JP2010507097A - 赤外線マイクロボロメータセンサの伝導構造 - Google Patents

Abstract

赤外線マイクロボロメータセンサの伝導構造及び電磁放射を感知する方法を与えることができる。マイクロボロメータは、第１の導電層（６４）及び第２の導電層（６８）を含むことができる。マイクロボロメータは、第１の導電層と第２の導電層との間にボロメータ層（６２）をさらに含むことができる。

Description

本発明は、概括的にはセンサ及び検出器を含む監視装置に関し、より詳細には赤外線センサ又は撮像装置に関する。

監視装置は、多くの異なる用途に使用されている。例えば、監視システムの一部をなす検出器及びセンサは、侵入セキュリティ及び映像監視に使用することができる。他の用途としては、例えば、火災検出及び緊急対応が挙げられる。その用途は、例えば、軍用、非軍用、個人用等であってよい。異なる種類の装置を、例えばその装置が使用される特定の用途又はシステムに基づいてことができる。例えば、サーマルカメラとして構成された赤外線（ＩＲ）撮像装置をこれらのシステムと併せて使用して、温度変化を検出することができる。

様々な種類のＩＲ撮像装置が既知であり、一般に、入射電磁放射を検出するボロメータ素子又はマイクロボロメータ素子を含む。こういったボロメータは本質的に、最適な信号及び雑音特性のために特定の合計抵抗を維持する必要がある抵抗温度計である。したがって、大きな値の抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する材料が、よりよいＩＲ感知性能を生み出すために好ましい。

ＩＲ撮像装置に関して、冷却式システム及び非冷却式システムの両方が既知である。例えば、ボロメータを有するＩＲ撮像装置は、極低温冷却システム等の冷却システムを含み得、典型的に軍事用途に使用されることが知られている。こういった装置は、複雑でサイズが大きいことが多い。さらに、こういった冷却式撮像装置のコストは高い。マイクロボロメータを有する非冷却式システムはより安価であり、設計がより小さい。しかし、こういった非冷却式システムは通常、ボロメータの面内伝導モード設計により、抵抗性のより低いボロメータ膜材料を含まなければならない。抵抗性のより低い材料は、多くの場合、同様であるが抵抗性のより高い材料と比較した場合、より低い値のＴＣＲを有する。ボロメータ膜の厚さを増大させて導電性を向上させると、素子の感知部分の熱慣性／容量が増大し、それにより、撮像装置の全体性能が低減する。より安価な非冷却式システムの品質、例えば撮像品質は通常、より高価な冷却式システムの品質よりも低い。

第１の導電層及び第２の導電層を含むことができるマイクロボロメータを与えることができる。マイクロボロメータは、第１の導電層と第２の導電層との間にボロメータ層をさらに含むことができる。マイクロボロメータを使用するサーマルカメラを与えることもできる。

電磁放射を検出する方法を与えることもできる。この方法は、熱感度の高い膜において電磁放射を受けることを含むことができる。この方法は、略垂直の導電モードを使用して受け取った電磁放射に基づいてボロメータ材料の抵抗変化を感知することをさらに含むことができる。

本発明の様々な実施形態のよりよい理解のためには、以下の図面と併せて読まれるべき下記の詳細な説明を参照されたい（各図中、同様な参照番号は同様な部分を示す）。

本発明の実施形態により構成された赤外線（ＩＲ）撮像装置のブロック図である。 本発明の実施形態により構成されたマイクロボロメータアレイの上面斜視図である。 本発明の実施形態により形成されたマイクロボロメータ層を示す側面立面図である。 本発明の実施形態により形成されたマイクロボロメータの構造を示す上面斜視図である。

説明を簡単且つ容易にするために、本明細書では本発明をその様々な実施形態に関連して説明する。しかし、当業者ならば、様々な実施形態の特徴及び利点を様々な構成で実施してもよいことを理解しよう。したがって、本明細書において説明される実施形態は限定的なものではなく、例示として示されることを理解されたい。

一般に、本発明の様々な実施形態は、垂直伝導構造を有する赤外線（ＩＲ）マイクロボロメータ素子を提供する。様々な実施形態は、例えば、サーマルカメラ内の検出器として使用することができる。

特に、本発明の様々な実施形態は、例えば、赤外線カメラとして構成することができる、図１に示すＩＲ撮像装置２０において実施することができる。ＩＲ撮像装置２０は一般に、１つ又は複数のレンズ２４を含むことができる光学組立体２２をフロントエンドに含むことができる。光学組立体２２は、１つ又は複数のボロメータ素子、より詳細には１つ又は複数のマイクロボロメータ（ＭＢ）ユニット２８を含むことができるＩＲセンサ２６に接続することができる。１つ又は複数のマイクロボロメータユニット２６は一般に、ＩＲ撮像装置２０のイメージコアを画定する。ＩＲセンサ２６は、制御ユニット３０及びフィルタ／コンバータ３２に接続することもできる。さらに、フィルタ／コンバータ３２は、ディスプレイ３６に接続することができるプロセッサ３４に接続することができる。プロセッサ３４はメモリ３８に接続することもできる。

様々な実施形態でのＩＲ撮像装置２０は、外部冷却装置を設けていない非冷却式ＩＲ検出器として構成される。しかしながら、これに代えて、ＩＲ撮像装置２０は冷却式ＩＲ検出器としてもよいことに留意されたい。より詳細には、ＩＲ撮像装置２０は、非冷却式熱センサとして構成される１つ又は複数のマイクロボロメータユニット２８を含むことができる。動作に際して、ＩＲ撮像装置２０は、光学組立体２２によって受けられ、ＩＲセンサ２６上に結像される入射電磁放射を測定するように動作する。本質的には、１つ又は複数のマイクロボロメータユニット２８はそれぞれ、抵抗変化として検出される、１つ又は複数の周波数範囲の放射を測定する１つ又は複数のマイクロボロメータを含む。検出された抵抗変化が測定され処理され、処理することは、フィルタ／コンバータ３２を使用して信号を任意の既知の様式でフィルタリングすること及び／又は信号をアナログ入力からデジタル出力に変換することを含むことができる。次に、プロセッサ３４は、メモリ３８に記憶されている設定に基づいて温度マップを生成し、その出力を熱画像としてディスプレイ３６に与えることができる。

異なる制御機構をＩＲ撮像装置２０に提供してよいことに留意されたい。例えば、ＩＲ撮像装置２０を制御し較正するため、例えば異なる周波数範囲の放射を受けるために、バイアス信号及び／又は基準信号を与えることができる。

１つ又は複数のマイクロボロメータユニット２８は、図２に示すように個々のマイクロボロメータ４２のグリッド４０として構成することができ、センサアレイを画定することができる。しかし、アレイのサイズ及び寸法は所望又は所要に応じて変更可能なことに留意されたい。さらに、各マイクロボロメータ４２は、各マイクロボロメータ４２を基板４６に接続する１つ又は複数の電極４４を含むことができる。

図３に示すように、各マイクロボロメータ２８は一般に、絶縁層５２（例えば、絶縁リンク）を通してヒートシンク５０（例えば、定温領域）に接続された吸収層４８から形成することができる。温度測定素子（図示せず）を吸収層４８に接続することができる。吸収層４８及び温度測定素子は単一のユニットとして提供してもよいことに留意されたい。さらに、様々な実施形態での絶縁層５２は空気、真空領域、又はギャップであってよいことに留意されたい。熱伝導性が絶縁層５２を通って又はマイクロボロメータ２８の１つ又は複数のエッジに沿って通り得ることにも留意されたい。

動作に際して、吸収層４８によって吸収される放射は、吸収されるパワーが高いほど、温度が高くなるように、ヒートシンク層５０の温度よりも高い温度に上昇させる。吸収層４８に接続された温度測定素子は温度を測定し、温度から、吸収されたパワーを任意の既知の様式で計算することができる。したがって、グリッド４０は、例えば、複数の酸化バナジウム又は非晶質シリコンの熱センサから、対応するシリコングリッド上に形成することができる。特定の範囲の波長からの赤外線放射は、上面グリッド層に衝突することができ、その層の電気抵抗を変化させる。抵抗変化は測定され、処理されて温度にされ、この温度はグラフで表すことができ、又は本明細書において説明するように画像を形成するために使用することができる（例えば、ＩＲカメラにおいて）。グリッド４０は本質的に、ＩＲ吸収塗膜を有する熱感知膜の複数のピクセルを画定する複数の感知素子を含み、赤外線エネルギーがＩＲ吸収塗膜に照射されると、ＩＲ吸収塗膜は素子温度を上昇させ、電気抵抗を変化させる。電気抵抗の変化を電気的に感知し、処理（例えば、変換）して映像信号にすることができることに留意されたい。さらに、各ピクセルは本質的に、温度に伴って抵抗が変化するサーミスタを画定する。例えば、ピクセルは、例えば摂氏約１／２０度の温度変化、又は一般には摂氏１／１０度未満の温度変化を検出するように異なる様式で構成されてもよい。しかし、各ピクセルは、摂氏１度又は摂氏１度よりも大きな変化等のより高い又はより低い温度変化を検出するように構成してもよい。

マイクロボロメータ４２は、例えば、半導体堆積プロセスによって形成してよいことに留意されたい。例えば、アルミニウム層を基板に堆積させ、その後、アルミニウム層上に非晶質シリコンを堆積させることができる。その後、別のアルミニウム層を非晶質シリコン上に堆積させることができる。次に、フォトリソグラフィプロセスを使用して、形成された材料に検出エリア（例えば、窓）を切り込むことができる。マイクロボロメータの形成に使用される各種ステップは、当該技術分野において任意の既知の様式で提供してよい。

本発明の様々な実施形態は、垂直伝導モードを有するマイクロボロメータを与える。より詳細には、図４に示すようなＩＲ感知コア材料６０を、第１の導電層６４と第２の導電層６６との間のボロメータ層６２から形成することができる。特に、ボロメータ層６２は感知材料（例えば、抵抗性半導体材料）から形成することができ、第１の導電層６４及び第２の導電層６６は、ボロメータ層６２を鋏む電極層（例えば、アルミニウム導電シート）を形成する。第１の導電層６４及び第２の導電層６６は、対向する隅にリードを画定する、層のエッジを超えて延出する延出タブ６８を含むこともできる。図４中の矢印がＩＲ感知コア材料６０を通る電子の流れを示すことに留意されたい。図４に示す構造がＩＲセンサ２６（図１に示す）の単一のピクセルを画定できることにも留意されたい。

第１の導電層６４及び第２の導電層６６の両端の抵抗が、ボロメータ層６２を通る抵抗と比較して非常に小さい場合、ＩＲ感知コア材料６０の抵抗は以下のように定義することができる。
Ｒ＝ρ^＊ｔ／（Ｌ^＊Ｗ） （１）
式中、ρはボロメータ層６２の抵抗率を表し、ｔはボロメータ層６２の厚さを表し、Ｌはボロメータ層６２の長さを表し、Ｗはボロメータ層６２の幅を表す。ボロメータ層６２が薄膜層であってよく、例えば約０．０１ミクロン厚であってよいことに留意されたい。

動作に際して、感知電流は、第１の導電層６４のタブ６８から第１の導電層６４に流れ込み、面内に拡散し、ボロメータ層６２の厚さ（ｔ）を通り、対向する導電層、すなわち第２の導電層６６に流れる。次に、感知電流は、第２の導電層６６の面内を流れ、タブ６８に集められる。タブ６８が一般に第１の導電層６４及び第２の導電層６６の第１のリード及び第２のリードを画定できることに留意されたい。

例えば、非晶質シリコン材料から形成することができるボロメータ層６２のＴＣＲに関して、不純物添加濃度を変化させることによって広範囲の抵抗率を与えることができる。ＩＲ感知コア材料６０の各種層を形成する際に、第１の導電層６４及び第２の導電層６６は、感知コア材料６０の平面内の熱伝導性を左右しないような薄い層として形成される。熱伝導性は、熱設計中に実行される最適化の他の側面によっても低減され得る（例えば、熱的に分離された長いリード）。しかし、第１及び第２の導電層６４の熱伝導性の低減は、独立した要因として本明細書において説明される。したがって、第１及び第２の導電層６４の厚さは以下のように決定される。電極材料は、例えば、特に白金及びアルミニウム等であるがこれらに限定されない、高い導電性及び熱伝導性を有する金属であり得るため、第１及び第２の導電層６４の厚さはボロメータ層６２の厚さよりもはるかに薄くてよいことに留意されたい。したがって、感知コア材料６０の面内熱伝導性が熱設計にとって重要である実施形態では、以下の式により、第１の導電層６４、第２の導電層６６、及びボロメータ層６２の関係が定義される。
Ｇ_ｃ ^＊ｔ_ｃ＜Ｇ_ｂ ^＊ｔ_ｂ （２）
式中、Ｇｃ及びＧｂは、第１の導電層６４及び第２の導電層６６並びにボロメータ層６２の各材料の熱伝導率であり、ｔｃ及びｔｂは、第１の導電層６４及び第２の導電層６６並びにボロメータ層６２の各厚さである。

例として、非晶質Ｓｉの場合、室温近くでＧｂ＝５Ｗ／ｍ・Ｋであり、ボロメータの形成に使用される他の非晶質半導体材料も同様の値を有する。Ｇｃについては、金属の熱伝導率は金属の導電率と共に増大し、その値は、例えば１００Ｗ／ｍ・Ｋ〜４００Ｗ／ｍ・Ｋの範囲を有し得る。例えば、Ａｌは、室温近くで約３００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有する。したがって、第１の導電層６４及び第２の導電層６６の厚さは、第１の導電層６４及び第２の導電層６６によって提供される追加の面内放熱が最小であるように提供される。

さらに、第１及び第２の導電層６４は、より詳細に後述するように、ピクセル素子の全体抵抗に対する寄与がごくわずかな部分であるように提供される。特に以下の式が、各種層を構成するために提供される。
Ｒ_{ｔｏｔａｌ}＝（ρ_ｂ ^＊ｔ_ｂ／（Ｌ^＊Ｗ））＋（２^＊ρ_ｃ ^＊Ｌ／（Ｗ^＊ｔ_ｃ）） （３）
かつ
（ρ_ｂ ^＊ｔ_ｂ／（Ｌ^＊Ｗ））＞（２^＊（ρ_ｃ ^＊Ｌ／（Ｗ^＊ｔ_ｃ）） （４）
式中、（１）ρｂ及びρｃは、ボロメータ層６２並びに第１の導電層６４及び第２の導電層６６それぞれの電気抵抗率であり、（２）ｔｂ及びｔｃは、ボロメータ層６２並びに第１の導電層６４及び第２の導電層６６それぞれの厚さであり、（３）Ｗ及びＬは層の幅及び長さである。

式２及び式４を組み合わせて、以下の式を導出することができる。

したがって、式５を使用して、ボロメータ層６２の厚さを決定することができる。例えば、非晶質シリコン及びアルミニウムは約１０３Ω・ｃｍ及び３×１０−６Ω・ｃｍの抵抗率をそれぞれ有する。式５を使用すると、結果としてｔｂ＞Ｌ^＊６^＊１０−４が得られる。すなわち、３０マイクロメートル（μｍ）×３０μｍの感知面積に対してボロメータ層の最小厚は１８ナノメートル（ｎｍ）である。したがって、ボロメータ層６２の厚さは、例えば、５０ｎｍ以上（例えば、設計許容差を織り込んで）であり得る。各種ＩＲ撮像装置用途において、ボロメータ層６２の厚さは、第１及び第２の導電層６４の厚さがそれぞれ１０ｎｍの場合、例えば１０ｎｍ〜１０００ｎｍであってよい。しかし、ボロメータ層６２の厚さは所望又は所要に応じてより大きくてもよく、又はより小さくてもよい。

したがって、本発明の様々な実施形態は、垂直伝導モードを有し、それにより、ＴＣＲを向上させ、結果として感度を向上させるマイクロボロメータを与える。したがって、より高い抵抗を有するボロメータ材料を使用して、所望又は所要の装置合計抵抗を与えることができる。負のＴＣＲを有するボロメータ材料（例えば、非晶質Ｓｉ、ＶＯｘ、及び他の半導体材料）を使用する場合、抵抗が高いほど、高いＴＣＲ値が得られることに留意されたい。したがって、抵抗の高い材料を使用するほど、高いＴＣＲ係数が提供される。

例えば、本明細書において説明した各種層を含む様々な実施形態は任意の適した材料から形成してよく、例えば特定の用途に基づいてよいことに留意されたい。さらに、各種層のサイズ及び形状も所望又は所要に応じて変更することができる。さらに、様々な実施形態は、ボロメータ又はマイクロボロメータが所要又は所望とされるシステム又は装置に関連して使用することができる。

本発明を特定の様々な実施形態に関して説明したが、本発明の様々な実施形態を特許請求の範囲の趣旨及び範囲内の変更を行って実施できることを当業者ならば認識するであろう。

Claims (20)

1. 第１の導電層と、
   第２の導電層と、
   第１の導電層と第２の導電層との間のボロメータ層とを備えるマイクロボロメータ。
2. 第１の導電層及び第２の導電層はそれぞれ、第１及び第２の導電層のそれぞれのエッジを超えて延出するリードを備える請求項１に記載のマイクロボロメータ。
3. 第１及び第２の導電層は、略垂直の導電モードを与えるように構成される請求項１に記載のマイクロボロメータ。
4. 第１及び第２の導電層並びに前記ボロメータ層は、以下の式
   Ｇ_ｃ ^＊ｔ_ｃ＜Ｇ_ｂ ^＊ｔ_ｂ
   を使用して定義され、式中、Ｇ_ｃ及びＧ_ｂは、第１及び第２の導電層並びに前記ボロメータ層の各材料の熱伝導率であり、ｔ_ｃ及びｔ_ｂは第１及び第２の導電層並びに前記ボロメータ層それぞれの厚さである請求項１に記載のマイクロボロメータ。
5. 前記ボロメータ層の厚さは、以下の式
   

   

   を使用して定義され、式中、ρ_ｂ及びρ_ｂは、前記ボロメータ層並びに第１及び第２の導電層それぞれの抵抗率であり、Ｇ_ｃ及びＧ_ｂは、第１及び第２の導電層の材料の熱伝導率であり、Ｌは前記ボロメータ層の長さである請求項１に記載のマイクロボロメータ。
6. 前記マイクロボロメータ層は、第１の導電層と第２の導電層とに鋏まれる請求項１に記載のマイクロボロメータ。
7. 前記マイクロボロメータ層の長さ及び幅は、第１及び第２の導電層の長さ及び幅と略同じである請求項１に記載のマイクロボロメータ。
8. 前記ボロメータ層の厚さは少なくとも５０ナノメートル（ｎｍ）である請求項１に記載のマイクロボロメータ。
9. 第１及び第２の導電層はそれぞれ金属を含む請求項１に記載のマイクロボロメータ。
10. 前記ボロメータ層は半導体材料を含む請求項１に記載のマイクロボロメータ。
11. 第１及び第２の導電層の厚さは、前記ボロメータ層の厚さよりもかなり薄い請求項１に記載のマイクロボロメータ。
12. 電子は、前記ボロメータ層を通って略垂直に流れると共に、第１及び第２の導電層のそれぞれにおいて略面内を流れる請求項１に記載のマイクロボロメータ。
13. 第１及び第２の導電層の対向する隅に接点をさらに備える請求項１に記載のマイクロボロメータ。
14. 前記ボロメータ層は赤外線放射を感知するように構成される請求項１に記載のマイクロボロメータ。
15. 請求項１に記載のマイクロボロメータを備えるサーマルカメラ。
16. 前記マイクロボロメータは赤外線（ＩＲ）放射を感知するように構成される請求項１５に記載のサーマルカメラ。
17. 前記マイクロボロメータは非冷却式装置である請求項１５に記載のサーマルカメラ。
18. 電磁放射を検出する方法であって、
    熱感知膜で電磁放射を受けること、及び
    略垂直な導電モードを使用して、前記受けた電磁放射に基づいてボロメータ材料の抵抗変化を感知することを含む方法。
19. 導電層の間に前記熱感知膜を画定する前記ボロメータ材料を与えることをさらに含む請求項１８に記載の方法。
20. 前記受けた電磁放射に基づいて熱画像を形成することをさらに含む請求項１８に記載の方法。

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