JPH03287022A - 赤外線検出素子、赤外線検出装置、および、赤外線検出素子の製造方法 - 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〕 この発明は、赤外線検出素子、赤外線検出装置、および
、赤外線検出素子の製造方法に関し、詳しくは、サーミ
スタ式あるいは焦電式その他の方式で赤外線を検出する
赤外線素子と、このような赤外線検出素子を用いて電気
的な検出信号を取り出す赤外線検出装置、および、前記
赤外線検出素子の製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

赤外線検出素子は、一般に、微弱な赤外線の輻射エネル
ギーのみを検出したい場合が多いので、赤外線よりも強
いエネルギーを持つ他の波長帯を除去して感度を上げる
ために、その用途に応した赤外線フィルタと組み合わせ
て使用されている。

そして、従来、サーミスタ等の赤外線検出部と赤外線フ
ィルタ部分とは、別々に作製された後、互いの光軸を合
わせて組み立てられていた。

第３図は、従来における赤外線検出装置の構造例を示し
ている。構造部分であるステム１に、サーミスタ等の赤
外線検出部が形成された赤外線検出素子チップ２を取り
付けた後、開口部分に赤外線フィルタ３を貼り付けたキ
ャップ４を、赤外線検出素子チップ２を覆うようにステ
ム１に被せて封止している。赤外線フィルタ３は、検出
しようとする赤外線すなわち目的とする特定波長帯を良
好に通過させたり、雑音となる不要な波長成分の通過を
遮断したり、空気との屈折率差による反射損失を出来る
だけ少なくしたりするために用いられる。そのため、赤
外線フィルタ３の構造は、前記特定の波長帯を良好に透
過させる基板材料３ａの両面に、不要な雑音成分の通過
を遮断したり、表面の反射損失を減少させたり出来る光
学干渉多Ｗｌ膜３ｂをコーティングしたものが用いられ
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記した従来構造の赤外線検出装置では、赤
外線フィルタ３をキャップ５の開口部の形状に合わせた
形に切り出し、切り出された微小な赤外線フィルタ３を
キャップ５の開口部に接着剤で貼り付ける必要があるな
ど、組立工程が多くかかって面倒であり、その結果、組
立コストが高く付くという欠点があった。また、各部品
の形状や組み立て作業の操作性など、組立上の種々の制
限から、赤外線検出素子チップ２と赤外線フィルタ３を
ある程度能しておかなければならず、装置の嵩が高くな
るとともに赤外線フィルタ３の大きさで制限される視野
角θが狭くなるという欠点もあった。赤外線検出素子チ
ップ２と赤外線フィルタ３の距離を長くとったままで視
野角θを広げるには、赤外線フィルタ３の有効面積を大
きくすればよいのであるが、視野角θを充分に確保する
には赤外線フィルタ３の面積を著しく増大させねばなら
ず、その結果、赤外線フィルタ３のコストが高くつくと
ともにキャップ５やステム１も大型化するので、赤外線
検出装置全体のコストアップを招き、経済的で無くなる
。

そこで、この発明の課題は、前記のような従来の赤外線
検出装置もしくは素子における問題点を解消し、簡単か
つ能率的に製造でき、全体を小型化でき、しかも、視野
角を充分に確保できる赤外線検出素子および装置を提供
することにある。また、このような赤外線検出素子を製
造する方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決する、この発明のうち、請求項１記載の
赤外線検出素子は、赤外線ｉ３過基板の片面に赤外線検
出部を備え、基板の反対面に赤外線フィルタ膜が形成さ
れてなり、赤外線を、赤外線フィルタ膜および基板を透
過させて赤外線検出部に入射させる。

赤外線透過基板は、赤外線を良好に透過させることがで
き、赤外線検出部や赤外線フィルタを形成することがで
きれば、通常の半導体用等の基板材料の中から適当なも
のを選択して用いることができる。具体的には、シリコ
ン基板が好ましく、特に、比抵抗０．１Ω個以上のシリ
コン基板が、赤外線透過性に優れたものとして望ましい
。

赤外線検出部は、従来の赤外線検出素子と同様に、サー
ミスタ式あるいは焦電式等の通常の赤外線検出構造を備
えたものが用いられる。赤外線検出部は、前記基板の片
面に、通常のｒｃ回路作製における半導体プロセス等と
同様の薄膜形成技術や微細加工技術を利用して形成され
る。

この発明にかかる赤外線検出素子は、前記した赤外線透
過基板のうち、赤外線検出部を設けた面の反対面から赤
外線を入射させ、基板を透過した赤外線が赤外線検出部
に入射されるようにして使用する。

赤外線検出部が、前記サーミスタ式のように熱変換型の
構造を有するものの場合、赤外線検出部と基板とが、熱
的に隔離すなわち熱分離されていると、赤外線検出の応
答速度が良好になる。赤外線検出部と基板とを熱分離す
るには、基板と赤外線検出部の間に断熱層を介在させれ
ばよい。断熱層としては、各種の断熱材料からなる膜を
形成しておいてもよいが、赤外線検出部と基板の間に間
隔をあけて熱分離空間を形成しておけば、断熱効果の高
い熱分離空間で、基板と赤外線検出部との熱分離が良好
に行え、基板を透過した赤外線が赤外線検出部に入射す
るのに邪魔にもならず、製造も容易である。

赤外線検出部と基板との間に熱分離空間を設けるには、
赤外線検出部を支持膜を介して赤外線透過基板に取り付
けるようにし、この支持膜と赤外線透過基板の間に熱分
離空間を形成するようにすればよい。支持膜には、酸化
シリコン膜等の電気的絶縁材料を用いるのが好ましい。

また、支持膜としては、熱分離空間の部分で変形したり
壊れないように、充分な強度もしくは形状維持性のある
膜材料が望ましい。

支持膜を基板との間に熱分離空間を介して設けるには、
例えば、基板の平坦な表面に対し、所定範囲に一定厚み
のレジスト膜すなわちレジスト部を形成し、ついでレジ
スト部を含む基板表面に支持膜を形成した後、レジスト
部を除去すれば、レジスト部が除去された跡が、基板と
支持膜との間に熱分離空間として残る。この支持膜上に
前記のような手段で赤外線検出部を形成すればよい。

また、基板にエツチング等で所定形状の凹部を形成して
おき、この凹部をレジスト材で埋めてレジスト部を形成
した後、その上に形成される平坦な表面に支持膜を形成
し、ついでレジスト部を除去すれば、凹部の個所が基板
と支持膜との間の熱分離空間となる。このような構造で
あれば、基板の表面に突出する部分がないので、赤外線
検出素子および装置の小型化に有利である。

赤外線透過基板のうち、赤外線検出部が形成された面の
反対面には、赤外線フィルタ膜が設けられる。赤外線フ
ィルタ膜は、赤外線透過基板に入射する赤外線が、基板
表面で反射されるのを防いだり、波長成分によって透過
性の異なる選択透過性膜等、目的とする赤外線を良好に
取り入れることの出来る光学的性質を備えたものであれ
ばよく、通常の光学装置で利用されている光学フィルタ
膜材料が用いられる。赤外線フィルタ膜の形成方法は、
通常の薄膜形成技術が通用できる。赤外線フィルタ膜は
、少なくとも、赤外線検出部の視野角の設定範囲、すな
わち赤外線の透過範囲となる赤外線透過基板の表面に形
成されていればよい。

なお、赤外線検出素子の使用目的によって、視野角を狭
く設定したい場合には、赤外線フィルタ膜の表面に、Ａ
Ｉ蒸着膜等からなる赤外線遮断膜を形成し、この赤外線
遮断膜の一部に、必要とされる視野角に相当する窓を形
成しておくことができる。

赤外線透過基板には、赤外線検出部とともに、赤外線検
出部で検出された検出信号を増幅したり雑音を除去した
り適当な処理加工を施したりして、利用可能な電気的信
号に変換する信号処理回路を設けておくことができる。

信号処理回路は、通常の半導体プロセスを用いて、基板
の内部に集積回路として形成することができる。信号処
理回路と赤外線検出部とは、適当な配線もしくは電極に
よって接続される。信号処理回路は、赤外線検出部への
赤外線の透過部分に隣接する位置に設けるのが好ましい
。すなわち、基板内に信号処理回路を設ける場合、赤外
線検出部への配線距離を短くするには、出来るだけ赤外
１１９１検出部に近接して設けおくのが好ましいが、赤
外線検出部への赤外線の入射を邪魔しないような位置に
設ける必要があるためである。赤外線透過基板に赤外線
検出部と信号処理回路とが同時に設けられた赤外線検出
装置には、外部回路への接続端子やパッケージ、あるい
は、集光用のレンズ等と組み合わせられて、赤外線検出
センサ等の製品が構成される。

〔作　　用〕

従来の赤外線検出装置では、赤外線検出部と赤外線フィ
ルタとが別部品で構成されていて、これらを組み立てて
一体化させるようにしていたのに対し、この発明では、
赤外線透過基板の、片面に赤外線検出部、反対面に赤外
線フィルタ膜を形成しているので、赤外線検出部と赤外
線フィルタとが、１枚の基板に一体形成されていること
になるその結果、赤外線検出部と赤外線フィルタを別々
に製造してから組み立て一体化するという面倒な作業が
不要になり、赤外線検出部と赤外線フィルタを組み立て
るための構造部材も不要になる。

赤外線透過基板と赤外線フィルタ膜とからなる赤外線フ
ィルタ部分と赤外線検出部とが非常に近接して配置でき
るので、赤外線検出装置全体を小さくでき、赤外線検出
部の視野角も広くできる。赤外線検出素子および装置の
製造工程全体を、半導体プロセスを用いて一連に行うこ
とが可能になるさらに、赤外線検出部を支持膜に搭載し
、支持膜と基板の間に熱分離空間を設けておけば、赤外
線検出部が基板から良好に熱分離されるので、熱変換型
の赤外線検出部の場合、赤外線に対する応答速度が良好
になる。赤外線透過基板と支持膜との間に熱分離空間を
設けるには、基板の表面にレジスト部を形成した上に支
持膜を形成した後、前記レジスト部を除去すれば、簡単
かつ確実に熱分離空間が形成できる。

赤外線検出部が形成された赤外線透過基板に、信号処理
回路を設けておけば、赤外線検出装置全体が小型化され
、製造も能率的に行える。また、赤外線検出部と信号処
理回路との配線距離が短くなることによって、赤外線検
出部と信号処理回路の間における信号の減衰や雑音の侵
入が削減でき、検出感度を向上させることができる。

〔実　施　例〕

ついで、この発明の実施例を、図面を参照しながら以下
に詳しく説明する。

第１図は、この発明にかかる赤外線検出素子および装置
の模式的な断面構造を示している。

赤外線透過基板１は、通常の半導体基板と同様のシリコ
ン基板を用いられるが、特に、赤外線に対する透過性の
良好なものが用いられ、比抵抗が０、１Ω国以上のもの
が好ましい。基板１の内部には、ｉｌｌ常の半導体プロ
セスを用いて信号処理回路２０が形成されている。信号
処理回路２０の具体的構造や回路構成は、通常の赤外線
検出装置と同様の増幅回路その他の回路を備えていれば
よく、詳細な説明は省略する。

信号処理回路２０を備えた基板１の表面には、シリコン
酸化膜等からなる絶縁層１２を介して、Ｓｉ○、からな
る支持１１９３０が形成されている。

この支持膜３０は、信号処理回路２０に隣接する個所で
、外周端部を基板ｌの絶縁層１２に接続し、中央部は絶
縁層１２から１ｎ以上離れて浮いた状態に設けられてお
り、支持膜３０と絶縁膜１２との間に熱分離空間３２が
構成されている。

熱分離空間３２の上方の支持膜３０表面には、サーミス
タ式赤外線検出部を構成するためのサーミスタ４０が設
けられている。サーミスタ４０の材料は、通常のサーミ
スタ式赤外線検出素子と同様のものが用いられる。具体
的には、Ｍｎ、Ｆｅ等の遷移金属酸化物焼結体などが用
いられる。また、従来のサーミスタに代えて、平均粒径
０．Ｏ１〜１．　Ｏｎ、膜厚０．１〜５．Ｏｎの不純物
を含まない多結晶シリコン膜を用いると、信号処理回路
２０等と同時に半導体プロセスで作製するのに適してい
るとともに、検出応答速度も高く、優れたものとなる。

なお、サーミスタの材料には、温度上昇によって抵抗値
が増えるものと減少するものの両方があり、この発明で
は何れのタイプでも利用できる。

サーミスタ４０の上には、電極５０が形成されている。

サーミスタ式赤外線検出部では、赤外線の入射に伴う温
度上昇でサーミスタ４０の抵抗が変化するのを捉えて赤
外線を検出するので、サーミスタ４０の抵抗変化を検出
するために、少なくとも一対の電極５０．５０が必要で
ある。電極５０は、サーミスタ４０と前記信号処理回路
２ｏの一部とを接続するように設けられている。電極５
０と信号処理回路２０との接続個所では、基板１の絶縁
膜１２を一部貫通して電極５ｏが信号処理回路２０の表
面まで設けられている。また、電極５０は、サーミスタ
４０の表面の大部分を覆うように形成されており、赤外
線を電極５０で吸収させて、効率的に熱に変換できるよ
うになっている。電極５０の材料は、ＡｕやＡＩ等の通
常の電極材料のほか、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃ
ｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄなとの金属および合金
、あるいは、前記多結晶シリコンとのシリサイドを用い
ると、赤外線の吸収性が高いので、検出感度が向上する
。

基板１のうち、赤外線検出部となるサーミスタ４０等の
形成面の反対面には、赤外線フィルタ膜６０が設けられ
ている。赤外線フィルタ膜６０は、従来の赤外線検出装
置において、赤外線フィルタの表面にコーティングされ
ていたのと同様の、光学干渉多層膜等が用いられる。赤
外線フィルタ１’ｌ！６０は、作製を容易にするために
は、基板１の全面に設けておけばよいが、サーミスタ４
０に入射する赤外線の透過経路以外の場所、例えば、信
号処理光路２０と対向する場所等には、赤外線フィルタ
膜６０を形成しておかなくてもよい。

つぎに、上記した構造の赤外線検出素子もしくは装置の
、具体的な製造方法の一例について説明する。

第２図は、製造工程を段階的に示している。

〔工程（ａ）〕

比抵抗０，１Ω備以上で厚み０．４　ｍ１ｍのシリコン
基板からなる赤外線透過基板ｌの片面側内部に信号処理
回路２０を作製する。信号処理回路２０の作製方法は、
通常の半導体プロセスが採用される。

信号処理回路２０は、使用時に赤外線検出部への赤外線
の透過部分となる範囲を避けて形成しておく。この段階
では、信号処理回路２０への配線は形成していない。信
号処理回路２０を覆って、基板ｌの表面にシリコン酸化
膜からなる絶縁層１２を形成する。絶縁層１２となるシ
リコン酸化膜は、通常の熱酸化法等で形成することがで
きる。

（工程（ｂｌ） 絶縁層１２の上で、赤外線検出部を形成する個所に、２
μ以上の厚みでホトレジストｙＡ３４を形成する。つぎ
に、ホトレジストＷ１３４を覆い、周囲の絶縁層１２の
表面に及ぶ支持膜３０を形成する。支持膜３０としては
、ＲＦスパッタリング法により、厚さ０．５〜１μのＳ
ｉＯ□膜を形成する。ｓｉｏ、ＩＩｌ！ｉの代わりに、
ｓｉ、Ｎ４１！！を形成しておいてもよい。上記Ｓｉｎ
、膜に対し、不要部分をＨＦ水溶液でエツチングして、
所定のパターンを有する支持膜３０を形成する。支持膜
３０は、ホトレジスト膜３４の外側の一定範囲のみに形
成される。

〔工程（Ｃ）〕

ホトレジスト膜３４を除去する。

ホトレジスト膜３４が除去された跡には、支持Ｆｉ１３
０と絶縁層１２の間に隙間がおいて、熱分離空間３２が
形成される。なお、支持膜３０は、ホトレジスト膜３４
が除去されても、落ち込んだり変形せず、そのままの形
状を維持できる。

〔工程（ｄ）〕

支持１１ｉ！３０の上にサーミスタ４０を形成する。

ＲＦスパッタリング法で、Ｆａｔ’ｓ　とｐＪＩ　ｎ　
Ｏｓがｌ：１で焼結されたターゲットを用いてｉｎの厚
さでサーミスタ膜を形成した後、空気中で５００℃３０
分間の熱処理を行って安定化させた。その後、ＨＣ１水
溶液でエツチングして、所定パターンを有するサーミス
タ４０を形成した。サーミスタ４０は、蒸着法やＣＶＤ
法等を用いても作製することができる。こうして得られ
たサーミスタ４０は、温度上昇により抵抗値が低下する
、いわゆる負の温度係数を有している。

つぎに、電極５０を形成する。Ｎｉ電極膜を、サーミス
タ４０および支持膜３０、絶縁層１２等の表面に１μの
厚さで蒸着させた後、リン酸水溶液を用いてエツチング
を行って、所定パターンを有する電極５０を形成した。

なお、このとき、信号処理回路２０への電極５０の接続
個所では、Ｎｉ電極膜を蒸着する前に、絶縁層１２の一
部をエツチング等で除去しておく。電極５０は、赤外線
検出部における検出電極、あるいは、赤外線検出部と信
号処理回路２０との配線となる部分に形成するだけでも
よいが、同時に、信号処理回路２０から他の外部回路等
への接続用配線を形成しておいてもよい。

〔工程（ｅ）〕

基板１０のうち、サーミスタ４０等の赤外線検出部が形
成された面の反対面に、光学干渉多層膜からなる赤外線
フィルタ膜６０を形成する。

前記した材料からなる基板１０は、屈折率が約３．５と
大きいため、赤外線が入射する際の反射率が高くなる。

また、基板１０は、赤外線検出部における雑音の原因と
なる波長６μ以下の赤外線までも透過させるという問題
がある。そこで、基板１０表面の反射率を下げ、不要な
波長成分を遮断するために、前記基板１０よりも屈折率
の大きな物質の薄膜と屈折率の小さな物質の薄膜とをフ
ィルタ特性に合わせて交互に積層して光学干渉多層膜を
形成する。具体的には、抵抗加熱蒸着法で、ＰｂＴｅと
ＺｎＳとを交互に重ねて膜形成し、得られた多層膜の合
計膜厚を４．６μに設定した。このような光学干渉多層
膜からなる赤外線フィルタ膜６０は、波長６μ以上の赤
外線のみを良好に通過させることができる。波長６ｐ以
下の赤外線は、赤外線フィルタ膜６０で遮断されるので
、サーミスタ４０等の赤外線検出部まで到達することは
ない。

上記のようにして赤外線検出素子および装置が製造され
るが、得られた赤外線検出装置を各種の機器類に組み込
むための構造やその製造工程については、通常の赤外線
検出装置や各種電子素子装置と同様に行われるので、詳
細な説明は省略する〔発明の効果〕 以上に述べた、この発明にかかる赤外線検出素子および
装置によれば、赤外線透過基板の両面に、赤外線検出部
および赤外線フィルタ膜を一体的に設けており、ひとつ
の基板すなわちチップに、赤外線検出部と赤外線フィル
タとを集積して形成できるので、従来のように、赤外線
検出部と赤外線フィルタを別々の部品で製造した後、組
み立て一体化するものに比べて、はるかに製造が容易で
飛躍的なコスト低減が可能になる。また、赤外線検出部
と赤外線フィルタ部分とが近接しているので、赤外線検
出部の視野角が広く取れる。その結果、視野角を犠牲に
することなく装置の小型化を図れることになり、前記組
み立て構造部分が不要になることともあいまって、装置
全体の小型化に大きく貢献できることになる。

さらに、赤外線検出部を支持膜に搭載し、赤外線透過基
板と熱分離しておけば、熱変換型の赤外線検出部の場合
、赤外線に対する応答速度が良好になる。そして、支持
膜と基板を熱分離するために、レジスト膜の形成および
除去による一連の薄膜技術による工程で、支持膜と基板
の間に間隔をあけて断熱空間を設けておけば、支持膜と
基板の熱分離構造を、一連の薄膜形成および微細加工工
程で簡単かつ確実に形成することができる。

赤外線検出部が形成される赤外線透過基板に、信号処理
回路を設けておけば、赤外線検出部と赤外線フィルタ部
分に加えて信号処理回路をも、連の製造工程で同じ基板
すなわちチップに集積しておくことができ、赤外線検出
装置全体の一層の小型化および製造の能率化が図れる。

また、赤外線検出部と信号処理回路との配線距離が短く
なることによって、赤外線検出部と信号処理回路の間に
おける信号の減衰や雑音の侵入が削減でき、検出感度を
向上させることができる。

このように、赤外線検出部、赤外線フィルタ部分および
信号処理回路が、全て同し基板に設けられて１チツプ化
された赤外線検出装置であれば、各種のセンサ装置や機
器に、他の検出素子と併用したりして、簡単に組み込む
ことができ、赤外線検出素子および装置の応用範囲を広
げ、需要の拡大を図ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にかかる実施例の赤外線検出装置を表
す模式的断面構造図、第２図は製造方法を段階的に示す
製造工程図、第３図は従来例の概略構造図である。 １０・・・赤外線透過基板　２０・・・信号処理回路３
０・・・支持膜　３２・・・熱分離空間　４０・・・サ
ーミスタ　５０・・・電極　６０・・・赤外線フィルタ
膜第 １ 図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　赤外線透過基板の片面に赤外線検出部を備え、基板
   の反対面に赤外線フィルタ膜が形成されてなり、赤外線
   を、赤外線フィルタ膜および基板を透過させて赤外線検
   出部に入射させる赤外線検出素子。 ２　赤外線検出部が支持膜を介して赤外線透過基板に設
   けられ、支持膜と赤外線透過基板の間に熱分離空間が設
   けられている請求項１記載の赤外線検出素子。 ３　赤外線透過基板の平坦な表面に、一部が前記基板の
   表面から浮いて基板との間に熱分離空間を形成している
   支持膜を設けている請求項２記載の赤外線検出素子。 ４　請求項１〜３の何れかに記載の赤外線検出素子を用
   い、赤外線透過基板に対し、赤外線検出部への赤外線の
   透過部分に隣接して信号処理回路が設けられ、この信号
   処理回路と赤外線検出部とが電気的に接続されている赤
   外線検出装置。 ５　請求項２記載の赤外線検出素子を製造する方法であ
   って、赤外線透過基板の表面の所定範囲にレジスト部を
   形成し、このレジスト部を覆って基板表面に支持膜を形
   成した後、レジスト部を除去することで、支持膜と基板
   の間に熱分離空間を形成し、ついで、この支持膜上に赤
   外線検出部を形成する赤外線検出素子の製造方法。