JP5016398B2 - 赤外線センサ - Google Patents

Description

本発明は、赤外線センサに関するものである。

従来から、熱型の赤外線センサとして、温度検知部がベース基板の一表面から離間して配置され、温度検知部が当該温度検知部とベース基板とを熱絶縁する断熱部を介してベース基板に支持された赤外線センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に開示された赤外線センサでは、断熱部が、ベース基板の上記一表面から離間して配置されベース基板側とは反対側に温度検知部が配設される支持部と、支持部の側縁から延長された２つの脚部とで構成されており、支持部とベース基板の上記一表面との間に間隙が形成され、温度検知部に接続された金属配線が各脚部それぞれに沿って形成されている。ここにおいて、上記特許文献１に開示された赤外線センサでは、断熱部が、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜をパターニングすることにより形成されている。

また、上記特許文献１には、温度検知部を２次元アレイ状（マトリクス状）に配列した赤外線センサ（赤外線画像センサ）も開示されている。
特開２０００−９７７６５号公報

ところで、上記特許文献１に開示された赤外線センサでは、赤外線吸収による温度検知部の温度変化を大きくすることで高感度化を図るために、断熱部における脚部の全長を長くして脚部の熱コンダクタンスを小さくすることが考えられる。

しかしながら、上記特許文献１に開示された赤外線センサでは、温度検知部のサイズを変更することなしに脚部の全長を長くするように設計すると、センサ全体のサイズが大きくなってしまうとともに、脚部の熱容量が大きくなって応答速度が低下してしまう。また、応答速度の高速化を目的として、温度検知部の熱容量を低減するために温度検知部の平面サイズを小さくすると、温度検知部での赤外線の受光効率が低下して感度が低下してしまう。特に、温度検知部を２次元アレイ状に配列した赤外線画像センサのような赤外線センサでは、各温度検知部の平面サイズを小さくすると各画素の開口率が低下して各画素の感度が低下してしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、温度検知部が２次元アレイ状に配置された構成において高感度化および応答速度の高速化を図れる赤外線センサを提供することにある。

請求項１の発明は、ベース基板と、ベース基板の一表面側において２次元アレイ状に配列され赤外線を吸収するとともに該吸収による温度変化を検知する複数の温度検知部と、各温度検知部がベース基板の前記一表面から離間して配置されるように各温度検知部を各別に支持して各温度検知部とベース基板とを熱絶縁する複数の断熱部と、ベース基板の前記一表面側において各温度検知部および各断熱部を囲みベース基板との間に気密空間を形成する封止部材とを備え、各断熱部が、多孔質材料により形成されてなり、断熱部は、ベース基板の前記一表面から離間して配置されベース基板側とは反対側に温度検知部が形成される支持部と、支持部とベース基板とを連結した脚部とを有し、温度検知部は、脚部に沿って形成された配線を介してベース基板の前記一表面上の導体パターンと電気的に接続されてなり、脚部は、ベース基板の前記一表面側に立設された支持ポスト部と、支持ポスト部の上端部と支持部とを連結した梁部とで構成され、配線のうち支持ポスト部に形成されている部位は、支持ポスト部の内周面と導体パターンの表面とに跨って形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、ベース基板の一表面側において２次元アレイ状に配列された複数の温度検知部それぞれが断熱部によりベース基板と熱絶縁され、各断熱部が多孔質材料により形成されているので、各断熱部が非多孔質材料により形成されている場合に比べて、断熱性が向上して感度が高くなるとともに、各断熱部の熱容量を小さくできて応答速度の高速化を図れ、また、ベース基板の前記一表面側において各温度検知部および各断熱部を囲みベース基板との間に気密空間を形成する封止部材を備えているので、多孔質材料からなる各断熱部の熱物性が湿度の影響を受けて変動するのを防止することができ、耐環境性を高めることができる。また、この発明によれば、断熱部は、ベース基板の前記一表面から離間して配置されベース基板側とは反対側に温度検知部が形成される支持部と、支持部とベース基板とを連結した脚部とを有し、温度検知部は、脚部に沿って形成された配線を介してベース基板の前記一表面上の導体パターンと電気的に接続されてなり、脚部は、ベース基板の前記一表面側に立設された支持ポスト部と、支持ポスト部の上端部と支持部とを連結した梁部とで構成され、配線のうち支持ポスト部に形成されている部位は、支持ポスト部の内周面と導体パターンの表面とに跨って形成されてなるので、多孔質材料により形成された支持ポスト部が配線により補強される。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記各温度検知部に各別に赤外線を収束させる複数のレンズが２次元アレイ状に配列されたレンズアレイを備えてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記各温度検知部に各別に赤外線を収束させる複数のレンズが２次元アレイ状に配列されたレンズアレイを備えていることにより、前記各温度検知部にはそれぞれ対応するレンズを通して赤外線が入射することとなるので、前記各温度検知部への赤外線の到達効率を高めることができ、前記各温度検知部の感度が向上する。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記レンズアレイが前記封止部材の一部を構成してなることを特徴とする。

この発明によれば、前記レンズアレイが前記封止部材とは別体として離間され前記各レンズの光軸上に前記封止部材がある場合に比べて、外部からの赤外線が前記各温度検知部それぞれに到達するまでに存在する屈折率の異なる媒質どうしの界面の数が減り、当該媒質どうしの屈折率差に起因した赤外線の反射損失を低減でき、前記各温度検知部への赤外線の到達効率が高くなって前記各温度検知部の感度が向上する。

請求項４の発明は、請求項２の発明において、前記レンズアレイは、前記封止部材に一体に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記レンズアレイと前記封止部材とが別体であって前記レンズアレイを前記封止部材に組み付けている構成に比べて、前記各温度検知部と前記各レンズとの相対的な位置ずれの発生が起こりにくくなり、製造歩留まりの向上を図れる。

請求項５の発明は、請求項２の発明において、前記レンズアレイは、前記封止部材に形成され、前記レンズアレイが前記封止部材側とは反対側で接する媒質の屈折率と前記封止部材の屈折率との中間の屈折率を有する材料により形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記レンズアレイが前記封止部材と同じ屈折率の材料により形成されている場合に比べて、前記レンズアレイと前記レンズアレイが前記封止部材側とは反対側で接する媒質との屈折率差に起因した赤外線の反射損失を低減でき、前記各温度検知部への赤外線の到達効率が高くなって前記各温度検知部の感度が向上する。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記気密空間内を減圧雰囲気としてあることを特徴とする。

この発明によれば、前記気密空間内を大気圧の雰囲気としてある場合に比べて、断熱性が向上し、前記各温度検知部の感度がより一層高くなる。

請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記多孔質材料は、多孔質の酸化シリコン、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマー、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択される材料であることを特徴とする。

この発明によれば、前記断熱部が非多孔質の酸化シリコン系の材料である場合に比べて、断熱性が向上し、前記各温度検知部の感度が向上する。

請求項１の発明は、温度検知部が２次元アレイ状に配置された構成において高感度化および応答速度の高速化を図れるという効果がある。

（実施形態１）
以下、本実施形態の赤外線センサについて図１を参照しながら説明する。

本実施形態の赤外線センサは、矩形板状のベース基板１と、ベース基板１の一表面側（図１（ｂ）の上面側）において２次元アレイ状に配列され赤外線を吸収するとともに該吸収による温度変化を検知する複数の温度検知部３と、各温度検知部３がベース基板１の上記一表面から離間して配置されるように各温度検知部３を各別に支持して各温度検知部３とベース基板１とを熱絶縁する複数の断熱部４と、ベース基板１の上記一表面上に形成され温度検知部３および断熱部４を透過した赤外線を温度検知部３側へ反射する複数の赤外線反射部６とを有するセンサ本体１０を備え、さらに、ベース基板１の上記一表面側において各温度検知部３および各断熱部４を囲みベース基板１との間に気密空間１５を形成する封止部材２０を備えている。ここで、封止部材２０の材料としては、赤外線透過率の高い材料が望ましく、Ｓｉを採用しているが、Ｓｉに限らず、例えば、Ｇｅ，ＩｎＰ，ＺｎＳｅ，ＺｎＳ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＣｄＳｅなどを採用してもよい。なお、本実施形態の赤外線センサは、検出対象の赤外線として人体から放射される８μｍ〜１３μｍの波長帯の赤外線を想定しており、赤外線反射部６の材料としては、Ａｌ−Ｓｉを採用している。

ベース基板１は、シリコン基板１ａと当該シリコン基板１ａの一表面側に形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁膜１ｂとで構成してある。また、ベース基板１は、平面形状が正方形状に形成されている。

各断熱部４は、ベース基板１の上記一表面から離間して配置されベース基板１側とは反対側に温度検知部３が形成される支持部４１と、支持部４１とベース基板１とを連結した２つの脚部４２，４２とを有している。

これに対して、上述の各温度検知部３は、断熱部４の脚部４２，４２に沿って形成された配線８ａ，８ｃを介してベース基板１の上記一表面上の金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜など）からなる導体パターン１０ａ，１０ｃと電気的に接続されている。なお、本実施形態の赤外線センサは、対をなす２つの導体パターン１０ａ，１０ｃがベース基板１の上記一表面側においてそれぞれ異なるバス配線（図示せず）と電気的に接続され、各バス配線が図示しない貫通孔配線と電気的に接続されており、各温度検知部３の出力を各別に外部へ取り出すことができるようになっている。ここで、センサ本体１０は、複数の温度検知部３が２次元アレイ状に配列されているので、各温度検知部３それぞれを画素とする赤外線画像を得ることができる。

各温度検知部３は、温度に応じて電気抵抗値が変化するセンシングエレメントであるサーミスタからなり、支持部４１上に形成されたクロム膜からなる下部電極３ａと、下部電極３ａ上に形成されたアモルファスシリコン膜からなる抵抗体層３ｂと、抵抗体層３ｂ上に形成されたクロム膜からなる上部電極３ｃとで構成されている。なお、本実施形態では、抵抗体層３ｂの材料としてアモルファスシリコンを採用しているが、抵抗体層３ｂの材料はアモルファスシリコンに限らず、例えば、酸化バナジウムなどを採用してもよい。

ここにおいて、各温度検知部３は、下部電極３ａが一方の脚部４２に沿って形成された配線８ａを介して一方の導体パターン１０ａと電気的に接続され、上部電極３ｃが他方の脚部４２に沿って形成された配線８ｃを介して他方の導体パターン１０ｃと電気的に接続されている。また、本実施形態では、上記一方の配線８ａの材料として、下部電極３ａと同じクロムを採用し、上記他方の配線８ｃの材料として、上部電極３ｃと同じクロムを採用している。

なお、温度検知部３は、温度に応じて電気抵抗値が変化するセンシングエレメントに限らず、温度に応じて誘電率が変化するセンシングエレメント、サーモパイル型のセンシングエレメント、焦電型のセンシングエレメントなどを採用してもよく、いずれのセンシングエレメントを採用した場合でも、材料を適宜選択することで一般的な薄膜形成技術を利用して形成することができる。ここで、温度に応じて誘電率の変化するセンシングエレメントの材料としては、例えば、ＰＺＴ、ＢＳＴなどを採用すればよい。

ところで、センサ本体１０は、上述の断熱部４の脚部４２，４２が、ベース基板１の上記一表面側において導体パターン１０ａ，１０ｃ上に立設された円筒状の支持ポスト部４２ａ，４２ａと、支持ポスト部４２ａ，４２ａの上端部と支持部４１とを連結した梁部４２ｂ，４２ｂとで構成されており、支持部４１とベース基板１との間に間隙７が形成されている。ここで、各梁部４２ｂ，４２ｂは、Ｌ字状の平面形状に形成されており、支持部４１の厚み方向に沿った中心軸に対して回転対称性を有するように配置されている。なお、上述の配線８ａ，８ｃのうち脚部４２，４２の梁部４２ｂ，４２ｂに沿って形成された部位の線幅は、当該配線８ａ，８ｃを通した熱伝達を抑制するために梁部４２ｂ，４２ｂの幅寸法よりも十分に小さく設定してある。また、配線８ａ，８ｃのうち支持ポスト部４２ａ，４２ａに沿って形成された部位は、支持ポスト部４２ａ，４２ａの内周面の全体と導体パターン１０ａ，１０ｃの表面とに跨って形成されており、支持ポスト部４２ａ，４２ａが配線８ａ，８ｃにより補強されている。

また、センサ本体１０は、各断熱部４の脚部４２，４２および支持部４１が多孔質材料により形成されている。ここで、断熱部４の脚部４２，４２および支持部４１の多孔質材料として、多孔質の酸化シリコンの一種であるポーラスシリカを採用しているが、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマーの一種であるメチル含有ポリシロキサン、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの一種であるＳｉ−Ｈ含有ポリシロキサン、シリカエアロゲルなどを採用してもよく、多孔質材料として、多孔質の酸化シリコン、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマー、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択される材料を採用すれば、断熱部４として非多孔質の酸化シリコンを採用する場合に比べて断熱性を向上できる。

ここにおいて、本実施形態における断熱部４は、多孔度が６０％のポーラスシリカ膜（多孔質シリコン酸化膜）により構成してあるが、多孔度が小さ過ぎると十分な断熱効果が得られず多孔度が大き過ぎると機械的強度が弱くなって構造形成が困難となるので、ポーラスシリカ膜の多孔度は例えば４０％〜８０％程度の範囲内で適宜設定することが望ましい。

ここで、２つの脚部４２，４２合計の熱コンダクタンスＧは、脚部４２の材料の熱伝導率をα〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、脚部４２の長さをＬ〔μｍ〕、脚部４２の延長方向に直交する断面の断面積をＳとすれば、Ｇ＝２×α×（Ｓ／Ｌ）で求められるが、仮に、脚部４２の材料がＳｉＯ_２の場合には、α＝１．４〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、Ｌ＝５０〔μｍ〕、Ｓ＝１０〔μｍ^２〕とすれば、熱コンダクタンスＧは、
Ｇ＝２×α×（Ｓ／Ｌ）＝５６０×１０^−９〔Ｗ／Ｋ〕となる。

これに対して、本実施形態のように、脚部４２を多孔度が６０％のポーラスシリカ膜により構成している場合には、α＝０．０５〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、Ｌ＝５０〔μｍ〕、Ｓ＝１０〔μｍ^２〕とすれば、熱コンダクタンスＧは、
Ｇ＝２×α×（Ｓ／Ｌ）＝２．０×１０^−８〔Ｗ／Ｋ〕
となり、熱コンダクタンスＧを脚部４２がシリコン酸化膜により構成される比較例の熱コンダクタンスＧの１０分の１よりも小さな値とすることができ、脚部４２，４２を通した熱伝達をより抑制することができ、高感度化を図れる。

また、支持部４１の熱容量Ｃは、支持部４１の体積比熱をｃ_v、支持部４１の厚み方向に直交する断面の面積をＡ〔μｍ^２〕、支持部４１の厚さをｄ〔μｍ〕とすれば、Ｃ＝ｃ_v×Ａ×ｄで求められる。ここで、仮に、支持部４１の材料がＳｉＯ_２の場合には、ｃ_v＝１．８×１０^６〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕、Ａ＝２５００〔μｍ^２〕、ｄ＝０．５〔μｍ〕とすれば、支持部４１の熱容量Ｃは、
Ｃ＝ｃ_v×Ａ×ｄ＝２２．６×１０^−１０〔Ｊ／Ｋ〕となる。

これに対して、本実施形態のように、支持部４１を多孔度が６０％のポーラスシリカ膜により構成している場合には、ｃ_v＝０．８８×１０^６〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕、Ａ＝２５００〔μｍ^２〕、ｄ＝０．５〔μｍ〕とすれば、支持部４１の熱容量Ｃは、
Ｃ＝ｃ_v×Ａ×ｄ＝１１．０×１０^−１０〔Ｊ／Ｋ〕
となり、支持部４１の熱容量Ｃを支持部４１がシリコン酸化膜により構成される比較例の場合に比べて半分よりも小さな値とすることができ、時定数が小さくなって応答速度の高速化を図れる。

封止部材２０は、シリコン基板を用いて形成されており、センサ本体１０側の表面（図１（ａ）の下面）に上記気密空間１５を形成するための凹所２０ａが形成されており、凹所２０ａの周部がセンサ本体１０のベース基板１と接合されている。ここで、本実施形態では、センサ本体１０と封止部材２０とを常温接合法により接合してあり、上記気密空間１５内を減圧雰囲気としてある。なお、センサ本体１０と封止部材２０との接合方法は常温接合法に限らず、例えば、Ａｕ−Ｓｎ共晶を利用した接合法や半田を利用した接合法などを採用してもよい。

以下、センサ本体１０の製造方法について図２〜図４を参照しながら説明する。なお、図２〜図４では、図１（ｂ）に示した断面図（図１（ｃ）のＡ−Ａ’断面）に対応する部位の断面を示してある。

まず、ベース基板１の基礎となる単結晶のシリコン基板（後述のダイシングを行うまではウェハ）１ａの一表面側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜１ｂを例えば熱酸化法により形成することによって、図２（ａ）に示す構造を得る。

その後、シリコン基板１ａと絶縁膜１ｂとからなるベース基板１の一表面側（図２（ａ）における上面側）の全面に導体パターン１０ａ，１０ｃおよび赤外線反射部６の材料からなる金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜など）をスパッタ法などにより成膜した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記金属膜をパターニングすることでそれぞれ上記金属膜の一部からなる導体パターン１０ａ，１０ｃおよび赤外線反射部６を形成することによって、図２（ｂ）に示す構造を得る。

次に、ベース基板１の上記一表面側の全面にレジストを回転塗布してレジスト層からなる犠牲層５１を成膜することによって、図２（ｃ）に示す構造を得る。

その後、犠牲層５１のうち各支持ポスト部４２ａ，４２ａそれぞれの形成予定領域に対応する部位をエッチングして導体パターン１０ａ，１０ｃの一部の表面を露出させる円形状の開孔部５３，５３を形成することによって、図３（ａ）に示す構造を得る。

続いて、ベース基板１の上記一表面側の全面に断熱部４の材料である多孔質材料（例えば、ポーラスシリカ、シリカエアロゲルなど）よりなる多孔質膜４０を成膜してから、上記一方の導体パターン１０ａと後で形成する上記一方の配線８ａとを電気的に接続するためのコンタクトホール４４ａを多孔質膜４０に形成することによって、図３（ｂ）に示す構造を得る。ここにおいて、多孔質膜４０の形成にあたっては、上記多孔質材料がポーラスシリカの場合には、ゾルゲル溶液をベース基板１の上記一表面側に回転塗布してから、熱処理で乾燥させるプロセスを採用することで容易に形成することができ、上記多孔質材料がシリカエアロゲルの場合には、ゾルゲル溶液をベース基板１の上記一表面側に回転塗布してから、超臨界乾燥処理で乾燥させるプロセスを採用することで容易に形成することができる。

その後、ベース基板１の上記一表面側の全面に上記一方の配線８ａおよび下部電極３ａの基礎となるクロム膜をスパッタ法などにより成膜した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して当該クロム膜をパターニングすることでそれぞれ当該クロム膜の一部からなる上記一方の配線８ａおよび下部電極３ａを同時に形成することによって、図３（ｃ）に示す構造を得る。

次に、ベース基板１の上記一表面側の全面に抵抗体層３ｂの基礎となるアモルファスシリコン層をＣＶＤ法などにより成膜してから、当該アモルファスシリコン層をパターニングすることで当該アモルファスシリコン層の一部からなる抵抗体層３ｂを形成することによって、図３（ｄ）に示す構造を得る。

続いて、上記他方の導体パターン１０ｃと後で形成する上記他方の配線８ｃとを電気的に接続するためのコンタクトホール４４ｃを多孔質膜４０に形成することによって、図４（ａ）に示す構造を得る。

その後、ベース基板１の上記一表面側の全面に上記他方の配線８ｃおよび上部電極３ｃの基礎となるクロム膜をスパッタ法などにより成膜した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して当該クロム膜をパターニングすることでそれぞれ当該クロム膜の一部からなる上記他方の配線８ｃおよび上部電極３ｃを同時に形成することによって、図４（ｂ）に示す構造を得る。

次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して多孔質膜４０をパターニングすることで多孔質膜４０の一部からなる断熱部４を形成し、その後、ベース基板１の上記一表面側の犠牲層５１を選択的にエッチング除去することによって、図４（ｃ）に示す構造のセンサ本体１０を得る。なお、センサ本体１０と封止部材２０とは、センサ本体１０を複数形成したウェハと封止部材２０を複数形成したウェハとを減圧雰囲気中（例えば、真空中）においてウェハレベルで接合してから、個々の赤外線センサに分割すればよい。

以上説明した本実施形態の赤外線センサでは、ベース基板１の上記一表面側において２次元アレイ状に配列された複数の温度検知部３それぞれが断熱部４によりベース基板１と熱絶縁され、各断熱部４が多孔質材料により形成されているので、各断熱部４がＳｉＯ_２やＳｉ_３Ｎ_４などの非多孔質材料により形成されている場合に比べて、断熱性が向上して感度が高くなるとともに、各断熱部４の熱容量を小さくできて応答速度の高速化を図れる。

また、ベース基板１の上記一表面側において各温度検知部３および各断熱部４を囲みベース基板１との間に気密空間１５を形成する封止部材２０を備えているので、ベース基板１と封止部材２０とで構成されるパッケージにより気密空間１５と外部とを隔離することができ、その結果、各温度検知部３および各断熱部４に外部からの水分や他の物質が付着するのを防止することができ、多孔質材料からなる各断熱部４の熱物性が湿度の影響を受けて変動するのを防止することができるから、耐環境性を高めることができる。また、本実施形態の赤外線センサでは、気密空間１５内を減圧雰囲気としてあるので、気密空間１５内を大気圧の雰囲気とした場合に比べて、断熱性が向上し、各温度検知部３の感度がより一層高くなる。

また、本実施形態の赤外線センサでは、ベース基板１の上記一表面側に、温度検知部３および支持部４１を透過した赤外線を温度検知部３側へ反射する赤外線反射部６が設けられているので、温度検知部３での赤外線の吸収効率を高めることができ、温度検知部３の高感度化を図れる。

（実施形態２）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態１と略同じであり、図５および図６に示すように、センサ本体１０の各温度検知部３に各別に赤外線を収束させる複数のレンズ３１が２次元アレイ状に配列されたレンズアレイ３０を備えている点が相違する。ここにおいて、レンズアレイ３０は、センサ本体１０のベース基板１と封止部材２０とで構成されるパッケージの外側において封止部材２０におけるベース基板１側とは反対側に封止部材２０から離間して配置されている。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態におけるレンズアレイ３０は、各レンズ３１が両凸レンズであり、各レンズ３１の光軸と、各温度検知部３の厚み方向に沿った中心線とが一致するようにレンズ３１の配列ピッチを設定してある。なお、各レンズ３１は、両凸レンズに限らず、温度検知部３へ赤外線が集光されるレンズ形状であればよく、例えば、平凸レンズでもよい。

本実施形態の赤外線センサでは、センサ本体１０の複数の温度検知部３が、図７（ａ）に示すように、仮想的な２次元正方格子の各格子点に対応する位置に配置されており、レンズアレイ３０の複数のレンズ３１が、図７（ｂ）中に破線で示すように、仮想的な２次元正方格子の各格子点に対応する位置に配置してある。ここで、複数の温度検知部３および複数のレンズ３１の配置は特に限定するものではなく、例えば、複数のレンズ３１を図８（ａ）に破線で示すように仮想的な２次元三角格子の各格子点に対応する位置に配置するとともに、複数のレンズ３１を図８（ｂ）に破線で示すように仮想的な２次元三角格子の各格子点に対応する位置に配置するようにしてもよい。

ところで、図７（ｂ）、図８（ｂ）に示した例では、複数のレンズ３１を隣り合うレンズ３１どうし間を離間させた形で配列してあるが、複数のレンズ３１を図７（ｃ）、図８（ｃ）や図７（ｄ）、図８（ｄ）に示すように稠密に配列した方が、各温度検知部３に効率的に赤外線を入射させることができる。なお、図７（ｃ）、図８（ｃ）に示した例では、複数のレンズ３１を隣り合うレンズ３１どうしが接する形で配列してあり、図７（ｄ）、図８（ｄ）に示した例では、複数のレンズ３１を隣り合うレンズ３１の一部どうしが互いに重なる形で配列してある。また、複数の温度検知部３が図７（ａ）に示すように配列されている場合、複数のレンズ３１を稠密に配列するにあたっては、図７（ｃ）や図７（ｄ）に破線で示すように、平面視形状が円形状のレンズ３１を配列する例に限らず、図７（ｄ）中に実線で示すように平面視形状が矩形状のレンズ３１を隣り合うレンズ３１どうしが接する形で配列するようにしてもよい。また、複数の温度検知部３が図８（ａ）に示すように配列されている場合、複数のレンズ３１を稠密に配列するにあたっては、図８（ｃ）や図８（ｄ）に破線で示すように、平面視形状が円形状のレンズ３１を配列する例に限らず、図８（ｄ）中に実線で示すように平面視形状が六角形状のレンズ３１を隣り合うレンズ３１どうしが接する形で配列するようにしてもよい。

レンズアレイ３０の材料としては、Ｓｉを採用しているが、遠赤外線の透過率が高い材料であればよく、例えば、Ｇｅ，ＩｎＰ，ＺｎＳｅ，ＺｎＳ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＣｄＳｅなどを採用してもよい。なお、本実施形態では、レンズアレイ３０および封止部材２０の材料としてＳｉを採用しており、レンズアレイ３０の材料と封止部材２０の材料とが同じであるが、互いに異なる材料としてもよい。

以上説明した本実施形態の赤外線センサでは、各温度検知部３に各別に赤外線を収束させる複数のレンズ３１が２次元アレイ状に配列されたレンズアレイ３０を備えていることにより、各温度検知部３にはそれぞれ対応するレンズ３１を通して赤外線が入射することとなる（図５（ｂ）中の破線はレンズ３１を透過して温度検知部３へ入射する赤外線を示している）ので、各温度検知部３への赤外線の到達効率を高めることができ（つまり、各温度検知部３での受光効率を高めることができ）、各温度検知部３の感度が向上する。

（実施形態３）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態２と略同じであり、図９および図１０に示すように、レンズアレイ３０が封止部材２０の一部を構成している点が相違する。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態における封止部材２０は、シリコン基板を用いて形成されてセンサ本体１０におけるベース基板１の上記一表面側に接合されたカバー２１と、カバー２１の前壁に形成された透光窓２２を閉塞する形でカバー２１の前面に封着されたレンズアレイ３０とで構成されている。なお、カバー２１は、ベース基板１側の一表面に凹所２１ａが形成され、上述の透光窓２２が、ベース基板１側とは反対側の他表面と凹所２１ａの内底面との間の薄肉部の厚み方向に貫設されている。

しかして、本実施形態の赤外線センサでは、実施形態２のようにレンズアレイ３０が封止部材２０とは別体として封止部材２０から離間して配置され、各レンズ３１の光軸上に封止部材２０がある場合に比べて、外部から（パッケージの外側から）の赤外線が各温度検知部３それぞれに到達するまでに存在する屈折率の異なる媒質どうしの界面の数が減り、当該媒質どうしの屈折率差に起因した赤外線の反射損失を低減でき、各温度検知部３への赤外線の到達効率が高くなって各温度検知部３の感度が向上するという利点がある。すなわち、実施形態２の赤外線センサでは、レンズ３１の入射面と当該入射面に接する媒質との界面、レンズ３１の出射面と当該出射面に接する媒質との界面、封止部材２０の外面と当該外面に接する媒質との界面、封止部材２０の内面と当該内面に接する媒質との界面があり、各温度検知部３に赤外線が到達するまでに４つの界面が存在するのに対して、本実施形態では、各温度検知部３に赤外線が到達するまでにレンズ３１の入射面と当該入射面に接する媒質との界面、レンズ３１の出射面と当該出射面に接する媒質との界面しか存在しないので、各温度検知部３への赤外線の到達効率が高くなって各温度検知部３の感度が向上する。

（実施形態４）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態２と略同じであり、図１１および図１２（ａ）に示すように、レンズアレイ３０が封止部材２０に一体に形成されている点が相違する。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態におけるレンズアレイ３０は、封止部材２０の凹所２０ａの内底面から各レンズ３１がそれぞれ対応する温度検知部３に向かって突出する形で封止部材２０と連続一体に形成されている。すなわち、レンズアレイ３０は封止部材２０と同じ材料（例えば、Ｓｉ）により形成されており、各レンズ３１は、温度検知部３側が凸曲面となった平凸レンズにより構成されている。

ここで、本実施形態の赤外線センサは、レンズアレイ３０の各レンズ３１の平面視形状が円形状であり、実施形態２で説明した図７（ｂ）や図８（ｂ）の破線のように隣り合うレンズ３１が離間して配置されており、図１２（ａ）に示すようにレンズ３１のレンズ径がセンサ本体１０における１画素あたりの正方形領域の１辺の長さよりも短くなっている。ただし、レンズアレイ３０におけるレンズ３１のレンズ径や平面視形状は特に限定するものではなく、実施形態２で説明した図７（ｃ）や図８（ｃ）の破線のように隣り合うレンズ３１どうしが接する形で配置されていてもよく、この場合には、図１２（ｂ）に示すようにレンズ３１のレンズ径がセンサ本体１０における１画素あたりの正方形領域の１辺の長さと等しくなる。また、実施形態２で説明した図７（ｄ）の実線のように隣り合うレンズ３１どうしが接する形で配置されていてもよく、この場合には、図１２（ｃ）に示すようにレンズ３１の平面視形状を矩形状（ここでは、正方形状）としてセンサ本体１０における１画素あたりの正方形領域と同じ平面サイズとすればよい。

以下、レンズアレイ３０の製造方法について図１３〜図１８を参照しながら説明するが、一例として上述の図１２（ｂ）のレンズ径のレンズ３１を複数備えたレンズアレイ３０の製造方法を説明する。

まず、封止部材２０およびレンズアレイ３０の基礎となるシリコン基板１００の一表面側に有機材料からなるレジストをスピンコート法により回転途布してレジスト層１０１を形成するレジスト層形成工程を行うことによって、図１３（ａ）に示す構造を得る。

レジスト層形成工程の後、レンズアレイ形成用の金型１１０の凹凸パターンをレジスト層１０１に転写する転写工程を行うことによって、図１３（ｃ）に示す構造を得る。ここにおいて、転写工程では、図１３（ｂ）に示すようにレンズアレイ形成用の金型１１０をレジスト層１０１にプレスしてからレジスト層１０１を硬化させ、レジスト層１０１から金型１１０を離型する。

転写工程の後、反応性イオンエッチング装置を用いてシリコン基板１００の上記一表面側からレジスト層１０１およびシリコン基板１００を異方性エッチングするドライエッチング工程を行う（図１３（ｄ）は当該ドライエッチング工程の途中での断面形状を示し、同図中の矢印はイオンの入射方向を示している）ことによって、図１３（ｅ）に示す構造のレンズアレイ３０を得る。なお、ドライエッチング工程では、エッチングガスとして、例えば、ＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとの混合ガスを採用すればよい。

ところで、上述の金型１１０としては、シリコン基板２００（図１５（ａ）参照）を用いて形成したマスタ（母型）１２０を基に複製した複製型を利用している。すなわち、図１４（ａ）に示すようにマスタ１２０を型として用いて電鋳法によってニッケル製の電鋳型１３０を形成し、その後、図１４（ｂ）に示すように電鋳型１３０を型として用いて電鋳法によってニッケル製の金型１１０を形成している。

ここで、マスタ１２０の作製方法の一例について説明する。

まず、マスタ１２０の基礎となるシリコン基板２００の一表面側に有機材料からなるレジストをスピンコート法により回転途布してレジスト層２０１を形成するレジスト形成工程を行うことによって、図１５（ａ）に示す構造を得る。

その後、レンズアレイ３０の各レンズ３１の所望のレンズ形状に応じて設計した凹凸パターンを形成した金属製（本実施形態では、Ｎｉ−Ｐ）の構造体からなる型材２２０の凹凸パターンをレジスト層２０１に転写する転写工程を行うことによって、図１５（ｄ）に示す構造を得る。ここにおいて、転写工程では、図１５（ｂ）に示すように型材２２０とレジスト層２０１の表面に対向させた後、図１５（ｃ）に示すように型材２２０をレジスト層２０１にプレスしてからレジスト層２０１を硬化させ、続いて、図１５（ｄ）に示すようにレジスト層２０１から型材２２０を離型する。なお、型材２２０は、型材２２０の基礎となる金属板２３０（図１６（ａ）参照）の一表面を図１６（ｂ）に示すようにダイヤモンドバイト２４０により切削加工することによって作製してあり、図１７（ａ），（ｂ）に示すように、四角錘状の山部２２０ａが２次元アレイ状に配列されており、レジスト層２０１は、図１８（ａ），（ｂ）に示すような凹凸パターンとなる。

上述の転写工程が終了した後、シリコン基板２００の上記一表面側からレジスト層２０１およびシリコン基板２００を等方性エッチングあるいは異方性をある程度もったエッチングを行うことで凹凸パターンの曲面形状を制御しながらシリコン基板２００の上記一表面に凹凸パターン（本実施形態では、各レンズ３１の凸曲面それぞれに対応する複数の凹曲面１２０ｂを有するパターン）を形成するパターン形成工程を行うことによって、図１５（ｆ）に示す構造のマスタ１２０を得る。なお、図１５（ｅ）はパターン形成工程の途中での断面形状を示してある。ここにおいて、パターン形成工程では、例えば、エッチング装置として反応性イオンエッチング装置を用い、エッチングガスとして、例えば、ＳＦ_６ガスやＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとの混合ガスを採用すればよい。

以上説明した本実施形態の赤外線センサでは、実施形態３のようにレンズアレイ３０と封止部材２０とが別体であってレンズアレイ３０を封止部材２０に組み付けている構成に比べて、各温度検知部３と各レンズ３１との相対的な位置ずれの発生が起こりにくくなり、製造歩留まりの向上を図れる。なお、図１１に示した例では、レンズアレイ３０を封止部材２０におけるセンサ本体１０側にのみ形成してあるが、封止部材２０におけるセンサ本体１０側とは反対側にも所望のレンズ形状のレンズアレイを形成してもよい。

（実施形態５）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態４と略同じであり、図１９に示すように、レンズアレイ３０の各レンズ３１をレンズ３１が封止部材２０とは反対側で接する媒質の屈折率と封止部材２０の屈折率との中間の屈折率を有する材料により形成してある点が相違する。ここで、本実施形態では、封止部材２０の材料としてＳｉを採用し、レンズ３１の材料としてＳｉＯ_２を採用しているが、封止部材２０の材料は、実施形態１でも説明したようにＳｉに限らず、Ｇｅ，ＩｎＰ，ＺｎＳｅ，ＺｎＳ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＣｄＳｅなどを採用可能なので、レンズ３１の材料は封止部材２０の材料に応じて適宜選定すればよい。なお、実施形態４と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

ところで、実施形態４のようにレンズアレイ３０の材料と封止部材２０の材料とが同じでレンズアレイ３０が封止部材２０に一体に形成されている場合、外部からの赤外線は図２０（ａ）中に実線で示した矢印のように封止部材２０およびレンズ３１の両方を透過することとなるが、封止部材２０の外面（図２０（ａ）における上面）に入射した赤外線の全部が透過するのではなく、図２０（ａ）中に破線の矢印で示したように、封止部材２０と当該封止部材２０が接する媒質との界面およびレンズ３１と当該レンズ３１が温度検知部３側で接する媒質との界面それぞれで一部が反射される。ここで、２種類の媒質が接する界面に赤外線が垂直に入射した場合の当該界面での赤外線の反射率は、一方の媒質の屈折率をｎ_１、他方の媒質の屈折率をｎ_２、反射率をＲとすると、下記数１で表される。なお、図２０（ａ）中において封止部材２０の外面に入射する赤外線を示す矢印に付した「Ｉ_０」は封止部材２０の外面に入射する赤外線の量を示し、他の各矢印に付した「Ｉ_０（１−Ｒ）」、「Ｒ・Ｉ_０」、「Ｉ_０（１−Ｒ）^２」、「Ｒ・Ｉ_０（１−Ｒ）」もそれぞれ赤外線の量を示している。

ここにおいて、封止部材２０の材料およびレンズアレイ３０の材料が両方ともＳｉであり、封止部材２０の外面側の媒質およびレンズ３１が温度検知部３側で接する媒質の両方とも空気である場合には、Ｓｉの屈折率が３．４、空気の屈折率が１なので、各界面での反射率Ｒはいずれも３０％となり（言い換えれば、各界面での赤外線の透過率は７０％となり）、封止部材２０およびレンズ３１それぞれでの赤外線の吸収を無視すれば、温度検知部３に到達する赤外線は封止部材２０の外面に入射した赤外線量の約５０％となる。

これに対して、本実施形態のようにレンズアレイ３０の材料としてＳｉＯ_２を採用している場合、封止部材２０の外面に入射した赤外線は、図２０（ｂ）中に破線で示したように、封止部材２０と当該封止部材２０が接する媒質との界面、封止部材２０とレンズ３１との界面、レンズ３１と当該レンズ３１が温度検知部３側で接する媒質との界面それぞれで一部が反射される。しかしながら、ＳｉＯ_２の屈折率が１．５なので、各界面での反射率Ｒがそれぞれ３０％、１５％、４％となるので、温度検知部３に到達する赤外線は封止部材２０の外面に入射した赤外線量の約５７％となる。また、図２０（ｃ）に示すように、封止部材２０におけるレンズアレイ３０側とは反対側に封止部材２０の屈折率と空気の屈折率との中間の屈折率を有する材料（例えば、ＳｉＯ_２など）からなる赤外線透過膜２５を形成すれば、温度検知部３への赤外線の到達効率をさらに高めることができる。

以下、レンズアレイ３０の製造方法について図２１を参照しながら説明するが、実施形態４におけるレンズアレイ３０の製造方法と同様の工程については簡単に説明する。

まず、封止部材２０の基礎となるシリコン基板１００の一表面側に当該シリコン基板１００よりも低屈折率の材料（例えば、ＳｉＯ_２）からなりレンズアレイ３０の基礎となる中間屈折率層２３を形成するとともにシリコン基板１００の他表面側に上記赤外線透過膜２５となる中間屈折率層２４を形成する中間屈折率層形成工程を行うことによって、図２１（ａ）に示す構造を得る。なお、中間屈折率層形成工程では、熱酸化法によってシリコン基板１００の各表面それぞれにＳｉＯ_２膜からなる中間屈折率層２３，２４を形成している。

その後、シリコン基板１００の上記一表面側の中間屈折率層２３上に有機材料からなるレジストをスピンコート法により回転途布してレジスト層１０１を形成するレジスト層形成工程を行うことによって、図２１（ｂ）に示す構造を得る。

レジスト層形成工程の後、レンズアレイ形成用の金型１１０の凹凸パターンをレジスト層１０１に転写する転写工程を行うことによって、図２１（ｄ）に示す構造を得る。ここにおいて、転写工程では、図２１（ｃ）に示すようにレンズアレイ形成用の金型１１０をレジスト層１０１にプレスしてからレジスト層１０１を硬化させ、レジスト層１０１から金型１１０を離型する。

転写工程の後、反応性イオンエッチング装置を用いてシリコン基板１００の上記一表面側からレジスト層１０１および中間屈折率層２３を異方性エッチングするドライエッチング工程を行う（図２１（ｅ）は当該ドライエッチング工程の途中での断面形状を示し、同図中の矢印はイオンの入射方向を示している）ことで中間屈折率層２３の一部からなるレンズアレイ３０を形成することによって、図２１（ｆ）に示す構造を得る。なお、ドライエッチング工程では、エッチングガスとして、例えば、ＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとの混合ガスを採用すればよい。

以上説明した本実施形態の赤外線センサでは、レンズアレイ３０を、レンズアレイ３０が封止部材２０側とは反対側で接する媒質の屈折率と封止部材２０の屈折率との中間の屈折率を有する材料により形成してあるので、レンズアレイ３０が封止部材２０と同じ屈折率の材料により形成されている場合に比べて、レンズアレイ３０とレンズアレイ３０が接する媒質との屈折率差に起因した赤外線の反射損失を低減でき、各温度検知部３への赤外線の到達効率が高くなって各温度検知部３の感度が向上する。

なお、上記各実施形態にて説明した赤外線センサは、支持部４１におけるベース基板１側とは反対側に温度検知部３を設けてあるが、温度検知部３は支持部４１におけるベース基板１側に設けてもよい。また、上記各実施形態にて説明した赤外線センサでは、封止部材２０の両面に赤外線の反射を防止するＡＲコート（反射防止膜）を設けることにより、赤外線透過効率を向上させることが望ましい。

実施形態１を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は要部概略断面図、（ｃ）は要部概略斜視図である。 同上におけるセンサ本体の製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上におけるセンサ本体の製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上におけるセンサ本体の製造方法を説明するための主要工程断面図である。 実施形態２を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は要部概略断面図である。 同上の要部概略分解斜視図である。 同上の要部説明図である。 同上の要部説明図である。 実施形態３を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は要部概略断面図である。 同上の要部概略分解斜視図である。 実施形態４を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は要部概略断面図である。 同上の要部説明図である。 同上におけるレンズアレイの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上におけるレンズアレイの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上におけるレンズアレイの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上におけるレンズアレイの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上におけるレンズアレイの製造方法で用いる型材を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）概略斜視図である。 図１７の型材の凹凸パターンが転写されたレジスト層を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略斜視図である。 実施形態５を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は要部概略断面図である。 同上の要部説明図である。 同上におけるレンズアレイの製造方法を説明するための主要工程断面図である。

符号の説明

１ ベース基板
３ 温度検知部
４ 断熱部
１０ センサ本体
１５ 気密空間
２０ 封止部材
３０ レンズアレイ
３１ レンズ

Claims (7)

1. ベース基板と、ベース基板の一表面側において２次元アレイ状に配列され赤外線を吸収するとともに該吸収による温度変化を検知する複数の温度検知部と、各温度検知部がベース基板の前記一表面から離間して配置されるように各温度検知部を各別に支持して各温度検知部とベース基板とを熱絶縁する複数の断熱部と、ベース基板の前記一表面側において各温度検知部および各断熱部を囲みベース基板との間に気密空間を形成する封止部材とを備え、各断熱部が、多孔質材料により形成されてなり、断熱部は、ベース基板の前記一表面から離間して配置されベース基板側とは反対側に温度検知部が形成される支持部と、支持部とベース基板とを連結した脚部とを有し、温度検知部は、脚部に沿って形成された配線を介してベース基板の前記一表面上の導体パターンと電気的に接続されてなり、脚部は、ベース基板の前記一表面側に立設された支持ポスト部と、支持ポスト部の上端部と支持部とを連結した梁部とで構成され、配線のうち支持ポスト部に形成されている部位は、支持ポスト部の内周面と導体パターンの表面とに跨って形成されてなることを特徴とする赤外線センサ。
2. 前記各温度検知部に各別に赤外線を収束させる複数のレンズが２次元アレイ状に配列されたレンズアレイを備えてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
3. 前記レンズアレイが前記封止部材の一部を構成してなることを特徴とする請求項２記載の赤外線センサ。
4. 前記レンズアレイは、前記封止部材に一体に形成されてなることを特徴とする請求項２記載の赤外線センサ。
5. 前記レンズアレイは、前記封止部材に形成され、前記レンズアレイが前記封止部材側とは反対側で接する媒質の屈折率と前記封止部材の屈折率との中間の屈折率を有する材料により形成されてなることを特徴とする請求項２記載の赤外線センサ。
6. 前記気密空間内を減圧雰囲気としてあることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
7. 前記多孔質材料は、多孔質の酸化シリコン、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマー、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択される材料であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の赤外線センサ。

Images