JPH0394127A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は赤外線センサ、特に室温で動作することの可能
な熱型赤外線センサの改良に関するものである。

［従来の技術］ 室温で動作する熱型赤外線センサとして、従来よりサー
モバイルとボロメータとが知られている（例えば、特開
昭５９−９５４２８）。

第９図、第１０図には、前記サーモバイルとボロメータ
の一例が示されている。これら各センサは、受光部とな
る基板１０が裏面からエッチングされることによって薄
膜化されており、赤外線が吸収膜１２によって吸収され
たとき、薄膜基板１０ａに温度上昇が生じるよう構成さ
れている。

この温度上昇は、第９図のサーモパイルにおいては熱電
材料１４．１６の熱起電力として、第１０図のボロメー
タにおいては抵抗体２０の抵抗値変化として電極１８．
１８からそれぞれ検出出力される。その出力の大きさは
、薄膜裁板１０ａのような熱絶縁構造で決まる受光時の
温度変化と、温度センサの温度係数、すなわちサーモパ
イルにおいては利料１４．１６のゼーベツク係数、ボロ
メータにおいては抵抗体２０の抵抗温度係数によって決
定される。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、従来の赤外線センサは、以下に示すような問題
を有する。

■：受光部の基板１０を裏面からエッチングしているた
め、基板両面の位置合わせ誤差が発生しやすい。このた
め、受光時の温度上昇が最も大きい薄膜基板１０ａの中
央部と、温度センシンク部との位置がずれ、感度の低下
や感度のバラツキが生じてしまうという問題があった。

この問題はセンサのサイズを微細化するほど無視できな
いものとなる。

■二第１０図に示すようなボロメータでは、感度を大き
くするために、温度センシング部として機能する抵抗体
２０にある程度の長さが必要である。従って、抵抗体２
０の長さ分の温度分布を平均した形で抵抗値の変化が生
じるため、受光時の温度上昇が最も大きい薄膜基板１０
ａの中央部一点で効率よく温度変化を検出することがで
きないという問題があった。

■二一方、箇９図に示すようなサーモパイルでは、薄膜
基板１０ａの中央部一点に温接点２２をおくことによっ
て受光時の温度変化を効率よく検出することが可能であ
るが、材料１４．１６のゼーベツク係数がボロメータの
抵抗温度係数に比べて２ケタから３ケタ小さいため受光
時の微小温度変化を正確に検出することが困難である。

また出力を大きくするために複数の熱電対を直列接続し
た例もあるが、このときには温接点と冷接点を結ぶ熱電
対材料の本数も増加するため熱絶５ 縁が悪くなり、受光時の温度上昇が効率よく得られない
という問題があった。

■二またサーモバイル、ボロメータにおいては、センサ
部分のインピーダンスが大きいため、測定値がノイズの
影響を受けやすいという問題もある。

［発明の１１的］ 本発明は、このような従来の課題に鑑み為されたちので
あり、その目的は常温動作で高感度な赤外線センサを提
供することにある。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するために、本発明の赤外線センサは、 半導体基板と、 耐エッチング材料を用いて形成され、半導体基板の主表
面」二に設けられた対称形状を持つ絶縁性メンブレンと
、 メンプレンを貫通して半導体基板に到達し、前記メンブ
レンの対称性を維持するように設けられた少なくとも２
個の開川部と、 前記開孔部を介しメンブレン下部の半導体基板６ の一部をエッチング除去することにより形成された熱絶
縁室と、 メンブレン上の対称中心位置に設けられたダイオードと
、 メンブレン上の受光領域に設けられた赤外線吸収膜と、 を含み、赤外線の受光を、メンブレンの対称中心位置に
おける温度変化として前記ダイオードを用いて検出する
ものである。

［作　用］ 次に本発明の作用を説明する。

本発明の赤外線センサに赤外線が入射すると、この赤外
線はメンブレンの受光領域上に設けられた赤外線吸収膜
によって吸収される。このとき、対称形状をもつメンブ
レンの熱絶縁性のため、対称の中心部を頂点とする温度
上昇が生じる。

そして、この温度上昇は、メンブレンの対称中心位置に
設けられたダイオードにより測定され、赤外線の受光が
検出される。

第８図には、対称中心に設けられたダイオードの電流一
電圧特性が、温度をパラメータとして示されている。同
図から明らかなように、このダイオードからはメンブレ
ン中心位置における温度変化を電気信号として出力する
ことができる。

このように、本発明では絶縁性メンブレンを対称形状に
形成している。このメンブレンの対称性は、受光時の温
度上昇を効率良く行うと共に、最も温度が上昇する位置
、すなわち対称の中心位置を明確にするためである。

そして、本発明では、温度検出法として一点での温度検
出が可能なダイオードを用いているため、このダイオー
ドを、受光時の温度変化が最も大きいメンブレンの対称
中心位置に設置することにより、この中心位置における
温度変化を効率よく検出することができる。

特に、本発明の赤外線センサを、レンズ系と組み合わせ
、レンズ系の焦点位置にダイオードをもってくることに
より、赤外線の検出感度を格段に向上させることができ
る。

また本発明では、メンブレンの下部に熱絶縁室を設ける
ことにより、受光した熱が垂直方向の基板に伝わり逃げ
ることを防止している。これにより、赤外線吸収膜での
吸熱効率をより高め、ダイオードによる赤外線の検出精
度を高めることができる。

特に、本発明では前記請求項（５）に記載したように、
赤外線吸収膜を赤外線吸収材料からなる上層部と、熱伝
導性が良くかつ赤外線を反射する材料からなる下層部と
を含む多層膜から形成することが好ましい。これにより
、赤外線吸収膜に入射され、その上層部で吸収されずに
透過した赤外線は、前記下層部で反射され再び上層部で
吸収される。これによって、赤外線吸収効率をさらに高
め、赤外線の検出精度をより高いものとすることが可能
となる。

特に、このような赤外線吸収膜は、ダイオードを含む広
い面積に設けることが好ましい。これにより、広い面積
で吸収した熱は熱伝導性の良い下層部を介しダイオード
に集めることができ、赤外線検出精度をより一層高める
ことが可能となる。

９ また、前述したように、本発明では温度検出部としてダ
イオードを用いている。このダイオードの温度特性は、
ボロメータの温度抵抗係数と同程度の大きさであり、サ
ーモパイルのゼーベック係数に比べると２桁から３桁大
きい。このため、受光時における微小温度変化をも確実
に検出し、この点からもその赤外線温度検出精度を高め
ることができる。

さらに、前記ダイオードはそのインピーダンスが小さい
ため、前記ザーモパイルやボロメータに比べノイズの影
響を受けに＜＜、高精度な赤外線検出を行うことができ
る。

特に、ダイオードは、請求項（４）に記載のように、そ
のＰＮ接合部の両側に各２本ずつ合計４本の半導体リー
ドを接続することが好ましい。ここで４木のリードを形
成することは、４木のリードのうち２本のリードを介し
てダイオードに定電流を流しておき、残りの２木によっ
てダイオードの接合電圧を直接検出するためであり、も
しくは、２本のリードによって検出されるダイオードの
接］０ 合電圧を一定にするように残りの２本に流す電流を調節
し、その電流値を検出するためである。

これにより、受光時のダイオードの接合電圧変化を直接
検出することができるため、リード自身の温度特性に影
響されることなく、赤外線の検出を行うことができる。

また、本発明の大きな特徴は、半導体基板の片面を処理
することによって赤外線センサを製作できることである
。これにより、温度センサとして機能するダイオードと
メンブレンの位置合わせ精度が格段に向上し、位置合わ
せ誤差に伴う感度の低下や感度のバラツキの発生を格段
に小さくすることができる。

とりわけ、本発明によれば、赤外線センザのサイズを微
細化した場合でも、ダイオードとメンブレンを十分高い
精度で位置合わせてきるため、近年とみに微細化が進む
赤外線センサにおいても、赤外線の検出を安定にかつ高
精度で行うことが可能となる。

特に、前記メンブレンの材料として窒化シリコ１１ ンを用い、ダイオードをドーピングされた多結晶シリコ
ンから形戊することによって、本発明の赤外線センサを
、通常のＬＳＩプロセスで製作することが可能となり、
小型化かつ低コストのセンザが実現すると共に、信号処
理回路の集積化も容易なものとなる。

［発明の効果］ 以」二説明したように、本発明によれば、半導体基板の
表面を片面処理することによって赤外線センサを形成す
ることができるため、温度センザとして機能するダイオ
ードとメンブレンの位置合わせ精度を格段に高めること
ができ、特にセンザのサイズが微細化した場合でも、そ
の位置合わせ精度が低下することがないため、安定した
高感度の赤外線センサを得ることができるという効果が
ある。

また、本発明によれば、赤外線受光時の温度変化が最も
大きいメンブレンの対称中心位置の温度変化に基づき、
赤外線を極めて高い精度で検出することができ、特に温
度検出のためのセンサとし１２ てインピーダンスの小さいダイオードを用いているため
、ノイズに影響されること無く赤外線の検出を行うこと
ができるという効果がある。

［実施例］ 次に本発明の好適な実施例を図面に基づき詳細に説明す
る。

第１実施例 次に、本発明にかかる赤外線センサの好適な第１実施例
を、その製作工程に沿って順次説明する。

第１図にはこの赤外線センサが示され、同図（Ａ）はそ
の要蔀の平面説明図、同図（Ｂ）はその要部の側断面説
明図である。

まず、実施例の赤外線センサは、（１００）面を主表面
とするシリコンを半導体基板３０として用いる。そして
、シリコン基板３０の主表面全域にわたり、メンブレン
４０として、窒化シリコン膜を減圧ＣＶＤを用い膜厚２
００ｎｍに被覆形成する。

次に、このメンブレン４０の表面に、温度検出用のセン
サとしてダイオード５０を設ける。実施１３ 例において、このダイオード５０は、膜厚２００ｎｍの
多結晶シリコンにボロンと砒素をドーピングすることに
よってそれぞれＰ型とＮ型の半導体リード５２．５４を
形成し、その境界であるＰＮ接合部によって形成される
。

次に、このダイオード５０を含む全表面上に、窒化シリ
コン膜を保護膜６０として被覆形成する。

実施例では、窒化シリコン膜を減圧ＣＶＤを用いて膜厚
２　０　０　ｎｍに被覆形成する。このとき、膜厚方向
への熱伝導は、断面積が大きい上に膜厚が２　０　０　
ｎｍと極めて薄いため妨げとならない。

次に、受光領域の所定位置において、前記保護膜６０及
びメンブレン４０を貫通しシリコン越板３０に到達する
エッチング液注入用開口部７０を少なくとも２つ設ける
。実施例では、第１図（Ａ）に示すよう２つの開口部７
０．７０がダイオード５０を挾んでほぼ対称に形成され
ている。

このとき、開口部７０．７０によって残されたメンブレ
ン４０の形状は、線対称もしくは点対称な平面対称形状
となるよう形戊する必要がある。

１４ また、前記ダイオード５０は、このように対称形状に形
成されたメンブレン４０の対称軸上もしくは対称点上に
設ける必要がある。

そして、前記開口部７０．７０からアルカリ性溶液、例
えば水酸化カリウム水溶液から戊るエッチング液を注入
し異方性エッチングを行い、熱絶縁室８０を形成する。

実施例では、シリコン基板３０がエッチングされる領域
は、予めシリコン基板３０とメンブレン４０の間に膜厚
７０ｎｍの多結晶シリコンから或る犠牲層を形成するこ
とによって限定される。この犠牲層は、例えば多結晶シ
リコンを基板エッチングを行う領域に設けることにより
形成される。

最後に、ダイオード５０を汲む受光領域に金黒を蒸着し
赤外線吸収膜９０を形成する。

このように、本発明によれば、シリコン基板３０の主表
面を片面処理することによって赤外線センサを製作でき
るため、温度センサとして機能するダイオード５０とメ
ンブレン４０との位置合わせを簡単かつ正確に行うこと
ができる。従って、１５ 赤外線センサのザイズを微細化した場合でも、ダイオー
ド５０をメンブレン４０の対称中心位置に正確に位置合
わせし、常に安定した高感度の赤外線検出精度を得るこ
とができる。

特に、本実施例ではＬＳＩプロセス技術及びシリコンの
微細加工技術を用いているので、小型かつ低コストでし
かも安定した検出精度を持つ赤外線センサを実現できる
。

次に本実施例にかかる赤外線センザの作用を説明する。

まず、赤外線が実施例の赤外線センサに照射されると、
この赤外線は赤外線吸収膜９０により吸収される。この
ようにして赤外線が吸収されると、対称形状を持つメン
ブレン４０の熱絶縁性のためその対称の中心部を頂点と
する温度上昇が生じる。

特に、本発明ではメンブレン４０の裏面側に県板３０へ
の熱伝達を防止する熱絶縁室８０が設けられているため
、受光時の温度上昇を効率良く行うことができる。

そして、メンブレン中心部の温度上昇は、第８１６ 図に示す温度特性をもつダイオード５０により電気信号
として出力され赤外線の受光が検出される。

特に、温度センザとして用いるダイオード５０は、メン
ブレン４０の対称中心位置における温度を一点で検出す
ることができ、しかもその温度係数も、ボロメータの温
度係数と同程度であるため、赤外線の検出を極めて高感
度で行うことが可能となる。

さらに、前記ダイオード５０は、そのインピーダンスが
極めて小さいためノイズの影響を受けにくく、この点か
らも周囲の状況に影響されることなく赤外線の検出を安
定に行うことができる。

なお、赤外線受光時における温度上昇の大きさと速度は
、開口部７０によって残されるメンブレン４０の形状に
依存する。このため、第１図に示すようなブリッジ型の
メンブレン４０とした場合には、より細く長いブリッジ
の方が効率の良い温度上昇を得ることができる。

第２実施例 第２図には、本発明にかかる好適な第２実施例１７ が示されている。なお、前記第１実施例と対応する部材
には同一符号を付し、その説明は省略する。

本実施例の特徴的事項は、ダイオード５０の両側におい
て、Ｐ型及びＮ型の半導体リード５２，５４がそれぞれ
２木ずつに分岐するよう形成したことにある。

これにより、Ｐ型もしくはＮ型半導体リード自身の温度
特性とは無関係にダイオード５０の温度特性のみを検出
することが可能である。

すなわち、２本ずつあるＰ型半導体リード５２ａ，５２
ｂとＮ型半導体リード５４ａ，５４ｂから、例えば５２
ａ及び５４ａのリードを選択し、そこに順方向の定電流
を流しておく。そして、残った２本の半導体リード５２
ｂ，５４ｂ間の電圧変化を読み出すことによって、Ｐ型
、Ｎ型半導体リード自身の温度特性に影響されることな
く、ダイオード５０の接合電圧の変化を直接検出するこ
とができる。

特に、本実施例の赤外線センザは、ダイオード５０を抵
抗値の高い材料を用いて形成する場合に１．８ 有効なものとなる。

第３実施例 第３図には、本発明にかかる赤外線センサの好適な第３
実施例が示されている。なお、前記各実施例と対応する
部材には同一符号を付し、その説明は省略する。

本実施例の特徴は、前記赤外線吸収膜９０を、第３図（
Ｂ）に示すよう赤外線吸収材から成る上層部９２と、熱
伝導率が良くかつ赤外線を反射する材料から成る下層部
９４とを含む多層膜として形成し、多層膜を第３図（Ａ
）に示すようダイオード５０を含む広い面積に被覆形成
したことにある。

実施例では、上層部９２として金黒を用い、下層部９４
には蒸着によって形成されるアルミニウムを用いた。

以上の構戊とすることにより、本実施例によれば赤外線
吸収膜９０の熱吸収率を各段に向上させることができる
ようになる。すなわち、上層部９２で吸収されずに透過
した赤外線は、下層部１９ ９４の表面で反射され再び上層部９２を通過し吸収され
る。このため、赤外線吸収膜９０の熱吸収率は上層部９
２のみで構威される場合に比べて格段の向上が見られ、
特に十分な赤外線吸収串を得るために膜厚を大きくしな
ければならない赤外線吸収材を用いる場合、その半分の
膜厚で同程度の効果を得ることが可能となる。

これに加えて、本実施例によれば、赤外線吸収膜９０が
前記ダイオード５０を含む広い面積にわたって形成され
ていることにより、その受光面積が大きくとれ、広い面
積で吸収した熱をダイオード５０に集めることができる
。

すなわち、入射した赤外線は、赤外線吸収祠から成る上
層部９２へ吸収され熱に変わり、その熱は、主に熱伝導
率の良い下層部９４を介してダイオード５０に至る。従
って、広い面積の赤外線吸収膜９０を設けた場合、広い
面積で吸収された熱は効率良くダイオード５０に伝達さ
れ、ダイオド５０にはより多くの熱が供給される。

このように、本実施例によれば、赤外線の熱を２０ 効率良く吸収しダイオード５０に集めることにより赤外
線の検出精度をより・高めることが可能となる。

特に、本実施例のような赤外線吸収膜９０を用いること
により、ダイオード５０のように温度センシングの面積
が小さい場合でも、赤外線の検出を高精度に行うことが
できる。

第４実施例 第４図には、本発明の好適な第４実施例が示されている
。なお、前記各実施例と対応する部材には同一符号を付
し、その説明は省略する。

本実施例の特徴は、前記第１実施例乃至第３実施例の特
徴を全て併せ持つように構成したことにある。すなわち
、本実施例ではダイオード５０，開口部７０を、前記第
２実施例と同様に形成し、またその赤外線吸収膜９０を
前記第３実施例と同様に形成している。

以上の構戊とすることによって、入射した赤外線を高速
にかつ高感度で検出することが可能となる。

２１ 第５実施例 第５図には、本発明にかかる赤外線センサの好適な第５
実施例が示され、同図（Ａ）はその平面構造の説明図、
同図（Ｂ）はその断面構造の説明図である。なお、前記
各実施例と対応する部祠には同一符号を付し、その説明
は省略する。

本実施例の特徴は、前記第１実施例乃至第３実施例の特
徴を全て併せ持つように形成したことにある。すなわち
、ダイオード５０は第２実施例と同様に形成され、その
半導体リード５２ａ，５２ｂ，５４ａ，５４ｂは対応す
るＡＬ電極５６に接続されている。

さらに、実施例の赤外線吸収膜９０は、前記第３実施例
と同様に形成され、しかもこの吸収膜９０と保護膜６０
との間には集熱川アルミ６２が設けられている。

以上の構戊とすることにより、本実施例の赤外線センサ
によれば、前記第４実施例のセンサに比ベメンブレン４
０の強度が優っているため、その製作歩留まりを高める
ことができる。これに加え２　２ て、メンブレン４０の熱容量が小さくなるため、赤外線
を高速に検出することができる。すなわち、検出速度は
センザの熱時定数が小さいほど高速であり、熱時定数は
熱容量に比例する。実施例のメンブレンは、開口部を多
数設けているためメンブレンの熱容量が減少し、高速に
温度変化が行われる。

第６図には、本実施例の出力特性が示されている。同図
において、横軸は被測定物の表面温度と室温との差を表
し、縦軸は実施例のセンサの出力を表している。測定で
は、室温Ｔ　ＲＴ−　２　５℃として、半導体リード５
　２　ａ，　　５４　ａに２０μＡの電流を通電した状
態で他の半導体リード５２ｂ，５４ｂから出力される電
圧変化をδＩＩＩ定した。このデータから、高感度なセ
ンシングが可能であることが理解されよう。

第６実施例 第７図には、本発明の好適な第６実施例が示されている
。

本実施例の特徴は、赤外線センサを信号処理回２　３ 路と−・体化し、いわゆる集積化された赤外線センサと
して形成したことにある。

第７図には、本実施例にかかる赤外線センサの外観図が
示されている。本実施例においては、シリコン基板３０
の主表面所定位置に前記第１〜第５実施例で説明した本
発明の赤外線センザ１００が形成されており、さらにこ
のシリコン県板３０上に赤外線センサ１００からの出力
の増幅や信号処理を行う集積回路２００と、センサ１０
０と集積回路２００とを接続するリード及び外部との接
続を行うための複数の電極２１０とが設けられている。

特に、本実施例では集積回路２００の中に、下部基板３
０がエッチングされていない前記ダイオード５０を組み
込み、その温度特性を検出することによって、赤外線セ
ンサ１００からの出力や増幅アンプの特性の基板温度に
よる変化を補正することが可能となる。

このように、本実施例は、赤外線センサ１００を集積回
路２００と一体化して、いわゆる果積化２４ センサとして製造する場合に極めて好適なものであるこ
とが理解されよう。

なお、本発明は前記各実施例に限定されるものではなく
、本発明の要旨の範囲内で各種の変形実施が可能である
。

例えば、前記実施例においては、メンブレン４０を窒化
シリコン膜を用いて形成した場合について説明したが、
本発明はこれ以外に耐エッチング性を有する材料である
ならば、例えば少なくとも窒化シリコン膜を含む多層膜
や、これ以外の各種材料を用いて形戊することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる赤外線センサの好適な第１実施
例の説明図であり、同図（Ａ）はその平面説明図、同図
（Ｂ）はその側断面概略説明図、第２図は本発明の好適
な第２実施例を示す説明図、 第３図は本発明の好適な第３実施例を示す説明図であり
、同図（Ａ）はその要部の平面説明図、同図（Ｂ）はそ
の赤外線吸収膜の断面説明図、２　５ 第４図は本発明の好適な第４実施例の説明図、第５図は
本発明の好適な第５実施例の説明図であり、同図（Ａ）
はその平面構造の説明図、同図（Ｂ）はその断面構造の
説明図、 第６図は前記第５実施例のセンサの出力特性図、第７図
は本発明の赤外線センサを信号処理回路と共に基板上に
集積化して形成した場合を示す説明図、 第８図は本発明の赤外線センサに用いられるダイオード
の温度特性の一例を示す特性図、第９図及び第１０図は
従来赤外線センサとして用いられていたサーモパイル、
ボロメータの説明図である。 ３０・・・半導体基板、４０・・・メンブレン、５０・
・・ダイオード、６０・・・保護膜、７０・・・開口部
、８０・・・熱絶縁室、９０・・・赤外線吸収膜、９２
・・・上層部、９４・・・下層部、１００・・・赤外線
センサ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板と、 耐エッチング材料を用いて形成され、半導体基板の主表
   面上に設けられた対称形状を持つ絶縁性メンブレンと、 メンブレンを貫通して半導体基板に到達し、前記メンブ
   レンの対称性を維持するように設けられた少なくとも２
   個の開口部と、 前記開孔部を介しメンブレン下部の半導体基板の一部を
   エッチング除去することにより形成された熱絶縁室と、 メンブレン上の対称中心位置に設けられたダイオードと
   、 メンブレン上の受光領域に設けられた赤外線吸収膜と、 を含み、赤外線の受光を、メンブレンの対称中心位置に
   おける温度変化として前記ダイオードを用いて検出する
   ことを特徴とする赤外線センサ。
2. （２）請求項（１）において、 前記メンブレンは、窒化シリコン膜又は少なくとも窒化
   シリコン膜を含む多層膜からなることを特徴とする赤外
   線センサ。
3. （３）請求項（１）、（２）のいずれかにおいて、前記
   ダイオードは、多結晶シリコンにドーピングすることに
   よって形成されることを特徴とする赤外線センサ。
4. （４）請求項（１）〜（３）のいずれかにおいて、前記
   ダイオードのＰＮ接合部の両側に各２本ずつ合計４本の
   半導体リードを接続し、該４本の半導体リードからダイ
   オードの検出信号を出力することを特徴とする赤外線セ
   ンサ。
5. （５）請求項（１）〜（４）のいずれかにおいて、前記
   赤外線吸収膜は、赤外線吸収材料からなる上層部と、熱
   伝導が良くかつ赤外線を反射する材料からなる下層部と
   を含む多層膜からなり、その赤外線吸収膜が、前記ダイ
   オードを含む広い面積に形成されていることを特徴とす
   る赤外線センサ。
6. （６）請求項（１）〜（５）のいずれかにおいて、前記
   半導体基板の主表面上には、所定の信号処理回路と、信
   号処理回路及びダイオードの入出力用の複数の電極と、
   ダイオードと信号処理回路とを接続する複数のリードと
   が設けられていることを特徴とする赤外線センサ。