JP5553294B2

JP5553294B2 - 赤外線センサの製造方法

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Publication number: JP5553294B2
Application number: JP2008306272A
Authority: JP
Inventors: 正隆新荻
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2008-12-01
Filing date: 2008-12-01
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2028-12-01
Also published as: JP2010127891A

Description

本発明は、赤外線センサの製造方法に関する。

従来、赤外線センサは、人体等から放射される赤外線を検出するとともに、自動照明や警備に用いられたり、人体の居場所や体温を検出し空調を制御することに用いられたりしている。このような赤外線センサのうち、熱型赤外線センサとしては、焦電材料を用いた焦電型、サーモパイル型、半導体や金属からなるボロメータ材料を用いたボロメータ型等が知られている。近年では、ＭＥＭＳ技術の発展によって、熱型赤外線センサの検出技術が大幅に向上されてきている。

熱型赤外線センサのうち、ボロメータ型の赤外線センサは、検出用画素がサーモパイル型に比べ小さく形成できることから、検出データを精細な画像に表現しやすく、温度プロファイルをエリア観察する場合等に有用である。このような理由から、高精度の赤外線カメラ用としては、ボロメータ型の赤外線センサが用いられることがある。また、近年のＭＥＭＳ技術の発展により、熱的な絶縁構造が形成でき、従来ペルチェなどで冷却しなければならないところが不要になり、低価格化が実現できることにより用途が拡大してきた。

このボロメータ型の赤外線センサとしては、例えば、特許文献１〜４及び非特許文献１等に記載されたものが知られている。ボロメータ型の赤外線センサは、例えば、Ｓｉからなる基板と、ボロメータ材料からなるとともに基板から離間して配設される感熱膜（温度検知部）とを有している。また、基板の表面において、感熱膜に対向する部分には、ＡｌやＡｌ−Ｓｉ等からなる反射膜が形成され、感熱膜は、梁部（脚部）を有するとともにこの反射膜から離間して配設されている。尚、感熱膜が反射膜から離間される距離は、一般に、検出対象の赤外線の波長λに対してλ／４に設定されている。

このように感熱膜が基板から離間して配設されることで、感熱膜と基板との間の熱交換（すなわち熱の流出又は流入）が抑制されており、熱コンダクタンスの低い熱分離構造が形成されている。また、熱コンダクタンスをより低減させる理由から、感熱膜の梁部は、通常２本のみ設けられ、感熱膜と基板との間において熱交換が極力なされないように、感熱膜及び基板に対し傾斜して延びているとともに細く長く形成されて、感熱膜と基板とを連結している。

ところで、感熱膜を基板から離間して配設する手法としては、例えば、まずＳｉの基板上に犠牲層としてＳｉＯ_２を形成し、犠牲層の表面に感熱膜を形成して、感熱膜の外周に梁部を夫々形成した後、犠牲層をエッチングにより除去するものが知られている。

このように構成される赤外線センサに、検出対象から赤外線が放射されると、赤外線の多くは感熱膜に吸収されるが、その一部（例えば３割程度）が感熱膜を透過する。透過した赤外線は、反射膜で反射されて、再び感熱膜へ戻るのだが、ここで、反射膜と感熱膜との距離がλ／４に規定されているので、戻りの赤外線が検出対象から放射される赤外線の波長に共振して、感熱膜の吸収効率が向上するようにされている。尚、赤外線センサを用いて人体の検出を行う場合には、人体から放射される８μｍ〜１３μｍの波長帯の赤外線が想定されることから、例えばλ＝１０μｍとして、感熱膜と反射膜との距離がλ／４＝２．５μｍに設定される（特許文献４参照）。
米国特許第５２８６９７６号明細書特開２００７−３１５９１６号公報特開平７−３１８４１６号公報特開２００８−２９１２号公報「金属」、株式会社アグネ技術センター、２００７年、Ｖｏｌ．７７（２００７）Ｎｏ．７、ｐ．７４１−７４４

しかしながら、前述したボロメータ型の赤外線センサにおいては、Ｓｉからなる基板を用いていることから材料費が比較的高価であるとともに、製造プロセスが複雑であり、未だ民生用途としてはコストが高いという課題を有している。そこで、製造コストを削減するために、例えば、Ｓｉ基板の代わりにガラス基板を用いることが考えられるが、ガラス基板を用いる場合には、犠牲層を除去する際のエッチング選択性を鑑みて、犠牲層としてＳｉＯ_２の代わりに樹脂等の高分子材料を用いる必要がある。このように犠牲層として高分子材料を用いる場合には、犠牲層の膜厚を確保するために、ポリイミドやレジスト材料等を用いることが望ましい。しかしながら、その一方で、犠牲層としてポリイミドやレジスト材料等を用いると、犠牲層を硬化した際に犠牲層の膜厚（高さ）が変動しやすくなり、感熱膜と基板との間の距離（λ／４）を精度よく設定できなくなるという課題が生じる。

また、梁部が、感熱膜及び基板に対し傾斜して延びて、感熱膜と基板とを連結しているので、感熱膜と反射膜との間の距離を精度よく設定できず、赤外線センサの検出精度を確保することが難しかった。

本発明は、前述の課題を鑑みてなされたものであって、製造コストを削減するとともに、検出精度を充分に確保できる赤外線センサの製造方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。
すなわち本発明の赤外線センサの製造方法は、ガラス基板の表面に、ナノインプリント技術を用いて凹部を形成する工程と、前記凹部の底面に反射膜を形成する工程と、前記凹部に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層の表面に感熱膜を形成し、前記感熱膜の面方向に沿って該感熱膜と前記凹部の開口縁とを連結する梁部を形成する工程と、前記犠牲層をエッチングにより除去する工程と、をこの順に備え、前記犠牲層を形成する工程の後に、前記感熱膜と前記反射膜との間の距離が、検出対象の波長λに対してλ／４となるように、前記ガラス基板及び前記犠牲層の表面を削る工程を有することを特徴とする。

本発明に係る赤外線センサの製造方法によれば、ガラス基板を用いているので、従来のようにＳｉ基板を用いるような場合に対比して、材料費を削減できる。また、ガラス基板を用いていることから、感熱膜を反射膜から離間して配設するための犠牲層を、ポリイミドやレジスト材料等の高分子材料を用いて形成でき、犠牲層の材料費が削減される。さらに、ガラス基板を用いているので、該ガラス基板の表面にナノインプリント技術により容易かつ短時間に凹部を形成することができ、製造プロセスが簡便となる。従って、赤外線センサの製造コストが大幅に削減される。また、犠牲層として高分子材料を用いることから、犠牲層の除去がより精度よく行え、検出精度が確保される。

また、ガラス基板の凹部を用いて犠牲層を形成し、この犠牲層の表面に感熱膜を形成できることから、凹部の底面に形成された反射膜と感熱膜との間の距離を精度よくλ／４に設定できる。すなわち、犠牲層として高分子材料を用いる場合、従来のように、平坦面からなる基板の表面に反射膜を形成し、該反射膜の表面に犠牲層を形成しても、犠牲層の膜厚を精度よくλ／４に設定することが難しかったが、本発明によれば、凹部に高分子材料を充填することで犠牲層の膜厚を確保できるとともに、前記距離を精度よくλ／４に決められる。

このように構成される赤外線センサに、検出対象から赤外線が放射されると、赤外線の多くは感熱膜に吸収され、その一部が感熱膜を透過するが、透過した赤外線は、反射膜で反射されて再び感熱膜へ戻る際に、反射膜と感熱膜との距離がλ／４に精度よく設定されていることから、検出対象から放射される赤外線の波長に共振して、感熱膜に吸収されやすくされている。従って、感熱膜の赤外線吸収効率が高められ、赤外線センサの検出精度が充分に確保されている。

また、梁部が、感熱膜の外周から感熱膜の面方向に沿って延び、感熱膜と凹部の開口縁とを連結していることから、従来のように、梁部が感熱膜及び基板に対し傾斜して延びて感熱膜と基板とを連結しているような構成に対比して、感熱膜と反射膜との間の距離λ／４がより精度よく設定される。

また、本発明に係る赤外線センサの製造方法において、前記感熱膜及び前記梁部を同一材料により一体成形することとしてもよい。
また、本発明に係る赤外線センサの製造方法において、前記感熱膜として、ボロメータ材料を用いることとしてもよい。
本発明に係る赤外線センサの製造方法によれば、感熱膜としてボロメータ材料を用いているので、熱抵抗を大きくでき、検出精度が充分に確保される。また、赤外線センサの製造コストをより削減できる。

また、本発明に係る赤外線センサの製造方法において、前記反射膜を、前記凹部における底面と開口縁との間の側面にも形成することとしてもよい。
本発明に係る赤外線センサの製造方法によれば、反射膜が、凹部の底面及び側面に形成されているので、赤外線がより感熱膜に吸収されやすくなる。すなわち、例えば、検出対象からの赤外線が、感熱膜の面方向に垂直な方向に対して傾斜して凹部へ入射した場合であっても、側面及び底面の反射膜に反射して感熱膜に戻されることから、検出感度が高められている。
また、本発明に係る赤外線センサの製造方法において、前記犠牲層を形成する工程では、前記凹部にポリイミドからなる犠牲層を形成し、該犠牲層をキュアして硬化させることとしてもよい。

本発明に係る赤外線センサの製造方法によれば、製造コストを削減できるとともに、検出精度を充分に確保することができる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る赤外線センサの要部を示す概略側断面図、図２は本発明の一実施形態に係る赤外線センサの凹部を拡大して示す概略部分平面図、図３、図４は本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造手順を説明する図である。

本実施形態に係る赤外線センサ１０は、熱型赤外線センサであり、ボロメータ型の赤外線センサに相当するものである。また、この赤外線センサ１０は、例えば、車室や居室における人体の位置や温度情報を取得する手段として、空調の制御に用いられる。

図１に示すように、本実施形態の赤外線センサ１０は、板状のガラス基板１を有し、ガラス基板１の表面には、略直方体穴状の凹部２が複数形成されている。また、これらの凹部２は、アレイ状に配列している。凹部２の底面には、赤外線を反射する性質のＡｌからなる反射膜３が夫々形成されている。

また、反射膜３の前記底面側とは反対側には、反射膜３から離間して感熱膜４が配設されている。感熱膜４は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ポリエステル、酸化バナジウム（ＶＯ_Ｘ）又はＴｉ等のボロメータ材料からなり、内部に熱吸収体及び配線を有している。本実施形態では、感熱膜４のボロメータ材料として、酸化バナジウムが用いられている。

また、感熱膜４と反射膜３との間の距離Ｄは、検出対象の波長λに対して、λ／４に設定されている。本実施形態の赤外線センサ１０においては、検出対象として人体を想定していることから、人体から放射される赤外線の波長λ（約１０μｍ）より、距離Ｄ（＝λ／４）＝２．５μｍに設定している。

また、感熱膜４の外周には、該感熱膜４の面方向に沿って延び、感熱膜４と凹部２の開口縁とを連結する梁部５が複数形成されている。梁部５は、例えば、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ又はＳｉ_３Ｎ_４等を用いて形成される。尚、本実施形態では、梁部５として、Ｐｏｌｙ−Ｓｉが用いられている。

図２に示すように、本実施形態では、梁部５が２本設けられており、これらの梁部５が略Ｚ字状に夫々形成されているとともに、その両端部分が、感熱膜４の外周における隅部と凹部２の開口縁とに夫々連結されている。また、これらの梁部５は、図２の平面視において、感熱膜４を中心に互いに回転対称に配置されている。

また、図示しないが、ガラス基板１の表面において、凹部２以外の部分には、複数の導体パターンが形成されている。これらの導体パターンは、梁部５を介して、感熱膜４の配線と電気的に接続されている。
また、ガラス基板１の凹部２側とは反対側には、ＳｉからなりＣＭＯＳＩＣ（信号処理回路）を有する信号処理基板１１が配設されている。信号処理基板１１のＣＭＯＳＩＣは、ガラス基板１の前記導体パターンと電気的に接続されている。

また、ガラス基板１の凹部２側の表面における外周縁部には、枠状のスペーサ１２が形成されている。また、図示しないが、スペーサ１２のガラス基板１側とは反対側には、赤外線を透過する性質の、例えばＳｉからなる集光基板が配設されている。集光基板には、ガラス基板１の各感熱膜４に対応して、集光レンズが複数形成されている。また、集光基板とガラス基板１との間の空隙は、略真空からなる減圧雰囲気に設定されており、前記空隙の外周部分は、スペーサ１２により気密に封止されている。また、前記空隙が減圧雰囲気とされていることから、凹部２内も減圧雰囲気に設定されている。

次に、このように構成される赤外線センサ１０を製造する手順について説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、ガラス基板１の表面に、ナノインプリント技術を用いて、凹部２を複数形成する。すなわち、凹部２の形状を反転させた直方体状の突起部を、複数備えるＳｉ型を予め用意し、このＳｉ型を、加熱したガラス基板１の表面に押し込んで、凹部２を形成する。

次に、図３（ｂ）に示すように、凹部２の底面に、スパッタ法などにより反射膜３を形成する。
次いで、図３（ｃ）に示すように、凹部２に犠牲層Ｓとして高分子材料のポリイミドを充填するとともに、ポリイミドでガラス基板１の表面を被覆する。また、このように形成した犠牲層Ｓに露光して、犠牲層Ｓを硬化させる。

凹部２の犠牲層Ｓが硬化した後、ガラス基板１及び犠牲層Ｓの表面を、図３（ｃ）に２点鎖線で示す仮想面Ｐまで削り、図３（ｄ）に示すように、反射膜３から犠牲層Ｓの表面までの距離Ｄを、Ｄ＝２．５μｍに設定する。
尚、本発明とは技術思想が異なる参考例では、このようにガラス基板１及び犠牲層Ｓの表面を仮想面Ｐまで削る工程は、削除することも可能である。すなわち、図３（ａ）において、前述のようにガラス基板１の表面に凹部２を形成する際、予め、凹部２の開口縁から反射膜の表面までの深さが検出対象の波長λに対してλ／４となるように設定しておく。このように凹部２を形成した後、反射膜３を形成し、犠牲層Ｓを凹部２の開口縁まで充填し硬化すれば、図３（ｄ）に示すように、反射膜３から犠牲層Ｓの表面までの距離Ｄが決まる。

次いで、図４（ｅ）に示すように、凹部２に形成した犠牲層Ｓの表面に、感熱膜４を夫々形成する。さらに、図４（ｆ）に示すように、梁部５を、感熱膜４の面方向に沿って形成して、感熱膜４の外周における隅部と凹部２の開口縁とを連結する。これらの感熱膜４及び梁部５は、公知のフォトリソグラフィ技術を用いて形成される。

次いで、図４（ｇ）に示すように、凹部２に形成した犠牲層Ｓを、エッチングにより選択的に除去する。エッチングの除去液としては、メタル工程以降に用いられる公知のネガレジスト剥離液等を利用でき、例えば、商品名：ＳＳＴ（東京応化工業株式会社製）等を用いることができる。

次に、ガラス基板１の表面における外周縁部に、スペーサ１２を形成する。また、略真空からなる減圧雰囲気中において、スペーサ１２のガラス基板１側とは反対側に、集光基板を配設する。
また、ガラス基板１の凹部２側とは反対側に、信号処理基板１１を配設する。
このようにして、赤外線センサ１０が製造される。

以上説明したように、本実施形態の赤外線センサ１０によれば、ガラス基板１を用いているので、従来のようにＳｉ基板を用いるような場合に対比して、材料費を削減できる。また、ガラス基板１を用いていることから、感熱膜４を反射膜３から離間して配設するための犠牲層Ｓを、ポリイミドを用いて形成でき、犠牲層Ｓの材料費が削減される。さらに、ガラス基板１を用いているので、該ガラス基板１の表面にナノインプリント技術により容易かつ短時間に凹部２を形成することができ、製造プロセスが簡便となる。従って、赤外線センサ１０の製造コストが大幅に削減される。また、犠牲層Ｓとしてポリイミドを用いることから、犠牲層Ｓの除去がより精度よく行え、検出精度が確保される。

また、ガラス基板１の凹部２を用いて犠牲層Ｓを形成し、この犠牲層Ｓの表面に感熱膜４を形成できることから、凹部２の底面に形成された反射膜３と感熱膜４との間の距離Ｄを精度よくλ／４に設定できる。すなわち、犠牲層Ｓとしてポリイミドを用いる場合、従来のように、平坦面からなる基板の表面に反射膜３を形成し、該反射膜３の表面に犠牲層Ｓを形成しても、犠牲層Ｓの膜厚を精度よくλ／４に設定することが難しかったが、本実施形態によれば、凹部２にポリイミドを充填することで犠牲層Ｓの膜厚を確保できるとともに、距離Ｄを精度よくλ／４に決められる。

尚、前述したように、ガラス基板１の凹部２に犠牲層Ｓを形成した後、ガラス基板１及び犠牲層Ｓの表面を削って、反射膜３から犠牲層Ｓの表面までの距離Ｄを決めることとしたので、距離Ｄがより精度よく設定される。

このように構成される赤外線センサ１０に、検出対象から赤外線が放射されると、赤外線の多くは感熱膜４に吸収され、その一部が感熱膜４を透過するが、透過した赤外線は、反射膜３で反射されて再び感熱膜４へ戻る際に、反射膜３と感熱膜４との距離Ｄがλ／４に精度よく設定されていることから、検出対象から放射される赤外線の波長に共振して、感熱膜４に吸収されやすくされている。従って、感熱膜４の赤外線吸収効率が高められ、赤外線センサ１０の検出精度が充分に確保されている。

また、梁部５が、感熱膜４の外周から該感熱膜４の面方向に沿って延び、感熱膜４と凹部２の開口縁とを連結していることから、従来のように、梁部５が感熱膜４及び基板に対し傾斜して延びて感熱膜４と基板とを連結しているような構成に対比して、感熱膜４と反射膜３との間の距離Ｄがより精度よく設定されるとともに、検出精度が充分に確保されている。

すなわち、従来では、梁部５が感熱膜４及び基板に対し傾斜して延びて形成されていたので、梁部５の傾斜角等を精度よく設定することが難しく、距離Ｄの精度が確保できなかったが、本実施形態の赤外線センサ１０によれば、距離Ｄが精度よく設定できる。また、従来では、傾斜して形成された梁部５がばね材のように作用して、感熱膜４が振動して検出精度が確保できないことがあったが、本実施形態の赤外線センサ１０によれば、梁部５が感熱膜４の面方向に沿って延びていることから感熱膜４の振動が抑制されて、検出精度が充分に確保される。

また、感熱膜４として、ボロメータ材料の酸化バナジウムを用いているので、感熱膜４の熱抵抗を大きくでき、検出精度を充分に確保できる。また、赤外線センサ１０の製造コストをより削減できる。
また、犠牲層Ｓとして、高分子材料のポリイミドを用いているので、犠牲層Ｓの除去がより精度よく行え、検出精度が充分に確保される。

尚、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本実施形態では、感熱膜４を構成するボロメータ材料として、酸化バナジウムを用いることとして説明したが、他のボロメータ材料を用いることとしても構わない。また、感熱膜４として、ボロメータ材料以外の材料を用いても構わない。

また、本実施形態では、感熱膜４に酸化バナジウムを用い、梁部５にＰｏｌｙ−Ｓｉを用いることとして説明したが、感熱膜４及び梁部５を同一材料により一体成形することとしても構わない。この場合、製造工程が削減されるとともに、生産性が向上する。

また、本実施形態では、検出対象として主に人体を想定し、人体から放射される赤外線の波長λ（約１０μｍ）より、感熱膜４と反射膜３との間の距離Ｄ（＝λ／４）＝２．５μｍに設定することとして説明したが、距離Ｄは、本実施形態に限定されるものではない。すなわち、距離Ｄは、検出対象から放射される赤外線の波長λに合わせて、適宜設定可能である。

また、本実施形態では、反射膜３が、凹部２の底面に形成されていることとして説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、反射膜３が、凹部２における底面と開口縁との間の側面にも形成されていることとしてもよい。このように反射膜３が凹部２に形成されることにより、赤外線がより感熱膜４に吸収されやすくなる。すなわち、例えば、検出対象からの赤外線が、感熱膜４の面方向に垂直な方向に対して傾斜して凹部２へ入射した場合であっても、凹部２の側面及び底面の反射膜３に反射して感熱膜４に戻されることから、検出感度が高められる。
また、反射膜３が、Ａｌで形成されていることとして説明したが、反射膜３は、赤外線を反射する性質のものであればよく、それ以外のＡｌ−Ｓｉ等であっても構わない。

また、本実施形態では、凹部２が、略直方体穴状に形成されていることとして説明したが、凹部２の形状はそれ以外の略円柱穴状や略多角柱穴状であっても構わない。また、凹部２が、アレイ状に配列していることとして説明したが、凹部２の配列は、本実施形態に限定されない。

また、本実施形態では、梁部５が２本設けられており、これらの梁部５が略Ｚ字状に夫々形成されていることとして説明したが、梁部５の数量や形状は、本実施形態に限定されない。
また、ガラス基板１の凹部２側とは反対側に、信号処理回路としてＣＭＯＳＩＣを有する信号処理基板１１が配設されていることとして説明したが、信号処理基板１１は、ＣＭＯＳＩＣ以外の信号処理回路を有していることとしても構わない。

また、本実施形態では、犠牲層Ｓとしてポリイミドを用い、露光してポリイミドを硬化させることとして説明したが、ポリイミドをキュア（ベーク）して完全に硬化させることとしても構わない。この場合、犠牲層Ｓの除去液として、加熱硝酸等を用いることができる。
また、犠牲層Ｓはポリイミド以外の高分子材料であってもよく、例えば、公知のレジスト材料等を用いることとしても構わない。

本発明の一実施形態に係る赤外線センサの要部を示す概略側断面図である。本発明の一実施形態に係る赤外線センサの凹部を拡大して示す概略部分平面図である。本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造手順を説明する図である。本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造手順を説明する図である。

符号の説明

１ガラス基板
２凹部
３反射膜
４感熱膜
５梁部
１０赤外線センサ
Ｄ感熱膜と反射膜との間の距離
Ｓ犠牲層

Claims

ガラス基板の表面に、ナノインプリント技術を用いて凹部を形成する工程と、
前記凹部の底面に反射膜を形成する工程と、
前記凹部に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層の表面に感熱膜を形成し、前記感熱膜の面方向に沿って該感熱膜と前記凹部の開口縁とを連結する梁部を形成する工程と、
前記犠牲層をエッチングにより除去する工程と、をこの順に備え、
前記犠牲層を形成する工程の後に、前記感熱膜と前記反射膜との間の距離が、検出対象の波長λに対してλ／４となるように、前記ガラス基板及び前記犠牲層の表面を削る工程を有することを特徴とする赤外線センサの製造方法。
請求項１に記載の赤外線センサの製造方法であって、
前記感熱膜及び前記梁部を同一材料により一体成形することを特徴とする赤外線センサの製造方法。
請求項１又は２に記載の赤外線センサの製造方法であって、
前記感熱膜として、ボロメータ材料を用いることを特徴とする赤外線センサの製造方法。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の赤外線センサの製造方法であって、
前記反射膜を、前記凹部における底面と開口縁との間の側面にも形成することを特徴とする赤外線センサの製造方法。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の赤外線センサの製造方法であって、
前記犠牲層を形成する工程では、前記凹部にポリイミドからなる犠牲層を形成し、該犠牲層をキュアして硬化させることを特徴とする赤外線センサの製造方法。