JPH03136379A

JPH03136379A - 赤外線センサ素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH03136379A
Application number: JP1276229A
Authority: JP
Inventors: Akinobu Satou; 佐藤　倬暢
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1989-10-23
Filing date: 1989-10-23
Publication date: 1991-06-11

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は赤外線センサ素子及びその製造方法に関し、特
に非接触で体温等の温度を測定する温度計に用いて好適
な赤外線センサ素子及びその製造方法に関する。

［従来の技術］一般に赤外線センサは、非接触の温度計として高温の物
体や移動物体、さらに熱容量が小さくて接触すると温度
が変化してしまうような物質の温度測定に使用されてき
た。例を挙げて説明すると、製鉄所などで溶鉱炉の温度
測定に用いられたり、防災安全機器のセンサとして火災
報知器に、またセキュリティ用として動物の体温と人間
の体温とを判別するセンサとして使用されている。また
最近特に大量に赤外線センサを使っているのは、トイレ
の自動沈水器や家庭用電子レンジ、冷蔵庫の温度管理用
である。

これらのセンサは固定された場所から、しかも離れた部
分の温度測定を行うものであり、またセンサが使用され
ている製品の目的からその測定精度が悪くても、測定時
間が長くなっても大きな問題とはならない。

一方、医療用機器の中で使用される温度計特に体温計は
、正確な測定（１／１００℃）ができるとともに速い計
測（３秒以下）ができ、しかも安価なものが望ましい。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、従来の電子式体温計は実測値と経過時間
から熱平衡状態における温度を推定する、いわゆる予測
式体温計であり、この体温計は計測時間が短くても数十
秒掛かり、乳幼児の体温測定や手術時の体温測定では困
難さを伴っていた。また、現在体温の測定場所はわきの
下や舌下が殆どで、体力を無くした重病人やお年寄りは
温度計測の間に体温計を保持することができない等多く
の問題があった。

ところで、従来、このように体温はわきの下や舌下で測
定しているが、生理学的背景からいうとわきの下の体温
が体全体の体温を代表しているとは思われず、むしろ頭
骸骨に囲まれていて安定した温度を保っている脳の温度
等のコア温度を測定するのが一番正確であり１手術時の
体温測定には必要な温度である。これらのことを考える
と耳の中の鼓膜温度は視床下部温度を反映しており、ま
た耳道が狭いため風の影響や外気からの赤外線の影響も
受けにくいので、最適の温度測定部位と言える。

このため赤外線センサ素子としては相当小型で、測定速
度が速いとともに感度が良く、しかも安価なものが要求
される。

しかしながら、従来用いられているサーモパイル型の赤
外線センサは熱起電力を測定する素子であり、熱起電力
が小さいので数ｌＯ個直列に接続する必要があり、この
ため面積が大きくなる。また、熱起電力を測定する零接
点も必要である。さらに、サーモパイルは一般にやや感
度が悪く、応答速度がわずかに遅い、また連続測温セン
サにはならない等の欠点があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、
小型化を図れ、測定速度が速いとともに感度が良く、か
つ安価に製造することができ、体温計等に用いて好適な
赤外線センサ素子及びその製造方法を提供することを目
的とする。

Ｌ課題を解決するための手段］上記従来の課題を解決するために本発明に係る赤外線セ
ンサ素子は、赤外線を検出し、当該赤外線の検出量に応
じた電気信号を出力する赤外線センサ素子であって、支
持基板と、該支持基板上に橋設された絶縁性のブリッジ
層と、該ブリッジ層上に形成された感温部とを備えたこ
とを特徴とするものである。

本発明に係る赤外線センサ素子においては、前記支持基
板は半導体材料、特にシリコンであることが好ましい。

また本発明に係る赤外線センサ素子において、前記ブリ
ッジ層は、酸化シリコン膜と、該酸化シリコン膜上に形
成されたリン・ケイ酸ガラス膜と、該リン・ケイ酸ガラ
ス膜上に形成された酸化シリコン膜との３層構造とし、
さらに前記感温部は、Ｎ型またはＰ型の不純物を含むシ
リコン層と、該シリコン層上に形成された金属層との２
層構造とし、さらに前記シリコン層はスパッタリング法
により形成されたものであることが好ましい。

さらに本発明に係る赤外線センサ素子の製造方法は、シ
リコン基板を熱酸化してその表面に酸化シリコン膜を形
成する工程と、前記酸化シリコン膜の表面にブリッジ層
形成用の犠牲層のパターンを形成する工程と、前記犠牲
層を含む全面に不純物無添加の第１の酸化シリコン膜、
リン・ケイ酸ガラス膜および第２の酸化シリコン膜を順
次形成する工程と、前記第２の酸化シリコン膜上に感温
部を形成する工程と、前記第２の酸化シリコン膜、リン
・ケイ酸ガラス膜および第１の酸化シリコン膜に前記犠
牲層に達する開口部を設けた後、当該開口部を介してエ
ツチングを行い、前記犠牲層を除去する工程とを備えた
ことを特徴とするものであり、前記感温部の形成は、前
記第２の酸化シリコン膜上にスパッタリング法によりシ
リコン層を形成した後、当該シリコン層にイオン注入法
により不純物を導入する工程と、前記不純物が導入され
たシリコン層上に蒸着法により金属層を形成する工程と
からなることを特徴とするものである。

［作　用］上記のように構成された赤外線センサ素子においては、
感温部を半導体材料により形成すること辷より温度が上
ると電気抵抗が下がる負の温度係数を持ち、したがって
、被測定対象物から放射された赤外線が感温部に入射さ
れると、感温部の電気抵抗が赤外線量に比例して変化す
る。

この赤外線センサ素子は、半導体プロセスの微細加工に
より製造することができるため、従来の構造に比べて著
しく小型化を図ることができるとともに安価に製造する
ことができる。また、半導体微細加工技術を用いて熱伝
導の悪い酸化シリコン膜を細く、かつ薄く造ることで熱
容量を減らすことにより、測定速度を速く、感度を良く
することができる。また、ブリッジ層の長さを長くする
と、熱を基板に逃がす部分の温度（シンク温度）と感温
部との温度差が大きくなり、これによっても感度が向上
する。

また、一般に熱生成で作った酸化シリコン膜は約１１ｍ
の厚みであり、このため酸化シリコン膜にひびが入り強
度が得られない、実際に謹厚約８０００人の酸化シリコ
ン膜ではブリッジ層の長さは５００μｍ位にしかできな
かったが、スパッタリング法やＣＶ　Ｄ　（Ｃｈｅｍｉ
ｃａｌ　ＶａｐｏｕｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、化学的気
相成長）法で造った酸化シリコン膜は熱生成膜より密度
が小さく、２〜３μｍの膜厚になるまでひびが入らない
。これらの膜でブリッジ層を造ると１−の長さまで長く
できるが、よりブリッジ層の長さを長（して感度を上げ
るためにはＣＶＤ法やスパッタリング法で造った酸化シ
リコン膜の間にこれらの膜より柔らかく、粘り気が強く
、融点の低いリン・ケイ酸・ガラス（ＰＳＧ）膜を介在
させる。これにより、ブリッジ層の強度を強め、その反
りや曲りを吸収するとともにひび割れ発生時等の接着剤
の役目をさせることができる。

【実施例］・以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例に係る赤外線センサ素子１０
の断面構造を示すものである。

本実施例の赤外線センサ素子ｌＯは、半導体基板たとえ
ばシリコン基板１１の表面上の酸化シリコン膜１２上に
形成された、所謂シリコン薄膜によるボロメータ素子で
あり、入射された赤外線を検出してその検出量に応じた
電気信号を出力するものである。

この赤外線センサ素子ｌＯは、熱（赤外線）量に応じて
抵抗値が変化する感温部１０ａと、この感温部１０ａの
熱がシリコン基板ｌを通じて支持部材（図示せず）へ逃
げるのを防止してその周囲との間に温度差を設けるため
のブリッジ層１０ｂとにより構成されており、その表面
には感温度１０ａに対向して開口部を有する反射膜とし
ての金属層たとえば金属２０が形成されている。

上記ブリッジ層１０ｂは、酸化シリコン膜１３と、この
酸化シリコン膜１３上に形成されたリン・ケイ酸ガラス
膜１４と、このリン・ケイ酸ガラス膜１４上に形成され
た酸化シリコン膜１５との３層構造となっている。

一方、感温部１０ａは、Ｎ型またはＰ型の不純物を含む
シリコン層１６と、このシリコン層１６上に形成された
金属層たとえば金層１７との２層構造となっている。

上記シリコン層１６はスパッタリング法で造られた薄膜
であり、入射した赤外線はこの部分で吸収される。そし
て、この吸収された赤外線のエネルギに見合っただけの
電子、すなわちスパッタリング法で造られたシリコン膜
はアモルファス構造であり、導伝帯と充満帯との間の禁
止帯に多くの準位を形成しており、この準位にある電子
が導伝帯に励起され、充満帯にはそれと同数の正孔が発
生する。このため導伝帯の電子数は増加し、その結果電
気抵抗が下がる。したがって、その電気抵抗の変化に伴
う電流値を検出することにより温度変化を測定すること
ができる。

上記赤外線センサ素子ｌＯは半導体プロセスにより微細
に加工することができるとともに、半導体プロセスがバ
ッチシステムであるので一度に大量に処理ができ、安価
に製造できる。また、熱伝導の悪い酸化シリコン膜１３
．１５を細く、かつ薄く形成し、さらにブリッジ層１０
ｂの長さを長くして、シンク温度と感温部１０ａとの温
度差を大きくすることにより、測定速度を速く、感度を
良くすることができる。また、酸化シリコン膜１３．１
５をスパッタリング法またはＣＶＤ法で形成するととも
に、酸化シリコン膜１３．１５間にリン・ケイ酸ガラス
膜１４が介在しているので、ブリッジ層１０ｂの強度が
向上するとともに、反りや曲りを吸収し、しかもたとえ
ひび割れが発生した場合でもリン・ケイ酸ガラス膜１４
が接着剤の役目を果して支障がない。したがってこの赤
外線センサ素子ｌＯは、前述の耳の中の鼓膜温度を測定
する非接触型の体温計に好適に用いることができる。

次に、上記赤外線センサ素子１０の製造方法について、
第２図（ａ）〜（ｒ）により具体的に説明する。なお第
２図（ａ）〜（ｒ）は第１図の■−■線に沿う断面構造
の製造工程を示すものである。

先ず、第２図（ａ）に示すようなシリコン基板３０を用
意し、同図（ｂ）に示すように１１００℃の温度で３０
分間のウェット酸化を行い、表面に膜厚５００人の酸化
シリコン膜３１を形成する。続いて同図（Ｃ）に示すよ
うに、蒸着法により酸化シリコン膜３１上に前述のブリ
ッジ部１２ｂ形成のための犠牲層となる膜厚１．５〜２
．０ｕｍの金ｍＭたとえばモリブデン膜３２を形成する
。なお、この犠牲層としては金属膜以外にもリン・ケイ
酸ガラス（ＰＳＧ）膜等を用いることもできる。

続いて同図（ｄ）に示すように、モリブデン膜３２の表
面に膜厚１．０μｍのフォトレジスト膜３３を塗布形成
し、通常のホトリソグラフィーにより犠牲層のパターン
を形成する。すなわちマスク合せの後、露光および現像
を行い、さらに窒素（Ｎ叩）雰囲気中において９０秒間
、１４０±２℃の熱処理（ハードベーキング）を行う。

続いて同図（ｅ）に示すようにパターニングされたフォ
トレジスト膜３３をマスクにしてフッ化炭素（ＣＦ４）
によるプラズマエツチングを行い、モリブデン膜３２を
選択的に除去する。さらに、ガス圧力５．０ＯＴｏｒｒ
、高周波電力５００Ｗの条件でプラズマアッシング（灰
化）を４．５秒間行い、上記フォトレジスト膜３３を除
去する。

次に、同図（ｆ）に示すように、圧力０．９Ｔｏｒｒ、
ｍ度３００±２℃の条件で、反応ガスとしてシラン（Ｓ
　ｉ　Ｈ４）　＝　２００　Ｓ　ＣＣＭ、笑気ガス（Ｎ
＊　０）＝４０００ＳＣＣＭを流し。

ＣＶＤ法によりウェハ全面に不純物無添加の膜厚９００
０±１５００Ａの酸化シリコン膜３４を形成する。

さらに同図（ｇ）に示すように圧力１７０±５ｍＴｏｒ
ｒ、温度４２５±５℃の条件で反応ガスとしてシラン（
Ｓ　ｉ　Ｈａ　）　”２０±ｌ　ｐｓ　ｉ。

フォスフイン（ＰＨ，）＝２２±１ｐｓｉ１笑気ガ２　
（Ｎ＊　０）＝２０±ｌ　ｐｓ　ｉを流ＬＣＶＤ法によ
り上記酸化シリコン膜３４上に膜厚８０００±１００Ｏ
Ａのリン・ケイ酸ガラス（ＰＳＧ）膜３５を形成する。

次に同図（ｈ）に示すようにリン・ケイ酸ガラス膜３５
上に上記（ｆ）の工程と同様に不純物無添加の膜厚９０
００±１５００人の酸化シリコン膜３６を形成する。上
記酸化シリコン膜３４゜リン・ケイ酸ガラス膜３５およ
び酸化シリコン膜３６により３層構造のブリッジ部１２
ｂが形成される。

なお、上記リン・ケイ酸ガラス膜３５は粘性を有するも
のであり、これにより上下の酸化シリコン膜３４．３６
のひび割れを防止するとともに、ブリッジ層１０ｂの反
りや曲りで感温部１０ａがシリコン基板３０と不平行と
なることのを防ぐことができる。

次に、同図（ｉ）に示すようにターゲットとしてシリコ
ン基板（比抵抗３００Ω・Ｃ■）を用いてスパッタリン
グを行い、上記シリコン酸化膜３６上に膜厚１．０〜１
．５μｍのシリコン膜３７を形成し、さらに加速電圧１
２０ＫｅＶ。

ドーズ量１．０ｘｌＯ”／　Ｃ１ｌ”の条件でボロンの
イオン注入を行い、シリコン膜３７を中性半導体に近づ
ける。続いて温度１１００℃の窒素雰囲気中において、
３０分間加熱（アニール）しシリコン膜３７の結晶化を
行う、これにより前述の感温部１０ａのＢ定数を約５０
００とすることができ、温度変化に対する感度（抵抗値
の変化）が良好となる。

次に、同図（ｊ）に示すように膜厚１．０μｍのフォト
レジスト膜３８をシリコン膜３７上に塗布形成し、マス
ク合せを行い、露光および現像の後、窒素ガス中におい
て１４０±２℃の熱処理（八−ドベーキング）を９０秒
間行うことにより感温部１２ａのパターンを形成する。

次に、同図（ｋ）に示すように反応ガスとして酸素（Ｏ
ｎ　）＝４５±ＩｓｃｃＭ、フッ化イオウ（ＳＦ）＝１
３５±２５ＣＣＭを流し、圧力４００ｍＴｏｏｒ、高周
波電力１２５Ｗの条件で上記フォトレジスト膜３８をマ
スクにしてプラズマエツチングを行うことによりシリコ
ン膜３７を選択的に除去する。

次に同図（１）に示すように電力５．ＯＫＷ、温度２３
０±３０℃の条件でターゲットとしてチタン（Ｔｉ）を
用いたスパッタリングを９１秒間行い、膜厚０．６±０
．１ｇｍのチタン膜３９を形成する。続いて同図（ｍ）
に示すように前述の工程（ｊ）と同様にしてフォトレジ
スト膜４０の電極用パターンを形成する。

次に、同図（ｎ）に示すように反応ガスとじて３塩化ボ
ロン（Ｂ　Ｃｊｌ　ｓ　）　＝　４７　Ｓ　ＣＣＭ、塩
素（Ｃｆｆ、）＝３９ＳＣＣＭ、　ヘリウム（）ｉｅ）
＝１５００ＳＣＣＭを流し、圧力１３５Ｐａ、電力３２
０Ｗの条件で、ドライエツチングを１３０秒間行うこと
により、チタン電極膜４１を形成する。続いて圧力５．
０Ｔｏｒｒ、高周波電力５００Ｗの条件でプラズマアッ
シング（灰化）を４．５秒間行い、フォトレジスト膜４
．０を除去する０次に同図（０）・に示すように犠牲層
の窓開は用ホトリソグラフィーとして前述の工程と同様
にしてフォトレジスト膜４２のパターンを形成する。そ
の後、同図（ｐ）に示すように上記パターニングされた
フォトレジスト膜４２をマスクにしてフッ化水素水溶液
（ＨＦ　：　Ｈａ　Ｏ＝ｌ　：　１０）によるウェット
エツチングを４５秒間行い、前記酸化シリコン膜３４、
リン・ケイ酸ガラス膜３５および酸化シリコン膜３６に
モリブデン膜３２に達する開口４３を形成する。続いて
当該つエムを５分間ずつ５回超純水により流水洗浄し。

さらにスピンドライ法により乾燥させる０次に同図（ｑ
）に示すようにリン酸（Ｈ，ＰＯ４）：硝酸（ＨＮＯｓ
　）：水（Ｈ，０）＝５：　ｌ　：４のエツチング液中
においてフォトレジスト膜４２をマスクにしてエツチン
グを行い前述の犠牲層としてのモリブデン膜３２を除去
する。最後に圧力５．０Ｔｏｒｒ、高周波電力５００Ｗ
の条件でプラズマアッシング（灰化）を４．５秒間行い
、フォトレジスト膜４２を除去する。

このようにして同図（ｒ）に示すようにシリコン膜３７
およびチタン電極膜４１からなる感温部１０ａと、酸化
シリコン膜３４、リン・ケイ酸ガラス膜３５および酸化
シリコン膜３６からなる３層構造のブリッジ層１０ｂと
を備えた赤外線センサ素子ｌＯを製造することができる
。

以上に実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上
記実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更し
ない範囲で種々変更可能である。

［発明の効果］以上説明したように本発明に係る赤外線センサ素子及び
その製造方法によれば、支持基板と、該支持基板上に橋
設された絶縁性のブリッジ層と、該ブリッジ層上に形成
された感温部とにより構成とし、特に前記支持基板を半
導体材料により製造するようにしたので、測定速度が速
くなり感度が向上するとともに、半導体プロセスの微細
加工により製造することができ、したがって小型かつ安
価な赤外線センサ素子を提供することができる。

また、ブリッジ層を酸化シリコン膜−リン・ケイ酸ガラ
ス膜−酸化シリコン膜のサンドイッチ構造にしたので、
強度が向上し、このためブリッジ層の長さも長くでき、
これによっても赤外線センサ素子の感度を上げることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る赤外線センサ素子の構
造を示す断面図、第２図（ａ）〜（ｒ）はそれぞれ第１
図の赤外線センサ素子の製造工程を示す断面図である。ｌＯ・・・赤外線センサ素子１０　ａ　＝感温部、１０　ｂ−・・ブリッジ層ｌ・・
・シリコン基板２．１３．１５−・・酸化シリコン膜４・・・リン・ケイ酸ガラス膜６・・・シリコン層７・・・チタン電極膜

Claims

【特許請求の範囲】

（１）赤外線を検出し、当該赤外線の検出量に応じた電
気信号を出力する赤外線センサ素子であって、支持基板
と、該支持基板上に橋設された絶縁性のブリッジ層と、
該ブリッジ層上に形成された感温部とを備えたことを特
徴とする赤外線センサ素子。
（２）前記支持基板は半導体材料により形成されてなる
請求項１記載の赤外線センサ素子。
（３）前記半導体材料はシリコンである請求項２記載の
赤外線センサ素子。
（４）前記ブリッジ層は、酸化シリコン膜と、該酸化シ
リコン膜上に形成されたリン・ケイ酸ガラス膜と、該リ
ン・ケイ酸ガラス膜上に形成された酸化シリコン膜との
３層構造である請求項３記載の赤外線センサ素子。
（５）前記感温部は、ＮまたはＰ型の不純物を含むシリ
コン層と、該シリコン層上に形成された金属層との２層
構造である請求項４記載の赤外線センサ素子。
（６）前記シリコン層はスパッタリング法により形成さ
れてなる請求項５記載の赤外線センサ素子。
（７）請求項６記載の赤外線センサ素子の製造方法であ
って、シリコン基板を熱酸化してその表面に酸化シリコ
ン膜を形成する工程と、前記酸化シリコン膜の表面にブ
リッジ層形成用の犠牲層のパターンを形成する工程と、
前記犠牲層を含む全面に不純物無添加の第１の酸化シリ
コン膜、リン・ケイ酸ガラス膜および第２の酸化シリコ
ン膜を順次形成する工程と、前記第２の酸化シリコン膜
上に感温部を形成する工程と、前記第２の酸化シリコン
膜、リン・ケイ酸ガラス膜および第１の酸化シリコン膜
に前記犠牲層に達する開口部を設けた後、当該開口部を
介してエッチングを行い、前記犠牲層を除去する工程と
を含むことを特徴とする赤外線センサ素子の製造方法。
（８）前記感温部の形成は、前記第２の酸化シリコン膜
上にスパッタリング法によりシリコン層を形成した後、
当該シリコン層にイオン注入法により不純物を導入する
工程と、前記不純物が導入されたシリコン層上に蒸着法
により金属層を形成する工程とからなる請求項７記載の
赤外綿センサ素子の製造方法。