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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegend Erfindung betrifft eine Infrarot-Erfassungsvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff des
unabhängigen
Anspruchs 1 sowie ein Herstellungsverfahren für eine Infrarot-Erfassungsvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des unabhängigen
Anspruchs 4, wie aus der
EP
0 693 683 A1 bekannt.
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Patent
Abstracts of Japan, Bnd. 014, Nr. 498 (P-1124), 30. Oktober 1990
(30.10.1990) &
JP 02 205729 A (NEC
CORP), 15. August 1990 (15.08.1990) offenbart eine Infrarot-Erfassungsvorrichtung
mit einer Ätzöffnung in
dem Wärmeabsorptionsbereich.
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Die
US-A-5,662,818 offenbart einen pyroelektrischen Infrarotstrahlungsdetektor
mit Ätzöffnungen
in der ersten Elektrode, welche als Wärmeabsorptionsbereich dient.
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US-A-5,689,087
offenbart einen integrierten Thermoelementsensor, wobei eine Ätzöffnung in
der dielektrischen Schicht gebildet ist, welche in dem heißen Bereich
gebildet ist.
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Die
EP-A-1 083 609 offenbart einen thermoelektrischen Sensor, wobei
ein Ätzloch
in der Strahlungsabsorberschicht gebildet ist.
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Im
Allgemeinen umfasst eine Infrarot-Erfassungsvorrichtung, d.h. ein
Infrarotdetektor, den Thermostapeltyp, den pyroelektrischen Typ
und den holometrischen Typ. Beispielsweise umfasst ein Thermostapel-Infrarotdetektor
die Typen, die in den 2 und 3 gezeigt sind.
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Im
Fall von Thermostapel-Infrarotdetektoren S1 und S2, die in den 2 und 3 gezeigt
sind, wird eine Membran 102 auf einem Silicium-(Si-)Substrat 101 gebildet,
und ein p-Typ-Polysilicium 110 und
ein n-Typ-Polysilicium 111 werden abwechselnd durch eine
Aluminium-(Al-)Verdrahtung 112 verbunden, um ein Paar von
Thermoelementen 113 auf der Membran 102 auszubilden.
Die Thermoelemente 113 werden parallel unter Verwendung
des Substrats 101 als kalter Kontakt und einer wärmeabsorbierenden
Fläche 105 als
heißer
Kontakt angeordnet und elektrisch in Serie geschaltet, um die Thermostapel
zu bilden. Darüber
hinaus wird die wärmeabsorbierende
Fläche 105 auf
der Membran 102 gebildet, in welcher die Thermostapel durch
eine Isolationsschicht 103 angeordnet sind. In diesem Fall
ist die wärmeabsorbierende
Fläche 105 in
der Mitte der Vorrichtung vorliegend. Ferner werden thermoelektrische
Kräfte
der Infrarotdetektoren S1 und S2 durch den Temperaturunterschied
zwischen der wärmeaufnehmenden
Fläche 105 und
dem Substrat 101 festgelegt. Der Temperaturunterschied
hängt von
der Amplitude des thermischen Widerstandes von einem Ende der wärmeabsorbierenden
Fläche 105 bis
zu den Enden der Hohlräume 106A und 106B auf
dem Substrat 101 ab.
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Die
Hohlräume 106A und 106B,
die auf dem Substrat 101 gebildet sind, separieren thermisch
die kalte Kontaktseite der Thermoelemente 113 von deren
heißer
Kontaktseite. Für
den in 2 gezeigten Infrarotdetektor
S1 wird der Hohlraum 106A durch Anwenden eines anisotropen Ätzens des
Siliciums von der Rückseite 101 gebildet,
wodurch der äußere Umfang
der Vorrichtung gleich einem Rahmen zurückbleibt. Für den in 3 gezeigten
Infrarotdetektor S2 wird die viereckig-pyramidenförmige Hohlraum-106B-Öffnung an
der oberen Seite des Substrats 101 unterhalb des Membrans 102 durch
Bilden einer Ätzöffnung 107 an
vier Ecken des Membrans 102 und dann durch Anwenden von
anisotropem Ätzen
auf das Silicium gebildet.
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Bei
den oben genannten, herkömmlichen
Infrarotdetektoren S1 und S2 ist es jedoch beim Bilden der Hohlräume 106A (2) durch Zurücklassen des äußeren Umfangs
der Vorrichtung gleich einem Rahmen notwendig, ein Volumen zu ätzen, das gleich
oder mehr als das benötigte
Volumen des Substrats 101 ist. Dadurch wird die Ätzzeit,
d.h. die Zeit, innerhalb der das Substrat 101 einer Ätzlösung ausgesetzt
ist, erhöht,
und dadurch wird ein Schutzfilm, wie eine Isolationsschicht 103 oder Ähnliches,
beschädigt.
Darüber
hinaus ist es zur Verbesserung der Ausgabe der Vorrichtung notwendig,
die absorbierte Wärmeenergie
zu erhöhen,
d.h. die Fläche
der Vorrichtung. Jedoch ist es schwierig, die strukturelle Stärke der
großflächigen Vorrichtung
nur durch die Membran 102 zu tragen. Daher wird versucht,
eine Vorrichtung durch eine Einrichtung zum Erhöhen der Dicke der Membran 102 oder
eine Einrichtung zum Ausgleichen des Stresses jeder Schicht zu bilden. Jedoch
selbst bei Verwendung dieser Einrichtungen ist es schwierig, die
strukturelle Stärke
der Vorrichtung vollständig
sicherzustellen, und darüber
hinaus tritt das Problem auf, dass die Empfindlichkeit der Vorrichtung
durch ein Erhöhen
der Dicke der Membran 102 beeinträchtigt wird.
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Darüber hinaus
ist es beim Bilden des Hohlraums 106B möglich, durch Bilden der Ätzöffnung 107 an
vier Ecken der Membran 102 (3)
den größten Teil
der strukturellen Stärke
der Vorrichtung durch das Siliciumsubstrat 101 zu tragen,
und viele Probleme der strukturellen Stärke der Vorrichtung treten
wegen des Wegätzens
von nur einem Teil der oberen Oberfläche des Substrats 101 nicht
auf. Jedoch ist, da die Abmessungen der Ätzöffnungen 107 beschränkt sind,
der Abstand zwischen den Ätzöffnungen 107 durch
die Dicke des Substrats 101 beschränkt, und die Positionen der Ätzöffnungen 107 sind
auf den äußeren Umfang
des Substrats 101 beschränkt, es ist schwierig, das
Gehäuse
auf eine Vorrichtung anzuwenden, die eine Abmessung aufweist, die
größer als
die Dicke des Substrats 101 ist, und eine leistungsfähige Vorrichtung
zum Erhöhen
einer Wärmeabsorptionsenergie
zu realisieren.
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D.h.,
die herkömmlichen
Infrarotdetektoren S1 und S2 weisen das Problem auf, dass es schwierig
ist, die Flächen
der Vorrichtungen zu erhöhen,
um deren Ausgangssignale zu vergrößern. Daher ist es notwendig,
das Problem zu lösen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Infrarot-Erfassungsvorrichtung oder der Infrarotdetektor gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in dem unabhängigen
Anspruch 1 festgelegt. Das Herstellungsverfahren für den Infrarotdetektor
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in dem unabhängigen
Anspruch 4 festgelegt.
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In
dem Fall der obigen Konfigurationen ist es beim Herstellen einer Ätzöffnung in
einer Wärmeabsorptionsfläche vorteilhaft,
die Ätzöffnung an
dem Ende der Wärmeabsorptionsfläche zu bilden.
Beim Herstellen der betroffenen Vorrichtung werden Hohlräume auf
einem Siliciumsubstrat durch Anwenden eines anisotropen Ätzens auf
das Substrat durch die Ätzöffnung angewandt,
um die Tiefen der Hohlräume in Übereinstimmung
mit der Ätzzeit
zu steuern. Darüber
hinaus kann es in dem Fall der Konfiguration, die eine Mehrzahl
von Ätzöffnungen
in einer Wärmeabsorptionsfläche bei
gleichen Intervallen aufweist, vorteilhaft sein, die sorgfältig eingestellten
Größen davon
und die Abstände
zwischen den Ätzöffnungen
in Übereinstimmung
mit der Abmessung eines zu bildenden Hohlraumes und der Ätzzeit des
Hohlraums einzustellen. In diesem Fall kann das Ätzen durch Einstellen einer
Mehrzahl von Ätzöffnungen
bei gleichen Intervallen optimiert werden. Jedoch, wenn die einzustellende Ätzzeit ein
Aufmaß aufweist,
ist es nicht immer notwendig, die Ätzöffnungen bei gleichen Intervallen
einzustellen. Darüber
hinaus ist es in dem Fall der Konfiguration, in welcher eine Membran
auf einem Substrat gebildet wird, möglich, eine Opferschicht gebildet
aus einem Polymer oder einem Polysilicium mit geeigneter Dicke zwischen
dem Substrat und der Membran zu bilden. Beim Herstellen der betroffenen
Vorrichtung ist es möglich,
Hohlräume durch
Anwenden eines isotropen Ätzens
auf eine Opferschicht und ein nachfolgendes Anwenden eines anisotropen Ätzens auf
ein Siliciumsubstrat zu bilden.
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Da
eine Ätzöffnung in
einer Wärmeabsorptionsfläche des
Infrarotdetektor gebildet wird, ist es gemäß dem Infrarotdetektor der
vorliegenden Erfindung möglich,
ein anisotropes Ätzen
auf ein Siliciumsubstrat durch die Ätzöffnung anzuwenden, nahezu konkave
Hohlraumöffnungen
bei der Wärmeabsorptionsflächenseite
auf dem Substrat zu bilden, einen Infrarotdetektor herzustellen,
der eine Fläche
aufweist, die größer als
die Dicke des Substrats ist, Substrathohlräume zum thermischen Trennen
des kalten Kontakts eines Thermostapels von dessen heißem Kontakt
unabhängig
von der Größe der Wärmeabsorptionsfläche in kurzer
Zeit herzustellen und eine Gefahr einer Beschädigung eines Schutzfilms, wie
einer Isolationsschicht, in Übereinstimmung
mit einer Reduzierung einer Ätzzeit
zu beseitigen. Darüber
hinaus ist es möglich,
da Hohlräume
durch Zurücklassen des
Substratbodens gebildet werden, eine ausreichende strukturelle Stärke durch
das Substrat sicherzustellen und dadurch eine Dicke einer Membran
zu verringern und die Empfindlichkeit der Infrarotdetektion zu verbessern.
Da eine große
Wärmeabsorptionsfläche sichergestellt
werden und die einfallende Menge von Infrarotenergie erhöht werden
kann, es ist darüber
hinaus möglich,
einen großflächigen leistungsfähigen Infrarotdetektor
zu realisieren.
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Gemäß dem Infrarotdetektor
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die gleichen Vorteile
wie zuvor beschrieben zu erhalten und einen leistungsfähigen Infrarotdetektor
zu erhalten, der eine Dimension aufweist, die größer als die Dicke eines Siliciumsubstrats
ist, wie eine große
Fläche
von 1 × 1
mm oder mehr.
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Gemäß dem Infrarotdetektor
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die gleichen Vorteile
wie zuvor beschrieben zu erhalten, und eine Mehrzahl von Ätzöffnungen
ist in gleichen Intervallen gebildet. Daher ist es beim Herstellen
des Infrarotdetektors möglich, gleichmäßig verteilte
Hohlraumformen zu erhalten und flexibel die Abmessung eines Hohlraums
durch Einstellen der Abmessung einer Ätzöffnung und des Intervalls zwischen
den Ätzöffnungen
und der Ätzzeit zu
optimieren.
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Gemäß dem Infrarotdetektor
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die gleichen Vorteile,
wie zuvor beschrieben, zu erhalten, den Abstand zwischen einem kalten
Kontakt und einem heißen
Kontakt eines Thermostapels durch Bilden eines Thermostapels auf
einem Substrat durch eine Membran zu erhöhen und eine Ätzöffnung auch
auf der Membran abseits einer Wärmeabsorptionsfläche zu bilden, eine
Fläche
zu verengen, in welcher Wärme
von der Wärmeabsorptionsfläche zu dem
Substrat durch die Ätzöffnung leckt,
die auf der Membran aufgrund ihrer Struktur gebildet ist, und die
Empfindlichkeit des Infrarotdetektors zu verbessern.
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Gemäß der anderen
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Infrarotdetektor
zu realisieren, der eine große Fläche ohne
Kleben des Diaphragmas und des Substrats durch Ätzen des Substrats durch ein
anisotropes Ätzen
zusätzlich
zu den gleichen Vorteilen wie zuvor beschrieben hat.
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Gemäß dem Infrarotdetektor
der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die gleichen Vorteile,
wie zuvor beschrieben, zu erhalten, mit einem CMOS-Verfahren zu koexistieren,
da der Infrarotdetektor ein Thermostapeltyp-Infrarotdetektor ist
und ein Thermoelement eines p-Typ-Siliciums und eines n-Typ-Polysiliciums
verwendet wird, und einen großflächigen Thermostapel-Infrarotdetektorabschnitt
und einen Schaltungsabschnitt in einem Siliciumsubstrat zu bilden.
Daher sind die Funktionen der Schaltung und des Infrarotdetektorabschnitts
auf einem Siliciumchip aufgebracht, der Infrarotdetektor kann auf
ein System angewendet werden, das einen Ein-Chip-Infrarotdetektor
verwendet, und es ist möglich,
die Abmessung und das Gewicht des Systems, das der Infrarotdetektor
verwendet, zu reduzieren. Darüber
hinaus ist es möglich,
die Kosten einschließlich
einer Schaltungsplatine durch einen Stapelprozess aus Silicium zu verringern.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1A und 1B sind
eine Aufsicht und ein Querschnitt zum Erläutern einer Ausführungsform
eines Infrarotdetektors der vorliegenden Erfindung;
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2A und 2B sind
eine Aufsicht und ein Querschnitt zum Erläutern eines herkömmlichen Infrarotdetektors;
und
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3A und 3B sind
eine Aufsicht und ein Querschnitt zum Erläutern eines weiteren herkömmlichen
Infrarotdetektors.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Der
Infrarotdetektor S, der in 1 gezeigt ist,
ist ein Thermostapel-Infrarotdetektor als eine Ausführungsform,
in welcher eine Membran 2 aus Siliciumnitrid (Si3N4) auf einem Silicium-(Si-)Substrat 1 als
Wärmetrennstrukturmembran
gebildet wird, die aus einem thermisch isolierenden Material gebildet ist,
eine Mehrzahl von herkömmlich
bekannten Thermoelementen 4, die als Infrarotdetektionsabschnitte dienen,
auf der Membran 2 zusammen mit einer Mehrzahl von Isolationsschichten 3a und 3b angeordnet
ist und ein Infrarot-Absorptionsmaterial auf der obersten Isolationsschicht 3a als
Schicht aufgebracht wird, wobei eine Wärmeabsorptionsfläche (Wärmeabsorptionsfilm) 5 auf
dem Schichtmaterial gebildet wird. Unter Verwendung von Gold-Schwarz als
Infrarot-absorbierendes Material ist es möglich, ein Material, das eine
gute wechselseitige Diffusionseigenschaft mit Gold-Schwarz, wie
amorphes Silicium, auf den obersten Isolationsschichten 3a und 3b hat,
als Schicht aufzubringen. In diesem Fall ist die wärmeabsorbierende
Fläche 5 in
der Mitte der Vorrichtung gebildet, und die Thermoelemente 4 sind
parallel angeordnet, wobei die Substrat-1-Seite als kalter
Kontakt 4a und die Wärmeabsorptionsfläche-5-Seite
als kalten Kontakt 4b verwendet wird und elektrisch in
Serie verbunden sind. Darüber
hinaus ist in dem Fall dieser Ausführungsform eine Opferschicht 6 aus
Polymer oder Polysilicium zwischen dem Substrat 1 und der
Membran 2 zum Vereinfachen eines Ätzens gebildet.
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Ein
nahezu konkaver Hohlraum 7, der sich zu der wärmeabsorbierenden
Fläche-5-Seite
(obere Seite) öffnet,
um die kalte Kontakt-4a-Seite und die heiße Kontakt-4b-Seite
jedes Thermoelements 4 voneinander zu trennen, ist unterhalb
der Membran 2 auf dem Substrat 1 gebildet. Die
Wärmeabsorptionsfläche 5 ist
in der Mitte der Vorrichtung S gebildet, so dass der heiße Kontakt 4b jedes
Thermoelements bedeckt wird. Die Thermoelementen 4 sind
auf der Membran 2 angeordnet, welche zwischen dem äußeren Umfang
der Vorrichtung S und der Wärmeabsorptionsfläche 5 festgelegt
sind, und die kalte Kontakt-4a-Seite und die heiße Kontakt-4b-Seite sind thermisch
voneinander durch den Hohlraum 7 getrennt.
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Um
den obigen Infrarotdetektor S herzustellen, werden vergleichsweise
große Ätzöffnungen 8, die
Durchmesser aufweisen, die nahezu gleich dem Abstand zwischen den
Kontakten 4a und 4b des Thermoelements 4 sind,
an vier Ecken der Membran 2 gebildet, wird eine Mehrzahl
von Ätzöffnungen 9, die
sich von der Oberfläche
der wärmeabsorbierenden
Fläche 5 in
das Substrat 1 durch die Isolationsschichten 3a und 3b und
die Membran 2 erstrecken, in der wärmeabsorbierenden Fläche 5 bei
gleichen Abständen
gebildet, und darüber
hinaus wird eine geeignete Anzahl von Ätzöffnungen 9 auf anderen
Teilen als der Wärmeabsorptionsfläche 5 auf
der Membran gebildet. Diese Ätzöffnungen 8 und 9 können durch
ein Trockenätzen
oder ein Plasmabearbeiten bearbeitet werden. Darüber hinaus ist die Gesamtfläche der Ätzöffnungen 9 in
der Wärmeabsorptionsfläche 5 sehr
klein verglichen zu der Fläche
der Wärmeabsorptionsfläche 5,
und der Einfluss der gesamten Fläche
auf die Wärmeabsorption
ist sehr gering.
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Die
Abmessungen der Ätzöffnungen 9,
die in der Wärmeabsorptionsfläche 5 und
der Membran 2 anders als der Wärmeabsorptionsfläche gebildet werden,
und die Abstände
dazwischen werden in Übereinstimmung
mit der Tiefe und der Ätzzeit
des herzustellenden Hohlraums 7 gebildet. Insbesondere,
wenn angenommen wird, dass der Durchmesser jeder Ätzöffnung 9 20 μm und der
Abstand zwischen den Ätzöffnungen 9 etwa
200 μm ist,
wird die Tiefe des Hohlraums 7 140 μm, wenn der Ort, der unmittelbar
unterhalb der Membran 2 ist, der Hohl raum 7 wird.
Dies ist der Fall beim Ätzen
der Opferschicht 6 mit einer Ätzrate von 2 μm/min für etwa 60
min.
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Anschließend, wenn
der Infrarotdetektor dieser Ausführungsform
hergestellt wird, werden die Ätzöffnungen 8 und 9 gebildet,
wie zuvor beschrieben, und das isotrope Ätzen wird auf die Opferschicht 6 durch
Zuführen
einer Ätzlösung durch
die Ätzöffnungen 8 und 9 angewandt.
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Anschließend wird
durch Zuführen
der Ätzlösung durch
die Ätzöffnungen 8 und 9 ein
anisotropes Ätzen
entlang der Kristallorientierung des Siliciumsubstrats 1 durchgeführt. Das
obige isotrope Ätzen und
das anisotrope Ätzen
werden gleichzeitig fortgeführt.
In diesem Fall verhindert die Opferschicht 6 ein anisotropes Ätzen am
Fortschreiten zu der äußeren umläufigen Vorrichtungsseite
des Substrats 1. Daher dehnt sich der Hohlraum 7 nicht
exzessiv aus.
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Ferner
wird der Hohlraum 7, der sich an der oberen Seite und dessen
untere Seite Erhebungen bildet, die in 1B gezeigt
sind, durch ein Entladen der Ätzlösung, wenn
eine voreingestellte Ätzzeit
ausläuft,
gebildet.
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Somit
ist in dem Fall des Infrarotdetektors der obigen Ausführungsform
der Hohlraum 7 zum thermischen Trennen des kalten Kontakts 4a und
des heißen
Kontakts 4b jedes Thermoelements 4 voneinander
in einer kurzen Zeit gebildet, ohne durch die Größe der Wärmeabsorptionsfläche 5 beeinflusst
zu werden, indem ein anisotropes Ätzen auf das Siliciumsubstrat 1 durch
die Ätzöffnungen 9,
die in der Wärmeabsorptionsfläche 5 und
auf der Membran 2 außerhalb
der Wärmeabsorptionsfläche 5 gebildet sind,
sowie der Ätzöffnungen 8,
die an vier Ecken der Membran 2 gebildet sind, angewendet
wird wodurch die Ätzzeit
herabgesetzt wird. Daher werden die Membran 2 und Schutzfilme,
wie die Isolationsschichten 3a und 3b, nicht beschädigt oder
die strukturelle Stärke
wird ausreichend aufgrund dessen, dass der Hohlraum 7 durch
Zurücklassen
des Bodens des Substrats 1 gebildet wird. Daher tritt selbst in
dem Fall einer großflächigen Vorrichtung
S kein Klebephänomen
auf, durch welches die Membran 2 abgelenkt wird und den
Boden des Hohlraums 7 berührt. Ferner werden, da die Ätzöffnungen 9 in
der Wärmeabsorptionsfläche 5 bei
gleichen Abständen gebildet
sind, Erhebungen auf dem Boden des Hohlraums 7 gleichförmig verteilt,
und dies macht es möglich,
eine struktu relle Stärke
zu sichern. Ferner ist es möglich,
einen leistungsfähigen
Infrarotdetektor S zu realisieren, der eine große Fläche von 1 × 1 mm oder mehr aufweist.
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Ferner,
da strukturelle Merkmale des Infrarotdetektors S nachträglich hergestellt
werden, da die Ätzöffnungen 9 in
anderen Bereichen als der Wärmeabsorptionsfläche 5 auf
der Membran 2 gebildet werden, wird die Abmessung des Hohlraums 7 groß genug,
um den kalten Kontakt 4a und den heißen Kontakt 4b jedes
Thermoelements 4 voneinander zu trennen, und es wird möglich, ein
Wärmeleck
der Substrat-1-Seite von der Wärmeabsorptionsfläche 5 in
der Membran 2 zu reduzieren, einen Abstand zwischen dem
kalten Kontakt 4a und dem heißen Kontakt 4b zu
vergrößern und
die Empfindlichkeit des Infrarotdetektors S zu erhöhen.
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Die
detaillierte Konfiguration eines Infrarotdetektors der vorliegenden
Erfindung ist nicht auf nur die obige Ausführungsform beschränkt.