(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁材料からなるサポート膜と中空部分を有して前記サポート膜を支持する基板とを含んで構成された支持部材と、
前記中空部分の上部から前記基板の上部にわたって形成され、所定の導電型を有するポリシリコン配線層と、
前記ポリシリコン配線層上に形成され、前記中空部分の上部に形成された第１のコンタクトホールおよび前記基板の上部に形成された第２のコンタクトホールを有する絶縁膜と、
前記第１のコンタクトホールを介して前記ポリシリコン配線層と接続され、前記第２のコンタクトホールを介して隣接する前記ポリシリコン配線層と接続されるアルミニウム配線層と、
前記第１のコンタクトホールの上部を覆うように前記中空部分の上部に形成された赤外線吸収層と
を備え、前記第１のコンタクトホールを介して対応するポリシリコン配線層と接続される前記アルミニウム配線層が、前記中空部分の上部において当該対応するポリシリコン配線層の上層となるよう前記絶縁膜を介して積層され、
前記ポリシリコン配線層は複数であって、前記基板上部から前記中空部分上部にわたって、矩形の前記中空部分の四辺に垂直な４方向から前記中空部分の中央に向かって延びるように形成され、
前記中空部分の上部にあるそれぞれの前記ポリシリコン配線層の先端形状を槍型にして、前記中空部分の中央方向に前記ポリシリコン配線層の先端を食い込ませている、
ことを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】
前記基板はシリコンからなり、前記中空部分はエッチングにより形成されてい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】
前記アルミニウム配線層が、少なくとも前記中空部分の上部において前記ポリシリコン配線層より細く形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線センサ。
【請求項４】
前記絶縁膜を介して前記ポリシリコン配線層の上部に前記アルミニウム配線層が積層された積層構造体が複数形成され、複数の前記第１のコンタクトホールが一体に形成された前記赤外線吸収層に覆われていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項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】
従来のサーモパイル型の赤外線センサとしては、図７および図８に示すものがある。図７には赤外線センサのサーモパイルパターンが示されており、隣接したポリシリコン４とアルミニウム６とで熱電対が形成されている例である。図８に示す赤外線センサは、特許２６６３６１２号公報に開示されているもので、ｐ型半導体１０６とｎ型半導体１１１とからなる熱電対が、片持梁１０３上に形成されている例である。これらは、ゼーベック効果による熱電対の温接点と冷接点との温度差によって生じる起電力から、赤外線センサに入射した赤外線量を測定するもので、熱電対を複数配置することにより、赤外線センサの高感度化を実現している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図７に示す赤外線センサでは、ポリシリコン４とアルミニウム６とが隣接して形成されているため、熱電対の配置領域が大きくなり、高密度で熱電対を配置することができないという問題がある。図８に示す赤外線センサでは、片持梁１０３上に熱電対が形成されているため、片持梁１０３の機械的強度が弱くなるといった問題がある。また、熱吸収膜１０５と熱電対が離れて形成されているため、熱吸収膜１０５で生じた熱が効率よく熱電対に伝わらないといった問題がある。
【０００４】
ところで、特許２６６３６１２号公報では、従来例としてアルミニウム配線とｐ型拡散層抵抗とからなる熱電対を有する赤外線センサを挙げており、アルミニウムを用いた場合、ゼーベック効果が小さく、熱抵抗が低下するため感度の低下を招くと指摘している。また、バイメタル効果により片持梁がそることによって感度の低下を招くと指摘している。しかし、発明者らはポリシリコン膜とアルミニウム膜からなるサーモパイルが、実用に適して充分に優れたものであることを発見した。
【０００５】
そこで本発明は、ポリシリコン膜とアルミニウム膜からなるサーモパイルを利用した、熱電対を高密度に配置でき、熱吸収層で生じた熱を効率よく熱電対に伝えることができ、機械的強度が強い赤外線センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の赤外線センサは、絶縁材料からなるサポート膜と中空部分を有してサポート膜を支持する基板とを含んで構成された支持部材と、中空部分の上部から基板の上部にわたって形成され、所定の導電型を有するポリシリコン配線層と、ポリシリコン配線層上に形成され、中空部分の上部に形成された第１のコンタクトホールおよび基板の上部に形成された第２のコンタクトホールを有する絶縁膜と、第１のコンタクトホールを介してポリシリコン配線層と接続され、第２のコンタクトホールを介して隣接するポリシリコン配線層と接続されるアルミニウム配線層と、第１のコンタクトホールの上部を覆うように中空部分の上部に形成された赤外線吸収層とを備え、第１のコンタクトホールを介して対応するポリシリコン配線層と接続されるアルミニウム配線層が、中空部分の上部において当該対応するポリシリコン配線層の上層となるよう絶縁膜を介して積層され、ポリシリコン配線層は複数であって、基板上部から中空部分上部にわたって、矩形の中空部分の四辺に垂直な４方向から中空部分の中央に向かって延びるように形成され、中空部分の上部にあるそれぞれのポリシリコン配線層の先端形状を槍型にして、中空部分の中央方向に前記ポリシリコン配線層の先端を食い込ませていることを特徴とする。
【０００７】
このように、ポリシリコン配線層とアルミニウム配線層が積層されて熱電対を構成しているため、熱電対の配置領域が狭く、配置密度を高くすることができる。また、中空部分の上部から基板の上部にわたってポリシリコン配線層とアルミニウム配線層の積層構造が形成されているため、肉薄な中空部分の機械的強度を向上させることができる。また、熱電対に形成されている第１のコンタクトホールを覆うように赤外線吸収層が形成されているため、赤外線吸収層で生じた熱を効率よく熱電対に伝えることができる。
ポリシリコン配線層の幅を広くすることができるため、熱電対の抵抗を小さくすることができ、これより熱雑音を抑えてＳ／Ｎ比を向上させることができる。中空部分の上部にあるポリシリコン配線層の先端形状を槍型にして中空部分の中央方向にポリシリコン配線層の先端を食い込ませることにより温接点（第１のコンタクトホール）を中空部分の中央によせることが可能となる。これにより、温接点での温度上昇が大きくなり感度が向上する。さらにこの形状により中空部分の上部にあるポリシリコン膜の面積が大きくなり中空部分の肉薄となっている領域の機械的強度をさらに向上させることができる。
【０００８】
また、本発明の赤外線センサは、基板はシリコンからなり、中空部分はエッチングにより形成されていることを特徴としてもよい。エッチングにより中空部分が形成されるため、精密に中空部分の形状を実現できる。
【０００９】
また、本発明の赤外線センサは、アルミニウム配線層が、少なくとも中空部分の上部においてポリシリコン配線層より細く形成されていることを特徴としてもよい。熱伝導率のよいアルミニウム配線層が細く形成されているため、熱が逃げにくい。また、赤外線吸収層が形成された中空部分の上部のアルミニウム配線層による赤外線の反射を少なくすることができる。
【００１０】
また、本発明の赤外線センサは、絶縁膜を介してポリシリコン配線層の上部にアルミニウム配線層が積層された積層構造体が複数形成され、複数の第１のコンタクトホールが一体に形成された赤外線吸収層に覆われていることを特徴としてもよい。積層構造体の複数本が赤外線吸収層と一体の支持構造として機能するため、肉薄な中空部分の機械的強度をさらに向上させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明にかかる実施形態について説明する。ただし、同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
第１実施形態に係る赤外線センサの断面図およびサーモパイルパターンを図１（ａ）および（ｂ）に示す。図１（ａ）は、図１（ｂ）におけるＡ−Ａ’断面図を示しており、図示のようにダイヤフラム構造の支持部材は、中空部分２を有するシリコン基板１とこれを支持するサポート膜３を有している。サポート膜３上には、ｎ型あるいはｐ型の不純物を１０18〜１０20ｃｍ-3ドーピングしたポリシリコン膜４と、絶縁膜となるＳｉＯ2膜５を介してアルミニウム膜６が積層されている。そして、ＳｉＯ2膜５の開口穴部によってポリシリコン膜４とアルミニウム膜６とは接続され、熱電対を形成している。サポート膜３および熱電対の露出表面は、ＳｉＮからなるパッシベーション膜７で被覆されており、中空部分２上部のパッシベーション膜７上には熱吸収膜８が形成されている。
【００１３】
なお、パッシベーション膜７はＳｉＯ2やポリイミド膜などの絶縁膜でもよい。また、熱吸収膜８には黒化樹脂が使用されており、この黒化樹脂にはカーボンフィラーなどの黒色フィラーを混ぜた樹脂（エポキシ系、シリコーン系、アクリル系、ウレタン系、ポリイミド系など）や、黒色レジストなどを用いてもよい。
【００１４】
図１（ｂ）に示すように、ポリシリコン膜４とアルミニウム膜６の長尺の積層構造は、シリコン基板１上部から中空部分２上部にわたって、矩形（正方形または長方形）の中空部分２の四辺に垂直な４方向から中空部分２の中央に向かって延びるように形成されている。
【００１５】
また、ポリシリコン膜４とアルミニウム膜６とは中空部分２上で積層され、アルミニウム膜６の幅はポリシリコン膜４の幅より細く形成されている。そして、熱吸収膜８の形成されている領域のＳｉＯ2膜５の開口穴部で、積層されたポリシリコン膜４とアルミニウム膜６とは接続され、温接点１１が形成されている。また、シリコン基板１上部のＳｉＯ2膜５の開口穴部で、隣接したポリシリコン膜４とアルミニウム膜６とは接続され、冷接点１２が形成されている。これら熱電対は直列に接続されており、ゼーベック効果により生じた起電力は、取り出し電極１０により取り出される。ここで、取り出し電極１０が形成されている領域では、パッシベーション膜７は開口している。
【００１６】
中空部分の形成方法を説明すると、中空部分を形成していないシリコン基板１の表面にサポート膜３、サーモパイルパターン、パッシベーション膜７、熱吸収膜８を形成した後、シリコン基板１のサポート膜３が形成されているのとは反対側の面（裏面）に、シリコンエッチング液に耐性のあるＳｉＮなどからなるマスク９を形成する。そして、中空部分２を形成したい領域のマスク９を開口し、シリコン基板１の表面を保護しながらエッチングを行う。これにより、裏面のマスク９の開口部からエッチングが開始し、エッチング液に耐性のあるサポート膜３に到達するとエッチングが止まる。エッチング液には、例えば水酸化カリウム溶液などを用い、シリコン基板１に（１００）面を用いると、異方性エッチングを行うことができ、図１（ａ）に示す中空部分２を有したダイヤフラム構造を形成することができる。なお、サポート膜９には、ＳｉＮ単層、ＳｉＯ2単層、あるいはＳｉＮ，ＳｉＯ2，ＰＳＧ，ＢＰＳＧのいずれかを含む多層膜からなるものでもよく、膜厚は０．５〜５μｍである。
【００１７】
このように第１実施形態に係る赤外線センサによれば、ポリシリコン膜４とアルミニウム膜６とが積層して形成されていることにより、図７に示したポリシリコン膜４とアルミニウム膜６とを並列配置した従来例と比較して、１つの熱電対に対する配置領域が狭くなるため、高密度に熱電対を配置することができる。また、ＳｉＯ2膜５を介してポリシリコン膜４とアルミニウム膜６を積層したサーモパイルパターンは、３層構造としたことにより機械的な支持強度が向上し、これが中空部分２上部からシリコン基板１上部にわたってメサ状に形成されているため、中空部分２の機械的強度を高めることができる。さらに、中空部分２上部において接着力を持つ材料からなる単一の塊の熱吸収膜８がサポート膜３とサーモパイルパターンの全てを固着させているため、中空部分２で肉薄となっている領域の機械的強度をさらに向上させることができる。また、熱吸収膜８は、サーモパイルパターンの温接点１１をすべて覆うように形成されているため、赤外線の吸収により熱吸収膜８で発生した熱を効率よく温接点１１に伝えることができる。
【００１８】
また、アルミニウム膜６は熱伝導率がよいために温接点で得られた熱をシリコン基板１に伝え逃し、赤外線センサの感度低下を招く可能性があるが、第１実施形態において、アルミニウム膜６はポリシリコン膜４上にＳｉＯ2膜５を介して薄く細く積層されているため、シリコン基板１と熱絶縁されており、赤外線センサの感度を低下させることはない。また、ＳｉＯ2膜５は、ポリシリコン膜４とアルミニウム膜６との電気絶縁のみでなく、ポリシリコン膜４の熱をアルミニウム膜６に伝えないための熱絶縁機能も有している。また、熱吸収膜８に入射した赤外線が、熱吸収膜８下に形成されているアルミニウム膜６で反射されることにより赤外線センサの感度低下を招く可能性があるが、アルミニウム膜６は細く形成されているため反射を最小限にすることができ、反射した赤外線は更に熱吸収膜８で吸収されるため、赤外線センサの感度を低下させることはない。
【００１９】
なお、第１実施形態はこれに限られるものではない。中空部分２の形状は矩形にかぎられるものではなく、円形などでもよく、その形状に合わせてサーモパイルパターンを形成することができる。
【００２０】
第２実施形態に係る赤外線センサのサーモパイルパターンを図２に示す。第２実施形態の赤外線センサは、図１（ｂ）に示した第１実施形態の赤外線センサのポリシリコン膜４の幅を広くし、中空部分２の上部にあるポリシリコン膜４の先端形状を槍型にしたものである。
【００２１】
熱電材料にポリシリコンなどの半導体材料を使用する場合、その比抵抗が高いことからサーモパイルの抵抗が大きくなり、それに伴い雑音が増加するといった問題がある。しかし、第２実施形態にかかる赤外線センサによれば、ポリシリコン膜４とアルミニウム膜６が積層して形成されていることにより、図７に示す従来例と比較して同一かそれ以上の熱電対数においても、ポリシリコン膜４の幅を広くすることができるため、熱電対の抵抗を小さくすることができ、これより熱雑音を抑えてＳ／Ｎ比を向上させることができる。また、図示しないが熱電対数を図７の従来例よりも増やし、熱電対の抵抗値はそのままという設計も可能で、これにより感度は上昇するが雑音はそのままなので、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。また、中空部分２の上部にあるポリシリコン膜４の先端形状を槍型にして中空部分２の中央方向にポリシリコン膜４の先端を食い込ませることにより温接点１１を中空部分２の中央によせることが可能となる。これにより、温接点での温度上昇が大きくなり感度が向上する。さらにこの形状により中空部分２の上部にあるポリシリコン膜４の面積が大きくなり中空部分２の肉薄となっている領域の機械的強度をさらに向上させることができる。
【００２２】
また、第２実施形態の赤外線センサは、第１実施形態の赤外線センサのポリシリコン膜４の幅を広くし、中空部分２の上部にあるポリシリコン膜４の先端形状を槍型にしたもので、熱電対等の構成は同様であるので、赤外線センサとしては第１実施形態と同様の効果が得られる。また、第２実施形態の中空部分２の上部にあるポリシリコン膜４の先端を槍型にした形状は本実施形態のみならず、他に示す実施形態に適応することで同様の効果が得られる。
【００２３】
第３実施形態にかかる赤外線センサの断面図およびサーモパイルパターンを図３（ａ）および（ｂ）に示す。第３実施形態の赤外線センサは、図１（ａ）に示した第１実施形態の赤外線センサの中空部分２の形状を変化させたものである。より詳細に説明すると、図３（ｂ）のＢ−Ｂ’断面図である図３（ａ）に示すように、第１実施形態では中空部分２の裏側が開放されているのに対し、第３実施形態では裏側がシリコン基板１で封鎖されて、表面のパッシベーション膜７の４個所にエッチングホール１３を有する構造となっており、中空部分２がサポート膜３の下部に形成されている。
【００２４】
第３実施形態の赤外線センサにおける中空部分２の形成方法を説明すると、まず、シリコン基板１のサポート膜３側に中空部分２と同一サイズのポリシリコン犠牲層（図示せず）を形成する。そして、サポート膜３、サーモパイルパターン、パッシベーション膜７を形成した後、図３（ｂ）に示すように、サポート膜３およびパッシベーション膜７を開口し、エッチングホール１３を形成する。また、シリコン基板１の裏面にはマスク９を形成するが、第１実施形態とは異なりマスク９は開口しない。そして、エッチング液にエチレンジアミンとピロカテコールと水の混合液を温めたものを用い、シリコン基板１に（１００）面を用いてエッチングを行う。このとき、エッチングホール１３からエッチング液がポリシリコン犠牲層に浸透し、ポリシリコン犠牲層をすべてエッチングし、その後シリコン基板１の異方性エッチングを開始する。これにより図３（ａ）に示した中空部分２を有したダイヤフラム構造を形成することができる。なお、エッチングは深さ２〜１０μｍ程度行う。
【００２５】
第３実施形態の赤外線センサは、第１実施形態の赤外線センサの中空部分２の形状が異なるだけで、サーモパイルパターンは同様であるので、赤外線センサとしては第１実施形態と同様の効果が得られる。これに加えて、第３実施形態の赤外線センサでは裏側がシリコン基板１により閉鎖された構造となっているため、リードフレーム等の支持部材にダイボンディングすることが容易となり、機械的な強度が高まるといった効果がある。なお、第３実施形態はこれに限られるものではない。中空部分２の形状は矩形にかぎられるものではなく、円形などでもよく、その形状に合わせてサーモパイルパターンを形成することができる。また、エッチングホール形状、箇所は図３に示したものに限らず、サーモパイルパターンにより変更することが可能である。また、ダイヤフラム構造を形成するためにポリシリコン犠牲層のみをエッチングしてもよい。この場合は、ポリシリコン犠牲層の厚みを０．３μｍから１．５μｍとする。
【００２６】
第４実施形態にかかる赤外線センサの断面図およびサーモパイルパターンを図４（ａ）および（ｂ）に示す。第４実施形態の赤外線センサは、図１（ｂ）に示した第１実施形態の赤外線センサのサーモパイルパターンを変化させたものである。図１（ｂ）では、熱電対が長方形の中空部分２の四辺においてそれぞれに垂直に形成されていたが、第４実施形態の赤外線センサでは図４（ｂ）に示すように、熱電対が矩形の中空部分２の相対する２辺においてのみ垂直な２方向から、中空部分２の中央に延びるように形成されている。この２方向から中空部分２の中央に延びる相対するサーモパイルパターンの距離は、２μｍから４０μｍであり、距離をできる限り縮めることにより温接点での温度上昇は向上し感度を向上させることができる。
【００２７】
第４実施形態の赤外線センサは、第１実施形態の赤外線センサのサーモパイルパターンが異なるだけで、熱電対等の構成は同様であるので、赤外線センサとしては第１実施形態と同様の効果が得られる。これに加えて、第１〜第３実施形態の赤外線センサでは赤外線の照射スポットが同心円状となるときの用途に特に適しているが、第４実施形態では赤外線の照射スポットが線状あるいは長尺形状となるときの用途に適している。なお、第４実施形態はこれに限られるものではなく、中空部分２の形状・形成方法が第３実施形態と同様であっても構わない。
【００２８】
第５実施形態に係る赤外線センサのサーモパイルパターンを図５に示す。第５実施形態の赤外線センサは、図３（ｂ）に示す第３実施形態の赤外線センサを１ユニット２０とし、これを同一シリコン基板１上に１次元アレイ状に並べたものである。ここで、第５実施形態の赤外線センサでは、図３（ｂ）に示す取り出し電極１０の片方を各ユニットの共通電極として接続し、共通取り出し電極１５を設けている。
【００２９】
第５実施形態の赤外線センサによれば、各ユニットにおける出力から、位置による赤外線の照射量の違いを測定することができる。さらに、１ユニットの赤外線センサの構造は第３実施形態と同様であるため、第３実施形態と同様の効果が得られる。
【００３０】
なお、第５実施形態はこれに限られるものではない。第５実施形態では１ユニットを１次元アレイ状に並べたが、２次元アレイ状に並べてもよい。これにより、２次元的な位置による赤外線の照射量の違いを測定することができる。
【００３１】
第６実施形態に係る赤外線センサのサーモパイルパターンを図６に示す。第６実施形態の赤外線センサは、図４（ｂ）に示す第４実施形態の赤外線センサを１ユニット３０とし、これを同一シリコン基板１上に１次元アレイ状に並べたものである。ここで、第６実施形態の赤外線センサでは、図４（ｂ）に示す取り出し電極１０の片方を各ユニットの共通電極として接続し、共通取り出し電極１５を設けている。
【００３２】
第６実施形態の赤外線センサによれば、各ユニットにおける出力から、位置による赤外線の照射量の違いを測定することができる。さらに、１ユニットの赤外線センサの構造は第４実施形態と同様であるため、第４実施形態と同様の効果が得られる。
【００３３】
なお、第６実施形態はこれに限られるものではない。第６実施形態では１ユニットを１次元アレイ状に並べたが、２次元アレイ状に並べてもよい。これにより、２次元的な位置による赤外線の照射量の違いを測定することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る赤外線センサによれば、ポリシリコン配線層とアルミニウム配線層が積層されて熱電対を構成しているため、熱電対の配置領域が狭く、配置密度を高くすることができる。また、中空部分の上部から基板の上部にわたってポリシリコン配線層とアルミニウム配線層の積層構造が形成されているため、肉薄な中空部分の機械的強度を向上させることができる。また、絶縁膜を介したポリシリコン配線層とアルミニウム配線層の積層構造体が複数形成され、積層構造体の複数本が赤外線吸収層と一体の支持構造として機能するため、肉薄な中空部分の機械的強度をさらに向上させることができる。また、熱電対に形成されている第１のコンタクトホールを覆うように赤外線吸収層が形成されているため、赤外線吸収層で生じた熱を効率よく熱電対に伝えることができる。
【００３５】
これにより、機械的強度が強く、感度の高い赤外線センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る赤外線センサの断面図およびサーモパイルパターンを示す図である。
【図２】第２実施形態に係る赤外線センサのサーモパイルパターンを示す図である。
【図３】第３実施形態に係る赤外線センサの断面図およびサーモパイルパターンを示す図である。
【図４】第４実施形態に係る赤外線センサの断面図およびサーモパイルパターンを示す図である。
【図５】第５実施形態に係る赤外線センサのサーモパイルパターンを示す図である。
【図６】第６実施形態に係る赤外線センサのサーモパイルパターンを示す図である。
【図７】従来の赤外線センサのサーモパイルパターンを示す図である。
【図８】従来の赤外線センサの断面図およびサーモパイルパターンを示す図である。
【符号の説明】
１…シリコン基板、２…中空部分、３…サポート膜、４…ポリシリコン膜、５…ＳｉＯ2、６…アルミニウム膜、７…パッシベーション膜、８…熱吸収膜、９…マスク、１０…取り出し電極、１１…温接点、１２…冷接点、１３…エッチング窓、１５…共通取り出し電極、２０…赤外線センサの１ユニット、３０…赤外線センサの１ユニット。
【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６】
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【図７】
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【図８】
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