JP3836229B2

JP3836229B2 - 熱電堆型赤外線検知素子

Info

Publication number: JP3836229B2
Application number: JP27702597A
Authority: JP
Inventors: 喜之中川; 靖村田; 成和高橋; 善郎中元
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1997-10-09
Filing date: 1997-10-09
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2017-10-09
Also published as: JPH11118597A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電堆型の赤外線検知素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の熱電堆型赤外線検出素子の一例として、図５に示すようなものがある。検出素子には、大きく分けて量子型素子と熱型素子があるが、図５の例は熱型素子に属す。前記例は、温接点となる絶縁性薄膜上の中央部と外形の冷接点となるリム部に熱電堆の接合部を配置した一般的な構成の熱電堆型赤外線検知素子である。
【０００３】
熱電堆型赤外線検出素子５１は、半導体基板からなる冷接点５８上に形成された絶縁性薄膜５７上に第１の熱電堆材料薄膜５２及び第２の熱電堆材料薄膜５３からなる熱電堆の両端に電極５４を設置することで構成される。温接点となる部分の絶縁性薄膜５７の下部の半導体基板はアルカリ性のエッチング液で溶解、除去されて凹部５９を形成している。また、図６の熱電堆型赤外線検知素子６１は、図５で説明した前記例の２辺方向からの熱電堆配置を４辺方向から垂直に配置した型で、熱電対数を前記例の２倍程度に増やすことができるので、熱起電力を大幅に高めることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、赤外線検知素子には、量子型と熱型の２種類があり、量子型素子は感度が高く応答速度も速いが、冷却を必要とするので、冷却設備と良質の化合物半導体が要求され、コストが非常に高くなる。これに対し、熱型素子は、常温で作動するため、使用コストは大幅に低減される利点の反面、応答速度がやや遅く、感度も低いという欠点がある。
【０００５】
しかしながら、数１０ｍｓｅｃから数１００ｍｓｅｃの応答速度でも十分な場合、熱型赤外線検出素子は利用価値が高いと言える。一般的に、熱型赤外線検知素子の中でも、温度変化による容量変化を利用する焦電型や温度変化による電気抵抗変化を利用するボロメータ型よりは、熱起電力を利用する熱電堆型の方が応答速度は優るので、熱電堆型赤外線検知素子で感度を高められれば非常に有用である。
【０００６】
一般的に、熱電堆型赤外線検知素子の熱起電力Ｓは、次式で表される。
Ｓ＝ｎ・α・Ｒ_th・Ｐ・・・・・（１）
ｎ；熱電対対数、
α；ｎ型とｐ型の両方を足し合わせたゼーベック係数
Ｒ_th；熱抵抗
Ｐ；入射エネルギー
この式から、熱起電力Ｓを大きくするには、熱電対数ｎを増加させること、ゼーベック係数αの大きい材料を選択すること、熱抵抗Ｒ_thを大きくすること、または、入射エネルギーＰを大きくすることが考えられる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、上記課題を解決するため、本発明では、熱電対数を増加させることに主眼をおき、下記記載の方法を採用した。
【０００８】
基板の一主平面上に形成された薄膜の直下の前記基板は数カ所に分かれて除去され複数の凹部を形成し、前記薄膜上には連続した熱電堆が配置されて複数の赤外線検出部が形成され、ひとつの赤外線検出素子となることを主旨とする。
【０００９】
本発明によれば、従来ひとつの赤外線検出部に熱電堆が置かれていたものを複数個の検出部に分けたため、検出部を分離する基板が冷接点の働きをするので、直列に配置した熱電対の基本構成である温接点、冷接点の繰り返し回数が飛躍的に増大する。即ち、熱電対数が増加することになる。
【００１０】
本発明の基本概念を図１に示す。赤外線検出部１１は薄膜上には熱電堆を備え、前記赤外線検出部１１となっている前記薄膜の直下は基板が除去されて凹部となっており、温接点の性質を備える。また、複数の赤外線検出部に分けている前記基板は冷接点となり、前記冷接点上で熱電堆材料を切り替えることができる。前記熱電堆は隣接する他の赤外線検出部の熱電堆と直列に接続されており、本例では４つの赤外線検出部でひとつの赤外線検出素子を形成している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
基板の一主平面上に形成された薄膜の直下の前記基板は数カ所に分かれて除去され複数の凹部を形成し、前記薄膜上には連続した熱電堆が配置されて複数の赤外線検出部が形成され、ひとつの赤外線検出素子となることを特徴とする赤外線検出素子。
【００１２】
【実施例】
（実施例１）
以下、図２及び図３を用いて、本発明の第１の実施例を説明する。
【００１３】
オリフラの面方位が（１１０）面であるシリコン半導体基板において、一主平面に絶縁性薄膜として、窒化シリコン膜２１をプラズマＣＶＤにより、２μmの厚みで成膜する。次に、前記窒化シリコン膜２１上にスパッタリングにより、クロム及び金を５００Åずつ成膜し、電極を形成するため、レジストをスピンコートにより塗布した後、電極用フォトマスクによりパターニングし、エッチング液にて所望のパターン形状を形成して、電極端子２６、熱電堆引き出し電極２４を形成する。従って、前記電極端子２６、前記熱電堆引き出し電極２４の構成はいずれもクロム／金の２層構造になっている。また、裏面も同様にクロム５００Å／金１０００Åの２層構造薄膜をスパッタリングにて形成しておく。
【００１４】
さて、第１の熱電堆を形成するには、リフトオフ法を用いるので、第１の熱電堆用マスクにて、あらかじめ塗布されたネガレジストをパターニングし、抵抗加熱蒸着により第１の熱電堆として、アンチモンを１〜５μmの厚みになるように蒸着する。リフトオフにより、ネガレジストを剥離すれば、第１の熱電堆アンチモン２２のパターンが形成される。
【００１５】
次に第２の熱電堆パターンを形成するには、同じくリフトオフ法を用いるので、第２の熱電堆用マスクにて、あらかじめ塗布されたネガレジストをパターニングし、抵抗加熱蒸着により第２の熱電堆として、ビスマスを１〜５μmの厚みになるように蒸着する。リフトオフにより、ネガレジストを剥離すれば、第２の熱電堆ビスマス２３のパターンが形成される。
【００１６】
このときのアンチモンとビスマスの２種類の熱電堆パターンは、図５で説明した前記従来例と比較して、対数は約３倍に増えている。これは、本発明の熱電堆は、図５の前記従来例における同一材料の熱電対パターン途中で、別材料の熱電対に切り替わるため、線密度は同じでも熱電対数は約３倍に増えている。
【００１７】
最後に、温接点となるダイヤフラムを形成する。前記熱電堆２２及び２３が成膜されている主平面とは反対側の面を、冷接点となる部分を除いて半導体部分を除去する。このとき、冷接点として残す部分にポジレジストを塗布、パターニングしておき、強アルカリ性エッチング液として３０ｗｔ％水酸化カリウムを用い、８０℃の条件にて、シリコン半導体基板の一部を所望の形状に除去、加工する。面方位が（１１０）面のシリコン半導体は、等方性エッチングされるので、下面側からほぼ垂直に、レジストでマスクされていない部分の前記シリコン半導体基板はエッチングされ、窒化シリコン膜２１が露出したところで、エッチング速度は激減し、エッチングはほぼ終了した状態になる。窒化シリコン膜２１が残り、ダイヤフラムとなって温接点の働きをする。このとき、連結された熱電堆の連結部は、冷接点２８と温接点２７上に交互に存在し、熱起電力を発生させる構造となっている。
【００１８】
図３に、本発明の熱電堆型赤外線検出素子の下面から見た形状を示す。半導体基板は面方位が（１１０）面であるので、等方的にエッチングされる。即ち、ポジレジストでマスクされた部分を残して、水酸化カリウムに接している直角三角形の面積部はほぼ垂直に溶解、除去されていくので、図３のような下面形状となり、温接点３７となるダイヤフラム状の窒化シリコン膜と冷接点３８は形成される。
【００１９】
図２に示すとおり、本発明の熱電堆型赤外線検知素子は、前記図５の従来例の素子の温接点を４分割した形になっており、前記図５の従来例では温接点となるべき中央部が本発明では対角線交差型冷接点になっているので、前記対角線交差型冷接点上で熱電対材料を交替すれば、約３倍の熱電対数を稼げる。
【００２０】
（実施例２）
次に、図４を用いて本発明の第２の実施例を説明する。
【００２１】
図４の実施例は、４辺方向から熱電堆を垂直に配置した型（図６参照）の熱電対集積度を更に高めた型である。
【００２２】
オリフラの面方位が（１１０）面であるシリコン半導体基板において、一主平面に絶縁性薄膜として、窒化シリコン膜４１をプラズマＣＶＤにより、２μmの厚みで成膜する。次に、前記窒化シリコン膜４１上にスパッタリングにより、クロム及び金を５００Åずつ成膜し、電極を形成するため、レジストをスピンコートにより塗布した後、電極用フォトマスクによりパターニングし、エッチング液にて所望のパターン形状を形成して、熱電堆引き出し電極４４、密着用下地膜４５、電極端子４６を形成する。従って、前記熱電堆引き出し電極４４、前記密着用下地膜４５、前記電極端子４６の構成はいずれもクロム／金の２層構造になっている。また、裏面も同様にクロム５００Å／金１０００Åの２層構造薄膜をスパッタリングにて形成しておく。
【００２３】
さて、第１の熱電堆を形成するには、リフトオフ法を用いるので、第１の熱電堆用マスクにて、あらかじめ塗布されたネガレジストをパターニングし、抵抗加熱蒸着により第１の熱電堆として、アンチモンを１〜５μmの厚みになるように蒸着する。リフトオフにより、ネガレジストを剥離すれば、第１の熱電堆アンチモン４２のパターンが形成される。
【００２４】
次に第２の熱電堆パターンを形成するには、同じくリフトオフ法を用いるので、第２の熱電堆用マスクにて、あらかじめ塗布されたネガレジストをパターニングし、抵抗加熱蒸着により第２の熱電堆として、ビスマスを１〜５μmの厚みになるように蒸着する。リフトオフにより、ネガレジストを剥離すれば、第２の熱電堆ビスマス４３のパターンが形成される。本実施例では、アンチモン４２とビスマス４３の窒化シリコン膜４１上の接続部での密着性を向上させるためにクロム／金膜からなる前記密着用下地膜４５を介してアンチモン４２とビスマス４３は接続されている。
【００２５】
このときのアンチモンとビスマスの２種類の熱電堆パターンは、図６で説明した前記従来例と比較して、対数は約２倍に増えている。これは、本発明の熱電堆は、図６の前記従来例における同一材料の熱電堆パターン途中で、別材料の熱電対に切り替わるため、線密度は同じでも熱電対数は約４倍に増えている。
【００２６】
最後に、温接点となるダイヤフラムを形成する。前記熱電堆４２及び４３が成膜されている主平面とは反対側の面を、冷接点となる部分を除いて半導体部分を除去する。このとき、冷接点として残す部分にポジレジストを塗布、パターニングしておき、強アルカリ性エッチング液として３０ｗｔ％水酸化カリウムを用い、８０℃の条件にて、シリコン半導体基板の一部を所望の形状に除去、加工する。面方位が（１１０）面のシリコン半導体は、等方性エッチングされるので、下面側からほぼ垂直に、レジストでマスクされていない部分の前記シリコン半導体基板はエッチングされ、窒化シリコン膜４１が露出したところで、エッチング速度は激減しエッチングはほぼ終了した状態になり、凹部４９が形成されて、窒化シリコン膜４１が残り、ダイヤフラムとなって温接点の働きをする。このとき、連結された熱電対の連結部は、冷接点４８と温接点４７上に交互に存在し、熱起電力を発生させる構造となっている。
【００２７】
また、本実施例の下面構造も、図３と同様である。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、実施例１に記載の本発明によれば、熱電堆型赤外線検知素子の熱電対数は同型寸法の従来型素子に対して約３倍に増幅できるので、熱起電力も約３倍の大きさになる。実際には、温接点と冷接点の温度勾配が前記従来型素子よりもやや小さくなるので、正確に３倍とはならないが、３倍に準ずる出力を確保することができる。
【００２９】
実施例２に記載の本発明によれば、４辺各方向から熱電堆を配置するので、最も有効にダイヤフラム状になった温接点を活用することができ、最大数の熱電堆を確保することができる。また、密着性確保のための下地層があるので、リフトオフ時などに外部から応力が加わるが、それらの衝撃にも耐えることができ、アンチモン、ビスマスとも剥離することなく、非常に高い歩留まりが得られる。
【００３０】
以上まとめると、コストのかかる冷却装置の要らない熱型赤外線検知素子は、低コストで常温使用のコンパクトな形状になることなどが、非常に有利な点であるが、感度が低く、応答速度が遅いことが欠点である。しかしながら、応答速度が数１０ｍｓｅｃから数１００ｍｓｅｃでも使用可能であれば、熱型赤外線検知素子でも感度次第で非常に有効な手段となる。本発明により、熱型赤外線検知素子の中でも、比較的応答速度が速い熱電堆型赤外線検知素子の外形寸法を変えることなく、熱電対数を倍増させることができるので、感度は高くなり、非常に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の概念を説明した複数の赤外線検出部を持つ赤外線検出素子の上面図と断面図である。
【図２】本発明の２辺から熱電堆を配置した熱電堆型赤外線検出素子の実施例の上面図とＡ−Ａ'断面図である。
【図３】本発明の熱電堆型赤外線検出素子の実施例の下面図である。
【図４】本発明の４辺から熱電堆を配置した熱電堆型赤外線検出位素子の実施例の上面図とＡ−Ａ'断面図である。
【図５】従来の２辺から熱電堆を配置した熱電堆型赤外線検出素子の例である。
【図６】従来の４辺から熱電堆を配置した熱電堆型赤外線検出素子の例である。
【符号の説明】
６１窒化シリコン膜
６２アンチモン
６３ビスマス
６４引き出し電極
６５密着用下地膜
６６電極端子
６７温接点
６８冷接点
６９凹部

Claims

基板の一主平面上に形成された薄膜の直下の前記基板は数カ所に分かれて除去され複数の凹部を形成し、前記薄膜上には連続した熱電堆が配置されて複数の赤外線検出部が形成され、一体の赤外線検出素子を構成した熱電堆型赤外線検知素子において、前記基板は四角形状をなし、各辺に底辺を有する三角形状の凹部を形成してなることを特徴とする熱電堆型赤外線検知素子。
前記赤外線検出部は、前記基板の相対する二辺に平行に櫛歯状の複数の熱電堆を連続的に形成してなることを特徴とする請求項１に記載の熱電堆型赤外線検知素子。
前記赤外線検出部は、前記基板の各辺に垂直かつ三角形状の凹部に対応した櫛歯状の複数の熱電堆を連続的に形成してなることを特徴とする請求項１に記載の熱電堆型赤外線検知素子。
前記基板は半導体シリコン基板からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱電堆型赤外線検知素子。