JP3413953B2 - 赤外線センサの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、小型で高感度、かつ生
産性の高い赤外線センサの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に赤外線センサは、非接触の温度計
として物体の検出や、特種環境下における温度計測等に
使用されてきた。例えば火災報知機あるいは男子用トイ
レの自動洗浄器等への使用である。そして、最近になっ
てシリコンのマイクロマシーニング技術を用いた感度の
良い赤外線センサが、精力的に研究・開発されている。
何れもシリコンのマイクロマシーニング技術を用いて熱
容量が小さく、熱抵抗の大きな熱分離構造を形成し、そ
の熱分離構造部に赤外線吸収材を備えて、入射赤外線の
吸収による熱分離構造部の温度上昇をサーモパイル等の
赤外線センサ素子で検出する方式である。

【０００３】図６は、シリコンのバルクマイクロマシー
ニング技術を用いた赤外線センサの第１の従来例を示し
ている（Transducers '87,(1987),P.M.Sarro,H.Yashir
o,A.W.v.Herwaarden and S.Middlehoek,An Infrared Se
nsing Array Based on Integrated Silicon Thermopile
s,p.227-230）。構成及び製造法の概略を説明すると、
ｐ型基板２１にｎ型エピタキシャル層２２が形成され、
裏面からのエレクトロケミカルエッチングによりカンチ
レバービーム２３が形成されている。これによりカンチ
レバービーム２３は熱分離構造とされ、その上面に吸光
材２４が設けられて赤外線受光部とされ、被測定赤外線
による吸光材２４の温度上昇を検知するサーモパイル２
５が形成されている。

【０００４】また、図７は、シリコンの表面マイクロマ
シーニング技術を用いた赤外線センサの第２の従来例を
示している（Technical Digest of the 9th Senser Sym
posium（1990）M.Suzuki et al,An Infrared Detecter
Using Poly-silicon p-n Junction Diode,p.71-74 ）。
構成及び製造法の概略を説明すると、ｐ型基板２６上に
シリコン酸化膜２７を介してシリコン窒化膜２８，２９
及びシリコン酸化膜３０の絶縁膜層が形成されるととも
に、ｐ型基板２６表面からのアルカリ異方性エッチング
によりキャビティ３１が形成されてこのキャビティ３１
をカバーする絶縁膜層の部分がダイヤフラム３２とさ
れ、このダイヤフラム３２の部分にポリシリコンのｐｎ
接合により赤外線センサ素子となるダイオード３３が形
成されている。ダイオード３３の上方部の絶縁膜層上に
は吸光材３４が形成されている。

【０００５】しかし、上記図６あるいは図７に示した赤
外線センサにおける高感度化は、赤外線受光部にいかに
熱容量の小さな、そして熱抵抗の大きな熱分離構造を形
成するかにかかっている。従って吸光材のサイズを大き
くしても効果的とは言えない。この対策として、入射し
た被測定赤外線を集光して赤外線受光部に導く手法が提
案されており、これはその検出性能の観点からは、初歩
的ではあるが極めて有効な方法である。入射した赤外光
を集光して赤外線受光部に導く方法としては、いくつか
の提案がなされている。

【０００６】例えば集光レンズの裏面に赤外線センサ素
子を貼り付けた第３の従来例として、特開昭４９−１０
３６８８号公報に開示されたものがある。図８は、これ
を示しており、ケース３５及び外部リード端子３６から
なる、いわゆるカンパッケージの上面に、赤外線用の集
光レンズ３７が取付けられ、その集光レンズ３７の裏面
に赤外線センサ素子３８が貼り付けられている。

【０００７】また、この他に、赤外線センサ素子を備え
たカンパッケージに集光レンズを後付けするようにした
第４の従来例として、特開昭６２−２６１０２５号公報
に開示されたものがある。これは図９に示されるよう
に、ヘッダ３９、ケース４０及びフィルタ４１などから
なるカンパッケージ内に、ヘッダ３９に支持されて赤外
線センサ素子４３が設けられ、このカンパッケージのケ
ース４０の上部に集光レンズ４２を被せた構造となって
いる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、入射赤
外光を集光して赤外線受光部に導くようにした第３、第
４の従来例にあっては、赤外線用集光レンズを用いてい
るため高価にならざるを得ず、また、それをカンパッケ
ージに取付ける構造となっていたため外形サイズが大き
くなってしまうという問題があった。そのために、例え
ばマイクロサージェリーで代表される医療用システム等
への応用あるいはＣＯＢ（チップオンボード）実装には
不向きであり、また生産性に乏しい面からも高価格とな
らざるを得なかった。また、赤外線画像システムにおい
ては、赤外線センサ素子を１次元ないしは２次元に配列
して作製する必要があるが、個々の赤外線レンズを配列
し実装することは極めて生産性に乏しいという問題があ
った。

【０００９】本発明は、このような従来の問題に着目し
てなされたもので、小型で高感度な赤外線センサを生産
性良く安価に製造することができる赤外線センサの製造
方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、第１に、第１の基板の主面に凹部を形成
する第１の工程と、前記凹部に赤外線透過材料を充填す
る第２の工程と、該第２の工程で形成された構造体の主
面に赤外線透過材料からなる第２の基板を接合する第３
の工程と、前記第１の基板を溶解除去して前記第２の基
板上に前記凹部に充填した赤外線透過材料により当該凹
部に対応した凸面からなる赤外線レンズを形成する第４
の工程と、前記赤外線レンズが赤外線センサ素子の前方
に位置するように当該赤外線レンズの形成された前記第
２の基板を前記赤外線センサ素子の形成された基板に取
付ける第５の工程とを有することを要旨とする。

【００１１】第２に、前記第２の基板はシリコン基板で
あり、前記充填用の赤外線透過材料はポリシリコン又は
熱可塑性樹脂の何れかであることを要旨とする。

【００１２】第３に、前記第２の基板の裏面に異方性エ
ッチングを施すことにより当該裏面に前記赤外線レンズ
の形成領域を肉薄部とした凹部を形成し、該凹部で前記
赤外線センサ素子を気密封止するように前記第２の基板
を前記赤外線センサ素子の形成された基板に取付けるこ
とを要旨とする。

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【作用】上記構成において、第１に、基板のエッチング
工程及び赤外線透過材料の充填工程等により第２の基板
上に赤外線レンズが形成され、この第２の基板が赤外線
センサ素子の形成された基板にアセンブリされて赤外線
センサが製造される。これにより小型で高感度な赤外線
センサを生産性良く安価に製造することが可能となる。

【００１６】第２に、第２の基板にシリコンを用い、赤
外線レンズはポリシリコンで形成することにより、被測
定赤外線以外の入射光をカットするフィルタを外付けす
ることが不要となって、この点において低価格化が達成
される。また、赤外線レンズを熱可塑性樹脂で形成した
場合は、その熱可塑性により凹部に流し込んで充填する
ことが可能となるので製造工程が簡単になり、一層生産
性良く安価に製造することが可能となる。

【００１７】第３に、第２の基板の裏面に形成した凹部
で赤外線センサ素子を気密封止することにより、赤外線
センサ素子側のダイヤフラム等からなる熱分離構造の保
護及び実装その他のハンドリング時の歩留り低下の防止
が可能となる。また真空気密封止にすれば赤外線センサ
素子熱分離構造の熱抵抗が高くなって一層高感度化が可
能となる。

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００２１】図１及び図２は、本発明の第１実施例を示
す図である。図１にしたがって本実施例に係る赤外線セ
ンサの製造方法を説明する。

【００２２】（ａ）第１のシリコン基板１の主面に、シ
リコン酸化膜２及びシリコン窒化膜３を成膜し、エッチ
ング孔４を開孔する。複数のエッチング孔４の間隔は、
後述のアレイ状に形成された赤外線センサ素子の間隔と
同じにする。

【００２３】（ｂ）上記構造体のエッチング孔４より、
等方性エッチング、例えばフッ酸及び硝酸の混酸からな
るエッチャントにより、シリコン基板１の主面に凹部５
を形成し、シリコン窒化膜３及びシリコン酸化膜２をエ
ッチング除去する。

【００２４】（ｃ）上記構造体の主面にシリコン酸化膜
６を形成し、赤外線透過材料であるポリシリコン７をデ
ポジションする。

【００２５】（ｄ）上記構造体のポリシリコン７をラッ
ピングの後、選択研磨によりシリコン酸化膜６の最外面
まで研磨する。選択研磨は、シリコンは研磨するがシリ
コン酸化膜は殆んど研磨しないのでシリコン酸化膜６の
最外面が研磨停止面に規定される。

【００２６】（ｅ）上記構造体の主面に赤外線透過材料
である第２のシリコン基板９を、例えば陽極接合法によ
り接合する。

【００２７】（ｆ）第２のシリコン基板９の表面にシリ
コン酸化膜１０を形成してパターニングを行ない、例え
ばヒドラジン−水和物によるアルカリ異方性エッチング
により、第２のシリコン基板９で肉薄部からなるダイヤ
フラム９ａを形成するとともに、第１のシリコン基板１
を溶解除去する。第１のシリコン基板１が第２のシリコ
ン基板９より薄いという条件下では、このように図１
（ｅ）の構造体を両面からアルカリ異方性エッチングす
ると、図１（ｆ）の構造体が得られる。そしてダイヤフ
ラム９ａの厚さはエッチングの時間コントロールで行な
われる。なお、第１のシリコン基板１の溶解除去とダイ
ヤフラム９ａの形成は、図１（ｅ）の構造体を上面と下
面に分けて別工程で行なってもよく、このときは第１の
シリコン基板１が第２のシリコン基板９より薄いという
条件は必要ない。

【００２８】（ｇ）シリコン酸化膜６，１０をエッチン
グ除去し、第２のシリコン基板９におけるダイヤフラム
９ａ上に、ポリシリコンにより凹部５に対応した凸面か
らなる赤外線レンズが形成された赤外線マイクロレンズ
アレイを作製する。

【００２９】次いで、図２に示すように、赤外線マイク
ロレンズアレイの形成された第２のシリコン基板９と赤
外線センサ素子１２の形成されたシリコン基板１１とを
接合し、赤外線マイクロレンズアレイを赤外線センサ素
子１２にプリアセンブリする。１３はキャビティ、１４
はダイヤフラム、１５は吸光材である。図２の例では、
第２のシリコン基板９の裏面の凹部で赤外線センサ素子
１２等を気密封止するように、第２のシリコン基板９と
シリコン基板１１とが接合されている。このような接合
構造にすると、ダイヤフラム１４等からなる赤外線セン
サ素子１２側の壊れ易い熱分離構造を保護することがで
き、ダイシング時のゴミや水の浸入による歩留り低下は
勿論、実装その他のハンドリング時の歩留り低下を防止
することが可能となる。また真空気密封止を行えば赤外
線センサ素子熱分離構造の熱抵抗を高くすることができ
て一層の高感度化が可能となる。

【００３０】上述したように、本実施例によれば、第２
のシリコン基板９上に作製した赤外線マイクロレンズア
レイを赤外線センサ素子にプリアセンブリするようにし
たため、小型で高感度な赤外線センサを安価に製造する
ことができる。また赤外線レンズ及び赤外線レンズを支
持するダイヤフラム９ａをシリコンで形成したため、赤
外線以外の入射光をカットするフィルタを外付けする必
要がなく、赤外線センサを含むシステムの低価格化が達
成できる。

【００３１】なお、図１（ｇ）の構造体の主面には反射
防止膜をコーティングしてもよい。また、第１のシリコ
ン基板１は赤外線レンズの型であり、最終的にはエッチ
ング除去されるものであるから、ガラス基板を用いても
よい。ガラス基板の場合は、図１（ｃ）の工程における
シリコン酸化膜６の形成は不要である。さらに赤外線レ
ンズを形成するための赤外線透過材料としては、シリコ
ンに限らず、例えばゲルマニウムでもよく、あるいは高
密度ポリエチレンのような熱可塑性樹脂でもよい。熱可
塑性樹脂の場合は、その熱可塑性により凹部に流し込ん
で充填することができるため製造工程が簡単になる。

【００３２】図３には、本発明の第２実施例を示す。本
実施例は、赤外線レンズを支持するダイヤフラムをエレ
クトロケミカルエッチングで形成するようにしたもので
ある。

【００３３】（ａ）〜（ｄ）までの各工程は、前記第１
の実施例の場合と同様である。

【００３４】（ｅ）図３（ｄ）で得られた構造体の主面
に、ｐ型基板１６ａにｎ型エピタキシャル層１６ｂをエ
ピタキシャル成長させた第２のシリコン基板１６を、例
えば陽極接合法により接合する。

【００３５】（ｆ）第２のシリコン基板１６におけるｐ
型基板１６ａの表面にシリコン酸化膜１０を形成してパ
ターニングを行ない、例えばヒドラジン−水和物を用い
たエレクトロケミカルエッチングにより、ｎ型エピタキ
シャル層１６ｂの部分でダイヤフラムを形成するととも
に、第１のシリコン基板１を溶解除去する。

【００３６】（ｇ）シリコン酸化膜６，１０をエッチン
グ除去し、ｎ型エピタキシャル層１６ｂで形成されたダ
イヤフラム上に、ポリシリコンからなる赤外線レンズが
形成された赤外線マイクロレンズアレイを作製する。

【００３７】その後、前記第１実施例の場合と同様に、
赤外線マイクロレンズアレイの形成された第２のシリコ
ン基板１６と赤外線センサ素子の形成されたシリコン基
板とを接合し、赤外線マイクロレンズアレイを赤外線セ
ンサ素子にプリアセンブリする。

【００３８】本実施例によれば、ｐ型基板１６ａにｎ型
エピタキシャル層１６ｂをエピタキシャル成長させた第
２のシリコン基板１６をエレクトロケミカルエッチング
してダイヤフラムを形成するようにしたため、フィルタ
として機能するダイヤフラムの厚さを高精度に形成する
ことができる。

【００３９】図４には、本発明の第３実施例を示す。本
実施例は、赤外線レンズを形成するための赤外線透過材
料としてゲルマニウムを用いて製造工程を簡略化したも
のである。

【００４０】（ａ），（ｂ）の各工程は、図１（ａ），
（ｂ）の場合と同様である。

【００４１】（ｃ）図４（ｂ）で得られた構造体の主面
に、シリコンよりも高屈折率の赤外線透過材料であるゲ
ルマニウム８をデポジションする。溶融したゲルマニウ
ムを流し込んで形成してもよい。

【００４２】（ｄ）上記構造体の主面をラッピングす
る。

【００４３】（ｅ）上記構造体の裏面をアルカリ異方性
エッチングして第１のシリコン基板１でダイヤフラム１
ａを形成し、このダイヤフラム１ａの表面部にゲルマニ
ウムの赤外線レンズが埋め込まれた赤外線マイクロレン
ズアレイを作製する。赤外線透過材料であるシリコンダ
イヤフラム１ａ上の凹部５に、シリコンよりも高屈折率
の赤外線透過材料であるゲルマニウムが埋め込まれてい
るので、このゲルマニウムが凸レンズからなる赤外線レ
ンズとして機能する。

【００４４】その後、前記第１実施例の場合と同様に、
赤外線マイクロレンズアレイの形成された第１のシリコ
ン基板１と赤外線センサ素子の形成されたシリコン基板
とを接合し、赤外線マイクロレンズアレイを赤外線セン
サ素子のプリアセンブリする。

【００４５】本実施例によれば、第１実施例のように第
２のシリコン基板を接合して第１のシリコン基板を溶解
除去するという工程が不要となるので小型で高感度な赤
外線センサを一層安価に製造することができる。

【００４６】図５には、本発明の第４実施例を示す。本
実施例は、赤外線マイクロレンズアレイを、赤外線セン
サ素子の形成されたシリコン基板に直接形成したもので
ある。製造法としては、例えば図１（ｅ）における第２
のシリコン基板９の裏面に、キャビティ１３、ダイヤフ
ラム１４、赤外線センサ素子１２及び吸光材１５を形成
する。本実施例によれば、赤外線レンズアレイと、赤外
線パスフィルタとしてのシリコンダイヤフラムと、赤外
線センサ素子とを同一のシリコン基板に形成したため、
図２等に比べて必要な基板数が減ってシステムのみなら
ず赤外線センサにおいてもさらに低価格化を達成するこ
とができる。

【００４７】なお、上述の各実施例において、例えば赤
外線センサ素子のサイズを２００μｍ□程度、吸光部の
サイズを６０μｍ□程度とした場合、赤外線レンズは入
射赤外線のエネルギを吸光部に集めればよいので、その
レンズのＲはそれほど高精度は必要ではない。しかし異
方性エッチングで赤外線レンズの型となる凹部を形成し
た場合、レンズのＲが小さくなって焦点距離が短かくな
り、赤外線レンズと赤外線センサ素子との間隔の設定が
難しくなる場合も考えられる。このため、第１〜第３の
実施例では、第１のシリコン基板の主面に凹部を形成す
るためのエッチング方法として等方性エッチングを説明
してきたが、勿論これに限られるものではない。例えば
エッチングの進行とともにエッチングマスクの後退す
る、いわゆるテーパエッチング法を用いてもよいし、第
１のシリコン基板の主面に高濃度拡散層を形成後、この
高濃度拡散層を選択的に溶解除去する等方性選択エッチ
ング、例えばフッ酸、硝酸及び酢酸の容量比１：３：８
からなる等方性選択エッチング液を用いたエッチング法
を用いてもよい。また放電加工等で凹部を形成してもよ
く、適宜の形成方法をとることによりレンズのＲを変え
ることが可能である。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、各請求項記載の発
明によれば、それぞれ次のような効果を奏する。

【００４９】請求項１記載の発明によれば、第１の基板
の主面に凹部を形成する第１の工程と、前記凹部に赤外
線透過材料を充填する第２の工程と、該第２の工程で形
成された構造体の主面に赤外線透過材料からなる第２の
基板を接合する第３の工程と、前記第１の基板を溶解除
去して前記第２の基板上に前記凹部に充填した赤外線透
過材料により当該凹部に対応した凸面からなる赤外線レ
ンズを形成する第４の工程と、前記赤外線レンズが赤外
線センサ素子の前方に位置するように当該赤外線レンズ
の形成された前記第２の基板を前記赤外線センサ素子の
形成された基板に取付ける第５の工程とを具備させたた
め、小型で高感度な赤外線センサを生産性良く安価に製
造することができる。また、赤外線イメージセンサを製
造する場合においても赤外線マイクロレンズアレイとす
ることが容易であるため、各赤外線センサ単素子の開口
率を向上させることができ、小型で高感度な赤外線イメ
ージセンサを安価に製造することができる。

【００５０】請求項２記載の発明によれば、前記第２の
基板をシリコン基板とし、前記充填用の赤外線透過材料
はポリシリコン又は熱可塑性樹脂の何れかとしたため、
被測定赤外線以外の入射光をカットするフィルタを外付
けすることが不要となって一層低価格化を達成すること
ができ、また充填用の赤外線透過材料を熱可塑性樹脂と
した場合は、その熱可塑性により凹部に流し込んで充填
することができるため、製造工程が簡単となって一層生
産性良く安価に製造することができる。

【００５１】請求項３記載の発明によれば、前記第２の
基板の裏面に異方性エッチングを施すことにより当該裏
面に前記赤外線レンズの形成領域を肉薄部とした凹部を
形成し、該凹部で前記赤外線センサ素子を気密封止する
ように前記第２の基板を前記赤外線センサ素子の形成さ
れた基板に取付けるようにしたため、赤外線センサ素子
側のダイヤフラム等からなる熱分離構造を保護すること
ができ、また実装その他のハンドリング時の歩留り低下
を防止することができる。

【００５２】

【００５３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る赤外線センサの製造方法の第１実
施例を示す工程図である。

【図２】上記第１実施例で製造された赤外線センサの縦
断面図である。

【図３】本発明の第２実施例を示す工程図である。

【図４】本発明の第３実施例を示す工程図である。

【図５】本発明の第４実施例で製造された赤外線センサ
の縦断面図である。

【図６】赤外線センサの第１の従来例を示す斜視図であ
る。

【図７】第２の従来例を示す縦断面図である。

【図８】第３の従来例を示す縦断面図である。

【図９】第４の従来例を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１ 第１のシリコン基板 ５ 凹部 ７ 充填用の赤外線透過材料であるポリシリコン ８ 充填用の高屈折率赤外線透過材料であるゲルマニウ
ム ９ 第２のシリコン基板 ９ａ ダイヤフラム（肉薄部） １２ 赤外線センサ素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−263001（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−82269（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−196676（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−281007（ＪＰ，Ａ) 応用分光学ハンドブック，日本，朝倉 書店，1973年11月25日，初版，250〜251 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01J 1/02 - 1/04 G01J 5/02 G01J 5/08 G02B 1/02 G02B 3/00 H01L 27/14 H01L 31/00 - 31/02 H01L 31/08 H01L 35/32 H04N 5/30 - 5/335

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の基板の主面に凹部を形成する第１
   の工程と、前記凹部に赤外線透過材料を充填する第２の
   工程と、該第２の工程で形成された構造体の主面に赤外
   線透過材料からなる第２の基板を接合する第３の工程
   と、前記第１の基板を溶解除去して前記第２の基板上に
   前記凹部に充填した赤外線透過材料により当該凹部に対
   応した凸面からなる赤外線レンズを形成する第４の工程
   と、前記赤外線レンズが赤外線センサ素子の前方に位置
   するように当該赤外線レンズの形成された前記第２の基
   板を前記赤外線センサ素子の形成された基板に取付ける
   第５の工程とを有することを特徴とする赤外線センサの
   製造方法。
2. 【請求項２】 前記第２の基板はシリコン基板であり、
   前記充填用の赤外線透過材料はポリシリコン又は熱可塑
   性樹脂の何れかであることを特徴とする請求項１記載の
   赤外線センサの製造方法。
3. 【請求項３】 前記第２の基板の裏面に異方性エッチン
   グを施すことにより当該裏面に前記赤外線レンズの形成
   領域を肉薄部とした凹部を形成し、該凹部で前記赤外線
   センサ素子を気密封止するように前記第２の基板を前記
   赤外線センサ素子の形成された基板に取付けることを特
   徴とする請求項２記載の赤外線センサの製造方法。