JP5685980B2 - 熱型光検出器、熱型光検出装置及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、熱型光検出器、熱型光検出装置及び電子機器に関する。

熱型光検出装置として、焦電型またはボロメーター型の赤外線検出装置が知られている。赤外線検出装置は、赤外線吸収膜の赤外線吸収による発熱に基づいて、検出素子にて起電力を生じさせるか（焦電型）、または抵抗値を変化させて（ボロメーター型）、赤外線を検出している。

赤外線吸収率を高めて感度を向上させるために、赤外線吸収膜が形成されたダイヤフラムを空洞部を介して基板に支持し、空洞部に臨んで基板に形成された完全反射膜と赤外線吸収膜との距離をλ／４ｎ（λ：赤外線波長、ｎ：整数）に設定することが提案されている（特許文献１）。

また、赤外線吸収率を高めて感度を向上させるために、下部赤外線吸収層の上に、空間的に離して複数の上部赤外線吸収層を配置し、上部及び下部の赤外線吸収層上にそれぞれ反射膜を形成した構造が提案されている（特許文献２）。

さらに、赤外線膜での反射による損失を低めて検出感度を高めるために、Ｖ字状凹部の側面に第１の赤外線吸収膜を、その底面に第２の赤外線吸収膜を形成し、第１及び第２の赤外線吸収膜の一方にて反射された赤外線を、他方の赤外線吸収膜に導くことが提案されている（特許文献３）。特許文献３では、Ｖ字状凹部の傾斜角度を、第１，第２の赤外線吸収膜にて計３回反射されるように設定し、赤外線吸収膜への入射回数を増やして吸収効率を増大させるものである。

特開２０００−２０５９４４号公報（図２、図３） 特開２００３−３０４００５号公報（図２） 特開平７−１９０８５４号公報（図２）

特許文献１では、赤外線吸収膜によって反射される第１の反射赤外線と、完全反射膜によって反射される第２の反射赤外線の各エネルギー強度が異なるため、第１の反射赤外線と第２の反射赤外線とを相互作用によって完全に打ち消すことができない。このため、赤外線吸収膜での実効吸収率が高くならないという問題がある。特許文献２では、下部赤外線吸収層と複数の上部赤外線吸収層の各パターニングに合わせずれが生ずる。このため、素子の小型化や二次元アレイ状に配列した時の高精細化が困難であるという問題がある。特許文献３では、計３回反射させるＶ字状溝の深さが深くなって加工が困難である。また、特許文献３でも特許文献２と同様に、第１，第２の赤外線吸収膜の各パターニングに合わせずれが生ずる。このため、素子の小型化や二次元アレイ状に配列した時の高精細化が困難であるという問題がある。

そこで、光吸収膜にて吸収されなかった光を効率よく反射させて光吸収膜に導いて、検出感度を高めることができる熱型光検出器、熱型光検出装置及び電子機器が求められていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例にかかる熱型光検出器は、底面が光反射曲面となる凹部を有する基板と、光吸収膜を含む熱型光検出素子と、前記熱型光検出素子を支持する支持部材と、を有し、前記基板と前記支持部材との間には空洞部が設けられ、前記支持部材の前記空洞部側の面の少なくとも一部には多結晶シリコンに不純物が分散した光吸収部を有し、前記光反射曲面で反射する光が前記光吸収部を照射することを特徴とする。

本適用例によれば、光吸収膜が光を吸収する。吸収された光は光吸収膜を熱する。熱型光検出素子は熱により起電力を生じさせる。（温度に基づく自発分極による電荷）または、熱が抵抗値を変化させる等により、熱型光検出素子は発熱による光を検出することができる。この際、熱型光検出素子を搭載する支持部材と、熱容量の大きい基板との間には空洞部が存在しているため、熱型光検出素子と基板とは熱分離される。従って、熱損失を少なくして検出することができる。

熱型光検出器に入射される赤外線には光吸収膜を透過する赤外線や、光吸収膜に直接入射されない赤外線等がある。これらの光吸収膜に吸収されなかった光は空洞部を介して基板側の光反射曲面を照射する。その光は光反射曲面にて反射され、空洞部を介して入射方向とは逆側から支持部材を照射する。空洞部は熱分離と導光路との機能を兼用する。支持部材の少なくとも一部には多結晶シリコンに不純物が分散した光吸収部を有しており、光吸収部では光吸収率が高くなっている。この結果、支持部材の光吸収部に吸収される光量を増大させて、入射光に基づく発熱量を増大させることで、熱型光検出器での検出感度を向上させることができる。

［適用例２］上記適用例に記載の前記光吸収部は多結晶シリコンに不純物が分散したドープ領域と不純物を含まない非ドープ領域とのパターンを有することが好ましい。

本適用例によれば、ドープ領域と非ドープ領域とのパターンを有する。光吸収部の多結晶シリコンに不純物を分散したドープ領域では光吸収率が高く、熱伝導率は低い。一方、不純物を含まない非ドープ領域では光吸収率は低く、熱伝導率が高い。そこでドープ領域で光吸収させ、非ドープ領域にて熱を熱型光検出素子に伝えることが出来る。これによって、ドープ領域で発生した熱が効率よく熱型光検出素子に伝わり、熱型光検出器での検出感度を向上させることができる。

［適用例３］上記適用例に記載の前記光反射曲面は球面、放物面、または前記球面よりも前記放物面に近づけた曲面となっていることが好ましい。

本適用例によれば、光反射曲面は球面、放物面、または球面よりも放物面に近づけた曲面となっている。放物面で反射した光は必ず一点である焦点を通過する。球面で反射した光も所定の点に近い場所を通過する。従って、光入射方向とは逆側から来る反射光を光吸収部を通過させるように光反射曲面を設置することができる。これによって、支持部材の光吸収部に吸収される光量を増大させて、入射光に基づく発熱量を増大させることで、熱型光検出器での検出感度を向上させることができる。

［適用例４］本適用例にかかる熱型光検出装置は、上述した熱型光検出器を格子状に二次元配置したことを特徴とする。

本適用例によれば、この熱型光検出装置では熱型光検出器が格子状に二次元配置されているので、光の分布画像を検出することができる。

［適用例５］本適用例にかかる電子機器は、熱型光検出装置を有することを特徴とする。

本適用例によれば、電子機器は、熱型光検出装置を有している。この熱型光検出装置は検出感度が高い為、電子機器は感度良く光分布画像を出力することができる。

実施形態１にかかり赤外線検出装置を示す模式平面図。 （ａ）は、赤外線検出器を示す模式平面図、（ｂ）は赤外線検出器を示す模式断面図。 熱型光検出器の製造方法を説明するための模式図。 熱型光検出器の製造方法を説明するための模式図。 実施形態２にかかり（ａ）は、熱型光検出器の模式平面図、（ｂ）は熱型光検出器の模式断面図。 非ドープ領域のパターンの一例を示す図。 実施形態３にかかり赤外線検出器を示す模式断面図。 放物面を説明するための図。 赤外線検出器の製造方法を説明するための模式図。 赤外線検出器の製造方法を説明するための模式図。 実施形態４にかかりサーモグラフィーの構成を示す概略斜視図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。

（実施形態１）
図１は、赤外線検出装置を示す模式平面図である。図１に示すように、赤外線検出装置１は基板２０を備えている。そして、基板２０上に１セル分の熱型光検出器１０Ａが、格子状のマトリクス状に二次元配置されている。１セルは熱型光検出器１０Ａが載置された区画を示す。各熱型光検出器１０Ａは赤外線を検出するので、赤外線検出装置１は赤外線の分布を検出可能となっている。そして、赤外線検出装置１は熱（光）分布画像を提供することができる。

図２（ａ）は、赤外線検出器を示す模式平面図である。図２（ｂ）は赤外線検出器を示す模式断面図であり、図２（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿った模式断面図である。まず、実施形態１にかかる赤外線検出器としての熱型光検出器１０Ａの概略構成について説明する。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、熱型光検出器１０Ａは、凹部としての第２凹部２２を有し、第２凹部２２の底面２３が光反射曲面２４となる基板２０を備えている。さらに、熱型光検出器１０Ａは、光吸収膜３２（広義には光吸収膜）が配置された熱型光検出素子３０（広義には熱型光検出素子）を有し、熱型光検出素子３０は板状の支持部材４０（メンブレムとも称す）に設置されている。尚、熱型光検出素子３０を構成する膜のうちの最も対象検出光に対する吸収率の高い膜を、光吸収膜３２としてよい。基板２０と支持部材４０との間には空洞部５０が設けられている。

基板２０の平面視において、光反射曲面２４と光吸収膜３２とが重なり合い、かつ、光反射曲面２４の平面視での投影面積（図２（ａ）中で破線で示す円内の面積）は光吸収膜３２（矩形の面積）よりも広く形成されている。

この熱型光検出器１０Ａでは、入射赤外線が光吸収膜３２にて吸収され、吸収された赤外線による発熱が、熱型光検出素子３０にて起電力を生じさせ、または抵抗値を変化させることで、赤外線を検出することができる。この際、熱型光検出素子３０を搭載する支持部材４０と、熱容量の大きい基板２０との間には空洞部５０が存在している。このため、熱型光検出素子３０と基板２０とは熱分離され、熱損失を少なくして赤外線を検出することができる。１セルの熱型光検出器１０Ａが占める空洞部５０は第２凹部２２に示す円形領域であり、第２凹部２２の大きさは限定されないが、本実施形態では例えば、直径φ３０μｍとしている。

ここで、熱型光検出器１０Ａに入射される赤外線には、光吸収膜３２を透過する赤外線Ｒ１や、そもそも光吸収膜３２に入射されない赤外線Ｒ２等がある。これらの光吸収膜３２に吸収されない赤外線Ｒ１，Ｒ２等の存在は、熱型光検出器１０Ａの感度を低める。

そこで、赤外線Ｒ１，Ｒ２等、直接入射赤外線のうち光吸収膜３２に吸収されなかった赤外線を、空洞部５０を介して基板２０の光反射曲面２４にて反射させる。そして、光反射曲面２４は空洞部５０を介して赤外線入射方向とは逆側から支持部材４０に赤外線Ｒ１，Ｒ２を導いている。空洞部５０は、支持部材４０と基板２０の熱分離する機能の他、導光路として機能することができる。支持部材４０の少なくとも一部には多結晶シリコンに不純物が分散した光吸収部４１が設置されている。光吸収部４１では光吸収率が高くなっている。不純物とはシリコン結晶の配列を乱す物であり、例えば、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）がある。光反射曲面２４で反射した赤外線Ｒ１，Ｒ２は光吸収部４１を照射する。こうして、赤外線Ｒ１，Ｒ２等も支持部材４０の光吸収部４１に吸収させて、入射光に基づく発熱量を増大させることで、熱型光検出器１０Ａでの検出感度を向上させることができる。

光吸収部４１は熱型光検出素子３０の直下にあることが望ましい。光吸収部４１で吸収された赤外線が熱に変換され、赤外線検出素子に熱伝導する過程で熱を失うことなく熱伝導でき、熱型光検出器１０Ａでの検出感度を高めることができる。

具体的には、支持部材４０は、熱型光検出素子３０を搭載する搭載部材４２と、一端が搭載部材４２に連結され、他端が基板２０側に支持された少なくとも１本のアーム４４、例えば第１アーム４４Ａ及び第２アーム４４Ｂの２本を有する。これら搭載部材４２及びアーム４４は赤外線を透過する材料にて形成される。２本の第１アーム４４Ａ及び第２アーム４４Ｂには、熱型光検出素子３０と接続される配線層４６（４６Ａ，４６Ｂ）を形成することができる。尚、アーム４４を１本設け、配線層４６Ａ，４６Ｂを１本のアーム４４に形成しても良い。

アーム４４（４４Ａ，４４Ｂ）は、基板２０における平面視において光反射曲面２４の投影面積の外に配置しても良い。また、基板２０における平面視において光反射曲面２４の投影面積の内側に大部分を配置してもよい。これにより、１セル分の熱型光検出器１０Ａの占有面積を縮小できる。

アーム４４（４４Ａ，４４Ｂ）に形成される配線層４６（４６Ａ，４６Ｂ）を金属とすると、金属は赤外線を反射するので、光反射曲面２４に向う赤外線を遮光してしまう。そこで、配線層４６Ａ，４６Ｂの形成材料として、赤外線（広義には入射光）を透過させる材料にて形成しても良い。配線層４６Ａ，４６Ｂの材料は特に限定されないが、例えば、透明電極材料（ＩＴＯ）等を用いることができる。こうすると、１セルの熱型光検出器１０Ａの占有面積を縮小しながらも、配線層４６（４６Ａ，４６Ｂ）での損失を低減して検出感度を高めることができる。

基板２０と支持部材４０とを熱分離するために、基板２０の搭載部材４２側にはスペーサー層６０を介して２つのポスト６２が立設されている。その２つのポスト６２に第１アーム４４Ａ及び第２アーム４４Ｂが支持されている。このように、スペーサー層６０とポスト６２とにより、基板２０と支持部材４０との間を含む領域を空洞部５０とすることができる。支持部材４０は体積の小さなポスト６２を介して基板２０に支持されるので、支持部材４０から基板２０に向う熱伝達経路の熱コンダクタンスは低くなる。従って、熱型光検出器１０Ａは光吸収膜３２を含む熱型光検出素子３０からの熱の散逸を低減できる。

尚、スペーサー層６０とポスト６２とは、光反射曲面２４での反射光を支持部材４０に導くための空洞部５０の高さを規定するものである。スペーサー層６０は必ずしも必要ではなく、ポスト６２のみを設けるものであっても良い。

熱型光検出素子３０が熱型光検出素子であるボロメーター型の場合には抵抗層で形成される。本実施形態では熱型光検出素子３０は焦電型の熱型光検出素子であり、熱型光検出素子３０はキャパシター３４を含んでいる。

キャパシター３４は、搭載部材４２に搭載される第１電極３４Ａ（下部電極と称す）と、第１電極３４Ａと対向配置される第２電極３４Ｂ（上部電極と称す）とを有する。さらに、キャパシター３４は第１電極３４Ａ及び第２電極３４Ｂの間に配置される焦電材料としての強誘電体膜３４Ｃとを含んでいる。第１電極３４Ａは配線層４６Ｂに、第２電極３４Ｂは配線層４６Ａに接続される。キャパシター３４は、赤外線に起因した発熱に基づいて自発分極し、その自発分極による電荷を取り出すことで、赤外線を検出することができる。赤外線検出法としては、例えば、機械式チョッパーで赤外線を断続させて交番する電気分極現象として取り出す方法がある。あるいは、自発分極の向きに対して表面電荷を引き寄せる極性の電圧を印加し、電圧印加停止後に引き寄せられた電荷に応じて変化したキャパシター両端電圧を検出する方法がある。

このキャパシター３４の側面と天面は、例えば、強誘電体膜３４Ｃの還元による劣化を防止するための水素バリア膜３６と、電気絶縁膜３８とにより覆うことができる。さらに、電気絶縁膜３８を覆って保護膜３９を配置することができる。保護膜３９は、光吸収膜３２を形成するときにキャパシター３４を保護するために配置された膜である。光吸収膜３２は、保護膜３９を覆って形成されている。この光吸収膜３２、支持部材４０、配線層４６を含む熱型光検出器１０Ａの表面側は、空洞部５０をエッチングにより形成する際のマスク層として機能する上部保護膜７０により覆われている。

第２凹部２２の底面２３が放物面であると、放物面に入射する光は一点（焦点）に向けて反射されるので、第２凹部２２の底面２３は理想的には放物面とするのが良い。ただし、後述するように基板２０を等方性エッチングして第２凹部２２を形成する場合には、第２凹部２２の底面２３を正確に放物面に加工することは困難であるので、第２凹部２２の底面２３は、少なくとも一部が放物面としてもよい。放物面の焦点は光吸収部４１の内部に位置するのが望ましい。光吸収部４１へ入射した光を効率よく熱に変換することができ、熱型光検出器１０Ａでの検出感度を上げることができる。

基板２０は、等方性エッチングに適し、かつ、赤外線を反射する材質であることが好ましく、本実施形態ではシリコン基板である。基板２０の第２凹部２２の底面２３は、赤外線を反射する光反射曲面２４とすることができる。

（熱型光検出器の製造方法）
次に、熱型光検出器１０Ａの製造方法について図３に沿って説明する。図３は熱型光検出器の製造方法を説明するための模式図である。

（１）等方性エッチング工程
まず、図３（ａ）に示すように、基板２０の表面にマスク層（図示せず）を形成して、基板２０を等方性エッチングする。シリコンの等方性エッチングは、フッ酸（ＨＦ）またはフッ酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ₃）とを混ぜたフッ硝酸等のエッチング液を用いたウェットエッチングの他、ドライエッチングを用いることもできる。ドライエッチング方法として、エッチングチャンバー内に配置されたウエハーにエッチングガスＸｅＦ₂を導入するものがある。このエッチングガスはプラズマ励起する必要がなく、ガスエッチングが可能である。例えば、特開２００２−１１３７００号公報に開示されている通り、ＸｅＦ₂は圧力５ｋＰａのエッチング処理が可能である。また、ＸｅＦ₂は蒸気圧が４Ｔｏｒｒ程度で、蒸気圧以下にてエッチング可能であり、エッチングレートとしても３〜４μｍ／ｍｉｎが期待できる。この他、ＩＣＰエッチング（Inductive Coupled Plasma）を用いることもできる。例えばＳＦ₆とＯ₂との混合ガスを用い、チャンバー内圧力を１〜１００Ｐａとし、ＲＦパワー１００Ｗ程度を供給する。以上の等方性エッチング工程により基板２０に例えば半球状の第１凹部２１が形成される。

（２）基板の加工工程
次に、図３（ｂ）に示すように、第１凹部２１を有する基板２０を加工して、第１凹部２１よりも浅い第２凹部２２（広義には凹部）を形成する。本実施形態では、この基板２０の加工工程は、等方性エッチングされた基板のうち、第１凹部２１が開口する平坦面２０Ａ（図３（ａ）参照）を平坦面２０Ｂの位置まで削っている。この加工は例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）を用いることができる。これにより、例えば４００μｍ程度の厚さの基板２０から２μｍ程度の必要な深さの第２凹部２２を有する厚さ１００μｍ程度の基板２０が形成される。尚、本実施形態では、第２凹部２２の底面２３は、基板２０を等方性エッチングして得られる球面である。第１凹部２１を有する基板２０をさらに加工して得られた第２凹部２２の底面２３は、半球状のように不要な球面の多くが削られて第１凹部２１よりも深さが浅くなり、必要な範囲が残った球面となる。

（３）下部保護膜（エッチングストップ膜兼平坦化膜）形成工程
次に、図３（ｃ）に示すように、基板２０の平坦面２０Ｂにスペーサー層６０を形成し、さらに、基板２０の表面側の全領域、つまり第２凹部２２の底面２３、平坦面２０Ｂ及びスペーサー層６０を覆って、下部保護膜７２を形成する。スペーサー層６０は、例えば基板２０を熱酸化したＳｉＯ₂等の絶縁膜等で形成することができる。下部保護膜７２は、厚さ０．２μｍ程度のＳｉＮ膜またはＳｉＯ₂膜等にて形成することができる。

（４）犠牲層等の形成工程
次に、図３（ｄ）に示すように、基板２０上に犠牲層８０、ポスト６２を形成する。まず、下部保護膜７２上に犠牲層８０を形成する。下部保護膜７２の材料として、犠牲層８０のエッチング時のストップ膜として機能させるＳｉＮを用いたとき、特定エッチャントに対してＳｉＮに対するよりも選択比が高い犠牲層８０の材料としては、例えばＳｉＯ₂を用いることができる。尚、選択比はエッチングを行いたい膜とエッチングを行いたくない膜のエッチングレートの比を示す。

犠牲層８０の表面は平坦化され、ポスト６２を形成するためのホールを形成した後、ポスト６２を埋め込み形成する。ポスト６２は、例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等のアルミニウム酸化物（ＡｌＯ_x）の単層構造や、外層Ａｌ₂Ｏ₃及び内層ＳｉＯ₂の二層構造等とすることができる。ポスト６２の高さは例えば２μｍ程度である。

（５）光吸収部等の形成工程
次に、図４（ｅ）に示すように、犠牲層８０上に支持部材４０の元になる支持層４０Ａを形成する。支持層４０Ａは、例えば多結晶シリコンにて厚さが例えば１μｍ程度に形成される。尚、支持層４０Ａは犠牲層８０の全面に形成され、この時点ではパターニングされていない。

次に、支持部材４０の光吸収部４１を形成する予定の場所に不純物をドープする。不純物とはシリコン結晶の配列を乱す物であり、例えば、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）がある。

支持層４０Ａ上に配線層４６を形成する。この時点ではアーム４４はパターニングされてなく、支持層４０Ａのままである。そして、搭載部材４２上の配線層４６とアーム４４上の配線層４６とをこの工程にて形成する。配線層４６には、後に形成される第１電極３４Ａ及び第２電極３４Ｂに接続されるものがある。下部電極である第１電極３４Ａに接続される配線も、この工程にて形成される。これらの配線層４６は、Ｔｉ／ＴｉＮ層、Ａｌ層等の金属にて形成できるが、上述した通り透光性を確保するには透明電極（ＩＴＯ）にて形成することが好ましい。尚、配線層４６は例えば０．２μｍ程度の膜厚で形成された後に、フォトリソグラフィ法を用いてパターニングされる。

（６）赤外線検出素子のキャパシター形成工程
次に、図４（ｆ）に示すように、支持層４０Ａのうち搭載部材４２に相当する領域に、熱型光検出素子３０を形成する。本実施形態では、熱型光検出素子３０は焦電型検出素子であるため、光吸収膜３２とキャパシター３４（焦電型検出素子）とが形成される。キャパシター３４は、搭載部材４２に相当する領域内に形成される。

まず、第１電極３４Ａを形成する。次に、第１電極３４Ａ上に強誘電体膜３４Ｃを積層して形成する。続いて、強誘電体膜３４Ｃ上に第２電極３４Ｂを積層して形成する。これにより、第１電極３４Ａと第２電極３４Ｂとの間に強誘電体膜３４Ｃが積層させた構造のキャパシター３４が形成される。

第１電極３４Ａ及び第２電極３４Ｂは、強誘電体膜３４Ｃから遠い位置から順に例えばスパッタリングにて形成されるイリジウム（Ｉｒ）、イリジウム酸化物（ＩｒＯｘ）及びプラチナ（Ｐｔ）の三層構造とすることができる。尚、第１電極３４Ａの下地層として、ＴｉＡｌＮ₃（チタンアルミナイトライド）等を設けることができる。

強誘電体膜３４Ｃは焦電材料を有し、例えばＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｉ，Ｔｉ）Ｏ₃、チタン酸ジルコン酸鉛）をゾルゲル法やスパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法等で成膜することができる。第１電極３４Ａ及び第２電極３４Ｂはそれぞれ膜厚が例えば０．４μｍ程度であり、強誘電体膜３４Ｃは膜厚が例えば０．１μｍ程度である。

（７）光吸収膜と上部保護膜の形成工程
次に、図４（ｇ）に示すように、キャパシター３４の側面と天面を覆って、例えば水素バリア膜３６及び電気絶縁膜３８をそれぞれ形成する。水素バリア膜３６は例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等のアルミニウム酸化物（ＡｌＯ_x）にてスパッタまたはＣＶＤ等にて形成される。電気絶縁膜３８は、キャパシター３４の第２電極３４Ｂに接続される配線層４６Ａを形成するために、キャパシター３４を電気的に絶縁している。図示していないが、水素バリア膜３６と電気絶縁膜３８の天面にはコンタクトホールが形成され、このコンタクトホールにプラグが埋め込み形成されると共に、電気絶縁膜３８上に形成される配線層４６Ａがプラグに接続される。尚、配線層４６Ａ，４６Ｂは、電気絶縁膜３８を形成した後に形成しても良い。

さらに、電気絶縁膜３８と搭載部材４２とを覆って保護膜３９を形成する。保護膜３９は例えばＳＩＮ等の材料をスパッタ法もしくは蒸着法を用いて形成することができる。そして、保護膜３９に重ねて光吸収膜３２を形成する。光吸収膜３２は、例えばＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＳｉＣＮまたはＴｉＮ等の材料にて、例えば膜厚２μｍ程度で形成することができる。

この後、光吸収膜３２、電気絶縁膜３８、支持層４０Ａ、配線層４６を含む熱型光検出器１０Ａの全表面を覆って、上部保護膜７０を形成する。上部保護膜７０は、下部保護膜７２と同じく例えばＳｉＮにて例えば膜厚が０．２μｍ程度で形成される。

（８）支持部材のパターニングと熱分離空洞の形成工程
次に、支持層４０Ａをパターニングして、搭載部材４２と第１アーム４４Ａ及び第２アーム４４Ｂを有する支持部材４０を形成する。この工程は、支持層４０Ａの形成材料である例えばＳｉＮを異方性エッチングすることで行なわれる。この異方性エッチングは、搭載部材４２と第１アーム４４Ａ及び第２アーム４４Ｂとなる領域をマスク層にて被覆して、例えばＣＦ₄と酸素との混合ガスに窒素や塩素を添加したエッチングガスや、フッ素と酸素との混合ガスに窒素を添加したエッチングガスを用いて実現できる（例えば特開平１０−２６１６１６号公報参照）。

この異方性エッチングにより、搭載部材４２、第１アーム４４Ａ、第２アーム４４Ｂ以外の場所では、下地の犠牲層８０が露出した開口９０が形成される。

図４（ｈ）に示すように、最後に、開口９０を含む全開口をエッチング媒体が通過する孔であるエッチング孔として利用し、等方性エッチングにより下地の犠牲層８０を除去する。この等方性エッチングは、フッ酸（ＨＦ）を用いたウェットエッチングにより行なうことができる。この際、熱型光検出器１０Ａの表面は、エッチング孔を除いて上部保護膜７０（例えばＳｉＮ）にて覆われており、この上部保護膜７０を等方性エッチング時のマスク層として利用できる。また、基板２０の少なくとも第２凹部２２の底面２３には下部保護膜７２（例えばＳｉＮ）が形成されているので、この下部保護膜７２を等方性エッチングのエッチングストップ膜として利用する。

以上述べたように、本実施形態にかかる熱型光検出器１０Ａによれば、以下の効果を得ることができる。
（１）本実施形態によれば、光吸収膜３２にて吸収されなかった光を光反射曲面２４で反射させ、支持部材４０の光吸収部４１に入射させることによって、効率よく光吸収膜に導いている。従って、熱型光検出器１０Ａの検出感度を高めることができる。

（２）本実施形態によれば、支持部材４０の光吸収部４１には不純物がドープされている。従って、光吸収部４１は光を吸収し発熱し易くなっている。従って、熱型光検出器１０Ａでの検出感度を向上させることができる。

（実施形態２）
次に、実施形態２にかかる特徴的な熱型光検出器について図５及び図６を用いて説明する。尚、本実施形態において、上記実施形態１と同様の部材または部位については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施形態が実施形態１と異なるところは、光吸収部４１が多結晶シリコンに不純物が分散したドープ領域と不純物を含まない非ドープ領域とのパターンを有することである。

図５（ａ）は、熱型光検出器の模式平面図であり、支持部材４０から基板２０側を見た図である。図５（ｂ）は熱型光検出器の模式断面図であり、図５（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。この熱型光検出器１０Ｂは１セル分を示している。まず、赤外線検出器としての熱型光検出器１０Ｂの概略構成について説明する。

図５に示すように、光吸収部４１ではドープ領域４１Ａと非ドープ領域４１Ｂとの配置がパターニングされている。ドープ領域４１Ａは不純物がドープされた場所であり、非ドープ領域４１Ｂは不純物がドープされていない場所となっている。不純物とはシリコン結晶の配列を乱す物であり、例えば、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）がある。ドープ領域４１Ａでは、光吸収率が高いが、熱伝導率は低い。一方、非ドープ領域４１Ｂでは光吸収率は低いが熱伝導率は高い。そこでドープ領域４１Ａで光吸収によって発生した熱が非ドープ領域４１Ｂを経由して、熱型光検出素子３０に伝わるようにパターニングされている。これによって、ドープ領域４１Ａで発生した熱が効率よく熱型光検出素子３０に伝わり、熱型光検出器での検出感度を向上させることができる。

こうして、赤外線Ｒ１，Ｒ２等も支持部材４０のドープ領域４１Ａに吸収させて発生した熱は、平面視で内側にある非ドープ領域４１Ｂに伝達され、熱型光検出素子３０に熱伝達される。非ドープ領域４１Ｂは熱伝導度が大きいため、実施形態１と比較して熱を失うことなく熱型光検出素子３０に伝達することができる。これによって、熱型光検出器１０Ｂでの検出感度を高めることができる。

熱型光検出器１０Ｂでは、平面視で、熱型光検出素子３０の中心部４１ＣＮを中心として、周囲に突出する８本の突出部（Ｋ１〜Ｋ８）を備える放射状のパターンが採用されている。但し、これは一例であり、このパターンに限定されるものではない。

このようなパターンを採用すると、光吸収部４１の不純物ドープ領域で吸収された赤外線で発生した熱が、非ドープ領域４１Ｂを介して効率的に熱検出素子としてのキャパシター３４に伝達される。ドープ領域４１Ａがキャパシター３４よりも平面視で大きく形成されているため、ドープ領域４１Ａで多くの熱が発生する。そして、非ドープ領域４１Ｂでは発生した場所を問わずに、熱を効率的にキャパシター３４へ伝達することができる。よって、例えば、キャパシター３４から離れた箇所で発生した熱であっても、非ドープ領域４１Ｂを経由して、キャパシター３４に効率的に集めることができる。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、非ドープ領域４１Ｂのパターンの一例を示す図である。但し、キャパシター３４及び第２凹部２２は省略してある。図６（ａ）に示される例は、図５に示される例と同じである。すなわち、非ドープ領域４１Ｂは、平面視で、キャパシター３４の中心部４１ＣＮを中心として、周囲（八方）に突出形成された突出部Ｋ１〜Ｋ８を備える放射状パターンを有している。各突出部Ｋ１〜Ｋ８は、平面視で、熱型検出素子としてのキャパシター３４が設けられている領域を超えて延在している。よって、キャパシター３４から遠い位置にて発生した熱であっても、非ドープ領域４１Ｂにおける突出部Ｋ１〜Ｋ８を経由して、キャパシター３４に効率的に伝達することができる。

また、複数の突出部Ｋ１〜Ｋ８を備える形状は、平面視で、キャパシター３４の中心部４１ＣＮを中心として点対称の形状である。すなわち、非ドープ領域４１Ｂが、平面視で、キャパシター３４の中心部４１ＣＮを中心として点対称のパターンを有する。

図６（ｂ）は非ドープ領域４１Ｂのパターンの他の例を示す図である。図６（ｂ）に示される例では、非ドープ領域４１Ｂは、環状パターンＣＬと、複数の突出部Ｋ９，Ｋ１０，Ｋ１１，Ｋ１２を有するパターンとを組み合わせてなるパターンを有している。すなわち、非ドープ領域４１Ｂは、平面視で、キャパシター３４の中心部４１ＣＮを中心として、周囲（四方）に突出形成された突出部Ｋ９，Ｋ１０，Ｋ１１，Ｋ１２を備える×字状パターンと、突出部Ｋ９，Ｋ１０，Ｋ１１，Ｋ１２の先端部同士を共通に接続するように設けられた環状部（ここでは略正方形の環状部）ＣＬと、を有している。この環状部ＣＬは、平面視で、中心部４１ＣＮを囲むように配設されている。

環状部ＣＬを設けることによって、キャパシター３４の周囲領域、特に、キャパシター３４からの距離が離れている周囲領域において発生した熱を、環状部ＣＬによって、キャパシター３４に効率的に集熱することができる。

また、光吸収部４１には、環状部ＣＬの一部と突出部Ｋ９，Ｋ１０，Ｋ１１，Ｋ１２を有している。これら突出部Ｋ９，Ｋ１０，Ｋ１１，Ｋ１２は、非ドープ領域４１Ｂの中心部４１ＣＮに接続されている。よって、環状部ＣＬ、突出部Ｋ９，Ｋ１０，Ｋ１１，Ｋ１２ならびに中心部４１ＣＮを経由して、周辺で発生した熱をキャパシター３４に、効果的に伝達することができる。図６（ｂ）の例では、４本の突出部Ｋ９〜Ｋ１２によって×形状が形成されている。得られる効果は、図６（ａ）の例と同様である。

以上述べたように、本実施形態にかかる熱型光検出器１０Ｂによれば、以下の効果を得ることができる。
（１）本実施形態によれば、光吸収部４１はドープ領域４１Ａと非ドープ領域４１Ｂとのパターンを有する。ドープ領域４１Ａで光を吸収し発熱させて、非ドープ領域４１Ｂにて熱をキャパシター３４に伝えることが出来る。これによって、ドープ領域４１Ａで発生した熱が効率よくキャパシター３４に伝わり、熱型光検出器１０Ｂの検出感度を向上させることができる。

（実施形態３）
次に、実施形態３にかかる特徴的な熱型光検出器について図７〜図１０を用いて説明する。尚、本実施形態において、上記実施形態１と同様の部材または部位については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施形態が実施形態１と異なるところは、光反射曲面２４の形状が異なる点にある。

図７は、赤外線検出器を示す模式断面図であり、図８は放物面を説明するための図である。図７では、熱型光検出器１０Ｃの第２凹部２２の底面２３は、球面でなく放物面となっている。放物面を形成する放物線とは、図８（ａ）に示すように、Ｙ軸と直交するＸ軸と平行な準線Ｌ２（ｙ＝−ｆ）と、Ｙ軸上の焦点Ｆ（ｙ＝ｆ）とが与えられた時、点Ｐから焦点Ｆへの距離ＰＦと等しい距離ＰＱを持つような準線Ｌ２上の点Ｑが存在する点Ｐの軌跡として与えられる。
点Ｐ（ｘ，ｙ）の軌跡は、点ＰからＹ軸に下ろした垂線とＹ軸との交点をＲとした時、直角三角形ＦＰＲでのピタゴラスの定理から、次の通りとなる。
（ｙ＋ｆ）²＝ｘ²＋（ｆ−ｙ）² …（１）
式（１）を変形すると、点Ｐ（ｘ，ｙ）の軌跡として、ｘ，ｙ座標（０，０）を頂点とする放物線は次の関数で与えられる。
ｙ＝ｘ²／４ｆ …（２）
そして、図８（ｂ）に示すように、Ｙ軸と平行に入射した光は、放物面に反射されて放物面の焦点Ｆに集まる性質がある。

本実施形態では、図７に示すように、熱型光検出素子３０の平面視で中心を通る線をＹ軸とし、Ｙ軸と第２凹部２２の底面２３とが交差する点を座標（０，０）とするＸＹ平面を設定する。そして、底面２３の光反射曲面２５は座標（０，０）を頂点とする放物面とする。そして、光反射曲面２５の焦点Ｆ（０，ｆ）が光吸収膜３２よりも光入射側に位置した場所となるように光反射曲面２５を設定する。そして、光反射曲面２５の反射光を焦点Ｆ（０，ｆ）に集めることで、反射光の入射経路途中にあるドープ領域にて効率よく赤外線を吸収することができる。尚、ｆの値は、特に限定されないが、本実施形態では例えば２〜１０μｍ程度に設定している。

（赤外線検出器の製造方法）
本実施形態の製造方法を図９及び図１０を用いて説明する。図９及び図１０は赤外線検出器の製造方法を説明するための模式図である。本実施形態の製造方法は、第１実施形態の等方性エッチング工程及び基板の加工工程が実施形態１と異なる。他の工程は実施形態１と実質的に同一であり、説明を省略する。

図９に示すように、基板２０の第２凹部２２の底面２３が、上述した放物面、または第１実施形態の球面よりも放物面に近い曲面に形成される。この第２凹部２２の形成工程の一例を図１０（ａ）〜図１０（ｄ）を参照して説明する。

図１０（ａ）〜図１０（ｄ）は、時分割プラズマエッチングと称される等方性エッチング工程を示している。この時分割プラズマエッチングは、K.Wang, K.F.Bohringer, “Time-multiplexed plasma-etching of high numerical aperture paraboloidal micromirror arrays,” CLEO/ Pacific Rim 2003.15-19 Dec.2003. Vol.1,P.317.に掲載されている。

まず、図１０（ａ）に示すように基板２０にマスク層２０Ｃを形成する。次に、図１０（ｂ）に示すように、例えばＳＦ₆プラズマで３５分間等方性エッチングし、第１凹部２１を得る。次に、図１０（ｃ）に示すようにマスク層２０Ｃを除去し、マスク層２０Ｃ無しの状態での基板２０を、例えばＳＦ₆プラズマで１５分間さらに等方性エッチングする。その結果図１０（ｄ）に示すように、第２凹部２２を得る。第２凹部２２は等方性エッチング工程により得られた第１凹部２１を有する基板２０をさらに加工して得られる。従って、第２凹部２２は、第１凹部２１よりも深さが浅くなるので、放物面か、あるいは球面よりも放物面に近い曲面とすることができる。

以上述べたように、本実施形態にかかる熱型光検出器１０Ｃによれば、以下の効果を得ることができる。
（１）本実施形態によれば、光反射曲面２５は球面、放物面、または球面よりも放物面に近づけた曲面となっている。放物面で反射した光は必ず一点である焦点を通過する。球面で反射した光も所定の点に近い場所を通過する。従って、光入射方向とは逆側から来る反射光を光吸収部４１を通過させるように光反射曲面２５を設置することができる。これによって、光吸収部４１に吸収される光量を増大させて、入射光に基づく発熱量を増大させることで、熱型光検出器１０Ｃの検出感度を向上させることができる。

（実施形態４）
次に、赤外線検出装置１を応用した１例である電子機器としてのサーモグラフィーを説明する。図１１はサーモグラフィーの構成を示す概略斜視図である。図１１に示すように電子機器としてのサーモグラフィー１１０は外装部１１１とレンズ部１１２とを備えている。そして、外装部１１１の内部に赤外線に感応する撮像部１１３を備えている。そして、撮像部１１３に赤外線検出装置１が用いられている。

以上述べたように、本実施形態にかかるサーモグラフィー１１０によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）本実施形態によれば、サーモグラフィー１１０は、赤外線検出装置１を有している。この赤外線検出装置１は検出感度が高い為、サーモグラフィー１１０は感度良く光分布画像を出力することができる。

以上、いくつかの実施形態について説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるものである。従って、このような変形例は総て本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変更や改良を加えることも可能である。変形例を以下に述べる。

（変形例１）
実施形態１では熱型光検出器１０Ａは焦電型であったが、ボロメーター型の熱型光検出器に適用できる。この場合にも、感度良く検出することができる。

（変形例２）
実施形態１では熱型光検出器１０Ａは赤外線を検出するセンサーであったが、検出対象は赤外線に限らない。赤外線以外の波長帯域の光であっても良い。この場合にも、感度良く検出することができる。

（変形例３）
実施形態４ではサーモグラフィー１１０に赤外線検出装置１を搭載した例を示した。赤外線検出装置１は、サーモグラフィーの他、車載用ナイトビジョンあるいは監視カメラ等の電子機器に搭載することができる。

１…赤外線検出装置、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…熱型光検出器、２０…基板、２２…凹部としての第２凹部、２３…底面、２４，２５…光反射曲面、３０…熱型光検出素子、３２…光吸収膜、４０…支持部材、４１…光吸収部、４１Ａ…ドープ領域、４１Ｂ…非ドープ領域、５０…空洞部、１１０…電子機器としてのサーモグラフィー。

Claims (4)

1. 底面が光反射曲面となる凹部を有する基板と、
   光吸収膜を含む熱型光検出素子と、
   前記熱型光検出素子を支持する支持部材と、
   を有し、
   前記基板と前記支持部材との間には空洞部が設けられ、
   前記支持部材の前記空洞部側の面の少なくとも一部には多結晶シリコンに不純物が分散した光吸収部を有し、
   前記光吸収部は多結晶シリコンに不純物が分散したドープ領域と不純物を含まない非ドープ領域とのパターンを有し、
   前記光反射曲面で反射する光が前記光吸収部を照射することを特徴とする熱型光検出器。
2. 請求項１において、
   前記光反射曲面は球面、放物面、または前記球面よりも前記放物面に近づけた曲面となっていることを特徴とする熱型光検出器。
3. 請求項１または２に記載の熱型光検出器を格子状に二次元配置したことを特徴とする熱型光検出装置。
4. 請求項３に記載の熱型光検出装置を有することを特徴とする電子機器。

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