赤外線検知素子及びセンサ並びに赤外線検知素子の製造方法
【課題】安価に、高い感度を有する赤外線検知素子を容易に実現できる赤外線検知素子、及びその赤外線検知素子を備えたセンサ、並びに赤外線検知素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】赤外線検知素子１は、一方の側に複数の熱電素子１９が配置され、他方の側に切欠部５が形成された板状の素子であり、切欠部５の周囲を構成する主としてＳｉ基板３からなるＳｉ基板部１７と、Ｓｉ基板部１７より薄膜で切欠部５を覆う熱絶縁薄膜部１５とを備えている。この赤外線検知素子１は、熱絶縁薄膜部１５とＳｉ基板部１７とに跨るように、複数の熱電素子１９と複数の配線部２１とが配置されるとともに、熱電素子１９と配線部２１とは、熱絶縁薄膜部１５とＳｉ基板部１７とに交互に配置された接点２３を介して直列に電気接続されており、更に、熱電素子１９は、エピタキシャル成長した熱電薄膜からなる。
【解決手段】赤外線検知素子１は、一方の側に複数の熱電素子１９が配置され、他方の側に切欠部５が形成された板状の素子であり、切欠部５の周囲を構成する主としてＳｉ基板３からなるＳｉ基板部１７と、Ｓｉ基板部１７より薄膜で切欠部５を覆う熱絶縁薄膜部１５とを備えている。この赤外線検知素子１は、熱絶縁薄膜部１５とＳｉ基板部１７とに跨るように、複数の熱電素子１９と複数の配線部２１とが配置されるとともに、熱電素子１９と配線部２１とは、熱絶縁薄膜部１５とＳｉ基板部１７とに交互に配置された接点２３を介して直列に電気接続されており、更に、熱電素子１９は、エピタキシャル成長した熱電薄膜からなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば高感度の温度センサ、光センサ、ガスセンサなどに用いることができる赤外線検知素子、及びその赤外線検知素子を備えたセンサ、並びに赤外線検知素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、導電性材料の両端に温度差が生じると、両端の間に起電力が生じる現象が知られている。その起電力の大きさを表す物理量は、ゼーベック係数（α）と呼ばれ、α＝ΔＶ／ΔＴと定義されており、そのゼーベック係数が比較的大きな材料は、一般的に熱電材料と呼ばれている。
【０００３】
また、ゼーベック係数が比較的大きく異なる２種の材料を相互に２対以上直列に接続したものを、サーモパイルと呼ぶ。サーモパイルの複数ある接点の温度が、順次相対的に高−低−高−低となるような環境下においては、サーモパイル全体として比較的大きな起電力を生じるので、従来より、この起電力を利用したサーモパイル型赤外線検知素子が知られている。
【０００４】
この種のサーモパイルとしては、下記の構成が知られている。
(1)接点を、１つおきに赤外線吸収体と熱的に接触させる。具体的には、特定領域の内側と外側に設けられた接点が交互に接続されるようにサーモパイル素子を形成し、特定領域上に、赤外線吸収層を設ける。
【０００５】
(2)隣接する接点のうちの片方を、赤外線照射時の温度上昇が大きくなるように、熱的に絶縁する。具体的には、ＭＥＭＳ（Micro Electrical Mechanical Systems）技術により自立膜を形成し、自立膜上に設置される接点と、熱引きの大きい基板上に設置される接点が交互に接続されるように構成する。
【０００６】
また、代表的な熱電材料として、古くからＢｉＴｅが知られているが、近年では、ＢｉＴｅを上回る特性の量子井戸型熱電材料が報告されている（特許文献１参照）。この特許文献１には、ゼーベック係数の高いＳｉ−Ｇｅ系薄膜材料を、熱的に絶縁させた自立薄膜部材上に形成したという内容の記載がある。
【０００７】
更に、ノンドープのチタン酸ストロンチウムとＮｂドープのチタン酸ストロンチウムを交互に積層したもので、高いゼーベック係数を持つ熱電材料が報告されている（特許文献２参照）。つまり、特許文献２には、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）系のエピタキシャル薄膜量子井戸熱電材料を利用した熱電対を、チタン酸ストロンチウム基板上に形成した赤外線センサが記載されており、この赤外線センサでは、膜の面方向の温度差を測定するように構成されている。
【特許文献１】特開２００３−２８２９６１号公報
【特許文献２】ＷＯ２００７−１３２７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、前記特許文献１に記載の赤外線検知素子は、高い特性を有しているが、組織制御や再現性の保証が難しいという問題があった。
また、前記特許文献２に記載の赤外線検知素子は、熱電特性が高く、且つ、耐熱性に高い材料のエピタキシャル薄膜を使用しているため、制御性や再現性に優れているが、基板がＳｒＴｉＯ3であるため、熱絶縁構造を形成することが難しく、結果として高感度の素子を得ることが難しいという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、安価に、高い感度を有する赤外線検知素子を容易に実現できる赤外線検知素子、及びその赤外線検知素子を備えたセンサ、並びに赤外線検知素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）上記目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、板状の支持体の一方の側に複数の熱電素子が配置され、他方の側に切欠部が形成された赤外線検知素子において、前記切欠部の周囲を構成する主としてＳｉ基板からなるＳｉ基板部と、前記Ｓｉ基板部より薄膜で前記切欠部を覆う熱絶縁薄膜部と、を備え、更に、前記熱絶縁薄膜部と前記Ｓｉ基板部とに跨るように、複数の第１導電層と複数の第２導電層とが配置されるとともに、前記第１導電層と前記第２導電層とは、前記熱絶縁薄膜部と前記Ｓｉ基板部とに交互に配置された接点を介して直列に電気接続され、且つ、前記第１導電層及び第２導電層のうち少なくとも一方は、エピタキシャル（ヘテロエピタキシャル）成長した熱電薄膜からなる熱電素子であることを特徴とする。
【００１１】
本発明は、上述した構成によって、高性能のサーモパイルを形成することと、サーモパイルの隣接する接点間の温度差を大きくすることの両立が可能であるので、高感度のサーモパイル型赤外線検知素子を、安価に且つ容易に実現することができる。また、熱的に安定なエピタキシャル熱電薄膜を用いるので、再現性や制御性が高いという利点がある。
【００１２】
（２）請求項２の発明では、熱電薄膜は、前記Ｓｉ基板上又はバッファ層上に形成されたことを特徴とする。
本発明では、熱電薄膜が形成される下地層を例示しており、Ｓｉ基板よりはバッファ層を介した方が、エピタキシャル成長によって熱電薄膜を好適に形成できる。
【００１３】
なお、前記バッファ層は、熱電薄膜のエピタキシャル成長を促進する薄膜で、格子整合性と化学的な相性により、所望のエピタキシャル薄膜がＳｉ基板上よりも成長し易い薄膜である。このバッファ層は高抵抗であるほど望ましく、材料としては、ＳｒＴｉＯ3、ＣｅＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＹＳＺが挙げられ、或いは各材料からなる膜の積層膜が挙げられる。
【００１４】
（３）請求項３の発明では、前記第１導電層及び前記第２導電層は、共に、前記Ｓｉ基板上又はバッファ層上にてエピタキシャル成長した熱電薄膜からなることを特徴とする。
本発明は、第１導電層及び第２導電層の両方ともエピタキシャル成長した熱電薄膜であるので、高い起電力を有するという利点がある。
【００１５】
（４）請求項４の発明では、前記第１導電層及び前記第２導電層を有するサーモパイルと、該サーモパイルを一部（即ち電極パッド部分）を除いて被覆する絶縁保護層と、該絶縁保護層上に形成されて前記熱絶縁薄膜部を覆う赤外線吸収層と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
本発明は、赤外線検知素子の好ましい構成を例示したものである。
（５）請求項５の発明では、前記第２導電層は、少なくとも前記第１導電層の一部を覆う絶縁保護層上に形成されるとともに、前記第１導電層の前記絶縁保護層の非被覆部分にて該第１導電層と電気的に接続されたことを特徴とする。
【００１７】
使用する材料などによっては、第２導電層のパターンをエッチングによって形成する際に、（例えば熱電材料からなる）第１導電層が損なわれることがあるが、本発明では、第１導電層の大部分は絶縁保護層で覆われているので、製造時における第１導電層の損傷を防止することができる。
【００１８】
（６）請求項６の発明は、前記請求項１〜５のいずれかに記載の赤外線検知素子を備えたことを特徴とするセンサである。
このセンサを用いることにより、高い精度で温度等を測定することができる。このセンサとしては、温度センサ、光センサ、ガスセンサが挙げられる。
【００１９】
（７）請求項７の発明は、板状の支持体の一方の側に複数の熱電素子が配置され、他方の側に切欠部が形成されたダイヤフラム構造を有し、前記切欠部の周囲を構成する主としてＳｉ基板からなるＳｉ基板部と、前記Ｓｉ基板部より薄膜で前記切欠部を覆う熱絶縁薄膜部と、を備えた板状の赤外線検知素子の製造方法において、前記Ｓｉ基板上又はバッファ層上に、エピタキシャル成長によって熱電薄膜を形成する第１工程と、前記熱電薄膜をパターニングすることによって、複数の熱電素子を形成する第２工程と、前記複数の熱電素子を電気的に接続する配線部を形成してサーモパイルを作製する第３工程と、前記サーモパイルを含む基板表面を絶縁保護層で覆う第４工程と、前記絶縁保護層をエッチングすることにより、サーモパイルの一部を露出させて電極パッドを形成する第４工程と、前記Ｓｉ基板部の前記熱電素子の形成側と反対側をエッチングして、前記Ｓｉ基板部より薄い熱絶縁薄膜部を形成する第５工程と、を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明では、上述した製造方法により、例えば前記請求項１〜５のいずれかに記載の赤外線検知素子を容易に製造することができる。つまり、上述した工程により、エピタキシャルな熱電材料を用いた熱電素子を形成できるとともに、この熱電素子を熱絶縁薄膜部とＳｉ基板部に跨るように形成することにより、高感度の赤外線検知素子を、低コストで容易に実現することができる。
【００２１】
なお、前記バッファ層は、前記請求項２の発明におけるバッファ層と同様である。
（８）請求項８の発明では、前記第５工程の前又は後に、前記絶縁保護層上の熱絶縁薄膜部に相当する部位に、赤外線吸収層を形成することを特徴とする。
【００２２】
この赤外線吸収層を設けることにより、熱電薄膜からなる第１及び／又は第２導電層の両端の温度差を大きくすることができ、精度の高い測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に本発明の実施形態を図面とともに説明する。
［第１実施形態］
ａ）まず、本実施形態のサーモパイル赤外線検知素子（以下単に赤外線検知素子と記す）の構成を、図１に基づいて説明する。
【００２４】
なお、図１（ａ）は赤外線検知素子の平面を示し（但し赤外線吸収層は除く）、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ’断面を示している。
図１に示すように、本実施形態の赤外線検知素子１は、赤外線を検知する板状の素子であり、ベースとなる板状の支持体（基板）２の中央部分の一方の側（図１（ｂ）の下方）が切り欠かれたダイヤフラム構造を有している。
【００２５】
つまり、赤外線検知素子１は、単結晶のＳｉ基板（支持基板）３と、Ｓｉ基板３の第２主面（図１（ｂ）の下面）の中央に形成された切欠部５と、切欠部５を被覆する自立薄膜である熱絶縁薄膜部１５と、Ｓｉ基板３の第１主面（図１（ａ）の上面）に形成されたサーモパイル９と、サーモパイル９の端部に形成された電極パッド１１と、熱絶縁薄膜部１５の上部を覆う赤外線吸収層１３とを備えている。なお、ここでは、図１（ｂ）に示す様に、切欠部（ダイヤフラム部分）５の周囲の枠状の厚みのある部分をＳｉ基板部１７と称する。
【００２６】
以下、赤外線検知素子１の各構成等について、更に詳しく説明する。
・前記サーモパイル９は、例えばニオブ（Ｎｂ）がドープされたチタン酸ストロンチウム（Ｎｂ：ＳｒＴｉＯ3）や、Ｎｂ：ＳｒＴｉＯ3とＳｒＴｉＯ3の繰り返し積層膜等の熱電材料からなる複数の熱電素子１９と、例えばＡｌ等の導電性薄膜からなる複数の配線部２１とを備えている。
【００２７】
詳しくは、サーモパイル９は、Ｓｉ基板部１７と熱絶縁薄膜部１５とに跨るように、複数の熱電素子１９と複数の配線部２１とが形成されており、それらは交互に直列に接続されている。
【００２８】
つまり、熱電素子１９の長手方向の両端の各接点２３は、Ｓｉ基板部１７上と熱絶縁薄膜部１５上とに分かれて形成されており、熱電素子９の一方の接点２３（例えば温接点）と他方の接点２３（例えば冷接点）とを接続するように配線部２１が形成されている。なお、サーモパイル９の両端の配線部２１には、サーモパイル９と外部回路とを電気的に接続するために、前記電極パッド１１が形成されている。
【００２９】
・前記Ｓｉ基板３の上面及び下面のうち、熱電素子１９以外の領域（即ちＳｉ基板部１７の領域）には、電気的な絶縁膜２５、２７が形成されている。この絶縁膜２５、２７は、単層でも積層膜でもよい。また、条件によっては、省略も可能である。この絶縁膜２５、２７としては、熱酸化膜、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル、或いはそれらの積層膜を採用できる。
【００３０】
・前記赤外線検知素子１の上面側においては、基板全面にわたり、電気的絶縁性を有し熱電素子９の形成に好適なバッファ層２９が形成されている。
このバッファ層２９は、少なくともＳｉが露出している領域に成膜された部位においては、エピタキシャル成長した薄膜（エピ膜）であることが必要であり、バッファ層２９の材料としては、ＳｒＴｉＯ3、ＣｅＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＹＳＺが挙げられ、或いは各材料からなる膜の積層膜が挙げられる。
【００３１】
・前記バッファ層２９の上面には、前記熱電素子１９が形成されている。この熱電素子１９の材料は、バッファ層２９の材料と格子整合性のある材料であり、バッファ層２９を構成するエピ膜上においては、熱電素子１９もエピ膜によって形成されている。熱電素子１９の材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｉ−Ｇｅ、ＮｂをドープしたＳｒＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3／ＴｉＯ2、Ｎｂ：ＳｒＴｉＯ3とＳｒＴｉＯ3の繰り返し積層膜等が挙げられる。
【００３２】
また、バッファ層２９の上面には、熱電素子１９以外に、前記配線部１１が形成されている。この配線部１１の材料としては、熱電素子１９と良好なオーミック接続が得られることが必要であり、且つ、低抵抗であることが望ましい。例えばＡｌが好適に用いられる。
【００３３】
・前記サーモパイル９を保護するために、赤外線検知素子１の上面側には、サーモパイル９を覆うように絶縁保護層３１が形成されている。この絶縁保護層３１としては、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化アルミニウム膜、或いはそれらの積層膜を採用できる。
【００３４】
・前記赤外線吸収層１３としては、赤外線を吸収する薄膜、Ａｕ黒、カーボン粉末、それらを担持した多孔質材料などが挙げられる。
なお、バッファ層２９、熱電素子１９、配線部２１、絶縁保護層３１によって、熱絶縁薄膜部１５が形成されるので、それら複数の薄膜の応力の均衡がとれ、なおかつ、プロセス中或いは使用中に破損しないだけの強度であることが必要である。
【００３５】
ｂ）次に、本実施形態の赤外線検知素子１の製造方法を、図２及び図３に基づいて説明する。
本実施形態では、図２（ａ）に示す様に、製造時のベースとなる基板として、単結晶のＳｉ基板３を用いた。
【００３６】
(1)そして、まず、単結晶のＳｉ基板３を洗浄し、図２（ｂ）に示す様に、Ｓｉ基板３の第１主面（上面）及び第２主面（下面）に、それぞれ絶縁膜２５、２７を形成する。この絶縁膜２５、２７の成膜手法としては、熱酸化、ＬＰＣＶＤ（減圧化学気相成長法）、ＰＥＣＶＤ（プラズマ化学気相成長法）、ＣＶＤ（化学蒸着）、スパッタリング等を採用できる。本実施形態では、熱酸化とＬＰＣＶＤ法によって、酸化珪素膜と窒化珪素膜と（図示せず）を順次形成し、前記絶縁膜２５、２７を形成した。
【００３７】
(2)次に、図２（ｃ）に示す様に、フォトリソグラフ法によって、上面の絶縁膜２５の一部を除去して、Ｓｉ基板３の上面の一部を露出させる。詳しくは、レジストの塗布、露光、現像を経て、レジストをマスクとして窒化珪素膜の一部をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）で除去し、次いでレジストを剥離し、残った窒化珪素膜をマスクとして、熱酸化膜（酸化珪素膜）を緩衝フッ酸でエッチングした。
【００３８】
(3)次に、図２（ｄ）に示す様に、基板全面にバッファ層２９を形成する。つまり、絶縁膜２５上とＳｉ基板３の露出部分を覆うように、バッファ層２９を形成する。バッファ層２９の成膜方法は、エピ膜がえら得る限りは限定はなく、ＰＬＤ（パルスレーザ蒸着）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）等に代表される各種の手法のほか、ＣＶＤ、スパッタリング等の各種の方法を採用できる。本実施形態では、ＰＬＤにより、Ｙ2Ｏ3、ＹＳＺを材料として、バッファ層２９を形成した。
【００３９】
(4)次に、図２（ｅ）に示す様に、バッファ層２９の上に熱電材料からなる（熱電素子１９となる）熱電薄膜３３を形成する。この成膜方法としては、エピ膜が得られる限りは限定はなく、ＰＬＤ、ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ等に代表される各種の手法のほか、ＣＶＤ、スパッタリング等の各種の方法を採用できる。本実施形態では、ＰＬＤにより、Ｎｂ：ＳｒＴｉＯ3を材料として、熱電薄膜３３を形成した。
【００４０】
(5)次に、図２（ｆ）に示す様に、熱電薄膜３３をパターニングすることにより、熱電素子１９を形成する。パターニングとしては、前記の様なフォトリソグラフ法を採用でき、その際のエッチング液としては、緩衝フッ酸或いは希釈フッ酸が好適である。なおこの時点で、熱電素子１９が形成されない(熱電薄膜３３がエッチングに除去される)領域において、バッファ層２９も同時に除去されてもよい。
【００４１】
(6)次に、図２（ｇ）に示す様に、基板全面に（後に配線部２１となる）導電性薄膜３５を形成する。この成膜方法としては、蒸着やスパッタリング等が好適に用いられる。
(7)次に、図３（ａ）に示す様に、導電性薄膜３５をパターニングすることにより、配線部２１を形成する。パターニングとしては、前記の様なフォトリソグラフ法を採用できる。
【００４２】
(8)次に、図３（ｂ）に示す様に、基板全面に絶縁保護層３１を形成する。この成膜手法としては、熱酸化、ＬＰＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＣＶＤ、スパッタリング等を採用できる。
なお、本実施形態では、ＰＥＣＶＤにより、窒化珪素膜と酸化珪素膜と（図示せず）を積層した。
【００４３】
(9)次に、図３（ｃ）に示す様に、絶縁保護層３１の一部をエッチングによって除去することにより、サーモパイル９の両端をなす配線部２１の一部を露出させて、電極パッド１１を形成する。
【００４４】
(10)次に、図３（ｄ）に示す様に、基板の第２主面側（裏側）の絶縁膜２７をパターニングして、（切欠部５に対応する）Ｓｉを露出させ、図３（ｅ）に示す様に、その露出部分をＳｉ異方性エッチングすることにより、切欠部５を形成した。
【００４５】
具体的には、レジストをパターニングしてマスクを形成し、窒化珪素層をＲＩＥによりエッチングした。次に、レジストを除去して、残った窒化珪素層をマスクとして、熱酸化膜（酸化珪素膜）を緩衝フッ酸でエッチングし、Ｓｉ異方性エッチング液に浸漬した。その際に、第１主面側を異方性エッチング液より保護するために、図示しない保護コート（日産化成製プロテック）を塗布した。
【００４６】
(11)次に、図３（ｆ）に示す様に、切欠部５を形成した後に、保護コートを除去し、ダイシングした。ダイシング後、熱絶縁薄膜部１５の第１主面側に、赤外線吸収材を塗布し、赤外線吸収層１３を形成した。赤外線吸収層１３は、カーボン、金ブラック等を含むペーストを塗布乾燥することによって形成した。
【００４７】
以上の工程により、熱絶縁薄膜部１５とＳｉ基板部１７とに跨るように、（エピタキシャル成長した熱電薄膜３３からなる）熱電素子１９と配線部２１とが配置されるとともに、熱電素子１９と配線部２１とが、熱絶縁薄膜部１５とＳｉ基板部１７とに交互に配置された接点２３を介して直列に電気接続された赤外線検知素子１が作製できる。
【００４８】
ｃ）次に、本実施形態の赤外線検知素子１の使用例を、図４に基づいて説明する。
図４に示す様に、赤外線検知素子１に赤外線が照射された場合、赤外線を吸収した赤外線吸収層１３が温度上昇すると、熱的に分離されたダイヤフラムに対応する熱絶縁薄膜部１５は、Ｓｉ基板部１７に比べ高温となり、熱電素子１９の両端に温度差が与えられる。これにより、熱電素子１９は起電力を生じ、複数直列に配置された熱電素子１９の各起電力の和が、（両電極パッド１１を介して）出力として検出される。
【００４９】
なお、上述した赤外線検知素子１は、例えば図５に示すような温度を検知する温度センサ３５の内部に使用される。この温度センサ３５により、測定対象の温度を、測定対象から発生する赤外線によって検出することができる。
【００５０】
ｄ）この様に、本実施形態の赤外線検知素子１は、サーモパイル９を構成する複数の熱電素子１９と複数の配線部２１とは、熱絶縁薄膜部１５とＳｉ基板部１７とに交互に配置された接点２３を介して直列に電気接続されており、且つ、熱電素子１９は、バッファ層２９上にてエピタキシャル（ヘテロエピタキシャル）成長した熱電薄膜からなる熱電素子１９である。
【００５１】
従って、この赤外線検知素子１は、高特性のサーモパイル９を備えることと、サーモパイル９の温接点と冷接点との間の温度差を大きくすることにより、高感度のサーモパイル型赤外線検知素子１を、安価に且つ容易に得ることができる。
【００５２】
また、熱電素子１９として、熱的に安定なエピタキシャル熱電薄膜を用いるので、再現性や制御性が高いという利点がある。
［第２実施形態］
次に第２実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は簡略化する。
【００５３】
なお、本実施形態は、前記請求項５の発明に対応する内容であり、第１実施形態と同じ名称の部材は、特に限定しない限りは同じ材料からなる。
図６に示す様に、本実施形態の赤外線検知素子４１は、前記第１実施形態と同様にダイヤフラム構造を有しており、熱電素子４３及び配線部４５は、（薄肉の）熱絶縁薄膜部４７と（熱絶縁薄膜部４７より厚みのある）Ｓｉ基板部４９とに跨るように配置されている。また、絶縁膜５１、５３、バッファ層５５、電極パッド５７、赤外線吸収層５９等も同様に備えている。
【００５４】
特に本実施形態では、熱電素子４３やバッファ層５５の多くの部分を覆うように、第１絶縁保護層６１が形成され、この第１絶縁保護層６１等の上に配線部４５が形成されている。そして、配線部４５は、熱電素子４３における第１絶縁保護層６１の非被覆部分にて、熱電素子４３と電気的に接続されており、これにより、熱電素子４３同士が電気的に接続されている。なお、基板表面には、第１絶縁保護層６１や配線部４５を覆うように、同様な第２絶縁保護層６３が形成されている。
【００５５】
本実施形態では、熱電素子４３を形成した後に、熱電素子４３の一部を除く基板全面を第１絶縁保護層６１で被覆し、その第１絶縁保護層６１上に配線部４５を形成する。
従って、本実施形態は、熱電素子４３が配線部４５形成時のエッチングストップとなり得ない場合に好適である。
【００５６】
つまり、使用する材料などによっては、配線部４５のパターンをエッチングによって形成する際に、熱電素子４３が損なわれることがあるが、本実施形態では、熱電素子４３の大部分は第１絶縁保護層６１で覆われているので、製造時における熱電素子４３の損傷を防止することができる。
［第３実施形態］
次に第３実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は簡略化する。
【００５７】
なお、本実施形態は、前記請求項３の発明に対応する内容であり、第１実施形態と同じ名称の部材は、特に限定しない限りは同じ材料からなる。
図７に示す様に、本実施形態の赤外線検知素子７１は、前記第１実施形態と同様にダイヤフラム構造を有しており、第１熱電素子７３及び（第１熱電素子７３同士を接続する配線部に対応する）第２熱電素子７５は、（薄肉の）熱絶縁薄膜部７７と（熱絶縁薄膜部７７より厚みのある）Ｓｉ基板部７９とに跨るように配置されている。また、絶縁膜８１、８３、バッファ層８５、電極パッド８７、絶縁保護層８９、赤外線吸収層９１等も同様に備えている。
【００５８】
特に本実施形態では、第１熱電素子７３と第２熱電素子７５は、異なる熱電材料から構成されている。具体的には、第１熱電素子７３はＮｂ：ＳｒＴｉＯ3からなり、第２熱電素子７５はＢドープのｐ型Ｓｉからなる。また、第１熱電素子７３と第２熱電素子７５を有するサーモパイル９３の両端には、例えば第１実施形態の配線部と同様な導電材料からなる配線部９５が形成されており、その配線部９５の端部には、電極パッド８７が形成されている。
【００５９】
本実施形態では、第１熱電素子７３と第２熱電素子７５とが、交互に直列に接続されているので、起電力が高いという利点がある。
なお、本実施形態では、第１熱電素子７３と第２熱電素子７５は、バッファ層８５上にヘテロエピタキシャル成長させることによって形成されているが、一方が多結晶（例えばＳｉなど）であってもよい。
［第４実施形態］
次に第４実施形態について説明するが、前記第３実施形態と同様な内容の説明は簡略化する。
【００６０】
なお、本実施形態は、前記請求項３の発明に対応する内容であり、第３実施形態と同じ名称の部材は、特に限定しない限りは同じ材料からなる。
図８に示す様に、本実施形態の赤外線検知素子１０１は、前記第３実施形態と同様にダイヤフラム構造を有しており、第１熱電素子１０３及び第２熱電素子１０５は、（薄肉の）熱絶縁薄膜部１０７と（熱絶縁薄膜部１０７より厚みのある）Ｓｉ基板部１０９とに跨るように配置されている。また、絶縁膜１１１、１１３、バッファ層１１５、配線部１１７、電極パッド１１９、絶縁保護層１２１、赤外線吸収層１２３等も同様に備えている。
【００６１】
特に本実施形態では、第１熱電素子１０３と第２熱電素子１０５は、異なる熱電材料からなるとともに、第１熱電素子１０３と第２熱電素子１０５は、オーミック接続を得るために、接続バッファ層１２５を介して電気的に接続されている。この接続バッファ層１２５の材料としては、例えばＡｌを主体とした材料を採用できる。
【００６２】
本実施形態は、第１熱電素子１０３と第２熱電素子１０５とが直接的接続ではオーミック接続しにくい場合に有効である。
［第５実施形態］
次に第５実施形態について説明するが、前記第３実施形態と同様な内容の説明は簡略化する。
【００６３】
なお、本実施形態は、前記請求項３の発明に対応する内容であり、第３実施形態と同じ名称の部材は、特に限定しない限りは同じ材料からなる。
図９に示す様に、本実施形態の赤外線検知素子１３１は、前記第３実施形態と同様にダイヤフラム構造を有しており、第１熱電素子１３３及び第２熱電素子１３５は、（薄肉の）熱絶縁薄膜部１３７と（熱絶縁薄膜部１３７より厚みのある）Ｓｉ基板部１３９とに跨るように配置されている。また、絶縁膜１４１、１４３、配線部１４５、電極パッド１４７、絶縁保護層１４９、赤外線吸収層１５１等も同様に備えている。
【００６４】
特に本実施形態では、バッファ層を備えておらず、第１熱電素子１３３と第２熱電素子１３５は、Ｓｉ基板１５３上に直接に形成されており、第１熱電素子１３３と第２熱電素子１３５の下面の一部は、切欠部１５５に露出している。
【００６５】
なお、本実施形態では、Ｓｉ基板１５３が、第１熱電素子１３３と第２熱電素子１３５に対して実質上絶縁体であること、第１熱電素子１３３と第２熱電素子１３５の少なくとも一方は、Ｓｉ基板１５３上にて直接ヘテロエピタキシャル成長が可能であること、プロセス中に、Ｓｉ基板１５３と第１熱電素子１３３及び第２熱電素子１３５とが反応しないこと、切欠部１５５を形成する際に、第１熱電素子１３３と第２熱電素子１３５とが消失しないこと等の条件を満たす必要がある。また、使用に際しては、汚れによって短絡しない環境であること等を考慮する必要がある。
［第６実施形態］
次に第６実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は簡略化する。
【００６６】
本実施形態の赤外線検知素子は、第１実施形態の赤外線検知素子とは、サーモパイルの配置が異なっている。
図１０に示す様に、本実施形態の赤外線検知素子１６１は、前記第１実施形態と同様にダイヤフラム構造を有しており、熱電素子１６３は、（薄肉の）熱絶縁薄膜部１６５と（熱絶縁薄膜部１６５より厚みのある）Ｓｉ基板部１６７とに跨るように配置されている。なお、電極パッド１６９、赤外線吸収層１７１等も同様に備えている。
【００６７】
特に本実施形態では、熱電素子１６３の両端の接点１７３間の温度差を大きく、且つ、接点数を増やすために、熱電素子１６３と配線部１７５とが放射状に形成され、熱絶縁薄膜部１６５上において、（中心側の）接点１７３は、熱絶縁薄膜部１６５の中心に比較的に近い領域に配置されている。
【００６８】
また、熱電素子１６３と配線部１７５との抵抗率の違いを考慮して、即ちチタン酸ストロンチウム等からなる熱電素子１６３は、例えばＡｌからなる配線部１７５より抵抗率が大きいので、熱電素子１６３の線幅は配線部１７５の線幅より大きく設定されている。
【００６９】
上述した構成により、抵抗値の増大を最小限に抑えることができ、また、熱電素子１６３の本数を増やすことができるので、高い感度を実現することができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
【００７０】
例えば赤外線吸収層を形成する順番は、製造プロセス上問題がなければ、ダイヤフラム形成前に行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】（ａ）は第１実施形態の赤外線検知素子を示す平面図であり、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
【図２】第１実施形態の赤外線検知素子の製造工程を示す説明図である。
【図３】第１実施形態の赤外線検知素子の製造工程を示す説明図である。
【図４】第１実施形態の赤外線検知素子の動作を示す説明図である。
【図５】赤外線検知素子が用いられる温度センサを示す説明図である。
【図６】第２実施形態の赤外線検知素子を破断して示す断面図である。
【図７】（ａ）は第３実施形態の赤外線検知素子を示す平面図であり、（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
【図８】第４実施形態の赤外線検知素子を破断して示す断面図である。
【図９】第５実施形態の赤外線検知素子を破断して示す断面図である。
【図１０】第６実施形態の赤外線検知素子を示す平面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１、４１、７１、１０１、１３１、１６１…赤外線検知素子
３、１５３…Ｓｉ基板
５、１５５…切欠部
９、９３…サーモパイル
１１、５７、８７、１１９、１４７、１６９…電極パッド
１３、５９、９１、１２３、１５１、１７１…赤外線吸収層
１５、４７、７７、１０７、１３７、１６５…熱絶縁薄膜部
１７、４９、７９、１０９、１３９、１６７…Ｓｉ基板部
１９、４３、７３、７５、１０３、１０５、１６３…熱電素子
２１、４５、９５、１１７、１４５、１７５…配線部
２３、１７３…接点
２９、５５、８５、１１５…バッファ層
３１、６１、６３、８９、１２１、１４９…絶縁保護層
３５…温度センサ
１２５…接続バッファ層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば高感度の温度センサ、光センサ、ガスセンサなどに用いることができる赤外線検知素子、及びその赤外線検知素子を備えたセンサ、並びに赤外線検知素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、導電性材料の両端に温度差が生じると、両端の間に起電力が生じる現象が知られている。その起電力の大きさを表す物理量は、ゼーベック係数（α）と呼ばれ、α＝ΔＶ／ΔＴと定義されており、そのゼーベック係数が比較的大きな材料は、一般的に熱電材料と呼ばれている。
【０００３】
また、ゼーベック係数が比較的大きく異なる２種の材料を相互に２対以上直列に接続したものを、サーモパイルと呼ぶ。サーモパイルの複数ある接点の温度が、順次相対的に高−低−高−低となるような環境下においては、サーモパイル全体として比較的大きな起電力を生じるので、従来より、この起電力を利用したサーモパイル型赤外線検知素子が知られている。
【０００４】
この種のサーモパイルとしては、下記の構成が知られている。
(1)接点を、１つおきに赤外線吸収体と熱的に接触させる。具体的には、特定領域の内側と外側に設けられた接点が交互に接続されるようにサーモパイル素子を形成し、特定領域上に、赤外線吸収層を設ける。
【０００５】
(2)隣接する接点のうちの片方を、赤外線照射時の温度上昇が大きくなるように、熱的に絶縁する。具体的には、ＭＥＭＳ（Micro Electrical Mechanical Systems）技術により自立膜を形成し、自立膜上に設置される接点と、熱引きの大きい基板上に設置される接点が交互に接続されるように構成する。
【０００６】
また、代表的な熱電材料として、古くからＢｉＴｅが知られているが、近年では、ＢｉＴｅを上回る特性の量子井戸型熱電材料が報告されている（特許文献１参照）。この特許文献１には、ゼーベック係数の高いＳｉ−Ｇｅ系薄膜材料を、熱的に絶縁させた自立薄膜部材上に形成したという内容の記載がある。
【０００７】
更に、ノンドープのチタン酸ストロンチウムとＮｂドープのチタン酸ストロンチウムを交互に積層したもので、高いゼーベック係数を持つ熱電材料が報告されている（特許文献２参照）。つまり、特許文献２には、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）系のエピタキシャル薄膜量子井戸熱電材料を利用した熱電対を、チタン酸ストロンチウム基板上に形成した赤外線センサが記載されており、この赤外線センサでは、膜の面方向の温度差を測定するように構成されている。
【特許文献１】特開２００３−２８２９６１号公報
【特許文献２】ＷＯ２００７−１３２７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、前記特許文献１に記載の赤外線検知素子は、高い特性を有しているが、組織制御や再現性の保証が難しいという問題があった。
また、前記特許文献２に記載の赤外線検知素子は、熱電特性が高く、且つ、耐熱性に高い材料のエピタキシャル薄膜を使用しているため、制御性や再現性に優れているが、基板がＳｒＴｉＯ3であるため、熱絶縁構造を形成することが難しく、結果として高感度の素子を得ることが難しいという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、安価に、高い感度を有する赤外線検知素子を容易に実現できる赤外線検知素子、及びその赤外線検知素子を備えたセンサ、並びに赤外線検知素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）上記目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、板状の支持体の一方の側に複数の熱電素子が配置され、他方の側に切欠部が形成された赤外線検知素子において、前記切欠部の周囲を構成する主としてＳｉ基板からなるＳｉ基板部と、前記Ｓｉ基板部より薄膜で前記切欠部を覆う熱絶縁薄膜部と、を備え、更に、前記熱絶縁薄膜部と前記Ｓｉ基板部とに跨るように、複数の第１導電層と複数の第２導電層とが配置されるとともに、前記第１導電層と前記第２導電層とは、前記熱絶縁薄膜部と前記Ｓｉ基板部とに交互に配置された接点を介して直列に電気接続され、且つ、前記第１導電層及び第２導電層のうち少なくとも一方は、エピタキシャル（ヘテロエピタキシャル）成長した熱電薄膜からなる熱電素子であることを特徴とする。
【００１１】
本発明は、上述した構成によって、高性能のサーモパイルを形成することと、サーモパイルの隣接する接点間の温度差を大きくすることの両立が可能であるので、高感度のサーモパイル型赤外線検知素子を、安価に且つ容易に実現することができる。また、熱的に安定なエピタキシャル熱電薄膜を用いるので、再現性や制御性が高いという利点がある。
【００１２】
（２）請求項２の発明では、熱電薄膜は、前記Ｓｉ基板上又はバッファ層上に形成されたことを特徴とする。
本発明では、熱電薄膜が形成される下地層を例示しており、Ｓｉ基板よりはバッファ層を介した方が、エピタキシャル成長によって熱電薄膜を好適に形成できる。
【００１３】
なお、前記バッファ層は、熱電薄膜のエピタキシャル成長を促進する薄膜で、格子整合性と化学的な相性により、所望のエピタキシャル薄膜がＳｉ基板上よりも成長し易い薄膜である。このバッファ層は高抵抗であるほど望ましく、材料としては、ＳｒＴｉＯ3、ＣｅＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＹＳＺが挙げられ、或いは各材料からなる膜の積層膜が挙げられる。
【００１４】
（３）請求項３の発明では、前記第１導電層及び前記第２導電層は、共に、前記Ｓｉ基板上又はバッファ層上にてエピタキシャル成長した熱電薄膜からなることを特徴とする。
本発明は、第１導電層及び第２導電層の両方ともエピタキシャル成長した熱電薄膜であるので、高い起電力を有するという利点がある。
【００１５】
（４）請求項４の発明では、前記第１導電層及び前記第２導電層を有するサーモパイルと、該サーモパイルを一部（即ち電極パッド部分）を除いて被覆する絶縁保護層と、該絶縁保護層上に形成されて前記熱絶縁薄膜部を覆う赤外線吸収層と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
本発明は、赤外線検知素子の好ましい構成を例示したものである。
（５）請求項５の発明では、前記第２導電層は、少なくとも前記第１導電層の一部を覆う絶縁保護層上に形成されるとともに、前記第１導電層の前記絶縁保護層の非被覆部分にて該第１導電層と電気的に接続されたことを特徴とする。
【００１７】
使用する材料などによっては、第２導電層のパターンをエッチングによって形成する際に、（例えば熱電材料からなる）第１導電層が損なわれることがあるが、本発明では、第１導電層の大部分は絶縁保護層で覆われているので、製造時における第１導電層の損傷を防止することができる。
【００１８】
（６）請求項６の発明は、前記請求項１〜５のいずれかに記載の赤外線検知素子を備えたことを特徴とするセンサである。
このセンサを用いることにより、高い精度で温度等を測定することができる。このセンサとしては、温度センサ、光センサ、ガスセンサが挙げられる。
【００１９】
（７）請求項７の発明は、板状の支持体の一方の側に複数の熱電素子が配置され、他方の側に切欠部が形成されたダイヤフラム構造を有し、前記切欠部の周囲を構成する主としてＳｉ基板からなるＳｉ基板部と、前記Ｓｉ基板部より薄膜で前記切欠部を覆う熱絶縁薄膜部と、を備えた板状の赤外線検知素子の製造方法において、前記Ｓｉ基板上又はバッファ層上に、エピタキシャル成長によって熱電薄膜を形成する第１工程と、前記熱電薄膜をパターニングすることによって、複数の熱電素子を形成する第２工程と、前記複数の熱電素子を電気的に接続する配線部を形成してサーモパイルを作製する第３工程と、前記サーモパイルを含む基板表面を絶縁保護層で覆う第４工程と、前記絶縁保護層をエッチングすることにより、サーモパイルの一部を露出させて電極パッドを形成する第４工程と、前記Ｓｉ基板部の前記熱電素子の形成側と反対側をエッチングして、前記Ｓｉ基板部より薄い熱絶縁薄膜部を形成する第５工程と、を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明では、上述した製造方法により、例えば前記請求項１〜５のいずれかに記載の赤外線検知素子を容易に製造することができる。つまり、上述した工程により、エピタキシャルな熱電材料を用いた熱電素子を形成できるとともに、この熱電素子を熱絶縁薄膜部とＳｉ基板部に跨るように形成することにより、高感度の赤外線検知素子を、低コストで容易に実現することができる。
【００２１】
なお、前記バッファ層は、前記請求項２の発明におけるバッファ層と同様である。
（８）請求項８の発明では、前記第５工程の前又は後に、前記絶縁保護層上の熱絶縁薄膜部に相当する部位に、赤外線吸収層を形成することを特徴とする。
【００２２】
この赤外線吸収層を設けることにより、熱電薄膜からなる第１及び／又は第２導電層の両端の温度差を大きくすることができ、精度の高い測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に本発明の実施形態を図面とともに説明する。
［第１実施形態］
ａ）まず、本実施形態のサーモパイル赤外線検知素子（以下単に赤外線検知素子と記す）の構成を、図１に基づいて説明する。
【００２４】
なお、図１（ａ）は赤外線検知素子の平面を示し（但し赤外線吸収層は除く）、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ’断面を示している。
図１に示すように、本実施形態の赤外線検知素子１は、赤外線を検知する板状の素子であり、ベースとなる板状の支持体（基板）２の中央部分の一方の側（図１（ｂ）の下方）が切り欠かれたダイヤフラム構造を有している。
【００２５】
つまり、赤外線検知素子１は、単結晶のＳｉ基板（支持基板）３と、Ｓｉ基板３の第２主面（図１（ｂ）の下面）の中央に形成された切欠部５と、切欠部５を被覆する自立薄膜である熱絶縁薄膜部１５と、Ｓｉ基板３の第１主面（図１（ａ）の上面）に形成されたサーモパイル９と、サーモパイル９の端部に形成された電極パッド１１と、熱絶縁薄膜部１５の上部を覆う赤外線吸収層１３とを備えている。なお、ここでは、図１（ｂ）に示す様に、切欠部（ダイヤフラム部分）５の周囲の枠状の厚みのある部分をＳｉ基板部１７と称する。
【００２６】
以下、赤外線検知素子１の各構成等について、更に詳しく説明する。
・前記サーモパイル９は、例えばニオブ（Ｎｂ）がドープされたチタン酸ストロンチウム（Ｎｂ：ＳｒＴｉＯ3）や、Ｎｂ：ＳｒＴｉＯ3とＳｒＴｉＯ3の繰り返し積層膜等の熱電材料からなる複数の熱電素子１９と、例えばＡｌ等の導電性薄膜からなる複数の配線部２１とを備えている。
【００２７】
詳しくは、サーモパイル９は、Ｓｉ基板部１７と熱絶縁薄膜部１５とに跨るように、複数の熱電素子１９と複数の配線部２１とが形成されており、それらは交互に直列に接続されている。
【００２８】
つまり、熱電素子１９の長手方向の両端の各接点２３は、Ｓｉ基板部１７上と熱絶縁薄膜部１５上とに分かれて形成されており、熱電素子９の一方の接点２３（例えば温接点）と他方の接点２３（例えば冷接点）とを接続するように配線部２１が形成されている。なお、サーモパイル９の両端の配線部２１には、サーモパイル９と外部回路とを電気的に接続するために、前記電極パッド１１が形成されている。
【００２９】
・前記Ｓｉ基板３の上面及び下面のうち、熱電素子１９以外の領域（即ちＳｉ基板部１７の領域）には、電気的な絶縁膜２５、２７が形成されている。この絶縁膜２５、２７は、単層でも積層膜でもよい。また、条件によっては、省略も可能である。この絶縁膜２５、２７としては、熱酸化膜、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル、或いはそれらの積層膜を採用できる。
【００３０】
・前記赤外線検知素子１の上面側においては、基板全面にわたり、電気的絶縁性を有し熱電素子９の形成に好適なバッファ層２９が形成されている。
このバッファ層２９は、少なくともＳｉが露出している領域に成膜された部位においては、エピタキシャル成長した薄膜（エピ膜）であることが必要であり、バッファ層２９の材料としては、ＳｒＴｉＯ3、ＣｅＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＹＳＺが挙げられ、或いは各材料からなる膜の積層膜が挙げられる。
【００３１】
・前記バッファ層２９の上面には、前記熱電素子１９が形成されている。この熱電素子１９の材料は、バッファ層２９の材料と格子整合性のある材料であり、バッファ層２９を構成するエピ膜上においては、熱電素子１９もエピ膜によって形成されている。熱電素子１９の材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｉ−Ｇｅ、ＮｂをドープしたＳｒＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3／ＴｉＯ2、Ｎｂ：ＳｒＴｉＯ3とＳｒＴｉＯ3の繰り返し積層膜等が挙げられる。
【００３２】
また、バッファ層２９の上面には、熱電素子１９以外に、前記配線部１１が形成されている。この配線部１１の材料としては、熱電素子１９と良好なオーミック接続が得られることが必要であり、且つ、低抵抗であることが望ましい。例えばＡｌが好適に用いられる。
【００３３】
・前記サーモパイル９を保護するために、赤外線検知素子１の上面側には、サーモパイル９を覆うように絶縁保護層３１が形成されている。この絶縁保護層３１としては、酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化アルミニウム膜、或いはそれらの積層膜を採用できる。
【００３４】
・前記赤外線吸収層１３としては、赤外線を吸収する薄膜、Ａｕ黒、カーボン粉末、それらを担持した多孔質材料などが挙げられる。
なお、バッファ層２９、熱電素子１９、配線部２１、絶縁保護層３１によって、熱絶縁薄膜部１５が形成されるので、それら複数の薄膜の応力の均衡がとれ、なおかつ、プロセス中或いは使用中に破損しないだけの強度であることが必要である。
【００３５】
ｂ）次に、本実施形態の赤外線検知素子１の製造方法を、図２及び図３に基づいて説明する。
本実施形態では、図２（ａ）に示す様に、製造時のベースとなる基板として、単結晶のＳｉ基板３を用いた。
【００３６】
(1)そして、まず、単結晶のＳｉ基板３を洗浄し、図２（ｂ）に示す様に、Ｓｉ基板３の第１主面（上面）及び第２主面（下面）に、それぞれ絶縁膜２５、２７を形成する。この絶縁膜２５、２７の成膜手法としては、熱酸化、ＬＰＣＶＤ（減圧化学気相成長法）、ＰＥＣＶＤ（プラズマ化学気相成長法）、ＣＶＤ（化学蒸着）、スパッタリング等を採用できる。本実施形態では、熱酸化とＬＰＣＶＤ法によって、酸化珪素膜と窒化珪素膜と（図示せず）を順次形成し、前記絶縁膜２５、２７を形成した。
【００３７】
(2)次に、図２（ｃ）に示す様に、フォトリソグラフ法によって、上面の絶縁膜２５の一部を除去して、Ｓｉ基板３の上面の一部を露出させる。詳しくは、レジストの塗布、露光、現像を経て、レジストをマスクとして窒化珪素膜の一部をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）で除去し、次いでレジストを剥離し、残った窒化珪素膜をマスクとして、熱酸化膜（酸化珪素膜）を緩衝フッ酸でエッチングした。
【００３８】
(3)次に、図２（ｄ）に示す様に、基板全面にバッファ層２９を形成する。つまり、絶縁膜２５上とＳｉ基板３の露出部分を覆うように、バッファ層２９を形成する。バッファ層２９の成膜方法は、エピ膜がえら得る限りは限定はなく、ＰＬＤ（パルスレーザ蒸着）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）等に代表される各種の手法のほか、ＣＶＤ、スパッタリング等の各種の方法を採用できる。本実施形態では、ＰＬＤにより、Ｙ2Ｏ3、ＹＳＺを材料として、バッファ層２９を形成した。
【００３９】
(4)次に、図２（ｅ）に示す様に、バッファ層２９の上に熱電材料からなる（熱電素子１９となる）熱電薄膜３３を形成する。この成膜方法としては、エピ膜が得られる限りは限定はなく、ＰＬＤ、ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ等に代表される各種の手法のほか、ＣＶＤ、スパッタリング等の各種の方法を採用できる。本実施形態では、ＰＬＤにより、Ｎｂ：ＳｒＴｉＯ3を材料として、熱電薄膜３３を形成した。
【００４０】
(5)次に、図２（ｆ）に示す様に、熱電薄膜３３をパターニングすることにより、熱電素子１９を形成する。パターニングとしては、前記の様なフォトリソグラフ法を採用でき、その際のエッチング液としては、緩衝フッ酸或いは希釈フッ酸が好適である。なおこの時点で、熱電素子１９が形成されない(熱電薄膜３３がエッチングに除去される)領域において、バッファ層２９も同時に除去されてもよい。
【００４１】
(6)次に、図２（ｇ）に示す様に、基板全面に（後に配線部２１となる）導電性薄膜３５を形成する。この成膜方法としては、蒸着やスパッタリング等が好適に用いられる。
(7)次に、図３（ａ）に示す様に、導電性薄膜３５をパターニングすることにより、配線部２１を形成する。パターニングとしては、前記の様なフォトリソグラフ法を採用できる。
【００４２】
(8)次に、図３（ｂ）に示す様に、基板全面に絶縁保護層３１を形成する。この成膜手法としては、熱酸化、ＬＰＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＣＶＤ、スパッタリング等を採用できる。
なお、本実施形態では、ＰＥＣＶＤにより、窒化珪素膜と酸化珪素膜と（図示せず）を積層した。
【００４３】
(9)次に、図３（ｃ）に示す様に、絶縁保護層３１の一部をエッチングによって除去することにより、サーモパイル９の両端をなす配線部２１の一部を露出させて、電極パッド１１を形成する。
【００４４】
(10)次に、図３（ｄ）に示す様に、基板の第２主面側（裏側）の絶縁膜２７をパターニングして、（切欠部５に対応する）Ｓｉを露出させ、図３（ｅ）に示す様に、その露出部分をＳｉ異方性エッチングすることにより、切欠部５を形成した。
【００４５】
具体的には、レジストをパターニングしてマスクを形成し、窒化珪素層をＲＩＥによりエッチングした。次に、レジストを除去して、残った窒化珪素層をマスクとして、熱酸化膜（酸化珪素膜）を緩衝フッ酸でエッチングし、Ｓｉ異方性エッチング液に浸漬した。その際に、第１主面側を異方性エッチング液より保護するために、図示しない保護コート（日産化成製プロテック）を塗布した。
【００４６】
(11)次に、図３（ｆ）に示す様に、切欠部５を形成した後に、保護コートを除去し、ダイシングした。ダイシング後、熱絶縁薄膜部１５の第１主面側に、赤外線吸収材を塗布し、赤外線吸収層１３を形成した。赤外線吸収層１３は、カーボン、金ブラック等を含むペーストを塗布乾燥することによって形成した。
【００４７】
以上の工程により、熱絶縁薄膜部１５とＳｉ基板部１７とに跨るように、（エピタキシャル成長した熱電薄膜３３からなる）熱電素子１９と配線部２１とが配置されるとともに、熱電素子１９と配線部２１とが、熱絶縁薄膜部１５とＳｉ基板部１７とに交互に配置された接点２３を介して直列に電気接続された赤外線検知素子１が作製できる。
【００４８】
ｃ）次に、本実施形態の赤外線検知素子１の使用例を、図４に基づいて説明する。
図４に示す様に、赤外線検知素子１に赤外線が照射された場合、赤外線を吸収した赤外線吸収層１３が温度上昇すると、熱的に分離されたダイヤフラムに対応する熱絶縁薄膜部１５は、Ｓｉ基板部１７に比べ高温となり、熱電素子１９の両端に温度差が与えられる。これにより、熱電素子１９は起電力を生じ、複数直列に配置された熱電素子１９の各起電力の和が、（両電極パッド１１を介して）出力として検出される。
【００４９】
なお、上述した赤外線検知素子１は、例えば図５に示すような温度を検知する温度センサ３５の内部に使用される。この温度センサ３５により、測定対象の温度を、測定対象から発生する赤外線によって検出することができる。
【００５０】
ｄ）この様に、本実施形態の赤外線検知素子１は、サーモパイル９を構成する複数の熱電素子１９と複数の配線部２１とは、熱絶縁薄膜部１５とＳｉ基板部１７とに交互に配置された接点２３を介して直列に電気接続されており、且つ、熱電素子１９は、バッファ層２９上にてエピタキシャル（ヘテロエピタキシャル）成長した熱電薄膜からなる熱電素子１９である。
【００５１】
従って、この赤外線検知素子１は、高特性のサーモパイル９を備えることと、サーモパイル９の温接点と冷接点との間の温度差を大きくすることにより、高感度のサーモパイル型赤外線検知素子１を、安価に且つ容易に得ることができる。
【００５２】
また、熱電素子１９として、熱的に安定なエピタキシャル熱電薄膜を用いるので、再現性や制御性が高いという利点がある。
［第２実施形態］
次に第２実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は簡略化する。
【００５３】
なお、本実施形態は、前記請求項５の発明に対応する内容であり、第１実施形態と同じ名称の部材は、特に限定しない限りは同じ材料からなる。
図６に示す様に、本実施形態の赤外線検知素子４１は、前記第１実施形態と同様にダイヤフラム構造を有しており、熱電素子４３及び配線部４５は、（薄肉の）熱絶縁薄膜部４７と（熱絶縁薄膜部４７より厚みのある）Ｓｉ基板部４９とに跨るように配置されている。また、絶縁膜５１、５３、バッファ層５５、電極パッド５７、赤外線吸収層５９等も同様に備えている。
【００５４】
特に本実施形態では、熱電素子４３やバッファ層５５の多くの部分を覆うように、第１絶縁保護層６１が形成され、この第１絶縁保護層６１等の上に配線部４５が形成されている。そして、配線部４５は、熱電素子４３における第１絶縁保護層６１の非被覆部分にて、熱電素子４３と電気的に接続されており、これにより、熱電素子４３同士が電気的に接続されている。なお、基板表面には、第１絶縁保護層６１や配線部４５を覆うように、同様な第２絶縁保護層６３が形成されている。
【００５５】
本実施形態では、熱電素子４３を形成した後に、熱電素子４３の一部を除く基板全面を第１絶縁保護層６１で被覆し、その第１絶縁保護層６１上に配線部４５を形成する。
従って、本実施形態は、熱電素子４３が配線部４５形成時のエッチングストップとなり得ない場合に好適である。
【００５６】
つまり、使用する材料などによっては、配線部４５のパターンをエッチングによって形成する際に、熱電素子４３が損なわれることがあるが、本実施形態では、熱電素子４３の大部分は第１絶縁保護層６１で覆われているので、製造時における熱電素子４３の損傷を防止することができる。
［第３実施形態］
次に第３実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は簡略化する。
【００５７】
なお、本実施形態は、前記請求項３の発明に対応する内容であり、第１実施形態と同じ名称の部材は、特に限定しない限りは同じ材料からなる。
図７に示す様に、本実施形態の赤外線検知素子７１は、前記第１実施形態と同様にダイヤフラム構造を有しており、第１熱電素子７３及び（第１熱電素子７３同士を接続する配線部に対応する）第２熱電素子７５は、（薄肉の）熱絶縁薄膜部７７と（熱絶縁薄膜部７７より厚みのある）Ｓｉ基板部７９とに跨るように配置されている。また、絶縁膜８１、８３、バッファ層８５、電極パッド８７、絶縁保護層８９、赤外線吸収層９１等も同様に備えている。
【００５８】
特に本実施形態では、第１熱電素子７３と第２熱電素子７５は、異なる熱電材料から構成されている。具体的には、第１熱電素子７３はＮｂ：ＳｒＴｉＯ3からなり、第２熱電素子７５はＢドープのｐ型Ｓｉからなる。また、第１熱電素子７３と第２熱電素子７５を有するサーモパイル９３の両端には、例えば第１実施形態の配線部と同様な導電材料からなる配線部９５が形成されており、その配線部９５の端部には、電極パッド８７が形成されている。
【００５９】
本実施形態では、第１熱電素子７３と第２熱電素子７５とが、交互に直列に接続されているので、起電力が高いという利点がある。
なお、本実施形態では、第１熱電素子７３と第２熱電素子７５は、バッファ層８５上にヘテロエピタキシャル成長させることによって形成されているが、一方が多結晶（例えばＳｉなど）であってもよい。
［第４実施形態］
次に第４実施形態について説明するが、前記第３実施形態と同様な内容の説明は簡略化する。
【００６０】
なお、本実施形態は、前記請求項３の発明に対応する内容であり、第３実施形態と同じ名称の部材は、特に限定しない限りは同じ材料からなる。
図８に示す様に、本実施形態の赤外線検知素子１０１は、前記第３実施形態と同様にダイヤフラム構造を有しており、第１熱電素子１０３及び第２熱電素子１０５は、（薄肉の）熱絶縁薄膜部１０７と（熱絶縁薄膜部１０７より厚みのある）Ｓｉ基板部１０９とに跨るように配置されている。また、絶縁膜１１１、１１３、バッファ層１１５、配線部１１７、電極パッド１１９、絶縁保護層１２１、赤外線吸収層１２３等も同様に備えている。
【００６１】
特に本実施形態では、第１熱電素子１０３と第２熱電素子１０５は、異なる熱電材料からなるとともに、第１熱電素子１０３と第２熱電素子１０５は、オーミック接続を得るために、接続バッファ層１２５を介して電気的に接続されている。この接続バッファ層１２５の材料としては、例えばＡｌを主体とした材料を採用できる。
【００６２】
本実施形態は、第１熱電素子１０３と第２熱電素子１０５とが直接的接続ではオーミック接続しにくい場合に有効である。
［第５実施形態］
次に第５実施形態について説明するが、前記第３実施形態と同様な内容の説明は簡略化する。
【００６３】
なお、本実施形態は、前記請求項３の発明に対応する内容であり、第３実施形態と同じ名称の部材は、特に限定しない限りは同じ材料からなる。
図９に示す様に、本実施形態の赤外線検知素子１３１は、前記第３実施形態と同様にダイヤフラム構造を有しており、第１熱電素子１３３及び第２熱電素子１３５は、（薄肉の）熱絶縁薄膜部１３７と（熱絶縁薄膜部１３７より厚みのある）Ｓｉ基板部１３９とに跨るように配置されている。また、絶縁膜１４１、１４３、配線部１４５、電極パッド１４７、絶縁保護層１４９、赤外線吸収層１５１等も同様に備えている。
【００６４】
特に本実施形態では、バッファ層を備えておらず、第１熱電素子１３３と第２熱電素子１３５は、Ｓｉ基板１５３上に直接に形成されており、第１熱電素子１３３と第２熱電素子１３５の下面の一部は、切欠部１５５に露出している。
【００６５】
なお、本実施形態では、Ｓｉ基板１５３が、第１熱電素子１３３と第２熱電素子１３５に対して実質上絶縁体であること、第１熱電素子１３３と第２熱電素子１３５の少なくとも一方は、Ｓｉ基板１５３上にて直接ヘテロエピタキシャル成長が可能であること、プロセス中に、Ｓｉ基板１５３と第１熱電素子１３３及び第２熱電素子１３５とが反応しないこと、切欠部１５５を形成する際に、第１熱電素子１３３と第２熱電素子１３５とが消失しないこと等の条件を満たす必要がある。また、使用に際しては、汚れによって短絡しない環境であること等を考慮する必要がある。
［第６実施形態］
次に第６実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は簡略化する。
【００６６】
本実施形態の赤外線検知素子は、第１実施形態の赤外線検知素子とは、サーモパイルの配置が異なっている。
図１０に示す様に、本実施形態の赤外線検知素子１６１は、前記第１実施形態と同様にダイヤフラム構造を有しており、熱電素子１６３は、（薄肉の）熱絶縁薄膜部１６５と（熱絶縁薄膜部１６５より厚みのある）Ｓｉ基板部１６７とに跨るように配置されている。なお、電極パッド１６９、赤外線吸収層１７１等も同様に備えている。
【００６７】
特に本実施形態では、熱電素子１６３の両端の接点１７３間の温度差を大きく、且つ、接点数を増やすために、熱電素子１６３と配線部１７５とが放射状に形成され、熱絶縁薄膜部１６５上において、（中心側の）接点１７３は、熱絶縁薄膜部１６５の中心に比較的に近い領域に配置されている。
【００６８】
また、熱電素子１６３と配線部１７５との抵抗率の違いを考慮して、即ちチタン酸ストロンチウム等からなる熱電素子１６３は、例えばＡｌからなる配線部１７５より抵抗率が大きいので、熱電素子１６３の線幅は配線部１７５の線幅より大きく設定されている。
【００６９】
上述した構成により、抵抗値の増大を最小限に抑えることができ、また、熱電素子１６３の本数を増やすことができるので、高い感度を実現することができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
【００７０】
例えば赤外線吸収層を形成する順番は、製造プロセス上問題がなければ、ダイヤフラム形成前に行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】（ａ）は第１実施形態の赤外線検知素子を示す平面図であり、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
【図２】第１実施形態の赤外線検知素子の製造工程を示す説明図である。
【図３】第１実施形態の赤外線検知素子の製造工程を示す説明図である。
【図４】第１実施形態の赤外線検知素子の動作を示す説明図である。
【図５】赤外線検知素子が用いられる温度センサを示す説明図である。
【図６】第２実施形態の赤外線検知素子を破断して示す断面図である。
【図７】（ａ）は第３実施形態の赤外線検知素子を示す平面図であり、（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
【図８】第４実施形態の赤外線検知素子を破断して示す断面図である。
【図９】第５実施形態の赤外線検知素子を破断して示す断面図である。
【図１０】第６実施形態の赤外線検知素子を示す平面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１、４１、７１、１０１、１３１、１６１…赤外線検知素子
３、１５３…Ｓｉ基板
５、１５５…切欠部
９、９３…サーモパイル
１１、５７、８７、１１９、１４７、１６９…電極パッド
１３、５９、９１、１２３、１５１、１７１…赤外線吸収層
１５、４７、７７、１０７、１３７、１６５…熱絶縁薄膜部
１７、４９、７９、１０９、１３９、１６７…Ｓｉ基板部
１９、４３、７３、７５、１０３、１０５、１６３…熱電素子
２１、４５、９５、１１７、１４５、１７５…配線部
２３、１７３…接点
２９、５５、８５、１１５…バッファ層
３１、６１、６３、８９、１２１、１４９…絶縁保護層
３５…温度センサ
１２５…接続バッファ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の支持体の一方の側に複数の熱電素子が配置され、他方の側に切欠部が形成された赤外線検知素子において、
前記切欠部の周囲を構成する主としてＳｉ基板からなるＳｉ基板部と、前記Ｓｉ基板部より薄膜で前記切欠部を覆う熱絶縁薄膜部と、を備え、
更に、前記熱絶縁薄膜部と前記Ｓｉ基板部とに跨るように、複数の第１導電層と複数の第２導電層とが配置されるとともに、前記第１導電層と前記第２導電層とは、前記熱絶縁薄膜部と前記Ｓｉ基板部とに交互に配置された接点を介して直列に電気接続され、
且つ、前記第１導電層及び第２導電層のうち少なくとも一方は、エピタキシャル成長した熱電薄膜からなる熱電素子であることを特徴とする赤外線検知素子。
【請求項２】
前記熱電薄膜は、前記Ｓｉ基板上又はバッファ層上に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線検知素子。
【請求項３】
前記第１導電層及び前記第２導電層は、共に、前記Ｓｉ基板上又はバッファ層上にてエピタキシャル成長した熱電薄膜からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線検知素子。
【請求項４】
前記第１導電層及び前記第２導電層を有するサーモパイルと、該サーモパイルを一部を除いて被覆する絶縁保護層と、該絶縁保護層上に形成されて前記熱絶縁薄膜部を覆う赤外線吸収層と、を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の赤外線検知素子。
【請求項５】
前記第２導電層は、少なくとも前記第１導電層の一部を覆う絶縁保護層上に形成されるとともに、前記第１導電層の前記絶縁保護層の非被覆部分にて該第１導電層と電気的に接続されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の赤外線検知素子。
【請求項６】
前記請求項１〜５のいずれかに記載の赤外線検知素子を備えたことを特徴とするセンサ。
【請求項７】
板状の支持体の一方の側に複数の熱電素子が配置され、他方の側に切欠部が形成されたダイヤフラム構造を有し、前記切欠部の周囲を構成する主としてＳｉ基板からなるＳｉ基板部と、前記Ｓｉ基板部より薄膜で前記切欠部を覆う熱絶縁薄膜部と、を備えた赤外線検知素子の製造方法において、
前記Ｓｉ基板上又はバッファ層上に、エピタキシャル成長によって熱電薄膜を形成する第１工程と、
前記熱電薄膜をパターニングすることによって、複数の熱電素子を形成する第２工程と、
前記複数の熱電素子を電気的に接続する配線部を形成してサーモパイルを作製する第３工程と、
前記サーモパイルを含む基板表面を絶縁保護層で覆う第４工程と、
前記絶縁保護層をエッチングすることにより、サーモパイルの一部を露出させて電極パッドを形成する第４工程と、
前記Ｓｉ基板部の前記熱電素子の形成側と反対側をエッチングして、前記Ｓｉ基板部より薄い熱絶縁薄膜部を形成する第５工程と、
を有することを特徴とする赤外線検知素子の製造方法。
【請求項８】
前記第５工程の前又は後に、前記絶縁保護層上の熱絶縁薄膜部に相当する部位に、赤外線吸収層を形成することを特徴とする請求項７に記載の赤外線検知素子の製造方法。
【請求項１】
板状の支持体の一方の側に複数の熱電素子が配置され、他方の側に切欠部が形成された赤外線検知素子において、
前記切欠部の周囲を構成する主としてＳｉ基板からなるＳｉ基板部と、前記Ｓｉ基板部より薄膜で前記切欠部を覆う熱絶縁薄膜部と、を備え、
更に、前記熱絶縁薄膜部と前記Ｓｉ基板部とに跨るように、複数の第１導電層と複数の第２導電層とが配置されるとともに、前記第１導電層と前記第２導電層とは、前記熱絶縁薄膜部と前記Ｓｉ基板部とに交互に配置された接点を介して直列に電気接続され、
且つ、前記第１導電層及び第２導電層のうち少なくとも一方は、エピタキシャル成長した熱電薄膜からなる熱電素子であることを特徴とする赤外線検知素子。
【請求項２】
前記熱電薄膜は、前記Ｓｉ基板上又はバッファ層上に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線検知素子。
【請求項３】
前記第１導電層及び前記第２導電層は、共に、前記Ｓｉ基板上又はバッファ層上にてエピタキシャル成長した熱電薄膜からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線検知素子。
【請求項４】
前記第１導電層及び前記第２導電層を有するサーモパイルと、該サーモパイルを一部を除いて被覆する絶縁保護層と、該絶縁保護層上に形成されて前記熱絶縁薄膜部を覆う赤外線吸収層と、を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の赤外線検知素子。
【請求項５】
前記第２導電層は、少なくとも前記第１導電層の一部を覆う絶縁保護層上に形成されるとともに、前記第１導電層の前記絶縁保護層の非被覆部分にて該第１導電層と電気的に接続されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の赤外線検知素子。
【請求項６】
前記請求項１〜５のいずれかに記載の赤外線検知素子を備えたことを特徴とするセンサ。
【請求項７】
板状の支持体の一方の側に複数の熱電素子が配置され、他方の側に切欠部が形成されたダイヤフラム構造を有し、前記切欠部の周囲を構成する主としてＳｉ基板からなるＳｉ基板部と、前記Ｓｉ基板部より薄膜で前記切欠部を覆う熱絶縁薄膜部と、を備えた赤外線検知素子の製造方法において、
前記Ｓｉ基板上又はバッファ層上に、エピタキシャル成長によって熱電薄膜を形成する第１工程と、
前記熱電薄膜をパターニングすることによって、複数の熱電素子を形成する第２工程と、
前記複数の熱電素子を電気的に接続する配線部を形成してサーモパイルを作製する第３工程と、
前記サーモパイルを含む基板表面を絶縁保護層で覆う第４工程と、
前記絶縁保護層をエッチングすることにより、サーモパイルの一部を露出させて電極パッドを形成する第４工程と、
前記Ｓｉ基板部の前記熱電素子の形成側と反対側をエッチングして、前記Ｓｉ基板部より薄い熱絶縁薄膜部を形成する第５工程と、
を有することを特徴とする赤外線検知素子の製造方法。
【請求項８】
前記第５工程の前又は後に、前記絶縁保護層上の熱絶縁薄膜部に相当する部位に、赤外線吸収層を形成することを特徴とする請求項７に記載の赤外線検知素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１０７２９９（Ｐ２０１０−１０７２９９Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７８３８６（Ｐ２００８−２７８３８６）
【出願日】平成２０年１０月２９日（２００８．１０．２９）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２９日（２００８．１０．２９）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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