DE102016224977A1

DE102016224977A1 - Infrarot-Wärmedetektor und Herstellungsverfahren für Infrarot-Wärmedetektor

Info

Publication number: DE102016224977A1
Application number: DE102016224977.0A
Authority: DE
Inventors: Satoi KOBAYASHI; Takaki SUGINO; Takafumi Hara; Yuji Kawano
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-05-13
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2017-11-16
Also published as: US20170328778A1; JP2017203737A; US11215510B2; JP6279011B2

Abstract

Bei einem Infrarot-Wärmedetektor mit Grabenstrukturen ist zumindest ein Sensorelement zwischen den Grabenstrukturen vorgesehen, ein Ätzloch, durch das Sensorelement ausgehöhlt und thermisch isoliert ist, ist in einer Substratrückseite oder an dem Umfang eines Pixelbereichs vorgesehen, und ein Öffnungsabschnitt ist unterhalb des Pixelbereichs vorgesehen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technischer Bereich
Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Wärmedetektor, der durch Absorption von Infrarotstrahlen erzeugte Wärme in Elektrizität umwandelt und die Elektrizität detektiert, und insbesondere einen hochempfindlichen Infrarot-Wärmedetektor mit einer kleinen Wärmeträgheit, und ein Herstellungsverfahren zum Herstellen des stabilen Infrarot-Wärmedetektors.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Infrarotdetektoren, die Infrarotstrahlen verwenden, können allgemein gemäß Betriebsprinzip in Infrarot-Wärmedetektoren, die Temperaturvariationen verwenden, die auftreten, wenn Energie von den Infrarotstrahlen absorbiert wird, und in Quanten bzw. Quantentopf-Infrarotdetektoren, die Trägererregung verwenden, die aus der Absorption der Infrarotstrahlen resultiert, unterteilt werden.
Ein Quantentop-Infrarotdetektor arbeitet bei einer niedrigen Temperatur, und daher muss ein damit verwendetes Element unter Verwendung eines Kühlaggregats auf etwa –200 °C heruntergekühlt werden. Im Ergebnis kommt es zu Nachteilen wie etwa ein komplexer Aufbau, die Notwendigkeit für Kühlaggregat-Wartung, erhöhte Kosten und Schwierigkeiten bei der Handhabung.
Andererseits benötigt ein Infrarot-Wärmedetektor keine Kühlvorrichtung, und besitzt daher einen einfachen Aufbau und ist kostengünstig. Dementsprechend werden Infrarot-Wärmedetektoren weithin für allgemeine Zwecke verwendet.
Die Hauptleistungsindikatoren eines Infrarot-Wärmedetektors sind Empfindlichkeit und eine Wärmeträgheit. Um die Empfindlichkeit zu verbessern, ist es wichtig, einen Durchlass zu vergrößern und eine Wärmebeständigkeit eines Sensorelements zu erhöhen. Um den Durchlass zu vergrößern, wird die Proportion eines Absorptionsabschnitts für Infrarotstrahlen bezüglich eines Pixelbereichs vergrößert, so dass das Sensorelement eine größere Menge an Infrarotstrahlen absorbieren kann (vgl. beispielsweise japanisches Patent 4224949 ).
Um die Wärmebeständigkeit zu erhöhen, ist eine Wärmeisolationsstruktur vorgesehen, um sicherzustellen, dass während einer Infrarotstrahlenabsorption durch das Sensorelement erzeugte Wärme nicht nach außerhalb des Sensorelements entweicht. Eine Wärmeisolierungsstruktur wird durch, zum Beispiel, Vorsehen eines schmalen Dünnschicht-Wärmeisolier-Stützbeins an dem Sensorelement (vgl. beispielsweise japanisches Patent 3944465 ) oder durch Ätzen der Unterseite des Sensorelements verwirklicht, so dass das Sensorelement ausgehöhlt wird und dadurch wärmeisoliert wird (vgl. beispielsweise japanische Patentanmeldungsveröffentlichung 2014-199254 ).
Um die Wärmeträgheit zu verringern, oder mit anderen Worten, eine Ansprechgeschwindigkeit zu verbessern, ist es wichtig, eine Wärmekapazität des Sensorelements zu verringern und Wärmesättigung am Umfang des Sensorelements zu vermeiden. Die Wärmekapazität des Sensorelements wird durch Verringern der Dicke und des Volumens des Sensorelements verringert. Die Wärmesättigung am Umfang des Sensorelements wird durch den Einsatz eines Substrates als eine Wärmesenke vermieden.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Stand der Technik beinhaltet jedoch die folgenden Probleme.
In Anbetracht der obenstehend beschriebenen Umstände verbessert der in dem japanischen Patent 4224949 beschriebene Stand der Technik die Empfindlichkeit eines Infrarot-Wärmedetektors durch Vorsehen einer Absorptionsstruktur für Infrarotstrahlen an einem oberen Abschnitt des Sensorelements, um den Durchlass davon zu vergrößern. Bei einer wie in dem japanischen Patent 4224949 beschriebenen Struktur muss jedoch ein Ätzloch, durch das das Sensorelement ausgehöhlt und thermisch isoliert ist, in der Absorptionsstruktur für Infrarotstrahlen vorgesehen werden. Im Ergebnis verkleinert sich der Durchlass.
Ferner ist, um eine Pixelanzahl zu erhöhen und einen Pixelabstand zu verringern, das japanische Patent 4224949 derart aufgebaut, dass das Sensorelement und das Wärmeisolations-Stützbein auf einer identischen Ebene vorgesehen sind. Daher verringert sich bei dem japanischen Patent 4224949 ein Oberflächenbereich des Sensorelements, wenn ein Draht des Wärmeisolations-Stützbeins verlängert wird, um die Wärmebeständigkeit zu erhöhen, während der Pixelabstand verringert wird. Im Ergebnis verschlechtert sich eine Sensorcharakteristik dramatisch, was es selbst durch Vorsehen einer Absorptionsstruktur für Infrarotstrahlen schwierig macht, die Empfindlichkeit zu verbessern, um den Durchlass zu vergrößern.
Als Antwort auf dieses Problem, werden das Sensorelement und das Wärmeisolations-Stützbein bei dem japanischen Patent 3944465 auf verschiedenen Ebenen vorgesehen, so dass die Wärmebeständigkeit erhöht wird, während eine ausreichende Größe für das Sensorelement sichergestellt ist. In dem japanischen Patent 3944465 jedoch wird der Durchlass des Sensorelements aufgrund einer Lichtblockade durch das an dem Sensorelement vorgesehene Wärmeisolations-Stützbein verkleinert. Daher muss die Absorptionsstruktur für Infrarotstrahlen an dem Sensorelement gebildet werden, um den Durchlass in dem japanischen Patent 3944465 zu vergrößern.
Bei der in der japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung 2014-199254 beschriebenen Struktur wird ein erster Öffnungsabschnitt, der durch Stoppen von Ätzen auf halbem Weg durch ein Substrat gebildet ist, mit dem Ziel bereitgestellt, den Durchlass zu verbessern. Ferner ist bei der in der japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung 2014-19925 beschriebenen Struktur ein zweiter Öffnungsabschnitt, der zu dem Sensorelement durchdringt, zwischen einem Schaltbereich und einem Pixelbereich innerhalb des ersten Öffnungsabschnitts vorgesehen.
Mit dieser Struktur kann das Sensorelement der japanischen Anmeldungsveröffentlichung 2014-19925 Infrarotstrahlen absorbieren, die von einem weiten Winkel eindringen, bei dem Licht normalerweise nicht aufgenommen und absorbiert werden kann. Im Ergebnis wird eine Vergrößerung eines effektiven Durchlasses erhalten, was zu einer erhöhten Empfindlichkeit führt. Jedoch muss bei einem Arraysensor die gesamte Unterseite des Pixelbereichs durch Ätzen entfernt werden, was zu einer Reduktion der physikalischen Stärke des Pixelbereichs führt.
Zusätzlich zu diesem Problem ist der Umfang des Sensorelements ebenfalls durch Aushöhlung wärmeisoliert, und daher erhöht sich die Wärmebeständigkeit am Umfang des Sensorelements. Als Ergebnis entweicht keine Wärme zu der Wärmesenke, was zu einer Vergrößerung der Wärmeträgheit führt. Außerdem tritt eine Geräuschzunahme aufgrund von Strahlungswärme von dem Umfang des Sensorelements ein.
Diese Erfindung erfolgte, um die obenstehend beschriebenen Probleme zu lösen, und eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Infrarot-Wärmedetektor, der so aufgebaut ist, dass eine Verbesserung einer Detektionsempfindlichkeit, eine Verkleinerung einer Wärmeträgheit und eine Verbesserung der physikalischen Festigkeit eines Pixelbereichs verwirklicht werden können, sowie ein Herstellungsverfahren für den Infrarot-Wärmedetektor anzugeben.
Ein Infrarot-Wärmedetektor gemäß dieser Erfindung ist ein Infrarot-Wärmedetektor mit Grabenstrukturen, bei denen zumindest ein Sensorelement zwischen den Grabenstrukturen vorgesehen ist, ein Ätzloch, durch welches das Sensorelement ausgehöhlt und thermisch isoliert ist, in einer Substratrückseite oder an dem Umfang eines Pixelbereichs vorgesehen ist, und ein Öffnungsabschnitt unterhalb des Pixelbereichs vorgesehen ist.
Ferner beinhaltet ein Herstellungsverfahren für einen Infrarot-Wärmedetektor gemäß dieser Erfindung einen Schritt des Bildens einer Isolierschicht und der Grabenstruktur unterhalb des Sensorelements unter Verwendung eines Materials mit hoher Ätzselektivität bezüglich einem Si-Substrat.
Gemäß dieser Erfindung besteht keine Notwendigkeit ein Ätzloch in dem Sensorelement vorzusehen, weshalb der Durchlass vergrößert werden kann. Ferner bleibt die zwischen den Sensorelementen vorgesehene Grabenstruktur selbst nach dem Prozess der Aushöhlung der Wärmeisolierstruktur mit dem Substrat verbunden, weshalb eine Struktur vorgesehen ist, die als Träger zum Stützen des Pixelbereichs fungiert. Im Ergebnis kann ein Infrarot-Wärmedetektor, der so aufgebaut ist, dass eine Verbesserung einer Detektionsempfindlichkeit, eine Verkleinerung einer Wärmeträgheit und eine Verbesserung der physikalischen Stärke eines Pixelbereichs, sowie ein Herstellungsverfahren für den Infrarot-Wärmedetektor verwirklicht werden können.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Vogelperspektive, die einen Infrarot-Wärmedetektor gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
2 ist eine Schnittansicht des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung;
3 ist eine Ansicht, die eine aus einer Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
4 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
5 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
6 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
7 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
8 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
9 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
10 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
11 ist eine Ansicht, die eine aus einer Folge von Prozessen zur Herstellung eines Infrarot-Wärmedetektors gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
12 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
13 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
14 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
15 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
16 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
17 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
18 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
19 ist eine Ansicht, die eine aus einer Folge von Prozessen zur Herstellung eines Infrarot-Wärmedetektors gemäß einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
20 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der dritten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
21 ist eine Ansicht, die eine aus einer Folge von Prozessen zur Herstellung eines Infrarot-Wärmedetektors gemäß einer vierten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
22 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der vierten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
23 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der vierten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
24 ist eine Ansicht, die eine aus einer Folge von Prozessen zur Herstellung eines Infrarot-Wärmedetektors gemäß einer fünften Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
25 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der fünften Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
26 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der fünften Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
27 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der fünften Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
28 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der fünften Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
29 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der fünften Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
30 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung eines Infrarot-Wärmedetektors gemäß einer sechsten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
31 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der sechsten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
32 ist eine veranschaulichende Ansicht, die einen Fall veranschaulicht, in dem ein hinterleuchteter Infrarot-Wärmedetektor gemäß der sechsten Ausführungsform dieser Erfindung auf eine Polarisationsdetektion angewandt wird;
33 ist eine veranschaulichende Ansicht, die einen Fall veranschaulicht, in dem der hinterleuchtete Infrarot-Wärmedetektor gemäß der sechsten Ausführungsform dieser Erfindung auf eine Polarisationsdetektion angewandt wird;
34 ist eine Ansicht, die eine aus einer Folge von Prozessen zur Herstellung eines Infrarot-Wärmedetektors gemäß einer siebten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
35 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der siebten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
36 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der siebten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
37 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der siebten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
38 ist eine Ansicht, die eine aus der Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der siebten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
39 ist eine Ansicht, die eine aus einer Folge von Prozessen zur Herstellung eines hinterleuchteten Infrarot-Wärmedetektors gemäß einer achten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt; und
40 ist eine Ansicht, die eine aus einer Folge von Prozessen zur Herstellung eines hinterleuchteten Infrarot-Wärmedetektors gemäß einer neunten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen eines Infrarot-Wärmedetektors und ein Herstellungsverfahren für einen Infrarot-Wärmedetektor gemäß dieser Erfindung werden nachstehend unter Verwendung der Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Vogelperspektive, die einen Infrarot-Wärmedetektor gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt und 2 ist eine Schnittansicht des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung. Ein in den 1 und 2 gezeigter Infrarot-Wärmedetektor 100 ist konfiguriert, ein Substrat 101, eine Grabenstruktur 102, ein Sensorelement 104, ein Wärmeisolations-Stützbein 105, einen Draht 106 und eine Absorptionsstruktur 109 für Infrarotstrahlen zu beinhalten.
Bei dem Infrarot-Wärmedetektor 100 gemäß der ersten Ausführungsform wird ein Prozess des Wärmeisolationsaushöhlens ausgeführt, ohne ein Ätzloch in der Absorptionsstruktur 109 für Infrarotstrahlen vorzusehen. Der Infrarot-Wärmedetektor 100 besitzt daher einen größeren Durchlass als der in der in dem japanischen Patent 4224949 beschriebene Infrarot-Wärmedetektor, und im Ergebnis kann die Empfindlichkeit des Infrarot-Wärmedetektors verbessert werden.
Ferner bleiben die zwischen den Sensorelementen vorgesehenen Grabenstrukturen 102 selbst nach dem Prozess des Wärmeisolationsaushöhlens mit dem Substrat 101 verbunden, und daher fungieren die Grabenstrukturen 102 als Träger. Im Ergebnis kann die physikalische Stärke eines Pixelbereichs des Infrarot-Wärmedetektors 100 im Vergleich zu dem in der japanischen Anmeldungsveröffentlichung 2014-199254 beschriebenen Infrarot-Wärmedetektor erhöht werden.
Als nächstes wird der Prozess des Herstellens des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der ersten Ausführungsform der Reihe nach unter Verwendung der 3 bis 10 beschrieben. Die 3 bis 10 sind Ansichten, die eine Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigen. Der Infrarot-Wärmedetektor 100 wird durch ähnliche Prozesse wie die Prozesse zur Herstellung eines Halbleiters wie etwa eines LSI auf einem Si Substrat hergestellt.
Zunächst werden, wie in 3 gezeigt, Öffnungen durch Trockenätzen in dem Substrat 101 gebildet, das durch ein Si Substrat, ein SOI Substrat oder dergleichen, zum Beispiel, an vorbestimmten Stellen gebildet ist, die jeweils Pixeleinheiten entsprechen. Ferner ist die Grabenstruktur 102 derart gebildet, um mit einem Umgebenden Schaltungsbereich verbunden zu sein, durch Bilden einer SiO₂-Schicht, die als eine Isolationsschicht 103 dient unter Verwendung eines Gasphasenabscheidungs-(CVD)Verfahren oder dergleichen.
Dabei wird eine SiO₂-Schicht als das Material angegeben, das verwendet wird, um die Grabenstruktur 102 und die Isolationsschicht 103 zu bilden. Jedoch ist das Material nicht auf eine SiO₂-Schicht begrenzt, und jegliches Material mit hoher Ätzselektivität bezüglich eines Si Substrats kann verwendet werden, so dass Isolierung zwischen dem Sensorelement und dem Si Substrat sichergestellt ist.
Als nächstes wird die SiO₂-Schicht auf der oberen Fläche des Substrats 101 unter Verwendung eines CMP-Verfahrens oder dergleichen entfernt, so dass die Oberseite abgeflacht wird. Die Isolationsschicht 103 wird dann darauf gebildet, woraufhin das Sensorelement 104 und eine in den Zeichnungen nicht gezeigte Umgebende Schaltung gebildet werden. Ein Halbleiterelement, ein Metallschichtelement oder dergleichen mit einer Temperaturcharakteristik einer Diode, das detektierte Wärme in ein elektrisches Signal umwandelt, das Variationen in einem Spannungswert entspricht, wird als das Sensorelement 104 verwendet.
Als nächstes wird, wie in 4 gezeigt, das Wärmeisolations-Stützbein 105 an der Oberseite des Substrats 101 gebildet. Das Wärmeisolations-Stützbein 105 wird bevorzugt aus TiN, Ti, einer Co-Verbindung, einer Pt- Verbindung, WSi oder einer daraus bestehenden Schichtenstruktur gebildet.
Als nächstes wird der Draht 106 an der Grabenstruktur 102 aus Al und einer Verbindung davon gebildet, woraufhin eine Isolationsschicht, die durch eine SiO₂-Schicht, eine SiN-Schicht oder dergleichen konstituiert ist, an dem Draht 106 gebildet wird. Als nächstes wird die Isolationsschicht in eine gewünschte Form gebracht unter Verwendung einer typischen Photogravurtechnik oder Ätztechnik.
Durch diese Reihe von Prozessen wird das Sensorelement 104 über das Wärmeisolations-Stützbein 105 mit dem Draht 106 verbunden. Gleichzeitig wird der Draht 106 mit der Umgebenden Schaltung an der Seite des Substrats 101 verbunden.
Als nächstes wird, wie in 5 gezeigt, eine Opferschicht 107, die verwendet wird, um die Absorptionsstruktur 109 für Infrarotstrahlen zu bilden, an der Oberseite des Substrats 101 gebildet und ein Stützöffnungsabschnitt 108 wird darin durch Strukturierung gebildet. Es sei angemerkt, dass ein organisches Material wie etwa ein Polyimid als das Material der Opferschicht 107 verwendet werden kann.
Als nächstes wird, wie in 6 gezeigt, eine Isolationsschicht, die durch eine SiO₂-Schicht, eine SiN-Schicht oder dergleichen gebildet ist, auf dem Substrat 101 in dem obenstehend beschriebenen Zustand unter Verwendung der Gasphasenabscheidung oder dergleichen gebildet, um die Absorptionsstruktur 109 für Infrarotstrahlen auf der Opferschicht 107 zu bilden. Als nächstes wird eine aus V, Ti, Cr, einer Co-Verbindung und einem Nitrid oder Oxid davon gebildete Absorptionsschicht für Infrarotstrahlen darauf gebildet. Schließlich wird eine aus einer SiO₂-Schicht, einer SiN-Schicht oder dergleichen konstituierte Isolationsschicht darauf gebildet.
Die resultierende Struktur wird dann in die gewünschte Form gebracht, wodurch die Absorptionsstruktur 109 für Infrarotstrahlen erhalten wird. Zu diesem Zeitpunkt ist es nicht nötig, ein Ätzloch in der Absorptionsstruktur 109 für Infrarotstrahlen vorzusehen, wie in dem japanischen Patent 4224949 et al., zum Beispiel.
Als nächstes wird, wie in 7 gezeigt, unter Verwendung eines typischen Beschichters/Entwicklers ein Oberflächenlack 110 auf der Oberseite des Substrats 101 an der Stelle gebildet, wo das Sensorelement 104 gebildet ist, um die Oberseite zu schützen.
Als nächstes wird rückseitiger Oberflächenlack 111 auf eine Rückseite des Substrats 101 unter Verwendung einer typischen Photogravurtechnik aufgebracht, woraufhin ein Rückseitenöffnungsabschnitt 112 in einer gewünschten Form in einem Pixelbereich gebildet wird. Ferner wird das Sensorelement ausgehöhlt und dadurch wärmeisoliert durch Implementieren von Ätzen unterhalb der Rückseite, wodurch die in 8 gezeigte Struktur erhalten wird.
Ein Ätzverfahren, das eine Vorrichtung zum induktiven Plasmakopplungs-Ionenätzen oder dergleichen einsetzt, oder ein Ätzverfahren, das ein Gas wie etwa XeF₂, CIF₃ oder BrF einsetzt, kann als das Verfahren des Implementierens von Ätzen unterhalb der Rückseite verwendet werden.
Ferner ist, wie durch die Draufsicht auf den Infrarot-Wärmedetektor in 9 gezeigt, ein Oberseitenöffnungsabschnitt 113 in einem Umfangsabschnitt des Pixelbereichs vorgesehen, und durch Anwenden einer der obenstehend beschriebenen Ätztechniken von dem Oberseitenöffnungsabschnitt kann ein Infrarot-Wärmedetektor mit einer zu der aus 8 identischen Struktur erhalten werden.
Schließlich werden die Opferschicht 107, Oberflächenlack 110 und rückseitiger Oberflächenlack 111 von dem in 8 gezeigten Zustand unter Verwendung einer Lackentfernungstechnik wie etwa anisotropische Veraschung geätzt, wodurch der in 10 gezeigte Infrarot-Wärmedetektor vervollständigt ist. Durch Bilden einer Reihe aus den in 10 gezeigten Infrarot-Wärmedetektoren wird der Infrarot-Wärmedetektor 100 erhalten.
Dabei können der Draht 106 und die Grabenstruktur 102 in jedwedem Positionsverhältnis vorgesehen sein. Durch Bilden der Grabenstruktur 102 unmittelbar unterhalb des Drahts 106, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, hat eine Lichtblockade durch den Draht keine Auswirkung. Außerdem kann ein großer Bereich, in dem das Sensorelement 104 und das Wärmeisolations-Stützbein 105 gebildet werden sollen, gesichert werden, was zu einer Verbesserung an Flächeneffizienz der Oberfläche führt. Im Ergebnis kann die Empfindlichkeit des Infrarot-Wärmedetektors verbessert werden.
Bei dem Infrarot-Wärmedetektor gemäß der ersten Ausführungsform wird, wie obenstehend beschrieben, das Ätzen von der Rückseite oder dem Umfangsabschnitt des Pixelbereichs durchgeführt, wodurch die Notwendigkeit aufgehoben wird, ein Ätzloch in dem Sensorelement zu bilden. Im Ergebnis vergrößert sich der Durchlass, was zu einer Verbesserung der Empfindlichkeit des Infrarot-Wärmedetektors führt.
Ferner bleiben die zwischen den Sensorelementen vorgsehenen Grabenstrukturen selbst nach dem Prozess des Wärmeisolationsaushöhlens mit dem Substrat verbunden, und fungieren daher als Träger, die den Pixelbereich stützen. Im Ergebnis erhöht sich die physikalische Festigkeit des Pixelbereichs.
Bei dem Herstellungsverfahren für einen Infrarot-Wärmedetektor gemäß der ersten Ausführungsform, während des Prozesses des Aushöhlens und dadurch Wärmeisolierens des Sensorelements, dient die Isolationsschicht an der Rückseite des Sensorelements als eine Ätzstoppschicht. Außerdem wird die Form der Grabenstruktur durch Selbstausrichtung bestimmt. Daher werden die in dem japanischen Patent 4224949 , japanischen Patent 3944465 und der japanischen Patenanmeldungsveröffentlichung 2014-199254 benötigte Präzisions-Photogravur- und Ätztechniken nicht gebraucht. Im Ergebnis kann der Infrarot-Wärmedetektor mit geringen Herstellungsunregelmäßigkeiten und ausgezeichneter Herstellungsrobustheit hergestellt werden.
Zweite Ausführungsform
Bei einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung wird ein Infrarot-Wärmedetektor beschrieben, bei dem eine Wärmebeständigkeit des Drahts 106 zum Verbinden des Sensorelements mit der Umgebende Schaltung verringert werden kann, was eine Verringerung einer Wärmeträgheit durch Einbetten eines hoch-wärmeleitfähigen Materials 202 in eine Grabenstruktur 203 ermöglicht.
Prozesse zu Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der zweiten Ausführungsform werden nacheinander unter Verwendung der 11 bis 18 beschrieben. Die 11 bis 18 sind Ansichten, die eine Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zeigen.
Es sei angemerkt, dass 13 bis 18 ähnliche Prozesse zu denen der ersten Ausführungsform zeigen und daher wurde auf eine detaillierte Beschreibung dieser verzichtet. Dementsprechend werden, in der untenstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform, nur die für die zweite Ausführungsform einzigartigen Strukturen und davon abgeleitete Wirkweisen beschreiben, während auf die Beschreibung anderer, der ersten Ausführungsform ähnlichen Strukturen verzichtet wurde.
Wie in 11 gezeigt ist, werden durch Trockenätzung Öffnungen in dem Substrat 101, welches beispielsweise durch ein Si-Substrat, ein SOI-Substrat oder dergleichen gebildet ist, an vorgegebenen Stellen, die jeweils Einheitspixeln entsprechen, gebildet.
Als nächstes wird, wie in 12 gezeigt, das hoch-wärmeleitfähige Material 202 auf dem Substrat 101 unter Verwendung eines CVD-Verfahrens oder dergleichen abgeschieden. Als nächstes wird das hoch-wärmeleitfähige Material 202 auf der Oberseite des Substrats 101 unter Verwendung eines CMP-Verfahrens oder dergleichen entfernt, so dass die Oberseite verflacht wird, woraufhin die Isolationsschicht 103 aus einer SiO₂-Schicht oder dergleichen darauf gebildet wird. Als Ergebnis wird die Grabenstruktur 203 gebildet, so dass das hoch-wärmeleitfähige Material 202 darin eingebettet wird.
Das hoch-wärmeleitfähige Material 202 kann jegliches Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit als die SiO₂-Schicht sein. Ganz insbesondere SiS, Si oder eine typische metallische Schicht aus Al und einer Verbindung davon, Cu und einer Verbindung davon oder dergleichen, können zum Beispiel als das hoch-wärmeleitfähige Material 202 angewendet werden, obwohl das hoch-wärmeleitfähige Material 202 nicht darauf begrenzt ist.
Ferner besteht, wie in 18 gezeigt, wenn ein Material mit hoher Ätzselektivität bezüglich eines Si Substrats als das hoch-wärmeleitfähige Material 202 verwendet wird, keine Notwendigkeit, eine SiO₂-Schicht an der Grabenseitenwand zu bilden, wie in 11 gezeigt.
In 18 kann das Substrat 101 durch Trockenätzen geöffnet sein, das hoch-wärmeleitfähige Material 202 kann darin unter Verwendung eines CVD-Verfahrens oder dergleichen abgeschieden sein und dann unter Verwendung eines CMP-Verfahrens verflacht werden, und dann kann die Isolationsschicht 103 auf dem hoch-wärmeleitfähigen Material 202 aus einer SiO₂-Schicht oder dergleichen gebildet sein.
Unter Rückbezug auf 12, werden, nachdem die Isolationsschicht 103 auf dem Substrat 101 gebildet wurde, das Sensorelement 104 und die Umgebende Schaltung, (nicht in den Zeichnungen gezeigt) gebildet. Danach wird, wie in 13 bis 17 gezeigt, ein Infrarot-Wärmedetektor mit einer Grabenstruktur 203, in die das hoch-wärmeleitfähige Material 202 eingebettet ist, durch Implementieren ähnlicher Herstellungsprozesse der ersten Ausführungsform vervollständigt.
Bei dem Infrarot-Wärmedetektor gemäß der zweiten Ausführungsform wird, wie obenstehend beschrieben, das Sensorelement unter Verwendung des Wärmeisolations-Stützbeins wärmeisoliert, ähnlich der ersten Ausführungsform.
Ferner kann bei dem Infrarot-Wärmedetektor gemäß der zweiten Ausführungsform die Wärmebeständigkeit des Umfangsabschnitts des Sensorelements durch den Einsatz einer Grabenstruktur, in dem ein hoch-wärmeleitfähiges Material mit dem Substrat (der Wärmesenke) verbunden ist, verringert werden. Dementsprechend kann die Wärmebeständigkeit des Infrarot-Wärmedetektors verringert werden, und die Auswirkungen von Strahlungswärme von dem Umfangsabschnitt des Sensorelements können verringert werden. Im Ergebnis kann Lärm verringert werden, was eine Verbesserung eines S/N-Verhältnisses des Infrarot-Wärmedetektors ermöglicht.
Darüber hinaus ist die zweite Ausführungsform in einem Fall wirksam, in dem die Wärmebeständigkeit unter Berücksichtigung der Wärmesättigung des Wärmeisolations-Stützbeins 105 gestaltet wurde. Es sei jedoch angemerkt, dass in diesem Fall eine Wärmemenge des Sensorelements in Betracht gezogen werden muss.
Dritte Ausführungsform
In einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung wird ein Infrarot-Wärmedetektor beschrieben, bei dem eine Absorptionsschicht für Infrarotstrahlen zusätzlich an der rückseitigen Oberfläche des Sensorelements gebildet ist.
Neu hinzugefügte Prozesse unter Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der dritten Ausführungsform werden untenstehend der Reihe nach unter Verwendung der 19 und 20 beschrieben. 19 und 20 sind Ansichten, die eine Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der dritten Ausführungsform dieser Erfindung zeigen.
Wie in 19 gezeigt, nachfolgend dem in 8 der ersten Ausführungsform gezeigten Prozess oder dem in 16 der zweiten Ausführungsform gezeigten Prozess, wird an einer Rückseite eines Wafers aus Vanadium, Titan, Chrom, einer Co-basierten Verbindung und einem Nitrid oder Oxid davon unter Verwendung eines CVD-Verfahrens oder dergleichen, eine Absorptionsschicht 301 für Infrarotstrahlen gebildet.
Als nächstes wird die Absorptionsschicht 301 für Infrarotstrahlen von allen Gebieten außer dem Gebiet des Sensorelements unter Verwendung einer Photogravurtechnik oder einer Ätztechnik entfernt. Im Anschluss an diesen Prozess, werden Prozesse ähnlich denen der ersten und zweiten Ausführungsform implementiert, wodurch ein in 20 gezeigter Infrarot-Wärmedetektor gebildet wird.
Unnötig zu erwähnen, dass mit dem Infrarot-Wärmedetektor gemäß der dritten Ausführungsform, wie obenstehend beschrieben, identische Auswirkungen zu denen der ersten und zweiten Ausführungsform erhalten werden. Ferner wird bei dem Infrarot-Wärmedetektor gemäß der dritten Ausführungsform die Infrarotstrahlenabsorption durch die an der Rückseite des Sensorelements gebildete Absorptionsschicht für Infrarotstrahlen verbessert, und im Ergebnis kann die Empfindlichkeit des Infrarot-Wärmedetektors verbessert werden.
Es sei angemerkt, dass eine Struktur mit der Absorptionsschicht für Infrarotstrahlen gemäß der dritten Ausführungsform auch auf eine untenstehend zu beschreibende vierte Ausführungsform angewendet werden kann, und es ist unnötig zu sagen, dass damit identische Auswirkungen zu den obenstehend beschriebenen erhalten werden.
Vierte Ausführungsform
Bei der vierten Ausführungsform dieser Erfindung wird ein Infrarot-Wärmedetektor beschrieben, bei dem eine Reflektionsschicht für Infrarotstrahlen zusätzlich im Inneren der Grabenstruktur gebildet ist.
Neu hinzugefügte Prozesse unter Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der vierten Ausführungsform werden untenstehend nacheinander unter Verwendung der 21 bis 23 beschrieben. 21 bis 23 sind Ansichten, die eine Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der vierten Ausführungsform dieser Erfindung zeigen.
Wie in 21 gezeigt, nachfolgend dem in 8 der ersten Ausführungsform gezeigten Prozess oder dem in 16 der zweiten Ausführungsform gezeigten Prozess, wird eine Reflektionsschicht 401 für Infrarotstrahlen in dem Inneren der Grabenstruktur unter Verwendung eines CVD-Verfahrens oder dergleichen gebildet.
Alle Metalle zeigen ein hohes Infrarotreflektionsvermögen in einer dominanten Absorptionswellenlänge des Infrarot-Wärmedetektors, d.h. zwischen 8 und 14 µm. Daher kann jegliches Metall als das Material der Reflektionsschicht 401 für Infrarotstrahlen verwendet werden. Konkrete Beispiele des Materials der Reflektionsschicht 401 für Infrarotstrahlen beinhalten Al, Ag, Au, Cu, Co, Pt und so weiter. Es sei angemerkt, dass diese Materialien in Form einer mehrlagigen Schicht verwendet werden können, um die Reflektionseffizienz zu erhöhen.
Als nächstes wird die Reflektionsschicht 401 für Infrarotstrahlen von allen Bereichen außer der Seitenwand des Grabens unter Verwendung einer Photogravurtechnik oder einer Ätztechnik entfernt. Im Anschluss an diesen Prozess werden denen der ersten und zweiten Ausführungsform ähnliche Prozesse implementiert, wodurch ein in 22 gezeigter Infrarot-Wärmedetektor gebildet wird.
Es wird nun ein Fall herangezogen, in dem der Infrarot-Wärmedetektor mit der Reflektionsschicht 401 für Infrarotstrahlen an der Seitenwand der Grabenstruktur an einem Paket 402 befestigt ist. In diesem Fall, durch Bilden der Reflektionsschicht 401 für Infrarotstrahlen an der obersten Seite des Pakets, wird ein Infrarot-Wärmedetektor mit der Reflektionsschicht 401 für Infrarotstrahlen an der Seitenwand der Grabenstruktur und der obersten Seite des Pakets vervollständigt, wie in 23 gezeigt.
Es sei angemerkt, dass wenn ein Material (zum Beispiel Al und eine Verbindung dessen, Cu und eine Verbindung dessen, Au, Ag, Pt und so weiter, oder eine daraus bestehende mehrlagige Schicht) mit hoher Wärmeleitfähigkeit und hohem Infrarotreflektionsvermögen zusätzlich zu hoher Ätzselektivität bezüglich eines Si Substrats in der Grabenstruktur in 4 anstelle einer SiO₂-Schicht verwendet wird, die in der dritten Ausführungsform beschriebenen Auswirkungen gleichzeitig erhalten werden können.
Unnötig zu erwähnen, dass mit dem Infrarot-Wärmedetektor gemäß der vierten Ausführungsform, wie obenstehend beschrieben, identische Auswirkungen zu denen der ersten und zweiten Ausführungsform erhalten werden. Ferner können bei dem Infrarot-Wärmedetektor gemäß der dritten Ausführungsform die durch die Absorptionsstruktur für Infrarotstrahlen und das Sensorelement gelangenden Infrarotstrahlen mehrfach durch die Reflektionsschicht für Infrarotstrahlen, die an der Seitenwand der Grabenstruktur und der Oberseite des Pakets gebildet ist, reflektiert werden, um so erneut durch die Absorptionsstruktur für Infrarotstrahlen und das Sensorelement absorbiert zu werden. Im Ergebnis kann die Empfindlichkeit des Infrarot-Wärmedetektors verbessert werden.
Es sei angemerkt, dass eine optische Distanz von dem Sensorelement 104 und der Absorptionsstruktur 109 für Infrarotstrahlen zu der Reflektionsschicht 401 für Infrarotstrahlen auf der Oberseite des Pakets bevorzugt auf ein ungerades Vielfaches von im Wesentlichen einem Viertel einer Wellenlänge eines detektierten Infrarotstrahls festgelegt ist (mit anderen Worten, wenn die Wellenlänge des detektierten Infrarotstrahls λ, λ/4 + mλ/2, wobei m = 0, 1, 2, ... ist). Dabei kann eine Resonanzstruktur zwischen der Reflektionsschicht 401 für Infrarotstrahlen auf der Oberseite des Pakets und dem Sensorelement 104 und der Absorptionsstruktur 109 für Infrarotstrahlen gebildet werden, was eine Verbesserung in der Absorptionseffizienz für Infrarotstrahlen ermöglicht. Im Ergebnis kann die Empfindlichkeit des Infrarot-Wärmedetektors erhöht werden.
Fünfte Ausführungsform
Bei der fünften Ausführungsform dieser Erfindung wird ein Infrarot-Wärmedetektor beschrieben, bei dem der Durchlass vergrößert wird, um die Empfindlichkeit davon zu verbessern.
Wie in der untenstehend noch zu beschreibenden 29 gezeigt, werden bei einem hinterleuchteten Infrarot-Wärmedetektor gemäß der fünften Ausführungsform das Sensorelement 104 und das Wärmeisolations-Stützbein 105 auf separaten Ebenen gebildet, mit dem Ergebnis, dass Lichtaufnahme- und -absorptionsbereiche des Sensorelements 104 vergrößert werden können, und ein Bereich des Substrats unterhalb des Pixelbereichs vollständig während des Prozesses des Wärmeisolationsaushöhlens geätzt werden kann, so dass Infrarotstrahlen von der rückwärtigen Oberseite eindringen. Somit übt das Wärmeisolations-Stützbein 105 keine lichtblockierende Wirkung aus, und daher wird ein hochempfindlicher Infrarot-Wärmedetektor mit einem vergrößerten Durchlass erhalten.
Ferner vergrößert sich ein Bereich, in dem das Wärmeisolations-Stützbein 105 gebildet werden kann durch Bilden des Sensorelements 104 und des Wärmeisolations-Stützbeins 105 auf separaten Ebenen. Als Ergebnis kann die Wärmebeständigkeit des Sensorelements erhöht werden, was zu einer entsprechenden Verbesserung der Empfindlichkeit führt.
Zusätzlich werden Infrarotstrahlen, die von einer Weitwinkelseite eintreten, die üblicherweise von der Grabenstruktur und dem Substrat absorbiert werden und deshalb nicht von dem Sensorelement absorbiert werden können, mehrfach unter Verwendung der auf einer Seitenwand der Grabenstruktur vorgesehene Reflektionsschicht 401 für Infrarotstrahlen reflektiert, und daher können diese Infrarotstrahlen von dem Sensorelement 104 empfangen und absorbiert werden. Als Ergebnis vergrößert sich der effektive Durchlass, was zu einer Verbesserung der Empfindlichkeit des Infrarot-Wärmedetektors führt.
Als nächstes werden Prozesse für die Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der fünften Ausführungsform nacheinander unter Verwendung der 24 bis 29 beschrieben. Die 24 bis 29 sind Ansichten, die eine Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der fünften Ausführungsform dieser Erfindung zeigen.
Es sei angemerkt, dass die 24 bis 29 ähnliche Prozesse zu denen der zweiten und vierten Ausführungsformen zeigen, und daher entfällt eine detaillierte Beschreibung davon. Dementsprechend werden in der untenstehend beschriebenen fünften Ausführungsform nur Strukturen, die für die fünfte Ausführungsform einzigartig sind, und davon abgeleitete Auswirkungen beschrieben, während eine Beschreibung anderer Strukturen, die denen der zweiten und vierten Ausführungsformen ähnlich sind, entfällt.
Zunächst werden, wie in 24 gezeigt, die Grabenstruktur 203 und die Isolationsschicht 103 auf dem Substrat 101 unter Verwendung eines ähnlichen Verfahrens zu dem der zweiten Ausführungsform, wie in 4 gezeigt, gebildet, woraufhin das Sensorelement 104 und der Draht 106 gebildet werden.
Es sei angemerkt, dass zu diesem Zeitpunkt, wie in 18 gezeigt, anstelle einer SiO₂-Schicht ein Material (zum Beispiel Al und eine Verbindung davon, Cu und eine Verbindung davon, Au, Ag, Pt und so weiter, oder eine daraus bestehende mehrlagige Schicht) mit hoher Wärmeleitfähigkeit und hohem Infrarotreflektionsvermögen zusätzlich zu hoher Ätzselektivität bezüglich eines Si Substrats in der Grabenstruktur in 4 verwendet werden kann.
Als nächstes wird, wie in 25 gezeigt, die Opferschicht 107, die zur Bildung des Wärmeisolations-Stützbeins 105 verwendet wird, an der Oberseite des Substrats 101 gebildet, woraufhin ein oberer Abschnitt des Sensorelements 104 und ein oberer Abschnitt des Drahts 106 durch Strukturierung geöffnet werden. Es sei angemerkt, dass ähnlich der ersten Ausführungsform ein organisches Material wie Polyimid als das Material der Opferschicht 107 verwendet werden kann.
Als nächstes wird, wie in 26 gezeigt, das Wärmeisolations-Stützbein 105 an der Oberseite des Substrats 101 gebildet. Das Wärmeisolations-Stützbein 105 wird bevorzugt aus TiN, Ti, einer Co-Verbindung, einer Pt-Verbindung, WSi oder einer daraus bestehenden Laminatstruktur gebildet.
Als nächstes wird eine durch eine SiO₂-Schicht, eine SiN-Schicht oder dergleichen konstituierte Isolationsschicht an dem Wärmeisolations-Stützbein 105 gebildet. Als nächstes wird die Isolationsschicht in eine gewünschte Form unter Verwendung einer typischen Photogravurtechnik oder Ätztechnik gebracht. Durch diese Folge von Prozessen wird das Sensorelement 104 über das Wärmeisolations-Stützbein 105 elektrisch und mechanisch mit dem Draht 106 verbunden.
Danach wird der in 29 gezeigte hinterleuchtete Infrarot-Wärmedetektor, der das Sensorelement 104, das Wärmeisolations-Stützbein 105 und den auf einer anderen Ebene als das Sensorelement 104 gebildeten Draht 106 und die an der Seitenwand der Grabenstruktur gebildete Reflektionsschicht 401 für Infrarotstrahlen beinhaltet, durch Implementieren ähnlicher Herstellungsprozesse der dritten und vierten Ausführungsformen, wie in 27 bis 29 gezeigt, vervollständigt.
Bei dem hinterleuchteten Infrarot-Wärmedetektor gemäß der fünften Ausführungsform werden, wie obenstehend beschrieben, das Sensorelement und das Wärmeisolations-Stützbein auf separaten Ebenen gebildet, mit dem Ergebnis, dass die Lichtaufnahme- und -Absorptionsbereiche des Sensorelements vergrößert werden. Ferner, beinhaltet der hinterleuchtete Infrarot-Wärmedetektor gemäß der fünften Ausführungsform zusätzlich zu dieser Struktur, eine Struktur, in der der Bereich des Substrats unterhalb des Pixelbereichs während des Prozesses des Wärmeisolationsaushöhlens vollständig geätzt wird, so dass Infrarotstrahlen von der rückwärtigen Oberseite eintreten. Das Wärmeisolations-Stützbein wird durch Bereitstellen dieser Struktur daran gehindert eine Licht-blockierende Wirkung auszuüben, und deshalb wird ein hochempfindlicher Infrarot-Wärmedetektor mit einem vergrößerten Durchlass erhalten.
Darüber hinaus ist es möglich, den Bereich, in dem das Wärmeisolations-Stützbein gebildet werden kann, wenn die Pixelzahl erhöht ist und der Pixelabstand verringert ist, durch Bilden des Sensorelements und des Wärmeisolations-Stützbeins auf separaten Ebenen anstatt des Vorsehens des Sensorelements und des Wärmeisolations-Stützbeins auf identischen Ebenen zu vergrößern. Als Ergebnis kann die Wärmebeständigkeit des Sensorelements erhöht werden, was zu einer Verbesserung der Empfindlichkeit führt.
Zusätzlich werden Infrarotstrahlen, die von einer Weitwinkelseite eintreten, die üblicherweise von der Grabenstruktur und dem Substrat absorbiert werden und deshalb nicht von dem Sensorelement absorbiert werden können, mehrfach unter Verwendung der auf einer Seitenwand der Grabenstruktur vorgesehene Reflektionsschicht (401) für Infrarotstrahlen reflektiert, und daher können diese Infrarotstrahlen von dem Sensorelement empfangen und absorbiert werden. Im Ergebnis vergrößert sich der effektive Durchlass, was zu einer Verbesserung der Empfindlichkeit des Infrarot-Wärmedetektors führt.
Sechste Ausführungsform
Bei einer sechsten Ausführungsform dieser Erfindung wird ein Infrarot-Wärmedetektor beschrieben, bei dem ein plasmonischer Absorber zusätzlich an der rückwärtigen Oberseite des Sensorelements gebildet ist.
Durch Bilden eines plasmonischen Absorbers, wie beispielsweise dem in dem japanischen Patent 4964935 beschriebenen, an der rückwärtigen Oberseite des Sensorelements 104, wird ein Infrarot-Wärmedetektor mit den Funktionen wie etwa Wellenlängenselektivität und Polarisationsdetektionsfähigkeit erhalten.
Neu hinzugefügte Prozesse unter Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der sechsten Ausführungsform werden untenstehend nacheinander unter Verwendung der 30 und 31 beschrieben. 30 und 31 sind Ansichten, die eine Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der sechsten Ausführungsform dieser Erfindung zeigen.
Wie in 30 gezeigt, wird im Anschluss an den Prozess aus 28, eine Metallschicht auf einer Rückseite eines Wafers aus Al, Au, Ag oder dergleichen unter Verwendung eines CVD-Verfahrens oder dergleichen gebildet, woraufhin die Metallschicht in eine periodische Struktur gestaltet wird, auf deren Oberfläche Plasmone unter Verwendung einer Photogravurtechnik und einer Ätztechnik erregt werden. Die Dicke der Metallschicht und die periodische Struktur unterscheiden sich gemäß der dem Sensorelement 104 hinzuzufügenden Funktion.
Als nächstes wird die Metallschicht von allen Gebieten außer dem Gebiet des Sensorelements unter Verwendung einer Photogravurtechnik oder einer Ätztechnik entfernt. Danach wird ein hinterleuchteter Infrarot-Wärmedetektor mit einem plasmonischen Absorber 701 (mit anderen Worten, Wellenlängenselektivität oder Polarisationsdetektionsfähigkeit) auf der Rückseite des Sensorelements, wie in 31 gezeigt, durch Implementieren ähnlicher Prozesse wie denen in der fünften Ausführungsform vervollständigt.
Bei dem hinterleuchteten Infrarot-Wärmedetektor gemäß der sechsten Ausführungsform sind, wie obenstehend beschrieben, Funktionen wie etwa Wellenlängenselektivität oder Polarisationsdetektionsfähigkeit durch Bilden eines plasmonischen Absorbers vorgesehen. Dementsprechend kann die Größe des Sensorelements bis in die Umgebung des Drahts des Sensorelements vergrößert werden, was eine Erhöhung der Anzahl der plasmonischen Absorber, die angeordnet werden können, ermöglicht. Folglich kann eine Ausgabevariation aufgrund von einer Abweichung in der Form des plasmonischen Absorbers ausgeglichen werden, und als Ergebnis wird ein hinterleuchteter Infrarot-Wärmedetektor erhalten, der von Pixel zu Pixel eine geringe Abweichung der Eigenschaften zeigt.
Als nächstes wird ein Beispiel beschrieben, in dem der hinterleuchtete Infrarot-Wärmedetektor gemäß der sechsten Ausführungsform auf Polarisationsdetektionsfähigkeit angewandt wird. 32 und 33 sind veranschaulichende Ansichten, die einen Fall veranschaulichen, in dem der hinterleuchtete Infrarot-Wärmedetektor gemäß der sechsten Ausführungsform auf Polarisationsdetektion angewandt wird.
Der in 32 gezeigte hinterleuchtete Infrarot-Wärmedetektor beinhaltet ein 0-Grad-Polarisationsdetektions-Sensorelement 703, ein 45-Grad-Polarisationsdetektions-Sensorelement 703, ein 135-Grad-Polarisationsdetektions-Sensorelement 704 und ein 90-Grad-Polarisationsdetektions-Sensorelement 705. Eine Struktur, in der diese vier Polarisationsdetektions-Sensorelemente 702 bis 705 gebündelt sind, wird periodisch angeordnet.
Die Polarisationsdetektions-Sensorelemente 702 bis 705 bilden zusammen einen plasmonischen Absorber, der in der Lage ist, einen gewünschten Polarisationswinkel zu detektieren. Wie in dem japanischen Patent 4964935 beschrieben, kann der plasmonische Absorber beispielsweise in einer elliptischen Form oder einer rechteckigen Form gebildet sein.
Ferner kann, solange die physikalische Stärke des Pixelbereichs ausreichend ist, die Grabenstruktur 102 in Einheiten mehrerer Pixel, wie in 32 gezeigt anstatt für jede Einheit einem Pixel angeordnet.
33 ist eine Schnittansicht aufgenommen entlang einer A-A‘ Linie in 32. Wie in 33 gezeigt, beinhaltet ein Draht 706 keine Grabenstruktur. Durch Anordnen der Polarisationsdetektions-Sensorelemente 702 bis 705 in dieser Weise wird ein hinterleuchteter Infrarot-Wärmedetektor erhalten, der in der Lage ist, verschiedene Polarisationswinkel in jedem Pixel zu detektieren.
Ferner kann durch Anwenden dieses Herstellungsverfahrens der plasmonische Absorber hergestellt werden, nachdem das Sensorelement 104 hergestellt wurde. Als Ergebnis können eine Verschlechterung der Eigenschaften und eine verringerte Zuverlässigkeit aufgrund von Rauheit und der Qualität einer Abdeckschicht am Auftreten gehindert werden.
Ferner kann anstelle des plasmonischen Absorbers 701 die Absorptionsschicht 301 für Infrarotstrahlen der dritten Ausführungsform an der Rückseite des Sensorelements 104 gebildet werden. In diesem Fall können Eigenschaften ähnlich denen der dritten Ausführungsform erhalten werden.
Siebte Ausführungsform
Bei einer siebten Ausführungsform dieser Erfindung wird ein hinterleuchteter Infrarot-Wärmedetektor beschrieben, der die Absorptionsstruktur 109 für Infrarotstrahlen beinhaltet.
Neu hinzugefügte Prozesse unter Prozessen zur Herstellung des hinterleuchteten Infrarot-Wärmedetektors gemäß der siebten Ausführungsform werden untenstehend nacheinander unter Verwendung der 34 bis 38 beschrieben. 34 bis 38 sind Ansichten, die eine Folge von Prozessen zur Herstellung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß der siebten Ausführungsform dieser Erfindung zeigen.
Wie in 34 gezeigt, nachfolgend auf den Prozess aus 26, wird eine zweite Opferschicht 801 gebildet. Es sei angemerkt, dass ein organisches Material wie etwa Polyimid als das Material der zweiten Opferschicht 801 verwendet werden kann. Als nächstes wird der Stützöffnungsabschnitt 108 durch Strukturierung gebildet.
Danach wird ein in 38 gezeigter hinterleuchteter Infrarot-Wärmedetektor, der die Absorptionsstruktur 109 für Infrarotstrahlen beinhaltet, durch Implementieren ähnlicher Herstellungsprozesse der ersten oder zweiten Ausführungsform, wie in 35 bis 38 gezeigt ist, vervollständigt.
Unnötig zu erwähnen, dass mit dem hinterleuchteten Infrarot-Wärmedetektors gemäß der siebten Ausführungsform, wie obenstehend beschrieben, identische Auswirkungen zu denen der fünften Ausführungsform erhalten werden. Ferner können bei dem hinterleuchteten Infrarot-Wärmedetektors gemäß der siebten Ausführungsform Infrarotstrahlen, die durch das Sensorelement gelangen, von der Absorptionsstruktur für Infrarotstrahlen absorbiert werden, und daher kann die Empfindlichkeit des Infrarot-Wärmedetektors verbessert werden.
Achte Ausführungsform
Bei einer achten Ausführungsform dieser Erfindung wird ein hinterleuchteter Infrarot-Wärmedetektor beschrieben, der die Reflektionsschicht 401 für Infrarotstrahlen beinhaltet.
39 ist eine Ansicht, die eine Folge von Prozessen zur Herstellung des hinterleuchteten Infrarot-Wärmedetektors gemäß der achten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt. Bei dem in 39 gezeigten hinterleuchteten Infrarot-Wärmedetektor wird die Reflektionsschicht 401 für Infrarotstrahlen nachfolgend auf den Prozess aus 35 gebildet. Danach wird der hinterleuchtete Infrarot-Wärmedetektor, der die Reflektionsschicht 401 für Infrarotstrahlen beinhaltet, durch Implementieren ähnlicher Prozesse wie in der siebten Ausführungsform erhalten.
Unnötig zu erwähnen, dass mit dem hinterleuchteten Infrarot-Wärmedetektors gemäß der achten Ausführungsform, wie obenstehend beschrieben, identische Auswirkungen zu denen der siebten Ausführungsform erhalten werden. Ferner können bei dem hinterleuchteten Infrarot-Wärmedetektors gemäß der achten Ausführungsform Infrarotstrahlen, die durch das Sensorelement und die Absorptionsstruktur für Infrarotstrahlen gelangen, durch die Reflektionsschicht für Infrarotstrahlen reflektiert und durch das Sensorelement und die Absorptionsstruktur für Infrarotstrahlen erneut absorbiert werden. Als Ergebnis kann die Empfindlichkeit des Infrarot-Wärmedetektors verbessert werden.
Es sei angemerkt, dass zu diesem Zeitpunkt eine optische Distanz zwischen dem Sensorelement 104 und der Reflektionsschicht 401 für Infrarotstrahlen auf der Oberseite der Absorptionsstruktur für Infrarotstrahlen bevorzugt ein ungerades Vielfaches von im Wesentlichen einem Viertel einer Wellenlänge eines detektierten Infrarotstrahls festgelegt ist (mit anderen Worten, wenn die Wellenlänge des detektierten Infrarotstrahls λ, λ/4 + mλ/2, wobei m = 0, 1, 2, ... ist). Dabei kann eine Resonanzstruktur zwischen dem Sensorelement 104 und der Reflektionsschicht 401 für Infrarotstrahlen auf der Oberseite der Absorptionsstruktur für Infrarotstrahlen gebildet werden, was eine Verbesserung in der Absorptionseffizienz für Infrarotstrahlen ermöglicht.
Neunte Ausführungsform
Bei der neunten Ausführungsform dieser Erfindung wird ein hinterleuchteter Infrarot-Wärmedetektor beschrieben, der eine Absorptionsstruktur für Infrarotstrahlen mit einer Krümmung beinhaltet.
40 ist eine Ansicht, die eine Folge von Prozessen zur Herstellung des hinterleuchteten Infrarot-Wärmedetektors gemäß der neunten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt. Der in 40 gezeigte hinterleuchtete Infrarot-Wärmedetektor wird durch Anpassen der Spannung der SiO₂-Schichten oder der in dem Prozess in 35 gebildete SiN-Schichten erhalten.
Zum Beispiel wird durch Variieren der Bedingungen, unter denen die SiO₂-Schichten oder die SiN-Schichten oberhalb und unterhalb der Absorptionsschicht für Infrarotstrahlen gebildet werden, so dass die SiO₂-Schichten oder die SiN-Schichten verschiedene Spannungen besitzen und Ätzen der Opferschicht, eine Absorptionsstruktur für Infrarotstrahlen mit einer Krümmung erhalten, und so das Sensorelement 104 im Wesentlichen in einer Kuppelform abdeckt.
Alternativ kann eine gewünschte Form durch Anwenden einer organischen Opferschicht als der Opferschicht 801 und Durchführen eines Backprozesses davon bei einer hohen Temperatur, um in der Opferschicht eine Krümmung vorzusehenn, und dann Bilden der Absorptionsstruktur 109 für Infrarotstrahlen stattfinden. Es sei angemerkt, dass das Verfahren, in dem eine Spannungsdifferenz zwischen der SiO₂-Schicht oder der SiN-Schicht erhalten wird, und das Verfahren, in dem eine organische Opferschicht angewendet wird, gleichzeitig implementiert werden können.
Unnötig zu erwähnen, dass mit dem hinterleuchteten Infrarot-Wärmedetektors gemäß der neunten Ausführungsform, wie obenstehend beschrieben, identische Auswirkungen zu denen der achten Ausführungsform erhalten werden. Ferner wird bei dem hinterleuchteten Infrarot-Wärmedetektor gemäß der neunten Ausführungsform die Absorptionsstruktur für Infrarotstrahlen mit einer Krümmung versehen, und deshalb kann Infrarot-Reflektionslicht, das durch einen Spalt zwischen dem Sensorelement und der Grabenstruktur in der achten Ausführungsform austritt, von dem Sensorelement empfangen und absorbiert werden. Im Ergebnis kann die Empfindlichkeit des Infrarot-Wärmedetektors verbessert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 4224949 [0005, 0009, 0009, 0010, 0010, 0061, 0072, 0081]
JP 3944465 [0006, 0011, 0011, 0011, 0081]
JP 2014-199254 [0006, 0012, 0062, 0081]
JP 2014-19925 [0012, 0013]
JP 4964935 [0125, 0132]

Claims

Infrarot-Wärmedetektor (100) mit Grabenstrukturen (102), wobei zumindest ein Sensorelement (104) zwischen den Grabenstrukturen (102) vorgesehen ist, ein Ätzloch, durch welches das Sensorelement (104) ausgehöhlt und dadurch thermisch isoliert ist, in einer Substratrückseite (101) oder an dem Umfang eines Pixelbereichs vorgesehen ist, und ein Öffnungsabschnitt (112) unterhalb des Pixelbereichs vorgesehen ist.
Infrarot-Wärmedetektor (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Grabenstruktur (102) unmittelbar unterhalb eines Drahts zum Verbinden des Sensorelements (104) mit einer Umgebenden Schaltung vorgesehen ist.
Infrarot-Wärmedetektor (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit im Inneren der Grabenstruktur (102) vorgesehen ist.
Infrarot-Wärmedetektor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend eine auf einer Rückseite des Sensorelements (104) vorgesehene Infrarotstrahl-Absorptionsschicht (301).
Infrarot-Wärmedetektor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend eine auf einer Seitenwand der Grabenstruktur (102) vorgesehene Infrarotstrahl-Reflektionsschicht (401).
Infrarot-Wärmedetektor (100) gemäß Anspruch 5, wobei, wenn der Infrarot-Wärmedetektor (100) beinhaltend die Infrarotstrahl-Reflektionsschicht (401) auf einem Paket befestigt ist, eine Infrarotstrahl-Reflektionsschicht (401) auf einer obersten Fläche des Pakets vorgesehen ist, und eine optische Distanz zwischen dem Sensorelement (104) und der obersten Fläche des Pakets auf ein ungerades Vielfaches von im Wesentlichen einem Viertel einer Wellenlänge eines detektierten Infrarotstrahls festgelegt ist.
Infrarot-Wärmedetektor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend: ein Wärmeisolations-Stützbein (105), das auf einer separaten Ebene gebildet ist, die sich von einer Ebene unterscheidet, auf der das Sensorelement (104) gebildet ist; und eine Infrarotstrahl-Reflektionsschicht (401), die auf einer Seitenwand der Grabenstruktur (102) vorgesehen ist.
Infrarot-Wärmedetektor (100) gemäß Anspruch 7, ferner aufweisend einen plasmonischen Absorber oder eine auf einer Rückseite des Sensorelements (104) vorgesehene Infrarotstrahl-Absorptionsschicht (301).
Infrarot-Wärmedetektor (100) gemäß Anspruch 7, ferner aufweisend eine an einem oberen Abschnitt des Sensorelements (104) vorgesehene Infrarotstrahl-Absorptionsstruktur (109), um Infrarotstrahlen zu absorbieren, die durch das Sensorelement (104) gelangen.
Infrarot-Wärmedetektor (100) gemäß Anspruch 9, ferner aufweisend eine an einem oberen Abschnitt der Infrarotstrahl-Absorptionsstruktur (109) vorgesehene Reflektionsschicht (401) für Infrarotstrahlen, um Infrarotstrahlen zu reflektieren, die durch das Sensorelement (104) und die Infrarotstrahl-Absorptionsstruktur (109) gelangen, wobei eine optische Distanz zwischen dem Sensorelement (104) und der Infrarotstrahl-Reflektionsschicht (401) auf ein ungerades Vielfaches von im Wesentlichen einem Viertel einer Wellenlänge eines detektierten Infrarotstrahls festgelegt ist.
Infrarot-Wärmedetektor (100) gemäß Anspruch 10, wobei die Infrarotstrahl-Absorptionsstruktur (109) und die Infrarotstrahl-Reflektionsschicht (401) mit einer Krümmung gebildet sind, um so das Sensorelement (104) abzudecken.
Herstellungsverfahren für den Infrarot-Wärmedetektor (100) gemäß Anspruch 1, umfassend einen Schritt des Bildens einer Isolierschicht (103) und der Grabenstrukturen (102) unmittelbar unterhalb des Sensorelements (104) unter Verwendung eines Materials mit hoher Ätzselektivität bezüglich eines Si-Substrats.