一種可集成的納米結構紅外光源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可集成的納米結構紅外光源，利用MEMS/CMOS工藝，對非晶硅表面進行納米修飾加工，形成錐狀納米結構，再對錐狀納米結構進行TiN鍍層加工；最后采用正面XeF2釋放技術，對硅襯底進行深硅刻蝕，分離窄帶紅外光源與硅襯底的接觸，減小熱量在硅絲歐姆發(fā)熱過程中的損耗，提高光源的工作功率。本發(fā)明采用MEMS/CMOS光源制造技術，利用金屬誘導晶化技術實現(xiàn)紅外光源的表面修飾，得到錐狀納米結構，并對其進行表面TiN鍍層加工，實現(xiàn)Si-TiN，TiN-Air之間的表面等離子體共振技術。采用正面釋放技術形成微懸臂梁對紅外光源進行支撐來降低熱損耗，并通過在加熱層下預埋介質層氮化硅，來降低結構應力。
【專利說明】一種可集成的納米結構紅外光源
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及MEMS紅外光氣體傳感器【技術領域】，尤其涉及的是一種基于納米修飾技術的可集成的納米結構紅外光源。
【背景技術】
[0002]隨著氣體傳感器、熱光伏電池和分子檢測等方面的應用快速發(fā)展，MEMS紅外光源因其功率低，體積小等特點而在上述領域得到了廣泛的應用。MEMS紅外光源采用熱激發(fā)調制模式，占空比低，功耗小，在成本、體積以及器件壽命等具備巨大優(yōu)勢。而紅外窄帶光源不需光學濾波器，就可針對不同氣體實現(xiàn)特異性測試，同時避免其他波段的干擾。臺灣大學的Ming-Wei Tsai設計一種類似三明治結構的三層薄膜的結構，當該設備被加熱，產生在SiO2層得熱輻射就會在兩層Ag薄膜發(fā)生共振，同時在Ag/Si02和Ag/air產生表面等離子體共振，并耦合進光輻射，從而實現(xiàn)窄帶紅外輻射。但是這種方法中采用的Ag不能兼容于CMOS工藝，且沒有形成表面的納米修飾。
[0003]有關術語定義:
[0004]納米修飾:以制備成的微納級別厚度的薄膜進行進一步加工，得到表面的納米微結構作為修飾。
[0005]紅外光源:以產生紅外輻射為主要目的的非照明用電光源。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的不足提供一種可集成的納米結構紅外光源及其加工工藝。
[0007]本發(fā)明的技術方案如下:
[0008]一種可集成的納米結構紅外光源，利用MEMS/CM0S工藝，對非晶硅表面進行納米修飾的加工，形成錐狀納米結構，再對錐狀納米結構進行TiN鍍層加工；采用正面XeF2釋放技術，對硅襯底進行深硅刻蝕，分離窄帶紅外光源與硅襯底的接觸，減小熱量在硅絲歐姆發(fā)熱過程中的損耗，提高光源的工作功率。
[0009]根據權利要求1所述的納米結構紅外光源，其具體加工工藝為:
[0010](a)、在單晶硅襯底上生長氮化硅；
[0011](b)、非晶硅的淀積；
[0012](C)、Al濺射和退火；
[0013](d)、濕法腐蝕Al膜:采用Al腐蝕液，腐蝕后樣品表面剩下Al-Si化合物顆粒；
[0014](e)、非晶硅干法刻蝕；
[0015](f)、正面釋放孔的刻蝕，為釋放硅襯底做準備；
[0016](g)、XeF2正面釋放硅襯底。
[0017]所述的納米結構紅外光源,所述步驟(a)中，工藝條件為:溫度780°C,330mTorr,SiH2Cl2:24sccm，NH3:90sccm。[0018]所述的納米結構紅外光源，所述步驟(b)中，工藝條件為:溫度為270°C，氣體比例分別為 SIH4:24% NH3:55% N2:5.2% RF:170。
[0019]所述的納米結構紅外光源，所述步驟(C)中，工藝條件為:條件:磁控濺射Al，氣壓IOmTorr，通入Ar滿足氣壓條件后，設置RF為8400W，然后在450°C下、時間90min進行退火處理。
[0020]所述的納米結構紅外光源，所述步驟(f)中，工藝條件為；氣體CHF37sccm,HelOOsccm, SF630sccm, RF150W,壓力 400mTorr。采用磁控濺射的方法，濺射 40-50A 的TiN包覆金屬硅化物和非晶硅外層，具體的實驗條件為Ar22.4sccm, N23.0sccm,壓力為5e-3Torr，功率為 1000W,真空度為 8e_7Pa。
[0021]所述的納米結構紅外光源，所述步驟(g)中，工藝條件為:XeF24Torr, N220mTorr,溫度為20°C。
[0022]本發(fā)明采用MEMS/CMOS光源制造技術，利用金屬誘導晶化技術實現(xiàn)紅外光源的表面修飾，得到錐狀納米結構，并對其進行表面TiN鍍層加工，實現(xiàn)S1-TiN，TiN-Air之間的表面等離子體共振技術。采用正面釋放技術形成微懸臂梁對紅外光源進行支撐來降低熱損耗，并通過在加熱層下預埋介質層氮化硅，來降低結構應力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1本發(fā)明制備工藝流程及原理示意圖，I硅襯底，2氮化硅，3非晶硅，4Al，5TiN ；
[0024]圖2為納米結構紅外光源錐狀納米結構SEM電鏡照片；
[0025]圖3為本發(fā)明納米結構紅外光源紅外發(fā)射率分析；
[0026]圖4為本發(fā)明納米結構紅外光源表面應力仿真；
【具體實施方式】
[0027]以下結合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。
[0028]本發(fā)明中涉及的紅外光源以硅(多晶、單晶、非晶硅)為發(fā)熱層，利用MEMS/CMOS工藝，對非晶硅表面進行納米修飾的加工，形成錐狀納米結構，再對錐狀納米結構進行TiN鍍層加工，通過這種方式來增強表面等離子體共振增強效應；采用正面XeF2釋放技術，對硅襯底進行深硅刻蝕，分離窄帶紅外光源與襯底硅的接觸，減小熱量在硅絲歐姆發(fā)熱過程中的損耗，提高光源的工作功率。
[0029]作為一個具體例子，參考圖1中步驟(a)-(g)，對本發(fā)明可集成的納米結構紅外光源的制備工藝詳述如下:
[0030](a)、在單晶硅襯底I上生長氮化硅2，實驗條件:溫度780°C，330mTorr，SiH2Cl2:24sccm，NH3:90sccm ；
[0031](b)、非晶硅3的淀積:溫度為270°C，氣體流量和比例分別為SIH4:24% NH3:55%N2:5.2% RF:170 ；
[0032](c)、Al濺射和退火:磁控濺射Al，條件:氣壓IOmTorr，通入Ar滿足氣壓條件后，設置RF為8400W，然后在450°C下90min時間進行退火處理；
[0033](d)、濕法腐蝕Al膜:采用常規(guī)的Al腐蝕液，腐蝕后樣品表面剩下Al-Si化合物顆粒。[0034](e)、非晶硅干法刻蝕:采用 Cl2I8Osccm,壓力 300mTorr，RF35OW, He2OOsccm,溫度35-40 °C,刻蝕完成后僅剩下表面的金屬娃化物。
[0035](f)、正面釋放孔的刻蝕，為釋放單晶硅襯底做準備:氣體CHF37sCCm，HelOOsccm,SF630sccm,RF150ff,壓力400mTorr。采用磁控濺射的方法，濺射40-50A的TiN包覆金屬硅化物和非晶硅外層，具體的實驗條件為Ar22.4sccm, N23.0sccm,壓力為5e-3Torr，功率為1000W，真空度為 8e-7Pa。
[0036](g)、XeF2正面釋放硅襯底，形成微懸臂梁對紅外光源進行支撐，條件為XeF24Torr, N220mTorr，溫度為 2(TC。
[0037]步驟(c)中，采用的是金屬誘導晶化方法制備錐狀森林結構，利用金屬和硅互溶原理，在界面層形成金屬硅化物顆粒，在金屬濕法腐蝕的過程，不進行去硅點清洗，保留金屬硅化物顆粒作為下一步刻蝕的掩蔽。對刻蝕形成的錐狀納米結構進行了 SEM電鏡照片拍攝，如圖2所示的錐狀結構表面積增加了 5倍左右，在對其表面進行TiN濺射后，進行了紅外發(fā)射率分析，如圖3所示，在HCl和NO檢測領域高于70%發(fā)射率、在CH4、S02、C02和N02檢測具備領域高于60%發(fā)射率，且在8-10 μ m波段，存在高于70%的紅外發(fā)射率，XPS元素分析和價態(tài)分析(表1、表2)。表1顯示了常規(guī)工藝中的C，0，Si，以及在金屬誘導晶化過程發(fā)生作用的F和Al，表2顯示，制備的紅外光源加工后，主要存在的化學物是A1FX，AlSix。而金屬誘導晶化過程中產生的金屬硅化物，已在制備過程被刻蝕完全。
[0038]表1XPS元素分析
[0039]
【權利要求】
1.一種可集成的納米結構紅外光源，其特征在于，利用MEMS/CMOS工藝，對非晶硅表面進行納米修飾加工，形成錐狀納米結構，再對錐狀納米結構進行TiN鍍層加工；最后采用正面XeF2釋放技術，對硅襯底進行深硅刻蝕，分離窄帶紅外光源與硅襯底的接觸，減小熱量在硅絲歐姆發(fā)熱過程中的損耗，提高光源的工作功率。
2.根據權利要求1所述的納米結構紅外光源，其特征在于，其具體加工工藝為: (a)、在單晶硅襯底上生長氮化硅； (b)、非晶硅的淀積； (c)、Al濺射和退火； (d)、濕法腐蝕Al膜:采用Al腐蝕液，腐蝕后樣品表面剩下Al-Si化合物顆粒； (e)、非晶硅干法刻蝕； (f)、正面釋放孔的刻蝕，為釋放硅襯底做準備； (g)> XeF2正面釋放硅襯底。
3.根據權利要求2所述的納米結構紅外光源，其特征在于，所述步驟(a)中，工藝條件為:溫度 780°C,330mTorr, SiH2Cl2:24sccm, NH3:90sccm。
4.根據權利要求2所述的納米結構紅外光源，其特征在于，所述步驟(b)中，工藝條件為:溫度為 270°C，氣體比例分別為 SIH4:24% NH3:55% N2:5.2% RF:170。
5.根據權利要求2所述的納米結構紅外光源，其特征在于，所述步驟(c)中，工藝條件為:條件:磁控濺射Al，氣壓IOmTorr,通入Ar滿足氣壓條件后，設置RF為8400W，然后在450°C下、時間90min進行退火處理。
6.根據權利要求2所述的納米結構紅外光源，其特征在于，所述步驟(f)中，工藝條件為:氣體 CHF37sccm，HelOOsccm, SF630sccm, RF150W,壓力 400mTorr。采用磁控濺射的方法，濺射40-50A的TiN包覆金屬硅化物和非晶硅外層，具體的實驗條件為Ar22.4sccm,Ν23.0sccm，壓力為 5e-3Torr，功率為 1000W,真空度為 8e_7Pa。
7.根據權利要求2所述的納米結構紅外光源，其特征在于，所述步驟(g)中，工藝條件為:XeF24Torr，N22OmTorr,溫度為 20°C。
【文檔編號】B81B7/02GK103500788SQ201310500968
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權日:2013年10月23日
【發(fā)明者】譚秋林, 陳媛靖, 熊繼軍, 薛晨陽, 張文棟, 劉俊, 毛海央, 明安杰, 歐文, 陳大鵬 申請人:中北大學