JP5625233B2 - 赤外線検出素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、赤外線を検出する赤外線検出素子及びその製造方法に関する。

従来より、赤外線用窓を通過して赤外線検出素子に入射する赤外線のうち、検出対象エリアからの赤外線のみを検出し、検出対象エリア外からの赤外線（以下、迷光と表記）の検出量を削減するべく、迷光が赤外線検出素子に入射することを遮断するための遮光板を赤外線検出素子用パッケージの内部に設ける技術が知られている（特許文献１参照）。
特開２００７−７１７６１号公報

従来技術によれば、検出対象エリア外から赤外線検出素子に入射する赤外線は遮断することができるが、赤外線の受光面以外の素子領域で反射した赤外線が赤外線用窓の裏面側で再度反射して赤外線検出素子に入射することは防止できない。このため従来技術によれば、反射によって赤外線検出素子に入射した赤外線に起因するノイズが発生し、赤外線検出素子の検出精度が低下する可能性がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は受光面以外の素子領域で反射した赤外線に起因するノイズを抑制し、検出精度が低下することを防止可能な赤外線検出素子及びその製造方法を提供することにある。

本発明は、受光面以外の素子領域の赤外線の入射面側に、入射する赤外線の波長よりも短いピッチで配列されている複数の凸状構造体を備える。

本発明によれば、受光面以外の素子領域に入射した赤外線が複数の凸状構造体によって分散されることにより受光面以外の素子領域における赤外線の反射量が低減されるので、受光面以外の素子領域で反射した赤外線に起因するノイズを抑制し、赤外線検出素子の検出精度が低下することを防止できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる赤外線検出素子の構成及びその製造方法について説明する。

〔赤外線検出素子の構成〕
始めに、図１（ａ）〜（ｃ）を参照して、本発明の実施形態となる赤外線検出素子の構成について説明する。なお図１（ａ）は赤外線検出素子の上面（赤外線の入射面側）図，図１（ｂ）は図１（ａ）に示す線分ＡＡ’における赤外線検出素子の断面図，図１（ｃ）は図１（ａ）に示す線分ＢＢ’における赤外線検出素子の断面図を示す。

本発明の実施形態となる赤外線検出素子は、基板１と、メインブレン２と、メインブレン２の赤外線入射面側表面上に形成された受光部３と、メインブレン２表面上に形成され、受光部３と基板１とを接続する複数の感温抵抗体４を有する。基板１は矩形形状のSi（シリコン）基板により形成され、その赤外線入射面側表面にはp-Si（ポリシリコン）膜１ａが形成されている。基板１の赤外線入射面側表面にはp-Si膜１ａと基板１をエッチング加工することにより四角錐形状の空隙１ｂが形成されている。メインブレン２は、SiN（窒化シリコン）やSiO₂（二酸化珪素）により形成されている。本実施形態では、メインブレン２は、十字形状を有し、その中心部表面上に受光部３が形成されている。受光部３と基板１との間のメインブレン２の表面上には複数の感温抵抗体４が形成されている。メインブレン２は、表面に感温抵抗体４が形成されている領域の端部において基板１と接続することにより空隙１ｂ上に架設されている。これにより、メインブレン２の下部は空隙１ｂによって基板１から熱分離された状態になっている。

受光部３は、金黒膜，ニッケル黒膜，樹脂等の赤外線を吸収する材料により形成されている。本実施形態では、各感温抵抗体４は、ｐ型のp-Siからなるｐ型サーモパイル４ａと、ｎ型のp-Siからなるｎ型サーモパイル４ｂとを有する。ｐ型サーモパイル４ａ及びｎ型サーモパイル４ｂは、基板１上に形成されたコンタクト５及びアルミニウム配線６を介して隣接するｐ型サーモパイル４ａ及びｎ型サーモパイル４ｂと直列接続されている。ｐ型サーモパイル４ａ及びｎ型サーモパイル４ｂの直列配線の両端部にあるコンタクタ５はそれぞれ出力点７及びバイアス点８として機能する。感温抵抗体４と表面に感温抵抗体４が形成されているメインブレン２領域は、基板１と受光部３との間に架設され、冷点としての基板１と温点としての受光部３の温度差を検出する温度検出部９として機能する。なお本実施形態では、感温抵抗体４としてサーモパイル（熱電対）を用いたが、本発明はこれに限定されることはなく、例えばボロメータ式や強誘電体式の赤外線検出素子であってもよい。

〔動作原理〕
このような構成を有する赤外線検出素子では、入射した赤外線は受光部３において吸収される。この結果、赤外線の光エネルギーによって受光部３が温められ、受光部３の温度は上昇する。一方、基板１の温度は、基板１が受光部３の大きさ（例えば100μｍ²）と比較して非常に大きく（例えば数ｍｍ²）、ヒートシンクとして機能するために変化しない。このため受光部３と基板１との間に温度差が生じる。受光部３と基板１との間に温度差が生じると、受光部３と基板１とを接続する感温抵抗体４にはゼーベック効果により熱起電力が発生し、出力点７とバイアス点８間に電位差が生じる。従って、出力点７とバイアス点８の電位差を検出することにより受光部３に入射した赤外線を検出することができる。

〔凸状構造体〕
受光部３は赤外線を吸収する材料により形成されているので、赤外線に対する反射率は極めて小さい。しかしながら、温度検出部９や基板１表面はSi,SiO₂,SiN等のＳｉ系材料により形成されていることから、赤外線に対する反射率は赤外線の波長（例えば8-12μｍ）に対し４割程度（波長によっては７割程度）と高い。このため温度検出部９や基板１表面で反射した赤外線が図示しない赤外線用窓の裏面側で再度反射して受光部３に入射することにより、ノイズが発生し、赤外線検出素子の検出精度が低下する可能性がある。なおこのような問題を解決するために、赤外線吸収率が高い材料により温度検出部９を被覆することにより温度検出部９表面の反射率を小さくする方法が考えられる。ところがこの方法を用いた場合、温度検出部９の熱伝導率が上昇することによって出力点７とバイアス点８間の電位差が小さくなることにより赤外線検出素子の感度が低下する可能性がある。また図示しない赤外線用窓の裏面側に反射防止用のコーティングを施す方法も考えられるが、この方法を用いたとしても赤外線の反射を完全に抑えることはできない。そこで本実施形態の赤外線検出素子では、基板１と温度検出部９の赤外線が入射する側の表面に赤外線の波長以下のピッチで凸状の構造体を設ける。このような構成によれば、赤外線は凸状構造体によって分散，吸収されるので、温度検出部９や基板１表面における赤外線の反射量を低減することができる。以下、この凸状構造体によって赤外線が分散される原理について説明する。

光が空気（屈折率ni=1）からバルク材（屈折率ns）に入射する際、バルク材の表面が平坦である場合は、バルク材表面の反射率Rは理論上以下の数式１のように表される。一方、バルク材の表面に反射防止膜（AntiReflection Coating : ARC）を形成した場合には、空気と反射防止膜の界面における反射光と反射防止膜とバルク材の界面における反射光の強さが同じで位相がπずれた時に、反射光が互いに干渉し打ち消し合うことにより反射を低減することができる。従って反射防止膜が反射を最も低減できる条件は、反射防止膜の屈折率n0と膜厚dが以下の数式２，３を満足することである。また反射防止膜がなくバルク材だけである時よりも反射率を下げる条件は、光路差を表す数式３の左辺（2*n0*d）が以下の数式４を満足することである。すなわち数式４から明らかなように、m=0である場合は以下の数式５に示す条件が満たされなければ反射防止膜がなくバルク材だけである時よりも反射率を下げることができない。このため単相の薄膜を反射防止膜として用いる場合には、バルク材によって反射防止膜として利用可能な材料が限定されてしまう。

これに対して、反射防止膜として赤外線の波長程度のピッチで配列された凹凸構造を形成することにより材料によらず反射率を低減することができる。凹凸構造を形成することは空気とバルク材の間に屈折率neff（ni<neff<ns）の仮想層を形成することと光学的に同じ意味となる。以下、バルク材の表面に２次元状にドットを形成した場合と１次元状にラインの繰り返し構造を形成した場合とに分けてその原理について説明する。

バルク材の表面に２次元状にドットを周期的に形成した場合、単位格子あたりに占めるドットの面積の割合を開口率ｆ、空気の誘電率をε１、材料の誘電率をε２とすると、バルク材の誘電率εｅｆｆはＴＥ（Transverse Electric）波，ＴＭ（Transverse Magnetic）波に関係なく以下の数式６に示すようになることから、バルク材の正味の屈折率ｎｅｆｆは以下の数式７に示すようになる。従って、バルク材の正味の屈折率ｅｆｆが数式２に等しくなるように開口率ｆを設定し、且つ、ドットの高さを数式３に示す条件を満たす値とすれば２次元状のドットは反射防止膜として機能する。なおこの場合、ドットは２次元状に構成されていることからＴＥ波，ＴＭ波に関係なく反射防止膜として機能する。

一方、バルク材の表面に１次元状にラインの繰り返し構造を形成した場合、ピッチＰで開口ｂが高さｄで形成されているとして開口率ｆ＝ｂ／Ｐであるとすると、バルク材の誘電率εｅｆｆはラインと平行に振動するＴＥ波については以下の数式８，ラインと垂直に振動するＴＭ波については以下の数式９に示すようになるので、バルク材の屈折率はＴＥ波については以下の数式１０，ＴＭ波については以下の数式１１に示すようになる。このことから、ＴＥ波に対しては、バルク材の屈折率が数式１０を満たすように開口率ｆを設定し、高さｄを数式３に示す条件を満たす値とすればラインを反射防止膜として機能させることができる。また同様に、ＴＭ波に対しては、バルク材の屈折率が数式１１を満たすように開口率ｆを設定し、高さｄを数式３に示す条件を満たす値とすればラインを反射防止膜として機能させることができる。従ってこの場合には、ＴＥ波とＴＭ波のどちらか、換言すれば一方向に対して反射防止膜として機能させることができる。

以下、凸状構造体の幾つかの実施例について説明する。

〔実施例１〕
始めに、図２（ａ）〜（ｃ）を参照して、実施例１の凸状構造体の構成について説明する。なお図２（ａ）は温度検出部９の斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）に示す線分ＣＣ’における断面図、図２（ｃ）は温度検出部９の上面図を示す。

本実施例では、図２（ａ）に示すようにｘｙ軸を設定すると、入射する赤外線の中心波長は１０μｍであることから、図２（ａ），（ｂ）に示すように、ｐ型サーモパイル４ａとｎ型サーモパイル４ｂ上にピッチ１μｍで高さ１μｍの矩形の凸部１０を凸状構造体としてｙ方向に沿って複数形成する。この結果、ｙ方向に赤外線の波長１０μｍ以下のピッチＰｙで凹凸構造が形成されるために、ｙ方向に振動する赤外線の電場成分が分散，吸収され、赤外線の反射量が低減される。またｐ型サーモパイル４ａとｎ型サーモパイル４ｂが波長１０μｍ以下のピッチＰｘでｘ方向に配列されていると、図２（ｃ）に示すように、赤外線の波長以下の凹凸構造がｘ方向にも形成されることになるので、ｘ方向に振動する赤外線の電界成分も分散，吸収され、赤外線の反射量が低減される。この結果、ｘｙ方向の直交する２次元方向に振動する赤外線の反射量を低減できるので、入射する赤外線の偏向状態に関係なく反射を低減することができる。なお本実施例では凸部１０のピッチＰｙを１μｍとしたが、本発明はこれに限定されることはなく１０μｍ以下であればよい。また凸部１０の高さも任意の値でよい。

以上の説明から明らかなように、本実施例１では、温度検出部９として機能するメインブレン２と感温抵抗体４（ｐ型サーモパイル４ａとｎ型サーモパイル４ｂ）の表面上にそれぞれ感温抵抗体４により構成される凹凸構造と凸部１０により構成される凹凸構造が形成されている。そしてこの凹凸構造のピッチＰｘ，Ｐｙは入射する赤外線の波長よりも短い値に設定されているので、温度検出部９に入射した赤外線が凹凸構造によって分散されることにより温度検出部９における赤外線の反射が抑制される。従って本実施例１によれば、温度検出部９で反射した赤外線に起因するノイズを抑制し、赤外線検出素子の検出精度が低下することを防止できる。

〔実施例２〕
次に、図３を参照して、実施例２の凸状構造体の構成について説明する。なお図３は温度検出部９の上面図を示す。

感温抵抗体４は、ゼーベック効果により熱起電力を発生するものであるので、電気抵抗を有する。従って赤外線検出素子の感度を上げるために低抵抗化が求められる場合、感温抵抗体４の断面積を大きくすればよい。しかしながら感温抵抗体４の断面積を大きくした場合には、感温抵抗体４の幅やピッチが１０μｍ以上になることによって、赤外線の波長よりも大きいピッチで感温抵抗体４が配列され、赤外線の反射量を低減できなくなる可能性がある。そこで本実施例２では、感温抵抗体４を構成するｐ型サーモパイル４ａとｎ型サーモパイル４ｂは、図３に示すように、基板１と受光部３間のメインブレン２上において入射する赤外線の波長よりも短いピッチで櫛歯状に分岐している。このような構成によれば、ｐ型サーモパイル４ａとｎ型サーモパイル４ｂを並列接続することにより、感温抵抗体４の断面積を大きくすることなく低抵抗化を実現することができる。なおこの場合、隣り合うサーモパイルは、赤外線の波長以下のピッチＰｘでｘ方向に並んでいる。このため仮にコンタクト５のピッチＰｃが赤外線の波長より大きい場合であっても温度検出部９内ではサーモパイルが細かいピッチＰｘで並ぶためにｘ方向に振動する赤外線の電場成分が分散，吸収されることによって赤外線の反射量は低減される。また実施例１と同様にｙ方向に凸部１０を赤外線の波長以下のピッチＰｙで形成することにより、ｙ方向に振動する赤外線の電場成分が分散，吸収され、赤外線の反射量を低減することができる。

以上の説明から明らかなように、本実施例２では、感温抵抗体４（ｐ型サーモパイル４ａとｎ型サーモパイル４ｂ）が、基板１と受光部３間において入射する赤外線の波長よりも短いピッチで櫛歯状に分岐しているので、上記実施例１による技術的効果と合わせて、感温抵抗体４の断面積を大きくすることなく赤外線検出素子の感度を向上できるという技術的効果を得ることができる。

〔実施例３〕
次に、図４（ａ）〜（ｃ）を参照して、実施例３の凸状構造体の構成について説明する。なお図４（ａ）は温度検出部９の斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）に示す線分ＤＤ’における断面図、図４（ｃ）は温度検出部９の上面図を示す。

ｐ型サーモパイル４ａ及びｎ型サーモパイル４ｂが例えば幅０．３μｍ，高さ０．３μｍのような微細な形状である場合、赤外線の波長１０μｍと比較して小さいために、赤外線の反射を低減する効果が小さくなる。しかしながらメインブレン２に凸状構造体を形成した場合には、メインブレン２の熱容量が増加することによりメインブレン２に熱が蓄積され、結果として、基板１と受光部３の温度差が正確に検出できなくなる可能性がある。そこで本実施例３では、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、メインブレン２のｙ方向に入射する赤外線の波長よりも短いピッチＰｙで凹凸構造を蛇腹状に形成することにより、凸部構造の内部に空洞部１１を形成している。そして複数の感温抵抗体４は凹凸構造が形成されたメインブレン２上をｙ方向に延出する形で形成されている。

以上の説明から明らかなように、本実施例３では、メインブレン２に形成された凸状構造体の内部に空洞部１１を形成することによりメインブレン２の熱伝導率を低下させているので、上記実施例１による技術的効果と合わせて、基板１と受光部３の温度差を正確に検出できるという技術的効果を得ることができる。また本実施例３では、メインブレン２に蛇腹状の凹凸構造を形成することにより凸状構造体を形成しているので、上記実施例１による技術的効果と合わせて、メインブレン２の実質的な長さが長くなることによって熱抵抗が上昇して赤外線検出素子の感度が向上するという技術的効果を得ることができる。

〔赤外線検出素子の製造方法〕
次に、図５（ａ）〜（ｆ），図６（ａ），（ｂ）を参照して、実施例３に示す赤外線検出素子の製造方法について説明する。なお図５（ａ）〜（ｆ），図６（ａ），（ｂ）は実施例３の赤外線検出素子の図１（ａ）に示す線分ＥＥ’における断面図を示す。

実施例３に示す赤外線検出素子を製造する際は、始めに、図５（ａ）に示すようにSi基板１の表面に１．５μｍ程度の膜厚のp-Si膜１ａを形成した後、図５（ｂ）に示すようにメインブレン２の凸部に対応する位置以外の領域のp-Si膜１ａをドライエッチングにより１．０μｍ程度除去する。これによりp-Si膜１ａの表面にはピッチＰで配列された高さＨの凸部が形成される。次に、図５（ｃ）に示すようにp-Si膜１ａの表面上に０．１５μｍ程度の膜厚のSiN膜２を形成する。このSiN膜２はメインブレン２として機能する。次に、SiN膜２の表面上にポリシリコン膜を形成した後、ｐ型サーモパイル４ａ及びｎ型サーモパイル４ｂに対応するポリシリコン領域にそれぞれボロン及びリンを注入する。次に、基板全体を９００℃でアニールすることによりボロン及びリンを活性化した後、ドライエッチングによってポリシリコン膜をパターンニングすることにより、図５（ｄ）に示すようにSiN膜２の表面上にｐ型サーモパイル４ａ及びｎ型サーモパイル４ｂを形成する。

次に、図示しないコンタクトとアルミニウム配線によりｐ型サーモパイル４ａ及びｎ型サーモパイル４ｂを直列に接続し、ｐ型サーモパイル４ａ及びｎ型サーモパイル４ｂ上に保護膜としてのSiN膜１２を形成した後、図５（ｅ）に示すように基板表面上にSiO₂膜１３を形成する。次に、受光部に対応する領域以外のSiO₂膜１３を除去した後、図５（ｆ）に示すようにSiO₂膜１３表面に０．２μｍ程度の膜厚の保護膜としてのSiN膜１２を形成する。次に、図６（ａ）に示すように受光部に対応するSiN膜１２の表面上に赤外線を吸収する吸収膜３を形成する。この吸収膜３は受光部３として機能する。そして最後に、ドライエッチングにより基板表面の所定部位にエッチングスリットを開口してp-Si膜１ａを露出させた後、ＴＭＡＨ，ＫＯＨ，ヒドラジン等の強アルカリ性溶液を用いてp-Si膜１ａ及びSi基板１に対し結晶異方性エッチングを施すことにより空隙１ｂを形成する。これにより、一連の製造工程は終了する。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば上記実施例３では図４（ａ）に示すようにメインブレン２の凹凸構造がｘ方向に周期的に配列されているために赤外線のｘ方向の電場成分しか分散，吸収することができないが、例えば図７（ａ）〜（ｃ）に示すようにメインブレン２表面上にｘ方向及びｙ方向に周期的に配列された凸部１０を形成することによりｘ方向，ｙ方向に振動する赤外線の電場成分を分散，吸収できるようにしてもよい。また変形例として、図８（ａ）〜（ｃ）に示すようにメインブレン２表面上にｘ方向及びｙ方向に周期的に配列された凹部１０を形成することによりｘ方向，ｙ方向に振動する赤外線の電場成分を分散，吸収できるようにしてもよい。また本実施形態では、凹凸形状は直方体であったが、円錐台や四角錐台等の直方体以外の形状であってもよい。また赤外線検出素子の形状は、図１に示す形状に限定されることはなく、図９に示すような温度検出部を構成するメインブレン２が屈曲している形状にも適用できる。このように、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

本発明の実施形態となる赤外線検出素子の（ａ）上面図，（ｂ）線分ＡＡ’における断面図，及び（ｃ）線分ＢＢ’における断面図である。 実施例１の凸状構造体の（ａ）斜視図，（ｂ）線分ＣＣ’における断面図，及び（ｃ）上面図である。 実施例２の凸状構造体の上面図である。 実施例３の凸状構造体の（ａ）斜視図，（ｂ）線分ＤＤ’における断面図，及び（ｃ）上面図である。 実施例３の赤外線検出素子の製造方法を示す断面工程図である。 図５に示す製造方法の続きを示す断面工程図である。 実施例３の凸状構造体の変形例の（ａ）斜視図，（ｂ）線分ＦＦ’における断面図，及び（ｃ）線分ＧＧ’における断面図である。 実施例３の凸状構造体の変形例の（ａ）斜視図，（ｂ）線分ＨＨ’における断面図，及び（ｃ）線分ＩＩ’における断面図である。 本発明の実施形態となる赤外線検出素子の変形例の上面図である。

符号の説明

１：基板
１ａ：p-Si（ポリシリコン）膜
１ｂ：空隙
２：メインブレン
３：受光部
４：感温抵抗体
４ａ：ｐ型サーモパイル
４ｂ：ｎ型サーモパイル
５：コンタクト
６：アルミニウム配線
７：出力点
８：バイアス点

Claims (5)

1. 冷点として機能する基板と、入射された赤外線を吸収して熱に変換し、温点として機能する受光部と、前記基板と前記受光部を熱分離した状態で支持し、且つ前記冷点と前記温点の温度差を検出する温度検出部とを備え、前記温度検出部により検出された温度差に基づいて赤外線を検出する赤外線検出素子であって、前記基板及び前記温度検出部のうち少なくともいずれか一方の赤外線の入射面側に、前記温度検出部を用いて複数の凸状構造体を形成し、当該複数の凸状構造体は前記受光部に入射する赤外線の波長よりも短いピッチで配列され、
   前記温度検出部は、前記基板と前記受光部の間に架設された梁部と、前記梁部の赤外線の入射面側表面上に形成され、前記冷点と前記温点を接続する感温抵抗体とを備え、前記複数の凸状構造体は前記感温抵抗体の表面上に形成されている
   ことを特徴とする赤外線検出素子。
2. 請求項１に記載の赤外線検出素子において、前記感温抵抗体は、前記受光部に入射する赤外線の波長よりも短いピッチで前記梁部の表面上に形成されることにより前記凸状構造体として機能することを特徴とする赤外線検出素子。
3. 請求項１又は請求項２に記載の赤外線検出素子において、前記感温抵抗体は、入射する赤外線の波長よりも短いピッチで前記冷点と前記温点間において櫛歯状に分岐していることを特徴とする赤外線検出素子。
4. 請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の赤外線検出素子において、前記凸状構造体の内部に空洞が形成されていることを特徴とする赤外線検出素子。
5. 冷点として機能する基板と、入射された赤外線を吸収して熱に変換し、温点として機能する受光部と、前記基板と前記受光部を熱分離した状態で支持し、且つ前記冷点と前記温点の温度差を検出する温度検出部とを備え、前記温度検出部により検出された温度差に基づいて赤外線を検出し、前記温度検出部は、前記基板と前記受光部の間に架設された梁部と、前記梁部の赤外線の入射面側表面上に形成され、前記冷点と前記温点を接続する感温抵抗体とを備え、前記複数の凸状構造体は前記感温抵抗体の表面上に形成されている赤外線検出素子の製造方法であって、
   前記基板及び前記温度検出部のうち少なくともいずれか一方の赤外線の入射面側に、前記温度検出部を用いて、前記受光部に入射する赤外線の波長よりも短いピッチで複数の凸状構造体を形成する工程を有することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。

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