一种窄带热辐射器及其制作方法

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一种窄带热辐射器及其制作方法
申请号	CN201910549662.7	申请日	2019-06-24	公开(公告)号	CN110274688A	公开(公告)日	2019-09-24
申请人	绍兴文理学院;			发明人	谭永胜; 李秀东;
摘要	本发明涉及一种窄带热辐射器及其制作方法，其中窄带热辐射器包括硅基体，硅基体的表面通过刻蚀形成周期性排布的图形阵列，图形的底面以及侧面沉积有二硅化钛薄膜，二氧化硅薄膜覆盖二硅化钛薄膜以及裸露的硅基体表面。本发明所设计的窄带热辐射器采用硅基工艺制作而成，兼容性强，适合量产；采用二硅化钛薄膜可以获得极窄的红外光谱，二硅化钛薄膜与硅具有良好的接触特性，可以增强高温稳定性；又通过覆盖二氧化硅薄膜作为保护层进一步提高了器件的工作温度，令整个窄带热辐射器的热稳定性更加理想。
权利要求	1.一种窄带热辐射器，其特征在于：包括硅基体，所述硅基体的表面刻蚀形成周期性排布的图形阵列，图形的底面以及侧面沉积有二硅化钛薄膜，二氧化硅薄膜覆盖二硅化钛薄膜以及裸露的硅基体表面。 2.根据权利要求1所述的一种窄带热辐射器，其特征在于：所述二硅化钛薄膜的厚度为 10纳米～100纳米。 3.根据权利要求1所述的一种窄带热辐射器，其特征在于：所述二氧化硅薄膜的厚度为 10纳米～80纳米。 4.根据权利要求1所述的一种窄带热辐射器，其特征在于：所述图形的排布周期为1微米～2微米。 5.根据权利要求1所述的一种窄带热辐射器，其特征在于：所述图形阵列中的每个图形尺寸相同，图形底面处的二氧化硅薄膜表层至硅基体表面处的二氧化硅薄膜表层的高度为 0.2微米～0.8微米。 6.根据权利要求1所述的一种窄带热辐射器，其特征在于：相邻图形的间距为0.2微米～0.7微米。 7.根据权利要求1所述的一种窄带热辐射器，其特征在于：所述图形为正方形或长槽形结构。 8.一种窄带热辐射器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤，(1)在硅基体表面热氧化形成二氧化硅薄膜； (2)在步骤(1)中二氧化硅薄膜上涂覆光刻胶，并用光刻掩膜版曝光、显影形成平面图形； (3)对平面图形处的二氧化硅薄膜以及二氧化硅薄膜下的硅进行刻蚀，形成周期性排布的图形阵列； (4)在步骤(3)刻蚀后的硅基体表面沉积金属钛薄膜； (5)退火形成二硅化钛薄膜，保留图形底面以及侧面的二硅化钛薄膜，去除未反应的金属钛薄膜以及去除硅基体剩余位置处的二硅化钛薄膜和二氧化硅薄膜； (6)在经过步骤(5)后的硅基体表面沉积二氧化硅薄膜，令二氧化硅薄膜覆盖硅基体表面以及二硅化钛薄膜。
说明书全文	一种窄带热辐射器及其制作方法技术领域： [0001] 本发明涉及光谱技术领域，尤其涉及红外热辐射技术领域，具体指一种窄带热辐射器及其制作方法。背景技术： [0002] 传统的热辐射器一般由碳化硅、氮化硅和石墨等材料制备，虽然这些材料具有发射率高、制备工艺成熟等优势，但它们的辐射光谱均属于灰体辐射，光谱能量分布较广。相比之下，选择性辐射器在热平衡态下的辐射光谱集中在一个或几个波段上，是一种重要的光谱控制器件。其中，窄谱高辐射率的红外热辐射器在生物传感器、太阳电池、热光电器件等各种应用中都有着广泛的应用前景。 [0003] 研究发现，物体的表面微观结构会强烈影响其热辐射行为。由此，人们设计了多种方法来实现窄带、高定向热辐射。例如具有纹理的金属表面、二维金属光子晶体甚至三维立体周期结构等。近年来，基于硅衬底的窄带热辐射器由于具有与硅基工艺兼容、可以和微型热板MEMS器件相结合等优点，受到了人们的广泛关注。其基本结构是在周期性硅表面沉积金属薄膜，通过周期性结构实现选择性辐射，而表面的金属层可以反射硅衬底的长波辐射，从而获得极窄的热辐射光谱。 [0004] 但是，基于硅衬底的窄带热辐射器在高温下工作时，金属材料容易氧化，或与硅发生反应，使得硅/金属微结构器件在高温下存在热、化学稳定性差的问题，有鉴于此，本案由此而生。发明内容： [0005] 本发明所要解决的技术问题是：设计一种硅衬底窄带热辐射器，提高其高温下的工作稳定性。为了实现上述目的，本发明首先提供一种窄带热辐射器结构，其次还提供该窄带热辐射器的制作方法。其中，该窄带热辐射器所采用的技术方案为： [0006] 一种窄带热辐射器，包括硅基体，所述硅基体的表面刻蚀形成周期性排布的图形阵列，图形的底面以及侧面沉积有二硅化钛薄膜，二氧化硅薄膜覆盖二硅化钛薄膜以及裸露的硅基体表面。 [0007] 所述二硅化钛薄膜的厚度为10纳米～100纳米。 [0008] 所述二氧化硅薄膜的厚度为10纳米～80纳米。 [0009] 所述图形的排布周期为1微米～2微米。 [0010] 所述图形阵列中的每个图形尺寸相同，图形底面处的二氧化硅薄膜表层至硅基体表面处的二氧化硅薄膜表层的高度为0.2微米～0.8微米。 [0011] 所述相邻图形的间距为0.2微米～0.7微米。 [0012] 所述图形为正方形或长槽形结构。 [0013] 上述窄带热辐射器的制作方法为： [0014] (1)在硅基体表面热氧化形成二氧化硅薄膜； [0015] (2)在步骤(1)中二氧化硅薄膜上涂覆光刻胶，并用光刻掩膜版曝光、显影形成平面图形； [0016] (3)对平面图形处的二氧化硅薄膜以及二氧化硅薄膜下的硅进行刻蚀，形成周期性排布的图形阵列； [0017] (4)在步骤(3)刻蚀后的硅基体表面沉积金属钛薄膜； [0018] (5)退火形成二硅化钛薄膜，保留图形底面以及侧面的二硅化钛薄膜，去除未反应的金属钛薄膜以及去除硅基体剩余位置处的二硅化钛薄膜和二氧化硅薄膜； [0019] (6)在经过步骤(5)后的硅基体表面沉积二氧化硅薄膜，令二氧化硅薄膜覆盖硅基体表面以及二硅化钛薄膜。 [0020] 本发明所设计的窄带热辐射器采用硅基工艺制作而成，兼容性强，适合量产；采用二硅化钛薄膜可以获得极窄的红外光谱，二硅化钛薄膜与硅具有良好的接触特性，可以增强高温稳定性；又通过覆盖二氧化硅薄膜作为保护层进一步提高了器件的工作温度，令整个窄带热辐射器的热稳定性更加理想。 [0021] 以下通过附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。附图说明： [0022] 图1为实施例中窄带热辐射器的剖面结构示意图； [0023] 图2为实施例中窄带热辐射器的图形阵列一的表面结构示意图； [0024] 图3为实施例中窄带热辐射器的图形阵列二的表面结构示意图。具体实施方式： [0025] 本实施例公开了一种窄带热辐射器，其剖面结构如图1所示，主要包括硅基体1，在硅基体1的其中一个表面通过化学刻蚀形成周期性排布的图形阵列，该图形阵列中的图形可以采用如图2所示的正方形，也可以采用如图3所示的长槽形。将图形设计为长槽形可以令器件的结构更加简单，但热辐射光谱的方向一致性略差。无论采用正方形作为图形还是采用长槽形作为图形，均令图形阵列中的图形大小、尺寸完全相同。图形周期性排布形成的阵列中，相邻图形之间的间距w为0.2微米～0.7微米，图形的排布周期p为1微米～2微米。这种周期性排布的表面结构可以实现选择性热辐射，图形通过化学刻蚀硅基体1表面形成，因此具有一定的深度。 [0026] 为获得较窄的辐射光谱，通常在基底上沉积一层纳米金属薄膜，利用金属在红外波段的强反射性能来屏蔽硅衬底的长波辐射。与以往技术不同的是，本发明中，选择局域化的纳米二硅化钛薄膜2来实现窄带热辐射，即：在图形的底面以及侧面沉积二硅化钛薄膜2，二硅化钛薄膜2的厚度d1为10纳米～100纳米。因为二硅化钛是一种具有优良导电性能的金属硅化物材料，具有较低的电阻率(14μΩ·cm)、高的熔点(1540℃)及与硅良好的接触特性及高温稳定性，被广泛应用于硅基集成电路中。如图1所示，二硅化钛薄膜2沉积在周期性图形的底部和侧壁，被四周的硅材料侧壁隔离为局域化的导电纳米材料。由于局域表面等离激元效应，纳米二硅化钛中的电子集体振荡会与光发生相互作用，产生固有的吸收(辐射)光谱。由于所有图形内的二硅化钛薄膜2大小、尺寸一致，因此器件整体对外辐射为极窄的红外光谱。 [0027] 为进一步保护二硅化钛薄膜2的稳定性，本发明还将二氧化硅薄膜3沉积在二硅化钛薄膜2以及裸露的硅基体1表面，使得器件适合在高温下工作。二氧化硅薄膜3的沉积厚度d2为10纳米～80纳米。覆盖二硅化钛薄膜2及二氧化硅薄膜3后，图形底面处的二氧化硅薄膜3表层至硅基体1表面处的二氧化硅薄膜3表层的高度h为0.2微米～0.8微米。 [0028] 要形成上述窄带热辐射器的结构，其制作方法如下： [0029] a.选择硅材料作为硅基体，并对硅基体表面进行清洗； [0030] b.在硅基体的表面通过热氧化方式生长一层二氧化硅薄膜作为光刻掩蔽层； [0031] c.在上述二氧化硅薄膜上涂覆一层光刻胶并烘干，将带有设计图形的光刻掩膜版罩在光刻胶外表面上，通过曝光方式对未被掩膜版遮盖处的光刻胶进行曝光，令硅基体表面形成平面图形，然后借用显影方式将图形处的光刻胶去除； [0032] d.采用化学刻蚀方法先将图形处的二氧化硅薄膜去除，然后对图形下部的硅刻蚀一定深度，形成周期性排布的图形阵列； [0033] e.图形刻蚀完毕后，在硅基体表面沉积金属钛薄膜，由于图形处的硅基体裸露，金属钛薄膜沉积在图形的底面以及侧面处，而硅基体表面未被刻蚀的位置也沉积有金属钛薄膜，但由于沉积在光刻胶表面上，是可以通过去除光刻胶的同时将沉积在该表面的金属钛薄膜一并去除； [0034] f.金属钛薄膜通过退火形成二硅化钛薄膜； [0035] g.二硅化钛薄膜形成后，再将未反应的金属钛薄膜以及作为掩蔽层使用的二氧化硅薄膜去除，保留图形底面以及侧面的二硅化钛薄膜； [0036] h.采用CVD方式重新沉积一层二氧化硅薄膜，令沉积后的二氧化硅薄膜覆盖二硅化钛薄膜以及硅基体上未被二硅化钛薄膜所覆盖的表面。 [0037] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。