JP2004521329A - 改良された反射防止要素を実装した赤外線検出器 - Google Patents

Abstract

赤外線検出器は、検出器ピクセルを入射放射にさらすために、空洞を有するカバーに窓を備える。この窓は、柱のフィールドとして空洞内に形成された反射防止要素を有する。最初に柱を所望のパターンにエッチングし、その後で、フィールド全体にわたった一般的なエッチングで空洞を形成することで、柱構造のフィールドが空洞内に形成される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱写真法に関し、より詳細には、赤外線検出器のアレイを実装するための構造および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
暗視用途および関連用途は、温かいボディが放射する赤外線を冷却されないボロメータピクセルまたは他の検出器のアレイで受け取り、その電気出力信号を可視像に変換して実現することができる。
【０００３】
半導体基板上の冷却されないボロメータまたは同様な検出器のアレイは、検出器ピクセルの汚染および劣化を防ぐように実装しなければならない。アレイの表面を入射放射にさらさなければならないので、従来の集積回路実装技術の多くは適していない。
【０００４】
パッケージのカバーは、検出器アレイの窓を実現するように、シリコンのような赤外線を透過する材料から作ることができる。アレイを搭載する基板にカバーを封着することができるように、カバーに空洞を微細加工することができる。封止された空洞を排気することで、基板上のアレイピクセルおよびその回路を保護する真空が作られる。
【０００５】
赤外線光学部品の屈折率が高いことで、挿入損失が大きくなる。従来の赤外線検出器パッケージの多くでは、挿入損失をより許容可能なレベルに減らすために反射防止層すなわち被膜が使用されている。しかし、光学要素が空洞中に形成される窓であるとき、空洞内に有効な反射防止要素を付けることは困難である。そのような被膜の多くで必要な高温による性能劣化に加えて、空洞のような窪んだ表面で均一性を実現することは困難である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に従った赤外線検出器は、１つまたは複数の検出器ピクセルを入射放射にさらすために、空洞を有するカバーに窓を有する。この窓は、関心のある波長範囲で所望の光学効果を達成するための高さ、間隔、および充填率を有する柱のフィールドとして空洞内に形成された反射防止要素を有する。
【０００７】
他の態様では、本発明は、赤外線光学素子の製造に関する。柱を所望のパターンにエッチングし、フィールドの領域にわたった一般的なエッチングで空洞を形成することで、柱構造のフィールドが空洞中に形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、本発明に従った代表的な赤外線撮像検出器１００の様式化された分解組立図である。矢印１１０は、温かいボディで生成され従来設計の赤外線撮像光学部品１２０に送られる赤外線放射を表す。パッケージカバー１３０は、放射１１０を透過するために赤外線波長に対して透明な窓領域１３１を有する。感度およびピクセル間分離を高め、さらに汚染および劣化を軽減するために、多くの用途で、パッケージ１３０を封止し雰囲気を排気することが望ましい。
【０００９】
パッケージ１３０内のボロメータアレイ１４０は、適切な電気的特性および微細加工特性を有するシリコンまたは同様な材料の基板１４１上に作られる。（もしくは、アレイ１４０を別個の基板１４１に取り付けることができる。）参照番号２００のような個別のピクセルが、長方形マトリックスの行と列に一般的に配列されている。但し、単一のラインおよび他の構成も使用される。多くの用途では、アレイ１４０は、例えば−４０℃から＋１００℃までのおおよその範囲内の周囲温度で動作する。しかし、アレイを冷却するか宇宙のような環境で動作させるかして、例えば約２Ｋ以下から２０Ｋのはるかに低い温度でアレイを動作させることができる。行および列の配線１４２は、参照番号２００のような各個別ピクセルの温度を表す電気信号を読み出し、また、ピクセル信号を時間多重化するための走査信号を伝えることもできる。
【００１０】
検出回路１５０は、検出器１４０からの像信号を処理して、ピクセル信号の増幅および多重分離のような機能を行う。ユニット１６０は、処理された信号を受け取り、見る人に可視像を見せる。他の実施形態では、１つまたは複数の連続した像を表す信号を格納するために、またはその信号に別の処理を行うために、ユニット１６０は、記録装置または他の装置に置き換えられるか、または強化されるかもしれない。「表示」という用語は、これらの機能のどれかまたは全てを含むように広く使用される。ピクセル信号の多重化および／またはユニット１６０での表示の制御または像の処理のために、走査発生器１７０を含めることができる。システム１００は、本発明の環境の例を表し、他のものが可能である。
【００１１】
図２は、図１のアレイ１４０の一般的なピクセル２００を詳細に示す。熱的に分離されたプラットフォーム２１０は、入射放射を吸収する。抵抗器２２０は温度による抵抗変化の係数が高く、かつプラットフォーム２１０と熱的に接触している。その結果、抵抗器２２０の抵抗は、放射による温度上昇を示す。導体２３０は、電圧および信号を伝える。例えば、導体２３１および２３２は、抵抗器２２０に電源を供給しかつ電流を戻す。アドレスライン２３３は、ピクセルを活動化して、入射放射によって生じたピクセルの温度上昇を表す抵抗器２２０からの信号を出力する。ピクセル設計は相当に異なることがある。本発明は、パイロメータのような他の型の赤外線検出器に関しても有効である。一般的なアレイ１４０は１２０×１６０の検出器を有するかもしれない。
【００１２】
図３は、検出器アレイ１４０に組み立てられたパッケージカバー１３０の断面である。この例では、要素１３０および１４０は、約１０ｃｍ平方で０．５ｍｍ厚さのシリコンウェーハである。但し、他の適切な材料および寸法を使用することができる。図３において、窓領域１３１を矢印で示す。シリコンは長波長赤外線（ＬＷＩＲ）をよく透過する。空洞１３４の深さは変化することがある。この例では、深さは約１００μｍである。許容可能な範囲は、ほぼ５００μｍから０μｍにおよぶ。すなわち、いくつかの構成では、空洞を全く無くすことができる。従来の周囲封止材１３２は、カバー１３０を基板１４１に密封接合する。ポート１３３によって、雰囲気汚染および劣化からアレイ１４０を保護するために、さらに、最も重要なことには、空気のコンダクタンスによる信号損失を最小限にするために、空洞１３４を排気することができる。シール１３５は空洞１３４中の真空を維持する。カバー１３０の外面の一番上には、入射放射１１０の反射を防ぐように反射防止被膜すなわち層１３６がある。被膜１３６の材料および厚さは、影響を及ぼしたい波長に依存する。長波長赤外線では、図３の実施形態で、１μｍよりも厚い多層膜が使用される。コンタクトパッド１４３は、アレイ１４０を図１の外部配線１４２に結合する。
【００１３】
パッケージカバー１３０の窪んだ空洞内面１３７にも参照番号３００で一般的に示す反射防止要素があり、少なくとも検出器アレイの上の領域にわたって、好ましくは空洞表面１３７のより大きな領域にわたって広がっている。要素３００は、表面１３７のレベルより下の基盤３３０から延びる直立柱３２０のフィールド３１０である。柱３２０は、直円柱として示し、フィールド３１０に行と列の長方形マトリックスで配列されている。柱３２０の寸法および間隔（周期性）は、窓材の屈折率および検出したい入射放射１１０の波長帯域に依存する。４分の１波長反射防止層を近似するために、柱の高さはほぼｈ＝λ／（４ｎ）である。ここでλは関心のある波長帯域のほぼ中心であり、ｎはフィールド３１０の実効屈折率である。柱の高さは、一般に、３μｍから６０μｍまでの帯域中心に対応して０．２μｍから４μｍの範囲である。表面１３７で反射が起きないようにするために、ｎ＝√ｎ_wにするのが望ましい。ここで、ｎ_wは固体窓材の屈折率である。柱３２０は、２つの直交方向で対称であるパターンに配列されているので、ｎは異方性である。そのとき、フィールド３１０の反射防止特性は、放射１１０の全ての偏波に対して同じである。パターンは他の形であるかもしれない。例えば、六角柱で、フィールド３１０内により高い集積密度が可能になる。
【００１４】
この例では、柱の頂上は空洞の内面１３７と同一平面上にあり、柱の底部すなわち基盤レベルは、その表面よりも下にある。もしくは、柱は、柱と実質的に同じ断面積を有し内面１３７の下方に延びる穴として作ることができる。「柱」という用語は、ここでは、直立柱と窪んだ穴の両方を指すように使用される。柱（または、穴）の形は、円形、正方形、長方形であるか、または他の任意の都合のよい断面を有することができる。垂直でない側壁を有する柱（または、穴）を作ることもできる。実質的にピラミッド状または、錐台などの円錐形およびこれらの形状の他の変形物のような高さに沿って変化する断面を実現するように、柱を形作ることができる。この場合には、断面は柱の高さ（または、同等に、穴の深さ）に沿って減少している。そのような柱は、作るのがより困難であるが、より広い範囲の波長にわたって反射防止性能の向上をもたらす。
【００１５】
フィールド３１０の所望実効屈折率ｎは、ｎ_wおよび充填率すなわち全フィールドＡ_fに対する柱Ａ_pの相対面積Ａ＝Ａ_p／Ａ_fに依存する。「Ａｎｔｉｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅｓ ｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｂｉｎａｒｙ Ｏｐｔｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．２，１ Ａｕｇｕｓｔ １９９２）において、Ｍｏｔａｍｅｄｉ等は、次式の実効屈折率の近似関係を導いている。
【００１６】
【数１】

【００１７】
直径ｄで中心間間隔ｓの円柱では、Ａ＝（π／４）（ｄ／ｓ）²である。他の形の相対面積は容易に計算される。シリコンでは、充填率は約２０％から約６０％までの範囲にあることが可能であり、この例では約４０％である。柱間隔すなわち周期性は、回折および散乱が起きないようにするために所望帯域の波長よりも小さくなければならない。長方形のアレイでは、間隔は隣り合う行間および列間の間隔である。最小間隔は、光学的考察ではなくプロセス制限で決まる。約６〜１２μｍの波長帯域で動作するシリコンカバー１３０および検出器１４０では、辺が１．５μｍの四角柱を２．３μｍの間隔を空けて配置することができる。
【００１８】
図４は、図１および３のパッケージカバー１３０を形成する方法４００を示す。ブロック４１０で、フィールド３１０のパターンを有するマスクが、平らなウェーハの表面に付けられる。説明した例では、ウェーハはシリコンで作られ、厚さが約０．５ｍｍである。柱３２０の形すなわち断面を有するレジストの領域を窓１３１の所望の領域に作るようにパターンを位置合せする。
【００１９】
ブロック４２０で、エッチングによって柱のフィールドを形成する。「エッチング」という用語は、ここでは、材料除去という広い意味で使用する。反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が一般的に望ましい。その理由は、小さな断面の比較的高い構造をイオンで形成することができるからである。この例では、柱は奥行きが約０．７μｍ（９μｍの波長でのλ／４ｎ）であり、ピッチは約２．３μｍである。一般的に、ピッチ／高さの比は、２から２０までの範囲にあり、この範囲の小さい方の端に近い比が好ましい。
【００２０】
ブロック４３０で、空洞１３４全体の形を有するマスクを、ブロック４２０でエッチングしたウェーハ表面に付ける。このマスクは、図１で封止材１３２が配置された領域のような、カバー１３０の周囲領域だけにレジストを有する。このマスクの目的は、空洞１３７の境界を画定することである。
【００２１】
ブロック４４０で、柱３２０を含むフィールド３１０を含んで、空洞１３４の全領域をエッチングする。一般的な空洞深さは約１００μｍである。この場合も、ＲＩＥプロセスによって、大きくアンダーカットすることなく、またはそうでなければ起こる柱の形の劣化なしに、空洞は形を成すことができる。柱の頂上とフィールドの基盤面とは実質的に等しくエッチングされるので、その結果、既に形成された空洞の底のフィールドの基盤面をエッチングするというよりもむしろ、柱３２０のフィールド３１０を空洞内に下げることになる。このことは、空洞のない平らな表面に柱（または、穴）のような微細な特徴を形成することが容易なので、有利である。このエッチング作業の後で、柱３２０の頂上は、空洞１３４の底面１３７とほぼ同一平面上にある。
【００２２】
ブロック４５０で、パッケージカバー１３０の他の（上の）面に反射防止被膜１３６を付ける。この例の実施形態で予想される用途では、被膜１３６はＹ₂Ｏ₃の１μｍの層または多層膜であるかもしれない。しかし、代わるものとして、反射防止要素１３６は、同じ方法で形成されるが窓１３１の領域のカバー１３０の上面に形成される、フィールド３１０と同じ種類の柱の他のフィールドであることができる。この場合、作業４１０および４２０は、カバー１３０の上面に対してブロック４５０の中で繰り返される。
【００２３】
ブロック４６０で、パッケージカバー１３０が図１の基板１４１に封着される。はんだ、インジュウム、またはインジュウム鉛を気密封止材として使用することができる。ブロック４７０で、周囲雰囲気が空洞１３４から排気され、真空中で堆積されたプラグ１３５でポート１３３を封止する。約１ｍＴｏｒｒよりも一般に低い空洞内の残留圧力は、信号損失を防ぎ、かつ検出器アレイ１４０を保護するのに十分である。
【００２４】
多くのアレイは、同時に一緒に製造し封止することができる。そのとき、ウェーハは多数のパターンを含み、基板は対応する数の検出器アレイを含む。これらを互いに封着し単一ユニットとして排気することができる。次に、ブロック４８０で、そのようなウェーハを、それぞれ単一アレイを含む個々のパッケージにダイシングする。これによって、取り扱いの手間およびコストが低減される。
【００２５】
図５は、近赤外の６μｍから１２μｍまでの帯域における規格化された相対的な透過率を示すグラフ５００である。曲線５１０は、本発明に従って構成された窓＿の透過率を示す。曲線５２０は同じ窓を示すが、空洞１３４の内面に反射防止被膜がない状態である。内部反射防止要素のない状態では、窓は、本発明で得ることができる透過率のほんの約６５％を有するに過ぎない。柱構造によって、応答は、関心のある波長にわたって５％よりも少なく変化するようになる。
結論
本発明は、空洞構造を有する赤外線光学装置を提供する。この装置の透過率は、柱のパターンを有する反射防止構造によって著しく大きくなる。柱のフィールドは、空洞自体の形成前に形成される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に従ったパッケージを有する赤外線検出器を示す図である。
【図２】図１のピクセルの１つを示す等角図である。
【図３】図２の線３−３’に沿った図１のパッケージの断面を示す図である。
【図４】本発明に従った検出器パッケージを作る方法を示す流れ図である。
【図５】波長の範囲にわたって図１および３の窓の透過率を示すグラフである。

Claims (50)

1. 赤外線検出器を収容する空洞と、赤外線放射を前記検出器に向けて透過する窓領域とを有するパッケージカバーであって、前記空洞内の前記窓領域の内面が、前記窓領域を透過する赤外線放射に対する反射防止要素を形成するように形作られ間隔を空けて配置された柱のフィールドを有するパッケージカバー。
2. 前記柱が、前記空洞の底面より下の基盤レベルから直立する、請求項１に記載のカバー。
3. 前記柱の頂上が、前記空洞の底面と同一平面上にある、請求項２に記載のカバー。
4. 前記柱が、前記空洞の底面よりも下に窪んだ穴である、請求項１に記載のカバー。
5. 前記カバーがシリコンウェーハである、請求項１に記載のカバー。
6. 前記空洞がほぼ０〜５００μｍの深さである、請求項５に記載のカバー。
7. 前記空洞がほぼ１０〜１００μｍの深さである、請求項６に記載のカバー。
8. 前記空洞が周囲領域で囲繞されている、請求項５に記載のカバー。
9. 前記柱が、２つの直交する対称方向を有するパターンを形成する、請求項１に記載のカバー。
10. 前記柱が正方形である、請求項１に記載のカバー。
11. 前記柱が直円柱である、請求項１に記載のカバー。
12. 前記柱が、１μｍから１０μｍのおおよその範囲内の直径を有する、請求項１１に記載のカバー。
13. 前記柱が約６μｍよりも小さな間隔を有する、請求項１２に記載のカバー。
14. 前記柱が垂直でない側壁を有する、請求項１に記載のカバー。
15. 前記柱が実質的にピラミッド状である、請求項１４に記載のカバー。
16. 前記柱が実質的に円錐形である、請求項１４に記載のカバー。
17. 前記柱が約０．２μｍから約４μｍの高さである、請求項１に記載のカバー。
18. 前記柱が等間隔に配置された行と列である、請求項１に記載のカバー。
19. 前記行および列が、約６μｍよりも小さな間隔をおいて配置されている、請求項１８に記載のカバー。
20. 前記カバーの外面が、前記窓領域に反射防止被膜を有する、請求項１に記載のカバー。
21. 前記反射防止層が、反射防止要素を形成するように形作られ間隔を空けて配置された柱の他のフィールドを含む、請求項２０に記載のカバー。
22. 入射赤外線放射に応答して電気信号を生成するピクセルのアレイと、
    前記アレイを保持する基板と、
    前記放射を前記アレイに向けて透過するために、空洞内に窓を有するパッケージカバーと、
    前記赤外線放射の反射を減少させるために、前記窓内に間隔を空けて配置された柱のフィールドとを含む赤外線検出器。
23. さらに、前記カバーの周囲領域を前記基板に接合するための封止材を含む、請求項２２に記載の検出器。
24. 前記空洞が排気される、請求項２３に記載の検出器。
25. 前記柱の頂上が前記空洞の表面と実質的に同一平面上にある、請求項２２に記載の検出器。
26. 前記柱の底部が前記空洞の表面のレベルよりも下にある、請求項２２に記載の検出器。
27. ピクセルの前記アレイが、ボロメータの長方形アレイである、請求項２２に記載の検出器。
28. さらに、前記検出器からの像信号を処理するための検出回路を含む、請求項２２に記載の検出器。
29. さらに、前記検出器に結合された走査回路を含む、請求項２８に記載の検出器。
30. さらに、前記検出回路に結合された表示装置を含む、請求項２８に記載の検出器。
31. さらに、前記検出器と前記表示装置の両方に結合された走査回路を含む、請求項３０に記載の検出器。
32. 赤外線放射を透過することができる材料のウェーハで赤外線光学要素を製造する方法であって、
    柱のフィールドの断面を画定するパターンで前記ウェーハの表面をマスクするステップと、
    前記柱のフィールドを所望の深さに形成するように、前記ウェーハ表面をエッチングするステップと、
    前記ウェーハの表面に空洞を画定する形で前記柱のフィールドをマスクするステップと、
    前記ウェーハに空洞を形成するように、前記柱のフィールドを含んだ前記ウェーハ表面をエッチングするステップとを列挙された順番で含む方法。
33. 前記第２のエッチング作業が、前記柱の頂上が前記空洞の表面よりも下にあるように行われる、請求項３２に記載の方法。
34. 前記第２のエッチング作業が、前記柱の頂上が前記空洞の底面とほぼ同一平面上にあるように行われる、請求項３２に記載の方法。
35. 前記第２のエッチング作業が、前記柱の底部が前記空洞の底面よりも下にあるように行われる、請求項３２に記載の方法。
36. 前記柱の断面がその柱の高さに沿って変化する、請求項３２に記載の方法。
37. 前記断面が高さに沿って減少する、請求項３６に記載の方法。
38. 前記第１のエッチング作業が反応性イオンエッチングである、請求項３２に記載の方法。
39. 前記第２のエッチング作業が反応性イオンエッチングである、請求項３８に記載の方法。
40. 前記第２のエッチング作業後の前記柱の高さが０．５μｍから４μｍまでのおおよその範囲内にある、請求項３２に記載の方法。
41. さらに、前記空洞と反対の前記ウェーハの側に反射防止層を付けることを含む、請求項３２に記載の方法。
42. さらに、前記ウェーハを通して入射赤外線放射を受け取るように、前記ウェーハに赤外線検出器を取り付けることを含む、請求項３２に記載の方法。
43. 前記赤外線検出器がボロメータピクセルのアレイである、請求項４２に記載の方法。
44. さらに、前記検出器を前記ウェーハに取り付けることを含む、請求項４２に記載の方法。
45. 前記検出器が前記ウェーハに気密封止される、請求項４４に記載の方法。
46. さらに、前記空洞を排気することを含む、請求項４４に記載の方法。
47. 赤外線光学装置を製造する方法であって、
    赤外線放射を透過することができる材料のウェーハの表面を、柱のフィールドを画定するパターンでマスクするステップと、
    前記柱のフィールドを所望の高さに形成するように、前記ウェーハ表面をエッチングするステップと、
    前記ウェーハの他の表面に反射防止要素を付けるステップと、
    ボロメータのアレイを含む基板に前記ウェーハを封着するステップとを含む方法。
48. さらに、前記ウェーハと前記基板の間の空間を排気することを含む、請求項４７に記載の方法。
49. 前記柱が、その高さに沿って変化する断面を有する、請求項４７に記載の方法。
50. 同じウェーハ上の複数の赤外線光学装置のために上記の作業を行うステップと、
    ボロメータの多数のアレイを含む基板に前記ウェーハを封着した後で、前記ウェーハをダイシングするステップと、
    その後で、前記ウェーハおよび前記基板をダイシングして前記装置の個々のものを分離するステップとを含む、請求項４７に記載の方法。

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