JP2834202B2 - 赤外線検出器 - Google Patents
赤外線検出器Info
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- G—PHYSICS
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- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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- G—PHYSICS
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- G08B13/189—Actuation by interference with heat, light, or radiation of shorter wavelength; Actuation by intruding sources of heat, light, or radiation of shorter wavelength using passive radiation detection systems
- G08B13/19—Actuation by interference with heat, light, or radiation of shorter wavelength; Actuation by intruding sources of heat, light, or radiation of shorter wavelength using passive radiation detection systems using infrared-radiation detection systems
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- H01L27/1467—Infrared imagers of the hybrid type
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- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
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- H05K1/16—Printed circuits incorporating printed electric components, e.g. printed resistor, capacitor, inductor
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- G01J2005/202—Arrays
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、赤外線放射検出器に関し、さらに詳しく
は、赤外線放射検出用の非冷却ボロメータに関する。
は、赤外線放射検出用の非冷却ボロメータに関する。
（従来技術） 暖かい人体から放出される赤外線放射の検出は、暗視
（可視光なしの認知）にとって重要な方法である。赤外
線検出器は、走査型またはスターリング・アレイ（star
ing array）型、低温（一般に液体窒素の温度）または
非冷却検出器、３ないし５ミクロンまたは８ないし12ミ
クロン分光感度範囲、および光子または熱的検出機構、
のように種々の方法で分類できる。低温赤外線検出器は
一般に、HgCdTeのような禁止帯幅の狭い（約0.1から0.2
eV）半導体で作られ、電子孔対を発生させる光子吸収に
よるホトダイオードまたはホトキャパシタとして動作す
る。例えば、HgCdTeホトキャパシタをシリコン信号処理
回路に接着した混成システムの述べられている米国特許
出願第4,686,373号（チュー他）を参照すること。
（可視光なしの認知）にとって重要な方法である。赤外
線検出器は、走査型またはスターリング・アレイ（star
ing array）型、低温（一般に液体窒素の温度）または
非冷却検出器、３ないし５ミクロンまたは８ないし12ミ
クロン分光感度範囲、および光子または熱的検出機構、
のように種々の方法で分類できる。低温赤外線検出器は
一般に、HgCdTeのような禁止帯幅の狭い（約0.1から0.2
eV）半導体で作られ、電子孔対を発生させる光子吸収に
よるホトダイオードまたはホトキャパシタとして動作す
る。例えば、HgCdTeホトキャパシタをシリコン信号処理
回路に接着した混成システムの述べられている米国特許
出願第4,686,373号（チュー他）を参照すること。
非冷却赤外線検出器は、禁止帯幅が狭い半導体を利用
できない。なぜならば、禁止帯幅は室温において約4kT
しかなく、暗電流は全ての信号を検出不能にする。その
結果、非冷却赤外線検出器は、その他の物理的な現象に
依存し、低温検出器より感度が低いが冷却装置を必要と
せず、その分エネルギー消費が低い。携帯用で低温検出
器のような高い検出能力を必要としない低い電力で使用
する場合、非冷却熱的検出器を選択することが望まし
い。赤外光子は吸収され、結果として吸収素子の温度上
昇が検出される。熱的検出器は通常次の３つのタイプの
内の１つである。（１）焦電検出器（２）熱電対、また
は（３）ボロメータ。
できない。なぜならば、禁止帯幅は室温において約4kT
しかなく、暗電流は全ての信号を検出不能にする。その
結果、非冷却赤外線検出器は、その他の物理的な現象に
依存し、低温検出器より感度が低いが冷却装置を必要と
せず、その分エネルギー消費が低い。携帯用で低温検出
器のような高い検出能力を必要としない低い電力で使用
する場合、非冷却熱的検出器を選択することが望まし
い。赤外光子は吸収され、結果として吸収素子の温度上
昇が検出される。熱的検出器は通常次の３つのタイプの
内の１つである。（１）焦電検出器（２）熱電対、また
は（３）ボロメータ。
焦電検出器は、強誘電体セラミック材料（BaSrTiO3）
を使用し、動作温度はこの材料のキュリー温度の少し下
（一般に０℃ないし150℃）である。公適な強誘電体材
料は、動作温度において自発的誘電分極に大きな変化を
起し、強誘電体を絶縁体として使用したコンデンサが帯
電することで得られる誘電電圧を検知することで、強誘
電体の温度上昇が検出される。例えば、米国特許出願第
4,348,611号（ラッペル他）第4,142,207号（マッコーマ
ク他）および第4,379,232号（ホッパー）を参照するこ
と。
を使用し、動作温度はこの材料のキュリー温度の少し下
（一般に０℃ないし150℃）である。公適な強誘電体材
料は、動作温度において自発的誘電分極に大きな変化を
起し、強誘電体を絶縁体として使用したコンデンサが帯
電することで得られる誘電電圧を検知することで、強誘
電体の温度上昇が検出される。例えば、米国特許出願第
4,348,611号（ラッペル他）第4,142,207号（マッコーマ
ク他）および第4,379,232号（ホッパー）を参照するこ
と。
焦電検出器は混成により構成されるので、検出器のア
レイを大きくした場合（256×256画素のアレイ）強誘電
体材料の不良、接点不良、およびバンプのボンディング
不良は歩留まりを低下させるため問題となる。
レイを大きくした場合（256×256画素のアレイ）強誘電
体材料の不良、接点不良、およびバンプのボンディング
不良は歩留まりを低下させるため問題となる。
熱電対は、異種導体の接合部の温度による接触電位の
変化に依存する、例としてG.Lahiji他による、シリコン
上にモノリシックアレイしたビスマス・アンチモニまた
は多結晶シリコン・金の熱電対を使用した「集積回路技
術を使用して製造したモノリシック熱電対検出器」1980
年 IEEE IEDM Tech.Dig.676を参照すること。
変化に依存する、例としてG.Lahiji他による、シリコン
上にモノリシックアレイしたビスマス・アンチモニまた
は多結晶シリコン・金の熱電対を使用した「集積回路技
術を使用して製造したモノリシック熱電対検出器」1980
年 IEEE IEDM Tech.Dig.676を参照すること。
ボロメータは、一般に熱的に絶縁された金属薄膜また
は半導体膜の抵抗成分の温度変化に依存している。薄膜
は、シリコン基板中に浮かされた誘電体膜上に形成する
ことが可能で、シリコン基板上のモノリシック検出器回
路に近接して配置できる。誘電体膜下からシリコンをエ
ッチングによって取去ることにより、誘電体膜は浮かさ
れ、シリコン基板の残りの部分から熱的に絶縁される。
例えばK.C.Liddiardによる、温度により抵抗成分が変化
する非結晶シリコン膜と赤外線吸収および電子的接触用
の隣接するニッケル膜を有する24「インフラレッド・フ
ィジックス」57（1984）および26「インフラレッド・フ
ィジックス」43（1986）を参照すること。上述の関連参
考文献は、ここに参照として含まれている。
は半導体膜の抵抗成分の温度変化に依存している。薄膜
は、シリコン基板中に浮かされた誘電体膜上に形成する
ことが可能で、シリコン基板上のモノリシック検出器回
路に近接して配置できる。誘電体膜下からシリコンをエ
ッチングによって取去ることにより、誘電体膜は浮かさ
れ、シリコン基板の残りの部分から熱的に絶縁される。
例えばK.C.Liddiardによる、温度により抵抗成分が変化
する非結晶シリコン膜と赤外線吸収および電子的接触用
の隣接するニッケル膜を有する24「インフラレッド・フ
ィジックス」57（1984）および26「インフラレッド・フ
ィジックス」43（1986）を参照すること。上述の関連参
考文献は、ここに参照として含まれている。
熱電対およびボロメータは、検出器回路と共にシリコ
ン・ウエハ上にモノリシック形成できるので、焦電検出
器の歩留まりの問題を回避することができる。しかし、
熱電対およびボロメータは、焦電検出器よりも検出能力
が低い問題を抱える。
ン・ウエハ上にモノリシック形成できるので、焦電検出
器の歩留まりの問題を回避することができる。しかし、
熱電対およびボロメータは、焦電検出器よりも検出能力
が低い問題を抱える。
（発明の概要） 本発明は、高感度抵抗材料と共に幾何学的に高い集積
度を有するモノリシック・アレイのボロメータの形態を
した赤外線放射イメージ装置を提供する。好適な実施例
では、抵抗材料として、赤外線吸収体を被覆した水素と
化合させた非結晶シリコン（ａ−Si:H）を使用し、シリ
コン検出回路上にこの抵抗材料を浮かせる構成を採用し
ている。浮かされた抵抗材料とこの下に横たわる反射性
の基板間の距離は、赤外線スペクトル帯中央における波
長の４分の１で、高い赤外線吸収性を与える。これによ
り、ボロメータの利点であるモノリシック構造を残しな
がら、焦電検出器に匹敵する検出能力を達成することに
よって、非冷却熱的検出器の周知の問題を解決する。
度を有するモノリシック・アレイのボロメータの形態を
した赤外線放射イメージ装置を提供する。好適な実施例
では、抵抗材料として、赤外線吸収体を被覆した水素と
化合させた非結晶シリコン（ａ−Si:H）を使用し、シリ
コン検出回路上にこの抵抗材料を浮かせる構成を採用し
ている。浮かされた抵抗材料とこの下に横たわる反射性
の基板間の距離は、赤外線スペクトル帯中央における波
長の４分の１で、高い赤外線吸収性を与える。これによ
り、ボロメータの利点であるモノリシック構造を残しな
がら、焦電検出器に匹敵する検出能力を達成することに
よって、非冷却熱的検出器の周知の問題を解決する。
（実施例） 第１図は一般的に100で示す赤外線イメージ・システ
ムの概略ブロック図に示し、これは赤外線レンズ・シス
テム102、メカニカル・チョッパ104、ボロメータのアレ
イ106、アレイ106用の駆動および読み出し電子装置10
8、ビデオ・プロセッサ110、ディスプレイ112、および
タイミングおよび制御用電子装置114を有する。レンズ
・システム102はアレイ106上に暖かい対象物によって放
射された赤外線電離放射をイメージする。チョッパ104
は周期的にレンズ・システム102で集めた赤外線放射を
通過させたり阻止したりする開口部を有する回転円板で
あってもよい。アレイ106は256列x256行に配列された6
4、536個のボロメータを有する。各ボロメータはレンズ
・システム102の視野範囲にある暖かい人体116プラス周
囲の場合のイメージ内の画素に対応する。アレイ106は
片面に形成された赤外線透過窓を有するステンレスの真
空チャンバに収容されている。この窓は人体116を含む
場面からの放射が窓を介してアレイ106に届くように位
置決めされる。
ムの概略ブロック図に示し、これは赤外線レンズ・シス
テム102、メカニカル・チョッパ104、ボロメータのアレ
イ106、アレイ106用の駆動および読み出し電子装置10
8、ビデオ・プロセッサ110、ディスプレイ112、および
タイミングおよび制御用電子装置114を有する。レンズ
・システム102はアレイ106上に暖かい対象物によって放
射された赤外線電離放射をイメージする。チョッパ104
は周期的にレンズ・システム102で集めた赤外線放射を
通過させたり阻止したりする開口部を有する回転円板で
あってもよい。アレイ106は256列x256行に配列された6
4、536個のボロメータを有する。各ボロメータはレンズ
・システム102の視野範囲にある暖かい人体116プラス周
囲の場合のイメージ内の画素に対応する。アレイ106は
片面に形成された赤外線透過窓を有するステンレスの真
空チャンバに収容されている。この窓は人体116を含む
場面からの放射が窓を介してアレイ106に届くように位
置決めされる。
第２図は、アレイ106の一部（４個のボロメータ）を
示す概略平面図であり、このアレイ106は温度によって
変化する抵抗値RBを有し、抵抗値RLを有するアースに接
続された固定負荷抵抗143と固定バイアス電圧V0との間
に接続された熱的に隔離されている抵抗143を有してい
る。
示す概略平面図であり、このアレイ106は温度によって
変化する抵抗値RBを有し、抵抗値RLを有するアースに接
続された固定負荷抵抗143と固定バイアス電圧V0との間
に接続された熱的に隔離されている抵抗143を有してい
る。
第３図は、アレイ106より単独のボロメータのアレイ1
06から見た概略斜視図であり、一般的に参照番号140に
よって示される。アレイ106の動作は次のとうりであ
る。暖かい人体116を含む断続的に切断された場合はア
レイ106にイメージされ、これによって各RBの値が変動
する（その場面の対応する部分の温度に比例する大きさ
で）。RBの変動する値で負荷抵抗両端に交流電圧が発生
し、これはコンデンサ122を通してバッファ増幅器120に
供給される。バッファ増幅器120の出力は、列アドレス
回路130によって一時に１つ選択された列について行読
み出し回路128によって読まれ、これによって一時に１
つの列のパス・トランジスタ132をオンする。
06から見た概略斜視図であり、一般的に参照番号140に
よって示される。アレイ106の動作は次のとうりであ
る。暖かい人体116を含む断続的に切断された場合はア
レイ106にイメージされ、これによって各RBの値が変動
する（その場面の対応する部分の温度に比例する大きさ
で）。RBの変動する値で負荷抵抗両端に交流電圧が発生
し、これはコンデンサ122を通してバッファ増幅器120に
供給される。バッファ増幅器120の出力は、列アドレス
回路130によって一時に１つ選択された列について行読
み出し回路128によって読まれ、これによって一時に１
つの列のパス・トランジスタ132をオンする。
第4a−ｂ図は、ボロメータ140の概略縦断面図であ
り、第５図は平面図である。第5b図は個々のボロメータ
の配置を示すアレイ106の一部を示す平面図である。ボ
ロメータ140は、厚さが1,700Åで50平方ミクロンのスタ
ック144を有し、このスタック144はシリコン二酸化物
（酸化物）の上部500Å層146、窒化チタン（TiN）の100
Å層、２×1018/cm3のキャリア濃度にボロンを添加した
水素と化合された非結晶シリコン（ａ−Si:H）150のa50
0Å層、他のTiNの層152および底部の500Åの層によって
構成される。スタック144は、スタック144の対角線上反
対側の角に位置する２つのチタン・タングステン（Ti:
W）の相互接続156と158によって基板142上に支持され
る。第５図に示すように、スタック144は正方形であ
り、相互接続156、158とスタック144の残りの部分（抵
抗141）との間にリード170と174とを形成する２対の長
い開口部160、162、164、166を有する。リード線170と1
74は長さが約22ミクロンで幅が約1.5ミクロンであり、
高い熱抵抗を与える。しかし、リード170と174を通るス
タック144の主要部からの熱損失は、抵抗141と基板142
との間の温度差による黒体の輻射熱損失より１桁以上大
きい。上部電極間隙172によって、上部酸化層146と上部
TiN層148は２つの部分に分離される。一方の部分は接点
176で相互接続156に接続され、他方の部分は接点178で
相互接続158に接続される。
り、第５図は平面図である。第5b図は個々のボロメータ
の配置を示すアレイ106の一部を示す平面図である。ボ
ロメータ140は、厚さが1,700Åで50平方ミクロンのスタ
ック144を有し、このスタック144はシリコン二酸化物
（酸化物）の上部500Å層146、窒化チタン（TiN）の100
Å層、２×1018/cm3のキャリア濃度にボロンを添加した
水素と化合された非結晶シリコン（ａ−Si:H）150のa50
0Å層、他のTiNの層152および底部の500Åの層によって
構成される。スタック144は、スタック144の対角線上反
対側の角に位置する２つのチタン・タングステン（Ti:
W）の相互接続156と158によって基板142上に支持され
る。第５図に示すように、スタック144は正方形であ
り、相互接続156、158とスタック144の残りの部分（抵
抗141）との間にリード170と174とを形成する２対の長
い開口部160、162、164、166を有する。リード線170と1
74は長さが約22ミクロンで幅が約1.5ミクロンであり、
高い熱抵抗を与える。しかし、リード170と174を通るス
タック144の主要部からの熱損失は、抵抗141と基板142
との間の温度差による黒体の輻射熱損失より１桁以上大
きい。上部電極間隙172によって、上部酸化層146と上部
TiN層148は２つの部分に分離される。一方の部分は接点
176で相互接続156に接続され、他方の部分は接点178で
相互接続158に接続される。
垂直の矢印180は、ａ−Si:H150に流れる直流の方向を
示す。この電流は、基板142上のバイアス電圧源182（5.
8ボルト）から金属の相互接続156を介して、電極の間隙
172の接点176側半分のTiN層148の中へ流れ、ａ−Si:H15
0を介してTiN層152中へ垂直に下方に流れ、ash150を介
して電極の間隙172の接点178側半分のTiN層148の中を垂
直に上方に流れ、最終的に相互接続158および基板142中
の負荷抵抗143を介してアースへ流れる。TiN層148およ
びTiN層152の片側は、ａ−Si:H150（約1MΩ−cmの抵抗
率）に対して高い導電性（約800μΩ/cmの抵抗率）であ
り、等電位面であると考えられる。したがって、抵抗14
1は、基本的に２つのａ−Si:H抵抗が直列になったもの
で、各ａ−Si:H抵抗は500Åの長さを有し、断面形状は
直角の頂上から斜辺へ向かって約90％の所まで伸びる狭
いＶ字刻みを有する端部が50ミクロンの直角三角形であ
る。抵抗の合計は、RBが約1.1MΩであり、RLも同じ値に
とら、したがって、抵抗141および負荷抵抗143における
合計アレイ106の全熱量損失は約１ワットである。ａ−S
i:H150の固有抵抗の温度係数は、アレイ106の動作温度3
00度Ｋにおいて１度Ｃ当たり約−0.072である。
示す。この電流は、基板142上のバイアス電圧源182（5.
8ボルト）から金属の相互接続156を介して、電極の間隙
172の接点176側半分のTiN層148の中へ流れ、ａ−Si:H15
0を介してTiN層152中へ垂直に下方に流れ、ash150を介
して電極の間隙172の接点178側半分のTiN層148の中を垂
直に上方に流れ、最終的に相互接続158および基板142中
の負荷抵抗143を介してアースへ流れる。TiN層148およ
びTiN層152の片側は、ａ−Si:H150（約1MΩ−cmの抵抗
率）に対して高い導電性（約800μΩ/cmの抵抗率）であ
り、等電位面であると考えられる。したがって、抵抗14
1は、基本的に２つのａ−Si:H抵抗が直列になったもの
で、各ａ−Si:H抵抗は500Åの長さを有し、断面形状は
直角の頂上から斜辺へ向かって約90％の所まで伸びる狭
いＶ字刻みを有する端部が50ミクロンの直角三角形であ
る。抵抗の合計は、RBが約1.1MΩであり、RLも同じ値に
とら、したがって、抵抗141および負荷抵抗143における
合計アレイ106の全熱量損失は約１ワットである。ａ−S
i:H150の固有抵抗の温度係数は、アレイ106の動作温度3
00度Ｋにおいて１度Ｃ当たり約−0.072である。
抵抗141の熱的時定数は、良好な感度のためにはチョ
ッパ104の周期より小さい。これは以下に分析されてい
る。抵抗141の冷却は、初期においてリード170および17
4を介して熱伝導によって行われ、その後支持部156およ
び158を介してシリコン基板142への熱伝導によって行わ
れる。特に、第６図は、入射赤外線の放射熱量Ｐ、入射
された放射熱量の吸収された微少分ε、抵抗141の温度
Ｔ、抵抗141の平均温度Tm、抵抗141の質量Ｍ、抵抗141
の比熱ｃ、抵抗141の抵抗値RB、リード170および174の
熱伝導率ｋ、リード170および174の断面積ａ、リード17
0および174の長さＩ、基板142の温度To、供給されたdc
電圧V0、抵抗141の抵抗値の温度係数α、負荷抵抗143の
抵抗値RL、および信号電圧VSとした場合の抵抗141に対
する熱の流れのモデルである。
ッパ104の周期より小さい。これは以下に分析されてい
る。抵抗141の冷却は、初期においてリード170および17
4を介して熱伝導によって行われ、その後支持部156およ
び158を介してシリコン基板142への熱伝導によって行わ
れる。特に、第６図は、入射赤外線の放射熱量Ｐ、入射
された放射熱量の吸収された微少分ε、抵抗141の温度
Ｔ、抵抗141の平均温度Tm、抵抗141の質量Ｍ、抵抗141
の比熱ｃ、抵抗141の抵抗値RB、リード170および174の
熱伝導率ｋ、リード170および174の断面積ａ、リード17
0および174の長さＩ、基板142の温度To、供給されたdc
電圧V0、抵抗141の抵抗値の温度係数α、負荷抵抗143の
抵抗値RL、および信号電圧VSとした場合の抵抗141に対
する熱の流れのモデルである。
抵抗141への入力の熱量は、吸収された放射熱量（ε
Ｐ）にV0（i2RB）による抵抗性の温度上昇に要する熱量
を加えたものであり、抵抗141による熱量損失は、初期
はリードに沿った熱的勾配（kadT/dx）に起因するリー
ド170および174を伝って逃げる熱である。この勾配は、
リードに沿った直線的な変化で近似することが可能であ
り、熱量の損失は〔ｋ（a/1）（Ｔ−T0〕である。抵抗1
41への純入射熱量は、温度の変化を発生する。
Ｐ）にV0（i2RB）による抵抗性の温度上昇に要する熱量
を加えたものであり、抵抗141による熱量損失は、初期
はリードに沿った熱的勾配（kadT/dx）に起因するリー
ド170および174を伝って逃げる熱である。この勾配は、
リードに沿った直線的な変化で近似することが可能であ
り、熱量の損失は〔ｋ（a/1）（Ｔ−T0〕である。抵抗1
41への純入射熱量は、温度の変化を発生する。
ここでＣ＝McはRBの熱容量、Ｋ＝ｋ（a/1）はリード170
および174の熱伝導率である。ただし、ｉおよびRBはＴ
によって決まる。しかし、RBの温度依存性を直線的近似
すると微分方程式が扱い易くなる。特に、抵抗の温度係
数ａ（＝1/RB・dRB/dT）はＴの変動範囲に渡って一定で
あると仮定する。一般に、T0は約300度Ｋ、Tmは約315な
いし320度Ｋ、かつＴの変動はTmに対して１度Ｋよりは
るかに小さい、したがって、ａを定数と仮定するのは厳
密ではない。ａ−Si:H150の場合、ａは320度Ｋにおいて
約−0.072であり、したがって、ａ（Ｔ−Tm）は微小な
ため第１次の近似は十分正確である。
および174の熱伝導率である。ただし、ｉおよびRBはＴ
によって決まる。しかし、RBの温度依存性を直線的近似
すると微分方程式が扱い易くなる。特に、抵抗の温度係
数ａ（＝1/RB・dRB/dT）はＴの変動範囲に渡って一定で
あると仮定する。一般に、T0は約300度Ｋ、Tmは約315な
いし320度Ｋ、かつＴの変動はTmに対して１度Ｋよりは
るかに小さい、したがって、ａを定数と仮定するのは厳
密ではない。ａ−Si:H150の場合、ａは320度Ｋにおいて
約−0.072であり、したがって、ａ（Ｔ−Tm）は微小な
ため第１次の近似は十分正確である。
ここでRmは温度TmにおけるRBの値、言い換えれば、平均
抵抗値である。この微分方程式は以下のようになる。
抵抗値である。この微分方程式は以下のようになる。
ここで、ＴおよびＰは単に時間ｔの関数である。
上式を変形すると以下のようになる。
ここで上式の右辺の第２番目の２つの項は、大きく（dc
電流に起因する温度を上昇させる熱量およびリードを介
して伝達することによる冷却熱量）実質的に打ち消さ
れ、変数（Ｔ−TmおよびＰ）は微小である。
電流に起因する温度を上昇させる熱量およびリードを介
して伝達することによる冷却熱量）実質的に打ち消さ
れ、変数（Ｔ−TmおよびＰ）は微小である。
入射される輻射熱量は、信号対雑音比を改善するため
に継断される。したがって、入射される輻射熱量は方形
波で、結果として生じる信号電圧は上述の式によって計
算し、ボロメータ・アレー106の利得を見積ることがで
きる。この微分方程式は、フーリエ級数をＰおよびＴ−
Tmで展開し、係数を同じにすることによって簡単に解く
ことができる。すなわち、Ｐは継式で与えられる。
に継断される。したがって、入射される輻射熱量は方形
波で、結果として生じる信号電圧は上述の式によって計
算し、ボロメータ・アレー106の利得を見積ることがで
きる。この微分方程式は、フーリエ級数をＰおよびＴ−
Tmで展開し、係数を同じにすることによって簡単に解く
ことができる。すなわち、Ｐは継式で与えられる。
さらにＴは次式で与えられる。
Ｔ（ｔ）＝Tm＋Ｔωsin（ωｔ−φ）＋Ｔ３ωsin（３ωｔ−ψ）＋ ここでωは入射された放射熱量がチョッパ104によって
継断される角付け周波数である。ゼロ次の係数は次式で
与えられる。
継断される角付け周波数である。ゼロ次の係数は次式で
与えられる。
１次の係数は次式で与えられる。
ここでKeffは さらにφは 尚、ゼロ次の式におけるεP0を無視しその結果得た式を
Keffを表す上式に代入すると以下の式が得られる。
Keffを表す上式に代入すると以下の式が得られる。
したがって、Keffは有効熱伝導率である。また、継断
される角付け周波数がKeff/Cより大きい場合、Ｔの変動
の大きさはωとほぼ反比例して減少する。
される角付け周波数がKeff/Cより大きい場合、Ｔの変動
の大きさはωとほぼ反比例して減少する。
第２次の係数（および他の全ての偶数次の係数）は零
になり、Ｐｎω＝P02/nπおよび誘導関数は1/n以外の一
因になるので奇数の高次の係数Ｔｎωは1/n2のように降
下する。したがって、ＴはTm＋Ｔωsin（ωｔ−φ）に
よって近似される。この近似は、もちろん、Ｐ＝P0（1/
2＋2/πsinωｔ）に対する正確な解であり、これは方形
波のフーリエ展開の正に第１番目の２項である。
になり、Ｐｎω＝P02/nπおよび誘導関数は1/n以外の一
因になるので奇数の高次の係数Ｔｎωは1/n2のように降
下する。したがって、ＴはTm＋Ｔωsin（ωｔ−φ）に
よって近似される。この近似は、もちろん、Ｐ＝P0（1/
2＋2/πsinωｔ）に対する正確な解であり、これは方形
波のフーリエ展開の正に第１番目の２項である。
入射Ｐに起因する出力信号VSは、得られたＴ、したが
ってRBもPL両端の電圧の変動としてのVsを定義する式に
代入することで計算できる。
ってRBもPL両端の電圧の変動としてのVsを定義する式に
代入することで計算できる。
上式は、次式の第１次の近似を与える。
したがって、検出器の応答（Vsを平均入射熱量P0で割っ
た大きさ）は、Ｉ（dc電流）、Rm、ａの増加に伴って増
加し、ＣおよびKeff（これはＴωを減少させる）の増加
に伴って減少する。増幅器120の入力インピーダンス
は、RBよりも大きくなくてはならないので、この入力に
よってRBに上限が設けられる。Ｉの全ての変動は雑音信
号となるので、ボロメーター140を流れる電流Ｉは極め
て一定である必要がある。このこと、およびジュール熱
による温度上昇が小さくなければならないという要求
は、最大電流Ｉを限する。抵抗141を完全に熱的に絶縁
しても、基板142と抵抗141の温度差によって抵抗141か
ら基板142への純放射フラックス量が与えられるという
意味で、Keffは下限を有する。
た大きさ）は、Ｉ（dc電流）、Rm、ａの増加に伴って増
加し、ＣおよびKeff（これはＴωを減少させる）の増加
に伴って減少する。増幅器120の入力インピーダンス
は、RBよりも大きくなくてはならないので、この入力に
よってRBに上限が設けられる。Ｉの全ての変動は雑音信
号となるので、ボロメーター140を流れる電流Ｉは極め
て一定である必要がある。このこと、およびジュール熱
による温度上昇が小さくなければならないという要求
は、最大電流Ｉを限する。抵抗141を完全に熱的に絶縁
しても、基板142と抵抗141の温度差によって抵抗141か
ら基板142への純放射フラックス量が与えられるという
意味で、Keffは下限を有する。
ボロメーター140の感度を最大にするためのRLの選択
は、VSの定義から簡単に計算が求められるが、この場
合、これはRLの関数として次式を最大にすることに留意
のこと。
は、VSの定義から簡単に計算が求められるが、この場
合、これはRLの関数として次式を最大にすることに留意
のこと。
これによりRL＝Rmが得られる。このRLの値によって、K
eff＝K, でりこれはRmと独立である。
eff＝K, でりこれはRmと独立である。
入射された放射熱量の入力段階での温度応答は、微分
方程式の第１次近似を求めることで計算することが可能
である。ｔ＜０においてＰ＝０、およびｔ＞０において
Ｐ＝P0と仮定すると、 Ｔ＝Ｔ∞−（Ｔ∞−T0）ｅ−t/γ ここでＴ［は漸近温度、およびT0は照射前の温度であ
る。したがって、ボロメーター140の時定数はπであ
る。
方程式の第１次近似を求めることで計算することが可能
である。ｔ＜０においてＰ＝０、およびｔ＞０において
Ｐ＝P0と仮定すると、 Ｔ＝Ｔ∞−（Ｔ∞−T0）ｅ−t/γ ここでＴ［は漸近温度、およびT0は照射前の温度であ
る。したがって、ボロメーター140の時定数はπであ
る。
信号電圧の増幅率を最大にするには（これは入射熱量
を乗じた応答性である）、ボロメーター140の熱容量Ｃ
および熱伝導率Ｋが最小で、能動的な抵抗吸収域Ａ、温
度係数α、および吸収εが最大でなければならない。ボ
ロメーター140は以下のようにして上記の条件を満足す
る。熱容量Ｃは、薄膜のスタック（stack）144を形成す
ることで最小にされ、熱伝導率Ｋはリード170および174
を長細く形成することで最小となる。能働域Ａは、アレ
ー106の集積度を高めるために１個のシリコン基板上に
アレー106を集積させ、検出回路を抵抗141の下に配設す
ることで最大になる。サーミスタ型の材料に対する温度
係数αは１度Ｋ当たり0.75位の高さであるが、このよう
な材料はシリコン処理とは適合性がなく、金属合金膜は
0.01未満の係数である。したがって、約0.07の係数を有
するａ−Si:Hを不純物添加することによって、シリコン
処理との適合性を有しながら高い係数が与えられる。非
結晶シリコンは赤外線放射を透過させるので、TiV抵抗
電極148および152にもまた吸収性をもたらせることで高
い吸収性εを実現できる。これは自由キャリア吸収で、
固有抵抗、厚さ、スタック144とアース面192との間隙を
選択することで最適にできる。これの分析を以下に示
す。
を乗じた応答性である）、ボロメーター140の熱容量Ｃ
および熱伝導率Ｋが最小で、能動的な抵抗吸収域Ａ、温
度係数α、および吸収εが最大でなければならない。ボ
ロメーター140は以下のようにして上記の条件を満足す
る。熱容量Ｃは、薄膜のスタック（stack）144を形成す
ることで最小にされ、熱伝導率Ｋはリード170および174
を長細く形成することで最小となる。能働域Ａは、アレ
ー106の集積度を高めるために１個のシリコン基板上に
アレー106を集積させ、検出回路を抵抗141の下に配設す
ることで最大になる。サーミスタ型の材料に対する温度
係数αは１度Ｋ当たり0.75位の高さであるが、このよう
な材料はシリコン処理とは適合性がなく、金属合金膜は
0.01未満の係数である。したがって、約0.07の係数を有
するａ−Si:Hを不純物添加することによって、シリコン
処理との適合性を有しながら高い係数が与えられる。非
結晶シリコンは赤外線放射を透過させるので、TiV抵抗
電極148および152にもまた吸収性をもたらせることで高
い吸収性εを実現できる。これは自由キャリア吸収で、
固有抵抗、厚さ、スタック144とアース面192との間隙を
選択することで最適にできる。これの分析を以下に示
す。
先ず、赤外線放射は、厚さｔおよび固有抵抗ρで両側
が空気に接している金属膜に入射すると考える。吸収
Ａ、反射Ｒ、伝達Ｔは第７図に示され、マックスウェル
の方程式によって計算され、ここで金属の反射係数およ
び消光指数はほぼ同じであると仮定し、これは波長がλ
≧10μｍの場合である。吸収は120πt/ρ＝２の場合最
大となる。
が空気に接している金属膜に入射すると考える。吸収
Ａ、反射Ｒ、伝達Ｔは第７図に示され、マックスウェル
の方程式によって計算され、ここで金属の反射係数およ
び消光指数はほぼ同じであると仮定し、これは波長がλ
≧10μｍの場合である。吸収は120πt/ρ＝２の場合最
大となる。
次ぎに、金属膜からλ/4離れた位置に平行にこれと厚
い導電性の層を設けると考える。120πt/ρ＝１におい
てほぼ100％の吸収が得られる。この分析はＬ・Hadely
ほかによる37J.光学協会Am.451（1947）に示されてい
る。
い導電性の層を設けると考える。120πt/ρ＝１におい
てほぼ100％の吸収が得られる。この分析はＬ・Hadely
ほかによる37J.光学協会Am.451（1947）に示されてい
る。
８ないし12ミクロンの分光感度でボロメーター140が
動作するためには、中央における波長は10ミクロンなの
で電極148および152とアース面192との距離は2.5ミクロ
ン（４分の１波長）に設定される。120πt/ρ＝１の条
件は、層148および150の組み合わせに対して適用する
が、その理由は、透過性のａ−Si:Hの厚さは波長に比較
して小さいからである。したがって全厚さが200Åの場
合、固有抵抗は120π×２×10-6、すなわち750μΩ−cm
でなくてならず、これはほぼスパッタリング反応による
TiNの固有抵抗である。厚さが100ÅのTiN電極148および
152の場合、これは約750Ω／□のシート抵抗になる。な
お、MoSi2およびWSi2のような焼鈍しないでスパッタリ
ングされたシリカ物を含むその他の材料はまたシリコン
処理と適合性があり適当な固有抵抗を有している。なぜ
ならば、固有抵抗対厚さの比率のみが吸収の分析におい
て考慮されるので、層の厚さが熱容量Ｃを大巾に増加さ
せるほど大きくなく、また膜の再生不能な特性を生じる
ほど小さくないならば、電極148および152の厚さは使用
される材料の固有抵抗を補償するために調整可能であ
る。また、酸化物146および154は、TiN148および152を
密封するのでTiNは決して、この固有抵抗に影響を与え
るプラズマ・エッチング、酸化または水和効果の対象と
はならない。TiN層のシート抵抗が安定であることは、
最適な赤外線吸収および吸収の均一性祖保持するために
重要である。
動作するためには、中央における波長は10ミクロンなの
で電極148および152とアース面192との距離は2.5ミクロ
ン（４分の１波長）に設定される。120πt/ρ＝１の条
件は、層148および150の組み合わせに対して適用する
が、その理由は、透過性のａ−Si:Hの厚さは波長に比較
して小さいからである。したがって全厚さが200Åの場
合、固有抵抗は120π×２×10-6、すなわち750μΩ−cm
でなくてならず、これはほぼスパッタリング反応による
TiNの固有抵抗である。厚さが100ÅのTiN電極148および
152の場合、これは約750Ω／□のシート抵抗になる。な
お、MoSi2およびWSi2のような焼鈍しないでスパッタリ
ングされたシリカ物を含むその他の材料はまたシリコン
処理と適合性があり適当な固有抵抗を有している。なぜ
ならば、固有抵抗対厚さの比率のみが吸収の分析におい
て考慮されるので、層の厚さが熱容量Ｃを大巾に増加さ
せるほど大きくなく、また膜の再生不能な特性を生じる
ほど小さくないならば、電極148および152の厚さは使用
される材料の固有抵抗を補償するために調整可能であ
る。また、酸化物146および154は、TiN148および152を
密封するのでTiNは決して、この固有抵抗に影響を与え
るプラズマ・エッチング、酸化または水和効果の対象と
はならない。TiN層のシート抵抗が安定であることは、
最適な赤外線吸収および吸収の均一性祖保持するために
重要である。
第4aないしｂ図に示すように、酸化物層190は負荷抵
抗RLおよびバッファ・アンプ120更にシリコン基板142の
残りの部分をアルミ・アース面192から覆い、絶縁して
いる。アルミ・アース面192とスタック144との処理は、
８ないし12ミクロンの波長範囲での検出の場合約2.5ミ
クロンで、このグランド面192と堆積層144との距離は、
上記範囲の中央周波数の４分の１波長である。第4a図は
アース面192を平坦なものとして模式的に示すが、第4b
図では基板の下に横たわる回路（CMOS）の幾つかを示
し、アース面192のわずかな凹凸（数百Å）を指示して
いる。TiN層148および152は、暖かい人体116を有する場
面から入射される赤外線放射の吸収を行い、非結晶シリ
コンは赤外線を透過させる。アース面192とスタック144
との４分の１波長の距離は、下に横たわる４分の１波長
の真空間隙およびアース面反射器と共に、薄くて半透明
のTiN148および152における自由キャリア吸収用の４分
の１波長吸収するフィルタを形成する。アース面192の
凹凸の吸収に対する影響は微小である。なお、吸収フィ
ルタとして真空間隙を使用すると、間隙中に誘電体を使
用した場合と比較しスタック144の熱容量が制限される
ことに留意すること。
抗RLおよびバッファ・アンプ120更にシリコン基板142の
残りの部分をアルミ・アース面192から覆い、絶縁して
いる。アルミ・アース面192とスタック144との処理は、
８ないし12ミクロンの波長範囲での検出の場合約2.5ミ
クロンで、このグランド面192と堆積層144との距離は、
上記範囲の中央周波数の４分の１波長である。第4a図は
アース面192を平坦なものとして模式的に示すが、第4b
図では基板の下に横たわる回路（CMOS）の幾つかを示
し、アース面192のわずかな凹凸（数百Å）を指示して
いる。TiN層148および152は、暖かい人体116を有する場
面から入射される赤外線放射の吸収を行い、非結晶シリ
コンは赤外線を透過させる。アース面192とスタック144
との４分の１波長の距離は、下に横たわる４分の１波長
の真空間隙およびアース面反射器と共に、薄くて半透明
のTiN148および152における自由キャリア吸収用の４分
の１波長吸収するフィルタを形成する。アース面192の
凹凸の吸収に対する影響は微小である。なお、吸収フィ
ルタとして真空間隙を使用すると、間隙中に誘電体を使
用した場合と比較しスタック144の熱容量が制限される
ことに留意すること。
第１の好適な実施例の製造方法に関する以下の説明を
考察することによって、第１実施例のボロメーターおよ
びアレーの特性と機能が更によく理解される。第１の好
適な実施例の方法は第8aないし8g図に示され、以下の各
ステップを有する。
考察することによって、第１実施例のボロメーターおよ
びアレーの特性と機能が更によく理解される。第１の好
適な実施例の方法は第8aないし8g図に示され、以下の各
ステップを有する。
（ａ）標準的な従来のCMOS処理によってシリコン基板14
2中に、負荷抵抗143、バッファ・アンプ120、コンデン
サ122、アドレス回路、金属相互接続および保護酸化物1
90を形成する。酸化物層190中にフォトリソグラフィ的
に直径２ミクロンの円形の窓194を形成し、相互接続156
および158を下方のバイアス電圧182および負荷抵抗143
並びにコンデンサ122へ接続させる。3000A厚のアルミ19
2をスパッタリングで形成し、第4b図に点線で示すよう
に酸化物190中の窓に充填し、アルミ192にパターン形成
およびエッチングを行ってアース面から相互接続点を絶
縁させる。第8a図では、酸化物190の下の回路は分かり
易くするため全て省略されている。
2中に、負荷抵抗143、バッファ・アンプ120、コンデン
サ122、アドレス回路、金属相互接続および保護酸化物1
90を形成する。酸化物層190中にフォトリソグラフィ的
に直径２ミクロンの円形の窓194を形成し、相互接続156
および158を下方のバイアス電圧182および負荷抵抗143
並びにコンデンサ122へ接続させる。3000A厚のアルミ19
2をスパッタリングで形成し、第4b図に点線で示すよう
に酸化物190中の窓に充填し、アルミ192にパターン形成
およびエッチングを行ってアース面から相互接続点を絶
縁させる。第8a図では、酸化物190の下の回路は分かり
易くするため全て省略されている。
（ｂ）光学的像を得られるポリイミドの層196を2.5ミク
ロンの厚さにアルミ層192上に回転によって形成し、相
互接続156および158用の直径約２ミクロンの円形窓のパ
ターンを露光して現像する。次に、焼成してポリイミド
を完全にイミド化する。第8b図では、酸化物190中の窓
は分かり易くするため省略されている。相互接続156お
よび158は、窓194の真上に位置する必要はないので、窓
194におけるアルミ192の非平面性は問題にならない。
ロンの厚さにアルミ層192上に回転によって形成し、相
互接続156および158用の直径約２ミクロンの円形窓のパ
ターンを露光して現像する。次に、焼成してポリイミド
を完全にイミド化する。第8b図では、酸化物190中の窓
は分かり易くするため省略されている。相互接続156お
よび158は、窓194の真上に位置する必要はないので、窓
194におけるアルミ192の非平面性は問題にならない。
（ｃ）元の場所にスパッタで層を堆積するとスタック14
4を形成することになる。特に、酸化物、チタン、およ
びボロンを添加したシリコンの標的を、３標的用のRFス
パッタリング・システム中に配設する。最初のスパッタ
でアルゴンの雰囲気で酸化物の標的から厚さ500Åの酸
化物層154を形成し、次ぎのスパッタでアルゴン／窒素
の雰囲気でチタン標的から厚さ100ÅのTiN層152を形成
し、次ぎにアルゴン／水素の雰囲気でボロンを添加した
シリコンの標的から厚さ500Åのボロンを添加した水和
非結晶シリコンの層150を形成し、更に別の厚さ100Åの
TiN層148を形成し、最後に別の厚さ500Åの酸化物層146
を形成する。第8c図を参照して、なお、ポリイミド196
は最高300℃の処理温度、すなわち、間隙状態の密度を
低くすることとこれに応じて大きな導電性活性エネルギ
ー保証するために非結晶シリコン形成の間必要とされる
温度に耐えることができる。
4を形成することになる。特に、酸化物、チタン、およ
びボロンを添加したシリコンの標的を、３標的用のRFス
パッタリング・システム中に配設する。最初のスパッタ
でアルゴンの雰囲気で酸化物の標的から厚さ500Åの酸
化物層154を形成し、次ぎのスパッタでアルゴン／窒素
の雰囲気でチタン標的から厚さ100ÅのTiN層152を形成
し、次ぎにアルゴン／水素の雰囲気でボロンを添加した
シリコンの標的から厚さ500Åのボロンを添加した水和
非結晶シリコンの層150を形成し、更に別の厚さ100Åの
TiN層148を形成し、最後に別の厚さ500Åの酸化物層146
を形成する。第8c図を参照して、なお、ポリイミド196
は最高300℃の処理温度、すなわち、間隙状態の密度を
低くすることとこれに応じて大きな導電性活性エネルギ
ー保証するために非結晶シリコン形成の間必要とされる
温度に耐えることができる。
（ｄ）フォトレジストの層200を回転によって形成し、
これを露光現像してスタック144に加え各画素のための
電極間隙172を形成する。エッチング用のマスクとして
パターンを施したフォトレジスト200を用いて、CF4＋O2
のプラズマ中でプラズマ・エッチングする。このプラズ
マは酸化物、TiNおよびシリコンをエッチングし、反応
生成物中にSiF＊の類の終了点検出によって非結晶シリ
コン層中でこのエッチングは停止する。第8d図参照。
これを露光現像してスタック144に加え各画素のための
電極間隙172を形成する。エッチング用のマスクとして
パターンを施したフォトレジスト200を用いて、CF4＋O2
のプラズマ中でプラズマ・エッチングする。このプラズ
マは酸化物、TiNおよびシリコンをエッチングし、反応
生成物中にSiF＊の類の終了点検出によって非結晶シリ
コン層中でこのエッチングは停止する。第8d図参照。
（ｅ）フォトレジストを剥離し、フォトレジストの第２
層202を回転によって形成し、これを露光現像して電極
間隙172なしでスタック144を形成する。エッチング用の
マスクとしてパターンを施したフォトレジスト202を用
いて、CF4＋O2のプラズマ中でプラズマ・エッチングを
行い、スタック144を形成するため、非結晶シリコン、T
iNおよび酸化物層の除去を完了する。このエッチングは
アルミ192を侵さず、CO＊の終了点検出によってポリイ
ミド196中で停止する。第8e図参照。温度によって決ま
る抵抗と同じスタック144からリード170および174を形
成することによって工程が簡単になる。
層202を回転によって形成し、これを露光現像して電極
間隙172なしでスタック144を形成する。エッチング用の
マスクとしてパターンを施したフォトレジスト202を用
いて、CF4＋O2のプラズマ中でプラズマ・エッチングを
行い、スタック144を形成するため、非結晶シリコン、T
iNおよび酸化物層の除去を完了する。このエッチングは
アルミ192を侵さず、CO＊の終了点検出によってポリイ
ミド196中で停止する。第8e図参照。温度によって決ま
る抵抗と同じスタック144からリード170および174を形
成することによって工程が簡単になる。
（ｆ）第２のフォトレジスト202を剥離し、第３のフォ
トレジスト層204を回転によって形成し、これを露光現
像して接点176および178を形成する。酸化物146の湿式
エッチングは、HFの10％溶液中でエッチング用のマスク
としてパターンを施したフォトレジスト204を用いて行
われ、TiN層148上で停止する。湿式エッチングは等方性
で、フォトレジスト204をアンダーカットする。第8f図
のアンダーカット206参照。光フォトレジストの再流は
フォトレジスト204をTiN層148に戻して垂下させ、アン
ダーカットの張出し部分を除去する。なお、TiN層の厚
さはわずか100Aしかないので、エッチングにおいて極度
の選択性が必要であるため、もし十分選択制のある異方
性プラズマ・エッチを使用すると、アンダーカツトおよ
び結果として生じる、フォトレジストの再流は避けられ
る。
トレジスト層204を回転によって形成し、これを露光現
像して接点176および178を形成する。酸化物146の湿式
エッチングは、HFの10％溶液中でエッチング用のマスク
としてパターンを施したフォトレジスト204を用いて行
われ、TiN層148上で停止する。湿式エッチングは等方性
で、フォトレジスト204をアンダーカットする。第8f図
のアンダーカット206参照。光フォトレジストの再流は
フォトレジスト204をTiN層148に戻して垂下させ、アン
ダーカットの張出し部分を除去する。なお、TiN層の厚
さはわずか100Aしかないので、エッチングにおいて極度
の選択性が必要であるため、もし十分選択制のある異方
性プラズマ・エッチを使用すると、アンダーカツトおよ
び結果として生じる、フォトレジストの再流は避けられ
る。
（ｇ）パターンを施した第３のフォトレジスト204上に
厚さ5000AのTi:W（純粋なタングステンの脆さを補うた
めに約10％のチタンを混ぜた合金）の層210をスパッタ
リングで形成する。第４のフォトレジスト層208を回転
によって形成し、これを露光現像して相互接続156およ
び158を形成する。エッチング用のマスクとしてパター
ンを施した第４のフォトレジスト208を用いてSF6中にT
i:Wをプラズマ・エッチを行い、このエッチングはフォ
トレジスト204上で停止する。第8g図参照。
厚さ5000AのTi:W（純粋なタングステンの脆さを補うた
めに約10％のチタンを混ぜた合金）の層210をスパッタ
リングで形成する。第４のフォトレジスト層208を回転
によって形成し、これを露光現像して相互接続156およ
び158を形成する。エッチング用のマスクとしてパター
ンを施した第４のフォトレジスト208を用いてSF6中にT
i:Wをプラズマ・エッチを行い、このエッチングはフォ
トレジスト204上で停止する。第8g図参照。
（ｈ）保護のためPMMA（メタクリル酸ポリメチル）を回
転によって形成し、ボロメーター・アレーを含むシリコ
ン・ウェハをチップに切断する。PMMAを除去するために
チップを回転させ、クロロベンゼンをスプレーする。プ
ラズマは、第３および第４のフォトレジスト層204およ
び208をポリイミド層196と共に灰にする。これによりボ
ンディングおよびパッケージを除きチップは完成する。
なお、第5a図には、プラズマ・エッチのアクセス孔がス
タック144中に示され、これらの孔は、スタック144が形
成される際に、酸化物、TiN層、および非結晶シリコン
層を貫通してエッチングされ、これらの孔は、スタック
144の下にあるポリイミド層を等方性プラズマによって
灰化するための所用時間を短縮する。
転によって形成し、ボロメーター・アレーを含むシリコ
ン・ウェハをチップに切断する。PMMAを除去するために
チップを回転させ、クロロベンゼンをスプレーする。プ
ラズマは、第３および第４のフォトレジスト層204およ
び208をポリイミド層196と共に灰にする。これによりボ
ンディングおよびパッケージを除きチップは完成する。
なお、第5a図には、プラズマ・エッチのアクセス孔がス
タック144中に示され、これらの孔は、スタック144が形
成される際に、酸化物、TiN層、および非結晶シリコン
層を貫通してエッチングされ、これらの孔は、スタック
144の下にあるポリイミド層を等方性プラズマによって
灰化するための所用時間を短縮する。
チョッパ104のチョッピング周波数30Hzにおけるボロ
メーター140の性能の試算は以下のように計算できる。
なず、酸化物、TiN層、ａ−Si:Hの容積比熱をそれぞれ
1.7、2.34、および1.72ジュール/cm3度Ｃと見積もるこ
とで、スタック144（50平方ミクロンとする）の熱容量
Ｃを、7.6×10−10ジュール／度Ｃと試算する。次ぎ
に、酸化物、TiN層,a−Si:Hの熱伝導率をそれぞれ約
０、0.2および0.84ワット／度Ｃ、更にリード170および
174の長さと幅を20ミクロンおよび１ミクロンと見積も
ること、リード170に加えて174の熱伝導率Ｋを4.6×10
-7ワット／度Ｃと試算する。これらの値を に代入し次式を得る。
メーター140の性能の試算は以下のように計算できる。
なず、酸化物、TiN層、ａ−Si:Hの容積比熱をそれぞれ
1.7、2.34、および1.72ジュール/cm3度Ｃと見積もるこ
とで、スタック144（50平方ミクロンとする）の熱容量
Ｃを、7.6×10−10ジュール／度Ｃと試算する。次ぎ
に、酸化物、TiN層,a−Si:Hの熱伝導率をそれぞれ約
０、0.2および0.84ワット／度Ｃ、更にリード170および
174の長さと幅を20ミクロンおよび１ミクロンと見積も
ること、リード170に加えて174の熱伝導率Ｋを4.6×10
-7ワット／度Ｃと試算する。これらの値を に代入し次式を得る。
更に時定数はπ＝C/K＝1.7msecである。
８ないし12ミクロンの波長範囲（すなわち、暖かい人
体116が周囲より１度暖かく、８ないし12ミクロンにお
いて両者とも1.0の放射率を有する）における場面の温
度差を１度Ｃ、赤外線レンズ・システム102のオプティ
ックスをf/1、放射輝度を5.16×10-5ワット/cm2と仮定
する。更に、ε＝0.5と仮定し（アース面192と共に４分
の１波長フィルターを含む場合、これをε1.0に増加
する）、次に温度の変動の大きさＴωを0.76×10-3度Ｃ
と等しくする。これを上述の信号電圧増幅度を示す式に
代入し、信号電圧増幅度78μＶ（バイアス１ボルト当た
り13μＶ）を得る。このレベルの動作ではアレー106で
の総熱量消費は約１ワットとなり、平均温度上昇は約17
度Ｃ（Tm−To）となる。
体116が周囲より１度暖かく、８ないし12ミクロンにお
いて両者とも1.0の放射率を有する）における場面の温
度差を１度Ｃ、赤外線レンズ・システム102のオプティ
ックスをf/1、放射輝度を5.16×10-5ワット/cm2と仮定
する。更に、ε＝0.5と仮定し（アース面192と共に４分
の１波長フィルターを含む場合、これをε1.0に増加
する）、次に温度の変動の大きさＴωを0.76×10-3度Ｃ
と等しくする。これを上述の信号電圧増幅度を示す式に
代入し、信号電圧増幅度78μＶ（バイアス１ボルト当た
り13μＶ）を得る。このレベルの動作ではアレー106で
の総熱量消費は約１ワットとなり、平均温度上昇は約17
度Ｃ（Tm−To）となる。
ボロメーター140の雑音は、従来技術の中で引用した1
984年Liddiardによる参考文献にしたがってパラメータ
を仮定することにより、計算によって見積もることが可
能である。これにより、ジョンソンにより雑音の等価熱
量（NEP）を得、熱的変動雑音は約2.5×10-11ワットで
ある。この値は、0.02度Ｋの雑音等価温度差（NETD）と
なる。
984年Liddiardによる参考文献にしたがってパラメータ
を仮定することにより、計算によって見積もることが可
能である。これにより、ジョンソンにより雑音の等価熱
量（NEP）を得、熱的変動雑音は約2.5×10-11ワットで
ある。この値は、0.02度Ｋの雑音等価温度差（NETD）と
なる。
更に、好適な実施例のボロメーターおよびアレーを第
9a図ないし9e図の平面図に示す、これらの平面図は、ボ
ロメーター140を示した第5a図に類似し、懸垂された抵
抗、リード、および下に横たわる基板への相互接続を示
し、この基板は負荷抵抗、信号電圧増幅器、およびアド
レス回路を含む。特に、ボロメーター140の間隙172に類
似した上部電極間隙が、各第9aないし9e図に破線272で
示され、ボロメーター140の相互接続156および158に類
似した、基板への相互接続が256および258によって示さ
れる。同様に、リード170および174に類似したリードが
270および274によって示される。なお、第9d図の好適な
実施例ではリードは二股に分けられていることに留意す
る。
9a図ないし9e図の平面図に示す、これらの平面図は、ボ
ロメーター140を示した第5a図に類似し、懸垂された抵
抗、リード、および下に横たわる基板への相互接続を示
し、この基板は負荷抵抗、信号電圧増幅器、およびアド
レス回路を含む。特に、ボロメーター140の間隙172に類
似した上部電極間隙が、各第9aないし9e図に破線272で
示され、ボロメーター140の相互接続156および158に類
似した、基板への相互接続が256および258によって示さ
れる。同様に、リード170および174に類似したリードが
270および274によって示される。なお、第9d図の好適な
実施例ではリードは二股に分けられていることに留意す
る。
（発明の効果） 高い集積度および抵抗端の不活性化の回避のために関
連する処理回路上に懸垂された温度によって決まる抵
抗、透過性で高い温度係数を有する材料上の放射吸収性
を有する材料で作られた温度によって決まる抵抗、４分
の１波長フィルター吸収器、および更に均一かつ再生可
能な抵抗用の抵抗材料を元の場所に形成する等の特徴を
保持しつつ、好適な実施例の装置の種々の変形および方
法を行うことが可能である。
連する処理回路上に懸垂された温度によって決まる抵
抗、透過性で高い温度係数を有する材料上の放射吸収性
を有する材料で作られた温度によって決まる抵抗、４分
の１波長フィルター吸収器、および更に均一かつ再生可
能な抵抗用の抵抗材料を元の場所に形成する等の特徴を
保持しつつ、好適な実施例の装置の種々の変形および方
法を行うことが可能である。
例えば、温度によって決まる抵抗を形成するスタック
の寸法、形状、および材料は変更可能であるが、吸収効
率はシート抵抗によって決まり、処理と共存可能な材料
は生産性の高い必要がある。温度によって決まる抵抗の
接点配列は、１つを上部接点とし１つを底部接点とする
ように変更可能であり、したがって電極間隙は不要にな
り、または２つの底部接点とすることも可能である。温
度によって決まる抵抗接点上の不活性化層（好適な実施
例140における酸化物146および154）は省略可能で、こ
れにより熱容量を減少する。温度によって決まる抵抗の
端部は表面からの漏れ〔最初の好適な実施例の方法にお
けるステップ（ｅ）の後の酸化物を形成することによる
等〕を制限するために不活性化することができる。ボロ
メーター140のエア・ブリッジ相互接続156および158
は、もし温度によって決まる抵抗が相互接続によって上
部および底部接点を短絡しないよう絶縁されていれば、
直接相互接続する金属に置換えることも可能である。更
に、抵抗性の非結晶シリコン層150は、接触比抵抗およ
び接触雑音を引き下げるためチタン窒化層148および152
に隣接して多量に不純物添加することもでき、もちろん
高固有抵抗非結晶シリコンの厚さは一定に保持される。
の寸法、形状、および材料は変更可能であるが、吸収効
率はシート抵抗によって決まり、処理と共存可能な材料
は生産性の高い必要がある。温度によって決まる抵抗の
接点配列は、１つを上部接点とし１つを底部接点とする
ように変更可能であり、したがって電極間隙は不要にな
り、または２つの底部接点とすることも可能である。温
度によって決まる抵抗接点上の不活性化層（好適な実施
例140における酸化物146および154）は省略可能で、こ
れにより熱容量を減少する。温度によって決まる抵抗の
端部は表面からの漏れ〔最初の好適な実施例の方法にお
けるステップ（ｅ）の後の酸化物を形成することによる
等〕を制限するために不活性化することができる。ボロ
メーター140のエア・ブリッジ相互接続156および158
は、もし温度によって決まる抵抗が相互接続によって上
部および底部接点を短絡しないよう絶縁されていれば、
直接相互接続する金属に置換えることも可能である。更
に、抵抗性の非結晶シリコン層150は、接触比抵抗およ
び接触雑音を引き下げるためチタン窒化層148および152
に隣接して多量に不純物添加することもでき、もちろん
高固有抵抗非結晶シリコンの厚さは一定に保持される。
本発明は、高集積度アレーの利点を提供するものであ
る。
る。
以上の記載に関連して、以下の各項を開示する。
1.（ａ）第１面の近傍にボロメータ回路阻止のアレイを
有する基板；および （ｂ）抵抗のアレイであって、上記の抵抗の各々は上記
の面との間に間隙を有し、放射を受光する方向を向き、
上記の回路素子の対応する組の上に位置すると共にこれ
と電気的に接続されている上記の抵抗のアレイによって
構成されることを特徴とするスペクトル範囲の放射を検
出するボロメータのアレイ。
有する基板；および （ｂ）抵抗のアレイであって、上記の抵抗の各々は上記
の面との間に間隙を有し、放射を受光する方向を向き、
上記の回路素子の対応する組の上に位置すると共にこれ
と電気的に接続されている上記の抵抗のアレイによって
構成されることを特徴とするスペクトル範囲の放射を検
出するボロメータのアレイ。
2.更に（ａ）上記の抵抗の受光した放射用のチョッパに
よって構成されることを特徴とする前記項１記載のアレ
イ。
よって構成されることを特徴とする前記項１記載のアレ
イ。
3.（ａ）上記の抵抗の各々はリードを有し、上記の抵抗
とリードは、第１導電層、抵抗層、および第２導電層を
有するスタックから形成され、上記の第２導電層が上記
の面に最も近いことを特徴とする前記項１記載のアレ
イ。
とリードは、第１導電層、抵抗層、および第２導電層を
有するスタックから形成され、上記の第２導電層が上記
の面に最も近いことを特徴とする前記項１記載のアレ
イ。
4.（ａ）上記の抵抗の各々は上記の第１導電層上にある
上記のリードに取り付けた接続部によって上記の面に接
続され；および （ｂ）上記のスタックは上記の接続部のみによって支持
されることを特徴とする前記項３記載のアレイ。
上記のリードに取り付けた接続部によって上記の面に接
続され；および （ｂ）上記のスタックは上記の接続部のみによって支持
されることを特徴とする前記項３記載のアレイ。
5.（ａ）上記の第１導電層は２つの領域に分割され；お
よび （ｂ）上記の２つの領域は上記のリードとエア・ブリッ
ジによって上記の対応する回路素子に接続されることを
特徴とする前記項３記載のアレイ。
よび （ｂ）上記の２つの領域は上記のリードとエア・ブリッ
ジによって上記の対応する回路素子に接続されることを
特徴とする前記項３記載のアレイ。
6.（ａ）上記の第２導電層から上記の面までの距離がス
ペクトル範囲の中心の波長の約1/4であることを特徴と
する前記項３記載のアレイ。
ペクトル範囲の中心の波長の約1/4であることを特徴と
する前記項３記載のアレイ。
7.（ａ）上記の第２導電層が不活性層を有し； （ｂ）上記の面が反射可能であり；および （ｃ）上記の面と上記の不活性層との間の間隙が真空で
あることを特徴とする前記項６記載のアレイ。
あることを特徴とする前記項６記載のアレイ。
8.上記の第１および第２導電層のシート抵抗が上記のス
ペクトル帯域の少なくとも50％を吸収することを特徴と
する前記項６記載のアレイ。
ペクトル帯域の少なくとも50％を吸収することを特徴と
する前記項６記載のアレイ。
9.（ａ）上記のスタックが上記の第１導電層上の第１不
活性層と上記の第２導電層上の第２不活性層を有し； 上記の第１および第２不活性層が二酸化シリコンであ
り； （ｃ）上記の第１および第２導電層が窒化チタンであ
り；および （ｄ）上記の抵抗層が非結晶シリコンであることを特徴
とする前記項６記載のアレイ。
活性層と上記の第２導電層上の第２不活性層を有し； 上記の第１および第２不活性層が二酸化シリコンであ
り； （ｃ）上記の第１および第２導電層が窒化チタンであ
り；および （ｄ）上記の抵抗層が非結晶シリコンであることを特徴
とする前記項６記載のアレイ。
10.（ａ）平面スタックから形成された抵抗であって、
上記のスタックが（ｉ）第１および第２面を有し、抵抗
値が温度によって決まる抵抗材料によって形成される平
面層、（ii）上記の第１面と当接する第１導電材料によ
って形成された第１層、（iii）上記の第２面と当接す
る第２導電材料によって形成された第２層を有し、上記
の第１層が上記の抵抗の２つの端子を形成する第１およ
び第２領域に分割される上記の抵抗；および （ｂ）上記の抵抗の抵抗値を検出する検出器によって形
成され； （ｃ）上記の抵抗はスペクトル範囲の放射を受光する方
向を向いていることを特徴とするスペクトル範囲の放射
を検出するボロメータ。
上記のスタックが（ｉ）第１および第２面を有し、抵抗
値が温度によって決まる抵抗材料によって形成される平
面層、（ii）上記の第１面と当接する第１導電材料によ
って形成された第１層、（iii）上記の第２面と当接す
る第２導電材料によって形成された第２層を有し、上記
の第１層が上記の抵抗の２つの端子を形成する第１およ
び第２領域に分割される上記の抵抗；および （ｂ）上記の抵抗の抵抗値を検出する検出器によって形
成され； （ｃ）上記の抵抗はスペクトル範囲の放射を受光する方
向を向いていることを特徴とするスペクトル範囲の放射
を検出するボロメータ。
11.更に（ａ）上記の抵抗材料の層が上記の第１層と上
記の第２層との近傍で高い導電性を有することを特徴と
する前記項10記載のボロメータ。
記の第２層との近傍で高い導電性を有することを特徴と
する前記項10記載のボロメータ。
12.更に（ａ）上記の抵抗から受光した放射用のチョッ
パによって構成されることを特徴とする前記項10記載の
ボロメータ。
パによって構成されることを特徴とする前記項10記載の
ボロメータ。
13.更に（ａ）第３導電材料の第３層によって構成さ
れ、上記の第３層は上記の第２層と平行であるとともに
上記のスペクトル範囲の中心の波長の約1/4に等しい距
離だけ上記の第２層から間隙があいていることを特徴と
する前記項10記載のボロメータ。
れ、上記の第３層は上記の第２層と平行であるとともに
上記のスペクトル範囲の中心の波長の約1/4に等しい距
離だけ上記の第２層から間隙があいていることを特徴と
する前記項10記載のボロメータ。
14.（ａ）上記の第１層と上記の第２層の厚さと導電性
が上記の抵抗による上記のスペクトル範囲の中心におけ
る少なくとも50％の吸収によって特徴づけられることを
特徴とする前記項13記載のボロメータ。
が上記の抵抗による上記のスペクトル範囲の中心におけ
る少なくとも50％の吸収によって特徴づけられることを
特徴とする前記項13記載のボロメータ。
15.（ａ）上記の抵抗材料が非結晶シリコンであり； （ｂ）上記の第１および第２導電材料が窒化チタンであ
り；および 上記のスタックは上記の第２層、上記の平面層、およ
び上記の第１層が元の位置で形成されることによって特
徴づけられることを特徴とする前記項10記載のボロメー
タ。
り；および 上記のスタックは上記の第２層、上記の平面層、およ
び上記の第１層が元の位置で形成されることによって特
徴づけられることを特徴とする前記項10記載のボロメー
タ。
16.（ａ）上記の２つの領域がリードとエア・ブリッジ
によって上記の検出器に接続されることを特徴とする前
記項10記載のボロメータ。
によって上記の検出器に接続されることを特徴とする前
記項10記載のボロメータ。
17.（ａ）スペクトル範囲の放射に対して実質的に透過
性を有する抵抗材料を設けるステップ； （ｂ）上記の抵抗材料上に導電材料を設けるステップ； （ｃ）上記の導電材料から間隙をあけて反射材料を設け
るステップ；および （ｄ）スペクトル範囲の放射に暴露された場合、上記の
抵抗材料の温度を測定するステップによって構成され、 （ｅ）上記の導電材料と上記の反射材料の間隙の厚さと
導電性がスペクトル範囲の中心における少なくとも50％
の吸収によって特徴づけられることを特徴とするスペク
トル範囲の放射を検出する方法。
性を有する抵抗材料を設けるステップ； （ｂ）上記の抵抗材料上に導電材料を設けるステップ； （ｃ）上記の導電材料から間隙をあけて反射材料を設け
るステップ；および （ｄ）スペクトル範囲の放射に暴露された場合、上記の
抵抗材料の温度を測定するステップによって構成され、 （ｅ）上記の導電材料と上記の反射材料の間隙の厚さと
導電性がスペクトル範囲の中心における少なくとも50％
の吸収によって特徴づけられることを特徴とするスペク
トル範囲の放射を検出する方法。
更に（ａ）上記の材料によって受光された放射を断続
的に切断するステップによって構成されることを特徴と
する前記項17記載の方法。
的に切断するステップによって構成されることを特徴と
する前記項17記載の方法。
19.（ａ）上記の導電材料が窒化チタンであり； （ｂ）上記の抵抗材料が非結晶シリコンであり；および （ｃ）上記の反射材料がアルミであることを特徴とする
前記項17記載の方法。
前記項17記載の方法。
20.（ａ）基板の表面にボロメータ回路のアレイを形成
するステップ； （ｂ）上記の回路上にスペーサ層を形成するステップ； （ｃ）上記のスペーサ層上に抵抗スタックを形成するス
テップ （ｄ）上記の抵抗スタックから上記の回路に接続部を形
成するステップ；および （ｅ）上記のスペーサ層を除去するステップによって構
成されることを特徴とする赤外線イメージ装置の製造方
法。
するステップ； （ｂ）上記の回路上にスペーサ層を形成するステップ； （ｃ）上記のスペーサ層上に抵抗スタックを形成するス
テップ （ｄ）上記の抵抗スタックから上記の回路に接続部を形
成するステップ；および （ｅ）上記のスペーサ層を除去するステップによって構
成されることを特徴とする赤外線イメージ装置の製造方
法。
21.更に（ａ）上記のスペーサ層を形成する前に上記の
ボロメータ回路の上に反射層を形成するステップによっ
て構成されることを特徴とする前記項20記載の方法。
ボロメータ回路の上に反射層を形成するステップによっ
て構成されることを特徴とする前記項20記載の方法。
22.上記の抵抗スタックは不活性層、導電層、抵抗層、
他の導電層、および他の不活性層の元の場所に形成され
ることを特徴とする前記項20記載の方法。
他の導電層、および他の不活性層の元の場所に形成され
ることを特徴とする前記項20記載の方法。
23.好適な実施例は、シリコン基板（142）上に形成され
たボロメータのモノリシック非冷却赤外線検出器のアレ
イを有し、このボロメータは酸化物（146）、TiN（14
8）、ａ−Si:H（150）、TiN（152）、赤外線吸収器を形
成するTiNを有する酸化物（154）および抵抗接点のスタ
ックを有し、ａ−Si:Hと抵抗は抵抗値の高い温度係数を
有し、抵抗は金属相互接続（154および156）によってシ
リコン基板（142）上に懸垂され、関連処理回路が抵抗
の下のシリコン基板（142）内に形成される。
たボロメータのモノリシック非冷却赤外線検出器のアレ
イを有し、このボロメータは酸化物（146）、TiN（14
8）、ａ−Si:H（150）、TiN（152）、赤外線吸収器を形
成するTiNを有する酸化物（154）および抵抗接点のスタ
ックを有し、ａ−Si:Hと抵抗は抵抗値の高い温度係数を
有し、抵抗は金属相互接続（154および156）によってシ
リコン基板（142）上に懸垂され、関連処理回路が抵抗
の下のシリコン基板（142）内に形成される。
図面は明確化のための概略図である。 第１図は、第１の好適な実施例のボロメータのアレイを
含む赤外線検出システムを示すブロック図である。 第２図は、第１の好適な実施例のアレイを示す平面図で
ある。 第３図は、第１の好適な実施例のアレイの単独のボロメ
ーターを示す斜視図である。 第4aおよび4b図は、第１の好適な実施例のアレイの１つ
のボロメーターを示す縦断面図である。 第5aおよび5b図は、第１の好適な実施例のアレイの１つ
のボロメーターおよびこのアレイの一部を示す平面図で
ある。 第６図は、第１の好適な実施例の動作分析のためのモデ
ルを示す。 第７図は、理論上の吸収、反射、および伝導を示す曲線
である。 第8aないし8g図は、好適な実施例の組立て方法のステッ
プを示す縦断面図である。 第9aないし9e図は、他の好適な実施例の単独のボロメー
ターを示す平面図である。 100……赤外線映像化システム、102……赤外線レンズ・
システム、104……機械式チョッパ、106……ボロメータ
ー・アレー、108……駆動および読取り電子回路、110…
…ビデオ処理装置、112……ディスプレイ、114……タイ
ミングおよび制御装置、116……暖かい人体、120……バ
ッファ・アンプ、122……コンデンサ、128……行読み出
し回路、130……列アドレス回路、132……パス・トラン
ジスタ、140……単１ボロメーター、141……抵抗、142
……基板、143……負荷抵抗、144……スタック、146,15
4……二酸化シリコン層、148,152……TiN層、150……水
和非結晶シリコン層、156,158……Ti:W相互接続、160,1
62,164,166,194……窓、170,174……リード、172……上
部電極間隙、176,178……接点、180……垂直な矢印、18
2……バイアス電圧源、190……保護酸化物、192……ア
ース面、196……ポリイミド層、200,202……フォトレジ
スト、256,258……基板への相互接続、270,274……リー
ド、272……上部電極間隙を示す破線。
含む赤外線検出システムを示すブロック図である。 第２図は、第１の好適な実施例のアレイを示す平面図で
ある。 第３図は、第１の好適な実施例のアレイの単独のボロメ
ーターを示す斜視図である。 第4aおよび4b図は、第１の好適な実施例のアレイの１つ
のボロメーターを示す縦断面図である。 第5aおよび5b図は、第１の好適な実施例のアレイの１つ
のボロメーターおよびこのアレイの一部を示す平面図で
ある。 第６図は、第１の好適な実施例の動作分析のためのモデ
ルを示す。 第７図は、理論上の吸収、反射、および伝導を示す曲線
である。 第8aないし8g図は、好適な実施例の組立て方法のステッ
プを示す縦断面図である。 第9aないし9e図は、他の好適な実施例の単独のボロメー
ターを示す平面図である。 100……赤外線映像化システム、102……赤外線レンズ・
システム、104……機械式チョッパ、106……ボロメータ
ー・アレー、108……駆動および読取り電子回路、110…
…ビデオ処理装置、112……ディスプレイ、114……タイ
ミングおよび制御装置、116……暖かい人体、120……バ
ッファ・アンプ、122……コンデンサ、128……行読み出
し回路、130……列アドレス回路、132……パス・トラン
ジスタ、140……単１ボロメーター、141……抵抗、142
……基板、143……負荷抵抗、144……スタック、146,15
4……二酸化シリコン層、148,152……TiN層、150……水
和非結晶シリコン層、156,158……Ti:W相互接続、160,1
62,164,166,194……窓、170,174……リード、172……上
部電極間隙、176,178……接点、180……垂直な矢印、18
2……バイアス電圧源、190……保護酸化物、192……ア
ース面、196……ポリイミド層、200,202……フォトレジ
スト、256,258……基板への相互接続、270,274……リー
ド、272……上部電極間隙を示す破線。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01J 1/02 G01J 5/20
Claims (34)
- 【請求項１】（ａ）表面に隣接してボロメータ回路素子
セットのアレイを含む基板と、 （ｂ）赤外線放射のスペクトル範囲の中心のほぼ４分の
１波長だけ前記の表面からそれぞれの抵抗が離れている
抵抗のアレイと を備え、これらの抵抗と抵抗のリードとは第１導電層、
抵抗層そして第２導電層を含むスタックから形成され、
この第２導電層は前記の表面に最も近い層であり、前記
の抵抗のそれぞれは放射を受けるような向きとなってお
り、そして前記のボロメータ回路素子セットの中の対応
する一つのセットの上方にあって、それに電気的に接続
され、前記の第１導電層と第２導電層のシート抵抗は前
記のスペクトル範囲内で少なくとも50％の吸収を生じる
ことを特徴とする赤外線の放射スペクトル範囲で放射を
検出するボロメータのアレイ。 - 【請求項２】（ａ）前記の抵抗が受ける放射をチョッパ
ーするチョッパーを更に備える請求項１に記載のボロメ
ータのアレイ。 - 【請求項３】（ａ）前記の第２導電層は不活性層を有
し、 （ｂ）前記の表面は反射性であり、そして （ｃ）前記の表面と前記の不活性層との間の空間は排気
されている請求項１に記載のアレイ。 - 【請求項４】（ａ）前記のスタックは、前記の第１導電
層上に第１不活性層を、そして前記の第２導電層上に第
２不活性層を含んでおり、 （ｂ）前記の第１不活性層と前記の第２不活性層とは二
酸化シリコンであり、 （ｃ）前記の第１導電層と前記の第２導電層とは窒化チ
タンであり、そして （ｄ）前記の抵抗層は非結晶シリコンである。 請求項１に記載のアレイ。 - 【請求項５】（ａ）表面に隣接してボロメータ回路素子
セットのアレイを含む基板と、 （ｂ）赤外線放射のスペクトル範囲の中心のほぼ４分の
１波長だけ前記の表面からそれぞれの抵抗が離れている
抵抗のアレイと を備え、これらの抵抗と抵抗のリードとは第１導電層、
抵抗層そして第２導電層を含むスタックから形成され、
この第２導電層は前記の表面に最も近い層であり、前記
の抵抗のそれぞれは放射を受けるような向きとなってお
り、そして前記のボロメータ回路素子セットの中の対応
する一つのセットの上方であって、それに電気的に接続
され、前記の抵抗のそれぞれは、前記の第１導電層上で
前記のリードへ取り付けたサポートにより前記の表面よ
り上方に機械的に支持されており、これらのサポートは
導電接続から本質的に成っていることを特徴とする赤外
線の放射スペクトル範囲で放射を検出するボロメータの
アレイ。 - 【請求項６】（ａ）表面に隣接してボロメータ回路素子
セットのアレイを含む基板と、 （ｂ）赤外線放射のスペクトル範囲の中心のほぼ４分の
１波長だけ前記の表面からそれぞれの抵抗が離れている
抵抗のアレイと を備え、これらの抵抗と抵抗のリードとは第１導電層、
抵抗層そして第２導電層を含むスタックから形成され、
この第２導電層は前記の表面に最も近い層であり、前記
の抵抗のそれぞれは放射を受けるような向きとなってお
り、そして前記のボロメータ回路素子セットの中の対応
する一つのセットの上方にあって、それに電気的に接続
され、前記の第１導電層は２つの区域に別れ、これら２
つの区域は前記のリードとエア・ブリッジとにより前記
のボロメータ回路素子セットの中の対応する一つのセッ
トへ接続されていることを特徴とする赤外線の放射スペ
クトル範囲で放射を検出するボロメータのアレイ。 - 【請求項７】平らなスタックに形成されている抵抗と、
この抵抗の抵抗値を検出する検出器とを備え、前記の抵
抗は放射を受けるような向きにされており、前記のスタ
ックは（ｉ）温度により抵抗値の変わる抵抗材料から成
っていて、第１表面と第２表面とを有する平らな層と、
（ii）前記の第１表面に衝合する第１導電材料の第１層
と、（iii）前記の第２表面に衝合する第２導電材料の
第２層とを含み、前記の第１層は前記の抵抗の２つの端
子を形成する第１と第２の領域に分けられていることを
特徴とする赤外線の放射スペクトル範囲で放射を検出す
るボロメータのアレイ。 - 【請求項８】（ａ）前記の抵抗材料から成る層に隣接し
て前記の第１層と前記の第２層の高い導電率を有する請
求項７に記載のボロメータのアレイ。 - 【請求項９】（ａ）前記の抵抗材料が非結晶シリコンで
あり、 （ｂ）前記の第１と第２の導電材料は窒化チタンであ
り、そして （ｃ）前記のスタックは前記の第２層、前記の平らな層
そして前記の第１層の沈着により形成されている請求項
７に記載のボロメータのアレイ。 - 【請求項１０】（ａ）前記の抵抗が受ける放射をチョッ
パするチョッパを更に備える請求項７に記載のボロメー
タのアレイ。 - 【請求項１１】（ａ）前記の２つの区域がリードとエア
ブリッジとにより前記の検出器に接続されている請求項
10に記載のボロメータのアレイ。 - 【請求項１２】（ａ）第３導電材料の第３層を更に備
え、この第３層は前記の第２層に平行に、そして赤外線
放射のスペクトル範囲の中心のほぼ４分の１波長に等し
い距離前記の第２層から離れている請求項７に記載のボ
ロメータのアレイ。 - 【請求項１３】（ａ）前記の抵抗が赤外線放射のスペク
トル範囲の中心で少なくとも50％吸収するよう前記の第
１層と前記の第２層の厚みと導電率とを選んだ請求項12
に記載のボロメータのアレイ。 - 【請求項１４】（ａ）赤外線放射のスペクトル範囲の放
射を実質的に透過させる抵抗材料を準備し、 （ｂ）この抵抗材料に導電材料を載せ、 （ｃ）この導電材料から反射材料を実質的に透過性の材
料によって離隔し、 （ｄ）前記の導電材料の厚みと、導電率と、シート抵抗
とが、前記の反射材料の離隔と一緒になって全部で、赤
外線放射のスペクトル範囲の中心の周りで少なくとも50
％の吸収を生じさせ、そして （ｅ）赤外線放射に曝されるとき前記の抵抗材料の温度
を測定する ことを特徴とする赤外線放射のスペクトル範囲の放射を
検出する方法。 - 【請求項１５】（ａ）前記の材料が受ける放射をチョッ
プする段階を更に備える請求項14に記載の方法。 - 【請求項１６】（ａ）前記の導電材料は窒化チタンであ
り、 （ｂ）前記の抵抗材料が非結晶シリコンであり、そして （ｃ）前記の反射材料がアルミニュームである 請求項14に記載の方法。 - 【請求項１７】（ａ）基板の表面にアレイボロメータ回
路を形成し、 （ｂ）この回路の上に赤外線反射層を形成し、 （ｃ）この反射層の上にスペーサ層を形成し、 （ｄ）８−12μｍの波長の赤外線放射のスペクトル範囲
の中心のほぼ４分の１波長だけ前記の反射層から離し
て、前記のスペーサ層の上に抵抗スタックを形成し、そ
して （ｅ）この抵抗スタックから前記の回路への接続を形成
し、そして （ｆ）前記のスペーサ層を取り除く ことを特徴とする赤外線イメージャーの製作法。 - 【請求項１８】（ａ）不活性層、導電層、抵抗層、別の
導電層そして別の不活性層を抵抗スタックを形成する場
所に沈着させて抵抗スタックを形成する請求項17に記載
の方法。 - 【請求項１９】ボロメータ回路素子セットのアレイを含
む基板と、 絶縁材料の層により前記の基板から離され、そして基板
に被さっている赤外線反射層、そして 受けた放射につれて抵抗値が変化する抵抗アレイ を備え、この抵抗アレイは前記の赤外線反射層から８−
12μｍの波長の赤外線放射のスペクトル範囲の中心のほ
ぼ４分の１波長だけ離されており、抵抗アレイのそれぞ
れの抵抗は放射を受けるように向けられており、前記の
ボロメータ回路素子セットの中の一つのセットの上に位
置し、そしてそれへ電気的に接続されていることを特徴
とする赤外線放射のスペクトル範囲の放射を検出するボ
ロメータのアレイ。 - 【請求項２０】表面を有する基板、 赤外線放射のスペクトル範囲の放射を受けるように配向
し、その受けた放射につれて抵抗値が変わる可変抵抗を
選定した距離だけ離して前記の基板の上方に配置してい
て、前記の基板の表面の選択された区域を実質的に覆う
選択された形をしている可変抵抗から成る抵抗のアレ
イ、そして 前記の基板の表面に形成されたボロメータ回路素子セッ
トのアレイ を備え、これらのボロメータ回路素子セットの中の選択
されたセットは前記の抵抗のアレイの中の対応する可変
抵抗の下方の前記の選択された区域にあって、前記の対
応する可変抵抗に接続されており、前記の可変抵抗の各
々は導電相互接続から本質的に成るサポートにより前記
の基板から離してその上方に機械的に支持されているこ
とを特徴とした赤外線放射のスペクトル範囲の放射を検
出するボロメータのアレイ。 - 【請求項２１】（ａ）前記の抵抗の各々はリードを有
し、そして前記の抵抗とリードとを形成しているスタッ
クは第１導電層、抵抗層そして第２導電層を含み、前記
の第２導電層が前記の表面に最も近くなっている請求項
20に記載のアレイ。 - 【請求項２２】前記のボロメータ回路素子セットと前記
の可変の抵抗とが赤外線放射のスペクトル範囲の中心の
波長のほぼ４分の１だけ離されている請求項20に記載の
アレイ。 - 【請求項２３】回路素子セットの頂面と対応の可変抵抗
の底面との間隔が赤外線放射のスペクトル範囲の中心の
波長のほぼ４分の１である請求項20に記載のアレイ。 - 【請求項２４】表面を有する基板、 赤外線放射のスペクトル範囲の放射を受けるように配向
し、その受けた放射につれて抵抗値が変わる可変抵抗を
選定した距離だけ離して前記の基板の上方に配置してい
て、前記の基板の表面の選択された区域を実質的に覆う
選択された形をしている可変抵抗から成る抵抗のアレ
イ、そして 前記の基板の表面に形成されたボロメータ回路素子セッ
トのアレイ を備え、これらのボロメータ回路素子セットの中の選択
されたセットは前記の抵抗のアレイの中の対応する可変
抵抗の下方の前記の選択された区域にあって、前記の対
応する可変抵抗に接続されており、前記の可変抵抗の各
々はリードを有し、この可変抵抗とリードとは、第１の
導電層、抵抗層そして第２の導電層を含むスタックから
形成され、前記の第２の導電層は前記の基板の表面に最
も近い層となっており、そして前記の第１の導電層は２
つの領域に分かれていてこれらの２つの領域は前記のリ
ードとエア・ブリッジによりそれらに対応するボロメー
タ回路素子に接続されていることを特徴とした赤外線放
射のスペクトル範囲の放射を検出するボロメータのアレ
イ。 - 【請求項２５】層状構造体に形成された複数のピクセル
を備え、前記の層状構造体は基板、この基板上に形成さ
れた回路素子、これらの回路素子から絶縁され、そして
その上に配置されて接地面と反射器として働く導電放射
反射層、この反射層に配置され、前記の回路素子より上
に井戸を形成するスペーサ層を含み、そして赤外線放射
のスペクトル範囲で放射を受けて変わる可変抵抗は前記
のスペーサ層により支持され、そして前記の井戸の上方
に、赤外線放射のスペクトル範囲の中心の波長のほぼ４
分の１の距離だけ前記の反射層から離され、赤外線放射
のスペクトル範囲の波長は８−12μｍであることを特徴
とする赤外線放射のスペクトル範囲で放射を受けて変わ
る可変抵抗を有するボロメータのアレイ。 - 【請求項２６】前記の可変抵抗の各々はリードを有し、
前記の可変抵抗とリードとは第１導電層、抵抗層そして
第２導電層を含むスタックから形成され、前記の第２導
電層は前記の反射層にもっとも近くなっている請求項25
に記載のアレイ。 - 【請求項２７】層状構造体に形成された複数のピクセル
を備え、前記の層状構造体は基板、この基板上に形成さ
れた回路素子、これらの回路素子から絶縁され、そして
その上に配置されて接地面と反射器として働く導電放射
反射層、この反射層に配置され、前記の回路素子より上
に井戸を形成するスペーサ層を含み、そして赤外線放射
のスペクトル範囲で放射を受けて変わる可変抵抗は前記
のスペーサ層により支持され、そして前記の井戸の上方
にあり、赤外線放射のスペクトル範囲で放射を受けて変
わる可変抵抗の各々はリードを有し、前記の可変抵抗と
リードとは第１導電層、抵抗層そして第２導電層を含む
スタックから形成され、前記の第１導電層は２つの領域
に分けられ、そしてこれら２つの領域は前記のリードと
エア・ブリッジにより対応回路素子へ接続されている請
求項25に記載のアレイ。 - 【請求項２８】前記の赤外線放射のスペクトル範囲の少
なくとも50％吸収するシート抵抗を持つ放射吸収材料を
前記の抵抗が備えている請求項25に記載のアレイ。 - 【請求項２９】ボロメータ回路素子セットのアレイを含
む基板と、 絶縁材料の層により前記の基板から離され、その上に載
っている赤外線反射層と、 放射を受けると値が変わる抵抗のアレイと を備え、この抵抗のアレイは前記の赤外線反射層からほ
ぼ赤外線放射のスペクトル範囲の中心の波長のほぼ４分
の１の距離だけ離され、前記の抵抗の各々は放射を受け
るよう向けられており、そして前記の回路素子セットの
一つへ電気的に接続され、その上方に配置され、前記の
抵抗の各々は導電相互接続から本質的に成るサポートに
より前記の基板より上方に機械的に支持されていること
を特徴とする赤外線スペクトル範囲の放射を検出するボ
ロメータのアレイ。 - 【請求項３０】（ａ）ボロメータ回路素子セットのアレ
イを含む基板と、 （ｂ）絶縁材料の層により前記の基板から離され、その
上に載っている赤外線反射層と、 （ｃ）この反射層から赤外線放射のスペクトル範囲の中
心の波長のほぼ４分の１の距離だけそれぞれの抵抗が離
されている複数の抵抗のアレイと を備え、前記のスペクトル範囲の波長は８−12μｍであ
り、前記の抵抗と抵抗のリードとは第１導電層、抵抗層
そして第２導電層を含むスタックから形成され、前記の
第２導電層は前記の反射層にもっとも近くなっており、
各抵抗は放射を受けるように向けられており、そして前
記の回路素子セットの中の一つのセットへ電気的に接続
され、その上方に配置されていることを特徴とする赤外
線放射のスペクトル範囲の放射を検出するボロメータの
アレイ。 - 【請求項３１】ボロメータ回路素子セットのアレイを含
む基板と、 絶縁材料の層により前記の基板から離され、その上に載
っている赤外線反射層と、 放射を受けると値が変わる抵抗のアレイと を備え、この抵抗のアレイは前記の赤外線反射層から赤
外線放射スペクトル範囲の中心の波長のほぼ４分の１の
距離だけ離され、前記の抵抗の各々は放射を受けるよう
に向けられており、そして前記の回路素子セットの中の
一つのセットへ電気的に接続され、その上方に配置さ
れ、前記のスペクトル範囲でシート抵抗が少なくとも50
％の吸収を生じる放射吸収材料から前記の抵抗を構成
し、前記の抵抗の各々は導電相互接続から本質的に成る
サポートにより前記の基板より上で機械的に支持されて
いることを特徴とする赤外線放射のスペクトル範囲の放
射を検出するボロメータのアレイ。 - 【請求項３２】ボロメータ回路素子セットのアレイを含
む基板と、 絶縁材料の層により前記の基板から離され、その上に載
っている赤外線反射層と、 放射を受けると値が変わる抵抗のアレイと を備え、この抵抗のアレイは前記の赤外線反射層から赤
外線放射のスペクトル範囲の中心の波長のほぼ４分の１
の距離だけ離され、前記のスペクトル範囲の波長は８−
12μｍであり、前記の抵抗の各々は放射を受けるように
向けられており、そして前記の回路素子セットの中の一
つのセットへ電気的に接続され、その上方に配置され、
前記のスペクトル範囲でシート抵抗が少なくとも50％の
吸収を生じる放射吸収材料から前記の抵抗を構成してい
ることを特徴とする赤外線放射のスペクトル範囲の放射
を検出するボロメータのアレイ。 - 【請求項３３】表面を有する基板、 絶縁材料の層により前記の基板から離され、その上に載
っている赤外線反射層、放射を受けるように向けられて
いて、抵抗値が受けた放射につれて変化する複数の抵抗
の各々が選定された距離だけ前記の赤外線反射層の上方
に離されていて、前記の表面の選択された領域をカバー
するような形状とされている複数の抵抗のアレイ、そし
て 前記の表面に形成されたボロメータ回路素子セットのア
レイ を備え、選択されたボロメータ回路素子セットは前記の
抵抗のアレイの中の対応する抵抗に接続され、そしてそ
れらの抵抗の下になっている前記の選択された領域内に
あって、前記のスペクトル範囲でシート抵抗が少なくと
も50％の吸収を生じる放射吸収材料から前記の抵抗を構
成しており、前記のスペクトル範囲の波長は８−12μｍ
であることを特徴とする赤外線放射のスペクトル範囲の
放射を検出するボロメータのアレイ。 - 【請求項３４】層状構造体に形成された複数のピクセル
を備え、前記の層状構造体は基板、この基板上に形成さ
れた回路素子、これらの回路素子から絶縁され、その上
に配置され、接地面として、そして放射反射器として作
用する導電放射反射層、そして前記の放射反射層に配置
されて、前記の回路素子より上に井戸を形成しているス
ペーサ層を含み、赤外線放射のスペクトル範囲の放射を
受けて変化する可変抵抗は前記のスペーサ層により支持
され、そして前記の井戸の上方になっており、前記のス
ペクトル範囲でシート抵抗が少なくとも50％の吸収を生
じる放射吸収材料から前記の抵抗を構成し、前記のスペ
クトル範囲の波長は８−12μｍであることを特徴とする
赤外線放射のスペクトル範囲の放射を検出するボロメー
タのアレイ。
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