JP2007292561A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高性能化を図れる赤外線センサを提供する。
【解決手段】ベース基板１と、赤外線を吸収するとともに該吸収による温度変化を検知する温度検知部３と、温度検知部３がベース基板１の一表面から離間して配置されるように温度検知部３を支持して温度検知部３とベース基板１とを熱絶縁する断熱部４とを備える。断熱部４は、ベース基板１の上記一表面から離間して配置されベース基板１側とは反対側に温度検知部３が形成される支持部４１と、支持部４１とベース基板１とを連結した脚部４２，４２とを有する。断熱部４は、支持部４１および脚部４２，４２が多孔質材料により形成されており、支持部４１に、当該支持部４１の厚み方向に貫通する複数の空孔４１ｂが形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線センサに関するものである。

従来から、熱型の赤外線センサとして、温度検知部がベース基板の一表面から離間して配置され、温度検知部が当該温度検知部とベース基板とを熱絶縁する断熱部を介してベース基板に支持された赤外線センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に開示された赤外線センサでは、断熱部が、ベース基板の上記一表面から離間して配置されベース基板側とは反対側に温度検知部が積層される支持部と、支持部の側縁から延長された２つの脚部とで構成されており、支持部とベース基板の上記一表面との間に間隙が形成され、温度検知部に接続された金属配線が各脚部それぞれに沿って形成されている。ここにおいて、上記特許文献１に開示された赤外線センサでは、断熱部が、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜をパターニングすることにより形成されている。また、上記特許文献１に開示された赤外線センサでは、赤外線を吸収する赤外線吸収層が温度検知部に積層されている。

なお、上記特許文献１には、赤外線吸収層と温度検知部とを備えたセンサ部を２次元アレイ状（マトリクス状）に配列し各センサ部が画素を構成するようにした赤外線センサ（赤外線画像センサ）も開示されている。
特開２０００−９７７６５号公報

ところで、上記特許文献１に開示された赤外線センサでは、感度や応答速度などの性能の向上が期待されており、赤外線吸収による温度検知部の温度変化を大きくすることで高感度化を図るために、断熱部における各脚部の全長を長くして各脚部の熱コンダクタンスを小さくする（熱抵抗を大きくする）ことや、赤外線吸収層の厚さ寸法を大きくすることで赤外線の吸収効率を高めることが考えられる。

しかしながら、上記特許文献１に開示された赤外線センサでは、温度検知部のサイズを変更することなしに各脚部の全長を長くするように設計すると、センサ全体のサイズが大きくなってしまうとともに、各脚部の熱容量が大きくなって応答速度が低下してしまい、一方、赤外線吸収層の厚さ寸法を大きくすると赤外線吸収層の熱容量が大きくなって応答速度が低下してしまう。また、上記特許文献１に開示された赤外線センサでは、断熱部における支持部の熱容量を低減するために支持部の厚みを薄くすることが考えられるが、支持部の所望の機械的強度により支持部の厚みが制限されてしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、高性能化を図れる赤外線センサを提供することにある。

請求項１の発明は、ベース基板と、赤外線を吸収するとともに該吸収による温度変化を検知する温度検知部と、温度検知部がベース基板の一表面から離間して配置されるように温度検知部を支持して温度検知部とベース基板とを熱絶縁する断熱部とを備え、断熱部は、ベース基板の前記一表面から離間して配置され温度検知部が設けられた支持部と、支持部とベース基板とを連結した脚部とを有し、支持部は、当該支持部の厚み方向に貫通する複数の空孔が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、支持部に、当該支持部の厚み方向に貫通する複数の空孔が形成されているので、支持部の厚みを薄くすることなく支持部の熱容量を小さくできて、応答速度の高速化を図れる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記支持部は、前記空孔が前記厚み方向に直交する面内で２次元アレイ状に設けられてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記支持部の機械的強度の低下を防止しつつ前記支持部の断熱性を向上できる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記支持部は、多孔質材料により形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記支持部が非多孔質材料により形成されている場合に比べて、前記支持部の低熱容量化を図れ、応答速度のより一層の高速化を図れる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記脚部は、多孔質材料により形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記脚部が非多孔質材料により形成されている場合に比べて、前記脚部の熱コンダクタンスを小さくできて高感度化を図れるとともに前記脚部の熱容量を小さくできて応答速度の高速化を図れる。

請求項５の発明は、請求項３または請求項４の発明において、前記多孔質材料は、多孔質の酸化シリコン、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマー、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択される材料であることを特徴とする。

この発明によれば、前記断熱部において前記多孔質材料により形成される部位の形成にあたっては、ゾルゲル溶液を前記ベース基板の前記一表面側に回転塗布してから、乾燥させるプロセスを採用することができ、前記断熱部を容易に形成することが可能となる。

請求項１の発明は、高性能化を図れるという効果がある。

以下、本実施形態の赤外線センサについて図１を参照しながら説明する。

本実施形態の赤外線センサは、シリコン基板１ａと当該シリコン基板１ａの一表面側に形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁膜１ｂとで構成される矩形板状のベース基板１と、赤外線を吸収するとともに該吸収による温度変化を検知する温度検知部３と、温度検知部３がベース基板１の一表面（図１（ｂ）における上面）から離間して配置されるように温度検知部３を支持して温度検知部３とベース基板１とを熱絶縁する断熱部４とを備えている。

断熱部４は、ベース基板１の上記一表面から離間して配置されベース基板１側とは反対側に温度検知部３が形成される支持部４１と、支持部４１とベース基板１とを連結した２つの脚部４２，４２とを有している。なお、断熱部４については、後述する。

温度検知部３は、温度に応じて電気抵抗値が変化するボロメータ形のセンシングエレメントであり、支持部４１側のチタン膜と当該チタン膜上の窒化チタン膜とからなるセンサ層で構成されている。ここで、窒化チタン膜は、チタン膜の酸化防止膜として設けてある。なお、センサ層の材料としては、チタンに限らず、例えば、アモルファスシリコン、酸化バナジウムなどを採用してもよい。また、温度検知部３は、温度に応じて電気抵抗値が変化するセンシングエレメントに限らず、温度に応じて誘電率が変化するセンシングエレメント、サーモパイル型のセンシングエレメント、焦電型のセンシングエレメントなどを採用してもよく、いずれのセンシングエレメントを採用した場合でも、材料を適宜選択することで一般的な薄膜形成技術を利用して形成することができる。ここにおいて、温度に応じて誘電率の変化するセンシングエレメントの材料としては、例えば、ＰＺＴ、ＢＳＴなどを採用すればよい。

温度検知部３は、平面形状が蛇行した形状（ここでは、つづら折れ状の形状）に形成されており、両端部が断熱部４の脚部４２，４２に沿って延長された配線８，８を介してベース基板１の上記一表面上の金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜など）からなる導体パターン１０，１０と電気的に接続されている。ここにおいて、本実施形態では、配線８，８の材料として、温度検知部３を構成するセンサ層と同じ材料を採用しており（ここでは、チタン膜と窒化チタン膜との積層膜）、配線８，８と温度検知部３とを同時に形成している。また、本実施形態では、各導体パターン１０，１０の材料としてＡｌ−Ｓｉを採用しており、各導体パターン１０，１０それぞれの一部がパッドを構成しているので、一対のパッドを通して温度検知部３の出力を外部へ取り出すことができる。

また、本実施形態の赤外線センサでは、ベース基板１の上記一表面上に、温度検知部３および支持部４１を透過した赤外線を温度検知部３側へ反射する赤外線反射膜６が設けられている。ここにおいて、本実施形態の赤外線センサは、検出対象の赤外線として人体から放射される８μｍ〜１３μｍの波長帯の赤外線を想定しており、赤外線反射膜６の材料としては、Ａｌ−Ｓｉを採用している。

上述の断熱部４における脚部４２，４２は、ベース基板１の上記一表面側において導体パターン１０，１０上に立設された２つの円筒状の支持ポスト部４２ａ，４２ａと、各支持ポスト部４２ａ，４２ａそれぞれの上端部と支持部４１とを連結した梁部４２ｂ，４２ｂとで構成されており、支持部４１とベース基板１との間に間隙７が形成されている。ここで、支持部４１の外周形状が矩形状であって、各梁部４２ｂ，４２ｂは、支持部４１の一側縁の長手方向の一端部から当該一側縁に直交する方向に延長され更に当該一側縁の上記一端部から他端部に向う方向に沿って延長された平面形状に形成されており、支持部４１の厚み方向に沿った中心軸に対して回転対称性を有するように配置されている。なお、上述の配線８，８のうち脚部４２，４２の梁部４２ｂ，４２ｂ上に形成された部位の線幅は、当該配線８，８を通した熱伝達を抑制するために梁部４２ｂ，４２ｂの幅寸法よりも十分に小さく設定してある。また、配線８，８のうち支持ポスト部４２ａ，４２ａに形成されている部位は、支持ポスト部４２ａ，４２ａの内周面の全体と導体パターン１０，１０の表面とに跨って形成されており、支持ポスト部４２ａ，４２ａが配線８，８により補強されている。

ところで、本実施形態の赤外線センサでは、断熱部４における支持部４１に、当該支持部４１の厚み方向（図１（ｂ）における上下方向）に貫通する複数の円形状の空孔４１ｂが形成されている。ここにおいて、支持部４１は、複数の空孔４１ｂが当該支持部４１の厚み方向に直交する面内で２次元アレイ状に設けられている。具体的には、支持部４１は、単位格子が正方形の仮想的な２次元正方格子の各格子点に対応する部位に空孔４１ｂが設けられている。

また、本実施形態の赤外線センサでは、断熱部４の脚部４２，４２および支持部４１が多孔質材料により形成されている。ここで、断熱部４の脚部４２，４２および支持部４１の多孔質材料として、多孔質の酸化シリコンの一種であるポーラスシリカを採用しているが、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマーの一種であるメチル含有ポリシロキサン、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの一種であるＳｉ−Ｈ含有ポリシロキサン、シリカエアロゲルなどを採用してもよく、多孔質材料として、多孔質の酸化シリコン、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマー、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択される材料を採用すれば、断熱部４の形成にあたっては、ゾルゲル溶液をベース基板１の上記一表面側に回転塗布してから、乾燥させるプロセスを採用することができ、断熱部４を容易に形成することが可能となる。

ここにおいて、本実施形態における脚部４２，４２は、多孔度が６０％のポーラスシリカ膜（多孔質シリコン酸化膜）により構成してあるが、多孔度が小さ過ぎると十分な断熱効果が得られず多孔度が大き過ぎると機械的強度が弱くなって構造形成が困難となるので、ポーラスシリカ膜の多孔度は例えば４０％〜８０％程度の範囲内で適宜設定すればよい。

ここで、２つの脚部４２，４２合計の熱コンダクタンスＧは、脚部４２の材料の熱伝導率をα〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、脚部４２の長さをＬ〔μｍ〕、脚部４２の断面積をＳとすれば、Ｇ＝２×α×（Ｓ／Ｌ）で求められるが、仮に、脚部４２の材料がＳｉＯ_２の場合には、α＝１．４〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、Ｌ＝５０〔μｍ〕、Ｓ＝１０〔μｍ^２〕とすれば、熱コンダクタンスＧは、
Ｇ＝２×α×（Ｓ／Ｌ）＝５６０×１０^−９〔Ｗ／Ｋ〕となる。

これに対して、本実施形態のように、脚部４２を多孔度が６０％のポーラスシリカ膜により構成している場合には、α＝０．０５〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、Ｌ＝５０〔μｍ〕、Ｓ＝１０〔μｍ^２〕とすれば、熱コンダクタンスＧは、
Ｇ＝２×α×（Ｓ／Ｌ）＝２．０×１０^−８〔Ｗ／Ｋ〕
となり、熱コンダクタンスＧを脚部４２がシリコン酸化膜により構成される比較例の熱コンダクタンスＧの１０分の１よりも小さな値とすることができ、脚部４２，４２を通した熱伝達をより抑制することができ、高感度化を図れる。

また、支持部４１の熱容量Ｃは、支持部４１の体積比熱をｃ_v、支持部４１の面積（厚み方向に直交する断面の面積）をＡ〔μｍ^２〕、支持部４１の厚さをｄ〔μｍ〕とすれば、Ｃ＝ｃ_v×Ａ×ｄで求められる。ここで、仮に、支持部４１の材料がＳｉＯ_２の場合には、ｃ_v＝１．８×１０^６〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕、Ａ＝２５００〔μｍ^２〕、ｄ＝０．５〔μｍ〕とすれば、支持部４１の熱容量Ｃは、
Ｃ＝ｃ_v×Ａ×ｄ＝２２．６×１０^−１０〔Ｊ／Ｋ〕となる。

これに対して、本実施形態のように、支持部４１を多孔度が６０％のポーラスシリカ膜により構成し、複数の空孔４１ｂを設けていない場合には、ｃ_v＝０．８８×１０^６〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕、Ａ＝２５００〔μｍ^２〕、ｄ＝０．５〔μｍ〕とすれば、支持部４１の熱容量Ｃは、
Ｃ＝ｃ_v×Ａ×ｄ＝１１．０×１０^−１０〔Ｊ／Ｋ〕
となり、支持部４１の熱容量Ｃを支持部４１がシリコン酸化膜により構成される比較例の場合に比べて半分よりも小さな値とすることができ、時定数が小さくなって応答速度の高速化を図れる。その上、本実施形態では、支持部４１に複数の空孔４１ｂを設けているので、複数の空孔４１ｂを設けることによって支持部４１の体積を各空孔４１ｂが設けられていない場合に比べて５分の１だけ低減したとすると、支持部４１の熱容量Ｃは、
Ｃ＝０．８×（１１．０×１０^−１０）＝８．８×１０^−１０〔Ｊ／Ｋ〕
となり、支持部４１の熱容量をさらに小さな値とすることができ、応答速度のより一層の高速化を図れる。

以下、本実施形態の赤外線センサの製造方法について図２〜図３を参照しながら説明する。なお、図２〜図３では、図１（ｂ）と同様に、図１（ａ）のＡ−Ａ’断面に対応する部位の断面を示してある。

まず、ベース基板１の基礎となる単結晶のシリコン基板（後述のダイシングを行うまではウェハ）１ａの一表面側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜１ｂを例えば熱酸化法により形成することによって、図２（ａ）に示す構造を得る。

その後、シリコン基板１ａと絶縁膜１ｂとからなるベース基板１の一表面側（図２（ａ）における上面側）の全面に導体パターン１０，１０および赤外線反射膜６の材料からなる金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜など）をスパッタ法などにより成膜した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記金属膜をパターニングすることでそれぞれ上記金属膜の一部からなる導体パターン１０，１０および赤外線反射膜６を形成することによって、図２（ｂ）に示す構造を得る。

次に、ベース基板１の上記一表面側の全面にレジストを回転塗布してレジスト層からなる犠牲層２１を成膜し、その後、犠牲層２１のうち各支持ポスト部４２ａ，４２ａそれぞれの形成予定領域に対応する部位をエッチングして導体パターン１０，１０の一部の表面を露出させる円形状の開孔部２３，２３を形成することによって、図２（ｃ）に示す構造を得る。

続いて、ベース基板１の上記一表面側の全面に断熱部４の材料である多孔質材料（例えば、ポーラスシリカ、シリカエアロゲルなど）からなる多孔質膜４０を成膜することによって、図２（ｄ）に示す構造を得る。ここにおいて、多孔質膜４０の形成にあたっては、上記多孔質材料がポーラスシリカの場合には、ゾルゲル溶液をベース基板１の上記一表面側に回転塗布してから、熱処理で乾燥させるプロセスを採用することで容易に形成することができ、上記多孔質材料がシリカエアロゲルの場合には、ゾルゲル溶液をベース基板１の上記一表面側に回転塗布してから、超臨界乾燥処理で乾燥させるプロセスを採用することで容易に形成することができる。

上述の多孔質膜４０を成膜した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して多孔質膜４０をパターニングすることで断熱部４（支持部４１および脚部４２，４２）を形成することによって、図３（ａ）に示す構造を得る。

その後、ベース基板１の上記一表面側の全面に温度検知部３であるセンサ層および配線８，８の基礎となるチタン膜と窒化チタン膜との積層膜からなるセンサ材料層３０をスパッタ法などにより成膜することによって、図３（ｂ）に示す構造を得る。

次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してセンサ材料層３０をパターニングすることでそれぞれセンサ材料層３０の一部からなる温度検知部３および配線８，８を形成することによって、図３（ｃ）に示す構造を得る。

続いて、ベース基板１の上記一表面側の犠牲層２１を選択的にエッチング除去することによって、図３（ｄ）に示す構造の赤外線センサを得てから、ダイシングを行うことで個々の赤外線センサに分割すればよい。

以上説明した本実施形態の赤外線センサでは、温度検知部３とベース基板１とを熱絶縁する断熱部４における支持部４１に、当該支持部４１の厚み方向に貫通する複数の空孔４１ｂが形成されているので、支持部４１の厚みを薄くすることなく支持部４１の熱容量を小さくできて、応答速度の高速化を図れる。また、本実施形態の赤外線センサでは、支持部４１において上述の複数の空孔４１ｂが支持部４１の厚み方向に直交する面内で２次元アレイ状に設けられているので、支持部４１の機械的強度の低下を防止しつつ支持部４１の断熱性を向上できる。

また、本実施形態の赤外線センサでは、支持部４１が多孔質材料により形成されているので、支持部４１がＳｉＯ_２やＳｉ_３Ｎ_４などの非多孔質材料により形成されている場合に比べて、支持部４１の低熱容量化を図れ、応答速度のより一層の高速化を図れる。さらに、本実施形態の赤外線センサでは、断熱部４における脚部４２も多孔質材料により形成されているので、脚部４２がＳｉＯ_２やＳｉ_３Ｎ_４などの非多孔質材料により形成されている場合に比べて、脚部４２の熱コンダクタンスを小さくできて高感度化を図れるとともに脚部４２の熱容量を小さくできて応答速度の高速化を図れるから、従来に比べて高性能となる。

また、本実施形態の赤外線センサでは、ベース基板１の上記一表面側に、温度検知部３および支持部４１を透過した赤外線を温度検知部３側へ反射する赤外線反射膜６が設けられているので、温度検知部３での赤外線の吸収効率を高めることができ、温度検知部３の高感度化を図れる。

ところで、上述の実施形態で説明した支持部４１は、シート状の多孔質シリカ膜に対して、単位格子が正方形の仮想的な２次元正方格子の各格子点に対応する各部位に円形状の空孔４１ｂを設けることにより形成されているが、単位格子は正方形に限らず、例えば正三角形でもよく、この場合には単位格子が正三角形の仮想的な２次元三角格子の各格子点に対応する部位に空孔４１ｂを設ければよい。また、支持部４１に形成する空孔４１ｂの開口形状（平面視形状）は円形状の形状に限定するものではなく、例えば三角形状や矩形状や正六角形状など別の開口形状でもよい。例えば、空孔４１ｂの開口形状を正六角形状とした場合には、空孔４１ｂの開口形状を円形状とする場合に比べて空孔４１ｂの配置密度を高めることが可能となり、図４に示すように空孔４１ｂをハニカム状に配置することで支持部４１の体積をより一層低減できて支持部４１の低熱容量化を図れる。

なお、上記実施形態にて説明した赤外線センサは、温度検知部３を１つだけ設けた赤外線検出素子であるが、温度検知部３を２次元アレイ状（マトリクス状）に配列し各温度検知部が画素を構成するようにした赤外線画像センサでもよい。また、上記実施形態にて説明した赤外線センサは、支持部４１におけるベース基板１側とは反対側に温度検知部３を設けてあるが、温度検知部３は支持部４１におけるベース基板１側に設けてもよい。

実施形態を示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。 同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上の他の構成例の要部概略平面図である。

符号の説明

１ ベース基板
１ａ シリコン基板
１ｂ 絶縁膜
３ 温度検知部
４ 断熱部
６ 赤外線反射膜
７ 間隙
８ 配線
１０ 導体パターン
４１ 支持部
４１ｂ 空孔
４２ 脚部

Claims (5)

1. ベース基板と、赤外線を吸収するとともに該吸収による温度変化を検知する温度検知部と、温度検知部がベース基板の一表面から離間して配置されるように温度検知部を支持して温度検知部とベース基板とを熱絶縁する断熱部とを備え、断熱部は、ベース基板の前記一表面から離間して配置され温度検知部が設けられた支持部と、支持部とベース基板とを連結した脚部とを有し、支持部は、当該支持部の厚み方向に貫通する複数の空孔が形成されてなることを特徴とする赤外線センサ。
2. 前記支持部は、前記空孔が前記厚み方向に直交する面内で２次元アレイ状に設けられてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
3. 前記支持部は、多孔質材料により形成されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の赤外線センサ。
4. 前記脚部は、多孔質材料により形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
5. 前記多孔質材料は、多孔質の酸化シリコン、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマー、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択される材料であることを特徴とする請求項３または請求項４記載の赤外線センサ。

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