一種mems紅外光源及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種MEMS紅外光源及其制備方法，通過MEMS加工技術(shù)，制備出適合氣體檢測(cè)的MEMS紅外光源，包括如下步驟：1）在雙面拋光的單晶硅襯底上，利用干法氧化的方法，在兩面形成致密的氧化硅薄膜，隨后以化學(xué)氣相沉積的方式在正面生長(zhǎng)氮化硅薄膜；2）在氮化硅薄膜上，以磁控濺射的方式生長(zhǎng)電極連接層Ti和電極層Pt；3）以MEMS加工工藝中的光刻、刻蝕等方法，圖形化出加熱電極；4）以反應(yīng)離子刻蝕的方式，去除多余的氧化硅和氮化硅；5）以干法刻蝕和濕法刻蝕相結(jié)合的方式，形成懸空結(jié)構(gòu)。本發(fā)明制備的MEMS紅外光源工藝簡(jiǎn)單，成本低，易于批量化生產(chǎn)，適用于便攜式、微型化的氣敏檢測(cè)系統(tǒng)。
【專利說(shuō)明】一種MEMS紅外光源及其制備方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種用于氣體檢測(cè)的紅外光源，具體的說(shuō)，涉及一種基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,指微機(jī)電系統(tǒng))微納加工技術(shù)制備的氣體檢測(cè)紅外光源。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]隨著人們生活水平的提高和對(duì)生活環(huán)境的日益重視，人們對(duì)環(huán)境中的有害氣體檢測(cè)越來(lái)越關(guān)注。尤其是現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展以及各種建筑裝修材料的應(yīng)用，很多的有毒氣體在不斷侵害人們的身體。一方面工業(yè)方面排放的二氧化硫、硫化氫等有毒氣體，對(duì)人類的生活造成很大的傷害；另一方面，人們?cè)谧非笫孢m生活的同時(shí)，對(duì)家庭室內(nèi)的裝修材料使用的越來(lái)越多，從而造成室內(nèi)的甲醛等氣體嚴(yán)重超標(biāo)；最后一方面石油化工、藥物合成等方面產(chǎn)生的有機(jī)氣體，也對(duì)人們的健康產(chǎn)生較大的威脅。因此，如何準(zhǔn)確、快速的對(duì)環(huán)境中的這些有毒氣體進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，是保護(hù)人類生活和健康的必要手段之一。
[0005]氣體傳感器是把空氣中的某種特定的氣體成分檢測(cè)出來(lái)，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電學(xué)信號(hào)的傳感器件。因此，人們對(duì)氣體傳感器進(jìn)行了大量的研究，其中之一就是用來(lái)對(duì)有毒有害氣體的檢測(cè)，從而去幫助人們 改善和改正周圍的環(huán)境。而且，隨著生活環(huán)境的多元化，對(duì)氣體傳感器的檢測(cè)要求也越來(lái)越高。目前在氣體傳感器檢測(cè)方面，金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器和固態(tài)電解質(zhì)傳感器占據(jù)了絕大部分市場(chǎng)。但是這兩種都需要在較高的溫度下進(jìn)行工作，消耗功率大，靈敏度低，而且抗干擾能力差。
[0006]紅外氣體傳感器主要是利用被檢測(cè)氣體通入傳感器檢測(cè)腔體，吸收紅外光源發(fā)出的特定波長(zhǎng)，用紅外探測(cè)器來(lái)檢測(cè)紅外光的強(qiáng)度，并測(cè)量吸收光譜，即可得出被檢測(cè)氣體的濃度。而且利用紅外光譜吸收的方法檢測(cè)氣體的紅外氣體傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)，它不僅精度高，選擇性好，而且使用壽命長(zhǎng)，量程較寬，抗干擾能力強(qiáng)。
[0007]但是，如果以傳統(tǒng)的鎳或能斯特?zé)糇鳛榧t外光源，并以機(jī)械斬波器或電機(jī)機(jī)械調(diào)制光源，會(huì)造成紅外氣體傳感器的體積較為龐大，而且系統(tǒng)功耗嚴(yán)重，穩(wěn)定性變差。也難以滿足現(xiàn)代化傳感器低功耗、便攜式的測(cè)試需求。隨著近些年來(lái)微電子技術(shù)和MEMS微納加工工藝的迅速發(fā)展，氣體傳感器逐漸在向小型化和微型化發(fā)展，并且其紅外光源部分可以與半導(dǎo)體和MEMS的工藝相兼容。
[0008]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為克服現(xiàn)有紅外氣體傳感器中的紅外光源調(diào)制部件的體積龐大、價(jià)格昂貴、能耗較高等方面的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種功耗低、體積小、易于批量化生產(chǎn)的MEMS紅外光源。
[0010]本發(fā)明的另一目的在于提供一種采用MEMS微納加工工藝，在硅襯底上制備出功耗低、體積小、易于批量化生產(chǎn)的紅外MEMS光源，滿足現(xiàn)代化傳感器的測(cè)試需求。
[0011]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種MEMS紅外光源,其包括一具有懸空結(jié)構(gòu)的單晶娃襯底,所述單晶娃襯底的正面和反面分別為SiO2薄膜層，所述單晶硅襯底正面的SiO2薄膜層包括一層Si3N4薄膜層，所述Si3N4薄膜層上設(shè)置有一電極連接層，所述電極連接層上為一電極層，所述電極連接層與電極層形成的加熱電極成一條紋結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述Si3N4薄膜層上。
[0012]進(jìn)一步的,所述金屬連接層的材質(zhì)為金屬Ti。
[0013]進(jìn)一步的，所述電極層的材質(zhì)為金屬Pt。
[0014]一種MEMS紅外光源的制備方法，其包括以下制備步驟:
步驟1:清洗單晶硅片，
將厚度為500-550um的雙面拋光的單晶硅片放在由H2O2和H2SO4混合而成的清洗液中清洗，然后用去離子水沖洗，并用氮?dú)獯蹈?，置于凈化環(huán)境中作為單晶硅襯底待用；
步驟2:雙面熱氧化單晶硅襯底，
采用干法氧化的方法，在所述單晶硅襯底正、反面形成SiO2薄膜層；
步驟3:生長(zhǎng)Si3N4薄膜層，
利用LPCVD/PECVD設(shè)備在所述單晶硅襯底正面的SiO2薄膜層上生長(zhǎng)Si3N4薄膜層； 步驟4:圖形化加熱電極，
在生長(zhǎng)Si02、Si3N4薄膜層上，利用MEMS工藝圖形化出加熱電極圖案，具體包括以下步
驟:
步驟4.1)電極連接層濺射，通過磁控濺射設(shè)備濺射一層金屬Ti作為電極連接層； 步驟4.2)電極層濺射，在所述電極連接層上，濺射一層金屬Pt層作為電極層；
步驟5:圖形化懸空區(qū)域，
在所述單晶硅襯底反面的SiO2薄膜層上，利用MEMS工藝圖形化出需要懸空區(qū)域的圖案，具體包括以下步驟:
步驟5.1) SiO2刻蝕，在所述單晶硅襯底反面圖形化后的需要懸空的區(qū)域，利用RIE刻蝕設(shè)備進(jìn)行SiO2刻蝕；
步驟5.2)單晶硅刻蝕，在刻蝕SiO2后的單晶硅襯底上，利用ICP硅刻蝕設(shè)備進(jìn)行單晶硅刻蝕，刻蝕深度為400-450um ；
步驟6:加熱電極釋放，具體包括以下步驟:
步驟6.1)利用化學(xué)腐蝕方法去除單晶硅襯底正面多余的金屬T1、Pt及光刻膠；
步驟6.2) Si3N4刻蝕，在去除光刻膠和多余的金屬T1、Pt之后，利用RIE刻蝕設(shè)備將加熱電極旁邊殘余的Si3N4刻蝕掉；
步驟6.3)Si02刻蝕，在刻蝕Si3N4之后，利用RIE刻蝕設(shè)備將加熱電極旁邊殘余的SiO2刻蝕掉；
步驟7:硅穿通刻蝕，
利用單晶硅濕法刻蝕工藝，在刻蝕溶液中穿通刻蝕，以刻蝕出具有懸空結(jié)構(gòu)的單晶硅襯底； 步驟8:清洗，利用有機(jī)溶劑乙醇和去離子水，對(duì)刻蝕后的單晶硅進(jìn)行清洗；
步驟9:機(jī)械劃片，利用機(jī)械劃片機(jī)，對(duì)陣列器件進(jìn)行劃片，分割成單個(gè)的MEMS紅外光源。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
本發(fā)明是以MEMS加工技術(shù)制備的用于紅外氣體檢測(cè)儀中的紅外光源，其工藝完全和IC加工工藝兼容，器件加工精度高，而且工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、器件成本低、易于批量化生產(chǎn)，可以滿足紅外氣體檢測(cè)儀的小型化、集成化需求。
[0016]上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說(shuō)明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如后。本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】由以下實(shí)施例及其附圖詳細(xì)給出。
[0017]
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
圖1示出了本發(fā)明的MEMS紅外光源截面示意圖。
[0019]圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明:1、單晶硅襯底，101、懸空結(jié)構(gòu)，102、條紋結(jié)構(gòu)，2、SiO2薄膜層，3、Si3N4薄I吳層，4、電極連接層，5、電極層。
[0020]
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
[0022]實(shí)施例1:
參見圖1所不，一種MEMS紅外光源其包括一具有懸空結(jié)構(gòu)101的單晶娃襯底1，所述單晶硅襯底I的正面和反面分別為SiO2薄膜層2，所述單晶硅襯底I正面的SiO2薄膜層2包括一層Si3N4薄膜層3，所述Si3N4薄膜層3上設(shè)置有一電極連接層4，所述電極連接層4上為一電極層5，所述電極連接層4與電極層5形成的加熱電極成一條紋結(jié)構(gòu)102設(shè)置在所述Si3N4薄I旲層3上。
[0023]進(jìn)一步的，所述金屬連接層4的材質(zhì)為金屬Ti。
[0024]優(yōu)選的，所述金屬連接層4的厚度為30_50nm。
[0025]進(jìn)一步的，所述電極層5的材質(zhì)為金屬Pt。
[0026]優(yōu)選的，所述電極層5的厚度為150_200nm。
[0027]優(yōu)選的，所述SiO2薄膜層2的厚度為300_500nm。
[0028]優(yōu)選的，所述Si3N4薄膜層3的厚度為100_200nm。
[0029]優(yōu)選的，所述單晶硅襯底I的厚度為500_550um。
[0030]實(shí)施例2:
一種MEMS紅外光源的制備方法，其包括以下制備步驟:
步驟1:清洗單晶硅片，
將厚度為500-550um雙面拋光的單晶硅片放在由H2O2和&504混合而成的清洗液中清洗，然后用去離子水沖洗，并用氮?dú)獯蹈?，置于凈化環(huán)境中作為單晶硅襯底待用；
步驟2:雙面熱氧化單晶硅襯底，
采用干法氧化的方法，在所述單晶硅襯底正、反面形成厚度為300-500nm的SiO2薄膜
層；
步驟3:生長(zhǎng)Si3N4薄膜層，
利用LPCVD/PECVD設(shè)備在所述單晶硅襯底正面的SiO2薄膜層上生長(zhǎng)厚度為100_200nm的Si3N4薄膜層；
步驟4:圖形化加熱電極，
在生長(zhǎng)Si02、Si3N4薄膜層上，利用MEMS工藝圖形化出加熱電極圖案，具體包括以下步
驟:
步驟4.1)電極連接層濺射，通過磁控濺射設(shè)備濺射一層厚度為30-50nm的金屬Ti作為電極連接層；
步驟4.2)電極層濺射，在所述電極連接層上，濺射一層厚度為150-200nm的金屬Pt層作為電極層；
步驟5:圖形化懸空區(qū)域，
在所述單晶硅襯底反面的SiO2薄膜層上，利用MEMS工藝圖形化出需要懸空區(qū)域的圖案，具體包括以下步驟:
步驟5.1) SiO2刻蝕，在所述單晶硅襯底反面圖形化后的需要懸空的區(qū)域，利用RIE刻蝕設(shè)備進(jìn)行SiO2刻蝕；
步驟5.2)單晶硅刻蝕，在刻蝕SiO2后的單晶硅襯底上，利用ICP硅刻蝕設(shè)備進(jìn)行單晶硅刻蝕，刻蝕深度為400-450um ；
步驟6:加熱電極釋放，具體包括以下步驟:
步驟6.1)利用化學(xué)腐蝕方法去除單晶硅襯底正面多余的金屬T1、Pt及光刻膠；
步驟6.2) Si3N4刻蝕，在去除光刻膠和多余的金屬T1、Pt之后，利用RIE刻蝕設(shè)備將加熱電極旁邊殘余的Si3N4刻蝕掉；
步驟6.3)Si02刻蝕，在刻蝕Si3N4之后，利用RIE刻蝕設(shè)備將加熱電極旁邊殘余的SiO2刻蝕掉；
步驟7:硅穿通刻蝕，
利用單晶硅濕法刻蝕工藝，在刻蝕溶液中穿通刻蝕，以刻蝕出具有懸空結(jié)構(gòu)的單晶硅襯底；
步驟8:清洗，利用有機(jī)溶劑乙醇和去離子水，對(duì)刻蝕后的單晶硅進(jìn)行清洗；
步驟9:機(jī)械劃片，利用機(jī)械劃片機(jī)，對(duì)陣列器件進(jìn)行劃片，分割成單個(gè)的MEMS紅外光源。
[0031]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種MEMS紅外光源,其特征在于:包括一具有懸空結(jié)構(gòu)(101)的單晶娃襯底(I),所述單晶硅襯底(I)的正面和反面分別為SiO2薄膜層(2)，所述單晶硅襯底(I)正面的SiO2薄膜層(2)包括一層Si3N4薄膜層(3)，所述Si3N4薄膜層(3)上設(shè)置有一電極連接層(4)，所述電極連接層(4)上為一電極層(5)，所述電極連接層(4)與電極層(5)形成的加熱電極成一條紋結(jié)構(gòu)(102)設(shè)置在所述Si3N4薄膜層(3)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS紅外光源，其特征在于:所述金屬連接層(4)的材質(zhì)為金屬Ti，所述金屬連接層(4)的厚度為30-50nm;所述電極層(5)的材質(zhì)為金屬Pt，所述電極層(5)的厚度為150-200nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS紅外光源，其特征在于:所述SiO2薄膜層(2)的厚度為300_500nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS紅外光源，其特征在于:所述Si3N4薄膜層(3)的厚度為 100_200nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的MEMS紅外光源，其特征在于:所述單晶硅襯底(I)的厚度為500— 550um。
6.一種MEMS紅外光源的制備方法，其特征在于，包括以下制備步驟: 步驟1:清洗單晶硅片， 將厚度為500-550um的雙面拋光的單晶硅片放在由H2O2和&504混合而成的清洗液中清洗，然后用去離子水沖洗，并用氮?dú)獯蹈?，置于凈化環(huán)境中作為單晶硅襯底待用； 步驟2:雙面熱氧化單晶硅襯底， 采用干法氧化的方法，在所述單晶硅襯底正、反面形成SiO2薄膜層； 步驟3:生長(zhǎng)Si3N4薄膜層， 利用LPCVD/PECVD設(shè)備在所述單晶硅襯底正面的SiO2薄膜層上生長(zhǎng)Si3N4薄膜層； 步驟4:圖形化加熱電極， 在生長(zhǎng)Si02、Si3N4薄膜層上，利用MEMS工藝圖形化出加熱電極圖案，具體包括以下步驟: 步驟4.1)電極連接層濺射，通過磁控濺射設(shè)備濺射一層金屬Ti作為電極連接層； 步驟4.2)電極層濺射，在所述電極連接層上，濺射一層金屬Pt層作為電極層； 步驟5:圖形化懸空區(qū)域， 在所述單晶硅襯底反面的SiO2薄膜層上，利用MEMS工藝圖形化出需要懸空區(qū)域的圖案，具體包括以下步驟: 步驟5.1) SiO2刻蝕，在所述單晶硅襯底反面圖形化后的需要懸空的區(qū)域，利用RIE刻蝕設(shè)備進(jìn)行SiO2刻蝕； 步驟5.2)單晶硅刻蝕，在刻蝕SiO2后的單晶硅襯底上，利用ICP硅刻蝕設(shè)備進(jìn)行單晶硅刻蝕，刻蝕深度為400-450um ； 步驟6:加熱電極釋放，具體包括以下步驟: 步驟6.1)利用化學(xué)腐蝕方法去除單晶硅襯底正面多余的金屬T1、Pt及光刻膠； 步驟6.2) Si3N4刻蝕，在去除光刻膠和多余的金屬T1、Pt之后，利用RIE刻蝕設(shè)備將加熱電極旁邊殘余的Si3N4刻蝕掉； 步驟6.3)Si02刻蝕，在刻蝕Si3N4之后，利用RIE刻蝕設(shè)備將加熱電極旁邊殘余的SiO2刻蝕掉； 步驟7:硅穿通刻蝕， 利用單晶硅濕法刻蝕工藝，在刻蝕溶液中穿通刻蝕，以刻蝕出具有懸空結(jié)構(gòu)的單晶硅襯底； 步驟8:清洗，利用有機(jī)溶劑乙醇和去離子水，對(duì)刻蝕后的單晶硅進(jìn)行清洗； 步驟9:機(jī)械劃片，利用機(jī)械劃片機(jī)，對(duì)陣列器件進(jìn)行劃片，分割成單個(gè)的MEMS紅外光源。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的MEMS紅外光源的制備方法，其特征在于:所述金屬連接層的厚度為30-50nm ;所述電極層的厚度為150_200nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的MEMS紅外光源的制備方法，其特征在于:所述SiO2薄膜層的厚度為 300-500nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的MEMS紅外光源的制備方法，其特征在于:所述Si3N4薄膜層的厚度為100-200nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任意一項(xiàng)所述的MEMS紅外光源的制備方法，其特征在于:所述單晶硅襯底的厚度為500um。
【文檔編號(hào)】B81B7/00GK103896203SQ201410111761
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】石威, 趙真真, 吳奇, 李永方 申請(qǐng)人:蘇州宏態(tài)環(huán)?？萍加邢薰?br>