WO2015141496A1

WO2015141496A1 - 赤外線センサ及びその製造方法

Info

Publication number: WO2015141496A1
Application number: PCT/JP2015/056645
Authority: WO
Inventors: 万里夫木内
Original assignee: 住友精密工業株式会社
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2015-03-06
Publication date: 2015-09-24
Also published as: JP6576906B2; JPWO2015141496A1

Abstract

【課題】検出感度が高くなお且つ機械的強度の高い赤外線センサ等を提供する。【解決手段】赤外線センサ１００は、半導体基板１と、支持梁２と、支持梁によって半導体基板に支持された赤外線検出部３とを備える。赤外線検出部は、補強構造３１と、補強構造上に形成された焦電体膜３２１を含む赤外線検出部本体３２とを具備する。補強構造は、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成された平面視多角形状の縁部３１１を有すると共に、縁部によって区画される領域内に筒状の絶縁部材が配置されていない未配置領域３１２を有する。赤外線検出部本体は、補強構造の縁部によって区画される領域を覆うように補強構造上に形成され、支持梁は、筒状の絶縁部材が複数連接されて形成され、補強構造の縁部から半導体基板に向けて延在する。

Description

赤外線センサ及びその製造方法

　本発明は、焦電体膜を含む赤外線検出部を備えた赤外線センサ及びその製造方法に関する。特に、本発明は、検出感度が高くなお且つ機械的強度の高い赤外線センサ及びその製造方法に関する。

　従来より、焦電センサ、サーモパイル、ボロメータなどの、いわゆる熱型赤外線センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。

　熱型赤外線センサの検出感度を向上させるには、赤外線検出部の熱容量と、赤外線検出部からの熱損失との双方を小さく設計することが肝要である。
　このため、ＭＥＭＳ技術によって製作される従来の一般的な赤外線センサは、赤外線検出部において一定面積以上の赤外線検出領域を確保しつつ熱容量を小さくするために、赤外線検出部を薄膜化している。一方、赤外線検出部からの熱損失を小さくするために、赤外線検出部は、細い支持梁によって半導体基板に支持されている。このように、従来の赤外線センサは、検出感度を向上させるために、赤外線検出部を薄膜化すると共に支持梁を細くしているため、機械的強度が低下する。このため、実用上の問題がある。

　そこで、例えば、特許文献１には、赤外線センサの機械的強度を高めるために、シリコンから形成された枠状基板部に支持梁（ビーム部）を介して支持された格子状の補強構造（シリコンの表面に酸化膜が形成された突出基材部）を備え、赤外線検出部がこの補強構造（突出基材部）の少なくとも上部側面に設けられた赤外線センサが提案されている（特許文献１の段落００３９～００４３、図６等参照）。

　しかしながら、特許文献１に記載の赤外線センサは、赤外線検出部が格子状の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、有効な赤外線検出領域の面積が小さい。すなわち、赤外線検出部の内、赤外線の入射方向に対向する（特許文献１の図６の上方に向いた）赤外線検出部の領域は、突出基材部の上端面の面積に応じて決まる小さな面積しか有さない。このため、検出すべき赤外線を十分に検出できないおそれがある。

　特許文献１に記載の赤外線センサにおいて、有効な赤外線検出領域の面積を大きくするには、枠状基板部を構成する要素基材部相互の離間寸法（すなわち、格子ピッチ）を小さくすることが考えられる。しかしながら、格子ピッチを非常に小さくした密な構造にすると、要素基材部を構成するシリコンの熱膨張率とその表面の酸化膜の熱膨張率との違いに起因した歪により、枠状基板部や支持梁に応力が生じ、その応力が集中する箇所で赤外線センサが破損するおそれがある。

国際公開第２０１０／０７３２８８号

　本発明は、斯かる従来技術に鑑みてなされたものであり、焦電体膜を含む赤外線検出部を備えた赤外線センサ及びその製造方法であって、検出感度が高くなお且つ機械的強度の高い赤外線センサ及びその製造方法を提供することを課題とする。

　前記課題を解決するため、本発明は、半導体基板と、支持梁と、該支持梁によって前記半導体基板に支持された赤外線検出部とを備えた赤外線センサであって、前記赤外線検出部は、補強構造と、該補強構造上に形成された焦電体膜を含む赤外線検出部本体とを具備し、前記補強構造は、筒状の絶縁部材が複数連接されて形成された平面視多角形状の縁部を有すると共に、該縁部によって区画される領域内に前記筒状の絶縁部材が配置されていない未配置領域を有し、前記赤外線検出部本体は、前記補強構造の縁部によって区画される領域を覆うように前記補強構造上に形成され、前記支持梁は、前記筒状の絶縁部材が複数連接されて形成され、前記補強構造の縁部から前記半導体基板に向けて延在することを特徴とする赤外線センサを提供する。

　本発明に係る赤外線センサが備える赤外線検出部は、補強構造と、該補強構造上に形成された赤外線検出部本体とを具備する。そして、補強構造は、筒状の絶縁部材が複数連接されて形成された平面視多角形状の縁部を有する。このように、部材が複数連接されて形成された平面視多角形状の縁部を有する補強構造であるため、機械的強度に優れることが期待できる。
　また、筒状の部材、すなわち中心に空洞部を有する部材が複数連接されて形成されているため、熱容量が大きくなることなく機械的強度を高めることが可能である。
　さらに、筒状の部材が絶縁部材であるため、熱伝導率が低く、赤外線検出部本体から補強構造への熱損失を抑制することも可能である。

　また、本発明に係る赤外線センサが備える赤外線検出部が具備する補強構造は、縁部によって区画される領域内に筒状の絶縁部材が配置されていない未配置領域を有する。このため、筒状の絶縁部材が隙間無く配置された構成に比べて、歪の逃げ代があるため応力集中が緩和され易く、破損が生じ難くなる。

　また、本発明に係る赤外線センサが備える赤外線検出部が具備する赤外線検出部本体は、補強構造の縁部によって区画される領域を覆うように補強構造上に形成されている。このため、補強構造の上端面上にのみ赤外線検出部本体が形成される構成に比べて、有効な赤外線検出領域（赤外線検出部本体に対向する方向から入射する赤外線を検出可能な領域）の面積が大きくなるという利点を有する。

　さらに、本発明に係る赤外線センサが備える支持梁は、筒状の絶縁部材が複数連接されて形成され、補強構造の縁部から半導体基板に向けて延在している。このように、部材が複数連接されて形成された支持梁であるため、機械的強度に優れることが期待できる。
　また、筒状の部材、すなわち中心に空洞部を有する部材が複数連接されて形成されているため、熱容量が大きくなることなく機械的強度を高めることが可能である。
　さらに、筒状の部材が絶縁部材であるため、熱伝導率が低く、赤外線検出部から支持梁への熱損失を抑制することも可能である。

　以上のように、本発明に係る赤外線センサによれば、赤外線検出部の熱容量と、赤外線検出部からの熱損失との双方を小さくできるため、検出感度が高く、なお且つ、機械的強度の高い赤外線センサを提供することが可能である。

　好ましくは、前記補強構造は、前記縁部の頂点同士を繋ぐ梁部材を更に備え、前記梁部材は、前記筒状の絶縁部材が複数連接されて形成されている。

　斯かる好ましい構成によれば、補強構造が縁部に加えて梁部材を更に備えるため、補強構造の機械的強度をより一層高めることが可能である。この梁部材は、筒状の絶縁部材が複数連接されて形成されているため、熱容量が大きくなることなくなお且つ熱損失が抑制された状態で、機械的強度をより一層高めることが可能である。

　前記筒状の絶縁部材は、例えば、前記半導体基板の熱酸化物から形成可能である。例えば、前記半導体基板がシリコンの場合に、前記筒状の絶縁部材は酸化シリコンから形成可能である。

　好ましくは、前記赤外線検出部は、前記赤外線検出部本体上に形成された赤外線吸収体を更に具備する。

　斯かる好ましい構成によれば、焦電体膜を含む赤外線検出部本体とは別に形成された赤外線吸収体を具備するため、赤外線検出部による赤外線の吸収・検出を確実に行うことが可能である。

　前記筒状の絶縁部材は、平面視正六角形状であり、前記補強構造の縁部は、平面視正六角形状であることが好ましい。

　斯かる好ましい構成によれば、平面視正六角形状の絶縁部材が複数連接されて、平面視正六角形状の補強構造の縁部が形成されているため、他の多角形状の縁部を有する補強構造よりも機械的強度を高めることが可能である。

　また、前記課題を解決するため、本発明は、以下の（１）～（４）の各工程を含む赤外線センサの製造方法としても提供される。
　（１）溝部形成工程：半導体基板の一方の面にエッチングを施すことで、縁部が平面視多角形状となるように、なお且つ、該多角形状によって区画される領域内に環状の溝部が存在しない部位が生じるように、環状の溝部を複数連接させて形成すると共に、前記縁部から延在するように環状の溝部を複数連接させて形成する。
　（２）絶縁物充填工程：前記溝部形成工程によって形成した前記複数の環状の溝部内に絶縁物を充填する。
　（３）赤外線検出部本体形成工程：前記絶縁物充填工程によって前記複数の環状の溝部内に前記絶縁物が充填された前記半導体基板の前記一方の面上に、焦電体膜を含む赤外線検出部本体を形成する。
　（４）補強構造・支持梁形成工程：前記赤外線検出部本体形成工程によって前記一方の面上に前記赤外線検出部本体が形成された前記半導体基板の他方の面を除去して、前記絶縁物を前記半導体基板から露出させることで、前記絶縁物からなる筒状の絶縁部材が複数連接されて形成された平面視多角形状の縁部を有すると共に、該縁部によって区画される領域内に前記筒状の絶縁部材が配置されていない未配置領域を有する補強構造と、前記筒状の絶縁部材が複数連接されて形成され、前記補強構造の縁部から前記半導体基板に向けて延在する支持梁とを形成する。

　本発明に係る赤外線センサの製造方法によれば、前述のように、検出感度が高く、なお且つ、機械的強度の高い赤外線センサを製造することが可能である。特に、本発明に係る赤外線センサの製造方法によれば、補強構造・支持梁形成工程で絶縁物を露出させる（補強構造及び支持梁を形成する）前に、赤外線検出部本体形成工程で半導体基板の一方の面（環状の溝部内に絶縁物が充填された平滑な面）上に焦電体膜を含む赤外線検出部本体を形成することになる。このため、形成される焦電体膜等の面内均一性に優れ、この点でも検出感度の高い赤外線センサを製造することが可能である。

　前記絶縁物充填工程では、前記溝部形成工程によって前記環状の溝部が複数連接して形成された前記半導体基板を加熱することで、前記複数の環状の溝部内に絶縁物を充填することが好ましい。

　斯かる好ましい構成によれば、比較的容易に複数の環状の溝部内に絶縁物（半導体基板の熱酸化物）を充填することができ、ひいては比較的容易に絶縁物からなる筒状の絶縁部材を形成することが可能である。一方、半導体基板を加熱することで溝部内に熱酸化物を充填するため、半導体基板の熱膨張に起因して、補強構造に応力が生じ易い。しかしながら、前述のように、補強構造には未配置領域が設けられるため、応力集中が緩和され易く、破損は生じ難い。

　本発明によれば、検出感度が高く、なお且つ、機械的強度の高い赤外線センサを得ることが可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの概略構成を示す図である。図２は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図３は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図４は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図５は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図６は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図７は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図８は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図９は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図１０は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図１１は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図１２は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図１３は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図１４は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図１５は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図１６は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図１７は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図１８は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図１９は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図２０は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図２１は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図２２は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図２３は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図２４は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図２５は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図２６は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図２７は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図２８は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図２９は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図３０は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図３１は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図３２は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図３３は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図３４は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。図３５は、本発明に係る赤外線センサが備える補強構造及び支持梁の変形例の概略構成を示す下面図である。

　以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの概略構成を示す図である。図１（ａ）は上面図であり、図１（ｂ）は下面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）のＸＸ線端面図である。なお、図１（ｂ）に示す絶縁層４は、本来、図１（ｃ）と同様に黒色で図示するべきであるが、視認性の観点より、図１（ｂ）では透明に図示している。また、図１（ｃ）の縦横比は、視認性の観点より、実際の縦横比よりも縦方向（上下方向）を拡大して図示している。
　図１に示すように、本実施形態に係る赤外線センサ１００は、半導体基板（本実施形態ではＳｉ基板）１と、支持梁２と、支持梁２によって半導体基板１に支持された赤外線検出部３とを備えている。

　本実施形態の赤外線検出部３は、補強構造３１と、補強構造３１上に形成された焦電体膜３２１を含む赤外線検出部本体３２とを具備している。本実施形態の赤外線検出部３は、好ましい態様として、補強構造３１と、赤外線検出部本体３２とに加え、赤外線検出部本体３２上に形成された赤外線吸収体３３を更に具備している。

　本実施形態の補強構造３１は、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成された平面視多角形状の縁部３１１を有すると共に、縁部３１１によって区画される領域内に筒状の絶縁部材Ａが配置されていない未配置領域３１２を有する。なお、図１（ｂ）では、理解し易いように縁部３１１を構成する絶縁部材Ａにハッチングを施しているが、実際には、他の絶縁部材Ａと同様に、中心に空洞部を有する筒状の絶縁部材である。
　本実施形態の筒状の絶縁部材Ａは、好ましい態様として、半導体基板１の熱酸化物（本実施形態では酸化シリコン）から形成されている。また、本実施形態の筒状の絶縁部材Ａは、平面視（上面視又は下面視）正六角形状であり、補強構造３１の縁部３１１は、平面視（上面視又は下面視）正六角形状である。
　ただし、本発明はこれに限るものではなく、例えば、平面視三角形状又は四角形状の絶縁部材Ａを用いたり、平面視三角形状又は四角形状の縁部３１１を有する補強構造３１を用いることも可能である。

　本実施形態の補強構造３１は、好ましい態様として、縁部３１１に加え、縁部３１１の頂点同士を繋ぐ梁部材３１３を更に備えている。本実施形態では、平面視正六角形状である縁部３１１の六つの頂点の内、対向する各頂点同士を繋ぐ３本の梁部材３１３を備えている。梁部材３１３は、縁部３１１と同様に、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成されている。縁部３１１によって区画される領域の内、梁部材３１３が設けられていない領域が、前述した未配置領域３１２に相当する。

　本実施形態の支持梁２も、補強構造３１の縁部３１１と同様に、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成され、縁部３１１から半導体基板１に向けて延在している。具体的には、本実施形態の支持梁２は、縁部３１１の外方において、縁部３１１の頂点から縁部３１１に沿って延在している。本実施形態では、図１に示すように、３本の支持梁２が設けられており、その内、１本の支持梁２上には後述する下部電極３２２、焦電体膜３２１及び上部電極３２３が形成され、残りの２本の支持梁２上には下部電極３２２及び焦電体膜３２１が形成されている。焦電体膜３２１に発生した電荷を上部電極３２３及び下部電極３２２から出力するための配線の引き回しの都合上、本実施形態のように、少なくとも１本の支持梁２上には、下部電極３２２、焦電体膜３２１及び上部電極３２３が形成されるのが好ましい。しかしながら、他の２本の支持梁２上には、下部電極３２２、焦電体膜３２１及び上部電極３２３の何れも形成しなくても良い。

　なお、本実施形態の補強構造３１及び支持梁２上には、縁部３１１、縁部３１１によって区画される領域及び支持梁２を覆うように、絶縁層４が形成されている。本実施形態の絶縁層４も、筒状の絶縁部材Ａと同様に、半導体基板１の熱酸化物（酸化シリコン）から形成されている。

　本実施形態の赤外線検出部本体３２は、補強構造３１の縁部３１１によって区画される領域を覆うように補強構造３１上に形成されている。具体的には、赤外線検出部本体３２は、絶縁層４上に形成された下部電極３２２と、下部電極３２２上に形成された焦電体膜３２１と、焦電体膜３２１上に形成された上部電極３２３とを備えている。
　下部電極３２２としては、例えば、ＰｔとＴｉの積層電極であって、Ｐｔの厚みが約１００ｎｍ、Ｔｉの厚みが約２０ｎｍのものを例示できる。
　焦電体膜３２１としては、例えば、ＰＺＴが用いられ、その厚みが約３μｍのものを例示できる。
　上部電極３２３としては、例えば、ＡｕとＴｉの積層電極であって、Ａｕの厚みが約３００ｎｍ、Ｔｉの厚みが約２０ｎｍのものを例示できる。

　また、本実施形態の赤外線吸収体３３としては、例えば、Ａｕ又はＡｌを主成分とする金属膜であり、表面を粗化したり、膜自体を多孔とすることで、赤外線の吸収率を向上したものを例示できる。

　以上の構成を有する赤外線センサ１００によれば、赤外線吸収体３３で赤外線が吸収されて発熱し、その熱が焦電体膜３２１に伝導することで電荷が発生し、上部電極３２３と、下部電極３２２とから出力されることで、赤外線を検出可能である。

　本実施形態の赤外線検出部３は、補強構造３１と、補強構造３１上に形成された赤外線検出部本体３２とを具備する。そして、補強構造３１は、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成された平面視多角形状の縁部３１１を有する。このように、部材Ａが複数連接されて形成された平面視多角形状の縁部３１１を有する補強構造３１であるため、機械的強度に優れることが期待できる。
　また、筒状の部材Ａ、すなわち中心に空洞部を有する部材Ａが複数連接されて形成されているため、熱容量が大きくなることなく機械的強度を高めることが可能である。
　さらに、筒状の部材Ａが絶縁部材であるため、熱伝導率が低く、赤外線検出部本体３２から補強構造３１への熱損失を抑制することも可能である。
　特に、本実施形態の赤外線検出部３は、好ましい態様として、焦電体膜３２１を含む赤外線検出部本体３２とは別に形成された赤外線吸収体３３を具備するため、赤外線検出部３による赤外線の吸収・検出を確実に行うことが可能である。

　また、本実施形態の補強構造３１は、縁部３１１によって区画される領域内に筒状の絶縁部材Ａが配置されていない未配置領域３１２を有する。このため、筒状の絶縁部材Ａが隙間無く配置された構成に比べて、歪の逃げ代があるため応力集中が緩和され易く、破損が生じ難くなる。
　特に、本実施形態の補強構造３１は、好ましい態様として、縁部３１１に加えて梁部材３１３を更に備えるため、補強構造３１の機械的強度をより一層高めることが可能である。この梁部材３１３は、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成されているため、熱容量が大きくなることなくなお且つ熱損失が抑制された状態で、機械的強度をより一層高めることが可能である。

　また、本実施形態の赤外線検出部本体３２は、補強構造３１の縁部３１１によって区画される領域を覆うように補強構造３１上に形成されている。このため、補強構造３１の上端面上にのみ赤外線検出部本体が形成される構成に比べて、有効な赤外線検出領域（赤外線検出部本体３２に対向する方向から入射する赤外線を検出可能な領域）の面積が大きくなるという利点を有する。

　また、本実施形態の支持梁２は、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成され、補強構造３１の縁部３１１から半導体基板１に向けて延在している。このように、部材Ａが複数連接されて形成された支持梁２であるため、機械的強度に優れることが期待できる。
　また、筒状の部材Ａ、すなわち中心に空洞部を有する部材Ａが複数連接されて形成されているため、熱容量が大きくなることなく機械的強度を高めることが可能である。
　さらに、筒状の部材Ａが絶縁部材であるため、熱伝導率が低く、赤外線検出部３から支持梁２への熱損失を抑制することも可能である。

　さらに、本実施形態では、平面視正六角形状の絶縁部材Ａが複数連接されて、平面視正六角形状の補強構造３１の縁部３１１が形成されているため、他の多角形状の縁部を有する補強構造よりも機械的強度を高めることが可能である。

　なお、本実施形態に係る赤外線センサ１００は、適宜の材料で封止することが好ましく、この際、真空封止を適用することも可能である。
　赤外線センサ１００を封止することにより、補強構造３１を介した赤外線検出部本体３２への外部からの熱伝達を抑制可能であるため、赤外線の検出感度を向上させることが可能である。

　以下、図２～図３４を適宜参照しつつ、本実施形態に係る赤外線センサ１００の製造方法の一例について説明する。
　図２～図３４は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。各図の（ａ）は上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸＸ線端面図である。なお、各図の（ｂ）の縦横比は、視認性の観点より、実際の縦横比よりも縦方向（上下方向）を拡大して図示している。
　本実施形態に係る赤外線センサ１００の製造方法は、溝部形成工程と、絶縁物充填工程と、赤外線検出部本体形成工程と、補強構造・支持梁形成工程とを含む。また、本実施形態では、好ましい態様として、赤外線検出部本体形成工程と補強構造・支持梁形成工程との間に赤外線吸収体形成工程を含む。以下、上記の各工程順に具体的に説明する。

　＜溝部形成工程＞
　本工程では、まず最初に、図２に示すように、半導体基板１としてのＳｉウエハを用意する。Ｓｉウエハとしては、例えば、５インチで、厚みが約６２５μｍのＳｉバルクウェハを例示できる。そして、図３に示すように、半導体基板１に熱酸化処理を施し、表面に酸化シリコンからなる酸化膜５を形成する。酸化膜５の厚みは、例えば、約４００ｎｍとされる。なお、図３（ａ）に示す酸化膜５は、本来、図３（ｂ）と同様に黒色で図示するべきであるが、視認性の観点より、図３（ａ）では透明に図示している。

　次に、図４に示すように、半導体基板１の一方の面１１上（具体的には、半導体基板１の一方の面１１に形成された酸化膜５上）にレジストＲを塗布し、フォトリソグラフィによってレジストＲを所定のパターンに形成する。このレジストＲのパターンは、前述した補強構造３１及び支持梁２（図１参照）の形状に対応するパターンである。次いで、図５に示すように、所定のパターンに形成されたレジストＲを介して、酸化膜５にエッチングを施す。エッチング方法としては、例えば、プラズマエッチングが用いられる。なお、図５（ｃ）は、図５（ａ）の領域Ｂの拡大図である。

　次に、図６に示すように、レジストＲを除去した後、図７に示すように、酸化膜５が除去された箇所の半導体基板１にエッチングを施し、溝部１２を形成する。エッチング深さ（溝部１２の深さ）は、例えば、５０μｍとされる。エッチング方法としては、例えば、誘導結合型プラズマ処理装置を用いたプラズマエッチングが用いられる。次いで、図８に示すように、酸化膜５をエッチングで除去する。エッチング方法としては、例えば、ウエットエッチングが用いられる。なお、図６（ａ）に示す酸化膜５は、本来、図６（ｂ）と同様に黒色で図示するべきであるが、視認性の観点より、図６（ａ）では透明に図示している。図７（ａ）に示す酸化膜５についても同様である。

　以上に説明した溝部形成工程により、縁部が平面視多角形状（本実施形態では正六角形状）となるように、なお且つ、該多角形状によって区画される領域内に環状の溝部１２が存在しない部位が生じるように、環状の溝部１２が複数連接した状態で形成される。また、前記縁部から（具体的には、前記多角形状の頂点から）延在するように環状の溝部１２が複数連接した状態で形成される。

　＜絶縁物充填工程＞
　本工程では、前記溝部形成工程によって形成した複数の環状の溝部１２内に絶縁物１３を充填する。
　具体的には、本実施形態では、図９に示すように、半導体基板１を加熱することで、複数の環状の溝部１２内に、半導体基板１の熱酸化物である酸化シリコンからなる絶縁物１３を充填する。なお、図９（ａ）に示す酸化膜５は、本来、図９（ｂ）と同様に黒色で図示するべきであるが、視認性の観点より、図９（ａ）では透明に図示している。
　上記充填の際、半導体基板１の溝部１２以外の表面にも酸化シリコンからなる酸化膜５が形成される。なお、半導体基板１を熱酸化させることで溝部１２内に熱酸化物を充填する方法としては、例えば、特開２０１１－１４３５１８号公報に記載の方法を適用可能である。
　しかしながら、本発明は、上記のように熱酸化によって溝部１２内に絶縁物１３を充填する方法に限るものではない。例えば、ＣＶＤ法によって、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ＰＳＧ（Phosphorus Silicon Glass）、ＢＰＳＧ（Boron Phosphorus Silicon Glass）などの絶縁物を充填することも可能である。

　次に、本工程では、図１０に示すように、溝部１２内に充填された絶縁物１３以外の酸化膜５をエッチングで除去すると共に、溝部が１２が形成された半導体基板１の一方の面１１を研磨、研削、エッチング等により平坦な面にする。
　本実施形態では、半導体基板１を加熱することで、溝部１２内に半導体基板１の熱酸化物を充填するため、溝部１２の内側面から溝部１２内を埋めるように熱酸化物が成長していく。従い、溝部１２の中央部分には凹部が生じ易いため、上記のように熱酸化物充填後の溝部１２の上面（面１１）を平坦面にする工程を設けることが有効である。溝部１２内にＣＶＤ法によって絶縁物を充填する方法を採用する場合には、溝部１２の上方からターゲット物質を溝部１２内に堆積させるため、堆積後の溝部１２の上面（面１１）を比較的平坦にすることが可能である。ただし、ＣＶＤ法を用いる場合であっても、熱酸化させる場合と同様に、面１１を研磨等によって平坦面にする工程を設けることが好ましい。
　上記の工程に次いで、図１１に示すように、半導体基板１に熱酸化処理を施し、表面に酸化シリコンからなる絶縁層４を形成する。絶縁層４の厚みは、例えば、約１００ｎｍとされる。なお、図１１（ａ）に示す絶縁層４は、本来、図１１（ｂ）と同様に黒色で図示するべきであるが、視認性の観点より、図１１（ａ）では透明に図示している。

　＜赤外線検出部本体形成工程＞
　本工程では、まず最初に、図１２に示すように、半導体基板１上に下部電極３２２を成膜する。次いで、下部電極３２２上に焦電体膜３２１を成膜する。下部電極３２２及び焦電体膜３２１の成膜方法としては、例えば、スパッタリングが用いられる。

　次に、図１３に示すように、焦電体膜３２１上にレジストＲを塗布し、フォトリソグラフィによってレジストＲを所定のパターンに形成する。次いで、図１４に示すように、所定のパターンに形成されたレジストＲを介して、焦電体膜３２１にエッチングを施す。エッチング方法としては、例えば、ウエットエッチングが用いられる。

　次に、図１５に示すように、レジストＲを除去した後、図１６に示すように、焦電体膜３２１上又は下部電極３２２上に上部電極３２３を成膜する。成膜方法としては、例えば、スパッタリングが用いられる。

　次に、図１７に示すように、上部電極３２３上にレジストＲを塗布し、フォトリソグラフィによってレジストＲを所定のパターンに形成する。このレジストＲのパターンは、前述した赤外線検出部本体３２（図１参照）の形状に対応する正六角形状を含むパターンである。次いで、図１８に示すように、所定のパターンに形成されたレジストＲを介して、上部電極３２３と焦電体膜３２１の一部にエッチングを施す。エッチング方法としては、例えば、イオンビームエッチングが用いられる。次いで、図１９に示すように、レジストＲを除去する。

　以上に説明した赤外線検出部本体形成工程により、半導体基板１の一方の面１１上に、赤外線検出部本体３２（焦電体膜３２１、下部電極３２２、上部電極３２３）が形成される。

　＜赤外線吸収体形成工程＞
　本工程では、前記赤外線検出部本体形成工程によって形成した赤外線検出部本体３２上に赤外線吸収体３３を形成する。
　具体的には、まず最初に、図２０に示すように、赤外線検出部本体３２が形成された半導体基板１の一方の面１１側全体に赤外線吸収体３３を成膜する。成膜方法としては、例えば、真空蒸着が用いられる。

　次に、図２１に示すように、赤外線吸収体３３上にレジストＲを塗布し、フォトリソグラフィによってレジストＲを所定のパターンに形成する。このレジストＲのパターンは、前述した補強構造３１の縁部３１１（図１参照）の形状に対応する正六角形状である。次いで、図２２に示すように、所定のパターンに形成されたレジストＲを介して、赤外線吸収体３３にエッチングを施す。エッチング方法としては、例えば、ウェットエッチングが用いられる。次いで、図２３に示すように、レジストＲを除去し、赤外線検出部本体３２上に赤外線吸収体３３が形成される。

　＜補強構造・支持梁形成工程＞
　本実施形態の補強構造・支持梁形成工程では、まず最初に、前述した支持梁２（図１参照）上に形成される焦電体膜３２１、下部電極３２２及び上部電極３２３のパターニングを行う。
　具体的には、図２４に示すように、赤外線吸収体３３上、上部電極３２３上、焦電体膜３２１上又は下部電極３２２上にレジストＲを塗布し、フォトリソグラフィによってレジストＲを所定のパターンに形成する。このレジストＲのパターンは、前述した支持梁２の形状に対応する形状を含むパターンである。次いで、図２５に示すように、所定のパターンに形成されたレジストＲを介して、半導体基板１の一方の面１１が露出するまで、焦電体膜３２１、下部電極３２２及び絶縁層４にエッチングを施す。エッチング方法としては、例えば、イオンビームエッチングが用いられる。次いで、図２６に示すように、レジストＲを除去し、支持梁２上に形成される焦電体膜３２１、下部電極３２２及び上部電極３２３のパターニングが終了する。

　次に、本工程では、赤外線検出部本体３２等が形成された半導体基板１の他方の面を除去して、絶縁物１３を半導体基板１から露出させることで、補強構造３１及び支持梁２を形成する。
　具体的には、まず最初に、図２７に示すように、赤外線検出部本体３２等が形成された半導体基板１の一方の面１１側全体にレジストＲを塗布し、赤外線検出部本体３２等を保護する。次いで、図２８に示すように、半導体基板１の一方の面１１側に形成された絶縁層４以外の絶縁層４をエッチングで除去する。エッチング方法としては、例えば、ウエットエッチングが用いられる。

　次に、図２９に示すように、レジストＲを除去した後、図３０に示すように、半導体基板１の他方の面１４にバックグラインディングを施し、半導体基板１の厚みを小さくする。例えば、このバックグライディングにより、半導体基板１の厚みは６２５μｍから１５０μｍにまで低減する。

　次に、図３１に示すように、赤外線検出部本体３２等が形成された半導体基板１の一方の面１１側全体に再度レジストＲを塗布し、赤外線検出部本体３２等を保護する。次いで、図３２に示すように、半導体基板１の他方の面１４側にレジストＲを塗布し、フォトリソグラフィによってレジストＲを所定のパターンに形成する。このレジストＲのパターンは、前述した補強構造３１及び支持梁２（図１参照）の形状に対応するパターンである。

　次に、図３３に示すように、半導体基板１の他方の面１４側に形成されたレジストＲを介して、半導体基板１にエッチングを施し、絶縁物１３を半導体基板１から露出させる。エッチング方法としては、例えば、イオンビームエッチングが用いられる。次いで、図３４に示すように、レジストＲを除去する。

　以上に説明した補強構造・支持梁形成工程により、絶縁物１３からなる筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成された平面視多角形状の縁部３１１を有すると共に、縁部３１１によって区画される領域内に筒状の絶縁部材Ａが配置されていない未配置領域３１２を有する補強構造３１と、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成され、補強構造３１の縁部３１１から半導体基板１に向けて延在する支持梁２とが形成される。

　以上のようにして、本実施形態に係る赤外線センサ１００は製造される。本実施形態に係る製造方法によれば、補強構造・支持梁形成工程で絶縁物１３を露出させる（補強構造３１及び支持梁２を形成する）前に、赤外線検出部本体形成工程で半導体基板１の一方の面１１（環状の溝部１２内に絶縁物１３が充填された平滑な面）上に焦電体膜３２１を含む赤外線検出部本体３２を形成することになる。また、絶縁物１３を露出させる前に、赤外線吸収体形成工程で赤外線吸収体３３を形成することになる。このため、形成される焦電体膜３２１等の面内均一性に優れ、検出感度の高い赤外線センサ１００を製造することが可能である。

　なお、本実施形態に係る赤外線センサ１００は、波長可変フィルタと共に用いることで、赤外分光光度計として使用することも可能である。また、本実施形態に係る赤外線センサ１００を、１次元アレイ状に配列したり、２×２や、４×４など２次元アレイ状に配列することで、赤外線イメージセンサとして使用することも可能である。

　また、本実施形態に係る赤外線センサ１００は、前述のように、平面視多角形状（正六角形状）の縁部３１１と、縁部３１１の頂点同士を繋ぐ梁部材３１３とを備え、縁部３１１によって区画される領域の内、梁部材３１３が設けられていない領域が、未配置領域３１２とされている。
　しかしながら、本発明の赤外線センサが備える補強構造は、何らこれに限るものではなく、例えば、図３５に示すような補強構造３１Ａとすることも可能である。

　図３５に示す補強構造３１Ａは、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成された平面視多角形状の外縁部（本発明の縁部に相当）３１１と、外縁部３１１の頂点に一端側が接続され、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成された６本の梁部材３１３と、６本の梁部材３１３の他端側にその頂点が接続され、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成された平面視多角形状の内縁部３１４とを備えている。そして、外縁部３１１によって区画される領域の内、梁部材３１３及び内縁部３１４が設けられていない領域が、未配置領域３１２とされている。なお、図３５では、理解し易いように外縁部３１１及び内縁部３１４を構成する絶縁部材Ａにハッチングを施しているが、実際には、他の絶縁部材Ａと同様に、中心に空洞部を有する筒状の絶縁部材である。
　補強構造３１Ａは、前述の補強構造３１と異なり、平面視多角形状の外縁部３１１のみならず、平面視多角形状の内縁部３１４も備える構成であるため、より一層優れた機械的強度を得ることが期待できる。
　図３５に示す支持梁２Ａも、前述の支持梁２とは形状が異なるものの、支持梁２と同様に、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成され、外縁部３１１の外方において、外縁部３１１の頂点から外縁部３１１に沿って延在している。

１・・・半導体基板
２、２Ａ・・・支持梁
３・・・赤外線検出部
３１、３１Ａ・・・補強構造
３２・・・赤外線検出部本体
３３・・・赤外線吸収体
１００・・・赤外線センサ
３１１・・・縁部
３１２・・・未配置領域
３１３・・・梁部材
３２１・・・焦電体膜
Ａ・・・絶縁部材

Claims

　半導体基板と、支持梁と、該支持梁によって前記半導体基板に支持された赤外線検出部とを備えた赤外線センサであって、
　前記赤外線検出部は、補強構造と、該補強構造上に形成された焦電体膜を含む赤外線検出部本体とを具備し、
　前記補強構造は、筒状の絶縁部材が複数連接されて形成された平面視多角形状の縁部を有すると共に、該縁部によって区画される領域内に前記筒状の絶縁部材が配置されていない未配置領域を有し、
　前記赤外線検出部本体は、前記補強構造の縁部によって区画される領域を覆うように前記補強構造上に形成され、
　前記支持梁は、前記筒状の絶縁部材が複数連接されて形成され、前記補強構造の縁部から前記半導体基板に向けて延在することを特徴とする赤外線センサ。
　前記補強構造は、前記縁部の頂点同士を繋ぐ梁部材を更に備え、
　前記梁部材は、前記筒状の絶縁部材が複数連接され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。
　前記筒状の絶縁部材は、前記半導体基板の熱酸化物から形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線センサ。
　前記赤外線検出部は、前記赤外線検出部本体上に形成された赤外線吸収体を更に具備することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の赤外線センサ。
　前記筒状の絶縁部材は、平面視正六角形状であり、
　前記補強構造の縁部は、平面視正六角形状であることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の赤外線センサ。
　半導体基板の一方の面にエッチングを施すことで、縁部が平面視多角形状となるように、なお且つ、該多角形状によって区画される領域内に環状の溝部が存在しない部位が生じるように、環状の溝部を複数連接させて形成すると共に、前記縁部から延在するように環状の溝部を複数連接させて形成する溝部形成工程と、
　前記溝部形成工程によって形成した前記複数の環状の溝部内に絶縁物を充填する絶縁物充填工程と、
　前記絶縁物充填工程によって前記複数の環状の溝部内に前記絶縁物が充填された前記半導体基板の前記一方の面上に、焦電体膜を含む赤外線検出部本体を形成する赤外線検出部本体形成工程と、
　前記赤外線検出部本体形成工程によって前記一方の面上に前記赤外線検出部本体が形成された前記半導体基板の他方の面を除去して、前記絶縁物を前記半導体基板から露出させることで、前記絶縁物からなる筒状の絶縁部材が複数連接されて形成された平面視多角形状の縁部を有すると共に、該縁部によって区画される領域内に前記筒状の絶縁部材が配置されていない未配置領域を有する補強構造と、前記筒状の絶縁部材が複数連接されて形成され、前記補強構造の縁部から前記半導体基板に向けて延在する支持梁とを形成する補強構造・支持梁形成工程と、
を含むことを特徴とする赤外線センサの製造方法。
　前記絶縁物充填工程では、前記溝部形成工程によって前記環状の溝部が複数連接して形成された前記半導体基板を加熱することで、前記複数の環状の溝部内に絶縁物を充填することを特徴とする請求項６に記載の赤外線センサの製造方法。