JP2009122104A - ナノワイヤ接続を有する電磁放射検出器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、良好な性能を提示し、生産が容易な、特にボロメータ型の、電磁放射検出器を提供すること。
【解決手段】電磁放射検出器は、吸収されたエネルギーを、温度とともに変化する抵抗を有する少なくとも１つの抵抗温度計（６）に伝達される熱に変換する少なくとも１つの放射吸収膜（１）を含む。各吸収膜（１）は、膜（１）の中央領域に接続されるナノワイヤ（８）によって基板（２）の上に浮遊される。ナノワイヤ（８）は、互いに電気的に絶縁され、前記温度計（６）の測定領域にそれぞれ接続される導電性の芯（９）および導電性の外層（１１）を含む。ナノワイヤは、膜に対する支持の目的および測定領域と基板の高さに配置された回路との間の電気接続の目的の両方に役立つ。
【選択図】図４

Description

本発明は、吸収されたエネルギーを、温度とともに変化する抵抗を有する少なくとも１つの抵抗温度計に伝達される熱に変換する少なくとも１つの放射吸収膜を含み、その膜が、ナノワイヤに基づく電気接続手段を構成する支持手段によって基板の上に浮遊されている、電磁放射検出器に関する。

本発明はまた、そのような電磁放射検出器を製造する方法にも関する。

シリコン・マイクロエレクトロニクスおよびナノエレクトロニクスならびに薄層の生産における最近の技術的進歩は、温度計材料としての役目も果たす、または好ましくはその上に温度計材料が配置される吸収膜を含み、その膜が、支持手段によって基板の上に浮遊状態で固定されている、赤外放射熱検出器の技術に新たな弾みをつけた。

図１および図２は、入射する電磁放射に対して吸収性があり、支持手段によって基板２に実質的に平行に浮遊状態で保持される膜１を含む電磁放射検出器を例示する。後者の膜１は、２つの熱絶縁アーム４を含み、それらはまた、導電性であり、膜１にしっかりと取り付けられ、実質的に膜１の面内に配置されてもいる。各アーム４は、基板２に垂直で、膜を支持する支柱３を用いて基板２に固定される。支柱３は、電気接続および熱絶縁の両方を行わなければならない。放射の効果のために、膜は熱くなり、その温度を膜上に配置された温度計６、例えば膜上に堆積された薄層の形のサーミスタへ伝達する。

基板２は、シリコン・ウエハ上に集積化され、一方では刺激回路および温度計読み出し回路を含み、他方では異なる温度計から発生する信号が、通常の画像システムによって使用される減少した出力数へ連続化され、伝達されることを可能にする多重化部品を含む、電子回路を有することができる。熱検出器の感度を改善するために、支持手段（支柱３およびアーム４）は、吸収膜１を基板２から熱的に絶縁し、それによって膜の熱損失が制限されることを可能とし、その結果その加熱が保存されることを可能とするなどのように設計される。

温度計６と基板２上に配置された読み出し回路との間の電気接続は一般に、アーム４を用いておよび支柱３の金属化によって達成される。

文書欧州特許第１６５３２０５号は、収縮による熱絶縁を備えるボロメータ検出器を開示する。前述同様に、この検出器は、能動部品を基板の上に浮遊した状態に保ち、読み出し回路と能動部品との間の電気伝導を行うように設計された支柱３を含む。熱絶縁を最適化するために、支柱３は、マイクロチップによって延長されてもよく、または図３のように、ボロメータ膜１を支持するマイクロチップ７を備える中間枠５を支持してもよい。マイクロチップ７は、炭素ナノチューブまたはナノワイヤによって形成されてもよい。
欧州特許第１６５３２０５号 米国特許第６９９６１４７号

本発明の１つの目的は、良好な性能を提示し、生産することが容易な、特にボロメータ型の、電磁放射検出器を提供することである。

本発明によれば、この目的は、各膜に対して、支持手段が、前記膜の領域に接続されるナノワイヤを含み、そのナノワイヤが、互いに電気的に絶縁され、対応する温度計の別個の測定領域にそれぞれ接続される、導電性の芯および導電性の外層を有するという事実によって達成される。

電磁放射検出器を生産する方法を提供することが、本発明のさらなる目的である。この方法は、後続の連続するステップ、即ち、
・基板の高さにおける接続パッドの創設、
・各接続パッド上への触媒の小滴の堆積、
・ナノワイヤ芯の成長、
・各ナノワイヤの芯上への電気絶縁層の形成、
・電気絶縁層で被覆されるナノワイヤ芯がその中に埋め込まれる高分子樹脂の堆積、
・平坦化、
・ナノワイヤ芯の自由端を解放、
・各ナノワイヤに関連する電気絶縁膜を構成する電気絶縁層の堆積およびパターン形成、
・高分子樹脂を除去、
・各ナノワイヤの導電性外層および温度計の形成、
を含む。

他の利点および特徴は、限定的でない例の目的だけのために与えられ、添付の図面で表される、本発明の特定の実施形態の後続の記述からさらにはっきりと明らかになるであろう。

図４、図６および図１２では、電磁放射検出器は、電流の投入および帰還の両方ならびに吸収膜１の支持を受け持つ単一ナノワイヤ８によって基板２の上に浮遊された少なくとも１つの放射吸収膜１を含むボロメータである。温度計６は、吸収膜１によって支持される、または吸収膜１の中に集積化される。吸収膜１は熱くなるとその熱を、抵抗型の、即ちその電気抵抗がその熱の関数として既知の方法で変化する温度計へ伝達する。温度計６は、高い温度係数および低い低周波数雑音を持つ少なくとも１つの層または細片によって形成されてもよい。温度計は、一方ではナノワイヤの芯９に、他方では外層１１に接続される。

好ましくは円形断面のナノワイヤ８は、膜１の好ましくは中央領域に接続される。それは、絶縁体１０によって互いに電気的に絶縁される、導電性の芯９および同様に導電性の外層１１を含む。ナノワイヤの芯９および外層１１は、それらの端部において温度計６の別個の測定領域にそれぞれ接続され、それらの基部において、基板の高さに形成される接続パッド１６ａおよび１６ｂにそれぞれ接続される。パッド１６ａおよび１６ｂは、温度を測定するために必要な電力供給の対応する接続端子に接続される。

図４で例示される実施形態では、キノコ形の検出器は、温度計６を支持する少なくとも１つの電気絶縁性の吸収膜１を含む。ナノワイヤ８の芯９は、膜の中心を貫通する。ナノワイヤの芯は、温度計６と電気接触している。外層１１は、好ましくは温度計の周囲で温度計と接触するようにナノワイヤおよび膜１の一部を覆う。

図５および６で例示される好ましい実施形態では、ナノワイヤ８の芯９および外層１１は、吸収膜１を形成する２つの導電性部品１２ａおよび１２ｂにそれぞれ接続される。２つの部品１２ａおよび１２ｂは、電磁放射吸収体としておよび温度計６に電力を供給するための電気導体としての両方の役目を果たす。部品１２ａは、導電性である熱絶縁アーム４ａによってナノワイヤの芯９に接続されてもよいのに対して、部品１２ｂは、同様に導電性である熱絶縁アーム４ｂによってナノワイヤの外層に接続されてもよい。部品１２ａおよび関連するアーム４ａは、電気絶縁層１３によって他方の部品１２ｂからおよび関連するアーム４ｂから電気的に絶縁される。電気絶縁層１３は、各部品１２ａおよび１２ｂに面する少なくとも１つの開口部１４を含む。図５および６では、温度計６は、電気絶縁層１３上に配置された２つの細片６ａおよび６ｂから成る。各細片は、測定領域を形成する開口部１４の高さにおいて２つの部品１２ａおよび１２ｂと電気接触している。細片６ａおよび６ｂは、非晶質シリコンおよびその合金、バナジウム酸化物、ならびにもっと一般的に、ある種の遷移金属酸化物などの、低い低周波数雑音を持つ高い温度係数材料で作られている。

図１２で例示される特定の実施形態では、キノコ形である検出器は、少なくとも１つの電気絶縁膜１５を含み、それの中心をナノワイヤ８の芯９が貫通する。導電層は、ナノワイヤの外層１１を構成し、電気絶縁膜１５を囲む。この導電層は、絶縁膜１５上に吸収膜１および温度計６の両方を形成する。それは、絶縁膜１５の上でナノワイヤ８の芯９と接触しており、温度計をナノワイヤの周囲でナノワイヤの基部に接続する。

上述の異なる特定の実施形態では、図１２の実施形態でのように、単一のナノワイヤ８は、膜１に対する中央支持支柱を形成するだけでなく、関連する電気的相互接続も行う。導電性で、互いに絶縁される同軸の芯９および外層１１から成るナノワイヤの使用は、基板２内に集積化された処理回路を検出器の２つの別個の測定領域と接続するためにナノワイヤが使用されることを実際に可能にする。

配列またはマトリクスの形で配置された、図１２によるいくつかの基本的なキノコ形の検出器を含む検出器を生産する方法は、図７から１２で例示される。

まず第一に（図７）、接続パッド１６ａが、好ましくは局部的なドーピング、注入またはエピタキシーによって基板２（シリコンまたはＳＯＩ型で作られる）の高さに形成される。次いで、好ましくは金の触媒の小滴１７が、各接続パッド１６ａ上に堆積される。好ましくはドープされたシリコンで作られる複数のナノワイヤ８の芯９の成長ステップが、気体−液体−固体（Ｖａｐｏｒ−Ｌｉｑｕｉｄ−Ｓｏｌｉｄ）（ＶＬＳ）技術によってその後行われる（図８）。電気絶縁層が、好ましくは酸化またはシリコン酸化物堆積によってその後形成される。それは、各ナノワイヤの芯９を覆い、それによってナノワイヤの絶縁体１０および２つの隣接するナノワイヤ間の基板２の被覆１０’を形成する（図９）。次いで、高分子樹脂１８が堆積され、電気絶縁層１０によって覆われるナノワイヤ８の芯９を埋める。樹脂１８は、例えば気相で堆積されるまたは回転塗布によるパリレン（parylene）である。化学的機械的研磨によって平坦化ステップが行われ、次いでナノワイヤ８の芯９の自由端（上端）が、化学的エッチングまたはプラズマエッチングによって解放される（図１０）。絶縁体１０は、好ましくはナノワイヤの芯の突き出た端部に保存される。次いで（図１１）、電気絶縁層の堆積およびパターン形成は、電気絶縁膜１５が各ナノワイヤの上に形成されることを可能にする。高分子樹脂１８がその後除去され、次いで導電性外層１１および温度計が形成される。

代替実施形態（図１２）によると、高分子樹脂１８が除去された後、ナノワイヤは、例えばＣＶＤまたはＰＣＶＤによる導電層の堆積によって金属化される。この導電層は、好ましくは金属性である。それは、各膜１５の上に抵抗性（温度計）および吸収性の両方の膜１を形成する。もし吸収が十分でないならば、導電層上に高吸収係数を持つ追加の層を加えることが考えられてもよい。各ナノワイヤの外層１１は、ナノワイヤの芯と基板との間の帰還電気相互接続としての役目を果たす。この同じ層は、基板の高さにおいてナノワイヤの基部で隣接するナノワイヤの外層１１を直列に接続する。

別の代替実施形態によると、図４で例示される検出器を得るために、高分子樹脂１８が除去された後、外層１１は、ＰＣＶＤによって形成される。それは、各ナノワイヤおよび関連する膜１の一部を覆う。温度計は、エッチング後自由に残された場所で膜１上にその後形成される。温度計はまた、最初に膜１上に形成されてもよく、次いで外層１１が、温度計と接触するようにナノワイヤおよび膜１の一部を覆うために堆積される。

各ナノワイヤ８は、例えば２．５ミクロンの長さを有する。その芯９は、１５ｎｍの直径で、導電性材料、好ましくは強くドープされた半導体材料または金属で作られる。好ましくはＳｉＯ_２で作られる電気絶縁層１０は、２ｎｍの厚さを有する。各ナノワイヤの外層１１は、３ｎｍの厚さで、導電性材料、好ましくは強くドープされた半導体材料または金属で作られる。ナノワイヤ８の熱抵抗が、同じ直径のバルク・ナノワイヤの熱抵抗と同等であり、フォノンの拡散挙動を仮定するフーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）の法則が依然として適用可能であると仮定すれば、２５ｎｍの直径を持つそのようなナノワイヤ８は、約９．５Ｗ／ｍ．Ｋの熱伝導率ｋ、即ち約５４０ＭＫ／Ｗの熱抵抗Ｒｔｈ＝Ｌ／ｋＳを有する。ただし、Ｌはナノワイヤの長さであり、Ｓはナノワイヤ中の熱流束通路の断面積である。この熱抵抗は、広域的には約５０から１００ＭＫ／Ｗである、従来技術による浮遊アーム４で得られるものよりもはるかに高い。

芯９および外層１１が強くドープされた半導体で作られている場合には、その半導体は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、およびＧａＮから選択されてもよい。

実際には、この熱抵抗はもっと高くてもよい。熱流束通路の約２０％を占める電気絶縁層１０は、実際には上で含まれる熱伝導率よりも低い、約１Ｗ／ｍ．Ｋの熱伝導率を有する。さらに、環状構成は、界面において追加のフォノン拡散を提供する。ドープされたシリコンの芯９はさらに、その熱伝導率が２倍から３倍低減されるヘテロ接合の軸方向の積み重ねによって生産されてもよい。この型のヘテロ構造のナノワイヤは、例えば米国特許第６９９６１４７号で述べられる。ナノワイヤの長さを増加させることは、熱抵抗の比例する増加をもたらすであろうが、しかし支払うべき代償は空洞不釣合い（ｃａｖｉｔｙ ｍｉｓｍａｔｃｈ）であろう。例えば、１０ミクロンの長さを持つナノワイヤに対して、熱抵抗は４倍されて、２１４０ＭＫ／Ｗの値に達するであろう。

ナノワイヤの小さな直径は、ナノワイヤを対応する膜の下側に位置付けることによって可能とされる高い縦横比とあいまって、既知のデバイスよりもはるかに良好な、優れた熱絶縁性を保証する。しかしながら、製造中の垂直壁の強度または改善された被覆の理由のため、より大きな厚さの層（特にさらに低熱伝導率である絶縁層）を作ることが考えられてもよい。ナノワイヤの全直径は、その時２５０ｎｍに達する可能性がある。全直径は、好ましくは２５０ｎｍよりも小さい。

検出器は好ましくは、マトリクスの形でもっと従来的に配置された測定画素を達成するいくつかの膜１を含む。膜１はその時、ナノワイヤの芯９によって、基板高さに配置される共通接続パッドに接続される。共通パッドは、電力供給の端子に接続される。ナノワイヤの外層１１はさらに、別の電力供給端子に接続される対応する接続パッド１６ｂに個別に接続される。

含まれる放射波長に依存して、検出器は、近赤外（０．７から５ミクロンまでの波長）または中間赤外（５から３０ミクロンまで）のみならず、可視（４００と７００ｎｍとの間に含まれる波長）でも、同様に紫外以下（１０と４００ｎｍとの間に含まれる波長）でも正常に機能することができる。

膜の熱絶縁性を改善するために、検出器全体は、考慮される放射に透明な窓の後ろで、真空中または非常に低い圧力の気体中に置かれてもよい。

検出器はまた、熱雑音を低減するために冷却手段を含んでもよい。基板はまた、検出器の精度および再現性を増加させるためにペルチェ（Ｐｅｌｔｉｅｒ）効果素子を使用して決定される温度に保持されてもよい。

各膜に対する単一相互接続素子としての同軸ナノワイヤの使用は、少なくとも２つの絶縁アームを持ち、支持支柱を持つ構成と比較して、多数の利点を提示する。主要な利点は、吸収膜の単一支持の非常に低減した寸法による高集積化に起因する。膜に対する支持としての役目を果たすナノワイヤの同軸的性質は、単一のナノワイヤが膜ごとに使用されることを可能にする。各膜を支持する単一ナノワイヤの寸法が膜の寸法と一致するとき、上述の検出器はその結果、温度計の良好な熱絶縁性、基本的な点の良好な充てん率および非常に小さな周期幅（測定されるべき放射の波長の半分に至るまで）を持つ基本的な検出器を達成する能力を有する。

従来技術による検出器の上面図を例示する図である。 ＡＡに沿った断面で図１の検出器を表す図である。 従来技術による別の検出器を例示する図である。 本発明による検出器の一実施形態を例示する図である。 本発明による検出器の特定の実施形態の上面図を例示する図である。 図５の検出器のＢＢに沿った断面図を例示する図である。 本発明による検出器の特定の実施形態の生産方法を例示する図である。 本発明による検出器の特定の実施形態の生産方法を例示する図である。 本発明による検出器の特定の実施形態の生産方法を例示する図である。 本発明による検出器の特定の実施形態の生産方法を例示する図である。 本発明による検出器の特定の実施形態の生産方法を例示する図である。 本発明による検出器の特定の実施形態の生産方法を例示する図である。

符号の説明

１ 膜
２ 基板
３ 支柱
４ 熱絶縁アーム
４ａ 熱絶縁アーム
４ｂ 熱絶縁アーム
５ 中間枠
６ 温度計
６ａ 細片
６ｂ 細片
７ マイクロチップ
８ ナノワイヤ
９ 芯
１０ 絶縁体
１０’ 被覆
１１ 外層
１２ａ 導電性部品
１２ｂ 導電性部品
１３ 電気絶縁層
１４ 開口部
１５ 電気絶縁膜
１６ａ 接続パッド
１６ｂ 接続パッド
１７ 触媒の小滴
１８ 高分子樹脂

Claims (14)

1. 吸収されたエネルギーを、温度とともに変化する抵抗を有する少なくとも１つの抵抗温度計に伝達される熱に変換する少なくとも１つの放射吸収膜を含み、前記膜が、ナノワイヤに基づく電気接続手段を構成する支持手段によって基板の上に浮遊されている、電磁放射検出器であって、各膜に対して前記支持手段は、前記膜の領域に接続されるナノワイヤを含み、前記ナノワイヤが、互いに電気的に絶縁され、前記対応する温度計の別個の測定領域にそれぞれ接続される導電性の芯および導電性の外層を有することを特徴とする検出器。
2. 前記ナノワイヤの前記芯および前記外層は、前記膜を形成する２つの導電性部品にそれぞれ接続され、前記部品のうちの１つが、電気絶縁層によってもう１つの部品から電気的に絶縁され、前記電気絶縁層が、各部品に面する少なくとも１つの開口部を含み、前記温度計が、前記電気絶縁層上に配置され、測定領域を形成する前記開口部の高さにおいて前記２つの部品と電気接触していることを特徴とする、請求項１に記載の検出器。
3. 前記芯および前記外層は、熱絶縁アームによって前記導電性部品にそれぞれ接続され、前記アームが、導電性であり、前記部品と同じ材料で作られていることを特徴とする、請求項２に記載の検出器。
4. 前記温度計は、前記測定領域に接続される２つの細片によって形成されることを特徴とする、請求項１から３の一項に記載の検出器。
5. 少なくとも１つの電気絶縁膜を含み、その中心を前記ナノワイヤの前記芯が貫通し、導電層が、前記ナノワイヤの前記外層を形成し、前記電気絶縁膜の上で前記ナノワイヤの前記芯と接触する前記吸収膜および前記温度計を形成するために前記電気絶縁膜を囲むことを特徴とする、請求項１に記載の検出器。
6. 前記吸収膜は、電気絶縁性であり、前記温度計を支持し、前記温度計と電気接触する前記ナノワイヤの前記芯が、前記膜の中心を貫通し、導電層が、前記ナノワイヤの外層を形成し、前記温度計の周囲において前記温度計と接触するように前記膜の一部を覆うことを特徴とする、請求項１に記載の検出器。
7. 前記芯および前記外層は、金属またはＳｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、およびＧａＮから選択される強くドープされた半導体で作られることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の検出器。
8. 前記ナノワイヤは、２５０ｎｍ未満の全直径を有することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の検出器。
9. 複数の吸収膜は、マトリクスの形で配置され、前記ナノワイヤの前記芯によって前記基板の高さで電気接続パッドに接続され、前記ナノワイヤの前記外層が、前記基板の高さで接続されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の検出器。
10. 請求項５から９の一項に記載の検出器を製造する方法であって、それは、後続の連続するステップ、即ち
    前記基板の高さにおける接続パッドの創設、
    各接続パッド上への触媒の小滴の堆積、
    前記ナノワイヤ芯の成長、
    各ナノワイヤの前記芯上への電気絶縁層の形成、
    前記電気絶縁層で覆われる前記ナノワイヤ芯がその中に埋め込まれる高分子樹脂の堆積、
    平坦化、
    前記ナノワイヤ芯の自由端を解放、
    各ナノワイヤと関連する前記電気絶縁膜を構成する電気絶縁層の堆積およびパターン形成、
    前記高分子樹脂の除去、
    各ナノワイヤおよび前記温度計の導電性外層の形成、
    を含むことを特徴とする方法。
11. 前記温度計は、前記外層の堆積前に、前記膜上に形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記外層は、各ナノワイヤおよび前記関連する膜の一部を覆う堆積によって形成され、前記温度計が、前記層のエッチング後の位置に形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
13. 前記外層および前記温度計は、単一層の堆積によって形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
14. 前記ナノワイヤの前記芯上への前記電気絶縁層の形成は、酸化またはシリコン酸化物の堆積によって行われることを特徴とする、請求項１０から１４の一項に記載の方法。

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