WO2010073287A1 - 赤外線センサおよび赤外線センサの製造方法 - Google Patents

赤外線センサおよび赤外線センサの製造方法 Download PDF

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藤本健二郎
前田孝則
河野高博
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Definitions

  • the present invention relates to an infrared sensor such as a pyroelectric sensor, a thermopile, and a bolometer in a MEMS (micro-electromechanical system) sensor and a method for manufacturing the infrared sensor.
  • an infrared sensor such as a pyroelectric sensor, a thermopile, and a bolometer in a MEMS (micro-electromechanical system) sensor and a method for manufacturing the infrared sensor.
  • each detection element has a light receiving portion disposed so as to float above a concave portion formed in the substrate, and a beam that supports the light receiving portion on the substrate.
  • the light receiving surface is disposed so as to be orthogonal to the optical axis, that is, the light receiving surface faces the direction of the optical axis of infrared rays.
  • the conventional infrared sensor has a membrane structure in which the light receiving portion is floated from the substrate by the beam in order to increase the light receiving area and suppress the heat conduction from the light receiving portion to the substrate. For this reason, when manufacturing an infrared sensor (detection element), it is necessary to provide a sacrificial layer or to dig deeply, and there is a problem that processing is difficult and cumbersome and high in cost.
  • the infrared sensor of the present invention includes a substrate, a protruding base portion protruding on the substrate and extending in the incident direction of infrared rays, and an infrared detection portion provided on at least the upper side surface of the protruding base portion,
  • the protruding base material portion is configured by assembling a plurality of rib-like element base material portions into a mesh shape with respect to the substrate.
  • the plurality of element base parts are composed of a plurality of vertical base parts and a plurality of horizontal base parts, and the protruding base part lattices a plurality of vertical base parts and a plurality of horizontal base parts. It is preferable that they are assembled in a shape.
  • the protruding base portion provided with the infrared detecting portion extends in the direction of incidence of infrared rays, this portion can be easily formed by etching (deep etching) or the like. Moreover, since the infrared detection part is provided in the at least upper side surface of the protrusion base material part, infrared rays can fully be received. Furthermore, since the protruding base member is configured to protrude on the substrate, the heat dissipation path can be suppressed, and heat conduction from the infrared detection unit can be suppressed.
  • the protruding base material portion is configured by assembling a plurality of rib-shaped element base material portions in a mesh shape (lattice shape), even if the element base material portion is thin, the entire protruding base material portion Strength can be given.
  • the protruding dimension of the protruding base part from the substrate is larger than the thickness dimension of the protruding base part.
  • the protruding base material portion by forming the protruding base material portion long, the heat capacity of the protruding base material portion can be reduced, and the heat of the infrared detecting portion escapes to the substrate via the protruding base material portion (heat conduction guide). ) Can be suppressed.
  • the protruding base material portion is made of a heat insulating material or has a heat insulating layer on the surface.
  • an infrared absorption layer is formed on the surface of the infrared detection unit.
  • the infrared absorption rate of the infrared detection unit can be increased.
  • the groove bottoms of the plurality of gap grooves defined by the substrate and the protruding base portion are formed in a shape that diffusely reflects incident infrared rays.
  • a reflection layer for reflecting incident infrared rays is formed on the bottoms of the plurality of gap grooves defined by the substrate and the protruding base material portion.
  • the infrared detector is preferably formed by laminating an outer electrode layer, a pyroelectric layer, and an inner electrode layer.
  • Another infrared sensor of the present invention includes a substrate, a plurality of protruding base portions protruding on the substrate and extending in the direction of incidence of infrared rays, and a plurality of infrared rays provided on at least the upper side surface of each protruding base portion
  • Each of the protruding base parts is formed in a rib shape with respect to the substrate, and the plurality of protruding base parts are arranged in a stripe shape.
  • each protruding base material portion provided with the infrared detection portion extends in the direction of incidence of infrared rays, this portion can be easily formed by etching (deep etching) or the like. Moreover, since each infrared detection part is provided in the at least upper side surface of the protrusion base material part, infrared rays can fully be received. Furthermore, since each protrusion base material part is the structure protrudingly provided on the board
  • the protruding dimension of each protruding base material portion from the substrate is larger than the thickness dimension of each protruding base material portion.
  • each protruding base material portion is preferably formed of a heat insulating material or a heat insulating layer on the surface.
  • an infrared absorption layer is preferably formed on the surface of each infrared detection unit.
  • each gap groove between adjacent projecting base portions is formed in a shape that irregularly reflects incident infrared light.
  • a reflective layer for reflecting incident infrared rays is formed on the bottom of each gap groove between adjacent projecting base portions.
  • infrared rays can be prevented from being absorbed by the groove bottoms of the respective gap grooves, and infrared rays diffused or reflected from the groove bottoms of the respective gap grooves can be absorbed by the infrared detection unit.
  • each infrared detecting section is preferably formed by laminating an outer electrode layer, a pyroelectric layer, and an inner electrode layer.
  • Another infrared sensor of the present invention includes a substrate, a plurality of protruding base portions protruding on the substrate and extending in the direction of incidence of infrared rays, and a plurality of infrared rays provided on at least the upper side surface of each protruding base portion
  • Each of the protruding base parts is formed in a column shape with respect to the substrate, and the plurality of protruding base parts are arranged in an island shape.
  • the plurality of protruding base portions are arranged in a dot matrix.
  • each protruding base material portion provided with the infrared detection portion extends in the direction of incidence of infrared rays, this portion can be easily formed by etching (deep etching) or the like. Moreover, since each infrared detection part is provided in the at least upper side surface of the protrusion base material part, infrared rays can fully be received. Furthermore, since each protrusion base material part is the structure protrudingly provided on the board
  • the protruding dimension of each protruding base material portion from the substrate is larger than the thickness dimension of each protruding base material portion.
  • each protruding base material portion is preferably formed of a heat insulating material or a heat insulating layer on the surface.
  • an infrared absorption layer is preferably formed on the surface of each infrared detection unit.
  • the groove bottom of the gap region groove defined by the substrate and the plurality of protruding base parts is formed in a shape that diffuses incident infrared rays.
  • a reflection layer for reflecting incident infrared rays is formed on the groove bottom of the gap region groove defined by the substrate and the plurality of protruding base parts.
  • each infrared detecting section is preferably formed by laminating an outer electrode layer, a pyroelectric layer, and an inner electrode layer.
  • An infrared sensor manufacturing method is the infrared sensor manufacturing method according to claim 1, wherein an etching step of etching a substrate to form a mesh-like protruding base portion, and a protruding group after the etching step are performed. And a film forming step of forming an infrared detecting part on the material part.
  • thermo oxidation step of thermally oxidizing at least the surface of the protruding base material portion between the etching step and the film formation step.
  • an infrared sensor having good detection sensitivity can be manufactured easily and with a high yield.
  • Another infrared sensor manufacturing method of the present invention is the infrared sensor manufacturing method according to claim 9, wherein an etching step of etching a substrate to form a plurality of protruding base parts arranged in a stripe shape, and etching And a film forming step of forming an infrared detecting portion on each protruding base material portion after the step.
  • thermo oxidation step for thermally oxidizing at least the surface of each protruding base material portion between the etching step and the film forming step.
  • an infrared sensor having good detection sensitivity can be manufactured easily and with a high yield.
  • Another infrared sensor manufacturing method of the present invention is the infrared sensor manufacturing method according to claim 16, wherein an etching step of etching a substrate to form a plurality of protruding base parts arranged in an island shape, and etching And a film forming step of forming an infrared detecting portion on each protruding base material portion after the step.
  • thermo oxidation step for thermally oxidizing at least the surface of each protruding base material portion between the etching step and the film forming step.
  • an infrared sensor having good detection sensitivity can be manufactured easily and with a high yield.
  • the protruding base material portion provided with the infrared detecting portion protrudes on the substrate and extends in the incident direction of the infrared rays, so that the infrared rays are efficiently absorbed. It is possible to suppress heat conduction from the infrared detection unit. Therefore, it is possible to improve the detection sensitivity and to easily manufacture with good yield.
  • This infrared sensor is a so-called pyroelectric infrared sensor, which is a MEMS (micro-electro-mechanical system) sensor manufactured by microfabrication technology using silicon (wafer) or the like as a material. And this infrared sensor comprises the pixel (element) of the infrared detection apparatus commercialized by the array form.
  • MEMS micro-electro-mechanical system
  • the infrared sensor 1 includes a substrate 2, a protruding base material portion 3 that protrudes from the substrate 2 and has a plurality of rib-shaped element base materials 4 assembled in a lattice shape, And an infrared detecting unit 5 provided on the surface of the protruding base member 3.
  • substrate 2 and the protrusion base material part 3 are formed by etching a silicon substrate, and the some vertical base material part 4a and the some horizontal base material part 4b which comprise the some element base material part 4 are the same. And have the same thickness. In the etching, a portion of the substrate 2 may be left so as to surround the protruding base material portion 3.
  • Each element base material part (projection base material part 3) 4 extends long in the incident direction of infrared rays and is formed as thin as possible. That is, it is preferable that the thickness of the element base material portion (projecting base material portion 3) 4 is 1 ⁇ m or less. At least the projecting dimension of the element substrate part (projecting substrate part 3) 4 is made larger than the thickness dimension.
  • a heat insulating layer 11 (thermal insulating layer) is formed on the surface of the protruding base material portion 3. This heat insulation layer 11 is formed by thermally oxidizing (SiO 2 ) the protruding base material portion 3.
  • a low thermal conductive layer may be formed on the surface of the protruding base material portion 3 by forming a film with a material having low thermal conductivity.
  • the protruding base material portion 3 in the embodiment is configured by assembling four vertical base material portions 4a and three horizontal base material portions 4b in a lattice shape
  • the base material portions 4a and 4b The number of sheets is arbitrary.
  • the mutual separation dimension and the protruding dimension of the plurality of element base parts 4 are also arbitrary.
  • the projecting base material portion 3 may be formed by arranging the element base material portions 4 in a honeycomb shape in addition to the lattice shape. That is, in consideration of the strength of the protruding base material portion 3, it is preferable to assemble a plurality of element base material portions 4 in a mesh shape.
  • each element base material part projection base material part 3 4 at an acute angle (in a cross-sectional direction) (refer FIG. 3). If it does in this way, the reflection of the infrared rays from the front end surface of the protrusion base material part 3, ie, the front end surface of the infrared detection part 5, can be prevented, and the infrared absorption factor of the infrared detection part 5 can be raised.
  • the infrared detection unit 5 is configured by laminating an inner electrode layer 13, a pyroelectric layer 14, and an outer electrode layer 15 in this order on the protruding base part (element base part 4) 3. .
  • the infrared detecting unit 5 is preferably formed only on the upper side surface of the protruding base part 3 with respect to the protruding base part 3. However, from the relationship of the film forming process, the surface of the protruding base part 3 and the surface of the substrate 2 ( It is formed over the gap groove 17).
  • the pyroelectric layer 14 is formed of, for example, PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ), SBT (SrBi 2 Ta 2 O 9 ), BIT (Bi 4 Ti 3 O 12 ), LT (LiTaO 3 ), LN (LiNbO 3 ). ), BTO (BaTiO 3 ), BST (BaSrTiO 3 ) and the like.
  • the pyroelectric layer 14 is preferably made of a material having a low dielectric constant in consideration of detection sensitivity.
  • the upper part of the infrared detection unit 5 is highly crystallized by post-annealing, and further, the polarization orientation is changed. The C-axis orientation is preferable with respect to the surface of the protruding base material portion 3. By comprising in this way, the detection sensitivity of the pyroelectric layer 14 can be raised.
  • the inner electrode layer 13 is made of, for example, SRO, Nb-STO, LNO (LaNiO 3 ), or the like. In this case, considering the formation of the pyroelectric layer 14 on the inner electrode layer 13, the inner electrode layer 13 is preferably made of the same material as that of the pyroelectric layer 14.
  • the inner electrode layer 13 may be made of general Pt, Ir, Ti or the like.
  • An infrared absorption layer (not shown) may be provided on the surface of the outer electrode layer 15 to increase the infrared absorption rate. In this case, the infrared absorption layer is made of Au-Black or the like.
  • the infrared detection unit 5 may be formed only on the upper portion of the protruding base material portion (element base material portion 4) 5 (see FIG. 4). For example, while the substrate 2 is rotated, the inner electrode layer 13 and the outer electrode layer 15 are formed obliquely, so that the infrared detection unit 5 is formed only on the upper portion of the protruding base member 3.
  • each gap groove (trench) 17 has a concave mirror shape for irregularly reflecting incident infrared rays. (FIG. 5 (a)) and an uneven shape (FIG. 5 (b)).
  • infrared rays that reach the groove bottom of the gap groove 17 without being absorbed by the infrared detection unit 5 can be diffusely reflected by the groove bottom and absorbed by the infrared detection unit 5, thereby increasing the infrared absorption rate. it can.
  • a reflective layer that reflects incident infrared rays may be formed on the bottom of the gap groove 17.
  • the infrared sensor 1 of the embodiment is manufactured by a semiconductor microfabrication technique using a silicon substrate (wafer).
  • etching deep etching: DeepRIE
  • a thermal oxidation process is performed to form an oxide film, that is, a heat insulating layer 11 on the surfaces of the protruding base material portion 3 and the substrate 2 (thermal oxidation step: FIG. 6B).
  • the infrared detection unit 5 is formed on the surfaces of the protruding base member 2 and the substrate 3 in the order of the inner electrode layer 13, the pyroelectric layer 14, and the outer electrode layer 15 by, for example, epitaxial growth (CVD) (composition). Film process: FIG. 6 (c)).
  • CVD epitaxial growth
  • Film process: FIG. 6 (c) it is preferable to provide a buffer layer (not shown) between the protruding base portion 3 and the inner electrode layer 13 in order to perform high-quality film formation.
  • the buffer layer for example YSZ, CeO 2, Al 2 O 3, STO is preferred.
  • the substrate 2 may be heated from below to form a thick pyroelectric layer 14 on the bottom side of the gap groove 17. Thereby, the electrostatic capacitance by the side of the board
  • a polarization process is performed in which a high voltage is applied between the inner electrode layer 13 and the outer electrode layer 15 so that the crystals of the pyroelectric layer 14 are perpendicular to the surface of the protruding base material portion 3. May be performed.
  • post-annealing may be performed on the upper portion of the infrared detector 5 to promote crystallization of the pyroelectric layer 14. Thereby, the detection sensitivity of the infrared detection part 5 can be improved.
  • the protruding base part 3 provided with the infrared detection part 5 extends in the direction of incidence of infrared rays, this part can be easily formed by etching (deep etching). . Moreover, since the infrared detection part 5 is provided in the whole region of the protrusion base material part 3, it can fully receive infrared rays. Furthermore, since the protruding base part 3 is configured to protrude on the substrate 2, the heat generation path of the protruding base part 3 can be suppressed, and heat conduction from the infrared detection part 5 can be suppressed. .
  • the protruding base material portion 3 is configured by assembling a plurality of rib-shaped element base material portions 4 in a mesh shape (lattice shape), even if the element base material portion 4 is thin, the protruding base material portion The whole part 3 can be given strength. Therefore, according to the infrared sensor 1 of the present embodiment, the detection sensitivity can be improved, and it can be easily manufactured with a high yield.
  • the infrared sensor 1A of the second embodiment includes a substrate 2, a plurality of rib-shaped protruding base portions 3A protruding on the substrate 2, and a plurality of infrared detections provided on the surface of each protruding base portion 3A. Part 5A.
  • the plurality of rib-shaped protruding base portions 3A are arranged in a stripe shape. Also in this case, the substrate 2 and the protruding base portion 3A are formed by etching a silicon substrate, and the plurality of protruding base portions 3A have the same protruding dimensions and the same thickness.
  • the number of protruding base material portions 3A in this embodiment is arbitrary.
  • the mutually spaced dimension and the protruding dimension of the plurality of protruding base material portions 3A are also arbitrary.
  • the stripe may be curved (waveform).
  • each protruding base part 3A and the cross-sectional structure of each infrared detection part 5A are also the same as those of the first embodiment (see FIG. 2), and the description thereof is omitted here.
  • the groove bottom of each gap groove (trench) 17A has a concave mirror shape (see FIG. 5A) that irregularly reflects incident infrared rays, as in the first embodiment. )) Or a concavo-convex shape (see FIG. 5B).
  • the etching process see FIG.
  • the infrared sensor 1A is created.
  • the infrared detector 5A can be easily formed in the film formation process.
  • the protruding base portion 3A provided with the infrared detecting portion 5A extends in the direction of incidence of infrared rays, so that this portion can be easily formed by etching (deep etching). .
  • the infrared detection part 5A is provided in the whole area
  • the protruding base portion 3A is configured to protrude on the substrate 2, the heat transfer path of the protruding base portion 3A can be suppressed, and the heat conduction from the infrared detecting portion 5A can be suppressed. it can. Therefore, it is possible to improve the detection sensitivity and to easily manufacture with good yield.
  • the infrared sensor 1B according to the third embodiment includes a substrate 2, a plurality of columnar protruding base portions 3B protruding on the substrate 2, and a plurality of infrared detections provided on the surface of each protruding base portion 3B. Part 5B.
  • the plurality of columnar protruding base portions 3B are arranged in a dot matrix shape.
  • the substrate 2 and the protruding base part 3B are formed by etching a silicon substrate, and the plurality of protruding base parts 3B are arranged in a staggered manner in addition to a matrix shape, etc. It is preferable to arrange in an archipelago shape. Further, each protruding base material portion 3B may be cylindrical.
  • each projecting base material portion 3B and the cross-sectional structure of each infrared detection portion 5B are also the same as those in the first embodiment (see FIG. 2), and description thereof is omitted here.
  • the groove bottom of the gap region groove 18 has a concave mirror shape for irregularly reflecting incident infrared rays (see FIG. 5A), as in the first embodiment. ) Or an uneven shape (see FIG. 5B).
  • the etching process see FIG. 6A
  • the thermal oxidation process see FIG.
  • the infrared sensor 1B is created.
  • the plurality of protruding base material portions 3B are in the form of standing, it is possible to easily form the infrared detecting portion 5B in the film forming process.
  • the protruding base material portion 3B provided with the infrared detecting portion 5B extends in the direction of incidence of infrared rays, this portion can be easily formed by etching (deep etching). . Moreover, since the infrared detection part 5B is provided in the whole area
  • This embodiment is a so-called bolometer, which has a pair of beam-like connecting portions 21 and 21 on both sides of a lattice frame-like protruding base material portion 3C, and the pair of connecting portions 21 and 21 are connected to the substrate 2.
  • the protruding base material portion 3C is formed by assembling a plurality of element base material portions 4 including a plurality of rib-like vertical base material portions 4a and a plurality of rib-like horizontal base material portions 4b in a lattice frame shape.
  • the infrared detection part 5C is formed in the upper half part of 3 C of protrusion base material parts (element base material part 4), and is extended to the part of both the connection parts 21 and 21.
  • FIG. The infrared detector 5C is made of polysilicon or vanadium oxide. Also in this embodiment, the detection sensitivity can be improved and the manufacturing can be easily performed with a high yield.

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Abstract

 検出感度を向上させることができる共に、歩留り良く簡単に製造することができる赤外線センサおよびその製造方法を提供する。 基板2と、基板2上に突設され赤外線の入射方向に延在する突出基材部3と、突出基材部3の少なくとも上部側面に設けられた赤外線検出部5と、を備え、突出基材部3は、リブ状の複数の縦基材部4aとリブ状の複数の横基材部4bとから成る複数の要素基材部4を格子状に組んで構成されている。

Description

赤外線センサおよび赤外線センサの製造方法
 本発明は、MEMS(micro electro mechanical system)センサにおける、焦電体センサ、サーモパイル、ボロメータ等の赤外線センサおよび赤外線センサの製造方法に関するものである。
 従来、この種の赤外線センサとして、複数の検出素子をマトリクス状に配列した赤外線検出装置が知られている(特許文献1参照)。各検出素子は、基板に形成された凹部の上方に浮くように配設した受光部と、受光部を基板に支持する梁と、を有しており、受光部は、その受光面が赤外線の光軸に直交するように、すなわち受光面が赤外線の光軸の方向に向くように配設されている。
特開2007-333558号公報
 このように従来の赤外線センサでは、受光面積を大きくとると共に受光部から基板への熱伝導を抑制するために、梁により受光部を基板から浮かしたメンブレン構造をとっている。このため、赤外線センサ(検出素子)を製造するときに、犠牲層を設け、或いは大きく掘込みを入れる必要があり、加工が難しく手間がかりコスト高となる問題があった。
 本発明は、検出感度を向上させることができる共に、歩留り良く簡単に製造することができる赤外線センサおよび赤外線センサの製造方法を提供することをその課題としている。
 本発明の赤外線センサは、基板と、基板上に突設され赤外線の入射方向に延在する突出基材部と、突出基材部の少なくとも上部側面に設けられた赤外線検出部と、を備え、突出基材部は、前記基板に対しリブ状の複数の要素基材部を網目状に組んで構成されていることを特徴とする。
 この場合、複数の要素基材部は、複数の縦基材部と複数の横基材部とから成り、突出基材部は、複数の縦基材部と複数の横基材部とを格子状に組んで構成されていることが好ましい。
 この構成によれば、赤外線検出部が設けられた突出基材部が、赤外線の入射方向に延在しているため、この部分をエッチング(深堀のエッチング)等により簡単に形成することができる。また、赤外線検出部が突出基材部の少なくとも上部側面に設けられているため、赤外線を十分に受光することができる。さらに、突出基材部が基板上に突設された構成であるため、放熱パスを抑制することができ、赤外線検出部からの熱伝導を抑制することができる。しかも、突出基材部は、リブ状の複数の要素基材部を網目状(格子状)に組んで構成されているため、要素基材部が肉薄であっても、突出基材部全体に強度を持たせることができる。
 また、突出基材部の基板からの突出寸法が、突出基材部の厚さ寸法より大きいことが好ましい。
 この構成によれば、突出基材部を長く形成することで、突出基材部の熱容量を小さくすることができ、赤外線検出部の熱が突出基材部を介して基板に逃げる(伝熱導)のを抑制することができる。
 また、突出基材部は、断熱性材料で、または表面に断熱層を有して形成されていることが好ましい。
 この構成によれば、赤外線検出部の熱が突出基材部に伝熱導するのを、十分に抑制することができる。
 また、赤外線検出部の表面には、赤外線吸収層が形成されていることが好ましい。
 この構成によれば、赤外線検出部の赤外線吸収率を高めることができる。
 一方、基板と突出基材部とで画成された複数の間隙溝の溝底は、入射した赤外線を乱反射させる形状に形成されていることが好ましい。
 同様に、基板と突出基材部とで画成された複数の間隙溝の溝底には、入射した赤外線を反射させる反射層が形成されていることが好ましい。
 この構成によれば、赤外線が各間隙溝の溝底に吸収されるのを防止することができると共に、間隙溝の溝底から乱反射或いは反射した赤外線を赤外線検出部に吸収させることができる。
 また、赤外線検出部は、外側電極層と、焦電体層と、内側電極層とを積層して成ることが好ましい。
 この構成によれば、突出基材部に作り込むのに適した赤外線検出部とすることができる。
 本発明の他の赤外線センサは、基板と、基板上に突設され赤外線の入射方向に延在する複数の突出基材部と、各突出基材部の少なくとも上部側面に設けられた複数の赤外線検出部と、を備え、各突出基材部は前記基板に対しリブ状に形成され、且つ複数の突出基材部はストライプ状に配設されていることを特徴とする。
 この構成によれば、赤外線検出部が設けられた各突出基材部が、赤外線の入射方向に延在しているため、この部分をエッチング(深堀のエッチング)等により簡単に形成することができる。また、各赤外線検出部が突出基材部の少なくとも上部側面に設けられているため、赤外線を十分に受光することができる。さらに、各突出基材部が基板上に突設された構成であるため、放熱パスを抑制することができ、赤外線検出部からの熱伝導を抑制することができる。しかも、複数の突出基材部により、赤外線の吸収率を高めることができ、且つ各突出基材部に一定の強度を持たせることができる。なお、複数の突出基材部のストライプは、直線状であっても曲線状(波形)であってもよい。
 上記の赤外線センサにおいて、各突出基材部の基板からの突出寸法が、各突出基材部の厚さ寸法より大きいことが好ましい。
 上記の赤外線センサにおいて、各突出基材部は、断熱性材料で、または表面に断熱層を有して形成されていることが好ましい。
 上記の赤外線センサにおいて、各赤外線検出部の表面には、赤外線吸収層が形成されていることが好ましい。
 上記の赤外線センサにおいて、隣接する突出基材部同士の各間隙溝の溝底は、入射した赤外線を乱反射させる形状に形成されていることが好ましい。
 同様に、隣接する突出基材部同士の各間隙溝の溝底には、入射した赤外線を反射させる反射層が形成されていることが好ましい。
 この構成によれば、赤外線が各間隙溝の溝底に吸収されるのを防止することができると共に、各間隙溝の溝底から乱反射或いは反射した赤外線を赤外線検出部に吸収させることができる。
 上記の赤外線センサにおいて、各赤外線検出部は、外側電極層と、焦電体層と、内側電極層とを積層して成ることが好ましい。
 本発明の他の赤外線センサは、基板と、基板上に突設され赤外線の入射方向に延在する複数の突出基材部と、各突出基材部の少なくとも上部側面に設けられた複数の赤外線検出部と、を備え、各突出基材部は前記基板に対し支柱状に形成され、且つ複数の突出基材部は島状に配設されていることを特徴とする。
 この場合、複数の突出基材部は、ドットマトリクス状に配設されていることが好ましい。
 この構成によれば、赤外線検出部が設けられた各突出基材部が、赤外線の入射方向に延在しているため、この部分をエッチング(深堀のエッチング)等により簡単に形成することができる。また、各赤外線検出部が突出基材部の少なくとも上部側面に設けられているため、赤外線を十分に受光することができる。さらに、各突出基材部が基板上に突設された構成であるため、放熱パスを抑制することができ、赤外線検出部からの熱伝導を抑制することができる。しかも、複数の突出基材部により、赤外線の吸収率を高めることができる。
 上記の赤外線センサにおいて、各突出基材部の基板からの突出寸法が、各突出基材部の厚さ寸法より大きいことが好ましい。
 上記の赤外線センサにおいて、各突出基材部は、断熱性材料で、または表面に断熱層を有して形成されていることが好ましい。
 上記の赤外線センサにおいて、各赤外線検出部の表面には、赤外線吸収層が形成されていることが好ましい。
 上記の赤外線センサにおいて、基板と複数の突出基材部とで画成された間隙領域溝の溝底は、入射した赤外線を乱反射させる形状に形成されていることが好ましい。
 同様に、基板と複数の突出基材部とで画成された間隙領域溝の溝底には、入射した赤外線を反射させる反射層が形成されていることが好ましい。
 この構成によれば、赤外線が間隙領域溝の溝底に吸収されるのを防止することができると共に、間隙領域溝の溝底から乱反射或いは反射した赤外線を赤外線検出部に吸収させることができる。
 上記の赤外線センサにおいて、各赤外線検出部は、外側電極層と、焦電体層と、内側電極層とを積層して成ることが好ましい。
 本発明の赤外線センサの製造方法は、上記請求項1の赤外線センサの製造方法であって、基板をエッチングして網目状の突出基材部を形成するエッチング工程と、エッチング工程の後、突出基材部に赤外線検出部を成膜する成膜工程と、を備えたことを特徴とする。
 この場合、エッチング工程と成膜工程との間に、突出基材部の少なくとも表面を熱酸化させる熱酸化工程を、更に備えることが好ましい。
 この構成によれば、検出感度の良好な赤外線センサを、簡単に且つ歩留り良く製造することができる。
 本発明の他の赤外線センサの製造方法は、上記請求項9の赤外線センサの製造方法であって、基板をエッチングしてストライプ状に配置した複数の突出基材部を形成するエッチング工程と、エッチング工程の後、各突出基材部に赤外線検出部を成膜する成膜工程と、を備えたことを特徴とする。
 この場合、エッチング工程と成膜工程との間に、各突出基材部の少なくとも表面を熱酸化させる熱酸化工程を、更に備えることが好ましい。
 この構成によれば、検出感度の良好な赤外線センサを、簡単に且つ歩留り良く製造することができる。
 本発明の他の赤外線センサの製造方法は、上記請求項16の赤外線センサの製造方法であって、基板をエッチングして島状に配置した複数の突出基材部を形成するエッチング工程と、エッチング工程の後、各突出基材部に赤外線検出部を成膜する成膜工程と、を備えたことを特徴とする。
 この場合、エッチング工程と成膜工程との間に、各突出基材部の少なくとも表面を熱酸化させる熱酸化工程を、更に備えることが好ましい。
 この構成によれば、検出感度の良好な赤外線センサを、簡単に且つ歩留り良く製造することができる。
 以上のように、本発明によれば、赤外線検出部が設けられた突出基材部が、基板上に突設され且つ赤外線の入射方向に延在しているため、赤外線を効率良く吸収することができると共に、赤外線検出部からの熱伝導を抑制することができる。したがって、検出感度を向上させることができる共に、歩留り良く簡単に製造することができる。
第1実施形態に係る赤外線センサの斜視図である。 第1実施形態に係る赤外線センサの断面図である。 変形例に係る赤外線センサの断面図である。 他の変形例に係る赤外線センサの断面図である。 第1実施形態に係る赤外線センサの間隙溝の拡大断面図である。 第1実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する説明図である。 第2実施形態に係る赤外線センサの斜視図である。 第3実施形態に係る赤外線センサの斜視図である。 第4実施形態に係る赤外線センサの斜視図である。
符号の説明
  1 赤外線センサ            1A 赤外線センサ
 1B 赤外線センサ            1C 赤外線センサ
  2 基板                 3 突出基材部
 3A 突出基材部             3B 突出基材部
 3C 突出基材部              4 要素基材部
 4a 縦基材部              4b 横基材部
  5 赤外線検出部            5A 赤外線検出部
 5B 赤外線検出部            5C 赤外線検出部
 11 断熱層               13 内側電極層
 14 焦電体層              15 外側電極層
 17 間隙溝              17A 間隙溝
 18 間隙領域溝             21 連結部
 以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態に係る赤外線センサおよびその製造方法について説明する。この赤外線センサは、シリコン(ウェーハ)等を材料として微細加工技術により製造されるMEMS(micro electro mechanical system)センサであり、いわゆる焦電型の赤外線センサである。そして、この赤外線センサは、アレイ形式で製品化される赤外線検出装置のピクセル(エレメント)を構成するものである。
 図1および図2に示すように、赤外線センサ1は、基板2と、基板2上に突設され、リブ状の複数の要素基材部4を格子状に組んだ突出基材部3と、突出基材部3の表面に設けられた赤外線検出部5と、で構成されている。基板2および突出基材部3は、シリコン基板をエッチングすることで形成されており、複数の要素基材部4を構成する複数の縦基材部4aと複数の横基材部4bは、同一の突出寸法であって同一の厚さに形成されている。なお、エッチングに際に、突出基材部3を囲うように基板2の部分を残すようにしてもよい。
 各要素基材部(突出基材部3)4は、赤外線の入射方向に長く延在すると共に、可能な限り薄く形成されている。すなわち、要素基材部(突出基材部3)4の厚さを1μm以下とすることが好ましい。少なくとも、要素基材部(突出基材部3)4の突出寸法をその厚さ寸法より大きくする。また、突出基材部3の表面には、断熱層11(熱絶縁層)が形成されている。この断熱層11は、突出基材部3を熱酸化(SiO)させることで形成する。もっとも、突出基材部(要素基材部4)3が薄手に形成されている場合には、突出基材部3の全体を熱酸化するようにしてもよい。また、突出基材部3の表面に、熱伝導率の低い材料で成膜を行い低熱伝導層を形成するようにしてもよい。
 なお、実施形態における突出基材部3は、4枚の縦基材部4aと3枚の横基材部4bとを格子状に組んで構成されているが、これら基材部4a,4bの枚数は任意である。また、複数の要素基材部4の相互の離間寸法や突出寸法も、任意である。さらに、突出基材部3は、その要素基材部4を格子状の他、ハニカム状に組んでもよい。すなわち、突出基材部3の強度を考慮し、複数の要素基材部4を網目状に組むことが好ましい。さらにまた、各要素基材部(突出基材部3)4の先端部を(断面方向において)鋭角に形成するようにしてもよい(図3参照)。このようにすれば、突出基材部3の先端面、すなわち赤外線検出部5の先端面からの赤外線の反射を防止することができ、赤外線検出部5の赤外線吸収率を高めることができる。
 図2に示すように、赤外線検出部5は、突出基材部(要素基材部4)3に内側電極層13、焦電体層14および外側電極層15を順に積層して構成されている。突出基材部3に対し赤外線検出部5は、突出基材部3の上部側面にのみ形成することが好ましいが、成膜工程の関係から、突出基材部3の表面および基板2の表面(間隙溝部17)に亘って形成されている。焦電体層14は、例えばPZT(Pb(Zr,Ti)O)、SBT(SrBiTa)、BIT(BiTi12)、LT(LiTaO)、LN(LiNbO)、BTO(BaTiO)、BST(BaSrTiO)等で構成されている。この場合、焦電体層14は、検出感度を考慮し誘電率の低い材質のものが好ましく、また赤外線検出部5の上部をポストアニール処理により高結晶化すること、更には分極の配向を、突出基材部3の表面に対しC軸配向とすることが好ましい。このように構成することで、焦電体層14の検出感度を高めることができる。
 内側電極層13は、例えばSRO、Nb-STO、LNO(LaNiO)等で構成されている。この場合、内側電極層13上への焦電体層14の成膜を考慮し、内側電極層13は結晶構造が焦電体層14と同一の材料とすることが好ましい。また、内側電極層13は、一般的なPt、Ir、Ti等で構成してもよい。そして、外側電極層15の表面に赤外線吸収層(図示省略)を設け、赤外線の吸収率を高めるようにしてもよい。この場合、赤外線吸収層は、Au-Black等で構成する。なお、上述のように、赤外線検出部5を、突出基材部(要素基材部4)5の上部にのみ形成するようにしてもよい(図4参照)。例えば、基板2を回転させながら、内側電極層13および外側電極層15を斜めから成膜することで、赤外線検出部5を突出基材部3の上部にのみ形成する。
 一方、図5に示すように、基板2と突出基材部3とで画成された複数の間隙溝17において、各間隙溝(トレンチ)17の溝底は、入射した赤外線を乱反射させる凹面鏡形状(図5(a))や凹凸形状(図5(b))に形成されている。これにより、赤外線検出部5に吸収されることなく間隙溝17の溝底に達する赤外線を、この溝底で乱反射して赤外線検出部5に吸収させることができ、赤外線の吸収率を高めることができる。なお、間隙溝17の溝底に、入射した赤外線を反射させる反射層を形成するようにしてもよい。
 次に、図6を参照して、赤外線センサ1の製造方法について説明する。実施形態の赤外線センサ1は、シリコン基板(ウェーハ)を用い、半導体の微細加工技術により製造される。先ず、フォトリソグラフィーによりレジストを塗布されたシリコン基板に、エッチング(深掘エッチング:DeepRIE)を行って、格子状の突出基材部3を形成する(エッチング工程:図6(a))。次に、熱酸化処理を行い突出基材部3および基板2の表面に酸化膜、すなわち断熱層11を形成する(熱酸化工程:図6(b))。続いて、突出基材部2および基板3の表面に、内側電極層13、焦電体層14および外側電極層15の順で、例えばエピタキシャル成長(CVD)により赤外線検出部5を成膜する(成膜工程:図6(c))。このエピタキシャル成長では、高品質の成膜を行うべく、特に突出基材部3と内側電極層13との間には、それぞれバッファ層(図示省略)を設けることが好ましい。バッファ層は、例えばYSZ、CeO、Al、STOが好ましい。
 なお、成膜工程において、基板2を下側から加熱し、間隙溝17の底部側の焦電体層14を厚く成膜するようにしてもよい。これにより、焦電体層14の基板2側の静電容量を小さくすることができる。また、成膜工程の後、内側電極層13および外側電極層15間に高電圧を印加し、焦電体層14の結晶を突出基材部3の表面に垂直となるように処理する分極処理を行ってもよい。簡易には、赤外線検出部5の上部にポストアニールを行い、焦電体層14の結晶化を促進するようにしてもよい。これにより、赤外線検出部5の検出感度を向上させることができる。
 このような構成では、赤外線検出部5が設けられた突出基材部3が、赤外線の入射方向に延在しているため、この部分をエッチング(深堀のエッチング)により簡単に形成することができる。また、赤外線検出部5が突出基材部3の全域に設けられているため、赤外線を十分に受光することができる。さらに、突出基材部3が基板2上に突設された構成であるため、突出基材部3の発熱パスを抑制することができ、赤外線検出部5からの熱伝導を抑制することができる。しかも、突出基材部3は、リブ状の複数の要素基材部4を網目状(格子状)に組んで構成されているため、要素基材部4が肉薄であっても、突出基材部3全体に強度を持たせることができる。したがって、本実施形態の赤外線センサ1によれば、検出感度を向上させることができる共に、歩留り良く簡単に製造することができる。
 次に、図7を参照して、赤外線センサの第2実施形態について説明する。なお、この説明では、第1実施形態と異なる部分を主に説明する。第2実施形態の赤外線センサ1Aは、基板2と、基板2上に突設されたリブ状の複数の突出基材部3Aと、各突出基材部3Aの表面に設けられた複数の赤外線検出部5Aと、で構成されている。そして、リブ状の複数の突出基材部3Aはストライプ状に配設されている。この場合も、基板2および突出基材部3Aは、シリコン基板をエッチングすることで形成されており、複数の突出基材部3Aは、同一の突出寸法であって同一の厚さに形成されている。なお、この実施形態における突出基材部3Aの枚数は任意である。また、複数の突出基材部3Aの相互の離間寸法や突出寸法も、任意である。さらに、ストライプは、曲線状(波形)であってもよい。
 そして、各突出基材部3Aの断面構造および各赤外線検出部5Aの断面構造も、第1実施形態のものと同一であり(図2参照)、ここでは、説明を省略する。また、複数の突出基材部3Aの相互の間隙溝17Aにおいても、第1実施形態と同様に各間隙溝(トレンチ)17Aの溝底は、入射した赤外線を乱反射させる凹面鏡形状(図5(a)参照)や凹凸形状(図5(b)参照)に形成されている。さらに、赤外線センサ1Aの製造方法についても、第1実施形態と同様に、エッチング工程(図6(a)参照)、熱酸化工程(図6(b)参照)および成膜工程(図6(c)参照)を経て赤外線センサ1Aが作成される。但し、本実施形態では、各間隙溝17Aが一方向に延在しているため、成膜工程における赤外線検出部5Aの成膜を簡単に行うことができる。
 このような構成では、赤外線検出部5Aが設けられた突出基材部3Aが、赤外線の入射方向に延在しているため、この部分をエッチング(深堀のエッチング)により簡単に形成することができる。また、赤外線検出部5Aが突出基材部3Aの全域に設けられているため、赤外線を十分に受光することができる。さらに、突出基材部3Aが基板2上に突設された構成であるため、突出基材部3Aの伝熱パスを抑制することができ、赤外線検出部5Aからの熱伝導を抑制することができる。したがって、検出感度を向上させることができる共に、歩留り良く簡単に製造することができる。
 次に、図8を参照して、赤外線センサの第3実施形態について説明する。なお、この説明では、第1実施形態と異なる部分を主に説明する。第3実施形態の赤外線センサ1Bは、基板2と、基板2上に突設された支柱状の複数の突出基材部3Bと、各突出基材部3Bの表面に設けられた複数の赤外線検出部5Bと、で構成されている。そして、支柱状の複数の突出基材部3Bはドットマトリクス状に配設されている。この場合も、基板2および突出基材部3Bは、シリコン基板をエッチングすることで形成されており、複数の突出基材部3Bは、マトリクス状の他、千鳥状に配設されたもの等、群島状に配設されていることが好ましい。また、各突出基材部3Bは、円柱状であってもよい。
 そして、各突出基材部3Bの断面構造および各赤外線検出部5Bの断面構造も、第1実施形態と同一であり(図2参照)、ここでは、説明を省略する。また、複数の突出基材部3Bの相互の間隙領域溝18においても、第1実施形態と同様に間隙領域溝18の溝底は、入射した赤外線を乱反射させる凹面鏡形状(図5(a)参照)や凹凸形状(図5(b)参照)に形成されている。さらに、赤外線センサ1Bの製造方法についても、第1実施形態と同様に、エッチング工程(図6(a)参照)、熱酸化工程(図6(b)参照)および成膜工程(図6(c)参照)を経て赤外線センサ1Bが作成される。但し、本実施形態では、複数の突出基材部3Bが林立している形態であるため、成膜工程における赤外線検出部5Bの成膜を簡単に行うことができる。
 このような構成では、赤外線検出部5Bが設けられた突出基材部3Bが、赤外線の入射方向に延在しているため、この部分をエッチング(深堀のエッチング)により簡単に形成することができる。また、赤外線検出部5Bが突出基材部3Bの全域に設けられているため、赤外線を十分に受光することができる。さらに、突出基材部3Bが基板2上に突設された構成であるため、突出基材部3Bの伝熱パスを抑制することができ、赤外線検出部5Bからの熱伝導を抑制することができる。したがって、検出感度を向上させることができる共に、歩留り良く簡単に製造することができる。
 次に、図9を参照して、赤外線センサ1Cの第4実施形態について説明する。この実施形態は、いわゆるボロメータであり、格子枠状の突出基材部3Cの両サイドに梁状の一対の連結部21,21を有し、この一対の連結部21,21が基板2に連結されている。この場合も、突出基材部3Cは、リブ状の複数の複数の縦基材部4aとリブ状の複数の横基材部4bとから成る複数の要素基材部4を格子枠状に組んで構成されている。そして、赤外線検出部5Cは、突出基材部(要素基材部4)3Cの上半部に形成される共に、両連結部21,21の部分まで延びている。赤外線検出部5Cは、ポリシリコンやバナジウムオキサイトで構成されている。この実施形態でも、検出感度を向上させることができる共に、歩留り良く簡単に製造することができる。

Claims (29)

  1.  基板と、
     前記基板上に突設され赤外線の入射方向に延在する突出基材部と、
     前記突出基材部の少なくとも上部側面に設けられた赤外線検出部と、を備え、
     前記突出基材部は、前記基板に対しリブ状の複数の要素基材部を網目状に組んで構成されていることを特徴とする赤外線センサ。
  2.  前記複数の要素基材部は、複数の縦基材部と複数の横基材部とから成り、
     前記突出基材部は、前記複数の縦基材部と前記複数の横基材部とを格子状に組んで構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.  前記突出基材部の前記基板からの突出寸法が、前記突出基材部の厚さ寸法より大きいことを特徴とする請求項1に記載の赤外線センサ。
  4.  前記突出基材部は、断熱性材料で、または表面に断熱層を有して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。
  5.  前記赤外線検出部の表面には、赤外線吸収層が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。
  6.  前記基板と前記突出基材部とで画成された複数の間隙溝の溝底は、入射した赤外線を乱反射させる形状に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。
  7.  前記基板と前記突出基材部とで画成された複数の間隙溝の溝底には、入射した赤外線を反射させる反射層が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。
  8.  前記赤外線検出部は、外側電極層と、焦電体層と、内側電極層とを積層して成ることを特徴とする請求項1に記載の赤外線センサ。
  9.  基板と、
     前記基板上に突設され赤外線の入射方向に延在する複数の突出基材部と、
     前記各突出基材部の少なくとも上部側面に設けられた複数の赤外線検出部と、を備え、
     前記各突出基材部は前記基板に対しリブ状に形成され、且つ前記複数の突出基材部はストライプ状に配設されていることを特徴とする赤外線センサ。
  10.  前記各突出基材部の前記基板からの突出寸法が、前記各突出基材部の厚さ寸法より大きいことを特徴とする請求項9に記載の赤外線センサ。
  11.  前記各突出基材部は、断熱性材料で、または表面に断熱層を有して形成されていることを特徴とする請求項9に記載の赤外線センサ。
  12.  前記各赤外線検出部の表面には、赤外線吸収層が形成されていることを特徴とする請求項9に記載の赤外線センサ。
  13.  隣接する前記突出基材部同士の各間隙溝の溝底は、入射した赤外線を乱反射させる形状に形成されていることを特徴とする請求項9に記載の赤外線センサ。
  14.  隣接する前記突出基材部同士の各間隙溝の溝底には、入射した赤外線を反射させる反射層が形成されていることを特徴とする請求項9に記載の赤外線センサ。
  15.  前記各赤外線検出部は、外側電極層と、焦電体層と、内側電極層とを積層して成ることを特徴とする請求項9に記載の赤外線センサ。
  16.  基板と、
     前記基板上に突設され赤外線の入射方向に延在する複数の突出基材部と、
     前記各突出基材部の少なくとも上部側面に設けられた複数の赤外線検出部と、を備え、
     前記各突出基材部は前記基板に対し支柱状に形成され、且つ前記複数の突出基材部は群島状に配設されていることを特徴とする赤外線センサ。
  17.  前記複数の突出基材部は、ドットマトリクス状に配設されていることを特徴とする請求項16に記載の赤外線センサ。
  18.  前記各突出基材部の前記基板からの突出寸法が、前記各突出基材部の厚さ寸法より大きいことを特徴とする請求項16に記載の赤外線センサ。
  19.  前記各突出基材部は、断熱性材料で、または表面に断熱層を有して形成されていることを特徴とする請求項16に記載の赤外線センサ。
  20.  前記各赤外線検出部の表面には、赤外線吸収層が形成されていることを特徴とする請求項16に記載の赤外線センサ。
  21.  前記基板と前記複数の突出基材部とで画成された間隙領域溝の溝底は、入射した赤外線を乱反射させる形状に形成されていることを特徴とする請求項16に記載の赤外線センサ。
  22.  前記基板と前記複数の突出基材部とで画成された間隙領域溝の溝底には、入射した赤外線を反射させる反射層が形成されていることを特徴とする請求項16に記載の赤外線センサ。
  23.  前記各赤外線検出部は、外側電極層と、焦電体層と、内側電極層とを積層して成ることを特徴とする請求項16に記載の赤外線センサ。
  24.  請求項1に記載の赤外線センサの製造方法であって、
     基板をエッチングして網目状の前記突出基材部を形成するエッチング工程と、
     前記エッチング工程の後、前記突出基材部に前記赤外線検出部を成膜する成膜工程と、を備えたことを特徴とする赤外線センサの製造方法。
  25.  前記エッチング工程と前記成膜工程との間に、前記突出基材部の少なくとも表面を熱酸化させる熱酸化工程を、更に備えたことを特徴とする請求項24に記載の赤外線センサの製造方法。
  26.  請求項9に記載の赤外線センサの製造方法であって、
     基板をエッチングしてストライプ状に配置した前記複数の突出基材部を形成するエッチング工程と、
     前記エッチング工程の後、前記各突出基材部に前記赤外線検出部を成膜する成膜工程と、を備えたことを特徴とする赤外線センサの製造方法。
  27.  前記エッチング工程と前記成膜工程との間に、前記各突出基材部の少なくとも表面を熱酸化させる熱酸化工程を、更に備えたことを特徴とする請求項26に記載の赤外線センサの製造方法。
  28.  請求項16に記載の赤外線センサの製造方法であって、
     基板をエッチングして群島状に配置した前記複数の突出基材部を形成するエッチング工程と、
     前記エッチング工程の後、前記各突出基材部に前記赤外線検出部を成膜する成膜工程と、を備えたことを特徴とする赤外線センサの製造方法。
  29.  前記エッチング工程と前記成膜工程との間に、前記各突出基材部の少なくとも表面を熱酸化させる熱酸化工程を、更に備えたことを特徴とする請求項28に記載の赤外線センサの製造方法。
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