JP3285083B2 - 二次元アレイ型赤外線検出素子とその製造方法 - Google Patents

二次元アレイ型赤外線検出素子とその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は二次元アレイ型赤外
線検出素子とその製造方法に関し、特に、オフセット成
分ならびに温度ドリフトの影響の少ない二次元アレイ型
赤外線検出素子とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ボロメータ素子は温度変化に応じてその
抵抗値が変化するので、その特性を生かし赤外線の検出
に広く用いられている。その応用例であるボロメータ素
子を用いた従来の二次元アレイ型赤外線検出素子の動作
の仕組みを図４を用いて説明する。図４は従来例の二次
元アレイ型赤外線検出素子の模式的構成図である。
【０００３】ＦＰＡ（赤外線検出領域）４１７内には１
個のボロメータ素子４０１を備えたユニットセル４００
が二次元アレイ状に配列され、ユニットセル４００内の
ボロメータ素子４０１はユニットセル選択用トランジス
タ４０２を介してグランド端子４０３に接続されてい
る。ユニットセル選択用トランジスタ４０２のゲート電
極は水平ライン４０６を介して垂直シフトレジスタ４１
０によって制御され１本の水平ライン４０６がユニット
セル選択スイッチ４０２を投入状態とするように選択さ
れる。これにより、各垂直ライン４０４には、いずれか
一つのユニットセル４００のボロメータ素子４０１が選
択的に接続される。
【０００４】垂直ライン４０４は垂直ライン選択スイッ
チ４０５を介し出力ライン４２１を通じてオンチップア
ンプ４０７と接続する。任意時刻において、いずれか１
本の垂直ライン４０４が出力ライン４０７と接続するよ
う、垂直ライン選択スイッチ４０５が水平シフトレジス
タ４０９で制御される。
【０００５】ボロメータ素子４０１の受光部は、基板に
対して高い熱的絶縁状態にあり、これにより赤外輻射に
よる熱エネルギーが、一時的にボロメータ素子４０１に
貯えられる。その結果、ボロメータ素子４０１の温度が
上昇し、それに応じた抵抗変化が生ずる。この抵抗変化
を出力端子４０８から外部に読み出すことにより、被写
体の温度情報を得ることができる。
【０００６】読み出し回路として、例えば、積分回路４
４０が用いられる。これはボロメータ素子４０１に一定
時間、定電圧を印加し、この時の電流を積分トランジス
タ４４１を介して、積分用キャパシタ４４２で積分する
回路である。実際には、ボロメータ素子４０１と直列に
接続した積分用キャパシタ４４２を予め一定電圧に充電
し、一定時間、定電圧で通電した後、積分用キャパシタ
４４２の残電圧を読み出す。ここで積分トランジスタ４
４１は、積分動作中、積分用キャパシタ４４２の端子電
圧が変動しても、出力端子４０８の電圧を一定に保つ働
きをする。したがって、積分動作終了後の積分用キャパ
シタ４４２の残電圧は、積分期間中のボロメータ素子４
０１の抵抗値に依存し、被写体から受けた熱輻射量に関
する情報を含んでいる。このようにして、赤外輻射量の
情報を電気的に読み出すことができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したボロ
メータ素子を用いた二次元アレイ型赤外線検出素子で
は、出力信号のオフセット成分が大きく、十分大きなゲ
インが得られないことが問題となっていた。この信号の
オフセット成分の主たる部分は、積分期間中のボロメー
タ素子の自己加熱による温度上昇でボロメータ抵抗が大
きく変化することにより発生する。前記オフセット成分
は出力信号の大半を占めるが、被写体の温度情報を全く
含んでいない。このためアンプのダイナミックレンジを
有効に使えず、信号ゲインが上げられない。また、積分
時間を延ばすとそれだけ温度分解能が向上するが、オフ
セット量も同時に大きくなるため、十分な積分時間を確
保することができなかった。
【０００８】さらに、大きな問題として温度ドリフトが
ある。ボロメータ素子は基板から熱的に分離されている
ものの、実際には信号読み出し配線を介し僅かながら基
板との熱交換が存在する。このため環境温度が変化し基
板温度が変化すると、長い時定数でボロメータの素子温
度が変化する。これが温度ドリフトの原因となる。これ
を防ぐために、動作中に頻繁にＦＰＮ（固定パターンノ
イズ）補正をかけなければならず、この赤外線検出素子
を用いた赤外線カメラではその操作性を著しく損ねてい
た。
【０００９】本発明の目的は、上述した従来技術の欠点
を改良し、特に、オフセットを除去するとともに温度ド
リフトの影響をなくし、以って、赤外線の検出精度を向
上させた新規な二次元アレイ型赤外線検出素子とその製
造方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の二次元アレイ型
赤外線検出素子は、基板上に複数のボロメータ素子を二
次元アレイ状に形成し、そのボロメータ素子を順に選択
してそれぞれの位置に入射する赤外線を検出する赤外線
検出素子において、ボロメータ素子が形成された基板と
の間にその基板との間を熱的に遮断する熱分離構造を有
し、その基板上のの赤外線を検出するための赤外線受光
領域に二次元アレー状に配列され、一端が垂直ラインに
接続され、他端がグランド端子および電源端子のいずれ
かに接続が可能であり、入射する赤外線を受光する複数
の第１のボロメータ素子と、第１のボロメータ素子の近
傍に第１のボロメータ素子と同一の基板上に形成され、
その基板との間にその基板との間を熱的に遮断する熱分
離構造を有し、一端が垂直ラインに接続され、他端がグ
ランド端子および電源端子のいずれかに接続が可能であ
り、入射する赤外線を受光しない構造の複数の第２のボ
ロメータ素子と、第１のボロメータ素子の近傍に第１の
ボロメータ素子と同一の基板上に形成され、その基板と
の間に熱分離構造を持たない複数の第３のボロメータ素
子との3種類のボロメータ素子を備え、１個の第１のボ
ロメータ素子と、少なくとも１個の第２のボロメータ素
子および少なくとも１個の第３のボロメータ素子を含む
３個のボロメータ素子とで、２個のボロメータ素子が共
通に接続される垂直線をそれぞれ中点とし、電源とグラ
ンドと結ぶ複数のブリッジ回路を形成し、選択された１
個のブリッジ回路の中点の電圧差からそのブリッジ回路
に含まれる第１のボロメータ素子に入射する赤外線を検
出する。
【００１１】赤外線受光領域内に配列された任意の第１
のボロメータ素子が、同一列上に配列された第３のボロ
メータ素子に接続し、その第１のボロメータ素子と同一
行上に配列された第２のボロメータ素子が、その第２の
ボロメータ素子と同一列上に配列された、前述の第３の
ボロメータとは別の第３のボロメータ素子に接続し、こ
れらの４個のボロメータ素子によってブリッジ回路が形
成され、第１のボロメータ素子と第３のボロメータ素子
との接続点と、第２のボロメータ素子と第３のボロメー
タ素子との接続点が、そのブリッジ回路の電圧の差を検
出するための中点を構成することが好ましく、赤外線受
光領域内に配列された任意の第１のボロメータ素子が、
同一列上に配列された第２のボロメータ素子に接続し、
その第１ボロメータ素子と同一行上に配列された第３の
ボロメータ素子が、その第３のボロメータ素子と同一列
上に配列された別の第３のボロメータ素子に接続し、こ
れらの４個のボロメータ素子によってブリッジ回路が形
成され、第１のボロメータ素子と第２のボロメータ素子
との接続点と、第３のボロメータ素子と第３のボロメー
タ素子との接続点が、そのブリッジ回路の電圧の差を検
出するための中点を構成してもよい。
【００１２】ブリッジ回路を構成する第２のボロメータ
素子が複数設けられており、かつ複数の第２のボロメー
タ素子の１個を選択的にブリッジ回路の中で使用するた
めのスイッチング素子を備えていてもよく、ブリッジ回
路を構成する第３のボロメータ素子が複数設けられてお
り、かつ複数の第３のボロメータ素子の１個を選択的に
ブリッジ回路の中で使用するためのスイッチング素子を
備えていてもよい。
【００１３】第２のボロメータ素子の赤外線の遮蔽手段
が、その第２のボロメータ素子の赤外線入射側に設けら
れた赤外線遮断層であってもよく、基板のその第２のボ
ロメータ素子上に設けられた赤外線反射膜であってもよ
い。
【００１４】ボロメータ素子が形成された基板に、第１
のボロメータ素子を選択するためのスイッチングトラン
ジスタとともに、ブリッジ回路の中点の電圧差検出用の
差動増幅器が形成されていてもよい。。
【００１５】本発明の赤外線検出素子の製造方法は、基
板上に複数のボロメータ素子を二次元アレイ状に形成
し、そのボロメータ素子を順に選択してそれぞれの位置
に入射する赤外線を検出する赤外線検出素子の製造方法
において、基板にボロメータ素子を選択するためのスイ
ッチングトランジスタを形成する第１の工程と、基板上
に犠牲層を形成する第２の工程と、犠牲層上にボロメー
タ材料からなる膜とその膜を挟むように保護膜を形成す
る第３の工程と、ボロメータ材料からなる膜を所定の形
状にエッチングするとともに、その膜を保護膜で被覆す
る第４の工程と、保護膜上にボロメータの用途に従っ
て、第１のボロメータおよび第３のボロメータにあって
は赤外線吸収膜を、第２のボロメータにあっては赤外線
反射膜と遮光膜のいずれかを形成し、所定の形状にパタ
ーニングする第５の工程と、第３のボロメータを含む所
要の部分を除いて犠牲層を除去して空間部を形成する第
６の工程と、空間部を真空状態にする第７の工程とを含
んでいる。
【００１６】３種類のボロメータ素子は、同一材料を用
い、かつ、同一プロセスで製造されることが好ましく、
第１の工程に、３種のボロメータ素子で形成されるブリ
ッジ回路の中点電位を入力とする差動増幅器の形成を含
んでいてもよい。
【００１７】このような構造とすることによって、温度
ドリフトの影響をなくすることができ、さらにボロメー
タの面内特性ばらつきによるオフセット成分、および信
号読み出し時の自己発熱によるオフセット成分を除去す
ることが可能になる。それによって赤外線の精度良い検
出を可能にした赤外線カメラに好適な二次アレイ型赤外
線検出素子を提供できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明の二次元アレイ型赤外線検
出素子の実施の形態について説明する。本発明の二次元
アレイ型赤外線検出素子の各画素となるボロメータ素子
は、従来から用いられているような形状の基板との間に
熱分離構造を有し二次元アレイ型に配置された受光素子
である第１のボロメータ素子と、基板との間に熱分離構
造を有しているが遮光機構を設けて赤外線の受光を行わ
ない第２のボロメータ素子と、基板との間に熱分離構造
を持たない第３のボロメータ素子との３種類のボロメー
タ素子から構成され、２本のシフトレジスタでアドレス
された任意の３種類のボロメータ素子の４個の組み合わ
せでブリッジ回路を構成する。いずれのボロメータ素子
も、電極端子の一方が差動アンプ（差動増幅器）の入力
に接続し、ブリッジ回路の中点電位が差動アンプの入力
となるよう構成されている。
【００１９】各ボロメータ素子は同一条件、同一プロセ
スで形成されることによって抵抗温度係数、熱伝導率等
の電気特性は同一となっている。このためブリッジ回路
の中点電位の差分信号には、背景輻射によるボロメータ
の発熱やボロメータの自己発熱に起因するオフセット成
分は完全に相殺され、この差分信号に含まれない。この
ため極めて高いＳ／Ｎ比をもって赤外線信号を検出する
ことができる。また基板温度変化によるボロメータ抵抗
の変化は、ブリッジ回路の中点に接続した全てのボロメ
ータに同等に発生することから、温度ドリフトが低減で
きる。
【００２０】以下、本発明の二次元アレイ型赤外線検出
素子とその製造方法の具体例を図面を用いて詳細に説明
する。図１は本発明の二次元アレイ型赤外線検出素子の
模式的構造図である。
【００２１】図中、ＦＰＡ（Ｆｏｃａｌ Ｐｌａｎｅ
Ａｒｒａｙ）１１７は赤外線検出領域を示し、ＦＰＡ１
１７領域内にm×n個のユニットセル１００が二次元アレ
イ状に配列されている。図では簡単のため、２×２個の
ユニットセルを示した。ユニットセル１００は、第１の
ボロメータ素子１０１、ユニットセル選択スイッチ１０
２、グランド端子１０３、およびユニットセル１００を
貫通する２本の配線、即ち、垂直ライン１０４と、水平
ライン１０６とで構成されている。ここで基板上に形成
された第１のボロメータ素子１０１と基板とは例えば真
空空間のような熱的に分離された構造を有している。
【００２２】ＦＰＡ１１７の周囲には、ブリッジ回路の
参照用素子となるボロメータ素子を配置した３つのボロ
メータ素子群、即ち、第１の参照素子領域１１８、第２
の参照素子領域１１９、および第３の参照素子領域１２
０が、同一基板上にＦＰＡ１１７に近接して配置されて
いる。
【００２３】ここで前記第１の参照素子領域１１８は縦
一列に配列されたｎ個の第２のボロメータ素子１１２と
それぞれに対応したｎ個のユニットセル選択スイッチ１
０２とで、第２の参照素子領域１１９は横一列に配列さ
れたｍ個の第３のボロメータ素子１１３で、第３の参照
素子領域１２０は１個の第３のボロメータ素子１１３
で、それぞれ構成されている。
【００２４】３つの領域を構成する２種類のボロメータ
素子、即ち、第２のボロメータ素子１１２と第３のボロ
メータ素子１１３は、次の点でＦＰＡ１１７を構成する
第１のボロメータ素子１０１と異なる。即ち、第２のボ
ロメータ素子１１２は入射赤外線を遮蔽する構造を有し
ている点で、また第３のボロメータ素子１１３は基板と
熱的に接触している点で、それぞれ第１のボロメータ素
子１０１と異なっている。上記以外の構造、製造方法
は、第１のボロメータ素子１０１と全く同一である。前
記ボロメータ素子の詳しい構造は、後でプロセス断面図
を用いて詳しく説明される。
【００２５】次にこの二次元アレイ型赤外線検出素子に
おける出力信号の読み出し方法を具体的に説明する。Ｆ
ＰＡ領域１１７を構成するm×n個の第１のボロメータ素
子１０１に入射した赤外線信号は、水平シフトレジスタ
１０９と垂直シフトレジスタ１１０により制御される２
種類のスイッチング素子、即ちユニットセル選択スイッ
チ１０２と垂直ライン選択スイッチ１０５により、逐次
選択されてすべてが読み出される。
【００２６】先ず、垂直シフトレジスタ１１０からの信
号により、任意時刻において、いずれか１本の水平ライ
ン１０６が選択されている。例えば、第ｊ行の水平ライ
ン１０６が選択されているとすると、ＦＰＡ１１７の第
ｊ行目に位置するユニットセル１００の中のユニットセ
ル選択スイッチ１０２が全て投入状態となっている。こ
の時、電源スイッチ１１１を投入すると、電源端子１１
４とグランド端子１０３の間に、第ｊ行の第１のボロメ
ータ素子１０１とこれと同じ列に位置する第２の参照素
子領域１１９中の第３のボロメータ素子１１３とが直列
に接続し、その中点電位が垂直ライン１０４により差動
アンプ１１５の入力の一端に与えられる。
【００２７】同時に、差動アンプ１１５のもう一端の入
力端子には、電源１１４とグランド端子１０３の間に直
列に接続した、第３の参照素子領域１２０の第３のボロ
メータ素子１１３と、第１の参照素子領域１１８の第ｊ
行の第２のボロメータ素子１１２との中点電位が与えら
れる。このようにして、両者の電位差が信号処理回路１
１６の入力となる。次に水平シフトレジスタ１０９が各
列の垂直ライン選択スイッチ１０５を順に投入し、ＦＰ
Ａ領域１１７中の第ｊ行に配列されたｍ個の第１のボロ
メータ素子１０１の赤外線信号が、出力ライン１２１を
経由しオンチップ出力アンプ１０７を介して出力端子１
０８から順に読み出される。出力端子１０８から読み出
された赤外線信号の処理は従来例と同じなので説明を省
略する。
【００２８】第ｊ行に配列されたｍ個全ての第１のボロ
メータ素子１０１の信号の読み出しが終了すると、垂直
シフトレジスタ１１０は第ｊ行の水平ライン１０６の選
択を終え、次の第j＋１行の選択を行う。この動作をn回
繰り返すと、ＦＰＡ１１７に配列されたm×n個の第１の
ボロメータ素子１０１の赤外線信号が全て検出される。
【００２９】本発明の二次元アレイ型赤外線検出素子の
ブリッジ回路について図面を参照して説明する。図２は
本発明の二次元アレイ型赤外線検出素子のブリッジ回路
の模式的回路図であり、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、
（ｄ）はそれぞれ三種類のボロメータ素子の組合わせの
例である。
【００３０】図２（ａ）は、図１に示した本発明の二次
元アレイ型赤外線検出素子の任意のユニットセルに関す
る等価回路であり、それがブリッジ回路を構成している
ことを説明するための図である。図２（ａ）では第１の
ボロメータ素子２０１と第３のボロメータ素子２１３
ａ、および第２のボロメータ素子２１２と第３のボロメ
ータ素子２１３ｂが、グランド端子２０３と電源端子２
１４との間に直列に接続したブリッジ回路を構成し、２
つの中点電位、即ち、第１の中点２２２と第２の中点２
２３が差動アンプ２１５の入力となり、出力端子２０８
に電位差が現れる。
【００３１】この構成において、第１のボロメータ素子
２０１に入射した赤外入射光２２４による熱エネルギー
のみがブリッジ回路の平衡点からのズレを生じさせる要
因となり得るので、赤外線信号のみが出力端子２０８に
現れる。また基板の温度が変化しても、２つの中点電
位、即ち、第１の中点２２２と第２の中点２２３の電圧
は同一方向に同一量だけ変化するので、出力端子２０８
に温度ドリフトが生じない。
【００３２】ここで図２（ａ）の第１のボロメータ素子
２０１を、図１におけるＦＰＡ１１７中の（ｉ、ｊ）番
地の第１のボロメータ素子１０１とすると、図２（ａ）
中の他のボロメータ素子、即ち第２のボロメータ素子２
１２、第３のボロメータ素子２１３ａ、および第３のボ
ロメータ素子２１３ｂは、図１における第１の参照素子
領域１１８の第ｊ行の第２のボロメータ素子１１２、第
２の参照素子領域１１９の第ｉ列の第３のボロメータ素
子１１３、および第３の参照素子領域１２０の第３のボ
ロメータ素子１１３に、それぞれ対応する。
【００３３】ここで図１の３種類のボロメータ素子、即
ち第１のボロメータ素子１０１、第２のボロメータ素子
１１２、第３のボロメータ素子１１３でブリッジ回路を
構成する仕方として、３通りの組み合わせが考えられ
る。この３通りの組み合わせが図２（ｂ）〜（ｄ）に示
されている。
【００３４】図２（ｂ）の回路では、図２（ａ）と電源
端子２１４とグランド端子２０３の関係が反対となって
いるが、この構成の回路でも第１のボロメータ素子２０
１に入射した赤外入射光２２４による熱エネルギーのみ
がブリッジ回路の平衡点からのズレを生じさせる要因と
なり得るので、赤外線信号のみが出力端子２０８に現れ
る。また基板の温度が変化しても、２つの中点電位、即
ち、第１の中点２２２と第２の中点２２３の電圧は同一
方向に同一量だけ変化するので、出力端子２０８に温度
ドリフトが生じない。
【００３５】図２（ｃ）の回路では、第１のボロメータ
素子２０１と第２のボロメータ素子２１２、および第３
のボロメータ素子２１３ａと第３のボロメータ素子２１
３ｂが、グランド端子２０３と電源端子２１４との間に
直列に接続したブリッジ回路を構成し、２つの中点電
位、即ち、第１の中点２２２と第２の中点２２３が差動
アンプ２１５の入力となり、出力端子２０８に電位差が
現れる。即ち、図１の第１の参照素子領域１１８に第３
のボロメータ素子１１３が配置され、第２の参照素子領
域１１９に第２のボロメータ素子１１２が配置されてい
る。
【００３６】この構成において、第１のボロメータ素子
２０１に入射した赤外入射光２２４による熱エネルギー
のみがブリッジ回路の平衡点からのズレを生じさせる要
因となり得るので、赤外線信号のみが出力端子２０８に
現れる。また基板の温度が変化しても、２つの中点電
位、即ち、第１の中点２２２と第２の中点２２３の電圧
は同一方向に同一量だけ変化するので、出力端子２０８
に温度ドリフトが生じない。
【００３７】図２（ｄ）の回路では、図２（ｃ）と電源
端子２１４とグランド端子２０３の関係が反対となって
いるが、この構成の回路でも第１のボロメータ素子２０
１に入射した赤外入射光２２４による熱エネルギーのみ
がブリッジ回路の平衡点からのズレを生じさせる要因と
なり得るので、赤外線信号のみが出力端子２０８に現れ
る。また基板の温度が変化しても、２つの中点電位、即
ち、第１の中点２２２と第２の中点２２３の電圧は同一
方向に同一量だけ変化するので、出力端子２０８に温度
ドリフトが生じない。
【００３８】実施の形態の図１では図２（ａ）に対応す
る配置のみを示したが、図２（ｂ）〜（ｄ）の配置につ
いても本発明の回路の実施が可能である。
【００３９】次に、図３を用いて本発明の各ボロメータ
素子の構造を説明する。図３は本発明の各ボロメータ素
子の構造を示す模式的断面図であり、（ａ）は第１のボ
ロメータ素子の構造を示し、（ｂ）は第３のボロメータ
素子の構造を示し、（ｃ）および（ｄ）は第２のボロメ
ータ素子の構造を示す。
【００４０】図３（ａ）では、ボロメータ材料３３３を
基板３４０から熱的に分離するために、空間部（キャビ
ティ）３３８が設けられており、前記キャビティ３３８
は真空状態に保持されている。さらにボロメータ材料３
３３上の赤外線入射光側に赤外線吸収膜３３２が設けら
れるとともに、基板３４０上に赤外線反射膜３３５が設
けられ、これらの膜の干渉効果を利用することにより、
赤外線の吸収をより確実なものとしている。従って、図
３（ａ）のユニットセルでは、赤外入射光３３１の熱エ
ネルギーは赤外線吸収膜３３２に有効に吸収され、その
熱は、保護膜３３４で覆われたボロメータ材料３３３に
伝わり、その結果温度変化が生じボロメータ材料の抵抗
値が変化する。従って、このタイプのユニットセルは、
図１の第１のボロメータ素子１０１に用いられる。
【００４１】次に図３（ｂ）では、図１の第３のボロメ
ータ素子１１３の構造を示している。図３（ａ）のボロ
メータ素子との違いは、キャビティー３３８が存在しな
いことである。このため、入射赤外光の熱エネルギーは
速やかに基板に拡散し、ボロメータ材料の温度変化は殆
ど生じない。なお、抵抗値、温度係数は図３（ａ）の第
１のボロメータ素子と同じ電気特性であるから、ブリッ
ジの基準電位を得るのに好都合である。
【００４２】図３（ｃ）、（ｄ）は赤外入射光の熱エネ
ルギーをボロメータ素子に与えないように、図（ａ）の
構造を一部変えたものである。図３（ｃ）では、このた
めに、赤外光入射面に赤外線反射膜３３６を有してお
り、図３（ｄ）ではボロメータ材料３３３の上方に遮光
板３３７を設けている。従って、図３（ｃ）、（ｄ）の
構造のボロメータ素子は、図１における第２のボロメー
タ素子１１２として利用される。
【００４３】なお、本発明に係るリニア型赤外線検出素
子の製造方法を図３を参照して説明すると、基板３４０
に前記ボロメータ素子３３３を選択するためのユニット
セル選択スイッチや差動アンプなどを（不図示）を形成
する第１の工程と、基板上に犠牲層３３９を形成する第
２の工程と、その犠牲層３３９上にボロメータ材料から
なる膜３３３と膜３３３を挟むように保護膜３３４を形
成する第３の工程と、ボロメータ材料からなる膜３３３
を所定の形状にエッチングするとともに膜３３３を保護
膜３３４で被覆する第４の工程と、ボロメータ材料上に
赤外線吸収膜３３２または赤外線反射膜３３６を形成
し、所定の形状にパターニングする第５の工程と、第３
のボロメータ素子を含む所要の場所以外の犠牲層３３９
を除去して空間部（キャビティ）３３８を形成する第６
の工程と、前記空間部３３８を真空状態にする第７の工
程と、を含むものであり、この場合、熱的特性や電気的
特性を同一とするため第１のボロメータ素子、第２のボ
ロメータ素子、および第３のボロメータ素子は、同一材
料を用い、かつ、同一プロセスで製造される必要があ
る。
【００４４】
【発明の効果】本発明に係る二次元アレイ形赤外線検出
素子は上述のように構成したので、以下のような効果を
有する。
【００４５】第１の効果は、オフセット成分の除去であ
る。背景輻射および自己発熱によるオフセット成分が除
去された正味の信号のみが取り出されることにより、信
号検出後のゲインを十分大きく取れることである。
【００４６】第２の効果は、温度ドリフトの低減であ
る。これにより、従来のように動作中に頻繁にＦＰＮ補
正を行う必要がなくなり、赤外線カメラの操作性が向上
する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の二次元アレイ型赤外線検出素子の模式
的構造図である。
【図２】本発明の二次元アレイ型赤外線検出素子のブリ
ッジ回路の模式的回路図である。（ａ）は、図１に示し
た本発明に係る具体例の二次元アレイ型赤外線検出素子
の任意のユニットセルに関する等価回路であり、それが
ブリッジ回路を構成していることを説明するための図で
ある。（ｂ）〜（ｄ）はその他の実施例を与えるブリッ
ジ回路である。
【図３】本発明の各ボロメータ素子の構造を示す模式的
断面図である。（ａ）は第１のボロメータ素子の構造を
示す。（ｂ）は第３のボロメータ素子の構造を示す。
（ｃ）および（ｄ）は第２のボロメータ素子の構造を示
す。
【図４】従来例の二次元アレイ型赤外線検出素子の模式
的構成図である。
【符号の説明】
１００、４００ ユニットセル １０１、２０１、４０１ 第１のボロメータ素子 １０２、４０２ ユニットセル選択スイッチ １０３、２０３、４０３ グランド端子 １０４、４０４ 垂直ライン １０５、４０５ 垂直ライン選択スイッチ １０６、４０６ 水平ライン １０７、４０７ オンチップアンプ １０８、２０８、４０８ 出力端子 １０９、４０９ 水平シフトレジスタ １１０、４１０ 垂直シフトレジスタ １１１ 電源スイッチ １１２、２１２ 第２のボロメータ素子 １１３、２１３ａ、２１３ｂ 第３のボロメータ素子 １１４、２１４ 電源端子 １１５、２１５ 差動アンプ １１６ 信号処理回路 １１７、４１７ ＦＰＡ １１８ 第１の参照素子領域 １１９ 第２の参照素子領域 １２０ 第３の参照素子領域 １２１、４２１ 出力ライン ２２２ 第１の中点 ２２３ 第２の中点 ２２４、３３１ 赤外入射光 ３３２ 赤外線吸収膜 ３３３ ボロメータ材料 ３３４ 保護膜 ３３５、３３６ 赤外線反射膜 ３３７ 遮光版 ３３８ キャビティ ３３９ 犠牲層 ３４０ 基板 ４４０ 積分回路 ４４１ 積分トランジスタ ４４２ 積分用キャパシタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−264792（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−168116（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−34448（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−201166（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−68700（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−318430（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−38677（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−105794（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−52659（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01J 1/02 G01J 1/42 - 1/44 G01J 5/02 G01J 5/20 - 5/24 H01L 27/14 H04N 5/30 - 5/335

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に複数のボロメータ素子を二次元
    アレイ状に形成し、該ボロメータ素子を順に選択してそ
    れぞれの位置に入射する赤外線を検出する赤外線検出素
    子において、 前記ボロメータ素子が形成された前記基板との間に該基
    板との間を熱的に遮断する熱分離構造を有し、該基板上
    の赤外線を検出するための赤外線受光領域に二次元アレ
    ー状に配列され、一端が垂直ラインに接続され、他端が
    グランド端子および電源端子のいずれかに接続が可能で
    あり、入射する赤外線を受光する複数の第１のボロメー
    タ素子と、 前記第１のボロメータ素子の近傍に前記第１のボロメー
    タ素子と同一の前記基板上に形成され、該基板との間に
    該基板との間を熱的に遮断する熱分離構造を有し、一端
    が垂直ラインに接続され、他端がグランド端子および電
    源端子のいずれかに接続が可能であり、入射する赤外線
    を受光しない構造の複数の第２のボロメータ素子と、 前記第１のボロメータ素子の近傍に前記第１のボロメー
    タ素子と同一の前記基板上に形成され、一端が垂直ライ
    ンに接続され、他端がグランド端子および電源端子のい
    ずれかに接続が可能であり、該基板との間に熱分離構造
    を持たない複数の第３のボロメータ素子と、の３種類の
    ボロメータ素子を備え、 １個の前記第１のボロメータ素子、および、少なくとも
    １個の前記第２のボロメータ素子と少なくとも１個の前
    記第３のボロメータ素子とを含む３個のボロメータ素子
    の計４個のボロメータ素子で、選択されたそれぞれ２個
    のボロメータ素子が共通に接続される２本の垂直線をそ
    れぞれ中点とし、前記電源と前記グランドと結ぶブリッ
    ジ回路を形成し、複数の前記第１のボロメータ素子に対
    応して形成された複数のブリッジ回路から選択された１
    個のブリッジ回路の前記中点の電圧差から該ブリッジ回
    路に含まれる前記第１のボロメータ素子に入射する赤外
    線を検出することを特徴とする二次元アレイ型赤外線検
    出素子。
  2. 【請求項２】 赤外線受光領域内に配列された任意の第
    １のボロメータ素子が、同一列上に配列された第３のボ
    ロメータ素子に接続し、 該第１のボロメータ素子と同一行上に配列された第２の
    ボロメータ素子が、該第２のボロメータ素子と同一列上
    に配列された、前記第３のボロメータとは別の第３のボ
    ロメータ素子に接続し、各ボロメータ素子の相互に接続される側の端子と反対側
    の端子にそれぞれ前記電源と前記グランドとが接続され
    て これらの４個のボロメータ素子によってブリッジ回路
    が形成され、前記第１のボロメータ素子と前記第３のボ
    ロメータ素子との接続点と、前記第２のボロメータ素子
    と前記第３のボロメータ素子との接続点が、該ブリッジ
    回路の電圧の差を検出するための中点を構成する請求項
    １に記載の二次元アレイ型赤外線検出素子。
  3. 【請求項３】 赤外線受光領域内に配列された任意の第
    １のボロメータ素子が、同一列上に配列された第２のボ
    ロメータ素子に接続し、 該第１ボロメータ素子と同一行上に配列された第３のボ
    ロメータ素子が、該第３のボロメータ素子と同一列上に
    配列された別の第３のボロメータ素子に接続し、各ボロメータ素子の相互に接続される側の端子と反対側
    の端子にそれぞれ前記電源と前記グランドとが接続され
    て これらの４個のボロメータ素子によってブリッジ回路
    が形成され、前記第１のボロメータ素子と前記第２のボ
    ロメータ素子との接続点と、前記第３のボロメータ素子
    と前記第３のボロメータ素子との接続点が、該ブリッジ
    回路の電圧の差を検出するための中点を構成する請求項
    １に記載の二次元アレイ型赤外線検出素子。
  4. 【請求項４】 前記第１のボロメータ素子と同一行上に
    配列された前記第２のボロメータ素子が各行毎に１個設
    けられており、かつ各行毎に設けられた複数の前記第２
    のボロメータ素子の１個を選択的にブリッジ回路の中で
    使用するためのスイッチング素子を備えた請求項２に記
    載の二次元アレイ型赤外線検出素子。
  5. 【請求項５】 前記第１のボロメータ素子と同一行上に
    配列された前記第３のボロメータ素子が各行毎に１個設
    けられており、かつ各行毎に設けられた複数の前記第３
    のボロメータ素子の１個を選択的にブリッジ回路の中で
    使用するためのスイッチング素子を備えた請求項３に記
    載の二次元アレイ型赤外線検出素子。
  6. 【請求項６】 前記第２のボロメータ素子の赤外線の遮
    蔽手段が、該第２のボロメータ素子の赤外線入射側に設
    けられた赤外線遮断層である請求項１から請求項３のい
    ずれか１項に記載の二次元アレイ型赤外線検出素子。
  7. 【請求項７】 前記第２のボロメータ素子の赤外線の遮
    蔽手段が、前記基板の該第２のボロメータ素子上に設け
    られた赤外線反射膜である請求項１から請求項３のいず
    れか１項に記載の二次元アレイ型赤外線検出素子。
  8. 【請求項８】 前記ボロメータ素子が形成された基板
    に、第１のボロメータ素子を選択するためのスイッチン
    グトランジスタとともに、前記ブリッジ回路の中点の電
    圧差検出用の差動増幅器が形成されている請求項１から
    請求項３のいずれか１項に記載の二次元アレイ型赤外線
    検出素子。
  9. 【請求項９】 基板上に複数のボロメータ素子を二次元
    アレイ状に形成し、該ボロメータ素子を順に選択してそ
    れぞれの位置に入射する赤外線を検出する請求項１から
    請求項８の何れかに記載の赤外線検出素子の製造方法に
    おいて、 前記基板に前記ボロメータ素子を選択するためのスイッ
    チングトランジスタを形成する第１の工程と、 基板上に犠牲層を形成する第２の工程と、 前記犠牲層上にボロメータ材料からなる膜と該膜を挟む
    ように保護膜を形成する第３の工程と、 前記ボロメータ材料からなる膜を所定の形状にエッチン
    グするとともに、該膜を保護膜で被覆する第４の工程
    と、 前記保護膜上に前記ボロメータの用途に従って、前記第
    １のボロメータおよび前記第３のボロメータにあっては
    赤外線吸収膜を、前記第２のボロメータにあっては赤外
    線反射膜と遮光膜のいずれかを形成し、所定の形状にパ
    ターニングする第５の工程と、 前記第１および第２のボロメータと前記基板との間に設
    けられる熱分離構造の領域の前記犠牲層を除去して空間
    部を形成する第６の工程と、 前記空間部を真空状態にする第７の工程と、 を含むことを特徴とする二次元アレイ型赤外線検出素子
    の製造方法。
  10. 【請求項１０】 前記基板との間に該基板との間を熱的
    に遮断する熱分離構造を有し、該基板上の赤外線を検出
    するための赤外線受光領域に二次元アレー状に配列さ
    れ、一端が垂直ラインに接続され、他端が水平ラインに
    より動作する選択スイッチを経由してグランド端子に接
    続し、入射する赤外線を受光する複数の第１のボロメー
    タ素子と、前記第１のボロメータ素子と同一の前記基板
    上に形成され、該基板との間に該基板との間を熱的に遮
    断する熱分離構造を有し、入射する赤外線を受光しない
    構造の複数の第２のボロメータ素子と、前記第１のボロ
    メータ素子と同一の前記基板上に形成され、該基板との
    間に熱分離構造を有せず、入射する赤外線を受光する複
    数の第３のボロメータ素子との３種類のボロメータ素子
    は、同一材料を用い、かつ、同一プロセスで製造される
    請求項９記載の二次元アレイ型赤外線検出素子の製造方
    法。
  11. 【請求項１１】 前記第１の工程に、前記３種類のボロ
    メータ素子で形成されるブリッジ回路の中点電位を入力
    とする差動増幅器の形成を含む請求項９に記載の二次元
    アレイ型赤外線検出素子の製造方法。
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