JP2013051233A - 熱電変換デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】感度の向上を図ることが可能な熱電変換デバイスを提供する。
【解決手段】熱電変換デバイスは、支持基板１０と、支持基板１０の一表面に形成された凹所１１の内面から離れて配置された薄膜構造部２０と、支持基板１０と薄膜構造部２０とを連結している複数の梁部３０と、熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換部４０とを備えている。そして、本実施形態の熱電変換デバイスでは、支持基板１０が、シリコン基板１０ａとシリコン基板１０ａの主表面上の絶縁層１０ｂとを有し、複数の梁部３０が、薄膜構造部２０の厚み方向に沿った薄膜構造部２０の中心線に対して回転対称となるに配置されている。梁部３０では、熱電変換部４０の熱電材料により形成された部分が露出しており、熱電材料が、ＳｉＧｅもしくはＧｅである。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換デバイスに関するものである。

従来から、熱電変換デバイスとしては、例えば、図８に示す構成の熱型赤外線センサが提案されている（特許文献１）。この熱型赤外線センサは、ｐ形ポリシリコン２０７とｎ形ポリシリコン２０８とをアルミニウムからなる接点部２０９を介して交互に接続したサーモパイルをシリコン基板２０６の主表面側に備えている。また、この熱型赤外線センサは、シリコン基板２０６のエッチング時にエッチングストッパとして働く窒化膜２０２と、酸化膜２０３とを備えている。また、この熱型赤外線センサは、シリコン基板２０６のエッチング時のエッチング液からｐ形ポリシリコン２０７、ｎ形ポリシリコン２０８および接点部２０９を保護する酸化膜２０４と、赤外線吸収率の高い吸収層２０５とを備えている。

そして、この熱型赤外線センサでは、ｐ形ポリシリコン２０７およびｎ形ポリシリコン２０８が、それ自体で、赤外線検出部２１０である薄膜部分をヒートシンクであるシリコン基板２０６に保持する梁となっている。これにより、この熱型赤外線センサでは、薄膜部分とヒートシンクとの間のサーマルコンダクタンスを小さくでき、感度が高くなる。ただし、この熱型赤外線センサでは、ｐ形ポリシリコン２０７およびｎ形ポリシリコン２０８の梁が酸化膜２０４により保護された構造となっている。

特開平３−２９１５４１号公報

しかしながら、上述の赤外線センサでは、赤外線検出部２１０が、構造的には、各々４本の梁によって支持された２つの三角形状の領域に分割された構造であり、赤外線検出部２１０や梁が反って感度が低下してしまう懸念がある。また、特許文献１には、上述の熱型赤外線センサの製造方法について明記されていないが、シリコン基板２０６のエッチング時に、上述の梁となるｐ形ポリシリコン２０７およびｎ形ポリシリコン２０８がエッチングされる懸念があり、ｐ形ポリシリコン２０７およびｎ形ポリシリコン２０８の抵抗値が増大して感度が低下してしまう懸念がある。

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、感度の向上を図ることが可能な熱電変換デバイスを提供することにある。

本発明の熱電変換デバイスは、支持基板と、前記支持基板の一表面に形成された凹所の内面から離れて配置された薄膜構造部と、前記支持基板と前記薄膜構造部とを連結している複数の梁部と、熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換部とを備え、前記支持基板は、シリコン基板と前記シリコン基板の主表面上の絶縁層とを有し、前記複数の前記梁部が、前記薄膜構造部の厚み方向に沿った前記薄膜構造部の中心線に対して回転対称となるように配置され、前記梁部では、前記熱電変換部の熱電材料により形成された部分が露出しており、前記熱電材料が、ＳｉＧｅもしくはＧｅであることを特徴とする。

この熱電変換デバイスにおいて、前記薄膜構造部に対して１対複数の関係で前記熱電変換部を備え、前記複数の前記熱電変換部が、直列接続、並列接続および直並列接続のいずれかの接続関係で電気的に接続されてなることが好ましい。

この熱電変換デバイスにおいて、前記各梁部の各々の平面形状が直線状であり、前記各梁部が長手方向への引張応力を有していることが好ましい。

この熱電変換デバイスにおいて、前記薄膜構造部は、前記凹所の内部空間に連通する孔が貫設されてなることが好ましい。

この熱電変換デバイスにおいて、前記薄膜構造部を複数備え、前記複数の前記薄膜構造部が、前記支持基板の前記一表面側でアレイ状に配置されてなることが好ましい。

この熱電変換デバイスにおいて、前記支持基板に形成されて前記熱電変換部と協働する電子回路部を備えることが好ましい。

本発明の熱電変換デバイスにおいては、感度の向上を図ることが可能となるという効果がある。

（ａ）は実施形態１の熱電変換デバイスの概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面に対応する概略断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面に対応する概略断面図である。 実施形態１の熱電変換デバイス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１の熱電変換デバイスの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 （ａ）は実施形態２の熱電変換デバイスの概略平面図、（ｂ）は実施形態２の熱電変換デバイスの概略断面図である。 （ａ）は実施形態３の熱電変換デバイスの概略平面図、（ｂ）は実施形態２の熱電変換デバイスの概略断面図である。 実施形態４の熱電変換デバイスの要部概略平面図である。 実施形態４の熱電変換デバイスの等価回路図である。 （ａ）は従来例の熱型赤外線センサの要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面に対応する断面図である。

（実施形態１）
以下では、本実施形態の熱電変換デバイスについて図１を参照しながら説明する。なお、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’断面に対応する概略断面図であるが、図１（ａ）では、図１（ｂ）中に示してある後述の層間絶縁膜５０において熱電変換部４０に重なる部分およびパッシベーション膜６０の図示を省略してある。また、本実施形態の熱電変換デバイスは、熱型の赤外線センサである。

熱電変換デバイスは、支持基板１０と、支持基板１０の一表面に形成された凹所１１の内面から離れて配置された薄膜構造部２０と、支持基板１０と薄膜構造部２０とを連結している梁部３０と、熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換部４０とを備えている。ここにおいて、熱電変換デバイスは、薄膜構造部２０が、複数（図１（ａ）の例では、８×４＝３２個）の梁部３０を介して支持基板１０に支持されている。なお、梁部３０の数は特に限定するものではない。

支持基板１０は、シリコン基板１０ａとシリコン基板１０ａの主表面上の絶縁層１０ｂとを有しており、絶縁層１０ｂの表面が上記一表面を構成している。

複数の梁部３０は、薄膜構造部２０の厚み方向に沿った薄膜構造部２０の中心線に対して回転対称となるに配置されている。

梁部３０では、熱電変換部４０の熱電材料により形成された部分が露出しており、熱電材料が、ＳｉＧｅもしくはＧｅである。

以下、熱電変換デバイスの各構成要素について詳細に説明する。

支持基板１０は、矩形板状に形成されている。また、凹所１１は、矩形状に開口され四角錐状の形状となっている。ここにおいて、支持基板１０は、シリコン基板１０ａとして、主表面が（１００）面の単結晶のｎ形シリコン基板を採用している。また、支持基板１０は、凹所１１の内面のうちシリコン基板１０ａにより構成される部位が、シリコン基板１０ａの（１１１）面となっている。シリコン基板１０ａの導電形は、ｎ形であるが、これに限らず、ｐ形でもよい。

絶縁層１０ｂは、シリコン窒化膜により構成してある。

支持基板１０は、絶縁層１０ｂが、シリコン基板１０ａの主表面において凹所１１以外の部位に形成されている。

また、熱電変換デバイスは、支持基板１０と薄膜構造部２０との間において梁部３０が存在する領域以外に、凹所１１の内部空間に連通するスリット１５が形成されている。

熱電変換部４０は、サーモパイルにより構成されている。このサーモパイルからなる熱電変換部４０は、支持基板１０と薄膜構造部２０とに跨って形成された複数（図１（ａ）の例では４つ）の熱電対４０ｂが直列接続されている。熱電対４０ｂは、細長の第１熱電要素４１と、細長の第２熱電要素４２と、第１熱電要素４１および第２熱電要素４２の一端部４１ａ，４２ａ同士を薄膜構造部２０において電気的に接続した第１の接続部４３とで構成されている。第１熱電要素４１および第２熱電要素４２は、各々の平面形状が直線状となっている。ここで、熱電変換部４０は、対をなす第１熱電要素４１および第２熱電要素４２の各一端部４１ａ，４２ａと、これら一端部４１ａ，４２ａ同士を接続した第１の接続部４３とで温接点Ｔ１を構成している。また、熱電変換部４０は、隣り合う熱電対４０ｂの第１熱電要素４１の他端部４１ｂおよび第２熱電要素４２の他端部４２ｂと、これら他端部４１ｂ，４２ｂ同士を接続した第２の接続部４４とで、冷接点Ｔ２を構成している。しかして、熱電変換部４０は、各温接点Ｔ１が支持基板１０から熱絶縁され、各冷接点Ｔ２が支持基板１０に熱結合されている。なお、図１（ａ）では、第１熱電要素４１と第２熱電要素４２とのレイアウトを分かりやすくするために、第１熱電要素４１と第２熱電要素４２とに互いに異なるハッチングを施してある。

熱電変換部４０は、第１熱電要素４１および第２熱電要素４２の中間部４１ｃ，４２ｃの各々が、１つずつ梁部３０を構成し、露出している。また、本実施形態の熱電変換デバイスは、熱電変換部４０の熱電材料が、ＳｉＧｅもしくはＧｅである。複数の梁部３０は、第１熱電要素４１の中間部４１ｃにより構成された梁部３０と、第２熱電要素４２ｃの中間部４２ｃにより構成された梁部３０とが、薄膜構造部２０の外周方向に沿って交互に並んで配置されている。また、各梁部３０は、凹所１１側にシリコン窒化膜からなる下地膜３０ｂを備えている。この下地膜３０ｂは、支持基板１０の絶縁層１０ｂと一体に形成されている。

本実施形態の熱電変換デバイスでは、熱電変換部４０の熱電材料がＳｉＧｅもしくはＧｅであることにより、熱電材料がＳｉである場合に比べて、ゼーベック係数の向上による高感度化を図ることが可能となる。また、ＳｉＧｅおよびＧｅは、多結晶でもよいし単結晶でもよい。ここで、ＳｉＧｅおよびＧｅは、多結晶のほうが単結晶よりも低温で成膜可能であり、製造が容易になるという利点がある。

また、本実施形態の熱電変換デバイスでは、第１熱電要素４１および第２熱電要素４２の熱電材料がＳｉＧｅもしくはＧｅであることにより、支持基板１０に凹所１１を形成する際のエッチング液に対する第１熱電要素４１および第２熱電要素４２のエッチング耐性を高めることが可能となる。要するに、この熱電変換デバイスでは、シリコン基板１０ａをアルカリ系溶液（例えば、ＴＭＡＨ溶液やＫＯＨ溶液など）によって結晶異方性エッチングする際に、第１熱電要素４１および第２熱電要素４２がエッチングされるのを抑制することが可能となる。熱電変換デバイスでは、例えば、第１熱電要素４１、第２熱電要素４２を、それぞれ、ｐ形多結晶ＳｉＧｅ層、ｎ形多結晶ＳｉＧｅ層により構成することができる。また、熱電変換デバイスは、第１熱電要素４１、第２熱電要素４２を、それぞれ、ｐ形単結晶ＳｉＧｅ層、ｎ形単結晶ＳｉＧｅ層により構成してもよい。また、熱電変換デバイスは、第１熱電要素４１、第２熱電要素４２を、それぞれ、ｐ形多結晶Ｇｅ層、ｎ形多結晶Ｇｅ層により構成してもよい。また、熱電変換デバイスは、第１熱電要素４１、第２熱電要素４２を、それぞれ、ｐ形単結晶Ｇｅ層、ｎ形単結晶Ｇｅ層により構成してもよい。

第１の接続部４３および第２の接続部４４は、例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜、Ａｌ膜などからなる金属膜により構成することができる。

薄膜構造部２０は、シリコン窒化膜からなる下地膜２０ｂを備えている。この下地膜２０ｂは、梁部３０の下地膜３０ｂおよび支持基板１０の絶縁層１０ｂと一体に形成されている。薄膜構造部２０は、下地膜２０ｂにおける支持基板１０側とは反対の表面側に、赤外線を吸収する赤外線吸収膜４５、第１熱電要素４１および第２熱電要素４２の各一端部４１ａ，４２ａが形成されている。また、薄膜構造部２０は、赤外線吸収膜４５、各温接点Ｔ１の各々の一部を覆う層間絶縁膜５０と、層間絶縁膜５０および各温接点Ｔ１の各々において層間絶縁膜５０から露出した部分を覆うパッシベーション膜６０とを備えている。層間絶縁膜５０とパッシベーション膜６０との積層膜は、薄膜構造部２０と支持基板１０における凹所１１の周部とに形成されている。そして、層間絶縁膜５０は、支持基板１０から分離された部位が、薄膜構造部２０の一部を構成して、各熱電変換部４０の各々の温接点Ｔ１の群を覆っており、支持基板１０における凹所１１の周部に形成された部位が、各熱電変換部４０の各々の冷接点Ｔ２の群を覆っている。

ここで、温接点Ｔ１の第１の接続部４３は、熱電対４０ｂの第１熱電要素４１および第２熱電要素４２の各一端部４１ａ，４２ａに対して、層間絶縁膜５０に形成されたコンタクトホール５０ａ_１，５０ａ_２それぞれを通して接続されている。また、冷接点Ｔ２の第２接続部４４は、隣り合う熱電対４０ｂにおける一方の熱電対４０ｂの第１熱電要素４１の他端部４１ｂ、他方の熱電対４０ｂの第２熱電要素４２の他端部４２ｂに対して、層間絶縁膜５０に形成されたコンタクトホール５０ｂ_１，５０ｂ_２それぞれを通して接続されている。

赤外線吸収膜４５、第１熱電要素４１および第２熱電要素４２は、支持基板１０の上記一表面を含む仮想平面上に配置されている。薄膜構造部２０は、赤外線吸収膜４５が、赤外線を吸収して熱に変換する機能を有している。ここにおいて、本実施形態の熱電変換デバイスでは、熱電変換部４０により、赤外線吸収膜４５の温度変化を検出することが可能である。

層間絶縁膜５０は、ＢＰＳＧ膜により構成している。また、パッシベーション膜６０は、ＰＳＧ膜とＮＳＧ膜との積層膜により構成されているが、当該積層膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。また、本実施形態の熱電変換デバイスでは、層間絶縁膜５０およびパッシベーション膜６０も赤外線吸収膜として機能する。

本実施形態の熱電変換デバイスは、図１（ａ）に示すように、複数（ここでは、４つ）の熱電変換部４０を備えている。すなわち、熱電変換デバイスは、薄膜構造部２０に対して１対複数（図１（ａ）の例では、１対４）の関係で熱電変換部４０を備えている。そして、熱電変換デバイスは、複数（ここでは、４つ）の熱電変換部４０が、直列接続されている。これにより、熱電変換デバイスは、各熱電変換部４０ごとに出力を取り出す場合に比べて、温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全ての熱電変換部４０が電気的に接続されているから、出力電圧の向上による感度の向上を図ることが可能となる。上述の例では、複数の熱電変換部４０の全てを直列接続しているが、これに限らず、例えば、各々２個の熱電変換部４０を直列接続した直列回路を並列接続するようにしてもよい。このように複数の熱電変換部４０が直並列接続されている場合には、複数の熱電変換部４０の全てが並列接続されている場合や各熱電変換部４０ごとに出力を取り出す場合に比べて、感度を高めることが可能となる。また、複数の熱電変換部４０が直並列接続されている場合や、複数の熱電変換部４０の全てが並列接続されている場合には、４つ全ての熱電変換部４０が直列接続されている場合や各熱電変換部４０ごとに出力を取り出す場合に比べて、電気抵抗を低くできて熱雑音が低減されるから、Ｓ／Ｎ比が向上する。

複数の熱電変換部４０が上述の接続関係で接続された素子部４６は、この素子部４６の一端が、金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜、Ａｌ膜など）などからなる配線４７を介して一方のパッド（図示せず）と電気的に接続されている。また、素子部４６は、この素子部４６の他端が、金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜、Ａｌ膜など）などからなる配線４８を介して他方のパッド（図示せず）と電気的に接続されている。各配線４７，４８および各パッドは、層間絶縁膜５０上に形成されている。また、各配線４７，４８は、それぞれ、素子部４６の上記一端になる第１熱電要素４１の他端部４１ｂ、素子部４６の上記他端になる第２熱電要素４２の他端部４２ｂに対して、層間絶縁膜５０に形成されたコンタクトホール５０ｃ_１，５０ｃ_２を通して接続されている。また、パッシベーション膜６０には、各パッドそれぞれを露出させる２つの矩形状の開口部（図示せず）が形成されている。本実施形態の熱電変換デバイスでは、各配線４７，４８および各パッドは、各接続部４３，４４と同じ材料で、且つ、同じ膜厚に設定されている。これにより、本実施形態の熱電変換デバイスでは、製造時に、各配線４７，４８および各パッドと、各接続部４３，４４とを同時に形成することが可能となり、製造コストの低コスト化を図ることが可能となる。なお、各配線４７，４８および各パッドは、各接続部４３，４４と同じ材料に限らず、別の材料で形成してもよいし、各接続部４３，４４とは別々の工程で形成することも可能である。

本実施形態の熱電変換デバイスでは、赤外線吸収膜４５の材料として、第２熱電要素４２と同じ材料を採用している。また、本実施形態の熱電変換デバイスでは、赤外線吸収膜４５の膜厚と第２熱電要素４２の膜厚とを、同じ値に設定してある。これにより、本実施形態の熱電変換デバイスでは、赤外線吸収膜４５と第２熱電要素４２とを同時に形成することが可能となり、製造コストの低コストを図ることが可能となる。赤外線吸収膜４５の材料は、第２熱電要素４２と同じ材料に限らず、第１熱電要素４１と同じ材料を採用してもよい。この場合は、赤外線吸収膜４５の膜厚と第１熱電要素４１の膜厚とを同じ値に設定することにより、赤外線吸収膜４５と第１熱電要素４１とを同時に形成することが可能となり、製造コストの低コストを図ることが可能となる。

薄膜構造部２０は、５箇所に赤外線吸収膜４５が形成されており、薄膜構造部２０の中央部に形成された１つの赤外線吸収膜４５の平面サイズが、薄膜構造部２０の周部に形成された４つの赤外線吸収膜４５の平面サイズよりも大きく設定されている。また、各赤外線吸収膜４５の平面形状は、正方形状である。薄膜構造部２０の中央部の赤外線吸収膜４５は、素子部４６の全ての温接点Ｔ１により囲まれている。また、薄膜構造部２０の周部の４つの赤外線吸収膜４５は、中央部の赤外線吸収膜４５の対角線の延長線上に配置されている。すなわち、薄膜構造部２０の周部の４つの赤外線吸収膜４５は、中央部の赤外線吸収膜４５の外周方向において等間隔で離間して配置されている。これにより、薄膜構造部２０の面内での温度のばらつきを低減することが可能となる。

複数の梁部３０は、薄膜構造部２０の厚み方向に沿った薄膜構造部２０の中心線に対して回転対称となるに配置されていることが好ましい。これにより、薄膜構造部２０および各梁部３０に反りなどの変形が発生するのを抑制することが可能となる。

熱電変換デバイスは、各梁部３０の各々の平面形状が直線状であり、各梁部３０が長手方向への引張応力を有していることが好ましい。これにより、熱電変換デバイスは、機械的強度の向上を図ることが可能となり、また、各梁部３０の変形を抑制することが可能となる。つまり、熱電変換デバイスは、各梁部３０が反るのを抑制することが可能となる。よって、熱電変換デバイスは、各梁部３０が支持基板１０に付着するスティッキングの発生を防止することが可能となり、製造歩留まりの向上による低コスト化を図ることが可能となる。また、熱電変換デバイスは、各梁部３０と支持基板１０の凹所１１の内面との距離のばらつきを低減可能となり、製品ごとの感度のばらつきを低減することが可能となる。

本実施形態の赤外線センサでは、絶縁層１０ｂの膜厚を５０ｎｍ、下地膜２０ｂの膜厚を５０ｎｍ、下地膜３０ｂの膜厚を５０ｎｍ、第１熱電要素４１および第２熱電要素４２の膜厚を１μｍ、層間絶縁膜５０の膜厚を１μｍ、上記金属膜の膜厚を１μｍ、パッシベーション膜６０の膜厚を０．５μｍ（ＰＳＧ膜の膜厚を０．２μｍ、ＮＳＧ膜の膜厚を０．３μｍ）、としてあるが、これらの数値は一例であって、特に限定するものではない。

以下、本実施形態の熱電変換デバイスの製造方法について図２および図３を参照しながら説明する。なお、図２および図３では、図１（ｂ）に示した断面図に対応する部位の断面を示してある。

まず、支持基板１０の基礎となるシリコン基板（後述のダイシングを行うまではウェハの状態である）１０ａを準備する。その後、シリコン基板１０ａの主表面側に第１の所定膜厚（例えば、５０ｎｍ）のシリコン窒化膜１０ｃを形成する窒化膜形成工程を行うことによって、図２（ａ）に示す構造を得る。この窒化膜形成工程では、シリコン基板１０ａの主表面側に、シリコン窒化膜１０ｃをＬＰＣＶＤ法により形成している。このシリコン窒化膜１０ｃは、絶縁層１０ｂおよび各下地膜２０ｂ，３０ｂの元となる。

上述の窒化膜形成工程の後、シリコン基板１０ａの主表面側の全面に、第２の所定膜厚（例えば、１μｍ）のノンドープの半導体材料層１６を形成する半導体材料層形成工程を行うことによって、図２（ｂ）に示す構造を得る。半導体材料層形成工程では、ノンドープの半導体材料層１６としてノンドープの多結晶ＳｉＧｅ層をＬＰＣＶＤ法により成膜しているが、これに限らず、ノンドープの多結晶Ｇｅ層をＬＰＣＶＤ法により成膜してもよい。また、半導体材料層形成工程では、ノンドープの多結晶ＳｉＧｅ層もしくはノンドープの多結晶Ｇｅ層をＬＰＣＶＤ法により成膜した後、その成膜温度（例えば、７００℃）よりも高いアニール温度（例えば、１０００℃）でアニール処理を行うことが好ましい。これにより、多結晶ＳｉＧｅ層もしくは多結晶Ｇｅ層の結晶粒の結晶粒径を大きくさせ結晶性を向上させることが可能となる。このアニール処理のプロセス条件としては、例えば、アニール装置として、ランプアニール装置を用い、アニール温度を１０００℃、アニール時間を６時間とすることにより、多結晶ＳｉＧｅ層もしくは多結晶Ｇｅ層の結晶性を向上させることが可能になるとともに、このアニール処理の後の製造工程で結晶粒の結晶粒径の変化を抑制可能となる。アニール処理のプロセス条件について、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。ただし、このアニール処理の後の製造工程で結晶粒の結晶粒径の変化を抑制可能なプロセス条件であることが好ましい。また、本実施形態では、アニール処理の雰囲気を酸素ガス雰囲気としているが、雰囲気は酸素ガス雰囲気に限らず、例えば、窒素ガス雰囲気や真空雰囲気などでもよい。また、アニール処理は、ランプアニール装置を用いたランプアニールに限らず、例えば、レーザ装置を用いたレーザアニールでもよい。

上述の半導体材料層形成工程の後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してノンドープの半導体材料層１６をパターニングする半導体材料層パターニング工程を行う。この半導体材料層パターニング工程では、シリコン基板１０ａの主表面側の全面に形成されているノンドープの半導体材料層１６のうち、第１熱電要素４１、第２熱電要素４２および赤外線吸収膜４５それぞれに対応する部分が残るように、パターニングを行う。上述のパターニング工程の後、ノンドープの半導体材料層１６のうち第２熱電要素４２および赤外線吸収膜４５に対応する部分にｎ形不純物（例えば、リンなど）のイオン注入を行ってからドライブを行うことにより第２熱電要素４２および赤外線吸収膜４５を形成するｎ形不純物ドーピング工程を行う。次に、ノンドープの半導体材料層１６のうち第１熱電要素４１に対応する部分にｐ形不純物（例えば、ボロンなど）のイオン注入を行ってからドライブを行うことにより第１熱電要素４１を形成するｐ形不純物ドーピング工程を行うことによって、図２（ｃ）に示す構造を得る。なお、ｎ形不純物ドーピング工程でのイオン注入条件については、例えば、ノンドープの半導体材料層１６がノンドープの多結晶ＳｉＧｅ層、ｎ形不純物がリンの場合、加速電圧を６０ｋｅＶ、ドーズ量を７．５×１０¹⁵ｃｍ^-2とすればよいが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。また、ｐ形不純物ドーピング工程でのイオン注入条件については、例えば、ノンドープの半導体材料層１６がノンドープの多結晶ＳｉＧｅ層、ｐ形不純物がボロンの場合、加速電圧を６０ｋｅＶ、ドーズ量を５×１０¹⁵ｃｍ^-2とすればよいが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。また、ｎ形不純物ドーピング工程とｐ形不純物ドーピング工程との順序は逆でもよい。また、第１熱電要素４１の形成方法は、上述の例に限らず、例えば、ｐ形の半導体材料層（例えば、ｐ形多結晶ＳｉＧｅ層、ｐ形多結晶Ｇｅ層など）をＬＰＣＶＤ法により成膜してから、このｐ形の半導体材料層をパターニングすることで第１熱電要素４１を形成してもよい。また、第２熱電要素４２および赤外線吸収膜４５の形成方法は、上述の例に限らず、ｎ形の半導体材料層（例えば、ｎ形多結晶ＳｉＧｅ層、ｎ形多結晶Ｇｅ層など）をＬＰＣＶＤ法により成膜してから、このｎ形の半導体材料層をパターニングすることで第２熱電要素４２および赤外線吸収膜４５を形成してもよい。

上述の第１熱電要素４１、第２熱電要素４２および赤外線吸収膜４５を形成した後、シリコン基板１０ａの主表面側の全面に、第３の所定膜厚（例えば、１μｍ）の層間絶縁膜５０を形成する層間絶縁膜形成工程を行うことによって、図２（ｄ）に示す構造を得る。この層間絶縁膜形成工程では、例えば、ＢＰＳＧ膜からなる層間絶縁膜５０を常圧ＣＶＤ法により堆積させてから、所定温度（例えば、８００℃）でリフローすることにより表面が平坦化された層間絶縁膜５０を形成する。

上述の層間絶縁膜形成工程の後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して層間絶縁膜５０に、上述の各コンタクトホール５０ａ_１，５０ａ_２、５０ｂ_１，５０ｂ_２、５０ｃ_１，５０ｃ_２を形成するコンタクトホール形成工程を行う。その後、シリコン基板１０ａの主表面側の全面に各接続部４３，４４、各配線４７，４８および各パッドの基礎となる金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜、Ａｌ膜など）を形成する金属膜形成工程を行う。続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して金属膜をパターニングすることで各接続部４３，４４、各配線４７，４８および各パッドを形成する金属膜パターニング工程を行うことによって、図３（ａ）に示す構造を得る。上述のコンタクトホール形成工程では、例えば、ＲＩＥ装置により、層間絶縁膜５０をエッチングすることで各コンタクトホール５０ａ_１，５０ａ_２、５０ｂ_１，５０ｂ_２、５０ｃ_１，５０ｃ_２を形成する。また、金属膜形成工程では、シリコン基板１０ａの主表面側（支持基板１０の上記一表面側）に、第４の所定膜厚（例えば、１μｍ）の金属膜をスパッタ法などにより形成する。また、金属膜パターニング工程におけるエッチングは、例えばＲＩＥ装置により行うことができる。

上述の金属膜パターニング工程の後、シリコン基板１０ａの主表面側（つまり、層間絶縁膜５０の表面側）にパッシベーション膜６０を形成するパッシベーション膜形成工程を行うことによって、図３（ｂ）に示す構造を得る。このパッシベーション膜形成工程では、第５の所定膜厚（例えば、０．２μｍ）のＰＳＧ膜と第６の所定膜厚（例えば、０．３μｍ）のＮＳＧ膜との積層膜からなるパッシベーション膜６０を例えば常圧ＣＶＤ法により形成する。なお、パッシベーション膜６０は、ＰＳＧ膜とＮＳＧ膜との積層膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜でもよい。

上述のパッシベーション膜形成工程の後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してシリコン基板１０ａの主表面側の積層構造部をパターニングする積層構造部パターニング工程を行うことによって、図３（ｃ）に示す構造を得る。この積層構造部パターニング工程では、シリコン窒化膜１０ｃと層間絶縁膜５０とパッシベーション膜６０とが積層されている領域においてスリット１５に対応する部位を、シリコン基板１０ａの主表面が露出するようにエッチングする。また、この積層構造部パターニング工程では、層間絶縁膜５０とパッシベーション膜６０とが第１熱電要素４１および第２熱電要素４２の各々において梁部３０となる中間部４１ｃ，４２ｃ上に形成されている部位を、第１熱電要素４１および第２熱電要素４２が露出するようにエッチングする。積層構造部パターニング工程では、例えば、ＲＩＥ装置などのドライエッチング装置を用いてエッチングを行ってもよいし、バッファードフッ酸などのエッチング液を入れたウェットエッチング装置を用いてエッチングを行ってもよい。また、積層構造部パターニング工程では、シリコン基板１０ａ、第１熱電要素４１および第２熱電要素４２をエッチングストッパ層として、エッチングを行う。上述の積層構造部パターニング工程を行うことによって、シリコン窒化膜１０ｂがパターニングされるので、これにより、シリコン窒化膜１０ｃを元とした絶縁層１０ｂおよび各下地膜２０ｂ，３０ｂが形成される。

上述の積層構造部パターニング工程の後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して各パッドを露出させる上記開口部を形成する開口部形成工程を行う。その後、凹所１１を形成する凹所形成工程を行うことによって、図３（ｄ）に示す構造の熱電変換デバイスを得る。この凹所形成工程では、上述の積層構造部の厚み方向に貫通しているスリット１５を通してシリコン基板１０ａをエッチングすることにより、凹所１１を形成する。この凹所形成工程では、スリット１５を通してアルカリ系溶液からなるエッチング液を導入してシリコン基板１０ａを結晶異方性エッチングする。アルカリ系溶液として所定温度（例えば、８５℃）に加熱したＴＭＡＨ溶液を用いているが、アルカリ系溶液はＴＭＡＨ溶液に限らず、他のアルカリ系溶液（例えば、ＫＯＨ溶液など）を用いてもよい。

上述の凹所形成工程が終了するまでの全工程はウェハレベルで行うので、凹所形成工程が終了した後、個々の熱電変換デバイスに分離する分離工程（ダイシング工程）を行えばよい。上述の製造方法では、各梁部３０がＬＰＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜１０ｃおよび半導体材料層１６をパターニングすることにより形成されているので、各梁部３０を各々の長手方向において引張応力を有した構成とすることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態の熱電変換デバイスは、支持基板１０と、支持基板１０の一表面に形成された凹所１１の内面から離れて配置された薄膜構造部２０と、支持基板１０と薄膜構造部２０とを連結している複数の梁部３０と、熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換部４０とを備えている。そして、本実施形態の熱電変換デバイスでは、支持基板１０が、シリコン基板１０ａとシリコン基板１０ａの主表面上の絶縁層１０ｂとを有している。また、本実施形態の熱電変換デバイスは、複数の梁部３０が、薄膜構造部２０の厚み方向に沿った薄膜構造部２０の中心線に対して回転対称となるように配置され、梁部３０で、熱電変換部４０の熱電材料により形成された部分が露出しており、熱電材料が、ＳｉＧｅもしくはＧｅである。これにより、本実施形態の熱電変換デバイスでは、感度の向上を図ることが可能となる。

（実施形態２）
以下では、本実施形態の熱電変換デバイスについて図４に基づいて説明する。本実施形態の熱電変換デバイスの基本構成は実施形態１と略同じなので、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。

本実施形態の熱電変換デバイスは、支持基板１０における絶縁層１０ｂがシリコン酸化膜により構成されている点が相違する。なお、このシリコン酸化膜は、シリコン基板１０ａの主表面側の全面に熱酸化法により形成し、その後、実施形態１において説明した積層構造部パターニング工程でパターニングすればよい。

また、本実施形態の熱電変換デバイスは、各梁部３０が熱電変換部４０の熱電材料のみにより形成されている点が相違する。要するに、本実施形態の熱電変換デバイスでは、第１熱電要素４１の中間部４１ｃのみにより構成された梁部３０と、第２熱電要素４２の中間部４２ｃのみにより構成された梁部３０とが、薄膜構造部２０の外周方向において交互に並んで配置されている。要するに、各梁部３０は、実施形態１で説明した下地膜３０ｂ（図１参照）を備えていない。

また、本実施形態の熱電変換デバイスは、薄膜構造部２０において、実施形態１で説明した下地膜２０ｂ（図１参照）を備えていない。したがって、本実施形態の熱電変換デバイスでは、赤外線吸収膜４５と、第１熱電要素４１および第２熱電要素４２の各一端部４１ａ，４２ａとが支持基板１０の凹所１１側で露出している。なお、本実施形態の熱電変換デバイスの製造にあたっては、上述のシリコン酸化膜のうち梁部３０および薄膜構造部２０それぞれの下になる部分を、凹所形成工程において、上述のアルカリ系溶液によってエッチングすることが可能となる。ただし、シリコン酸化膜のエッチングレートがシリコン基板１０ａの〔１００〕方向のエッチングレートに比べて遅いので、シリコン酸化膜の膜厚は、１０ｎｍ程度に設定しておくことが好ましい。

本実施形態の熱電変換デバイスでは、各梁部３０が熱電変換部４０の熱電材料のみにより形成されているので、実施形態１に比べて、薄膜構造部２０から支持基板１０への熱伝導を低減することが可能となり、感度の向上を図ることが可能となる。

（実施形態３）
以下では、本実施形態の熱電変換デバイスについて図５に基づいて説明する。本実施形態の熱電変換デバイスの基本構成は実施形態１と略同じなので、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。また、本実施形態の熱電変換デバイスの製造方法は、実施形態１において説明した熱電変換デバイスの製造方法と略同じなので、説明を省略する。

熱電変換デバイスは、薄膜構造部２０に、凹所１１の内部空間に連通する孔２５が貫設されている。ここにおいて、薄膜構造部２０の孔２５は、熱電変換デバイスの製造時において、スリット１５を形成する積層構造部パターニング工程において形成する。したがって、本実施形態の熱電変換デバイスの製造方法では、凹所形成工程において、スリット１５だけでなく孔２５を通してエッチング液を導入することが可能となり、凹所形成工程でのエッチング時間を短くすることが可能となる。

薄膜構造部２０は、３つの孔２５が、直線状の形状に形成されている。ここで、薄膜構造部２０は、中央部の赤外線吸収膜４５の平面視における一方の対角線に沿って１つの孔２５が形成され、他方の対角線に沿って２つの孔２５が形成され、前者の１つの孔２５の幅方向の両側に後者の２つの孔２５が形成されている。これにより、薄膜構造部２０は、全ての温接点Ｔ１で囲まれた赤外線吸収膜４５が分離されず、且つ、各孔２５が温接点Ｔ１に干渉しないようにしている。

本実施形態の熱電変換デバイスでは、薄膜構造部２０に、凹所１１の内部空間に連通する孔２５が貫設されているので、製造コストの低コスト化を図ることが可能となる。

（実施形態４）
以下、本実施形態の熱電変換デバイスについて図６および図７に基づいて説明する。

ところで、実施形態１〜３において説明した熱電変換デバイスでは、１枚の支持基板１０に対して薄膜構造部２０を１つだけ設けてある。

これに対して、本実施形態の熱電変換デバイスは、支持基板１０の上記一表面側において薄膜構造部２０を複数備え、これら複数の薄膜構造部２０が、支持基板１０の上記一表面側でアレイ状（ここでは、２次元アレイ状）に配置されている。ここにおいて、熱電変換デバイスは、上述の薄膜構造部２０および素子部４６と画素選択用のスイッチング素子であるＭＯＳトランジスタ４とを有する画素部２が、支持基板１０の上記一表面側でアレイ状（ここでは、２次元アレイ状）に配置されている。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。

熱電変換デバイスは、ｉ×ｊ個（図７の例では、８×８個）の画素部２が、支持基板１０の一表面側においてｉ行ｊ列（図示例では、８行８列）の２次元アレイ状に配置されている。なお、図示例では、ｉ＝８、ｊ＝８としてあるが、ｉ≧２、ｊ≧２であればよい。

上述のＭＯＳトランジスタ４は、シリコン基板１０ａ（図１（ｂ）参照）の主表面側においてウェル領域（図示せず）内でドレイン領域４ｄとソース領域４ｓとが離間して形成されている。なお、図７には、ＭＯＳトランジスタ４をｎチャネルＭＯＳトランジスタとした場合の熱電変換デバイスの等価回路図を示してある。また、図７の等価回路図では、素子部４６を抵抗の図記号で表してある。

また、図７から分かるように、熱電変換デバイスは、各列のｊ個（８個）の画素部２の素子部４６の一端がＭＯＳトランジスタ４のソース領域４ｓ−ドレイン領域４ｄを介して各列ごとに共通接続されたｊ個（８個）の第１の配線１０１を備えている。

また、熱電変換デバイスは、各行の素子部４６に対応するＭＯＳトランジスタ４のゲート電極４ｇｅが各行ごとに共通接続されたｉ個（８個）の第２の配線１０２と、各行のＭＯＳトランジスタ４のウェル領域が各列ごとに共通接続されたｊ個（８個）の第３の配線１０３と、各列のｉ個（８個）の素子部４６の他端が各列ごとに共通接続されたｊ個（図７に図示した例では、８個）の第４の配線１０４とを備えている。

上述の熱電変換デバイスは、第１の配線１０１が各別に接続された出力用のｊ個の第１のパッドＶout1〜Ｖout8と、第２の配線１０２が各別に接続された画素部選択用のｉ個の第２のパッドＶsel1〜Ｖsel8と、各第３の配線１０３が共通接続された第３のパッドＶchと、第４の配線１０４が共通接続された基準バイアス用の第４のパッドＶrefinとを備えている。しかして、熱電変換デバイスは、全ての素子部４６の出力を時系列的に読み出すことができるようになっている。例えば、熱電変換デバイスを制御する制御手段であるＩＣ素子によって、ＭＯＳトランジスタ４が順次、オン状態になるように各画素部２を選択するための第２のパッドＶsel1〜Ｖsel8の電位を制御することで、ＩＣ素子が、各画素部２の出力電圧を順次読み出すことができる。

ここで、第１のパッドＶout1〜Ｖout8の電位をＶout、第２のパッドＶsel1〜Ｖsel8の電位をＶs、第３のパッドＶchの電位をＶwell、第４のパッドＶrefinの電位をＶref、素子部４６の出力電圧をＶo、チャネル形成用領域であるウェル領域とソース領域４ｓとで構成される第１の寄生ダイオードおよびウェル領域とドレイン領域４ｄとで構成される第２の寄生ダイオードのしきい値電圧をＶthとする。上述のＩＣ素子は、ＭＯＳトランジスタ４がｎＭＯＳトランジスタである場合、第２の配線１０２に接続されたｉ個（８個）のＭＯＳトランジスタ４をオン状態とする際の第２のパッドＶsel1〜Ｖsel8の電位ＶsをＶon、第２の配線１０２に接続されたｉ個（８個）のＭＯＳトランジスタ４をオフ状態とする際の第２のパッド１０２の電位ＶsをＶoffとし、第２のパッドＶsel1〜Ｖsel8の電位ＶsをＶonとしたときに、
−Ｖth＜｛Ｖwell−（Ｖref＋Ｖo）｝＜Ｖth
の関係を満たすように設定されたＶref、Ｖwellの条件で熱電変換デバイスを制御することが好ましい。

また、ＩＣ素子は、ＭＯＳトランジスタ４がｐＭＯＳトランジスタである場合、
−Ｖth＜｛（Ｖref＋Ｖo）−Ｖwell｝＜Ｖth
の関係を満たすように設定されたＶref、Ｖwellの条件で熱電変換デバイスを制御することが好ましい。

ＩＣ素子が、例えば、第４のパッドＶrefinの電位Ｖrefを１．２Ｖ、第３のパッドＶchの電位Ｖwellを１．２Ｖ、第２の配線１０２に接続されたｉ個（８個）のＭＯＳトランジスタ４をオン状態とする際の第２のパッドＶsel1〜Ｖsel8の電位ＶｓであるＶonを５Ｖとすれば、ＭＯＳトランジスタ４がオンとなり、第１のパッドＶout1〜Ｖout8から画素部２の出力電圧（Ｖref＋Ｖo）を読み出すことが可能となる。また、第２の配線１０２に接続されたｉ個（８個）のＭＯＳトランジスタ４をオフ状態とする際の第２のパッドＶsel1〜Ｖsel8の電位ＶｓであるＶoffを０Ｖとすれば、ＭＯＳトランジスタ４がオフとなり、第１のパッドＶout1〜Ｖout8から画素部２の出力電圧は読み出されない。

また、熱電変換デバイスは、各ＭＯＳトランジスタ４のゲート電極４ｇｅ・ソース電極４ｓｅ間に過電圧が印加されるのを防止するために、各第２の配線１０２それぞれにカソードが接続された複数のツェナダイオードＺＤを備えている。ここで、ツェナダイオードＺＤは、シリコン基板１０ａの上記主表面側に形成された第１導電形の第１拡散領域内に第２導電形の第２拡散領域が形成されたものである。そして、熱電変換デバイスは、各ツェナダイオードＺＤの第１拡散領域が共通接続された第５のパッドＶzdを備えている。

また、熱電変換デバイスは、シリコン基板１０ａが接続された基板バイアス用の第６のパッドＶsuを備えている。

各画素部２の薄膜構造部２０および素子部４６は、シリコン基板１０ａの主表面側において第１の領域Ａ１（図６参照）に形成されている。また、各画素部２のＭＯＳトランジスタ４は、シリコン基板１０ａの主表面側において第２の領域Ａ２（図６参照）に形成されている。

本実施形態の熱電変換デバイスでは、薄膜構造部２０を複数備え、これら複数の薄膜構造部２０が、支持基板１０の上記一表面側でアレイ状に配置されているので、例えば、熱分布や熱源の移動を検出することが可能となる。

なお、複数の薄膜構造部２０の配置は、アレイ状であればよく、２次元アレイ状に限らず、例えば、１次元アレイ状などでもよい。

本実施形態の熱電変換デバイスでは、ＭＯＳトランジスタ４、第１の配線１０１、第２の配線１０２、第３の配線１０３およびツェナダイオードＺＤなどにより構成される回路部が、支持基板１０に形成されて熱電変換部４０と協働する電子回路部を構成している。これにより、本実施形態の熱電変換デバイスでは、支持基板１０に形成されて熱電変換部４０と協働する電子回路部を備えているので、各素子部４６の出力電圧を選択的に読み出すことが可能となる。支持基板１０に形成されて熱電変換部４０と協働する電子回路部は、上述の構成に限らず、例えば、素子部４６の出力信号を信号処理するＣＭＯＳ ＩＣなどにより構成してもよい。ここにおいて、信号処理としては、例えば、素子部４６から入力させる出力信号の選択や素子部４６の出力信号の増幅などがある。また、熱電変換デバイスは、薄膜構造部２０が１つの場合でも、支持基板１０に形成されて熱電変換部４０と協働する電子回路部を設けてもよい。

１０ 支持基板
１０ａ シリコン基板
１０ｂ 絶縁層
１１ 凹所
２０ 薄膜構造部
２５ 孔
３０ 梁部
４０ 熱電変換部
４１ 第１熱電要素
４２ 第２熱電要素

Claims (6)

1. 支持基板と、前記支持基板の一表面に形成された凹所の内面から離れて配置された薄膜構造部と、前記支持基板と前記薄膜構造部とを連結している複数の梁部と、熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換部とを備え、前記支持基板は、シリコン基板と前記シリコン基板の主表面上の絶縁層とを有し、前記複数の前記梁部が、前記薄膜構造部の厚み方向に沿った前記薄膜構造部の中心線に対して回転対称となるように配置され、前記梁部では、前記熱電変換部の熱電材料により形成された部分が露出しており、前記熱電材料が、ＳｉＧｅもしくはＧｅであることを特徴とする熱電変換デバイス。
2. 前記薄膜構造部に対して１対複数の関係で前記熱電変換部を備え、前記複数の前記熱電変換部が、直列接続、並列接続および直並列接続のいずれかの接続関係で電気的に接続されてなることを特徴とする請求項１記載の熱電変換デバイス。
3. 前記各梁部の各々の平面形状が直線状であり、前記各梁部が長手方向への引張応力を有していることを特徴とする請求項１記載の熱電変換デバイス。
4. 前記薄膜構造部は、前記凹所の内部空間に連通する孔が貫設されてなる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項に記載の熱電変換デバイス。
5. 前記薄膜構造部を複数備え、前記複数の前記薄膜構造部が、前記支持基板の前記一表面側でアレイ状に配置されてなる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項に記載の熱電変換デバイス。
6. 前記支持基板に形成されて前記熱電変換部と協働する電子回路部を備えることを特徴とする請求項１記載の熱電変換デバイス。

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