JPH06137939A

JPH06137939A - 赤外線検出素子

Info

Publication number: JPH06137939A
Application number: JP28912692A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Awai; 崇善粟井; Atsushi Sakai; 淳阪井; Koichi Aizawa; 浩一相澤; Takuo Ishida; 拓郎石田; Keiji Kakinote; 啓治柿手
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1992-10-27
Filing date: 1992-10-27
Publication date: 1994-05-20

Abstract

(57)【要約】【目的】ダイアフラム構造の赤外線検出素子におい
て、熱絶縁膜の歪み発生や破壊が良好に防止された赤外
線検出素子を提供する。【構成】中空部１２を有する基板１６と、この中空部
１２を覆って周辺が基板に支持された熱絶縁膜１４と、
熱絶縁膜１４の中空部１２を覆う個所に設けられた、サ
ーミスタ３０および一対の電極２０、２０からなる赤外
線検出部とを備えた赤外線検出素子において、基板１６
と熱絶縁膜１４とが、酸化シリコンなどを用いて、同じ
材料から一体形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、赤外線検出素子に関
し、詳しくは、温度変化に伴って抵抗が変化するサーミ
スタを利用して、赤外線を検出する熱型の赤外線検出素
子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】赤外線検出素子は、物体や人体から放出
される微弱な赤外線を検出するのに用いられることが多
く、高感度であることが要求される。そこで、従来の熱
型赤外線検出素子では、基板の一部を堀り抜いて中空部
を形成し、この中空部を覆って、周辺のみで基板に支持
されるようにして、熱絶縁膜を形成しておき、この熱絶
縁膜の上に、電極やサーミスタ、赤外線吸収層などから
なる赤外線検出部を設けることが行われている。このよ
うに、基板の中空部に熱絶縁膜を張るように設けておく
構造は、いわゆるダイアフラム構造と呼ばれ、赤外線検
出部の熱が、中空部を覆う熱絶縁膜を介してのみ基板に
伝達されることになるので、赤外線検出部から基板へ熱
が逃げ難く、その結果、赤外線検出部に供給された赤外
線の熱エネルギーをサーミスタの抵抗変化に効率良く変
換することができ、感度を向上させることができる。

【０００３】このダイアフラム構造の赤外線検出素子に
おいて、熱絶縁膜の熱抵抗をＲ、単位時間当たり単位面
積に入射する赤外線のエネルギーをＩ、赤外線吸収膜の
面積をＳとすれば、赤外線検出部の温度上昇ΔＴは、Δ
Ｔ＝ＲＩＳで表されることになる。ここで、熱抵抗Ｒ
は、熱絶縁膜の熱伝導率が小さいほど、また、膜厚が薄
くなるほど、大きくなるので、熱伝導率の小さな、膜厚
の薄い熱絶縁膜を用いるほど、温度上昇が大きくなり、
検出感度が向上することになる。

【０００４】このようなダイアフラム構造の赤外線検出
素子を製造するには、シリコンなどからなる基板の上
に、酸化シリコンなどの熱絶縁膜、および、赤外線検出
部の各薄膜層を形成した後、熱絶縁膜とは反対の側から
基板を選択エッチングして、熱絶縁膜の裏面まで達する
中空部を形成していた。このダイアフラム構造の赤外線
検出素子は、静止物体や静止人体から放射される微弱な
赤外線を検出ことが可能であるとともに、振動によって
誤作動を起こすことがなく、衝撃に強いという利点を有
している。また、半導体プロセス技術を利用して製造す
ることができるので、大量生産が可能で、低コスト化を
図ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
なダイアフラム構造の赤外線検出素子は、製造過程で、
基板と熱絶縁膜との間の内部応力に差が生じ、この内部
応力で熱絶縁膜を歪ませ、熱絶縁膜が破壊されてしまう
という問題があった。これは、基板と熱絶縁膜に異なる
材料を用い、予め製造された基板の表面で熱絶縁膜を成
膜すれば、両者の温度差や熱膨張率などの特性の違い
で、どうしても内部応力に差が生じるのである。但し、
基板の上に熱絶縁膜や赤外線検出部の各層を形成した段
階では、熱絶縁膜が基板に全面で接合されているので、
内部応力で熱絶縁膜が破壊されることはないのである
が、基板を選択エッチングして中空部を形成すると、こ
の中空部の個所では、熱絶縁膜が何ら支持されていない
ので、内部応力が開放され、熱絶縁膜を歪ませたり破壊
したりするのである。

【０００６】前記したように、赤外線検出素子の感度を
向上させるために、熱絶縁膜に熱伝導率の小さな材料を
用いたり、熱絶縁膜の厚みを薄くしたりするほど、基板
との内部応力の差が大きくなったり、熱絶縁膜の強度が
弱くなるので、熱絶縁膜の歪みや破壊が生じ易くなる。
そこで、この発明の課題は、前記のようなダイアフラム
構造の赤外線検出素子において、熱絶縁膜の歪み発生や
破壊が良好に防止された赤外線検出素子を提供すること
にある。

【０００７】

【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、中空部を有する基板
と、この中空部を覆って周辺が基板に支持された熱絶縁
膜と、熱絶縁膜の中空部を覆う個所に設けられた、サー
ミスタおよび一対の電極からなる赤外線検出部とを備え
た赤外線検出素子において、基板と熱絶縁膜とが、同じ
材料から一体形成されている。

【０００８】すなわち、基板と熱絶縁膜に同じ材料を用
いるとともに、基板と熱絶縁膜を別々に作製して接合し
たり、予め作製された基板の上に熱絶縁膜を成膜したり
するのではなく、基板と熱絶縁膜が一体になった状態
で、それぞれの構造を作製するのである。熱絶縁膜は、
熱伝導率の小さいことなどが要求され、基板には、機械
的強度などが要求されるので、この発明において、熱絶
縁膜および基板を構成する材料には、これらの熱絶縁膜
および基板の両方に必要な性質を備えた材料を用いるこ
とが好ましい。具体的には、酸化シリコンなどが好まし
い材料である。

【０００９】熱絶縁膜および基板を作製するには、各種
の半導体製造技術が利用できるが、たとえば、グロー放
電分解法、あるいは、イオンビームクラスター法などの
膜形成手段で、熱絶縁膜および基板の合計厚みに相当す
る膜を形成し、基板の中空部に相当する個所を、選択エ
ッチングなどで除去すればよい。熱絶縁膜と基板を同じ
材料で一体形成すること以外の赤外線検出素子の構成、
すなわち、基板の中空部の形状や、熱絶縁膜の上に形成
する赤外線検出部の層構成などは、従来の赤外線検出素
子と同様の構造がそのまま採用できる。

【００１０】

【作用】熱絶縁膜が基板と同じ材料で一体形成されてい
れば、熱絶縁膜と基板の間に、熱膨張率などの特性の違
いはなく、製造過程において内部応力の差が生じること
はない。その結果、内部応力による熱絶縁膜の歪み発生
や破壊を良好に防止することができる。

【００１１】

【実施例】ついで、この発明の実施例について、図面を
参照しながら以下に説明する。図１および図２に、赤外
線検出素子の概略構造を表している。基板材１０は、酸
化シリコンからなり、矩形状の中空部１２を囲む枠状の
基板部１６と、中空部１２の上を覆って、外周が基板部
１６に支持された熱絶縁膜部１４とが、一体形成されて
いる。

【００１２】熱絶縁膜部１４の上で、中空部１２の中央
には、アモルファスシリコンなどからなるサーミスタ３
０が設けられており、サーミスタ３０の上下面には、
クロムなどからなる電極２０、２０が設けられている。
電極２０、２０は、基板部１６の上まで延長形成され、
その端部にパッド２２が設けられている。サーミスタ３
０の上面は、酸化シリコンなどからなる赤外線吸収膜４
０で覆われている。

【００１３】このように、サーミスタ３０を上下の電極
２０、２０で挟んだサンドイッチ構造にしておくと、電
極２０、２０に挟まれるサーミスタ３０の体積を大きく
とって、ノイズを低減できる利点がある。上記のような
構造の赤外線検出素子を製造する方法を説明する。ま
ず、シリコン基板上に、グロー放電分解法で、厚さ３０
０．５μｍの酸化シリコン層を積層した。このときの成
膜条件は、モノシラン、アンモニア、窒素、一酸化二窒
素の混合ガスを使用し、アンモニア、窒素、一酸化二窒
素の総量に対する一酸化窒素の割合を３０％、基板温度
２５０℃、圧力１Torr、周波数１３．５６MHz 、放電電
力３０Ｗとした。

【００１４】この酸化シリコン層の上に、電子ビーム蒸
着法で、基板温度２００℃で厚さ５００Åのクロムを成
膜し、フォトリソ工程でパターン化して、下部側の電極
を形成した。電極の形状は、中央部は１．９×１．９mm
の正方形で、その外周に細い延長部分を備えている。な
お、クロムには、適当な不純物を添加しておくことによ
って、熱伝導率を小さくでき、素子の検出感度を向上さ
せることができる。また、クロムの代わりに、熱伝導率
の小さなニッケルクロムを用いることもできる。

【００１５】電極の上に、グロー放電分解法で、厚さ１
μｍのｐ型ａ−ＳｉＣを成膜し、フォトリソ工程で、２
×２mmの正方形にパターン化して、サーミスタを形成し
た。このときの成膜条件は、９００モル％のメタン、
０．２５モル％のジボランを加えた水素希釈のモノシラ
ンを用い、基板温度１８０℃、圧力０．９Torr、周波数
１３．５６MHz 、放電電力２０Ｗとした。

【００１６】サーミスタの上に、電子ビーム蒸着法によ
り、基板温度２００℃で厚さ５００Åのクロムを成膜
し、フォトリソ工程で所定形状にパターン化して、上部
側の電極を形成した。その形状は、下部側の電極と同じ
であるが、外周への延長部分は、下部側電極とは異なる
方向に延びている。上部側電極の上に、グロー放電分解
法で、厚さ１μｍの酸化シリコン層を形成し、フォトリ
ソ工程で、２×２mmの正方形にパターン化して、赤外線
吸収膜とした。このときの成膜条件は、７００モル％の
一酸化二窒素を用い、基板温度２５０℃、圧力１Torr、
周波数１３．５６MHz 、放電電力３０Ｗとした。

【００１７】赤外線吸収膜の上から、電子ビーム蒸着法
で、アルミを成膜し、パターン化して、上下の電極の端
部にパッドを形成した。このようにして、シリコン基板
上の酸化シリコン層の上に、赤外線検出部となる構造部
分を作製した後、水酸化カリウムでシリコン基板をエッ
チング除去し、酸化シリコン層のみを残すようにする。
この酸化シリコン層が、基板材となる。

【００１８】基板材のうち、赤外線検出部が作製された
側とは反対側から、基板材の酸化シリコンを、中央部分
のみを３００μｍの厚み分だけイオンエッチングして、
中空部を形成した。このとき残った酸化シリコンの厚み
０．５μｍが、熱絶縁膜部の厚みとなる。熱絶縁膜部の
形状は、２．５×２．５mmの正方形であった。このよう
にして製造された赤外線検出素子は、熱絶縁膜部が歪ん
だり、破壊されたりすることなく、使用時には高い感度
を示し、良好な使用性能が発揮された。

【００１９】

【発明の効果】以上に述べた、この発明にかかる赤外線
検出素子は、基板と熱絶縁膜とが、同じ材料で一体形成
されているので、熱絶縁膜に歪みや破壊が生じることが
なく、製造歩留りを向上させることができた。その結
果、赤外線検出素子の生産性を高め、生産コストを低減
させることができる。また、予め基板を作製してから、
その上に熱絶縁膜を作製するという２段階の工程が不要
になり、１度の工程で基板と熱絶縁膜の両方が作製でき
るので、製造プロセスが簡略化されるので、この点で
も、生産能率の向上および生産コストの低減を図ること
ができる。

【００２０】熱絶縁膜に歪みや破壊が生じ難ければ、熱
絶縁膜の厚みを薄くして、赤外線の検出感度を向上させ
ることもできるので、赤外線検出素子の性能向上を図る
こともできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す赤外線検出素子の断
面図

【図２】平面図

【符号の説明】

１０基板材１２中空部１４熱絶縁膜部１６基板部２０電極３０サーミスタ４０赤外線吸収膜

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【手続補正書】

【提出日】平成５年１月１８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】熱絶縁膜および基板を作製するには、各種
の半導体製造技術が利用できるが、たとえば、グロー放
電分解法、あるいは、イオンビームクラスター法などの
膜形成手段で、熱絶縁膜および基板の合計厚みに相当す
る膜を形成し、基板の中空部に相当する個所を、エッチ
ングなどで除去すればよい。熱絶縁膜と基板を同じ材料
で一体形成すること以外の赤外線検出素子の構成、すな
わち、基板の中空部の形状や、熱絶縁膜の上に形成する
赤外線検出部の層構成などは、従来の赤外線検出素子と
同様の構造がそのまま採用できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石田拓郎大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者柿手啓治大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中空部を有する基板と、この中空部を覆
って周辺が基板に支持された熱絶縁膜と、熱絶縁膜の中
空部を覆う個所に設けられた、サーミスタおよび一対の
電極からなる赤外線検出部とを備えた赤外線検出素子に
おいて、基板と熱絶縁膜とが、同じ材料から一体形成さ
れていることを特徴とする赤外線検出素子。