JP5283825B2

JP5283825B2 - 熱型赤外線検出器

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Publication number: JP5283825B2
Application number: JP2006016733A
Authority: JP
Inventors: 史一尾島; 順佐藤; 隆介北浦
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2026-01-25
Also published as: KR20080091787A; TWI429886B; KR101427431B1; CN101375140B; TW200736587A; JP2007198852A; EP1978339A1; WO2007086424A1; US8664510B2; CN101375140A; US20090301542A1; EP1978339B1; EP1978339A4

Description

本発明は、赤外線吸収体および熱型赤外線検出器に関するものである。

従来の熱型赤外線検出器としては、例えば特許文献１または２に記載されたものがある。特許文献１には、焦電型赤外線固体撮像装置が開示されている。この装置の赤外線吸収膜は、広範囲の赤外域に感度を有する有機物層、および波長１０μｍ付近の吸収率が高いＳｉＯ_２層からなる積層構造を有する。

また、特許文献２には、熱型赤外線センサが開示されている。このセンサは、最下層に金属薄膜を含む多層構造の赤外線吸収膜を有する。金属薄膜の赤外線反射率は赤外線透過率よりも大きくなっており、他層を透過しようとする赤外線を金属薄膜において反射させることによって他層における赤外線吸収率を高めようとしている。

特許第２５２３８９５号公報特許第３６０８４２７号公報

一般的に、赤外線吸収体は機械的強度を保つために基板上に形成される。そして、赤外線吸収体において生じた熱を精度よく検出するため、検出領域の基板部分がウェットエッチング等により除去される（メンブレン構造：例えば、特許文献２参照）。しかしながら、特許文献１に開示された装置のように赤外線吸収膜に有機物層を含む場合、有機物層はウェットエッチングに対する耐性が低いので、基板の加工が困難となる。

また、赤外線を検出する際には、より広い波長域にわたって高効率で検出できることが望ましい。特許文献２には、検出可能な波長域の広帯域化に関しては何ら記載されていない。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、基板のウェットエッチング加工が容易であり、広い波長域にわたって効率良く赤外線を吸収できる赤外線吸収体および熱型赤外線検出器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の熱型赤外線検出器は、赤外線吸収体と、赤外線吸収体からの熱を電気的な量に変換する熱電変換部とを備え、赤外線吸収体が、ＴｉＮを含む第１の層と、Ｓｉ系化合物を含み第１の層上に設けられた第２の層とを有し、第２の層が第１の層よりも厚く、赤外線吸収体が、熱電変換部上に積層され、熱電変換部と共に、基板のウェットエッチング加工により形成されるメンブレン構造を構成しており、第２の層側から入射する赤外線のエネルギを熱に変換することを特徴とする。

ＴｉＮは、８μｍより短い波長域の赤外線に対する吸収率が他の無機材料より高い一方、８μｍより長い波長域の赤外線に対しては反射率が高いという特徴を有する。従って、８μｍより長い波長域の赤外線に対する吸収率が良い第２の層を第１の層（ＴｉＮ層）の上に積層すれば、ＴｉＮ層において吸収率が低い波長域の赤外線を第２の層において好適に吸収できると同時に、第２の層を透過しようとする赤外線をＴｉＮ層の界面で反射して第２の層へ戻すことができるので、８μｍより短い波長域、および８μｍより長い波長域の双方を含む広い波長域にわたる赤外線を効率よく吸収できる。上記した赤外線吸収体は、ＴｉＮを含む第１の層上に、８μｍより長い波長域の赤外線に対する吸収率が高いＳｉ系化合物を含む第２の層を設けている。これにより、広い波長域にわたって効率よく赤外線を吸収できる。また、上記した赤外線吸収体では、第２の層が第１の層よりも厚い。第１の層を構成するＴｉＮは、厚さが或る値を超えると、赤外線に対する透過率が極めて小さくなるとともに、厚さを変化させても吸収率や反射率が殆ど変化しなくなる。しかし、第２の層を構成するＳｉ系化合物は、厚いほど吸収率が高まる性質がある。従って、Ｓｉ系化合物を含む第２の層をＴｉＮを含む第１の層より厚くすることにより、８μｍより長い波長域の赤外線を更に効率良く吸収できる。

また、上記した赤外線吸収体においては、ＴｉＮを含む第１の層が、８μｍより短い波長域の赤外線を主に吸収するとともに、８μｍより長い波長域の赤外線を第２の層へ向けて反射する。このように、一つの層が、一部の波長域の赤外線を吸収する機能と、他の波長域の赤外線を他層へ反射する機能とを兼備することにより、反射を主目的とする層を設ける場合と比較して、より少ない層数でもって広波長域の赤外線を効率良く吸収できる。

また、ＴｉＮおよびＳｉ系化合物は、ウェットエッチングに対する耐性が高いので、基板のウェットエッチング加工を容易にできる。従って、上記した赤外線吸収体によれば、検出領域の基板部分が除去されたメンブレン構造を容易に製造できる。

また、赤外線吸収体は、第２の層が、Ｓｉ系化合物としてＳｉＣおよびＳｉＮのうち少なくとも一方を含むことを特徴としてもよい。これにより、上述した効果を好適に得ることができる。特に、ＳｉＣおよびＳｉＮは他のＳｉ系化合物と比較してウェットエッチングに対する耐性がより高いので、この赤外線吸収体によれば、メンブレン構造を更に容易に製造できる。

本発明によれば、基板のウェットエッチング加工が容易であり、広い波長域にわたって効率良く赤外線を吸収できる赤外線吸収体および熱型赤外線検出器を提供できる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る赤外線吸収体および熱型赤外線検出器の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、本発明による赤外線吸収体を備える熱型赤外線検出器の第１実施形態を示す平面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＩ−Ｉ線に沿った断面を示す側面断面図である。また、図１（ｃ）は、図１（ｂ）の一部を拡大した拡大断面図である。

本実施形態の熱型赤外線検出器１ａは、いわゆるバルクマイクロマシン技術によって形成される形態の熱型赤外線検出器であり、赤外線吸収膜２と、サーモパイル形成膜３と、シリコン（Ｓｉ）基板４とを備える。シリコン基板４は、矩形の平面形状を有しており、その外周に沿って設けられた枠部４１を有する。枠部４１に囲まれる中央付近には、赤外線検出領域Ａ１に対応する大きさの開口４ａが形成されており、後述するサーモパイル形成膜３および赤外線吸収膜２をメンブレン構造としている。なお、この開口４ａは、シリコン基板４に対する選択的ウェットエッチングにより好適に形成される。

サーモパイル形成膜３は、後述する赤外線吸収膜２からの熱を電気的な量（電圧、電流など）に変換するための熱電変換部である。サーモパイル形成膜３は、開口４ａを塞ぐようにシリコン基板４上に設けられており、複数の熱電対が二次元状に配置されて成る。複数の熱電対それぞれの温接点（サーモカップル）は赤外線検出領域Ａ１内に配置され、冷接点は枠部４１上に配置される。

赤外線吸収膜２は、本実施形態における赤外線吸収体であり、サーモパイル形成膜３上の赤外線検出領域Ａ１に設けられている。赤外線吸収膜２は、ＴｉＮを主に含む第１の層２１と、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、或いはＳｉＯＮなどのＳｉ系化合物を主に含み第１の層２１上に設けられた第２の層２２とを備え、第２の層２２側から入射する赤外線のエネルギを熱に変換する。第２の層２２は、第１の層２１よりも厚く形成されている。

なお、第２の層２２は、Ｓｉ系化合物としてＳｉＣおよびＳｉＮのうち少なくとも一方を主に含むことが好ましい。また、第２の層２２がＳｉＯ_ＸＮ_Ｙ（０＜Ｘ≦２，０≦Ｙ＜１）を主に含む場合、酸素原子の組成比Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）が０．４以上０．８以下であれば、光透過率が良好となり且つ防湿性が高まるので好適である。

ここで、図２は、ＴｉＮおよびＳｉＣの赤外線吸収特性（入射波長に応じた吸収率）を示すグラフである。なお、図２において、グラフＧ１はＴｉＮの吸収特性を示しており、グラフＧ２はＳｉＣの吸収特性を示している。図２に示すように、ＴｉＮは、比較的短い波長域、例えば８μｍより短い波長域での吸収率が高い。また、ＳｉＣは、比較的長い波長域、例えば８μｍ〜１４μｍの波長域での吸収率が高い。また、図３は、ＴｉＮの赤外線反射特性（入射波長に応じた反射率）を示すグラフである。図３に示すように、ＴｉＮは、比較的長い波長域、例えば８μｍより長い波長域での反射率が高い。

図４は、本実施形態による熱型赤外線検出器１ａの動作を説明するための図である。なお、図４は、熱型赤外線検出器１ａのうち、赤外線検出領域Ａ１に相当する部位の側面断面を示している。

熱型赤外線検出器１ａの赤外線検出領域Ａ１へ入射する赤外線ＩＲは、赤外線吸収膜２へ第２の層２２側から入射する。そして、赤外線ＩＲのうち比較的短波長の波長成分（例えば波長８μｍを超えない成分）ＩＲ（λ_１）は、第２の層２２を透過し、第１の層２１に主に吸収され、熱Ｈに変換される。また、赤外線ＩＲのうち比較的長波長の波長成分（例えば波長８μｍを超える成分）ＩＲ（λ_２）は、第２の層２２に吸収され、熱Ｈに変換される。このとき、波長成分ＩＲ（λ_２）の一部は、第２の層２２を透過しようとして第１の層２１と第２の層２２との界面に達するが、第１の層２１のＴｉＮが有する高い反射率によってこの界面において反射され、結局、第２の層２２に吸収されることとなる。こうして発生した熱Ｈは、熱伝導性が高いＴｉＮを含む第１の層２１を伝わってサーモパイル形成膜３へ達する。そして、サーモパイル形成膜３において、熱Ｈの大きさに応じた電圧が生成される。

本実施形態の熱型赤外線検出器１ａおよび赤外線吸収膜２による効果について説明する。図２および図３に示したように、ＴｉＮは、８μｍより短い波長域の赤外線ＩＲ（λ_１）に対する吸収率が他の無機材料より高い一方、８μｍより長い波長域の赤外線ＩＲ（λ_２）に対しては反射率が高いという特徴を有する。従って、８μｍより長い波長域の赤外線ＩＲ（λ_２）に対する吸収率が良い第２の層２２を第１の層２１の上に積層すれば、第１の層２１に吸収されにくい波長域の赤外線ＩＲ（λ_２）を第２の層２２において好適に吸収できると同時に、第２の層２２を透過しようとする赤外線ＩＲ（λ_２）を第１の層２１の界面で反射して第２の層２２へ戻すことができるので、８μｍより短い波長域の赤外線、および８μｍより長い波長域の赤外線の双方を効率よく吸収できる。

本実施形態の赤外線吸収膜２は、ＴｉＮを含む第１の層２１の上に、８μｍより長い波長域の赤外線ＩＲ（λ_２）に対する吸収率が高いＳｉ系化合物を含む第２の層２２を設けている。これにより、広い波長域にわたって効率よく赤外線を吸収できる。特に、波長８μｍ〜１４μｍは、放射温度計測や人体検知用途に多用される波長域なので、この波長域の赤外線に対する吸収率が高いＳｉ系化合物（特にＳｉＣ）を第２の層２２が主に含むことにより、これらの測定を精度よく行うことができる。

また、Ｓｉ系化合物（特にＳｉＣ）は、ＴｉＮにおける吸収率が高い波長５μｍ付近の赤外線に対する透過率が高い。従って、第２の層２２がＳｉ系化合物を主に含むことにより、この波長域の赤外線ＩＲ（λ_１）を第１の層２１へ効率よく入射させ、吸収効率を更に高めることができる。また、ＴｉＮは、比較的薄い層であっても赤外線に対する透過率が低いので（例えば、厚さ４０００Åで透過率１０％以下）、第１の層２１にＴｉＮを用いることにより、第１の層２１の成膜時間を短くできる。また、ＴｉＮは、他の無機材料と比較して熱伝導率が高い（約２９Ｗ／ｍ・Ｋ）。従って、第１の層２１がＴｉＮを主に含むことにより、第１の層２１と第２の層２２で発生した熱を輻射等で失うことなく、サーモパイル形成膜３へ伝えることができると共に、熱型赤外線検出器１ａの応答速度を高めることができる。

ここで、図５は、本実施形態の赤外線吸収膜２全体での赤外線吸収特性（入射波長に応じた吸収率）を示すグラフである。図５に示すように、赤外線吸収膜２によれば、８μｍより長い波長域（特に８μｍ〜１８μｍ付近）および８μｍより短い波長域（特に４μｍ付近）の双方に亘って赤外線を効率よく吸収できることがわかる。また、８μｍより長い波長域での吸収率は、図２に示したＳｉＣ単層での吸収率よりも高くなっている。すなわち、第１の層２１（ＴｉＮ）と第２の層２２（ＳｉＣ）との界面における反射によって、この波長域の赤外線が第２の層２２においてより効率よく吸収されるためと考えられる。

また、本実施形態の赤外線吸収膜２においては、ＴｉＮを含む第１の層２１が、８μｍより短い波長域の赤外線ＩＲ（λ_１）を主に吸収するとともに、８μｍより長い波長域の赤外線ＩＲ（λ_２）を第２の層２２へ向けて反射する。このように、一つの層が、一部の波長域の赤外線ＩＲ（λ_１）を吸収する機能と、他の波長域の赤外線ＩＲ（λ_２）を他層（第２の層２２）へ反射する機能とを兼備することにより、反射を主目的とする層を設ける場合と比較して、より少ない層数でもって広波長域の赤外線を効率良く吸収できる。

また、ＴｉＮおよびＳｉ系化合物は、ウェットエッチングに対する耐性が高いので、シリコン基板４のウェットエッチング加工を容易にできる。従って、本実施形態の赤外線吸収膜２によれば、赤外線検出領域Ａ１の基板部分（開口４ａに相当する部分）が除去されたメンブレン構造を容易に製造できる。特に、第２の層２２がＳｉ系化合物としてＳｉＣおよびＳｉＮを主に含む場合、ＳｉＣおよびＳｉＮは他のＳｉ系化合物と比較してウェットエッチングに対する耐性がより高いので、メンブレン構造を更に容易に製造でき、更に好適である。

また、本実施形態のように、第２の層２２は、第１の層２１よりも厚いことが好ましい。第１の層２１を構成するＴｉＮは、厚さが或る値を超えると、赤外線に対する透過率が極めて小さくなるとともに、厚さの変化による吸収率や反射率の変化が微かとなる。しかし、第２の層２２を構成するＳｉ系化合物は、厚いほど吸収率が高まる性質がある。従って、第２の層２２を第１の層２１より厚くすることにより、８μｍより長い波長域の赤外線ＩＲ（λ_２）を更に効率良く吸収できる。

なお、第２の層２２の厚さに関する上記事実は、本実施形態の第２の層２２が、赤外線吸収膜の保護のみに用いられる一般的なＳｉ系化合物膜（例えばＳｉＯ_２膜）とは異なる作用を有することを顕著に示している。すなわち、赤外線吸収膜の保護のみに用いられる膜は、赤外線吸収膜よりも薄いことが一般的である。しかし、本実施形態の第２の層２２は、上述したように赤外線を効率良く吸収するための赤外線吸収膜２の一部を構成するので、第１の層２１よりも厚いことが好ましいのである。

なお、第１の層２１の厚さは、２５００Å以上１００００Å以下であることが好ましい。第１の層２１の厚さを２５００Å以上とすることにより、赤外線ＩＲ（λ_１）およびＩＲ（λ_２）に対する透過率を低減し、吸収率および反射率を十分に確保できる。従って、８μｍより短い波長域の赤外線ＩＲ（λ_１）を吸収する機能、および８μｍより長い波長域の赤外線ＩＲ（λ_２）を反射する機能を効果的に発揮できる。また、第１の層２１の厚さが１００００Åを超えると、８μｍより短い波長域の赤外線ＩＲ（λ_１）に対する吸収率が飽和する（厚さを増しても、吸収率が殆ど増大しない）傾向がある。従って、第１の層２１の厚さを１００００Å以下とすることにより、第１の層２１の形成時間を短縮できる。

また、第２の層２２の厚さは、１００００Å以上２５０００Å以下であることが好ましい。第２の層２２の厚さを１００００Å以上とすることにより、赤外線ＩＲ（λ_２）に対する吸収率を十分に確保できる。また、第２の層２２の厚さが２５０００Åを超えると、赤外線ＩＲ（λ_１）に対する吸収率が１００％に近くなり、飽和してしまう。従って、第２の層２２の厚さを２５０００Å以下とすることにより、第２の層２２の形成時間を短縮できる。

また、上述したように、第２の層２２は、第１の層２１よりも厚いことが好ましい。第２の層２２を構成するＳｉ系化合物は、吸収率が飽和に達する厚さが、第１の層２１を構成するＴｉＮよりも厚い（Ｓｉ系化合物：２５０００Å、ＴｉＮ：１００００Å）。したがって、第２の層２２を第１の層２１よりも厚くすることにより、更に効率よく赤外線を吸収できる。なお、第１の層２１の厚さｔ_１と第２の層２２の厚さｔ_２との比（ｔ_２／ｔ_１）は、１〜１０であることが好ましく、３が最適である。

（第２の実施の形態）
図６（ａ）は、本発明による赤外線吸収体を備える熱型赤外線検出器の第２実施形態を示す平面図である。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すII−II線に沿った断面を示す側面断面図である。また、図６（ｃ）は、図６（ｂ）の一部を拡大した拡大断面図である。

本実施形態の熱型赤外線検出器１ｂは、いわゆる表面マイクロマシン技術によって形成される形態の熱型赤外線検出器であり、赤外線吸収膜５と、サーモパイル形成膜６と、シリコン（Ｓｉ）基板７とを備える。シリコン基板７は、矩形の平面形状を有しており、その表面側の赤外線検出領域Ａ２に対応する部分に矩形の凹部７ａを有する。なお、この凹部７ａは、ウェットエッチングにより好適に形成される。

サーモパイル形成膜６は、赤外線吸収膜５からの熱を電気的な量（電圧、電流など）に変換するための熱電変換部である。サーモパイル形成膜６は、凹部７ａを塞ぐようにシリコン基板７上に設けられており、複数の熱電対が二次元状に配置されて成る。複数の熱電対それぞれの温接点（サーモカップル）は赤外線検出領域Ａ２内に配置され、冷接点は凹部７ａを除くシリコン基板７の表面上に配置される。

赤外線吸収膜５は、本実施形態における赤外線吸収体であり、サーモパイル形成膜６上の赤外線検出領域Ａ２に設けられている。赤外線検出領域Ａ２に相当するシリコン基板７の表面には凹部７ａが形成されているので、赤外線吸収膜５は、サーモパイル形成膜６と共にメンブレン構造を成している。赤外線吸収膜５は、ＴｉＮを主に含む第１の層５１と、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、或いはＳｉＯＮなどのＳｉ系化合物を主に含み第１の層５１上に設けられた第２の層５２とを備え、第２の層５２側から入射する赤外線のエネルギを熱に変換する。なお、上記第１実施形態と同様に、第２の層５２は、Ｓｉ系化合物としてＳｉＣおよびＳｉＮのうち少なくとも一方を主に含むことが好ましく、或いはＳｉＯ_ＸＮ_Ｙ（０＜Ｘ≦２，０≦Ｙ＜１）を主に含んでも良い。

また、赤外線吸収膜５およびサーモパイル形成膜６には、厚さ方向に貫通する孔５ａおよび６ａがそれぞれ形成されている。孔５ａおよび６ａは、シリコン基板７に凹部７ａを形成するためのエッチャントをサーモパイル形成膜６の裏側に侵入させるための孔であり、赤外線吸収膜５およびサーモパイル形成膜６に複数形成されている。また、孔５ａおよび６ａは、赤外線検出器としての動作時、特に窒素封じされた場合、凹部７ａの圧力変化によりサーモパイル形成膜６が動かないようにする役目も果たす。

本実施形態の熱型赤外線検出器１ｂによれば、上記第１実施形態の熱型赤外線検出器１ａと同様の効果を得ることができる。

本発明による赤外線吸収体および熱型赤外線検出器は、上記した各実施形態に限られるものではなく、他にも様々な変形が可能である。例えば、上記各実施形態の熱型赤外線検出器は、熱電変換部としてサーモパイルを備える熱起電力型の構成を有するが、この他にも例えばＬｉＴａＯ_３膜やＰＺＴ膜を備える焦電型、或いはサーミスタやボロメータを備える抵抗型の構成を有してもよい。

（ａ）本発明による赤外線吸収体を備える熱型赤外線検出器の第１実施形態を示す平面図である。（ｂ）（ａ）に示すＩ−Ｉ線に沿った断面を示す側面断面図である。（ｃ）（ｂ）の一部を拡大した拡大断面図である。ＴｉＮおよびＳｉＣの赤外線吸収特性（入射波長に応じた吸収率）を示すグラフである。ＴｉＮの赤外線反射特性（入射波長に応じた反射率）を示すグラフである。第１実施形態による熱型赤外線検出器の動作を説明するための図である。第１実施形態の赤外線吸収膜全体での赤外線吸収特性（入射波長に応じた吸収率）を示すグラフである。（ａ）本発明による赤外線吸収体を備える熱型赤外線検出器の第２実施形態を示す平面図である。（ｂ）（ａ）に示すII−II線に沿った断面を示す側面断面図である。（ｃ）（ｂ）の一部を拡大した拡大断面図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ…熱型赤外線検出器、２，５…赤外線吸収膜、３，６…サーモパイル形成膜、４，７…シリコン基板、２１，５１…第１の層、２２，５２…第２の層。

Claims

赤外線吸収体と、
前記赤外線吸収体からの熱を電気的な量に変換する熱電変換部と
を備え、
前記赤外線吸収体が、
ＴｉＮを含む第１の層と、
Ｓｉ系化合物を含み前記第１の層上に設けられた第２の層と
を有し、
前記第２の層が前記第１の層よりも厚く、
前記赤外線吸収体が、前記熱電変換部上に積層され、前記熱電変換部と共に、基板のウェットエッチング加工により形成されるメンブレン構造を構成しており、
前記第２の層側から入射する赤外線のエネルギを熱に変換することを特徴とする、熱型赤外線検出器。
前記第２の層が、前記Ｓｉ系化合物としてＳｉＣおよびＳｉＮのうち少なくとも一方を含むことを特徴とする、請求項１に記載の熱型赤外線検出器。