CN101375140B - 红外线吸收体及热型红外线检测器 - Google Patents
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Abstract
红外线吸收膜(2)，具备：含有TiN的第一层(21)，及含有Si系化合物的第二层(22)，将从第二层(22)侧入射的红外线的能量变换成热。TiN对比8μm短的波长区域的红外线的吸收率高，另一方面对比8μm长的波长区域的红外线反射率高。因此，在将对长波长区域的红外线的吸收率优异的Si系化合物层层叠在TiN层上时，则可使TiN层中吸收率低的波长区域的红外线在Si系化合物层适当地吸收，同时，可对要透过Si系化合物层的红外线在TiN层的界面反射而回到Si系化合物层。
Description
技术领域
本发明涉及红外线吸收体及热型红外线检测器。
背景技术
作为以往的热型红外线检测器，有例如记载在专利文献1或2中的发明。在专利文献1中，公开了热电型红外线固体摄影装置。该装置的红外线吸收膜为：由在广范围的红外区域上具有感度的有机物层，及波长10μm附近的吸收率高的SiO2层所构成的层叠构造。
另外，在专利文献2中，公开了热型红外线检测器。该传感器，在最下层具有包含金属薄膜的多层构造的红外线吸收膜。金属薄膜的红外线反射率比红外线透过率还大，使欲透过其它层的红外线在金属薄膜由反射，由此提高其它层的红外线吸收率。
专利文献1：日本专利第2523895号公报
专利文献2：日本专利第3608427号公报
发明内容
一般红外线吸收体为了保持机械性强度而形成在基板上。另外，为了精度良好地检测出在红外线吸收体中产生的热，通过湿蚀刻等除去检测领域的基板部分(膜片(membrane)构造：例如参照专利文献2)。然而，如在专利文献1中公开的装置，当在红外线吸收膜中包含有机物层时，由于有机物层对于湿蚀刻的耐性较低，因而基板加工成为困难。
另外，在检测红外线之际，希望能够在更广波长区域上高效率地进行检测。在专利文献2中，并未记载有关于可检测的波长区域的广带域。
本发明是鉴于上述课题的，其目的在于提供，基板的湿蚀刻加工容易，可在广波长区域上高效地吸收红外线的红外线吸收体及热型红外线检测器。
为了解决上述课题，本发明的红外线吸收体，具备：含有TiN的第一层，及含有Si系化合物且设置在第一层上的第二层，将从第二层侧入射的红外线的能量变换成热。
TiN具有如下特征，即对比8μm短的波长区域的红外线的吸收率高于其它无机材料，另一方面，对比8μm长的波长区域的红外线的反射率高。因此，若将对比8μm长的波长区域的红外线的吸收率良好的第二层层叠在第一层(TiN层)上，则可使在TiN层吸收率低的波长区域的红外线在第二层适当地吸收，同时，可将要透过第二层的红外线在TiN层的界面反射而回到第二层，因而可高效地吸收包含比8μm短的波长区域，及比8μm长的波长区域两者的广波长区域上的红外线。上述的红外线吸收体，在含有TiN的第一层上，设置对比8μm长的波长区域的红外线的吸收率高的含有Si系化合物的第二层。由此，可在广波长区域上高效地吸收红外线。
另外，在上述的红外线吸收体中，含有TiN的第一层主要吸收比8μm短的波长区域的红外线，同时，使比8μm长的波长区域的红外线朝第二层反射。如此，一个层兼具吸收一部分波长区域的红外线，及将其它波长区域的红外线反射至另一层的功能，由此，与设置以反射作为主要目的的层的情况下相比，可以以更少层数高效地吸收广波长区域的红外线。
另外，TiN及Si系化合物由于对湿蚀刻的耐性高，因而可容易地进行基板的湿蚀刻加工。因此，根据上述的红外线吸收体可容易地制造将检测领域的基板部分除去的膜片构造。
另外，红外线吸收体，第二层作为Si系化合物，可以至少含有SiC及SiN中的一者。由此，可良好地得到上述效果。尤其是SiC及SiN与其它的Si系化合物相比，对于湿蚀刻的耐性更高，因而根据该红外线吸收体，可进一步容易地制造膜片构造。
另外，红外线吸收体可以使第二层比第一层厚。在构成第一层的TiN厚度超过某一数值时，对红外线的透过率变极小，而且即使厚度改变，吸收率或反射率几乎不会变化。但是，构成第二层的Si系化合物具有越厚有则吸收率越高的性质。因此，通过使含有Si系化合物的第二层比含有TiN的第一层厚，可更高效地吸收比8μm长的波长区域的红外线。
另外，本发明的热型红外线检测器，具备：上述的任何的红外线吸收体，及将来自红外线吸收体的热变换成电气的量的热电变换部。由此此，可提供容易进行基板的湿蚀刻加工，并可在广波长区域上有效地检测红外线的热型红外线检测器。
根据本发明，可提供基板的湿蚀刻加工容易，并可在广波长区域上高效地吸收红外线的红外线吸收体及热型红外线检测器。
附图说明
图1是表示具备根据本发明的红外线吸收体的热型红外线检测器的第1实施方式的图。
图2是表示TiN及SiC的红外线吸收特性(对应于入射波长的吸收率)的图表。
图3是表示TiN的红外线反射特性(对应于入射波长的反射率)的图表。
图4是表示用于说明根据第1实施方式的热型红外线检测器的动作的图。
图5是表示第1实施方式的红外线吸收膜全体的红外线吸收特性(对应于入射波长的吸收率)的图表。
图6是表示具备根据本发明的红外线吸收体的热型红外线检测器的第2实施方式的图。
符号说明
1a，1b：热型红外线检测器
2，5：红外线吸收膜
3，6：热电堆形成膜
4，7：硅基板
21，51：第一层
22，52：第二层
具体实施方式
以下，参照附图下针对于本发明的红外线吸收体及热型红外线检测器的适合的实施方式加以详细地说明。另外，在图的说明中，对同一或相当部分赋予同一符号，省略重复的说明。
(第1实施方式)
图1(a)是表示具备根据本发明的红外线吸收体的热型红外线检测器的第1实施方式的平面图。另外，图1(b)是表示沿着图1(a)所示的I-I线的剖面的侧面剖面图。另外，图1(c)是扩大表示图1(b)的一部分的扩大剖面图。
本实施方式的热型红外线检测器1a是利用块状微机器技术(bulkmicromachine)所形成的形态的热型红外线检测器，具备红外线吸收膜2，热电堆形成膜3，及硅(Si)基板4。硅基板4具有矩形的平面形状，具有沿着其外周所设置的框部41。在由框部41包围的中央附近，形成有与红外线检测区域A1相对应的大小的开口4a，而将下述的热电堆形成膜3及红外线吸收膜2作为膜片(membrane)构造。另外，该开口4a优选通过对硅基板4的选择性湿蚀刻而形成。
热电堆形成膜3是用于将来自下述的红外线吸收膜2的热变换成电性的量(电压电流等)的热电变换部。热电堆形成膜3，以塞住开口4a的方式设置在硅基板4上，多个热电偶配置成二维状。多个热电偶的各该温接点(热电偶(thermocouple))配置在红外线检测区域A1内，而冷接点配置在框部41上。
红外线吸收膜2是本实施方式的红外线吸收体，设置在热电堆形成膜3上的红外线检测区域A1。红外线吸收膜2具有：主要含有TiN的第一层21，及主要含有SiC，SiN，SiO2，Si3N4或SiON等的Si系化合物且设置在第一层21上的第二层22，将从第二层22侧入射的红外线的能量变换成热。第二层22形成为比第一层21厚。
另外，第二层22作为Si系化合物，优选主要含有SiC及SiN中至少一者。另外，当第二层22主要含有SiOxNy(0＜X≤2，0≤Y＜1)时，若氧原子的组成比X/(X+Y)为0.4以上0.8以下，则光透过率良好且防湿性变高，因而优选。
在此，图2是表示TiN及SiC的红外线吸收特性(对应于入射波长的吸收率)的图表。另外，在图2中，图表G1表示TiN的吸收特性，而图表G2表示SiC的吸收特性。如图2所示，TiN是在较短的波长区域例如比8μm还短的波长区域的吸收率较高。另外，SiC是在较长的波长区域例如8μm～14μm的波长区域的吸收率较高。另外，图3是表示TiN的红外线反射特性(对应于入射波长的反射率)的图表。如图3所示地，TiN是在较长的波长区域，例如比8μm还长的波长区域的反射率较高。
图4是表示用于说明根据本实施方式的热型红外线检测器1a的动作的图。另外，图4是表示热型红外线检测器1a中相当于红外线检测区域A1的部位的侧面剖面。
入射到热型红外线检测器1a的红外线检测区域A1的红外线IR，从第二层22侧向红外线吸收膜2入射。而且，红外线IR中较短波长的波长成分(例如未超过波长8μm的成分)IR(λ1)，透过第二层22，主要被吸收第一层21，而变换成热H。另外，红外线IR中较长波长的波长成分(例如超过波长8μm的成分)IR(λ2)，被第二层22吸收，而变换成热H。这时候，波长成分IR(λ2)的一部分，透过第二层22而达到第一层21与第二层22的界面，利用第一层21的TiN所具有的高反射率，在该界面进行反射，结果，成为被吸收在第二层22。如此所发生的热H，被传到高热传导性的含有TiN的第一层21而达到热电堆形成膜3。另外，在热电堆形成膜3中，生成对应于热H的大小的电压。
对根据本实施方式的热型红外线检测器1a及红外线吸收膜2的效果加以说明。如图2及图3所示，TiN具有如下特征，对于比8μm长的波长区域的红外线IR(λ1)的吸收率为比其它无机材料高，另一方面对于比8μm短的波长区域的红外线IR(λ2)的反射率高。因此，若将对于比8μm长的波长区域的红外线IR(λ2)的吸收率良好的第二层22层叠在第一层21的上面，则可使不容易被第一层21吸收的波长区域的红外线IR(λ2)，在第二层22中被良好地吸收，同时，可使要透过第二层22的红外线IR(λ2)在第一层21的界面上反射而回到第二层22而被第二层22吸收，因此，高效地可对比8μm短的波长区域的红外线，及比8μm长的波长区域的红外线的两者进行吸收。
本实施方式的红外线吸收膜2，在含有TiN的第一层21之上，设置有对于比8μm长的波长区域的红外线IR(λ2)吸收率高的含有Si系化合物的第二层22。由此，可在广波长区域上高效地吸收红外线。尤其是，波长8μm～14μm多用于放射温度测量或人体检测用途的波长区域，因而通过使第二层22主要对于该波长区域的红外线的吸收率较高的含有Si系化合物(尤其是SiC)，可精度优异地进行这些测定。
另外，Si系化合物(尤其是SiC)，对于在TiN中吸收率高的波长5μm附近的红外线的透过率高。因此，通过使第二层22主要含有Si系化合物，可使该波长区域的红外线IR(λ1)高效地入射到第一层21，可进一步提高吸收效率。另外，即使TiN是相对较薄的层，但由于对红外线的透过率低(例如，在厚度4000
时透过率10％以下)，因此通过在第一层21中使用TiN，可缩短第一层21的成膜时间。另外，TiN，与其它无机材料相比，热传导率高(大约29W/m·K)。因此，通过使第一层21主要含有TiN，不会使在第一层21与第二层22中所发生的热以辐射等丧失，而可传到热电堆形成膜3，而且可提高热型红外线检测器1a的响应速度。
在此，图5是表示本实施方式的红外线吸收膜2全体的红外线吸收特性(对应于入射波长的吸收率)的图表。如图5所示可知，根据红外线吸收膜2，在比8μm长的波长区域(尤其是8μm～18μm附近)及比8μm短的波长区域(尤其是4μm附近)的两者上，可高效地吸收红外线。另外，比8μm长的波长区域的吸收率，比图2所示的SiC单层的吸收率高。即，通过在第一层21(TiN)与第二层(SiC)的界面的反射，使该波长区域的红外线以更高效率被第二层22吸收。
另外，在本实施方式的红外线吸收膜2中，含有TiN的第一层21主要吸收比8μm短的波长区域的红外线IR(λ1)，同时，使比8μm长的波长区域的红外线IR(λ2)向第二层22反射。如上所述，一个层兼具吸收一部分波长区域的红外线IR(λ1)的功能，及将其它波长区域的红外线IR(λ2)反射至另一层(第二层22)的功能，由此与设置以反射作为主要目的的层的情况相比，可利用更少层数高效地吸收广波长区域的红外线。
另外，TiN及Si系化合物，由于对湿蚀刻的耐性较高，因而可容易地进行硅基板4的湿蚀刻加工。因此，根据本实施方式的红外线吸收膜2，可容易地制造将红外线检测区域A1的基板一部分(相当于开口4a的部分)除去的膜片构造。尤其是，在第二层22作为Si系化合物主要含有SiC及SiN时，SiC及SiN与其它的Si系化合物相比，对于湿蚀刻的耐性更高，因而可更容易地制造膜片构造，而更适合。
另外，如本实施方式，优选第二层22比第一层21厚。在构成第一层21的TiN厚度超过某一数值时，对红外线的透过率变得极小，同时，因厚度的变化造成的吸收率和反射率的变化很少。但是，构成第二层22的Si系化合物，具有越厚越吸收率越高的性质。因此，通过使第二层22比第一层21厚，可更高效地吸收比8μm长的波长区域的红外线IR(λ2)。
另外，有关于第二层22的厚度的上述事实表明，本实施方式的第二层22，与仅用于红外线吸收膜的保护的一般的Si系化合物膜(例如SiO2膜)相比，具有不相同的作用。即，仅用于红外线吸收膜的保护的膜，通常比红外线吸收膜薄。但是，本实施方式的第二层22，如上述，构成了用于高效地吸收红外线的红外线吸收膜2的一部分，因而优选为比第一层21厚。
另外，优选第一层21的厚度是2500
以上10000
以下。通过使第一层21的厚度为2500
以上，可降低对红外线IR(λ1)及IR(λ2)的透过率，而可充分地确保吸收率及反射率。因此，可有效地发挥吸收比8μm短的波长区域的红外线IR(λ1)的功能，及反射比8μm长的波长区域的红外线IR(λ2)的功能。另外，当第一层21的厚度超过10000
时，存在对比8μm短的波长区域的红外线IR(λ1)的吸收率饱和(即使增加厚度，也几乎不会增加吸收率)的趋势。因此，通过使第一层21的厚度为10000
以下，可缩短第一层21的形成时间。
另外，第二层22的厚度优选为10000
以上25000以下。通过使第二层22的厚度为10000
以上，可充分地确保红外线IR(λ2)的吸收率。另外，在第二层22的厚度超过25000
时，对红外线IR(λ2)的吸收率成为接近于100％，而变成饱和。因此，通过使第二层22的厚度为25000
以下，可缩短第二层22的形成时间。
另外，如上述，优选第二层22是比第一层21厚。构成第二层22的Si系化合物，吸收率达到饱和的厚度比构成第一层21的TiN厚(Si系化合物：25000
，TiN：10000
)。因此，通过使第二层22比第一层21厚，可进一步高效地吸收红外线。另外，优选第一层21的厚度t1与第二层22的厚度t2的比(t2/t1)为1～10，且3为最佳。
(第2实施方式)
图6(a)是表示具备根据本发明的红外线吸收体的热型红外线检测器的第2实施方式的平面图。另外，图6(b)表示沿着图6(a)所示的II-II线的剖面的侧面剖面图。另外，图6(c)是扩大表示图6(b)的一部分的扩大剖面图。
本实施方式的热型红外线检测器1b，通过所谓表面微机器技术所形成的方式的热型红外线检测器，具备红外线吸收膜5，热电堆形成膜6，及硅(Si)基板7。硅基板7具有矩形的平面形状，在其表面侧的与红外线检测区域A2相对应的部分上具有矩形凹部7a。另外，该凹部7a通过湿蚀刻适合地形成。
热电堆形成膜6是用于将来自红外线吸收膜5的热变换成电气的量(电压，电流等)的热电变换部。热电堆形成膜6，以塞住凹部7a的方式设置在硅基板7上，多个热电偶配置成为二维状。多个热电偶的各该温接点(热电偶)配置在红外线检测区域A2内，冷接点配置在除了凹部7a之外的硅基板7的表面上。
红外线吸收膜5为本实施方式的红外线吸收体，设置在热电堆形成膜6的红外线检测区域A2上。由于在相当于红外线检测区域A2的硅基板7的表面上形成有凹部7a，因而红外线吸收膜5是与热电堆形成膜6一起形成膜片构造。红外线吸收膜5具备：主要含有TiN的第一层51，及主要含有SiC，SiN，SiO2，Si3N4或SiON等的Si系化合物且设置在第一层51上的第二层52，将从第二层52侧入射的红外线的能量变换成热。与上述第1实施方式同样地，第二层52，作为Si系化合物，可以主要含有SiC及SiN中的至少一者，或主要含有SiOxNy(0＜X≤2，0≤Y＜1)。
另外，在红外线吸收膜5及热电堆形成膜6，分别形成有贯通厚度方向的孔5a及6a。孔5a及6a用于，使在硅基板7上形成凹部7a的蚀刻剂侵入到热电堆形成膜6的背侧，并在红外线吸收膜5及热电堆形成膜6上形成有多个。另外，孔5a及6a，在作为红外线检测器而动作时，尤其是封入氮气的情况下，可以起到使热电堆形成膜6不因凹部7a的压力变化而运动的作用。
根据本实施方式的热型红外线检测器1b，可得到与上述第1实施方式的热型红外线检测器1a同样的效果。
根据本发明的红外线吸收体及热型红外线检测器，并不限定于上述的各实施方式，可进行其他各种变形。例如，上述各实施方式的热型红外线检测器作为热电变换部具有，具备热电堆的热电动势型的构成，此外，也可以构成为例如具备LiTaO3膜或PZT膜的热电型，或具备热敏电阻(thermistor)或辐射热测量计(bolometer)的电阻型。
Claims (3)
1.一种红外线吸收体，其特征在于，具备：
含有TiN的第一层，及
含有Si系化合物且设置在所述第一层上的第二层，
将从所述第二层侧入射的红外线的能量变换成热，
所述第二层比所述第一层厚。
2.如权利要求1所述的红外线吸收体，其特征在于，
所述第二层作为所述Si系化合物含有SiC及SiN中的至少一者。
3.一种热型红外线检测器，其特征在于，具备：
如权利要求1或2所述的红外线吸收体，及
将来自所述红外线吸收体的热变换成电气的量的热电变换部。
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