JP3812881B2 - 赤外線検出素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーモパイル型の赤外線検出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、赤外線検出素子には、サーモパイル型、焦電型およびボロメータ型がある。例えば、サーモパイル型赤外線検出素子としては、図２および図３に示すようなものがある。
【０００３】
図２および図３に示すサーモパイル型赤外線検出素子Ｓ１，Ｓ２は、シリコン（Ｓｉ）製基板１０１の上面に、ダイアフラム１０２を設けると共に、ダイアフラム１０２の上面に、ｐ型ポリシリコン１１０とｎ型ポリシリコン１１１とをアルミニウム（Ａｌ）配線１１２で交互に接続して、一対の熱電対１１３を構成している。この熱電対１１３は、基板１０１側を冷接点とし且つ熱吸収領域１０５側を温接点とした状態で並列に配置してあると共に、複数電気的に直列に連結してサーモパイルを形成している。そして、サーモパイルを配置したダイアフラム１０２上に、層間絶縁層１０３を介して熱吸収領域１０５を設けた構成になっている。このとき、熱吸収領域１０５は、素子の中央に配置してある。ここで、赤外線検出素子Ｓ１，Ｓ２の熱起電圧は、熱吸収領域１０５と基板１０１の間の温度差によって決まる。この温度差は、熱吸収領域１０５の端から基板１０１の空洞１０６Ａ，１０６Ｂの端までの熱抵抗の大きさに依存する。
【０００４】
基板１０１に形成した空洞１０６Ａ，１０６Ｂは、熱電対１１３の冷接点側と温接点側とを熱的に分離するためのものである。図２に示す赤外線検出素子Ｓ１では、基板１０１の裏面側からシリコンの異方性エッチングを行うことにより、素子の外周側を枠状に残した状態にして空洞１０６Ａを形成しており、他方、図３に示す赤外線検出素子Ｓ２では、ダイアフラム１０２の四隅にエッチング用開口孔１０７を形成したうえで、シリコンの異方性エッチングを行うことにより、ダイアフラム１０２下で基板１０１の上側に開口する四角錐形の空洞１０６Ｂを形成していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記したような従来の赤外線検出素子Ｓ１，Ｓ２において、素子の外周を枠状に残して空洞１０６Ａを形成するもの（図２）では、基板１０１中の必要以上の体積をエッチングしなければならないので、その作業時間すなわちエッチング液にさらされる時間が長くなり、これにより層間絶縁層１０３等の保護被膜がダメージを受けることになる。また、当該素子の出力を高めるためには、熱吸収エネルギを大きくすること、すなわち大面積化を図ることが必要となる。しかし、大面積の素子の構造強度をダイアフラム１０２のみで支えることは難しい。このため、ダイアフラム１０２の厚さを増すことや、各層の応力を緩和する手段などを用いて素子を作製することが試みられたが、これらの手段を用いても素子の構造強度を充分に確保するのは困難であり、また、ダイアフラム１０２の厚さを増すと、素子の感度が低下するという問題もあった。
【０００６】
さらに、ダイアフラム１０２の四隅にエッチング用開口孔１０７を形成して空洞１０６Ｂを形成するもの（図３）では、シリコン製基板１０１の上面のほんの一部をエッチング除去するため、素子の構造強度の大半を基板１０１で支えることが可能であり、素子の構造強度の面では問題が少ないが、エッチング用開口孔１０７の大きさが制限されると共に、そのエッチング用開口孔１０７間の距離が基板１０１の厚さにより制限され、エッチング用開口孔１０７の位置が基板１０１の外周寄りに制限されることから、基板１０１の厚さより大きい寸法の素子には適用することが難しく、熱吸収エネルギを大きくする高出力素子の実現が困難であった。
【０００７】
すなわち、従来の赤外線検出素子Ｓ１，Ｓ２では、出力を高めるために大面積化を図ることが困難であるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、大面積で高出力のサーモパイル型赤外線検出素子を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる赤外線検出素子は、請求項１として、シリコン製基板に、同シリコン製基板に形成した概略凹状の空洞を介して熱的絶縁材料から成る熱分離構造のダイアフラムを設けると共に、ダイアフラム上に赤外線検出部である多数の熱電対を設け、その上に層間絶縁層を介して矩形の熱吸収領域を形成して、熱吸収領域の周囲に沿って熱吸収領域側を温接点とし且つ基板側を冷接点とした多数の熱電対を配置した状態にし、熱電対の温接点から冷接点までの長さが、矩形の熱吸収領域の一辺の長さよりも小さく、熱吸収領域及び該熱吸収領域を矩形状に囲む熱電対が配置された領域には、空洞形成のための複数のエッチング用開口孔をそれぞれ有し、熱吸収領域を矩形状に囲む熱電対が配置された領域では、その矩形の各辺における互いに隣接する熱電対の間で且つ温接点側と冷接点側との間の適宜部位に、エッチング用開口孔が位置している構成とし、請求項２として、熱吸収領域に複数のエッチング用開口孔を等間隔で有する構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【００１０】
なお、当該素子の製造においては、エッチング用開口孔を通してシリコン製基板の異方性エッチングを行うことで基板に空洞を形成し、エッチングの時間により空洞の深さを制御する。また、熱吸収領域に複数のエッチング用開口孔を等間隔で有する構成においては、例えば、形成しようとする空洞の大きさとそのエッチング時間に応じて、エッチング用開口孔の大きさや間隔を適宜設定すれば良い。ここで、複数のエッチング用開口孔は、等間隔にすることでエッチングを最適にし得ることとなるが、設定するエッチング時間に余裕があれば、必ずしも等間隔にする必要はない。さらに、基板上にダイアフラムを設けた構成においては、基板とダイアフラムとの間に例えばポリマーまたはポリシリコンから成る犠牲層を適宜の厚さに設けることが可能であり、当該素子の製造においては、犠牲層に等方性エッチングを施した後、シリコン製基板に異方性エッチングを施して空洞を形成することができる。
【００１１】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わる赤外線検出素子によれば、熱吸収領域の周囲に沿って多数の熱電対を配置すると共に、熱電対の温接点から冷接点までの長さが、矩形の熱吸収領域の一辺の長さよりも小さい赤外線検出素子において、熱吸収領域及び該熱吸収領域を矩形状に囲む熱電対が配置された領域に、エッチング用開口孔をそれぞれ設けると共に、熱吸収領域を矩形状に囲む熱電対が配置された領域では、その矩形の各辺における互いに隣接する熱電対の間で且つ温接点側と冷接点側との間の適宜部位に、エッチング用開口孔を配置したことから、このエッチング用開口孔を通してシリコン製基板に異方性エッチングを施し、基板に熱吸収領域側に開口する概略凹状の空洞を形成し得ることとなり、基板の厚さよりも寸法の大きい大面積の赤外線検出素子を作成することが可能となり、熱吸収領域の大きさに左右されることなくサーモパイルの冷接点と温接点とを熱的に分離するための基板の空洞を短時間で形成することができると共に、エッチングの時間の短縮化に伴って層間絶縁層等の保護被膜にダメージを与える恐れを解消することができる。また、基板の底部を残して空洞が形成されるので、基板により充分な構造強度を確保することができ、これに伴ってダイアフラムの厚さを薄いものとすることができるので、赤外線検出の感度を高めることができる。そして、熱吸収領域を大きく確保して入射される赤外線エネルギ量を増大させることができるので、大面積で高出力の赤外線検出素子を実現することができ、例えば１×１ｍｍ以上の大面積で高出力の赤外線検出素子を実現することができる。
さらに、当該赤外線検出素子によれば、熱吸収領域を矩形状に囲む熱電対が配置された領域において、その矩形の各辺における互いに隣接する熱電対の間で且つ温接点側と冷接点側との間の適宜部位にもエッチング用開口孔を設けることにより、空洞の大きさを熱電対の冷接点と温接点とを熱的に分離し得る充分な大きさにすることができると共に、熱吸収領域から基板側への熱の逃げを減少させ、冷接点と温接点との距離を長くすることができ、赤外線検出素子の感度を高めることができる。
さらに、当該赤外線検出素子は、サーモパイル型赤外線検出素子ｐ型ポリシリコンとｎ型ポリシリコンの熱電対を用いるため、ＣＭＯＳプロセスと両立でき、シリコン製基板内に大面積のサーモパイル型赤外線検出部と回路部を構成することができる。これにより、シリコンチップ上に回路と赤外線検出部の両機能が搭載され、１チップ化の赤外線検出素子を利用するシステムへの適用が可能となり、赤外線検出素子を利用するシステムの小型・軽量化が可能になる。また、シリコンのバッジ処理により、回路ボードも含めた価格の低減化も可能である。
【００１３】
本発明の請求項２に係わる赤外線検出素子によれば、請求項１と同様の効果を得ることができるうえに、等間隔で複数のエッチング用開口孔を有することから、その製造において空洞の形状的分布を均一にすることができると共に、エッチング用開口孔の大きさや間隔、エッチング時間を設定することで空洞の大きさを自在に最適化することができる。
【００１６】
【実施例】
図１に示す赤外線検出素子Ｓは、一実施例として挙げたサーモパイル型赤外線検出素子であり、シリコン（Ｓｉ）製基板１の上面に、熱的絶縁材料から成る熱分離構造のダイアフラムとして、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）から成るダイアフラム２を設けると共に、ダイアフラム２の上面に、複数の層間絶縁層３ａ，３ｂとともに赤外線検出部として従来既知の多数の熱電対４を配置し、最上の層間絶縁層３ａの上面に、赤外線吸収材料を形成して熱吸収領域（熱吸収膜）５を形成した構成になっている。なお、赤外線吸収材料として金黒を用いる場合には、最上の層間絶縁層３ａ，３ｂの上に、アモルファス・シリコンなどの金黒との相互拡散性の良い材料の層を配置しても良い。このとき、熱吸収領域５は、図１に示す如く矩形であって、素子の中央に配置してあり、多数の熱電対４は、基板１側を冷接点４ａとし且つ熱吸収領域１側を温接点４ｂとした状態で並列に配置してあると共に、複数電気的に直列に連結してある。
これにより、赤外線検出素子Ｓは、図１から明らかなように、中央の熱吸収領域５の周囲に沿って多数の熱電対４を配置した状態になっており、熱電対４の温接点４ｂから冷接点４ａまでの長さ（熱吸収領域５から基板１に至る熱伝導方向の長さ）が、矩形の熱吸収領域５の一辺の長さ（熱伝導方向に対してその幅に相当する長さ）よりも充分に小さいものとなっている。また、この実施例では、基板１とダイアフラム２との間に、ポリマーまたはポリシリコンから成る犠牲層６を介装してエッチングを容易にしている。
【００１７】
基板１のダイアフラム２下には、熱吸収領域５側（上側）に開口して熱電対４の冷接点４ａ側と温接点４ｂ側とを熱的に分離するための概略凹状の空洞７が形成してある。熱吸収領域５は、当該素子Ｓの中央に配置され、熱電対の温接点４ｂにかぶさるように形成されている。多数の熱電対４は、ダイアフラム２上に配置してあるが、素子Ｓの外周部と熱吸収領域５との間に掛け渡された状態となり、空洞７によって冷接点４ａ側と温接点４ｂ側とが熱的に分離されている。
【００１８】
上記の赤外線検出素子Ｓを製造するには、ダイアフラム２の四隅に、例えば熱電対４の両接点４ａ，４ｂ間の距離程度の直径を有する比較的大きいエッチング用開口孔８を形成すると共に、熱吸収領域５に、その表面から層間絶縁層３ａ，３ｂおよびダイアフラム２を通して基板１に至る多数のエッチング用開口孔９を等間隔で形成し、さらに、ダイアフラム２に、熱吸収領域５を矩形状に囲む熱電対４が配置された領域にエッチング用開口孔９を形成する、すなわち、その矩形の各辺における互いに隣接する熱電対４の間で且つ温接点４ｂ側と冷接点４ａ側との間の適宜部位にエッチング用開口孔９を形成する。これらのエッチング用開口孔８，９は、ドライエッチングやプラズマ加工などにより形成することができる。また、熱吸収領域５におけるエッチング用開口孔９の総面積は、熱吸収領域５の面積に比べて非常に小さく、熱吸収領域５の熱吸収作用への影響はきわめて小さい。
【００１９】
熱吸収領域５および該熱吸収領域５を矩形状に囲む熱電対４が配置された領域に形成したエッチング用開口孔９は、形成しようとする空洞７の深さとそのエッチング時間に応じて大きさや間隔が設定される。より具体的には、例えば、エッチング用開口孔９の直径が２０μｍで、間隔が２００μｍ前後としたとき、ダイアフラム２の直下が空洞７となった時点で空洞７の深さは１４０μｍになる。これは、犠牲層６のエッチングレートが２μｍ／ｍｉｎのとき、約６０分実施した場合である。
【００２０】
そして、この実施例の赤外線検出素子は、その製造において、上記の如くエッチング用開口孔８，９を形成したのち、エッチング用開口孔８，９からエッチング液を流入させることにより犠牲層６に等方性エッチングを行う。
【００２１】
次に、同じくエッチング用開口孔８，９からエッチング液を流入させることにより、シリコン製基板１の結晶方位に添った異方性エッチングを行う。上記の等方性エッチングと異方性エッチングは同時に進行される。このとき、犠牲層６により、基板１の素子外周側への異方性エッチングの進行を阻止している。したがって、空洞７が必要以上に広がることは無い。
【００２２】
そして、予め設定したエッチング時間が経過したところで、エッチング液を排出することにより、図１（ｂ）に示すように、上側に開口して底部が凹凸を成す空洞７が形成される。
【００２３】
このように、上記実施例の赤外線検出素子では、ダイアフラム２の四隅に形成したエッチング用開口孔８に加えて、熱吸収領域５および該熱吸収領域５を矩形状に囲む熱電対４が配置された領域に形成したエッチング用開口孔９を通してシリコン製基板１に異方性エッチングを施すことにより、熱吸収領域５の大きさに左右されることなく熱電対４の冷接点４ａと温接点４ｂとを熱的に分離するための空洞７が短時間で形成されることとなり、エッチングの時間が短縮されるので、ダイアフラム２や層間絶縁層３ａ，３ｂといった保護被膜にダメージを与えることもなく、また、基板１の底部を残して空洞７を形成するので構造強度も充分なものとなり、大面積の素子Ｓであっても、ダイアフラム２が撓んで空洞７の底部に接触するスティッキング現象を生じることもない。さらに、熱吸収領域５に複数のエッチング用開口孔９を等間隔で形成したので、空洞７の底部の凹凸形状の分布が均一なものとなり、構造強度の確保にも寄与し得る。これにより、例えば１×１ｍｍ以上の大面積で高出力の赤外線検出素子Ｓを実現することができる。
【００２４】
また、赤外線検出素子Ｓは、製造後の構造的特徴としては、ダイアフラム２上の熱吸収領域５を矩形状に囲む熱電対４が配置された領域において、その矩形の各辺における互いに隣接する熱電対４の間で且つ温接点４ｂ側と冷接点４ａ側との間の適宜部位にもエッチング用開口孔９を形成したので、空洞７の大きさが熱電対４の冷接点４ａと温接点４ｂとを熱的に分離し得る充分な大きさになると共に、ダイヤフラム２において、熱吸収領域５から基板１側への熱の逃げを減少させ、冷接点４ａと温接点４ｂとの距離を長くすることができ、赤外線検出素子Ｓの感度を向上させることができる。
【００２５】
なお、本発明に係わる赤外線検出素子は、その詳細な構成が上記実施例のみに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の赤外線検出素子の一実施例を説明する平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。
【図２】従来における赤外線検出素子の一例を説明する平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。
【図３】従来における赤外線検出素子の他の例を説明する平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。
【符号の説明】
Ｓ 赤外線検出素子
１ 基板
２ ダイアフラム
３ａ ３ｂ 層間絶縁層
４ 熱電対（赤外線検出部）
４ａ 冷接点
４ｂ 温接点
５ 熱吸収領域
９ エッチング用開口孔

Claims (2)

1. シリコン製基板に、同シリコン製基板に形成した概略凹状の空洞を介して熱的絶縁材料から成る熱分離構造のダイアフラムを設けると共に、ダイアフラム上に赤外線検出部である多数の熱電対を設け、その上に層間絶縁層を介して矩形の熱吸収領域を形成して、熱吸収領域の周囲に沿って熱吸収領域側を温接点とし且つ基板側を冷接点とした多数の熱電対を配置した状態にし、熱電対の温接点から冷接点までの長さが、矩形の熱吸収領域の一辺の長さよりも小さく、熱吸収領域及び該熱吸収領域を矩形状に囲む熱電対が配置された領域には、空洞形成のための複数のエッチング用開口孔をそれぞれ有し、熱吸収領域を矩形状に囲む熱電対が配置された領域では、その矩形の各辺における互いに隣接する熱電対の間で且つ温接点側と冷接点側との間の適宜部位に、エッチング用開口孔が位置していることを特徴とする赤外線検出素子。
2. 熱吸収領域に複数のエッチング用開口孔を等間隔で有することを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出素子。

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