TWI429886B - Infrared absorber and thermal infrared detector - Google Patents

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Description

紅外線吸收體及熱型紅外線檢測器
本發明是關於紅外線吸收體及熱型紅外線檢測器。
作為傳統的熱型紅外線檢測器，有例如記載於專利文獻1或2者。在專利文獻1，揭示著熱電型紅外線固體攝影裝置。該裝置的紅外線吸收膜是具有：在廣範圍的紅外域具有感度的有機物層，及波長10μm附近的吸收率高的SiO2 層所構成的積層構造。
又，在專利文獻2，揭示著熱型紅外線檢測器。該感測器是於最下層具有包含金屬薄膜的多層構造的紅外線吸收膜。金屬薄膜的紅外線反射率是變成比紅外線透過率還大，將欲透過其他層的紅外線在金屬薄膜藉由反射作成提高其他層的紅外線吸收率。
專利文獻1：日本專利第2523895號公報
專利文獻2：日本專利第3608427號公報
一般紅外線吸收體是為了保持機械性強度而被形成在基板上。又，為了精度良好地檢測出在紅外線吸收體所產生的熱，檢測區域的基板部分藉由濕蝕刻等被除去(膜片構造：例如參照專利文獻2)。然而，如被揭示於專利文獻1的裝置，在紅外線吸收膜包含有機物層時，則有機物 層是對於濕蝕刻的耐性較低之故，因而基板加工成為困難。
又，檢測紅外線之際，在更廣波長域全面地高效率地可檢測較佳，在專利文獻2，並未記載有關於可檢測的波長域的廣波長化。
本發明是鑑於上述課題而創作者，其目的是在於提供基板的濕蝕刻加工容易，在廣波長域全面地有效率地可吸收紅外線的紅外線吸收體及熱型紅外線檢測器。
為了解決上述課題，本發明的紅外線吸收體，是具備：含有TiN的第一層，及含有Si系化合物而設於第一層上的第二層，將從第二層側所入射的紅外線的能量變換成熱。
TiN是具有對於比8μm還短的波長域的紅外線的吸收率比其他無機材料還高，還一方面，對於比8μm還長的波長域的紅外線為反射率較高的特徵。因此，若將對於比8μm長的波長域的紅外線的吸收率良好的第二層積層於第一層(TiN層)上，則可將在TiN層吸收率低的波長域的紅外線在第二層適當地吸收之同時，可將欲透過第二層的紅外線在TiN層的界面反射而回到第二層之故，因而有效率地可吸收包含比8μm還短的波長域，及比8μm還長的波長域雙方的的廣波長域全面的紅外線。上述的紅外線吸收體是於含有TiN的第一層上，設置含有對於比8μm還長的波長域的紅外線的吸收率高的Si系化合物的第二層。藉由此，廣波長域全面地有效率地可吸收紅外線。
又，在上述的紅外線吸收體中，含有TiN的第一層主要吸收比8μm還短的波長域的紅外線之同時，將比8μm還長的波長域的紅外線朝第二層反射。如此地，一個層兼具吸收一部分波長域的紅外線的功能，及將其他波長域的紅外線反射至另一層的功能，藉此，與設置以反射作為主目的的層時相比較，以更少層數有效率地可吸收廣波長域的紅外線。
又，TiN及Si系化合物是對於濕蝕刻的耐性較高之故，因而容易地可進行基板的濕蝕刻加工。因此，依照上述的紅外線吸收體容易地可製造檢測區域的基板部分被除去的膜片構造。
又，紅外線吸收體是第二層作為Si系化合物至少含有SiC及SiN中的一方也可以。藉由此，適當地可得到上述效果。尤其是SiC及SiN是與其他的Si系化合物相比較，對於濕蝕刻的耐性更高之故，因而依照該紅外線吸收體，更容易地可製造膜片構造。
又，紅外線吸收體是第二層比第一層還厚也可以。構成第一層的TiN是若厚度超過某一數值，則對於紅外線的透過率變極小，而且即使變更厚度，吸收率或反射率幾乎不會變化。但是，構成第二層的Si系化合物是具有愈厚有提高吸收率的性質。因此，藉由將含有Si系化合物的第二層作成比含有TiN的第一層還厚，更有效率地可吸收比8μm還長的波長域的紅外線。
又，本發明的熱型紅外線檢測器，是具備：上述的任 何的紅外線吸收體，及將來自紅外線吸收體的熱變換成電性的量的熱電變換部。藉由此，可提供容易進行基板的濕蝕刻加工，廣波長域全面有效地可檢測紅外線的熱型紅外線檢測器。
依照本發明，可提供基板的濕蝕刻加工容易，在廣波長域全面地有效率地可吸收紅外線的紅外線吸收體及熱型紅外線檢測器。
以下，參照圖式下針對於本發明的紅外線吸收體及熱型紅外線檢測器的適合的實施形態加以詳細地說明。又，在圖式的說明中，在同一或相當部分給予同一符號，省略重複的說明。
(第1實施形態)
第1(a)圖是表示具備本發明所致的紅外線吸收體的熱型紅外線檢測器的第1實施形態的俯視圖。又，第1(b)圖是表示沿著圖示於第1(a)圖的I-I線的側面斷面圖。又，第1(c)圖是擴大表示第1(b)圖的一部分的擴大斷面圖。
本實施形態的熱型紅外線檢測器1a是藉由塊狀微機器技術所形成的形態的熱型紅外線檢測器，具備紅外線吸收膜2，及熱電堆形成膜3，及矽(Si)基板4。矽基板4是具有矩形的平面形狀，具有沿著其外周所設置的框部41。在被包圍於框部41的中央附近，形成有對應於紅外線 檢測區域A1的大小的開口4a，而將下述的熱電堆形成膜3及紅外線吸收膜2作為膜片構造。又，該開口4a是藉由對於矽基板4的選擇性濕蝕刻適當地被形成。
熱電堆形成膜3是將來自下述的紅外線吸收膜2的熱變換成電性的量(電壓電流等)所用的熱電變換部。熱電堆形成膜3，是塞住開口4a般地設於矽基板4上，複熱電偶二維狀地配置所形成。複數熱電偶的各該溫接點(熱電偶)是被配置於紅外線檢測區域A1內，而冷接點是被配置於框部41上。
紅外線吸收膜2是本實施形態的紅外線吸收體，設置於熱電堆形成膜3上的紅外線檢測區域A1。紅外線吸收膜2是具有：主要含有有TiN的第一層21，及主要含有SiC，SiN，SiO2 ，Si3 N4 或SiON等的Si系化合物而設於第一層21上的第二層22，將從第二層22側所入射的紅外線的能量變換成熱。第二層22是形成比第一層21還厚。
又，第二層22是作為Si系化合物主要含有SiC及SiN中至少一方較佳。又，第二層22主要含有SiOx Ny (0<X≦2，0≦Y<1)時，若氧原子的組成比X/(X+Y)為0.4以上0.8以下，則光透過率成為良好且防濕性變高之故，因而很適合。
在此，第2圖是表示TiN及SiC的紅外線吸收特性(因應於入射波長的吸收率)的圖表。又，在第2圖中，曲線G1是表示TiN的吸收特性，而曲線G2是表示SiC的 吸收特性。如第2圖所示地，TiN是在較短的波長域例如比8μm還短的波長域的吸收率較高。又，SiC是在較長的波長域例如8μm~14μm的波長域的吸收率較高。又，第3圖是表示TiN的紅外線反射特性(因應於入射波長的反射率)的圖表。如第3圖所示地，TiN是在較長的波長域，例如比8μm還長的波長域的反射率較高。
第4圖是表示用以說明依本實施形態的熱型紅外線檢測器1a的動作的圖式。又，第4圖是表示熱型紅外線檢測器1a中相當於紅外線檢測區域A1的部位的側面斷面。
熱型紅外線檢測器1a入射到紅外線檢測區域A1的紅外線IR，是從第二層22側入射到紅外線吸收膜2。又，紅外線IR中較短波長的波長成分(例如未超過波長8μm的成分)IR(λ1 )，是透過第二層22，主要被吸收第一層21，而被變換成熱H。又，紅外線IR中較長波長的波長成分(例如超過波長8μm的成分)IR(λ2 )，是被吸收在第二層22，而被變換成熱H。這時候，波長成分IR(λ2 )的一部分，是擬透過第二層22而達到第一層21與第二層22之界面，惟藉由第一層21的TiN所具有的高反射率，在該界面被反射，結果，成為被吸收在第二層22的情形。如此所發生的熱H，是被傳到高熱傳導性的含有TiN的第一層21而達到熱電堆形成膜3。又，在熱電堆形成膜3中，生成因應於熱H的大小的電壓。
針對於依本實施形態的熱型紅外線檢測器1a及紅外線吸收膜2的效果加以說明。如第2圖及第3圖所示地， TiN是具有對於比8μm還短的波長域的紅外線IR(λ1 )的吸收率為比其他無機材料還高，另一方面對於比8μm還長的波長域的紅外線IR(λ2 )的反射率較高的特徵。因此，若將對於比8μm還長的波長域的紅外線IR(λ2 )的吸收率良好的第二層22積層於第一層21之上面，則可將不容易被吸收在第一層21的波長域的紅外線IR(λ2 )適當地吸收在第二層22之同時，可將擬透過第二層22的紅外線IR(λ2 )在第一層21的界面反射而回到第二層22之後被吸收在第二層22之故，因而有效率地可吸收比8μm還短的波長域的紅外線，及比8μm還長的波長域的紅外線的雙方。
本實施形態的紅外線吸收膜2，是於含有TiN的第一層21之上面，設置含有對於比8μm還長的波長域的紅外線IR(λ2 )的吸收率較高的Si系化合物的第二層22。藉由此，廣波長域全面地有效率地可吸收紅外線。尤其是，波長8μm~14μm是被多用於放射溫度計測或人體檢測用途的波長域之故，因而藉由第二層22主要含有對於該波長域的紅外線的吸收率較高的Si系化合物(尤其是SiC)，而精度優異地可進行此些測定。
又，Si系化合物(尤其是SiC)，是對於TiN的吸收率較高的波長5μm附近的紅外線的透過率較高。因此，藉由第二層22主要含有Si系化合物，可將該波長域的紅外線IR(λ1 )有效率地入射到第一層21，而更提高吸收效率。又，即使TiN是較薄層，而對於紅外線的透過率也較 低(例如，在厚度4000Å為透過率10%以下)之故，因而藉由在第一層21使用TiN，可縮短第一層21的成膜時間。又，TiN是與其他無機材料相比較，熱傳導率較高(大約29W/m．K)。因此，藉由第一層21主要含有TiN，不會將在第一層21與第二層22所發生的熱以輻射等喪失，而可傳到熱電堆形成膜3，而且可提高熱型紅外線檢測器1a的響應速度。
在此，第5圖是表示本實施形態的紅外線吸收膜2全體的紅外線吸收特性(因應於入射波長的吸收率)的圖表。如第5圖所示地，依照紅外線吸收膜2，可知比8μm還長的波長域(尤其是8μm~18μm附近)及比8μm還短的波長域(尤其是4μm附近)的雙方全面地有效率地可吸收紅外線。又，比8μm還長的波長域的吸收率，是成為比表示於第2圖的SiC單層的吸收率還高。亦即，藉由第一層21(TiN)與第二層(SiC)之界面的反射，該波長域的紅外線在第二層22會更有效率地被吸收。
又，在本實施形態的紅外線吸收膜2中，含有TiN的第一層21主要吸收比8μm還短的波長域的紅外線IR(λ1 )之同時，將比8μm還長的波長域的紅外線IR(λ2 )朝第二層22反射。如此地，一個層兼具吸收一部分波長域的紅外線IR(λ1 )的功能，及將其他波長域的紅外線IR(λ2 )反射至另一層(第二層22)的功能，藉此與設置以反射作為主目的層時相比較，以更少層數有效率地可吸收廣波長域的紅外線。
又，TiN及Si系化合物是對於濕蝕刻的耐性較高之故，因而容易地可進行矽基板4的濕蝕刻加工。因此，依照本實施形態的紅外線吸收膜2，容易地可製造紅外線檢測區域1A的基板部分(相當於開口4a部分)被除去的膜片構造。尤其是，第二層22作為Si系化合物主要含有SiC及SiN時，SiC及SiN是與其他的Si系化合物相比較，對於濕蝕刻的耐性更高之故，因而更容易地可製造膜片構造，而更適合。
又，如本實施形態，第二層22是比第一層21還厚較理想。構成第一層21的TiN是若厚度超過某一數值，則對於紅外線的透過率變極小之同時，依厚度的變化的吸收率或反射率的變化成為很少。但是構成第二層22的Si系化合物，是具有愈厚愈提高吸收率的性質。因此，藉由將第二層22作成比第一層21還厚，更有效率地可吸收比8μm還長的波長域的紅外線IR(λ2 )。
又，有關於第二層22的厚度的上述事實，是顯著地表示本實施形態的第二層22，具有與僅被使用於紅外線吸收膜的保護的一般性的Si系化合物膜(例如SiO2 膜)不相同的作用。亦即，僅被使用於紅外線吸收膜的保護的膜，是一般比紅外線吸收膜還薄。但是，本實施形態的第二層22，是如上述地構成有效率地吸收紅外線所用的紅外線吸收膜2的一部分之故，因而比第一層21還厚較佳。
又，第一層21的厚度是2500Å以上10000Å以下較佳。藉由將第一層21的厚度作成2500Å以上，則減低對 於紅外線IR(λ1 )及IR(λ2 )的透過率，而可充分地確保吸收率及反射率。因此，有效果地可發揮吸收比8μm還短的波長域的紅外線IR(λ1 )的功能，及反射比8μm還長的波長域的紅外線IR(λ2 )的功能。又，若第一層21的厚度超過10000Å，則對於比8μm還短的波長域的紅外線IR(λ1 )的吸收率有飽和(即使增加厚度，也幾乎不會增加吸收率)的趨勢。因此，藉由將第一層21的厚度作成10000Å以下，則可縮短第一層21的形成時間。
又，第二層22的厚度是10000Å以上25000Å以下較佳。藉由將第二層22的厚度作成10000Å以上，則可充分地確保紅外線IR(λ2 )的吸收率。又，若第二層22的厚度超過25000Å，則對於紅外線IR(λ2 )的吸收率成為接近於100%，而變成飽和。因此，藉由將第二層22的厚度作成25000Å以下，則可縮短第二層22的形成時間。
又，如上述地，第二層22是比第一層21還厚較佳。構成第二層22的Si系化合物，是吸收率達到飽和的厚度，比構成第一層21的TiN還厚(Si系化合物：25000Å，TiN：10000Å)。因此，藉由將第二層22作成比第一層21還厚，則更有效率地可吸收紅外線。又，第一層21的厚度t1 與第二層22的厚度t2 的比率(t2 /t1 )，是1~10較佳，而3最佳。
(第2實施形態)
第6(a)圖是表示具備依本發明的紅外線吸收體的熱型 紅外線檢測器的第2實施形態的俯視圖。又，第6(b)圖表示沿著表示於第6(a)圖的II-II線的斷面的側面斷面圖。又，第6(c)圖是擴大表示第6(b)圖的一部分的擴大斷面圖。
本實施形態的熱型紅外線檢測器1b，是藉由所謂表面微機器技術所形成的形態的熱型紅外線檢測器，具備紅外線吸收膜5，及熱電堆形成膜6，及矽(Si)基板7。矽基板7。矽基板7是具有矩形平面形狀，在對應於其表面側的紅外線檢測區域A2的部分具有矩形凹部7a。又，該凹部7a是藉由濕蝕刻適合地所形成。
熱電堆形成膜6是將來自紅外線吸收膜5的熱變換成電性的量(電壓，電流等)所用的熱電變換部。熱電堆形成膜6是塞住凹部7a般地設於矽基板7上，複數熱電偶二維狀地配置所形成。複數熱電偶的各溫接點(熱電偶)是被配置於紅外線檢測區域A2內，而冷接點是被配置於除了凹部7a之外的矽基板7的表面上。
紅外線吸收膜5是本實施形態的紅外線吸收體，設置於熱電堆形成膜6上的紅外線檢測區域A2，在相當於紅外線檢測區域A2的矽基板7的表面形成有凹部7a之故，因而紅外線吸收膜5是與熱電堆形成膜6一起形成膜片構造紅外線吸收膜5是具備：主要含有TiN的第一層51，及主要含有SiC，SiN，SiO2 ，Si3 N4 或SiON等的Si系化合物而設於第一層51上的第二層52，將從第二層52側所入射的紅外線的能量變換成熱。與上述第1實施形態同 樣地，第二層52是作為Si系化合物主要含有SiC及SiN中的至少一方較佳，或主要含有SiOx Ny (0<X≦2，0≦Y<1)也可以。
又，在紅外線吸收膜5及熱電堆形成膜6，分別形成有貫通於厚度方向的孔5a，及6a。孔5a及6a是將凹部7a形成於矽基板7所用的蝕刻劑侵入到熱電堆形成膜6的背側所用的孔，而形成複數於紅外線吸收膜5及熱電堆形成膜6。又，孔5a及6a，是作為紅外線檢測器之動作時，尤其是封入氮氣的情形，利用凹部7a的壓力變化也發揮熱電堆形成膜6不會動的作用。
依照本實施形態的熱型紅外線檢測器1b，可得到與上述第1實施形態的熱型紅外線檢測器1a同樣的效果。
依本發明的紅外線吸收體及熱型紅外線檢測器，是並不被限定於上述的各實施形態者，其他也可做各種變形。例如，上述各實施形態的熱型紅外線檢測器是作為熱電變換部具有具備熱電堆的熱電動勢型的構成，在其他具有例如具備LiTaO3 膜或PZT膜的熱電型，或具備熱阻器或氣孔計的電阻型的構成也可以。
1a，1b‧‧‧熱型紅外線檢測器
2，5‧‧‧紅外線吸收膜
3，6‧‧‧熱電堆形成膜
4，7‧‧‧矽基板
21，51‧‧‧第一層
22，52‧‧‧第二層
第1(a)圖至第1(c)圖是表示具備依本發明的紅外線吸收體的熱型紅外線檢測器的第1實施形態的圖式。
第2圖是表示TiN及SiC的紅外線吸收特性(因應於入射波長的吸收率)的圖表。
第3圖是表示TiN的紅外線反射特性(因應於入射波長的反射率)的圖表。
第4圖是表示用以說明依第1實施形態的熱型紅外線檢測器的動作的圖式。
第5圖是表示第1實施形態的紅外線吸收膜全體的紅外線吸收特性(因應於入射波長的吸收率)的圖表。
第6(a)圖至第6(c)圖是表示具備依本發明的紅外線吸收體的熱型紅外線檢測器的第2實施形態的圖式。
1a‧‧‧熱型紅外線檢測器
2‧‧‧紅外線吸收膜
3‧‧‧熱電堆形成膜
4‧‧‧矽基板
4a‧‧‧開口
21‧‧‧第一層
22‧‧‧第二層
41‧‧‧框部
A1‧‧‧紅外線檢測領域

Claims (3)

  1. 一種紅外線吸收體，其特徵為：具備：含有TiN的第一層，及含有Si系化合物而設於上述第一層上的第二層，將從上述第二層側所入射的紅外線的能量變換成熱，上述第二層比上述第一層還厚，上述第一層及第二層係構成為，長波長域之紅外線會透過第二層，而被第一層反射，第二層會吸收被反射的長波長域之紅外線。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的紅外線吸收體，其中，上述第二層作為上述Si系化合物含有SiC及SiN中的至少一方。
  3. 一種熱型紅外線檢測器，其特徵為具備：紅外線吸收體，及將來自上述紅外線吸收體的熱變換成電性的量的熱電變換部，上述紅外線吸收體，係具有含有TiN的第一層，及含有Si系化合物而設於上述第一層上的第二層，上述第二層比上述第一層還厚，上述紅外線吸收體是積層於上述熱電變換部上，與上述熱電變換部共同構成為膜片構造，將從上述第二層側所入射的紅外線的能量變換成熱。
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