JP4779686B2 - Infrared detector - Google Patents
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Description
本発明は、赤外線検出素子に関し、特に、機械的強度の向上、検出感度の向上を可能とする赤外線検出素子に関する。 The present invention relates to an infrared detection element, and more particularly to an infrared detection element that can improve mechanical strength and detection sensitivity.
熱型の赤外線検出素子では、赤外線吸収体を有した薄膜(受光部)にて赤外線を吸収し、一旦、吸収した赤外線を熱に変換した後、受光部と基板との温度差による抵抗変化や起電力などの電気信号に変換して赤外線検出信号の出力として取り出す焦電型、サーモパイル型と呼ばれるものがある。ここで、この受光部と基板との温度差の検出感度を高めるための従来技術として、特許文献1に示す特開平06−137943号公報「熱型赤外線センサ」に記載のような技術が用いられていた。
In a thermal type infrared detection element, infrared rays are absorbed by a thin film (light receiving portion) having an infrared absorber, and once the absorbed infrared rays are converted into heat, a resistance change due to a temperature difference between the light receiving portion and the substrate There is a so-called pyroelectric type or thermopile type which is converted into an electric signal such as an electromotive force and taken out as an output of an infrared detection signal. Here, as a conventional technique for increasing the detection sensitivity of the temperature difference between the light receiving section and the substrate, a technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-137944 “Thermal Infrared Sensor” shown in
該特許文献1の技術は、受光部と基板との熱的な分離を行うために、受光部の周辺部を窒化膜で支えるようにして、受光部と基板との間に中空構造を設けるようにすることにより、赤外線受光による受光部の温度上昇幅を大きくして、赤外線センサとしての感度を上昇させようとするものである。
ところが、このような従来技術では、窒化膜という上下方向の外力に対する剛性が弱い薄い膜によって受光部の周辺部を支えて、中央部が中空状態という構造とされている。このため、受光部の中央部が撓んだり、振動したりといった具合に、機械的な変形が必然的に発生してしまう。この受光部の中央部の変形が大きくなると、受光部が基板に接触したりすることによって、赤外線の受光により受光部で発生していた熱に拡散が生じて、赤外線検出感度が劣化し、さらには、外部の振動の影響によって、検出感度のバラツキが発生したり、ひいては、共振を起こして、赤外線検出素子が破壊してしまうといった問題点があった。 However, in such a conventional technique, the peripheral portion of the light receiving portion is supported by a thin film having a low rigidity against an external force in the vertical direction, which is a nitride film, and the center portion is in a hollow state. For this reason, mechanical deformation inevitably occurs such that the central portion of the light receiving portion is bent or vibrated. When the deformation of the central portion of the light receiving unit increases, the light receiving unit comes into contact with the substrate, causing diffusion of heat generated in the light receiving unit due to the reception of infrared rays, which deteriorates the infrared detection sensitivity. However, there has been a problem in that the detection sensitivity varies due to the influence of external vibrations, and as a result, the infrared detection element is destroyed due to resonance.
本発明は、以上のような問題に鑑みてなされたものであり、外力に対する剛性が高く、かつ、赤外線検出感度が良好な赤外線検出素子を実現することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize an infrared detection element having high rigidity against external force and good infrared detection sensitivity.
本発明は、前述の課題を解決するために、赤外線吸収部と基板との間を離隔して形成させるために、温度検出手段をそれぞれに内蔵した3本以上の梁をあらかじめ定めた傾斜角度を持って斜めに基板から立設して、赤外線吸収部に当接させるとともに、3本以上の梁が立設される冷点接続部を基板上で一直線上に並ぶことがない位置に配置することを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a predetermined inclination angle of three or more beams each incorporating a temperature detecting means in order to form the infrared absorbing portion and the substrate apart from each other. Hold it diagonally from the substrate and abut against the infrared absorption part, and place the cold spot connection part where three or more beams are erected in a position that does not line up on the board. It is characterized by.
本発明の赤外線検出素子によれば、赤外線吸収部(受光部)と基板との間を離隔して形成させるために、温度検出手段をそれぞれに内蔵した3本以上の梁をあらかじめ定めた傾斜角度を持って斜めに基板から立設して、赤外線吸収部に当接させるとともに、3本以上の梁が立設される冷点接続部を基板上で一直線上に並ぶことがない位置に配置することとしているので、以下のごとき効果を奏することができる。 According to the infrared detecting element of the present invention, in order to form the infrared absorbing part (light receiving part) and the substrate apart from each other, a predetermined inclination angle is set for three or more beams each incorporating temperature detecting means. Standing from the substrate diagonally with the handle, it is brought into contact with the infrared absorbing portion, and the cold spot connection portion where three or more beams are erected is arranged at a position where it is not aligned on the substrate. Therefore, the following effects can be achieved.
すなわち、基板に対して上下方向の外力が加わった場合には、構造上、梁の曲げや捻りに比べて、最も変形しにくい梁の長手方向の軸方向に力が掛かることになるので、梁の変形が生じることがなく、赤外線吸収部(受光部)と基板との間の位置関係をほぼそのまま維持することが出来る。一方、基板平面に平行に外力が加わった場合であっても、梁を一直線上に配置していないので、いずれの方向に対しても、変形を抑制することが出来る。その結果、変形がほとんどなく、剛性が高い赤外線検出素子を実現することが出来、かつ、温度検出手段を内蔵した針を斜めに立設させているので、梁の長さに応じて検出感度の向上も図ることが可能となる。 In other words, when an external force in the vertical direction is applied to the substrate, the force is applied in the longitudinal axial direction of the beam, which is the most difficult to deform compared to bending and twisting of the beam. Therefore, the positional relationship between the infrared absorbing portion (light receiving portion) and the substrate can be maintained almost as it is. On the other hand, even when an external force is applied parallel to the substrate plane, the beams are not arranged in a straight line, so that deformation can be suppressed in any direction. As a result, it is possible to realize an infrared detecting element with almost no deformation and high rigidity, and since the needle with the built-in temperature detecting means is set up obliquely, the detection sensitivity can be increased according to the length of the beam. Improvements can also be achieved.
以下に、本発明による赤外線検出素子の最良の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 The best mode of the infrared detection element according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
まず、本発明による赤外線検出素子の構造について、その一例を説明する。図1は、本発明による赤外線検出素子の構造の一例を示す模式図である。図1(A)が、本発明による赤外線検出素子10を斜め上から眺めた斜視図であり、図1(B)が、本発明による赤外線検出素子10を赤外線吸収部(受光部)3の上方向から眺めた平面図であり、図1(C)が、本発明による赤外線検出素子10を図1(B)の平面のM−M’面で切断した際の断面形状を示す断面図である。
(First embodiment)
First, an example of the structure of the infrared detection element according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the structure of an infrared detection element according to the present invention. FIG. 1A is a perspective view of the
以下、図1にしたがって、本実施形態における赤外線検出素子10の構造について詳細に説明する。
Hereinafter, the structure of the
図1(A)の斜視図に示すように、赤外線検出素子10は、Siなどからなる基板1の上に、温度検出部であるサーモパイルを内蔵し、高さ方向にあらかじめ定めた傾斜角度で斜めに立設した複数(図1の例では4本)の直方体形状の梁2を形成している。さらに、これらの複数の梁2の上部が当接する位置に赤外線を受光して吸収する赤外線吸収部3を形成し、赤外線吸収部3を複数の梁2で支える構成とされている。ここで、基板1と梁2との接合部分を冷点接続部4、赤外線吸収部3と梁2との接合部分を温点接続部5と称する。
As shown in the perspective view of FIG. 1A, the
かくのごとく、赤外線吸収部3は、梁2によって支えられて、基板1から離隔した中空構造を形成しており、基板1とは熱的に分離された構造とされている。さらに、赤外線吸収部3上における温点接続部5と基板1上における冷点接続部4とが、正多角錐(図1の例では正四角錘)の各頂点を形成するような構造とされている。ここで、基板1上の冷点接続部4により形成される多角形の重心位置(すなわち、図1の場合、基板1上の冷点接続部4により形成される正多角形の重心位置)は、基板1の重心位置と一致するように配置されており、更に剛性を高めた構造とされている。
As described above, the infrared absorbing
また、図1(B)に示すように、直方体形状の4本の梁2は、その延長線が互いに直交するような位置に配置されており、梁2それぞれが正四角錘の辺を形成するように、それぞれの角度が90°の等間隔とされて向き合った状態に配置されることになる。なお、一般に、複数の梁2を配置している場合には、正多角錐を形成するように、それぞれの配置角度が等間隔に配置された状態になっている。
Further, as shown in FIG. 1B, the four
また、M−M’面の断面形状を示す図1(C)の断面図に示すように、直方体形状の4本の梁2は、正四角錘の辺を形成しているので、梁2と赤外線吸収部3の鉛直方向の直線となす角度は、すべて角度θとして一定とされている。
In addition, as shown in the cross-sectional view of FIG. 1C showing the cross-sectional shape of the MM ′ plane, the four
このような構造を有する赤外線検出素子10の効果について、次の図2を用いて説明する。図2は、図1に示す赤外線検出素子10への外力に対する作用を説明するための説明図であり、図1(C)の断面図を用いて説明している。
The effect of the infrared detecting
一般に、中空構造を有する赤外線検出素子では、外部から衝撃や加速度が加わった場合に、必然的に曲げや撓みといった変形を伴う。特に、半導体微細加工を用いた構造物の場合、基板の高さ方向は、一般に薄く、せいぜい数μmの高さであり、基板の平面方向に比べて十分に薄い構造とされている。これは、赤外線検出素子が、基板垂直方向について、変形しやすい、つまり、弱い構造であることを示している。 In general, an infrared detecting element having a hollow structure inevitably undergoes deformation such as bending or bending when an impact or acceleration is applied from the outside. In particular, in the case of a structure using semiconductor micromachining, the height direction of the substrate is generally thin and at most several μm in height, and is sufficiently thin compared to the planar direction of the substrate. This indicates that the infrared detection element is easily deformed in the vertical direction of the substrate, that is, has a weak structure.
しかし、本発明による赤外線検出素子10においては、図2に示すように、基板1上にあらかじめ定めた傾斜角度θを持って斜めに立設させた梁2は、直方体形状を成しており、当該梁2の厚さ(数μm)に比べて、十分に長い寸法(数十μm以上)とされている。さらに、赤外線検出素子10では、図1に示したように、傾きを持つ4本の梁2が、正四角錘を形成するので、基板1の上下方向に対して、衝撃、加速度、振動などの外力が加わった場合であっても、図2の反力ベクトルに示すように、梁2には、曲げやねじりではなく、軸方向に力が加わることになる。ここで、梁2のような直方体形状の構造物の場合は、曲がりはしても長手方向の軸方向には非常に強い剛性を有している。
However, in the
したがって、上下方向の外力に対して機械的な剛性が強く変形しにくい梁構造を有する赤外線検出素子として形成することが出来、信頼性の高い赤外線検出素子を実現することが出来る。 Therefore, it can be formed as an infrared detection element having a beam structure that has high mechanical rigidity against an external force in the vertical direction and is difficult to be deformed, and a highly reliable infrared detection element can be realized.
また、基板1の横方向すなわち平面方向に衝撃や加速度などの外力が加わった場合についても、梁2が正四角錘を形成しているので、如何なる方向から外力が加わったとしても、ほとんどが梁2の軸方向の力に転化することが出来、結果として、機械的強度が強い梁構造を有する赤外線検出素子となり、信頼性の高い赤外線検出素子を実現することが出来る。
Even when an external force such as an impact or acceleration is applied in the lateral direction of the
なお、図1(C)に示した傾斜角度θについては、上下、平面方向全ての外力に対して強くするために、例えば、30°〜60°の範囲であることが望ましい。 Note that the inclination angle θ shown in FIG. 1C is preferably in the range of 30 ° to 60 °, for example, in order to strengthen against all external forces in the vertical and planar directions.
次に、赤外線検出素子10の機能について、図3に示す平面図を用いて説明する。図3は、図1に示す赤外線検出素子10の赤外線吸収部3を取り除いて上方向から眺めた平面図であり、赤外線検出素子10の内部構造を示している。
Next, the function of the infrared detecting
前述したように、梁2の内部には、温点接続部5と冷点接続部4との温度差を検出する温度検出手段となるサーモパイルが内蔵されている。このサーモパイルは、P型ポリシリコン21と、N型ポリシリコン22とから成っており、複数の梁2それぞれには、P型ポリシリコン21とN型ポリシリコン22とのいずれかのポリシリコンが内蔵されている。図3に示すように、各梁2に内蔵されている複数のP型ポリシリコン21とN型ポリシリコン22とは、それぞれのコンタクト23,24を通じて、配線25によって、P,N,P,N,…の順に直列に接続されている。
As described above, a thermopile serving as a temperature detecting means for detecting a temperature difference between the hot
このような赤外線検出素子10の赤外線吸収部3に上方から赤外線が入射すると、赤外線吸収部3が赤外線を吸収して発熱する。この発熱によって、温点接続部5の温度が上昇し、温点接続部5と冷点接続部4との間で温度差が生じる。この温度差が、梁2に内蔵されたサーモパイルによって検出されて、出力P端子26と出力N端子27との電位差として出力される。
When infrared rays are incident on the infrared absorbing
この温点接続部5と冷点接続部4との間の温度差が大きいほど、出力P端子26と出力N端子27とから出力される出力値が上昇し、赤外線検出素子10が検出感度の良い素子となる。温度差を大きくするには、赤外線吸収部3で赤外線を吸収した熱量が梁2を伝わって、基板1へ逃げる量を減らせば良い。つまり、梁2の熱抵抗を上昇させれば良い。ここで、図1に示すように、赤外線検出素子10においては、梁2が基板1と赤外線吸収部3との間で高さ方向に傾斜角度θを持って形成されている。
The greater the temperature difference between the hot
したがって、直方体形状の長手方向を斜めに傾斜させて立設した梁2の構造は、例えば前述した既存技術のように、窒化膜として基板1と赤外線吸収部3との平面上に横方向に形成されている薄い膜構造の場合よりも、温点接続部5と冷点接続部4との間の距離をより長く離隔して形成することができるので、梁2の熱抵抗が大きくなり、温点接続部5と冷点接続部4との間の温度差を大きくし、検出感度を上昇させることができる。また、機械的強度についても、薄い膜構造に比し、格段に強い構造とすることができる。
Therefore, the structure of the
さらに、赤外線吸収部3は、梁2の上方に形成されているので、開口率をほぼ100%に保つことができ、入射してくる赤外線を感度良く吸収することができる。
Furthermore, since the infrared
なお、図1に示す実施形態では、基板1上の正四角形を形成する位置に4本の梁2の冷点接続部4を配置し、梁2それぞれの軸線が赤外線吸収部3上の1点で交わり、1つの温点接続部5を形成する例を示したが、本発明は、かかる場合に限るものではない。例えば、梁3は少なくとも3本あれば良く、3本以上複数本の梁2を配置するようにしても良い。これに伴い、基板1上の冷点接続部4を少なくとも3個あれば良いことになる。
In the embodiment shown in FIG. 1, the cold
また、温点接続部5についても、少なくとも1個あれば良く、複数存在していてもかまわない。温点接続部5が複数存在する場合は、冷点接続部4それぞれから傾斜角度を持って立設される梁2それぞれの軸線が、温点接続部5それぞれを通って延長した1点において、1つの交点を結び、該交点と冷点接続部4とで、正多角錐の頂点を形成するようにすれば、剛性が高い形状とすることができる。
Further, the hot
さらには、基板1上の正多角形を形成する位置に複数本の梁2の冷点接続部4を配置するような場合のみに限るものではなく、赤外線検出素子10の剛性の強度が許容範囲に収まっている限り、一直線上に配置されない限り、如何なる位置に配置しても良い。
Furthermore, the present invention is not limited to the case where the cold
次に、図1に示した本実施形態の赤外線検出素子10を製造する製造方法について、図4〜図12に示す工程図を用いて以下説明する。ここで、図4〜図12の各図面は、それぞれ、赤外線検出素子10を製造する第1〜第9の製造工程の一例を示す工程図であり、各図面の(A)は平面図を、(B)は断面図を示している。
Next, a manufacturing method for manufacturing the infrared detecting
まず、図4に示す第1の製造工程においては、Si基板1の上にSiO2やポリイミドなどの犠牲層101を堆積し、例えばグレースケール露光、ハーフトーン露光と称される、レジストの露光量の濃淡により、エッチング量を連続的に変化させることにより、図4(B)のように、犠牲層101を、傾斜面を有する台形状(4角錐の頂点部分を底面と平行な平面で切断した形状)に形成する。なお、図4(B)は、図4(A)の平面図のN−N’面で切断した断面を示す断面図である。
First, in the first manufacturing process shown in FIG. 4, a
次に、図5に示す第2の製造工程においては、台形形状の犠牲層101の上にポリシリコン(poly Si)層102をLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition:低圧化学的気相成長法)などにより堆積する。なお、図5(B)は、図5(A)の平面図のN−N’面で切断した断面を示す断面図である。
Next, in the second manufacturing process shown in FIG. 5, a polysilicon (poly Si)
次に、図6に示す第3の製造工程においては、図6(B)に示すように、レジスト104−1をポリシリコン層102の上に堆積して平坦化した後、その上にSiO2膜105−1を堆積する。その後、再び、レジスト106−1を堆積する。
Next, in the third manufacturing process shown in FIG. 6, as shown in FIG. 6B, a resist 104-1 is deposited on the
しかる後、図6(B)に示すように、レジスト106−1を露光して、あらかじめ定めた所定の部位(図6(B)の左右方向の中央部)をパターニングした後、その形状をSiO2膜105−1にRIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)などにより転写する。なお、図6(B)は、図6(A)の平面図のN−N’面で切断した断面を示す断面図である。 Thereafter, as shown in FIG. 6B, the resist 106-1 is exposed to pattern a predetermined portion (a central portion in the left-right direction in FIG. 6B), and then the shape is changed to SiO. The two films 105-1 are transferred by RIE (Reactive Ion Etching) or the like. FIG. 6B is a cross-sectional view showing a cross section cut along the NN ′ plane in the plan view of FIG.
そして、さらに、レジスト104−1にも転写して、該所定の部位のポリシリコン層102を露出させる。次いで、露出させたポリシリコン層102にボロンイオンを注入し(Bインプラ:B Implantation)、P型ポリシリコン層107を形成する。このように、多層のレジストを用いることによって、斜めに傾斜したポリシリコン層102上であっても、平坦化された最上部のレジスト106−1の解像度の精度でパターニングすることができる。
Further, the resist layer 104-1 is also transferred to expose the
次の図7に示す第4の製造工程においても、図6に示した第3の製造工程と同様に、多層のレジストを用いる。なお、図7(B)は、図7(A)の平面図のM−M’面で切断した断面を示す断面図である。 In the fourth manufacturing process shown in FIG. 7 as well, a multilayer resist is used as in the third manufacturing process shown in FIG. Note that FIG. 7B is a cross-sectional view illustrating a cross section cut along a plane M-M ′ in the plan view of FIG.
図6の場合と同様に、まず、レジスト104−2をポリシリコン層102の上に堆積して平坦化した後、その上にSiO2膜105−2を堆積する。その後、再び、レジスト106−2を堆積する。しかる後、図7(B)に示すように、レジスト106−2を露光して、あらかじめ定めた所定の部位(図7(B)の中央部を除く左右部分)をパターニングした後、その形状をSiO2膜105−2にRIEなどにより転写する。さらに、レジスト104−2にも転写して、該所定の部位のポリシリコン層102を露出させる。しかる後、露出させたポリシリコン層102にリンイオンを注入し(Pインプラ:P Implantation)、N型ポリシリコン層108を形成する。
As in the case of FIG. 6, first, a resist 104-2 is deposited on the
次に、図8に示す第5の製造工程においては、第3、第4の製造工程で用いた多層のレジストを用いてパターニングした方法と同じ方法を用いて、P型ポリシリコン層107とN型ポリシリコン層108とをエッチングして、P型ポリシリコン21と、N型ポリシリコン22とを形成する。なお、図8(B)は、図8(A)の平面図のM−M’面で切断した断面を示す断面図である。
Next, in the fifth manufacturing process shown in FIG. 8, the P-
次に、図9に示す第6の製造工程においては、図9(B)に示すように、P型ポリシリコン21、N型ポリシリコン22、犠牲層101の上に、SiO2膜109を堆積し、周辺部分をエッチバックする。なお、図9(B)は、図9(A)の平面図のM−M’面で切断した断面を示す断面図である。
Next, in the sixth manufacturing process shown in FIG. 9, a SiO 2 film 109 is deposited on the P-
次に、図10に示す第7の製造工程においては、図10(A)に示すように、コンタクト23,24、および、出力P端子26、出力N端子27を形成し、その後、P型ポリシリコン21とN型ポリシリコン22とを配線25を通じて直列に接続する。なお、図10(B)は、図10(A)の平面図のM−M’面で切断した断面を示す断面図である。
Next, in the seventh manufacturing process shown in FIG. 10, as shown in FIG. 10A,
次に、図11に示す第8の製造工程においては、図11(B)に示すように、SiO2膜109上にSiN膜、金黒膜などからなる赤外線吸収部3を形成する。なお、図11(B)は、図11(A)の平面図のM−M’面で切断した断面を示す断面図である。
Next, in the eighth manufacturing step shown in FIG. 11, as shown in FIG. 11B, the infrared absorbing
次に、図12に示す第9の製造工程においては、犠牲層101、SiO2膜109を除去することにより、宙に浮いた状態の赤外線吸収部3を、あらかじめ定めた傾斜角度を持って基板1から斜めに立設した梁2(すなわち、P型ポリシリコン21、N型ポリシリコン22)で支えて、基板1と赤外線吸収部3とを離隔させた中空構造の赤外線検出素子10を形成することができる。
Next, in the ninth manufacturing process shown in FIG. 12, the
このような製造方法によって、衝撃が上下左右いずれの方向から加わった時においても、剛性の非常に高い赤外線検出素子10を製造することが出来る。
With such a manufacturing method, the
なお、図1や図11、図12に例示した赤外線吸収部3の形状は、かかる場合のみに限定するものではなく、赤外線に対する開口率を100%として吸収した赤外線による温度差を、梁2に内蔵したサーモパイルによって効率良く抽出可能であれば如何なる形状であっても構わない。
In addition, the shape of the
また、梁2の本数についても、前述したように、4本に限るものではなく、3本以上であれば如何なる本数であっても構わないし、また、梁2を配置する基板1上の冷点接続部4の位置についても、正方形や正多角形を形成する場合のみに限るものではなく、赤外線検出素子10の剛性の強度が許容範囲に収まっている限り、一直線上に配置されない限り、如何なる位置に配置しても良い。
Further, the number of
また、梁2により支える赤外線吸収部3上の温点接続部5の位置についても、如何なる位置で支えるようにしても構わないが、安定した状態で支えるためには、図1に例示するように、複数の梁2が温点接続部5の重心位置の1点に集中する形式で支えるようにしても良いし、赤外線吸収部3から梁2の軸線を延長した線上に頂点を有する正多角錐を形成する複数の温点接続部5で支える(例えば、複数の温点接続部5は正多角形を形成する)ようにしても良い。ここで、赤外線吸収部3自体の剛性をより強くして変形しにくくするためには、複数の温点接続部5は赤外線吸収部3の周辺部に配置されるようにした方が望ましい。
Further, the position of the hot
また、温度検出手段としてサーモパイルを用いた熱型の赤外線検出素子10を例にとって説明したが、ボロメータや焦電型の温度検出手段を用いた赤外線検出素子であっても良く、直方体形状の梁2の長手方向によって受光部すなわち赤外線吸収部3が基板1から離隔して中空状態にされ、熱分離された構造の熱型赤外線検出素子であれば、いかなる形態であっても好適に適用することができる。
Further, although the thermal
本実施形態で説明したように、梁2を基板1から斜めに傾斜させて立設する構造としているので、梁2の熱抵抗を拡大することができ、赤外線吸収部3で発熱した熱量が、基板1側に逃げてしまう危険性を、より減少させることができ、赤外線の検出感度をより向上させることができる。
As described in the present embodiment, since the
図13は、梁2を配置する基板1上の冷点接続部4の位置についてのバリエーションの一例を示す赤外線検出素子の構造を説明するための説明図であり、バリエーション1,2,3の3種類を例示している。ここで、図13(A)は平面図、図13(B)は赤外線吸収部3を除いて眺めたときの斜視図を示している。図13(A)に示すように、梁2は、3本や4本で形成されていても良いし、さらに多くの本数で形成されていても良い。また、図13(B)に示すように、梁2が正三角錐や正四角錘などの正多角錘の辺を形成する構造となっていれば良い。
FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining the structure of the infrared detection element showing an example of a variation of the position of the cold
ただし、前述したように、赤外線吸収部3上に正三角錐や正四角錘などの正多角錘の頂点となる1点のみの温点接続部5が形成されるようにしなくても良く、赤外線吸収部3上に温点接続部5も複数存在するようにしても構わない。温点接続部5が複数存在する場合には、温点接続部5と冷点接続部4とを結ぶ梁2の軸線の延長線が、1点で交わり、正三角錐や正四角錘などの正多角錘を形成する構造となっていれば良い。
However, as described above, it is not necessary to form only one hot-
なお、前述したように、本実施形態における赤外線検出素子10は、複数の梁2が正多角錐の辺(または、辺の一部)を形成する場合のみに限るものではなく、赤外線検出素子10の剛性の強度が許容範囲に収まっている限り、基板1上の冷点接続部4や赤外線吸収部3上の温点接続部5がそれぞれで一直線上に並ばない配置にして、少なくとも3本の梁2を形成するようにすれば、如何なる配置であっても良いものとしている。
As described above, the
以上に詳細に説明したように、本発明の赤外線検出素子10によれば、赤外線吸収部(受光部)3と基板1との間を離隔して形成させるために3個以上の梁2をあらかじめ定めた傾斜角度θを持って基板1から斜めに立設して、赤外線吸収部3を支えるとともに、3個以上の梁2を基板1上で一直線上に並ぶことがない位置に配置することとしている。
As described in detail above, according to the infrared detecting
したがって、基板1に対して上下方向の外力が加わった場合、構造上、梁の曲げや捩れに比べて、最も変形しにくい梁2の長手方向の軸方向に力が掛かることになり、梁の変形が生じることがなく、赤外線吸収部(受光部)3と基板1との間の位置関係をほぼそのまま維持することが出来る。一方、基板1平面に平行な外力が加わった場合であっても、梁2を一直線上に配置していないので、いずれの方向に対しても、変形を抑制することが出来る。その結果、変形がほとんどなく、剛性が高い赤外線検出素子10を実現することが出来、かつ、斜めに立設させた梁2の長さに応じて検出感度の向上も図ることが可能となる。
Therefore, when an external force is applied to the
さらに、それぞれ梁2の軸線が正多角錘の辺を形成することも可能であるので、部分的に剛性が弱い部位が存在しなくなる。その結果、変形が少なく剛性の高い梁2を形成することが出来、機械的な強度を有する赤外線検出素子10を実現することが出来る。さらに、梁2は立体的にかつ斜めに形成しているので、赤外線吸収部3上に平面的に横方向に形成されている薄い膜構造の従来例よりも、赤外線吸収部3と基板1間の熱伝導距離を長くすることが出来る。この結果、梁の熱抵抗が上昇することになり、前述のごとく、赤外線吸収部(受光部)3の温度が赤外線の吸収により上昇し易くなり、赤外線の検出感度を向上させることが出来る。
Furthermore, since the axis of each
(第2の実施形態)
次に、本発明による赤外線検出素子の第2の実施形態について説明する。本実施形態においては、前述した第1の実施形態とは異なり、少なくとも3本の梁2によって支えられる支点となる赤外線吸収部3上の温点接続部5が、赤外線吸収部3の重心の1点に集中して、正多角錐の頂点を形成するのではなく、少なくとも2つの支点で赤外線吸収部3を支える場合であり、少なくとも2つの温点接続部5は、赤外線吸収部3の重心を中心とする同一半径の円周上に形成されている場合を例示するものである。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the infrared detection element according to the present invention will be described. In the present embodiment, unlike the first embodiment described above, the hot
図14は、本発明による赤外線検出素子の構造の図1とは異なる例を示す模式図である。図14(A)が、本発明による赤外線検出素子10Aを斜め上から眺めた斜視図であり、図14(B)が、本発明による赤外線検出素子10Aを赤外線吸収部(受光部)3の上方向から眺めた平面図であり、図14(C)が、本発明による赤外線検出素子10Aを図14(B)の平面のM−M’面で切断した際の断面形状を示す断面図である。
FIG. 14 is a schematic diagram showing an example different from FIG. 1 of the structure of the infrared detection element according to the present invention. FIG. 14A is a perspective view of the
図14(B)の平面図に示すように、赤外線吸収部3上に複数個存在している温点接続部5は、赤外線吸収部3の重心を中心とした同一半径の円の円周上に位置している。
As shown in the plan view of FIG. 14B, a plurality of hot
なお、赤外線検出素子10Aの構成材料、および、その製造方法は第1の実施形態の場合と同一でかまわないので、ここでのさらなる説明は省略する。
The constituent material of the
この結果、特に、上下方向の外力が加わった場合に、赤外線吸収部3が梁2によって対称的な位置を均等に支えられるので、曲げや撓みの力を受けにくくなり、赤外線吸収部3の変形を小さくすることができる。
As a result, in particular, when an external force in the vertical direction is applied, the infrared absorbing
ただし、本実施形態においても、赤外線吸収部3の重心を中心とする円周上に温点接続部5が形成されるようにしなくても良く、少なくとも3本の梁2をグループとしてそれぞれのグループにおける梁2によって形成される赤外線吸収部3の温点接続部5が複数存在しているようにしても構わない。それぞれのグループに温点接続部5が複数存在する場合には、それぞれのグループの複数の温点接続部5の重心位置、または、それぞれのグループの複数の温点接続部5同士を結ぶ直線の中心位置が、赤外線吸収部3の重心を中心とする円周上に配置される構造となっていれば良い。
However, also in the present embodiment, the hot
以上のように、本実施形態によれば、赤外線吸収部3を複数の温点接続部5で支える形態であるので、赤外線吸収部3自身の撓みを抑制することが出来る。さらに、赤外線吸収部3の重心を中心とした同一半径の円の円周上に支持点が存在しているので、それぞれの梁2が均等に赤外線吸収部3を支持するため、赤外線吸収部3だけが傾いて基板1に接触することを防ぐことも出来る。
As described above, according to the present embodiment, since the infrared absorbing
(第3の実施形態)
次に、本発明による赤外線検出素子の第3の実施形態について説明する。本実施形態においては、前述した第1、第2の実施形態とは異なり、基板1上の少なくとも3個の冷点接続部4それぞれから斜めに立設した少なくとも3本の梁2と、梁2によって支えられる赤外線吸収部3上の少なくとも1つの温点接続部5と、梁2に内蔵され、温点接続部5と冷点接続部4との温度差を検出する温度検出手段とを少なくとも備えたグループを複数個備える赤外線検出素子の場合を例示するものである。ここで、複数のグループの配置位置は、基板1や赤外線吸収部3の重心位置からの線分に対して線対称の位置になっていることが望ましいが、これに限るものではなく、一直線上に並ぶ配置にならなければ、如何なる位置に配置するようにしても構わない。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the infrared detecting element according to the present invention will be described. In the present embodiment, unlike the first and second embodiments described above, at least three
図15は、本発明による赤外線検出素子の構造の図1とはさらに異なる例を示す平面図であり、本実施形態の一例として赤外線吸収部3を除いて梁2の配置例の2つのケースについて、上方向から眺めた場合の平面図を用いて示している。図15(A)に示す赤外線検出素子10B、図15(B)に示す赤外線検出素子10Cのいずれも、第1グループから第4グループまでの4つのグループからなっている場合を示している。
FIG. 15 is a plan view showing an example different from FIG. 1 of the structure of the infrared detection element according to the present invention. As an example of this embodiment, two cases of arrangement examples of the
ここで、図15(A)に示す赤外線検出素子10Bの場合は、4つのグループそれぞれについて、4本の梁2からなっており、4個の冷点接続部4が基板1上に配置され、一方、赤外線吸収部3には、1個の温点接続部5が形成されている。また、図15(B)に示す赤外線検出素子10Cの場合は、4つのグループそれぞれについて、3本の梁2からなっており、3個の冷点接続部4が基板1上に配置され、一方、赤外線吸収部3には、1個の温点接続部5が形成されている。
Here, in the case of the
本実施形態における赤外線検出素子の構造について、さらに異なる例について説明する。図16は、図15に例示した本実施形態の赤外線検出素子の構造のさらに異なる例を示す模式図であり、図15(B)の赤外線検出素子10Cの構造と同様に、第1グループから第4グループまでの4つのグループからなっていて、それぞれのグループについては、3本の梁2からなっているものの、それぞれのグループの配置位置が、図15(B)の赤外線検出素子10Cとは異なっている例を示している。すなわち、図15(B)の赤外線検出素子10Cの構造とは異なり、図16の赤外線検出素子10Dは、それぞれのグループが基板1および赤外線吸収部3の4隅近傍に配置されており、それぞれのグループについては、図15(B)の赤外線検出素子10Cの場合と同様に、3個の冷点接続部4が基板1上に配置され、一方、赤外線吸収部3には、1個の温点接続部5が形成されている。
Another example of the structure of the infrared detecting element in the present embodiment will be described. FIG. 16 is a schematic diagram showing still another example of the structure of the infrared detection element of the present embodiment illustrated in FIG. 15, and the first group is similar to the structure of the
ここで、図16(A)が、本発明による赤外線検出素子10Dを斜め上から眺めた斜視図であり、図16(B)が、本発明による赤外線検出素子10Dを赤外線吸収部(受光部)3の上方向から眺めた平面図であり、図16(C)が、本発明による赤外線検出素子10Dを図16(B)の平面のN−N’面から矢視した断面図である。
Here, FIG. 16 (A) is a perspective view of the
図16(A)の斜視図に示すように、赤外線検出素子10Dの構造は、それぞれのグループについて、基板1上の冷点接続部4から赤外線吸収部3の温点接続部5に向かって延びる梁2が、それぞれのグループの温点接続部5を頂点とした正多角錘(図16の例では正三角錐)を形成した構造となっている。さらに、それぞれのグループの基板1上の冷点接続部4の重心位置は、基板1の重心からの線分に対して線対称の位置に配置されており、正多角形(図16の例では正四角形)を形成している。一方、赤外線吸収部3の温点接続部5も、赤外線吸収部3の重心からの線分に対して線対称の位置に配置されており、正多角形(図16の例では正四角形)を形成している。
As shown in the perspective view of FIG. 16A, the structure of the infrared detecting
本実施形態の赤外線検出素子10B,10C,10Dの構造のように、少なくとも3本の梁2と少なくとも1個の温点接続部と少なくとも3個の冷点接続部と梁2に内蔵した温度検出手段とを備えたグループを複数個形成することとし、それぞれのグループについて、梁2それぞれをあらかじめ定めた傾斜角度で基板1上の冷点接続部4から斜めに立設させて、当該グループに属する温点接続部5に当接させることにより、赤外線吸収部3上の温点接続部5が頂点となった正多角錐(本実施形態で例示した赤外線検出素子10Bの場合は、正四角錘、赤外線検出素子10C,10Dの場合は、正三角錘)を形成している。この結果、全体の梁構造も、個々のグループの強い正多角錘の集合となり、全体として、非常に剛性の高い赤外線検出素子を実現することができる。
As in the structure of the
なお、前述のように、赤外線吸収部3上には、それぞれのグループごとに、正三角錐や正四角錘などの正多角錘の頂点となる1点の温点接続部5が形成されるようにしても良いし、それぞれのグループごとに、赤外線吸収部3上に温点接続部5も複数存在するようにしても構わない。それぞれのグループごとに、温点接続部5が複数存在する場合には、温点接続部5と冷点接続部4とを結ぶ梁2の軸線の延長線が、1点で交わり、正三角錐や正四角錘などの正多角錘を形成する構造となっていれば良い。
As described above, a single hot
また、各グループに属するそれぞれの温点接続部5により形成される多角形の重心位置、または、各グループに属するそれぞれの温点接続部5を結ぶ直線の中心位置が、赤外線吸収部3の重心を中心とした同一半径の円の円周上に配置されているようにしても良い。
Further, the center of gravity of the polygon formed by the respective hot
ただし、第1の実施形態で説明した場合と同様に、本実施形態における赤外線検出素子10B,10C,10Dについても、それぞれのグループごとに、複数の梁2が正多角錐の辺(または、辺の一部)を形成する場合のみに限るものではなく、赤外線検出素子10B,10C,10Dの剛性の強度が許容範囲に収まっている限り、基板1上の冷点接続部4や赤外線吸収部3上の温点接続部5がそれぞれで一直線上に並ばない配置とされるように、すなわち、各グループそれぞれの冷点接続部4により形成される多角形の重心位置が、基板1上の一直線上に配置されないように、各グループの少なくとも3本の梁2を配置するようにすれば、如何なる配置であっても良いものとしている。
However, similarly to the case described in the first embodiment, in the
なお、基板1上に配置した各グループそれぞれの冷点接続部4により形成される多角形それぞれの重心位置を結んで形成した多角形の重心位置、または、基板1上の各グループそれぞれの冷点接続部4により形成される多角形の重心位置を結ぶ直線の中心位置が、基板1の重心位置と一致するように配置すれば、更に剛性が強い構造とすることができる。
It should be noted that the polygon gravity center position formed by connecting the respective gravity center positions of the polygons formed by the cold
また、赤外線検出素子10B,10C,10Dの構成材料、および、その製造方法は第1の実施形態の場合と同一で構わないので、ここでのさらなる説明は省略する。
Further, since the constituent materials of the
以上のように、本実施形態においては、それぞれのグループごとの支持部分である温点接続部5を頂点として、そこから伸びる梁2を辺とした正多角錘などのグループが複数形成されるので、それぞれのグループの支持部分においても剛性が高い構造であり、赤外線検出素子10B,10C,10D全体としても、剛性の高い赤外線検出そしを作成することが出来る。
As described above, in the present embodiment, a plurality of groups such as a regular polygonal pyramid having the hot
(第4の実施形態)
次に、本発明による赤外線検出素子の第4の実施形態について説明する。本実施形態においては、前述した第1から第3の実施形態とは異なり、基板1上の少なくとも2個の冷点接続部4それぞれから斜めに立設した少なくとも2本の梁2と、梁2によって支えられる赤外線吸収部3上の少なくとも1つの温点接続部5と、梁2に内蔵され、温点接続部5と冷点接続部4との温度差を検出する温度検出手段とを少なくとも備えたグループを複数個備える赤外線検出素子の場合を例示するものである。更に言えば、各グループについて、少なくとも1つの温点接続部5を形成するための複数の梁2の中線を考えたとき、各温点接続部5を形成するそれぞれの梁2の中線を赤外線吸収部3の面上に投影した直線は、赤外線吸収部3の重心から当該温点接続部5へ延長した直線と同一直線上にある場合を例示するものである。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the infrared detection element according to the present invention will be described. In the present embodiment, unlike the first to third embodiments described above, at least two
なお、本実施形態においては、赤外線吸収部3上には、複数の梁2によってそれぞれ少なくとも1つの温点接続部5を形成すれば良く、少なくとも2本ずつの梁2のグループによって温点接続部5を1つずつ形成するようにしても良い。また、本実施形態の特殊ケースとして、赤外線吸収部3の重心の位置にすべてのグループの温点接続部5が集中するようにしても良い。
In this embodiment, at least one hot
また、本実施形態においても、赤外線吸収部3の重心を中心とする同一半径の円の円周上に各グループの1つの温点接続部5が形成されるようにしても良い。あるいは、それぞれのグループにおける梁2によって形成される赤外線吸収部3の温点接続部5が複数存在しているような場合には、各グループそれぞれに属する温点接続部5により形成される多角形の重心位置、または、各グループそれぞれに属する温点接続部5を結ぶ直線の中心位置が、赤外線吸収部3の重心を中心とした同一半径の円の円周上に配置されているようにすれば良い。
Also in the present embodiment, one hot
さらには、それぞれのグループに複数の温点接続部5が存在しているような場合には、各グループそれぞれに属する複数の梁2の軸線を赤外線吸収部3の面上に投影した位置それぞれが、当該グループについて、複数の梁2それぞれの軸線が1点において交わる交点に向かって、赤外線吸収部3の重心から向かう直線を赤外線吸収部3の面上に投影した直線に対して、線対称となる位置に配置するような構造となっていても良い。
Further, when there are a plurality of hot
図17は、本発明による赤外線検出素子の構造のさらに異なる例を示す模式図であり、2本の梁2ずつからなる3つのグループによって赤外線吸収部3上に各グループごとに1個ずつ合計3個の温点接続部5が形成されており、それぞれのグループにおいて、赤外線吸収部3の重心から温点接続部5へ延長した直線に対して、それぞれのグループに属する2本の梁2の軸線を赤外線吸収部3の面上に投影した直線が、線対称の位置に配置されている赤外線検出素子10Eを一例として示している。
FIG. 17 is a schematic view showing still another example of the structure of the infrared detection element according to the present invention. Three groups each including two
ここで、図17(A)が、本発明による赤外線検出素子10Eを斜め上から眺めた斜視図であり、図17(B)が、本発明による赤外線検出素子10Eを赤外線吸収部(受光部)3の上方向から眺めた平面図であり、図17(C)が、本発明による赤外線検出素子10Eを図17(B)の平面のL−L’面から矢視した断面図である。 Here, FIG. 17A is a perspective view of the infrared detection element 10E according to the present invention viewed obliquely from above, and FIG. 17B shows the infrared detection element 10E according to the present invention as an infrared absorption part (light receiving part). 3 is a plan view as viewed from above, and FIG. 17C is a cross-sectional view of the infrared detection element 10E according to the present invention as viewed from the plane LL ′ of the plane of FIG.
図17(A)の斜視図に示すように、本実施形態においては、2本ずつの梁2を有する3つのグループが存在していて、各グループごとに2本ずつの梁2が、基板1の冷点接続部4からあらかじめ定めた所定の傾斜角度で斜めに傾斜して立設されて、赤外線吸収部3上で温点接続部5をそれぞれのグループで1個ずつ合計3個の温点接続部5が形成されている。
As shown in the perspective view of FIG. 17A, in the present embodiment, there are three groups each having two
ここで、図17(B)の平面図に示すように、各グループごとに、1つの温点接続部5を形成する複数の梁2(図17においては2本の梁2)の中線lを考えたとき、3つのグループの各中線lは、赤外線吸収部3の重心位置で交点を結ぶように配置されている。すなわち、平面図で眺めた場合、赤外線吸収部3の重心からそれぞれのグループの温点接続部5へ向かう直線lに対しては、当該グループに属する複数の梁2は、線対称となる位置に配置されているとともに、該重心位置からは等間隔の位置に温点接続部5が配置されている。なお、基板1の冷点接続部4も基板1の重心から等間隔の位置に配置されている。
Here, as shown in the plan view of FIG. 17B, the middle line l of a plurality of beams 2 (two
この結果、温点接続部5と、各グループごとの冷点接続部4の重心位置を集めた合計3つの重心位置とは、正三角錐を形成しており、赤外線検出素子10Eに対して、例えば、上下方向に外力が加わった場合には、梁2の軸方向の力となり、直方体形状の梁2の長手方向の強い剛性によって支えることが出来る。さらに、各温点接続部5には2本以上の複数の梁2が接続されるので、剛性の高い赤外線検出素子10Eとすることが出来る。
As a result, the hot
なお、図17の本実施形態では、3つのグループの場合について説明したが、本発明は、かかる場合のみに限るものではなく、3つ以上の複数のグループから形成するようにしても良い。すなわち、温点接続部5と各グループの冷点接続部4の重心位置とが形成する立体構造は、正三角錐、正四角錘に限定するものではなく、如何なる角数であっても正多角錘であれば良い。さらに、各グループの温点接続部5を形成する梁2の本数は、2本のみに限るものではなく、2本以上の複数の本数であれば良い。
In the present embodiment of FIG. 17, the case of three groups has been described. However, the present invention is not limited to this case, and may be formed from a plurality of three or more groups. That is, the three-dimensional structure formed by the hot
また、基板1上の各グループそれぞれの冷点接続部4により形成される多角形それぞれの重心位置を結んで形成した多角形の重心位置、または、基板1上の各グループそれぞれの冷点接続部4により形成される多角形の重心位置を結ぶ直線の中心位置を、基板1の重心位置と一致するようにすれば、更に剛性が高い構造とすることが出来る。
Further, a polygonal gravity center position formed by connecting the gravity center positions of the polygons formed by the cold
さらに、各グループそれぞれに属する少なくとも2つ冷点接続部4の重心位置それぞれは、基板1上で、正多角形の各頂点の位置に配置され、かつ、各グループについて、あらかじめ定めた傾斜角度を持って立設される梁2それぞれの軸線が、当該グループに属する温点接続部5の1点において、あるいは、当該グループに属する温点接続部5を通って延長した1点において、結んでいる交点に向かって、当該グループの冷点接続部4の重心位置から延長した延長線が、すべてのグループについて、1点において交わった交点と、各グループの冷点接続部4それぞれの重心位置とで、正多角錐の頂点を形成するようにしても良い。
Further, the center of gravity positions of at least two cold
また、各グループに属する複数の温点接続部5が存在する場合、前述したように、それぞれの温点接続部5により形成される多角形の重心位置、または、それぞれの温点接続部5を結ぶ直線の中心位置が、赤外線吸収部3の重心を中心とした同一半径の円の円周上に配置するようにすれば、更に剛性が高い構造とすることが出来る。
Further, when there are a plurality of hot
さらには、第1の実施形態で説明した場合と同様に、本実施形態における赤外線検出素子10Eについても、温点接続部5と各グループの冷点接続部4の重心位置とが、正多角錐の辺(または、辺の一部)を形成する場合のみに限るものではなく、赤外線検出素子10Eの剛性の強度が許容範囲に収まっている限り、基板1上の冷点接続部4が一直線上に並ばない配置とされるように、すなわち、各グループそれぞれの冷点接続部4の重心位置、または、各グループそれぞれの冷点接続部4を結ぶ直線の中心位置が、基板1上の一直線上に配置されないようにすれば、如何なる配置であっても良い。
Furthermore, similarly to the case described in the first embodiment, the infrared detection element 10E in the present embodiment also has a regular polygonal pyramid between the hot
また、赤外線検出素子10Eの構成材料、および、その製造方法は第1の実施形態の場合と同一で構わないので、ここでのさらなる説明は省略する。 Moreover, since the constituent material of the infrared detection element 10E and the manufacturing method thereof may be the same as those in the first embodiment, further description thereof is omitted here.
以上のように、本実施形態においては、各グループごとについて見ると、赤外線吸収部3のそれぞれの支持部分である温点接続部5から伸びる梁2だけでは、非対称であり、特定の方向の外力に対しては弱いが、全てのグループの梁2の軸方向についての合成ベクトルとしては、基板1の上下方向に対しても強い構造となり、赤外線検出素子10E全体としては、剛性が高い構造が得られる。
As described above, in the present embodiment, when viewed for each group, only the
1…基板、2…梁、3…赤外線吸収部、4…冷点接続部、5…温点接続部、10,10A,10B,10C,10D,10E…赤外線検出素子、21…P型ポリシリコン、22…N型ポリシリコン、23,24…コンタクト、25…配線、26…出力P端子、27…出力N端子、101…犠牲層、102…ポリシリコン(poly Si)層、104−1,104−2…レジスト、105−1,105−2…SiO2膜、106−1,106−2…レジスト、107…P型ポリシリコン層、108…N型ポリシリコン層、109…SiO2膜。
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