[0001] 本发明涉及一种热利用装置，特别是涉及一种具备电阻根据温度而变化的热敏电阻的热利用装置。

[0002] 在各种温度传感器中作为热敏元件被使用的热敏电阻，其电阻根据温度而变化。因此，可以通过检测热敏电阻的电阻的变化来检测热敏电阻的周边的温度。当热敏电阻的温度变化通过辐射热产生时，可以基于Stefan-Boltzmann定律，检测放射辐射热的物体的温度。

[0003] 为了提高热敏电阻的灵敏度，改善热敏电阻的热吸收效率是有效的。在日本专利第5866881号说明书以及日本专利第60302732号说明书中公开了一种连接于红外线检测用热敏元件的引线以曲折图案形成的红外线温度传感器。红外线检测用热敏元件与引线设置于基板上，并且引线在基板上形成为配线图案。通过引线的集热效果提高了红外线温度传感器的灵敏度。

[0059] 以下，参照附图对本发明的热利用装置的各种实施方式进行说明。在以下的说明和附图中，X方向和Y方向是与第一基板2和第二基板3的主面平行的方向。Z方向是与X方向和Y方向正交的方向，并且是与第一基板2和第二基板3的主面垂直的方向。

[0060] 本发明的热利用装置具备电阻根据温度而变化的热敏电阻。为了便于说明，各实施方式的热利用装置是仅具备一个热敏电阻膜的红外线传感器，但是热利用装置也可以具备二维状地排列的热敏电阻膜的阵列。具备这样的热敏电阻膜的阵列的热利用装置被用作红外线相机的摄像元件。红外线相机除了可以用作暗处的夜视仪、夜视镜，还可以用于人或物的温度测量等。另外，多个热敏电阻膜一维状地排列的红外线传感器可以用作测量各种温度或温度分布的传感器。多个热敏电阻膜一维状地排列的红外线传感器也包括在本发明的范围内。

[0061] (第一实施方式)

[0062] 图1是本发明的第一实施方式的红外线传感器1的概略侧视图，图2A是热敏电阻膜的附近的概略俯视图，图2B示出沿着图2A的A-A线的配线层10的截面图，图2C示出从X方向观察的配线层10的截面图。由于在图2A中示出支撑层9的中央部91，因此省略热敏电阻膜7的一部分。

[0063] 红外线传感器1具有第一基板2、与第一基板2相对而定位的第二基板3、以及连接第一基板2和第二基板3的侧壁4。第二基板3是红外线入射的窗基板。第一基板2、第二基板3和侧壁4形成密闭的内部空间5。在内部空间5容纳有热敏电阻膜7。内部空间5是负压或真空。即，第一基板2、第二基板3和侧壁4形成密闭的真空容器6。由此，可以防止或抑制内部空间5中的气体的对流，并且可以减轻对热敏电阻膜7的热的影响。

[0064] 热敏电阻膜7具有硅基板(未图示)、以及形成于硅基板上的氧化钒(VOx)的膜(未图示)。可以使用非晶硅(a-Si)、TiOx、NiOx、CoMnNiOx的膜来替代VOx的膜。热敏电阻膜7具有大致正方形或长方形的受光面7a，并且受光面7a与第二基板3相对。在热敏电阻膜7的受光面7a形成有红外线吸收膜8。为了使输入于热敏电阻膜7的红外线的热量增加而设置红外线吸收膜8。红外线吸收膜8由SiOx形成，但是也可以由SiN、AlOx、TaOx、NbOx、AlN、SiON、AlON、碳、有机物等形成。

[0065] 热敏电阻膜7由支撑层9支撑。支撑层9的材料只要具有比下述的配线层10低的热传导率，并且具有支撑热敏电阻膜7的强度，就没有限制，但是撑层9优选为由绝缘体、例如选自AlN、AlOx、类金刚石碳、SiNx、SiOx、TaOx、TiO2、Si(x是指任意组成)中的一种或两种以上的材料形成。支撑层9具有支撑热敏电阻膜7的大致正方形的中央部91、以及从中央部91的对角线上的两个角部延伸的一对臂部92(以下，称为第一臂部92a、第二臂部92b)。臂部92将中央部91连接于支柱11(稍后描述)。另外，臂部92经由中央部91而连接于热敏电阻膜7。中央部91与臂部92由相同的材料形成，但是也可以由相互不同的材料形成。中央部91的平面尺寸比热敏电阻膜7稍大，并且当从与热敏电阻膜7垂直的方向(Z方向)观察时，热敏电阻膜7被中央部91的四边包围。在支撑层9的一对臂部92支撑有一对配线层10(以下，称为第一配线层10a、第二配线层10b)。在本实施方式中，配线层10设置于支撑层9，但是配线层10的一部分也可以设置于热敏电阻膜7，稍后对配线层10的结构进行说明。

[0066] 第一臂部92a和第二臂部92b具有相同的结构，并且具有关于热敏电阻膜7的中心为点对称的形状。因此，此处对第一臂部92a进行说明。第一臂部92a是由第一部分93和第二部分94构成的大致L字形状的构件。第一部分93从热敏电阻膜7的第一角部71a到邻接于第一角部71a的第二角部71b的附近为止，沿着热敏电阻膜7的第一边72a延伸。第二部分94在热敏电阻膜7的第二角部71b的附近连接于第一部分93，并且从第二角部71b到邻接于第二角部71b的第三角部71c的附近为止，沿着热敏电阻膜7的邻接于第一边72a的第二边72b延伸。第一臂部92a除了第一部分93的与热敏电阻膜7的连接部，从热敏电阻膜7分离。因此，限制了从热敏电阻膜7向第一臂部92a的热传导。第二部分94的第三角部71c的附近连接于支柱11。

[0067] 支撑层9由从第一基板2朝向第二基板3延伸的一对支柱11支撑。支柱11是圆形截面的柱体。支柱11还具有作为向热敏电阻膜7供给感测电流的电极的功能，并且由Ta、Cu、Ru、W、Au、Ni、Fe等的导电性的材料形成，例如可以通过镀敷来制作。两个支柱11分别连接于第一臂部92a和第二臂部92b的端部。热敏电阻膜7和支撑层9以浮于内部空间5的方式配置，并且仅经由支柱11而连接于真空容器6的第一基板2。由此，抑制了来自第一基板2或第二基板3的热的影响。

[0068] 第一基板2由硅基板以及形成于其上的各种元件或配线构成。作为元件，包括有ROIC(Read Out Integrated Circuit(读出集成电路))、调节器、A/D转换器、多路复用器(Multiplexer)等。ROIC是将多个热敏电阻膜7的电阻变化转换成电信号的集成电路。这些元件例如经由第一基板2内的配线13或支柱12而连接于支柱11。第二基板3是使长波长红外线透过的窗基板，并且由硅基板、锗基板等形成。长波长红外线的波长为大约8～14μm。尽管省略图示，但是在第二基板3的内外表面形成有防反射膜。

[0069] 配线层10由Au、B4C、Co、Cu、Fe、Mo、NbC、Ni、Rh、Ru、Ta、TaC、TiN、W、ZrN等的导电性的材料形成。配线层10如上所述由支撑层9支撑，再有，由支撑层9支撑的面的相反面、即与第二基板3相对的面被第一绝缘层15覆盖，并且侧面被第二绝缘层16覆盖。第一绝缘层15和第二绝缘层16由选自AlN、AlOx、类金刚石碳、SiNx、SiOx、TaOx、TiO2、Si中的一种或两种以上的材料形成。

[0070] 第二绝缘层16位于支撑层9与第一绝缘层15之间，并且从两侧以梳齿状交替地突出。其结果，配线层10在臂部92之中形成曲折图案。配线层10的图案不限于曲折图案，只要配线层10的中心线C在臂部92的至少一部分的区间中与臂部92的延伸的方向D交叉，可以采用锯齿图案、曲线图案、折线图案等非直线的所有图案。此外，配线层10的中心线C是指沿着配线层10的弯曲的路径的中心线，并且与X方向、Y方向不同。这样的图案优选遍及臂部92的全长而形成，但是也可以仅形成于臂部92的一部分。臂部92的一部分与另一部分可以以不同的图案形成。另外，也可以组合上述的各种图案(例如，曲线状的锯齿图案等)。

[0071] 当入射于热敏电阻膜7的辐射热能量通过配线层10散热时，引起红外线传感器1的灵敏度的降低。因此，在本发明中，其目的是为了提高红外线传感器1的灵敏度，抑制来自配线层10的散热。来自配线层10的散热通过配线层10的热传导而引起。固体中的热传导由原子的振动来担当。特别地，在金属中的热传导中，可认为存在由在晶格间传播的振动(声子/晶格振动)引起的能量传递、以及在传导电子基于移动的能量传递这两个机构。在导电性的金属中的能量传递中，由于由传导电子做出的贡献大，因此，通常导电性的金属是电的良导体并且也是热的良导体(威德曼-弗朗兹定律)。因此，由导电体构成的配线层10尽管与由绝缘体构成的支撑层9相比容积小，但是作为热的传递路径不可忽视。然而，即使在导电性的金属中，也存在一定程度的经由声子的热传导性的贡献，因此，通过降低声子的热传导性，可以抑制来自配线层10的散热。

[0072] 在气体分子运动学中，将分子或电子等的粒子能够不受散射源(如果也存在相同的粒子的情况，则也存在不同的粒子的情况)的散射(碰撞)妨碍而行进的距离(称为自由行程)的平均值称为平均自由行程。粒子进行弹道的直线运动，在与散射源碰撞时改变方向，并再次进行弹道的直线运动。当粒子运动与平均自由行程相等的距离时，进行平均而与其它的粒子碰撞一次。即使在声子中也可以采取这样的想法。直到声子与其它的物质碰撞为止的移动距离取概率性的分布，其平均移动距离(平均自由行程)是声子的传导的难易度的指标。即，降低由声子引起的热传导性与减少声子的平均自由行程是同义的。

[0073] 图3是示出本发明的原理的模式图。由于电子的平均自由行程是以无限介质作为前提的，因此，配线层10中的电子的平均自由行程比以无限介质作为前提的值小。然而，由于电子的平均自由行程短(～几百nm)，因此，配线层10中的电子的平均自由行程无论配线层10的结构，都可以视为与以无限介质作为前提的值大致相同。另一方面，已知室温下的声子的平均自由行程以(3×导热率)/(热容量×声速)来评价。由于声子的平均自由行程也是以无限介质作为前提的，因此，配线层10中的声子的平均自由行程MFP1比无限介质中的声子的平均自由行程MFP2小。于是，由于声子的平均自由行程为几μm，且比电子的平均自由行程长，因此，声子的平均自由行程与电子的平均自由行程相比，容易受到来自配线层10的结构的影响。因此，通过采用声子的平均自由行程变短的结构，可以实现抑制导电性的降低并且热传导性降低的配线层10。

[0074] 本实施方式基于这样的基本原理，提供一种电子的平均自由行程几乎不受影响，并且仅声子的平均自由行程变短的配线层结构。图4A是具备了比较例的配线层110的红外线传感器的热敏电阻膜7的附近的概略俯视图，图4B示出沿着图4A的A-A线的配线层110的截面图，图4C示出从X方向观察的配线层110的截面图。配线层110由直线状的导电层构成，并且沿着臂部92的形状在途中以直角弯曲一次。因此，在极端情况下，声子以三次弹道性声子输送(即，以仅在配线层110的界面反射两次)到达端部的支柱11。相对于此，在本实施方式中，由于声子沿着曲折结构运动，因此，在非常多次数的弹道性声子输送之后(图2A所示的例子中为41次)到达端部的支柱11。此外，图2A和4A的箭头表示一次弹道性声子输送。相对于此，尽管省略图示，但是由于电子的平均自由行程比声子的平均自由行程短得多，因此，在直线状的配线层110中也在途中受到多次散射，并且，其次数与在曲折图案的配线层10中受到的次数变化不大。即，由曲折图案产生的路径途中的壁成为声子的新的散射源、即相对于声子传导的新的阻碍要素，并且仅声子传导性降低。在图3中，比A大的自由行程的发生频率几乎为零。这是因为A在曲折图案中几何地确定且与弹道性声子输送的最长行程相对应。配线层10中的声子的平均自由行程优选为比由配线层10的材料构成的无限介质中的声子的平均自由行程小。

[0075] 在本实施方式和比较例的任一者中，均形成有沿着臂部92延伸的单一的带状区域18(图2C、图4C)。带状区域18的宽度方向(第一部分93中的Y方向、第二部分94中的X方向)上的各个缘部18a的至少一部分、以及厚度方向(Z方向)上的各个缘部18b的至少一部分由导电体形成。该导电体从连接于热敏电阻膜7的一端到连接于支柱11的另一端为止，形成沿着臂部92连续地延伸的配线层10、110。在比较例中，单一的带状区域18全部被配线层110填埋，并且导电体在单一的带状区域18的内侧不具有与热传导率比导电体低的物质的界面。
单一的带状区域18的内侧是指，不包含单一的带状区域18的边界面，且比单一的带状区域
18的边界面更靠内侧的区域。相对于此，在本实施方式中，导电体在单一的带状区域18的内侧具有与热传导率比导电体低的物质的界面。该界面是声子的新的散射源。

[0076] (第二实施方式)

[0077] 图5A是第二实施方式的红外线传感器的热敏电阻膜7的附近的概略俯视图，图5B示出沿着图5的A-A线的配线层20的截面图。此处主要对与第一实施方式的不同之处进行说明。对于省略了说明的结构和效果，与第一实施方式相同。

[0078] 在本实施方式中，配线层20通过分离层17在厚度方向(Z方向)上被分离或分割。在支撑层9(第一臂部92a和第二臂部92b)之上形成有第一配线层21，在第一配线层21之上形成有分离层17，在分离层17之上形成有第二配线层22，第二配线层22被第一绝缘层15覆盖。分离层17由选自AlN、AlOx、类金刚石碳、SiNx、SiOx、TaOx、TiO2中的一种或两种以上的材料形成。分离层17只要热传导率比配线层20低，可以由与支撑层9相同的材料形成，也可以由与支撑层9不同的材料形成。配线层20被分割的数量或者分离层17的数量没有特别限制，可以将多个分离层17插入于配线层20，并且将配线层20分割成三个以上。即，可以在配线层20插入有至少一个分离层17。

[0079] 图5C示出配线层20的端部和支柱11的附近的侧视图。当在支撑层9之上形成第一配线层21、分离层17和第二配线层22时，调整溅射的角度，使这些层21、16、22也附着于支撑层9的侧面。由此，能够将在厚度方向(Z方向)上分割的配线层20电连接于支柱11。

[0080] 如图5B所示，声子不仅与配线层20平行地运动，也有时相对于配线层20斜向地(即，具有Z方向分量地)运动。因此，通过插入分离层17，配线层20的界面增加，声子的散射源增加。因此，在本实施方式中，也能够实现抑制导电性的降低，并且热传导性降低的配线层20。再有，配线层20可以通过晶片工艺容易地制作。即，由于分离层17、以及被分离层17分割的配线层20与第一基板2平行，因此仅通过重复简单的工序即可得到期望的结构的配线层20。另外，由于通常配线层的宽度(X方向尺寸或Y方向尺寸)比厚度(Z方向尺寸)大，因此，将配线层在厚度方向上分割比在宽度方向上分割更容易确保分离层的表面积。由此，可以有效地增加声子的散射源。

[0081] (第三实施方式)

[0082] 图6A示出第三实施方式的红外线传感器的热敏电阻膜7的附近的概略俯视图，图6B示出图6的A部扩大图，图6C示出从X方向观察的A部截面图。此处主要对与第一实施方式的不同之处进行说明。对于省略了说明的结构和效果，与第一实施方式相同。

[0083] 在本实施方式中，配线层30通过分离层31在宽度方向上被分离或分割。更详细地，配线层30在第一臂部92a的第一部分93中通过分离层31在Y方向上被分离或分割，并且在第二部分94中通过分离层31在X方向上被分离或分割。在支撑层9(第一臂部92a)之上形成有互相平行地延伸的第一～第四配线层30a～30d，并且在第一配线层30a与第二配线层30b之间设置有第一分离层31a，在第二配线层30b与第三配线层30c之间设置有第二分离层31b，在第三配线层30c与第四配线层30d之间设置有第三分离层31c。第一～第四配线层30a～30d与第一～第三分离层31a～31c被第一绝缘层15覆盖。第一～第三分离层31a～31c由选自AlN、AlOx、类金刚石碳、SiNx、SiOx、TaOx、TiO2、Si中的一种或两种以上的材料形成。第一～第三分离层31a～31c只要热传导率比配线层30低，可以由与支撑层9相同的材料形成，也可以由与支撑层9不同的材料形成。配线层30被分离或分割的数量或者分离层31的数量没有特别限制，可以将任意数量的分离层31插入于配线层30，并且将配线层30分离或分割。
即，可以在配线层30插入有至少一个分离层31。

[0084] 尽管省略图示，但是如第二实施方式中所述的那样，声子不仅与配线层30平行地运动，而且有时也相对于配线层30斜向地(即，在第一部分93中具有Y方向分量，在第二部分94中具有X方向分量)运动。因此，通过插入分离层31，配线层30的界面增加，声子的散射源增加。因此，在本实施方式中，也能够实现抑制导电性的降低，并且热传导性降低的配线层
30。

[0085] (第四实施方式)

[0086] 图7示出了第四实施方式的红外线传感器的配线层40的截面图。此处主要对与第一实施方式的不同之处进行说明。对于省略了说明的结构和效果，与第一实施方式相同。

[0087] 在配线层40分散配置有具有比配线层40低的热传导率的分散体41。由于配线层40的导电部从配线层40的一端到另一端连续，因此，配线层40在其延伸方向上不被分散体41隔断。分散体41由选自AlN、AlOx、类金刚石碳、SiNx、SiOx、TaOx、TiO2、Si中的一种或两种以上的材料形成。分散体41的形状没有特别限定，可以是块状、线状等。通过设置分散体41，与其它的实施方式相同地，配线层40的界面增加，声子的散射源增加。因此，在本实施方式中，也能够实现抑制导电性的降低，并且热传导性降低的配线层40。

[0088] (红外线传感器1的制造方法)

[0089] 接下来，参照图8A～图8E并示出本发明的红外线传感器1的制造方法的一个例子。由于红外线传感器1通过晶片工艺制造，因此在以下的说明中，第一基板2、第二基板3是指晶片。此处以第一实施方式为例进行说明，对其它的实施方式说明与第一实施方式的不同。

[0090] 首先，如图8A所示，在形成有ROIC等的元件的第一基板2上形成有机牺牲层51，通过光致抗蚀剂工序和铣削工序形成开口，并且通过镀敷将支柱11形成于开口。接下来，如图8B所示，在有机牺牲层51和支柱11之上通过溅射形成支撑层9。接下来，如图8C所示，在支撑层9之上通过溅射形成配线层10，并且通过图案化将配线层10成形为规定的形状。在第二实施方式的情况下，进一步将分离层17和导电层的组层叠期望的次数。在第三实施方式的情况下，通过光致抗蚀剂工序和铣削工序在配线层30形成开口，并且将绝缘层31形成于开口。
在第四实施方式的情况下，通过导电体和分散体41的同时溅射、导电体和分散体41的混合物的溅射等的方法制作配线层40。接下来，如图8D所示，在支撑层9之上通过溅射形成热敏电阻膜7和红外线吸收膜8。接下来，如图8E所示，通过干法工艺去除有机牺牲层51。之后，通过在真空气氛中接合第一基板2和第二基板3，从而得到图1所示的红外线传感器1。

[0091] 尽管详细地示出并说明了本发明的一些优选实施方式，但是应当理解，在不脱离权利要求的要旨或范围的情况下，可以进行各种变更和修改。例如，第一～第四实施方式可以互相组合。作为一个例子，在如第一实施方式那样将配线层形成为曲折图案之后，可以如第二实施方式那样设置将配线层在厚度方向上分离的分离层31。