JP2003532067A - マイクロボロメータおよびその形成方法 - Google Patents

マイクロボロメータおよびその形成方法

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JP2003532067A JP2001578916A JP2001578916A JP2003532067A JP 2003532067 A JP2003532067 A JP 2003532067A JP 2001578916 A JP2001578916 A JP 2001578916A JP 2001578916 A JP2001578916 A JP 2001578916A JP 2003532067 A JP2003532067 A JP 2003532067A
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トーマス・アール・シマート
ウィリアム・エル・マッカーデル
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices

Abstract

(57)【要約】 マイクロボロメータは、赤外放射線の吸収に応じて温度を変化させる材料特性を有する吸収素子を含む。アモルファスシリコン検出器は、吸収素子と熱的に結合して、検出する赤外放射線の４分の１波長の高さでシリコン基板の上方に懸架される。アモルファスシリコン検出器は、吸収素子の温度変化に応じて電気抵抗を変化させる。マイクロボロメータはまた、シリコン基板と結合した電極アームを含み、シリコン基板表面の上方でアモルファスシリコン検出器のための構造的な支持を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の技術分野） 本発明は、一般には赤外線検出器に関し、特にマイクロボロメータ(microbolo
meter)およびその形成方法に関する。
【０００２】 （発明の背景） 赤外線（ＩＲ）検出器は、火災、過熱した機械類、飛行機、車両、人間あるい
は熱放射を放つその他の物体を検出するためにしばしば利用される。赤外線検出
器は、周囲光の状況や煙、霧などの空気中の微粒子によって影響されない。その
ため赤外線検出器は、夜間観察や視野条件が悪いとき、例えば通常の視野が煙や
霧で妨げられたときに、可能性ある用途を有する。ＩＲ検出器はまた、放射計、
ガス検出器、他のＩＲセンサなどの非撮像応用分野でも使用される。
【０００３】 赤外線検出器は、一般に、風景内の種々の物体の熱的な放射輝度(radiance)の
差を検出することによって動作する。その差は、処理されて電気信号に変換され
る。マイクロボロメータは、在来の集積回路製造技術を用いて基板材料の上に製
造された赤外放射線検出器である。製造後は、センシング素子用に最適な環境を
提供するために、マイクロボロメータは一般に真空パッケージの中に配置される
。従来のマイクロボロメータは、熱放射に曝された後、検出素子の抵抗変化を測
定する。マイクロボロメータは、ガス検出器、夜間観察、その他多くの場面での
応用が考えられる。
【０００４】 マイクロボロメータの応答時間および感度に影響を及ぼす主たる要因は、熱容
量および熱絶縁である。マイクロボロメータの応答時間は、検出素子が充分な赤
外放射線を吸収して検出素子の抵抗などの電気的特性を変化させ、そして赤外放
射線の吸収による熱を放散するのに必要な時間である。マイクロボロメータの感
度は、マイクロボロメータ検出器の電気的特性に充分な変化を生じさせるのに要
する赤外放射線量によって決定される。マイクロボロメータの応答時間は、熱容
量および熱絶縁の両方に反比例する。そのため熱容量が増加すると、マイクロボ
ロメータ検出素子の電気的特性に測定可能な変化を得るために、追加の熱容量を
充分に加熱するのにより多くの赤外線エネルギーが必要になることから、応答時
間がより遅くなる。熱絶縁が増加すると、赤外放射線の吸収による熱を放散する
のにより長い時間が必要になることから、応答時間がより遅くなる。マイクロボ
ロメータの動作周波数は、応答時間に反比例する。しかしながら、マイクロボロ
メータの感度は、熱絶縁に比例する。従って、特定の用途が高い感度を要求し、
高い動作周波数を要求しない場合、マイクロボロメータは最大の熱絶縁および最
小の熱容量を有することになる。ある用途が高い動作周波数を要求する場合、よ
り高速のマイクロボロメータは、感度低下をもたらすことになる熱絶縁を減少さ
せることによって得られる。
【０００５】 マイクロボロメータの感度を最大化するには、マイクロボロメータ内の検出素
子の抵抗の温度係数は可能な限り高くすべきである。
【０００６】 （発明の概要） 上述から、改善したマイクロボロメータおよびその形成方法のニーズが生ずる
ことは理解できよう。本発明に従えば、マイクロボロメータおよびその形成方法
は、従来のマイクロ赤外線検出器に関連した不具合や問題を実質的に除去または
低減するものである。
【０００７】 本発明の一実施形態に従えば、マイクロボロメータおよびその形成方法は、赤
外放射線の吸収に応じて温度を変化させる吸収素子と、検出する赤外放射線の４
分の１波長の高さでシリコン基板の上方に懸架されたアモルファスシリコン検出
器とを備える。アモルファスシリコン検出器は、吸収素子の温度変化に応じて電
気抵抗を変化させる。マイクロボロメータは、シリコン基板と結合した電極アー
ムをさらに備え、アモルファスシリコン検出器のための構造的支持およびマイク
ロボロメータの電気接続性を提供する。
【０００８】 本発明の技術的利点は、従来のマイクロボロメータより実質的に低い熱容量の
マイクロボロメータを提供することを含む。実質的に低い熱容量によって、動作
周波数が増加して、マイクロボロメータの熱絶縁が増加する。熱絶縁の増加によ
って感度が増加し、マイクロボロメータ検出器の電気抵抗に検出可能な変化を生
じさせるのに必要な赤外放射線が少なくなる。本発明の他の技術的利点は、異な
る動作周波数および感度特性を有するマイクロボロメータを得るために製造する
間に、変化させることが可能な熱分流(shunt)を含む。熱分流材料を増やすこと
によって、マイクロボロメータと基板材料との間の熱結合が増加して、それに応
じてマイクロボロメータの熱絶縁が減少する。その結果、動作周波数が増加して
、感度が減少したマイクロボロメータが得られる。本発明のさらに他の技術的利
点は、所定の電極アーム長に必要な面積を最小化するためのスパイラルアームの
使用であり、これによってマイクロボロメータ検出素子に使用可能な面積を最大
化できる。
【０００９】 他の技術的利点は、下記の図面、説明およびクレームから当業者にとって容易
に明白となろう。
【００１０】 本発明および更なる特徴、利点をより深く理解するため、添付図面と共に下記
の説明が参照される。
【００１１】 （発明の詳細な説明） 図１は、本発明の一実施形態によるマイクロボロメータ１０を示す。本実施形
態において、マイクロボロメータ１０は基板１１の上に形成される。基板１１は
、典型的には単結晶(monocrystalline)のシリコンウエハや読出し集積回路を包
含したシリコンウエハを含む他の適切な基板材料である。
【００１２】 図１を参照して、マイクロボロメータ１０は、検出器１２に結合した電極アー
ム１４を含む。検出器１２によって検知された赤外放射線は、検出器を備える材
料の抵抗に測定可能な変化をもたらす。検出器１２の構造は、詳しく後述するよ
うな種々の材料からなる幾つかの層に設けられる。電極アーム１４は、検出器１
２の一側面に沿って結合され、第２の隣接した側面に沿って非連結状態で電極端
子端１５まで進行する。ポスト１６は、電極アーム１４の電極端子端１５に結合
される。ポスト１６は、マイクロボロメータ１０のための構造的な支持および電
気接続を提供する。電極端子端１５に接続された電気回路は、電極アーム１４間
に一定の電圧を供給し、検出器１２を通過する電流の変化を検知する。電流の変
化の大きさは、検出された赤外放射線量によって変化する。代わりの実施形態で
は、電気回路は、検出器１２を通過する一定の電流を供給し、電極アーム１４間
の電圧の変化を検知する。
【００１３】 マイクロボロメータ１０の熱容量は、熱絶縁、応答時間、動作周波数および感
度に影響を及ぼす。最小の熱容量を持つマイクロボロメータを製造することによ
って、高い感度および高い動作周波数を実現できる。基板１１からマイクロボロ
メータ１０の熱絶縁は、検出器１２の温度を上昇させるのに必要な赤外放射エネ
ルギーが少なくなるため、マイクロボロメータ１０の感度を増加させる。熱絶縁
はまた、検出器１２の冷却レートに影響するため、マイクロボロメータ１０の動
作周波数および感度に影響を及ぼす。熱絶縁の増加によって、検出器１２の冷却
レートにそれ相応の減少をもたらし、マイクロボロメータ１０の動作周波数にそ
れ相応の減少をもたらす。
【００１４】 マイクロボロメータ１０の製造での一工程を変更することによって、熱分流１
８がポスト１６に結合した電極アーム１４の上に配置され、マイクロボロメータ
１０の熱絶縁を減少させる。熱分流１８を電極アーム１４の上に配置することは
、検出器１２の冷却レートが増加するため、マイクロボロメータ１０の動作周波
数を増加させることになる。電極アーム１４上の熱分流１８はまた、検出器１２
と基板１１との間により多くの熱結合が存在するため、減少した感度を生じさせ
る。こうして検出器の電気抵抗に相応の変化を生じさせる検出器１２の温度を増
加させるには、増加した赤外放射エネルギー量が必要になる。熱分流１８の長さ
および電極アーム１４上に配置された熱分流材料の量を変えることによって、異
なる動作周波数および感度特性を有するマイクロボロメータ１０が製造可能にな
る。
【００１５】 検出器１２の下方には、反射防止構造および共振空洞２０が設けられる。反射
防止構造２０は、検出器１２に吸収されない赤外放射線量を最小化するように機
能する。検出器１２は、マイクロボロメータ１０によって検出される赤外放射線
の約４分の１波長の高さで基板１１の表面上方に懸架される。４分の１波長の高
さにより、検出器１２に吸収されない赤外エネルギー波が反射器２２によって反
射されて、赤外放射線が検出器１２に吸収されるまで反射防止構造２０の中に閉
じ込められる。反射防止構造２０は、検出器１２に吸収される赤外放射線量が最
大化されるため、より効率的なマイクロボロメータ１０を創作する。
【００１６】 図２を参照して、半導体基板または集積回路１１は、マイクロボロメータ１０
の形成用のベースを提供する。二酸化シリコン層３０は、基板１１の上に形成さ
れる。次にチタン薄層３２は二酸化シリコン層３０の上に形成され、続いてアル
ミニウム薄層３４が形成される。アルミニウム層３４およびチタン層３２は、フ
ォトレジストおよびエッチングプロセスを用いてパターン形成され、マイクロボ
ロメータ１０に別の電気回路への電気接続を提供するための接続パッド４０を形
成する。さらにアルミニウム層３４およびチタン層３２は、図１に示すように、
反射防止構造および共振空洞２０の内部に反射面を提供するための反射器２２を
形成するようにパターン形成される。好ましい実施形態では、マイクロボロメー
タ１０は、読出し(readout)集積回路の一部として形成される。マイクロボロメ
ータ１０の１つの接続パッド４０は、基板１１の表面誘電体層を貫通して、下に
ある電気回路と接触している。マイクロボロメータ１０の別の接続パッド４０は
、基板１１の表面にあるアルミニウム層３４からなるコモンバスに連結されてい
る。
【００１７】 図３は、フォトレジストおよびエッチングプロセスによるパターン形成後のア
ルミニウム層３４を部分的に示す。
【００１８】 ポリイミド層３６は、全体構造の上に、検出する赤外放射線の４分の１波長オ
ーダーの深さに成膜される。４分の１波長の深さは、反射防止構造２０の反射器
２２と検出器１２の底面との間に適切な間隔を提供する。ポリイミド３６は、有
機材料である。ポリイミド層３６には、アルミニウム接続パッド４０を露出する
ため、開口がエッチング形成され、ポスト受け部(receptor)３８を規定する。ポ
スト受け部３８は、電極端子端１５の中の孔であって、マイクロボロメータ１０
のための構造的支持および電気接続を提供するアルミニウムポストを最終的に収
容することになる。ポスト受け部３８は、好ましくはフォトレジストおよびエッ
チングプロセスを用いて形成される。図３は、ポスト受け部３８の配置を部分的
に示す。
【００１９】 図４を参照して、第１の低ストレス誘電体膜５０は、既成の構造の表面上に２
５０Åオーダーの深さに形成される。第１の低ストレス誘電体膜５０は、好まし
くはシリコン窒化物材料であるが、他の適切な誘電体材料でも構わない。次にア
モルファスシリコン層５２は、構造表面上に５００〜１０００Åオーダーの深さ
に形成される。アモルファスシリコン層５２は、検出器１２の検出素子層を形成
するもので、抵抗性である。アモルファスシリコン層５２は、成膜中にホウ素(b
oron)でドープされ、マイクロボロメータ１０の検出素子として機能するように
抵抗性の層が得られる。成膜は、好ましくはポリイミド層３６を劣化させるよう
な温度より僅かに下の温度で行う。第２の低ストレス誘電体膜５４は、アモルフ
ァスシリコン層５２の上に約２５０Åオーダーの深さに成膜される。
【００２０】 アモルファスシリコン層５２は赤外放射線に対して透明であるため、赤外放射
線から吸収されたエネルギーを熱的に移送するために赤外放射線に感度のある材
料が使用される。金属薄膜吸収体５６は、第２の低ストレス誘電体膜５４の上に
５０〜１５０Åオーダーの深さに成膜される。金属薄膜吸収体５６は、好ましく
はチタンであるが、赤外放射線を吸収する他の適切な材料でも構わない。金属薄
膜吸収体５６は、検出器１２の上に吸収体領域を残すようにパターン形成される
。吸収体５６は、好ましくはフォトレジストおよびエッチングプロセス、あるい
はフォトレジストリフトオフ法など他の利用可能な技術を用いて形成される。
【００２１】 図５は、マイクロボロメータ１０の構造に関する吸収体５６の配置を部分的に
示す。吸収体５６は、赤外放射線から熱を吸収して、熱をアモルファスシリコン
層５２に移送する。第２の低ストレス誘電体膜５４は、アモルファスシリコン層
５２についての電気絶縁を提供しているが、アモルファスシリコン層５２を吸収
体５６から熱的に絶縁していない。こうしてアモルファスシリコン層５２は、吸
収体５６に熱的に結合しており、吸収体５６からアモルファスシリコン層５２へ
の熱エネルギーの移送を生じさせる。アモルファスシリコン層５２の温度が増加
すると、アモルファスシリコン層５２の電気抵抗が変化する。電気抵抗の変化は
測定され、検出領域に存在する赤外放射線量を産み出すように処理される。吸収
体５６に吸収されない赤外放射エネルギーは該構造を通過して、反射器２２で反
射し、反射防止構造２０の中に閉じ込められて、吸収体５６は閉じ込められた赤
外放射エネルギーを吸収する。従って、吸収体５６は、赤外放射エネルギーが検
出器１２を通過する際および反射防止構造２０の中に閉じ込められた後の両方で
赤外放射エネルギーを吸収する。
【００２２】 図５を参照して、基板１１上に形成されたマイクロボロメータ１０に関連して
吸収体５６が示されている。第２の低ストレス誘電体膜５４の外表面はパターン
形成され、アモルファスシリコン層５２の外表面の一部を露出するため、開口が
エッチング形成され、電極アームチャネル６０を規定する。第２の低ストレス誘
電体膜５４は、好ましくはフォトレジストおよびエッチング技術を用いてパター
ン形成およびエッチング形成される。
【００２３】 図６を参照して、電極金属薄層７０は、電極アームチャネル６０に約２００Å
の深さに成膜される。電極金属層７０は、好ましくはチタンやニッケルであり、
好ましくはフォトレジストおよびリフトオフ技術を用いて成膜される。電極金属
層７０は、アモルファスシリコン層５２に直接接触して、検出器１２の検出素子
（即ち、アモルファスシリコン層５２）と、赤外放射線の吸収に応じて検出器１
２の抵抗の変化を測定する電気回路との間に低抵抗の電気接続を提供する。第３
の低ストレス誘電体膜７２は、構造表面上に約１００Åの深さに成膜され、マイ
クロボロメータ１０を保護する最終層を提供する。
【００２４】 マイクロボロメータ１０を製造するプロセスの代わりの実施形態では、金属薄
膜吸収体５６の成膜は、吸収体５６および電極金属層７０の両方を形成する。第
２の低ストレス誘電体膜５４を成膜した後の代わりの実施形態では、フォトレジ
ストおよびエッチング技術を用いて、第２の低ストレス誘電体膜５４の外表面が
パターン形成され、アモルファスシリコン層５２の外表面の一部を露出するため
、開口がエッチング形成され、電極アームチャネル６０を規定する。金属薄膜吸
収体５６は、構造の上に５０〜１５０Åオーダーの深さに成膜される。金属薄膜
吸収体５６は、吸収体５６および電極金属層７０を残すようにフォトレジストお
よびエッチング技術を用いてパターン形成される。代わりの実施形態のプロセス
は、電極金属層７０の成膜のついての別個の工程を除去している。
【００２５】 図７を参照して、フォトレジストおよびエッチング技術は、マイクロボロメー
タ１０を形成するため構造をパターン形成するのに用いられる。マイクロボロメ
ータ１０を囲む領域はポリイミド層３６までエッチング除去され、ポスト受け部
３８はアルミニウム層３４までエッチング除去される。この時点で、マイクロボ
ロメータ１０は、ポリイミド層３６の頂上に積み重なった幾つかの材料層を含ん
でいる。ポリイミド層３６は後の工程で除去されて、基板１１と検出器１２およ
び電極アーム１４の両方との間に空間を形成する。検出器１２および電極アーム
１４を基板１１の表面上方で支持するために、ポスト受け部３８にポストが形成
され、マイクロボロメータ１０のための構造的支持および電気接続の両方を提供
する。ポスト受け部３８は、第１の低ストレス誘電体膜５０、アモルファスシリ
コン層５２、第２の低ストレス誘電体膜５４および第３の低ストレス誘電体膜７
２の前回成膜した層を除去することによって、電極端子端１５に形成され、これ
によって接続パッド４０を露出させる。ポスト受け部３８は、好ましくはフォト
レジストおよびエッチング技術を用いてボロメータ１０を規定するのと同時に形
成される。ポスト受け部３８のベース層は接続パッド４０であり、ポスト受け部
３８の最上層は電極金属層７０である。従って、電極アーム１４を接続パッド４
０に電気結合させるために、電気伝導性の材料を用いてもよい。
【００２６】 マイクロボロメータ１０の製造プロセスの代わりの実施形態では、ポリイミド
層３６を形成した直後にポスト受け部３８はポリイミド層３６においてエッチン
グしない。さらに、マイクロボロメータ１０の構造を形成するフォトレジストお
よびエッチング工程は、ポスト受け部３８をエッチングせずに修正する。代わり
に、別個のフォトレジストおよびエッチング工程を追加して、接続パッド４０の
上の全ての層を除去する。
【００２７】 図８を参照して、第３の低ストレス誘電体膜７２は、電極アーム１４の領域か
ら除去されて、ポスト８０および熱分流１８を受け入れる。第３の低ストレス誘
電体膜７２は、好ましくはフォトレジストおよびエッチング技術を用いて除去さ
れ、電極金属層７０を露出させる。チタン薄層８２およびアルミニウム厚層８４
がポスト受け部３８の中および電極端子端１５の上に成膜される。チタン層８２
およびアルミニウム層８４は順次成膜され、リフトオフまたはエッチング技術に
よって同時にパターン形成される。チタン層８２およびアルミニウム層８４はま
た、電極アーム１４の上に熱分流１８を形成する。チタン層８２は、好ましくは
１０００Åの深さに成膜され、アルミニウム層８４は、好ましくは１００００Å
〜３００００Åの厚さである。ポスト８０および熱分流１８は、ポスト受け部３
８の中および周囲に成膜されたチタン層８２およびアルミニウム層８４を備える
。ポスト８０を備えたチタン層８２およびアルミニウム層８４は、好ましくはス
パッタ成膜プロセスを用いて成膜され、エッチング技術やフォトレジストおよび
リフトオフ技術を用いてパターン形成される。ポスト８０はチタン層およびアル
ミニウム層を備えるように描写されているが、例えばチタンとアルミニウムとを
組合せたニッケルなど、他の適切な金属、金属層あるいは合金を用いてもよい。
ポスト８０は、基板１１の表面上方に検出器１２を懸架することによるマイクロ
ボロメータ１０の構造的支持および電極アーム１４と接続パッド４０の間の電気
接続の両方を提供する。ポスト８０は、電極端子端１５の中に形成される。従っ
て、好ましい実施形態では各マイクロボロメータ１０は２つの対向隅部の各々に
１つずつ、２つのポスト８０を有することになる。
【００２８】 マイクロボロメータ１０の構造的支持および電気接続を提供するのに加えて、
ポスト８０はまたマイクロボロメータ１０の熱分流を提供する。電極金属層７０
上の熱分流１８の長さを増加させることによって、マイクロボロメータ１０の熱
絶縁が減少する。その結果、上述したように、動作周波数が増加して、感度が減
少したマイクロボロメータ１０が得られる。
【００２９】 図９を参照して、マイクロボロメータ１０の断面が示される。電極アーム間隙
９０は、ポリイミド層３６上方の全ての層がマイクロボロメータ１０の構造が存
在しない領域で除去されていることを図示している。
【００３０】 図１０を参照して、ポリイミド層３６は、該構造を酸素プラズマドライエッチ
ングに曝すことによって除去される。このエッチングプロセスの副産物は二酸化
炭素であり、エッチング副産物を特別に処理する必要性を除去する。
【００３１】 図１３Ａと図１４Ａを参照して、幾つかのマイクロボロメータ１０は、電気的
並列接続のマイクロボロメータアレイ構造で基板の上に形成することができ、電
気的並列接続された画素数の平方根によってノイズ指数は減少するため、低いコ
ヒーレントノイズの大型の非撮像マイクロボロメータを生産できる。図１４Ａに
示したように、マイクロボロメータアレイ構造の並列電極アームは、２つの隣接
したマイクロボロメータ間で共用される。電極アームの共用によって、基板に対
してより多くの熱絶縁とより少ない熱結合をもたらす。この結果、より高感度の
マイクロボロメータが得られる。並列マイクロボロメータアレイ構造は、隣接マ
イクロボロメータが電極アームを共用しないで形成することもできる。その結果
、共用電極アームを有するマイクロボロメータアレイ構造と比べて、より少ない
熱絶縁となり、より高い動作周波数のものとなる。大型の非撮像マイクロボロメ
ータアレイにおいて隣接したマイクロボロメータ１０の隅部は、等電位であり、
より高剛性のマイクロボロメータアレイ構造を形成するために一緒に接続しても
よい。高剛性のマイクロボロメータアレイ構造によって、ストレスに対してより
耐性のあるマイクロボロメータアレイが得られる。
【００３２】 図１３Ａを参照して、電気的並列接続アレイの実施形態は、例えば分光器(spe
ctrometer)など、細長い検出器ラインの並列グループにとって技術的利点を提供
する。図１３Ｂの電気的直並列接続(series-parallel)構成は、有用であり、単
一の検出器として機能する検出器の大型矩形状アレイにとって技術的利点を提供
する。
【００３３】 幾つかのマイクロボロメータ１０は、単一の真空パッケージ中に形成し配置す
ることができる。この実施形態では、マイクロボロメータ１０は、目標（風景）
領域の特定部分での熱エネルギーを検出するディスクリート素子である。
【００３４】 熱撮像アレイの実施形態では、マイクロボロメータアレイ構造内部で選別した
マイクロボロメータは、マイクロボロメータの上面で成膜された赤外線シールド
を有してもよく、及び／又は、熱分流１８は検出器１２まで延長してもよく、入
射放射線に反応しない参照検出器を提供することができる。これらの赤外線シー
ルド膜は、検出画素の抵抗と比較するための周囲温度参照抵抗を提供する。これ
らの参照画素は、基板から熱的に絶縁されており、検出画素と同様にバイアス電
流によるジュール熱に応答する。
【００３５】 図１１を参照して、マイクロボロメータ１０の代替的実施形態が図示されてお
り、スパイラルアーム１００を含む。スパイラルアーム１００は、前述のような
電極アーム１４と等価である。スパイラルアーム画素構成は、撮像アレイと非撮
像アレイの両方での有用性を有する。これは非撮像アレイにとって好ましい構成
であり、その理由としてスパイラルアーム構成がより高い充填率を提供し、スト
レス許容度の高いマイクロボロメータを提供するからである。スパイラルアーム
構成において、検出膜は、図１４Ｂで示したように基板に接触した膜とともに、
本質的にスパイラルアーム用の開口を伴う連続シートでもよい。電極７０（図１
０を参照）は吸収体５６と等しい厚さを有してもよく、そのため赤外（ＩＲ）エ
ネルギー吸収にも寄与する。図１４Ｂで示すように、電気的並列接続された１６
個のスパイラルアーム画素のアレイがある。図１４Ｂのスパイラルアームおよび
画素は、図１１を参照して前に説明したものである。
【００３６】 図１４Ｂで示したようなスパイラルアームアレイは、図１３Ａで示すような電
気的並列接続、あるいは図１３Ｂと図１３Ｃで示すような電気的直並列接続で構
成することができる。スパイラルアーム設計はまた、上面での赤外線シールド膜
を有してもよく、前述のような参照画素を形成することができる。さらに、スパ
イラルアーム構成は、電極アーム１４について前述したように、スパイラルアー
ム上に熱分流としての金属膜を有してもよい。撮像アレイ構成に関して、スパイ
ラルアーム設計は、基板上に所定の表面積（より高い充填率）でより大型の検出
器を提供し、ストレス許容度のより高いマイクロボロメータを提供する。スパイ
ラルアーム１００は、前述のように電極アーム１４と同じプロセスを用いて形成
される。
【００３７】 図１５を参照して、基板１１（図１５では不図示）とボロメータ１０との間に
形成された電極アーム１４を有する発明の実施形態が図示される。これは、比較
的小さい吸収表面積がアーム支持のために犠牲となることから、最大充填率とい
う技術的利点を提供し、隣接した画素間はスペースが確保される。図１５の実施
形態では、電極アーム１４（１つだけ図示）は、図１と図２に示すように、支持
基板の表面上にある接続パッド４０ととともにボロメータ１０の下方にスペース
を介して設けられる。
【００３８】 図１２を参照して、本発明によるマイクロボロメータ１０の形成方法を要約し
たフロー図が示される。該方法はステップ２００から開始し、二酸化シリコン層
３０が基板１１の上に形成される。方法はステップ２０２に進んで、チタン層３
２が二酸化シリコン層３０の上に成膜される。方法はステップ２０４に進んで、
アルミニウム層３４がチタン層３２の上に成膜される。方法はステップ２０６に
進んで、チタン層３２およびアルミニウム層３４は、フォトレジストおよびエッ
チングプロセスを用いてパターン形成され、接続パッド４０および反射器２２を
形成する。
【００３９】 方法はステップ２０８に進んで、ポリイミド層３６が全体構造の上に、検出す
る赤外放射線の４分の１波長オーダーの深さに成膜される。方法はステップ２１
０に進んで、ポスト受け部３８がポリイミド層３６の一部を除去することによっ
て形成され、これによって接続パッド４０を露出させる。方法はステップ２１２
に進んで、第１の低ストレス誘電体膜５０が既成構造の表面上に形成される。方
法はステップ２１４に進んで、アモルファスシリコン層５２が第１の低ストレス
誘電体膜５０の上に形成される。
【００４０】 方法はステップ２１６に進んで、第２の低ストレス誘電体膜５４がアモルファ
スシリコン層５２の上に成膜される。方法はステップ２１８に進んで、金属薄膜
吸収体５６は、第２の低ストレス誘電体膜５４の上に成膜される。方法はステッ
プ２２０に進んで、金属薄膜吸収体５６は、吸収体５６をを残すようにパターン
形成される。
【００４１】 方法はステップ２２２に進んで、第２の低ストレス誘電体膜５４は、アモルフ
ァスシリコン層５２の外表面の一部を露出するためにエッチングされた開口を有
するようにパターン形成され、電極アームチャネル６０を規定する。方法はステ
ップ２２４に進んで、電極金属層７０は電極アームチャネル６０に成膜される。
【００４２】 方法はステップ２２６に進んで、第３の低ストレス誘電体膜７２は、該構造の
表面に成膜される。方法はステップ２２８に進んで、フォトレジストおよびエッ
チング技術が用いられ、前回成膜した層をポリイミド層３６まで除去することに
よって、構造をパターン形成してマイクロボロメータ１０を形成する。方法はス
テップ２３０に進んで、前回成膜した層を除去することによってポスト受け部３
８が形成され、これによって接続パッド４０を露出させる。
【００４３】 方法はステップ２３２に進んで、第３の低ストレス誘電体膜７２は、電極アー
ム１４の領域から除去されて、ポスト８０および熱分流１８を受け入れる。方法
はステップ２３４に進んで、チタン層８２およびアルミニウム層８４が形成され
、ポスト受け部３８の中および電極端子端１５の上にチタン薄層８２およびアル
ミニウム層８４を残すようにパターン形成される。方法はステップ２３６に進ん
で、ポリイミド層３６は、該構造を酸素プラズマドライエッチングに曝すことに
よって除去される。ステップ２３６の結果、マイクロボロメータ１０が完成し、
電極アーム１４およびポスト１６によって反射器２２の上方に懸架される。
【００４４】 本発明およびその利点は詳細に説明したが、下記クレームによって定義される
本発明の精神および範囲から逸脱しないで、当業者にとって容易に明らかな種々
の変化、置換および代替が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従って形成されたマイクロボロメータの斜視図である。
【図２】 部分的に形成された本発明のマイクロボロメータの断面図である
。
【図３】 図２で示した工程後に部分的に製造したマイクロボロメータを示
す図である。
【図４】 本発明のマイクロボロメータを形成する方法の断面図である。
【図５】 図４で示した工程後に部分的に製造したマイクロボロメータを示
す図である。
【図６】 本発明のマイクロボロメータを形成する方法の断面図である。
【図７】 マイクロボロメータの最終形状を定義するエッチング後の本発明
のマイクロボロメータをを示す図である。
【図８】 ポストおよび熱分流素子の成膜を示す断面図である。
【図９】 ポリイミド層の除去前の本発明のマイクロボロメータの概略断面
図である。
【図１０】 本発明の完成したマイクロボロメータの断面図である。
【図１１】 スパイラル脚を有するマイクロボロメータの図である。
【図１２】 本発明のマイクロボロメータの形成を示すフロー図である。
【図１３】 図１３Ａは本発明によるマイクロボロメータであって、非撮像
画素が並列に電気接続されている構成図であり、図１３Ｂは本発明によるマイク
ロボロメータであって、非撮像画素が電気的に直並列回路で接続されている構成
図であり、図１３Ｃは大規模アレイ用に非撮像画素の電気的な直並列構成を概略
的に示す。
【図１４】 図１４Ａは本発明の隣り合うマイクロボロメータ用に共用され
た電極アームを用いたリニア非撮像画素アレイの概略図であり、図１４Ｂは最大
充填率のために大規模非撮像画素アレイ用に並列に電気接続されたスパイラルア
ーム画素のアレイの概略図である。
【図１５】 充填率を最大化し、隣り合うマイクロボロメータ間のスペース
を最小化するために本発明に従って形成されたマイクロボロメータの他の実施形
態を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ， ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，Ｐ Ｔ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ウィリアム・エル・マッカーデル アメリカ合衆国75023テキサス州プラノ、 タウン・ブラフ・ドライブ3845番 (72)発明者 ボビ・エイ・リッチー アメリカ合衆国75002テキサス州アレン、 アパートメント106、サウス・ジュピター 301番 Ｆターム(参考） 2G065 AA04 AB02 BA12 BB24 DA20 2G066 AC07 AC13 AC14 AC16 BA09 BA55 BA57 CA08

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 マイクロ構造の赤外放射線検出器であって、 赤外放射線の吸収に応じて温度を変化させる材料特性を有する吸収素子と、 吸収素子に熱的に結合され、検出する赤外放射線の４分の１波長の高さでシリ
    コン基板の上方に懸架されたアモルファスシリコン検出器であって、吸収素子の
    温度変化に応じて電気抵抗を変化させるアモルファスシリコン検出器と、 アモルファスシリコン検出器をシリコン基板の表面上方に懸架するためにシリ
    コン基板に結合され、マイクロ構造の赤外放射線検出器のために電気接続を提供
    する電極アームとを備える赤外放射線検出器。
  2. 【請求項２】 電極アームは、電極アーム端に成膜された熱分流層を含み、 熱分流層は、熱分流層の長さに依存した所定の熱絶縁を提供するようにした請
    求項１の検出器。
  3. 【請求項３】 電極アームは、スパイラル構成を備え、 スパイラル電極アームは、電極アームのためのスペース条件を低減することに
    よってアモルファスシリコン検出器のために増加した領域を提供するようにした
    請求項１の検出器。
  4. 【請求項４】 マイクロ構造の赤外放射線検出器であって、 赤外放射線に露出されると、熱を吸収するための金属薄膜吸収体と、 金属薄膜吸収体に熱的に結合され、金属薄膜吸収体からの熱を吸収して、金属
    薄膜吸収体からの熱吸収に応じて電気抵抗を変化させるアモルファスシリコン層
    と、 基板材料とアモルファスシリコン層との間にあり、金属薄膜吸収体による赤外
    放射線の吸収を増強する反射防止構造とを備える赤外放射線検出器。
  5. 【請求項５】 アモルファスシリコン層およびシリコン基板に結合され、シ
    リコン基板の表面上方にアモルファスシリコン層を懸架する電極アームをさらに
    備える請求項４の検出器。
  6. 【請求項６】 電極アームは、スパイラル構成を備え、 スパイラル電極アームは、電極アームのためのスペース条件を低減することに
    よってアモルファスシリコン検出器のために増加した領域を提供するようにした
    請求項５の検出器。
  7. 【請求項７】 電極アームは、電極アームに成膜された熱分流層をさらに備
    え、 熱分流層は、熱分流層の長さに依存した所定の熱絶縁を提供するようにした請
    求項５の検出器。
  8. 【請求項８】 電極アームは、電極アームに成膜された熱分流層をさらに備
    え、 熱分流層は、熱分流層の長さに依存した所定の熱絶縁を提供するようにした請
    求項６の検出器。
  9. 【請求項９】 赤外放射線検出器のマイクロセンサ素子を製造するためのプ
    ロセスであって、 基板の上に、１つ以上の接続パッドおよび反射器を形成する工程と、 接続パッドおよび反射器の上に、犠牲的スペーサ層を形成する工程と、 犠牲的スペーサ層の上に、第１の低ストレス誘電体膜を形成する工程と、 第１の低ストレス誘電体膜の上に、検出器層を形成する工程であって、該検出
    器層は検出器層の温度とともに変化する電気抵抗を有し、反射器の上方に直接形
    成するようにした工程と、 検出器層の上に、第２の低ストレス誘電体膜を形成する工程と、 第２の低ストレス誘電体膜の上に、赤外線吸収体を形成する工程であって、該
    赤外線吸収体は赤外放射線に応じて温度を変化させ、赤外放射線からのエネルギ
    ーを検出器層へ熱的に伝送して、検出器層の上に直接形成するようにした工程と
    、 検出器層との電気接点を提供する電極アームを形成する工程と、 該構造の上に、第３の低ストレス誘電体膜を形成する工程と、 層を除去することによって電極アームの端部にポスト受け部を形成して、接続
    パッドを露出させる工程と、、 ポスト受け部にポストを形成する工程と、 犠牲的スペーサ層を除去する工程とを備える製造プロセス。
  10. 【請求項１０】 アルミニウム層を成膜する工程と、 アルミニウム層をパターン形成して、１つ以上の接続パッドおよび反射器を形
    成する工程とを備える請求項９の製造プロセス。
  11. 【請求項１１】 ポリイミド層を成膜して、犠牲的スペーサ層を形成する工
    程を備える請求項９の製造プロセス。
  12. 【請求項１２】 マイクロセンサ素子によって検出される赤外放射線の波長
    の約４分の１波長の深さに犠牲的スペーサ層を形成する工程を備える請求項９の
    製造プロセス。
  13. 【請求項１３】 シリコン窒化物層を成膜して、第１、第２および第３の低
    ストレス誘電体膜を形成する工程を備える請求項９の製造プロセス。
  14. 【請求項１４】 成膜中にホウ素でドープしたアモルファスシリコン層を成
    膜して、検出器層を形成する工程を備える請求項９の製造プロセス。
  15. 【請求項１５】 ポスト受け部にアルミニウム厚層を成膜する工程を備える
    請求項９の製造プロセス。
  16. 【請求項１６】 該構造をドライエッチングに曝して、犠牲的スペーサ層を
    除去する工程を備える請求項９の製造プロセス。
  17. 【請求項１７】 該構造を酸素プラズマドライエッチングに曝して、犠牲的
    スペーサ層を除去する工程を備える請求項９の製造プロセス。
  18. 【請求項１８】 赤外放射線検出素子として使用されるマイクロセンサ素子
    を製造するためのプロセスであって、 シリコン基板ウエハの表面上に、チタン層を成膜する工程と、 チタン層の上に、アルミニウム層を成膜する工程と、 アルミニウム層およびチタン層をパターン形成して、反射素子および複数の相
    互接続部を形成する工程と、 パターン形成されたアルミニウム層およびチタン層の上に、ポリイミド層を成
    膜する工程であって、ポリイミド層は、マイクロセンサ素子によって検出される
    赤外放射線の波長の約４分の１波長の深さを有するようにした工程と、 ポリイミド層の一部を除去して、反射素子の上方にマイクロセンサ素子を支持
    し、かつマイクロセンサ素子と相互接続部との間の電気接点を提供するためのア
    ルミニウムポストを受け入れるためのポスト受け部を形成する工程と、 ポリイミド層の上に、第１の低ストレス誘電体膜を成膜する工程と、 第１の低ストレス誘電体膜の上に、成膜中にホウ素でドープしたアモルファス
    シリコン層を成膜する工程と、 アモルファスシリコン層の上に、第２の低ストレス誘電体膜を成膜する工程と
    、 第２の低ストレス誘電体膜の上に、金属薄膜吸収体を成膜する工程と、 金属薄膜吸収体をパターン形成して、反射素子の上に吸収素子を形成する工程
    と、 第２の低ストレス誘電体膜をエッチングして、電極アームを形成する工程であ
    って、該電極アームは、電極アームによって規定される領域に露出したアモルフ
    ァスシリコンを残すようにした工程と、 電極アームの上に、金属層を形成する工程と、 該構造の上に、第３の低ストレス誘電体膜を成膜する工程と、 層をポリイミド層まで除去して、電極アームおよび吸収素子を囲む領域にマイ
    クロセンサ素子を形成する工程と、 電極アーム端の一部から第３の低ストレス誘電体膜を除去する工程と、 第３の低ストレス誘電体膜が除去された電極アーム端の上に、チタン層を成膜
    する工程と、 電極アーム端上のチタン層の上に、アルミニウム層を成膜する工程と、 マイクロセンサ素子を酸素プラズマドライエッチングに曝すことによって、ポ
    リイミド層を除去する工程とを備える製造プロセス。
  19. 【請求項１９】 シリコン基板ウエハの表面上に、二酸化シリコン層を成膜
    する初期工程をさらに備える請求項１８の製造プロセス。
  20. 【請求項２０】 第１、第２および第３の低ストレス誘電体膜は、二酸化シ
    リコン層を成膜することによって形成される請求項１８の製造プロセス。
  21. 【請求項２１】 第１の複数のマイクロ構造の赤外放射線検出器を備える赤
    外放射線検出器であって、各検出器は、 赤外放射線に露出されると、熱を吸収するための金属薄膜吸収体と、 金属薄膜吸収体に熱的に結合され、金属薄膜吸収体からの熱を吸収して、金属
    薄膜吸収体からの熱吸収に応じて電気抵抗を変化させるアモルファスシリコン層
    と、 基板材料とアモルファスシリコン層との間にあり、金属薄膜吸収体による赤外
    放射線の吸収を増強する反射防止構造と、 アモルファスシリコン層およびシリコン基板に結合され、シリコン基板の表面
    上方にアモルファスシリコン層を懸架する電極アームと、 単一検出器として機能するアレイ構成として、複数の放射線検出器を電気的か
    つ物理的に並列相互接続する電気導体とを備えるようにした赤外放射線検出器。
  22. 【請求項２２】 電極アームは、スパイラル構成を備え、 スパイラル電極アームは、電極アームのためのスペース条件を低減することに
    よってアモルファスシリコン検出器のために増加した領域を提供するようにした
    請求項２１の検出器。
  23. 【請求項２３】 第２の複数のマイクロ構造の赤外放射線検出器であって、
    第１の複数の放射線検出器に類似した第２の複数の各放射線検出器は、 アレイ構成として、第２の複数の放射線検出器を電気的かつ物理的に並列相互
    接続する電気導体と、 第２の複数の個々の放射線検出器を、第１の複数の放射線検出器のうちの対応
    するものと直列相互接続する電気導体とをさらに備える請求項２１の検出器。
  24. 【請求項２４】 マイクロ構造の赤外放射線検出器であって、 赤外放射線の吸収に応じて温度を変化させる材料特性を有する吸収素子と、 吸収素子に熱的に結合され、シリコン基板の上方に懸架されたアモルファスシ
    リコン検出器であって、アモルファスシリコン検出器とシリコン基板との間に開
    放スペースを形成し、吸収素子の温度変化に応じて電気抵抗を変化させるアモル
    ファスシリコン検出器と、 アモルファスシリコン検出器とシリコン基板との間にある開放スペースの中に
    位置決めされた電極アームであって、シリコン基板の表面上方にアモルファスシ
    リコン検出器を懸架するために、シリコン基板およびアモルファスシリコン検出
    器に結合されており、マイクロ構造の赤外放射線検出器のために電気接続をさら
    に提供する電極アームとを備える赤外放射線検出器。
  25. 【請求項２５】 電極アーム端に成膜された熱分流層であって、熱分流層の
    長さに依存した所定の熱絶縁を提供する熱分流層をさらに備える請求項２４の検
    出器。
  26. 【請求項２６】 シリコン基板とアモルファスシリコン検出器との間にあり
    、吸収素子による赤外放射線の吸収を増強する反射防止構造をさらに備える請求
    項２４の検出器。
  27. 【請求項２７】 マイクロ構造の赤外放射線検出器であって、 赤外放射線の吸収に応じて温度を変化させる材料特性を有する吸収素子と、 吸収素子に熱的に結合され、シリコン基板の上方に懸架されたアモルファスシ
    リコン検出器であって、吸収素子の温度変化に応じて電気抵抗を変化させるアモ
    ルファスシリコン検出器と、 シリコン検出器とシリコン基板との間に位置決めされた電極アームであって、
    シリコン基板の表面上方にアモルファスシリコン検出器を懸架するためにシリコ
    ン基板に結合されており、マイクロ構造の赤外放射線検出器のために電気接続を
    さらに提供する電極アームとを備える赤外放射線検出器。
  28. 【請求項２８】 電極アーム端に成膜された熱分流層であって、熱分流層の
    長さに依存した所定の熱絶縁を提供する熱分流層をさらに備える請求項２４の検
    出器。
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