一种自支撑的MEMS红外光源及其制备方法

一种自支撑的mems红外光源及其制备方法技术领域1.本发明涉及半导体光电元器件技术领域，特别涉及一种自支撑的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，支撑结构薄膜，加热层和辐射层组成。衬底用于支撑整个薄膜及加热层和辐射层结构。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几百度，这样薄膜由于其自身的热膨胀，会产生较大的热应力。热应力会使得薄膜变得不稳定，使得薄膜发生破裂等现象。而且在光源开关过程中，伴随着薄膜温度的升高和降低，会减小其机械强度，降低光源的稳定性。技术实现要素：4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种自支撑的mems红外光源及其制备方法，以达到提高mems红外光源的工作温度，提高mems红外光源的响应速率、辐射效率和工作稳定性的目的。5.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种自支撑的mems红外光源，包括由下到上依次设置的硅衬底、介质薄膜、加热电阻和黑体辐射层，所述加热电阻通过金属剥离工艺形成图形结构，所述黑体辐射层位于加热电阻的中间区域，所述硅衬底背面通过刻蚀形成贯穿硅衬底的背洞区域，位于黑体辐射层下方的介质薄膜被刻蚀掉。6.上述方案中，所述介质薄膜材质选自二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的至少一种。7.上述方案中，所述加热电阻为铂金材质。8.上述方案中，所述黑体辐射层材质为铂黑、碳纳米管或多孔硅。9.一种自支撑的mems红外光源的制备方法，包括如下步骤：s1、选自一张硅晶圆作为硅衬底；s2、在硅衬底上使用薄膜生长技术沉积一层介质薄膜；s3、在介质薄膜上沉积加热电阻，并通过金属剥离工艺形成图形结构；s4、在加热电阻的中间区域沉积黑体辐射层；s5、对硅衬底背面进行刻蚀，形成贯穿硅衬底的背洞区域；s6、使用刻蚀方法将黑体辐射层下方的介质薄膜去除。10.上述方案中，步骤s2中，所述薄膜生长技术为pecvd方法。11.上述方案中，步骤s3中，使用电子束蒸镀或者溅射工艺沉积加热电阻。12.上述方案中，步骤s4中，通过电镀的方法沉积黑体辐射层。13.上述方案中，步骤s5中，采用icp干法刻蚀技术进行刻蚀形成背洞区域。14.通过上述技术方案，本发明提供的一种自支撑的mems红外光源及其制备方法具有如下有益效果：本发明的mems红外光源由加热电阻自支撑，其在mems红外光源工作时，因为减少了加热电阻下面的介质薄膜，可以减少黑体辐射层与硅衬底之间的热传导，从而提高mems红外光源的工作温度，进一步提高mems红外光源的响应速率和辐射效率。附图说明15.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。16.图1为本发明实施例所公开的一种自支撑的mems红外光源正视剖面图；图2为本发明实施例所公开的一种自支撑的mems红外光源俯视图；图3为本发明实施例所公开的一种自支撑的mems红外光源的制备方法工艺流程图。17.图中，1、硅衬底；2、介质薄膜；3、加热电阻；4、黑体辐射层；5、背洞区域。具体实施方式18.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。19.本发明提供了一种自支撑的mems红外光源，如图1和图2所示，包括由下到上依次设置的硅衬底1、介质薄膜2、加热电阻3和黑体辐射层4，加热电阻3通过金属剥离工艺形成图形结构，黑体辐射层4位于加热电阻3的中间区域，硅衬底1背面通过刻蚀形成贯穿硅衬底1的背洞区域5，位于黑体辐射层4下方的介质薄膜2被刻蚀掉。20.本实施例中，介质薄膜2材质选自二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的至少一种。21.加热电阻3为铂金材质，黑体辐射层4材质为铂黑、碳纳米管或多孔硅。22.一种自支撑的mems红外光源的制备方法，如图3所示，包括如下步骤：s1、选自一张硅晶圆作为硅衬底1；s2、在硅衬底1上使用薄膜生长技术（如pecvd）沉积一层介质薄膜2；s3、在介质薄膜2上使用电子束蒸镀或者溅射工艺沉积加热电阻3，并通过金属剥离工艺形成图形结构；s4、在加热电阻3的中间区域通过电镀的方法沉积黑体辐射层4；s5、对硅衬底1背面采用icp干法刻蚀技术进行刻蚀，形成贯穿硅衬底1的背洞区域5；s6、使用刻蚀方法将黑体辐射层4下方的介质薄膜2去除。23.mems红外光源的动态响应可以通过数学计算来表达，假设mems红外光源，介质薄膜2辐射温度分布均匀，并忽略自然对流换热和热传导换热，光源只通过热辐射冷却。对于介质薄膜2的温度变化与其辐射能量变化关系为：ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ（1）式中，a代表黑体辐射层4的面积，σ代表斯特藩-玻尔兹曼常数，ε为黑体辐射层4的发射率，t为介质薄膜2及黑体辐射层4的整体温度；在一个周期内，功率和温度变化之间的关系为：ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ（2）上式中，cp是介质薄膜2材料热导率，d是介质薄膜2材料厚度，ρ是介质薄膜2材料密度，t是时间。24.由公式（1）和（2）可得到光源频率公式：ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ（3）根据（3）公式，光源的调制频率和材料的发射率，温度t，材料薄膜厚度d，材料热容cp和密度ρ有关。因此提高光源薄膜温度、使用低热容材料可以提高光源的响应速率。25.通过公式（3）可以得到，去除介质薄膜2结构的mems红外光源与硅衬底1之间的热传导更小，红外光源辐射区域温度会变高，因此具有更高的响应速率和辐射效率。同时避免了不同薄膜材料之间具有不同的热膨胀导致的mems红外光源失效。26.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。技术特征：1.一种自支撑的mems红外光源，其特征在于，包括由下到上依次设置的硅衬底、介质薄膜、加热电阻和黑体辐射层，所述加热电阻通过金属剥离工艺形成图形结构，所述黑体辐射层位于加热电阻的中间区域，所述硅衬底背面通过刻蚀形成贯穿硅衬底的背洞区域，位于黑体辐射层下方的介质薄膜被刻蚀掉。2.根据权利要求1所述的一种自支撑的mems红外光源，其特征在于，所述介质薄膜材质选自二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的至少一种。3.根据权利要求1所述的一种自支撑的mems红外光源，其特征在于，所述加热电阻为铂金材质。4.根据权利要求1所述的一种自支撑的mems红外光源，其特征在于，所述黑体辐射层材质为铂黑、碳纳米管或多孔硅。5.一种如权利要求1所述的自支撑的mems红外光源的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、选自一张硅晶圆作为硅衬底；s2、在硅衬底上使用薄膜生长技术沉积一层介质薄膜；s3、在介质薄膜上沉积加热电阻，并通过金属剥离工艺形成图形结构；s4、在加热电阻的中间区域沉积黑体辐射层；s5、对硅衬底背面进行刻蚀，形成贯穿硅衬底的背洞区域；s6、使用刻蚀方法将黑体辐射层下方的介质薄膜去除。6.根据权利要求5所述的一种自支撑的mems红外光源的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述薄膜生长技术为pecvd方法。7.根据权利要求5所述的一种自支撑的mems红外光源的制备方法，其特征在于，步骤s3中，使用电子束蒸镀或者溅射工艺沉积加热电阻。8.根据权利要求5所述的一种自支撑的mems红外光源的制备方法，其特征在于，步骤s4中，通过电镀的方法沉积黑体辐射层。9.根据权利要求5所述的一种自支撑的mems红外光源的制备方法，其特征在于，步骤s5中，采用icp干法刻蚀技术进行刻蚀形成背洞区域。技术总结本发明涉及半导体光电元器件技术领域，具体公开了一种自支撑的MEMS红外光源及其制备方法，MEMS红外光源包括由下到上依次设置的硅衬底、介质薄膜、加热电阻和黑体辐射层，所述加热电阻通过金属剥离工艺形成图形结构，所述黑体辐射层位于加热电阻的中间区域，所述硅衬底背面通过刻蚀形成贯穿硅衬底的背洞区域，位于黑体辐射层下方的介质薄膜被刻蚀掉。本发明所公开的MEMS红外光源及其制备方法由加热电阻自支撑，其在MEMS红外光源工作时，因为减少了加热电阻下面的介质薄膜，可以减少黑体辐射层与硅衬底之间的热传导，从而提高MEMS红外光源的工作温度，进一步提高MEMS红外光源的响应速率和辐射效率。率和辐射效率。率和辐射效率。技术研发人员：陶继方 树东生受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：2022.05.11技术公布日：2022/8/12