JP2009244282A - 赤外線検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】シリコン基板の主面上に形成された空洞上にある絶縁部材に搭載された赤外線検知部と、この絶縁部材を空洞上に保持する橋部とを備え、この絶縁部材の断面形状が段差を有するようにした。そのため、絶縁部材の2次断面モーメントを大きくでき、赤外線検知部を支持する支持体として絶縁部材の剛性を上げることができる。この様な構造は振動に強く、監視用等の可搬型に好適な赤外線撮像装置を提供できる。
【選択図】図20
Description
熱絶縁室8は開口部7からアルカリ性溶液、例えば水酸化カリウム水溶液からなるエッチング溶液を注入し異方性エッチングにより形成される。シリコン基板1がエッチングされる領域は、予めシリコン基板1とメンブレン2との間に膜厚70nmの多結晶シリコンからなる犠牲層領域を形成することにより限定される。
これによりP型、N型のリードの温度に関係なくダイオードの温度特性が検出される。
この装置はエッチングホール7からエッチングにより中空構造をつくり、形成されている。
この発明の装置は、熱型センサによる赤外線検出装置をマトリクス状に配列して、これにより被写体からの赤外線像を感じて撮像する装置に関するものである。
図1にこの発明の赤外線検出装置の検出部の第1の実施の形態の平面図を、また図2に図1のAA断面図を示す。11はシリコン基板で、基板表面が(100)面である。12はシリコン基板11上に形成された第1の絶縁層で、膜厚0.5μmの酸化シリコン層である。13は周辺と分離されたシート状の後述する絶縁部材42上に形成された赤外線検知部で、その絶縁部材42の一部である第1の絶縁層12上に形成された約50μm角のアモルファスシリコン層等で形成されている。23は空洞で、絶縁部材42と後述する橋部21の下のシリコン基板に設けられ、赤外線検知部13をシリコン基板11と熱分離するためのものである。
橋部21および絶縁部材42の少なくとも一方の断面形状は段差を有している。ここで段差とは、その断面が逆U字型、L字型、H字型等の形状を有するもので、平面でないことをいう。橋部21は第1及び第2のエッチングホール19、20の間にあり上記第1及び第3の絶縁層12、18で第1及び第2の電極15、17が挟持されて形成されている。
このように、絶縁部材42に搭載された赤外線検知部13は一対の橋部21により水平信号線14と垂直信号線16との間に保持されている。
図3に赤外線撮像装置の結線図を示す。赤外線検知部13に赤外線が照射されると、赤外線検知部13両端の抵抗変化が生じる。これをH(水平)スキャナ40及びV(垂直)スキャナ41によるスイッチHn、Vnで一つの赤外線検知部13を選択し、その温度上昇による抵抗変化を電圧変化としてアンプ44で増幅して端子52で読みとることにより赤外線強度の測定が可能となる。
図1及び図2で示すように、この装置では、赤外線検知部13及び赤外検知部13からの取り出し電極15、17の下側に空洞23を設け中空構造で支持して熱抵抗を上げ、赤外線検知部13で吸収した熱がシリコン基板11や、外部の水平、垂直信号線14、16に急速に逃げるのを防止して、受光部の検出感度をあげるようにしている。
図4は質量が均一な板による両端自由支持梁の撓み量を示したものである。撓み量δmaxは、ヤング率をE、断面2次モーメントをI、梁の中心に掛けられる荷重をP,梁の長さをlとすると、δmax=Pl3 /48EIで表される。ここで断面2次モーメントは梁の形状により異なる。
図4aに示すように、段差が断面形状平板31の場合、断面2次モーメントIは
図4bに示すように、段差が断面形状逆U字型32の場合、断面2次モーメントIは
図4cに示すように、段差が断面形状L字型33の場合、断面2次モーメントは
以上のことから、梁の段差が逆U字型32、L字型33の場合は平板型31より変形に強いことがわかる。
図6、図7、図8、図1及び図2により、実施の形態1で示した赤外線検知部13及び橋部21の下側が逆U字型梁で形成される赤外線検出装置の製造方法を示す。
図6において、(100)面を表面とするシリコン基板11上に、約100μピッチのマトリクス状に、通常の方法により膜厚約0.5μmの分離酸化層26を形成する。次に分離酸化層26に囲まれた領域内に膜厚約1μmのポリシリコン層等の犠牲層による段差パターン22を形成する。次に段差パターン22を覆ってCVD法により酸化シリコン層等の膜厚0.5μmの第1の絶縁層12を形成する。次に分離酸化層上の第1の絶縁層12上にA1層を成膜しパターニングして図1に示す水平信号線14を形成する。次に水平信号線14上に膜厚0.5μmの第2の絶縁層パターン15(図示せず)を形成する。この上に水平信号線14と交差して垂直信号線16を形成する。
次にレジストマスクを施し、図1に示す第1の電極15及び第2の電極17の間にアモルファスシリコン層を成膜し、赤外線検知部13を形成する。
次にCVD法により酸化シリコン層等の図6に示す膜厚0.5μmの第3の絶縁層18を形成する。
次に図7に示すように、第3の絶縁層18表面からシリコン基板11上まで、図1に示す水平信号線14及び垂直信号線16で囲まれた領域内で、赤外線検知部13とこれを水平、垂直信号線14、16に接続する第1、第2の電極15、17を除く部分に反応性イオンエッチング法(RIE)等によりエッチングホール19、20を形成する。
次に図8に示すように、エッチングホール19、20からKOH等のシリコンを異方性エッチングする溶剤を注入し、犠牲層22及びシリコン基板11をエッチングする。これにより、信号線15、17の下側及び赤外線検知部13の下の絶縁部材の下側に段差と赤外線検知部13および第1及び第2の電極の下側に底面が約50μm,深さ2〜5μm程度の空洞23を形成する。
以上の工程が完了すると、図1、図2に示すように、絶縁部材42上に形成された赤外線検知部13が、空洞23上に絶縁部材42を構成する第1及び第2の電極15、17を絶縁層12、18に挟んで形成した断面形状に段差がある幅約12μmの橋部21により、水平及び垂直信号線14、16間に保持された構造が形成される。
この時用いられる溶剤は、KOH等のアルカリ溶液の他、ヒドラジン、TMAH等が用いられる。
シリコン基板表面を(100)面としたので、この垂直方向はエッチングされ易く、空洞23はエッチングされにくい(111)面に沿って形成される。
図9に、赤外線検知部13の下側は平板の梁とし、橋部21の下側をL字型梁で形成する場合の赤外線検出装置の製造工程の一部を示す断面図を示す。また図10にその完成断面図を示す。
図9に示すように、表面が(100)面であるシリコン基板11上に、赤外線検知部13及び第1及び第2の電極15、17が形成される下側部分に、ポリシリコンによる犠牲層による段差パターン22を形成するようにしたものである。
これを実施の形態2で示したようにエッチングホール19、20からKOH等でエッチングすると図10に示すように、L字型の橋部21が得られる。
この方法によると逆U字型よりは剛性は小さいが、橋部の強度は平板型より大きく充分な保持力があり、犠牲層のパターンが簡易であるという利点がある。
図11に実施の形態1で示した赤外線検知部13及び橋部21の下側に段差を設けた赤外線検出装置の他の製造方法の一実施の形態を示す。
図11に示すように、平面が(100)面であるシリコン基板11にフォトマスクを施し、シリコン表面の露出部分をドライエッチ、または異方性エッチングして、赤外線検知部13及び第1及び第2の電極15、17が形成される下側部分に凹部の段差パターン47を形成する。次に、CVD法により酸化シリコン層による第1の絶縁層12を形成する。以下の工程は実施の形態2と同様であるので省略する。
図12はこのようにして形成した赤外線検出装置の完成断面図を示す。
この方法によれば、犠牲層のパターニングの必要がなく段差の形成が簡易で、工程数を減らすことができる。
図13にこの発明の赤外線検出装置の第5の実施の形態の断面図を示す。28は赤外線である。実施の形態1の図2に示した断面図において、この発明では空洞23の底面と赤外線検知部13との距離が入射照射される赤外線28の波長の1/4としたものである。例えば赤外線の波長を10μmとすると、赤外線検知部13と空洞23の底との距離は約2.5μmである。
図14にこの発明の赤外線検出装置の第6の実施の形態の断面図を示す。29は反射膜で、実施の形態1の赤外線検出装置において図2の空洞23の底面に反射膜コートしたものである。
空洞23の底は(100)面の反射率はそれほど高くないので反射膜29により反射率を高めたものである。
選択メタルCVD法により形成される他の反射膜29材料としては、モリブデン、アルミニウムも可能である。
このような構成とすることにより、微細な赤外線検知部13の場合でも効率よく検出が可能となる。
実施の形態6では図14に示す反射膜29としてタングステン、モリブデン、アルミニウム等と純金属層を用いたが、WSi2 、TaSi2 、TiSi2 等のシリサイドを用いると
、耐酸化腐食性に強いという効果がある。
この膜の製造方法も選択メタルCVD法を用い、例えばタングステンを空洞23の底に形成した後熱処理してシリサイド化する。
実施の形態6における反射膜29を金等の膜をメッキ法で形成することができる。
シリコン基板11は導電性があるので、実施の形態2で空洞23まで形成された赤外線検出装置を電解液中に入れ、シリコン基板を陰極としてメッキすると、シリコンの表面が露出している空洞23の底面にのみ金膜を形成することができる。
この方法によれば、CVD装置等が必要なく、製造コストをさげることができる。
図15および図16に、実施の形態2等における図2の空洞23のエッチング工程において、エッチングが隣接する他の素子にまで広がらないようにするための構造とする一実施の形態を示す。図15において27はエッチングストッパで、分離酸化膜26の下側に形成されたp+層である。
この構成をとることにより、図16bに示すような分離酸化層26下へのエッチングの食い込み部分28を生じないので、微小な素子の場合でも隣接する素子との連結を防止することができる。
この実施の形態においては、実施の形態2に示す図1及び図2の赤外線検出装置の製造方法において、エッチングホール19、20を形成する方向を、エッチングホール19、20の長手方向(図1の上下方向)が、(100)面が表面であるシリコン基板上で<110>方向となるようにしたものである。
このようにするためには、表面が(100)で、ファセットの方向が(110)面のシリコンウエハを用いてエッチングホールの長手方向をファセットに対して平行或いは垂直方向とする。
このような構成とすることにより、エッチングホールの広がりを少なくすることができる。
この実施の形態においては、図3で示すように、シリコン基板11上に赤外線検知部13がマトリクス状に配置されて形成される赤外線検出装置の製造方法において、(100)が表面であるシリコン基板11上に、赤外線検知部13の配置方向を<110>方向に平行となるようにしたものである。
この場合も実施の形態13と同様なので、以後の説明を省略する。
図17はエッチングモニタの一実施の形態を示す図で、第2の実施の形態等の赤外線検知装置の製造方法における図2の赤外線検知部13と空洞23の空洞の底との距離を調節するためのものである。
図17において29は絶縁層で、エッチングされる(100)面を表面とするシリコン基板11上に形成されている。34、35、36はエッチピットで絶縁層29に明けられた〔010〕或いは〔001〕の辺を一辺とする正方形の穴である。
エッチピット35の対角線の長さが目標とするエッチング深さの2倍の寸法で、エッチピット34及び36の対角線長は、エッチピット35のものより短く、或いは長く形成されている。
エッチピット34、35、36は図2のエッチングホール19、20が形成される絶縁膜12、13上で(これが絶縁層29に相当する)エッチングホール19、20の近くに形成される。
このようなモニタを設けることにより、目視によりエッチング深さを正確に知ることができる。
図18はエッチングモニタの他の実施の形態を示す図で、第2の実施の形態の赤外線検出装置の製造方法における図2の赤外線検知部13と空洞23の空洞の底との距離を調節するためのものである。
このエッチングモニタの構成も実施の形態12のものと同様に、エッチングされる(100)面を表面とするシリコン基板11上の絶縁層29上に形成された正方形のエッチピット37で構成されている。この実施の形態においては、エッチピット37の対角線長を目標とするエッチング深さの2倍より大きなものとし、更に正方形の各辺の各角からエッチング深さの距離の位置にスリットマーク38を設けるようにしたものである。
目標の深さにエッチングが到達すると、正方形の角からの筋はスリットマーク38まで到達するので、この時点でエッチングを停止するようにする。
このような構成をとることにより、目視により容易にエッチング深さを確認することができる。
図19はエッチングモニタの更に他の実施の形態の構成を示す図で、第2の実施の形態の赤外線検出装置の製造方法における図2の赤外線検知部13と空洞23の空洞の底との距離を調節するためのものである。
このモニタの構成は、図19に示すように、シリコン基板11の空洞23上の赤外線検知部13上に、空洞23のエッチング中に赤外線28を照射するための赤外線光源39とから構成される。
この点は赤外線検知部13による吸収が最大となる赤外線検知部13と空洞底との距離が照射光の波長の1/4である位置だからである。
このような構成をとることによりエッチング中にエッチング深さを確認することができる。
以上の実施の形態における空洞23の大部分はシリコン基板11をエッチングして形成されるものであったが、空洞23をシリコン基板11外に形成することもできる。
図23は図20の主要部とその断面図を示すもので、(a)は斜視図、(b)はBB線に沿った断面図、(c)はAA線に沿った断面図、(d)は橋部21と脚部50だけの斜視図である。犠牲層22が2段形状となっており、犠牲層22の段の部分で橋部21の断面形状がL字型となり剛性が高められている。脚部50を犠牲層22の角に形成したので機械的に強くなっている。
絶縁膜12上に厚さ5000Åのアルミニウムでスパッタ法により水平、垂直信号線を形成した後、赤外線検知部を載せる絶縁部材42となる絶縁層を犠牲層22を覆って形成した状態が(g)である。絶縁部材42は例えばCVD法によりSiO2 で1000Åの厚さで形成される。
次いで、レジストパターンを形成し(i)、ドライエッチングによりエッチホール19を形成する(j)。最後にエッチンホール19を通して犠牲層22の多結晶シリコンを溶出させ空洞23を作る(k)。橋部21の断面形状はL字型で剛性が高められている。
空洞23をシリコン基板11外に形成し、且つ橋部の断面形状をT字型として剛性を高める実施の形態を図25、図26に基いて説明する。
その上から、CVD法によりSiN膜18を形成する(e)。
空洞23をシリコン基板11外に形成し、且つ、橋部の断面形状を逆U字型として剛性を高めた実施の形態の製造過程を図27(a)〜(f)に基いて説明する。
犠牲層22を選択エッチングして表面に凸形状の段差を形成した後、更にレジストパターン54を形成し(b)、エッチングして犠牲層22を得る(c)。次に、犠牲層22を覆ってSiO2 膜を形成し、その上に非晶質シリコンの赤外線検知部とタングステン電極を形成し、更にSiN膜を形成する(d)。レジストパターンを形成し、選択エッチングによりエッチングホールを形成し(e)、エッチングホールを通してKOH溶液により犠牲層22を溶かし出して空洞23を形成する(f)。
橋部21および絶縁部材42は逆U字型となっているので剛性が高められている。
空洞23をシリコン基板11外に形成し、且つ橋部の断面形状をL字型とする他の実施の形態を図28、図29について説明する。
シリコン基板11上にSiO2 膜12を形成し、その上にポリシリコンの犠牲層22を形成しレジストパターン54を形成する(a)。SF6 ガスにより等方性のドライエッチングを行い、台形の犠牲層22を形成する(b)、(c)。信号線16を形成した後、全面にSiO2 絶縁膜42を形成し、その上に非晶質シリコンの赤外線検知部13、タングステン電極17を形成し、更にSiN膜18を形成する。その後レジストパターンを形成し、エッチングホール19を形成し(d)、エッチングホール19を通してKOH溶液により犠牲層22を溶出させ、空洞23を形成する。
橋部21は変型したL字型に形成されているので剛性が高められている。
13 赤外線検知部 15 電極
17 電極 18 絶縁層
19 エッチングホール 20 エッチングホール
21 橋部 22 犠牲層
23 空洞 26 分離酸化膜
27 エッチングストッパ 28 反射コート
29 絶縁層 34 エッチピット
35 エッチピット 36 エッチピット
37 エッチピット 38 スリットマーク
42 絶縁部材 46 犠牲層
47 凹部の段差パターン
Claims (3)
- シリコン基板と、前記シリコン基板の主面上に空洞を隔てて対向して設けられた絶縁部材と、この絶縁部材上に設けられた赤外線検知部と、前記シリコン基板に前記絶縁部材を接続し且つ支持する橋部とを備え、前記絶縁部材の断面の形状が前記絶縁部材の縁部に沿って段差を有することを特徴とする赤外線検出装置。
- 空洞がシリコン基板に形成され、前記空洞上部の前記シリコン基板表面の高さの空間にある絶縁部材上に設けられた赤外線検知部と、前記絶縁部材を前記空洞上に前記空洞の外側の前記シリコン基板上の部材と前記絶縁部材を結んで保持する橋部とを備え、前記絶縁部材の断面の形状が前記絶縁部材の縁部に沿って段差を有することを特徴とする赤外線検出装置。
- 段差形状が逆U字型、L字型またはT字型のいずれかであることを特徴とする請求項1または2に記載の赤外線検出装置。
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