JPH0765936B2 - 輻射波検出素子とその製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は，熱電対型輻射波検出素子に関し，特に逆凹
部構造の底部となる薄くなった部分（以下，「ウェッ
ブ」という。）にイオンプレーテング法を用いて形成し
た酸化シリコンと酸化アルミニウムからなる多層薄膜を
用いた，高感度型の輻射波検出素子の構造と該輻射波検
出素子の製法に関するものである。

〔従来の技術〕

この種の技術としては，熱電対型輻射波検出素子がある
が、この熱電対型輻射波検出素子は，光パワーを，金黒
等の輻射波吸収膜で吸収し，かつ該輻射波吸収膜で発熱
させ，近接して設けられた半導体薄膜あるいは金属薄膜
よりなる熱電対の熱電効果を利用して輻射エネルギーを
検出する素子で，検出感度が波長の如何にかかわらず一
定となるので，紫外線から遠赤外線に至る基準用の輻射
エネルギーの検出素子として用いられている。

しかし，該熱電対輻射波検出素子は，量子型輻射波検出
素子に較べて検出レベルが低いという欠点を有するが，
出力信号が直流電圧として得られること並びに波長の感
度補正が不要であること等から，高感度化への期待は大
きい。

熱電対型輻射波検出素子の輻射エネルギーの検出感度を
高める方法としては， （１）ゼーベック係数および導電率が共に大きな熱電材
料を用いる方法 （２）検出部の熱抵抗を大きくするとともに熱容量の小
さな熱電材料を用いる方法 （３）光パワーを吸収する光吸収膜の吸収効率を高める
方法 等が主である。

これらの場合，熱電材料用の薄膜としては， 従来よりゼーベック係数，導電率の大きな半導体薄膜が
用いられてきた。

該半導体薄膜の形成方法としては，例えば，気相成長
法，プラズマCVD法，熱CVD法，光励起CVD法，真空蒸着
法等がある。

また、輻射波吸収膜における光パワーの吸収効率は，金
黒薄膜を用いればほぼ100％に近いものが得られてい
る。したがって，熱電対型輻射波検出素子における光パ
ワーの検出感度を高める方法としては，ベーゼック係数
と導電率の共に大きな半導体薄膜の形成方法および熱抵
抗の大きな逆凹部構造のウェップの形成方法の改善に注
力されてきた。前者のゼーベック係数と導電率の共に大
きな半導体薄膜の形成方法としては，真空蒸着法，スパ
ッタ法等に代表される薄膜堆積法と，結晶半導体基板を
研磨あるいはエッチング等により薄片化する方法が用い
られている。しかし，最近ではプラズマCVD法や光CVD法
によって良好な半導体薄膜が形成することが確認されて
いる。

例えば，同一発明者，同一出願人による特願昭57−5280
7号「熱電対装置」と特願昭60−186900号「シリコン・
ゲルマニウム混晶薄膜導電体」に開示されている大きな
導電率と大きなゼーベック係数とを併せ有する良好なア
モルファス薄膜としてのフッ素入りアモルファスシリコ
ンと，シリコン・ゲルマニウム混晶薄膜導電体とがあ
る。

一方，熱抵抗の大きな逆凹部構造のウェッブの形成方法
としては，シリコン結晶半導体基板を研磨あるいはエッ
チングにより，該基板の厚みを数μｍ程度に極薄膜化す
る方法が用いられている。

例えば，シリコンでは,n型とｐ型でエッチングレートが
異なるので，エッチング液の組成を変えることにより，
基板表面に薄い拡散層を形成し，該拡散層だけを残すこ
とによりシリコン基板のウェッブを形成する方法が用い
られ，ウェッブの厚みを精度よく形成するためには高精
度の拡散技術を必要としていた。

その他のウェッブの形成方法としては，シリコン基板上
に熱酸化シリコン膜（SiO_Z）を成長後，熱窒化シリコン
膜（Si₃N₄）を数μｍ程度ほど堆積させ，該シリコン基
板をエッチング等により除去した熱酸化シリコン膜と熱
窒化シリコン膜とからなる多層薄膜を用いる方法があ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし，以上述べた方法では，ウェッブを形成する場
合，工程が複雑になると同時に，高精度の拡散技術，熱
酸化技術，熱CVD技術，エッチング技術を必要としてい
た。

また，基板材料もシリコンに限られており，構造的にも
光パワーの検出素子しての形状にも制限があった。さら
に，該検出素子の検出感度を高めるため熱抵抗を大きく
しようとすると，ウェッブの厚み，つまり，シリコン拡
散層や熱窒化シリコン膜を数μｍ以下の薄さにする必要
があった。

その結果，ウェッブの強度が不十分となり，該検出素子
が破損しやすいという欠点があった。

以上の結果，素子の歩留りが悪くなり，素子の価格も高
価となっていた。

本発明は，以上述べた従来の熱電対型輻射波検出素子の
欠点を解消した新しい構造の高感度型の輻射波検出素子
を実現するもので，その目的とするところは， （１） 熱電対型の輻射波検出素子の基板として微細加
工が容易でかつ安価な基板に代表される絶縁性基板を用
いることにより価格の低減化を図り， （２） 逆凹部構造の該絶縁性基板の底部がウェッブと
して機能する手段として，イオンプレーテング法により
形成した緻密で膜強度の大きな酸化シリコン（SiO_X;x＝
１〜２）と酸化アルミニウム（Al₂O₃）とからなる極薄
膜化した多層薄膜を用い，素子の熱抵抗を大きくするこ
とにより素子の高感度化を図り，かつ，該ウェッブの強
度を大きくし，素子の歩留りを向上させて，より安価で
高性能な輻射波検出素子とその製造を提供するものであ
る。

〔課題を解決するための手段〕

従って，本発明では，絶縁性基板として代表されるガラ
ス基板を基板として用い，これを用いて逆凹部構造を構
成するようにする。逆凹部構造はフレームと底部とでな
り，ガラス基板はフレームとなる。

該基板上にイオンプレーテング法を用いて酸化シリコン
と酸化アルミニウムとを順次，交互に堆積して多層薄膜
を形成し，この多層薄膜を逆凹部構造の底部となるよう
にし，該底部をウェッブすることにより低価格，高感度
型の輻射波検出素子を実現した。

イオンプレーテング法を用いたのは以下の理由からであ
る。従来，酸化シリコン（SiO_X;x＝１〜２）と酸化アル
ミニウム（Al₂O₃）との堆積法としては真空蒸着法が用
いられていたが，真空蒸着法を用いて作成された膜は脆
いため，本発明の輻射波検出素子の底部を形成するには
不十分であった。

また，この多層薄膜を形成している前記酸化シリコンと
酸化アルミニウムはフッ酸に腐蝕されないために該フッ
素によるエッチングがみられない。そのためガラス基板
のみをエッチングすることができ，該多層薄膜で安定な
ウェッブを形成することができた。このように，絶縁性
薄膜がイオンプレーテング法を用いて形成した酸化シリ
コンと酸化アルミニウムとからなる多層薄膜でなるた
め，従来の真空蒸着法と比較し，輻射波検出素子の歩留
りが大幅に向上した。

さらに，イオンプレーテング法を用いて形成した酸化シ
リコンと酸化アルミニウムとからなる多層薄膜は，従来
の真空蒸着法と比較し，膜が緻密で，かつ引っぱり強度
が大きいので,1μｍ程度以下のウェッブを薄膜化できう
という特徴を有する。

〔実施例〕

第１図および第２図は，本発明による高感度型の輻射波
検出素子の一実施例の構造を示す図で，第１図はその平
面図を，第２図は第１図における線Ｘ−Ｘ′での断面図
を示す。

第１図および第２図に示される輻射波検出素子９は，逆
凹部構造のフレームを構成する絶縁性基板１と，該逆凹
部構造の底部であって，ウェッブを形成し，イオンプレ
ーテング法を用いて形成した酸化シリコンと酸化アルミ
ニウムとからなる多層薄膜でなる絶縁性薄膜２と，該絶
縁薄膜上に設けられた金属抵抗体薄膜３とアモルファス
薄膜４とから構成される熱電対と，前記金属抵抗体薄膜
３とアモルフェス薄膜４との接合部５上に設けられた輻
射波吸収膜８とから構成される。

なお，該金属抵抗体薄膜３の他方上と，該アモルファス
薄膜４の他方上には，それぞれ電極６とオーミック電極
７が設けられている。

絶縁性基板１としては，安価でかつ微細加工が容易なガ
ラス基板や石英基板等が用いられる。

絶縁性薄膜２としては，ガラス基板や石英基板のエッチ
ング用に使われるエッチング液に対して腐食されないイ
オンプレーテング法を用いて形成した酸化シリコンと酸
化アルミニウムとからなる多層膜が用いられる。

第３図は，イオンプレーテング法に用いられる高周波イ
オンプレーテングシステムを示す模式図であって，酸化
シリコンあるいは酸化アルミニウム等の蒸着材料は，高
真空ベルジャー10内に配置されたルツボ11に置かれ，電
子ビーム光源12より供給された電子ビームにより加熱さ
れ蒸発する。

この時，高周波コイル13より高周波電力が供給される
と，プラズマ放電が発生する。

供給される高周波電力の一例としては，発振周波数13.5
6KHz,高周波電力1W〜1KW程度である。

プラズマ放電を安定に発生させるため，また，酸化シリ
コンおよび酸化アルミニウムの膜質を緻密化させるた
め，アルゴンと酸素ガスが数ccm程度ガス供給口14から
供給される。

また、薄膜を堆積する時の真空圧力は，排気システム15
より,1×10^-3〜１×10^-2（pa）に制御される。絶縁性基
板１は，基板ホルダー16に装荷されて200℃〜400℃に加
熱される。

輻射波吸収膜８としては，同一発明者，同一出願人によ
る特願昭54−33840「輻射波検出素子」に述べられてい
るところの金黒，炭素黒，有機顔料等で構成される黒体
が用いられる。

次に，輻射波検出素子の製法について述べる。絶縁性基
板１であるガラス基板を有機溶剤，純水等の洗浄剤を用
いて洗浄し，クリーンオーブン等で十分に乾燥した（乾
燥工程）後，該乾燥した絶縁性基板１上にイオンプレー
テング法を用いて酸化シリコンと酸化アルミニウムを順
次，交互に堆積して0.5μｍ〜５μｍ程度の多層薄膜を
形成する（第１の堆積工程）。

引き続き，該多層薄膜上にプラズマCVD法あるいは光CVD
法を用いて同一発明者，同一出願人により出願された特
願昭57−528079号「熱電対装置」に掲載のフッ素入りア
モルファスシリコン半導体薄膜あるいはシリコン・ゲル
マニウム混晶薄膜導電体（特願昭60−186900号），微結
晶相を含むアモルファス薄膜導電体（特願昭60−299465
号）をアモルファス薄膜２として堆積する（第２の堆積
工程）。

さらに，フォトエッチング技術を用いて所望のパターン
を形成（パターン形成工程）した後，金属抵抗体薄膜３
と，電極４及びオーミック電極５用としての金属薄膜
を，順次，スパッタ法，真空蒸着法等を用いて堆積する
（第３の堆積工程）。

この場合，金属抵抗体薄膜用材料としては，ニクロム，
白金，クロム，モリブデン，窒化タンタル等が，又，電
極およびオーミック電極用としての金属薄膜としては，
アルミニウム，ニクロム／金，クロム／白金が優れてい
る。

これらについては，同一発明者，同一出願人による特願
昭60−274390号「オーミック接合装置」に詳細記述して
ある。

パターン形成は，フォトエッチング技術を用いる。続い
て真空蒸着法等を用いて輻射波吸収膜８用としての黒体
を形成する。最後に，ガラス基板をフッ酸を含んだ混合
液でエッチングすることにより逆凹部構造を形成する。

以上，絶縁性基板としてガラス基板の場合について述べ
たが，石英基板等を用いても同様に形成できる。

〔発明の効果〕

本発明では以下の効果がある。

（１） 絶縁性基板として安価で微細加工の容易なガラ
ス基板を用いたこと。

（２） 逆凹部構造のウェッブとして，イオンプレーテ
ング法を用いて形成した強度的に安定な酸化シリコンと
酸化アルミニウムとからなる多層薄膜を用いたことによ
りフッ酸によるエッチングがなくガラス基板のみをエッ
チングすることができ，該多層薄膜で安定なウェッブを
形成することができたこと。すなわち，絶縁性薄膜がイ
オンプレーテング法を用いて形成した酸化シリコンと酸
化アルミニウムとからなる多層薄膜でなるため，従来の
真空蒸着法と比較し，輻射波検出素子の歩留りが大幅に
向上した。また、酸化シリコンと酸化アルミニウムとか
らなる多層薄膜は膜が緻密で，かつ引っぱり強度が大き
いので,1μｍ程度以下にウェッブを薄膜化できたこと。

（３） ガラス基板と多層薄膜とのエッチング選択法が
秀れていること。

（４） フォトエッチング技術等の微細加工技術によっ
て大量生産ができること等により，安価で高感度型の輻
射波検出素子を実現することができた。

よって，各種の光パワーを高精度に，かつ安価な方法に
より計測できるので，産業上の利用効果は顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は，本発明による高感度型の輻射検
出素子の一実施例を示す図で，第１図はその平面図を，
第２図は第１図の線Ｘ−Ｘ′における断面図である。 第３図はイオンプレーテングシステムの模式図を示す。 図において,1は絶縁性基板,2は絶縁性薄膜,3は金属抵抗
体薄膜,4はアモルファス薄膜,5は金属抵抗体薄膜３とア
モルファス薄膜４との接合部,6は電極,7はオーミック電
極,8は輻射波吸収膜,9は輻射波検出素子,10は高真空ベ
ルジャー,11はルツボ,12は電子ビーム光源,13は高周波
コイル,14はガス供給口,15は排気システム,16は基板ホ
ルダーをそれぞれ示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】逆凹部構造のフレームを形成する絶縁性基
   板（１）と，該逆凹部構造の底部を形成する，イオンプ
   レーテング法を用いて形成した酸化シリコンと酸化アル
   ミニウムとからなる多層薄膜でなる絶縁性薄膜（２）
   と，該絶縁性薄膜上に設けられた金属抵抗体薄膜（３）
   とアモルファス薄膜（４）とからなる熱電対と，該金属
   抵抗体薄膜の一方と該アモルファス薄膜の一方との接合
   部上に設けられた輻射波吸収膜（８）とからなる輻射波
   検出素子。
2. 【請求項２】前記熱電対は，前記接合部を介し隔離して
   前記金属抵抗体薄膜の他方上と前記アモルファス薄膜の
   他方上に設けられた電極（６）とオーミック電極（７）
   とを有することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の輻射波検出素子。
3. 【請求項３】絶縁性基板を洗浄して乾燥したのち，イオ
   ンプレーテング法を用いて酸化シリコンと酸化アルミニ
   ウムとを順次，交互に堆積して所定の厚さの多層薄膜と
   する第１の堆積工程と， 該多層薄膜上にプラズマCVD法あるいは光CVD法を用いて
   アモルファス薄膜を堆積する第２の堆積工程と， 該アモルファス薄膜上にフォトエッチング技術を用いて
   所望のパターンを形成したのち，金属抵抗体薄膜と電極
   用金属薄膜とを順次，堆積する第３の堆積工程とからな
   る輻射波検出素子の製法。