JP2568292B2

JP2568292B2 - サーモ・パイル形赤外線センサ

Info

Publication number: JP2568292B2
Application number: JP2033075A
Authority: JP
Inventors: 英夫室
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1990-02-14
Filing date: 1990-02-14
Publication date: 1996-12-25
Anticipated expiration: 2011-12-25
Also published as: JPH03236288A

Description

【発明の詳細な説明】《産業上の利用分野》この発明は、Si（シリコン）基板上に薄膜技術により
形成されたサーモ・パイルに関し、特に、赤外線センサ
の特性改善を図ったサーモ・パイル形赤外線センサに関
する。

《従来の技術》従来より、サーモ・パイル赤外線センサとしては、例
えば第６図に示すものがある。

図中１は、ｐ形シリコン基板、２はｎ形エピタキシャ
ル層、３はこのエピタキシャル層２の下側のｎ形シリコ
ン基板１及びその周囲の３方をエッチングで取り除くこ
とにより形成された片持梁である。

４は、このｎ形エピタキシャル層２からなる片持梁３
中に形成されたｐ形拡散抵抗層、５はｎ形エピタキシャ
ル層２にバイアス電圧を与えるためのn⁺領域、６はｐ形
拡散抵抗層４の両端及びn⁺領域５へのコンタクト・ホー
ルを介して接続され、必要な電気的結線を行うためのAl
配線、７はシリコン酸化膜、８は赤外線吸収層である。

第７図は、第６図の平面図で、片持梁３の上にはｐ形
拡散抵抗層４が片持梁３の固定部から先端に向け３本並
行に配置されている。

これらｐ形拡散抵抗層４は、Al配線６により直列に接
続され、サーモ・パイルを構成している。

今このような構造のサーモ・パイル形赤外線センサの
赤外線吸収層８へ赤外線が入射すると、このエネルギー
は熱に交換されて、片持梁３の先端の温度が上昇し、ｐ
形シリコン基板１側との間に温度差を生じる。

上記片持梁３の構造は、一辺がｐ形シリコン基板１へ
接続されているだけで周りはN₂雰囲気または真空とでき
るので、片持梁３の先端にある赤外線吸収層８からｐ形
シリコン基板１への熱抵抗を大きくでき、赤外線吸収層
８で変換された熱により生じる温度差を大きくすること
ができる。

この温度差によりサーモ・パイルの両端には起電力V₀
が生じる。

今、センサー・チップが真空状態で実装されていて、
片持梁３の先端で生じた熱は、Siの片持梁３だけを通っ
て流れるものと仮定すると、赤外線の入射エネルギーP₀
に対して、サーモ・パイルの起電力V₀は次式のように表
される。

V₀＝ｎα_pR₀P₀ ……（１）ここでｎは、サーモ・パイルを構成するｐ形拡散抵抗
層４の本数、α_ｐはｐ形拡散抵抗層４のゼーベック係
数、R₀は片持梁３の先端からｐ形シリコン基板１へ至る
熱抵抗で、ここではSiの片持梁３の熱抵抗とその片持梁
３上に形成されたAl配線６の熱抵抗の並列合成抵抗とな
り次のように表される。

なお、この際にはAlのゼーベック効果は、充分小さい
ので無視することができる。

R₀＝L/（K_Si・A_si＋K_Al・A_Al） …（２）ここで、K_Si,K_AlはそれぞれSi,Alの熱伝導率、A_si及
びA_Alは、片持梁部におけるSi,Alの断面積である。

例えば、今、長さＬ＝2mm,幅400μｍ、厚さ10μｍで
サーモ・パイルがｐ形拡散抵抗層４を10本（ｎ＝10）併
設して構成されるような片持梁３を考えると、 K_Si＝1.41W/cm・K,K_Al＝2.36W/cm・Ｋより、熱抵抗R₀は
上記（２）式より、下記の値が求められる。

R₀＝0.2/｛1.41×400×10）×10^-8＋2.36×（１×20） ×10^-8×10｝＝3.27×10³K/W 従って、例えばα_ｐ＝1mV/Kとすると、P₀＝1mWの入射
に対してW₀＝32.7mVとなる。

このような片持梁式赤外線センサの製造方法について
簡単に説明する。

最初にバイポーラ・プロセスと同様にｐ形シリコンの
基板１にｐ形エピタキシャル層２の10〜20μｍ成長さ
せ、ｐ形素子分離拡散（図示せず）を片持梁３を３方か
ら取り囲むようにＶ字形に、ｐ形シリコン基板１に達す
るように行う。

次に、サーモ・パイルを構成するｐ形拡散抵抗層４を
形成し、続いてn⁺領域５を形成する。

そうして、ウエハ裏面にシリコン窒化膜等の耐エッチ
ング性膜を被着する。その後、コンタクト・エッチング
をしてAl配線６を形成の後、裏面の耐エッチング膜に窓
をあけて、ｎ形エピタキシャル層２を正電位にバイアス
しながら、ｐ形シリコン基板１を裏面よりKOH,EDP（エ
チレン・ジアミン・ピロカテコール水溶液）等の強アル
カリ性の異方性シリコン・エッチング液でエッチングす
る（エレクトロ・ケミカル・エッチング）。

こうしてエッチングが進行して、ｎ形エピタキシャル
層２へ達すると、エッチングは停止するが、上記Ｕ字形
に形成されたｐ形素子分離領域は引き続きエッチングさ
れ、第１図に示すような片持梁構造が完成する。なお、
この詳細については下記文献に示されている。

P.M.Sarro他「AN INFRARED SENSING ARRAY BASED
ON INTEGRATED SILICON THERMOPILES」TRANSDUCER
S′87 PP.227−230（1987）．《発明が解決しようとする課題》しかしながら、このような従来のサーモ・パイル形赤
外線センサにあっては、熱分離構造としてSiの片持梁３
を作り、その中にサーモ・パイルとしてのｐ形拡散抵抗
層４が形成されているような構成となっているため、Si
からなる片持梁３の熱抵抗があまり大きくできず、赤外
線の検出感度が十分には得られないという問題点があっ
た。

《課題を解決するための手段》この発明は、このような従来の問題点に鑑みて成され
たもので、その目的とするところは、熱分離を良くし、
熱交換効率を向上させ、赤外線検出感度を高くするサー
モ・パイル形赤外線センサを提供するものである。

上記目的を達成するための、この発明に係るサーモ・
パイル形赤外線センサは、熱分離構造として、複数の単
結晶シリコンからなるビーム状抵抗を交互に直列接続し
てサーモ・パイルの梁部を構成し、半導体基板から熱絶
縁されるように形成された赤外線検出部を支えるように
したことを特徴とする。

《作用》この発明に係るサーモ・パイル形赤外線センサでは、
半導体基板をエッチングし、その基板と熱絶縁するよう
に形成された赤外線検出部と、その赤外線検出部とその
基板とを結合するように形成された単結晶シリコンから
なるｐ形とｎ形の抵抗とが交互に直列接続されてサーモ
・パイルの梁部を形成するビーム状抵抗とを有している
ため、熱分離がよくなり熱交換効率を向上させるととも
に、赤外線検出感度を極めて高くする。

《実施例の説明》以下、この発明に係るサーモ・パイル形赤外線センサ
の第１実施例を図面に基づいて説明する。

第１図はこの発明の第１実施例を示すサーモ・パイル
形赤外線センサの平面図、第２図は第１図のＡ−Ａ線に
沿う断面図、第３図は第１図のＢ−Ｂ線に沿う断面図
で、図中11はｐ形シリコン基板、12はｎ形エピタキシャ
ル層、14は４本のSiビームからなる梁部、15はその梁部
14の先端に設けられた赤外線検出部、16はｐ形素子分離
拡散層、17はサーモ・パイルを構成するｐ形拡散抵抗
層、18はシリコン酸化膜、19は配線層、20はカーボン・
ブラック等の赤外線吸収層、21はコンタクト部である。

この実施例では４本２対のSiビーム（４対のサーモ・
カップル）からなる両持梁の場合について示したが、こ
の本数を増やすことによりさらに大きなサーモ・パイル
の出力を得ることができる。

上記ｐ形拡散抵抗層17とともにサーモ・カップルを構
成するｎ形抵抗22は、ｎ形エピタキシャル層12をp⁺素子
分離拡散領域16を用いて分離することにより形成されて
いる。

そうして、ｐ形拡散抵抗層17とｎ形抵抗22は交互に直
列に接続されたことによりビーム状抵抗を形成するとと
もに、サーモ・パイルの梁部14を構成している。

これらの抵抗素子17,22は両端の固定部を除いたビー
ム部においては、第５図に示すように、１つのａ面と２
つのｂ面で囲まれた逆三角形の断面形状を持つ。

上記梁部14の先端の赤外線検出部15は、梁部14のビー
ム状抵抗を直交して組み上げたような格子形状になって
いて、その表面には赤外線吸収層20が形成されている。

次に、赤外線センサの製造プロセスについて、第４図
（ａ），（ｂ），（ｃ）をもとに簡単に説明する。

上記第４図（ａ）においては、ｐ形シリコン基板11に
ｎ形エピタキシャル層12を成長させ、ｐ形素子分離拡散
領域16を形成して、pn形接合分離されたｎ形抵抗22を作
る。

次にｐ形拡散を行い、ｐ形拡散抵抗層17を形成し、さ
らに、コンタクト部21にn⁺領域（ｎ形抵抗22）、p⁺領域
（ｐ形拡散抵抗17）を形成した後、コンタクト・エッチ
ングおよび電極配線19の形成を行う（図示せず）。

第４図（ｂ）に示す工程では、反応性イオン・エッチ
ング（RIE）のマスクとしてSiO₂膜24をCVDにより堆積
し、パターンニングした後、RIEによりSiのエッチング
を行い、垂直な溝25を矢印方向に沿って形成する。

そうして、KOH,ヒドラジン等のアルカリ系異方性エッ
チング液で、その溝25よりSiのエッチングを行うと、梁
部14では第４図（ｃ）に示すように、ｂ面で囲まれた三
角断面形状になるまでエッチングが進み、そこでエッチ
ングが停止する。

これは、ｂ面のエッチング速度が極めて遅いためであ
る。このエッチングによりできた窪み部底面にも同様の
三角状突起が形成される。

このようにして第１図〜第３図に示すような基板上に
空隙を挟んでビームがかけられたような両持梁構造を形
成することができる。そこで、ブリッジ中央部には、そ
の三角柱状からなるビーム状抵抗が直交して組み合わせ
たような格子領域ができるが、この上にカーボン・ブラ
ック等の赤外線吸収層20を塗布して完成する。

次に、この発明に係るサーモ・パイル形赤外線センサ
の作用を説明する。

サーモ・パイルの出力は、従来例で説明した（１）式
のよううに熱抵抗R₀に比例する形になる。

そこで、この第１実施例における熱抵抗R₀は次のよう
になる。

なお、ここでは例えば、梁部14の長さＬ＝2mm、サー
モ・パイルが10対の抵抗ビームからなり、各ビームの巾
が10μｍであるとする。また、ここでSiO₂膜18による熱
伝導は、SiO₂の熱伝導率K_SiO2＝0.014W/cm・ＫとSiと比
較して２桁も小さいこと、さらにその膜厚が１μｍ程度
と薄いことから無視することができる。

従って、熱抵抗R₀の値は、次のようにして求められ
る。

R₀＝0.2/｛0.014×（10×5tan54.74゜×1/2） ×10^-8×20｝＝2.02x106K/W このようにして、熱抵抗R₀は極めて大きくなり、非常
に高い熱交換効率（感度）を得ることができる。

また、ｐ形シリコン基板11の裏面からのシリコン・エ
ッチングが不要なので、両面マスク合わせ等の手間が省
け、製造が容易になるので低価格化を図ることができ
る。

第５図は、この発明の第２の実施例を示す平面図で、
この実施例では、基本構成は第１図〜第３図に示した第
１実施例と同じで（第１実施例と同一符号を付しその説
明を省略する）、異なる点は、赤外線検出部15の４辺か
らｐ形シリコン基板１へビーム状のサーモ・パイルが形
成された構造になっている点である。

この場合、熱抵抗が半分になり、サーモ・カップルの
数が２倍となるので感度は変わらないが、機械的強度を
強くすることができる。但し、占有面積は若干大きくな
る。

この第２の実施例は、第１実施例とともに、更に以下
のような効果がある。

すなわち、ｐ形シリコン基板−ｎ形エピタキシャル層
の構造となっているので同一基板上にバイポーラ素子を
集積することができ、周辺回路を一体化して、省スペー
ス化が図られ、スマートなサーモ・パイル形赤外線セン
サの製作が容易となる。

《発明の効果》上記構成より明らかなように、この発明に係るサーモ
・パイル形赤外線センサによれば、，赤外線検出部とシ
リコン基板を複数のｎ形及びｐ形の単結晶シリコン・ビ
ームの抵抗からなるサーモ・パイルで結合した構造とし
たため、熱分離がよくなり（熱抵抗が大きくなり）、熱
交換率を向上させ、極めて赤外線検出感度を高くでき
る。

また、Si基板表面側からのエッチングだけでビーム構
造を形成できるので低価格化できる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係るサーモ・パイル形赤外線センサ
の平面図、第２図は第１図のＡ−Ａ線に沿う断面図、第
３図は第１図のＢ−Ｂ線に沿う断面図、第４図（ａ），
（ｂ），（ｃ）はこの発明の梁部を構成する際の製造プ
ロセスの各工程を示す説明図、第５図はこの発明に係る
サーモ・パイル形赤外線センサのその他の実施例を示す
平面図、第６図は従来のサーモ・パイル形赤外線センサ
の一例を示す断面図、第７図は第６図の拡大平面図であ
る。 11……ｐ形シリコン基板 14……梁部 15……赤外線検出部 17……ｐ形拡散抵抗層 22……ｎ形抵抗

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板をエッチングして、その基板と
熱絶縁するように形成された赤外線検出部と、この赤外線検出部と上記基板とを結合するように形成さ
れた単結晶シリコンからなるｐ形とｎ形の抵抗とが交互
に直列接続されてサーモ・パイルの梁部を形成する複数
のビーム状抵抗と、を有することを特徴とするサーモ・パイル形赤外線セン
サ。