紅外線傳感器的製作方法
2024-02-14 21:41:15
專利名稱：紅外線傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種紅外線傳感器，特別是涉及一種熱電堆型的紅外線傳感器。
背景技術：
作為過去的熱電堆型的紅外線傳感器，具有圖7和圖8所示那樣的傳感器。在圖7中示出紅外線傳感器的熱電堆型結構，為由鄰接的多晶矽4和鋁6形成熱電偶的例子。圖8所示紅外線傳感器公開於日本專利2663612號公報，由p型半導體106和n型半導體111構成的熱電偶為形成於單臂梁103的例子。這些傳感器根據利用塞貝克效應獲得的由熱電偶的熱觸點與冷觸點的溫差產生的電動勢測定入射到紅外線傳感器的紅外線量，通過配置多個熱電偶，實現紅外線傳感器的高靈敏度化。
然而，在圖7所示紅外線傳感器中，由於鄰接地形成多晶矽4和鋁6，所以，熱電偶的配置區域變大，存在不能按高密度配置熱電偶的問題。在圖8所示的紅外線傳感器中，由於在單臂梁103形成熱電偶，所以，存在單臂梁103的機械強度變弱的問題。另外，由於熱吸收膜105和熱電偶離開地形成，所以，存在由熱吸收膜105產生的熱不能有效地傳遞到熱電偶的問題。
可是，在日本專利2663612號公報中，作為過去的例子可列舉出具有由鋁配線和p型擴散層電阻構成的熱電偶的紅外線傳感器，並指出，在使用鋁的場合，塞貝克效應小，熱阻下降，導致靈敏度下降。另外還指出，雙金屬效應使單臂梁翹曲，從而導致靈敏度下降。
本發明者發現由多晶矽膜和鋁膜構成的熱電堆適於實用，充分優良。
發明內容
因此，本發明的目的在於提供一種可按高密度配置利用了由多晶矽膜和鋁膜構成的熱電堆的熱電偶、可將由熱吸收層產生的熱有效地地傳遞到熱電偶、機械強度大的紅外線傳感器。
為了解決上述問題，本發明的紅外線傳感器具有支承構件、多晶矽配線層、絕緣膜、鋁配線層、及紅外線吸收層；該支承構件包含由絕緣材料構成的支承膜和具有空心部分並對支承膜進行支承的基板；該多晶矽配線層從空心部分的上部形成到基板的上部，具有預定的導電型；該絕緣膜形成於多晶矽配線層上，具有形成於空心部分的上部的第1接觸孔和形成於基板上部的第2接觸孔；該鋁配線層通過第1接觸孔連接到多晶矽配線層，與通過第2接觸孔鄰接的多晶矽配線層連接；該紅外線吸收層覆蓋第1接觸孔的上部地形成於空心部分的上部；與通過第1接觸孔與對應的多晶矽配線層連接的鋁配線層在空心部分的上部成為該對應的多晶矽配線層的上層地隔著絕緣膜層疊。
這樣，由於將多晶矽配線層和鋁配線層層疊構成熱電偶，所以，可使熱電偶的配置區域變窄，提高配置密度。另外，由於從空心部分的上部到基板的上部形成多晶矽配線層和鋁配線層的層疊構造，所以，可提高薄壁的空心部分的機械強度。另外，由於覆蓋形成於熱電偶的第1接觸孔地形成紅外線吸收層，所以，可以良好效率將由紅外線吸收層產生的熱量傳遞到熱電偶。
另外，本發明的紅外線傳感器也可具有這樣的特徵，即，基板由多晶矽構成，空心部分由腐蝕形成。由於空心部分由腐蝕形成，所以，可精密地實現空心部分的形狀。
另外，本發明的紅外線傳感器也可具有這樣的特徵，即，鋁配線層在至少空心部分的上部比多晶矽配線層更細地形成。由於熱傳導係數良好的鋁配線層較細地形成，所以，熱量不易散失。另外，可減少形成紅外線吸收層的空心部分的上部的鋁配線層對紅外線的反射。
另外，本發明的紅外線傳感器也可具有這樣的特徵，即，形成多個隔著絕緣膜在多晶矽配線層的上部層疊鋁配線層的層疊構造體，多個第1接觸孔由一體形成的紅外線吸收層覆蓋。由於層疊構造體的多根作為與紅外線吸收層成一體的支承構造起作用，所以，可進一步提高薄壁的空心部分的機械強度。
圖1A和圖1B為分別示出第1實施形式的紅外線傳感器的斷面圖和熱電堆結構的圖。
圖2為示出第2實施形式的紅外線傳感器的熱電堆結構的圖。
圖3A和圖3B為分別示出第3實施形式的紅外線傳感器的斷面圖和熱電堆結構的圖。
圖4A和圖4B為示出第4實施形式的紅外線傳感器的斷面圖和熱電堆結構的圖。
圖5為示出第5實施形式的紅外線傳感器的熱電堆結構的圖。
圖6為示出第6實施形式的紅外線傳感器的熱電堆結構的圖。
圖7為示出過去的紅外線傳感器的熱電堆結構的圖。
圖8A和圖8B為分別示出過去的紅外線傳感器的斷面圖和熱電堆結構的圖。
具體實施例方式
下面參照
本發明的實施形式。相同的要素採用相同符號，省略重複的說明。
圖1A和圖1B示出第1實施形式的紅外線傳感器的斷面和熱電堆結構。圖1A示出圖1B的A-A′斷面圖，如圖所示那樣，膜片構造的支承構件包括具有空心部分2的矽基板1和對其進行支承的支承膜3。在支承膜3上隔著摻入了1018～1020cm-3的n型或p型的雜質的多晶矽膜4和成為絕緣膜的SiO2膜5層疊鋁膜6。利用SiO2膜5的開口孔部連接多晶矽膜4和鋁膜6，形成熱電偶。支承膜3和熱電偶的露出表面由用SiN製成的鈍化膜7覆蓋，在空心部分2的上部的鈍化膜7形成熱吸收膜8。
鈍化膜7也可為SiO2和聚醯亞胺膜等絕緣膜。另外，也可在熱吸收膜8使用黑化樹脂，該黑化樹脂也可使用混合了碳填料等的樹脂(環氧系、矽酮系、丙烯酸系、聚氨酯系、聚醯亞胺系等)、黑色抗蝕劑等。
如圖1B所示那樣，多晶矽膜4和鋁膜6的長尺寸的層疊構造在矽基板1上部到空心部分2上部從與矩形(正方形或長方形)的空心部分2的四邊垂直的4個方向到空心部分2的中央延伸地形成。
另外，多晶矽膜4和鋁膜6在空心部分2上層疊，鋁膜6的寬度形成得比多晶矽膜4的寬度窄。在形成熱吸收膜8的區域的SiO2膜5的開口孔部，連接層疊的多晶矽膜4和鋁膜6，形成熱觸點11。另外，在矽基板1上部的SiO2膜5的開口孔部連接鄰接的多晶矽膜4和鋁膜6，形成冷觸點12。這些熱電偶串聯地連接，由塞貝克效應產生的電動勢由取出電極10取出。在形成取出電極10的區域，鈍化膜7開口。
下面說明空心部分的形成方法。在不形成空心部分的矽基板1的表面形成支承膜3、熱電堆結構、鈍化膜7、熱吸收膜8後，在矽基板1的與形成支承膜3的相反側的面(背面)形成由耐矽腐蝕液性的SiN等構成的保護層9。在希望形成空心部分2的區域對保護層9進行開口，在保護矽基板1的表面的狀態下進行腐蝕。這樣，從背面的保護層9的開口部開始腐蝕，當到達具有耐腐蝕液性的支承膜3時停止腐蝕。腐蝕液使用例如氫氧化鉀溶液等，當對矽基板1使用(100)面時，可進行各向異性的腐蝕，可形成具有圖1(a)所示的空心部分2的膜片構造。在保護層9也可由包含SiN單層、SiO2單層、或SiN、SiO2、PSG、BPSG中的任一個的多層膜構成，膜厚為0.5～5μm。
這樣按照第1實施形式的紅外線傳感器，通過層疊地形成多晶矽膜4和鋁膜6，與並列配置圖7所示的多晶矽膜4和鋁膜6的過去的例子相比，由於相對1個熱電偶的配置區域變窄，所以可以高密度配置熱電偶。另外，隔著SiO2膜5將多晶矽膜4和鋁膜6層疊的熱電堆結構通過形成3層構造提高機械的支承強度，由於它從空心部分2上部到矽基板1上部形成為高臺狀，所以，可提高空心部分2的機械強度。另外，在空心部分2上部由具有粘結力的材料構成的單一的塊的熱吸收膜8使支承膜3和熱電堆結構全部固定，所以，可進一步提高在空心部分2成為薄壁的區域的機械的強度。另外，熱吸收膜8由於將熱電堆結構的熱觸點11全部覆蓋地形成，所以，可將由紅外線的吸收在熱吸收膜8發生的熱以良好的效率傳遞到熱觸點11。
另外，鋁膜6由於熱傳導性良好，所以，將在熱觸點獲得的熱傳遞到矽基板1而散失，存在導致紅外線傳感器的靈敏度下降的可能性，但在第1實施形式中，鋁膜6隔著SiO2膜5薄而窄地層疊到多晶矽膜4上，所以，與矽基板1熱絕緣，不會使紅外線傳感器的靈敏度下降，但在第1實施形式中，由於鋁膜6隔著SiO2膜5薄而窄地層疊到多晶矽膜4上，所以，與矽基板1熱絕緣，不會使紅外線傳感器的靈敏度下降。另外，SiO2膜5不僅為多晶矽膜4和鋁膜6的電絕緣，也具有用於不將多晶矽膜4的熱傳遞到鋁膜6的熱絕緣功能。另外，入射到熱吸收膜8的紅外線通過由形成於熱吸收膜8下的鋁膜6反射，可能導致紅外線傳感器的靈敏度下降，但由於鋁膜6形成得較窄，所以，可使反射為最小限度，反射的紅外線進一步由熱吸收膜8吸收，所以不會使紅外線傳感器的靈敏度下降。
第1實施形式不限於此。空心部分2的形狀不限於矩形，也可為圓形等，可對應於其形狀形成熱電堆結構。
圖2示出第2實施形式的紅外線傳感器的熱電堆結構。第2實施形式的紅外線傳感器擴大圖1B示出的第1實施形式的紅外線傳感器的多晶矽膜4的寬度，將處於空心部分2上部的多晶矽膜4前端形狀作為槍型。
在熱電材料使用多晶矽等的半導體材料的場合，由於其電阻率高，所以，熱電堆的電阻大，為此存在噪聲增加的問題。然而，按照第2實施形式的紅外線傳感器，層疊形成多晶矽膜4和鋁膜6，從而與圖7所示過去的例子相比，即使對於相同或更多的熱電偶數量，由於可擴大多晶矽膜4的寬度，所以，可減小熱電偶的電阻，可減少熱噪聲，提高S/N比。另外，雖然圖中未示出，但實際上也可為使熱電偶數量比圖7的過去的例子增加、熱電偶的電阻值不變的設計，這樣，雖然靈敏度上升但噪聲不變，所以，可提高S/N比。另外，通過使處於空心部分2上部的多晶矽膜4的前端形狀為槍型，使多晶矽膜4的前端朝空心部分2的中央方向深入，從而可使熱觸點11偏向空心部分2的中央。這樣，在熱觸點的溫度上升增大，靈敏度提高。另外，該形狀可使處於空心部分2上部的多晶矽膜4的面積增大，成為空心部分2的薄壁的區域的機構強度進一步提高。
另外，第2實施形式的紅外線傳感器擴大第1實施形式的紅外線傳感器的多晶矽膜4的寬度，使處於空心部分2上部的多晶矽膜4的前端形狀為槍型，熱電偶等的構成同樣，所以，作為紅外線傳感器可獲得與第1實施形式同樣的效果。另外，通過將第2實施形式的處於空心部分2上部的多晶矽膜4的前端形成為槍型的形狀適應於本實施形式和其它實施形式，可獲得同樣的效果。
圖3A和圖3B示出第3實施形式的紅外線傳感器的斷面圖和熱電堆結構。第3實施形式的紅外線傳感器改變了圖1A所示第1實施形式的紅外線傳感器的空心部分2的形狀。更為詳細地說，如作為圖3B的B-B′斷面圖的圖3A所示那樣，在第1實施形式中空心部分2的背面側開放，而在第3實施形式中背面側由矽基板1封鎖，成為在表面的鈍化膜7的4個部位具有腐蝕孔13的構造，空心部分2形成於支承膜3的部。
下面說明第3實施形式的紅外線的空心部分2的形成方法。首先，在矽基板1的支承膜3側形成與空心部分2相同尺寸的多晶矽腐蝕替代層(圖中未示出)。形成支承膜3、熱電堆結構、鈍化膜7後，如圖3B所示那樣，在支承膜3和鈍化膜7開口，形成腐蝕孔13。另外，在矽基板1的背面形成保護層9，但與第1實施形式不同，保護層9不開口。腐蝕液通過對1，2-乙二胺、鄰苯二酚、及水的混合液加熱後獲得，對矽基板1使用(100)面進行腐蝕。此時，腐蝕液從腐蝕孔13浸透到多晶矽腐蝕替代層，對所有多晶矽腐蝕替代層進行腐蝕，此後開始矽基板1的各向異性腐蝕。這樣，可形成具有圖3A所示的空心部分2的膜片構造。腐蝕按深度2～10μm左右進行。
第3實施形式的紅外線傳感器僅第1實施形式的紅外線傳感器的空心部分2的形狀不同，熱電堆結構相同，所以，作為紅外線傳感器可獲得與第1實施形式相同的效果。此外，在第3實施形式的紅外線傳感器由於成為背側由矽基板1關閉的構造，所以，容易在引線框等支承構件進行小片接合，具有機械強度提高的效果。第3實施形式不限於此。空心部分2的形狀不限於矩形，也可為圓形等，可相應於其形狀形成熱電堆結構。另外，腐蝕孔形狀、部位不限於圖3所示情形，也可根據熱電堆結構改變。另外，為了形成膜片構造，也可僅腐蝕多晶矽腐蝕替代層。在該場合，使多晶矽腐蝕替代層的厚度為0.3μm～1.5μm。
圖4A和圖4B示出第4實施形式的紅外線傳感器的斷面圖和熱電堆結構。第4實施形式的紅外線傳感器通過改變圖1B所示第1實施形式的紅外線傳感器的熱電堆結構而獲得。在圖1B中，熱電偶在長方形的空心部分2的四邊分別垂直地形成，但在第4實施形式的紅外線傳感器中如圖4B所示那樣，僅在矩形的空心部分2的相對的2邊從垂直的方向延伸到空心部分2的中央地形成熱電偶。從該2個方向延伸到空心部分2的中央的相對的熱電堆結構的距離為2μm～40μm，通過儘可能地縮小距離，熱觸點的溫度上升，使靈敏度提高。
在第4實施形式的紅外線傳感器中，僅第1實施形式的紅外線傳感器的熱電堆結構不同，熱電偶等的構成相同，所以，作為紅外線傳感器可獲得與第1實施形式相同的效果。此外，在第1～第3實施形式的紅外線傳感器中，雖然特別適合於紅外線的照射斑點為同心圓狀時的用途，但在第4實施形式中，適合於紅外線的照射斑點為線狀或長尺寸形狀時的用途。第4實施形式不限於此，空心部分2的形狀、形成方法也可與第3實施形式相同。
圖5示出第5實施形式的紅外線傳感器的熱電堆結構。第5實施形式的紅外線傳感器將圖3B所示第3實施形式的紅外線傳感器作為1個單元20，在矽基板1上將其排列成1維陣列狀。在第5實施形式的紅外線傳感器中，將圖3B所示取出電極10的單側作為各單元的共用電極連接，設置共用取出電極15。
按照第5實施形式的紅外線傳感器，可根據從各單元的輸出測定由於位置變化帶來的紅外線的照射量的不同。另外，由於1個單元的紅外線傳感器的構造與第3實施形式相同，所以，可獲得與第3實施形式相同的效果，第5實施形式不限於此。在第5實施形式中，將1個單元排列成1維陣列狀，但也可排列成2維陣列狀。這樣，可測定2維位置帶來的紅外線照射量的不同。
圖6示出第6實施形式的紅外線傳感器的熱電堆結構。第6實施形式的紅外線傳感器將圖4B所示第4實施形式的紅外線傳感器作為1個單元30，在矽基板1上將其排列成1維陣列狀。在第6實施形式的紅外線傳感器中，將圖4B所示取出電極10的單側作為各單元的共用電極連接，設置共用取出電極15。
按照第6實施形式的紅外線傳感器，可根據從各單元的輸出測定由於位置變化帶來的紅外線的照射量的不同。另外，由於1個單元的紅外線傳感器的構造與第4實施形式相同，所以，可獲得與第4實施形式相同的效果，第6實施形式不限於此。在第6實施形式中，將1個單元排列成1維陣列狀，但也可排列成2維陣列狀。這樣，可測定2維位置帶來的紅外線照射量的不同。
如以上詳細說明的那樣，按照本發明的紅外線傳感器，由於將多晶矽配線層和鋁配線層層疊後構成熱電偶，所以，熱電偶的配置區域狹小，可提高配置密度。另外，由於從空心部分的上部到基板的上部形成多晶矽配線層和鋁配線層的層疊構造，所以，可提高薄壁的空心部分的機械強度。另外，由於形成隔著絕緣膜的多晶矽配線層和鋁配線層的層疊構造體，層疊構造體的多個作為與紅外線吸收層成一體的支承構造起作用，所以，可進一步提高薄壁的空心部分的機械強度。另外，由於覆蓋形成於熱電偶的第1接觸孔地形成紅外線吸收層，所以，可有效地將由紅外線吸收層產生的熱傳遞到熱電偶。
這樣，獲得機械強度大、靈敏度高的紅外線傳感器。
權利要求
1.一種紅外線傳感器，其特徵在於具有支承構件、多晶矽配線層、絕緣膜、鋁配線層、及紅外線吸收層，該支承構件包含由絕緣材料構成的支承膜和具有空心部分並對上述支承膜進行支承的基板；該多晶矽配線層具有規定的導電型，從上述空心部分的上部形成到上述基板的上部，並且，位於上述空心部分上的上述多晶矽配線層的前端部分形成向著前端逐漸變細的形狀；該絕緣膜形成於上述多晶矽配線層上，具有形成於上述空心部分的上部的第1接觸孔和形成於上述基板上部的第2接觸孔；該鋁配線層通過上述第1接觸孔連接到上述多晶矽配線層，並通過上述第2接觸孔與鄰接的上述多晶矽配線層連接；該紅外線吸收層覆蓋上述第1接觸孔的上部地形成於上述空心部分的上部，通過上述第1接觸孔與對應的多晶矽配線層連接的鋁配線層在上述空心部分的上部成為該對應的多晶矽配線層的上層地隔著上述絕緣膜層疊。
2.根據權利要求1所述的紅外線傳感器，其特徵在於上述基板由矽構成，上述空心部分通過腐蝕形成。
3.根據權利要求1所述的紅外線傳感器，其特徵在於上述鋁配線層在至少上述空心部分的上部比上述多晶矽配線層更細地形成。
4.根據權利要求1所述的紅外線傳感器，其特徵在於形成多個隔著上述絕緣膜在上述多晶矽配線層的上部層疊上述鋁配線層的層疊構造體，多個上述第1接觸孔由一體形成的上述紅外線吸收層覆蓋。
5.根據權利要求1所述的紅外線傳感器，其特徵在於上述鋁配線層在至少上述空心部分的上部比上述多晶矽配線層更細地形成，絕緣性的鈍化膜被設置在上述支承膜的露出部分以及上述多晶矽配線層和上述鋁配線層的連接部的露出部分上。
6.根據權利要求1所述的紅外線傳感器，其特徵在於上述紅外線吸收層為由黑化樹脂材料構成的一塊紅外線吸收層。
全文摘要
本發明提供一種紅外線傳感器，具有支承構件、多晶矽膜、SiO
文檔編號G01J5/02GK1758035SQ20051011731
公開日2006年4月12日 申請日期2001年4月10日 優先權日2001年4月10日
發明者柴山勝己 申請人:浜松光子學株式會社