WO2002084235A1

WO2002084235A1 - Capteur infrarouge

Info

Publication number: WO2002084235A1
Application number: PCT/JP2001/003077
Authority: WO
Inventors: Katsumi Shibayama
Original assignee: Hamamatsu Photonics K.K.
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2002-10-24
Also published as: KR100794067B1; EP1378733A1; TWI248513B; CN1236292C; CN100462697C; US20030205670A1; DE60139958D1; US7282712B2; CN1488070A; KR20030091979A; JP4009046B2; CN1758035A; EP1378733A4; JP2001201397A; EP1378733B1

Description

明細書

赤外線センサ

技術分野

本発明は、赤外線センサに関し、特にサ一モパイル型の赤^ 1センサに関する背景技術

従来のサーモパイル型の赤外線センサとしては、図 1および図 8に示すものがある。図 7には赤外線センサのサ一モパイルパターンが示されており、隣接したポリシリコン 4とアルミニウム 6とで熱電対が形成されている例である。図 8に示す赤外線センサは、特許 2 6 6 3 6 1 2号公報に開示されているもので、 p型半導体 1 0 6と n型半導体 1 1 1とからなる熱電対が、片持梁 1 0 3上に形成されている例である。これらは、ゼ一ベック効果による熱電対の温接点と冷接点との温度差によって生じる起電力から、赤外線センサに入射した赤外線量を測定するもので、熱電対を複数配置することにより、赤外線センサの高感度化を実現している。

しかし、図 7に示す赤外線センサでは、ポリシリコン 4とアルミニウム 6とが隣接して形成されているため、熱電対の配置領域が大きくなり、高密度で熱電対を配置することができないという問題がある。図 8に示す赤外線センサでは、片持梁 1 0 3上に熱電対が形成されているため、片持梁 1 0 3の機械的強度が弱くなるといつた問題がある。また、熱吸収膜 1 0 5と熱電対が離れて形成されているため、熱吸収膜 1 0 5で生じた熱が効率よく熱電対に伝わらないといった問題力 ^sめる。

ところで、特許 2 6 6 3 6 1 2号公報では、従来例としてアルミニウム配線と p型拡散層抵抗とからなる熱電対を有する赤外線センサを挙げており、アルミ二ゥムを用いた場合、ゼ一ベック効果が小さく、熱抵抗が低下するため感度の低下を招くと指摘している。また、バイメタル効果により片持梁がそることによって感度の低下を招くと指摘している。発明の開示

発明者らはポリシリコン膜とアルミニゥム膜からなるサ一モパイルが、実用に適して充分に優れたものであることを発見した。

そこで本発明は、ポリシリコン膜とアルミニゥム膜からなるサーモパイルを利用した、熱電対を高密度に配置でき、熱吸収層で生じた熱を効率よく熱電対に伝えることができ、機械的強度が強い赤外線センサを提供することを目的とする。上記課題を解決するために、本発明の赤外線センサは、絶縁材料からなるサポ一ト膜と中空部分を有してサボ一ト膜を支持する基板とを含んで構成された支持部材と、中空部分の上部から基板の上部にわたって形成され、所定の導電型を有するポリシリコン配線層と、ポリシリコン配線層上に形成され、中空部分の上部に形成された第 1のコンタクトホールおよび基板の上部に形成された第 2のコン夕クトホールを有する絶縁膜と、第 1のコン夕クトホールを介してポリシリコン配線層と接続され、第 2のコンタクトホールを介して隣接するポリシリコン配線層と接続されるアルミニウム配線層と、第 1のコンタクトホールの上部を覆うように中空部分の上部に形成された赤外線吸収層とを備え、第 1のコンタクトホールを介して対応するポリシリコン配線層と接続されるアルミニウム配線層が、中空部分の上部において当該対応するポリシリコン配線層の上層となるよう絶縁膜を介して積層されていることを特徴とする。

このように、ポリシリコン配線層とアルミニウム配線層が積層されて熱電対を構成しているため、熱電対の配置領域が狭く、配置密度を高くすることができる。また、中空部分の上部から基板の上部にわたってポリシリコン配線層とアルミ二ゥム配線層の積層構造が形成されているため、肉薄な中空部分の機械的強度を向上させることができる。また、熱電対に形成されている第 1のコンタクトホールを覆うように赤外線吸収層が形成されているため、赤外線吸収層で生じた熱を効率よく熱電対に伝えることができる。

また、本発明の赤外線センサは、基板はシリコンからなり、中空部分はエッチングにより形成されていることを特徴としてもよい。エッチングにより中空部分が形成されるため、精密に中空部分の形状を実現できる。

また、本発明の赤外線センサは、アルミニウム配線層が、少なくとも中空部分の上部においてポリシリコン配線層より細く形成されていることを特徴としてもよい。熱伝導率のよいアルミニウム配線層が細く形成されているため、熱が逃げにくい。また、赤外線吸収層が形成された中空部分の上部のアルミニウム配線層による赤外線の反射を少なくすることができる。

また、本発明の赤外線センサは、 $色縁膜を介してポリシリコン配線層の上部にアルミニゥム配線層が積層された積層構造体が複数形成され、複数の第 1のコンタクトホールが一体に形成された赤外線吸収層に覆われていることを特徴としてもよい。積層構造体の複数本が赤外線吸収層と一体の支持構造として機能するため、肉薄な中空部分の機械的強度をさらに向上させることができる。

る。

図面の簡単な説明

図 1 A及び図 1 B は、それぞれ第 1実施形態に係る赤外線センサの断面図およびサーモパイルパターンを示す図である。

図 2は、第 2実施形態に係る赤外線センサのサーモパイルパターンを示す図である。

図 3 A及び図 3 B は、それぞれ第 3実施形態に係る赤外線センサの断面図およびサーモパイルパ夕一ンを示す図である。

図 4A及び図 4 B は、第 4実施形態に係る赤外線センサの断面図およびサーモパイルパ夕一ンを示す図である。

図 5は、第 5実施形態に係る赤外線センサのサーモパイルパターンを示す図である。

図 6は、第 6実施形態に係る赤外線センサのサ一モパイルパターンを示す図である。図 7は、従来の赤外線センサのサーモパイルパターンを示す図である。

図 8 A及び図 8 B は、それそれ従来の赤外線センサの断面図およびサーモパィルパターンを示す図である。

発明を実施するための最良の形態

以下、添付図面を参照して本発明にかかる実施形態について説明する。ただし、同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

第 1実施形態に係る赤外線センサの断面図およびサーモパイルパターンを図 1 Aおよび図 1 Bに示す。図 1 Aは、図 1 Bにおける A— A'断面図を示しており、図示のようにダイヤフラム構造の支持部材は、中空部分 2を有するシリコン基板 1とこれを支持するサポート膜 3を有している。サポート膜 3上には、 n型あるいは p型の不純物を 1 0¹⁸〜 1 0²⁰ c m ³ ドーピングしたポリシリコン膜 4と、絶縁膜となる S i 0₂膜 5を介してアルミニウム膜 6が積層されている。そして、 S i〇₂膜 5の開口穴部によってポリシリコン膜 4とアルミニウム膜 6とは接続され、熱電対を形成している。サポート膜 3および熱電対の露出表面は、 S i Nからなるパッシベ一シヨン膜 7で被覆されており、中空部分 2上部のパッシベ一シヨン膜 7上には熱吸収膜 8が形成されている。

なお、パヅシべ一シヨン膜 7は S i 02やポリイミド膜などの絶縁膜でもよい。また、熱吸収膜 8には黒化樹脂が使用されており、この黒化樹脂にはカーボンフイラ一などの黒色フイラ一を混ぜた樹脂（エポキシ系、シリコーン系、ァクリル系、ウレタン系、ポリイミド系など）や、黒色レジストなどを用いてもよい。図 1 B に示すように、ポリシリコン膜 4とアルミニウム膜 6の長尺の積層構造は、シリコン基板 1上部から中空部分 2上部にわたって、矩形（正方形または長方形）の中空部分 2の四辺に垂直な 4方向から中空部分 2の中央に向かって延びるように形成されている。

また、ポリシリコン膜 4とアルミニウム膜 6とは中空部分 2上で積層され、ァルミ二ゥム膜 6の幅はポリシリコン膜 4の幅より細く形成されている。そして、熱吸収膜 8の形成されている領域の S i 0₂膜 5の開口穴部で、積層されたポリシリコン膜 4とアルミニウム膜 6とは接続され、温接点 1 1が形成されている。また、シリコン基板 1上部の S i 0₂膜 5の開口穴部で、隣接したポリシリコン膜 4 とアルミニウム膜 6とは接続され、冷接点 1 2が形成されている。これら熱電対は直列に接続されており、ゼ一ベック効果により生じた起電力は、取り出し電極 1 0により取り出される。ここで、取り出し電極 1 0が形成されている領域では、ノヅシべ一シヨン膜 7は開口している。

中空部分の形成方法を説明すると、中空部分を形成していないシリコン基板 1 の表面にサポート膜 3、サーモパイルパターン、パッシベーシヨン膜 7、熱吸収膜 8を形成した後、シリコン基板 1のサポート膜 3が形成されているのとは反対側の面（裏面）に、シリコンエッチング液に耐性のある S i Nなどからなるマスク 9を形成する。そして、中空部分 2を形成したい領域のマスク 9を開口し、シリコン基板 1の表面を保護しながらエッチングを行う。これにより、裏面のマスク 9の開口部からエッチングが開始し、エッチング液に耐性のあるサポート膜 3 に到達するとエッチングが止まる。エッチング液には、例えば水酸化カリウム溶液などを用い、シリコン基板 1に（ 1 0 0 ) 面を用いると、異方性エッチングを行うことができ、図 1 ( a ) に示す中空部分 2を有したダイヤフラム構造を形成することができる。なお、サポート膜 9には、 S i N単層、 S i 0₂単層、あるいは S i N， S i〇₂， P S G， B P S Gのいずれかを含む多層膜からなるものでもよく、膜厚は 0 . 5〜5μπιである。

このように第 1実施形態に係る赤外線センサによれば、ポリシリコン膜 4とァルミ二ゥム膜 6とが積層して形成されていることにより、図 7に示したポリシリコン膜 4とアルミニウム膜 6とを並列配置した従来例と比較して、 1つの熱電対に対する配置領域が狭くなるため、高密度に熱電対を配置することができる。また、 S i 0₂膜 5を介してポリシリコン膜 4とアルミニウム膜 6を積層したサ一モパイルパターンは、 3層構造としたことにより機械的な支持強度が向上し、これが中空部分 2上部からシリコン基板 1上部にわたってメサ状に形成されているため、中空部分 2の機械的強度を高めることができる。さらに、中空部分 2上部において接着力を持つ材料からなる単一の塊の熱吸収膜 8がサポート膜 3とサーモパイルパターンの全てを固着させているため、中空部分 2で肉薄となっている領域の機械的強度をさらに向上させることができる。また、熱吸収膜 8は、サ一モパイルパターンの温接点 1 1をすベて覆うように形成されているため、赤外線の吸収により熱吸収 B莫 8で発生した熱を効率よく温接点 1 1に伝えることができる。また、アルミニゥム膜 6は熱伝導率がよいために温接点で得られた熱をシリコン基板 1に伝え逃し、赤外線センサの感度低下を招く可能性があるが、第 1実施形態において、アルミニウム膜 6はポリシリコン膜 4上に S i O 2膜 5を介して薄く細く積層されているため、シリコン基板 1と熱絶縁されており、赤外線センサの感度を低下させることはない。また、 S i 02膜 5は、ポリシリコン S莫 4とァルミニゥム膜 6との電気絶縁のみでなく、ポリシリコン膜 4の熱をアルミニウム膜 6に伝えないための熱絶縁機能も有している。また、熱吸収膜 8に入射した赤外線が、熱吸収膜 8下に形成されているアルミニウム膜 6で反射されることにより赤外線センサの感度低下を招く可能性があるが、アルミニウム膜 6は細く形成されているため反射を最小限にすることができ、反射した赤外線は更に熱吸収膜 8 で吸収されるため、赤外線センサの感度を低下させることはない。

なお、第 1実施形態はこれに限られるものではない。中空部分 2の形状は矩形にかぎられるものではなく、円形などでもよく、その形状に合わせてサ一モパイルバ夕一ンを形成することができる。

第 2実施形態に係る赤外線センサのサ一モパイルパターンを図 2に示す。第 2 実施形態の赤外線センサは、図 1 B に示した第 1実施形態の赤外線センサのポリシリコン膜 4の幅を広くし、中空部分 2の上部にあるポリシリコン膜 4の先端形状を槍型にしたものである。

熱電材料にポリシリコンなどの半導体材料を使用する場合、その比抵抗が高いことからサーモパイルの抵抗が大きくなり、それに伴い雑音が増加するといった問題がある。しかし、第 2実施形態にかかる赤外線センサによれば、ポリシリコン膜 4とアルミニウム膜 6が積層して形成されていることにより、図 7に示す従来例と比較して同一かそれ以上の熱電対数においても、ポリシリコン膜 4の幅を広くすることができるため、熱電対の抵抗を小さくすることができ、これより熱雑音を抑えて SZN比を向上させることができる。また、図示しないが熱電対数を図 7の従来例よりも増やし、熱電対の抵抗値はそのままという設計も可能で、これにより感度は上昇するが雑音はそのままなので、 SZN比を向上させることができる。また、中空部分 2の上部にあるポリシリコン膜 4の先端形状を槍型にして中空部分 2の中央方向にポリシリコン膜 4の先端を食い込ませることにより温接点 1 1を中空部分 2の中央によせることが可能となる。これにより、温接点での温度上昇が大きくなり感度が向上する。さらにこの形状により中空部分 2の上部にあるポリシリコン膜 4の面積が大きくなり中空部分 2の肉薄となっている領域の機械的強度をさらに向上させることができる。

また、第 2実施形態の赤外線センサは、第 1実施形態の赤外線センサのポリシリコン膜 4の幅を広くし、中空部分 2の上部にあるポリシリコン膜 4の先端形状を槍型にしたもので、熱電対等の構成は同様であるので、赤外線センサとしては第 1実施形態と同様の効果が得られる。また、第 2実施形態の中空部分 2の上部にあるポリシリコン膜 4の先端を槍型にした形状は本実施形態のみならず、他に示す実施形態に適応することで同様の効果が得られる。

第 3実施形態にかかる赤外線センサの断面図およびサーモパイルパターンを図 3Aおよび図 3B に示す。第 3実施形態の赤外線センサは、図 1 Aに示した第 1 実施形態の赤外線センサの中空部分 2の形状を変化させたものである。より詳細に説明すると、図 3 B の B— B'断面図である図 3A に示すように、第 1実施形態では中空部分 2の裏側が開放されているのに対し、第 3実施形態では裏側がシリコン基板 1で封鎖されて、表面のパッシベーシヨン膜 7の 4個所にエッチングホール 1 3を有する構造となっており、中空部分 2がサポート膜 3の下部に形成されている。

第 3実施形態の赤外線センサにおける中空部分 2の形成方法を説明すると、まず、シリコン基板 1のサボ一ト膜 3側に中空部分 2と同一サイズのポリシリコン犠牲層（図示せず）を形成する。そして、サポート膜 3、サ一モパイルパターン、パッシベ一シヨン膜 7を形成した後、図 3 B に示すように、サポート膜 3およびパヅシベ一シヨン膜 7を開口し、エッチングホール 1 3を形成する。また、シリコン基板 1の裏面にはマスク 9を形成するが、第 1実施形態とは異なりマスク 9は開口しない。そして、エッチング液にエチレンジァミンとピロ力テコールと水の混合液を温めたものを用い、シリコン基板 1に（ 1 0 0 ) 面を用いてエッチングを行う。このとき、エッチングホール 1 3からエッチング液がポリシリコン犠牲層に浸透し、ポリシリコン犠牲層をすベてエッチングし、その後シリコン基板 1の異方性エッチングを開始する。これにより図 3 A に示した中空部分 2を有したダイヤフラム構造を形成することができる。なお、エッチングは深さ 2〜： L Opm程度行う。

第 3実施形態の赤外線センサは、第 1実施形態の赤外線センサの中空部分 2の形状が異なるだけで、サーモパイルパターンは同様であるので、赤外線センサとしては第 1実施形態と同様の効果が得られる。これに加えて、第 3実施形態の赤外線センサでは裏側がシリコン基板 1により閉鎖された構造となっているため、リードフレーム等の支持部材にダイボンディングすることが容易となり、機械的な強度が高まるといった効果がある。なお、第 3実施形態はこれに限られるものではない。中空部分 2の形状は矩形にかぎられるものではなく、円形などでもよく、その形状に合わせてサーモパイルパターンを形成することができる。また、エッチングホール形状、箇所は図 3に示したものに限らず、サーモパイルパターンにより変更することが可能である。また、ダイヤフラム構造を形成するためにポリシリコン犠牲層のみをエッチングしてもよい。この場合は、ポリシリコン犠牲層の厚みを 0 . 3 μπιから 1 . 5μπιとする。

第 4実施形態にかかる赤外線センサの断面図およびサーモパイルパターンを図 4Αおよび図 4 Β に示す。第 4実施形態の赤外線センサは、図 1 B に示した第 1 実施形態の赤外線センサのサ一モパイルパターンを変化させたものである。図 1 Β では、熱電対が長方形の中空部分 2の四辺においてそれそれに垂直に形成されていたが、第 4実施形態の赤外線センサでは図 4 Β に示すように、熱電対が矩形の中空部分 2の相対する 2辺においてのみ垂直な 2方向から、中空部分 2の中央に延びるように形成されている。この 2方向から中空部分 2の中央に延びる相対するサ一モパイルパターンの距離は、 2μπιから 4 Ομπιであり、距離をできる限り縮めることにより温接点での温度上昇は向上し感度を向上させることができる。第 4実施形態の赤外線センサは、第 1実施形態の赤外線センサのサ一モパイルパターンが異なるだけで、熱電対等の構成は同様であるので、赤外線センサとしては第 1実施形態と同様の効果が得られる。これに加えて、第 1〜第 3実施形態の赤外線センサでは赤外線の照射スポッ卜が同心円状となるときの用途に特に適しているが、第 4実施形態では赤外線の照射スポットが線状あるいは長尺形状となるときの用途に適している。なお、第 4実施形態はこれに限られるものではなく、中空部分 2の形状 ·形成方法が第 3実施形態と同様であっても構わない。

第 5実施形態に係る赤外線センサのサ一モパイルパターンを図 5に示す。第 5 実施形態の赤外線センサは、図 3 Β に示す第 3実施形態の赤外線センサを 1ュニット 2 0とし、これを同一シリコン基板 1上に 1次元アレイ状に並べたものである。ここで、第 5実施形態の赤外線センサでは、図 3 Β に示す取り出し電極 1 0の片方を各ュニットの共通電極として接続し、共通取り出し電極 1 5を設けている。

第 5実施形態の赤外線センサによれば、各ユニットにおける出力から、位置による赤外線の照射量の違いを測定することができる。さらに、 1ユニットの赤外線センサの構造は第 3実施形態と同様であるため、第 3実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第 5実施形態はこれに限られるものではない。第 5実施形態では 1ュニットを 1次元アレイ状に並べたが、 2次元アレイ状に並べてもよい。これにより、 2次元的な位置による赤外線の照射量の違いを測定することができる。

第 6実施形態に係る赤外線センサのサーモパイルパ夕一ンを図 6に示す。第 6 実施形態の赤外線センサは、図 4 B に示す第 4実施形態の赤外線センサを 1ュニット 3 0とし、これを同一シリコン基板 1上に 1次元アレイ状に並べたものである。ここで、第 6実施形態の赤外線センサでは、図 4B に示す取り出し電極 1 0の片方を各ュニッ卜の共通電極として接続し、共通取り出し電極 1 5を設けている。

第 6実施形態の赤外線センサによれば、各ユニットにおける出力から、位置による赤外線の照射量の違いを測定することができる。さらに、 1ユニットの赤外線センサの構造は第 4実施形態と同様であるため、第 4実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第 6実施形態はこれに限られるものではない。第 6実施形態では 1ュニットを 1次元アレイ状に並べたが、 2次元アレイ状に並べてもよい。これにより、 2次元的な位置による赤外線の照射量の違いを測定することができる。

産業上の利用可能性

以上詳細に説明したように、本発明に係る赤外線センサによれば、ポリシリコン配線層とアルミニウム配線層が積層されて熱電対を構成しているため、熱電対の配置領域が狭く、配置密度を高くすることができる。また、中空部分の上部から基板の上部にわたつてポリシリコン配線層とアルミニウム配線層の積層構造が形成されているため、肉薄な中空部分の機械的強度を向上させることができる。また、絶縁膜を介したポリシリコン配線層とアルミ二ゥム配線層の積層構造体が複数形成され、積層構造体の複数本が赤外線吸収層と一体の支持構造として機能するため、肉薄な中空部分の機械的強度をさらに向上させることができる。また、熱電対に形成されている第 1のコンタクトホールを覆うように赤外線吸収層が形成されているため、赤外線吸収層で生じた熱を効率よく熱電対に伝えることがでぎる。

これにより、機械的強度が強く、感度の高い赤外線センサを得ることができる

Claims

請求の範囲

1 . 絶緣材料からなるサボ一ト膜と中空部分を有して前記サポート膜を支持する基板とを含んで構成された支持部材と、

前記中空部分の上部から前記基板の上部にわたって形成され、所定の導電型を有するポリシリコン配線層と、

前記ポリシリコン配線層上に形成され、前記中空部分の上部に形成された第 1 のコンタクトホールおょぴ前記基板の上部に形成された第 2のコンタクトホールを有する絶縁膜と、

前記第 1のコンタクトホールを介して前記ポリシリコン配線層と接続され、前記第 2のコンタクトホールを介して隣接する前記ポリシリコン配線層と接続されるアルミニウム配線層と、

前記第 1のコンタクトホールの上部を覆うように前記中空部分の上部に形成された赤外線吸収層と

を備え、前記第 1のコンタクトホールを介して対応するポリシリコン配線層と接続される前記アルミニウム配線層が、前記中空部分の上部において当該対応するポリシリコン配線層の上層となるよう前記絶縁膜を介して積層されていることを特徴とする赤外線センサ。

2 . 前記基板はシリコンからなり、前記中空部分はエッチングにより形成されていることを特徴とする請求項 1に記載の赤外線センサ。

3 . 前記アルミニウム配線層が、少なくとも前記中空部分の上部において前記ポリシリコン配線層より細く形成されていることを特徴とする請求項 1または 2 に記載の赤外線センサ。

4 . 前記絶縁膜を介して前記ポリシリコン配線層の上部に前記アルミニゥム配線層が積層された積層構造体が複数形成され、複数の前記第 1のコンタクトホールが一体に形成された前記赤外線吸収層に覆われていることを特徴とする請求項 1〜 3に記載の赤外線センサ。