JP2008082791A

JP2008082791A - 赤外線センサ

Info

Publication number: JP2008082791A
Application number: JP2006261503A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Watabe; 祥文渡部; Koji Tsuji; 幸司辻
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2008-04-10

Abstract

【課題】従来に比べて応答速度の高速化を図れる赤外線センサを提供する。
【解決手段】熱絶縁用の空洞１５を有するベース基板１０の一表面側で平面視において空洞１５の内周線１５ａの内側に位置する赤外線受光部３０が複数の梁部２０を介してベース基板１０に支持されている。赤外線受光部３０は、感熱材料の一種であるサーミスタ材料により形成され梁部２０を介してベース基板１０に支持された温度検知部３５と、赤外線吸収材料であるポーラスシリカのみにより形成され温度検知部３５に接触した赤外線吸収部４０とで構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロマシニング技術などを利用して形成される熱型の赤外線センサに関するものである。

従来から、この種の赤外線センサとして、熱絶縁用の空洞を有するベース基板の一表面側で平面視において空洞の内周線の内側に位置する赤外線受光部が複数の梁部を介してベース基板に支持され、当該赤外線受光部が、複数の梁部を介してベース基板に支持されたベース部と、ベース部上に形成された温度検知部と、温度検知部におけるベース部側とは反対側に形成された赤外線吸収部とで構成された赤外線センサが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

ところで、上記特許文献１に開示された赤外線センサは、ベース基板の上記一表面に平行な面内で赤外線受光部が２次元アレイ状に配列された赤外線画像センサであり、感度を高めるために、各梁部の断面形状をアーチ状の形状とすることで、各画素（セル）の開口率（赤外線受光部の面積が画素サイズの面積に占める割合）を変化させることなく各梁部の全長を長くして各梁部の熱コンダクタンスを低減している。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は、シリコン基板を用いてベース基板を形成してあり、ベース部および各梁部を、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜などの誘電体膜により構成した例や、多結晶シリコン膜とシリコン酸化膜からなる誘電体膜との積層膜により構成した例が開示されている。

また、上記特許文献１に開示された赤外線センサは、ベース部の外周方向において隣り合う梁部の一方の梁部に設けられたｎ形多結晶シリコン層からなるｎ形半導体エレメントと他方の梁部に設けられたｐ形多結晶シリコン層からなるｐ形半導体エレメントとがベース部上において金属材料（例えば、アルミニウムなど）からなる接合部を介して接続されており、ｎ形半導体エレメントおよびｐ形半導体エレメントの各一端部と接合部とからなる温接点部が、温度検知部を構成している。

また、上記特許文献２に開示された赤外線センサは、応答速度の向上を図るために、赤外線吸収部と温接点部からなる温度検知部との間に高熱伝導層を形成することにより、赤外線吸収部から温度検知部への熱伝達速度を向上させている。ここにおいて、上記特許文献２に開示された赤外線センサは、シリコン基板を用いてベース基板を形成してあり、ベース部をシリコン窒化膜からなる誘電体膜により構成するとともに、梁部をシリコン窒化膜からなる第１の誘電体膜とシリコン酸化膜からなる第２の誘電体膜との積層膜で構成し、各梁部にｎ形半導体エレメントおよびｐ形半導体エレメントを埋設した例が開示されている。

なお、上記特許文献１，２には、サーモパイル型の赤外線センサに限らず、例えば、抵抗ボロメータ型の赤外線センサについても同様の技術を適用できることが記載されている。
特開平１１−２５８０３９号公報特許第３３３９２７６号公報

ところで、上記特許文献１，２に開示された赤外線センサでは、赤外線受光部が温度検知部や赤外線吸収部を支持するベース部を備え、ベース部がシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの誘電体膜を含んでいるので、ベース部の熱容量に起因して応答速度が遅く、特に赤外線受光部が２次元アレイ状に配列された赤外線画像センサでは応答性の向上が望まれている。

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、従来に比べて応答速度の高速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、熱絶縁用の空洞を有するベース基板の一表面側で平面視において空洞の内周線の内側に位置する赤外線受光部が複数の梁部を介してベース基板に支持された赤外線センサであって、赤外線受光部は、感熱材料により形成され梁部を介してベース基板に支持された温度検知部と、赤外線吸収材料のみにより形成され温度検知部に接触した赤外線吸収部とからなることを特徴とする。

この発明によれば、赤外線受光部が、感熱材料により形成され梁部を介してベース基板に支持された温度検知部と、赤外線吸収材料のみにより形成され温度検知部に接触した赤外線吸収部とで構成されており、温度検知部および赤外線吸収部を支持するためのベース部がないので、赤外線受光部の熱容量を小さくでき、応答速度を向上することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記赤外線吸収材料が多孔性材料であることを特徴とする。

この発明によれば、前記赤外線吸収材料が非多孔性材料である場合に比べて、単位体積当たりの前記赤外線吸収部の熱容量を小さくでき、応答速度の高速化を図れる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記赤外線吸収材料が貴金属であることを特徴とする。

この発明によれば、製造時において前記空洞を形成するエッチング時に前記赤外線吸収部がエッチングダメージを受けにくいので、製造が容易になる。

請求項１の発明は、という効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の赤外線センサは、図１（ａ），（ｂ）に示すように、熱絶縁用の空洞１５を有するベース基板１０の一表面側で平面視において空洞１５の内周線１５ａの内側に位置する赤外線受光部３０が上記一表面に沿って形成された複数（本実施形態では、２つ）の梁部２０を介してベース基板１０に支持されている。

ベース基板１０は、シリコン基板からなる半導体基板１０ａを用いて形成されており、半導体基板１０ａの一表面上に絶縁層１１が形成されている。ここで、絶縁層１１は、半導体基板１０ａの上記一表面上に形成されたシリコン窒化膜により構成されているが、シリコン酸化膜により構成してもよいし、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜により構成してもよい。

各梁部２０は一端部がベース基板１の上記一表面側において空洞１５の周部上で金属材料（例えば、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉなど）により形成された金属配線１３と接続され、他端部が赤外線受光部３０に連結されている。本実施形態では、赤外線受光部３０の平面視形状が矩形状（ここでは、正方形状）であり、各梁部２０は、全ての梁部２０で赤外線受光部３０の外周縁の略全周を囲むような形状に形成されている。具体的には、各梁部２０の平面視形状は、赤外線受光部３０の隣り合う２辺に沿ったＬ字状となっている。

ところで、本実施形態の赤外線センサは、抵抗ボロメータ型の赤外線画像センサであり、各梁部２０が、配線材料（好ましくは、耐薬品性に優れたＴｉ、Ｗ、Ｍｏなどの炭化物や窒化物、Ｐｔ、Ｉｒなどの貴金属）のみにより形成されていて各梁部２０が配線を構成しており、赤外線受光部３０が、感熱材料の一種であるサーミスタ材料（例えば、アモルファスシリコン、チタン、酸化バナジウムなど）により形成された温度検知部３５と、赤外線吸収材料（例えば、ポーラスシリカなどの多孔性材料など）のみにより形成された赤外線吸収部４０とにより構成されている。なお、赤外線受光部３０の平面視形状は赤外線吸収部４０と同じである。

温度検知部３５は、平面形状が蛇行した形状（本実施形態では、つづら折れ状の形状）に形成されており、両端部それぞれが、上記配線材料のみにより形成された梁部２０と電気的に接続されている。

以上説明した本実施形態の赤外線センサでは、赤外線受光部３０が、感熱材料により形成され梁部２０を介してベース基板１０に支持された温度検知部３５と、赤外線吸収材料のみにより形成され温度検知部３５に熱伝導を阻害する中間層などを介さずに接触（つまり、直接接触）した赤外線吸収部４０とで構成されており、温度検知部３５および赤外線吸収部４０を支持するためのベース部がないので、赤外線吸収部４０を備えた構成において赤外線受光部３０の熱容量を小さくでき、応答速度の高速化を図ることができる。また、本実施形態の赤外線センサでは、上記赤外線吸収材料が多孔性材料なので、ＳｉＯＮやＳｉ_３Ｎ_４などの非多孔性材料である場合に比べて、単位体積当たりの赤外線吸収部４０の熱容量を小さくでき、応答速度のより一層の高速化を図れる。
また、梁部２０が配線材料のみにより形成されているので、従来に比べて梁部２０の熱コンダクタンスを小さくすることができ、高感度化を図れるという利点もある。

なお、本実施形態では、各梁部２０を配線材料により形成してあるが、配線材料に限らず、サーミスタ材料により形成してもよく、この場合には、温度検知部３５と各梁部２０とを連続一体に形成することが可能となり、製造プロセスの簡略化を図れるという利点がある。

（実施形態２）
実施形態１の赤外線センサは、温度検知部３５がサーミスタ材料により形成された抵抗ボロメータ型の赤外線センサであるのに対して、本実施形態の赤外線センサは、サーモパイル型の赤外線センサであり、図２（ａ），（ｂ）に示すように、各梁部２０が感熱材料の一種である熱電材料（例えば、ｎ形の多結晶シリコン、ｐ形の多結晶シリコンなど）により形成された半導体エレメント２１ａ，２１ｂと半導体エレメント２１ａ，２１ｂを覆うシリコン酸化膜からなる保護膜２２ａ，２２ｂとで構成されている点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の赤外線センサでは、温度検知部３５を、ｐ形の多結晶シリコンからなる半導体エレメント２１ａのうち赤外線吸収部４０と重なって中間層を介さずに接触（つまり、直接接触）している部分およびｎ形多結晶シリコンからなる半導体エレメント２１ｂのうち赤外線吸収部４０と重なって中間層を介さずに接触（つまり、直接接触）している部分により構成し、赤外線吸収部４０の赤外線吸収材料として貴金属（例えば、金黒など）を採用している。なお、本実施形態では、各半導体エレメント２１ａ，２１ｂにおける赤外線吸収部４０側とは反対側の端部が金属配線１３，１３と接続されている。また、本実施形態では、赤外線吸収部４０の赤外線吸収材料として貴金属を採用しているので、製造時において空洞１５を形成するエッチング時に赤外線吸収部４０がエッチングダメージを受けにくいので、製造が容易になる。

ところで、上述の各実施形態の赤外線センサは、赤外線受光部３０を２次元アレイ状に配列した赤外線画像センサであり、高感度化および応答速度の高速化の効果が大きく、上述のように、ベース基板１０がシリコン基板からなる半導体基板１０ａを用いて形成されていることにより、ベース基板１０への回路（駆動回路、信号処理回路など）の一体化が容易になるが、赤外線受光部３０を１つだけ設けた赤外線センサでもよいことは勿論である。

実施形態１を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。実施形態２を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。

符号の説明

１０ベース基板
１０ａ半導体基板（シリコン基板）
１５空洞
１５ａ内周線
２０梁部
３０赤外線受光部
３５温度検知部
４０赤外線吸収部

Claims

熱絶縁用の空洞を有するベース基板の一表面側で平面視において空洞の内周線の内側に位置する赤外線受光部が複数の梁部を介してベース基板に支持された赤外線センサであって、赤外線受光部は、感熱材料により形成され梁部を介してベース基板に支持された温度検知部と、赤外線吸収材料のみにより形成され温度検知部に接触した赤外線吸収部とからなることを特徴とする赤外線センサ。
前記赤外線吸収材料が多孔性材料であることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
前記赤外線吸収材料が貴金属であることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。