JP2002340678A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価な方法にて動作検査の可能な赤外線セン
サを提供する。 【解決手段】 シリコン基板１に形成されたメンブレン
３と、このメンブレン３上に形成され、赤外線を受光し
たときに生じる温度差に基づいて起電力を発生する熱電
対４、５とを備える赤外線センサにおいて、メンブレン
３には、熱電対４、５に温度差を発生させるためのヒー
タ配線７が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、メンブレンと、こ
のメンブレン上に形成され赤外線受光時に生じる温度変
化に基づいて電気信号を発生する検出素子とを備える赤
外線センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、この種の赤外線センサとして
は、サーモパイル型の赤外線センサやボロメータ型の赤
外線センサが知られている。前者は、シリコンチップに
形成されたメンブレン上とメンブレン外側の厚肉部上と
に複数個の熱電対を形成し、赤外線を受光したときに複
数個の熱電対の接点に生じる温度差によって熱電対の起
電力を変化させ、変化した起電力に基づいて赤外線を検
出するものである。

【０００３】一方、後者は、シリコンチップに形成され
たメンブレン上に抵抗素子を形成し、赤外線を受光した
ときに抵抗素子に生じる温度変化による抵抗値変化を利
用して赤外線を検出するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
赤外線センサをウェハ状態で検査する場合、通常の電気
検査では、検出素子の抵抗特性程度の測定しか行うこと
ができない。実際のセンサ動作の確認を行おうとする
と、ウェハ外部から赤外線や熱を加えて検出素子に温度
変化を与えながら、検出素子の電気信号を検査する必要
があるが、赤外線照射手段や加熱手段を別体に用意する
必要があり、検査装置のコストが増大してしまう。

【０００５】一方、センサ動作の確認検査を行わずに、
ウェハの分断やチップの組付等の後工程を行うと、最終
検査まで不良品を検出することができない。そのため、
ウェハ工程で発生した不良品の組付等までも余分に実施
することになり、これもコストの増大につながってしま
う。

【０００６】そこで、本発明は上記問題に鑑み、安価な
方法にて動作検査の可能な赤外線センサを提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、メンブレン（３）と、
このメンブレン上に形成され、赤外線を受光したときに
生じる温度変化に基づいて電気信号を発生する検出素子
（４、５）とを備える赤外線センサにおいて、メンブレ
ンには、検出素子に温度変化を発生させるためのヒータ
手段（７）が設けられていることを特徴とする。

【０００８】それによれば、センサ本体に、検出素子に
温度変化を発生させるためのヒータ手段を設けているの
で、センサ動作の検査時に、別体の赤外線照射手段や加
熱手段等が不要となる。従って、本発明によれば、安価
な方法にて動作検査の可能な赤外線センサを提供するこ
とができる。

【０００９】また、請求項２に記載の発明では、ヒータ
手段（７）は、検出素子（４、５）を構成する材料と同
一材料にて構成されていることを特徴としている。それ
によれば、検出素子とヒータ手段とを同時に形成するこ
とができ、製造上のコストアップが発生せず、好まし
い。

【００１０】また、請求項３に記載の発明では、検出素
子は、ポリシリコンを含む材料よりなる複数個の熱電対
（４、５）であり、赤外線を受光したときに複数個の熱
電対の接点に生じる温度差によって熱電対の起電力を変
化させ、変化した起電力に基づいて赤外線を検出するよ
うになっており、ヒータ手段（７）を構成する材料はポ
リシリコンであることを特徴とする。

【００１１】本発明では、サーモパイル型の赤外線セン
サを構成することができる。このタイプのセンサでは、
検出素子としての熱電対は、通常ポリシリコンを用いる
ことが多く、そのため、ヒータ手段を構成する材料もポ
リシリコンとすれば、上記請求項２の発明と同様の効果
を発揮することができ、好ましい。

【００１２】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。本実施形態は、本発明の赤外線セン
サを、複数の熱電対の起電力を利用したサーモパイル型
の赤外線センサに適用したものとして説明する。

【００１４】図１は、本発明の実施形態に係る赤外線セ
ンサＳ１の概略平面構成を示す図であり、図２は、図１
中のＡ−Ａ断面に沿った模式的断面図である。なお、図
１中のハッチングは、各部の識別を容易にするために施
したもので断面を示すものではなく、また、図１と図２
では、各膜の厚さや配線の寸法等は多少、違えて示して
ある。

【００１５】赤外線センサＳ１は、主面の面方位が（１
００）面や（１１０）面であるシリコン基板（シリコン
チップ、本例では矩形板状）１を備え、このシリコン基
板１の表面１ａ側に、各種配線や膜等を積層してセンシ
ングに必要な素子部を形成すると共に、シリコン基板１
の裏面１ｂ側からウェットエッチングを行い空洞部８を
形成してなる。図１では、空洞部８の外形は一点鎖線に
て示してある。

【００１６】図２に示す様に、このシリコン基板１の表
面１ａ上の空洞部８上を含むほぼ全域には、ＣＶＤ法、
スパッタ法、蒸着法等により成膜されたシリコン窒化膜
やシリコン酸化膜等よりなる絶縁薄膜２が形成されてい
る。

【００１７】ここで、空洞部８以外のシリコン基板１を
厚肉部（例えば厚さ４００μｍ程度）としたとき、シリ
コン基板１の表面１ａ上のうち空洞部８の上に位置する
絶縁薄膜２の部分は、薄肉部（例えば厚さ２μｍ程
度）、つまりメンブレン３として構成されている。

【００１８】絶縁薄膜２の上には、メンブレン３の中央
部からメンブレン３外側のシリコン基板１の厚肉部に渡
って、ＣＶＤ法等にて成膜されたポリシリコンよりなる
ポリシリコン配線（図１中、斜線ハッチングにて図示）
４とスパッタ法や蒸着法等により形成されたアルミニウ
ムよりなるアルミ配線５とが、それぞれ複数本、放射状
に形成されている。

【００１９】なお、図２では、省略されているが、実際
には、多結晶シリコン配線４の上および多結晶シリコン
配線４が形成されていない絶縁薄膜２の上にＳｉＯ２等
よりなる層間絶縁膜が形成され、アルミ配線５は、上記
層間絶縁膜の上に形成されるとともに、該層間絶縁膜に
形成された開口部（コンタクトホール）を介して各ポリ
シリコン配線４の端部間を接続している。

【００２０】それにより、複数本のポリシリコン配線４
およびアルミ配線５は直列に接続されて赤外線センサの
熱電対を構成しており、この熱電対４、５は、図１に示
す様に、複数回折り返された折り返し形状を有してい
る。複数個の折り返し部４ａ、４ｂの各々が、両配線
４、５の接合部となっており、この異種材料同士の接合
部にてゼーベック効果によって起電力が発生するように
なっている。

【００２１】そして、熱電対４、５の両端部のアルミ配
線５には、図１に示す様に、外部と電気的に接続するた
めの両アルミパッド５ａ、５ｂが導通されている。そし
て、メンブレン３上に位置する折り返し部４ａが温接
点、メンブレン３外側のシリコン基板１の厚肉部に位置
する折り返し部４ｂが冷接点となり、両接点の温度差に
基づく熱電対４、５の電圧が、上記両アルミパッド５ａ
と５ｂとの間に出力されるようになっている。

【００２２】また、メンブレン３上の中央部には、上記
温接点である折り返し部４ａを覆うように、赤外線吸収
膜６が形成されている。この赤外線吸収膜６は、ポリエ
ステル樹脂にカーボン（Ｃ）を含有させ、焼き固めたも
のであり、赤外線を吸収して温接点の温度を効率よく上
昇させるためのものである。なお、図１では、赤外線吸
収膜６の外形は破線にて示してある。

【００２３】このような構成を有する赤外線センサＳ１
においては、熱容量の小さいメンブレン３上に位置する
温接点４ａは、熱容量の大きい厚肉部上に位置する冷接
点４ｂよりも熱引き性が小さい。つまり、シリコン基板
１の厚肉部がヒートシンクの役目を果たす。

【００２４】そのため、人体などから赤外線が照射さ
れ、シリコン基板１の表面１ａ側にてこの赤外線を受光
すると、赤外線吸収膜６に赤外線が吸収され温度上昇が
起こる。その結果、赤外線吸収膜６に覆われた折り返し
部（温接点）４ａの温度が上昇する。

【００２５】シリコン基板１の厚肉部上に位置する折り
返し部（冷接点）４ｂは、シリコン基板１がヒートシン
クとなるため、温度上昇はほとんど起きない。結果とし
て、温接点４ａの方が冷接点４ｂよりも高温となり、両
接点間に温度差が生じるため、ゼーベック効果により起
電力が発生する。

【００２６】そして、両接点４ａ、４ｂの温度差に応じ
た複数本の熱電対４、５の電圧の総和Ｖｏｕｔ（センサ
出力）が、両アルミパッド（センサ出力端子）５ａと５
ｂから出力されることで、赤外線の検出が可能となって
いる。

【００２７】ここにおいて、本実施形態の赤外線センサ
Ｓ１は、メンブレン３の上に、熱電対（検出素子）４、
５に温度変化を発生させるためのヒータ手段としてのヒ
ータ配線７を有している。

【００２８】このヒータ配線７は、熱電対４、５を構成
する材料（アルミまたはポリシリコン、本例ではポリシ
リコン）を用いて、熱電対４、５と同様の方法にてメン
ブレン３の上に、パターニング形成されている。図１に
示す様に、ヒータ配線７は、複数回折り返された折り返
し配線形状を有し、その両端がメンブレン３の外側まで
引き出されてヒータ端子としてのアルミパッド７ａ、７
ｂに導通している。

【００２９】また、ヒータ配線７は、熱電対４、５であ
るポリシリコン配線４の形成工程またはアルミ配線５の
形成工程と同時に、成膜・パターニングを行い、形成す
ることができる。また、上記アルミパッド５ａ、５ｂ、
７ａ、７ｂはアルミ配線５の形成と同時に行うことがで
きる。

【００３０】そして、ヒータ配線７は、アルミパッド
（ヒータ端子）７ａ、７ｂより電流を流すことでジュー
ル熱により発熱するものである。それにより、メンブレ
ン３上に位置する熱電対４、５の温接点４ａの温度が上
昇し、温接点４ａと冷接点４ｂとの間に温度差が生じる
ようになっている。

【００３１】また、上記赤外線センサＳ１は、最終的に
チップ単位に分断されて上記シリコン基板１となるシリ
コンウェハに対して周知の半導体製造技術を施すことに
より製造することができる。

【００３２】まず、ＣＶＤ法、スパッタ法、蒸着法等の
成膜技術、フォトリソグラフ法等によるパターニング技
術を用いて、上記シリコンウェハ表面の各チップ形成領
域に、絶縁薄膜膜２、熱電対４、５、各パッド等を形成
する。その後、シリコンウェハ裏面側からウェットエッ
チングすることにより、空洞部８を形成しメンブレン３
を形成する。

【００３３】その後、赤外線吸収膜６を形成し、ダイシ
ングカット等を行って、上記シリコンウェハをチップ単
位に分断することにより、複数個の上記赤外線センサＳ
１ができあがる。

【００３４】このように、本実施形態によれば、シリコ
ン基板１に形成されたメンブレン３と、このメンブレン
３上に形成された複数個の熱電対４、５と、メンブレン
３上に形成された赤外線吸収膜６とを備え、赤外線受光
時に、熱電対４、５間に発生する温度差による起電力に
基づいて赤外線を検出するようにした赤外線センサにお
いて、メンブレン３に、熱電対４、５に温度差を発生さ
せるためのヒータ配線７を設けたことを主たる特徴とし
ている。

【００３５】それによれば、センサ本体に、ヒータ配線
（ヒータ手段）７を設けているので、センサ動作の検査
時に、検出素子である熱電対４、５に温度差（温度変
化）を発生させるための別体の赤外線照射手段や加熱手
段等が不要となる。この検査は、ウェハ工程終了後、ダ
イシング等による分断工程の前に行う。

【００３６】つまり、センサ動作の検査工程では、ヒー
タ配線７に電流を流し発熱させることで、赤外線受光時
と同様に、温接点４ａと冷接点４ｂとの間に温度差が生
じるため、ゼーベック効果により起電力が発生する。そ
して、上記センサ出力Ｖｏｕｔを測定することにより、
センサとしての動作を確認することができ、動作しない
ものは、不良品とすることができる。

【００３７】この検査にて不良品となったものは、ウェ
ハのダイシング以降の工程（チップ拾い、外観検査、ア
ッシー組付等）を通す必要がないため、無駄な作業を無
くすことができる。従って、本実施形態によれば、安価
な方法にて動作検査の可能な赤外線センサを提供するこ
とができる。

【００３８】また、本実施形態では、ヒータ配線７は、
検出素子である熱電対４、５を構成する材料と同一材料
にて構成されているため、ウェハ工程で熱電対４、５を
形成するときに、同時に、ヒータ配線７も形成すること
が可能である。そのため、ヒータ配線７を設けることに
よる工程の増加は発生せず、コストアップとはならな
い。

【００３９】また、このヒータ配線７を用いれば、実使
用時にも自在に熱電対４、５に温度差を発生させること
が可能である。例えば、センサの起動時にヒータ配線７
に電流を流して発熱させ、熱電対４、５に温度差を発生
させることで、自己診断機能を有するセンサを実現する
ことも可能である。

【００４０】（他の実施形態）なお、本発明は、ボロメ
ータ型の赤外線センサにも適用可能であり、検出素子と
しての抵抗素子の近傍にヒータ手段を設ければ、上記同
様、安価な方法にて動作検査の可能な赤外線センサを提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る赤外線センサの概略平
面図である。

【図２】図１中のＡ−Ａ断面に沿った模式的断面図であ
る。

【符号の説明】

３…メンブレン、４…ポリシリコン配線、５…アルミ配
線、７…ヒータ配線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G065 AA04 AB02 AB30 BA11 BA14 BB24 BE10 DA01 DA10 2G066 AC13 BA08 CB03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 メンブレン（３）と、 このメンブレン上に形成され、赤外線を受光したときに
   生じる温度変化に基づいて電気信号を発生する検出素子
   （４、５）とを備える赤外線センサにおいて、 前記メンブレンには、前記検出素子に温度変化を発生さ
   せるためのヒータ手段（７）が設けられていることを特
   徴とする赤外線センサ。
2. 【請求項２】 前記ヒータ手段（７）は、前記検出素子
   （４、５）を構成する材料と同一材料にて構成されてい
   ることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 【請求項３】 前記検出素子は、ポリシリコンを含む材
   料よりなる複数個の熱電対（４、５）であり、 赤外線を受光したときに前記複数個の熱電対の接点に生
   じる温度差によって前記熱電対の起電力を変化させ、変
   化した起電力に基づいて赤外線を検出するようになって
   おり、 前記ヒータ手段（７）を構成する材料はポリシリコンで
   あることを特徴とする請求項２に記載の赤外線センサ。