[发明专利]一种悬空的黑介质薄膜及其制备方法以及应用

说明书

本发明提供一种悬空的黑介质薄膜及其制备方法以及应用，包括：S1：提供一种半导体单晶衬底，在该衬底表面制备出薄膜掩膜，并刻蚀出窗口阵列，露出窗口阵列内的半导体单晶衬底表面；S2：采用湿法技术腐蚀该半导体单晶衬底表面，形成微纳金字塔结构；S3：移除薄膜掩膜，继而在半导体单晶衬底的表面制备出薄膜，在微纳金字塔结构表面制备出黑介质薄膜；S4：对薄膜进行图形化和薄膜刻蚀形成释放区域；以及S5：采用干法刻蚀技术或湿法腐蚀技术释放所述黑介质薄膜和支撑膜结构，即得。本发明采用微加工技术，以微纳金字塔结构为模，批量制备出悬空的黑介质薄膜，该薄膜在未来可广泛应用于增强光吸收辐射和减少热量损耗的光探测和光源等领域。

技术领域

本发明涉及MEMS传感器薄膜制造领域，更具体地涉及一种悬空的黑介质薄膜及其制备方法以及应用。

背景技术

MEMS传感器领域中，关于热传递和光吸收问题是两个重要问题。在气体传感器领域中，基于有机或无机气体敏感材料涂覆的MEMS传感器是当今主流器件，但是这些材料需要至少260摄氏度的温度才会有强的响应，除了发展气体敏感材料外，如何降低热传导、提高热稳定性和降低功耗是该类器件的研究重点。在红外吸收领域，如红外传感器等，由于二维的平面材料对光的吸收效率并不是很强，如何增强光吸收率，提高输出响应成为研究重点，一方面可以发展吸光效率更高的新型材料和复合结构，另一方可以改进材料的结构，制备出一些三维结构或涂覆光吸收率高的材料。

黑硅材料自问世以来就以其在全太阳光谱范围内接近于黑体的吸收效果而受到广泛关注，同时扩张了体硅的吸收光谱。黑硅通过对光的多次反射损耗，可以大大增强光的吸收效率，提高器件的输出响应。黑硅的制造方法包括湿法腐蚀单晶硅形成微纳金字塔黑硅的方法、等离子刻蚀多晶硅和激光烧蚀多晶形成多晶纳米森林黑硅的方法。在红外探测传感器领域，科学家们在红外吸收区域利用等离子刻蚀或激光烧蚀多晶的方法在吸收区制备出多晶硅纳米森林黑体或者涂覆黑材料，提高了探测器的探测率，但是这些制备方法不具备圆片级批量生产的特性、器件与器件的性能差异大、刻蚀制备可控性差以及涂覆工艺与CMOS工艺不兼容等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种悬空的黑介质薄膜及其制备方法以及应用，从而解决现有技术中当前MEMS传感器中二维薄膜热损耗大以及红外吸率低，以及现有制备方法不与CMOS工艺相兼容，不能批量制备的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

根据本发明的第一方面，提供一种悬空的黑介质薄膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：S1：提供一种半导体单晶衬底，在所述半导体单晶衬底的表面制备出薄膜掩膜，并在所述薄膜掩膜表面刻蚀出窗口阵列，露出所述窗口阵列内的半导体单晶衬底表面；S2：采用湿法技术腐蚀所述窗口阵列内露出的半导体单晶衬底表面，并在该表面形成微纳金字塔结构；S3：移除步骤S1中形成的所述薄膜掩膜，继而在所述半导体单晶衬底的表面制备出薄膜，在步骤S2中形成的所述微纳金字塔结构表面制备出黑介质薄膜；S4：对步骤S3中在所述半导体单晶衬底的表面形成的薄膜进行图形化和薄膜刻蚀形成释放区域；以及S5：采用干法刻蚀技术或湿法腐蚀技术释放所述黑介质薄膜和支撑膜结构，获得一种悬空的黑介质薄膜。

在所述步骤S1中：半导体单晶衬底包括单晶硅衬底、SOI衬底以及锗衬底中的任意一种；所述薄膜掩膜包括高温热氧化形成的氧化硅或者化学气相沉积形成的氧化硅或氮化硅；所述窗口阵列采用等离子刻蚀方法刻蚀；所述窗口阵列的形状包括正方形、矩形或圆形中的任意一种或者组合。

根据本发明的制备方法的一种实施方式，步骤S1包括：将标准清洗后的硅片放入高温氧化炉中，在硅片表面高温热氧化生长一层氧化硅层，用于后期的干法刻蚀掩膜层和湿法腐蚀过程中的阻挡层。

所述步骤S2中采用的湿法技术选自以下方法中的任意一种：a、采用氢氧化钾、异丙醇和去离子水的混合溶液在80～85℃下进行的硅腐蚀技术；b、采用氢氧化钠、亚硫酸钠、异丙醇和去离子水的混合溶液在75～80℃下进行的硅腐蚀技术；以及c、采用TMAH溶液进行的硅腐蚀技术。