JPH0989773A - 赤外線ガス分析計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来にない超小型の赤外線ガス分析計を提供
すること。 【解決手段】 上面にガス拡散用穴１１を有し、下面に
導波管状の蛇行した溝１２を有する第１のシリコンウェ
ハ１０と、前記溝の一端部側に対応して形成された光通
過用孔２１と、前記溝の他端側に対応して形成された光
学フィルタ２２とを備え、前記溝の開口側を閉塞するよ
うに接合され、第１のシリコンウェハとともにセル１３
を構成する第２のシリコンウェハ２０と、前記光通過用
孔に対応する位置にマイクロ赤外光源３１を有し、前記
光学フィルタに対応する位置に薄膜赤外線センサアレイ
３２を形成した第３のシリコンウェハ３０とをこの順に
重ね合わせて接合して分析部Ｘを構成し、この分析部を
ステムＹ上にマウントして、ワンチップタイプのガス分
析計とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、赤外線ガス分析
計に関し、特に、超小型の赤外線ガス分析計に関する。

【０００２】

【発明の背景】赤外線ガス分析計は、赤外線活性なガス
が固有の波長で赤外線を吸収する性質を利用してサンプ
ルガス中の特定のガス成分を検出するものであり、従来
より広く用いられてきている。

【０００３】ところで、前記ガスにおける吸収係数は、
ガスによって決まっており、赤外線の吸収でガスの濃度
を測定しようとすれば、最低でも数ｃｍの光路長が必要
である。つまり、光源などの光学素子をいかに小さくし
ても、光学系全体を小さくすることはできなかった。

【０００４】一方、フォトリソグラフィー技術の進歩は
目ざましいものがあり、この技術を使って様々な微小光
学系素子を作ることが報告されており、その中には、赤
外光源や赤外線検出器に関するものがある。しかしなが
ら、現在のところ、半導体基板内に赤外線ガス分析計を
作るといった発想はない。

【０００５】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、従来にない超小型の赤外線ガス
分析計を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の赤外線ガス分析計は、フォトリソグラフ
ィーによるマイクロマシニング技術を用い、三層構造の
半導体基板内に、セル、赤外光源、光学フィルタおよび
赤外線検出器からなる分析部を形成し、これをステム上
に載せてワンチップ化し、このワンチップの分析部を信
号処理用のプリント基板上にマウントして使用すること
を特徴としている。

【０００７】より具体的には、上面にガス拡散用穴を有
し、下面に導波管状の蛇行した溝を有する第１のシリコ
ンウェハと、前記溝の一端部側に対応して形成された光
通過用孔と、前記溝の他端側に対応して形成された光学
フィルタとを備え、前記溝の開口側を閉塞するように接
合され、第１のシリコンウェハとともにセルを構成する
第２のシリコンウェハと、前記光通過用孔に対応する位
置にマイクロ赤外光源を有し、前記光学フィルタに対応
する位置に薄膜赤外線センサアレイを形成した第３のシ
リコンウェハとをこの順に重ね合わせて接合し、ステム
上に載せてワンチップタイプの分析部を構成し、この分
析部を信号処理用のプリント基板上にマウントして使用
することを特徴としている。

【０００８】この発明の赤外線ガス分析計は、フォトリ
ソグラフィーによる一括加工によって、同一基板内に機
械部品、光学部品、電気回路などを集積することがで
き、量産化によって、赤外線ガス分析計の信頼性を高
め、低価格化を図ることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の詳細を、図を参
照しながら説明する。

【００１０】図１〜図６は、この発明の一つの実施の形
態を示し、まず、図１は、この発明の赤外線ガス分析計
の一例を概略的に示す分解斜視図で、この図に示すよう
に、この発明の赤外線ガス分析計は、三層構造よりな
り、３枚のシリコンウェハ１０，２０，３０からなる分
析部Ｘと、ステムＹとからなる。

【００１１】そして、図２は、分析部Ｘの一例を示す断
面図で、第１のシリコンウェハ１０には、その上面にガ
ス拡散用穴１１が形成されるとともに、下面に蛇行した
導波管状の溝１２が形成されている。第２のシリコンウ
ェハ２０には、溝１２の一端部側１２ａに対応して貫通
孔２１が形成されるとともに、溝１２の他端側１２ｂに
対応して光学フィルタ２２が形成されている。そして、
溝１２は、第１のシリコンウェハ１０と第２のシリコン
ウェハ２０とが気密に接合されることによりセル１３を
形成する。第３のシリコンウェハ３０は、二つ３０１，
３０２に区分され、一方のシリコンウェハ３０１には、
貫通孔２１に対応する位置にマイクロ赤外光源３１が設
けられており、他方のシリコンウェハ３０２には、光学
フィルタ２２に対応する位置に薄膜赤外線センサアレイ
３２が設けられている。

【００１２】なお、第３のシリコンウェハ３０におい
て、二つ３０１，３０２に区分されている理由は、マイ
クロ赤外光源３１による熱が薄膜赤外線センサアレイ３
２に伝わらないようにするためである。

【００１３】上記３枚のシリコンウェハ１０，２０，３
０はこの順に重ね合わせられ、シリコンウェハ１０と２
０とを、Ａｕ（金）を介したシリコンウェハどうしの拡
散接合によって接合し、シリコンウェハ２０と３０と
を、ＳｉＯ₂ 膜を介した直接接合によって接合して分析
部Ｘとする。この分析部ＸをステムＹに載せ、チップマ
ウント技術によってプリアンプなどとともにワンチップ
化し、光源変調および信号処理などを行う回路基板（図
示してない）上にマウントすることにより、所望の超小
型の赤外線ガス分析計が得られる。

【００１４】そして、上記構成の赤外線ガス分析計は、
マイクロ赤外光源３１でセル１３内を照射している状態
において、サンプルガスがガス拡散用穴１１を介してセ
ル１２内に入る。前記マイクロ赤外光源３１からの赤外
光は、セル１３内のサンプルガスによる吸収を受けなが
ら薄膜赤外線センサアレイ３２に受光され、所望の成分
の測定が行われる。

【００１５】上記構成の赤外線ガス分析計の作成方法の
一例を、シリコンウェハごとに分けて詳細に説明する。
ここで用いられるシリコンウェハ１０，２０，３０は、
例えば縦４０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ５００μｍのシリ
コン単結晶（１００）基板である。

【００１６】まず、第１のシリコンウェハ１０に、ガス
拡散用穴１１およびセル１２を形成する手順の一例を、
図３を参照しながら説明する。

【００１７】シリコンウェハ１０の両面（以下、上面側
をＡ面、下面側をＢ面という）に所定厚さ（例えば１μ
ｍ）の酸化膜（ＳｉＯ₂ ）１４を形成する〔図３（Ａ）
参照〕。

【００１８】シリコンウェハ１０のＡ，Ｂ両面に形成さ
れたＳｉＯ₂ 膜１４の表面にレジスト１５を塗布する
〔図３（Ｂ）参照〕。

【００１９】シリコンウェハ１０のＡ面におけるレジス
ト１５に所定のマスキングを施してＵＶ露光を行い、現
像する〔図３（Ｃ）参照〕。この図３（Ｃ）において、
符号１１ａは、レジスト１５が除去された部分を示して
いる。

【００２０】所定のエッチング液を用いてエッチングを
行うことにより、シリコンウェハ１０のＡ面側の酸化膜
１４を除去する〔図３（Ｄ）参照〕。この図３（Ｄ）に
おいて、符号１１ｂは、エッチングによって酸化膜１４
が除去された部分を示している。

【００２１】シリコンウェハ１０のＡ，Ｂ両面のレジス
ト１５を除去する〔図３（Ｅ）参照〕）。この図３
（Ｅ）において、符号１１ｃは、Ａ面においてレジスト
１５が除去された部分を示している。

【００２２】シリコンウェハ１０のＡ面に、シリコンは
溶けるが、酸化膜１４は溶けないエッチング液を用いて
異方性エッチングを行うことにより、シリコンウェハ１
０のＡ面に拡散用の穴１１を開設する〔図３（Ｆ）参
照〕。

【００２３】シリコンウェハ１０のＡ，Ｂ両面の酸化膜
１４を除去する〔図３（Ｇ）参照〕。

【００２４】シリコンウェハ１０のＢ面にレジスト１６
を塗布する〔図３（Ｈ）参照〕。

【００２５】シリコンウェハ１０のＢ面のレジスト１６
に所定のマスキングを施してＵＶ（紫外線）露光を行
い、現像する〔図３（Ｉ）参照〕。

【００２６】Ｃｒ（クローム）、Ａｕをこの順でスパッ
タリングし、シリコンウェハ１０のＡ，Ｂ両面に所定厚
み（例えば１μｍ）の金属層１７を形成する〔図３
（Ｊ）参照〕。

【００２７】さらに、リフトオフを行う〔図３（Ｋ）参
照〕。

【００２８】シリコンウェハ１０のＢ面に、等方性エッ
チングを行うことにより、シリコンウェハ１０のＢ面に
断面が半円状の蛇行した溝１２を形成する〔図３（Ｌ）
参照〕。

【００２９】シリコンウェハ１０のＢ面に、Ｃｒ、Ａｕ
をこの順でスパッタリングすることにより、内面が鏡面
仕上げされた溝１２が形成される〔図３（Ｍ）参照〕。
この図３（Ｍ）において、符号１８は、スパッタリング
によって形成される金属層である。

【００３０】上述のようにして形成された第１のシリコ
ンウェハ１０のＡ面側の平面形状は、図６（Ａ）に示す
通りである。すなわち、この第１のシリコンウェハ１０
は、そのＡ面に複数のガス拡散用穴１１が形成され、Ｂ
面に蛇行するとともに、表面に光反射性に優れた金属層
１８で仕上げられた溝１２が形成されている。

【００３１】次に、第２のシリコンウェハ２０に、第１
のシリコンウェハ１０に形成されたセル１２の一端側１
２ａに対応する光通過用孔２１と、セル１２の他端側１
２ｂに対応する光学フィルタ２２の形成手順の一例を、
図４を参照しながら説明する。

【００３２】シリコンウェハ２０のＡ，Ｂ両面に所定厚
さ（例えば１μｍ）の酸化膜（ＳｉＯ₂ ）２３を形成す
る〔図４（Ａ）参照〕。

【００３３】シリコンウェハ２０のＡ，Ｂ両面に形成さ
れたＳｉＯ₂ 膜２３の表面にレジスト２４を塗布した
後、Ａ面に所定のマスキングを施して第１のシリコンウ
ェハ１０に形成されたセル１２の一端側１２ａに対応す
る位置にＵＶ露光を行い、現像を行う〔図４（Ｂ）参
照〕。この図４（Ｂ）において、符号２１ａは、レジス
ト２４が除去された部分を示し、前記一端側１２ａに対
応している。

【００３４】所定のエッチング液を用いてエッチングを
行うことにより、シリコンウェハ２０のＡ面側の酸化膜
２３を除去する〔図４（Ｃ）参照〕。この図４（Ｃ）に
おいて、符号２１ｂは、酸化膜２３が除去された部分を
示している。

【００３５】シリコンウェハ２０のＡ，Ｂ両面のレジス
ト２４を除去する〔図４（Ｄ）参照〕）。この図４
（Ｄ）において、符号２１ｃは、Ａ面においてレジスト
２４が除去された部分を示している。

【００３６】シリコンウェハ２０のＡ面に、シリコンは
溶けるが、酸化膜２３は溶けないエッチング液を用いて
異方性エッチングを行うことにより、シリコンウェハ２
０のＡ面に穴２１ｄを開設する〔図４（Ｅ）参照〕。

【００３７】シリコンウェハ１０のＡ，Ｂ両面にレジス
ト２５を塗布した後、Ｂ面に所定のマスキングを施して
第１のシリコンウェハ１０に形成されたセル１２の他端
側１２ｂに対応する位置にＵＶ露光を行い、現像を行う
〔図４（Ｆ）参照〕。この図４（Ｆ）において、符号２
６ａは、レジスト２５が除去された部分を示し、前記他
端側１２ｂに対応している。

【００３８】所定のエッチング液を用いてエッチングを
行うことにより、シリコンウェハ２０のＢ面側の酸化膜
２３を除去する〔図４（Ｇ）参照〕。この図４（Ｇ）に
おいて、符号２６ｂは、酸化膜２３が除去された部分を
示している。

【００３９】シリコンウェハ２０のＡ，Ｂ両面のレジス
ト２５を除去する〔図４（Ｈ）参照〕。この図４（Ｈ）
において、符号２６ｃは、Ｂ面においてレジスト２５が
除去された部分を示している。

【００４０】シリコンウェハ２０のＢ面に、シリコンは
溶けるが、酸化膜２３は溶けないエッチング液を用いて
異方性エッチングを行うことにより、シリコンウェハ２
０のＢ面に穴２６を開設する〔図４（Ｉ）参照〕。

【００４１】シリコンウェハ２０のＡ面のみエッチング
を行い、酸化膜２３を除去するとともに、穴２１ｄをＢ
面側に貫通して孔２１とする〔図４（Ｊ）参照〕。

【００４２】シリコンウェハ２０のＡ面の穴２６に対応
する部分にレジスト２７を塗布し、現像を行う〔図４
（Ｋ）参照〕。

【００４３】Ｃｒ、Ａｕをこの順でスパッタリングし、
シリコンウェハ２０のＡ面に所定厚み（例えば１μｍ）
の金属層２８を形成する〔図４（Ｌ）参照〕。

【００４４】さらに、リフトオフを行い、穴２６に対応
するＡ面に金属層２８が除去された部分２９を形成する
〔図４（Ｍ）参照〕。

【００４５】シリコンウェハ２０のＢ面に、減圧ＣＶＤ
法によって高屈折率物質と低屈折率物質とを交互に蒸着
して、所定の光学フィルタ２２を形成する〔図４（Ｎ）
参照〕。

【００４６】上述のようにして形成された第２のシリコ
ンウェハ２０のＡ面側の平面形状は、図６（Ｂ）に示す
通りである。すなわち、この第２のシリコンウェハ２０
は、そのＡ面が第１のシリコンウェハ１０における溝１
２の開口側（Ｂ面）に気密に合わされることにより、セ
ル１３を形成する。

【００４７】そして、上述したように、第１のシリコン
ウェハ１０に形成される溝１２の内面および第２のシリ
コンウェハ２０のＡ面の光学フィルタ２２に対応する部
分２９を除く部分には光反射性の良好な１８，２８がそ
れぞれ形成されているので、前記セル１３はその内部に
おいて、入射した赤外光を効率よく反射する。

【００４８】さらに、第３のシリコンウェハ３０に、第
２のシリコンウェハ２０における光通過用孔２１に対応
する位置にマイクロ赤外光源３１を、光学フィルタ２２
に対応する位置に薄膜赤外線センサアレイを形成する手
順の一例を、図５を参照しながら説明する。

【００４９】第３のシリコンウェハ３０は、前記第１、
第２のシリコンウェハ１０，２０の半分よりやや小さい
２枚のシリコンウェハよりなる（例えば縦１８ｍｍ×横
２５ｍｍ×厚さ５００μｍ）。これらのシリコンウェハ
３０１，３０２のＡ面に所定厚さ（例えば１μｍ）の酸
化膜（ＳｉＯ₂ ）３３を形成する〔図５（Ａ）参照〕。

【００５０】シリコンウェハ３０１，３０２のＡ面に形
成されたＳｉＯ₂ 膜３３の表面にレジスト３４を塗布す
る〔図５（Ｂ）参照〕。

【００５１】シリコンウェハ３０１，３０２のレジスト
３４の上面に所定のマスキングを施してＵＶ露光を行
い、現像を行う〔図５（Ｃ）参照〕。この図５（Ｃ）に
おいて、符号３１ａ，３２ａは、レジスト３４が除去さ
れた部分を示し、それぞれ第２のシリコンウェハ２０に
おける光通過用孔２１、光学フィルタ２２に対応してい
る。

【００５２】シリコンウェハ３０１，３０２のＡ面側に
対し、Ｐｔ（白金）スパッタリングを行い、Ｐｔ層３５
で被覆する〔図５（Ｄ）参照〕。このＰｔ層３５のシリ
コンウェハ３０１における一部は、マイクロ赤外光源
（Ｐｔ薄膜光源）３１となり、シリコンウェハ３０２に
おける一部は、薄膜赤外線センサアレイ３２における下
部電極３２１となるものである。

【００５３】リフトオフを行うことにより、シリコンウ
ェハ３０１，３０２のそれぞれＡ面にＰｔ薄膜光源３
１、センサ電極３２１が形成される〔図５（Ｅ）参
照〕。

【００５４】シリコンウェハ３０２のセンサ電極３２１
に絡ませてＰＺＴ薄膜３２２を形成する〔図５（Ｆ）参
照〕。

【００５５】シリコンウェハ３０１，３０２のＡ面にレ
ジスト３７を塗布し、現像を行う〔図５（Ｇ）参照〕。
この図５（Ｇ）において、符号３８は、シリコンウェハ
３０２におけるレジスト３７が除去された部分を示して
いる。

【００５６】シリコンウェハ３０１，３０２のＡ面側に
対し、Ｐｔスパッタリングを行い、Ｐｔ層３９で被覆す
る〔図５（Ｈ）参照〕。

【００５７】リフトオフを行う〔図５（Ｉ）参照〕。こ
の図５（Ｉ）において、符号３２３は薄膜赤外線センサ
アレイ３２における上部電極である。

【００５８】シリコンウェハ３０１，３０２のＡ，Ｂ両
面にレジスト４０を塗布し、現像を行う〔図５（Ｊ）参
照〕。この図５（Ｊ）において、符号３１ｂ，３２ｂ
は，シリコンウェハ３０１，３０２のＢ面におけるレジ
スト４０が除去された部分を示している。

【００５９】酸化膜エッチングを行う〔図５（Ｋ）参
照〕。

【００６０】レジスト４０を除去する〔図５（Ｌ）参
照〕。これによって、シリコンウェハ３０１のＡ面に
は、Ｐｔ薄膜よりなるマイクロ赤外光源３１が形成さ
れ、シリコンウェハ３０２のＡ面には、複数の焦電素子
よりなる薄膜赤外線センサアレイ３２が形成される。

【００６１】シリコンウェハ３０１，３０２のＢ面の符
号３１ｂ，３２ｂの部分を異方性エッチングして、シリ
コンウェハ３０１，３０２の熱容量を小さくする〔図５
（Ｍ）参照〕。

【００６２】上述のようにして形成された第３のシリコ
ンウェハ３０（３０１，３０２）のＡ面側の平面形状
は、図６（Ｃ）に示す通りである。なお、図６（Ｃ）に
おいて、符号４１は、図５（Ｅ）および（Ｉ）におい
て、光源３１および電極３２３と同時にパターニングさ
れた導電部である。

【００６３】このように、上記実施の形態に係る赤外線
ガス分析計においては、フォトリソグラフィーによる一
括加工によって、同一基板内に機械部品、光学部品、電
気回路などを集積することができ、量産化によって、赤
外線ガス分析計の信頼性を高め、低価格化を図ることが
できる。しかも、小型であり、各シリコンウェハ１０，
２０，３０の厚みｔは、０．５ｍｍ程度であるから、こ
れらを接合し積層した分析部ＸをステムＹに載せて信号
処理用のプリント基板に搭載したとしても数ｍｍの厚み
にしかならないほど、超小型である。

【００６４】そして、前記赤外線ガス分析計において
は、チップ状の分析部Ｘを適宜取り替えることにより、
種々のガスを測定できる。

【００６５】図７は、この発明の他の実施の形態を示す
もので、この実施の形態における赤外線ガス分析計は、
赤外光源として半導体レーザを用いている。この図にお
いて、５１，５２はシリコンウェハ、５３はシリコンウ
ェハ５１と５２とによってその間に形成されるセル、５
４はセル５３の内部に設けられる赤外光源としての半導
体レーザ、５５はセンサアレイ、５６はサンプルガスを
セル５３内に導入するためのマイクロポンプ、５７はグ
レーティングである。

【００６６】前記図７に示した赤外線ガス分析計におい
ても、上述した実施の形態のものと同様に、フォトリソ
グラフィーによる一括加工によって製作することができ
る。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、従来にない超小型の赤外線ガス分析計を得ることが
できる。そして、この発明によれば、フォトリソグラフ
ィーによる一括加工によって、同一基板内に機械部品、
光学部品、電気回路などを集積することができ、量産化
によって、赤外線ガス分析計の信頼性を高め、低価格化
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一つの実施の形態における赤外線ガ
ス分析計の構成を概略的に示す斜視図である。

【図２】前記赤外線ガス分析計の分析部の縦断面形状を
示す図である。

【図３】前記分析部を構成する第１のシリコンウェハの
加工工程の一例を示す図である。

【図４】前記分析部を構成する第２のシリコンウェハの
加工工程の一例を示す図である。

【図５】前記分析部を構成する第３のシリコンウェハの
加工工程の一例を示す図である。

【図６】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ第１のシリ
コンウェハ、第２のシリコンウェハ、第３のシリコンウ
ェハの上面の構成を示す図である。

【図７】この発明の他の実施の形態における赤外線ガス
分析計の要部を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は平面
図である。

【符号の説明】

１０…第１のシリコンウェハ、１１…ガス拡散用穴、１
２…溝、１３…セル、２０…第２のシリコンウェハ、２
１…光通過用孔、２２…光学フィルタ、３０…第３のシ
リコンウェハ、３１…マイクロ赤外光源、３２…薄膜赤
外線センサアレイ、Ｘ…分析部、Ｙ…ステム。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フォトリソグラフィーによるマイクロマ
   シニング技術を用い、三層構造の半導体基板内に、セ
   ル、赤外光源、光学フィルタおよび赤外線検出器からな
   る分析部を形成し、これをステム上に載せてワンチップ
   化し、このワンチップの分析部を信号処理用のプリント
   基板上にマウントして使用することを特徴とする赤外線
   ガス分析計。
2. 【請求項２】 上面にガス拡散用穴を有し、下面に導波
   管状の蛇行した溝を有する第１のシリコンウェハと、前
   記溝の一端部側に対応して形成された光通過用孔と、前
   記溝の他端側に対応して形成された光学フィルタとを備
   え、前記溝の開口側を閉塞するように接合され、第１の
   シリコンウェハとともにセルを構成する第２のシリコン
   ウェハと、前記光通過用孔に対応する位置にマイクロ赤
   外光源を有し、前記光学フィルタに対応する位置に薄膜
   赤外線センサアレイを形成した第３のシリコンウェハと
   をこの順に重ね合わせて接合し、ステム上に載せてワン
   チップタイプの分析部を構成し、この分析部を信号処理
   用のプリント基板上にマウントして使用することを特徴
   とする赤外線ガス分析計。