JPH06160173A - 赤外線センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構成で、複数の赤外線感応部のうち特
定の赤外線感応部にのみ選択的に赤外線を入射でき、赤
外線感応部間の差動出力を精度良く検出できる赤外線セ
ンサを提供する。 【構成】 シリコン基板１２の裏面に形成されたシリコ
ンオキシナイトライド膜１５には、一方の赤外線感応部
１６ｂが形成された架橋部１４ｂに対応する位置に赤外
線透過窓１７が設けられている。赤外線透過窓１７は空
洞部１３を介して架橋部１４ａ、１４ｂそれぞれに連通
している。シリコンオキシナイトライド膜１５の表面、
および赤外線透過窓１７に対応する位置の架橋部１４ｂ
の裏面にはそれぞれ赤外線吸収膜１８が形成されてい
る。赤外線透過窓１７と赤外線感応部１６ａ、１６ｂそ
れぞれとの間の距離は、シリコン基板１２の厚さに等し
くなっている。シリコン基板１２の裏面側から入射し、
赤外線透過窓１７を透過した赤外線は、空洞部１３を通
して、一方の赤外線感応部１６ｂにのみ正確に入射され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非接触で被計測対象の温
度を計測する赤外線センサおよびその製造方法に係り、
特に複数の架橋部（ブリッジ）上にそれぞれ赤外線感応
部が設けられた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】従来、この種の赤外線センサでは、赤外
線感応部を基板から浮かせた架橋部上に形成することに
より、応答感度の改善を図ることが行われている。ま
た、複数の架橋部上に赤外線感応部をそれぞれ設け、こ
れら複数の赤外線感応部のうちの半数の感応部のみに赤
外線を入射させ、残りの半数の素子には赤外線を入射さ
せないようにし、両者の出力差を算出することにより、
外乱の影響を取り除き、応答感度の向上を図るものも提
案されている。

【０００３】このように複数の赤外線感応部を備え、か
つ赤外線が入射させられた素子と、赤外線が入射させら
れない素子との出力差を得るようにした従来の赤外線セ
ンサの具体的な構成は次のようになっている。すなわ
ち、赤外線感応部を１つずつ備えた２枚のセラミックス
製基板を、赤外線が入射する窓を備えたハーメチック・
パッケージ内に収容させ、一方の基板は、その赤外線感
応部に赤外線が入射するように上記窓に臨ませた態様
で、ハーメチック・パッケージの端子ピンの先端に接続
させる。また、他方の基板は、その赤外線感応部に赤外
線が入射しないように上記窓から離れた位置においてハ
ーメチック・パッケージの端子ピンの先端に接続させる
構成を有している。このような２つの赤外線感応部の出
力の差分を算出することにより外乱の影響を取り除くこ
とができる。

【０００４】また、最近では、半導体の微細加工技術を
利用して超小型の赤外線センサを得る試みがなされてお
り、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用
いて極めて小さい架橋部構造を形成し、この架橋部上に
赤外線感応部を形成している。この場合も、それぞれ赤
外線感応部を備えた架橋部をセンサ基板の一方の面に形
成し、赤外線が入射させられた赤外線感応部の出力と赤
外線が入射させられない赤外線感応部の出力との差動出
力により赤外線を検出している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成の従来の赤外線センサでは、次のような問題が
あった。

【０００６】まず、ハーメチック・パッケージ内に基板
を収容した構成では、各基板をハーメチック・パッケー
ジの端子に接続するため、作業性、素子の位置の再現性
などの点で作製が極めて困難である。また、ハーメチッ
ク・パッケージの窓を避けた位置に１つの赤外線感応部
を配置するとしても、この素子とパッケージ・ケースと
の間に所定の距離を保つ必要がある。また、赤外線が入
射する側の素子との位置関係を再現性の良い状態に保つ
ことも困難である。したがって、赤外線が入射させられ
ない側の素子に対しても、廻り込みにより僅かながら赤
外線が入射することになる。さらにはその赤外線の入射
量についても、センサ間でばらつきが生ずることにな
る。このためセンサとして組み上げた後に、１個ずつ検
査を行って選別する必要があり、さらに較正を必要とす
る。このため、１個の特性の優れた赤外線センサを得る
には多くの労力を必要としていた。

【０００７】また、半導体の微細加工技術を利用した赤
外線センサでは、外形寸法が微小であるために、前記の
ように一方の赤外線感応部のみに赤外線を入射させ、他
方の素子には赤外線を入射させないように構成すること
が極めて困難であった。そこで、便宜的に赤外線を反射
する金（Ａｕ）等よりなる膜を片方の架橋部上に形成す
ることが行われている。

【０００８】しかしながら、架橋部上に反射膜を設ける
と、個々の架橋部の熱伝導状態が変化して、真の差分を
得ることが不可能となる。このため外乱の影響を受けや
すくなり、安定した出力を得ることが困難であった。

【０００９】また、パッケージに小さなレンズを設け
て、赤外線を赤外線感応部に集光させたり、スリット
（溝）やアパーチャ（開口）を用いて選択的に赤外線を
入射させる方法もあるが、センサチップに合った小さな
レンズを作製することは困難であり、作製できてもコス
トがかかるという問題があった。また、スリットやアパ
ーチャを用いて選択的に赤外線を入射させる方法では、
赤外線感応部間の距離が極めて狭い（５００〜２０００
μｍ）のに対して、これら感応部とスリットやアパーチ
ャとの間は大きく離れている（３〜５ｍｍ）ため、赤外
線が入射される側と遮蔽される側とに区別することは困
難であった。

【００１０】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、簡単な構成で、複数の赤外線感応部
のうち特定の赤外線感応部にのみ選択的に赤外線を入射
させることができ、赤外線感応部間の差動出力を精度良
く検出でき、安定した出力を得ることができる安価な赤
外線センサおよびその製造方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による赤外線セン
サは、半導体材料により形成されたセンサ基板と、この
センサ基板の一方の面側に設けられた複数の架橋部と、
これら架橋部上にそれぞれ１個ずつ設けられた赤外線感
応部と、前記センサ基板の他方の面側に設けられた赤外
線非透過膜と、前記複数の赤外線感応部のうち特定の赤
外線感応部に対応させて前記赤外線非透過膜に形成され
るとともに、前記特定の赤外線感応部が形成された架橋
部の裏面に連通する赤外線透過窓とを備えている。

【００１２】すなわち、本発明の赤外線センサでは、セ
ンサチップ自身に赤外線を選択的に透過させるための赤
外線透過窓が設けられており、このため赤外線透過窓と
赤外線感応部との間の距離は、半導体基板の厚さに等し
くなる。このため、赤外線透過窓と赤外線感応部との間
の距離を、赤外線感応部間の距離と同程度以下にするこ
とができる。したがって赤外線透過窓を透過した赤外線
は、空洞部を通して、正確に特定の赤外線感応部にのみ
入射され、他方の赤外線感応部には入射されず、赤外線
感応部間の差動出力を正確に求めることができる。

【００１３】また、本発明の赤外線センサでは、赤外線
非透過膜の表面および前記特定の赤外線感応部が形成さ
れた架橋部の裏面にそれぞれ赤外線吸収膜が形成されて
おり、このような構成により赤外線感応部の応答感度が
向上する。

【００１４】センサ基板としては、シリコン、ゲルマニ
ウム等の半導体基板が用いられるが、容易にしかも安価
に手に入れることが可能なシリコン基板を用いることが
好ましい。また、赤外線感応部はアモルファスゲルマニ
ウム（ａ−Ｇｅ）、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）
や多結晶シリコン等の膜により形成される。この赤外線
感応部の成膜には、スパッタリング、イオンビームスパ
ッタリング、ＣＶＤ（化学的気相成長法）等が用いられ
る。

【００１５】前記架橋部は、シリコン酸化膜 (SiOx)、
シリコン窒化膜 (SiNy) 、シリコンオキシナイトライド
(SiOxNy)膜等により形成することができるが、特にシリ
コンオキシナイトライド膜により形成することが好まし
い。シリコンオキシナイトライド膜は、シリコン酸化膜
とシリコン窒化膜との両者の性質を持ち、そのため応力
バランスが良く、安定した架橋構造を形成することが可
能となる。このシリコンオキシナイトライド膜の成膜の
最適条件は、基板材料の結晶面方位の違いにより熱膨張
率が異なるため、使用するセンサ基板の種類によって異
なる。

【００１６】本発明による赤外線センサの製造方法は、
半導体基板の一方の面に架橋部形成用の第１の膜を形成
する工程と、前記半導体基板の他方の面に赤外線非透過
性の第２の膜を形成する工程と、前記第１の膜をパター
ニングし、複数の架橋部を形成するとともに空洞部形成
用の第１の窓部を形成する工程と、前記第２の膜をパタ
ーニングし、前記複数の架橋部の中の特定の架橋部に対
応させて赤外線透過用の第２の窓部を形成する工程と、
前記第１の膜の架橋部上にそれぞれ赤外線感応部を形成
する工程と、前記第１の窓部および第２の窓部を通して
前記半導体基板をエッチングし、前記半導体基板の両面
に貫通する空洞部を形成する工程とを備えており、さら
に前記空洞部を形成した後、前記半導体基板の他方の面
の第２の膜の表面、および前記赤外線透過窓を通して前
記特定の赤外線感応部が形成された架橋部の裏面にそれ
ぞれ赤外線吸収材料を堆積させ、赤外線吸収膜を形成す
る工程を備えている。

【００１７】このような方法により、前記構造の赤外線
センサを容易に製造でき、また赤外線吸収材料を特定の
赤外線感応部が形成された架橋部の裏面に堆積させる際
には、第２の膜がマスクとなるため、赤外線吸収膜を赤
外線透過窓を通してセルフアライメントで形成すること
ができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して具体
的に説明する。

【００１９】図２は本発明の一実施例に係る赤外線セン
サ１１の平面構造を表すものであり、図１は図２のＡ−
Ａ線に沿う断面構造を表すものである。

【００２０】この赤外線センサ１１では、たとえばセン
サ基板としてのシリコン基板（厚さ３００〜４００μ
ｍ）１２には空洞部１３が形成されており、このシリコ
ン基板１２の上面には、空洞部１３上にたとえば幅１０
０μｍ、長さ２μｍ、膜厚２μｍの２本の架橋部１４
ａ、１４ｂを有するシリコンオキシナイトライド膜１５
が形成されている。架橋部１４ａ、１４ｂの各中央部上
部にはそれぞれ赤外線感応部１６ａ、１６ｂが設けられ
ている。赤外線感応部１６ａ、１６ｂは、たとえばアモ
ルファスゲルマニウム（ａ−Ｇｅ）により形成されてい
る。シリコン基板１２の裏面にも同じく膜厚２μｍのシ
リコンオキシナイトライド膜１５が形成されている。こ
のシリコン基板１２の裏面に形成されたシリコンオキシ
ナイトライド膜１５には、シリコン基板１２の上面側の
一方の赤外線感応部１６ｂが形成された架橋部１４ｂに
対応する位置に赤外線透過窓１７が設けられている。こ
の赤外線透過窓１７は空洞部１３を介して架橋部１４
ａ、１４ｂそれぞれに連通している。また、このシリコ
ンオキシナイトライド膜１５の表面、および赤外線透過
窓１７に対応する位置の架橋部１４ｂの裏面にはそれぞ
れ赤外線吸収膜１８が形成されている。この赤外線吸収
膜１８は赤外線を吸収しやすい材料、たとえば金黒によ
り形成されている。赤外線感応部１６ａ、１６ｂはそれ
ぞれ、たとえばアルミニウム（Ａｌ）により形成された
金属配線層２０を介してシリコン基板１２の周縁部に設
けられた電極パッド１９に電気的に接続されている。

【００２１】この赤外線センサ１１では、入射される赤
外線の量（熱量）に応じて赤外線感応部１６ａ、１６ｂ
の電気抵抗値が変化するもので、その抵抗値の変化に応
じて電極配線層（図示せず）に流れる電流値または電極
パッド（図示せず）の電圧値を信号処理回路により計測
することにより、赤外線の量を検知することができる。

【００２２】ここで、本実施例の赤外線センサ１１で
は、シリコン基板１２の裏面側に対応して赤外線透過窓
１７が形成されている方の赤外線感応部１６ｂにのみ赤
外線が入射される。すなわち、センサチップ自身に赤外
線を選択的に透過させるための赤外線透過窓１７が設け
られており、このため赤外線透過窓１７と赤外線感応部
１６ａ、１６ｂそれぞれとの間の距離は、シリコン基板
１２の厚さ（３００〜４００μｍ）に等しなっている。
一方、赤外線感応部１６ａ、１６ｂ間の距離は１７００
μｍである。したがってシリコン基板１２の裏面側から
入射し、赤外線透過窓１７を透過した赤外線は、空洞部
１３を通して、正確に一方の赤外線感応部１６ｂにのみ
入射され、他方の赤外線感応部１６ａには入射されな
い。よってこれら赤外線感応部１６ａ、１６ｂ間の差動
出力を正確に求めることができ、測定精度が向上する。

【００２３】さらに、本実施例の赤外線センサでは、シ
リコン基板１２の裏面および架橋部１４ｂの裏面にそれ
ぞれ赤外線吸収膜１８が設けられているため、一方の赤
外線感応部１６ｂへの赤外線吸収効率が良好となり、こ
れにより応答感度が向上する。

【００２４】図３（Ａ）〜（Ｃ）および図４（Ａ）、
（Ｂ）はこの赤外線センサ１１の製造工程を表すもので
ある。まず、図１（Ａ）に示すような結晶面方位（１１
０）のシリコン基板１２を用意した。次に、このシリコ
ン基板１２の両面にそれぞれ、プラズマＣＶＤ法により
同図（Ｂ）に示すような膜厚２μｍのシリコンオキシナ
イトライド膜 (SiOxNy) １５を形成した。すなわち、シ
リコン基板１２を４５０℃に加熱し、成膜条件として、
圧力を０．４５toor、高周波出力を４００W とし、反応
ガスとして、モノシラン（Ｓi Ｈ₄ ）を１５SCCM、窒素
（Ｎ₂ ）を２０３SCCM、笑気ガス（Ｎ₂ Ｏ）を３２SCCM
流し、シリコン基板１２上にシリコンオキシナイトライ
ドを気相成長させた。

【００２５】次に、図３（Ｃ）に示すようにシリコン基
板１２の両面にそれぞれレジスト膜２１を塗布形成し、
シリコン基板１２の表面側のレジスト膜２１に架橋部形
成用の窓部２２を形成するとともに、シリコン基板１２
の裏面のレジスト膜２１に赤外線透過窓形成用の窓部２
３を形成した。続いて、これら窓部２２、２３を有する
レジスト膜２１をマスクとしてシリコンオキシナイトラ
イド膜１５を選択的にエッチングし、シリコン基板１２
の表面に図２に平面構造を表したように架橋部１４ａ、
１４ｂのパターンを形成するとともに、架橋部形成用の
窓部２４を形成し、かつシリコン基板１２の裏面に赤外
線透過窓１７を形成した。このパターニングはたとえば
反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、下地のシリ
コン基板１２が露出するまで行った。エッチングは、エ
ッチングガスとして三ふっ化メタン（ＣＨＦ₃ ）と酸素
（Ｏ₂ ）を用い、その流量をＣＨＦ₃ ＝４７．５SCCM、
Ｏ ₂ ＝２．５SCCMとし、エッチング時の圧力を０．０７
５Torr、高周波出力を１５０Ｗとし、エッチング時間を
３時間とした。

【００２６】続いて、両面の架橋部１４ａ、１４ｂの各
中央部に図４（Ａ）に示すような赤外線感応部１６ａ、
１６ｂを形成した。すなわち、ゲルマニウム（Ｇｅ）を
ターゲットとしてスパッタリングを行い、シリコンオキ
シナイトライド膜１５およびシリコン基板１２上にアモ
ルファスゲルマニウム（ａーＧｅ）膜を形成した。この
スパッタリングは、ガス流量をアルゴン（Ａｒ）＝２SC
CM、水素（Ｈ₂ ）＝１SCCM、成膜圧力を３×１０^-3Tor
r、高周波圧力を２００Ｗとして１０分間行った。次に
５００°Ｃでアニール処理を行い、アモルファスゲルマ
ニウムの多結晶化を促進した。続いて、反応性イオンエ
ッチングを行って多結晶化されたアモルファスゲルマニ
ウム膜のパターニングを行った。

【００２７】続いて、パターニングされた両面のシリコ
ンオキシナイトライド膜１５をマスクとして、シリコン
基板１２の両面からエッチングし、架橋部１４ａ、１４
ｂの下部に図４（Ｂ）に示すような空洞部１３を形成し
た。このエッチングはヒドラジン水溶液を用いた異方性
エッチングにより行った。なお、この異方性エッチング
は水酸化カリウム水溶液を用いて行うようにしてもよ
い。

【００２８】最後に、シリコン基板１２の裏面側から金
を蒸着させ、シリコンオキシナイトライド膜１５の表
面、さらに赤外線透過窓１７を通して架橋部１４ｂの裏
面部にそれぞれ赤外線吸収膜１８を形成した。この蒸着
は、成膜圧力を０．２Torr、電極間の電流を２０Ａとし
た。

【００２９】このような方法であれば、架橋部１４ｂの
裏面に赤外線吸収膜１８を蒸着法により堆積させる際、
シリコン基板１２の裏面側のシリコンオキシナイトライ
ド膜１５がマスクとなり、赤外線吸収膜１８赤外線透過
窓１７を通してセルフアライメントで形成することがで
きる。

【００３０】以上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するものではなく、その要旨
を変更しない範囲で種々変形可能である。たとえば、架
橋部１４ａ、１４ｂ下の空洞部１３を異方性エッチング
によるくり抜き法を用いて形成したが、その他の方法、
たとえば予めエッチング層を架橋部１４ａ、１４ｂの下
部に形成しておく、いわゆる犠牲層法を用いてもよい。
また、架橋部、赤外線感応部および赤外線透過窓１７の
数はそれぞれ３個以上であってもよいことは勿論であ
る。

【００３１】また、上記実施例においては、シリコン基
板１２の両面にそれぞれ同じシリコンオキシナイトライ
ド膜１５を形成するようにしたが、他のシリコン窒化膜
等を用いてもよく、あるいはシリコン基板１２の両面が
互いに異なる膜となるように構成してもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の赤外
線センサによれば、半導体材料により形成されたセンサ
基板と、このセンサ基板の一方の面側に設けられた複数
の架橋部と、これら架橋部上にそれぞれ１個ずつ設けら
れた赤外線感応部と、前記センサ基板の他方の面側に設
けられた赤外線非透過膜と、前記複数の赤外線感応部の
うち特定の赤外線感応部に対応させて前記赤外線非透過
膜に形成されるとともに、前記特定の赤外線感応部が形
成された架橋部の裏面に連通する赤外線透過窓とを備え
る構成とし、センサチップ自身に赤外線を選択的に透過
させるための赤外線透過窓を設けるようにしたので、赤
外線透過窓と赤外線感応部との間の距離が、半導体基板
の膜厚に等しくなり、赤外線透過窓と赤外線感応部との
間の距離を、赤外線感応部間の距離と同程度にすること
が可能となる。したがって赤外線透過窓を透過した赤外
線は正確に特定の赤外線感応部にのみ入射され、他方の
赤外線感応部には入射されず、このため赤外線感応部間
の差動出力を正確に求めることができ、安定した出力を
得ることができる。

【００３３】また、請求項２記載の赤外線センサによれ
ば、赤外線非透過膜の表面および前記特定の赤外線感応
部が形成された架橋部の裏面にそれぞれ赤外線吸収膜を
形成するようにしたので、赤外線感応部の応答感度が向
上するという効果がある。

【００３４】また、請求項３記載の赤外線センサの製造
方法によれば、半導体基板の一方の面に架橋部形成用の
第１の膜を形成する工程と、前記半導体基板の他方の面
に赤外線非透過性の第２の膜を形成する工程と、前記第
１の膜をパターニングし、複数の架橋部を形成するとと
もに空洞部形成用の第１の窓部を形成する工程と、前記
第２の膜をパターニングし、前記複数の架橋部の中の特
定の架橋部に対応させて赤外線透過用の第２の窓部を形
成する工程と、前記第１の膜の架橋部上にそれぞれ赤外
線感応部を形成する工程と、前記第１の窓部および第２
の窓部を通して前記半導体基板をエッチングし、前記半
導体基板の両面に貫通する空洞部を形成する工程とを備
えるようにしたので、請求項１記載の赤外線センサを容
易に製造できる。

【００３５】さらに、請求項４記載の赤外線センサの製
造方法によれば、前記空洞部を形成した後、前記半導体
基板の他方の面の第２の膜の表面、および前記赤外線透
過窓を通して前記特定の赤外線感応部が形成された架橋
部の裏面にそれぞれ赤外線吸収材料を堆積させ、赤外線
吸収膜を形成する工程を備えるようにしたので、請求項
２記載の赤外線吸収膜を赤外線透過窓を通してセルフア
ライメントで形成することができ、製造精度が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る赤外線センサの断面図
である。

【図２】図１の赤外線センサの平面図である。

【図３】図１の赤外線センサの製造工程を表す断面図で
ある。

【図４】図１の赤外線センサの製造工程を表す断面図で
ある。

【符号の説明】

１１ 赤外線センサ １２ シリコン基板（センサ基板） １３ 空洞部 １４ａ、１４ｂ 架橋部 １５ シリコンオキシナイトライド膜 １６ａ、１６ｂ 赤外線感応部 １７ 赤外線透過窓 １８ 赤外線吸収膜

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体材料により形成されたセンサ基板
   と、 このセンサ基板の一方の面側に設けられた複数の架橋部
   と、 これら架橋部上にそれぞれ１個ずつ設けられた赤外線感
   応部と、 前記センサ基板の他方の面側に設けられた赤外線非透過
   膜と、前記複数の赤外線感応部のうち特定の赤外線感応
   部に対応させて前記赤外線非透過膜に形成されるととも
   に、前記特定の赤外線感応部が形成された架橋部の裏面
   に連通する赤外線透過窓とを備えたことを特徴とする赤
   外線センサ。
2. 【請求項２】 前記赤外線非透過膜の表面および前記特
   定の赤外線感応部が形成された架橋部の裏面に赤外線吸
   収膜が形成されたことを特徴とする請求項１記載の赤外
   線センサ。
3. 【請求項３】 半導体基板の一方の面に架橋部形成用の
   第１の膜を形成する工程と、 前記半導体基板の他方の面に赤外線非透過性の第２の膜
   を形成する工程と、 前記第１の膜をパターニングし、複数の架橋部を形成す
   るとともに空洞部形成用の第１の窓部を形成する工程
   と、 前記第２の膜をパターニングし、前記複数の架橋部の中
   の特定の架橋部に対応させて赤外線透過用の第２の窓部
   を形成する工程と、 前記第１の膜の架橋部上にそれぞれ赤外線感応部を形成
   する工程と、 前記第１の窓部および第２の窓部を通して前記半導体基
   板をエッチングし、前記半導体基板の両面に貫通する空
   洞部を形成する工程とを備えたことを特徴とする赤外線
   センサの製造方法。
4. 【請求項４】 前記空洞部を形成した後、前記半導体基
   板の他方の面の第２の膜の表面、および前記赤外線透過
   窓を通して前記特定の赤外線感応部が形成された架橋部
   の裏面にそれぞれ赤外線吸収材料を堆積させ、赤外線吸
   収膜を形成する工程をさらに有することを特徴とする請
   求項３記載の赤外線センサの製造方法。