JP5964543B2 - ボロメータ型テラヘルツ波検出器 - Google Patents
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Description
本発明は、ＴＨｚ周波数帯の電磁波（ＴＨｚ波）を検出する検出器に関し、特に、ボロメータ型ＴＨｚ波検出器に関する。
近年、光と電波の狭間にあるテラヘルツ周波数帯の電磁波（すなわち、周波数が１０１２Ｈｚ、波長が略３０μｍ〜１ｍｍの電磁波、以下、ＴＨｚ波と呼ぶ。）が、物質の情報を直接反映する電磁波として注目されている。ＴＨｚ波の検出のため、熱分離構造を有するボロメータ型赤外線検出器の技術が応用されている。その従来例として、ボロメータ型ＴＨｚ波検出器があり、特開２００８−２４１４３８号公報やＳＰＩＥの論文（小田等、Proceedings of SPIE,Vol.6940 (2008年)頁69402Y-1から69402Y-12）に記載されている。
図６に従来の２次元ボロメータ型ＴＨｚ検出器の画素構造を示す。ボロメータ型ＴＨｚ波検出器１は、読出回路２ａ等が形成された回路基板２上に、入射するＴＨｚ波を反射する反射膜３と読出回路２ａに接続するためのコンタクト４が形成され、その上に第１保護膜５が形成されている。また、コンタクト４上に、第２保護膜６、第３保護膜８、電極配線９、第４保護膜１０からなる支持部１３が形成され、コンタクト４を介して読出回路２ａと電極配線９とが接続されている。また、この支持部１３によって、第２保護膜６、ボロメータ薄膜７、第３保護膜８、第４保護膜１０、吸収膜１１からなる温度検出部（ダイアフラム）１４が中空に保持され（エアギャップ１５）、ボロメータ薄膜７の両端部には電極配線９が接続されている。温度検出部１４の周囲には、温度検出部１４の周囲に入射するＴＨｚ波を吸収できるようにするための庇１２が形成されている。同庇にも吸収膜１１が形成されている。
この従来技術の画素構造の特徴は、反射膜と温度検出部の間隔（エアギャップ）並びに反射膜と庇の間隔が赤外線の波長を基準にして設定されていること、且つ、温度検出部のシート抵抗が１０〜１００Ω／squareに設定されていることである。このことにより、ボロメータ型赤外線検出器アレイセンサの構造をほぼ保った状態で、吸収膜を追加することだけでＴＨｚ波の感度、例えば３ＴＨｚ（波長１００μｍ）において約６倍の感度向上を達成することができた（小田等、Proceedings of SPIE, Vol.6940 (2008年)頁69402Y-1から69402Y-12）。
小田等、Proceedings of SPIE,Vol.6940 (2008年)頁69402Y-1から69402Y-12
上記の従来技術（特開２００８−２４１４３８号公報）の画素構造において、赤外線の波長を基準にして、反射膜と温度検出部上の吸収膜の間隔（エアギャップ）並びに反射膜と庇上の吸収膜の間隔を各々１．５μｍ（占有率％）と３．０μｍ（占有率％）に設定した場合、テラヘルツ波に対する同画素構造の吸収率は、前述のように、同吸収膜がない場合に比べて非常に向上したが、まだ小さい。モデル計算を用いて、このことを次に説明する。
同画素構造の感度は、温度検出部と庇の総合吸収率に比例する。図６の画素構造を、図７に示すように、簡略的に温度検出部（ダイアフラム）（領域 I）と庇（領域 II）に分け、反射膜とのエアギャップを各々ｄ1、ｄ2、各領域の占有率を各々β１，β２とする。温度検出部（ダイアフラム）と庇の上に成膜する吸収膜のシート抵抗をσＳ、反射膜のシート抵抗をσｒとすると、P. A. Silberg（Journal of Optical Society of America, vol.47 (1957) pp.575-578）の式を用いて、画素構造の総合吸収率（η）は、次のように表わされる。
図８に、波長λ＝７０，１００，１５０，３００μｍでの総合吸収率と吸収膜のシート抵抗の関係を示す。同図の場合、領域 Iと領域 IIの占有率は、各々５０％と３０％である。同図を見て分かるように、従来技術の場合、波長７０μｍ、１００μｍ、１５０μｍおよび３００μｍにおける総合吸収率の最大値は、各々２２％、１７％、１２％および６％と小さい。
なお、窒化ケイ素の吸収率については、Ｑ．Ｈｕ等の講演資料（”Real-time THz Imaging Using Quantum-cascade Lasers and Focal-plane Array Cameras”, 2nd International Workshop on Quantum Cascade Lasers, September 6-9 (2006)）に記載されており、それを図９に示す。同図を見て分かるように、窒化ケイ素は、波長５０μｍ以上でほぼ透明になる。従って、この波長領域では、ＳＰＩＥの論文（小田等、Proceedings of SPIE, Vol.6940 (2008年)頁69402Y-1から69402Y-12）の式を用いて（干渉効果による吸収）、ボロメータ型テラヘルツ波検出器が有する熱分離構造の吸収率を計算することができる。但し、波長５０μｍ以下では窒化ケイ素自身の吸収が大きくなるため、干渉効果による吸収ではなく温度検出部の主な構造材料である窒化ケイ素自身による吸収が寄与することを念頭に置く必要がある。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、主たる目的は高感度ボロメータ型ＴＨｚ波検出器を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明は、基板に形成された読出回路に接続される電気配線を含む支持部により、前記電気配線に接続されるボロメータ薄膜を含む温度検出部および該温度検出部の周縁部から内側と外側に延びて形成された庇が、前記基板から浮いた状態で支持される熱分離構造を有するボロメータ型ＴＨｚ波検出器であって、該庇のうち該温度検出部の周縁部から内側に延びて形成された庇の一部に１個または複数の穴を有し、前記基板上の前記温度検出部に対向する位置にＴＨｚ波を反射する反射膜が形成され、前記庇の表面、裏面あるいは内部に前記ＴＨｚ波を吸収する吸収膜が形成され、前記反射膜と前記吸収膜とで光学的共振構造が形成されることを特徴とする。
このように本発明では、該温度検出部の周縁部から内側と外側に延びる庇を形成すると共に、内側に延びて形成された庇の一部に１個または複数の穴を形成し、その庇の表面、裏面あるいは内部に吸収膜を形成することにより、後述するように、従来技術より感度向上を実現することができる。
以上説明したように、本発明のボロメータ型テラヘルツ波検出器を用いると、従来技術の問題点（例えば、波長７０μｍでの熱分離構造の総合吸収率は２２％程度、波長３００μｍでの総合吸収率は６％程度と低い。）を解決することができる。
つまり、本発明の適用により、波長７０μｍでの総合吸収率を３４％に、波長３００μｍでの総合吸収率を９％に増やすことができる。これを感度に換算すると、約１．５倍の向上に対応する。このように、本発明の適用により、従来技術で得られる感度に比べ約１．５倍の感度向上が達成される。
また、仮にエアギャップｄ2を１０μｍとすると、波長７０μｍでの総合吸収率を６５％に、波長３００μｍでの総合吸収率を３４％に増やす事ができる。これを感度換算すると従来例に比べ、波長７０μｍで約３倍、波長３００μｍで約５．５倍とすることができる。
背景技術で示したように、ボロメータ型赤外線検出器の構造を基本として、温度検出部の周縁部から外側に延びる庇を形成し、温度検出部上及び庇上に吸収膜を形成して感度を向上させたボロメータ型ＴＨｚ検出器が提案されているが、この構造では、基板上の反射膜と温度検出部の間隔（エアギャップｄ1）と、基板上の反射膜と庇の間隔（エアギャップｄ2）とが異なるため、画素全体で均一な光学的共振構造を形成することができず、感度を十分に向上させることができない。そこで、本発明の一実施の形態では、更なる感度の向上を図った構造を提案する。
すなわち、基板に形成された読出回路に接続される電気配線を含む支持部により、電気配線に接続されるボロメータ薄膜を含む温度検出部が、基板から浮いた状態で支持される熱分離構造を有し、基板上の温度検出部に対向する位置にＴＨｚ波を反射する反射膜が形成されたボロメータ型ＴＨｚ波検出器において、温度検出部の周縁部から内側と外側に延びる庇を形成すると共に周縁部から内側に延びる庇に少なくとも１つの穴を設け、更に、庇の表面、裏面あるいは内部にＴＨｚ波を吸収する吸収膜を形成し、基板上の反射膜と庇上の吸収膜とで光学的共振構造が形成されるようにする。以下、図面を参照して詳細に説明する。
上記実施形態について更に詳細に説明すべく、本発明の第１の実施例に係るボロメータ型ＴＨｚ波検出器について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、本実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出器の画素構造を示す図であり、図２は、波長７０μｍ、１００μｍ、１５０μｍおよび３００μｍに対する同画素構造の総合吸収率のシート抵抗依存性を示す図である。
図１に示す本実施例のボロメータ型ＴＨｚ波検出器１は、読出回路２ａ等が形成された回路基板２上に、入射するＴＨｚ波を反射する反射膜３と読出回路２ａに接続するためのコンタクト４が形成され、その上に第１保護膜５が形成されている。また、コンタクト４上に、第２保護膜６、第３保護膜８、電極配線９、第４保護膜１０からなる支持部１３が形成され、コンタクト４を介して読出回路２ａと電極配線９とが接続されている。また、この支持部１３によって、第２保護膜６、ボロメータ薄膜７、第３保護膜８、第４保護膜１０からなる温度検出部（ダイアフラム）１４が回路基板２から浮いた状態で支持され（エアギャップ１５、図７のエアギャップｄ1）、ボロメータ薄膜７の両端部には電極配線９が接続されている。
温度検出部１４の上部及び周囲には、該温度検出部１４の周縁部から内側と外側に延びる庇１２が形成され、温度検出部１４及び回路基板２から浮いた状態で支持されており（内側及び外側共に、図７のエアギャップｄ2）、庇１２の表面、裏面若しくは内部に吸収膜１１が形成されている。更に、温度検出部１４上部には、庇１２及び吸収膜１１を貫通する穴１６が形成されている。なお、穴１６は、庇１２を形成する際の土台となる犠牲層をエッチングする為のエッチングホールであり、図１では温度検出部１４の中央に１つ形成しているが、穴１６の数や位置、大きさ、形状等は特に限定されず、各画素に少なくとも１つ備えていればよい。
本実施例（図１）では、画素数３２０ｘ２４０、画素ピッチ２３．５μｍのボロメータ型非冷却アレイセンサを用いた。第２〜４保護膜（６，８，１０）に窒化ケイ素を用い厚みを３５０ｎｍとし、ボロメータ薄膜７に酸化バナジウム薄膜を６０ｎｍ形成し、電極配線９と吸収膜１１にＴｉＡｌＶを用いた。電極配線９のＴｉＡｌＶの厚みは７０ｎｍ、吸収膜１１のＴｉＡｌＶの厚みは、シート抵抗１００Ω／squareの場合２０ｎｍに、シート抵抗２００Ω／squareの場合１０ｎｍに設定した。
同図の画素構造では、エアギャップｄ1＝１．５μｍの領域 Iの占有率β1は約０％、一方エアギャップｄ2＝３．０μｍの領域 IIの占有率β2は約８０％である。この場合、同画素構造の総合吸収率のシート抵抗依存性は、前述の計算式を用いると、波長７０μｍ、１００μｍ、１５０μｍおよび３００μｍに対して図２のように表される。同図を見て分るように、波長７０μｍ、１００μｍ、１５０μｍおよび３００μｍにおける総合吸収率の最大値は、各々３４％、２４％、１８％および９％となる。これらの値は十分に大きいとは言えないが、従来例の値と比べ、総合吸収率が約１．５倍改善されている。感度は総合吸収率に比例するので、本実施例の画素構造により従来の感度に比べ約１．５倍増加することが分る。
以下、上記構造のボロメータ型ＴＨｚ波検出器１の製造方法について概説する。
まず、ＣＭＯＳ回路等の読出回路２ａを形成した回路基板２上に、スパッタ法によりＡｌ、Ｔｉ等の金属を５００ｎｍ程度の膜厚で成膜し、レジストをマスクとしてパターン形成を行い、各画素の温度検出部１４に入射するＴＨｚ波を反射するための反射膜３及び電極配線９と読出回路２ａとを接続するためのコンタクト４を形成する。なお、上記金属はＴＨｚ波の反射率が高く、電気抵抗が小さい材料であればよく、Ａｌ、Ｔｉに限定されない。
次に、回路基板２全面に、プラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜（ＳｉＯ、ＳｉＯ２)、シリコン窒化膜(ＳｉＮ、Ｓｉ３Ｎ４)、シリコン酸窒化膜(ＳｉＯＮ)などを１００〜５００ｎｍ程度の膜厚で成膜し、反射膜３及びコンタクト４を保護する第１保護膜５を形成する。
次に、回路基板２全面に感光性ポリイミド膜等の有機膜を塗布し、コンタクト４及び画素間の領域が露出するように露光・現像を行った後、４００℃程度の温度で焼締めを行い、マイクロブリッジ構造を形成するための犠牲層を形成する。その際、キュア後の感光性ポリイミド膜は、後に形成する第２保護膜６、ボロメータ薄膜７、第３保護膜８、第４保護膜１０の厚みを考慮して、反射膜３と温度検出部１４との間隔が赤外線の波長の略１／４程度（本実施例では１．５μｍ）になるように設定する。
次に、犠牲層の上に、プラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜を１００〜５００ｎｍ程度の膜厚で成膜し、第２保護膜６を形成する。
次に、第２保護膜６の上に、酸素雰囲気の反応性スパッタにより酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ３、ＶＯＸなど）を６０ｎｍ程度の膜厚で堆積し、レジストをマスクとしてパターン形成を行い、温度検出部１４となる部分にボロメータ薄膜７を形成する。なお、ここではボロメータ薄膜７として酸化バナジウムを用いているが、抵抗温度係数（ＴＣＲ：Temperature Coefficient Resistance）の大きい他の材料を用いることもできる。
次に、プラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜を５０ｎｍ程度の膜厚で成膜し、ボロメータ薄膜７を保護する第３保護膜８を形成する。その後、コンタクト４上の第１保護膜５、第２保護膜６及び第３保護膜８、ボロメータ薄膜７端部の第３保護膜８を除去する。
次に、スパッタ法によりＴｉＡｌＶを７０ｎｍ程度の膜厚で成膜した後、レジストをマスクとしてパターン形成を行い、電極配線９を形成する。この電極配線９はコンタクト４を介してボロメータ薄膜７と回路基板２内の読出回路２ａとを電気的に接続すると共に、ボロメータ薄膜７を中空に保持する支持部１３としての役割を果たす。なお、電極配線９の材料はＴｉＡｌＶに限らず、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏなどの金属を用いることもができる。
次に、プラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜を１００〜５００ｎｍ程度の膜厚で成膜し、電極配線９を保護する第４保護膜１０を形成する。
次に、四フッ化メタン、六フッ化エタン、トリフルオロメタンなどのフッ素系ガス、もしくはこれらのガスと酸素の混合ガスを用いたプラズマエッチングにより、第２保護膜６と第３保護膜８と第４保護膜１０とを部分的にエッチングして、犠牲層上の所定の領域にスルーホールを形成してポリイミドを部分的に露出させる。
次に、回路基板２全面に感光性ポリイミドを塗布し、温度検出部１４の周縁部が露出するように露光・現像を行った後、熱処理を施して、温度検出部１４の中央部及び隣接する温度検出部１４の間の領域に第２犠牲層を形成する。犠牲層の厚さは、例えば、３μｍ程度である。
次に、シリコン窒化膜を２００〜６００ｎｍ程度の膜厚で形成して庇１２を形成した後、スパッタ法によりＴｉＡｌＶを成膜して庇１２上に吸収膜１１を形成する。その際、庇１２及び吸収膜１１のシート抵抗が所望の値となるように膜厚を設定する。この吸収膜１１はＴＨｚ波を効率的に吸収する役割を果たす。なお、吸収膜１１の材料はＴｉＡｌＶに限らず、シート抵抗を所望の値に設定可能な材料であればよい。また、吸収膜１１は反射膜３と対向するように配置されていればよく、庇１２の表面、裏面あるいは内部にあってもよい。
その後、温度検出部１４上部及び隣接する画素間に庇１２及び吸収膜１１を貫通するスルーホールを形成してポリイミドを部分的に露出させ、Ｏ２ガスプラズマを用いたアッシングにより犠牲層及び第２犠牲層を除去し、温度検出部１４が支持部１３によって回路基板２から浮いたマイクロブリッジ構造のボロメータ型ＴＨｚ検出器１が完成する。
なお、第２保護膜６、第３保護膜８、第４保護膜１０の材料はシリコン窒化膜に限定されず、シリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜などを用いることができ、その膜厚も適宜設定可能である。
また、犠牲層をポリシリコンやＡｌで構成することもできる。ポリシリコンを用いる場合は、例えば、ヒドラジンやテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）を用いたウェットエッチング、ＸｅＦ２プラズマを用いたドライエッチング等により犠牲層を除去することができる。また、Ａｌを用いる場合は、例えば、塩酸やホットリン酸を用いたウェットエッチングにより犠牲層を除去することができる。
また、第２保護膜６、第３保護膜８、第４保護膜１０にシリコン酸化膜を用いる場合には、犠牲層をシリコン窒化膜で構成することも可能であり、さらに、その逆も可能である。シリコン窒化膜を犠牲層とする場合は、例えば、ホットリン酸を用いたウェットエッチングで除去することができ、シリコン酸化膜を犠牲層とする場合は、例えば、弗酸を用いたウェットエッチングで除去することができる。
次に、本発明の第２の実施例に係るボロメータ型ＴＨｚ波検出器について、図３乃至図５を参照して説明する。図３は、本実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出器の画素構造を示す図であり、図４は、波長７０μｍ、１００μｍ、１５０μｍおよび３００μｍに対する同画素構造の総合吸収率のシート抵抗依存性を示す図である。また、図５は、波長３０μｍ（周波数１０ＴＨｚ）から３００μｍ（１ＴＨｚ）までの各波長における、総合吸収率のエアギャップｄ2依存性を示す図である。
図３に示す本実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出器は、第１の実施例（図１）のエアギャップｄ1を変えずにエアギャップｄ2をより広くした構造である。エアギャップｄ1を大きくする事は、読出回路と温度検出部とを接続する電極配線がエアギャップｄ1に相当する大きな段差を跨いで形成される必要があり、一般に大きな段差に電極配線を形成する事は断線などが生じやすくなる。図３の構造はエアギャップｄ1を第１の実施例と同じにしており、即ち温度検知部を形成するまでの製造工程について全く変更する必要が無く、電極配線の断線の心配がない。
計算例として、領域 IIの占有率β2＝８０％、エアギャップｄ2＝１０μｍとした場合の、総合吸収率のシート抵抗依存を図４に示す。図４より、波長７０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ及び３００μｍにおける総合吸収率の最大値は、各々６５％、６２％、５５％および３４％となる。波長にも依るが、例えば３００μｍの場合、従来例と比べ総合吸収率が約５．５倍改善されている。
次にエアギャップｄ2について考察する。図５に波長３０μｍ（周波数１０ＴＨｚ）から３００μｍ（１ＴＨｚ）までの各波長における、総合吸収率のエアギャップｄ2依存性を示す。同図より、波長３０μｍの場合、エアギャップ１５μｍで大きく吸収率が低下している。実際には、図９に示したように窒化ケイ素の吸収率が大きいため、図５の様に極端に吸収率が低下する事はないが、エアギャップｄ2の上限は１５μｍとなる。
なお、上記各実施例では、波長３０μｍ〜１ｍｍ程度のＴＨｚ波を検出する場合について述べたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、他の波長帯の電磁波に対しても適用可能である。
本発明は、ＴＨｚ波を検出する検出器に利用可能である。
１ ボロメータ型テラヘルツ（ＴＨｚ）波検出器
２ 回路基板
２ａ 読出回路
３ 反射膜
４ コンタクト
５ 第１保護膜
６ 第２保護膜
７ ボロメータ薄膜
８ 第３保護膜
９ 電極配線
１０ 第４保護膜
１１ 吸収膜
１２ 庇
１３ 支持部
１４ 温度検出部（ダイアフラム）
１５ エアギャップ
１６ 穴
２ 回路基板
２ａ 読出回路
３ 反射膜
４ コンタクト
５ 第１保護膜
６ 第２保護膜
７ ボロメータ薄膜
８ 第３保護膜
９ 電極配線
１０ 第４保護膜
１１ 吸収膜
１２ 庇
１３ 支持部
１４ 温度検出部（ダイアフラム）
１５ エアギャップ
１６ 穴
Claims (4)
- 基板に形成された読出回路に接続される電気配線を含む支持部により、前記電気配線に接続されるボロメータ薄膜を含む温度検出部および該温度検出部の周縁部から内側と外側に延びて形成された庇が、前記基板から浮いた状態で支持される熱分離構造を有するボロメータ型ＴＨｚ波検出器であって、
該庇のうち該温度検出部の周縁部から内側に延びて形成された庇の一部に１個または複数の穴を有し、
前記基板上の前記温度検出部に対向する位置にＴＨｚ波を反射する反射膜が形成され、
前記内側及び外側に延びて形成された庇の表面が略同一平面上に位置し、前記内側及び外側に延びて形成された庇の表面、裏面あるいは内部のみに前記ＴＨｚ波を吸収する吸収膜が形成され、
前記反射膜と前記吸収膜とで光学的共振構造が形成されることを特徴とするボロメータ型ＴＨｚ波検出器。 - 基板に形成された読出回路に接続される電気配線を含む支持部により、前記電気配線に接続されるボロメータ薄膜を含む温度検出部および該温度検出部の周縁部から内側と外側に延びて形成された庇が、前記基板から浮いた状態で支持される熱分離構造を有するボロメータ型ＴＨｚ波検出器であって、
該庇のうち該温度検出部の周縁部から内側に延びて形成された庇の一部に複数の穴を有し、
前記基板上の前記温度検出部に対向する位置にＴＨｚ波を反射する反射膜が形成され、
前記内側及び外側に延びて形成された庇の表面が略同一平面上に位置し、前記内側及び外側に延びて形成された庇の表面、裏面あるいは内部に前記ＴＨｚ波を吸収する吸収膜が形成され、
前記反射膜と前記吸収膜とで光学的共振構造が形成されることを特徴とするボロメータ型ＴＨｚ波検出器。 - 前記温度検出部の周縁部から内側に延びて形成された庇と外側に延びて形成された庇とは、前記基板からの距離が等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載のボロメータ型ＴＨｚ波検出器。
- 前記反射膜と前記吸収膜との間隔は、１５μｍを上限とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のボロメータ型ＴＨｚ波検出器。
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