜，也可以包括多层薄膜，其中，多层薄膜中可包含相同材质的薄膜，也可包括不同材质的薄膜，具体可根据所需的滤光波长范围来调整，此处不应过分限制本发明的保护范围。[0085]作为示例，所述滤光层301包括带通滤光片或宽谱透光片。[0086]作为示例，可基于第三晶圆形成所述第三结构层3，所述第二晶圆的一部分作为第二结构层2。后续的键合采用晶圆级键合，最终可通过切割晶圆级键合结构得到多个自带聚光结构的微机电红外光源。[0087]请参阅图5，执行步骤s4：通过第一接合层4键合所述第一结构层1与所述第二结构层2，通过第二接合层5键合所述第二结构层2与所述第三结构层3，所述第二结构层2位于所述第一结构层1与所述第三结构层3之间，所述真空腔体104、所述通孔105及所述聚光腔201依次连通，所述聚光腔201的底部暴露出所述黑体辐射层103，所述第三结构层3封闭所述聚光腔201的顶部开口。[0088]作为示例，所述第一接合层4包括但不限于bcb焊料或金锡焊料，所述第二接合层5包括bcb焊料或金锡焊料。[0089]作为示例，可将所述第一结构层1与所述第二结构层2键合连接后再与所述所述第三结构层3键合连接，也可将所述第二结构层2与所述第三结构层3键合连接后再与所述第一结构层1键合连接。[0090]至此，形成完整的微机电红外光源，请参阅图6至图8，其中，图6显示为不采用抛物面聚光结构的传统裸红外光源的聚光效果仿真结果，图7显示为采用高度为0.5mm的抛物面的本发明的红外光源的聚光效果仿真结果，图8显示为采用高度为1mm的抛物面的本发明的红外光源的聚光效果仿真结果，可见，对于不采用抛物面聚光结构的传统裸红外光源，在光源10mm处得到的光斑半径约为12mm，光源会产生发散。对于采用高度为0.5mm的抛物面的本发明的红外光源，在光源10mm处得到的光斑半径为4mm，聚光效果大幅提升。对于采用高度为0.1mm的抛物面的本发明的红外光源，在光源10mm处得到的光斑半径为2.4mm，聚光效果大幅提升。[0091]本实施例中，聚光结构在芯片上直接集成制备，制备过程简单，成本较低，并具备高度一致性，有利于缩小微机电红外光源的尺寸，并解决了传统微机电红外光源的辐射角太大的问题，同时具有较好的封装气密性。[0092]综上所述，本发明的自带聚光结构的微机电红外光源包括第一结构层、第二结构层及第三结构层，其中，聚光腔与反射层直接制作于第二结构层中以作为聚光结构，三层结构层通过键合依次连接，其中，所述第一结构层、第二结构层于第三结构层均可直接基于低成本的晶圆制作，分别在三片不同的晶圆上微机械加工制备出不同的功能层，从而达到光耦合的目的，所述键合可以是晶圆级键合。与传统抛光铝合金聚光镜方案相比，聚光结构在芯片上直接集成具有高集成度、低制造成本、高度一致性和良好封装气密性的优势。同时，利用本发明的制备方法制备的微机电红外光源器件具有更低的封装成本和更好的红外辐射效果。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。[0093]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。