JP2010045095A - 赤外線撮像素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】入射赤外線の有効利用と放熱の抑制とにより、高感度の赤外線撮像素子を提供する。
【解決手段】赤外線撮像素子１０は、Ｓｉ基板１１の上に、空間３０を隔てて、絶縁支持膜１７が設けられている。絶縁支持膜１７の上には、配線１９と、絶縁被覆膜２１と、熱吸収膜２２とが形成されている。第１，第２熱電部材２０ａ，２０ｂは、配線１９の両端から、基板上まで延びている。基板上で、第１，第２熱電部材２０ａ，２０ｂの端部は、第１，第２コンタクト１８ａ，１８ｂにそれぞれ接続されている。第１，第２熱電部材２０ａ，２０ｂは、第１，第２電極１２ａ，１２ｂに電気的に接続されている。絶縁支持膜１７等を，１対の熱電部材２０ａ，２０ｂのみで支持することで、熱伝導による放熱を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線，特に遠赤外線を検知して撮像するための赤外線撮像素子に係り、特に、赤外線検知感度の向上対策に関する。

従来より、赤外線センサに配置される赤外線検知素子として、特許文献１，２に開示されるものが知られている。
特許文献１の図２には、基板上に、空間となる犠牲層を挟んで、赤外線吸収層および１対の熱電部材を配置した構造が開示されている。１対の熱電部材（サーモパイル）は、絶縁支持膜である酸化膜および窒化膜とともに、犠牲層の側部から基板上まで延びている。１対の熱電部材は、ｎ型ポリシリコン，ｐ型ポリシリコンであり、温接点部同士はアルミ配線によって接続されている。

特許文献２の図１には、基板上に、空間を挟んで、赤外線吸収部および２対の熱電部材を配置した構造が開示されている。２対の熱電部材は、空間の上部から基板上まで延びている。そして、２対の熱電部材によって、基板上で赤外線吸収部を支持している。
特開平０７−１３７９４３号公報 特開２００７−２１４４００号公報

しかしながら、上記特許文献１または２の赤外線検出素子を用いて、撮像を行うに際し、以下のような不具合があった。
特許文献１の構造では、上部の赤外線吸収部から熱電部材だけでなく、酸化膜および窒化膜を伝わって基板に熱が逃げる。そのために、赤外線の検知精度が低下する。

特許文献２の構造では、ポリシリコンからなる熱電部材だけで上部の赤外線吸収部を支持している。ところが、ポリシリコンは、熱伝導率が１５０（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度と大きいので、現実には、熱電部材を介して基板に逃げる熱を抑制することは困難である。

本発明の目的は、入射される赤外線を有効に利用しつつ、放熱を抑制する手段を講ずることにより、高感度の赤外線撮像素子およびその製造方法を提供することにある。

本発明の赤外線撮像素子は、空間を挟んで配置された熱吸収膜等を支持する絶縁支持膜と、熱吸収膜の下方に配置された赤外線反射膜とを備えている。そして、熱電部材の温接点部を熱吸収膜に近接して配置し、冷接点部を基板上に配置する。熱電部材により、基板上で、熱吸収膜および絶縁支持膜が支持されている、つまり、いわゆるセルフサポート構造を有している。熱電部材は、ポリシリコンよりも熱伝導率が低い金属材料によって構成されている。

この構造により、本発明では、以下の作用効果が得られる。
熱吸収膜等を支持する絶縁支持膜を設けたことで、熱吸収膜を安定して保持することができる。したがって、下方の赤外線反射膜と熱吸収膜との間で赤外線の干渉を防止して、反射赤外線を有効に利用することができる。また、熱電部材が、ポリシリコンよりも熱伝導率が低いので、熱電部材の断面積を大きくしても、基板への熱の伝達を抑制することができる。そして、熱電部材の断面積を大きくすることにより、熱吸収膜および絶縁支持膜を支持するだけの強度が容易に得られる。
よって、入射される赤外線をできるだけ有効に利用しつつ、放熱を抑制して、高感度の撮像を行うことができる。

熱電部材の温接点部同士，および冷接点部同士は、オーミック接触させるものであれば、直接接触させることができる。一般的には、金属など、他の導電部材を介して間接的に接続されることが多い。他の導電部材の方が、熱電部材とオーミック接触させるための処理が簡単である場合が多いからである

熱電部材の熱伝導率が、シリコン窒化膜の熱伝導率以下であることにより、放熱を確実に抑制して、素子の感度をより高めることができる。
また、１対の熱電部材のうち、一方はＢｉ−ＴｅまたはＢｉ−Ｓｅ−Ｔｅからなり、他方はＢｉ−Ｓｂ−Ｔｅからなることが好ましい。大きな起電力を確保して、高い感度が得られるからである。

本発明の赤外線撮像素子の製造方法は、以下の手順によって行われる。基板上に赤外線反射膜を形成した後、島状の犠牲層を形成する。次に、犠牲層の上面上に、絶縁支持膜を形成した後、犠牲層の側面および上面に亘る領域に、１対の熱電部材を形成する。さらに、熱吸収膜を形成してから、犠牲層を除去する。

この方法により、上述の効果を発揮する赤外線撮像素子が得られる。
１対の熱電部材として、Ｂｉ−ＴｅまたはＢｉ−Ｓｅ−Ｔｅ，およびＢｉ−Ｓｂ−Ｔｅ線をそれぞれ用いることで、特に高感度の素子が得られる。

本発明の赤外線撮像素子またはその製造方法によると、入射赤外線を有効に利用しつつ、放熱を抑制して高感度の赤外線撮像素子を得ることができる。

−赤外線撮像素子の構造−
図１（ａ），（ｂ）は、本発明の実施形態に係る赤外線撮像素子のI-I線における断面図および平面図である。本実施の形態の赤外線撮像素子は、波長８〜１２μｍ（中心波長１０μｍ）の遠赤外線を用いた例について説明する。しかし、本発明の赤外線撮像素子は、遠赤外線を用いたものに限定されるものではない。

赤外線撮像素子１０は、Ｓｉ基板１１を用いて形成されている。Ｓｉ基板１１の上には、第１，第２電極１２ａ，１２ｂと、反射膜１３と、保護膜１４とが形成されている。反射膜１３は、保護膜１４によって覆われている。第１，第２電極１２ａ，１２ｂの大部分は保護膜によって覆われているが、一部は保護膜１４の開口内に露出している。開口内において、第１，第２電極１２ａ，１２ｂの上には、第１，第２コンタクト１８ａ，１８ｂが形成されている。

第１，第２電極１２ａ，１２ｂおよび反射膜１３は、いずれも厚み２００ｎｍ程度のＡｌ膜から形成されている。保護膜１４は、厚み２００ｎｍ程度のシリコン酸化膜から形成されている。第１，第２コンタクト１８ａ，１８ｂは、厚み２００ｎｍ程度のＴｉ／Ａｕ膜から形成されている。Ａｕ膜は，後述する熱電部材とオーミック接触するための材料である。Ｔｉ膜は、ＡｕとＡｌとの密着性を高めるための材料である。

保護膜１４の上方には、空間３０が存在している。そして、空間３０の上方を覆うように絶縁支持膜１７が形成されている。絶縁支持膜１７の上には、配線１９と、絶縁被覆膜２１と、熱吸収膜２２とが形成されている。

絶縁支持膜１７は、厚み２５０ｎｍ程度のシリコン窒化膜から形成されている。配線１９は、厚みが１００ｎｍ程度のＡｕ膜から形成されている。絶縁被覆膜２１は、厚み２５０ｎｍ程度のシリコン窒化膜から形成されている。熱吸収膜２２は、厚みが３〜５ｎｍ程度のニッケルクロム膜または白金膜から形成されている。

図１（ｂ）に示されるように、絶縁支持膜１７，絶縁被覆膜２１，および熱吸収膜２１は、平面形状が矩形である。また、配線１９は、幅が５μｍ程度の線材である。そして、絶縁支持膜１７は、配線１９，絶縁被覆膜２１，および熱吸収膜２１の平板形状を維持するものである。

配線２２の両端上には、熱電対を構成する第１，第２熱電部材２０ａ，２０ｂが接触している。第１，第２熱電部材２０ａ，２０ｂは、それぞれ基板上まで延びている。基板上で、第１，第２熱電部材２０ａ，２０ｂの端部は、第１，第２コンタクト１８ａ，１８ｂにそれぞれ接続されている。つまり、第１，第２熱電部材２０ａ，２０ｂは、第１，第２電極１２ａ，１２ｂに電気的に接続されている。

第１熱電部材２０ａは、厚み０．５μｍ程度のＢｉ−ＴｅまたはＢｉ−Ｓｅ−Ｔｅ膜から形成されている。第２熱電部材２０ｂは、厚み０．５μｍ程度のＢｉ−Ｓｂ−Ｔｅ膜から形成されている。Ｂｉ−ＴｅまたはＢｉ−Ｓｅ−ＴｅおよびＢｉ−Ｓｂ−Ｔｅは、熱処理によってＡｕと容易にオーミック接触する材料である。

第１，第２熱電部材２０ａ，２０ｂの配線１９に接続される端部は、温接点部Ｔha，Ｔhbである。第１，第２熱電部材２０ａ，２０ｂの第１，第２コンタクト１８ａ，１８ｂに接続される端部は、冷接点部Ｔca，Ｔｃcbである。

本実施の形態の赤外線撮像素子１０は、空間を挟んで、熱電部材２０ａ，２０ｂ，熱吸収膜２２，絶縁支持膜１７等を設けた，ダイアフラム構造を有している。また、１対の熱電部材２０ａ，２０ｂのみにより、熱吸収膜２２，絶縁被覆膜１９，絶縁支持膜１７，配線１９等を支持する、セルフサポート構造を有している。

赤外線が入射されると、熱吸収膜２２に吸収されて、図１（ｂ）に示すホットポイントＲht付近の温度が特に上昇する。熱吸収膜２２等を通過した赤外線は、赤外線反射膜１３によって反射され、熱吸収膜２２に再入射される。

ここで、空間３０の縦方向寸法は、赤外線の波長をλとすると、（１／４）λ付近に設定されている。つまり、反射赤外線と入射赤外線とが打ち消し合う干渉が生じる。この干渉を生じた赤外線同士が、熱吸収膜２２中の自由電子に吸収されて熱になる。この熱は、絶縁被覆膜２１に伝わり、絶縁被覆膜１９の温度が上昇する。つまり、絶縁被覆膜１９に接触している温接点部Ｔha，Ｔhbの温度が上昇する。

このように、入射した赤外線をできるだけ有効に検知に利用しうる構造となっている。本実施の形態では、熱吸収膜２２と赤外線反射膜１３との間の距離は、２．５μｍ｛≒（１／４ｎ）×１０｝である。ここで、ｎは、熱吸収膜２２と赤外線反射膜１３との実効的な屈折率である。

温接点部Ｔha，Ｔhbの温度が上昇すると、冷接点部Ｔca，Ｔｃcbとの温度差に応じた電位差が第１，第２熱電部材２０ａ，２０ｂに生じる。つまり、第１，第２熱電部材２０ａ，２０ｂの電位差に応じた起電力が得られる。この起電力が第１，第２電極２０ａ，２０bから取り出され、電気信号としてＳｉ基板１１上の読み出し回路に送られる。この電気信号は、赤外線撮像素子１０が配置されている領域に入射された赤外線量を示している。そして、Ｓｉ基板１１上の多数の赤外線撮像素子１０からの電気信号に基づいて、外部回路で赤外画像が作成される。

−赤外線撮像素子の製造工程−
図２（ａ）〜（ｅ）および図３（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態に係る赤外線撮像素子の製造工程を示す断面図である。
まず、図２（ａ）に示す工程で、Ｓｉ基板１１上に、レジスト膜を堆積する（図示せず）。続いて、リソグラフィーにより、レジスト膜のうち、部材を形成する領域を開口する。次に、レジスト膜およびＳｉ基板１１の上に、スパッタにより、厚み２００ｎｍ程度のＡｌ膜を堆積する。次に、レジスト膜をアセトン等のエッチャントを用いて除去する。このリフトオフによって、Ｓｉ基板１１の上に、赤外線反射膜１３、および第１，第２電極１２ａ，１２ｂを形成する。赤外線反射膜１３は、Ａｌ膜のうち，素子中央部に位置する部分である。第１，第２電極１２ａ，１２ｂは、Ａｌ膜のうち，素子の両端から側方に延びる部分である。図示しないが、第１，第２電極１２ａ，１２ｂは、Ｓｉ基板１１上に延びて、撮像信号の供給配線につながっている。

次に、図２（ｂ）に示す工程で、スパッタにより、基板上に、ＳｉＯ_２からなる，厚み２００ｎｍ程度の保護膜１４を堆積する。保護膜１４は、Ｓｉ基板１１，赤外線反射膜１３、および第１，第２電極１２ａ，１２ｂを覆っている。保護膜１４のうち、赤外線反射膜１３の上方に位置する部分は、赤外線反射膜１３を保護する機能を果たしている。

次に、図２（ｃ）に示す工程で、スパッタにより、保護膜１４の上に、厚み１．５μｍ程度のα−Ｓｉ膜を堆積する。続いて、ＣＦ_４・Ｏ_２を用いたＲＩＥにより、α−Ｓｉ膜をパターニングして、犠牲層１５を形成する。犠牲層１５の立体形状は、第１，第２電極１２ａ，１２ｂの近傍に下端部を有する四角錐台である。

次に、図２（ｄ）に示す工程で、スパッタにより、基板上に、厚みが２５０ｎｍ程度のシリコン窒化膜を堆積する。続いて、ＣＦ_４・ＣＨＦ_３・Ｏ_２を用いたＲＩＥにより、シリコン窒化膜をパターニングして、絶縁支持膜１７を形成する。絶縁支持膜１７は、犠牲層１５の上面および保護膜１４を覆っている。絶縁支持膜１７のうち、第１，第２電極１２ａ，１２ｂの上方に位置する部分には、コンタクトホールが形成されている。また、犠牲層１５の斜面上では、絶縁支持膜１７が除去されている。

次に、図２（ｅ）に示す工程で、基板上に、スパッタにより、Ｔｉ膜およびＡｕ膜を連続して堆積する。Ａｕ／Ｔｉ膜の合計厚みは２００ｎｍ程度である。続いて、Ｃｌ_２を用いたＲＩＥにより、Ａｕ／Ｔｉ膜をパターニングする。これにより、犠牲層１５上の絶縁支持膜１７の上には、幅が５μｍ程度の配線１９が形成される。また、第１，第２電極１２ａ，１２ｂの上に、第１，第２コンタクト１８ａ，１８ｂが形成される。

次に、図３（ａ）に示す工程で、リソグラフィーにより、基板上に、第１熱電部材を形成する領域を開口したレジスト膜を形成する。続いて、スパッタにより、基板上に、Ｂｉ−Ｔｅ（またはＢｉ−Ｓｅ−Ｔｅ）膜を堆積する。続いて、アセトン等により、レジスト膜を除去して、リフトオフ法により、第１熱電部材２０ａを形成する。同様のリフトオフ法により、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｔｅからなる第２熱電部材２０ｂを形成する。第１，第２熱電部材２０ａの各一端は、配線１９の各端部に接触している。第１，第２熱電部材２０ａ，２０ｂは、犠牲層１５の上面から斜面を経て、Ｓｉ基板１１の直上領域まで延びている。第１，第２熱電部材２０ａ，２０ｂの他端は、絶縁支持膜１７のコンタクトホールを埋めて、第１，第２コンタクト１８ａ，１８ｂに接触している。

次に、図３（ｂ）に示す工程で、スパッタにより、基板上に、厚みが２５０ｎｍ程度のシリコン窒化膜を堆積する。続いて、ＣＦ_４・Ｏ_２を用いたＲＩＥにより、シリコン窒化膜をパターニングして、絶縁被覆膜２１を形成する。絶縁被覆膜２１は、配線１９，各熱電部材２０ａ，２０ｂ，および絶縁支持膜１７を覆っている。犠牲層１５の斜面上では、絶縁被覆膜２１は除去されている。

次に、図３（ｃ）に示す工程で、スパッタにより、基板上に、厚みが３〜５ｎｍ程度のＮｉＣｒ膜を堆積する。ＮｉＣｒ膜に代えて、Ｐｔ膜を堆積してもよい。続いて、Ｃｌ_２・ＢＣｌ_３を用いたＲＩＥにより、ＮｉＣｒ膜をパターニングして、熱吸収膜２２を形成する。熱吸収膜２２は、絶縁被覆膜２１を覆っている。犠牲層１５の斜面上では、熱吸収膜２２は除去されている。

次に、図３（ｄ）に示す工程で、ＸｅＦ_２ガスを用いて、犠牲層１５を除去する。これにより、図１（ａ），（ｂ）に示す赤外線撮像素子１０が形成される。

その後、熱処理を行なって、各熱電部材２０ａ，２０ｂを構成するＢｉ−Ｔｅ（またはＢｉ−Ｓｅ−Ｔｅ），Ｂｉ−Ｓｂ−Ｔｅの性能を向上させる。

本実施の形態の赤外線撮像素子１０によると、以下の作用効果が得られる。
１対の熱電部材２０ａ，２０ｂのみにより、配線１９，絶縁支持膜１７，熱吸収膜２２等が支持されている。つまり、いわゆるセルフサポート構造をしている。固体を介した基板への熱伝導は、各熱電部材２０ａ，２０ｂを経る経路だけであるので、放熱が抑制される。空間３０等の周囲は，通常は真空に保持されるので、放熱量は小さい。

各熱電部材２０ａ，２０ｂは、ポリシリコンよりも低い熱伝導率を有する金属材料である。これにより、熱電部材２０ａ，２０ｂだけで絶縁支持膜１７等を支持しうる強度と、低い熱伝導とが実現される。特に、熱電部材２０ａ，２０ｂとして、熱伝導率がシリコン窒化膜の熱伝導率（たとえば、２５（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度）よりも低い材料を用いることが好ましい。これにより、サポート部分における放熱を確実に抑制し、素子の感度をより高めることができる。

本実施の形態では、熱吸収膜２２を通過した赤外線は、赤外線反射膜１３によって反射され、熱吸収膜２２に吸収される。その際、上述のように、空間３０の縦方向寸法の設計によって、反射赤外線と入射赤外線との干渉が生じる。そして、干渉により熱吸収膜２２に効率よく熱が吸収される。よって、入射した赤外線をできるだけ有効に利用することができ、高い検知精度を発揮することができる。

本実施の形態では、第１，第２熱電部材２０ａ，２０ｂを、Ｂｉ−Ｔｅ（またはＢｉ−Ｓｅ−Ｔｅ），Ｂｉ−Ｓｂ−Ｔｅによりそれぞれ構成したが、これに限定されるものではない。ただし、Ｂｉ−Ｔｅ（またはＢｉ−Ｓｅ−Ｔｅ），Ｂｉ−Ｓｂ−Ｔｅを用いると、起電力を大きく確保でき、高い検出感度が得られる。

１対の熱電部材が、互いにオーミック接触可能な材料である場合は、配線１９は必要でない。その場合には、各熱電部材を絶縁支持膜１７の中央付近まで延ばして、互いに接触させればよい。

本実施の形態では、Ｂｉ−Ｔｅ（またはＢｉ−Ｓｅ−Ｔｅ），Ｂｉ−Ｓｂ−Ｔｅを用いたので、配線１９にはＡｕ膜を用いている。熱電部材として他の材料を用いる場合には、当該材料とオーミック接触させうる配線材料を用いればよい。

上記開示された本発明の実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の赤外線撮像素子は、各種生体や発熱性機器，あるいはそれらの一部などを撮像する撮像装置に利用することができる。

（ａ），（ｂ）は、順に、実施の形態に係る赤外線撮像素子のI-I線における断面図および平面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本実施の形態に係る赤外線撮像素子の製造工程の前半部分を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態に係る赤外線撮像素子の製造工程の後半部分を示す断面図である。

符号の説明

１０ 赤外線撮像素子
１１ Ｓｉ基板
１２ａ 第１電極
１２ｂ 第２電極
１３ 赤外線反射膜
１４ 保護膜
１５ 犠牲層
１７ 絶縁支持膜
１８ａ 第１コンタクト
１８ｂ 第２コンタクト
１９ 配線
２０ａ 第１熱電部材
２０ｂ 第２熱電部材
２１ 絶縁被覆膜
２２ 熱吸収膜

Claims (7)

1. サーモパイル方式の赤外線撮像素子であって、
   基板と、
   前記基板上に、空間を挟んで配置された熱吸収膜と、
   前記基板の前記熱吸収膜下方に位置する領域に配置された赤外線反射膜と、
   前記熱吸収膜を支持する絶縁支持膜と、
   前記熱吸収膜に近接する位置に温接点部を、前記基板上に冷接点部を、それぞれ有し、温接点部同士、冷接点部同士が直接または間接的に接続された熱電部材とを備え、
   前記１対の熱電部材は、ポリシリコンよりも熱伝導率が低い金属材料からなり、
   前記基板上で、前記１対の熱電部材のみにより、前記熱吸収膜および絶縁支持膜が支持されている、赤外線撮像素子。
2. 請求項１記載の赤外線撮像素子において、
   前記１対の熱電部材の温接点部同士，および冷接点部同士は、他の導電部材を介して間接的に接続されている、赤外線撮像素子。
3. 請求項１または２記載の赤外線撮像素子において、
   前記１対の熱電部材の熱伝導率は、シリコン窒化膜の熱伝導率以下である、赤外線撮像素子。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の赤外線撮像素子において、
   前記１対の熱電部材のうち、一方はＢｉ−ＴｅまたはＢｉ−Ｓｅ−Ｔｅからなり、他方はＢｉ−Ｓｂ−Ｔｅからなる、赤外線撮像素子。
5. 基板上に赤外線反射膜を形成する工程（ａ）と、
   前記基板および赤外線反射膜の上に、上面および側面を有する島状の犠牲層を形成する工程（ｂ）と、
   前記犠牲層の上面上に、絶縁支持膜を形成する工程（ｃ）と、
   前記基板と、前記犠牲層の側面および上面に亘る領域に、１対の熱電部材を形成する工程（ｄ）と、
   前記各熱電部材および絶縁支持膜の上に、熱吸収膜を形成する工程（ｅ）と、
   前記犠牲層を除去する工程（ｆ）と、
   を含む赤外線撮像素子の製造方法。
6. 請求項５記載の赤外線撮像素子の製造方法において、
   前記工程（ｄ）の前または後に、前記１対の熱電部材の各端部同士を接続する導電部材を形成する工程をさらに含む赤外線撮像素子の製造方法。
7. 請求項５または６記載の赤外線撮像素子の製造方法において、
   前記工程（ｄ）では、前記１対の熱電部材として、Ｂｉ−ＴｅまたはＢｉ−Ｓｅ−Ｔｅ，およびＢｉ−Ｓｂ−Ｔｅ線をそれぞれ用いる、赤外線撮像素子の製造方法。

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