JPH04158585A - 赤外線検出素子 - Google Patents

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〕 この発明は、赤外線検出素子に関し、詳しくは、温度に
よる抵抗の変化を利用して赤外線を検出する赤外線検出
素子に関するものである。

〔従来の技術〕

赤外線検出素子は、一般に、微弱な赤外線の輻射エネル
ギーのみを検出したい場合が多いので、赤外線以外の波
長帯を除去して感度を上げるために、その用途に応じた
赤外線検出フィルタと組み合わせて使用されている。そ
して、従来、サーミスタ等の赤外線検出部と赤外線フィ
ルタ部分とは、別々に作製された後、互いの光軸を合わ
せて組み立てられていた。

第８図は、従来における赤外線検出素子の構造例を示し
ている。構造部分であるステム１にサーミスタ等の赤外
線検出素子チップ２を取り付けた後、開口部分に赤外線
フィルタ３を貼り付けたキャップ４を赤外線検出素子チ
ップ２を覆うようにステム１を被せて封止している。赤
外線フィルタ３は、検出しようとする赤外線の波長帯を
良好に通過させたり、雑音となる不要な波長成分を遮断
したり、空気との屈折率差による反射損失を軽減させた
りするために用いられる。そのため、赤外線フィルタ３
は、基板材料３ａの両面に光学緩衝多層膜３ｂをコーテ
ィングしたものが用いられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、前記従来構造の赤外線検出素子では、赤外線
フィルタ３をキャップ４の開口部の形状に合わせた微小
な形に切り出し、それを開口部に接着剤で貼り付ける必
要があるなど、組立工程が多くなり、その結果、組立コ
ストが高くなるという欠点があった。また、各部品の形
状や組立作業の操作性等の制限から、赤外線検出素子チ
ップ２と赤外線フィルタ３を、ある程度離しておかなけ
ればならず、素子本体のサイズが大きくなるだけでなく
、視野角θが狭くなるという欠点もあった上記欠点を解
消するため、赤外線検出部と、赤外線検出部からの出力
信号を処理する信号処理回路とを、一連の半導体プロセ
スを利用して、ひとつの半導体基板上に作製し、赤外線
検出部を覆う赤外線フィルタも半導体基板に直接貼り付
ける構造の赤外線検出装置が提案されている。

このように、赤外線検出部と信号処理回路が同じ基板に
設けられていれば、赤外線検出部と信号処理回路部分の
組立作業が不要になり、組立部品も不要になり、信号処
理回路を含めた赤外線検出装置全体の小型化が可能にな
る。また、製造工程を、一連の半導体プロセスを利用し
て簡単かつ能率的に実施できる。その結果、安価な赤外
線検出装置を提供できるようになる。さらに、赤外線検
出部と信号処理回路を接近して配五できるので、両者間
における信号の減衰や雑音の侵入が阻止でき、検出感度
の向上を図れる。

ところが、上記のような構造の赤外線検出素子では、赤
外線を熱として検知する熱変換型の赤外線検出部を採用
すると、赤外線検出部で赤外線を吸収することによって
発生した熱が、電気的な出力信号に変換されずに、半導
体基板のほうに逃げてしまい、赤外線の検出感度が悪く
なるという問題が生じる。これは、熱変換型の赤外線検
出部では、赤外線を受けて赤外線検出部の温度が上昇す
ることによって検知出力が生じるのであるから、赤外線
検出部の熱が基板に逃げると、充分な出力が得られなく
なるためである。半導体基板に、赤外線検出部のほかに
、信号処理回路や赤外線フィルタ等の各種構造を設ける
と、それだけ基板が大きくなって熱容量も増えるので、
余計に赤外線検出部から基板に熱が逃げ易くなってしま
う。

そこで、この発明の課題は、前記のような従来の赤外線
検出素子における問題点を解消し、赤外線検出部と基板
の間の熱分離を良好に行えるとともに、熱分離のための
構造が簡単で容易に製造できる赤外線検出素子を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決する、この発明にかかる赤外線検出素子
は、基板の表面に、基板の一部が除去されてなる熱分離
空間を備え、熱分離空間を介して基板の表面位置に赤外
線検出部が設けられ、赤外線検出部が外周の四隅に設け
られた部分的な支持部により基板に支持されている。

基板は、通常の各種電子素子搭載用の基板が任意に使用
できるが、特に、赤外線検出部や信号処理回路等の各種
機能部分の作製や搭載に適した、シリコン等からなる半
導体基板が好ましい。

赤外線検出部は、従来の赤外線検出素子と同様に、サー
ミスタ式あるいは焦電式等の通常の赤外線検出構造を備
えたものが用いられる。特に、この発明は、赤外線を熱
として検知する熱変換型の赤外線検出部に通している。

赤外線検出部は、基板の表面に、通常のＩＣ回路作製に
おける半導体プロセス等と同様のｉｓ形成技術や微細加
工技術を利用して形成される。

具体的には、平均粒径０．０１〜１．Ｏｎ、膜厚０゜１
〜５．Ｏｎ程度の多結晶シリコンからなる薄膜抵抗体と
、この薄膜抵抗体を介してつながった複数の電極からな
るものが好ましい。多結晶シリコンとしては、従来の通
常のサーミスタに用いられているような不純物の多いも
のは好ましくなく、不純物を添加しないものが好ましい
。電極は、薄膜抵抗体の抵抗値を信号処理回路で検出す
るための配線となるとともに、赤外線の吸収体となって
抵抗体の温度変化を良好にするために用いられる。

電極の形成は、通常の半導体プロセスと同様番二行われ
、電極の材料には、このような半導体プロセスに通した
ものが好ましい。具体的な電極の材料としては、ＮｉＣ
ｒ等が用いられる。

熱分離空間は、赤外線検出部から基板へ熱が逃げるのを
阻止するために設けられ、基板表面のうち、赤外線検出
部の設置個所において、基板の一部を除去することによ
って熱分離空間が形成される。熱分離空間は、赤外線検
出部の設置範囲とほぼ同しか少し広い程度の範囲に設け
ておくのが好ましい。熱分離空間の深さは、赤外線検出
部と基板の間を熱的に分離できる深さが必要であり、深
いほど熱分離が良好になるが、加工の手間や素子の大き
さ等も考慮して設定すればよい。

熱分離空間を形成するには、通常の微細加工技術が用い
られる。具体的には、例えば、基板に対して、通常のエ
ツチング手段等で所定の凹部を形成しておき、この凹部
をレジスト材で埋めてレジスト部を形成した後、その上
に形成される平坦な表面に、赤外線検出部を設けるため
に、酸化シリコン膜等からなる支持膜を形成し、ついで
、レジスト材を除去してしまえば、レジスト材が除去さ
れた跡に熱分離空間が形成される。

赤外線検出部は、その下面には熱分離空間が配置されて
基板と分離されているとともに、赤外線検出部の外周で
、赤外線検出部の四隅個所が、部分的な支持部を介して
基板に支持される。支持部は、出来るだけ狭いほうが、
赤外線検出部と基板との熱分離が良好に行えるが、赤外
線検出部の支持強度や赤外線検出部への配線設置スペー
ス等も考慮して設定される。但し、赤外線検出部が、機
械的に作動して赤外線を検知するものでなければ、赤外
線検出部が少しぐらい動いても誤作動を起こすことはな
いので、支持部の剛性度や機械的強度はそれほど要求さ
れない。支持部の材質や形状を、ある程度の弾力的な変
形が可能なものにしておけば、赤外線素子に加わる衝撃
や振動を、支持部で吸収して、赤外線検出部を機械的に
保護することができ、赤外線検出素子の耐衝撃性を高め
ることができる。

支持部は、基板材料自体を加工して作製することも出来
るが、通常の電子素子等に用いられている各種の膜材料
で構成するのが、作製が容易である。具体的には、半導
体からなる基板の表面に赤外線検出部や配線等を形成す
る際に、赤外線検出部や配線と半導体基板との間に介在
させる絶縁層を、部分的に切り欠く等の加工を行って支
持部を構成することができる。この支持部を構成する絶
縁層すなわち支持膜としては、例えば、ＳｉＯ□、Ｓｉ
、Ｎ、等が用いられる。

基板には、赤外線検出部とともに、検出された信号を増
幅したり、雑音を除去したり、適当な処理を行う信号処
理回路を設けておくことができる、信号処理回路の構造
や作製方法は、通常の赤外線検出装置における信号処理
回路と同様でよい。

赤外線検出部の上方には、赤外線フィルタが設けられる
。赤外線フィルタは、通常の赤外線検出装置に用いられ
ている光学干渉多層膜等からなるフィルタ材料が使用で
きる。赤外線フィルタは、赤外線検出部の外側で基板に
固定される。赤外線フィルタと基板との固定を、赤外線
フィルタが、その外周で基板に密着して一体化されてい
れば、赤外線検出部を、赤外線フィルタと基板で囲まれ
た密封空間に配置しておくことができる。赤外線検出部
が密封空間に配置されていれば、赤外線検出部の表面等
に外界からの異物が付着して悪影響を与えるのを防ぐこ
とができ、外界の雰囲気ガスや湿気による悪影響も防止
できる。

赤外線フィルタを基板に密着して一体化させる手段は、
通常の電子素子等における密着接合手段が用いられる。

例えば、赤外線フィルタの材料と共晶合金を作る金属層
を基板側に設けておき、赤外線フィルタと基板の接合個
所を熱処理して、このとき形成される共晶合金により、
赤外線フィルタと基板を密着一体化させることができる
。

赤外線フィルタが、赤外線検出部および支持部の外側で
基板に密着一体化されていれば、熱分離空間を赤外線検
出部周辺の空間とともに密封しておける。この密封空間
を、減圧状態にしておけば、赤外線検出部から外部空間
への熱の伝達を良好に阻止できる。密封空間は、常圧よ
りも低い圧力状態であれば、ある程度空気が残っている
状態であっても前記作用効果は果たせるが、真空状態で
あれば、より確実に外界への熱の伝達を遮断することが
できる。

赤外線検出素子は、ひとつの基板にひとつの赤外線検出
部のみを設けておいてもよいし、ひとつの基板に複数個
の赤外線検出部を並べて設けておくこともできる。この
場合、それぞれの赤外線検出部毎に熱分離空間および支
持部を設けておいてもよいし、複数個の赤外線検出部に
わたる大きな熱分離空間を設け、赤外線検出部全体の外
周を基板とつなぐ支持部を設けてもよい。ひとつの基板
に複数個の赤外線検出部を設ける場合、１個所の信号処
理回路に全ての赤外線検出部を配線したり、全ての赤外
線検出部を覆う赤外線フィルタを取り付けておくことも
できる。

〔作　　用〕

赤外線検出部が、基板に対して部分的な支持部のみで支
持されていて、赤外線検出部と基板の間に熱分離空間が
設けられていれば、部分的な支持部における熱抵抗は大
きいので、赤外線検出部から基板側に逃げる熱は極めて
少なくなり、赤外線検出部における発熱が有効に出力信
号に変換されることになり、熱変換型の赤外線検出部の
検出感度が向上する。

熱分離空間が、基板の一部を除去することによって形成
されていれば、熱分離空間を形成するために、別−な部
品を用意したり、その部品を基板等に取り付けたりする
必要がなく、製造の手間が大幅に削減できる。熱分離空
間のための構造が、基板の表面に突出しないので、熱分
離空間を設けても、赤外線検出素子の大きさは変わらず
、極めてコンパクトになる。

支持部が、赤外線検出部の四隅に設けられていれば、赤
外線検出部を確実に安定した状態で基板に支持しておけ
、使用中に衝撃や振動が加わっても、赤外線検出部が変
形したり損傷することがない。

〔実　施　例〕

ついで、この発明の実施例を、図面を参照しながら、以
下に説明する。

第１図〜第３図は、赤外線検出素子の構造を示しており
、第２図に詳しく示すように、シリコン基板１０の表面
に、基板１０を凹状にエツチング除去してなる熱分離空
間８０が形成されている。

熱分離空間８０および基板ｌＯの表面全体には、シリコ
ン酸化膜等からなる絶縁層１２が形成されている。絶縁
層１２の表面で、熱分離空間８０の上方位置に、Ｓ　ｉ
Ｏ！あるいは５ｉ−Ｎ、等からなる支持膜３０を介して
、薄膜抵抗体４０が形成され、Ｗｉ膜抵抗体４０の上に
はＮｉＣｒ等からなる電極５０が形成されている。この
薄膜抵抗体４０と電極５０で赤外線検出部Ａを構成する
。

基板１０には、赤外線検出部Ａの側方位置に、通常の半
導体プロセスによって作製された集積回路からなる信号
処理回路２０が設けられている。

信号処理回路２０には、電極５０につながる配線５２が
接続されている。また、信号処理回路２０には、外部装
置につながる外部配線２２が接続されている。

第３図に示すように、赤外線検出部Ａは、一対の櫛型を
なす電極５０ａ、５０ｂが互いに対向して噛み合う形に
組み合わせられており、電極５０ａ、５０ｂは、それぞ
れ配線５２を経て信号処理回路２０に接続される。配線
５２は、電極５０ａ、５０ｂと同じ導体材料で形成され
ていてもよいし、電極５０ａ、５０ｂと配線５２をそれ
ぞれの目的とする機能に優れた別々の導体材料で形成し
ておいてもよい。なお、図中、電極５０ａ、５０ｂおよ
び配線５２にはハツチングを施して、他の部分と区別し
ている。薄膜抵抗体４０は、電極５０ａ、５０ｂの各櫛
形部分を横断して設けられており、電極５０ａと５０ｂ
が薄膜抵抗体４０を介してつながっている。

赤外線検出部Ａの四辺外周で、支持膜３０には、支持膜
３０を貫通する短冊状の切欠部３４が形成されており、
隣接する切欠部３４．３４同士の隙間に存在する支持膜
３０が支持部３２となっている。したがって、赤外線検
出部Ａは、４隅個所の支持部３２のみで周囲の基板１０
とつながっていることになる。電極５０ａおよび５０ｂ
の配線５２は、支持部３２の上を通って信号処理回路２
０側へと延びている。

つぎに、第２図に示すように、赤外線検出部Ａの上方に
は、シリコンからなる赤外線フィルタ７０が設けられて
いる。赤外線フィルタ７０は、赤外線検出部Ａから切欠
部３４および支持部３２の外側までを覆っており、赤外
線フィルタ７０の外周下端が基板１０に接合されている
。赤外線フィルタ７０と基板１０の接合部分では、基板
１０の表面に、Ｔ　ｉ　／　Ｐ　ｔ　／　Ａ　ｕの３層
膜が形成され、この３層膜の最上層であるＡｕ層と、Ａ
ｕ層と接触する部分の赤外線フィルタ７０を構成するシ
リコンとを熱処理することによって、Ａｕ−３ｉ共晶合
金層７２を形成させ、このＡｕ−３ｉ共晶合金層７２に
より、基板１０に赤外線フィルタ７０の外周部分を密着
一体化させている。

その結果、赤外線フィルタ７０と基板１０で囲まれた内
部の空間７４は、周囲の空間と遮断された状態で密封さ
れており、この密封空間７４内に、赤外線検出部Ａが気
密封止されていることになる。なお、赤外線フィルタ７
０を基板１０に取り付は固定する作業を、真空雰囲気も
しくは減圧雰囲気で行い、形成された密封空間７４を真
空または減圧状態にしておけば、赤外線検出部へ〇熱分
離を一層良好にできる。

上記のような構造を備えた赤外線検出素子は、第２図に
示すように、赤外線フィルタ７０の上方から赤外線フィ
ルタ７０を透過させて赤外線検出部Ａに赤外線を入射さ
せる。赤外線検出部Ａでは、まず、電極５０が赤外線を
吸収して発熱昇温する。電極５０の発熱昇温か薄膜抵抗
体４０に伝達されるとともに、薄膜抵抗体４０自身も赤
外線を吸収して発熱昇温する。薄膜抵抗体４０は、その
温度条件によって抵抗値が変化するので、一対の電極５
０ａ、５０ｂ間の抵抗値が変化して、それに伴う出力信
号が、配線５２．５２から信号処理回路２０に出力され
る。

赤外線検出部Ａは、支持部３２のみで基板１０とつなが
っているので、電極５０および薄膜抵抗体４０で発生し
た熱は、支持部３２以外からは外部に逃げず、狭い支持
部３２の熱抵抗は高いので、赤外線検出部Ａを良好な熱
分離状態に維持できる。

つぎに、第４図に示す実施例では、支持膜３０の表面で
、薄膜抵抗体４０の上下両面に電極５４．５５を設けて
いる。このように、薄膜抵抗体４０を電極５４．５５で
挟むサントイフチ構造にしておけば、電極５４．５５に
よる赤外線の吸収がより良好に行われ、電極５４．５５
の発熱昇温を薄膜抵抗体４０に効率良く伝えることが可
能になる。その結果、出力が増大して赤外線の検出感度
が向上する。

つぎに、第５図および第６図に示す実施例は、赤外線検
出部Ａの四隅に沿って鉤形の凹溝３６を設けている。凹
溝３６は、四方の支持部３２の直ぐ内側部分に配置され
ていることになる。このような凹溝３６を設けておけば
、赤外線検出部Ａから支持部３２を経て基板１０に至る
熱の逃げ道がより狭くなって熱抵抗が高まり、赤外線検
出部Ａの熱分離が良好になる。

第７図には、以上に説明した赤外線検出素子の製造方法
を、熱分離空間８０の作製方法を中心にして示している
。

予め、通常の半導体プロセスで信号処理回路２０が作製
されたシリコン基板１０を用い、第７図（ａｌに示すよ
うに、シリコン基板１０の表面に、シリコン酸化膜９０
を形成し、その上に、熱分離空間８０の形成個所を除い
てホトレジスト層９１を形成し、エツチングにより熱分
離空間８０の形成個所のシリコン酸化膜９０を除去する
。

つぎに、第７図（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜９
０を除去した個所を、異方性エツチングにより掘り込ん
だ後、基板１０の表面全体にシリコン酸化膜からなる絶
縁層１２を形成して、熱分離空間８０を形成する。

第７図（Ｃ）に示すように、基板１０の表面全体にニッ
ケル蒸着層９２を蒸着形成し、熱分離空間８０以外の表
面をホトレジスト層９３で覆った後、ニッケルメッキを
行って、熱分離空間８０の内部をニッケルメンキ層９４
で埋める。

第７図（ｄ）に示すように、基板１０の表面を研磨して
、熱分離空間８０内を除く基板表面のニッケル蒸着層９
２を除去し、基板１０の表面全体を平用孔した後、表面
全体にシリコン酸化膜からなる支持膜３０を形成する。

第７図（ｅｌに示すように、支持膜３０の上に、薄膜抵
抗体４０および電極５０を形成した後、支持１１ｉ３０
に切欠部３４を形成する。熱分離空間８０内に充填され
たニッケルメッキ層９４に熱を加えて熔かし、切欠部３
４から溶けたニッケルメ・ツキ層９４を取り出せば、第
２図に示すように、基板１０の表面を覆う平坦な支持膜
３０の下方に、中空状の熱分離空間８０が形成される。

その後、赤列線フィルタ７０を取り付けたり、信号処理
回路２０に外部配線２２をつないだりする工程は、通常
の赤外線検出素子の場合と同様に行われる。

〔発明の効果〕

以上に述べた、この発明にかかる赤外線検出素子によれ
ば、基板表面に配置された赤外線検出部の下方に熱分離
空間があり、赤外線検出部が部分的な支持部を介して基
板に支持されているだけなので、赤外線検出部の熱が基
板側に逃げるのを、確実に阻止できる。

その結果、赤外線を熱として検知する熱変僕形の赤外線
検出部を用いた場合に、赤外線検出部を直接基板表面に
設けると、熱が基板側に逃げて赤外線検出感度が低下す
るという従来技術の問題点を解消し、赤外線検出感度を
大幅に向上させることができる。

特に、熱分離空間が、基板表面に設けられた赤外線検出
部の下面に、基板の一部を除去して形成されているので
、熱分離空間のために特別な部品を作製したり、別な部
品を組み込んだりする必要がなく、熱分離空間の形成が
容易であるとともに、熱分離空間を設けているにも関わ
らず、赤外線検出素子の外形が大きくならず、極めてコ
ンパクトにまとめることができる。その結果、赤外線検
出素子の高性能化と小型化および製造コストの削減を同
時に果たすことが可能になる。

さらに、支持部が赤外線検出部の四隅に設けられている
ので、赤外線検出部を基板に確実に安定して支持してお
くことができる。その結果、赤外線検出素子を使用中に
、激しい衝撃や振動が加わっても、支持部および赤外線
検出部が変形したり損傷する心配がなく、前記のような
検出感度の高性能化を果たしながら、機械的強度あるい
は耐久性にも優れた赤外線検出素子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例にかかる赤外線検出素子の斜
視図、第２図は断面図、第３図は赤外線検出部付近の平
面図、第４図は別の実施例を示す要部断面図、第５図は
別の実施例を示す赤外線検出部付近の平面図、第６図は
凹溝部分の拡大断面図、第７図（ａ）〜（ｅ）は製造方
法の一例を示す工程断面図、第８図は従来例の断面図で
ある。 １０・・・基板　２０・・・信号処理回路　３０・・・
支持膜　３２・・・支持部　３４・・・切欠部　４０・
・・薄膜抵抗体　５０．５０ａ、５０ｂ・・・電極　７
０・・・赤外線フィルタ　８０・・・熱分離空間　Ａ・
・・赤外線検出部 ０２−１４２Ｅ１２０１　　１１５ 第３図 ０２−１４２Ｅ１２０１２１５ ０２−１４２ＥＩ２０１　３１５ ０２−１４２ε１２０１　４７５ 第８図 ０２−１４２Ｅｆ２０１　５１５

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　基板の表面に、基板の一部が除去されてなる熱分離
   空間を備え、熱分離空間を介して基板の表面位置に赤外
   線検出部が設けられ、赤外線検出部が外周の四隅に設け
   られた部分的な支持部により基板に支持されていること
   を特徴とする赤外線検出素子。