JPH04268773A - 赤外線センサおよびその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、赤外線吸収に伴う温
度上昇により赤外線検出を行うタイプの赤外線センサお
よびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】物体や人体から放射される赤外線の検出
に用いられる赤外線センサには、半導体材料の光電効果
を利用する量子型センサや赤外線吸収による温度上昇を
利用する熱変換型センサがある。量子型の赤外線センサ
は、高感度ではあるものの原理的に低温で動作させる必
要があることなどから、特別の用途に限られる。

【０００３】従来、図５に示すような熱変換型の赤外線
センサ５０がある。この赤外線センサ５０は、赤外線吸
収に伴う温度上昇により赤外線の検出を行う薄型の検出
部５２を備えている。検出部５２はシリコン板材を用い
た検出側基板５１の堀込６２位置に熱絶縁された状態で
支持されている。この薄型の検出部５２は以下のように
構成されている。検出側基板５１の堀込６２に裏面を臨
ませている絶縁層部分６１ａがある。検出側基板５１の
表面には薄い絶縁層（酸化膜や窒化膜）６１が形成され
ていて、この絶縁層６１の一部裏側に堀込６２が形成さ
れることにより絶縁層部分６１ａ裏側が空間に臨む状態
が現出しているのである。そして、この絶縁層部分６１
ａ上に、下電極層６５、感温抵抗層６６、上電極層６７
および赤外線吸収層６８の各薄膜がこの順で積層形成さ
れ、赤外線センシング用の薄型の検出部５２となってい
る。

【０００４】一方、赤外線センサ５０は赤外線入射側に
シリコン板材を用いたフィルタ５５を備えている。検出
部５２の表面はフィルタ５５の裏面の堀込６９に臨んで
いる。この赤外線センサ５０における赤外線検出動作は
以下の通りである。フィルタ５５を透過し検出部５２に
入射した赤外線は赤外線吸収層６８で吸収され熱に変わ
る。この吸収熱が感温抵抗層６６の温度を上昇させる。 感温抵抗層６６は温度の上昇に伴いその抵抗値が変わる
ため、この抵抗変化を捉えることにより赤外線の検出が
できるのである。

【０００５】赤外線センサ５０は、シリコン板材等の半
導体基板と酸化膜、窒化膜、半導体薄膜、金属薄膜等の
薄膜で形成することが可能であって、小型化が図りやす
く、また、半導体微細加工技術を利用しての大量生産が
可能であって、低コスト化が図りやすくて、さらに、半
導体基板に信号処理用電子回路を併設して集積化するこ
とも可能であるため、非常に有用なセンサであると言え
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
熱変換型の赤外線センサ５０は、感度や応答速度が十分
とは言えないという問題がある。検出部５２の熱容量を
下げられれば感度や応答速度が向上する。赤外線吸収層
６８の厚みをより薄くすれば検出部５２の熱容量を下げ
ることは可能ではある。しかし、赤外線吸収層６８の厚
みを薄くすると赤外線吸収量が減り、吸収熱量も減って
、その分、感度や応答速度は落ちる。そのため、熱容量
の低減による感度・応答速度の増加分は、赤外線吸収量
の低減による感度・応答速度の低下分で帳消にされ、実
際には感度や応答速度を向上させられない。

【０００７】この発明は、熱変換型の赤外線センサにお
いて感度や応答速度を向上させることを第１の課題とし
、このような赤外線センサを容易に製造することのでき
る方法を提供することを第２の課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記第１の課題を解決す
るため、請求項１記載の発明にかかる赤外線センサは、
赤外線吸収に伴う温度上昇により赤外線の検出を行う薄
型の検出部を備えるとともに、この検出部からみて赤外
線入射側とは反対側に赤外線反射面を備え、赤外線反射
面で反射した赤外線も前記検出部に入射する構成となっ
ている。

【０００９】そして、前記第２の課題を解決するため、
請求項２記載の発明にかかる赤外線センサの製造方法で
は、請求項１記載の発明にかかる有用な赤外線センサを
得るにあたり、検出部設置位置に穴を有し、この穴のと
ころに基板本体と熱絶縁された状態で検出部を備えてな
る検出側基板を準備するとともに、赤外線反射面を表面
に備えた反射側基板を準備し、前記両基板を検出部と赤
外線反射面を対面させておいて接合一体化するようにし
ている。

【００１０】以下、この発明を、図面を参照しながら詳
しく説明する。図１は、この発明にかかる赤外線センサ
の要部構成例をあらわす。赤外線センサ１は、赤外線セ
ンシング用の薄型の検出部１１を備えるとともに、この
検出部１１の裏面側（赤外線入射側とは反対側）に所定
距離隔てて赤外線反射面２１を備え、検出部１１を透過
した入射赤外線Ｌは赤外線反射面２１で反射して検出部
１１に再び入射する。

【００１１】検出部１１は検出側基板２に設けられ、赤
外線反射面２１は反射側基板３に設けられ、両基板２、
３は接合層４により接合されている。薄型の検出部１１
は、下記のように、薄膜積層体からなる。検出側基板２
の穴１５に裏面を臨ませている（電気的）絶縁層部分１
３ａがある。検出側基板２の表面には薄い絶縁層（酸化
膜や窒化膜）１３が形成されていて、この絶縁層１３の
裏側一部域にわたって穴１５が基板裏面から堀り込み形
成されることにより絶縁層部分１３ａ裏側が空間に臨む
状態が現出しているのである。そして、この絶縁層部分
１３ａ上に、下電極層１７、感温抵抗層１８および上電
極層１９の各薄膜がこの順で積層形成され、赤外線セン
シング用の薄型の検出部１１が出来ている。

【００１２】絶縁層部分１３ａの周囲には部分的にスリ
ット１４が形成され他の部分と切り離されている。図１
では、絶縁層部分１３ａが絶縁層１３の他部分から完全
に切り離されているかのようにみえるが、スリット１４
のあるところで切れているだけで、図示外部分で繋がっ
ていて絶縁層部分１３ａは検出側基板２に支持された状
態になっている。

【００１３】検出部１１は絶縁層１３部分のみで基板と
繋がることで基板本体１２に対する熱絶縁が確保されて
いる。スリット１４は熱絶縁性をより高める働きをして
いる。一方、検出部１１の表面・裏面の熱絶縁は、両面
ともが空間に臨むことで確保されている。そのため、赤
外線の吸収熱が検出部１１から逃げ難く赤外線吸収が有
効に検出部１１の温度上昇となってあらわれる。

【００１４】薄型の検出部１１では上下電極層１７、１
９が赤外線吸収機能を有しているため、格別、赤外線吸
収層を設けていない。赤外線吸収機能を有する電極層と
してはニッケルクロム層が例示される。一対の電極は、
感温抵抗層の表裏面に分かれて設けられる上下対向構造
に限らず、感温抵抗層の表裏面の一方の面だけで入り組
み対抗するように両電極が設けられる所謂クシ型の平面
対向構造であってもよい。

【００１５】感温抵抗層１８は温度変化に対して抵抗値
が変化する。感温抵抗層１８としてはアモルファスシリ
コン層、炭化ケイ素等のサーミスタ材料層が例示される
。感温抵抗体層および電極が同じ材料（例えば、白金）
で形成されているようであってもよい。この場合は、赤
外線吸収層を設ける必要がある。検出部１１は、焦電効
果材料層を備えることにより温度変化を捉えるというも
のであってもよいし、ひとつの層が赤外線の吸収と温度
上昇の把握の両機能を兼ね備える構成であってもよい。

【００１６】反射側基板３の赤外線反射面としては、基
板３の表面に蒸着形成されたアルミニウム薄膜表面等が
例示される。赤外線センサ１は入射側にフィルタを備え
てはいないが、検出側基板２の赤外線入射側に、例えば
、図５に示すフィルタ５５を備えているようであっても
よい。

【００１７】この赤外線センサ１における赤外線検出動
作は以下の通りである。赤外線Ｌは検出部１１に入り上
下電極層１７、１９で一部は吸収されて熱に変わる。吸
収されずに検出部１１を通り抜けた赤外線も赤外線反射
面２１で反射され再び検出部１１に入り上下電極層１７
、１９で吸収され熱に変わる。吸収熱は検出部１１の感
温抵抗層１８の温度を上昇させる。感温抵抗層１８は温
度が上昇した分だけ抵抗値が変わるため、この抵抗変化
を捉えることにより赤外線が検出できる。

【００１８】赤外線センサ１は、請求項２記載の発明の
方法により容易に製造することができる。まず、赤外線
センシング用の検出部１１が設けられた図１に示す検出
側基板２を作製する。これは、図５に示す従来の赤外線
センサの場合に準じて作ることができるので容易である
。一方、赤外線反射面２１が設けられた図１に示す反射
側基板３を別途作製する。これも、基板３表面にアルミ
ニウム薄膜を蒸着形成する程度のことであるから、やは
り容易である。次に、作製した検出側基板２と反射側基
板３を、検出部１１と赤外線反射面２１を対面させた状
態で接合一体化することでセンサが得られる。２枚の基
板２、３を位置合わせして接着剤等で接合する程度であ
るから別段難しいことはなく容易に赤外線センサが製造
できる。薄型の検出部があっても基板に支持されている
ため製造工程での損傷するようなこともない。接合は接
着剤以外で行われてもよい。

【００１９】

【作用】請求項１記載の発明の赤外線センサは、検出部
が薄片であるため、熱容量が小さく温度上昇し易くて基
本的に高感度・高応答性である。しかも、検出部を透過
した赤外線が赤外線反射面で反射して再び検出部に再入
射するため、赤外線吸収率が従来よりも高くなっており
、そのため、感度や応答性が向上する。

【００２０】この発明の赤外線センサは、前述のように
、シリコン板材等の半導体基板と酸化膜、窒化膜、半導
体薄膜、金属薄膜等の薄膜で形成することが可能であっ
て、小型化が図りやすく、また、半導体微細加工技術を
利用しての大量生産も可能であって、低コスト化が図り
やすい。請求項２記載の発明の赤外線センサの製造方法
によれば、上記有用な請求項１の赤外線センサを容易に
得ることができる。

【００２１】

【実施例】以下、請求項２記載の発明の一例方法により
、図１に示す赤外線センサを得る場合を、図面を参照し
ながら詳しく説明する。まず、赤外線センシング用の薄
型の検出部１１が設けられた検出側基板２を、以下のよ
うにして作製する。

【００２２】図２（ａ）にみるように、例えば、プラズ
マＣＶＤ法により、検出側基板２用で（１００）面を有
するシリコン単結晶ウエハの表面側に絶縁層１３である
厚み５０００Åの窒化ケイ素膜を形成するとともに裏面
側に厚み１０００Åの窒化ケイ素膜３０を形成する。両
窒化ケイ素膜の形成後、図２（ｂ）にみるように、裏面
側の窒化ケイ素膜の穴形成域部分にフォトリソグラフィ
技術を用いて窓３１を開け、ついで、表面側の窒化ケイ
素膜の上に下電極層１７、感温抵抗層１８および上電極
層１９を形成する。

【００２３】窓３０を開けるには裏面側の窒化ケイ素膜
に対して、例えばプラズマエッチング法による選択エッ
チングを行う。下電極層１７は、例えば、厚み１０００
Åのニッケルクロム薄膜を蒸着しパターン化することに
より形成する。パターン化には、例えば、硝酸セリウム
アンモニウムと酢酸を用いる湿式エッチング法による選
択エッチングを使う。

【００２４】感温抵抗層１８は、例えば、厚み２０００
Åのアモルファスシリコン薄膜をプラズマＣＶＤ法で形
成しフォトリソグラフィ技術を用いてパターン化するこ
とにより形成する。パターン化には、例えば、イオンビ
ームエッチング法による選択エッチングを使う。上電極
層１９は、例えば、厚み１０００Åのニッケルクロム薄
膜を蒸着しフォトリソグラフィ技術を用いてパターン化
することにより形成する。パターン化には、例えば、イ
オンビームエッチング法による選択エッチングを使う。

【００２５】ついで、図２（ｃ）にみるように、表面側
に厚み１μｍの窒化ケイ素保護膜３３をプラズマＣＶＤ
法で堆積しておいて、スリット形成域の保護膜３３およ
び絶縁層１３用窒化ケイ素膜を、例えば、プラズマエッ
チング法等により選択的に除き窓開けした後、水酸化カ
リウム水溶液等の異方性エッチング液を用いて、シリコ
ンウエハをエッチングすることにより、スリット１４お
よび台形状穴１５を形成し薄型の検出部１１を作り込む
。最後に、表面側に残る窒化ケイ素保護膜３３および裏
面側に残る窒化ケイ素膜３０を除去すれば、図２（ｄ）
にみるように、検出側基板２が得られる。

【００２６】完成した検出側基板２は、検出部設置位置
に穴１５を有し、この穴のところに基板本体１２と熱絶
縁された状態で検出部１１を備えている。一方、赤外線
反射面２１が設けられた反射側基板３を以下のようにし
て別途作製する。図３（ａ）にみるように、反射側基板
３用のシリコン板片面に接合用低融点ガラス組成物薄膜
４０をＲＦスパッタリング法にて堆積した後、図３（ｂ
）にみるように、この薄膜４０の接合域以外の部分をフ
ォトリソグラフィ技術を用いて除去する。

【００２７】ついで、図３（ｃ）にみるように、厚み５
０００Åのアルミニウム薄膜を蒸着形成しパターン化す
ることにより、赤外線反射面２１を作れば、反射側基板
３が得られる。最後に、上記のようにして得た検出側基
板２および反射側基板３を接合一体化する。すなわち、
図４にみるように、検出部１１の裏面と赤外線反射面２
１が対面するように位置合わせして重ね合わせておいて
、検出側基板２が＋で反射側基板３が−となるように電
圧をかけて電界印加すれば、両基板２、３が接合一体化
し、図１の赤外線センサ１が完成する。

【００２８】この発明は、上記実施例に限らない。請求
項１記載の赤外線センサは、請求項２記載の方法以外の
方法で製造してもよい。検出側基板３はシリコンウエハ
で出来ているから、信号処理回路用等の半導体素子も併
設し集積化すれば、より有用なものとなる。

【００２９】

【発明の効果】以上に述べたように、請求項１記載の赤
外線センサは、薄型の検出部を備えた小型化や低コスト
化の図り易い感度・応答性に優れる基本構造を有するの
に加えて、透過した赤外線も再び検出部に入射し赤外線
の吸収率が高くて感度・応答性が非常によくなっている
ため、実用性が非常に高い。

【００３０】請求項２記載の発明にかかる製造方法によ
れば、上記有用な請求項１の赤外線センサを容易に製造
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の赤外線センサの要部構成例をあ
らわす概略断面図である。

【図２】請求項２記載の赤外線センサの製造方法におけ
る検出側基板を作成するときの様子をあらわす概略断面
図である。

【図３】請求項２記載の赤外線センサの製造方法におけ
る反射側基板を作成するときの様子をあらわす概略断面
図である。

【図４】請求項２記載の赤外線センサの製造方法におけ
る検出側基板と反射側基板を接合一体化するときの様子
をあらわす概略断面図である。

【図５】従来の赤外線センサの要部構成をあらわす概略
断面図である。

【符合の説明】

１　　赤外線センサ ２　　検出側基板 ３　　反射側基板 １１　　薄型の検出部 ２１　　赤外線反射面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　赤外線吸収に伴う温度上昇により赤外
   線の検出を行う薄型の検出部を備えるとともに、この検
   出部からみて赤外線入射側とは反対側に赤外線反射面を
   備え、赤外線反射面で反射した赤外線も前記検出部に入
   射するようになっている赤外線センサ。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の赤外線センサの製造方
   法であって、検出部設置位置に穴を有し、この穴のとこ
   ろに基板本体と熱絶縁された状態で検出部を備えてなる
   検出側基板と、赤外線反射面を表面に備えた反射側基板
   とを準備し、前記両基板を検出部と赤外線反射面を対面
   させた状態で接合一体化するようにすることを特徴とす
   る赤外線センサの製造方法。