JP2010045064A - 固体真空デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】高性能化が可能な固体真空デバイスを提供する。
【解決手段】シリコン基板１０の一表面側に、第１のポリシリコン層１２に支持された熱型デバイス要素部２０が形成され、熱型デバイス要素部２０を囲む形で真空封止用キャップ部４０が形成されている。真空封止用キャップ部４０は、シリコン基板１０の上記一表面側に形成した第２のポリシリコン層４１の一部を陽極酸化することにより形成された真空封止用多孔質部４２と、真空封止用多孔質部４２に積層されたキャップ層４３とを有し、熱型デバイス要素部２０におけるシリコン基板１０側の第１の空間１５および真空封止用キャップ部４０側の第２の空間３５が真空となっている。第１のポリシリコン層１２の一部を陽極酸化することにより形成された多孔質ポリシリコン部からなり熱型デバイス要素部２０とシリコン基板１０とを熱絶縁する断熱部１３を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体真空デバイスに関するものである。

従来から、複数枚の基板を用いることなく、１枚の半導体基板（シリコン基板など）を用いて表面マイクロマシニング技術などを利用して形成される固体真空デバイスが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

ここにおいて、上記非特許文献１に開示された固体真空デバイスは、図１４に示すように、シリコン基板１１０の一表面側に当該シリコン基板１１０から離間して配置され当該シリコン基板１１０の上記一表面側の第１のポリシリコン層１１２に支持された熱型デバイス要素部（ここでは、ピラニゲージ）１２０が形成され、シリコン基板１１０の上記一表面側に熱型デバイス要素部１２０を囲む形で真空封止用キャップ部１４０が形成され、真空封止用キャップ部１４０が、シリコン基板１１０の上記一表面側に形成した第２のポリシリコン層１４１の一部を陽極酸化することにより形成された多孔質ポリシリコン部からなる真空封止用多孔質部１４２と、当該真空封止用多孔質部１４２に積層され当該真空封止用多孔質部１４２の微細孔を封孔したキャップ層１４３とを有し、熱型デバイス要素部１２０におけるシリコン基板１１０側の第１の空間１１５および真空封止用キャップ部１４０側の第２の空間１３５が真空となっている。また、上述の固体真空デバイスでは、真空封止用キャップ部１４０とシリコン基板１１０の上記一表面との間の距離が所定形状にパターニングされたＰＳＧ膜１１４の膜厚により規定されており、第１のポリシリコン層１１２において露出した部位上に熱型デバイス要素１２０に電気的に接続されたパッド１２９が形成されている。

以下、図１４に示した構成の固体真空デバイスの製造方法について図１５を参照しながら簡単に説明する。

まず、シリコン基板１１０の上記一表面上に膜厚が５００ｎｍのシリコン窒化膜からなる絶縁膜１１１をＬＰＣＶＤ法により形成してから、絶縁膜１１１上に膜厚が１．５μｍのＰＳＧ膜(以下、第１のＰＳＧ膜と称する)１１３を形成し、当該第１のＰＳＧ膜１１３を上記第１の空間１１５に対応する部分が残るようにパターニングし、続いて、シリコン基板１１０の上記一表面側に不純物がドーピングされた膜厚が１μｍの第１のポリシリコン層１１２をＬＰＣＶＤ法により形成し、続いて、第１のポリシリコン層１１２をパターニングすることによって、図１５（ａ）に示す構造を得る。ここにおいて、第１のポリシリコン層１１２のうち第１のＰＳＧ膜１１３に積層された部位が熱型デバイス要素部１２０を構成する。

上述の第１のポリシリコン層１１２のパターニング後、シリコン基板１１０の上記一表面側に膜厚が５μｍのＰＳＧ膜（以下、第２のＰＳＧ膜と称する）１１４を形成し、当該第２のＰＳＧ膜１１４をパターニングし、続いて、絶縁膜１１１にコンタクトホール１１１ａを形成することによって、図１５（ｂ）に示す構造を得る。

その後、シリコン基板１１０の上記一表面側に膜厚が１．５μｍのノンドープのポリシリコン層１４１ａをＬＰＣＶＤ法により形成し、続いて、膜厚が３００ｎｍのＰＳＧ膜（以下、第３のＰＳＧ膜と称する）１４４をＬＰＣＶＤ法により形成することによって、図１５（ｃ）に示す構造を得る。

その後、第３のＰＳＧ膜１４４中の不純物をポリシリコン層１４１ａにドーピングするアニールを行うことで導電性を有する第２のポリシリコン層１４１を形成してから、第３のＰＳＧ膜１４４を除去し、続いて、第２のポリシリコン層１４１上に多孔質ポリシリコン部形成用にパターニングされたレジスト層（図示せず）を形成し、続いて、第２のポリシリコン層１４１の一部を陽極酸化することで多孔質ポリシリコン部からなる真空封止用多孔質部１４２を形成し、その後、上記レジスト層を除去することによって、図１５（ｄ）に示す構造を得る。なお、第２のポリシリコン層１４１の上記一部を陽極酸化するための電解液としては、４９％ＨＦとエタノールとを１：１で混合したフッ酸系溶液を用いている。

上記レジスト層を除去した後、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）を行うことで応力を緩和し、続いて、第２のＰＳＧ膜１１４の一部および第１のＰＳＧ膜１１３の全部を、真空封止用多孔質部１４２を通して４９％ＨＦにより選択的にエッチングすることで第２の空間１３５および第１の空間１１５を形成することによって、図１５（ｅ）に示す構造を得る。

その後、シリコン基板１１０の上記一表面側にＬＰＣＶＤ法により所望の真空度（例えば、１７９ｍＴｏｒｒ≒３７Ｐａ）で真空封止用のポリシリコン層からなるキャップ層１４３を形成することによって、図１５（ｆ）に示す構造を得る。

その後、シリコン基板１１０の上記一表面側における第２のＰＳＧ膜１１４と第２のポリシリコン層１４１とキャップ層１４３との積層膜をパターニングして第１のポリシリコン層１１２の一部を露出させることによって、図１５（ｇ）に示す構造を得る。

その後、第１のポリシリコン層１１２に電気的に接続されるパッド１２９を蒸着法により形成することによって、図１５（ｈ）に示す構造を得ている。
Rihui He,et al,「On-Wafer Monolithic Encapsulation by Surface MicromachiningWith Porous Polysilicon Shell」，JOURNAL OFMICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS,VOL.16,NO.2,p462-472,APRIL 2007

ところで、図１４に示した構成の固体真空デバイスでは、真空による断熱は得られているが、熱型デバイス要素部１２０がシリコン基板１１０の上記一表面上のシリコン窒化膜１１１のみでしかシリコン基板１１０と断熱されていないので、高性能化が難しかった。なお、この種の固体真空デバイスにおける熱型デバイス要素部１２０としては、ピラニゲージに限らず、例えば、サーモパイル、抵抗ボロメータ、マイクロヒータ、赤外光源などが考えられる。

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、高性能化が可能な固体真空デバイスを提供することにある。

請求項１の発明は、シリコン基板の一表面側に当該シリコン基板から離間して配置され当該シリコン基板の前記一表面側の第１のポリシリコン層に支持された熱型デバイス要素部が形成され、シリコン基板の前記一表面側に熱型デバイス要素部を囲む形で真空封止用キャップ部が形成され、真空封止用キャップ部が、シリコン基板の前記一表面側に形成した第２のポリシリコン層の一部を陽極酸化することにより形成された多孔質ポリシリコン部からなる真空封止用多孔質部と、当該真空封止用多孔質部に積層され当該真空封止用多孔質部の微細孔を封孔したキャップ層とを有し、熱型デバイス要素部におけるシリコン基板側の第１の空間および真空封止用キャップ部側の第２の空間が真空となっている固体真空デバイスであって、第１のポリシリコン層の一部を陽極酸化することにより形成された多孔質ポリシリコン部からなり熱型デバイス要素部とシリコン基板とを熱絶縁する断熱部を備えてなることを特徴とする。

この発明によれば、第１のポリシリコン層の一部を陽極酸化することにより形成された多孔質ポリシリコン部からなり熱型デバイス要素部とシリコン基板とを熱絶縁する断熱部を備えているので、熱型デバイス要素部とシリコン基板との間の断熱性を高めることができ、高性能化が可能となる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１のポリシリコン層に、前記第１の空間と前記第２の空間とを連通させるスリットが形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記第１のポリシリコン層の応力を緩和することができるとともに、断熱性を向上させることができる。

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、前記断熱部は、前記第１のポリシリコン層の前記一部であって不純物がドーピングされた導電性領域を陽極酸化すること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、前記第１のポリシリコン層における導電性領域を陽極酸化することにより前記断熱部を形成することができるので、前記断熱部を位置精度良く容易に形成することができる。

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、前記断熱部は、前記真空封止用多孔質部よりも多孔度が大きいことを特徴とする。

この発明によれば、前記断熱部の多孔度を大きくすることで前記断熱部の断熱性を向上できる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記第１のポリシリコン層の所定部位を陽極酸化することにより形成され断熱部とは異なる機能を有する少なくとも１つの機能部を有し、断熱部および少なくとも１つの機能部それぞれで独立して多孔度を設定してあることを特徴とする。

この発明によれば、断熱部および少なくとも１つの機能部の特性を独立して設計することができ、高性能化を図れる。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記熱型デバイス要素部がサーモパイルであり、当該サーモパイルは、温接点が赤外線吸収層により覆われ、当該赤外線吸収層が不純物をドーピングしたポリシリコン層からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記熱型デバイス要素部を構成するサーモパイルの温接点が赤外線吸収層により覆われていることにより高感度化を図れ、しかも、赤外線吸収層が不純物をドーピングしたポリシリコン層からなるので、赤外線吸収層のドーピング量を多くすることにより赤外線吸収量を増加でき、高感度化を図れる。

請求項７の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記熱型デバイス要素部が赤外線を放射する発熱体層からなる赤外光源であり、当該発熱体層は、前記第１のポリシリコン層の所定領域に不純物をドーピングすること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、前記熱型デバイス要素部が赤外線を放射する発熱体層からなる赤外光源であり、当該発熱体層が、前記第１のポリシリコン層の所定領域に不純物をドーピングすることにより形成されているので、前記赤外光源の応答速度の高速化を図れるとともに放射特性の安定化を図れる。

請求項８の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記熱型デバイス要素部が抵抗ボロメータであり、当該抵抗ボロメータは、前記第１のポリシリコン層の一部により構成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記熱型デバイス要素部が第１のポリシリコン層の一部により構成された抵抗ボロメータなので、前記熱型デバイス要素部を容易に形成することができる。

請求項９の発明は、請求項６ないし請求項８の発明において、前記第１の空間は、前記シリコン基板の前記一表面側の一部を陽極酸化することにより形成した多孔質部を酸化して除去することで前記一表面に凹所を設けることにより形成され、当該凹所の内面が赤外線を反射する凹面ミラーを構成していることを特徴とする。

この発明によれば、前記熱型デバイス要素部側から前記第１の空間側へ進行した赤外線を凹面ミラーにより前記熱型デバイス要素部側へ反射させることができる。

請求項１０の発明は、請求項１ないし請求項９の発明において、前記真空封止用キャップ部は、前記キャップ層が第３のポリシリコン層により構成され、赤外線を透過させる赤外線透過部として機能することを特徴とする。

この発明によれば、前記真空封止用キャップ部を赤外線が透過できるとともに、前記真空封止用キャップ部で赤外線の損失が生じるのを抑制することができる。

請求項１１の発明は、請求項６ないし請求項１０の発明において、前記真空封止用キャップ部は、前記真空封止用多孔質部として複数の輪帯状の多孔質ポリシリコン部が同心的に形成されるとともに、前記キャップ層が第３のポリシリコン層により構成され、前記熱型デバイス要素部に光学的に結合された赤外線用のフレネルレンズとして機能することを特徴とする。

この発明によれば、前記真空封止用キャップ部とは別途にフレネルレンズを形成する場合に比べて、低コスト化が可能となる。

請求項１２の発明は、請求項６ないし請求項１０の発明において、前記真空封止用キャップ部は、前記真空封止用多孔質部とは別に複数の輪帯状の多孔質ポリシリコン部が同心的に形成されるとともに、前記キャップ層が第３のポリシリコン層により構成され、前記熱型デバイス要素部に光学的に結合された赤外線用のフレネルレンズとして機能することを特徴とする。

この発明によれば、前記真空封止用キャップ部とは別途にフレネルレンズを形成する場合に比べて、低コスト化が可能となる。

請求項１３の発明は、請求項１の発明において、前記真空封止用多孔質部と前記第１のポリシリコン層の一部とを一対の電極とするコンデンサが形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、コンデンサの出力に基づいて加速度を検出することが可能となる。

請求項１の発明では、熱型デバイス要素部とシリコン基板との間の断熱性を高めることができ、高性能化が可能となるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の固体真空デバイスは、図１に示すように、シリコン基板１０の一表面側に当該シリコン基板１０から離間して配置され当該シリコン基板１０の上記一表面側の第１のポリシリコン層１２に支持された熱型デバイス要素部２０が形成され、シリコン基板１０の上記一表面側に熱型デバイス要素部２０を囲む形で真空封止用キャップ部４０が形成され、真空封止用キャップ部４０が、シリコン基板１０の上記一表面側に形成した第２のポリシリコン層４１の一部を陽極酸化することにより形成された多孔質ポリシリコン部からなる真空封止用多孔質部４２と、当該真空封止用多孔質部４２に積層され当該真空封止用多孔質部４２の微細孔を封孔したキャップ層４３とを有し、熱型デバイス要素部２０におけるシリコン基板１０側の第１の空間１５および真空封止用キャップ部４０側の第２の空間３５が真空となっている。

また、本実施形態の固体真空デバイスは、第１のポリシリコン層１２の一部を陽極酸化することにより形成された多孔質ポリシリコン部からなり熱型デバイス要素部２０とシリコン基板１０とを熱絶縁する断熱部１３を備えている。ここにおいて、第１のポリシリコン層１２は、シリコン基板１０の上記一表面側にシリコン酸化膜１１を介して形成されており、断熱部１３とシリコン基板１０との間に形成される第１の空間１５のギャップ長がシリコン酸化膜１１の厚みにより規定されている。

また、本実施形態の固体真空デバイスは、第１のポリシリコン層１２および断熱部１３が導電性を有しており、第１のポリシリコン層１２および断熱部１３と熱型デバイス要素部２０とを電気的に絶縁する薄いシリコン窒化膜からなる第１の絶縁膜１４が、第１のポリシリコン層１２上と断熱部１３上とに跨って形成されている。

また、本実施形態の固体真空デバイスでは、第２のポリシリコン層４１および真空封止用多孔質部４２が導電性を有しており、第２のポリシリコン層４１と熱型デバイス要素部２０とを電気的に絶縁する薄いシリコン窒化膜からなる第２の絶縁膜３１が第１の絶縁膜１４の表面側に形成されており、熱型デバイス要素部２１に電気的に接続される導電性膜（例えば、Ａｌ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜など）からなるパッド２９，２９が第２の絶縁膜３１に形成されたコンタクトホール３１ａ，３１ａを埋め込む形で形成されている。

本実施形態の固体真空デバイスは、赤外線センサであり、熱型デバイス要素部２０がサーモパイルにより構成されている。ここにおいて、熱型デバイス要素部２０となるサーモパイルは、第１の絶縁膜１４上でそれぞれ所定形状にパターニングされたｎ形ポリシリコン層２１とｐ形ポリシリコン層２２とで構成され、ｎ形ポリシリコン層２１とｐ形ポリシリコン層２２との接点が温接点を構成している。なお、この温接点を赤外線吸収層により覆うようにすれば、高感度化を図れ、当該赤外線吸収層を、不純物をドーピングしたポリシリコン層により構成すれば、赤外線吸収層のドーピング量を多くすることにより赤外線吸収量を増加でき、高感度化を図れる。

以下、本実施形態の固体真空デバイスの製造方法について図２〜図４を参照しながら説明する。

まず、単結晶のシリコン基板１０の上記一表面側の全面にシリコン酸化膜１１をＣＶＤ法や熱酸化法など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１０の上記一表面側の全面にノンドープのポリシリコン層１２ａをＣＶＤ法などにより形成することによって、図２（ｂ）に示す構造を得てから、ノンドープのポリシリコン層１２ａの全体に亘ってｐ形の不純物をドーピングすることで導電性を有する第１のポリシリコン層１２を形成することによって、図２（ｃ）に示す構造を得る。

その後、シリコン基板１０の上記一表面側に断熱部１３形成用にパターニングされたレジスト層５１を形成し、続いて、第１のポリシリコン層１２の一部を陽極酸化することで多孔質ポリシリコン部からなる断熱部１３を形成することによって、図２（ｄ）に示す構造を得る。なお、第１のポリシリコン層１２の上記一部を陽極酸化するための電解液としては、第１のポリシリコン層１２の構成元素であるＳｉの酸化物であるＳｉＯ_２をエッチング除去する溶液として、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合したフッ酸系溶液を用いているが、フッ化水素水溶液の濃度やフッ化水素水溶液とエタノールとの混合比は特に限定するものではない。また、フッ化水素水溶液と混合する液体もエタノールに限らず、メタノール、プロパノール、イソプロパノール（ＩＰＡ）などのアルコールなど、陽極酸化反応で発生した気泡を除去できる液体であれば、特に限定するものではない。

上述の断熱部１３の形成後、レジスト層５１を除去してから、シリコン基板１０の上記一表面側の全面にシリコン窒化膜からなる第１の絶縁膜１４を形成し、その後、シリコン基板１０の上記一表面側にポリシリコン層を堆積させ、当該ポリシリコン層にｎ形不純物をドーピングしてからパターニングすることにより所定形状のｎ形ポリシリコン層２１を形成し、続いて、シリコン基板１０の上記一表面側にポリシリコン層を堆積させ、当該ポリシリコン層にｐ形不純物をドーピングしてからパターニングすることにより所定形状のｐ形ポリシリコン層２２を形成し、続いて、断熱部１３の少なくとも一部が露出させるように第１の絶縁膜１４を所定形状にパターニングすることによって、図２（ｅ）に示す構造を得る（なお、図２（ｅ）に示した断面では、断熱部１３は露出していない）。

その後、シリコン基板１０の上記一表面側の全面にＮＳＧ膜からなるシリコン酸化膜を形成してから、当該シリコン酸化膜をパターニングすることで第２の空間３５形成用の犠牲層５２を形成することによって、図３（ａ）に示す構造を得る。

次に、シリコン基板１０の上記一表面側の全面にノンドープのポリシリコン層４１ａをＣＶＤ法などにより形成することによって、図３（ｂ）に示す構造を得る。

その後、ポリシリコン層４１ａ上にＰＳＧ膜４５を形成することによって、図３（ｃ）に示す構造を得る。

その後、ＰＳＧ膜４５中の不純物をポリシリコン層４１ａへドーピングするアニールを行うことで導電性を有する第２のポリシリコン層４１を形成してから、ＰＳＧ膜４５を除去することによって、図３（ｄ）に示す構造を得る。

その後、シリコン基板１０の上記一表面側に真空封止用多孔質部４２形成用にパターニングされたレジスト層５３を形成し、続いて、第２のポリシリコン層４１の一部を陽極酸化することで多孔質ポリシリコン部からなる真空封止用多孔質部４２を形成することによって、図４（ａ）に示す構造を得る。なお、第２のポリシリコン層４１の上記一部を陽極酸化するための電解液としては、第２のポリシリコン層４１の構成元素であるＳｉの酸化物であるＳｉＯ_２をエッチング除去する溶液として、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合したフッ酸系溶液を用いているが、フッ化水素水溶液の濃度やフッ化水素水溶液とエタノールとの混合比は特に限定するものではない。また、フッ化水素水溶液と混合する液体もエタノールに限らず、メタノール、プロパノール、イソプロパノール（ＩＰＡ）などのアルコールなど、陽極酸化反応で発生した気泡を除去できる液体であれば、特に限定するものではない。

上述の真空封止用多孔質部４２を形成した後、レジスト層５３を除去し、続いて、真空封止用多孔質部４２直下のシリコン酸化膜からなる犠牲層５２を真空封止用多孔質部４２の微細孔を通してフッ酸系溶液（例えば、フッ化水素水溶液など）により選択的にエッチングして第２の空間３５を形成するとともに、断熱部１３直下のシリコン酸化膜１１を断熱部１３の微細孔を通して上記フッ酸系溶液によりエッチングすることで第１の空間１５を形成することによって、図４（ｂ）に示す構造を得る。

その後、シリコン基板１０の上記一表面側に第３のポリシリコン層からなるキャップ層４３を積層することで真空封止用多孔質部４２とキャップ層４３とからなる真空封止用キャップ部４０を形成することによって、図４（ｃ）に示す構造を得る。

その後、真空封止用キャップ部４０をパターニングしてから、第２の絶縁膜３１にコンタクトホール３１ａ，３１ａを形成し、続いて、シリコン基板１０の上記一表面側に導電性膜（例えば、Ａｌ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜など）を形成し、当該導電性膜をパターニングすることにより各パッド２９，２９を形成することによって、図４（ｄ）に示す構造を得る。

以上説明した本実施形態の固体真空デバイスでは、第１のポリシリコン層１２の一部を陽極酸化することにより形成された多孔質ポリシリコン部からなり熱型デバイス要素部２０とシリコン基板１０とを熱絶縁する断熱部１３を備えているので、熱型デバイス要素部２０とシリコン基板１０との間の断熱性を高めることができ、高性能化が可能となる。

ここで、本実施形態の固体真空デバイスにおいて、第１のポリシリコン層１２に、第１の空間１５と第２の空間３５とを連通させるスリットを形成するようにすれば、第１のポリシリコン層１２の応力を緩和することができるとともに、断熱性を向上させることができ、熱型デバイス要素部２０のより一層の高性能化を図れる。

また、本実施形態の固体真空デバイスでは、上述の説明から分かるように、複数枚の基板を用いることなく、表面マイクロマシニング技術などを利用したウェハプロセスで真空の空間１５，３５を形成することができ、熱型デバイス要素部２０が真空中に配置されていて外気などに起因した熱型デバイス要素部２０の劣化を抑制でき、信頼性を高めることができるので、固体真空デバイスごとにキャンパッケージを用いる必要がなく、低コスト化および小型化を図れる。

また、本実施形態の固体真空デバイスでは、断熱部１３が、第１のポリシリコン層１２の上記一部であって不純物がドーピングされた導電性領域を陽極酸化することにより形成されているので、断熱部１３を位置精度良く容易に形成することができる。

また、本実施形態の固体真空デバイスでは、断熱部１３の多孔度を真空封止用多孔質部４２の多孔度よりも大きくすることで、断熱部１３の断熱性を向上できる。ここにおいて、断熱部１３の多孔度については、６０％に設定してあるが、断熱部１３の断熱性および機械的強度、および上記フッ酸系溶液の透過性を考慮して例えば４０〜８０％の範囲で適宜設定すればよく、真空封止用多孔質部４２の多孔度については、上記フッ酸系溶液の透過性、キャップ層４３による封孔性を考慮して例えば２０〜５０％の範囲で適宜設定すればよい。

（実施形態２）
本実施形態の固体真空デバイスの基本構成は実施形態１と略同じであって、図５に示すように、熱型デバイス要素部２０が赤外線を放射する発熱体層からなる赤外光源２３であり、赤外光源２３としての発熱体層が金属膜（例えば、Ｐｔ膜など）により構成されている点が相違する。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。

しかして、本実施形態の固体真空デバイスによれば、赤外光源２３が断熱部１３によりシリコン基板１０と熱絶縁されているので、赤外光源２３の応答速度の高速化を図れるとともに放射特性の安定化を図れる。ところで、本実施形態では、赤外光源２３としての発熱体層が金属膜により構成されているが、発熱体層を、第１のポリシリコン層の所定領域に不純物をドーピングすることにより形成してもよく、ドーピング量を適宜調整することで発熱体層の抵抗率を制御することができる。

また、本実施形態の固体真空デバイスでは、実施形態１と同様、キャップ層４３が第３のポリシリコン層により構成されているので、真空封止用キャップ部４０が赤外線を透過させる赤外線透過部として機能し、真空封止用キャップ部４０を赤外線が透過できるとともに、真空封止用キャップ部４０で赤外線の損失が生じるのを抑制することができる。

（実施形態３）
本実施形態の固体真空デバイスの基本構成は実施形態１と略同じであって、図６に示すように、第１の空間１５がシリコン基板１０の上記一表面側の一部を陽極酸化して形成した多孔質部を酸化してエッチングすることで上記一表面に凹所１０ｃを設けることにより形成されている。ここで、本実施形態では、シリコン基板１０の上記一表面側の凹所１０ｃの内面である曲面を、凹面ミラーとして機能させることが可能であり、熱型デバイス要素部２０側から第１の空間１５側へ進行した赤外線を凹面ミラーにより熱型デバイス要素部２０側へ反射させることができるから、当該曲面に入射した赤外線を温接点に集光させることができるので、赤外線の検知感度を向上させることができる。この曲面は、陽極酸化の電流密度に面内分布を持たせることにより曲面を形成する曲面形成方法によって形成することができる。他の構成は実施形態１と同じなので説明を省略する。なお、他の実施形態において本実施形態と同様の凹所１０ｃをシリコン基板１０に設けてもよく、例えば、実施形態２においては、赤外線を凹面ミラーにより熱型デバイス要素部２０である赤外光源２３側へ反射させることで赤外線を集光して出射させることが可能となる。

（実施形態４）
本実施形態の固体真空デバイスの基本構成は実施形態１と略同じであって、図７に示すように、熱型デバイス要素部２０が、導電性を有する第１のポリシリコン層１２を陽極酸化することによって形成された多孔質シリコン部からなる抵抗ボロメータ２５により構成され、断熱部１３を兼ねている点が相違する。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。

しかして、本実施形態の固体真空デバイスでは、実施形態１のように熱型デバイス要素部２０がサーモパイルにより構成されるものに比べて、製造が容易になる。

（実施形態５）
本実施形態の固体真空デバイスの基本構成は実施形態４と略同じであって、図８に示すように、真空封止用キャップ部４０における真空封止用多孔質部４２のサイズを小さくして真空封止用多孔質部４２を複数形成してある点が相違する。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。

しかして、本実施形態の固体真空デバイスでは、真空封止用キャップ部４０における真空封止用多孔質部４２のサイズを小さくして真空封止用多孔質部４２を複数形成してあるので、真空封止用キャップ部４０の機械的強度を高めることができるとともに、第１の空間１５および第２の空間３５のより一層の高真空化が可能となる。

（実施形態６）
本実施形態の固体真空デバイスの基本構成は実施形態５と略同じであって、図９に示すように、熱型デバイス要素部２０がノンドープの第１のポリシリコン層１２ａにおいて不純物をドーピングした導電性領域からなる抵抗ボロメータ２６により構成されている点が相違する。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。

しかして、本実施形態の固体真空デバイスでは、熱型デバイス要素部２０が抵抗ボロメータ２６であり、当該抵抗ボロメータ２６が、ノンドープの第１のポリシリコン層１２ａにおいて不純物をドーピングした導電性領域からなる抵抗ボロメータ２６により構成されているので、熱型デバイス要素部２０を容易に形成することができ、また、不純物のドーピング量を多くすることにより赤外線の吸収効率を高めることができる。

ところで、本実施形態のように断熱部１３が第１のポリシリコン層１２ａの一部であって不純物がドーピングされた導電性領域を陽極酸化することにより形成する場合には、図１０に示すように、当該導電性領域を陽極酸化する際の通電用のパッド１２ｃ，１２ｃを設けるようにし、当該パッド１２ｃ，１２ｃを第１のポリシリコン層１２ａにおいて不純物がドーピングされた導電性領域により構成してもよい。また、図１０に示した例では、第１のポリシリコン層１２ａに厚み方向に貫通するスリット１２ｂ，１２ｂを形成してあるので、第１のポリシリコン層１２ａの応力を緩和することができるとともに、断熱性を向上させることができる。

また、本実施形態の固体真空デバイスにおいて、第１のポリシリコン層１２ａの所定部位を陽極酸化することにより形成され断熱部１３とは異なる機能を有する配線部や赤外線吸収部などの機能部を設けるようにし、断熱部１３および少なくとも１つの機能部それぞれで独立して多孔度を設定するようにしてもよく、この場合には、断熱部１３および少なくとも１つの機能部の特性を独立して設計することができ、高性能化を図れる。なお、他の実施形態においても同様の構成を適宜採用してもよい。

（実施形態７）
本実施形態の固体真空デバイスの基本構成は実施形態６と略同じであって、図１１に示すように、真空封止用キャップ部４０において、真空封止用多孔質部４２として複数の輪帯状の多孔質ポリシリコン部を形成してあり、キャップ層４３が第３のポリシリコン層により構成され、熱型デバイス要素部２０に光学的に結合された赤外線用のフレネルレンズとして機能する点が相違する。なお、実施形態６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。

しかして、本実施形態の固体真空デバイスでは、真空封止用キャップ部４０とは別途にフレネルレンズを形成する場合に比べて、低コスト化および小型化が可能となるとともに、光軸合わせが不要となり、組立ばらつきなどの起因した光軸ずれの発生がないので、信頼性を高めることができる。なお、他の実施形態において本実施形態の真空封止用キャップ部４０の構成を採用してもよい。

ところで、本実施形態では、真空封止用多孔質部４２として複数の輪帯状の多孔質ポリシリコン部を同心的に形成してあるが、図１２に示すように輪帯状の真空封止用多孔質部４２の内側に屈折率変化を利用したフレネルレンズ形成用の複数の輪帯状の多孔質シリコン部４５を同心的に形成してしてもよい。ここで、真空封止用多孔質部４２は、第２のポリシリコン層４１の厚み方向全体に形成する必要があるが、フレネルレンズ形成用の多孔質シリコン部４５は、第２のポリシリコン層４１の厚み方向全体に形成する必要はない。

（実施形態８）
本実施形態の固体真空デバイスの基本構成は実施形態４と略同じであって、図１３に示すように、真空封止用多孔質部４２と第１のポリシリコン層１２の一部とを一対の電極とするコンデンサが形成されている点などが相違する。なお、実施形態４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。

本実施形態の固体真空デバイスでは、加速度により上記一対の電極間の距離が変化し、上記コンデンサの静電容量が変化する。

しかして、本実施形態の固体真空デバイスでは、上記コンデンサの出力に基づいて加速度を検出することが可能となり、検出された加速度を多孔質シリコン部からなる抵抗ボロメータ２５の出力に基づいて温度補正することが可能となる。

ところで、本実施形態の固体真空デバイスでは、シリコン基板１０に熱型デバイス要素部２０と協働するＩＣ部（例えば、熱型デバイス要素部２０の出力を信号処理する信号処理回路）を集積化すれば、熱型デバイス要素部２０とＩＣ部との間の配線長を短くすることができてノイズを低減できるとともに、また、ＩＣ部が別の基板に形成されている場合に比べて、小型化および低コスト化を図れる。また、複数の熱型デバイス要素部２０を１つのシリコン基板１０の上記一表面側にアレイ状に形成してもよく、実施形態１，３〜７では、熱型デバイス要素部２０をアレイ状に形成することで熱画像デバイスとして展開することができる。

実施形態１を示す概略断面図である。 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。 同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。 実施形態２を示す概略断面図である。 実施形態３を示す概略断面図である。 実施形態４を示す概略断面図である。 実施形態５を示す概略断面図である。 実施形態６を示す概略断面図である。 同上の他の構成例における要部概略平面図である。 実施形態７を示す概略断面図である。 同上の他の構成例を示す概略断面図である。 実施形態８を示す概略断面図である。 従来例を示す概略断面図である。 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。

符号の説明

１０ シリコン基板
１０ｃ 凹所
１１ シリコン酸化膜
１２ 第１のポリシリコン層
１３ 断熱部
１４ 第１の絶縁膜
１５ 第１の空間
２０ 熱型デバイス要素部
２３ 赤外光源
２５ 抵抗ボロメータ
２６ 抵抗ボロメータ
３５ 第２の空間
４０ 真空封止用キャップ部
４１ 第２のポリシリコン層
４２ 真空封止用多孔質部
４３ キャップ層
４５ 多孔質ポリシリコン部

Claims (13)

1. シリコン基板の一表面側に当該シリコン基板から離間して配置され当該シリコン基板の前記一表面側の第１のポリシリコン層に支持された熱型デバイス要素部が形成され、シリコン基板の前記一表面側に熱型デバイス要素部を囲む形で真空封止用キャップ部が形成され、真空封止用キャップ部が、シリコン基板の前記一表面側に形成した第２のポリシリコン層の一部を陽極酸化することにより形成された多孔質ポリシリコン部からなる真空封止用多孔質部と、当該真空封止用多孔質部に積層され当該真空封止用多孔質部の微細孔を封孔したキャップ層とを有し、熱型デバイス要素部におけるシリコン基板側の第１の空間および真空封止用キャップ部側の第２の空間が真空となっている固体真空デバイスであって、第１のポリシリコン層の一部を陽極酸化することにより形成された多孔質ポリシリコン部からなり熱型デバイス要素部とシリコン基板とを熱絶縁する断熱部を備えてなることを特徴とする固体真空デバイス。
2. 前記第１のポリシリコン層に、前記第１の空間と前記第２の空間とを連通させるスリットが形成されてなることを特徴とする請求項１記載の固体真空デバイス。
3. 前記断熱部は、前記第１のポリシリコン層の前記一部であって不純物がドーピングされた導電性領域を陽極酸化すること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記載の固体真空デバイス。
4. 前記断熱部は、前記真空封止用多孔質部よりも多孔度が大きい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項に記載の固体真空デバイス。
5. 前記第１のポリシリコン層の所定部位を陽極酸化することにより形成され断熱部とは異なる機能を有する少なくとも１つの機能部を有し、断熱部および少なくとも１つの機能部それぞれで独立して多孔度を設定してあることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の固体真空デバイス。
6. 前記熱型デバイス要素部がサーモパイルであり、当該サーモパイルは、温接点が赤外線吸収層により覆われ、当該赤外線吸収層が不純物をドーピングしたポリシリコン層からなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の固体真空デバイス。
7. 前記熱型デバイス要素部が赤外線を放射する発熱体層からなる赤外光源であり、当該発熱体層は、前記第１のポリシリコン層の所定領域に不純物をドーピングすること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５のいずれか１項に記載の固体真空デバイス。
8. 前記熱型デバイス要素部が抵抗ボロメータであり、当該抵抗ボロメータは、前記第１のポリシリコン層の一部により構成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の固体真空デバイス。
9. 前記第１の空間は、前記シリコン基板の前記一表面側の一部を陽極酸化することにより形成した多孔質部を酸化して除去することで前記一表面に凹所を設けることにより形成され、当該凹所の内面が赤外線を反射する凹面ミラーを構成していることを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の固体真空デバイス。
10. 前記真空封止用キャップ部は、前記キャップ層が第３のポリシリコン層により構成され、赤外線を透過させる赤外線透過部として機能することを特徴とする請求項６ないし請求項９のいずれか１項に記載の固体真空デバイス。
11. 前記真空封止用キャップ部は、前記真空封止用多孔質部として複数の輪帯状の多孔質ポリシリコン部が同心的に形成されるとともに、前記キャップ層が第３のポリシリコン層により構成され、前記熱型デバイス要素部に光学的に結合された赤外線用のフレネルレンズとして機能することを特徴とする請求項６ないし請求項１０のいずれか１項に記載の固体真空デバイス。
12. 前記真空封止用キャップ部は、前記真空封止用多孔質部とは別に複数の輪帯状の多孔質ポリシリコン部が同心的に形成されるとともに、前記キャップ層が第３のポリシリコン層により構成され、前記熱型デバイス要素部に光学的に結合された赤外線用のフレネルレンズとして機能することを特徴とする請求項６ないし請求項１０のいずれか１項に記載の固体真空デバイス。
13. 前記真空封止用多孔質部と前記第１のポリシリコン層の一部とを一対の電極とするコンデンサが形成されてなることを特徴とする請求項１記載の固体真空デバイス。

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