JP2013524541A - 積層サーモパイル - Google Patents

Abstract

垂直に積層されたサーモパイルと、前記積層サーモパイルを用いたＩＲセンサとが提供される。垂直に積層されたサーモパイルは、互いの上に垂直に積層された複数の熱電対を含む。熱電対は、直列、並列あるいは直列および並列の組合せに接続される。ＩＲセンサには１または複数の垂直に積層されたサーモパイルが含まれ、それらサーモパイルは、直列、並列あるいは直列および並列の組合せに接続される。

Description

（分野）
本開示は、一般にサーモパイルに関するものであって、さらに詳細には垂直に積層されたサーモパイルに関する。

（関連技術）
サーモパイルは、非接触の温度測定を行うために一般に用いられる赤外放射（ＩＲ）検出器である。例えば、サーモパイルは、耳式体温計、近接センサ、熱流束センサ等に使用される。サーモパイルは、電気的に接続された一連の熱電対で構成され、各対は、異なるゼーベック係数を有する異種の導体または半導体材料を含む。例えば、従来のサーモパイルには、Ｎ形ポリシリコンおよびＰ形ポリシリコンがしばしば使用される。

一般に、各熱電対の一端は、ＩＲエネルギーを収集するように働くメンブレンと接触して配置され、他方、他端は、支持基板上に設置される。収集されたＩＲエネルギーは、熱電対両端に温度勾配を生じ、ゼーベック効果による出力電圧を熱電対に生じさせる。既知の特性を有する熱電対に関して、出力電圧は温度の値に変換される。

熱電対の出力電圧は比較的小さく、一般に数マイクロボルトの範囲にあるため、出力電圧は、温度の値に変換される前に増幅する必要がある。しかし、増幅すれば測定結果に許容誤差が導入される。従って、導入される誤差を減らすために、より大きい電圧のほうが増幅が少なくて済むのでより大きい出力電圧が望ましい。これを実現するために、いくつかのサーモパイルでは、より大きい出力電圧を発生させるように直列に接続された複数の熱電対が含まれる。

従来、複数の熱電対を一緒に接続する場合、熱電対は半導体基板上に並べて配置される。しかし、この構成の１つの欠点は、熱電対を収容するために必要な空間がかなり大きくなるということである。従って、小型のデバイスを必要とする用途において熱電対を並べて配置するのは好ましくない。

このように、正確な測定を行うことのできるコンパクトなサーモパイル・センサが望まれる。

（概要）
放射をモニタリングするための垂直に積層されたサーモパイルが開示される。垂直に積層されたサーモパイルは、第１および第２の層が交互になり上方に垂直に重なる平坦な複数の層を含む多重層スタックであって、前記第１の層が正のゼーベック係数を有する材料を含み、また前記第２の層が負のゼーベック係数を有する材料を含み、前記スタックがさらに前記第１の層と前記第２の層との間の絶縁層を含んでいる多重層スタックと、スタックの第１の側端に沿って形成された第１の電気コネクタであって、第１の層から第２の層へ垂直上方に延びる第１のコネクタと、スタックの第２の側端に沿って形成された第２の電気コネクタであって、第２の層から第１の層へ垂直上方に延びる第２のコネクタとを含み、前記第１の電気コネクタおよび第２の電気コネクタが組み合わされてスタック中で第１の層と第２の層との間に直列接続を形成し、ここでスタックの一方の側端がスタックのホット・エンドを定義し、またスタックの他方の側端がスタックのコールド・エンドを定義し、それによって、スタックのホット・エンドが放射に曝されたときに、スタックのコールド・エンド上のコネクタ両端に発生する電圧がスタックのホット・エンドにおける露出放射量に対応するようになる。

一例で、第１および第２の側端は、垂直配列状に揃えられる。別の例では、第１および第２の側端は水平配列状に揃えられる。さらに別の例では、第１および第２の側端は配列状に揃えられて、垂直からオフセットされた角度に配置される。一例で、垂直からのオフセット角度は１０度から６０度の範囲にある。一例で、上方に垂直に重なる平坦な複数の層は、１０層以上の第１の層および１０層以上の第２の層を含む。

１または複数の垂直に積層されたサーモパイルを含むセンサが開示される。センサは、半導体基板であって内部にキャビティを形成された半導体基板と、半導体基板上に形成された垂直に積層されたサーモパイルであって、第１および第２の層が交互になった複数の上方に垂直に重なる平坦な層であって、前記第１の層が正のゼーベック係数を有する材料を含み、また前記第２の層が負のゼーベック係数を有する材料を含み、前記スタックがさらに前記第１の層と第２の層との間に絶縁層を含んでいる複数の上方に垂直に重なる平坦な層と、複数の上方に垂直に重なる平坦な層の間に直列接続を形成する複数の金属コンタクトとを含む垂直に積層されたサーモパイルと、キャビティ上に位置する吸収体メンブレンとを含み、垂直に積層されたサーモパイルの第１の部分が吸収体メンブレンと接触しており、また垂直に積層されたサーモパイルが吸収体メンブレンから受信される放射に応じて電圧を発生するように動作し、電圧は受信した放射量に対応する。

一例で、センサは、半導体基板上に形成された複数の垂直に積層されたサーモパイルを含む。複数の垂直に積層されたサーモパイルは、直列、並列あるいは直列および並列の組合せに接続される。複数の垂直に積層されたサーモパイルは、さらにクロス形、矩形、および星形などの形に配置される。一例で、複数の上方に垂直に重なる平坦な層は、１０層以上の第１の層および１０層以上の第２の層を含む。一例で、センサ・アレイは単一の半導体基板上に形成された複数のセンサを含む。

垂直に積層されたサーモパイルを製造する方法が開示される。方法は、半導体基板を供給する工程と、半導体基板中に第１のキャビティをエッチングする工程と、第１のキャビティ中に第１および第２の層が交互になった複数の上方に垂直に重なる平坦な層を堆積させる工程であって、前記第１の層が正のゼーベック係数を有する材料を含み、前記第２の層が負のゼーベック係数を有する材料を含んでいて、前記スタックがさらに前記第１の層と第２の層との間に絶縁層を含むようになった堆積工程と、第１の層と第２の層との間に直列接続を形成する第１の複数の金属コンタクトを堆積する工程と、複数の上方に垂直に重なる平坦な層および第１の複数の金属コンタクトを覆って窒化物層を堆積させる工程であって、第１の複数の金属層の少なくとも一部分が窒化物層によって覆われないようにする工程と、窒化物層の上に第２の複数の金属コンタクトを堆積させる工程であって、第２の複数の金属コンタクトの少なくとも一部分が、窒化物層によって覆われていない第１の複数の金属層の少なくとも一部分に接続されるようにする工程と、窒化物層の一部分、複数の上方に垂直に重なる平坦な層および絶縁層をエッチングして、サーモパイル・ストリップを形成する工程と、第２の複数の金属コンタクト、窒化物層およびサーモパイル・ストリップの上にパッシベーション用の窒化物層を堆積させる工程であって、第２の複数の金属コンタクトの少なくとも一部分がパッシベーション用窒化物層によって覆われないようにする堆積工程と、半導体基板の少なくとも一部分およびサーモパイル・ストリップの少なくとも一部分の上に吸収材料を堆積させる工程と、半導体基板内に第２のキャビティをエッチングする工程であって、第２のキャビティが吸収材料およびサーモパイル・ストリップの少なくとも一部分の下方に位置するようにする工程とを含む。

一例で、複数の上方に垂直に重なる平坦な層の各層は、０．０５から０．１ミクロンの範囲の厚さを有する。別の例では、サーモパイル・ストリップは、１０から１００ミクロンの範囲の長さを有する。さらに別の例では、複数の上方に垂直に重なる平坦な層は、１０層以上の第１の層および１０層以上の第２の層を含む。

垂直に積層された例示的サーモパイルの断面図。 垂直に積層された別の例示的サーモパイルの断面図。 垂直に積層された別の例示的サーモパイルの断面図。 垂直に積層された別の例示的サーモパイルの断面図。 複数の垂直に積層されたサーモパイルを有する例示的センサの俯瞰図。 複数の垂直に積層されたサーモパイルを有する例示的センサの断面図。 複数の垂直に積層されたサーモパイルを有する例示的センサを作製する工程を示す図。 複数の垂直に積層されたサーモパイルを有する例示的センサを作製する工程を示す図。 複数の垂直に積層されたサーモパイルを有する例示的センサを作製する工程を示す図。 複数の垂直に積層されたサーモパイルを有する例示的センサを作製する工程を示す図。 複数の垂直に積層されたサーモパイルを有する例示的センサを作製する工程を示す図。

（詳細な説明）
以下の説明は、当該技術の通常知識を有する人に対して、各種の実施の形態を作製および使用することを可能にするために提供される。特定のデバイス、技術および応用の説明は、単なる一例として提供される。ここに述べられる例に対する各種の修正は、当業者には容易に明らかになるであろうし、またここに定義される一般的な原理は、各種の実施の形態の精神および範囲から外れることなしに、他の例および応用にも適用される。従って、各種の実施の形態は、ここに説明し図示される例に制限されるべきでなく、請求の範囲に整合する範囲に従うべきである。

各種の実施の形態は、以下で垂直に積層されたサーモパイルおよび前記垂直に積層されたサーモパイルを使用するＩＲセンサに関して説明する。特に、垂直に積層されたサーモパイルは、従来のサーモパイル・センサと比べてより大きい出力電圧、および全体的に優れたセンサ性能を得るために複数の熱電対を含んでもよい。さらに垂直に積層されたサーモパイルは、サーモパイルを互いの上に垂直に積層することによってセンサの半導体基板上でより小さい表面積を占める。このように、複数の熱電対を単一の熱電対と同じセンサ・エリアに配置でき、小型のセンサ・サイズを可能にする。そのような構造は、センサ・エリアおよびサイズが制限されるとき、例えば画素化したイメージ・センサを形成するためにそのようなセンサを多数接近して配置するサーモパイル・イメージング・デバイスにおいて有利である。さらに、熱電対は、直列、並列あるいは直列および並列の組合せで接続することができる。

図１は、例示的積層サーモパイル１０１の断面図を示す。積層サーモパイル１０１は、積層サーモパイル１０１に対して機械的支えを提供する支持メンブレン１０４を含む。さらに支持メンブレン１０４は、窒化シリコン、二酸化シリコン、有機プラスティックまたは同様な低い熱伝導度を有する材料を含む。そのような材料を選ぶことによって積層サーモパイル１０１の一端から他端へ支持メンブレンによって伝えられる熱量が制限される。

積層サーモパイル１０１は、さらに１または複数の熱電対を含み、各対は、異なるゼーベック係数を有する熱電層を含む。例えば、熱電層は、Ｎ形ポリシリコンおよびＰ形ポリシリコンのように異種の導体または半導体材料を含む。これらの熱電層は、垂直に交互に積層され、間を絶縁層によって分離される。例示された実施の形態で、層１０３、１０５および１０７は、Ｎ形ポリシリコン材料を表し、層１０９、１１１および１１３は、Ｐ形ポリシリコン材料を表す。絶縁層（例えば、絶縁層１１５、１１７、１１９、１２１および１２３）は、ポリオキサイド、二酸化シリコンまたは同様な任意の誘電体材料を含む。

一例で、積層サーモパイル１０１は、３個の熱電対を含む。第１の熱電対は、支持メンブレン１０４の垂直上方に形成されたＮ形ポリ層１０３、Ｎ形ポリ層１０３の垂直上方に形成された絶縁層１１５および絶縁層１１５の垂直上方に形成されたＰ形ポリ層１０９を含む。第１の熱電対は、さらにＮ形ポリ層１０３をＰ形ポリ層１０９に電気的に接続するための金属コンタクト１２５を含む。金属コンタクト１２５は、アルミニウム、金または同様な任意の導電性金属を含む。

積層サーモパイル１０１は、さらに第１の熱電対の垂直上方に形成された絶縁層１１７を含む。第２の熱電対は、絶縁層１１７の垂直上方に形成される。第２の熱電対は、絶縁層１１７の垂直上方に形成されたＮ形ポリ層１０５、Ｎ形ポリ層１０５の垂直上方に形成された絶縁層１１９および絶縁層１１９の垂直上方に形成されたＰ形ポリ層１１１を含む。第２の熱電対は、さらにＮ形ポリ層１０５をＰ形ポリ層１１１に電気的に接続するための金属コンタクト１２７を含む。金属コンタクト１２７は、金属コンタクト１２５と同じ材料または類似の材料を含むことができる。

積層サーモパイル１０１は、さらに第１の熱電対を第２の熱電対と直列に電気的に接続するための金属コンタクト１３１を含む。金属コンタクト１３１は、金属コンタクト１２５と同じ材料または類似の材料を含むことができる。熱電対を直列に構成することによって、積層サーモパイル１０１は、単一の熱電対を含むか、あるいは並列接続された複数の熱電対を含むサーモパイルよりも大きい振幅を有する出力電圧を発生する。上で述べたように、より大きい電圧はより正確な温度測定をもたらす。

積層サーモパイル１０１は、さらに第２の熱電対の垂直上方に形成された絶縁層１２１を含む。第３の熱電対は、絶縁層１２１の垂直上方に形成される。第３の熱電対は、絶縁層１２１の垂直上方に形成されたＮ形ポリ層１０７、Ｎ形ポリ層１０７の垂直上方に形成された絶縁層１２３および絶縁層１２３の垂直上方に形成されたＰ形ポリ層１１３を含む。第３の熱電対は、さらにＮ形ポリ層１０７をＰ形ポリ層１１３に電気的に接続するための金属コンタクト１２９を含む。金属コンタクト１２９は、金属コンタクト１２５と同じ材料または類似の材料を含むことができる。

積層サーモパイル１０１は、さらに第２の熱電対を第３の熱電対と直列に電気的に接続するための金属コンタクト１３３を含む。金属コンタクト１３３は、金属コンタクト１２５と同じ材料または類似の材料を含むことができる。熱電対を直列に構成することによって、積層サーモパイル１０１は、単一の熱電対を含むか、あるいは並列接続された複数の熱電対を含むサーモパイルよりも大きい出力電圧を発生する。上で述べたように、より大きい電圧はより正確な温度測定をもたらす。

一例で、金属コンタクト１２５、１２７および１２９は、吸収体１３７に接触するように構成される。吸収体１３７は、ＩＲ放射を吸収するように構成され、カーボン・ブラック、金黒（Ｂｌａｃｋ Ｇｏｌｄ）、その他の化合物や有機化合物あるいは混合物または同様な任意の熱吸収材料を含むことができる。金属コンタクト１２５、１２７および１２９は、吸収体１３７からサーモパイル１０１のポリ層へ熱を伝える。吸収体１３７に接触しているサーモパイル１０１の側面をここで「ホット・ジャンクション」と呼ぶ。「ホット・ジャンクション」の反対側のサーモパイル１０１の側面をここで「コールド・ジャンクション」と呼ぶ。

積層サーモパイル１０１は、さらに全熱電対の両端間の電圧降下を測定するための測定コンタクト１０２および１３５を含む。測定コンタクト１０２および１３５は、金属コンタクト１２５と同じかあるいは類似の材料を含むことができる。一例で、測定コンタクト１０２は、Ｎ形ポリ層１０３のコールド・ジャンクション・エンド上に配置され、また測定コンタクト１３５は、Ｐ形ポリ層１１３のコールド・ジャンクション・エンド上に配置される。このように、測定コンタクト１０２および１３５は、直列接続された熱電対のいずれかのエンド上に配置される。従って、測定コンタクト１０２と１３５との間の電圧は、３個の熱電対（Ｎ形ポリ層１０３、１０５および１０７と、Ｐ形ポリ層１０９、１１１および１１３）両端間の組み合わされた電圧を表す。

一例で、Ｎ形ポリ層、Ｐ形ポリ層および絶縁層は、０．０５から０．５ミクロンの範囲の厚さを有する。さらに各層の長さは、１０から１００ミクロンの範囲にある。しかし、任意の厚さおよび長さを有する層を使用することができることは、当業者であれば誰でも理解することができる。

一例で、サーモパイル１０１の熱電対は、これまでとは違って並列に接続されるか、あるいは直列および並列の組合せに接続される。別の例では、複数の積層サーモパイル１０１が、互いに直列、並列あるいは直列および並列の組合せに接続される。

積層サーモパイル１０１は、３個の熱電対を有するように示されているが、当業者であれば理解されるように、上で述べたように、任意の個数の熱電対を垂直に積層して積層サーモパイル１０１に加えてもよい。例えば一例として、サーモパイル１０１は、１０個またはそれ以上の熱電対を含んでもよい。

図２から４は、異なるように構成された側面を有するその他の例示的積層サーモパイルを示す。陰影領域は、絶縁層を表し、右上がり斜線の領域は、正のゼーベック係数を有する材料を表し、右下がり斜線の領域は、負のゼーベック係数を有する材料を表す。図２は、傾いた側面を有する例示的積層サーモパイル２０１（積層サーモパイル１０１と同様のもの）を示す。積層サーモパイル２０１の側面を傾けることによって、各々のポリ層の露出側面の表面積が増大する。増大した表面積は、金属コンタクトを付着させる場合のより大きな標的を提供する。積層サーモパイル２０１は、サーモパイル２０１のコールド・ジャンクション・エンド上に位置する測定コンタクト２０３および２０５を含む。

一例で、積層サーモパイル２０１の側面部分の角度は、少なくとも部分的に金属コンタクトの配置での製造分解能に依存する。例えば、積層サーモパイル２０１の側面部分への金属コンタクトの配置が高い精度（すなわち、配置におけるずれが小さい）でなされるときは、大きい角度を選択することができ、従って端部を急峻にすることができ、積層サーモパイル２０１の側面部分に関する表面積は小さくなる。しかし、積層サーモパイル２０１の側面部分での金属コンタクトの配置のずれが大きい場合には、小さい角度が選ばれ、それによってより緩やかな端部が形成され、積層サーモパイル２０１の側面部分に関する表面積は大きくなる。いくつかの例で、角度は、水平から３０から８０度の範囲にある。さらに、いくつかの例で、積層サーモパイル２０１の層の長さは１０から１００ミクロンの範囲にあり、積層サーモパイル２０１の各層の厚さは０．０５から０．１ミクロンの範囲にある。しかし、当業者であれば理解されるように、任意の長さおよび厚さを有する層を使用することが可能である。

図３は、垂直な側面を有する別の例示的積層サーモパイル３０１を示す。スタックの最上部の熱電層がスタックの底付近の熱電層よりも短くなっているサーモパイル２０１と違って、積層サーモパイル３０１の各層は、同じ長さか、あるいは少なくとも同等の長さを有する。このようにすれば、積層サーモパイル２０１の場合のように熱電層の長さが減少することによって熱電対の個数が制限されることがないので、任意の個数の熱電対を積層することができる。積層サーモパイル３０１は、サーモパイル３０１のコールド・ジャンクション・エンド上に位置する測定コンタクト３０３および３０５を含む。

図４は、水平な側面を有する別の例示的積層サーモパイル４０１を示す。この例では、積層サーモパイル４０１の層は、シリコン基板中にエッチングされた窪みに形成される。窪みの端部は、エッチングによって積層サーモパイル４０１の側面として望ましい角度を持たせられる。積層サーモパイル４０１の側面部分に角度が付いているため、各ポリ層の露出した側面の表面積が増大する。しかし、積層サーモパイル２０１と違って、積層サーモパイル４０１の金属コンタクトは、角度の付いた面ではなくて水平な表面上に配置される。積層サーモパイル４０１は、サーモパイル４０１のコールド・ジャンクション・エンドに位置する測定コンタクト４０３および４０５を含む。

一例で、シリコン基板中の窪みのエッチング角度は、少なくとも部分的に金属コンタクトの配置に関する製造精度に依存する。例えば、金属コンタクトが積層サーモパイル４０１の側面部分に高い精度で（すなわち、配置におけるずれが小さい）配置されるときは、大きいエッチング角度が選ばれて、それにより急峻な端部が生じ、積層サーモパイル４０１の側面部分の表面積は、小さくなる。しかし、積層サーモパイル４０１の側面部分への金属コンタクトの配置に大きいずれがある場合には、より小さいエッチング角度が選ばれ、それによってより緩やかな端部が生じ、積層サーモパイル４０１の側面部分の表面積は、大きくなる。いくつかの例で、窪みの端部の角度は、水平から３０から８０度の範囲にある。さらにいつくかの例で、積層サーモパイル４０１の層の長さは１０から１００ミクロンの範囲にあり、積層サーモパイル４０１の各層の厚さは０．０１から０．１ミクロンの範囲にある。しかし、当業者であれば理解できるように、任意の長さおよび厚さを有する層を採用してもよい。

図５は、複数の積層サーモパイル５０１を有する、ＩＲ検出用の例示的センサ５００の俯瞰図を示す。センサ５００は、ＩＲ放射を吸収するための吸収体５０９を含む。吸収体５０９は、カーボン・ブラック、金黒（Ｂｌａｃｋ Ｇｏｌｄ）、その他の化合物や有機化合物または混合物または同様な任意の熱吸収材料を含むことができる。吸収体５０９は、吸収体５０９のための少なくとも部分的な熱絶縁を提供するために、キャビティ５０５の上方に設置される。センサ５００は、さらに吸収体５０９と基準温度との間の温度差を測定するための１または複数の積層サーモパイル５０１を含む。積層サーモパイル５０１は、これまで図１から図４に関連して説明してきた例示的サーモパイルの任意のものでよい。センサ５００は、基準温度と、１または複数の積層サーモパイル５０１によって測定された温度とに基づいて、吸収体５０９の温度を測定する。

一例で、２個またはそれ以上の積層サーモパイル５０１が互いに接続される。積層サーモパイル５０１は、直列、並列あるいは直列および並列の組合せに接続される。さらに、１２個の積層サーモパイル５０１が示されているが、当業者であれば理解できるように、任意の個数の積層サーモパイル５０１をセンサ５００に含めてよい。

図６は、１つの積層サーモパイル５０１の長さに沿って眺めたセンサ５００の断面図を示す。図６に示されているように、積層サーモパイル５０１は、基板５０３およびメンブレン５０７の上に形成される。基板５０３は、半導体デバイスで普通に使用されるシリコン基板でよい。積層サーモパイル・センサ５００は、積層サーモパイル５０１の下の基板５０３の一部分がエッチングで除去されたあとに、積層サーモパイル５０１に対する機械的支えを提供するための、基板５０３上に形成されたメンブレン５０７を含む。メンブレン５０７は、窒化シリコン、二酸化シリコン、有機プラスティックまたは同様な低い熱伝導度を有する材料で作製してもよい。そのような材料を選択することによって、メンブレン５０７によって積層サーモパイル５０１の一端から他端へ運ばれる熱量が制限される。一例として、上で図１に関連して説明したように、吸収体５０９はメンブレン５０７の上に設置されて、積層サーモパイル５０１の少なくとも一部分と重なっていてもよい。一例として、基板５０３中で、吸収体５０９および積層サーモパイル５０１の少なくとも一部分の両方の下方にキャビティ５０５が形成されてもよい。キャビティ５０５は、吸収体５０９のための少なくとも部分的な熱絶縁を提供する。キャビティ５０５は、例えば異方性エッチングのような任意の既知のエッチング方法を用いて形成できる。

一例で、積層サーモパイル５０１は、１０から１００ミクロンの範囲の長さ、１から５ミクロンの範囲の幅、そして０．５から２ミクロンの範囲の合計厚さを有する。しかし、積層サーモパイル５０１は、所望の用途に応じて任意の長さ、幅または厚さを有してもよいことを理解すべきである。

さらに、図５では１２個の積層サーモパイル５０１が「十字」形に配置されているが、センサ５００中に任意の個数のサーモパイル層を使用した任意の個数の積層サーモパイル５０１を、任意の形に配置できることを理解すべきである。例えば、積層サーモパイル５０１は、吸収体５０９の周囲に対称に配置して、吸収体５０９から外側に向かって放射状に延びるように配置してもよい。その他の例では、積層サーモパイル５０１は、星形、矩形または同様な形に構成してもよい。

センサ５００は、近接検出器、温度計、セキュリティ検出器、監視機器および同様な多くの異なる用途に使用できる。例えば、複数個のセンサ５００をグリッド状に配置して、各々のセンサ５００がイメージの１つのピクセルを代表するようにしてもよい。センサ５００の出力は、注目する対象物の熱画像を生成するために使用できる。これは、航空機に搭乗する乗客を選り分けるためや、室内において温かい人体の存在をモニタリングするため等の用途に使用されてもよい。一例では、複数個のセンサ５００が同じ半導体基板上に形成されてもよい。

図７Ａ−図７Ｂ、図８Ａ−図８Ｂ、図９Ａ−図９Ｂ、図１０Ａ−図１０Ｂおよび図１１は、センサ５００を作製するための例示的工程を示す。特に、図７Ａ−図７Ｂ、図８Ａ−図８Ｂ、図９Ａ−図９Ｂ、図１０Ａ−図１０Ｂおよび図１１は、製造工程の各種段階における、図５に示されたセンサ５００の四分の一の部分を示す。図７Ａは、積層サーモパイルを形成するための窪み７０３を形成するために、シリコン基板７０１の一部分がエッチングで除去される、プロセスの最初の工程を示す。図７Ｂは、複数のポリシリコン層および絶縁層７０５がくぼみ７０３に堆積される、プロセスの次の工程を示す。図１に関して上で説明したように、複数のポリシリコン層および絶縁層７０５が積層される。図８Ａはプロセスの次の工程を示し、ポリシリコン層を所望のように接続するために金属コンタクト７０７が堆積される。例えば、金属コンタクト７０７は、図４によって示されるのと類似の構成で熱電対を直列に接続するように配置されてもよい。図８Ｂはプロセスの次の工程を示し、絶縁用の窒化物層７０９がシリコン基板７０１の最上面およびポリシリコン層および絶縁層７０５の上に堆積される。金属コンタクト７０７およびその下のサーモパイル・スタックと接触させるための窓７１１が、窒化物層７０９にパターニングされる。図９Ａはプロセスの次の工程を示し、第２の金属層７１３が窒化物層７０９の上に堆積され、窓７１１の上に位置してその下のサーモパイルのターミナル・ポイントと接触する。図９Ｂはプロセスの次の工程を示し、図７Ａ−図７Ｂ、図８Ａ−図８Ｂ、図９Ａで堆積された材料が、積層サーモパイル・ストリップ７１５を形成するためにエッチングにより除去される。図１０Ａは、パッシベーション用の窒化物層７１７で表面全体が被覆される、プロセスの次の工程を示しているが、ここでコンタクト・ビア用およびサーモパイルを切り離すために基板を化学的にエッチングする領域のための窓７１９が設けられる。窓７１９は、図４の測定コンタクト４０３および４０５と類似の測定コンタクトとして機能してもよい。図１０Ｂはプロセスの次の工程を示し、吸収されてサーモパイル・ストリップ７１５に転送される熱量を増やすために、サーモパイル・ストリップ７１５およびシリコン基板７０１の一部分がカーボン・ブラック、金黒（Ｂｌａｃｋ Ｇｏｌｄ）、その他の化合物あるいは有機化合物または混合物または同様な熱吸収材料７２１で被覆される。図１１はプロセスの次の工程を示し、吸収材料７２１の下および積層サーモパイル・ストリップ７１５の少なくとも一部分の下の基板７０１中に、キャビティ７２３がエッチングされる。キャビティ７２３は、吸収材料７２１の熱絶縁性を改善するために設けられる。

多様な形状の垂直に積層されたサーモパイルおよび垂直に積層されたサーモパイルを有するセンサが上記の例に提供されている。当業者に明らかなように、熱電層が互いの上に積層されるようになっている限り、その他の形状も可能である。

特徴は、特別な実施の形態に関連して説明されたように見えるが、当業者が理解できるように、ここに述べた実施の形態の各種の特徴を組み合わせることもできる。さらに、１つの実施の形態に関連して説明した態様は、単独で用いてもよい。

Claims (17)

1. 放射をモニタリングするための積層サーモパイルであって、
   第１および第２の層が交互になって上方に垂直に重なる複数の平坦な層を含む多重層スタックであって、前記第１の層は正のゼーベック係数を有する半導体材料を含むように形成され、また前記第２の層は負のゼーベック係数を有する半導体材料を含むように形成され、前記スタックは、前記第１の層と前記第２の層との間に絶縁層をさらに含んでいる多重層スタックと、
   前記スタックの第１の側端に沿って形成された第１の電気コネクタであって、前記第１のコネクタは、第１の半導体層から第２の半導体層へ垂直上方に延びている第１の電気コネクタと、
   前記スタックの第２の側端に沿って形成された第２の電気コネクタであって、前記第２のコネクタは、第２の半導体層から第１の半導体層へ垂直上方に延びており、前記第１および第２の電気コネクタが組み合わされて前記スタック中の第１の半導体層と第２の半導体層との間に直列接続を形成しており、前記スタックの一方の側端は前記スタックのホット・エンドを定義し、前記スタックの他方の側端は前記スタックのコールド・エンドを定義しており、それによって前記スタックの前記ホット・エンドが放射に曝されるときに、前記スタックの前記コールド・エンド上のコネクタ両端間に発生する電圧が、前記スタックの前記ホット・エンドにおける露出放射量に対応するようになる第２の電気コネクタと
   を含む積層サーモパイル。
2. 請求項１に記載の積層サーモパイルであって、第１および第２の側端が垂直配列状に揃えられている前記積層サーモパイル。
3. 請求項１に記載の積層サーモパイルであって、第１および第２の側端が水平配列状に揃えられている前記積層サーモパイル。
4. 請求項１に記載のサーモパイルであって、第１および第２の側端が配列状に揃えられ、垂直からオフセット角度をなして位置している前記サーモパイル。
5. 請求項４に記載のサーモパイルであって、垂直からのオフセット角度が１０から６０度の範囲にある前記サーモパイル。
6. 請求項１に記載のサーモパイルであって、複数の上方に垂直に重なる平坦な層が、１０個またはそれ以上の第１の半導体層および１０個またはそれ以上の第２の半導体層を含んでいる前記サーモパイル。
7. センサであって、
   半導体基板であって、半導体基板内部にキャビティが形成されている半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成された垂直に積層されたサーモパイルであって、
   第１および第２の層が交互になって上方に垂直に重なる複数の平坦な層であって、
   前記第１の層は正のゼーベック係数を有する半導体材料を含むように形成され、前記
   第２の層は負のゼーベック係数を有する半導体材料を含むように形成され、前記スタ
   ックは、前記第１の層と前記第２の層との間に絶縁層をさらに含んでいる複数の上方
   に垂直に重なる平坦な層と、
   複数の上方に垂直に重なる平坦な半導体層の間に電気的接続を形成する複数の金属
   コンタクトと、
   を含む垂直に積層されたサーモパイルと、
   前記キャビティの上に位置する吸収体メンブレンであって、前記垂直に積層されたサーモパイルの第１の部分が前記吸収体メンブレンに接触しており、また前記垂直に積層されたサーモパイルが、前記吸収体メンブレンから受信する放射に相当する電圧を発生するように動作可能であり、前記電圧が受信した放射量に対応している吸収体メンブレンと、
   を含むセンサ。
8. 請求項７に記載のセンサであって、前記センサは、前記半導体基板上に形成された垂直に積層されたサーモパイルを含み、前記複数の垂直に積層されたサーモパイルの各サーモパイルの少なくとも一部分が前記吸収体メンブレンに接触している前記センサ。
9. 請求項８に記載のセンサであって、前記複数の垂直に積層されたサーモパイルが、直列接続、並列接続および直列と並列の組合わせ接続を含むグループから選ばれた配置に接続されている前記センサ。
10. 請求項８に記載のセンサであって、前記複数の垂直に積層されたサーモパイルが、十字形状、矩形形状および星形形状を含むグループから選ばれた形状に配置されている前記センサ。
11. 請求項７に記載のセンサであって、前記複数の上方に垂直に重なる平坦な層が、１０個またはそれ以上の第１の層および１０個またはそれ以上の第２の層を含んでいる前記センサ。
12. 複数個のセンサを含むセンサ・アレイであって、前記複数のセンサの各センサが請求項７に記載のセンサであり、前記複数のセンサが同じ半導体基板上に形成されているセンサ・アレイ。
13. 垂直に積層されたサーモパイルを製造するための方法であって、
    半導体基板を供給する工程と、
    前記半導体基板中に第１のキャビティをエッチングする工程と、
    前記第１のキャビティ中に、第１および第２の層が交互になった複数の上方に垂直に重なる平坦な層を堆積させる工程であって、前記第１の層は正のゼーベック係数を有する半導体材料から形成され、前記第２の層は負のゼーベック係数を有する半導体材料から形成され、前記スタックは、前記第１の層と前記第２の層との間に複数の絶縁層をさらに含んでいる堆積工程と、
    前記第１の半導体層と第２の半導体層との間に直列接続を形成する第１の複数の金属コンタクトを堆積させる工程と、
    複数の上方に垂直に重なる平坦な層および前記第１の複数の金属層を覆って第１の絶縁層を堆積させる工程であって、前記第１の複数の金属層の少なくとも一部分が、前記第１の絶縁層によって覆われないようにする堆積工程と、
    前記第１の絶縁層の上に第２の複数の金属コンタクトを堆積させる工程であって、前記第２の複数の金属コンタクトの少なくとも一部分が、前記第１の絶縁層によって覆われていない前記第１の複数の金属層の少なくとも一部分に接続されるようにする堆積工程と、
    前記第１の絶縁層の一部分、前記複数の上方に垂直に重なる平坦な層の一部分および前記複数の絶縁層の一部分をエッチングしてサーモパイル・ストリップを形成する工程と、
    前記第２の複数の金属コンタクト、前記第１の絶縁層および前記サーモパイル・ストリップを覆って第２の絶縁層を堆積させる工程であって、前記第２の複数の金属コンタクトの少なくとも一部分が前記第２の絶縁層によって覆われないようにする堆積工程と、
    前記半導体基板の少なくとも一部分および前記サーモパイル・ストリップの少なくとも一部分の上に吸収材料を堆積させる工程と、
    前記半導体基板中に第２のキャビティをエッチングする工程であって、前記第２のキャビティが、前記吸収材料および前記サーモパイル・ストリップの少なくとも一部分の下に位置するようにするエッチング工程と、
    を含む方法。
14. 請求項１３に記載の方法であって、前記複数の上方に垂直に重なる平坦な層の各層が０．０５から０．１ミクロンの範囲の厚さを有する前記方法。
15. 請求項１３に記載の方法であって、前記サーモパイル・ストリップが１０から１００ミクロンの範囲の長さを有する前記方法。
16. 請求項１３に記載の方法であって、前記複数の上方に垂直に重なる平坦な層が１０層またはそれ以上の第１の層および１０層またはそれ以上の第２の層を含む前記方法。
17. 請求項１３に記載の方法であって、前記第１の絶縁層および第２の絶縁層が窒化物層である前記方法。

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