JP2006203040A - サーモパイルアレイ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】検出域間のヒートシンクを正方形または長方形の裏面エッチングパターンを形成した後、異方性エッチング液により加工し、次に等方性エッチング液により加工を行う。さらに異方性エッチング液により加工し、ヒートシンクを形成する。
検出域間のヒートシンクを正方形または長方形のエッチングパターンとし、各辺の長さを基板材厚の少なくとも√2倍以上として裏面に形成した後、異方性エッチング液により加工し、次に等方性エッチング液により加工を行う。さらに異方性エッチング液により加工し、ヒートシンクを形成する。
【選択図】図1
Description
検出域である吸収膜に入射した赤外線は熱に変換され温接点の温度上昇を生じ、各熱電対材料のゼーベック定数に比例した電圧を生じるため、赤外線量に応じた出力の測定が可能となる。また、この電圧は、熱電対本数、ヒートシンク端からの吸収膜距離、吸収膜面積の寄与も受け、これらが大になると電圧も大となる。
また、ヒートシンク上には、温接点と同一寸法の冷接点がメンブレン端より0.045ミリメートルの位置に配置され、また各検出域からの出力信号取り出しパッドが設けられている。これらパッドはステムリード等とのワイヤーボンディングを容易にするため、サーモパイルチップの2辺に集中されている。また、同一目的で各検出域の負電圧出力端子は統合され1ヶの共通パッドとなっている。
図10に上記4行4列の検出域を持つサーモパイルの斜視概念図を示し、図11に図10のX−X’軸方向断面概念図を示す。これらの図は明瞭化を目的とする概念図である。
このため、検出域間にはヒートシンクが設けられ、中央部4箇所メンブレン間のヒートシンクは、0.074ミリメートル、その他の12箇所メンブレン間のヒートシンクは0.135ミリメートルに定められている。また、各検出域のメンブレンサイズは角0.43ミリメートルに設定されている。
このため上記、ヒートシンクの加工はプラズマエッチングが選定されている。シリコンをプラズマエッチングにより加工するには特願2004−242562に記されているように、雰囲気ガスとして、フッ化炭素系やフッ化硫黄系のガスが用いられる。これらのガスは、人体に有害であるため、エッチング装置を導入する場合、併せてガス漏れ等の管理設備、排ガス処理設備の設置が必要となる。
検出域間のヒートシンクを、裏面より正方形または長方形のエッチングパターンを形成し、そのエッチングパターン各辺の長さを基板材厚の少なくとも√2倍以上として作製する。
熱電対パターンは成膜・露光・エッチングの半導体製造工程手法を使用して作製する。
ヒートシンクの加工は、予め作製したフォトマスク通りの保護パターンを設けた後実施する。まず、シリコン基板に異方性エッチング液により、(111)傾斜面を露呈させる。その後、等方性エッチング液により、所定のメンブレンサイズとなるまでヒートシンクのエッチングを行う。さらに、異方性エッチング液によりヒートシンクを成形し、検出域間にヒートシンクを擁したサーモパイルアレイが完成する。
基板材を一例として厚さ0.4ミリメートルの(100)シリコンウェハーとし、シリコンウェハー上に酸化ケイ素、窒化シリコン等の例えば総厚0.002ミリメートルの膜をCVD法等により形成する。これら膜がダイヤフラム構成膜となる。
他の熱電対材料例として、一方をポリシリコン、他方をアルミニウムとしてもよい。
その後出力取り出し用パッドとしてアルミニウム等のパッドを成膜・露光・エッチング等の半導体工程手法を用いて設ける。このパッドは金ワイヤー、アルミニウムワイヤー等でワイヤーボンディング可能な例えば長0.12ミリメートル幅0.1ミリメートル等のサイズに予め設定されている。また、パッド下地には、シリコンウェハーに対する付着強度大であるニクロムが予め設けられている。
続いて、例えば厚さ0.001ミリメートルの吸収膜を成膜・露光・エッチング等の半導体製造工程手法若しくは、印刷塗布等の手法で形成する。
一例として水酸化カリウム等の異方性エッチング液を用いシリコンウェハー裏面よりエッチングを行う。このときのチップ断面図を図3に示す。異方性エッチングの場合、シリコンの最密充填面である(111)面が露出するので、予めシリコンウェハーは(100)面ウェハーが選定され、ダイヤフラム作製方向は〈110〉方向が選ばれる。
裏面保護膜は異方性エッチング液に耐性を有すたとえば窒化シリコン、シリコン熱酸化膜を用いる。これら保護膜は、あらかじめ、等方性エッチング時完全に除去されることのない厚さたとえば窒化シリコンを保護膜として用いる場合、0.0002ミリメートル以上に設定しておく。
その後、一例として水酸化カリウムなどの異方性エッチング液にて、メンブレンサイズが0.43ミリメートルとなるまで、エッチングを行う。本工程により検出域間にヒートシンクを有する、サーモパイルアレイが完成となる。尚、メンブレン外形は、四隅部にRのある正方形もしくは長方形となる。
図1に完成したサーモパイルアレイの斜視図を示し、図2に完成したチップの断面図を示す。
実施例2ではメンブレン形状が長方形または正方形で各サイズが異なる場合について記述する。
cosθ={(111)(100)}/{|111||100|}=1/√3
より、θ=54.7度である。したがって、基板の厚さに対して裏面のエッチングパターン各辺の長さが√2倍以上であれば、ヒートシンク形成の際、最初の異方性エッチング液によるエッチングで必ずメンブレンが露出する。
したがって、検出域間にヒートシンクを設けるサーモパイルアレイにおいて、メンブレンサイズが基板材の√2倍以上の場合、異方性エッチング後の等方性エッチング液でのエッチング量を等しくすることができる。
一例として、各検出域のメンブレン形状は長方形とする。また、各メンブレンサイズは基板厚0.4ミリメートルの√2倍である0.566ミリメートル以上とし、一例として一辺0.85〜1.9×一辺0.85〜2.1とする。各検出域間のヒートシンクの幅は一例として0.2ミリメートルとする。
検出域には、それぞれ、検出領域をレンズまたは、フィルターで投影した位置に吸収膜が設置されている。
吸収膜までの一連の作製手順は、実施例1と同一であり、予めパターン設計したフォトマスクを用いて、半導体製造工程手法を用いて作製する。
したがって、シリコンウェハー裏面に露光・エッチング等の半導体製造工程手法を用いて、上記各検出域メンブレンと同形状、同サイズのエッチングパターンを設ける。
一例として水酸化カリウム等の異方性エッチング液を用いシリコンウェハー裏面よりメンブレン露出となるまでエッチングを行う。
裏面保護膜は異方性エッチング液に耐性を有すたとえば窒化シリコン、シリコン熱酸化膜を用いる。これら保護膜は、あらかじめ、等方性エッチング時完全に除去されることのない厚さたとえば窒化シリコンを保護膜として用いる場合、0.0002ミリメートル以上に設定しておく。
その後、一例として水酸化カリウムなどの異方性のエッチング液にて、エッチングを行い、メンブレン四辺に直線部を形成する。本工程により図9に示すように検出域間にヒートシンクを有する、メンブレン外形四隅部にRを持つ長方形のサーモパイルアレイが完成となる。
2冷接点
3熱電対
4ダイヤフラム構成膜
5絶縁保護膜
6吸収膜
7パッド
8負電圧出力共通パッド
9メンブレン
10検出域間ヒートシンク
Claims (2)
- 異なる二種の電極材で構成された熱電対をメンブレン上に温接点、ヒートシンク上に冷接点となるように配置し、その熱電対を直列に接続し、その上に絶縁保護膜を設け且つ温接点上に吸収膜を設置した検出域を複数有し、検出域間にヒートシンクを設けたサーモパイルアレイにおいて、検出域間のヒートシンクを、裏面より正方形または長方形のエッチングパターンを形成し、異方性エッチング液によるエッチングを施した後、等方性エッチング液によるエッチングを施し、さらに異方性エッチング液によるエッチングで作製したことを特徴とするサーモパイルアレイ。
- 検出域間のヒートシンクを、裏面より正方形または長方形のエッチングパターンを形成し、そのエッチングパターン各辺の長さを基板材厚の少なくとも√2倍以上として作製したことを特徴とする請求項1のサーモパイルアレイ。
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