JP4052041B2

JP4052041B2 - 赤外線センサとその製造方法

Info

Publication number: JP4052041B2
Application number: JP2002195844A
Authority: JP
Inventors: 毅深田; 栄嗣川崎
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2022-07-04
Also published as: JP2004037297A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、メンブレン構造を有する赤外線センサは、メンブレンの上に赤外線吸収膜と熱検出用部材（感温薄膜等）を形成し、赤外線を赤外線吸収膜にて吸収し、それに伴なう熱を熱検出用部材を用いて電気信号にして取り出すようにしている。この場合、メンブレンの一方の面において赤外線吸収膜と熱検出用部材が配置された構造となるため、製造しにくくなっている。
【０００３】
また、この赤外線センサの製造工程における赤外線吸収膜の配置は次のようにして行われている。熱検出用部材を形成した後において、赤外線吸収膜として、金や白金薄膜などの薄い金属膜を蒸着によって形成している（特開平７−３１８４２０号公報、特開平６−３４２９４２号公報等）。また、熱検出用部材を形成した後において、赤外線吸収膜として、カーボンを蒸着によって形成している。
【０００４】
しかしながら、前者の場合、比較的高価な上、形成された薄膜に強度がないためにチップに切り出す際や組み付け工程内でその表面に触れることによって薄膜が無くなってしまったりすることがあった。また、後者の場合、蒸着後のエッチングが困難なためメタルマスクによる蒸着を行うためにそのパターン精度や位置合わせ精度が悪く、チップが大きくなってしまう欠点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような背景の下になされたものであって、その目的は新規な構成にて製造が容易となる赤外線センサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
赤外線センサの構造として、請求項１に記載の発明によれば、メンブレンの一方の面に赤外線吸収膜が、他方の面に熱検出用部材が配置されるため、赤外線吸収膜を形成するのが容易となる。また、メンブレンにおける赤外線吸収膜の配置領域に窪みを設けることにより、赤外線吸収膜の配置領域を限定することができる。つまり、窪みを設けた領域のみに赤外線吸収膜を配置することができる。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明においては、半導体基板の上の所定領域に犠牲層を形成するとともに当該犠牲層の上を含めた半導体基板の上にメンブレンとなる絶縁膜を形成し、この絶縁膜の上に、熱検出用部材を、その一部が前記犠牲層と重なるように形成する。そして、半導体基板における犠牲層を形成した面とは反対の面から同半導体基板の所定領域をエッチングして半導体基板に貫通孔を形成するとともに犠牲層を除去する。さらに、半導体基板の貫通孔内における犠牲層を除去してできた窪み内にペースト状の赤外線吸収膜の材料を滴下して熱検出用部材の一部が赤外線吸収膜と重なるように配置する。これにより、請求項１に記載の赤外線センサを製造することができ、この際、赤外線吸収膜を所定の領域に容易に配置（形成）することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。
図１は、センサの全体構成を示す概略の縦断面図であり、回路形成用チップ１の上にセンサチップ１０が重ねた状態で実装されている。センサチップ１０の平面図を図２に示すとともに、センサチップ１０の下面図を図３に示す。なお、図３においては図１のパッシベーション膜１９を省いている。
【００１１】
本実施形態においては、メンブレン構造を有するサーモパイル式赤外線センサに具体化している。また、図１の上方から赤外線が照射される。
図１において、センサチップ１０を構成する単結晶シリコン基板１１には上下面に開口する貫通孔１２が形成されている。この貫通孔１２はシリコン基板１１の上面からマスク材１３を用いて異方性エッチングを行うことにより形成したものである。シリコン基板１１の下面には絶縁膜１４，１５が積層されている。絶縁膜１４，１５は、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）やシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）等の熱伝導率の低い絶縁膜が使用される。この絶縁膜１４，１５にて貫通孔１２の下面側開口部が塞がれている。
【００１２】
このようにして、貫通孔１２の一方の開口部に絶縁膜１４，１５が同開口部を塞ぐように形成され、これにより半導体基板としてのシリコン基板１１を用いて支持したメンブレンが構成されている。
【００１３】
メンブレンの一方の面（図１での下面）において絶縁膜１４，１５の積層体には、ｎ型不純物をドープしたポリシリコン膜１６がパターニングされるとともに、それを覆うようにして絶縁膜１７が形成されている。さらに、絶縁膜１７の表面にはアルミ薄膜１８がパターニングされ、その一部がｎ型ポリシリコン膜１６と接触している。詳しくは、図３に示すように、ｎ型ポリシリコン膜１６とアルミ薄膜１８とはその一部が重なるように交互に多数延設されている。即ち、帯状のｎ型ポリシリコン膜１６と帯状のアルミ薄膜１８とが直列に、かつ、一部が重なるように延設されている。
【００１４】
さらに、図１においてアルミ薄膜１８を覆うようにパッシベーション膜１９が形成され、パッシベーション膜１９にはシリコン酸化膜、あるいはＴＥＯＳ膜が使用されている。
【００１５】
メンブレンの他方の面（図１での上面）、つまり、貫通孔１２の内部での絶縁膜１４，１５の露出部分において中央部分の所定領域には窪み（凹部）２４が形成され、この窪み２４には赤外線吸収膜２５が配置されている。赤外線吸収膜２５の材料にはカーボンが使われている。
【００１６】
図１，２に示すように赤外線吸収膜２５は貫通孔１２内のメンブレンの中央部において四角形状をなすように配置されている。赤外線吸収膜２５の配置領域の下方において、図３に示すように、ｎ型ポリシリコン膜１６とアルミ薄膜１８との第１の重なり部（接合部）２０が位置するとともに、第２の重なり部（接合部）２１が赤外線吸収膜２５の無い箇所（赤外線吸収膜２５よりも外側）に位置している。よって、赤外線吸収膜２５による赤外線吸収によって接合部２０の温度は上昇する。また、接合部２０が貫通孔１２の開口部（メンブレン）に位置し、接合部２１が貫通孔１２の開口部（メンブレン）よりも外側（基板１１における貫通孔１２の無い部位）に位置している。この接合部２０と接合部２１が一対をなし、この対が多数形成され、ゼーベック係数を持つ熱電対群（サーモパイル）が構成されている。接合部２０が温接点となり、接合部２１が冷接点となる。
【００１７】
このように、シリコン基板１１に異種材料１６，１８が交互に多数直列に延設され、一つおきの接合部２０の配置位置には赤外線吸収膜２５が配置されている。これにより、温接点２０の部分は貫通孔１２により熱容量が小さく、冷接点２１はシリコン基板１１上に形成されているためシリコン基板１１がヒートシンクの役目を果たす。
【００１８】
また、温接点２０と冷接点２１の温度差により発生する起電力が、異種材料（１６，１８）による熱電対を直列接続した直列回路の両端子２２，２３（図３参照）から取り出される。つまり、サーモパイル（熱電対群）は、直列に接続され、第１端子２２と第２端子２３でセンサ出力を取り出す構造となっており、出力を大きくするため通常、数十本〜百本程度の熱電対が接続されている。
【００１９】
そして、赤外線が入射すると、図１，２における赤外線吸収膜２５に吸収される。そして、熱に変わる。この熱によりｎ型ポリシリコン膜１６とアルミ薄膜１８との重なり部（接合部）２０，２１に起電力が発生する。この起電力がセンサ信号として外部に送られる。
【００２０】
より具体的には、人体などから赤外線が放射されると、赤外線吸収膜２５に赤外線が吸収され、温度上昇が起こる。その結果、赤外線吸収膜２５に対応する位置に配置された温接点２０の温度が上昇する。冷接点２１は、シリコン基板１１がヒートシンクとなっているため温度上昇は起きない。その結果、温接点２０と冷接点２１間に温度差が生じ、ゼーベック効果により起電力が発生する。この起電力により温度測定が可能となる。
【００２１】
本実施形態では、ｎ型ポリシリコン膜１６とアルミ薄膜１８にて熱検出用部材が構成され、メンブレンにおいてこの膜１６，１８の重なり部（温接点）２０が位置し、赤外線吸収膜２５から熱の供給を受ける。
【００２２】
ここで、前述したようにメンブレンの中央部に窪み２４を設けて、この窪み２４の内部に赤外線吸収膜２５を配置している。これにより、赤外線吸収膜２５が基板１１の貫通孔１２の側面（テーパ部）に接触しておらず、メンブレンに配した温接点２０のみに熱を伝えることができる。つまり、温接点（メンブレン）と冷熱部（基板の厚肉部）を熱的に遮断した状態を保つことができる。換言すれば、メンブレンが十分に大きい場合には赤外線吸収膜２５と基板１１の貫通孔１２の側面（テーパ部）とが接触することはないが、メンブレンが小さくなると赤外線吸収膜２５と基板１１の貫通孔１２の側面（テーパ部）とが接触しやすくなる。これに対し窪み２４内に赤外線吸収膜２５を配することによりメンブレンが小さい場合においても赤外線吸収膜２５と基板１１の貫通孔１２の側面（テーパ部）とが接触することはない。
【００２３】
一方、図１において、センサチップ１０は回路形成用チップ１の上においてハンダ３０により回路形成用チップ１と電気的に接続されている。また、センサチップ１０に形成した複数のパッド２６を用いてハンダ３１を介して回路形成用チップ１の上にセンサチップ１０が機械的に連結固定されている。回路形成用チップ１には信号処理回路が形成され、センサチップ１０での検出信号（サーモパイルの出力）の増幅等を行うようになっている。
【００２４】
ハンダ３０，３１は、センサチップ１０のサーモパイルの出力を回路形成用チップ１に電気的に接続するとともに冷接点等の熱を回路形成用チップ１に逃がす役割をも果たす。特に、適切な熱伝導を得るためにハンダ３１を設けている。
【００２５】
次に、製造方法を説明する。
まず、図４に示すように、ウエハ状シリコン基板１１を用意し、その上面での所定領域に犠牲層としてのポリシリコン膜４０を形成する。このポリシリコン膜４０の上を含めた基板１１の上にメンブレンとなる絶縁膜１４，１５を成膜する。さらに、絶縁膜１５の上にｎ型不純物をドープしたポリシリコン膜１６をパターニングするとともに、その上に絶縁膜１７を形成する。そして、絶縁膜１７の所定領域に開口部（コンタクトホール）を形成した後、その上にアルミ薄膜１８をパターニングする。つまり、図３に示すように、ｎ型ポリシリコン膜１６とアルミ薄膜１８とをその一部が重なるように交互に多数延設する。さらに、図４のアルミ薄膜１８の上を含めて絶縁膜１７の上にパッシベーション膜１９を形成する。
【００２６】
その後、図５に示すように、シリコン基板１１の上下を逆にしてシリコン基板１１の裏面にシリコン窒化膜１３をパターニングする。このシリコン窒化膜１３をマスクとしてシリコン基板１１をウェットエッチングする。このエッチングにより図６に示すようにシリコン基板１１に貫通孔１２が形成される。このエッチングの際に、犠牲層として設けたポリシリコン膜４０（図４，５参照）も同時に除去する。つまり、ポリシリコンは、シリコンに比べエッチング選択比が低く、貫通孔１２の形成時に同時に除去される。このポリシリコン膜４０の除去した領域に窪み（凹部）２４が形成される。
【００２７】
引き続き、図７に示すように、ディスペンサを用いて、前述の窪み２１の内部にペースト状の赤外線吸収膜２５の材料（カーボンペースト）を滴下する。そして、焼成して赤外線吸収膜２５を形成する。このようにして得られた赤外線吸収膜２５は付着力が強い。
【００２８】
なお、焼成することなく十分な強度が得られる場合には焼成なしでもよい。
この赤外線吸収膜２５の形成の時に窪み２４を用いることにより、赤外線吸収膜２５と、基板１１における貫通孔１２の側面（テーパ部）とが接触することがない。つまり、赤外線吸収膜２５と、基板１１での貫通孔１２の側面とが接触しやすいが、これを避けるために、窪み２１を形成してカーボンペーストが中央部に集まるような形状としている。
【００２９】
その後、ウエハ状シリコン基板１１をダイシングして各チップに裁断する。そして、図１に示すように、回路形成用チップ１の上にハンダ３０，３１を介してセンサチップ１０を実装する。
【００３０】
このようにして、赤外線吸収膜２５に関して、密着力に優れ、後工程で接触する懸念のないメンブレン裏面（貫通孔１２内）に安価に精度よく形成することができる。
【００３１】
また、図７の状態においてメンブレンの一方の面に赤外線吸収膜２５が、他方の面に熱検出用の膜１６，１８が配置（パターニング）されているため、赤外線吸収膜２５と熱検出用の膜１６，１８の外観検査を行うことができる。
【００３２】
なお、窪み（凹部）２４は必ずしも必要でなく、メンブレンが十分大きい場合には不要とすることができる。
以上のように本実施形態は下記の特徴を有する。
（イ）赤外線センサの構造として、図１に示すように、シリコン基板１１を用いて支持したメンブレンに、赤外線吸収膜２５および同膜２５から熱の供給を受ける熱検出用部材（ｎ型ポリシリコン膜１６とアルミ薄膜１８）を配した赤外線センサにおいて、メンブレンにおける赤外線が照射される面に赤外線吸収膜２５を形成するとともに、メンブレンにおける他方の面に熱検出用部材１６，１８を形成した。よって、メンブレンの一方の面に赤外線吸収膜２５が、他方の面に熱検出用部材１６，１８が配置されるため、赤外線吸収膜２５を形成するのが容易となる。
（ロ）メンブレンにおける赤外線吸収膜２５が配置される領域に窪み２４を設けたので、赤外線吸収膜２５の配置領域を限定することができる。つまり、窪み２４を設けた領域のみに赤外線吸収膜２５を配置することができる。
（ハ）赤外線センサの製造方法として、図４に示すように、シリコン基板１１の上にメンブレンとなる絶縁膜１４，１５を形成するとともに、この絶縁膜１４，１５の上に熱検出用部材１６，１８を形成する。そして、図６に示すように、シリコン基板１１における絶縁膜１４，１５を形成した面とは反対の面から同シリコン基板１１の所定領域をエッチングしてシリコン基板１１に貫通孔１２を形成する。その後、図７に示すように、シリコン基板１１の貫通孔１２内におけるメンブレンにペースト状の赤外線吸収膜２５の材料を滴下する。これにより、（イ）の赤外線センサを製造することができ、この際、赤外線吸収膜２５を容易に形成することができる。
（ニ）赤外線センサの製造方法として、図４に示すように、シリコン基板１１の上の所定領域に犠牲層４０を形成するとともに当該犠牲層４０の上を含めたシリコン基板１１の上にメンブレンとなる絶縁膜１４，１５を形成し、この絶縁膜１４，１５の上に熱検出用部材１６，１８を形成する。そして、図６に示すように、シリコン基板１１における犠牲層４０を形成した面とは反対の面から同シリコン基板１１の所定領域をエッチングしてシリコン基板１１に貫通孔１２を形成するとともに犠牲層４０を除去する。その後、図７に示すように、シリコン基板１１の貫通孔１２内における犠牲層４０を除去してできた窪み２４にペースト状の赤外線吸収膜２５の材料を滴下する。これにより、（ロ）の赤外線センサを製造することができ、この際、赤外線吸収膜２５を所定の領域に容易に配置（形成）することができる。
【００３３】
この（ハ）や（ニ）の製造方法と従来の手法を比較すると次のような差異がある。
従来において熱検出用部材を形成した後において、赤外線吸収膜として、金や白金薄膜などの薄い金属膜を蒸着によって形成すると、比較的高価な上、形成された薄膜に強度が無いためにチップに切り出す際や組み付け工程内でその表面に触れることによって薄膜が無くなってしまったりする。これに対し、本実施形態では赤外線吸収膜２５は貫通孔１２内のメンブレン上に形成され、後工程において触れない部位に形成することができる。また、従来において熱検出用部材を形成した後において赤外線吸収膜としてカーボンを蒸着によって形成した場合には、蒸着後のエッチングが困難なためメタルマスクによる蒸着を行うためにそのパターン精度や位置合わせ精度が悪く、チップが大きくなってしまう。これに対し、本実施形態では、カーボンを蒸着にて形成しておらずパターン精度や位置合わせ精度が悪いといったことやチップが大きくなってしまうこともない。さらに、赤外線吸収膜２５の形成の際にはメンブレンに圧力を加えることなく形成することができ、好ましいものとなる。
【００３４】
なお、図１においてはシリコン基板１１に貫通孔１２を設け、この貫通孔１２の開口部に配した絶縁膜１４，１５にてメンブレンを構成した。この他にも、図８に示すように、シリコン基板１１に凹部５０を設け、この凹部５０での薄肉部に配した絶縁膜１４，１５にてメンブレンを構成した場合に適用してもよい。製造の際には、図５において絶縁膜１４，１５を形成した面とは反対の面からシリコン基板１１をエッチングしてシリコン基板１１に図８のように凹部５０を形成し、さらに、シリコン基板１１の凹部５０内におけるメンブレンにペースト状の赤外線吸収膜２５の材料を滴下することになる。
【００３５】
また、サーモパイル式赤外線センサの他にもボロメータ式赤外線センサにおいて適用することができる。ボロメータ式赤外線センサに適用した場合には、メンブレンに配される熱検出用部材は抵抗体薄膜（ＴＣＲ薄膜）である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態でのセンサの全体構成を示す概略縦断面図。
【図２】センサチップの平面図。
【図３】センサチップの下面図。
【図４】製造工程を説明するための縦断面図。
【図５】製造工程を説明するための縦断面図。
【図６】製造工程を説明するための縦断面図。
【図７】製造工程を説明するための縦断面図。
【図８】別例でのセンサチップを示す概略縦断面図。
【符号の説明】
１１…シリコン基板、１２…貫通孔、１４…絶縁膜、１５…絶縁膜、１６…ｎ型ポリシリコン膜（熱検出用部材）、１８…アルミ薄膜（熱検出用部材）、２４…窪み、２５…赤外線吸収膜、４０…ポリシリコン膜（犠牲層）、５０…凹部。

Claims

半導体基板（１１）を用いて支持したメンブレンに、赤外線吸収膜（２５）および同膜（２５）から熱の供給を受ける熱検出用部材（１６，１８）を配した赤外線センサにおいて、
前記メンブレンにおける赤外線が照射される面での赤外線吸収膜（２５）の配置領域に窪み（２４）を設け、この窪み（２４）内に赤外線吸収膜（２５）を形成するとともに、メンブレンにおける他方の面に熱検出用部材（１６，１８）をその一部が前記赤外線吸収膜（２５）と重なるように形成したことを特徴とする赤外線センサ。
前記赤外線吸収膜（２５）の材料としてカーボンを用いたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
半導体基板（１１）を用いて支持したメンブレンに、赤外線吸収膜（２５）および同膜（２５）から熱の供給を受ける熱検出用部材（１６，１８）を配した赤外線センサの製造方法であって、
半導体基板（１１）の上の所定領域に犠牲層（４０）を形成するとともに当該犠牲層（４０）の上を含めた半導体基板（１１）の上にメンブレンとなる絶縁膜（１４，１５）を形成し、この絶縁膜（１４，１５）の上に、熱検出用部材（１６，１８）を、その一部が前記犠牲層（４０）と重なるように形成する工程と、
前記半導体基板（１１）における前記犠牲層（４０）を形成した面とは反対の面から同半導体基板（１１）の所定領域をエッチングして半導体基板（１１）に貫通孔（１２）を形成するとともに前記犠牲層（４０）を除去する工程と、
半導体基板（１）の貫通孔（１２）内における前記犠牲層（４０）を除去してできた窪み（２４）内にペースト状の赤外線吸収膜（２５）の材料を滴下して熱検出用部材（１６，１８）の一部が赤外線吸収膜（２５）と重なるように配置する工程と、
を備えたことを特徴とする赤外線センサの製造方法。
赤外線吸収膜（２５）の材料としてカーボンを用いたことを特徴とする請求項３に記載の赤外線センサの製造方法。