JPH05198848A - フォーカルプレーン・アレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電子回路と共に一体化して作製された感熱式
のフォーカルプレーン・アレイを得る。 【構成】 コンデンサおよび熱駆動の電圧または電流源
として働き、熱絶縁エーロゲル５の上に位置するピロ電
気材料１３が、外部要素への接続のためのパッド等を有
する集積回路の上に取り付けられる。好適なエーロゲル
は、約９０％から約９９．８％の部分が孔のフォームの
形を形成するガラス層である。この熱絶縁層中に、検出
器と集積回路とを電気的に接続するビア７がエッチされ
る。赤外周波数反射層１１が画素毎に２つ前記絶縁層上
に取り付けられる。１つの電極は通路を介して集積回路
へつながれ、他方の電極はバスまたは画素で共用される
別の通路へつながれる。入射赤外放射の十分な量を下の
反射層へ通過させる十分薄いピロ電気的検出材料が電極
の上と電極間に取り付けられる。検出器は強誘電体で、
チタン酸ジルコン酸鉛ランタンが望ましい。最後に、望
ましくはニッケルの最上部半透明の導電性金属層１５が
ピロ電気材料の上に取り付けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はフォーカルプレーン・ア
レイ（ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ａｒｒａｙ）に関する
ものであり、更に詳細には付随する電子回路と共に一体
化して作製された感熱式のフォーカルプレーン・アレイ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】フォーカルプレーン・アレイ用の検出器
は、通常は約３から１４ミクロン領域の赤外周波数範囲
の電磁波を検出するように設計される。そのような放射
を検出する場合、２つの互いに区別され互いに排他的な
現象が認められる。すなわち、光子の検出と熱の検出の
２つである。光子検出器は放射の量子吸収の結果として
何らかの測定可能な性質の変化を来す。一方、熱検出器
は、本発明の対象であるが、放射を含む何らかのソース
からの熱の吸収の結果として何らかの測定可能な性質の
変化を来す。吸収された放射が検出器の温度に測定可能
な変化をもたらすためには、その検出器はその環境から
切り離されていなければならない。その検出器は更に、
時間的に変化している信号に応答するためには、十分小
さい熱的質量（ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｓｓ）のものでな
ければならない。熱的分離（例えば、℃／ワットまたは
度Ｋ／ワットの単位で測定された熱抵抗）および熱的質
量（例えば、ジュール／度Ｋの単位で測定された熱容
量）の両方共に、検出器材料それ自身の物理的性質より
ももっと検出器応答性に影響する。

【０００３】従来技術の高密度非冷却フォーカルプレー
ン・アレイに基づくセンサは分解能（妥当な視野に対す
る）と感度との両方によって限定された範囲を持つ。従
来技術のピロ電気的フォーカルプレーン・アレイは、ピ
ロ電気的検出器を、熱的に絶縁性で電気的に伝導性のバ
ンプボンドを介して集積回路につなぐことによって作製
される。感度は、不十分な熱的分離と検出器要素の熱的
質量の過剰な組み合わせとによって制限される。分解能
は、熱のクロストークを減らすために網状であるべき検
出器要素の物理的完全性によって制限される。

【０００４】長さ方向のセルの寸法の低減とそれに伴う
画素数の増大と、センサの等価雑音温度差（ＮＥＴＤ）
の保持が望ましいことは明かである。高性能を達成する
ために、検出器構造は小さい熱的質量のものであって、
熱的分離をしっかりなされたものであるべきである。更
に、製造コストを削減するために一体化された構造が望
ましい。それは一体化することによって２つあるいはそ
れ以上の別々に製造された装置（すなわち、検出器と電
子回路）をボンディングもしくは相互接続する必要がな
くなるからである。特別な取扱い上の要求を排除するた
めには、装置は支持のない構造、あるいは片持ち梁構造
を含まない頑丈なものであるべきである。更に、真空を
必要としないことが望ましい。更に、吸収層を形成する
ために必要な付加的な処理工程を避け、寄生の熱的質量
を除去するためには、分離した光学的吸収層を必要とす
ることは避けなければならない。

【０００５】

【発明の概要】本発明に従えば、上に述べた、従来技術
のフォーカルプレーン・アレイ回路では得られないすべ
ての望ましい要求に合致する電子回路を備えた非冷却の
一体化されたピロ電気的な、望ましくは強誘電的なフォ
ーカルプレーン・アレイが得られる。

【０００６】要約すると、本フォーカルプレーン・アレ
イは熱に応答する、望ましくは強誘電体材料を含み、そ
れはコンデンサとして作用し、熱的絶縁性の高い材料の
層の上に取付けられている。前記の熱的絶縁性材料の層
は、外部の電気的伝導性要素への接続を行うための標準
的の型のパッド等をその表面上に有する集積回路を覆っ
て取り付けられている。熱的絶縁性材料の層は非常に小
さい質量のものであって、エーロゲル（ａｅｒｏｇｅ
ｌ）の形をしており、望ましくは二酸化シリコンのよう
な耐熱性酸化物のエーロゲルであって、前記集積回路の
表面に取り付けられ、その上に熱に応答する材料を搭載
している。このエーロゲルは最大の熱的絶縁特性を持つ
ことが望ましい。

【０００７】エーロゲルはよく知られた材料であって、
多孔質の連続体を形成するしっかりしたフォーム（ｆｏ
ａｍ）である。ここに用いられたエーロゲルは二酸化シ
リコンを含む材料の層であるが、これは望ましくはある
が必ずしもこれでなくともよい。例えば、五酸化バナジ
ウムやその他の材料、例えば酸化物や有機物であって、
約９０ないし約９９．８％の空気を含む多孔質の連続体
を形成するしっかりとしたフォームに造ることができる
ものであればよい。耐熱性酸化物を使用した場合には、
エーロゲルを構成するガラス材料はシリケートである必
要はない。更に、エーロゲルは結晶であっても、非晶質
であってもかまわない。ここで用いられたようなエーロ
ゲルは応用や環境に依存して熱的な絶縁性が高くなけれ
ばならず、また電気的にも絶縁性であることが望まし
い。作製されるべき検出器と集積回路との間の電気的な
相互接続のためのビアが前記熱的絶縁性材料の層中にエ
ッチされる。前記絶縁性層の上に、例えば白金のような
電気的に伝導性で赤外周波数を反射する層状の２つのコ
ンタクトが画素毎に形成される。そのうち１つのコンタ
クトはビアを介して集積回路へつながり、他方のコンタ
クトはバスへつながれるか、あるいはいくつかの画素で
共用される別のビアへつながれる。

【０００８】熱的に敏感な、例えばピロ電気的、熱電
的、強誘電的、あるいはボロメトリックな材料である検
出器材料としては、強誘電的なセラミックが望ましい
が、必ずしもそうでなくともよい。この層は十分薄く、
その上に降り注ぐ赤外周波数放射の十分な量をその下の
反射層へ透過させることができるものであり、電極の上
と電極間とに取り付けられる。検出器は、高いピロ電気
係数と電気的抵抗率、小さい誘電損失、そして画素の容
量が電子回路の容量と同程度かそれよりも大きくなるよ
うに選ばれた誘電率を有しており、チタン酸ジルコン酸
鉛ランタン（ＰＬＺＴ）が望ましい。最後に、最も上
の、望ましくはニッケル／クロムの半透明の電気的に伝
導性の層がピロ電気材料の上に取り付けられる。この熱
的な絶縁（エーロゲル）材料は、もしそれが温度変化に
対する抵抗変化のような必要とされる熱的な感知能力を
有するのであれば、検出器としても使用できる。五酸化
バナジウムはそのような材料であり、そのような装置は
抵抗ボロメータ等として有用である。

【０００９】最上層は等電位面を形成し、それは等価的
に各画素に２つの直列コンデンサを作り出す。等価的な
容量は、最上金属層を一つの電極とし、２つのコンタク
トを合わせて他方の電極とした場合の約４分の１であ
る。この形状は端部上への金属化の必要をなくし、高容
量の一体化装置を許容する。最上金属層のシート抵抗
と、ピロ電気材料の厚さ（約１ミクロン）とを調節する
ことによって、検出器それ自身が共鳴吸収体となる。

【００１０】本発明の別の実施例に従えば、以前の実施
例の反射電極は寸法を縮小され、半透明の導体電極は誘
電体層によって置き換えられる。

【００１１】本発明の重要な特長は熱的な分離と、薄膜
ピロ電気材料とである。絶縁体はエーロゲル膜である。

【００１２】３つの主要な雑音源が正味の信号体雑音比
に寄与する。それらは、前置増幅器雑音、検出器雑音、
そして熱的雑音である。前置増幅器雑音は検出器パラメ
ータから独立している。検出器雑音は検出器材料中の誘
電損失から得られる。熱的雑音は検出器温度のランダム
な変動から得られる。

【００１３】前置増幅器雑音を克服するために、高度な
熱分離を達成することのみならず、大きなｄＥ／ｄＴを
有する薄膜検出器材料を選択することも必要である。こ
こで、Ｅは電界、Ｔは温度であり、ｄＥ／ｄＴは検出器
材料に特徴的なパラメータである。好適な材料はチタン
酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）とそれの固溶体である。この
材料と関連材料の合金の膜が、バルクとしての特性を保
ちながら、本質的に１ミクロン以下の厚さに形成でき
た。

【００１４】

【実施例】図１と図２を参照すると、本発明に従うフォ
ーカルプレーン・アレイの一対の画素１の模式図が示さ
れている。アレイ全体ではマトリクスを構成するように
数多くの画素が含まれていることは理解されるであろ
う。画素１は、表面上にパッド（図示されていない）等
を有する集積回路３を含んでおり、それの製造工程は図
示された段階までは標準的なものである。優れた熱的絶
縁体であって、比較的小さい質量（厚さで、約１から１
００ミクロンの間、望ましくは約１０ミクロン）でその
ような熱的絶縁を提供できる材料、望ましくはシリケー
トエーロゲル層５が集積回路３の上に取り付けられ、そ
の上に形成されるはずの検出器アレイと集積回路との間
の熱的分離をもたらす。次に、エーロゲル層５中に通路
（ｖｉａｓ）７が形成されて、この通路中に、集積回路
３上のパッドあるいはその他の接続エリアへ延び、同じ
くエーロゲル層の上部へも延びる電気的に伝導性材料９
が形成される。次に、電極の形の電気的に伝導性の赤外
周波数反射層、望ましくはニッケル、クロム、あるいは
ニクロムの層１１が絶縁層５の上に形成される。この反
射層１１は、通路７中に取り付けられ集積回路３上の接
続エリアまたはパッドへ延びる電気的に伝導性の材料９
とつながる。

【００１５】次に、検出材料、望ましくはチタン酸ジル
コン酸鉛ランタンの層１３が反射層１１の上に形成さ
れ、半透明の電気的に伝導性の電極、望ましくはニッケ
ル、クロム、あるいはニクロムの薄い電極１５が検出層
の上に取り付けられる。各画素について、反射層１１は
図１に示されたように、２つのつながっていない部分１
１ａと１１ｂとに形成できる。これによって、電極１５
への接続の必要性がなくなる。電極１５は層１１ａと１
１ｂを互いに直列にコンデンサとして接続する等電位面
として働く。厚いバス１２（図２）は画素にバイアスを
与えるための共通電圧ラインである。画素の行当たりに
１本のそのようなバス１２がある。図２に示された長方
形１１ａと台形１１ｂは完全な一つの画素を構成する。
それらは赤外反射電極の裏面の形である。この形状は面
を効率的に埋めるように選ばれたものである。層１５は
接続されていない。層１１ｂから集積回路へ通路を介し
ての接続があるだけである。層１１ａは、画素をバイア
スするために必要とされる電圧を供給する共通の厚いバ
スライン１２へつながっている。画素１は、隣接する画
素間に電気的な分離と共に熱的な分離をも提供するエッ
チされた領域６によって互いに分離されている。

【００１６】図１と図２のアレイを形成するために、集
積回路チップ３は最初は標準的な方法で作製され、その
表面上に接続エリアあるいはパッドを備えた電子回路に
仕上げられる。次に、望ましくはシリケートゲル膜の超
臨界乾燥（ｈｙｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ｄｒｙｉｎ
ｇ）によって、チップ３の表面上にエーロゲル層５が形
成される。次に、標準的なプラズマ処理によって、集積
回路またはチップ３上の接続エリアへ延びる通路７が層
５中にエッチされる。次に、標準的なフォトリソグラフ
ィと薄膜金属化によって、チップ３上の接続エリアまた
はパッドへ延びまた通路の上端へ延びる導体９が通路の
中に形成される。次に、標準的なフォとリソグラフィお
よび薄膜金属化によって、エーロゲル５上に、接続され
ていない区分１１ａと１１ｂの形に導電性赤外周波数反
射層１１が形成され、区分１１ｂが導体９へつながれ
る。次に、ゾル・ゲルのスピンコートあるいはスプレ
ー、レーザアブレーション、スパッタリング、あるいは
有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）技術によって、反射層１
１の上に検出層１３が形成され、次に、セラミック層の
上に導電性の半透明層１５が形成される。ＰＺＴはプラ
ズマ技術、化学エッチング、あるいは光支援エッチング
によってパターン加工できる。

【００１７】本検出器の別の実施例（図示されていな
い）では、図１に示されたように互いに一つの要素とし
て接続されていた要素１１ａと１１ｂを、通路のみへつ
ながれた一体化した導体として電極１１が用いられる。
導体１５をバス１２へつなぐことができる。

【００１８】図３を参照すると、図１の要素１１ａと１
１ｂは狭い導電性の要素３１で置き換えられている。こ
の要素３１は紙面中へ向かって大きな面積を占めてい
る。また、図１の導体１５はＩＲ吸収特性を増大させる
ために選ばれた、例えば二酸化シリコンのような誘電体
層３３で置き換えられている。ＩＲ吸収を更に強化する
ために、誘電体層３３に上に光学的に半透明で導電性の
層（図示されていない）を形成することができる。こう
することによって、２つの導体要素３１によってコンデ
ンサが構成され、それはその要素の容量を定義すること
をフリンジ電界に依存している。

【００１９】先に列挙した望ましい特徴を備えた一体化
された装置として作製された、非冷却のフォーカルプレ
ーン・アレイおよび集積回路が得られることが理解され
よう。

【００２０】本発明はそれの特定の好適実施例に関して
説明してきたが、当業者には数多くに変形や修正が思い
つかれるであろう。従って、本発明の特許請求の範囲は
従来技術の観点でそれらの変形や修正をすべて包含する
ように可能な限り幅広く解釈されるべきである。

【００２１】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 （１） 一体化された感熱アレイおよび集積回路であっ
て：（ａ）半導体チップであって、そのなかに取り付け
られた電子回路を有し、その上に電気的接続エリアを有
する半導体チップ、（ｂ）前記半導体チップ上に取り付
けられた感熱アレイ、（ｃ）前記チップと前記アレイと
の間に延びる通路を含み、前記チップを前記アレイから
絶縁するエーロゲル、（ｄ）前記ビアに沿って延びて、
前記チップ上の接続エリアを前記アレイへつなぐ導電性
相互接続、を含む感熱アレイおよび集積回路。

【００２２】（２） 第１項記載の装置であって、前記
エーロゲルが酸化物材料を含んでいる装置。

【００２３】（３） 第１項記載の装置であって、前記
エーロゲルがガラスを含んでいる装置。

【００２４】（４） 第１項記載の装置であって、前記
エーロゲルがシリケートを含んでいる装置。

【００２５】（５） 第１項から第４項のうちの任意の
項記載の装置であって、前記エーロゲルが体積の約９０
％から約９９．８％が孔部分となっている装置。

【００２６】（６） 一体化されたフォーカルプレーン
・アレイおよび集積回路であって：（ａ）半導体チップ
であって、そのなかに取り付けられた電子回路を有し、
その上に電気的接続エリアを有する半導体チップ、
（ｂ）前記半導体チップ上に取り付けられたフォーカル
プレーン・アレイ、（ｃ）前記チップと前記アレイとの
間に延びるビアを含み、前記チップを前記アレイから絶
縁するエーロゲル、（ｄ）前記アレイが：（ｉ）前記エ
ーロゲルの上に取り付けられた第１の赤外周波数反射電
極、（ii) 前記反射電極の上に取り付けられたピロ電気
的、強誘電的あるいは検出用の層、(iii) 前記セラミッ
ク層の上に取り付けられた半透明の導電層、を含み、
（ｅ）前記チップ上の前記電気的接続エリアを前記反射
電極へつなぐ、前記ビアに沿って延びる電気的相互接
続、を含むフォーカルプレーン・アレイおよび集積回
路。

【００２７】（７） 第６項記載の装置であって、前記
ピロ電気的層が強誘電体材料を含んでいる装置。

【００２８】（８） 第７項記載の装置であって、前記
強誘電体材料がチタン酸ジルコン酸鉛およびそれの合金
を含む種類から選ばれたものである装置。

【００２９】（９） 第６項記載の装置であって、前記
エーロゲルが酸化物を含んでいる装置。

【００３０】（１０） 第６項記載の装置であって、前
記エーロゲルがガラスを含んでいる装置。

【００３１】（１１） 第６項記載の装置であって、前
記エーロゲルがシリケートを含んでいる装置。

【００３２】（１２） 第６項から第１１項のうちの任
意の項記載の装置であって、前記エーロゲルが体積の約
９０％から約９９．８％が孔部分となっている装置。

【００３３】（１３） 一体化されたフォーカルプレー
ン・アレイおよび集積回路であって：（ａ）半導体チッ
プであって、そのなかに取り付けられた電子回路を有
し、その上に電気的接続エリアを有する半導体チップ、
（ｂ）前記半導体チップ上に取り付けられたフォーカル
プレーン・アレイ、（ｃ）前記チップと前記アレイとの
間に延びるビアを含み、前記チップを前記アレイから絶
縁するエーロゲル、（ｄ）前記アレイが：（ｉ）前記エ
ーロゲルの上に取り付けられたセラミック層、（ii) 前
記セラミック層と前記エーロゲルの間に取り付けられた
一対の間隔を置いた導体、(iii) 前記セラミック層の上
に取り付けられた誘電体層、を含み、（ｅ）前記チップ
上の前記電気的接続エリアを前記間隔を置いた一対の導
体へつなぐ、前記ビアに沿って延びる電気的相互接続、
を含むフォーカルプレーン・アレイおよび集積回路。

【００３４】（１４） 第１３項記載の装置であって、
前記エーロゲルが酸化物を含んでいる装置。

【００３５】（１５） 第１３項記載の装置であって、
前記エーロゲルがガラスを含んでいる装置。

【００３６】（１６） 第１３項記載の装置であって、
前記エーロゲルがシリケートを含んでいる装置。

【００３７】（１７） 第１３項から第１６項のうちの
任意の項記載の装置であって、前記エーロゲルが体積の
約９０％から約９９．８％が孔部分となっている装置。

【００３８】（１８） 第１３項から第２８項のうちの
任意の項記載の装置であって、更に前記誘電体層の上に
取り付けられた半透明の導電性層を含む装置。

【００３９】（１９） コンデンサおよび熱的に駆動さ
れる電圧または電流源として働き、熱的に絶縁性のエー
ロゲル５の上に位置するピロ電気材料１３が、外部の導
電性要素への接続のための標準的な型のパッドまたは同
等要素を表面上に有する集積回路の上に取り付けられ
る。エーロゲルは、集積回路接続エリアを表面上に備え
た集積回路の表面上にあって、高度に熱的絶縁性に優
れ、また非常に小さい質量を有する材料である。好適な
エーロゲルは、約９０％から約９９．８％の部分の孔で
あって、しっかりしたフォームの形を形成してつながっ
たガラスの層である。この熱絶縁層中に、検出器と集積
回路との間の電気的相互接続のための通路７がエッチさ
れる。導電性の赤外周波数反射層１１の形のコンタクト
が画素当たりに２つの割合で、前記絶縁層上に取り付け
られる。一つのコンタクトは通路を介して集積回路へつ
ながれ、他方のコンタクトはバスへつながれるかあるい
はいくつかの画素で共用される別の通路へつながれる。
入射する赤外周波数放射の十分な量を下層の反射層へ通
過させることができる、十分薄いピロ電気的な検出材料
が電極の上と電極間に取り付けられる。検出器は強誘電
体が望ましく、チタン酸ジルコン酸鉛ランタンが望まし
い。最後に、望ましくはニッケルである最上部の半透明
の導電性金属層１５がピロ電気材料の上に取り付けられ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従うアレイの一部分の断面図。

【図２】図１のアレイの部分的に切り出した平面図。

【図３】本発明の第３の実施例の断面図。

【符号の説明】

１ 画素 ３ 集積回路 ５ エーロゲル ６ エッチされた領域 ７ 通路（ｖｉａｓ） ９ 導電性材料 １１ 赤外周波数反射層 １２ バス １３ 検出器材料 １５ 半透明導体電極 ３１ 導体要素 ３３ 誘電体層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チャールズ エム．ハンソン アメリカ合衆国テキサス州リチャードソ ン，ウィンドソング トレイル 1608

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一体化された感熱アレイおよび集積回路
   であって： （ａ） 半導体チップであって、そのなかに取り付けら
   れた電子回路を有し、その上に電気的接続エリアを有す
   る半導体チップ、 （ｂ） 前記半導体チップ上に取り付けられた感熱アレ
   イ、 （ｃ） 前記チップと前記アレイとの間に延びる通路を
   含み、前記チップを前記アレイから絶縁するエーロゲ
   ル、 （ｄ） 前記通路に沿って延びて、前記チップ上の接続
   エリアを前記アレイへつなぐ導電性相互接続、 を含む感熱アレイおよび集積回路。