JP6549119B2 - 選択的波長赤外吸収体を有する焦電性窒化アルミニウムｍｅｍｓ赤外センサ - Google Patents

Description

本特許文書は、ＭＥＭＳセンサに関する。より詳細には、本特許文書は、赤外光を検出するためのＭＥＭＳセンサに関する。

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ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical systems）構造を用いた、冷却無しの赤外センサの分野において、ますます多くの発展がある。原理的に、この構造においては、センサ素子が、入射赤外光を吸収し、それらを熱に変換し、温度を測定し、そして、電気信号を出力する。焦電性材料などの材料、熱電対列、及び、ボロメータは、しばしば、ＭＥＭＳ赤外センサを製造するために用いられる。センサ素子が、より高い感度を達成するために、構造的に、最小の熱容量と良い熱伝導性を有することは重要であり、従って、ＭＥＭＳ構造がしばしば用いられる。現在のセンサ素子の吸収スペクトルは通常広く、従って、赤外光の特定の波長の吸収を可能とするために、光フィルタが必要とされる。光フィルタを取除くことができるなら、製造コストを下げるだけではなく、ＭＥＭＳプロセスを用いて、多くの異なる波長吸収を持つ、単一のプラットフォームを製造することも可能になるだろう。そのような技術は、例えば、NDIR（Non Dispersive Infrared）型マルチチャンネルガスセンサを含む、多くの既存の産業界に応用されることが可能であろう。選択型チューナブル赤外センサの分野における最近の研究では、センサ素子に構造的に一体化される、金属の周期構造を有する表面プラズモンあるいはメタマテリアル構造を有する熱電対列構造あるいは、ボロメータの使用を提案している。

以上によると、本特許文書の一側面に従った目的は、赤外光検出のためのＭＥＭＳ型焦電性センサと、それに関連した方法を提供することである。好ましくは、この方法と装置は、上述の問題の１以上を解決し、あるいは、少なくとも改善する。このために、ＭＥＭＳセンサが提供される。一実施形態では、ＭＥＭＳセンサは：基板層；基板層に隣接した第１の電極層；第１の電極層に隣接した焦電性層；及び、焦電性層に隣接した第２の電極層を含み、第２の電極層は、８μｍ以下の周期を有する周期的構造にパターン化されている。該パターン化された周期構造は、第２の電極層を貫通して焦電性層まで達する複数の凹部が周期的に配置された構造を有している。そして、第２の電極層に入射した特定波長の光が上記周期構造によって熱に変換され、該熱が焦電性層に伝達される。

ある実施形態においては、第２の電極層は、上部層である。しかし、他の実施形態においては、３層より多いものが用いられることもできる。３層より多い実施形態では、追加的電極層及び追加的焦電性層が、基板と第２の電極層との間に設けられても良い。

ある実施形態においては、パターン化された周期構造は、穴アレイ構造を含む。他の実施形態においては、パターン化された周期構造は、ストライプ構造を含む。

好適な実施形態においては、周期構造は、Ｐを周期、λを目的の赤外波長として、式Ｐ≦λに従って、目的の赤外波長より小さい周期を有する。

更に他の実施形態においては、センサは、少なくとも２つのセンサ素子を含み、２つのセンサ素子のそれぞれは、異なる周期でパターン化された周期構造を有する。

実施形態に依存して、センサの層は、様々な異なる材料で構成されることができる。一実施形態においては、単数または複数の焦電性層は、様々な異なる材料で構成されることができる。１より多い層を有するある実施形態においては、異なる層は、異なる材料で構成されることができる。好適な実施形態においては、焦電性層は、PZT、 ZnO、 PVDF、 AlN、 およびc-軸配向 AlNからなるグループから選択される材料からなっている。ある実施形態においては、第１の電極層は、モリブデンを含む。ある実施形態においては、第２の電極層も、モリブデンを含むことができる。更に他の実施形態においては、焦電性層は、AlNを含む。

センサの様々な異なる層は、また、異なる厚さを有することができる。好適な実施形態においては、第１の電極層は、約１０ｎｍから約１０００ｎｍの範囲の厚さを有することができる。ある実施形態においては、第２の電極層も、約１０ｎｍから約１０００ｎｍの範囲の厚さを有する。好適な実施形態においては、焦電性層は、ｔを焦電性フィルム厚とし、λを目的の赤外波長とし、ｎ_λを目的の赤外波長における焦電性材料の屈折率とすると、式２×ｔ×ｎ_λ≦λに従った厚さを有する。

好適な実施形態においては、パターン化された周期構造は、穴アレイ構造あるいはストライプ構造を含む。ある実施形態においては、周期構造は、目的の赤外波長より小さい周期を有する。更に他の実施形態においては、パターン化された周期構造は、穴アレイであり、穴アレイの穴の直径は、ｒを穴の直径、Pをパターン化された周期構造の周期として、式 ｒ≧P×０．５に従って提供される。更に他の実施形態においては、周期構造は、線／間隔（L/S）が約１であるストライプ構造によって構成されることができる。

本特許文書の他の側面においては、MEMSセンサ素子を作る方法が提供される。好適な実施形態においては、方法は、基板の上に第１の電極層を形成することと；電極層の上に渡って焦電性層を形成することと；焦電性層の上に渡って第２の電極層を形成することと； 目的の赤外波長以下の周期のパターン化された周期構造を有するように、MEMSセンサの第２の電極層をパターン化することと、を含む。そして、上記のパターン化された周期構造は、第２の電極層を貫通して焦電性層まで達する複数の凹部が周期的に配置された構造を有する。

以下により十全に記述するように、選択された波長範囲を検出するためのMEMSセンサの実施形態の装置及び方法が提供される。ここに開示する装置及び方法の更なる側面、目的、好ましい特徴及び利点は、様々な実施形態が例として例示される以下の詳細な説明と図面からより良く理解されるだろう。しかし、図面は、例示の目的のみであり、請求される発明の限定の定義としては意図されないことは、明示的に理解されるべきである。

センサデバイスのセンサ素子の一実施形態の模式的断面図を図示する。 センサデバイスの一実施形態の透視図を図示する。 図２Aのセンサデバイスにおいて用いられるセンサ素子の一実施形態の断面を図示する。 図２Aのセンサデバイス全体のSEM画像である。 図２Aのセンサデバイスの上部Mo穴アレイのSEM画像である。 センサデバイスの一実施形態のCMOS互換製造プロセスフローを図示する。 パターンの無いMo面を有するセンサデバイス（赤の実線）、及び、２μｍピッチで、１．５μｍ直径のMo穴アレイを有するセンサデバイス（青の破線）の吸収スペクトルを図示する。 穴直径サイズ：直径が１．０μｍ（緑の点線）、１．２５μｍ（青の破線）、１．５μｍ（赤の実線）についての、吸収スペクトルの数値計算を図示する。 穴アレイを有するセンサデバイス（青の三角形）対穴アレイなしのセンサ（赤のダイアモンド形）の単一Si結晶の信号出力チョッピング周波数依存性を図示する。 穴アレイを有するセンサデバイス（青の三角形）対穴アレイなしのセンサ（赤のダイアモンド形）の５μｍロングパス光フィルタの信号出力チョッピング周波数依存性を図示する。 １μｍ電極１μｍギャップストライプ構造を有するセンサデバイスの一実施形態の光学顕微鏡画像である。 図７のセンサデバイスのFTIR結果を図示する。 ピーク位置が上部電極穴アレイの周期性に依存することを示す、数値的FDTD計算結果を図示する。図９の例においては、圧電性AlNフィルム厚は、０．５μｍ、r/P＝０．７５であり、上部及び下部のモーリー電極は、１００ｎｍの厚さである。 同一基板上の複数のセンサ素子を有するセンサデバイスの一実施形態を図示する。

例示によって、限定的でなく、本特許文書は、センサ素子が、赤外光の特定の波長の吸収構造としても作用する、焦電型赤外センサを教示する。好適な実施形態においては、センサは、金属層／誘電体層／金属層の３層構造を有する。

本特許文書内において、値の範囲は、異なる実施形態を定義する助けとして用いられる。値の任意の数値的範囲を本文書内で参照する場合は、そのような範囲は、述べられた範囲の最小及び最大の間の、それぞれの及びすべての数、及び／あるいは小数を含むと理解される。例えば、約０．０５から約１．０の範囲は、例えば、約０．０５、０．０６、０．０７のすべての中間的な値から、すべての、０．９８、０．９９及び１．０を含む、これらまでの値を明示的に含むだろう。同じことが、以下に参照によって組み込まれるものを含む、以下に述べられるすべての他の基本的な範囲に適用される。

更に、語句「約」は、値に柔軟性を持たせるために用いられ、特に、所与の値が端点の「少し上」あるいは「少し下」であることができることを提供することによって、数値的範囲の端点に柔軟性を持たせる。この語句の柔軟性の度合いは、特定の変数によって決められあることができ、経験と、ここの関連する記述に基づいて決めることは、当業者の知識の範囲内であろう。

図１は、センサデバイスと共に用いるセンサ素子１０の一実施形態の模式的断面図を図示する。図１に見られるように、センサ素子１０の好適な実施形態は、基板層１００によって支持された３つの層を含む。図示された実施形態においては、３層センサ構造は、下部電極層２００、焦電性フィルム層３００、及び、周期的構造５００へとパターン化された上部電極層４００を含む。図１に見られるように、各層は、それぞれ、厚さ１２、１４、１６及び１８を有している。この構造の一利点は、光波長の特定の帯域における赤外放射の選択的吸収を達成することができることである。様々な異なる実施形態は、１）焦電性材料３００の厚さ１６；２）上部電極材料４００；３）上部電極４００の厚さ１８；あるいは、４）上部電極４００の周期及び形状、の任意の１つを可変することによって、異なる吸収特性を有するものを生成することができる。図１に図示されるもののようなセンサデバイスは、狭い波長範囲についてのみ感度があるように設計されることができるので、追加の光フィルタは必要ない。この技術は、多くの異なる応用に適している。本特許文書の教示に従ったセンサは、現在の赤外センサに代えるために用いられることができる。ここに教示されるセンサの一例示的使用は、NDIR 型C0₂ガスセンサであろう。

図１において、３層センサが示されているが、他の実施形態は、基板層１００上に他の個数の層を有することができる。しかし、使用される層の数に関わらず、上部層は、常に、パターン化された周期構造を含む。

好適な実施形態においては、下部電極２００の厚さ１４は、約１０ｎｍから約１０００ｎｍの範囲である。範囲の１０ｎｍの低い値は、赤外放射が、下部電極を通過してしまうのを防ぐのに十分な厚さを表す。範囲の１０００ｎｍの高い値は、MEMS製造プロセスの限界に基づいている。従って、この範囲は、赤外放射が、他の方法で、下部電極を通過してしまうのを防ぐことができるなら、あるいは、製造技術が、より厚い層の製造を許すのなら、それらの限界を超えて伸延しても良い。更により好ましくは、下部電極２００の厚さ１４は、約１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲である。１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲は、焦電性材料の結晶品質に対して好ましい。

下部電極２００は、モリブデンが好適であるが、様々な金属材料から製造されることができる。モリブデンは、低抵抗率を有し、また、（０００１）窒化アルミニウム（AlN）フィルム上の（１０１）方向への配向を有する良い結晶度も有する。下部電極用の他の可能な材料は、金、プラチナ、チタン、アルミニウムを含むが、これらには限定されず、これらは、下部電極にも使うことができる。

焦電性材料３００について、好適な実施形態は、AlNを用いるが、これは、AlNが、以下の特性を示すからである。１）良い結晶品質；２）中波長赤外（３μｍから８μｍ）領域において、透明である；３）信号対ノイズ比に対し、良い絶縁材料であることを意味する、低ｔａｎδを有する６．２ｅＶの大きなバンドギャップ。

AlNフィルムが、好適な実施形態において用いられることができ、他のMEMSプロセス互換圧電材料グループが、焦電性材料３００に用いられることができる。非限定的例として、ある実施形態においては、ZnO、フッ化ポリビニリデン(PVDF)、あるいは、チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT)を使うことができる。

好適な実施形態においては、焦電性材料３００の厚さ１６は、好適には、以下の条件を満たす：
ここで、ｔは、焦電性フィルムの厚さ、λは、目的の赤外波長、ｎ_λは、目的の赤外波長における焦電性材料の屈折率である。目的のために、異なる実施形態が、焦電性材料３００の厚さ１６を可変することによって、光の異なる波長を目標とするために、本特許文書の教示に従って、構成されることができる。好適な実施形態においては、焦電性材料３００の厚さ１６は、１０ｎｍから３０００ｎｍの範囲である。更により好適な実施形態においては、焦電性材料３００の厚さ１６は、１００ｎｍから１５００ｎｍの範囲とすることができる。

上部電極４００に移ると、異なる実施形態においては、様々な異なる金属が使用されることができる。好適な実施形態においては、上部電極４００の厚さ１８は、好適には、約１０ｎｍから約１０００ｎｍの範囲である。上部電極４００の厚さ１８は、好適には、上記したように、下部電極２００の厚さ１４を選択することに用いられる同様の考えに基づく。更に他の実施形態において、更に好適には、電極４００の厚さ１８は、約１００ｎｍ〜２００ｎｍとすることができ、これは、上部パターン化プロセスの被加工性のために望ましい。

一実施形態においては、上部電極層４００は、パターン化された周期構造５００を有する。周期パターンは、任意のタイプのものでよいが、好ましくは、穴アレイ構造あるいはストライプ構造の一つである。好適な実施形態においては、穴の形状は、丸であり、他の実施形態においては、穴は、長方形、円形、三角形、ひし形あるいは任意の他の形状とすることができる。

好適な実施形態においては、周期は、周期Pが以下の式を満たすように、目的の赤外波長以下である：
Ρ ≦ λ
ここに用いられるように、周期は、パターン化された周期構造の連続する要素間の距離を指す。例えば、パターン化された周期構造が穴アレイであるならば、周期は、パターン化された穴の任意の２つの中心点間の距離に等しい。他の非限定的な例として、パターン化された周期構造がストライプ構造であるならば、周期は、パターン化されたストライプの任意の２つの中心線間の距離に等しい。従って、上記式を満たす実施形態は、測定するように設計されている赤外光の波長以下の周期間隔を有する。それらの実施形態のあるものにおいては、周期は、目的の赤外波長より小さい。更に他の実施形態においては、他の周期を使用することができる。

ある実施形態において式P≦λが厳密に満たされるが、他の実施形態においては、この式は、指針とすることができる。例えば、ある実施形態においては、周期は、約目的の波長以下とすることができる。そのような実施形態においては、周期は、目的の波長よりやや大きいとすることができる。好適な実施形態においては、周期は、目的の波長の１１０％以下である。更に他の実施形態においては、周期は、目的の波長の、１０５％以下であり、あるいは、より好適には、１０３％であり、あるいは、更により好適には、１０１％である。

パターン化された周期構造５００の好適な形状は、穴アレイあるいはストライプ構造の一つである。パターン化された周期構造５００が穴アレイである実施形態においては、構造は、好ましくは、以下の式を満たす：
r/P ≧0.5
ここで、（ｒは、穴の直径である）。穴直径に関連して吸収スペクトルを図示する図５は、なぜ、上記式が好適なのかを説明する。r/P≧0.5を有することが好適であるが、他の実施形態は、より制限のゆるい、あるいは、より制限のきつい基準を用いることができる。例えば、穴アレイ実施形態は、次のr/Pを有することができる：≧0.55、≧0.6あるいは更に≧0.7。他の実施形態は、次のr/Pを有することができる：≧0.4あるいは更に≧0.3。

周期構造５００がストライプ構造である実施形態においては、線／間隔（L/S)は、好ましくは、約１である。しかし、他の実施形態においては、L/S範囲は、約０．１から約０．９とすることができる。

図１は、単一の焦電性MEMSセンサ素子１０のみを示しているが、他の実施形態においては、焦電性MEMSセンサは、複数のセンサ素子１０から構成されることができる。それらの実施形態のあるものにおいては、異なるセンサ素子１０は、異なる電極周期を有するパターン化された周期構造５００を有することができる。同一基板上で、異なる吸収波長を目標とし、既存の技術では不可能な同一の製造プロセスで、複数の検出器を製造することも可能である。

層を焦電性フィルム３００まで降りる。様々な実施形態においては、焦電性フィルム３００は、PZT、ZnO、PVDF、及びAlNからなるグループから選択された材料を含む。一実施形態においては、焦電性フィルムは、c-軸配向AlNを含む。AlNは、CMOS互換材料である。更に、AlNは、赤外領域（１〜１０μｍ）において、透明である。更に、AlNは、６．２ｅＶの大きなバンドギャップを有し、低いｔａｎδを有し、これは、信号対ノイズ比について、良い絶縁材料であることを意味する。

幾つかの特定の例が、ここに開示される実施形態を更に例示するためにこれから記述される。以下の例は、ここに教示される可能な実施形態の幾つかに過ぎないことは理解されるべきである。良く知られているように、請求項が、特許される実施形態の範囲を規定する。

［例１］
第1の例においては、基板層１００と誘電体層３００の両方は、窒化アルミニウム（AlN）で作られる。AlNフィルムは、センサ素子のための焦電性フィルムと、赤外吸収のための誘電体材料との両方として機能する。モリブデン（Mo)は、焦電性フィルム用の電極として機能する下部金属層２００と上部金属層４００のために用いられた。例１について；サブ波長穴アレイ構造が、上部金属層４００のために選択された。垂直入射の赤外光は、この構成ならば、強く相互作用するだろう。この構造内で共鳴する赤外光は、結果的に、エネルギーを失い、熱に変換されるだろう。この熱は、第2の層すなわち焦電性層として作用するAlNと、上部及び下部の電気層の電極との両方によって検出されるだろう。

AlNフィルムは、多目的の圧電材料であり、電気機械的共鳴器、フィルタ、及び加速度計などの、センサ用に通常使われる。更に、AlNフィルムは、また、焦電性材料とも考えられ、その焦電電荷係数は、６〜８μＣ／ｍ^２Ｋであると報告されている。AlNの焦電係数は、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT)フィルムのなどの、他の焦電性材料よりも小さい。AlNフィルムの小さな誘電率と誘電損失は、高電圧感度に寄与する。AlNは、PZTよりも低温での堆積能力を有し、特に、AlNは、また、相補型金属酸化物半導体（CMOS)互換材料でもある。

［例２］
図２Aは、完全なセンサデバイス２０の一実施形態の透視図を図示する。図２Aに示された実施形態においては、センサデバイス２０は、２つの脚によって基板に接続される。図２Bは、図２Aのセンサデバイスのセンサ素子の断面図を図示する。図２Bにおいて、上部層２２と上部２２から2番目に下の層は、１００ｎｍ厚（典型的には、約１０ｎｍから約１０００ｎｍ）のMo電極（赤で示される）である。下部層２４と上部から1つ目に下の層２４は、１μｍ厚AlNフィルム（青で示される）であり、以下の式を満たす：
２×ｔ×ｎ_λ≦λ

上部Mo層２２は、（P≦λを満たす）２μｍ周期で実装された穴アレイを有する。構造走査型電子顕微鏡（SEM；Structural scanning electron microscope）の画像が、図２C及び図２Dに示されている。デバイスの表面の面積は、５００μｍ（典型的には、約１０μｍから約２０００μｍ）平方メートルである。上部Mo電極は、正方形に配列された、（r/P≧0.5を満たす）約１．５μｍの直径の、（P≦λを満たす）２μｍ周期の穴を有する。

［例３］
センサデバイス２０の一実施形態のCMOS互換製造プロセスフローが、図３に示されている。ステップ（ａ）において、AlN２４とMo２２が、6インチ二重研磨シリコンウエハ２６上に、連続的、且つ、交互に１μｍ／１００ｎｍ／１μｍ／１００ｎｍと堆積される。Mo及びAlNは、反応性マグネトロンスパッタリング法（reactive magnetron sputtering method）で堆積された。上部AlN層２４は、強く（０００１）に配向され、約１．５度（典型的には、約０．１度から約１０．０度）のロッキングカーブ全幅半値を有する。下部層AlN２４は、DRIE（Deep Reactive Ion Etching）の間、エッチング停止層として機能する。

続いて、ステップ（ｂ）において、上部電極Mo２２が、反応性イオンエッチングによってパターン化される。上部Mo２２周期構造は、この処理の間に形成される。その後、上部AlN層２４は、ウェットエッチングを用いて、エッチングされ、低い位置の電極が、電気的に引き出される。

ステップ（ｃ）において、２μｍのSi0₂ ２８（典型的には、約１００ｎｍから１０μｍであり、これは、AlN に対するSi0 ₂ のエッチング選択性に依存する）は、LPCVD（Low Pressure Chemical vapor deposition）を用いて、ハードマスクとして堆積される。

ステップ（ｄ）において、AlN層２４及びMo層２２は、ステップ（ｃ）からの、マスクとしてのSi0₂層28を用いて、RIEによって同時にエッチングされる。ステップ（ｅ）において、Si0₂層の裏側がパターン化される。シリコンは、DRIEによってエッチングされる。最後に、ステップ（ｆ）において、Si0₂ハードマスクが、フッ化水素を用いたウェットエッチングにより除去され、断熱構造が形成され、デバイスが完成される。

[例４]
穴アレイの赤外光の吸収特性は、FTIR(Fourier Transform Infrared Spectrophotometry)によって実証された。この研究で用いられたFTIRは、正反射型顕微鏡FTIR（regular reflection type microscopic FTIR）であった。サンプル上での赤外源光の直径は、約１００μｍであり、金の平坦なフィルムが較正に用いられた。デバイスの屈曲した面による変形からの散乱効果を避けるために、DRIEを通らない平坦面を有するサンプルが用いられた。図４は、吸収スペクトルを示す。図４において、回折は無視され、１−反射が、吸収のために用いられた。図４における赤の実線３０は、パターンの無い平坦なMo電極の応答である。青の破線３２は、２μｍ周期の穴アレイ及び、約１．５μｍの穴直径の応答である。図４は、穴アレイ構造によって提供される、４．５μｍ及び５．１μｍ波長における観測された強度の赤外吸収を示す。逆に、図４は、Mo電極上にパターンが無いとき、吸収が存在しなかったことを示す。

数値計算は、FDTD（Fourier-difference time-domain）アプローチを用いてなされた。AlNの屈折率は、全計算波範囲において、２．１と仮定された。

穴アレイの半径依存が図５に図示されている。周期は、２μｍに固定され、数値計算は、穴の半径を１．０μｍから、１．２５μｍ、１．５μｍへと徐々に増加することによってなされた。４６とラベル付けされた線は、１．０μｍ穴の穴アレイに対応する；４４とラベル付けされた線は、１．２５μｍ穴の穴アレイに対応する；及び、４２とラベル付けされた線は、１．５μｍ穴の穴アレイに対応する。吸収率は、ピークのシフトおよびピーク幅の増加に加え、穴半径が増加するに従い、より高い波長に向かって成長する主ピークによって、見られることができる。図５は穴の半径に対する非常に敏感な吸収スペクトルを示すにもかかわらず、図４の実験結果と図５の数値計算結果との間の同一のトレンド（傾向）が確認された。図４の実験結果における１．５μｍ穴サイズにおける、より幅の広いピークとより低いピーク位置は、数値計算結果と比較すると、センササンプルへの垂直でない、正反射型FTIRからの入射光の入射に角度よるということを仮定することができる。

[例５]
次に、信号から来る焦電性を観測し、確認するために実験が行われた。実験は、大気中で行われ、小型のミニチュア電球が赤外光源として用いられた。MEMS素子と電球の間の距離は、５０ｍｍであった。機械的チョッパが、MEMSセンサと電球の間に配置された。５μｍ以上の光をフィルタリングする光フィルタあるいは、別に、単一の結晶Siが、MEMS素子と赤外光源との間に、チョッパと共に配置された。パターン化されていないMo電極面を有するセンサAと、穴アレイが実装されたセンサBとが、サンプルとして用意された。MEMS素子は、ジャンクションFET（JFET)を用いたバッファ増幅器を通った後に、ロックイン増幅器に接続された。図６Aは、単一結晶Siが配置されたときの信号を示し、図６Bは、５μｍのロングパスフィルタが配置されたときの信号を示す。

上記の焦電性センサの電圧感度式は：
（１）
ここで、Gは、熱伝導率、ηは、赤外吸収率、ωは、チョッピング周波数、R_ｐは、センサのホット端子及び、接地端子の間の、JFETを含む平行抵抗値、Aは、MEMSセンサ素子の面積、τ_ｔｈ及びτ_ｅｌは、それぞれ、熱時間定数及び電気時間定数である。

チョッピング周波数依存性が図６Ａ及び６Ｂに観察され、電気カットオフ及び熱カットオフ周波数は、それぞれ、１．３Ｈｚと１７Ｈｚとして認識された。図６Ａは、Si結晶がフィルタとして用いられたときの、センサAとBの間の差を図示している。見られるように、この差は、約半分であり、小さいと考えられる。一般に、Si結晶は、１．２μｍより大きい波長の赤外光を透過させる。この範囲では、電球光源とMo電極の光損失は大きく、結果として、信号はより大きくなった。他方、５μｍロングパスフィルタが実装されたときには、センサBの赤外吸収の主ピークとオーバラップし、センサBからの信号を調べることが可能である一方、センサAからの信号は区別されなかった。選択的赤外吸収は、この穴アレイ構造で発生し、AlNの焦電性属性によって確認されたと結論付けられた。一方、赤外光源の波長が５μｍを越えた場合、光電球の光強度は、かなり減少するので、全体的により小さい信号が結果として得られる。

[例６]
図７は、１μｍ電極と１μｍギャップストライプ構造を有するセンサデバイスの実際の光学顕微鏡画像を示す。上部電極上に実装されたストライプ線構造は、偏波赤外光を効果的に吸収することができる。従って、偏波赤外光で効果的に動作させたい実施形態は、パターン化された周期構造として、ストライプ線構造を実装することができる。

図８は、図７のセンサデバイスを用いた結果を示す。この特定の実施形態においては、ピーク（ａ）は、４．５ミクロンに近い吸収線を有する、CO及びC0₂、を検出するために適している。

図９は、吸収ピーク位置が、上部電極穴アレイの周期に依存することを示す数値FDTD計算結果である。この例では、それぞれ、焦電性AlNフィルム厚は、０．５μｍ、r/P＝０．７５であり、上部および下部モーリー電極厚は、１００ｎｍである。

図１０は、異なる周期でパターン化された複数のセンサ素子を有するセンサデバイス２０の実施形態を図示する。実施形態のこのタイプは、同一基板上に、COとC0₂の複数のNDIR型ガスセンサを可能にするために用いられることができる。好適な実施形態においては、光フィルタは必要ないであろう。

本特許文書は、焦電性材料として、高度にc-軸配向されたAlNフィルムを有し、上部電極上に実装された周期構造を有するMEMS型焦電性センサの実施形態を開示する。MEMS型焦電性センサは、ポストCMOS互換MEMSプロセスを用いて用意されることができる。上部電極上に穴アレイあるいはストライプ構造を実装することにより、選択された周期赤外光吸収が達成されることができる。それらは、FTIR実験とFDTD方法を用いた数値計算によって確かめられた。また、実験から、赤外吸収からの焦電信号が穴アレイから導かれたことが確認された。異なる実施形態においては、赤外光の異なる波長へのセンサの感度は、穴アレイの穴の半径及び／あるいは、周期を調整することによって、及び／あるいは、AlNフィルムの厚さを変更することによって得られることができる。従って、光フィルタを必要としない、選択的波焦電性MEMS赤外光センサが生成され得る。

ここに開示された実施形態は、赤外光について記述されたが、実施形態は、電磁スペクトルの、いかなる特定の波長、あるいは、波長範囲にも限定されない。他の実施形態は、本特許文書の範囲を外れることなく、赤外ではない波長に感度を有するセンサデバイスを構成するために、ここに教示されたものと同一の技術、構造、及び、方法を用いることができる。

実施形態が、好適な構成及び特定の例を参照して、記述されたが、MEMSセンサ及びそれに関連する方法への多くの変更及び適用が、以下に請求される実施形態の精神と範囲から外れることなく可能であることは、当業者によれば、容易に理解されるだろう。従って、この記述は、例示によってのみなされ、以下に請求される実施形態の範囲の限定としてなされたのではないことは、明確に理解されたい。

Claims (19)

1. 基板層と、
   前記基板層に隣接した第１の電極層と、
   前記第１の電極層に隣接した焦電性層と、
   前記焦電性層に隣接した第２の電極層と、を備え、
   前記第２の電極層が８μｍ以下の周期を有する周期構造でパターン化されており、かつ、該パターン化された周期構造は、前記第２の電極層を貫通して前記焦電性層まで達する複数の凹部が周期的に配置された構造を有し、
   前記第２の電極層に入射した特定波長の光が前記周期構造によって熱に変換され、該熱が前記焦電性層に伝達される、MEMSセンサ。
2. 前記パターン化された周期構造は、穴アレイ構造を含む、請求項１に記載のMEMSセンサ。
3. 前記パターン化された周期構造は、ストライプ構造を含む、請求項１に記載のMEMSセンサ。
4. 前記周期構造は、Pを周期、λを目的の赤外波長として、式P≦λに従った目的の赤外波長以下の周期を有する、請求項１に記載のMEMSセンサ。
5. 前記MEMSセンサは、少なくとも２つのセンサ素子からなり、前記２つのセンサ素子のそれぞれは、異なる周期でパターン化された周期構造を有する、請求項１に記載のMEMSセンサ。
6. 前記焦電性層は、PZT、ZnO、PVDF、AlN、及びc-軸配向AlNからなるグループから選択された材料を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のMEMSセンサ。
7. 前記第１の電極層は、約１０ｎｍから約１０００ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載のMEMSセンサ。
8. 前記第1の電極層は、モリブデンを含む、請求項１に記載のMEMSセンサ。
9. 前記焦電性層は、AlNを含む、請求項１に記載のMEMSセンサ。
10. 前記焦電性層は、ｔを焦電性フィルム厚、λを目的の赤外波長、ｎ_λを、前記目的の赤外波長における焦電性材料の屈折率として、式２×ｔ×ｎ_λ≦λに従った厚さを有する、請求項１に記載のMEMSセンサ。
11. 前記第２の電極は、約１０ｎｍから約１０００ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載のMEMSセンサ。
12. 前記第２の電極は、モリブデンを含む、請求項１に記載のMEMSセンサ。
13. 前記パターン化された周期構造は、穴アレイであり、前記穴アレイの穴の直径は、ｒを穴の直径、Pを前記パターン化された周期構造の周期として、ｒ≧P×０．５に従って提供される、請求項２に記載のMEMSセンサ。
14. 前記周期構造は、約１の線／間隔（L/S）を有するストライプ構造を含む、請求項１に記載のMEMSセンサ。
15. 前記第２の電極層は、前記センサの上部層である、請求項１に記載のMEMSセンサ。
16. 前記基板層に隣接した第２の焦電性層を更に含む、請求項１に記載のMEMSセンサ。
17. 前記周期構造は、Pを周期、λを目的の赤外波長として、式P≦１．０５×λに従った、目的の赤外波長の１０５％以下の周期を有する、請求項１に記載のMEMSセンサ。
18. 基板層と、
    前記基板層に隣接した第１の電極層と、
    前記第１の電極層に隣接した焦電性層と、
    前記焦電性層に隣接した第２の電極層と、を備え、
    前記第２の電極層が目的の赤外波長以下の周期を有する周期構造でパターン化されており、かつ、該パターン化された周期構造は、前記第２の電極層を貫通して前記焦電性層まで達する複数の凹部が周期的に配置された構造を有する、MEMSセンサ素子。
19. MEMSセンサ素子を作る方法であって、前記方法は、
    基板上に第１の電極層を形成することと、
    前記第１の電極層に隣接した焦電性層を形成することと、
    前記焦電性層に隣接した第２の電極層を形成することと、
    目的の赤外波長以下の周期のパターン化された周期構造を有するように、前記MEMSセンサ素子の前記第２の電極層をパターン化することであって、前記パターン化された周期構造は、前記第２の電極層を貫通して前記焦電性層まで達する複数の凹部が周期的に配置された構造を有する、ことと、
    を含む、方法。