一種三維紅外光源及其制作方法

一種三維紅外光源及其制作方法
【專利摘要】本發明提供一種三維紅外光源及其制作方法，提供一硅片；在該硅片的正反面形成氧化硅薄膜；在正面定義陣列窗口并沿陣列窗口刻蝕氧化硅至暴露出硅表面為止；沿陣列窗口刻蝕硅表面形成硅凹槽陣列；去除硅片正面非刻蝕區域的氧化硅并形成復合膜；形成覆蓋硅凹槽陣列的電阻絲，在電阻絲表面形成鈍化層；在該硅片背面定義包圍硅凹槽陣列的窗口；沿窗口刻蝕硅片背面的氧化硅至暴露出硅表面為止；沿窗口繼續腐蝕硅表面直到硅被完全腐蝕為止從而制備出三維紅外光源結構。本發明采用電阻絲位于凹槽陣列中，減少了發熱絲通過襯底的熱傳導，減少空氣熱對流引起的熱耗散，實現了能量聚集的作用，降低功耗的同時，提高了能量轉換效率。
【專利說明】一種三維紅外光源及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種紅外光源及其制作方法，特別是涉及一種具有凹槽陣列結構的三維紅外光源及其制作方法。
【背景技術】
[0002]紅外技術在國防、信息技術與通訊、污染監測、溫度調控、醫學等領域得到廣泛應用。作為紅外技術應用的重要部件，紅外光源的研究得到越來越多的關注。
[0003]紅外光源的一個重要應用是紅外氣體傳感器，其中，紅外光源的性能很大程度上決定了傳感器的性能。在傳統的紅外傳感器系統中，紅外燈泡加機械斬波器的光源調制模式已遠不能滿足儀器發展的需求，低功耗，可集成，小型化且可直接電調制的紅外輻射單元成為紅外光源的發展趨勢。利用先進的微機電系統(MEMS)技術，可以大大減小紅外光源的體積和功耗，并利于集成。國內外MEMS紅外光源已開展相關研究,1998年英國劍橋大學Giraud S.0.C.等以鎢絲作為加熱材料制作了紅外輻射光源，其輻射波長達到12 μ m以上；2001年J.Puton等人以Pt作為加熱材料設計、制作了非分光紅外(NDIR)氣體分析用的紅外光源；Intex公司1_20μπι的MEMS光源已經產業化。2003年上海技術物理研究所李守榮等利用表面微加工技術，研制出微紅外輻射元；2005年復旦大學報道了一種小體積的脈沖式MEMS輻射源，其輻射波長可以達到15 μ m ；2007年天津工業大學王海棠采用導電不定型碳(CAC)多層鍍膜技術制作了輻射波長2-9μπι的MEMS光源，并以此研制汽車尾氣分析儀測量系統。優化的薄膜結構實現了高抗溫度沖擊能力，納米黑體材料提升了熱輻射效率，MEMS熱輻射光源拓展了紅外氣體傳感技術的應用范圍，正在逐漸取代傳統的小燈泡。但MEMS紅外光源停留在實驗室研究狀態，主要是得到的紅外光源能量轉換效率低、可靠性差、工藝復雜、成本高等。
[0004]目前現有技術中的紅外光源普遍為二維結構的紅外光源，例如這種紅外光源中發熱的電阻絲通常會由于其形成在二維的平面而引起熱耗散，受空氣熱對流的影響較大，增加紅外光源的功耗同時，降低了能量轉換效率，嚴重降低了能量的利用率，因此，有必要提出一種新型的紅外光源來解決現有的紅外光源由于熱耗散嚴重而帶來能源的不必要浪費。

【發明內容】

[0005]鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種三維紅外光源及其制作方法，用于解決現有技術中紅外光源引起熱耗散而降低能量利用率的問題。
[0006]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種三維紅外光源及其制作方法，其特征在于，所述方法至少包括:
[0007](I)提供一以(100)晶面作為正反面的硅片；該正反面為拋光面；在所述正反面分別形成氧化硅薄膜；
[0008](2)在所述硅片正面定義出陣列窗口圖形，沿所述陣列窗口刻蝕所述氧化硅至暴露出娃表面為止；[0009](3)沿所述陣列窗口繼續刻蝕所述硅表面形成硅凹槽陣列；
[0010](4)去除所述硅片正面非刻蝕區域的氧化硅薄膜；
[0011](5)在所述硅片正面依次交替形成氧化硅層和氮化硅層，形成由氧化硅和氮化硅組成的覆蓋所述硅凹槽陣列的至少一層復合膜；
[0012](6)在所述硅片正面定義覆蓋所述硅凹槽陣列的電阻絲的圖形，在所述電阻絲的圖形區域依次形成第一金屬層和第二金屬層；形成由第一金屬層和第二金屬層構成的電阻絲；
[0013](7)在所述電阻絲的表面形成一層鈍化層；
[0014](8)在所述硅片的背面定義包圍所述硅凹槽陣列的窗口 ；沿所述窗口刻蝕所述硅片背面的氧化硅至暴露出硅表面為止；
[0015](9)沿步驟(8)中所述窗口繼續腐蝕所述暴露出的硅表面直到硅被完全腐蝕為止，按照所述硅片表面的劃片槽進行劃片從而制備出三維紅外光源結構。
[0016]作為本發明的三維紅外光源的制作方法的一種優選方案，所述步驟(1)中形成所述氧化硅薄膜的方法包括熱氧化法、低壓化學氣相沉積法或等離子增強化學氣相沉積法。
[0017]作為本發明的三維紅外光源的制作方法的一種優選方案，所述步驟(2)中定義所述陣列窗口圖形的方法包括以下步驟:(I)在所述氧化硅薄膜表面旋涂光刻膠；(2)經過曝光以及顯影形成所述陣 列窗口圖形；所述步驟(2)中刻蝕所述氧化硅的方法包括:反應離子刻蝕或離子束刻蝕。
[0018]作為本發明的三維紅外光源的制作方法的一種優選方案，所述步驟(3)中的所述硅凹槽陣列中的硅凹槽的縱截面形狀包括:V型、倒梯形或半圓形。
[0019]作為本發明的三維紅外光源的制作方法的一種優選方案，形成所述縱截面為V型或倒梯形的硅凹槽的刻蝕方法為各向異性濕法刻蝕；形成所述縱截面為半圓形的所述硅凹槽的刻蝕方法為各向同性干法刻蝕。
[0020]作為本發明的三維紅外光源的制作方法的一種優選方案，所述步驟(4)中去除所述硅片正面非刻蝕區域的氧化硅薄膜的方法是用添加氟化銨的氫氟酸溶液進行腐蝕。
[0021]作為本發明的三維紅外光源的制作方法的一種優選方案，所述步驟(5)中的所述復合膜為2層。
[0022]作為本發明的三維紅外光源的制作方法的一種優選方案，所述步驟(5)中形成所述氧化硅層的方法包括熱氧化、低壓化學氣相沉積或等離子體增強化學氣相沉積；形成所述氮化硅的方法包括低壓化學氣相沉積或等離子體增強化學氣相沉積。
[0023]作為本發明的三維紅外光源的制作方法的一種優選方案，所述步驟(6)中所述電阻絲的形狀包括方波形或蛇形。
[0024]作為本發明的三維紅外光源的制作方法的一種優選方案，所述步驟(2)中所述陣列窗口圖形的排布輪廓包括:矩形、六邊形或蛇形。
[0025]作為本發明的三維紅外光源的制作方法的一種優選方案，所述步驟出)中所述第
一金屬層為鈦層；所述第二金屬層為鉬層。
[0026]作為本發明的三維紅外光源的制作方法的一種優選方案，所述步驟(7)中的鈍化
層為氮化硅層或氧化硅層。
[0027]作為本發明的三維紅外光源的制作方法的一種優選方案，所述步驟(9)包括:所述硅表面被完全腐蝕之后，在所述鈍化層表面涂一層納米黑。
[0028]本發明還提供一種三維紅外光源，所述三維紅外光源至少包括:
[0029]由氧化硅和氮化硅交替層疊而成的至少一層復合膜；
[0030]所述復合膜具有若干凹槽；所述若干凹槽構成陣列；
[0031]覆蓋于所述若干凹槽中的電阻絲；
[0032]覆蓋于所述電阻絲表面的鈍化層。
[0033]如上所述，本發明的三維紅外光源及其制作方法，具有以下有益效果:本發明的三維紅外光源相比于現有技術中的二維結構的紅外光源大大減少了發熱絲通過襯底的熱傳導，處于凹槽中的發熱絲可大大減少空氣熱對流引起的熱耗散，實現了能量聚集的作用，降低功耗的同時，提高了能量轉換效率。本發明的三維紅外光源的制作方法最終得到的是封閉膜三維紅外光源，相對于懸梁式的結構機械強度高。僅通過三次光刻工藝就能實現，凹槽結構單元通過硅的各向異性腐蝕或各向同性腐蝕一次形成，本發明利用現有的MEMS技術制作工藝簡單、機械強度高并且生產成本低廉，可大批量生產。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1至圖11顯示為本發明的三維紅外光源的制作方法工序示意圖。
[0035]圖12至圖14分別顯示為本發明中用于制作三維紅外光源的三種陣列窗口圖形的分布以及電阻絲形狀的俯視示意圖。
[0036]圖15顯示為本發明中所述硅凹槽的橫截面形狀呈圓形的示意圖。
[0037]元件標號說明
[0038]10硅片
[0039]11氧化硅薄膜
[0040]12光刻膠
[0041]13陣列窗口圖形
[0042]14硅凹槽陣列
[0043]151氧化硅層
[0044]152氮化硅層
[0045]15復合膜
[0046]161第一金屬層
[0047]162第二金屬層
[0048]16電阻絲
[0049]163鈍化層
[0050]17窗口
[0051]18納米黑
[0052]SI ~S9步驟
【具體實施方式】
[0053] 以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0054]請參閱圖1至圖15。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。
[0055]本發明提供一種三維紅外光源的制作方法，如圖1至圖15，表示的是所述三維紅外光源的制作方法的工序示意圖，所述方法至少包括以下步驟:步驟S1:提供一以(100)晶面作為正反面的硅片作為襯底；該硅片正反面為拋光面；在所述正反面分別形成氧化硅薄膜11 ;優選地，所述氧化硅薄膜的厚度為0.1微米至3微米；進一步優選地，形成所述氧化硅薄膜的方法包括熱氧化法、低壓化學氣相沉積法或等離子增強化學氣相沉積法。如圖1所示，表示為形成有氧化硅薄膜11的硅片10。
[0056]接著實施步驟S2:在所述硅片正面定義出陣列窗口圖形13，沿所述陣列窗口刻蝕所述氧化硅至暴露出硅表面為止；所述陣列窗口圖形的分布構成的輪廓可以有多種，優選地，該陣列窗口的排布構成的輪廓包括有:矩形、六邊形或蛇形。如圖12、圖13和圖14所示，圖12至圖14表示為本發明的用于制作三維紅外光源的三種陣列窗口圖形分布的俯視示意圖。其中，圖12的所述陣列窗口圖形分布為矩形輪廓；圖13中所述陣列窗口圖形的分布為六邊形輪廓；圖14所述陣列窗口圖形的分布為蛇形輪廓。該步驟中，形成所述陣列窗口圖形的方法包括以下幾步:(I)在所述氧化硅薄膜11的表面旋涂光刻膠12，形成如圖2所示的結構；(2)對所述光刻膠進行曝光以及顯影后，形成如圖3所示的所述陣列窗口圖形13 ;優選地，所述步驟S2中刻蝕所述氧化硅的方法包括:反應離子刻蝕或離子束刻蝕。本發明中，利用各向異性腐蝕所開的腐蝕窗口的棱邊均沿該硅片事先定義的晶向〈110〉。
[0057]所述硅片的正反面選擇100晶面以及所刻蝕的陣列窗口的每個棱邊均沿該硅片的晶向〈110〉是利用了硅的各向異性并采用濕法刻蝕，根據刻蝕時間的不同可以得到縱截面形狀為V型或倒梯形硅凹槽。
[0058]接著實施步驟S3:沿所述陣列窗口繼續刻蝕所述硅表面形成圖4所示的硅凹槽陣列14 ;該步驟中，形成所述硅凹槽的刻蝕方法包括干法刻蝕或濕法刻蝕；優選地，所述硅凹槽陣列中單個硅凹槽的縱截面形狀包括:V型、倒梯形或半圓形。其中，形成所述縱截面為V型或倒梯形的硅凹槽是利用硅的各向異性濕法腐蝕；在刻蝕時間一定的情況下如得到縱截面為倒梯形的硅凹槽，若再進一步延長刻蝕時間，將在所述縱截面為倒梯形的基礎上進一步形成縱截面為V型的硅凹槽，因此，形成V型的縱截面和倒梯形的縱截面不同之處只在與刻蝕時間的不同。而形成如圖4所示的縱截面為半圓形的所述硅凹槽是利用硅的各向同性干法刻蝕，反應氣體為二氟化氙(XeF2),同時所述硅凹槽的橫截面呈現圓弧形。進一步優選地，所述硅凹槽陣列14中單個硅凹槽的深度為5微米?150微米。
[0059]接著實施步驟S4:去除所述硅片正面非刻蝕區域的氧化硅薄膜形成如圖5所示的結構。優選地，去除該步驟中所述硅片正面非刻蝕區域的氧化硅薄膜的方法是用添加氟化銨的氫氟酸溶液(BOE)進行腐蝕。優選地，在去除所述硅片正面非刻蝕區域的氧化硅薄膜時，所述硅片背面涂一層光刻膠以防止將該硅片背面的氧化硅薄膜同時去除。
[0060]接著實施步驟S5:在所述硅片正面依次交替形成氧化硅層151和氮化硅層152，形成由氧化硅和氮化硅組成的覆蓋所述硅凹槽陣列的至少一層復合膜15 ;形成所述氧化硅層和氮化硅層的方法為沉積法。其中，優選地，沉積所述氧化硅層的方法包括:熱氧化、低壓化學氣相沉積或等離子體增強化學氣相沉積；沉積所述氮化硅層的方法包括低壓化學氣相沉積或等離子體增強化學氣相沉積。形成所述氧化硅層和所述氮化硅層在本發明中并無先后順序，所述一層氧化硅層與一層氮化硅層形成一層所述復合膜；本發明中所述復合膜的層數至少為一層，本發明中優選地，所述復合膜的層數為2層。如圖6所示，表示的是形成由一層氧化娃層和一層氮化娃層構成的一層復合膜的結構。其中優選地，所述氧化娃層或所述氮化硅層的單層厚度為0.2微米?I微米。
[0061]在步驟S5之后接著實施步驟S6:在所述硅片正面定義覆蓋所述硅凹槽陣列的電阻絲的圖形，在所述電阻絲16的圖形區域依次形成第一金屬層161和第二金屬層162 ;形成如圖7所示的由第一金屬層161和第二金屬層162構成的電阻絲16 ;其中定義所述電阻絲的圖形的定義方法為采用噴膠光刻技術，所述的噴膠光刻技術，所述噴膠光刻技術可以對硅片表面的三維結構進行噴膠，并全面覆蓋三維結構表面，能很好地保護結構表面和側壁，同時膠厚可達十微米左右。優選地，所述電阻絲的圖形可以是如圖12和圖13中的方波形電阻絲16，也可以是蛇形，無論形成方波形、蛇形或其他形狀的電阻絲，所述電阻絲都覆蓋大多數的硅凹槽，所述單個硅凹槽可以是完全被覆蓋，也可以是部分被覆蓋；而由所述硅凹槽構成的陣列中，大多數的硅凹槽被所述電阻絲覆蓋，所述電阻絲區域盡可能地被大多數所述硅凹槽占據，所述大多數硅凹槽分散于所述電阻絲圖形的區域。在覆蓋所述硅凹槽陣列的同時，所述電阻絲直接與覆蓋于所述硅凹槽陣列的所述復合膜15形成接觸。所述電阻絲由覆蓋于所述復合膜上的第一金屬層和覆蓋于所述第一金屬層上的第二金屬層構成，優選地，所述該兩層金屬層的形成方法為磁控濺射沉積法，優選地，所述第一金屬層為鈦層，所述第二金屬層為鉬層。所述鈦層的厚度為20納米?50納米；所述鉬層的厚度為0.2微米?2微米，之所以是先濺射鈦層是因為鈦層的作用是增加鉬層與所述硅片之間的粘附性。
[0062]步驟S7:在所述電阻絲的表面形成一層鈍化層163，如圖8所示，所述鈍化層163可以是氮化硅層，也可是氧化硅層，所述鈍化層的作用是保護金屬，即保護本發明的電阻絲，防止金屬失效。
[0063]步驟S8:在所述硅片的背面定義包圍所述硅凹槽陣列的窗口 17 ;沿所述窗口刻蝕所述硅片背面的氧化硅至暴露出硅表面為止，形成如圖9所示的結構；該步驟中定義所述窗口的方法為采用光刻工藝進行定義，優選地，當步驟(4)中去除所述硅片正面非刻蝕區域的氧化硅薄膜時，若其背面涂有光刻膠，則在進行該步驟前需要將所述硅片背面的光刻膠先去除。所述窗口 17在所述硅片的正面投影完全覆蓋所述硅凹槽陣列。優選地，該步驟中刻蝕所述氧化硅的方法包括:反應離子刻蝕或離子束刻蝕。
[0064]步驟S9:沿步驟(8)中所述窗口利用硅各向異性腐蝕，腐蝕所述暴露出的硅表面直到硅被完全腐蝕為止；該步驟中，優選地，腐蝕所述硅表面的腐蝕液可以是:四甲基氫氧化銨(TMAH)、乙二胺-鄰苯二酚-水(EPW)或KOH等溶液，該步驟中形成的結構如圖10所示。優選地，在所述鈍化層表面形成一層納米黑18，所述納米黑的作用是提高紅外輻射率。最后按照所述硅片表面的劃片槽進行劃片制作出三維紅外光源。
[0065]實施例一[0066]I)采用熱氧化法在4寸硅片的正反面形成30--Α的二氧化硅薄膜作為后續各向異性腐蝕的掩膜，采用的硅片為N型(100)雙拋硅片，其正反面為該硅片的100晶面；
[0067]2)在步驟(1)中的氧化硅薄膜上采用光刻工藝制作出陣列窗口圖形，所述陣列窗口圖形13的排布構成的輪廓為如圖12所示的矩形；在光刻膠的保護下利用反應離子刻蝕(RIE)沿所述陣列窗口將二氧化硅刻蝕至露出硅表面為止；
[0068]3)利用KOH溶液沿所述陣列窗口腐蝕得到深為10 μ m的硅凹槽陣列；根據腐蝕時間的不同可以得到縱截面為V型的硅凹槽陣列或縱截面為倒梯形的硅凹槽陣列；
[0069]4)在所述硅片的背面旋涂一層光刻膠，用添加氟化銨的氫氟酸溶液(BOE)去除所述硅片正面非刻蝕區域的氧化硅薄膜，去除背面的光刻膠；[0070]5)在所述硅片正面熱氧化厚度為3000A的氧化硅層，然后利用低壓化學氣相沉積(LPCVD)淀積10000A的低應力氮化娃層，該二氧化娃和氮化娃層構成一層復合膜，該復合膜為后續形成電阻絲提供支撐；
[0071]6)利用噴膠光刻技術在所述硅片正面定義電阻絲圖形，所述電阻絲圖形為如圖12所示的覆蓋所述硅凹槽陣列的方波形，圖12中顯示的是陣列窗口圖形13與所述方波形電阻絲的位置關系，而所述硅凹槽陣列是與所述陣列窗口圖形相重合的，因此，通過圖12中所述陣列窗口圖形13與所述電阻絲的位置即可知道所述硅凹槽陣列與所述電阻絲的位
置關系。然后通過磁控濺射在所述電阻絲圖形區域依次沉積厚度分別為200A的鈦和厚度為20001的鉬，最后用丙酮去光刻膠得到發熱的電阻絲。
[0072]7)在所述電阻絲的表面形成一層以氮化硅或氧化硅作為保護金屬的鈍化層。
[0073]8)在所述娃片的背面利用光刻技術定義出包圍所述娃凹槽陣列的窗口，然后在光刻膠的保護下沿所述窗口利用反應離子刻蝕(RIE)刻蝕所述窗口中的二氧化硅至暴露出硅表面為止。
[0074]9)沿所述窗口用四甲基氫氧化銨溶液腐蝕暴露出的娃表面,直到所述娃被完全腐蝕為止，形成由所述復合膜支撐的電阻絲；在步驟(7)中所述鈍化層表面涂覆一層納米黑，之后按照劃片槽裂片，得到三維紅外光源單元。
[0075]實施例二
[0076]本實施例與實施例一的區別在于所述陣列窗口圖形的排布構成的輪廓不同，實施例一中，所述陣列窗口圖形的排布構成的輪廓為矩形，而本實施例中，所述陣列窗口圖形的排布構成的輪廓為正六邊形。具體步驟為:
[0077]I)采用熱氧化法在4寸硅片的正反面形成3000A的二氧化硅薄膜作為后續各向異性腐蝕的掩膜，所述硅片為N型(100)雙拋硅片，其正反面為該硅片的100晶面；
[0078]2)在步驟(1)中的氧化硅薄膜上采用光刻工藝制作出陣列窗口圖形12，所述陣列窗口圖形的排布構成的輪廓為如圖13所示的正六邊形；在光刻膠的保護下利用反應離子刻蝕(RIE)沿所述陣列窗口將二氧化硅刻蝕至露出硅表面為止；
[0079]3)利用KOH溶液沿所述陣列窗口腐蝕得到深為10 μ m的硅凹槽陣列；根據腐蝕時間的不同可以得到縱截面為V型的硅凹槽陣列或縱截面為倒梯形的硅凹槽陣列；
[0080]4)在所述硅片的背面旋涂一層光刻膠，用添加氟化銨的氫氟酸溶液(BOE)去除所述硅片正面非刻蝕區域的氧化硅薄膜，去除背面的光刻膠；
[0081]5)在所述硅片正面利用熱氧化法沉積厚度為3000A的氧化硅層，所述氧化硅層為二氧化硅，然后利用低壓化學氣相沉積(LPCVD)淀積10000A的低應力氮化硅層，該二氧化
硅和氮化硅層構成一層復合膜，該復合膜為后續形成電阻絲提供支撐；
[0082]6)利用噴膠光刻技術在所述硅片正面定義電阻絲圖形，所述電阻絲圖形為如圖13所示的覆蓋所述硅凹槽陣列14的方波形，圖13中顯示的是陣列窗口圖形13與所述方波形電阻絲的位置關系，而所述硅凹槽陣列是與所述陣列窗口圖形相重合的，因此，通過圖13中所述陣列窗口圖形13與所述電阻絲的位置即可知道所述硅凹槽陣列與所述電阻絲的位置關系。然后通過磁控濺射在所述電阻絲圖形區域依次沉積厚度分別為200A的鈦和厚度為2000A的鉬，最后用丙酮去光刻膠得到發熱的電阻絲。
[0083]7)在所述電阻絲的表面形成一層以氮化硅或氧化硅作為保護金屬的鈍化層。
[0084]8)在所述硅片的背面利用光刻技術定義出包圍所述硅凹槽陣列的窗口，然后在光刻膠的保護下沿所述窗口利用反應離子刻蝕(RIE)刻蝕所述窗口中的二氧化硅至暴露出硅表面為止。
[0085]9)沿所述窗口用四甲基氫氧化銨溶液腐蝕暴露出的娃表面,直到所述娃被完全腐蝕為止，形成由所述復合膜支撐的電阻絲；在步驟(7)中所述鈍化層表面涂覆一層納米黑，之后按照劃片槽裂片，得到三維紅外光源單元。
[0086]實施例三
[0087]本實施例與實施例一、實施例二的區別在于所述陣列窗口圖形的排布構成的輪廓圖形不同和所述電阻絲的形狀不同，實施例一中，所述陣列窗口圖形的排布構成的輪廓圖形為矩形，實施例二中所述陣列窗口圖形的排布構成的輪廓圖形為正六邊形；實施例一和實施例二中所述電阻絲的形狀都為方波形。而本實施例中，所述陣列窗口圖形的排布構成的輪廓圖形為蛇形，所述電阻絲的形狀為與所述陣列窗口圖形匹配的蛇形。具體步驟為:
[0088]I)采用熱氧化法在4寸硅片的正反面形成3000.4的二氧化硅薄膜作為后續各向異性腐蝕的掩膜，所述硅片為N型(100)雙拋硅片，其正反面為該硅片的100晶面；
[0089]2)在步驟(I)中的氧化硅薄膜上采用光刻工藝制作出陣列窗口圖形，所述陣列窗口圖形的排布構成的輪廓為如圖14所示的蛇形；在光刻膠的保護下利用反應離子刻蝕(RIE)沿所述陣列窗口將二氧化硅刻蝕至露出硅表面為止；
[0090]3)利用KOH溶液沿所述陣列窗口腐蝕得到深為10 μ m的硅凹槽陣列；根據腐蝕時間的不同可以得到縱截面為V型的硅凹槽陣列或縱截面為倒梯形的硅凹槽陣列；
[0091]4)在所述硅片的背面旋涂一層光刻膠，用添加氟化銨的氫氟酸溶液(BOE)去除所述硅片正面非刻蝕區域的氧化硅薄膜，去除背面的光刻膠；
[0092]5)在所述硅片正面利用熱氧化法沉積厚度為3000A的氧化硅層，所述氧化硅層為二氧化硅，然后利用低壓化學氣相沉積(LPCVD)淀積10000A的低應力氮化硅層,該二氧化硅和氮化硅層構成一層復合膜，該復合膜為后續形成電阻絲提供支撐；
[0093]6)利用噴膠光刻技術在所述硅片正面定義電阻絲圖形，所述電阻絲16的形狀為如圖14所示的覆蓋所述硅凹槽陣列14的蛇形，圖14中顯示的是陣列窗口圖形13與所述蛇形電阻絲的位置關系，而所述硅凹槽陣列是與所述陣列窗口圖形相重合的，因此，通過圖14中所述陣列窗口圖形13與所述電阻絲的位置即可知道所述硅凹槽陣列與所述電阻絲的位置關系。然后通過磁控濺射在所述電阻絲圖形區域依次沉積厚度分別為2001的鈦和厚度為MOOA的鉬，最后用丙酮去光刻膠得到發熱的電阻絲。
[0094]7)在所述電阻絲的表面形成一層以氮化硅或氧化硅作為保護金屬的鈍化層。
[0095]8)在所述娃片的背面利用光刻技術定義出包圍所述娃凹槽陣列的窗口，然后在光刻膠的保護下沿所述窗口利用反應離子刻蝕(RIE)刻蝕所述窗口中的二氧化硅至暴露出硅表面為止。
[0096]9)沿所述窗口用四甲基氫氧化銨溶液腐蝕暴露出的娃表面,直到所述娃被完全腐蝕為止，形成由所述復合膜支撐的電阻絲；在步驟(7)中所述鈍化層表面涂覆一層納米黑，之后按照劃片槽裂片，得到三維紅外光源單元。
[0097]實施例四
[0098]本實施例與以上三個實施例的區別在于以上三個實施例中形成所述硅凹槽陣列的方式都是采用各向異性濕法腐蝕得到的。而本實施例中形成所述硅凹槽陣列利用硅的各向同性干法刻蝕得到縱截面形狀為半圓形的硅凹槽陣列。
[0099]I)采用熱氧化法在4寸硅片的正反面形成3000,4的二氧化硅薄膜作為后續各向異性腐蝕的掩膜，所述硅片為N型(100)雙拋硅片，其正反面為該硅片的100晶面；
[0100]2)在步驟(I)中的氧化硅薄膜上采用光刻工藝制作出陣列窗口圖形，所述陣列窗口圖形的排布構成的輪廓為如圖15所示的矩形；在光刻膠的保護下利用反應離子刻蝕(RIE)沿所述陣列窗口將二氧化硅刻蝕至露出硅表面為止；
[0101]3)利用硅的各項同性的性質并采用干法刻蝕沿步驟(2)中所述陳列窗口繼續刻蝕所述硅，形成深度為10微米、如圖15所示的縱截面圖形為半圓形且橫截面形狀為圓形的硅凹槽陣列14 ；
[0102]4)在所述硅片的背面旋涂一層光刻膠，用添加氟化銨的氫氟酸溶液(BOE)去除所述硅片正面非刻蝕區域的氧化硅薄膜，去除背面的光刻膠；
[0103]5)在所述硅片正面利用熱氧化法沉積厚度為3000A的氧化硅層，所述氧化硅層為二氧化硅，然后利用低壓化學氣相沉積(LPCVD)淀積10000A的低應力氮化硅層,該二氧化硅和氮化硅層構成一層復合膜，該復合膜為后續形成電阻絲提供支撐；
[0104]6)利用噴膠光刻技術在所述硅片正面定義電阻絲圖形，所述電阻絲16的形狀為如圖15所示的覆蓋所述硅凹槽陣列14的矩形，然后通過磁控濺射在所述電阻絲圖形區域依次沉積厚度分別為200A的鈦和厚度為2000A的鉬，最后用丙酮去光刻膠得到發熱的電阻絲。
[0105]7)在所述電阻絲的表面形成一層以氮化硅或氧化硅作為保護金屬的鈍化層。
[0106]8)在所述娃片的背面利用光刻技術定義出包圍所述娃凹槽陣列的窗口，然后在光刻膠的保護下沿所述窗口利用反應離子刻蝕(RIE)刻蝕所述窗口中的二氧化硅至暴露出硅表面為止。
[0107]9)沿所述窗口用四甲基氫氧化銨溶液腐蝕暴露出的娃表面,直到所述娃被完全腐蝕為止，形成由所述復合膜支撐的電阻絲；在步驟(7)中所述鈍化層表面涂覆一層納米黑，之后按照劃片槽裂片，得到三維紅外光源單元。
[0108]本發明四個實施例中所述電阻絲的形狀不同以及形成所述硅凹槽的縱截面形狀的不同使得可以根據需要，靈活運用制備出不同的三維紅外光源。
[0109]本發明還提供如圖11所示的三維紅外光源，所述三維紅外光源至少包括:由氧化硅層151和氮化硅層152交替層疊而成的至少一層復合膜15 ;優選地，本發明中，所述復合膜的層數為一層；所述復合膜具有若干凹槽；所述若干凹槽構成陣列；如圖11所示，所述若干凹槽為制備所述三維紅外光源過程中刻蝕硅表面形成的硅凹槽陣列14，覆蓋于所述若干凹槽中的電阻絲16 ;所述電阻絲由第一金屬層161和覆蓋于所述第一金屬層表面的第二金屬層162構成；依次覆蓋于所述電阻絲表面的鈍化層163和納米黑18。
[0110]綜上所述，本發明的三維紅外光源相比于現有技術中的二維結構的紅外光源大大減少了發熱絲通過襯底的熱傳導，處于凹槽中的發熱絲可大大減少空氣熱對流引起的熱耗散，實現了能量聚集的作用，降低功耗的同時，提高了能量轉換效率。本發明的三維紅外光源的制作方法最終得到的是封閉膜三維紅外光源，相對于懸梁式的結構機械強度高。僅通過三次光刻工藝就能實現，凹槽結構單元通過硅的各向異性腐蝕或各向同性腐蝕一次形成，本發明利用現有的MEMS技術制作工藝簡單、機械強度高并且生產成本低廉，可大批量生產。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
[0111]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種三維紅外光源的制作方法，其特征在于，所述方法至少包括: (1)提供一以(100)晶面作為正反面的硅片；該正反面為拋光面；在所述正反面分別形成氧化硅薄膜； (2)在所述硅片正面定義出陣列窗口圖形，沿所述陣列窗口刻蝕所述氧化硅至暴露出硅表面為止； (3)沿所述陣列窗口繼續刻蝕所述硅表面形成硅凹槽陣列； (4)去除所述硅片正面非刻蝕區域的氧化硅薄膜； (5)在所述硅片正面依次交替形成氧化硅層和氮化硅層，形成由氧化硅和氮化硅組成的覆蓋所述硅凹槽陣列的至少一層復合膜； (6)在所述硅片正面定義覆蓋所述硅凹槽陣列的電阻絲的圖形，在所述電阻絲的圖形區域依次形成第一金屬層和第二金屬層；形成由第一金屬層和第二金屬層構成的電阻絲； (7)在所述電阻絲的表面形成一層鈍化層； (8)在所述硅片的背面定義包圍所述硅凹槽陣列的窗口；沿所述窗口刻蝕所述硅片背面的氧化娃至暴露出娃表面為止； (9)沿步驟(8)中所述窗口繼續腐蝕所述暴露出的硅表面直到硅被完全腐蝕為止，按照所述硅片表面的劃片槽進行劃片從而制備出三維紅外光源結構。
2.根據權利要求1所述的三維紅外光源的制作方法，其特征在于:所述步驟(1)中形成所述氧化硅薄膜的方法包括熱氧化法、低壓化學氣相沉積法或等離子增強化學氣相沉積法。
3.根據權利要求1所述的三維紅外光源的制作方法，其特征在于:所述步驟(2)中定義所述陣列窗口圖形的方法包括以下步驟:(I)在所述氧化硅薄膜表面旋涂光刻膠；(2)經過曝光以及顯影形成所述陣列窗口圖形；所述步驟(2)中刻蝕所述氧化硅的方法包括:反應離子刻蝕或離子束刻蝕。
4.根據權利要求1所述的三維紅外光源的制作方法，其特征在于:所述步驟(3)中的所述硅凹槽陣列中的硅凹槽的縱截面形狀包括:V型、倒梯形或半圓形。
5.根據權利要求4所述的三維紅外光源的制作方法，其特征在于:形成所述縱截面為V型或倒梯形的硅凹槽的刻蝕方法為各向異性的濕法刻蝕；形成所述縱截面為半圓形的所述硅凹槽的刻蝕方法為各向同性的干法刻蝕。
6.根據權利要求1所述的三維紅外光源的制作方法，其特征在于:所述步驟(4)中去除所述硅片正面非刻蝕區域的氧化硅薄膜的方法是用添加氟化銨的氫氟酸溶液進行腐蝕。
7.根據權利要求1所述的三維紅外光源的制作方法，其特征在于:所述步驟(5)中的所述復合膜為2層。
8.根據權利要求1所述的三維紅外光源的制作方法，其特征在于:所述步驟(5)中形成所述氧化硅層的方法包括熱氧化、低壓化學氣相沉積或等離子體增強化學氣相沉積；形成所述氮化硅的方法包括低壓化學氣相沉積或等離子體增強化學氣相沉積。
9.根據權利要求1所述的三維紅外光源的制作方法，其特征在于:所述步驟(6)中所述電阻絲的形狀包括方波形或蛇形。
10.根據權利要求9所述的三維紅外光源的制作方法，其特征在于:所述步驟(2)中所述陣列窗口圖形的排布輪廓包括:矩形、六邊形或蛇形。
11.根據權利要求1所述的三維紅外光源的制作方法，其特征在于:所述步驟(6)中所述第一金屬層為鈦層；所述第二金屬層為鉬層。
12.根據權利要求1所述的三維紅外光源的制作方法，其特征在于:所述步驟(7)中的鈍化層為氮化硅層或氧化硅層。
13.根據權利要求1所述的三維紅外光源的制作方法，其特征在于:所述步驟(9)包括:所述硅表面被完全腐蝕之后，在所述鈍化層表面涂一層納米黑。
14.一種三維紅外光源，其特征在于，所述三維紅外光源至少包括: 由氧化硅和氮化硅交替層疊而成的至少一層復合膜； 所述復合膜具有若干凹槽；所述若干凹槽構成陣列； 覆蓋于所述若干凹槽中的電阻絲； 覆蓋于所述電阻絲表面的鈍化層。
【文檔編號】B81B7/00GK103922274SQ201410182370
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2014年4月30日
【發明者】李鐵, 郭聯峰, 劉延祥, 王翊, 周宏 , 王躍林 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所