JP6814442B2 - ボロメータ型テラヘルツ波検出素子およびボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ - Google Patents

Description

本発明は、ボロメータ型テラヘルツ波検出素子およびボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイに関し、詳しくは、ボロメータ薄膜を含む温度検出部を備えるボロメータ型テラヘルツ波検出素子およびこうしたボロメータ型テラヘルツ波検出素子を縦横に整列配置してなるボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイに関する。

従来、この種のボロメータ型テラヘルツ波検出素子としては、ボロメータ薄膜を含む温度検出部を有するボロメータ型テラヘルツ波検出素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイの素子は、上面にテラヘルツ波を反射する反射膜が形成され内部に読出回路が形成された回路基板と、ボロメータ薄膜を含む温度検出部と、ボロメータ薄膜に接続された電極配線を含むと共に温度検出部を回路基板からエアギャップを介して支持する支持部と、上面にテラヘルツ波を吸収する吸収膜が形成され温度検出部の周縁部から内側と外側に延びた庇と、を備える。そして、アレイは、こうした素子を縦横に整列配置して構成されている。

また、ボロメータ型テラヘルツ波検出素子としては、庇と反射膜との間の光学的共振構造の間隔を増すためにエアギャップと回路基板との間に誘電体層を備えるものも提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

特開２０１２−２６０３号公報

「世界最高感度かつ最大画素数の室温動作テラヘルツカメラの開発に成功 〜非破壊検査や異物検知センサの実用化に向けて大きく前進〜 」，日本電気株式会社，http://jpn.nec.com/press/201411/20141111#01.html，「感度向上と高画素化の概要」，http://jpn.nec.com/press/201411/images/1101-01-01.pdf，２０１５年１１月１９日検索

しかしながら、ボロメータ型テラヘルツ波検出素子は、テラヘルツ波の偏光の方向によって検出感度が異なる。検出感度の偏光依存性は、入射するテラヘルツ波の周波数にも依存すると考えられ、大きな検出感度の差を生じさせる。こうした素子を縦横に整列配置したボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイをカメラとして用いてテラヘルツイメージングを検出すると、テラヘルツ波や測定対象に特徴的な偏光依存性がある場合には、適正なテラヘルツイメージングが取得できない。

本発明のボロメータ型テラヘルツ波検出素子およびボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイは、テラヘルツ波に偏光依存性がある場合や測定対象に偏光依存性がある場合でもより適正にテラヘルツイメージを検出することを主目的とする。

本発明のボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイおよびボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のボロメータ型テラヘルツ波検出素子は、
ボロメータ薄膜を含む温度検出部と、前記ボロメータ薄膜側の表面に反射膜が形成されていると共に内部に読出回路が形成された回路基板と、前記ボロメータ薄膜と前記読出回路とを接続する電極配線と、を備えるボロメータ型テラヘルツ波検出素子であって、
前記ボロメータ薄膜と前記反射膜との間の中間部に、垂直方向から見た平面構造の対称性が高くなるようにダミー部材を構成した、
ことを特徴とする。

本発明のボロメータ型テラヘルツ波検出素子では、ボロメータ薄膜と反射膜との間の中間部に、垂直方向から見た平面構造の対称性が高くなるようにダミー部材を構成する。ボロメータ型テラヘルツ波検出素子では、庇と反射膜との間で光学的共振が生じるため、庇から反射膜までの構造によりテラヘルツ波の検出における偏光依存が生じると考えられる。また、ボロメータ薄膜から上部構造については垂直方向から見た対称性が確保されているから、ボロメータ薄膜と反射膜との間の中間部の垂直方向から見た対称性を良好にすることにより偏光依存を抑制することができると考えられる。本発明では、こうした考察に基づき、ボロメータ薄膜と回路基板との間の中間部に、垂直方向から見た平面構造の対称性が高くなるようにダミー部材を構成することにより、テラヘルツ波の検出における偏光依存を抑制している。この結果、テラヘルツ波に偏光依存性がある場合や測定対象に偏光依存性がある場合でもより適正にテラヘルツイメージを検出することができる。

本発明のボロメータテラヘルツ波検出素子において、前記ダミー部材は、前記電極配線と同一の材料により形成されているものとすることもできる。こうすれば、電極配線の形成時にダミー部材を形成することができ、ダミー部材を形成するために素子の形成工程が増加するのを抑制することができる。

ダミー部材を電極配線と同一の材料により形成する態様の本発明のボロメータ型テラヘルツ波検出素子において、前記中間部には、前記温度検出部側からエアギャップと誘電体層とが形成されており、前記ダミー部材は、前記誘電体層に形成されているものとすることもできる。こうすれば、光学的共振構造の間隔を増加することができると共にダミー部材を容易に形成することができる。この場合、前記電極配線は、前記誘電体層内では高さの異なる複数の平板を連結するように形成されており、前記ダミー部材は、前記電極配線における前記複数の平板の少なくとも１つの平板と同一平面に形成されているものとすることもできる。こうすれば、複数の平板を形成する際に同時にダミー部材を形成することができる。

本発明のボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイは、上述のいずれかの態様の本発明のボロメータ型テラヘルツ波検出素子、即ち、基本的には、ボロメータ薄膜を含む温度検出部と、前記ボロメータ薄膜側の表面に反射膜が形成されていると共に内部に読出回路が形成された回路基板と、前記ボロメータ薄膜と前記読出回路とを接続する電極配線と、を備えるボロメータ型テラヘルツ波検出素子であって、前記ボロメータ薄膜と前記反射膜との間の中間部に、垂直方向から見た平面構造の対称性が高くなるようにダミー部材を構成したボロメータ型テラヘルツ波検出素子を縦横に整列配置してなることを要旨とする。

この本発明のボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイは、いずれかの態様の本発明のボロメータ型テラヘルツ波検出素子を縦横に整列配置しているから、本発明のボロメータ型テラヘルツ波検出素子と同一の効果、即ち、テラヘルツ波の検出における偏光依存を抑制することができる効果や、その結果としてテラヘルツ波に偏光依存性がある場合や測定対象に偏光依存性がある場合でもより適正にテラヘルツイメージを検出することができる効果を奏することができる。

ボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０の素子構造を模式的に示す断面図である。 誘電体層４８内の金属配線接続部６０とダミー部材７０とを垂直方向から見た平面図である。 誘電体層４８内の金属配線接続部６０とダミー部材７０の構造を示す斜視図である。 比較例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子の誘電体層４８内の金属配線接続部６０を垂直方向から見た平面図の一例を示す平面図である。 モデル化した比較例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子の偏光依存性と周波数との関係をシミュレーションした結果を示す説明図である。 モデル化した図３の構造の実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子の偏光依存性と周波数との関係をシミュレーションした結果を示す説明図である。 誘電体層４８内の金属配線接続部６０とダミー部材７０Ｂの構造を示す斜視図である。 モデル化した図７の構造の実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子の偏光依存性と周波数との関係をシミュレーションした結果を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としてのボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０の素子構造を模式的に示す断面図である。実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０は、画素ピッチが２３．５μｍでアレイとしたときには画素数３２０×２４０となるように構成されている。実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０は、図１に示すように、ＣＭＯＳ回路等の読出回路２４が形成された回路基板２２と、６００ｎｍの酸化バナジウム薄膜として形成されたボロメータ薄膜３６を含む温度検出部４２と、温度検出部４２を回路基板２２からエアギャップ４６を有するように支持する支持部４４と、シリコン窒化膜により厚みが２００ｎｍ〜６００ｎｍとして形成され温度検出部４２の周縁部から内側および外側に延びる庇５０と、エアギャップ４６と回路基板２２との間に窒化ケイ素により形成された誘電体層４８と、誘電体層４８内に形成されたダミー部材７０と、により構成されている。

回路基板２２の上面にはテラヘルツ波を反射するためにチタンによる厚みが５００ｎｍの反射膜２６が形成されており、反射膜２６の上面はシリコン酸化膜やシリコン窒化膜，シリコン酸窒化膜などにより形成された厚みが１００ｎｍ〜５００ｎｍの第１保護膜２８により被覆されている。温度検出部４２は、図中下側から（エアギャップ４６側から）、窒化ケイ素により形成された厚みが３５０ｎｍの第２保護膜３４，ボロメータ薄膜３６，窒化ケイ素により形成された厚みが３５０ｎｍの第３保護膜３８，窒化ケイ素により形成された厚みが３５０ｎｍの第４保護膜４０により層状に形成されている。支持部４４は、エアギャップ４６側から、温度検出部４２から延出した第２保護膜３４および第３保護膜３８，ボロメータ薄膜３６に接続した電極配線３２，温度検出部４２から延出した第４保護膜４０により構成されている。金属配線３２は、チタンにより厚みが７０ｎｍとして形成されている。庇５０は、上面はチタン合金（ＴｉＡｌＶ）により形成された厚みが１０ｎｍの吸収膜５２で覆われており、中央に穴５４が形成されている。

電極配線３２は、誘電体層４８内にチタンを用いて形成された金属配線接続部６０を介して読出回路２４に接続されている。なお、ダミー部材７０も、金属配線接続部６０と同様にチタンにより形成されている。図２は、誘電体層４８内の金属配線接続部６０とダミー部材７０とを垂直方向から見た平面図であり、図３は、誘電体層４８内の金属配線接続部６０とダミー部材７０の構造を示す斜視図である。金属配線接続部６０は、画素の対角の両角（図２中左上角と右下角、図３中左上奥の角と右上前の角）から画素の一辺（図２中上辺と下辺、図３中前の辺と後ろの辺）に沿って互いに平行となるように形成されており、階段状に高さ方向が異なるよう配置された平板状の４つの平部材６１〜６４と、各平部材６１〜６４の間に設けられた３つの柱部材６６〜６８とにより構成されている。ダミー部材７０は、画素における金属配線接続部６０が形成されていない辺（図２中左の辺と右の辺、図３中左の辺と右の辺）に平部材６１と同一平面に平部材６１と同一の厚さとなるように形成されている。ダミー部材７０を平部材６１と同一材料により同一平面に同一厚さとなるように形成するのは、平部材６１の形成と同時にダミー部材７０を形成するためである。こうすることにより、ダミー部材７０を形成するための工程を省くことができる。

実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０は、図２に示すように、垂直方向から見た平面における構成部材の対称性（中心から各辺方向に見た対称性を含む）は、ダミー部材７０を形成することにより、このダミー部材７０が形成されていないもの（後述する図４の比較例）に比して高くなっているのが解る。

実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０の偏光依存性と周波数との関係を考察するために、実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０と比較例とをモデル化してシミュレーションを行なった。比較例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子は、ダミー部材７０が形成されていない点を除いて実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０と同一の構成である。比較例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子の誘電体層４８内の金属配線接続部６０を垂直方向から見た平面図を図４に示す。この図４は、実施例の図２に相当する。モデル化したボロメータ型テラヘルツ波検出素子は、実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０と同様に、画素ピッチが２３．５μｍで、最表層の厚さ１０ｎｍの吸収層と、次層の厚さ２μｍのエアーギャップと、内部に金属配線接続部とダミー部材とが形成され厚さ７．３μｍで屈折率が２．１の誘電体層と、最下層の反射層と、により構成されている。なお、吸収層の誘電率についてはチタン合金（ＴｉＡｌＶ）のデルーデモデル（Dreude Model）で計算し、金属配線接続部やダミー部材，反射層についてはチタン（Ｔｉ）のデルーデモデル（Dreude Model）で計算した。

モデル化した比較例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子の偏光依存性と周波数との関係をシミュレーションした結果を図５に示し、モデル化した図３の構造の実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子の偏光依存性と周波数との関係をシミュレーションした結果を図６に示す。比較例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子では、Ｘ偏光とＹ偏光の吸収スペクトルは大きく乖離しているが、図３の構造の実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子では、Ｘ偏光とＹ偏光の吸収スペクトルは、乖離は生じているものの、その程度は比較例に比して小さい。

図７は、誘電体層４８内の金属配線接続部６０とダミー部材７０Ｂの構造を示す斜視図である。図８は、モデル化した図７の構造の実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子の偏光依存性と周波数との関係をシミュレーションした結果を示す説明図である。図７の構造の実施例では、ダミー部材７０Ｂは、金属配線接続部６０と同一のチタンにより金属配線接続部６０と同一の構造として、階段状に高さ方向が異なるよう配置された平板状の４つの平部材７１〜７４と、各平部材７１〜７４の間に設けられた３つの柱部材７６〜７８とにより構成されている。図７の構造の実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子では、Ｘ偏光とＹ偏光の吸収スペクトルは、図８に示すように、６．５ＴＨｚ近傍でわずかに乖離するものの、全体として極めて一致している。図３の構造および図７の構造とそのシミュレーション結果から、ボロメータ薄膜３６と反射膜２６との間における垂直方向から見た平面における構成部材の対称性（中心から各辺方向に見た対称性を含む）を高くすることにより、テラヘルツ波に対するＸ偏光とＹ偏光の吸収スペクトルの乖離を小さくすることができるのが解る。

以上説明した実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０によれば、ボロメータ薄膜３６と反射膜２６との間の誘電体層４８内の金属配線接続部６０を構成する平部材６１と同一平面の金属配線接続部６０が形成されていない辺にダミー部材７０，７０Ｂを設けることにより、ダミー部材７０，７０Ｂを設けない比較例に比して、ボロメータ薄膜３６と反射膜２６との間における垂直方向から見た平面における構成部材の対称性（中心から各辺方向に見た対称性を含む）を高くして、テラヘルツ波に対するＸ偏光とＹ偏光の吸収スペクトルの乖離を小さくすることができる。この結果、テラヘルツ波の検出における偏光依存を抑制することができる。これらにより、実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０を縦横に整列配置したアレイとすれば、テラヘルツ波に偏光依存性がある場合や測定対象に偏光依存性がある場合でもより適正にテラヘルツイメージを検出することができる。また、ボロメータ薄膜３６と反射膜２６との間における垂直方向から見た平面における構成部材の対称性が高くなるようにダミー部材を形成するほど、テラヘルツ波に対するＸ偏光とＹ偏光の吸収スペクトルの乖離を小さくすることができる。

実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０では、図３の構造ではダミー部材７０を平部材６１と同一平面に形成するものとし、図７の構造ではダミー部材７０Ｂを金属配線接続部６０と同一構造としたが、図３の構造と図７の構造との中間の構造としてもよい。この場合、ダミー部材を平部材６３と同一平面に形成したり、ダミー部材を平部材６４と同一平面に形成したり、ダミー部材を平部材６２〜６４が形成された３平面のうちのいずれか２平面や３平面に２部材や３部材として形成してもよい。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、ボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイの製造産業などに利用可能である。

Claims (5)

1. ボロメータ薄膜を含む温度検出部と、前記ボロメータ薄膜側の表面に反射膜が形成されていると共に内部に読出回路が形成された回路基板と、前記ボロメータ薄膜と前記読出回路とを接続する電極配線と、を備え、垂直方向から見たときに矩形となるように形成されたボロメータ型テラヘルツ波検出素子であって、
   前記ボロメータ薄膜と前記反射膜との間の中間部に、前記読出回路とは接続されておらず、前記電極配線における前記ボロメータ薄膜と前記反射膜との間の中間部に位置する接続部の少なくとも一部を模したダミー部材と、を備え、
   前記接続部は、垂直方向から見たときに対向する２辺に点対称となるように配置されており、
   前記ダミー部材は、垂直方向から見たときに前記接続部が配置されていない対向する２辺に点対称となるように配置されている、
   ことを特徴とするボロメータテラヘルツ波検出素子。
2. 請求項１記載のボロメータ型テラヘルツ波検出素子であって、
   前記ダミー部材は、前記接続部と同一の材料により形成されている、
   ボロメータ型テラヘルツ波検出素子。
3. 請求項２記載のボロメータ型テラヘルツ波検出素子であって、
   前記中間部には、前記温度検出部側からエアギャップと誘電体層とが形成されており、
   前記ダミー部材は、前記誘電体層に形成されている、
   ボロメータ型テラヘルツ波検出素子。
4. 請求項３記載のボロメータ型テラヘルツ波検出素子であって、
   前記接続部は、前記誘電体層内では高さの異なる複数の平板を連結するように形成されており、
   前記ダミー部材は、前記接続部における前記複数の平板の少なくとも１つの平板と同一平面に形成されている、
   ボロメータ型テラヘルツ波検出素子。
5. 請求項１ないし４のうちのいずれか１つの請求項に記載のボロメータ型テラヘルツ波検出素子を縦横に整列配置してなるボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ。
   

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