(57)【要約】【課題】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を提供する。【解決手段】第１シリコン基板１１０の一方の面側に設けられているＮ型ドープされた複数の第１拡散層１２０上にＶＬＳ結晶成長法による第１シリコン針１４０と第１コンタクトパッド１５０とが形成されている第１素子エレメント１００と、第２シリコン基板２１０の一方の面側に設けられているＰ型ドープされた複数の第２拡散層２２０上にＶＬＳ結晶成長法による第２シリコン針２４０と第２コンタクトパッド２５０とが形成されている第２素子エレメント２００とを備え、第１素子エレメント１００と第２素子エレメント２００とを向かい合わせとして、第１シリコン針１４０と第２コンタクトパッド２５０とを接続するとともに、第２シリコン針２４０と第１コンタクトパッド１５０とを接続する。【選択図】図１
2011040663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１シリコン基板を備え、上記第１シリコン基板の一方の面側にＮ型ドープされた複数の第１拡散層が設けられ、上記各第１拡散層上にＶＬＳ結晶成長法による第１シリコン針と第１コンタクトパッドとが形成されている第１素子エレメントと、
第２シリコン基板を備え、上記第２シリコン基板の一方の面側にＰ型ドープされた複数の第２拡散層が設けられ、上記各第２拡散層上にＶＬＳ結晶成長法による第２シリコン針と第２コンタクトパッドとが形成されている第２素子エレメントとを備え、
上記第１素子エレメントと上記第２素子エレメントとが、上記第１シリコン針が上記第２コンタクトパッドと電気的に接続されるとともに、上記第２シリコン針が上記第１コンタクトパッドと電気的に接続されるように互いに向き合うように接合され、上記第１シリコン針と上記第２シリコン針とが上記第１拡散層および上記第２拡散層を介して電気的に直列に接続され、かつ、上記第１シリコン基板もしくは上記第２シリコン基板の他方の面側に赤外線吸収膜が形成されている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】
第１シリコン基板の一方の面側にＮ型ドープされた複数の第１拡散層を形成し、上記各第１拡散層上に触媒となる第１金属を成膜してＶＬＳ結晶成長法により第１シリコン針を形成した後に、上記各第１拡散層上に第１コンタクトパッドを形成して第１素子エレメントを作製する工程と、
第２シリコン基板の一方の面側にＰ型ドープされた複数の第２拡散層を形成し、上記各第２拡散層上に触媒となる第２金属を成膜してＶＬＳ結晶成長法により第２シリコン針を形成した後に、上記各第２拡散層上に第２コンタクトパッドを形成して第２素子エレメントを作製する工程と、
上記第１素子エレメントと上記第２素子エレメントとを、上記第１シリコン針が上記第２コンタクトパッドと電気的に接続し、上記第２シリコン針が上記第１コンタクトパッドと電気的に接続するように互いに向き合うように接合して、上記第１シリコン針と上記第２シリコン針とを上記第１拡散層および上記第２拡散層を介して電気的に直列に接続する工程と、
上記第１シリコン基板もしくは上記第２シリコン基板の他方の面側に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】
上記第１拡散層上および上記第２拡散層上に成膜する上記金属をＡｕ（金）と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】
上記第１コンタクトパッドおよび上記第２コンタクトパッドをＡｕ（金）とす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】
上記第１素子エレメントと上記第２素子エレメントとを接合した後、上記赤外線吸収膜が形成される側の上記シリコン基板の基板厚を薄くす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】
上記赤外線吸収膜をＡｕ−Ｂｌａｃｋ（金黒）により形成す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、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、熱電対を高密度に配置させた高感度の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５ａに示すように、一方の面側に検出回路パターンが形成されたＳｉ基板３０上にＣＶＤ蒸着法等によりＳｉＯ２ 層３０Ａを堆積し、その表面を平坦化する。
【０００５】
次に、図５ｂに示すように、その平坦化された面上に、ポリイミドパターン３０Ｂを台形状に形成したのち、図５ｃに示すように、ポリイミドパターン３０Ｂ上にＳｉＮ等の熱電対材料や金属パターンを熱伝導性箔膜３４として堆積する。
【０００６】
しかる後、図５ｄに示すように、台形状のポリイミドパターン３０Ｂの側面（傾斜面）に沿ってリード３１およびリード３２を形成する。
【０００７】
リード３１は、第１の熱電材料としてのＰドープＳｉ（ｎ型Ｓｉ）をポリイミドパターン３０Ｂの側面に沿って１μｍの厚さに堆積しパターニングすることにより形成する。また、リード３２も同様に、第２の熱電材料としてのＢドープＳｉ（ｐ型Ｓｉ）をポリイミドパターン３０Ｂの側面に沿って１μｍの厚さに堆積しパターニングすることにより形成する。
【０００８】
これに伴って、温接点３５および冷接点３６がリード３１とリード３２との各接合部に形成される。次に、図５ｅに示すように、ＳｉＯ２ 層３０Ａにリード３１，３２の基底部において、Ｓｉ基板３０上の検出回路パターンに対応してコンタクトホールを形成し、そのコンタクトホールを埋めるように電極３６Ａを形成する。
【０００９】
さらに、図５ｆに示すように、熱伝導性箔膜３４上にＡｕもしくはＣの微粒子、またはＳｉＮでコーティングされたＮｉＣｒの薄膜よりなる赤外線吸収層３４Ａを堆積する。
【００１０】
最後に、図５ｇに示すように、ポリイミドパターン３０Ｂを酸素プラズマ等で除去することにより、内部に空間３０ａが形成され、熱伝導性薄膜３４が熱電対を構成する複数のリード３１，３２により中空に保持された構造が得られる。
【００１１】
上記従来技術によれば、熱電対を構成する複数のリード３１，３２が台形のポリイミドパターン３０Ｂの側面（傾斜面）に沿って作製されるため、三次元的に回路を作製することができる。
【００１２】
また、温接点３５（熱伝導性箔膜３４とリード３１，３２との接点）が、空間３０ａを介して中空に支持されているので、温接点３５から冷接点３６（Ｓｉ基板３０とリード３１，３２との接点）への熱輸送を最小化することができるので、高感度のサーモパイル型赤外線検知素子を製造することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平８−３０４１７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記従来技術では、熱電対となるリード３１，３２を形成するにあたって、ポリイミドパターン３０Ｂの側面に沿ってｐ型あるいはｎ型のシリコンを堆積し、エッチングにより個々の熱電対を形成するようにしているため、合計で２度のパターニングおよびエッチングを必要とする。
【００１５】
しかも、そのパターニングおよびエッチングをポリイミドパターン３０Ｂの傾斜面に沿って行わなければならないため、そのレート制御等の点で問題があり、リード３１，３２の微細化にも限界がある。
【００１６】
さらに、ポリイミドパターン３０Ｂは最終的に除去されるものの、ポリイミドパターン３０Ｂの部分が空間３０ａとして残されるため、素子全体の小型化にも限界がある。
【００１７】
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】
【００１８】
上記課題を解決するため、第１の発明は、第１シリコン基板を備え、上記第１シリコン基板の一方の面側にＮ型ドープされた複数の第１拡散層が設けられ、上記各第１拡散層上にＶＬＳ結晶成長法による第１シリコン針と第１コンタクトパッドとが形成されている第１素子エレメントと、第２シリコン基板を備え、上記第２シリコン基板の一方の面側にＰ型ドープされた複数の第２拡散層が設けられ、上記各第２拡散層上にＶＬＳ結晶成長法による第２シリコン針と第２コンタクトパッドとが形成されている第２素子エレメントとを備え、上記第１素子エレメントと上記第２素子エレメントとが、上記第１シリコン針が上記第２コンタクトパッドと電気的に接続されるとともに、上記第２シリコン針が上記第１コンタクトパッドと電気的に接続されるように互いに向き合うように接合され、上記第１シリコン針と上記第２シリコン針とが上記第１拡散層および上記第２拡散層を介して電気的に直列に接続され、かつ、上記第１シリコン基板もしくは上記第２シリコン基板の他方の面側に赤外線吸収膜が形成されていることを特徴としている。
【００１９】
また、上記課題を解決するため、第２の発明は、第１シリコン基板の一方の面側にＮ型ドープされた複数の第１拡散層を形成し、上記各第１拡散層上に触媒となる第１金属を成膜してＶＬＳ結晶成長法により第１シリコン針を形成した後に、上記各第１拡散層上に第１コンタクトパッドを形成して第１素子エレメントを作製する工程と、第２シリコン基板の一方の面側にＰ型ドープされた複数の第２拡散層を形成し、上記各第２拡散層上に触媒となる第２金属を成膜してＶＬＳ結晶成長法により第２シリコン針を形成した後に、上記各第２拡散層上に第２コンタクトパッドを形成して第２素子エレメントを作製する工程と、上記第１素子エレメントと上記第２素子エレメントとを、上記第１シリコン針が上記第２コンタクトパッドと電気的に接続し、上記第２シリコン針が上記第１コンタクトパッドと電気的に接続するように互いに向き合うように接合して、上記第１シリコン針と上記第２シリコン針とを上記第１拡散層および上記第２拡散層を介して電気的に直列に接続する工程と、上記第１シリコン基板もしくは上記第２シリコン基板の他方の面側に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。
【００２０】
上記第２の発明において、上記第１拡散層上および上記第２拡散層上に成膜する上記金属をＡｕ（金）とすることが好ましい。
【００２１】
同様に、上記第１コンタクトパッドおよび上記第２コンタクトパッドをＡｕ（金）とすることが好ましい。
【００２２】
また、上記第２の発明の好ましい態様によれば、上記第１素子エレメントと上記第２素子エレメントとを接合した後、上記赤外線吸収膜が形成される側の上記シリコン基板の基板厚を薄くする工程がさらに実施される。
【００２３】
また、上記上記第２の発明において、赤外線吸収膜をＡｕ−Ｂｌａｃｋ（金黒）により形成することが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、第１素子エレメント側で第１シリコン基板のＮ型ドープされた第１拡散層上にＶＬＳ結晶成長法により形成された第１シリコン針（Ｎ型）と、第２素子エレメント側で第２シリコン基板のＰ型ドープされた第２拡散層上にＶＬＳ結晶成長法により形成された第２シリコン針（Ｐ型）とを熱電対材料として、第１シリコン針を第２拡散層上の第１コンタクトパッドに電気的に接続し、第２シリコン針を第１拡散層上の第１コンタクトパッドに電気的に接続することにより熱電対が形成されるため、第１，第２シリコン針およびこれらに対応する第１，第２コンタクトパッドの密度を高めることによって、容易に熱電対の集積密度を高めることができる。
【００２５】
また、本発明によれば、第１シリコン針および第２シリコン針は、各シリコン基板に対してほぼ垂直に形成され、その針径はたかだか数μｍ程度であるため、単位面積あたりの熱電対の集積密度をより一層高めることができる。
【００２６】
さらには、ＶＬＳ結晶成長法によると、数百μｍ程度の高さを有するシリコン針が得られるため、温接点と冷接点間の距離を十分に確保することができ、これにより、高感度のサーモパイル型赤外線検知素子とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【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の構成を示す断面図。
【図２】上記サーモパイル型赤外線検知素子に含まれる第１素子エレメントの製造工程を示す模式図。
【図３】上記サーモパイル型赤外線検知素子に含まれる第２素子エレメントの製造工程を示す模式図。
【図４】上記第１素子エレメントと上記第２素子エレメントの接合工程を示す模式図。
【図５ａ】従来技術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５ｂ】従来技術によるサーモパイル型赤外線検知素子の第２製造工程を示す断面図。
【図５ｃ】従来技術によるサーモパイル型赤外線検知素子の第３製造工程を示す断面図。
【図５ｄ】従来技術によるサーモパイル型赤外線検知素子の第４製造工程を示す断面図。
【図５ｅ】従来技術によるサーモパイル型赤外線検知素子の第５製造工程を示す断面図。
【図５ｆ】従来技術によるサーモパイル型赤外線検知素子の第６製造工程を示す断面図。
【図５ｇ】従来技術によるサーモパイル型赤外線検知素子の第７製造工程を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
次に、図１ないし図４を参照して、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。
【００２９】
まず、図１に示すように、本発明によるサーモパイル型赤外線検知素子１０は、第１シリコン針１４０を有する第１素子エレメント１００と、第２シリコン針２４０を有する第２素子エレメント２００とを互いに向かい合わせとして接合することにより構成される。
【００３０】
第１素子エレメント１００は、第１シリコン基板１１０を備え、第１シリコン基板１１０の一方の面側には、例えばＮ型にドープされた複数の第１拡散層１２０が形成されている。
【００３１】
各第１拡散層１２０上には、先端に第１金属１３０を有する第１シリコン針１４０と、第１コンタクトパッド１５０とが形成されている。
【００３２】
同様に、第２素子エレメント２００は、第２シリコン基板２１０を備え、第２シリコン基板２１０の一方の面側には、例えばＰ型にドープされた複数の第２拡散層２２０が形成されている。
【００３３】
各第２拡散層２２０上には、先端に第２金属２３０を有する第２シリコン針２４０と、第２コンタクトパッド２５０とが形成されている。
【００３４】
第１素子エレメント１００と第２素子エレメント２００は、互いに向かい合わせとされて、第１シリコン針１４０が第２コンタクトパッド２５０と電気的に接続され、また、第２シリコン針２４０が第１コンタクトパッド１５０と電気的に接続される。
【００３５】
これにより、第１素子エレメント１００側の第１シリコン針１４０と、第２素子エレメント２００側の第２シリコン針２４０は、第１拡散層１２０および第２拡散層２２０を介して電気的に直列に接続され、一方の素子エレメント側を冷接点側とし、他方の素子エレメント側を温接点側とする複数の熱電対が構成される。
【００３６】
この実施形態では、第１素子エレメント１００側を冷接点Ｃ側，第２素子エレメント２００側を温接点Ｈ側としているが、第２素子エレメント２００側を冷接点Ｃ側，第１素子エレメント１００側を温接点Ｈ側としてもよい。
【００３７】
なお、図１には直列に接続された１列分の熱電対しか示されていないが、実際の基板には、これが多列として形成されており、例えば第１シリコン基板１１０の両端側には、各列の直列熱起電力の合計熱起電力を取り出すための電極端子１６１，１６２が形成されている。
【００３８】
温接点Ｈ側の第２シリコン基板２１０の他方の面（図１において上面側）には、赤外線吸収膜３００が形成される。この場合、第２シリコン基板２１０の板厚を第１シリコン基板１１０よりも薄く形成することが好ましい。
【００３９】
次に、図２（ａ）〜（ｄ）により、第１素子エレメント１００の製造工程の一例について説明する。
【００４０】
まず、図２（ａ）を参照して、第１シリコン基板１１０に、好ましくは単結晶で（１１１）面方位のシリコン基板を用い、その一方の面に、例えばＰ（リン）やＡｓ（ヒ素）等の５価の原子を不純物としてドープしてＮ型にドープされた複数の拡散層１２０を形成する。なお、ドープはイオン注入により行う。
【００４１】
次に、図２（ｂ）に示すように、各第１拡散層１２０上に触媒となる第１金属１３０を成膜する。第１金属１３０には、好ましくはＡｕ（金）を用いる。
【００４２】
そして、図２（ｃ）に示すように、ＶＬＳ（Ｖａｐｏｒ−Ｌｉｑｕｉｄ−Ｓｏｌｉｄ）結晶成長法により、各第１拡散層１２０上に、第１金属１３０を頭部とする第１シリコン針１４０を成長させる。ＶＬＳ結晶成長法によれば、針径が数μｍ，高さ数百μｍ程度のシリコン針が得られる。
【００４３】
その後、図２（ｄ）に示すように、各第１拡散層１２０上に第１コンタクトパッド１５０を形成する。第１コンタクトパッド１５０には、Ａｕ（金）を用いることが好ましい。
【００４４】
次に、図３（ａ）〜（ｄ）により、第２素子エレメント２００の製造方法の一例について説明する。
【００４５】
まず、図３（ａ）を参照して、第２シリコン基板２１０に、好ましくは単結晶で（１１１）面方位のシリコン基板を用い、その一方の面に、例えばＢ（ホウ素）やＡｌ（アルミニウム）等の３価の原子を不純物としてドープしてＰ型にドープされた複数の拡散層２２０を形成する。
【００４６】
次に、図３（ｂ）に示すように、各第２拡散層２２０上に触媒となるＡｕ（金）等からなる第２金属２３０を成膜する。
【００４７】
そして、図３（ｃ）のように、ＶＬＳ結晶成長法により、各第２拡散層２２０上に、第２金属２３０を頭部とする第２シリコン針２４０を成長させる。
【００４８】
その後、図３（ｄ）に示すように、各第２拡散層２２０上に、Ａｕ（金）等で第２コンタクトパッド２５０を形成する。第２コンタクトパッド２５０は、Ａｕ（金）であることが好ましい。
【００４９】
上記のようにして、第１素子エレメント１００と第２素子エレメント２００とを作製したのち、図４（ａ）〜（ｃ）に示す接合工程を経てサーモパイル型赤外線検知素子１０を製造する。
【００５０】
図４（ａ）に示すように、第１シリコン針１４０と第２コンタクトパッド２５０とが対向し、第２シリコン針２４０と第１コンタクトパッド１５０とが対向するように、第１素子エレメント１００と第２素子エレメント２００とを向かい合わせに位置合わせする。
【００５１】
次に、例えばフリップチップボンディングにて、図４（ｂ）に示すように、第１シリコン針１４０と第２コンタクトパッド２５０とを接続するとともに、第２シリコン針２４０と第１コンタクトパッド１５０と接続する。
【００５２】
しかる後、図４（ｃ）に示すように、温接点Ｈ側の第２シリコン基板２１０の板厚を薄くして感度を高めるため、その他方の面（図４（ｃ）において上面側）の一部分をエッチングやＳＯＩ基板非活性部の除去等の方法により除去したのち、その上に赤外線吸収膜３００を形成する。赤外線吸収膜５１には、Ａｕ−Ｂｌａｃｋ（黒金）を用いることが好ましい。
【００５３】
上記の各工程を経て本発明のサーモパイル型赤外線検知素子１０が得られるが、第１素子エレメント１００側の第１拡散層１２０をＰ型ドープとし、第２素子エレメント２００側の拡散層２２０をＮ型ドープとしてもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１０  サーモパイル型赤外線検知素子
１００  第１素子エレメント
１１０  第１シリコン基板
１２０  第１拡散層
１３０  第１金属
１４０  第１シリコン針
１５０  第１コンタクトパッド
２００  第２素子エレメント
２１０  第２シリコン基板
２２０  第２拡散層
２３０  第２金属
２４０  第２シリコン針
２５０  第２コンタクトパッド
Ｈ  温接点
Ｃ  冷接点
【図１】
2011040663.tif 000003
【図２】
2011040663.tif 000004
【図３】
2011040663.tif 000005
【図４】
2011040663.tif 000006
【図５ａ】
2011040663.tif 000007
【図５ｂ】
2011040663.tif 000008
【図５ｃ】
2011040663.tif 000009
【図５ｄ】
2011040663.tif 000010
【図５ｅ】
2011040663.tif 000011
【図５ｆ】
2011040663.tif 000012
【図５ｇ】
2011040663.tif 000013