JP2014029274A - Semiconductor physical quantity sensor - Google Patents

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Kazushi Yoshida
和司 吉田
Fumihito Kato
史仁 加藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor physical quantity sensor capable of reducing the size thereof.SOLUTION: A semiconductor physical quantity sensor 10 has a semiconductor substrate 20 including a cavity 21 formed in one side 20a and a lens portion 24 formed in the other side 20b. The semiconductor physical quantity sensor 10 also has a dielectric thin plate 61 disposed on the cavity 21 and includes: a dielectric member 60 fixed at one plane 20a side of the semiconductor substrate 20; and a light receiving element 40 disposed on the dielectric thin plate 61.

Description

本発明は、半導体物理量センサに関する。   The present invention relates to a semiconductor physical quantity sensor.

従来より、ヒートシンクに形成されたキャビティ上に薄板部を配置し、当該薄板部上にサーモパイルおよび赤外線吸収体を配置した赤外線センサが知られている（例えば特許文献１参照）。   Conventionally, an infrared sensor is known in which a thin plate portion is disposed on a cavity formed in a heat sink, and a thermopile and an infrared absorber are disposed on the thin plate portion (see, for example, Patent Document 1).

この特許文献１では、レンズ部が形成されたレンズ基板をヒートシンクに固定することで赤外線吸収体上にレンズ部が配置されるようにしている。そして、赤外線吸収体上にレンズ部を配置することで、赤外線吸収体に赤外線を集光させて温度変化の検出精度を高めるようにしている。   In Patent Document 1, the lens unit is formed on the infrared absorber by fixing the lens substrate on which the lens unit is formed to a heat sink. And by arrange | positioning a lens part on an infrared absorber, infrared rays are condensed on an infrared absorber and the detection accuracy of a temperature change is raised.

特開平１１−２５８０３８号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-258038

しかしながら、上記従来の技術では、ヒートシンクとは別体に形成したレンズ基板を用いているため、センサが大型化してしまうという問題がある。   However, the conventional technique uses a lens substrate that is formed separately from the heat sink, and thus has a problem that the sensor becomes large.

そこで、本発明は、より小型化を図ることのできる半導体物理量センサを得ることを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to obtain a semiconductor physical quantity sensor that can be further miniaturized.

本発明の第１の特徴は、一側にキャビティが形成され、他側にレンズ部が形成された半導体基材と、前記キャビティ上に配置される誘電体薄板部を有し、前記半導体基材の一面側に固定される誘電体と、前記誘電体薄板部上に配置される受光素子と、を備えることを要旨とする。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor substrate having a cavity formed on one side and a lens portion formed on the other side, and a dielectric thin plate portion disposed on the cavity. And a light receiving element disposed on the dielectric thin plate portion.

本発明の第２の特徴は、前記レンズ部の表面に高反射膜が形成されていることを要旨とする。   The second feature of the present invention is summarized in that a highly reflective film is formed on the surface of the lens portion.

本発明の第３の特徴は、前記レンズ部の表面が放物面であることを要旨とする。   The gist of the third feature of the present invention is that the surface of the lens portion is a paraboloid.

本発明の第４の特徴は、前記レンズ部の表面に所定の波長の光を選択的に透過させるフィルタが形成されていることを要旨とする。   A fourth feature of the present invention is summarized in that a filter that selectively transmits light having a predetermined wavelength is formed on the surface of the lens portion.

本発明の第５の特徴は、前記半導体基材が単結晶シリコンで形成されており、前記キャビティは、前記半導体基材の一面側から異方性エッチングを施すことにより形成されていることを要旨とする。   A fifth feature of the present invention is that the semiconductor substrate is formed of single crystal silicon, and the cavity is formed by performing anisotropic etching from one surface side of the semiconductor substrate. And

本発明の第６の特徴は、前記受光素子が焦電体であることを要旨とする。   The sixth feature of the present invention is summarized in that the light receiving element is a pyroelectric material.

本発明によれば、一側にキャビティが形成され、他側にレンズ部が形成された半導体基材のキャビティ上に誘電体薄板部を配置し、当該誘電体薄板部上に受光素子を配置している。その結果、レンズ部を有する部材を半導体基材と別個に設ける必要がなくなるため、半導体物理量センサの小型化を図ることができるようになる。   According to the present invention, a dielectric thin plate portion is disposed on a cavity of a semiconductor substrate having a cavity formed on one side and a lens portion formed on the other side, and a light receiving element is disposed on the dielectric thin plate portion. ing. As a result, it is not necessary to provide a member having a lens portion separately from the semiconductor base material, so that the semiconductor physical quantity sensor can be reduced in size.

本発明の第１実施形態にかかる半導体物理量センサを示す平面図である。It is a top view which shows the semiconductor physical quantity sensor concerning 1st Embodiment of this invention. 図１のＡ−Ａ断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 本発明の第２実施形態にかかる半導体物理量センサを示す要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view which shows the semiconductor physical quantity sensor concerning 2nd Embodiment of this invention. 図３のＢ−Ｂ断面図である。It is BB sectional drawing of FIG.

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。以下では、半導体物理量センサとして、赤外線センサを例示する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Below, an infrared sensor is illustrated as a semiconductor physical quantity sensor.

また、以下の複数の実施形態には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、それら同様の構成要素には共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。   Moreover, the same component is contained in the following several embodiment. Therefore, in the following, common reference numerals are given to those similar components, and redundant description is omitted.

（第１実施形態）
本実施形態にかかる赤外線センサ（半導体物理量センサ）１０は、図１および図２に示すように、キャビティ２１が形成された半導体基板（半導体基材）２０を備えている。また、赤外線センサ１０は、半導体基板２０のキャビティ２１上に配置される誘電体薄板部６１を有する誘電体６０を備えており、この誘電体６０は、半導体基板２０の表面（一面）２０ａ側に固定されている。そして、誘電体６０の誘電体薄板部６１上には、焦電体（受光素子）４０が配置されている。 (First embodiment)
As shown in FIGS. 1 and 2, the infrared sensor (semiconductor physical quantity sensor) 10 according to the present embodiment includes a semiconductor substrate (semiconductor substrate) 20 in which a cavity 21 is formed. The infrared sensor 10 also includes a dielectric 60 having a dielectric thin plate portion 61 disposed on the cavity 21 of the semiconductor substrate 20, and the dielectric 60 is disposed on the surface (one surface) 20 a side of the semiconductor substrate 20. It is fixed. A pyroelectric body (light receiving element) 40 is disposed on the dielectric thin plate portion 61 of the dielectric 60.

半導体基板２０は、単結晶シリコンを用いて形成されており、平面視で輪郭形状が矩形状となるように形成されている。そして、単結晶シリコンで形成された半導体基板２０の任意の部位（本実施形態では、半導体基板２０の一辺の中央部）には、高濃度不純物拡散部２２が形成されており、当該高濃度不純物拡散部２２上に半導体基板２０の電位を取り出す電位取り出し部２３が設けられている。   The semiconductor substrate 20 is formed using single crystal silicon, and is formed so that the outline shape is rectangular in plan view. A high-concentration impurity diffusion portion 22 is formed in an arbitrary portion of the semiconductor substrate 20 formed of single crystal silicon (in this embodiment, the central portion of one side of the semiconductor substrate 20). A potential extraction unit 23 that extracts the potential of the semiconductor substrate 20 is provided on the diffusion unit 22.

キャビティ２１は、本実施形態では略四角錐台状をしており、半導体基板（半導体基材）２０の表面（一面）２０ａ側から異方性エッチングを施すことで形成されている。   In this embodiment, the cavity 21 has a substantially quadrangular pyramid shape, and is formed by performing anisotropic etching from the surface (one surface) 20a side of the semiconductor substrate (semiconductor substrate) 20.

具体的には、キャビティ２１は、アルカリ性湿式異方性エッチング液（例えば、ＫＯＨ（水酸化カリウム水溶液）、ＴＭＡＨ（テトラメチル水酸化アンモニウム水溶液）等）を用いたシリコン異方性エッチングにより半導体基板（半導体基材）２０の一部を除去することで形成している。このとき、キャビティ２１は、図１および図２に示すように、半導体基板（半導体基材）２０を厚さ方向に貫通しないように凹状に形成されている。   Specifically, the cavity 21 is formed on the semiconductor substrate (by silicon anisotropic etching using an alkaline wet anisotropic etchant (for example, KOH (potassium hydroxide aqueous solution), TMAH (tetramethyl ammonium hydroxide aqueous solution), etc.). It is formed by removing a part of the (semiconductor substrate) 20. At this time, as shown in FIGS. 1 and 2, the cavity 21 is formed in a concave shape so as not to penetrate the semiconductor substrate (semiconductor base material) 20 in the thickness direction.

高濃度不純物拡散部２２は、単結晶シリコンで形成された半導体基板２０に、当該半導体基板２０と同一導電型の不純物をイオン注入するあるいは不純物拡散により導入することで形成することができる。このような高濃度不純物拡散部２２を設けることで、当該高濃度不純物拡散部２２に導電性を持たせることができるようになる。   The high-concentration impurity diffusion portion 22 can be formed by ion-implanting or introducing impurities having the same conductivity type as the semiconductor substrate 20 into the semiconductor substrate 20 formed of single crystal silicon. By providing such a high concentration impurity diffusion portion 22, the high concentration impurity diffusion portion 22 can be made conductive.

電位取り出し部２３は、Ｃｒ，Ａｕなどの導電性を有する金属材料で形成されており、図示せぬワイヤボンディングを介して、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などのＩＣチップ（図示せず）に電気的に接続されている。本実施形態では、この電位取り出し部２３を介して半導体基板２０が所定の電位（例えば、グランド電位などの基準となる電位）で保持されるようにしている。なお、電位取り出し部２３は、高濃度不純物拡散部２２に設ける必要はなく、半導体基板２０の高濃度不純物拡散部２２以外の部位に設けてもよい。   The potential extracting unit 23 is made of a conductive metal material such as Cr or Au, and is electrically connected to an IC chip (not shown) such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) via wire bonding (not shown). Connected. In the present embodiment, the semiconductor substrate 20 is held at a predetermined potential (for example, a reference potential such as a ground potential) via the potential extracting portion 23. The potential extraction unit 23 does not need to be provided in the high-concentration impurity diffusion unit 22 and may be provided in a portion other than the high-concentration impurity diffusion unit 22 of the semiconductor substrate 20.

そして、半導体基板（半導体基材）２０の裏面（他面）２０ｂ側には、レンズ部２４が形成されている。このレンズ部２４は、半導体基板（半導体基材）２０に公知の半導体プロセス（エッチング等）を施すことで形成することができる。   A lens portion 24 is formed on the back surface (other surface) 20 b side of the semiconductor substrate (semiconductor substrate) 20. The lens portion 24 can be formed by subjecting the semiconductor substrate (semiconductor substrate) 20 to a known semiconductor process (such as etching).

本実施形態では、レンズ部２４は、中央部が下方（他側）に凸となるドーム状に形成されており、上下方向（半導体基板２０の厚さ方向）から視た状態でキャビティ２１と対応する位置にレンズ部２４が形成されている。そして、レンズ部２４は、平面視でキャビティ２１の中央部と対応する部位が最も突出するように、半導体基板２０の裏面２０ｂに形成されている。   In the present embodiment, the lens portion 24 is formed in a dome shape whose central portion is convex downward (other side), and corresponds to the cavity 21 when viewed from the vertical direction (thickness direction of the semiconductor substrate 20). A lens portion 24 is formed at a position where the movement is performed. The lens portion 24 is formed on the back surface 20b of the semiconductor substrate 20 so that a portion corresponding to the central portion of the cavity 21 protrudes most in plan view.

このレンズ部２４は、表面２４ａが放物面となるように形成されている。そして、レンズ部２４の焦点がキャビティ上に配置された焦電体（受光素子）４０の中央部よりも若干上方に位置するようにレンズ部２４を形成している。なお、レンズ部２４の表面２４ａの形状は、放物面に限らず、球面の一部や楕円体の表面の一部であってもよい。   The lens portion 24 is formed so that the surface 24a is a paraboloid. The lens unit 24 is formed so that the focal point of the lens unit 24 is positioned slightly above the center of the pyroelectric body (light receiving element) 40 disposed on the cavity. The shape of the surface 24a of the lens part 24 is not limited to a paraboloid, but may be a part of a spherical surface or a part of the surface of an ellipsoid.

また、本実施形態では、レンズ部２４の表面２４ａに所定の波長の光を選択的に透過させるフィルタ２５が形成されている。本実施形態では、検知に必要な波長領域（赤外線）のみ透過させ、それ以外の波長領域の光を透過させないようにしている。   In the present embodiment, a filter 25 that selectively transmits light having a predetermined wavelength is formed on the surface 24 a of the lens unit 24. In this embodiment, only the wavelength region (infrared rays) necessary for detection is transmitted, and light in other wavelength regions is not transmitted.

このようなフィルタ２５としては、例えば、Ａｕ，Ａｌなどの金属コーティングを施すことでレンズ部２４の表面２４ａに形成した金属薄膜や、複数層の誘電体をコーティングすることでレンズ部２４の表面２４ａに形成した誘電体多層膜を用いることができる。   As such a filter 25, for example, a metal thin film formed on the surface 24a of the lens unit 24 by applying a metal coating such as Au or Al, or a surface 24a of the lens unit 24 by coating a plurality of layers of dielectrics. The dielectric multilayer film formed in (1) can be used.

誘電体６０は、ガラスや窒化珪素などの材料によって薄板状に形成されており、この誘電体６０の中央部には、略矩形板状の誘電体薄板部６１が形成されている。本実施形態では、誘電体薄板部６１をキャビティ２１よりも小さくなるように形成し、平面視で、誘電体薄板部６１の外周部にキャビティ２１が露出するようにしている。   The dielectric 60 is formed in a thin plate shape using a material such as glass or silicon nitride, and a dielectric thin plate portion 61 having a substantially rectangular plate shape is formed at the center of the dielectric 60. In the present embodiment, the dielectric thin plate portion 61 is formed so as to be smaller than the cavity 21 so that the cavity 21 is exposed to the outer peripheral portion of the dielectric thin plate portion 61 in plan view.

そして、誘電体薄板部６１の四隅の頂点部分には、はり部６３がそれぞれ対角方向に突出するように形成されており、このはり部６３を半導体基板２０の表面２０ａに固定することで、誘電体６０が半導体基板２０に固定されている。   And the beam part 63 is formed in the vertex part of the four corners of the dielectric thin plate part 61 so that it may each protrude in a diagonal direction, By fixing this beam part 63 to the surface 20a of the semiconductor substrate 20, A dielectric 60 is fixed to the semiconductor substrate 20.

焦電体４０は、外力を受けない場合においても結晶部内部において自発分極を有する材料であり、結晶の温度が変化した場合に、自発分極の温度依存性に起因した電荷が結晶表面にあらわれる材料である。この焦電体４０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの高誘電率材料が一般的に利用されるが、これ以外にも、例えば、ＡＩＮ、ＺｎＯおよびＦ−ＢＡＲなどの材料を用いることができる。   The pyroelectric body 40 is a material having spontaneous polarization inside the crystal part even when no external force is applied. When the temperature of the crystal changes, the pyroelectric body 40 is a material in which charges due to the temperature dependence of the spontaneous polarization appear on the crystal surface. It is. As a material of the pyroelectric body 40, a high dielectric constant material such as lead zirconate titanate (PZT) is generally used. However, other materials such as AIN, ZnO, and F-BAR are also used. Can be used.

そして、下部電極３０および上部電極５０が焦電体４０の表裏面を挟むように設けられている。   The lower electrode 30 and the upper electrode 50 are provided so as to sandwich the front and back surfaces of the pyroelectric body 40.

下部電極３０は、例えば、Ｃｒ，Ａｕなどの導電性を有する金属材料を用いて形成することができる。そして、この下部電極３０には金属配線３２が連結されており、この金属配線３２を介して電位取り出し部３１が下部電極３０に電気的に接続されている。この電位取り出し部３１は、誘電体６０を介して半導体基板２０の表面２０ａに配置されている。具体的には、図１に示すように、４つのはり部６３のうちの１つのはり部（図１の左下のはり部）６３の半導体基板２０への取り付け部分に、電位取り出し部３１が配置されており、この電位取り出し部３１と下部電極３０とを連結（電気的に接続）するように金属配線３２が設けられている。なお、金属配線３２は、誘電体６０上（誘電体薄板部６１上および一方のはり部６３上）に設けられている。   The lower electrode 30 can be formed using a conductive metal material such as Cr or Au, for example. A metal wiring 32 is connected to the lower electrode 30, and the potential extracting portion 31 is electrically connected to the lower electrode 30 through the metal wiring 32. The potential extraction unit 31 is disposed on the surface 20 a of the semiconductor substrate 20 via the dielectric 60. Specifically, as shown in FIG. 1, a potential extraction portion 31 is arranged at a portion where one of the four beam portions 63 (the lower left beam portion in FIG. 1) 63 is attached to the semiconductor substrate 20. A metal wiring 32 is provided so as to connect (electrically connect) the potential extraction portion 31 and the lower electrode 30. The metal wiring 32 is provided on the dielectric 60 (on the dielectric thin plate portion 61 and one beam portion 63).

そして、この電位取り出し部３１も、Ｃｒ，Ａｕなどの導電性を有する金属材料で形成されており、図示せぬワイヤボンディングを介して、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などのＩＣチップ（図示せず）に電気的に接続されている。こうして、下部電極３０の電位がＩＣチップ（図示せず）に出力されるようにしている。   The potential extracting unit 31 is also formed of a conductive metal material such as Cr or Au, and an IC chip (not shown) such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) is provided through wire bonding (not shown). ) Is electrically connected. In this way, the potential of the lower electrode 30 is output to an IC chip (not shown).

一方、上部電極５０は、Ｃｒ，Ａｕなどの導電性を有する金属材料を用いて形成することができる。そして、この上部電極５０には金属配線５２が連結されており、この金属配線５２を介して電位取り出し部５１が上部電極５０に電気的に接続されている。この電位取り出し部５１も、誘電体６０を介して半導体基板２０の表面２０ａに配置されている。具体的には、図１に示すように、４つのはり部６３のうち１つのはり部（図１の右上のはり部）６３の半導体基板２０への取り付け部分に、電位取り出し部５１が配置されており、この電位取り出し部５１と上部電極５０とを連結（電気的に接続）するように金属配線５２が設けられている。この金属配線５２も誘電体６０上（誘電体薄板部６１上および他方のはり部６３上）に設けられている。なお、本実施形態では、図１および図２に示すように、誘電体６０側から下部電極３０、焦電体４０、上部電極５０の順に積層されており、この順に１辺の長さが短くなるように形成されている。そのため、上部電極５０から誘電体６０にかけて絶縁層７０を形成し、この絶縁層７０上に金属配線５２を配置することで、上部電極５０と下部電極３０との短絡を防止している。   On the other hand, the upper electrode 50 can be formed using a conductive metal material such as Cr or Au. A metal wiring 52 is connected to the upper electrode 50, and the potential extraction portion 51 is electrically connected to the upper electrode 50 through the metal wiring 52. This potential extraction portion 51 is also disposed on the surface 20 a of the semiconductor substrate 20 via the dielectric 60. Specifically, as shown in FIG. 1, a potential extracting portion 51 is arranged at a portion where one of the four beam portions 63 (the upper right beam portion in FIG. 1) 63 is attached to the semiconductor substrate 20. A metal wiring 52 is provided so as to connect (electrically connect) the potential extraction portion 51 and the upper electrode 50. The metal wiring 52 is also provided on the dielectric 60 (on the dielectric thin plate portion 61 and the other beam portion 63). In this embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the lower electrode 30, the pyroelectric body 40, and the upper electrode 50 are laminated in this order from the dielectric 60 side, and the length of one side is short in this order. It is formed to become. Therefore, an insulating layer 70 is formed from the upper electrode 50 to the dielectric 60, and the metal wiring 52 is disposed on the insulating layer 70, thereby preventing a short circuit between the upper electrode 50 and the lower electrode 30.

そして、電位取り出し部５１も、Ｃｒ，Ａｕなどの導電性を有する金属材料で形成されており、図示せぬワイヤボンディングを介して、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などのＩＣチップ（図示せず）に電気的に接続されている。こうして、上部電極５０の電位がＩＣチップ（図示せず）に出力されるようにしている。   The potential extracting portion 51 is also formed of a conductive metal material such as Cr or Au, and an IC chip (not shown) such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) via wire bonding (not shown). Is electrically connected. Thus, the potential of the upper electrode 50 is output to an IC chip (not shown).

かかる構成の赤外線センサ１０を用いることで、図示せぬ被検知物体（例えば、人の手など）が赤外線センサ１０の近傍に存在しているか否かを検知することができる。   By using the infrared sensor 10 having such a configuration, it is possible to detect whether or not an object to be detected (for example, a human hand) is present in the vicinity of the infrared sensor 10.

本実施形態では、上下（半導体基板２０の表面２０ａ側と裏面２０ｂ側）のいずれに被検知物体が存在していても、検知することができるようになっている。   In the present embodiment, it is possible to detect whether an object to be detected exists on either the top or bottom (the front surface 20a side or the back surface 20b side of the semiconductor substrate 20).

例えば、赤外線センサ１０の上側（半導体基板２０の表面２０ａ側）に被検知物体が存在する場合、当該被検知物体から図２の矢印ａで示されるように赤外線が照射される。   For example, when a detected object exists above the infrared sensor 10 (on the surface 20a side of the semiconductor substrate 20), infrared light is irradiated from the detected object as indicated by an arrow a in FIG.

そして、被検知物体から照射された赤外線は、焦電体４０に直接入射したり、焦電体４０の周囲を通過し、レンズ部２４によって反射して間接的に焦電体４０に入射したりする。この場合、レンズ部２４は凹面鏡として機能することとなる。   And the infrared rays irradiated from the object to be detected are directly incident on the pyroelectric body 40, pass around the pyroelectric body 40, reflected by the lens unit 24, and indirectly incident on the pyroelectric body 40. To do. In this case, the lens unit 24 functions as a concave mirror.

そして、図示せぬ被検知物体（例えば、人の手など）からの赤外線が焦電体４０に入射、吸収されると、焦電体４０内の結晶の温度が変化する。このように、焦電体４０内の結晶の温度が変化すると、自発分極の温度依存性に起因した電荷が結晶表面にあらわれる。そして、結晶表面に電荷があらわれることで、上部電極５０と下部電極３０との電位差が変化し、この電位差の変化がＩＣチップ（図示せず）に出力されることで、図示せぬ被検知物体（例えば、人の手など）が赤外線センサ１０の近傍に存在していることが、赤外線センサ１０によって検知される。   When infrared rays from a detection target (not shown) (for example, a human hand) are incident on and absorbed by the pyroelectric body 40, the temperature of the crystal in the pyroelectric body 40 changes. As described above, when the temperature of the crystal in the pyroelectric body 40 changes, a charge due to the temperature dependence of the spontaneous polarization appears on the crystal surface. The potential difference between the upper electrode 50 and the lower electrode 30 changes due to the electric charge appearing on the crystal surface, and the change in the potential difference is output to an IC chip (not shown). The infrared sensor 10 detects that (for example, a human hand) exists in the vicinity of the infrared sensor 10.

一方、赤外線センサ１０の下側（半導体基板２０の裏面２０ｂ側）に被検知物体が存在する場合、当該被検知物体から図２の矢印ｂで示されるように赤外線が照射される。   On the other hand, when an object to be detected exists below the infrared sensor 10 (on the back surface 20b side of the semiconductor substrate 20), infrared light is irradiated from the object to be detected as indicated by an arrow b in FIG.

そして、被検知物体から照射された赤外線は、所定の波長の光を選択的に透過させるフィルタ２５を透過する。このとき、赤外線以外の波長領域の光はフィルタ２５を透過しないため、赤外線のみがフィルタ２５を透過することとなる。そして、フィルタ２５を透過した赤外線がレンズ部２４を透過して焦電体４０に入射する。この場合、レンズ部２４は凸レンズとして機能することとなる。   And the infrared rays irradiated from the object to be detected are transmitted through the filter 25 that selectively transmits light of a predetermined wavelength. At this time, since light in a wavelength region other than infrared rays does not pass through the filter 25, only infrared rays pass through the filter 25. Then, the infrared light transmitted through the filter 25 passes through the lens unit 24 and enters the pyroelectric body 40. In this case, the lens unit 24 functions as a convex lens.

そして、図示せぬ被検知物体（例えば、人の手など）からの赤外線が焦電体４０に入射、吸収されると、焦電体４０内の結晶の温度が変化する。このように、焦電体４０内の結晶の温度が変化すると、自発分極の温度依存性に起因した電荷が結晶表面にあらわれる。そして、結晶表面に電荷があらわれることで、上部電極５０と下部電極３０との電位差が変化し、この電位差の変化がＩＣチップ（図示せず）に出力されることで、図示せぬ被検知物体（例えば、人の手など）が赤外線センサ１０の近傍に存在していることが、赤外線センサ１０によって検知される。   When infrared rays from a detection target (not shown) (for example, a human hand) are incident on and absorbed by the pyroelectric body 40, the temperature of the crystal in the pyroelectric body 40 changes. As described above, when the temperature of the crystal in the pyroelectric body 40 changes, a charge due to the temperature dependence of the spontaneous polarization appears on the crystal surface. The potential difference between the upper electrode 50 and the lower electrode 30 changes due to the electric charge appearing on the crystal surface, and the change in the potential difference is output to an IC chip (not shown). The infrared sensor 10 detects that (for example, a human hand) exists in the vicinity of the infrared sensor 10.

このように、レンズ部２４が形成された半導体基板２０を用いると、表裏いずれの側から照射される赤外線であっても、より効率的に焦電体４０に入射させることができ、検知精度をより高めることができる。なお、本実施形態では、レンズ部２４の表面２４ａに所定の波長の光を選択的に透過させるフィルタ２５を形成しているが、フィルタ２５を形成しないようにしてもよい。   As described above, when the semiconductor substrate 20 on which the lens portion 24 is formed is used, infrared rays irradiated from either the front or back side can be incident on the pyroelectric body 40 more efficiently, and detection accuracy can be improved. Can be increased. In the present embodiment, the filter 25 that selectively transmits light having a predetermined wavelength is formed on the surface 24a of the lens unit 24. However, the filter 25 may not be formed.

以上、説明したように、本実施形態では、表面（一側）２０ａにキャビティ２１が形成され、裏面（他側）２０ｂにレンズ部２４が形成された半導体基板（半導体基材）２０のキャビティ２１上に誘電体薄板部６１を配置している。そして、誘電体薄板部６１上に焦電体（受光素子）４０を配置している。すなわち、レンズ部２４を半導体基板（半導体基材）２０に一体に形成している。その結果、レンズ部を有する部材を半導体基板（半導体基材）２０と別個に設ける必要がなくなるため、赤外線センサ（半導体物理量センサ）１０の小型化を図ることができるようになる。また、レンズ部を有する部材を別途設ける必要がなくなるためコストの低減を図ることができる。   As described above, in this embodiment, the cavity 21 of the semiconductor substrate (semiconductor substrate) 20 in which the cavity 21 is formed on the front surface (one side) 20a and the lens portion 24 is formed on the back surface (other side) 20b. The dielectric thin plate portion 61 is disposed on the top. A pyroelectric body (light receiving element) 40 is disposed on the dielectric thin plate portion 61. That is, the lens portion 24 is formed integrally with the semiconductor substrate (semiconductor substrate) 20. As a result, it is not necessary to provide a member having a lens portion separately from the semiconductor substrate (semiconductor base material) 20, so that the infrared sensor (semiconductor physical quantity sensor) 10 can be reduced in size. Further, it is not necessary to separately provide a member having a lens portion, so that the cost can be reduced.

また、レンズ部２４を設けることで、被検知物体（例えば、人の手など）から照射された赤外線が焦電体（受光素子）４０に入射する量が多くなる。すなわち、焦電体４０が受ける光の放射照度が大きくなるため、焦電体４０の素子面積が小さくても、大きな感度を得ることができるようになる。その結果、焦電体（受光素子）４０の小型化を図ることができる。   Further, the provision of the lens unit 24 increases the amount of infrared rays irradiated from the object to be detected (for example, a human hand) incident on the pyroelectric body (light receiving element) 40. That is, since the irradiance of light received by the pyroelectric body 40 is increased, high sensitivity can be obtained even if the element area of the pyroelectric body 40 is small. As a result, the pyroelectric body (light receiving element) 40 can be reduced in size.

また、本実施形態によれば、半導体基板（半導体基材）２０の表面（一面）２０ａ側から異方性エッチングを施すことによりキャビティ２１を形成している。このように、異方性エッチングを利用することで、ドライエッチングを利用して裏面側から掘り込む方法とくらべて、キャビティ２１の形状精度を高めることができる。   Further, according to the present embodiment, the cavity 21 is formed by performing anisotropic etching from the surface (one surface) 20a side of the semiconductor substrate (semiconductor substrate) 20. Thus, by using anisotropic etching, the shape accuracy of the cavity 21 can be increased as compared with the method of digging from the back side using dry etching.

また、本実施形態によれば、レンズ部２４の表面２４ａに所定の波長の光を選択的に透過させるフィルタ２５を形成している。そのため、検知に必要な波長域のみを焦電体（受光素子）４０に入射させることができ、他の波長域による雑音の影響を低減することができる。その結果、赤外線センサ（半導体物理量センサ）１０の検出精度を向上させることができるようになる。   In addition, according to the present embodiment, the filter 25 that selectively transmits light having a predetermined wavelength is formed on the surface 24 a of the lens unit 24. Therefore, only the wavelength region necessary for detection can be incident on the pyroelectric body (light receiving element) 40, and the influence of noise due to other wavelength regions can be reduced. As a result, the detection accuracy of the infrared sensor (semiconductor physical quantity sensor) 10 can be improved.

また、受光素子として焦電体４０を用いることで、赤外線センサ１０をより安価に製造することができる。   Further, by using the pyroelectric body 40 as the light receiving element, the infrared sensor 10 can be manufactured at a lower cost.

さらに、本実施形態のように受光素子として平面状に広がる（赤外線を面で受光する）焦電体４０を用いれば、レンズ部２４の焦点の位置ずれをある程度許容することができる。例えば、受光素子として線状のサーモパイルを用いた場合、レンズ部２４の焦点位置が若干ずれた状態で製造された場合に、本来サーモパイルに入射される予定の赤外線がサーモパイルに入射されず、サーモパイルの周囲から逃げてしまうおそれがある。このように、受光素子として線状のサーモパイルを用いた場合、レンズ部の焦点位置を精度よく設定する必要があるため、容易に製造することができないという問題がある。   Furthermore, if the pyroelectric body 40 that spreads in a planar shape (receives infrared rays on the surface) as a light receiving element as in the present embodiment is used, the focal position shift of the lens unit 24 can be allowed to some extent. For example, when a linear thermopile is used as the light receiving element, when the lens unit 24 is manufactured in a state where the focal position of the lens unit 24 is slightly shifted, the infrared ray that is originally supposed to be incident on the thermopile is not incident on the thermopile. There is a risk of escaping from the surroundings. As described above, when a linear thermopile is used as the light receiving element, it is necessary to set the focal position of the lens portion with high accuracy, and thus there is a problem that it cannot be easily manufactured.

これに対して、受光素子として平面状に広がる（赤外線を面で受光する）焦電体４０を用いた場合、レンズ部２４の焦点位置が若干ずれた状態で製造されて、赤外線が入射予定位置からずれたとしても、平面状に広がる焦電体４０に入射されることとなる。すなわち、レンズ部２４の焦点位置が若干ずれた状態で製造されたとしても、レンズ部２４を透過した赤外線やレンズ部２４で反射した赤外線が焦電体４０に入射されずに周囲から逃げてしまうのが抑制されることとなる。このように、受光素子として平面状に広がる（赤外線を面で受光する）焦電体４０を用いた場合、レンズ部の焦点位置を精度よく設定する必要がなくなるため、より容易に集光効率を高めた赤外線センサを製造することができるようになるという利点がある。   On the other hand, when the pyroelectric body 40 that spreads in a planar shape (receives infrared rays on the surface) as a light receiving element is used, the lens portion 24 is manufactured with a slightly shifted focal position, and the infrared rays are expected to enter. Even if it deviates from, it will be incident on the pyroelectric body 40 spreading in a plane. That is, even if the lens unit 24 is manufactured with the focus position slightly deviated, the infrared rays transmitted through the lens unit 24 and the infrared rays reflected by the lens unit 24 escape from the surroundings without being incident on the pyroelectric body 40. Will be suppressed. As described above, when the pyroelectric body 40 that spreads in a planar shape (receives infrared rays on the surface) is used as the light receiving element, it is not necessary to set the focal position of the lens portion with high accuracy, so that the light collection efficiency can be more easily achieved. There is an advantage that an enhanced infrared sensor can be manufactured.

（第２実施形態）
本実施形態にかかる赤外線センサ（半導体物理量センサ）１０Ａは、基本的に上記第１実施形態の赤外線センサ（半導体物理量センサ）１０と同様の構成をしている。 (Second Embodiment)
An infrared sensor (semiconductor physical quantity sensor) 10A according to the present embodiment basically has the same configuration as the infrared sensor (semiconductor physical quantity sensor) 10 of the first embodiment.

すなわち、赤外線センサ（半導体物理量センサ）１０Ａは、単結晶シリコンで形成され、キャビティ２１が形成された半導体基板（半導体基材）２０を備えている。また、赤外線センサ１０は、半導体基板２０のキャビティ２１上に配置される誘電体薄板部６１を有する誘電体６０を備えており、この誘電体６０は、半導体基板２０の表面（一面）２０ａ側に固定されている。そして、誘電体６０の誘電体薄板部６１上には、焦電体（受光素子）４０が配置されている。   That is, the infrared sensor (semiconductor physical quantity sensor) 10A includes a semiconductor substrate (semiconductor base material) 20 formed of single crystal silicon and having a cavity 21 formed therein. The infrared sensor 10 also includes a dielectric 60 having a dielectric thin plate portion 61 disposed on the cavity 21 of the semiconductor substrate 20, and the dielectric 60 is disposed on the surface (one surface) 20 a side of the semiconductor substrate 20. It is fixed. A pyroelectric body (light receiving element) 40 is disposed on the dielectric thin plate portion 61 of the dielectric 60.

そして、下部電極３０および上部電極５０が焦電体４０の表裏面を挟むように設けられている。   The lower electrode 30 and the upper electrode 50 are provided so as to sandwich the front and back surfaces of the pyroelectric body 40.

また、誘電体薄板部６１には、はり部６３が突設されており、このはり部６３の先端を半導体基板２０の表面２０ａに固定することで、誘電体６０を半導体基板２０に固定している。   Further, the dielectric thin plate portion 61 has a beam 63 protruding therefrom, and the tip of the beam 63 is fixed to the surface 20 a of the semiconductor substrate 20 to fix the dielectric 60 to the semiconductor substrate 20. Yes.

また、本実施形態においても、キャビティ２１、誘電体薄板部６１、下部電極３０、焦電体４０および上部電極５０が平面視で略矩形状をしている。そして、誘電体薄板部６１をキャビティ２１よりも小さくなるように形成し、平面視で、誘電体薄板部６１の外周部にキャビティ２１が露出するようにしている。   Also in the present embodiment, the cavity 21, the dielectric thin plate portion 61, the lower electrode 30, the pyroelectric body 40, and the upper electrode 50 have a substantially rectangular shape in plan view. The dielectric thin plate portion 61 is formed so as to be smaller than the cavity 21 so that the cavity 21 is exposed to the outer peripheral portion of the dielectric thin plate portion 61 in plan view.

そして、半導体基板（半導体基材）２０の裏面（他面）２０ｂ側には、レンズ部２４が形成されている。このレンズ部２４は、半導体基板（半導体基材）２０に公知の半導体プロセス（エッチング等）を施すことで形成することができる。   A lens portion 24 is formed on the back surface (other surface) 20 b side of the semiconductor substrate (semiconductor substrate) 20. The lens portion 24 can be formed by subjecting the semiconductor substrate (semiconductor substrate) 20 to a known semiconductor process (such as etching).

本実施形態では、レンズ部２４は、中央部が下方（他側）に凸となるドーム状に形成されており、上下方向（半導体基板２０の厚さ方向）から視た状態でキャビティ２１と対応する位置にレンズ部２４が形成されている。そして、レンズ部２４は、平面視でキャビティ２１の中央部と対応する部位が最も突出するように、半導体基板２０の裏面２０ｂに形成されている。   In the present embodiment, the lens portion 24 is formed in a dome shape whose central portion is convex downward (other side), and corresponds to the cavity 21 when viewed from the vertical direction (thickness direction of the semiconductor substrate 20). A lens portion 24 is formed at a position where the movement is performed. The lens portion 24 is formed on the back surface 20b of the semiconductor substrate 20 so that a portion corresponding to the central portion of the cavity 21 protrudes most in plan view.

このレンズ部２４は、表面２４ａが放物面となるように形成されている。そして、レンズ部２４の焦点がキャビティ上に配置された焦電体（受光素子）４０の中央部よりも若干上方に位置するようにレンズ部２４を形成している。なお、レンズ部２４の表面２４ａの形状は、放物面に限らず、球面の一部や楕円体の表面の一部であってもよい。   The lens portion 24 is formed so that the surface 24a is a paraboloid. The lens unit 24 is formed so that the focal point of the lens unit 24 is positioned slightly above the center of the pyroelectric body (light receiving element) 40 disposed on the cavity. The shape of the surface 24a of the lens part 24 is not limited to a paraboloid, but may be a part of a spherical surface or a part of the surface of an ellipsoid.

ここで、本実施形態にかかる赤外線センサ（半導体物理量センサ）１０Ａが上記第１実施形態の赤外線センサ（半導体物理量センサ）１０と主に異なる点は、レンズ部２４の表面２４ａに高反射膜２６を形成した点にある。   Here, the infrared sensor (semiconductor physical quantity sensor) 10 </ b> A according to the present embodiment is mainly different from the infrared sensor (semiconductor physical quantity sensor) 10 of the first embodiment in that a highly reflective film 26 is provided on the surface 24 a of the lens unit 24. It is in the point formed.

このような高反射膜２６としては、例えば、Ａｕ，Ａｌなどの金属コーティングを施すことでレンズ部２４の表面２４ａに形成した金属薄膜や、複数層の誘電体をコーティングすることでレンズ部２４の表面２４ａに形成した誘電体多層膜を用いることができる。   As such a highly reflective film 26, for example, a metal thin film formed on the surface 24 a of the lens unit 24 by applying a metal coating such as Au or Al, or a coating of a plurality of layers of dielectrics, the lens unit 24 is coated. A dielectric multilayer film formed on the surface 24a can be used.

かかる構成の赤外線センサ１０Ａを用いることで、図示せぬ被検知物体（例えば、人の手など）が赤外線センサ１０Ａの近傍に存在しているか否かを検知することができる。   By using the infrared sensor 10A having such a configuration, it is possible to detect whether or not an object to be detected (for example, a human hand) is present in the vicinity of the infrared sensor 10A.

本実施形態では、半導体基板２０の表面２０ａ側に被検知物体が存在している場合に、被検知物体の存在を検知することができるようになっている。   In the present embodiment, when a detected object exists on the surface 20a side of the semiconductor substrate 20, the presence of the detected object can be detected.

具体的には、赤外線センサ１０Ａの上側（半導体基板２０の表面２０ａ側）に存在する被検知物体から図４の矢印ａで示されるように赤外線が照射されると、赤外線は、焦電体４０に直接入射したり、焦電体４０の周囲およびレンズ部２４を通過し、高反射膜２６によって反射して間接的に焦電体４０に入射したりする。この場合、レンズ部２４の高反射膜２６は凹面鏡として機能することとなる。   Specifically, when infrared rays are irradiated as shown by an arrow a in FIG. 4 from an object to be detected existing on the upper side of the infrared sensor 10A (on the surface 20a side of the semiconductor substrate 20), the infrared rays are converted into pyroelectric material 40. Or directly passes through the periphery of the pyroelectric body 40 and the lens unit 24, is reflected by the highly reflective film 26, and indirectly enters the pyroelectric body 40. In this case, the highly reflective film 26 of the lens unit 24 functions as a concave mirror.

そして、図示せぬ被検知物体（例えば、人の手など）からの赤外線が焦電体４０に入射、吸収されると、焦電体４０内の結晶の温度が変化する。このように、焦電体４０内の結晶の温度が変化すると、自発分極の温度依存性に起因した電荷が結晶表面にあらわれる。そして、結晶表面に電荷があらわれることで、上部電極５０と下部電極３０との電位差が変化し、この電位差の変化がＩＣチップ（図示せず）に出力されることで、図示せぬ被検知物体（例えば、人の手など）が赤外線センサ１０Ａの近傍に存在していることが、赤外線センサ１０Ａによって検知される。   When infrared rays from a detection target (not shown) (for example, a human hand) are incident on and absorbed by the pyroelectric body 40, the temperature of the crystal in the pyroelectric body 40 changes. As described above, when the temperature of the crystal in the pyroelectric body 40 changes, a charge due to the temperature dependence of the spontaneous polarization appears on the crystal surface. The potential difference between the upper electrode 50 and the lower electrode 30 changes due to the electric charge appearing on the crystal surface, and the change in the potential difference is output to an IC chip (not shown). The presence of an infrared sensor 10A (for example, a human hand) is detected by the infrared sensor 10A.

以上の本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。   Also according to this embodiment described above, the same operations and effects as those of the first embodiment can be achieved.

また、本実施形態によれば、レンズ部２４の表面２４ａに高反射膜２６を形成したため、半導体基板２０の表面２０ａ側から入射する光（赤外線）で、焦電体４０に当たらずに通り過ぎた光（赤外線）を、対面に形成したレンズ部２４上の高反射膜２６によって反射させることができる。すなわち、レンズ部２４上の高反射膜２６が凹面鏡の役割を果たしており、高反射膜２６によって反射した反射光を焦電体４０に入射させることで、焦電体４０の表面に当たる光（赤外線）の放射照度が大きくなる。そのため、焦電体４０の素子面積が小さくても、大きな感度を得ることができるようになって、焦電体（受光素子）４０の小型化を図ることができる。   Further, according to the present embodiment, since the highly reflective film 26 is formed on the surface 24a of the lens portion 24, the light (infrared rays) incident from the surface 20a side of the semiconductor substrate 20 passes without hitting the pyroelectric body 40. Light (infrared rays) can be reflected by the highly reflective film 26 on the lens portion 24 formed on the opposite surface. That is, the high reflection film 26 on the lens unit 24 plays the role of a concave mirror, and the light (infrared ray) that strikes the surface of the pyroelectric body 40 by causing the reflected light reflected by the high reflection film 26 to enter the pyroelectric body 40. The irradiance increases. Therefore, even if the element area of the pyroelectric body 40 is small, a large sensitivity can be obtained, and the pyroelectric body (light receiving element) 40 can be downsized.

また、レンズ部２４の表面２４ａが放物面となるように形成することで、反射光を放物面の焦点で結像させることができ、より効率的に反射光を焦電体４０に入射させることができ、焦電体（受光素子）４０のさらなる小型化を図ることができる。   Further, by forming the surface 24a of the lens portion 24 to be a paraboloid, the reflected light can be imaged at the focal point of the paraboloid, and the reflected light can be incident on the pyroelectric body 40 more efficiently. Therefore, the pyroelectric body (light receiving element) 40 can be further reduced in size.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。   The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made.

例えば、上記各実施形態では、半導体物理量センサとして赤外線センサを例示したが、これに限ることなく、その他の半導体物理量センサであっても本発明を適用することができる。   For example, in each of the above-described embodiments, the infrared sensor is exemplified as the semiconductor physical quantity sensor. However, the present invention is not limited to this and can be applied to other semiconductor physical quantity sensors.

また、上記各実施形態では、受光素子として焦電体を用いたものを例示したが、上述したサーモパイルやフォトダイオード、フォトトランジスタ等を受光素子として用いることも可能である。   In each of the above embodiments, a pyroelectric material is used as the light receiving element. However, the above-described thermopile, photodiode, phototransistor, or the like can also be used as the light receiving element.

また、キャビティや誘電体薄板部その他細部のスペック（形状、大きさ、レイアウト等）も適宜に変更可能である。   In addition, the specifications (shape, size, layout, etc.) of the cavity, the dielectric thin plate portion, and other details can be changed as appropriate.

１０，１０Ａ 赤外線センサ（半導体物理量センサ）
２０ 半導体基板（半導体基材）
２０ａ 表面（一面）
２０ｂ 裏面（他面）
２１ キャビティ
２４ レンズ部
２４ａ 表面
２５ フィルタ
２６ 高反射膜
４０ 焦電体（受光素子）
６０ 誘電体
６１ 誘電体薄板部 10,10A Infrared sensor (Semiconductor physical quantity sensor)
20 Semiconductor substrate (semiconductor substrate)
20a Surface (one side)
20b Back side (other side)
21 Cavity 24 Lens 24a Surface 25 Filter 26 High Reflective Film 40 Pyroelectric (Light Receiving Element)
60 Dielectric 61 Dielectric thin plate part

Claims (6)

一側にキャビティが形成され、他側にレンズ部が形成された半導体基材と、
前記キャビティ上に配置される誘電体薄板部を有し、前記半導体基材の一面側に固定される誘電体と、
前記誘電体薄板部上に配置される受光素子と、
を備えることを特徴とする半導体物理量センサ。 A semiconductor substrate having a cavity formed on one side and a lens portion formed on the other side;
A dielectric thin plate portion disposed on the cavity, and a dielectric fixed to one side of the semiconductor substrate;
A light receiving element disposed on the dielectric thin plate portion;
A semiconductor physical quantity sensor comprising: 前記レンズ部の表面に高反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体物理量センサ。   The semiconductor physical quantity sensor according to claim 1, wherein a highly reflective film is formed on a surface of the lens unit. 前記レンズ部の表面が放物面であることを特徴とする請求項２に記載の半導体物理量センサ。   The semiconductor physical quantity sensor according to claim 2, wherein a surface of the lens unit is a paraboloid. 前記レンズ部の表面に所定の波長の光を選択的に透過させるフィルタが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体物理量センサ。   The semiconductor physical quantity sensor according to claim 1, wherein a filter that selectively transmits light having a predetermined wavelength is formed on a surface of the lens unit. 前記半導体基材が単結晶シリコンで形成されており、前記キャビティは、前記半導体基材の一面側から異方性エッチングを施すことにより形成されていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の半導体物理量センサ。   The semiconductor substrate is formed of single crystal silicon, and the cavity is formed by performing anisotropic etching from one side of the semiconductor substrate. The semiconductor physical quantity sensor according to claim 1. 前記受光素子が焦電体であることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の半導体物理量センサ。   The semiconductor physical quantity sensor according to claim 1, wherein the light receiving element is a pyroelectric body.
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