(57)【要約】【課題】高い感度を有する赤外線検知素子を容易に実現できる赤外線検知素子、及びその赤外線検知素子を備えたセンサ、並びに赤外線検知素子の製造方法を提供すること。ること。【解決手段】切欠部３を有するＳｉ基板部７と、Ｓｉ基板部７より薄膜で切欠部３を覆う熱絶縁薄膜部５とを備えた赤外線検知素子１に関するものである。この赤外線検知素子１では、中間酸化膜８上にて、熱絶縁薄膜部５とＳｉ基板部７とに跨るように、エピタキシャルＳｉ層１５を介して複数の熱電素子９が配置されるとともに、各の熱電素子９は配線部１１により直列に電気接続されている。また、熱電素子９は、エピタキシャルＳｉ層１５上に形成されたエピタキシャルチタン酸ストロンチウムを含む熱電薄膜１９から形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の支持体の一方の側に複数の熱電素子が配置され、他方の側に切欠部が形成された赤外線検知素子において、
前記切欠部の周囲を構成する主としてＳｉ基板からなるＳｉ基板部と、前記Ｓｉ基板部より薄膜で前記切欠部を覆う熱絶縁薄膜部と、を備えるとともに、
前記Ｓｉ基板部及び前記熱絶縁薄膜部には、電気絶縁性を有する中間酸化膜を備え、
該中間酸化膜上には、前記熱絶縁薄膜部と前記Ｓｉ基板部とに跨るように、エピタキシャルＳｉ層を介して前記複数の熱電素子が配置されるとともに、前記複数の熱電素子を直列に電気接続する配線部が配置され、
且つ、前記熱電素子は、前記エピタキシャルＳｉ層上に形成されたエピタキシャルチタン酸ストロンチウムを含む熱電薄膜からなることを特徴とする赤外線検知素子。
【請求項２】
前記熱電素子と前記配線部とを含む検出部の端部に形成された電極パッドと、前記電極パッドの少なくとも一部を露出させるように形成された絶縁保護膜と、前記熱絶縁薄膜部上に形成された赤外線吸収層と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線検知素子。
【請求項３】
前記熱電素子が、チタン酸ストロンチウムを含む量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線検知素子。
【請求項４】
前記量子井戸構造が、ノンドープのチタン酸ストロンチウムと、Ｎｂドープのチタン酸ストロンチウムとの積層構造からなることを特徴とする請求項３に記載の赤外線検知素子。
【請求項５】
前記量子井戸構造が、ノンドープのチタン酸ストロンチウムと、酸化チタンとの積層構造からなることを特徴とする請求項３に記載の赤外線検知素子。
【請求項６】
前記熱電素子の材料であるチタン酸ストロンチウムを含む熱電薄膜の平均結晶粒径が、１μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の赤外線検知素子。
【請求項７】
前記エピタキシャルＳｉ層と前記エピタキシャルチタン酸ストロンチウムを含む熱電素子との間に、バッファ層を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の赤外線検知素子。
【請求項８】
前記中間酸化膜の厚みが、０．１μｍ以上、２μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の赤外線検知素子。
【請求項９】
前記エピタキシャルＳｉ層の厚みが、０．１μｍ以上、１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の赤外線検知素子。
【請求項１０】
前記請求項１〜９のいずれかに記載の赤外線検知素子を備えたことを特徴とするセンサ。
【請求項１１】
Ｓｉ基板上に電気絶縁性を有する中間酸化膜を備えるとともに該中間酸化膜上にエピタキシャルＳｉ層を備えたＳＯＩ基板を使用して、該ＳＯＩ基板のＳｉ基板側に切欠部を有する赤外線検知素子を製造する方法であって、
前記ＳＯＩ基板のエピタキシャルＳｉ層を、前記切欠部に対応する位置に一部がかかるように所定の形状にパターニングして、複数の独立したエピタキシャルＳｉ層パターン部を形成する第１工程と、
前記ＳＯＩ基板の全面に、絶縁膜を形成する第２工程と、
前記エピタキシャルＳｉ層パターン部上の前記絶縁膜を除去して、前記エピタキシャルＳｉ層パターン部を露出させる第３工程と、
前記エピタキシャルＳｉ層パターン部のＳｉ表面上に、チタン酸ストロンチウムを含む熱電材料をエピタキシャル成長させて熱電薄膜を形成する第４工程と、
前記熱電薄膜を、所定の形状にパターニングして、複数の熱電素子を形成する第５工程と、
前記複数の熱電素子を直列に電気接続する配線部を形成して検知部を作製する第６工程と、
前記検知部を含む基板表面を絶縁保護層で覆う第７工程と、
前記絶縁保護層をエッチングして前記検知部の一部を露出させて、電極パッドを形成する第８工程と、
前記ＳＯＩ基板のＳｉ基板をエッチングして切欠部を形成することにより、前記Ｓｉ基板より薄膜の熱絶縁薄膜部を作成する第９工程と、
を有することを特徴とする赤外線検知素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第９工程の前又は後に、前記絶縁保護層上の熱絶縁薄膜部に対応する部位に、赤外線吸収層を形成することを特徴とする請求項１１に記載の赤外線検知素子の製造方法。
【請求項１３】
前記エピタキシャルＳｉ層パターン部のＳｉ表面上に、チタン酸ストロンチウムを含む熱電材料をエピタキシャル成長させる際には、前記Ｓｉ表面上にバッファ層を形成し、該バッファ層上にて前記チタン酸ストロンチウムを含む熱電材料をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の赤外線検知素子。
【請求項１４】
前記チタン酸ストロンチウムを含む熱電材料をエピタキシャル成長させた後に、４００℃以上に加熱する熱処理を行うことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の赤外線検知素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば高感度の温度センサ、光センサ、ガスセンサなどに用いることができる赤外線検知素子、及びその赤外線検知素子を備えたセンサ、並びに赤外線検知素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、導電性材料の両端に温度差が生じると、両端の間に起電力が生じる現象が知られている。その起電力の大きさを表す物理量は、ゼーベック係数（α）と呼ばれ、α＝ΔＶ／ΔＴと定義されており、そのゼーベック係数が比較的大きな材料は、一般的に熱電材料と呼ばれている。
【０００３】
また、ゼーベック係数が比較的大きく異なる２種の材料を相互に２対以上直列に接続したものを、サーモパイルと呼ぶ。サーモパイルの複数ある接点の温度が、順次相対的に高−低−高−低となるような環境下においては、サーモパイル全体として比較的大きな起電力を生じるので、従来より、この起電力を利用したサーモパイル型赤外線検知素子が知られている。
【０００４】
前記サーモパイル型赤外線検知素子においては、従来より、熱電材料として、Ｐ型及び／又はＮ型にドープしたＳｉが一般的に用いられてきた（特許文献１参照）。このＳｉを熱電材料として用いた場合、一般的な半導体プロセスによって作製することができるが、Ｓｉの熱電特性はあまり高くないという問題がある。
【０００５】
また、代表的な熱電材料として、古くからＢｉＴｅが知られているが、近年では、ＢｉＴｅを上回る特性の量子井戸型熱電材料が報告されている（特許文献２参照）。この特許文献２には、ゼーベック係数の高いＳｉ−Ｇｅ系薄膜材料を、熱的に絶縁させた自立薄膜部材上に形成したという内容の記載がある。
【０００６】
更に、ノンドープのチタン酸ストロンチウムとＮｂドープのチタン酸ストロンチウムを交互に積層したもので、高いゼーベック係数を持つ熱電材料が報告されている（特許文献３参照）。つまり、特許文献３には、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）系のエピタキシャル薄膜量子井戸熱電材料を利用した熱電対を、チタン酸ストロンチウム基板上に形成した赤外線センサが記載されており、この赤外線センサでは、膜の面方向の温度差を測定するように構成されている。
【特許文献１】特表２００７−５０１４０４号公報
【特許文献２】特開２００３−２８２９６１号公報
【特許文献３】ＷＯ２００７−１３２７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、前記特許文献１に記載の赤外線検知素子では、熱電材料として多結晶Ｓｉを用いているが、その熱電特性は、そのドーパント種や量、結晶性などにもよるが、ゼーベック係数や導電率はＢｉＴｅなどに比べて劣り、これを用いた赤外線検知素子の感度向上には限界があった。
【０００８】
また、前記特許文献２に記載の赤外線検知素子は、高い特性を有しているが、組織制御や再現性の保証が難しいという問題がある。
更に、前記特許文献３には、熱電薄膜として、非常に特性の高いチタン酸ストロンチウム系酸化物が使用されているが、基板がチタン酸ストロンチウムであるため、熱絶縁構造を形成することが難しく、結果として高感度の素子を得ることが難しいという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、高い感度を有する赤外線検知素子を容易に実現できる赤外線検知素子、及びその赤外線検知素子を備えたセンサ、並びに赤外線検知素子の製造方法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】
【００１０】
（１）上記目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、板状の支持体の一方の側に複数の熱電素子が配置され、他方の側に切欠部が形成された赤外線検知素子において、前記切欠部の周囲を構成する主としてＳｉ基板からなるＳｉ基板部と、前記Ｓｉ基板部より薄膜で前記切欠部を覆う熱絶縁薄膜部と、を備えるとともに、前記Ｓｉ基板部及び前記熱絶縁薄膜部には、電気絶縁性を有する中間酸化膜を備え、該中間酸化膜上には、前記熱絶縁薄膜部と前記Ｓｉ基板部とに跨るように、エピタキシャルＳｉ層を介して前記複数の熱電素子が配置されるとともに、前記複数の熱電素子を直列に電気接続する配線部が配置され、且つ、前記熱電素子は、前記エピタキシャルＳｉ層上に形成されたエピタキシャルチタン酸ストロンチウムを含む熱電薄膜からなることを特徴とする。
【００１１】
本発明では、高いゼーベック係数と導電率を有するエピタキシャル（ヘテロエピタキシャル）成長させたチタン酸ストロンチウムを含む熱電材料を用いた熱電素子を備えており、しかも、この熱電素子は（厚みの薄い）熱絶縁薄膜部と（厚みのある）Ｓｉ基板部に跨るように、中間酸化膜上にエピタキシャルＳｉ層を介して形成されているので、赤外線検知素子の高感度化を容易に実現することができる。
【００１２】
つまり、熱電素子として、エピタキシャルＳｉ層上にてエピタキシャル成長させたチタン酸ストロンチウム系薄膜を用いて高い性能を確保するとともに、その熱電素子を熱絶縁薄膜部とＳｉ基板部に跨るように形成して、Ｓｉ基板部による熱引きを抑制して温度差の低下を最小限に抑えることにより、赤外線検知素子の高感度化を容易に実現することができる。
【００１３】
また、本発明の赤外線検知素子を製造する場合には、熱電素子を形成する際に組織制御が容易で再現性が確実であり、この点からも、赤外線検知素子の高感度化を容易に実現することができる。
【００１４】
なお、ここで中間酸化膜とは、電気絶縁性を有する酸化膜、例えばＳｉ、Ａｌ、Ｍｇ等の金属酸化膜であり、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板のエピタキシャルＳｉ層とＳｉ基板との間に配置される中間酸化膜が挙げられる。
【００１５】
（２）請求項２の発明は、前記熱電素子と前記配線部とを含む検出部（サーモパイル）の端部に形成された電極パッドと、前記電極パッドの少なくとも一部を露出させるように形成された絶縁保護膜と、前記熱絶縁薄膜部上に形成された赤外線吸収層と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
本発明は、赤外線検知素子の好ましい構成を例示したものである。
（３）請求項３の発明は、前記熱電素子が、チタン酸ストロンチウムを含む量子井戸構造を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明は、熱電素子の好ましい構成を例示したものである。つまり、この構成によって、更に高い熱電特性を持つ熱電素子を形成できる。
（４）請求項４の発明は、前記量子井戸構造が、ノンドープのチタン酸ストロンチウムと、Ｎｂドープのチタン酸ストロンチウムとの積層構造からなることを特徴とする。
【００１８】
本発明は、量子井戸構造の好ましい構成を例示したものである。
（５）請求項５の発明は、前記量子井戸構造が、ノンドープのチタン酸ストロンチウムと、酸化チタン（ＴｉＯ2）との積層構造からなることを特徴とする。
【００１９】
本発明は、量子井戸構造の好ましい構成を例示したものである。
（６）請求項６の発明は、前記熱電素子の材料であるチタン酸ストロンチウムを含む熱電薄膜の平均結晶粒径が、１μｍ以上であることを特徴とする。
【００２０】
この熱電薄膜の平均結晶粒径を１μｍ以上とすることにより、熱電素子中を移動する電子が通過する結晶粒界を減少させることができる。よって、導電率が向上し、抵抗が低くなるので、ノイズの影響を低減することができる。
【００２１】
（７）請求項７の発明は、前記エピタキシャルＳｉ層と前記エピタキシャルチタン酸ストロンチウムを含む熱電素子との間に、バッファ層を備えたことを特徴とする。
このバッファ層を設けることにより、エピタキシャルＳｉ層の上にチタン酸ストロンチウムを含む熱電材料をエピタキシャル（ヘテロエピタキシャル）成長させることが容易になる。
【００２２】
エピタキシャル成長を実現するためには、少なくとも基板表面は、配向した結晶面（エピタキシャル面）であり、成長させる材料と基板表面の格子整合性が高いことが必要であるとされている。本発明で用いるチタン酸ストロンチウムは、Ｓｉ上にてヘテロエピタキシャル成長することが知られており、特にバッファ層を介することにより、好適にヘテロエピタキシャル成長させることができる。
【００２３】
なお、前記バッファ層とは、Ｓｉよりもチタン酸ストロンチウムのエピタキシャル成長を促進する材料（格子整合性が高く化学的相性の良い材料）からなり、例えばＹ2Ｏ3、ＹＳＺ、ＣｅＯ2等を採用できる。
【００２４】
（８）請求項８の発明は、前記中間酸化膜を備えるとともに、該中間酸化膜の厚みが、０．１μｍ以上、２μｍ以下であることを特徴とする。
本発明では、中間酸化膜の厚みを０．１μｍ以上とすることで、熱絶縁薄膜部の強度を保つことができる。また、中間酸化膜の厚みを２μｍ以下とすることで、熱引きを抑制して、熱絶縁薄膜部とＳｉ基板部との温度差の減少を最小限に抑えることができる。
【００２５】
（９）請求項９の発明は、前記エピタキシャルＳｉ層の厚みが、０．１μｍ以上、１μｍ以下であることを特徴とする。
本発明では、エピタキシャルＳｉ層の厚みを０．１μｍ以上とすることで、チタン酸ストロンチウムを含む熱電材料のエピタキシャル成長に必要な下地を安定して確保することができる。また、エピタキシャルＳｉ層の厚みを１μｍ以下とすることで、熱引きを抑制して、熱絶縁薄膜部とＳｉ基板部との温度差の減少を最小限に抑えることができる。
【００２６】
（１０）請求項１０の発明は、前記請求項１〜９のいずれかに記載の赤外線検知素子を備えたことを特徴とするセンサである。
このセンサを用いることにより、高い精度で温度等を測定することができる。なお、センサとしては、温度センサ、光センサ、ガスセンサなどが挙げられる。
【００２７】
（１１）請求項１１の発明は、Ｓｉ基板上に電気絶縁性を有する中間酸化膜を備えるとともに該中間酸化膜上にエピタキシャルＳｉ層を備えたＳＯＩ基板を使用して、該ＳＯＩ基板のＳｉ基板側に切欠部を有する赤外線検知素子を製造する方法であって、前記ＳＯＩ基板のエピタキシャルＳｉ層を、前記切欠部に対応する位置に一部がかかるように所定の形状にパターニングして、複数の独立したエピタキシャルＳｉ層パターン部を形成する第１工程と、前記ＳＯＩ基板の全面に、絶縁膜（例えばＳｉＯ2絶縁膜、Ｓｉ3Ｎ4絶縁膜）を形成する第２工程と、前記エピタキシャルＳｉ層パターン部上の前記絶縁膜を除去して、前記エピタキシャルＳｉ層パターン部を露出させる第３工程と、前記エピタキシャルＳｉ層パターン部のＳｉ表面上に、チタン酸ストロンチウムを含む熱電材料をエピタキシャル（ヘテロエピタキシャル）成長させて熱電薄膜を形成する第４工程と、前記熱電薄膜を、所定の形状にパターニングして、複数の熱電素子を形成する第５工程と、前記複数の熱電素子を直列に電気接続する配線部を形成して検知部を作製する第６工程と、前記検知部を含む基板表面を絶縁保護層で覆う第７工程と、前記絶縁保護層をエッチングして前記検知部の一部を露出させて、電極パッドを形成する第８工程と、前記ＳＯＩ基板のＳｉ基板をエッチングして切欠部を形成することにより、前記Ｓｉ基板より薄膜の熱絶縁薄膜部を作成する第９工程と、を有することを特徴とする。
【００２８】
本発明では、上述した製造方法により、例えば前記請求項１〜９のいずれかに記載の赤外線検知素子を容易に製造することができる。つまり、上述した工程により、高いゼーベック係数と導電率を有するエピタキシャルなチタン酸ストロンチウムを含む熱電材料を用いた熱電素子を形成できるとともに、この熱電素子を熱絶縁薄膜部とＳｉ基板部に跨るように形成することにより、高感度の赤外線検知素子を容易に実現することができる。
【００２９】
（１２）請求項１２の発明は、前記第９工程の前又は後に、前記絶縁保護層上の熱絶縁薄膜部に対応する部位に、赤外線吸収層を形成することを特徴とする。
この赤外線吸収層を設けることにより、熱電素子両端の温度差を大きくすることができ、精度の高い測定が可能となる。
【００３０】
（１３）請求項１３の発明は、前記エピタキシャルＳｉ層パターン部のＳｉ表面上に、チタン酸ストロンチウムを含む熱電材料をエピタキシャル（ヘテロエピタキシャル）成長させる際には、前記Ｓｉ表面上にバッファ層を形成し、該バッファ層上にて前記チタン酸ストロンチウムを含む熱電材料をエピタキシャル成長させることを特徴とする。
【００３１】
上述の様に、バッファ層を設けることにより、エピタキシャルＳｉ層の上にチタン酸ストロンチウムを含む熱電材料をエピタキシャル成長させることが容易になる。
（１４）請求項１４の発明は、前記チタン酸ストロンチウムを含む熱電材料をエピタキシャル（ヘテロエピタキシャル）成長させた後に、４００℃以上に加熱する熱処理を行うことを特徴とする。
【００３２】
本発明では、上述した熱処理を行うことにより、結晶粒の成長を促進させ、結晶粒径を大きくできる。よって、熱電素子中を移動する電子が通過する結晶粒界を減少させることができるので、導電率を向上でき、抵抗を低できるので、ノイズの影響を低減することができる。
【００３３】
この熱処理の条件としては、温度：４００〜１０００℃、時間：１０分以上、雰囲気：大気等の酸化性雰囲気、Ｎ2、Ａｒ等の不活性雰囲気を採用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下に本発明の実施形態を図面とともに説明する。
［第１実施形態］
ａ）まず、本実施形態の赤外線検知素子の構成を、図１、図２に基づいて説明する。
【００３５】
なお、図１（ａ）は赤外線検知素子の平面を示し（但し赤外線吸収層は除く）、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ’断面を示し、図２は熱電素子等を示している。
図１に示すように、本実施形態の赤外線検知素子１は、赤外線を検知する板状の素子であり、ベースとなる板状の支持体（基板）２の中央部分の一方の側（図１（ｂ）の下方）が切り欠かれたダイヤフラム構造を有している。ここでは、赤外線検知素子１の中央の切欠部（ダイヤフラム部分）３を覆う薄膜部分を熱絶縁薄膜部５と称し、切欠部３の周囲の枠状の厚みのある部分をＳｉ基板部７と称する。
【００３６】
前記赤外線検知素子１には、Ｓｉ基板部７と熱絶縁薄膜部５とに亘って全面に広がるように、ＳｉＯ2からなる中間酸化膜８が形成されており、この中間酸化膜８上において、Ｓｉ基板部７と熱絶縁薄膜部５とに跨るように、複数の熱電素子９が形成されている。
【００３７】
また、各熱電素子９は、複数の配線部１１によって、「配線部１１−熱電素子９−配線部１１−熱電素子９」のように、交互に直列に接続されている。なお、熱電素子９の両端には、配線部１１との接点（温接点、冷接点）１０が形成され、熱電素子９と配線部１１とから検知部（サーモパイル）１３が構成されている。
【００３８】
前記熱電素子９は、Ｎ型の熱電素子であり、図２に拡大して示す様に、エピタキシャルＳｉ層（即ちヘテロエピタキシャル成長したＳｉエピ層）１５の上に、ＹＳＺ薄膜及びＣｅＯ2薄膜（図示せず）からなるバッファ層１７を介して、熱電材料であるチタン酸ストロンチウム系の熱電薄膜（即ちヘテロエピタキシャル成長した熱電薄膜）１９が積層されたものである。
【００３９】
図１（ｂ）に戻り、前記赤外線検知素子１は、基板２の主体としてＳｉ基板（支持基板）２１を備えており、その一方の表面側（表側：図１（ｂ）の上方）に、前記中間酸化膜８、ＳｉＯ2絶縁膜２５、Ｓｉ3Ｎ4絶縁膜２７、ＳｉＯ2からなる絶縁保護膜２９が順次積層されている。なお、検知部１３の両端部には、電極パッド３１が露出し、熱絶縁薄膜部５の上には、赤外線を吸収する赤外線吸収層３３が形成されている。
【００４０】
また、赤外線検知素子１の他方の表面側（裏側：図１（ｂ）の下方）には、ＳｉＯ2絶縁膜３５、Ｓｉ3Ｎ4絶縁膜３７が順次積層されている。
ｂ）次に、本実施形態の赤外線検知素子１の製造方法を、図３〜図６に基づいて説明する。
【００４１】
本実施形態では、図３（ａ）に示す様に、製造時のベースとなる基板として、ＳＯＩ基板４１を用いる。このＳＯＩ基板４１は、全体の厚みが４００μｍであり、厚み約４００μｍのＳｉ基板２１と、Ｓｉ基板２１の表面に形成された厚み０．２μｍの中間酸化膜８と、中間酸化膜８の表面に形成された厚み０．３μｍのＳｉエピ層１５とからなる。
【００４２】
(1)まず、図３（ｂ）に示す様に、ＳＯＩ基板４１の表面側（同図上方）のＳｉエピ層１５を、エッチングによって所定の形状にパターニングし、Ｓｉエピ層パターン部４３を形成する。この所定形状とは、以下の工程で、熱電素子９となるチタン酸ストロンチウムが形成される形状である。Ｓｉエピ層１５のエッチング方法としては、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）やＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）など、種々の方法を用いることができる。ここでは、ＲＩＥを用いてＳｉエピ層１５をエッチングした。
【００４３】
(2)次に、図３（ｃ）に示す様に、ＳＯＩ基板４１の表裏の全面に、ＳｉＯ2絶縁膜２５、３５及びＳｉ3Ｎ4絶縁膜２７、３７を順次形成する。ここでは、熱酸化により膜厚０．１μｍのＳｉＯ2絶縁膜２５、３５を形成し、ＬＰ−ＣＶＤ（減圧化学気相成長法）により、膜厚０．２μｍのＳｉ3Ｎ4絶縁膜２７、３７を形成した。なお、表側のＳｉＯ2絶縁膜２５は、Ｓｉエピ層１５上では成長するが、中間酸化膜８上では中間酸化膜８の膜厚を若干増す形で成長する。
【００４４】
(3)次に、図３（ｄ）に示す様に、前工程でパターニングしたＳｉエピ層パターン部４３の表面に形成されたＳｉＯ2絶縁膜２５及びＳｉ3Ｎ4絶縁膜２７をエッチングし、Ｓｉエピ層パターン部４３を露出させる。ここでは、ＲＩＥ及びフッ酸を用いてエッチングを行った。
【００４５】
(4)次に、図３（ｅ）に示す様に、前工程で露出したＳｉエピ層パターン部４３のＳｉ表面上に、チタン酸ストロンチウムを含む熱電材料により、熱電薄膜１９を形成する。
ここでは、ＰＬＤ（パルスレーザデポジション）を用いて、Ｓｉ（１００）上にバッファ層１７としてＹＳＺ、ＣｅＯ2を順次形成した後、チタン酸ストロンチウム系熱電材料をエピタキシャル成長（即ちヘテロエピタキシャル成長）させた。
【００４６】
このチタン酸ストロンチウム系熱電材料は、図６に示す様に、バリア層４５としてノンドープのチタン酸ストロンチウムと、井戸層４７としてＮｂをドープしたチタン酸ストロンチウムとを、それぞれ１０ｎｍ、１ｎｍの厚みで、交互に繰り返し２０層づつ形成したものである。なお、ＰＬＤによって全面に成膜されるが、そのうちのＳｉエピ層パターン部４３上に成膜される部位のみ、ヘテロエピタキシャル膜になる。
【００４７】
なお、熱電薄膜１９の形成後に、熱電薄膜１９の結晶粒径を大きくするために、例えばＮ2雰囲気中で、７００℃にて０．５時間加熱する熱処理を行ってもよい。
(5)次に、図４（ａ）に示す様に、熱電薄膜１９を所定の形状にパターニングする。即ち、後の工程で形成されるダイヤフラム構造の熱絶縁薄膜部５とＳｉ基板部７に、複数の熱電素子９が跨るようにパターニングし、熱電素子９を形成する。ここでは、熱電薄膜９のパターニングは、フッ酸を用いたエッチングにより行った。
【００４８】
(6)次に、図４（ｂ）に示す様に、基板の表側の全面に、（配線部１１となる）導電性を有する電極層４９を形成した。ここでは、スパッタリング装置を用いて、Ａｌ電極層を０．５μｍの厚みで設けた。
【００４９】
(7)次に、図４（ｃ）に示す様に、電極層４９を所定の形状にパターニングし、前工程で形成された複数の熱電素子９を直列に接続する配線部１１を形成する。それとともに、直列に接続された複数の熱電素子９及び配線部１１からなる検知部（サーモパイル）１３の両端に、出力取り出し用の電極パッド３１を形成する。ここでは、リン酸、酢酸、硝酸の混合液を用いて、エッチングによりパターニングを行った。なお、熱電素子９と配線部１１とは、熱電素子９の両端の接点１０（温接点と冷接点）により電気的に接続される。
【００５０】
(8)次に、図４（ｄ）に示す様に、基板の表側の全面に、（絶縁保護膜２９となる）電極絶縁性の絶縁層５１を形成する。ここでは、プラズマＣＶＤにより、絶縁層５１としてＳｉＯ2を０．５μｍの厚さで設けた。
【００５１】
(9)次に、図５（ａ）に示す様に、絶縁層５１をエッチングし、電極パッド３１の中央部の表面を露出させた絶縁保護膜２９を形成する。ここでは、ＲＩＥを用いて、絶縁層５１のエッチングを行った。
【００５２】
(10)次に、図５（ｂ）に示す様に、裏面（同図下方）のＳｉＯ2絶縁膜３５及びＳｉ3Ｎ4絶縁膜３７をエッチングし、次の工程でダイヤフラム構造とするために、Ｓｉ基板２１のＳｉ表面を所定形状で露出させた裏面絶縁膜開口部５３を設ける。ここでは、Ｓｉ3Ｎ4絶縁膜３７はＲＩＥを用いて、ＳｉＯ2絶縁膜３５はフッ酸を用いて、それぞれエッチングした。
【００５３】
(11)次に、図５（ｃ）に示す様に、Ｓｉ基板２１のＳｉをエッチングして（熱絶縁薄膜部５に対応する）切欠部３を設け、ダイヤフラム構造を形成した。このエッチングは、中間酸化膜８の裏面側が露出する程度まで行った。ここでは、ＴＭＡＨを用いて、Ｓｉのエッチングを行った。なお、エッチングの際には、熱電素子９、配線部１１、電極パッド４３をＴＭＡＨから保護するために、基板の表面側を樹脂により被覆した（図示せず）。
【００５４】
(12)次に、図５（ｄ）に示す様に、基板の表側の（熱絶縁薄膜部５に対応する）中央部分に赤外線吸収層３３を設ける。ここでは、筆塗りにより、カーボンペーストをダイヤフラムの熱絶縁薄膜部５領域内に塗布した。
【００５５】
以上の工程により、ダイヤフラムの熱絶縁薄膜部５とＳｉ基板部７に跨るように、ヘテロエピタキシャル成長させたチタン酸ストロンチウムを含む熱電素子９を形成した赤外線検知素子１が作製できる。
【００５６】
ｃ）次に、本実施形態の赤外線検知素子１の使用例を、図７に基づいて説明する。
図７に示す様に、赤外線検知素子１に赤外線が照射された場合、赤外線を吸収した赤外線吸収層３３が温度上昇（又は赤外線の到達が妨げられることにより温度が低下）すると、熱的に分離されたダイヤフラムに対応する熱絶縁薄膜部５の温度は、Ｓｉ基板部７に比べて大きく変化し、それに伴い熱電素子９の起電力が変化し、複数直列に配置された熱電素子９の各起電力の和が、（両電極パッド３１を介して）出力として検出される。
【００５７】
なお、上述した赤外線検知素子１は、例えば図８に示すような温度を検知する温度センサ５５の内部に使用される。この温度センサ５５により、測定対象の温度を、測定対象から発生する赤外線によって検出することができる。
【００５８】
ｄ）この様に、本実施形態の赤外線検知素子１では、従来の赤外線検知素子で用いられていたポリシリコンではなく、高いゼーベック係数と導電率を有するエピタキシャルなチタン酸ストロンチウムを含む熱電材料を用い、これをダイヤフラム構造の熱絶縁薄膜部５とＳｉ基板部７に跨るように形成することにより、赤外線検知素子１の高感度化を容易に実現することができる。
【００５９】
なお、ダイヤフラム構造の赤外線検知素子１の場合には、熱絶縁薄膜部５の熱容量が、Ｓｉ基板部７に比べて数百分の１と小さいため、入射する赤外線による温度変化が大きく、また、複数の熱電素子９を直列に接続することにより、大きな起電力が得られ、結果として、微少な入射エネルギーの変化を高感度に測定できる。
【００６０】
・また、本実施形態では、熱電素子９が、チタン酸ストロンチウムを含む量子井戸構造を有するので、高い熱電特性を有している。
・本実施形態では、熱電素子９をＦＩＢ（集束イオンビーム）加工後、ＴＥＭで測定したところ、その平均結晶粒径が、１μｍ以上であった。従って、熱電素子９中を移動する電子が通過する結晶粒界を減少させることができるので、導電率を向上させ、抵抗が低くノイズの影響を低減することができる。
【００６１】
・本実施形態では、中間酸化膜８の厚みが、０．１μｍ以上、２μｍ以下であるので、熱絶縁薄膜部５の強度を保つことができるとともに、熱引きを抑制して、熱絶縁薄膜部５とＳｉ基板部７との温度差の減少を最小限に抑えることができる。
【００６２】
・本実施形態では、エピタキシャルＳｉ層１５の厚みが、０．１μｍ以上、１μｍ以下であるので、チタン酸ストロンチウムを含む熱電材料のエピタキシャル成長に必要な下地を安定して確保することができるとともに、熱引きを抑制して、熱絶縁薄膜部５とＳｉ基板部７との温度差の減少を最小限に抑えることができる。
［第２実施形態］
次に第２実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は簡略化する。
【００６３】
本実施形態の赤外線検知素子は、第１実施形態の赤外線検知素子とは、検知部の構成が異なっている。
図９に示す様に、本実施形態の赤外線検知素子６１は、前記第１実施形態と同様にダイヤフラム構造を有しており、熱電素子６３は、（薄肉の）熱絶縁薄膜部６５と（熱絶縁薄膜部６５より厚みのある）Ｓｉ基板部６７とに跨るように配置されている。なお、電極パッド６９、赤外線吸収層７１等も同様に備えている。
【００６４】
特に本実施形態では、熱電素子６３の両端の接点６８間の温度差を大きく、且つ、接点数を増やすために、熱電素子６３と配線部７３とが放射状に形成され、熱絶縁薄膜部６５上において、（中心側の）接点６８は、熱絶縁薄膜部６５の中心に比較的に近い領域に配置されている。
【００６５】
また、熱電素子６３と配線部７３との抵抗率の違いを考慮して、即ちチタン酸ストロンチウム等からなる熱電素子６３は、例えばＡｌからなる配線部７３より抵抗率が大きいので、熱電素子６３の線幅は配線部７３の線幅より大きく設定されている。
【００６６】
上述した構成により、抵抗値の増大を最小限に抑えることができ、また、熱電素子６３の本数を増やすことができるので、高い感度を実現することができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
【００６７】
（１）例えば、ＳＯＩ基板の各層の厚みは、熱引きが問題にならない限り、自由に設計できる。
（２）また、チタン酸ストロンチウムを用いた熱電材料は、ドーパンとして、Ｎｂの他、Ｔａなども使用できる。
【００６８】
（３）赤外線吸収層は、金ブラックを用いることもできるし、赤外線吸収層の上に、反射防止膜を設け、赤外線の吸収率を向上させてもよい。
（４）赤外線吸収層を形成する順番は、製造プロセス上問題がなければ、ダイヤフラム形成前に行ってもよい。
【００６９】
（５）量子井戸構造として、ノンドープのチタン酸ストロンチウムと、ＴｉＯ2との積層構造を採用できる。
（６）更に、本プロセスに組み込むことができれば、Ｐ型、Ｎ型両方の熱電素子を用いた構造も可能である。具体的には、図１０に示す様に、Ｐ型−Ｎ型−Ｐ型−Ｎ型のように直列に接続できる。このときには、例えばＮ型（又はＰ型）の熱電素子が配線部の機能を有するので、配線部は省略可能である。なお、検出部の両端は、第１実施形態と同様なＡｌ等からなる配線部としてもよい。この場合、Ｐ型の熱電素子としては、例えばＳｉ／ＳｉＧｅ量子井戸膜や、ｐ-Ｓｉ薄膜を使用でき、Ｎ型の熱電素子としては、例えばＮｂドープチタン酸ストロンチウムを使用できる。Ｐ型Ｎ型両方の熱電素子がエピタキシャル膜である必要は必ずしもなく、例えばＰ型熱電薄膜として、ボロンドープのＳｉ多結晶などを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】（ａ）は第１実施形態の赤外線検知素子を示す平面図であり、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
【図２】熱電素子を拡大して示す断面図である。
【図３】第１実施形態の赤外線検知素子の製造工程を示す説明図である。
【図４】第１実施形態の赤外線検知素子の製造工程を示す説明図である。
【図５】第１実施形態の赤外線検知素子の製造工程を示す説明図である。
【図６】熱電薄膜の構成を示す断面図である。
【図７】第１実施形態の赤外線検知素子の動作を示す説明図である。
【図８】赤外線検知素子が用いられる温度センサを示す説明図である。
【図９】第２実施形態の赤外線検知素子を示す平面図である。
【図１０】他の実施形態の赤外線検知素子を示す平面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１、６１…赤外線検知素子
２…基板
３…切欠部
５、６５…熱絶縁薄膜部
７、６７…Ｓｉ基板部
８…中間酸化膜
９、６３…熱電素子
１１、７３…配線部
１３…検知部
１５…エピタキシャルＳｉ層（Ｓｉエピ層）
１７…バッファ層
１９…熱電薄膜
２１…Ｓｉ基板
２５、３５…ＳｉＯ2絶縁膜
２７、３７…Ｓｉ3Ｎ4絶縁膜
３１、６３…電極パッド
４１…ＳＯＩ基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図６】
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