JP5265279B2 - ナノワイヤ・マルチスペクトル画像化アレイ - Google Patents

Description

本発明は、一般に画像化アレイ及び赤外線検出器に関する。本発明は、マイクロボロメータ・コンポーネントを使用するマイクロボロメータ及び画像化システムにも関する。本発明はまた、ナノワイヤ及びナノテクノロジーに基づくコンポーネントに関する。

仮特許出願の相互参照
本出願は、２００７年９月１３日提出の「Nanowire Multispectral Imaging Array」と題する米国仮特許出願第６０／９７２，１２０号の利益を主張する。

赤外線（ＩＲ）検出器は、火、過熱している機械、飛行機、車両、人々、及び熱放射を放つ他の物を検出するためにしばしば利用される。赤外線検出器は、煙又は霧等の大気中の周辺の光条件又は粒子状物質に影響されない。したがって、赤外線検出器は、暗視、及び煙や霧によって通常の視界が遮られるときのように視界の条件が悪い場合において潜在的な用途がある。ＩＲ検出器はまた、放射計、ガス検出器及び他のＩＲセンサ等の非画像化用途において使用される。赤外線検出器は、通常、状況における様々な物の熱放射輝度（thermal radiance）の差異を検出することにより動作する。その差異は、その後、その状況における温度差に関連する出力を生成するために処理される電気信号に変換される。

いくつかの種類の赤外線検出器は、当技術分野においてマイクロボロメータとして知られているものを使用する。製造後、検知装置に最適な環境を提供するために、マイクロボロメータは、一般に真空パッケージ内に配置される。パッケージ内部の真空の質は検出器の感度に大きく影響し、高真空が必要である。従来のマイクロボロメータは、マイクロボロメータが熱放射に露出された後、検出素子の抵抗値変化を測定する。マイクロボロメータはガス検出器、暗視及び他の多くの状況における用途がある。

「ボロメータ」は、吸収された入射赤外線の量に応じてボロメータの温度が変化し、そのボロメータの温度に対してボロメータ材料の電気抵抗が変化するという原理で動作する。これらの特性はその抵抗における結果として生じる変化を検知することによりボロメータへの入射赤外線を測定するために利用することができる。赤外線検出器として使用される場合、ボロメータは、通常、その支持基板又は環境から熱的に分離されて、吸収された入射赤外線がボロメータ材料中の温度変化を生成し、かつ基板温度によって受ける影響を小さくすることを可能にする。現在のマイクロボロメータ構造はハネウェル株式会社によって開発された。背景として、例えばハネウェル社によって製造された或る従来技術の検出器及び／又はアレイは、米国特許第５，２８６，９７６号、第５，３００，９１５号、及び第５，０２１，６６３号に述べられており、これらの各々は参照によって本明細書に組込まれる。そのような検出器は、２レベルのマイクロブリッジ構成を有するマイクロボロメータ検出器を含んでいる。上部のレベル及び下部のレベルは、波長の特別の範囲の放射に対してボロメータを敏感にする空洞を形成する。上部のレベルは熱検知部を含んでいる「マイクロブリッジ」を形成する。下部のレベルは読み出し集積回路と、空胴を形成するための反射材料とを含んでいる。上部のマイクロブリッジは、下部のレベルから上部のレベルを熱的に分離し、内部の電気的な情報を集積回路に伝える脚部により支持される。

前述の構造と関係する参考文献一覧は、米国特許第５，４２０，４１９号に見ることができる。前述の特許は、通常はモノリシックのシリコン基板又は集積回路上に製造される、緊密に間隔を置かれたマイクロボロメータ検出器の２次元アレイについて記述する。一般に、これらのマイクロボロメータ検出器の各々は、基板から実質的に熱的に分離される温度を感知する抵抗素子を含む、通常「ブリッジ」構造と呼ばれる方法で基板上に製造される。この前述のマイクロボロメータ検出器構造は、ここでは「熱的に分離されたマイクロボロメータ」と呼ばれる。抵抗素子は、例えば、赤外線を吸収する酸化バナジウム材料で構成されてもよい。構成されたブリッジ構造は、各マイクロボロメータ検出器の抵抗素子とシリコン基板との間に良好な熱的分離を提供する。例示的なマイクロボロメータ構造は、寸法として、およそ５０ミクロン×５０ミクロンのオーダとすることができる。

対照的に、ブリッジ構造を用いず、基板上に直接製造されるマイクロボロメータ検出器は、基板及び／又はパッケージの温度が直接それに影響するので「熱的に短絡したマイクロボロメータ」と呼ばれる。又は、基板に短絡されるので、「ヒートシンクされた」マイクロボロメータと見てもよい。

マイクロボロメータ検出器アレイは入射する放射（典型的には赤外線）の焦点面を検知するために使用することができる。アレイのマイクロボロメータ検出器の各々は、入射する放射を吸収し、これは結果として対応する温度の変化をもたらし、これが結果として対応する抵抗の変化をもたらす。画素として機能する各マイクロボロメータを用いて、入射赤外線の二次元画像又は画像表現が、各マイクロボロメータの抵抗値変化を、モニターに表示可能又はコンピューターに格納可能な時分割多重された電気信号に変換することにより生成することができる。ここに使用されるように、「画素（ピクセル）」なる用語は「マイクロボロメータ」なる用語と等価である。この変換を実行するのに使用される回路は、一般に、読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）として知られ、一般にシリコン基板上に集積回路として製造される。マイクロボロメータアレイはＲＯＩＣ上に製造されてもよい。ＲＯＩＣ及びマイクロボロメータアレイの組み合わせは、マイクロボロメータ赤外焦点面アレイ（Focal Plane Array、ＦＰＡ）として一般に知られている。

単一のマイクロボロメータＦＰＡの一部として製造される場合であっても、個々のマイクロボロメータピクセルは、入射赤外線を均一にするために不均一な応答を持つ。これは、製造プロセスの結果として生じる検出器の電気的及び熱的性質における小さな変化による。一般に空間不均一性と呼ばれる個々のマイクロボロメータ応答特性中におけるこの不均一性は、画像処理と表示のために十分な信号対雑音比を備えた電気信号を生成するために修正しなければならない。空間の不均一性に寄与する特性は特に、個々の検出器の、赤外線吸収係数、抵抗、抵抗の温度係数（ＴＣＲ）、熱容量及び熱伝導率を含んでいる。
米国特許第５，２８６，９７６号明細書 米国特許第５，３００，９１５号明細書 米国特許第５，０２１，６６３号明細書 米国特許第５，４２０，４１９号明細書

画像化アレイは、５００×５００以上のピクセルを備えた赤外線スペクトル範囲に存在する。しかしながら、新しい用途（例えば武器検出）を容易にするためには、スペクトルのＴＨｚ領域以下にアレイ動作の範囲を拡張しなければならない。広いスペクトル範囲の使用により、より明瞭な画像、コントラスト及びしたがってよりよい検出可能性のためのアレイの有用性が改善される。現在のシステムでは、画像化システムのフレームレートは、ほとんどの用途にとって１０Ｈｚより高くなければならず、１０００ｘ１０００ピクセルのオーダーの分解能が望まれる。従来技術のシステム及び構成はこの目標を効果的に達成していない。

本発明についての以下の概要は、本発明に特有の革新的な特徴のうちのいくつかについての理解を容易にするために提供されており、十分な記述とすることを意図していない。本発明の様々な態様についての十分な認識は、明細書全体、特許請求の範囲、図面及び要約を全体として理解することにより得られる。

したがって、本発明の１つの態様は、改善された赤外線及び／又はテラヘルツ検出システム及び方法を提供するものである。
本発明の別の態様は、赤外線及び／又はテラヘルツ検出用途で利用されるナノワイヤのマルチスペクトル・アレイを提供するものである。

本明細書に記述されるように、本発明の上述の態様並びに他の目的及び利点が達成される。
マルチスペクトル画像化アレイシステムは、基板と、複数のそれぞれのギャップが複数のアンテナ中の各アンテナ間に形成されるように当該基板上に互いに関して配置された複数のアンテナとを具備し、複数のアンテナ中のアンテナの各グループはそれぞれ異なるアンテナサイズを含む。さらに、１つ又は複数のナノワイヤは、それぞれのギャップ中の１つ又は複数のギャップに配置されて、その結果、アンテナと通信するナノワイヤと基板とがマルチスペクトル画像化システムを構成し、ナノワイヤの使用により熱時定数したがってアンテナからの読み出しレートが低減する一方、読み出しレートに関連して周囲の気体冷却速度を低減し、マルチスペクトル画像化アレイシステムの製造可能性を増加させる。

開示される実施例は、マイクロボロメータ検出要素としてナノワイヤを使用することにより、高画素数に対して高いフレームレートがどのようにして得られるかを示す。ナノワイヤは、それがマイクロブリッジにとって代わり、アンテナ間のギャップが異なる周波数範囲に対して変化する際に当該ギャップと一致するように長さで計ることができるので、広いスペクトル範囲（例えば０．８−５４ＴＨｚ）をカバーするサイズで同一の誘電体基板上にプリントされたアンテナを使用することを可能にする。さらに、ナノワイヤの非常に小さな直径により、熱時定数が減少し、したがって、読み出しレートが増加する。同時に、ナノワイヤの小さな直径により、パッケージ内の読み出しレートに対する周囲の気体冷却速度は減少し、パッケージ内の必要な圧力を増加させ、したがって、真空パッケージをより製造可能なものとする。ナノワイヤの材料特性は、各センサ中に多数のワイヤを提供し、したがってセンサの製造バラツキを減少させるように選択することができる。他のマイクロボロメータアレイとの基本的な差は、抵抗性の実装、熱電気的な実装の両方のためのナノワイヤによってマイクロブリッジ検知要素が置き換えられるということである。

１つの実施例では、４つの異なるアンテナサイズを同じ基板上にプリントすることができ、ナノワイヤは、アンテナ間のギャップに配置することができる。制限された帯域幅にのみ各アンテナをそれぞれ同調することができるので、４つのアンテナサイズがある。ギャップのサイズは波長の約１／１０のオーダーでなければならず、したがって、ナノワイヤの長さはより高い周波数に対してはより小さい。製作過程は、接地平面基板上の薄い誘電体層上にアンテナをプリントするステップを含む。その後、ナノワイヤはアンテナ間のギャップに配置される。続いて、各アンテナギャップにわたる局所的なパッケージが製造される。パッケージは脆弱なナノワイヤを保護し、気体冷却時定数が読み出し時定数より長くなるよう十分に低い周囲圧力を生成する。読出し電子素子（readout electronics）はナノワイヤで作られてもよいし、後に別個のダイ上でアレイに追加されてもよい。画素と電子素子の間の電気的接続及びバイアスがプリントされる。

添付の図面においては、類似の参照番号は別個の図面にわたる同一又は機能的に類似の要素を指し、添付の図面は、本明細書内に組み込まれてその一部を形成し、発明の詳細な説明とともに本発明を説明し、本発明の原理について説明する役割をもつ。

本発明を制限しない例において説明される特定の値及び構成は変更可能であり、単に本発明の少なくとも１つの実施例を説明するために引用されるものであって、本発明の範囲を制限するようには意図されない。

本明細書に開示される実施例は、マイクロボロメータ検知要素としてナノワイヤを利用することにより高画素数に対して高いフレームレートをどのように得るかについて説明する。ナノワイヤは、効果的にマイクロブリッジにとって代わり、アンテナ間のギャップと一致するように長さで計ることができるので、０．８−５４ＴＨｚの範囲をカバーするサイズで同一の誘電体基板上にプリントされたアンテナを使用することが可能となる。さらに、ナノワイヤは非常に小さな直径を有することにより、熱時定数が減少し、したがって、読み出しレートが増加する。

同時に、ナノワイヤの小さな直径により、真空パッケージをより製造可能とするパッケージ中の読み出しレートに関連のある周囲の気体冷却速度が減少する。ナノワイヤの材料特性は、各センサ中に多数のワイヤを提供し、したがってセンサの製造バラツキを減少させるように選択することができる。他のマイクロボロメータアレイとの基本的な差は、マイクロブリッジ検出要素が、抵抗性の実装及び熱電気的な実装の両方のためにナノワイヤで置き換えられるということである。

図１は、好ましい実施例に従って、ナノワイヤのマルチスペクトル画像化アレイシステム１００の概略図を示す。システム１００は、一般に、画素アレイ１０２を含む。図１に示す実施例において、画素アレイは１，０００×１，０００の画素アレイとして提供されている。しかし、これは単なる説明のための一例であって、設計条件に依存して、より多数の又はより少数の画素を実装し得ることが理解される。図１の例では、画素アレイ１０２全体のうち３×３画素セグメント１０４を示している。単一の例示的な画素１０６もまた、画素セグメント１０４及び画素アレイ１０２に関して示される。２つのアンテナ１１５と１１７との間のギャップ１０８はナノワイヤ・ブリッジ１１０を含んでおり、画素１０６中のすべてのアンテナ対に関して図１に示される。図１に示す例において、ナノワイヤ・ブリッジ１１０は、例えば２０ｎｍの直径を備えた２つ乃至６つの並列のナノワイヤ１１２からなってもよい。ナノワイヤ１１２は、プラチナ（Ｐｔ）の熱電気読出し、又は熱抵抗読出しのためのＰｔセクション１１１及び金（Ａｕ）−ニッケル（Ｎｉ）セクション１１３からなってもよい。

このように、システム１００は、同一基板上にプリントされた４つの異なるアンテナサイズを含み、ナノワイヤはアンテナ間のギャップに配置される。制限された帯域幅のみに各アンテナを同調させることができるので４つのアンテナサイズがある。ギャップのサイズは波長の約１／１０のオーダーが好適であり、したがって、ナノワイヤの長さはより高い周波数に対してはより小さい。システム１００の画像表現１１４もまた図１に示される。

図２は、好ましい実施例に従ってナノワイヤのマルチスペクトル画像化アレイシステムを形成する方法２００の動作ステップを示す動作の高レベルのフローチャートを示している。方法２００は、図１に示されたシステム１００を構成するために実施することができる。図１の例は、同一基板上にプリントされた４つの異なるアンテナサイズとアンテナ間のギャップに配置されたナノワイヤとを示している。見出されたアンテナサイズは、図１で示された構成に関して議論されるが、「４つ」という数は、単に例示的な一例であることに留意されたい。設計の検討に依存して、さらに多くの又はより少ないアンテナサイズを実施することができる。

したがって、ブロック２０２に示されるように、プロセスが開始する。その後、ブロック２０４において示されるように、接地平面（ground plane）基板を用意してもよい。次に、ブロック２０６で示されるように、接地平面基板上の薄い誘電体層上にアンテナをプリントすることができる。その後、ブロック２０８で示されるように、ギャップがアンテナ間に形成される。次に、ブロック２１０、２１２及び２１４で示されるように、選択されたアンテナ間のギャップにわたってナノワイヤを配置してパターン化することができる。ブロック２１０で示された動作は選択されたアンテナ間のギャップに犠牲層を配置することを含んでいる。その後、ブロック２１２で示されるように、選択されたアンテナ間のギャップを橋渡しするためにナノワイヤが配置されてパターン化される動作を処理してもよい。次に、ブロック２１４で示されるように、犠牲層が、各ナノワイヤが懸垂した状態となるように、各ナノワイヤの下から除去され得る。すなわち、ギャップにわたってナノワイヤをぶら下げておくために、ステップ２１４で示されるように、ナノワイヤの下の犠牲層は除去される。その後、ブロック２１６で示されるように、各アンテナ・ギャップにわたって局所的なパッケージを構成してもよい。パッケージは脆弱なナノワイヤを保護し、気体冷却時定数が読み出し時定数より長くなるよう、十分に低い周囲気圧を生成する。次に、ブロック２１８に示されるように、読出し電子素子（readout electronics）は、ナノワイヤで作られてもよいし、後に別個のダイ上のアレイに追加されてもよい。その後、ブロック２２０で示されるように、画素と電子素子との間の電気的接続及びバイアスが基板に関してプリントされ得る。その後、ブロック２２２で示されるように、プロセスは終了する。

図２に示された方法２００は、図１のマルチスペクトル画像化アレイ／システム１００の形成のためにこのように利用することができる。高レベルでは、基板が最初に用意される。その後、複数のアンテナが基板上で互いに関して構成されて配置され、複数のアンテナは複数のアンテナグループを含む。それぞれのギャップが複数のアンテナ中の各アンテナグループ間で形成される。その後、１つ又は複数のナノワイヤがそれぞれのギャップ中の少なくとも１つのギャップに配置され、その結果、１つ又は複数のナノワイヤは、アンテナ及び基板と通信することができ、マルチスペクトル画像化アレイ／システム１００が提供される。ナノワイヤは熱時定数を減少させ、したがって、複数のアンテナからの読み出しレートを低減する一方、読み出しレートに対して周囲の気体冷却速度を減少させて、マルチスペクトル画像化アレイシステムの製造可能性を増加させる。方法２００に固有のものは、異なるスペクトル範囲に対して最適に応答するためにナノワイヤに関してアンテナサイズ及びナノワイヤの長さを変えるアンテナを含むようにアンテナを提供するステップである。既に示されたように、ナノワイヤは熱抵抗性のコンポーネントとして構成することができ、熱電気検知を可能にする少なくとも２つの異なる種類の材料から構成されてもよい。

上述の及び他の特徴及び機能、又はその代替手段を、他の多くの異なるシステム又は用途に望ましく組み合わせられてもよいことが理解されるであろう。現在予期できない様々な代替構成、変更、変化又は改良が後に当業者によってなされ得ること、それは添付の特許請求の範囲に包含されるものと意図されることもまた理解されよう。

好ましい実施例に従うナノワイヤのマルチスペクトル画像化アレイシステムの概略図である。 好ましい実施例に従うナノワイヤのマルチスペクトル画像化アレイシステムを形成するための動作ステップを示す動作の高レベルのフローチャートである。

Claims (3)

1. 基板と、
   各アンテナ対を構成する２つのアンテナ間にギャップが形成されるように、前記基板上に配置された複数のアンテナであって、各アンテナ対を構成する２つのアンテナ間のギャップのサイズがアンテナ対のサイズに応じて異なる、複数のアンテナと、
   複数のそれぞれのギャップ中の少なくとも１つのギャップに配置された、対応するアンテナ対及び前記基板と通信する少なくとも１つのナノワイヤと
   を具備し、前記少なくとも１つのナノワイヤが前記少なくとも１つのギャップのサイズに対応する長さを有する、マルチスペクトル画像化アレイシステム。
2. 基板と、
   各アンテナ対を構成する２つのアンテナ間にギャップが形成されるように、前記基板上に配置された複数のアンテナであって、各アンテナ対を構成する２つのアンテナ間のギャップのサイズがアンテナ対のサイズに応じて異なる、複数のアンテナと、
   アンテナ対間の少なくとも１つのギャップに配置された、該アンテナ対及び前記基板と通信する少なくとも１つのナノワイヤであって、前記少なくとも１つのナノワイヤが前記アンテナ対間の前記少なくとも１つのギャップのサイズに対応する長さを有する、少なくとも１つのナノワイヤと、
   前記複数のアンテナ、前記少なくとも１つのナノワイヤ及び前記基板に配置された複数の画素からなる画素アレイであって、前記複数の画素のうちの各画素が異なるサイズの複数のアンテナ対を含む、画素アレイと
   を具備するマルチスペクトル画像化アレイシステム。
3. マルチスペクトル画像化アレイを形成する方法であって、
   基板を用意するステップと、
   アンテナ対を形成するように前記基板上に配置された複数のアンテナを構成するステップと、
   各アンテナ対を構成する２つのアンテナ間にギャップを形成するステップであって、各アンテナ対を構成する２つのアンテナ間のギャップのサイズはアンテナ対のサイズに応じて異なる、ステップと、
   アンテナ対間の少なくとも１つのギャップに、該アンテナ対及び前記基板と通信する少なくとも１つのナノワイヤを配置するステップであって、前記少なくとも１つのナノワイヤが前記アンテナ対間の前記少なくとも１つのギャップのサイズに対応する長さを有する、ステップとを含む方法。