DE112018007229T5

DE112018007229T5 - Sensor für elektromagnetische Wellen

Info

Publication number: DE112018007229T5
Application number: DE112018007229.0T
Authority: DE
Inventors: Naoki Ohta; Shinji Hara; Susumu Aoki; Eiji Komura; Akimasa Kaizu
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2020-11-19
Also published as: JP7188436B2; JPWO2019171488A1; CN111886483B; WO2019171488A1; US20200408604A1; CN111886483A; US11243118B2

Abstract

Ein Sensor für elektromagnetische Wellen, der den Einfluss auf die Bolometermembranen begrenzt, der durch Wärme aus einer lokalen Wärmequelle verursacht wird, ist vorhanden. Elektromagnetischer Wellensensor 1 hat ein erstes Substrat 2, ein zweites Substrat 3, das dem ersten Substrat 2 zugewandt ist, um so einen Innenraum 7 zwischen dem ersten Substrat 2 und dem zweiten Substrat 3 zu bilden, wobei das zweite Substrat 3 Infrarotstrahlen durchläßt; eine Vielzahl von Bolometermembranen 8, die im Innenraum 7 vorgesehen ist und die vom zweiten Substrat 3 getragen wird; eine lokale Wärmequelle 9, die im ersten Substrat 2 ausgebildet ist; ein erstes elektrisches Verbindungselement 5, das das erste Substrat 2 mit dem zweiten Substrat 3 verbindet; und eine Leitung 10, die sich auf oder im zweiten Substrat 3 erstreckt und die das erste elektrische Verbindungselement 5 mit der Bolometermembran 8 verbindet.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor für elektromagnetische Wellen, insbesondere auf einen Infrarotsensor mit Bolometermembranen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es ist ein Infrarotsensor bekannt, der Bolometermembranen aufweist und der die Temperaturverteilung eines Objekts im Wellenlängenbereich des Infrarots erfasst. Bei einem solchen Infrarotsensor tritt in Bolometermembranen eine Temperaturänderung aufgrund von Infrarotstrahlen auf, die von außen in die Bolometermembranen eindringen und von den Bolometermembranen absorbiert werden, und die Temperaturänderung der Bolometermembranen wird als Widerstandsänderung ausgegeben. Zwischen der Temperatur eines Objekts und der Emissivität (Strahlungsenergie) der vom Objekt ausgehenden Strahlung besteht eine Korrelation (Stefan-Boltzmann'sches Gesetz). Daher kann die Temperaturverteilung eines Objekts gemessen werden, indem eine Temperaturänderung der Bolometermembranen aufgrund der Strahlungswärme, die vom Objekt abgegeben wird, erfasst wird.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich die Notwendigkeit, dass ein Infrarotsensor mit Bolometermembranen den Einfluss von anderer Wärme als Strahlungswärme so weit wie möglich eliminiert. Aus diesem Grund werden die Bolometermembranen zur Begrenzung des Konvektionseinflusses im Allgemeinen in einem Vakuumgehäuse mit einem Fenster installiert, durch das Infrarotstrahlen durchgelassen werden. Darüber hinaus ist ein Infrarotsensor mit Bolometermembranen mit einem Element wie z.B. einem ROIC (Read Out Integrated Circuit) versehen, das eine Widerstandsänderung der Bolometermembranen in ein elektrisches Signal umwandelt. Ein solches Element, das als lokale Wärmequelle wirkt, kann die Messung der Bolometermembranen erheblich beeinflussen. Das heißt, eine Infrarotkamera, die mit einem Infrarotsensor ausgestattet ist, kann eine solche lokale Wärmequelle im Bild erfassen.
JP 5923617B enthüllt einen MEMS-Sensor, bei dem ein ROIC auf einem ersten Wafer gebildet wird und Mikro-Bolometer von einem zweiten Wafer unterstützt werden. Die Mikrobolometer werden von dem zweiten Wafer über mäanderförmige Leitungen getragen, und die Oberfläche des zweiten Wafers, die den Mikrobolometern zugewandt ist, ist konkav. Die Mikrobolometer sind dabei so angeordnet, dass sie in dem Raum zwischen dem ersten Wafer und dem zweiten Wafer schweben. Der ROIC und die Mikrobolometer sind elektrisch durch Lötelemente verbunden, die sich zwischen dem ersten Wafer und dem zweiten Wafer in einer Richtung senkrecht zu den Wafern erstrecken.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der MEMS-Sensor, der in JP 5923617B offengelegt wird, kann den Einfluss von Wärme, die durch den ROIC verursacht wird, begrenzen, da der ROIC, der eine lokale Wärmequelle darstellt, und die Mikro-Bolometer auf verschiedenen Wafern (Substraten) angeordnet sind. Da jedoch die Wärme vom ROIC durch die Lötelemente auf den zweiten Wafer übertragen wird und durch die Anschlussdrähte weiter zu den Mikro-Bolometern geleitet wird, ist es immer noch schwierig, den Einfluss der Wärme vom ROIC ausreichend zu begrenzen.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einen Sensor für elektromagnetische Wellen bereitzustellen, der den Einfluss auf Bolometermembranen begrenzt, der durch Wärme aus einer lokalen Wärmequelle verursacht wird.
Elektromagnetischer Wellensensor der vorliegenden Erfindung, umfassend: ein erstes Substrat, ein zweites Substrat, das dem ersten Substrat zugewandt ist, um so einen Innenraum zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat zu bilden, wobei das zweite Substrat Infrarotstrahlen durchläßt; eine Vielzahl von Bolometermembranen, die in dem Innenraum vorgesehen ist und die von dem zweiten Substrat getragen wird; eine lokale Wärmequelle, die in dem ersten Substrat ausgebildet ist; ein erstes elektrisches Verbindungselement, das das erste Substrat mit dem zweiten Substrat verbindet; und eine Leitung, die sich auf oder in dem zweiten Substrat erstreckt und die das erste elektrische Verbindungselement mit der Bolometermembran verbindet.
Die Leitung erstreckt sich auf oder in dem zweiten Substrat. Mit anderen Worten, die Zuleitung steht entlang der Bahn der Zuleitung in physischem Kontakt mit dem zweiten Substrat. Wärme, die von der lokalen Wärmequelle über das erste elektrische Verbindungselement auf die Leitung übertragen wird, diffundiert durch den physischen Kontaktabschnitt entlang des Pfades in das zweite Substrat. Das heißt, da das zweite Substrat als Wärmeabsorber fungiert, der die Wärme der Leitung absorbiert, kann der Einfluss auf eine Bolometermembran, der durch die Wärme einer lokalen Wärmequelle verursacht wird, begrenzt werden.
Die obigen und andere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, die Beispiele der vorliegenden Erfindung illustrieren, ersichtlich.
Figurenliste

ist eine schematische Seitenansicht eines Infrarotsensors einer ersten Verkörperung der vorliegenden Erfindung;
ist eine schematische Draufsicht des Infrarotsensors, wie er in von oben in Z-Richtung betrachtet wird;
ist eine perspektivische Ansicht des in gezeigten Infrarotsensors;
ist ein schematischer Schnitt durch die zweite Antireflexschicht;
ist eine schematische Seitenansicht eines Infrarotsensors einer zweiten Verkörperung der vorliegenden Erfindung;
ist eine schematische Draufsicht eines Infrarotsensors einer dritten Verkörperung der vorliegenden Erfindung;
ist eine schematische Draufsicht eines Infrarotsensors einer Modifikation der dritten Ausführungsform;
ist eine schematische Seitenansicht eines Infrarotsensors einer vierten Verkörperung der vorliegenden Erfindung;
ist eine schematische Seitenansicht eines Infrarotsensors einer fünften Verkörperung der vorliegenden Erfindung;
ist eine schematische Seitenansicht eines Infrarotsensors einer Modifikation der fünften Ausführungsform;
ist ein schematischer Schnitt durch einen Infrarotsensor einer sechsten Verkörperung der vorliegenden Erfindung;
ist ein schematischer Schnitt durch einen Infrarotsensor eines Vergleichsbeispiels;
ist ein schematischer Schnitt durch einen Infrarotsensor einer siebten Verkörperung der vorliegenden Erfindung;
ist ein Diagramm, das einen beispielhaften Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung eines Infrarotsensors der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt; und

Die bis sind Ansichten, die exemplarische Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Infrarotsensors der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Bezugszeichenliste

1: Infrarot-Sensor (Sensor für elektromagnetische Wellen)
2: erstes Substrat
3: zweites Substrat
4: Seitenwand
5: erstes elektrisches Verbindungsglied
5a: elektrisches Verbindungselement der ersten Reihe
5b: Elektrisches Verbindungselement der ersten Säule
6: zweites elektrisches Verbindungselement
6a: Elektrisches Verbindungselement der zweiten Reihe
6b: Elektrisches Verbindungselement der zweiten Säule
7: innerer Raum
8: Bolometer-Membran
9: lokale Wärmequelle
10: Leitung
10a: Zeilen Vorsprung
10b-: Spaltenvorspann
11: Selektiver Transistor
12: Strahlenschutz
13: Unterstützungsmitglied
14: erste Antireflexionsschicht
15: zweite Antireflexionsschicht
16: Wärmeverteilende Platte
17: Getter-Film
21: Reflexionsfilm
31: Filterfilm
41: erster konvexer Bereich
43: zweiter konvexer Bereich
51: Blinde Zelle
53: Infrarot-Schirm
61: Kondensator
X: erste Richtung
Y: zweite Richtung
Z: dritte Richtung

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen des elektromagnetischen Wellensensors der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In den folgenden Beschreibungen und Zeichnungen sind die erste Richtung X und die zweite Richtung Y parallel zu den Hauptflächen des ersten Substrats 2 und des zweiten Substrats 3. Die erste Richtung X entspricht den Zeilen der Anordnung der Bolometermembranen 8, und die zweite Richtung Y entspricht den Spalten der Anordnung der Bolometermembranen 8. Die dritte Richtung Z steht senkrecht sowohl zur ersten Richtung X als auch zur zweiten Richtung Y und steht senkrecht zu den Hauptoberflächen des ersten Substrats 2 und des zweiten Substrats 3.
Die folgenden Verkörperungen sind auf einen Infrarotsensor gerichtet, in dem eine Vielzahl von Bolometermembranen zu einem zweidimensionalen Array angeordnet ist. Ein solcher Infrarotsensor wird hauptsächlich als Bildsensor einer Infrarotkamera verwendet. Eine Infrarotkamera kann für ein Nachtsichtzielfernrohr oder eine Nachtsichtbrille im Dunkeln verwendet werden, und sie kann auch zur Messung der Temperatur eines Menschen oder eines Objekts eingesetzt werden. Darüber hinaus kann ein Infrarotsensor, in dem eine Vielzahl von Bolometermembranen in einer Dimension angeordnet ist, als Sensor verwendet werden, der verschiedene Arten von Temperatur oder Temperaturverteilungen misst. Obwohl eine Erklärung weggelassen wird, ist ein Infrarotsensor, bei dem mehrere Bolometermembranen in einer Dimension angeordnet sind, ebenfalls in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung einbezogen. Darüber hinaus ist die elektromagnetische Welle, die detektiert wird, nicht auf Infrarot beschränkt, und der Sensor für elektromagnetische Wellen der vorliegenden Erfindung kann ein Sensor sein, der z.B. Terahertz-Wellen mit einer Wellenlänge von 100 µm bis 1 mm detektiert.
(Erste Verkörperung)
ist eine schematische Seitenansicht des Infrarotsensors 1 der ersten Verkörperung der vorliegenden Erfindung, und ist eine Draufsicht auf den Infrarotsensor 1 in , von oben in Z-Richtung gesehen, wobei nur die Bolometermembranen 8, die Leitungen 10 und die ersten und zweiten elektrischen Verbindungselemente 5, 6 dargestellt sind. zeigt eine perspektivisch gebrochene Ansicht des Infrarotsensors 1 in , in der das erste Substrat 2 und das zweite Substrat 3 so dargestellt sind, dass sie voneinander beabstandet sind. Der Infrarotsensor 1 hat das erste Substrat 2, das zweite Substrat 3, das dem ersten Substrat 2 zugewandt ist, sowie Seitenwände 4, die das erste Substrat 2 und das zweite Substrat 3 verbinden. Das erste Substrat 2, das zweite Substrat 3 und die Seitenwände 4 bilden einen dicht geschlossenen Innenraum 7, der sich im Unterdruck befindet oder ein Vakuum bildet. Dadurch kann die Konvektion von Gas im Innenraum 7 verhindert oder begrenzt und der thermische Einfluss auf die Bolometermembranen 8 reduziert werden. Der Innenraum 7 kann auch unter atmosphärischem Druck stehen. In diesem Fall wird der thermische Einfluss auf die Bolometermembranen 8 erhöht, aber die Wirkung der vorliegenden Erfindung kann erzielt werden.
Das erste Substrat 2 hat das Siliziumsubstrat 2a und den Isolierfilm 2b, und verschiedene Elemente und Schaltungen werden auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 2a oder im Isolierfilm 2b gebildet. Zweites Substrat 3 hat Siliziumsubstrat 3a und erste und zweite Antireflexschichten 14,15, die beide Seiten des Siliziumsubstrats 3a bedecken. Da das zweite Substrat 3 als Fenstersubstrat fungiert, das langwellige Infrarotstrahlen durchlässt, kann anstelle des Siliziumsubstrats 3a ein Germaniumsubstrat und ähnliches verwendet werden, aber aus Gründen, die später beschrieben werden, wird Siliziumsubstrat 3a bevorzugt verwendet. Die Wellenlänge des langwelligen Infrarots beträgt etwa 8-14 m.
Im Innenraum 7 ist eine Vielzahl von allgemein quadratischen Bolometermembranen 8 vorgesehen. Die Bolometermembranen 8 bilden eine zweidimensionale Gitteranordnung, die aus mehreren Reihen R besteht, entlang derer die Bolometermembranen 8 in konstantem Abstand Ax in einer ersten Richtung X angeordnet sind, und aus mehreren Spalten C, entlang derer die Bolometermembranen 8 in konstantem Abstand Ay in einer Richtung angeordnet sind, die die erste Richtung X schneidet, vorzugsweise in einer zweiten Richtung Y, die senkrecht zur ersten Richtung X verläuft. Jede Bolometermembran 8 bildet eine Zelle oder ein Pixel in der Anordnung. Beispiele für die Anzahl der Zeilen und Spalten sind unter anderem 640 Zeilen×480 Spalten, 1024 Zeilen×768 Spalten usw. Die Bolometermembran 8 hat ein Siliziumsubstrat und einen Film aus Vanadiumoxid (VOx) oder amorphem Silizium (a-Si), der auf dem Siliziumsubstrat gebildet wird. Die Bolometermembran 8 enthält außerdem einen Getterfilm 17, der den Grad des Vakuums im Innenraum 7 aufrechterhält.
Im ersten Substrat 2 werden Elemente, wie z.B. ein ROIC, ein Regler, ein A/D-Wandler und ein Multiplexer, gebildet. Der ROIC ist eine integrierte Schaltung, die die Widerstandsänderung der BolometerMembranen 8 in elektrische Signale umwandelt. Diese Elemente sind lokale Wärmequellen 9, die an vorbestimmten Positionen des ersten Substrats 2 bereitgestellt werden. Das erste Substrat 2 und das zweite Substrat 3 sind durch erste elektrische Verbindungselemente 5 verbunden. Diese Elemente sind mit den ersten elektrischen Verbindungselementen 5 über die innere Schaltung 18 des ersten Substrats 2, Leiterbahnen 19, die mit der inneren Schaltung 18 verbunden sind, und Anschlüsse 20, die mit den Leiterbahnen 19 verbunden sind, verbunden.
Das erste elektrische Verbindungselement 5 ist ein säulenförmiger Leiter mit kreisförmigem Querschnitt, der z.B. durch Plattieren hergestellt werden kann. Da das erste elektrische Verbindungselement 5 eine größere Abmessung (Höhe) in Z-Richtung hat als das später beschriebene zweite elektrische Verbindungselement 6, hat das erste elektrische Verbindungselement 5 aus Gründen der Herstellbarkeit einen größeren Querschnitt als das zweite elektrische Verbindungselement 6. Das erste elektrische Verbindungselement 5 besteht aus den elektrischen Verbindungselementen 5a der ersten Reihe, die mit den Zeilenleitungen 10a verbunden sind, die später im zweiten Substrat 3 beschrieben werden, und den elektrischen Verbindungselementen 5b der ersten Spalte, die mit den Spaltenleitungen 10b verbunden sind, die später im zweiten Substrat 3 beschrieben werden. Wie in dargestellt, sind die elektrischen Verbindungselemente der ersten Zeile 5a auf ein Ende der Zeilen R der Bolometermembranen 8 und die elektrischen Verbindungselemente der ersten Spalte 5b auf ein Ende der Spalten C der Bolometermembranen 8 konzentriert.
Jede Bolometermembran 8 wird von einem zweiten Substrat 3 über ein Paar zweiter elektrischer Verbindungselemente 6 getragen. Das zweite elektrische Verbindungselement 6 ist ebenfalls ein säulenförmiger Leiter mit kreisförmigem Querschnitt und kann z.B. durch Plattieren gebildet werden. Ein Paar zweiter elektrischer Verbindungselemente 6 besteht aus dem elektrischen Verbindungselement 6a der zweiten Reihe, das mit der Reihenleitung 10a verbunden ist, und dem zweiten elektrischen Verbindungselement 6b der Spalte, das mit der Spaltenleitung 10b verbunden ist. Das elektrische Verbindungselement 6a der zweiten Zeile und das elektrische Verbindungselement 6b der zweiten Spalte erstrecken sich von der Zeilenleitung 10a bzw. der Spaltenleitung 10b nach unten in Z-Richtung zum ersten Substrat 2 und enden zwischen dem ersten Substrat 2 und dem zweiten Substrat 3. Daher ist die Bolometermembran 8 im Innenraum 7 aufgehängt, während sie in Z-Richtung sowohl vom ersten Substrat 2 als auch vom zweiten Substrat 3 beabstandet ist. Die Bolometermembran 8 wird durch das elektrische Verbindungselement 6a der zweiten Reihe und das elektrische Verbindungselement 6b der zweiten Spalte an zwei Ecken auf einer diagonalen Linie der Bolometermembran 8 getragen. Das zweite elektrische Verbindungselement 6 trägt die Bolometermembran 8 und liefert einen Messstrom an die Bolometermembran 8.
Das zweite Substrat 3 ist mit Leitungen 10 ausgebildet, die die ersten elektrischen Verbindungselemente 5 mit den Bolometermembranen 8 verbinden und die Bolometermembranen 8 mit einem Messstrom versorgen. Die Leitung 10 besteht aus einem Leiter, z.B. Kupfer. Die Zuleitungen 10 sind in einem Gittermuster ausgebildet und für die jeweiligen Zeilen R und Spalten C der Bolometermembranen 8 vorgesehen. Das heißt, die Leitungen 10 bestehen aus Zeilenleitungen 10a, die sich in Zeilenrichtung (die erste Richtung X) und Spaltenleitungen 10b, die sich in Spaltenrichtung (die zweite Richtung Y) erstrecken. Die Zeilenleitung 10a verbindet das elektrische Verbindungselement 5a der ersten Zeile mit dem elektrischen Verbindungselement 6a der zweiten Zeile, und die Spaltenleitung 10b verbindet das elektrische Verbindungselement 5b der ersten Spalte mit dem elektrischen Verbindungselement 6b der zweiten Spalte. Die Leitungsdrähte 10a verbinden sequentiell die Bolometermembranen 8, die in den entsprechenden Reihen R enthalten sind, und die Spaltendrähte 10b verbinden sequentiell die Bolometermembranen 8, die in den entsprechenden Spalten C enthalten sind. Der Einfachheit halber ist der Reihendraht 10a dort geteilt, wo der Reihendraht 10a der Bolometermembran 8 in gegenüberliegt, aber wie in und dargestellt, erstreckt sich der Reihendraht 10a kontinuierlich. Dasselbe gilt für das Spaltenblei 10b.
Blei 10 erstreckt sich zwischen benachbarten Bolometermembranen 8. Dadurch können Interferenzen zwischen den Minen 10 und den Bolometermembranen 8 vermieden werden, und der Einfluss auf die Bolometermembranen 8 durch die Erwärmung der Minen 10 durch die Strahlungswärme der Infrarotstrahlen kann begrenzt werden. Die Leitungsdrähte 10a und die Spaltendrähte 10b verlaufen unter Zwischenschaltung der Isolierfolie 152 (siehe ) an verschiedenen Stellen in Z-Richtung, so dass sie sich kreuzen, ohne elektrisch verbunden zu sein. In der vorliegenden Ausführungsform verlaufen die Zeilenleitungen 10a oberhalb der Spaltenleitungen 10b, d.h. an einer Position, die in Z-Richtung näher am zweiten Substrat 3 liegt, aber die Zeilenleitungen 10a können unterhalb der Spaltenleitungen 10b positioniert werden. Da das Siliziumsubstrat 3a eine gewisse Leitfähigkeit aufweist, sind außerdem das Siliziumsubstrat 3a und die Zeilenleitungen 10a durch den Isolierfilm 151 voneinander isoliert (siehe ). Diese Isolierfilme 151,152 bilden einen Teil des zweiten Antireflexionsfilms 15, wie später beschrieben wird.
Die Drahtlänge Bx der Zeilenleitung 10a zwischen dem elektrischen Verbindungselement 5a der ersten Reihe und der Bolometermembran 8, die dem elektrischen Verbindungselement 5a der ersten Reihe am nächsten liegt, ist länger als der Abstand Ax, bei dem die Bolometermembranen 8 in der ersten Richtung X angeordnet sind. Ebenso ist die Drahtlänge By der Spaltenleitung 10b zwischen dem elektrischen Verbindungselement 5b der ersten Spalte und der Bolometermembran 8, die dem elektrischen Verbindungselement 5b der ersten Spalte am nächsten liegt, länger als der Abstand Ay, bei dem die Bolometermembranen 8 in der zweiten Richtung Y angeordnet sind. Hier ist die Drahtlänge Bx oder By nicht der lineare Abstand zwischen der Bolometermembran 8 und dem elektrischen Verbindungselement 5a der ersten Zeile oder zwischen der Bolometermembran 8 und dem elektrischen Verbindungselement 5b der ersten Spalte, sondern die Länge entlang des Weges der Zeilenleitung 10a oder der Spaltenleitung 10b, d.h. die Länge der Mittellinie der Zeilenleitung 10a oder der Spaltenleitung 10b. Die Ableitungen 10 verlaufen in der abgebildeten Ausführung linear in der ersten Richtung X und in der zweiten Richtung Y, aber sie können schlangen- oder mäanderförmig verlaufen, um die Drahtlänge Bx, By zu gewährleisten.
Eine Vielzahl von selektiven Transistoren 11, die eine Bolometermembran 8 aus einer Vielzahl von Bolometermembranen 8 auswählen, wird auf Siliziumsubstrat 3a des zweiten Substrats 3 gebildet. Die selektiven Transistoren 11 entsprechen den jeweiligen Bolometermembranen 8. Die selektiven Transistoren 11 sind so angeordnet, daß die selektiven Transistoren 11 Bereiche (im Folgenden als Fensterbereich 3c bezeichnet) des zweiten Substrats 3 vermeiden, in denen die Bolometermembranen 8 dem zweiten Substrat 3 gegenüberliegen. Auf diese Weise kann eine diffuse Reflexion von Infrarotstrahlen und eine Verringerung der Effizienz des Einfalls von Infrarotstrahlen verhindert werden. Der Grund, warum das zweite Substrat 3 das Siliziumsubstrat 3a hat, ist nicht nur, dass das Siliziumsubstrat 3a Infrarotstrahlen durchlässt. Es ist zu beachten, dass selektive Transistoren 11 im zweiten Substrat 3 gebildet werden können, indem das zweite Substrat 3 mit Siliziumsubstrat 3a versehen wird.
Mindestens ein Teil, vorzugsweise der gesamte Teil, der Außenfläche des zweiten Substrats 3 besteht aus der ersten Antireflexschicht 14. Hier bezieht sich die Außenfläche des zweiten Substrats 3 auf die Ebene, die sich in der X-Y-Ebene einschließlich der Fensterbereiche 3c des zweiten Substrats 3 erstreckt, schließt aber die Seitenflächen des zweiten Substrats 3 nicht ein. Die Innenfläche des zweiten Substrats 3 besteht aus der zweiten Antireflexschicht 15. Hier ist die Innenfläche des zweiten Substrats 3 eine Oberfläche, die in Kontakt mit dem Innenraum 7 des zweiten Substrats 3 steht. Mit anderen Worten, die Außenfläche und die Innenfläche von Siliziumsubstrat 3a sind mit der ersten Antireflexschicht 14 bzw. der zweiten Antireflexschicht 15 bedeckt. Die erste Antireflexionsschicht 14 verhindert oder begrenzt die Reflexion des einfallenden Lichts und verbessert die Effizienz des Einfalls von Infrarotstrahlen. Der zweite Antireflexfilm 15 verhindert, dass Infrarotstrahlen, die durch das zweite Substrat 3 hindurchgegangen sind, von der Innenfläche des zweiten Substrats 3 reflektiert werden, und ermöglicht, dass Infrarotstrahlen problemlos in die Bolometermembranen 8 eindringen können. Sowohl der erste Antireflexionsfilm 14 als auch der zweite Antireflexionsfilm 15 sind laminierte Filme, in denen Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes abwechselnd gestapelt sind, und diese Schichten reduzieren die Reflexion von Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich, indem sie Interferenzen von Wellen nutzen, die von den Schichten reflektiert werden. Der erste Antireflexionsfilm 14 und der zweite Antireflexionsfilm 15 sind laminierte Filme aus Isolierfilmen, die durch Aufeinanderstapeln z.B. eines Oxidfilms, eines Nitridfilms, eines Sulfidfilms, eines Fluoridfilms, eines Boridfilms, eines Bromidfilms, eines Chloridfilms, eines Selenidfilms, eines Ge-Films, eines Diamantfilms, eines Chalkogenidfilms, eines Si-Films und dergleichen gebildet werden.
ist eine schematische Schnittdarstellung der zweiten Antireflexschicht 15. Zeilenleitungen 10a und Spaltenleitungen 10b sind in die zweite Antireflexschicht 15 eingebettet. Die zweite Antireflexionsschicht 15 besteht aus den Isolierschichten 151-155. Die Leitungsdrähte 10a sind zwischen der Isolierschicht 151 und der Isolierschicht 152 eingebettet, und die Spaltendrähte 10b sind zwischen der Isolierschicht 152 und der Isolierschicht 153 eingebettet. Jede Isolierschicht 151-155 kann aus ZnS, SiO2, AlOx, SiN, AIN, MgF, CaF, Ge, YF, ZnSe, KBr, NaCI, BaF, Diamant, Chalkogenid, Si und dergleichen bestehen. Die Isolierschichten 154, 155 sind vorgesehen, um die Funktion des zweiten Antireflexfilms 15 zu verbessern, und können eine mehrschichtige Struktur mit drei oder mehr Schichten aufweisen.
Entweder die erste Antireflexschicht 14 oder die zweite Antireflexschicht 15 oder beide können weggelassen werden. Selbst wenn die zweite Antireflexschicht 15 weggelassen wird, müssen die Zeilenleitungen 10a und die Spaltenleitungen 10b durch eine Isolierschicht voneinander isoliert werden. Entweder die Zeilenleitungen 10a oder die Spaltenleitungen 10b können dem Innenraum 7 ausgesetzt werden. Das heißt, entweder die Zeilenleitungen 10a oder die Spaltenleitungen 10b können sich innerhalb des zweiten Substrats 3 erstrecken und die übrigen Leitungen können sich auf der Oberfläche des zweiten Substrats 3 erstrecken.
Zwischen jeder Bolometermembran 8 und dem ersten Substrat 2 ist ein Strahlungsschild 12 vorgesehen, das die Strahlung des ersten Substrats 2 dämpft oder abschirmt. Strahlungsschild 12 wird von einer Vielzahl von (z.B. vier) Stützelementen 13 getragen, die sich in Z-Richtung vom zweiten Substrat 3 nach unten zum ersten Substrat 2 erstrecken. Ein Ende des Trägerelements 13 ist mit einer Ecke des Strahlungsschilds 12 verbunden, und das andere Ende davon ist mit dem zweiten Substrat 3 verbunden. Wenn die Stützelemente 13 aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit hergestellt sind, können die Stützelemente 13 vom ersten Substrat 2 gestützt werden.
Strahlungsschild 12 besteht aus einem Material mit einem hohen Reflexionsvermögen für Infrarotstrahlen, wie Au, Cu, Al und dergleichen. Um die strukturelle Festigkeit zu gewährleisten, wird ein Film aus SiO2, AlOx, SiN, AIN, MgF hergestellt. CAF, Ge und dergleichen kann auf der Oberfläche des Strahlungsschilds 12 gebildet werden, die dem ersten Substrat 2 zugewandt ist. Die Oberfläche 12a des Strahlungsschilds 12, die der Bolometermembran 8 zugewandt ist, reflektiert Infrarotstrahlen. Ein Teil der Infrarotstrahlen durchdringt die Bolometermembran 8. Der Strahlungsschild 12 reflektiert die Infrarotstrahlen, die durch die Bolometermembran 8 hindurchgegangen sind, und bewirkt, dass die Infrarotstrahlen von der Rückseite in die Bolometermembran 8 eintreten. Infolgedessen ist es möglich, die Effizienz des Einfalls von Infrarotstrahlen auf die Bolometermembran 8 zu verbessern. Der Abstand zwischen der Bolometermembran 8 und dem Strahlungsschild 12 beträgt etwa 1/4 der Wellenlänge λ der einfallenden Infrarotstrahlen. Daher kann die Interferenz zwischen den einfallenden Infrarotstrahlen und den reflektierten Infrarotstrahlen vermieden werden, und die Infrarotstrahlen können effizient in die Bolometermembran 8 eindringen. Da die Wellenlänge λ der Infrarotstrahlen etwa 8 bis 14 m beträgt, beträgt der Abstand zwischen der Bolometermembran 8 und der Strahlungsabschirmung 12 vorzugsweise etwa 2 bis 3,5 m, besser noch etwa 2,5 bis 3,0 m, wodurch die Effizienz des Einfalls von Infrarotstrahlen maximiert wird.
Die wärmeleitende Platte 16 wird auf einem Bereich des ersten Substrats 2 gebildet, der den Bolometermembranen 8 zugewandt ist. Die wärmeableitende Platte 16 ist eine einzige durchgehende Metallschicht, die vorzugsweise allen Bolometermembranen 8 zugewandt ist und eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das erste Substrat 2 aufweist. Die wärmeableitende Platte 16 kann aus einem Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. Kupfer, bestehen. Wärmediffusionsplatte 16 diffundiert effizient Wärme, die von einer lokalen Wärmequelle 9, wie z.B. einem ROIC, unmittelbar unter der Wärmediffusionsplatte 16 erzeugt wird, um die Temperaturverteilung der Oberfläche des ersten Substrats 2 zu vereinheitlichen.
Getter-Film 17 wird auf der Oberfläche von Strahlungsschild 12 gebildet, die dem ersten Substrat 2 zugewandt ist. Die Getter-Schicht 17 besteht aus Ti, TiW, Zn, ZnCo und dergleichen und adsorbiert Restgas im Innenraum 7, um die Verringerung des Vakuumgrades im Innenraum 7 zu begrenzen. Getter-Film 17 kann an beliebiger Stelle im Innenraum 7 angeordnet werden und kann z.B. auch auf der wärmeableitenden Platte 16 des ersten Substrats 2 gebildet werden.
Infrarotstrahlen, die von den Fensterbereichen 3c des zweiten Substrats 3 in den Infrarotsensor 1 eintreten, treten in die Anordnung der Bolometermembranen 8 ein. Ein Abtaststrom fließt nacheinander durch das elektrische Verbindungselement 5a der ersten Reihe, die Zeilenleitung 10a, das elektrische Verbindungselement 6a der zweiten Reihe, die ausgewählte Bolometermembran 8, das elektrische Verbindungselement 6b der zweiten Spalte, die Spaltenleitung 10b und das elektrische Verbindungselement 5b der ersten Spalte. Die Widerstandsänderung des Lesestroms wird als Spannungsänderung ausgegeben, und ein elektrisches Signal (ein Spannungssignal) wird dem ROIC des ersten Substrats 2 zugeführt. Der ROIC wandelt das Spannungssignal in eine Helligkeitstemperatur um. Die Bolometermembranen 8 werden sequentiell über die Zeit durch den selektiven Transistor 11 ausgewählt, und die Widerstandsänderung, die von der ausgewählten Bolometermembran 8 ausgegeben wird, wird sequentiell in eine Helligkeitstemperatur umgewandelt. Auf diese Weise werden alle Bolometermembranen 8 abgetastet, und es werden Bilddaten für einen Bildschirm erhalten.
Nach dem Infrarotsensor 1 der vorliegenden Ausführungsform ist der Einfluss auf die Bolometermembranen 8, der durch die von der lokalen Wärmequelle 9, z.B. einem ROIC, erzeugte Wärme verursacht wird, begrenzt. Erstens werden die Bolometermembranen 8 durch das zweite Substrat 3 unterstützt, nicht durch das erste Substrat 2, wo lokale Wärmequellen 9 zur Verfügung stehen. Der Wärmeübertragungsweg durch Wärmeleitung von lokalen Wärmequellen 9 ist im Wesentlichen auf den Weg beschränkt, der durch das erste Substrat 2, die ersten elektrischen Verbindungselemente 5, die Leitungen 10 und die zweiten elektrischen Verbindungselemente 6 verläuft (Wärme kann durch die Seitenwände 4 übertragen werden, aber die Wärmemenge ist vernachlässigbar). Daher ist der Wärmeübertragungsweg länger als bei einer konventionellen Anordnung, bei der die Bolometermembranen 8 vom ersten Substrat 2 getragen werden und die Wärme von der lokalen Wärmequelle 9 weniger wahrscheinlich auf die Bolometermembranen 8 übertragen wird.
Da die Leitungen 10 über die gesamte Länge in physischem Kontakt mit dem zweiten Substrat 3 (genauer gesagt mit der zweiten Antireflexschicht 15) stehen, diffundiert die Wärme, die durch die Leitung 10 übertragen wird, in das zweite Substrat 3. Die Wärmemenge, die diffundiert, ist positiv mit der Länge der Leitung 10 korreliert, und je länger die Leitung 10 ist, d.h. je länger die Länge ist, über die die Leitung 10 mit dem zweiten Substrat 3 in Kontakt steht, desto größer ist die Wärmemenge, die in das zweite Substrat 3 diffundiert, und desto kleiner ist die Wärmemenge, die zur Bolometermembran 8 übertragen wird. Die Bolometermembran 8, die dem ersten elektrischen Verbindungselement 5 am nächsten liegt, ist unter der Anordnung der Bolometermembranen 8 am anfälligsten für thermische Einflüsse, aber wie oben beschrieben, ist die Drahtlänge Bx (By) zwischen der Membran und dem ersten elektrischen Verbindungselement 5 länger als der Abstand Ax (Ay), in dem die Bolometermembranen 8 angeordnet sind. Daher ist der Einfluss der Wärmeleitung selbst in der Bolometermembran 8, die dem ersten elektrischen Verbindungselement 5 am nächsten liegt, begrenzt. Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, dass die Leitungen 10 über die gesamte Länge in physischem Kontakt mit dem zweiten Substrat 3 stehen, und die Leitungen 10 können zumindest in dem Abschnitt zwischen Bolometermembran 8, der dem ersten elektrischen Verbindungselement 5 am nächsten liegt (d.h. am wärmeempfindlichsten ist), und dem ersten elektrischen Verbindungselement 5 in physischem Kontakt mit dem zweiten Substrat 3 stehen.
Es ist zu beachten, dass das zweite Substrat 3 durch die Strahlungswärme des Infrarots (und durch sichtbares Licht an einer hellen Stelle) im Wesentlichen gleichmäßig erwärmt wird. Der Einfluss der Strahlungswärme, die den gesamten Teil des zweiten Substrats 3 erwärmt, kann leicht als Hintergrundrauschen behandelt werden. Problematisch beim Infrarotsensor 1 ist das Phänomen, dass einige der Bolometermembranen 8 aufgrund der lokalen Wärmequelle 9 relativ zu den anderen Bolometermembranen 8 lokal heiß werden. Wie oben beschrieben, wird jedoch nach dem Infrarotsensor 1 der vorliegenden Ausführungsform ein solcher Einfluss, der durch lokale Erwärmung verursacht wird, wirksam abgeschwächt. Da außerdem die im zweiten Substrat 3 angeordneten selektiven Transistoren 11 in einem weiten Bereich montiert sind und sequentiell angesteuert werden, haben die selektiven Transistoren 11 keine Eigenschaften als lokale Wärmequellen, und da in den selektiven Transistoren 11 nur ein Sense-Strom fließt, ist die Wärmemenge, die in den selektiven Transistoren 11 erzeugt wird, gering. Daher ist der thermische Einfluss auf die Bolometermembranen 8, der durch die selektiven Transistoren 11 verursacht wird, nahezu vernachlässigbar.
Ferner ist in der vorliegenden Ausführungsform zwischen Bolometermembran 8 und dem ersten Substrat 2 ein Strahlenschutzschild 12 vorgesehen. Der Strahlungsschild 12 schirmt die Strahlungswärme ab, die von der lokalen Wärmequelle 9 erzeugt wird, und reduziert den Einfluss der Strahlungswärme auf die Bolometermembran8. Da außerdem die Temperatur im Bereich des ersten Substrats 2, das der Anordnung der Bolometermembranen 8 zugewandt ist, durch die wärmeableitende Platte 16 vereinheitlicht wird, wird der Einfluss der lokalen Wärmequelle 9 weiter reduziert.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Bolometermembranen 8 im Innenraum 7 durch zweite elektrische Verbindungselemente 6 aufgehängt. Da jedoch, wie oben beschrieben, der Wärmeübertragungsweg vom ersten Substrat 2 zur Bolometermembran 8 in der vorliegenden Ausführung lang ist, kann, wie oben beschrieben, auf zweite elektrische Verbindungselemente 6 verzichtet werden. In diesem Fall werden die Bolometermembranen 8 auf und in direktem Kontakt mit dem zweiten Substrat 3 gehalten.
(Zweite Verkörperung)
ist eine schematische Seitenansicht des Infrarotsensors 1 der zweiten Verkörperung der vorliegenden Erfindung. Hier soll vor allem der Unterschied zur ersten Ausführungsform beschrieben werden. Die nicht erläuterten Konfigurationen und Wirkungen sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform. Der Infrarotsensor 1 hat einen Reflexionsfilm 21, der auf der Oberfläche 8a der Bolometermembran 8 gebildet wird, die dem ersten Substrat 2 zugewandt ist. Infrarotstrahlen, die von den Fensterbereichen 3c des zweiten Substrats 3 eintreten, werden von den Bolometermembranen 8 absorbiert, aber ein Teil der Infrarotstrahlen durchdringt die Bolometermembranen 8. Der Reflexionsfilm 21 reflektiert die Infrarotstrahlen, die die Bolometermembranen 8 passiert haben, und bewirkt, dass die Infrarotstrahlen von der Rückseite in die Bolometermembranen 8 eintreten. Infolgedessen kann die Effizienz des Einfalls von Infrarotstrahlen verbessert werden. Der Abstand zwischen Reflexionsfilm 21 und dem zweiten Substrat 3 beträgt vorzugsweise etwa 1/4 der Wellenlänge λ der einfallenden Infrarotstrahlen, d.h. etwa 2 bis 3,5 m, und noch bevorzugter etwa 2,5 bis 3,0 m, wodurch die Effizienz des Einfalls von Infrarotstrahlen maximiert wird. Daher kann die Interferenz zwischen den einfallenden Infrarotstrahlen und den reflektierten Infrarotstrahlen vermieden werden, und die Infrarotstrahlen können effizient in die Bolometermembran 8 eindringen. Da die Bolometermembranen 8 und das zweite Substrat 3 im gleichen Waferprozess gebildet werden, kann der Abstand zwischen Bolometermembran 8 und zweitem Substrat 3 in Z-Richtung genau kontrolliert werden, wie später beschrieben wird. Daher lässt sich auch der Abstand zwischen Reflexionsfilm 21, der auf die Bolometermembran 8 gestapelt wird, und dem zweiten Substrat 3 auf ähnliche Weise präzise steuern.
(Dritte Verkörperung)
ist eine der ähnliche Draufsicht, die den Infrarotsensor 1 der dritten Verkörperung der vorliegenden Erfindung zeigt. Hier soll vor allem der Unterschied zur ersten Ausführungsform beschrieben werden. Die nicht erläuterten Konfigurationen und Wirkungen sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform. Wie bei der ersten Ausführungsform bilden die Bolometermembranen 8 eine Anordnung, die aus Reihen R und Spalten C besteht. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Teil der elektrischen Verbindungselemente der ersten Reihe 5a, die jeweils mit den Reihen R der Reihenleitungen 10a verbunden sind, an einem Ende der Reihen R und die anderen elektrischen Verbindungselemente der ersten Reihe 5a am anderen Ende der Reihen R angeordnet. In ähnlicher Weise ist ein Teil der elektrischen Verbindungselemente 5b der ersten Spalte, die jeweils mit den Spalten C der Zeilenleitungen 10b verbunden sind, an einem Ende der Spalten C positioniert, und die anderen elektrischen Verbindungselemente 5b der ersten Spalte sind am anderen Ende der Spalten C positioniert. Die elektrischen Verbindungselemente 5b der ersten Spalte sind abwechselnd an einem Ende und am anderen Ende der Spalten C positioniert. Aus diesem Grund besteht die Möglichkeit, dass das erste elektrische Verbindungselement 5 in Abhängigkeit von der Größe der (Zwischen-)Bolometermembranen 8 keinen ausreichenden Querschnitt gewährleisten kann. Eine Vergrößerung des Abstandes zwischen den Bolometermembranen 8, um einen ausreichenden Querschnitt zu gewährleisten, kann zu einer Vergrößerung des Infrarotsensors 1 führen. In der vorliegenden Ausführung sind die ersten elektrischen Verbindungselemente 5a (5b) abwechselnd sowohl an einem Ende als auch am anderen Ende der Reihen R (Spalten C) der Leitungen 10a (10b) angeordnet, so dass ein erstes elektrisches Verbindungselement 5a (5b) in einem Bereich für zwei Reihen R (Spalten C) angeordnet werden kann. Dadurch verdoppelt sich die Fläche für das erste anzuordnende elektrische Verbindungselement 5 erheblich. Daher ist es in der vorliegenden Ausführungsform möglich, eine Vergrößerung des Infrarotsensors 1 zu begrenzen und gleichzeitig einen ausreichenden Querschnitt des ersten elektrischen Verbindungsgliedes 5 zu gewährleisten.
ist eine schematische Draufsicht des Infrarotsensors 1 einer Modifikation der gegenwärtigen Ausführungsform. Entweder sind die elektrischen Verbindungselemente der ersten Zeile 5a, die an einem Ende der Zeilen R der Zeilenleitungen 10a positioniert sind, oder die elektrischen Verbindungselemente der ersten Zeile 5a, die am anderen Ende der Zeilen R positioniert sind, vorzugsweise beide, in der ersten Richtung X gegeneinander verschoben. In ähnlicher Weise, obwohl nicht dargestellt, sind mindestens entweder die elektrischen Verbindungselemente der ersten Spalte 5b, die an einem Ende der Spalten C der Zeilenleitungen 10b positioniert sind, oder die elektrischen Verbindungselemente der ersten Spalte 5b, die am anderen Ende der Spalten C positioniert sind, vorzugsweise beide, in der zweiten Richtung Y gegeneinander verschoben. Im Vergleich zu der in dargestellten Anordnung der ersten elektrischen Verbindungselemente 5 ist die Formbegrenzung des Querschnitts des ersten elektrischen Verbindungselements 5 weiter reduziert, so dass ein ausreichender Querschnitt des ersten elektrischen Verbindungselements 5 noch leichter gewährleistet werden kann.
(Vierte Verkörperung)
ist eine schematische Seitenansicht des Infrarotsensors 1 der vierten Verkörperung der vorliegenden Erfindung. Hier soll vor allem der Unterschied zur ersten Ausführungsform beschrieben werden. Die nicht erläuterten Konfigurationen und Wirkungen sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform. In der vorliegenden Ausführungsform ist auf der Aussenfläche des zweiten Substrats 3 die Filterschicht 31 ausgebildet. Die Filterschicht 31 dämpft oder schirmt ein Licht ab, dessen Wellenlänge eine größere Energiemenge aufweist als die Energiebandlücke des selektiven Transistors 11. Wenn das zweite Substrat 3 Licht empfängt, bei dem die Energiemenge größer ist als die Energiebandlücke des selektiven Transistors 11, dann kann der im zweiten Substrat 3 gebildete selektive Transistor 11 fehlerhaft funktionieren. Die Filterschicht 31 blockiert dieses Licht oder begrenzt den Durchgang dieses Lichts, so dass der selektive Transistor 11 weniger störanfällig ist. Die Filterschicht 31 kann auch auf den Seiten des zweiten Substrats 3 gebildet werden. Die Filterschicht 31 kann als Teil des zweiten Substrats 3 gebildet werden. Filterschicht 31 kann z.B. aus Ge, Si, Chalkogenid, YF, ZnS, ZnSe und dergleichen bestehen. Die Filterschicht 31 kann auch als Teil des ersten Antireflexfilms 14 gebildet werden.
(Fünfte Verkörperung)
ist eine schematische Seitenansicht des Infrarotsensors 1 der fünften Verkörperung der vorliegenden Erfindung, die die Nähe des zweiten Substrats 3 zeigt. Hier soll vor allem der Unterschied zur ersten Ausführungsform beschrieben werden. Die nicht erläuterten Konfigurationen und Effekte sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform. Die äußere Oberfläche des zweiten Substrats 3 weist eine Mikrolinsenanordnung auf, in der erste konvexe Bereiche 41 in einem Array angeordnet sind. Jeder erste konvexe Bereich 41 wird dort gebildet, wo der erste konvexe Bereich 41 der entsprechenden Bolometermembran 8 zugewandt ist. Der erste konvexe Bereich 41 ist eine winzige konvexe Linse, die den effektiven Öffnungsdurchmesser Deff für jede Bolometermembran 8 vergrößert (vgl. ). Wenn das zweite Substrat 3 eine flache Platte ist, wird die Fensterregion 3c durch die Größe der Region bestimmt, in der kein Blei 10 (Zeilenleitung 10a und Spaltenleitung 10b) oder kein selektiver Transistor 11 vorhanden ist. Mit anderen Worten, die Größe des lichtempfangenden Teils der Bolometermembran 8 wird durch den Raum für die Anordnung der Anschlüsse 10 und der selektiven Transistoren 11 begrenzt. Andererseits können in der vorliegenden Ausführung, bei der eine Mikrolinsenanordnung im zweiten Substrat 3 verwendet wird, Infrarotstrahlen, die auf einen Bereich einfallen, der den Anschlüssen 10 oder den selektiven Transistoren 11 zugewandt ist, d.h. einen Bereich, in dem die Bolometermembran 8 nicht angeordnet ist, ebenfalls von der Bolometermembran 8 empfangen werden, und die Effizienz des Empfangs von Infrarotstrahlen kann erhöht werden.
ist eine schematische Seitenansicht des Infrarotsensors 1, die eine Modifikation der gegenwärtigen Ausführungsform zeigt. In der vorliegenden Modifikation hat die Außenfläche des zweiten Substrats 3 einen zweiten konvexen Bereich 43, der weiter nach außen ragt als der erste konvexe Bereich 41, der der Bolometermembran 8 zugewandt ist. Das heißt, die Außenfläche des zweiten Substrats 3 hat einen ersten konvexen Bereich 41, der der Bolometermembran 8 zugewandt ist, einen flachen Bereich 42 mit der gleichen Filmdicke wie das Ende des ersten konvexen Bereichs 41 und einen zweiten konvexen Bereich 43 mit einer größeren Filmdicke als die Oberseite des ersten konvexen Bereichs 41, die in dieser Reihenfolge wiederholt in der ersten Richtung X und in der zweiten Richtung Y angeordnet sind. Wie später beschrieben wird, wird der Infrarotsensor 1 hergestellt, indem das erste Substrat 2 und das zweite Substrat 3 getrennt hergestellt werden und dann über Seitenwände 4 und erste elektrische Verbindungselemente 5 aneinander geklebt werden. Bei der Herstellung des zweiten Substrats 3 wird ein Wafer so bearbeitet, dass die Wafer-Oberfläche, auf der die selektiven Transistoren 11 und die Zuleitungen 10 gebildet werden, nach oben zeigt, aber die Mikrolinse muss so hergestellt werden, dass die Wafer-Oberfläche, auf der die Mikrolinse gebildet wird, nach oben zeigt. Aus diesem Grund wird zuerst die Mikrolinse auf dem Wafer gebildet, dann wird der Wafer auf den Kopf gestellt und die Waferoberfläche, auf der die Mikrolinse gebildet wird, wird von einem Halter durch Ansaugen gehalten, bevor die Anschlüsse 10 usw. gebildet werden. Zu diesem Zeitpunkt berühren nur die zweiten konvexen Bereiche 43 den Halter in der vorliegenden Ausführungsform. Dadurch wird verhindert, dass die ersten konvexen Bereiche 41 mit dem Halter in Kontakt kommen, und es ist weniger wahrscheinlich, dass sie sich verschlechtern oder beschädigt werden.
(Sechste Verkörperung)
ist eine schematische Seitenansicht des Infrarotsensors 1 der sechsten Verkörperung der vorliegenden Erfindung. Hier soll vor allem der Unterschied zur ersten Ausführungsform beschrieben werden. Die nicht erläuterten Konfigurationen und Wirkungen sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform. Der Infrarotsensor 1 hat die Blindzelle 51 zur Temperaturkompensation des Ausgangs der Bolometermembran 8, die die aktive Zelle 52 ist. Blindzelle 51 hat die gleiche Konfiguration wie die Bolometermembran 8, die aktive Zelle 52, und wird von einem zweiten Substrat 3 in der gleichen Weise wie die aktive Zelle 52 getragen. Die Blindzelle 51 empfängt die Strahlung von den umgebenden Strukturen, wie dem ersten Substrat 2 und dem zweiten Substrat 3, auf dieselbe Weise wie die aktive Zelle 52, empfängt jedoch nicht die Infrarotstrahlung von außen. Daher wird die Blindzelle 51 als Kalibrierzelle verwendet, die Hintergrundrauschen entfernt, das durch andere Faktoren als die Infrarotstrahlung von außen erzeugt wird. Aus diesem Grund muss die Blindzelle 51 so konfiguriert werden, dass sie die Infrarotstrahlung von außen nicht empfängt. In der vorliegenden Ausführung wird die Infrarotabschirmung 53 in einem Bereich des zweiten Substrats 3 gebildet, der der Blindzelle 51 gegenüberliegt. Wie aus dem Vergleichsbeispiel in hervorgeht, ist die herkömmliche Blindzelle 161 mit der Abschirmung 164 bedeckt, die auf dem ersten Substrat 2 gebildet wird. Eine solche Abschirmung 164 erfordert jedoch komplizierte Herstellungsprozesse und verursacht einen Anstieg der Herstellungskosten. Da die Infrarot-Abschirmung 53 in der gegenwärtigen Ausführung leicht im Prozess der Herstellung des zweiten Substrats 3 hergestellt werden kann, können die Auswirkungen auf die Herstellungskosten begrenzt werden.
Der Strahlungsschild 54, der die Strahlung vom ersten Substrat 2 begrenzt, ist zwischen Blindzelle 51 und dem ersten Substrat 2 vorgesehen. Der Strahlungsschutz 54 ist in den Strahlungsschutz 12 integriert, kann aber unabhängig vom Strahlungsschutz 12 vorgesehen werden. Durch die Bereitstellung von Strahlungsabschirmung 54 kann der Strahlungseinfluss vom ersten Substrat 2 in Blindzelle 51 etwa auf dem gleichen Niveau wie in der aktiven Zelle 52 erfolgen, und die Funktion der Blindzelle 51 als Kalibrierzelle kann verbessert werden.
(Siebte Verkörperung)
ist eine schematische Seitenansicht des Infrarotsensors 1 der siebten Verkörperung der vorliegenden Erfindung. Hier soll vor allem der Unterschied zur ersten Ausführungsform beschrieben werden. Die nicht erläuterten Konfigurationen und Wirkungen sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform. Zweite elektrische Verbindungsglieder 6 haben Kondensatoren 61. Konkret sind die Kondensatoren 61 in das elektrische Verbindungselement 6a der zweiten Reihe und das elektrische Verbindungselement 6b der zweiten Spalte eingefügt, so dass das elektrische Verbindungselement 6a der zweiten Reihe und das elektrische Verbindungselement 6b der zweiten Spalte in Z-Richtung geteilt sind. Die zweiten elektrischen Verbindungselemente 6a, 6b sind aus einem leitfähigen Material hergestellt, um einen Fühlstrom zu erzeugen. Daher haben sie auch eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Isoliermaterial und können potenziell Wärme übertragen, die durch Leitung 10a, 10b zur Bolometermembran 8 übertragen wird. Da der Kondensator 61 in der vorliegenden Ausführung die Wärmeleitung blockiert oder begrenzt, ist es in der vorliegenden Ausführung weniger wahrscheinlich, dass die Wärme von Blei 10a, 10b zur Bolometermembran 8 übertragen wird. Da in der vorliegenden Ausführungsform ein Messstrom als Wechselstrom geliefert wird, wird der Zustand der Bolometermembran 8 als Änderung des elektrischen Feldes ausgegeben. Die Kondensatoren 61 sind sowohl in der zweiten Reihe des elektrischen Verbindungselements 6a als auch in der zweiten Spalte des elektrischen Verbindungselements 6b vorgesehen, aber der Kondensator 61 darf nur in einem von ihnen vorgesehen werden.
(Verfahren zur Herstellung eines Infrarotsensors 1)
Anschließend wird unter Bezugnahme auf und eine beispielhafte Methode zur Herstellung des Infrarotsensors 1 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Da der Infrarotsensor 1 in den Wafer-Prozessen hergestellt wird, bedeuten erstes Substrat 2, zweites Substrat 3 und Siliziumsubstrat 3a Wafer gemäß der folgenden Beschreibung. zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung von Infrarotsensor 1. Der Infrarotsensor 1 der vorliegenden Erfindung wird hergestellt durch Schritt 1 der Bildung eines ROIC usw. auf dem ersten Substrat 2, Schritt 2 der Bildung von Bolometermembranen 8 usw. auf dem zweiten Substrat 3 und Schritt 3 der Verbindung von erstem Substrat 2 und zweitem Substrat 3 miteinander. Schritt 3 wird in einer Vakuumatmosphäre durchgeführt. Der Herstellungsprozess des ersten Substrats 2 bedarf keiner Erklärung und wird nicht im Detail beschrieben. Im Folgenden wird hauptsächlich der Schritt der Bildung von Bolometermembranen 8 usw. auf dem zweiten Substrat 3 beschrieben.
Zunächst werden, wie in gezeigt, selektive Transistoren 11 auf Siliziumsubstrat 3a gebildet. Die Isolierschicht 91 wird auf den Seiten der selektiven Transistoren 11 gebildet.
Als nächstes wird, wie in gezeigt, der Isolierfilm 151, der ein Teil des zweiten Antireflexfilms 15 ist, in den Bereichen des Siliziumsubstrats 3a seitlich neben den selektiven Transistoren 11 gebildet. Konkret werden mit Hilfe eines Photoresistprozesses und eines Fräsprozesses Öffnungen in den Bereichen der Isolierschichten 91 gebildet, die zu Fensterbereichen 3c werden sollen, und dann wird der Isolierfilm 151 in den Öffnungen mit Hilfe eines Lichtbogenabscheidungsprozesses gebildet.
Als nächstes werden, wie in dargestellt, Reihenleitungen 10a gebildet. Konkret werden Öffnungen in einem Resist durch einen Fotoresistprozess und einen Fräsprozess gebildet, und dann werden Reihenleiter 10a in den Öffnungen durch Abscheidung gebildet, und der Resist wird entfernt.
Als nächstes wird, wie in gezeigt, über den selektiven Transistoren 11 der Isolierfilm 152 gebildet, der ein Teil des zweiten Antireflexfilms 15 ist. Konkret werden Öffnungen in einem Resist mittels eines Fotoresistprozesses und eines Fräsprozesses gebildet, und dann wird die Isolierschicht 152 in den Öffnungen durch Abscheidung gebildet, und der Resist wird entfernt.
Als nächstes werden, wie in dargestellt, über der Isolierfolie 152 die Säulenleitungen 10b gebildet. Konkret werden Öffnungen in einem Resist mittels eines Fotoresistprozesses und eines Fräsprozesses gebildet, und dann werden Spaltenleitungen 10b in den Öffnungen durch Abscheidung gebildet, und der Resist wird entfernt.
Anschließend werden, wie in gezeigt, die Unterteile der ersten elektrischen Verbindungselemente 5 und der zweiten elektrischen Verbindungselemente 6 gebildet. Konkret wird die erste Opferschicht 92 gebildet, dann werden in der ersten Opferschicht 92 mittels eines Photoresistprozesses und eines Fräsprozesses Öffnungen gebildet, und die unteren Teile der ersten elektrischen Verbindungselemente 5 und der zweiten elektrischen Verbindungselemente 6 werden durch Plattieren gebildet.
Als nächstes werden, wie in dargestellt, Bolometermembranen 8 auf zweiten elektrischen Verbindungselementen 6 gebildet, die nebeneinander liegen. Konkret wird die Bolometermembran 8 auf zweiten elektrischen Verbindungselementen 6, die einander benachbart sind, sowie auf der ersten Opferschicht 92 dazwischen gebildet, um die Bolometermembran 8 mit den zweiten elektrischen Verbindungselementen 6, die einander benachbart sind, elektrisch zu verbinden.
Als nächstes wird, wie in gezeigt, die zweite Opferschicht 93 gebildet, dann werden in der zweiten Opferschicht 93 mittels eines Photoresistprozesses und eines Fräsprozesses Öffnungen gebildet, und die oberen Teile der ersten elektrischen Verbindungselemente 5 werden durch Plattieren gebildet.
Als nächstes werden, wie in dargestellt, die erste und zweite Opferschicht 92, 93 durch Veraschung entfernt.
Als nächstes wird, wie in gezeigt, das zweite Substrat 3 auf den Kopf gestellt und mit dem ersten Substrat 2 verklebt. Die unteren Enden der ersten elektrischen Verbindungselemente 5 werden mit Pads 20 verbunden, die mit einem ROIC usw. verbunden sind. Obwohl nicht dargestellt, sind sowohl das erste Substrat 2 als auch das zweite Substrat 3 mit den Seitenwänden 4 verbunden, so dass ein Innenraum 7 zwischen dem ersten Substrat 2 und dem zweiten Substrat 3 entsteht.
Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und ausführlich beschrieben wurden, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist oder Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 5923617 B [0004, 0005]

Claims

Ein Sensor für elektromagnetische Wellen, umfassend: ein erstes Substrat, ein zweites Substrat, das dem ersten Substrat zugewandt ist, um so einen inneren Raum zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat zu bilden, wobei das zweite Substrat Infrarotstrahlen durchlässt; eine Vielzahl von Bolometermembranen, die im Innenraum vorgesehen ist und die von dem zweiten Substrat getragen wird; eine lokale Wärmequelle, die im ersten Substrat gebildet ist; ein erstes elektrisches Verbindungselement, das das erste Substrat mit dem zweiten Substrat verbindet; und eine Leitung, die sich auf oder in dem zweiten Substrat erstreckt und die das erste elektrische Verbindungselement mit der Bolometermembran verbindet.
Sensor für elektromagnetische Wellen nach Anspruch 1, der ferner ein zweites elektrisches Verbindungselement umfasst, das sich vom zweiten Substrat zum ersten Substrat erstreckt, und die Bolometermembran wird von dem zweiten elektrischen Verbindungselement mit einem Abstand vom zweiten Substrat getragen.
Der Sensor für elektromagnetische Wellen nach Anspruch 2, wobei das zweite elektrische Verbindungselement einen Kondensator enthält.
Sensor für elektromagnetische Wellen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit einer Vielzahl von selektiven Transistoren, die in dem zweiten Substrat ausgebildet sind, wobei der selektive Transistor eine Bolometermembran aus einer Vielzahl der Bolometermembranen auswählt.
Sensor für elektromagnetische Wellen nach Anspruch 4, wobei die selektiven Transistoren so angeordnet sind, dass die selektiven Transistoren einen Bereich des zweiten Substrats vermeiden, in dem das zweite Substrat der Bolometermembran zugewandt ist.
Sensor für elektromagnetische Wellen nach Anspruch 4 oder 5, der ferner eine Filterschicht aufweist, der auf einer äußeren Oberfläche des zweiten Substrats ausgebildet ist, wobei die Filterschicht ein Licht dämpft, das eine größere Energiemenge als die Energiebandlücke des selektiven Transistors hat.
Sensor für elektromagnetische Wellen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Bolometermembranen in Reihen in einem konstanten Abstand zumindest in einer ersten Richtung angeordnet sind und die ersten elektrischen Verbindungselemente an einem Ende oder am anderen Ende der Reihen der Bolometermembranen positioniert sind, wobei eine Länge der Leitung, die das erste elektrische Verbindungselement mit der Bolometermembran verbindet, die dem ersten elektrischen Verbindungselement am nächsten liegt, größer als der Abstand ist.
Elektromagnetischer Wellensensor nach Anspruch 7, wobei eine Vielzahl der Bolometermembranen ein Array bildet, wobei das Array aus den Zeilen und Spalten der Bolometermembranen besteht, wobei die Bolometermembranen entlang der Spalten in einem konstanten Abstand in einer zweiten Richtung, die die erste Richtung schneidet, angeordnet sind, wobei ein Teil der ersten elektrischen Verbindungselemente abwechselnd an einem Ende und dem anderen Ende der Zeilen positioniert sind und die verbleibenden ersten elektrischen Verbindungselemente abwechselnd an einem Ende und dem anderen Ende der Spalten positioniert sind.
Elektromagnetischer Wellensensor nach Anspruch 8, wobei mindestens entweder die ersten elektrischen Verbindungselemente, die am einen Ende der Reihen positioniert sind, oder die ersten elektrischen Verbindungselemente, die am anderen Ende der Reihen positioniert sind, in der ersten Richtung gegeneinander verschoben sind.
Sensor für elektromagnetische Wellen nach Anspruch 8 oder 9, wobei mindestens entweder die ersten elektrischen Verbindungselemente, die an dem einen Ende der Säulen positioniert sind, oder die ersten elektrischen Verbindungselemente, die am anderen Ende der Säulen positioniert sind, in der zweiten Richtung voneinander verschoben sind.
Sensor für elektromagnetische Wellen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner mit einer ersten Strahlungsabschirmung, die zwischen der Bolometermembran und dem ersten Substrat angeordnet ist, wobei die erste Strahlungsabschirmung die Strahlung von dem ersten Substrat dämpft.
Sensor für elektromagnetische Wellen nach Anspruch 11, der ferner Trägerelemente umfasst, die sich vom zweiten Substrat zum ersten Substrat erstrecken, wobei die erste Strahlungsabschirmung von den Trägerelementen getragen wird.
Sensor für elektromagnetische Wellen nach Anspruch 11 oder 12, wobei eine Oberfläche des ersten Strahlungsschildes, die der Bolometermembran zugewandt ist, eine reflektierende Oberfläche aufweist, die Infrarotstrahlen reflektiert, und der Abstand zwischen der reflektierenden Oberfläche und der Bolometermembran 2 bis 3,5 µm beträgt.
Der Sensor für elektromagnetische Wellen nach einem der Ansprüche 1 bis 13, weiterhin aufweisend einem Getterfilm, der im Innenraum positioniert ist.
Sensor für elektromagnetische Wellen nach einem der Ansprüche 1 bis 14, ferner mit einem ersten Antireflexfilm, der mindestens einen Teil einer Außenfläche des zweiten Substrats bildet.
Sensor für elektromagnetische Wellen nach einem der Ansprüche 1 bis 15, ferner mit einem zweiten Antireflexfilm, der mindestens einen Teil einer Innenfläche des zweiten Substrats bildet.
Sensor für elektromagnetische Wellen nach Anspruch 16, wobei der zweite Antireflexionsfilm ein laminierter Film ist, der aus einer Vielzahl von Isolierfilmen besteht, und die Leitung innerhalb des laminierten Films positioniert ist.
Sensor für elektromagnetische Wellen nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei ein erster konvexer Bereich in einem Bereich einer äußeren Oberfläche des zweiten Substrats gebildet wird, der der Bolometermembran zugewandt ist.
Sensor für elektromagnetische Wellen nach Anspruch 18, wobei ein zweiter konvexer Bereich, der weiter nach außen vorsteht als der erste konvexe Bereich, in einem Bereich der äußeren Oberfläche des zweiten Substrats gebildet wird, der nicht der Bolometermembran zugewandt ist.
Der Sensor für elektromagnetische Wellen nach einem der Ansprüche 1 bis 19, weiter umfassend: eine Blindzelle zur Temperaturkompensation der Ausgangsleistung der Bolometermembran; und eine Strahlungsabschirmung, die in einem Bereich des zweiten Substrats gebildet wird, der der Blindzelle zugewandt ist.
Sensor für elektromagnetische Wellen nach Anspruch 20, wobei eine zweite Strahlungsabschirmung zwischen der Blindzelle und dem ersten Substrat angeordnet ist, wobei die zweite Strahlungsabschirmung die Strahlung von dem ersten Substrat begrenzt.
Elektromagnetischer Wellensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 21, ferner mit einer wärmezerstreuenden Platte, die in einem Bereich des ersten Substrats ausgebildet ist, der den Bolometermembranen zugewandt ist, wobei die wärmezerstreuende Platte eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das erste Substrat aufweist.