[发明专利]使用材料转移方法的未释放的红外传感器

说明书

本发明提供了一种未释放的热电堆IR传感器和制造方法，其包括新隔热材料和基于超薄材料的传感器，它们组合提供了优异的灵敏度而不需要释放的膜结构。使用晶片转移技术制造传感器，其中，包括基板和新隔热材料的基板组件被粘合到包括载体基板和超薄材料的载体基板组件，然后移除载体基板。照此，克服了多种材料的温度限制。

技术领域

本发明一般地涉及红外传感器和制造的材料转移方法，且更具体地涉及未释放的热电堆红外传感器，其包括在升高温度下沉积的超薄材料和新隔热材料的组合。

背景技术

热电堆是进行非接触式温度测量所常用的红外辐射(IR)检测器。例如，热电堆用于耳温计、接近传感器、热通量传感器等。热电堆由一系列电连接的热电偶对构成，每个对由塞贝克系数不同的异种导电材料或半导体材料构成。例如，N型多晶硅和P型多晶硅常用于常规热电堆。

通常，使每个热电偶的一端接触可操作以收集IR能量的膜，而另一端放置在支撑基板上。收集的IR能量会在热电偶上产生温度梯度，引起热电偶通过塞贝克效应产生输出电压。对于具有已知特性的热电偶，输出电压可以转换成温度值。

然而，由于热电偶的输出电压相对较小，所以已经做出诸多努力来提供能够最大限度地捕集膜内的热量并因此增强信号的设计和方法。这些努力包括使用真空包装、显著增加膜面积以及提供悬浮的(“释放的”)膜以提供热隔绝。例如，一种典型的方法包括使用低压化学气相沉积(LPCVD)方法在沉积牺牲层(例如，LPCVD或热生长硅氧化物层)之后将膜材料(例如，氮化硅、多晶硅)沉积到基板(例如，硅)上。随后通过经由蚀刻孔进行湿蚀刻来移除牺牲层，从而产生空腔，传感器悬浮在空腔上并由膜支撑。这种悬浮方法也可被称为“释放”膜。此外，因为来自膜的热量能够通过暴露的膜周围的空气而消散，所以可以在空腔内产生真空，以经由传导和对流来进一步减少热损失。

虽然这种传感器设计提供了所需的增强信号，但是为了形成悬浮的膜(在CMOS工艺中通常需要八个或更多个掩模层)，非常大量的工艺步骤是必需的。这伴随着产量显著降低和制造时间及成本增加。此外，悬浮的膜易碎并且可能由于处理而易于撕裂和损坏，从而进一步导致产量降低和制造时间及成本增加。

虽然已经开发了非悬浮的(“未释放的”)热电堆IR传感器，但是它们由于所使用的能用于IR检测的隔热材料的低温范围而已承受了低品质因数(FOM)。此外，所提出的可能提供增强灵敏度的材料由于它们在进行CMOS的升高温度下的不稳定性而通常不是CMOS兼容的。照此，悬浮的传感器和膜结构通常是实现提高灵敏度的标准。

所需的是克服热电堆IR传感器的制造过程的复杂性，从而减少制造时间及费用并提高产量。进一步所需的是提供在允许更不易受损害的更结构稳定的结构的同时仍然实现必需的增强信号的制造方法和传感器设计。

发明内容

本发明的多个方面涉及一种未释放的热电堆红外传感器，包括：基板，具有底表面和顶表面；隔热材料，设置在所述基板的顶表面的至少一部分上，所述隔热材料具有底表面和顶表面；和超薄材料，设置在所述隔热材料的顶表面的至少一部分上；其中，所述隔热材料在高至450℃的温度下稳定，并且，其中，所述超薄材料选自厚度小于或等于200nm的一种或多种材料，并且通过需要高于450℃的升高温度的方法进行沉积。

在一些实施方式中，所述隔热材料选自派瑞林、苯并环丁烯(BCB)、非晶含氟聚合物、聚(甲基丙烯酸甲酯)、SU-8光刻胶和其它聚合物。在一些实施方式中，所述超薄材料选自2D材料。在一些实施方式中，所述超薄材料选自由石墨烯、MoS₂、SnSe、黑磷(BP)、薄多晶硅、SiGe(硅锗)、Ge(锗)、氮化硼(BN)、III族～V族化合物半导体、II族～VI族化合物半导体及它们的组合组成的组。在一些实施方式中，所述未释放的热电堆红外线传感器进一步包括第二超薄材料，所述第二超薄材料设置在所述隔热材料的顶表面的至少另一部分上。在一些实施方式中，所述基板选自在超过450℃的温度下不稳定的硅晶片、CMOS晶片、印刷电路板或柔性基板。