JP2004522162A - 改良された高速度でマルチレベルの冷却されないボロメータおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は熱エネルギの検出器、特に赤外線放射(IR)に応答する冷却されないボロメータに関する。
【0002】
【従来の技術】
小型または超小型のボロメータは熱(IR)検出器の2次元アレイで検出画素素子として使用される。ボロメータの2次元アレイは問題とする情景から到着する赤外線IRを、読出し集積回路(ROIC)に与えられる電気信号へ変換する。増幅および所望の信号成形および処理の後、結果として生じた信号は問題とする情景のイメージを与えるように所望に応じてさらに処理されることができる。
【0003】
マイクロボロメータは典型的に、温度の関数として変化する電気的抵抗を有する酸化バナジウム(VOx )または酸化チタンのような多結晶の半導体材料を含んでいる。SiNのようなIRの吸収体は、その温度が情景から到着するIR量が変化するときに変化されることができるように多結晶の半導体材料と密接に接触して設けられる。多結晶の半導体/吸収体構造は下に位置するROICから熱的に隔離されることが好ましい。
【0004】
マイクロボロメータおよびその製造技術に関する参考文献は米国特許第6,144,030 号明細書(発明の名称“Advanced Small Pixel High Fill Factor Uncooled Focal Plane Array”、Michael Ray 、2000年11月7日発行)であり、この説明はその全体においてここで参考文献とされている。
【0005】
別の問題とする米国特許明細書は2001年3月13日出願のHubert Jerominekの第6,201,243 号明細書である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
通常、マルチレベルの冷却されないボロメータユニットセル(画素)寸法が減少され、性能の要求が増加されるので、ボロメータユニットセルの熱質量を減少する必要がある。これを実現する1つの技術はコンポーネント膜の厚さを減少することである。しかしながら、これはアクチブな検出器区域のIR吸収を減少させる悪影響を有し、それによって感度が低下する。構成膜層の厚さが薄くされると、共振空洞効果における依存はさらに強くなる。
【0007】
例えば、前述した米国特許第6,144,030 号明細書の図1を参照すると、VOx 半導体条帯14を含むIR吸収構造12と、反射装置としても機能する平面部材26を含む熱的な隔離構造20との間に光学的な共振空洞22が存在する。
【0008】
米国特許第6,201,243 B1号明細書では、ミラー3は基板上に位置され、VOx サーミスタを含んでいるマイクロ構造22から問題とするIRスペクトル帯域の中心で1と4分の1波長だけ離されている。これは共振性能を増加すると言われている。
【0009】
認識されることができるように、膜の厚さが減少されるとき、全体的な構造は頑丈さが低下する傾向があり、それによってマイクロボロメータアレイの製造、処理、使用を複雑にする。減少された膜の厚さはまた固有の応力に対して構成層を敏感にする。
【0010】
さらに、膜の厚さが減少され、共振光空洞の動作にさらに依存すると、空洞構造はその意図する目的に対して最適にされるべきであることが認識される。しかしながら、空洞境界に蛇行線または他の構造を配置することはその意図する目的の有効性を損なう。
【0011】
【課題を解決するための手段】
前述の、およびその他の問題は本発明の実施形態にしたがった方法および装置により克服される。
【0012】
マイクロボロメータユニットセルは下位レベルの熱隔離構造と、IR吸収体/サーミスタの複合層を含む上位レベルの構造とを有するマルチレベル装置として構成される。この装置はさらに、中間レベルの反射層を含んでいる。光共振空洞は反射層と、上に位置する吸収体/サーミスタの複合層との間に形成され、光共振空洞は物理的、電気的および光学的に下に位置する熱隔離構造から隔離される。所望されるならば、強化部材が、好ましくは吸収体/サーミスタ複合層周辺に増加された厚さの層の形態で吸収体/サーミスタ複合層に付加されることができる。
【0013】
ユニットセルのセットのうちの1つのサブセットにIRの1波長に対する感度をもたせ、少なくとも1つの他のサブセットに別のIR波長に対する感度をもたせ、それによって2色または多色のマイクロボロメータアレイを与えることもこれらの考察の技術的範囲内に含まれる。
【0014】
これらの考察は従来技術の設計と比較して、層の厚さとユニットセルの中心から中心までのピッチとの両者を減少させることを可能にし、それによって光共振空洞が通常の方法よりも改良されるので、感度を劣化せずに熱質量を減少させ、周波数応答を増加し、その意図する目的に対して最適にされる。
【0015】
マイクロボロメータユニットセルは、実質上平坦な上位レベルの入射放射線吸収および検出構造と、上位レベルの入射放射線吸収および検出構造から隔てられてその間で光共振空洞を規定する実質上平面で好ましくは応力の平衡された中間レベルの放射線反射構造と、中間レベルの放射線反射構造から隔てられ、上位レベルの入射放射線吸収および検出構造と、下に位置する読出し回路とに電気的に結合されている実質上平坦な下位レベルの熱隔離脚部構造とを含んでいる。下位レベルの熱隔離脚部構造は中間レベルの放射線反射構造内の孔を通過する脚部を通って上位レベルの入射放射線吸収および検出構造に電気的に結合されており、脚部は構造的な支持部材としても機能する。下位レベルの熱隔離脚部構造は下に位置する読出し集積回路上に配置された電気接触部で終端する別の脚部を通じて読出し回路に電気的に結合されており、中間レベルの放射線反射構造はこの脚部の延長部により支持されている。上位レベルの入射放射線吸収および検出構造は上位レベルの入射放射線吸収および検出構造の周辺部を中心として1つの配置されたフレーム状部材等の強化部材を含んでいることは本発明の技術的範囲内である。
【0016】
共振光空洞は入射放射の波長の関数である間隔により規定され、ユニットセルアレイの近接して配置されるユニットセルは異なる間隔を有する共振光空洞を具備しており、それによって異なる波長に対する感度を強化する。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明についての前述の説明および他の特徴は添付図面を伴った以下の好ましい実施形態の詳細な説明により明白になるであろう。
本発明にしたがったマイクロボロメータ検出器素子またはユニットセル10の実物大ではない拡大された断面図を示している図1と、図1のマイクロボロメータユニットセル10の簡単化された斜視図を示している図2とを参照する。
【0018】
マイクロボロメータユニットセル10はROIC12上に形成され、これはシリコンであってもよく、最上部の表面上に配置された平坦な酸化物(SiO2 )層14を有していてもよい。ユニットセルの金属接触部16はマイクロボロメータをROIC電子装置(図示せず)へ電気的に接続すると想定されている。第1の直立した脚部18は実質的に平坦な下位レベル熱隔離脚部構造20を接合部16A において接触部16に接続する。図2で最良に示されているように、下位レベルの熱隔離脚部構造20は蛇行形状を有し、ユニットセル10の全体を通じて蛇行している。脚部18は下位レベルの熱隔離脚部構造20の“熱沈め”端部を規定すると考えられる。好ましい実施形態では、熱隔離脚部構造20はSiN/NiCr/SiNの複合体であり、ここでNiCr層19はそれぞれ窒化シリコン(SiN)層21A と21B との間に挟まれている。
【0019】
本発明の1特徴によれば、上位レベルのIR吸収および検出層/共振空洞構造22が下位レベルの熱隔離脚部構造20の上にそこから隔てられて配置され、それは実質上平面の上位レベルのSiN/VOx /SiN複合IR吸収薄膜24と、その下に位置する実質上平面の中間レベルのNiCr/SiN/NiCr複合反射構造26とを含んでいる。IR吸収薄膜24はここに示されている好ましい実施形態では、アクチブ抵抗またはサーミスタとして機能するVOx (または等価の熱抵抗材料)層28で構成されている。VOx サーミスタ層28はそれぞれ上部および下部IR吸収窒化シリコン(SiN)層30A と30B との間に挟まれている。中間レベルの複合反射構造26はそれぞれ上部NiCr層34A と下部NiCr層34B との間に挟まれている窒化シリコン層32から構成され、窒化シリコンの延長部18A により支持されて第1の直立する脚部18に結合されている。NiCr層34A とVOx 層28/SiN層30B との間の間隔は問題とするIR波長で公称4分の1波長であり、それによってIR吸収薄膜24で吸収されずに通過したIRをIR吸収薄膜24へ反射して戻すための共振光空洞構造36を形成する。
【0020】
中間の窒化シリコン層32は基本的に反射層34A の構造的な支持体および基板として機能し、したがって任意の適切な材料から構成することができることに注意すべきである。さらに、最下部のNiCr層34B は吸収されていないIRを反射することには関係せず、理論上除去されてもよいことに注意すべきである。しかしながら、下部のNiCr層34B の存在は層32/34A における固有の応力を平衡させる傾向があり、それによって中間レベルの複合反射構造26の屈曲およびねじれを抑制するので望ましい。別の材料または金属システムが反射層34A に選択されるならば、好ましくは下部層34B は反射構造26の所望の応力平衡を実現するために同一または類似の材料または金属システムであるように選択される。
【0021】
電気接触部38は金属被覆40によりVOx 層28に形成され、これはまた下位レベルの熱隔離脚部構造20のNiCr層19との接触部42を形成する。金属被覆40は第2の直立する脚部構造33を通って支持され、窒化シリコンスリーブ46により包囲される。第2の脚部構造44はNiCr/SiN/NiCrを複合反射構造26内で作られたそれより大きい開口を通過し、したがって複合反射構造26から構造的に分離されている。
【0022】
本発明のこれらの特徴にしたがって、光共振空洞36は、その低い反射表面面積が最大にされ、即ち蛇行する熱隔離構造20により支持されないために大きく連続的な表面を有するように製造されることができる点で従来技術の方法に比較して改善されている。換言すると、中間レベルの複合反射構造26を下位レベルの熱隔離脚部構造20から分離することにより、反射構造26の構造はその意図する使用法において最適にされることができる。したがって、この改良は感度の実質的な減少を招かずに、その上に位置するIR吸収薄膜24がその周波数応答特性を改良するように薄くされることを可能にする。例えば、通常のマイクロボロメータ装置がIR吸収薄膜部分で0.5ミクロンの厚さの窒化シリコン層を使用し、VOx 層が約0.05ミクロンの厚さであるならば、本発明によるマイクロボロメータ10は1000オングストローム以下の厚さを有する窒化シリコン層30A 、30B を特徴とし、VOx 層は約300−500オングストロームの範囲の厚さを有する。改良された光共振空洞36はまた各画素の面積が減少されることを可能にし、したがって、より密のIRセンサアレイを与える。例えば、通常の中心から中心のユニットセルの間隔(ピッチ)が約50ミクロン乃至約25ミクロンの範囲であるのに比較して、本発明のマイクロボロメータユニットセルの中心から中心の間隔は25ミクロンより小さく、例えば約15ミクロン以下に減少される。それに関連して、ユニットセルの面積の減少は複数のさらに小さいユニットセルが通常のマイクロボロメータユニットセルにより典型的に占有される区域内で構成されることを可能にする。この場合に、通常のユニットセルのピッチが偶然に特定の応用に適切であるならば、複数のさらに小さいユニットセルはIRスペクトル帯域の異なる部分に対して感度があるように構成されてもよく、それによって単一のユニットセルにより通常占有されている区域内に2色または多色の検出能力を与える。複数のさらに小さいユニットセルを使用することによって、非均一性の補正(NUC)およびその他の信号処理アルゴリズムを容易に実行する能力等の他の利点も与えられる。
【0023】
本発明のさらに別の特徴は薄くされたIR吸収薄膜24と共に使用する強化部材を設けることである。本発明の好ましい実施形態では、強化部材50は吸収薄膜24の窒化シリコン層30A の厚くされた周辺部により設けられる。周辺部を厚くすることは、強化部材50が所望される層30A の上部表面をマスキングし、例えばドライまたはウェットエッチングを使用してマスクされない部分を薄くすることにより製造中に実現される。層30A を薄くした後、マスクは除去され、隆起した周辺部を残し、これはユニットセルのアクチブ区域を囲む強化フレームと考えることができる。硬化フレームの適切な幅は約0.5ミクロンである。マイクロボロメータの感度における全体的な影響はさらに明白であるが、他の実施形態では、1以上の中心に配置されたリブ部材は類似の方法で形成される。
【0024】
強化部材50はIR吸収部材24が薄くされてもされなくても使用されてもよいことに注意すべきである。
【0025】
検出器の熱質量の減少はIR吸収部材24だけを薄くすることに限定されない。例えば下位レベルの熱隔離脚部構造20も同様に薄く作られることができる。例えば窒化シリコン層21A 、21B は約1000オングストローム乃至約4000オングストロームの範囲の全体的に結合された厚さを有し、埋設されたNiCr層は約100オングストローム乃至約300オングストロームの厚さであってもよい。蛇行する熱隔離脚部構造20の幅は約0.5乃至約0.75ミクロンの範囲であってもよい。中間レベルのNiCr/SiN/NiCrの複合された反射構造26は薄くされる必要はなく、例えば500オングストロームの厚さのNiCr金属被覆34A 、34B を有する窒化シリコンの0.5ミクロンの厚さの層を使用してもよい。
【0026】
長い波長IR(LWIR)による使用で最適化されるとき、光共振空洞36の適切な幅は約1.8ミクロンから約2.0ミクロンの範囲である。中間波長IR(MWIR)による使用で最適化されるとき、光共振空洞36の適切な幅は約1.0ミクロンである。複数の構成要素を含む2色または多色の大きいユニットセルと、小さいユニットセルを構成するとき、隣接する小さいマイクロボロメータユニットセル10の光共振空洞の幅はしたがって調節される。このことに関しては図3を参照し、これは例えば1つの小さい構成要素のマイクロボロメータユニットセル10の側面寸法の約2倍に等しい寸法と、そのセル10の面積の約4倍に等しい面積を有する大きいユニットセル10A を示している。図示された例では2つのマイクロボロメータユニットセル10がLWIR(λ1 )に応答し、2つのマイクロボロメータユニットセル10がMWIR(λ2 )に応答する。他の実施形態では、4個より多くの、または4個より少ないマイクロボロメータユニットセル10が大きいユニットセル10A を構成してもよく、2よりも多くの異なるIR波長が感知されてもよい。この実施形態では、少なくとも光共振空洞36の間隔は、例えばそれぞれ1ミクロン対約1.9ミクロン等、MWIR応答とLWIR応答のマイクロボロメータユニットセル間で異なることが想定される。
【0027】
示された構造では、層34B と層21A との間の適切な間隔は約1.0ミクロン乃至約2.0ミクロンであり、層21B と層14の上部表面との間の適切な間隔も約1.0ミクロン乃至約2.0ミクロンである。
【0028】
マイクロボロメータユニットセル10の構成は、好ましくは通常の集積回路製造技術にしたがって実現され、先に参照した米国特許第6,144,030 号明細書で説明されている過程にしたがい、前述のこれらの考察の特徴に適合するように変更が行われている。例えば米国特許第6,144,030 号の明細書のマイクロボロメータ検出素子はシリコンROICと熱隔離構造間の間隔と、熱隔離構造と光学的に吸収性の材料構造との間の間隔を設定するために最小の2つの犠牲(ポリイミド)層を使用するが、本発明によるマイクロボロメータユニットセル10は最小の3つの犠牲層を使用し、1つの層はROIC12/酸化物14と下位レベルの熱隔離脚部構造20との間に間隔を設定するための層であり、1つの層は下位レベルの熱隔離脚部構造20と中間レベルの複合反射構造26との間に間隔を設定するための層であり、1つの層は中間レベルの複合反射構造26と上位レベルのIR吸収薄膜24との間に間隔(即ち光空洞36の幅)を設定するための層である。他の変更は中間レベルの複合反射構造26自体と、関連する脚部延長部18A と開口48の製造を含んでいる。強化部材50が使用される場合には、最上部の窒化シリコン層30A の製造は前述したように変更されることができる。2以上の波長に感応する多色アレイを製造する場合には、光共振空洞36を規定する犠牲層(例えばポリイミド)は最も広い所望の空洞(例えば1.9ミクロン)に等しい厚さを有するように付着されることができ、その後、最も広い空洞が所望されるこれらのユニットセルの区域をマスクし、その後、所望の厚さ(例えば1.0ミクロン)を得るためにマスクされていないユニットセル区域の犠牲層材料を選択的に除去する。犠牲層材料の選択的な除去はドライプラズマエッチング、または任意の適切な技術により行われることができる。犠牲層材料の所望の厚さが得られた後、処理はマスクを除去し、代わりに最上部のIR吸収/サーミスタ薄膜24を形成するSiN/VOx /SiNの多層構造を付着することにより継続する。最終的に、ドライプラズマエッチング等により3つの犠牲層は除去され、図1の断面図で示されている結果的に生じた構造が残る。
【0029】
本発明を種々の寸法、材料のタイプ、波長等の文脈で説明したが、これらは好ましい実施形態の例示であり、本発明に対する限定事項として理解されることを意図していないことが認識されよう。例えば窒化シリコン以外の他のタイプのIR吸収体材料が使用されることができ、NiCr以外の他のタイプの金属システムが使用されることができ、VOx 以外の他のタイプの熱抵抗体が使用されることができる。他の実施形態では、マイクロボロメータユニットセルはIR波長以外の波長に応答するように構成されることができる。
【0030】
したがって、本発明はその好ましい実施形態に関して特別に示され説明されているが、形態と詳細の変化が本発明の技術的範囲を逸脱せずに行われてもよいことが当業者により理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明にしたがったマイクロボロメータユニットセルの実物大ではない拡大された断面図。
【図2】
マイクロボロメータユニットセルの部分的に切取られた透明な形態の簡単化された正面図。
【図3】
本発明にしたがって構成された複数のマイクロボロメータユニットセルを含んでいるユニットセルの拡大された平面図。
Claims (10)
- マイクロボロメータユニットセル(10)において、
実質上平坦な上位レベルの入射放射線吸収および検出構造(24)と、
前記上位レベルの入射放射線吸収および検出構造から隔てられてその間で光共振空洞(36)を規定する実質上平坦な中間レベルの放射線反射構造(26)と、
中間レベルの放射線反射構造から隔てられ、前記上位レベルの入射放射線吸収および検出構造と、下に位置する読出し回路(12、16)とに電気的に結合されている実質上平坦な下位レベルの熱隔離脚部構造(20)とを具備しているマイクロボロメータユニットセル。 - 前記下位レベルの熱隔離脚部構造は、多層の電気的誘電体、導体、電気的誘電体の複合構造(21A 、19、 21B)から構成されている請求項1記載のマイクロボロメータユニットセル。
- 前記上位レベルの放射線吸収および検出構造は多層の放射線吸収、感熱性の電気抵抗、放射線吸収の複合構造(30A 、28、 30B)から構成されている請求項1記載のマイクロボロメータユニットセル。
- 前記中間レベルの放射線反射構造は基板層(32)により支持されている放射線反射層(34A )を有する多層の構造から構成されている請求項1記載のマイクロボロメータユニットセル。
- 前記下位レベルの熱隔離脚部構造は前記中間レベルの放射線反射構造内の開口(48)を通過する脚部(44)により前記上位レベルの入射放射線吸収および検出構造に電気的に結合されており、前記上位レベルの入射放射線吸収および検出構造はまた前記脚部により支持され、前記脚部は前記下位レベルの熱隔離脚部構造上で終端し、前記下位レベルの熱隔離脚部構造はその下に位置する読出し集積回路(12)上に配置された電気接触部(16、 16A)で終端する第2の脚部(18)を通って前記読出し回路に電気的に結合されており、前記中間レベルの放射線反射構造は前記第2の脚部の延長部(18A )により支持されている請求項1記載のマイクロボロメータユニットセル。
- 前記上位レベルの入射放射線吸収および検出構造は強化部材(50)をさらに具備している請求項1記載のマイクロボロメータユニットセル。
- 前記共振光空洞は前記入射放射の波長の関数である間隔によって規定され、隣接して配置されているユニットセルのアレイのユニットセルは異なる間隔を有する共振光空洞を具備している請求項1記載のマイクロボロメータユニットセル。
- マイクロボロメータユニットセル(10)を製造する方法において、
読出し回路(12、14)の表面上に第1の犠牲層を付着し、
下位レベルの熱隔離脚部構造を規定するために第1の犠牲層上に複数の第1の層(19、21A 、21B )を付着し、
第1の複数の層上に第2の犠牲層を付着し、
中間レベルの放射線反射構造(26)を規定するために第2の犠牲層上に複数の第2の層(32、34A 、34B )を付着し、
第2の複数の層上に第3の犠牲層を付着し、
上位レベルの入射放射線吸収および検出構造(24)を規定するために第3の犠牲層上に複数の第3の層(28、30A 、30B )を付着し、第3の犠牲層の厚さは中間レベルの放射線反射構造と上位レベルの入射放射線吸収および検出構造との間に形成される光共振空洞(36)の間隔に対応しており、
第1、第2、第3の犠牲層を除去する工程を含んでいる製造方法。 - 複数の第3の層の付着は、上位レベルの入射放射線吸収および検出構造に対する強化部材(50)を形成する工程を含んでいる請求項8記載の方法。
- 複数の第2の層を通って形成された開口(48)を通過する導電体(40)により、第3の複数の層のサーミスタ層(28)を第1の複数の層の導電性の層(19)に電気的に接続する工程をさらに含んでいる請求項8記載の方法。
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