JP4962837B2 - 赤外線センサの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、赤外線の入射光を吸収することにより温度を変え、その温度変化により電気抵抗値を変えることによって赤外線の放射強度の信号を読み出すボロメータ方式の非冷却型赤外線センサの製造方法に関する。
ボロメータは基板材料から熱的に隔絶された金属あるいは半導体薄膜の電気抵抗の温度変化を利用するものである。一般に、このボロメータ用材料の電気抵抗の温度係数（以下、ＴＣＲと呼ぶ）が大きくなると感度が向上し、赤外線センサの温度分解能（ＮＥＴＤ）が小さくなる。
ニッケル鉄合金等の合金薄膜はＴＣＲが０．５％／Ｋ程度と小さいため、高感度の赤外線センサに用いるボロメータ用抵抗体膜としては、酸化バナジウム薄膜、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物薄膜、及びＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ薄膜等の導電性酸化物薄膜が有利であると考えられている。
これらの導電性酸化物薄膜を対象とした赤外線センサの製造方法は、例えば特許文献１に記載されている。
特許文献１による製造方法では、Ｓｉ基板上に空隙を介して形成されるブリッジ構造体、このブリッジ構造体上に形成されるボロメータ用抵抗膜及びこれを含むブリッジ構造体表面に形成される保護層をそれぞれ、金属有機化合物を溶媒に溶解させて溶液状とし、これを塗布乾燥後に、波長４００ｎｍ以下のレーザ光を照射することによって炭素−酸素結合を切断して分解し酸化物薄膜とするようにしている。
この製造方法によれば、所定のシート抵抗、抵抗温度係数を持つボロメータ用抵抗膜を得るために、数時間〜数十時間のサーマルアニーリングが必要であった熱処理方法に比べて数分程度のレーザアニーリングで済むことが確認されている。
上記の製造方法では、ブリッジ構造体やボロメータ用抵抗膜及び保護層を塗布法により形成することにより工程数を少なくできるという効果が得られるものの、塗布法は量産に向いていないという問題点がある。
また、酸化バナジウムによるボロメータ用抵抗膜に関して言えば、ＴＣＲにおいて改善されるべき余地がある。
本発明は、上記の導電性酸化物薄膜の中でも特に酸化バナジウム薄膜に着目し、量産に適ししかもＴＣＲを改善することのできる赤外線センサの製造方法を提供しようとするものである。
本発明は、赤外線の入射光を吸収することにより温度を変え、その温度変化により電気抵抗値を変えることによって該赤外線の放射強度の信号を読み出すボロメータ方式の赤外線センサの製造方法であり、絶縁基板上に絶縁材料によるブリッジ構造体を形成する工程と、前記ブリッジ構造体上に、乾式成膜法により酸化バナジウム薄膜を形成する工程と、形成された酸化バナジウム薄膜にレーザ光を照射することによりその材料特性を変化させ、電気抵抗率について１Ω・ｃｍ以下とする工程と、材料特性の変化した酸化バナジウム薄膜を所定のパターンに形成する工程と、所定のパターンに形成された酸化バナジウム薄膜及び前記ブリッジ構造体上を覆うように絶縁材料による保護層を形成する工程とを含むことを特徴とする。
本発明による製造方法においては、前記乾式成膜法として、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法のいずれかを用いる。
本発明による製造方法においては、前記ブリッジ構造体及び保護層が、ＣＶＤ法により形成されたＳｉＮ薄膜、ＳｉＯＮ薄膜のいずれかであることが好ましい。
本発明による製造方法においては、前記レーザ光として、波長１５７〜５５０ｎｍの範囲のレーザ光、好ましくは波長２２２〜３６０ｎｍの範囲のレーザ光を用いることが望ましい。
本発明による製造方法においては、前記レーザ光の照射エネルギーが、１０〜１５０ｍＪ／ｃｍ２の範囲、好ましくは３０〜６０ｍＪ／ｃｍ２の範囲であることが望ましい。
本発明による製造方法においては、前記レーザ光の照射を、基板温度３５０℃以下、好ましくは室温で行うことが望ましい。
本発明による製造方法においては、前記レーザ光の照射を真空あるいは還元性の混合ガス雰囲気中で行うことが好ましい。
本発明によればまた、上記のいずれかの製造方法により製造された赤外線センサが提供される。
本発明によれば、量産に適ししかもＴＣＲを改善することのできる赤外線センサを提供することができる。
以下に、本発明による赤外線センサの製造方法について詳細に説明する。
本発明は、赤外線の入射光を吸収することにより温度を変え、その温度変化により電気抵抗値が変化して、入射した赤外線の強度の信号を読み出す方式であるボロメータ方式の非冷却赤外線センサに関する。
そして、絶縁基板上に空隙を介して形成されるブリッジ構造体上に、乾式成膜工程を経てボロメータ用抵抗体膜を形成した後、この抵抗体膜に所定の条件のレーザ光を照射することによって材料特性を変化させて金属酸化膜として形成することに特徴がある。ここで、材料特性の変化というのは、金属酸化膜を構成している金属原子と酸素原子の結合を切り、酸素を分離することで、金属酸化膜中の電子の移動が向上する、つまり電気抵抗率が小さくなることを意味する。
乾式成膜工程としては、スパッタリング法のほか、真空蒸着法、ＣＶＤ法を用いることができる。
ボロメータ用抵抗体膜としては、酸化バナジウム薄膜を用いる。酸化バナジウム薄膜は成膜温度が５００℃以下と低いので製造プロセス上の問題点が少ない。
一方、ブリッジ構造体及び保護層は、導電性があるとボロメータ用抵抗体膜における電気抵抗率の変化の検出感度がなくなるので、抵抗が大きくしかも赤外線の吸収率の高い絶縁体であるＳｉＮ又はＳｉＯＮによる無機絶縁薄膜を用いる。
以上の無機絶縁薄膜の厚さは、目的に応じて０．０１〜１μｍ程度の間で変化させることができる。
上記のブリッジ構造体上に酸化バナジウム薄膜を形成した絶縁基板を真空中あるいは還元性の混合ガスによる雰囲気制御が可能なチャンバー中にセットし、所定範囲の波長、光強度、繰り返し周波数で所定時間だけレーザ光を照射する。すると、既に述べたように、酸化バナジウム薄膜の材料特性が変化する。
還元性の混合ガスとしては、Ｈ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ等が挙げられる。
レーザ光には加熱効果が少ない紫外線レーザとして、ＸｅＦ（３５１ｎｍ）、ＸｅＣｌ（３０８ｎｍ）、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦ（１９３ｎｍ）、Ｆ２（１５７ｎｍ）等のエキシマレーザやＡｒイオンレーザ（第２高調波：２５７ｎｍ）などによる１５７〜５５０ｎｍの波長範囲のレーザ光を用いることができる。中でも、レーザの安定性や最大出射エネルギー密度から、２２２ｎｍ〜３６０ｎｍの波長範囲のレーザ光が、材料特性の変化を均一にすることができる点で好ましい。
また、レーザ光の照射エネルギー（密度）について言えば、波長を変えることで低エネルギーあるいは高エネルギーでの照射が可能で、１０〜１５０ｍＪ／ｃｍ２の範囲が有効であるが、３０〜６０ｍＪ／ｃｍ２の範囲が好ましい。
レーザ光の照射周波数は、１〜２０００ｋＨｚ、好ましくは１〜１００Ｈｚである。これは、工業用の高出力レーザのパルス周波数は通常、１〜１００Ｈｚであるが、近年、出力は低いものの高周波数のレーザが提供されており、繰り返し周波数が高くなればそれだけ高速処理が可能になるという理由による。
レーザ光のパルス幅は、１０〜２００ｎｓｅｃ、好ましくは１０〜４０ｎｓｅｃである。これも、市販のレーザのパルス幅は、通常１０〜４０ｎｓｅｃであるのに対し、パルス幅を変えることが可能になってきていることによる。
レーザ光の照射時間は、１秒〜２時間、好ましくは１秒〜３０分である。これは、現状のレーザでは１０分〜３０分程度であるが、出力の低いレーザの場合には２時間程度の照射が最適になる場合も想定されるからである。
なお、レーザの照射エネルギーが小さすぎると材料特性の変化が起こらず、また、大きすぎるとアブレーションが起こって薄膜材料が蒸発してしまう。
また、上記のレーザ光照射の際には、絶縁性基板を３５０℃以下の温度に加熱することが好ましいが、室温での照射も可能である。
以下に、本発明による赤外線センサの製造方法の実施例について図１を参照して説明するが、本発明はこの実施例に限定されない。
（実施例）
図１（ａ）に示すように、読み出し回路が形成されたＳｉ基板１上に赤外で反射率が高いＷＳｉ等の金属をスパッタ法で成膜して赤外線反射膜８とした。この赤外線反射膜８の作製には従来技術をそのまま用いた。次に、この赤外線反射膜８上に感光性ポリイミドを塗布し、リソグラフィーによりパターン加工するか、あるいは多結晶シリコン膜をＣＶＤ法により形成してパターン加工し、図示の形状の犠牲層９を形成した。
図１（ａ）に示すように、読み出し回路が形成されたＳｉ基板１上に赤外で反射率が高いＷＳｉ等の金属をスパッタ法で成膜して赤外線反射膜８とした。この赤外線反射膜８の作製には従来技術をそのまま用いた。次に、この赤外線反射膜８上に感光性ポリイミドを塗布し、リソグラフィーによりパターン加工するか、あるいは多結晶シリコン膜をＣＶＤ法により形成してパターン加工し、図示の形状の犠牲層９を形成した。
続いて、図１（ｂ）に示すように、犠牲層９上にプラズマＣＶＤ法によりＳｉＯＮによる無機絶縁膜を形成した。このＳｉＯＮ薄膜がブリッジ構造体２となる。
次に、図１（ｃ）を参照して、ブリッジ構造体２上に熱伝導率の小さい金属、例えばＴｉ等をスパッタ法で成膜し、通常の露光、現像、エッチング工程によって配線５を形成した。次に、ブリッジ構造体２上にスパッタリング法により酸化バナジウム薄膜４を形成した後、この薄膜全面に波長３０８ｎｍのＸｅｃｌエキシマレーザ光１０を５０ｍＪ／ｃｍ２、１０Ｈｚ、５分間、真空中室温で照射した。続いて、露光、現像、エッチング工程を経て、赤外線反射膜８に対応したブリッジ構造体２上にボロメータ用抵抗体４’（図１ｄ）となる所定パターンの酸化バナジウム薄膜を残した。この結果、レーザ光の照射されたボロメータ用抵抗体４’はその電気抵抗率及びＴＣＲが変化した。
次に、図１（ｄ）に示すように、ボロメータ用抵抗体４’を含むブリッジ構造体２の上に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＯＮによる無機絶縁薄膜を形成した。このＳｉＯＮ薄膜がボロメータ用抵抗体４を外部から遮断する保護層６になる。
この後、半導体における露光、現像によりパターンを形成し、ガスによる乾式エッチングにより犠牲層９に至るスリット状の溝（図示せず）を形成した。引き続いて、このスリットの溝を通して犠牲層９を除去する処理を行うことにより、空隙３が形成された（図１ｅ）。
このような形成方法によってボロメータ用抵抗体４’が宙に浮いた構造のダイアフラムを形成した。
このセルが赤外線センサとして作動する原理は以下のとおりである。
赤外線がセルに入射すると赤外線吸収率の高いブリッジ構造体２及び保護層６で赤外線が吸収され、一部は同構造体を透過した後、赤外線反射膜８で反射されて再びブリッジ構造体２及び保護層６で吸収される。吸収された赤外線は熱となりダイアフラムを加熱してボロメータ用抵抗体４’の電気抵抗を変化させる。
図２は、ボロメータ用抵抗体４’に照射するレーザ光の照射エネルギーが４０ｍＪ／ｃｍ２、５０ｍＪ／ｃｍ２、６０ｍＪ／ｃｍ２の場合について、赤外線センサ（ボロメータ用抵抗体４’）のＴＣＲの温度依存性を測定した特性図である。５０ｍＪ／ｃｍ２の照射エネルギーの場合、室温（３００Ｋ）前後においてこれまでの２％／Ｋを超える３％／Ｋ程度の良好なＴＣＲが得られる。
図３は、ボロメータ用抵抗体４’に照射するレーザ光の照射エネルギーが４０ｍＪ／ｃｍ２、５０ｍＪ／ｃｍ２、６０ｍＪ／ｃｍ２の場合について、赤外線センサ（ボロメータ用抵抗体４’）の抵抗率と照射時間との関係を測定した特性図である。いずれの照射エネルギーにおいても、照射時間２分を超えると電気抵抗率は１Ω・ｃｍ以下となり、ボロメータ用材料に必要とされる電気抵抗率の範囲内に入っていた。
図４は、ボロメータ用抵抗体４’に照射するレーザ光の照射エネルギーが４０ｍＪ／ｃｍ２、５０ｍＪ／ｃｍ２、６０ｍＪ／ｃｍ２の場合について、赤外線センサ（ボロメータ用抵抗体４’）の抵抗率の温度依存性を測定した特性図である。
以上の測定結果から、本発明による製造方法において好ましい照射エネルギーの範囲は、３０〜６０ｍＪ／ｃｍ２であると言える。
本実施例による赤外線センサは、特許文献１に開示された赤外線センサに比べ、以下の点において優れている。
１．ブリッジ構造体及び保護層の材料として、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等に比べて赤外線の吸収率の良いＳｉＮ又はＳｉＯＮを使用したことにより、ＴＣＲを改善することができる。
２．ボロメータ用抵抗体を形成するための酸化バナジウム薄膜の形成を、塗布法ではなくスパッタリング法で行っており、塗布法は工程数が少なくなるものの凹凸のある基板表面には均一に膜を形成できないため量産に適していない。これに対し、スパッタリング法は基板の凹凸に関係なく均一に膜を形成できるため量産に適しているというメリットがある。
３．基板温度を、これまでの４００〜５００℃以下から３５０℃以下にして低温化を実現している。
なお、本発明が上記実施例に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、適宜変更可能であることは明らかである。
１ Ｓｉ基板
２ ブリッジ構造体
３ 空隙
４ 酸化バナジウム薄膜
４’ ボロメータ用抵抗体
５ 配線
６ 保護膜
８ 赤外線反射膜
９ 犠牲層
１０ レーザ光
２ ブリッジ構造体
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４ 酸化バナジウム薄膜
４’ ボロメータ用抵抗体
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９ 犠牲層
１０ レーザ光
Claims (7)
- 赤外線の入射光を吸収することにより温度を変え、その温度変化により電気抵抗値を変えることによって該赤外線の放射強度の信号を読み出すボロメータ方式の赤外線センサの製造方法において、
絶縁基板上に絶縁材料によるブリッジ構造体を形成する工程と、
前記ブリッジ構造体上に、乾式成膜法により酸化バナジウム薄膜を形成する工程と、
形成された酸化バナジウム薄膜にレーザ光を照射することによりその材料特性を変化させ、電気抵抗率について１Ω・ｃｍ以下とする工程と、
材料特性の変化した酸化バナジウム薄膜を所定のパターンに形成する工程と、
所定のパターンに形成された酸化バナジウム薄膜及び前記ブリッジ構造体上を覆うように絶縁材料による保護層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする赤外線センサの製造方法。 - 前記乾式成膜法が、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサの製造方法。
- 前記ブリッジ構造体及び保護層がそれぞれ、ＣＶＤ法により形成されたＳｉＮ薄膜、ＳｉＯＮ薄膜のいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線センサの製造方法。
- 前記レーザ光として、波長１５７〜５５０ｎｍの範囲のレーザ光を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の赤外線センサの製造方法。
- 前記レーザ光の照射エネルギーが、１０〜１５０ｍＪ／ｃｍ２の範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の赤外線センサの製造方法。
- 前記レーザ光の照射を、基板温度３５０℃以下で行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の赤外線センサの製造方法。
- 前記レーザ光の照射を真空あるいは還元性の混合ガス雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の赤外線センサの製造方法。
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