[發明專利]一種懸空的黑介質薄膜及其制備方法以及應用

有效

• 申請號: 201910412266.X
• 申請日: 2019-05-17
• 公開（公告）號: CN110143567B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 李鐵;何云乾;劉延祥;王躍林
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;B81B7/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 余永莉

本發明提供一種懸空的黑介質薄膜及其制備方法以及應用，包括：S1：提供一種半導體單晶襯底，在該襯底表面制備出薄膜掩膜，并刻蝕出窗口陣列，露出窗口陣列內的半導體單晶襯底表面；S2：采用濕法技術腐蝕該半導體單晶襯底表面，形成微納金字塔結構；S3：移除薄膜掩膜，繼而在半導體單晶襯底的表面制備出薄膜，在微納金字塔結構表面制備出黑介質薄膜；S4：對薄膜進行圖形化和薄膜刻蝕形成釋放區域；以及S5：采用干法刻蝕技術或濕法腐蝕技術釋放所述黑介質薄膜和支撐膜結構，即得。本發明采用微加工技術，以微納金字塔結構為模，批量制備出懸空的黑介質薄膜，該薄膜在未來可廣泛應用于增強光吸收輻射和減少熱量損耗的光探測和光源等領域。

技術領域

本發明涉及MEMS傳感器薄膜制造領域，更具體地涉及一種懸空的黑介質薄膜及其制備方法以及應用。

背景技術

MEMS傳感器領域中，關于熱傳遞和光吸收問題是兩個重要問題。在氣體傳感器領域中，基于有機或無機氣體敏感材料涂覆的MEMS傳感器是當今主流器件，但是這些材料需要至少260攝氏度的溫度才會有強的響應，除了發展氣體敏感材料外，如何降低熱傳導、提高熱穩定性和降低功耗是該類器件的研究重點。在紅外吸收領域，如紅外傳感器等，由于二維的平面材料對光的吸收效率并不是很強，如何增強光吸收率，提高輸出響應成為研究重點，一方面可以發展吸光效率更高的新型材料和復合結構，另一方可以改進材料的結構，制備出一些三維結構或涂覆光吸收率高的材料。

黑硅材料自問世以來就以其在全太陽光譜范圍內接近于黑體的吸收效果而受到廣泛關注，同時擴張了體硅的吸收光譜。黑硅通過對光的多次反射損耗，可以大大增強光的吸收效率，提高器件的輸出響應。黑硅的制造方法包括濕法腐蝕單晶硅形成微納金字塔黑硅的方法、等離子刻蝕多晶硅和激光燒蝕多晶形成多晶納米森林黑硅的方法。在紅外探測傳感器領域，科學家們在紅外吸收區域利用等離子刻蝕或激光燒蝕多晶的方法在吸收區制備出多晶硅納米森林黑體或者涂覆黑材料，提高了探測器的探測率，但是這些制備方法不具備圓片級批量生產的特性、器件與器件的性能差異大、刻蝕制備可控性差以及涂覆工藝與CMOS工藝不兼容等問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種懸空的黑介質薄膜及其制備方法以及應用，從而解決現有技術中當前MEMS傳感器中二維薄膜熱損耗大以及紅外吸率低，以及現有制備方法不與CMOS工藝相兼容，不能批量制備的問題。

為了解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：

根據本發明的第一方面，提供一種懸空的黑介質薄膜的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：S1：提供一種半導體單晶襯底，在所述半導體單晶襯底的表面制備出薄膜掩膜，并在所述薄膜掩膜表面刻蝕出窗口陣列，露出所述窗口陣列內的半導體單晶襯底表面；S2：采用濕法技術腐蝕所述窗口陣列內露出的半導體單晶襯底表面，并在該表面形成微納金字塔結構；S3：移除步驟S1中形成的所述薄膜掩膜，繼而在所述半導體單晶襯底的表面制備出薄膜，在步驟S2中形成的所述微納金字塔結構表面制備出黑介質薄膜；S4：對步驟S3中在所述半導體單晶襯底的表面形成的薄膜進行圖形化和薄膜刻蝕形成釋放區域；以及S5：采用干法刻蝕技術或濕法腐蝕技術釋放所述黑介質薄膜和支撐膜結構，獲得一種懸空的黑介質薄膜。

在所述步驟S1中：半導體單晶襯底包括單晶硅襯底、SOI襯底以及鍺襯底中的任意一種；所述薄膜掩膜包括高溫熱氧化形成的氧化硅或者化學氣相沉積形成的氧化硅或氮化硅；所述窗口陣列采用等離子刻蝕方法刻蝕；所述窗口陣列的形狀包括正方形、矩形或圓形中的任意一種或者組合。

根據本發明的制備方法的一種實施方式，步驟S1包括：將標準清洗后的硅片放入高溫氧化爐中，在硅片表面高溫熱氧化生長一層氧化硅層，用于后期的干法刻蝕掩膜層和濕法腐蝕過程中的阻擋層。

所述步驟S2中采用的濕法技術選自以下方法中的任意一種：a、采用氫氧化鉀、異丙醇和去離子水的混合溶液在80～85℃下進行的硅腐蝕技術；b、采用氫氧化鈉、亞硫酸鈉、異丙醇和去離子水的混合溶液在75～80℃下進行的硅腐蝕技術；以及c、采用TMAH溶液進行的硅腐蝕技術。