WO2011039798A1 - Ｍｅｍｓセンサおよびこれを備えたセンサアレイ - Google Patents

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Abstract

　メンブレンを、強度を維持しつつ薄く形成することができるＭＥＭＳセンサおよびこれを備えたセンサアレイを提供する。　支持部２を介してリリースされた多角形のメンブレン３を備え、メンブレン３は、放射状に延在する複数のリブ部６ａから成る補強リブ部６と、隣接する２つのリブ部６ａ，６ａ間にそれぞれ架設され、２つのリブ部６ａ，６ａを２辺として多角形に形成された複数の分割メンブレン７と、を有しているものである。

Description

ＭＥＭＳセンサおよびこれを備えたセンサアレイ
　本願発明は、温度変化、圧力変化、振動等に感応するメンブレン構造のＭＥＭＳ (micro electro mechanical system）センサおよびこれを備えたセンサアレイに関するものである。
　従来、この種のＭＥＭＳセンサとして、メンブレン構造の熱センサが知られている（特許文献１）。この熱センサは、熱感度素子および上下の電極から成る方形のメンブレンと、基板上にメンブレンをリリースするようにして支持する一対の支持アームと、を備え、支持アームは、電極に接続された配線を兼ねると共に断熱材で形成されている。熱感度素子は、赤外線を吸収し、その温度変化を電気信号に変換し、検出可能とする。
米国特許第６０８７６６１号
　このような従来の熱センサでは、メンブレンを薄く形成し熱容量を小さくすることで検出感度を向上させることが可能となるが、薄く形成すると、製造過程におけるストレス（熱応力等）により反りや割れが生じ、歩留りが極端に悪化する問題がある。また、メンブレンを薄く形成すると共振周波数が低下し、車載用のセンサ等では、共振によりメンブレンが破壊したり、支持アームとメンブレンの接続部分が破損する等の問題がある。さらに、メンブレンの熱感度素子を強誘電体で構成した場合、振動によりマイクロフォニックノイズが発生し、検出感度が低下する問題があった。
　本発明は、メンブレンを、強度を維持しつつ薄く形成することができるＭＥＭＳセンサおよびこれを備えたセンサアレイを提供することを課題としている。
　本発明のＭＥＭＳセンサは、支持部により支持されたセンサ感度を有する多角形のメンブレンを備え、メンブレンは、放射状に延在する複数のリブ部から成る補強リブ部と、隣接する２つのリブ部間にそれぞれ架設され、２つのリブ部を２辺として多角形に形成された複数の分割メンブレンと、を有していることを特徴とする。
　この構成によれば、メンブレンが、放射状に延在する複数のリブ部と、２つのリブ部を２辺として多角形に形成された複数の分割メンブレンと、で構成されているため、感応部分の面積を十分に維持しつつ、メンブレン全体の剛性（強度）を高めることができる。このため、検出感度を損なうことなく、歩留りを高めつつメンブレンを薄く形成することができる。また、複数のリブ部により、メンブレンの共振周波数を極端に高くすることができ、振動による破壊・破損を防止することができると共に、マイクロフォニックノイズの発生を防止することができる。
　この場合、隣接する２つの分割メンブレンは、異なる平面内においてそれぞれの２つの前記リブ部に接合されていることが好ましい。
　より具体的には、隣接する２つの分割メンブレンは、一方が２つのリブ部に対し幅方向の表側端部に接合し、他方が２つのリブ部に対し幅方向の裏側端部に接合していることが好ましい。
　この構成によれば、メンブレン全体を、分割メンブレンを単位する凹凸形状とすることができ、より一層、メンブレンの剛性（強度）を高めることができる。
　また、隣接する２つの分割メンブレンの表裏方向の離間寸法が、メンブレン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、各リブ部の強度を高めることができ、全体としてメンブレンの剛性（強度）を高めることができる。
　さらに、分割メンブレンの形状となる多角形が、三角形および四角形のいずれかであることが好ましい。
　この構成によれば、隣接するＭＥＭＳセンサにおいて、リブ部を共有してセンサアレイを形成することができ、メンブレン（感応部）の面積比率の高く、且つ高剛性のセンサアレイを形成することができる。
　一方、メンブレンが、表側電極層と誘電体層と裏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、歩留りが高く且つ高検出感度の赤外線センサを構成することができる。
　本発明のセンサアレイは、上記したＭＥＭＳセンサの複数個を、面状に配置したセンサアレイであって、隣接する２つのＭＥＭＳセンサの連結部には、２つのリブ部に連なる連結リブ部が形成されていることを特徴とする。
　この構成によれば、メンブレン（感応部）の面積比率の高くすることができ、高剛性であって検出感度の高いセンサアレイを提供することができる。
　以上のように本発明によれば、メンブレンが、放射状の複数のリブ部と多角形に形成された複数の分割メンブレンと、で構成されているため、メンブレン全体の剛性（強度）を高めることができる。また、複数のリブ部により、振動による破壊・破損を防止することができる。したがって、歩留りの向上と検出感度の向上とを達成することができる。
本発明の第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。 第１実施形態に係る赤外線センサの製造方法を示す説明図である。 第１実施形態の赤外線センサを適用したセンサアレイ（赤外線検出装置）の部分平面図である。 変形例に係るセンサアレイの部分平面図である。 第２実施形態に係る赤外線センサの斜視図である。 第２実施形態の赤外線センサを適用したセンサアレイ（赤外線検出装置）の部分平面図である。
　以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサである赤外線センサおよびこれを用いたセンサアレイについて説明する。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ものであり、いわゆる焦電型の赤外線（遠赤外線）センサで構成されている。また、この赤外線センサは、アレイ形式で製品化されるセンサアレイ（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１Ａは、支持部を構成する一対の支柱部２，２と、一対の支柱部２，２により支持された六角形を為すメンブレン３と、を備えている。メンブレン３は、相互に６０°の角度を存して放射状に延在する複数（６本）のリブ部６ａから成る補強リブ部６と、隣接する２つのリブ部６ａ，６ａ間にそれぞれ架設され、２つのリブ部６ａ，６ａを２辺として正三角形に形成された複数（６つ）の分割メンブレン７と、を有している。メンブレン３は、センサ感度を有するいわゆる赤外線検出部であり、可能な限り薄手に形成されている。また、図示では省略したが、各支柱部２にはメンブレン３への接続配線がパターニングされている。
　実施形態のメンブレン３は、例えば一辺が５０μｍ程度の大きさに形成されている。なお、メンブレン３は、六角形の他、後述する正方形、長方形等、強度を考慮し多角形に形成することが好ましい。また、一対の支柱部２に代えて、支持部をメンブレン３の外形に倣う枠状に形成してもよい。
　図２に示すように、メンブレン３は、上側電極層１１、焦電体層（誘電体層　）１２および下側電極層１３を、この順に積層して構成されている。焦電体層１２は、例えばＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ＳＢＴ（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）、ＢＩＴ（Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２）、ＬＴ（ＬｉＴａＯ３）、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ３）、ＢＴＯ（ＢａＴｉＯ３）、ＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ３）等で構成されている。この場合、焦電体層１２は、検出感度を考慮し誘電率の高い材質のもの（例えば、ＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ３）やＬＴ（ＬｉＴａＯ３））を用いることが好ましい。そして、実施形態の焦電体層１２は、０．２μｍ程度の厚みに形成されている。
　下側電極層１３は、例えばＡｕ、ＳＲＯ、Ｎｂ－ＳＴＯ、ＬＮＯ（ＬａＮｉＯ３）等で構成されている。この場合、下側電極層１３上への焦電体層１２の成膜を考慮し、下側電極層１３は結晶構造が焦電体層１２と同一の材料とすることが好ましい。また、下側電極層１３は、一般的なＰｔ、Ｉｒ、Ｔｉ等で構成してもよい。一方、上側電極層１１は、赤外線の吸収率を高め得るように、例えばＡｕ－Ｂｌａｃｋ等で構成されている。そして、実施形態の上側電極層１１および下側電極層１３は、それぞれ０．１μｍ程度の厚みに形成されている。
　このような積層構造を有するメンブレン３は、補強リブ部６により区画されるようにして、平面内において凹凸形状に、厳密には周方向において２次元的に凹凸形状に形成されている。具体的には、隣接する２つの分割メンブレン７，７は、一方が２つのリブ部６ａ，６ａに対し幅方向の表側端部（上側端部）に接合し、他方が２つのリブ部６ａ，６ａに対し幅方向の裏側端部（下側端部）に接合している。すなわち、６つの分割メンブレン７は、周方向１つおきに、その内の３つが補強リブ部６の上側に接合され、残りの３つが補強リブ部７の下側に接合されており、メンブレン３は、いわゆる２層構造となっている。なお、２つの分割メンブレン７を補強リブ部６の上下中間に接合して、３層構造としてもよい。もちろん、３層以上の多層構造とすることも可能である。
　ところで、この赤外線センサ１Ａを平面状に連ねてセンサアレイを構成する場合には、図１の仮想線で示すように、隣接する２つの赤外線センサ１Ａの連結部には、２つのリブ部６ａ，６ａに連なる連結リブ部８が形成される。すなわち、センサアレイの状態では、各分割メンブレン７は、２つのリブ部６ａ，６ａと１つの連結リブ部８と、により正三角形に縁取られて補強される。
　一方、補強リブ部６の高さ、すなわち隣接する２つの分割メンブレン７，７の表裏方向の離間寸法は、メンブレン３の厚さ寸法より大きく形成されている（３層構造等に形成した場合も同様）。例えば、実施形態のものでは、この表裏方向の離間寸法が２．５μｍ程度に形成されている。
　なお、実施形態の各リブ部６ａは、メンブレン３の面内方向に対し直角に形成されているが、傾斜したものであってもよい。すなわち、図３（ａ）に示すように、各リブ部６ａを直角に対し幾分傾けた（傾斜させた）断面形状とする。その際、図３（ｂ）に示すように、各リブ部６ａと各分割メンブレン７との境界部分に丸みを持たせる（アール形状に形成する）ことがより好ましい。また、この丸みを持たせることは、図２の実施形態においても同様である。これにより、表裏方向においてメンブレン３の剛性を高めることができ、補強リブ部６と併せて赤外線センサ１全体の強度アップを図ることができる。
　次に、図４を参照して、赤外線センサ１Ａの製造方法について説明する。実施形態の赤外線センサ１Ａは、シリコン基板（ウェーハ）Ｗ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Ｗ（図４（ａ））に、上側（表側）から第１のエッチング（深掘反応性エッチング：異方性エッチング）を行って、上側の分割メンブレン７の上端面となる部分（実際には、上側の分割メンブレン７における下側電極層１３の裏面に相当する部分）を形成する（図４（ｂ））。同様に、上側（表側）から第２のエッチング（深掘反応性エッチング：異方性エッチング）を行って、下側の複数（３つ）の分割メンブレン７となる部分（実際には、下側電極層１３の裏面において凹となる部分）を形成する（図４（ｃ））。次に、熱酸化処理を行いシリコン基板Ｗの表裏両面に酸化膜（ＳｉＯ２）Ｗａを形成する（図４（ｄ））。
　次に、シリコン基板Ｗの表面、すなわち酸化膜Ｗａの上に、下側電極層１３、焦電体層１２および上側電極層１１の順で、例えばエピタキシャル成長（ＣＶＤ）により、後にメンブレン３となる部分を成膜する（図４（ｅ））。このエピタキシャル成長では、高品質の成膜を行うべく、特に酸化膜Ｗａと下側電極層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、ＣｅＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳＴＯが好ましい。
　そして、最後に、裏面側から、或いはシリコン基板Ｗを表裏反転して表側から第３のエッチング（例えば、ウェットエッチングによる等方エッチング）を行い、メンブレン３の下側となる基板部分を除去する（図４（ｆ））。この場合、メンブレン３の下側電極層１３を、エッチングストップ層として機能させる一方、エッチングの時間管理により、支柱部２を残す。なお、この第３のエッチングに代えて、メンブレン３の下側となる基板部分を燐酸ガラス等の犠牲層として形成しておき、表側からこの犠牲層を除去するようにしてもよい。また、酸化膜Ｗａは、最終的に除去しきれなくてもよい。
　このような構成では、メンブレン３が、放射状の６本のリブ部６ａと、２層構造でこれらリブ部６ａ間に渡した６つの分割メンブレン７と、で構成されているため、メンブレン３全体の剛性（強度）を高めることができる。このため、歩留りを高めつつメンブレン３を薄く形成することができる。また、補強リブ部６により、メンブレン３の共振周波数を極端に高くすることができ、振動による破壊・破損を防止することができると共に、マイクロフォニックノイズの発生を防止することができる。したがって、歩留りの向上と検出感度の向上とを同時に達成することができる。
　ここで、図５を参照して、第１実施形態の赤外線センサ１Ａをセンサエレメントとするセンサアレイ（赤外線検出装置）２０Ａについて説明する。
　このセンサアレイ２０Ａは、各赤外線センサ１Ａの支持部が、メンブレンを囲繞するように設けた六角形の枠状部２１で構成されている。すなわち、センサアレイ２０Ａは、枠状部２１をハニカム状に連ね、これに複数の赤外線センサ１を支持した構造となっており、枠状部２１の各枠状片２１ａが、上記の連結リブ部８を兼ねている。言い換えれば、センサアレイ２０Ａは、複数の赤外線センサ（センサエレメント）１Ａを、相互の連結リブ部８を共有した状態で平面状に配置して、構成されている。
　なお、図６に示すように、上記のセンサアレイ２０Ａにおいて、枠状部２１の各隅部をアール形状に形成するようにしてもよい。このアール形状の曲率半径は、製造の容易さや枠状部２１の強度を考慮して決定されるものであり、大小は自由である。
　このようなセンサアレイ２０Ａでは、隣接する赤外線センサ１Ａにおける連結リブ部８を共有し、且つ連結リブ部８が各赤外線センサ１Ａの枠状部２１を兼ねているため、センサアレイ２０Ａ全体として剛性（強度）を高めつつ、枠状部２１（連結リブ部８）の総面積に対するメンブレン３の総面積の比率を高めることができ、歩留りの向上と検出感度の向上とを図ることができる。
　次に、図７を参照して、本発明の第２実施形態に係る赤外線センサ１Ｂについて説明する。なお、第２実施形態の赤外線センサ１Ｂでは、第１実施形態と異なる部分を主に説明する。
　この実施形態の赤外線センサ１Ｂは、そのメンブレン３が全体とし正方形に形成されている。また、メンブレン３は、相互に９０°の角度を存して放射状に延在する４本のリブ部６ａから成る補強リブ部６と、隣接する２つのリブ部６ａ，６ａ間にそれぞれ架設され、２つのリブ部６ａ，６ａを２辺として正方形に形成された４つの分割メンブレン７と、を有している。
　この場合も、メンブレン３は、第１実施形態と同様に、補強リブ部６により区画されるようにして、平面内において凹凸形状に形成されている。すなわち、隣接する２つの分割メンブレン７，７は、一方が２つのリブ部６ａ，６ａに対し幅方向の表側端部（上側端部）に接合し、他方が２つのリブ部６ａ，６ａに対し幅方向の裏側端部（下側端部）に接合している。
　また、この赤外線センサ１Ｂを平面状に連ねてセンサアレイを構成する場合には、図５の仮想線で示すように、隣接する２つの赤外線センサ１Ｂの連結部には、２つのリブ部６ａ，６ａに連なると共に、２つリブ片８ａから成る「Ｌ」字状の連結リブ部８が形成される。すなわち、センサアレイの状態では、各分割メンブレン７は、２つのリブ部６ａ，６ａと「Ｌ」字状の連結リブ部８と、により正方形に縁取られて補強される。
　このような構成では、メンブレン３が、放射状の４本のリブ部６ａと、２層構造でこれらリブ部６ａ間に渡した４つの分割メンブレン７と、で構成されているため、第１実施形態と同様に、メンブレン３全体の剛性（強度）を高めることができ、且つ振動による破壊・破損を防止することができる。したがって、歩留りの向上と検出感度の向上とを同時に達成することができる。
　ここで、図８を参照して、第２実施形態の赤外線センサ１Ｂをセンサエレメントとするセンサアレイ（赤外線検出装置）２０Ｂについて説明する。
　このセンサアレイ２０Ｂは、各赤外線センサ１Ｂの支持部が、メンブレン３をその２辺で支持する２条の脚状部２５で構成されている。すなわち、センサアレイ２０Ｂは、脚状部２５をストライプ状に連ね、これに複数の赤外線センサ１Ｂを支持した構造となっている。この場合、左右に隣接する赤外線センサ１Ｂにあっては、脚状部２５が互いの連結リブ部８（リブ片８ａ）を兼ね、前後に隣接する赤外線センサ１Ｂにあっては、互いの連結リブ部８（リブ片８ａ）を共有する形態になっている。言い換えれば、センサアレイ２０Ｂは、複数の赤外線センサ（センサエレメント）１Ｂを、相互の連結リブ部８を共有した状態で平面状に配置して、構成されている。
　このようなセンサアレイ２０Ｂでは、隣接する赤外線センサ１Ｂにおける連結リブ部を共有し、且つ連結リブ部の一部が各赤外線センサ１Ｂの脚状部２５を兼ねているため、センサアレイ２０Ｂ全体として剛性（強度）を高めつつ、脚状部２５（連結リブ部８）の総面積に対するメンブレン３の総面積の比率を高めることができ、歩留りの向上と検出感度の向上とを図ることができる。なお、基板上に脚状部を立設し、脚状部を介して、メンブレンを基板からリリースさせるようにしてもよい。
　１Ａ　赤外線センサ　　　　　　　　　　　　１Ｂ　赤外線センサ
　　２　支柱部　　　　　　　　　　　　　　　　３　メンブレン
　　６　補強リブ部　　　　　　　　　　　　　６ａ　リブ部
　　７　分割メンブレン　　　　　　　　　　　　８　連結メンブレン
　１１　上側電極層　　　　　　　　　　　　　１２　焦電体層
　１３　下側電極層　　　　　　　　　　　　２０Ａ　センサアレイ
２０Ｂ　センサアレイ　　　　　　　　　　　　２１　枠状部
　２５　脚状部　　　　　　　　　　　　　　　　Ｗ　シリコン基板

Claims (7)

  1. 　支持部により支持されたセンサ感度を有する多角形のメンブレンを備え、
    　前記メンブレンは、
    　放射状に延在する複数のリブ部から成る補強リブ部と、
    　隣接する２つの前記リブ部間にそれぞれ架設され、２つの前記リブ部を２辺として多角形に形成された複数の分割メンブレンと、を有していることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
  2. 　隣接する２つの前記分割メンブレンは、異なる平面内においてそれぞれの２つの前記リブ部に接合されていることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
  3. 　隣接する２つの前記分割メンブレンは、一方が２つの前記リブ部に対し幅方向の表側端部に接合し、他方が２つの前記リブ部に対し幅方向の裏側端部に接合していることを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳセンサ。
  4. 　隣接する２つの前記分割メンブレンの表裏方向の離間寸法が、前記メンブレン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ＭＥＭＳセンサ。
  5. 　前記分割メンブレンの形状となる前記多角形が、三角形および四角形のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
  6. 　前記メンブレンが、表側電極層と誘電体層と裏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ＭＥＭＳセンサ。
  7. 　請求項１ないし６のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサの複数個を、面状に配置したセンサアレイであって、
    　隣接する２つのＭＥＭＳセンサの連結部には、２つの前記リブ部に連なる連結リブ部が形成されていることを特徴とするセンサアレイ。
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