JP2004529510A - 赤外線センサおよびその作成方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、センサの上面に配置された赤外光を吸収するための構造化層（２０）を有する複数のピクセル（１２）を備える赤外線（２）に関する。本発明は、吸収層（２０）が、具体的には結合剤に埋め込まれたまたは封止された黒鉛または金属酸化物のウエハである、コロイド粒子で形成される。そのようなセンサを作成する方法は、標準的な技法に従ってコロイド粒子を蒸着させることによって構造化層を形成し、次いで、複数のピクセルにそれぞれ関連付けられた複数の基本吸収ゾーンを区画するために、そのように形成された吸収層を部分的に除去するものである。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造化された光吸収層を含んでいる赤外線センサに関する。すなわち、この層は、このセンサを構築する複数のピクセルにそれぞれ関連付けられた複数の基本赤外光吸収ゾーンを形成しているセンサの基板を部分的に覆う。
【背景技術】
【０００２】
良好な赤外光吸収係数を有する構造化吸収層を有する黒の質感を獲得するために、数ミリバールの窒素環境において金属を熱真空蒸着することによってそのような構造化吸収層を形成することが知られている。これは、「黒」金または銀（“black"gold or silver）として知られている。吸収層を形成するこの技法は、少なくとも２つの欠点を有する。第１に、必要とされる機器が比較的高価であり、これにより、センサの製造コストが増大する。第２に、「黒」金属の蒸着には、基板上に蒸着された層の接着という問題が付随することがある。
【０００３】
層に黒色を与える樹状成長を行わせるために、高電流密度を伴う白金層の電気化学的成長によって構造化吸収層を形成することも知られている。これは「黒」白金と呼ばれる。このプロセスも欠点を有する。第１に、使用するプラチナ塩は比較的高価である。第２に、樹状成長の条件は構造化層が作成される基板表面に比較的強く依拠する。したがって、基板表面が完全に均質でない場合、領域により異なって成長し、これにより、センサの複数のピクセルまたはバッチで製造された複数のセンサに応じて異なる吸収係数がもたらされる。これは、産業用生産では特に重大な欠点である。最後に、電気化学的プロセスは、対応する基本ゾーンに蒸着させるために、１つのセンサのすべてのピクセルを電気的に接続することが必要である。次いで、これらの電気接続は、センサが適切に動作することができるように、除去されなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、構造化吸収層の安価な製造プロセスを提供すると共に、センサのすべてのピクセルの、およびより一般的にはバッチで製造された複数のセンサの物理的特徴が均質であるような層を有するセンサを提供することによって、上述した経済上および技術上の欠点を克服することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
したがって、本発明は、少なくとも１つの赤外センサを製造する方法に関し、前記少なくとも１つの赤外センサの複数のピクセルが部分的に形成される基板の上面に構造化赤外光吸収層を形成するステップが提供される。この方法は、構造化層を形成するステップにおいて、コロイド粒子の分散系がほぼ一様であることが好ましい層を形成するように堆積されて基板を覆い、次いで、この層が、複数のピクセルにそれぞれ関連付けられ、かつ構造化層を規制する複数の基本吸収ゾーンを形成するように、部分的に除去されることを特徴とする。
【０００６】
本発明による方法の特徴により、スピナなどの比較的安価な機器を使用して、または具体的には噴霧装置を使用して単に噴霧することによって、構造化赤外光吸収層を蒸着させることが可能である。
【０００７】
黒鉛プレートまたは金属酸化物など、コロイド粒子は黒色素を確定する。黒鉛または金属酸化物の分散系は準備するのが比較的容易であり、市販されているある種の分散系は、ほぼ一定の厚さを有する均質層となり、かつ基板に良好に接着するコロイド粒子を有する結合剤の層を獲得するのに必要な基準を満たす。
【０００８】
本発明は、また、構造化光吸収層を含む赤外線センサにも関し、この構造化層が、コロイド粒子と結合剤とで形成されることを特徴とする。具体的には、コロイド粒子は、黒鉛プレートまたは金属酸化物である。
【０００９】
非限定的な例として与えられている添付の図面を参照して、本発明について、以下の記述を使用してより詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１および２は、複数のリセス６が微小機械加工されているシリコン・プレート４に形成された赤外線センサ２を概略的かつ部分的に示す。これらのリセスは、センサ２のピクセル１２の底部電極１０が上に形成されている層または膜８に達している。膜８および電極１０の上にはピロ電気層１４が形成されている。ここで示す変形形態では、層１４がピクセル１２の間を通っている。しかし、他の変形形態では、層１４がピクセル１２を分離するように構造化することができる。上部電極１６が層１４の上に形成される。構造化赤外光吸収層は電極１６の上に形成される。したがって、吸収層２０は、センサ２の複数のピクセルのそれぞれに関連付けられて複数の基本吸収ゾーンを区画している。
【００１１】
本発明は、具体的には、構造化吸収層２０と、その層を形成させる方法とに関することに留意されたい。したがって、本発明は、具体的にはボロメータまたは熱要素（熱電バッテリ）である、あらゆるタイプの赤外線センサまたは検出器に適用することができる。したがって、ピロ電気層の使用は全く限定的ではなく、ここでは単なる例示として与えられている。
【００１２】
本発明による赤外線センサの他の実施形態によれば、基本ゾーンを区画する構造化吸収層は導電性であり、かつ、複数のピクセル１２の上部電極を形成する。図１に示すように、上部電極１６のそれぞれは、導電経路２１によって接触パッド２２に電気的に接続されている。
【００１３】
本発明によれば、構造化吸収層２０がコロイド粒子と結合剤とで形成される。結合剤はコロイド粒子を凝固させ、また、表面に吸収層を形成させる基板２４（電極１６を含む）に吸収層を良好に確実に接着できる。特に、図２の場合では、構造化層２０と電極１６との間で、高レベルの接着を達成しなければならない。
【００１４】
「コロイド粒子」は、数マイクロメートルの大きさの小さい寸法、またはより小さい寸法の粒子を意味する。本発明の範囲内では、特に直径または最大寸法が最高で約１００マイクロメートルになることがあるプレートなど、より大きな寸法を有する粒子もこの定義に含まれる。
【００１５】
しかし、比較的薄くかつ均質な層を獲得するために、黒鉛プレートのほとんどは、４０マイクロメートル未満の寸法を有することが好ましい。非限定的に、吸収層は、一般に、１０マイクロメートル未満の厚さを有する。約１から３マイクロメートルの間の厚さを有する層が堆積されることが好ましい。
【００１６】
他の実施形態では、コロイド粒子は、具体的には鉄、銅、またはマンガンの酸化物である金属酸化物で形成される。金属酸化物は分散系の色素を形成する。分散系の他の要素は、基板へ高レベルに接着する均質層を形成させるように当業者によって選択できる。
【００１７】
本発明による製造方法および使用する分散系の組成について、より具体的には赤外光吸収材料として使用される黒鉛プレートについて、以下で記述する。
【００１８】
構造吸収層を形成するために使用する分散系は、色素が分散している水溶性溶媒または有機溶媒、すなわち本発明によるコロイド粒子を含む。これらの色素の重量での割合は、形成される吸収層のタイプおよび厚さに依拠する。例として、色素の割合は、重量で約１０％から６０％の間で変化してもよい。色素の寸法に関しては、堆積層に必要な特徴の関数として最適に決定されなければならない。黒鉛プレートの場合、９０％より高いことが好ましい非常に良好な吸収係数を有して、厚さが約１から３マイクロメートルの間で変化する層を獲得するように、直径は、４０マイクロメートル未満であることが好ましい。
【００１９】
分散系は、溶媒の他に分散剤を含む。分散剤は、粒子が分散系においてほぼ均質に分布することを保証し、かつ粒子がクラスタ化したり、沈殿物を形成することを防止する。最後に、分散系は、具体的にはアクリル樹脂である結合剤を含む。結合剤は、溶媒が蒸発した後、粒子間の凝集と、分散系が堆積されている基板への粒子の接着とを保証する。層が堆積して固化した後、分散系に当初存在した溶媒と、形成された構造化層が接触する可能性がある他の溶媒とに結合剤が溶けないことを保証するように、結合剤は、溶媒が蒸発するときに化学反応を受けるものであることが好ましい。
【００２０】
具体的にはポリエステル分子である堆積層の機械的な特性を修正する材料を溶媒に導入することもできる。機械的な特性は、基板との接着性を増強する。最後に、分散系は、ほぼ一定の厚さの一様な層に堆積できるように、基板上の分散の湿潤性を増強する湿潤剤を含むことができる。
【００２１】
そのような分散系は、スピン被覆、浸漬被覆、または溶射被覆によって比較的に容易に追加することができる。基板を覆う層の形態で分散系が追加された後、基板は、空気乾燥されるか、または、具体的には溶媒が蒸発し、かつ結合剤内で化学反応を発生させる熱処理剤を使用して乾燥される。
【００２２】
例として、水溶性溶媒における黒鉛粒子の分散系は、重量で１８％に等しい固体の割合と、最大でも５マイクロメートルである、１から２マイクロメートルの平均粒子寸法と、約１．１ｇｒ／ｃｍ³の密度と、約１１のｐＨ値とを有する。そのような分散系は、市場で購入することができる。
【００２３】
他の例によれば、分散系は、溶媒であるイソプロパノールと、本質的に２０から４０マイクロメートルの間の直径を有する黒鉛プレートとを含む。そのような分散系から形成され、かつ約２マイクロメートルの厚さを有する吸収層について、２μｍから２０μｍの間にある波長の少なくとも８０％である高吸収係数が観測される。
【００２４】
好ましくは溶射被覆を使用して、最大で約１００マイクロメートル、平均値が約１０マイクロメートルの比較的大きい直径のグラファイトで、約２マイクロメートルの比較的薄い吸収層を堆積させることができる。そのような分散系は、たとえば、溶媒であるイソプロパノールおよびガソリン・エーテルと、アクリル樹脂の形態である結合剤とを含む。そのような分散系により、９０％より高い吸収係数を有する構造化吸収層を得ることができた。そのような分散系は市販されている。当然、当業者なら、具体的には半導体基板および／または特定の金属被覆である所与の基板について、どれが適切な分散系であるかを決定する方法を認識しているであろう。そのような決定は、具体的には、堆積方法と、使用する分散系の適切な粘性とに依拠する。
【００２５】
すでに上述したように、構造化吸収層は、センサピクセルの上部電極をも形成することが可能である。黒鉛の電気特性が与えられた場合、比較的低い抵抗を有する基本ゾーンを獲得することが可能である。電気抵抗は、具体的には、粒子のサイズと、結合剤のタイプおよびその濃度と、ならびに層の乾燥温度とに依拠する。
【００２６】
本発明による少なくとも１つの赤外線センサを製造する方法の第１実施形態について、以下で記述する。例としてシリコン・プレートをベースとして、作成しようとするセンサのタイプに適した従来の方法により複数のピクセルが部分的に形成される。したがって、図２に示すように、複数のピクセルが部分的に形成されている基板２４が獲得される。本方法は、
基板の上部層を形成するフォトレジスト層を堆積させるサブステップと、
フォトリソグラフィック・プロセスによって、複数の基本吸収ゾーンを区画するサブステップと、
分散層を基板の上に堆積させるサブステップと、
基本ゾーンの外側のフォトレジスト層を溶解させるために、特有の溶媒を追加し、同様に基本ゾーンの外側に分散系によって形成された吸収層を除去するサブステップとを含んでいる構造化赤外光吸収層を形成するステップを含む。
【００２７】
ここで記述した方法は、半導体回路製造分野の当業者に既知の「リフト・オフ」プロセスに類似している。
【００２８】
分散層は、具体的には約６０秒間２０００回転／分の速度で回転するスピナによって、上述した技法の１つを使用して、ほぼ一様に拡散させることができる。分散層を乾燥させて硬い固体吸収層を獲得する作業は、約２マイクロメートルの厚さの層について、約１２０°で約１分間プレートを加熱して実施される。当業者には、使用する分散系および具体的にはその粘性に応じて、上述したパラメータについて適切な値を選択する方法が既知であろう。
【００２９】
例として、フォトリソグラフィによって区画された基本吸収ゾーンの外側のフォトレジストの層を溶解させる溶媒として、アセトンを使用する。アセトンは、吸収層に対して基本ゾーンにおいては事実上全く影響を与えないが、これらのゾーンの外では、フォトレジストが溶解しているので、分散層は機械的に除去される。
【００３０】
最後に、イソプロパノールおよび蒸留水などを使用して、センサまたはセンサのバッチを清浄する。
【００３１】
当業者なら、構造化赤外光吸収層を形成する他の方法を構想することができるであろう。本発明による第２実施形態について、簡潔に記述する。フォトリソグラフィック技法が接触マスクを使用することに置き換えられる。この第２実施態様では、コロイド粒子を使用して構造化層を形成するステップは、
複数の開口を有し、その複数の開口がピクセルとそれぞれ関連付けられた複数の基本ゾーンを区画するマスクを、ピクセルが部分的に形成されている基板上に基板の上に載せるサブステップと、
上述した技法の１つを使用して、基板およびマスクを覆って分散層を堆積させるサブステップと、
そのように堆積された層を部分的に除去するために、マスクを除去するサブステップとを含む。
【００３２】
吸収層は、マスクを除去することによって構造化され、堆積層の内部凝集と、基板への接着性とは、この層が、マスク開口の領域にある基板に堅固に固定されたままであるように決定される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による赤外線センサの第１実施形態の上面の部分的な概略図である。
【図２】図１の線II−IIに沿った概略的な断面図である。

Claims (12)

1. 基板（２４）の上面に構造化赤外光吸収層（２０）を形成するステップを含む少なくとも１つの赤外線センサ（２）を製造する方法であって、基板には、前記少なくとも１つの赤外線センサの複数のピクセル（１２）が部分的に形成されており、前記構造化層ステップにおいて、コロイドの分散系が前記基板を覆う吸収層を形成するように堆積され、次いで、前記吸収層が部分的に除去されて、複数のピクセルにそれぞれ関連付けられ、かつ前記構造化層を規制する複数の基本吸収ゾーン（２０）を形成することを特徴とする製造方法。
2. 構造化層を形成する前記ステップ（「リフト・オフ」）が、以下の：
   前記基板の上面を形成するフォトレジスト層を堆積させるサブステップと、
   フォトリソグラフィック・プロセスによって、前記複数の基本ゾーンを区画するサブステップと、
   コロイド粒子で形成された前記吸収層を堆積させるサブステップと、
   前記基本ゾーンの外側に配置された前記フォトレジスト層を溶解させるために、溶媒を追加し、これらの基本ゾーンの外側において前記吸収層を除去するサブステップとを含むことを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記構造化層形成ステップが、以下の：
   前記基板の上に複数の開口を有するマスクを追加し、それにより、前記複数の開口が、前記複数の基本吸収ゾーンを区画するサブステップと、
   コロイド粒子で形成された前記吸収層を堆積させるステップと、
   前記ほぼ一様の層を部分的に除去するように前記マスクを除去して、前記層のみを前記複数の基本吸収ゾーンに残すサブステップとを含むことを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
4. 前記コロイド粒子が、直径が１００マイクロメートル未満である黒鉛プレートで形成され、前記構造化層の厚さが、１０マイクロメートル未満であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の製造方法。
5. 前記コロイド粒子が、具体的には鉄、銅、またはマンガンの酸化物である金属酸化物で形成されることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の製造方法。
6. 構造化赤外光吸収層（２０）を含む赤外線センサ（２）であって、前記構造化層が、コロイド粒子と結合剤とで形成されることを特徴とするセンサ。
7. 前記コロイド粒子が、黒鉛プレートであることを特徴とする、請求項６に記載のセンサ。
8. 前記黒鉛プレートの直径が、１００マイクロメートル未満であることを特徴とする、請求項７に記載のセンサ。
9. 前記コロイド粒子が、具体的には鉄、銅、またはマンガンの酸化物である金属酸化物であることを特徴とする、請求項６に記載のセンサ。
10. 前記構造化層の厚さが、１０マイクロメートル未満であることを特徴とする、請求項６から９のいずれかに記載のセンサ。
11. 前記構造化層が、前記センサを形成する複数のピクセル（１２）とそれぞれが関連付けられた複数の基本吸収ゾーンを区画することを特徴とする、請求項６から１０のいずれかに記載のセンサ。
12. 前記基本吸収ゾーンが、導電性であり、また、複数のピクセルの上部電極を形成することを特徴とする、請求項１１に記載のセンサ。