JP5102436B2 - サーモパイルアレイの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、物体の赤外線を電気信号に変換し検出する検出域を複数有するサーモパイルに関するものである。

サーモパイルは、異なる二種の電極材で構成された熱電対でメンブレン上に温接点を形成し、ヒートシンク部上に冷接点を形成し、熱電対、冷接点及び温接点上に絶縁保護膜を設け且つ温接点上に吸収膜を設置し検出域とするチップ構成を採る。
検出域である吸収膜に入射した赤外線は熱に変換され温接点の温度上昇を生じ、各熱電対材料のゼーベック定数に比例した電圧を生じるため、赤外線量に応じた出力の測定が可能となる。また、この電圧は、熱電対本数、ヒートシンク端からの吸収膜距離、吸収膜面積の寄与も受け、これらが大になると電圧も大となる。

サーモパイルアレイとは、上記サーモパイルを一つのチップ上に複数有する素子の総称である。この場合、検出域である吸収膜がレンズおよびフィルターで投影された領域の赤外線量に比例した電圧が出力される。

サーモパイルチップは例えばＴＯ−５等のステムにエポキシ系接着剤等でダイボンディングされ、ステムに設けられたリードとチップヒートシンク部を設けたパッド等をボンディングワイヤーで電気的結線後、ステムと入射窓を設けた缶とを溶接される。これにより、赤外線量に比例した電圧を出力するサーモパイルが完成となる。

多行多列、例えば４行４列の検出域を持つサーモパイルアレイでは、特願２００４−２４２５６２に記されているように、ＴＯ−５ステムに収納する場合、サーモパイルアレイチップ外形は角２．９ミリメートルを選定しており、基板材は一例として厚さ０．４ミリメートルのシリコンが用いられている。

ダイヤフラム内に一例として角０．２８ミリメートルの吸収膜が１６ヶ配列され、吸収膜下には１組当たり長０．０４５ミリメートル、幅０．０２３ミリメートルの温接点が設けられている。吸収膜下には１７ヶの温接点が設けられている。吸収膜位置は、検知領域からレンズ、フィルターによって投影された位置に定められている。例えばメンブレン中央部４ヶ所の吸収膜間隔は０．２２ミリメートル、その他の吸収膜間隔は０．２８ミリメートルに設定されている。
また、ヒートシンク上には、温接点と同一寸法の冷接点がメンブレン端より０．０４５ミリメートルの位置に配置され、また各検出域からの出力信号取り出しパッドが設けられている。これらパッドはステムリード等とのワイヤーボンディングを容易にするため、サーモパイルチップの２辺に集中されている。また、同一目的で各検出域の負電圧出力端子は統合され１ヶの共通パッドとなっている。
図１０に上記４行４列の検出域を持つサーモパイルの斜視概念図を示し、図１１に図１０のＸ−Ｘ’軸方向断面概念図を示す。これらの図は明瞭化を目的とする概念図である。

検出域間にヒートシンクを設けない場合、すなわちチップ外形部分のみをヒートシンクとした１つのメンブレン上に複数の検出域を設置した場合、ダイヤフラム自体の熱伝導により、隣接する検出域からも出力が発生するクロストーク劣化が生じる。これは、温度検出領域の広がり、温度測定精度の低下の要因となる。
このため、検出域間にはヒートシンクが設けられ、中央部４箇所メンブレン間のヒートシンクは、０．０７４ミリメートル、その他の１２箇所メンブレン間のヒートシンクは０．１３５ミリメートルに定められている。また、各検出域のメンブレンサイズは角０．４３ミリメートルに設定されている。

異方性エッチング液によるエッチングにて、上述と同一の厚さ０．４ミリメートルの、（１００）面シリコンウェハーを用いて、４行４列の検出域間のヒートシンク形成を行った場合、ヒートシンク側面が傾斜を持つため、メンブレン間距離は０．５７ミリメートル以上が必要となる。このため、上記例と同様にメンブレンサイズ０．４３ミリメートルを選定したとすると、チップサイズは角４．５７ミリメートル以上の大きさが必要となり、ＴＯ−５ステムへの収納が不可能となる。
このため上記、ヒートシンクの加工はプラズマエッチングが選定されている。シリコンをプラズマエッチングにより加工するには特願２００４−２４２５６２に記されているように、雰囲気ガスとして、フッ化炭素系やフッ化硫黄系のガスが用いられる。これらのガスは、人体に有害であるため、エッチング装置を導入する場合、併せてガス漏れ等の管理設備、排ガス処理設備の設置が必要となる。
特願２００４−２４２５６２

プラズマエッチングを製造工程導入とすると構築費用が非常に高価となり、チップ製造原価の低価格化が困難となる。

検出域間のヒートシンクを、裏面より正方形または長方形のエッチングパターンを形成し、異方性エッチング液によるエッチングを施した後、等方性エッチング液によるエッチングを施し、さらに異方性エッチング液によるエッチングで作製する。
検出域間のヒートシンクを、裏面より正方形または長方形のエッチングパターンを形成し、そのエッチングパターン各辺の長さを基板材厚の少なくとも√2倍以上として作製する。

本発明により、新たな装置、設備の導入が不要となり、容易に且つ安価に検出域間にヒートシンクを有するサーモパイルアレイの作製が達成される。

サーモパイルアレイチップは（１００）面シリコン基板材上にダイヤフラム構成膜形成を行った後、熱電対パターン、絶縁保護膜、吸収膜の順で作製され、最後に裏面よりエッチングしダイヤフラムを作製する。
熱電対パターンは成膜・露光・エッチングの半導体製造工程手法を使用して作製する。
ヒートシンクの加工は、予め作製したフォトマスク通りの保護パターンを設けた後実施する。まず、シリコン基板に異方性エッチング液により、（１１１）傾斜面を露呈させる。その後、等方性エッチング液により、所定のメンブレンサイズとなるまでヒートシンクのエッチングを行う。さらに、異方性エッチング液によりヒートシンクを成形し、検出域間にヒートシンクを擁したサーモパイルアレイが完成する。

以下に本発明実施例として、従来技術の項で一例として取り上げた、メンブレンサイズが同一の4行4列サーモパイルアレイチップ作製手順例を記す。
基板材を一例として厚さ０．４ミリメートルの（１００）シリコンウェハーとし、シリコンウェハー上に酸化ケイ素、窒化シリコン等の例えば総厚０．００２ミリメートルの膜をＣＶＤ法等により形成する。これら膜がダイヤフラム構成膜となる。

熱電対は例えば一方をニクロム、他方をビスマスアンチモン等の異なるゼーベック定数を持つ二種の材料が用いられ、上記成膜したシリコンウェハー上に熱電対パターンを多数形成する。この時、成膜・露光・エッチング等の半導体製造工程手法を使用し、例えばニクロム幅０．００６ミリメートル、ビスマスアンチモン幅０．０１ミリメートル、両者の間隔を０．００７ミリメートルとし、熱電対1組当たりのピッチ幅０．０３ミリメートル、接点長０．０４５ミリメートル、接点幅０．０２３ミリメートルの微細パターンが形成される。露光工程には予めパターン設計したフォトマスクを用いる。
他の熱電対材料例として、一方をポリシリコン、他方をアルミニウムとしてもよい。

さらに、熱電対、冷接点及び温接点上に位置する絶縁保護膜として例えば、厚さ０．００２ミリメートルのポリイミド膜を全面コーティング後露光・エッチング等の半導体製造工程手法にて所定形状に加工する。
その後出力取り出し用パッドとしてアルミニウム等のパッドを成膜・露光・エッチング等の半導体工程手法を用いて設ける。このパッドは金ワイヤー、アルミニウムワイヤー等でワイヤーボンディング可能な例えば長０．１２ミリメートル幅０．１ミリメートル等のサイズに予め設定されている。また、パッド下地には、シリコンウェハーに対する付着強度大であるニクロムが予め設けられている。
続いて、例えば厚さ０．００１ミリメートルの吸収膜を成膜・露光・エッチング等の半導体製造工程手法若しくは、印刷塗布等の手法で形成する。

続いて、シリコンウェハー裏面に露光・エッチング等の半導体製造工程手法を用いて、所定のメンブレンサイズと同サイズのエッチングパターンを設ける。本実施例では一例として０．４３ミリメートル角の正方形パターンとする。メンブレン形状が長方形の場合は、裏面エッチングパターンを長方形としておけば良い。
一例として水酸化カリウム等の異方性エッチング液を用いシリコンウェハー裏面よりエッチングを行う。このときのチップ断面図を図３に示す。異方性エッチングの場合、シリコンの最密充填面である（１１１）面が露出するので、予めシリコンウェハーは（１００）面ウェハーが選定され、ダイヤフラム作製方向は〈１１０〉方向が選ばれる。

次に、一例としてフッ酸に硝酸などを加えた等方性エッチング液を用い、メンブレンがφ０．３ミリメートルとなるまでエッチングを行う。先の異方性エッチングにより、面を露出させているので、ヒートシンク部は面形状を維持しエッチングが進行する。
裏面保護膜は異方性エッチング液に耐性を有すたとえば窒化シリコン、シリコン熱酸化膜を用いる。これら保護膜は、あらかじめ、等方性エッチング時完全に除去されることのない厚さたとえば窒化シリコンを保護膜として用いる場合、０．０００２ミリメートル以上に設定しておく。
その後、一例として水酸化カリウムなどの異方性エッチング液にて、メンブレンサイズが０．４３ミリメートルとなるまで、エッチングを行う。本工程により検出域間にヒートシンクを有する、サーモパイルアレイが完成となる。尚、メンブレン外形は、四隅部にＲのある正方形もしくは長方形となる。
図１に完成したサーモパイルアレイの斜視図を示し、図２に完成したチップの断面図を示す。

上記作製手順により、従来技術で一例として取り上げたプラズマエッチングにより加工を行った場合と同一のチップサイズ２．９ミリメートル、中央部４箇所メンブレン間のヒートシンクは幅０．０７４ミリメートル、その他の１２箇所メンブレン間のヒートシンクは幅０．１３５ミリメートルのヒートシンクを有するメンブレンサイズ角０．４３ミリメートルの４行４列サーモパイルアレイの作製が可能となる。

図４に本方法により作製した、検出域間にヒートシンクを設けたサーモパイルアレイのクロストーク出力を示し、図５にプラズマエッチングによりヒートシンクを設けたサーモパイルアレイの出力を示す。また、参考として図６に検出域間にヒートシンクの無いサーモパイルアレイの出力を示す。図６に示すとおり、検出域間にヒートシンクの無い場合では、隣接する検出域との出力値の重なり（クロストーク）がピーク出力値に対し５０％程度あることがわかる。一方、図４では１２％以下、図５では１０％以下である。このことから、本方法によりヒートシンクを作製したサーモパイルアレイは、プラズマエッチングによるヒートシンク加工したサーモパイルアレイと同性能であるといえる。

尚、図７に、裏面エッチングパターンをメンブレンと同サイズとして、等方性エッチング液によりダイヤフラム加工を行った場合のチップ断面図を示す。この図に示すとおり、メンブレンサイズ０．４３ミリメートルとなるまでエッチング加工を行うと、中央部メンブレン間のシリコンがすべてエッチングされてしまい、ヒートシンクを形成することができない。

また、裏面エッチングパターンを数ミクロン程度の大きさとした場合の等方性エッチング液によるエッチング進行具合を図８に示す。尖端部では、原子の不結合手が多いため、図中Ａの時点を境にヒートシンク部厚さ方向のエッチングが急速に進行する。したがって、メンブレンサイズ０．４３ミリメートルとなるまでエッチング加工を行うと、中央部メンブレン間のシリコンがすべてエッチングされてしまい、ヒートシンクを形成することができない。

本発明では、等方性のエッチング液によるエッチングのみによるダイヤフラム形成に比べ、等方性エッチングを行うエッチング量が少ないことと先に異方性エッチングにより面を露出させているため面形状を維持したまま等方性エッチングが進行することでヒートシンクの形成を可能としている。

実施例１では、サーモパイルアレイにおいて、各メンブレン形状が長方形または、正方形で同一の場合を述べた。
実施例２ではメンブレン形状が長方形または正方形で各サイズが異なる場合について記述する。

異方性エッチングを行う場合、シリコン（１００）面ウエハーを選択し、（１１１）面が露出することは実施例１で述べた。（１１１）面と（１００）面のなす角度をθとした場合、ベクトルの内積で表記でき、
ｃｏｓθ＝｛（１１１）（１００）｝／｛｜１１１｜｜１００｜｝＝１／√３
より、θ＝５４．７度である。したがって、基板の厚さに対して裏面のエッチングパターン各辺の長さが√２倍以上であれば、ヒートシンク形成の際、最初の異方性エッチング液によるエッチングで必ずメンブレンが露出する。
したがって、検出域間にヒートシンクを設けるサーモパイルアレイにおいて、メンブレンサイズが基板材の√２倍以上の場合、異方性エッチング後の等方性エッチング液でのエッチング量を等しくすることができる。

裏面エッチングパターン各辺の長さが√２倍未満の場合、最初の異方性エッチング液によるエッチングで、ヒートシンク厚さ方向の被エッチング量に差が生じる。このため、各ヒートシンクでエッチング残量に差が生じ、等方性エッチングで所定のメンブレンサイズに加工することができない。

一例として８つの検出域を持つサーモパイルアレイチップの作製手順について記述する。チップサイズは一例として、７．０ミリメートル×５．３ミリメートルであり、基板材を一例として厚さ０．４ミリメートルのシリコンウェハーとする。
一例として、各検出域のメンブレン形状は長方形とする。また、各メンブレンサイズは基板厚０．４ミリメートルの√２倍である０．５６６ミリメートル以上とし、一例として一辺０．８５〜１．９×一辺０．８５〜２．１とする。各検出域間のヒートシンクの幅は一例として０．２ミリメートルとする。

各検出域の熱電対、冷接点及び温接点上に位置する絶縁保護膜として例えば、厚０．００２ミリメートルのポリイミド膜を形成する。出力取り出し用パッドとしてたとえばアルミニウムのパッドが設けられている。
検出域には、それぞれ、検出領域をレンズまたは、フィルターで投影した位置に吸収膜が設置されている。
吸収膜までの一連の作製手順は、実施例１と同一であり、予めパターン設計したフォトマスクを用いて、半導体製造工程手法を用いて作製する。
したがって、シリコンウェハー裏面に露光・エッチング等の半導体製造工程手法を用いて、上記各検出域メンブレンと同形状、同サイズのエッチングパターンを設ける。
一例として水酸化カリウム等の異方性エッチング液を用いシリコンウェハー裏面よりメンブレン露出となるまでエッチングを行う。

次に、一例としてフッ酸に硝酸などを加えた等方性エッチング液を用い、各メンブレンが所定の大きさとなるまでエッチングを行う。先の異方性エッチングにより、傾斜面が露出されているため、ヒートシンク部は面形状を維持し、エッチングが進行する。
裏面保護膜は異方性エッチング液に耐性を有すたとえば窒化シリコン、シリコン熱酸化膜を用いる。これら保護膜は、あらかじめ、等方性エッチング時完全に除去されることのない厚さたとえば窒化シリコンを保護膜として用いる場合、０．０００２ミリメートル以上に設定しておく。
その後、一例として水酸化カリウムなどの異方性のエッチング液にて、エッチングを行い、メンブレン四辺に直線部を形成する。本工程により図９に示すように検出域間にヒートシンクを有する、メンブレン外形四隅部にＲを持つ長方形のサーモパイルアレイが完成となる。

尚、前記２つの実施例は、４行４列、８検出域サーモパイルアレイを例として記述しているが、例えば１行８列、３行３列、５行７列等他の異なる検出域配置のサーモパイルアレイに対しても本発明は適用できる。また、単一検出域サーモパイルについても適用できる。

本発明実施例の４行４列サーモパイルアレイを示す斜視概念図である。 図１のＸ−Ｘ’軸方向断面概念図である。 メンブレンサイズが同一である場合の異方性エッチング加工後のＸ−Ｘ’軸方向断面概念図である。 本発明により作製したサーモパイルアレイの出力値を規格化した図である。 プラズマエッチングによりヒートシンクを作製したサーモパイルアレイの出力値を規格化した図である。 検出域間にヒートシンクを設けないサーモパイルアレイの出力値を規格化した図である。 等方性エッチング液のみにより、加工した場合のＸ−Ｘ’軸方向断面概念図である。 等方性エッチング液によるエッチング進行具合を示した図である。 本発明実施例の８検出域サーモパイルアレイを示す斜視概念図である。 従来技術の４行４列サーモパイルアレイを示す斜視概念図である。 図１０のＸ−Ｘ’軸方向断面概念図である。

１温接点
２冷接点
３熱電対
４ダイヤフラム構成膜
５絶縁保護膜
６吸収膜
７パッド
８負電圧出力共通パッド
９メンブレン
１０検出域間ヒートシンク

Claims (1)

1. 異なる二種の電極材で構成された熱電対をメンブレン上に温接点、ヒートシンク上に冷接点となるように配置し、その熱電対を直列に接続し、その上に絶縁保護膜を設け且つ温接点上に吸収膜を設置した検出域を複数有し、検出域間にヒートシンクを設けたサーモパイルアレイの製造方法において、検出域間のヒートシンクを、裏面より正方形または長方形のエッチングパターンを形成する工程と、異方性エッチング液によるエッチングを施す工程と、その後等方性エッチング液によるエッチングを施す工程と、その後さらに異方性エッチング液によるエッチングで作製する工程と、を具備することを特徴とするサーモパイルアレイの製造方法。

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