JP2737597B2

JP2737597B2 - 赤外線検出素子

Info

Publication number: JP2737597B2
Application number: JP5102396A
Authority: JP
Inventors: 崇善粟井; 啓治柿手; 淳阪井; 浩一相澤; 拓郎石田; 勉櫟原; 仁吉田; 恵昭友成; 卓郎中邑
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1993-04-28
Filing date: 1993-04-28
Publication date: 1998-04-08
Anticipated expiration: 2013-04-08
Also published as: JPH06307925A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、素子に入射した赤外線
を熱に変換し、その温度変化分を検出する、所謂、熱型
の赤外線検出素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、このような赤外線検出素子として
は、特願平4-289129の赤外線検出素子がある。赤外線検
出素子は、物体や人体から放射される微弱な赤外線を検
出するのに用いられることが多く、高感度であることが
要求される。図６に、その構成の一例を示す。（ａ）は
赤外線検出素子の平面図、（ｂ）は中央部での断面図で
ある。図に示すように、赤外線検出素子１には、シリコ
ン等でできた基板２の中央に、略正方形の中空部２ａを
形成し、この中空部２ａにまたがって酸化シリコン等で
できた熱絶縁膜３が形成されており、熱絶縁膜３は、中
空部２ａの周辺部分で基板２に一体接合されている。中
空部２ａの熱絶縁膜上には、薄膜センサ４として、アモ
ルファスシリコン等からなる略正方形平板状のサーミス
タが形成されており、このサーミスタ４の上下面には、
クロム等でできた上部電極５ａ及び下部電極５ｂが設け
られている。この上部電極５ａ及び下部電極５ｂは、中
空部２ａの外側まで延設され、その端部はパッド６にそ
れぞれ接続されている。さらに、サーミスタ４上面の上
部電極５ａ上は、略正方形平板状の赤外線吸収膜７であ
る酸化シリコン膜で覆われている。

【０００３】このように、薄膜センサ４であるサーミス
タの上下を電極で挟んだサンドイッチ構造をとることに
より、電極に挟まれるサーミスタの体積を大きくするこ
とができ、ノイズを低減することができる。なお、薄膜
センサ４としては、サーミスタ、サーモパイル等が用い
られ、その材料としては金属薄膜、半導体薄膜が用いら
れている。また、赤外線吸収膜７としては、酸化シリコ
ン膜、窒素を含む酸化シリコン膜等が用いられている。

【０００４】次に、この赤外線検出素子１の動作につい
て説明する。物体や人体から放射された微弱な赤外線
は、まず、赤外線吸収膜７（酸化シリコン膜）で吸収さ
れる。ここで、シリコン等の基板２上に、単に、薄膜セ
ンサ４（サーミスタ）及び赤外線吸収膜７（酸化シリコ
ン膜）が形成されているのみでは、赤外線吸収膜７が吸
収した熱が基板２を通じて逃げるため、薄膜センサ４の
温度上昇は起こりにくい。ところが、上記のような熱絶
縁膜３（酸化シリコン膜）のみに支持された特殊な構造
（ダイヤフラム構造）にすれば、赤外線検出部８（熱絶
縁膜３に支持された多層薄膜体）で発生した熱エネルギ
ーは、熱絶縁膜３を介して伝達されることになるので熱
エネルギーの逃げる量は非常に小さくなり、その結果、
熱エネルギーは、赤外線検出部８の温度上昇に効率良く
使用される。そこで、この温度上昇を薄膜センサ４（サ
ーミスタ）で検出し、人体の有無等を判断するのであ
る。つまり、吸収した赤外線の熱エネルギーを薄膜セン
サ４（サーミスタ）の抵抗変化に効率よく変換すること
ができるのである。

【０００５】このダイヤフラム構造の赤外線検出素子１
で、熱絶縁膜３の熱抵抗をＲ、単位時間当たり単位面積
に入射する赤外線のエネルギーをＩ、赤外線吸収膜７の
面積をＳとすれば、赤外線検出部８の温度上昇ΔＴは、
ΔＴ＝Ｒ・Ｉ・Ｓで表されることになる。ここで、熱抵
抗Ｒは、熱絶縁膜３の熱伝導率が小さい程、また、膜厚
が薄い程、大きくなるので、熱伝導率の小さな、膜厚の
薄い熱絶縁膜３を用いる程、温度上昇が大きくなり検出
感度が向上する。

【０００６】以上のように、図に示した赤外線検出素子
１は、このような新しい原理により赤外線検出を行うた
め、焦電型赤外線検出素子に比べ、静止物体や静止人体
の検出が可能、振動による誤動作が少なく衝撃に強い等
の利点を有している。また、半導体プロセス技術を利用
して製造することができるので、大量生産が可能で、低
コスト化が図れる等の、多くの優れた特徴を持つもので
ある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記に示した赤外線検
出素子１は、多くの優れた利点を持つものであるが、薄
膜センサ４と赤外線吸収膜７が、わずか１μｍ程度の膜
厚の熱絶縁膜３に支持されているという構造を持ってい
るため、熱絶縁膜３、薄膜センサ４及び赤外線吸収膜７
のそれぞれを構成する薄膜の内部応力を低減させ、全体
のバランスを取るために高度な技術が要求される。ま
た、熱絶縁膜３、薄膜センサ４及び赤外線吸収膜７の薄
膜は、それぞれ材料が異なるため、熱膨張等の熱変化に
対して、それぞれ異なった挙動を示し素子特性に影響を
与えるため、設計上、大きな困難を伴うのである。特に
赤外線吸収膜７については、赤外線検出素子１の素子特
性に大きな影響を与える要因の一つである。

【０００８】ここで、赤外線吸収膜７の役割を詳細に説
明すると、人体等から放射される微弱な赤外線は、赤外
線吸収膜７で吸収され熱に変えられるため、赤外線吸収
膜７は素子感度に直接影響する。つまり、赤外線吸収膜
７が薄い場合には、入射した赤外線が吸収されず透過し
てしまい、感度が低下する。このため、赤外線吸収膜７
は、ある程度の膜厚が必要となる。赤外線吸収膜７とし
て、窒素を含む酸化シリコン膜（ＳｉＯ₂膜）、薄膜セ
ンサ４として、特願平4-201583記載のアモルファス炭化
シリコン膜の半導体薄膜サーミスタを使用した赤外線検
出素子について、上記の問題点を具体的に説明してい
く。この場合、人体から放出される10μｍ程度の赤外線
を効率的に吸収する赤外線吸収膜としては、 1.5μｍ程
度の膜厚が望ましい。

【０００９】図７は、上記赤外線吸収膜７として用いら
れる窒素を含む酸化シリコン膜 1.5μｍを、200 ℃で加
熱した場合の赤外線吸収膜７の反り変化を示したもので
ある。縦軸は、赤外線吸収膜７の反りｄで、相対値を示
しており、横軸は、加熱時間を示している。図に示すよ
うに、赤外線吸収膜７の反りは時間と共に増加し続け、
1000分で初期値の約３倍にまで増加した。

【００１０】次に、この赤外線吸収膜７を用いた赤外線
検出素子１を、200 ℃で加熱すると、サーミスタ４の抵
抗値は、図８のように変化した。図８の縦軸は、サーミ
スタの抵抗値、横軸は、加熱時間を示している。サーミ
スタ形成温度が異なる２種類のサンプルについて試験を
行っているが、いずれの場合も、図に示すように、サー
ミスタの抵抗値は時間と共に増加し、400 時間経過後に
は、初期値の約1.5 倍まで増え、その後、熱絶縁膜３は
破壊した。ところが、同じ赤外線検出素子でも、赤外線
吸収膜７のないものを、200 ℃で加熱すると、抵抗値の
変化が認められなかった。

【００１１】以上の結果より、サーミスタ４の抵抗値の
増大は、赤外線吸収膜７として用いられた窒素を含む酸
化シリコン膜の反りが、主要因であると考えられる。と
ころで、このような熱変化に対して特性（抵抗）変化が
生じることは、実用上の大きな問題となる。つまり、サ
ーミスタ抵抗値の大きな変化により、設計マージンを大
幅にとらなければならず、また、熱絶縁膜３の破壊にい
たっては、素子の信頼性を左右する深刻な問題となるか
らである。

【００１２】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもの
で、その目的とするところは、熱変化による赤外線検出
素子の特性変化が少なく、設計しやすく信頼性の高い赤
外線検出素子の構造を提供することにある。

【００１３】上記課題を解決するため本発明の赤外線検
出素子は、エッチング等により一部が貫通又は切り取ら
れた基板と、その基板の貫通又は切り取られた部分にま
たがって形成される熱抵抗の大きな薄膜である熱絶縁膜
と、この熱絶縁膜上に形成された薄膜センサと、その薄
膜センサ上に形成された赤外線吸収膜よりなる赤外線検
出素子において、１つの前記薄膜センサ上に形成され
た、前記赤外線吸収膜が少なくとも２以上に分割されて
いることを特徴とするものである。

【００１４】

【作用】図１は、本発明の赤外線検出素子の一実施例の
基本構成を示した断面図である。単純化のため、（ａ）
に示すような、赤外線吸収膜７、薄膜センサ４、熱絶縁
膜３により構成される１次元モデルで赤外線検出部（多
層薄膜体）の反りについて説明する。

【００１５】（ｂ）は、従来の赤外線吸収膜７に内部応
力が働き、赤外線検出部８が反った状態を示した図で、
引っ張り応力が生じた場合を示しているが、圧縮応力が
生じる場合も同様である。ここで、内部応力σ、赤外線
吸収膜７の長さＬ、赤外線検出部８の反りｄとする。内
部応力σは、単位長当たりに働く応力であるため、反り
ｄは、ｄ∝Ｌ・σで表される。ところが、（ｃ）に示す
ように、赤外線吸収膜７を２分割すると、反りｄは、
（１／２）Ｌ・σ∝（１／２）ｄとなり、１／２に低減
できるのである。このように、赤外線吸収膜７の分割数
を増やせば、赤外線検出部８の反りの低減が図れるので
ある。

【００１６】実際には、赤外線吸収膜７の膜厚を一定と
すれば、赤外線検出部８の反りは、二次元モデルで考え
なければならないが、赤外線吸収膜７の長さＬを、分割
形状（パターン）の周囲長、内部応力σを単位面積当た
りの応力とすれば、同様に考えられる。

【００１７】

【実施例】図２は、本発明の赤外線検出素子の一実施例
を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は基板の中空部で
の断面図である。従来例と同等構成については、同符号
を付すこととする。本発明の赤外線検出素子１では、従
来例と同様に、シリコン等でできた基板２の中央に、略
正方形の中空部２ａを形成し、この中空部２ａにまたが
って熱絶縁膜３を形成し、その上部に下部電極５ｂ、略
正方形平板状の薄膜センサ４、上部電極５ａを形成した
後、その上部電極５ａを略正方形平板状の赤外線吸収膜
７で覆ったものである。本実施例では、この赤外線吸収
膜７は、スリット９によって図のように４分割された状
態となっている。

【００１８】赤外線吸収膜７としては、窒素を含む1.5
μｍ厚の酸化シリコン膜、薄膜センサ４である半導体薄
膜サーミスタとしては、1.1 μｍ厚のアモルファス炭化
シリコン膜、熱絶縁膜３としては、酸化シリコン膜を窒
化シリコン膜で挟んだ1.0 μｍ厚のサンドウィッチ構造
の多層膜を用いた。また、赤外線吸収膜７の分割された
正方形パターンは、１mm角のサイズに、等面積に形成さ
れている。但し、分割方法は、実施例に限定されず、赤
外線吸収膜７が、少なくとも２以上に分割されていれ
ば、この発明の効果が期待できるものであり、図３に示
すように分割してもよい。図３で、（ａ）は９分割、
（ｂ）は16分割した赤外線吸収膜７を示す平面図であ
る。また、（ｃ）に示すように分割してもよい。

【００１９】ここで、図２及び図３（ａ）及び図３
（ｂ）に示した構造の赤外線検出素子１を200 ℃で加熱
した加熱試験でのサーミスタ抵抗値変化を図４のグラフ
に示す。縦軸はサーミスタの抵抗値、横軸は加熱時間を
表している。図に示すように、４分割、９分割、16分割
のいずれの場合も、抵抗値の増加は見られず、800 分加
熱しても熱絶縁膜３の破壊は生じなかった。

【００２０】本発明の赤外線検出素子の製造方法の一例
を、説明する。まず、シリコンの基板２上に、グロー放
電分解法で膜厚5000Åの酸化窒化シリコン層からなる熱
絶縁膜３を形成する。この時の成膜条件は、モノシラ
ン、アンモニア、窒素、一酸化二窒素の混合ガスを使用
し、アンモニア、窒素、一酸化二窒素の総量に対する一
酸化二窒素の割合を30％、基板温度200 ℃、圧力１Tor
r、周波数13.56 ＭＨｚ、放電電力30Ｗとした。

【００２１】続いて、熱絶縁膜３に、電子ビーム蒸着法
により、基板温度150 ℃で、膜厚1000Åのクロムを成膜
し、フォトリソグラフ工程でパターン化して、下部電極
５ｂを形成する。下部電極５ｂの形状は、1.9mm 角の正
方形に、パッド６までの延設部分を加えたものである。

【００２２】次に、その下部電極５ｂの上に、グロー放
電分解法により、膜厚１μｍのｐ型アモルファスＳｉＣ
を成膜し、フォトリソグラフ工程で、２ｍｍ角の正方形
にパターン化して、薄膜センサであるサーミスタ４を形
成する。この時の、成膜条件は、900 モル％のメタン、
0.25モル％のジボランを加えた水素希釈のモノシランを
用い、基板温度200 ℃、圧力0.9 Torr、周波数13.56 Ｍ
Ｈｚ、放電電力20Ｗとした。

【００２３】続いて、サーミスタ４上に、電子ビーム蒸
着法により、基板温度150 ℃で、膜厚1000Åのクロムを
成膜し、フォトリソグラフ工程でパターン化して、上部
電極５ａを形成する。上部電極５ａの形状は、正方形部
分は下部電極５ｂと同じであるが、延設部分は、下部電
極５ｂのものと、異なる方向に形成する。なお、下部電
極５ｂ及び上部電極５ａのクロムには、適当な不純物を
添加しておくことによって、熱伝導率を小さくでき、素
子の検出感度を向上させることができる。また、クロム
の代わりに、熱伝導率の小さなニッケルクロムを用いる
こともできる。

【００２４】続いて、上部電極５ａの上に、グロー放電
分解法により、膜厚１μｍの酸化シリコン膜を成膜し、
フォトリソグラフ工程で、スリット９の入った形状にパ
ターン化して、赤外線吸収膜７を成膜した。この時の、
成膜条件は、モノシランの流量50sccm、一酸化二窒素の
流量875 sccm、基板温度200 ℃、圧力１Torr、周波数1
3.56 ＭＨｚ、放電電力150 Ｗとした。

【００２５】続いて、赤外線吸収膜７の上に、電子ビー
ム蒸着法にて、アルミを成膜し、フォトリソグラフ工程
でパターン化して、上部電極５ａ及び下部電極５ｂの端
部にパッド６を形成した。

【００２６】このようにして、基板２の上に赤外線検出
部８を形成した後、基板裏面から、水酸化カリウムで異
方性エッチングして、中空部２ａを形成する。中空部２
ａの熱絶縁膜３は、2.5 mm角の正方形となった。以上の
工程により、本発明の赤外線検出素子１が完成する。

【００２７】分割の効果及び影響について、さらに考察
する。図５のグラフは、１mm角の正方形パターンの赤外
線吸収膜７を10μｍ幅のスリット９で分割した場合の分
割数と、内部応力σの関係を計算したものである。図に
示されているように、内部応力σは、分割数と略反比例
の関係にあり、16分割すると、分割しない場合に比べ
て、内部応力σは約１／４にまで低減できる。

【００２８】また、図５は、分割数とスリット面積の関
係も示している。これは、スリット部分では、入射され
た赤外線は吸収されないため、スリット９の面積の増大
による感度低下の影響を考察したものであるが、図に示
すように、16分割した場合においても、スリット面積の
赤外線吸収膜全体に占める割合は５％程度であり、感度
低下が問題となるレベルではない。

【００２９】なお、薄膜センサ及び赤外線吸収膜は、実
施例のものに限定されるものではなく、製造方法も実施
例に示した方法に限定されるものではない。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、本発明は、異なる材料よ
り構成される多層薄膜体という特殊な構造を有する赤外
線検出素子において、赤外線吸収膜をスリットによって
分割し赤外線吸収膜の反りを抑えたので、薄膜センサで
あるサーミスタの抵抗値の増加と熱絶縁膜の破壊を防止
することに成功したのである。このことにより、設計し
やすく信頼性の高い赤外線検出素子を提供することが可
能となり、赤外線検出素子の実用化に大きく貢献するも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る赤外線検出素子の作用の説明図で
ある。

【図２】本発明の一実施例の構造を示す図で、（ａ）は
平面図、（ｂ）は断面図である。

【図３】本発明の異なる実施例を示す平面図である。

【図４】本発明に係る赤外線検出素子の加熱時間とサー
ミスタ抵抗値の関係を表す線図である。

【図５】本発明に係る赤外線検出素子の赤外線吸収膜の
分割数と内部応力、及び分割数とスリットの関係を表す
線図である。

【図６】従来例の構造を示す図で、（ａ）は平面図
（ｂ）は断面図である。

【図７】従来例に係る赤外線検出素子の加熱時間と赤外
線吸収膜の反りの関係を表す線図である。

【図８】従来の赤外線検出素子の加熱時間とサーミスタ
抵抗値の関係を表す線図である。

【符号の説明】

１赤外線検出素子２基板２ａ中空部３熱絶縁膜４薄膜センサ（サーミスタ）５ａ上部電極５ｂ下部電極６パッド７赤外線吸収膜８赤外線検出部（多層薄膜体）９スリット

フロントページの続き (72)発明者相澤浩一大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者石田拓郎大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者櫟原勉大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者吉田仁大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者友成恵昭大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者中邑卓郎大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (56)参考文献特開平２−287223（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】エッチング等により一部が貫通又は切り
取られた基板と、その基板の貫通又は切り取られた部分
にまたがって形成される熱抵抗の大きな薄膜である熱絶
縁膜と、この熱絶縁膜上に形成された薄膜センサと、そ
の薄膜センサ上に形成された赤外線吸収膜よりなる赤外
線検出素子において、１つの前記薄膜センサ上に形成さ
れた、前記赤外線吸収膜が少なくとも２以上に分割され
ていることを特徴とする赤外線検出素子。