JP5984959B2 - 高い測定精度を有する赤外光センサチップ、および、当該赤外光センサチップの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高い測定精度を有する赤外光センサチップと、当該赤外光センサチップの製造方法とに関する。

ガスを検出するために、３〜５μｍの波長領域にある赤外光を用いることが公知である。この波長領域の赤外光を放出するように構成された光源を用いて、検出対象のガスに光を照射する。この赤外光の一部はこのガスによって吸収されて、残留光が残る。この残留光の波長領域および／または強度を検出して相応の電気信号に変換するように構成された赤外光センサを用いて、この残留光を測定することができる。この電気信号に基づいて、適切に評価することにより、検出対象のガスの種類および含有量を推定することができる。

従来の赤外光検出チップは、焦電性感応材料を含む層を有する。この焦電性感応材料は、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等である。このような層は従来、シリコンから成る支持膜上に設けられていた。さらに、この層は、たとえば白金から成る電極、または、赤外線を吸収するクロムニッケル合金から成る電極に電子的に接続される。

赤外光センサチップはたとえば、ガス濃度を測定するのに用いられる非分散型赤外線吸収式ガス分析計（ＮＤＩＲ）において用いられる。赤外光センサチップの、このガス濃度測定に基づく出力信号は、測定時の当該赤外光センサチップの温度に大きく依存するので、非分散型赤外線吸収式ガス分析計の測定精度は、赤外光センサチップの温度が正確に既知であるか否かに依存する。

赤外光センサチップは筐体を備えており、周辺の有害作用から保護するため、この筐体内に、焦電性感応層と電極とが設けられた上述の支持膜が収容されている。測定中に赤外光センサチップの温度を推定するために、上述の非分散型赤外線吸収式ガス分析計にはさらに温度センサも設けられ、この温度センサにより、赤外光センサチップの現在の周辺温度を測定することができる。スペースの観点から、赤外光センサチップの筐体は可能な限り小型にされるので、上述の温度センサは筐体の外部に設置される。温度センサが筐体に接触するように取り付けられている場合、温度センサにより測定される対象は筐体の温度である。これに代えて択一的に、温度センサを筐体の直近に配置すると、温度センサにより測定される対象は筐体の周辺温度になる。特に、周辺温度が時間と共に変化する場合、一般的には、温度センサにより測定された温度が、焦電性感応層の温度と一致しないという事態が生じ、このことにより、赤外光センサチップの測定精度が低くなる。

本発明の課題は、赤外光センサチップの測定精度が高い赤外光センサチップと、当該赤外光センサチップの製造方法とを実現することである。

前記課題は、請求項１および１２に記載の特徴により解決される。その他の請求項に、独立請求項に係る発明の有利な実施形態が記載されている。

本発明の赤外光センサチップは、基板と赤外光センサと抵抗式温度センサとを有し、当該赤外光センサは底部電極を有し、当該底部電極は前記基板の片面に直接接しており、当該底部電極により前記赤外光センサが前記基板に固定されており、前記抵抗式温度センサは抵抗路を有し、当該抵抗路は前記基板の前記片面に直接接し、前記赤外光センサと並ぶように設置され、前記抵抗路は、前記抵抗式温度センサにより前記基板の温度を測定するために設けられており、前記抵抗路は前記底部電極の材料から形成されている。本発明の赤外光センサチップの製造方法は、前記基板を準備するステップと、前記基板の前記片面に前記底部電極の材料を成膜することにより、当該片面が前記底部電極の材料の層により覆われるようにするステップと、前記基板の片面に前記底部電極と前記抵抗路とが形成されるように、前記底部電極の層の余分な材料を除去するステップと、前記赤外光センサを形成するステップと、を有する。

従来は、周辺からの、場合によっては有害となる影響から赤外光センサチップを保護するため、赤外光センサチップは筐体内に収容されていた。赤外光センサチップの所要スペースを小さくするためには、筐体を可能な限り小さくすることが望ましい。従来の赤外光センサチップ用の従来の温度センサは筐体内に入らないので、従来の温度センサは筐体外に設置されていた。それに対し、本発明の赤外光センサチップの抵抗式温度センサでは、その抵抗路が基板の表面上に直接設置されて赤外光センサの隣に配置され、抵抗式温度センサは、赤外光センサチップを収容するための筐体内に配置され、この筐体は有利には小型に形成することができる。さらに、抵抗式温度センサによって基板の温度を直接検出できるので、赤外光センサの温度を正確に測定することができる。赤外光センサの実際の温度が正確に分かることにより、当該赤外光センサによる測定の較正を正確に行うことができ、抵抗式温度センサを用いて赤外光センサの正確な較正を行えることにより、赤外光センサチップの測定精度を高くすることができる。

抵抗路を底部電極の材料から形成することにより、有利には、抵抗式温度センサの抵抗路と底部電極とを形成するために必要とされる製造工程が１つだけでよくなる。このことにより、赤外光センサチップの製造を簡単かつ低コストにすることができる。さらに、抵抗路と底部電極とを形成するこの製造工程では、抵抗路を底部電極に直接、僅かな間隔を置いて隣接させて取り付けることができるので、有利には、赤外光センサチップの所要スペースを小さくすることができると同時に、抵抗路により測定される温度が赤外光センサの実際の温度に良好に一致するようになる。

有利には、底部電極の材料は白金である。有利には、抵抗路の厚さと底部電極の厚さとは等しい。ここで抵抗路および底部電極の厚さとは、基板の、抵抗路および底部電極の双方が取り付けられる面の表面に対して垂直方向の厚さとして扱う。さらに、前記抵抗路は有利にはメアンダ状に形成される。赤外光センサチップの通常の周辺条件では、抵抗路の所要長さに対して底部電極の幅は過度に小さくなるのが普通である。このことはとりわけ、底部電極および抵抗路の材料が白金であり、底部電極の厚さと抵抗路の厚さとを等しくしなければならない場合に当てはまる。有利には抵抗路をメアンダ状とすることにより、底部電極の幅を超える所要スペースを形成することなく、抵抗路の長さを相応に選択することができる。

抵抗式温度センサは、抵抗路の長さ方向の両端にそれぞれ、当該抵抗路の実際の電気的抵抗を電子的に取り出すための抵抗電極を有する。この抵抗電極を介して、たとえばホイートストン測定ブリッジを用いて、抵抗式温度センサを動作させることができる。

さらに有利には、前記基板は枠部と、当該枠部により張られたダイヤフラムとを有し、前記赤外光センサの底部電極がこのダイヤフラム上に配置されており、抵抗式温度センサの抵抗路は枠部上に配置されている。その際には、抵抗式温度センサの配置位置における前記枠部の幅は、有利には他の位置の幅より大きい。このことにより有利には、いずれにしてもダイヤフラムを保持するために設けられている基板の枠部上に抵抗式温度センサを配置することができる。このことにより、抵抗式温度センサのために付加的な支持部材を設ける必要がなくなるので、赤外光センサチップの構成をコンパクトにすることができる。有利には、枠部の幅を、抵抗式温度センサが設置された面においてのみ、他の場所における幅より大きくする。このことにより、形状が有利なメアンダ状になっている抵抗路のために十分なスペースを確保することができる。

赤外光センサは有利には、前記底部電極上に配置されかつ当該底部電極に導電接続されたセンサ素子を有する。このセンサ素子の材料は、有利にはチタン酸ジルコン酸鉛である。さらに、赤外光センサチップを薄膜プロセスにより形成するのが有利である。有利には、前記抵抗路は４０〜１００ｎｍの厚さを有し、および／または、５〜１０μｍの幅を有し、および／または、室温で１ｋΩの電気的抵抗を有する。

赤外光センサチップの製造時に基板上に成膜を行うのに有利なのは、基板上に底部電極の材料を蒸着させることである。センサ素子を形成するのに有利なのは、底部電極の層上にセンサ素子の材料を成膜することである。その際には、底部電極層上に成膜するためにスパッタ法を用いて、センサ素子材料を当該底部電極層上に被着させるのが有利である。

本発明の赤外光センサチップにおいて有利には、センサ素子において直に温度を測定することができる。このことにより、赤外光センサチップの較正を正確にすることができ、ひいてはこのことによって、赤外光センサチップの測定精度を高くすることができる。従来のセンサチップでは、温度センサはディスクリート部品として構成され、たとえば筐体外部に配置されていた。本発明の赤外光センサチップでは抵抗式温度センサの抵抗路を基板上に直接配置するので、抵抗式温度センサは、赤外光センサチップに組み込まれた部品となる。このことにより、本発明の赤外光センサチップではたとえば、従来の赤外光センサチップにおいて必要であった、温度センサのための付加的な部品を設ける必要がなくなるので、本発明の赤外光センサチップの製造にかかる手間ひいては製造コストが、従来の赤外光センサチップと比較して低くなり、なおかつ、本発明の赤外光センサチップのサイズも、従来のものと比較して小さくなる。

従来の赤外光センサチップでは、ディスクリート温度センサはしばしば、プリント回路基板の下面に取り付けられることが多く、通常は、下面に取り付けられる部品はこの温度センサのみである。それゆえ、たとえばリフロー炉内で行われる組立プロセスでは、温度センサを熱から保護する必要がある。そのために必要な手段は面倒であり、製造コストの増大に繋がる。有利には、このような手段は、本発明の赤外光センサチップの製造時には不要となる。さらに、抵抗式温度センサの集積工程と焦電型赤外光センサの製造プロセスとは両立するので、これらをウェハレベルで直接実施することができる。このことは、本発明の赤外光センサチップ製造方法においてコスト上の利点となる。

以下、添付の概略的な図面を参照して、本発明の赤外光センサチップの有利な実施例を説明する。

本発明の赤外光センサチップの概略的な上面図である。 図１の断面Ａ‐Ａを示す図である。

図１，２を見ると分かるように、赤外光センサチップ１は基板２を備えており、この基板２は枠部３により形成されている。この枠部３の輪郭は方形であり、当該枠部３の１辺は狭幅の枠部区間４により形成されており、当該枠部３の他の３辺は広幅の枠部区間５により形成されている。枠部３によりダイヤフラム６が張られており、このダイヤフラム６は枠部３の上側８に設けられている。枠部３は有利にはシリコンから成り、ダイヤフラム６は有利には酸化シリコンおよび／または窒化シリコンから形成される。その際には、枠部３がダイヤフラム６を有するように、シリコンウェハに酸化シリコンおよび／または窒化シリコンを成膜したものにダイヤフラム凹部７を除去処理により形成する。

枠部３およびダイヤフラム６は基板上面８に平坦な面を成し、ダイヤフラム６の中央に赤外光センサ９が設置される。赤外光センサ９およびダイヤフラム６の基本輪郭は、赤外光センサ９の基本輪郭が枠部３の中に入ってダイヤフラム６により完全に包囲されるように寸法調整されている。

赤外光センサ９は底部電極１０を有し、この底部電極１０は基板上面８に直接取り付けられている。この底部電極１０上に、チタン酸ジルコン酸鉛から成るセンサ素子１１が設置されている。センサ素子１１の基本輪郭は、底部電極１０の基本輪郭より幾らか小さくなるように寸法調整されているので、底部電極１０は基板上面８上のセンサ素子１１から幾らか突出している。センサ素子１１上に上部電極１２が配置されており、この上部電極１２の基本輪郭はセンサ素子１１の基本輪郭と合同である。センサ素子１１は底部電極１０および上部電極１２の双方に導電接続されているので、赤外光センサ９の赤外光照射により生じる電荷移動を検出することができる。

基板上面８には、枠部広幅区間５に抵抗式温度センサ１３が集積されている。この抵抗式温度センサ１３は抵抗路１４を有し、抵抗路１４は枠部広幅区間５上に、底部電極１０の対向面に対して平行に、かつメアンダ状に延在している。抵抗路１４の長手方向の両端にはそれぞれ抵抗電極１５，１６が取り付けられている。

底部電極１０および抵抗路１４は白金から成り、両者の厚さは等しい。抵抗路１４の長さは、抵抗式温度センサ１３の電気的抵抗が１ｋΩになるように寸法調整されている。抵抗路１４の厚さは４００ｎｍ〜１００ｎｍの間であり、抵抗路１４の幅は５〜１０μｍの間である。抵抗路１４は、センサ素子１１が設置された底部電極１０に直に、僅かな距離だけを置いて隣接している。センサ素子１１から抵抗路１４までの伝熱経路は、センサ素子１１から底部電極１０とダイヤフラム６と枠部広幅区間５とを経て抵抗路１４まで延在している。この熱伝導経路は、赤外光センサチップの動作時に抵抗路１４の温度とセンサ素子１１の温度とが実質的に偏差しないように短くされる。たとえば、抵抗電極１５，１６にホイートストン測定ブリッジを当てることにより抵抗路１４の電気的抵抗を測定すると、センサ素子１１の実際の温度を正確に推定することができる。

赤外光センサチップの動作時に較正を行うためには、センサ素子１１の実際の温度を可能な限り正確に知ることが重要である。本発明では、基板２上に設けられた抵抗式温度センサ１３を用いてセンサ素子１１の実際の温度を非常に正確に求めることができるので、赤外光センサチップ１の測定精度は高くなる。

赤外光センサチップを製造するためには、枠部３とダイヤフラム６とを備えた基板２を設ける。ダイヤフラム６と枠部３とは、同一平面上になるように基板上面８に形成される。底部電極１０と抵抗路１４とを形成するためには、基板２の基板上面８に白金を成膜することにより、基板上面８を白金により覆い、基板上面８に白金層を形成する。白金層は蒸着法によって上面８に形成される。

白金層上には、スパッタ法を用いてチタン酸ジルコン酸鉛層が設けられ、このチタン酸ジルコン酸鉛層上には、上部電極１２を形成するための更に別の白金層が設けられる。エッチングによって、基板２上の余分な材料を除去することにより、基板２上に直接設けられた最初の白金層が抵抗路１４と底部電極１０とを形成する。このようにして、第１の白金層を蒸着させてその余分な材料を除去すると、抵抗路１４と底部電極１０とがそれぞれ１つの工程のみで形成され、これにより、赤外光センサチップ１の製造方法が簡単かつ低コストになる。さらに、チタン酸ジルコン酸鉛層からセンサ素子１１が形成され、当該チタン酸ジルコン酸鉛層上に配置された第２の白金層から上部電極１２が形成される。

１ 赤外光センサチップ
２ 基板
３ 枠部
４ 枠部狭幅区間
５ 枠部広幅区間
６ ダイヤフラム
７ ダイヤフラム凹部
８ 基板上面
９ 赤外光センサ
１０ 底部電極
１１ センサ素子
１２ 上部電極
１３ 抵抗式測定センサ
１４ 抵抗路
１５ 第１の抵抗電極
１６ 第２の抵抗電極

Claims (14)

1. 基板（２）と、
   赤外光センサ（９）と、
   抵抗式温度センサ（１３）と、
   を有する赤外光センサチップであって、
   前記赤外光センサ（９）は、底部電極（１０）を有し、
   前記底部電極（１０）は、前記基板（２）の片面（８）に直接接しており、前記底部電極（１０）により前記赤外光センサ（９）が前記基板（２）に固定されており、
   前記抵抗式温度センサ（１３）は、抵抗路（１４）を有し、
   前記抵抗路（１４）は、前記基板（２）の前記片面（８）に直接接し、前記赤外光センサ（９）と並ぶように設置され、
   前記抵抗路（１４）は、前記抵抗式温度センサ（１３）を用いて前記基板（２）の温度を測定するために設けられており、
   前記抵抗路（１４）は、前記底部電極（１０）の材料から形成されており、
   前記基板（２）は、枠部（３）と、前記枠部（３）により張られたダイヤフラム（６）と、を有し、
   前記赤外光センサ（９）の前記底部電極（１０）は、前記ダイヤフラム（６）上に設置されており、かつ、前記抵抗式温度センサ（１３）の前記抵抗路（１４）は、前記枠部（３）上に設置されている、
   ことを特徴とする、赤外光センサチップ。
2. 前記底部電極（１０）の材料は白金である、
   請求項１記載の赤外光センサチップ。
3. 前記抵抗路（１４）と前記底部電極（１０）とは等しい厚さである、
   請求項１または２記載の赤外光センサチップ。
4. 前記抵抗路（１４）は、メアンダ状に形成されている、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の赤外光センサチップ。
5. 前記抵抗式温度センサ（１３）は、前記抵抗路（１４）の長手方向の両端にそれぞれ、前記抵抗路（１４）の実際の電気的抵抗を電子的に検出するための抵抗電極（１５，１６）を有する、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の赤外光センサチップ。
6. 前記抵抗式温度センサ（１３）の配置位置における前記枠部（３）の幅は、他の場所における幅より大きい、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の赤外光センサチップ。
7. 前記赤外光センサ（９）は、センサ素子（１１）を有し、
   前記センサ素子（１１）は、前記底部電極（１０）上に配置されており、前記底部電極（１０）に導電接続されている、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の赤外光センサチップ。
8. 前記センサ素子（１１）の材料は、チタン酸ジルコン酸鉛である、
   請求項７記載の赤外光センサチップ。
9. 前記抵抗路（１４）の厚さは、４０〜１００ｎｍであり、
   および／または、
   前記抵抗路（１４）の幅は、５〜１０μｍであり、
   および／または、
   前記抵抗路（１４）の電気的抵抗は、室温において１ｋΩである、
   請求項１から８までのいずれか１項記載の赤外光センサチップ。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の赤外光センサチップ（１）の製造方法において、
    前記基板（２）を設けるステップと、
    前記基板（２）の片面（８）が底部電極の材料層により覆われるように、前記基板（２）の片面（８）に前記底部電極の材料の成膜を行うステップと、
    前記底部電極（１０）と前記抵抗路（１４）とが前記基板（２）の前記片面（８）に形成されるように、前記底部電極の材料層の余分な材料を除去するステップと、
    を有することを特徴とする製造方法。
11. 前記基板（２）に前記成膜を行うために、前記底部電極の材料を前記基板（２）上に蒸着させる、
    請求項１０記載の製造方法。
12. 前記底部電極の層に前記センサ素子の材料の成膜を行うステップを有する、
    請求項１０または１１記載の製造方法。
13. 前記底部電極の層に前記成膜を行うために、スパッタ法を用いて、前記センサ素子の材料を前記底部電極の層上に被着させる、
    請求項１２記載の製造方法。
14. 前記センサ素子の材料を、薄膜手法を用いて形成する、
    請求項１２記載の製造方法。

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