JP2016017822A - 赤外線センサー - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線センサーに入射する赤外線の光量を高めること。【解決手段】一側の面と他側の面との間を貫通する貫通孔が形成された基板と、基板の一側の面側に形成された赤外線吸収部とを有する赤外線センサーであって、赤外線吸収部は貫通孔の上に位置し、貫通孔の側壁面に反射防止膜が形成されている、赤外線センサーが提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線センサーに関する。

近年、ボロメータ、サーモパイル、ダイオード等を使用した非冷却型の熱型赤外線アレイセンサー、熱型赤外線ラインセンサー等の開発が盛んに行われている。

熱型赤外線センサーとしては、例えば基板に形成された貫通孔により形成された空洞部によって基板とは分離された赤外線吸収部と、赤外線吸収部の温度変化を検出する温度センサー部とを備えた裏面照射型の熱型赤外線センサーが知られている。この構造では、貫通孔から赤外線が入射するため、赤外線センサーに入射する赤外線の光量が基板の厚さと貫通孔の開口サイズで制限される。

そこで、従来では、赤外線吸収部の裏面にサブ波長光構造からなる赤外線反射防止構造を設けることで、赤外線吸収部の裏面における赤外線の反射率を低減し、熱型赤外線センサーの感度を向上させている。（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上述した従来の技術では、赤外線集光レンズを赤外線センサーに近接して配置する場合に、赤外線集光レンズから赤外線センサーへと入射する赤外線が赤外線センサーの視野角によって制限される。このため、実質的な赤外線集光レンズの有効径が減少して赤外線集光レンズの集光機能が十分に得られず、赤外線センサーに十分な光量の赤外線を入射させることが困難であった。

そこで、本発明の一つの案では、赤外線センサーに入射する赤外線の光量を高めることを目的とする。

一つの案では、一側の面と他側の面との間を貫通する貫通孔が形成された基板と、前記基板の一側の面側に形成された赤外線吸収部とを有する赤外線センサーであって、前記赤外線吸収部は前記貫通孔の上に位置し、前記貫通孔の側壁面に反射防止膜が形成されている、赤外線センサーが提供される。

一態様によれば、赤外線センサーに入射する赤外線の光量を高めることができる。

第１実施形態に係る赤外線センサーの概略構成を例示する断面図。 第１実施形態に係る赤外線センサーにおける赤外線センサー部の概略構成を例示する断面図。 第１実施形態に係る赤外線センサーにおける赤外線センサー部の概略構成を例示する平面図。 第２実施形態に係る赤外線センサーの概略構成を例示する断面図。 第３実施形態に係る赤外線センサーの概略構成を例示する断面図。 従来の赤外線センサーの概略構成を例示する断面図。 第４実施形態に係る赤外線センサーの概略構成を例示する断面図。 第５実施形態に係る赤外線センサーの概略構成を例示する断面図。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態に係る赤外線センサーの概略構成の一例について、図１から図３を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る赤外線センサーを構成する基板の表面（裏面）と垂直な面であって、基板の層を貫通する貫通孔を通る面で切断した場合の断面図を示している。図２は、第１実施形態に係る赤外線センサーにおける赤外線センサー部の概略構成を例示する断面図である。図３は、第１実施形態に係る赤外線センサーにおける赤外線センサー部の概略構成を例示する平面図である。なお、図２は、図３のＡ−Ａ'線における断面図である。

第１実施形態に係る赤外線センサーは、裏面照射型の赤外線センサーであり、図１に示すように、表面と裏面との間を貫通する貫通孔１２を有する基板１と、基板１の表面中央部に形成された赤外線センサー部１０とを有する。また、赤外線センサー部１０の周辺には、周辺回路１１が形成されている。

赤外線センサー部１０は、例えば図２に示すように、基板１の表面側に、赤外線吸収部３と温度センサー部４とが形成された構成とすることができる。

赤外線吸収部３は、基板１に形成された貫通孔１２により基板１と分離されている。すなわち、赤外線吸収部３は、赤外線吸収部３の下部に貫通孔１２が配置され、基板１と接しない構成とすることができる。

赤外線吸収部３は、赤外線を吸収する材料からなる薄膜であり、赤外線を吸収することにより温度変化を生じる材料であればよく、その材料は特に限定されるものではない。例えば、Ｓｉ酸化膜、層間膜、Ｓｉ窒化膜等を用いて構成することができる。また、赤外線吸収部３の裏面側に別途、金黒等の赤外線吸収膜を形成してもよい。

温度センサー部４は、赤外線吸収部３で赤外線を吸収したことによる温度変化を検出する。温度センサー部４は、サーモパイル、ダイオード、ボロメータ、焦電体等の温度変化を検知できるものであればどのような方式のものでもよく、その構成は特に限定されるものではない。図３においては、サーモパイル型の温度センサー部４を示しており、温度センサー部４は第１のサーモパイル材料８と第２のサーモパイル材料９とが交互に接続された構造となっている。なお、他方式の温度センサーを用いる場合も同様に、後述する断熱構造体２の薄膜部６上に温度センサーを形成することができる。

赤外線吸収部３及び温度センサー部４は、断熱構造体２上に形成することができる。

断熱構造体２は、赤外線センサーの感度を高める目的で、基板１との熱絶縁性を向上するために形成されており、断熱構造体２の下部の基板１は、例えばＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma）エッチング等の方法を用いて除去されている。断熱構造体２は、赤外線吸収部３と一体となった薄膜部６を中空状態に支持する構成であればよく、その具体的な構成は特に限定されるものではない。例えば図３に示すように、梁部５で薄膜部６を中空状態に支持する構成とすることができる。開口部７は、図３に示すように、四隅に設けられ、梁部５及び薄膜部６の形状を決めている。

そして、第１実施形態の赤外線センサーにおいては、図１に示すように、基板１に形成される貫通孔の側壁面２２に反射防止膜２５が形成されている。

反射防止膜２５は、赤外線反射を抑制する材料からなる薄膜であり、赤外線反射を抑制する材料であればよく、その材料は特に限定されるものではない。例えば、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、硫化亜鉛等を用いて構成することができる。

ここで比較のため、従来の赤外線センサーの問題点について説明する。

例えば後述するように、基板の裏面２３側に赤外線集光レンズ１３等の光学部が形成されることにより、赤外線センサーの視野角が図１に示すように直線Ｆ、Ｇで規定される場合を考える。すなわち、直線Ｆ、Ｇの間の角度Ｅが赤外線センサーの視野角となる場合を考える。

このとき、赤外線センサー部１０へと入射する赤外線のうち、基板の裏面２３において貫通孔１２の外周部から入射する赤外線は、基板１に対しては透過するが、空気と基板１との間の屈折率の差によって反射されて赤外線センサー部１０に到達することができない。

空気と基板１との間での反射は、空気と基板１との境界における赤外線の入射角が大きい貫通孔の側壁面２２で特に大きくなる。このため、基板の裏面２３において貫通孔１２の外周部から入射し、赤外線センサー部１０に到達する赤外線の光量が減少する。すなわち、赤外線センサー部１０は、貫通孔１２の外周部から入射する赤外線を効率よく受光することができない。

しかしながら、第１実施形態に係る赤外線センサーは、貫通孔の側壁面２２に反射防止膜２５が形成されている。このため、貫通孔の側壁面２２における赤外線の反射を抑制することができる。結果として、赤外線センサー部１０（赤外線センサー）に入射する赤外線の光量を高めることができる。

また、反射防止膜２５は、基板の裏面２３において貫通孔１２の外周部から入射する赤外線の入射経路に含まれる貫通孔の側壁面２２に形成されていることが好ましい。これにより、貫通孔の側壁面２２における赤外線の反射を効率よく抑制することができる。

なお、第１実施形態に係る赤外線センサーは、半導体プロセスの写真製版技術及びエッチング技術を用いて製造することができる。

以上に説明したように、第１実施形態に係る赤外線センサーによれば、基板の厚さを薄くすることなく、赤外線センサーに入射する赤外線の光量を高めることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る赤外線センサーの概略構成の一例について、図４を参照しながら説明する。図４は、第２実施形態に係る赤外線センサーを構成する基板の表面（裏面）と垂直な面であって、基板の層を貫通する貫通孔を通る面で切断した場合の断面図を示している。

第２実施形態に係る赤外線センサーは、第１実施形態で説明した赤外線センサーの基板の裏面２３に、更に反射防止膜２５が形成されていることを特徴とする。なお、他の構成は第１実施形態で説明した赤外線センサーと同様の構成とすることができるため、ここでは説明を省略する。

ここで比較のため、従来の赤外線センサーの問題点について説明する。

前述したように、赤外線センサー部１０へと入射する赤外線のうち、基板の裏面２３において貫通孔１２の外周部から入射する赤外線は、空気と基板１との境界である貫通孔の側壁面２２で特に反射される。

また、赤外線センサー部１０へと入射する赤外線のうち、基板の裏面２３において貫通孔１２の外周部から入射する赤外線は、空気と基板１との境界である基板の裏面２３においても反射される。

このため、基板の裏面２３において貫通孔１２の外周部から入射し、赤外線センサー部１０に到達する赤外線の光量が減少する。すなわち、赤外線センサー部１０は、貫通孔１２の外周部から入射する赤外線を効率よく受光することができない。

しかしながら、第２実施形態に係る赤外線センサーは、貫通孔の側壁面２２及び基板の裏面２３に反射防止膜２５が形成されている。このため、貫通孔の側壁面２２及び基板の裏面２３における赤外線の反射を抑制することができる。結果として、赤外線センサー部１０（赤外線センサー）に入射する赤外線の光量をより高めることができる。

また、反射防止膜２５は、基板の裏面２３において貫通孔１２の外周部から入射する赤外線の入射経路に含まれる基板の裏面２３に形成されていることが好ましい。これにより、基板の裏面２３における赤外線の反射を効率よく抑制することができる。

なお、第２実施形態に係る赤外線センサーは、第１実施形態と同様に半導体プロセスの写真製版技術及びエッチング技術を用いて製造することができる。

以上に説明したように、第２実施形態に係る赤外線センサーによれば、基板の厚さを薄くすることなく、赤外線センサーに入射する赤外線の光量を高めることができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る赤外線センサーの概略構成の一例について、図５を参照しながら説明する。図５は、第３実施形態に係る赤外線センサーを構成する基板の表面（裏面）と垂直な面であって、基板の層を貫通する貫通孔を通る面で切断した場合の断面図を示している。

第３実施形態に係る赤外線センサーは、第２実施形態で説明した赤外線センサーの赤外線吸収部３の裏面（以下「センサー面２６」という。）に、更に反射防止膜２５が形成されていることを特徴とする。なお、他の構成は第２実施形態で説明した赤外線センサーと同様の構成とすることができるため、ここでは説明を省略する。

ここで比較のため、従来の赤外線センサーの問題点について説明する。

赤外線センサー部１０へと入射する赤外線は、センサー面２６に到達すると、その一部がセンサー面２６で反射される。このため、赤外線センサー部１０に到達する赤外線の光量が減少する。

しかしながら、第３実施形態に係る赤外線センサーは、センサー面２６に反射防止膜２５が形成されている。このため、センサー面２６における赤外線の反射を抑制することができる。結果として、赤外線センサー部１０（赤外線センサー）に入射する赤外線の光量をより高めることができる。

なお、第３実施形態に係る赤外線センサーは、第２実施形態と同様に半導体プロセスの写真製版技術及びエッチング技術を用いて製造することができる。

以上に説明したように、第３実施形態に係る赤外線センサーによれば、基板の厚さを薄くすることなく、赤外線センサーに入射する赤外線の光量を高めることができる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る赤外線センサーについて説明する。

第４実施形態に係る赤外線センサーは、第１実施形態から第３実施形態で説明した赤外線センサーの基板の裏面２３側に、更に赤外線集光レンズ１３を有している。そして、基板の裏面２３に形成された反射防止膜２５が接合部材２１が形成される部分に形成されていないことを特徴とする。

このため、赤外線集光レンズ１３と基板１とを接合する接着強度が高い構造を形成することができ、より信頼性の高い赤外線センサーを製造することができる。

また、貫通孔の側壁面２２及び基板の裏面２３に形成されている反射防止膜２５は、赤外線集光レンズ１３の有効径の内部から赤外線センサーへと入射する赤外線の入射経路に含まれる貫通孔の側壁面２２及び基板の裏面２３に形成されていることが好ましい。

ここで比較のため、従来の赤外線集光レンズ１３を有する赤外線センサーの問題点について、図６を参照しながら説明する。図６は、従来の赤外線集光レンズを有する赤外線センサーの概略構成を示す断面図である。

従来の赤外線センサーにおいては、前述したように、貫通孔１２の幅が制約され、赤外線センサーの視野角が狭かった。このため、赤外線集光レンズ１３を配置した場合においても、赤外線集光レンズ１３からセンサーへと入射する赤外線のうち、基板の裏面２３において貫通孔１２の外周部からセンサーへと入射する赤外線は、空気と基板１又は赤外線集光レンズ１３との間の屈折率の差によって反射されて、赤外線センサー部１０に到達することができなかった。

空気と基板１との間での反射は、貫通孔の側壁面２２及び基板の裏面２３で生じる。また、空気と赤外線集光レンズ１３と間での反射は、赤外線集光レンズ１３の接合部材２１が形成される面で生じる。このため、赤外線吸収部３は、赤外線集光レンズ１３から入射する赤外線を効率よく受光することができない。したがって、赤外線集光レンズ１３の有効径Ｃに対して、実質的には、赤外線センサーの視野角で決まる有効径Ｄしか使えておらず、赤外線の光量の損失が大きかった。

また、このような構成の場合には、赤外線センサー部１０と赤外線集光レンズ１３との距離Ｈや傾きの精度を得るために、基板１をそれらの基準として用いる必要がある。そのため、基板１の厚さを変えて貫通孔１２のアスペクト比を変えることはできなかった。

次に、第４実施形態に係る赤外線センサーの一例について、図７を参照しながら説明する。図７は、第４実施形態に係る赤外線センサーを構成する基板の表面（裏面）と垂直な面であって、基板の層を貫通する貫通孔を通る面で切断した場合の断面図を示している。

図７に示す赤外線センサーは、基板の裏面２３側に接合部材２１を介して基板１と接合された赤外線集光レンズ１３を有する。また、赤外線集光レンズ１３の有効径は、図中Ｃで示した範囲である。そして、有効径を効率的に使用できるように、赤外線集光レンズ１３の有効径の内部から赤外線センサーへと入射する赤外線の入射経路に含まれる貫通孔の側壁面２２及び基板の裏面２３に反射防止膜２５が形成されている。

このため、貫通孔の側壁面２２及び基板の裏面２３での赤外線の反射を抑制することができる。より具体的には、赤外線集光レンズ１３を通り、基板の裏面２３において貫通孔１２の外周部から入射する赤外線が、貫通孔の側壁面２２及び基板の裏面２３における基板１と空気との間の屈折率の差によって、貫通孔の側壁面２２及び基板の裏面２３で反射することを抑制することができる。結果として、赤外線センサー部１０（赤外線センサー）に入射する赤外線の光量を高めることができる。また、本来の赤外線センサーに付加したレンズ性能を十分に発揮することが可能となる。

なお、他の構成は第２実施形態で説明した赤外線センサーと同様の構成とすることができるため、ここでは説明を省略する。

また、第４実施形態においては、反射防止膜２５が、貫通孔の側壁面２２及び基板の裏面２３に形成された第２実施形態で説明した形態を用いて説明したが、係る形態に限定されるものではない。第１実施形態、第３実施形態で説明した各形態の赤外線センサーにおいても同様に赤外線集光レンズ１３を配置し、基板の裏面２３に形成された反射防止膜２５が接合部材２１が形成される部分に形成されていないようにすることで、第４実施形態の赤外線センサーとすることができる。

以上に説明したように、第４実施形態に係る赤外線センサーによれば、基板の厚さを薄くすることなく、赤外線センサーに入射する赤外線の光量を高めることができる。

［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態に係る赤外線センサーについて説明する。

第５実施形態に係る赤外線センサーは、第４実施形態で説明した赤外線センサーの赤外線集光レンズ１３の基板１と接合された側の面２４に、反射防止膜２５が形成されている。そして、反射防止膜２５は、接合部材２１が形成される部分に形成されていないことを特徴とする。なお、他の構成は第４実施形態で説明した赤外線センサーと同様の構成とすることができるため、ここでは説明を省略する。

以下、図８を参照しながら説明する。図８は、第５実施形態に係る赤外線センサーを構成する基板の表面（裏面）と垂直な面であって、基板の層を貫通する貫通孔を通る面で切断した場合の断面図を示している。

第５実施形態に係る赤外線センサーは、赤外線集光レンズ１３の基板１と接合された側の面２４に、反射防止膜２５が形成されている。そして、反射防止膜２５は、接合部材２１が形成される部分に形成されていない。

このため、赤外線集光レンズ１３の基板１と接合された側の面２４での赤外線の反射を抑制することができる。より具体的には、赤外線集光レンズ１３に入射した赤外線が、赤外線集光レンズ１３の基板１と接合された側の面２４における赤外線集光レンズ１３と空気との間の屈折率の差によって、赤外線集光レンズ１３の基板１と接合された側の面２４で反射されることを抑制することができる。結果として、赤外線集光レンズ１３における赤外線の光量の減少を抑制し、赤外線センサー部１０（赤外線センサー）に入射する赤外線の光量を高めることができる。

また、反射防止膜２５は、接合部材２１が形成される部分に形成されていないため、基板１と赤外線集光レンズ１３とを接合する接着強度が高い構造を形成することができ、より信頼性の高い赤外線センサーを形成することができる。

以上に説明したように、第５実施形態に係る赤外線センサーによれば、基板の厚さを薄くすることなく、赤外線センサーに入射する赤外線の光量を高めることができる。

以上、赤外線センサーを実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

１ 基板
３ 赤外線吸収部
１２ 貫通孔
１３ 赤外線集光レンズ
２１ 接合部材
２２ 貫通孔の側壁面
２３ 基板の裏面
２５ 反射防止膜
２６ センサー面

特開２０１３−１９０２３９号公報

Claims (7)

1. 一側の面と他側の面との間を貫通する貫通孔が形成された基板と、
   前記基板の一側の面側に形成された赤外線吸収部とを有する赤外線センサーであって、
   前記赤外線吸収部は前記貫通孔の上に位置し、
   前記貫通孔の側壁面に反射防止膜が形成されている、
   赤外線センサー。
2. 前記貫通孔の側壁面に形成されている反射防止膜は、前記基板の他側の面において前記貫通孔の外周部から入射する赤外線の入射経路に含まれる前記貫通孔の側壁面に形成されている、
   請求項１に記載の赤外線センサー。
3. 前記基板の他側の面に反射防止膜が形成されている、
   請求項１又は２に記載の赤外線センサー。
4. 前記基板の他側の面に形成されている反射防止膜は、前記基板の他側の面において前記貫通孔の外周部から入射する赤外線の入射経路に含まれる前記基板の他側の面に形成されている、
   請求項３に記載の赤外線センサー。
5. 前記赤外線吸収部の裏面に反射防止膜が形成されている、
   請求項３又は４に記載の赤外線センサー。
6. 前記基板の他側の面側に接合部材を介して前記基板と接合された赤外線集光レンズを有し、
   前記基板の他側の面に形成された反射防止膜は、前記接合部材が形成される部分に形成されていない、
   請求項３乃至５のいずれか一項に記載の赤外線センサー。
7. 前記赤外線集光レンズの前記基板と接合された側の面に反射防止膜が形成されている、
   請求項６に記載の赤外線センサー。

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