JP4915555B2

JP4915555B2 - 赤外線センサ

Info

Publication number: JP4915555B2
Application number: JP2006145820A
Authority: JP
Inventors: 山中　　浩; 雄一内田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-05-25
Filing date: 2006-05-25
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2026-05-25
Also published as: JP2007315916A

Description

本発明は、赤外線センサに関するものである。

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）。なお、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により構成されている。
特開２０００−９７７６５号公報

ところで、上述のように温度検知部が断熱部を介してベース基板に支持された赤外線センサにおいて、応答速度の高速化を目的として、温度検知部の熱容量を低減するために温度検知部の平面サイズを小さくすることが考えられる。

しかしながら、上述の赤外線センサでは、温度検知部の平面サイズが小さくなると、受光効率が低下し感度が低下してしまう。

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、応答速度の高速化を図れ、且つ、温度検知部の受光効率および感度の低下を抑制することができる赤外線センサを提供することにある。

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多孔質材料からなる断熱部と、温度検知部におけるベース基板側とは反対側に配置された受光レンズとを備え、温度検知部は、ベース基板の厚み方向に直交する面内で２次元アレイ状に配列された複数の温度検知素子を有するとともに各温度検知素子ごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全ての温度検知素子が電気的に接続されてなり、受光レンズは、各温度検知素子に各別に赤外線を収束させるように２次元アレイ状に配列された複数のレンズ小体を有し、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ベース基板側とは反対側に温度検知部が形成される支持部と、支持部とベース基板とを連結した脚部とを有し、支持部は、ベース基板の厚み方向に直交する面内で２次元アレイ状に配列された複数の矩形状の支持セル部と、隣り合う支持セル部同士を連結した複数の連結部とで構成されてなり、温度検知部は、脚部に沿って形成された配線を介してベース基板の前記一表面上の導体パターンと電気的に接続されてなり、脚部は、ベース基板の前記一表面側において導体パターン上に立設された円筒状の支持ポスト部と、支持ポスト部の上端部と支持部とを連結した梁部とで構成され、配線のうち支持ポスト部に形成されている部位は、支持ポスト部の内周面の全体と導体パターンの表面とに跨って形成されてなり、支持ポスト部が配線により補強されていることを特徴とする。

この発明によれば、温度検知部が、ベース基板の厚み方向に直交する面内で２次元アレイ状に配列された複数の温度検知素子を有するので、温度検知部の熱容量を小さくできて応答速度の高速化を図れ、しかも、受光レンズが、各温度検知素子に各別に赤外線を収束させるように２次元アレイ状に配列された複数のレンズ小体を有するので、温度検知部の受光効率の低下を抑制することができ、温度検知部では、各温度検知素子ごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全ての温度検知素子が電気的に接続されているので、感度の低下を抑制することができる。また、この発明によれば、多孔質材料からなる断熱部を備えているので、断熱部が非多孔質材料により形成されている場合に比べて、断熱性が向上して感度が高くなるとともに、断熱部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、この発明によれば、温度検知部は、脚部に沿って形成された配線を介してベース基板の前記一表面上の導体パターンと電気的に接続されてなり、脚部は、ベース基板の前記一表面側において導体パターン上に立設された円筒状の支持ポスト部と、支持ポスト部の上端部と支持部とを連結した梁部とで構成され、配線のうち支持ポスト部に形成されている部位は、支持ポスト部の内周面の全体と導体パターンの表面とに跨って形成されてなり、支持ポスト部が配線により補強されているので、多孔質材料からなる支持ポスト部が配線により補強される。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記温度検知部は、前記各温度検出素子が、サーモパイル型のセンシングエレメントからなり、前記接続関係が直列接続であることを特徴とする。

この発明によれば、前記温度検知部が前記各温度検出素子としてサーモパイル型のセンシングエレメントを採用した構成において、前記各温度検知素子ごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる。

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。

この発明によれば、前記断熱部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。

請求項１の発明は、応答速度の高速化を図れ、且つ、温度検知部の受光効率および感度の低下を抑制することができるという効果がある。

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。

本実施形態の赤外線センサは、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、ベース基板１の上記一表面上に形成され温度検知部３および断熱部４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とを有する赤外線センサ素子Ｂを備え、さらに、温度検知部３におけるベース基板１側とは反対側に配置された受光レンズ２０を備えている。なお、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。

ベース基板１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とで構成してある。また、ベース基板１は、平面形状が正方形状に形成されている。

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。

これに対して、温度検知部３は、断熱部４の脚部４２，４２に沿って形成された配線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、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ようになっている。

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、各梁部４２ｂ，４２ｂは、Ｌ字状の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上に形成された第１配線部８ａの線幅は、当該第１配線部８ａ，８ａ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に沿って形成されている第２配線部８ｂ，８ｂ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が第２配線部８ｂ，８ｂにより補強されている。本実施形態では、第１配線部８ａ，８ａの材料として、温度検知部３と同じ材料を採用しており、後述のように第１配線部８ａ，８ａと温度検知部３とを同時に形成している。

ところで、断熱部４における支持部４１は、ベース基板１の厚み方向に直交する面内で２次元アレイ状に配列された複数（本実施形態では、９つ）の矩形状（本実施形態では、正方形状）の支持セル部４１ａと、支持部４１全体としてつづら折れ状の形状となるように一方向において隣り合う支持セル部４１ａ同士を連結した複数の連結部４１ｂとで構成されており、各支持セル部４１ａそれぞれにおけるベース基板１側とは反対側に温度検知素子３ａが形成されている。ここで、断熱部４は、上記一方向において隣り合う支持セル部４１ａ間の熱伝達を抑制するために、連結部４１ｂにおいて上記一方向に直交する幅方向の寸法を支持セル部４１ａの寸法に比べて十分に小さく設定してある。

上述の説明から分かるように、温度検知部３は、ベース基板１の厚み方向に直交する面内で２次元アレイ状に配列された複数（本実施形態では、９つ）の温度検知素子３ａを有している。ここで、温度検知部３は、各温度検知素子３ａごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全ての温度検知素子３ａが電気的に接続されている。ここにおいて、温度検知素子３ａ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、上記一方向において隣り合う支持セル部４１ａ上に形成された温度検知素子３ａ同士が連結部４１ｂ上に形成された素子間接続用配線３ｂを介して直列接続されている。要するに、温度検知部３は、全ての温度検知素子３ａが直列接続されており、各温度検知素子３ａそれぞれの抵抗値変化に応じた出力変化が加算して出力されることになるので、上記接続関係を満足することができ、感度が高くなる。

温度検知素子３ａは、支持セル部４１ａ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、平面形状が直線状あるいはＬ字状に形成されている。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。また、素子間接続用配線３ｂは、温度検知素子３ａと同じ材料を採用しており、温度検知素子３ａと同時に形成している。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。各温度検知素子３ａの平面形状は特に限定するものではないが、例えば、図２に示すように、蛇行した形状（ここでは、つづら折れ状の形状）とすれば、各温度検知素子３ａの抵抗値を大きくすることができ、感度を高めることができる。

温度検知素子３ａ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、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、温度に応じて誘電率が変化する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。

ここで、各温度検知素子３ａとして、サーモパイル型のセンシングエレメントを採用する場合には、全ての温度検知素子３ａを直列接続すれば、各温度検知素子３ａそれぞれの熱起電力が加算して出力されることになるので、上記接続関係を満足することができ、感度が高くなる。

また、各温度検知素子３ａとして、温度に応じて誘電率が変化するセンシングエレメントを採用する場合には、図３に示すように、支持セル部４１ａ上の下部電極３１ａと下部電極３１ａ上の誘電体膜３２ａと誘電体膜３２ａ上の上部電極３３ａとで構成される温度検知素子３ａを並列接続すれば、各温度検知素子３ａの誘電率変化が加算して出力されることになるので、上記接続関係を満足することができ、感度が高くなる。ここにおいて、図３に示した例では、各温度検知素子３ａの上部電極３３ａを共通接続するとともに各温度検知素子３ａの下部電極３１ａを共通接続し、一方の配線８（図３における左側の配線８）を上部電極３３ａと電気的に接続し、他方の配線８（図３における右側の配線８）を下部電極３１ａと電気的に接続してある。誘電体膜３２ａの材料としては、例えば、ＰＺＴ、ＢＳＴなどを採用すればよい。また、各温度検知素子３ａとして、焦電型のセンシングエレメントを採用する場合には、温度に応じて誘電率が変化するセンシングエレメントの場合と同様、全ての温度検知素子３ａを並列接続すれば、焦電効果により発生する電荷が加算して出力されることになるので、上記接続関係を満足することができ、感度が高くなる。

ところで、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。

ここにおいて、本実施形態における断熱部４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ることが望ましい。

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の延長方向に直交する断面の断面積を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ＳｉＯ_２の場合には、α＝１．４〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、Ｌ＝５０〔μｍ〕、Ｓ＝１０〔μｍ^２〕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。

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〔μｍ^２〕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。

また、支持部４１の熱容量Ｃは、支持部４１の体積比熱をｃ_v、支持セル部４１ａの厚み方向に直交する断面の面積をＡ_０、支持セル部４１ａの数をｎ、支持部４１の厚み方向に直交する断面の面積をＡ〔μｍ^２〕、支持部４１の厚さをｄ〔μｍ〕とし、連結部４１ｂの熱容量を無視すれば、Ｃ＝ｃ_v×Ａ×ｄ＝ｃ_v×（Ａ_０×ｎ）×ｄで求められる。ここで、仮に、支持部４１の材料がＳｉＯ_２の場合には、ｃ_v＝１．８×１０^６〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕、Ａ_０＝２２５〔μｍ^２〕、ｎ＝９、ｄ＝０．５〔μｍ〕とすれば、支持部４１の熱容量Ｃは、
Ｃ＝ｃ_v×Ａ×ｄ＝１８．３×１０^−１０〔Ｊ／Ｋ〕となる。

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ている場合には、ｃ_v＝０．８８×１０^６〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕、Ａ_０＝２２５〔μｍ^２〕、ｎ＝９、ｄ＝０．５〔μｍ〕とすれば、支持部４１の熱容量Ｃは、
Ｃ＝ｃ_v×Ａ×ｄ＝８．９×１０^−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。

受光レンズ２０は、各温度検知素子３ａに各別に赤外線を収束させるように２次元アレイ状に配列された複数（本実施形態では、９つ）のレンズ小体２１を有している。ここで、受光レンズ２０は、各レンズ小体２１が平凸レンズであり、各レンズ小体２１それぞれの凸曲面２１ｂ側の焦点が温度検知素子３ａに合うように配置されている（なお、図１（ｂ）中の一点鎖線は、受光レンズ２０へ入射した赤外線を示している）。ここで、各温度検知素子３ａの受光面の形状が仮に図４（ａ）に示すような正方形状の形状である場合、各温度検知素子３ａの受光面を含む平面における赤外線の入射位置は、図４（ａ）中にドットで示すように大部分が温度検知素子３ａの受光面上に存在することとなり、図４（ａ）のＡ−Ａ’線上の各位置における赤外線受光量は図４（ｂ）中に実線で示すような分布となる。一方、上述の受光レンズ２０を備えていない場合の赤外線受光量の分布は図４（ｂ）中に破線で示すような分布となる。要するに、本実施形態の赤外線センサでは、温度検知部３を複数の温度検知素子３ａにより構成することで温度検知部３の受光面積が小さくなっているにも関わらず、上述の受光レンズ２０を備えていることにより、温度検知部３での受光効率の低下を抑制することができる。また、受光レンズ２０の材料としては、Ｓｉを採用しているが、遠赤外線の透過率が高い材料であればよく、例えば、Ｇｅ，ＩｎＰ，ＺｎＳｅ，ＺｎＳ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＣｄＳｅなどを採用してもよい。ここにおいて、赤外線センサ素子Ｂの素子サイズを１５０μｍ□とした場合には、凸曲面２１ｂの曲率半径は、０．０５ｍｍ〜１ｍｍ程度の範囲で設定すればよく、受光レンズ２０を備えていない場合の温度検知素子３ａの受光効率に比べて、２〜５倍程度の受光効率を得ることが可能となる。

ところで、本実施形態の赤外線センサは、上述の赤外線センサ素子Ｂを収納するＣＡＮパッケージ（図示せず）を備えており、受光レンズ２０が、ＣＡＮパッケージにおいて赤外線センサ素子Ｂの前方（温度検知部３におけるベース基板１側とは反対側）に位置する前壁に設けられた透光窓を閉塞する形でＣＡＮパッケージの内側に配設されている。なお、パッケージの形態は特に限定するものではなく、例えば、チップサイズパッケージでもよく、チップサイズパッケージに受光レンズ２０を一体に形成してもよい。

以下、赤外線センサ素子Ｂの製造方法について図５および図６を参照しながら説明する。なお、図５および図６では、図１（ｂ）に示した断面図に対応する部位の断面を示してある。

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５（ａ）に示す構造を得る。

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５（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５（ｂ）に示す構造を得る。

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５１を成膜し、その後、犠牲層５１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５３，５３を形成することによって、図５（ｃ）に示す構造を得る。

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５（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。

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第１配線部８ａ，８ａ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５（ｅ）に示す構造を得る。

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（各温度検知素子３ａおよび各素子間接続用配線３ｂ）および第１配線部８ａ，８ａを形成することによって、図６（ａ）に示す構造を得る。

その後、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６（ｂ）に示す構造を得る。

続いて、ベース基板１の上記一表面側の全面に第２配線部８ｂの基礎となる金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜）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当該金属膜をパターニングすることで第２配線部８ｂを形成することによって、図６（ｃ）に示す構造を得る。

次に、ベース基板１の上記一表面側の犠牲層５１を選択的にエッチング除去することで支持部４１とベース基板１との間に間隙７を形成することによって、図６（ｄ）に示す構造の赤外線センサ素子Ｂを得る。ここで、上述のように赤外線センサ素子ＢをＣＡＮパッケージに収納する場合には、ダイシングを行うことで個々の赤外線センサ素子Ｂに分割すればよいし、パッケージの形態としてチップサイズパッケージを採用する場合には、例えば、ウェハレベルパッケージング技術などを利用してウェハレベルでパッケージングを行ってからダイシングを行えばよい。

以下、受光レンズ２０の製造方法について図７〜図１２を参照しながら説明する。

まず、受光レンズ２０の基礎となるシリコン基板１００の一表面側に有機材料からなるレジストをスピンコート法により回転途布してレジスト層１０１を形成するレジスト層形成工程を行うことによって、図７（ａ）に示す構造を得る。

レジスト層形成工程の後、受光レンズ形成用の金型１１０の凹凸パターンをレジスト層１０１に転写する転写工程を行うことによって、図７（ｃ）に示す構造を得る。ここにおいて、転写工程では、図７（ｂ）に示すように受光レンズ形成用の金型１１０をレジスト層１０１にプレスしてからレジスト層１０１を硬化させ、レジスト層１０１から金型１１０を離型する。

転写工程の後、反応性イオンエッチング装置を用いてシリコン基板１００の上記一表面側からレジスト層１０１およびシリコン基板１００を異方性エッチングするドライエッチング工程を行う（図７（ｄ）は当該ドライエッチング工程の途中での断面形状を示し、同図中の矢印はイオンの入射方向を示している）ことによって、図７（ｅ）に示す構造の受光レンズ２０を得る。なお、ドライエッチング工程では、エッチングガスとして、例えば、ＳＦ_６ガス、あるいは、ＳＦ_６ガスとＯ_２ガスとの混合ガスを採用すればよい。

ところで、上述の金型１１０としては、シリコン基板２００（図９（ａ）参照）を用いて形成したマスタ（母型）１２０を基に複製した複製型を利用している。すなわち、図８（ａ）に示すようにマスタ１２０を型として用いて電鋳法によってニッケル製の電鋳型１３０を形成し、その後、図８（ｂ）に示すように電鋳型１３０を型として用いて電鋳法によってニッケル製の金型１１０を形成している。

ここで、マスタ１２０の作製方法の一例について説明する。

まず、マスタ１２０の基礎となるシリコン基板２００の一表面側に有機材料からなるレジストをスピンコート法により回転途布してレジスト層２０１を形成するレジスト形成工程を行うことによって、図９（ａ）に示す構造を得る。

その後、受光レンズ２０の所望のレンズ形状に応じて設計した凹凸パターンを形成した金属製（本実施形態では、Ｎｉ−Ｐ）の構造体からなる型材２２０の凹凸パターンをレジスト層２０１に転写する転写工程を行うことによって、図９（ｄ）に示す構造を得る。ここにおいて、転写工程では、図９（ｂ）に示すように型材２２０とレジスト層２０１の表面に対向させた後、図９（ｃ）に示すように型材２２０をレジスト層２０１にプレスしてからレジスト層２０１を硬化させ、続いて、図９（ｄ）に示すようにレジスト層２０１から型材２２０を離型する。なお、型材２２０は、型材２２０の基礎となる金属板２３０（図１０（ａ）参照）の一表面を図１０（ｂ）に示すようにダイヤモンドバイト２４０により切削加工することによって作製してあり、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、四角錘状の山部２２０ａが２次元アレイ状に配列されており、レジスト層２０１は、図１２（ａ），（ｂ）に示すような凹凸パターンとなる。

上述の転写工程が終了した後、シリコン基板２００の上記一表面側からレジスト層２０１およびシリコン基板２００を等方性エッチングすることでシリコン基板２００の上記一表面に凹凸パターン（本実施形態では、各レンズ小体２１の凸曲面２１ｂそれぞれに対応する複数の凹曲面１２０ｂを有するパターン）を形成するパターン形成工程を行うことによって、図９（ｆ）に示す構造のマスタ１２０を得る。なお、図９（ｅ）はパターン形成工程の途中での断面形状を示してある。

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が、ベース基板１の厚み方向に直交する面内で２次元アレイ状に配列された複数の温度検知素子３ａを有するので、温度検知部３の熱容量を小さくできて応答速度の高速化を図れ、しかも、受光レンズ２０が、各温度検知素子３ａに各別に赤外線を収束させるように２次元アレイ状に配列された複数のレンズ小体２１を有するので、温度検知部３の受光効率の低下を抑制することができ、温度検知部３では、各温度検知素子３ａごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全ての温度検知素子が電気的に接続されているので、感度の低下を抑制することができる。

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ＳｉＯ_２やＳｉ_３Ｎ_４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ＳｉＯ_２やＳｉ_３Ｎ_４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。

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。

なお、上記実施形態にて説明した赤外線センサでは、１枚のベース基板１に対して温度検知部３を１つだけ設けてあるが、ベース基板１の一表面側において温度検知部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３それぞれが１画素を構成するようにした赤外線画像センサとしてもよい。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。

実施形態を示し、（ａ）は要部概略斜視図、（ｂ）は要部概略断面図である。同上の要部の他の構成例を示す概略平面図である。同上の要部の別の構成例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。同上の要部説明図である。同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上の製造方法で用いる型材を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）概略斜視図である。図１１の型材の凹凸パターンが転写されたレジスト層を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略斜視図である。

符号の説明

１ベース基板
３温度検知部
３ａ温度検知素子
４断熱部
２０受光レンズ
２１レンズ小体

Claims

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多孔質材料からなる断熱部と、温度検知部におけるベース基板側とは反対側に配置された受光レンズとを備え、温度検知部は、ベース基板の厚み方向に直交する面内で２次元アレイ状に配列された複数の温度検知素子を有するとともに各温度検知素子ごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全ての温度検知素子が電気的に接続されてなり、受光レンズは、各温度検知素子に各別に赤外線を収束させるように２次元アレイ状に配列された複数のレンズ小体を有し、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ベース基板側とは反対側に温度検知部が形成される支持部と、支持部とベース基板とを連結した脚部とを有し、支持部は、ベース基板の厚み方向に直交する面内で２次元アレイ状に配列された複数の矩形状の支持セル部と、隣り合う支持セル部同士を連結した複数の連結部とで構成されてなり、温度検知部は、脚部に沿って形成された配線を介してベース基板の前記一表面上の導体パターンと電気的に接続されてなり、脚部は、ベース基板の前記一表面側において導体パターン上に立設された円筒状の支持ポスト部と、支持ポスト部の上端部と支持部とを連結した梁部とで構成され、配線のうち支持ポスト部に形成されている部位は、支持ポスト部の内周面の全体と導体パターンの表面とに跨って形成されてなり、支持ポスト部が配線により補強されていることを特徴とする赤外線センサ。
前記温度検知部は、前記各温度検出素子が、サーモパイル型のセンシングエレメントからなり、前記接続関係が直列接続であることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
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請求項１または請求項２記載の赤外線センサ。