JP6826484B2

JP6826484B2 - 赤外線検出装置の製造方法

Info

Publication number: JP6826484B2
Application number: JP2017082366A
Authority: JP
Inventors: 菱沼　邦之; 邦之菱沼
Original assignee: Seiko NPC Corp
Current assignee: Seiko NPC Corp
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2021-02-03
Anticipated expiration: 2037-04-18
Also published as: JP2018179860A

Description

本発明は、センサ性能を改善した赤外線検出装置の製造方法に関するものである。

従来の赤外線センサは、シリコンなどの半導体基板（チップ）に形成され、配線基板などの実装基板に実装される。赤外線センサは、外部から赤外線を受光して、温度分布や熱源の有無などを検出するものである。
特許文献１には、従来の赤外線センサ（赤外線検出装置）が開示されている。赤外線検出素子から構成された赤外線検出装置には、サーモパイル型、焦電型およびボロメータ型がある。サーモパイル型赤外線検出素子としては、図７に示すものがある。図に示すサーモパイル型赤外線検出素子は、シリコン半導体基板１０１の上面に、ダイアフラム１０２を設けると共に、ダイアフラム１０２の上面に、ｐ型ポリシリコン１１０とｎ型ポリシリコン１１１とをアルミニウム配線１１２で交互に接続して、一対の熱電対１１３を構成している。

この熱電対１１３は、半導体基板１０１側を冷接点とし且つ熱吸収領域１０５側を温接点とした状態で並列に配置し、これらを電気的に直列に連結してサーモパイルを形成している。そして、サーモパイルを配置したダイアフラム１０２上に、層間絶縁層１０３を介して熱吸収膜１０５を設けた構成になっている。このとき、熱吸収膜１０５は、素子の中央に配置してある。ここで、赤外線検出素子の熱起電圧は、熱吸収膜１０５と半導体基板１０１の間の温度差によって決まる。この温度差は、熱吸収膜１０５の端から半導体基板１０１の空洞１０６端までの熱抵抗の大きさに依存する。

半導体基板１０１に形成した空洞１０６は、熱電対１１３の冷接点側と温接点側とを熱的に分離するためのものである。赤外線検出素子は、ダイアフラム１０２の四隅にエッチング用開口孔１０７を形成したうえで、シリコンの異方性エッチングを行うことにより、ダイアフラム１０２下で半導体基板１０１の上側に開口する四角錐形の空洞１０６を形成している。

特許文献２には、従来の赤外線検出装置として、焦電型の赤外線センサが開示されている（図８参照）。この図に示す赤外線検出装置は、
パッケージ内に基板上に実装されたセンサチップを配置し、パッケージの上部にレンズを取り付けた構造を有している。このような構成の赤外線検出装置は、物体等の対象物から放射された赤外線をレンズによりセンサチップに集光し、入射された赤外線エネルギーに応じた出力信号をセンサチップから発生させるようになっている。

図において、赤外線検出装置は、開口部１００を有する封止缶２００と、開口部１００に取り付けられた赤外線入射窓３００と、前記封止缶２００内に位置する例えば薄膜である焦電体４００と、赤外線入射窓３００の前方に位置し、前記焦電体４００付近に像点距離を有するレンズ５００と、レンズ５００をその光軸方向と垂直方向に左右に可動させるための駆動部６００と、前記レンズ５００の前方に位置するアパーチャ７００より構成されている。
検知すべき対象物より照射された赤外線８００は、アパーチャ７００を通過し、レンズ５００により像点上に位置する焦電体４００に赤外線入射窓３００を透過後結像する。

特開２００２−１６２２９１号公報

特開平０９−１１３３６５号公報

パッケージ内において配線基板上に実装されたチップを配置しパッケージの上部にレンズを取り付けた構造を有する、例えば、特許文献２に記載された、従来の赤外線検出装置は、半導体基板からなるチップに複数の赤外線検出素子からなる赤外線検出部を有している。この赤外線検出部は、アレイ状の複数の赤外線検出素子から構成されている。
また、図９に示す空間認識を目的とした二次元アレイ状の赤外線検出素子からなる赤外線検出部を用いる赤外線検出装置では、低コストの集光レンズを用いることがある。このような低コストの集光レンズを用いると、対象物から照射される赤外線は集光レンズによって十分絞られず、焦点面積が大きくなってしまうという問題が生じてしまう。そして、チップ上の焦点スポット径が赤外線検出素子より十分に大きくなってしまう場合、隣接の素子も感知してしまい、目的とする感知すべき対象物を正確に空間認識が出来ないという問題が生じる。

図９を参照して、この問題を詳細に説明する。
チップ１００に形成された赤外線検出素子のうち隣接する３個の赤外線検出素子１０１、１０２、１０３が図示されている。赤外線検出素子には、例えば、サーモパイル素子を用いる。チップ１００に形成された赤外線検出素子１０１、１０２、１０３は、ダイアフラム構造の上に設けられている。ダイアフラム構造は、キャビティ１０４、１０５、１０６とこのキャビティを覆ってチップ１００表面に形成されたシリコン窒化膜などのメンブレン１１０、１１１、１１２から構成される。サーモパイル素子は、図示はしないが、その上に形成され、その上に赤外線を吸収する吸収部１０７、１０８、１０９が形成されている。
このような構造の赤外線検出装置を用いて対象物から放射される赤外線を検出する。対象物から放射された赤外線は当該装置のレンズ（図示しない）に集光され、チップ１００の赤外線検出素子が配列された検出部の所定の赤外線検出素子１０１に照射される。

この例では赤外線を集光するレンズは、低コストのものを用いているので、集光された赤外線はレンズによって十分絞られず、焦点面積が大きくなってしまう。図示のように、赤外線１１３の照射領域１１４は、広がってしまい、したがって、集光された赤外線１１３は、赤外線検出素子１０１の吸収部１０７のみに照射されず、隣接する赤外線検出素子１０２、１０３にも照射されるので、感知すべき対象物を正確に空間認識が出来ないことがある。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、空間認識を目的とした二次元アレイ状の赤外線検出素子から構成された赤外線検出部を用いた赤外線検出装置において、低コストの集光レンズを用いても感知すべき対象物を正確に空間認識が出来る赤外線検出装置を提供する。

本発明の赤外線検出装置の製造方法の一態様は、二次元アレイ状に形成された複数の赤外線検出素子からなる赤外線検出部を有する赤外線検出装置の製造方法において、半導体基板にその表面側からアルカリ溶液によるシリコン異方性エッチングにより前記赤外線検出素子にそれぞれ対応するキャビティを形成する工程と、前記表面側から前記キャビティ上に赤外線検出部を形成する工程と、前記赤外線検出部により検出した赤外線による熱起電力を出力するサーモパイル部を形成する工程と、前記赤外線検出素子が形成された各領域が、それぞれの前記キャビティを通して前記半導体基板の裏面側から開口部が露出するまで前記半導体基板を薄くする工程と、対象物からの赤外線が前記裏面側から入射するよう回路基板上に前記半導体基板を設置する工程とを有することを特徴としている。前記半導体基板の裏面に前記開口部を除いて赤外線を通さないバリア層を設けるようにしても良い。

本発明の赤外線検出装置は、集光された赤外線が開口されたキャビティの底辺を通して赤外線検出素子の熱吸収膜に入射されるために、キャビティ自体が赤外線を熱吸収膜に入射するもののみに限り、他に拡散する赤外線は他の赤外線検出素子の熱吸収膜に及ばないように防いでいるので、低コストの集光レンズを用いても感知すべき対象物を正確に空間認識が出来る。

実施例１に係る赤外線検出装置を構成する赤外線検出素子の受光状態を説明するチップの部分断面図。図１に示す赤外線検出素子が形成されたチップの平面図。図１に示すチップにレンズにより集光された赤外線が照射される状態を説明する断面図。実施例２に係る赤外線検出装置を構成するキャビティの製造方法を説明する工程断面図。実施例３に係る赤外線検出装置を構成するキャビティの製造方法を説明する工程断面図。実施例４に係る赤外線検出装置を構成するキャビティの製造方法を説明する工程断面図。従来の赤外線検出素子の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）従来の焦電型赤外線センサの概略図。従来の赤外線検出装置を構成する赤外線検出素子の受光状態を説明するチップの部分断面図。

以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。

図１乃至図３を参照して実施例１を説明する。
この実施例で説明する赤外線検出装置は、対象物から放射される赤外線を集光するレンズを備えたサーモパイル型の装置である。
図２は、回路基板に搭載するチップの平面図である。シリコンなどのチップ１には赤外線検出素子１１−１３を含む複数の赤外線検出素子が作りこまれている。複数の赤外線検出素子は、検出エリア４を構成している。検出エリア４を囲んで周辺エリア５が配置され、そこに検出エリアからの信号を処理する信号処理回路が形成されている。この信号処理回路は他のチップに形成し、チップ１と共に回路基板に形成して両者をボンデイングワイヤで電気的に接続することもできる。

図３に示すように、チップ１は、回路基板１０に接着される。回路基板１０上のチップ１は、金属ケースなどのパッケージ７により封止される。パッケージ７の天井には集光用のレンズ８が設けられ赤外線が受光できるように構成されている。対象物９から放射された赤外線６は、パッケージ７に設けられたレンズ８により集光され、集光された赤外線２は、チップ１の所定の赤外線検出素子１１によりその裏面側から受光される。したがって、チップ１は、表面側を回路基板１０に接続し、例えば、フリップチップ接続により回路基板１０の回路と電気的に接続される。
この実施例では、赤外線６を集光するレンズ８は、低コストなので、赤外線２は十分絞られず、焦点面積が大きくなってしまう（図１、図３参照）。したがって、赤外線２が照射される領域は広がってしまい、隣接する赤外線検出素子１２、１３にまで拡散する。
そこで、この実施例では、チップの裏面を薄くしてキャビティの底部を開口すること、チップの裏面から赤外線を受光すること、前記開口部に拡散し進入してきた赤外線を内部に侵入するのを防ぐバリヤとすることにより、このような拡散の影響を防いでいる。そして、バリヤとしてチップ裏面にシリコン酸化膜を被覆している。

以下、図１を参照してチップ１に形成された赤外線検出素子１１の構造を説明する（赤外線検出素子１２、１３は、同じ構造なので説明は略す）。チップ１を構成する半導体基板は、表面及びその反対面に裏面を有しており、表面に赤外線検出素子１１−１３を含む複数の素子が形成されている。赤外線検出素子は、ダイヤフラム構造を備え、この構造を構成するキャビティは開口され、この開口部を通して、集光された赤外線が赤外線検出素子に照射される。
チップ１には複数のサーモパイル素子（図示しない）が形成されている。サーモパイル素子は、それぞれ専用のダイヤフラム構造の上に形成されている。例えば、赤外線検出素子１１のダイヤフラム構造は、チップ１の表面に上方が広くなった凹状に形成されたキャビティ１４とその上に位置するメンブレン２０から構成され、その上にサーモパイル素子が形成され載置される。そして、サーモパイル素子の上面にはそれぞれ熱吸収膜もしくは赤外線吸収膜（以下、吸収膜という）が形成されている。

サーモパイル素子は、熱電対が複数個直列に形成配置して構成されている。サーモパイルは、非接触で個々の物体から放射される赤外線エネルギーを受けると、そのエネルギーに応じた熱起電力を発生する熱式センサであり、そのエネルギー絶対量（温度）が検出可能である。
サーモパイル素子を構成する熱電対は、温度計の１種であり、異なる２種類の導電材料の細線の両端を接合し、２つの接合点の温度差によって発生する熱起電力を測定することにより温度を測定する装置である。

チップ１上に、異種の導電材料からなる熱電対が複数個直列に接続した構造のサーモパイルを設ける。熱電対の温接点部は、例えば、チップ中心付近に、冷接点部は、その周辺部になるように配置する。サーモパイルは、例えば、ＳＯＧ(Spin On Glass) などの絶縁膜で覆われている。この絶縁膜上には、サーモパイルの温接点部上で且つ冷接点部上にかからないように、例えば、金、銀などからなる熱を吸収する吸収膜１７がアモルファスシリコン膜を介して配設される。
サーモパイル素子は、前述のように、チップ１上のダイヤフラム構造の上に設けられている。このダイヤフラム構造は、キャビティ１４とキャビティ１４を覆ってチップ１の表面上に形成されるメンブレン２０から構成される。

キャビティ１４は、シリコン異方性エッチングなどにより形成され、メンブレン２０は、例えば、シリコン窒化膜を、例えば、プラズマＣＶＤ法により形成される。厚さは、１００ｎｍ程度である。メンブレン２０上に熱電対を構成するポリシリコン膜を形成する。ポリシリコン膜を、例えば、ＢＰＳＧ(Boron-doped Phospho-Silicate Glass)膜などの絶縁膜で被覆し、この絶縁膜の表面は平坦化される。そして、平坦化された絶縁膜上に熱電対を構成するアルミニウム膜を形成し、アルミニウム膜とポリシリコン膜とを接合して複数の熱電対を形成する。アルミニウム膜は、吸収膜１７をアモルファスシリコン膜を介して搭載する前記絶縁膜により被覆される。
冷接点部は、ヒートシンクの作用をするチップ１上に配置されており吸収膜１７に覆われていないので、気体に接触しても温度は変化し難いが、温接点部は、チップ１から浮いたキャビティ１４上に形成されているので、熱容量が小さく、更にその上部に吸収膜１７が形成されているので、敏感に温度が変化して感度が良い。

次に、図３を参照しながら図１の赤外線検出装置の受光状態を説明する。
対象物９からの赤外線６は、ポリエチレンなどの有機材料やシリコン等の赤外線を透過する材料からなる集光レンズ８により集光され、集光された赤外線２は、キャビティ１４底面の開口部から内部に入り、キャビティ１４上の吸収膜１７に照射される。
赤外線６を集光するレンズ８は、低コストであって、集光された赤外線２は十分絞られず、焦点面積が拡大して、隣接する赤外線検出素子１２、１３にまで拡散する。赤外線２のチップ１に照射される領域３は、赤外線検出素子１１の吸収膜１７に照射される領域３１と他の赤外線検出素子１２、１３に拡散する拡散領域３２に分かれる。

赤外線２は、キャビティ底部の開口部から吸収膜に照射されるので、開口部の形状に一致させておくことが好ましく、且つ効率的である。また、キャビティ底部の開口部を赤外線の入射路とするとしても、チップの材料であるシリコン自体が赤外線透過材料であるので、入射路以外に赤外線が拡散する恐れは無くならない。そこで、チップ裏面に開口部を除いて赤外線を通さないバリア層を設けることもできる。バリア層は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を用いることができる。
以上、この実施例では、集光された赤外線が開口されたキャビティの底辺を通して赤外線検出素子の吸収膜に入射されるために、キャビティ自体が赤外線を吸収膜に入射するもののみに限り、他に拡散する赤外線は他の赤外線検出素子の吸収膜に及ばないように防いでいるので、低コストの集光レンズを用いても感知すべき対象物を正確に空間認識が出来る。

図４を参照して実施例２を説明する。
この実施例を含め以後の実施例ではチップに用いる半導体基板としてＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いる。ＳＯＩ基板４０は、図４（ａ）に示されるように、シリコン基板４１と、その上に形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁膜４２と、絶縁膜４２上に形成されたシリコン単結晶層４３から構成されている。ＳＯＩ基板は、シリコン基板に酸素をイオン注入し、加熱処理して絶縁膜を形成する方法か、シリコン基板の表面を酸化し、その上に表面処理をしていない他のシリコン基板を貼り合わせて形成する方法の２通りのいずれかで形成される。

まず、シリコン単結晶層４３上の赤外線検出素子が形成される予定の領域にシリコン窒化物などからなるメンブレン４４、４５を形成する（図４（ａ））。次に、ＳＯＩ基板の裏面研削を行って、絶縁膜４２を露出させる（図４（ｂ））。
次に、シリコンの異方性エッチングによりメンブレンの下にキャビティ４６、４７を形成する。エッチングは絶縁膜４２が露出するまで行われる。このとき、シリコン酸化膜はストッパーとなる（図４（ｃ））。次に、弗酸などを用いて絶縁膜４２をウエットエッチングを行って、キャビティ４６、４７の底部を除去して開口部を形成する。
さらに、メンブレン上に赤外線検出部（図示しない）を形成し、その上に吸収膜４８、４９を形成する（図４（ｄ））。

以上、この実施例では、集光された赤外線が開口されたキャビティの底辺を通して赤外線検出素子の吸収膜に入射されるために、キャビティ自体が赤外線を吸収膜に入射するもののみに限り、他に拡散する赤外線は他の赤外線検出素子の吸収膜に及ばないように防いでいるので、低コストの集光レンズを用いても感知すべき対象物を正確に空間認識が出来る。また、キャビティ底部の開口部を吸収膜の形状に一致させることにより効率よく赤外線を赤外線検出素子に照射させることができる。

次に、図５を参照して実施例３を説明する。
この実施例では、キャビティを形成し、吸収膜が形成されるまでＳＯＩ基板下層のシリコン基板は除去しないことに特徴がある。
ＳＯＩ基板５０は、図５（ａ）に示すように、シリコン基板５１と、その上に形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁膜５２と、絶縁膜５２上に形成されたシリコン単結晶層５３とから構成されている。シリコン単結晶層５３上にシリコン窒化物などのメンブレン５４、５５が形成されている。メンブレンの下に、絶縁膜５２及びシリコン単結晶層５３をエッチングすることにより、キャビティ５６、５７が形成されている。エッチングはシリコン基板５１が露出するまで行われる。メンブレン５５、５４上に赤外線検出部（図示しない）が形成され、その上に吸収膜５８、５９が形成されている。次に、図５（ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板の裏面研削を行って、シリコン基板５１をポリッシングして除去し、絶縁膜５２を露出させる。

以上、この実施例では、集光された赤外線が開口されたキャビティの底辺を通して赤外線検出素子の吸収膜に入射されるために、キャビティ自体が赤外線を吸収膜に入射するもののみに限り、他に拡散する赤外線は他の赤外線検出素子の吸収膜に及ばないように防いでいるので、低コストの集光レンズを用いても感知すべき対象物を正確に空間認識が出来る。キャビティ開口部は、大きさを吸収膜に一致させる必要があるので、ＳＯＩ基板上層のシリコン単結晶層の厚みを調整することにより、キャビティ底部の開口部サイズを決定することができる。絶縁膜は、赤外線に対するマスクとして用いられる。

次に、図６を参照して実施例４を説明する。
この実施例では、裏面反射膜を用いたことに特徴がある。
まず、シリコン単結晶層６３上の赤外線検出素子が形成される予定の領域にメンブレン６４、６５を形成する（図６（ａ））。次に、ＳＯＩ基板の裏面研削を行って、絶縁膜６２を露出させる（図６（ｂ））。次に、シリコンの異方性エッチングによりメンブレンの下にキャビティ６６、６７を形成する。さらに、絶縁膜６２の上にアルミなどの裏面反射膜６８を形成する。裏面反射膜６８は、キャビティ６６、６７底面の開口部に相当する部分を開口しておく（図６（ｃ））。

次に、絶縁膜６２をウエットエッチングして、キャビティと裏面反射膜の開口の間にある絶縁膜を除去してキャビティを外部と導通するようにする。さらに、メンブレン上に赤外線検出部（図示しない）を形成し、その上に吸収膜６９、７０を形成する（図６（ｄ））。
以上、この実施例では、集光された赤外線が開口されたキャビティの底辺を通して赤外線検出素子の吸収部に入射されるために、キャビティ自体が赤外線を吸収膜に入射するもののみに限り、他に拡散する赤外線は他の赤外線検出素子の吸収膜に及ばないように防いでいるので、低コストの集光レンズを用いても感知すべき対象物を正確に空間認識が出来る。キャビティ開口部は、大きさを吸収膜に一致させる必要があるので、ＳＯＩ基板上層のシリコン単結晶層の厚みを調整することにより、キャビティ底部の開口部サイズを決定することができる。絶縁膜及び裏面反射膜は赤外線に対するマスクとして用いることも可能である。

１・・・チップ（半導体基板）
２・・・集光された赤外線
３・・・赤外線の照射領域
４・・・チップの検出エリア
５・・・チップの周辺エリア
６・・・赤外線
７・・・パッケージ
８・・・レンズ
９・・・対象物
１０・・・回路基板
１１、１２、１３・・・赤外線検出素子
１４、１５、１６、４６、４７、５６、５７、６６、６７・・・キャビティ
１７、１８、１９、４８、４９、５８、５９、６９、７０・・・吸収膜
２０、２１、２２、４４、４５、５４、５５、６４、６５・・・メンブレン
３１・・・赤外線の照射領域
３２・・・赤外線の拡散領域
４０、５０、６０・・・ＳＯＩ基板
４１、５１、６１・・・シリコン基板
４２、５２、６２・・・絶縁膜
４３、５３、６３・・・シリコン単結晶層
６８・・・裏面反射膜

Claims

二次元アレイ状に形成された複数の赤外線検出素子からなる赤外線検出部を有する赤外線検出装置の製造方法において、半導体基板にその表面側からアルカリ溶液によるシリコン異方性エッチングにより前記赤外線検出素子にそれぞれ対応するキャビティを形成する工程と、前記表面側から前記キャビティ上に赤外線検出部を形成する工程と、前記赤外線検出部により検出した赤外線による熱起電力を出力するサーモパイル部を形成する工程と、前記赤外線検出素子が形成された各領域が、それぞれの前記キャビティを通して前記半導体基板の裏面側から開口部が露出するまで前記半導体基板を薄くする工程と、対象物からの赤外線が前記裏面側から入射するよう回路基板上に前記半導体基板を設置する工程とを有することを特徴とする赤外線検出装置の製造方法。
前記半導体基板の裏面に前記開口部を除いて赤外線を通さないバリア層を設けることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出装置の製造方法。