JP2006524323A - 小窩状構造体を備えた熱電磁放射線検出器 - Google Patents

Abstract

吸収メンブレン（１）が、少なくとも１つのハニカム構造体によって基板（２）に対してほぼ平行な仕方で基板（２）の前側フェース上に固定的に浮いた状態で設けられ、ハニカム構造体は、基板（２）のメンブレンを断熱すると共に基板（２）に対してほぼ垂直に位置した平面上に配置されている。ハニカム構造体をそれぞれアーム（３）の一つと基板（２）との間に設けるのがよい。ハニカム構造体は、横部材（７）によって又は薄い層で構成されている重ね合わせた列状のアーケードによって分離された複数の薄い重ね合わせ層（６）で構成されたものであるのがよい。ハニカム構造体は、多孔質プラグ要素を有するのがよい。

Description

発明の詳細な説明

〔発明の背景〕
本発明は、吸収メンブレンを有する熱電磁放射線検出器であって、吸収メンブレンが、このメンブレンを基板から断熱する支持手段により基板にほぼ平行な方向で基板の前側フェース上に浮いた状態で固定されている熱電磁放射線検出器に関する。

〔技術の現状〕
シリコンマイクロエレクトロニクス及び薄膜製造における最近の技術進歩は、支持手段により基板に浮いた状態で固定された吸収メンブレンを有する熱赤外線検出器の技術の新たな発展を促している。

さらに、マイクロエレクトロニクスは、シリコンウェーハレベルで実施される集合的プロセスを利用しており、熱検出器技術は、多くの点でかかる集合的プロセスを利用することができる。これら集合的技術は事実、複雑さが高い検出器マトリクス、典型的には３２０×２４０検出器のマトリクスを達成し、しかも単一のシリコンウェーハ上に多数のマトリクスを達成し、したがって検出器の単位製造費を減少させる可能性を開いている。熱検出器が周囲温度で動作でき、冷却システムを全く必要としないということと関連したこの特徴は、この技術を安価な赤外線撮像システムを達成するのに特に好適にしている。

図１及び図２は、入射電磁放射線に対して吸収性の熱検出器のメンブレン１を示しており、このメンブレン１は、メンブレン１に強固にと固定され、ほぼメンブレン１の平面内に配置された２つの断熱アーム３を有する支持手段により基板２にほぼ平行に浮いた状態に保たれている。アーム３は両方とも、メンブレンの重量を支えるよう寸法決めされたピラー４により基板２に固定されている。放射線の効果に起因して、メンブレンは、熱くなり、その温度をメンブレン上に設けられた温度計、例えばメンブレンに被着された薄膜の形態をしたサーミスタに伝える。

基板２は、シリコンウェーハ上に集積された電子回路により形成されたものであるのがよく、この電子回路は、一方において、温度計刺激及び読取り装置と、他方において、互いに異なる温度計からの信号を直列化して通常の撮像システムにより用いられる減少した数の出力に伝送することができる多重化コンポーネントを有している。熱検出器の感度を上げるため、支持手段は、吸収性メンブレン１を基板２から断熱するような仕方で設計されており、かくしてメンブレンの熱損失を制限し、その結果メンブレンの昇温状態が保持される。

基板２上に設けられた温度計と読取り要素との間の電気的相互接続は一般に、支持手段上に設けられた金属層によって行われる。

入射放射線から効果的に吸収されたパワー（Ｐ_ａｂｓ（ｔ））の効果に起因するメンブレンの昇温度（Θ）についての単純化された分析を、温度計の性質に関して特定の前提条件をなんら付けないで経験的に実施できる。熱損失を表す支持手段の熱コンダクタンスＧ_ｔｈ及びメンブレンの熱容量Ｃ_ｔｈで決まる昇温バランスを以下の微分方程式で近似的に表すことができる。

パルスωで正弦波方式で変調された放射線パワーについてこの方程式の特解が次の表現で得られる。

上式において、τは、τ＝Ｃ_ｔｈ／Ｇ_ｔｈにより定められるメンブレンの熱時定数を表している。

メンブレンの温度変動は、入射放射線のパワー変動に従う。低周波数、即ち、ωτ＜＜１では、検出器により送られる信号を定める温度上昇の振幅は、次式のようにＧ_ｔｈに反比例する。

高周波数、即ち、ωτ＞＞１では、検出器信号は、変調周波数の逆数として減少する。高周波数におけるこの感度低下は、次式のようにＣ_ｔｈが大きい場合にますますはっきりと示される。

これら２つの方式相互間の移行は、熱時定数τにより特徴付けられる。

この分析から結果として得られることは、熱検出器の性能を定める基本的性質は、熱コンダクタンスＧ_ｔｈ及び熱容量Ｃ_ｔｈであり、検出器の感度を最適化するためには、これらを最小限に抑えることが求められる。したがって、支持手段には熱伝導率の低い材料が用いられ、吸収性メンブレンについては比熱の小さい材料が用いられる。加うるに、メンブレンは一般に、厚さが小さい。

支持手段の熱コンダクタンスを最小限に抑えるために、空気がメンブレン１と基板２との間の空間（図１及び図２）から除去され、又はこの空間は熱伝導率の低いガスで満たされる。加うるに、メンブレン１に強固にと固定されたアーム３は、他の制約と両立性がある最大長さを有することができる。図１に示された単純な断熱アームの場合、最大長さはほぼメンブレンの寸法に一致している。この技術の開発では、それ自体折り畳まれた断熱アームをコイルの形態に製作し、かくしてメンブレンの寸法の倍数に一致する長さを提供する。この技術の欠点は、これにより吸収性メンブレンの表面が制限され、かくして検出器の有効表面が制限されることにある。

特許文献である米国特許第６，１４４，０３０号明細書は、それ自体折り畳まれ、メンブレンと基板との間に配置された断熱アームを有するマイクロボロメータを開示しており、かかるマイクロボロメータにより、有効表面を保つと共に支持手段を構成する断熱アームを長くすることができる。しかしながら、この構成には次の幾つかの欠点がある。

・コイルの端部のところに位置決めされた固着箇所により片持ちされるコイルの形態をしたアームの機械的固定を行うには、アームの厚さを増大させる必要があり、それにより熱コンダクタンスが増大する。

・この構成は、放射線吸収を最適化するために通常用いられる干渉空洞共振器を達成するのには不向きである。最適性能を提供する干渉空洞共振器は、反射金属層を基板上に数ナノメートルの厚さで被着させることにより達成されるのが実情である。この反射層は、メンブレンと連携した状態で中心が検出されるべき波長に合わせられた四分の一波長板を形成する。メンブレンと基板との間に配置されたアームは、批判を受けやすい妨害要素となる。この問題を解決するため、反射層を支持手段上に、特にアーム上に位置決めすることが提案された。しかしながら、赤外線反射材料は、良好な断熱に有害な非常に高い熱伝導率を有することを特徴としている。

・この構成により浮かし重量が増加することになり、反射層を支持手段上に配置する選択肢が選択された場合にはなおさらそうである。この重量の増加により、熱時定数が増大すると共に機械的攻撃、例えば衝撃及び振動に対する検出器の脆弱さがひどくなる。

・最後に、この構成は、アームを基板に固定する手段に加えて、メンブレンをアームに固定する手段、温度計の電気的相互接続を可能にする手段を必要とする。この結果、製造技術の複雑さが増すことになる。

熱コンダクタンスを最小限に抑える別の方法は、断熱アーム又はより一般的には支持手段の断面を減少させることである。しかしながら、断面が小さすぎると、検出器の機械的健全性が損なわれ、しかも支持手段の曲げが生じる場合があり、その結果、メンブレンが基板に接触し、かくして断熱を短絡させるまでメンブレンが揺れ動くことになる。

揺動は、２つの隣り合うメンブレンを互いに連結する機械的連結手段を追加することにより防止できる。この機械的連結手段の欠点は、デバイスの空間分解能を損なう原因となる２つのメンブレン相互間の熱結合にある。揺動を防止する別の手段は、基板上の支持手段の固着箇所の数を増大させることであるが、これにより熱コンダクタンスが増大する。

一般に、熱放射線検出器を最適化するには、一方において支持手段の長さと他方において支持手段の断面との間に妥協点、即ちこれらの機械的強度により定まる妥協点を見出すことが必要である。

特許文献である国際公開第ＷＯ０３／０１１７４７号パンフレットは、ポーラスシリコンブリッジ及びカンチレバーにより基板に連結された浮いた状態のメンブレンを有するガスセンサを記載している。ブリッジ及びカンチレバーは、浮きメンブレンと同一（水平）平面内に配置されている。これらはこの平面内で基板内に直接形成され、ブリッジ、カンチレバー及びメンブレンに相当する基板の部分は、多孔質状態になっている。次に、キャビティをメンブレンの下に且つブリッジ及びカンチレバーの下にくり抜いて形成する。

〔発明の目的〕
本発明の目的は、これら欠点を解決し、特に、高い断熱性能を提供する一方で高い機械的固定具合を確保する吸収性メンブレン及び支持手段を有する検出器を提供することにある。

本発明によれば、この目的は、特許請求の範囲の請求項により達成され、特に、支持手段が基板にほぼ垂直な平面内に配置された少なくとも１つの小窩状構造体を有することを特徴とすることにより達成される。

他の利点及び特徴は、添付の図面に非限定的な例として与えられると共に図示された特定の実施形態についての以下の詳細な説明から明らかになろう。

〔好ましい実施形態の説明〕
図３〜図６は、吸収性メンブレン１を有する熱電磁放射線検出器を示しており、吸収性メンブレン１は、メンブレン１を基板から断熱する支持手段により基板２にほぼ平行な方向に基板２の前側フェース上に浮いた状態で固定されている。支持手段は、図１に示すように、メンブレン１に強固にと固定されると共に両方とも薄いピラー４に固定された２つの断熱アーム３及び２つの小窩状構造体を有している。各小窩状構造体は、基板２にほぼ垂直な、したがってメンブレン１に垂直な平面内に配置された壁により形成されている。各小窩状構造体は、複数の横方向開口部を備えている。断熱アーム３は、メンブレンの２つの反対側の側部に沿って延び、その長さは、メンブレンの寸法にほぼ一致している。小窩状構造体の各々は、それぞれ２つのアーム３のうちの１つと基板２との間に配置され、少なくとも１つの支承箇所５（図３においては３つの支承箇所、他の図においてはたった１つの支承箇所）を介して対応のアーム３と接触状態にある。また、小窩状構造体を吸収性メンブレン１の一方の縁部に沿って吸収性メンブレン１と基板２との間に配置してもよい。

図３〜図５に示された壁は各々、スペーサ７又は８により互いに分離された複数の重ね合わせ状態の薄い層６から成っている。図３に示すスペーサは、基板２に垂直な間仕切り７によって形成され、図４及び図５に示されたスペーサは、これ又基板２に垂直に配置された中空筒体８によって形成されている。小窩状構造体は、互いに異なる形状を有していてもよく、即ち、図３に示すような平行六面体、ピラミッド形、逆ピラミッド形等であってよい。小窩状構造体を図３及び図４に示すように、断熱アーム３に沿って又はこれとは対照的にアーム３に垂直なメンブレンの一方の側部に沿って浮いた状態の構造体の下の互いに異なる場所に配置するのがよい。かくして、メンブレン１の下に位置するゾーンは、検出器の吸収比を向上させるために反射層をメンブレン１の下の基板に被着させることにより得られる基板２とメンブレン１との間の干渉空洞共振器の機能を損ないやすい妨害要素が存在していない状態のままである。

図６に示す壁は、薄い層により形成されたアーケード９の３つの重なり合った列を有し、アーケード９の第１の列は、基板２の前側フェース上に配置され、頂側の列のうちの一つの各アーケードは、底側の列の２つの隣り合うアーケード９の頂部上に配置されている。

図７に示す本発明の変形実施形態では、小窩状構造体は、多孔質パッド１０から成り、これは本質的に、小窩状構造体となっている。この用途には種々の材料、特に、ゲルゾル法により被着された二酸化珪素又はＨＦ媒体中における結晶性珪素のアノード酸化により得られる多孔質珪素が適しており、これらを浮き構造体の構成前に支持体として作用する基板２上に追加するのがよい。被着後又はもしそのような場合には多孔質材料の追加後、多孔質層を標準型フォトリソグラフィー及びエッチング法により画定してパッド１０を構成する。

有利には、基板２は、珪素で作られ、基板２は、メンブレン上に位置決めされ、メンブレンの温度上昇を測定する温度計（図示せず）から出力された信号を読み取って処理できる一体形電子デバイスを有するのがよい。温度計は、例えばサーミスタ又は焦電性センサ、強誘電性センサ若しくは熱電性センサであるのがよい。特にサーミスタの場合、多くの材料、特に半導体、例えば非晶質、多結晶質又は結晶質珪素又はゲルマニウム、金属酸化物、例えば酸化バナジウム、マンガナイト、高温度係数の金属、例えばチタン系合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金が適している場合がある。メンブレン１を、温度計それ自体を構成する材料又は化学的性質が温度計を構成する材料と適合性のある任意他の材料、例えば酸化珪素、窒化珪素又は任意他の強誘電性半導体によって形成するのがよい。

断熱アーム３をメンブレン１を構成する材料のうちの少なくとも１つから作るのがよい。この場合、そしてメンブレンが数個の浮いた状態の層から成っている場合、アーム３は、メンブレンを形成する層のうちの少なくとも１つの連続体として延びる。断熱を保証するため、アーム３を例えば、酸化珪素、窒化珪素又は非晶質珪素で作るのがよい。

ピラー４は、これらの機械的な固定の役割に加えて、更に、断熱アーム３に沿って延びるのがよい電極と、有利には基板２上に配置され又は場合によってはその近くに位置するプリント配線板上に配置される電子信号読取り及び処理装置の入力との間の電気的相互接続を行うのがよい。

小窩状構造体は、メンブレン１を機械的に支持し、少なくとも１つの支承箇所５を提供するが、支持手段の熱コンダクタンスを増大させることはない。１又は複数の支承箇所５により、アーム３の断面を減少させることができ、それにより先行技術の場合よりも高い断熱効果を達成することができる。

小窩状構造体の断熱性能の推定により、赤外線撮像のために開発された現時点において最新型の装置に対応した１辺が２５μｍの正方形熱検出器を考察すると、先行技術と比較した場合の本発明の利点を強調することができる。平面型検出器の極限断熱度（Ｒ_ｒａｄ）は、検出器の表面積（Ｓ_Ｄ）とその動作温度（Ｔ）の両方で決まる放射損失によって制限される。

上式において、σは、ステファン・ボルツマン定数である。

周囲温度では、また上述したサイズの検出器の場合、極限断熱度は、理論的には１６０ＭＫ／Ｗである。公知の検出器の断熱度は、断熱アーム中の熱伝導による熱損失だけ少ないのでこれよりも低い。通常の値は、５ＭＫ／Ｗ〜３０ＭＫ／Ｗである。

小窩状構造体の熱抵抗を図８に示す抵抗のネットワークによりモデル化することができる。このネットワークは、一方において小窩状構造体を表す抵抗Ｒ_１及び他方において断熱アーム３のうちの１つに相当する抵抗Ｒ_２によって形成されている。小窩状構造体は、熱的インピーダンスが無視できる垂直間仕切りにより互いに分離された幅１μｍ、厚さ６ｎｍの酸化珪素の層により形成された４つのレベルを有するものとして考えられる。垂直間仕切りは、同一レベルに沿って５μｍのピッチで一様に分布すると共に一方のレベルから他方のレベルに互い違いに配置されている。幅が１μｍの断熱アームは、２０ｎｍの酸化珪素の層及び５ｎｍの窒化チタンの層で形成されている。断熱アームの長さは、１７μｍであり、これは４つの部分で構成され、各部分の端部は、４つの支承箇所５上の下に位置する小窩状構造体に当接している。各々が断熱アーム及び小窩状構造体を有し、材料の熱伝導率を考慮に入れた２つの組立体を有する検出器の場合、本発明者は、断熱度が９０ＭＫ／Ｗ、即ち先行技術の断熱度の３倍であることを発見した。

支承箇所５の数を減少させると断熱度は僅かに増大する。例えば、たった１つの支承箇所で得られた断熱度は、９８ＭＫ／Ｗであり、即ち、４つの支承箇所で得られた結果に非常に近い。

レベルの数を減少させると断熱度も又減少する。例えば、２つのレベルで得られた断熱度は、７２ＭＫ／Ｗである。したがって、４つのレベルを備えた構造体は、ピッチが２５μｍの検出器にとって良好な妥協の産物であり、断熱をほぼ向上させることができると同時にその構成に必要な作業の回数を制限することができる。

本発明の検出器を製造する方法は、浮きメンブレンを得る前に小窩状構造体を製作する工程を有する。

図４及び図５に示されていて中空筒体８により互いに分離されている重ね合わせ状態の薄い層６により形成される小窩状構造体を得るため、例えばポリイミドで作られた犠牲層を基板２又は薄い層６に被着させてからアニールする。次に、この犠牲層をフォトリソグラフィーにより局所的にエッチングして直径が１μｍの位置合わせ状態にある穴を形成し、これらの穴は、犠牲層の厚さ全体を貫通する。典型的な厚さが１０ｎｍであり、犠牲層を覆うと共に直径が１μｍの穴の側部及び底部を被覆した誘電体層を例えばＣＶＤにより被着させる。次に行われる工程は、フォトリソグラフィーにより誘電体層の広がりを画定し、小窩状構造体の壁の断面を構成するようエッチングすることから成る。かくして、中空筒体８上に配置された第１の薄い層６が得られる。次に、例えば適当な１組のマスクを用いて穴を一方のレベルから他方のレベルにジグザグ状に互い違いに配置するよう注意しながらこの作業順序を追加のそれぞれの薄い層６について繰り返し実施する。薄い層の全てに設けられる支承箇所５は、ほぼ同一の工程に従うことにより達成される。最終の工程では、代表的には酸化ドライエッチングにより犠牲層を除去する。

図６に示されていて、薄い層で構成されている重ね合わせ状態のアーケードにより形成される小窩状構造体を達成するには、これ又犠牲層を被着させてアニールする。犠牲層を形成するのに選択される材料は、通常用いられるフォトレジストのエッチング速度に近いエッチング速度を提供する材料、例えばポリイミドである。次に、フォトレジストを被着させ、下に位置する犠牲層上に開口した適当な幅の開口部を例えばマスクを介する露光及び現像によりフォトレジストに形成する。次に、熱処理を行ってフォトレジストのフランクにクリープを生じさせてこれらフランクに円弧の形状を与える。次に、フォトレジストのエッチングと犠牲層のエッチングの組合せにより、円形構造体の円弧を公知の仕方で犠牲層に再現することができる。次に行われる工程は、犠牲層を覆い、犠牲層のエッチングが完全に行われた場所の下に位置する基板に当接して代表的な厚さが１０ｎｍ以下の誘電体層を被着させる。次に、誘電体層の幅をフォトリソグラフィー及びエッチングにより例えば１μｍに定めてアーケード９の列を形成する。先の方法の場合と同様、アーケードをその下に位置するアーケードに対し１．５周期分互い違いに配置する度に作業順序をアーケードの各列について繰り返す。

先行技術の熱検出器の平面図である。 先行技術の熱検出器のＡ−Ａ線矢視断面図である。 本発明の特定の実施形態を示す図である。 本発明の特定の実施形態を示す図である。 図４に示す特定の実施形態のＢ−Ｂ線矢視断面図である。 本発明の特定の実施形態を示す図である。 本発明の特定の実施形態を示す図である。 本発明の検出器の熱損失を電気的抵抗体のネットワークからの類推により推定できるようにする抵抗体のネットワークを示す図である。

Claims (10)

1. 吸収メンブレン（１）を有する熱電磁放射線検出器であって、吸収メンブレン（１）が、該メンブレン（１）を基板（２）から断熱する支持手段により基板（２）にほぼ平行な方向で基板（２）の前側フェース上に浮いた状態で固定されている検出器において、支持手段は、基板（２）にほぼ垂直に位置する平面内に配置された少なくとも１つの小窩状構造体を有することを特徴とする検出器。
2. 請求項１記載の検出器であって、小窩状構造体は、吸収メンブレン（１）の一方の縁部に沿って吸収メンブレン（１）と基板（２）との間に配置されていることを特徴とする検出器。
3. 請求項１又は２記載の検出器であって、支持手段は、吸収メンブレン（１）に強固にと固定された少なくとも１つのアーム（３）を有し、各小窩状構造体は、対応のアーム（３）と基板（２）との間にそれぞれ配置されていることを特徴とする検出器。
4. 請求項３記載の検出器であって、小窩状構造体は、単一の支承箇所（５）によってアーム（３）と接触状態にあることを特徴とする検出器。
5. 請求項１〜４のうちいずれか一に記載の検出器であって、小窩状構造体は、複数の横方向開口を備えた壁により形成されていることを特徴とする検出器。
6. 請求項５記載の検出器であって、壁は、スペーサにより分離された複数の重なり合った薄い層（６）から成ることを特徴とする検出器。
7. 請求項６記載の検出器であって、スペーサは、基板（２）に垂直な間仕切り（７）によって形成されていることを特徴とする検出器。
8. 請求項６記載の検出器であって、スペーサは、基板（２）に垂直に配置された中空筒体（８）によって形成されていることを特徴とする検出器。
9. 請求項５記載の検出器であって、壁は、薄い層により形成された少なくとも２つの重なり合う列状のアーケード（９）から成り、アーケード（９）の第１の列は、基板（２）の前側フェース上に配置され、別の列のアーケード（９）は、最下部の列の２つの隣り合うアーケード（９）の頂部上に配置されていることを特徴とする検出器。
10. 請求項１〜４のうちいずれか一に記載の検出器であって、小窩状構造体は、多孔質パッド（１０）を含むことを特徴とする検出器。

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