JP6970772B2 - Infrared detection element - Google Patents
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Description
本発明は、赤外線吸収膜を備えた赤外線検知素子に関するものである。 The present invention relates to an infrared detection element having an infrared absorption film.
従来の赤外線検知素子は、シリコンなどの半導体基板に断熱構造で支持されたメンブレンに形成されているが、その吸熱効率を高めるために、メンブレン上に赤外線吸収膜を形成している。赤外線検知素子は、測定対象物から放出される赤外線を吸収し、その赤外線の持つ熱効果によって素子が暖められ、この温度の上昇によって生ずる電気的性質の変化を検知するものである。この赤外線吸収膜として、金属材料を真空蒸着或いは電着等によりポーラス状に形成した金属黒がある。この金属黒は、入射した赤外線を乱反射しながら吸収することから、赤外線を熱エネルギに効率よく変換することができる。この金属黒として金を用いた場合には金黒膜であり、白金を用いた場合には白金黒膜である。これらは赤外線に対して高い吸収率を持つものとして知られている。特許文献1には、赤外線の吸収膜として金属黒膜を用いた赤外線検知素子が記載されている。
The conventional infrared detection element is formed on a membrane supported by a heat insulating structure on a semiconductor substrate such as silicon, but an infrared absorbing film is formed on the membrane in order to increase the endothermic efficiency. The infrared detection element absorbs infrared rays emitted from an object to be measured, the element is warmed by the thermal effect of the infrared rays, and changes in electrical properties caused by an increase in temperature are detected. As this infrared absorbing film, there is metal black in which a metal material is formed into a porous shape by vacuum deposition or electrodeposition. Since this metallic black absorbs the incident infrared rays while diffusely reflecting them, the infrared rays can be efficiently converted into heat energy. When gold is used as the metal black, it is a gold black film, and when platinum is used, it is a platinum black film. These are known to have a high absorption rate for infrared rays.
特許文献1には、特性が悪化することなくメンブレンに対する金属黒の密着力を高めることができる赤外線センサが開示されている。赤外線センサを構成する熱検知素子は、メンブレン上に熱抵抗素子部を形成し、さらに熱抵抗素子部上に白金黒吸収膜からなる赤外線吸収膜を形成してなるものである。ここで、白金黒吸収膜は、メンブレン側のクラスタサイズが小さく、中間は大きく、表面側は小さく形成されている。これにより、白金黒のメンブレンに対する密着力を高めることができると共に、大きなクラスタサイズによりメンブレンの重量が大きくなって熱検知素子の特性が悪化してしまうことを防止できる。
従来の、例えば、特許文献1に記載された赤外線検知素子は、金属黒膜の構造において、メンブレン直上(メンブレム側)でのクラスタサイズよりも、メンブレンから離れ、受光側に近い部分でのクラスタサイズの方が大きく構成されている。メンブレン側のクラスタサイズを小さくすることで白金黒のメンブレンに対する密着力を高めることができ、中間部のクラスタサイズを大きくすることでメンブレンの重量が大きくなって熱検知素子の特性が悪化してしまうことを防止するというものである。特許文献1では、高吸収率を期待するために白金黒が用いられ、脆弱さを解決するために電着法が用いられている(段落0030参照)。この場合、赤外線の吸収率を確保するためには白金黒の膜厚は1〜15μmがよく、特に3〜5μmにすることにより、吸収率を高くすることができる。
本発明は、このような事情によりなされたものであって、赤外線吸収膜の赤外線吸収率を従来のものより向上させた赤外線検知素子を提供する。
In the conventional infrared detection element described in, for example,
The present invention was made by such circumstances, to provide an infrared sensing element in which the infrared absorptivity was improved compared with the conventional infrared absorption film.
本発明の赤外線検知素子の一態様は、半導体基板と、前記半導体基板のダイヤフラム構造上の受光領域に形成されたメンブレンと、前記メンブレン上に柱状に形成されたクラスタを含む第1の金黒膜と、前記第1の金黒膜上に形成され、そのクラスタサイズが前記第1の金黒膜のクラスタサイズよりも大きく、そのクラスタの平面密度が第1の金黒膜の平面密度よりも小さく、そのクラスタの平面密度が1.6個/100μm2以上である第2の金黒膜とを備えることを特徴としている。
また、本発明の赤外線検知素子の一態様において、前記第1の金黒膜と、前記第2の金黒膜とは、金微粒子を蒸着堆積させた膜である。
また、本発明の赤外線検知素子の一態様において、平面視における前記第1の金黒膜の断面積は、平面視における前記第2の金黒膜の断面積より大きい。
One aspect of the infrared detection element of the present invention is a first gold-black film including a semiconductor substrate, a membrane formed in a light receiving region on the diaphragm structure of the semiconductor substrate, and clusters formed in columns on the membrane. When, made form on the first gold black film, larger than the cluster size of the cluster size of the first gold black film, than the planar density of the cluster planar density of the first gold black film It is characterized by being small and having a second gold-black film having a planar density of 1.6 pieces / 100 μm 2 or more.
Further, in one aspect of the infrared detection element of the present invention, the first gold black film and the second gold black film are films in which gold fine particles are deposited and deposited.
Further, in one aspect of the infrared detection element of the present invention, the cross-sectional area of the first gold black film in a plan view is larger than the cross-sectional area of the second gold black film in a plan view.
また、本発明の赤外線検知素子の製造方法の一態様は、半導体基板上の受光領域に赤外線吸収膜を形成する工程を具備し、前記赤外線吸収膜を形成する工程は、微粒子状の金を蒸着によって堆積させることにより下層の第1の金黒膜を形成する第1の成膜工程と、前記下層の第1の金黒膜上に更に微粒子状の金を蒸着によって堆積させることにより上層の第2の金黒膜を形成する第2の成膜工程と、前記第2の成膜工程が行われる前に、前記第1の成膜工程の終了後の前記半導体基板を、前記第1及び第2の成膜工程とは温度又は湿度の異なる空気に晒す間引き成膜準備工程とを有し、前記間引き成膜準備工程によって前記上層の第2の金黒膜は、そのクラスタサイズが前記下層の第1の金黒膜よりも大きく、且つ受光側の表面部でのクラスタの平面密度が1.6個/100μm2以上に形成されていることを特徴としている。前記第1及び第2の成膜工程を経て形成された前記赤外線吸収膜に対して一時的に水分を加えることによって前記金の微粒子の相互の密着性を高める工程を更に有するようにしても良い。 Further, one aspect of the method for manufacturing an infrared detection element of the present invention includes a step of forming an infrared absorbing film in a light receiving region on a semiconductor substrate, and the step of forming the infrared absorbing film deposits fine-grained gold. In the first film forming step of forming the first gold black film of the lower layer by depositing with, and by further depositing fine particle gold on the first gold black film of the lower layer by vapor deposition, the first of the upper layer. Before the second film forming step of forming the gold black film of 2 and the second film forming step are performed, the semiconductor substrate after the completion of the first film forming step is subjected to the first and first films. The film forming step of 2 includes a thinning film forming preparation step of exposing to air having a different temperature or humidity, and the second gold black film of the upper layer has a cluster size of the lower layer by the thinning film forming preparation step. It is characterized in that it is larger than the first gold black film and the planar density of the clusters on the surface portion on the light receiving side is 1.6 / 100 μm 2 or more. It is also possible to further have a step of enhancing the mutual adhesion of the gold fine particles by temporarily adding water to the infrared absorbing film formed through the first and second film forming steps. ..
赤外線吸収膜は、クラスタを柱状構造にすると、ある程度赤外線吸収率は向上するが、密度が低すぎると下地反射が多くなり、緻密すぎると入射する赤外線の反射が増え、吸収率は低下する。そのために、メンブレン直上でのクラスタサイズを小さくし、メンブレンから受光側に離れた部分(受光側の表面部)でのクラスタサイズをそれよりも大きくする。これを蒸着により形成された金黒膜で実現し、さらに、受光側の表面部でのクラスタの平面密度を1.6個/100μm2以上にすることによって赤外線の吸収率向上が得られる。
本発明の赤外線検知素子の製造方法における赤外線吸収膜を形成する工程について、金黒膜を蒸着により形成するという製造工程は一般に知られている技術であるが、本発明では、さらに、従来の工程にはない間引き成膜準備工程を追加しており、これを実施することにより、この工程を用いないで成膜した場合に比べて、クラスタの平面密度をさらに低下させることができ、赤外線吸収率を向上させることが可能になる。
When the cluster of the infrared absorbing film has a columnar structure, the infrared absorption rate is improved to some extent, but if the density is too low, the background reflection increases, and if the density is too dense, the incident infrared rays are reflected more and the absorption rate decreases. Therefore, the cluster size directly above the membrane is reduced, and the cluster size at the portion distant from the membrane on the light receiving side (the surface portion on the light receiving side) is made larger than that. This is realized by a gold black film formed by thin film deposition, and further, by setting the planar density of the clusters on the surface portion on the light receiving side to 1.6 / 100 μm 2 or more, the infrared absorption rate can be improved.
Regarding the step of forming an infrared absorbing film in the method for manufacturing an infrared detection element of the present invention, the manufacturing process of forming a gold black film by vapor deposition is a generally known technique, but in the present invention, it is further a conventional step. By adding a thinning film formation preparation step that is not available in, the planar density of the cluster can be further reduced compared to the case where the film is formed without this step, and the infrared absorption rate. Can be improved.
以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to examples.
図1乃至図3を参照して実施例1を説明する。
この実施例の赤外線検知素子1は、図1に示されているように、シリコンなどの半導体基板2に形成されている。赤外線検知素子1は、半導体基板2と、この半導体基板上に空洞3を介して形成されたシリコン窒化膜などからなるメンブレン4と、このメンブレン4上に形成されたアモルファスシリコン層5とを有している。アモルファスシリコン層5は、その上に形成される赤外線吸収膜6を蒸着堆積させるときの下地膜として用いられる。メンブレン4上には、一端が赤外線吸収膜6と接続するよう設けられた複数の熱電対などの熱電部材7が形成されている。赤外線吸収膜6の温度変化として熱変換された入力はこの熱電部材7を介して検出される。
The first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
As shown in FIG. 1, the
そして、この赤外線吸収膜6は、金微粒子を蒸着堆積させた膜であり、第1の金黒膜8と、第1の金黒膜8上に積層された第2の金黒膜9とから構成されている。これら金黒膜は、真空中で材料を加熱蒸発させ、それを半導体基板2に形成されたメンブレン4上のアモルファスシリコン層5である下地膜に付着させて薄膜を形成するものである。
赤外線吸収膜6において、第2の金黒膜9は、そのクラスタサイズが下層に形成された第1の金黒膜8よりも大きく、そのクラスタの平面密度が1.6個/100μm2以上である。真空蒸着により形成した金黒膜は、金の微粒子が堆積した膜になるが、蒸着した微粒子はその蒸着条件によって、ばらばらの状態で堆積したり、いくつかの微粒子がくっつき少し大きめのサイズのかたまり(塊)になったりする。ここではこのかたまりをクラスタと呼び、大きさをクラスタサイズという。
The infrared absorbing
In the infrared absorbing
図2は、メンブレン4上の下地膜5に形成された赤外線吸収膜6を示しており、赤外線吸収膜6は、下地膜5上の第1の金黒膜8及び第1の金黒膜9から構成されている。これら金黒膜8、9は、クラスタが柱状構造になっており、赤外線吸収率の向上に資するものである。図3は、半導体基板2上に形成された赤外線吸収膜6を示す平面図であり、赤外線吸収膜6を構成する第2の金黒膜9の表面状態が表されている。その表面に表示された領域Aの任意の位置の断面図が図2である。
FIG. 2 shows an infrared absorbing
クラスタを柱状構造にすると、ある程度赤外線吸収率は向上するが、密度が低すぎると下地反射が多くなり、緻密すぎると入射する赤外線の反射が増え、吸収率は低下する。そのために、メンブレン4直上でのクラスタサイズを小さくし、メンブレン4から受光側に離れた部分(受光側の表面部)でのクラスタサイズをそれよりも大きくする。そして、この赤外線吸収膜6を蒸着により形成された金黒膜8、9で実現し、さらに、受光側の表面部でのクラスタの平面密度を1.6個/100μm2以上程度にすることが吸収率の向上に良いことが認められた。
When the cluster has a columnar structure, the infrared absorption rate is improved to some extent, but if the density is too low, the background reflection increases, and if the cluster is too dense, the incident infrared ray reflection increases and the absorption rate decreases. Therefore, the cluster size immediately above the
以上、実施例に示すように、メンブレン直上でのクラスタサイズを小さくし、メンブレンから受光側に離れた部分(受光側の表面部)でのクラスタサイズをそれよりも大きくし、これを蒸着により形成された金黒膜で実現し、さらに、受光側の表面部でのクラスタの平面密度を1.6個/100μm2以上にすることによって赤外線の吸収率向上が得られる。 As described above, as shown in the examples, the cluster size immediately above the membrane is reduced, the cluster size at the portion away from the membrane on the light receiving side (the surface portion on the light receiving side) is made larger than that, and this is formed by vapor deposition. It is realized by the gold-black film, and the infrared absorption rate can be improved by setting the planar density of the clusters on the surface portion on the light receiving side to 1.6 / 100 μm 2 or more.
次に、図1及び図2を参照して赤外線検知素子の製造方法に係る実施例2を説明する。シリコンなどの半導体基板に赤外線検知素子を形成するにあたり、半導体基板2に断熱構造で支持されたメンブレン4を形成し、メンブレン4の吸熱効率を高めるために下地膜5を介して赤外線吸収膜6を形成する(図1参照)。
Next, a second embodiment relating to a method for manufacturing an infrared detection element will be described with reference to FIGS. 1 and 2. In forming an infrared detection element on a semiconductor substrate such as silicon, a
半導体基板2上の受光領域に赤外線吸収膜6を形成する工程は、次のような工程により行われる。まず、微粒子状の金を蒸着によって約2μm堆積させることにより下層の第1の金黒膜8を形成する第1の成膜工程を行う。ここで行われる蒸着法は、低真空中で金を加熱蒸発させ、それをメンブレン4に形成された下地膜5に堆積させる。その後、同様に低真空中で金を加熱蒸発させ、第1の金黒膜8上に更に微粒子状の金を蒸着によって堆積させることにより上層の第2の金黒膜9を形成する第2の成膜工程を行う。これら第1及びの第2の成膜工程を経て全体として約8μmの厚さを有する金黒膜が形成される。
蒸着された薄膜が形成される真空容器(チャンバ)内は内部に生じる温度差により対流が発生し、蒸着された薄膜は柱状構造のクラスタから構成されるようになる。そして、次に、第2の成膜工程が行われる前に、第1の成膜工程の終了後の半導体基板を、第1及び第2の成膜工程とは温度又は湿度の異なる空気に晒す間引き成膜準備工程を実施する。
The step of forming the infrared
Convection is generated in the vacuum vessel (chamber) on which the thin-film-deposited thin film is formed due to the temperature difference generated inside, and the thin-film-deposited thin film is composed of clusters having a columnar structure. Then, before the second film forming step is performed, the semiconductor substrate after the completion of the first film forming step is exposed to air having a temperature or humidity different from that of the first and second film forming steps. A thinning film formation preparation process is carried out.
この間引き成膜準備工程によって、第2の金黒膜9は、そのクラスタサイズが第1の金黒膜8よりも大きく、且つ受光側の表面部でのクラスタの平面密度が1.6個/100μm2以上に形成される。
さらに、必要に応じて、第1及び第2の成膜工程を経て形成された赤外線吸収膜6に対して一時的に水分を加える。これによって金黒膜8、9を構成する金の微粒子の相互の密着性を高めることができる。
赤外線吸収膜6を形成するに当たって、金黒膜を蒸着により形成するという製造工程は従来知られているが、この実施例では、間引き成膜準備工程を行っており、これを実施した場合、連続的に成膜した場合に比べて、クラスタの平面密度をさらに低下させることができ、その結果赤外線吸収率を更に向上させることができる。
By this thinning film formation preparation step, the cluster size of the second gold black film 9 is larger than that of the first gold
Further, if necessary, water is temporarily added to the infrared
A manufacturing process of forming a gold-black film by vapor deposition in forming an infrared
本発明の方法に従い、蒸着により形成された金黒膜は、メンブレン直上でのクラスタサイズが小さくなり、メンブレンから受光側に離れた部分(受光側の表面部)でのクラスタサイズがそれよりも大きくなる。間引き準備工程を行うことにより、1回目で堆積された金粒子のクラスタが2回目の堆積では部分的に成長が抑制されていると考えられる。 According to the method of the present invention, the gold black film formed by vapor deposition has a smaller cluster size immediately above the membrane, and a larger cluster size at a portion distant from the membrane on the light receiving side (surface portion on the light receiving side). Become. It is considered that the growth of the cluster of gold particles deposited in the first time is partially suppressed in the second deposition by performing the thinning preparation step.
1・・・赤外線検知素子
2・・・半導体基板
3・・・空洞
4・・・メンブレン
5・・・アモルファスシリコン層(下地膜)
6・・・赤外線吸収膜
7・・・熱電部材
8・・・第1の金黒膜
9・・・第2の金黒膜
1 ...
6 ... Infrared absorption film 7 ...
Claims (3)
前記半導体基板のダイヤフラム構造上の受光領域に形成されたメンブレンと、
前記メンブレン上に柱状に形成されたクラスタを含む第1の金黒膜と、
前記第1の金黒膜上に形成され、そのクラスタサイズが前記第1の金黒膜のクラスタサイズよりも大きく、そのクラスタの平面密度が第1の金黒膜の平面密度よりも小さく、そのクラスタの平面密度が1.6個/100μm2以上である第2の金黒膜と
を備える赤外線検知素子。 With a semiconductor substrate,
A membrane formed in the light receiving region on the diaphragm structure of the semiconductor substrate, and
A first gold black film containing clusters formed in columns on the membrane, and
The made form the first gold black film, larger than the cluster size is the cluster size of the first gold black film, the plane density of the cluster is smaller than the planar density of the first gold black film, An infrared detection element including a second gold-black film having a cluster planar density of 1.6 / 100 μm 2 or more.
請求項1に記載の赤外線検知素子。 The infrared detection element according to claim 1, wherein the first gold black film and the second gold black film are films in which gold fine particles are vapor-deposited and deposited.
請求項1又は請求項2に記載の赤外線検知素子。 The infrared detection element according to claim 1 or 2, wherein the cross-sectional area of the first gold black film in a plan view is larger than the cross-sectional area of the second gold black film in a plan view.
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