JPH07324978A - 混成熱撮像システム用熱絶縁構造およびその製造方法 - Google Patents

混成熱撮像システム用熱絶縁構造およびその製造方法

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JPH07324978A
JPH07324978A JP7004469A JP446995A JPH07324978A JP H07324978 A JPH07324978 A JP H07324978A JP 7004469 A JP7004469 A JP 7004469A JP 446995 A JP446995 A JP 446995A JP H07324978 A JPH07324978 A JP H07324978A
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thermal
mesa
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array
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Robert A Owen
エイ．オーウェン ロバート
Charles M Hanson
エム．ハンソン チャールズ
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 従来の熱絶縁構造の欠点および問題を大幅に
低減し、熱絶縁の強化が図れる熱撮像システム用熱絶縁
構造およびその製造方法を提供する。 【構成】 メサ型構造５２をポリイミドで形成し、焦点
面アレイ３０を集積回路基板７０上に取り付ける。熱撮
像システム２０は、熱絶縁構造５０を集積回路基板７０
上に配置し、熱センサ４０の対応する焦点面アレイ３０
を電気的に接続し機械的に接合する。各メサ型構造５２
は、ポリイミド・メサ５４から成り、その上に補強層５
６と、メサ型構造５２の上面から隣接する接点パッドま
で達する金属導体５８で形成する。焦点面アレイ３０を
対応するメサ型構造５２のアレイに接合し、ポリイミド
・メサ５４を除去し、空間を形成する。得られたメサ型
構造５２は、各熱センサ４０のセンサ信号電極４４と、
集積回路基板７０上の対応する接点パッドとの間に、熱
的に絶縁された導電路を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、混成固体システム(hib
rid solid state system) 用熱絶縁構造に関し、特に熱
（赤外線）撮像システムおよびその製造方法に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】熱センサの一般的な用途の１つに、夜間
監視機器のような、熱（赤外線）撮像装置(thermal (in
frared) imaging device) がある。かかる熱撮像装置の
一種に、集積回路基板に結合された赤外線検出素子また
は熱センサのアレイを焦点面に配し、焦点面アレイと集
積回路基板との間に対応する接点パッド・アレイを備え
た装置がある。熱センサは、得られる熱画像の画像要素
（即ち画素）を規定する。
【０００３】熱センサの一種に、熱放射に応答して温度
変化に応じた電気分極状態(state of electrical polar
ization)を呈する強誘電材料で形成された、強誘電また
は熱電気素子(pyroelectric element)がある。強誘電素
子の一方側には、赤外線吸収部および共通電極が配置さ
れる。また、各強誘電素子の対向側にはセンサ信号電極
が配置される。赤外線吸収部および共通電極は、典型的
に、焦点面アレイの表面全体に延在し、強誘電素子の各
々に取り付けられている。各強誘電体素子は、典型的
に、それ自体の別個のセンサ信号電極を有する。各赤外
線検出素子即ち熱センサは、部分的に、コンデンサ板を
構成する赤外線吸収部および共通電極とそれぞれのセン
サ信号電極、およびコンデンサ板間に設けられる誘電体
または絶縁体を構成する強誘電素子によって構成されて
いる。
【０００４】熱応答を最高に速めると共に熱画像の精度
を高めるためには、好ましくは、焦点面アレイの各強誘
電素子を熱的に集積回路基板から絶縁し、各熱センサが
発生するセンサ信号が、入射する赤外線(infrared radi
ation)を高精度に表現できるようにする。熱絶縁構造
は、典型的に、焦点面アレイと集積回路基板との間に配
置され、機械的な接合(mechanical bonding)とセンサ信
号流の経路として作用すると共に、それぞれの熱センサ
から集積回路基板への熱拡散を最少に抑える。
【０００５】熱センサ・アレイとその下に位置する集積
回路基板との間に熱絶縁構造を設けるために、種々の方
法が用いられている。１つの方法が、ジェンナら(Jenne
r etal)の「熱撮像装置および熱撮像装置の製造方法」
と題された、アメリカ合衆国特許第４，６６３，５２９
号に開示されている。この特許では、チャンネルの正方
形格子が、熱センサ素子を構成する、対応する柱状物の
格子を形成する。各柱状物またはセンサは、導電層を被
覆された中央孔を含む。これら導電性孔は、その直径が
集積回路基板上に配置されている対応する電極バンプよ
りも小さくなるような寸法とされ、焦点面上の柱状物ア
レイが、対応する電極バンプ・アレイを有する集積回路
基板上に配置された時に、各熱センサの導電性孔が対応
する電極バンプ上に載り、電気的に接続されるようにな
っている。この構造の欠点は、導電性孔−柱状物アレイ
を対応する電極バンプ・アレイと合わせるには、厳しい
許容誤差(close tolerance) と正確な整合が要求される
ことである。この構造の他の欠点は、柱状物の構造的材
料としてフォトレジストが用いられるので、構造的に脆
く、溶剤による損傷を受け易いことである。
【０００６】他の方法が、マッコーマックら(McCormack
et al) の「強誘電撮像システム」と題され、本発明の
譲受人であるテキサス・インスツルメント・インコーポ
レーテッドに譲渡された、アメリカ合衆国特許第４，１
４３，２６９号に開示されている。この特許は、集積回
路基板を覆う熱絶縁層（ポリイミド）内に導電性バイア
が形成された熱センサ・アレイ用の熱絶縁構造を含む。
この構造では、バイアが熱絶縁層内に形成され、接点パ
ッドが集積回路基板上に露出されている。熱センサ用セ
ンサ信号電極は、対応する導電性バイアと接触すること
により、関連する接点パッドへの電気的接続が行われ
る。この構造の欠点は、ポリイミドが多く用いられてい
るので、全熱抵抗が比較的低いことである。加えて、こ
の構造は比較的多数のプロセス・ステップを必要とする
ので、コストの増大を招く。
【０００７】その他にも、ポリイミドで形成された熱絶
縁メサを有する熱絶縁構造を得る方法が、メイスナーら
(Meissner et al)の「熱撮像システム用ポリイミド熱絶
縁メサ」と題され、本発明の譲受人であるテキサス・イ
ンスツルメント・インコーポレーテッドに譲渡された、
アメリカ合衆国特許第５，０４７，６４４号に示されて
いる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、固体
システムの構成物の構造を機械的および／または電気的
に結合するために用いられる、従来の熱絶縁構造に関連
する欠点および問題を、大幅に低減或いは除去すること
である。本発明は、焦点面アレイと集積回路基板との間
に形成された熱絶縁用空間をメサ型構造のアレイに備え
ることによって熱絶縁が強化され、焦点面アレイが共に
用いられる集積回路基板に機械的および電気的に結合さ
れた、熱（赤外線）撮像システムのような混成装置の製
造を可能にする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、混成固体シス
テムの機械的および／または電気的に結合された構成物
の構造間において、前記構成物の構造を接合する間に用
いるために比較的堅固なメサ型構造を設け、接合処理に
続いて前記メサ型構造に熱的に絶縁された空間を設ける
ことによって、熱絶縁を改善する。前記メサ型構造は、
前記混成システムの構成物構造の１つの上に形成され、
そこから突出した構造とするができる。
【００１０】本発明の重要な技術的利点は、各熱センサ
とその下に位置する集積回路基板との間に選択された空
間を有する、接合およびセンサ信号インターフェースに
よって、熱絶縁を改善することである。熱絶縁を強化す
ることにより、各熱センサと関連付けられた強誘電素子
の厚さを薄くし、しかも入射する赤外線に応じた比較的
高い温度変化を強誘電素子内で維持することが可能とな
る。用途によっては、熱センサと集積回路基板との間に
所望量の熱絶縁を維持しながら、熱絶縁構造の厚さも薄
くすることができる。本発明を組み込んだ熱絶縁構造
は、各熱センサと関連する信号対ノイズ比を改善すると
共に、熱撮像システム全体の性能自体を改善することが
でき、しかも同時に、各熱センサと関連付けられた強誘
電素子の厚さを薄くすることができる。また、本発明を
組み込んだ熱絶縁構造は、比較的少ないプロセス・ステ
ップで製造することができる。
【００１１】本発明の一態様では、前記熱絶縁構造は、
熱センサ・アレイを集積回路基板に結合するために、熱
撮像システムに用いられる。前記集積回路基板は、各熱
センサと集積回路基板との間に形成されたメサ型支持構
造に隣接して、その表面上に、対応する接点パッドのア
レイを有する。各々選択されたポリイミド材料で形成さ
れたメサ型構造のアレイは、最初に、接点パッド・アレ
イに隣接する集積回路基板表面から突出している。各メ
サ型構造は、各メサの上面から関連する接点パッドまで
の信号経路となるメサ導体を含む。焦点面アレイは、各
メサ型構造と接するように、集積回路基板上に配置さ
れ、各熱センサでは、センサ信号出力が各メサ導体を通
じて、関連する接点パッドに結合されるようになってい
る。熱センサをそれぞれのメサ型構造と接合した後、メ
サ型構造の一部を化学エッチングで除去し、熱絶縁を強
化するために所望の空間を設けることもできる。
【００１２】本発明の他の態様によれば、熱撮像システ
ム用の前記熱絶縁メサ型構造は、まずポリイミド材で作
られ、二酸化シリコンのシェルが形成される。別の形状
では、回路基板の各接点パッドに隣接して、傾斜した側
壁または垂直な側壁が形成されたポリイミド・メサ構造
とし、メサの上面から一方の側壁の下にわたって形成さ
れ隣接する集積回路接点パッドに達する、メサ帯状導体
によって、メサ−基板信号経路を設けることもできる。
これらの形状のいずれでも、熱センサが集積回路基板と
機械的および電気的に接合された後に、メサ型構造のポ
リイミド部分をエッチング技術によって除去して空間を
形成し、熱エネルギの転移に対して高い抵抗を備えるこ
とができる。
【００１３】本発明の熱撮像システムは、赤外線吸収部
および共通電極と、別個のセンサ信号電極とを備えた、
強誘電熱センサ・アレイを焦点面に備えている。好まし
くは、前記焦点面アレイは、回路基板にバンプ接合によ
って結合され、バンプ接合用導電性材料（バンプ接合用
金属のような）が各メサ型構造および／または各センサ
信号電極の上面上に設けられる。メサ型構造に所望の空
間を形成する選択エッチング技術に用いるために、前記
赤外線吸収部および共通電極に複数の開口を形成するこ
ともできる。
【００１４】前記メサ構造のポリイミド部分は、フォト
リソグラフィ技術と、感光性または非感光性ポリイミド
のいずれかを用いて製造することができる。製造方法の
１つでは、感光性ポリイミドを用い、フォトレジスト上
のポリイミド層をパターニングし、次に前記ポリイミド
を現像して露出されなかった部分を除去し、所望の形状
およびアレイを有するメサ構造のポリイミド部分を残
す。硬化処理の後、標準的なフォトリソグラフィ技術を
用いて、二酸化シリコンのような適切な材料の薄層を、
ポリイミド・メサの外面に形成してもよい。前記焦点面
アレイと集積回路基板との間の接合処理を完了した後、
メサ型構造の残りのポリイミド部分を、選択エッチング
技術を用いて、除去することができる。
【００１５】本発明のメサ型構造の他の重要な技術的利
点には、ポリイミド（または他のポリマ）材料で最初に
メサ型構造を形成し、接合処理中機械的支持を与えるこ
とが含まれる。前記ポリイミド材料は、溶剤に対して耐
性があることが好ましい。熱絶縁メサ型構造を用いるこ
とによって、メサおよび信号経路形状の設計に柔軟性が
得られる。
【００１６】
【実施例】本発明の好適実施例およびその利点は、図１
〜図７を参照することによって、最もよく理解すること
ができよう。図面では、同様な番号は同様なおよび対応
する部分に用いられている。
【００１７】赤外線検出器または熱撮像システムは、典
型的に、熱センサに当たる入射赤外線によって生じる熱
変化による電圧変化の発生、或いは熱センサを形成する
のに用いられる物質内における光子−電子相互作用によ
る電圧変化の発生のいずれかに基づいている。後者の効
果は、時として、内部光電効果とも呼ばれている。熱撮
像システム２０および１２０は、入射赤外線によって生
じる強誘電材料の温度変化による電圧変化の発生に基づ
いて機能するものであるが、その詳細については後述す
る。
【００１８】本発明の一実施例を、赤外線検出器または
熱撮像システム２０に関連付けて示す。熱撮像システム
２０を構成する主要構成物即ち構造には、焦点面アレイ
３０、熱絶縁構造５０、および集積回路基板７０が含ま
れる。焦点面アレイ３０は、複数の熱センサ４０を含
む。熱センサの量および形状は、焦点面アレイの所望の
寸法（Ｎ Ｘ Ｍ）によって異なる。熱撮像システム２
０の種々の構成物は、真空環境にある筺体（図示せず）
に収容することが好ましい。熱絶縁構造５０によって設
けられる空間６０は、真空環境に熱絶縁を設けることに
関して、特に影響を受ける。
【００１９】熱絶縁構造５０は、焦点面アレイ３０を集
積回路基板７０に接合する間、機械的に支持するために
用いられ、焦点面アレイ３０を集積回路基板７０から熱
的に絶縁すると共に、焦点面アレイ３０と集積回路基板
７０との間のセンサ信号インターフェースがここに形成
される。センサ信号インターフェースにより、集積回路
基板７０は、焦点面アレイによって検出された入射赤外
線を基に、熱画像の処理を行うことができる。本発明の
熱絶縁構造５０は、混成固体システムに容易に適応可能
であり、混成固体システムは強化された熱絶縁による恩
恵を受けることができる。
【００２０】本発明は、多種多様の半導体材料および集
積回路基板に良好に用いることができる。「強誘電体撮
像システム」と題されたアメリカ合衆国特許第４，１４
３，２６９号は、強誘電材料とシリコン・スイッチング
・マトリクスまたは集積回路基板によって製造された赤
外線検出器に関する情報を提供する。アメリカ合衆国特
許第４，１４３，２６９号は、あらゆる目的のために、
本願に含まれるものとする。
【００２１】図１〜図５に示すように、熱撮像システム
２０は、焦点面アレイ３０に当たる入射赤外線に応答し
て熱画像を生成する。焦点面アレイ３０の主要構成物に
は、赤外線吸収部および共通電極構造物３２と、複数の
熱センサ４０とが含まれる。更に、各熱センサ４０は、
強誘電素子４２と、各強誘電素子４２と関連付けられた
センサ信号電極４４とから成る。各強誘電素子４２の一
方側は、赤外線吸収部および共通電極構造体３２に取り
付けられている。各センサ信号電極４４は、それに関連
付けられた強誘電素子４４の対向側に取り付けられてい
る。
【００２２】入射赤外線は、強誘電素子４２に熱変化を
誘発し、各強誘電素子４２の電気分極を変化させる。各
センサ信号電極４４に現れる熱画像を表わす信号は、関
連付けられた強誘電素子４２の分極とキャパシタンスと
によって変化し、一方分極とキャパシタンスは入射赤外
線の関数である。焦点面アレイ３０内の各熱センサ４０
からの熱画像信号は、熱絶縁構造５０によって設けられ
た各メサ型構造５２を通じて、別個に集積回路基板７０
に結合される。好ましくは、各熱センサ４０は、集積回
路基板７０上の対応する接点パッド７２に、それと関連
付けられたメサ型構造５２を通じて電気的に接続され
る。
【００２３】混成固体システムに用いられる熱絶縁構造
は、多くの場合、電気信号伝導要素と熱絶縁要素の、２
つの要素から成る。この熱絶縁構造の一般的な構成は、
２本の並列熱電流経路(thermal current path)を有する
熱回路によって表わすことができる。前記２本の並列熱
電流経路の内、一方は低熱抵抗の電気信号導体によるも
のであり、他方は高熱抵抗熱絶縁要素によるものであ
る。設計目標の１つは、全熱電流の流れを最少に抑える
ことによって、各熱センサ４０のそれぞれの強誘電素子
４２の熱応答を最大に速めることである。
【００２４】図１に示すように、熱絶縁構造５０は、セ
ンサ信号電極４４およびそれと関連付けられた接点パッ
ド７２の間に接続された熱回路５１として表わされる。
熱電流ｉT は、熱絶縁構造５０に対応する熱回路５１の
２本の並列熱電流経路を通過する。即ち、導体成分ｉC
は、熱抵抗５９を有するメサ帯状導体(mesa strip cond
uctor)５８を通過し、メサ成分ｉM は熱抵抗５７で表わ
されるメサ・シェル５６と空間６０とを通過する。メサ
・シェル５６は、時として、薄膜シェル５６または補強
膜層５６と呼ばれることもある。設計の目標は、熱絶縁
構造５０によって表わされる全熱抵抗を最大に高めるこ
とによって、全熱電流ｉT ＝ｉC ＋ｉMを最少に抑える
ことである。
【００２５】ある物質を流れる熱電流は、当該物質の熱
伝導率と体積（熱容量）とに依存する。メサ型構造５２
について言えば、メサ・シェル５６と空間６０の熱伝導
率は非常に低い（即ち、熱抵抗が非常に高い）。典型的
に、各メサ型構造５２のサイズは、主として、構造およ
び熱容量上の理由によって決定される(dictate) ので、
各メサ型構造５２を通る熱電流のメサ成分ｉM は、典型
的に、各メサ型構造５２の許容し得る最少サイズを決定
する構造的要件によって主に決定される。
【００２６】センサ信号流路を構成するメサ帯状導体５
８は、比較的低い熱抵抗、即ち比較的高い熱伝導性を有
することは避け難い。したがって、メサ帯状導体５８に
よって与えられる全熱抵抗を増大させると共に、対応す
る熱電流導体成分ｉC を最少にするためには、メサ帯状
導体５８は、できるだけ小さな断面積対長さ比を有する
ような形状とすべきである。
【００２７】推薦される設計方法は、最初に熱絶縁構造
５０に対する構造的なセンサ信号流路および熱絶縁要件
を特定し、これによってその全体的領域および体積を決
定するというものである。次に、 メサ型構造５２の形
状(configuration) を選択し、関連する熱抵抗を対応す
る熱電流のメサ成分ｉm と共に決定する。一旦この熱電
流成分が決定されれば、熱撮像システム２０の熱絶縁要
件を満たす全熱抵抗が得られるように、メサ帯状導体５
８およびメサ・シェル５６の形状を選択することができ
る。
【００２８】典型的に、設計の選択は、メサ・シェル５
６、空間６０およびメサ帯状導体５８を変形し、所望の
構造的統合、センサ信号流路、および熱絶縁を形成する
という、プロセスの繰り返しである。空間６０の存在に
よって、しばしば、熱絶縁構造５０の全体的な厚さを、
空間６０のない中実状メサを有する構造よりも、薄くす
ることができる。また、熱絶縁構造５０によって、強誘
電素子４２の厚さを薄くすることもでき、このため、製
造コストを低減し、同時に信号対ノイズ比を維持または
改善すると共に、得られる熱センサに伴うＭＴＦ損失を
低減する。
【００２９】図４に示すように、熱的撮像システム２０
は、別個の熱センサまたは赤外線検出素子４０から成る
焦点面アレイ３０と、これに対応する信号接点パッド７
２のアレイを含む集積回路基板７０とを備えている。熱
絶縁構造５０は、集積回路基板７０上の各接点パッド７
２に隣接して形成された、メサ型構造５２のアレイを含
む。熱絶縁構造５０は、焦点面アレイ３０の集積回路基
板７０との接合中の機械的支持、各熱センサ４０とそれ
と関連付けられた接点パッド７２との間でのセンサ信号
接続、および焦点面アレイ３０と集積回路基板７０との
間の熱絶縁として作用する。
【００３０】各熱センサ４０は、ＢＳＴ（チタン酸−バ
リウム−ストロンチウム）のような、適切な強誘電材料
で形成された強誘電素子４２を含む。赤外線吸収部およ
び共通電極構造体３２とセンサ信号電極４４が、強誘電
素子４２の対向する表面上に配置される。赤外線吸収部
および共通電極構造体３２は、赤外線吸収層、即ち、赤
外線吸収材で形成された光学被覆層３４と金属電極、即
ち、反射板３６とから成る。金属電極３６はいくつかの
重要な作用を行う。それには、各強誘電素子４２の一方
側に電圧を供給すること、および入射赤外線を反射し光
学被覆層３４との相互作用を高めることが含まれる。好
ましくは、関連するメサ型構造５２にバンプ接合部６４
を設けるための金属バンプ接合材を、各センサ信号電極
４４に取り付ける。
【００３１】各熱センサ４０に対して、強誘電素子４
２、赤外線吸収および共通電極構造体３２、ならびにそ
れぞれのセンサ信号電極４４が、強誘電変換器を構成す
る。即ち、赤外線吸収部および共通電極構造体３２、な
らびにそれぞれのセンサ信号電極４４がコンデンサ板を
形成し、一方強誘電材料４２が誘電体として作用する。
結果的に得られるコンデンサは、温度依存性があり、強
誘電（または熱電気）変換機能を備えたものとなる。
【００３２】各熱センサ４０では、焦点面アレイ３０に
入射する熱（赤外線）放射は、赤外線吸収部３４によっ
て吸収され、金属電極３６を介して隣接する強誘電素子
４２に熱を伝達する。強誘電素子４２に結果的に生じる
温度変化によって、電気分極の状態変化およびキャパシ
タンス変化が起こる。センサ信号電極４４から得られる
対応するセンサ信号出力は、それぞれの強誘電変換器
（即ち、熱センサ４０）の温度依存性分極およびキャパ
シタンスによって変化する。
【００３３】集積回路基板７０は、従来のスイッチング
・マトリクスと、共に用いられる一連の増幅器とから成
る。集積回路基板７０は焦点面アレイ３０に接合され、
各接点パッドは、対応する熱センサ４０の関連付けられ
たセンサ信号電極４４に電気的に接続される。熱絶縁構
造５０は、集積回路基板７０が熱センサ４０の強誘電素
子４２に蓄積される熱エネルギに対してヒート・シンク
として作用し、関連するセンサ信号の精度に悪影響を及
ぼすのを防止する。
【００３４】各ポリイミド・メサ５４は、関連する接点
パッド７２に隣接して形成される。メサ帯状導体５８
は、各メサ型構造５２の上面と隣接する接点パッド７２
との間の信号経路となる。メサ帯状導体５８に推薦され
る材料には、熱伝導率が比較的低く応用が容易であると
いう理由のために、チタンおよびタングステン合金が含
まれる。
【００３５】バンプ接合金属６２は、各メサ型構造５２
の上面、即ち、メサ帯状導体５８の上面部に形成される
のが好ましい。バンプ接合金属６２は、センサ信号電極
４４上のバンプ接合金属（図示せず）と一致するように
選択される。従来のバンプ接合手順を用いても、各熱セ
ンサ素子４０の信号センサ電極４４と対応するメサ型構
造５２のメサ帯状導体５８との間に良好な導電性帯６４
を設けることができ、各熱センサ４０と関連する接点パ
ッド７２との間に良好なセンサ信号接続が結果的に得ら
れる。
【００３６】これまでインジウム・バンプ接合技術が良
好に用いられて、焦点面アレイ３０と熱絶縁構造５０と
の間に金属接合６４が形成されてきた。ポリイミド・メ
サ５４および関連するメサ帯状導体５８の形状は、設計
上の選択事項であり、熱絶縁および構造的剛度上の理由
に大きく依存する。代わりに、側壁が傾斜したメサ（後
述する）や、側壁が垂直なメサのような形状がメサ５４
に用いてもよい。側壁が傾斜したメサ５４には、メサ帯
状形状が導体５８に推奨され、垂直側壁メサには、アメ
リカ合衆国特許第５，０４７，６４４号に示されるよう
なメサ−輪郭形状の方が導体５８には適している。これ
らの形状は単なる例示であり、メサ型構造５２やメサ帯
状導体５８の他の形状も当業者には明白であろう。特
に、メサ型構造５２は水平および垂直断面が対称的に示
されているが、かかる対称性は必ずしも必要ではない。
【００３７】本発明の熱絶縁構造５０は、一般的な熱撮
像システムに容易に適合可能であり、熱センサの焦点面
アレイと関連する集積回路基板との間に、熱絶縁接合お
よびセンサ信号インターフェースを設けることができ
る。更に、本発明のメサ型構造５２は、種々の混成固体
システムに、広範な応用可能性を有する。
【００３８】図２および図３は、本発明による熱絶縁構
造５０の一部を構成する、メサ型構造５２の拡大正面図
と断面図である。本発明のメサ型構造は、一例として、
熱撮像システム２０用熱絶縁構造５０を含むものであ
り、従来のフォトリソグラフィ技術を用いて製造され
る。ここでは、感光性ポリイミドを用いる製造方法につ
いて述べるが、用途によっては、非感光性ポリイミドを
用いることもある。感光性ポリイミドを用いる製造は、
一般的にプロセス・ステップが少ないので、推奨され
る。
【００３９】最初のステップは、集積回路基板７０を回
転させポリイミドを均一な厚さに基板上に流すことによ
って、基板７０上にポリイミド（感光性または非感光
性）を塗布することである。感光性ポリイミドを用いる
推奨製造方法では、次に、ポリイミド層のパターニング
を行うマスクを用いて、ポリイミドを露出する。適切な
溶剤を用いて、露出後のポリイミドを現像し、露出され
なかったポリイミドを除去し、ポリイミド・メサ５４
（各々、集積回路基板７０上の各接点パッド７２に隣接
する）のパターニングされたアレイを残す。適切な露出
および現像技術によって、所望の側壁形状を決定するこ
とができる。この構造体を次に適切な熱硬化処理で硬化
し、ポリイミド・メサ５４の所望のアレイを安定化させ
硬化させる。メサ５４は、ポリイミドの他にも、他の適
した材料で形成してもよい。
【００４０】従来のフォトリソグラフィ技術を用いて、
二酸化シリコンまたはその他の適した材料による層をメ
サ５４上に配する。次に、従来の有機エッチング化学薬
品を用いて二酸化シリコン層を除去し、１０００ないし
２０００オングストロームの厚さを有し、各ポリイミド
・メサ５４の少なくとも一部にわたって広がる、二酸化
シリコン材の薄いシェル５６を形成する。シェル５６の
主な機能は、関連するメサ帯状導体５８に対する補強と
なり、メサ帯状導体の物理的な寸法を最少化することに
より、関連する熱電流（ｉC ）を減少させることであ
る。図１を参照されたい。図２〜図５に示す形状以外に
も、ポリイミド・メサ５４および薄層シェル５６には種
々の形状を用いることができる。
【００４１】一旦ポリイミド・メサ５４および関連する
薄層シェル５６のアレイが形成されたなら、従来のフォ
トリソグラフィ技術を用いて、各シェル５６の外面上
に、選択されたメサ帯状導体５８を形成する。メサ帯状
導体５８は、エッチング処理またはパターニングされた
フォトレジストを用いたリフト処理(lift process)のい
ずれかによって形成することができる。メサ帯状導体５
８は、それぞれのメサ型構造５２の上面から隣接する接
点パッド７２まで達するように、各シェル５６の外面上
に形成される。
【００４２】所望であれば、追加製造ステップを用い
て、バンプ接合金属６２または導電性エポキシ（図示せ
ず）を、メサ型構造５２の上面に付着することもでき
る。これまで、かかる追加製造ステップは従来の材料を
用いて行われていたが、材料の選択は本発明の熱絶縁構
造５０の具体的な用途によって異なる。
【００４３】メサ帯状導体５８を形成するために用いら
れる金属層の厚さは、先に述べたように、選択される導
体形状に対応する所定の厚さの導体を設けるように、そ
して選択された導体の熱抵抗が得られるように選択され
る。
【００４４】好ましくは、赤外線吸収部および共通導体
構造体３２に、赤外線吸収層３４と反射板３６の双方を
貫通する、複数の開口または細長スロット３８を形成す
る。図４および図５に示す本発明の実施例では、開口３
８は「エッチング・アクセス・ポート」とも呼ばれる。
【００４５】赤外線吸収部および共通電極構造体３２の
開口３８は、本発明の重要な要素である。焦点面アレイ
３０を集積回路基板７０に接合するには、バンプ接合ま
たは他の従来技術を用いて、焦点面アレイ３０を熱絶縁
構造５０上に取り付ければよい。この接合処理中、ポリ
イミド・メサ５４は、図４に示すように、選択された接
合処理に必要な機械的支持を与える。
【００４６】焦点面アレイ３０の集積回路基板７０との
接合に続いて、種々の技術を用いて、ポリイミド・メサ
を除去し、そして各薄層シェル５６内に空間を形成す
る。赤外線吸収部および共通電極構造体３２の開口３８
によって、種々の等方性エッチングが可能となり、ポリ
イミド・メサ５４を除去して、その結果空間６０を形成
する。用途によっては、ポリイミド・メサ５４を除去す
るには、プラズマ・エッチングの方が好ましい技術であ
る場合もある。他の用途には、種々のウエット・エッチ
ング技術が良好に用いられることもある。メサ５４を形
成するのに用いられる材料の種類に応じて、他のフォト
リソグラフィ技術を選択して空間６０を形成することも
できる。ポリイミド・メサ５４を除去して空間６０を形
成することにより、メサ型構造５２の熱抵抗を大幅に増
加させると共に、関連する熱電流ｉ M を減少させる。図
１を参照されたい。
【００４７】本発明によるメサ型構造５２の正確な構造
的形状および関連する製造方法は、結果的に得られる熱
絶縁構造５０がどのような用途に選択されるかに、大き
く依存する。例示した熱撮像システム２０および１２０
のような特定の用途においてでさえ、種々の設計の選択
は当業者によって日常的に行われるであろう。
【００４８】図６および図７は、本発明の別の実施例を
示すもので、熱撮像システム１２０は、焦点面アレイ１
３０と、熱絶縁構造１５０と、集積回路基板１７０とか
ら成る。熱撮像システム２０について先に注記したよう
に、熱撮像システム１２０の種々の構成物は、真空環境
で動作させることが好ましい。
【００４９】焦点面アレイ１３０は、複数の熱センサ１
４０から成る。熱撮像システム２０の赤外線吸収部およ
び共通電極構造体３２は、複数の別個の赤外線吸収部お
よび反射板構造体１３２で置き換えられている。
【００５０】焦点面アレイ１３０に別個の赤外線吸収部
および反射板構造体１３２を形成することによって、隣
接する熱センサ間の熱伝導は更に減少し、熱撮像システ
ム１２０のＭＴＦが改善される。熱絶縁構造１５０は、
各熱センサ１４０に２つの電気接点１５８および１６８
を設けるように変更されている。
【００５１】各赤外線吸収部および反射板構造体１３２
は、光学被覆層１３４と反射板１３６とから成る。複数
のスロット１３８が、各赤外線吸収部および反射板構造
体１３２の外周に形成され、各構造体１３２を隣接する
構造体から分離する。赤外線吸収部および反射板構造体
１３２は互いに接続されていないので、熱撮像システム
２０において用いられたように、バイアス電圧（ＶB ）
を共通電極３６を介して強誘電素子１４２に印加するこ
とができない。熱撮像システム１２０に示される本発明
の実施例では、反射板１３６が設けられて、光学被覆層
１３４を支持すると共に、入射赤外線を反射し光学被覆
層１３４との相互作用を高めるようにしている。反射板
１３６は、強誘電素子１４２によって表わされる強誘電
変換器に、バイアス電圧（ＶB ）を供給するためには用
いられない。
【００５２】各熱温度センサ１４０と関連付けられた強
誘電変換器またはコンデンサは、部分的に、バイアス電
圧電極１４５、強誘電素子１４２、および信号センサ電
極１４４によって構成されている。バイアス電圧電極１
４５および信号センサ電極１４４は、強誘電素子１４２
の同一側に配置されるが、互いに分離されている。した
がって、強誘電素子１４２は、電極１４４および１４５
に対して、誘電体として機能する。
【００５３】集積回路基板７０は、２つの電気接点パッ
ド１７２および１７４を備えている。１対のメサ帯状導
体１５８および１６８が、各メサ型構造１５２に備えら
れている。メサ帯状導体１６８は、接点１７４からのバ
イアス電圧（ＶB ）を供給し、強誘電素子１４２と電極
１４４および１４５とをコンデンサとして機能させる。
【００５４】メサ型構造１５２と空間１６０とから成る
熱絶縁構造１５０は、熱絶縁構造５０と同様に形成され
る。スロット１３８は、所望のフォトリソグラフィ技術
を用いて空間１６０を形成できるようにするための、メ
サ型構造１５２への侵入口となる。本実施例と先の実施
例との主な相違の１つに、バイアス電圧を電極１４５に
供給するための第２のメサ帯状導体１６８、およびメサ
型構造１５２の上面上のバンプ接合金属１７２と結合さ
れた、電極１４５上のバンプ接合金属１４７を用いるこ
とがあげられる。
【００５５】本発明を具体的な好適実施例に関して記載
したが、種々の変化変様が当業者には想起されよう。し
たがって、本発明は特許請求の範囲に該当するかかる変
化変様も包含することを意図するものである。
【００５６】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 （１）焦点面アレイと集積回路基板とを含む赤外線検出
器であって、前記焦点面を貫通する複数の開口と、前記
焦点面に入射する熱放射量を表わすセンサ信号出力を発
生する複数の熱センサと、前記集積回路基板上に配置さ
れ、前記それぞれの熱センサからのセンサ信号出力を受
ける、信号接点パッドのアレイと、各々空間を有する複
数のメサ型構造によって形成された熱絶縁構造であっ
て、前記メサ型構造は、各信号接点パッドに隣接する前
記集積回路基板から突出し、前記焦点面アレイを前記集
積回路基板上に取り付けるための前記熱絶縁構造と、か
ら成る赤外線検出器。 （２）前記焦点面アレイは、更に、各熱センサが赤外線
吸収部および共通電極構造体に結合され、前記複数の開
口は、前記熱センサに沿って(intermediate)前記赤外線
吸収部および共通電極構造体を貫通する、第１項記載の
検出器。 （３）前記焦点面アレイは、更に、反射材料層上に配置
され、赤外線に感応する光学被覆層を有する、赤外線吸
収部および共通電極構造体を含み、各熱センサは、強誘
電素子と、各強誘電素子の一方側に結合された共通電極
と、前記各強誘電素子の対向側と結合された信号センサ
電極とを有し、前記複数の開口は、各熱センサの強誘電
素子に沿って光学被覆層と反射材料層を貫通する、第１
項記載の検出器。
【００５７】（４）各メサ型構造は、更に、各メサ型構
造と関連付けられた空間を部分的に規定する補強膜層
と、前記補強膜層外面の一部上に配置されたメサ帯状導
体と、を含む、第１項記載の検出器。 （５）前記熱センサ・アレイは、更に、複数の強誘電熱
センサを含み、該強誘電熱センサの各々は、各強誘電熱
センサの一方側に配置された各赤外線吸収部および反射
板構造体と、各強誘電熱センサの対向側に配置されたセ
ンサ信号電極とに結合され、各赤外線吸収部および反射
板構造体は、隣接する赤外線吸収部および反射板構造体
から分離されている、第１項記載の検出器。 （６）各熱センサは、更に、反射材料層上に配置され、
赤外線に感応する光学被覆層を有する、赤外線吸収部お
よび反射板構造体と、強誘電素子であって、その一方側
において各赤外線吸収および反射板構造体と結合され、
対向側においてセンサ信号電極と結合された、前記強誘
電体要素と、前記強誘電素子の対向側と結合され、前記
センサ信号電極からは離間されている、バイアス電圧電
極と、を含み、各赤外線吸収部および反射板構造体は、
隣接する赤外線吸収部および反射板構造体から分離され
ている、第１項記載の検出器。
【００５８】（７）熱絶縁メサ型構造のアレイを含む焦
点面アレイであって、入射する熱放射を検出し、各々に
入射する熱放射量を表わすセンサ信号出力を発生する熱
センサのアレイと、実質的に平坦な表面上に配置され、
前記それぞれの熱センサからのセンサ信号出力を受け
る、信号接点パッドのアレイを有する集積回路基板と、
空間を有し、前記集積回路基板の実質的に平坦な表面か
ら突出し、少なくとも１つが各信号接点パッドに隣接し
て配置された、メサ型構造のアレイと、各熱センサと対
応する信号接点パッドとの間の信号経路を設けるための
メサ導体と、から成り、各メサ導体は、それ自体のメサ
型構造の上面から、対応する信号接点パッドを有する集
積回路基板に隣接する領域に達し、前記熱センサ・アレ
イは、前記熱絶縁メサ型構造のアレイと接触状態で、前
記集積回路基板上に配置され、各熱センサでは、前記セ
ンサ信号出力が各メサ導体を通じて、対応する信号接点
パッドに結合されるようにした、焦点面アレイ。 （８）前記熱センサ・アレイは、更に、赤外線吸収部お
よび共通電極構造体と結合された、別個の熱センサのア
レイと、前記熱センサに沿って、前記赤外線吸収部およ
び共通電極構造体を貫通する複数の開口と、を含む、第
７項記載の焦点面アレイ。 （９）前記熱センサ・アレイは、更に、反射材料層上に
配置され、赤外線に感応する光学被覆層を有する、赤外
線吸収部および共通電極構造体と、各熱センサの強誘電
素子に沿って前記光学被覆層と前記反射材料層とを貫通
する、複数の開口とを含み、各熱センサは強誘電素子を
有し、前記各強誘電素子の一方側には前記赤外線吸収部
および共通電極構造体が結合され、前記各強誘電素子の
対向側には信号センサ電極が結合されている、第７項記
載の焦点面アレイ。
【００５９】（１０）前記メサ型構造は、更に、各メサ
型構造と関連付けられた空間を部分的に規定する薄いシ
ェルを含み、前記関連するメサ導体は、各シェルの外面
の一部上に配置されている、第７項記載の焦点面アレ
イ。 （１１）前記熱センサ・アレイは、更に、複数の強誘電
熱センサを含み、強誘電熱センサの各々は、各強誘電熱
センサの一方側に配置された各赤外線吸収部および反射
板構造体と、各強誘電熱センサの対向側に配置されたセ
ンサ信号電極とに結合され、各赤外線吸収部および反射
板構造体は、隣接する赤外線吸収部および反射板構造体
から分離されている、第７項記載の焦点面アレイ。 （１２）前記熱センサ・アレイは、更に、反射材料層上
に配置され、赤外線に感応する光学被覆層を有する、赤
外線吸収部および反射板構造体と、前記強誘電素子の対
向側と結合され、前記センサ信号電極からは離間されて
いる、バイアス電圧電極と、を含み、各熱センサは強誘
電素子を有し、各強誘電素子の一方側には前記赤外線吸
収部および共通電極構造体が結合され、前記各強誘電素
子の対向側には信号センサ電極が結合されており、各赤
外線吸収部および反射板構造体は、隣接する赤外線吸収
部および反射板構造体から分離されている、第１項記載
の検出器。
【００６０】（１３）集積回路基板上に焦点面アレイが
取り付けられ、熱絶縁構造がそれらの間に配された熱撮
像システムの製造方法であって、前記焦点面アレイに入
射する熱放射を表わすセンサ信号出力を発生する、複数
の熱センサによって、前記焦点面アレイを形成するステ
ップと、前記それぞれの熱センサからのセンサ信号出力
を受ける、信号接点パッドのアレイを、集積回路基板に
設けるステップと、各信号接点パッドに隣接した前記集
積回路基板から突出し、前記熱絶縁構造の一部をなす、
複数のメサ型構造を形成するステップと、前記焦点面ア
レイを前記熱絶縁構造上に取り付けるステップと、各メ
サ型構造内に空間を形成するステップと、から成る方
法。 （１４）更に、前記それぞれの熱センサに沿って、前記
焦点面アレイを貫通する、複数の長手方向開口を形成す
るステップを含む、第１３項記載の前記システムの製造
方法。 （１５）更に、各熱センサに沿って、前記焦点面アレイ
内に複数の長手方向開口を形成するステップと、部分的
にポリイミド材料で前記メサ型構造を形成するステップ
と、前記メサ型構造上に前記焦点面アレイを取り付ける
ステップと、各メサ型構造内の前記ポリイミド材料を除
去し、前記空間を形成するステップと、を含む、第１３
項記載の前記システムの製造方法。
【００６１】（１６）更に、各メサ型構造の一部とし
て、補強材料層を形成するステップと、各補強材料層の
外面上に、メサ帯状導体を形成するステップと、各メサ
型構造の上面の各メサ帯状導体の一部に、バンプ接合材
料を配置し、前記それぞれの熱センサとのセンサ信号流
路を形成するステップと、を含む、第１３項記載の前記
システムの製造方法。 （１７）更に、前記焦点面アレイに、赤外線吸収部およ
び共通電極構造体を形成するステップと、各熱センサと
関連付けられた強誘電素子の一方側を、前記赤外線吸収
および共通電極構造体に結合するステップと、前記強誘
電素子に沿って、前記赤外線吸収部および共通電極構造
体に、複数の長手方向開口を形成するステップと、を含
む、第１３項記載の前記システムの製造方法。 （１８）更に、部分的にポリイミド材料で前記メサ型構
造を形成するステップと、前記焦点面アレイを前記メサ
型構造に取り付けるステップと、各熱センサに沿って前
記焦点面アレイを貫通する複数の長手方向スロットを形
成するステップと、各メサ型構造内の前記ポリイミド材
料を除去し、前記空間を形成するステップと、を含む、
第１３項記載の前記システムの製造方法。
【００６２】（１９）更に、各メサ型構造の一部とし
て、補強材料層を形成するステップと、各補強材料層の
外面上に、メサ帯状導体を形成するステップと、各メサ
帯状導体上にバンプ接合材料を配置し、関連する熱セン
サとのセンサ信号流路の一部を形成するステップと、各
熱センサ上に対応するバンプ接合材料を配置するステッ
プと、を含む、第１３項記載の前記システムの製造方
法。 （２０）更に、各熱センサに、強誘電素子を形成するス
テップと、前記焦点面アレイに、赤外線吸収および反射
板構造体を形成するステップと、各強誘電素子の一方側
を、前記赤外線吸収部および反射板構造体に結合するス
テップと、前記強誘電素子に沿って、前記赤外線吸収部
および反射板構造体に、複数の長手方向スロットを形成
し、各熱センサと関連付けられた別個の赤外線吸収部お
よび反射板構造体を設けるステップと、前記長手方向ス
ロットを用いて前記メサ型構造に侵入し、フォトリソグ
ラフィ技術を用いて前記それぞれの空間を形成するステ
ップと、を含む、第１３項記載の前記システムの製造方
法。
【００６３】（２１）メサ型構造（５２）をポリイミド
（または同様のポリマ材料）で形成し、焦点面アレイ
（３０および１３０）を集積回路基板（７０および１７
０）上に取り付けるための支持構造を得る。一例である
熱撮像システム（２０および１２０）では、熱絶縁構造
（５０および１５０）を集積回路基板（７０および１７
０）上に配置し、熱センサ（４０および１４０）の対応
する焦点面アレイ（３０および１３０）を電気的に接続
しかつ機械的に接合する。各メサ型構造（５２および１
５２）は、最初はポリイミド・メサ（５４）から成り、
その上に補強層（５６および１５６）と、前記メサ型構
造（５２および１５２）の上面から隣接する接点パッド
（７２、１７２および１７４）まで達する金属導体（５
８、１５８および１６８）とが形成される。前記焦点面
アレイ（３０および１３０）を対応するメサ型構造（５
２および１５２）のアレイに接合した後、ポリイミド・
メサ（５４）を除去し、空間（６０および１６０）を形
成する。結果的に得られたメサ型構造（５２および１５
２）は、各熱センサ（４０および１４０）のセンサ信号
電極（４４および１４４）と、前記集積回路基板（７０
および１７０）上の対応する接点パッド（７２および１
７２）との間に、熱的に絶縁された導電路を設ける。
【図面の簡単な説明】
【図１】強誘電素子で形成された熱センサの焦点面アレ
イと、集積回路基板と、それらの間に配置された熱絶縁
構造とを含む熱撮像システムに関する、熱回路を表わす
概略図。
【図２】側壁が傾斜したメサと、該メサの上面を集積回
路基板上の関連付けられた接点パッドに電気的に接続す
るメサ帯状導体とを有する熱絶縁構造を示す一部分解等
幅図。
【図３】図２の線３−３に沿って切断された部分の断面
図。
【図４】強誘電素子を用いた複数の熱センサで形成され
た焦点面アレイと、図２および図３のメサ型熱絶縁構造
を備えた集積回路基板とを有する熱撮像システムの一部
を示す一部分解等幅正面図。
【図５】メサ型熱絶縁構造の一部をエッチング技術によ
って除去し、選択された空間を形成した後の、図４の熱
撮像システムを示す一部分解等幅図。
【図６】本発明の別の実施例を組み込んだ、焦点面アレ
イとメサ型熱絶縁構造とを有する熱撮像システムを示す
一部分解断面図。
【図７】図６の熱撮像システムを示す一部分解等幅図。
【符号の説明】
２０ 熱撮像システム ３０ 焦点面アレイ ３２ 赤外線吸収部および共通電極構造物 ４０ 熱センサ ４２ 強誘電素子 ４４ センサ信号電極 ５０ 熱絶縁構造 ５２ メサ型構造 ５６ メサ・シェル ５８ メサ帯状導体 ６０ 空間 ７０ 集積回路基板 ７２ 接点パッド

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 焦点面アレイと集積回路基板とを含む赤
    外線検出器であって、 前記焦点面を貫通する複数の開口と、 前記焦点面に入射する熱放射量を表わすセンサ信号出力
    を発生する複数の熱センサと、 前記集積回路基板上に配置され、前記それぞれの熱セン
    サからのセンサ信号出力を受ける、信号接点パッドのア
    レイと、 各々空間を有する複数のメサ型構造によって形成された
    熱絶縁構造であって、前記メサ型構造は、各信号接点パ
    ッドに隣接する前記集積回路基板から突出し、前記焦点
    面アレイを前記集積回路基板上に取り付けるための前記
    熱絶縁構造と、から成る赤外線検出器。
  2. 【請求項２】 集積回路基板上に焦点面アレイが取り付
    けられ、熱絶縁構造がそれらの間に配された熱撮像シス
    テムの製造方法であって、 前記焦点面アレイに入射する熱放射を表わすセンサ信号
    出力を発生する、複数の熱センサによって、前記焦点面
    アレイを形成するステップと、 前記それぞれの熱センサからのセンサ信号出力を受け
    る、信号接点パッドのアレイを、集積回路基板に設ける
    ステップと、 各信号接点パッドに隣接した前記集積回路基板から突出
    し、前記熱絶縁構造の一部をなす、複数のメサ型構造を
    形成するステップと、 前記焦点面アレイを前記熱絶縁構造上に取り付けるステ
    ップと、 各メサ型構造内に空間を形成するステップと、から成る
    方法。
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