JP5291859B2 - 懸架状態に固定された吸収膜を備えた熱電磁放射検出器 - Google Patents

Description

本発明は、熱絶縁支持手段によって基板の表面に懸架状態に固定された吸収膜を備えた熱電磁放射検出器であって、上記基板が膜に電気的に接続された少なくとも二つの電気接続端子を備え、上記支持手段が少なくとも一つの支持部品を備え、上記支持部品が基板と膜との間に配置されて、少なくとも一つのベース端部及び隆起領域を有する、熱電磁放射検出器に関する。

シリコンマイクロエレクトロニクスにおける最近の技術的進歩及び薄膜の業績は、熱絶縁支持手段によって基板に懸架状態に固定された吸収膜を備えた熱放射検出器の技術に新しい刺激を与えてきた。

マイクロエレクトロニクスは、シリコンウェーハレベルで実施される集合プロセスに基づいている。このプロセスは、多くの点において熱検出器技術も利益を得ることができるプロセスである。これらの集合技術は、事実上、非常に複雑な検出器マトリックス、典型的には３２０×２４０個の検出器マトリックスを達成する可能性を提供し、また、多数のマトリックスを単一シリコンウェーハ上に実現して検出器の単位製造コストを低減する可能性をも提供する。

米国特許公報第６，０９４，１２７号（特許文献１）は、三つの重ねられたステージ、具体的には、集積回路を備えたステージ、支持ステージ及び吸収ステージを有するボロメータを開示している。吸収ステージ及び支持ステージは、吸収ステージに固着された柱によって分離される。支持手段は、吸収ステージと、集積回路を備えたステージとの間に配置されるため、吸収ステージはボロメータ表面の全体を占有することができ、ボロメータの全表面に対する放射感知表面の比率を増加させ、従って、ボロメータの効率を増加させる。しかし、吸収ステージを支持ステージに電気的に接続するために、支持ステージと吸収ステージとの間に電気相互接続部品が取り付けられる。この電気相互接続部品は、絶縁物質によって取り囲まれた導電体によって形成される。そのために、製造プロセスは複雑となり、多数の製造工程が必要となり、生産コストは高くなる。特に、吸収ステージと接触する電気相互接続部品の存在は、吸収品質及び検出器の感度に有害な影響を与える。さらに、良好な平面度を有する吸収ステージの製造は、相互接続部品の存在によって困難になる。
米国特許公報第６，０９４，１２７号

本発明の目的は、これらの欠点を軽減すること、より具体的には、製造プロセスを簡単にしながら、ボロメータの放射感知表面がボロメータ全表面に対して高い比率となる検出器を提供することである。

本発明によれば、この目的は、上記支持部品のベース端部が、電気接続端子に固着された基部を有する導電性柱の上部に固定され、膜の底面のほぼ平坦な領域が、支持部品の隆起領域と直接接触することによって達成される。

本発明の第１の特定の実施の形態によれば、支持部品は、隆起領域を形成する第２の端部を有するアームによって形成される。

本発明の発展によれば、検出器は二つのアームを備え、各アームは、それぞれ第１及び第２の導電性柱に固定され、膜を導電性柱の一つに接続するように設計された導電層を備えている。

本発明の第２の特定の実施の形態によれば、支持部品はブリッジによって形成され、上記ブリッジは、第２の柱の上部に固定された第２のベース端部を有し、隆起領域は、ブリッジの中央部によって形成される。

本発明の発展によれば、上記第２の柱は導電性であり、上記ブリッジは二つの導電層を備え、上記二つの導電層は、一方と他方とが相互に電気的に絶縁されて、それぞれ膜を導電性柱に電気的に接続するように設計され、上記導電性柱の各々は、電気接続端子に固着された基部を有する。

本発明の好適な実施の形態によれば、検出器は二つのブリッジを備え、上記各ブリッジは、対応する導電性柱に膜を接続するように設計された導電層を備えている。

支持部品の隆起領域は、好ましくは、平坦な部品部分によって形成される。

本発明のさらなる目的は、検出器の製造プロセスを実現することであり、当該製造プロセスは、
少なくとも二つの電気接続端子を備えた基板の上に犠牲層を堆積し、
基板と平行な下方及び上方の平坦領域を得るように犠牲層をエッチングして、下方平坦領域が電気接続端子を被覆するようにし、
犠牲層の上に、支持部品を形成するように設計された誘電層及び導電層を堆積し、
犠牲層の下方領域及び支持部品の中に、それぞれ電気接続端子に開放される開口をエッチングし、
上記開口の中に、導電性柱を形成する導電層を堆積して、導電性柱を形成する導電層をエッチングし、
誘電層及び導電層をエッチングし、
上記各層によって形成されたアセンブリ全体の上に追加の犠牲層を堆積して、上記支持部品を形成する導電層と共通平坦面を形成するようにし、
上記共通平坦面の上に膜を堆積し、
上記犠牲層を除去する、
ことを含む。

他の利点及び特徴は、本発明の特定の実施の形態についての以下の説明から明らかになるであろう。これらの実施の形態は、非限定的な単なる例として与えられ、添付の図面に示される。

図１において、熱電磁放射検出器は、二つの熱絶縁支持部品５によって基板２の表面に懸架状態に固定された吸収膜１を備えている。膜は、温度に従って変化する抵抗率を有する物質、例えばアモルファスシリコンから作られた層を含む。基板２は、後述するように、膜１に電気的に接続された二つの電気接続端子３ａ及び３ｄを備えている。基板２は、接続端子３に接続された集積回路４を備えることができる。それによって、検出器のバイアス、及び、検出器の出力電気信号の処理が可能となる。赤外線放射が関係している場合、検出器は１０乃至１００μｍの辺を有する正方形領域に拡張される。基板２は、好ましくは平坦であり、シリコンから作られる。

図１において、基板２と膜１との間に配置された二つの支持端部５の各々は、ブリッジ（５ａｂ及び５ｃｄ）によって形成される。ブリッジは、第１及び第２のベース端部６（ブリッジ５ａｂについては６ａ及び６ｂ、ブリッジ５ｃｄについては６ｃ及び６ｄ）、及び、ブリッジの中央部によって形成された隆起領域７（それぞれ７ａｂ及び７ｃｄ）を有する。ブリッジ５ａｂのベースの第１の端部６ａは、第１の導電性柱８ａの上部に固定される。柱８ａは、第１の電気接続端子３ａに固着された基部を有する。ブリッジ５ａｂのベースの第２の端部６ｂは、第２の柱８ｂの上部に固定される。膜１の底面のほぼ平坦な領域は、図２に示されるように、各々の支持部品５の隆起領域７と直接接触する。

支持部品５の隆起領域７は、好ましくは、図１に示されるように、平坦な部品部分によって形成される。従って、膜１と支持部品５との間で良好な機械強度が得られる。さらに、この構造は、検出器の全表面に対して、放射を感知する検出器表面の比率を最大にする。膜１は、事実上、検出器表面の全体を被覆することができる。

膜１と支持部品５との間の接触面は、例えば、膜１の辺の寸法の２０％乃至４０％を含む直線寸法を有することができる。

柱８は、例えば数μｍの高さを有し、従って、支持部品５及び基板２は、数μｍの距離だけ離間される。

図１において、二つのブリッジ５ａｂ及び５ｃｄは、それぞれ導電層９ａ及び９ｄ（陰影線により示される）を備えている。各々の導電層は、膜１を導電性柱８の一つに接続するように設計される。導電層９ａは、ブリッジ５ａｂの隆起領域７ａｂ、ベース端部６ａ、及び、領域７ａｂと端部６ａとを接続する傾斜部の上に配置される。従って、導電層９ａは、柱８ａと接触する。導電層９ｄは、ブリッジ５ｃｄの隆起領域７ｃｄ、ベース端部６ｄ、及び、領域７ｃｄと端部６ｄとを接続する傾斜部の上に配置される。従って、導電層９ｄは、柱８ｄと接触する。柱８ｂ及び８ｃ並びに端部６ｂ及び６ｃは、図示された特定の実施の形態では電気的機能を有さない。

部品５は、膜１を機械的に固定して基板２から熱的に絶縁する機能を有するので、部品５は長さを最大化して、断面を最小化する形態要因を与える。部分５の導電層９は、窒化チタンから作製して、導電機能を確実にすることができる。膜１は、その平坦な底面の上に二つの平坦な導体１０（図１）を備えている。導体１０は、膜１の端部を被覆し、好ましくは、電流が流れる膜１の容積を最大化するために、膜１のほぼ全幅に渡って延在している。導体１０は、それぞれ導電層９と接触するように配置される。従って、膜１を流れる電流は、平坦な導体１０、導電層９、導電性柱８及び電気接続端子３を通って流れる。従って、基板２から膜１を熱的に十分に絶縁しながら、膜１の良好な電気接続が得られる。平坦な導体１０が膜１の底面に位置している事実は、自動的に、膜１の特に平坦な形成を導き、これは電磁放射の吸収を向上させる。

図２に示されるように、検出器は、好ましくは、基板２の上に配置された反射金属層１１を備える。この層は、公知の方法により、所定の波長範囲における放射の吸収を最大化する。

図１乃至図３に示された特定の実施の形態において、二つの導体１０の各々は、追加導体１９（図１）に関連づけられる。追加導体１９は、膜１の底面上に配置され、絶縁層２０（図３）によって膜１の活性層１８から絶縁される。各追加導体１９は、膜１の表面のほぼ半分を被覆し、二つの追加導体１９が電気接触しないように、わずかな間隙が追加導体１９の間に存在する。入射電磁波は、自由電子による吸収メカニズムに起因して導体１０及び１９の温度上昇を引き起こすが、これは導体１０及び１９のシート抵抗が真空インピーダンスに対応するときに特に有効である。導体１０及び１９の厚さ及び抵抗率は、それに従って調整される。例えば、１５０μΩ・ｃｍの抵抗率及び４ｎｍの厚さを有する窒化チタン層は、この要件を完全に満足させる。そのような層は、図３に示されるように、導体１０及び１９の総てを構成することができる。従って、導体１０に対応する周辺領域は、活性領域１８と接触するように配置され、周辺領域に相補的な領域は、導体１９を形成するように絶縁層２０によって活性領域１８から絶縁される。

図４に示されるように、ブリッジ５ｅｆによって形成された支持部品５は、二つの導電層９ｅ及び９ｆを備えることができる。これらの導電層は、それぞれ隆起領域７の二つの別々の部分、関連ベース端部６、及び、領域７と端部６（６ｅ、６ｆ）とを接続する関連傾斜部の上に配置される。従って、膜１は、その中央部を単一ブリッジの隆起領域７の上に固定される。二つの導電層９ｅ及び９ｆは、一方と他方とを相互に電気的に絶縁する間隙によって分離される。二つの導電層９ｅ及び９ｆの各々は、関連する平坦導体１０と接触し、ブリッジが固定された導電性柱８に膜を電気的に接続するように設計される。

図５に示された特定の実施の形態において、二つの支持部品５は、それぞれ別個の第１及び第２のアーム（５ｇ及び５ｈ）によって形成される。アームの各々は、ベース端部６及び隆起領域７を形成する第２の端部を有する。従って、第１のアーム５ｇのベース端部６ｇは第１の導電性柱８ｇに固定され、第２のアーム５ｈのベース端部６ｈは第２の柱８ｈに固定されることができる。膜を導電性柱８ｇ（８ｈ）の一つに接続するように設計された導電層９ｇ（９ｈ）は、各々のアームの上に配置される。各々の導電層９ｇ（９ｈ）は、対応する導体１０と接触するように設計される。従って、二つのアームは、導電性柱８によって、膜１の二つの導体１０を基板２の二つの端子３に接続させる。

図６に示される他の特定の実施の形態において、四つの導体１０（１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ）は、それぞれ、ブリッジを形成する四つの支持部品５（５ｉ、５ｊ、５ｋ、５ｌ）に関連付けられる。ブリッジは、それぞれ導電層９の領域９ｉ、９ｊ、９ｋ、９ｌを含む。これらの領域は、一方では、ブリッジ間にブリッジと垂直に配置された導電性部品２５によって、一つおきに二つずつ相互に接続され、他方では、それぞれ対応する柱８ｉ及び８ｌによって、対応する接続端子３ｉ及び３ｌに接続される。接続端子３ｉ及び３ｌは、例えば、それぞれ正及び負の端子に接続される。

図７に示される特定の実施の形態において、四つの導体１０は、破線により示された二つの支持部品５に一つおきに関連付けられる。四つの導体は、膜１に関連付けられ、平行に接続されるように設計される。各々の支持部品５の隆起領域７は、三つの導体１０に渡って延在している。導体１０は、支持部品５の隆起領域７に固定される。膜１及び／又は支持部品５は、最後の絶縁層を備えることができるので、最後の絶縁層は、所定の位置１２において除去され、支持部品５の導電層９と関連導体１０との間の電気接触を可能にする。

図８乃至図１１に示されるように、検出器の製造プロセスは、二つの電気接続端子３を備える基板２の上への犠牲層１３の堆積を含むことができる。基板は、絶縁層２１によって基板から分離された反射層１１を含むことができる。

犠牲層１３は、基板２と平行な下方平坦領域１４及び上方平坦領域１５が得られるようにエッチングされる。下方平坦領域１４は、二つの電気接続端子３を被覆し、好ましくは、６０°乃至８０°の傾斜を有する傾斜領域１６によって、上方平坦領域１５から分離される。上記傾斜は、後続の製造段階のために、切り立った段よりも好ましい。下方平坦領域１４と上方平坦領域１５との高さの差は、好ましくは約１ミクロンである。

図９に示されるように、例えば酸化シリコンの誘電層１７、及び、導電層９が、犠牲層１３の上に堆積される。誘電層１７及び導電層９は、支持部品５を形成するように設計される。支持部品５のベース端部６は、下方平坦領域１４上に配置された層１７及び９の一部分によって形成されるように設計され、支持部品５の隆起領域７は、上方平坦領域１５上に配置された層１７及び９の一部分によって形成されることに注意すべきである。

導電層９の上に追加誘電層を堆積することができる。従って、導電層９は、二つの誘電層の間に配置される。導電層９と膜１との間の接続を可能とするために、追加誘電層は、隆起領域７においてエッチングによって局部的に除去され得る。

次に、犠牲層１３の下方領域１４及び支持部品５のベース端部６に二つの開口がエッチングされて、基板２の二つの電気接続端子３の上にそれぞれ開放される。例えば、タングステンシリサイド又はチタンで作られた導電層が開口の中に堆積されて、導電性柱８（図９）が形成される。次に、導電性柱８を形成する上記導電層がエッチングされる。柱８は、例えば、円筒形であって中空である。次に、層９及び１７が側面をエッチングされ、支持部品５が形成される。追加犠牲層２２が上記層（８、１３、１７及び９）の全体の上に堆積され、導電層９の隆起部分との共通平坦面が形成される。追加犠牲層２２は、十分に平坦な表面が得られるように適切な流動性と厚さとを提供しなければならない。追加犠牲層２２は、好ましくは、均一の薄さにされ、導電層９と確実に同じ高さになるようにされる。

次に、膜１が上記共通平坦面の上に堆積される（図１０及び図１１）。図１０及び図１１に示されるように、膜１は、好ましくは、導体１０を形成する、例えば窒化チタンの薄い金属層、誘電層２３、及び、温度感知物質の活性層２４によって形成される。誘電層２３は、導体１０と膜１の活性層２４との間の接触領域を結合する。プロセスの終わりに、犠牲層１３及び２２が除去される。

本発明は、図示された実施の形態に限定されない。具体的には、支持部品５を形成するブリッジ及び／又はアームは任意の数であってよく、膜の電気接続は、例えば、支持部品５の上に配置された導電層によって実現される。

本発明に従った検出器の特定の実施の形態の組立分解図である。 図１に示される検出器の軸Ａ−Ａに沿った断面図である。 図１に示される検出器の軸Ｂ−Ｂに沿った断面図である。 本発明に従った検出器の支持部品の特定の実施の形態を示す図である。 本発明に従った検出器の支持部品の特定の実施の形態を示す図である。 本発明に従った検出器の他の特定の実施の形態の組立分解図である。 本発明に従った検出器の特定の実施の形態の平面図である。 図１の軸Ｃ−Ｃに沿った断面図であって、本発明に従った製造プロセスの特定の実施の形態の一工程を示す図である。 図１の軸Ｃ−Ｃに沿った断面図であって、本発明に従った製造プロセスの特定の実施の形態の一工程を示す図である。 図１の軸Ｃ−Ｃに沿った断面図であって、本発明に従った製造プロセスの特定の実施の形態の一工程を示す図である。 図１の軸Ｄ−Ｄに沿った断面図であって、図１０と同じ工程ステップを示す図である。

符号の説明

１ 膜
２ 基板
３、３ａ、３ｄ、３ｉ、３ｌ 電気接続端子
４ 集積回路
５ 支持部品、支持端部
５ａｂ、５ｃｄ、５ｅｆ ブリッジ
５ｇ、５ｈ アーム
５ｉ、５ｊ、５ｋ、５ｌ 支持部品
６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ、６ｇ、６ｈ ベース端部
７、７ａｂ、７ｃｄ 隆起領域
８、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｇ、８ｈ、８ｉ、８ｌ 導電性柱
９、９ａ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈ 導電層
９ｉ、９ｊ、９ｋ、９ｌ 領域
１０、１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ 平坦導体
１１ 反射金属層
１２ 所定の位置
１３ 犠牲層
１４ 下方平坦領域
１５ 上方平坦領域
１６ 傾斜領域
１７ 誘電層
１８ 活性層、活性領域
１９ 追加の導体
２０、２１ 絶縁層
２２ 犠牲層
２３ 誘電層
２４ 活性層
２５ 導電性部品

Claims (10)

1. 熱絶縁支持手段によって基板（２）の表面に懸架状態に固定された吸収膜（１）を備える熱電磁放射検出器であって、前記吸収膜は、温度に従って変化する抵抗率を有し、前記基板は、前記吸収膜に電流を流すように前記膜（１）と前記基板とを電気的に接続する電気接続端子（３）を備え、前記支持手段は、２つの支持部品（５）を含み、前記各支持部品は、前記基板（２）と前記膜（１）との間に配置されてベース端部（６）及び隆起領域（７）を有する、前記熱電磁放射検出器において、
   前記支持部品（５）の前記ベース端部（６）は、導電性柱（８）の上部に固定され、且つ、前記導電性柱は、前記電気接続端子（３）に固着された基部を有することから、前記支持部品（５）のベース端部（５）は前記基板（２）の上方に浮いた状態にあって、前記支持部品（５）の前記ベース端部（６）と前記基板（２）とは前記導電性柱（８）により所定の距離を持って離れており、前記ベース端部（６）と前記基板（２）との間に空間が存在し、前記膜（１）の底面の平坦な領域が、前記支持部品（５）の前記隆起領域（７）と直接接触しており、
   前記各支持部品（５）は、前記各導電性柱（８）の上部に固定された２つの前記ベース端部（６）を有するブリッジによって形成され、前記隆起領域（７）は、前記ブリッジの中央部によって形成され、
   前記支持部品（５）と前記膜（１）との下方であって前記基板（２）の上に、反射層（１１）が配置されている、
   ことを特徴とする熱電磁放射検出器。
2. 前記支持部品（５）は、前記隆起領域（７）を形成する第２の端部を有するアームによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の検出器。
3. それぞれ第１及び第２の導電性柱（８）に固定された二つのアームを備え、前記各アームは、前記膜（１）を前記導電性柱（８）の一つに接続するように設計された導電層（９ｇ、９ｈ）を備えていることを特徴とする請求項２に記載の検出器。
4. 前記ブリッジは、二つの導電層（９ｅ、９ｆ）を備え、前記二つの導電層は、一方と他方とが相互に電気的に絶縁されて、それぞれ前記膜（１）を前記導電性柱（８）に電気的に接続するように設計されており、前記導電性柱（８）の各々は、電気接続端子（３）に固着された基部を有することを特徴とする請求項１に記載の検出器。
5. 対応する前記導電性柱（８ａ、８ｄ）に前記膜（１）を接続するように設計されている導電層（９ａ、９ｄ）をそれぞれ備える二つのブリッジを備えていることを特徴とする請求項１に記載の検出器。
6. 前記膜（１）は、その平坦な底面に、少なくとも二つの平坦な導体（１０）を備え、前記導体は、それぞれ前記導電層（９）と接触するように配置されていることを特徴とする請求項３、４及び５のいずれか一項に記載の検出器。
7. 前記導体（１０）は、前記膜（１）の端部に位置することを特徴とする請求項６に記載の検出器。
8. 前記導体（１０）は、前記膜（１）の全幅に渡って延在していることを特徴とする請求項６又は７に記載の検出器。
9. 前記支持部品（５）の前記隆起領域（７）は、平坦な部品部分によって形成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の検出器。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に従った検出器の製造プロセスであって、
    少なくとも二つの電気接続端子（３）を備えた前記基板（２）の上に犠牲層（１３）を堆積し、
    前記基板（２）と平行な下方平坦領域（１４）及び上方平坦領域（１５）を得るように前記犠牲層（１３）をエッチングして、前記下方平坦領域（１４）が前記電気接続端子（３）を被覆するようにし、
    前記犠牲層（１３）の上に、前記支持部品（５）を形成するように設計された誘電層（１７）及び導電層（９）を堆積し、
    前記犠牲層（１３）の前記下方領域（１４）及び前記支持部品（５）の中に、それぞれ前記電気接続端子（３）に開放される開口をエッチングし、
    前記開口の中に、前記導電性柱（８）を形成する導電層を堆積して、前記導電性柱（８）を形成する導電層をエッチングし、
    前記誘電層（１７）及び前記導電層（９）をエッチングし、
    前記各層（１３、１７、９、８）によって形成されたアセンブリ全体の上に追加の犠牲層（２２）を堆積して、前記支持部品を形成する前記導電層（９）と共通平坦面を形成するようにし、
    前記共通平坦面の上に前記膜（１）を堆積し、
    前記犠牲層（１３、２２）を除去する、
    ことを含むことを特徴とする、検出器の製造プロセス。

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