JP3235361B2 - 赤外線検知素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、サーモパイル型の赤外
線検知素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のサーモパイル型赤外線検知素子と
しては、例えば図７に示すようなものがある（特開平３
−１９６５８３号公報）。ここで赤外線検知素子には、
その検知方式から大きく分けて量子型素子と熱型素子が
ある。また、冷却が不要な熱型素子には、図７に示した
熱電対による熱起電力を利用するサーモパイル型と、抵
抗体の抵抗値の温度変化を利用するボロメータ型とがあ
る。熱型素子では、入射赤外線エネルギーが熱に変換さ
れ、検知部の温度が変化し出力が変化する。そして通常
は赤外線吸収膜を付けて入射赤外線の吸収率を高めて感
度を良くしている。さらに、熱容量を小さくし感度およ
び応答速度を向上させるために温接点近傍を基板から熱
分離する方法がとられている。この熱分離領域の形成に
は、ＫＯＨやヒドラジンなどのアルカリ系エッチング液
を用いた異方性エッチングによる方法と、図７に示した
従来例のようなドライエッチングによって基板と垂直方
向に深い溝を掘って形成する方法との２種類がある。前
者の方法では、赤外線吸収膜とサーモパイルが平面的に
配置されるので赤外線吸収膜の周囲に熱分離領域をとら
なければならず高集積化が困難となっていた。一方後者
の方法では、サーモパイルが縦方向に形成されるために
熱分離領域を周囲に大きくとる必要がなく高集積化が可
能である。

【０００３】図７に示した従来例では、このような縦型
サーモパイルを形成するために、ｐ型シリコン基板とｎ
型シリコン基板を貼り合せ、そのｐ型シリコン基板にｎ
型シリコン基板に達するまで穴を開けてｎ型シリコンを
成長または堆積し、またｎ型シリコン基板にｐ型シリコ
ン基板に達するまで穴を開けてｐ型シリコンを成長また
は堆積し、これらのシリコン成長または堆積層の周囲に
穴を開けてその穴に絶縁層を成長または堆積し、こうし
て基板２１を貫通するｐ型シリコン２２とｎ型シリコン
２３を作り、これらの端面に温接点２４となる金属膜お
よび冷接点２５となる金属膜をそれぞれ被着している。
２６はｐ型シリコン２２とｎ型シリコン２３との間の絶
縁層、２７，２８はそれぞれ端面部の絶縁層である。温
接点２４側には図示省略の絶縁層を介して赤外線吸収膜
２９が取り付けられている。そして赤外線吸収膜２９に
よって吸収された入射赤外線は熱に変換され赤外線吸収
膜２９の温度が上昇する。この熱は、伝導によって温接
点２４に伝えられ温接点２４の温度を上昇させる。温接
点２４と冷接点２５とはｐ型シリコン２２、ｎ型シリコ
ン２３および絶縁層２６によってつながっているだけな
のでその熱抵抗により、温接点２４と冷接点２５の間に
温度差が生じ、ゼーベック効果によってサーモパイルに
起電力が生じる。この起電力は、サーモパイルにおける
熱電対の対数、ｐ型シリコンとｎ型シリコンの両方を足
し合わせたゼーベック係数、熱抵抗および入射エネルギ
ーの積で表わされる。従って、起電力を大きくするには
ゼーベック係数の大きい材料を用い、熱抵抗を大きくす
る必要がある。熱抵抗を大きくするには、サーモパイル
などの断面積を極力小さくする必要がある。従来例で
は、基板２１をエッチングした際の穴と残った柱の断面
積がそれに当たるがＲＩＥなどのドライエッチングを用
いても穴の径は、１μｍ程度より小さくすることは不可
能で熱抵抗を向上させることが困難となっていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の赤外線検知素子にあっては、基板をエッチン
グして縦型にサーモパイルを形成する構成となっていた
ため、サーモパイルの断面の寸法のうち縦と横のいず
れもがパターン形成精度で制限されるために断面積が大
きくなり熱抵抗を大きくすることが困難であった。サ
ーモパイルの長さは基板の厚みに制限されるので、この
点でも熱抵抗を大きくすることが困難であった。トレ
ンチ溝のアスペクト比の最高値は約２０であり基板の厚
み全部をエッチングするためにはそれに相応する大きさ
の開口部が必要となり高集積化が困難であった。基板
両面のパターン合わせ精度は、片面の精度に比べて非常
に悪く高集積化、微細化が困難であった。冷接点が基
板裏面に形成されるために製造工程においてハンドリン
グが非常に困難となっていた。２枚の基板を貼り合わ
せる構造になっていたために製造工程が複雑でコストが
高くなっていた。もともと基板であった部分がシリコ
ンの柱または酸化膜からなる絶縁層に変わっただけであ
り、酸化膜といえども有限の熱抵抗を示すために溝を埋
めなかった場合、即ち空気であった場合に比べて熱抵抗
はかなり減少せざるを得ず、特性のよい素子を作ること
が困難である、という問題点があった。

【０００５】本発明は、このような従来の問題点に着目
してなされたもので、サーモパイルの熱抵抗を大きくす
ることができて検知特性を向上させることができ、また
微細化、高集積化が可能で、ハンドリングが容易であ
り、さらにコストを低減することができる赤外線検知素
子を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、基板と、前記基板の主面上
に当該主面と平行に配設され、ｐ型半導体とｎ型半導体
が温接点と冷接点で順次接続された複数個の熱電対によ
って構成され、前記温接点が前記冷接点に対して外側に
配置されたサーモパイルと、前記冷接点の上に形成され
た第１の熱分離領域と、該サーモパイルの上方に配設さ
れ、前記温接点と熱的に結合され、前記第１の熱分離領
域により前記冷接点から熱的に分離された赤外線吸収膜
とを有することを要旨とする。

【０００７】請求項２記載の発明は、上記請求項１記載
の赤外線検知素子において、前記基板は第２の熱分離領
域を有し、前記温接点は前記基板と熱的に結合し、前記
冷接点は前記第２の熱分離領域により当該基板から熱的
に分離されていることを要旨とする。

【０００８】

【作用】請求項１記載の発明においては、サーモパイル
は基板主面に平行に形成されているため、そのサーモパ
イルを構成する熱電対となるｐ型半導体、ｎ型半導体
は、例えば気相成長法等を用いて精度よく薄く形成する
ことが可能となる。またサーモパイルの長さは平面配置
によって自由に決定することが可能となる。従ってサー
モパイルの熱抵抗を大きくすることができて検知特性を
向上させることが可能となる。また、温接点が冷接点に
対して外側に配置され、赤外線吸収膜はこの温接点と熱
的に結合されているため、赤外線吸収膜を、サーモパイ
ル上に素子面積に対し大きな面積割合となるように形成
することができる。従って、入射赤外線を効率よく吸収
することができて入射エネルギーが大きくなり、一層検
知特性が向上する。また、総てのパターンが基板主面、
即ち基板片面に形成されているのでパターン合わせ精度
は、通常の半導体素子と何ら変るところがなく、微細
化、高集積化が可能となる。更に、第１の熱分離領域が
冷接点の上に形成され、この冷接点は第１の熱分離領域
により赤外線吸収膜から熱的に分離されている為、温接
点が冷接点に対して外側に配置された上記構成であって
も、温接点と冷接点との間の熱伝導は主にサーモパイル
を通じて行われ、両接点間の熱抵抗を増大せしめること
ができる。

【０００９】請求項２記載の発明では、温接点が第２の
熱分離領域により基板から熱的に分離され、冷接点が基
板と熱的に結合されることにより、入射エネルギーによ
りサーモパイルに効果的に温度差が生じて一層検知特性
が向上する。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１乃至図６に基づ
いて説明する。図１、図２を用いて、まず赤外線検知素
子の構成を説明する。シリコン基板１の主面上には第１
のＳｉＮ膜２が被覆形成されている。その上部には薄膜
状のｐ型シリコン３とｎ型シリコン４がアルミ薄膜から
なる温接点５と冷接点６で順次接続されて複数個の熱電
対によりサーモパイルが構成されている。ｐ型シリコン
３、ｎ型シリコン４とアルミ薄膜との間には第１の酸化
膜９が形成されていてアルミ薄膜をエッチングして温接
点５と冷接点６をパターニングする時にシリコンがダメ
ージを受けるのを防止している。その上部には第２のＳ
ｉＮ膜１１が被覆形成されており、サーモパイルを外部
の水分などから保護している。温接点５の上部のみに第
２の酸化膜１０が形成されていて第３のＳｉＮ膜１３を
介して赤外線吸収膜１２と熱的に結合されている。その
ほかの部分は第１の熱分離領域８によって熱的に分離さ
れている。また温接点５近傍のシリコン基板１の主面は
部分的に除去されて第２の熱分離領域７が形成されてお
り、この第２の熱分離領域７により、温接点５はシリコ
ン基板１から熱的に分離されている。

【００１１】次に、図３を用いて製造方法を説明する。
シリコン基板１を準備し（ａ）、その主平面上に第１の
ＳｉＮ膜２を気相堆積法により堆積する（ｂ）。サーモ
パイルになるシリコン薄膜を同様に堆積する（ｃ）。そ
のシリコン薄膜をパターニングし、所定の領域にリンお
よびボロンをイオン注入法によってドープする。さら
に、活性化アニーリングを施してｐ型シリコン３とｎ型
シリコン４とを形成する（ｄ）。第１の酸化膜９を堆積
し、赤外線吸収膜１２が形成される領域とほぼ同じ領域
が残るようにパターニングする（ｅ）。第１の酸化膜９
の所定の場所にコンタクトホールを開けた後にアルミ薄
膜をスパッタ法によって堆積する。アルミ薄膜を選択エ
ッチングによって除去し、温接点５と冷接点６を形成す
る（ｆ）。その表面に第２のＳｉＮ膜１１を被覆形成
し、水分などからサーモパイルを保護すると同時に後で
述べるヒドラジンなどの異方性エッチング液からサーモ
パイルを保護する役目を兼ねる。さらに気相堆積法によ
って第２の酸化膜１０を堆積し、温接点５付近を残して
除去する（ｇ）。後にエッチングによって除去され第１
の熱分離領域８となるシリコン薄膜１４を堆積しパター
ニング後に赤外線吸収膜１２を支える第３のＳｉＮ膜１
３を堆積し同様にパターニングする（ｈ）。ヒドラジン
によってシリコン基板１の一部およびシリコン薄膜１４
を除去し、第２の熱分離領域７と第１の熱分離領域８を
形成する（ｉ）。最後に赤外線吸収膜１２を形成する
（ｊ）。

【００１２】次いで、本実施例の作用を説明する。赤外
線吸収膜１２によって吸収された入射赤外線は熱に変換
され赤外線吸収膜１２の温度が上昇する。この熱は、伝
導によって温接点５に伝えられ温接点５の温度を上昇さ
せる。温接点５近傍のシリコン基板１部分には、エッチ
ングによって除去され熱分離領域７が形成されているた
めにシリコン基板１を介しての熱伝導は殆んど無い。ま
た、赤外線吸収膜１２および第３のＳｉＮ膜１３とは熱
分離領域８によって分離されているため温接点５と冷接
点６との間の熱伝導は主にサーモパイルを通じて行われ
るので両接点間の熱抵抗は大きく温接点５の熱は冷接点
６には伝わりにくくなっている。その結果、両接点５，
６間に温度差が生じ、ゼーベック効果によってサーモパ
イルに起電力が生じる。図１、図２の構成では、この素
子全体の熱起電力Ｓは、ｐ型シリコン３における両接点
５，６間の熱起電力とｎ型シリコン４における両接点
５，６間の熱起電力との和になり、次の（１）式で表わ
される。

【００１３】 Ｓ＝ｎ・α・Ｒ_th・Ｐ …（１） ｎは熱電対の対数、αはｐ型シリコン３とｎ型シリコン
４の両方を足し合わせたゼーベック係数、Ｒ_thは熱抵
抗、Ｐは入射エネルギーである。上記（１）式から熱起
電力Ｓを大きくするにはゼーベック係数の大きい材料を
用い、熱抵抗を大きくする必要がある。また、熱型赤外
線検知素子の性能指数Ｄ^* は次の（２）式のように書け
る。

【００１４】

【数１】 Ｄ^* ＝√［Ａ_d ／（４ｋＴ）］・ｎ・（α・Ｒ_th／√Ｒ_d ）・（Ｐ／Ｐ_d ） …（２） Ａ_d は赤外線吸収膜の面積、ｎは熱電対の対数、Ｒ_d は
電気抵抗、Ｐ_d は実効的な入射エネルギーである。この
（２）式は、吸収膜の面積、対数、熱抵抗およびエネル
ギーの伝達効率を大きく、電気抵抗を小さくする必要が
あることを示している。

【００１５】ここで、赤外線吸収膜１２の面積と比検知
能（感度）との関係を述べる。図１、図２に示すよう
に、本実施例では、サーモパイルにおける各冷接点６が
内側で各温接点５が外側に配置され、この各温接点５に
熱的に結合する赤外線吸収膜１２がサーモパイルの全体
を覆うように大きく設定されている。図４は、素子全体
の面積に対する赤外線吸収膜１２の面積の割合を具体的
に数値例で説明するための図で、同図（ａ）は本実施例
のタイプ、同図（ｂ）は比較例として示したもので、サ
ーモパイルにおける温接点５ａが内側で冷接点６ａが外
側に配置され、赤外線吸収膜１２ａはその内側の温接点
５ａの部分のみを覆うように素子の中央部分のみに設定
されている。同図（ａ）の本実施例の場合、素子面積を
１４０×１４０（μｍ² ）、赤外線吸収膜１２の面積を
１３０×１３０（μｍ² ）とすると、素子全体の面積に
対する赤外線吸収膜１２の面積の割合は、８６％であ
る。これに対し同図（ｂ）の比較例の場合は、素子面積
を上記と同じにし、赤外線吸収膜１２ａの面積を６０×
６０（μｍ² ）とすると、素子全体の面積に対する赤外
線吸収膜１２ａの面積の割合は、１８％である。従っ
て、本実施例は比較例に対し、赤外線吸収膜１２が、
（８６／１８）＝４．８倍に大きく設定されている。

【００１６】一方、図５は、本実施例の赤外線検知素子
の熱等価回路を示している。図５（ａ）においてＲ_Z は
サーモパイルの熱抵抗、Ｒは赤外線吸収膜の熱抵抗、Ｅ
は各部の温度、ｒは赤外線吸収膜の厚み方向の熱抵抗、
Ｒ_a は雰囲気ガス（例えば空気の）熱抵抗、また図５
（ｂ）は、図５（ａ）の等価回路をテブナンの定理を用
いて置き換えた等価回路であり、Ｚ（ｎ）は赤外線吸収
膜の熱抵抗であり、

【数２】 で表わされる。Ｖ_n は温接点での温度で赤外線吸収膜の
大きさによって変化する。即ち、このＶ_n の値は、赤外
線吸収膜の面積割合が２倍のときＶ₂ ／Ｖ₁ 、４倍のと
きＶ₄ ／Ｖ₁ 、５倍のときはＶ₅ ／Ｖ₁ 等のように表わ
される値である。図６は、Ｒ_z ＝１〜１０，Ｒ＝１．５
×１０^-2，Ｒ_a ＋ｒ＝１００とおいたときの、赤外線吸
収膜１２の面積割合をパラメータとしたサーモパイル熱
抵抗Ｒ_Z と面積が１倍のときの温接点の温度Ｖ₁ との相
対値との関係を示す特性図である。この特性図から熱抵
抗Ｒ_Z がかなり増加しても、前記のように面積割合を
４．８倍程度に大きく設定すれば、被検知能（感度）は
３倍以上程度に増加する。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によれば、基板と、前記基板の主面上に当該主面と平
行に配設され、ｐ型半導体とｎ型半導体が温接点と冷接
点で順次接続された複数個の熱電対によって構成され、
前記温接点が前記冷接点に対して外側に配置されたサー
モパイルと、前記冷接点の上に形成された第１の熱分離
領域と、該サーモパイルの上方に配設され、前記温接点
と熱的に結合され、前記第１の熱分離領域により前記冷
接点から熱的に分離された赤外線吸収膜とを有すること
によって、サーモパイルの熱抵抗を大きくすることがで
き、また赤外線吸収膜は入射赤外線を効率よく吸収して
入射エネルギーを大きくすることができて検知特性を向
上させることができる。また総てのパターンを基板主
面、即ち基板片面に形成したので、パターン合わせ精度
は通常の半導体素子と何ら変わることろがなく微細化、
高集積化を実現することができ、ハンドリングも容易と
なる。さらに基板は１枚で形成することができるので製
造工程が簡略化されてコストを低減することができる。

【００１８】請求項２記載の発明によれば、前記基板は
第２の熱分離領域を有し、前記温接点は前記基板と熱的
に結合し、前記冷接点は前記第２の熱分離領域により当
該基板から熱的に分離されているため、入射エネルギー
によりサーモパイルに効果的に温度差が生じて一層検知
特性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る赤外線検知素子の実施例を赤外線
吸収膜を取り除いて示す平面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】上記実施例の製造工程を示す工程図である。

【図４】上記実施例において素子全体の面積に対する赤
外線吸収膜の面積の割合を比較例と比較して説明するた
めの図である。

【図５】上記実施例の等価回路を示す図である。

【図６】上記実施例において赤外線吸収膜の面積割合を
パラメータとした熱抵抗と被検知能との関係を示す図で
ある。

【図７】従来の赤外線検知素子を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ シリコン基板 ３ ｐ型シリコン ４ ｎ型シリコン ５ 温接点 ６ 冷接点 ７ 第２の熱分離領域 ８ 第１の熱分離領域 １２ 赤外線吸収膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 35/32 G01J 1/02 G01J 5/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、 前記基板の主面上に当該主面と平行に配設され、ｐ型半
   導体とｎ型半導体が温接点と冷接点で順次接続された複
   数個の熱電対によって構成され、前記温接点が前記冷接
   点に対して外側に配置されたサーモパイルと、 前記冷接点の上に形成された第１の熱分離領域と、 該サーモパイルの上方に配設され、前記温接点と熱的に
   結合され、前記第１の熱分離領域により前記冷接点から
   熱的に分離された赤外線吸収膜とを有することを特徴と
   する赤外線検知素子。
2. 【請求項２】 前記基板は第２の熱分離領域を有し、前
   記温接点は前記基板と熱的に結合し、前記冷接点は前記
   第２の熱分離領域により当該基板から熱的に分離されて
   いることを特徴とする請求項１記載の赤外線検知素子。