[發明專利]一種金剛石橋膜結構微型紅外光源芯片及制備方法

有效

• 申請號: 201410421880.X
• 申請日: 2014-08-25
• 公開（公告）號: CN104291263B
• 公開（公告）日: 2017-02-01
• 發明（設計）人: 傘海生;陳然斌;張強
• 申請（專利權）人: 廈門脈科優芯電子科技有限公司
• 主分類號: B81B7/02
• 分類號: B81B7/02;B81C1/00
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙)35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及紅外技術領域，特別是涉及一種弧形橋式懸浮金剛石薄膜結構的微型紅外光源芯片及制備方法。

背景技術

隨著紅外技術研究的不斷進步，紅外技術大量應用于溫度控制、環境監測、空間監視、高分辨率成像、氣體探測等領域。目前，基于紅外吸收光譜技術的氣體探測系統中，紅外光源的性能直接決定著氣體探測的精度和靈敏度。目前商業可供選擇的紅外光源主要有：量子級聯紅外激光器、紅外發光二極管和熱輻射紅外光源。其中紅外發光二極管在紅外中遠波段輸出的光功率很低，限制了其適用范圍；大功率的鉛鹽類紅外激光器能發射波段很窄的紅外激光，但需要低溫制冷，且體積較大，而量子級聯激光器由于技術復雜，制造成本高而增加了使用成本。傳統熱輻射光源利用高溫加熱體發射寬譜中遠紅外輻射光，其光電轉換效率低，無法直接調制，需要借助外部機械斬波器來調制紅外光，因此增加應用系統的體積和成本。而相比之下，采用微機械加工技術制備的微電子機械系統(MEMS)紅外光源是通過加熱懸浮薄膜電阻層實現高溫輻射紅外光，與傳統的紅外光源相比，具有體積小、能耗低、可調制、成本低和適于大規模生產制造。目前國內外在紅外氣體傳感器領域大多結合MEMS工藝技術，研制開發體積小、可靠性高、光電性能優良的MEMS紅外光源。

目前，MEMS紅外光源由于工作溫度高，需要考慮其高溫穩定性和結構的穩定性兩方面的因素。

對于高溫穩定性，電加熱層必須使用耐高溫的材料。目前用于MEMS紅外光源電加熱層的材料主要有鉑金屬、多晶硅、金屬氧化物和碳化硅等。由于紅外光源長時間工作在高溫條件下，當暴露在空氣、潮濕和被探測氣體的環境中，這些耐高溫材料的穩定性都不是很良好，有的材料會發生相變和質變，例如，金屬加熱到高溫易被氧化；多晶硅在高溫下會發生再結晶現象；金屬氧化物則會對吸附氣體導致電阻變化，鉑金屬催化反應分解水分子產生氫氣等。

對于MEMS紅外光源的結構設計，主要有懸浮封閉薄膜型和懸臂薄膜型。懸浮封閉薄膜型外光源在工作時，由于材料在高溫下的熱膨脹從而在結構內部產生了較大的熱應力，尤其是懸浮薄膜與支撐框架的接觸邊緣應力很高。通過把接觸邊緣部分開槽形成打開的窗口，并用懸臂實現連接和支撐形成懸臂薄膜型結構，可以釋放接觸邊緣的集中應力，并起到阻隔熱傳導通道的作用。對于開窗后形成的懸臂薄膜結構不僅可以降低結構應力，還可以有效地減少熱損耗提高電光轉換效率。但是這種結構的懸臂存在強度低和應力集中大的缺點，容易導致懸臂結構破損和斷裂。因此有必要對MEMS紅外光源的材料和結構進行改進，以解決上述的問題。

中國專利CN103030094A公開一種紅外光發射與分光集成芯片及其制備方法，該發明是要解決現有的分析儀器由于紅外燈泡加上機械斬波器的光源調制模式很難實現儀器的微型化、現有的閃耀光柵制備方法存在成本高和難度大的問題。該系統由芯片內芯、封裝外殼、反射鏡組成；芯片內芯是由硅基片、二氧化硅隔離層、閃耀光柵、光源電極、測溫電阻、光隔離梁和隔離槽組成。制備方法為：一、準備硅基片；二、制備二氧化硅隔離層；三、制備光源電極、測溫電阻和光隔離梁；四、制備閃耀光柵；五、制備隔離槽；六、制備反射鏡；七、封裝。

中國專利CN200810070672公開了一種硅基紅外光源及其制備方法。該發明提供了一種基于絕緣體上硅晶片制備的紅外光源芯片，具有體積小、能耗低、發射強度高、調制頻率高等特點。該發明中使用多晶硅作為加熱層。該MEMS紅外光源結構組成為：襯底框架、支撐層，氧化硅隔離層、電加熱多晶硅層和電極。該光源芯片的支撐層為封閉薄膜結構，電加熱多晶硅層置于支撐層上方。制備方法：一、準備SOI片，二、重摻雜制備紅外吸收層并作為支撐層結構，三、制作氧化硅作為隔離層，四、制作多晶硅層為加熱層，五、制備氧化硅作為保護層，六，制作金屬電極，七、體硅刻蝕形成空腔結構

中國專利CN201310124547公開一種電調制MEMS紅外光源及其制備方法。該發明中利用固定在支撐層上的金屬鉑電阻絲產生對外的紅外輻射，具有電調制性能穩定、占空比高、結構穩定的特點。為增強金屬表面紅外發射率，對其表面進行粗糙化處理來提高其發射效率。該MEMS紅外光源包含襯底框架、支撐薄層，發熱電極。其結構組成為，支撐薄層覆蓋于襯底框架之上，支撐層為封閉薄膜結構，金屬鉑電阻絲固定在支撐層薄膜上。其制備方法為：一、準備硅晶片，二、制備支撐薄膜層，三、制備發熱電極，四、體硅刻蝕形成空腔結構。

發明內容

本發明的目的在于提供具有體積小、功耗低、響應快、可調制和可靠性高等特點的一種金剛石橋膜結構微型紅外光源芯片及制備方法。