WO2014141824A1 - 赤外線センサおよび赤外線センサチップ - Google Patents

Abstract

　赤外線センサ（１０１）は、上面に凹部を有する半導体基板と、前記半導体基板の上側に形成され、前記凹部に対応して開口するセンサ開口部（３）を有する上部層と、センサ開口部（３）の内周の第１の部位（６１）と第２の部位（６２）との間をつなぐように、前記凹部の内面から離隔した状態でセンサ開口部（３）をＳ字形に横切るセンサ部（２）とを備える。センサ部（２）は真空中に封止されている。センサ部（２）の中央部（４）は観測対象からの赤外線を受光可能なように配置されている。センサ部（２）は、中央部（４）と第１の部位（６１）および第２の部位（６２）との間の温度差を電気信号に変換する熱電変換構造を備える。

Description

赤外線センサおよび赤外線センサチップ

　本発明は、赤外線センサおよび赤外線センサチップに関するものである。

　近年の電子機器においては、周囲環境を検出し、その検出結果を運転制御に利用することが行なわれている。たとえばエアコンにおいては、人の存在を検知し、人の存在する場所を狙って温度制御するといった運転制御が行なわれている。また、照明機器においては、一定領域内における人の存在の有無を検知して、当該領域の照明のオン／オフを切り替えるといった制御が行なわれている。このような制御においては、周囲環境を検出するためのセンサ装置が用いられる。センサ装置の一種として、物体からの輻射熱によって非接触で物体温度を検知する赤外線センサが用いられる場合がある。

　従来技術に基づく赤外線センサの第１の例が、特開２００１－２８１０６５号公報（特許文献１）に記載されている。特許文献１に記載された赤外線センサにおいては、熱電変換のために形成されたｐｎ接合構造を含むＳＯＩ層が埋込みシリコン酸化膜層の内部に保持された形の長方形のセンサ部が、基板上面に設けられた凹部の上方に浮くように、２本の支持部によって支持されている。各支持部は、細長く形成されており、２度直角に折れ曲がっている。支持部には金属配線が配置されている。

　さらに、従来技術に基づく赤外線センサの第２の例が、特開２００６－１７０９３７号公報（特許文献２）に記載されている。特許文献２に記載された赤外線センサは、基板に設けられた凹部の上方で浮くように配置された正方形の赤外線吸収膜を備えている。赤外線吸収膜は、２本の支持梁によって支持されている。基板の上側にシリコン酸化膜が積層されており、支持梁は赤外線吸収膜をシリコン酸化膜に接続している。各支持梁は２度直角に折れ曲がった形状をしており、各支持梁の内部にはＰ型ポリシリコン層およびＮ型ポリシリコン層が線状に形成されており、これらはサーモパイルを構成している。赤外線吸収膜が赤外線を受けて高温となることで、赤外線吸収膜と周辺のシリコン酸化膜との間に温度差が生じ、この温度差をサーモパイルによって電気信号に変換することによって、赤外線の量を検出することができる。

特開２００１－２８１０６５号公報 特開２００６－１７０９３７号公報

　細かい運転制御にも対応できるようにするために、赤外線センサの感度を向上させることが求められている。その一方で、応答速度の速さもある程度以上のレベルに維持することが求められる。

　そこで、本発明は、応答速度を良好に保ちつつ高感度な赤外線センサおよび赤外線センサチップを提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本発明に基づく赤外線センサは、上面に凹部を有する半導体基板と、上記半導体基板の上側に形成され、上記凹部に対応して開口するセンサ開口部を有する上部層と、上記センサ開口部の内周の第１の部位と第２の部位との間をつなぐように、上記凹部の内面から離隔した状態で上記センサ開口部をＳ字形に横切るセンサ部とを備え、上記センサ部は真空中に封止されており、上記センサ部の中央部は観測対象からの赤外線を受光可能なように配置されており、上記センサ部は、上記中央部と上記第１の部位および上記第２の部位との間の温度差を電気信号に変換する熱電変換構造を備える。

　本発明によれば、応答速度を良好に保ちつつ高感度な赤外線センサを実現することができる。

本発明に基づく実施の形態１における赤外線センサチップの斜視図である。 本発明に基づく実施の形態１における赤外線センサの斜視図である。 本発明に基づく実施の形態１における赤外線センサの平面図である。 本発明に基づく実施の形態１における赤外線センサに含まれるサーモパイルの平面図である。 図３におけるＶ－Ｖ線に関する矢視断面図である。 本発明に基づく実施の形態１における赤外線センサが備えるセンサ部の形状に関する説明図である。 本発明に基づく実施の形態１における赤外線センサが備えるセンサ部の各部の寸法に関する説明図である。 センサ部の幅に関する比較実験の結果のグラフである。 本発明に基づく実施の形態１における赤外線センサの変形例の平面図である。

　赤外線センサの一種として、サーモパイル型赤外線センサがある。赤外線センサとしては、サーモパイル型に限らず、ボロメータ型、焦電型の赤外線センサも考えられる。後述する本発明は、サーモパイル型赤外線センサに限らず、ボロメータ型赤外線センサ、焦電型赤外線センサにも適用可能である。しかし、ここではひとまずサーモパイル型赤外線センサを例にとって説明する。

　サーモパイル型赤外線センサにおいては、センサ素子を真空中に封止するタイプのものと、空気中に配置するタイプのものとの２通りがある。ここでは、真空中に封止するタイプのものに注目して説明する。

　センサ素子を真空中に封止するタイプのセンサにおいては、断熱効果によりセンサとしての感度は向上する。理論上、センサの感度Ｓは以下のように導き出すことができる。

　Ｓ＝ｎ・α・Ｒ_th・η・Ａ_S・Ｐ_in
　　　　ｎ：１つのセンサ素子に含まれる熱電対の数
　　　　α：ゼーベック係数
　　　　Ｒ_th：熱抵抗
　　　　η：吸収率
　　　　Ａ_S：吸収膜面積
　　　　Ｐ_in：入射光強度
　理論上は、梁の本数を少なくし、梁は細く、長く、薄くすればするほど、赤外線吸収膜に溜まった熱が逃げにくくなるので、センサとしての感度が上がる。また、理論上は、赤外線吸収膜の面積を広くすればするほど、受ける赤外線の量が増えるので、センサとしての感度が上がる。一方、応答速度を上げるには、赤外線吸収膜に溜まった熱を迅速に逃がす必要があるので、梁の幅を大きくすることが好ましい。また、サーモパイルに含まれる熱電対の数を多くすればするほどセンサとしての感度が上がる。ただし、多くの数の熱電対を配置しようとすれば、梁の幅もある程度の広さが必要となる。

　本発明は、このような事情を考慮して検討した結果として見出されたものである。
　（実施の形態１）
　図１～図５を参照して、本発明に基づく実施の形態１における赤外線センサについて説明する。図１に示すように、本発明に基づく赤外線センサチップ６０１は、本体部５０１を備える。本体部５０１は、平板状であり、一方の主表面の中央部に受像領域１０を有している。受像領域１０には、複数の赤外線センサ１０１がマトリックス状に配置されている。本体部５０１の表面のうち受像領域１０の外側に外部電極５０４がいくつか配置されている。

　図１では、受像領域１０に８×８の６４個の赤外線センサ１０１が配置されているが、これは説明の便宜のための一例であり、実際には赤外線センサ１０１の数はこれより多くても少なくてもよい。たとえば１６×１６であってもよい。図１に示した例では、受像領域１０にある赤外線センサ１０１の個数は縦と横とで等しくなっているが、これはあくまで一例であって、この構成に限らない。受像領域においては、赤外線センサの縦の個数と横の個数とが異なっていてもよい。

　また、複数の赤外線センサ１０１を本体部５０１にマトリックス状に配置する代わりに、１つの本体部に１個の赤外線センサのみが配置されたものであってもよい。

　図１に示した複数の赤外線センサ１０１のうちの１個を拡大したところを図２に示す。赤外線センサ１０１は、Ｓ字形のセンサ部２を備える。平面的に見れば、ほぼ正方形のセンサ開口部３の内部にセンサ部２が支持された構造となっている。ここでいう「センサ部」は、Ｓ字形の部材をいう。センサ部２の両端は周辺の部材と一体的につながっている。１個の赤外線センサ１０１の平面図を図３に示す。センサ部２は中央部４を有する。センサ開口部３の内周は、第１の部位６１と第２の部位６２とを有する。センサ部２は、中央部４を温接点とし、第１の部位６１を冷接点とする第１のサーモパイルを備える。センサ部２は、中央部４を温接点とし、第２の部位６２を冷接点とする第２のサーモパイルを備える。ここでいう「サーモパイル」とは、複数の熱電対が直列に接続されたものが熱電対の束として配置されたものである。各熱電対はＰ型部とＮ型部とが組み合わさることによって、温接点と冷接点とのいずれか一方から開始して他方で折り返す往復の形の配線を構成する。複数の熱電対は直列に接続されているので、サーモパイル全体としては温接点と冷接点との間で往復を繰り返す形の配線となっている。第１のサーモパイルと第２のサーモパイルとは直列に接続されていてよい。

　１個の赤外線センサ１０１に含まれるサーモパイルをより詳しく表示したところを図４に示す。１個の赤外線センサ１０１に含まれるサーモパイルは、第１のサーモパイルと第２のサーモパイルとの組合せとなっている。これらのサーモパイルはＰ型層１１とＮ型層１２と配線１３と引出配線１４ａ，１４ｂとを含んでいる。Ｐ型層１１とＮ型層１２とは配線１３を介して交互に直列に接続されており、センサ部２全体にわたって一筆書きで配列されている。引出配線１４ａ，１４ｂはセンサ部２に張り巡らされた第１のサーモパイルおよび第２のサーモパイルから外部に配線を引き出すためのものである。

　赤外線センサ１０１の断面図を図５に示す。図５は図３におけるＶ－Ｖ線に関する矢視断面図である。

　赤外線センサ１０１は、上面に凹部５を有する半導体基板１と、半導体基板１の上側に形成され、凹部５に対応して開口するセンサ開口部３を有する上部層６と、前記センサ開口部の内周の第１の部位６１と第２の部位６２との間をつなぐように、凹部５の内面から離隔した状態でセンサ開口部３をＳ字形に横切るセンサ部２とを備える。センサ部２は真空中に封止されている。センサ部２の中央部４は観測対象からの赤外線を受光可能なように配置されている。センサ部２は、中央部４と第１の部位６１および第２の部位６２との間の温度差を電気信号に変換する熱電変換構造を備える。熱電変換構造としては、２つの部位の間の温度差を電気信号に変換することができる公知技術が採用可能である。

　本実施の形態では好ましいことに、熱電変換構造は、サーモパイルを含む。この構成を採用することにより、簡便な構造で２つの部位の間の温度差を電気信号に変換することができる。

　本実施の形態ではさらに好ましいことに、熱電変換構造は、中央部４と第１の部位６１との間で温度差を検出するように構成された第１のサーモパイルと、中央部４と第２の部位６２との間で温度差を検出するように構成された第２のサーモパイルとを含む。すなわち、第１のサーモパイルは、第１の部位６１を冷接点とし、中央部４を温接点として構成されたものであり、第２のサーモパイルは、第２の部位６２を冷接点とし、中央部４を温接点として構成されたものである。

　半導体基板１に設けられた凹部５は、断面形状が台形となる凹部である。センサ開口部３が四角形である場合、凹部５は四角錐台となる。断面図で見ると、センサ部２は半導体基板１の凹部５の上方で完全に浮いているように見える。ただし、ここで説明した凹部５の形状はあくまで一例であって、この形状に限らない。

　本実施の形態では、センサ開口部３をＳ字形に横切るようにセンサ部２が設けられているので、応答速度を良好に保ちつつ高感度な赤外線センサを実現することができる。

　より好ましい条件を特定するとすれば、センサ部２は、図６に示すように、第１の部位６１から直線状に延びる第１の辺４１と、第１の辺４１の第１の部位６１とは反対側の端４１ａから中央部４に近づく側に直角に折れ曲がった第２の辺４２と、第２の辺４２の第１の辺４１に接続している端４１ａとは反対側の端４２ａから中央部４に向かって直角に折れ曲がった第３の辺４３とを備えることが好ましい。この構成を採用することにより、限られたセンサ開口部３の内部に効率良くセンサ部２を配置することができる。この場合、第１の辺４１、第２の辺４２、第３の辺４３の３つの辺によってコの字形が構成される。第１の辺４１と第３の辺４３とは平行となる。第１の辺４１と第３の辺４３との間の間隙８は、一直線状となる。中央部４からは第３の辺４３によって一定幅で第２の辺４２に接続されているので、中央部４に溜まった熱を迅速に逃がすことができ、応答速度を速くすることができる。

　また、図６に示すように、センサ部２の第１の辺４１の幅と第３の辺４３の幅とがほぼ同じであることが好ましい。この構成を採用することにより、サーモパイルを効率良く配置することができる。

　本実施の形態における赤外線センサは、センサ部２の下側に空洞を確保するために、図５に示したように半導体基板１に凹部５を形成することとしている。この凹部５を形成する際には薬液によるエッチングを用いる必要があるが、エッチング途中でセンサ部２が途中で割れてしまう場合があった。発明者らが検討した結果、この種の割れは、凹部５を形成するためのエッチング途中で、半導体基板１の材料に対するエッチング除去の進行具合に偏りが生じ、その偏った形状ゆえに応力集中が生じることが原因であることが判明した。センサ部２が途中で割れた場合、このセンサ部２のサーモパイルに含まれる熱電対は全てその割れた個所で断絶してしまうこととなるので、このセンサ部２は使用不能となり、１つの画素は画素欠陥となる。

　発明者らは、検討の結果、センサ部２の割れによる画素欠陥の問題も、副生成物付着による感度低下の問題も、センサ部２の幅を一定条件下とすることによって改善されることを見出した。図７に示すように、センサ部２の第１の辺４１の幅をＡとし、第１の辺４１と前記第３の辺４３との間の間隙の幅をＢと定義する。発明者らは、ＡとＢとの比率を何通りかに変えて比較実験をした。その結果のグラフを図８に示す。Ａ／Ｂが６未満である場合に良品率がほぼ１００％となっており、Ａ／Ｂが６より大きい場合に比べて飛躍的に優れた結果となっている。Ａ／Ｂが６未満ということは、Ｂ／Ａは１／６より大きいということである。

　したがって、第１の辺４１と前記第３の辺４３との間の間隙の幅Ｂは、第１の辺４１の幅Ａの１／６より大きいことが好ましい。この構成を採用することにより、良品率を高くすることができる。

　本実施の形態で示したように、凹部５は、断面で見たときに、上方にいくにつれて広がる台形状であることが好ましい。凹部５がこのような形状であれば、画素欠陥に関して本発明の恩恵を顕著に受けることができる。凹部５をエッチングによって形成する場合に、上述の画素欠陥が問題となりやすいが、エッチングによる場合には、凹部５はこのような形状になるからである。

　なお、既に図３、図６などで示しているが、センサ部２のうち、第２の部位６２から中央部４に至る部分の形状は、第１の部位６１から中央部４に至る部分の形状と点対称であることが好ましい。この場合、センサ部２は点対称なＳ字形を有することになる。この構成を採用することにより、第１の部位６１を冷接点とし、Ｓ字形の中央部４を温接点として接続された第１のサーモパイルと、第２の部位６２を冷接点とし、Ｓ字形の中央部４を温接点として接続された第２のサーモパイルとを対称に同条件で配置することができ、赤外線センサとしての感度を上げることができる。

　ここまで、Ｓ字形として、ラテン文字アルファベットの「Ｓ」と同じ向きの曲がり方のものを示して説明したが、センサ部は「Ｓ」に比べて逆向きの曲がり方のものであってもよい。すなわち、センサ部は逆Ｓ字形であってもよい。本発明においては、逆Ｓ字形もＳ字形の一形態であるものとみなす。

　なお、本実施の形態としては、センサ部の第１の辺と第３の辺とが同じ幅であるとは限らない。第３の辺の幅が第１の辺の幅の何倍も広くてもよい。たとえば図９に示すような構造であってもよい。このように第３の辺の幅を広くした場合、中央部４の周辺に一定の広さを有する赤外線吸収膜が存在するのと同様の状況となる。赤外線吸収膜は２本のＬ字形の梁によって支持されている。このように広い赤外線吸収膜を設けることにより、赤外線センサの感度は上がる。図９に示した構造のセンサ部２もＳ字形であるといえる。センサ部２は、１つの赤外線吸収膜と２本の梁とを含む。図９に示した例では、赤外線吸収膜の内部を熱電対が埋めつくすわけではない。サーモパイルに含まれる熱電対の数の上限は梁の幅によって定まるので、赤外線吸収膜の内部には限られた数の熱電対が延在することとなり、多くの部分は余白となる。一部の熱電対の端は、中央部４に配置される。

　本発明に基づく赤外線センサチップは、図１に示したように、上述のいずれかの赤外線センサがマトリックス状に配列された受像領域１０を有する、赤外線センサチップ６０１である。

　なお、本実施の形態における赤外線センサチップは、公知技術に基づく赤外線センサの製造方法を利用し、センサ部を形成するためのマスクパターンを、上述の形状に対応したものに変更することによって、製造することができる。

　なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

　本発明は、赤外線センサおよび赤外線センサチップに利用することができる。

　１　半導体基板、２　センサ部、３　センサ開口部、４、中央部、５　凹部、６　上部層、７　副生成物、８　間隙、１０　受像領域、１１　Ｐ型層、１２　Ｎ型層、１３　配線、４１　第１の辺、４１ａ，４２ａ　端、４２　第２の辺、４３　第３の辺、６１　第１の部位、６２　第２の部位、１０１　赤外線センサ、５０１　本体部、５０２　キャップ部材、５０３　封止材、５０４　外部電極、５０６　接合領域、６０１　赤外線センサチップ。

Claims (9)

1. 　上面に凹部を有する半導体基板と、
   　前記半導体基板の上側に形成され、前記凹部に対応して開口するセンサ開口部を有する上部層と、
   　前記センサ開口部の内周の第１の部位と第２の部位との間をつなぐように、前記凹部の内面から離隔した状態で前記センサ開口部をＳ字形に横切るセンサ部とを備え、
   　前記センサ部は真空中に封止されており、
   　前記センサ部の中央部は観測対象からの赤外線を受光可能なように配置されており、
   　前記センサ部は、前記中央部と前記第１の部位および前記第２の部位のうち少なくとも一方との間の温度差を電気信号に変換する熱電変換構造を備える、赤外線センサ。
2. 　前記熱電変換構造は、サーモパイルを含む、請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 　前記熱電変換構造は、
   　前記中央部と前記第１の部位との間で温度差を検出するように構成された第１のサーモパイルと、
   　前記中央部と前記第２の部位との間で温度差を検出するように構成された第２のサーモパイルとを含む、請求項１に記載の赤外線センサ。
4. 　前記センサ部は、前記第１の部位から直線状に延びる第１の辺と、前記第１の辺の前記第１の部位とは反対側の端から前記中央部に近づく側に直角に折れ曲がった第２の辺と、前記第２の辺の前記第１の辺に接続している端とは反対側の端から前記中央部に向かって直角に折れ曲がった第３の辺とを備える、請求項１から３のいずれかに記載の赤外線センサ。
5. 　前記第１の辺と前記第３の辺との間の間隙の幅は、前記第１の辺の幅の１／６より大きい、請求項４に記載の赤外線センサ。
6. 　前記センサ部の前記第１の辺の幅と前記第３の辺の幅とがほぼ同じである、請求項４または５に記載の赤外線センサ。
7. 　前記センサ部のうち、前記第２の部位から前記中央部に至る部分の形状は、前記第１の部位から前記中央部に至る部分の形状と点対称である、請求項１から６のいずれかに記載の赤外線センサ。
8. 　前記凹部は、断面で見たときに、上方にいくにつれて広がる台形状である、請求項１から７のいずれかに記載の赤外線センサ。
9. 　請求項１から８のいずれかに記載の赤外線センサがマトリックス状に配列された受像領域を有する、赤外線センサチップ。

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