JP2008505331A - 赤外線センサ、センサモジュール、赤外線センサの製造方法 - Google Patents

赤外線センサ、センサモジュール、赤外線センサの製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、例えば、測定構造部(11)を有するセンサチップ(10)と、前記センサチップ(10)上に取り付けられていて、当該センサチップ(10)と共にセンサスペース(23)を形成するキャップチップ(20)からなる少なくとも1つの前記測定構造部(11)を有する赤外線センサに関しており、
その際、前記キャップチップ(20)の上側面(24)上に、内側絞り領域(25b,32b)と、当該内側絞り領域(25b,32b)を取り囲む外側絞り領域(25a,32a)を有する絞り(25,32)が形成されており、
その際、前記内側絞り領域(25b,32b)は、前記測定構造部(11)の上側に形成されていて、且つ、検出すべき赤外線ビーム(IR1)に対して透過性であり、前記外側絞り領域(25a,32a)は、入射赤外線ビーム(IR2)に対して少なくとも部分的に不透過性である。
この際、外側絞り領域は、殊に、金属又は誘電体層からなる反射コーティングとして、斜め面を有する各溝又は吸収構造部によって反射構造化部として形成することができる。

Description

本発明は、マイクロ構造赤外線センサ及び当該マイクロ構造赤外線センサの製造方法に関する。
マイクロ構造赤外線センサは、例えば、ガス検出器で使用することができ、このガス検出器では、ビーム源、例えば、低電流領域内で作動される白熱電球又はIR−LEDから放射されたIRビームが、吸収区間を介して送出され、その後続いて、赤外線センサによって検出され、特定の波長領域内での赤外線ビームの吸収から、吸収区間内での検出すべきガスの濃度を推定することができる。そのようなガスセンサは、例えば、自動車の領域内で、例えば、CO2で作動されるエアコンでの漏れの検出のため、又は、室内空気の質を検査するために使用することができる。
マイクロメカニック赤外線センサは、通常、赤外線ビームに対して感応性のある測定構造を持ったセンサチップと、当該センサチップを被覆するキャップチップを有している。センサチップとキャップチップとの間に、外側に対して真空密に密閉されたセンサスペースが構成されており、その際、このために、一般的にキャップチップの下側面上に空洞部が形成されている。
赤外線ビームに対して感応性のある測定構造は、通常、下側に空洞部が形成されたダイアフラムと、ダイアフラム上に形成された少なくとも1つのサーモパイル構造を有しており、サーモパイル構造は、種々異なった導電材料、例えば、多結晶シリコンと金属が相互に接触接続された2つの導体路から構成されている。導体路の接触接続領域上に、入射IRビームを加熱下で吸収する吸収層が堆積されている。上から入射した赤外線ビームは、赤外線ビームに対して透過性の、シリコン製のキャップチップを通過してセンサスペース内に達し、吸収層に入射し、この吸収層の温度上昇が、サーモパイル構造のサーモ電圧として読み出すことができる。
赤外線センサは、一般的に1つ又は複数の窓が設けられたケーシング内に組みこまれる。この際、この窓は、吸収層が完全に赤外線ビームによって照射されるような大きさである。何れにせよ、センサをケーシング底面上に許容偏差に依存して組みこんだ状況では、窓を吸収層の横方向の拡がりに精確に適合させることができない。従って、窓は、一般的に、赤外線ビームが、吸収層以外のシリコンの塊状材料上にもダイアフラムにも、従って、サーモパイル構造の常温端部にも照射されるような大きさに構成される。
赤外線センサの感度は、吸収層の下側に設けられた熱接触接続領域と、塊状材料内に設けられた、導体路の常温端部との間の温度差によって決められるので、横方向に更に外側に向かって達する赤外線ビームによって、赤外線センサの感度が低減される。更に、ケーシング内での赤外線センサの僅かに誤った位置決め、乃至、窓が設けられたカバーの、ケーシング上での誤った位置決めによって既に、サーモパイル構造と吸収層との部分陰影が生じ、その結果、感度が更に低減される。従って、組込みの際に生じる各許容偏差の列は、赤外線センサをセンサケーシング内に取り付けることによって、及び、窓が設けられたカバーをケーシング上に取り付けることによって定められる。
それに対して、本発明の、赤外線センサ及び当該赤外線センサの製造方法は、絞りのコスト上有利な構成及び赤外線感応測定構造の位置に対して相対的な、絞りの精確な位置決めが可能であるという利点を有している。
本発明によると、絞りは、キャップチップの上側面に形成されている。この絞りは、適切なコーティングによって形成することができる一方、絞り領域の外側に、反射又は吸収コーティングを形成してもよいし、乃至、絞り領域内側に、反射防止コーティングを形成してもよい。反射コーティングは、例えば、金属層として堆積することができ、更に、絞り領域の内側乃至外側を、センサチップの材料に対して異なった屈折率の所定厚の誘電体コーティングとして、波長特有の反射又は反射防止作用するようにしてもよく、この際、絞り領域の外側を誘電体ミラーとして、絞り領域の内側を誘電体の反射防止ミラー乃至コーティングとして堆積してもよい。キャップチップのシリコンに対して異なった屈折率の材料として、簡単且つコスト上有利に、例えば、シリコンニトリド(窒化物)又はシリコンジオキシドを堆積することができる。
別の実施例によると、絞り領域の外側に、キャップチップの上側面を適切に構造化することによって、赤外線ビームの反射部、散乱部又は吸収部を設けてもよい。従って、付加的な材料をコーティングする必要はない。構造化は、例えば、V字形の溝として形成することができ、これは、簡単に、ウェットエッチング、例えば、KOHエッチングによって形成することができ、当該KOHエッチングによって、結晶面に沿って斜め面が形成される。入射赤外線ビームの吸収は、適切な粗面化によって調整することができ、例えば、ウェットエッチング又はプラズマエッチングによって達成することができる。
キャップチップの下側面にも、キャップチップの上側面に形成された各溝間を貫通するビームを捕捉する溝を有する構造化を形成して補完してもよい。
以下では本発明を実施形態についての添付の図面に基づき詳細に説明する。
図面
図1は、赤外線ビーム源と、キャップチップ上に絞りコーティングされた赤外線センサを備えた赤外線センサ装置の断面図、
図2は、外側の反射絞り領域を備えた実施例による図1の赤外線センサを示す図、
図3は、反射防止中間絞り領域を備えた、図2の実施例に対して択一的な実施例による赤外線センサを示す図、
図4は、反射絞り領域及び反射防止絞り領域を備えた、図2の実施例に対して択一的な別の実施例による赤外線センサを示す図、
図5は、赤外線ビーム源と、キャップチップ上に構造化された絞り領域を備えた赤外線センサを有する、図1の実施例に対して択一的な実施例による赤外線センサ装置の断面図、
図6は、外側絞り領域の反射構造化部を備えた図5のキャップチップの部分拡大断面図、
図7は、反射外側絞り領域を備えた別の実施例の図5の赤外線センサの平面図、
図8は、図7の赤外線センサの断面図、
図9は、キャップチップの上側面及び下側面の反射構造化部を備えた図7,8の実施例に対して択一的な実施例の赤外線センサの断面図、
図10は、構造化によって形成された吸収外側絞り領域を備えた図5の装置のキャップチップの部分拡大断面図である。
図1に示された赤外線(IR)センサ装置1は、IRビーム源2、例えば、低電流領域で作動する白熱電球、及び、例えば、プラスチック又はモールドコンパウンド及びケーシング4に取り付けられた、窓6付きのカバー5を有している。ケーシング4とカバー5との間に形成されたケーシング室7内に、例えば、ケーシング4の底面上に接着された赤外線センサ9が設けられている。赤外線センサ9は、IRビームを検出する測定構造部11を有しており、その際、測定構造部11は、センサチップ10の上側面に構成されたダイアフラム12、ダイアフラム12の下側に形成された空洞部13、及び、ダイアフラム12上に形成された、少なくとも1つの、2つの導体路14a,14bからなるサーモパイル構造部14を有している。導体路14a及び14bは、各々導電性の異なった材料製であり、例えば、多結晶シリコン及び金属、例えば、アルミニウムから形成されている。導体路14a及び14bは、ダイアフラム12の中間領域内で接触接続されて、横方向にダイアフラム12から外側に向かって延在している。サーモパイル構造14の接触接続領域上に、赤外線ビームを吸収する材料、例えば、金属酸化物からなる吸収層16が堆積されている。赤外線ビームの吸収時に、吸収層16は加熱し、その結果、サーモパイル構造14は、その接触接続領域内で温度が上昇し、この温度上昇が、熱電圧として読み出され得る。
センサチップ10上に、キャップチップ20が、真空密な結合領域21内に取り付けられている。結合領域21は、例えば、低溶融性鉛ガラスによって形成するとよい。キャップチップ20の下側面には、センサスペース23が、空洞部として形成されており、この空洞部内に、ダイアフラム12がサーモパイル構造部14及び吸収領域16と一緒に収容されている。センサスペース23内には、この際、真空部が形成されており、この真空部は、結合領域21によってケーシング内側空間7に対して密閉されている。
キャップチップ20の上側面24に、外側絞り領域25aと内側絞り領域25bを備えた絞り25が形成されている。図1〜4の実施例では、絞り25は、キャップチップ20の上側面24の絞りコーティングとして形成されており、その際、図2〜4は、絞り25の種々の択一的な構成を示す。
絞り25上、従って、カバー5の下側には、赤外線ビームフィルタ29が取り付けられている。赤外線ビームフィルタ29は、所定の波長領域の選択的な赤外線ビームを透過し、それ以外の波長領域を吸収する。この際、取付は、例えば、接着層によって行うとよい。これに対して択一的に、IRビームフィルタ29を基本的に例えばカバー5の下側に取り付けてもよい。
赤外線ビーム源2は、光軸Aに沿って赤外線ビームIRをセンサモジュール3に送出し、その際、IRビーム源2とセンサモジュール3との間の中間空間は、吸収区間27として使われ、この吸収空間内で、各々のガス濃度、例えば、CO2濃度に依存して、所定の波長領域の赤外線ビームが吸収される。光軸Aを中心とした内側立体角領域内で送出される赤外線ビームIR1は、後続して、窓6、ビームフィルタ29、絞り25の内側絞り領域25b及びシリコンからなるキャップチップ20を通ってセンサスペース23内に入射し、吸収層16によって吸収される。外側立体角領域内で送出される外側赤外線ビームIR2は、先ず、カバー5の窓6及びビームフィルタ29を透過するが、外側絞り領域25aを通過せず、従って、キャップチップ20内に達しない。
図2〜4は、キャップチップ20の上側面24のコーティングとしての絞り25の択一的な構成を示す。図2は、図1の図示に相応するが、その際、外側絞り領域25aは、例えば、金属、例えば、アルミニウムからなる反射コーティングとして形成されていて、内側絞り領域25bは、あけられている。従って、IRビームIR1が透過され、外側IRビームIR2が反射される。
図3によると、内側絞り領域25bは、反射防止絞りコーティングとして形成されている。そのような反射防止コーティングは、光学構成素子のコーティングに相応しており、絞り領域25bの上側境界面及び下側境界面で反射される各部分波動の破壊的な干渉を生じる。このために、内側絞りコーティング25bの厚みdは、IRビームの波長A、及び、キャップチップ20のシリコンの屈折率n1及び内側絞り領域25bの屈折率n2に依存して選択される。キャップチップ20の屈折率n1が、内側絞り領域25bの屈折率n2よりも大きい場合、反射防止作用は、例えば、厚みd=(λ/4)/n2で達成することができる。内側絞り領域25bの材料として、例えば、SiO2又はSi3N4を選択するとよい。
図4は、図3のように、内側絞り領域25bが反射防止するように形成されており、付加的に、外側絞り領域25aが反射するように形成されている実施例を示す。外側絞り領域25aは、この際、少なくとも1つの誘電体層を備えた誘電体ミラーとして作用する。外側絞り領域25aを1つの層として形成した場合の厚みは、例えば、d=(λ/2)/n2として、即ち、内側絞り領域25bの厚みの2倍の厚みを有するようにするとよい。
図2でも、外側絞り領域25aは、誘電体ミラーとして形成することができ、その結果、図4は、図2及び図3の各実施例の組合せをなす。
図5は、ほぼ、図1の赤外線センサ装置1の構造に相応する赤外線センサ装置31を示す。IRセンサ30では、絞りコーティング25の代わりに、キャップチップ20の上側面24上に、絞り32が構造化によって形成されている。絞り32は、更に、外側絞り領域32a及び内側絞り領域32bを有していて、後述の、図6〜10の実施例に相応して、種々異なって構成することができる。
図6の実施例によると、キャップチップ20の上側面24上の外側絞り領域32a内に、V字形の横断面の、複数の比較的小さな溝34が形成されている。図7及び8は、比較的僅かな個数のV字形溝34を備えた相応の実施例を示し、その際、例えば、内側絞り領域32bの各側面に各々3つのV字形溝34を形成するとよい。この際、各溝34は、各々直線状であり、図7の平面図によると、有利に、当該溝の各端で相互に重なり合わずに各々別の溝に移行している。これらの各溝は、上側面24上にマスク層をコーティングすることによって、後続のエッチング、例えば、KOHエッチングを用いて直接形成するとよい。この際、マスク層は、溝34をあける。KOHエッチングでは、エッチング溝は、結晶面、例えば、(111)結晶面に沿ったキャップウエーハの通常の(100)配向で形成され、その結果、自動的に、図6及び図8に図示されたV字形の形状に形成され、従って、エッチング過程は、キャップチップ20の下側面の空洞部23のエッチングの過程に相応している。
従って、図6〜9の実施例では、内側絞り領域32bに入射したIRビームIR1は作用を及ぼさず、キャップチップ20を通って吸収層16に達する。外側絞り領域32aに入射したIRビームIR2は、溝34の斜めに下降する各側面40で複数回反射される。この際、KOHエッチングによって形成された側面40では、IRビームIR2は、ほぼ完全に反射され、この際、例えば、相互に対向している2つの側面40で、複数回反射することによって、IRビームは、キャップチップ20の上側面24から上の方に反射される。
キャップチップ20の上側面24上の各個別溝34間に、斜め側面40で反射されないIRビームIR2が入射することができるので、図9の実施例では、補完的に、キャップチップ20の下側面22にも、V字形の溝36が形成されており、この溝36は、キャップチップ20の上側面24の溝34に相応しているが、これらの溝36は、1/2のラスタの程度だけ相互にずらされて、即ち、各溝34間に1/2の間隔だけずらされて設けられている。従って、図9の破線から分かるように、上側溝34のV字形の各端39は、各々精確に、下側溝36の各端39間に位置し、且つ、下側溝36の各端39は、各々精確に、上側溝34のV字形の各端39間に位置する。従って、上側の各V字形溝32間に入射されたIRビームは、下側のV字形溝36の各側面40で反射される。
図9の実施例では、図8の実施例とは異なって、センサスペース23は、横方向に小さく形成されており、従って、キャップチップ20の下側面22の平坦な領域は、外側絞り領域32aの下側に至る迄延びていて、下側溝36を上側溝34の下側に形成することができるようになる。
図10の実施例は、キャップチップ20の上側面24の形成の別の手段を示す。この際、外側絞り領域32aは、ビームを反射せず、吸収するように構成されている。このために、外側絞り領域32a内で上側面24は、例えば、適切なエッチングによって粗面化するとよい。粗面化された外側絞り領域32aは、例えば、IRビームの波長λと同じオーダーの構造を有しており、例えば、プラズマエッチングによって製造された、所謂「ブラックシリコン(Black Silicon)」を有することができる。内側絞り領域は、更に透過される。
IRセンサ9乃至30は、完全にウエーハ面上に製造される。この際、公知のように、センサウエーハは、空洞部13、ダイアフラム12、サーモパイル構造14及び吸収層16の形成によって構造化される。更に、キャップウエーハが製造され、その際、公知のように、センサスペース23は、空洞部として、例えば、KOHエッチングによって形成される。図1〜4の実施例では、後続して、絞り25は、上側面24上に、反射特性又は反射防止特性を持った金属層乃至光学的に透過性の、所定厚の誘電体層、例えば、SiO2又はSi3N4としてコーティングすることによって堆積される。このコーティングは、ウエーハ面上で行われるので、キャップチップ20毎の付加的なコストは僅かである。図5〜10の実施例では、コーティングの代わりに、キャップチップ20の上側面24の構造化が、例えば、KOHエッチングによって実行される。図6〜9のV字形溝の形成時に、相応のマスク技術が使われ、図9の実施例では、空洞部23に対して付加的に、V字形の溝36が、キャップウエーハの下側面22に形成される。図10では、例えば、プラズマエッチングを用いて、上側面24の粗面化が行われる。
全ての実施例で、後続して、センサウエーハ及びキャップウエーハを相互に上下に重畳して載置して、真空密な結合領域21で固定してもよい。そのようにして形成されたウエーハ積層は、後続して引き離され、そうすることによって、個別IRセンサ9乃至30が製造される。IRビームフィルタ29は、切り離しの前又は後に取り付けることができる。
そのように製造されたIRセンサ9,30は、相応して、カバー5を備えたケーシング4の中に収容することができる。
赤外線ビーム源と、キャップチップ上に絞りコーティングされた赤外線センサを備えた赤外線センサ装置の断面図 外側の反射絞り領域を備えた実施例による図1の赤外線センサを示す図 反射防止中間絞り領域を備えた、図2の実施例に対して択一的な実施例による赤外線センサを示す図 反射絞り領域及び反射防止絞り領域を備えた、図2の実施例に対して択一的な別の実施例による赤外線センサを示す図 赤外線ビーム源と、キャップチップ上に構造化された絞り領域を備えた赤外線センサを有する、図1の実施例に対して択一的な実施例による赤外線センサ装置の断面図 外側絞り領域の反射構造化部を備えた図5のキャップチップの部分拡大断面図 反射外側絞り領域を備えた別の実施例の図5の赤外線センサの平面図、 図7の赤外線センサの断面図、 キャップチップの上側面及び下側面の反射構造化部を備えた図7,8の実施例に対して択一的な実施例の赤外線センサの断面図、 構造化によって形成された吸収外側絞り領域を備えた図5の装置のキャップチップの部分拡大断面図

Claims (17)

  1. 赤外線センサにおいて、少なくとも1つのセンサチップ(10)と、キャップチップ(20)を有しており、前記センサチップ(10)は、測定構造部(11)を有しており、前記キャップチップ(20)は、前記センサチップ(10)上に取り付けられていて、前記センサチップ(10)と共にセンサスペース(23)を形成し、前記キャップチップ(20)の上側面(24)上に、内側絞り領域(25b,32b)と当該内側絞り領域(25b,32b)を取り囲む外側絞り領域(25a,32a)を有する絞り(25,32)が形成されており、
    前記内側絞り領域(25b,32b)は、前記測定構造部(11)の上側に形成されていて、且つ、検出すべき赤外線ビーム(IR1)に対して透過性であり、前記外側絞り領域(25a,32a)は、入射赤外線ビーム(IR2)に対して少なくとも部分的に不透過性であることを特徴とする赤外線センサ。
  2. 測定構造部(11)は、ダイアフラム(12)、前記ダイアフラム(12)の下側に形成された空洞部(13)、前記ダイアフラム(12)上に形成された少なくとも1つのサーモパイル構造部(14)及び当該サーモパイル構造部(14)をカバーする吸収層(16)を有しており、前記サーモパイル構造部(14)は、相互に接触接続された2つの導体路(14a,14b)を有している請求項1記載の赤外線センサ。
  3. 内側絞り領域(25b)乃至外側絞り領域(25a)は、キャップチップ(20)の上側面(24)上に堆積されたコーティングを有している請求項1または2記載の赤外線センサ。
  4. 外側絞り領域(25a)は、入射赤外線ビーム(IR2)に対して少なくとも1つ所定の波長(λ)を反射する反射コーティング(25a)を有している請求項3記載の赤外線センサ。
  5. 反射コーティング(25a)は、金属層又は各波長を特別に反射する誘電体層であり、前記誘電体層は、キャップチップ(20)に対して種々異なる屈折率(n2)を有している請求項4記載の赤外線センサ。
  6. 反射コーティング(25a)は、キャップチップ(20)よりも小さな屈折率(n2)を有しており、d=((2m+1)λ/2・n2の厚みを有しており、該式において、dは、前記反射コーティング(25a)の厚み、λは、検出すべき波長、mは、自然整数(natuerliche ganze Zahl)、n2は、前記反射コーティング(25a)の屈折率、である請求項5記載の赤外線センサ(ガスセンサ)。
  7. 内側絞り領域(25b)は、キャップチップ(20)の材料とは異なった屈折率(n2)の誘電体反射防止コーティング(25b)を有している請求項3から6迄の何れか1記載の赤外線センサ。
  8. 反射コーティング(25a)は、キャップチップ(20)よりも小さな屈折率(n2)を有しており、d=((2m+1)λ/4・n2の厚みを有しており、該式において、dは、前記反射コーティング(25a)の厚み、λは、検出すべき波長、mは、自然整数(natuerliche ganze Zahl)、n2は、前記反射コーティング(25a)の屈折率、である請求項5記載の赤外線センサ(ガスセンサ)。
  9. 誘電体コーティング(25a,25b)は、シリコンニトリド(Si3N4)又はシリコンジオキシド(SiO2)を有している請求項6から8迄の何れか1記載の赤外線センサ。
  10. 絞り(32)の外側絞り領域(32a)は、キャップチップ(20)の上側面(24)の反射乃至反射防止構造部を有している請求項1又は2記載の赤外線センサ。
  11. 外側絞り領域(32a)は、斜めに低下する側面(40)、例えば、V字形の横断面を有する溝(34)を有する請求項10記載の赤外線センサ。
  12. キャップチップ(20)の下側面(22)上にも下側溝(36)が形成されており、該下側溝(36)は、横方向に各々キャップチップ(20)の上側面(24)上に延在する各溝(34)間に設けられている請求項11記載の赤外線センサ。
  13. 外側絞り領域(32a)は、入射赤外線ビーム(IR2)の吸収用の粗面化部を有している請求項1記載の赤外線センサ。
  14. 絞り(25,32)上に、入射赤外線ビーム(IR2,IR1)の、各波長を特別に透過するための赤外線ビームフィルタ(29)が取り付けられている請求項1から13迄の何れか1記載の赤外線センサ。
  15. 請求項1から14迄の何れか1記載の赤外線センサを有するセンサモジュールにおいて、赤外線センサ(9,30)は、ケーシング(4)内に収容されており、該ケーシングには、窓(6)があるカバー(5)が取り付けられており、前記窓(6)は、内側絞り領域(25b,32b)の上側に設けられており、前記内側絞り領域(25b,32b)よりも大きな、赤外線ビームの立体角を透過することを特徴とするセンサモジュール。
  16. 赤外線センサの製造方法において、
    少なくとも以下の各ステップ:
    センサウエーハに複数の測定構造部(11)を構造化するステップ、キャップウエーハに当該キャップウエーハの下側面上に形成された複数の空洞部(23)と、該空洞部(23)の上側の、前記キャップウエーハの上側面上に形成された各絞り(25,32)を構造化するステップ、前記キャップウエーハを前記センサウエーハ上に、真空密の結合領域(21)内で、前記センサウエーハと前記キャップウエーハとの間のセンサスペース(23)内に各々真空部を形成して取り付けるステップ、前記キャップウエーハと前記センサウエーハとからなるウエーハ積層部から、赤外線センサ(9,30)を切り離すステップを有することを特徴とする赤外線センサの製造方法。
  17. 絞り(25,32)を、キャップウエーハの上側面上に形成されたコーティング乃至構造化部として形成する請求項16記載の方法。
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