專(zhuān)利名稱(chēng)：一種紅外光源及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外光源，尤其是涉及一種利用微電子機(jī)械(MEMS)加工技術(shù)在SOI (Silicon on Insulator:絕緣體上的硅)晶片上制造的MEMS紅外輻射光源。
技術(shù)背景當(dāng)今，紅外應(yīng)用技術(shù)在信息技術(shù)與通訊、保健與生命科學(xué)、國(guó)防與太空、科研與教育等 領(lǐng)域中起著越來(lái)越重要的作用。而紅外光源作為紅外應(yīng)用技術(shù)中最為關(guān)鍵的部分已經(jīng)成為紅 外領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。目前，紅外光產(chǎn)生的傳統(tǒng)方法主要有三種紅外激光器、紅外發(fā)光二極管(LEDs)和碳 硅體的熱輻射。每一種方法在性能和制造方面都有不同程度的優(yōu)缺點(diǎn)。紅外激光器(如鉛鹽 或量子級(jí)聯(lián)激光器)能發(fā)射線寬很窄的紅外波長(zhǎng)激光，且易于調(diào)制到很高的頻率；然而紅外 激光激射的波長(zhǎng)具有選擇性，這種激光器制造成本相對(duì)較高，由于需要低溫制冷，因而限制 了實(shí)際的使用。紅外LED可以得到波長(zhǎng)小于5pm的寬譜紅外光，其在紅外波段的出光功率 只有幾個(gè)微瓦，因此它的使用受到了限制。碳硅體的熱輻射發(fā)光源發(fā)射的是一種近黑體寬譜 紅外光，體狀輻射源無(wú)法進(jìn)行調(diào)制，使用螺旋狀鎢絲或鎳鉻絲的紅外光源有功耗大和壽命低 的缺點(diǎn)。使用MEMS技術(shù)研制體積小、能耗低、可調(diào)制的熱輻射紅外光源是紅外傳感和紅外 顯示及標(biāo)識(shí)應(yīng)用領(lǐng)域的主流技術(shù)。目前，基于體硅晶片制造的MEMS紅外光源在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上 禾中類(lèi)繁多(1 、 Thomas George et al.， "Micromachined tuned-band hot bolometer emitter", US Patent 6756594, June 29, 2004; 2、 Edward A Johnson, "Infrared radiation filament and method of manufacture", US Patent 6249005, June 19, 2001; 3、 W. Konz, J. Hildenbrand, M. Bauersfeld, S. Hartwig, V. Lehmann， J. W6llenstein， "Micromachined IR-source with excellent blackbody like behaviour",尸racee&Mgs o/Ae SPffi, Vol.5836， pp.540-548, Orlando, Florida, USA， 2005.)，然而 在制備和使用中都存在諸多缺點(diǎn)，例如能量損耗大、能量轉(zhuǎn)換效率低、工藝復(fù)雜和成本高等 缺點(diǎn)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種基于絕緣體上的硅(SOI)晶片，具有體積小、能耗低、發(fā)射強(qiáng) 度高、調(diào)制頻率高、電一光能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)的紅外光源。本發(fā)明的另一目的是提供一種基于微電子機(jī)械(MEMS)加工技術(shù)，使用SOI晶片，采 用紅外吸收自加熱技術(shù)和密封封裝形式，制備工藝簡(jiǎn)化，生產(chǎn)成本較低，適于大批量生產(chǎn)的 紅外光源的制備方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于SOI晶片構(gòu)造的微電子機(jī)械紅外光源，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為在現(xiàn)有的SOI晶片材料上 制備的多層發(fā)光薄膜結(jié)構(gòu)。SOI晶片材料的組成從上到下依次為單晶硅器件層一掩埋氧化硅 層一單晶硅基底。SOI晶片的單晶硅基底被制備成光源的支撐框架結(jié)構(gòu)，其上的掩埋氧化硅 層被用來(lái)做為刻蝕停止層。SOI晶片上的單晶硅器件層通過(guò)濃硼擴(kuò)散成為紅外吸收層。通過(guò) 熱氧化工藝在紅外吸收層上制備電隔離氧化硅層，在電隔離氧化硅層上生長(zhǎng)多晶硅發(fā)光層， 并通過(guò)熱氧化技術(shù)在多晶硅發(fā)光層上方形成氧化硅保護(hù)層。最后在氧化硅保護(hù)層腐蝕出電極 孔，通過(guò)濺射形成與多晶硅發(fā)光層接觸的金屬電極。本發(fā)明所述的紅外光源設(shè)有支撐框架、發(fā)光薄膜結(jié)構(gòu)和電極，發(fā)光薄膜結(jié)構(gòu)由上至下依 次為氧化硅保護(hù)層、多晶硅發(fā)光層、電隔離氧化硅層、紅外吸收層和掩埋氧化硅層，發(fā)光薄 膜結(jié)構(gòu)支撐于支撐框架上方，電極位于支撐框架上方，便于電極部分的熱量向硅框架傳導(dǎo)， 電極通過(guò)在氧化硅保護(hù)層開(kāi)設(shè)電極孔與多晶硅發(fā)光層接觸，電極通過(guò)壓焊金屬絲與管殼管腳 相連。支撐框架可設(shè)為矩形框架，支撐框架的高度為300 500)am。多晶硅發(fā)光層通過(guò)硼摻雜實(shí) 現(xiàn)電阻加熱的目的，其厚度為400 1000nm，多晶硅發(fā)光層表面的氧化硅保護(hù)層被用來(lái)提高 紅外光的發(fā)射效率和光源壽命，多晶硅發(fā)光層和紅外吸收層之間的電隔離通過(guò)其間的電隔離 氧化硅層實(shí)現(xiàn)，氧化硅保護(hù)層和電隔離氧化硅層的厚度為200 500nm。紅外吸收層主要吸收 背向紅外輻射，并起到儲(chǔ)存熱量和加熱發(fā)光層的目的，其厚度為3 4pm。掩埋氧化硅層可以 在制備時(shí)起到刻蝕停止層的作用，其厚度為l 2pm。紅外光源采用SOI晶片或普通單晶硅晶片制造，光源的整體尺寸面積為(1 5)mmx (l 5)mm，光源的整體尺寸面積最好為3mmx3mm，發(fā)光薄膜結(jié)構(gòu)的面積為(0.5 3) mmx(0.7 4) mm。紅外光源可以采用深反應(yīng)等離子刻蝕或濕法刻蝕從SOI晶片背面刻蝕出支撐框架結(jié)構(gòu)和 發(fā)光薄膜結(jié)構(gòu)，SOI晶片中的掩埋氧化層做為刻蝕停止層。當(dāng)紅外光源采用深反應(yīng)等離子刻蝕制備支撐框架結(jié)構(gòu)和發(fā)光薄膜結(jié)構(gòu)時(shí)，與采用傳統(tǒng)的濕法刻蝕工藝相比較，由于各向異性腐蝕帶來(lái)的54.7度斜錐狀剖面被垂直剖面所代替，因此 在發(fā)光薄膜面積不變的情況下，芯片表面尺寸可以減少20%左右，晶片上芯片的設(shè)計(jì)數(shù)量因 此可以提高。紅外光源若采用普通單晶硅晶片代替SOI晶片，只能用濕法刻蝕形成支撐框架結(jié)構(gòu)和發(fā) 光薄膜結(jié)構(gòu)，濃硼擴(kuò)散層做為刻蝕停止層。為了降低紅外光源的能量消耗，SOI晶片器件層被設(shè)計(jì)為濃硼摻雜的紅外吸收層，硼的 摻雜濃度不低于10"cm人紅外吸收層吸收背向紅外輻射，達(dá)到儲(chǔ)存熱量和自加熱發(fā)光層的 目的。支撐框架可采用單晶硅材料，電隔離氧化硅層可采用氧化硅材料，多晶硅發(fā)光層材料可 以是單晶硅、多晶硅、碳化硅或金屬氧化物材料，多晶硅發(fā)光層表面的氧化硅保護(hù)層可以是 氧化硅、氮化硅或氮氧硅材料。多晶硅發(fā)光層材料通過(guò)硼或磷摻雜設(shè)計(jì)達(dá)到電阻加熱目的。摻雜后的電阻率為1X10—2 lX10-3Q'cm。紅外光源的兩個(gè)電極之間的接觸電阻是由多晶硅材料摻雜電阻率和和三維尺寸決定的， 電極之間的接觸電阻被控制在50 500Q。電極材料為金屬，為了降低金屬電極的工作溫度， 設(shè)計(jì)電極位于支撐框架上方，便于電極部分的熱量向硅框架傳導(dǎo)。紅外光源采用密封封裝結(jié)構(gòu)，紅外光源被密封在同軸管殼(T08或T05)中間，金屬電 極通過(guò)壓焊金屬絲與管殼管腳相連。紅外輻射通過(guò)紅外透明窗口 (藍(lán)寶石、CaF2或BaF2等) 向外輻射。紅外光源與金屬管座之間通過(guò)熱隔離材料(如硅酸鈣、云母、石棉或碳纖維等)連結(jié)， 高溫膠被用來(lái)實(shí)現(xiàn)粘接。該設(shè)計(jì)可以降低紅外光源向金屬管座的熱傳導(dǎo)損耗，因此降低了器 件的能量消耗。紅外光源可以組成紅外光源陣列，實(shí)現(xiàn)紅外顯示、紅外標(biāo)識(shí)、紅外照明和紅外增強(qiáng)發(fā)射 的功能。紅外光源可使用電池供電，直流電壓在5 80V。通過(guò)晶體管邏輯電路可實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào) 制工作。本發(fā)明所述的紅外光源的制備方法包括以下步驟1) 將SOI晶片清洗；2) 晶片預(yù)先氧化，在900 1200°C下濕氧至少4h，用膠保護(hù)晶片背面，然后在氫氟酸 中腐蝕掉晶片器件層上的氧化硅層；3) 器件層濃硼擴(kuò)散形成紅外吸收層；4) 去除濃硼擴(kuò)散后表面的硼玻璃層和硼—硅層，硼玻璃層用氫氟酸腐蝕，硼—硅層采用 低溫氧化工藝氧化，并用氫氟酸腐蝕；5) 在紅外吸收層表面熱氧化氧化硅層；6) 使用低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)在氧化硅層表面沉積400 1000nm厚的多晶硅；爐內(nèi)溫度為600 900°C， SiFU流量為200 350sccm，壓力200 300mTorr，沉積時(shí)間為50 120min 之間；7) 第一次光刻多晶硅層圖形刻蝕，在多晶硅表面旋涂正性光刻膠，烘干后，利用掩模 版紫外曝光，顯影，堅(jiān)膜，以光刻膠為掩膜，使用反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕出多晶硅發(fā)光層圖 形；8) 在多晶硅層表面熱氧化氧化硅保護(hù)層。9) 利用濺射工藝沉積鋁層作為離子注入掩模層；10) 第二次光刻；鋁掩膜圖形的制備，在鋁層表面旋涂正性光刻膠，烘干后，利用掩模 版紫外曝光，顯影，堅(jiān)膜，以光刻膠為掩膜，使用鋁腐蝕液在鋁層上打開(kāi)離子注入窗口；11) 硼離子注入多晶硅層，注入能量150 200 KeV，注入劑量為5 X 1014cm-2 5 X 1015cm-2;12) 離子注入后的退火工藝，腐蝕掉鋁層，隨后在氮?dú)夥障峦嘶穑M(jìn)行離子注入后的退 火工藝；13) 第三次光刻制備電極孔，在表面氧化硅層旋涂正性光刻膠，烘干后，利用掩模版 紫外曝光，顯影，堅(jiān)膜，以光刻膠為掩膜在氧化硅腐蝕液中腐蝕出電極孔；14) 利用濺射工藝在氧化硅表面沉積金屬層；15) 第四次光刻金屬電極制備，在金屬層表面旋涂正性光刻膠，烘干后，利用掩模版 紫外曝光，顯影，堅(jiān)膜，以光刻膠為掩膜腐蝕出金屬電極結(jié)構(gòu)；16) 在SOI晶片背面濺射沉積鋁層；17) 第五次光刻晶片背部鋁掩膜層的制備，在鋁層表面旋涂正性光刻膠，烘干后，利 用掩模版紫外曝光，顯影，堅(jiān)膜，以光刻膠為掩膜腐蝕鋁層打開(kāi)制備框架結(jié)構(gòu)和懸浮發(fā)光薄 膜層結(jié)構(gòu)的窗口；18) 框架結(jié)構(gòu)和懸浮發(fā)光薄膜層結(jié)構(gòu)的制備，使用深反應(yīng)等離子刻蝕工藝從背面刻蝕出 發(fā)光薄膜結(jié)構(gòu)；19) 晶片合金化退火；20) 沿劃片槽裂片；21) 封裝，紅外發(fā)光芯片用高溫膠貼片于T08管座中，壓焊鋁絲，用無(wú)窗或帶紅外窗口 的管帽封裝。在歩驟1)中，SOI晶片按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)濕法清洗工藝嚴(yán)格執(zhí)行清洗過(guò)程；晶片厚度可為 50(Him,掩埋氧化硅層厚度可為1.5jim，掩埋氧化硅層上方的單晶硅層厚度可為5nm， 100 晶向雙面拋光片。在步驟2)中，要求晶片表面氧化層厚度為1.5nm±0.5^mi。在步驟3)中，擴(kuò)散的結(jié)深為3.5pm±0.5^im，硼的摻雜濃度不低于102Gcm—3;固態(tài)硼源擴(kuò) 散，爐內(nèi)溫度至少1200°C，擴(kuò)散時(shí)間8 12h。在步驟4)中，用氫氟酸腐蝕后，測(cè)電阻率應(yīng)達(dá)到10—4 10-50《111。 在步驟5)中，氧化硅層的厚度可為200 500nm。在歩驟7)中，在多晶硅表面旋涂正性光刻膠的甩膠速度可為1500 2500r/min，烘干的 溫度可為80 100°C，烘千的時(shí)間可為8 15min;紫外曝光的時(shí)間可為5.0 7.0s，顯影的時(shí) 間可為lmin，堅(jiān)膜的溫度可為120 150°C，堅(jiān)膜的時(shí)間可為10 15min。在步驟8)中，氧化硅保護(hù)層的厚度可為200 500nm。在步驟9)中，鋁層的厚度可為1.0 1.5pm。在步驟IO)中，在鋁層表面旋涂正性光刻膠的甩膠速度可為1500 2500 r/min,烘干的 溫度可為80 100°C，烘干的時(shí)間可為8 15min;紫外曝光的吋間可為5.0 7.0s，顯影的時(shí) 間可為lmin,堅(jiān)膜的溫度可為120 150°C，堅(jiān)膜的時(shí)間可為10 15min。在步驟12)中，退火的溫度最好為1000°C，退火的溫度最好為15min。在步驟13)中，在表面氧化硅層旋涂正性光刻膠的甩膠速度可為1500 2500 r/min，烘 干的溫度可為80 100°C，烘干的時(shí)間可為8 15min;紫外曝光的時(shí)間可為5.0 7.0s，顯影 的時(shí)間可為lmin，堅(jiān)膜的溫度可為120 150°C，堅(jiān)膜的時(shí)間可為10 15min。在步驟14)中，金屬層的厚度可為1.0 1.5nm。在步驟15)中，在金屬層表面旋涂正性光刻膠的甩膠速度可為1500 2500 r/min，烘干 的溫度可為80 100°C，烘干的時(shí)間可為8 15min;紫外曝光的時(shí)間可為5.0 7.0s，顯影的 時(shí)間可為lmin，堅(jiān)膜的溫度可為120 150°C，堅(jiān)膜的時(shí)間可為10 15min。在步驟16中，鋁層的厚度可為1.0 1.5pm。在步驟17)中，在Al層表面旋涂正性光刻膠的甩膠速度可為1500 2500r/min，烘干的 溫度可為80 100°C，烘干的時(shí)間可為8 15min;紫外曝光的時(shí)間可為5.0 7.0s，顯影的時(shí) 間可為lmin，堅(jiān)膜的溫度可為120 150°C，堅(jiān)膜的時(shí)間可為10 15min。在步驟19)中，退火在氮?dú)鈿夥障?，退火溫度可?50。C，退火時(shí)間可為20min。在步驟21)中，窗口材料可采用氧化鋁、氟化鈣或氟化鋇等。本發(fā)明提供了一種基于SOI晶片制備的MEMS紅外光源及其制備方法，本發(fā)明具有以下 突出優(yōu)點(diǎn)和積極效果1.光源具有體積小、能耗低、可調(diào)制和壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。根據(jù)不同的使用目的和要求可封 裝成標(biāo)準(zhǔn)的單個(gè)或陣列器件，即插即用，方便可靠。2. 光源可在連續(xù)工作模式和脈沖模式下工作，高調(diào)制特性可實(shí)現(xiàn)編碼調(diào)制的隱蔽工作方 式，因此在軍事目標(biāo)敵我識(shí)別上有較大應(yīng)用前景。3. 由于采用了紅外吸收自熱技術(shù)和密封封裝結(jié)構(gòu)，該光源具有高的輻射效率和能量轉(zhuǎn)換 效率。4. 由于使用了SOI晶片，MEMS紅外光源的制造工藝被簡(jiǎn)化，在不影響性能的條件下， 該芯片的面積較同類(lèi)產(chǎn)品可以減少20%左右。因此可實(shí)現(xiàn)低成本大批量的制造。5. 光源使用的主要材料為硅，器件工藝與現(xiàn)有的COMS工藝相兼容，生產(chǎn)成本低，提 高了產(chǎn)業(yè)化的可能。6. 光源為綠色、環(huán)保、無(wú)污染光源。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的基于SOI晶片制備的MEMS紅外光源的俯視圖。在圖1中，1是 支撐框架，4是氧化硅保護(hù)層，6是金屬電極。A-A和B-B代表剖切方向。 圖2是圖1的A-A剖面圖。 圖3是圖1的B-B剖面圖。在圖2和3中，l是支撐框架，2是掩埋氧化硅層，3是電隔離氧化硅層，4是氧化硅保 護(hù)層，5是多晶硅層，6是金屬電極，7是紅外吸收層。圖4是本發(fā)明的基于SOI晶片制備的MEMS紅外光源的制備工藝流程示意圖，在圖4 中，A-A和B-B代表圖l所示的剖切方向，其中(a) 為制備紅外光源的SOI晶片；(b) 為SOI晶片器件層的濃硼擴(kuò)散工藝；(C)為器件層表面熱氧化氧化硅工藝；(d) 為氧化硅表面沉積多晶硅工藝；(e) 為第一次光刻，刻蝕多晶硅發(fā)光層圖形；(f) 為器件層表面Al層濺射工藝；(g) 為第二次光刻，腐蝕A1掩模圖形；(h) 為硼離子注入多晶硅層工藝和注入后退火工藝；(i) 為第三次光刻，腐蝕電極孔工藝； (j)為濺射金屬層并第四次光刻，腐蝕金屬電極圖形； (k)為晶片背部Al層濺射并第五次光刻，腐蝕Al掩模窗口圖形； (l)為晶片背部深反應(yīng)等離子刻蝕工藝。
具體實(shí)施方式
為了進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。 圖1給出本發(fā)明的基于SOI晶片制備的MEMS紅外光源的俯視圖。基底支撐框架1支撐 著發(fā)光薄膜結(jié)構(gòu)，Al電極6位于支撐框架1上方。芯片面積為(l 5 ) mmX (l 5 ) mm， 典型值為3 mmX 3 mm。發(fā)光薄膜面積為(0.5 3 ) mm X (0.7 4 ) mm，典型值為1.6mm X2.2mm。圖2和圖3給出本發(fā)明的基于SOI晶片制備的MEMS紅外光源的A-A方向和B-B方向 的剖面圖。發(fā)光薄膜結(jié)構(gòu)由上至下依次由氧化硅保護(hù)層4、多晶硅發(fā)光層5、電隔離氧化硅層 3、紅外吸收層7和掩埋氧化硅層2組成。圖4給出本發(fā)明的工藝流程圖，具體的實(shí)施步驟為1) 準(zhǔn)備SOI晶片并嚴(yán)格執(zhí)行RCA清洗過(guò)程。要求晶片厚度500pm，器件層厚度5pm， 掩埋氧化硅層厚度1.5pm， 100晶向雙面拋光片；2) 晶片預(yù)先氧化。在1100。C下濕氧4h。要求晶片表面氧化層厚度約為1.5|iim±0.5|mi。 用膠保護(hù)晶片背面，然后在氫氟酸中腐蝕掉晶片器件層上的氧化硅層；3) 器件層濃硼擴(kuò)散形成紅外吸收層。擴(kuò)散前嚴(yán)格執(zhí)行RCA清洗過(guò)程。擴(kuò)散的結(jié)深為 3.5pm±0.5pm，固態(tài)硼源擴(kuò)散，爐內(nèi)溫度1200°C，擴(kuò)散時(shí)間12h。4) 去除濃硼擴(kuò)散后表面的硼玻璃層和硼—硅層。硼玻璃層用氫氟酸腐蝕，硼一硅層采用 低溫氧化工藝氧化，并用氫氟酸腐蝕。5) 紅外吸收層表面氧化層。氧化前嚴(yán)格執(zhí)行RCA清洗過(guò)程，在紅外吸收層表面熱氧化 400nm厚的氧化硅層；6) 多晶硅生長(zhǎng)。多晶硅生長(zhǎng)前嚴(yán)格執(zhí)行RCA清洗過(guò)程，使用LPCVD技術(shù)在氧化硅層 表面沉積500nm厚的低應(yīng)力多晶硅；爐內(nèi)溫度為700°C， SiH4流量為250sccm,壓力225mTorr， 沉積時(shí)間為60min。7) 第一次光刻多晶硅層圖形刻蝕。在多晶硅表面旋涂正性光刻膠，甩膠速度2000 r/min。 甩膠速度2000 r/min。在90°C烘箱中烘干10min以后，利用掩模版紫外曝光6.8s，顯影l(fā)min， 然后在135°C的烘箱中堅(jiān)膜15min。以光刻膠為掩膜，使用反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕出多晶硅 發(fā)光層圖形。8) 多晶硅層表面熱氧化。氧化前嚴(yán)格執(zhí)行RCA清洗過(guò)程，在多晶硅層表面熱氧化350nm 厚的氧化硅保護(hù)層。9) Al層沉積。A1層沉積前嚴(yán)格執(zhí)行RCA清洗過(guò)程，利用濺射工藝沉積1.2pm厚的Al 層作為離子注入掩模層。10) 第二次光刻；Al掩膜圖形的制備。在Al層表面旋涂正性光刻膠，甩膠速度2000r/min。在90°C烘箱中烘干lOmin以后，利用掩模版紫外曝光6.8s，顯影l(fā)min，然后在135°C的烘 箱中堅(jiān)膜15min。以光刻膠為掩膜，使用Al腐蝕液在Al層上打開(kāi)離子注入窗口 。11) 硼離子注入多晶硅層。注入能量190KeV,注入劑量約為8X1015cm—2。12) 離子注入后的退火工藝。腐蝕掉Al層。退火前嚴(yán)格執(zhí)行RCA清洗過(guò)程。隨后在 1000°C，氮?dú)夥障拢嘶?5min。進(jìn)行離子注入后的退火工藝；13) 第三次光刻制備電極孔。在表面氧化硅層旋涂正性光刻膠，甩膠速度2000 r/min。 在90°C烘箱中烘干lOmin以后，利用掩模版紫外曝光6.8s，顯影l(fā)min，然后在135°C的烘 箱中堅(jiān)膜15min。以光刻膠為掩膜在氧化硅腐蝕液中腐蝕出電極孔。14) Al層沉積。A1層沉積前嚴(yán)格執(zhí)行RCA清洗過(guò)程，利用濺射工藝在氧化硅表面沉積 1.0pm厚Al層；15) 第四次光刻Al電極制備。在A1層表面旋涂正性光刻膠，甩膠速度2000 r/min。在 90。C烘箱屮烘干10min以后，利用掩模版紫外曝光6.8s，顯影l(fā)min，然后在135°C的烘箱中 堅(jiān)膜15min。以光刻膠為掩膜腐蝕出Al電極結(jié)構(gòu)。16) 晶片背面Al層沉積。在SOI晶片背面濺射沉積1.2pm厚的Al層。17) 第五次光刻晶片背部A1掩膜層的制備。在Al層表面旋涂正性光刻膠，甩膠速度 2000r/min。在90°C烘箱中烘干lOmin以后，利用掩模版紫外曝光6.8s，顯影l(fā)min，然后在 135°C的烘箱中堅(jiān)膜15min。以光刻膠為掩膜腐蝕Al層打開(kāi)制備框架結(jié)構(gòu)和懸浮發(fā)光薄膜層 結(jié)構(gòu)的窗口。18) 框架結(jié)構(gòu)和懸浮發(fā)光薄膜層結(jié)構(gòu)的制備。使用深反應(yīng)等離子刻蝕工藝從背面刻蝕出 發(fā)光薄膜結(jié)構(gòu)。19) 晶片合金化退火。在氮?dú)庵?50。C溫度下20min;20) 沿劃片槽裂片。21) 封裝。紅外發(fā)光芯片用高溫膠貼片于T08管座中，壓焊A1絲，用帶紅外窗口 (藍(lán) 寶石、CaF2或BaF2等)的管帽封裝。
權(quán)利要求
1.一種紅外光源，其特征在于設(shè)有支撐框架、發(fā)光薄膜結(jié)構(gòu)和電極，發(fā)光薄膜結(jié)構(gòu)由上至下依次為氧化硅保護(hù)層、多晶硅發(fā)光層、電隔離氧化硅層、紅外吸收層和掩埋氧化硅層，發(fā)光薄膜結(jié)構(gòu)支撐于支撐框架上方，電極位于支撐框架上方，電極通過(guò)在氧化硅保護(hù)層開(kāi)設(shè)電極孔與多晶硅發(fā)光層接觸，電極通過(guò)壓焊金屬絲與管殼管腳相連。
2. 如權(quán)利要求l所述的一種紅外光源，其特征在于支撐框架為矩形框架，支撐框架的高 度為300 500pm。
3. 如權(quán)利要求l所述的一種紅外光源，其特征在于多晶硅發(fā)光層的厚度為400 1000nm; 氧化硅保護(hù)層和電隔離氧化硅層的厚度為200 500nm;紅外吸收層的厚度為3 4pm;掩埋氧 化硅層的厚度為l 2pm。
4. 如權(quán)利要求l所述的一種紅外光源，其特征在于采用絕緣體上的硅晶片或普通單晶硅 晶片，光源的整體尺寸面積為(1 5) mmx (1 5) mm，發(fā)光薄膜結(jié)構(gòu)的面積為(0.5 3) mm x (0.7 4) mm。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種紅外光源的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1) 將SOI晶片清洗；(2) 晶片預(yù)先氧化，在900 1200°C下濕氧至少4h，用膠保護(hù)晶片背面，然后在氫氟酸 中腐蝕掉晶片器件層上的氧化硅層；(3) 器件層濃硼擴(kuò)散形成紅外吸收層；(4) 去除濃硼擴(kuò)散后表面的硼玻璃層和硼一硅層，硼玻璃層用氫氟酸腐蝕，硼一硅層采用 低溫氧化工藝氧化，并用氫氟酸腐蝕；(5) 在紅外吸收層表面熱氧化氧化硅層；(6) 使用低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)在氧化硅層表面沉積400 1000nm厚的多晶硅；爐內(nèi)溫 度為600 900°C， SiH4流量為200 350sccm，壓力200 300mTorr，沉積時(shí)間為50 120min 之間；(7) 第一次光刻多晶硅層圖形刻蝕，在多晶硅表面旋涂正性光刻膠，烘干后，利用掩模 版紫外曝光，顯影，堅(jiān)膜，以光刻膠為掩膜，使用反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕出多晶硅發(fā)光層圖 形；(8) 在多晶硅層表面熱氧化氧化硅保護(hù)層。(9) 利用濺射工藝沉積鋁層作為離子注入掩模層；10) 第二次光刻；鋁掩膜圖形的制備，在鋁層表面旋涂正性光刻膠，烘干后，利用掩模 版紫外曝光，顯影，堅(jiān)膜，以光刻膠為掩膜，使用鋁腐蝕液在鋁層上打開(kāi)離子注入窗口；11) 硼離子注入多晶硅層，注入能量150 200 KeV，注入劑量為5 X 1014cnT2 5 X 1015cm-2;12) 離子注入后的退火工藝，腐蝕掉鋁層，隨后在氮?dú)夥障峦嘶?，進(jìn)行離子注入后的退 火工藝；13) 第三次光刻制備電極孔，在表面氧化硅層旋涂正性光刻膠，烘干后，利用掩模版 紫外曝光，顯影，堅(jiān)膜，以光刻膠為掩膜在氧化硅腐蝕液中腐蝕出電極孔；14) 利用濺射工藝在氧化硅表面沉積金屬層；15) 第四次光刻金屬電極制備，在金屬層表面旋涂正性光刻膠，烘干后，利用掩模版 紫外曝光，顯影，堅(jiān)膜，以光刻膠為掩膜腐蝕出金屬電極結(jié)構(gòu)；16) 在SOI晶片背面濺射沉積鋁層；17) 第五次光刻晶片背部鋁掩膜層的制備，在鋁層表面旋涂正性光刻膠，烘干后，利 用掩模版紫外曝光，顯影，堅(jiān)膜，以光刻膠為掩膜腐蝕鋁層打開(kāi)制備框架結(jié)構(gòu)和懸浮發(fā)光薄 膜層結(jié)構(gòu)的窗口；18) 框架結(jié)構(gòu)和懸浮發(fā)光薄膜層結(jié)構(gòu)的制備，使用深反應(yīng)等離子刻蝕工藝從背面刻蝕出 發(fā)光薄膜結(jié)構(gòu)；19) 晶片合金化退火；20) 沿劃片槽裂片；21) 封裝，紅外發(fā)光芯片用高溫膠貼片于T08管座中，壓焊鋁絲，用無(wú)窗或帶紅外窗口的管帽封裝。
6. 如權(quán)利要求5所述的一種紅外光源的制備方法，其特征在于在步驟l)中，晶片厚度 為500pm，掩埋氧化硅層厚度為1.5pm，掩埋氧化硅層上方的單晶硅層厚度為5nm， 100晶 向雙面拋光片；在步驟2)中，要求晶片表面氧化層厚度為1.5^mi士0.5pm;在步驟3)中，擴(kuò) 散的結(jié)深為3.5^im±0.5pm，硼的摻雜濃度不低于102G cm—3;固態(tài)硼源擴(kuò)散，爐內(nèi)溫度至少 1200°C，擴(kuò)散時(shí)間8 12h;在步驟4)中，用氫氟酸腐蝕后，測(cè)電阻率應(yīng)達(dá)到l(T4 l(T5Q.cm; 在步驟5)中，氧化硅層的厚度為200 500nm。
7. 如權(quán)利要求5所述的一種紅外光源的制備方法，其特征在于在步驟7)中，在多晶硅 表面旋涂正性光刻膠的甩膠速度為1500 2500r/min，烘干的溫度為80 100°C，烘干的時(shí)間 為8 15min;紫外曝光的時(shí)間為5.0 7.0s，顯影的時(shí)間為lmin，堅(jiān)膜的溫度為120 150°C，堅(jiān)膜的時(shí)間為10 15min;在步驟IO)中，在鋁層表面旋涂正性光刻膠的甩膠速度為1500 2500r/min，烘干的溫度為80 100°C，烘干的時(shí)間為8 15min;紫外曝光的時(shí)間為5.0 7.0s， 顯影的時(shí)間為lmin，堅(jiān)膜的溫度為120 150°C，堅(jiān)膜的時(shí)間為10 15min;在步驟13)中， 在表面氧化硅層旋涂正性光刻膠的甩膠速度為1500 2500r/min，烘干的溫度為80 100°C， 烘干的時(shí)間為8 15min;紫外曝光的時(shí)間為5.0 7.0s，顯影的時(shí)間為lmin，堅(jiān)膜的溫度為 120 150°C，堅(jiān)膜的時(shí)間為10 15min;在步驟15)中，在金屬層表面旋涂正性光刻膠的甩 膠速度為1500 2500 r/min，烘干的溫度為80 100°C，烘干的時(shí)間為8 15min;紫外曝光 的時(shí)間為5.0 7.0s，顯影的時(shí)間為lmin，堅(jiān)膜的溫度為120 150。C，堅(jiān)膜的時(shí)間為10 15min; 在步驟17)中，在A1層表面旋涂正性光刻膠的甩膠速度為1500 2500r/min，烘干的溫度為 80 100°C，烘干的時(shí)間為8 15min;紫外曝光的時(shí)間為5.0 7.0s，顯影的時(shí)間為lmin，堅(jiān) 膜的溫度為120 150°C，堅(jiān)膜的時(shí)間為10 15min。
8. 如權(quán)利要求5所述的一種紅外光源的制備方法，其特征在于在步驟8)中，氧化硅保 護(hù)層的厚度為200 500nm;在步驟9)中，鋁層的厚度為1.0 1.5nm;在步驟16)中，鋁層 的厚度為1.0 1.5pm。
9. 如權(quán)利要求5所述的一種紅外光源的制備方法，其特征在于在步驟12)中，退火的 溫度為1000°C，退火的溫度為15min。
10. 如權(quán)利要求5所述的一種紅外光源的制備方法，其特征在于在步驟14)中，金屬層 的厚度為1.0 1.5pm;在步驟19)中，退火在氮?dú)鈿夥障?，退火溫度?50。C，退火時(shí)間為 20min。
全文摘要
一種紅外光源及其制備方法，涉及一種紅外光源。提供一種基于絕緣體上的硅晶片，具有體積小、能耗低、發(fā)射強(qiáng)度高、調(diào)制頻率高、電—光能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)的紅外光源及其制備方法。設(shè)有支撐框架、發(fā)光薄膜結(jié)構(gòu)和電極，發(fā)光薄膜結(jié)構(gòu)支撐于支撐框架上方，電極位于支撐框架上方，電極通過(guò)在氧化硅保護(hù)層開(kāi)設(shè)電極孔與多晶硅發(fā)光層接觸，電極通過(guò)壓焊金屬絲與管殼管腳相連。將晶片氧化，在氫氟酸中腐蝕掉晶片器件層上的氧化硅層；器件層濃硼擴(kuò)散形成紅外吸收層；在紅外吸收層表面熱氧化氧化硅層；沉積多晶硅；5次光刻后，使用深反應(yīng)等離子刻蝕工藝從背面刻蝕出發(fā)光薄膜結(jié)構(gòu)；晶片合金化退火，沿劃片槽裂片，封裝。
文檔編號(hào)H05B33/12GK101237730SQ20081007067
公開(kāi)日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2008年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月27日
發(fā)明者傘海生, 陳旭遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:廈門(mén)大學(xué)