JP2010161113A - 光検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】 使用環境における温度変化の影響を効率良く低減しつつ、小型化を図ることができる光検出器を提供する。
【解決手段】 ボロメータ素子１１及びリファレンス素子２１を有する赤外線検出器１において、リファレンス素子２１は、ボロメータ膜２２と、ボロメータ膜２２の基板側表面に形成された基板側絶縁膜３１と、基板側絶縁膜３１を介してボロメータ膜２２の基板側表面に形成されたアモルファスシリコンからなる放熱膜２３と、放熱膜２３と基板１０とに熱的に接続されたアモルファスシリコンからなる複数の放熱柱２５とを有し、ボロメータ膜２２および基板側絶縁膜３１は、放熱膜２３における基板１０の表面と交差する側面にまで回り込んで形成されている。
【選択図】 図６

Description

本発明は、光検出器に関するものである。

従来、光検出器として、赤外線を検出するボロメータ型の赤外線検出器が知られている。ボロメータ型の赤外線検出器は、温度によって抵抗値が変化する材料を用いて赤外線を検知する光検出器であり、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１には、入射した赤外線を感知するボロメータ素子と、使用環境の変化により生じる温度変化を検出するリファレンス素子とを備えたボロメータ型赤外線検出器が開示されている。このボロメータ型赤外線検出器は、ボロメータ素子が出力する信号と、リファレンス素子が出力する信号を用いて使用環境の変化により生じる温度変化の影響を除いた信号の算出を行い、赤外線を検出する。
特開平１０−２２７６８９号公報

前述した特許文献１記載の赤外線検出器の場合、ボロメータ素子はシリコン基板上に空洞を介して支持されたボロメータ薄膜を有し、リファレンス素子はシリコン基板上に犠牲層を介して形成されたボロメータ薄膜を有している。

しかし、特許文献１記載の赤外線検出器では、リファレンス素子の犠牲層について熱伝導率が小さく、しかも熱容量が大きい材料が用いられるため、使用環境における温度変化の影響を十分に低減できないおそれがあった。

一方、使用環境における温度変化への応答性を向上するため、リファレンス素子における犠牲層の厚さを薄くするという考えがある。

しかし、犠牲層の厚さを薄くすると、リファレンス素子の高さが変わるため、ボロメータ素子の高さとリファレンス素子の高さの差が大きくなってしまう。そうすると、例えば露光によるパターニングの際に焦点深度を調節することが難しくなるため、微細なパターンを形成することが困難になり、赤外線検出器の小型化に支障をきたすおそれがある。

そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたもので、使用環境における温度変化の影響を十分に低減でき、しかも小型化が可能な光検出器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、基板の表面上にその基板の表面から離間して支持された第１のボロメータ膜と、基板の表面から離間して基板の表面上に支持された第２のボロメータ膜と、第２のボロメータ膜の基板側表面に形成された基板側絶縁膜と、その基板側絶縁膜を介して第２のボロメータ膜の基板側表面に形成されたアモルファスシリコンからなる放熱膜と、放熱膜と基板とに熱的に接続されたアモルファスシリコンからなる複数の放熱柱とを有し、第２のボロメータ膜および基板側絶縁膜は、放熱膜における基板の表面と交差する側面にまで回り込んで形成されている光検出器を特徴とする。

この光検出器は、第２のボロメータ膜が基板側絶縁膜、放熱膜及び放熱柱を介して基板に接続されている。このため、第２のボロメータ膜をリファレンス素子のボロメータ膜として採用する場合において、赤外線により第２ボロメータ膜に発生した熱が基板側絶縁膜、放熱膜及び放熱柱を介して基板に伝達される。また、第２のボロメータ膜および基板側絶縁膜は、放熱膜の側面にまで回り込んで形成されているから、第２のボロメータ膜および基板側絶縁膜と、放熱膜との接触面積が拡大され、第２のボロメータ膜から放熱膜に熱が伝達する経路が広がる。したがって、第２ボロメータ膜に発生した熱が基板に効率良く伝達されることになるため、使用環境の変化によって発生する温度変化のみを正確に測定することができる。その結果、使用環境における温度変化の影響を効率良く低減することが可能となる。さらに、リファレンス素子の熱を効率良く基板に放熱するために犠牲層の厚みを薄くする必要性が無くなるため、例えば露光によるパターニングをする場合に焦点深度の制御が容易となり、微細なパターンの形成が容易となる結果、小型化を図ることが可能となる。

上記光検出器は、基板の表面における第２のボロメータ膜と対向する領域に金属膜が形成され、複数の放熱柱は、金属膜を介して基板と熱的に接続されていることが好ましい。

こうすると、金属膜が放熱柱と基板との間に介在することにより、第２のボロメータ膜をリファレンス素子のボロメータ膜として採用する場合において、放熱柱と基板との熱的な接触面積を拡大することができる。よって、入射した赤外線によって第２のボロメータ膜に発生した熱を一層効率良く基板に伝達することができる。

さらに、上記光検出器は、基板の表面における第１のボロメータ膜と対向する領域に金属からなる反射膜が形成されていることが好ましい。

このようにすると、第１のボロメータ膜をボロメータ素子のボロメータ膜として採用する場合において、第１のボロメータ膜を透過した赤外線を反射膜によって第１のボロメータ膜側に反射させ第１のボロメータ膜へ再度入射させることができる。そのため、赤外線によって発生する熱を効率良く計測できるようになる。

そして、上記いずれの光検出器についても、第１のボロメータ膜及び第２のボロメータ膜は、基板の表面と略平行に配置され、かつ基板からの高さが略同じ位置に形成されていることが好ましい。このような構成にすることで、例えば露光によるパターニングをする場合に焦点深度の制御を一層容易とすることができる。

さらに、上記いずれの光検出器についても、放熱膜および複数の放熱柱を構成するアモルファスシリコンに金属元素が添加されていることが好ましい。こうすることで、熱伝達効率を高くすることができるからである。また、基板側絶縁膜は、シリコンを含む絶縁性材料を用いて形成されていることが好ましい。

以上のように本発明によれば、光検出器において、使用環境における温度変化の影響を効率的に低減しつつ、小型化を図ることができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本発明の実施形態に係る光検出器は、温度によって抵抗値が変化する材料を用いて赤外線を検出する、いわゆるボロメータ型の赤外線検出器であって、赤外イメージャやサーモグラフィー等に好適に用いられる。ここで、図１は本発明の実施形態に係る赤外線検出器の平面図、図２は図１の赤外線検出器の画素部の一部を拡大した平面図、図３は図１の赤外線検出器の１画素の構成を示す斜視図である。また、図４は図１の赤外線検出器の画素部における１画素の構成を示す平面図、図５は図１の赤外線検出器のリファレンス画素部における１画素の構成を示す平面図、図６は図４のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面及び図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面を組み合わせた赤外線検出器の模式的な断面図である。

図１に示すように、赤外線検出器１は、赤外線を熱変化により検出する検出器であって、基板１０と、基板１０上に形成された画素部１２、リファレンス画素部１３および信号処理回路部１４を有している。

基板１０は、例えばＳｉ（シリコン）基板が用いられ、一定の幅、奥行きおよび厚さを備えた平板状の部材である。なお、Ｓｉ基板の表面には熱酸化層や下地層が形成されることがあるが、本実施形態では、Ｓｉ基板にこれらの層が形成されているときはこれらの層も含んだものを基板１０としている。

画素部１２は赤外線受光器として機能するものであり、信号処理回路部１４と電気的に接続されている。また、画素部１２は、図２に示すように、基板１０上に複数の画素（ボロメータ素子１１）を縦横規則正しい２次元状に配置した２次元アレイ構造を有し、いわゆる表面マイクロマシンとされている。

そして、各画素を構成するボロメータ素子１１は、図３，４に示すように、基板１０の表面１０ａにおける矩形状の画素領域１０ｂに形成されている。ボロメータ素子１１は、ＲＯＩＣ（Readout Integrated Circuit）パッド１６，１７と、電極プラグ１８，１９と、ボロメータ薄膜（第１のボロメータ膜）１５とを有している。

ＲＯＩＣパッド１６，１７は、導電性を有する矩形状のパッドである。ＲＯＩＣパッド１６，１７は、画素領域１０ｂの対角線上における中央を挟んで向かい合う位置（対角位置）に配置されていて、いずれも図３，４には図示しない信号処理回路部１４と電気的に接続されている。

電極プラグ１８，１９は、ＲＯＩＣパッド１６，１７上に形成されている。電極プラグ１８，１９は、表面１０ａと交差する方向に起立している概ね円柱状の部材であて、高さ方向中間よりもやや上側の部分がボロメータ薄膜１５に接続されている。電極プラグ１８，１９は、導電性を有する材料からなり、例えばＡｌ(アルミニウム)が用いられる。

ボロメータ薄膜１５は、概ね矩形状の薄膜であって、基板１０と略平行に、かつ表面１０ａから離間して配置されている。ボロメータ薄膜１５は、中央部分が赤外線を受光する受光部１５ａであり、対角位置に配置された２つの角部１５ｂ、１５ｃが電極プラグ１８，１９に接続されている。また、ボロメータ薄膜１５は、受光部１５ａを構成する２本の向かい合った周縁部１５ｄ、１５ｅから、角部１５ｂ、１５ｃを残すようにして、クランク形状のスリット１５ｆ，１５ｇが形成されている。そして、スリット１５ｆ，１５ｇよりも外側の角部１５ｂ、１５ｃにつながる部分が梁部１５ｈ，１５ｉとなっている。

梁部１５ｈ，１５ｉは、角部１５ｂ，１５ｃを起点に受光部１５ａの外周に沿って延び、対向するようにして形成されている。そして、受光部１５ａと梁部１５ｈ，１５ｉとは、スリット１５ｆ，１５ｇによって空間的に隔てられているため、受光部１５ａと梁部１５ｈ，１５ｉとが熱的に分離されている。ボロメータ薄膜１５は、温度変化による抵抗率変化が大きい材料が用いられ、例えば、アモルファスシリコンが用いられる。

また、梁部１５ｈ，１５ｉには、配線１５ｊ，１５ｋが形成されている（図３には図示せず）。配線１５ｊ，１５ｋは、一端側が電極プラグ１８，１９にそれぞれ電気的に接続され、他端側が受光部１５ａと電気的に接続されている。したがって、配線１５ｊ，１５ｋは、電極プラグ１８，１９及びＲＯＩＣパッド１６，１７を介して信号処理回路部１４と電気的に接続されている。

そして、図３に示すように、ボロメータ薄膜１５は、角部１５ｂ、１５ｃだけが電極プラグ１８，１９に接続され、他の部分は表面１０ａから離間した状態で基板１０上に支持されている。これによって、図６に示すように、ボロメータ薄膜１５と基板１０との間に空隙１１ａが形成されている。

さらに、図６に示すように、ボロメータ薄膜１５は、基板１０側の表面１５ｍに絶縁膜３０が形成されている。絶縁膜３０は、例えば、ＴＥＯＳ（Tetraethyl orthosilicate）を原料としたプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成されたシリコン酸化膜（酸化シリコン）が用いられる（窒化シリコンでもよい）。また、表面１０ａ上のボロメータ薄膜１５と対向する領域に金属からなる反射膜２０が積層されている。この反射膜２０は、赤外線に対する反射率が大きい金属が用いられる。

以上のように、ボロメータ素子１１は、ボロメータ薄膜１５が基板１０の表面１０ａから離間して基板１０と略平行に配置されているメンブレン構成を有している。また、ボロメータ薄膜１５と基板１０とは、空隙１１ａによって空間的に隔てられ、熱的に分離されている。そして、ボロメータ薄膜１５の受光部１５ａの温度変化による抵抗率変化を、配線１５ｊ，１５ｋ、電極プラグ１８，１９及びＲＯＩＣパッド１６，１７を介して信号処理回路部１４によって読み取ることができるようになっている。

一方、リファレンス画素部１３は、基板１０上に複数の画素（リファレンス素子２１）を縦横規則正しい２次元状に配置した２次元アレイ構造を有している。各画素はいわゆるオプティカルブラックとなっている。各画素を構成するリファレンス素子２１は、図５，６に示すように、ボロメータ素子１１とほぼ同様の構成を有している。リファレンス素子２１は、ボロメータ素子１１と比べて、ボロメータ薄膜（第２のボロメータ膜）２２、放熱膜２３、放熱用金属膜２４、複数の放熱柱２５および基板側絶縁膜３１を有する点で相違している。なお、リファレンス素子２１は、ＲＯＩＣパッド２６，２７及び電極プラグ２８，２９を有するが（図５には図示せず）、これらはボロメータ素子１１と同じ構成のため、詳しい説明を省略する。

ボロメータ薄膜（第２のボロメータ膜）２２は基板１０の表面１０ａと略平行であり、ボロメータ薄膜１５と略同一の平面を形成するように配置されている。ここで、略同一の平面を形成するとは、ボロメータ薄膜２２とボロメータ薄膜１５との表面１０ａからの高さの差が後述する放熱膜２３の厚さの範囲内に納まることを意味し、ボロメータ薄膜２２を含む平面と、ボロメータ薄膜１５を含む平面とが、表面１０ａからみて例えば±１μｍ程度内に納まり、ボロメータ薄膜２２とボロメータ薄膜１５とは、基板１０からの高さが略同じ位置に形成されていることを意味している。

そして、ボロメータ薄膜２２は、ボロメータ薄膜１５と同様の概ね矩形状の薄膜であって、受光部２２ａと、角部２２ｂ、２２ｃと、周縁部２２ｄ、２２ｅと、スリット２２ｆ，２２ｇと、梁部２２ｈ，２２ｉと、配線２２ｊ，２２ｋとを有し、さらに後述する回り込み部２２ｓを有している。

また、ボロメータ薄膜２２は受光部２２ａの基板１０側の表面に基板側絶縁膜３１が形成され、基板側絶縁膜３１を介して放熱膜２３が形成されている。基板側絶縁膜３１は、ボロメータ素子１１の絶縁膜３０と同様な材料で構成されている。

そして、基板側絶縁膜３１は、放熱膜２３における基板１０の表面１０ａと交差する側面、すなわち、図１９に詳しく示すように、放熱膜２３の基板１０側の表面２３ｂと交差している側面２３ａにまで回り込んで形成されていて、側面２３ａを直に被覆している。さらに、この側面２３ａ上にボロメータ薄膜２２の回り込み部２２ｓが形成されている。したがって、ボロメータ薄膜２２と基板側絶縁膜３１とは放熱膜２３の側面２３ａにまで回りこんで形成され、側面２３ａを被覆している。

放熱膜２３は矩形から２つの対角位置にある角部部分をスリット２２ｆ，２２ｇに沿って除去して得られる幅の広いクランク形状を有している。放熱膜２３は、アモルファスシリコン（α−Ｓｉ）からなっている。

さらに、放熱膜２３と基板１０との間に複数の放熱柱２５が形成されている。各放熱柱２５は、上端面が放熱膜２３につながり、下端面が放熱用金属膜２４に接続されていて、放熱膜２３と放熱用金属膜２４とを熱的に接続している。各放熱柱２５は、アモルファスシリコンからなり、表面１０ａの交差方向に伸びる概ね円柱状に形成されている。また、放熱柱２５は放熱膜２３内に納まるように縦横等間隔で配置されている。放熱膜２３の膜厚をＷ２３とすると、Ｗ２３はボロメータ薄膜２２の膜厚Ｗ２２および基板側絶縁膜３１の膜厚Ｗ３１よりも大きくなっている（Ｗ２３＞Ｗ２２、Ｗ２３＞Ｗ３１）。なお、放熱柱２５と放熱膜２３とは、一体に形成されていてもよい。

次に、放熱用金属膜２４は、基板１０ａの受光部２２ａと対向する領域に形成されている。放熱用金属膜２４は、複数の放熱柱２５の断面積をすべて合せた面積よりも大きな面積を有し、放熱柱２５及び基板１０と熱的に接続されている。放熱用金属膜２４は、例えばＡｌ、Ｃｕ、Ｗなどが用いられる。

以上の構成を有するボロメータ薄膜２２において、赤外線入射に伴う温度変化によって熱が発生したとする。すると、その熱はボロメータ薄膜２２から、基板側絶縁膜３１、放熱膜２３、放熱柱２５及び放熱用金属膜２４を介して基板１０に伝達される。そのため、リファレンス素子２１は、赤外線入射に伴う温度変化によって発生する熱を基板１０に伝達することによって放散することができるようになっている。そして、ボロメータ薄膜２２の環境変化等の温度変化による抵抗率変化を、配線２２ｊ，２２ｋ、電極プラグ２８，２９及びＲＯＩＣパッド２６，２７を介して信号処理回路部１４で読み取ることができるようになっている。

一方、図１に示した信号処理回路部１４は、読み出し用の回路であって、画素部１２及びリファレンス画素部１３の出力信号を読み出し、画素部１２の出力信号からリファレンス画素部１３の出力信号を減算する機能を有している。以下、読み出し回路について図７，８を用いて具体的に説明する。図７，８は、信号処理回路部１４の読み出し回路の回路構成を示す図である。まず、説明理解の容易性を考慮し、ボロメータ素子１１及びリファレンス素子２１をそれぞれ一つ備える最小構成の赤外線検出器を例にとって説明する。この最小構成の場合、例えば図７に示す積分回路を用いて、出力電圧Ｖｏｕｔを測定する。この出力電圧Ｖｏｕｔは、ボロメータ素子１１の受光部１５ａに流れるボロメータ電流Ｉ（Ｒｂ）からリファレンス素子２１の受光部２２ａに流れるリファレンス抵抗電流Ｉ（Ｒref）を減算したチャージアンプ入力電流をＩｐ、コンデンサの積分容量をＣｆとすると、以下式（１）で表される。
Ｖｏｕｔ−Ｖｉｎｐ＝−Ｉｐ・ｔ／Ｃｆ …（１）

信号処理回路部１４は、式（１）を用いて、抵抗値の変化を出力電圧Ｖｏｕｔの変化に変換するのであり、赤外線の検出はこの電気信号に基づいて行われる。次に、複数のボロメータ素子１１及び一つのリファレンス素子２１からなる赤外線検出器の場合について説明する。この場合、例えば、図８に示すように、シフトレジスタＳＲを用いて、各ボロメータ電流Ｉ（Ｒｂｎ）（ｎ：整数）に対応するチャージアンプ入力電流Ｉｐに基づいた出力電圧Ｖｏｕｔを測定する。そして、この電気信号に基づいて赤外線の検出が行われる。

次に、上記構成を備えた赤外線検出器１の動作について説明する。赤外線検出器１に赤外線が入射すると、その赤外線は、ボロメータ素子１１の受光部１５ａで吸収される。受光部１５ａは、吸収した赤外線に応じて熱を発生する。受光部１５ａは、空隙１１ａによって、基板１０等周囲の部材と熱的に分離されているため、受光部１５ａにおいて発生した熱は、周囲に放散されることなく受光部１５ａの温度を上昇させる。この温度上昇に伴い、受光部１５ａの抵抗値が変化する。この抵抗値の変化は、受光部１５ａと電気的に接続された配線１５ｊ，１５ｋ、電極プラグ１８，１９及びＲＯＩＣパッド１６，１７を介して信号として信号処理回路部１４へ送られる。

また、ボロメータ薄膜１５に入射した赤外線の一部が受光部１５ａで吸収されることなく透過しても、その赤外線は反射膜２０により反射され、再度、受光部１５ａに入射する。受光部１５ａは再入射する赤外線をも吸収し、それに応じた熱を発生する。そのため、赤外線検出器１では、効率良く赤外線を吸収することができる。

一方、赤外線検出器１に赤外線が入射する場合、ボロメータ素子１１と同様にリファレンス素子２１にも赤外線が入射する。すると、その赤外線はリファレンス素子２１の受光部２２ａで吸収される。受光部２２ａは、吸収した赤外線に応じて熱を発生する。そして、受光部２２ａは、基板側絶縁膜３１を介して放熱膜２３、放熱柱２５、放熱用金属膜２４及び基板１０と熱的に接続されている。このため、赤外線の入射により受光部２２ａで発生した熱は、基板側絶縁膜３１、放熱膜２３、放熱柱２５及び放熱用金属膜２４の順に伝達して基板１０へと伝わる。赤外線検出器１では、このようにして、受光部２２ａで発生した熱を放出するため、赤外線検出器１の環境変化に伴う温度変化によって発生した熱だけが受光部２２ａの抵抗値を変化させることになる。このような環境変化に伴う抵抗値の変化は、受光部２２ａと電気的に接続された配線２２ｊ，２２ｋ、電極プラグ２８，２９及びＲＯＩＣパッド２６，２７を介して信号として信号処理回路部１４へ送られる。

そして、信号処理回路部１４において、受光部１５ａ，２２ａの抵抗値の変化が電圧変化に変換され、この電気信号に基づいて赤外線の検出が行われる。

このように、赤外線検出器１は、リファレンス素子２１において、ボロメータ薄膜２２が基板側絶縁膜３１、放熱膜２３及び放熱柱２５を介して基板１０と接続されている。このため、赤外線により発生した受光部２２ａの熱が基板側絶縁膜３１、放熱膜２３、複数の放熱柱２５、放熱用金属膜２４を介して基板１０へ伝達されるという効率的な放熱が行われるので、使用環境の変化によって発生する温度変化のみを正確に測定することができる。

そのうえ、前述したとおり、ボロメータ薄膜２２と基板側絶縁膜３１とは、放熱膜２３に対し、その側面２３ａにまで回り込んで形成され、側面２３ａにも接触している。そのため、基板１０に沿った平面部分だけで接する場合よりも、放熱膜２３への接触面積が拡大されている。したがって、ボロメータ薄膜２２から放熱膜２３に熱が伝達する経路が広がり、受光部２２ａで発生した熱がより一層、放熱膜２３に対して効率的に伝達されることになる。そのため、放熱が極めて効率的に行われるようになっている。その結果、赤外線検出器１では、使用環境における温度変化の影響をいっそう効率良く低減することが可能となっている。また、ボロメータ薄膜２２と基板側絶縁膜３１とが放熱膜２３の側面２３ａにまで回り込んで形成されていることにより、ボロメータ薄膜２２および基板側絶縁膜３１と、放熱膜２３とが剥離し難くなっており、ボロメータ薄膜２２と放熱膜２３との絶縁も確実に行われるようになっている。

また、リファレンス素子２１において、放熱用金属膜２４を放熱柱２５と基板１０との間に介在させているため、放熱柱２５と基板１０との熱的な接触面積が大きくなっている。そのため、入射した赤外線によってボロメータ薄膜２２に発生した熱が基板１０へと一層効率良く伝達され、より効率的な放熱が行われるようになっている。

さらに、リファレンス素子２１において、受光部２２ａと基板１０とが柱状体構造を備えた複数の放熱柱２５で熱的に接続されている。そのため、受光部２２ａ及び基板１０を一塊で構成する場合よりも、受光部２２ａと放熱柱２５との間、あるいは基板１０と放熱柱２５との間の熱膨張率の差によって、ボロメータ薄膜１５に応力がかかることを防ぐことができる。そのため、ボロメータ薄膜１５にクラックが発生することを防止することができる。

そして、リファレンス素子２１において、放熱柱２５及び放熱膜２３が一体的に形成される場合には、基板１０と伝熱体との間の熱膨張率差により発生する応力を分散させることが可能となる。その結果、ボロメータ薄膜１５にクラックが発生することを防止することができる。

さらにまた、リファレンス素子２１はボロメータ素子１１と形状が類似しているため、両素子間の形状相違による抵抗差を少なくすることができる。そのため、リファレンス素子２１はリファレンス素子として好適に採用することができる。

放熱膜２３および放熱柱２５はアモルファスシリコンからなるが、いずれも金属元素が添加（ドープ）されていることが好ましい。金属元素が添加されていると熱の伝達効率が良好になり、放熱特性が良好になるからである。

次に、本発明の実施形態に係る赤外線検出器１の製造方法について説明する。なお、リファレンス素子２１の製造工程は、ボロメータ素子１１の製造工程を含むため、以下ではリファレンス素子２１の製造工程を中心に説明する。図９〜図１４は、図１に示す赤外線検出器１におけるリファレンス素子２１の製造途中の構造を示す断面図である。

まず、図９（ａ）に示すように、基板熱酸化工程を行う。この工程では、Ｓｉ基板１００の表面を酸化して、Ｓｉ基板１００上に熱酸化膜１０１を形成する。熱酸化膜１０１の膜厚は、例えば０．７μｍである。

次に、図９（ｂ）に示すように、第１の電極形成工程を行う。この工程では、リファレンス素子２１のＲＯＩＣパッド２６、２７及び電極パッド３３を熱酸化膜１０１上に形成する。例えば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｔｉを１μｍ程度の厚さで積層し、フォトレジストを用いた図示しないマスクを形成した後エッチングを行い、不要な部分を除去することによってＲＯＩＣパッド２６、２７及び電極パッド３３を形成する。エッチングは、均一性よく形成するために、ドライエッチング法が好ましいが、ウェットエッチング法でもよい。

続いて、図９（ｃ）に示すように、ＳｉＯ_２積層工程を行う。この工程では、熱酸化膜１０１、ＲＯＩＣパッド２６、２７及び電極パッド３３上にＳｉＯ_２膜１０２を積層する。例えば、プラズマＣＶＤによって、ＳｉＯ_２膜１０２を１μｍ程度の厚さで積層する。なお、ここでは、Ｓｉ基板１００、熱酸化膜１０１及びＳｉＯ_２膜１０２を基板１０としている。

次に、図１０（ｄ）に示すように、開口形成工程を行う。この工程では、ＲＯＩＣパッド２６、２７及び電極パッド３３の上側に位置するＳｉＯ_２膜１０２に、開口１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃをそれぞれ形成する。例えば、ＳｉＯ_２膜１０２にフォトレジストを用いたマスクを形成した後エッチングを行い、ＳｉＯ_２膜１０２の不要な部分を除去して開口１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃを形成する。

次に、図１０（ｅ）に示すように、第２の電極形成工程を行う。この工程では、ＲＯＩＣパッド２６、２７及び電極パッド３３と同一材料の金属層を形成したうえで、フォトレジストを用いたマスクを形成した後エッチングを行い不要な部分を除去することによって、ＲＯＩＣパッド２６、２７、電極パッド３３及び放熱用金属膜２４を形成する。ここでは、第１の電極形成工程で形成したＲＯＩＣパッド２６、２７、電極パッド３３と、第２の電極形成工程で形成するＲＯＩＣパッド２６、２７、電極パッド３３とをそれぞれ一体化すると共に、ＲＯＩＣパッド２６、２７、電極パッド３３の上面が、開口１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃを介してＳｉＯ_２膜１０２よりも上側に位置するようにする。さらに、ＲＯＩＣパッド２６、２７、電極パッド３３及び放熱用金属膜２４の上面が同じ平面上に位置するようにする。このように、ＲＯＩＣパッド２６、２７、電極パッド３３及び放熱用金属膜２４の上面が同じ平面上に位置するようにすることで、リファレンス素子２１のメンブレン構造が平坦化される。

次に、図１０（ｆ）に示すように犠牲層形成工程を行う。この工程では、積層体の表面に膜厚が例えば２．５μｍ程度となるように例えばポリイミドを塗布することによって犠牲層３６を形成する。

次に、図１１（ｇ）に示すように、ダミー画素作成工程を行う。この工程では、まず、開口を形成するための前処理として、保護層３４を積層体の表面に積層する。例えば、アモルファスシリコンを積層することによって積層体の表面に保護層３４を形成する。また、ＴＥＯＳ−ＳｉＯ_２（ＴＥＯＳを用いたプラズマＣＶＤ装置により形成されるＳｉＯ_２膜）を積層して保護層３４を形成してもよい。保護層３４は、例えば５０ｎｍ程度の厚さで積層する。

続いて、フォトレジストを用いた図示しないマスクを形成した後、エッチングを行い不要な部分を除去して、保護層３４及び犠牲層３６を貫通する開口部３６ａを複数形成する。この場合、開口部３６ａは、極力小さい内径となるように形成され、例えば内径が２μｍ程度、開口部３６ａ間のピッチは２〜５μｍである。

そして、開口部３６ａを形成した後、保護層３４を除去する。例えば、保護層３４としてアモルファスシリコンを用いた場合には、ＸｅＦ_２を用いる。また、保護層３４としてＴＥＯＳ−ＳｉＯ_２を用いた場合には、ＨＦを用いる。

次に、図１１（ｈ）に示すようにして放熱柱の形成工程を行う。この工程では、ダミー画素作成工程により形成された開口部３６ａの内部を含め、犠牲層３６の上面全体に、後に放熱柱２５および放熱膜２３となるアモルファスシリコン膜３５を形成する。この場合、例えばスパッタリングにより、アモルファスシリコンを１μｍ程度の厚さで積層することによってアモルファスシリコン膜３５を形成する。これにより、開口部３６ａの内部に放熱柱２５が形成される。放熱柱２５は、例えば外径が２μｍであり、ピッチが２〜５μｍである。

ここで、前述したダミー画素作成工程では、開口部３６ａの内径が極力小さくなるようにしている。そのため、例えば、図１５（ａ）に示すように、放熱柱２５の外径（すなわち、開口部３６ａの内径）が大きい場合に比べて、図１５（ｂ）に示すように、放熱柱２５につながるアモルファスシリコン膜３５の表面３５ａを平坦にすることができる。これにより、放熱柱の形成工程の後、メンブレン構造を平坦化するのに別途、平坦化工程（エッチバック工程）を実行する必要がなくなり、そのため、製造コストを低減化でき、製造時間を短縮することができる。さらに、放熱柱２５の外径を小さく形成することで、使用するアモルファスシリコンも少量で済むため、材料コストも低減することができる。

次に、図１１（ｉ）に示すように、放熱膜の形成工程を行う。この工程では、フォトレジストを用いた図示しないマスクを形成した後、アモルファスシリコン膜３５をエッチングすることによって放熱柱２５の上側に放熱膜２３を形成する。こうして、本実施の形態では、放熱柱２５及び放熱膜２３を一体的に形成するため、基板１０と放熱柱２５との間の熱膨張率差により発生する応力を分散させることが可能となり、その結果、ボロメータ薄膜１５にクラックが発生することを防止することができる。

次に、図１２（ｊ）に示すように、絶縁膜の積層工程を行う。この工程では、積層体の表面全体に、例えばＴＥＯＳ−ＳｉＯ_２を１００ｎｍ程度の厚さで積層することによって、基板側絶縁膜３１を形成する。その後、図１２（ｋ）に示すように、ボロメータ薄膜の積層工程を行う。この工程では、積層体の表面全体に、例えばアモルファスシリコンを１００ｎｍ程度の厚さで積層することによって、ボロメータ薄膜２２を形成する。この絶縁膜の積層工程およびボロメータ薄膜の積層工程を行うことによって、放熱膜２３の上側表面および上側表面と交差する側面に直に接触するようにして基板側絶縁膜３１が形成され、さらに放熱膜２３の上側表面および上側表面と交差する側面に基板側絶縁膜３１を介してボロメータ薄膜２２が形成される。

続いて、図１２（ｌ）に示すように、電極用金属膜の積層工程を行う。この工程では、積層体の表面全体に、電極用金属膜３８を積層する。例えばＷＳｉ又はＴｉを５０ｎｍ程度の厚さで積層することによって電極用金属膜３８を形成する。なお、電極用金属膜３８は１００ｎｍ程度の厚さで積層してもよい。

次に、図１３（ｍ）に示すように、上部電極の形成工程を行う。この工程では、フォトレジストを用いた図示しないレジストパターンを形成して、電極用金属膜３８の不要な部分を除去することによって上部電極３８ａを形成する。

その後、図１３（ｎ）に示すように、開口形成工程を行う。この工程では、ＲＯＩＣパッド２６、２７の上側の層に開口３９，４０をそれぞれ形成し、放熱用金属膜２４とＲＯＩＣパッド２６、２７との間に位置する基板１０上の層に開口４１，４２をそれぞれ形成する。

その後、図１３（ｏ）に示すように、電極プラグの形成工程を行う。この工程では、スパッタ又は真空蒸着により金属膜を積層し、その後、リフトオフにより開口３９，４０に電極プラグ２８，２９をそれぞれ形成する。例えばＡｌを用いて電極プラグ２８，２９を形成する。これにより、上部電極３８ａ及び電極プラグ２８，２９はそれぞれ一体化される。

次に、図１４（ｐ）に示すように、下部電極の形成工程を行う。この工程では、電極パッド３３の上側の層を除去したのち、電極用金属膜（例えば、Ｔｉ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｓｎなどを用いる）を形成した上で、フォトレジストを用いた図示しないレジストパターンを形成して、リフトオフを行い下部電極３２を形成する。下部電極３２には、例えば、ＲＯＩＣパッド２６，２７と信号処理回路１４とを接続する配線が含まれる。その後、図１４（ｑ）に示すように、犠牲層除去工程を行う。この工程では、例えばポリイミドからなる犠牲層３６をＯ_２によりアッシングする。このようにして、犠牲層３６を完全に除去することにより、プロセスにおける熱処理等によって犠牲層３６から不要なガスが発生することを防止することができる。

以上のようにして、図９〜図１４に示した工程を実行することで、赤外線吸収による熱を好適に基板１０に放散することができるリファレンス素子２１を製造することができる。なお、ボロメータ素子１１を製造する場合には、ダミー画素作成工程、放熱柱の形成工程、放熱膜の形成工程等図１１および図１２に示す工程は不要である。

そして、ボロメータ素子１１及びリファレンス素子２１は、同一の基板１０上に同時に製造可能である。この場合には、ボロメータ薄膜１５及びボロメータ薄膜２２は、基板１０の表面と略平行であって略同一の平面上に位置するため、露光によるパターニングの際に焦点深度の制御を容易に行うことができ、その結果、赤外線検出器１の小型化を図ることが可能となる。さらに、このように製造する場合には、画素部１２及びリファレンス画素部１３における抵抗率の均一性も向上するため、リファレンス素子としての機能を向上させることができる。

さらに、図示はしないが独立して製造した信号処理回路部１４を、ボロメータ素子１１からなる画素部１２、及びリファレンス素子２１からなるリファレンス画素部１３に接続すると赤外線検出器１が完成する。

なお、上述した実施形態は、本発明に係る赤外線検出器の一例を示すものである。本発明に係る赤外線検出器は、実施形態に係る赤外線検出器に限られるものではなく、実施形態に係る赤外線検出器を変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、上記実施形態では、放熱用金属膜２４を有するリファレンス素子２１を備えた赤外線検出器１を説明したが、図１６に示すように、リファレンス素子２１が放熱用金属膜２４を有さなくてもよい。このように構成した場合には、受光部２２ａにおいて赤外線により発生した熱が、基板側絶縁膜３１、放熱膜２３、放熱柱２５の順に伝導し、基板１０に伝達される。このため、上記実施の形態と同様に、リファレンス素子２１が環境変化等による温度変化を正確に検出し、使用環境における温度変化の影響を効率良く低減することができると共に、小型化を図ることが可能となる。

また、上記実施形態では、反射膜２０を有するボロメータ素子１１を備えた赤外線検出器１を説明したが、図１７に示すように、ボロメータ素子１１に反射膜２０を形成しなくてもよい。この場合でも、リファレンス素子２１の受光部２２ａにおいて赤外線により発生した熱が、基板側絶縁膜３１、放熱膜２３、放熱柱２５、放熱用金属膜２４の順に伝導し、基板１０に伝達される。このため、上記実施の形態と同様に、リファレンス素子２１が環境変化等による温度変化を正確に検出し、使用環境における温度変化の影響を効率良く低減することができると共に、小型化を図ることが可能となる。

また、上記実施形態では、放熱用金属膜２４を有するリファレンス素子２１、及び反射膜２０を有するボロメータ素子１１を備えた赤外線検出器１を説明したが、図１８に示すように、リファレンス素子２１に放熱用金属膜２４を有さず、ボロメータ素子１１に反射膜２０を有さなくてもよい。この場合でも、リファレンス素子２１の受光部２２ａにおいて赤外線により発生した熱が、基板側絶縁膜３１、放熱膜２３、放熱柱２５の順に伝導し、基板１０へ放熱される。このため、上記実施の形態と同様に、リファレンス素子２１が環境変化等による温度変化を正確に検出し、使用環境における温度変化の影響を効率良く低減することができると共に、小型化を図ることが可能となる。

さらに、上記実施形態では、放熱柱２５が概ね円柱状に形成されている場合を説明したが、放熱柱２５の断面が矩形や三角形となる柱状でもよい。このような場合であっても、使用環境における温度変化の影響を効率良く低減することができると共に、小型化を図ることが可能となる。

本発明に係る光検出器の一実施形態である赤外線検出器の構成を示す平面図である。 図１の赤外線検出器の画素部の一部拡大平面図である。 図１の赤外線検出器の画素部におけるボロメータ素子の斜視図である。 図１の赤外線検出器の画素部におけるボロメータ素子の平面図である。 図１の赤外線検出器のリファレンス画素部におけるリファレンス素子の平面図である。 図４，５のＶＩ−ＶＩ線に沿った組合せ断面図である。 図１に示す信号処理回路部の回路図である。 図１に示す信号処理回路部の回路図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ図６に示すリファレンス素子の基板熱酸化工程、第１の電極形成工程及びＳｉＯ_２積層工程を示す断面図である。 （ｄ），（ｅ），（ｆ）はいずれも図９の後続の工程を示しかつ順に後の工程を示す断面図である。 （ｇ），（ｈ），（ｉ）はいずれも図１０の後続の工程を示しかつ順に後の工程を示す断面図である。 （ｊ），（ｋ），（ｌ）はいずれも図１１の後続の工程を示しかつ順に後の工程を示す断面図である。 （ｍ），（ｎ），（ｏ）はいずれも図１２の後続の工程を示しかつ順に後の工程を示す断面図である。 （ｐ），（ｑ）はいずれも図１３の後続の工程を示しかつ順に後の工程を示す断面図である。 図１１に示す放熱柱の効果を説明する概要図である。 図１に示す赤外線検出器の変形例である。 図１に示す赤外線検出器の変形例である。 図１に示す赤外線検出器の変形例である。 図６に示すリファレンス素子の要部を拡大して示す断面図である。

１…赤外線検出器（光検出器）、１０…基板、１５…ボロメータ薄膜，２２…ボロメータ薄膜、２０…反射膜、２３…放熱膜、２４…放熱用金属膜、２５…放熱柱、３１…基板側絶縁膜。

Claims (6)

1. 基板の表面上に該基板の表面から離間して支持された第１のボロメータ膜と、
   前記基板の表面から離間して前記基板の表面上に支持された第２のボロメータ膜と、
   前記第２のボロメータ膜の前記基板側表面に形成された基板側絶縁膜と、
   該基板側絶縁膜を介して前記第２のボロメータ膜の前記基板側表面に形成されたアモルファスシリコンからなる放熱膜と、
   前記放熱膜と前記基板とに熱的に接続されたアモルファスシリコンからなる複数の放熱柱とを有し、
   前記第２のボロメータ膜および前記基板側絶縁膜は、前記放熱膜における前記基板の表面と交差する側面にまで回り込んで形成されていることを特徴とする光検出器。
2. 前記基板の表面における前記第２のボロメータ膜と対向する領域に金属膜が形成され、
   前記複数の放熱柱は、前記金属膜を介して前記基板と熱的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の光検出器。
3. 前記基板の表面における前記第１のボロメータ膜と対向する領域に金属からなる反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の光検出器。
4. 前記第１のボロメータ膜及び前記第２のボロメータ膜は、前記基板の表面と略平行に配置され、かつ前記基板からの高さが略同じ位置に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光検出器。
5. 前記放熱膜および前記複数の放熱柱を構成する前記アモルファスシリコンに金属元素が添加されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光検出器。
6. 前記基板側絶縁膜は、シリコンを含む絶縁性材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の光検出器。

Images