JPH06137941A

JPH06137941A - 赤外線検出素子

Info

Publication number: JPH06137941A
Application number: JP28912992A
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るとと
もに、赤外線の検出感度にも優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１０と、この中空部
１２を覆って周辺が基板１０に支持された熱絶縁膜２０
と、熱絶縁膜２０の中空部１２を覆う個所に設けられた
赤外線検出部とからなり、赤外線検出部には、サーミス
タ４０と、サーミスタ４０に接続された一対の電極３
０、３０と、サーミスタ４０の表面を覆う赤外線吸収膜
５０を備えてなる赤外線検出素子において、赤外線吸収
膜５０が、酸化窒化シリコンで形成されていることによ
り、内部応力の発生を少なくし、熱絶縁膜に歪みや破壊
が生じるのを防げるとともに、赤外線吸収率の高い酸化
窒化シリコンを用いることで、赤外線の検出感度を向上
させることができる。

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
赤外線を検出する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、製造過程にお
いて、熱絶縁膜が歪みを起こし、破壊されてしまうとい
う問題があった。これは、基板上に熱絶縁膜および赤外
線検出部の各薄膜層を形成したときに、基板および各膜
の間に、熱膨張率などの特性の違い、あるいは、作製工
程の違いによる内部応力の差が生じ、この内部応力の作
用で、熱絶縁膜に歪みや破壊が生じていたのである。

【０００６】ダイアフラム構造では、中空状態の熱絶縁
膜の上に、赤外線検出部を構成する複数の薄膜を形成す
るため、これらの各薄膜の間に生じる内部応力の差で、
熱絶縁膜に大きな応力が発生するのである。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。

【０００７】また、従来、赤外線検出部のサーミスタの
表面に赤外線吸収膜を形成して、赤外線の吸収率を高め
ることが行われていたが、従来、赤外線吸収膜として用
いられている酸化シリコンは、赤外線吸収率があまり高
くないので、赤外線検出素子の感度向上効果の点で、必
ずしも満足できるものではなかった。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
されるとともに、赤外線の検出感度にも優れた赤外線検
出素子を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願発明者らは、熱絶縁
膜に大きな応力が発生する原因を追求した結果、赤外線
検出部の赤外線吸収膜が応力の発生に大きな影響を与え
ていることを見い出した。従来、一般的に使用されてい
た赤外線吸収膜の材料である酸化シリコンは、大きな内
部応力を生じるため、熱絶縁膜の歪みおよび破壊を引き
起こしていたものと考えられる。

【０００９】そこで、前記課題を解決する、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赤外線検出部と
からなり、赤外線検出部には、サーミスタと、サーミス
タに接続された一対の電極と、サーミスタの表面を覆う
赤外線吸収膜を備えてなる赤外線検出素子において、赤
外線吸収膜が、酸化窒化シリコンで形成されている。

【００１０】酸化窒化シリコンは、シリコンに対する酸
素と窒素の割合によって、様々な組成構造のものが存在
し、その組成構造によって、特性にも違いがある。この
発明では、内部応力の大きさや赤外線吸収率などの目的
とする特性が得られるように、酸素と窒素の組成比を選
択すればよい。酸化窒化シリコンの薄膜は、通常の各種
薄膜形成手段によって形成でき、たとえば、グロー放電
分解法、イオンビームクラスター法などが適用される。

【００１１】酸化窒化シリコンからなる赤外線吸収膜の
形状や具体的配置構造などは、通常の赤外線検出素子と
同様でよい。赤外線吸収膜を酸化窒化シリコンで形成す
ること以外の赤外線検出素子の構成、すなわち、基板や
熱絶縁膜の材料や形状および構造、赤外線検出部のう
ち、赤外線吸収膜以外のサーミスタや電極などの構成
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。

【００１２】

【作用】酸化窒化シリコンを赤外線吸収膜として形成し
た場合、大きな内部応力が生じないので、赤外線吸収膜
との内部応力の違いで、熱絶縁膜に歪みや破壊を生じる
ことが阻止できる。しかも、酸化窒化シリコンは、赤外
線吸収率も高いため、赤外線検出部に当たった赤外線を
効率良く、サーミスタの温度上昇へと変換することがで
き、赤外線検出素子の感度を向上させることにもなる。

【００１３】

【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。シリコンなどから
なる基板１０の中央には、概略正方形状の中空部１２が
形成されている。基板１０の中空部１２を覆って、酸化
窒化シリコンなどからなる熱絶縁膜２０が形成されてい
る。熱絶縁膜２０は、中空部１２の周辺部分で基板１０
に一体接合されている。

【００１４】熱絶縁膜２０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４０
が設けられており、サーミスタ４０の上下面には、クロ
ムなどからなる電極３０、３０が設けられている。電極
３０、３０は、中空部１２の外側まで延長され、その端
部にパッド２２が設けられている。サーミスタ４０の上
面は、酸化シリコンなどからなる赤外線吸収膜５０で覆
われている。

【００１５】このように、サーミスタ４０を上下の電極
３０、３０で挟んだサンドイッチ構造にしておくと、電
極３０、３０に挟まれるサーミスタ４０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５０
００Åの酸化窒化シリコン層からなる熱絶縁膜を形成し
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二窒素の割合
を３０％、基板温度２５０℃、圧力１Torr、周波数１
３．５６MHz 、放電電力３０Ｗとした。

【００１６】熱絶縁膜の上に、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。

【００１７】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。

【００１８】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の酸化窒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、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
酸化二窒素の割合を３０％、基板温度２５０℃、圧力１
Torr、周波数１３．５６MHz 、放電電力３０Ｗとした。

【００１９】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、基板の上に熱
絶縁膜および赤外線検出部を作製した後、赤外線検出部
が作製された側とは反対側から、基板を水酸化カリウム
で異方性エッチングして中空部を形成した。その結果、
中空部分の熱絶縁膜は、２．５×２．５mmの正方形にな
った。

【００２０】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。また、実施例において得られた酸化窒化シリコ
ンは、窒素のモル分率４０％であり、残留応力はほぼ０
であった。さらに、波長８〜１２μｍ付近の赤外線吸収
率は８０％程度であり、優れた赤外線吸収率を示してい
た。

【００２１】つぎに、図３に示すように、窒素のモル分
率が異なる種々の酸化窒化シリコンを作製して、その残
留応力を測定した。また、図４に示すように、ＳｉＯか
らＳｉＯＮを経てＳｉ₃Ｎ₃まで、窒素の割合の異なる
種々の薄膜について、赤外線吸収率を測定した。図３お
よび図４の結果から、赤外線吸収膜として、最も適当な
残留応力および赤外線吸収率の値をとる範囲で、窒素の
割合が設定された酸化窒化シリコンを用いればよいこと
が判る。

【００２２】

【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、赤外線検出部における赤外線吸収膜の材料
として、酸化窒化シリコンを用いていることにより、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、酸化窒化シリコンは、通常の薄膜形成手段を用い
て容易に膜形成することができるので、従来の赤外線検
出素子と同様の製造工程で、能率良く生産することがで
きる。

【００２３】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。さらに、酸化窒化シリコンからなる赤外
線吸収膜は、従来一般的に用いられていた酸化シリコン
などに比べて、赤外線吸収率が高いので、赤外線の検出
感度をより向上させることができる。

【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

【図３】酸化窒化シリコンの窒素モル分率と残留応力
の関係を示す線図

【図４】組成の異なる膜の周波数と伝達放射率の関係
を示す線図

【符号の説明】

１０基板１２中空部２０熱絶縁膜３０電極４０サーミスタ５０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】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】つぎに、図３に示すように、窒素のモル分
率が異なる種々の酸化窒化シリコンを作製して、その残
留応力を測定した。また、図４に示すように、ＳｉＯか
らＳｉＯＮを経てＳｉ _３Ｎ_４まで、窒素の割合の異なる
種々の薄膜について、赤外線の透過率を測定し、赤外線
の吸収性能を評価した。図３および図４の結果から、赤
外線吸収膜として、最も適当な残留応力および赤外線吸
収性を示す範囲で、窒素の割合が設定された酸化窒化シ
リコンを用いればよいことが判る。

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

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赤外線検出部とからなり、
赤外線検出部には、サーミスタと、サーミスタに接続さ
れた一対の電極と、サーミスタの表面を覆う赤外線吸収
膜を備えてなる赤外線検出素子において、赤外線吸収膜
が、酸化窒化シリコンで形成されていることを特徴とす
る赤外線検出素子。