JP6230652B2 - 赤外線センサ - Google Patents
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Description
本発明は、非冷却型の赤外線固体撮像装置に用いる赤外線センサに関する。
赤外線固体撮像装置を構成する赤外線センサにおいて、その検知波長域は、0.8〜3.0μｍの近赤外帯、3.0〜6.0μｍ帯の中赤外、8.0〜100.0μｍの遠赤外帯に大別される。そして、さまざまな赤外線センシング技術や、その技術を応用したアプリケーションが提案されている。
その検知波長域の中で、遠赤外線領域の、特に8〜14μｍ帯の波長域においては、赤外線センサは、赤外線を分子の共振運動により生じる熱エネルギーとして捉え、電気信号に変換する。このことから、この波長域における赤外線は、熱赤外線と呼ばれている。その熱赤外線を検出するセンシング素子を非冷却型の赤外線センサと呼んでいる。
ここで、プランクの放射則より、300Kの温度物体から放射されるエネルギーは10μｍ付近において放射エネルギーピークを有している。そして、人体の体温は300K程度である。これらのことから、遠赤外線により人を検知する技術を応用した様々なアプリケーションシステムが提案されている。そのアプリケーションとは、例えば、自動車の人検知技術や、建物のセキュリティー管理技術等である。
上記のような、非冷却型の赤外線センサは、被写体（例えば、人体）から放射された赤外線を、赤外線を吸収する吸収膜の分子と共振させ振動させることで、その運動エネルギーを熱へと変換する。
この熱を利用し、ＶＯｘ（酸化バナジウム）に代表される材料を用いたボロメーターにおいて、熱電変換することで電気信号の変化として読み出しセンシングしている。
ボロメーターは、温度上昇によって抵抗が変化する物質を利用し、赤外線などの放射エネルギーを測定する装置である。
この熱を利用し、ＶＯｘ（酸化バナジウム）に代表される材料を用いたボロメーターにおいて、熱電変換することで電気信号の変化として読み出しセンシングしている。
ボロメーターは、温度上昇によって抵抗が変化する物質を利用し、赤外線などの放射エネルギーを測定する装置である。
このように熱赤外線を検知する非冷却型の赤外線固体撮像装置を構成する赤外線センサは、熱電変換の技術を応用していることから、中赤外領域を検知する量子型の赤外線センサに用いるような冷凍機構成要素として含んでいないため、システム全体の、小型化・低コスト化において有利である。
ゆえに、遠赤外線を検出赤外線センサに関して、さまざまな検知方式や画素構造が提案されており、上述したようなアプリケーションへの応用が期待されている。
ゆえに、遠赤外線を検出赤外線センサに関して、さまざまな検知方式や画素構造が提案されており、上述したようなアプリケーションへの応用が期待されている。
次に、従来の技術を示す特許文献１から３について示す。
特許文献１に示す赤外線検出器においては、赤外線吸収部を平行に２層以上設ける構造が開示されている。そして、赤外線吸収部の空隙を制御することで、より広帯域での赤外線吸収を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に示す赤外線検出器においては、赤外線吸収部を平行に２層以上設ける構造が開示されている。そして、赤外線吸収部の空隙を制御することで、より広帯域での赤外線吸収を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献２に示す赤外線検出素子においては、赤外線吸収部を透過した赤外線を、赤外線吸収部の直下に設けた反射膜で反射させ、再度吸収部へ戻すことで吸収効率を高める構造が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
また、特許文献３の光センサにおいては、上記の吸収構造体のような干渉光を利用した赤外線吸収と、材料が持つ固有振動励起による吸収を利用した技術が開示されている。この光センサによれば、出力時に前記吸収により発生した信号を差分することで、被写体から放射される赤外線の波長を判別し、例えば、人体とガスを見分ける技術が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特許文献１および特許文献２に示されたセンサ構造は、赤外線吸収部へ入射される赤外線が、システム構成部材におけるエネルギー吸収による減衰を考慮せず、被写体が放射したエネルギーを持つ理想的な赤外線がセンサに入射することを前提に提案された構造であった。ここで言う、理想的な赤外線とは、光学系や窓材における吸収・反射がない、黒体放射則に則った分光エネルギーを持つ赤外線を言う。
つまり、被写体から放射された赤外線は、非冷却型の赤外線固体撮像装置に搭載された赤外線センサの吸収部に到達するまでの間に、赤外線固体撮像装置の構成部材を透過するために変化が生じている。赤外線固体撮像装置の構成部材とは、例えば、筐体に設けられた窓材、その筐体内に配置された光学レンズ、赤外線センサのパッケージの窓材等である。そして、装置が屋外に配置される場合には、さらに、別の防水用筐体にて筐体が保護される構成となっていた。
この構成のため、従来の赤外線固体撮像装置のシステム構成を鑑みた場合、被写体から放射されたエネルギーは、赤外線センサの吸収部に至るまでに、多くの構成部材により、その材料が持つ固有物性による分光吸収ロスが生じていた。ついては、被写体が放射したエネルギーとは異なる赤外線分光エネルギーが吸収部へ入射されていた。
よって、従来の赤外線センサは、理想的な赤外線の吸収効率を向上させることはできるものの、システム構成部材による分光吸収ロスを踏まえた、最適な構造とは言い難かった。
よって、従来の赤外線センサは、理想的な赤外線の吸収効率を向上させることはできるものの、システム構成部材による分光吸収ロスを踏まえた、最適な構造とは言い難かった。
また、特許文献３により開示されている赤外線センサは、干渉光を利用した赤外線吸収と材料固有振動数励起による赤外線吸収の両方を備えた構造である。しかし、こちらも前記同様に赤外線固体撮像装置のシステム構成部材における分光吸収ロスを踏まえた、吸収膜設計がなされておらず、赤外線固体撮像装置全体の感度が最適化されているとは言い難いものであった。
なお、システム構成部材としてゲルマニウム材料等を選択して用いることで、吸収ロスを低減することもできるが、システム設計における性能の最適化（ベストエフォート）や低コスト化には不向きであった。言い換えると、コスト的な問題があるゲルマニウムを用いることは、低コスト化に有利とされる非冷却の赤外線センサの特長を活かせていないものであった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、コストを抑えつつ、感度を最適化させることが可能な赤外線センサを提供することを目的とする。
この発明に係わる赤外線センサは、パッケージ、上記パッケージ内に配置され、被写体から放射されて上記パッケージの窓材を透過した波長λの赤外線を吸収する吸収膜、上記吸収膜の上面に積層された第一の絶縁膜、上記吸収膜の下面に積層された第二の絶縁膜、上記第二の絶縁膜の下面に積層された反射膜を有するとともに、基板上に支持された吸収構造体を備え、上記第一、第二の絶縁膜および上記吸収膜は、上記吸収構造体に入射する上記赤外線の吸収率が最大となる膜厚に形成され、上記第一の絶縁膜および上記第二の絶縁膜の屈折率がｎである場合に、上記第一の絶縁膜および上記第二の絶縁膜の合計の膜厚ｄが、λ＝４・ｎ・ｄの関係を満たすように形成されたことを特徴とするものである。
この発明の赤外線センサによれば、吸収構造体に入射する赤外線の特性に合わせて、第一の絶縁膜および第二の絶縁膜の膜厚を制御することにより、赤外線の透過経路におけるエネルギーロスの影響を排除した最適な感度の赤外線センサを得ることが可能となる。
実施の形態１．
本発明の実施の形態１の赤外線センサについて、図１から図８を用いて説明する。
図１は、本発明に係る赤外線センサ３を備えた赤外線固体撮像装置１００の概略断面図を示している。
まず、図１を用いて、この赤外線固体撮像装置１００において、被写体から放射された赤外線が、赤外線センサ３の吸収体に入射するまでの経路について説明する。
本発明の実施の形態１の赤外線センサについて、図１から図８を用いて説明する。
図１は、本発明に係る赤外線センサ３を備えた赤外線固体撮像装置１００の概略断面図を示している。
まず、図１を用いて、この赤外線固体撮像装置１００において、被写体から放射された赤外線が、赤外線センサ３の吸収体に入射するまでの経路について説明する。
赤外線固体撮像装置１００においては、被写体から放射された赤外線が、筐体１の窓材１ａ（屋外や車へ設置する場合の外界空間と遮断するための窓材）を透過し、レンズ２（光学レンズ）により集光・結像され、赤外線センサ３に到達する。
この赤外線センサ３は、赤外線を吸収するセンサ素子部１０と、このセンサ素子部１０を実装するパッケージ１１によって主に構成される。そして、赤外線センサ３のパッケージ１１の窓材１１ａを透過した赤外線が、センサ素子部１０の吸収部２１（後述する）に入射し、吸収される。
この赤外線センサ３は、赤外線を吸収するセンサ素子部１０と、このセンサ素子部１０を実装するパッケージ１１によって主に構成される。そして、赤外線センサ３のパッケージ１１の窓材１１ａを透過した赤外線が、センサ素子部１０の吸収部２１（後述する）に入射し、吸収される。
なお、センサ素子部１０において吸収した赤外線の情報は、例えば、筐体１内に配置された解析部４において解析処理される。
ここで、本発明は赤外線センサ３のセンサ素子部１０の構造、特にセンサ素子部１０の吸収構造体２２（後述する）の各構成膜の膜厚制御に特徴があることから、この吸収構造体２２について詳しく述べるものとし、信号読出し部等、他の構成要素については、その説明を省略するものとする。
ここで、本発明は赤外線センサ３のセンサ素子部１０の構造、特にセンサ素子部１０の吸収構造体２２（後述する）の各構成膜の膜厚制御に特徴があることから、この吸収構造体２２について詳しく述べるものとし、信号読出し部等、他の構成要素については、その説明を省略するものとする。
赤外線固体撮像装置１００による撮像時、被写体から放射された赤外線は、大気中を伝搬し、赤外線固体撮像装置１００の窓材１ａに至る。被写体から放射される赤外線の波長は、被写体が人であれば、体温付近（300K）の波長で10μｍとなる。
図２に示す、大気雰囲気の赤外線分光透過特性から分かるように、波長10μｍの赤外線は、大気中における透過率が高い傾向にある。よって、被写体から放射された赤外線は、ほとんど分光吸収ロスなく大気中を透過し、窓材１ａに到達するものと考えることができる。
図２に示す、大気雰囲気の赤外線分光透過特性から分かるように、波長10μｍの赤外線は、大気中における透過率が高い傾向にある。よって、被写体から放射された赤外線は、ほとんど分光吸収ロスなく大気中を透過し、窓材１ａに到達するものと考えることができる。
ここで、窓材１ａ、１１ａ、レンズ２を構成する材料としては、赤外線を透過するとともに物理的な強度を確保できる材料を用いて構成される。そのため、ゲルマニウムやシリコン等を用いることが候補として挙げられる。
図３に、ゲルマニウム材料の赤外線分光透過特性を、図４に、シリコン材料の赤外線分光透過特性を示すように、ゲルマニウムやシリコンは、入射する赤外線の波長に依存した分光透過特性を持っている。そして、これらの材料を用いて窓材１ａ、１１ａ、レンズ２を形成した場合、ゲルマニウム材料・シリコン材料の部分においてエネルギー吸収が生じ、赤外線センサ３に至った赤外線は、各透過材料の分光透過割合を乗算したエネルギーとなって、赤外線センサ３に入射されることになる。
図３に、ゲルマニウム材料の赤外線分光透過特性を、図４に、シリコン材料の赤外線分光透過特性を示すように、ゲルマニウムやシリコンは、入射する赤外線の波長に依存した分光透過特性を持っている。そして、これらの材料を用いて窓材１ａ、１１ａ、レンズ２を形成した場合、ゲルマニウム材料・シリコン材料の部分においてエネルギー吸収が生じ、赤外線センサ３に至った赤外線は、各透過材料の分光透過割合を乗算したエネルギーとなって、赤外線センサ３に入射されることになる。
なお、図３に示すように、ゲルマニウムの赤外線分光透過特性は、シリコンと比較すると非常に良好であるが、シリコンよりも材料コストが高価となる。そのため、ゲルマニウム材料を用いて透過構成部材を形成する量子型赤外線センサに比べて、小型化・低価格化に有利となる非冷却型の赤外線固体撮像装置１００を採用する本発明においては、ゲルマニウム材料を用いた構成とすることは、不向きであると言える。
引き続き、検証を続ける。図５は、ＦＺ（Floating Zone）シリコンウエハに、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）膜をコートした場合の赤外線分光透過特性を示す図である。ここで用いる透過構成部材は、ＦＺシリコンは板厚0.5ｍｍ、反射防止膜として堆積されたＤＬＣ膜は、10μｍ帯の波長透過特性を確保できる膜厚に制御されている。図５から明らかなように、各波長においてフラットな透過特性を示すのでは無く、材料吸収や材料表面反射による波長ロスが生じ、波長に依存して透過率が変化していることが分かる。
次に、図６を用いて、本発明に係る赤外線センサ３のセンサ素子部１０の構造について説明する。図６は、本発明の実施の形態１の赤外線センサ３のセンサ素子部１０の断面図を示している。センサ素子部１０は、パッケージ１１内に配置され、パッケージ１１の窓材１１ａを透過した赤外線を吸収部２１において吸収する。吸収部２１は、基板２０（支持基板）の空隙部２０ａ上に配置形成され、基板２０は、単結晶シリコンまたはＳＯＩ（Silicon on Insulator）等により構成されるものとする。
吸収部２１は、赤外線を受光・吸収する平板状の吸収構造体２２と、吸収構造体２２を支持する支柱部２３によって主に構成される。平板形状である吸収構造体２２は、基板２０の上面（平面）と平行となるように配置形成されている。
吸収部２１において赤外線が吸収された際の温度変化は、吸収部２１直下に配置された温度センサ部２４によって検出される。図６の例では、この温度センサ部２４は、吸収部２１の支柱部２３下部に配設されている。
この温度センサ部２４等の部材は、空隙部２０ａ上に設けられた支持脚部２５によって支持される。
吸収部２１において赤外線が吸収された際の温度変化は、吸収部２１直下に配置された温度センサ部２４によって検出される。図６の例では、この温度センサ部２４は、吸収部２１の支柱部２３下部に配設されている。
この温度センサ部２４等の部材は、空隙部２０ａ上に設けられた支持脚部２５によって支持される。
次に、本発明の特徴部分となる、センサ素子部１０を構成する吸収構造体２２について、図７にその拡大断面図を示し、詳細に説明する。この吸収構造体２２は、主に、パッケ
ージ１１の窓材１１ａを透過した赤外線４０を吸収する吸収膜３０、この吸収膜３０の上面（赤外線が入射する面）に積層された第一の絶縁膜３１、吸収膜３０の下面に積層された第二の絶縁膜３２、この第二の絶縁膜３２の下面に積層された反射膜３３によって形成されている。この吸収構造体２２は、製造過程においては、反射膜３３、第二の絶縁膜３２、吸収膜３０、第一の絶縁膜の順に堆積されて形成される。
ージ１１の窓材１１ａを透過した赤外線４０を吸収する吸収膜３０、この吸収膜３０の上面（赤外線が入射する面）に積層された第一の絶縁膜３１、吸収膜３０の下面に積層された第二の絶縁膜３２、この第二の絶縁膜３２の下面に積層された反射膜３３によって形成されている。この吸収構造体２２は、製造過程においては、反射膜３３、第二の絶縁膜３２、吸収膜３０、第一の絶縁膜の順に堆積されて形成される。
反射膜３３は、反射鏡としての役割を果たし、吸収膜３０を透過した赤外線４０を反射させて、吸収膜３０に吸収させる集光効果を持つ。
この反射膜３３は、アルミニウムやチタン等のメタル膜等、赤外線を反射する材料よりなる部材を用いることができる。この反射膜３３として、特段の制約を設ける必要はなく、例えば、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）装置を用いて所望の膜厚に堆積して形成する。ここで、所望の膜厚とは、赤外線が十分反射する膜厚を意味することは言うまでもない。
この反射膜３３は、アルミニウムやチタン等のメタル膜等、赤外線を反射する材料よりなる部材を用いることができる。この反射膜３３として、特段の制約を設ける必要はなく、例えば、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）装置を用いて所望の膜厚に堆積して形成する。ここで、所望の膜厚とは、赤外線が十分反射する膜厚を意味することは言うまでもない。
また、吸収膜３０、第一の絶縁膜３１、第二の絶縁膜３２は、窒化膜、酸化膜、ＤＬＣ膜等、電気的絶縁特性を持つ材料によって構成される。但し、赤外線を反射する材料は用いないものとする。
ここで、第一の絶縁膜３１および第二の絶縁膜３２は、赤外線固体撮像装置１００全体の構成部材によるエネルギーロスを勘案し、吸収構造体２２に入射する赤外線４０の吸収率が最大となる膜厚となるように形成されている。
ここで、第一の絶縁膜３１および第二の絶縁膜３２は、赤外線固体撮像装置１００全体の構成部材によるエネルギーロスを勘案し、吸収構造体２２に入射する赤外線４０の吸収率が最大となる膜厚となるように形成されている。
つまり、被写体から放射された赤外線と、赤外線固体撮像装置１００内の吸収構造体２２に入射する赤外線４０とは波長が異なっている。これは、筐体１の窓材１ａ、レンズ２、パッケージ１１の窓材１１ａを赤外線が通過することによるエネルギーロスに起因している。そのため、被写体から放射される赤外線の波長に合わせて、吸収構造体２２の各構成部材の膜厚を、吸収率が最大となるように設定すると、実際に入射する赤外線４０との特徴が違っているために、最大の吸収率を得ることができない。
そこで、本発明では、第一の絶縁膜３１および第二の絶縁膜３２の膜厚は、上記のエネルギーロスを勘案し、パッケージ１１の窓材１１ａを透過し、センサ素子部１０に至った赤外線４０の波長に合わせて、吸収率が最大となるように設定している。
すなわち、第一の絶縁膜３１および第二の絶縁膜３２の屈折率がｎであり、赤外線４０の透過波長の値をλとした場合、第一の絶縁膜３１と第二の絶縁膜３２の合計の膜厚ｄは、透過波長の値：λ＝4・ｎ・ｄの関係を満たすような膜厚に設定し、入射光と反射光が共鳴する膜厚とする。
ここで、第一の絶縁膜３１と第二の絶縁膜３２は、同じ膜厚に形成され、各々ｄ/2となる。
すなわち、第一の絶縁膜３１および第二の絶縁膜３２の屈折率がｎであり、赤外線４０の透過波長の値をλとした場合、第一の絶縁膜３１と第二の絶縁膜３２の合計の膜厚ｄは、透過波長の値：λ＝4・ｎ・ｄの関係を満たすような膜厚に設定し、入射光と反射光が共鳴する膜厚とする。
ここで、第一の絶縁膜３１と第二の絶縁膜３２は、同じ膜厚に形成され、各々ｄ/2となる。
次に、吸収膜３０について説明する。吸収膜３０は、金属材料の窒化物や酸化物により構成されている。そして、この吸収膜３０の吸収率が最大となるのは、シート抵抗が、自由空間の特性インピーダンス377Ω／□となる場合と推測されている。
ここで、図８を用いて、吸収膜３０として金属材料の酸化膜をＰＶＤ法により堆積し、当該材料の膜厚を変化させた場合の分光吸収特性に関する実験結果について説明する。図８は、吸収構造体２２を構成する吸収膜３０の膜厚と分光吸収特性との関係を示しており、規格化膜厚を1.0、1.1、1.25と変化させた場合に、吸収率ピークとなる位置が、波長方向に変化していることを示している。図８において、一点鎖線は、吸収膜３０の膜厚が規格化膜厚1.0の場合を、破線は、吸収膜３０の膜厚が規格化膜厚1.1の場合を、実線は、吸収膜３０の膜厚が規格化膜厚1.25の場合をそれぞれ示している。
図８より明らかなように、吸収膜３０の膜厚を変化させることで、波形のピークにシフトが観測され、膜厚が増大することにともなう、短波長側への吸収率のピーク移動が見られた。これは、吸収膜３０の屈折率をｎとした場合、当該材料を透過した赤外線の光路長Ｌ＝ｎ・ｄ（吸収膜３０の膜厚）が変化したため、干渉波長が変化し、吸収膜３０における共鳴吸収波長がシフトしているからである。
よって、吸収膜３０の膜厚を最適化することで、第一の絶縁膜３１および第二の絶縁膜３２と同様の考え方において、赤外線固体撮像装置１００全体の構成部材によるエネルギーロスを勘案した吸収波長の制御が可能である。
よって、吸収膜３０の膜厚を最適化することで、第一の絶縁膜３１および第二の絶縁膜３２と同様の考え方において、赤外線固体撮像装置１００全体の構成部材によるエネルギーロスを勘案した吸収波長の制御が可能である。
ここで、具体的な吸収構造体２２の第一の絶縁膜３１、第二の絶縁膜３２の膜厚について例示する。第一の絶縁膜３１および第二の絶縁膜３２として、屈折率ｎ＝2.1の窒化膜を用い、光学系の透過率ピーク波長が10μｍである場合、
λ÷４÷ｎ＝10÷４÷2.1≒1.2
となり、光の干渉による共振吸収における窒化膜の膜厚は1.2μｍとなる。この窒化膜の膜厚は、第一の絶縁膜３１と第二の絶縁膜３２の合計の膜厚となり、各膜は同じ膜厚に形成される。
λ÷４÷ｎ＝10÷４÷2.1≒1.2
となり、光の干渉による共振吸収における窒化膜の膜厚は1.2μｍとなる。この窒化膜の膜厚は、第一の絶縁膜３１と第二の絶縁膜３２の合計の膜厚となり、各膜は同じ膜厚に形成される。
このように、赤外線４０の波長が10μである場合における最適な膜厚は、窒化膜の膜厚が1.2μmと決められ、吸収膜３０の膜厚は、シート抵抗値377Ω/□を取り得る膜厚と決められる。
従って、典型的な構成においては、第一の絶縁膜３１、第二の絶縁膜３２が、各々0.6μｍ、吸収膜３０が、377Ω／□となる膜厚となる。
このようにして、吸収波長を最適に制御した赤外線固体撮像装置１００が完成する。
従って、典型的な構成においては、第一の絶縁膜３１、第二の絶縁膜３２が、各々0.6μｍ、吸収膜３０が、377Ω／□となる膜厚となる。
このようにして、吸収波長を最適に制御した赤外線固体撮像装置１００が完成する。
本実施の形態１における赤外線固体撮像装置１００においては、被写体から放射された赤外線が、赤外線固体撮像装置１００の構成部材（窓材１ａ、１１ａ、レンズ２）で吸収されることを勘案し、センサ素子部１０の吸収構造体２２へ入射される赤外線分光エネルギーが最も高い波長域に、吸収構造体２２の吸収波長のピークを合わせるように、各構成部材の膜厚を制御したことを特徴としている。
本発明によれば、赤外線透過部材として安価な材料を用いた場合においても、第一の絶縁膜３１と第二の絶縁膜３２等の膜厚制御により、最適な吸収膜３０の吸収特性を得ることが可能である。
本発明によれば、赤外線透過部材として安価な材料を用いた場合においても、第一の絶縁膜３１と第二の絶縁膜３２等の膜厚制御により、最適な吸収膜３０の吸収特性を得ることが可能である。
つまり、本発明によれば、従来の、理想的な分光エネルギーが入射されることを前提に設計された赤外線センサを備えた赤外線固体撮像装置のように、ゲルマニウム等の高価な赤外線透過部材を用いる必要がなく、装置の価格を低く抑制することが可能である。
さらに、センサ素子部１０に至るまでの光透過経路において、エネルギーロスが生じ、赤外線の透過吸収波形のピークがシフトしたとしても、シフトしたピークに合わせて最適な膜厚となるように吸収構造体２２を形成することができ、最適な吸収特性を得ることができる。
よって、赤外線固体撮像装置１００のシステム全体の感度が常に最大となるように設計を行うことで、赤外線センサ３のセンサ素子部１０の吸収構造体２２の最適感度チューニングの実施が可能となる。
さらに、センサ素子部１０に至るまでの光透過経路において、エネルギーロスが生じ、赤外線の透過吸収波形のピークがシフトしたとしても、シフトしたピークに合わせて最適な膜厚となるように吸収構造体２２を形成することができ、最適な吸収特性を得ることができる。
よって、赤外線固体撮像装置１００のシステム全体の感度が常に最大となるように設計を行うことで、赤外線センサ３のセンサ素子部１０の吸収構造体２２の最適感度チューニングの実施が可能となる。
上述のように、本発明によれば、同一平面上に形成された吸収構造体２２において、干渉光による吸収と材料による固有振動励起による光吸収の位置を、赤外線固体撮像装置１００の構成要素となる窓材１ａ、１１ａ、レンズ２を透過する光の分光透過特性に合わせることにより、赤外線固体撮像装置１００全体としてのシステム性能最適化が達成される。
すなわち、図２において示す大気雰囲気中の透過率を踏まえた、3〜15μm帯の波長域において、光学材料として、例えばゲルマニウムのような高価な材料を用いず、例えば、シリコン等の材料吸収が生じる安価な材料を用いた場合においても、分光透過特性の吸収波長に最適化させた吸収構造体２２を持つ赤外線センサ３の設計が容易となる。
従って、このように、赤外線センサ３の設計を、パッケージ１１の窓材１１ａを透過した赤外線４０の特性に合わせて行うことで、シリコン等の安価な材料で赤外線固体撮像装置１００の光学部材を構成しても、赤外線センサ３の感度を確保することが可能であり、システム全体の低コスト化を実現することが可能となる。
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２の赤外線センサ３について、図９を用いて説明する。図９は、赤外線センサ３を構成する吸収構造体２２１の断面図である。上述の実施の形態１では、吸収構造体２２が平板形状である場合を例示していたが、この実施の形態２では、その変形例を示しており、吸収構造体２２１は、図９に示すとおり、曲面形状であり、吸収構造体２２１を支持する基板２０の上面に近づく方向に突出した凹形状である。
次に、本発明の実施の形態２の赤外線センサ３について、図９を用いて説明する。図９は、赤外線センサ３を構成する吸収構造体２２１の断面図である。上述の実施の形態１では、吸収構造体２２が平板形状である場合を例示していたが、この実施の形態２では、その変形例を示しており、吸収構造体２２１は、図９に示すとおり、曲面形状であり、吸収構造体２２１を支持する基板２０の上面に近づく方向に突出した凹形状である。
実施の形態２の吸収構造体２２１は、反射膜５３の上に、第二の絶縁膜５２、吸収膜５０、第一の絶縁膜５１が順に積層された構造である。図９において、吸収構造体２２１全体が、紙面下側に突出した凹形状に、曲面となるように形成されている。
ここで、各膜の膜厚は、上述の実施の形態１と同様に制御される。
なお、この凹形状の吸収構造体２２１を形成する方法は、例えば、凹形状の表面部を持つ下地を形成し、その下地の上に、反射膜５３、第二の絶縁膜５２、吸収膜５０、第一の絶縁膜５１の順に成膜を行い、その後、下地を除去することによって得ることが可能である。
ここで、各膜の膜厚は、上述の実施の形態１と同様に制御される。
なお、この凹形状の吸収構造体２２１を形成する方法は、例えば、凹形状の表面部を持つ下地を形成し、その下地の上に、反射膜５３、第二の絶縁膜５２、吸収膜５０、第一の絶縁膜５１の順に成膜を行い、その後、下地を除去することによって得ることが可能である。
上述のように、本実施の形態２の凹形状の吸収構造体２２１を持つ赤外線センサ３においては、吸収構造体２２１が曲面形状に形成されている。このことから、吸収構造体２２１の中心位置における面部に垂直となる方向に沿って赤外線４０が入射する場合、吸収構造体２２１内の赤外線４０の光路長が、吸収構造体２２１の中心部と両端部において異なる構造となっている。吸収構造体２２１内における光路長は、中心部で短く、端部において長くなる。
従って、吸収構造体２２１の中心部と両端部において、赤外線４０の吸収波長を可変に設定することが可能である。言い換えれば、吸収構造体２２１の吸収波長設計における検知波長の半値幅が広くなると言える。
このように、実施の形態２による吸収構造体２２１を備えた赤外線センサ３を、赤外線固体撮像装置１００に適用させることで、実施の形態１と同様の効果を得るとともに、吸収構造体２２１を凹形状としたことによる、検知波長の半値幅拡張の効果も得ることができ、構成部材毎の分光吸収特性を加味した最適チューニングが可能となる。
このように、実施の形態２による吸収構造体２２１を備えた赤外線センサ３を、赤外線固体撮像装置１００に適用させることで、実施の形態１と同様の効果を得るとともに、吸収構造体２２１を凹形状としたことによる、検知波長の半値幅拡張の効果も得ることができ、構成部材毎の分光吸収特性を加味した最適チューニングが可能となる。
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３の赤外線センサ３について、図１０を用いて説明する。図１０は、赤外線センサ３を構成する吸収構造体２２２の断面図である。上述の実施の形態２では、吸収構造体２２１が凹形状である場合を例示していたが、これはその変形例を示しており、実施の形態３の吸収構造体２２２が、図１０に示すとおり、曲面形状であり、吸収構造体２２２を支持する基板２０の上面から遠ざかる方向に突出した凸形状である。
次に、本発明の実施の形態３の赤外線センサ３について、図１０を用いて説明する。図１０は、赤外線センサ３を構成する吸収構造体２２２の断面図である。上述の実施の形態２では、吸収構造体２２１が凹形状である場合を例示していたが、これはその変形例を示しており、実施の形態３の吸収構造体２２２が、図１０に示すとおり、曲面形状であり、吸収構造体２２２を支持する基板２０の上面から遠ざかる方向に突出した凸形状である。
実施の形態３の吸収構造体２２２は、反射膜６３の上に、第二の絶縁膜６２、吸収膜６０、第一の絶縁膜６１が順に積層された構造である。図１０において、吸収構造体２２２全体が、紙面上側に突出した凸形状に、曲面となるように形成されている。
ここで、各膜の膜厚は、上述の実施の形態１と同様に制御される。
なお、この凸形状の吸収構造体２２２を形成する方法は、例えば、凸形状の表面部を持つ下地を形成し、その下地の上に、反射膜６３、第二の絶縁膜６２、吸収膜６０、第一の絶縁膜６１の順に成膜を行い、下地を除去することによって得ることが可能である。
ここで、各膜の膜厚は、上述の実施の形態１と同様に制御される。
なお、この凸形状の吸収構造体２２２を形成する方法は、例えば、凸形状の表面部を持つ下地を形成し、その下地の上に、反射膜６３、第二の絶縁膜６２、吸収膜６０、第一の絶縁膜６１の順に成膜を行い、下地を除去することによって得ることが可能である。
上述のように、本実施の形態３の凸形状の吸収構造体２２２を持つ赤外線センサ３においては、吸収構造体２２２が曲面形状に形成されることから、吸収構造体２２２の中心位置における面部に垂直となる方向に沿って赤外線４０が入射する場合、吸収構造体２２２内の赤外線４０の光路長が、吸収構造体２２２の中心部と両端部において異なる構造となっている。吸収構造体２２２内における光路長は、中心部で短く、端部において長くなる。
従って、この実施の形態３の構造においても、実施の形態２の場合と同様に、吸収構造体２２２の中心部と両端部において、赤外線４０の吸収波長を可変に設定することが可能である。言い換えれば、吸収構造体２２２の吸収波長設計における検知波長の半値幅が広くなると言える。
このように、実施の形態３による吸収構造体２２２を備えた赤外線センサ３を、赤外線固体撮像装置１００に適用させることで、実施の形態１と同様の効果を得るとともに、吸収構造体２２２を凸形状としたことによる、検知波長の半値幅拡張の効果も得ることができ、構成部材毎の分光吸収特性を加味した最適チューニングが可能となる。
このように、実施の形態３による吸収構造体２２２を備えた赤外線センサ３を、赤外線固体撮像装置１００に適用させることで、実施の形態１と同様の効果を得るとともに、吸収構造体２２２を凸形状としたことによる、検知波長の半値幅拡張の効果も得ることができ、構成部材毎の分光吸収特性を加味した最適チューニングが可能となる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１ 筐体、１ａ、１１ａ 窓材、２ レンズ、３ 赤外線センサ、４ 解析部、
１０ センサ素子部、１１ パッケージ、２０ 基板、２０ａ 空隙部、
２１ 吸収部、２２、２２１、２２２ 吸収構造体、２３ 支柱部、
２４ 温度センサ部、２５ 支持脚部、３０、５０、６０ 吸収膜、
３１、５１、６２ 第一の絶縁膜、３２、５２、６２ 第二の絶縁膜、
３３、５３、６３ 反射膜、４０ 赤外線、１００ 赤外線固体撮像装置
１０ センサ素子部、１１ パッケージ、２０ 基板、２０ａ 空隙部、
２１ 吸収部、２２、２２１、２２２ 吸収構造体、２３ 支柱部、
２４ 温度センサ部、２５ 支持脚部、３０、５０、６０ 吸収膜、
３１、５１、６２ 第一の絶縁膜、３２、５２、６２ 第二の絶縁膜、
３３、５３、６３ 反射膜、４０ 赤外線、１００ 赤外線固体撮像装置
Claims (5)
- パッケージ、
上記パッケージ内に配置され、被写体から放射されて上記パッケージの窓材を透過した波長λの赤外線を吸収する吸収膜、上記吸収膜の上面に積層された第一の絶縁膜、上記吸収膜の下面に積層された第二の絶縁膜、上記第二の絶縁膜の下面に積層された反射膜を有するとともに、基板上に支持された吸収構造体を備え、
上記第一、第二の絶縁膜および上記吸収膜は、上記吸収構造体に入射する上記赤外線の吸収率が最大となる膜厚に形成され、
上記第一の絶縁膜および上記第二の絶縁膜の屈折率がｎである場合に、上記第一の絶縁膜および上記第二の絶縁膜の合計の膜厚ｄが、λ＝４・ｎ・ｄの関係を満たすように形成されたことを特徴とする赤外線センサ。 - 上記第一の絶縁膜と上記第二の絶縁膜は、同じ膜厚に形成されたことを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
- 上記吸収構造体は、平板形状をなし、上記吸収構造体の平面は、上記基板の上面と平行に配置されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の赤外線センサ。
- 上記吸収構造体は、上記基板から遠ざかる方向に突出した曲面形状であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の赤外線センサ。
- 上記吸収構造体は、上記基板に近づく方向に突出した曲面形状であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の赤外線センサ。
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