JP5431333B2 - 高分解能で熱放射を検出するための装置、この装置を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱放射を検出するための装置に関する。装置に加えて、装置を製造する方法が特定される。

熱放射を検出するための装置が、たとえば特許文献１（ＤＥ１０００４２１６Ａｌ）から知られている。この装置は、パイロディテクタ（ｐｙｒｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）として表される。この検出素子は、焦電気性の検出素子である。検出素子は、２つの電極層と、その電極層の間に配置された焦電気感知材料を備えた焦電気層とを備えた層設計を有する。この材料は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である。たとえば、電極は、熱放射を吸収するプラチナまたはクロムニッケル合金からなる。

熱検出素子は、ケイ素製の検出素子基板（ケイ素基板）に連結される。検出素子と検出素子基板の間には、前記検出素子および検出素子基板を互いから電気的および熱的に絶縁するための絶縁層が配置される。それによって、絶縁層は、検出素子の基部表面を横切って延びる真空の空隙と、空隙の支持層と、支持層および空隙のカバーとを有する。支持層は、ポリケイ素からなる。カバーは、ボロン燐シリケートガラス（ＢＰＳＧ）製のものである。検出素子によって生成された電気信号を読み取り、処理し、および／または中継するために、読み取り回路が検出素子基板内に組み込まれる。読み取り回路は、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）技術によって実現される。

熱放射の検出のためのこうした装置に匹敵する装置が、特許文献２（ＤＥ１９５２５０７１Ａｌ）から知られている。この熱検出素子も同様に、上記で説明した焦電気性の検出素子である。検出子は、多層の検出素子基板上に配置される。検出素子基板の層の１つは、電気絶縁膜である。この膜は、たとえばＳｉ_３Ｎ_４／ＳｉＯ_２／Ｓｉ_３Ｎ_４の３層からなる。この膜はさらに、検出素子基板のケイ素基板上に施されている。

知られている装置では、複数の検出素子が存在する（検出素子アレイ）。最適な高さの空間分解能を得るために、検出素子は、互いに最適に近接して配置される。しかし、検出素子の配置が近接するほど、「クロストーク（ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）」の可能性が高くなる。望ましい高分解能が失われる。

ＤＥ１０００４２１６Ａｌ ＤＥ１９５２５０７１Ａｌ

本発明の目的は、熱放射を検出するための小型装置であって、高空間分解能および速い応答時間の両方を有する装置を特定することである。

本目的を達成するために、膜と、熱放射を電気信号に変換するようにそれぞれ構成され、膜上に互いに隣り合わせに位置して装着された少なくとも２つの検出素子とを備えた、熱放射を検出するための装置が特定され、この場合、少なくとも１つの熱放散通路が、膜の検出素子の方に向く側および／または膜の検出素子とは逆を向く側に設けられ、この熱放散通路は、膜よりも高い熱伝導性を有しており、熱を検出素子から熱放散通路によって排出することができるように、この膜を介して熱伝導される検出素子に連結され、それによって検出素子の応答時間が速くなり、さらにこの場合、膜よりも低い熱伝導性を有し、検出素子の間を延びる熱障壁が、膜内に組み込まれて設けられ、熱障壁は、互いに平行で、且つ、同じ高さで、２つの隣接する検出素子の間を、前記２つの検出素子の想像上の連結線に対して垂直に通る少なくとも２本のスリットより成り、前記熱放散通路が前記スリットの間を通り、それにより前記熱放散通路が検出素子（１１、１２）から熱的に絶縁されており、その結果、一方の検出素子から他方の検出素子及び検出素子から熱放散通路への膜内の熱伝導が、熱障壁によって防止され、それによって検出素子のクロストークが低くなる。

この目的を達成するために、次の方法ステップで装置を生産するための方法もまた特定され、このステップは、ａ）有向性の熱流を生成するための熱放散通路の形態の少なくとも１つのヒート・シンクと、互いに平行で、且つ、同じ高さで通る少なくとも２本のスリットより成る熱流を調節するための熱障壁の形態の少なくとも１つの熱調節装置とを備え、前記熱放散通路が前記スリットの間を通っている膜を提供するステップと、ｂ）２本のスリットが、２つの隣接する検出素子の間を、前記２つの検出素子の想像上の連結線に対して垂直に通り、前記ヒート・シンクを用いて構成するヒート・シンクの方向において熱検出素子の少なくとも１つから離れる熱流を生成することができ、かつ調節装置を用いて熱流の大きさを調節することができるように、膜上に熱検出素子を配置するステップとを含む。

本発明による装置はまた、本発明によって移動センサとして、存在センサとしておよび／または熱像カメラとして使用することもできる。

検出される熱放射は、１μｍを超える波長を有する。この波長は、望ましくは５〜１５μｍの範囲から選択される。熱検出素子は、たとえばゼーベック（Ｓｅｅｂｅｃｋ）効果に基づいている。熱検出素子は、望ましくは焦電気性の検出素子である。上記で説明したように、焦電気性の検出素子は、焦電気感知材料を有する焦電気層および両側に装着された電極層からなる。焦電気感知材料は、たとえばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）またはチタン酸ジルコン酸鉛などのセラミックである。ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの強誘電性ポリマーもまた考えられる。プラチナまたはプラチナ合金は、たとえば電極層の電極材料として考慮される。クロムニッケル電極または電気伝導性酸化物製の電極もまた考えられる。たとえば、検出素子は、一辺の長さが１０μｍ〜２００μｍの矩形の底面を有する。たとえば５μｍのこれより短い辺または４００μｍまでのこれより長い辺も同様に考えられる。素子の中心間の間隔（ピッチ）は、２０μｍ〜４００μｍの大きさである。これより長い間隔もまた考えられる。

熱放散通路の形態のヒート・シンクは、熱流の生成と、これによる検出素子から離れる熱の輸送を導く。ヒート・シンクおよび検出素子は、熱伝導する形で互いに連結される。しかし、さらなる対策が無い場合、検出素子の感知性は、これによって引き起こされた熱流の増加によって大幅に低減される。その対応策として、熱障壁の形態の調節装置が存在する。熱流の規模（大きさ）は、調節装置を利用して調整される。調節装置は、熱抵抗器として働く。それによって、検出素子の感知性の維持が達成される。

検出素子および追加の検出素子は、膜によって形成された共通の検出素子基板の表面セグメント上に互いに隣り合って配置される。検出素子は、熱クロストークまたは検出素子間の熱的結合のそれぞれを効率的に抑えるので、互いに非常に近接して配置させることができる。

ヒート・シンクは、熱検出素子と追加の熱検出素子の間に配置される。この構成では、検出素子および追加の隣接する検出素子によって放出された熱が放散される。検出素子間には、熱クロストークは存在しない。

ヒート・シンクは、望ましくは、検出素子がその上に配置される表面セグメント上に配置される。この代替策として、ヒート・シンクは、検出素子基板の表面セグメントとは逆を向く側に配置される。ヒート・シンクは、検出素子基板の裏側に配置される。ヒート・シンクが両側に、検出素子側または検出素子基板の逆側の上に配置されることも考えられる。

熱放散通路は、好ましくはケイ素製である。共通の検出素子基板は、検出素子がその上に配置される表面セグメントを形成する膜を有する。膜は、１つの膜層または複数の膜層からなる。したがって、複数の無機または有機材料を使用することができる。たとえば、膜層は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）または窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）製である。これらの材料製の層の特定の利点は、材料の電気的および熱的絶縁効果である。これらの材料は、電気的および熱的絶縁体として働く。

熱放散通路は、好ましくは膜上に配置された連結網（ｗｅｂ）として形付けられる。また、熱放散通路は、検出素子の少なくとも１つがその中に配置される膜の領域を取り囲む複数の連結網によって形成されることが好ましい。ヒート・シンクおよび／または調節装置はそれぞれ、共通の検出素子基板の構成要素である。これは、特に、ヒート・シンクが、共通の検出素子基板上に配置された熱伝導性材料を備えた少なくとも１つの連結網を有することで達成される。１つの連結網または複数の連結網は、表側および裏側に配置させることができる。熱は、連結網を介してヒート・シンクの方向において効率的に排出される。連結網は、付加的に支持機能を実行し、これは、ウエハー接合プロセスで装置を製造することに関して特に有利である。

あるいは、熱放散通路は、好ましくは膜上に配置された薄膜によって形成される。したがって、ヒート・シンクは、好ましくは検出素子基板上に施与された熱伝導性材料を備えた薄膜である。検出素子基板は、たとえば上記で述べた多層膜である。この多層膜では、１つの層が、良好な熱伝導性を有する材料として組み込まれ得る。熱は、この層を介して方向を有する形で放散され、この層は、さらにヒート・シンクに熱伝導する形で連結されている。任意の材料が、連結網または薄膜の熱伝導性材料として考えられる。熱伝導性材料は、好ましくはＣＭＯＳ技術で使用されるとき、有利にはケイ素である。

熱障壁は、膜に設けられた空洞である。このように、調節装置は、検出素子基板の隙間を有するのが望ましい。たとえば、検出素子基板の薄型化または検出素子基板内の穴が、考えられる。検出素子基板の熱断面は、くぼみ無しの検出素子基板と比べて、このくぼみによって低減されている。これにより、横方向の熱伝達の低減がもたらされる。この低減により、検出素子からヒート・シンクへの熱流が妨げられるという状況がもたらされる。この結果、１つの検出素子または複数の検出素子それぞれの感知性は、最大限に維持される。

空洞は、２つの隣接する検出素子の間を、２つの検出素子の想像上の連結線に対して垂直に通る、膜内に設けられたスリットである。互いに平行で、同じ高さで通っている少なくとも２本のスリットが、検出素子の間にこのスリットが配置されるように設けられる。さらに、スリットによって検出素子から熱放散通路が熱的に絶縁されるように、熱放散通路はスリットの間を通る。

検出素子は、膜に取り付けられ、膜と熱伝導接触している。したがって、検出素子は、膜を介して熱伝導する形で互いに結合される。一方の検出素子から他方の検出素子への膜を通る熱伝導は、膜の熱伝導係数および膜の厚さによって定義される。熱障壁が検出素子の間に配置されることから、検出素子は、その熱交換に関しては膜によって互いから熱的に絶縁される。熱交換による検出素子のクロストークは、それによって低減される。したがって、膜の検出素子による個体密度が高いにもかかわらず、装置の空間分解能は高くなる。検出素子はまた、熱放射によって素早く加熱されるが、これは、熱障壁の絶縁効果により、少量の熱しか、検出素子から膜を通って放散されないためである。したがって、検出素子に熱放射が入射した際の電気信号の上昇は、急こう配になる。しかし、熱障壁の絶縁効果により、検出素子は、熱放射の終了時、膜全域の熱放散によってゆっくりとしか冷却されないことがここでは欠点となる。これは、検出素子の応答時間が長くなるという結果を有するはずである。熱が検出素子から素早く排出される手段として熱放散通路を設けることで、熱放散通路の熱放散効果により、検出素子が、熱放射の終了時に熱放散通路上の熱放散によって迅速に冷却されるような救済がもたらされる。したがって、検出素子に熱放射が存在しなくなった際の電気信号の下降は急こう配になる。こうして、装置は検出素子による高い個体密度を有しても、装置の応答時間は短くなる。

本発明の別の態様によれば、装置は、移動センサとして、存在センサとしておよび／または熱像カメラとして使用される。熱像カメラに関しては、装置には、たとえば２４０×３２０検出素子（ＱＶＧＡ標準）またはそれ以上の複数の検出素子が装備される。これは、集積密度（単位面積当たりの検出素子の数）が高いために可能である。

要約すれば、本発明の以下の利点が、強調されるものとする。
− 熱放射の検出のための装置は、小型のものである。
− 本発明により従来技術と比較して集積密度が増大する。
− 隣り合う検出素子の間のクロストークの可能性が低減される。しかし、それと同時に、個々の検出素子の感知性は維持される。
− 装置は、連結網を使用した場合に特に機械的に安定化される。

熱放射の検出のための装置は、以下において例示的実施形態および関連する図を用いて提示される。図は、概略であり、原寸に比例した図を示しているものではない。

熱放射の検出のための装置の上方からの斜視図である。 熱放射の検出のための装置の下方からの斜視図である。 検出素子基板上の検出素子の横断面図である。

熱放射の検出のための装置１は、熱検出素子１１および少なくとも１つの追加の熱検出素子１２がその上に装着された膜１０１を備えた検出素子基板１０を有する。検出素子基板は、ケイ素基板１００を有する。熱検出素子は、膜の表面セグメント１０２上に検出素子アレイ１１０として配置されている。２×２の検出素子を備えた検出素子アレイが、図１Ａに例として示されている。

検出素子１１および１２は、２つの電極層１１２および１２２、ならびに電極層の間にそれぞれ配置された焦電気層１１３および１２３を有する薄膜設計の焦電気性の検出素子である（図２）。焦電気層はそれぞれ、焦電気感知材料であるＰＺＴ製の、約１μｍの厚さの層である。電極層は、約２０ｎｍの層厚さを有するプラチナおよびクロムニッケル合金製のものである。

膜１０１は、Ｓｉ_３Ｎ_４／ＳｉＯ_２／Ｓｉ_３Ｎ_４の３層である。検出素子に関しては、読み取り回路（図示せず）が、検出素子基板のケイ素基板内に組み込まれる。

ケイ素製の細い連結網１０４が、表側１０２および裏側１０３の両方において検出素子の間に配置される。細い連結網は、検出素子の少なくとも１つずつから一個のヒート・シンクに至るそれぞれのヒート・シンクとして働く。ヒート・シンクがここで示される。

さらに、膜には、スリット１０５の形態の隙間が含まれる。スリットは、それぞれの熱流を調節するための調節装置として働く。

検出素子のピッチを４００μｍとして２００×２００μｍ^２の基部面積を有する検出素子の例における熱の過結合の有限要素（ＦＥＭ）シミュレーションでは、スリットおよび連結網の本発明の組合せの効果性が確認された。
基部構造 基部構造に対して 隣接するピクセル間の
正規化された感知性 クロストーク
連結網およびスリット無し １ ３３％
連結網有り ０．２８ ＜１％
連結網およびスリット有り ０．８２ ＜１％
連結網＋スリットを有し、
基部構造が１／４に低減される ２．４ ＜１％

装置の生産は次のように進める：ａ）表面セグメントと、有向性の熱流を生成するための少なくとも１つのヒート・シンクと、熱流を調節するための少なくとも１つの熱調節装置とを備えた検出素子基板を提供し、ｂ）熱検出素子の少なくとも１つから離れるように方向付けられた有向性の熱流を、ヒート・シンクを用いて前記ヒート・シンクの方向に生成し、かつ熱流の大きさを調節装置を用いて調節することができるように、検出素子基板の表面セグメント上に熱検出素子を配置する。検出素子は、事前に製作された検出素子基板の表面セグメント上に装着される。これの代替策として、検出素子基板には、連結網が最初に設けられる。スリット（調節装置）の導入は、検出素子の配置後に続いて行われる。検出素子の配置は、一般的な方法で、たとえば個々の層のスパッタリングによって続いて行われる。

この配置後、裏側エッチングとして知られているものが実施される。ケイ素基板の材料が、裏側、即ち、ケイ素基板の検出素子とは逆を向いている側から除去される。それによってスリットは暴露される。

装置は、移動センサ、存在センサ、または熱像カメラにおいて使用される。

Claims (7)

1. ケイ素基板の上に配置された膜（１０１）と、熱放射を電気信号に変換するようにそれぞれ構成され、前記膜（１０１）上に互いに隣り合わせに位置して装着された少なくとも２つの検出素子（１１、１２）とを備えた、熱放射を検出するための装置であって、熱放散通路（１０４）の形態の少なくとも１つのヒート・シンクが、前記膜（１０１）の前記検出素子（１１、１２）の方に向く側、および／または、前記膜（１０１）の前記検出素子とは逆を向く側に設けられ、前記熱放散通路（１０４）は、前記膜（１０１）よりも高い熱伝導性を有しており、熱を前記検出素子（１１，１２）から前記熱放散通路（１０４）によって排出することができるように、前記膜（１０１）を介して熱伝導する形で前記検出素子（１１、１２）に連結され、それによって前記検出素子（１１、１２）の応答時間が遅くなり、さらに前記膜（１０１）よりも低い熱伝導性を有し、前記検出素子（１１、１２）の間を延びる熱障壁（１０５）が、前記膜（１０１）内に組み込まれて設けられ、熱障壁（１０５）は互いに平行で、且つ、同じ高さで、２つの隣接する検出素子（１１、１２）の間を、前記２つの検出素子（１１、１２）の想像上の連結線に対して垂直に通る少なくとも２本のスリット（１０５）より成り、前記熱放散通路（１０４）が前記スリット（１０５）の間を通り、それにより前記熱放散通路（１０４）が検出素子（１１、１２）から熱的に絶縁されており、前記熱障壁（１０５）によって、一方の前記検出素子（１１、１２）から他方の前記検出素子（１１、１２）及び前記検出素子（１１、１２）から前記熱放散通路（１０４）への前記膜（１０１）内の熱伝導が防止され、それにより前記検出素子（１１、１２）の熱的クロストークが低くなる、装置。
2. 前記熱放散通路（１０４）が、ケイ素製である、請求項１に記載の装置。
3. 前記熱放散通路（１０４）が前記膜（１０１）上に配置された連結網（１０４）として形作られている、請求項２に記載の装置。
4. 前記熱放散通路（１０４）が、前記検出素子（１１、１２）の少なくとも一つが中に配置された前記膜（１０１）の領域を取り囲む複数の連結網（１０４）から形成される、請求項３に記載の装置。
5. 前記熱放散通路（１０４）が、前記膜（１０１）上に配置された薄膜によって形成されている、請求項１又は２に記載の装置。
6. ａ）有向性の熱流を生成するための前記熱放散通路（１０４）の形態の少なくとも１つのヒート・シンクと、互いに平行で、且つ、同じ高さで通る少なくとも２本のスリット（１０５）より成る前記熱流を調節するための前記熱障壁（１０５）の形態の熱調節装置とを備え、前記熱放散通路（１０４）が前記スリット（１０５）の間を通っている膜（１０１）を提供するステップと、
   ｂ）２本のスリット（１０５）が、２つの隣接する検出素子（１１、１２）の間を、前記２つの検出素子（１１、１２）の想像上の連結線に対して垂直に通り、前記ヒート・シンクを用いて、前記ヒート・シンクの方向において前記熱検出素子の少なくとも１つから離れる有向性の熱流を生成することができ、かつ前記調節装置を用いて、前記熱流の大きさを調節することができるように、前記膜（１０１）上に前記検出素子（１１、１２）を配置するステップと、さらに
   ｃ）装置を完成するステップと
   を含む、請求項１から５のいずれかに記載の装置を生産するための方法。
7. 移動センサとして、存在センサとしておよび／または熱像カメラとして用いられる、請求項１又は２に記載の装置。

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