JP2002054997A

JP2002054997A - 熱型赤外線検出素子および赤外線撮像装置

Info

Publication number: JP2002054997A
Application number: JP2000241645A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Ogaki; 久志大垣; Haruhiko Deguchi; 治彦出口; Tomohisa Komoda; 智久薦田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-08-09
Filing date: 2000-08-09
Publication date: 2002-02-20

Abstract

(57)【要約】【課題】赤外線吸収率が高く、それゆえ検出感度が高
い熱型赤外線検出素子および赤外線撮像装置を提供す
る。【解決手段】熱型赤外線検出素子は、半導体基板７上
に所定間隔の空間を形成するように配置されるダイアフ
ラム構造体１を有している。ダイアフラム構造体１は表
面に赤外線吸収層として高屈折率膜５を備えているとと
もに、高屈折率膜５の下層に赤外線反射膜６を備えてい
る。ダイアフラム構造体１は、（１）赤外線反射膜６の
シート抵抗が５Ω／□〜６０Ω／□の範囲内である、
（２）高屈折率膜５の屈折率をｎとすると、高屈折率膜
５の膜厚が１６００／ｎ（ｎｍ）〜２５６０／ｎ（ｎ
ｍ）の範囲内である、という２つの条件の少なくとも一
方を満たしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線を受光する
とともに赤外線の吸収による温度上昇に従って抵抗値が
変化する熱抵抗変化膜を備える熱型赤外線検出素子、す
なわち、ボロメータ型の熱型赤外線検出素子と、それを
用いた赤外線撮像装置に関するものであり、特に、赤外
線吸収率が高く、検出感度のバラツキが小さい熱型赤外
線検出素子およびそれを用いた赤外線撮像装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、赤外線を検出する赤外線検出
素子に適用されている赤外線の検出方法には、数多くの
方式が存在し、それぞれの方式には、相異なる赤外線の
検出原理が用いられている。

【０００３】その中でも、近年、実用性が高いことか
ら、赤外線の検出方式の１つとして注目されているの
が、熱型赤外線検出素子である。この熱型赤外線検出素
子では、検出材料に吸収された赤外線輻射エネルギーを
熱に変化させることによって該検出材料の温度を上昇さ
せ、その温度上昇によって得られた検出材料の物理的性
質（電気抵抗や焦電性など）の変化を検出するものであ
る。

【０００４】熱型赤外線検出素子では、一般的に使用さ
れてきた量子型赤外線検出素子のように、赤外線の検出
に用いられる半導体材料を非常に低い温度域に維持する
必要がない。それゆえ、常温での使用が可能になるとと
もに、冷却手段が必要ないために装置の小型化も図るこ
とができるので、実用性が高い。

【０００５】ここで、上記熱型赤外線検出素子では、検
出対象物によっては、得られる温度上昇値が０．０１℃
以下と非常に小さく、赤外線の検出が困難になる場合が
ある。そのため、上記熱型赤外線検出素子では、赤外線
の検出感度を向上させるために、赤外線吸収率のより大
きい構造を採用することによって少しでも温度上昇値を
大きくさせ、赤外線の検出感度を上昇させるようにして
いる。

【０００６】このような問題点を解消するために、上記
熱型赤外線検出素子では、一般に、赤外線を感知するダ
イアフラム構造体と、該ダイアフラム構造体と配線金属
によって電気的に接続された集積回路が形成された半導
体基板とが所定の空間を有して分離してなるダイアフラ
ム構造が採用されている。この構成では、赤外線を感知
する赤外線受光部と、集積回路が形成された半導体基板
との断熱性が高まるため、高感度で赤外線を検出するこ
とができる。

【０００７】さらに、上記ダイアフラム構造の熱型赤外
線検出素子では、より高い赤外線吸収率を得るために、
赤外線の多重反射を利用する手法が採用されることが多
い。この手法を採用した熱型赤外線検出素子のダイアフ
ラム構造の代表的な例を図４（ａ）および（ｂ）に示
す。

【０００８】この例の熱型赤外線検出素子では、図４
（ａ）および（ｂ）に示すように、表面に集積回路（図
示せず）が形成された半導体基板１０８上にダイアフラ
ム構造体１０１ａが所定の空間を形成するように配置さ
れ、ダイアフラム構造体１０１ａの表面に赤外線吸収膜
１０７ａが形成され、さらにダイアフラム構造体１０１
ａの下層の半導体基板１０８の表面に赤外線反射膜１０
６が形成されている。

【０００９】上記熱型赤外線検出素子の構成の概要を説
明すると、まず、ダイアフラム構造体１０１ａまたは１
０１ｂは、所定の形状にパターニングされた第２の酸化
シリコン膜１０２上に熱抵抗変化膜１０３と配線金属膜
１０４とが形成され、これらを覆うようにして第３の酸
化シリコン膜１０５が形成されてなっている。そして、
さらに上記第３の酸化シリコン膜１０５上に、高い赤外
線吸収率を有する材料からなる金属薄膜である赤外線吸
収膜１０７ａまたは１０７ｂが形成されている。

【００１０】一方、図示しない集積回路をその表面に形
成してなる半導体基板１０８上には第１の酸化シリコン
膜１０９が形成されている。さらに、上記第１の酸化シ
リコン膜１０９上であり、かつダイアフラム構造体１０
１ｂの形状に対応する領域に、赤外線をほぼ完全に反射
することが可能な金属からなる完全反射膜である赤外線
反射膜１０６が形成されている。なお、ダイアフラム構
造体１０１ａおよび１０１ｂの何れも、図４（ａ）に示
すように、配線金属膜１０４を含む脚部１１０によって
支持されるとともに、半導体基板１０８に電気的に接続
されている。

【００１１】上記構成の熱型赤外線検出素子では、ダイ
アフラム構造体１０１ａまたは１０１ｂの上部から入射
した赤外線は上記赤外線吸収膜１０７ａまたは１０７ｂ
に照射される。このとき、該赤外線の一部は赤外線吸収
膜１０７ｂで反射され、残りの一部は該赤外線吸収膜１
０７ｂを透過し、残りは該赤外線吸収膜１０７ｂの電気
抵抗によってジュール熱として吸収される。そして、上
記赤外線吸収膜１０７ｂを透過した赤外線は、さらにダ
イアフラム構造体１０１ｂおよび熱抵抗変化膜１０３を
透過して赤外線反射膜１０６に到達する。この赤外線反
射膜１０６では、赤外線は位相がπずれた状態でほとん
ど全てダイアフラム構造体１０１ｂ側に反射される。こ
の反射された赤外線は、上記と同じくダイアフラム構造
体１０１ｂおよび熱抵抗変化膜１０３を透過して、最上
面の赤外線吸収膜１０７ｂにおいて再び反射、透過、お
よび吸収される。このようにして反射、透過、および吸
収が繰り返されることで、反射の繰り返しによる干渉作
用の結果として、赤外線が熱型赤外線検出素子に吸収さ
れる。したがって、この構成では、図中の破線Ｉで囲っ
た領域内の部分全体が赤外線を吸収する赤外線吸収層と
して機能することになる。

【００１２】上記の構成では、赤外線反射膜１０６を備
えることで、ダイアフラム構造体１０１ｂ内で多重反射
が生じるので、赤外線が該ダイアフラム構造体１０１ｂ
から漏れ出すことが回避される。それゆえ、赤外線吸収
膜１０７ｂの膜厚を数百ｎｍまで薄くして、熱容量を小
さくすることが可能である。

【００１３】さらに、本願発明者等が詳しい計算を行っ
たところ、赤外線吸収膜１０７ｂのシート抵抗を３７７
Ω／□に調整し、ダイアフラム構造体１０１ｂと半導体
基板１０８との光学的距離を、吸収される赤外線の波長
の１／４とすれば、理論的には、表面での反射が完全に
打ち消され、単一の波長での吸収率を１００％にするこ
とができる。ここで、上記の計算は、金属薄膜の反射率
が、そのシート抵抗によって制御されることに基づいて
いる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、赤外線吸収
膜１０７ｂにおける赤外線の吸収原理上、赤外線吸収率
は、上記赤外線吸収膜１０７ｂと赤外線反射膜１０６と
の間隔に影響を受ける。そのため、これら各薄膜間の間
隔の制御が重要となる。

【００１５】しかしながら、薄膜の応力は、該薄膜の膜
厚の制御に比較しても非常に困難である。それゆえ、所
望の膜厚の薄膜を形成できたとしても、上記ダイアフラ
ム構造体１０１ｂには容易に反りが発生してしまい、上
記間隔にバラツキが発生するため赤外線吸収率が設計値
よりも低下してしまう。

【００１６】その結果、理論的には単一の波長の赤外線
に対して１００％の赤外線吸収率が実現できるはずであ
っても、上記の間隔のバラツキが発生すること、およ
び、通常用いられる赤外線の波長が８〜１２μｍと幅が
あることから、８〜１２μｍの波長帯域の赤外線に対す
る平均的な赤外線吸収率は、８０％程度まで低下してし
まう。そのため、上記従来の熱型赤外線検出素子では、
赤外線のエネルギーの利用効率が低く、それゆえ、検出
感度が低い。

【００１７】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
のであって、その目的は、赤外線吸収率が高く、それゆ
え検出感度が高い熱型赤外線検出素子および赤外線撮像
装置を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる熱型赤外
線検出素子は、上記の課題を解決するために、赤外線を
吸収する赤外線吸収層と、赤外線を受光するとともに赤
外線の吸収による温度上昇に従って抵抗値が変化する熱
抵抗変化膜とを備えるダイアフラム構造体を有している
熱型赤外線検出素子において、上記ダイアフラム構造体
は、赤外線吸収層として、高屈折率膜と、高屈折率膜の
下層に形成された赤外線を反射する赤外線反射膜とを備
え、上記赤外線反射膜のシート抵抗が、５Ω／□〜６０
Ω／□の範囲内であることを特徴としている。

【００１９】上記構成によれば、ダイアフラム構造体を
採用することによって、熱コンダクタンスが小さい状態
となっている上に、高屈折率膜と、高屈折率膜の下層に
形成された赤外線を反射する赤外線反射膜とを備えてい
る。そのため、ダイアフラム構造体から赤外線によるジ
ュール熱が逃げない上に、ダイアフラム構造体の表面で
の赤外線の反射は干渉作用によって打ち消されることに
なり、赤外線がダイアフラム構造体の外へ漏れることが
ない。

【００２０】しかも、上記干渉作用において重要な高屈
折率膜と反射膜との間隔は、高屈折率膜の膜厚で制御で
きるため、該間隔にバラツキが発生することがない。上
に、赤外線吸収率のバラツキ、すなわち熱型赤外線検出
素子における感度バラツキの発生が防止される。

【００２１】また、高屈折率膜を用いているのでダイア
フラム構造体の厚さを非常に薄くすることができ、熱型
赤外線検出素子の熱容量の増大を回避することが可能に
なる。つまり、従来に比べてダイアフラム構造体の熱容
量を大幅に低減することができる。その結果、従来より
も感度に優れ、かつ応答速度の速い素子を得ることがで
きる。

【００２２】そして、上記構成によれば、赤外線反射膜
のシート抵抗を５Ω／□〜６０Ω／□の範囲内としたこ
とにより、赤外線反射膜により反射された赤外光が外へ
漏れることを効果的に抑制できる。そのため、従来より
も非常に高い赤外線吸収率を得ることができる。したが
って、高い効率で赤外線のエネルギーを検出に利用する
ことができ、それゆえ、高い検出感度を得ることができ
る。

【００２３】なお、ここで、赤外線反射膜の膜厚ではな
く、シート抵抗を調整しているのは、赤外線反射膜の赤
外線反射率とシート抵抗との間に物質の種類に依らない
密接な関係があるからである。

【００２４】また、上記構成では、上記高屈折率膜の赤
外線に対する屈折率をｎとすると、上記高屈折率膜の膜
厚が、１６００／ｎ（ｎｍ）〜２５６０／ｎ（ｎｍ）の
範囲内であることが好ましい。これにより、赤外線吸収
率をさらに向上させることができ、それゆえ、検出感度
をさらに向上させることができる。

【００２５】なお、本願明細書において、「高屈折率
膜」とは、赤外線に対する屈折率が２．０以上である膜
を指すものとする。また、本願明細書において、「赤外
線に対する屈折率」とは、８〜１２μｍの波長の赤外線
に対する屈折率を指すものとする。ここで、屈折率を８
〜１２μｍの波長の赤外線に対して規定しているのは、
この波長域が赤外線（０．８μｍ〜１ｍｍの波長の電磁
波）の中でも特に重要であるからである。ただし、本発
明の熱型赤外線検出素子は、８〜１２μｍの波長の赤外
線の検出にのみ適用されるものではなく、どのような赤
外線の検出にも適用可能である。

【００２６】本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、上
記の課題を解決するために、赤外線を吸収する赤外線吸
収層と、赤外線を受光するとともに赤外線の吸収による
温度上昇に従って抵抗値が変化する熱抵抗変化膜とを備
えるダイアフラム構造体を有している熱型赤外線検出素
子において、上記ダイアフラム構造体は、赤外線吸収層
として、高屈折率膜と、高屈折率膜の下層に形成された
赤外線を反射する赤外線反射膜とを備え、上記高屈折率
膜の屈折率をｎとすると、上記高屈折率膜の膜厚が、１
６００／ｎ（ｎｍ）〜２５６０／ｎ（ｎｍ）の範囲内で
あることを特徴としている。

【００２７】上記構成によれば、前記の構成と同様に、
ダイアフラム構造体を採用し、高屈折率膜と、高屈折率
膜の下層に形成された赤外線を反射する赤外線反射膜と
を設けたことで、赤外線がダイアフラム構造体の外へ漏
れることがない。また、前記の構成と同様に、高屈折率
膜と反射膜との間隔にバラツキが発生することがない。
上に、赤外線吸収率のバラツキ、すなわち熱型赤外線検
出素子における感度バラツキの発生が防止される。ま
た、前記の構成と同様に、高屈折率膜を用いたことで、
ダイアフラム構造体の厚さを非常に薄くして、ダイアフ
ラム構造体の熱容量を大幅に低減することができる。そ
の結果、従来よりも感度に優れ、かつ応答速度の速い素
子を得ることができる。

【００２８】そして、上記構成によれば、上記高屈折率
膜の赤外線に対する屈折率をｎとしたときに、高屈折率
膜の膜厚が１６００／ｎ（ｎｍ）〜２５６０／ｎ（ｎ
ｍ）の範囲内となるようにしたことにより、赤外線反射
膜により反射された赤外光が外へ漏れることを効果的に
抑制できる。そのため、従来よりも非常に高い赤外線吸
収率を得ることができる。したがって、高い効率で赤外
線のエネルギーを検出に利用することができ、それゆ
え、高い検出感度を得ることができる。

【００２９】上記高屈折率膜は、赤外線に対する屈折率
が２．０以上であればよいが、シリコン（Ｓｉ）および
／またはゲルマニウム（Ｇｅ）を主成分としていること
が好ましい。これにより、ダイアフラム構造体の低熱容
量化が可能になる。その結果、より一層感度に優れ、か
つ応答速度のより速い熱型赤外線検出素子を得ることが
できる。

【００３０】上記赤外線反射膜は、赤外線を反射するこ
とができるものであればよいが、チタン（Ｔｉ）やアル
ミニウム（Ａｌ）等の金属からなることが好ましく、熱
伝導率が２２Ｗ／（ｍ・Ｋ）と低いチタンからなること
が特に好ましい。チタンを用いることで、赤外線反射膜
の熱容量を小さくすることができ、ダイアフラム構造体
の低熱容量化が可能になる。その結果、より一層感度に
優れ、かつ応答速度のより速い熱型赤外線検出素子を得
ることができる。

【００３１】本発明にかかる熱型赤外線検出素子では、
上記高屈折率膜の表面にさらに赤外線吸収膜が形成され
ていてもよい。

【００３２】これにより、赤外線反射膜によって反射さ
れた赤外線が、高屈折率膜を透過しても、赤外線吸収膜
によって吸収されるので、ダイアフラム構造体から赤外
線が外部へ漏れることをより一層確実に防止することが
できる。それゆえ、より高い赤外線吸収率を有する熱型
赤外線検出素子を得ることができる。

【００３３】また、上記基板上には、熱抵抗変化膜の抵
抗値の変化に基づいて赤外線を検出する集積回路が形成
されていることが好ましい。その場合、上記赤外線反射
膜は、導電性材料（好ましくは金属）からなり、かつ、
上記熱抵抗変化膜と電気的に接続されていると共に、基
板内に設けられた端子部を介して上記集積回路と電気的
に接続されていることが好ましい。

【００３４】これにより、赤外線を反射する赤外線反射
膜が、熱抵抗変化膜と集積回路とを接続する配線として
も機能するので、赤外線反射膜とは別に配線を形成する
必要がなくなる。それゆえ、配線を形成する工程が不要
となり、製造工程を簡略化できる。

【００３５】上記の熱抵抗変化膜および端子部と電気的
に接続された赤外線反射膜は、熱抵抗変化膜の上面また
は下面のほぼ全面を覆うように形成されていることが好
ましい。このように赤外線反射膜の面積を広くすること
により、ダイアフラム構造体における赤外線の吸収量を
大幅に増加させることができる。それゆえ、より高い赤
外線吸収率を有する熱型赤外線検出素子を得ることがで
きる。

【００３６】上記の熱抵抗変化膜および端子部と電気的
に接続された赤外線反射膜は、検出感度の高さ（熱コン
ダクタンスの低さ）の点ではチタンからなることが好ま
しく、検出精度の高さ（素子抵抗（ノイズ）の低さ）の
点ではアルミニウムからなることが好ましい。

【００３７】すなわち、赤外線反射膜としてチタンを用
いた場合、熱伝導率が低い（２２Ｗ／（ｍ・Ｋ））が、
比抵抗が高い（４３．１μΩ・ｃｍ）ので、熱容量が小
さく、感度が高いが、配線部分の抵抗も高くなる。一
方、赤外線反射膜としてアルミニウムを用いた場合、比
抵抗は低い（２．７４μΩ・ｃｍ）が、熱伝導率が高い
（２３６Ｗ／（ｍ・Ｋ））ので、チタンを用いた場合よ
りも熱容量が大きくなり、感度が低下するが、配線部分
の抵抗が低くなるので、ノイズを低く抑えることがで
き、検出精度が向上する。

【００３８】本発明にかかる赤外線撮像装置は、上記の
課題を解決するために、前述した本発明にかかる熱型赤
外線検出素子の複数個から構成され、電気信号を出力す
る赤外線撮像素子と、一つの方向からの赤外線を赤外線
撮像素子に集光する光学装置と、赤外線撮像素子からの
電気信号を記録媒体に記録する記録装置とを備えること
を特徴としている。

【００３９】上記構成によれば、前述した本発明にかか
る熱型赤外線検出素子を用いたことで、感度の高い赤外
線撮像装置を実現することができる。

【００４０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態について図
１ないし図３に基づいて説明すれば、以下の通りであ
る。なお、本発明はこれに限定されるものではない。

【００４１】本実施の形態に係る熱型赤外線検出素子
は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、赤外線を受
光する熱抵抗変化膜３を有するダイアフラム構造体１を
備えてなっている。また、ダイアフラム構造体１は、半
導体基板７との間に所定の空間を形成するようにして半
導体基板７に接続されている。

【００４２】熱型赤外線検出素子がこのようなダイアフ
ラム構造を備えることにより、赤外受光部となるダイア
フラム構造体１と半導体基板７とを熱的にほぼ絶縁状態
にすることができる。これは、赤外線の入射により、ダ
イアフラム構造体１の熱が半導体基板７に逃げないから
である。

【００４３】ダイアフラム構造体１では、所定の形状に
パターニングされた第２の酸化シリコン膜２上に、熱抵
抗変化膜３と、赤外線を反射するための赤外線反射膜６
とが形成されている。熱抵抗変化膜３は、第２の酸化シ
リコン膜２の中央部に形成されている。一方、赤外線反
射膜６は、第２の酸化シリコン膜２表面における熱抵抗
変化膜３が形成されていない部分の大部分を覆うように
形成されているとともに、熱抵抗変化膜３の両端部をも
覆うように形成されている。また、赤外線反射膜６は、
中央部で２つに分割されている。

【００４４】さらに、第２の酸化シリコン膜２、熱抵抗
変化膜３、および赤外線反射膜６上には、高屈折率膜５
が、第２の酸化シリコン膜２のパターンに沿って形成さ
れている。

【００４５】そして、この高屈折率膜５と赤外線反射膜
６との干渉作用により赤外線が吸収されるようになって
いる。言い換えると、ダイアフラム構造体１では、高屈
折率膜５と赤外線反射膜６とを合わせたものが、赤外線
を吸収する赤外線吸収層として機能するようになってい
る。なお、図１（ａ）では、説明の便宜上、最上層の高
屈折率膜５を省略している。

【００４６】一方、半導体基板７の表面には、図示しな
い集積回路が形成されている。さらに、半導体基板７に
おける集積回路が形成された側の表面（図１（ｂ）の上
面）には、第１の酸化シリコン膜８が形成されている。
従来では、この第１の酸化シリコン膜８上に赤外線反射
膜６が形成されていたが、本発明では、赤外線反射膜６
は、上述したようにダイアフラム構造体１内において、
高屈折率膜５の下層に設けられている。

【００４７】熱抵抗変化膜３は、赤外線を受光するとと
もに、ダイアフラム構造体１の赤外線の吸収による温度
上昇に従って抵抗値が変化するものである。熱抵抗変化
膜３を構成する材料としては、熱により抵抗値が変化す
る材料であれば特に限定されるものではないが、例え
ば、チタン酸化物やバナジウム酸化物などが好適に用い
られる。

【００４８】赤外線反射膜６は、熱抵抗変化膜３と電気
的に接続されるとともに、半導体基板７内に設けられた
端子部（図示しない）を介して半導体基板７上の集積回
路と電気的に接続されている。したがって、赤外線反射
膜６は、熱抵抗変化膜３と半導体基板７上の集積回路と
を電気的に接続するための配線としても機能する。赤外
線反射膜６は、図１（ａ）に示すように、ダイアフラム
構造体１を支えるための脚部１０を構成しており、接曲
部６ａによって、半導体基板７との間に所定の空間が形
成されることになる。また、半導体基板７上の集積回路
と赤外線反射膜６とは、略平板状の接続部１１により電
気的に接続されている。なお、図１（ｂ）では、赤外線
反射膜６におけるダイアフラム構造体１と半導体基板７
とを接続する部位については、説明の便宜上、省略して
いる。

【００４９】赤外線反射膜６は、赤外線を反射すること
ができ、かつ、導電性を有する材質からなるものであれ
ば、特に限定されるものではなく、チタン（Ｔｉ）やア
ルミニウム（Ａｌ）などの金属からなる金属膜を好適に
用いることができる。また、赤外線反射膜６は、検出感
度の高さ（熱コンダクタンスの低さ）の点ではチタンか
らなることが好ましく、検出精度の高さ（素子抵抗（ノ
イズ）の低さ）の点ではアルミニウムからなることが好
ましい。

【００５０】すなわち、赤外線反射膜６としてチタンを
用いた場合、熱伝導率が低い（２２Ｗ／（ｍ・Ｋ））
が、比抵抗が高い（４３．１μΩ・ｃｍ）ので、熱容量
が小さく、感度が高いが、配線部分の抵抗も高くなる。
一方、赤外線反射膜６としてアルミニウムを用いた場
合、比抵抗は低い（２．７４μΩ・ｃｍ）が、熱伝導率
が高い（２３６Ｗ／（ｍ・Ｋ））ので、チタンを用いた
場合よりも熱容量が大きくなり、感度が低下するが、配
線部分の抵抗が低くなるので、ノイズを低く抑えること
ができ、検出精度が向上する。

【００５１】高屈折率膜５は、赤外線に対する屈折率が
２．０以上であればよく、特に限定されるものではない
が、屈折率の非常に高いシリコン（赤外線に対する屈折
率が３．４５）および／またはゲルマニウム（赤外線に
対する屈折率が４．０９）を主成分としていることが好
ましい。これにより、赤外線吸収率をさらに向上させる
ことができる。

【００５２】ここで、「シリコンおよび／またはゲルマ
ニウムを主成分とする」とは、高屈折率膜５がシリコン
および／またはゲルマニウムのみからなっていてもよい
し、シリコンおよび／またはゲルマニウム以外に、５０
重量％未満の範囲内で他の成分が含まれていてもよいこ
とを示す。

【００５３】また、高屈折率膜５としてゲルマニウムを
用いた場合、ゲルマニウムの比熱は０．１６２であり、
酸化シリコン（ＳｉＯ₂）などの酸化物に比較して約１
／２と小さい。そのため、さらにダイアフラム構造体１
の熱容量の低減を図ることができ、特に、ダイアフラム
構造体１全体では、従来の約１／６の熱容量にすること
ができる。したがって、赤外線撮像素子として用いる場
合においても応答速度が速くなり、残像のない良好な画
像を得ることができる。

【００５４】上記構成の熱型赤外線検出素子の製造方法
について、図３（ａ）〜（ｆ）に基づいて説明する。ま
ず、集積回路を形成した半導体基板７上に、集積回路を
保護するためのカバーとなる第１の酸化シリコン膜８を
形成する。次に、この第１の酸化シリコン膜８の表面に
対してＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ）ある
いは熱処理によるリフローなどによって平坦化処理を施
す。次に、平坦化された第１の酸化シリコン膜８の全面
にポリイミドを塗布する。その後、上記ポリイミドを例
えば３５０℃程度の温度で焼成して、ポリイミド膜２１
を得る。

【００５５】このとき、焼成後に得られる上記ポリイミ
ド膜２１の膜厚は、例えば、約３μｍ程度に設定すれば
よい。このポリイミド膜２１自体は赤外線の吸収率に全
く関与しないので、ポリイミド膜２１の膜厚は、特に限
定されるものではなく、ダイアフラム構造の製造プロセ
スに応じて適宜設定すればよい。

【００５６】次に、図３（ａ）に示すように、ポリイミ
ド膜２１の全面にフォトレジスト２２を塗布する。次い
で、フォトレジスト２２に対してフォトエッチング（マ
スク露光）を行うことによりフォトレジスト２２を所望
の形状にパターニングする。その後、１５０℃程度の温
度でフォトレジスト２２の焼成（ベーク）処理を実施す
る。なお、梁の接地部には、斜面形状を形成しておく。
この梁とは、図１（ａ）および図２における脚部１０に
相当し、図２に示す配線金属膜４の接曲部４ａを形成す
るためのものである。

【００５７】次に、パターニングされたフォトレジスト
２２およびポリイミド膜２１の全面にドライエッチング
を施すことによりフォトレジスト２２でマスクされてい
ない部分のポリイミド膜２１をドライエッチングし、フ
ォトレジスト２２のパターンをポリイミド膜２１に転写
する。その後、剥離液を用いてフォトレジスト２２を除
去する。そして、ダイヤフラム構造を形成するために、
ポリイミド膜２１全面に第２の酸化シリコン膜２を、Ｃ
ＶＤ(Chemical Vapor Deposition) 法によって約２００
ｎｍ程度の膜厚となるように形成する。この時点で、図
３（ｂ）に示す構造が得られる。

【００５８】そして、図３（ｃ）に示すように、第２の
酸化シリコン膜２上に、所定の形状となるように（図１
（ａ）参照）、熱抵抗変化膜３と赤外線反射膜６とを形
成する。熱抵抗変化膜３としては、例えば、膜厚約１０
０ｎｍのチタン酸化物またはバナジウム酸化物をスパッ
タ法により形成する。また、赤外線反射膜６としては、
例えば、膜厚約３０ｎｍのチタン膜をスパッタ法により
形成する。

【００５９】そして、この赤外線反射膜６を覆うように
して、さらに、シリコンからなる高屈折率膜５をスパッ
タ法等により、例えば７００ｎｍ程度の膜厚となるよう
に形成する。

【００６０】その後、ダイアフラム構造のアライメント
を実施し、図３（ｄ）に示すように、ドライエッチング
法により、熱抵抗変化膜３および赤外線反射膜６に対応
する所定領域を除いた領域の高屈折率膜５を除去する。
最後に、ドライエッチング法によってポリイミド膜２１
を除去して、図３（ｅ）に示すダイアフラム構造体１を
得る。

【００６１】次に、本実施形態の熱型赤外線検出素子に
おいて赤外線が検出される機構を説明する。

【００６２】本実施形態の熱型赤外線検出素子では、ダ
イアフラム構造体１の上部から入射した赤外線は、高屈
折率膜５に照射される。このとき、該赤外線の一部は高
屈折率膜５の上部界面（赤外線反射膜６と反対側の面）
で反射され、残りの一部は高屈折率膜５を透過して高屈
折率膜５とその下層の赤外線反射膜６との界面に到達
し、他の一部は高屈折率膜５に吸収される。高屈折率膜
５を透過して赤外線反射膜６に到達した赤外線は、位相
がπずれた状態でほとんど全て高屈折率膜５の上部界面
側に反射される。このときの赤外線反射率は、赤外線反
射膜６が膜厚３０ｎｍのチタン膜であれば、約９０％で
ある。赤外線反射膜６で反射された赤外線は、高屈折率
膜５の上部界面において再び反射、透過、および吸収さ
れる。このようにして反射、透過、および吸収が繰り返
されることで、反射の繰り返しによる干渉作用の結果と
して、赤外線がダイアフラム構造体１に吸収される。

【００６３】ここで吸収されたエネルギーは、熱となっ
てダイアフラム構造体１の温度上昇に寄与する。この温
度上昇により熱抵抗変化膜３の抵抗が変化する。したが
って、半導体基板７上の集積回路にて、熱抵抗変化膜３
の抵抗の変化を検出し、抵抗の変化から赤外線の強度を
求めることができる。

【００６４】このようにして赤外線の強度を測定するこ
とで、被検出体の温度を検知することができる。

【００６５】また、本実施形態の熱型赤外線検出素子の
複数個を用いて赤外線撮像装置を構成することも可能で
ある。

【００６６】次に、本発明に係る熱型赤外線検出素子の
特徴点について説明する。

【００６７】本発明に係る熱型赤外線検出素子は、上記
構成の熱型赤外線検出素子において、（１）赤外線反射膜６のシート抵抗が、５Ω／□〜６０
Ω／□の範囲内である。（２）高屈折率膜５の屈折率をｎとすると、高屈折率膜
５の膜厚が、１６００／ｎ（ｎｍ）〜２５６０／ｎ（ｎ
ｍ）の範囲内である。の少なくとも一方の条件を満たすものである。

【００６８】（１）および（２）の条件の少なくとも一
方、より好ましくは（１）および（２）の条件の両方を
満たすことにより、ダイアフラム構造体１に入射した赤
外線は、高屈折率膜５表面と赤外線反射膜６表面との反
射および干渉によって、赤外線がダイアフラム構造体１
の外部にほとんど漏れることなく、高屈折率膜５に吸収
される。

【００６９】高屈折率膜５としてシリコン膜を用いた場
合、シリコン膜の赤外線に対する屈折率ｎが３．４５で
あるため、（１）の条件を満たす高屈折率膜５の膜厚
は、４６３．８（ｎｍ）〜７４２．０（ｎｍ）の範囲内
となる。また、高屈折率膜５としてゲルマニウム膜を用
いた場合、ゲルマニウム膜の赤外線に対する屈折率ｎが
４．０９であるため、（１）の条件を満たす高屈折率膜
５の膜厚は、３９１．２（ｎｍ）〜６２５．９（ｎｍ）
の範囲内となる。

【００７０】なお、高屈折率膜５は、スパッタ法などに
より形成されるため、その膜厚は、スパッタ法における
シリコンやゲルマニウムの積層時間の調整により制御す
ることができる。そのため、その制御が非常に容易とな
ることに加え、熱型赤外線検出素子の製造プロセスにお
いて工程増を伴わない。そのため、製造プロセスの煩雑
化を回避して製造コストの上昇を防止できる上に、ダイ
アフラム構造体１における赤外線吸収率のバラツキ、す
なわち赤外線検出の感度バラツキを確実に低減すること
が可能になる。

【００７１】以下に、本発明の特徴点である上記の
（１）および（２）の条件により、赤外線吸収率が向上
することを確認した実施例を示す。本実施例では、上述
した構成の熱型赤外線検出素子において、高屈折率膜５
としてシリコン膜を用い、赤外線反射膜６としてチタン
膜を用いた。

【００７２】まず、高屈折率膜５の膜厚を７００ｎｍ、
赤外線反射膜６の膜厚を３０ｎｍにしたところ、赤外線
反射膜６のシート抵抗は３１Ω／□、赤外線反射膜６の
８〜１２μｍの波長帯域の赤外線に対する反射率（以
下、単に赤外線反射率と称する）は約９０％となり、８
〜１２μｍの波長帯域での熱型赤外線検出素子の吸収率
（以下、単に赤外線吸収率と称する）は約８８％となっ
た。この吸収率は、従来の熱型赤外線検出素子の赤外線
吸収率（約８０％）より大きい。このように従来より高
い赤外線吸収率が得られるのは、赤外線反射膜６のシー
ト抵抗を調整することによって、高屈折率膜５表面の反
射波と赤外線反射膜６表面で反射する反射波の位相がほ
ぼ正確にπずれるように設定できるからである。

【００７３】次に、上記構成の熱型赤外線検出素子にお
いて、高屈折率膜５の膜厚と赤外線反射膜６のシート抵
抗とを種々の値に変化させて、赤外線吸収率を測定し
た。得られた測定結果を表１に示す。

【００７４】

【表１】

【００７５】また、本実施例の熱型赤外線検出素子につ
いて、高屈折率膜５の膜厚と赤外線反射膜６のシート抵
抗とを種々の値に変化させ、赤外線吸収率を計算により
求めた。得られた計算結果を表２に示す。

【００７６】

【表２】

【００７７】なお、赤外線吸収率の吸収率は、以下のよ
うにして計算した。すなわち、マトリックス法を用いて
赤外線反射率を計算し、それに基づいて赤外線吸収率を
求めた。より具体的には、まず、上記の第１の実施例
（高屈折率膜５の膜厚が７００ｎｍであり赤外線反射膜
６の膜厚が３０ｎｍである実施例）における高屈折率膜
５の膜厚、赤外線反射膜６の膜厚、赤外線反射膜６のシ
ート抵抗、および赤外線吸収率の測定結果から、赤外線
屈折率などのパラメータを求め、次いで、高屈折率膜５
の膜厚および赤外線反射膜６のシート抵抗と、赤外線屈
折率との相関を表す関数を求めた。次に、上記関数を用
いて、高屈折率膜５の膜厚と赤外線反射膜６のシート抵
抗とを種々の値に変化させたときの赤外線屈折率を計算
した。

【００７８】表１および表２より、高屈折率膜５の膜厚
は、４６３．８（ｎｍ）〜７４２．０（ｎｍ）の範囲
内、すなわち、１６００／ｎ（ｎｍ）〜２５６０／ｎ
（ｎｍ）の範囲内であることが好ましいことが分かる。

【００７９】また、表１および表２より、熱型赤外線検
出素子の赤外線吸収率が８０％を上回るには、少なくと
も高屈折率膜５の膜厚を５００（ｎｍ）〜７００（ｎ
ｍ）の範囲内にすることが必要であることが分かる。し
たがって、高屈折率膜５の膜厚は、５００（ｎｍ）〜７
００（ｎｍ）の範囲内であることがより好ましい。

【００８０】また、表１および表２より、熱型赤外線検
出素子の赤外線吸収率が従来例の赤外線吸収率８０％を
上回るには、少なくとも赤外線反射膜６のシート抵抗を
５Ω／□〜６０Ω／□の範囲内にすることが必要である
ことが分かる。さらに、表２より、高屈折率膜５の膜厚
が６００（ｎｍ）であり、かつ、赤外線反射膜６のシー
ト抵抗が５Ω／□〜６０Ω／□の範囲内であれば、熱型
赤外線検出素子の赤外線吸収率が８０％を上回ることが
分かる。したがって、赤外線反射膜６のシート抵抗は５
Ω／□〜６０Ω／□の範囲内であることが好ましいこと
が分かる。

【００８１】また、表１および表２より、高屈折率膜５
の膜厚が、４６３．８（ｎｍ）〜７４２．０（ｎｍ）の
範囲内、すなわち、１６００／ｎ（ｎｍ）〜２５６０／
ｎ（ｎｍ）の範囲内であり、かつ、赤外線反射膜６のシ
ート抵抗が５Ω／□〜６０Ω／□の範囲内であることが
特に好ましいことが分かる。

【００８２】また、表２より、高屈折率膜５の膜厚が５
００（ｎｍ）〜７００（ｎｍ）の範囲内であり、かつ、
赤外線反射膜６のシート抵抗が２０Ω／□〜４０Ω／□
の範囲内であれば、熱型赤外線検出素子の赤外線吸収率
が８０％を上回ることが分かる。したがって、赤外線反
射膜６のシート抵抗は２０Ω／□〜４０Ω／□の範囲内
であることが好ましい。また、高屈折率膜５の膜厚が５
００（ｎｍ）〜７００（ｎｍ）の範囲内であり、かつ、
赤外線反射膜６のシート抵抗が２０Ω／□〜４０Ω／□
の範囲内であることが特に好ましい。

【００８３】なお、本実施の形態では、赤外線を反射す
る赤外線反射膜が、熱抵抗変化膜と集積回路とを接続す
る配線としても機能する構成について説明したが、赤外
線反射膜とは別に配線を形成してもよい。その場合、例
えば、図１の構成における赤外線反射膜６を、チタンや
アルミニウム等の金属からなる金属配線膜に変更し、、
この金属配線膜上に第３の酸化シリコン膜を介して赤外
線反射膜を設ければよい。この構成では、赤外線反射膜
の抵抗が検出精度に影響しないので、赤外線反射膜は、
熱伝導率が２２Ｗ／（ｍ・Ｋ）と低いチタンからなるこ
とが特に好ましい。チタンを用いることで、赤外線反射
膜の熱容量を小さくすることができ、ダイアフラム構造
の低熱容量化が可能になる。その結果、より一層感度に
優れ、かつ応答速度のより速い熱型赤外線検出素子を得
ることができる。

【００８４】また、本実施の形態の構成において、高屈
折率膜５の上層に、すなわち、高屈折率膜５における赤
外線反射膜６と反対側の表面に、赤外線吸収膜をさらに
形成してもよい。

【００８５】この赤外線吸収膜の具体的な材質として
は、たとえばニッケルクロム（ＮｉＣｒ）膜などの金属
薄膜や、窒化チタン（ＴｉＮ）膜などの金属窒化物薄膜
などを挙げることができる。この赤外線吸収膜の形成方
法は特に限定されるものではないが、スパッタ法などを
用いることができる。

【００８６】赤外線吸収膜を備える構成では、赤外線反
射膜６によって反射された赤外線は、赤外線吸収膜に到
達した場合でも、その反射が効果的に打ち消されること
になり、ダイアフラム構造体１から外部へ漏れにくくな
る。それゆえ、より高い赤外線吸収率を有する熱型赤外
線検出素子を得ることができる。

【００８７】次に、本発明を赤外線撮像装置に適用した
実施の形態について説明する。

【００８８】本実施形態の赤外線撮像装置は、以下のよ
うに構成される。本実施形態の赤外線撮像装置は、図５
に示すように、本実施形態の熱型赤外線検出素子複数個
から構成され電気信号を出力する赤外線撮像素子１１
と、一方向からの赤外線を赤外線撮像素子１１に集光す
る光学装置１２と、前記赤外線撮像素子１１からの電気
信号を温度分布情報に変換（換算）する演算装置１３
と、前記温度分布情報を記録媒体（図示しない）に記録
する記録装置１４と、前記温度分布情報を画像として表
示する表示装置１５とを備えている。

【００８９】本赤外線撮像装置では、まず、光学装置１
２によって集光された入射赤外線が赤外線撮像素子１１
によって受けとられると、前記入射赤外線のエネルギー
によって赤外線撮像素子１１の温度が上昇する。この温
度上昇によって、赤外線撮像素子１１に備えられた複数
の熱型赤外線検出素子の熱抵抗変化膜３（図１）の抵抗
がそれぞれ変化する。その抵抗変化から被写体の温度分
布情報が演算装置１３で演算（測定）され、この温度分
布情報が記録装置１４によって記録媒体に記録される。
これによって被写体の像が得られ、被写体の像が表示装
置１５に表示される。

【００９０】

【発明の効果】本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、
以上のように、ダイアフラム構造体は、赤外線吸収層と
して、高屈折率膜と、高屈折率膜の下層に形成された赤
外線を反射する赤外線反射膜とを備え、上記赤外線反射
膜のシート抵抗が、５Ω／□〜６０Ω／□の範囲内であ
る構成である。

【００９１】上記構成によれば、赤外線反射膜のシート
抵抗を５Ω／□〜６０Ω／□の範囲内としたことによ
り、従来よりも高い赤外線吸収率を得ることができ、高
い効率で赤外線のエネルギーを検出に利用することがで
きる。それゆえ、上記構成は、赤外線吸収率が高く、そ
れゆえ検出感度が高い熱型赤外線検出素子を提供するこ
とができるという効果を奏する。

【００９２】また、上記構成では、上記高屈折率膜の赤
外線に対する屈折率をｎとすると、上記高屈折率膜の膜
厚が、１６００／ｎ（ｎｍ）〜２５６０／ｎ（ｎｍ）の
範囲内であることが好ましい。

【００９３】これにより、赤外線吸収率をさらに向上さ
せることができ、それゆえ、検出感度をさらに向上させ
ることができるという効果が得られる。

【００９４】本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、以
上のように、ダイアフラム構造体は、赤外線吸収層とし
て、高屈折率膜と、高屈折率膜の下層に形成された赤外
線を反射する赤外線反射膜とを備え、上記高屈折率膜の
屈折率をｎとすると、上記高屈折率膜の膜厚が、１６０
０／ｎ（ｎｍ）〜２５６０／ｎ（ｎｍ）の範囲内である
構成である。

【００９５】上記構成によれば、上記高屈折率膜の赤外
線に対する屈折率をｎとしたときに、高屈折率膜の膜厚
が１６００／ｎ（ｎｍ）〜２５６０／ｎ（ｎｍ）の範囲
内となるようにしたことにより、従来よりも高い赤外線
吸収率を得ることができ、高い効率で赤外線のエネルギ
ーを検出に利用することができる。それゆえ、上記構成
は、赤外線吸収率が高く、それゆえ検出感度が高い熱型
赤外線検出素子を提供することができるという効果を奏
する。

【００９６】本発明にかかる赤外線撮像装置は、以上の
ように、前述した本発明にかかる熱型赤外線検出素子の
複数個から構成され、電気信号を出力する赤外線撮像素
子と、一つの方向からの赤外線を赤外線撮像素子に集光
する光学装置と、赤外線撮像素子からの電気信号を記録
媒体に記録する記録装置とを備える構成である。

【００９７】上記構成によれば、前述した本発明にかか
る熱型赤外線検出素子を用いたことで、感度の高い赤外
線撮像装置を実現することができる。したがって、上記
構成は、赤外線吸収率が高く、それゆえ感度が高い赤外
線撮像装置を提供することができるという効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の実施の一形態にかかる熱型赤
外線検出素子を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の
Ａ−Ａ矢視断面図である。

【図２】図１に示す熱型赤外線検出素子の斜視図であ
る。

【図３】（ａ）〜（ｅ）は、図１に示す熱型赤外線検出
素子の製造プロセスを示す工程図である。

【図４】（ａ）は従来の熱型赤外線検出素子の一例を示
す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ矢視断面図
である。

【図５】本発明の実施の一形態にかかる赤外線撮像装置
を示す概略ブロック図である。

【符号の説明】

１ダイアフラム構造体２第２の酸化シリコン膜３熱抵抗変化膜５高屈折率膜６赤外線反射膜７半導体基板８第１の酸化シリコン膜１１赤外線撮像素子１２光学装置１３演算装置１４記録装置１５表示装置

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 37/02 Ｈ０４Ｎ 5/33 Ｈ０４Ｎ 5/33 Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｋ (72)発明者薦田智久大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内Ｆターム(参考） 2G065 AA04 AA11 AB02 BA12 BA14 BA34 BA40 BC13 BC33 BD03 CA13 DA18 2G066 BA09 BA60 BC15 BC21 CA02 4M118 AA01 AB01 BA05 CA14 CA35 CB13 CB14 EA01 GA10 GD15 5C024 AX06 CX41 CY47 EX21 GX08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】赤外線を吸収する赤外線吸収層と、赤外線
を受光するとともに赤外線の吸収による温度上昇に従っ
て抵抗値が変化する熱抵抗変化膜とを備えるダイアフラ
ム構造体を有している熱型赤外線検出素子において、上記ダイアフラム構造体は、赤外線吸収層として、高屈
折率膜と、高屈折率膜の下層に形成された赤外線を反射
する赤外線反射膜とを備え、上記赤外線反射膜のシート抵抗が、５Ω／□〜６０Ω／
□の範囲内であることを特徴とする熱型赤外線検出素
子。
【請求項２】上記高屈折率膜の赤外線に対する屈折率を
ｎとすると、上記高屈折率膜の膜厚が、１６００／ｎ
（ｎｍ）〜２５６０／ｎ（ｎｍ）の範囲内であることを
特徴とする請求項１記載の熱型赤外線検出素子。
【請求項３】赤外線を吸収する赤外線吸収層と、赤外線
を受光するとともに赤外線の吸収による温度上昇に従っ
て抵抗値が変化する熱抵抗変化膜とを備えるダイアフラ
ム構造体を有している熱型赤外線検出素子において、上記ダイアフラム構造体は、赤外線吸収層として、高屈
折率膜と、高屈折率膜の下層に形成された赤外線を反射
する赤外線反射膜とを備え、上記高屈折率膜の屈折率をｎとすると、上記高屈折率膜
の膜厚が、１６００／ｎ（ｎｍ）〜２５６０／ｎ（ｎ
ｍ）の範囲内であることを特徴とする熱型赤外線検出素
子。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれか１項に記載の
熱型赤外線検出素子の複数個から構成され、電気信号を
出力する赤外線撮像素子と、一つの方向からの赤外線を赤外線撮像素子に集光する光
学装置と、赤外線撮像素子からの電気信号を記録媒体に記録する記
録装置とを備える赤外線撮像装置。