JP2008134113A - 赤外線センサおよび赤外線センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ特性が良好で、しかも低コストで製造し得る赤外線センサを提供する。
【解決手段】支持体（シリコン基板１１および絶縁層１２）の上に熱電対２が配設されると共に熱電対２における温接点２ｈの下方に空隙Ｓが形成されたサーモパイル型のイメージセンサ１（赤外線センサ）であって、支持体上における空隙Ｓの非形成領域Ａ２に絶縁層１４が形成されると共に絶縁層１４および空隙Ｓの上にダイヤフラム層１５が形成されてダイヤフラム層１５の上に熱電対２が形成され、かつ、支持体における空隙Ｓを構成する部位（絶縁層１２）、絶縁層１４およびダイヤフラム層１５がエッチング用の気体または液体に対して耐性を有する耐エッチング材料で形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱起電力効果を利用して赤外線を検出するサーモパイル型の赤外線センサ、およびその製造方法に関するものである。

この種の赤外線センサとして、シリコン基板をエッチング液に浸して熱電対の下方に空洞（熱電対の応答性を向上させるために熱伝導を抑えるための空隙）を形成した赤外線センサが特開平２−２０５７２９号公報に開示されている。この赤外線センサの製造に際しては、まず、シリコン基板の表面を窒化処理して窒化膜を形成し、その上に金属パターン（熱電対を構成する電極）、絶縁膜、および赤外線の吸収層をこの順で形成する。次いで、吸収層、絶縁層および窒化膜を貫通してシリコン基板の表面に達する深さの孔（エッチングホール）を形成した後に、この状態のシリコン基板を異方性エッチング液に浸漬する。この際には、上記の孔から侵入したエッチング液によってシリコン基板の厚み方向における窒化膜側の一部がエッチングされて除去される。これにより、金属パターン（熱電対における温接点）の下方に空隙が形成されて赤外線センサが完成する。

一方、特開平６−２８３７６６号公報には、熱電対の形成面の裏面側から基材をエッチングして熱電対の下方に空隙を形成した赤外線センサが開示されている。この赤外線センサの製造に際しては、まず、半導体基板（基材）を酸化処理して上面絶縁薄膜および下面絶縁薄膜を形成する。次いで、下面絶縁薄膜における中央部の領域（後に空隙を形成する領域）をエッチングによって除去する。続いて、下部電極、焦電体薄膜および上部電極をこの順で積層することで焦電素子部を上面絶縁薄膜の上に形成すると共に、熱電材料甲および熱電材料乙を上面絶縁薄膜の上に配設して複数のサーモパイル部を上面絶縁薄膜の上に形成する。次いで、中央部領域が除去された下面絶縁薄膜をマスクとして用いて半導体基板をエッチングする。この際には、下面絶縁薄膜（マスク）から露出している領域（中央部の領域）がエッチングによって除去されて、サーモパイル部における温接点および焦電素子部の下方に空洞域（空隙）が形成される。これにより、赤外線センサが完成する。
特開平２−２０５７２９号公報（第２−３頁、第１−２図） 特開平６−２８３７６６号公報（第２−６頁、第１−５図）

ところが、従来の赤外線センサおよびその製造方法には、以下の問題点が存在する。すなわち、特許文献１に開示されている赤外線センサでは、熱電対における温接点の下方に所望の広さの空隙を形成するために、異方性エッチング液を使用してシリコン基板をエッチングする製造方法を採用することで、シリコン基板の平面方向に沿って空隙が過剰に拡がって形成される事態を回避しようとしている。この場合、従来の赤外線センサの製造方法では、熱電対の形成面側（窒化膜の形成面側）からシリコン基板をエッチングして空隙を形成するため、熱電対の応答性を十分に向上させ得る程度に十分な高さの空隙を形成するには、シリコン基板を十分に長い時間だけエッチング液に浸漬した状態を維持する必要がある。このため、異方性エッチング液を使用しているにも拘わらず、長時間に亘ってエッチング液にシリコン基板を浸漬した状態を維持することに起因して、シリコン基板に形成される空隙がその平面方向に沿って過剰に拡がるおそれがある。

この場合、サーモパイル型の赤外線センサでは、温接点および冷接点の温度差に伴う熱起電力効果を利用して赤外線を検出する構成が採用されている。したがって、上記のようにしてシリコン基板の平面方向に沿って空隙が過剰に拡がることで、温接点の下方のみならず冷接点の下方にまで空隙が拡がって形成された状態では、温接点および冷接点の間に温度差が生じ難くなり、赤外線を精度よく検出するのが困難となるおそれがある。このように、この従来の赤外線センサおよびその製造方法では、熱電対における温接点の下方に所望の広さの空隙を形成するのが困難であることに起因して、センサ特性が悪化しているという問題点がある。

一方、特許文献２に開示されている赤外線センサでは、下面絶縁薄膜をマスクとして用いて半導体基板をエッチングする製造方法を採用したことにより、サーモパイル部（熱電対）における温接点の下方に所望の広さの空隙が形成されている。この場合、熱電対のセンサ特性を向上させるには、空隙の形成時において、半導体基板における温接点の下方の領域をエッチングによって完全に除去して上面絶縁薄膜を露出させるのが好ましい。しかしながら、半導体基板が厚い（下面絶縁薄膜および上面絶縁薄膜の間の距離が長い）ため、この厚手の半導体基板をエッチングによって完全に除去するには非常に長い時間を要する。したがって、この従来の赤外線センサおよびその製造方法には、空隙の形成に要する時間が長いことに起因して製造コストの低減が困難となっているという問題点がある。また、特許文献１に開示されている赤外線センサと同様にして、長時間に亘って半導体基板に対するエッチングを継続して実行することに起因して、半導体基板の平面方向に沿って空隙が過剰に拡がって形成されるおそれがあるという問題点も存在する。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、センサ特性が良好で、しかも低コストで製造し得る赤外線センサ、およびその製造方法を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の赤外線センサは、支持体の上に熱電対が配設されると共に当該熱電対における温接点の下方に空隙が形成されたサーモパイル型の赤外線センサであって、前記支持体上における前記空隙の非形成領域に絶縁性支持層が形成されると共に当該絶縁性支持層および当該空隙の上にダイヤフラム層が形成されて当該ダイヤフラム層の上に前記熱電対が形成され、かつ、前記支持体、前記絶縁性支持層および前記ダイヤフラム層における少なくとも前記空隙を構成する部位がエッチング用の気体または液体に対して耐性を有する耐エッチング材料で形成されている。なお、本発明は、支持体、絶縁性支持層およびダイヤフラム層における少なくとも空隙を構成する各部位を互いに相違する種類の耐エッチング材料で形成した構成のみならず、各部位のうちのいずれか２つ、または、各部位のすべてを同一種類の耐エッチング材料で形成した構成を採用することができる。

また、請求項２記載の赤外線センサは、請求項１記載の赤外線センサにおいて、前記熱電対を覆うようにして絶縁性保護層が形成されている。

さらに、請求項３記載の赤外線センサは、請求項１または２記載の赤外線センサにおいて、前記熱電対における温接点の上に赤外線吸収層が形成されている。

また、請求項４記載の赤外線センサは、請求項１から３のいずれかに記載の赤外線センサにおいて、前記支持体が、エッチング用の前記気体または前記液体に対して耐性を有する耐エッチング材料で形成された絶縁層がシリコン層の上に形成されて構成され、前記絶縁性支持層および前記ダイヤフラム層が、エッチング用の前記気体または前記液体に対して耐性を有する耐エッチング材料でその全体が形成されている。

また、請求項５記載の赤外線センサの製造方法は、支持体の上に熱電対が配設されると共に当該熱電対における温接点の下方に空隙が形成されたサーモパイル型の赤外線センサを製造する際に、少なくとも前記空隙を構成する部位がエッチング用の気体または液体に対して耐性を有する耐エッチング材料で形成された前記支持体を用いて当該支持体上における前記空隙の形成領域に被エッチング層を形成する被エッチング層形成処理と、エッチング用の前記気体または前記液体に対して耐性を有する耐エッチング材料で前記支持体上における前記空隙の非形成領域に絶縁性支持層を形成する支持層形成処理と、エッチング用の前記気体または前記液体に対して耐性を有する耐エッチング材料で前記被エッチング層および前記絶縁性支持層の上にダイヤフラム層を形成するダイヤフラム層形成処理と、前記ダイヤフラム層の上に前記熱電対を形成する熱電対形成処理と、前記被エッチング層の表面に到達する深さのエッチングホールを形成するエッチングホール形成処理と、前記エッチングホールからエッチング用の前記気体または前記液体を導入して前記被エッチング層を選択的にエッチングして前記空隙を形成する空隙形成処理とをこの順で実行する。なお、本発明は、支持体における少なくとも空隙を構成する部位、絶縁性支持層およびダイヤフラム層の３つを互いに相違する種類の耐エッチング材料で形成する方法のみならず、３つのうちのいずれか２つ、または、３つのすべてを同一種類の耐エッチング材料で形成する方法を採用することができる。

さらに、請求項６記載の赤外線センサの製造方法は、請求項５記載の赤外線センサの製造方法において、前記熱電対を覆うようにして絶縁性保護層を形成する保護層形成処理を前記空隙形成処理に先立って実行する。

また、請求項７記載の赤外線センサの製造方法は、請求項５または６記載の赤外線センサの製造方法において、前記熱電対における温接点の上に赤外線吸収層を形成する赤外線吸収層形成処理を実行する。

さらに、請求項８記載の赤外線センサの製造方法は、請求項５から７のいずれかに記載の赤外線センサの製造方法において、第１のシリコン層の上に絶縁層および第２のシリコン層がこの順で形成されたＳＯＩ基板を用いると共に当該第１のシリコン層および当該絶縁層を前記支持体として当該第２のシリコン層に対するパターニング処理を実行して前記形成領域に当該第２のシリコン層からなる前記被エッチング層を形成する。

請求項１記載の赤外線センサによれば、支持体、絶縁性支持層およびダイヤフラム層における少なくとも空隙を構成する部位をエッチング用の気体または液体に対して耐性を有する耐エッチング材料で形成したことにより、その製造時において熱電対の下に空隙を形成する際に、支持体、絶縁性支持層およびダイヤフラム層がエッチング用の液体または気体によって浸食されて支持体の平面方向に向かって空隙が過剰に拡がることなく、所望の大きさの空隙を熱電対の下に形成することができる。したがって、熱電対における冷接点の下方まで空隙が拡がって形成されることがないため、センサ特性の良好な赤外線センサを提供することができる。

請求項２記載の赤外線センサによれば、熱電対を覆うようにして絶縁性保護層を形成したことにより、絶縁性保護層の形成によってその機械的強度を十分に高めることができるため、空隙の形成部位においてダイヤフラム層および熱電対等が破損する事態を十分に回避することができる。

請求項３記載の赤外線センサによれば、熱電対における温接点の上に赤外線吸収層を形成したことにより、赤外線吸収層によって赤外線の照射時における温接点と冷接点との温度差を十分に高めることができる結果、その感度を十分に高めることができる。

請求項４記載の赤外線センサによれば、耐エッチング材料で形成された絶縁層をシリコン層の上に形成して支持体を構成すると共に、絶縁性支持層およびダイヤフラム層の全体を耐エッチング材料で形成したことにより、例えば、市場に大量に流通する汎用のＳＯＩ基板を利用して支持体を形成することができるため、製造コストを十分に低減することができ、しかも、短時間で製造することができる。また、絶縁性支持層およびダイヤフラム層における空隙を構成する部位のみを耐エッチング材料で形成した構成とは異なり、１種類の材料で絶縁性支持層を形成すると共に、１種類の材料でダイヤフラム層を形成することができるため、その製造コストを十分に低減することができ、しかも、短時間で製造することができる。

請求項５記載の赤外線センサの製造方法によれば、少なくとも空隙を構成する部位がエッチング用の気体または液体に対して耐性を有する耐エッチング材料で形成された支持体を用いてその支持体上における空隙の形成領域に被エッチング層を形成する被エッチング層形成処理と、支持体上における空隙の非形成領域に耐エッチング材料で絶縁性支持層を形成する支持層形成処理と、被エッチング層および絶縁性支持層の上に耐エッチング材料でダイヤフラム層を形成するダイヤフラム層形成処理と、ダイヤフラム層の上に熱電対を形成する熱電対形成処理と、被エッチング層の表面に到達する深さのエッチングホールを形成するエッチングホール形成処理と、エッチングホールからエッチング用の気体または液体を導入して被エッチング層を選択的にエッチングして空隙を形成する空隙形成処理とをこの順で実行して赤外線センサを製造することにより、支持体において空隙を構成する部位、ダイヤフラム層および絶縁性支持層で囲われている部位にエッチング用の気体または液体を導入して被エッチング層を除去するだけで熱電対における温接点の下方に所望の広さの空隙を形成することができるため、支持体の平面方向に向かって空隙が過剰に拡がる事態を確実かつ容易に回避することができる。したがって、熱電対における冷接点の下方まで空隙が拡がって形成される事態を回避できるため、センサ特性の良好な赤外線センサを提供することができる。また、薄厚の被エッチング層を除去することで空隙を形成することができるため、厚手の半導体基板を除去する従来の製造方法とは異なり、空隙の形成に要する時間（エッチング処理の時間）を十分に短縮することができる。これにより、赤外線センサの製造コストを十分に低減することができる。

請求項６記載の赤外線センサの製造方法によれば、熱電対を覆うようにして絶縁性保護層を形成する保護層形成処理を空隙形成処理に先立って実行することにより、絶縁性保護層の形成によってその機械的強度を十分に高めた状態の積層体（支持体、絶縁性支持層およびダイヤフラム層の積層体）に対してエッチング処理（空隙形成処理）を実行することができる。したがって、空隙の形成処理時、または、空隙の形成完了後にダイヤフラム層および熱電対等が破損する事態を十分に回避することができる。

請求項７記載の赤外線センサの製造方法によれば、熱電対における温接点の上に赤外線吸収層を形成する赤外線吸収層形成処理を実行することにより、形成した赤外線吸収層によって赤外線の照射時における温接点と冷接点との温度差を十分に高めることができる結果、高感度の赤外線センサを提供することができる。

請求項８記載の赤外線センサの製造方法によれば、ＳＯＩ基板における第１のシリコン層および絶縁層を支持体として第２のシリコン層に対するパターニング処理を実行して形成領域に第２のシリコン層からなる被エッチング層を形成することにより、市場に大量に流通する汎用のＳＯＩ基板を利用して赤外線センサの製造コストを十分に低減することができ、しかも、短時間で製造することができる。

以下、本発明に係る赤外線センサおよび赤外線センサの製造方法の最良の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、本発明に係る赤外線センサの製造方法に従って製造した赤外線イメージセンサ１の構成について、図面を参照して説明する。

図１，２に示す熱型赤外線イメージセンサ１（以下、「イメージセンサ１」ともいう）は、本発明に係るサーモパイル型の赤外線センサの一例であって、絶縁層１２、絶縁層１４、ダイヤフラム層１５、熱電対２、保護層１８および赤外線吸収層１９がシリコン基板１１の上にこの順で積層されて構成されている。なお、両図では、本発明についての理解を容易とするために、イメージセンサ１における１画素分の画素部の構成を図示すると共に、１つの画素部内に１つの熱電対２のみが存在する構成を図示しているが、実際には、イメージセンサ１の画素数分の画素部を備え、かつ、１つの画素部内に予め規定された数の熱電対２が形成されてイメージセンサ１が構成されている。また、本発明についての理解を容易とするために、両図および後に参照する図３〜２１では、各層の厚みの比率を実際の比率とは相違させて図示する。

熱電対２は、Ｂｉ、ＢｉＳｂ等の導電性金属材料、または、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ等の半導体材料などで厚み０．１μｍ〜３．０μｍ程度に形成された第１電極２ａと、Ｓｂ、Ｃｒ、Ａｌ等の導電性金属材料、または、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ等の半導体材料などで厚み０．１μｍ〜３．０μｍ程度に形成された第２電極２ｂとを備え、温接点（熱接点）２ｈおよび冷接点（図示せず）の間に生じる温度差に伴う熱起電力効果を利用して赤外線を検出可能に構成されている。シリコン基板１１は、絶縁層１２と相俟って本発明における支持体を構成し、一例として、図３に示すＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１０における厚み１０μｍ〜１００μｍ程度の主シリコン層（第１のシリコン層）で構成されている。絶縁層１２は、本発明における「支持体における空隙を構成する部位」に相当し、同図に示すように、ＳＯＩ基板１０のシリコン基板１１（第１のシリコン層）とシリコン層１３（第２のシリコン層）とを相互に絶縁する。この絶縁層１２は、ＳＯＩ基板１０の製造に際してシリコン基板１１の表面を酸化処理することで形成された厚み１μｍ程度の酸化膜（ＳｉＯ_２：本発明における「耐エッチング材料」の一例）で構成されている。

絶縁層１４は、本発明における絶縁性支持層に相当し、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３等の絶縁性材料（本発明における「耐エッチング材料」の一例）によって厚み１０μｍ〜１００μｍ程度（一例として、３０μｍ）の薄膜状に形成されている（絶縁性支持層の全体が耐エッチング材料で形成された構成の一例）。この場合、絶縁層１４の厚みは、上記のＳＯＩ基板１０におけるシリコン層１３の厚みと同等となっている。また、このイメージセンサ１では、熱電対２の下方における絶縁層１４の厚みの範囲内に空隙（キャビティ）Ｓが形成されている。ダイヤフラム層１５は、例えばＳｉＮ（本発明における「耐エッチング材料」の一例）で厚み０．１μｍ〜３．０μｍ程度の薄膜状に形成されている（ダイヤフラム層の全体が耐エッチング材料で形成された構成の一例）。なお、本発明におけるダイヤフラム層は、上記のダイヤフラム層１５のように単一の薄膜で構成された層に限定されず、例えば、ＳｉＯ_２の薄膜とＡｌ_２Ｏ_３の薄膜とを積層した複合膜で構成することもできる。この構成を採用する場合においては、最下層（シリコン基板１１側の層：ダイヤフラム層における空隙を構成する部位」）を耐エッチング材料で形成するのが好ましい。

保護層１８は、ポリイミド樹脂等の絶縁性材料で厚み１．０μｍ〜５．０μｍ程度の薄膜状に形成されている。また、保護層１８における第１電極２ａの上方および第２電極２ｂの上方には、貫通孔１８ａが形成されると共にその貫通孔１８ａにボンディングパッド３が配設されている。この場合、ボンディングパッド３は、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌなどの導電性材料で形成されている。赤外線吸収層１９は、赤外線吸収色素を含有する樹脂材料等で厚み１．０μｍ〜５．０μｍ程度の薄膜状に形成されている。

次に、イメージセンサ１の製造方法について、図面を参照して説明する。

上記のイメージセンサ１の製造に際しては、図３に示すＳＯＩ基板１０を使用する。このＳＯＩ基板１０は、同図に示すように、シリコン基板１１、絶縁層１２およびシリコン層１３の積層体であって、前述したようにシリコン基板１１および絶縁層１２によって本発明における支持体が構成されると共に、本発明における被エッチング層を構成するシリコン層１３は、厚み１０μｍ〜１００μｍ程度（一例として、３０μｍ）となっている。

まず、ＳＯＩ基板１０上のシリコン層１３に対するパターニング処理を実行して、前述した空隙Ｓの非形成領域Ａ２（空隙Ｓを形成しない領域：図１，２参照）のシリコン層１３を除去することで、形成領域Ａ１（図１，２参照）のみにシリコン層１３を残留させる（本発明における被エッチング層形成処理）。具体的には、まず、ＳＯＩ基板１０におけるシリコン層１３の上にフォトレジスト２１ａを塗布した後に、フォトレジスト２１ａの層に対する露光処理および現像処理を実行することにより、図４に示すように、形成領域Ａ１にフォトレジスト２１ａを残留させたレジストパターン２１を形成する。次いで、レジストパターン２１をマスクとして用いてシリコン層１３をエッチング処理することにより、図５に示すように、非形成領域Ａ２において絶縁層１２上からシリコン層１３を除去する。これにより、形成領域Ａ１のみにシリコン層１３が残留して、本発明における被エッチング層が形成される。

続いて、空隙Ｓの非形成領域Ａ２に絶縁層１４を形成する（本発明における支持層形成処理）。この際には、まず、図６に示すように、非形成領域Ａ２における絶縁層１２および形成領域Ａ１におけるシリコン層１３を覆うようにしてＣＶＤ法またはＰＶＤ方等によって絶縁層１４を形成する。次いで、図７に示すように、ＣＭＰ法等によってシリコン層１３上の絶縁層１４（形成領域Ａ１における絶縁層１４）をＳＯＩ基板１０上から除去してシリコン層１３を露出させる。この際には、シリコン層１３の上面と絶縁層１４の上面とが面一となるように処理を行う。これにより、非形成領域Ａ２のみに絶縁層１４が残留し、本発明における絶縁性支持層が絶縁層１２の上に形成される。続いて、図８に示すように、シリコン層１３および絶縁層１４を覆うようにしてＬＰＣＶＤ方等によってダイヤフラム層１５を形成する（本発明におけるダイヤフラム層形成処理）。

次いで、本発明における熱電対形成処理を実行してダイヤフラム層１５の上に熱電対２を形成する。具体的には、まず、図９に示すように、ダイヤフラム層１５を覆うようにしてスパッタリング法等によって第１電極層１６を形成する。続いて、第１電極層１６の上にフォトレジスト２２ａを塗布した後に、フォトレジスト２２ａの層に対する露光処理および現像処理を実行することにより、図１０に示すように、熱電対２における第１電極２ａの形成領域にフォトレジスト２２ａを残留させたレジストパターン２２を形成する。次いで、レジストパターン２２をマスクとして用いて第１電極層１６をエッチング処理することにより、図１１に示すように、ダイヤフラム層１５の上に第１電極層１６からなる第１電極２ａを形成する。

続いて、第１電極２ａ上に残留しているフォトレジスト２２ａを除去した後に、図１２に示すように、ダイヤフラム層１５および第１電極２ａを覆うようにしてスパッタリング法等によって第２電極層１７を形成する。次いで、第２電極層１７の上にフォトレジスト２３ａを塗布した後に、フォトレジスト２３ａの層に対する露光処理および現像処理を実行することにより、図１３に示すように、熱電対２における第２電極２ｂの形成領域にフォトレジスト２３ａを残留させたレジストパターン２３を形成する。続いて、レジストパターン２３をマスクとして用いて第２電極層１７をエッチング処理することにより、図１４に示すように、ダイヤフラム層１５の上に第２電極層１７からなる第２電極２ｂを形成する。以上により、熱電対形成処理が完了し、ダイヤフラム層１５の上に熱電対２が形成される。

次いで、前述した空隙Ｓの形成処理に先立ち、熱電対２を覆うようにして保護層１８を形成する保護層形成処理を実行する。具体的には、ダイヤフラム層１５および熱電対２を覆うようにして、ポリイミド樹脂等の絶縁性材料を塗布して乾燥させる。これにより、図１５に示すように、本発明における絶縁性保護層に相当する保護層１８が形成される。続いて、保護層１８の上にフォトレジスト２４ａを塗布した後に、フォトレジスト２４ａの層に対する露光処理および現像処理を実行することにより、図１６に示すように、ボンディングパッド３の形成領域において保護層１８を露出させたレジストパターン２４を形成する。続いて、レジストパターン２４をマスクとして用いて保護層１８をエッチング処理することにより、図１７に示すように、保護層１８に貫通孔１８ａを形成して第１電極２ａおよび第２電極２ｂを部分的に露出させる。

次いで、保護層１８上に残留しているフォトレジスト２４ａを除去した後に、図１８に示すように、熱電対２における温接点２ｈの上に赤外線吸収層１９を形成する（本発明における赤外線吸収層形成処理）。この際には、一例として、保護層１８を覆うようにして赤外線吸収色素を含有する樹脂材料を塗布して硬化させた後にパターニング処理することで温接点２ｈの上のみに樹脂材料の層（赤外線吸収層１９）を残留させる。続いて、図１９に示すように、保護層１８に形成した貫通孔１８ａにボンディングパッド３を形成する。

次いで、シリコン層１３を除去する際にエッチングガスを導入するためのエッチング用ホール（スリット）２６（図２参照）を形成するエッチングホール形成処理を実行する。具体的には、まず、保護層１８、赤外線吸収層１９およびボンディングパッド３を覆うようにしてフォトレジスト２５ａを塗布した後に、フォトレジスト２５ａの層に対する露光処理および現像処理を実行することにより、図２０に示すように、エッチング用ホール２６を形成すべき領域において保護層１８を露出させたレジストパターン２５を形成する。続いて、レジストパターン２５をマスクとして用いて保護層１８およびダイヤフラム層１５をエッチング処理することにより、図２１に示すように、シリコン層１３の表面に到達する深さのエッチング用ホール２６を形成する。なお、図１，２１では、イメージセンサ１の製造方法についての理解を容易とするために、保護層１８、第１電極２ａ、第２電極２ｂおよびダイヤフラム層１５を貫通するようにしてエッチング用ホール２６が形成された状態を図示しているが、実際には、図２に示すように、エッチング用ホール２６は、第１電極２ａおよび第２電極２ｂが形成されていない部位において保護層１８およびダイヤフラム層１５を貫通するようにして形成される。

続いて、残留しているフォトレジスト２５ａを除去した後に、ＸｅＦ_２等のエッチングガス（「エッチング用の気体」の一例）をエッチング用ホール２６からシリコン層１３に向けて導入することにより、絶縁層１２およびダイヤフラム層１５の間からシリコン層１３を完全に除去する（本発明における空隙形成処理）。この際に、絶縁層１２（支持体における空隙を構成する部位）、絶縁層１４、およびダイヤフラム層１５が本発明における耐エッチング材料（エッチングガスに対して耐性を有する材料）で形成されているため、エッチング用ホール２６から導入したエッチングガスによってシリコン層１３のみが選択的に除去される。これにより、図１に示すように、熱電対２における温接点２ｈの下方においてシリコン層１３が形成されていた部位、すなわち、形成領域Ａ１に空隙Ｓが形成されてイメージセンサ１が完成する。

このように、この熱型赤外線イメージセンサ１によれば、絶縁層１２（支持体における空隙を構成する部位）、絶縁層１４、およびダイヤフラム層１５をエッチングガス（エッチング用の気体）に対して耐性を有する耐エッチング材料で形成したことにより、その製造時において熱電対２の下に空隙Ｓを形成する際に、シリコン基板１１、絶縁層１４およびダイヤフラム層１５がエッチングガスによって浸食されてシリコン基板１１の平面方向に向かって空隙Ｓが過剰に拡がることなく、所望の大きさの空隙Ｓを熱電対２の下に形成することができる。したがって、熱電対２における冷接点の下方まで空隙Ｓが拡がって形成されることがないため、センサ特性の良好な熱型赤外線イメージセンサ１を提供することができる。

また、この熱型赤外線イメージセンサ１によれば、熱電対２を覆うようにして保護層１８を形成したことにより、保護層１８の形成によってその機械的強度を十分に高めることができるため、空隙Ｓの形成部位においてダイヤフラム層１５および熱電対２等が破損する事態を十分に回避することができる。

さらに、この熱型赤外線イメージセンサ１によれば、熱電対２における温接点２ｈの上に赤外線吸収層１９を形成したことにより、赤外線吸収層１９によって赤外線の照射時における温接点２ｈと冷接点との温度差を十分に高めることができる結果、その感度を十分に高めることができる。

また、この熱型赤外線イメージセンサ１によれば、耐エッチング材料で形成された絶縁層をシリコン層の上に形成して支持体を構成すると共に、絶縁性支持層およびダイヤフラム層の全体を耐エッチング材料で形成したことにより、例えば、市場に大量に流通する汎用のＳＯＩ基板を利用して本発明における支持体を形成することができるため、製造コストを十分に低減することができ、しかも、短時間で製造することができる。また、絶縁層１４およびダイヤフラム層１５における空隙Ｓを構成する部位のみを耐エッチング材料で形成した構成とは異なり、１種類の材料で本発明における絶縁性支持層（絶縁層１４）を形成すると共に、１種類の材料でダイヤフラム層１５を形成することができるため、その製造コストを十分に低減することができ、しかも、短時間で製造することができる。

また、この熱型赤外線イメージセンサ１の製造方法によれば、本発明における耐エッチング材料で絶縁層１２が形成されたシリコン基板１１上における空隙Ｓの形成領域Ａ１にシリコン層１３を形成する（非形成領域Ａ２のシリコン層１３を除去する）処理（被エッチング層形成処理）と、シリコン基板１１上における空隙Ｓの非形成領域Ａ２に耐エッチング材料で絶縁層１４を形成する処理（支持層形成処理）と、シリコン層１３および絶縁層１４の上に耐エッチング材料でダイヤフラム層１５を形成する処理（ダイヤフラム層形成処理）と、ダイヤフラム層１５の上に熱電対２を形成する処理（熱電対形成処理）と、シリコン層１３の表面に到達する深さのエッチング用ホール２６を形成する処理（エッチングホール形成処理）と、エッチング用ホール２６からエッチング用の気体を導入してシリコン層１３を選択的にエッチングして空隙Ｓを形成する処理（空隙形成処理）とをこの順で実行して熱型赤外線イメージセンサ１を製造することにより、絶縁層１２、ダイヤフラム層１５および絶縁層１４で囲われている部位にエッチングガス（エッチング用の気体）を導入してシリコン層１３を除去するだけで熱電対２における温接点２ｈの下方に所望の広さの空隙Ｓを形成することができるため、シリコン基板１１の平面方向に向かって空隙Ｓが過剰に拡がる事態を確実かつ容易に回避することができる。したがって、熱電対２における冷接点の下方まで空隙Ｓが拡がって形成される事態を回避できるため、センサ特性の良好な熱型赤外線イメージセンサ１を提供することができる。また、厚み１０μｍ〜１００μｍ程度の薄厚のシリコン層１３を除去することで空隙Ｓを形成することができるため、厚手の半導体基板を除去する従来の製造方法とは異なり、空隙Ｓの形成に要する時間（エッチング処理の時間）を十分に短縮することができる。これにより、熱型赤外線イメージセンサ１の製造コストを十分に低減することができる。

さらに、この熱型赤外線イメージセンサ１の製造方法によれば、熱電対２を覆うようにして保護層１８を形成する処理（保護層形成処理）を本発明における空隙形成処理に先立って実行することにより、保護層１８の形成によってその機械的強度を十分に高めた状態のＳＯＩ基板１０に対してエッチング処理（空隙形成処理）を実行することができる。したがって、空隙Ｓの形成処理時、または、空隙Ｓの形成完了後にダイヤフラム層１５および熱電対２等が破損する事態を十分に回避することができる。

また、この熱型赤外線イメージセンサ１の製造方法によれば、熱電対２における温接点２ｈの上に赤外線吸収層１９を形成する処理（赤外線吸収層形成処理）を実行することにより、形成した赤外線吸収層１９によって赤外線の照射時における温接点２ｈと冷接点との温度差を十分に高めることができる結果、高感度の熱型赤外線イメージセンサ１を提供することができる。

さらに、この熱型赤外線イメージセンサ１の製造方法によれば、ＳＯＩ基板１０におけるシリコン基板１１（第１のシリコン層）および絶縁層１２を本発明における支持体としてシリコン層１３に対するパターニング処理を実行して本発明における被エッチング層を形成領域Ａ１に形成することにより、市場に大量に流通する汎用のＳＯＩ基板１０を利用して熱型赤外線イメージセンサ１の製造コストを十分に低減することができ、しかも、短時間で製造することができる。

なお、本発明は、上記の構成および方法に限定されない。例えば、本発明における空隙形成処理に際してエッチング用ホール２６からＸｅＦ_２等のエッチングガス（エッチング用の気体）を導入して空隙Ｓを形成（シリコン層１３を除去）する方法について説明したが、本発明はこれに限定されず、エッチング用の気体に代えて、シリコン層１３を除去し得る各種のエッチング液（エッチング用の液体）を導入して空隙Ｓを形成する方法を採用することもできる。この方法を採用する場合、支持体、絶縁性支持層およびダイヤフラム層における少なくとも空隙を構成する部位をエッチング用の液体（エッチング液）に対して耐性を有する耐エッチング材料で形成することで、上記の熱型赤外線イメージセンサ１と同様にして、熱電対２における冷接点の下方まで空隙Ｓが拡がって形成される事態を回避できる。

また、シリコン基板１１および絶縁層１２によって本発明における支持体を構成した例（支持体における空隙を構成する部位のみを耐エッチング材料で構成した例）について説明したが、本発明における支持体の全体を耐エッチング材料で形成して赤外線センサを構成することもできる。さらに、本発明における絶縁性支持層およびダイヤフラム層の全体を耐エッチング材料で形成した例について説明したが、絶縁性支持層における空隙を構成する部位のみ、または、ダイヤフラム層における空隙を構成する部位のみを耐エッチング材料で構成することもできる。

また、複数の画素部を有する熱型赤外線イメージセンサ１の製造方法について説明したが、単一の画素部を有する赤外線センサの製造方法に本発明を適用することもできる。さらに、ＳＯＩ基板１０を用いて熱型赤外線イメージセンサ１を製造する方法について説明したが、本発明における赤外線センサの製造方法はこれに限定されず、例えば、シリコン基板１１の表面を酸化処理して絶縁層１２を形成し、その絶縁層１２の上にＬＰＣＶＤ法等によって本発明における被エッチング層に相当するシリコンの層（シリコン層１３）を形成する方法を採用することもできる。

熱型赤外線イメージセンサ１の構造を示す断面図である。 熱型赤外線イメージセンサ１の構造を示す平面図である。 ＳＯＩ基板１０の層構造を示す断面図である。 シリコン層１３の上にレジストパターン２１を形成した状態のＳＯＩ基板１０の断面図である。 エッチング処理によって形成領域Ａ１以外（非形成領域Ａ２）のシリコン層１３を除去した状態のＳＯＩ基板１０の断面図である。 絶縁層１４を形成した状態のＳＯＩ基板１０の断面図である。 平坦化処理によって形成領域Ａ１の絶縁層１４を除去した状態のＳＯＩ基板１０の断面図である。 シリコン層１３および絶縁層１４の上にダイヤフラム層１５を形成した状態のＳＯＩ基板１０の断面図である。 ダイヤフラム層１５の上に第１電極層１６を形成した状態のＳＯＩ基板１０の断面図である。 第１電極層１６の上にレジストパターン２２を形成した状態のＳＯＩ基板１０の断面図である。 第１電極層１６をエッチングして第１電極２ａを形成した状態のＳＯＩ基板１０の断面図である。 ダイヤフラム層１５および第１電極２ａの上に第２電極層１７を形成した状態のＳＯＩ基板１０の断面図である。 第２電極層１７の上にレジストパターン２３を形成した状態のＳＯＩ基板１０の断面図である。 第２電極層１７をエッチングして第２電極２ｂを形成した状態のＳＯＩ基板１０の断面図である。 ダイヤフラム層１５、第１電極２ａおよび第２電極２ｂの上に保護層１８を形成した状態のＳＯＩ基板１０の断面図である。 保護層１８の上にレジストパターン２４を形成した状態のＳＯＩ基板１０の断面図である。 保護層１８をエッチングして貫通孔１８ａを形成した状態のＳＯＩ基板１０の断面図である。 保護層１８における温接点２ｈの上方に赤外線吸収層１９を形成した状態のＳＯＩ基板１０の断面図である。 ボンディングパッド３を形成した状態のＳＯＩ基板１０の断面図である。 保護層１８および赤外線吸収層１９の上にレジストパターン２５を形成した状態のＳＯＩ基板１０の断面図である。 シリコン層１３の表面に達する深さのエッチング用ホール２６を形成した状態のＳＯＩ基板１０の断面図である。

符号の説明

１ 熱型赤外線イメージセンサ
２ 熱電対
２ａ 第１電極
２ｂ 第２電極
２ｈ 温接点
１０ ＳＯＩ基板
１１ シリコン基板
１２ 絶縁層
１３ シリコン層
１４ 絶縁層
１５ ダイヤフラム層
１８ 保護層
１８ａ 貫通孔
１９ 赤外線吸収層
２６ エッチング用ホール
Ａ１ 形成領域
Ａ２ 非形成領域
Ｓ 空隙

Claims (8)

1. 支持体の上に熱電対が配設されると共に当該熱電対における温接点の下方に空隙が形成されたサーモパイル型の赤外線センサであって、
   前記支持体上における前記空隙の非形成領域に絶縁性支持層が形成されると共に当該絶縁性支持層および当該空隙の上にダイヤフラム層が形成されて当該ダイヤフラム層の上に前記熱電対が形成され、かつ、前記支持体、前記絶縁性支持層および前記ダイヤフラム層における少なくとも前記空隙を構成する部位がエッチング用の気体または液体に対して耐性を有する耐エッチング材料で形成されている赤外線センサ。
2. 前記熱電対を覆うようにして絶縁性保護層が形成されている請求項１記載の赤外線センサ。
3. 前記熱電対における温接点の上に赤外線吸収層が形成されている請求項１または２記載の赤外線センサ。
4. 前記支持体は、エッチング用の前記気体または前記液体に対して耐性を有する耐エッチング材料で形成された絶縁層がシリコン層の上に形成されて構成され、
   前記絶縁性支持層および前記ダイヤフラム層は、エッチング用の前記気体または前記液体に対して耐性を有する耐エッチング材料でその全体が形成されている請求項１から３のいずれかに記載の赤外線センサ。
5. 支持体の上に熱電対が配設されると共に当該熱電対における温接点の下方に空隙が形成されたサーモパイル型の赤外線センサを製造する際に、
   少なくとも前記空隙を構成する部位がエッチング用の気体または液体に対して耐性を有する耐エッチング材料で形成された前記支持体を用いて当該支持体上における前記空隙の形成領域に被エッチング層を形成する被エッチング層形成処理と、
   エッチング用の前記気体または前記液体に対して耐性を有する耐エッチング材料で前記支持体上における前記空隙の非形成領域に絶縁性支持層を形成する支持層形成処理と、
   エッチング用の前記気体または前記液体に対して耐性を有する耐エッチング材料で前記被エッチング層および前記絶縁性支持層の上にダイヤフラム層を形成するダイヤフラム層形成処理と、
   前記ダイヤフラム層の上に前記熱電対を形成する熱電対形成処理と、
   前記被エッチング層の表面に到達する深さのエッチングホールを形成するエッチングホール形成処理と、
   前記エッチングホールからエッチング用の前記気体または前記液体を導入して前記被エッチング層を選択的にエッチングして前記空隙を形成する空隙形成処理とをこの順で実行する赤外線センサの製造方法。
6. 前記熱電対を覆うようにして絶縁性保護層を形成する保護層形成処理を前記空隙形成処理に先立って実行する請求項５記載の赤外線センサの製造方法。
7. 前記熱電対における温接点の上に赤外線吸収層を形成する赤外線吸収層形成処理を実行する請求項５または６記載の赤外線センサの製造方法。
8. 第１のシリコン層の上に絶縁層および第２のシリコン層がこの順で形成されたＳＯＩ基板を用いると共に当該第１のシリコン層および当該絶縁層を前記支持体として当該第２のシリコン層に対するパターニング処理を実行して前記形成領域に当該第２のシリコン層からなる前記被エッチング層を形成する請求項５から７のいずれかに記載の赤外線センサの製造方法。

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