(57)【要約】【課題】従来に比べて高感度化を図れる赤外線センサを提供する。【解決手段】熱絶縁用の空洞１５を有するベース基板１０の一表面側で平面視において空洞１５の内周線１５ａの内側に位置する赤外線受光部３０が上記記一表面に沿って形成された２つの梁部２０を介してベース基板１０に支持されている。梁部２０が感熱材料の一種である熱電材料のみにより形成されており、各梁部２０は一端部２１がベース基板１の上記一表面側において空洞１５の周部上に積層されてベース基板１０と連結され、他端部２２が赤外線受光部３０の一部を構成している。赤外線受光部３０は、赤外線を吸収する赤外線吸収材料である金黒のみにより形成された赤外線吸収部４０を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱絶縁用の空洞を有するベース基板の一表面側で平面視において空洞の内周線の内側に位置する赤外線受光部が前記一表面に沿って形成された複数の梁部を介してベース基板に支持された赤外線センサであって、梁部が感熱材料もしくは配線材料のみにより形成されてなることを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】
前記梁部は、前記感熱材料のみにより形成され、前記感熱材料は、熱電材料であることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
【請求項３】
前記ベース基板は、シリコン基板を用いて形成されてなり、前記熱電材料は、多結晶シリコンもしくは単結晶シリコンであることを特徴とする請求項２記載の赤外線センサ。
【請求項４】
前記赤外線受光部は、前記梁部を介して前記ベース基板に支持された温度検知部と、赤外線吸収材料のみにより形成され温度検知部に接触した赤外線吸収部とからなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
【請求項５】
前記赤外線吸収材料が多孔性材料であることを特徴とする請求項４記載の赤外線センサ。
【請求項６】
前記赤外線吸収材料が貴金属であることを特徴とする請求項４記載の赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロマシニング技術などを利用して形成される熱型の赤外線センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の赤外線センサとして、熱絶縁用の空洞を有するベース基板の一表面側で平面視において空洞の内周線の内側に位置する赤外線受光部が複数の梁部を介してベース基板に支持され、当該赤外線受光部が、複数の梁部を介してベース基板に支持されたベース部と、ベース部上に形成された温度検知部と、温度検知部におけるベース部側とは反対側に形成された赤外線吸収部とで構成された赤外線センサが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
ところで、上記特許文献１に開示された赤外線センサは、ベース基板の上記一表面に平行な面内で赤外線受光部が２次元アレイ状に配列された赤外線画像センサであり、感度を高めるために、各梁部の断面形状をアーチ状の形状とすることで、各画素（セル）の開口率（赤外線受光部の面積が画素サイズの面積に占める割合）を変化させることなく各梁部の全長を長くして各梁部の熱コンダクタンスを低減している。ここにおいて、上記特許文献１に開示された赤外線センサは、シリコン基板を用いてベース基板を形成してあり、ベース部および各梁部を、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜などの誘電体膜により構成した例や、多結晶シリコン膜とシリコン酸化膜からなる誘電体膜との積層膜により構成した例が開示されている。
【０００４】
また、上記特許文献１に開示された赤外線センサは、ベース部の外周方向において隣り合う梁部の一方の梁部に設けられたｎ形多結晶シリコン層からなるｎ形半導体エレメントと他方の梁部に設けられたｐ形多結晶シリコン層からなるｐ形半導体エレメントとがベース部上において金属材料（例えば、アルミニウムなど）からなる接合部を介して接続されており、ｎ形半導体エレメントおよびｐ形半導体エレメントの各一端部と接合部とからなる温接点部が、温度検知部を構成している。
【０００５】
また、上記特許文献２に開示された赤外線センサは、応答速度の向上を図るために、赤外線吸収部と温接点部からなる温度検知部との間に高熱伝導層を形成することにより、赤外線吸収部から温度検知部への熱伝達速度を向上させている。ここにおいて、上記特許文献２に開示された赤外線センサは、シリコン基板を用いてベース基板を形成してあり、ベース部をシリコン窒化膜からなる誘電体膜により構成するとともに、梁部をシリコン窒化膜からなる第１の誘電体膜とシリコン酸化膜からなる第２の誘電体膜との積層膜で構成し、各梁部にｎ形半導体エレメントおよびｐ形半導体エレメントを埋設した例が開示されている。
【０００６】
なお、上記特許文献１，２には、サーモパイル型の赤外線センサに限らず、例えば、抵抗ボロメータ型の赤外線センサについても同様の技術を適用できることが記載されている。
【特許文献１】特開平１１−２５８０３９号公報
【特許文献２】特許第３３３９２７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記特許文献１に開示された赤外線センサでは、梁部の断面形状をアーチ状の形状とすることにより、上記特許文献２に開示された赤外線センサに比べて、高感度化を図れるが、梁部の形成工程が複雑になりコストが高くなってしまう。
【０００８】
また、上記特許文献１，２に開示されたサーモパイル型の赤外線センサでは、各梁部が、少なくとも誘電体膜と半導体エレメントとで構成されており、誘電体膜の熱コンダクタンスに起因して高感度化が制限されてしまうという問題があった。同様に、抵抗ボロメータ型の赤外線センサにおいても、各梁部が、少なくとも誘電体膜と配線とで構成されるから、誘電体膜の熱コンダクタンスに起因して高感度化が制限されてしまうという問題があった。なお、上記特許文献１，２に開示された赤外線センサでは、赤外線受光部が温度検知部や赤外線吸収部を支持するベース部を備えているので、ベース部の熱容量に起因して応答速度が遅いという問題もあった。
【０００９】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べて高感度化を図れる赤外線センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、熱絶縁用の空洞を有するベース基板の一表面側で平面視において空洞の内周線の内側に位置する赤外線受光部が前記一表面に沿って形成された複数の梁部を介してベース基板に支持された赤外線センサであって、梁部が感熱材料もしくは配線材料のみにより形成されてなることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、梁部が感熱材料もしくは配線材料のみにより形成されているので、従来に比べて梁部の熱コンダクタンスを小さくすることができ、高感度化を図れる。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記梁部は、前記感熱材料のみにより形成され、前記感熱材料は、熱電材料であることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、熱電材料は一般的な配線材料に比べて熱伝導率が低いので、前記梁部を一般的な配線材料のみにより形成する場合に比べて、前記梁部の熱コンダクタンスを小さくすることができ、高感度化を図れる。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記ベース基板は、シリコン基板を用いて形成されてなり、前記熱電材料は、多結晶シリコンもしくは単結晶シリコンであることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、シリコンプロセスへの適合性が良く、前記梁部の薄膜化および微細化による熱コンダクタンスの低減が容易になるとともに、回路の一体化が容易になり、また、前記梁部の材料の機械物性（機械的性質）を前記ベース基板の材料の機械物性と同等にすることができ、環境変化による前記梁部の破損を防止することができる。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記赤外線受光部は、前記梁部を介して前記ベース基板に支持された温度検知部と、赤外線吸収材料のみにより形成され温度検知部に接触した赤外線吸収部とからなることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、赤外線受光部が、前記梁部を介して前記ベース基板に支持された温度検知部と、赤外線吸収材料のみにより形成され温度検知部に接触した赤外線吸収部とで構成されており、温度検知部および赤外線吸収部を支持するためのベース部がないので、赤外線吸収部を備えた構成において前記赤外線受光部の熱容量を小さくでき、応答速度を向上することができる。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記赤外線吸収材料が多孔性材料であることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、前記赤外線吸収材料が非多孔性材料である場合に比べて、単位体積当たりの前記赤外線吸収部の熱容量を小さくでき、応答速度の高速化を図れる。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、前記赤外線吸収材料が貴金属であることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、製造時において前記空洞を形成するエッチング時に前記赤外線吸収部がエッチングダメージを受けにくいので、製造が容易になる。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１の発明は、従来に比べて梁部の熱コンダクタンスを小さくすることができ、高感度化を図れるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
（実施形態１）
本実施形態の赤外線センサは、図１（ａ），（ｂ）に示すように、熱絶縁用の空洞１５を有するベース基板１０の一表面側で平面視において空洞１５の内周線１５ａの内側に位置する赤外線受光部３０が上記一表面に沿って形成された複数（本実施形態では、２つ）の梁部２０を介してベース基板１０に支持されている。
【００２４】
ベース基板１０は、シリコン基板からなる半導体基板１０ａを用いて形成されており、半導体基板１０ａの一表面上に絶縁層１１が形成されている。ここで、絶縁層１１は、半導体基板１０ａの上記一表面上に形成されたシリコン酸化膜と当該シリコン酸化膜上に形成されたシリコン窒化膜との積層膜により構成してある。
【００２５】
ところで、本実施形態の赤外線センサは、サーモパイル型の赤外線画像センサであり、各梁部２０を感熱材料の一種である熱電材料のみにより形成してある。具体的には、一方の梁部２０（２０ａ）をｎ形の多結晶シリコンにより形成し、他方の梁部２０（２０ｂ）をｐ形の多結晶シリコンにより形成してある。なお、本実施形態では、半導体基板１０ａとしてシリコン基板を用い、各梁部２０を多結晶シリコンにより形成してあるが、いわゆるＳＯＩ（Silicon  on  Insulator）基板における絶縁膜上の単結晶シリコン層に不純物をドーピングして熱電材料とし各梁部２０を形成し、ＳＯＩ基板の上記絶縁膜が絶縁層１１を構成し、ＳＯＩ基板における上記絶縁膜直下のシリコン基板が半導体基板１０ａを構成するようにしてもよい。この場合には、各梁部２０を構成する熱電材料のゼーベック係数が大きくなるだけでなく、梁部２０の機械的性質と単結晶のシリコン基板からなる半導体基板１０ａとの機械的性質が適合しやすくなるという利点がある。
【００２６】
各梁部２０（２０ａ），２０（２０ｂ）は、一端部２１（２１ａ），２１（２１ｂ）がベース基板１の上記一表面側において空洞１５の周部上で金属材料（例えば、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉなど）により形成された金属配線１３（１３ａ），１３（１３ｂ）と接続され、また、他端部２２（２２ａ），２２（２２ｂ）が後述の赤外線吸収部４０の一部に重なって形成されて赤外線受光部３０の一部を構成している。本実施形態では、赤外線受光部３０の平面視形状が矩形状（ここでは、正方形状）であり、各梁部２０は、全ての梁部２０で赤外線受光部３０の外周縁の略全周を囲むような形状に形成されている。具体的には、各梁部２０の平面視形状は、赤外線受光部３０の隣り合う２辺に沿ったＬ字状となっている。
【００２７】
赤外線受光部３０は、赤外線を吸収する赤外線吸収材料（本実施形態では、金黒などの貴金属）のみにより形成された赤外線吸収部４０を備えている。ここにおいて、本実施形態では、上記赤外線吸収材料として貴金属（例えば、金黒など）を採用しており、赤外線吸収部４０が、ｎ形の多結晶シリコンにより形成された梁部２０ａとｐ形の多結晶シリコンにより形成された梁部２０ｂとの上記他端部２２ａ，２２ｂ同士を接続する接合部を兼ね、各梁部２０ａ，２０ｂの上記各他端部２２ａ，２２ｂと赤外線吸収部４０とで構成される温接点部が温度検知部を構成し、各梁部２０ａ，２０ｂの上記一端部２１ａ，２１ｂと金属配線１３ａ，１３ｂとの接合部が冷接点部を構成している。したがって、赤外線吸収材料として、一般的なＳｉＯＮやＳｉ３Ｎ４を採用し、梁部２０ａ，２０ｂの上記他端部２２ａ，２２ｂ同士を接続する接合部を赤外線吸収部４０とは別に設ける場合に比べて、熱容量を低減でき、応答速度の高速化を図れる。ただし、梁部２０ａ，２０ｂの上記他端部２２ａ，２２ｂ同士を接続する接合部を赤外線吸収部４０とは別に設ける場合においても、赤外線吸収部４０の赤外線吸収材料として、例えばポーラスＳｉＯ２（ポーラスシリカ）などの多孔性材料を採用すれば、ＳｉＯＮやＳｉ３Ｎ４などの非多孔性材料を採用する場合に比べて、赤外線吸収部４０の熱容量を小さくすることができる。なお、赤外線受光部３０の平面視形状は赤外線吸収部４０と同じである。
【００２８】
ここで、本実施形態の赤外線センサの製造方法の一例について簡単に説明する。
【００２９】
まず、シリコン基板からなる半導体基板１０ａの上記一表面側の全面にシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とからなる絶縁膜を形成し、その後、当該絶縁膜のうち空洞１５の形成予定領域に対応する領域のシリコン窒化膜をエッチング除去する。続いて、半導体基板１０ａの上記一表面側の全面に各梁部２０の基礎となる多結晶シリコン層を減圧ＣＶＤ法により成膜した後、成膜時の残留応力を除去するための高温アニール処理（例えば、アニール温度を１１５０℃、アニール時間を２時間とする）を行う。この高温アニール処理は、最終的に多結晶シリコン単独で梁部２０の構造を維持するうえで残留応力による梁部２０の変形や破損を防止するために残留応力を低減する処理として極めて重要である。また、当該高温アニール処理は、環境温度変化による梁部２０の変化や破損を防止するためにシリコン基板からなる半導体基板１０ａと梁部２０との線膨張率差を低減する処理としても極めて重要である。
【００３０】
上述の高温アニール処理の後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して多結晶シリコン層を各梁部２０（２０ａ），２０（２０ｂ）に対応する部分が残るようにパターニングし、続いて、上記一方の梁部２０ａに対応する多結晶シリコン層にｐ形不純物を例えばイオン注入法などによりドーピングし、さらに、上記他方の梁部２０ｂに対応する多結晶シリコン層にｎ形不純物を例えばイオン注入法などによりドーピングする。
【００３１】
その後、半導体基板１０ａの上記一表面側の全面に、後に空洞１５を形成するためのエッチングを行う際に各梁部２０ａ，２０ｂに対応する多結晶シリコン層を保護するためのシリコン酸化膜からなる表面保護層をＣＶＤ法などによって形成する。続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して赤外線吸収部４０と各梁部２０の上記他端部２２とのコンタクト用の開口部を形成した後、半導体基板１０ａの上記一表面側の全面に、空洞１５を形成するためのエッチング時に赤外線吸収部４０と各梁部２０の上記他端部２２とのコンタクト部がエッチングダメージを受けるのを防止するためのバリア層（例えば、Ｔｉ層）を形成し、続いて、半導体基板１０ａの上記一表面側の全面に、赤外線吸収部４０の基礎となる多孔性の金黒層をガス中蒸着法によって形成する。
【００３２】
その後、半導体基板１０ａの上記一表面側の全面に高粘性の感光性レジストを塗布して形成した第１のレジスト層を赤外線吸収部４０の形成予定領域が残るようにパターニングし、イオンミリングなどにより金黒層の不要部分を除去することで赤外線吸収部４０を形成してから、第１のレジスト層をアセトンなどの有機溶剤により除去する。
【００３３】
その後、半導体基板１０ａの上記一表面側の全面に高粘性の感光性レジストを塗布して形成した第２のレジスト層を空洞１５形成用のエッチング液導入孔の形成予定領域以外の部分が残るようにパターニングしてから、当該パターニングされた第２のレジスト層をマスクとして、半導体基板１０ａの上記一表面側のシリコン酸化膜にエッチング液導入孔を形成し、第２のレジスト層をアセトンなどの有機溶剤により除去する。
【００３４】
その後、ＴＭＡＨ溶液などのアルカリ系溶液を用いエッチング液導入孔を通して半導体基板１０ａを異方性エッチングすることによって空洞１５を形成する。その後、梁部２０の周囲に残っている不要なシリコン酸化膜や赤外線吸収部４０直下に残っている不要なシリコン酸化膜をＨＦ系のエッチング液などを用いてエッチング除去すればよい。
【００３５】
以上説明した本実施形態の赤外線センサでは、梁部２０が感熱材料の一種である熱電材料のみにより形成されているので、従来に比べて梁部２０の熱コンダクタンスを小さくすることができ、高感度化を図れる。また、熱電材料は一般的な配線材料（例えば、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉなど）に比べて熱伝導率が低いので、梁部２０を一般的な配線材料のみにより形成する場合に比べて、梁部２０の熱コンダクタンスを小さくすることができ、高感度化を図れる。
【００３６】
また、本実施形態では、ベース基板１０がシリコン基板からなる半導体基板１０ａを用いて形成され、上記熱電材料が多結晶シリコンもしくは単結晶シリコンなので、シリコンプロセスへの適合性が良く、梁部２０の薄膜化および微細化による熱コンダクタンスの低減が容易になるとともに、回路（駆動回路、信号処理回路など）の一体化が容易になり、また、梁部２０の材料の機械物性（機械的性質）をベース基板１０の材料の機械物性と同等にすることができ、環境変化（例えば、温度変化など）による梁部２０の破損を防止することができるから、信頼性が高くなる。また、本実施形態では、上記赤外線吸収材料として貴金属を採用していることにより、製造時において空洞１５を形成するエッチング時に赤外線吸収部４０がエッチングダメージを受けにくいので、製造が容易になる。
【００３７】
（実施形態２）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態１と略同じであって、図２（ａ），（ｂ）に示すように、ベース基板１０の上記一表面側で平面視において空洞１５の内周線１５ａの内側に位置する赤外線受光部３０が２つ設けられており、各赤外線受光部３０それぞれが、２つの梁部２０（２０ａ），２０（２０ｂ）を介してベース基板１０に支持されている点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３８】
また、本実施形態では、ｐ形の多結晶シリコンからなる梁部２０ａとｎ形の多結晶シリコンからなる梁部２０ｂと両梁部２０，２０ｂとの間に介在し導電性を有する赤外線吸収部４０とで構成される熱電対が２つ形成されており、これら２つの熱電対がベース基板１０における空洞１５の周部上に形成された金属接続層１４により直列に接続されている。
【００３９】
以上説明した本実施形態の赤外線センサにおいても、実施形態１と同様に、梁部２０が感熱材料の一種である熱電材料のみにより形成されているので、従来に比べて梁部２０の熱コンダクタンスを小さくすることができ、高感度化を図れる。
【００４０】
（実施形態３）
本実施形態の赤外線センサは、サーミスタ型の赤外線センサであって、図３（ａ），（ｂ）に示すように、各梁部２０が、配線材料（好ましくは、耐薬品性に優れたＴｉ、Ｗ、Ｍｏなどの炭化物や窒化物、Ｐｔ、Ｉｒなどの貴金属）のみにより形成され、赤外線受光部３０が、サーミスタ材料（例えば、アモルファスシリコン、チタン、酸化バナジウムなど）により形成された温度検知部３５と、赤外線吸収材料（例えば、ポーラスシリカなどの多孔性材料など）のみにより形成された赤外線吸収部４０とにより構成されている。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４１】
温度検知部３５は、平面形状が蛇行した形状（本実施形態では、つづら折れ状の形状）に形成されており、両端部それぞれが、上記配線材料のみにより形成された梁部２０と電気的に接続されている。
【００４２】
しかして、本実施形態の赤外線センサでは、梁部２０が配線材料のみにより形成されているので、従来に比べて梁部２０の熱コンダクタンスを小さくすることができ、高感度化を図れる。また、赤外線受光部３０が、サーミスタ材料により形成され梁部２０を介してベース基板１０に支持された温度検知部３５と、赤外線吸収材料のみにより形成され温度検知部３５に熱伝導を阻害する中間層などを介さずに接触（つまり、直接接触）した赤外線吸収部４０とで構成されており、温度検知部３５および赤外線吸収部４０を支持するためのベース部がないので、赤外線吸収部４０を備えた構成において赤外線受光部３０の熱容量を小さくでき、応答速度を向上することができる。なお、実施形態１の構成においても、従来のベース部がないので、赤外線受光部３０の熱容量を小さくでき、応答速度を向上することができる。
【００４３】
また、本実施形態の赤外線センサでは、上記赤外線吸収材料が多孔性材料なので、非多孔性材料である場合に比べて、単位体積当たりの赤外線吸収部４０の熱容量を小さくでき、応答速度の高速化を図れる。
【００４４】
なお、本実施形態では、各梁部２０を配線材料により形成してあるが、配線材料に限らず、感熱材料の一種であるサーミスタ材料により形成してもよく、この場合には、温度検知部３５と各梁部２０とを連続一体に形成することが可能となり、製造プロセスの簡略化を図れるという利点がある。
【００４５】
ところで、各実施形態にて説明した赤外線センサは、赤外線受光部３０を２次元アレイ状に配列した赤外線画像センサであり、高感度化および応答速度の高速化の効果が大きいが、赤外線受光部３０を１つだけ設けた赤外線センサでもよいことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施形態１を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。
【図２】実施形態２を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。
【図３】実施形態３を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  ベース基板
１０ａ  半導体基板（シリコン基板）
１５  空洞
１５ａ  内周線
２０  梁部
３０  赤外線受光部
４０  赤外線吸収部
【図１】
2008082790.tif 000003
【図２】
2008082790.tif 000004
【図３】
2008082790.tif 000005