WO2007086424A1 - 赤外線吸収体および熱型赤外線検出器 - Google Patents

赤外線吸収体および熱型赤外線検出器 Download PDF

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Fumikazu Ojima
Jun Suzuki
Ryusuke Kitaura
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Hamamatsu Photonics K.K.
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    • G01J5/12—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples

Definitions

  • the present invention relates to an infrared absorber and a thermal infrared detector.
  • Patent Document 1 discloses a pyroelectric infrared solid-state imaging device.
  • the infrared absorption film of this device has a laminated structure consisting of an organic material layer having sensitivity in a wide infrared region and an SiO layer having a high absorption rate near a wavelength of 10 m.
  • Patent Document 2 discloses a thermal infrared sensor.
  • This sensor has an infrared absorption film having a multilayer structure including a metal thin film as a lowermost layer.
  • the infrared reflectance of the metal thin film is larger than the infrared transmittance, and an attempt is made to increase the infrared absorptivity in the other layer by reflecting the infrared rays that are going to pass through the other layer to the metal thin film.
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 2523895
  • Patent Document 2 Japanese Patent No. 3608427
  • an infrared absorber is formed on a substrate in order to maintain mechanical strength. Then, in order to accurately detect the heat generated in the infrared absorber, the substrate portion of the detection region is removed by wet etching or the like (a membrane structure: see, for example, Patent Document 2).
  • a membrane structure see, for example, Patent Document 2
  • the infrared ray absorbing film includes an organic material layer as in the apparatus disclosed in Patent Document 1, it is difficult to process the substrate because the organic material layer has low resistance to wet etching.
  • Patent Document 2 does not describe anything about a broadband wavelength in a detectable wavelength range.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and the wet etching power of the substrate is high.
  • An object of the present invention is to provide an infrared absorber and a thermal infrared detector that are easy and can efficiently absorb infrared rays over a wide wavelength range.
  • an infrared absorber includes a first layer containing TiN and a second layer containing a Si-based compound and provided on the first layer. The infrared energy incident from the layer 2 side is converted into heat.
  • TiN has a higher absorptivity with respect to infrared rays in the wavelength range shorter than 8 m, while it has a higher reflectivity with respect to infrared rays in the longer wavelength range than 8 ⁇ m. Have. Therefore, the absorption rate for infrared rays in the wavelength range longer than 8 ⁇ m is good! If the second layer is laminated on the first layer (TiN layer), the absorption rate is low in the TiN layer. Infrared light in the wavelength range can be favorably absorbed in the second layer, and at the same time, infrared light that tries to pass through the second layer can be reflected at the interface of the TiN layer and returned to the second layer.
  • a second layer containing a Si-based compound having a high absorptance for infrared rays in a wavelength region longer than 8 m is provided on the first layer containing TiN. Thereby, infrared rays can be efficiently absorbed over a wide wavelength range.
  • the first layer containing TiN mainly absorbs infrared light having a wavelength region shorter than 8 m, and also absorbs infrared light having a wavelength region longer than 8 m. Reflects towards the layer.
  • a single layer combines the function of absorbing infrared rays in a part of the wavelength range and the function of reflecting infrared rays in other wavelength ranges to other layers, thereby providing a layer mainly intended for reflection.
  • infrared rays in a wide wavelength range can be efficiently absorbed with a smaller number of layers.
  • the second layer may include at least one of SiC and SiN as a Si-based compound.
  • SiC and SiN are more resistant to wet etching than other Si compounds. Since it is high, according to this infrared absorber, the membrane structure can be manufactured more easily.
  • the second layer may be thicker than the first layer.
  • the thickness of the TiN constituting the first layer exceeds a certain value, the transmittance for infrared rays becomes extremely small, and the absorptance and reflectance hardly change even if the thickness is changed.
  • the Si-based compound that forms the second layer has the property of increasing the absorption rate as the thickness increases. Therefore, by making the second layer containing the Si-based compound thicker than the first layer containing TiN, infrared rays in the wavelength range longer than 8 m can be absorbed more efficiently.
  • the thermal infrared detector of the present invention includes any one of the infrared absorbers described above and a thermoelectric conversion unit that converts heat from the infrared ray absorber into an electrical quantity. As a result, it is possible to provide a thermal infrared detector that can easily detect the infrared rays over a wide wavelength range because the wet etching force of the substrate is easy.
  • an infrared absorber and a thermal infrared detector that can easily wet the substrate and can efficiently absorb infrared rays over a wide wavelength range.
  • FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a thermal infrared detector provided with an infrared absorber according to the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the infrared absorption characteristics (absorption rate according to the incident wavelength) of TiN and SiC.
  • FIG. 3 is a graph showing the infrared reflection characteristics (reflectance according to the incident wavelength) of TiN.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the thermal infrared detector according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a graph showing infrared absorption characteristics (absorption rate according to incident wavelength) of the entire infrared absorption film of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a second embodiment of a thermal infrared detector provided with an infrared absorber according to the present invention.
  • FIG. 1 (a) is a plan view showing a first embodiment of a thermal infrared detector provided with an infrared absorber according to the present invention.
  • FIG. 1 (b) is a side sectional view showing a section taken along line II shown in FIG. 1 (a).
  • FIG. 1 (c) is an enlarged cross-sectional view of a part of FIG. 1 (b).
  • the thermal infrared detector la of the present embodiment is a thermal infrared detector in a form formed by so-called bulk micromachine technology, and includes an infrared absorption film 2, a thermopile film 3 and silicon.
  • the silicon substrate 4 has a rectangular planar shape and has a frame portion 41 provided along the outer periphery thereof. In the vicinity of the center surrounded by the frame portion 41, an opening 4a having a size corresponding to the infrared detection region A1 is formed, and a monolayer formation film 3 and an infrared absorption film 2 described later have a membrane structure.
  • the opening 4a is preferably formed by selective wet etching with respect to the silicon substrate 4.
  • the thermopile forming film 3 is a thermoelectric conversion unit for converting heat from an infrared absorption film 2 described later into an electrical quantity (voltage, current, etc.).
  • the thermopile forming film 3 is provided on the silicon substrate 4 so as to close the opening 4a, and a plurality of thermocouples are two-dimensionally arranged.
  • the hot junction (thermocouple) of each of the plurality of thermocouples is arranged in the infrared detection area A1, and the cold junction is arranged on the frame 41.
  • the infrared absorption film 2 is an infrared absorber in the present embodiment, and is provided in the infrared detection region A1 on the thermopile formation film 3.
  • the infrared absorption film 2 mainly contains a first layer 21 mainly containing TiN and a Si-based compound such as SiC, SiN, SiO 2, SiN, or SiON.
  • a second layer 22 provided on the first layer 21, and converts the energy of infrared rays incident from the second layer 22 side into heat.
  • the second layer 22 is formed thicker than the first layer 21.
  • the second layer 22 mainly includes at least one of SiC and SiN as a Si-based compound. It is preferable to include.
  • the second layer 22 mainly contains SiO N (0 ⁇ X ⁇ 2, 0 ⁇ Y ⁇ 1)
  • the composition ratio ⁇ ( ⁇ + ⁇ ⁇ ) of the oxygen atom is 0.4 or more and 0.8 or less because the light transmittance is good and the moisture resistance is improved.
  • FIG. 2 is a graph showing the infrared absorption characteristics (absorption rate according to the incident wavelength) of TiN and SiC.
  • graph G1 shows the absorption characteristics of TiN
  • Daraf G2 shows the absorption characteristics of SiC.
  • TiN has a high absorptance in a relatively short wavelength region, for example, a wavelength region shorter than 8 m.
  • SiC has a high absorptance in a relatively long wavelength range, for example, a wavelength range of 8 m to 14 m.
  • FIG. 3 is a graph showing the infrared reflection characteristics (reflectance according to the incident wavelength) of TiN. As shown in Fig. 3, TiN has a high reflectance in a relatively long wavelength region, for example, a wavelength region longer than 8 m.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the thermal infrared detector la according to the present embodiment.
  • FIG. 4 shows a side cross-sectional view of a portion corresponding to the infrared detection region A1 in the thermal infrared detector la.
  • the infrared IR incident on the infrared detection area A1 of the thermal infrared detector la is incident on the infrared absorption film 2 on the second layer 22 side.
  • a relatively short wavelength component for example, a component that does not exceed a wavelength of 8 m
  • IR () of infrared IR passes through the second layer 22 and is mainly absorbed by the first layer 21. Converted to heat H.
  • a relatively long wavelength component for example, a component exceeding the wavelength) IR () of infrared IR is absorbed by the second layer 22 and converted to heat H.
  • the force reaching the interface between the layer 21 and the second layer 22 is reflected at this interface by the high reflectivity of the TiN of the first layer 21 and is eventually absorbed by the second layer 22.
  • the heat H thus generated travels through the first layer 21 containing TiN having high thermal conductivity and reaches the thermopile type film formation 3. In the thermopile forming film 3, a voltage corresponding to the magnitude of the heat H is generated.
  • infrared IR in the wavelength region that is difficult to be absorbed by the first layer 21 is preferred in the second layer 22.
  • Infrared IR that attempts to pass through the second layer 22 while absorbing properly
  • infrared light having a wavelength shorter than 8 ⁇ m and infrared light having a wavelength longer than 8 ⁇ m can be absorbed efficiently.
  • the infrared absorbing film 2 of the present embodiment is a second layer containing a S-related compound having a high absorptance with respect to infrared IR ( ⁇ ) in a wavelength region longer than 8 m on the first layer 21 containing TiN.
  • the wavelength 8 ⁇ ! ⁇ 14 m is a wavelength region often used for radiation temperature measurement and human body detection, so the second layer 22 mainly contains S-related compounds (especially SiC) that have a high absorption rate for infrared rays in this wavelength region. These measurements can be performed with high accuracy.
  • Si-based compounds especially SiC
  • SiC have a high transmittance for infrared rays in the vicinity of a wavelength of 5 ⁇ m, which has a high absorption rate in TiN. Therefore, when the second layer 22 mainly contains a Si-based compound, infrared IR () in this wavelength region can be efficiently incident on the first layer 21 and the absorption efficiency can be further increased.
  • TiN has a low transmittance for infrared rays even if it is a relatively thin layer (for example, a transmittance of 10% or less at a thickness of 4000 A). Therefore, by using TiN for the first layer 21, the first The film formation time of the layer 21 can be shortened.
  • TiN also has higher thermal conductivity (about 29WZm'K) compared to other inorganic materials. Therefore, since the first layer 21 mainly contains TiN, the heat generated in the first layer 21 and the second layer 22 can be transferred to the thermopile type film formation 3 that does not lose due to radiation or the like. In addition, the response speed of the thermal infrared detector la can be increased.
  • FIG. 5 is a graph showing the infrared absorption characteristics (absorption rate according to the incident wavelength) of the entire infrared absorption film 2 of the present embodiment.
  • the infrared absorption film 2 it is longer than 8 ⁇ m !, wavelength range (especially around 8 m to 18 m) and shorter than 8 ⁇ m !, wavelength range (especially around 4 / zm) It can be seen that the infrared rays can be absorbed efficiently over both of the above.
  • the absorptance in the wavelength range longer than 8 m is higher than that of the SiC single layer shown in Fig. 2. That is, the reflection is caused by the reflection at the interface between the first layer 21 (TiN) and the second layer 22 (SiC). This is because infrared rays in this wavelength range are absorbed more efficiently in the second layer 22.
  • the first layer 21 containing TiN mainly absorbs infrared IR () in a wavelength region shorter than 8 m and has a wavelength longer than 8 / zm.
  • the infrared IR () of the region is reflected toward the second layer 22.
  • one layer is part of a wave
  • the infrared absorption film 2 of the present embodiment since TiN and Si-based compounds have high resistance to wet etching, wet etching of the silicon substrate 4 can be facilitated. Therefore, according to the infrared absorption film 2 of the present embodiment, a membrane structure from which the substrate portion (the portion corresponding to the opening 4a) of the infrared detection region A1 is removed can be easily manufactured.
  • the second layer 22 mainly contains Si C and SiN as S-related compounds, SiC and SiN are more resistant to wet etching than other Si-based compounds, making the membrane structure even easier. It can be manufactured and is more suitable.
  • the second layer 22 is preferably thicker than the first layer 21.
  • the thickness of the TiN constituting the first layer 21 exceeds a certain value, the transmittance with respect to infrared rays becomes extremely small, and the change in the absorptance and reflectance due to the change in thickness becomes slight.
  • the Si-based compound constituting the second layer 22 has a property of increasing the absorption rate as it is thicker. Therefore, by making the second layer 22 thicker than the first layer 21, infrared IR (IR
  • the second layer 22 of this embodiment is a general Si-based compound film (for example, SiO 2) used only for protecting the infrared ray absorbing film. Different from (membrane)
  • the film used only for protecting the infrared absorbing film is generally thinner than the infrared absorbing film.
  • the second layer 22 of this embodiment constitutes a part of the infrared absorption film 2 for efficiently absorbing infrared rays as described above, it is preferable that the second layer 22 is thicker than the first layer 21. .
  • the thickness of the first layer 21 is preferably 2500 A or more and 10000 A or less. First By making the thickness of layer 21 of this layer 2500A or more, it can be used for infrared IR () and IR ().
  • the transmittance can be reduced and sufficient absorption and reflectance can be secured. Accordingly, it is possible to effectively exhibit the function of absorbing infrared IR ( ⁇ ) shorter than 8 m in the wavelength range V, and the function of reflecting infrared IR (X) in the wavelength range longer than 8 ⁇ m. Also the first layer
  • the formation time of the first layer 21 can be shortened by setting the thickness of the first layer 21 to 1000 mm or less.
  • the thickness of the second layer 22 is preferably not less than 10,000 mm and not more than 25000 mm. By making the thickness of the second layer 22 10000A or more, the absorption rate for infrared IR () can be increased.
  • the absorptivity for 2 approaches 100% and becomes saturated. Therefore, the formation time of the second layer 22 can be shortened by setting the thickness of the second layer 22 to 25 000 A or less.
  • the second layer 22 is preferably thicker than the first layer 21.
  • the Si compound constituting the second layer 22 has a thickness at which the absorption rate reaches saturation, and is thicker than TiN constituting the first layer 21 (Si compound: 25000 A, TiN: 10000 A). Therefore, by making the second layer 22 thicker than the first layer 21, infrared rays can be absorbed more efficiently.
  • the ratio (t Zt) between the thickness t of the first layer 21 and the thickness t of the second layer 22 is preferably 1 to 10.
  • FIG. 6 (a) is a plan view showing a second embodiment of a thermal infrared detector provided with an infrared absorber according to the present invention.
  • FIG. 6 (b) is a side sectional view showing a section taken along line II-II shown in FIG. 6 (a).
  • Fig. 6 (c) is an enlarged cross-sectional view of a part of Fig. 6 (b).
  • the thermal infrared detector lb of the present embodiment is a thermal infrared detector in a form formed by so-called surface micromachine technology, and includes an infrared absorbing film 5, a thermopile forming film 6, and a silicon (Si) substrate. And 7.
  • the silicon substrate 7 has a rectangular planar shape, and has a rectangular recess 7a in a portion corresponding to the infrared detection region A2 on the surface side.
  • the recess 7a is preferably formed by wet etching.
  • the thermopile forming film 6 is a thermoelectric conversion unit for converting heat from the infrared absorption film 5 into an electrical quantity (voltage, current, etc.).
  • thermopile forming film 6 is provided on the silicon substrate 7 so as to close the recess 7a, and a plurality of thermocouples are two-dimensionally arranged.
  • the hot junction (thermocouple) of each of the plurality of thermocouples is arranged in the infrared detection region A2, and the cold junction is arranged on the surface of the silicon substrate 7 excluding the recess 7a.
  • the infrared absorbing film 5 is an infrared absorber in the present embodiment, and is provided in the infrared detection region A2 on the thermopile forming film 6. Since the recess 7a is formed on the surface of the silicon substrate 7 corresponding to the infrared detection region A2, the infrared absorption film 5 forms a membrane structure together with the thermopile formation film 6.
  • the infrared absorption film 5 is mainly composed of a first layer 51 mainly containing TiN and a Si-based compound such as SiC, SiN, SiO, SiN, or SiON.
  • the second layer 52 mainly contains at least one of SiC and SiN as a Si-based compound or SiO N (0 ⁇ X ⁇ 2, 0 ⁇ Y ⁇ 1) may be mainly included.
  • holes 5a and 6a penetrating in the thickness direction are formed in the infrared absorption film 5 and the thermopile forming film 6, respectively.
  • the holes 5 a and 6 a are holes for allowing an etchant for forming the recess 7 a in the silicon substrate 7 to enter the back side of the thermopile forming film 6, and a plurality of holes are formed in the infrared absorption film 5 and the thermopile forming film 6.
  • the holes 5a and 6a also serve to make the thermopile forming film 6 power by the pressure change of the recess 7a when operating as an infrared detector, particularly when nitrogen is sealed.
  • thermal infrared detector lb of the present embodiment the same effects as those of the thermal infrared detector la of the first embodiment can be obtained.
  • the infrared absorber and the thermal infrared detector according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and can be variously modified.
  • the thermal infrared detector of each of the above embodiments has a thermoelectromotive force type configuration including a thermopile as a thermoelectric conversion unit.
  • a pyroelectric type including a LiTaO film or a PZT film, or a thermistor

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Abstract

赤外線吸収膜２は、ＴｉＮを含む第１の層２１と、Ｓｉ系化合物を含む第２の層２２とを備え、第２の層２２側から入射する赤外線のエネルギーを熱に変換する。ＴｉＮは、８μｍより短い波長域の赤外線に対する吸収率が高い一方、８μｍより長い波長域の赤外線に対しては反射率が高い。従って、長波長域の赤外線に対する吸収率が良いＳｉ系化合物層をＴｉＮ層上に積層すれば、ＴｉＮ層において吸収率が低い波長域の赤外線をＳｉ系化合物層において好適に吸収できると同時に、Ｓｉ系化合物層を透過しようとする赤外線をＴｉＮ層の界面で反射してＳｉ系化合物層へ戻すことができる。

Description

明 細 書
赤外線吸収体および熱型赤外線検出器
技術分野
[0001] 本発明は、赤外線吸収体および熱型赤外線検出器に関するものである。
背景技術
[0002] 従来の熱型赤外線検出器としては、例えば特許文献 1または 2に記載されたものが ある。特許文献 1には、焦電型赤外線固体撮像装置が開示されている。この装置の 赤外線吸収膜は、広範囲の赤外域に感度を有する有機物層、および波長 10 m付 近の吸収率が高い SiO層からなる積層構造を有する。
2
[0003] また、特許文献 2には、熱型赤外線センサが開示されている。このセンサは、最下 層に金属薄膜を含む多層構造の赤外線吸収膜を有する。金属薄膜の赤外線反射 率は赤外線透過率よりも大きくなつており、他層を透過しょうとする赤外線を金属薄膜 にお 、て反射させることによって他層における赤外線吸収率を高めようとして 、る。
[0004] 特許文献 1 :特許第 2523895号公報
特許文献 2：特許第 3608427号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] 一般的に、赤外線吸収体は機械的強度を保っために基板上に形成される。そして 、赤外線吸収体において生じた熱を精度よく検出するため、検出領域の基板部分が ウエットエッチング等により除去される (メンプレン構造:例えば、特許文献 2参照)。し 力 ながら、特許文献 1に開示された装置のように赤外線吸収膜に有機物層を含む 場合、有機物層はウエットエッチングに対する耐性が低いので、基板の加工が困難と なる。
[0006] また、赤外線を検出する際には、より広い波長域にわたって高効率で検出できるこ とが望ましい。特許文献 2には、検出可能な波長域の広帯域ィ匕に関しては何ら記載 されていない。
[0007] 本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、基板のウエットエッチング力卩ェが 容易であり、広い波長域にわたって効率良く赤外線を吸収できる赤外線吸収体およ び熱型赤外線検出器を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0008] 上記課題を解決するため、本発明の赤外線吸収体は、 TiNを含む第 1の層と、 Si 系化合物を含み第 1の層上に設けられた第 2の層とを備え、第 2の層側から入射する 赤外線のエネルギーを熱に変換する。
[0009] TiNは、 8 mより短い波長域の赤外線に対する吸収率が他の無機材料より高い 一方、 8 μ mより長 、波長域の赤外線に対しては反射率が高 、と 、う特徴を有する。 従って、 8 μ mより長 、波長域の赤外線に対する吸収率が良!、第 2の層を第 1の層（ TiN層）の上に積層すれば、 TiN層にお 、て吸収率が低 、波長域の赤外線を第 2の 層において好適に吸収できると同時に、第 2の層を透過しょうとする赤外線を TiN層 の界面で反射して第 2の層へ戻すことができるので、 8 mより短い波長域、および 8 mより長い波長域の双方を含む広い波長域にわたる赤外線を効率よく吸収できる 。上記した赤外線吸収体は、 TiNを含む第 1の層上に、 8 mより長い波長域の赤外 線に対する吸収率が高い Si系化合物を含む第 2の層を設けている。これにより、広い 波長域にわたって効率よく赤外線を吸収できる。
[0010] また、上記した赤外線吸収体においては、 TiNを含む第 1の層が、 8 mより短い波 長域の赤外線を主に吸収するとともに、 8 mより長い波長域の赤外線を第 2の層へ 向けて反射する。このように、一つの層が、一部の波長域の赤外線を吸収する機能と 、他の波長域の赤外線を他層へ反射する機能とを兼備することにより、反射を主目的 とする層を設ける場合と比較して、より少ない層数でもって広波長域の赤外線を効率 良く吸収できる。
[0011] また、 TiNおよび Si系化合物は、ウエットエッチングに対する耐性が高いので、基板 のゥヱットエッチング力卩ェを容易にできる。従って、上記した赤外線吸収体によれば、 検出領域の基板部分が除去されたメンブレン構造を容易に製造できる。
[0012] また、赤外線吸収体は、第 2の層が、 Si系化合物として SiCおよび SiNのうち少なく とも一方を含んでもよい。これにより、上述した効果を好適に得ることができる。特に、 SiCおよび SiNは他の Si系化合物と比較してウエットエッチングに対する耐性がより 高いので、この赤外線吸収体によれば、メンブレン構造を更に容易に製造できる。
[0013] また、赤外線吸収体は、第 2の層が、第 1の層よりも厚くてもよい。第 1の層を構成す る TiNは、厚さが或る値を超えると、赤外線に対する透過率が極めて小さくなるととも に、厚さを変化させても吸収率や反射率が殆ど変化しなくなる。しかし、第 2の層を構 成する Si系化合物は、厚いほど吸収率が高まる性質がある。従って、 Si系化合物を 含む第 2の層を TiNを含む第 1の層より厚くすることにより、8 mより長い波長域の赤 外線を更に効率良く吸収できる。
[0014] また、本発明の熱型赤外線検出器は、上記したいずれかの赤外線吸収体と、赤外 線吸収体からの熱を電気的な量に変換する熱電変換部とを備える。これにより、基板 のウエットエッチング力卩ェが容易であり、広い波長域にわたって効率良く赤外線を検 出できる熱型赤外線検出器を提供できる。
発明の効果
[0015] 本発明によれば、基板のウエットエッチング力卩ェが容易であり、広い波長域にわた つて効率良く赤外線を吸収できる赤外線吸収体および熱型赤外線検出器を提供で きる。
図面の簡単な説明
[0016] [図 1]本発明による赤外線吸収体を備える熱型赤外線検出器の第 1実施形態を示す 図である。
[図 2]TiNおよび SiCの赤外線吸収特性 (入射波長に応じた吸収率)を示すグラフで ある。
[図 3]TiNの赤外線反射特性 (入射波長に応じた反射率)を示すグラフである。
[図 4]第 1実施形態による熱型赤外線検出器の動作を説明するための図である。
[図 5]第 1実施形態の赤外線吸収膜全体での赤外線吸収特性 (入射波長に応じた吸 収率)を示すグラフである。
[図 6]本発明による赤外線吸収体を備える熱型赤外線検出器の第 2実施形態を示す 図である。
符号の説明
[0017] la, lb…熱型赤外線検出器、 2, 5…赤外線吸収膜、 3, 6…サーモパイル形成膜 、 4, 7…シリコン基板、 21, 51· ··第 1の層、 22, 52· ··第 2の層。
発明を実施するための最良の形態
[0018] 以下、図面を参照しつつ本発明に係る赤外線吸収体および熱型赤外線検出器の 好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は 相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
[0019] (第 1の実施の形態）
図 1 (a)は、本発明による赤外線吸収体を備える熱型赤外線検出器の第 1実施形 態を示す平面図である。また、図 1 (b)は、図 1 (a)に示す I—I線に沿った断面を示す 側面断面図である。また、図 1 (c)は、図 1 (b)の一部を拡大した拡大断面図である。
[0020] 本実施形態の熱型赤外線検出器 laは、いわゆるバルクマイクロマシン技術によつ て形成される形態の熱型赤外線検出器であり、赤外線吸収膜 2と、サーモパイル形 成膜 3と、シリコン (Si)基板 4とを備える。シリコン基板 4は、矩形の平面形状を有して おり、その外周に沿って設けられた枠部 41を有する。枠部 41に囲まれる中央付近に は、赤外線検出領域 A1に対応する大きさの開口 4aが形成されており、後述するサ 一モノィル形成膜 3および赤外線吸収膜 2をメンブレン構造としている。なお、この開 口 4aは、シリコン基板 4に対する選択的ウエットエッチングにより好適に形成される。
[0021] サーモパイル形成膜 3は、後述する赤外線吸収膜 2からの熱を電気的な量 (電圧、 電流など）に変換するための熱電変換部である。サーモパイル形成膜 3は、開口 4aを 塞ぐようにシリコン基板 4上に設けられており、複数の熱電対が二次元状に配置され て成る。複数の熱電対それぞれの温接点（サーモカップル）は赤外線検出領域 A1内 に配置され、冷接点は枠部 41上に配置される。
[0022] 赤外線吸収膜 2は、本実施形態における赤外線吸収体であり、サーモパイル形成 膜 3上の赤外線検出領域 A1に設けられている。赤外線吸収膜 2は、 TiNを主に含む 第 1の層 21と、 SiC、 SiN、 SiO 、 Si N、或いは SiONなどの Si系化合物を主に含
2 3 4
み第 1の層 21上に設けられた第 2の層 22とを備え、第 2の層 22側から入射する赤外 線のエネルギーを熱に変換する。第 2の層 22は、第 1の層 21よりも厚く形成されてい る。
[0023] なお、第 2の層 22は、 Si系化合物として SiCおよび SiNのうち少なくとも一方を主に 含むことが好ましい。また、第 2の層 22が SiO N (0< X≤2, 0≤Y< 1)を主に含む
X Υ
場合、酸素原子の組成比 ΧΖ (Χ+Υ)が 0. 4以上 0. 8以下であれば、光透過率が 良好となり且つ防湿性が高まるので好適である。
[0024] ここで、図 2は、 TiNおよび SiCの赤外線吸収特性 (入射波長に応じた吸収率)を示 すグラフである。なお、図 2において、グラフ G1は TiNの吸収特性を示しており、ダラ フ G2は SiCの吸収特性を示している。図 2に示すように、 TiNは、比較的短い波長域 、例えば 8 mより短い波長域での吸収率が高い。また、 SiCは、比較的長い波長域 、例えば 8 m〜14 mの波長域での吸収率が高い。また、図 3は、 TiNの赤外線 反射特性 (入射波長に応じた反射率)を示すグラフである。図 3に示すように、 TiNは 、比較的長い波長域、例えば 8 mより長い波長域での反射率が高い。
[0025] 図 4は、本実施形態による熱型赤外線検出器 laの動作を説明するための図である 。なお、図 4は、熱型赤外線検出器 laのうち、赤外線検出領域 A1に相当する部位の 側面断面を示している。
[0026] 熱型赤外線検出器 laの赤外線検出領域 A1へ入射する赤外線 IRは、赤外線吸収 膜 2へ第 2の層 22側力 入射する。そして、赤外線 IRのうち比較的短波長の波長成 分 (例えば波長 8 mを超えない成分) IR ( )は、第 2の層 22を透過し、第 1の層 2 1に主に吸収され、熱 Hに変換される。また、赤外線 IRのうち比較的長波長の波長成 分 (例えば波長 を超える成分) IR ( )は、第 2の層 22に吸収され、熱 Hに変
2
換される。このとき、波長成分 IR ( )の一部は、第 2の層 22を透過しょうとして第 1の
2
層 21と第 2の層 22との界面に達する力 第 1の層 21の TiNが有する高い反射率によ つてこの界面において反射され、結局、第 2の層 22に吸収されることとなる。こうして 発生した熱 Hは、熱伝導性が高!ヽ TiNを含む第 1の層 21を伝わってサーモパイル形 成膜 3へ達する。そして、サーモパイル形成膜 3において、熱 Hの大きさに応じた電 圧が生成される。
[0027] 本実施形態の熱型赤外線検出器 laおよび赤外線吸収膜 2による効果について説 明する。図 2および図 3に示したように、 TiNは、 8 mより短い波長域の赤外線 IR ( λ )に対する吸収率が他の無機材料より高 、一方、 8 μ mより長 、波長域の赤外線 I R ( )に対しては反射率が高!、と 、う特徴を有する。従って、 8 μ mより長 、波長域 の赤外線 IR( )に対する吸収率が良い第 2の層 22を第 1の層 21の上に積層すれ
2
ば、第 1の層 21に吸収されにくい波長域の赤外線 IR ( )を第 2の層 22において好
2
適に吸収できると同時に、第 2の層 22を透過しょうとする赤外線 IR ( )を第 1の層 2
2
1の界面で反射して第 2の層 22へ戻して第 2の層 22で吸収させることができるので、 8 μ mより短 ヽ波長域の赤外線、および 8 μ mより長 ヽ波長域の赤外線の双方を効率 よく吸収できる。
[0028] 本実施形態の赤外線吸収膜 2は、 TiNを含む第 1の層 21の上に、 8 mより長い波 長域の赤外線 IR( λ )に対する吸収率が高い S係化合物を含む第 2の層 22を設け
2
ている。これにより、広い波長域にわたって効率よく赤外線を吸収できる。特に、波長 8 π！〜 14 mは、放射温度計測や人体検知用途に多用される波長域なので、この 波長域の赤外線に対する吸収率が高い S係化合物（特に SiC)を第 2の層 22が主に 含むことにより、これらの測定を精度よく行うことができる。
[0029] また、 Si系化合物（特に SiC)は、 TiNにおける吸収率が高い波長 5 μ m付近の赤 外線に対する透過率が高い。従って、第 2の層 22が Si系化合物を主に含むことによ り、この波長域の赤外線 IR ( )を第 1の層 21へ効率よく入射させ、吸収効率を更に 高めることができる。また、 TiNは、比較的薄い層であっても赤外線に対する透過率 が低いので（例えば、厚さ 4000 Aで透過率 10%以下）、第 1の層 21に TiNを用いる ことにより、第 1の層 21の成膜時間を短くできる。また、 TiNは、他の無機材料と比較 して熱伝導率が高い（約 29WZm'K)。従って、第 1の層 21が TiNを主に含むことに より、第 1の層 21と第 2の層 22で発生した熱を輻射等で失うことなぐサーモパイル形 成膜 3へ伝えることができると共に、熱型赤外線検出器 laの応答速度を高めることが できる。
[0030] ここで、図 5は、本実施形態の赤外線吸収膜 2全体での赤外線吸収特性 (入射波 長に応じた吸収率)を示すグラフである。図 5に示すように、赤外線吸収膜 2によれば 、 8 μ mより長!、波長域（特に 8 m〜18 m付近）および 8 μ mより短!、波長域（特 に 4 /z m付近)の双方に亘つて赤外線を効率よく吸収できることがわかる。また、 8 mより長い波長域での吸収率は、図 2に示した SiC単層での吸収率よりも高くなつて いる。すなわち、第 1の層 21 (TiN)と第 2の層 22 (SiC)との界面における反射によつ て、この波長域の赤外線が第 2の層 22においてより効率よく吸収されるためと考えら れる。
[0031] また、本実施形態の赤外線吸収膜 2においては、 TiNを含む第 1の層 21が、 8 m より短い波長域の赤外線 IR( )を主に吸収するとともに、 8 /z mより長い波長域の 赤外線 IR ( )を第 2の層 22へ向けて反射する。このように、一つの層が、一部の波
2
長域の赤外線 IR ( λ )を吸収する機能と、他の波長域の赤外線 IR ( λ )を他層（第 2
1 2
の層 22)へ反射する機能とを兼備することにより、反射を主目的とする層を設ける場 合と比較して、より少ない層数でもって広波長域の赤外線を効率良く吸収できる。
[0032] また、 TiNおよび Si系化合物は、ウエットエッチングに対する耐性が高 、ので、シリ コン基板 4のウエットエッチング加工を容易にできる。従って、本実施形態の赤外線吸 収膜 2によれば、赤外線検出領域 A1の基板部分（開口 4aに相当する部分)が除去 されたメンブレン構造を容易に製造できる。特に、第 2の層 22が S係化合物として Si Cおよび SiNを主に含む場合、 SiCおよび SiNは他の Si系化合物と比較してウエット エッチングに対する耐性がより高いので、メンブレン構造を更に容易に製造でき、更 に好適である。
[0033] また、本実施形態のように、第 2の層 22は、第 1の層 21よりも厚いことが好ましい。
第 1の層 21を構成する TiNは、厚さが或る値を超えると、赤外線に対する透過率が 極めて小さくなるとともに、厚さの変化による吸収率や反射率の変化が微かとなる。し かし、第 2の層 22を構成する Si系化合物は、厚いほど吸収率が高まる性質がある。 従って、第 2の層 22を第 1の層 21より厚くすることにより、 8 mより長い波長域の赤 外線 IR (
2 )を更に効率良く吸収できる。
[0034] なお、第 2の層 22の厚さに関する上記事実は、本実施形態の第 2の層 22が、赤外 線吸収膜の保護のみに用いられる一般的な Si系化合物膜 (例えば SiO膜)とは異な
2
る作用を有することを顕著に示している。すなわち、赤外線吸収膜の保護のみに用 いられる膜は、赤外線吸収膜よりも薄いことが一般的である。しかし、本実施形態の 第 2の層 22は、上述したように赤外線を効率良く吸収するための赤外線吸収膜 2の 一部を構成するので、第 1の層 21よりも厚いことが好ましいのである。
[0035] なお、第 1の層 21の厚さは、 2500 A以上 10000 A以下であることが好ましい。第 1 の層 21の厚さを 2500A以上とすることにより、赤外線 IR( )および IR( )に対す
1 2 る透過率を低減し、吸収率および反射率を十分に確保できる。従って、 8 mより短 V、波長域の赤外線 IR ( λ )を吸収する機能、および 8 μ mより長 、波長域の赤外線 I R ( X )を反射する機能を効果的に発揮できる。また、第 1の層
2 21の厚さが 10000A を超えると、 8 μ mより短 、波長域の赤外線 IR ( λ )に対する吸収率が飽和する（厚さ を増しても、吸収率が殆ど増大しない)傾向がある。従って、第 1の層 21の厚さを 100 00Α以下とすることにより、第 1の層 21の形成時間を短縮できる。
[0036] また、第 2の層 22の厚さは、 10000 Α以上 25000 Α以下であることが好ましい。第 2の層 22の厚さを 10000A以上とすることにより、赤外線 IR( )に対する吸収率を
2
十分に確保できる。また、第 2の層 22の厚さが 25000 Aを超えると、赤外線 IR ( )
2 に対する吸収率が 100%に近くなり、飽和してしまう。従って、第 2の層 22の厚さを 25 000A以下とすることにより、第 2の層 22の形成時間を短縮できる。
[0037] また、上述したように、第 2の層 22は、第 1の層 21よりも厚いことが好ましい。第 2の 層 22を構成する Si系化合物は、吸収率が飽和に達する厚さが、第 1の層 21を構成 する TiNよりも厚い（Si系化合物： 25000 A、 TiN: 10000A)。したがって、第 2の層 22を第 1の層 21よりも厚くすることにより、更に効率よく赤外線を吸収できる。なお、 第 1の層 21の厚さ tと第 2の層 22の厚さ tとの比（t Zt )は、 1〜10であることが好ま
1 2 2 1
しぐ 3が最適である。
[0038] (第 2の実施の形態）
図 6 (a)は、本発明による赤外線吸収体を備える熱型赤外線検出器の第 2実施形 態を示す平面図である。また、図 6 (b)は、図 6 (a)に示す II— II線に沿った断面を示 す側面断面図である。また、図 6 (c)は、図 6 (b)の一部を拡大した拡大断面図である
[0039] 本実施形態の熱型赤外線検出器 lbは、いわゆる表面マイクロマシン技術によって 形成される形態の熱型赤外線検出器であり、赤外線吸収膜 5と、サーモパイル形成 膜 6と、シリコン (Si)基板 7とを備える。シリコン基板 7は、矩形の平面形状を有してお り、その表面側の赤外線検出領域 A2に対応する部分に矩形の凹部 7aを有する。な お、この凹部 7aは、ウエットエッチングにより好適に形成される。 [0040] サーモパイル形成膜 6は、赤外線吸収膜 5からの熱を電気的な量 (電圧、電流など )に変換するための熱電変換部である。サーモパイル形成膜 6は、凹部 7aを塞ぐよう にシリコン基板 7上に設けられており、複数の熱電対が二次元状に配置されて成る。 複数の熱電対それぞれの温接点 (サーモカップル）は赤外線検出領域 A2内に配置 され、冷接点は凹部 7aを除くシリコン基板 7の表面上に配置される。
[0041] 赤外線吸収膜 5は、本実施形態における赤外線吸収体であり、サーモパイル形成 膜 6上の赤外線検出領域 A2に設けられている。赤外線検出領域 A2に相当するシリ コン基板 7の表面には凹部 7aが形成されているので、赤外線吸収膜 5は、サーモパ ィル形成膜 6と共にメンブレン構造を成している。赤外線吸収膜 5は、 TiNを主に含 む第 1の層 51と、 SiC、 SiN、 SiO、 Si N、或いは SiONなどの Si系化合物を主に
2 3 4
含み第 1の層 51上に設けられた第 2の層 52とを備え、第 2の層 52側から入射する赤 外線のエネルギーを熱に変換する。なお、上記第 1実施形態と同様に、第 2の層 52 は、 Si系化合物として SiCおよび SiNのうち少なくとも一方を主に含むことが好ましぐ 或いは SiO N (0<X≤2, 0≤Y< 1)を主に含んでも良い。
X Υ
[0042] また、赤外線吸収膜 5およびサーモパイル形成膜 6には、厚さ方向に貫通する孔 5a および 6aがそれぞれ形成されている。孔 5aおよび 6aは、シリコン基板 7に凹部 7aを 形成するためのエツチャントをサーモパイル形成膜 6の裏側に侵入させるための孔で あり、赤外線吸収膜 5およびサーモパイル形成膜 6に複数形成されている。また、孔 5 aおよび 6aは、赤外線検出器としての動作時、特に窒素封じされた場合、凹部 7aの 圧力変化によりサーモパイル形成膜 6が動力な 、ようにする役目も果たす。
[0043] 本実施形態の熱型赤外線検出器 lbによれば、上記第 1実施形態の熱型赤外線検 出器 laと同様の効果を得ることができる。
[0044] 本発明による赤外線吸収体および熱型赤外線検出器は、上記した各実施形態に 限られるものではなぐ他にも様々な変形が可能である。例えば、上記各実施形態の 熱型赤外線検出器は、熱電変換部としてサーモパイルを備える熱起電力型の構成 を有するが、この他にも例えば LiTaO膜や PZT膜を備える焦電型、或いはサーミス
3
タゃボ口メータを備える抵抗型の構成を有してもよ 、。

Claims

請求の範囲
[1] TiNを含む第 1の層と、
Si系化合物を含み前記第 1の層上に設けられた第 2の層と
を備え、
前記第 2の層側カゝら入射する赤外線のエネルギーを熱に変換する、赤外線吸収体
[2] 前記第 2の層が、前記 Si系化合物として SiCおよび SiNのうち少なくとも一方を含む
、請求項 1に記載の赤外線吸収体。
[3] 前記第 2の層が、前記第 1の層よりも厚い、請求項 1または 2に記載の赤外線吸収 体。
[4] 請求項 1〜3のいずれか一項に記載の赤外線吸収体と、
前記赤外線吸収体からの熱を電気的な量に変換する熱電変換部と
を備える、熱型赤外線検出器。
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