JP2000340848A

JP2000340848A - サーモパイル型赤外線センサ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2000340848A
Application number: JP2000078021A
Authority: JP
Inventors: Haruyuki Endo; 治之遠藤; Takeshi Fuse; 武士布施; Tadashi Matsudate; 直史松舘; Yasutaka Tanaka; 靖崇田中; Shunichi Okada; 俊一岡田
Original assignee: Ishizuka Electronics Corp
Current assignee: Ishizuka Electronics Corp
Priority date: 1999-03-24
Filing date: 2000-03-21
Publication date: 2000-12-08
Anticipated expiration: 2020-03-21
Also published as: JP4511676B2

Abstract

(57)【要約】【課題】出力電圧−ジョンソンノイズのＳ／Ｎ比が向
上し、平坦で強固なメンブレン構造で形成され、赤外線
吸収特性や製造時の歩留りが改善された安価なサーモパ
イル型赤外線センサ及びその製造方法を提供することを
目的とするものである。【解決手段】単結晶シリコン基板１の空洞部を覆う絶
縁膜２ａ上に、チップ中心近傍の同心円上とその外側の
複数の同心円上の位置からチップ周縁方向に放射状に延
在させたｎ型多結晶シリコン層３₁〜３₃が互いに噛み
合うように配置され、これら多結晶シリコン層と絶縁膜
２ａとを覆う絶縁膜４に形成した開口部１５を介して多
結晶シリコン層３₁〜３₃と接触する金属薄膜層７₁〜
７₃が設けて、多結晶シリコン層と金属薄膜層との接触
による温接点部Ｔａと冷接点部Ｔｂとを形成して、絶縁
膜２ａ上に直列接続した熱電素子列を形成したサーモパ
イル型赤外線センサである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、サーモパイル型赤
外線センサ及びその製造方法に関し、詳しくはセンサの
熱電対パターン構造を改善することによりＳ／Ｎ比の向
上を図ったサーモパイル型赤外線センサ、及びその製造
時の歩留まりを改善したサーモパイル型赤外線センサの
製造方法に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、熱型赤外線センサの熱平衡式
は、次のように表すことができる。

【０００３】

【数１】Ｃ・δＴ／ｄｔ＋Ｇ・δＴ＝Ｗ ……（１）

【０００４】ここで、Ｃは熱容量、δＴは受光部温度変
化、Ｇは受光部と周囲との熱コンダクタンス、Ｗは受光
パワーである。受光パワーＷが、Ｗ＝Ｗ₀ｅｘｐ（ｊω
ｔ）で変化するとき、δＴは下記のように表される。

【０００５】

【数２】｜δＴ｜＝Ｗ₀／Ｇ（１＋τ²ω²）^1/2 ……（２）ここで、熱時定数τは次のように表される。 τ≡Ｃ／Ｇ ……（３）

【０００６】上記式から熱型赤外線センサの応答性を大
(熱時定数τを小)にするには、熱容量Ｃを小さくし、熱
コンダクタンスＧを大きくする必要がある。しかし、Ｇ
を大きくすると同一受光パワーに対して受光部温度変化
δＴが小さくなり、感度が低下する。従って、熱型赤外
線センサの感度や応答性の向上を図るには、Ｇを小さく
し、更にＣを小さくする必要がある。このような観点か
ら、サーモパイル型赤外線センサの感度及び応答性は、
温接点が配置された感熱部を数ミクロンの厚さからなる
メンブレン構造とし、その熱容量Ｃ及び基板との熱コン
ダクタンスＧを小さくなるようにして、その熱的特性の
向上を達成するようにしている。

【０００７】また、サーモパイル等の熱電素子の性能指
数Ｚは、次式で表すことができる。

【０００８】

【数３】Ｚ＝α²・σ／λ∝ｍ^*3/2（μ／λ_L）……（４）但し、α ：ゼーベック係数、σ：導電率、λ：熱伝導
率ｍ^*：電子又は正孔の有効質量、μ：キャリアの移動度 λ_L：格子熱伝導率

【０００９】すなわち、熱電素子の電気的性能を向上さ
せるには、上式からゼーベック係数αを大きく、導電率
σを大きく、そして熱伝導率λを小さくする必要がある
ことが分かる。従って、熱電材料としては、金属に比較
し性能指数Ｚの大きい半導体材料が用いられる。

【００１０】一方、熱電材料としてのｎ型シリコンのゼ
ーベック係数αは、以下のように表される。

【００１１】

【数４】 α＝（Ｖ_F／Ｔ＋２ｋ／ｑ） ……（５）但し、Ｖ_F：伝導帯の底とフェルミ準位の間のエネルギ
ー差、Ｔ：絶対温度、ｋ：ボルツマン定数、ｑ：電子
の電荷

【００１２】また、Ｖ_Fと導電率σの関係は、以下のよ
うに表される。

【００１３】

【数５】σ＝ｑ・ｎ・μ ……（６）但し、ｎ：キャリア数、μ：キャリアの移動度

【００１４】

【数６】ｎ＝Ｎｃ／［ｅｘｐ（Ｖ_F／ｋＴ）］ ……（７）但し、Ｎｃ：伝導帯の実効状態密度（参考文献，半導体デバイス、Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ著参照）

【００１５】従って、導電率σは、以下のように表され
る。

【００１６】

【数７】 σ＝ｑ・Ｎｃ・μ／ｅｘｐ（Ｖ_F／ｋＴ） …（８）

【００１７】上式よりゼーベック係数αを大きくするた
めのに、Ｖ_Fを大きくしようとするとキャリア数が減少
し、σが小さくなるというトレードオフの関係があるこ
とが分かる。また、単結晶シリコンのλは、シリコン原
子が共有結合しているため、格子熱伝導率が非常に大き
く支配的であるが、多結晶シリコンのように結晶性が悪
くなると格子熱伝導率は小さくなる。そして、μも小さ
くなるためにσが低下するというトレードオフ関係にあ
る。従って、熱電材料の性能パラメータとしては、不純
物密度、結晶性、熱電素子サイズ、熱電対数等が挙げら
れ、それらのパラメータの最適設計を行う必要がある。

【００１８】従来例１としては、単結晶シリコン基板上
に半導体微細加工技術を用いて、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ薄膜
を積層し、熱電材料としてｐ型多結晶シリコン−Ａｕ／
Ｃｒやｎ型多結晶シリコン−Ａｕ／Ｃｒの組み合わせを
用いて、最後に基板をＥＤＰ（Ethylene Diamine Pyr
ocatechol）により異方性エッチすることにより空洞部
を設け、感熱部を薄膜架橋構造にすることにより高感度
化を図ったサーモパイルが記載されている。（文献：
「A Silicon-Thermopile-Based Infrared Sensing Arra
y for Use in Automated Manufacturing」（IEEE Tran
s. Electron Devicesvil.ED-３３ｎo.１,pp7２-79,198
6 参照）

【００１９】また、図２１は、特開平３−１９１８３４
号公報に開示された高感度化を図ったサーモパイルが開
示されている。この従来例２のサーモパイルは、単結晶
シリコン基板２０に、エピタキシャル層２１を設け、エ
ピタキシャル層２１内にｐ型拡散層２２による熱電対材
料を形成し、さらに絶縁物２３を挟んでその上にｎ型の
多結晶シリコン層２４からなる熱電対材料を形成し、ア
ルミニウム層２５により多結晶シリコン層２４と接続す
ることによって、単結晶シリコン−アルミニウム−多結
晶シリコンからなる多層のサーモパイル構造が開示され
ている。熱電材料を多層に構成することによって、単位
面積当たりの熱電対数を増加させて高出力化と、チップ
サイズの小型化をはかったものである。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
サーモパイルは、以下に説明するような問題があった。
従来例１のサーモパイルでは、単結晶シリコン基板上に
ＳｉＯ₂、ＳｉＮ薄膜を積層し、熱電材料としてＡｕ／
Ｃｒとゼーベック係数が大きい多結晶シリコンを用いた
ものである。しかし、Ａｕは、熱伝導率が高いために、
吸収された熱の散逸が大きく、受光部の温度上昇割合が
十分ではない。すなわち、温度上昇値が高くとれない欠
点がある。

【００２１】さらに、熱電材料として、ｐ型多結晶シリ
コンを用いている。しかし、ｐ型多結晶シリコンの多数
キャリアである正孔は、移動度が小さいために、抵抗率
が高い。従って、出力電圧とジョンソンノイズのＳ／Ｎ
比が低くなるため、非接触温度計のセンサとして用いた
とき精度が悪い欠点があった。また、熱電材料である多
結晶シリコン層のパターンが、薄膜架橋部全体に分布
し、均一に配置（レイアウト）されていないため、異方
性エッチ時にメンブレンに反りやクラックが入りやすく
歩留りが低下するという問題点があった。

【００２２】一方、従来例２のサーモパイルでは、上記
の問題を解決し、かつ高感度化を図ったものである。熱
電材料に単結晶シリコンと多結晶シリコンを用いて、各
々をｐ型とｎ型とにし、起電力の極性を反対にすること
によって高出力化を図っている。しかしながら、このサ
ーモパイルでは、熱電材料の片方に単結晶シリコン基板
の表面に拡散したｐ型拡散層を用いているため、その層
を含む厚み５μｍ以上からなるエピタキシャル層と単結
晶シリコン層を残す必要があった。

【００２３】単結晶シリコンは、不純物濃度を制御する
ことによって、ゼーベック係数を大きくすることがで
き、また熱伝導率も他の材料に比べて高い特徴を有す
る。従って、厚み１０μｍ程度に薄くしても吸収膜から
なる感温部内の温接点部と基板上に形成された冷接点部
の熱絶縁が悪く、単位赤外線入射パワーあたりの感温部
の温度上昇は低くなり、結果的に出力電圧が低くなると
いう問題があった。

【００２４】さらに、熱電材料にｐ型とｎ型多結晶シリ
コンを使用して見かけ上、起電力を増加させても、前述
したようにｐ型多結晶シリコン層の多数キャリアである
正孔は、電子に比較し移動度が小さいため抵抗率が高
く、ｎ型シリコンに比較し出力電圧とジョンソンノイズ
とのＳ／Ｎ比が低く、前例と同様に非接触温度計のセン
サとして用いたとき精度が低くなる欠点があった。

【００２５】さらに、多結晶シリコンのパターンレイア
ウトが薄膜メンブレン部全体にレイアウトしていないた
め、異方性エッチ時の応力集中によってクラックが入り
やすく、歩留りが低くなるという問題点や、不純物は、
濃度の最適化が開示されてなく、サーモパイルセンサと
してのＳ／Ｎ比が高く取れないという問題点があった。

【００２６】本発明は、上述のような課題に鑑みなされ
たものであり、出力電圧−ジョンソンノイズのＳ／Ｎ比
が向上し、平坦で強固なメンブレン構造で形成され、赤
外線吸収特性や製造時の歩留りが改善された安価なサー
モパイル型赤外線センサ及びその製造方法を提供するこ
とを目的とするものである。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するためになされ、請求項１の発明は、空洞部を有
する単結晶シリコン基板に熱電素子を形成したサーモパ
イル型赤外線センサに於いて、前記空洞部を覆う第１の
絶縁膜上に、チップ中心近傍から放射状に延在した複数
のｎ型多結晶シリコン層を配置し、前記ｎ型多結晶シリ
コン層と金属薄膜層との接触によって、チップ中心側に
温接点部を、その周縁側に冷接点部をそれぞれ形成し、
隣接する前記ｎ型多結晶シリコン層同志の温接点部と冷
接点部とを前記金属薄膜層で交互に接続して、前記第１
の絶縁膜上に直列接続した熱電素子列を少なくとも一つ
形成したことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサ
である。

【００２８】また、請求項２の発明は、空洞部を有する
単結晶シリコン基板に熱電素子を形成したサーモパイル
型赤外線センサに於いて、前記空洞部を覆う第１の絶縁
膜上に、チップ中心近傍から放射状に延在した複数のｎ
型多結晶シリコン層を配置し、前記ｎ型多結晶シリコン
層と金属薄膜層との接触によって、チップ中心側に温接
点部を、その周縁側に冷接点部をそれぞれ形成し、隣接
する前記ｎ型多結晶シリコン層同志の温接点部と冷接点
部とを前記金属薄膜層で交互に接続して、前記第１の絶
縁膜上に直列接続した熱電素子列を少なくとも一つ形成
し、かつ前記熱電素子列上に絶縁膜を介して赤外線吸収
膜を形成したことを特徴とするサーモパイル型赤外線セ
ンサである。

【００２９】請求項１又は２の発明では、チップ中心近
傍から放射状にサーモパイル素子を形成し、絶縁膜上に
均一に分布させるようにし、熱ストレスに強い素子とす
るとともに、絶縁膜上に多くの素子を形成して、直列接
続された熱電素子列を形成することによって、Ｓ／Ｎ比
が改善され、検出効率を高めることができる。このよう
に絶縁膜上に放射状に熱電素子を形成することで、一面
に多くの熱電素子を形成することができるので、検出効
率を高めることができる。また、請求項２の発明では、
赤外線吸収膜を形成することで、さらに赤外線の検出効
率を高めている。

【００３０】また、請求項３の発明は、空洞部を有する
単結晶シリコン基板に熱電素子を形成したサーモパイル
型赤外線センサに於いて、前記空洞部を覆う第１の絶縁
膜上に、チップ中心近傍の円周上とその外側の複数の同
心円上の位置からチップ周縁方向に放射状に延在した複
数のｎ型多結晶シリコン層が互いに噛み合うように配置
され、前記ｎ型多結晶シリコン層と前記第１の絶縁膜と
を覆う第２の絶縁膜に開口部を設け、前記開口部を介し
て前記ｎ型多結晶シリコン層と金属薄膜層との接触によ
って、チップ中心側に温接点部を、その周縁側に冷接点
をそれぞれ形成し、前記温接点部と隣接する前記ｎ型多
結晶シリコン層の冷接点部とを前記金属薄膜層で交互に
接続して、前記第１の絶縁膜上に直列接続した熱電素子
列を形成し、かつ前記熱電素子列上に絶縁膜を介して赤
外線吸収膜を形成したことを特徴とするサーモパイル型
赤外線センサである。

【００３１】また、請求項４の発明は、空洞部を有する
単結晶シリコン基板に熱電素子を形成したサーモパイル
型赤外線センサに於いて、前記単結晶シリコン基板に設
けられた空洞部を覆う第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁
膜上に、チップ中心近傍の円周上とその外側の複数の同
心円上の位置からチップ周縁方向に放射状に延在して、
互いに噛み合うように配置された複数のｎ型多結晶シリ
コン層と、前記ｎ型多結晶シリコン層と前記第１の絶縁
膜上に形成した第２の絶縁膜と、複数のｎ型多結晶シリ
コン層のチップ中心側と周縁側とにそれぞれ温接点部と
冷接点部とを形成するために、前記第２の絶縁膜に形成
した開口部と、前記開口部を介して前記ｎ型多結晶シリ
コン層と接触させて前記温接点部と冷接点部とを形成す
るための金属薄膜層と、前記金属薄膜層によって前記温
接点部と冷接点部とを交互に接続して形成した熱電素子
列と、前記第２の絶縁膜上と前記金属薄膜層上に形成し
た第３の絶縁膜と、前記温接点部を覆うように前記第３
の絶縁膜上に形成される赤外線吸収膜と、前記直列接続
した熱電素子列の終端部に形成される電極パッド部と、
を設けたことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサ
である。

【００３２】請求項３又は４の発明では、ｐ型シリコン
の多数キャリアである正孔に比較し移動度の高い電子を
多数キャリアに持つｎ型多結晶シリコン層を熱電材料と
して用い、不純物濃度と多結晶シリコン膜形成時の成膜
温度を制御し結晶性を制御することによって、格子熱伝
導率を小さくし、ゼーベック係数αと導電率σを最適化
させたものであり、熱電材料をｎ型多結晶シリコン層で
構成したので、ｐ型に比較しキャリアとなる電子の移動
度が大きく、同じゼーベック係数でも抵抗率が低いため
に、従来と比較し出力電圧−ジョンソンノイズのＳ／Ｎ
比の向上がはかれる。また、ｎ型多結晶シリコン膜のパ
ターンレイアウトを放射状のストライプパターンとして
メンブレン部全体に配置し、さらに温接点部を放射状の
ストライプパターンの３つの同心円上部分に設けた構造
にすることで、多結晶シリコン層に起因するメンブレン
部内の応力を分散・緩和して、メンブレン部に発生する
クラックや反りを減少させて異方性エッチ時の歩留りを
改善することができる。また、各熱電素子を構成する多
結晶シリコン層の抵抗を低くできるとともに、入射赤外
線によるメンブレン上の高温度になる部分が、中心付近
では円形に分布しており、出力電圧を効率よく取り出せ
るので、Ｓ／Ｎ比の優れた赤外線センサが得られる。

【００３３】また、請求項５の発明は、空洞部を有する
単結晶シリコン基板に熱電素子を形成したサーモパイル
型赤外線センサに於いて、前記空洞部を覆う第１の絶縁
膜上に、チップ中心近傍の円周上とその外側の複数の同
心円上の位置からチップ周縁方向に放射状に延在した複
数のｎ型多結晶シリコン層が互いに噛み合うように配置
され、前記ｎ型多結晶シリコン層と金属薄膜層との接触
によって、チップ中心側に温接点部を、その周縁側に冷
接点部を形成し、前記温接点部から導出された前記金属
薄膜層を前記第１の絶縁膜上に這わせて隣接するｎ型多
結晶シリコン層の前記冷接点部に接続させて、前記第１
の絶縁膜上に直列接続した熱電素子列を形成し、かつ前
記熱電素子列を覆う第２の絶縁膜上に赤外線吸収膜を形
成したことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサで
ある。

【００３４】この発明では、温接点部と冷接点部とを接
続する金属薄膜層を、前記第１の絶縁膜上に形成するこ
とによって、前記第２の絶縁膜と、前記絶縁膜に形成さ
れる開口部を必要としないために、工数の削減が可能で
ある。

【００３５】また、請求項６の発明は、空洞部を有する
単結晶シリコン基板に熱電素子を形成したサーモパイル
型赤外線センサに於いて、前記空洞部を覆う第１の絶縁
膜上に、チップ中心近傍の円周上とその外側の複数の同
心円上の位置からチップ周縁方向に放射状に延在した複
数の第１のｎ型多結晶シリコン層が互いに噛み合うよう
に配置され、前記第１のｎ型多結晶シリコン層と前記第
１の絶縁膜とを覆う第２の絶縁膜を形成し、前記第２の
絶縁膜上に、前記第１のｎ型多結晶シリコン層と同じパ
ターン形状を有し、前記第１のｎ型多結晶シリコン層の
パターンに対して円周方向に半ピッチずらしたパターン
からなる複数の第２のｎ型多結晶シリコン層を形成し、
前記第２のｎ型多結晶シリコン層上を覆う第３の絶縁膜
を形成して、前記第１と第２のｎ型多結晶シリコン層上
の前記第２と第３の絶縁膜に開口部を設け、前記開口部
を介して金属薄膜との接触によって前記第１と第２のｎ
型多結晶シリコン層のチップ中心側に温接点部を、その
周縁側に冷接点部をそれぞれ形成するとともに、前記温
接点部と隣接するｎ型多結晶シリコン層の冷接点部とを
前記金属薄膜層で交互に接続して、直列接続した熱電素
子列を形成し、かつ前記熱電素子列上に絶縁膜を介して
赤外線吸収膜を形成したことを特徴とするサーモパイル
型赤外線センサ。

【００３６】この発明では、１層構造の場合と同数のｎ
型多結晶シリコン層のパターンレイアウトを２層構造に
することによって、ｎ型多結晶シリコン層の面積を広く
することができるので、多結晶シリコン層の抵抗を低く
することができる。その結果、Ｓ／Ｎ比を向上させるこ
とができる。

【００３７】また、請求項７の発明は、前記単結晶シリ
コン基板の面方位が、（１００）面であることを特徴と
する請求項１〜６の何れかに記載のサーモパイル型赤外
線センサであり、この発明では、単結晶シリコン基板の
面方位が、（１００）面であるので、異方性エッチング
による空洞部の形成に有効である。

【００３８】また、請求項８の発明は、チップ中心から
放射状に配置された前記ｎ型多結晶シリコン層が、チッ
プ周縁方向に広がった扇型パターンの組合せであること
を特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のサーモパイ
ル型赤外線センサであり、この発明では、メンブレン部
の面積を効率よく使用するために、円形平面に、互いに
噛み合うようにｎ型多結晶シリコン膜のパターンの幅を
広くとれるので、温接点部と冷接点部間のｎ型多結晶シ
リコン膜の抵抗を低くできる。従って、サーモパイル素
子の出力電圧−ジョンソンノイズ（Ｓ／Ｎ）比を高くす
ることができる。また、メンブレンの全面にｎ型多結晶
シリコン膜が形成されるので、ストレス等に強い構造と
することができる。

【００３９】また、請求項９の発明は、前記温接点部
が、チップ中心から半径ｒ１〜ｒ３の同心円上に配置さ
れ、かつｒ１＜ｒ２＜ｒ３の関係であることを特徴とす
る請求項１〜８の何れかに記載のサーモパイル型赤外線
センサである。

【００４０】この発明では、熱電素子の温接点部を同心
円に配置することによって、各熱電素子を構成する多結
晶シリコン層の抵抗を低くできるとともに、入射赤外線
によるメンブレン上の高温度になる部分が、中心部付近
では円形に分布しているために、出力電圧を効率よく取
り出せるので、Ｓ／Ｎ比の優れた赤外線センサが得られ
る。

【００４１】また、請求項１０の発明は、前記熱電素子
列上に設けられる赤外線吸収膜が、硼珪酸系ガラス、ポ
リイミド系樹脂、ビニル系樹脂又はアクリル系樹脂の一
種からなることを特徴とする請求項２〜９の何れかに記
載のサーモパイル型赤外線センサである。

【００４２】この発明では、例えば硼珪酸系ガラスから
なるガラス絶縁膜をアニールして一度溶融させることに
よりピンホールを減少させることができ、しかも硼珪酸
系ガラスであるので、赤外線が吸収される波長領域を拡
大することができる。また、樹脂の場合、顔料やカーボ
ン粉末を添加することによって、赤外線吸収率や吸収さ
れる波長域が拡大できるので、赤外線センサの感度を向
上させることができる。

【００４３】また、請求項１１の発明は、前記熱電素子
列を覆う絶縁膜が、ＰＳＧとＳｉＮとの２層の絶縁膜で
あることを特徴とする請求項１〜１０の何れかに記載の
サーモパイル型赤外線センサであり、この発明では、メ
ンブレン部のストレスを緩和することができる。

【００４４】また、請求項１２の発明は、前記第１の絶
縁膜が、ＳｉＯ₂とＳｉＮとの２層、又はＳｉＮをＳｉ
Ｏ₂で挟んだ３層構造からなることを特徴とする請求項
１〜１１の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサ
であり、この発明では、ＳｉＯ₂とＳｉＮを適宜に組み
合わせることによって、メンブレン部のストレスの緩和
がされるとともに、空洞部形成時のエッチストップ層と
して使用できる。

【００４５】また、請求項１３の発明は、前記ｎ型多結
晶シリコン層の周縁部が、温接点部、冷接点部を形成す
る部分を除いて、階段状に形成されていることを特徴と
する請求項１〜１２の何れかに記載のサーモパイル型赤
外線センサである。この発明では、ｎ型多結晶シリコン
膜のパターンエッジ形状を階段状にすることによって、
ステップカバレッジの問題が解決し、多結晶シリコン膜
と電気的に接触する金属薄膜層の膜厚を薄くすることが
可能となる。それによって金属薄膜層の応力が低減され
るため、平坦なメンブレンの製造が容易になり、歩留ま
りが向上する。

【００４６】また、請求項１４の発明は、前記ｎ型多結
晶シリコン層の周縁断面がテーパ状であることを特徴と
する請求項１〜１３の何れかに記載のサーモパイル型赤
外線センサである。

【００４７】この発明では、ｎ型多結晶シリコン層のパ
ターンエッジ形状をテーパ状にすることによって、ステ
ップカバレッジの問題が解決できた結果、温接点部と冷
接点部間を接続する金属薄膜層の断線が無くなるととも
に金属薄膜層の膜厚を薄くできるので、金属薄膜層によ
って生じる応力を低減でき、平坦なメンブレン部の製造
が容易となり歩留まりが向上する。

【００４８】また、請求項１５の発明は、前記ｎ型多結
晶シリコン層の抵抗率が、１〜１０ｍΩ・ｃｍであるこ
とを特徴とする請求項１〜１４の何れかに記載のサーモ
パイル型赤外線センサである。

【００４９】この発明では、ｎ型多結晶シリコン膜の抵
抗率を１〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲にすることによって、
ゼーベック係数と電気抵抗値とのトレードオフの関係の
最適化をすることが可能となる。すなわち、ｎ型多結晶
シリコン層の抵抗率が１ｍΩ・ｃｍよりも小さい場合
は、ゼーベック係数が小さくなり実用となる出力電圧が
得られないし、１０ｍΩ・ｃｍ以上の場合は、ゼーベッ
ク係数は大きくなるがゼーベック係数の温度係数とジョ
ンソンノイズも大きくなってＳ／Ｎ比が低下する欠点が
あり、ｎ型多結晶シリコン膜の抵抗率は１〜１0 ｍΩ・
ｃｍの範囲が好適である。

【００５０】また、請求項１６の発明は、前記熱電素子
列を覆う絶縁膜が、ＳｉＯ₂，ＳｉＮ、ＳｉＮＯ、ＰＳ
Ｇ（リンガラス）、Ａｌ₂Ｏ₃、サイアロンの少なくと
も一種を含むことを特徴とする請求項１〜１５の何れか
に記載のサーモパイル型赤外線センサである。

【００５１】この発明では、パッシベーション膜として
成膜したＳｉＯ₂、ＳｉＮ又はＳｉＮＯを適宜組み合わ
せて用いることにより、気密性が高くかつメンブレン部
に加わる応力を緩和させ、平坦なメンブレン部を作製す
ることができる。さらに、ＰＳＧ（リンガラス）、Ａｌ
₂Ｏ₃、サイアロンの少なくとも一種を用い、さらに硼
珪酸系ガラスを形成することで、メンブレン部に加わる
応力を緩和させることができる。

【００５２】また、請求項１７の発明は、前記金属薄膜
が、Ａｌ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，ＮｉＣｒの少なくと
も一種からなることを特徴とする請求項１〜１６の何れ
かに記載のサーモパイル型赤外線センサである。

【００５３】この発明では、ｎ型多結晶シリコン層と接
触させて配線する金属薄膜層の材料として、下地絶縁層
のＳｉＯ₂との密着性が良くかつ熱伝導率が小さい、Ａ
ｌ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ及びこれらの合金，又はＮｉ
Ｃｒの内のどれか一種を使用することにより、量産性に
富みかつ感熱部からの熱の放散を小さく、感熱部の温度
上昇を高くとることが可能になる。

【００５４】また、請求項１８の発明は、前記赤外線吸
収膜の表面が凹凸を有する縞状パターンであることを特
徴とする請求項２〜１７の何れかに記載のサーモパイル
型赤外線センサである。この発明では、赤外線吸収膜の
凹凸を形成することで、赤外線の吸収率を低下させるこ
とによって吸収率を向上させるようにしたものである。

【００５５】また、請求項１９の発明は、請求項１〜１
８の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサにおい
て、前記サーモパイル型赤外線センサをパッケージに封
入して、前記パッケージのキャップ部分に形成した開口
部に赤外線を透過させるフィルタ材からなるウインドウ
材が設けられ、前記ウインドウ材が４角形または６角形
であり、前記開口部の形状と前記ウインドウ材の形状が
一致し、かつ前記開口部の各コーナ部に形成された切欠
部が前記４角形または６角形の各辺の交点より外側に形
成されていることを特徴とするサーモパイル型赤外線セ
ンサである。

【００５６】また、請求項２０の発明は、請求項１〜１
８の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサにおい
て、前記サーモパイル型赤外線センサをパッケージに封
入して、前記パッケージのキャップ部分に形成した開口
部に赤外線を透過させるフィルタ材からなるウインドウ
材が設けられ、前記ウインドウ材が４角形または６角形
であり、前記開口部の形状と前記ウインドウ材の形状が
一致し、かつ前記開口部の各コーナ部に形成された凹部
が形成され、前記凹部によって前記ウインド材を位置決
めし保存することを特徴とするサーモパイル型赤外線セ
ンサである。

【００５７】請求項１９、２０の発明では、パッケージ
のキャップに設けた開口部にウインドウ材の形状を一致
させて、ウインドウ材を開口部に嵌挿させて固着したも
のであり、ウインドウ材のコーナ部が嵌挿される開口部
に湾曲した切欠部を形成して、コーナ部が切欠部内に嵌
入するようにして、隙間を可能な限り小さくしたもので
ある。また、請求項２０の発明では、開口部裏面の四隅
に外側に突出する凹部を形成して、ウインドウ材を開口
部に嵌入させて、かつウインドウ材の四隅を凹部の底面
に当接させて、ウインドウ材とキャップとを接着するこ
とで、キャップをウインドウ材に強固に固着することが
できる。また、ウインドウ材とキャップの厚さ方向の位
置合わせが正確にできるので、ウインドウ材とキャップ
表面を面一とすることが可能できる。

【００５８】また、請求項２１の発明は、サーモパイル
型赤外線センサの製造方法に於いて、単結晶シリコン基
板の両面に熱酸化、ＣＶＤ又はスパッタリングにより第
１の絶縁膜を形成する第１の工程と、前記第１の絶縁膜
表面上にＣＶＤ又はスパッタリングにより多結晶シリコ
ン層を成膜する第２の工程と、前記多結晶シリコン層に
不純物を拡散することにより抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃ
ｍの範囲のｎ型多結晶シリコン層を形成する第３の工程
と、前記ｎ型多結晶シリコン層をパターニングして、チ
ップ中心から半径ｒ１の位置を起点として外側の半径ｒ
２間に形成される放射状の扇型パターンからストライプ
状に前記基板上まで延在するパターンと、さらにチップ
中心から半径ｒ２の位置を起点として外周方向に放射状
に前記基板上までストライプ状に延在するパターンと、
最も離れた半径ｒ３の位置を起点として外周方向に向け
て前記基板上までストライプ状に延在したパターンとか
らなる第１のパターンを形成する第４の工程と、前記第
１のパターンで形成された複数のｎ型多結晶シリコン層
及び第１の絶縁膜上にＣＶＤ、ガラス塗布又はスパッタ
リングにより第２の絶縁膜を形成する第５の工程と、温
接点部及び冷接点部の各々に対応した部分の前記第２の
絶縁膜に開口部を設ける第６の工程と、前記第６の工程
の後、スパッタリング又は蒸着により金属薄膜層を成膜
する第７の工程と、前記金属薄膜層をパターニングし
て、前記ｎ型多結晶シリコン層と前記金属薄膜層とを前
記開口部でオーミック接触させて、温接点部と冷接点部
とからなる各熱電素子を直列接続して、熱電素子列を形
成する第８の工程とを備え、前記金属薄膜層と前記第２
の絶縁膜上に第３の絶縁膜を形成し、かつチップ中央部
に赤外線吸収膜を形成して、最終工程に於いて、前記単
結晶シリコン基板の裏面の前記第１の絶縁膜に開口部を
設けて、エッチングによって前記基板の裏面に空洞部を
形成し、前記第１の絶縁膜を裏面から露出させる工程と
を備えたことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサ
の製造方法である。

【００５９】また、請求項２２の発明は、サーモパイル
型赤外線センサの製造方法に於いて、単結晶シリコン基
板の両面を熱酸化、ＣＶＤ又はスパッタリングにより第
１の絶縁膜を形成する第１の工程と、前記第１の絶縁膜
上にＣＶＤ又はスパッタリングにより多結晶シリコン層
を成膜する第２の工程と、前記多結晶シリコン層に不純
物を拡散することにより抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍの
範囲のｎ型多結晶シリコン層を形成する第３の工程と、
前記ｎ型多結晶シリコン層に、チップ中心から半径ｒ１
の位置を起点として外側の半径ｒ２間に形成された放射
状の扇型パターンからストライプ状に前記基板上まで延
在するパターンと、さらにチップ中心から半径ｒ２の位
置を起点として外周方向に放射状に前記基板上までスト
ライプ状に延在するパターンと、最も離れた半径ｒ３の
位置を起点として外周方向に向けて前記基板上までスト
ライプ状に延在したパターンとをパターニングして、前
記ｎ型多結晶シリコン層の一部をエッチングしてメサ状
にする第４の工程と、前記第４の工程で形成したメサ状
ｎ型多結晶シリコン層に相似した、より大きいパターン
によってパターニングして前記メサ状ｎ型多結晶シリコ
ン層の周縁部のｎ型多結晶シリコン層を残してエッチン
グして、テーパの付いた階段状ｎ型多結晶シリコン層を
形成する第５の工程と、前記第５の工程の後の前記階段
状ｎ型多結晶シリコン層上に第２の絶縁膜を形成し、温
接点部及び冷接点部の各々に対応した部分の前記第２の
絶縁膜に開口部を設ける第６の工程と、前記第６の工程
の後に、スパッタリング又は蒸着により金属薄膜層を成
膜する第７の工程と、前記金属薄膜層をパターニングし
て、前記階段状ｎ型多結晶シリコン層と前記金属薄膜層
とを前記開口部でオーミック接触させて、温接点部と冷
接点部とからなる各熱電素子を直列接続して、熱電素子
列を形成する第８の工程とを備え、前記第２の絶縁膜と
前記金属薄膜層上に第３の絶縁膜を形成し、前記第３の
絶縁膜上に赤外線吸収膜を形成する第９の工程と、前記
単結晶シリコン基板の裏面に空洞部を形成して、前記第
１の絶縁膜を裏面から露出させる第１０の工程とを含む
ことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサの製造方
法である。

【００６０】また、請求項２３の発明は、サーモパイル
型赤外線センサの製造方法に於いて、単結晶シリコン基
板の両面に第１の絶縁膜を形成する第１の工程と、前記
第１の絶縁膜上にＣＶＤ又はスパッタリングにより第１
の多結晶シリコン層を成膜する第２の工程と、チップ中
心から半径ｒ１の位置を起点として外側の半径ｒ２間に
形成された放射状の扇型パターンからストライプ状に前
記基板上まで延在するパターン、チップ中心から半径ｒ
２の位置を起点として外周方向に放射状に前記基板上ま
でストライプ状に延在するパターン、および最も離れた
半径ｒ３の位置を起点として外周方向に向けて前記基板
上までストライプ状に延在したパターンからなる第１の
パターンとなるように、前記第１の多結晶シリコン層を
パターニングした後、第２の多結晶シリコン層を堆積し
て、不純物を拡散し、抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍの範
囲の前記第１のパターンによる第１のｎ型多結晶シリコ
ン層と第２のｎ型多結晶シリコン層を形成する第３の工
程と、前記第３の工程の後、前記第２のｎ型多結晶シリ
コン層を前記第１のパターンに相似した、より大きな第
２のパターンでパターニングすることによって、前記第
２のパターンによるｎ型多結晶シリコン層の周縁をテー
パの付いた階段状に形成する第４の工程と、前記第４の
工程の後、前記第２のパターンによるｎ型多結晶シリコ
ン層上に第２の絶縁膜を形成し、温接点部と冷接点部の
各々に対応した部分の前記第２の絶縁膜に開口部を設け
る第５の工程と、前記第５の工程の後、スパッタリング
又は蒸着により金属薄膜層を成膜する第６の工程と、前
記金属薄膜層をパターニングして、前記ｎ型多結晶シリ
コン層と前記金属薄膜層とを前記開口部でオーミック接
触させて、温接点部と冷接点部とを接続して直列接続し
た熱電素子列を形成する第７の工程とを備え、前記第２
の絶縁膜と前記金属薄膜層上に第３の絶縁膜を形成した
後、前記第３の絶縁膜上に赤外線吸収膜を形成する第８
の工程と、前記単結晶シリコン基板の裏面に空洞部を形
成して、前記第１の絶縁膜を裏面から露出させる第９の
工程とを含むことを特徴とするサーモパイル型赤外線セ
ンサの製造方法である。

【００６１】また、請求項２４の発明は、サーモパイル
型赤外線センサの製造方法に於いて、単結晶シリコン基
板の両面に熱酸化、ＣＶＤ又はスパッタリングにより第
１の絶縁膜を形成する第１の工程と、前記第１の絶縁膜
表面上にＣＶＤ又はスパッタリングにより第１の多結晶
シリコン層を成膜する第２の工程と、前記第１の多結晶
シリコン層に不純物を拡散することにより抵抗率が１〜
１０ｍΩ・ｃｍの範囲の第１のｎ型多結晶シリコン層を
形成する第３の工程と、前記第１のｎ型多結晶シリコン
層をパターニングして、チップ中心から半径ｒ１の位置
を起点として外側の半径ｒ２間に形成される放射状の扇
型パターンからストライプ状に前記基板上まで延在する
パターンと、さらにチップ中心から半径ｒ２の位置を起
点として外周方向に放射状に前記基板上までストライプ
状に延在するパターンと、最も離れた半径ｒ３の位置を
起点として外周方向に向けて前記基板上までストライプ
状に延在したパターンとからなる第１のパターンを形成
する第４の工程と、前記第１のパターンで形成された複
数のｎ型多結晶シリコン層及び第１の絶縁膜上にＣＶ
Ｄ、ガラス塗布又はスパッタリングにより第２の絶縁膜
を形成する第５の工程と、前記第５の工程の後に、前記
第２の多結晶シリコン層を堆積し、前記第２の多結晶シ
リコン層に不純物を拡散することにより抵抗率が１〜１
０ｍΩ・ｃｍの範囲の第２のｎ型多結晶シリコン層をド
ーピングして形成する第６の工程と、前記ドーピング工
程の後、前記第１のｎ型多結晶シリコン層からなる第１
のパターンに対して、円周方向に半ピッチずらして前記
第２のｎ型多結晶シリコン層からなる第２のパターンを
形成する第７の工程と、パターン化された前記第１と第
２のｎ型多結晶シリコン層上に第３の絶縁膜を形成し、
温接点部及び冷接点部の各々に対応した部分の前記第２
又は第３の絶縁膜に開口部を設ける第８の工程と、前記
第３の絶縁膜上に金属薄膜層を形成してパターニング
し、前記開口部で前記第１と第２のｎ型多結晶シリコン
層と前記金属薄膜層との接触によって形成される前記温
接点部と冷接点部とを接続して熱電素子列を形成する第
９の工程と、前記第３の絶縁膜と前記金属薄膜層上に第
４の絶縁膜を形成し、前記第４の絶縁膜上に赤外線吸収
膜を形成する第１０の工程と、前記単結晶シリコン基板
の裏面に空洞部を形成して、前記第１の絶縁膜を裏面か
ら露出させる第１１の工程と、を含むことを特徴とする
サーモパイル赤外線センサの製造方法である。

【００６２】また、請求項２５の発明は、サーモパイル
型赤外線センサの製造方法に於いて、単結晶シリコン基
板の両面に熱酸化、ＣＶＤ又はスパッタリングにより第
１の絶縁膜を形成する第１の工程と、前記第１の絶縁膜
表面上にＣＶＤ又はスパッタリングにより第１の多結晶
シリコンを成膜する第２の工程と、前記多結晶シリコン
に不純物を拡散することにより抵抗率が１〜１０ｍΩ・
ｃｍの範囲のｎ型多結晶シリコン層を形成する第３の工
程と、前記ｎ型多結晶シリコン層をパターニングして、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として外側の半径
ｒ２間に形成された放射状の扇型パターンからストライ
プ状に前記基板上まで延在するパターンと、さらにチッ
プ中心から半径ｒ２の位置を起点として外周方向に放射
状に前記基板上までストライプ状に延在するパターン
と、最も離れた半径ｒ３の位置を起点として外周方向に
向けて前記基板上までストライプ状に延在したパターン
とを形成する第４の工程と、前記第１の絶縁膜及び前記
ｎ型多結晶シリコン層上に金属薄膜層を成膜する第５の
工程と、前記金属薄膜層をパターニングして、パターン
化した前記ｎ型多結晶シリコン層の前記温接点部と冷接
点部を前記金属薄膜層との接触によって形成するととも
に、前記金属薄膜層によって前記温接点部と冷接点部と
を互いに接続して熱電素子列を形成する第６の工程と、
前記第１の絶縁膜、前記金属薄膜層と前記パターン化さ
れたｎ型多結晶シリコン層上に絶縁膜を形成し、該絶縁
膜上のチップ中央部に赤外線吸収膜を形成する第７の工
程と、前記基板をエッチングして空洞部を形成し、前記
第１の絶縁膜を裏面から露出させる第８の工程とを含む
ことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサの製造方
法である。

【００６３】また、請求項２６の発明は、前記熱電素子
列上に形成される赤外線吸収膜が、硼珪酸系ガラス、ポ
リイミド系樹脂、ビニル系樹脂又はアクリル系樹脂の一
種からなることを特徴とする請求項２１〜２５の何れか
に記載のサーモパイル型赤外線センサの製造方法であ
る。

【００６４】また、請求項２７の発明は、加熱工程を経
て、前記赤外線吸収膜の表面を凹凸を有する縞状パター
ンとしたことを特徴とする請求項２１〜２６の何れかに
記載のサーモパイル型赤外線センサの製造方法である。
この発明では、赤外線吸収膜の凹凸を形成することで、
赤外線の吸収率が向上する。

【００６５】また、請求項２８の発明は、前記赤外線吸
収膜の膜厚が１〜１５μｍであって、前記赤外線吸収膜
の表面に１〜１０μｍの凹凸を形成したことを特徴とす
る請求項２７に記載のサーモパイル型赤外線センサの製
造方法である。

【００６６】この発明では、赤外線吸収膜の膜厚が１５
μｍ以上であると吸収効率が低下するので、１〜１５μ
ｍの範囲が好ましく、凹凸の寸法を１０μｍ以上とする
と、反射率が向上するために、吸収効率が低下し、１〜
１０μｍの範囲とすることによって、吸収効率を高める
ことができる。

【００６７】上記製造方法に於いて、減圧ＣＶＤによる
多結晶シリコン成膜時の温度を６００℃〜７００℃にす
ることによって、シリコンの結晶化が進行して多結晶化
し、キャリア移動度が高くなり多結晶シリコン膜の抵抗
率が低下し、ゼーベック係数を高くし、出力電圧−ジョ
ンソンノイズ（Ｓ／Ｎ）比を高くすることができるサー
モパイル型赤外線センサの製造方法である。

【００６８】この発明では、熱電素子の温接点部を同心
円に配置することによって、各熱電素子を構成するｎ型
多結晶シリコン層の抵抗を低くできるとともに、入射赤
外線によるメンブレン上の高温度になる部分が、中心部
付近では円形に分布しているために、出力電圧を効率よ
く取り出せるので、Ｓ／Ｎ比の優れた赤外線センサが得
られるとともに、ｎ型多結晶シリコン層のレイアウトを
温接点が前記空洞部中心部から半径ｒ１＜ｒ２＜ｒ３の
同心円の各円周上に配置することにより、多結晶シリコ
ンによるメンブレン内に発生する応力が集中しないよう
になされている。

【００６９】なお、本発明のサーモパイル型赤外線セン
サは、使用形態によって、サーモパイル素子（チップ）
を基板にマウントして使用する場合やチップをパッケー
ジングして使用する場合とがあり、本発明のサーモパイ
ル型赤外線センサでは、このパッケージングとして、熱
伝導率が高い金属ケースやＡｌ₂Ｏ₃やＡｌＮからなる
セラミックパッケージが用いられ、このチップをセラミ
ックパッケージで封じることにより、周囲温度の変化に
対する追従性がよくなり、パッケージ内に温度差が発生
せず、冷接点部の温度補償を高精度に行うことが可能と
なる。

【００７０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るサーモパイル
型赤外線センサ及びその製造方法について、その実施の
形態を示す図面を参照して説明する。なお、本発明で
は、実施形態１から４を参照して説明する。

【００７１】（実施形態１）本発明の実施形態１につい
て、図１〜図６を参照して説明する。図１は、実施形態
１に係るサーモパイル型赤外線センサのサーモパイル素
子（チップ）を示す一部切欠斜視図であり、図２は、サ
ーモパイル型赤外線センサの各熱電素子の接続を説明す
るための説明図である。図３（ａ）は、図１の多結晶シ
リコン層の平面図であり、絶縁膜、パッシべーション膜
及び樹脂吸収膜等の図示は省略しており、図３（ｂ）
は、絶縁膜を形成した場合の図３（ａ）のＸ−Ｘ断面図
である。図４は、本実施形態のサーモパイル型赤外線セ
ンサの概要を示す部分平面図であり、図５は、絶縁膜を
形成した場合の図４で示した部分断面図である。図６
（ａ），（ｂ）は、サーモパイル素子にパッシべーショ
ン膜や赤外線吸収膜を形成した模式的断面図である。

【００７２】図１に於いて、単結晶シリコン基板１に空
洞部１３が形成され、空洞部１３を覆うように、絶縁膜
２ａが形成されてメンブレン部１４が形成されている。
空洞部１３を覆う絶縁膜２ａ上には、放射状のｎ型多結
晶シリコン層が形成され、これらのｎ型多結晶シリコン
層とアルミニウム等の金属薄膜層との接触部に温接点部
と冷接点部とが形成される。隣接するｎ型多結晶シリコ
ン層同志の温接点部と冷接点部とを金属薄膜層で交互に
接続することで、直列接続された熱電素子列が絶縁膜２
ａ上に形成される。温接点部は、空洞部１３上の絶縁膜
２ａ上に形成され、冷接点部は、単結晶シリコン基板１
上の絶縁膜２ａ上に形成されている。熱電素子列の引出
線が外周部に形成された電極パッド部１２に接続されて
いる。このように基板１の空洞部１３を覆うように薄膜
架橋状に絶縁膜２ａが形成されて、その上に熱電素子列
による感熱部が形成されている。さらに、後述するよう
に、感熱部を覆うようにパッシベーション膜と赤外線吸
収膜等が形成されている。

【００７３】先ず、本実施形態の理解を容易とするため
に、図２を参照して各熱電素子の接続について説明す
る。図２に示すように、絶縁膜上にｎ型多結晶シリコン
層３₁〜３₃が島状に形成されている。ｎ型多結晶シリ
コン層３₁の温接点部Ｔａは、金属薄膜層７によりｎ型
多結晶シリコン層３₂の冷接点部Ｔｂと接続され、かつ
ｎ型多結晶シリコン層３₂の温接点部Ｔａが金属薄膜層
７でｎ型多結晶シリコン層３₃の冷接点部Ｔｂに接続さ
れている。このようにｎ型多結晶シリコン層の温接点部
Ｔａが、金属薄膜層７によって、隣接するｎ型多結晶シ
リコン層の冷接点部Ｔｂに接続されて、熱電素子が金属
薄膜層７で直列接続されて熱電素子列を形成している。
これらの最終端は、図１に示したように、電極パッド部
１２に接続されている。

【００７４】続いて、図３（ａ）を参照して説明する
と、本実施形態のサーモパイル型赤外線センサのパター
ンは、ｎ型多結晶シリコン層３₁〜３₃と配線パターン
である金属薄膜層７₁〜７₃とが放射状に形成されて、
熱電素子列が形成されている。例えば、接点部Ｔａは、
チップ中心近傍の円周上に４個形成され、その外側の同
心円の円周上に３６個が形成され、さらにその外側の同
心円の円周上に４０個が形成されている。これら熱電素
子の冷接点部Ｔｂは、基板に形成された絶縁膜上のチッ
プ周縁に温接点部と同数８０個が形成されている。この
ように熱電素子がチップ中心に放射状に形成されてい
る。

【００７５】サーモパイル型赤外線センサのパターン
は、島状のｎ型多結晶シリコン層３₁〜３₃の各パター
ンの組合せから構成され、ｎ型多結晶シリコン層３
₁は、チップ中心側を要とする扇型パターンと、この扇
型パターンからチップ周縁方向に延びるストライプ状部
とで構成されている。ｎ型多結晶シリコン層３₁のスト
ライプ状部のパターン形状は、鉤型のｎ型多結晶シリコ
ン層であり、他のパターンとの噛み合い部を除いてチッ
プ周縁部の幅が広がった形状である。このｎ型多結晶シ
リコン層３₁の切欠位置には、ストライプ状に鉤型のｎ
型多結晶シリコン層３ ₂が噛み合うように配置され、ｎ
型多結晶シリコン層３₁，３₂の切欠部に、ストライプ
状のｎ型多結晶シリコン層３₃が噛み合うように形成さ
れている。これらｎ型多結晶シリコン層３₃は、チップ
周縁程、パターンの幅が広がった形状である。これらの
ｎ型多結晶シリコン層３₁〜３₃のチップ中心側の端部
に温接点部Ｔａが設けられ、他端側に冷接点部Ｔｂが設
けられている。これら島状のｎ型多結晶シリコン層のパ
ターンが、絶縁膜２ａ上に放射状に均一に配置されるこ
とにより、メンブレン構造の応力分布を均一にすること
ができる。

【００７６】図３（ｂ）は、図３（ａ）のＸ−Ｘ線に沿
った部分の断面図であり、冷接点部Ｔｂの切断面が図示
されている。同図では、絶縁膜２ａ上に形成されたｎ型
多結晶シリコン層３₂，３₃が絶縁膜４で覆われ、絶縁
膜４にコンタクトホール（開口部）１５が形成され、こ
の開口部１５でｎ型多結晶シリコン層３₂，３₃とＡｌ
等の金属薄膜層とがオーミック接触する接触部が形成さ
れ、この接触部に冷接点部Ｔｂが形成されている。温接
点部も同様に絶縁膜４に開口部を形成して、金属薄膜層
７とｎ型多結晶シリコン層とが接触して、温接点部が形
成されている。また、ｎ型多結晶シリコン層の周縁は、
急峻な段差を回避するためにテーパ状となっている。

【００７７】さらに、本実施形態について、図４〜図６
を参照して詳細に説明する。なお、図４は、サーモパイ
ル型赤外線センサの部分拡大平面図であり、パターンの
１／４が概略図で示されている。この図では、絶縁膜が
省略されており、開口部１５ａ〜１５ｃは二点鎖線で示
した。図５（ａ）〜（ｄ）では、図４のＡ−Ａ，Ｂ−
Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ−Ｄ断面図が図示され、この図では、絶
縁膜が形成されている。図６（ａ），（ｂ）は、本実施
形態のサーモパイル型赤外線センサの熱電素子の膜構成
を説明するための模式的断面図である。

【００７８】本実施形態のサーモパイル型赤外線センサ
は、図４，図５に示したように、ｎ型多結晶シリコン層
３₁〜３₃の温接点部Ｔａが、チップ中心Ｃから半径ｒ
１〜ｒ３の円周上の位置にそれぞれ形成され、ｎ型多結
晶シリコン層３₁〜３₃の終端部に冷接点部Ｔｂが形成
されている。ｎ型多結晶シリコン層３₁のパターンは、
半径ｒｌから半径ｒ２の間に形成された扇型パターン３
ａと、この扇型パターン３ａから外縁部近くまで延在す
るストライプ状の鉤型パターン３ｂとからなり、鉤型パ
ターン３ｂは、半径ｒ２から半径ｒ３までと、半径ｒ３
から外周部に行くほど幅が広がった扇状となっている。
ｎ型多結晶シリコン層３₁の切欠部を補うように、ｎ型
多結晶シリコン層３₂が形成され、ｎ型多結晶シリコン
層３₂のパターンは、半径ｒ２から外周方向に基板の外
縁部近くまで延在する鉤型パターン３ｂ′からなるスト
ライプ状パターンである。鉤型パターン３ｂ，３ｂ′の
切欠部を補うように、ｎ型多結晶シリコン層３₃のパタ
ーンが配置され、ｎ型多結晶シリコン層３₃のパターン
は、半径ｒ３から外周方向に延在するストライプ状パタ
ーン３ｃからなる。なお、半径ｒ１〜ｒ３は、ｒ１＜ｒ
２＜ｒ３の関係にある。なお、半径ｒ１は、中心Ｃに近
い位置である。また、チップ中心Ｃには、円形の多結晶
シリコン層を残しても良い。

【００７９】ｎ型多結晶シリコン層３₁〜３₃は、絶縁
膜４で覆われ、ｎ型多結晶シリコン層３₁の扇型パター
ン３ａの先端部の絶縁膜４には、図５（ａ）に示すよう
に、コンタクトホール（開口部）１５ａが形成され、ｎ
型多結晶シリコン層３₂，３ ₃の先端部の絶縁膜にも、
図５（ｂ），（ｃ）に示すように、開口部１５ｂ，１５
ｃがそれぞれ形成されている。これら開口部１５ａ〜１
５ｃに金属薄膜層７がオーミック接触することで、温接
点部Ｔａが形成されている。ｎ型多結晶シリコン層３₁
〜３₃の他端には、図５（ｄ）に示すように、絶縁膜４
に開口部１５ｄが形成され、金属薄膜層７が開口部１５
ｄから露出するｎ型多結晶シリコン層とオーミック接触
することで、冷接点部Ｔｂが形成されている。このよう
に、ｎ型多結晶シリコン層３₁〜３₃は、そのチップ中
心側に温接点部Ｔａが形成され、他端に冷接点部Ｔｂが
形成されている。

【００８０】上記したように、本実施形態のサーモパイ
ル型赤外線センサは、１層のｎ型多結晶シリコン層で構
成され、単結晶シリコン基板１の表面に形成された絶縁
膜２ａ上にｎ型多結晶シリコン層３がストライプ状に多
数放射状に形成されている。そして、絶縁膜２ａ及びｎ
型多結晶シリコン層３上に形成された絶縁膜４に開口部
１５ａ〜１５ｄが形成され、絶縁膜４上にＡｌ等の金属
薄膜層を成膜した後、パターニングして温接点部と冷接
点部とを交互に接続する金属薄膜層７が形成されてい
る。

【００８１】上記実施形態の各熱電素子が直列接続され
た熱電素子列上には、図６（ａ）に示したように、Ｓｉ
Ｎによる絶縁膜８が形成され、その感熱部中央の温接点
部Ｔａを覆うように、ＳｉＯ₂（絶縁膜）１０が被覆さ
れた硼珪酸系ガラス層９が形成されている。また、図６
（ｂ）に示すように、感熱部中央の温接点部Ｔａを覆う
ように、ＰＳＧ（Phospho-Silicate-Glass）層８₁とＳ
ｉＮ８₂とによる絶縁膜８が形成され、さらに赤外線の
吸収を良好とするために、メンブレン中央部（感熱部）
を覆うように樹脂吸収膜１６が形成されている。このよ
うにガラス層又は樹脂吸収膜が形成されることによっ
て、センサとしての赤外線吸収特性を向上させている。
絶縁膜８は、ＳｉＮ以外にＳｉＯ₂、ＰＳＧ（リンガラ
ス）、Ａｌ ₂Ｏ₃、サイアロンの少なくとも一種を含
む。

【００８２】なお、図６（ａ）の絶縁膜１０は、硼珪酸
系ガラス層９をエッチング工程から保護するために形成
されている。この硼珪酸系ガラス層９と絶縁膜１０は、
メンブレン中央部を残してエッチング除去され、ガラス
層９と絶縁膜１０とは、赤外線吸収膜としての機能を有
している。一方、図６（ｂ）の樹脂吸収膜１６は、ポリ
イミド系樹脂、ビニル系樹脂、フェノール系樹脂、エポ
キシ系樹脂、アクリル系樹脂及び合成ゴム等が用いられ
る。また、基板１の裏面には、絶縁膜２ｂが形成されて
おり、絶縁膜２ｂをエッチングにより開口し、裏面から
アルカリエッチャント等のエッチング液により異方性エ
ッチングすることによって、空洞部１３が形成されてい
る。なお、図１で示した電極パッド部１２は、絶縁膜８
の一部をエッチングして開口し、金属薄膜１１，１２を
パターニングして形成している。金属薄膜層１１，１２
の材質は、Ａｕ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，ＮｉＣ
ｒの少なくとも一種が選択される。

【００８３】次に、実施形態１のサーモパイル型赤外線
センサの製造方法の一実施形態について、図１〜図６を
参照して説明する。

【００８４】基板１は、面方位（１００）であり、そ
の厚みが、４００μｍ程度の半導体単結晶シリコン基板
からなり、９００〜１１００℃程度の温度で熱酸化し、
基板１の両面に厚さが、０．１〜１μｍの二酸化シリコ
ン（Ｓｉ０₂）からなる絶縁膜２ａ，２ｂが形成されて
いる。なお、絶縁膜２ａは、ＳｉＯ₂の一層、ＳｉＯ ₂
＋ＳｉＮの２層、又はＳｉＯ₂＋ＳｉＮ＋ＳｉＯ₂の３
層構造の何れであってもよい。

【００８５】この絶縁膜２ａ上には、ＬＰ−ＣＶＤ法
やスパッタリング法により膜厚が、０．１〜２μｍのノ
ンドープ多結晶シリコン層が形成され、さらにこのシリ
コン膜にＰＯＣ１₃を不純物源として、８００〜１１５
０℃の温度でリンをドーピングする。ドーピング後表面
に形成されたリンガラス（ＰＳＧ）を緩衝弗酸によりエ
ッチングする。この多結晶シリコン層は、抵抗率が１〜
１０ｍΩ・ｃｍのｎ型多結晶シリコン層になる。

【００８６】ｎ型多結晶シリコン層３上に膜厚１〜４
μｍのフォトレジストを形成する。このレジストをマス
クとして、図４に示したように、チップ中心Ｃから放射
状にストライプ状の多結晶シリコン層からなるパターン
が形成される。このストライプ状パターンは、チップ中
心Ｃを起点とする半径ｒｌからその外周方向に半径ｒ２
の間の扇状パターン３ａと、扇状パターン３ａから基板
外縁部近くまで延在する鉤型パターン３ｂのストライプ
状パターンとから形成されている。さらに、半径ｒ２か
らチップ外周方向に前記基板の外縁部近くまで延在する
鉤型パターン３ｂ′と、半径ｒ３から外周方向に前記基
板の外縁部近くまで延在するストライプ状パターン３ｃ
とからなるパターンが形成される。

【００８７】このｎ型多結晶シリコンの各パターンは、
ｎ型多結晶シリコン層を反応性イオンエッチング（ＲＩ
Ｅ）等を用いてパターニングされ、ｎ型多結晶シリコン
層３ ₁〜３₃が島状であって、互いに噛み合った配置で
形成されている。なお、ＲＩＥによるｎ型多結晶シリコ
ン膜のエッチングガスとしては、例えばＳＦ₆がよく、
適切な条件を設定することによって、エッチングされた
ｎ型多結晶シリコン層３₁〜３₃のエッジ形状がテーパ
状になる。各ｎ型多結晶シリコン層のエッジ形状をテー
パ状にすることによって、シリコン層上に形成される上
層膜のステップカバレッジの問題（配線の断線等）を改
善することができる。なお、ｎ型多結晶シリコン層を等
方性エッチングによって、その周縁部をテーパ状或いは
階段状に形成してもよい。

【００８８】さらに、Ａｌ−Ｓｉをスパッタリング法
によって、膜厚が０．２〜１μｍとなるまで堆積させた
後、エッチャントとして燐酸を用いてパターニングして
金属薄膜層７を形成する。この工程で、多数の温接点部
Ｔａと冷接点部Ｔｂとを形成して、熱電素子が直列接続
された熱電素子列による感熱部が形成される。

【００８９】続いて、感熱部上に、プラズマＣＶＤ法
やスパッタリング法によって、絶縁膜８として膜厚０．
２〜２μｍのＳｉＮが形成され、さらに絶縁膜８上に硼
珪酸系ガラス層９が膜厚０．３〜３μｍで形成される。
硼珪酸系ガラス層９は、３００〜６００℃の温度でアニ
ールしてリフローすることによって、ピンホールの低減
やステップカバレージが改善される。さらに、硼珪酸系
ガラス層９上には、スパッタリング法によって、ＳｉＯ
₂１０が膜厚０．１〜２μｍで形成されている。なお、
絶縁膜８は、膜の引っ張り又は圧縮応力が緩和されるよ
うに、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ又はＳｉＮＯの材料の中から選
択して組み合わせて用いられる。例えば、ＳｉＯ₂とＳ
ｉＮとの２層、又はＳｉＯ₂にＳｉＮを挟んだ３層構造
とする。

【００９０】メンブレン部１４上の硼珪酸系ガラス層
９とＳｉＯ₂１０の一部をエッチング除去して、メンブ
レン中央部を残して赤外線吸収膜とする。

【００９１】電極パッド部は、絶縁膜８の一部をエッ
チングして開口し、金属薄膜層１１，１２をパターニン
グして絶縁膜８にオーバーラップするように形成されて
いる。

【００９２】最終工程では、基板１の裏面の絶縁膜２
ｂをエッチングにより開口し、裏面から基板１をアルカ
リエッチャント等のエッチング液により異方性エッチン
グすることによって、基板１に空洞部１３が形成され
る。

【００９３】最終工程における基板１の裏面のエッチン
グは、例えば、（１００）面単結晶シリコンをＫＯＨに
より異方性エッチすると、図１に示されているように、
５４．７°の角度のテーパが形成される。この製造方法
は、バッチ処理で大量に処理可能な利点があるために、
安価な素子を製作することができる利点を有する。しか
し、この製造方法では、結晶構造に起因するテーパが形
成されるために、チップ上で無駄な部分が生じ、チップ
サイズの縮小化が困難である。

【００９４】チップサイズの縮小化の要求に対しては、
ドライエッチング法によるシリコン基板を垂直にエッチ
ングする製造方法が用いられる。この製造方法は、リア
クティブイオンエッチング装置（ＲＩＥ：Reactive Ion
Etching）を用いたドライエッチング技術によって、単
結晶シリコンを８７°〜９０°の角度で垂直にエッチン
グ加工することができる。この方法では、高密度プラズ
マが発生可能なＩＣＰ（Inducutively Coupled Plasma
）を適用したＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用い、エッチング
のマスクとしてＳｉＯ₂やレジストを用いて、シリコン
基板を垂直にエッチングすることが可能である。このよ
うな方法を用いて加工することによって、チップサイズ
を縮小することができる。

【００９５】続いて、樹脂製の赤外線吸収膜の製造方法
について、図６（ｂ）を例にして説明する。樹脂吸収膜
（赤外線吸収膜）１６は、メンブレン中央部を覆うよう
に形成されている。赤外線吸収膜１６は、ポリイミド系
樹脂、ビニル系樹脂、又はアクリル系樹脂の少なくとも
１種が選択され、この樹脂中にカーボン等の赤外線の吸
収特性を向上させる顔料が添加される。

【００９６】上記赤外線吸収膜の成膜方法としては、ス
ピンコートを用いたフォトリソグラフィ法、または印刷
法がある。例えば、フォトリソグラフィ法を用いた赤外
線吸収膜の成膜方法は、スピンコータを用いウエハ上に
感光性レジストを滴下して、塗布されたレジストの膜厚
を、０．１μｍから３０μｍとする。

【００９７】レジスト膜は、恒温槽やホットプレート等
の加熱手段によって、８０〜１２０℃程度の温度で加熱
（プリベーク）される。プリベーク後、成膜された膜
は、マスクアライナーにより所望のパターンをアライメ
ントした後、露光現像し、赤外線吸収膜となるべき部分
のレジストが除去される。続いて、リンス工程を経た
後、ポストベークされて、最終的な形状が形成される。

【００９８】次に、赤外線吸収膜となるカーボン微粒子
を含んだ樹脂液を膜厚１〜３０μｍスピンコートする。
さらに、８０℃から１２０℃程度の温度で加熱（プリベ
ーク）した後、レジストを溶解する剥離液によりリフト
オフする。最終加熱（ポストベーク）されて最終的な赤
外線吸収膜が形成される。この最終の加熱工程におい
て、温度、時間、加熱方法を制御することによって、図
１９に示したが、成膜した樹脂吸収膜の表面に凹凸が１
〜１０μｍからなる縞状パターンが形成される。なお、
図１９の画像は、デジタル写真を示したものである。こ
の図の樹脂吸収膜は、ホットプレートにより約１５０〜
３００℃で２〜１５分間ポストベークしたときの吸収膜
の表面を示している。

【００９９】赤外線吸収膜に使用される樹脂としては、
本発明で開示した樹脂以外に感光性樹脂を用いてもよ
い。感光性樹脂を用いた場合は、リフトオフ工程を省略
することができる。

【０１００】なお、フォトリソグラフィを用いてパター
ニングすると、スピンコート後の表面は、凹凸が１μｍ
以下の非常に平坦な膜が形成される。この平坦な膜は、
露光の際に解像度が増すなど多くの利点がある。しか
し、光学的には、平坦であるために、入射した赤外線が
この表面で反射する。従来の成膜方法によって形成され
た平坦な膜の赤外線透過率は、波長１０μｍにおいて５
％程度であるが、反射率が２５％程度と高いため、赤外
線の吸収率が実質的に低下する。

【０１０１】しかし、本実施形態のように、赤外線吸収
膜の表面に１〜５μｍの凹凸の縞状パターンを形成する
ことによって、赤外線吸収膜の表面に形成された凹凸で
入射赤外線が散乱して、赤外線の反射率を１０％程度低
下させることができる。赤外線吸収膜の反射率が低下す
ることによって、赤外線吸収率が向上してセンサの出力
を約５％向上させることができる。

【０１０２】（実施形態２）本発明に係るサーモパイル
型赤外線センサの実施形態２について、図７〜図９を参
照して説明する。図７は、サーモパイル型赤外線センサ
のパターンの半分を示す概略図である。図８は、全パタ
ーンの１／４の概略を示す要部拡大図である。なお、図
７，図８では、絶縁膜やパッシベーション層等が省略さ
れて図示されている。図９（ａ）〜（ｄ）は、図８で示
したＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ−Ｄ断面の膜構成を図
示した。

【０１０３】本実施形態は、実施形態１のｎ型多結晶シ
リコン層３₁〜３₃の抵抗を下げて、Ｓ／Ｎ比を向上さ
せることを目的とし、ｎ型多結晶シリコン層の膜厚を厚
くしたものであり、そのパターンが図７に示されてい
る。本実施形態には、実施形態１と同様に、空洞部を有
する単結晶シリコン基板を用い、その両面に絶縁膜が形
成されている。絶縁膜上に形成される熱電材料であるｎ
型多結晶シリコン層は、１層の多結晶シリコン層の膜厚
を厚く形成する製造方法と、２層のｎ型多結晶シリコ
ン層を形成して厚く形成する製造方法とがある。

【０１０４】先ず、実施形態２のサーモパイル型赤外線
センサについて、図７を参照して説明をすると、上記実
施形態で説明したように、ｎ型多結晶シリコン層３₁〜
３₃は、絶縁膜上のチップ中心から放射状に配置され、
かつ互いに分離した島状に形成されている。図３（ａ）
のｎ型多結晶シリコン層３₁〜３₃のパターンよりも小
さめにパターニングしてエッチングし、メサ状にｎ型多
結晶シリコン層３₁₁〜３₃₁が形成される。その後、ｎ型
多結晶シリコン層３₁〜３₃のパターンを形成すること
によって、それらの周縁部をテーパの付いた階段状とし
た形状を有する。その上に、第２の絶縁膜４を形成し開
口部を形成した後、金属薄膜層をスパッタリングしてパ
ターニングすることによって、前記開口部において、ｎ
型多結晶シリコン層と金属薄膜層とが接触することによ
って、温接点部Ｔａと冷接点部Ｔｂとが形成される。こ
れらのｎ型多結晶シリコン層の周縁部を、テーパの付い
た階段状にすることによって、急峻な段差を解消し、金
属薄膜層のｎ型多結晶シリコン層の周縁部での金属薄膜
層の断線を防止している。

【０１０５】続いて、１層の多結晶シリコン層による
製造方法の実施形態について簡単に説明する。単結晶シ
リコン基板に絶縁膜２ａを形成し、絶縁膜２ａ上にＬＰ
−ＣＶＤ法やスパッタリング法によって膜厚が、０．１
〜２μｍのノンドープ多結晶シリコン層を形成し、さら
にこの多結晶シリコン層にＰＯＣ１₃を不純物源とし
て、８００〜１１５０℃の温度でリンをドーピングして
ｎ型多結晶シリコン層を形成している。このｎ型多結晶
シリコン層は、抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍとなる。ｎ
型多結晶シリコン層を形成した後、その表面のリンガラ
ス（ＰＳＧ）を緩衝弗酸によって除去し、その後、実施
形態１のパターンに相似した小さいパターンでパターニ
ングして、メサ状のｎ型多結晶シリコン層３₁₁〜３₃₁を
形成し、次に、実施形態１のｎ型多結晶シリコン層と同
一のパターンでパターニングして、階段状のｎ型多結晶
シリコン層３₁〜３₃が形成される。その後、実施形態
１で説明した製造工程を経て、パッシベーション膜と赤
外線吸収膜等が形成されて、サーモパイル型赤外線セン
サが製造される。

【０１０６】次に、２層の多結晶シリコン層による製
造方法の実施形態について簡単に説明する。図７〜図９
を参照して説明する。なお、パターン化した１層の多結
晶シリコン層を、２層目の多結晶シリコン層が覆うよう
にして、の製造方法で説明した形状とほぼ等しい形状
とするものであり、ｎ型多結晶シリコン層３₁〜３₃に
相当する部分が、１層と２層の多結晶シリコン層で形成
され、ｎ型多結晶シリコン層３₁₁〜３₃₁相当する部分
が、１層の多結晶シリコン層で形成されている。先ず、
単結晶シリコン基板に絶縁膜２ａを形成し、絶縁膜２ａ
上にＬＰ−ＣＶＤ法やスパッタリング法によって膜厚
が、０．１〜２μｍのノンドープ多結晶シリコン層を形
成する。その後、上記ｎ型多結晶シリコン層３₁₁〜３₃₁
を形成するマスクを用いて、互いに分離した多結晶シリ
コン層のパターンが形成される。さらに前記多結晶シリ
コン層上に、同様な製造方法で、０．１〜２μｍのノン
ドープ多結晶シリコン層が形成される。その後、これら
の多結晶シリコン層に、ＰＯＣ１₃を不純物源として、
８００〜１１５０℃の温度でリンをドーピングする。そ
の後、ｎ型多結晶シリコン層３₁〜３₃のパターンを用
いてｎ型多結晶シリコン層３₁〜３₃に相当するパター
ンが形成される。このｎ型多結晶シリコン層は、抵抗率
が１〜１０ｍΩ・ｃｍとなる。このような製造工程を経
て、絶縁層上にｎ型多結晶シリコン層３₁〜３₃がチッ
プ中心に放射状に形成され、ｎ型多結晶シリコン層３₁
〜３₃上に、ｎ型多結晶シリコン層３₁〜３₃に相似し
た小さいｎ型多結晶シリコン層３₁₁〜３₃₁がそれぞれ形
成される。続いて、それらの上に絶縁膜を形成して開口
部が形成され、ｎ型多結晶シリコン層を熱電材料とする
各熱電素子の温接点部Ｔａと冷接点部Ｔｂとが形成さ
れ、かつ各熱電素子が直列接続されて熱電素子列が形成
される。なお、熱電材料としてのｎ型多結晶シリコン層
は、上記のようにノンド−プ多結晶シリコン層によるパ
ターンを１層づつ形成して２層とし、その後、不純物を
拡散させてｎ型多結晶シリコン層としてもよいし、１層
毎に不純物を多結晶シリコン層にドーピングして、２層
のｎ型多結晶シリコン層を形成してもよい。

【０１０７】さらに、本実施形態を詳細について説明す
ると、ｎ型多結晶シリコン層３₁の温接点部Ｔａは、図
９（ａ）に示したように、ｎ型多結晶シリコン層３₁上
の絶縁膜４に形成された開口部１５ａで、ｎ型多結晶シ
リコン層３₁と金属薄膜層７とが接触して形成されてい
る。この金属薄膜層７は、図９（ｂ），（ｃ）に示した
ように、ｎ型多結晶シリコン層３₁₁上を通過することな
く、ｎ型多結晶シリコン層３₁の絶縁膜４上をチップ周
縁方向に延在している。そして、金属薄膜層７は、図９
（ｄ）に示すように、開口部１５ｄでｎ型多結晶シリコ
ン層３₃ に接触して、冷接点部Ｔｂが形成されている。
ｎ型多結晶シリコン層３₂の温接点部Ｔａは、図９
（ｂ）に示したように、開口部１５ｂでｎ型多結晶シリ
コン層３₂と金属薄膜層７とが接触して形成されてお
り、金属薄膜層７は、図９（ｃ）に示すように、絶縁膜
４で覆われたｎ型多結晶シリコン層３₂上を通過して、
図９（ｄ）に示すように、隣接するｎ型多結晶シリコン
層３₃の開口部１５ｄで接触して冷接点部Ｔｂが形成さ
れている。そして、ｎ型多結晶シリコン層３₃の温接点
部Ｔａは、図９（ｃ）に示すように、ｎ型多結晶シリコ
ン層３₃上の絶縁膜４に形成された開口部１５ｃで、金
属薄膜層７とｎ型多結晶シリコン層３₃とが接触して、
絶縁膜４上を通って、隣接するｎ型多結晶シリコン層３
₁の冷接点部Ｔｂに接続されている。このように温接点
部Ｔａと冷接点部Ｔｂとが形成された熱電素子は、図６
（ａ），（ｂ）で示したように、パッシベーション膜と
前記温接点部を覆うように赤外線吸収膜を形成してサー
モパイル型赤外線センサが作製されている。

【０１０８】無論、本実施形態では、上記実施形態と同
様にｎ型多結晶シリコン層３₁〜３ ₃のパターンが絶縁
膜上にチップ中心から放射状に噛み合うように形成され
ており、絶縁膜２ａ上に放射状に均一に配置されること
により、メンブレン構造の応力分布を均一にすることが
できる。かつ、ｎ型多結晶シリコン層の周縁は、急峻な
段差を回避するためにテーパ状となっている。

【０１０９】（実施形態３）本発明に係るサーモパイル
型赤外線センサの実施形態について、図１０及び図１１
を参照して説明する。図１０は、本実施形態の１／４パ
ターンの概略を図示しており、図１１は、図１０のＡ−
Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ−Ｄ，Ｅ−Ｅ断面図の膜構成を
示している。本実施形態では、図１０，図１１に示すよ
うに、金属薄膜層７を絶縁膜２ａ上に配置することによ
り、先に説明したパターニングされたｎ型多結晶シリコ
ン層を絶縁膜４で覆い、この絶縁膜４に開口部１５を形
成する製造工程を不要とするものである。従って、実施
形態３の製造方法は、実施形態１の製造方法から開口部
１５を形成する絶縁膜４を除いた製造工程となるので、
その詳細な説明は省略する。

【０１１０】図１０，図１１において、本実施形態で
は、単結晶シリコン基板の絶縁膜２ａ上に、先に説明し
た製造工程と同様な工程によって、多結晶シリコン層が
形成されて不純物拡散が行われ、その後、パターニング
してｎ型多結晶シリコン層３₁〜３₃が形成されてい
る。熱電素子を構成する、一方の材料であって、配線を
かねる金属薄膜層７が温接点部Ｔａから絶縁膜２ａ上を
通って冷接点部Ｔｂに接続されるように構成されてい
る。従って、ｎ型多結晶シリコン層３₁のパターンは、
上記パターンとは多少異なり、金属薄膜層７による配線
直下のｎ型多結晶シリコン層は除去されて、絶縁膜２ａ
上に形成されている。

【０１１１】ｎ型多結晶シリコン層３₁〜３₃は、上記
実施形態とほぼ等しいパターンであるが、ｎ型多結晶シ
リコン層３₁のパターンは、切り込みを有する扇状パタ
ーン３ａである。ｎ型多結晶シリコン層３₁と金属薄膜
層７との接触部７ａに温接点部Ｔａが形成され、この温
接点部Ｔａから延びる金属薄膜層７は、扇状パターンの
ｎ型多結晶シリコン層３₁の溝部に露出した絶縁膜２ａ
上を通って、金属薄膜層７との接触部７ｄである冷接点
部Ｔｂに接続されている。また、ｎ型多結晶シリコン層
３₂の接触部７ｂから絶縁膜２ａ上を通って、隣接する
ｎ型多結晶シリコン層３₃の接触部７ｃと接触してい
る。さらに、ｎ型多結晶シリコン層３₃の接触部７ｃか
ら絶縁膜２ａ上を通って、隣接するｎ型多結晶シリコン
層３₂の接触部７ｄと接触している。直列接続された熱
電素子列が形成されている。

【０１１２】本実施形態では、開口部を形成するための
絶縁膜を必要としないし、製造工数の削減ができる利点
があり、歩留まりの向上も期待できる。また、ｎ型多結
晶シリコン層の周縁部を階段状とすることによって、金
属薄膜の配線パターンの断線防止ができ、さらにｎ型多
結晶シリコン層と金属薄膜層とがチップ表面に均等に配
置されるので、応力によるクラックの発生防止が可能と
なる。

【０１１３】（実施形態４）本発明に係るサーモパイル
型赤外線センサの実施形態について、図１２〜図１４を
参照して説明する。図１２は、サーモパイル型赤外線セ
ンサの１／４パターンの概略を示す図であり、図１３
（ａ）〜（ｃ），図１４（ａ），（ｂ）は、図１２のＡ
−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ−Ｄ，Ｅ−Ｅ断面図を示して
いる。また、図１２では、熱電素子を覆う絶縁膜が図示
されていないが、図１４，図１５では、絶縁膜が図示さ
れている。また、図１２では、金属薄膜層とｎ型多結晶
シリコン層との接触によって形成される温接点部Ｔａと
冷接点部Ｔｂとを接触部として図示し、温接点部Ｔａと
冷接点部Ｔｂを形成するために絶縁膜に形成される開口
部の図示は省略した。

【０１１４】なお、本実施形態では、熱電素子の熱電材
料であるｎ型多結晶シリコン層が、絶縁膜を挟んで２層
に形成されている。即ち、第１層のｎ型多結晶シリコン
層は、実施形態１のパターンと同一のパターンであり、
この実施形態１のｎ型多結晶シリコン層のパターンに対
して、絶縁膜を介して同一パターンのｎ型多結晶シリコ
ン層を円周方向に半ピッチずらして形成したものであ
る。図１の実施形態と同一パターンであれば、１６０個
の熱電素子を形成することができるが、８０個の熱電素
子が形成できればよく、第１層のｎ型多結晶シリコン層
の４０個、第２層のｎ型多結晶シリコン層の４０個をそ
れぞれ形成して、８０個の熱電素子を形成することで、
実用上問題はない。

【０１１５】図１３（ａ）〜（ｃ），図１４（ａ），
（ｂ）は、図１２のＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ−Ｄ，
Ｅ−Ｅ断面の膜構成を示している。これらの図では、温
接点部Ｔａ又は冷接点部Ｔｂを通過する切断面である断
面図を示している。この実施形態では、一層の多結晶シ
リコン層を階段状とし、テーパを形成し、熱電素子を被
覆するパッシベーション膜や赤外線吸収膜は、上記実施
形態と同様の態様とする。

【０１１６】図１２〜図１４を参照して説明すると、実
施形態１と同様に、単結晶シリコン基板に形成された絶
縁膜２ａ上に、第１のｎ型多結晶シリコン層３₁〜３₃
が上記実施形態と同様にストライプ状に多数放射状に形
成されている。その上部には、絶縁膜４が形成され、さ
らに絶縁膜４上に第２のｎ型多結晶シリコン層５₁〜５
₃がストライプ状に形成されている。ｎ型多結晶シリコ
ン層５₁〜５₃の第２のパターンは、ｎ型多結晶シリコ
ン層３₁〜３₃の第１のパターンに対して半ピッチずれ
たパターンである。そして、その上に絶縁膜６が形成さ
れている。第１のストライプ状のｎ型多結晶シリコン層
３₁〜３₃上の２層の絶縁膜４，６には、開口部が形成
され、第２のｎ型多結晶シリコン層５₁〜５₃上の絶縁
膜６にも開口部が形成されている。これらの開口部は、
熱電素子の温接点部と冷接点部とを形成するためのもの
であり、絶縁膜６上に、Ａｌ等の金属薄膜層を成膜し、
パターニングすることによって、熱電素子を構成する一
方の材料であって配線をかねる金属薄膜層７が形成さ
れ、ｎ型多結晶シリコン層３₁〜３₃，５₁〜５₃と金
属薄膜層７との接触部が熱電素子の温接点部Ｔａと冷接
点部Ｔｂとなる。

【０１１７】温接点部Ｔａの断面は、図１３（ａ）〜
（ｃ）に示され、冷接点部Ｔｂの断面は、図１４
（ａ），（ｂ）に示されている。第１のｎ型多結晶シリ
コン層３₁〜３₃の冷接点部は、図１４（ｂ）に示さ
れ、絶縁膜４に設けられた開口部で金属薄膜層７がｎ型
多結晶シリコン層３₁〜３₃と接触して形成されてい
る。第２のｎ型多結晶シリコン層５₁〜５₃の冷接点部
は、図１４（ａ）に示され、絶縁膜６に設けられた開口
部で金属薄膜層７とがｎ型多結晶シリコン層５₁〜５₃
と接触して、冷接点部Ｔｂが形成されている。そして、
第２のｎ型多結晶シリコン層の温接点部Ｔａと、隣接す
る第１のｎ型多結晶シリコン層の冷接点部Ｔｂとが接続
されて、金属薄膜層７によって、直列接続された熱電素
子列が構成されている。さらに、多数の温接点部が構成
されるメンブレン部には、図６（ａ），（ｂ）に示した
ように、絶縁膜８からなるパッシベーション膜と赤外線
吸収膜とが形成されている。

【０１１８】上記実施形態１〜３の場合も同様である
が、ＳｉＮによる絶縁膜８上に硼珪酸系ガラス層９から
なる赤外線吸収膜を形成することによって、センサとし
ての赤外線吸収特性を向上させることができる。なお、
絶縁膜１０は、前記赤外線吸収膜からなる感熱部を形成
するときに、エッチング工程から硼珪酸系ガラス層９を
保護するために成膜される。電極パッド部１２は、絶縁
膜８の一部をエッチングして開口し、金属膜１１，１２
をパターニングして絶縁膜８にオーバーラップするよう
に形成される。また、図６（ｂ）に示したように、メン
ブレン中央部に赤外線吸収膜１６として、ポリイミド系
樹脂，ビニル系樹脂，又はアクリル系樹脂等からなる樹
脂膜を形成してもよい。このように、１層構造のｎ型多
結晶シリコン層、２層構造のｎ型多結晶シリコン層の場
合であっても図６に示したパッシベーション膜や赤外線
吸収膜等が形成される。

【０１１９】次に、本実施形態の製造方法について、図
１２〜図１４を参照して説明する。なお、単結晶シリコ
ン基板の表裏に形成される絶縁膜２ａ上に第１層のｎ型
多結晶シリコン層３₁〜３₃を形成する工程は、先に説
明した製造工程と同様であるので、その説明は省略し
て、その次の工程から説明する。

【０１２０】図１２の点線で示した第１のｎ型多結晶
シリコン層３₁〜３₃上部に、絶縁膜４を形成する工程
に進む。絶縁膜４は、ＬＰ−ＣＶＤ法により膜厚０．１
〜２μｍのＳｉＯ₂を形成する。なお、絶縁膜４として
前述したように多結晶シリコン層を熱酸化し、多結晶シ
リコン表面に約１０ｎｍ〜１００ｎｍのＳｉＯ₂を形成
して層間絶縁膜として構成することにより、層間絶縁性
の向上をはかることができることはもちろんである。

【０１２１】第２のｎ型多結晶シリコン層の形成工程
に進む。先ず、基板温度を６００℃〜７００℃として、
この絶縁膜４上にＬＰ−ＣＶＤ法により膜厚が０．１〜
２μｍのノンドープ多結晶シリコン膜を形成し、さらに
イオン打ち込み法により、リンイオン打ち込みを行った
後、８００〜１１５０℃の温度で熱処理してリンを拡散
させる。このドーピング工程によって、ノンドープ多結
晶シリコン層は、抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍのｎ型多
結晶シリコン層になる。

【０１２２】前記ｎ型多結晶シリコン層上に、膜厚１
〜４μｍのフォトレジスト膜を形成し、第１のｎ型多結
晶シリコン膜３₁〜３₃の形成時と同じパターンであっ
て、チップ中心Ｃから第１のｎ型多結晶シリコン膜３₁
〜３₃の第１のパターンに対して、円周方向に半ピッチ
ずらした第２のパターンで、図１２の実線で示すように
パターニングする。これによってチップ中心から周辺部
に向かって放射状にストライプ状パターンが形成され
る。この放射状パターンは、先に下地に形成した第１の
ｎ型多結晶シリコン層３₁〜３₃のストライプパターン
と同一である。このパターンをマスクとし、ＲＩＥ等を
用いることにより、ｎ型多結晶シリコンがパターニング
され、第２のｎ型多結晶シリコン層５₁〜５₃が形成さ
れる。

【０１２３】第１及び第２のｎ型多結晶シリコン層３
₁〜３₃及び５₁〜５₃のストライプパターンエッジ部
上の絶縁膜４及び６をフォトリソグラフィによりパター
ニングして、ＲＩＥ法によりエッチングすることによ
り、温接点部と冷接点部を形成するための開口部が形成
される。

【０１２４】第１のｎ型多結晶シリコン層３₁〜３₃
と第２のｎ型多結晶シリコン層５₁〜５₃のそれぞれ
に、温接点部と冷接点部とを形成して接続するために、
スパッタ法によってＡｌ−Ｓｉの金属薄膜層７を膜厚
０．２〜１μｍで成膜し、その後、フォトリソグラフィ
によりパターニングし、エッチャントとして燐酸を用い
てエッチングして、温接点部Ｔａ、冷接点部Ｔｂが各々
接続され、同時に外部への取り出し電極１２を形成する
ための下地電極パッド部が形成される。

【０１２５】金属薄膜層７が形成された後、プラズマ
ＣＶＤ法やスパッタ法により、ＳｉＮ，ＳｉＯ₂等の膜
厚０．２〜２μｍの絶縁膜８が形成される。さらに、絶
縁膜８上に、膜厚０．３〜３μｍの硼珪酸系ガラス層９
がスパッタ法により成膜される。このガラス層９は、ピ
ンホールを低減し、ステップカパレッジを改善するため
に３００〜６００℃の温度で熱処理される。このピンホ
ールを低減する工程は、上記実施形態においても効果的
である。

【０１２６】熱処理した前記ガラス層９上に、スパッ
タ法により膜厚０．５〜２μｍからなるＳｉＯ₂の絶縁
膜１０を形成する。そして、フォトリソグラフィにより
パターニングし、メンブレン中央部を残して硼珪酸系ガ
ラス層９及び絶縁膜１０をエッチングし除去する。さら
に、フォトリソグラフィによりパターニングして電極パ
ッド部上の絶縁膜８をエッチングして除去し、電極パッ
ド１１，１２としてＣｒを５０〜３００ｎｍ、Ａｕを１
００〜５００ｎｍの厚さに成膜した後、リフトオフによ
りパターニングする。

【０１２７】基板１の裏面絶縁膜２ｂをフォトリソグ
ラフィによりエッチングして開口部を形成し、裏面から
単結晶シリコン基板１をアルカリエッチャント等で異方
性エッチングして基板部分を除去し、空洞部１３を形成
し、赤外線受光部となる温接点部を含んだメンブレン部
１４が形成されたセンサチップの完成となる。

【０１２８】そして、最終工程において、赤外線吸収膜
である樹脂膜の形成方法としては、スクリーン印刷法、
インクジェット法、あるいは樹脂をスピンコートした
後、硬化させ、フォトリソグラフィによるパターニング
によって形成する方法等がある。インクジェット法の場
合は、空洞部を形成した後でも樹脂膜を形成することが
できる。なお、必要に応じて、赤外線吸収特性を向上さ
せるため、樹脂にカーボン等を分散させてもよい。

【０１２９】さらに、上記実施形態に於いて、金属薄膜
層７の上に形成される絶縁膜としては、ＳｉＯ₂，Ｓｉ
Ｎ，ＳｉＮＯ以外に、ＰＳＧ（リンガラス），Ａｌ₂Ｏ
₃，サイアロンの何れか一つを含む絶縁膜であってもよ
い。また、金属薄膜層７を覆う絶縁膜は、ＰＳＧとＳｉ
Ｎとで構成してもよい。

【０１３０】上記実施形態のサーモパイル型赤外線セン
サは、通常図１５に示すようにパッケージに封入して赤
外線検出器として用いられる。同図は、サーモパイル素
子ＴＡをステムＳＡ上に固定した状態を示す。使用され
るステムＳＡは、例えば、ＦｅやＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ等の
金属製で、サーモパイル素子ＴＡを固定する中央部には
凹みが形成されている。

【０１３１】また、サーモパイル素子ＴＡは、熱伝導性
が非常によい接着剤によりステム上に固定される。温度
補償用に用いられるサーミスタチップＴＢも、導電性ペ
ーストによりステム上に接着される。サーモパイル素子
ＴＡの電極パッド部とステム上に形成された外部電極端
子部との接続は、Ａｕ線やＡｌ−Ｓｉ線でワイヤボンデ
ィングにより接続される。

【０１３２】ステムＳＡ上にサーモパイル素子ＴＡとサ
ーミスタチップＴＢを載置固定して電気的に接続した
後、赤外線透過性フィルタ材をエポキシ系接着剤や半田
によってキャップ開口部に接着固定したウィンドウ付キ
ャップＳＢを、ステムＳＡに被せて溶接などの方法によ
り気密封止する。パッケージ内は、乾燥窒素、Ａｒ、Ｋ
ｒやＸｅガスなどの熱伝導性の低いガスで封止するか、
または真空で封止する。低熱伝導性ガスや真空で封止す
ることによって、サーモパイル素子のメンブレン部から
前記封止ガスを介して周囲雰囲気への熱の伝導を低減さ
せることができ、赤外線検出器の高出力化が図れる。

【０１３３】一方、ウィンドウ付キャップＳＢには、ウ
インドウ材となる赤外線透過性フィルタ材Ｆが設けられ
ている。赤外線透過性フィルタ材Ｆは、シリコン基板や
ゲルマニウムの基板表面に、透過率を制御するためにＺ
ｎＳやＧｅ等により構成される数十層の多層膜で形成さ
れているために非常に高価である。従って、安価な赤外
線センサを製造するには、パッケージサイズを小さく
し、フィルタサイズを極力小さくする必要がある。しか
し、フィルタサイズが極端に小さいと、入射赤外線線量
が減少することにより、センサ出力が低下する。

【０１３４】このような観点からフィルタサイズをでき
る限り、有効に利用し得るキャップ構造について、図１
６（ｃ），（ｄ）を参照して説明する。ウィンドウ付キ
ャップＳＢには、キャップＳＢに開口部２７が設けられ
て、この開口部２７に赤外線透過性フィルタ材Ｆを嵌め
込むようにする。しかし、プレス等の金型を用いて加工
して、製作された場合、開口部２７が円形である場合に
は問題とならないが、四角形や六角形の開口部の場合、
コーナ部分が存在するので、四角形や六角形の辺と辺と
が交わる部分である隅に丸みが発生する加工特性があ
る。

【０１３５】例えば、開口部２７が正方形であり、その
一辺が２ｍｍである場合、開口部２７のコーナ部の丸み
は、半径が最小で０．２〜０．３ｍｍとなる。半径が
０．２ｍｍの場合は、隙間Ｇ１が約０．０６ｍｍとな
り、０．３ｍｍの場合は、開口部とウインドウ材との隙
間Ｇ１が約０．１ｍｍとなる。開口部の加工精度を考慮
すると、その隙間は更に多きなものとなる。

【０１３６】このように、フィルタ材Ｆの角が開口部２
７に嵌入するようにするためには、開口部の隅部に丸み
が形成されることで、フィルタ材Ｆを挿入することがで
きるので、隙間Ｇ１が大きくなる。この隙間Ｇ１が発生
することで、フィルタ材Ｆと開口部２７との接着に多量
の接着剤を必要とする。また、接着剤が入射側の面に漏
れ出すおそれがあり、好ましくは以下に説明する図１６
（ａ），（ｂ）のウィンドウ付キャップＳＢの構造とす
る。無論、この隙間Ｇ１の場合であっても樹脂２８を充
填することによって、充分実施し得るものである。

【０１３７】次に、図１６（ａ），（ｂ）のウィンドウ
付キャップ構造について説明する。同図において、ウィ
ンドウ付キャップＳＢは、キャップＳＢに開口部２６が
設けられて、この開口部２６に赤外線透過性フィルタ材
Ｆが嵌入している。開口部２６は、それらの隅が円形の
切欠部が形成されており、ダイシング加工によって切り
出された赤外線透過性フィルタ材Ｆの四隅がそれぞれ円
形或いは湾曲した切欠部２６ａに嵌入して、開口部２６
に嵌挿される。フィルタ材ＦとキャップＳＢとの隙間Ｇ
２は、加工精度の許容誤差を考慮した寸法とすることが
でき、極めて狭いものとすることができる。

【０１３８】このように、開口部２６のコーナ部におい
て、各辺の延長上の交点より、外側方向に切欠部２６ａ
を形成することにより、ウインドウ材Ｆを開口部２６に
嵌挿した際の引っ掛かりが無くなり、コーナ部に起因す
る開口部とウインドウ材との隙間をより、小さくするこ
とができる。従って、気密封止の信頼性が向上し、接着
剤２８がウインドウ材表面にはみ出し等の不良を最小限
にすることができる。

【０１３９】次に、図１７（ａ），（ｂ）を参照して他
の実施形態について説明する。同図は、ウィンドウ付キ
ャップ構造の一部切欠き斜視図を示し、同図（ａ）はウ
ィンドウ材を設けるための開口部を形成したキャップ内
部側からの斜視図であり、同図（ｂ）はウィンドウ材が
設けられたキャップ外観を示す斜視図である。同図にお
いて、キャップＳＢには、四角形の開口部２６が設けら
れ、開口部２６の四隅に凹部２６ｂが設けられている。
凹部２６ｂは、キャップ裏面側から外側に突出するよう
に形成されている。ウインドウ材Ｆは、四角形であり、
凹部２６ｂの深さを調節することで、開口部２６にウイ
ンドウ材Ｆを嵌入させたときに、ウインドウ材Ｆの表面
（赤外線入射面）とキャップＳＢの表側とが面一とな
る。無論、ウインドウ材Ｆは、開口部２６に嵌入した際
に、キャップＳＢの表面から多少凹凸があったとしても
問題はないが、段差が生じないように嵌入させるのが望
ましい。その後、キャップＳＢの裏側からウインドウ材
Ｆの周囲と凹部２６ｂに樹脂を充填して、ウインドウ材
Ｆをキャップの開口部２６に固定する。この開口部２６
は、ウインドウ材Ｆの寸法が一致し、ウインドウ材Ｆが
四隅の凹部２６ｂの底部に当接させて固定されている。
従って、本実施形態では、ウインドウ材Ｆの全面で赤外
線を吸収する面とすることができ、従来のウインドウ材
の形状より小さな形状とすることが可能であり、高価な
ウインドウ材Ｆをコスト低減に役立ち経済的である効果
を有している。

【０１４０】図１８（ａ）は、パッケージとしてアルミ
ナのようなセラミックパッケージを用いた例であり、サ
ーモパイル素子ＴＡやサーミスタチップＴＢがワイヤー
ボンディングによって配線がなされている。図１８
（ｂ）は、セラミックパッケージ内にサーモパイル素子
ＴＡの空洞部側が赤外線の受光面となるように載置し、
サーミスタチップＴＢとして、面実装タイプ（surface
mount type）のものを用いた例を示す。アルミナは、熱
伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度と高く、赤外線検出器のケ
ースとして使用したときに、パッケージに発生する温度
分布が小さくなるために測定温度誤差を小さくできる利
点がある。パッケージ材料としては、アルミナに限定さ
れるものではなくて、ＡｌＮを用いれば、熱伝導率が１
７０Ｗ／ｍ・Ｋと大きいため、さらに良い特性が得られ
る。図１８（ｂ）のような形状で使用する場合は、空洞
部側に硼珪酸系ガラスや赤外線吸収膜を形成するとよ
い。

【０１４１】次に、本発明のサーモパイル型赤外線セン
サの赤外線吸収スペクトルについて、図２０を参照して
説明する。図２０（ａ）は、メンブレン部にＳｉＯ₂膜
の場合の赤外線吸収特性を示し、同図（ｂ）は、メンブ
レン部に硼珪酸鉛ガラス膜を形成した場合の赤外線吸収
特性を示している。同図（ｂ）から明らかなように、硼
珪酸系ガラス９（図６（ａ）参照）として、硼珪酸鉛ガ
ラスを用いた場合、約６〜１１μｍの波長に吸収帯（温
度に換算して、約−１０〜２１０℃）がある。また、同
図（ａ）から明らかなように、ＳｉＯ₂膜では、約８〜
９．５μｍの波長に吸収帯（温度に換算して、約３０〜
９０℃）がある。すなわち、実施形態のサーモパイル型
赤外線センサのように、硼珪酸系ガラスを絶縁膜として
用いることによって、従来用いられていたＳｉＯ₂膜に
比べて、広い温度範囲を検知することができる。さら
に、パッシベーション膜としてＳｉＮ膜を用いた場合、
１０〜１２μｍの波長に吸収帯があり、成膜時に酸素を
導入してＳｉＮＯ膜にすることにより、吸収帯を短波長
側にシフトすることができる。従って、ＳｉＮＯ膜と硼
珪酸ガラス膜とを組み合わせることによって、吸収帯を
拡張することができ、感度を一層向上させることができ
る。なお、硼珪酸系ガラス膜として、硼珪酸鉛ガラス膜
を用いた場合を示したが、鉛に変えて他の元素を添加し
て熱処理したものであってもよい。無論、無添加の硼珪
酸ガラス膜であってもよい。

【０１４２】なお、本実施形態では、一層のｎ型多結晶
シリコン層で８０個の熱電素子を形成しているが、これ
に限定することなく、チップ中心の同心円の半径やパタ
ーン幅を変えることによって、さらに個数を増減するこ
とが可能である。実施形態２では、受光パワー密度１．
２５ｍＷ／ｃｍ²の条件で、Ｓ／Ｎ比が８４ｄＢのセン
サを製造することができた。

【０１４３】なお、本発明のサーモパイル型赤外線セン
サは、小型で高精度に非接触温度測定が可能なため、人
間の体温を高速に測定可能な耳式体温計用センサとして
最適なセンサとなる。また、本発明において、素子表面
に熱電素子列を１つ以上形成して、熱電素子列をチップ
上あるいは外部で直列接続するようにしてもよい。

【０１４４】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、熱電材
料としてｎ型多結晶シリコン層を用いることによって、
ｐ型多結晶シリコン層に比べてキャリアとなる電子の移
動度が大きく、同じ抵抗率でもゼーベック係数が大きく
なるために出力電圧−ジョンソンノイズのＳ／Ｎ比が大
きくなる。しかも、実施形態１〜３のように、温接点部
がサーモパイル素子の空洞部の中心から半径ｒ１＜ｒ２
＜ｒ３の距離順に同心円に配置されることによってｎ型
多結晶シリコン層によるメンブレン部の応力集中が緩和
され、かつｎ型多結晶シリコン層のストライプ幅をでき
るだけ広く形成することによってサーモパイル素子の抵
抗を低くできるようになされている。その結果、出力電
圧対ジョンソンノイズのＳ／Ｎ比を高くでき、またメン
ブレン部全体の応力が低減されるために異方性エッチン
グ時の歩留まりが向上し、その結果とし安価なサーモパ
イル素子の製造が可能になる利点がある。

【０１４５】さらに、実施形態４に示したように、ｎ型
多結晶シリコン層を絶縁膜を介して２層に積層し、又
は、上下のシリコン膜のパターンを半ピッチずらして形
成し、さらに、温接点部がサーモパイル素子の空洞部の
中心から半径ｒ１＜ｒ２＜ｒ３の距離順に同心円に配置
することによって、ｎ型多結晶シリコン層によるメンブ
レン部の応力集中が緩和される。また、実施形態１〜３
の場合と同様の温接点数をパターンをずらした２層のｎ
型シリコン層を形成した場合、ストライプ幅を広く形成
することが可能であり、サーモパイル素子の抵抗を低く
できる。その結果、一層出力電圧対ジョンソンノイズの
Ｓ／Ｎ比を高くでき、またメンブレン部全体の応力が低
減されるために異方性エッチング時の歩留まりが向上
し、安価なサーモパイル素子の製造が可能であり、その
結果安価なサーモパイル型赤外線センサを提供できる。

【０１４６】また、本発明によれば、サーモパイルを構
成する熱電材料として、ｎ型多結晶シリコン膜の抵抗率
を１ｍΩ・ｃｍから１０ｍΩ・ｃｍにすることによっ
て、出力電圧とジョンソンノイズのＳ／Ｎ比を大きく
し、電圧感度の温度依存性を小さくすることができる。
すなわち、多結晶シリコン膜の抵抗率が１ｍΩ・ｃｍよ
りも小さい場合は、ゼーベック係数が小さくなり実用と
なる出力電圧が得られないし、出力電圧を大きくするた
めには、接点数を増やさなければならないのでその分、
熱電対の全長が長くなり製造歩留まりが低下する欠点が
ある。また、１０ｍΩ・ｃｍ以上の場合は、ゼーベック
係数は大きくなるがジョンソンノイズも大きくなってＳ
／Ｎ比が低下する欠点がある。

【０１４７】また、ｎ型多結晶シリコン層の抵抗率を１
ｍΩ・ｃｍ〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲に設定することによ
って、熱電対数、ｎ型多結晶シリコン膜のパターン形状
及び温接点部の位置、センサのＳ／Ｎ比等のパラメータ
を最適化でき、製造歩留まり等の関係で量産しやすい利
点がある。

【０１４８】また、ｎ型多結晶シリコン層のパターンエ
ッジ形状を、階段状やテーパ状にすることによって多結
晶シリコン層上に成膜する膜のステップカパレッジに対
する制約が緩和されるため、多結晶シリコン層の膜厚を
厚くすることが可能となる。また、段差が低く緩やかに
なるため、多結晶シリコン層上に成膜する膜を薄膜化す
ることができるので、段差上での金属膜の断線などの問
題がなくなる。

【０１４９】さらに、赤外線吸収膜として硼珪酸系ガラ
スやＳｉＮＯを用いることにより、従来のＳｉＯ₂に比
較し３０％程度の高出力化が図れる。また、樹脂などか
らなる吸収膜に比較し、異方性エッチング前に形成でき
るので、素子製作コストの削減が可能となる。

【０１５０】なお、パッケージ材として、Ａｌ₂Ｏ₃や
ＡｌＮ等のセラミックを用いることにより、安価で温度
ドリフトの少ない小型のサーモパイル素子を製作するこ
とができる。

【０１５１】また、冷接点温度補償素子として、抵抗値
を狭偏差で分類したチップサーミスタや薄膜サーミスタ
を用いることにより、非接触温度センサとして用いた場
合、出荷時キャリブレーション工数の削減や、対象物体
の温度を高精度に測定することができる。

【０１５２】また、本発明では、素子に形成される赤外
線吸収膜の表面を縞状にすることで、赤外線の反射を抑
制して吸収率を高めることで、赤外線の検出効率を高め
ることができるとともに、Ｓ／Ｎ比の向上に寄与する。

【０１５３】また、本発明では、キャップに高価なウイ
ンドウ材が装着されるので、ウインドウ材を無駄なく有
効に利用できるように、キャップに開口部を形成するこ
とで、安価な赤外線センサを提供することができる。ま
た、開口部の四隅に形成される凹部は、キャップにウイ
ンドウ材を強固に固定するのに有効であり、またキャッ
プ内に注入した不活性ガスを密封するのに有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のサーモパイル型赤外線センサの実施形
態１を示す一部切欠斜視図である。

【図２】本発明のサーモパイル型赤外線センサを説明す
るための説明図である。

【図３】（ａ）は、図１のサーモパイル型赤外線センサ
の平面図、（ｂ）は、そのＸ−Ｘ断面図である。

【図４】図１のサーモパイル型赤外線センサの部分拡大
平面図である。

【図５】（ａ）〜（ｄ）は、図４のＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ
−Ｃ断面図であり、Ｄ−Ｄ断面は、膜構成の断面図であ
る。

【図６】（ａ）は、本発明に係るサーモパイル型赤外線
センサの一実施例の模式的断面図、（ｂ）は、他の実施
例を示す模式的断面図である。

【図７】本発明のサーモパイル型赤外線センサの実施形
態２を示す部分平面図である。

【図８】図７のサーモパイル型赤外線センサの部分拡大
平面図である。

【図９】（ａ）〜（ｄ）は、図８のＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ
−Ｃ断面図であり、Ｄ−Ｄ断面は膜構成を示し断面図で
ある。

【図１０】本発明のサーモパイル型赤外線センサの実施
形態３を示す部分拡大平面図である。

【図１１】（ａ）〜（ｅ）は、図１０のＡ−Ａ，Ｂ−
Ｂ，Ｃ−Ｃ断面図であり、Ｄ−Ｄ，Ｅ−Ｅ断面は膜構成
の断面図である。

【図１２】本発明のサーモパイル型赤外線センサの実施
形態４を示す部分拡大平面図である。

【図１３】（ａ）〜（ｃ）は、図１０のＡ−Ａ，Ｂ−
Ｂ，Ｃ−Ｃ断面図である。

【図１４】（ａ），（ｂ）は、図１０のＤ−Ｄ，Ｅ−Ｅ
断面の膜構成を示す断面図である。

【図１５】サーモパイル素子をステムに収納したタイプ
のパッケージ構造を示す分解斜視図である。

【図１６】（ａ），（ｃ）は、サーモパイル素子を収納
するためのキャップの正面図であり、（ｂ），（ｄ）
は、その断面図である。

【図１７】（ａ）は、キャップの裏側からの一部切欠斜
視図であり、（ｂ）は、キャップの表側からの一部切欠
斜視図である。

【図１８】（ａ），（ｂ）は、サーモパイル素子をセラ
ミックパッケージに収納したタイプのパッケージ構造を
示す分解斜視図である。

【図１９】赤外線吸収膜の表面の形成された縞状の凹凸
を示すデジタル写真である。

【図２０】本発明のサーモパイル型赤外線センサの赤外
線吸収特性を示す図である。

【図２１】従来のサーモパイル素子の要部斜視図であ
る。

【符号の説明】

１単結晶シリコン基板２（２ａ，２ｂ）絶縁膜３（３₁〜３₃ ，３₁₂〜３₃₂）多結晶シリコン層３ａ扇型パターン３ｂ，３ｂ′ 鉤型パターン３ｃストライプ状パターン４絶縁膜５（５₁〜５₃）多結晶シリコン層６絶縁膜７金属薄膜８絶縁膜８₁ＰＳＧ８₂ＳｉＮ９硼珪酸ガラス１０ＳｉＯ₂ １１，１２電極パッド１３空洞部１４メンブレン部１５ａ〜１５ｄ開口部１６赤外線吸収膜２６開口部２６ａ切欠部２６ｂ凹部２７開口部２７ａ切欠部２８接着剤Ｆウインドウ材ＳＢキャップＴａ温接点部Ｔｂ冷接点部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松舘直史東京都墨田区錦糸１丁目７番７号石塚電子株式会社内 (72)発明者田中靖崇東京都墨田区錦糸１丁目７番７号石塚電子株式会社内 (72)発明者岡田俊一東京都墨田区錦糸１丁目７番７号石塚電子株式会社内Ｆターム(参考） 2G065 AB02 BA11 BA12 BA14 BA36 BA37 BA38 BB26 CA12 DA20 2G066 BA08 BA09 BA55 BB07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空洞部を有する単結晶シリコン基板に熱
電素子を形成したサーモパイル型赤外線センサに於い
て、前記空洞部を覆う第１の絶縁膜上に、チップ中心近傍か
ら放射状に延在した複数のｎ型多結晶シリコン層を配置
し、前記ｎ型多結晶シリコン層と金属薄膜層との接触に
よって、チップ中心側に温接点部を、その周縁側に冷接
点部をそれぞれ形成し、前記温接点部と隣接する前記ｎ
型多結晶シリコン層の冷接点部とを前記金属薄膜層で交
互に接続して、前記第１の絶縁膜上に直列接続した熱電
素子列を少なくとも一つ形成したことを特徴とするサー
モパイル型赤外線センサ。
【請求項２】空洞部を有する単結晶シリコン基板に熱
電素子を形成したサーモパイル型赤外線センサに於い
て、前記空洞部を覆う第１の絶縁膜上に、チップ中心近傍か
ら放射状に延在した複数のｎ型多結晶シリコン層を配置
し、前記ｎ型多結晶シリコン層と金属薄膜層との接触に
よって、チップ中心側に温接点部を、その周縁側に冷接
点部をそれぞれ形成し、前記温接点部と隣接する前記ｎ
型多結晶シリコン層の冷接点部とを前記金属薄膜層で交
互に接続して、前記第１の絶縁膜上に直列接続した熱電
素子列を少なくとも一つ形成し、かつ前記熱電素子列上
に絶縁膜を介して赤外線吸収膜を形成したことを特徴と
するサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項３】空洞部を有する単結晶シリコン基板に熱
電素子を形成したサーモパイル型赤外線センサに於い
て、前記空洞部を覆う第１の絶縁膜上に、チップ中心近傍の
円周上とその外側の複数の同心円上の位置からチップ周
縁方向に放射状に延在した複数のｎ型多結晶シリコン層
が互いに噛み合うように配置され、前記ｎ型多結晶シリ
コン層と前記第１の絶縁膜とを覆う第２の絶縁膜に開口
部を設け、前記開口部を介して前記ｎ型多結晶シリコン
層と金属薄膜層との接触によって、チップ中心側に温接
点部を、その周縁側に冷接点をそれぞれ形成し、前記温
接点部と隣接する前記ｎ型多結晶シリコン層の冷接点部
とを前記金属薄膜層で交互に接続して、前記第１の絶縁
膜上に直列接続した熱電素子列を形成し、かつ前記熱電
素子列上に絶縁膜を介して赤外線吸収膜を形成したこと
を特徴とするサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項４】空洞部を有する単結晶シリコン基板に熱
電素子を形成したサーモパイル型赤外線センサに於い
て、前記単結晶シリコン基板に設けられた空洞部を覆う第１
の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に、チップ中心近傍の円周上とその
外側の複数の同心円上の位置からチップ周縁方向に放射
状に延在して、互いに噛み合うように配置された複数の
ｎ型多結晶シリコン層と、前記ｎ型多結晶シリコン層と前記第１の絶縁膜上に形成
した第２の絶縁膜と、複数のｎ型多結晶シリコン層のチ
ップ中心側と周縁側とにそれぞれ温接点部と冷接点部と
を形成するために、前記第２の絶縁膜に形成した開口部
と、前記開口部を介して前記ｎ型多結晶シリコン層と接触さ
せて前記温接点部と冷接点部とを形成するための金属薄
膜層と、前記金属薄膜層によって前記温接点部と冷接点部とを交
互に接続して形成した熱電素子列と、前記第２の絶縁膜上と前記金属薄膜層上に形成した第３
の絶縁膜と、前記温接点部を覆うように前記第３の絶縁膜上に形成さ
れる赤外線吸収膜と、前記直列接続した熱電素子列の終端部に形成される電極
パッド部と、を設けたことを特徴とするサーモパイル型赤外線セン
サ。
【請求項５】空洞部を有する単結晶シリコン基板に熱
電素子を形成したサーモパイル型赤外線センサに於い
て、前記空洞部を覆う第１の絶縁膜上に、チップ中心近傍の
円周上とその外側の複数の同心円上の位置からチップ周
縁方向に放射状に延在した複数のｎ型多結晶シリコン層
が互いに噛み合うように配置され、前記ｎ型多結晶シリ
コン層と金属薄膜層との接触によって、チップ中心側に
温接点部を、その周縁側に冷接点部を形成し、前記温接
点部から導出された前記金属薄膜層を前記第１の絶縁膜
上に這わせて隣接するｎ型多結晶シリコン層の前記冷接
点部に接続させて、前記第１の絶縁膜上に直列接続した
熱電素子列を形成し、かつ前記熱電素子列を覆う第２の
絶縁膜上に赤外線吸収膜を形成したことを特徴とするサ
ーモパイル型赤外線センサ。
【請求項６】空洞部を有する単結晶シリコン基板に熱
電素子を形成したサーモパイル型赤外線センサに於い
て、前記空洞部を覆う第１の絶縁膜上に、チップ中心近傍の
円周上とその外側の複数の同心円上の位置からチップ周
縁方向に放射状に延在した複数の第１のｎ型多結晶シリ
コン層が互いに噛み合うように配置され、前記第１のｎ
型多結晶シリコン層と前記第１の絶縁膜とを覆う第２の
絶縁膜を形成し、前記第２の絶縁膜上に、前記第１のｎ
型多結晶シリコン層と同じパターン形状を有し、前記第
１のｎ型多結晶シリコン層のパターンに対して円周方向
に半ピッチずらしたパターンからなる複数の第２のｎ型
多結晶シリコン層を形成し、前記第２のｎ型多結晶シリ
コン層上を覆う第３の絶縁膜を形成して、前記第１と第
２のｎ型多結晶シリコン層上の前記第２と第３の絶縁膜
に開口部を設け、前記開口部を介して金属薄膜との接触
によって前記第１と第２のｎ型多結晶シリコン層のチッ
プ中心側に温接点部を、その周縁側に冷接点部をそれぞ
れ形成するとともに、前記温接点部と隣接するｎ型多結
晶シリコン層の冷接点部とを前記金属薄膜層で交互に接
続して、直列接続した熱電素子列を形成し、かつ前記熱
電素子列上に絶縁膜を介して赤外線吸収膜を形成したこ
とを特徴とするサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項７】前記単結晶シリコン基板の面方位が、
（１００）面であることを特徴とする請求項１〜６の何
れかに記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項８】チップ中心から放射状に配置された前記
ｎ型多結晶シリコン層が、チップ周縁方向に広がった扇
型パターンの組合せであることを特徴とする請求項１〜
７の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項９】前記温接点部が、チップ中心から半径ｒ
１〜ｒ３の同心円上に配置され、かつｒ１＜ｒ２＜ｒ３
の関係であることを特徴とする請求項１〜８の何れかに
記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項１０】前記熱電素子列上に設けられる赤外線
吸収膜が、硼珪酸系ガラス、ポリイミド系樹脂、ビニル
系樹脂又はアクリル系樹脂の一種からなることを特徴と
する請求項２〜９の何れかに記載のサーモパイル型赤外
線センサ。
【請求項１１】前記熱電素子列を覆う絶縁膜が、ＰＳ
ＧとＳｉＮとの２層の絶縁膜であることを特徴とする請
求項１〜１０の何れかに記載のサーモパイル型赤外線セ
ンサ。
【請求項１２】前記第１の絶縁膜が、ＳｉＯ₂とＳｉ
Ｎとの２層、又はＳｉＮをＳｉＯ₂で挟んだ３層構造か
らなることを特徴とする請求項１〜１１の何れかに記載
のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項１３】前記ｎ型多結晶シリコン層の周縁部
が、温接点部、冷接点部を形成する部分を除いて、階段
状に形成されていることを特徴とする請求項１〜１２の
何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項１４】前記ｎ型多結晶シリコン層の周縁断面
がテーパ状であることを特徴とする請求項１〜１３の何
れかに記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項１５】前記ｎ型多結晶シリコン膜の抵抗率
が、１〜１０ｍΩ・ｃｍであることを特徴とする請求項
１〜１４の何れかに記載のサーモパイル型赤外線セン
サ。
【請求項１６】前記熱電素子列を覆う絶縁膜が、Ｓｉ
Ｏ₂、ＳｉＮ、ＳｉＮＯ、ＰＳＧ（リンガラス）、Ａｌ
₂Ｏ₃、サイアロンの少なくとも一種を含むことを特徴
とする請求項１〜１５の何れかに記載のサーモパイル型
赤外線センサ。
【請求項１７】前記金属薄膜層が、Ａｌ，Ｃｒ，Ｔ
ａ，Ｍｏ，Ｗ，ＮｉＣｒの少なくとも一種からなること
を特徴とする請求項１〜１６の何れかに記載のサーモパ
イル型赤外線センサ。
【請求項１８】前記赤外線吸収膜の表面が凹凸を有す
る縞状パターンであることを特徴とする請求項２〜１７
の何れかに記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項１９】請求項１〜１８の何れかに記載のサー
モパイル型赤外線センサにおいて、前記サーモパイル型赤外線センサを封入するパッケージ
のキャップ部分に形成した開口部に赤外線を透過させる
フィルタ材からなるウインドウ材が設けられ、前記ウイ
ンドウ材が４角形または６角形であり、前記開口部の形
状と前記ウインドウ材の形状が一致し、かつ前記開口部
の各コーナ部に形成された切欠部が前記４角形または６
角形の各辺の交点より外側に形成されていることを特徴
とするサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項２０】請求項１〜１８の何れかに記載のサー
モパイル型赤外線センサにおいて、前記サーモパイル型赤外線センサを封入したパッケージ
のキャップ部分に形成した開口部に赤外線を透過させる
フィルタ材からなるウインドウ材が設けられ、前記ウイ
ンドウ材が４角形または６角形であり、前記開口部の形
状と前記ウインドウ材の形状が一致し、かつ前記開口部
の各コーナ部に形成された凹部が形成され、前記凹部に
よって前記ウインド材を位置決めし保存することを特徴
とするサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項２１】サーモパイル型赤外線センサの製造方
法に於いて、単結晶シリコン基板の両面に熱酸化、ＣＶＤ又はスパッ
タリングにより第１の絶縁膜を形成する第１の工程と、前記第１の絶縁膜表面上にＣＶＤ又はスパッタリングに
より多結晶シリコン層を成膜する第２の工程と、前記多結晶シリコン層に不純物を拡散することにより抵
抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲のｎ型多結晶シリコン
層を形成する第３の工程と、前記ｎ型多結晶シリコン層をパターニングして、チップ
中心から半径ｒ１の位置を起点として外側の半径ｒ２間
に形成される放射状の扇型パターンからストライプ状に
前記基板上まで延在するパターンと、さらにチップ中心
から半径ｒ２の位置を起点として外周方向に放射状に前
記基板上までストライプ状に延在するパターンと、最も
離れた半径ｒ３の位置を起点として外周方向に向けて前
記基板上までストライプ状に延在したパターンとからな
る第１のパターンを形成する第４の工程と、前記第１のパターンで形成された複数のｎ型多結晶シリ
コン層及び第１の絶縁膜上にＣＶＤ、ガラス塗布又はス
パッタリングにより第２の絶縁膜を形成する第５の工程
と、温接点部及び冷接点部の各々に対応した部分の前記第２
の絶縁膜に開口部を設ける第６の工程と、前記第６の工程の後、スパッタリング又は蒸着により金
属薄膜層を成膜する第７の工程と、前記金属薄膜層をパターニングして、前記ｎ型多結晶シ
リコン層と前記金属薄膜層とを前記開口部でオーミック
接触させて、温接点部と冷接点部とからなる各熱電素子
を直列接続して、熱電素子列を形成する第８の工程とを
備え、前記金属薄膜層と前記第２の絶縁膜上に第３の絶縁膜を
形成し、かつチップ中央部に赤外線吸収膜を形成して、
最終工程に於いて、前記単結晶シリコン基板の裏面の前
記第１の絶縁膜に開口部を設けて、エッチングによって
前記基板の裏面に空洞部を形成し、前記第１の絶縁膜を
裏面から露出させる工程とを備えたことを特徴とするサ
ーモパイル型赤外線センサの製造方法。
【請求項２２】サーモパイル型赤外線センサの製造方
法に於いて、単結晶シリコン基板の両面を熱酸化、ＣＶＤ又はスパッ
タリングにより第１の絶縁膜を形成する第１の工程と、前記第１の絶縁膜上にＣＶＤ又はスパッタリングにより
多結晶シリコン層を成膜する第２の工程と、前記多結晶シリコン層に不純物を拡散することにより抵
抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲のｎ型多結晶シリコン
層を形成する第３の工程と、前記ｎ型多結晶シリコン層に、チップ中心から半径ｒ１
の位置を起点として外側の半径ｒ２間に形成された放射
状の扇型パターンからストライプ状に前記基板上まで延
在するパターンと、さらにチップ中心から半径ｒ２の位
置を起点として外周方向に放射状に前記基板上までスト
ライプ状に延在するパターンと、最も離れた半径ｒ３の
位置を起点として外周方向に向けて前記基板上までスト
ライプ状に延在したパターンとをパターニングして、前
記ｎ型多結晶シリコン層の一部をエッチングしてメサ状
にする第４の工程と、前記第４の工程で形成したメサ状ｎ型多結晶シリコン層
に相似した、より大きいパターンによってパターニング
して前記メサ状ｎ型多結晶シリコン層の周縁部のｎ型多
結晶シリコン層を残してエッチングして、テーパの付い
た階段状ｎ型多結晶シリコン層を形成する第５の工程
と、前記第５の工程の後の前記階段状ｎ型多結晶シリコン層
上に第２の絶縁膜を形成し、温接点部及び冷接点部の各
々に対応した部分の前記第２の絶縁膜に開口部を設ける
第６の工程と、前記第６の工程の後に、スパッタリング又は蒸着により
金属薄膜層を成膜する第７の工程と、前記金属薄膜層をパターニングして、前記階段状ｎ型多
結晶シリコン層と前記金属薄膜層とを前記開口部でオー
ミック接触させて、温接点部と冷接点部とからなる各熱
電素子を直列接続して、熱電素子列を形成する第８の工
程とを備え、前記第２の絶縁膜と前記金属薄膜層上に第３の絶縁膜を
形成し、前記第３の絶縁膜上に赤外線吸収膜を形成する
第９の工程と、前記単結晶シリコン基板の裏面に空洞部を形成して、前
記第１の絶縁膜を裏面から露出させる第１０の工程とを
含むことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサの製
造方法。
【請求項２３】サーモパイル型赤外線センサの製造方
法に於いて、単結晶シリコン基板の両面に第１の絶縁膜を形成する第
１の工程と、前記第１の絶縁膜上にＣＶＤ又はスパッタリングにより
第１の多結晶シリコン層を成膜する第２の工程と、チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として外側の半径
ｒ２間に形成された放射状の扇型パターンからストライ
プ状に前記基板上まで延在するパターン、チップ中心か
ら半径ｒ２の位置を起点として外周方向に放射状に前記
基板上までストライプ状に延在するパターン、および最
も離れた半径ｒ３の位置を起点として外周方向に向けて
前記基板上までストライプ状に延在したパターンからな
る第１のパターンとなるように、前記第１の多結晶シリ
コン層をパターニングした後、第２の多結晶シリコン層
を堆積して、不純物を拡散し、抵抗率が１〜１０ｍΩ・
ｃｍの範囲の前記第１のパターンによる第１のｎ型多結
晶シリコン層と第２のｎ型多結晶シリコン層を形成する
第３の工程と、前記第３の工程の後、前記第２のｎ型多結晶シリコン層
を前記第１のパターンに相似した、より大きな第２のパ
ターンでパターニングすることによって、前記第２のパ
ターンによるｎ型多結晶シリコン層の周縁をテーパの付
いた階段状に形成する第４の工程と、前記第４の工程の後、前記第２のパターンによるｎ型多
結晶シリコン層上に第２の絶縁膜を形成し、温接点部と
冷接点部の各々に対応した部分の前記第２の絶縁膜に開
口部を設ける第５の工程と、前記第５の工程の後、スパッタリング又は蒸着により金
属薄膜層を成膜する第６の工程と、前記金属薄膜層をパターニングして、前記ｎ型多結晶シ
リコン層と前記金属薄膜層とを前記開口部でオーミック
接触させて、温接点部と冷接点部とを接続して直列接続
した熱電素子列を形成する第７の工程とを備え、前記第２の絶縁膜と前記金属薄膜層上に第３の絶縁膜を
形成した後、前記第３の絶縁膜上に赤外線吸収膜を形成
する第８の工程と、前記単結晶シリコン基板の裏面に空洞部を形成して、前
記第１の絶縁膜を裏面から露出させる第９の工程とを含
むことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサの製造
方法。
【請求項２４】サーモパイル型赤外線センサの製造方
法に於いて、単結晶シリコン基板の両面に熱酸化、ＣＶＤ又はスパッ
タリングにより第１の絶縁膜を形成する第１の工程と、前記第１の絶縁膜表面上にＣＶＤ又はスパッタリングに
より第１の多結晶シリコン層を成膜する第２の工程と、前記第１の多結晶シリコン層に不純物を拡散することに
より抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲の第１のｎ型多
結晶シリコン層を形成する第３の工程と、前記第１のｎ型多結晶シリコン層をパターニングして、
チップ中心から半径ｒ１の位置を起点として外側の半径
ｒ２間に形成される放射状の扇型パターンからストライ
プ状に前記基板上まで延在するパターンと、さらにチッ
プ中心から半径ｒ２の位置を起点として外周方向に放射
状に前記基板上までストライプ状に延在するパターン
と、最も離れた半径ｒ３の位置を起点として外周方向に
向けて前記基板上までストライプ状に延在したパターン
とからなる第１のパターンを形成する第４の工程と、前記第１のパターンで形成された複数のｎ型多結晶シリ
コン層及び第１の絶縁膜上にＣＶＤ、ガラス塗布又はス
パッタリングにより第２の絶縁膜を形成する第５の工程
と、前記第５の工程の後に、第２の多結晶シリコン層を堆積
し、前記第２の多結晶シリコン層に不純物を拡散するこ
とにより抵抗率が１〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲の第２のｎ
型多結晶シリコン層をドーピングして形成する第６の工
程と、前記第６の工程の後、前記第１のｎ型多結晶シリコン層
からなる第１のパターンに対して、円周方向に半ピッチ
ずらして前記第２のｎ型多結晶シリコン層からなる第２
のパターンを形成する第７の工程と、パターン化された前記第１と第２のｎ型多結晶シリコン
層上に第３の絶縁膜を形成し、温接点部及び冷接点部の
各々に対応した部分の前記第２又は第３の絶縁膜に開口
部を設ける第８の工程と、前記第３の絶縁膜上に金属薄膜層を形成してパターニン
グし、前記開口部で前記第１と第２のｎ型多結晶シリコ
ン層と前記金属薄膜層との接触によって形成される前記
温接点部と冷接点部とを接続して熱電素子列を形成する
第９の工程と、前記第３の絶縁膜と前記金属薄膜層上に
第４の絶縁膜を形成し、前記第４の絶縁膜上に赤外線吸
収膜を形成する第１０の工程と、前記単結晶シリコン基板の裏面に空洞部を形成して、前
記第１の絶縁膜を裏面から露出させる第１１の工程と、を含むことを特徴とするサーモパイル赤外線センサの製
造方法。
【請求項２５】サーモパイル型赤外線センサの製造方
法に於いて、単結晶シリコン基板の両面に熱酸化、ＣＶＤ又はスパッ
タリングにより第１の絶縁膜を形成する第１の工程と、前記第１の絶縁膜表面上にＣＶＤ又はスパッタリングに
より第１の多結晶シリコンを成膜する第２の工程と、前記多結晶シリコンに不純物を拡散することにより抵抗
率が１〜１０ｍΩ・ｃｍの範囲のｎ型多結晶シリコン層
を形成する第３の工程と、前記ｎ型多結晶シリコン層をパターニングして、チップ
中心から半径ｒ１の位置を起点として外側の半径ｒ２間
に形成された放射状の扇型パターンからストライプ状に
前記基板上まで延在するパターンと、さらにチップ中心
から半径ｒ２の位置を起点として外周方向に放射状に前
記基板上までストライプ状に延在するパターンと、最も
離れた半径ｒ３の位置を起点として外周方向に向けて前
記基板上までストライプ状に延在したパターンとを形成
する第４の工程と、前記第１の絶縁膜及び前記ｎ型多結晶シリコン層上に金
属薄膜層を成膜する第５の工程と、前記金属薄膜層をパターニングして、パターン化した前
記ｎ型多結晶シリコン層の前記温接点部と冷接点部を前
記金属薄膜層との接触によって形成するとともに、前記
金属薄膜層によって前記温接点部と冷接点部とを互いに
接続して熱電素子列を形成する第６の工程と、前記第１の絶縁膜、前記金属薄膜層と前記パターン化さ
れたｎ型多結晶シリコン層上に絶縁膜を形成し、該絶縁
膜上のチップ中央部に赤外線吸収膜を形成する第７の工
程と、前記基板をエッチングして空洞部を形成し、前記第１の
絶縁膜を裏面から露出させる第８の工程とを含むことを
特徴とするサーモパイル型赤外線センサの製造方法。
【請求項２６】前記熱電素子列上に形成される赤外線
吸収膜が、硼珪酸系ガラス、ポリイミド系樹脂、ビニル
系樹脂又はアクリル系樹脂の一種からなることを特徴と
する請求項２１〜２５の何れかに記載のサーモパイル型
赤外線センサの製造方法。
【請求項２７】加熱工程を経て、前記赤外線吸収膜の
表面を凹凸を有する縞状パターンとしたことを特徴とす
る請求項２１〜２６の何れかに記載のサーモパイル型赤
外線センサの製造方法。
【請求項２８】前記赤外線吸収膜の膜厚が１〜１５μ
ｍであって、前記赤外線吸収膜の表面に１〜１０μｍの
凹凸を形成したことを特徴とする請求項２７に記載のサ
ーモパイル型赤外線センサの製造方法。