JPH06229821A - 赤外線センサおよびその製造方法 - Google Patents
赤外線センサおよびその製造方法Info
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- JPH06229821A JPH06229821A JP5034906A JP3490693A JPH06229821A JP H06229821 A JPH06229821 A JP H06229821A JP 5034906 A JP5034906 A JP 5034906A JP 3490693 A JP3490693 A JP 3490693A JP H06229821 A JPH06229821 A JP H06229821A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
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- G01J5/08—Optical arrangements
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 小型で、高感度、生産性の良い赤外線センサ
とする。 【構成】 成膜、エッチング等を施して赤外線センサ素
子５０１を形成支持するとともに赤外線フィルター５０
２が形成されるシリコンの半導体基板５０３と、キャビ
ティ５０６が形成されその凹面を反射鏡５０４とする半
導体基板５０５とが重ねあわされている。 入射光は赤
外線フィルターを経て直接赤外線センサ素子に達するほ
か、反射鏡によって反射集光されて赤外線センサ素子に
導かれる。これにより、高価な赤外線用集光レンズが不
要で高感度のセンサが小型に得られ、また、赤外線セン
サ素子が空間内に保護されるから、実装工程での破損が
避けられ、歩留りが向上する。
とする。 【構成】 成膜、エッチング等を施して赤外線センサ素
子５０１を形成支持するとともに赤外線フィルター５０
２が形成されるシリコンの半導体基板５０３と、キャビ
ティ５０６が形成されその凹面を反射鏡５０４とする半
導体基板５０５とが重ねあわされている。 入射光は赤
外線フィルターを経て直接赤外線センサ素子に達するほ
か、反射鏡によって反射集光されて赤外線センサ素子に
導かれる。これにより、高価な赤外線用集光レンズが不
要で高感度のセンサが小型に得られ、また、赤外線セン
サ素子が空間内に保護されるから、実装工程での破損が
避けられ、歩留りが向上する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は赤外線センサおよび赤外
線センサの製造方法に関し、詳しくは、小型で高感度、
且つ生産性の良い赤外線センサおよびその製造方法に関
する。
線センサの製造方法に関し、詳しくは、小型で高感度、
且つ生産性の良い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】一般に赤外線センサは、非接触の温度計
として物体の検出や、特殊環境下における温度計測など
に使用されてきた。例えば、溶鉱炉の温度測定、火災報
知器あるいは男子用トイレの自動洗水器などである。そ
して、最近になってシリコンのマイクロマシーニング技
術を用いた高感度な赤外線センサが、精力的に研究・開
発されている。いずれも、シリコンのマイクロマシーニ
ング技術を用いて熱容量が小さく熱抵抗の大きな熱分離
構造を形成し、上記熱分離構造部に赤外線吸収剤を備え
て、入射赤外光の吸収による前記熱分離構造部の温度上
昇を、サーモパイル等で検出する方式である。
として物体の検出や、特殊環境下における温度計測など
に使用されてきた。例えば、溶鉱炉の温度測定、火災報
知器あるいは男子用トイレの自動洗水器などである。そ
して、最近になってシリコンのマイクロマシーニング技
術を用いた高感度な赤外線センサが、精力的に研究・開
発されている。いずれも、シリコンのマイクロマシーニ
ング技術を用いて熱容量が小さく熱抵抗の大きな熱分離
構造を形成し、上記熱分離構造部に赤外線吸収剤を備え
て、入射赤外光の吸収による前記熱分離構造部の温度上
昇を、サーモパイル等で検出する方式である。
【０００３】シリコンのバルクマイクロマシーニング技
術を用いた赤外線センサの例を図８に示す。( 詳しく
は、Transducers '87,(1987) P.M.Sarro,H.Yashiro,A.
W.v.Herwaarden and S.Middlehoek,An Infrared Sensin
g Array Based on Integrated Silicon Thermopiles,
p.227-230 参照。) 構成および製造法の概略を説明すると、Ｐ型基板１０１
にｎ型エピタキシャル層１０２が形成され、裏面からの
エレクトロケミカルエッチングによりカンチレバービー
ム１０３が形成される。これによりカンチレバービーム
１０３は熱分離構造とされ、上面に吸光剤１０４が設け
られて赤外線受光部とされ、その温度上昇を検知するサ
ーモパイル１０５が形成されている。
術を用いた赤外線センサの例を図８に示す。( 詳しく
は、Transducers '87,(1987) P.M.Sarro,H.Yashiro,A.
W.v.Herwaarden and S.Middlehoek,An Infrared Sensin
g Array Based on Integrated Silicon Thermopiles,
p.227-230 参照。) 構成および製造法の概略を説明すると、Ｐ型基板１０１
にｎ型エピタキシャル層１０２が形成され、裏面からの
エレクトロケミカルエッチングによりカンチレバービー
ム１０３が形成される。これによりカンチレバービーム
１０３は熱分離構造とされ、上面に吸光剤１０４が設け
られて赤外線受光部とされ、その温度上昇を検知するサ
ーモパイル１０５が形成されている。
【０００４】次に、シリコンの表面マイクロマシーニン
グ技術を用いた赤外線センサの例が図９に示される。(
詳しくは、Technical Digest of the 9th Senser Sympo
sium(1990) M.Suzuki et al,An infrared Detecter Usi
ng Poly-silicon p-nJunction Diode,p.71-74 参照。） 構成および製造法の概略を説明すると、Ｐ型基板２０１
上にＳｉＯ2 ２０９を介してＳｉ3 Ｎ4 ２０２、２０３
およびＳｉＯ2 ２０４の層が形成されるとともに、Ｐ型
基板２０１表面からのアルカリ異方性エッチングにより
キャビティ２０５が形成されて、上記層のキャビティ２
０５をカバーする部分がダイアフラム２０６とされる。
そしてダイアフラム２０６の上面に吸光剤２０７が設け
られて赤外線受光部とされ、該赤外線受光部の温度上昇
を検知するポリシリコンのＰｎ接合２０８が、ダイアフ
ラム２０６内に形成される。
グ技術を用いた赤外線センサの例が図９に示される。(
詳しくは、Technical Digest of the 9th Senser Sympo
sium(1990) M.Suzuki et al,An infrared Detecter Usi
ng Poly-silicon p-nJunction Diode,p.71-74 参照。） 構成および製造法の概略を説明すると、Ｐ型基板２０１
上にＳｉＯ2 ２０９を介してＳｉ3 Ｎ4 ２０２、２０３
およびＳｉＯ2 ２０４の層が形成されるとともに、Ｐ型
基板２０１表面からのアルカリ異方性エッチングにより
キャビティ２０５が形成されて、上記層のキャビティ２
０５をカバーする部分がダイアフラム２０６とされる。
そしてダイアフラム２０６の上面に吸光剤２０７が設け
られて赤外線受光部とされ、該赤外線受光部の温度上昇
を検知するポリシリコンのＰｎ接合２０８が、ダイアフ
ラム２０６内に形成される。
【０００５】しかしながら、上記図８あるいは図９に示
した赤外線センサにおける高感度化は、赤外線受光部に
いかに熱容量の小さな、そして熱抵抗の大きな熱分離構
造を形成するかにかかっている。従って、いたずらに吸
光剤のサイズを大きくしてもいまだ十分効率的なものと
はいえない。この対策として、入射した赤外光を集光し
て赤外線受光部に導く手法が提案されており、これはそ
の検出性能の観点からは、初歩的ではあるが、極めて有
効な方法である。
した赤外線センサにおける高感度化は、赤外線受光部に
いかに熱容量の小さな、そして熱抵抗の大きな熱分離構
造を形成するかにかかっている。従って、いたずらに吸
光剤のサイズを大きくしてもいまだ十分効率的なものと
はいえない。この対策として、入射した赤外光を集光し
て赤外線受光部に導く手法が提案されており、これはそ
の検出性能の観点からは、初歩的ではあるが、極めて有
効な方法である。
【０００６】入射した赤外光を集光して赤外線受光部に
導く方法としては、いくつかの提案がなされている。た
とえば集光レンズにセンサ素子を貼り付ける例として、
特開昭４９−１０３６８８号公報に開示されたようなも
のがある。これを図１０に示すと、ケース３０１および
外部リード端子３０２からなるいわゆるカンパッケージ
の上面に、赤外線用の集光レンズ３０３が固定され、集
光レンズ３０３の底面にセンサ素子３０４が貼り付けら
れている。
導く方法としては、いくつかの提案がなされている。た
とえば集光レンズにセンサ素子を貼り付ける例として、
特開昭４９−１０３６８８号公報に開示されたようなも
のがある。これを図１０に示すと、ケース３０１および
外部リード端子３０２からなるいわゆるカンパッケージ
の上面に、赤外線用の集光レンズ３０３が固定され、集
光レンズ３０３の底面にセンサ素子３０４が貼り付けら
れている。
【０００７】またこのほかに、センサ素子を備えるカン
パッケージに集光レンズを後付けするものとして、特開
昭６２−２６１０２５号公報に開示されたものがある。
これは図１１に示されるように、ヘッダ４０１、ケース
４０２およびフィルター４０３などからなるカンパッケ
ージ内に、ヘッダ４０１に支持されてセンサ素子４０５
が設けられ、このカンパッケージのケース４０２に集光
レンズ４０４を被せた構造となっている。
パッケージに集光レンズを後付けするものとして、特開
昭６２−２６１０２５号公報に開示されたものがある。
これは図１１に示されるように、ヘッダ４０１、ケース
４０２およびフィルター４０３などからなるカンパッケ
ージ内に、ヘッダ４０１に支持されてセンサ素子４０５
が設けられ、このカンパッケージのケース４０２に集光
レンズ４０４を被せた構造となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の赤外線センサは、赤外線透過材料で形成する
赤外線用集光レンズを用いるため高価になること、また
それを個々にカンパッケージに取り付ける構造であるた
め、外形サイズが大きくなってしまうという問題があ
る。そのため、例えばマイクロサージェリーで代表され
る医用システムへの応用、あるいはＴＯＢ（チップオン
ボード）実装には不向きであり、また生産性に乏しい面
からも高価格とならざるを得なかった。したがって本発
明は、このような従来の問題点に着目してなされたもの
で、高価な赤外線用集光レンズを用いることなく、しか
も小型に形成される赤外線センサとその製造方法を提供
することを目的とする。
うな従来の赤外線センサは、赤外線透過材料で形成する
赤外線用集光レンズを用いるため高価になること、また
それを個々にカンパッケージに取り付ける構造であるた
め、外形サイズが大きくなってしまうという問題があ
る。そのため、例えばマイクロサージェリーで代表され
る医用システムへの応用、あるいはＴＯＢ（チップオン
ボード）実装には不向きであり、また生産性に乏しい面
からも高価格とならざるを得なかった。したがって本発
明は、このような従来の問題点に着目してなされたもの
で、高価な赤外線用集光レンズを用いることなく、しか
も小型に形成される赤外線センサとその製造方法を提供
することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】このため、請求項１に記
載の本発明は、互いに重ねあわされた赤外線フィルタ構
成部材と半導体基板との間に空間が形成され、該空間内
に赤外線検出部が配設され、半導体基板の前記空間を画
する面には反射鏡が形成されて、赤外線フィルターから
入射する赤外線を赤外線検出部に向け反射集光するよう
に構成されたものとした。
載の本発明は、互いに重ねあわされた赤外線フィルタ構
成部材と半導体基板との間に空間が形成され、該空間内
に赤外線検出部が配設され、半導体基板の前記空間を画
する面には反射鏡が形成されて、赤外線フィルターから
入射する赤外線を赤外線検出部に向け反射集光するよう
に構成されたものとした。
【００１０】また請求項４に記載の赤外線センサの製造
方法の発明は、半導体基板の一主面上に順次、酸化膜、
犠牲層、ならびに赤外線センサ素子を上下に挟むＳｉ3
Ｎ4膜層を形成する第１の工程と、Ｓｉ3 Ｎ4 膜層に、
赤外線センサ素子部分を横方向に挟んで開口部を形成す
るとともに、犠牲層およびその下部の酸化膜の前記犠牲
層に重なる部位をエッチング除去して赤外線検出部を形
成する第２の工程と、前記の開口部から等方性エッチン
グにより半導体基板に凹面を形成する第３の工程と、凹
面に反射鏡を形成する第４の工程と、赤外線検出部を覆
って赤外線フィルタ構成部材を上記半導体基板上に接合
する第５の工程とからなるものとした。
方法の発明は、半導体基板の一主面上に順次、酸化膜、
犠牲層、ならびに赤外線センサ素子を上下に挟むＳｉ3
Ｎ4膜層を形成する第１の工程と、Ｓｉ3 Ｎ4 膜層に、
赤外線センサ素子部分を横方向に挟んで開口部を形成す
るとともに、犠牲層およびその下部の酸化膜の前記犠牲
層に重なる部位をエッチング除去して赤外線検出部を形
成する第２の工程と、前記の開口部から等方性エッチン
グにより半導体基板に凹面を形成する第３の工程と、凹
面に反射鏡を形成する第４の工程と、赤外線検出部を覆
って赤外線フィルタ構成部材を上記半導体基板上に接合
する第５の工程とからなるものとした。
【００１１】
【作用】請求項１のものにおいては、赤外線フィルタに
よってフィルタリングされた光が、直接赤外線検出部に
入射するほか、反射鏡によって反射集光されて赤外線検
出部に導かれる。これにより、入射された赤外線の量
が、赤外線用集光レンズを用いなくても、赤外光以外の
光によって外乱をうけることなく、高感度に検出され、
その検出量に対応した電気信号が出力される。赤外線検
出部が赤外線フィルタ構成部材と半導体基板との間に形
成された空間内に配設されているから、全体が小型に構
成される。そしてまた、赤外線検出部が外気から遮断さ
れ風や熱対流の影響を受けにくく、これにより、低ノイ
ズで安定した特性が得られる。また同じく、赤外線検出
部が保護された構造となっているから、実装工程での破
損も避けられ、歩留りを向上させることができる。さら
に、赤外線フィルターや反射鏡などの光学部品がバッチ
処理でプリアセンブリすることができるので、効率良
く、低コストで生産される。
よってフィルタリングされた光が、直接赤外線検出部に
入射するほか、反射鏡によって反射集光されて赤外線検
出部に導かれる。これにより、入射された赤外線の量
が、赤外線用集光レンズを用いなくても、赤外光以外の
光によって外乱をうけることなく、高感度に検出され、
その検出量に対応した電気信号が出力される。赤外線検
出部が赤外線フィルタ構成部材と半導体基板との間に形
成された空間内に配設されているから、全体が小型に構
成される。そしてまた、赤外線検出部が外気から遮断さ
れ風や熱対流の影響を受けにくく、これにより、低ノイ
ズで安定した特性が得られる。また同じく、赤外線検出
部が保護された構造となっているから、実装工程での破
損も避けられ、歩留りを向上させることができる。さら
に、赤外線フィルターや反射鏡などの光学部品がバッチ
処理でプリアセンブリすることができるので、効率良
く、低コストで生産される。
【００１２】請求項４の製造方法では、半導体基板上に
赤外線検出部を形成する工程とともに、これに続く等方
性エッチングによる同基板への凹面形成と反射鏡形成の
各工程により、１枚の半導体基板上に赤外線検出部と反
射鏡が形成されるから、とくに小型に形成され、この上
に赤外線フィルターを被せるだけですみ、少ない工程数
で製造される。
赤外線検出部を形成する工程とともに、これに続く等方
性エッチングによる同基板への凹面形成と反射鏡形成の
各工程により、１枚の半導体基板上に赤外線検出部と反
射鏡が形成されるから、とくに小型に形成され、この上
に赤外線フィルターを被せるだけですみ、少ない工程数
で製造される。
【００１３】
【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
１は第１の実施例の全体構成を示す概念図である。 赤
外線センサ５００において、半導体基板５０３と半導体
基板５０５の間にキャビティ５０６が形成され、キャビ
ティ５０６内に赤外線センサ素子５０１が位置し、半導
体基板５０５のキャビティ５０６を形成する面には反射
鏡５０４が形成されている。半導体基板５０３には赤外
線フィルター５０２が形成されるとともに、赤外線セン
サ素子５０１がこの半導体基板５０３に形成支持されて
いる。なおここでは簡単のため、赤外線受光部を赤外線
センサ素子で代表させ、図中には赤外線センサ素子５０
１のみ示し、その支持構造は省略してある。半導体基板
５０３が発明の赤外線フィルタ構成部材となる。半導体
基板５０３と５０５とは、陽極接合により接合され、赤
外線センサ素子５０１への電気配線は、陽極接合の際に
ハンダバンプにより同時に行なわれる。
１は第１の実施例の全体構成を示す概念図である。 赤
外線センサ５００において、半導体基板５０３と半導体
基板５０５の間にキャビティ５０６が形成され、キャビ
ティ５０６内に赤外線センサ素子５０１が位置し、半導
体基板５０５のキャビティ５０６を形成する面には反射
鏡５０４が形成されている。半導体基板５０３には赤外
線フィルター５０２が形成されるとともに、赤外線セン
サ素子５０１がこの半導体基板５０３に形成支持されて
いる。なおここでは簡単のため、赤外線受光部を赤外線
センサ素子で代表させ、図中には赤外線センサ素子５０
１のみ示し、その支持構造は省略してある。半導体基板
５０３が発明の赤外線フィルタ構成部材となる。半導体
基板５０３と５０５とは、陽極接合により接合され、赤
外線センサ素子５０１への電気配線は、陽極接合の際に
ハンダバンプにより同時に行なわれる。
【００１４】次にこの赤外線センサの製造方法について
説明する。図２は、赤外線フィルターを形成するととも
に赤外線センサ素子を含む赤外線受光部を形成支持する
半導体基板５０３の製造過程を示す。ここでは、表面マ
イクロマシーニング技術とバルクマイクロマシーニング
技術とを用いて、赤外線受光部と赤外線フィルターとが
同一基板上に形成される。まず、図２の工程（ａ）にお
いて、シリコンＰ型基板６０１の一主面に、熱酸化やＣ
ＶＤなどの手法により酸化膜（ＳｉＯ2 ）６０２を形成
し、さらにその上面に同じくＣＶＤなどにより所定面積
のポリシリコン犠牲層６０３を形成するとともに、Ｐ型
基板６０１の裏面にはｎ型エピタキシャル層６０４を形
成する。
説明する。図２は、赤外線フィルターを形成するととも
に赤外線センサ素子を含む赤外線受光部を形成支持する
半導体基板５０３の製造過程を示す。ここでは、表面マ
イクロマシーニング技術とバルクマイクロマシーニング
技術とを用いて、赤外線受光部と赤外線フィルターとが
同一基板上に形成される。まず、図２の工程（ａ）にお
いて、シリコンＰ型基板６０１の一主面に、熱酸化やＣ
ＶＤなどの手法により酸化膜（ＳｉＯ2 ）６０２を形成
し、さらにその上面に同じくＣＶＤなどにより所定面積
のポリシリコン犠牲層６０３を形成するとともに、Ｐ型
基板６０１の裏面にはｎ型エピタキシャル層６０４を形
成する。
【００１５】そして、工程（ｂ）では、上記酸化膜６０
２とポリシリコン犠牲層６０３とを覆って、Ｓｉ3 Ｎ4
膜層６０５をＣＶＤで成膜したあと、その上にポリシリ
コンデポジション、フォトリソグラフィーならびにエッ
チングにより、ポリシリコンダイオードからなる赤外線
センサ素子５０１を形成する。そしてさらに、ＣＶＤに
よるＳｉ3 Ｎ4 膜層６０７で全体をカバーする。これに
より、赤外線センサ素子５０１が、ポリシリコン犠牲層
６０３上その略中央付近において、Ｓｉ3 Ｎ4 膜層６０
５、６０７に上下方向に挟まれて位置する。
２とポリシリコン犠牲層６０３とを覆って、Ｓｉ3 Ｎ4
膜層６０５をＣＶＤで成膜したあと、その上にポリシリ
コンデポジション、フォトリソグラフィーならびにエッ
チングにより、ポリシリコンダイオードからなる赤外線
センサ素子５０１を形成する。そしてさらに、ＣＶＤに
よるＳｉ3 Ｎ4 膜層６０７で全体をカバーする。これに
より、赤外線センサ素子５０１が、ポリシリコン犠牲層
６０３上その略中央付近において、Ｓｉ3 Ｎ4 膜層６０
５、６０７に上下方向に挟まれて位置する。
【００１６】次の工程（ｃ）において、ドライエッチン
グにより前記ポリシリコン犠牲層６０３に達する開口部
６０８を形成して、ポリシリコン犠牲層６０３をフッ酸
および硝酸からなる混酸を用いて犠牲エッチングし、さ
らにポリシリコン犠牲層の下側の酸化膜６０２をフッ酸
により除去する。これにより、上記開口部６０８を除く
部分で周囲から延びるＳｉ3 Ｎ4 膜層６０５、６０７に
赤外線センサ素子５０１が支持された熱分離構造が得ら
れる。
グにより前記ポリシリコン犠牲層６０３に達する開口部
６０８を形成して、ポリシリコン犠牲層６０３をフッ酸
および硝酸からなる混酸を用いて犠牲エッチングし、さ
らにポリシリコン犠牲層の下側の酸化膜６０２をフッ酸
により除去する。これにより、上記開口部６０８を除く
部分で周囲から延びるＳｉ3 Ｎ4 膜層６０５、６０７に
赤外線センサ素子５０１が支持された熱分離構造が得ら
れる。
【００１７】このあと、工程（ｄ）で、Ｐ型基板６０１
に対して、ｎ型エピタキシャル層６０４にバイアスを印
加しながら、開口部６０８からｎ型エピタキシャル層６
０４との界面まで、ヒドラジンなどのアルカリ液を用い
たエレクトロケミカルエッチングを行なって、キャビテ
ィ５０６と、ｎ型エピタキシャル層からなる赤外線フィ
ルター５０２を形成する。そして、上記熱分離構造部の
赤外線センサ素子５０１を挟んだＳｉ3 Ｎ4 膜層上に吸
光剤６１２を形成して、発明の赤外線検出部としての赤
外線受光部６１１が形成される。
に対して、ｎ型エピタキシャル層６０４にバイアスを印
加しながら、開口部６０８からｎ型エピタキシャル層６
０４との界面まで、ヒドラジンなどのアルカリ液を用い
たエレクトロケミカルエッチングを行なって、キャビテ
ィ５０６と、ｎ型エピタキシャル層からなる赤外線フィ
ルター５０２を形成する。そして、上記熱分離構造部の
赤外線センサ素子５０１を挟んだＳｉ3 Ｎ4 膜層上に吸
光剤６１２を形成して、発明の赤外線検出部としての赤
外線受光部６１１が形成される。
【００１８】赤外線フィルターに関して、シリコン基板
は、１．２〜１５μｍの透過波長域をもつ優れた赤外線
透過材料であるが、屈折率が大きいため、空気−シリコ
ン基板界面での入射赤外光の反射損失が大きい。すなわ
ち、赤外光の垂直入射の場合では、 反射損失＝（（ｎsi−ｎa ）／（ｎsi＋ｎa ））2 で表わされる損失が実に３０％にもなる。ただし、 ｎsi：シリコンの赤外域での屈折率 ｎa ：空気の赤外域での屈折率
は、１．２〜１５μｍの透過波長域をもつ優れた赤外線
透過材料であるが、屈折率が大きいため、空気−シリコ
ン基板界面での入射赤外光の反射損失が大きい。すなわ
ち、赤外光の垂直入射の場合では、 反射損失＝（（ｎsi−ｎa ）／（ｎsi＋ｎa ））2 で表わされる損失が実に３０％にもなる。ただし、 ｎsi：シリコンの赤外域での屈折率 ｎa ：空気の赤外域での屈折率
【００１９】この場合、エレクトロケミカルエッチング
で形成される赤外線フィルター５０２の厚さを次式で表
わされる厚さ ｄsi＝（λ／２ｎsi）・Ｌ ただし、 ｎsi：シリコンの屈折率 ｄsi：赤外フィルターの厚さ λ ：使用する赤外線の波長 Ｌ ：整数 とすることにより、シリコン基板表面での入射赤外線の
反射損失を低減することができる。例えば、人間を検知
しようとする場合には、波長１０μｍの赤外光を用い、 ｄsi＝（λ／２ｎsi）・Ｌ （Ｌ＝１、２、３、 …） ＝０．７３、 １．４６、 ２．１９、 ２．９２ ３．６４、… （μｍ） とすればよい。
で形成される赤外線フィルター５０２の厚さを次式で表
わされる厚さ ｄsi＝（λ／２ｎsi）・Ｌ ただし、 ｎsi：シリコンの屈折率 ｄsi：赤外フィルターの厚さ λ ：使用する赤外線の波長 Ｌ ：整数 とすることにより、シリコン基板表面での入射赤外線の
反射損失を低減することができる。例えば、人間を検知
しようとする場合には、波長１０μｍの赤外光を用い、 ｄsi＝（λ／２ｎsi）・Ｌ （Ｌ＝１、２、３、 …） ＝０．７３、 １．４６、 ２．１９、 ２．９２ ３．６４、… （μｍ） とすればよい。
【００２０】次に、図３に反射鏡５０４を備える半導体
基板５０５の製造手順が示される。まず工程（ｅ）にお
いて、シリコン基板７０１上に、キャビティ穴径に相当
する部分を除いて熱酸化やＣＶＤにより酸化膜７０２を
形成し、その上にシリコン基板７０１と酸化膜７０２を
覆ってＳｉ3 Ｎ4 膜層７０３を、同じくＣＶＤにより形
成する。そして、ドライエッチングによりＳｉ3 Ｎ4 膜
層７０３に開口部７０４を形成する。
基板５０５の製造手順が示される。まず工程（ｅ）にお
いて、シリコン基板７０１上に、キャビティ穴径に相当
する部分を除いて熱酸化やＣＶＤにより酸化膜７０２を
形成し、その上にシリコン基板７０１と酸化膜７０２を
覆ってＳｉ3 Ｎ4 膜層７０３を、同じくＣＶＤにより形
成する。そして、ドライエッチングによりＳｉ3 Ｎ4 膜
層７０３に開口部７０４を形成する。
【００２１】次の工程（ｆ）で、開口部７０４からフッ
酸および硝酸からなる混酸により等方性エッチングを行
ない、凹面７０５を形成したあと、Ｓｉ3 Ｎ4 膜７０３
を熱リン酸等により除去する。そして、工程（ｇ）にお
いて、上記凹面７０５に金などの電解メッキにより反射
鏡５０４を形成し、このあと酸化膜７０２をフッ酸によ
り除去する。
酸および硝酸からなる混酸により等方性エッチングを行
ない、凹面７０５を形成したあと、Ｓｉ3 Ｎ4 膜７０３
を熱リン酸等により除去する。そして、工程（ｇ）にお
いて、上記凹面７０５に金などの電解メッキにより反射
鏡５０４を形成し、このあと酸化膜７０２をフッ酸によ
り除去する。
【００２２】以上、図２に示したステップで形成され、
赤外線受光部６１１を備える半導体基板５０３と、図３
に示したステップで形成され、反射鏡５０４を有する半
導体基板５０５とを接合して、図１で示された赤外線セ
ンサ５０１が形成される。
赤外線受光部６１１を備える半導体基板５０３と、図３
に示したステップで形成され、反射鏡５０４を有する半
導体基板５０５とを接合して、図１で示された赤外線セ
ンサ５０１が形成される。
【００２３】以上のように構成された本実施例では、入
射した光Ｘは、赤外線フィルター５０２によって赤外線
のみフィルタリングされ、直接赤外線受光部６１１の吸
光剤６１２に達するほか、反射鏡５０４によって反射集
光されて赤外線受光部６１１に導かれる。これにより、
熱分離構造部とされた赤外線受光部６１１の温度を上昇
させ、この温度上昇がポリシリコンダイオードの赤外線
センサ素子５０１によって検知され、その検出量に対応
した電気信号が出力されることにより赤外線が検出され
る。
射した光Ｘは、赤外線フィルター５０２によって赤外線
のみフィルタリングされ、直接赤外線受光部６１１の吸
光剤６１２に達するほか、反射鏡５０４によって反射集
光されて赤外線受光部６１１に導かれる。これにより、
熱分離構造部とされた赤外線受光部６１１の温度を上昇
させ、この温度上昇がポリシリコンダイオードの赤外線
センサ素子５０１によって検知され、その検出量に対応
した電気信号が出力されることにより赤外線が検出され
る。
【００２４】従って赤外光以外の光によって外乱をうけ
ることなく目的の赤外光のみが高感度に検出される。そ
して、赤外線センサ素子５０１が完全に外気から遮断さ
れており、風や熱対流の影響を受けにくく、これによ
り、ノイズが少なく、安定した特性が得られて、赤外線
センサとして正確な計測が行なわれる。同じく、赤外線
センサ素子５０１が、赤外線フィルター５０２、半導体
基板５０３，５０５などに囲まれ、保護された赤外線受
光部となっているので、実装工程での破損も避けられ、
歩留りを向上させることができる。しかもこの構成によ
れば、赤外線フィルター５０２、反射鏡５０４などの光
学部品をバッチ処理でプリアセンブリすることができる
ので、効率良く、低コストで生産することができる。
ることなく目的の赤外光のみが高感度に検出される。そ
して、赤外線センサ素子５０１が完全に外気から遮断さ
れており、風や熱対流の影響を受けにくく、これによ
り、ノイズが少なく、安定した特性が得られて、赤外線
センサとして正確な計測が行なわれる。同じく、赤外線
センサ素子５０１が、赤外線フィルター５０２、半導体
基板５０３，５０５などに囲まれ、保護された赤外線受
光部となっているので、実装工程での破損も避けられ、
歩留りを向上させることができる。しかもこの構成によ
れば、赤外線フィルター５０２、反射鏡５０４などの光
学部品をバッチ処理でプリアセンブリすることができる
ので、効率良く、低コストで生産することができる。
【００２５】なお、基板５０３，５０５がともにシリコ
ン基板とされているから、陽極接合法を用いる場合に
は、いずれか一方の基板をベアシリコンにし、他方の基
板の接合部位にパイレックスガラスをスパッタによって
成膜しておいて接合すればよい。また、上記実施例のほ
か、とくに反射鏡の形成される基板の素材としてパイレ
ックスガラスを用いた場合には、赤外線受光部を形成す
る側の基板をベアシリコンとすればよいことになる。さ
らに、真空中での陽極接合により接合する場合には、赤
外線受光部６１１を形成する半導体基板と、反射鏡を形
成する半導体基板とで形成されるキャビティ５０６を、
簡単に略真空とすることができる。これにより、ノイズ
が少なく安定した特性が得られるだけでなく、赤外線セ
ンサ素子５０１が配置される赤外線受光部６１１の熱分
離構造部の熱抵抗を大きくし、とくに高い感度が得られ
る。
ン基板とされているから、陽極接合法を用いる場合に
は、いずれか一方の基板をベアシリコンにし、他方の基
板の接合部位にパイレックスガラスをスパッタによって
成膜しておいて接合すればよい。また、上記実施例のほ
か、とくに反射鏡の形成される基板の素材としてパイレ
ックスガラスを用いた場合には、赤外線受光部を形成す
る側の基板をベアシリコンとすればよいことになる。さ
らに、真空中での陽極接合により接合する場合には、赤
外線受光部６１１を形成する半導体基板と、反射鏡を形
成する半導体基板とで形成されるキャビティ５０６を、
簡単に略真空とすることができる。これにより、ノイズ
が少なく安定した特性が得られるだけでなく、赤外線セ
ンサ素子５０１が配置される赤外線受光部６１１の熱分
離構造部の熱抵抗を大きくし、とくに高い感度が得られ
る。
【００２６】また、基板５０３，５０５の接合には、陽
極接合のほか、接着剤あるいはハンダ付けなども用いる
ことができる。さらには、基板材料としてシリコン基板
を用いたが、この他ガラス基板、あるいは金属基板など
を用いることができ、また、反射鏡部の凹面形成も等方
性エッチングに限らず、超音波加工で行なってもよい。
極接合のほか、接着剤あるいはハンダ付けなども用いる
ことができる。さらには、基板材料としてシリコン基板
を用いたが、この他ガラス基板、あるいは金属基板など
を用いることができ、また、反射鏡部の凹面形成も等方
性エッチングに限らず、超音波加工で行なってもよい。
【００２７】図４は、第２の実施例を示す。ここでは、
図１に示された赤外線センサにおいて、赤外線フィルタ
ー５０２部に反射防止膜あるいは干渉フィルターからな
る光学素子８０１がコーティングされている。コーティ
ングは蒸着などにより容易に実現される。赤外線フィル
ター５０２を構成するシリコン基板は、優れた赤外域光
学材料であるにもかかわらず、前述のように屈折率が大
きいため、入射光Ｘの反射損失が大きいが、これにより
その反射損失が低減される。
図１に示された赤外線センサにおいて、赤外線フィルタ
ー５０２部に反射防止膜あるいは干渉フィルターからな
る光学素子８０１がコーティングされている。コーティ
ングは蒸着などにより容易に実現される。赤外線フィル
ター５０２を構成するシリコン基板は、優れた赤外域光
学材料であるにもかかわらず、前述のように屈折率が大
きいため、入射光Ｘの反射損失が大きいが、これにより
その反射損失が低減される。
【００２８】図５には、さらに第３の実施例が示され
る。これは、図１に示された赤外線センサにおいて、赤
外線フィルター５０２部にピエゾ拡散抵抗９０１を形成
したものである。このピエゾ拡散抵抗９０１は、キャビ
ティ５０６内の圧力による赤外線フィルター５０２の応
力に応じてその抵抗値が変化する。これにより、その抵
抗値変化を検出することにより、キャビティ５０６内の
真空度、あるいは漏れを検出する圧力センサとして機能
し、故障診断や出力信号の補正に用いることができ、計
測精度を一層向上させることができる。
る。これは、図１に示された赤外線センサにおいて、赤
外線フィルター５０２部にピエゾ拡散抵抗９０１を形成
したものである。このピエゾ拡散抵抗９０１は、キャビ
ティ５０６内の圧力による赤外線フィルター５０２の応
力に応じてその抵抗値が変化する。これにより、その抵
抗値変化を検出することにより、キャビティ５０６内の
真空度、あるいは漏れを検出する圧力センサとして機能
し、故障診断や出力信号の補正に用いることができ、計
測精度を一層向上させることができる。
【００２９】次に図６および図７は、第４の実施例とし
て、１枚の半導体基板内に、赤外線受光部と反射鏡とを
形成するようにした製造方法を示す。まず工程（ａ）に
おいて、半導体基板１００１の一主面に、熱酸化やＣＶ
Ｄにより酸化膜１００２を形成し、さらにその上面に同
じくＣＶＤなどによりポリシリコン犠牲層１００３を形
成する。次いで工程（ｂ）では、上記酸化膜１００２と
ポリシリコン犠牲層１００３とを覆って、Ｓｉ3 Ｎ4 膜
層１００５をＣＶＤで成膜したあと、その上に第１の実
施例におけると同様にしてポリシリコンダイオードの赤
外線センサ素子１１０１を形成し、さらにＣＶＤによる
Ｓｉ3 Ｎ4 膜層１００６で全体をカバーする。
て、１枚の半導体基板内に、赤外線受光部と反射鏡とを
形成するようにした製造方法を示す。まず工程（ａ）に
おいて、半導体基板１００１の一主面に、熱酸化やＣＶ
Ｄにより酸化膜１００２を形成し、さらにその上面に同
じくＣＶＤなどによりポリシリコン犠牲層１００３を形
成する。次いで工程（ｂ）では、上記酸化膜１００２と
ポリシリコン犠牲層１００３とを覆って、Ｓｉ3 Ｎ4 膜
層１００５をＣＶＤで成膜したあと、その上に第１の実
施例におけると同様にしてポリシリコンダイオードの赤
外線センサ素子１１０１を形成し、さらにＣＶＤによる
Ｓｉ3 Ｎ4 膜層１００６で全体をカバーする。
【００３０】このあと、工程（ｃ）において、ドライエ
ッチングにより、前記ポリシリコン犠牲層１００３に達
する開口部１００８を、Ｓｉ3 Ｎ4 膜層１００５、１０
０６に形成して、ポリシリコン犠牲層１００３をフッ酸
および硝酸からなる混酸を用いて犠牲エッチングし、さ
らにポリシリコン犠牲層の下側の酸化膜１００２をフッ
酸により除去する。
ッチングにより、前記ポリシリコン犠牲層１００３に達
する開口部１００８を、Ｓｉ3 Ｎ4 膜層１００５、１０
０６に形成して、ポリシリコン犠牲層１００３をフッ酸
および硝酸からなる混酸を用いて犠牲エッチングし、さ
らにポリシリコン犠牲層の下側の酸化膜１００２をフッ
酸により除去する。
【００３１】そして、工程（ｄ）で、開口部１００８か
らフッ酸および硝酸からなる混酸を用いて等方性エッチ
ングを行なって、凹面１１０５を有するキャビティ１１
０２を形成する。最後に工程（ｅ）において、凹面１１
０５に金などの電解メッキにより反射鏡１１０４を形成
する。そして、Ｓｉ3 Ｎ4 膜層１００５、１００６に支
持された赤外線センサ素子１１０１部分には吸光剤１０
０７を形成して赤外線受光部１２００とする。赤外線受
光部１２００は上記により熱分離構造となる。
らフッ酸および硝酸からなる混酸を用いて等方性エッチ
ングを行なって、凹面１１０５を有するキャビティ１１
０２を形成する。最後に工程（ｅ）において、凹面１１
０５に金などの電解メッキにより反射鏡１１０４を形成
する。そして、Ｓｉ3 Ｎ4 膜層１００５、１００６に支
持された赤外線センサ素子１１０１部分には吸光剤１０
０７を形成して赤外線受光部１２００とする。赤外線受
光部１２００は上記により熱分離構造となる。
【００３２】このあと、とくに図示しないが、上記のよ
うに赤外線受光部と反射鏡とを備えるものとなった半導
体基板の赤外線受光部側に赤外線フィルターを重ね合わ
せて、先の図１と同様の赤外線センサが完成する。
うに赤外線受光部と反射鏡とを備えるものとなった半導
体基板の赤外線受光部側に赤外線フィルターを重ね合わ
せて、先の図１と同様の赤外線センサが完成する。
【００３３】この実施例によれば、赤外線センサ素子を
備える赤外線受光部と反射鏡とが１枚の基板上に形成さ
れるから、一層小型に形成されるとともに、この半導体
基板に単純な赤外線フィルターを被せるだけですみ、全
体としての製造工程も少なくなるという利点を有する。
なお上記工程（ｄ）において、等方性エッチングにより
凹面１１０５を形成する際、アンダーエッチングのため
に、ひさし１００９が形成される場合には、さらにフォ
トリソグラフィーおよびエッチング工程を追加すればよ
い。
備える赤外線受光部と反射鏡とが１枚の基板上に形成さ
れるから、一層小型に形成されるとともに、この半導体
基板に単純な赤外線フィルターを被せるだけですみ、全
体としての製造工程も少なくなるという利点を有する。
なお上記工程（ｄ）において、等方性エッチングにより
凹面１１０５を形成する際、アンダーエッチングのため
に、ひさし１００９が形成される場合には、さらにフォ
トリソグラフィーおよびエッチング工程を追加すればよ
い。
【００３４】上述した各実施例では、熱分離構造とした
赤外線受光部の温度上昇をポリシリコンダイオードで構
成した赤外線センサ素子によって検出するものとした
が、これに限定されず、他のいかなる検出手法であって
もよい。また、赤外線受光部の熱分離構造も、周囲から
空間内に延びるＳｉ3 Ｎ4 膜層によるブリッジとした
が、他の形式の熱分離構造を採ることも可能である。ま
た、赤外線受光部に形成される吸光剤も必要に応じて付
与あるいは省略される。
赤外線受光部の温度上昇をポリシリコンダイオードで構
成した赤外線センサ素子によって検出するものとした
が、これに限定されず、他のいかなる検出手法であって
もよい。また、赤外線受光部の熱分離構造も、周囲から
空間内に延びるＳｉ3 Ｎ4 膜層によるブリッジとした
が、他の形式の熱分離構造を採ることも可能である。ま
た、赤外線受光部に形成される吸光剤も必要に応じて付
与あるいは省略される。
【００３５】
【発明の効果】以上のとおり、この発明の赤外線センサ
は、互いに重ねあわされた赤外線フィルタ構成部材と半
導体基板との間に空間を形成し、その空間内に赤外線検
出部を配設するとともに、半導体基板には反射鏡を形成
することにより、赤外線フィルターから入射する赤外線
を反射鏡で赤外線検出部に向け反射集光するようにした
から、小型で高感度の赤外線センサが得られるととも
に、高価な赤外線用集光レンズを用いる必要がないから
安価に実現される。そして赤外線検出部を赤外線フィル
タ構成部材あるいは半導体基板から一体に形成すれば、
赤外線検出部が空間内に位置して強度が比較的小さい熱
分離構造となっていても、これら半導体基板あるいは赤
外線フィルタ構成部材にカバーされて保護されるため、
実装工程における歩留りを向上させることができる。
は、互いに重ねあわされた赤外線フィルタ構成部材と半
導体基板との間に空間を形成し、その空間内に赤外線検
出部を配設するとともに、半導体基板には反射鏡を形成
することにより、赤外線フィルターから入射する赤外線
を反射鏡で赤外線検出部に向け反射集光するようにした
から、小型で高感度の赤外線センサが得られるととも
に、高価な赤外線用集光レンズを用いる必要がないから
安価に実現される。そして赤外線検出部を赤外線フィル
タ構成部材あるいは半導体基板から一体に形成すれば、
赤外線検出部が空間内に位置して強度が比較的小さい熱
分離構造となっていても、これら半導体基板あるいは赤
外線フィルタ構成部材にカバーされて保護されるため、
実装工程における歩留りを向上させることができる。
【００３６】またとくに、半導体基板に赤外線受光部を
形成する工程に続けて、等方性エッチングにより凹面を
形成し反射鏡を形成するようにした本発明製造方法にお
いては、赤外線受光部と反射鏡とが１枚の基板上に形成
されるから、一層小型に形成されるとともに、この上に
赤外線フィルターを被せるだけですみ、全体としての製
造工程も少なくなるという効果を有する。
形成する工程に続けて、等方性エッチングにより凹面を
形成し反射鏡を形成するようにした本発明製造方法にお
いては、赤外線受光部と反射鏡とが１枚の基板上に形成
されるから、一層小型に形成されるとともに、この上に
赤外線フィルターを被せるだけですみ、全体としての製
造工程も少なくなるという効果を有する。
【図１】本発明の第１の実施例を示す断面図である。
【図２】赤外線フィルターと赤外線受光部を形成する半
導体基板の製造過程を示す図である。
導体基板の製造過程を示す図である。
【図３】反射鏡を形成する半導体基板の製造過程を示す
図である。
図である。
【図４】第２の実施例を示す断面図である。
【図５】第３の実施例を示す断面図である。
【図６】赤外線受光部と反射鏡を形成する半導体基板の
製造過程を示す図である。
製造過程を示す図である。
【図７】赤外線受光部と反射鏡を形成する半導体基板の
製造過程を示す図である。
製造過程を示す図である。
【図８】赤外線センサの従来例を示す図である。
【図９】赤外線センサの他の従来例を示す図である。
【図１０】集光レンズを備える赤外線センサの従来例を
示す図である。
示す図である。
【図１１】集光レンズを備える赤外線センサの他の従来
例を示す図である。
例を示す図である。
１０１ Ｐ型基板 １０２ ｎ型エピタキシャル層 １０３ カンチレバービーム １０４ 吸光剤 １０５ サーモパイル ２０１ Ｐ型基板 ２０２、２０３ Ｓｉ3 Ｎ4 ２０４，２０９ ＳｉＯ2 ２０５ キャビティ ２０６ ダイアフラム ２０７ 吸光剤２０７ ２０８ ポリシリコンＰｎ接合 ３０１、４０２ ケース ３０２ 外部リード端子 ３０３、４０４ 集光レンズ ３０４、４０５ センサ素子 ４０１ ヘッダ ４０３ フィルター ５００ 赤外線センサ ５０１ 赤外線センサ素子 ５０２ 赤外線フィルター ５０３、５０５ 半導体基板 ５０４ 反射鏡 ５０６ キャビティ ６０１ シリコンＰ型基板 ６０２ 酸化膜 ６０３ ポリシリコン犠牲層 ６０４ ｎ型エピタキシャル層 ６０５、６０７ Ｓｉ3 Ｎ4 膜層 ６０８ 開口部 ６１１ 赤外線受光部 ６１２ 吸光剤 ７０１ シリコン基板 ７０２ 酸化膜 ７０３ Ｓｉ3 Ｎ4 膜層 ７０４ 開口部 ７０５ 凹面 ８０１ 光学素子 ９０１ ピエゾ拡散抵抗 １００１ 半導体基板 １００２ 酸化膜 １００３ ポリシリコン犠牲層 １００５、１００６ Ｓｉ3 Ｎ4 膜層 １００７ 吸光剤 １００８ 開口部 １００９ ひさし １１０１ 赤外線センサ素子 １１０２ キャビティ １１０４ 反射鏡 １１０５ 凹面 １２００ 赤外線受光部
Claims (4)
- 【請求項１】 互いに重ね合わされた赤外線フィルタ構
成部材と半導体基板との間に空間が形成され、該空間内
に赤外線検出部が配設され、前記半導体基板の前記空間
を画する面には反射鏡が形成されて、前記赤外線フィル
ターから入射する赤外線を前記赤外線検出部に向け反射
集光するように構成されたことを特徴とする赤外線セン
サ。 - 【請求項２】 前記赤外線検出部は、前記赤外線フィル
タ構成部材上に形成され前記空間内に延びる膜層に赤外
線センサ素子が支持されて構成されていることを特徴と
する請求項１記載の赤外線センサ。 - 【請求項３】 前記赤外線検出部は、前記半導体基板上
に形成され前記空間内に延びる膜層に赤外線センサ素子
が支持されて構成されていることを特徴とする請求項１
記載の赤外線センサ。 - 【請求項４】 半導体基板の一主面上に順次、酸化膜、
犠牲層、ならびに赤外線センサ素子を上下に挟むＳｉ3
Ｎ4 膜層を形成する第１の工程と、 前記Ｓｉ3 Ｎ4 膜層に、前記赤外線センサ素子部分を横
方向に挟んで開口部を形成するとともに、前記犠牲層お
よびその下部の前記酸化膜の前記犠牲層に重なる部位を
エッチング除去して赤外線検出部を形成する第２の工程
と、 前記開口部から等方性エッチングにより前記半導体基板
に凹面を形成する第３の工程と、 前記凹面に反射鏡を形成する第４の工程と、 前記赤外線検出部を覆って赤外線フィルタ構成部材を前
記半導体基板上に接合する第５の工程とからなることを
特徴とする赤外線センサの製造方法。
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