JPH02196929A - 赤外線検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、赤外線放射検出器に関し、さらに詳しくは、
赤外線放射検出用の非冷却ボロメータに関する。

（従来技術） 暖かい人体から放出される赤外線放射の検出は、暗視（
可視光なしの認知）にとって重要な方法である。赤外線
検出器は、走査型またはスターリング・アレイ（ｓｔａ
ｒｉｎｇ　ａｒｒａｙ）型、低温（一般に液体窒素の温
度）または非冷却検出器、３ないし５ミクロンまたは８
ないし１２ミクロン分光感度範囲、および光子または熱
的検出機構、のように種々の方法で分類できる。低温赤
外線検出器は一般に、ＨｇＣｄＴｅのような禁止帯幅の
狭い（約０．１から０．２ｅＶ）半導体で作られ、電子
孔対を発生させる光子吸収によるホトダイオードまたは
ホトキャパシタとして動作する０例えば、ＨｇＣｄＴｅ
ホトキャパシタをシリコン信号処理回路に接着した混成
システムの述べられている米国特許出願第４．６８６，
３７３号（チュー他）を参照すること。

非冷却赤外線検出器は、禁止帯幅が狭い半導体を利用で
きない。なぜならば、禁止帯幅は室温において約４ｋＴ
Ｌかなく、暗電流は全ての信号を検出不能にする。その
結果、非冷却赤外線検出器は、その他の物理的な現象に
依存し、低温検出器より感度が低いが冷却装置を必要と
せず、その分エネルギー消費が低い。携帯用で低温検出
器のような高い検出能力を必要としない低い電力で使用
する場合、非冷却熱的検出器を選択することが望ましい
。赤外光子は吸収され、結果として吸収素子の温度上昇
が検出される。熱的検出器は通常次の３つのタイプの内
の１つである。（１）焦電検出器（２）熱電対、または
（３）ボロメータ。

焦電検出器は、強誘電体セラミック材料（ＯａＳｒＴｉ
Ｏｘ）を使用し、動作温度はこの材料のキュリー温度の
少し下（一般に０℃ないし１５０℃）である。好適な強
誘電体材料は、動作温度において自発的誘電分権に大き
な変化を起し、強誘電体を絶縁体として使用したコンデ
ンサが帯電することで得られる誘導電圧を検知すること
で、強誘電体の温度上昇が検出される。例えば、米国特
許出願筒４，３４８，６１１号（ラッペル他）第４，１
４２，２０７号（マツコーマク他）および第４．３７９
，２３２号（ホンバー）を参照すること。

焦電検出器は混成により構成されるので、検出器のアレ
イを太き（した場合（２５６ｘ２５６画素のアレイ）強
誘電体材料の不良、接点不良、およびバンブのボンディ
ング不良は歩留まりを低下させ・るため問題となる。

熱電対は、異種導体の接合部の温度による接触電位の変
化に依存する、例としてＧ、　Ｌａｈｉｊｉ他による、
シリコン上にモノリシックアレイしたビスマス・アンチ
モ二または多結晶シリコン・金の熱電対を使用した「集
積回路技術を使用して製造したモノリシック熱電対検出
器Ｊ１９８０年ＩＥＥＥＩ　Ｅ　ＤＭ　Ｔｅｃｈ、　Ｄ
ｉｇ、　　６７６を参照すること。

ボロメータは、−ａに熱的に絶縁された金属薄膜または
半導体膜の抵抗成分の温度変化に依存している。薄膜は
、シリコン基板中に浮かされた誘電体ｎり上に形成する
ことが可能で、シリコン基板上のモノリシック検出器回
路に近接して配置できる。誘電体膜下からシリコンをエ
ツチングによって取去ることにより、誘電体膜は浮かさ
れ、シリコン基板の残りの部分から熱的に絶縁される。

例えば、Ｋ、　Ｃ，Ｌｉｄｄｉａｒｄによる、温度によ
り抵抗成分が変化する非結晶シリコン膜と赤外線吸収お
よび電子的接触用の隣接するニッケル膜を有する２４「
インフラレッド・フィジックス」５７（１９８４）およ
び２６［インフラレッド・フィジツクスＪ　４３　（１
９８６）を参照すること。上述の関連参考文献は、ここ
に参照として含まれている。

熱電対およびボロメータは、検出器回路と共にシリコン
・ウェハ上にモノリシック形成できるので、焦電検出器
の歩留まりの問題を回避することができる。しかし、熱
電対およびボロメータは、焦電検出器よりも検出能力が
低い問題を抱える。

（発明の概要） 本発明は、高感度抵抗材料と共に幾何学的に高い８４１
度を有するモノリシンク・アレイのボロメータの形態を
した赤り（線放射イメージ装置を提供する。好適な実施
例では、抵抗材料として、赤外線吸収体を被覆した水素
と化合させた非結晶シリコン（ａ−３ｉ：Ｈ）を使用し
、シリコン検出回路上にこの抵抗材料を浮かせる構成を
採用している。浮かされた抵抗材料とこの下に横たわる
反射性の基板間の距離は、赤外線スペクトル帯中央にお
ける波長の４分の１で、高い赤外線吸収性を与える。こ
れにより、ボロメータの利点であるモノリシック構造を
残しながら、焦電検出器に匹敵する検出能力を達成する
ことによって、非冷却熱的検出器の周知の問題を解決す
る。

（実施例） 第１図は一般的に１００で示す赤外線イメージ・システ
ムの概略ブロック図を示し、これは赤外線レンズ・シス
テム１０２、メカニカル・チョッパ１０４、ボロメータ
のアレイ１０６、アレイ１０６用の駆動および読み出し
電子装置１０８、ビデオ・プロセッサ１１０、デイスプ
レィ１１２、およびタイミングおよび制御用電子装置１
１４を有する。

レンズ・システム１０２はアレイ１０６上に暖かい対象
物によって放射された赤外線電離放射をイメージする。

チタッパ１０４は周期的にレンズ・システム１０２で集
めた赤外線放射を通過させたり阻止したりする開口部を
有する回転円板であってもよい。アレイｌＯ′６は２５
６列ｘ２５６行に配列された６４．５３６個のボロメー
タを有する。

各ボロメータはレンズ・システム１０２の視野範囲にあ
る暖かい人体１１６プラス周囲の場面のイメージ内の画
素に対応する。アレイ１０６は片面に形成された赤外線
透過窓を有するステンレスの真空チャンバに収容されて
いる。この窓は人体１１６を含む場面からの放射が窓を
介してアレイ１０６に届くように位置決めされる。

第２図は、アレイ１０６の一部（４個のボロメータ）を
示す概略平面図であり、このアレイ１０６は温度によっ
て変化する抵抗値Ｒ，を有し、抵抗値ＲＬを有するアー
スに接続された固定負荷抵抗１４３と固定バイアス電圧
ｖ０との間に接続された熱的に隔離されている抵抗１４
３を有している。

第３図は、アレイ１０６より単独のボロメータのアレイ
１０６から見た概略斜視図であり、一般的に参照番号１
４０によって示される。アレイ１０６の動作は次のとう
りである。暖かい人体１１６を含む断続的に切断された
場面はアレイ１０６にイメージされ、これによって各Ｒ
１の値が変動する（その場面の対応する部分の温度に比
例する大きさで）。Ｒ１の変動する値で負荷抵抗両端に
交流電圧が発生し、これはコンデンサ１２２を通してバ
ッファ増幅器１２０に供給される。バッファ増幅器１２
０の出力は、列アドレス回路１３０によって一時に１つ
選択された列について行読み出し回路１２８によって読
まれ、これによって−時に１つの列のパス・トランジス
タ１３２をオンする。

第４ａ−ｂ図は、ボロメータ１４０の概略縦断面図であ
り、第５図は平面図である。第５ｂは個々のボロメータ
の配置を示すアレイ１０６の一部を示す平面図である。

ボロメータ１４０は、厚さが１．７００人で５０平方ミ
クロンのスタック１４４を有し、このスタック１４４は
シリコン二酸化物（酸化物）の上部５００ＡＪｉ１４６
、窒化チタン（ＴｉＮ）の１００人層、２ｘｌＯ”／ｃ
ｄのキャリア濃度にボロンを添加した水素と化合された
非結晶シリコン（ａ−３ｉ：Ｈ）１５０のａ　５００人
層、他のＴｉＮの層１５２および底部の５００人の層に
よって構成される。スタック１４４は、スタック１４４
の対角線上反対側の角に位置する２つのチタン・タング
ステン（Ｔｉ：Ｗ）の相互接続１５６と１５８によって
基板１４２上に支持される。第５図に示すように、スタ
ック１４４は正方形であり、相互接続１５６．１５８と
スタック１４４の残りの部分（抵抗１４１）との間にり
一部１７０と１７４とを形成する２対の長い開口部１６
０．１６２．１６４．１６６を有する。リード線１７０
と１７４は長さが約２２ミクロンで幅が約１．５ミクロ
ンであり、高い熱抵抗を与える。

しかし、リード１７０と１７４を通るスタック１４４の
主要部からの熱損失は、抵抗１４１と基板１４２との間
の温度差による黒体の輻射熱損失より１桁以上大きい、
上部電極間隙１７２によって、上部酸化層１４６と上部
ＴｉＮ層１４８は２つの部分に分離される。一方の部分
は接点１７６で相互接続１５６に接続され、他方の部分
は接点１７８で相互接続１５８に接続される。

垂直の矢印１８０は、ａ−３ｉ：Ｈ２ＳＯに流れる直流
の方向を示す。この電流は、基板１４２上のバイアス電
圧源１８２（５，８ボルト）から金属の相互接続１５６
を介して、電極の間隙１７２の接点１７６側半分のＴｉ
Ｎ１ｉ１４Ｂの中へ流れ、ａ−３ｉ：Ｈ２ＳＯを介して
ＴｉＮ　Ｊｉ　ｌ　５２中へ垂直に下方に流れ、ａｓｈ
１５０を介して電極の間隙１７２の接点１７Ｂ側半分の
ＴｉＮ層１４Ｂの中を垂直に上方に流れ、最終的に相互
接続１５Ｂおよび基板１４２中の負荷抵抗１４３を介し
てアースへ流れる。ＴＩＮ層１４ＢおよびＴｉＮ層１５
２の片側は、ａ−５Ｊ：８１５０　（約ＩＭΩ−備の抵
抗率）に対して高い誘電性（約８００μΩ／１の抵抗率
）であり、等電位面であると考えられる。したがって、
抵抗１４１は、基本的に２つのａ　−３ｉ：Ｈ抵抗が直
列になったもので、各ａ−３ｉ：Ｈ抵抗は５００人の長
さを有し、断面形状は直角の頂上から斜辺へ向かって約
９０％の所まで伸びる狭いｖ字刻みを有する端部が５０
ミクロンの直角三角形である。抵抗の合計は、Ｒ３が約
１．ＩＭΩであり、ＲＬも同じ値にとら、したがって、
抵抗１４１および負荷抵抗１４３における合計アレイ１
０６の全熱量損失は約１ワツトである。ａ−３ｔ；Ｈ２
ＳＯの固有抵抗の温度係数は、アレイ１０６の動作温度
３００度Ｋにおいて１度Ｃ当たり約−０，０７２である
。

抵抗１４１の熱的時定数は、良好な感度のためにはチョ
ッパ１０４の周期より小さい。これは以下に分析されて
いる。抵抗１４１の冷却は、初期においてリード１７０
および１７４を介して熱伝導によって行われ、その後支
持部１５６および１５８を介してシリコン基板１４２へ
の熱伝導によって行われる。特に、第６図は、入射赤外
線の放射熱量Ｐ、入射された放射熱量の吸収された微少
骨ε、抵抗１４１の温度Ｔ、抵抗１４１の平均温度Ｔ、
、抵抗１４１の質量Ｍ、抵抗１４１の比熱Ｃ１抵抗１４
１の抵抗値Ｒ，、リード１７０および１７４の熱伝導率
に１リード１７０および１７４の断面積ａ、リード１７
０および１７４の長さＩ、基板１４２の温度ＴＱ、供給
されたｄｃ電圧■。、抵抗１４１の抵抗値の温度係数α
、負荷抵抗１４３の抵抗値Ｒ１、および信号電圧Ｖ。

とした場合の抵抗１４１に対する熱の流れのモデルであ
る。

抵抗１４１への入力の熱量は、吸収された放射熱量（ε
Ｐ）に■。（ｉ”Ｒｓ）による抵抗性の温度上昇に要す
る熱量を加えたものであり、抵抗１４１による熱量損失
は、初期はリードに沿った熱的勾配（ｋａｄＴ／ｄｘ）
に起因するリード１７０および１７４を伝って逃げる熱
である。この勾配は、リードに沿った直線的な変化で近
似することが可能であり、熱量の損失は（ｋ　（ａ／　
１）　（Ｔ　　Ｔｏ）　）である。抵抗１４１への純入
射熱量は、温度の変化を発生する。

εＰ十ｉ”Ｒ，−に（Ｔ−↑。）＝Ｃ ｔ ここでＣ＝ＭｃはＲ１の熱容量、Ｋ＝ｋ（ａ／ｌ）はリ
ード１７０および１７４の熱伝導率である。

ただし、ｉおよびＲ８はＴによって決まる。しかし、Ｒ
８の温度依存性を直線的近似すると微分方程式が扱い易
くなる。特に、抵抗の温度係数ａ（＝　１／Ｒｇ　　−
ｄＲｌ　／ｄ’ｒ）はＴの変動範囲に渡って一定である
と仮定する。一般に、Ｔ、は約３００度に、Ｔａは約３
１５ないし３２０度Ｋ、かつＴの変動はＴ、に対して１
度によりはるかに小さい、したがって、ａを定数と仮定
するのは厳密ではない。ａ−３ｉ：Ｈ２ＳＯの場合、ａ
は３２０度Ｋにおいて約−０，０７２であり、したがっ
て、ａ（Ｔ−Ｔ、）は微小なため第１次の近似は十分正
確である。

ここでＲ１は温度Ｔ、におけるＲ、の値、言い換えれば
、平均抵抗値である。この微分方程式は以下のようにな
る。

こごで、ＴおよびＰは単に時間ｔの関数である。

上式を変形すると以下のようになる。

ここで上式の右辺の第２番目の２つの項は、太き（（ｄ
ｃ雷電流起因する温度を上昇させる熱量およびリードを
介して伝達することによる冷却熱量）実質的に打ち消さ
れ、変数（Ｔ−Ｔ、およびＰ）は微小である。

入射される輻射熱量は、信号対雑音比を改善するために
継断される。したがって、入射される輻射熱量は方形波
で、結果として生じる信号電圧は上述の式によって計算
し、ボロメータ・アレー１０６の利得を見積ることがで
きる。この微分方程式は、フーリエ級数をＰおよびＴ−
Ｔ、で展開し、係数を同じにすることによって簡単に解
くことができる。すなわち、Ｐは次式で与えられる。

１次の係数は次式で与えられる。

εＰｃ− π ここでに、１．は さらにφは Ｔ（ｔ）＝Ｔａ＋Ｔ６）ｓｉｎ（ωｔ−φ）＋Ｔ３ｇｓ
ｉｎ（３ωｔ−ψ）＋ここでωは入射された放射熱量が
チッッパ１０４によって継断される角付は周波数である
。ゼロ次の係数は次式で与えられる。

尚、ゼロ次の式におけるεＰ、を無視しその結果得た式
をに、９．を表す上式に代入すると以下の式が得られる
。

したがって、Ｋ、９．は有効熱伝達率である。また、継
断される角付は周波数がＫ　−＊ｔ　／　Ｃより大きい
場合、Ｔの変動の大きさはωとほぼ反比例して減少する
。

第２次の係数（および他の全ての偶数次の係数）は雰に
なり、Ｐｌ、（−１”　Ｐ　ｏ　２　／　ｎπおよび誘
導関数は１／ｎ以外の一因にな・るので奇数の高次の係
数Ｔａ、は１／ｎ２のように降下する。したがって、１
゛はＴ　＠　＋　Ｔ　（，１ｓ　ｉｎ　（（Ｅｌ　ｔ−
φ）によって近似される。この近似は、もちろん、Ｐ　
＝　Ｐａ　（１／２＋　２／π５ｉｎ（１）ｔ）に対す
る正確な解であり、これは方形波のフーリエ展開の正に
第１番目の２項である。

入射Ｐに起因する出力信号■、は、得られたＴ、したが
ってＲ１もＰＬ両端の電圧の変動としてのＶ、を定義す
る式に代入することで計算できる。

上式は、次式の第１次の近似を与える。

したがって、検出器の応答（Ｖ、を平均入射熱量Ｐ、で
割った大きさ）は、Ｉ（ｄｃ電流）、Ｒ１、ａの増加に
伴って増加し、Ｃおよびに−ｔｓ　　（これはＴ。を減
少させる）の増加に伴って減少する。

増幅器１２０の入力インピーダンスは、Ｒ１よりも大き
くなくてはならないので、この入力によってＲ，に上限
が設けられる。Ｉの全ての変動は雑音信号となるので、
ボロメータ−１４０を流れる電流ｌは極めて一定である
必要がある。このこと、およびジュール熱による温度上
昇が小さくなければならないという要求は、最大電流■
を限する。

抵抗１４１を完全に熱的に絶縁しても、基板１４２と抵
抗１４１の温度差によって抵抗１４１から基板１４２へ
の純放射フランクス量が与えられるという意味で、Ｋ　
＠　ｆ　ｔは下限を有する。

ボロメータ−１４０の感度を最大にするためのＲＬの選
択は、■、の定義から簡単に計算が求められるが、この
場合、これはＲＬの関数として次式を最大にすることに
留意のこと。

これによりＲＬ＝Ｒ−が得られる。このＲＬの値によっ
て、Ｋ＊ｔｆ　＝Ｋ１ でりこれはＲ１と独立である。

入射された放射熱量の入力段階での温度応答は、微分方
程式の第１次近似を求めることで計算することが可能で
ある。１＜０においてＰ＝Ｏ１およびｔ＞ＱにおいてＰ
＝Ｐ、と仮定すると、−ｔ／ｙ Ｔ＝Ｔｏｏ−（Ｔｏｏ−Ｔ、）ｅ 賀ｉｔｈ　　　　　τ　− ａｒｔ ここでＴ［は漸近温度、およびＴｏは照射前の温度であ
る。したがって、ボロメータ−１４０の時定数はτであ
る。

信号電圧の増幅率を最大にするには（これは入射熱量を
乗じた応答性である）、ボロメーター１４０の熱容量Ｃ
および熱伝導率Ｋが最小で、能動的な抵抗吸収域Ａ、ａ
度係数α、および吸収εが最大でなければならない。ボ
ロメータ−１４０は以下のようにして上記の条件を満足
する。熱容量Ｃは、薄膜のスタック（ｓｔａｃｋ）　　
ｌ　４４を形成することで最小にされ、熱伝導率にはリ
ード１７０および１７４を長細く形成することで最小と
なる。

能動域Ａは、アレー１０６の集積度を高めるために１個
のシリコン基板上にアレー１０６を集積させ、検出回路
を抵抗１４１の下に配設することで最大になる。サーミ
スタ型の材料に対する温度係数αは１度に当たり０．７
５位の高さであるが、このような材料はシリコン処理と
は適合性がなく、金属合金膜は０．０１未満の係数であ
る。したがって、約０．０７の係数を有するａ−３ｉ：
Ｈを不純物添加することによって、シリコン処理との適
合性を有しながら高い係数が与えられる。非結晶シリコ
ンは赤外線放射を透過させるので、ＴｉＮ抵抗電極１４
８および１５２にもまた吸収性をもたらせることで高い
吸収性εを実現できる。これは自由キャリア吸収で、固
有抵抗、厚さ、スタック１４４とアース面１９２との間
隙を選択することで最適にできる。これの分析を以下に
示す。

先ず、赤外線放射は通常、厚さｔおよび固有抵抗ρで両
側が空気に接している金属膜に入射すると考える。吸収
Ａ、反射Ｒ１伝達Ｔは第７図に示され、マックスウェル
の方程式によって計算され、ここで金属の反射係数およ
び消光指数はほぼ同じであると仮定し、これは波長がλ
≧ｌＯμｍの場合である。吸収は１２０πｔ／ρ＝２の
場合最大となる。

次ぎに、金属膜からλ／４Ｊｉｌれた位置に平行にこれ
と厚い導電性の層を設けると考える。１２０πｔ／ρ＝
１においてほぼ１００％の吸収が得られる。この分析は
Ｌ・１ｌａｄｌｅｙほかによる３７Ｊ。

光学協会Ａｓ、４５１　　（１９４７）に示されている
。

８ないし１２ミクロンの分光感度でボロメータ−１４０
が動作するためには、中央における波長は１０ミクロン
なので電極１４８および１５２とアース面１９２との距
離は２．５ミクロン（４分の１波長）に設定される。１
２０πｔ／ρ−１の条件は、層１４８および１５０の組
み合わせに対して通用するが、その理由は、透過性のａ
　　Ｓｉ；Ｈの厚さは波長に比較して小さいからである
。したがって全厚さが２００人の場合、固有抵抗は１２
０ｆｆＸ２．Ｘ１０−’、すなわち７５０μΩ−■でな
くてはならず、これはほぼスパッタリング反応によるＴ
ｉＮの固有抵抗である。厚さが１００人のＴｉＮ電極１
４８および１５２の場合、これは約７５０Ω／口のシー
ト抵抗になる。なお、ＭｏＳ　ｉ　２および−Ｓｉ２の
ような焼鈍しないでスパッタリングされたシリカ物を含
むその他の材料はまたシリコン処理と適合性があり適当
な固有抵抗を有している。なぜならば、固有抵抗対厚さ
の比率のみが吸収の分析において考慮されるので、層の
厚さが熱容量Ｃを大巾に増加させるほど大きくなく、ま
た膜の再生不能な特性を生じるほど小さくないならば、
電極１４８および１５２の厚さは使用される材料の固有
抵抗を補償するために調整可能である。

また、酸化物１４６および１５４は、ＴｉＮ１４Ｂおよ
び１５２を密封するのでＴｉＮは決して、この固有抵抗
に影響を与えるプラズマ・エツチング、酸化または水和
効果の対象とはならない、　ＴｉＮ層のシート抵抗が安
定であることは、最適な赤外線吸収および吸収の均−性
祖保持するために重要である。

第４ａないしｂ図に示すように、酸化物層１９０は負荷
抵抗Ｒ５およびバッファ・アンプ１２０更にシリコン基
板１４２の残りの部分をアルミ・アース面１９２から覆
い、絶縁している。アルミ・アース面１９２とスタック
１４４との距離は、８ないし１２ミクロンの波長範囲で
の検出の場合約２．５ミクロンで、このグランド面１９
２と堆積層１４４との距離は、上記範囲の中央周波数の
４分の１波長である。第４ａ図はアース面１９２を平坦
なものとして模式的に示すが、第４ｂ図では基板の下に
横たわる回路（ＣＭＯ３）の幾つかを示し、アース面１
９２のわずかな凹凸（数百人）を指示している。ＴｉＮ
層１４８および１５２は、暖かい人体１１６を有する場
面から入射される赤外線放射の吸収を行い、非結晶シリ
コンは赤外線を透過させる。アース面１９２とスタック
１４４との４分の１波長の距離は、下に横たわる４分の
１波長の真空間隙およびアース面反射器と共に、薄くて
半透明のＴｉＮ１４Ｂおよび１５２における自由キャリ
ア吸収用の４分の１波長吸収するフィルタを形成する。

アース面１９２の凹凸の吸収に対する影響は微小である
。なお、吸収フィルタとして真空間隙を使用すると、間
隙中に誘電体を使用した場合と比較しスタック１４４の
熱容量が制限されることに留意すること。

第１の好適な実施例の製造方法に関する以下の説明を考
察することによって、第１実施例のボロメータ−および
アレーの特性と機能が更によく理解される。第１の好適
な実施例の方法は第８ａないし８ｇ図に示され、以下の
各ステップを有する。

（ａ）標準的な従来のＣＭＯ３処理によってシリコン基
板１４２中に、負荷抵抗１４３、バッファ・アンプ１２
０１コンデンサ１２２、アドレス回路、金属相互接続お
よび保護酸化物１９０を形成する。

酸化物層１９０中にフォトリソグラフィ的に直径２ミク
ロンの円形の窓１９４を形成し、相互接続１５６および
１５Ｂを下方のバイアス電圧１８２および負荷抵抗１４
３並びにコンデンサ１２２へ接続させる。３０００Ａ厚
のアルミ１９２をスパッタリングで形成し、第４ｂ図に
点線で示すように酸化物１９０中の窓に充填し、アルミ
１９２にパターン形成およびエツチングを行ってアース
面から相互接続点を絶縁させる。第８ａ図では、酸化物
１９０の下の回路は分かり易（するため全て省略されて
いる。

（ｂ）光学的像を、得られるポリイミドの層１９６を２
．５ミクロンの厚さにアルミ層１９２上に回転によって
形成し、相互接続１５６および１５８用の直径約２ミク
ロンの円形窓のパターンを露光して現像する０次に、焼
成してポリイミドを完全にイミド化する。第８ｂ図では
、酸化物１９０中の窓は分かり易くするため省略されて
いる。相互接続１５６および１５８は、窓１９４の真上
に位置する必要はないので、窓１９４におけるアルミ１
９２の非平面性は問題にならない。

（ｃ）元の場所にスバ・ツタで層を堆積するとスタック
１４４を形成することになる。特に、酸化物、チタン、
およびボロンを添加したシリコンの標的を、３標的用の
ＲＦスパッタリング・システム中に配設する。−最初の
スパッタでアルゴンの雰囲気で酸化物の標的から厚さ５
００人の酸化物層１５４を形成し、次ぎのスパッタでア
ルゴン／窒素の雰囲気でチタン標的から厚さ１００人の
ｉｉＮ層１５２を形成し、次ぎにアルゴン／水素の雰囲
気でボロンを添加したシリコンの標的から厚さ５００Ａ
のボロンを添加した水和非結晶シリコンの層１５０を形
成し、更に別の厚さ１００人のＴｉＮ　７５１４８を形
成し、最後に別の厚さ５００人の酸化物層１４６を形成
する。第８Ｃ図を参照して、なお、ポリイミド１９６は
最高３００℃の処理温度、すなわち、間隙状態の密度を
低ぐすることとこれに応じて大きな導電性活性エネルギ
ー保証するために非結晶シリコン形成の間必要とされる
温度に耐えることができる。

（ｄ）フォトレジストの層２００を回転によって形成し
、これを露光現像してスタック１４４に加え各画素のた
めの電極間隙１７２を形成する。エツチング用のマスク
としてパターンを施したフォトレジスト２００を用いて
、ＣＦ　ａ　＋　Ｏｔのプラズマ中でプラズマ・エツチ
ングする。このプラズマは酸化物、ＴｉＮおよびシリコ
ンをエツチングし、反応生成物中にＳｉＦ”の類の終了
点検出によって非結晶シリコン層中でこのエツチングは
停止する。

第８ｄ図参照。

（ｅ）フォトレジストを剥離し、フォトレジストの第２
層２０２を回転によって形成し、これを露光現像して電
極間隙１７２なしでスタック１４４を形成する。エツチ
ング用のマスクとしてパターンを施したフォトレジスト
２０２を用いて、ＣＦ４＋０゜のプラズマ中でプラズマ
・エツチングを行い、スタック１４４を形成するため、
非結晶シリコン、ＴｉＮおよび酸化物層の除去を完了す
る。このエツチングはアルミ１９２を侵さず、ＣＯｏの
終了点検出によってポリイミド１９６中で停止する。第
８ｅ図参照。温度によって決まる抵抗と同じスタック１
４４からリード１７０および１７４を形成することによ
って工程が簡単になる。

（ｆ）第２のフォトレジスト２０２を剥離し、第３のフ
ォトレジスト層２０４を回転によって形成し、これを露
光現像して接点１７６および１７８を形成する。酸化物
１４６の湿式エツチングは、ＨＦの１０Ｍ１液中でエツ
チング用のマスクとしてパターンを施したフォトレジス
ト２０４を用いて行われ、ＴｉＮ層１４８上で停止する
。湿式エツチングは等方性で、フォトレジスト２０４を
アンダーカットする。第８ｆ図のアンダーカット２０６
参照、光フォトレジストの再流はフォトレジスト２０４
をＴｉＮ層１４Ｂに戻して垂下させ、アンダーカットの
張出し部分を除去する。なお、ＴｉＮ層の厚さはわずか
１００ＡＬかないので、エツチングにおいて極度の選択
性が必要であるため、もし十分選択性のある異方性プラ
ズマ・エッチを使用すると、アンダーカットおよび結果
として生じるフォトレジストの再流は避けられる。

（ｇ）パターンを施した第３のフォトレジスト２０４上
に厚さ５０００ＡのＴｉ：Ｗ（純粋なタングステンの脆
さを補うために約ｌθ％のチタンを混ぜた合金）の層２
１０をスパッタリングで形成する。

第４のフォトレジスト層２０８を回転によって形成し、
これを露光現像して相互接ｆｔ１５６および１５Ｂを形
成する。エツチング用のマスクとしてパターンを施した
第４のフォトレジスト２０８を用いてＳＦ４中にＴｉ：
　Ｗをプラズマ・エッチを行い、このエツチングはフォ
トレジスト２０４上で停止する。第８ｇ図参照。

（ｈ）保護のためＰＭＭＡ　（メタクリル酸ポリメチル
）を回転によって形成し、ボロメータ−・アレーを含む
シリコン・ウェハをチップに切断する。

ＰＭＭＡを除去するためにチップを回転させ、クロロベ
ンゼンをスプレーする。プラズマは、第３および第４の
フォトレジスト層２０４および２０８をポリイミド層１
９６と共に灰にする。これによりボンディングおよびパ
ンケージを除きチップは完成する。なお、第５ａ図には
、プラズマ・エッチのアクセス孔がスタック１４４中に
示され、これらの孔は、スタック１４４が形成される際
に、酸化物、ＴｉＮ層、および非結晶シリコン層を貫通
してエツチングされ、これらの孔は、スタック１４４の
下にあるポリイミド層を等方性プラズマによって灰化す
るための所用時間を短縮する。

チａツバ１０４のチョッピング周波数３０Ｈｚにおける
ボロメータ−１４０の性能の試算は以下のように計算で
きる。なず、酸化物、ＴｉＮ層、ａ−３ｌ：Ｈの容積比
熱をそれぞれ１．７．２．３４、および１．７２ジユー
ル／　ｃｍ　”度Ｃと見積もることで、スタック１４４
（５０平方ミクロンとする）の熱容１ｃを、？、６Ｘ１
０−１０ジュール／度Ｃと試算する０次ぎに、酸化物、
ＴｉＮ層、ａ−３ｉ：Ｈの熱伝導率をそれぞれ約０，０
．２および０．８４ワット／度０１更にリード１７０お
よび１７４の長さと幅を２０ミクロンおよび１ミクロン
と見積もることで、リード１７０に加えて１７４の熱伝
導率Ｋを４．６ＸｌＯ−’ワット／度Ｃと試算する。

これらの値を１／ν、２　Ｃ２＋に！に代入し次式％式
％ 更に時定数はπ＝Ｃ／に＝１．７ｇ１ｓｅｃである。

８ないし１２ミクロンの波長範囲（すなわち、暖かい人
体１１６が周囲より１度暖かく、８ないし１２ミクロン
において両者とも１．０の放射率を有する）における場
面の温度差を１度Ｃ１赤外線レンズ・システム１０２の
オプティックスをｆ／ｌ、放射輝度を５．１６Ｘ１０−
’ワット／−と仮定する。更に、ε＝０．５と仮定しく
アース面１９２と共に４分の１波長フイルターを含む場
合、これをεｘ１．０に増加する）、次に温度の変動の
大きさＴ。を０．７６ＸｌＯ−’度Ｃと等しくする。こ
れを上述の信号電圧増幅度を示す式に代入し、信号電圧
増幅度７８μＶ（バイアス１ボルト当たり１３μＶ）を
得る。このレベルの動作ではアレー１０６での総熱量消
費は約１ワツトとなり、平均温度上昇は約１７度Ｃ（Ｔ
、−Ｔ、）となる。

ボロメータ−１４０の雑音は、従来技術の中で引用した
１９８４年Ｌｉｄｄｉａｒｄによる参考文献にしたが°
ってパラメータを仮定することにより、計算によって見
積もることが可能である。これにより、ジョンソンによ
り雑音の等価熱量（ＮＥＰ）を得、熱的変動雑音は約２
．５ＸｌＯ−”　ワットである。

この値は、０．０２度にの雑音等価温度差（ＮＥＴＤ）
となる。

更に、好適な実施例のボロメータ−およびアレーを第９
ａ図ないし９０図の平面図に示す、これらの平面図は、
ボロメータ−１４０を示した第５ａ図にＩ（ＩＩし、懸
垂された抵抗、リード、および下に横たわる基板への相
互接続を示し、この基板は負荷抵抗、信号電圧増幅器、
およびアドレス回路を含む、特に、ボロメータ−１４０
の間隙１７２に類似した上部電極間隙が、各第９３ない
し９０図に破線２７２で示され、ボロメータ−１４０の
相互接ｍ１５６および１５８に類似した、基板への相互
接続が２５６および２５８によって示される。同様に、
リード１７０および１７４に類似したリードが２７０お
よび２７４によって示される。

なお、第９ｄ図の好適な実施例ではリードは二股に分け
られていることに留意する。

（発明の効果） 高い集積度および抵抗端の不活性化の回避のために関連
する処理回路上に懸垂された温度によって決まる抵抗、
透過性で高い温度係数を有する材料上の放射吸収性を有
する材料で作られた温度によって決まる抵抗、４分の１
波長フイルター吸収器、および更に均一かつ再生可能な
抵抗用の抵抗材料を元の場所に形成する等の特徴を保持
しつつ、好適な実施例の装置の種々の変形および方法を
行うことが可能である。

例えば、温度によって決まる抵抗を形成するスタックの
寸法、形状、および材料は変更可能であるが、吸収効率
はシート抵抗によって決まり、処理と共存可能な材料は
生産性の高い必要がある。

温度によって決まる抵抗の接点配列は、１つを上部接点
とし１つを底部接点とするように変更可能であり、した
がって電極間隙は不要になり、または２つの底部接点と
することも可能である。温度によって決まる抵抗接点上
の不活性化層（好適な実施例１４０における酸化物１４
６および１５４）は省略可能で、これにより熱容量を減
少する。温度によって決まる抵抗の端部は表面からの漏
れ〔最初の好適な実施例の方法におけるステップ（ｅ）
の後の酸化物を形成することによる等〕を制限するため
に不活性化することができる。ボロメータ−１４Ｇのエ
ア・ブリッジ相互接続１５６および１５Ｂは、もし温度
によって決まる抵抗が相互接続によって上部および底部
接点を短絡しないよう絶縁されていれば、直ｔｋ相互接
続する金属に置換えることも可能である。更に、抵抗性
の非結晶シリコン層１５０は、接触比抵抗および接触雑
音を引き下げるためチタン窒化層１４８および１５２に
隣接して多量に不純物添加することもでき、もちろん高
固有抵抗非結晶シリコンの厚さは一定に保持される。

本発明は、高集積度アレーの利点を提供するものである
。

以上の記載に関連して、以下の各項を開示する。

１、（ａ）第１面の近傍にボロメータ回路素子のアレイ
を有する基板；および （ｂ）抵抗のアレイであって、上記の抵抗の各々は上記
の面との間に間隙を有し、放射を受光する方向を向き、
上記の回路素子の対応する紐の上に位置すると共にこれ
と電気的に接続されている上記の抵抗のアレイによって
ｆｌ成されることを特徴とするスペクトル範囲の放射を
検出するボロメータのアレイ。

２、更に（ａ）上記の抵抗の受光した放射用のチョッパ
によって構成されることを特徴とする前記環ｌ記載のア
レイ。

３、（ａ）上記の抵抗の各々はリードを有し、上記の抵
抗とリードは、第１導電層、抵抗層、および第２導電層
を有するスタックから形成され、上記の第２導電層が上
記の面に最も近いことを特徴とする前記環ｌ記載のアレ
イ。

４、（ａ）上記の抵抗の各々は上記の第１導電層上にあ
る上記のリードに取り付けた接続部によって上記の面に
接続され；および （ｂ）上記のスタックは上記の接続部のみによって支持
されることを特徴とする前記環３記載のアレイ。

５、（ａ）上記の第１導電層は２つの領域に分割され；
および （ｂ）上記の２つの領域は上記のリードとエア・ブリッ
ジによって上記の対応する回路素子に接続されることを
特徴とする前記環３記載のアレイ。

６、（ａ）上記の第２導電層から上記の面までの距離が
スペクトル範囲の中心の波長の約１／４であることを特
徴とする前記環３記載のアレイ。

？、　（ａ）上記の第２導電層が不活性層を有し；（ｂ
）上記の面が反射可能であり；および（ｃ）上記の面と
上記の不活性層との間の間隙が真空であることを特徴と
する前記環６記載のアレイ。

８、上記の第１および第２導電層のシート抵抗が上記の
スペクトル帯域の少なくとも５０％を吸収することを特
徴とする前記環６記載のアレイ。

９゜（ａ）上記のスタックが上記の第１導電層上の第１
不活性層と上記の第２導電層上の第２不活性層を有し； 上記の第１および第２不活性層が二酸化シリコンであり
； （ｃ）上記の第１および第２導電層が窒化チタンであり
；および （ｄ）上記の抵抗層が非結晶シリコンであることを特徴
とする前記環６記載のアレイ。

１０、　（ａ）平面スタックから形成された抵抗であっ
て、上記のスタックが（ｉ）第１および第２面を有し、
抵抗値が温度によって決まる抵抗材料によって形成され
る平面層、（ｉｉ）上記の第１面と当接する第１導電材
料によって形成された第１層、（ｉｉｉ　）上記の第２
面と当接する第２導電材料によって形成された第２層を
有し、上記の第１層が上記の抵抗の２つの端子を形成す
る第１および第２領域に分割される上記の抵抗；および （ｂ）上記の抵抗の抵抗値を検出する検出器によって形
成され； （ｃ）上記の抵抗はスペクト範囲の放射を受光する方向
を向いていることを特徴とするスペクトル範囲の放射を
検出するボロメータ。

１１、更に（ａ）−上記の抵抗材料の層が上記の第１層
と上記の第２層との近傍で高い感電性を有することを特
徴とする前記項ｌＯ記載のボロメータ。

１２、更に（ａ）上記の抵抗から受光した放射用のチョ
ッパによって構成されることを特徴とする前記環１０記
載のボロメータ。

１３、更に（ａ）第３導電材料の第３層によって構成さ
れ、上記の第３層は上記の第２層と平行であるとともに
上記のスペクトル範囲の中心の波長の約１／４に等しい
距離だけ上記の第２層から間隙がおいていることを特徴
とする前記環１０記載のボロメータ。

１４、　（ａ）上記の第１層と上記の第２層の厚さと導
電性が上記の抵抗による上記のスペクトル範囲の中心に
おける少なくとも５０％の吸収によって特徴づけられる
ことを特徴とする前記環１３記載のボロメータ。

１５、　（ａ）上記の抵抗材料が非結晶シリコンであり
；（ｂ）上記の第１および第２導電材料が窒化チタンで
あり；および 上記のスタックは上記の第２層、上記の平面層、および
上記の第１層が元の位置で形成されることによって特徴
づけられることを特徴とする前記項ｌＯ記載のボロメー
タ。

１６、　（ａ）上記の２つの領域がリードとエア・ブリ
ッジによって上記の検出器に接続されることを特徴とす
る・前記項ｌＯ記載のボロメータ。

１７、（ａ）スペクトル範囲の放射に対して実質的に透
過性を有する抵抗材料を設けるステップ；（ｂ）上記の
抵抗材料上に導電材料を設けるステップ； （ｃ）上記の導電材料から間隙をあけて反射材料を設け
るステップ；および （ｄ）スペクトル範囲の放射に暴露された場合、上記の
抵抗材料の温度を測定するステップによって構成され、 （ｅ）上記の導電材料と上記の反射材料の間隙の厚さと
導電性がスペクトル範囲の中心における少なくとも５０
％の吸収によって特徴づけられることを特徴とするスペ
クトル範囲の放射を検出する方法。

更に（ａ）上記の材料によって受光された放射を断続的
に切断するステップによって構成されることを特徴する
前記環１７記載の方法。

１９、（ａ）上記の導電材料が窒化チタンであり；（ｂ
）上記の抵抗材料が非結晶シリコンであり；および （ｃ）上記の反射材料がアルミであることを特徴とする
前記環１７記載の方法。

２０、　（ａ）基板の表面にボロメータ回路のアレイを
形成するステップ； （ｂ）上記の回路上にスペーサ層を形成するステップ； （ｃ）上記のスペーサ層上に抵抗スタックを形成するス
テップ。

（ｄ）上記の抵抗スタックから上記の回路に接続部を形
成するステップ；および （ｅ）上記のスペーサ層を除去するステップによって構
成されることを特徴とする赤外線イメージ装置の製造方
法。

２１、更に（ａ）上記のスペーサ層を形成する前に上記
のボロメータ回路の上に反射層を形成するステップによ
って構成されることを特徴とする前記環２０記載の方法
。

２２、上記の抵抗スタックは不活性層、導電層、抵抗層
、他の導電層、および他の不活性層の元の場所に形成さ
れることを特徴とする前記環２０記載の方法。

２３、好適な実施例は、シリコン基板（１４２）上に形
成されたボロメータのモノリシンク非冷却赤外線検出器
のアレイを有し、このボロメータは酸化物（１４６）　
、ＴｉＮ（１４Ｂ）　、ａ−３ｉ：Ｈ（１５０）　、Ｔ
ｉｅ（１５２）　、赤外線吸収器を形成するＴｉＮを有
する酸化物（１５４）および抵抗接点のスタックを有し
、ａ−３Ｓ：Ｈと抵抗は抵抗値の高い温度係数を有し、
抵抗は金属相互接続（１５４および１５６）によってシ
リコン基板（１４２）上に懸垂され、関連処理回路が抵
抗の下のシリコン基板（１４２）内に形成される。

【図面の簡単な説明】

図面は明確化のための概略図である。 第１図は、第１の好適な実施例のボロメータ−の７レイ
を含む赤外線検出システムを示すブロック図である。 第２図は、第１の好適な実施例のアレイを示す平面図で
ある。 第３図は、第１の好適な実施例のプレイの単独のボロメ
ータ−を示す斜視図である。 第４ａおよび４ｂ図は、第１の好適な実施例のアレイの
１つのボロメーターを示す縦断面図である。 第５ａおよび５ｂ図は、第１の好適な実施例のアレイの
１つのボロメータ−およびこのアレイの一部を示す平面
図である。 第６図は、第１の好適な実施例の動作分析のためのモデ
ルを示す。 第７図は、理論上の吸収、反射、および伝導を示す曲線
である。 第８ａないし８ｇ図は、好適な実施例の組立て方法のス
テップを示す縦断面図である。 第９ａないし９８図は、他の好適な実施例の単独のボロ
メータ−を示す平面図である。 １００・・・・・・赤外線映像化システム、１０２・・
・・・・赤外線レンズ・システム、１０４・・・・・・
機械式％式％ １０８・・・・・・駆動および読取り電子回路、１１０
・・・・・・ビデオ処理装置、１１２・・・・・・デイ
スプレィ、１１４・・・・・・タイミングおよび制御装
置、１１６・・・・・・暖かい人体、１２０・・・・・
・バッファ・アンプ、１２２・・・・・・コンデンサ、
１２８・・・・・・行読み出し回路、１３０・・・・・
・列アドレス回路、１３２・・・・・・パス・トランジ
スタ、１４０・・・・・・単ｌボロメータ−１４１・・
・・・・抵抗、１４２・・・・・・基板、１４３・・・
・・・負荷抵抗、１４４・・・・・・スタック、１４６
゜１５４・・・・・・二酸化リシコン層、１４８，１５
２・・・・・・ＴｉＮ層、１５０・・・・・・水和非結
晶シリコン層、１５６．１５８・・・・・・Ｔｉ：Ｗ相
互接続、１６０゜１６２．１６４，１６６．１９４・・
・・・・窓、１７０゜１７４・・・・・・リード、１７
２・・・・・・上部電極間隙、１７６．１７８・・・用
接点、１８０・旧・・垂直な矢印、１８２・・・・・・
バイアス電圧源、１９０・・・・・・保護酸化物、１９
２・・・・・・アース面、１９６・・・・・・ポリイミ
ド層、２００，２０２・旧・・フォトレジスト、２５６
，２５８・・・・・・基板への相互接続、２７０．２７
４・・・・・・リード、２７２・・・・・・上部電極間
隙を示す破線。 ｈ′ｇ、３ ／’／″”０．５１） Ｆ／夕、８σ ん°ｇ、　８ｂ Ｆｔ’ｇ、ｌｉｄ 懐Ｒｔｌ−二部の電極間隙を示Ｔ Ｆｔ’ｑ、　９゜ Ｆｌ′り、９ｃ Ｆｌ′グ、９θ 手 続 補 正 書（方式） ％式％ １、事件の表示 平成１年特許軸第２０９４９６号 ２、発明の名称 赤 外 線 検 出 器 ３、補正をする者 事件との関係

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （ａ）第１面の近傍にボロメータ回路素子のアレイを有
   する基板；および （ｂ）抵抗のアレイであって、上記の抵抗の各々は上記
   の面との間に間隙を有し、放射を受ける方向を向き、上
   記の回路素子の対応する紐の上に位置すると共にこれと
   電気的に接続されている上記の抵抗のアレイによって構
   成されることを特徴とするスペクトル範囲の放射を検出
   するボロメータのアレイ。