JP2007526472A - アクティブ・マイクロボロメータおよびパッシブ・マイクロボロメータを備える放射の熱検出用装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、反射スクリーン（１７）と、放射吸収体、温度計および電気的接続の機能を有するサスペンド膜とを備えるパッシブ・マイクロボロメータ（１２）に関する。この膜は、支持基板（１６）に固定された少なくとも２つのアンカー素子（１５）によって支持される。反射スクリーン（１７）は、厚さ５００Å〜２０００Å程度の少なくとも１つの金属材料層（１８）によって実施されてもよい。スクリーン（１７）および吸収素子（１３）で構成されているユニットの面積抵抗を下げ、また後者による放射の吸収を避けるように、スクリーン（１７）は膜の下に膜の吸収体素子（１３）と電気的に接触して配置される。

Description

本発明は、少なくとも１つのアクティブ・マイクロボロメータ（ａｃｔｉｖｅ ｍｉｃｒｏｂｏｌｏｍｅｔｅｒ）および少なくとも１つのパッシブ・マイクロボロメータ(ｐａｓｓｉｖｅ ｍｉｃｒｏｂｏｌｏｍｅｔｅｒ)を備え、その各々が放射吸収体、温度計および電気的接続の機能を実施するサスペンド膜（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ｍｅｍｂｒａｎｅ）を備える、放射（ｒａｄｉａｔｉｏｎ）の熱検出用装置の製造方法であって、これらのアクティブ・マイクロボロメータおよびパッシブ・マイクロボロメーが単一の支持基板上に同時に形成され、反射スクリーンが装置全体に形成され、次いでアクティブ・マイクロボロメータの位置に向き合うところで除去される方法に関する。

本発明はまた、このような方法によって製造されるパッシブ・マイクロボロメータに関する。

一般に、マイクロブリッジを有するマイクロボロメータは、支持基板上のアンカー（ａｎｃｈｏｒｉｎｇ）素子によって支持されるサスペンド膜を備える。この膜は３つの機能、すなわち、吸収素子による入射放射の吸収、温度測定素子による熱量の抵抗変化への変換、および１つまたは複数の電極による支持基板との電気的接続を実現する。

これら３つの機能は、別々の３つの素子によって行われてもよい。吸収素子が入射放射の効果により熱くなり、その熱を温度測定素子に伝導し、この温度測定素子の温度上昇が、好ましくはマイクロボロメータ外部の電子測定回路によって電子的に測定される。この膜と支持基板との電気的接続は、たとえば電極によって実現される。したがって、この吸収素子は、入射光束（ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｌｕｍｉｎｏｕｓ ｆｌｕｘ）、たとえば光子を熱流束（ｈｅａｔ ｆｌｕｘ）に変換するように設計される。この熱流束が温度測定素子の温度変化を誘起し、温度測定素子がこの温度変化を電気信号に変換する。上方にこの膜が懸架されている支持基板は、このマイクロボロメータの冷点を構成し、電気信号を使用する電子測定回路を含む。

いくつかの場合においては、これら３つの機能が２つの素子のみによって実施されてもよい。たとえば、ボロメータ材料は、吸収素子と温度測定素子の両方の機能を実施することができ、その場合、支持体との電気的接続は、温度測定素子に接続された電極によって実現される。

別の代替実施形態においては、電極が電気的接続と吸収素子の両方の機能を同時に実施することができる。その場合、ボロメータ材料は温度測定素子を構成するだけである。

たとえばコイル状の電極は、電気的接続と温度測定素子の両方の機能を実施することもでき、吸収素子は別の素子である。

図１では、マイクロボロメータ１が、２つのアンカー素子４によって支持基板３上に懸架された膜を備え、これらのアンカー素子４は膜と基板３の間の熱リンク（ｔｈｅｒｍａｌ ｌｉｎｋ）をも形成する。この膜は、温度測定素子５を支持する少なくとも１つの吸収素子２を備え、この温度測定素子の温度変化は電極（図示せず）によって測定される。支持基板３は、マイクロボロメータ１によって行われる測定を使用するための電子測定回路（図示せず）を備える。支持基板３と膜の間に絶縁アーム６を導入して膜の熱損失を制限し、したがってその熱を保存することにより、測定感度を向上させることができる。

温度測定素子５は、抵抗型でよい。その場合、測定されるのは温度測定素子５の抵抗変化および／またはインピーダンス変化である。たとえば、電極に接触するボロメータ材料によって温度測定素子５が形成されてもよく、この電極は、特別な形状、たとえばコイル状であるため、吸収素子と電気的接続の両方の役割を果たす。その場合、マイクロボロメータ１によって吸収された入射放射により吸収体２の温度上昇が生じ、それにより温度測定素子５の電気抵抗の変化が生じる。この抵抗変化は、好ましくはアンカー素子４に固定して取り付けられた電極の端子で測定される。

効率的な動作には、マイクロボロメータ１に関して、３つの主要な条件、すなわち、低発熱量、支持基板３からの膜の優れた断熱、および発熱から電気信号への変換効果の優れた感度が満たされる必要がある。最初の２つの条件は、マイクロボロメータ１を実現するために薄い層を実施することによって達成される。

図２は、マイクロボロメータをベースとする検出装置の読取り原理を示す。この装置は、入射放射（ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）８、たとえば赤外線を吸収する測定用マイクロボロメータ７、すなわちアクティブ・マイクロボロメータを備える。マイクロボロメータ７の抵抗の変化は、この放射の値を表すものである。この測定を行うために電流読取りがしばしば使用される。マイクロボロメータ７からの出力線上の電流は、可変部分と不変部分とを有する。この検出器は、実際には相対的に動作する、すなわち、連続不変のバックグラウンド信号を検出するが、このバックグラウンド信号は、一般にこのバックグラウンド信号に比べて小さい有用な可変信号の測定を妨げる恐れがある。したがって、放射値の最適な測定を行うには、電流のこの不変部分が取り除かれなければならない。

読取り感度を増大させるために、電流の可変部分のみが積分器９へと送られるように、好ましくは電流の不変部分は派生ブランチ（ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ ｂｒａｎｃｈ）へと分岐される。エレクトロニクスという点からすると、派生ブランチとして作用する素子は、過剰の障害を生じさせないようノイズが多すぎてはならない。このため、この派生ブランチは、順方向にバイアスがかけられた十分に高い値の抵抗器によって実現される。従来の解決策は、派生ブランチとしてパッシブ・マイクロボロメータ、すなわち放射を検出しないマイクロボロメータを使用することにある。

したがって、この派生ブランチは、図２に示されるように、派生（ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ）マイクロボロメータ１０を備え、放射８とマイクロボロメータ１０との間に設置された保護スクリーン１１によってマイクロボロメータ１０が遮蔽されている。したがって、マイクロボロメータ１０は、放射を吸収せず参照基準として作用するパッシブ・マイクロボロメータへと変えられる。

したがって、この検出装置の効率は、パッシブ・マイクロボロメータ１０の特性にも関連し、パッシブ・マイクロボロメータ１０は完全に遮蔽されていなければならず、有利には最低限の耐熱性を示さなければならない。

他の検出装置では、２つのマイクロボロメータを備えるブリッジ構成が使用され、これらのマイクロボロメータの１つが、放射とこのマイクロボロメータの間に保護スクリーンを取り付けることによりパッシブとなっている（欧州特許出願公開第０８９２２５７号および第０５６６１５６号）。

マイクロボロメータの前に保護スクリーンを設置することにより、製造に関して問題が引き起こされる。

本発明の目的は、これらの欠点を改善することであり、またその保護スクリーンの製造が、パッシブ・マイクロメータの作製プロセスに組み込まれている、パッシブ・マイクロボロメータを実現することである。

本発明によれば、この目的は添付の特許請求の範囲によって実現され、より詳細には、膜が温度測定素子と電気的接続を実施する放射吸収素子とを備え、この膜の吸収素子に接触する少なくとも１つの金属層を備える反射スクリーン上にパッシブ・マイクロボロメータが形成されることにより実現される。

他の利点および特徴は、単に非制限的な例として示され、添付図面に表される本発明の特定の諸実施形態についての以下の説明から、よりはっきりと明らかになるであろう。

図３に示される特定の実施形態においては、パッシブ・マイクロボロメータ１２は、放射吸収素子１３と、マイクロボロメータ１２の温度測定素子１４を構成するボロメータ材料とを有するサスペンド膜を備える。この膜は、支持基板１６上に配置された２つのアンカー素子１５によって支持されている。

パッシブ・マイクロボロメータ１２は、膜の下に形成された反射保護スクリーン１７を備える。保護スクリーン１７は、たとえば少なくとも１つの反射層１８によって、金属が特に赤外線放射で優れた放射反射特性を示すことから、好ましくは金属層によって形成される。スクリーン１７は、入射放射に対して反射性でなければならず、またボロメータ材料によって形成される温度測定素子１４を短絡させてはならない。したがって、保護スクリーン１７は、吸収素子１３のみと電気的に接触しており、ボロメータ材料によって形成される温度測定素子１４は吸収素子１３上に配置される。

保護スクリーン１７を構成する材料は、保護スクリーン１７が、放射を反射するのに必要な光学的および熱的特性を示すように選択される。層１８は、好ましくは優れた赤外線反射能を有し、真性の（ｇｅｎｕｉｎｅ）光学ミラーを構成する、アルミニウム、銀、金、および銅から選択された金属で作製される。この金属層の厚さは、約５００Å〜２０００Åである。

反射スクリーン１７に他の材料が選択されてもよい。たとえば、反射スクリーン１７は材料の層、特に金属またはドープされた酸化インジウムスズの層からなる本来絶縁性のスタック（ｓｔａｃｋ）を含んでもよい。

スクリーン１７は、干渉型の反射体、すなわち、絶縁性または導電性の薄い層のスタックを備えるスクリーンによって形成されてもよい。スクリーン１７は、表面テキスチャ（ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｅ）またはボリューム・テキスチャ（ｖｏｌｕｍｅ ｔｅｘｔｕｒｅ）の効果を有する材料から作製されてもよい。スクリーン１７は、サーメット材料、すなわち、電気伝導度のしきい値がセラミック中の金属濃度に応じて変わる、金属挿入物を含むセラミックで作製されてもよい。

温度測定素子１４を構成するボロメータ材料は、たとえば低抵抗または高抵抗であるｐ型またはｎ型の多結晶シリコンまたはアモルファス・シリコンである。このボロメータ材料は、半導電体相（ｓｅｍｉ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｐｈａｓｅ）中で生成された酸化バナジウム、あるいはフェライトまたはマンガナイトでもよい。

支持基板１６は、たとえばシリコンをベースとする支持体である。支持基板１６は、パッシブ・マイクロボロメータ１２の機械的強度を確保し、好ましくはバイアスをかけ温度測定素子の抵抗値を読み取るためのデバイス（図示せず）を備える。支持基板１６は、特に検出器がいくつかのマイクロボロメータをマトリックス構造で備える場合に、異なるマイクロボロメータからの信号が直列化され、通常の画像処理システムで使用されるためにより少ない数の出力端子に送信されることを可能にする多重化用構成要素（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を含んでもよい。

図３のこの特定の実施形態において、吸収素子１３のシート抵抗Ｒ_□は、放射を吸収するために約３００Ωでなければならない。吸収素子１３およびスクリーン１７によって形成されるアセンブリのシート抵抗が反射体のシート抵抗、すなわち約０．１Ωのシート抵抗となるように、吸収素子１３は反射スクリーン１７と電気的に接触していなければならない。このとき、吸収素子１３のシート抵抗はスクリーン１７のシート抵抗と関連している。

入射放射は、この実施形態では透明である、温度測定素子１４を形成するボロメータ材料を通過し、次いで吸収素子１３および金属スクリーン１７によって形成されるアセンブリにぶつかり、金属スクリーン１７はこのとき反射スクリーンの役割を担い、その後放射は外に出る。アセンブリ１３、１７の小さいシート抵抗が、放射が吸収されるのを防ぎ、したがって膜が熱くなるのを防ぐ。したがって温度測定素子１４は熱くならず、その抵抗は不変のままである。

一代替実施形態においては、図示されていないが、パッシブ・マイクロボロメータ１２と支持基板１６の間の電気的接続を実施するように設計された電極が、特別な形状、たとえばコイル状であり、また同時に吸収素子１３を構成する。

これらの電極を形成する材料は、たとえばチタン、窒化チタン、白金、アルミニウム、パラジウム、ニッケル、ニッケルとクロムの合金などから選択される。電極の厚さは約０．００５μｍ〜１μｍである。

別の代替実施形態においては、図示されていないが、ボロメータ材料が温度測定素子１４とたとえばコイル状の電極の両方によって形成され、吸収素子１３が別の素子である。

すべての場合において、反射スクリーン１７は膜の下に配置されているが、このようにして得られたマイクロボロメータ１２は、その膜が放射を吸収しないのでパッシブである。

少なくとも１つのアクティブ・マイクロボロメータ１９と、図３による単一の支持基板１６上に製造された１つのパッシブ・マイクロボロメータ１２とを備える放射の熱検出用装置の特定の実施形態を、図４〜７に関してより詳細に説明する。

図４において、この装置を製造する方法では、まずアンカー素子１５を支える支持基板１６上に、好ましくはポリイミド製で、厚さがマイクロボロメータ１２および１９のアンカー素子１５の厚さとほぼ等しい犠牲層２０、およびパッシブ・マイクロボロメータ１２の保護スクリーン１７を構成する金属層２１を次々に堆積させることを含む。

図５において、アクティブ・マイクロボロメータ１９の位置に向き合うところでのみ保護スクリーン１７を構成する層２１のエッチングを行うことにより、保護スクリーン１７がパッシブ・マイクロボロメータ１２のレベルにのみ保持されることが可能となる。図３〜７のこの特定の実施形態においては、反射スクリーン１７が導電性材料で作製される。したがって、アンカー素子１５に対してこの層の誘電体絶縁を提供することが不可欠である。この絶縁は、図３に示されるように、たとえばエッチングによって実現される、反射スクリーン１７中の切れ目によってもたらされる。次いで、マイクロボロメータ１２および１９の膜２２を形成する様々な層が、犠牲層２０上に、またパッシブ・マイクロボロメータ１２のレベルに配置された保護スクリーン１７上に堆積される。

図６において、次いで膜２２をエッチングすることにより、マイクロボロメータ１２とマイクロボロメータ１９の境界を定めることが可能となる。最後に、犠牲層２０をエッチングすることにより、図７に示される検出器を得ることが可能となり、この検出器は、膜２２の下に配置された一体化保護スクリーン１７を有するパッシブ・マイクロボロメータ１２と、同じ支持基板１６上に配置されたアクティブ・マイクロボロメータ１９とを有する。

上記の製造方法では、たとえば化学的エッチング・プロセスまたはプラズマ・エッチング・プロセス、あるいはリフトオフ・プロセスによって保護スクリーン１７が画定される。金属保護スクリーン１７の場合、たとえば陰極スパッタリングによって、または熱分解（ＬＰＣＶＤ）によって金属層１８が堆積される。

その動作を向上させるために、特にアクティブ・マイクロボロメータ１９上に存在する熱絶縁アーム６をなくすことにより、パッシブ・マイクロボロメータ１２がサーマライズされて（ｔｈｅｒｍａｌｉｚｅｄ）も、すなわち、その熱伝導性が向上されてもよい。

いずれの場合においても、反射スクリーン１７の作製がマイクロボロメータ１２および１９の作製プロセスに組み込まれているので、マイクロボロメータ１２および１９の製造技術が反射スクリーン１７取付けの影響を受けることはない。これにより、マイクロボロメータの既知の製造方法および製造ラインを変える必要がないので、時間、特にコストの節約がもたらされる。

さらに、この検出装置は好ましくは真空中で動作するので、放射に接触する保護スクリーン１７の表面が特別なコーティングによって保護される必要はない。

本発明は、上記の実施形態に限定されない。この検出器は、赤外画像処理が実施されることを可能にするマトリックス・アーキテクチャを含んでもよい。このマトリックス・アーキテクチャは、単一の支持基板１６上に行列の形で規則的に配置された複数のアクティブ・マイクロボロメータ１９および複数のパッシブ・マイクロボロメータ１２からなる。作製方法は同じであり、支持基板１６に組み込まれた電子測定回路は、マイクロボロメータ１２および１９の各測定値を回収し使用してそれらの測定値を赤外画像に変換する。

この検出器は、性能を高めるために真空中または熱伝導性が非常に低いガス中に封入されてもよい。その場合、検出器が封入される筐体は、放射に対して透明な窓を備える。

この検出装置のマイクロボロメータ１２および１９は、たとえばサーミスタ、電極、ダイオードなどいかなるタイプの温度測定素子を含んでいてもよい。

従来技術によるマイクロボロメータを示す図である。 従来技術による放射の熱検出用装置の読取り原理を示す概略図である。 本発明によるパッシブ・マイクロボロメータの特定の実施形態を示す図である。 図３によるパッシブ・マイクロボロメータを備える放射の熱検出用装置の作製プロセスの一概略実施形態のステップを示す図である。 図３によるパッシブ・マイクロボロメータを備える放射の熱検出用装置の作製プロセスの一概略実施形態のステップを示す図である。 図３によるパッシブ・マイクロボロメータを備える放射の熱検出用装置の作製プロセスの一概略実施形態のステップを示す図である。 図３によるパッシブ・マイクロボロメータを備える放射の熱検出用装置の作製プロセスの一概略実施形態のステップを示す図である。

Claims (3)

1. 少なくとも１つのアクティブ・マイクロボロメータ（１９）および少なくとも１つのパッシブ・マイクロボロメータ（１２）を備え、その各々が放射吸収体、温度計および電気的接続の機能を実施するサスペンド膜（２２）を備える、放射の熱検出用装置の製造方法において、
   前記アクティブ・マイクロボロメータ（１９）および前記パッシブ・マイクロボロメータ（１２）が単一の支持基板（１６）上に同時に形成され、
   反射スクリーン（１７）が前記装置全体に形成され、次いで前記アクティブ・マイクロボロメータ（１９）の位置に向き合うところで除去される方法であって、
   前記膜（２２）が、温度測定素子（１４）と、前記電気的接続を実施する放射吸収素子（１３）とを備えており、
   前記パッシブ・マイクロボロメータ（１２）が、前記膜（２２）の前記吸収素子（１３）に接触する少なくとも１つの金属層（１８）を備える前記反射スクリーン（１７）上に形成されることを特徴とする方法。
2. 前記反射スクリーン（１７）が、前記膜（２２）の下に前記膜の吸収素子（１３）と接触して配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の方法によって形成されるパッシブ・マイクロボロメータ（１２）。
3. 前記金属層（１８）の厚さが約５００Å〜２０００Åであることを特徴とする、請求項１および２のいずれか一項に記載のマイクロボロメータ。

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