JP2006292382A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】サーモパイル型赤外線センサにおいて、赤外線（熱）を効率良く熱電対の温接点に伝えることを可能とし、感度を向上する。
【解決手段】ダイヤフラム構造のシリコン基板３上に形成されたメンブレン膜４と、メンブレン膜４上に絶縁膜６のコンタクトホール８を介してポリシリコン膜５とアルミニウム膜７とを接続して形成された熱電対９と、熱電対９を保護するパッシベーション膜１０と、パッシベーション膜１０上に形成された赤外線吸収膜１１の下部に形成されたアルミニウム膜７ａと、を備え、赤外線吸収膜１１に赤外線が入射すると、空洞部分２と赤外線吸収膜１１からなる受光領域が昇温し、アルミニウム膜７ａに伝わる。伝わった熱は、アルミニウム膜７ａを経由して効率良く熱電対９の温接部に伝わるため、熱電対９の温接点と冷接点の温度差に大きな勾配が生じ、大きな起電力が発生する。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線センサに関し、特にサーモパイル型赤外線センサに関するものである。

従来のサーモパイル型赤外線センサとしては、ポリシリコン膜とアルミニウム膜が熱電対を形成するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。図３（ａ）及び（ｂ）は、従来のサーモパイル型赤外線センサの一例を示す。この赤外線センサＰは、メンブレン膜３０４を支持する支持部分３０１と空洞部分３０２を有するシリコン基板３０３と、メンブレン膜３０４と、ポリシリコン膜３０５と、コンタクトホール３０８を有する絶縁膜３０６と、アルミニウム膜３０７と、パッシベーション膜３１０と、赤外線吸収膜３１１と、絶縁膜３０６ａとを備える。この赤外線センサＰの熱電対３０９は、ポリシリコン膜３０５と、絶縁膜３０６のコンタクトホール３０８を介してポリシリコン膜３０５に接続されたアルミニウム膜３０７から形成されている。

上記赤外線センサＰは、赤外線（熱）が入射すると、シリコン基板３０３の空洞部分３０２と赤外線吸収膜３１１からなら受光領域の温度が上昇し、熱電対３０９の温冷接点間に温度差が生じて、ゼーベック効果により起電力が発生し、取り出し電極３２１から取り出される。この起電力は、温度差に比例するため、温度や赤外線（熱）のセンシングが可能となる。そのため、受領領域に入射した赤外線（熱）が、熱電対３０９の温接点に伝わった時の温接点の温度と、冷接点の温度に大きな差が生じない場合は、感度の低下を招くという問題がある。また、熱電対３０９の温接点に入射したほとんどの赤外線（熱）は、熱電対３０９のアルミニウム膜３０７を伝わって冷接点から逃げるため、逃げた熱の分だけ赤外線センサの感度が低下するという問題がある。
特開２００１−２０１３９７号公報

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであり、赤外線（熱）を効率良く熱電対の温接点に伝えることができ、また、熱電対の温接点に入射した赤外線（熱）が冷接点から逃げにくくすることが可能で、熱電対の温接点と冷接点の温度差に大きな勾配を生じさせ、感度の向上を図った赤外線センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、熱電対を有するサーモパイル型の赤外線センサにおいて、支持部分と空洞部分を有するシリコン基板上に形成されたメンブレン膜と、前記メンブレン膜上に、前記空洞部分の上部から前記支持部分の上部にわたって形成されたポリシリコン膜と、前記ポリシリコン膜上に形成され、前記空洞部分の上部に形成された第１のコンタクトホールと、前記支持部分の上部に形成された第２のコンタクトホールを有する絶縁膜と、前記絶縁膜の上に、前記コンタクトホールを介して前記ポリシリコン膜と接続されるよう形成されたアルミニウム膜と、前記ポリシリコン膜と前記アルミニウム膜が前記絶縁膜のコンタクトホールを介して接続され、前記支持部分と前記空洞部分の上部にそれぞれ冷接点と温接点が形成された熱電対と、前記熱電対上に形成されたパッシベーション膜と、前記空洞部分の上部にある前記パッシベーション膜上に形成された赤外線吸収膜と、前記赤外線吸収膜の下部に形成された前記とは別のアルミニウム膜とを備えるものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の赤外線センサにおいて、前記熱電対を形成するアルミニウム膜の配線を絶縁膜上に引き回すことで、可及的に長くするものである。

本発明によれば、空洞部分と赤外線吸収膜からなる受光領域に入射した赤外線（熱）が、熱電対の温接点に近接した赤外線吸収膜の下部にあるアルミニウム膜に伝わるので、赤外線（熱）を熱電対に効率良く伝えることができる。これにより、赤外線センサの感度を向上させることができる。また、熱電対のアルミニウム膜の配線を長くすることにより、熱電対の温接点に伝わった赤外線（熱）が、冷接点に伝わりにくくなるので、赤外線（熱）の温度の低下を抑制することができる。

以下、本発明の第１の実施形態に係るサーモパイル型赤外線センサについて図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る赤外線センサＳの構造を示す。赤外線センサＳは、ダイヤフラム構造のシリコン基板３上に形成されたメンブレン膜４と、メンブレン膜４上に絶縁膜６のコンタクトホール８を介してポリシリコン膜５とアルミニウム膜７とを接続して形成された熱電対９と、熱電対９を保護するパッシベーション膜１０と、パッシベーション膜１０上に形成された赤外線吸収膜１１と、シリコン基板３のメンブレン膜４が形成されているのとは反対側の面に形成された絶縁膜６ａと、熱電対９から発生する起電力を取り出すための取り出し電極２１と、赤外線吸収膜１１の下部に形成されたアルミニウム膜７ａとを備える。また、赤外線吸収膜１１の周囲には、ゼーベック効果により生じた起電力を増幅させるためお互いに直列に接続された多数の熱電対９を配置しており、熱電対９の温接点を空洞部分２の上に設け、メンブレン膜４を支持する支持部分１の上部に冷接点を設けている。

シリコン基板３は、サーモパイルパターンがある側とは反対側からシリコン基板３をエッチングしたダイヤフラム構造であり、エッチングされた後に残った支持部分１とエッチングにより除去された空洞部分２を有する。ポリシリコン膜５は、メンブレン膜４上に形成されており、例えば、メンブレン膜４にＮ型もしくはＰ型の不純物をドーピングして形成する。絶縁膜６は、ポリシリコン膜５上に形成されており、空洞部分２の上部に形成された第１のコンタクトホール８ａと、支持部分１の上部に形成された第２のコンタクトホール８ｂを有する。アルミニウム膜７は、絶縁膜６上に形成されており、コンタクトホール８を介してポリシリコン膜５と接続されている。熱電対９（破線で囲んだ部分）は、絶縁膜６のコンタクトホール８（８ａ、８ｂ）によってポリシリコン膜５とアルミニウム膜７とを接続することにより形成されている。

また、熱電対９は、ゼーベック効果を利用するため、ポリシリコン膜５とアルミニウム膜７とが接続された支持部分１の上部で温接点が形成され、ポリシリコン膜５とアルミニウム膜７が接続された空洞部分２の上部で冷接点が形成されている。パッシベーション膜１０は、熱電対９上に形成されており、シリコンエッチング液などから熱電対９を保護するため、例えば、酸化膜が用いられる。赤外線吸収膜１１は、パッシベーション膜１０上に形成されており、例えば、黒化樹脂や、黒化樹脂にカーボンフィラーなどの黒色フィラーを混ぜた樹脂（エポキシ系、シリコーン系、アクリル系、ウレタン系、ポリイミド系など）などが用いられる。

絶縁膜６ａは、支持部分１上のメンブレン膜４が形成されているのとは反対側の面に形成されており、例えば、空洞部分２を作る際に使用するシリコンエッチング液に耐性のある窒化シリコンなどが用いられる。取り出し電極２１は、ゼーベック効果により生じた起電力の取り出しを行うため、取り出し電極２１が形成されている領域では、パッシベーション膜は開口している。アルミニウム膜７ａは、絶縁膜６上の赤外線吸収膜１１の下部に形成され、赤外線吸収膜１１が吸収した熱を、熱電対９の温接点に伝える。

本実施形態の赤外線センサＳの空洞部分２の形成方法について次に説明する。空洞部分２を形成していないシリコン基板３の一方面にメンブレン膜４、サーモパイルパターン、パッシベーション膜１０、赤外線吸収膜１１を形成した後、シリコン基板３のメンブレン膜４が形成されているのとは反対側の面に、シリコンエッチング液に耐性のある、例えば、窒化膜などのマスク材からなる絶縁膜６ａを形成する。空洞部分２を形成したい領域の絶縁膜６ａを開口し、例えば水酸化カリウム溶液などのエッチング液を用い、異方性エッチングする。これによって、シリコン基板３に空洞部分２を形成し、同時にダイヤフラム構造を得る。また、シリコン基板３に残った部分が、支持部分１となる。

上記のように構成された本実施形態の赤外線センサＳの作用について次に説明する。赤外線センサＳの赤外線吸収膜１１に赤外線が入射すると、空洞部分２と赤外線吸収膜１１からなる受光領域が昇温し、アルミニウム膜７ａに伝わる。伝わった熱は、アルミニウム膜７ａを経由して速やかに熱電対９の温接部に伝達される。同時に冷接点と温度差が生じるため、ゼーベック効果により、起電力が発生し、取り出し電極２１から取り出される。赤外線吸収膜１１から温接点の間にアルミニウム膜７ａがある場合とない場合を比較すると、酸化膜などの絶縁膜よりもアルミニウム膜は熱伝導率が良いため、赤外線吸収膜１１から温接点の間にアルミニウム膜７ａを形成した場合、熱電対９の温接点に熱が速く伝わる。これによって、熱電対９の温接点と冷接点の温度差に大きな勾配が生じ、大きな起電力が発生する。このため、感度を向上することができる赤外線センサを提供することができる。

また、本実施形態の赤外線センサＳのアルミニウム膜７とアルミニウム膜７ａは、どちらも絶縁膜６上に形成されている。そのため、アルミニウム膜７とアルミニウム膜７ａは、同一製造過程において、例えば、スパッタ法により同時に形成可能である。

次に、本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサについて説明する。図２は、本実施形態に係る赤外線センサＳの構造を示す。この赤外線センサＳは、図１に示した赤外線センサＳの構成と比べて、アルミニウム膜７の配線が、多数の熱電対９を直列に接続するのに必要十分な長さよりも長く絶縁膜６上に引き回され、かつ、お互いが交差することがないように形成されている。その他の構成は、図１の構成と同様である。

上記のように構成された本実施形態の赤外線センサＳの作用について次に説明する。赤外線センサＳの赤外線吸収膜１１に赤外線が入射すると、空洞部分２と赤外線吸収膜１１からなる受光領域が昇温し、アルミニウム膜７ａに伝わる。伝わった熱は、アルミニウム膜７ａを経由して速やかに熱電対９の温接部に伝達される。同時に冷接点と温度差が生じるため、ゼーベック効果により、起電力が発生し、取り出し電極２１から取り出される。また、起電力は、温接点と冷接点との温度差がなくなるまで発生する。熱電対９の温接点に伝わった熱は、アルミニウム膜７の配線から熱電対９の冷接点に伝わり、冷接点からシリコン基板３の支持部分１に伝わる。そのため、アルミニウム膜７の配線が長い場合と短い場合を比較すると、アルミニウム膜７の配線が長い方が、冷接点に熱が伝わり難くなるので、温接点と冷接点との温度差が生じる時間が長い。これによって、起電力の生じる時間が長くなり、感度を向上することができる赤外線センサを提供することができる。

なお、本発明は、上記各種実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、赤外線吸収膜の下部にアルミニウム膜と同等又はそれ以上に熱伝導率の良い金属膜を形成することにより、熱を効率良く熱電対の温接点に伝える形態も可能である。

（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサの平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ´線の断面図。 （ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサの平面図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ´線の断面図。 （ａ）は、従来の赤外線センサの平面図、（ｂ）は、（ａ）のＣ−Ｃ´線の断面図。

符号の説明

１ 支持部分
２ 空洞部分
３ シリコン基板
４ メンブレン膜
５ ポリシリコン膜
６ 絶縁膜
７ アルミニウム膜
７ａ アルミニウム膜
８ コンタクトホール
８ａ 第１のコンタクトホール
８ｂ 第２のコンタクトホール
９ 熱電対
１０ パッシベーション膜
１１ 赤外線吸収膜

Claims (2)

1. 熱電対を有するサーモパイル型の赤外線センサにおいて、
   支持部分と空洞部分を有するシリコン基板上に形成されたメンブレン膜と、
   前記メンブレン膜上に、前記空洞部分の上部から前記支持部分の上部にわたって形成されたポリシリコン膜と、
   前記ポリシリコン膜上に形成され、前記空洞部分の上部に形成された第１のコンタクトホールと、前記支持部分の上部に形成された第２のコンタクトホールを有する絶縁膜と、
   前記絶縁膜の上に、前記コンタクトホールを介して前記ポリシリコン膜と接続されるよう形成されたアルミニウム膜と、
   前記ポリシリコン膜と前記アルミニウム膜が前記絶縁膜のコンタクトホールを介して接続され、前記支持部分と前記空洞部分の上部にそれぞれ冷接点と温接点が形成された熱電対と、
   前記熱電対上に形成されたパッシベーション膜と、
   前記空洞部分の上部にある前記パッシベーション膜上に形成された赤外線吸収膜と、
   前記赤外線吸収膜の下部に形成された前記とは別のアルミニウム膜とを備えることを特徴とする赤外線センサ。
2. 前記熱電対を形成するアルミニウム膜の配線を絶縁膜上に引き回すことで、可及的に長くすることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
   
   
   

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