JP2816128B2

JP2816128B2 - 輻射線の熱形強度検出装置

Info

Publication number: JP2816128B2
Application number: JP621796A
Authority: JP
Inventors: 雅則奥山
Original assignee: 雅則奥山
Priority date: 1996-01-18
Filing date: 1996-01-18
Publication date: 1998-10-27
Anticipated expiration: 2016-01-18
Also published as: JPH09196766A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線およびマイ
クロ波などの輻射線の強度を、いわば熱形の構成によっ
て、検出するための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】赤外線の強度を検出する典型的な先行技
術としては、焦電体、ボロメータ、サーモパイルおよび
ゴーレイ（Goley）セルなどが知られている。焦電体を
用いる先行技術では、焦電体板および焦電体膜に赤外線
をチョッピングして照射し、これによって得られる電荷
の変化分を検出する。この先行技術では、赤外線を上述
のようにチョッピングする必要があり、その構成が大形
化する。

【０００３】ボロメータでは、金属製薄膜に赤外線が照
射されて昇温されることによって変化する抵抗を検出す
る。この先行技術では、抵抗を検出するために、金属製
薄膜に電流を流す必要があり、これによってその金属製
薄膜の温度が上昇してしまい、測定精度が低い。

【０００４】サーモパイルでは、２つの異種金属を接続
し、一方の金属に赤外線を照射して加熱し、ゼーベック
効果によって得られる熱起電力を測定する。この先行技
術では、熱流を熱起電力に変換する効率が低く、感度が
悪いという問題がある。

【０００５】ゴーレイセルでは、金属製容器内にガスが
気密に充填され、この容器に赤外線が照射されることに
よって内部のガスが膨張し、これによる容器の変形量
を、光てこの原理を用いて、反射鏡を角変位して光経路
の変化量として検出する。この先行技術では、構成が明
らかに大形化する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、構成
を小形化し、しかも高感度で輻射線の強度を熱形で検出
する装置を提供することである。

【０００７】

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、電気絶縁性材
料から成り、剛性を有する基板２と、基板２に厚み方向
に間隔をあけて対向して配置される半導体ウエハ３であ
って、半導体ウエハ３の厚み方向の基板２側の一方表面
８には、不純物がドープされて低抵抗層にされ、基板２
とは反対側の他方表面１０から異方性エッチングして領
域６は２０００〜６０００Åの厚みＤ２を有する矩形の
薄板状に形成され、前記領域は、基板２とは反対側に厚
く形成された支持部７によって囲まれる半導体ウエハ３
と、基板２と半導体ウエハ３の支持部７との間に介在さ
れ、前記領域６が臨む大気開放された第１空間１７を形
成するスペーサ４と、半導体ウエハ３に関して基板２と
は厚み方向反対側に配置され、半導体ウエハ３の支持部
７に固定され、前記領域６との間で気密な第２空間１９
を形成し、輻射線を透過する材料から成る蓋体１８と、
前記第２空間１９に充填され、輻射線の吸収スペクトル
特性を有するガスと、基板２上の領域６にのみ対向する
表面に厚み１００〜３００ｎｍで蒸着される電極１３
と、前記低抵抗層の領域６と電極１３との間の静電容量
を検出する手段とを含むことを特徴とする輻射線の熱形
強度検出装置である。また本発明は、半導体ウエハ３
は、シリコンであり、前記低抵抗層は、不純物であるホ
ウ素をドープして形成され、前記領域６は、結晶面（１
００）が、異方性エッチングされて除去されたものであ
り、前記領域６と支持部７との境界には、結晶面（１１
１）である傾斜面１１が形成されることを特徴とする。

【０００９】本発明に従えば、シリコンウエハなどの半
導体ウエハに、異方性エッチングの手法によって薄板状
の領域６を形成し、この薄板状の領域によって大気開放
した第１空間１７を規定し、この第２空間１９にガスを
充填する。赤外線およびマイクロ波などの輻射線は、前
記領域に照射されて透過し、前記第２空間に充填された
ガスを加熱して膨張させ、これによって前記領域６が変
形してその領域６と基板２との間の距離が変化する。こ
の距離の変化は、静電容量によって容易に検出すること
ができる。前記薄板状領域６は、半導体ウエハの厚み方
向の基板２寄りに形成されることによって、前記領域と
基板との間の距離を小さくし、静電容量を大きくして、
測定精度を向上することができる。また本発明に従え
ば、空間に充填されるガスは、照射される輻射線の吸収
スペクトル特性を有し、たとえばＣＯ₂は波長４．３μ
ｍの赤外線吸収スペクトル特性を有する。したがってこ
のような吸収スペクトルを含む輻射線が照射されると
き、前記領域および一方電極が透光性であることによっ
て、充填されているＣＯ₂であるガスの温度が迅速に加
熱膨張することになり、応答性の向上を図ることができ
るとともに、これによって前記気密空間の小形化を図る
ことができる。このガスは、たとえばＣＯ₂のほかに、Ｃ
Ｏ、ＣＨ₄、水蒸気Ｈ₂Ｏなどのガスであってもよく、ま
た空気であってもよく、さらにはこれらのガスの混合物
であってもよい。ガスの組成を変化することによって、
応答速度および感度の調整を行うことができる。本発明
に従えば、輻射線を透過するガラスなどの材料から成る
蓋体１８を透過した輻射線は、この蓋体と半導体ウエハ
の薄板状領域６とによって形成された第２空間１９に充
填されているガスを加熱して膨張させ、これによって前
記領域が変形し、その変形量に対応した静電容量を検出
することによって、輻射線の強度を検出することができ
る。本発明に従えば、基板と半導体ウエハとの間に形成
される第１空間１７は、大気開放される。本発明に従え
ば、基板はガラスなどの電気絶縁性材料製であり、この
基板の半導体ウエハ側の表面上で、前記領域６に対向し
た部分にのみ、前記電極１３を形成することによって、
半導体ウエハの低抵抗層である前記領域６との間の前記
領域の変形に従う静電容量を、高精度で検出することが
できる。もしも仮に、半導体ウエハの基板側の表面全面
に一方電極を形成し、基板の半導体ウエハ側の表面全面
に他方電極を形成した構成とすれば、前記一方電極と前
記他方電極との間の全体の静電容量に対する前記領域の
静電容量の割合は小さく、したがって輻射線の強度を高
精度で検出することが困難になる。本発明は、この問題
を解決する。また本発明に従えば、前記一方電極は、た
とえばシリコンウエハなどの半導体ウエハに不純物であ
るホウ素Ｂを、拡散またはイオン注入などの手法によっ
てドープして低抵抗の導電層として構成する。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は本発明の前提となる構成を
示す赤外線およびマイクロ波などの輻射線強度の熱形検
出装置１の断面図であり、図２はその熱形強度検出装置
１の平面図であり、図３は熱形強度検出装置１の斜視図
であり、図４は熱形強度検出装置１の簡略化した分解斜
視図である。これらの図面を参照して、本件熱形強度検
出装置１は基本的には、基板２と、この基板２に間隔を
あけて対向して配置されるシリコンウエハ３と、スペー
サ４と、気密空間５に充填されるガスとを含む。基板２
は、電気絶縁性材料、たとえば透光性を有するガラスか
ら成り、剛性を有し、本件熱形強度検出装置１の高い強
度を保つ働きをする。

【００１１】シリコンウエハ３は、輻射線を透過する半
導体である。このシリコンウエハ３は、その厚み方向
（図１の上下方向）の基板２寄り（図１の下方）に形成
される薄板状の領域６と、その領域６を囲んで領域６よ
りも厚い支持部７とを有する。

【００１２】このようなシリコンウエハ３を製造するに
あたっては、まず、厚みＤ１がたとえば０．５ｍｍであ
るシリコンウエハ本体を準備する。次にシリコンウエハ
本体の基板２側の表面８に、不純物であるホウ素Ｂを拡
散またはイオン注入などの手法で、強くドープし、たと
えば７×１０¹⁹個／ｃｍ³ の濃度のドープ層を、形成す
る。シリコンウエハ本体の側部９、および基板２とは反
対側の表面１０の支持部７となる部分には、酸化膜であ
るＳｉＯ₂ 層を形成する。このシリコンウエハ本体の表
面１０から露出した部分は、領域６に対応している。

【００１３】こうして得られたシリコンウエハ本体を、
たとえば約１００℃のエッチング液に浸漬して、約２時
間程度、異方性エッチングを行う。エッチング液は、た
とえばＥＰＷ（エチレンジアミン、ピロカテコールおよ
び水の混液）であってもよく、ＥＰＷに代えて、ＫＯ
Ｈ、ヒドラジンまたはＮＨ₄ＯＨなどであってもよく、
そのエッチング液はその他の組成を有してもよい。これ
によってシリコンウエハ本体は、結晶面（１００）がエ
ッチングされて除去されて領域６が薄く形成され、支持
部７との境界には結晶面（１１１）である傾斜面１１が
形成される。

【００１４】領域６の厚みＤ２は、たとえば２０００〜
６０００Å、特に２０００〜３０００Åである。領域６
は、図２に明らかに示されるように横の長さＬ１および
縦の長さＬ２は、たとえばＬ１＝Ｌ２＝１〜３ｍｍであ
る矩形状に形成される。半導体ウエハ３の領域６は、上
述のように薄板状であり、したがって弾性的に図１の上
下に変位可能であり、言わばダイアフラムのように変位
することができる。

【００１５】シリコンウエハ３の基板２側の表面上で領
域６には一方の電極１２が形成される。また基板２のシ
リコンウエハ３側の表面上で、領域６に対向した部分に
のみ、他方の電極１３が形成される。これらの電極１
２，１３は、アルミニウム、金などが厚み１００〜３０
０ｎｍを有して蒸着される。電極１２，１３は、赤外線
を良好に吸収する上述のニクロムおよびその他の材料か
ら成ってもよい。

【００１６】一方電極１２は、透明な導電性を有する電
極であってもよく、たとえばＩＴＯ（インジウム錫酸化
物）などから成ってもよい。これによって領域６に参照
符１４で示されるように輻射線が照射されたとき、領域
６から一方電極１２を経て空間５内のガスに輻射線が直
接に照射されてガスが効率よく加熱されることができ
る。

【００１７】本発明の実施の一形態では、シリコンウエ
ハ３における表面８側には、前述のようにホウ素がドー
プされており、したがって低抵抗層となっており、これ
をそのまま一方電極として用いることによって、前記一
方電極１２を省略することができる。すなわち導電性を
有する領域６を含む部分をそのまま電極として兼用して
前記電極１２を省略した構成とする。

【００１８】他方電極１２は、空間５に臨んで形成され
ており、したがって電極１２の材料が前述のようにニク
ロムであるときには、輻射線によって効率よく加熱さ
れ、空間５内のガスが効率よく加熱されることができ
る。また他方電極１３を高反射率を有する材料、たとえ
ば上述のようにアルミニウムおよび金などによって構成
することによって、輻射線を空間５に反射し、そのガス
を効率よく加熱することができる。

【００１９】図１において、電極１２，１３間の間隔Δ
ｄは、たとえば２〜１０μｍであってもよい。

【００２０】空間５に充填されるガスは、たとえば空
気、ＣＯ₂、ＣＯ、ＣＨ₄および水蒸気Ｈ₂Ｏ等であって
もよい。これらのガスの種類のうち、照射される輻射線
の吸収スペクトル特性を有するガスが用いられることが
好ましく、このとき電極１２が透光性であって、照射さ
れる輻射線１４が空間５に領域６および電極１２を経て
導かれる。これによってガスを効率よく加熱して管路を
向上することができる。たとえばＣＯ₂ガスは、波長
４．３ｍｍの赤外線吸収スペクトル特性を有し、このよ
うな波長を含む輻射線１４が照射されることによって、
ガスを効率よく加熱して感度の向上を図ることができ
る。この感度を調整するためにガスの組成を調整するよ
うにしてもよく、たとえばＣＯ₂と不活性ガスＮ₂とを混
合して空間５に封入してもよい。

【００２１】空間５内に充填されるガスは、領域６に輻
射線１４が照射されない状態では、ほぼ大気圧となるよ
うに定められる。

【００２２】基板２を前述のように電気絶縁性材料製と
し、領域６に対応する部分にのみ他方電極１３を形成す
ることによって、輻射線１４の照射時における空間５内
のガスの膨張による領域６の図１における上方への変位
量に対応した電極１２，１３間の静電容量を、高精度で
検出することが可能である。

【００２３】スペーサ４は、領域６を外囲し、支持部７
に配置される。スペーサ４はたとえばポリイミドなどの
合成樹脂であってもよく、その他の材料から成ってもよ
い。基板２とスペーサ４との接着およびシリコンウエハ
３とスペーサ４との接着は、接着剤を用いて達成しても
よく、あるいは相互の融着によって行ってもよく、その
他の構成によって気密性を達成するようにしてもよい。

【００２４】図５は本発明の他の前提となる輻射線強度
の熱形検出装置１６の断面図であり、図６はその図５に
示される熱形強度検出装置１６の斜視図であり、図７は
その熱形強度検出装置１６の簡略化した分解斜視図であ
る。この熱形強度検出装置１６は、前述の図１〜図４に
示される熱形強度検出装置１の構成に類似し、対応する
部分には同一の参照符を付す。特にこの実施の形態で
は、シリコンウエハ３は、輻射線を透過する透光性材料
から成る必要はなく、遮光性であってもよい。スペーサ
４によって基板２とシリコンウエハ３との間には第１空
間１７が形成され、この空間１７は大気開放される。

【００２５】図５〜図７に示される熱形強度検出装置１
６において、蓋体１８は、シリコンウエハ３に関して基
板２とは厚み方向反対側（図５の上方）に配置される。
この蓋体１８は、シリコンウエハ３の支持部７に固定さ
れ、領域６との間に気密な第２空間１９を形成する。蓋
体１８は、輻射線を透過する材料、たとえばガラスなど
から成る。第２空間１９に充填されるガスは、前述の図
１〜図４に示される本発明の実施の一形態における空間
５に充填されるガスの種類と同様である。輻射線１４
は、空間１９の蓋体１８に臨む領域にわたって照射され
る。輻射線１４が蓋体１８に照射されると、その輻射線
１４は蓋体１８を透過し、第２空間１９内のガスを加熱
し、これによってガスが膨張し、領域６が図５の下方に
変位し、これによって電極１２，１３間の静電容量が大
きくなるように変化する。

【００２６】本発明では、図５〜図７において電極１２
は省略され、領域６は前記低抵抗層とされる。

【００２７】

【００２８】

【００２９】シリコンウエハ３と蓋体１８とは、ポリイ
ミドなどの接着剤によって、または相互に融着などによ
って気密に固定される。

【００３０】図１〜図７に示される本発明の実施の各形
態において、基板２は、空間５，１７に臨んで平坦な表
面を有するシリコンウエハなどの半導体ウエハを用いて
もよい。

【００３１】図８は、図１〜図７に示される各構成にお
いて、電極１２，１３間の静電容量Ｃを検出するための
静電容量検出手段２３の電気回路図である。電極１２，
１３から成る静電容量Ｃには、基準となる静電容量Ｃ０
を有するコンデンサを直列に接続して、予め定める一定
電圧を有する直流電源２４が接続される。静電容量Ｃ，
Ｃ０の接続点２５に直流電圧計２６を接続してその電圧
を測定することによって、静電容量Ｃを検出することが
できる。この静電容量検出手段２３の構成によれば、熱
形強度検出装置１，１６には無効電力が供給されるだけ
であって、前述の先行技術に関連して述べたように測定
のためのジュール熱などによる温度上昇はなく、検出精
度を高くすることができる。

【００３２】静電容量Ｃを高精度で検出するには、ブリ
ッジを組込む電位法を採用してもよい。また静電容量Ｃ
を検出するために、キャパシタンスメータと呼ばれる容
量計を用いてもよく、この容量計は、電極１２，１３間
に正弦波電圧を印加したときに位相が９０度ずれた電流
の値を検出する構成を有する。

【００３３】

【００３４】

【００３５】図９は本件発明者の実験結果を示すグラフ
である。図１〜図４に示される前述の構成において、Ｄ
１＝０．５ｍｍ、Ｄ２＝６０００Å、Ｌ１＝Ｌ２＝３ｍ
ｍ、Δｄ＝６μｍ、シリコンウエハ３における表面８側
にホウ素をドープして低抵抗層として電極１２の働きを
兼ね、他方電極１３はアルミニウム１００ｎｍ厚を蒸着
して形成され、空間５に空気を大気圧で充填した構成に
おいて、ＣＯ₂レーザを用い、図９のライン３８では
４．７Ｗ／ｃｍ²の強度で、またライン３９はその強度
の７５％で、さらにライン４０は前記強度の５０％で、
図１の矢符１４で示されるように照射したとき、電極１
２，１３間の静電容量が時間経過に伴って図９に示され
るようにそれぞれ変化した。レーザの照射する前の電極
１２，１３間の静電容量Ｃ０は４５ｐＦであり、図９の
縦軸はその静電容量の変化量ΔＣｐＦである。これによ
って赤外線強度を変化することによって静電容量が変化
し、赤外線強度を静電容量に対応して検出することがで
きることが確認される。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、輻射線によってガスを
加熱して膨張させて、半導体ウエハの薄板状の領域を変
形し、基板と前記領域との間の静電容量を検出するよう
にしたので、構成を小形化し、しかも高感度で輻射線の
強度を検出することができるようになり、またガス濃度
を検出することができるようになる。

【００３７】また請求項１の本発明によれば、蓋体は輻
射線を透過する材料から成る。したがって輻射線によっ
て蓋体が加熱されて熱放散が抑制されて、充填されてい
るガスを加熱することができるようになり、検出精度を
向上することができる。

【００３８】さらに本発明によれば、前記領域は半導体
ウエハの厚み方向の基板寄りに形成され、これによって
静電容量を大きくして測定精度の向上を図ることができ
る。

【００３９】また本発明によれば、第２空間１９に充填
されるガスは、照射されて強度またはガス濃度が検出さ
れるべき輻射線の吸収スペクトル特性を有し、これによ
って応答性を向上し、また感度を向上することができる
ようになる。

【００４０】本発明によれば、半導体ウエハの前記領域
６は、その半導体ウエハに不純物をドープした導電層か
ら成り、これによって構成の簡略化を図ることができ、
また電気絶縁性基板の半導体ウエハ側の表面上に形成さ
れる電極１３は、前記領域６に対向した部分にのみ形成
されるので、基板の半導体ウエハ側の表面の全面に前記
他方電極を形成した構成に比べて、検出精度の向上を図
ることができる。さらに本発明によれば、領域６は、半
導体ウエハ３の不純物、たとえばホウ素がドープされて
低抵抗層にされ、したがって前述の電極１２は形成され
ておらず、これによって領域６が圧力によって高精度で
弾発的に変形することが可能になる。これによって圧力
に依存して高精度に静電容量を検出することが可能にな
る。さらに半導体ウエハ３は、輻射線を透過してもよい
けれども、透過しなくてもよく、これによって半導体ウ
エハ３の選択範囲を拡げることができ、本発明の実施が
容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の前提となる輻射線の熱形強度検出装置
１の断面図である。

【図２】図１に示される熱形強度検出装置１の平面図で
ある。

【図３】図１および図２に示される熱形強度検出装置１
の斜視図である。

【図４】図１〜３に示される熱形強度検出装置１の簡略
化した断面斜視図である。

【図５】本発明の他の前提となる輻射線の熱形強度検出
装置１６の断面図である。

【図６】図５に示される熱形強度検出装置１６の斜視図
である。

【図７】図５および図６に示される熱形強度検出装置１
６の簡略化した分解斜視図である。

【図８】図１〜図７に示される各構成における電極１
２，１３間の静電容量を検出するための手段２３を示す
電気回路図である。

【図９】本件発明者の実験結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１，１６，３４熱形強度検出装置２基板３シリコンウエハ４スペーサ５気密空間６領域７支持部８，１０表面９側部１１傾斜面１２，１３電極１４輻射線１７第１空間１８蓋体１９第２空間２０，２１表面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−173443（ＪＰ，Ａ) 実開昭52−141932（ＪＰ，Ｕ) 実公昭35−8894（ＪＰ，Ｙ１) Ｔ．Ｗ．Ｋｅｎｎｙｅｔ．ａｌ．" ＮｏｖｅｌＩｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒｂａｓｅｄｏｎａｔｕｎｎｅｌｉｎｇｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ”ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，59〔15〕（1991）（米) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01J 5/34 G01N 22/00 G01N 27/22 G01N 27/60

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電気絶縁性材料から成り、剛性を有する
基板２と、基板２に厚み方向に間隔をあけて対向して配置される半
導体ウエハ３であって、半導体ウエハ３の厚み方向の基
板２側の一方表面８には、不純物がドープされて低抵抗
層にされ、基板２とは反対側の他方表面１０から異方性
エッチングして領域６は２０００〜６０００Åの厚みＤ
２を有する矩形の薄板状に形成され、前記領域は、基板
２とは反対側に厚く形成された支持部７によって囲まれ
る半導体ウエハ３と、基板２と半導体ウエハ３の支持部７との間に介在され、
前記領域６が臨む大気開放された第１空間１７を形成す
るスペーサ４と、半導体ウエハ３に関して基板２とは厚み方向反対側に配
置され、半導体ウエハ３の支持部７に固定され、前記領
域６との間で気密な第２空間１９を形成し、輻射線を透
過する材料から成る蓋体１８と、前記第２空間１９に充填され、輻射線の吸収スペクトル
特性を有するガスと、基板２上の領域６にのみ対向する表面に厚み１００〜３
００ｎｍで蒸着される電極１３と、前記低抵抗層の領域６と電極１３との間の静電容量を検
出する手段とを含むことを特徴とする輻射線の熱形強度
検出装置。
【請求項２】半導体ウエハ３は、シリコンであり、前記低抵抗層は、不純物であるホウ素をドープして形成
され、前記領域６は、結晶面（１００）が、異方性エッチング
されて除去されたものであり、前記領域６と支持部７との境界には、結晶面（１１１）
である傾斜面１１が形成されることを特徴とする請求項
１記載の熱形強度検出装置。