JP4896515B2 - 赤外線検知素子 - Google Patents

Description

赤外線に対して吸収率の高い金属黒膜を有する赤外線検知素子に関する。

対象物の温度測定などを目的としたセンサとして熱型赤外線センサが一般に知られている。該熱型赤外線センサは、測定対象物から放出される赤外線を吸収し、その赤外線の持つ熱効果によって赤外線検知素子が暖められ、赤外線検知素子温度の上昇によって生ずる電気的性質の変化を検知するものである。そして、赤外線検知素子の一例としてサーモパイルは、シリコン基板にダイヤフラムなどの断熱構造で支持されるよう形成されたメンブレンと、メンブレン上に形成された赤外線吸収膜とを有している。赤外線吸収膜は、メンブレンの吸熱効果を高めるためにその上に形成されるもので、赤外線を熱として検知するのに適した金属の微粒子の集合からなる黒色の膜が用いられ、ＮｉＣｒ膜や白金黒膜さらに金黒膜が知られている。特開２００１−７４５４９には、赤外線の吸収膜として金属黒膜を用いた赤外線検知素子が記載されている。

そして、金属黒膜の中でも特に金黒膜は入射した光を乱反射しながら効率よく熱エネルギーに変換し、赤外線吸収率が９０％以上と高いことから良く利用されている。この金黒膜は、通常適当な低圧の不活性ガス雰囲気中で金を蒸発させ、それをシリコン基板に形成されたメンブレン上に堆積させることにより、微粒子状の金が蒸着堆積した膜として形成される。

特開２００１−７４５４９号公報

微粒子状の金の蒸着膜から構成される金黒膜は、赤外線吸収率が比較的高いが、現実的に赤外線検知素子に採用する場合の赤外線吸収率を十分に保つためには、通常その粒径が数ナノメートルの金の粒子により膜が構成される場合、膜厚全体として３〜５μｍ必要になると考えられる。膜厚を大きくすれば、それに従い赤外線吸収率も高くなるが、同時にメンブレンに対する重量も増すことになる。

そして、メンブレンに対する金黒膜の重量割合が大きくなると、それは赤外線センサ自体の赤外線検知特性も悪化することとなる。このようなことから、メンブレン上に形成される金黒膜の膜厚は、できるだけ薄い方がよく３μｍ以下にすることが望まれる。

本発明は、メンブレン上に形成される赤外線吸収膜の膜厚が３μｍ以下のような薄い場合でも、その赤外線吸収率が高く、赤外線検知特性が良好に保たれる赤外線検知素子を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係わる赤外線検知素子は、シリコン基板のダイヤフラム構造上に形成されたメンブレンと、前記メンブレン上に形成された金属粒子の蒸着物からなる赤外線吸収層とを有する赤外線検知素子であって、前記赤外線吸収層は、前記メンブレン表面上に形成された第１の金属黒膜と、前記第１の金属黒膜上に形成された第２の金属黒膜とを有しており、前記第１の金属黒膜は前記第２の金属黒膜よりも赤外線の透過率が低く反射率が高い膜であることを特徴とする赤外線検知素子。

また、前記第１の金属黒膜のクラスターサイズは、前記第２の金属黒膜のクラスターサイズよりも大きく構成される。

そして、前記第１の金属黒膜の膜厚は１μｍ以下であり、前記第２の金属黒膜の膜厚は２μｍ以下で形成される。

また、前記第１の金属黒膜は、真空度２００Ｐａ〜２７０Ｐａの状態で蒸着形成された金黒膜であり、前記第２の金属黒膜は、真空度３００Ｐａ〜６００Ｐａの状態で蒸着形成された金黒膜である。

本願発明によれば、赤外線吸収膜の上層部では膜を構成する金属黒膜のクラスターサイズが小さいことからクラスター間の空隙の量が増えて赤外線が透過し易く、また下層部（メンブレン側）では膜を構成する金属黒膜のクラスターサイズが大きいことから赤外線が透過し難く反射率が高くなる。すなわち、上層部を通過した赤外線が、下層部では一部は吸収され多くは反射して再度上層部へ戻り、上層部において繰り返し乱反射してそれによって吸収率が高まる。そのため、赤外線吸収膜全体として熱エネルギーへの変換を効率よく行うことができる。そして、クラスターサイズの大きい下層部の第１の金属黒膜８が、メンブレンに接して設けられているので、金属黒膜で吸収した熱エネルギーを効率よくメンブレンに伝えることができる。

このように本発明の赤外線収集膜は、熱エネルギー変換効率の良い膜であることから、同じ熱エネルギー変換効率を達成する場合は従来構造に比べて膜厚を薄くすることができるため、メンブレンに対する赤外線吸収膜の重量を減らすことができ、メンブレンの耐性や素子の赤外線検知特性を良好に保つことができる。

本発明を実現した金黒膜を使用した場合と、従来の構造による金黒膜を使用した場合とで、赤外線吸収率を同一膜厚において比較すると、本発明の方が約２０パーセント向上していることがみられた。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面を参照して説明する。図１は、本発明に係わる赤外線検知素子の断面図である。赤外線検知素子１は、シリコン基板２と、このシリコン基板上に空洞３を介して形成されたシリコン窒化膜からなるメンブレン４と、このメンブレン４上に形成されたアモルファスシリコン層５とを有する。このアモルファスシリコン層５は、その上に設けられる赤外線吸収膜６を蒸着堆積させるときの下地膜として形成されている。

メンブレン４上には、一端が赤外線吸収膜６と接続するよう設けられた複数の熱電部材７が形成されており、赤外線吸収膜６の温度変化として熱変換された入力はこの熱電部材７を介して検出される。

そして、この赤外線吸収膜６は、金属の微粒子を蒸着堆積させた膜であり、第１の金属黒膜８と、この第１の金属黒膜８上に積層された第２の金属黒膜９とから構成される。本実施の形態においては、第１、第２の金属黒膜はともに金黒膜を採用し、第１の金属黒膜８（金黒膜）の膜厚は１μｍであり、第２の金属黒膜９（金黒膜）の膜厚は２μｍである。

また、第１の金属黒膜８（金黒膜）のクラスターサイズは、前記第２の金属黒膜９（金黒膜）のクラスターサイズよりも大きくなるよう形成されている。異なるクラスターサイズの金黒膜を形成は、製造工程において基板の置かれた環境の真空度を変えることにより達成され、第１の金属黒膜８（金黒膜）は、真空度２００Ｐａ〜２７０Ｐａの状態で蒸着形成され、第２の金属黒膜９（金黒膜）は、真空度３００Ｐａ〜６００Ｐａの状態で蒸着形成される。

蒸着により形成した金黒膜は、金の微粒子が堆積した膜になるが、蒸着した微粒子はその蒸着条件によって、ばらばらの状態で堆積したり、いくつかの微粒子がくっつき少し大きめのサイズのかたまりになったりする。本明細書の説明ではこのかたまりをクラスターと呼び、またその大きさをクラスターサイズと定義する。

赤外線吸収膜６をこのような構成にすると、第１の金属黒膜（金黒膜）８よりも第２の金属黒膜（金黒膜）９の方が赤外線透過率が高くなる。従来用いられている真空度５００Ｐａ程度の状態で蒸着形成された金黒膜３μｍでの赤外線の吸収率が約７０パーセントであったのに対し、本発明の構成では、それが約９０パーセントとなった。

すなわち、上層部を通過した赤外線が、下層部では一部は吸収され多くは反射して再度上層部へ戻り、上層部において繰り返し乱反射してそれによって吸収率が高まる。そのため、赤外線吸収膜全体として熱エネルギーへの変換を効率よく行うことができる。そして、クラスターサイズの大きい下層部の第１の金属黒膜８が、メンブレンに接して設けられているので、金属黒膜で吸収した熱エネルギーを効率よくメンブレンに伝えることができる。

このように本発明の赤外線吸収膜は、熱エネルギー変換効率の良い膜であることから、同じ熱エネルギー変換効率を達成する場合は従来構造に比べて膜厚を薄くすることができるため、メンブレンに対する赤外線吸収膜の重量を減らすことができ、メンブレンの耐性や素子の赤外線検知特性を良好に保つことができる。

実現しようとする構造の目的は、赤外線吸収膜６の厚さ方向において赤外線透過率に差が生じるよう、赤外線吸収膜６を構成する金属粒子の厚さ方向のクラスターサイズを変化させ、それにより各クラスター間の空隙の量を変化させることである。

また、上記実施の形態では、明確に第１の膜、第２の膜という２つの層からなるものとして記載したが、２層にこだわることでもなく、３層以上または徐々に構成微粒子の密度が変化する構造だとしても本発明の効果を達成することはできる。

本発明の一実施の形態である赤外線検知素子の断面図である。

符号の説明

１ 赤外線検知素子
２ シリコン基板
３ 空洞
４ メンブレン
５ アモルファスシリコン層
６ 赤外線吸収膜
７ 熱電部材
８ 第１の金属黒膜
９ 第２の金属黒膜

Claims (2)

1. シリコン基板のダイヤフラム構造上に形成されたメンブレンと、前記メンブレン上に形成された金属粒子の蒸着物からなる赤外線吸収層とを有する赤外線検知素子であって、
   前記赤外線吸収層は、前記メンブレン表面上にアモルファスシリコン層を介して設けられた真空度２００Ｐａ〜２７０Ｐａの状態で蒸着形成された第１の金黒膜と、前記第１の金黒膜上に設けられ真空度３００Ｐａ〜６００Ｐａの状態で蒸着形成された第２の金黒膜とを有しており、前記第１の金黒膜は前記第２の金黒膜よりも赤外線の透過率が低く反射率が高い膜であることを特徴とする赤外線検知素子。
2. 前記第１の金黒膜の膜厚は１μｍ以下であり、前記第２の金黒膜の膜厚は２μｍ以下である請求項１記載の赤外線検知素子。

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