JP4848826B2 - Infrared sensor - Google Patents
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Description
本発明は、赤外線センサに関するものである。 The present invention relates to an infrared sensor.
従来から、熱型の赤外線センサとして、温度検知部がベース基板の一表面から離間して配置され、温度検知部が当該温度検知部とベース基板とを熱絶縁する断熱部を介してベース基板に支持された赤外線センサが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as a thermal infrared sensor, a temperature detection unit is arranged away from one surface of a base substrate, and the temperature detection unit is attached to the base substrate via a heat insulating unit that thermally insulates the temperature detection unit and the base substrate. A supported infrared sensor has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
上記特許文献1に開示された赤外線センサでは、断熱部が、ベース基板の上記一表面から離間して配置されベース基板側とは反対側に温度検知部が積層される支持部と、支持部の側縁から延長された2つの脚部とで構成されており、支持部とベース基板の上記一表面との間に間隙が形成され、温度検知部に接続された金属配線が各脚部それぞれに沿って形成されている。ここにおいて、上記特許文献1に開示された赤外線センサでは、断熱部が、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜をパターニングすることにより形成されている。また、上記特許文献1に開示された赤外線センサでは、赤外線を吸収する赤外線吸収層が温度検知部に積層されている。
In the infrared sensor disclosed in
なお、上記特許文献1には、赤外線吸収層と温度検知部とを備えたセンサ部を2次元アレイ状(マトリクス状)に配列し各センサ部が画素を構成するようにした赤外線センサ(赤外線画像センサ)も開示されている。
ところで、上記特許文献1に開示された赤外線センサでは、感度や応答速度などの性能の向上が期待されており、赤外線吸収による温度検知部の温度変化を大きくすることで高感度化を図るために、断熱部における各脚部の全長を長くして各脚部の熱コンダクタンスを小さくする(熱抵抗を大きくする)ことや、赤外線吸収層の厚さ寸法を大きくすることで赤外線の吸収効率を高めることが考えられる。
By the way, in the infrared sensor disclosed in the above-mentioned
しかしながら、上記特許文献1に開示された赤外線センサでは、温度検知部のサイズを変更することなしに各脚部の全長を長くするように設計すると、センサ全体のサイズが大きくなってしまうとともに、各脚部の熱容量が大きくなって応答速度が低下してしまい、一方、赤外線吸収層の厚さ寸法を大きくすると赤外線吸収層の熱容量が大きくなって応答速度が低下してしまう。また、上記特許文献1に開示された赤外線センサでは、断熱部における支持部の熱容量を低減するために支持部の厚みを薄くすることが考えられるが、支持部の所望の機械的強度により支持部の厚みが制限されてしまう。
However, in the infrared sensor disclosed in
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、高性能化を図れる赤外線センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described reasons, and an object thereof is to provide an infrared sensor capable of achieving high performance.
請求項1の発明は、ベース基板と、赤外線を吸収するとともに該吸収による温度変化を検知する温度検知部と、温度検知部がベース基板の一表面から離間して配置されるように温度検知部を支持して温度検知部とベース基板とを熱絶縁する断熱部とを備え、断熱部は、ベース基板の前記一表面から離間して配置され温度検知部が設けられた支持部と、支持部とベース基板とを連結した脚部とを有し、温度検知部は、支持部におけるベース基板側とは反対側の面全体に、蛇行した形状で形成されてなり、支持部は、当該支持部の厚み方向に貫通する複数の空孔が、前記厚み方向に直交する面内全体で、均一に設けられ、温度検知部と各空孔とは、位置的に干渉していないことを特徴とする。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a base substrate, a temperature detection unit that absorbs infrared rays and detects a temperature change due to the absorption, and a temperature detection unit such that the temperature detection unit is disposed away from one surface of the base substrate. And a heat insulating part that thermally insulates the temperature detecting part and the base substrate, the heat insulating part being spaced apart from the one surface of the base substrate and provided with a temperature detecting part, and a supporting part And a leg portion connecting the base substrate and the temperature detection portion is formed in a meandering shape on the entire surface of the support portion opposite to the base substrate side, and the support portion is the support portion. a plurality of holes penetrating in a thickness direction of, the entire plane perpendicular to the thickness direction, uniformly arranged, and the temperature detector and the holes, and characterized in that they are not interfering positionally To do.
この発明によれば、支持部に、当該支持部の厚み方向に貫通する複数の空孔が形成されているので、支持部の厚みを薄くすることなく支持部の熱容量を小さくできて、応答速度の高速化を図れる。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記支持部は、前記空孔が、前記温度検知部の前記蛇行した形状に沿って、前記面内全体で、均一に設けられてなることを特徴とする。
According to this invention, since the plurality of holes penetrating in the thickness direction of the support portion are formed in the support portion, the heat capacity of the support portion can be reduced without reducing the thickness of the support portion, and the response speed Speed up .
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the supporting portion is configured such that the holes are uniformly provided along the meandering shape of the temperature detecting portion throughout the entire surface. It is characterized by.
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記支持部は、仮想的な2次元格子の各格子点に対応する部位に前記空孔が設けられてなることを特徴とする。
The invention according to
この発明によれば、前記支持部の機械的強度の低下を防止しつつ前記支持部の断熱性を向上できる。 According to this invention, the heat insulation of the support part can be improved while preventing a decrease in the mechanical strength of the support part.
請求項4の発明は、請求項1ないし請求項3の発明において、前記支持部は、多孔質材料により形成されてなることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、前記支持部が非多孔質材料により形成されている場合に比べて、前記支持部の低熱容量化を図れ、応答速度のより一層の高速化を図れる。 According to this invention, compared with the case where the said support part is formed with a non-porous material, the heat capacity of the said support part can be reduced and the response speed can be further increased.
請求項5の発明は、請求項1ないし請求項4の発明において、前記脚部は、多孔質材料により形成されてなることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects of the present invention, the leg portion is formed of a porous material.
この発明によれば、前記脚部が非多孔質材料により形成されている場合に比べて、前記脚部の熱コンダクタンスを小さくできて高感度化を図れるとともに前記脚部の熱容量を小さくできて応答速度の高速化を図れる。 According to the present invention, compared with the case where the leg is made of a non-porous material, the thermal conductance of the leg can be reduced, the sensitivity can be improved, and the heat capacity of the leg can be reduced, thereby responding. The speed can be increased.
請求項6の発明は、請求項4または請求項5の発明において、前記多孔質材料は、多孔質の酸化シリコン、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマー、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択される材料であることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、前記断熱部において前記多孔質材料により形成される部位の形成にあたっては、ゾルゲル溶液を前記ベース基板の前記一表面側に回転塗布してから、乾燥させるプロセスを採用することができ、前記断熱部を容易に形成することが可能となる。 According to this invention, in the formation of the portion formed of the porous material in the heat insulating portion, it is possible to employ a process in which a sol-gel solution is spin-coated on the one surface side of the base substrate and then dried. It is possible to easily form the heat insulating portion.
請求項1の発明は、高性能化を図れるという効果がある。
The invention of
以下、本実施形態の赤外線センサについて図1を参照しながら説明する。 Hereinafter, the infrared sensor of the present embodiment will be described with reference to FIG.
本実施形態の赤外線センサは、シリコン基板1aと当該シリコン基板1aの一表面側に形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁膜1bとで構成される矩形板状のベース基板1と、赤外線を吸収するとともに該吸収による温度変化を検知する温度検知部3と、温度検知部3がベース基板1の一表面(図1(b)における上面)から離間して配置されるように温度検知部3を支持して温度検知部3とベース基板1とを熱絶縁する断熱部4とを備えている。
The infrared sensor of this embodiment absorbs infrared rays, and a rectangular plate-
断熱部4は、ベース基板1の上記一表面から離間して配置されベース基板1側とは反対側に温度検知部3が形成される支持部41と、支持部41とベース基板1とを連結した2つの脚部42,42とを有している。なお、断熱部4については、後述する。
The
温度検知部3は、温度に応じて電気抵抗値が変化するボロメータ形のセンシングエレメントであり、支持部41側のチタン膜と当該チタン膜上の窒化チタン膜とからなるセンサ層で構成されている。ここで、窒化チタン膜は、チタン膜の酸化防止膜として設けてある。なお、センサ層の材料としては、チタンに限らず、例えば、アモルファスシリコン、酸化バナジウムなどを採用してもよい。また、温度検知部3は、温度に応じて電気抵抗値が変化するセンシングエレメントに限らず、温度に応じて誘電率が変化するセンシングエレメント、サーモパイル型のセンシングエレメント、焦電型のセンシングエレメントなどを採用してもよく、いずれのセンシングエレメントを採用した場合でも、材料を適宜選択することで一般的な薄膜形成技術を利用して形成することができる。ここにおいて、温度に応じて誘電率の変化するセンシングエレメントの材料としては、例えば、PZT、BSTなどを採用すればよい。
The
温度検知部3は、平面形状が蛇行した形状(ここでは、つづら折れ状の形状)に形成されており、両端部が断熱部4の脚部42,42に沿って延長された配線8,8を介してベース基板1の上記一表面上の金属膜(例えば、Al−Si膜など)からなる導体パターン10,10と電気的に接続されている。ここにおいて、本実施形態では、配線8,8の材料として、温度検知部3を構成するセンサ層と同じ材料を採用しており(ここでは、チタン膜と窒化チタン膜との積層膜)、配線8,8と温度検知部3とを同時に形成している。また、本実施形態では、各導体パターン10,10の材料としてAl−Siを採用しており、各導体パターン10,10それぞれの一部がパッドを構成しているので、一対のパッドを通して温度検知部3の出力を外部へ取り出すことができる。
The
また、本実施形態の赤外線センサでは、ベース基板1の上記一表面上に、温度検知部3および支持部41を透過した赤外線を温度検知部3側へ反射する赤外線反射膜6が設けられている。ここにおいて、本実施形態の赤外線センサは、検出対象の赤外線として人体から放射される8μm〜13μmの波長帯の赤外線を想定しており、赤外線反射膜6の材料としては、Al−Siを採用している。
Moreover, in the infrared sensor of this embodiment, the infrared
上述の断熱部4における脚部42,42は、ベース基板1の上記一表面側において導体パターン10,10上に立設された2つの円筒状の支持ポスト部42a,42aと、各支持ポスト部42a,42aそれぞれの上端部と支持部41とを連結した梁部42b,42bとで構成されており、支持部41とベース基板1との間に間隙7が形成されている。ここで、支持部41の外周形状が矩形状であって、各梁部42b,42bは、支持部41の一側縁の長手方向の一端部から当該一側縁に直交する方向に延長され更に当該一側縁の上記一端部から他端部に向う方向に沿って延長された平面形状に形成されており、支持部41の厚み方向に沿った中心軸に対して回転対称性を有するように配置されている。なお、上述の配線8,8のうち脚部42,42の梁部42b,42b上に形成された部位の線幅は、当該配線8,8を通した熱伝達を抑制するために梁部42b,42bの幅寸法よりも十分に小さく設定してある。また、配線8,8のうち支持ポスト部42a,42aに形成されている部位は、支持ポスト部42a,42aの内周面の全体と導体パターン10,10の表面とに跨って形成されており、支持ポスト部42a,42aが配線8,8により補強されている。
The
ところで、本実施形態の赤外線センサでは、断熱部4における支持部41に、当該支持部41の厚み方向(図1(b)における上下方向)に貫通する複数の円形状の空孔41bが形成されている。ここにおいて、支持部41は、複数の空孔41bが当該支持部41の厚み方向に直交する面内で2次元アレイ状に設けられている。具体的には、支持部41は、単位格子が正方形の仮想的な2次元正方格子の各格子点に対応する部位に空孔41bが設けられている。
By the way, in the infrared sensor of this embodiment, the
また、本実施形態の赤外線センサでは、断熱部4の脚部42,42および支持部41が多孔質材料により形成されている。ここで、断熱部4の脚部42,42および支持部41の多孔質材料として、多孔質の酸化シリコンの一種であるポーラスシリカを採用しているが、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマーの一種であるメチル含有ポリシロキサン、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの一種であるSi−H含有ポリシロキサン、シリカエアロゲルなどを採用してもよく、多孔質材料として、多孔質の酸化シリコン、多孔質の酸化シリコン系有機ポリマー、多孔質の酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択される材料を採用すれば、断熱部4の形成にあたっては、ゾルゲル溶液をベース基板1の上記一表面側に回転塗布してから、乾燥させるプロセスを採用することができ、断熱部4を容易に形成することが可能となる。
Moreover, in the infrared sensor of this embodiment, the
ここにおいて、本実施形態における脚部42,42は、多孔度が60%のポーラスシリカ膜(多孔質シリコン酸化膜)により構成してあるが、多孔度が小さ過ぎると十分な断熱効果が得られず多孔度が大き過ぎると機械的強度が弱くなって構造形成が困難となるので、ポーラスシリカ膜の多孔度は例えば40%〜80%程度の範囲内で適宜設定すればよい。
Here, the
ここで、2つの脚部42,42合計の熱コンダクタンスGは、脚部42の材料の熱伝導率をα〔W/(m・K)〕、脚部42の長さをL〔μm〕、脚部42の断面積をSとすれば、G=2×α×(S/L)で求められるが、仮に、脚部42の材料がSiO2の場合には、α=1.4〔W/(m・K)〕、L=50〔μm〕、S=10〔μm2〕とすれば、熱コンダクタンスGは、
G=2×α×(S/L)=560×10−9〔W/K〕となる。
Here, the total thermal conductance G of the two
G = 2 × α × (S / L) = 560 × 10 −9 [W / K].
これに対して、本実施形態のように、脚部42を多孔度が60%のポーラスシリカ膜により構成している場合には、α=0.05〔W/(m・K)〕、L=50〔μm〕、S=10〔μm2〕とすれば、熱コンダクタンスGは、
G=2×α×(S/L)=2.0×10−8〔W/K〕
となり、熱コンダクタンスGを脚部42がシリコン酸化膜により構成される比較例の熱コンダクタンスGの10分の1よりも小さな値とすることができ、脚部42,42を通した熱伝達をより抑制することができ、高感度化を図れる。
On the other hand, when the
G = 2 × α × (S / L) = 2.0 × 10 −8 [W / K]
Thus, the thermal conductance G can be set to a value smaller than one tenth of the thermal conductance G of the comparative example in which the
また、支持部41の熱容量Cは、支持部41の体積比熱をcv、支持部41の面積(厚み方向に直交する断面の面積)をA〔μm2〕、支持部41の厚さをd〔μm〕とすれば、C=cv×A×dで求められる。ここで、仮に、支持部41の材料がSiO2の場合には、cv=1.8×106〔J/(m3・K)〕、A=2500〔μm2〕、d=0.5〔μm〕とすれば、支持部41の熱容量Cは、
C=cv×A×d=22.6×10−10〔J/K〕となる。
Further, the heat capacity C of the
C = c v × A × d = 22.6 × 10 −10 [J / K].
これに対して、本実施形態のように、支持部41を多孔度が60%のポーラスシリカ膜により構成し、複数の空孔41bを設けていない場合には、cv=0.88×106〔J/(m3・K)〕、A=2500〔μm2〕、d=0.5〔μm〕とすれば、支持部41の熱容量Cは、
C=cv×A×d=11.0×10−10〔J/K〕
となり、支持部41の熱容量Cを支持部41がシリコン酸化膜により構成される比較例の場合に比べて半分よりも小さな値とすることができ、時定数が小さくなって応答速度の高速化を図れる。その上、本実施形態では、支持部41に複数の空孔41bを設けているので、複数の空孔41bを設けることによって支持部41の体積を各空孔41bが設けられていない場合に比べて5分の1だけ低減したとすると、支持部41の熱容量Cは、
C=0.8×(11.0×10−10)=8.8×10−10〔J/K〕
となり、支持部41の熱容量をさらに小さな値とすることができ、応答速度のより一層の高速化を図れる。
On the other hand, as in the present embodiment, when the
C = c v × A × d = 11.0 × 10 −10 [J / K]
Thus, the heat capacity C of the
C = 0.8 × (11.0 × 10 −10 ) = 8.8 × 10 −10 [J / K]
Thus, the heat capacity of the
以下、本実施形態の赤外線センサの製造方法について図2〜図3を参照しながら説明する。なお、図2〜図3では、図1(b)と同様に、図1(a)のA−A’断面に対応する部位の断面を示してある。 Hereinafter, the manufacturing method of the infrared sensor of this embodiment is demonstrated, referring FIGS. 2 to 3, similarly to FIG. 1B, a cross section of a portion corresponding to the A-A ′ cross section of FIG.
まず、ベース基板1の基礎となる単結晶のシリコン基板(後述のダイシングを行うまではウェハ)1aの一表面側にシリコン酸化膜からなる絶縁膜1bを例えば熱酸化法により形成することによって、図2(a)に示す構造を得る。
First, an insulating
その後、シリコン基板1aと絶縁膜1bとからなるベース基板1の一表面側(図2(a)における上面側)の全面に導体パターン10,10および赤外線反射膜6の材料からなる金属膜(例えば、Al−Si膜など)をスパッタ法などにより成膜した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記金属膜をパターニングすることでそれぞれ上記金属膜の一部からなる導体パターン10,10および赤外線反射膜6を形成することによって、図2(b)に示す構造を得る。
Thereafter, a metal film made of the material of the
次に、ベース基板1の上記一表面側の全面にレジストを回転塗布してレジスト層からなる犠牲層21を成膜し、その後、犠牲層21のうち各支持ポスト部42a,42aそれぞれの形成予定領域に対応する部位をエッチングして導体パターン10,10の一部の表面を露出させる円形状の開孔部23,23を形成することによって、図2(c)に示す構造を得る。
Next, a
続いて、ベース基板1の上記一表面側の全面に断熱部4の材料である多孔質材料(例えば、ポーラスシリカ、シリカエアロゲルなど)からなる多孔質膜40を成膜することによって、図2(d)に示す構造を得る。ここにおいて、多孔質膜40の形成にあたっては、上記多孔質材料がポーラスシリカの場合には、ゾルゲル溶液をベース基板1の上記一表面側に回転塗布してから、熱処理で乾燥させるプロセスを採用することで容易に形成することができ、上記多孔質材料がシリカエアロゲルの場合には、ゾルゲル溶液をベース基板1の上記一表面側に回転塗布してから、超臨界乾燥処理で乾燥させるプロセスを採用することで容易に形成することができる。
Subsequently, a
上述の多孔質膜40を成膜した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して多孔質膜40をパターニングすることで断熱部4(支持部41および脚部42,42)を形成することによって、図3(a)に示す構造を得る。
After forming the
その後、ベース基板1の上記一表面側の全面に温度検知部3であるセンサ層および配線8,8の基礎となるチタン膜と窒化チタン膜との積層膜からなるセンサ材料層30をスパッタ法などにより成膜することによって、図3(b)に示す構造を得る。
Thereafter, the
次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してセンサ材料層30をパターニングすることでそれぞれセンサ材料層30の一部からなる温度検知部3および配線8,8を形成することによって、図3(c)に示す構造を得る。
Next, by patterning the
続いて、ベース基板1の上記一表面側の犠牲層21を選択的にエッチング除去することによって、図3(d)に示す構造の赤外線センサを得てから、ダイシングを行うことで個々の赤外線センサに分割すればよい。
Subsequently, by selectively etching away the
以上説明した本実施形態の赤外線センサでは、温度検知部3とベース基板1とを熱絶縁する断熱部4における支持部41に、当該支持部41の厚み方向に貫通する複数の空孔41bが形成されているので、支持部41の厚みを薄くすることなく支持部41の熱容量を小さくできて、応答速度の高速化を図れる。また、本実施形態の赤外線センサでは、支持部41において上述の複数の空孔41bが支持部41の厚み方向に直交する面内で2次元アレイ状に設けられているので、支持部41の機械的強度の低下を防止しつつ支持部41の断熱性を向上できる。
In the infrared sensor of the present embodiment described above, a plurality of
また、本実施形態の赤外線センサでは、支持部41が多孔質材料により形成されているので、支持部41がSiO2やSi3N4などの非多孔質材料により形成されている場合に比べて、支持部41の低熱容量化を図れ、応答速度のより一層の高速化を図れる。さらに、本実施形態の赤外線センサでは、断熱部4における脚部42も多孔質材料により形成されているので、脚部42がSiO2やSi3N4などの非多孔質材料により形成されている場合に比べて、脚部42の熱コンダクタンスを小さくできて高感度化を図れるとともに脚部42の熱容量を小さくできて応答速度の高速化を図れるから、従来に比べて高性能となる。
Further, in the infrared sensor of the present embodiment, since the
また、本実施形態の赤外線センサでは、ベース基板1の上記一表面側に、温度検知部3および支持部41を透過した赤外線を温度検知部3側へ反射する赤外線反射膜6が設けられているので、温度検知部3での赤外線の吸収効率を高めることができ、温度検知部3の高感度化を図れる。
Moreover, in the infrared sensor of this embodiment, the infrared
ところで、上述の実施形態で説明した支持部41は、シート状の多孔質シリカ膜に対して、単位格子が正方形の仮想的な2次元正方格子の各格子点に対応する各部位に円形状の空孔41bを設けることにより形成されているが、単位格子は正方形に限らず、例えば正三角形でもよく、この場合には単位格子が正三角形の仮想的な2次元三角格子の各格子点に対応する部位に空孔41bを設ければよい。また、支持部41に形成する空孔41bの開口形状(平面視形状)は円形状の形状に限定するものではなく、例えば三角形状や矩形状や正六角形状など別の開口形状でもよい。例えば、空孔41bの開口形状を正六角形状とした場合には、空孔41bの開口形状を円形状とする場合に比べて空孔41bの配置密度を高めることが可能となり、図4に示すように空孔41bをハニカム状に配置することで支持部41の体積をより一層低減できて支持部41の低熱容量化を図れる。
By the way, the
なお、上記実施形態にて説明した赤外線センサは、温度検知部3を1つだけ設けた赤外線検出素子であるが、温度検知部3を2次元アレイ状(マトリクス状)に配列し各温度検知部が画素を構成するようにした赤外線画像センサでもよい。また、上記実施形態にて説明した赤外線センサは、支持部41におけるベース基板1側とは反対側に温度検知部3を設けてあるが、温度検知部3は支持部41におけるベース基板1側に設けてもよい。
The infrared sensor described in the above embodiment is an infrared detection element provided with only one
1 ベース基板
1a シリコン基板
1b 絶縁膜
3 温度検知部
4 断熱部
6 赤外線反射膜
7 間隙
8 配線
10 導体パターン
41 支持部
41b 空孔
42 脚部
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