JP2012127881A - 赤外線センサおよび赤外線センサアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線吸収膜の帯電を防止した、赤外線検出感度の高い赤外線センサおよび赤外線センサアレイを提供する。
【解決手段】赤外線を検出する赤外線センサ１００において、凹部２を有する基板１と、基板１に接続された支持脚４で凹部２の上に支持され、検知素子６を含む温度検知部３と、温度検知部３の上に載置され、赤外線吸収金属膜１２を含む赤外線吸収部７であって、基板１の表面に平行な傘部１７と傘部１７を温度検知部３に接合する接合部１４とを含む赤外線吸収部７とを含み、傘部１７の赤外線吸収金属膜１２と、接合部１４の赤外線吸収金属膜１２とが、電気的に絶縁されているか、または赤外線吸収金属膜１２は、少なくとも接合部１４の、温度検知部３の表面に接合された部分には設けない。
【選択図】図２

Description

本発明は、赤外線センサおよび赤外線センサアレイに関し、特に、赤外線吸収部を備えた非冷却赤外線センサおよび赤外線センサアレイに関する。

非冷却赤外線センサは、熱型赤外線センサとも呼ばれるように、センサに入射した赤外線を熱に変換し、温度変化による物性値の変化を電気信号として読み出している。このセンサの単位画素では、赤外線の検出感度を高めるために、ダイオード等の検知素子が形成された温度検知部を凹部の上に支持脚で保持して基板から隔離する断熱構造を採用している。また、温度検知部の上には傘状の赤外線吸収部を形成して、入射する赤外線を大面積で吸収し、これを温度検知部に伝えることにより、赤外線の検出感度を高めている。

赤外線吸収部は、例えば、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜の間に窒化チタンからなる赤外線吸収金属膜が挟まれた積層構造からなる。赤外線の吸収効率を向上させるために、赤外線吸収金属膜は全面に形成される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２３３６７１号公報

赤外線吸収部は傘部と傘部から張り出した接合部からなり、この接合部により温度検知部上に載置されているが、この接合部も赤外線吸収金属膜が絶縁膜で挟まれた積層構造からなる。このため、温度検知部の検知素子に通電して電気的特性を検出する場合に、絶縁膜を介して配置された赤外線吸収金属膜中に電荷が発生し、赤外線吸収金属膜全体が帯電する。この結果、赤外線吸収金属膜と基板との間に静電力が発生し、画素（支持脚で支持された温度検知部と赤外線吸収部）が傾いて検出感度にムラが生じたり、赤外線吸収部と赤外線反射部とが接触し断熱不良による欠陥画素となるという問題があった。

そこで、本発明は、赤外線吸収膜の帯電を防止した、赤外線検出感度の高い赤外線センサおよび赤外線センサアレイの提供を目的とする。

本発明は、赤外線を検出する赤外線センサであって、凹部を有する基板と、基板に接続された支持脚で凹部の上に支持され、検知素子を含む温度検知部と、温度検知部の上に載置され、赤外線吸収金属膜を含む赤外線吸収部であって、基板の表面に平行な傘部と傘部を温度検知部に接合する接合部とを含む赤外線吸収部とを含み、傘部の赤外線吸収金属膜と、接合部の赤外線吸収金属膜とが、電気的に絶縁されていることを特徴とする赤外線センサである。

また、本発明は、上述の赤外線センサをマトリックス状に配置したことを特徴とする赤外線センサアレイでもある。

本発明にかかる赤外線センサおよび赤外線センサアレイでは、赤外線吸収部の帯電による赤外線吸収部や温度検知部の傾きを防止し、高精度な赤外線検出が可能となる。

本発明の実施の形態１にかかる赤外線センサの平面図である。 本発明の実施の形態１にかかる赤外線センサの断面図である。 本発明の実施の形態２における赤外線センサの平面図である。 本発明の実施の形態２における赤外線センサの断面図である。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる赤外線センサの１画素分の平面図である。また、図２は、図１のＩ−Ｉにおける断面図である。

図２に示すように、赤外線センサ１００は、Ｓｉ基板１を含む。Ｓｉ基板１には凹部２とエッチングストップ層５が設けられている。エッチングストップ層５は、凹部２を形成する場合に、隣接画素まで凹部２が拡がるのを防止するために設けられている。

凹部２の上には、温度検知部３が支持脚４により支持されている。温度検知部３にはダイオード等の検知素子６が形成され、検知素子６の温度特性の変化を利用して赤外線を検出している。ダイオードに代えて、酸化バナジウム（ＶＯｘ）等からなるボロメータや、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる焦電素子を用いても良い。

支持脚４は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ等からなる絶縁膜８と、チタン、コバルト、アルミニウム等の金属薄膜からなる配線層９とを含む。配線層９は、検知素子６とＳｉ基板１上の配線１０とに電気的に接続されている。配線１０は、更に、駆動回路や読み出し回路（図示せず）に接続されている。

温度検知部３の上には、赤外線の吸収率を高めるために、傘状の赤外線吸収部７が設けられている。赤外線吸収部７は、例えば窒化チタンからなる赤外線吸収金属膜１２と、これを挟むように形成された、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮ等からなる絶縁膜１１ａ、１１ｂとの積層構造からなる。赤外線吸収金属膜１２は、例えばシート抵抗値が２００Ω／□〜５００Ω／□、理論的には３７７Ω／□であり、金属膜、金属酸化膜または金属窒化膜からなり、赤外線吸収部７の全体に形成されている。

赤外線吸収部７は、Ｓｉ基板１の表面に平行な傘部１７と、Ｓｉ基板１の方向に張り出した接合部１４とを有し、この接合部１４で温度検知部３の上に接続されている。この接合部１４も赤外線吸収金属膜１２が絶縁膜１１ａ、１１ｂに挟まれた積層構造からなる。

赤外線吸収部７に設けられた赤外線吸収金属膜１２には、スリット１６が設けられ、接合部１４の赤外線吸収金属膜１２と、傘部１７の赤外線吸収金属膜１２との間を電気的に絶縁している。

また、赤外線吸収部７の傘部１７にはエッチングホール１５が設けられている。かかるエッチングホール１５は、凹部２をエッチングするためのエッチングガスが通るものであるが、無い場合もある。

Ｓｉ基板１と赤外線吸収部７との間には、例えばアルミニウム等の金属からなる赤外線反射部１３が設けられている。赤外線反射部１３は、赤外線吸収部７を透過した赤外線を反射させて、再度赤外線吸収部７に入射させて赤外線の検出効率を向上させるものであるが、形成しない場合もある。

次に、赤外線センサ１００の動作原理について説明する。赤外線センサ１００に入射した赤外線は赤外線吸収部７に吸収される。赤外線吸収部７を透過した赤外線も赤外線反射部１３で反射され、裏面から赤外線吸収部７に入射し吸収される。

赤外線吸収部７は結合部１４により温度検知部３に接合されており、赤外線吸収部７に入射した赤外線により発生した熱を温度検知部３に伝える。この熱により温度検知部３の温度が変化し、検知素子６の電気特性が変化する。

検知素子６の電気特性の変化を示す電気信号は、支持脚４の配線層９、Ｓｉ基板１上の配線１０を通って読み出し回路等（図示せず）に伝達され検出される。これにより、赤外線吸収部７に入射した赤外線の量が、電気信号として検出される。

通常、赤外線センサ１００は、マトリックス状に配置されて赤外線センサアレイを形成する。かかる赤外線センサアレイを用いることにより、赤外線を発する物体の画像を得ることができる。

本実施の形態１にかかる赤外線センサ１００および赤外線センサアレイでは、赤外線吸収金属膜１２にスリット１６が設けられ、接合部１４と傘部１７の赤外線吸収金属膜１２を電気的に絶縁する構造となっている。このため、温度検知部３の電気的特性を検出する際に接合部１４の赤外線吸収金属膜１２中に電荷が発生しても、傘部１７の赤外線吸収金属膜１２が帯電することはない。従って、従来構造のように、赤外線吸収金属膜１２とＳｉ基板１との間に静電力が発生し、画素（温度検知部と赤外線吸収部）が傾くことがなく、検出感度のムラや欠陥画素が発生せず、高精度な赤外線検出が可能となる。

次に、赤外線センサ１００の製造方法について説明する。基本的には、従来技術（特許文献１）に開示されたような一般的な製造プロセスを用いるが、赤外線吸収金属膜１２をパターニングする工程を有する点が異なっている。

Ｓｉ基板１の上に読み出し回路（図示せず）等を作製した後、検知素子６を含む温度検知部３、および配線層９を含む支持脚４を形成する。

次に、第１の有機犠牲層（図示せず）を堆積させた後、赤外線反射部１３を形成する。続いて、第２の犠牲層（図示せず）を形成する。

次に、第１および第２犠牲層に開口部を形成し、温度検知部３の表面の一部を露出させる。

次に、第２犠牲層上にＳｉＯ_２からなる絶縁膜１１ａ、赤外線吸収金属膜１２を順次形成する。

次に、接合部１４と傘部１７の赤外線吸収金属膜１２を分離するために、フォトレジストで写真製版した後、ウエットエッチングまたはドライエッチングにより赤外線吸収金属膜１２を部分的にエッチング除去してスリット１６を形成する。エッチングはパターンが微細なため、ドライエッチングを用いることが好ましい。

次に、レジストマスクを除去した後、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜１１ｂを形成し、赤外線吸収金属膜１２を絶縁膜１１ａ、１１ｂで挟んだ積層構造とする。

次に、赤外線吸収部７、第１および第２犠牲層、赤外線反射部１３等をエッチングし、Ｓｉ基板１に達するエッチングホール１５を開口する。

次に、例えばＸｅＦ_２ガスによりＳｉ基板１をエッチングし、凹部２を形成する。凹部２の横方向の拡がりは、エッチングストップ層５により妨げられる。最後に、第１および第２の有機犠牲層を酸素ガスによるプラズマアッシングにより除去する。

以上の工程により、傘状の赤外線吸収部７が設けられた赤外線検知部３がＳｉ基板１に支持脚４で支持された赤外線センサ１００が完成する。

実施の形態２．
図３は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２にかかる赤外線センサの１画素分の平面図である。また、図４は、図３のIII−IIIにおける断面図である。図３、４中、図１、２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。

本実施の形態２にかかる赤外線センサ２００では、傘部１７と、傘部１７から張り出した接合部１４を有する赤外線吸収部７において、赤外線吸収金属膜１２が傘部１７にのみ設けられ、接合部１４には設けない構造となっている。なお、赤外線吸収金属膜１２は、少なくとも接合部１４の、温度検知部３の表面に接合された部分に設けないことで、所定の効果を得ることができる。

赤外線センサ１００と同様に、赤外線センサ２００をマトリックス状に配置して赤外線センサアレイを形成できる。

かかる構造を採用することにより、温度検知部３の電気的特性を検出する際に赤外線吸収金属膜１２が帯電することはなく、検出感度のムラや欠陥画素が発生せず、高精度な赤外線検出が可能となる。

本実施の形態２にかかる赤外線センサ２００の製造は、赤外線吸収金属膜１２を傘部１７のみに選択的に作製するか、赤外線吸収金属膜１２を全面に形成した後に接合部１４の赤外線吸収金属膜１２を選択的に除去して行う。

１ Ｓｉ基板、２ 凹部、３ 温度検知部、４ 支持脚、５ エッチングストップ層、６ 検知素子、７ 赤外線吸収部、８ 絶縁膜、９ 配線層、１０ 配線、 １１ａ、１１ｂ 絶縁膜、１２ 赤外線吸収金属膜、１３ 赤外線反射部、１４ 接合部、１５ エッチングホール、１６ スリット、１７ 傘部、１００、２００ 赤外線センサ。

Claims (6)

1. 赤外線を検出する赤外線センサであって、
   凹部を有する基板と、
   該基板に接続された支持脚で該凹部の上に支持され、検知素子を含む温度検知部と、
   該温度検知部の上に載置され、赤外線吸収金属膜を含む赤外線吸収部であって、該基板の表面に平行な傘部と該傘部を該温度検知部に接合する接合部とを含む該赤外線吸収部とを含み、
   該傘部の赤外線吸収金属膜と、該接合部の赤外線吸収金属膜とが、電気的に絶縁されていることを特徴とする赤外線センサ。
2. 上記傘部の赤外線吸収金属膜と、上記接合部の赤外線吸収金属膜とが、該赤外線検出膜に設けられたスリットで分離されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 赤外線を検出する赤外線センサであって、
   凹部を有する基板と、
   該基板に接続された支持脚で該凹部の上に支持され、検知素子を含む温度検知部と、
   該温度検知部の上に載置された赤外線吸収金属膜を含む赤外線吸収部であって、該基板の表面に平行な傘部と、該傘部の一部を張り出させ、該傘部を該温度検知部に接合する接合部とを含む該赤外線吸収部とを含み、
   該赤外線吸収金属膜は、少なくとも該接合部の、該温度検知部の表面に接合された部分には設けないことを特徴とする赤外線センサ。
4. 上記赤外線吸収膜は、上記傘部のみに設けられたことを特徴とする請求項３に記載の赤外線センサ。
5. 上記赤外線吸収部は、上記赤外線吸収金属膜の上下を絶縁膜で挟む積層構造からなる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センサ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の赤外線センサをマトリックス状に配置したことを特徴とする赤外線センサアレイ。