JP7173125B2

JP7173125B2 - 熱利用デバイス

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Publication number: JP7173125B2
Application number: JP2020504526A
Authority: JP
Inventors: 晋治原; 尚城太田; 進青木; 英嗣小村; 明政海津
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2018-03-06
Filing date: 2018-03-06
Publication date: 2022-11-16
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Description

本発明は熱利用デバイスに関し、特に温度に応じて電気抵抗が変化するサーミスタを備えた熱利用デバイスに関する。

各種の温度センサで感熱素子として用いられるサーミスタは、温度に応じて電気抵抗が変化する。このため、サーミスタの電気抵抗の変化を検出することによってサーミスタの周辺の温度を検知することができる。サーミスタの温度変化が輻射熱によって生じるときは、Ｓｔｅｆａｎ－Ｂｏｌｔｚｍａｎｎの法則に基づき、輻射熱を放射する物体の温度を検知することができる。

サーミスタの感度を向上させるためには、サーミスタの熱吸収効率を改善することが有効である。特許第５８６６８８１号明細書及び特許第６０３０２７３２号明細書には、赤外線検知用感熱素子に接続されるリードがミアンダパターンで形成された赤外線温度センサが開示されている。赤外線検知用感熱素子とリードは基板上に設置され、リードは基板上に配線パターンとして形成される。リードの集熱効果により赤外線温度センサの感度が高められる。

対象物の輻射熱を測定し、対象物の表面温度を測定する用途では、対象物からの輻射熱だけを検出し、それ以外の物体からの輻射熱の影響を抑制することが必要である。対象物から放射される電磁波を、サーミスタまたはサーミスタ近傍で熱に変換して観測するセンサにおいては、電磁波の入射量に対するサーミスタの温度上昇効率を高めるためにサーミスタからの放熱を抑制することが必要となる。この目的で、サーミスタは真空容器に収容され、さらに、アーム状の支持部で真空容器中に浮くように設置される。これによって、雰囲気を介したサーミスタからの放熱と、熱伝導によるサーミスタから容器への放熱が抑制される。

しかしながら、この構成では、支持部はサーミスタに電流を供給する配線層を保持する機能を併せ持つ。支持部は一般的に物理的強度の高い絶縁材料で形成されるが、配線層は導電材料から形成される。一般に電気抵抗と熱抵抗との間には正の相関関係があり（ヴィーデマン・フランツ則）、絶縁材料の熱抵抗は大きいが、導電材料の熱抵抗は小さい。このため、支持部における熱伝導は抑制されるが、配線層における熱伝導は無視できないレベルとなることがある。配線層を導電性の低い材料で形成すれば熱伝導は抑えられが、電気抵抗の増加により消費電力の増加につながる。これに伴い配線層の発熱量が増えるため、サーミスタの測定誤差が増大する可能性もある。

本発明は、配線層の電気抵抗の増加を抑制しつつ配線層の熱抵抗が増加した熱利用デバイスを提供することを目的とする。

本発明の熱利用デバイスは、温度に応じて電気抵抗が変化するサーミスタと、サーミスタに接続された第１及び第２の配線層と、を有している。第１の配線層におけるフォノンの平均自由行程は、第１の配線層の材料からなる無限媒質におけるフォノンの平均自由行程より小さく、第２の配線層におけるフォノンの平均自由行程は、前記第２の配線層の材料からなる無限媒質におけるフォノンの平均自由行程より小さい。熱利用デバイスは、一態様では、第１の配線層をサーミスタに接続された一端の近傍から他端の近傍まで当該第１の配線層の厚さ方向に分割する、第１の配線層より熱伝導率が低い少なくとも一つの分離層を有する。熱利用デバイスは、他の態様では、第１の配線層を当該第１の配線層の幅方向に分割する、第１の配線層より熱伝導率が低い少なくとも一つの分離層を有し、当該少なくとも一つの分離層は、第１の配線層の厚み方向から見て、第１の配線層の延在方向に沿った形状であり、直線状部分と折れ曲がり部分とを有する。

上述した、およびその他の、本出願の目的、特徴、および利点は、本出願を例示した添付の図面を参照する以下に述べる詳細な説明によって明らかとなろう。

本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサの概略断面図である。図１に示す赤外線センサのサーミスタ膜の近傍の概略平面図である。図２ＡのＡ－Ａ線に沿った配線層の断面図である。Ｘ方向からみた配線層１０の断面図である。本発明の原理を示す模式図である。比較例の赤外線センサのサーミスタ膜の近傍の概略平面図である。図４ＡのＡ－Ａ線に沿った配線層の断面図である。Ｘ方向からみた配線層の断面図である。本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサのサーミスタ膜の近傍の概略平面図である。図５ＡのＡ－Ａ線に沿った配線層の断面図である。配線層の端部とピラーの近傍の側面図である。本発明の第３の実施形態に係る赤外線センサのサーミスタ膜の近傍の概略平面図である。図６ＡのＡ－Ａ線に沿った配線層の断面図である。Ｘ方向からみた配線層の断面図である。本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサの配線層の部分断面図である。本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。

１赤外線センサ
２第１の基板
３第２の基板
５内部空間
６真空容器
７サーミスタ膜
８赤外線吸収膜
９支持層
１０，２０，３０，４０，１１０配線層
１０ａ第１の配線層
１０ｂ第２の配線層
１１ピラー
１５第１の絶縁層
１６第２の絶縁層
１７分離層
１８単一の帯状領域
２０配線層
２１第１の配線層
２２第２の配線層
３０ａ～３０ｄ第１～第４の配線層
３１分離層
３１ａ～３１ｃ第１～第３の分離層
４１分散体
９１中央部
９２腕部
９２ａ第１の腕部
９２ｂ第２の腕部
９３第１の部分
９４第２の部分

以下、図面を参照して本発明の熱利用デバイスの様々な実施形態を説明する。以下の説明及び図面において、Ｘ方向及びＹ方向は第１の基板２及び第２の基板３の主面と平行な向きである。Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向と直交する方向であり、第１の基板２及び第２の基板３の主面と垂直な方向である。

本発明の熱利用デバイスは温度に応じて電気抵抗が変化するサーミスタを備えている。説明の便宜上、各実施形態の熱利用デバイスは一つのサーミスタ膜だけを備えた赤外線センサであるが、熱利用デバイスは２次元状に配列したサーミスタ膜のアレイを備えていてもよい。このようなサーミスタ膜のアレイを備えた熱利用デバイスは赤外線カメラの撮像素子として利用される。赤外線カメラは暗所での暗視スコープ、暗視ゴーグルとして利用できるほか、人や物の温度測定などに利用可能である。また、複数のサーミスタ膜が１次元状に配列した赤外線センサは、各種の温度ないし温度分布を測定するセンサとして利用することができる。複数のサーミスタ膜が１次元状に配列した赤外線センサも本発明の範囲に含まれる。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態の赤外線センサ１の概略側面図、図２Ａはサーミスタ膜の近傍の概略平面図、図２Ｂは図２ＡのＡ－Ａ線に沿った配線層１０の断面図を、図２ＣはＸ方向からみた配線層１０の断面図を示している。図２Ａでは支持層９の中央部９１を示すため、サーミスタ膜７の一部を省略している。

赤外線センサ１は、第１の基板２と、第１の基板２に対向して位置する第２の基板３と、第１の基板２と第２の基板３とを接続する側壁４と、を有している。第２の基板３は赤外線が入射する窓基板である。第１の基板２と第２の基板３と側壁４は密閉された内部空間５を形成している。内部空間５にはサーミスタ膜７が収容されている。内部空間５は負圧ないしは真空にされている。すなわち、第１の基板２と第２の基板３と側壁４は密閉された真空容器６を形成している。これによって、内部空間５での気体の対流が防止または抑制され、サーミスタ膜７への熱的影響を軽減することができる。

サーミスタ膜７はシリコン基板（図示せず）と、シリコン基板上に形成された酸化バナジウム（ＶＯｘ）の膜（図示せず）とを有している。ＶＯｘの膜の代わりにアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ），ＴｉＯｘ，ＮｉＯｘ，ＣｏＭｎＮｉＯｘの膜を用いてもよい。サーミスタ膜７は概ね正方形または長方形の受光面７ａを有し、受光面７ａが第２の基板３と対向している。サーミスタ膜７の受光面７ａには赤外線吸収膜８が形成されている。赤外線吸収膜８はサーミスタ膜７に入力される赤外線の熱量を増加させるために設けられている。赤外線吸収膜８はＳｉＯｘで形成されるが、ＳｉＮ，ＡｌＯｘ，ＴａＯｘ，ＮｂＯｘ，ＡｌＮ，ＳｉＯＮ，ＡｌＯＮ, カーボン，有機物などで形成することもできる。

サーミスタ膜７は支持層９で支持されている。支持層９の材料は、後述する配線層１０より低い熱伝導率を有し、且つサーミスタ膜７を支持する強度を有する限り限定されないが、支持層９は好ましくは絶縁体、例えば、ＡｌＮ，ＡｌＯｘ，ダイヤモンドライクカーボン，ＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，ＴａＯｘ，ＴｉＯ_２，Ｓｉからなる群（ｘは任意組成を意味する）から選択された１または２以上の材料から形成される。支持層９はサーミスタ膜７を支持する概ね正方形の中央部９１と、中央部９１の対角線上の２つの角部から延びる一対の腕部９２（以下、第１の腕部９２ａ、第２の腕部９２ｂという）とを有している。腕部９２は中央部９１をピラー１１（後述）に接続する。また、腕部９２は中央部９１を介してサーミスタ膜７に接続されている。中央部９１と腕部９２は同じ材料で形成されているが、互いに異なる材料で形成されてもよい。中央部９１はサーミスタ膜７よりわずかに平面寸法が大きく、サーミスタ膜７と垂直な方向（Ｚ方向）からみたときに、サーミスタ膜７は中央部９１の四辺に取り囲まれている。支持層９の一対の腕部９２には一対の配線層１０（以下、第１の配線層１０ａ、第２の配線層１０ｂという）が支持されている。本実施形態では配線層１０は支持層９に設けられているが、配線層１０の一部がサーミスタ膜７に設けられていてもよい、配線層１０の構成については後述する。

第１の腕部９２ａと第２の腕部９２ｂは同一の構成を有し、且つサーミスタ膜７の中心に関し点対称の形状を有している。従って、ここでは第１の腕部９２ａについて説明する。第１の腕部９２ａは、第１の部分９３と第２の部分９４とからなる概ねＬ字形状の部材である。第１の部分９３は、サーミスタ膜７の第１の角部７１ａから、第１の角部７１ａに隣接する第２の角部７１ｂの近傍まで、サーミスタ膜７の第１の辺７２ａに沿って延びている。第２の部分９４はサーミスタ膜７の第２の角部７１ｂの近傍で第１の部分９３に接続され、第２の角部７１ｂから、第２の角部７１ｂに隣接する第３の角部７１ｃの近傍まで、サーミスタ膜７の第１の辺７２ａに隣接する第２の辺７２ｂに沿って延びている。第１の腕部９２ａは、第１の部分９３のサーミスタ膜７との接続部を除きサーミスタ膜７から離隔している。このため、サーミスタ膜７から第１の腕部９２ａへの熱伝導が制限されている。第２の部分９４の第３の角部７１ｃの近傍はピラー１１に接続されている。

支持層９は第１の基板２から第２の基板３に向けて延びる一対のピラー１１で支持されている。ピラー１１は円形断面の柱体である。ピラー１１はサーミスタ膜７にセンス電流を供給する電極としての機能も有しており、Ｔａ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｗ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｆｅなどの導電性の材料で形成され、例えばめっきによって作成することができる。２つのピラー１１はそれぞれ第１の腕部９２ａと第２の腕部９２ｂの端部に接続される。サーミスタ膜７と支持層９は内部空間５に浮くように配置され、ピラー１１のみを介して真空容器６の第１の基板２に接続される。これにより、第１の基板２や第２の基板３からの熱の影響が抑えられる。

第１の基板２はシリコン基板とその上に形成された様々な素子や配線から構成されている。素子としては、ＲＯＩＣ（Read Out Integrated Circuit）、レギュレータ、Ａ／Ｄコンバータ、マルチプレクサなどが含まれる。ＲＯＩＣは複数のサーミスタ膜７の抵抗変化を電気信号に変換する集積回路である。これらの素子は例えば第１の基板２内の配線１３やピラー１２を介してピラー１１に接続されている。第２の基板３は長波長赤外線を透過させる窓基板であり、シリコン基板、ゲルマニウム基板などから形成される。長波長赤外線の波長は概ね８～１４μｍである。図示は省略するが、第２の基板３の内外面に反射防止膜が形成されている。

配線層１０はＡｕ，Ｂ_４Ｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｍｏ，ＮｂＣ，Ｎｉ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｔａ，ＴａＣ，ＴｉＮ，Ｗ，ＺｒＮなどの導電性の材料で形成されている。配線層１０は上述の通り支持層９で支持されており、さらに支持層９で支持されている面の反対面、すなわち第２の基板３と対向する面が第１の絶縁層１５で被覆され、側面が第２の絶縁層１６で被覆されている。第１の絶縁層１５と第２の絶縁層１６はＡｌＮ，ＡｌＯｘ，ダイヤモンドライクカーボン，ＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，ＴａＯｘ，ＴｉＯ_２，Ｓｉからなる群から選択された１または２以上の材料から形成される。

第２の絶縁層１６は支持層９と第１の絶縁層１５との間に位置し、両側から櫛刃状に交互に突き出している。この結果、配線層１０は腕部９２の中でミアンダパターンを形成している。配線層１０のパターンはミアンダパターンに限定されず、配線層１０の中心線Ｃが、腕部９２の少なくとも一部の区間で、腕部９２の延在する方向Ｄと交差している限り、ジグザグパターン、曲線パターン、折れ線パターンなど、非直線のあらゆるパターンが採用可能である。なお、配線層１０の中心線Ｃとは配線層１０の折れ曲がった経路に沿った中心線を意味し、Ｘ方向、Ｙ方向とは異なる。このようなパターンは好ましくは腕部９２の全長に渡って形成されるが、腕部９２の一部のみに形成されてもよい。腕部９２の一部と他の一部が互いに異なるパターンで形成されてもよい。また、上述の様々なパターンを組み合わせる（例えば、曲線状のジグザグパターンなど）ことも可能である。

サーミスタ膜７に入射した輻射熱エネルギーが配線層１０を通って放熱すると赤外線センサ１の感度の低下につながる。このため、本発明では赤外線センサ１の感度を向上させるため、配線層１０からの放熱を抑制することを目的としている。配線層１０からの放熱は配線層１０の熱伝導によって引き起こされる。固体中での熱伝導は原子の振動が担う。特に、金属における熱伝導では、結晶格子間を伝わる振動（フォノン・格子振動）によるエネルギー伝達と、伝導電子に移動に基づくエネルギー伝達の２つの機構があると考えられている。導電性の金属におけるエネルギー伝達では伝導電子による寄与が大きいので、一般に導電性の金属は電気の良導体であるとともに熱の良導体でもある（ヴィーデマン＝フランツ則）。従って、導電体からなる配線層１０は、絶縁体からなる支持層９と比べて容積が小さいにも拘らず、熱の伝達経路として無視できない。しかし、導電性の金属においてもフォノンを介した熱伝導性の寄与が一定程度存在するため、フォノンによる熱伝導性を低下させることで、配線層１０からの放熱を抑制することができる。

気体分子運動論において、分子や電子などの粒子が散乱源（同じ粒子の場合もあれば、異なる粒子の場合もある）による散乱（衝突）で妨害されることなく進むことのできる距離（自由行程という）の平均値を平均自由行程という。粒子は弾道的な直線運動を行い、散乱源に衝突すると方向を変え、再び弾道的な直線運動を行う。粒子が平均自由行程に等しい距離を運動すると、平均して他の粒子と１回衝突する。フォノンにおいてもこのような考え方を取ることが可能である。フォノンが他の物質と衝突するまでの移動距離は確率的な分布を取り、その平均移動距離（平均自由行程）はフォノンの伝導のしやすさの指標となる。すなわち、フォノンによる熱伝導性を低下させることはフォノンの平均自由行程を減少させることと同義である。

図３は、本発明の原理を示す模式図である。電子の平均自由行程は無限媒質を前提としたものであるため、配線層１０における電子の平均自由行程は無限媒質を前提にした値よりも小さくなる。しかし、電子の平均自由行程は短いため(～数百ｎｍ)、配線層１０における電子の平均自由行程は、配線層１０の構造によらず、無限媒質を前提にした値とほぼ同じとみなすことができる。一方、室温におけるフォノンの平均自由行程は（３×熱伝導率）／（熱容量×音速）で評価されることが知られている。フォノンの平均自由行程も無限媒質を前提としたものであるため、配線層１０におけるフォノンの平均自由行程ＭＦＰ１は無限媒質におけるフォノンの平均自由行程ＭＦＰ２よりも小さくなる。そして、フォノンの平均自由行程は数μｍであり電子の平均自由行程よりも長いため、フォノンの平均自由行程は、電子の平均自由行程と比べて、配線層１０の構造から影響を受けやすい。従って、フォノンの平均自由行程が短くなる構造を採用することで、導電性の低下を抑えつつ、熱伝導性が低下した配線層１０を実現することができる。

本実施形態は、このような基本原理に基づき、電子の平均自由行程はほぼ影響を受けず、フォノンの平均自由行程だけが短くなる配線層構造を提供する。図４Ａは比較例の配線層１１０を備えた赤外線センサのサーミスタ膜７の近傍の概略平面図、図４Ｂは図４ＡのＡ－Ａ線に沿った配線層１１０の断面図を、図４ＣはＸ方向からみた配線層１１０の断面図を示している。配線層１１０は直線状の導電層からなり、腕部９２の形状に従い途中で１回だけ直角に曲がっている。このため、極端な場合、フォノンは３回の弾道性フォノン輸送で（つまり、配線層１１０の界面に２回反射しただけで）端部のピラー１１に到達する。これに対し、本実施形態では、フォノンはミアンダ構造に沿って運動するため、非常に多くの回数の弾道性フォノン輸送の後に（図２Ａに示す例では４１回）端部のピラー１１に到達する。なお、図２Ａと図４Ａの矢印は１回の弾道性フォノン輸送を示している。これに対し、図示は省略するが、電子の平均自由行程はフォノンの平均自由行程よりはるかに短いため、直線状の配線層１１０においても途中で多数回の散乱を受け、しかも、その回数はミアンダパターンの配線層１０で受ける回数と大きく変わらない。つまり、ミアンダパターンによって生じる経路途中の壁が、フォノンの新たな散乱源、すなわちフォノン伝導に対する新たな阻害要素となり、フォノン伝導性だけが低下する。図３においてはＡより大きな自由行程の発生頻度がほぼゼロとなっている。これは、Ａがミアンダパターンにおいて幾何学的に決まる、弾道性フォノン輸送の最長行程に対応しているためである。配線層１０におけるフォノンの平均自由行程は、配線層１０の材料からなる無限媒質におけるフォノンの平均自由行程より小さいことが望ましい。

本実施形態と比較例のいずれにおいても、腕部９２に沿って延びる単一の帯状領域１８が形成されている（図２Ｃ，図４Ｃ）。帯状領域１８の幅方向（第１の部分９３におけるＹ方向、第２の部分９４におけるＸ方向）におけるそれぞれの縁部１８ａの少なくとも一部と、厚さ方向（Ｚ方向）におけるそれぞれの縁部１８ｂの少なくとも一部は導電体で形成されている。この導電体はサーミスタ膜７に接続された一端からピラー１１に接続された他端まで、腕部９２に沿って連続して延びる配線層１０，１１０を形成している。比較例では単一の帯状領域１８はすべて配線層１１０で埋められており、導電体は単一の帯状領域１８の内側に、導電体より熱伝導率が低い物質との界面を有していない。単一の帯状領域１８の内側とは、単一の帯状領域１８の境界面を含まず、単一の帯状領域１８の境界面よりも内側の領域を意味する。これに対して、本実施形態では、導電体は単一の帯状領域１８の内側に、導電体より熱伝導率が低い物質との界面を有している。この界面がフォノンの新たな散乱源である。

（第２の実施形態）
図５Ａは第２の実施形態の赤外線センサのサーミスタ膜７の近傍の概略平面図、図５Ｂは図５のＡ－Ａ線に沿った配線層２０の断面図を示している。ここでは主に第１の実施形態との違いを説明する。説明を省略した構成及び効果については第１の実施形態と同様である。

本実施形態では、配線層２０は分離層１７によって厚さ方向（Ｚ方向）に分離ないし分割されている。支持層９（第１の腕部９２ａ及び第２の腕部９２ｂ）の上に第１の配線層２１が形成され、第１の配線層２１の上に分離層１７が形成され、分離層１７の上に第２の配線層２２が形成され、第２の配線層２２が第１の絶縁層１５で被覆されている。分離層１７はＡｌＮ，ＡｌＯｘ，ダイヤモンドライクカーボン，ＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，ＴａＯｘ，ＴｉＯ_２からなる群から選択された１または２以上の材料から形成される。分離層１７は配線層２０より熱伝導率が低い限り、支持層９と同じ材料から形成されてもよいし、支持層９と異なる材料から形成されてもよい。配線層２０が分割される数ないし分離層１７の数は特に制限されず、配線層２０に複数の分離層１７を挿入して、配線層２０を３つ以上に分割してもよい。つまり、配線層２０には少なくとも１つの分離層１７が挿入されていればよい。

図５Ｃは配線層２０の端部とピラー１１の近傍の側面図を示している。支持層９の上に第１の配線層２１と分離層１７と第２の配線層２２を形成する際に、スパッタリングの角度を調整してこれらの層２１，１６，２２を支持層９の側面にも付着させている。これによって、厚さ方向（Ｚ方向）に分割された配線層２０をピラー１１に電気接続させることができる。

図５Ｂに示すように、フォノンは配線層２０と平行に運動するだけでなく、配線層２０に対し斜めに（つまりＺ方向成分をもって）運動することもある。従って、分離層１７を挿入することによって配線層２０の界面が増加し、フォノンの散乱源が増加する。このため、本実施形態においても導電性の低下を抑えつつ、熱伝導性が低下した配線層２０を実現することができる。さらに、配線層２０はウエハプロセスによって容易に作成することができる。すなわち、分離層１７と、分離層１７によって分割された配線層２０は第１の基板２と平行であるため、単純なプロセスを繰り返すだけで所望の構造の配線層２０が得られる。また、一般に配線層は厚さ（Ｚ方向寸法）より幅（Ｘ方向寸法またはＹ方向寸法）のほうが大きいため、配線層を幅方向に分割するより厚さ方向に分割するほうが分離層の表面積を確保しやすい。これにより、フォノンの散乱源を効率的に増加させることができる。

（第３の実施形態）
図６Ａは第３の実施形態の赤外線センサのサーミスタ膜７の近傍の概略平面図を、図６Ｂは図６のＡ部拡大図を、図６ＣはＸ方向からみたＡ部断面図を示している。ここでは主に第１の実施形態との違いを説明する。説明を省略した構成及び効果については第１の実施形態と同様である。

本実施形態では、配線層３０は分離層３１によって幅方向に分離ないし分割されている。より詳細には、配線層３０は、第１の腕部９２ａの第１の部分９３においては分離層３１によってＹ方向に分離ないし分割され、第２の部分９４においては分離層３１によってＸ方向に分離ないし分割されている。支持層９（第１の腕部９２ａ）の上に互いに平行に延びる第１～第４の配線層３０ａ～３０ｄが形成され、第１の配線層３０ａと第２の配線層３０ｂの間に第１の分離層３１ａが、第２の配線層３０ｂと第３の配線層３０ｃの間に第２の分離層３１ｂが、第３の配線層３０ｃと第４の配線層３０ｄの間に第３の分離層３１ｃが設けられている。第１～第４の配線層３０ａ～３０ｄと第１～第３の分離層３１ａ～３１ｃは第１の絶縁層１５で被覆されている。第１～第３の分離層３１ａ～３１ｃはＡｌＮ，ＡｌＯｘ，ダイヤモンドライクカーボン，ＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，ＴａＯｘ，ＴｉＯ_２，Ｓｉからなる群から選択された１または２以上の材料から形成される。第１～第３の分離層３１ａ～３１ｃは配線層３０より熱伝導率が低い限り、支持層９と同じ材料から形成されてもよいし、支持層９と異なる材料から形成されてもよい。配線層３０が分離ないし分割される数ないし分離層３１の数は特に制限されず、配線層３０に任意の数の分離層３１を挿入して、配線層３０を分離ないし分割することができる。つまり、配線層３０には少なくとも１つの分離層３１が挿入されていればよい。

図示は省略するが、第２の実施形態で述べたとおり、フォノンは配線層３０と平行に運動するだけでなく、配線層３０に対し斜めに（すなわち、第１の部分９３においてはＹ方向成分をもって、第２の部分９４においてはＸ方向成分をもって）運動することもある。従って、分離層３１を挿入することによって配線層３０の界面が増加し、フォノンの散乱源が増加する。このため、本実施形態においても導電性の低下を抑えつつ、熱伝導性が低下した配線層３０を実現することができる。

（第４の実施形態）
図７は第４の実施形態の赤外線センサの配線層４０の断面図を示している。ここでは主に第１の実施形態との違いを説明する。説明を省略した構成及び効果については第１の実施形態と同様である。

配線層４０には配線層４０より低い熱伝導率を有する分散体４１が分散配置されている。配線層４０の導電部は配線層４０の一端から他端まで連続しているため、配線層４０がその延在方向に分散体４１によって分断されることはない。分散体４１はＡｌＮ，ＡｌＯｘ，ダイヤモンドライクカーボン，ＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，ＴａＯｘ，ＴｉＯ_２，Ｓｉからなる群から選択された１または２以上の材料から形成される。分散体４１の形状は特に限定されず、塊状、線状などであってよい。分散体４１を設けることによって、他の実施形態と同様、配線層４０の界面が増加し、フォノンの散乱源が増加する。このため、本実施形態においても導電性の低下を抑えつつ、熱伝導性が低下した配線層４０を実現することができる。

（赤外線センサ１の製造方法）
次に、図８Ａ～８Ｅを参照して本発明の赤外線センサ１の製造方法の一例を示す。赤外線センサ１はウエハプロセスによって製造されるため、以下の説明において、第１の基板２、第２の基板３はウエハを意味する。ここでは第１の実施形態を例に説明し、他の実施形態については第１の実施形態との違いを説明する。

まず、図８Ａに示すように、ＲＯＩＣなどの素子が形成された第１の基板２上に有機犠牲層５１を形成し、フォトレジスト工程及びミリング工程によって開口を形成し、開口にめっきでピラー１１を形成する。次に、図８Ｂに示すように、有機犠牲層５１及びピラー１１の上にスパッタリングで支持層９を形成する。次に、図８Ｃに示すように、支持層９の上にスパッタリングで配線層１０を形成し、パターニングによって配線層１０を所定の形状に成形する。第２の実施形態の場合は、さらに分離層１７と導電層の組を所望の回数だけ積層する。第３の実施形態の場合は、フォトレジスト工程及びミリング工程によって配線層３０に開口を形成し、開口に絶縁層３１を形成する。第４の実施形態の場合は、導電体と分散体４１の同時スパッタリング、導電体と分散体４１の混合物のスパッタリングなどの方法で配線層４０を作成する。次に、図８Ｄに示すように、支持層９の上にスパッタリングでサーミスタ膜７と赤外線吸収膜８を形成する。次に、図８Ｅに示すように、ドライプロセスにより有機犠牲層５１を除去する。その後、真空雰囲気中で第１の基板２と第２の基板３を接合することで図１に示す赤外センサ１が得られる。

本発明のいくつかの好ましい実施形態を詳細に示し、説明したが、添付された請求項の趣旨または範囲から逸脱せずに様々な変更および修正が可能であることを理解されたい。例えば、第１～第４の実施形態は互いに組み合わせることが可能である。一例として、第１の実施形態のように配線層をミアンダパターンに形成した上で、第２の実施形態のように配線層を厚さ方向に分離する分離層３１を設けることができる。

Claims

温度に応じて電気抵抗が変化するサーミスタと、
前記サーミスタに接続された第１及び第２の配線層と、
前記第１の配線層を前記サーミスタに接続された一端の近傍から他端の近傍まで当該第１の配線層の厚さ方向に分割する、前記第１の配線層より熱伝導率が低い少なくとも一つの分離層と、を有し、
前記第１の配線層におけるフォノンの平均自由行程は、前記第１の配線層の材料からなる無限媒質におけるフォノンの平均自由行程より小さく、前記第２の配線層におけるフォノンの平均自由行程は、前記第２の配線層の材料からなる無限媒質におけるフォノンの平均自由行程より小さい、熱利用デバイス。
温度に応じて電気抵抗が変化するサーミスタと、
前記サーミスタに接続された第１及び第２の配線層と、
前記第１の配線層を当該第１の配線層の幅方向に分割する、前記第１の配線層より熱伝導率が低い少なくとも一つの分離層と、を有し、
前記少なくとも一つの分離層は、前記第１の配線層の厚み方向から見て、前記第１の配線層の延在方向に沿った形状であり、直線状部分と折れ曲がり部分とを有し、
前記第１の配線層におけるフォノンの平均自由行程は、前記第１の配線層の材料からなる無限媒質におけるフォノンの平均自由行程より小さく、前記第２の配線層におけるフォノンの平均自由行程は、前記第２の配線層の材料からなる無限媒質におけるフォノンの平均自由行程より小さい、熱利用デバイス。
前記サーミスタと前記第１及び第２の配線層とを支持し、前記第１及び第２の配線層より低い熱伝導率を有する支持層を有している、請求項１または２に記載の熱利用デバイス。
外部に対して負圧にされた内部空間を形成する容器と、前記内部空間で前記容器に支持された第１及び第２のピラーと、を有し、前記サーミスタと前記第１及び第２の配線層と前記支持層は前記内部空間に収容され、前記支持層は前記第１及び第２のピラーのみを介して前記容器に接続されている、請求項３に記載の熱利用デバイス。
前記支持層は、前記サーミスタを支持する中央部と、前記第１の配線層の少なくとも一部を保持し、前記中央部と前記第１のピラーとを接続する第１の腕部と、前記第２の配線層の少なくとも一部を保持し、前記中央部と前記第２のピラーとを接続する第２の腕部と、を有している、請求項４に記載の熱利用デバイス。
前記第１の腕部に保持された前記少なくとも一部の第１の配線層は非直線であり、前記少なくとも一部の第１の配線層の中心線が前記第１の腕部の延在する方向と交差する、請求項５に記載の熱利用デバイス。
前記分離層はＡｌＮ，ＡｌＯｘ，ダイヤモンドライクカーボン，ＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，ＴａＯｘ，ＴｉＯ２，Ｓｉからなる群から選択された１または２以上の材料からなる、請求項１から６のいずれか１項に記載の熱利用デバイス。
前記第１及び第２の配線層に分散配置され、前記第１及び第２の配線層より熱伝導率が低い分散体を有する、請求項１から７のいずれか１項に記載の熱利用デバイス。
前記第１の配線層の分割された各部分は互いに並列に接続されている、請求項１から８のいずれか１項に記載の熱利用デバイス。