(57)【要約】【課題】熱電対の集積密度を高めることができ、かつ、高感度化をも実現し得る構成を備えたサーモパイル型赤外線検知素子を提供する。【解決手段】シリコン基板２０の冷接点３５側となる一方の表面に不純物をドープして複数の拡散層２１を形成し、各拡散層２１上にＶＬＳ成長法によりシリコン針３１を成長させ、シリコン針３１の上端部（温接点３４）を除いて各シリコン針３１に絶縁膜３２を形成し、各シリコン針３１の上端部から絶縁膜３２に沿って隣接する他の拡散層２１の一部にかけて熱電対材料３３を形成することにより、隣接する熱電対同士を直列に電気的に接続し、シリコン針３１の上端部の温接点３４上に赤外線吸収膜４１を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成されている複数の熱電対を直列に接続してなるサーモパイル型赤外線検知素子において、
上記基板がシリコン基板であり、上記シリコン基板の冷接点側となる一方の面側に形成された複数の拡散層と、ＶＬＳ成長法により上記各拡散層上に針状に形成され温接点側の上端部を除いて絶縁膜により覆われている複数のシリコン針と、上記各シリコン針の上端部から上記絶縁膜に沿って隣接する他の拡散層の一部と接触するように形成された熱電対材料と、上記シリコン針の上端部側の上記各熱電対材料上に絶縁膜を介して形成された赤外線吸収膜とを含むことを特徴とするサーモパイル型赤外線検知素子。
【請求項２】
基板に形成されている複数の熱電対を直列に接続してなるサーモパイル型赤外線検知素子の製造方法において、
シリコン基板の冷接点側となる一方側の表面に不純物をドープして複数の拡散層を形成する工程と、
上記各拡散層上に触媒となる金属を成膜し、ＶＬＳ成長法により上記各拡散層上にシリコン針を成長させる工程と、
上記各シリコン針の温接点側の上端部を除いて上記各シリコン針を第１絶縁膜にて覆う工程と、
上記各シリコン針の上端部から上記絶縁膜に沿って隣接する他の上記拡散層の一部にかけて熱電対材料を形成して、隣接する上記熱電対同士を直列に接続する工程と、
上記熱電対材料を第２絶縁膜で覆う工程と、
上記シリコン針の上端部の熱電対材料上に上記第２絶縁膜を介して赤外線吸収膜を形成する工程とを含むことを特徴とするサーモパイル型赤外線検知素子の製造方法。
【請求項３】
上記熱電対材料を第２絶縁膜で覆った後に、上記シリコン基板上に上記シリコン針上端部側の上記第２絶縁膜が露出するように厚膜レジストを形成し、露出している上記第２絶縁膜上に上記赤外線吸収膜を形成した後、上記厚膜レジストを除去することを特徴とする請求項２に記載のサーモパイル型赤外線検知素子の製造方法。
【請求項４】
上記シリコン基板に、単結晶で（１１１）面方位のシリコン基板を用いることを特徴とする請求項２または３に記載のサーモパイル型赤外線検知素子の製造方法。
【請求項５】
上記熱電対材料として、アルミニウム材を用いることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載のサーモパイル型赤外線検知素子の製造方法。
【請求項６】
上記赤外線吸収膜として、金黒（Ａｕ-Ｂｌａｃｋ）を用いることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１項に記載のサーモパイル型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、複数の熱電対を直列に接続してなるサーモパイル型赤外線検知素子およびその製造方法に関し、さらに詳しく言えば、熱電対の集積密度が高く、かつ、高感度のサーモパイル型赤外線検知素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
サーモパイル型赤外線検知素子においては、異種金属からなる複数の熱電対が直列に接続され、温接点と冷接点との間の温度差に対応した直列熱起電力によって入射赤外線の量（強さ）を測定する。
【０００３】
したがって、その感度を向上させるには、熱電対の集積密度を高めて直列熱起電力を大きくし、また、温接点と冷接点とを熱的に分離して温接点からの熱が冷接点に伝わりにくい構造とすることが要求される。
【０００４】
このようなサーモパイル型赤外線検知素子の製造方法として、例えば特許文献１に記載されている発明では、まず、図３ａに示すように、ｎ型シリコン基板６の一方の面にＲＩＥ法などのドライエッチングによって複数の柱１を形成する。
【０００５】
次に、図３ｂに示すように、表面を酸化させて第１酸化膜９を形成し、柱１同士を第１酸化膜９にて電気的に分離する。そして、図３ｃに示すように、柱１の周辺部分の第１酸化膜９を除去する際に、それに隣接してドライエッチングで形成した孔をｐ型にドープしたポリシリコンによって埋めて柱２を形成した後、図３ｄに示すように、表面を酸化してその上に第２酸化膜１０を堆積する。
【０００６】
しかるのち、図３ｅに示すように、上記図３ｄの積層体を、表面に第１酸化膜９，第２酸化膜１０が形成されている導電形のシリコン基板７上に重ね、温接点４と冷接点５をタングステンで形成し、ｎ型ドープされた柱１とｐ型ドープされた柱２とで多数の熱電対を形成する。また、温接点４上には、絶縁層を介して赤外線吸収膜３を形成する。
【０００７】
これによれば、温接点４と冷接点５との間に、熱的に分離した熱分離領域８が存在し、また、各熱電対が柱として縦に配置されているので集積密度が高く高感度の赤外線検知素子が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３１８６４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来技術では、柱１とともに熱電対を構成するポリシリコンの柱２をエッチング孔に充填するようにしているため、そのエッチング孔にゴミ等が詰まっているとポリシリコンが充填されないことがあり、これによって歩留まりが左右される、という問題がある。
【００１０】
また、熱電対をより高密度に集積するには、エッチング孔をより細くしてエッチング孔と柱１との密度を高める必要があるが、エッチング孔を過度に細くすると、ポリシリコンを十分に充填することができなくなるので、上記従来技術では、高密度化するにも限界がある。
【００１１】
さらに、上記従来技術では、柱１の周辺部分からの研削もしくは研磨による第１酸化膜９の除去や、上記図３ｄの積層体のシリコン基板７上への積み重ね、と言ったフォトリソグラフィー以外のプロセスが含まれるため、作業工程が複雑であり、また、捨て基板等の無駄になる材料が多く発生する、という問題もある。
【００１２】
したがって、本発明の課題は、複雑な作業工程を辿ることなく、熱電対の集積密度を高めることができ、かつ、高感度化をも実現し得る構成を備えたサーモパイル型赤外線検知素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、第１の発明は、基板に形成されている複数の熱電対を直列に接続してなるサーモパイル型赤外線検知素子において、上記基板がシリコン基板であり、上記シリコン基板の冷接点側となる一方の面側に形成された複数の拡散層と、ＶＬＳ成長法により上記各拡散層上に針状に形成され温接点側の上端部を除いて絶縁膜により覆われている複数のシリコン針と、上記各シリコン針の上端部から上記絶縁膜に沿って隣接する他の拡散層の一部と接触するように形成された熱電対材料と、上記シリコン針の上端部側の上記各熱電対材料上に絶縁膜を介して形成された赤外線吸収膜とを含むことを特徴としている。
【００１４】
また、第２の発明は、基板に形成されている複数の熱電対を直列に接続してなるサーモパイル型赤外線検知素子の製造方法において、シリコン基板の冷接点側となる一方側の表面に不純物をドープして複数の拡散層を形成する工程と、上記各拡散層上に触媒となる金属を成膜し、ＶＬＳ成長法により上記各拡散層上にシリコン針を成長させる工程と、上記各シリコン針の温接点側の上端部を除いて上記各シリコン針を第１絶縁膜にて覆う工程と、上記各シリコン針の上端部から上記絶縁膜に沿って隣接する他の上記拡散層の一部にかけて熱電対材料を形成して、隣接する上記熱電対同士を直列に接続する工程と、上記熱電対材料を第２絶縁膜で覆う工程と、上記シリコン針の上端部の熱電対材料上に上記第２絶縁膜を介して赤外線吸収膜を形成する工程とを含むことを特徴としている。
【００１５】
上記第２の発明には、好ましい態様として、上記熱電対材料を第２絶縁膜で覆った後に、上記シリコン基板上に上記シリコン針上端部側の上記第２絶縁膜が露出するように厚膜レジストを形成し、露出している上記第２絶縁膜上に上記赤外線吸収膜を形成した後、上記厚膜レジストを除去する工程がさらに含まれる。
【００１６】
また、上記第２の発明において、上記シリコン基板には、単結晶で（１１１）面方位のシリコン基板が好ましく用いられる。
【００１７】
また、上記第２の発明の好ましい態様によれば、上記熱電対材料としてアルミニウム材が用いられ、上記赤外線吸収膜として金黒（Ａｕ-Ｂｌａｃｋ）が用いられる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、熱電対を構成する一方の金属がＶＬＳ成長法にて形成されるシリコン針であり、その針径がサブミクロン〜数μｍ程度であることから、熱電対の集積密度をより高めることができる。また、シリコン針は数百μｍ程度の高さを有しているため、温接点，冷接点間の熱抵抗を大きくでき、その分、感度が高められる。また、シリコン針を成長させる加算的な作製方法であるため、作製工程を単純化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係るサーモパイル型赤外線検知素子を示す断面図。
【図２ａ】本発明によるサーモパイル型赤外線検知素子の第１製造工程を示す断面図。
【図２ｂ】上記検知素子の第２製造工程を示す断面図。
【図２ｃ】上記検知素子の第３製造工程を示す断面図。
【図２ｄ】上記検知素子の第４製造工程を示す断面図。
【図２ｅ】上記検知素子の第５製造工程を示す断面図。
【図２ｆ】上記検知素子の第６製造工程を示す断面図。
【図２ｇ】上記検知素子の第７製造工程を示す断面図。
【図２ｈ】上記検知素子の第８製造工程を示す断面図。
【図２ｉ】上記検知素子の第９製造工程を示す断面図。
【図３ａ】従来例に係るサーモパイル型赤外線検知素子の第１製造工程を示す断面図。
【図３ｂ】上記従来技術の第２製造工程を示す断面図。
【図３ｃ】上記従来技術の第３製造工程を示す断面図。
【図３ｄ】上記従来技術の第４製造工程を示す断面図。
【図３ｅ】上記従来技術の第５製造工程を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、図１および図２ａ〜図２ｉにより、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２１】
まず、図１を参照して、本発明によるサーモパイル型赤外線検知素子１の構成を説明すると、シリコン基板２０の冷接点側となる一方の表面（図１において上面側）に複数の拡散層２１が形成され、各拡散層２１上にシリコン針３１が後述するＶＬＳ成長法により形成されている。
【００２２】
シリコン針３１は、上端部を除いて針周面が第１絶縁膜３２により覆われており、すなわち、上端部以外の部分が第１絶縁膜３２により覆われており、各シリコン針３１の上端部から第１絶縁膜３２に沿って隣接する他の拡散層２１の一部と接触するように熱電対材料３３が形成されている。
【００２３】
この熱電対材料３３により、シリコン針３１の上端部と熱電対材料３３との接点を温接点３５とし、熱電対材料３３の下部と拡散層２１との接点を冷接点３６とする複数の熱電対が形成され、隣接する各熱電対同士が直列に電気的に接続されている。
【００２４】
シリコン基板２０上およびシリコン針３１の周面に沿って形成された熱電対材料３３上には、保護膜としての第２絶縁膜３４が形成されている。
【００２５】
温接点３５上には、赤外線吸収膜４１が形成されており、図示しない被測定物の温度測定に際しては、温接点３５と冷接点３６との間に生ずる電圧を測定する。
【００２６】
次に、図２ａ〜図２ｉを参照して、上記サーモパイル型赤外線検知素子１の製造方法について説明する。
【００２７】
まず、図２ａを参照して、シリコン基板２０の冷接点側となる一方の表面に、上記熱電対材料３３を電気的に接続する複数の拡散層２１を形成する。シリコン基板２０は、単結晶で（１１１）面方位のシリコン基板であることが好ましい。
【００２８】
拡散層２１は、例えば３価または５価の原子をドープすることにより形成できる。３価の原子には、Ｂ（ホウ素），Ａｌ（アルミニウム）等を用いることができ、この場合、拡散層２１はＰ型となる。
【００２９】
５価の原子には、Ｐ（リン），Ａｓ（ヒ素）等を用いることができ、この場合、拡散層２１はＮ型となる。この実施形態では、拡散層２１をＮ型ドープとしている。ドープはイオン注入や熱拡散等により行う。
【００３０】
次に、各拡散層２１上にＡｕ（金）等の触媒（図示省略）を成膜してから、図２ｂに示すように、ＶＬＳ（Ｖａｐｏｒ−Ｌｉｑｕｉｄ−Ｓｏｌｉｄ）成長法によってＮ型ドープされたシリコンを結晶成長させてシリコン針３１を形成する。ＶＬＳ成長法によれば、長さ数百μｍ程度，針径がサブミクロン〜数μｍ程度のシリコン針３１が得られる。その後、各シリコン針３１およびシリコン基板２０の一方の表面をＳｉＯ２（二酸化シリコン）等の第１絶縁膜３２にて覆う。
【００３１】
次に、図２ｃに示すように、シリコン針３１上端部の第１絶縁膜３２をエッチング等により除去して接点出しを行うとともに、拡散層２１上の第１絶縁膜３２の一部分３２ａを冷接点形成用としてエッチング等により除去する。
【００３２】
しかる後、図２ｄに示すように、シリコン基板２０上およびシリコン針３１の全体を含めて熱電対材料３３を形成する。熱電対材料３３には、アルミニウムが好ましく採用される。
【００３３】
次に、図２ｅに示すように、エッチング等により熱電対材料３３の一部分（シリコン針３１の付け根側の一部分）３３ａを除去して、熱電対材料３３のつながりをなくし、各シリコン針３１ごとに熱電対を形成する。すなわち、シリコン針３１の上端部から隣接する他の拡散層２１に至るように熱電対材料３３を配線する。
【００３４】
これにより、シリコン針３１の上端部と熱電対材料３３との接点を温接点３５とし、熱電対材料３３と隣接する他の拡散層２１との接点を冷接点３６とする複数の熱電対同士が直列に電気的に接続された状態となる。
【００３５】
次に、図２ｆに示すように、シリコン基板２０上およびシリコン針３１に沿って形成された熱電対材料３３上に、保護膜としてＳｉＯ２（二酸化シリコン）等の第２絶縁膜３４をさらに形成する。
【００３６】
次に、図２ｇに示すように、シリコン基板２０上に厚膜レジスト２２を各シリコン針３１の高さ以上の厚さをもって形成する。厚膜レジスト２２には、ＳＵ８（エポキシ樹脂）が好ましく採用される。
【００３７】
そして、図２ｈに示すように、エッチング等により厚膜レジスト２２の表層側を除去して、各熱電対の温接点３５を覆っている第２絶縁膜３４を露出させたのち、図２ｉに示すように、各熱電対の温接点３５上に第２絶縁膜３４を介して赤外線吸収膜４１を形成する。赤外線吸収膜４１は、Ａｕ−Ｂｌａｃｋ（金黒）により形成することが好ましい。
【００３８】
赤外線吸収膜４１を形成したのち、厚膜レジスト２２をアッシング（灰化）等により除去することにより、図１に示したサーモパイル型赤外線検知素子１が得られる。
【００３９】
このサーモパイル型赤外線検知素子１によれば、シリコン針３１の針径がサブミクロン〜数μｍ程度であるため、熱電対の集積密度をより高めることができる。また、シリコン針３１は数百μｍ程度の高さを有するため、温接点，冷接点間の熱抵抗を大きくでき、その分、感度が高められる。また、シリコン針３１を成長させる加算的な作製方法であるため、作製工程を単純化することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１   サーモパイル型赤外線検知素子
２０  シリコン基板
２１  拡散層
２２  厚膜レジスト
３１  シリコン針
３２  第１絶縁膜
３３  熱電対材料
３４  第２絶縁膜
３５  温接点
３６  冷接点
４１  赤外線吸収膜
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図２ｅ】
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【図２ｆ】
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【図２ｇ】
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【図２ｈ】
2011117883.tif 000011
【図２ｉ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図３ｅ】
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