JP2013246021A - 熱型電磁波検出素子、熱型電磁波検出素子の製造方法、熱型電磁波検出装置および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】熱型電磁波検出素子1は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた支持部材と、前記支持部材上に設けられ、受けた電磁波の量に応じた電気信号を1対の電極から取り出すことのできる検出部5と、前記半導体基板を貫通し、前記1対の電極と電気的に接続された導電性を有する1対のビア31、32とを有し、前記半導体基板の前記1対のビア31、32の間に、前記支持部材側に開放する空隙23が設けられている。
【選択図】図2
Description
本発明の熱型電磁波検出素子は、半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた支持部材と、
前記支持部材上に設けられ、受けた電磁波の量に応じた電気信号を1対の電極から取り出すことのできる検出部と、
前記半導体基板を貫通し、前記1対の電極と電気的に接続された導電性を有する1対のビアとを有し、
前記半導体基板の前記1対のビアの間に、前記支持部材側に開放する空隙が設けられていることを特徴とする。
また、半導体基板に空隙が設けられているので、その空隙を形成する際は、耐熱性の低い樹脂製の犠牲層を用いる必要がなく、これにより、検出部を形成する際の温度を、その検出部の形成に十分な温度にしても問題がなく、これによって、高性能の検出部を形成することができる。
これにより、より確実に、空隙の角部の近傍において、半導体基板等が破損や変形することを防止することができる。
本発明の熱型電磁波検出素子では、前記空隙は、前記半導体基板に対してエッチング処理を施すことにより形成されたものであることが好ましい。
これにより、容易かつ確実に、空隙を形成することができる。
これにより、半導体基板に対してエッチング処理を施して空隙を形成する際に検出部や支持部材を保護することを目的とする保護層を形成する必要がなく、これによって、その保護層の分、熱伝導率を低くすることができる。これにより、検出部の熱がビアや半導体基板に伝達されるのを抑制することができる。そのため、検出部にて、より効率的に電磁波を検出することができる。
これにより、1対の電極と1対のビアとを電気的に接続する1対の電極配線と、1対のビアとを電気的に接続する際、互いの接触面積を小さくすることができ、これによって、検出部の熱がその電極配線を介してビアに伝達されるのを抑制することができる。そのため、検出部にて、より効率的に電磁波を検出することができる。
前記1対の電極配線は、それぞれ、前記支持部材を貫通して前記1対のビアと電気的に接続されていることが好ましい。
これにより、1対の電極配線と、1対のビアとを電気的に接続する際、互いの接触面積を小さくすることができ、これによって、検出部の熱がその電極配線を介してビアに伝達されるのを抑制することができる。そのため、検出部にて、より効率的に電磁波を検出することができる。
これにより、1対のビアが支持部材を貫通していない場合に比べ、容易に、熱型電磁波検出素子を製造することができる。
本発明の熱型電磁波検出素子では、前記1対のビアは、それぞれ、その横断面積が前記支持部材側へ向けて漸減していることが好ましい。
これにより、ビアと検出部との接触面積を小さくすることができ、検出部からビアへの熱伝達を抑制することができる。そのため、検出部がより効率的に電磁波を検出することができる。
前記半導体基板を貫通し、前記1対の電極と電気的に接続された導電性を有する1対のビアを形成する工程と、
前記半導体基板に対してエッチング処理を施し、該半導体基板の前記1対のビアの間に、前記支持部材側に開放する空隙を形成する工程とを有することを特徴とする。
また、半導体基板に空隙を形成するので、耐熱性の低い樹脂製の犠牲層を用いる必要がなく、これにより、検出部を形成する際の温度を、その検出部の形成に十分な温度にしても問題がなく、これによって、高性能の検出部を形成することができる。
前記半導体基板を貫通し、導電性を有する1対のビアを形成する工程と、
前記支持部材上に、前記1対のビアと電気的に接続された1対の電極を有し、受けた電磁波の量に応じた電気信号を該1対の電極から取り出すことのできる検出部を形成する工程と、
前記半導体基板に対してエッチング処理を施し、該半導体基板の前記1対のビアの間に、前記支持部材側に開放する空隙を形成する工程とを有することを特徴とする。
また、半導体基板に空隙を形成するので、耐熱性の低い樹脂製の犠牲層を用いる必要がなく、これにより、検出部を形成する際の温度を、その検出部の形成に十分な温度にしても問題がなく、これによって、高性能の検出部を形成することができる。
これにより、上述の効果を発揮することのできる熱型電磁波検出装置が得られる。
本発明の電子機器は、本発明の熱型電磁波検出素子を少なくとも1つ備えることを特徴とする。
これにより、上述の効果を発揮することのできる電子機器が得られる。
本発明の電子機器では、複数の前記熱型電磁波検出素子が2次元的に配置された熱型電磁波検出装置を備える撮像装置であることが好ましい。
これにより、電子機器を、例えば、赤外線カメラ、サーモグラフィー、車載用ナイトビジョン、監視カメラなどとして用いることができる。
<第1実施形態>
まず、本発明の熱型電磁波検出素子の第1実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る熱型電磁波検出素子を示す平面図、図2は、図1に示す熱型電磁波検出素子の断面図、図3〜図6は、図1に示す熱型光検出素子の製造方法を説明する断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図2〜図6中の上側を「上」、下側「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
図1および図2に示す熱型電磁波検出素子1は、電磁波を検出する焦電型の検出素子である。電磁波には、例えば、電波、赤外線、可視光線、赤外線、X線、ガンマ線が含まれるが、以下では、代表して、主に赤外線(およそ0.7μm〜1000μmの波長を有する光)を検出する焦電型の赤外線検出素子について説明する。なお、電波、可視光線、赤外線、X線、ガンマ線等の赤外線以外の電磁波を検出する場合についても、熱型電磁波検出素子1と同様の構成とすることができる。
ビア31、32は、基板2をその厚さ方向に貫通しており、基板2のビア31とビア32との間に、メンブレン4側に開放する空隙(空間)23が設けられている。そして、この空隙23によって、検出部5と基板2とが熱分離されている。
基板2は、メンブレン4を支持する機能を有する。基板2の構成材料としては、半導体材料であれば、特に限定されず、例えば、Si(シリコン)、GaAs等を用いることができる。
ここで、後述する空隙23は、基板2に対してエッチング処理を施すことにより形成されることが好ましい。これより、容易かつ確実に、空隙23を形成することができる。そして、空隙23をエッチング処理により形成する場合には、そのエッチング処理における基板2の構成材料のエッチングレートが、メンブレン4の構成材料のエッチングレートよりも高くなるように、基板2の構成材料およびメンブレン4の構成材料をそれぞれ選択する。
また、前記エッチング処理における基板2の構成材料のエッチングレートをa、メンブレン4の構成材料のエッチングレートをbとしたとき、そのエッチングレートの比(選択比)a/bは、10以上であることが好ましく、10以上100以下であることがより好ましく、20以上100以下であることがさらに好ましい。
また、基板2の厚さとしては、特に限定されず、例えば、10〜800μm程度とすることができる。
図2に示すように、このような基板2の下面21には、2つの外部接続端子28、29が形成されている。これら2つの外部接続端子28、29は、後述するように検出部5と電気的に接続されている。
この空隙23は、平面視で、検出部5のキャパシター51を包含するように形成されている。これにより、空隙23によって、検出部5と基板2、特にキャパシター51と基板2とを熱分離することができる。
なお、空隙23の高さが10〜20μmを超えると、空隙23の高さが検出部5と基板2とを熱分離するのに十分な高さとなる。そのため、空隙23の高さを10〜20μm以上とすることにより、例えば、熱型電磁波検出素子1がパッケージに収容されている場合には、空隙23の真空度(パッケージ内の真空度)を高めなくても検出部5と基板2とを十分に熱分離することができ、その製造が容易となる。
図1および図2に示すように、メンブレン4は、板状をなしており、検出部5を搭載して支持する板状の搭載部41と、搭載部41の縁部から両側へ向けて延出する2本のアーム42、43とを有している。このようなメンブレン4は、2本のアーム42、43にて基板2に支持されている。搭載部41および各アーム42、43は、例えば、単一の部材をエッチング等によりパターニングすることにより一体的に形成することができる。
アーム42は、その基端が搭載部41と連結しており、基板2に支持されている。同様に、アーム43は、その基端が搭載部41と連結しており、基板2に支持されている。また、各アーム42、43は、長尺かつ細幅であって、一方向(所定方向)に延びる直線状をなしている。また、これら2本のアーム42、43は、搭載部41の中心に対して点対称に形成されている。
各アーム42、43をこのような長さ、幅および厚さとすることにより、上述の効果をより効果的に発揮することができるとともに、熱型電磁波検出素子1の小型化を図ることができる。さらに、各アーム42、43の撓みを抑制することができ、搭載部41に搭載された検出部5の不本意な姿勢の変化(振動、搖動等)を抑制することもできる。これにより、熱型電磁波検出素子1は、小型でかつ優れた信頼性を有するものとなる。
なお、メンブレン4は、単層で構成されていてもよいし、複数の層が積層した積層体で構成されていてもよい。積層体で構成する場合には、メンブレン4は、例えば、Si3N4膜(シリコン窒化膜)、SiO2膜(シリコン酸化膜)、Si3N4膜(シリコン窒化膜)がこの順で積層された積層膜で構成することができる。
検出部5は、赤外線(およそ0.7μm〜1000μmの波長を有する光)を検出する機能を有している。
図2に示すように、検出部5は、メンブレン4の搭載部41の上面に形成された下部電極511と、この下部電極511上に重ねて形成された焦電体層512と、この焦電体層512上に重ねて形成された上部電極513とにより構成されたキャパシター51を有している。
焦電体層512の厚さは、特に限定されず、例えば、0.05〜0.2μm程度とすることができる。
下部電極511および上部電極513の厚さは、特に限定されず、例えば、0.3〜0.6μm程度とすることができる。
また、絶縁膜52には、下部電極511に通じる第1コンタクトホール521と、上部電極513に通じる第2コンタクトホール522とが形成されている。
絶縁膜52は、単層からなる単層構造であっても、複数層が積層されてなる積層構造であってもよい。絶縁膜52を積層構造とする場合には、例えば、Al2O3で構成された第1層と、SiO2またはSi3N4で構成された第2層とを積層した構造とすることができる。
赤外線吸収膜56の構成材料としては、赤外線の吸収率が高い材料であれば、特に限定されず、例えば、Si、SiO2、Si3N4、Ti−Ni系合金、Ni−Cr系合金、C、金黒、ポリイミドなどを用いることができる。
以上、検出部5について説明した。
ビア31、32は、導電性を有しており、下部電極配線53と外部接続端子28、および、上部電極配線54と外部接続端子29を、電気的に接続する機能を有している。
図1に示すように、ビア31は、基板2およびメンブレン4のアーム42を貫通して設けられており、その上面(頂面)311が、アーム42の上面421と一致しており、下部電極配線53と接触している。これにより、ビア31と下部電極配線53とが電気的に接続される。また、ビア31がメンブレン4を貫通して設けられていることにより、メンブレン4の上面に形成された下部電極配線53との導通を簡単かつ確実に行うことができる。
このように、熱型電磁波検出素子1では、ビア31を介して下部電極配線53(下部電極511)と外部接続端子28とが電気的に接続されている。
このように、熱型電磁波検出素子1では、ビア32を介して上部電極配線54(上部電極513)と外部接続端子29とが電気的に接続されている。
また、ビア31、32の形状は、特に限定されず、例えば、三角錐台、四角錐台等であってもよいし、円柱、三角柱、四角柱のような柱状であってもよい。また、ビア31、32は、中実体に限定されず、中空体であってもよい。
このようなビア31、32は、絶縁膜63で覆われている。絶縁膜63は、ビア31、32と、基板2とを絶縁する機能を有している。
絶縁膜63は、単層からなる単層構造であっても、複数層が積層されてなる積層構造であってもよい。絶縁膜63を積層構造とする場合には、例えば、Al2O3で構成された第1層と、SiO2またはSi3N4で構成された第2層とを積層した構造とすることができる。
また、本実施形態では、ビアが1対形成されているが、ビアの数は、2つ以上であれば、特に限定されず、例えば、3つ以上であってもよい。
以上、熱型電磁波検出素子1の構成について説明した。
次に、熱型電磁波検出素子の製造方法(本発明の熱型電磁波検出素子の製造方法)について、熱型電磁波検出素子1の製造方法を例に挙げて説明する。なお、以下では、説明の便宜上、各部の構成材料を特定して説明するが、各部の構成材料は、その特定されたものに限定されるものではなく、上述したような各種材料を用いることができる。
まず、図3(a)に示すように、Siで構成された基板2を用意する。
[2]基板接合工程
次に、図3(b)に示すように、基板2の上面に、SiO2で構成された基板40を接合する。この基板40は、後のパターニング工程を経てメンブレン4となる基板である。
次に、図3(c)に示すように、例えば、フォトリソグラフィ法を用いて基板40の上面に搭載部41およびアーム42、43に対応するマスクを形成し、ドライエッチング法などを用いて基板40をパターニングした後、マスクを除去する。これにより、搭載部41およびアーム42、43が一体的に形成されたメンブレン4が形成される。
次に、搭載部41の上面に下部電極511を形成する。具体的には、まず、Ir(イリジウム)、IrOx(酸化イリジウム)、Pt(白金)を、この順に、蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング、PVD(Phiscal Vaper Deposition)、CVD(Chemical Vaper Deposition)などの気相成膜法により成膜する。次に、フォトリソグラフィ法などを用いて膜上に下部電極511に対応するマスクを形成し、ドライエッチング法などを用いて膜をパターニングした後、マスクを除去する。これにより、下部電極511が形成される。
以上により、図4(a)に示すように、キャパシター51が形成される。
以上により、図4(b)に示すように、検出部5が形成され、積層体9が得られる。
まず、図4(c)に示すように、基板2の下面21に、フォトリソグラフィ法などを用いてビア31、32および絶縁膜63を除く部位に対応するマスクを形成し、ドライエッチング法などを用いて基板2およびメンブレン4を貫通する孔(スルーホール)81、82を形成し、マスクを除去する。
次に、図5(a)に示すように、孔81、82の内周面に、前述したような気相成膜法により、Al2O3で構成された絶縁膜63を形成する。
次に、図5(b)に示すように、孔81、82にCu(銅)を充填し、ビア31、32を形成する。
次に、図6(a)に示すように、基板2の下面21に外部接続端子28、29を形成する。具体的には、まず、基板2の下面21に、Ni−Cr系合金、Au(金)を、この順に前述したような気相成膜法により成膜する。次に、フォトリソグラフィ法などを用いて膜上に外部接続端子28、29に対応するマスクを形成し、ドライエッチング法などを用いて膜をパターニングした後、マスクを除去する。これにより、外部接続端子28、29が形成される。
次に、図6(b)に示すように、基板2に対してエッチング処理を施し、空隙23を形成する。具体的には、フォトリソグラフィ法などを用いて空隙23を形成する部位を除いた部位に対応するマスクを形成し、ドライエッチング法などを用いて空隙23を形成した後、マスクを除去する。
以上により、熱型電磁波検出素子1が得られる。
また、基板2に空隙23を形成するので、耐熱性の低い樹脂製の犠牲層を用いる必要がなく、これにより、検出部5を形成する際の温度を、その検出部5の形成に十分な温度にしても問題がなく、これによって、高性能の検出部5を形成することができる。
次に、本発明の熱型電磁波検出素子の第2実施形態について説明する。
図7は、本発明の第2実施形態に係る熱型電磁波検出素子を示す断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図7中の上側を「上」、下側「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
図7に示すように、第2実施形態の熱型電磁波検出素子1では、ビア31、32は、メンブレン4を貫通していない。具体的には、ビア31、32のメンブレン4側の面、すなわち上面(頂面)311、321は、メンブレン4の基板2側の面側、すなわちアーム42の下面422、アーム43の下面432側に位置している。また、ビア31の上面311、ビア32の上面321は、基板2の上面22と一致している。
同様に、アーム43におけるビア32の上面321に対応する部位には、そのアーム43を貫通するコンタクトホール433が形成されている。上部電極配線54は、その一端部にて、アーム43を貫通して、すなわちコンタクトホール433を通じて、ビア32の上面321に接触し、ビア32と電気的に接続されている。
このような第2実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
次に、本発明の熱型電磁波検出素子の第3実施形態について説明する。
図8は、本発明の第3実施形態に係る熱型電磁波検出素子を示す断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図8中の上側を「上」、下側「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
図7に示すように、第3実施形態の熱型電磁波検出素子1では、空隙23は、基板2をその厚さ方向に貫通している。換言すれば、空隙は、基板2の上面22側、すなわち基板2のメンブレン4側のみならず、基板2の下面21側、すなわち基板2のメンブレン4と反対側にも開放している。
このような第3実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
なお、第3実施形態は、前述した第2実施形態にも適用することができる。すなわち、第2実施形態においても、空隙23は、基板2の下面21側、すなわち基板2のメンブレン4と反対側にも開放していてもよい。
次に、熱型電磁波検出素子1を適用した熱型電磁波検出装置(本発明の熱型電磁波検出装置)10について説明する。
図9は、本発明の熱型電磁波検出装置の好適な実施形態を示す平面図、図10は、図9に示す熱型電磁波検出装置の断面図である。
センサー基板11に配置される熱型電磁波検出素子1の数としては、例えば、320×240程度とすることができる。これにより、QVGA程度の表示解像度が得られ、例えば、センサーデバイス10をカメラ等に適用する場合に、その使用目的によっても異なるが十分な解像度を有する画像を提供することができる。なお、センサー基板11に配置される熱型電磁波検出素子1の数としては、特に限定されず、例えば、640×480程度であってもよい。これにより、VGA程度の表示解像度が得られ、高い解像度を有する画像を提供することができる。
制御回路122は、各熱型電磁波検出素子1の駆動を制御する機能を有する。また、各読み出し回路121は、対応する熱型電磁波検出素子1から出力された信号を個別に処理する。読み出し回路121によって処理された各熱型電磁波検出素子1からの信号は、A/D変換回路123によってデジタル信号に変換され、デジタルの画像信号として出力される。
なお、図示の構成では、複数の熱型電磁波検出素子1が2次元的に配列されているが、これに限定されず、複数の熱型電磁波検出素子1が1列(1軸方向)に並んで配置されていてもよい。この場合、直線状に並んだものの他、例えば、円形に並んだものでもよい。
次に、熱型電磁波検出素子1(センサーデバイス10)を適用した電子機器(本発明の電子機器)について説明する。
(テラヘルツカメラ)
図11は、センサーデバイス10を利用した電子機器の一具体例に係るテラヘルツカメラ100の構成を概略的に示す。この図において、テラヘルツカメラ100は、筐体101を備えている。また、筐体101の正面には、スリット102が形成されているとともに、レンズ103が装着されている。スリット102からテラヘルツ帯の電磁波が対象物に向かって照射される。こうした電磁波には、テラヘルツ波といった電波および赤外線といった光が含まれる。なお、テラヘルツ帯には100GHz〜30THzの周波数帯が含まれている。レンズ103には、対象物から反射してくるテラヘルツ帯の電磁波が取り込まれる。
図13は、センサーデバイス10を利用した電子機器の一具体例に係る赤外線カメラ200の構成を概略的に示す。この図において、赤外線カメラ200は、光学系201を備えている。光学系201の光軸201a上にセンサーデバイス10が配置されている。光学系201は、熱型電磁波検出素子1のマトリクス上に像を結像する。センサーデバイス10には、アナログデジタル変換回路202が接続されている。アナログデジタル変換回路202には、センサーデバイス10から熱型電磁波検出素子1の出力が順番に時系列で供給される。アナログデジタル変換回路202は、出力のアナログ信号をデジタル信号に変換する。
人感センサーは、エスカレーターや照明器具、空気調和機、テレビといった電気機器(家電機器)のオンオフ制御、その他の制御に用いることができる。
図18は、センサーデバイス10を利用した電子機器の一具体例に係るゲーム機600の構成を概略的に示す。この図において、ゲーム機600は、ゲーム機本体601、表示装置602およびコントローラー(電子機器)603を備えている。
表示装置602は、例えば有線でゲーム機本体601に接続されている。ゲーム機本体601の動作は、表示装置602の画面に映し出される。プレーヤーGは、コントローラー603を用いてゲーム機本体601の動作を操作する。こうした操作の実現にあたって、コントローラー603には、例えば1対のLEDモジュール604から赤外線が照射される。LEDモジュール604は、例えば表示装置602の画面の周囲でベゼルに取り付けることができる。
また、前述した実施形態では、検出部が赤外線を検出する構成について説明したが、検出部が検出する光の波長は、特に限定されない。
Claims (13)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた支持部材と、
前記支持部材上に設けられ、受けた電磁波の量に応じた電気信号を1対の電極から取り出すことのできる検出部と、
前記半導体基板を貫通し、前記1対の電極と電気的に接続された導電性を有する1対のビアとを有し、
前記半導体基板の前記1対のビアの間に、前記支持部材側に開放する空隙が設けられていることを特徴とする熱型電磁波検出素子。 - 平面視で、前記1対のビアの前記支持部材側の面のそれぞれと前記空隙とが重ならない請求項1に記載の熱型電磁波検出素子。
- 前記空隙は、前記半導体基板に対してエッチング処理を施すことにより形成されたものである請求項1または2に記載の熱型電磁波検出素子。
- 前記エッチング処理における前記半導体基板の構成材料のエッチングレートは、前記支持部材の構成材料のエッチングレートよりも高い請求項3に記載の熱型電磁波検出素子。
- 前記1対のビアの前記支持部材側の面は、それぞれ、前記支持部材の前記半導体基板側の面側に位置している請求項1ないし4のいずれかに記載の熱型電磁波検出素子。
- 前記検出部は、前記1対の電極と前記1対のビアとを電気的に接続する1対の電極配線を有しており、
前記1対の電極配線は、それぞれ、前記支持部材を貫通して前記1対のビアと電気的に接続されている請求項1ないし5のいずれかに記載の熱型電磁波検出素子。 - 前記1対のビアは、それぞれ、前記支持部材を貫通して設けられている請求項1ないし4のいずれかに記載の熱型電磁波検出素子。
- 前記1対のビアは、それぞれ、その横断面積が前記支持部材側へ向けて漸減している請求項1ないし7のいずれかに記載の熱型電磁波検出素子。
- 半導体基板と、該半導体基板上に設けられた支持部材と、該支持部材上に設けられ、受けた電磁波の量に応じた電気信号を1対の電極から取り出すことのできる検出部とを有する積層体を得る工程と、
前記半導体基板を貫通し、前記1対の電極と電気的に接続された導電性を有する1対のビアを形成する工程と、
前記半導体基板に対してエッチング処理を施し、該半導体基板の前記1対のビアの間に、前記支持部材側に開放する空隙を形成する工程とを有することを特徴とする熱型電磁波検出装置の製造方法。 - 半導体基板と、該半導体基板上に設けられた支持部材板とを有する積層体を得る工程と、
前記半導体基板を貫通し、導電性を有する1対のビアを形成する工程と、
前記支持部材上に、前記1対のビアと電気的に接続された1対の電極を有し、受けた電磁波の量に応じた電気信号を該1対の電極から取り出すことのできる検出部を形成する工程と、
前記半導体基板に対してエッチング処理を施し、該半導体基板の前記1対のビアの間に、前記支持部材側に開放する空隙を形成する工程とを有することを特徴とする熱型電磁波検出装置の製造方法。 - 請求項1ないし8のいずれかに記載の熱型電磁波検出素子が複数、2次元的に配置されていることを特徴とする熱型電磁波検出装置。
- 請求項1ないし8のいずれかに記載の熱型電磁波検出素子を少なくとも1つ備えることを特徴とする電子機器。
- 複数の前記熱型電磁波検出素子が2次元的に配置された熱型電磁波検出装置を備える撮像装置である請求項12に記載の電子機器。
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