JP2833450B2 - 赤外線撮像素子 - Google Patents

赤外線撮像素子

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、防犯、監視、誘導、医
療、工業計測等に広く応用される赤外線撮像素子に関
し、さらに詳細には熱を電気信号に変換する熱電変換素
子を持ち、2次元に配列された画素を持つ熱型赤外線撮
像素子に関する。
【0002】
【従来の技術】被写体の温度分布をリアルタイムで撮像
したいという要求が高まる中で、2次元の赤外線撮像素
子の需要が高まっている。それに伴い、安価な赤外線撮
像素子の開発が望まれている。従来の熱型赤外線素子
は、構造によっていくつかの例がある。
【0003】第1の例は、2階建て構造を持ち、1階部
分は各画素の信号を走査する走査回路、2階部分は熱を
電気信号に変換する熱電変換素子となっている。走査回
路部分に広い面積が取れるため、ノイズ低減のための回
路を各画素に配置できる。図4は第1の例の(a)断面
図と(b)平面図である。半導体基板19上に走査回路
23を形成し、その上に空洞22を有する。空洞22は
形成したポリシリコンを最後の工程でエッチングして取
り除くことで形成する。これによって空洞22の上の部
分にダイヤフラム24と呼ばれる薄い酸化膜の領域がで
きる。この部分に熱電対などの熱電変換素子23を形成
する。赤外線の入射によってこの薄い酸化膜の領域に温
度変化が生じ、それを熱電変換素子23で電気信号に変
え、走査回路20に伝える。走査回路20は信号を積分
してノイズの低減を行うと共に、2次元に配列された各
画素の信号を順次走査して外部へ出力する(例えば特願
平5−183116号明細書)。
【0004】第2の例は、基板中にV溝を形成し、その
上に梁構造の熱電変換素子を形成している。梁以外に入
射した赤外線は、V溝の内側で反射され梁に集光され
る。第3の例は、マイクロレンズを有し、入射赤外線を
熱電変換素子に集光している。図5は第2の例の断面図
である。半導体基板26上に熱電変換素子28を形成
し、その下部を異方性エッチングにより取り除くことで
宙に浮いた梁29とV溝を形成している。V溝の内側に
は、赤外線反射膜27を形成して入射赤外線を熱電変換
素子28に集光している(特開平4−132271号公
報)。
【0005】図6は第3の例の断面図である。センサ基
板30上に熱電変換素子31を形成し、その上に赤外線
を集光するマイクロレンズ32を形成している。マイク
ロレンズ32には、熱電変換素子25を真空中に封入す
るために、エッチングによって凹部33を形成している
(特開平3−263001号公報)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】この従来の赤外線撮像
素子では、第1の例の場合、空洞の上に一面にダイヤフ
ラムがあり、ダイヤフラムを伝わって熱が逃げるため、
感度を上げるには限界があった。ダイヤフラムの一部を
取り去り、熱の逃げを防ごうとした場合、受光面積が減
少する問題があった。
【0007】第2の例の場合基板中にV溝を形成して集
光率を上げることができるが、基板中に走査回路を作る
ことが困難であり、複数の画素を多数配置することが難
しい問題がある。
【0008】第3の例の場合マイクロレンズを用いて集
光率を上げることができるが、次の2つの問題がある。
1つは、取り扱いを考えるとレンズ基板は最低でも10
0μm程度の厚さが必要だが、レンズ基板が厚くなると
図7の様に垂直入射光(a)の場合と、斜め入射光
(b)の場合で焦点の横方向のずれが大きくなる。特に
画素寸法が小さくなり、レンズ基板の厚さと同じレベル
になった時問題が大きい。カメラレンズを通ってきた光
において、光軸から離れたレンズの周辺部を通過してき
た部分は、センサに入射する角度は斜めとなり、この分
の光量が利用されなくなってしまう。もう1つの問題
は、第1の例のように熱の逃げを防ぐために梁構造を持
ち、多数の画素を配置した場合、画素領域中にはマイク
ロレンズを支えるスペースが少なく、マイクロレンズを
のせることが難しい。特に画素数が増して、画素間の余
裕が少なくなった時、かりにマイクロレンズを支えるス
ペースがあっても、センサ基板とマイクロレンズとの目
合わせにおいて、マイクロレンズが脆弱な梁に接触して
破壊させる可能性がある。
【0009】本願発明の目的は、2次元に多数の画素を
配列する上で有利な第1の例の赤外線撮像素子の特徴を
維持しつつ、問題であった受光面積の減少及び熱の逃げ
を解決する赤外線撮像素子を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の赤外線撮像素子
は、半導体基板上に2次元にマトリクス状に配列され、
それぞれが空中に保たれた複数の梁と、この梁上に置か
れ赤外線を電気信号に変換する熱電変換素子と、前記半
導体基板を収納するパッケージ基板と、このパッケージ
基板上でかつ画素領域外に設けられた凸部と、この凸部
上に置かれ前記熱電変換素子に入射赤外線が集光するよ
うに配置され、レンズ面を熱電変換素子に対向させたマ
イクロレンズを有する。パッケージ基板上の凸部とし
て、複数の球状体と接着剤を用いる。
【0011】 また、このような形状の赤外線撮像素子に
おいて、例えば図1に示したように赤外線吸収層13を
入射赤外線が集光する位置に設け、かつ熱電変換素子の
面積を減らすことによって、図4のようなダイヤフラム
24を設けた場合と比較して受光面積を減らすことはな
く、かつ熱の逃げを防ぐことが可能となる。
【0012】
【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。図1は本発明の実施例の赤外線撮像素子の部分断面
である。この製造に当たっては、まず半導体基板1.の
上に通常の半導体製造技術を用いて、MOSFETを基
本構成とする走査回路2を形成する。この上に、後にエ
ッチングして空洞4となるポリシリコン(いわゆる犠牲
層)を形成し、さらにこの犠牲層の上に熱電変換素子5
を形成する。最後に犠牲層に通じるスルーホールを形成
して、犠牲層をエッチングで取り除いてセンサ基板側の
処理は終わる。これによって梁10の下部は空洞とな
り、梁は、窒化膜11と酸化膜12の残留応力の差によ
るバイメタル効果によって図1(c)の様に凸状に緩や
かなカーブを描く。梁の中央部は1μm程度浮上し、空
洞の底部からは2μm程度となる。窒化膜11中には残
留応力による縮もうとする力、酸化 膜12中には伸びよ
うとする力が働くため、安定した梁構造が形成される。
【0013】 一方、マイクロレンズも半導体製造技術を
用いて製造する。シリコン基板の上にCVDによりBP
SG(ボロン、リン含有シリケートガラス)を形成し、
直径50μm程度のレンズ形状にパターニングした後、
熱処理を行ってBPSGに高さ3μm程度のレンズ面を
形成する。これを異方性プラズマエッチングによって、
均等にエッチングしてシリコン基板にレンズ形状を転写
する。シリコンは赤外線を透過し、屈折率は4程度であ
る。反射防止のためマイクロレンズ両面に反射防止膜8
を形成しておく
【0014】 各画素の配置は、図3の様に短辺を5μm
程度、長辺を150μm程度、画素ピッチを50μm程
度とする事で、長い梁によって熱の逃げを防ぎ、高い感
度を維持しながら、高密度な画素配置を実現できる。
【0015】 図2本発明の実施例の断面図である。上
述した方法により梁構造の形成迄を行ったセンサ基板を
用意するまずパッケージ基板にセンサ基板をマウント
した後、その周囲に球状金属(ベアリング)を含有させ
た接着剤を塗布する。ベアリングは、その直径を精度良
く製造できる特徴を持つ。この上に、レンズ基板のレン
ズ面がセンサ基板と対向するように、目合わせを行いな
がら配置する。センサ基板の厚さTsは通常600μm
程度であり、半導体プロセスによって増加した分と梁の
浮上分の和Tpは通常3μm程度であり、マイクロレン
ズの高さHは5μm程度、焦点距離Fは20μm程度で
ある。この場合、ベアリング直径Dは、D=Ts+Tp
+H+Fに設定する。
【0016】
【発明の効果】以上説明した様に本発明は、半導体基板
中に走査回路を有し、その上に空洞と空中に保持された
梁を有する構成に於て、さらにその上にマイクロレンズ
を容易に形成することができる。パッケージ基板上に形
成された凸部は、マイクロレンズの目合わせ工程中にお
いても、レンズ基板と梁との接触を避けることができ、
厚さ数百nmの脆弱な梁を守ることができる。凸部を
ッケージ基板上に設けることで、図3の様に複数の画素
を高密度に配置できる。さらに、レンズ面を熱電変換素
子に対向させる事ができ、斜め入射光の場合の図7の様
な問題を大幅に軽減することができる。つまり、カメラ
レンズを通過してきた光は、光軸から離れた部分を通過
するにつれ斜めにセンサに入射する。この分の光量も有
効に活用できる。
【0018】一般に、2次元に複数の画素を配置した熱
型赤外線撮像素子では、画素サイズの低下による信号の
低下が起こる。また、一つの画素にアクセスできる時間
の低下によってノイズの帯域が広がり、ノイズが増大す
る。ノイズは、帯域の平方根に比例する。例えば256
×256の画素でフレーム周波数60Hzの場合、帯域
はそのままでは3.9MHzとなり大きなノイズが現れ
る。本発明により、走査回路に広い面積が取れ、ノイズ
低減のための積分回路を各画素に配置すれば、帯域を6
0Hz程度にすることができ、ノイズを1/250程度
にすることができる。さらに、マイクロレンズによる信
号の増大とも相まって、高性能の熱型赤外線撮像素子が
実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)本発明の実施例の部分断面(b)梁
の部分の拡大図、及び(c)本発明の一実施例を斜めか
ら見た図である。
【図2】本発明の実施例の断面図である。
【図3】本発明の一実施例の平面図である。
【図4】(a)従来の技術の断面図、及び(b)平面図
である。
【図5】従来の技術の断面図である。
【図6】従来の技術の断面図である。
【図7】入射方向の違いによる焦点の横方向のずれを説
明するための図である。
【符号の説明】
1,19,26 半導体基板 2,20 走査回路 3,12,21 酸化膜 4,22 空洞 5,23,28,31 熱電変換素子 ,18,32 マイクロレンズ 7 入射赤外線 8 反射防止膜 10,29 梁 11 窒化膜 12 酸化膜 13 赤外線吸収層 14 パッケージ基板 15,30 センサ基板 16 球状金属 17 接着剤 24 ダイヤフラム 25 アルミ 27 赤外線反射膜 33 凹部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 27/14 G01J 1/02

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に2次元にマトリクス状に配
    列され、それぞれが空中に保たれた複数の梁と、この梁
    上に置かれ赤外線を電気信号に変換する熱電変換素子
    と、前記半導体基板を収納するパッケージ基板と、この
    パッケージ基板上でかつ画素領域外に設けられた凸部
    と、この凸部上に置かれ前記熱電変換素子に入射赤外線
    が集光するように配置され、レンズ面を熱電変換素子に
    対向させたマイクロレンズを有することを特徴とする赤
    外線撮像素子。
  2. 【請求項2】 前記凸部として、複数の球状体と接着剤を
    用いる事を特徴とする請求項1記載の赤外線撮像素子。
  3. 【請求項3】 前記半導体基板上に2次元にマトリクス状
    に配列されそれぞれが空中に保たれた複数の梁が積層構
    造よりなり、下層が窒化膜、上層が酸化膜よりなること
    を特徴とする請求項1ないし2記載の赤外線撮像素子。
  4. 【請求項4】 前記半導体基板上に2次元にマトリクス状
    に配列されそれぞれが空中に保たれた複数の梁上の、入
    射赤外線が集光する位置に赤外線吸収層を有することを
    特徴とする請求項1ないし3記載の赤外線撮像素子。
  5. 【請求項5】 前記複数の梁が凸状にカーブを描く形状よ
    りなることを特徴とする請求項1ないし4記載の赤外線
    撮像素子。
JP5293256A 1993-11-24 1993-11-24 赤外線撮像素子 Expired - Lifetime JP2833450B2 (ja)

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