JPH0346522A

JPH0346522A - 赤外線センサ

Info

Publication number: JPH0346522A
Application number: JP18326989A
Authority: JP
Inventors: Koichi Aizawa; 浩一相澤; Hitoshi Kanekawa; 仁士金川; Keiji Kakinote; 柿手　啓治
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1989-07-14
Filing date: 1989-07-14
Publication date: 1991-02-27

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〕この発明は赤外線センサに関する。

〔従来の技術〕

従来、赤外線センサとして、焦電型赤外線センサが良く
知られている。この焦電型赤外線センサは、例えば、人
体や発熱体等の赤外線発生体からの赤外線により誘起さ
れる電荷移動現象を利用して赤外線を感知するセンサで
ある。赤外線の照射を受はセンサ内で温度上昇が起こる
が、この温度上昇が焦電効果による電荷移動を誘起する
のである。しかしながら、この焦電型赤外線センサは、
赤外線の強度変化があって始めて感知可能となる。赤外
線発生体が感知エリア内にあっても、それが静止してい
たり、赤外線発生強度に変化のない状態であったりする
場合には、赤外線感知ができないのである。

一方、上記の欠点を解消したセンサとして、抵抗式や熱
電対式の感温体を利用した赤外線センサがある。赤外線
を吸収して熱エネルギーに変換し、これによる温度上昇
を検出し赤外線感知するセンサであり、雰囲気温渡分を
補償することにより、赤外線発生体が静止したままであ
ったり、赤外線放出強度に変化がなかったりしても、感
知エリア内に存在さえしていれば検知が可能である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、感温体を用いた従来の赤外線センサは、
応答性や感度が十分でないという問題がある。従来の赤
外線センサの感温部は、具体的には、バルク状の感温体
（例えば、半導体粉末焼結体型サーミスタ）を用いたも
の、金属抵抗線や金属熱電対線をシース内に配置したも
の、感温薄膜体をセラミックス等の重色縁基板に配置し
たものがある。これら従来のセンサの応答性や感度が十
分でないのは、センサにおける感温部の熱容量が大きく
、赤外線吸収に伴う温度上昇の度合が少なく、上昇速度
も遅いからである。

また、太陽光等の外乱光を除去するために、通常、赤外
線透過フィルタを設けているが、従来の赤外線センサで
はフィルタの設置が大幅にコストアンプを招来するとい
う問題がある。赤外線センサにおいて感温部と赤外線フ
ィルタが別々なので組立製造コストが高くついてしまう
のである。

この発明は、前記事情に鑑み、応答性および感度が十分
な赤外線センサを提供することを第１の課題とし、これ
に加えて、赤外線透過フィルタが多大なコスト上昇を招
来することなく設置可能な赤外線センサを提供すること
を第２の課題とする〔課題を解決するための手段〕前記課題を解決するため、請求項１〜７記載の赤外線セ
ンサは、基板表面に感温薄膜体が形成され、基板の同感
温薄膜体形成部分の裏側が空間になっているとともに、
前記感温薄膜体形成部分には赤外線吸収層も形成されて
おり、かつ、前記赤外線吸収層に入射する赤外線の経路
に赤外線透過フィルタを設置した構成をとっている。

請求項２の赤外線センサは、加えて、空間が基板表面側
に通じており、非密閉状態となっている基板としては、
例えば、請求項３記載の赤外線センサのように、半導体
層に絶縁層が積層されてなる構成であって、感温薄模体
形戊部分が絶縁層のみからなっている基板が使われる。

特に、シリコン単結晶層に窒化シリコンや酸化シリコン
からなる絶縁層が積層されてなる基板が使われる。

感温薄膜体形成部分における絶縁層の厚みは、例えば、
請求項６記載の赤外線センサのように、約０．５〜１．
５μの範囲に選定するようにする。余り薄いと強度が足
りなくなり、余り厚いと熱容量が大きくなる。

空間は、例えば、請求項４記載の赤外線センサのように
、基板表面側から掘り込んで作られてなるものである。

感温薄膜体としては、例えば、請求項７記載の赤外線セ
ンサのように、薄膜抵抗体、薄膜熱電対、薄ｌｌ１ｉｉ
熱電堆（サーモパイル）等が挙げられる。

そして、前記第２の課題をも解決するために、請求項５
記載の赤外線センサは、加えて、赤外線透過フィルタの
少なくとも一部を基板で構成するようにしている。

続いて、この発明の赤外線センサの構成を、図面を参照
して具体的に説明する。

赤外線センサは、第１図ｉａ）にみるように、基板１表
面に感温薄膜体２が形成されている。そして、基板１の
同感温薄膜体形成部分は裏側に空間Ｓがあって厚みの薄
い部分Ａとなっている。基板１自体は半導体層（例えば
、シリコン単結晶層）１ｂの上に絶縁層（例えば、窒化
シリコン膜や酸化シリコン膜からなる層）ｌａが積層さ
れた構成であって、絶縁層１ａの一部領域が淳みの薄い
部分Ａとなっている。つまり、感温薄膜体２形戒部分ハ
糸色縁層１ａのみからなっているのである。

感温薄股体２の上には赤外線吸収層５が設けられている
とともに、赤外線透過フィルタ７が赤外線の通路にあた
る基板１裏面側に設置されている赤外線吸収層５は、全
黒（金の微粒子の集合体であり、あまりに微細な粒子の
集合体であるために入射光は反射するもその中に閉し込
められ、人の目には真っ黒に見える）、白金黒、ビスマ
スブラック、スス等により形成されている。赤外線吸収
層５が導電性を有する場合は感’ＩＡ薄膜体２と赤外線
吸収層５の間にさらに薄い絶縁層を介在させる。

一方、赤外線透過フィルタ７は、可視光域の光だけをカ
ッ１−シ赤外域の光を全部透過させるもの、赤外域の光
でも特定の波長だけ透過させるものく赤外バンドパスフ
ィルタ）等の赤外透過胤能を有するものである。

基板１の材料（例えば、シリコン単結晶）によっては抵
板１自体をフィルタの構成の少なくとも一部とすること
ができる。基板１の半導体層（例えば、シリコン単結晶
層）ｌｄ部分のみからｚｆるフィルタを使う場合、半導
体層（例えば、シリコン単結晶層）ｌｄ部分に以下の光
学膜６を積層したものをフィルタとして使う場合が挙げ
られる。

光学膜６の構成としては、アモルファスシリコン膜、ま
たは、シリコンや他の適当な利料の光学薄膜を複数積層
した干渉フィルタタイプ、さらには、アモルファスシリ
コン膜の上に他の適当な刊料の光学薄膜を複数積層した
ような干渉フィルタタイプのもの等が例示される。第１
図（ａｌに示す赤外線透過フィルタ７は、半導体層１ｄ
と光学膜６を組み合わせた構成である。

フィルタ７には吸収カットする光による温度上昇がある
が、感温部との間には空間Ｓがあって完全ではないが熱
的に絶縁されており、フィルタ７の温度上昇が赤外線感
知の障害となることが効果的に阻止されている。

厚みの薄い部分Ａの形は、平面でみると、第１図（ｂｌ
に示すように、長方形状であり、９ｍ辺側でしょ他の絶
縁層部分に連続しているが、長辺側では空隙８で途切れ
連続していない。この空隙８からは空間Ｓが覗いている
。つまり、厚みの薄い部分Ａが空間Ｓ上に橋渡しされた
両持梁となっている一方、空間Ｓが基板１の表面側に通
し非密閉状態にあるのである。なお、厚みの薄い部分Ａ
は両持梁でなく、短辺の一方も空隙により途切れている
片持梁であってもよい。

このような両持梁や片持梁状の厚みの薄い部分穴を作る
には、空間Ｓを形成する必要があるわ＆Ｊであるが、そ
れには、異方性エツチング特性（表面に垂直な方向には
エツチングがよく進むが表面と水平の方向にはエツチン
グが進みにくい特性）をもつ基板材料を使うとよい。具
体的には、結晶性をもつ材料、例えば、シリコン単結晶
板が例示される。

このシリコン単結晶板の異方性エツチング特性について
簡単に説明する。

シリコン単結晶板においては（１００）面や（１１Ｏ）
面に垂直な方向にはエツチングが進みやすいか、（１１
１）面に垂直な方向にはエツチングが進みにくいという
性質がみられる。そのため、はぼマスク窓の形状通りの
掘り込みを形成することができる。

具体的には、第６図＋８）、（１））にみるように、（
１００）面を表面とするシリコン単結晶板２０の表面に
窓２２の明いたマスク２１を設の、異方ｉ生エツチング
を施すようにする。マスク２１は窒化シリコン膜や酸化
シリコン膜などの絶縁膜からなる。この場合、窓２２の
辺２２ａが（１１１）面と（１００）面の交線と平行の
向きならば、第７図４ａ）、（ｂｌにみるように、マス
ク２１の下はエツチングされず、窓２２の形状通りの掘
り込み２３が形成される。

また、第８図ｆａ）、（ｂ）にみるように、（１１０）
面を表面とするシリコン単結晶板２５の表面に窓２７の
明いたマスク２６を設け、異方性エツチングを施すよう
にしてもよい。マスク２６も窒化シリコン膜や酸化シリ
コン膜なとの砲縁股からなる。この場合、窓２７の辺２
７ａが（１１１）面と０（１１０）面の交線と平行の向きならば、第９図（８１
〜（Ｃ１にみるように、マスク２６の下はエツチングさ
れず、窓２７の形状通りの掘り込み２８が形成される。

この場合、（１１１）面が（１１０）面に対して垂直な
（１１１）面であれば、第９図Ｔｂｌに示すように表面
から垂直に掘り込まれ、（１１１）面が（１１０）面に
対して３５．３°の入射角をもつ（１１１）面であれば
、第７図（Ｃ１にみるように、表面から斜めに掘り込ま
れることになるなお、窓の辺が（１１１）面と（１００
）面の交線と平行の向きでなければ、マスク下へのサイ
ドエツチングが進み、最終（１１１）面で囲まれる掘り
込みが形成される。したがって、これを利用して、窓の
うちに両持梁や片持梁パターン（第６図（ａ）に−点鎖
線により示すパターン部分Ｐ）が張り出したマスク（酸
化シリコン膜や窒化シリコン膜からなる）を用い、窓辺
の方向を前記交線と平行の向きに対し角度をもたせる（
窓辺の方向を前記交線と平行の向きにしない）ようにす
ることで、両持梁や片持梁パターンの裏面を基板表面側
から掘り込み、空間Ｓを形成することができる。

この場合、■みの薄い部分への周辺の絶縁股下も少し削
られ、窓より少し大きめの空間になる。マスクにおける
両持梁や片持梁パターン部分はそのまま絶縁層からなる
厚みの薄い部分となる。

勿論、両持梁や片持梁パターンのあるマスクの窓辺の方
向を前記交線と平行となるようにしてもよい。例えば、
（１００）面を表面とするシリコン単結晶板を用いた場
合、第４図（ａ）、（ｂｌにみるような片持梁状の厚み
の薄い部分ａが空間Ｓに張り出した構造を作ることがで
きる。シリコン単結晶層２０′表面のマスク（酸化シリ
コン欣や窒化シリコン膜からなる）２１′に片持梁状パ
ターン部分ａを設けておいて、異方性エツチングを施す
のであるが、マスク２１′の片持梁状パターン部分ａは
そのまま厚みの薄い部分Ａとして用いることができる。

また、（１１０）面を表面とするシリコン単結晶板を用
いた場合、第５図＋８１、（ｂｌにみるような両持梁状
の厚み薄い部分ａ′が空間Ｓに渡■ された構造を作ることができる。後者の場合についても
う少し説明する。

第５図（ａ）にみるように、両持梁パターン部分ａ′が
（１１１）面と（１１０）面の交線に平行な辺から突き
出し対辺に達する場合、両持梁パターン部分ａ′裏面が
基板表面から掘り込まれ空間Ｓが形成される。シリコン
単結晶層２５′表面のマスク（酸化シリコン膜や窒化シ
リコン膜からなる）２６′に両持梁状パターン部分ａを
設けておいて、異方性エツチングを施すのであるが、マ
スク２６′の両持梁状パターン部分ａ′はそのまま厚み
の薄い部分Ａとして用いることができる。この場合、突
き出す辺に対応する（１．１１）面が〈１１０〉面に対
して垂直な（１１１）面であるか、３５．３°の入射角
の（１１１）面であるかによって、掘り込みの側壁形状
が異なる。前者の場合、第５図（ａ）、（ｂ）に実線で
示すように垂直に掘り込まれ、後者の場合、−点鎖線で
示すように、表面に対して３５．３°の角度で斜めに掘
り込まれる。なお、両持梁とするのに、結晶面に起因し
て、前者３の場合、幅Ｗ／長さＪ＜０．３５４、後者の場合、幅Ｗ
／長さＡ＜０．７１という条件を満たす必要がある。

エソチンダ液としては、エチレンジアミン、ピロカテコ
ール、水の混合液や、水酸化カリウム、水の混合液等を
通常用いる。これらの液は、酸化シリコン膜や窒化シリ
コン膜を殆どエツチングしないため、酸化シリコン膜や
窒化シリコン膜のマスクが使え、異方性エツチング処理
後そのままマスクを絶縁１ｉｔｌａに使えるという利点
がある。さらに、これらの液はホウ素が高濃度でドープ
されたシリコン単結晶部分に対してはエツチングレート
が低い。そのため、厳密な掘り込み深さのコントロール
が必要ならば、その深さのところにホウ素高濃度１ｉ（
１０”／ｃＪ以上）を形成しておけばよい。それほど厳
密である必要がなければ、工・７チング時間の調節によ
る深さ制御で事足りる。

この発明のセンサは、上記例示の構成に限らない。例え
ば、赤外線感知用以外にもうひとつ雰囲気温度感知用に
感温薄膜体を、赤外線照射による４温度上昇が起こらない位置、厚みの薄い部分への外側に
に備えていてもよい。

赤外線センサの基板に、信号処理回路や制御回路等用の
半導体素子（例えば、トランジスタ）が形成されている
ようであってもよい。

この発明の赤外線センサのフィルタや基板等の材質も上
記例示のものに限らないことはいうまでもない。

〔作　　　用〕

この発明にかかる感温センサは、応答性が非常によい。

これは、感温薄膜体を用いているために超小型化できる
のに加えて、第１図（ａｌにみるように、基板１の厚み
の薄い部分へと感温薄膜体２で感温部が戒り立っていて
、感温部全体としての厚みが極く薄くて、感温部の熱容
量が極めて小さいからである。感温部が赤外線吸収層か
らの熟エネルギーにより十分高い温度に素早く達するよ
うになる。

空間Ｓが表面に通していて非密閉状態である場合には、
温度変化により生ずる空間内空気の体積の増減分は直ち
に補充・排出されるため、感温薄膜形成部分が変形セず
測定精度がよい。空間Ｓが密閉状態であると、雰囲気温
度に応して密閉空間内の空気体積が増減し、感温薄膜形
成部分が押し上げられたり、押し下げられたりして変形
し感温薄膜体を歪ませ、十分な測定精度が得られないこ
とがあるのである。

感温薄膜体形成部分が両持梁や片持梁であると、感温部
からの熱が基板の厚みのある部分に直ちに移動すること
なく、入射した赤外線の熱エネルギーが感温部の温度を
より効果的に上昇させるようになる。

また、空間を作る掘り込みを基板表面側から行う場合に
は、掘り込み形成の際のマスクを感温薄膜体用のマスク
と同し側に形成するから、マスク相互の位置合せが正確
かつ容易に行え、製造し易くなる。

空間を作る掘り込みが基板裏側から行う場合だと、掘り
込み形成の際のマスクを感温薄膜体用のマスクと反対側
に作るため、掘り込み位置と感温薄膜体位置が一致しに
＜＜、両面マスクアライナ等の特殊な製造装置が必要と
なるなど、製造が容易でない。

〔実　施　例〕

続いて、この発明の感温センサの一実施例を製造の様子
を含めて説明する。

第２図（ａ）、（ｂｌは、この発明の感温センサの一実
施例の要部構成をあられし、第３図（ａ）〜（ｊｌは、
この感温センサを製造するときの様子を順を追ってあら
れす。

第３図＋ａ）にみるように、厚み３００μで表面が（１
１０）面であるＮ形シリコン単結晶ウェハ１０の両面に
ＬＰＣＶＤ法を用いて厚み１０００人の窒化シリコン膜
１１．１１′を形成した後、第３図（ｂｌにみるように
、感温薄膜体形成側の窒化シリコン膜１１のみにＰＣＶ
Ｄ法を用いて厚み６０００人の窒化シリコン膜１２を積
層する。ついで、第３図（Ｃ）にみるように、窒化シリ
コン膜１２の表面にスパンタリング法を用いて厚み２０
００人の白金膜１３を積層する。

７続いて、第３図Ｆｄｌにみるように、白金膜１３の上に
フォトリソグラフィ技術を用いて所定パターンのレジス
トマスク１４を施しておいてから、第３図（ｅ）にみる
ように、イオンミリング法を用いて白金膜１３の不要部
分を選択的に除去してパターンニングし感？！ＪＬ薄膜
体（白金薄膜抵抗体）２を形成する。

感温薄膜体２を形成した後、第３図（ｆｌにみるように
、レジストマスク１４を除去し、厚み５０００人の窒化
シリコン膜からなる絶縁膜１５を、ＰＣＶＤ法を用いて
積層する。ついで、第３図（Ｉｒ）にみるように、再び
、レジストマスク１６を積層形威し、プラズマエツチン
グ法を用いて、窒化シリコン膜１１．１２．１５に対し
て窓明けを行った後、レジストマスク１６を除去する。

窒化シリコン膜に明けた窓は、シリコン単結晶ウェハ１
０を表面側から掘り込み感温薄膜体２形成部分の裏側に
空間を作るためのものである。窓の辺が（１１１）面と
（１００）面の交線を平行もしくは直角となるようにレ
ジストマスク１６の８パターンをアライメントしており、この場合、（１１１
）面として（１１０）面と垂直に交わる（１１１）面を
選んでいる。

つぎに、ＫＯＨ４０ｗｔ％、Ｈ２Ｏ６０ｗｔ％、温度８
０℃のエソチンダ液を用いて、異方性エツチング処理を
施す。エツチング処理時間１時間４０分で、第３図（ｈ
）にみるように、２００ＩＩｍの深さの空間Ｓおよび両
持梁の厚みの薄い部分Ａが形成される。

空間Ｓを形成した後、第３図（１１にみるように、裏面
の窒化シリコン膜１１’をプラズマエソヂング法を用い
て除去し、ついで、第３図０１にみるように、窒化シリ
コン膜１５の上に真空蕪着法により全黒を積層し赤外線
吸収層１８を形成すれば、第２図（ａ）、（ｂ）に示す
赤外線センサが完成する。

完成した感温センサでは、基板１′がウェハ１０および
窒化シリコン膜（絶縁層）１１．１２の積層体であり、
また、空間Ｓは掘り込み形成の際の窓であった空隙８を
介して基板表面側に通じていることはいうまでもない。

また、赤外線フィルり７′は、厚み約１００μ璽のシリ
コン単結晶層１０ｄのみで構成されている。なお、２ａ
は引出用端子部である。

この赤外線センサは、上にみたように、半導体製造プロ
セスで使われている技術を応用して容易に製造されてい
るが、基板１′に信号処理回路や制御回路用の半導体素
子（例えば、トランジスタ）を設ける場合にも、同様に
して半導体プロセスでの製造技術により容易に素子形成
が行える。この場合、通常、半導体素子部分を赤外線セ
ンサ用部分よりも先に形成することが多い。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、請求項１〜７記載の赤外線センサ
は、感温部の熱容量が非常に小さいため、応答性および
感度に優れる。

請求項２記載の赤外線センサは、加えて、感温薄膜体形
成部分の裏側の空間が非密閉状態であるため、測定精度
に優れる。

請求項４記載の赤外線センサは、加えて、空間を作る掘
り込みが基板表面側からであるため、’Ａ）０造が容易である。

請求項５記載の赤外線センサは、加えて、赤外線透過フ
ィルタの設置が容易であり、より製造しやすい。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｌ、Ｔｂｌは、この発明の赤外線センサの一
実施例の要部をあられす図であって、図（ａｌは概略断
面図、図（ｂ）は部分平面図である。第２図（ａｌ、（
ｂｌは、この発明の赤外線センサの他の例の要部をあら
れす図であって、図（ａ）は概略断面図、図（ｂｌは絶
縁膜および赤外線吸収層を除いた状態での平面図である
。第３図＋ａｌ〜（ｊｌは、この他の例の感温センサを
製造するときの様子を説明する概略断面図、第「図＋ａ
ｌ、（ｂｌおよび第５図（ａｌ、（ｂ）は、それぞれ、
基板に片持梁状や両持梁状の厚みの薄い部分を設けると
きの様子を説明する図であって、第４図（ａｌと第５図
（ａ）は平面図、第４図ｆｂ）と第５図（ｂ）は断面図
である。第６図（ａｌ、（ｂｌ、第７図（ａ）、Ｔｂｌ
　４よ、シリコン単結晶板の異方性エツチング特性を説
明するための図であって、第６図（ａ）と第７図＋８１
は平面図１、第６図（ｂｌと第７図（ｂｌは断面図である。第８図
Ｆａ）、（ｂ）、第９図（ａ）〜（Ｃ１は、シリコン単
結晶板の異方性エツチング特性を説明するための図であ
って、第８図＋ａ）と第９図Ｔａｌは平面図、第８図（
ｂ）と第９図ｆｂｌ、（Ｃ）は断面図である。１．１′・・・基板１ｂ・・・半導体層・・・赤外線吸収層タ　　Ｓ・・・空間１　ａ　、　１　′　ａ　・・・春色縁！−２・・・感
温薄股体　　５．１８７．７′・・・赤外線透過フィル

Claims

【特許請求の範囲】１　基板表面に感温薄膜体が形成され、基板の同感温薄
膜体形成部分の裏側が空間になっているとともに、前記
感温薄膜体形成部分には赤外線吸収層も形成されており
、かつ、前記赤外線吸収層に入射する赤外線の経路には
赤外線透過フィルタが設けられてなる赤外線センサ。２　空間が基板表面側に通じている請求項１記載の赤外
線センサ。３　基板が半導体層に絶縁層が積層されてなる構成であ
って、感温薄膜体形成部分が絶縁層のみからなる請求項
１または２記載の赤外線センサ。４　空間が基板表面側から掘り込み形成されてなる請求
項１から３までのいずれかに記載の赤外線センサ。５　赤外線透過フィルタの少なくとも一部が基板で構成
されてなる請求項１から４までのいずれかに記載の赤外
線センサ。６　感温薄膜体形成部分における絶縁層の厚みが約０．
５〜１．５μｍである請求項３から５までのいずれかに
記載の赤外線センサ。７　感温薄膜体が、薄膜抵抗体、薄膜熱電対、薄膜熱電
堆のうちのひとつである請求項１から６までのいずれか
に記載の赤外線センサ。