JPH03196583A - 縦型シリコンサーモパイル及びその製造方法 - Google Patents

縦型シリコンサーモパイル及びその製造方法

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JPH03196583A
JPH03196583A JP1072899A JP7289989A JPH03196583A JP H03196583 A JPH03196583 A JP H03196583A JP 1072899 A JP1072899 A JP 1072899A JP 7289989 A JP7289989 A JP 7289989A JP H03196583 A JPH03196583 A JP H03196583A
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JP
Japan
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layer
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silicon
hole
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JP1072899A
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Hikari Sakamoto
光 坂本
Atsushi Kawasaki
川崎 篤
Tomoshi Kanazawa
金沢 智志
Shoichi Masui
昇一 桝井
Gen Hashiguchi
原 橋口
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、赤外線などのセンサに利用できる、シリコン
単結晶を使用したサーモパイルとその製造方法に関する
〔従来の技術〕
単結晶シリコンを用いたサーモパイルとしては、p型シ
リコンストリップとアルミニウムを用いたものが報告さ
ている(G、D、NIEVELD、 Thermopi
lesFabricated  using  5il
icon  Planar  Technology。
5ensors and Actuators、 3.
(1982/83)179 183)。
このサーモバイルは、n型シリコン単結晶内に形成され
た10(μm) xl、5 C+++o+)  (マス
ク寸法)の形状を持つp型シリコンストリップと、その
上部に形成されたシリコン酸化膜で該ストリ・ンプと絶
縁されたアルミニウムストリップとを直列に接続してな
る熱電対を多数用いた構造である。
比抵抗が5X10−”(Ωcm)のシリコンストリップ
を持つこのサーモパイルの熱起電力は、熱電対を152
組直列に接続したもので76(mV/K)得られ、内部
抵抗値は250(kΩ〕である。
このように、サーモパイルの熱電対としてP型シリコン
ストリップとアルミニウムストリップを使用した場合、
サーモパイルの出力である熱起電力への双方の材料の寄
与を比較すると、p型単結晶シリコンのゼーベック係数
は、そのドーピング濃度にも依存するが、その値はほぼ
450〜1600〔μV/K)をとるのに対し、アルミ
ニウムは1.7〔μV/K)程度となり、熱電対の出力
感度に対するアルミニウムの寄与は相対的に極めて小さ
い。従って、サーモパイルの出力を大きくするにはアル
ミニウムを大きなゼーベック係数をもつ別の材料に代え
る必要がある。
また従来のシリコン基板利用サーモバイルは平面型であ
り、多数の熱電対を平面上に並べそれらを直列接続する
型式をとっている。これでは1個のサーモパイルが占め
る面積を余り小さくすることはできず、例えば4 (m
m) x4 (M)程度の大きさになってしまう。盪像
素子などでは解像度を上げるべく、素子の一層の微小化
が望まれる。
〔発明が解決しようとする課題〕
このように、シリコン単結晶とアルミニウムの熱電対で
は、熱起電力が十分でない。また多数の熱電対を平面上
に配設したサーモパイルでは、集積度向上が十分にはで
きない。
本発明はか\る点を改善し、熱電対の起電力が大きく、
これを多数配設しても所要面積が大とならない立体構造
のサーモパイルを徒供することを目的とするものである
〔課題を解決するための手段〕
第1図に示すように本発明では、単結晶シリコン基板1
0内に多数のP型層21.22.・・・・・・とn型層
31,32.・・・・・・と、これらを相互に絶縁する
絶縁N41を形成する。これらのp型層、n型層は単結
晶シリコン、多結晶または非晶質シリコンのいずれでも
よい。また絶縁層41は二酸化シリコン、ノンドープの
多結晶シリコンなどでよい。基板IOの表面および裏面
も絶縁層42.43で被覆し、この絶縁層から露出する
p型層、n型層の両端面を金属層51,52.・・・・
・・および61.62.・・・・・・で接続し、全体を
ジグザグ状の直列接続体にする。このジグザグ状直列接
続体はX方向に延び、か\るものがY方向に複数組あり
、これらは全て直列に接続されて1つのサーモパイルを
構成する。
p型層とn型層の一方の端面、例えば金属層51.52
.・・・・・・で接続された端面が温接点側、他方の端
面本例では金属層61,62.・・・・・・で接続され
た端面が冷接点側になる。この温接点側には図示しない
絶縁層を介して電磁波吸収体70が形成される。
このサーモパイルは、p型シリコン基板とn型シリコン
基板を貼り合せ、そのP型基板に穴をあけてn型シリコ
ン層を成長または堆積させまたn型基板に穴をあけてp
型シリコン層を成長または堆積させ、これらのシリコン
成長または堆積層の周囲に穴をあけてその穴に絶縁層を
成長または堆積させ、こうしてp、nシリコン基板を貫
通するp型層121. 22.−・・・・−及びn型層
31,32゜・・・・・・を作り、これらの端面に金属
層51,52゜・・・・・・61,62.・・・・・・
を被着し、温接点側には絶縁層を介して電磁波吸収体7
0を取付ける、という要領で作ることができる。
〔作用〕
このサーモパイルでは電磁波吸収体70に入射した電磁
波により該吸収体の温度が上昇(降温)し、この近傍に
ある熱電対の温接点の温度が冷接点側よりも上昇(降温
)する。これにより、熱電対の温接点と冷接点の間に温
度差が生じて、ゼーベック効果により熱起電力が発生す
る。電磁波は例えば赤外線であるが、電磁波吸収体19
に吸収されて熱になるものであれば何でもよく、全波長
帯域型である。n型層21,22.・・・・・・、n型
層31.32  ・・・・・・はシリコンであるからゼ
ーベック係数が大きく、これらで構成される熱電対の熱
起電力は大きい。サーモバイルは、か\る熱電対の複数
個を直列に接続して構成するので、その紛然起電力は各
々の熱電対が発生する熱起電力の総和となる。
またこのサーモパイルはその構成要素である熱電対の素
子21と31.22と32.・・・・・・が基板10の
厚み方向に延びており、温接点群の下方にこれらの素子
が埋まっている形になっている。従って集積度が高く、
温接点の周囲に非感光領域がないので、微小ビクセルを
1次元または2次元に多数配設した構造の撮像素子を容
易に構成できる。
このサーモパイルでは異種金属(p、n型層)を直接接
続しないで、金属層51,52.・・・・・・61.6
2.・・・・・・を介して接続する。温接点側の温度は
どこも等温と見做せるので、中間金属の法則が適用され
、金属層51.・・・・・・は熱電対の起電力には影響
を及ぼさない。
このサーモパイルはトランジスタ製造工程を応用して製
作することができ、製造は容易である。
〔実施例〕
このサーモパイルの具体例を示すと、n型層21.22
.・・・・・・のサイズはX方向で25〔μm〕、X方
向で25〔μm〕、Z方向で500〔μm〕であり、n
型層31,32.・・・・・・のサイズはX方向で25
〔μm〕、X方向で25〔μm〕、Z方向で500〔μ
m〕である。n型層とn型層の各1つで構成される熱電
対の個数は50個であり、P型層、n型層が共に多結晶
シリコンのときl[に]の温度差で25mVの熱起電力
を生じる。このサーモバイル全体の大きさはX方向で4
75〔μm〕、X方向で475 (μm)、Z方向で約
500[μm〕である。
第2図にこのサーモパイルの製造工程を示す。
先ず(+)に示すようにp型車結晶シリコン基板11と
n型単結晶シリコン基板12を用意し、熱酸化により表
面に二酸化シリコン膜13.14を形成する。
次に(2)に示すように、これらの基板11と12を貼
り合わせる。この貼り合わせは、酸化膜13゜14を純
水でぬらしたのち重ね合せ、200°Cでベーキングし
た後、800〜1000”Cの温度で30〜60分間熱
処理することにより行なうことができる。
次に(3)に示すように、p型基板11にn型層31.
32.・・・・・・(以下30という)の断面に相当す
る穴をあける。この穴は、貼り合せ部分の酸化W413
、I4を貫いて、n基板12が露出するまであける。然
るのちCVD法などでn型シリコン層を成長または堆積
させ、上記穴をシリコン層で埋める。12aはこの穴に
成長または堆積したn型シリコン層を示し、これは単結
晶、多結晶または非晶質(アモルファス)である。熱電
対の熱起電力は単結晶の方が高いので、単結晶シリコン
が成長するように工程を管理するのがよい。穴の周囲の
p基板上にもn型シリコンが成長または堆積するが、こ
れはエツチングなどにより除去する(他も同様)。
次は(4)に示すようにn基板12にn型層21゜22
、・・・・・・(以下20という)の断面に相当する穴
をあけ、この穴にp型シリコンIlaを成長または堆積
させる。これも単結晶、多結晶、または非晶質であるが
、単結晶が成長するようにするのが好ましい。こうして
(5)に示すように、貼り合わされたp型基板11とn
型基板12を貫通し、交互に並ぶn型層20とn型層3
0ができ上る。
次はp型基板11のn型層の周囲に溝を作り、この溝に
CVD法などにより絶縁層(二酸化シリコンなど)41
aを成長または堆積させる。(7)に示すようにn型基
板12側のn型層の周囲にも溝を作り、この溝に絶縁層
(二酸化シリコンなど)41bを成長または堆積させる
次は(8)に示すようにアルミニウムなどの金属の蒸着
、そのバターニングを行なって、金属層50゜60を形
成する。これで第1図に示すサーモバイルができ上る。
なお表面の絶縁膜などは適宜形成しまた除去する。
次は(9)に示すように電磁波吸収体70を温接点側に
取付けるが、これは絶縁層71の形成、金属(この場合
は金Au)の蒸着、そのパターニングを行なえばよい。
。 p型基板11とn型基板12の厚さは200〜300〔
μm〕、であり、これらを合わせたp型層20、n型層
30の長さは500〜600 (μm〕である。p/n
型層の断面は100(μm〕X100〔μm]程度であ
り、これでICIIIm”)内に収まるサーモバイルを
作ることができる。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば立体構造のサーモバ
イルを提供でき、解像度の高い1次元または2次元セン
サの提供に有効である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のサーモバイルの説明図、第2図は本発
明のサーモバイルの製造工程を示す説明図である。 第1図で21.22はp型層、31,32.・・・・・
・はn型層、51,52.・・・・・・、61,62.
・・・・・・は金属層、70は電磁波吸収体である。 出 願 人 新日本製鐵株式会社

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、単結晶シリコン基板内にその厚さ方向に複数個のp
    型層とn型層とこれらを絶縁する絶縁層を形成し、 これらp型層とn型層の各端面を基板表、裏面に被着し
    た金属層により接続して全体をジグザグ状の直列接続体
    とし、 温接点となる側の面上には絶縁層を介して電磁波吸収体
    層を被着したことを特徴とする縦型シリコンサーモパイ
    ル。 2、p型単結晶シリコン基板とn型単結晶シリコン基板
    それらの表面の絶縁膜で貼り合わせる工程と、 貼り合わされたp型基板に、n型基板に達する穴をあけ
    、該穴にn型シリコン層を成長または堆積させ、また貼
    り合わされたn型基板に、p型基板に達する穴をあけ、
    該穴にp型シリコン層を成長または堆積させる工程と、 p型基板の穴に成長または堆積したn型シリコン層の周
    囲に穴をあけてその穴に絶縁層を成長または堆積させ、
    またn型基板の穴に成長または堆積したp型シリコン層
    の周囲に穴をあけてその穴に絶縁層を成長または堆積さ
    せる工程と、 こうしてできた、貼り合わされたp型基板とn型基板を
    貫通し絶縁層で相互に絶縁されたp型層とn型層の端面
    を金属層で接続して全体をジグザグ状の直列接続体にす
    る工程と、 温接点側の端面に絶縁膜を介して電磁波吸収体を被着す
    る工程とを有することを特徴とする縦型シリコンサーモ
    パイルの製造法。
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