JP3274881B2

JP3274881B2 - 赤外線センサおよびその製造方法

Info

Publication number: JP3274881B2
Application number: JP09413392A
Authority: JP
Inventors: 清小松; 武寿森; 仁美角野
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1992-04-14
Filing date: 1992-04-14
Publication date: 2002-04-15
Anticipated expiration: 2017-04-15
Also published as: JPH06213707A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非接触で被計測対象の温
度を計測する赤外線センサに係り、特にサーモボロメー
タ型の赤外線センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、非接触の体温計等に用いて好適な
赤外線センサを半導体微細加工技術を利用して作製する
技術が種々開発されている。この赤外線センサとして
は、サーモボロメータ型やサーモパイル型等種々の形式
のものがある。この中でもサーモボロメータ型の赤外線
センサは、サーミスタ効果を持つ物質により赤外線セン
サ感応膜を形成し、受光した赤外線による上昇温度を電
気抵抗値の変化で測定し、赤外線量を知るものであり、
センサを容易に小型化できる点で他の形式のものより優
れている。

【０００３】このサーモボロメータ型の赤外線センサで
は、赤外線感温膜の熱容量が小さく、しかもそこから外
部に伝達する熱量が小さければ、それだけ温度上昇が大
きくなり、微量な赤外線に対して応答感度が高くなる。
このため、従来では、センサ基板上に非常に小さな架橋
部を形成し、さらにこの架橋部の上に赤外線感応膜を形
成した構造となっている。すなわち、素子の感熱部分を
支持基板から浮かせた架橋構造とすることにより応答感
度の改善を図るものである。

【０００４】一方、計測にあたっては、被測定物から放
出される微量な赤外線を対象とするため、種々の工夫が
必要となる。たとえば、一個のセンサに全く同じ２個の
赤外線感応膜を設け、一方の赤外線感応膜に赤外線を入
射させ、他方の赤外線感応膜には赤外線が入射しないよ
うに遮蔽を施す。これら赤外線が入射された赤外線感応
膜の出力と、赤外線が入射されない赤外線感応膜の出力
とを絶えず比較することにより、電気的なノイズおよび
熱的な外乱を除去して正味の赤外線量を検出することが
できる。

【０００５】このような計測を行うための具体的な構造
として図７に表すものが考えられる。

【０００６】この赤外線センサでは、たとえばセンサ基
板としてのシリコン基板１１には２つの空洞部１２、１
３が形成されている。これら空洞部１２、１３の上面に
は、たとえば幅２０μｍ、長さ２ｍｍ、膜厚３μｍの２
本の架橋部１４ａ、１４ｂを有する絶縁膜１４が形成さ
れている。この絶縁膜１４はたとえばシリコンオキシナ
イトライド(SiOxNy)膜により形成される。架橋部１４
ａ、１４ｂの各中央部の上面には赤外線感応膜１５、１
６が設けられている。この赤外線感応膜１５、１６は、
たとえばアモルファスゲルマニウム（ａ−Ｇｅ）により
形成されている。赤外線感応膜１５、１６には、図示し
ないがアルミニウム（Ａl ）膜により形成された電極配
線層の一端部が電気的に接続され、この電極配線層の他
端部はシリコン基板１１の周縁部に形成された電極パッ
ド１７、１８に接続されている。

【０００７】シリコン基板１１の上面には表蓋２０が配
設されている。この表蓋２０の周縁部はＦＰＣ（フレキ
シブル・プリント・サーキット）１９を間にして電極パ
ッド１７、１８により支持されている。表蓋２０はシリ
コン基板２１により形成されており、その表裏の両面に
はそれぞれ赤外線反射防止膜２２ａ、２２ｂが設けられ
ている。これら赤外線反射防止膜２２ａ、２２ｂの図に
おいて右半分には、赤外線感応膜１５を覆うようにたと
えばアルミニウム（Ａｌ）により形成された赤外線遮蔽
膜２３ａ、２３ｂが形成されている。

【０００８】シリコン基板１１の下面にはシリコンオキ
シナイトライド膜により形成された絶縁膜２４が形成さ
れ、この絶縁膜２４の下部に裏蓋２５が配設されてい
る。この裏蓋２５もシリコン基板により形成され、その
上面には赤外線反射膜２６が形成されている。

【０００９】この赤外線センサでは、表蓋２０に赤外線
遮蔽膜２３ａ、２３ｂが形成されているため、赤外線は
他方の赤外線感応膜１６側のみに選択的に入射される。
この赤外線が入射される赤外線感応膜１６と入射されな
い赤外線感応膜１５との差動出力を求めることにより、
真の赤外線量を検出することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
赤外線センサでは、空洞部１２と空洞部１３との間を仕
切る側壁２７はシリコン（シリコン単結晶）により形成
されているため、空洞部１３側に入射された赤外線は赤
外線反射膜２６により反射された後、この部分を透過
し、赤外線感応膜１５側に入射してしまう。たとえば、
上記赤外線センサを鼓膜音体温計に用いて波長依存性
（ＦＴ−ＩＲ）を実測すると、人体から放出される赤外
線の主たる成分である１０μｍ近傍で、単結晶シリコン
は約５３％の赤外線透過性を示す。このため赤外線感応
膜１５、１６間の差動出力に誤差が生じ、真の赤外線量
を検出することができないという問題があった。

【００１１】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、一対の赤外線感応膜のうち一方の赤
外線感応膜への赤外線の入射を確実に防止することがで
き、真の赤外線量を検出することができる赤外線センサ
を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による赤外線セン
サは、一対の空洞部を有し、前記一対の空洞部それぞれ
の上に架橋部を有するセンサ基板と、前記空洞部の一方
の側の架橋部に形成された第１の赤外線感応膜と、前記
空洞部の他方の側の架橋部に形成された前記第１の赤外
線感応膜と同一構成の第２の赤外線感応膜と、被計測対
象から放射された赤外線を前記第１の赤外線感応膜へ選
択的に入射させる赤外線選択入射手段と、前記空洞部の
側壁に設けられ、前記第１の赤外線感応膜側に入射した
赤外線の前記第２の赤外線感応膜側への侵入を防止する
赤外線遮蔽膜とを備えている。本発明による赤外線セン
サの製造方法は、表面および裏面を有するセンサ基板の
前記表面に架橋部形成用の膜を形成し、前記膜上に少な
くとも一対の赤外線感応膜を選択的に形成する工程と、
前記センサ基板の裏面側から前記赤外線感応膜に対向す
る部分を選択的にエッチングし、前記センサ基板の表面
まで達しない一対の空洞部を形成する工程と、前記空洞
部に赤外線遮蔽膜を形成する工程と、前記センサ基板の
表面側からエッチングを行い、前記センサ基板の表面と
前記空洞部それぞれとの間の部分を選択的に除去するこ
とにより、前記膜に前記赤外線感応膜に対応して架橋部
を形成する工程とを有し、前記センサ基板の表面または
裏面のいずれかに、前記赤外線感応膜の一方のみに選択
的に赤外線を入射させる赤外線選択入射手段を設けるよ
うにしている。

【００１３】この赤外線センサでは、被計測対象から放
射された赤外線は赤外線選択入射手段により第１の赤外
線感応膜へ選択的に入射されるとともに、この赤外線の
空洞部間の側壁を透過しての第２の赤外線感応膜側への
侵入が赤外線遮蔽膜により防止される。

【００１４】センサ基板としては、シリコン、ゲルマニ
ウム等の半導体基板が用いられるが、容易にしかも安価
に手に入れることが可能なシリコン基板を用いることが
好ましい。また、赤外線感応膜はアモルファスゲルマニ
ウム（ａ−Ｇｅ）、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）
や多結晶シリコン等の膜により形成される。この赤外線
感応膜の成膜には、スパッタリング、イオンビームスパ
ッタリング、ＣＶＤ（化学的気相成長法）等が用いられ
る。

【００１５】架橋部は、シリコン酸化膜(SiOx)、シリコ
ン窒化膜 (SiNy) 、シリコンオキシナイトライド(SiOxN
y)膜等により形成することができるが、特にシリコンオ
キシナイトライド膜により形成することが好ましい。シ
リコンオキシナイトライド膜は、シリコン酸化膜とシリ
コン窒化膜との両者の性質を持ち、そのため応力バラン
スが良く、安定した架橋構造を形成することが可能とな
る。

【００１６】この架橋部は、たとえばシリコン基板の両
面にそれぞれシリコンオキシナイトライド膜を形成し、
予め一方の面は架橋構造、他方の面は任意の大きさの窓
形状にそれぞれエッチングによりパターニングしてお
き、ヒドラジン水溶液や水酸化カリウム（ＫＯＨ）等に
よる異方性エッチングにより作成することができる。

【００１７】赤外線遮蔽膜としては、ニッケル（Ｎｉ）
膜や、クロム（Ｃｒ）膜および銅（Ｃｕ）の積層膜等を
用いることができる。これらの膜は蒸着法により、異方
性エッチングにより形成された空洞部の壁面に容易に形
成することができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して具体
的に説明する。

【００１９】図１は本発明の一実施例に係る赤外線セン
サの縦断面構造を表すものである。この赤外線センサは
裏面側（図において下側）から赤外線が入射する形式の
ものである。

【００２０】本実施例の赤外線センサでは、センサ基板
としてのシリコン基板３１には２つの空洞部３２、３３
が形成されている。これら空洞部３２、３３の上面に
は、たとえば幅２０μｍ、長さ２ｍｍ、膜厚３μｍの２
本の架橋部３４ａ、３４ｂを有するシリコンオキシナイ
トライド(SiOxNy)膜３４が形成されている。架橋部３４
ａ、３４ｂの各中央部の上面には赤外線感応膜３５、３
６が設けられている。この赤外線感応膜３５、３６は、
たとえばアモルファスゲルマニウム（ａ−Ｇｅ）により
形成されている。赤外線感応膜３５、３６には、図示し
ないがアルミニウム（Ａl ）膜により形成された電極配
線層の一端部が電気的に接続され、この電極配線層の他
端部はシリコン基板３１上の周縁部に形成された電極パ
ッド３７、３８に接続されている。

【００２１】シリコン基板３１の下面にはシリコンオキ
シナイトライド膜４４が形成され、このシリコンオキシ
ナイトライド膜４４の下部に蓋４０が配設されている。
この蓋４０はシリコン基板４１により形成されており、
その表裏の両面にはそれぞれ赤外線反射防止膜４２ａ、
４２ｂが設けられている。これら赤外線反射防止膜４２
ａ、４２ｂの図において右半分には、赤外線感応膜３５
を覆うようにたとえばアルミニウム（Ａｌ）により形成
された赤外線遮蔽膜４３ａ、４３ｂが設けられている。
なお、シリコン基板３１の上面には蓋（図示せず）が配
設されており、裏面の蓋４０とともにセンサチップを封
止している。なお、これらの蓋の赤外線センサチップへ
の接合には、半田接合や陽極接合法が用いられるが、特
に陽極接合法はチップ内を真空状態に封止することがで
きるため、空気の対流の影響を無くすことができ、セン
サ特性がよくなる。

【００２２】本実施例では、空洞部３２、３３の側壁面
にはそれぞれ赤外線遮蔽膜としてのニッケル（Ｎｉ）膜
４６が形成されている。

【００２３】この赤外線センサでは、赤外線は裏面側か
ら蓋４０を透過して空洞部３３を通り一方の赤外線感応
膜３６側のみに選択的に入射される。この赤外線が入射
される赤外線感応膜３６と入射されない赤外線感応膜３
５との差動出力を求めることにより、赤外線量を検出す
ることは従来と同様である。

【００２４】この赤外線センサでは、空洞部３３側に入
射して空洞部３２、３３間の仕切部４５を透過して赤外
線感応膜３５側に侵入しようとする赤外線は、側壁面に
設けられたニッケル膜４６により遮蔽される。したがっ
て、赤外線感応膜３５では赤外線が完全に遮蔽され、こ
のため赤外線感応膜３６と赤外線感応膜３５との差動出
力により真の赤外線量を検出することができる。

【００２５】図２ないし図４は上記赤外線センサの製造
工程を表すものである。なお、赤外線感応膜３５、３６
は基本的に同じ構造であるので、ここでは赤外線感応膜
３６側部分のみ図示して説明する。

【００２６】まず、図２（Ａ）に示すような結晶面方位
（１００）のシリコン基板３１を用意した。次に、この
シリコン基板３１の両面にそれぞれ、プラズマＣＶＤ法
により同図（Ｂ）に示すような膜厚２μｍのシリコンオ
キシナイトライド膜３４、４４を形成した。すなわち、
シリコン基板３１を４５０℃に加熱し、成膜条件とし
て、圧力を０．４５Torr、高周波出力を４００W とし、
反応ガスとして、モノシラン（Ｓi Ｈ₄）を１５SCCM、
窒素（Ｎ₂）を２０３SCCM、笑気ガス（Ｎ₂Ｏ）を３２
SCCM流し、シリコン基板３１の両面にそれぞれシリコン
オキシナイトライドを２０分間気相成長させ成膜させ
た。

【００２７】続いて、架橋部３４ｂの中央部に図２
（Ｃ）に示すような赤外線感応膜３６を形成した。すな
わち、ゲルマニウム（Ｇｅ）をターゲットとしてスパッ
タリングを行い、シリコンオキシナイトライド膜３４上
にアモルファスゲルマニウム（ａーＧｅ）膜を形成し
た。このスパッタリングは、ガス流量をアルゴン（Ａ
ｒ）＝２SCCM、水素（Ｈ₂）＝１SCCM、成膜圧力を３×
１０^-3Torr、高周波出力を２００Ｗとして１０分間行っ
た。次に、５００°Ｃでアニール処理を行い、アモルフ
ァスゲルマニウムの多結晶化を促進した。続いて、反応
性イオンエッチングを行って多結晶化されたアモルファ
スゲルマニウム膜のパターニングを行った。

【００２８】続いて、５０°Ｃに加熱してたとえば蒸着
法によりシリコン基板３１の表面に膜厚０．５μｍのア
ルミニウム膜を形成した後、パターニングして図２
（Ｄ）に示すような電極配線層５１を形成した。

【００２９】次に、図３（Ａ）に示すように、シリコン
基板３１の表面に電極パッド３７、３８を形成した。す
なわち、真空蒸着法により電極配線層５１上に膜厚０．
０５μｍのクロム（Ｃｒ）膜５２、膜厚１．５μｍの銅
（Ｃｕ）膜５３を順次形成した。続いて、シリコン基板
３１の表面に、図３（Ｂ）に示すように耐エッチング
膜、たとえば膜厚１μｍのシリコンオキシナイトライド
膜５４を形成した。

【００３０】次に、図３（Ｃ）に示すように、電極パッ
ド３７、３８に対応させてシリコンオキシナイトライド
膜５４にコンタクトホール５５、５６を形成した。続い
て、図３（Ｄ）に示すように、裏面のシリコンオキシナ
イトライド膜４４を選択的にエッチングして開口部５７
を形成した。

【００３１】続いて、この開口部５７を介してシリコン
基板３１を裏面から選択的にエッチングし、図４（Ａ）
に示すように空洞部３３を形成した。このエッチングは
ヒドラジン水溶液を用いた異方性エッチングを温度１１
０°Ｃで１時間３０分行い、シリコン基板３１の表面か
ら２０μｍ程度の位置で停止させた。なお、この異方性
エッチングは水酸化カリウム水溶液を用いて行うように
してもよい。

【００３２】次に、無電解めっき法により図４（Ｂ）に
示すように空洞部３３の壁面に赤外線遮蔽膜としてのニ
ッケル膜４６を形成するとともに、電極パッド３７、３
８のコンタクトホール５５、５６にそれぞれニッケル膜
５７、５８を形成した。このめっきは、めっき液として
トップケミアロイＢ−１（奥野製薬工業（株）社製）を
用い、６５°Ｃで５分間浸して膜厚１μｍの厚さのニッ
ケル膜４６、５７、５８を形成した。

【００３３】続いて、シリコン基板３１の表面のシリコ
ンオキシナイトライド膜３４をパターニングして架橋部
３４ｂのパターンを形成した。このパターニングはたと
えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、下地の
シリコン基板３１が露出するまで行った。このエッチン
グは、エッチングガスとして三ふっ化メタン（ＣＨ
Ｆ ₃）と酸素（Ｏ₂）を用い、その流量をＣＨＦ₃＝４
７．５SCCM、Ｏ₂＝２．５SCCMとし、エッチング時の圧
力を０．０７５Torr、高周波出力を１５０Ｗとし、エッ
チング時間を３時間とした。

【００３４】最後に、図４（Ｃ）に示すようにシリコン
基板３１の表面から異方性エッチングを温度１１０°Ｃ
で１時間３０分行い、架橋部３４ｂを形成するとともに
空洞部３３の上部を選択的に除去した。このときシリコ
ン基板３１の裏面は耐エッチング性の金属膜（ニッケル
膜４６）により覆われているため、エッチングが進行す
ることはない。

【００３５】このような方法により、空洞部３３の側壁
に赤外線遮蔽膜（ニッケル膜４６）を有する赤外線セン
サを作製することができた。また、この方法によれば、
電極パッド３７、３８のそれぞれの上にニッケル膜５
７、５８が形成されるので、銅膜５３の酸化を防止する
ことができる。

【００３６】図５は本発明の他の実施例を表すものであ
る。

【００３７】本実施例の赤外線センサは、表面側（図に
おいて上側）から赤外線が入射する形式のものであり、
図１と同一構成部分については同一符号を付してその説
明は省略する。本実施例においては、蓋４０はシリコン
基板１１の上面に配設され、この蓋４０の周縁部はＦＰ
Ｃ（フレキシブル・プリント・サーキット）６１を間に
して電極パッド３７、３８により支持されている。一
方、シリコン基板１１の下面には蓋６２が配設されてい
る。蓋６２はシリコン基板により形成され、その上面に
は赤外線反射膜６３が形成されている。

【００３８】本実施例では、空洞部３２、３３の側壁面
にそれぞれ赤外線遮蔽膜として積層膜４７が形成されて
いる。この積層膜４７は、クロム膜および銅膜の２層構
造となっている。

【００３９】この赤外線センサでは、空洞部３３側に入
射して赤外線反射膜６３により反射された赤外線は、側
壁面に設けられた積層膜４７により遮蔽される。したが
って、図１の実施例と同様に、赤外線感応膜３５では赤
外線が完全に遮蔽され、このため赤外線感応膜３６と赤
外線感応膜３５との差動出力により真の赤外線量を検出
することができる。

【００４０】図６は本実施例の赤外線センサの製造工程
を表すものである。なお、図４（Ａ）までは上記実施例
と同様であるので、その説明は省略する。

【００４１】本実施例では、図４（Ａ）で説明したよう
に異方性エッチングにより空洞部３３を形成した後、図
６（Ａ）に示すように、真空蒸着法よりシリコン基板３
１の裏面からクロムおよび銅を順次蒸着し、膜厚０．０
５μｍのクロム膜７１および膜厚１．５μｍの銅膜７２
の積層膜４７を形成した。

【００４２】次に、シリコン基板３１の表面のシリコン
オキシナイトライド膜３４をパターニングして架橋部３
４ｂのパターンを形成した。このパターニングはたとえ
ば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、下地のシ
リコン基板３１が露出するまで行った。このエッチング
は、図４（Ｃ）に示したと同じ条件により行った。

【００４３】最後に、図６（Ｂ）に示すように、シリコ
ン基板３１の表面から異方性エッチングを行い、架橋部
３４ｂを形成するとともに空洞部３３の上部を選択的に
除去した。このときシリコン基板３１の裏面は耐エッチ
ング性の金属膜（積層膜４７）により覆われているた
め、エッチングが進行することはない。

【００４４】なお、上記実施例においては、赤外線セン
サとしてシリコン基板３１の片面に一対の赤外線感応膜
３５、３６を有するタイプのものについて説明したが、
本発明はこれに限定するものではなく、たとえばシリコ
ン基板３１の両面にそれぞれ一対の赤外線感応膜３５、
３６を有するタイプのものについても適用できるもので
ある。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように本発明の赤外線セン
サによれば、一対の空洞部の側壁に赤外線遮蔽膜を設け
るようにしたので、第１の赤外線感応膜側に入射した赤
外線の第２の赤外線感応膜側への侵入を確実に防止する
ことができ、第１の赤外線感応膜と第２の赤外線感応膜
との差動出力により真の赤外線を得ることができるとい
う効果がある。また、本発明の赤外線センサの製造方法
によれば、本発明の赤外線センサを容易に製造すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る赤外線センサの縦断面
図である。

【図２】図１の赤外線センサの製造工程を表す縦断面図
である。

【図３】図１の赤外線センサの製造工程を表す縦断面図
である。

【図４】図１の赤外線センサの製造工程を表す縦断面図
である。

【図５】本発明の他の実施例に係る赤外線センサの縦断
面図である。

【図６】図５の赤外線センサの製造工程を表す縦断面図
である。

【図７】差動出力を取り出すための赤外線センサを表す
縦断面図である。

【符号の説明】

３１シリコン基板（センサ基板）３２、３３空洞部３４、３４ｂ架橋部３５、３６赤外線感応膜４６ニッケル膜４７積層膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−1535（ＪＰ，Ａ) 特開平１−96548（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01J 1/02 - 1/04 G01J 5/02 G01J 5/08 G01J 5/12 G01J 5/20 - 5/24 H01L 31/00 - 31/02 H01L 31/08 H01L 37/00 - 37/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の空洞部を有し、前記一対の空洞部
それぞれの上に架橋部を有するセンサ基板と、前記空洞
部の一方の側の架橋部に形成された第１の赤外線感応膜
と、前記空洞部の他方の側の架橋部に形成された前記第
１の赤外線感応膜と同一構成の第２の赤外線感応膜と、
被計測対象から放射された赤外線を前記第１の赤外線感
応膜へ選択的に入射させる赤外線選択入射手段と、前記
空洞部の側壁に設けられ、前記第１の赤外線感応膜側に
入射した赤外線の前記第２の赤外線感応膜側への侵入を
防止する赤外線遮蔽膜とを備えたことを特徴とする赤外
線センサ。
【請求項２】表面および裏面を有するセンサ基板の前
記表面に架橋部形成用の膜を形成し、前記膜上に少なく
とも一対の赤外線感応膜を選択的に形成する工程と、前
記センサ基板の裏面側から前記赤外線感応膜に対向する
部分を選択的にエッチングし、前記センサ基板の表面ま
で達しない一対の空洞部を形成する工程と、前記空洞部
に赤外線遮蔽膜を形成する工程と、前記センサ基板の表
面側からエッチングを行い、前記センサ基板の表面と前
記空洞部それぞれとの間の部分を選択的に除去すること
により、前記膜に前記赤外線感応膜に対応して架橋部を
形成する工程とを有し、前記センサ基板の表面または裏
面のいずれかに、前記赤外線感応膜の一方のみに選択的
に赤外線を入射させる赤外線選択入射手段を設けること
を特徴とする赤外線センサの製造方法。