(57)【要約】【課題】十分な耐熱性をもち、生産性の良い赤外線センサを提供する。【解決手段】赤外線センサは、ダイヤフラム部４と支持部２を有する基板を備えている。基板の上に窒化シリコンなどでなる保護機能をもつ絶縁層３が形成され、この上に熱電対が形成されている。この熱電対は、主として亜鉛酸化物からなる薄膜で形成された一方の熱電対素子７と、一方の熱電対素子７とは異なる材料からなる薄膜で形成された他方の熱電対素子６とで構成され、２種の熱電対素子が交互に直列に接続され、連なる接続部に交互に温接点８および冷接点９が設けられ、温接点８がダイヤフラム部４の上に配置され、冷接点９が支持部２の上に配置されている。熱電対の表面は窒化シリコンなどからなる保護層５で覆われている。【選択図】　図２
2004037198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、主として亜鉛酸化物からなる薄膜で形成された一方の熱電対素子と、前記一方の熱電対素子とは異なる材料からなる薄膜で形成された他方の熱電対素子とで構成され、前記２種の熱電対素子が交互に直列に接続され、連なる接続部に交互に温接点および冷接点が設けられた、熱電対と、
前記熱電対の直下に形成され、保護機能をもつ絶縁層と、
前記熱電対を覆うように形成された保護層とを備え、
前記保護機能をもつ絶縁層と前記保護層が、窒化物、炭化物、およびフッ化物の中から選択された材料で形成されていることを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】
前記主として亜鉛酸化物からなる薄膜が、亜鉛酸化物にＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、ＳｎおよびＹの中から選択される少なくとも１種の不純物材料を組成比０．１〜１２ｍｏｌ％含有させてなることを特徴とする、請求項１に記載の赤外線センサ。
【請求項３】
前記保護機能をもつ絶縁層が、アルミニウム窒化物で形成されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線センサに関し、特に、サーモパイル型の赤外線センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、室内などにいる人間の有無や活動量を検知することによって、セキュリティや環境制御などが行なわれている。これには人体から放出された赤外線を検知する赤外線センサが用いられている。本発明の背景となる従来のサーモパイル型赤外線センサが例えば特開平１３−３３０５１１号公報に開示されている。この赤外線センサでは、熱電対素子の材料としてＢｉやＳｂが使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｂｉは信号引出電極材料のＰｔやＡｕと相互拡散しやすいという特徴を持っている。このため、熱電対に温度負荷が加えられると、相互拡散が促進されて初期特性が大きく変化してしまい、耐熱性が十分でないという問題があった。また、Ｓｂは純水に溶解するという特徴をもっている。製造工程に純水を使用するプロセスがあるため歩留まりが悪くなるという問題があった。また、ＢｉやＳｂは比較的高価な材料であるため、赤外線センサの低価格化が難しかった。
【０００４】
本発明は、上述の問題を鑑みてなされたものであり、十分な耐熱性をもち、生産性の良い熱電対を備えた赤外線センサを安価に提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の赤外線センサは、基板と、前記基板上に形成され、主として亜鉛酸化物からなる薄膜で形成された一方の熱電対素子と、前記一方の熱電対素子とは異なる材料からなる薄膜で形成された他方の熱電対素子とで構成され、前記２種の熱電対素子が交互に直列に接続され、連なる接続部に交互に温接点および冷接点が設けられた、熱電対と、前記熱電対の直下に形成され、保護機能をもつ絶縁層と、前記熱電対を覆うように形成された保護層とを備え、前記保護機能をもつ絶縁層と前記保護層が、窒化物、炭化物、およびフッ化物の中から選択された材料で形成されていることを特徴とする。
【０００６】
また、前記主として亜鉛酸化物からなる薄膜が、亜鉛酸化物にＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、ＳｎおよびＹの中から選択される少なくとも１種の不純物材料を組成比０．１〜１２ｍｏｌ％含有させてなることを特徴とする。
【０００７】
また、前記保護機能をもつ絶縁層が、アルミニウム窒化物で形成されていることを特徴とする。
【０００８】
これにより、十分な耐熱性をもち、生産性の良い熱電対を備えた赤外線センサを安価に提供することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図に基づいて説明する。図１は赤外線センサの構成を、保護層を省略して示す斜視図、図２はそのＡ−Ａ´断面図、図３は熱電対素子の抵抗値の経時変化を示す特性図である。
【００１０】
図１、図２に示すように、例えばシリコン（Ｓｉ）などでなる平板状基板の上に、例えば窒化シリコン（ＳｉＮｘ）などでなる保護機能をもつ絶縁層３が形成されている。また、基板の略中央部に、所定の大きさでこの絶縁層３に達する平面視矩形状の空洞部が形成されている。この空洞部部分の絶縁層３がダイヤフラム部４として機能する。また、この空洞部の形成によって、基板に支持部２が形成される。このダイヤフラム部４は熱容量が小さく横方向への熱の逃げが少ない熱絶縁構造部位である。また、ダイヤフラム部４の周囲の支持部２部分は熱容量が大きい部位である。
【００１１】
この赤外線センサ２０は、複数の熱電対を直列に接続した構造のサーモパイルパターン１３を絶縁層３上に備えている。熱電対は、熱電対素子６と熱電対素子７で構成されている。熱電対素子６は例えばＰｔ薄膜で形成されている。一方、熱電対素子７は亜鉛酸化物薄膜であるＺｎＯ薄膜で形成され、Ｎ型の特性をもつ。ＺｎＯ薄膜は所定の導電性を持たせるために、ＺｎＯに不純物材料を組成比０．１〜１２ｍｏｌ％含有させて形成されている。この不純物材料として、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｄ、ＳｎおよびＹの中から選択された少なくとも１種の材料が用いられる。
【００１２】
熱電対素子６、熱電対素子７は複数交互に直列に接続されている。温接点８と冷接点９が、この連なる接続部に交互に設けられている。また、温接点８はダイヤフラム部４上に形成され、冷接点９はダイヤフラム部４の周囲の支持部２上に形成されている。さらに、ダイヤフラム部４の周囲の支持部２上には、信号引出電極１２が形成されている。ここで、温接点８、冷接点９を形成するための材料、および信号引出電極１２を形成するための材料としては、例えばＰｔ、Ｗ、Ｐｄ、Ｎｉ、またはＣｒなどが選択できる。
【００１３】
また、熱電対の表面は例えば窒化シリコン（ＳｉＮｘ）などからなる保護層５で覆われている。さらに、ダイヤフラム部４の保護層５上には、ＮｉＣｒなどでなる平面視略矩形状の赤外線吸収膜１４が形成されている。この赤外線吸収膜１４は、赤外線センサ２０に入射する赤外線を吸収してダイヤフラム部４の温度を効率良く上昇させるためのものである。
【００１４】
次に、この赤外線センサ２０の製造方法を説明する。
【００１５】
まず、平板状基板を準備する。そして、この基板上の全面に例えば窒化シリコンなどからなる絶縁層３を成膜する。この成膜には、高周波スパッタ装置を使用したＡｒガスによるスパッタ法や、ＡｒとＮ２　の混合ガスによる反応性スパッタ法などを用いる。この絶縁層３は単層に限らず複数層を積層して形成してもよい。次に、基板の絶縁層３が形成された面とは反対側の面の略中央部を異方性エッチングして、所定の大きさで絶縁層３に達する空洞部を形成する。
【００１６】
次に、絶縁層３の上に熱電対素子６と熱電対素子（Ｎ型）７、および温接点８と冷接点９とを形成する。熱電対素子６は例えばＰｔ薄膜を真空蒸着法で成膜して形成し、例えばリフトオフ法でパターニングする。同様にして、温接点８、冷接点９、および信号引出電極１２を例えばＰｔ薄膜で形成する。熱電対素子７はＺｎＯ薄膜で形成する。このＺｎＯ薄膜は所定量の不純物材料を含んだＺｎターゲットを使用し、ＡｒとＯ２　の混合ガスによる反応性スパッタ法で成膜する。成膜したＺｎＯ薄膜上にフォトレジストパターンを作製し、希酸エッチャントを用いて、所定部分のＺｎＯ薄膜をエッチング除去することによって、熱電対素子７を形成する。さらに、ＺｎＯ薄膜に十分な導電性をあたえるために、真空もしくは、窒素雰囲気で温度１００℃から１０００℃で１時間以上のエージング処理を行なう。
【００１７】
次に、熱電対を覆うように例えば窒化シリコンなどからなる保護層５を成膜する。この成膜には、高周波スパッタ装置を使用したＡｒガスによるスパッタ法や、ＡｒとＮ２　混合ガスによる反応性スパッタ法などを用いる。次に、ダイヤフラム部４の上にＮｉＣｒなどでなる赤外線吸収膜１４をマスク成膜などを用いて形成する。
【００１８】
図３に、本発明の実施例におけるＺｎＯ薄膜からなる熱電対素子の抵抗値の経時変化を示す特性図を示す。図３にはまた、比較例の特性も示している。ここで、抵抗値は熱電対素子１個の値を示している。実施例は、絶縁層および保護層に、窒化シリコン膜を反応性スパッタ法で成膜した例であり、ＳｉＮ／ＺｎＯ／ＳｉＮで示す。比較例は、絶縁層および保護層に、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜を真空蒸着法で成膜した例であり、Ａｌ２Ｏ３／ＺｎＯ／Ａｌ２Ｏ３　で示す。この特性図は上記２例の試料を１２５℃雰囲気に放置した時間に対する熱電対素子のＲｓ（抵抗値）変化率を示す。
【００１９】
図３より解るように、比較例の場合にはＲｓ変化率が放置時間１３０Ｈ（時間）で約２．４％、３００Ｈで約３．３％、４７０Ｈで約４．８％、である。このように、Ｒｓ変化率は放置時間が長くなるほど大きくなっている。これに対して、実施例の場合にはＲｓ変化率が放置時間１３０Ｈで約−０．２％、３００Ｈで約−０．７％、４７０Ｈで約０％、である。このように、Ｒｓ変化率は放置時間が長くなってもほとんど変化せず、耐熱性が向上していることがわかる。Ｒｓ変化率に差が発生したのは、次の理由のためである。比較例の場合には、酸素を構成元素とする酸化アルミニウム膜を使用しているため、酸素が酸化アルミニウム膜から、熱電対素子のＺｎＯ薄膜へ浸入する。この結果、電導性に関与するＺｎＯ薄膜の酸素欠損が補償されて抵抗値が上昇してしまう。これに対して、実施例の場合には、酸素を構成元素としない窒化シリコン膜を使用しているため、窒化シリコン膜からＺｎＯ薄膜への酸素の浸入がない。この結果、熱電対素子のＺｎＯ薄膜の酸素欠損が維持されて抵抗値の上昇が少なくなるためである。
【００２０】
本発明における一実施例の構成をとれば、ＺｎＯは温度負荷が加わっても信号引出電極材料のＰｔと相互拡散しにくいため、ＺｎＯ薄膜からなる熱電対素子の抵抗値や熱電対の出力電圧などの初期特性が変化せず、熱電対の耐熱性が向上する。また、ＺｎＯは純水に溶解することがないため、赤外線センサ製造時の歩留まりを向上させることができる。さらに、ＺｎＯ薄膜は、絶対値が１００μＶ／Ｋ以上の大きなゼーベック係数が得られるため、赤外線センサの高感度化が計れる。加えて、Ｚｎは安価な材料であることから、赤外線センサを安価に提供することができる。また、ＺｎやＺｎＯは環境負荷が小さい材料であるため、廃棄コストも少なくて済む。
【００２１】
さらに、ＺｎＯ薄膜からなる熱電対素子に接する絶縁層および保護層に、窒化シリコン膜を用いることによって、高温下での絶縁層および保護層からＺｎＯ薄膜への酸素の浸入を防ぐことができる。このため、熱電対素子の抵抗値の上昇を少なくすることができ、耐熱性が向上する。また、熱電対を覆う窒化シリコン膜はガスバリア性や機械的な耐久性を向上させる効果も併せもつ。さらに、窒化シリコン膜は、線膨張率がＺｎＯ薄膜と近いため、熱処理をおこなったときの膜剥れや歪みに対して強くなる。この結果、信頼性の高い赤外線センサを提供することができる。
【００２２】
なお、実施例では、絶縁層および保護層に窒化シリコン膜を形成した例を示したがＡｌＮ，ＴｉＮ、ＴａＮ、およびＢＮなどの窒化物、ＳｉＣなどの炭化物、およびＭｇＦなどのフッ化物の中から選択した材料からなる薄膜を形成してもよい。特に、絶縁層に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜を形成した場合、熱電対素子の抵抗値の上昇を少なくすることができる効果に加えて、以下の効果がある。ＺｎＯと窒化アルミはともにウルツ鉱型の結晶構造をもち、ａ軸の格子定数が近いため、結晶性の良好なＺｎＯ膜が得られやすく、導電性がさらに良い特性が得られる。また、窒化アルミニウム膜は、線膨張率がＺｎＯ膜と近いため、熱処理をおこなったときの膜剥れや歪みに対して強くなる。
【００２３】
また、ＺｎＯ薄膜からなる熱電対素子のパターニング方法は、上記の方法に限定されるものではなく、リフトオフ法、他のエッチャントを用いたウエットエッチング法、ドライエッチング法でもよい。
【００２４】
さらに、平板状基板の上に絶縁層を形成した例を示したが、平板状基板内に絶縁層を形成してもよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、熱電対素子に亜鉛酸化物薄膜を用いることによって、赤外線センサの耐熱性の向上、生産性の向上、および高感度化が計れる。さらに、赤外線センサを安価に提供することができる。
【００２６】
また、亜鉛酸化物薄膜からなる熱電対素子に接する絶縁層および保護層に、窒化物、炭化物およびフッ化物の中から選択した材料からなる薄膜を用いることによって、さらに耐熱性が向上した赤外線センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である赤外線センサの構成を、保護層を省略して示す斜視図である。
【図２】上記実施例の、保護層を含むＡ−Ａ´断面図である。
【図３】上記実施例の、熱電対素子の抵抗値の経時変化を示す特性図である。
【符号の説明】
２　　　　　−−−−−　　基板に設けられた支持部
３　　　　　−−−−−　　絶縁層
４　　　　　−−−−−　　ダイヤフラム部
５　　　　　−−−−−　　保護層
６　　　　　−−−−−　　熱電対素子
７　　　　　−−−−−　　熱電対素子（Ｎ型）
８　　　　　−−−−−　　温接点
９　　　　　−−−−−　　冷接点
１３　　　　−−−−−　　サーモパイルパターン
１４　　　　−−−−−　　赤外線吸収膜
２０　　　　−−−−−　　赤外線センサ
【図１】
2004037198.tif 000003
【図２】
2004037198.tif 000004
【図３】
2004037198.tif 000005