JP2756730B2 - マイクロボロメータ・センサにおけるＡＢ▲下ｘ▼の使用 - Google Patents
マイクロボロメータ・センサにおけるＡＢ▲下ｘ▼の使用Info
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- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
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- G01J2005/0077—Imaging
Description
【発明の詳細な説明】 本出願は、1985年９月30日に出願された米国特許第78
1,557号の一部継続出願である。
1,557号の一部継続出願である。
米国政府は、契約条件DAAL01−85−Ｃ−0153にしたが
って本発明に関し一定の権利を有している。
って本発明に関し一定の権利を有している。
本発明の背景および概要 本発明は、マイクロボロメータ赤外線センサの分野に
関する。本明細書には、特に、マイクロボロメータ・セ
ンサにおける新しい検出器材料（ABX）の使用について
述べられている。
関する。本明細書には、特に、マイクロボロメータ・セ
ンサにおける新しい検出器材料（ABX）の使用について
述べられている。
線形または２次元アレイのマイクロボロメータ輻射線
センサを形成させるため、mm液（代表滴には94GHz）と
（代表的には３〜５および８〜12マイクロメータ（ミク
ロン）の）赤外線の両方に敏感なモノリシックに集積さ
れた焦点面が選択的な異方性エッチングによりシリコン
・ウェハ上に構成される。赤外線検出のためのセンサ
は、赤外線吸収材料でコートされている。また、mm波検
出のためのセンサは、シリコン・ウェハの表面に被着さ
れた金属膜アンテナに接続している。この構造におい
て、熱伝導損を素子の輻射損に近づけることができる厳
密な高重力負荷許容構造と組み合された周知のシリコン
IC処理技術がある。特に重要なことは、同じシリコン・
チップ上においてミリメータ波センサに高性能な赤外線
センサおよび電子機器を組合せて点在させ、しかも同じ
処理工程で製造することである。
センサを形成させるため、mm液（代表滴には94GHz）と
（代表的には３〜５および８〜12マイクロメータ（ミク
ロン）の）赤外線の両方に敏感なモノリシックに集積さ
れた焦点面が選択的な異方性エッチングによりシリコン
・ウェハ上に構成される。赤外線検出のためのセンサ
は、赤外線吸収材料でコートされている。また、mm波検
出のためのセンサは、シリコン・ウェハの表面に被着さ
れた金属膜アンテナに接続している。この構造におい
て、熱伝導損を素子の輻射損に近づけることができる厳
密な高重力負荷許容構造と組み合された周知のシリコン
IC処理技術がある。特に重要なことは、同じシリコン・
チップ上においてミリメータ波センサに高性能な赤外線
センサおよび電子機器を組合せて点在させ、しかも同じ
処理工程で製造することである。
半導体結晶、代表的にはシリコンにおける優れた３次
元マイクロ電子ディバイスの製造は、等方性および異方
性エッチングを含む多くの技術により行なわれてきた。
これら技術は、単結晶半導体の結晶構造を利用してい
る。この例として、本出願人に譲渡された、発明者ジョ
ンソン他による特許第4,472,239号、発明の名称「半導
体ディバイスの製造方法」がある。この特許では、エッ
チングにより単結晶シリコンにマイクロメカニカル・デ
ィバイスを製造する技術が周知であることを示してい
る。この特許は、単に発明の背景として参照しただけ
で、本発明の従来技術とは見なしてはいない。
元マイクロ電子ディバイスの製造は、等方性および異方
性エッチングを含む多くの技術により行なわれてきた。
これら技術は、単結晶半導体の結晶構造を利用してい
る。この例として、本出願人に譲渡された、発明者ジョ
ンソン他による特許第4,472,239号、発明の名称「半導
体ディバイスの製造方法」がある。この特許では、エッ
チングにより単結晶シリコンにマイクロメカニカル・デ
ィバイスを製造する技術が周知であることを示してい
る。この特許は、単に発明の背景として参照しただけ
で、本発明の従来技術とは見なしてはいない。
たとえば、特許第3,801,949号のような従来技術に
は、集積マイクロ回路に赤外線検出器素子の２次元アレ
イを有する小型の赤外線感知固体画像ディバイスが示さ
れている。検出器アレイは、たとえば二酸化シリコンま
たは窒化シリコンのような電気的絶縁材料の薄膜でコー
トされた単結晶シリコン基板上に製造される。エッチン
グされた開口が、周囲の環境から検出素子を断熱するた
め、検出素子が必要な絶縁層の下のシリコンに形成され
る。本発明では、集積デュアル・モード赤外線／ミリメ
ータ波センサ・アレイが示されている。図１は、ミリメ
ータ波および３〜５または８〜12マイクロメータ（ミク
ロン）の赤外線を含んでいる電磁スペクトルの区分を示
している。約94GHzのmm波および３〜12マイクロメータ
（ミクロン）の赤外線は、数けた離れた周波数なので、
これら２つの種類を検知しまたは検出する装置は本質的
には異っている。したがって、３〜５および８〜12マイ
クロメータ（ミクロン）またはその一方の赤外線に敏感
なアレイ素子およびmm波に敏感な素子を有するモノリシ
ックに集積された２次元焦点面アレイを製造することが
望ましい。素子はVO2を含んでいる。個々の集積センサ
は、約0.1mmの大きさで、比較的長い波長のmm波からの
エネルギに効果的には結合しない。しかし、mm波検出の
ための集積センサ素子が、アンテナ（たとえば全波ダイ
ポールまたは蝶ネクタイ形）を備えている場合、申し分
のないmm波エネルギ結合装置が得られることが分った。
は、集積マイクロ回路に赤外線検出器素子の２次元アレ
イを有する小型の赤外線感知固体画像ディバイスが示さ
れている。検出器アレイは、たとえば二酸化シリコンま
たは窒化シリコンのような電気的絶縁材料の薄膜でコー
トされた単結晶シリコン基板上に製造される。エッチン
グされた開口が、周囲の環境から検出素子を断熱するた
め、検出素子が必要な絶縁層の下のシリコンに形成され
る。本発明では、集積デュアル・モード赤外線／ミリメ
ータ波センサ・アレイが示されている。図１は、ミリメ
ータ波および３〜５または８〜12マイクロメータ（ミク
ロン）の赤外線を含んでいる電磁スペクトルの区分を示
している。約94GHzのmm波および３〜12マイクロメータ
（ミクロン）の赤外線は、数けた離れた周波数なので、
これら２つの種類を検知しまたは検出する装置は本質的
には異っている。したがって、３〜５および８〜12マイ
クロメータ（ミクロン）またはその一方の赤外線に敏感
なアレイ素子およびmm波に敏感な素子を有するモノリシ
ックに集積された２次元焦点面アレイを製造することが
望ましい。素子はVO2を含んでいる。個々の集積センサ
は、約0.1mmの大きさで、比較的長い波長のmm波からの
エネルギに効果的には結合しない。しかし、mm波検出の
ための集積センサ素子が、アンテナ（たとえば全波ダイ
ポールまたは蝶ネクタイ形）を備えている場合、申し分
のないmm波エネルギ結合装置が得られることが分った。
図面の簡単な説明 図１は、電磁スペクトルの適切な区分である。
図2aは、マイクロセンサ・リニヤ・アレイの実施例で
ある。
ある。
図2bは、集積ッデユアル・モード赤外線センサおよび
mm波センサの実施例を２次元的に示している。
mm波センサの実施例を２次元的に示している。
図３は、マイクロセンサ構造の断面図である。
図４は、全成ダイポール・アンテナ集積赤外線/mm波
アレイの正面の詳細を示している。
アレイの正面の詳細を示している。
図5aおよび5bは、高断熱マイクロセンサの詳細を示し
ている。
ている。
図６は、全走査アレイ機能図である。
図７および８は、蝶ネクタイ形マイクロアンテナ設計
を用いたデユアル・モード・センサ設計を示している。
を用いたデユアル・モード・センサ設計を示している。
図９は、図６に示したデユアル・モード・システムの
実施例を示している。
実施例を示している。
説明 図2aは、モノリシック集積デユアル・モード赤外線/m
m波マイクロセンサ・リニヤ・アレイを示している。２
次元アレイは、いくつかのリニヤ・アレイを隣接して構
成することにより得られる。赤外線（３〜５および８〜
12マイクロメータ（ミクロン）またはその一方）とmm波
の両方に敏感な焦点面は、たとえば単結晶シリコンのよ
うな半導体基板ウェハ10上に構成される。赤外線検出の
ためのマイクロセンサ12は、たとえば薄い金属膜のよう
な赤外線吸収材料でコートされている。mm波を検出する
ためのマイクロセンサ13は、シリコン・ウェハの表面に
被着された金属膜アンテナ14に接続している。図2bにお
いて、赤外線感知マイクロセンサ・アレイ15はシリコン
・ウェハ10の表面に形成され、アンテナ16はウェハの他
の面に形成されている。本実施例については後述する。
m波マイクロセンサ・リニヤ・アレイを示している。２
次元アレイは、いくつかのリニヤ・アレイを隣接して構
成することにより得られる。赤外線（３〜５および８〜
12マイクロメータ（ミクロン）またはその一方）とmm波
の両方に敏感な焦点面は、たとえば単結晶シリコンのよ
うな半導体基板ウェハ10上に構成される。赤外線検出の
ためのマイクロセンサ12は、たとえば薄い金属膜のよう
な赤外線吸収材料でコートされている。mm波を検出する
ためのマイクロセンサ13は、シリコン・ウェハの表面に
被着された金属膜アンテナ14に接続している。図2bにお
いて、赤外線感知マイクロセンサ・アレイ15はシリコン
・ウェハ10の表面に形成され、アンテナ16はウェハの他
の面に形成されている。本実施例については後述する。
図３は、上述した特許第4,472,239号に示したような
断熱配置のマイクロセンサ構造の断面図である。マイク
ロセンサ画像アレイは、シリコン・チップ19上にあり、
異方性シリコン・エッチングに基いて、小さい質量の薄
膜輻射線検出器20が、シリコン・チップの表面上の断熱
絶縁カンチレバ構造21中に形成される。この小さい質量
と断熱とにより、アレイの検出器感度および応答時間は
高くなる。ミリメータ波アレイは、mm波輻射線を熱的積
分マイクロセンサに結合するためにプレーナ・ダイポー
ルまたは蝶ネクタイ形アンテナを用いている。
断熱配置のマイクロセンサ構造の断面図である。マイク
ロセンサ画像アレイは、シリコン・チップ19上にあり、
異方性シリコン・エッチングに基いて、小さい質量の薄
膜輻射線検出器20が、シリコン・チップの表面上の断熱
絶縁カンチレバ構造21中に形成される。この小さい質量
と断熱とにより、アレイの検出器感度および応答時間は
高くなる。ミリメータ波アレイは、mm波輻射線を熱的積
分マイクロセンサに結合するためにプレーナ・ダイポー
ルまたは蝶ネクタイ形アンテナを用いている。
図４は、全波ダイポール・アンテナ形集積赤外線／ミ
リメータ波センサの電子走査リニヤ・アレイの正面の詳
細を示している。複数（たとえば、10個）のアンテナ結
合mm波素子13′には、マルチエレメント（たとえば、30
0個）赤外線検出器素子12′が点在している。また、こ
こには、バイポーラ・プリアンプ・アレイ30とFETマル
チプレクサ31がブロックで示されている。赤外線/mm波
出力信号は32において検出される。図5aは、図４の検出
器アレイの部分断面図である。シリコン・ウェハ10は、
絶縁層33と銅接地面34を含んでいる。図5bは、高断熱マ
イクロセンサ35の１つの詳細を示し、抵抗センサ20を支
持する絶縁カンチレバ21は、シリコンのエッチング空所
により断熱されている。
リメータ波センサの電子走査リニヤ・アレイの正面の詳
細を示している。複数（たとえば、10個）のアンテナ結
合mm波素子13′には、マルチエレメント（たとえば、30
0個）赤外線検出器素子12′が点在している。また、こ
こには、バイポーラ・プリアンプ・アレイ30とFETマル
チプレクサ31がブロックで示されている。赤外線/mm波
出力信号は32において検出される。図5aは、図４の検出
器アレイの部分断面図である。シリコン・ウェハ10は、
絶縁層33と銅接地面34を含んでいる。図5bは、高断熱マ
イクロセンサ35の１つの詳細を示し、抵抗センサ20を支
持する絶縁カンチレバ21は、シリコンのエッチング空所
により断熱されている。
mm波輻射線の場に有効的に結合するのに要する構造
は、たとえば94GHzにおいて約３ミリメータの波長のオ
ーダの寸法を当然有していなければならない。非冷却セ
ンサの場合、この大きさの感知領域は、センサの熱量の
増加による応答度すなわち応答速度の低減につながって
しまうことになる。したがって、必要な大きさは約50マ
イクロメータ（数ミル）で、そのため、波長のオーダの
寸法のアンテナ構造を介してセンサを輻射線の場に結合
しなければならない。マイクロセンサ・アレイは、フォ
トリソグラフィック工程によりシリコン基板上に簡単に
形成することができるので、設計上平坦なアンテナおよ
び適当な結合導波路が望まれる。
は、たとえば94GHzにおいて約３ミリメータの波長のオ
ーダの寸法を当然有していなければならない。非冷却セ
ンサの場合、この大きさの感知領域は、センサの熱量の
増加による応答度すなわち応答速度の低減につながって
しまうことになる。したがって、必要な大きさは約50マ
イクロメータ（数ミル）で、そのため、波長のオーダの
寸法のアンテナ構造を介してセンサを輻射線の場に結合
しなければならない。マイクロセンサ・アレイは、フォ
トリソグラフィック工程によりシリコン基板上に簡単に
形成することができるので、設計上平坦なアンテナおよ
び適当な結合導波路が望まれる。
図６は、たとえば図2aおよび図４に示したようなmm波
アレイ部分をさらに示している。このアレイ部分はシリ
コン基板10′から成り、基板の上にフォトリソグラフィ
を用いてプレーナ・マイクロアンテナ40のアレイを形成
している。マイクロアンテナ40のアレイは、導波路41と
マイクロセンサ13とに結合し、電気リードアウトで図６
に示したような電子読出し回路にさらに接続している。
ミリメータ波輻射線は、マイクロアンテナ40により集め
られ、41を介してマイクロセンサ13の離散的負荷に結合
される。離散的負荷の温度が上昇すると、抵抗が変化す
る。行アドレス・マルチプレクサ42と列アドレス・マル
チプレクサ43を含んでいる低ノイズ電子回路は、マイク
ロセンサ素子の抵抗をモニタし、たとえば目標検出およ
び認識のような用途にしたがって、電気信号44を出力回
路に供給する。
アレイ部分をさらに示している。このアレイ部分はシリ
コン基板10′から成り、基板の上にフォトリソグラフィ
を用いてプレーナ・マイクロアンテナ40のアレイを形成
している。マイクロアンテナ40のアレイは、導波路41と
マイクロセンサ13とに結合し、電気リードアウトで図６
に示したような電子読出し回路にさらに接続している。
ミリメータ波輻射線は、マイクロアンテナ40により集め
られ、41を介してマイクロセンサ13の離散的負荷に結合
される。離散的負荷の温度が上昇すると、抵抗が変化す
る。行アドレス・マルチプレクサ42と列アドレス・マル
チプレクサ43を含んでいる低ノイズ電子回路は、マイク
ロセンサ素子の抵抗をモニタし、たとえば目標検出およ
び認識のような用途にしたがって、電気信号44を出力回
路に供給する。
マイクロセンサは、図３において前に示したような支
持構造からほとんど断熱されている低質量センサ素子20
から成っている。抵抗素子は、温度で抵抗が変化する材
料を用いてセンサ上に形成される。（たとえば、センサ
への直接的な赤外線により、またはアンテナから結合さ
れたmm波輻射線により）このセンサ抵抗で消費される電
力は、支持構造のセンサ熱質量および熱コンダクタンス
に反比例した量だけセンサ素子20を加熱する。マイクロ
センサの感度は、低い熱質量センサと良好な断熱を必要
とする。消散された熱は、センサの熱容量と周囲の環境
の熱抵抗を掛けることにより得られた時定数で支持構造
に流れる。この応答時間は、感度を犠牲にすることなく
ミリ秒にすることができる。感度をトレードオフするこ
とにより、もっと速い応答時間が達成できる。薄膜抵抗
素子は、出力回路に接続するのに適した接点を有してい
る。電気出力信号は、マイクロセンサ抵抗の抵抗変化に
敏感な読出し回路を用いることにより得られる。
持構造からほとんど断熱されている低質量センサ素子20
から成っている。抵抗素子は、温度で抵抗が変化する材
料を用いてセンサ上に形成される。（たとえば、センサ
への直接的な赤外線により、またはアンテナから結合さ
れたmm波輻射線により）このセンサ抵抗で消費される電
力は、支持構造のセンサ熱質量および熱コンダクタンス
に反比例した量だけセンサ素子20を加熱する。マイクロ
センサの感度は、低い熱質量センサと良好な断熱を必要
とする。消散された熱は、センサの熱容量と周囲の環境
の熱抵抗を掛けることにより得られた時定数で支持構造
に流れる。この応答時間は、感度を犠牲にすることなく
ミリ秒にすることができる。感度をトレードオフするこ
とにより、もっと速い応答時間が達成できる。薄膜抵抗
素子は、出力回路に接続するのに適した接点を有してい
る。電気出力信号は、マイクロセンサ抵抗の抵抗変化に
敏感な読出し回路を用いることにより得られる。
このようなマイクロセンサの極限SN比は、非常に小さ
いセンサ熱質量を用いることにより、かつ支持構造から
の非常に高い断熱により達成される。可能な最小ノイズ
・レベルは、センサ負荷抵抗におけるジョンソン・ノイ
ズと、プリアンプ・ノイズと、センサとその周囲環境の
間で交換される輻射および伝導力の変動とによるもので
ある。マイクロアンテナからマイクロセンサに電気的に
結合されるmm波輻射線の場合、センサは、高い反射性材
料でコートされているので、輻射線交換ノイズを低レベ
ルにまで減少することができる。この場合、ノイズ極限
は、ａ）ジョンソン・ノイズと、ｂ）増幅器ノイズと、
ｃ）熱伝導ノイズとによる。
いセンサ熱質量を用いることにより、かつ支持構造から
の非常に高い断熱により達成される。可能な最小ノイズ
・レベルは、センサ負荷抵抗におけるジョンソン・ノイ
ズと、プリアンプ・ノイズと、センサとその周囲環境の
間で交換される輻射および伝導力の変動とによるもので
ある。マイクロアンテナからマイクロセンサに電気的に
結合されるmm波輻射線の場合、センサは、高い反射性材
料でコートされているので、輻射線交換ノイズを低レベ
ルにまで減少することができる。この場合、ノイズ極限
は、ａ）ジョンソン・ノイズと、ｂ）増幅器ノイズと、
ｃ）熱伝導ノイズとによる。
特に重要なことは、非常に低い伝導ノイズは、提供さ
れた構造の優れた断熱と低質量とにより達成されること
である。原型装置により示された代表的なパラメータ値
を用いることにより、輻射mm波の場との結合効率が75％
であるとすると、そのノイズ等価電力レベルは であると計算される。この計算された数値は、原型装置
において得られた実験的データと極めて一致している。
れた構造の優れた断熱と低質量とにより達成されること
である。原型装置により示された代表的なパラメータ値
を用いることにより、輻射mm波の場との結合効率が75％
であるとすると、そのノイズ等価電力レベルは であると計算される。この計算された数値は、原型装置
において得られた実験的データと極めて一致している。
実験結果 原型装置は、オシロスコープで小さい抵抗変化を表示
するように設計された電子読出し回路に接続された。セ
ンサは、センサの熱漏れを変えるるよう排気できる金属
チェンバ中に設置された。センサ・チェンバに赤外線お
よびmm波輻射線を入射させるのに、ZnSとガラスのウイ
ンドウが用いられた。センサのウインドウの正面に10Hz
のチョッパが設けられた。７×10-4W/CM2の赤外線の強
さに関しセンサを校正するのに、1000゜Kの黒体赤外線
源が使用された。大気圧におけるセンサに関しては、約
100mVのセンサ・レスポンスが観測され、かつ排気され
たセンサ・セルでは約400mVであった。センサにおいて
約２×10-3w/CM2のmm波の強さでセンサを照射するの
に、3.2mm（94GHz）CW発振器源が使用された。センサか
らの観測された信号の振幅は、280mVで測定された。mm
波信号の振幅は、セルの圧力が105−102Pa（760から0.5
torr）に減少した時、約４倍増加した。このことは、信
号が通常のマイクロセンサ熱応答メカニズムによること
を示している。
するように設計された電子読出し回路に接続された。セ
ンサは、センサの熱漏れを変えるるよう排気できる金属
チェンバ中に設置された。センサ・チェンバに赤外線お
よびmm波輻射線を入射させるのに、ZnSとガラスのウイ
ンドウが用いられた。センサのウインドウの正面に10Hz
のチョッパが設けられた。７×10-4W/CM2の赤外線の強
さに関しセンサを校正するのに、1000゜Kの黒体赤外線
源が使用された。大気圧におけるセンサに関しては、約
100mVのセンサ・レスポンスが観測され、かつ排気され
たセンサ・セルでは約400mVであった。センサにおいて
約２×10-3w/CM2のmm波の強さでセンサを照射するの
に、3.2mm（94GHz）CW発振器源が使用された。センサか
らの観測された信号の振幅は、280mVで測定された。mm
波信号の振幅は、セルの圧力が105−102Pa（760から0.5
torr）に減少した時、約４倍増加した。このことは、信
号が通常のマイクロセンサ熱応答メカニズムによること
を示している。
マイクロアンテナについての考察 絶縁体（たとえば、Si,Si3N4,SiO2）の表面にあるプ
レーナ・アンテナの特性は、均質媒体におけるアンテナ
とはかなり異なっている。主な相違点は、１）極図式が
絶縁体の方に常に強く偏位されているので、輻射線の有
効的な収集は、絶縁体側から入射する輻射線の方にかた
よっていること、および２）極図式に付加ピークが生じ
ることである。いくつかのピークは、基板の表面に沿っ
て見られ、これは、その表面上の隣接するアンテナ間で
のクロストークの原因になる基板表面波の結合を示して
いる。絶縁体基板上のプレーナ・アンテナの極図式は、
絶縁体の方に強く偏位されているが、この偏位は、図5a
に示したシリコン基板の裏面に金属接地面（たとえば、
0.2マイクロメータ（2000Å）の銅）を被着することに
より反転することができるので、全輻射線は空気側の方
に反射され、アンテナは空気の方にだけ面している。赤
外線センサが空気側からの輻射線を受けるので、この配
置は非常に望ましく、そこで、同じシリコン・ウェハ上
に製造されたmm波および赤外線センサ・アレイ用の共通
反射光学装置を用いることができる。
レーナ・アンテナの特性は、均質媒体におけるアンテナ
とはかなり異なっている。主な相違点は、１）極図式が
絶縁体の方に常に強く偏位されているので、輻射線の有
効的な収集は、絶縁体側から入射する輻射線の方にかた
よっていること、および２）極図式に付加ピークが生じ
ることである。いくつかのピークは、基板の表面に沿っ
て見られ、これは、その表面上の隣接するアンテナ間で
のクロストークの原因になる基板表面波の結合を示して
いる。絶縁体基板上のプレーナ・アンテナの極図式は、
絶縁体の方に強く偏位されているが、この偏位は、図5a
に示したシリコン基板の裏面に金属接地面（たとえば、
0.2マイクロメータ（2000Å）の銅）を被着することに
より反転することができるので、全輻射線は空気側の方
に反射され、アンテナは空気の方にだけ面している。赤
外線センサが空気側からの輻射線を受けるので、この配
置は非常に望ましく、そこで、同じシリコン・ウェハ上
に製造されたmm波および赤外線センサ・アレイ用の共通
反射光学装置を用いることができる。
前にそれとなく示した別の改変は、入射する輻射線が
絶縁体基板を通過するような“蝶ネクタイ”アンテナ設
計を使用していることである。テストでは、基板を通っ
て入射するmm波輻射線を有効的に集めるため、蝶ネクタ
イ・アンテナをリニヤ・アレイで使用できることが分っ
た。この構成において、赤外線は、正面側の検出器素子
において吸収され、一方、mm波輻射線はシリコン・ウェ
ハを通過しかつ裏側の蝶ネクタイ・アンテナ（図８）に
より収集される。この方法では、アンテナからセンサへ
のスルー・ザ・ウェハ相互接続部を使用することが望ま
しい。このアンテナ方法は、次のような優れた特性を示
している。
絶縁体基板を通過するような“蝶ネクタイ”アンテナ設
計を使用していることである。テストでは、基板を通っ
て入射するmm波輻射線を有効的に集めるため、蝶ネクタ
イ・アンテナをリニヤ・アレイで使用できることが分っ
た。この構成において、赤外線は、正面側の検出器素子
において吸収され、一方、mm波輻射線はシリコン・ウェ
ハを通過しかつ裏側の蝶ネクタイ・アンテナ（図８）に
より収集される。この方法では、アンテナからセンサへ
のスルー・ザ・ウェハ相互接続部を使用することが望ま
しい。このアンテナ方法は、次のような優れた特性を示
している。
Siウェハ表面に被着された金属膜から製造されたシ
ンプルなプレーナ構造。
ンプルなプレーナ構造。
絶縁体の方に強く（係数n3）偏位された極図式。ｎ
は屈折率である。なお、ビーム幅は図８に示すような蝶
ネクタイの角度調整により合せられる。
は屈折率である。なお、ビーム幅は図８に示すような蝶
ネクタイの角度調整により合せられる。
蝶ネクタイの角度調整により合せられ、幅広い周波
数範囲にわたって一定な抵抗特性インピーダンス。
数範囲にわたって一定な抵抗特性インピーダンス。
アンテナとマイクロセンサの結合 ダイポール・アンテナを輻射線センサに結合する最も
簡単な方法、ダイポールのアーム間にセンサを製造し、
アンテナ−センサ負荷を金属化することができる。アン
テナのインピーダンスは、100オームのレンジでセンサ
負荷に整合することができる。
簡単な方法、ダイポールのアーム間にセンサを製造し、
アンテナ−センサ負荷を金属化することができる。アン
テナのインピーダンスは、100オームのレンジでセンサ
負荷に整合することができる。
高感度検出器材料 マイクロセンサ構造の断面図である図３は、検出器素
子20を示している。マイクロボロメータ・センサ検出器
のための高感度材料の必要条件は、 ａ）抵抗の高い熱効率（TCR） ｂ）低い1/fノイズ ｃ）0.1マイクロメータ以下（＜1000オングストロー
ム）の薄膜で被着 ｄ）マイクロボロメータ製造技術に適合した工程 ｅ）異常熱容量ではない ｆ）マイクロボロメータの読出し回路に適合した薄膜イ
ンピーダンス（100〜100,000オーム） 酸化バナジウム（望ましくはVO2）が、これら全ての
条件を満たしている。酸化バナジウムの抵抗は温度に関
して非常に激しく変化するので、マイクロボロメータは
高い感度で動作することができる。TCRは、代表的には
−0.01〜−0.04/℃であるが、半導体−金属転移ではず
っと高い。この代表的なレンジは、約0.0035/℃である
（前に使用された）検出器材料パーマロイのTCRよりず
っと高い。高い導電率のVO2を使用することにより1/fノ
イズを低く、すなわち0.1マイクロメータ（1000オング
ストローム）の薄膜において単位面積当たり約1000オー
ムに保持することができる。VO2の薄膜検出器20は、選
択された薄膜インピーダスで絶縁体21に直接的に被着す
ることができる。この被着は、シリコン・マイクロブリ
ッジ技術に適合した成長条件を用いて非常に薄い層を被
着することができるイオン・ビーム・スパッタ工程によ
り行なうのが望ましい。この時、本実施例では、VO2は
その半導体相において作用される。熱容量の増加は、半
導体−金属相転移において生じるが、許容し得るくらい
低い。
子20を示している。マイクロボロメータ・センサ検出器
のための高感度材料の必要条件は、 ａ）抵抗の高い熱効率（TCR） ｂ）低い1/fノイズ ｃ）0.1マイクロメータ以下（＜1000オングストロー
ム）の薄膜で被着 ｄ）マイクロボロメータ製造技術に適合した工程 ｅ）異常熱容量ではない ｆ）マイクロボロメータの読出し回路に適合した薄膜イ
ンピーダンス（100〜100,000オーム） 酸化バナジウム（望ましくはVO2）が、これら全ての
条件を満たしている。酸化バナジウムの抵抗は温度に関
して非常に激しく変化するので、マイクロボロメータは
高い感度で動作することができる。TCRは、代表的には
−0.01〜−0.04/℃であるが、半導体−金属転移ではず
っと高い。この代表的なレンジは、約0.0035/℃である
（前に使用された）検出器材料パーマロイのTCRよりず
っと高い。高い導電率のVO2を使用することにより1/fノ
イズを低く、すなわち0.1マイクロメータ（1000オング
ストローム）の薄膜において単位面積当たり約1000オー
ムに保持することができる。VO2の薄膜検出器20は、選
択された薄膜インピーダスで絶縁体21に直接的に被着す
ることができる。この被着は、シリコン・マイクロブリ
ッジ技術に適合した成長条件を用いて非常に薄い層を被
着することができるイオン・ビーム・スパッタ工程によ
り行なうのが望ましい。この時、本実施例では、VO2は
その半導体相において作用される。熱容量の増加は、半
導体−金属相転移において生じるが、許容し得るくらい
低い。
Claims (12)
- 【請求項１】第１面に線形パターンで形成された複数の
凹部（107）を有する半導体本体（19）と、 少なくとも１個所で上記第１面にそれぞれ取り付けら
れ、かつ対応する凹部（107）の上に断熱構造として各
絶縁部材（21）を支持するように配置された複数の薄膜
絶縁体部材（21）と、 対応する凹部（107）の上に１個所で上記各絶縁部材（2
1）に埋め込まれ、かつ抵抗に関する高い温度係数を有
している酸化バナジウムの薄膜層（20）と、 測定回路に接続するのに適している、各酸化バナジウム
の薄膜層のための接点と、 から成ることを特徴とする、熱イメージングおよび熱検
出用モノリシック集積マイクロボロメータ・リニヤ・ア
レイ赤外線検出器。 - 【請求項２】請求項１記載の検出器において、酸化バナ
ジウムの薄膜層（20）の厚さは、0.1マイクロメータ以
下であることを特徴とする検出器。 - 【請求項３】請求項１記載の検出器において、酸化バナ
ジウムの薄膜層（20）の抵抗率は単位面積当たり1000オ
ームのオーダであることを特徴とする検出器。 - 【請求項４】請求項１記載の検出器において、絶縁部材
（21）は窒化シリコンから成ることを特徴とする検出
器。 - 【請求項５】請求項１記載の検出器において、半導体本
体（10）は単結晶シリコンから成ることを特徴とする検
出器。 - 【請求項６】請求項１記載の検出器において、１つの付
加集積マイクロセンサ・リニヤ・アレイ赤外線検出器
が、第１モノリシック集積マイクロセンサ・リニヤ・ア
レイ赤外線検出器として同じ半導体本体（19）に配置さ
れていることを特徴とする赤外線検出器。 - 【請求項７】請求項６記載の検出器において、モノリシ
ック集積マイクロセンサ・リニヤ・アレイは、熱イメー
ジング・システムの焦点面に配置されていることを特徴
とする検出器。 - 【請求項８】請求項１記載の検出器において、酸化バナ
ジウムの複数の薄膜層の部分集合が、アンテナ部材にそ
れぞれ結合していることを特徴とする検出器。 - 【請求項９】請求項８記載の検出器において、アンテナ
部材は、波長オーダの寸法を有する金属薄膜導体から成
ることを特徴とする検出器。 - 【請求項１０】請求項９記載の検出器において、アンテ
ナ部材は、薄膜絶縁部材上に配置されたダイポール・ア
ンテナから成ることを特徴とする検出器。 - 【請求項１１】請求項10記載の検出器において、半導体
本体の第１面の反対側の半導体本体の第２面に金属接地
平面が配置されていることを特徴とする赤外線検出器。 - 【請求項１２】請求項10記載の検出器において、導電性
の接地平面が半導体本体に配置されていることを特徴と
する赤外線検出器。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/US1992/004893 WO1993025877A1 (en) | 1992-06-11 | 1992-06-11 | Use of vanadium oxide in microbolometer sensors |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07507141A JPH07507141A (ja) | 1995-08-03 |
| JP2756730B2 true JP2756730B2 (ja) | 1998-05-25 |
Family
ID=22231146
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6501413A Expired - Lifetime JP2756730B2 (ja) | 1992-06-11 | 1992-06-11 | マイクロボロメータ・センサにおけるＡＢ▲下ｘ▼の使用 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0645001B1 (ja) |
| JP (1) | JP2756730B2 (ja) |
| CA (1) | CA2133081C (ja) |
| DE (1) | DE69216862T2 (ja) |
| WO (1) | WO1993025877A1 (ja) |
Families Citing this family (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5554849A (en) * | 1995-01-17 | 1996-09-10 | Flir Systems, Inc. | Micro-bolometric infrared staring array |
| US5627112A (en) * | 1995-11-13 | 1997-05-06 | Rockwell International Corporation | Method of making suspended microstructures |
| US6118124A (en) * | 1996-01-18 | 2000-09-12 | Lockheed Martin Energy Research Corporation | Electromagnetic and nuclear radiation detector using micromechanical sensors |
| FI107407B (fi) * | 1997-09-16 | 2001-07-31 | Metorex Internat Oy | Alimillimetriaalloilla toimiva kuvausjärjestelmä |
| JP3080093B2 (ja) | 1998-09-01 | 2000-08-21 | 日本電気株式会社 | ボロメータ用酸化物薄膜および該酸化物薄膜を用いた赤外線センサ |
| FR2788129B1 (fr) | 1998-12-30 | 2001-02-16 | Commissariat Energie Atomique | Detecteur bolometrique a antenne |
| KR20030019772A (ko) * | 2001-08-31 | 2003-03-07 | (주)니즈 | 비냉각 방식의 열 감지 센서용 바나듐 다이옥사이드박막의 제조방법 |
| FR2845157B1 (fr) * | 2002-10-01 | 2004-11-05 | Commissariat Energie Atomique | Detecteur bolometrique a antenne comportant un interrupteur et dispositif d'imagerie le comportant. |
| US7280078B2 (en) * | 2004-11-20 | 2007-10-09 | Scenterra, Inc. | Sensor for detecting high frequency signals |
| FR2901609B1 (fr) * | 2006-05-24 | 2009-01-16 | Airbus France Sas | Dispositif de controle non destructif d'une piece par analyse de dissipation de rayonnement |
| DE102012208192A1 (de) | 2012-05-16 | 2013-11-21 | Robert Bosch Gmbh | Infrarot-Sensorvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Infrarot-Sensorvorrichtung |
| DE102012208220A1 (de) | 2012-05-16 | 2013-11-21 | Robert Bosch Gmbh | Infrarot-Sensorvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Infrarot-Sensorvorrichtung |
| DE102012220207A1 (de) | 2012-11-07 | 2014-05-08 | Robert Bosch Gmbh | Bildpixelvorrichtung zum Erfassen von elektromagnetischer Strahlung, Sensorarray zum Erfassen von elektromagnetischer Strahlung und Verfahren zum Erfassen von elektromagnetischer Strahlung mittels einer Bildpixelvorrichtung |
| EP4012362B1 (de) * | 2020-12-11 | 2023-08-23 | Basler AG | System und verfahren zur ermittlung eines wärmebilds |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3484611A (en) * | 1967-05-16 | 1969-12-16 | Hitachi Ltd | Infrared detector composed of a sintered body of vanadium pentoxide and vanadium oxide |
| JPS4821363B1 (ja) * | 1967-12-31 | 1973-06-28 |
-
1992
- 1992-06-11 DE DE69216862T patent/DE69216862T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1992-06-11 EP EP92914047A patent/EP0645001B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1992-06-11 JP JP6501413A patent/JP2756730B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1992-06-11 WO PCT/US1992/004893 patent/WO1993025877A1/en active IP Right Grant
- 1992-06-11 CA CA002133081A patent/CA2133081C/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE69216862D1 (de) | 1997-02-27 |
| DE69216862T2 (de) | 1997-06-12 |
| WO1993025877A1 (en) | 1993-12-23 |
| CA2133081C (en) | 2001-12-25 |
| EP0645001A1 (en) | 1995-03-29 |
| JPH07507141A (ja) | 1995-08-03 |
| EP0645001B1 (en) | 1997-01-15 |
| CA2133081A1 (en) | 1993-12-23 |
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Legal Events
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