JPH07120308A

JPH07120308A - 赤外線検出素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH07120308A
Application number: JP26864593A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Yoshida; 仁吉田; Atsushi Sakai; 淳阪井; Chomei Matsushima; 朝明松嶋
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1993-10-27
Filing date: 1993-10-27
Publication date: 1995-05-12

Abstract

(57)【要約】【目的】高集積化、製造時間の短縮を図る。【構成】中空部１３ａを有する 2〜10μm 厚の超薄膜
ウェハ１３と、中空部１３ａを覆って周辺が超薄膜ウェ
ハ１３に支持された熱絶縁膜１４と、その熱絶縁膜１４
上に形成されたサーミスタ１５と、サーミスタ１５に接
続された下部電極１６及び上部電極１７と、サーミスタ
１５の上部に形成された赤外線吸収膜２０と、低熱伝導
性の封入ガス２７とを具備した。【効果】 RIEによるドライエッチングにより、中空部
１３ａを加工でき、集積度を向上させることができると
共に、製造時間の短縮が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、温度変化に伴って抵抗
が変化するサーミスタを用いて、赤外線を検出する熱型
の赤外線検出素子及びその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】赤外線検出素子には、いわゆる量子型と
熱型の２種類のタイプがある。量子型の赤外線検出素子
は、非常に高感度ではあるが、低温に冷却して使用する
必要があり、取扱が難しいと共に、製造コストが高くつ
く。熱型の赤外線検出素子は、感度の点では量子型に及
ばないものの、冷却の必要がなく、構造が簡単で製造コ
ストも安くつくので、各種の実用的な用途に広く使用さ
れている。

【０００３】この熱型の赤外線検出素子には、主なもの
として、焦電素子を用いるもの、熱電対を用いるもの、
抵抗体を用いるものの３種類があり、いずれも、赤外線
の照射による赤外線検出部の熱的挙動、即ち、温度変化
を電気変化に変換して、赤外線を検出する。

【０００４】いずれのタイプにおいても、その感度向上
のためには、赤外線入射時における赤外線検出部の温度
変化を大きくする工夫が必要になる。例えば、人体から
の赤外線放射を捉えて、人間の存在または、接近を検出
しようとする用途に、前述した赤外線素子を用いる場合
には、非常に高い感度の赤外線検出素子が必要になる。

【０００５】赤外線検出素子の感度を高める方法とし
て、例えば、赤外線検出部に赤外線吸収率の大きな材料
を付加しておくことが考えられる。しかし、通常の入手
可能な材料の範囲では、赤外線吸収率を大幅に向上させ
るのには限界がある。別の方法として、赤外線検出部の
熱絶縁性を高めることが考えられる。赤外線が照射され
たときに赤外線検出部で発生する熱を、外部にできるだ
け逃がさないようにすれば、赤外線検出部の温度変化が
大きくなり、検出信号が強くなるのである。

【０００６】赤外線検出部の熱絶縁性を高める方法とし
て、基板の上に薄い熱絶縁膜を介して赤外線検出部を設
けると共に、赤外線検出部の背面の基板を大きく堀り込
んで、いわゆる熱分離空間（中空部）を設け、赤外線検
出部が、薄い熱絶縁膜すなわち薄膜ブリッジのみで、基
板に支持されるようにしておく方法が提案されている。
赤外線検出部から基板への熱の伝達が、薄い熱絶縁膜の
みで行われるので、赤外線検出部から基板へ熱が逃げに
くくなる。このような薄膜ブリッジを用いる技術は、本
件出願人が先に特許出願している特願平2-284779号等に
開示されている。

【０００７】さらに、上記のような薄膜ブリッジ構造を
採用すると共に、赤外線検出部及び薄膜ブリッジ部分
を、真空中に封止しておく方法も提案されている。この
方法によれば、赤外線検出部から、これと接触する周囲
の空気へと熱が逃げることも、良好に防ぐことができる
ようになる。

【０００８】図４に従来の赤外線検出素子の一例を示
す。図において、１はシリコン等の基板、１ａは基板１
を局所的に掘り抜いて形成された、熱分離空間である中
空部、２は基板１上に形成された熱絶縁膜、３はサーミ
スタ、４，５は、サーミスタ３を挟むように形成された
下部電極，上部電極で、６は赤外線吸収層である。さら
に、７は基板１を実装するシュテム、８はシュテム７に
固着されて、内部に実装されたチップを保護するキャッ
プで、キャップ８の上面には、赤外線を取り込むための
窓８ａが形成されており、その窓８ａは、所望の波長の
赤外線を選択的に透過させるフィルタ９によって覆われ
ている。電極４，５は、ボンディングワイヤ１０によ
り、それぞれ、シュテム７に、接着剤１１により固着さ
れたリード端子１２と電気的に接続されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、赤外線
検出部の背面の基板を堀り込んで、中空部１ａを形成す
る工程では、HF-HNO₃系あるいは、KOH 等のエッチング
液を用いて基板１を堀り抜いていた。厚さ 300μm のシ
リコンウェハの複数箇所を局所的に、異方性エッチング
によりスロープ状に堀り抜いて、個々の赤外線検出部を
形成する中空部１ａを形成していたため、隣接する赤外
線検出部間の距離を、比較的大きくとる必要があった。
このことが、素子の高集積化を困難にしていた。また、
エッチング時間が長いという問題点があった。

【００１０】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもの
で、その目的とするところは、高集積化、製造時間の短
縮が図れる赤外線検出素子の構造及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】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の赤外線検出素子は、中空部を有する
2〜10μm 厚の超薄膜ウェハと、前記中空部を覆って周
辺が前記超薄膜ウェハに支持された熱絶縁膜と、その熱
絶縁膜上に形成されたサーミスタと、そのサーミスタに
接続された一対の電極と、前記サーミスタの上部に形成
された赤外線吸収膜と、低熱伝導性の封入ガスとを具備
したことを特徴とするものである。

【００１２】請求項２記載の赤外線検出素子の製造方法
は、請求項１記載の赤外線検出素子の製造方法で、ドラ
イエッチングにより前記超薄膜ウェハをエッチングして
前記中空部を形成することを特徴とするものである。

【００１３】

【作用】本発明の赤外線素子の基板として、超薄膜ウェ
ハを用い、基板の中空部をRIE等のドライエッチングで
形成することにより、高集積化が図れると共に、中空部
の加工時間を大幅に短縮することができる。

【００１４】また、赤外線検出部は、低熱伝導性の封入
ガスにより封止されているので、赤外線検出部の表面か
ら周囲の雰囲気へ流出する熱量を小さくすることができ
る。低熱伝導性の封入ガスがキセノンガスの場合、通常
の空気に比べて、熱伝導率は約 1/5になり、赤外線検出
部から周囲の雰囲気へ流出する熱量を格段に少なくする
ことができる。従って、赤外線検出部に赤外線が照射さ
れて赤外線検出部で発生した熱が、基板あるいは、周囲
の雰囲気に流出することが非常に少なくなり、赤外線検
出部の温度上昇が効率的に行われ、その結果、赤外線の
検出感度が大幅に向上することになる。

【００１５】

【実施例】図１及び図２に基づいて、本発明に係る赤外
線検出素子の一実施例について説明する。図１は、赤外
線検出素子の構造を示す断面図で、図２は、赤外線検出
部を形成したダイアフラム構造の断面図である。図にお
いて、サーミスタを形成した赤外線検出部は、厚み10μ
m の超薄膜ウェハ１３の表面に形成した、1000Å厚の窒
化シリコン１４ａ、4000Å厚の酸化シリコン１４ｂ、10
00Å厚の窒化シリコン１４ｃからなる熱絶縁膜１４上に
形成されている。超薄膜ウェハ１３の一部が、超薄膜ウ
ェハ１３の裏面から熱絶縁膜１４に達するまで除去され
て、中空部１３ａを形成している。この中空部１３ａで
は、熱絶縁膜１４が中空状態で、その外周のみを超薄膜
ウェハ１３に支持されており、いわゆる薄膜ブリッジを
構成している。

【００１６】薄膜ブリッジ上には、アモルファスシリコ
ンからなる厚み 0.6μm のサーミスタ１５、及び、厚み
0.6μm のクロムからなり、サーミスタ１５を挟んで、
上下に配置された一対の電極（下部電極１６、上部電極
１７）がパターン形成されている。下部電極１６及び上
部電極１７で、サーミスタ１５の抵抗値を検出して外部
回路に取り出すことができる。下部電極１６及び上部電
極１７は、薄膜ブリッジ上を外周側に延設され、その端
部には、電極端子１８，１９が設けられている。

【００１７】サーミスタ１５及び下部電極１６及び上部
電極１７のサンドイッチ構造からなる赤外線検出部を覆
って、酸化シリコンからなる赤外線吸収層２０が形成さ
れており、この赤外線吸収層２０で、赤外線の吸収性を
高め、赤外線検出部の温度上昇が良好に行われるように
している。

【００１８】次に、上記のような構造を有する赤外線検
出素子の製造方法の一実施例について説明する。まず、
シリコンの超薄膜ウェハ１３の片面に、プラズマCVD 法
で、窒化シリコン及び、酸化シリコンからなる熱絶縁膜
１４を形成する。この時、導入ガスとして、モノシラン
とアンモニア、及び、モノシランと一酸化炭素を用い、
基板温度40℃、周波数 13.56MHz の処理条件を採用し
た。超薄膜ウェハ１３の反対面には、上記と同様の手段
で、窒化シリコンの薄膜を形成する。

【００１９】熱絶縁膜１４の上に、真空蒸着法により、
基板温度 150℃で厚み 0.2μm のクロムを堆積させる。
この下部電極１６となるクロム層の上に、フォトリソグ
ラフ技術を用いて、レジスト層を形成しパターニングを
行う。このレジストパターンをマスクにして、硝酸セリ
ウムアンモニウムを含むエッチング液で、クロム層をエ
ッチングして、所定パターンの下部電極１６を形成す
る。なお、エッチング終了後は、不要なレジストパター
ンを除去する。

【００２０】次に、プラズマCVD 法で、サーミスタ１５
となるアモルファスシリコン層を堆積させる。このアモ
ルファスシリコン層の上に、前記同様の手段で、レジス
トパターンを形成し、このレジストパターンをマスクに
して、硝酸、酢酸及び、フッ酸からなるエッチング液
で、アモルファスシリコン層をエッチングして、所定パ
ターンのサーミスタ１５を形成する。

【００２１】このサーミスタ１５の上に、前記下部電極
１６の場合と同様の工程を経て、クロムからなる上部電
極１７を形成する。

【００２２】これらのサーミスタ１５及び下部電極１６
及び上部電極１７の上に、前記の熱絶縁膜１４の形成工
程と同様のプラズマCVD 法で、赤外線吸収層２０となる
酸化シリコンの薄膜を堆積させる。さらに、レジストパ
ターンを形成した後、フッ酸及び、フッ化アンモニウム
からなるエッチング液で、酸化シリコン層をエッチング
し、所定パターンの赤外線吸収層２０を形成する。

【００２３】さらに、その上に、真空蒸着法を用いて、
基板温度 150℃で厚み 1.5μm のアルミニウム層を堆積
させる。マスクとなるレジストパターンを形成した後、
燐酸酢酸及び、硝酸からなるエッチング液で、アルミニ
ウム層をエッチングし、所定パターンの電極端子１８，
１９を形成する。

【００２４】次に、超薄膜ウェハ１３の内、上記のよう
な赤外線検出部を形成した面の裏面に、中空部１３ａを
形成するためのレジストパターンを形成する。このレジ
ストパターンをマスクにして、超薄膜ウェハ１３の表面
に予め形成されていた窒化シリコン層を、プラズマエッ
チング法でパターニングする。この時のプラズマエッチ
ング条件は、放電電力 200W 、ガス圧力400mTorrで、導
入ガスに四フッ化炭素を用いる。

【００２５】次に、中空部１３ａの形成であるが、従来
は、６時間の異方性エッチングが必要であったが、厚さ
10μm の超薄膜ウェハを基板に用いることにより、 RIE
によるドライエッチングが可能となり、短時間にエッチ
ングを行うことができる。赤外線検出素子は、金属製の
シュテム２１に接着剤でボンディング接合される。シュ
テム２１の上下面を貫通して、接着剤２２で固定された
リード端子２３と、赤外線検出素子の電極端子１８，１
９が、金からなるワイヤ２４でボンディング接続され、
サーミスタ１５の抵抗値を、リード端子２３から外部に
取り出せるようにする。

【００２６】シュテム２１の上方に、金属製のキャップ
２５を被せ、外周部分をシュテム２１に溶接封止する。
キャップ２５のうち、赤外線検出素子の赤外線検出部と
対峙する位置には、特定の波長の赤外線を選択的に透過
するフィルタ２６が設けられた赤外線入射窓２５ａが形
成されている。フィルタ２６は、シリコン基板の表面に
選択透過膜を堆積させて形成され、波長 5μm 以下をカ
ットするような特性を持たせたものを用い、キャップ２
５の赤外線入射用の窓２５ａに、低融点ガラスを用いて
接着しておく。

【００２７】上記工程で、赤外線検出素子を搭載したシ
ュテム２１をキャップ２５で溶接封止する際に、この溶
接封止作業を、 1気圧のキセノンガスが充填されたチャ
ンバ内で行う。このことにより、パッケージの封入空間
が、低熱伝導性の封入ガスであるキセノンガス２７で満
たされた状態になり、赤外線検出素子の赤外線検出部が
キセノンガス２７の雰囲気中に封入された状態となる。
但し、キセノンガス２７の封入手段としては、パッケー
ジを形成した後、その封入空間にキセノンガス２７を充
填するなど、各種装置における通常のガス封入手段が適
用できる。

【００２８】以上のような構造の赤外線検出素子のダイ
アフラム構造と、従来の赤外線検出素子のダイアフラム
構造との寸法及び形状を図３に示す。図において、
（ａ）は本発明に係る赤外線検出素子のダイアフラム構
造の断面図、（ｂ）は従来の赤外線検出素子のダイアフ
ラム構造の断面図である。図に示すように、従来の赤外
線検出素子のダイアフラム構造では、中空部１ａを異方
性エッチングにより形成していたため、中空部１ａの側
面は、スロープ状に形成されていた、また、基板１の厚
みが 300μm 程度であったため、赤外線検出部２８を、
同一基板上に形成する場合は、必要以上に、隣接する赤
外線検出部２８間の距離をとらなければならず、エッチ
ング時間が長かったのに比べ、本発明の赤外線検出素子
のダイアフラム構造では、基板に超薄膜ウェハ１３を用
いて、 RIE等のドライエッチングにより中空部１３ａを
形成するため、基板を垂直に堀り込むことができるの
で、実装密度を高くすることができると共に、エッチン
グ時間を短くすることができる。

【００２９】また、本発明の赤外線検出素子では、赤外
線検出部が低熱伝導性の封入ガスで覆われているので、
前記した真空封止構造のように、封止後の吸着、吸蔵ガ
スの脱離、外部からのガスの透過などが生じることもな
い。その結果、赤外線検出部を長期間にわたって良好な
熱絶縁状態に維持して高い感度を発揮させることがで
き、赤外線検出素子の寿命を大幅に延ばすことができ
る。

【００３０】特に、低熱伝導性の封入ガスを大気圧程度
の圧力で封入した場合には、外気との圧力差が少ないの
で、外部からのガスの侵入または、吸蔵ガスの脱離など
も起こり難く、多少のガス発生があっても、大部分を占
める低熱伝導性ガスでその影響が消されるので、大きな
問題にはならない。その結果、赤外線検出素子の優れた
性能を長期間にわたって安定して良好に発揮できる。ま
た、赤外線検出部を封入する工程が、真空封止を行う工
程に比べて、はるかに簡単かつ能率的に行えるようにな
る。

【００３１】さらに、低熱伝導性の封入ガスが、キセノ
ンガスのような分子の大きなガスであれば、気密不良部
分あるいは、封止不良部分があっても、そこからガスが
抜けてしまうことがなく、低熱伝導性の封入ガスの効果
を長期間にわたって良好に発揮できる。低熱伝導性の封
入ガスが不活性であれば、赤外線検出部を構成している
材料の腐食、汚染等を防止することができ、赤外線検出
部の各構成部材の機能及び性能を長期間にわたって良好
に発揮させることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明に係る赤外
線検出素子及びその製造方法によれば、赤外線検出部を
形成する基板に、超薄膜ウェハを用いるように構成した
ので、RIEによるドライエッチングにより、中空部を加
工することができ、赤外線検出素子の集積度を向上させ
ることができると共に、製造時間の短縮を図ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る赤外線検出素子の一実施例を示す
断面図である。

【図２】本発明に係る赤外線検出素子のダイアフラム構
造を示す断面図である。

【図３】本発明に係る赤外線検出素子のダイアフラム構
造と、従来の赤外線検出素子のダイアフラム構造の寸法
及び形状を比較した断面図である。

【図４】従来の赤外線検出素子の一例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１３超薄膜ウェハ１３ａ中空部１４熱絶縁膜１５サーミスタ１６下部電極１７上部電極１８，１９電極端子２０赤外線吸収層２１シュテム２２接着剤２３リード端子２４ワイヤ２５キャップ２５ａ窓２６フィルタ２７キセノンガス（低熱伝導性の封入ガス）２８赤外線検出部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中空部を有する 2〜10μm 厚の超薄膜ウ
ェハと、前記中空部を覆って周辺が前記超薄膜ウェハに
支持された熱絶縁膜と、その熱絶縁膜上に形成されたサ
ーミスタと、そのサーミスタに接続された一対の電極
と、前記サーミスタの上部に形成された赤外線吸収膜
と、低熱伝導性の封入ガスとを具備したことを特徴とす
る赤外線検出素子。
【請求項２】ドライエッチングにより前記超薄膜ウェ
ハをエッチングして前記中空部を形成することを特徴と
する請求項１記載の赤外線検出素子の製造方法。