JP2017181117A - 赤外線検知素子及び赤外線検知素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線吸収膜の赤外線吸収率を従来より向上させた赤外線検知素子及びこの素子を形成する新規な製造方法を提供する。【解決手段】赤外線吸収膜６は、メンブレン上の第１の金黒膜８と、そのクラスタサイズが下層の第１の金黒膜８よりも大きく、クラスタ平面密度が1.6個／100μｍ2以上である第２の金黒膜９からなる。赤外線検知素子の製造方法は第１の金黒膜８を形成する第１の成膜工程と、上層の第２の金黒膜９を形成する第２の成膜工程と、第２の成膜工程前に、第１の成膜工程終了後の半導体基板を第１及び第２の成膜工程とは温度又は湿度の異なる空気に晒す間引き成膜準備工程とを有している。形成された赤外線吸収膜に対して一時的に水分を加えることによって金の微粒子の相互の密着性を高めても良い。【選択図】 図２

Description

本発明は、赤外線吸収膜を備えた赤外線検知素子及びこの赤外線検知素子の製造方法に関するものである。

従来の赤外線検知素子は、シリコンなどの半導体基板に断熱構造で支持されたメンブレンに形成されているが、その吸熱効率を高めるために、メンブレン上に赤外線吸収膜を形成している。赤外線検知素子は、測定対象物から放出される赤外線を吸収し、その赤外線の持つ熱効果によって素子が暖められ、この温度の上昇によって生ずる電気的性質の変化を検知するものである。この赤外線吸収膜として、金属材料を真空蒸着或いは電着等によりポーラス状に形成した金属黒がある。この金属黒は、入射した赤外線を乱反射しながら吸収することから、赤外線を熱エネルギに効率よく変換することができる。この金属黒として金を用いた場合には金黒膜であり、白金を用いた場合には白金黒膜である。これらは赤外線に対して高い吸収率を持つものとして知られている。特許文献１には、赤外線の吸収膜として金属黒膜を用いた赤外線検知素子が記載されている。

特許文献１には、特性が悪化することなくメンブレンに対する金属黒の密着力を高めることができる赤外線センサが開示されている。 赤外線センサを構成する熱検知素子は、メンブレン上に熱抵抗素子部を形成し、さらに熱抵抗素子部上に白金黒吸収膜からなる赤外線吸収膜を形成してなるものである。ここで、白金黒吸収膜は、メンブレン側のクラスタサイズが小さく、中間は大きく、表面側は小さく形成されている。これにより、白金黒のメンブレンに対する密着力を高めることができると共に、大きなクラスタサイズによりメンブレンの重量が大きくなって熱検知素子の特性が悪化してしまうことを防止できる。

特開２００１−７４５４９号公報

従来の、例えば、特許文献１に記載された赤外線検知素子は、金属黒膜の構造において、メンブレン直上（メンブレム側）でのクラスタサイズよりも、メンブレンから離れ、受光側に近い部分でのクラスタサイズの方が大きく構成されている。メンブレン側のクラスタサイズを小さくすることで白金黒のメンブレンに対する密着力を高めることができ、中間部のクラスタサイズを大きくすることでメンブレンの重量が大きくなって熱検知素子の特性が悪化してしまうことを防止するというものである。特許文献１では、高吸収率を期待するために白金黒が用いられ、脆弱さを解決するために電着法が用いられている（段落００３０参照）。この場合、赤外線の吸収率を確保するためには白金黒の膜厚は１〜１５μｍがよく、特に３〜５μｍにすることにより、吸収率を高くすることができる。
本発明は、このような事情によりなされたものであって、赤外線吸収膜の赤外線吸収率を従来のものより向上させた赤外線検知素子及びこの赤外線検知素子を形成する新規な製造方法を提供する。

本発明の赤外線検知素子の一態様は、半導体基板と、前記半導体基板のダイヤフラム構造上の受光領域に形成されたメンブレンと、前記メンブレン上に形成された金微粒子の蒸着物からなる金黒膜から構成された赤外線吸収膜とを具備し、前記赤外線吸収膜は、前記メンブレン表面上に形成された第１の金黒膜と、前記第１の金黒膜上に設けられた第２の金黒膜とから構成され、前記第２の金黒膜は、そのクラスタサイズが前記下層の第１の金黒膜よりも大きく、クラスタの平面密度が１．６個／１００μｍ²以上であることを特徴としている。

また、本発明の赤外線検知素子の製造方法の一態様は、半導体基板上の受光領域に赤外線吸収膜を形成する工程を具備し、前記赤外線吸収膜を形成する工程は、微粒子状の金を蒸着によって堆積させることにより下層の第１の金黒膜を形成する第１の成膜工程と、前記下層の第１の金黒膜上に更に微粒子状の金を蒸着によって堆積させることにより上層の第２の金黒膜を形成する第２の成膜工程と、前記第２の成膜工程が行われる前に、前記第１の成膜工程の終了後の前記半導体基板を、前記第１及び第２の成膜工程とは温度又は湿度の異なる空気に晒す間引き成膜準備工程とを有し、前記間引き成膜準備工程によって前記上層の第２の金黒膜は、そのクラスタサイズが前記下層の第１の金黒膜よりも大きく、且つ受光側の表面部でのクラスタの平面密度が１．６個／１００μｍ²以上に形成されていることを特徴としている。前記第１及び第２の成膜工程を経て形成された前記赤外線吸収膜に対して一時的に水分を加えることによって前記金の微粒子の相互の密着性を高める工程を更に有するようにしても良い。

赤外線吸収膜は、クラスタを柱状構造にすると、ある程度赤外線吸収率は向上するが、密度が低すぎると下地反射が多くなり、緻密すぎると入射する赤外線の反射が増え、吸収率は低下する。そのために、メンブレン直上でのクラスタサイズを小さくし、メンブレンから受光側に離れた部分（受光側の表面部）でのクラスタサイズをそれよりも大きくする。これを蒸着により形成された金黒膜で実現し、さらに、受光側の表面部でのクラスタの平面密度を１．６個／１００μｍ² 以上にすることによって赤外線の吸収率向上が得られる。
本発明の赤外線検知素子の製造方法における赤外線吸収膜を形成する工程について、金黒膜を蒸着により形成するという製造工程は一般に知られている技術であるが、本発明では、さらに、従来の工程にはない間引き成膜準備工程を追加しており、これを実施することにより、この工程を用いないで成膜した場合に比べて、クラスタの平面密度をさらに低下させることができ、赤外線吸収率を向上させることが可能になる。

実施例１に係る赤外線検知素子の断面図。 図１の赤外線検知素子を構成する赤外線吸収膜の模式断面図。 図１に示す半導体基板上に形成された赤外線吸収膜の模式平面図。

以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。

図１乃至図３を参照して実施例１を説明する。
この実施例の赤外線検知素子１は、図１に示されているように、シリコンなどの半導体基板２に形成されている。赤外線検知素子１は、半導体基板２と、この半導体基板上に空洞３を介して形成されたシリコン窒化膜などからなるメンブレン４と、このメンブレン４上に形成されたアモルファスシリコン層５とを有している。アモルファスシリコン層５は、その上に形成される赤外線吸収膜６を蒸着堆積させるときの下地膜として用いられる。メンブレン４上には、一端が赤外線吸収膜６と接続するよう設けられた複数の熱電対などの熱電部材７が形成されている。赤外線吸収膜６の温度変化として熱変換された入力はこの熱電部材７を介して検出される。

そして、この赤外線吸収膜６は、金微粒子を蒸着堆積させた膜であり、第１の金黒膜８と、第１の金黒膜８上に積層された第２の金黒膜９とから構成されている。これら金黒膜は、真空中で材料を加熱蒸発させ、それを半導体基板２に形成されたメンブレン４上のアモルファスシリコン層５である下地膜に付着させて薄膜を形成するものである。
赤外線吸収膜６において、第２の金黒膜９は、そのクラスタサイズが下層に形成された第１の金黒膜８よりも大きく、そのクラスタの平面密度が１．６個／１００μｍ²以上である。真空蒸着により形成した金黒膜は、金の微粒子が堆積した膜になるが、蒸着した微粒子はその蒸着条件によって、ばらばらの状態で堆積したり、いくつかの微粒子がくっつき少し大きめのサイズのかたまり（塊）になったりする。ここではこのかたまりをクラスタと呼び、大きさをクラスタサイズという。

図２は、メンブレン４上の下地膜５に形成された赤外線吸収膜６を示しており、赤外線吸収膜６は、下地膜５上の第１の金黒膜８及び第１の金黒膜９から構成されている。これら金黒膜８、９は、クラスタが柱状構造になっており、赤外線吸収率の向上に資するものである。図３は、半導体基板２上に形成された赤外線吸収膜６を示す平面図であり、赤外線吸収膜６を構成する第２の金黒膜９の表面状態が表されている。その表面に表示された領域Ａの任意の位置の断面図が図２である。

クラスタを柱状構造にすると、ある程度赤外線吸収率は向上するが、密度が低すぎると下地反射が多くなり、緻密すぎると入射する赤外線の反射が増え、吸収率は低下する。そのために、メンブレン４直上でのクラスタサイズを小さくし、メンブレン４から受光側に離れた部分（受光側の表面部）でのクラスタサイズをそれよりも大きくする。そして、この赤外線吸収膜６を蒸着により形成された金黒膜８、９で実現し、さらに、受光側の表面部でのクラスタの平面密度を１．６個／１００μｍ² 以上程度にすることが吸収率の向上に良いことが認められた。

以上、実施例に示すように、メンブレン直上でのクラスタサイズを小さくし、メンブレンから受光側に離れた部分（受光側の表面部）でのクラスタサイズをそれよりも大きくし、これを蒸着により形成された金黒膜で実現し、さらに、受光側の表面部でのクラスタの平面密度を１．６個／１００μｍ² 以上にすることによって赤外線の吸収率向上が得られる。

次に、図１及び図２を参照して赤外線検知素子の製造方法に係る実施例２を説明する。
シリコンなどの半導体基板に赤外線検知素子を形成するにあたり、半導体基板２に断熱構造で支持されたメンブレン４を形成し、メンブレン４の吸熱効率を高めるために下地膜５を介して赤外線吸収膜６を形成する（図１参照）。

半導体基板２上の受光領域に赤外線吸収膜６を形成する工程は、次のような工程により行われる。まず、微粒子状の金を蒸着によって約２μｍ堆積させることにより下層の第１の金黒膜８を形成する第１の成膜工程を行う。ここで行われる蒸着法は、低真空中で金を加熱蒸発させ、それをメンブレン４に形成された下地膜５に堆積させる。その後、同様に低真空中で金を加熱蒸発させ、第１の金黒膜８上に更に微粒子状の金を蒸着によって堆積させることにより上層の第２の金黒膜９を形成する第２の成膜工程を行う。これら第１及びの第２の成膜工程を経て全体として約８μｍの厚さを有する金黒膜が形成される。
蒸着された薄膜が形成される真空容器（チャンバ）内は内部に生じる温度差により対流が発生し、蒸着された薄膜は柱状構造のクラスタから構成されるようになる。そして、次に、第２の成膜工程が行われる前に、第１の成膜工程の終了後の半導体基板を、第１及び第２の成膜工程とは温度又は湿度の異なる空気に晒す間引き成膜準備工程を実施する。

この間引き成膜準備工程によって、第２の金黒膜９は、そのクラスタサイズが第１の金黒膜８よりも大きく、且つ受光側の表面部でのクラスタの平面密度が１．６個／１００μｍ²以上に形成される。
さらに、必要に応じて、第１及び第２の成膜工程を経て形成された赤外線吸収膜６に対して一時的に水分を加える。これによって金黒膜８、９を構成する金の微粒子の相互の密着性を高めることができる。
赤外線吸収膜６を形成するに当たって、金黒膜を蒸着により形成するという製造工程は従来知られているが、この実施例では、間引き成膜準備工程を行っており、これを実施した場合、連続的に成膜した場合に比べて、クラスタの平面密度をさらに低下させることができ、その結果赤外線吸収率を更に向上させることができる。

本発明の方法に従い、蒸着により形成された金黒膜は、メンブレン直上でのクラスタサイズが小さくなり、メンブレンから受光側に離れた部分（受光側の表面部）でのクラスタサイズがそれよりも大きくなる。間引き準備工程を行うことにより、1回目で堆積された金粒子のクラスタが２回目の堆積では部分的に成長が抑制されていると考えられる。

１・・・赤外線検知素子
２・・・半導体基板
３・・・空洞
４・・・メンブレン
５・・・アモルファスシリコン層（下地膜）
６・・・赤外線吸収膜
７・・・熱電部材
８・・・第１の金黒膜
９・・・第２の金黒膜

Claims (3)

1. 半導体基板と、前記半導体基板のダイヤフラム構造上の受光領域に形成されたメンブレンと、前記メンブレン上に形成された金微粒子の蒸着物からなる金黒膜から構成された赤外線吸収膜とを具備し、前記赤外線吸収膜は、前記メンブレン表面上に形成された第１の金黒膜と、前記第１の金黒膜上に設けられた第２の金黒膜とから構成され、前記第２の金黒膜は、そのクラスタサイズが前記下層の第１の金黒膜よりも大きく、そのクラスタ平面密度が１．６個／１００μｍ²以上であることを特徴とする赤外線検知素子。
2. 半導体基板上の受光領域に赤外線吸収膜を形成する工程を具備し、前記赤外線吸収膜を形成する工程は、微粒子状の金を蒸着によって堆積させることにより下層の第１の金黒膜を形成する第１の成膜工程と、前記下層の第１の金黒膜上に更に微粒子状の金を蒸着によって堆積させることにより上層の第２の金黒膜を形成する第２の成膜工程と、前記第２の成膜工程が行われる前に、前記第１の成膜工程の終了後の前記半導体基板を、前記第１及び第２の成膜工程とは温度又は湿度の異なる空気に晒す間引き成膜準備工程とを有し、前記間引き成膜準備工程によって前記上層の第２の金黒膜は、そのクラスタサイズが前記下層の第１の金黒膜よりも大きく、且つ受光側の表面部でのクラスタの平面密度が１．６個／１００μｍ²以上に形成されていることを特徴とする赤外線検知素子の製造方法。
3. 前記第１及び第２の成膜工程を経て形成された前記赤外線吸収膜に対して一時的に水分を加えることによって前記金の微粒子の相互の密着性を高める工程を更に有することを特徴とする請求項２に記載の赤外線検知素子の製造方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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