JP5495497B2 - 放射センサ素子、センサフィールドおよび放射センサ素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、放射センサ素子、センサフィールドおよび放射センサ素子の製造方法に関する。

この種の放射センサは公知である。例えば特許文献１からは、ブリッジ回路内に３つの補償センサを備えた抵抗性ボロメータセンサが公知である。ボロメータセンサの感度を改善するために、センサ面の基板からの熱分離が必要である。分離の度合いは給電線の幾何学によって影響を受ける。給電線の断面の縮小により給電線の抵抗は高まるので、給電線の長さは熱分離を制御するための実質的に自由なパラメータである。給電線が延長されるとより大きな面積も占有することになるので、本来のセンサに対してより少ない面積しか使用できない、すなわちいわゆる占積率、つまり総面積に対するセンサの有効面積の割合が低下することは欠点である。図１に示されているような典型的な抵抗性ボロメータにおける占積率は通常の場合４０％〜７０％である。
US6346703B1

したがって本発明の課題は、占積率の高い放射センサ素子、その種の放射センサ素子を備えたセンサフィールドおよびその種の放射センサ素子の製造方法を提供することである。

放射センサに関する課題は、少なくとも１つの給電線構造が基板とセンサ構造との間の第２の平面に配置されていることにより解決される。

センサフィールドに関する課題は、その種の放射センサ素子を複数有し、この放射センサ素子が共通の基板上に配置されていることにより解決される。

製造方法に関する課題は、先ず第１の犠牲層を析出し、この第１の犠牲層に例えば第１のコンタクトを構造化し、続いて第１の犠牲層の上に給電線構造を設け、続いて第２の犠牲層を析出し、この第２の犠牲層に例えば第２のコンタクトを構造化し、続いて第２の犠牲層の上にセンサ構造を設け、最後に第１の犠牲層および第２の犠牲層を除去することにより解決される。

従属請求項に記載されている本発明による放射センサ素子、この本発明による放射センサ素子を製造するための本発明による方法は従来技術に比べて著しく高い占積率を達成することができ、また殊に、例えば１０×１０μｍ²の非常に小さい放射センサ素子においてもそのような高い占積率を達成することができるという利点を有する。本発明によりセンサ構造の下に給電線構造を移動することにより、良好な熱分離のための長い給電線も高い占積率も達成することができる。高い占積率を有する放射センサ素子により全体として、より小さい基板寸法、したがってより廉価な材料コストが達成される。本発明により実現されるセンサフィールドにおいては、個々の放射センサ素子の間、すなわちピクセル間の隙間を非常に小さく保つことができる。したがってセンサフィールド自体は有利には同様に比較的小さい大きさおよび比較的軽い重量を有することができる。

有利にはシリコンからなる基板上には有利には絶縁層、殊に有利には酸化層または窒化層が設けられている。当業者には公知であるように、平面状のセンサ構造が延びている第１の平面が実質的に基板の主延在方向に平行に配向されている。本発明によれば、第２の平面は第１の平面と基板との間に延びており、したがって同様に実質的に基板の主延在方向に平行に配向されている。給電線構造は基板とセンサ構造との間に配置されている。これは本発明の範囲において、給電線構造がセンサ構造の下に配置されているということにも該当する。有利には、給電線構造が第１および第２の平面を張架する空間方向においてもセンサ構造を越えずに延びている。

給電線構造の下には、基板とセンサ構造との間の少なくとも１つの機械的および／または電気的な接続部を設けることができる。通常の場合、放射センサ素子の給電線構造は２つの部分から構成されており、例えば２つの支持アームの形で実施されている。例えば機械的に支持される接続部が電気的なコンタクトとは別個に構成されるのであれば、２つ以上の部品からなる給電線構造も原理的には考えられる。しかしながら有利には、センサ構造が給電線構造を介して電気的に基板と接触している。本発明の範囲において面状のセンサ構造とは、放射に晒される面と解され、その入射に起因する温度変化を結果として生じた抵抗変化に基づき測定することができる。面状のセンサ構造はセンサダイヤフラムとも称される。

本発明によれば有利には、給電線構造が第１のコンタクトを介して片持ちされ基板と接続されている。第１のコンタクトは殊に第１および第２の平面に対して垂直の方向において基板から給電線構造に向かって延びている。第１のコンタクトは殊に酸化物またはシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）からなる第１の犠牲層の構造化により生じる。給電線構造は有利には多結晶シリコンまたはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）から構成されており、導電性を保証するためにそれぞれが殊に有利にはｐドープされている。さらに有利には、センサ構造が第２のコンタクトを介して片持ちされ給電線構造と接続されており、第２のコンタクトは第１のコンタクトと同様に有利には、やはり殊に酸化物またはシリコンゲルマニウムからなる犠牲層の構造化により生じる。したがって給電線構造およびセンサ構造はそれぞれ片持ちされた構造を表す。殊に有利には、第２のコンタクトおよび第１のコンタクトがそれぞれ相互に距離を置いた給電線構造の端部領域内に配置されている。つまり第２のコンタクトは第１のコンタクトの給電線構造に沿って可能な限り長い距離を有し、これによってセンサ構造の基板からの殊に良好な熱分離が実現されている。当業者には公知であるように、第１のコンタクトはこのために第２のコンタクトまで必ずしも空間的に大きな距離を置いて配置されている必要はない。給電線構造は有利には曲げられた支持アームを有する。殊に有利な実施形態においては、給電線構造は第２の平面においてメアンダ状に延びている。本発明の範囲においてはメアンダ状の形状と共に、限られた面積において給電線構造の長さを拡張することができる他の幾何学的な給電線構造の形状、例えば螺旋の形状も考慮されるべきである。

センサ構造のための材料として例えばｐドープされた多結晶シリコンまたはｐドープされたシリコンカーバイドが使用される。センサ構造の厚さは有利には１００ｎｍ〜２０μｍであり、有利な実施形態においてはセンサ構造が少なくとも領域的な多孔化され、殊に電気化学的なエッチングにより多孔化される。これによってセンサ構造の放射吸収は高められ、また感度の有利な上昇も達成される。有利には、センサ構造の１００ｎｍ〜５μｍの厚さの層が多孔性にエッチングされている。センサ構造ダイヤフラムの総厚はこの場合比較的大きく選定されており、例えば約１０μｍに選定されている。

本発明の別の対象は、本発明による放射センサ素子を複数有するセンサフィールドであり、放射センサ素子は共通の基板上に配置されている。個々の放射センサ素子はセンサフィールドの個別に制御可能な画素（ピクセル）を形成し、これらのピクセルは行列としていわゆるアレイで配置されている。本発明による放射センサ素子の殊に高い占積率によって、有利には画素間の極僅かな隙間、例えば約１μｍの隙間が得られる。放射センサ素子の電気的な接触は基板、有利には基板内の複数の導体路を介して行われ、これらの導体路は殊に有利にはマトリクス制御部を形成する。１つの行の全ての放射センサ素子は行導体路を介して接続されており、また１つの列の全ての放射センサ素子は列導体路を介して接続されている。したがって行導体路と列導体路の各組み合わせはちょうど１つの放射センサ素子を規定する。

本発明の別の対象は本発明による放射センサ素子の製造方法であり、当業者であれば放射センサ素子の製造はセンサフィールドの製造にも該当することが分かる。本発明によれば、有利には酸化物または窒化物からなる絶縁層でもってコーティングされている基板上に先ず第１の犠牲層、殊に酸化物またはシリコンゲルマニウムからなる犠牲層が析出される。犠牲層としてシリコンゲルマニウムを使用することは、この犠牲層を後に何倍も高いエッチングレートでもって除去することができるという利点を有する。このことは殊に、殊に大きい放射センサ素子、例えば１００×１００μｍ²の放射センサ素子において有利である。何故ならば本発明によれば、片持ちされた全体の給電線構造がアンダーエッチングされるからである。第１の犠牲層においては有利には第１のコンタクトが構造化され、この第１のコンタクトは構造が露出された後に片持ちされた給電線構造を支持する。本発明によれば、後続のステップとして給電線構造が第１の犠牲層の上に第２の平面において設けられ構造化される。有利にはｐドープされた多結晶シリコンまたはシリコンカーバイドが使用される。続いてその上に第２の犠牲層が析出され、この第２の犠牲層には有利には第２のコンタクトが構造化される。第１の犠牲層と同様に第２の犠牲層は有利には酸化物またはシリコンゲルマニウムからなる。シリコンゲルマニウムからなる２つの犠牲層のさらなる利点は、これらの犠牲層を導電性に析出することができるということであり、これにより例えばセンサ構造の多孔化のための後の電気化学的なエッチングを行うことができる。センサ構造は第１の平面において第２の犠牲層上に設けられる。続いて第１の犠牲層および第２の犠牲層が除去され、有利には酸化物犠牲層の場合にはフッ化水素（ＨＦ）による気相エッチングにより除去されるか、シリコンゲルマニウムの場合には三フッ化塩素（ＣＩＦ₃）による気相エッチングにより除去される。本発明による製造プロセスは殊に簡単であり信頼性が高い。有利な実施形態においては、さらなる処理ステップにおいて犠牲層の除去による露出が行われる前に、センサ構造が少なくとも領域的に多孔化される。多孔化は有利には、例えばフッ酸含有の電解質での電気化学的なエッチングにより行われる。

本発明の実施例を図面に示し、以下において詳細に説明する。

図１には従来技術による放射センサ素子の概略的な平面図が示されている。実質的にセンサ構造７またはセンサダイヤフラムは給電線Ｚを有する平面内に配置されており、その接点Ｋはセンサ構造の熱分離を達成するために可能な限り長い給電線Ｚが生じるように配置されている。センサダイヤフラム７の面積は幅Ｎに制限されている。参照符号Ｇが付されている四角形は放射センサ素子の総面積を表す。

図２には本発明による放射センサ素子１０の概略的な平面図が示されている。給電線構造６は紙面上に表されているセンサ構造７の裏側に設けられており、破線によって示唆されている。給電線構造は２つの曲がった支持アームを有する。第１のコンタクト５の領域において、給電線構造６は図示されていない基板と接続されている。第２のコンタクト８の領域において、給電線構造６はセンサ構造７と接続されている。放射センサ素子１０ないしセンサ構造７の有効面積の幅Ｎは図１に示した従来技術のもの比べて著しく拡大されている。したがって本発明による放射センサ素子１０は総面積Ｇに対する有効面積のより大きな割合、より高い占積率を有する。これは殊に放射センサ素子１０が小さい場合にクリティカルである。本発明による放射センサ素子１０でもって２５×２５μｍ²の総面積Ｇでは少なくとも９０%の占積率を達成することができる。例えば総面積Ｇが１０×１０μｍ²である殊に小さい放射センサ素子１０においても８３％の占積率を達成することができる。

図３には、本発明による放射センサ素子１０の前駆構造が断面図で示されている。シリコンからなる基板１の上には絶縁層２、有利には酸化層または窒化層が設けられている。絶縁層２の上には、ここではシリコンゲルマニウムからなる第１の犠牲層３が析出され、端子コンタクト５が構造化される。端子コンタクト５は後に給電線構造６との機械的且つ電気的な接続部を表す。第１の犠牲層３の上には、ここではｐドープされた多結晶シリコンまたはシリコンカーバイドからなり、後に片持ちにされる給電線構造６が載置され構造化される。給電線構造６は第２の平面３０にある。給電線構造６は有利には、図２に示されているように、センサ構造７のより良好な熱分離を達成するために曲げることによって可能な限り長く実施されている。必要に応じて給電線構造をメアンダ状に実施することもでき、これによってさらに長い給電線を達成することができる。続いて、給電線構造６の上にはシリコンゲルマニウムからなる第２の犠牲層４が析出され、この第２の犠牲層４内に第２のコンタクト８が構造化される。この第２のコンタクト８は後に片持ちにされるセンサ構造７を電気的且つ機械的に給電線構造６に接続する。第１の犠牲層３および第２の犠牲層４の層厚は有利には０．５μｍ〜２μｍの範囲である。第２の犠牲層４の上にセンサ構造７が析出され、面状の領域（図２を参照されたい）として構造化される。センサ構造７は第１の面２０に延びている。材料として有利にはｐドープされた多結晶シリコンまたはシリコンカーバイドが使用される。

図４には本発明による放射センサ素子１０が示されている。センサ構造７が完成された後に、機能的な構造がシリコンゲルマニウムからなる第１の犠牲層３および第２の犠牲層４全体を三フッ化塩素を用いる気相エッチングによって除去することにより露出され、熱分離される。第１のコンタクト５を除きアンダーエッチングされた給電線構造６および第２のコンタクト８を除きアンダーエッチングされたセンサ構造７は片持ちされる。

図５および図６には、本発明による放射センサ素子１０の別の実施形態の前駆構造が断面図で示されている。センサ構造７による放射の吸収の改善は、このセンサ構造７が部分領域７’において多孔化されることによって達成される。電気化学的なエッチングにより１００nm〜５μｍの厚さの領域７’が多孔化される。センサ構造７はこの場合有利には約１０μｍの厚さに実施されている。電気化学的なエッチングに関しては電気的な基板コンタクト１１が絶縁層２を架橋するために必要とされる。さらなる電気的な接触は、第１の犠牲層３および第２の犠牲層４のドーピングされたシリコンゲルマニウムを介して行われる。センサ構造７の多結晶シリコンないしシリコンカーバイドは電流の流れを保証するために同様にｐドープされている。多孔化ステップの後に漸く構造が露出される。第１の犠牲層３、第２の犠牲層４ならびに電気的な基板コンタクト１１は気相エッチングにより除去される。

図７には本発明によるセンサフィールド１００の概略的な平面図が示されている。放射センサ素子１０はピクセルとして行列で配置されており、有利には小さい隙間を有する。全ての放射センサ素子１０の電気的な接触は導体路１２，１３を介して行われ、これらの導体路１２，１３は基板１内に延びている。マトリクス制御が示されており、列導体路１２はそれぞれ１つの列の全ての放射センサ素子１０と接触しており、行導体路１３はそれぞれ１つの行の全ての放射センサ素子１０と接触しているので、列導体路１２と行導体路１３の各組合せは丁度１つの放射センサ素子１０を規定する。

従来技術による放射センサ素子の概略的な平面図を示す。 本発明による放射センサ素子の概略的な平面図を示す。 本発明による製造方法を説明するための、本発明による放射センサ素子の前駆構造の概略的な断面図を示す。 本発明による製造方法を説明するための、本発明による放射センサ素子の前駆構造の概略的な断面図を示す。 本発明による製造方法を説明するための、本発明による放射センサ素子の別の実施形態の前駆構造の概略的な断面図を示す。 本発明による製造方法を説明するための、本発明による放射センサ素子の別の実施形態の前駆構造の概略的な断面図を示す。 本発明による放射センサ素子を複数備えた本発明によるセンサフィールドの概略的な平面図を示す。

Claims (7)

1. 絶縁層（２）により被覆された基板（１）と、該基板（１）の上方において、第１の平面（２０）に配置されている面状のセンサ構造（７）とを有する放射センサ素子（１０）において、
   少なくとも１つの給電線構造（６）が前記基板（１）と前記センサ構造（７）との間の第２の平面（３０）に配置され、
   前記給電線構造（６）は、一方の端部領域に設けられた第１のコンタクト（５）を介して片持ちされて前記基板（１）と接続され、他方の端部領域に設けられた第２のコンタクト（８）を介して片持ちされた前記センサ構造（７）と接続されて、前記第１のコンタクト（５）と前記第２のコンタクト（８）との間の前記第２の平面（３０）に延在し、
   前記絶縁層（２）と前記給電線構造（６）との間には前記第１のコンタクト（５）のみが存在し、前記給電線構造（６）と前記センサ構造（７）との間には前記第２のコンタクト（８）のみが存在し、
   前記給電線構造（６）は、多結晶シリコンまたはシリコンカーバイドからなり、
   前記センサ構造（７）は、ｐドープされた多結晶シリコンまたはｐドープされたシリコンカーバイドからなり、少なくとも部分的に多孔化されている、
   ことを特徴とする、放射センサ素子（１０）。
2. 前記給電線構造（６）は、ｐドープされた多結晶シリコンまたはシリコンカーバイドからなることを特徴とする、請求項１記載の放射センサ素子（１０）。
3. 前記センサ構造（７）は前記給電線構造（６）を介して電気的に前記基板（１）と接触している、請求項１または２記載の放射センサ素子（１０）。
4. 前記給電線構造（６）は前記第２の平面（３０）においてメアンダ状に延びている、請求項１から３までのいずれか１項記載の放射センサ素子（１０）。
5. 請求項１から４までのいずれか１項記載の放射センサ素子（１０）を複数有し、該放射センサ素子（１０）が共通の基板（１）上に配置されていることを特徴とする、センサフィールド（１００）。
6. 前記放射センサ素子（１０）は前記基板（１）内の複数の導体路（１３）を介して接続されており、該導体路（１３）はマトリクス制御部を形成する、請求項５記載のセンサフィールド（１００）。
7. 請求項１から４までのいずれか１項記載の放射センサ素子（１０）の製造方法において、
   基板（１）の上に絶縁層（２）を析出し、
   前記絶縁層（２）の上に第１の犠牲層（３）を析出し、
   前記第１の犠牲層（３）の構造化により第１のコンタクト（５）を形成し、
   前記第１の犠牲層（３）および前記第１のコンタクト（５）の上に給電線構造（６）を設け、
   前記第１の犠牲層（３）および前記給電線構造（６）の上に第２の犠牲層（４）を析出し、
   前記第２の犠牲層（４）の構造化により第２のコンタクト（８）を形成し、
   前記第２の犠牲層（４）および前記第２のコンタクト（８）の上にセンサ構造（７）を設け、
   前記絶縁層（２）と前記給電線構造（６）との間には前記第１のコンタクト（５）のみが存在し、前記給電線構造（６）と前記センサ構造（７）との間には前記第２のコンタクト（８）のみが存在することとなるように、前記第１の犠牲層（３）および前記第２の犠牲層（４）を除去し、
   電気化学的なエッチングにより前記センサ構造（７）を少なくとも部分的に多孔化することを特徴とする、放射センサ素子（１０）の製造方法。

Images