一种具有复合支撑层的MEMS红外光源及其制备方法与流程

本发明属于光电，具体涉及一种具有复合支撑层的mems红外光源及其制备方法。

背景技术：

1、红外传感技术已经被广泛应用于大气质量检测、温度监控、工业过程控制、空间监控、信息通信、医学及军事等领域。红外光源是红外传感技术的重要元件，常用的发光波长为3-5微米以及8-14微米。红外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。传统热辐射红外光源如白炽灯，其电光转换效率低、调制特性差；而波长在3-5微米的红外二极管发光效率低，输出功率小，限制了其应用；量子级联红外激光器能够发射高强度的窄带红外激光，但效率也不高，且制造成本高昂。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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、为了解决现有衬底掏空型mems红外光源在光电性能、使用寿命，以及产品良率和成本等方面无法达到平衡的问题，本发明提供一种具有复合支撑层的mems红外光源及其制备方法。

2、本发明采用以下技术方案实现：

3、一种具有复合支撑层的mems红外光源，其包括从下至上依次叠加的衬底、支撑层、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。

4、其中，衬底的中央包含一个贯穿式镂空结构；具体地，镂空部分呈台体型。支撑层设于衬底之上，与衬底形成四边固支结构，并在衬底下方形成一个空腔结构。支撑层中位于空腔结构上方的部分为不与衬底接触的悬浮区，悬浮区周围区域为与衬底接触的承托区。发热电极层位于支撑层上方，且发热电极层在预留有发热电极焊盘装配位置的相对两侧上超出悬浮区，而在其它方向上发热电极层“收缩”在悬浮区内。两条发热电极焊盘均位于发热电极层上，且两条发热电极焊盘的分布区域位于承托区内并与悬浮区相切或相离。红外发射层位于发热电极焊盘内，并使得红外发射层的分布区域位于悬浮区内的发热电极部分。

5、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。

6、作为本发明进一步的改进，在所述支撑层包含的各个结构层中，金属层的材料选择ti、ni、cr、mo、w、nicr合金、pt、pd中的任意一种或多种。介质层的材质选自sio2和sin中的一种或多种。

7、作为本发明进一步的改进，支撑层的结构层总数为3-15层，各层厚度为50-500nm。

8、作为本发明进一步的改进，红外发射层为由高红外发射率的材料制备而成，厚度为50-1000nm。其中，高红外发射率的材料包括nicr合金、tin、tialn、非晶碳、sic、nicro化合物、zro2、hfo2、la1-xcaxcro3(0≤x≤0.5)以及碳纳米管中的任意一种或多种的混合物。且/或红外发射层的发射面呈粗糙面结构。

9、作为本发明进一步的改进，发热电极层的材料采用pt、mo、nicr合金、多晶硅、sic、cu、w、hfb2、ptsi以及sno2中的任意一种。发热电极焊盘采用alsi合金、au、al、nicr合金、niv合金中的任意一种材料制备而成。

10、作为本发明进一步的改进，发热电极层与支撑层之间增加用于提高二者界面附着力的过渡层；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。

11、作为本发明进一步的改进，衬底材料选择单晶硅或石英。

12、作为本发明进一步的改进，当红外发射层具有导电性时，在发热电极层和红外发射层之间设置绝缘的隔离层；隔离层的材料采用氧化硅、氮化硅、氧化铝中的一种或任意多种的组合。

13、作为本发明进一步的改进，红外光源还设置有保护层，保护层覆盖在mems红外光源上表面中除发热电极焊盘以外的区域；保护层的材料选自氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪中的任意一种或多种的组合。

14、在衬底中的空腔区域处暴露出的支撑层表面还设有反射层；反射层采用由ag、au、cu、al中的任意一种材料制成的单一金属镀层，或多种材料逐层沉积制成复合金属镀层；或采用介质膜布拉格镀层作为所需的反射层。

15、本发明还提供一种mems红外光源的制备方法，该制备方法用于制备如前述的具有复合支撑层的mems红外光源；mems红外光源的制备方法包括如下步骤：

16、(1)支撑层设计：

17、设计满足预设的机械强度、平均热膨胀系数、热导率和抗热震性的支撑层的结构方案，支撑层的结构方案中的控制性指标包括支撑层中结构层的数量、材料、厚度，以及叠层顺序。

18、(2)支撑层制备：

19、根据预先设计的支撑层的结构方案，在衬底表面依次沉积预设量的各结构层的材料，进而生成所需的支撑层。

20、(3)发热电极层制备：

21、在支撑层的表面制备所需的发热电极层，发热电极层的分布区域满足：在预留有制备发热电极焊盘的相对两侧的位置上，发热电极层超出悬浮区；在除了预留制备发热电极焊盘的其它方向上，发热电极收缩在悬浮区内。

22、(4)隔离层制备：

23、在发热电极层表面制备隔离层，隔离层完整包覆在发热电极层的上表面；

24、(5)发热电极焊盘制备：

25、通过剥离光刻技术去除预留的制备发热电极焊盘区域的隔离层，然后制备两条与发热电极层电连接的发热电极焊盘。

26、(6)红外发射层制备：

27、在隔离层上方制备红外发射层；红发射层分布于两条发热电极焊盘端点围合区域的内部。

28、(7)衬底镂空处理：

29、通过光刻技术沿衬底的底面对衬底进行局部蚀刻，以在衬底中央形成一个台体状空腔，衬底的蚀刻深度以剥离出所述支撑层为限，且所述空腔靠近支撑层的一侧的外轮廓恰好位于两条所述发热电极焊盘之间，空腔和发热电极焊盘相切或相离，并使得空腔完整覆盖所述红外发射层。

30、本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：

31、本发明提供的具有复合支撑层的mems红外光源中，对衬底进行了镂空处理，并在衬底中央形成一个中心对称的台体型的空腔。其中，衬底和上方的支撑层形成稳定的四边固支结构，进而保证器件具有较强结构稳定性。此外，本实施例中衬底的镂空方式在保证器件结构稳定性的前提下，最大化减低了器件的热容，并有效抑制了器件运行过程发热电极层朝向衬底一侧的无效热传导，进而大幅提升器件的光电转换效率，降低器件在同等工作状态下的功耗。

32、本发明在衬底改良的基础上，进一步将支撑层由单纯的介质材料结构替换为介质材料和金属材料层叠组成的复合结构，形成复合支撑层。通过调控复合支撑层中介质层与金属层的总层数、各层厚度，以及不同结构层采用材料类型等手段，可以实现对复合支撑层机械强度、平均热膨胀系数、热导率等参数进行综合调控。从而提升复合支撑层的机械强度，降低复合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，大幅提升mems红外光源的制造良率和可靠性。

33、针对新设计的具有复合支撑层的mems红外光源，本发明还提供了三种不同的制备工艺。本发明的新产品和新工艺解决了现有mems红外光源存在的由支撑层破膜引起的mems红外光源制造良率低和可靠性不足的问题。