JPH0674820A - Infrared sensor - Google Patents
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- JPH0674820A JPH0674820A JP4311709A JP31170992A JPH0674820A JP H0674820 A JPH0674820 A JP H0674820A JP 4311709 A JP4311709 A JP 4311709A JP 31170992 A JP31170992 A JP 31170992A JP H0674820 A JPH0674820 A JP H0674820A
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Abstract
Description
【０００１】[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に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an infrared sensor for measuring the temperature of an object to be measured without contact.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、対象となる物質が放射する赤外線
により赤外線感温膜（赤外線受光部）を加熱し、その温
度上昇から物質の温度を測定することが行われており、
このような赤外線センサを小型化、高感度化するために
種々の提案がなされている。特に、被測定温度が室温近
傍あるいはそれ以下の場合には、受光できる赤外線の強
度はごく微弱であるため、センサの熱容量を低減し、ま
た受光した赤外線のエネルギーをできるだけ散逸させな
いようにする工夫が必要である。たとえば、従来の赤外
線センサでは、センサ基板上に非常に小さな架橋部を形
成し、この架橋部の上に赤外線感温膜を形成した構造と
なっている。すなわち、素子の感熱部分を支持基板から
浮かせた架橋構造とすることにより応答感度の改善を図
るものである。2. Description of the Related Art Conventionally, it has been practiced to heat an infrared thermosensitive film (infrared light receiving part) by infrared rays emitted from a target substance and measure the temperature of the substance from the temperature rise.
Various proposals have been made to reduce the size and increase the sensitivity of such an infrared sensor. In particular, when the temperature to be measured is near room temperature or lower, the intensity of infrared rays that can be received is extremely weak, so it is necessary to reduce the heat capacity of the sensor and to make the received infrared energy as small as possible. is necessary. For example, a conventional infrared sensor has a structure in which a very small bridge portion is formed on a sensor substrate and an infrared thermosensitive film is formed on the bridge portion. That is, the response sensitivity is improved by forming a cross-linked structure in which the heat-sensitive part of the element is floated from the support substrate.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】上述のように従来の赤
外線センサでは、赤外線感温膜を微小な架橋部上に形成
することにより、赤外線感温膜に入射した赤外線のエネ
ルギーが失われることを防止している。しかしながら、
赤外線感温膜に入射した赤外線のエネルギーは、赤外線
感温膜の周囲の空気を通じても失われるものであり、架
橋構造とするだけでは実用性に優れた高感度の赤外線セ
ンサを得ることができないという問題があった。As described above, in the conventional infrared sensor, the energy of infrared rays incident on the infrared thermosensitive film is lost by forming the infrared thermosensitive film on the minute cross-linking portion. To prevent. However,
The energy of the infrared rays incident on the infrared thermosensitive film is also lost through the air around the infrared thermosensitive film, and it is not possible to obtain a highly sensitive infrared sensor with excellent practicality simply by using a crosslinked structure. There was a problem.
【０００４】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、赤外線感温膜の周囲から失われるエ
ネルギー量を最小限とすることができる高感度の赤外線
センサを提供することにある。The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a high-sensitivity infrared sensor capable of minimizing the amount of energy lost from the surroundings of the infrared thermosensitive film. is there.
【０００５】[0005]
【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、空洞部を有し、この空洞部に赤外線感温膜が配設
されたセンサ基板と、このセンサ基板の前記空洞部を覆
い、前記赤外線感温膜の周囲を真空に封止する真空封止
手段とを備えている。An infrared sensor according to the present invention has a hollow portion, a sensor substrate having an infrared thermosensitive film disposed in the hollow portion, and the hollow portion of the sensor substrate, Vacuum sealing means for sealing the periphery of the infrared thermosensitive film in a vacuum.
【０００６】この赤外線センサでは、赤外線感温膜の周
囲が真空状態に封止されているため、赤外線感温膜から
失われる赤外線のエネルギー量が最小限に抑えられ、そ
の結果赤外線感温膜の温度上昇が増大し、センサ感度が
著しく向上する。In this infrared sensor, since the periphery of the infrared temperature sensitive film is sealed in a vacuum state, the amount of infrared energy lost from the infrared temperature sensitive film is minimized, and as a result, the infrared temperature sensitive film is The temperature rise is increased and the sensor sensitivity is significantly improved.
【０００７】なお、本明細書においては、「真空」と
は、圧力が１．０Torr以下の状態をいうものとする。但
し、真空度が１０-3Torr以下であれば、１０-3Torrの場
合と実質的にその効果は同じとなる。In the present specification, the term "vacuum" means a state where the pressure is 1.0 Torr or less. However, if the degree of vacuum is 10 −3 Torr or less, the effect is substantially the same as in the case of 10 −3 Torr.
【０００８】本発明の赤外線センサでは、より具体的に
は、センサ基板には一対の空洞部を形成し、これら空洞
部にそれぞれ同じ構成の赤外線感温膜を設け、一方の赤
外線感温膜には赤外線を選択的に入射させ、他方の赤外
線感温膜は赤外線の入射を遮蔽する構成とすることが好
ましい。これら赤外線が入射された赤外線感温膜の出力
と、赤外線が入射されない赤外線感温膜の出力との差分
を検出することで、電気的なノイズおよび熱的な外乱を
除去して正味の赤外線量を得ることができる。ここで、
２つの空洞部間を互いに連通させることにより、２つの
空洞部を同一の真空度に保持することができ、より精度
良く赤外線を検出することができる。なお、一対の空洞
部はそれぞれ同一のセンサ基板に形成してもよく、また
同一基板温度と見なせるように熱的に接触させてあれ
ば、それぞれ異なるセンサ基板に形成してもよい。More specifically, in the infrared sensor of the present invention, a pair of cavities are formed in the sensor substrate, the infrared sensitizing films having the same structure are provided in the cavities, and one infrared thermosensitive film is provided. It is preferable that the infrared ray is selectively made to enter the infrared ray and the infrared ray thermosensitive film on the other side is made to block the infrared ray. By detecting the difference between the output of the infrared thermosensitive film on which infrared rays are incident and the output of the infrared thermosensitive film on which infrared rays are not incident, electrical noise and thermal disturbance are removed, and the net infrared ray amount is detected. Can be obtained. here,
By communicating the two hollow portions with each other, the two hollow portions can be maintained at the same vacuum degree, and infrared rays can be detected with higher accuracy. The pair of cavities may be formed on the same sensor substrate, or may be formed on different sensor substrates as long as they are in thermal contact so as to be regarded as having the same substrate temperature.
【０００９】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。As the sensor substrate, a semiconductor substrate made of silicon, germanium or the like is used, but it is preferable to use a silicon substrate which can be easily and inexpensively obtained.
【００１０】赤外線感温膜としては、ボロメータ型、サ
ーモパイル型、焦電型等のものを用いることができる
が、特にボロメータ型は赤外線によりセンサ温度が変化
して素子の抵抗が変化するもので、抵抗値から直接に赤
外線量（温度）を知ることができる等の理由によりセン
サの微小化を図ることができるため最も好ましい。この
場合の赤外線感温膜は、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
晶ゲルマニウム、多結晶シリコン等の膜により形成され
る。この赤外線感温膜の成膜には、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。この赤外線感温膜の支持構造とし
ては、両端支持の架橋（ブリッジ）構造や、カンチレバ
ー形、ダイヤフラム形等の構造とすることができるが、
熱容量を低減するとともに安定した構造とするためには
両端支持の架橋構造が好ましい。A bolometer type, a thermopile type, a pyroelectric type or the like can be used as the infrared thermosensitive film. In particular, the bolometer type is a film in which the sensor temperature changes due to infrared rays and the element resistance changes. This is most preferable because the sensor can be miniaturized for the reason that the amount of infrared rays (temperature) can be known directly from the resistance value. The infrared temperature-sensitive film in this case is made of amorphous germanium (a
-Ge), amorphous silicon (a-Si), polycrystalline germanium, polycrystalline silicon or the like. Sputtering, ion beam sputtering, CVD (Chemical Vapor Deposition) and the like are used for forming the infrared temperature sensitive film. The supporting structure of the infrared temperature sensitive film may be a bridge structure having both ends supported, a cantilever type structure, a diaphragm type structure, or the like.
In order to reduce the heat capacity and provide a stable structure, a cross-linked structure with both ends supported is preferable.
【００１１】架橋構造は、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(SiO
xNy)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。この架橋部は、たとえばシリコン基板の両面にそ
れぞれシリコンオキシナイトライド膜を形成し、予め一
方の面は架橋構造、他方の面は任意の大きさの窓形状に
それぞれエッチングによりパターニングしておき、ヒド
ラジン水溶液や水酸化カリウム（ＫＯＨ）等による異方
性エッチングにより作成することができる。The cross-linked structure has a silicon oxide film (SiOx), a silicon nitride film (SiNy), and a silicon oxynitride (SiO).
Although it can be formed of an xNy) film or the like, it is particularly preferably formed of a silicon oxynitride film.
The silicon oxynitride film has the properties of both a silicon oxide film and a silicon nitride film, and therefore has a good stress balance and can form a stable crosslinked structure. In this cross-linked portion, for example, silicon oxynitride films are formed on both surfaces of a silicon substrate, and one surface is previously patterned by etching into a cross-linked structure and the other surface is formed into a window shape having an arbitrary size. It can be formed by anisotropic etching using an aqueous solution or potassium hydroxide (KOH).
【００１２】真空封止手段は、具体的には、センサ基板
の両面に接合された蓋体（表蓋および裏蓋）であり、一
方の蓋体をセンサ基板の一面に接合させた後、真空中に
おいて他方の蓋体をセンサ基板の他面に接合させること
により真空状態に封止することができる。蓋体として
は、シリコン基板を用いることができ、この場合一対の
赤外線感温膜のうち一方の赤外線感温膜に選択的に赤外
線を導くためにシリコンの両面には、アルミニウム膜等
の赤外線反射膜を設け、この赤外線反射膜に部分的に窓
（開口部）を設けた構成とすることが好ましい。The vacuum sealing means is specifically a lid body (front lid and back lid) joined to both sides of the sensor substrate. After one lid body is joined to one surface of the sensor substrate, By bonding the other lid body to the other surface of the sensor substrate, it is possible to seal in a vacuum state. As the lid, a silicon substrate can be used. In this case, in order to selectively guide infrared rays to one infrared thermosensitive film of the pair of infrared thermosensitive films, an infrared reflection such as an aluminum film is provided on both sides of the silicon. It is preferable that a film is provided and a window (opening) is partially provided in the infrared reflection film.
【００１３】蓋体の接合手段としては、たとえば半田接
合法や陽極接合法がある。陽極接合は、ガラス（たとえ
ばパイレックスガラス）とシリコンとを接合させる技術
で、シリコン基板とガラスとの界面にあるシリコンと酸
素との共有結合によりガラス／シリコン界面が接合され
ると言われている。この陽極接合法を用いる場合には、
赤外線センサの感温膜周辺を真空に保つために、この接
合を真空下で行い、真空封止する。この真空封止のため
には、シリコンによる表蓋とシリコンのセンサ基板、シ
リコンの裏蓋とシリコンのセンサ基板との間にそれぞれ
ガラス層が必要であり、表蓋かセンサ基板のどちらか一
方、裏蓋かセンサ基板のどちらか一方に、たとえばスパ
ッタリング法によりガラス薄膜を設ける必要がある。Examples of means for joining the lid include a solder joining method and an anodic joining method. Anodic bonding is a technique for bonding glass (for example, Pyrex glass) and silicon, and it is said that the glass / silicon interface is bonded by the covalent bond between silicon and oxygen at the interface between the silicon substrate and the glass. When using this anodic bonding method,
In order to maintain a vacuum around the temperature sensitive film of the infrared sensor, this bonding is performed under vacuum and vacuum sealed. For this vacuum sealing, a glass layer is required between the silicon front cover and the silicon sensor substrate, and the silicon back cover and the silicon sensor substrate. Either the front cover or the sensor substrate, It is necessary to provide a glass thin film on either the back cover or the sensor substrate by, for example, the sputtering method.
【００１４】この陽極接合による蓋体の接合方法を、さ
らに具体的に説明する。まず、カソード上に裏蓋を作製
したウエハ（裏蓋用ウエハ）をのせ、その上にセンサ本
体を作製したウエハ（センサ本体用ウエハ）を置く。こ
こで、裏蓋の接触面にはあらかじめスパッタリングによ
り低融点ガラスを成膜しておく。次に、センサ本体用ウ
エハ上に針上の電極を立て、カソードとの間に３０〜１
００Ｖの直流電圧を印加する。陽極接合の進行は、電流
値をモニタすることにより行う。通常、電流値は単調減
少をして漏れ電流のレベル（試料の面積によるが、通常
１ｍＡ程度）で終了する。そして、この状態で、ヘリウ
ムリークディテクタを用い接合部のリークテストを行
う。次に、同様の方法で、この接合済みのウエハと表蓋
を作製した（表蓋用ウエハ）との接合を行う。この接合
以降の作業は、センサ本体を真空封止するために、真空
チャンバ内で行う。真空中での両者の位置合わせは、大
気中と同様の作業が不可能であるので、真空用のぞき窓
（石英製）を通して赤外線スコープで行う。また、真空
排気の際には、密封空間の部分の排気のために、排気の
コンダクタンスを十分取るように両者の間隔を開け、真
空度が１０-5Torr以下であることを確認した後に接触さ
せ接合させる。なお、表蓋や裏蓋をガラスで形成した場
合には、ガラス薄膜の必要がなく、そのまま両者を接合
できる。The method of joining the lids by this anodic bonding will be described more specifically. First, a wafer with a back lid (wafer for back lid) is placed on the cathode, and a wafer with a sensor body (wafer for sensor body) is placed thereon. Here, a low-melting glass is formed in advance on the contact surface of the back cover by sputtering. Next, an electrode on the needle is erected on the wafer for the sensor body, and 30 to 1 is placed between the electrode and the cathode.
A direct current voltage of 00V is applied. The progress of anodic bonding is performed by monitoring the current value. Usually, the current value monotonically decreases and ends at the level of leakage current (normally about 1 mA, depending on the area of the sample). Then, in this state, a helium leak detector is used to perform a leak test on the joint. Next, by the same method, the bonded wafer and the wafer for which the front cover is manufactured (front cover wafer) are bonded. The work after this bonding is performed in a vacuum chamber in order to vacuum seal the sensor body. Since the same work as in the atmosphere cannot be performed for alignment between the two in a vacuum, an infrared scope is used through a vacuum observation window (made of quartz). In addition, during vacuum evacuation, in order to evacuate the sealed space, a space is provided between the two to ensure sufficient conductance of the evacuation, and after confirming that the degree of vacuum is 10 -5 Torr or less, contact them. Join. When the front cover and the back cover are made of glass, the glass thin film is not necessary and the both can be bonded as they are.
【００１５】[0015]
【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。Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
【００１６】図１は本発明の一実施例に係る赤外線セン
サ１０の構成を表すものである。本実施例の赤外線セン
サ１０は、センサ基板としてシリコン基板（多結晶シリ
コン）１１を有し、このシリコン基板１１には２つの空
洞部１４ａ、１４ｂが形成されている。これら空洞部１
４ａ、１４ｂはそれぞれシリコン基板１１の上下面に開
口している。シリコン基板１１の下面には、２本の架橋
部１２ａ、１２ｂを有するシリコンオキシナイトライド
(SiOxNy)膜１２が形成されている。架橋部１２ａ、１２
ｂの各中央部の下面には赤外線感温膜１３ａ、１３ｂが
設けられている。これら赤外線感温膜１３ａ、１３ｂ
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。赤外線感温膜１３ａ、１３ｂに
は、図示しないがアルミニウム（Ａl ）膜により形成さ
れた電極配線層の一端部が電気的に接続され、この電極
配線層の他端部はシリコン基板１１の下面の周縁部に形
成された電極パッド１５ａ、１５ｂに接続されている。FIG. 1 shows the structure of an infrared sensor 10 according to an embodiment of the present invention. The infrared sensor 10 of this embodiment has a silicon substrate (polycrystalline silicon) 11 as a sensor substrate, and the silicon substrate 11 has two cavities 14a and 14b formed therein. These cavities 1
4a and 14b are opened on the upper and lower surfaces of the silicon substrate 11, respectively. On the lower surface of the silicon substrate 11, silicon oxynitride having two bridging portions 12a and 12b.
A (SiOxNy) film 12 is formed. Bridging part 12a, 12
Infrared temperature sensitive films 13a and 13b are provided on the lower surface of each central portion of b. These infrared temperature sensitive films 13a and 13b
Is formed of, for example, amorphous germanium (a-Ge). Although not shown, one end of an electrode wiring layer formed of an aluminum (Al) film is electrically connected to the infrared temperature-sensitive films 13a and 13b, and the other end of the electrode wiring layer is formed on the lower surface of the silicon substrate 11. It is connected to the electrode pads 15a and 15b formed on the peripheral portion.
【００１７】シリコン基板１１の上面にはシリコンオキ
シナイトライド膜１６が形成され、このシリコンオキシ
ナイトライド膜１６の上面に表蓋１７が接合されてい
る。表蓋１７はシリコン基板１８により形成されてお
り、その表裏の両面にはそれぞれ赤外線反射防止膜１９
ａ、１９ｂが設けられている。これら赤外線反射防止膜
１９ａ、１９ｂの各表面には、たとえばアルミニウム
（Ａｌ）により形成された赤外線遮蔽膜２０ａ、２０ｂ
が形成され、これら赤外線遮蔽膜２０ａ、２０ｂの図に
おいて右側の赤外線感温膜１３ａに対向する位置には赤
外線案内用の開口部２１が設けられている。この表蓋１
７はたとえば高融点半田接合法によりシリコンオキシナ
イトライド膜１６に接合される。A silicon oxynitride film 16 is formed on the upper surface of the silicon substrate 11, and a front cover 17 is bonded to the upper surface of the silicon oxynitride film 16. The front lid 17 is formed of a silicon substrate 18, and an infrared antireflection film 19 is formed on each of the front and back surfaces thereof.
a and 19b are provided. The infrared shielding films 20a and 20b formed of, for example, aluminum (Al) are formed on the respective surfaces of the infrared reflection preventing films 19a and 19b.
The infrared shielding films 20a and 20b are provided with an infrared guide opening 21 at a position facing the infrared temperature sensitive film 13a on the right side in the drawing. This front cover 1
7 is bonded to the silicon oxynitride film 16 by, for example, a high melting point solder bonding method.
【００１８】一方、シリコン基板１１の下面には裏蓋２
２が接合されている。この裏蓋２２は表蓋１７と同様に
シリコン基板２３により形成されており、その上面には
シリコン基板１１の空洞部１４ａ、１４ｂ各々に対向し
て堀込み部２３ａ、２３ｂが形成されている。これら堀
込み部２３ａ、２３ｂ間は連通部２４を介して連通して
いる。裏蓋２２はシリコンオキシナイトライド膜１２に
真空雰囲気中において高融点半田接合または陽極接合法
により接合されており、その結果シリコン基板１１の空
洞部１４ａ、１４ｂと裏蓋２２の堀込み部２３ａ、２３
ｂ内の赤外線感温膜１３ａ、１３ｂはそれぞれ同一真空
度の状態に封止されている。On the other hand, a back cover 2 is provided on the lower surface of the silicon substrate 11.
Two are joined. The back cover 22 is formed of a silicon substrate 23 similarly to the front cover 17, and has recesses 23a and 23b formed on the upper surface thereof so as to face the cavities 14a and 14b of the silicon substrate 11, respectively. The dug portions 23a and 23b communicate with each other via a communication portion 24. The back cover 22 is bonded to the silicon oxynitride film 12 by a high melting point solder bonding or anodic bonding method in a vacuum atmosphere, and as a result, the hollow portions 14a and 14b of the silicon substrate 11 and the dug portion 23a of the back cover 22 are formed. 23
The infrared temperature sensitive films 13a and 13b in b are sealed in the same vacuum state.
【００１９】空洞部１４ａ、１４ｂおよび堀込み部２３
ａ、２３ｂの各壁面にはそれぞれたとえばニッケル（Ｎ
ｉ）により形成された赤外線反射膜２５が設けられてお
り、一方の赤外線感温膜１３ａ側へ入射した赤外線の他
方の赤外線感温膜１３ｂへの入射を防止している。裏蓋
２２の周縁部の電極パッド１５ａ、１５ｂにはＦＰＣ
（フレキシブル・プリント・サーキット）基板２６が電
気的に接続されている。赤外線センサ１０全体は銅（Ｃ
ｕ）により形成された台座２７により支持されている。
台座２７の中央部には凹部２８が形成され、この凹部２
８に裏蓋２２が低融点半田接合法により接合されてい
る。Cavities 14a, 14b and recess 23
For example, nickel (N
The infrared reflecting film 25 formed by i) is provided to prevent the infrared rays incident on one infrared temperature sensitive film 13a side from entering the other infrared temperature sensitive film 13b. The FPC is attached to the electrode pads 15a and 15b on the periphery of the back cover 22.
A (flexible printed circuit) substrate 26 is electrically connected. The entire infrared sensor 10 is made of copper (C
It is supported by a pedestal 27 formed by u).
A recess 28 is formed in the center of the pedestal 27.
The back cover 22 is joined to the No. 8 by the low melting point solder joining method.
【００２０】この赤外線センサでは、赤外線は図の上方
から表蓋１７の開口部２１および空洞部１４ａを通して
一方の赤外線感温膜１３ａに選択的に入射される。他方
の赤外線感温膜１４ｂでは赤外線遮蔽膜２０ａ、２０ｂ
により赤外線の入射が遮蔽される。この赤外線が入射さ
れる赤外線感温膜１３ａと赤外線が遮蔽される赤外線感
温膜１３ｂとの差動出力がＦＰＣ基板２６を介して検出
される。ここで、空洞部１４ａおよび堀込み部２３ａ内
の赤外線感温膜１３ａの周囲は真空状態に保持されてい
るため、入射した赤外線のエネルギー量が大気を通じて
失われることがなく、微量な被検体からの赤外線を効率
よく吸収でき、応答感度が向上する。一方、他方の空洞
部１４ｂおよび堀込み部２３ｂ内の赤外線感温膜１３ｂ
も同じ程度の真空状態に保持されているため、２つの赤
外線感温膜１３ａ、１３ｂ間の作動出力により真の赤外
線量を検出することができる。In this infrared sensor, infrared rays are selectively incident on one infrared temperature-sensitive film 13a from above in the figure through the opening 21 and the cavity 14a of the front cover 17. On the other infrared temperature-sensitive film 14b, the infrared shielding films 20a and 20b are provided.
The infrared rays are blocked by this. The differential output between the infrared temperature sensitive film 13a on which the infrared rays are incident and the infrared temperature sensitive film 13b on which the infrared rays are blocked is detected via the FPC board 26. Here, since the surroundings of the infrared temperature-sensitive film 13a in the hollow portion 14a and the dug portion 23a are kept in a vacuum state, the energy amount of the incident infrared rays is not lost through the atmosphere, and a small amount of the object The infrared rays can be efficiently absorbed, and the response sensitivity is improved. On the other hand, the infrared temperature-sensitive film 13b in the other cavity 14b and the dug portion 23b.
Since the same vacuum state is maintained, the true infrared ray amount can be detected by the operation output between the two infrared ray temperature sensitive films 13a and 13b.
【００２１】（第１の実験例）(First Experimental Example)
【００２２】図２は本発明の赤外線センサによる効果を
確認するために行った実験システムの概略構成を表すも
のである。ここでは、光源３１として出力波長６７３ｎ
ｍの半導体レーザを用いた。この半導体レーザの出力光
をレンズ３２により赤外線センサ１０の一方の赤外線感
温膜１３ａに集光させ、この赤外線感温膜１３ａと赤外
線感温膜１３ｂとの差動出力を得た。なお、半導体レー
ザの出力は赤外線感温膜１３ａの応答感度を見るために
パルス状とした。FIG. 2 shows a schematic configuration of an experimental system conducted to confirm the effect of the infrared sensor of the present invention. Here, the output wavelength 673n is used as the light source 31.
m semiconductor laser was used. The output light of this semiconductor laser was focused on one infrared thermosensitive film 13a of the infrared sensor 10 by the lens 32 to obtain a differential output between the infrared thermosensitive film 13a and the infrared thermosensitive film 13b. The output of the semiconductor laser is pulsed in order to see the response sensitivity of the infrared temperature sensitive film 13a.
【００２３】図４は比較例として、赤外線センサ１０を
大気中にセットして実験を行った結果（時間Ｔと温度上
昇値ｄＴとの関係）を示すもので、この場合には半導体
レーザの出力に応答した差動出力を明確に検出できなか
った。これに対して、図３は赤外線センサ１０を真空中
（３．２×１０-5Torr）にセットして同じ条件で実験を
行った結果を示すもので、大気中の場合に比べて差動出
力が明確に検出され、応答感度が向上していることがわ
かった。また、図５は上記実験を真空度Ｐを変化させて
行い、大気中の測定結果と比較して示すものである。こ
こで、データ中の括弧内が大気中の場合に対する比較値
を表している。真空度Ｐが１．０Torrのときから効果が
明確に現れ（１．５倍）、約１０-3Torrになると約２０
倍となった。真空度がそれ以下では、１０-3Torrの場合
とほぼ同等の応答が得られた。As a comparative example, FIG. 4 shows the result of the experiment (relationship between the time T and the temperature rise value dT) with the infrared sensor 10 set in the atmosphere. In this case, the output of the semiconductor laser is shown. The differential output in response to was not clearly detected. On the other hand, FIG. 3 shows the result of the experiment conducted under the same conditions with the infrared sensor 10 set in a vacuum (3.2 × 10 −5 Torr), which is different from that in the atmosphere. It was found that the output was clearly detected and the response sensitivity was improved. Further, FIG. 5 shows the above-mentioned experiment by changing the vacuum degree P and comparing with the measurement result in the atmosphere. Here, the values in parentheses in the data represent comparative values for the case of the atmosphere. The effect becomes clear (1.5 times) when the vacuum degree P is 1.0 Torr, and about 20 -3 when it becomes about 10 -3 Torr.
Doubled. When the vacuum degree was lower than that, a response almost equal to that in the case of 10 −3 Torr was obtained.
【００２４】（第２の実験例）(Second Experimental Example)
【００２５】図６は第２の実験例としての赤外線センサ
を表すものである。この実験例では、赤外線センサ１０
をキャンパッケージ４０内に真空封止したもので、赤外
線センサ１０は、ステム４１上に耐熱性エボキシ樹脂を
用いてダイボンディングされている。赤外線遮蔽板４２
はキャンパッケージ４０のリード端子４３上に配設され
ている。ステム４１上にはキャップ４４が半田接合さ
れ、このキャップ４４の上面開口部４５はシリコンによ
り形成された反射防止膜４６で覆われている。反射防止
膜４６はキャップ４４に対して低融点ガラス４７により
固定されている。キャップ４４内の天井面および赤外線
遮蔽板４２上にはそれぞれ、内部ガスを吸着させるため
のゲッター材４８が付着されている。ゲッター材４８と
しては、Ｚｒ（ジルコニウム）とＣ（炭素）との混合粉
末を水で溶いたもの（活性化温度２２５°Ｃ、技研科学
社製）を用いた。FIG. 6 shows an infrared sensor as a second experimental example. In this experimental example, the infrared sensor 10
The infrared sensor 10 is die-bonded on the stem 41 using a heat-resistant epoxy resin. Infrared shielding plate 42
Are arranged on the lead terminals 43 of the can package 40. A cap 44 is soldered onto the stem 41, and an upper surface opening 45 of the cap 44 is covered with an antireflection film 46 made of silicon. The antireflection film 46 is fixed to the cap 44 by a low melting point glass 47. A getter material 48 for adsorbing an internal gas is attached to each of the ceiling surface in the cap 44 and the infrared shielding plate 42. As the getter material 48, a mixed powder of Zr (zirconium) and C (carbon) dissolved in water (activation temperature 225 ° C, manufactured by Giken Kagaku Co., Ltd.) was used.
【００２６】キャンパッケージ４０の真空封止は、ステ
ム４１およびキャップ４４の双方を真空容器内に入れ、
内部を真空引き（３×１０-6Torr）した後、ステム４１
およびキャップ４４をそれぞれヒータにより２３０°Ｃ
まで加熱するとともに、脱ガスを３時間行い、その後、
ステム４１とキャップ４４とをゆっくり合わせて両者を
接合することにより行った。半田は融点２２１°Ｃでフ
ラックス入りのものを用い、大気下でステム４１および
キャップ４４それぞれにあらかじめ半田を溶かしてのせ
ておき、その後、トリクシンを用いて半田表面のフラッ
クスを除去した。The can package 40 is vacuum sealed by placing both the stem 41 and the cap 44 in a vacuum container,
After vacuuming the inside (3 × 10 -6 Torr), the stem 41
And cap 44 by heater at 230 ° C
And degas for 3 hours, then
The stem 41 and the cap 44 were slowly aligned and joined together. The solder used had a melting point of 221 ° C. and contained flux, and the solder was previously melted and placed on the stem 41 and the cap 44 under the atmosphere, and then the flux on the solder surface was removed using trixine.
【００２７】図７は、図６のキャンパッケージ４０を用
いた赤外線センサにより赤外線を測定した結果を示すも
ので、内部を大気とした従来のものものに比較して約１
４倍の感度上昇が得られることが確認できた。FIG. 7 shows the result of measuring infrared rays by the infrared sensor using the can package 40 of FIG. 6, which is about 1 in comparison with the conventional one in which the atmosphere is inside.
It was confirmed that a 4-fold increase in sensitivity was obtained.
【００２８】[0028]
【発明の効果】以上説明したように本発明の赤外線セン
サによれば、赤外線感温膜の周囲を真空状態に封止する
ようにしたので、赤外線感温膜から失われる赤外線のエ
ネルギー量を最小限に抑えることができ、センサ感度が
著しく向上するという効果がある。As described above, according to the infrared sensor of the present invention, since the periphery of the infrared temperature sensitive film is sealed in a vacuum state, the amount of infrared energy lost from the infrared temperature sensitive film is minimized. There is an effect that it can be suppressed to the limit and the sensor sensitivity is remarkably improved.
【図１】本発明の一実施例に係る赤外線センサの縦断面
図である。FIG. 1 is a vertical sectional view of an infrared sensor according to an embodiment of the present invention.
【図２】本発明の第１の実験例に係るシステムの概略構
成を表す図である。FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a system according to a first experimental example of the present invention.
【図３】図２の実験システムによる本発明の測定結果を
表す図である。FIG. 3 is a diagram showing a measurement result of the present invention by the experimental system of FIG.
【図４】本発明に対する大気中での比較例を表す図であ
る。FIG. 4 is a diagram showing a comparative example of the present invention in the atmosphere.
【図５】真空度と温度上昇値との関係を大気中の測定結
果と比較して示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the degree of vacuum and the temperature rise value in comparison with the measurement result in the atmosphere.
【図６】本発明の第２の実験例を説明するためのキャン
パッケージの断面構成図である。FIG. 6 is a sectional configuration diagram of a can package for explaining a second experimental example of the present invention.
【図７】第２の実験例の測定結果を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing measurement results of a second experimental example.
１０ 赤外線センサ １１ シリコン基板 １２ａ、１２ｂ 架橋部 １３ａ、１３ｂ 赤外線感温膜 １４ａ、１４ｂ 空洞部 １７ 表蓋 ２２ 裏蓋 10 Infrared Sensor 11 Silicon Substrate 12a, 12b Cross-Linking Part 13a, 13b Infrared Thermosensitive Film 14a, 14b Cavity Part 17 Front Cover 22 Back Cover
─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成５年１月２９日[Submission date] January 29, 1993
【手続補正１】[Procedure Amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００１４[Correction target item name] 0014
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【００１４】この陽極接合による蓋体の接合方法を、さ
らに具体的に説明する。まず、カソード上に裏蓋を作製
したウエハ（裏蓋用ウエハ）をのせ、その上にセンサ本
体を作製したウエハ（センサ本体用ウエハ）を置く。こ
こで、裏蓋の接触面にはあらかじめスパッタリングによ
り低融点ガラスを成膜しておく。次に、センサ本体用ウ
エハ上に針上の電極を立て、カソードとの間に３０〜１
００Ｖの直流電圧を印加する。陽極接合の進行は、電流
値をモニタすることにより行う。通常、電流値は単調減
少をして漏れ電流のレベル（試料の面積によるが、通常
１ｍＡ程度）で終了する。そして、この状態で、ヘリウ
ムリークディテクタを用い接合部のリークテストを行
う。次に、同様の方法で、この接合済みのウエハと表蓋
を作製した（表蓋用ウエハ）との接合を行う。この接合
以降の作業は、センサ本体を真空封止するために、真空
チャンバ内で行う。真空中での両者の位置合わせは、大
気中と同様の作業が不可能であるので、真空用のぞき窓
（石英製）を通して赤外線スコープで行う。また、真空
排気の際には、密封空間の部分の排気のために、排気の
コンダクタンスを十分取るように両者の間隔を開け、真
空度が１０-5Torr以下であることを確認した後に接触さ
せ接合させる。なお、表蓋や裏蓋をガラスで形成した場
合には、ガラス薄膜の必要がなく、そのまま両者を接合
できる。また、上記のようにシリコン基板とシリコンの
蓋とを用いた場合、どちらも単結晶で構成すると、単結
晶性のため含有ガスが極めて少なく、かつ外部からのガ
スの透過も極めて少ないので、空洞部の真空保持には好
適である。The method of joining the lids by this anodic bonding will be described more specifically. First, a wafer with a back lid (wafer for back lid) is placed on the cathode, and a wafer with a sensor body (wafer for sensor body) is placed thereon. Here, a low-melting glass is formed in advance on the contact surface of the back cover by sputtering. Next, an electrode on the needle is erected on the wafer for the sensor body, and 30 to 1 is placed between the electrode and the cathode.
A direct current voltage of 00V is applied. The progress of anodic bonding is performed by monitoring the current value. Usually, the current value monotonically decreases and ends at the level of leakage current (normally about 1 mA, depending on the area of the sample). Then, in this state, a helium leak detector is used to perform a leak test on the joint. Next, by the same method, the bonded wafer and the wafer for which the front cover is manufactured (front cover wafer) are bonded. The work after this bonding is performed in a vacuum chamber in order to vacuum seal the sensor body. Since the same work as in the atmosphere cannot be performed for alignment between the two in a vacuum, an infrared scope is used through a vacuum observation window (made of quartz). In addition, during vacuum evacuation, in order to evacuate the sealed space, a space is provided between the two to ensure sufficient conductance of the evacuation, and after confirming that the degree of vacuum is 10 -5 Torr or less, contact them. Join. When the front cover and the back cover are made of glass, the glass thin film is not necessary and the both can be bonded as they are. Further, when the silicon substrate and the silicon lid are used as described above, if both are made of single crystal, the content gas is extremely small because of single crystallinity, and the gas permeation from the outside is also extremely small. It is suitable for holding a vacuum in a part.
【手続補正２】[Procedure Amendment 2]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００１６[Correction target item name] 0016
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【００１６】図１は本発明の一実施例に係る赤外線セン
サ１０の構成を表すものである。本実施例の赤外線セン
サ１０は、センサ基板としてシリコン基板（単結晶シリ
コン）１１を有し、このシリコン基板１１には２つの空
洞部１４ａ、１４ｂが形成されている。これら空洞部１
４ａ、１４ｂはそれぞれシリコン基板１１の上下面に開
口している。シリコン基板１１の下面には、２本の架橋
部１２ａ、１２ｂを有するシリコンオキシナイトライド
(SiOxNy)膜１２が形成されている。架橋部１２ａ、１２
ｂの各中央部の下面には赤外線感温膜１３ａ、１３ｂが
設けられている。これら赤外線感温膜１３ａ、１３ｂ
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。赤外線感温膜１３ａ、１３ｂに
は、図示しないがアルミニウム（Ａl ）膜により形成さ
れた電極配線層の一端部が電気的に接続され、この電極
配線層の他端部はシリコン基板１１の下面の周縁部に形
成された電極パッド１５ａ、１５ｂに接続されている。FIG. 1 shows the structure of an infrared sensor 10 according to an embodiment of the present invention. The infrared sensor 10 of the present embodiment has a silicon substrate (single crystal silicon) 11 as a sensor substrate, and the silicon substrate 11 is formed with two cavities 14a and 14b. These cavities 1
4a and 14b are opened on the upper and lower surfaces of the silicon substrate 11, respectively. On the lower surface of the silicon substrate 11, silicon oxynitride having two bridging portions 12a and 12b.
A (SiOxNy) film 12 is formed. Bridging part 12a, 12
Infrared temperature sensitive films 13a and 13b are provided on the lower surface of each central portion of b. These infrared temperature sensitive films 13a and 13b
Is formed of, for example, amorphous germanium (a-Ge). Although not shown, one end of an electrode wiring layer formed of an aluminum (Al) film is electrically connected to the infrared temperature-sensitive films 13a and 13b, and the other end of the electrode wiring layer is formed on the lower surface of the silicon substrate 11. It is connected to the electrode pads 15a and 15b formed on the peripheral portion.
【手続補正３】[Procedure 3]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００１８[Correction target item name] 0018
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【００１８】一方、シリコン基板１１の下面には裏蓋２
２が接合されている。この裏蓋２２は表蓋１７と同様に
シリコンにより形成されており、その上面にはシリコン
基板１１の空洞部１４ａ、１４ｂ各々に対向して堀込み
部２３ａ、２３ｂが形成されている。これら堀込み部２
３ａ、２３ｂ間は連通部２４を介して連通している。裏
蓋２２はシリコンオキシナイトライド膜１２に真空雰囲
気中において高融点半田接合または陽極接合法により接
合されており、その結果シリコン基板１１の空洞部１４
ａ、１４ｂと裏蓋２２の堀込み部２３ａ、２３ｂ内の赤
外線感温膜１３ａ、１３ｂはそれぞれ同一真空度の状態
に封止されている。On the other hand, a back cover 2 is provided on the lower surface of the silicon substrate 11.
Two are joined. The back cover 22 is made of silicon similarly to the front cover 17, and has recesses 23a and 23b formed on the upper surface thereof so as to face the cavities 14a and 14b of the silicon substrate 11, respectively. These moat 2
3a and 23b are communicated with each other via a communication portion 24. The back cover 22 is bonded to the silicon oxynitride film 12 in a vacuum atmosphere by high melting point solder bonding or anodic bonding, and as a result, the cavity 14 of the silicon substrate 11 is bonded.
a and 14b and the infrared temperature sensitive films 13a and 13b in the dug portions 23a and 23b of the back cover 22 are sealed in the same vacuum state.
【手続補正４】[Procedure amendment 4]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】００２６[Correction target item name] 0026
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【００２６】キャンパッケージ４０の真空封止は、ステ
ム４１およびキャップ４４の双方を真空容器内に入れ、
内部を真空引き（３×１０-6Torr）した後、ステム４１
およびキャップ４４をそれぞれヒータにより２３０°Ｃ
まで加熱するとともに、脱ガスを３時間行い、その後、
ステム４１とキャップ４４とをゆっくり合わせて両者を
接合することにより行った。半田は融点２２１°Ｃでフ
ラックス入りのものを用い、大気下でステム４１および
キャップ４４それぞれにあらかじめ半田を溶かしてのせ
ておき、その後、トリクレンを用いて半田表面のフラッ
クスを除去した。The can package 40 is vacuum sealed by placing both the stem 41 and the cap 44 in a vacuum container,
After vacuuming the inside (3 × 10 -6 Torr), the stem 41
And cap 44 by heater at 230 ° C
And degas for 3 hours, then
The stem 41 and the cap 44 were slowly aligned and joined together. A solder having a melting point of 221 ° C. and containing flux was used. The solder was previously melted on the stem 41 and the cap 44 under the atmosphere, and then the flux on the solder surface was removed by using trichlene.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小松 清 神奈川県足柄上郡中井町井ノ口1500番地 テルモ株式会社内 (72)発明者 森 武寿 神奈川県足柄上郡中井町井ノ口1500番地 テルモ株式会社内 (72)発明者 木村 光照 宮城県宮城郡七ケ浜町汐見台３丁目２番地 56号 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Kiyoshi Komatsu 1500 Inoguchi, Nakai-cho, Ashigaragami-gun, Kanagawa Terumo Corporation (72) Inventor Takeshi Mori 1500, Inoguchi, Nakai-cho, Ashigagami-gun, Kanagawa Terumo Corporation (72) Inventor Mitsuteru Kimura No. 56, 3-2 Shiomidai, Shichigahama-cho, Miyagi-gun, Miyagi Prefecture
Claims (1)
膜が配設されたセンサ基板と、 このセンサ基板の前記空洞部を覆い、前記赤外線感温膜
の周囲を真空に封止する真空封止手段とを備えたことを
特徴とする赤外線センサ。1. A sensor substrate having a hollow portion, and an infrared thermosensitive film disposed in the hollow portion; and a cavity surrounding the infrared thermosensitive film that covers the hollow portion of the sensor substrate and is sealed in a vacuum. An infrared sensor, comprising:
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| US08/365,036 US5521123A (en) | 1992-04-17 | 1994-12-28 | Infrared sensor and method for production thereof |
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