JPH09218088A - 赤外線撮像素子とその製造方法 - Google Patents

赤外線撮像素子とその製造方法

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JPH09218088A
JPH09218088A JP8321412A JP32141296A JPH09218088A JP H09218088 A JPH09218088 A JP H09218088A JP 8321412 A JP8321412 A JP 8321412A JP 32141296 A JP32141296 A JP 32141296A JP H09218088 A JPH09218088 A JP H09218088A
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Akio Tanaka
昭生 田中
Shinichi Teranishi
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 梁構造とマイクロレンズを有する2次元熱型
赤外線撮像素子において、入射赤外線を有効に集め、梁
とマイクロレンズとの接触の危険性がなく、高密度に画
素を配置できる構造を提供する。 【解決手段】 走査回路2を有する半導体基板1の表面
に凸部6を設け、レンズ面が熱伝変換素子5と対向し、
かつ焦点が赤外線吸収層上に結像するようにマイクロレ
ンズ9を配置する。熱伝変換素子5は梁10上に形成さ
れており表面に赤外線吸収層13を有してもよい。凸部
としては化学的気相成長法によって形成されたシリコン
酸化膜を用いることが望ましい。この構造により、梁を
破壊することなく有効に入射赤外光を熱伝変換素子5に
集光することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、防犯、監視、誘
導、医療、工業計測等に広く応用される赤外線撮像素子
に関し、さらに詳細には熱を電気信号に変換する熱電変
換素子を持ち、2次元に配列された画素を持つ熱型赤外
線撮像素子およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】被写体の温度分布をリアルタイムで撮像
したいという要求が高まる中で、2次元の赤外線撮像素
子の需要が高まっている。それに伴い、安価な赤外線撮
像素子の開発が望まれている。従来の熱型赤外線素子
は、構造によっていくつかの例がある。
【0003】第1の例は、2階建て構造を持ち、1階部
分は各画素の信号を走査する走査回路、2階部分は熱を
電気信号に変換する熱電変換素子となっている。走査回
路部分に広い面積が取れるため、ノイズ低減のための回
路を各画素に配置できる。図3は第1の例の(a)断面
図と(b)平面図である。半導体基板19上に走査回路
23を形成し、その上に空洞22を有する。空洞22は
形成したポリシリコンを最後の工程でエッチングして取
り除くことで形成する。これによって空洞22の上の部
分にダイヤフラム24と呼ばれる薄い酸化膜の領域がで
きる。この部分に熱電対などの熱電変換素子23を形成
する。赤外線の入射によってこの薄い酸化膜の領域に温
度変化が生じ、それを熱電変換素子23で電気信号に変
え、走査回路20に伝える。走査回路20は信号を積分
してノイズの低減を行うと共に、2次元に配列された各
画素の信号を順次走査して外部へ出力する(例えば特願
平5−183116号明細書)。
【0004】第2の例は、基板中にV溝を形成し、その
上に梁構造の熱電変換素子を形成している。梁以外に入
射した赤外線は、V溝の内側で反射され梁に集光され
る。第3の例は、マイクロレンズを有し、入射赤外線を
熱電変換素子に集光している。図4は第2の例の断面図
である。半導体基板26上に熱電変換素子28を形成
し、その下部を異方性エッチングにより取り除くことで
宙に浮いた梁29とV溝を形成している。V溝の内側に
は、赤外線反射膜27を形成して入射赤外線を熱電変換
素子28に集光している(特開平4−132271号公
報)。
【0005】図5は第3の例の断面図である。センサ基
板30上に熱電変換素子31を形成し、その上に赤外線
を集光するマイクロレンズ32を形成している。マイク
ロレンズ32には、熱電変換素子25を真空中に封入す
るために、エッチングによって凹部33を形成している
(特開平3−263001号公報)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】この従来の赤外線撮像
素子では、第1の例の場合、空洞の上に一面にダイヤフ
ラムがあり、ダイヤフラムを伝わって熱が逃げるため、
感度を上げるには限界があった。ダイヤフラムの一部を
取り去り、熱の逃げを防ごうとした場合、受光面積が減
少する問題があった。
【0007】第2の例の場合基板中にV溝を形成して集
光率を上げることができるが、基板中に走査回路を作る
ことが困難であり、複数の画素を多数配置することが難
しい問題がある。
【0008】第3の例の場合マイクロレンズを用いて集
光率を上げることができるが、次の2つの問題がある。
1つは、取り扱いを考えるとレンズ基板は最低でも10
0μm程度の厚さが必要だが、レンズ基板が厚くなると
図6の様に垂直入射光(a)の場合と、斜め入射光
(b)の場合で焦点の横方向のずれが大きくなる。特に
画素寸法が小さくなり、レンズ基板の厚さと同じレベル
になった時問題が大きい。カメラレンズを通ってきた光
において、光軸から離れたレンズの周辺部を通過してき
た部分は、センサに入射する角度は斜めとなり、この分
の光量が利用されなくなってしまう。もう1つの問題
は、第1の例のように熱の逃げを防ぐために梁構造を持
ち、多数の画素を配置した場合、画素領域中にはマイク
ロレンズを支えるスペースが少なく、マイクロレンズを
のせることが難しい。特に画素数が増して、画素間の余
裕が少なくなった時、かりにマイクロレンズを支えるス
ペースがあっても、センサ基板とマイクロレンズとの目
合わせにおいて、マイクロレンズが脆弱な梁に接触して
破壊させる可能性がある。
【0009】本願発明の目的は、2次元に多数の画素を
配列する上で有利な第1の例の赤外線撮像素子の特徴を
維持しつつ、問題であった受光面積の減少及び熱の逃げ
を解決する赤外線撮像素子およびその製造方法を提供す
ることである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の赤外線撮像素子
は、半導体基板上に2次元にマトリクス状に配列されそ
れぞれが空中に保たれた複数の梁と、この梁上に置かれ
赤外線を電気信号に変換する熱電変換素子と、半導体基
板表面でかつ画素領域外に設けられた凸部と、この熱電
変換素子に入射赤外線が集光するように配置され、レン
ズ面を熱電変換素子に対向させたマイクロレンズを有す
る。凸部として化学的気相成長により形成されたシリコ
ン酸化膜を用いる。
【0011】また、このような形状の赤外線撮像素子に
おいて、例えば図1に示したように赤外線吸収層13を
入射赤外線が集光する位置に設け、かつ熱電変換素子の
面積を減らすことによって、図3のようなダイヤフラム
24を設けた場合と比較して受光面積を減らすことはな
く、かつ熱の逃げを防ぐことが可能となる。
【0012】
【発明の実施の形態】次に本発明について図面を参照し
て説明する。図1は本発明の一実施例の赤外線撮像素子
の断面図である。この製造に当たっては、まず半導体基
板1.の上に通常の半導体製造技術を用いて、MOSF
ETを基本構成とする走査回路2を形成する。この上
に、後にエッチングして空洞4となるポリシリコン(い
わゆる犠牲層)を形成し、さらにこの犠牲層の上に熱電
変換素子5を形成する。以上迄は従来例の1と同じ製造
方法である。この上に凸部6となる酸化膜(酸化けい
素)を形成するわけであるが、酸化膜形成の前に厚さ
0.1μm程度の窒化膜(窒化けい素)をCVD法によ
り形成する。窒化膜は凸部となる酸化膜をエッチングし
てパターニングする際のエッチストップとして使用す
る。凸部6となる酸化膜は化学的気相成長(いわゆるC
VD)法によって厚さ10μm程度に成長し、ペレット
の周辺のスクライブ線の内側に、幅100μm程度にパ
ターニングする。この酸化膜は、イオンを含み、熱処理
による流動性の高い、BSG(ボロン含有シリケートガ
ラス)、またはBPSG(ボロン、リン含有シリケート
ガラス)を用いる。この理由は、後に説明する陽極接合
のために可動イオンが必要な事と、この後のスルーホー
ル形成のためにこの上にフォトレジストを塗布する必要
があり、パターニングした後の段差をだらす必要がある
ためである。CVD法は、以上の特徴を持つBSGまた
はBPSGを、低温で、速い成長速度で形成することが
でき、このような厚い膜に対して非常に有効である。最
後に前述した犠牲層に通じるスルーホールを形成して、
犠牲層をエッチングで取り除いてセンサ基板側の処理は
終わる。これによって梁10の下部は空洞となり、梁
は、窒化膜11と酸化膜12の残留応力の差によるバイ
メタル効果によって図1(c)の様に凸状に緩やかなカ
ーブを描く。梁の中央部は1μm程度浮上し、空洞の底
部からは2μm程度となる。窒化膜11中には残留応力
による縮もうとする力、酸化膜12中には伸びようとす
る力が働くため、安定した梁構造が形成される。
【0013】一方、マイクロレンズも半導体製造技術を
用いて製造する。シリコン基板の上にCVDによりBP
SG(ボロン、リン含有シリケートガラス)を形成し、
直径50μm程度のレンズ形状にパターニングした後、
熱処理を行ってBPSGに高さ3μm程度のレンズ面を
形成する。これを異方性プラズマエッチングによって、
均等にエッチングしてシリコン基板にレンズ形状を転写
する。シリコンは赤外線を透過し、屈折率は4程度であ
る。反射防止のためマイクロレンズ両面に反射防止膜8
を形成しておく。マイクロレンズをセンサ基板に接合す
るには、陽極接合法を用いる。まず図1(a)の様に、
マイクロレンズのレンズ面をセンサ基板の熱電変換素子
に対向させるように目合わせを行う。これを400℃程
度に加熱しながら、レンズ側がプラスになるように50
0V程度の電圧を印加する。センサ基板上の凸部の酸化
膜中に存在するボロンが移動し、この接合界面に空間電
荷層を形成して大きな接合力が得られる。
【0014】各画素の配置は、図2の様に短辺を5μm
程度、長辺を150μm程度、画素ピッチを50μm程
度とする事で、長い梁によって熱の逃げを防ぎ、高い感
度を維持しながら、高密度な画素配置を実現できる。
【0015】
【発明の効果】以上説明した様に本発明は、半導体基板
中に走査回路を有し、その上に空洞と空中に保持された
梁を有する構成に於て、さらにその上にマイクロレンズ
を容易に形成することができる。センサ基板上に形成さ
れた凸部は、マイクロレンズの目合わせ工程中において
も、レンズ基板と梁との接触を避けることができ、厚さ
数百nmの脆弱な梁を守ることができる。凸部をセンサ
基板上の外周に設けることで、図2の様に複数の画素を
高密度に配置できる。さらに、レンズ面を熱電変換素子
に対向させる事ができ、斜め入射光の場合の図6の様な
問題を大幅に軽減することができる。つまり、カメラレ
ンズを通過してきた光は、光軸から離れた部分を通過す
るにつれ斜めにセンサに入射する。この分の光量も有効
に活用できる。
【0016】一般に、2次元に複数の画素を配置した熱
型赤外線撮像素子では、画素サイズの低下による信号の
低下が起こる。また、一つの画素にアクセスできる時間
の低下によってノイズの帯域が広がり、ノイズが増大す
る。ノイズは、帯域の平方根に比例する。例えば256
×256の画素でフレーム周波数60Hzの場合、帯域
はそのままでは3.9MHzとなり大きなノイズが現れ
る。本発明により、走査回路に広い面積が取れ、ノイズ
低減のための積分回路を各画素に配置すれば、帯域を6
0Hz程度にすることができ、ノイズを1/250程度
にすることができる。さらに、マイクロレンズによる信
号の増大とも相まって、高性能の熱型赤外線撮像素子が
実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)本発明の一実施例の断面図、(b)梁の
部分の拡大図、及び(c)本発明の一実施例を斜めから
見た図である。
【図2】本発明の一実施例の平面図である。
【図3】(a)従来の技術の断面図、及び(b)平面図
である。
【図4】従来の技術の断面図である。
【図5】従来の技術の断面図である。
【図6】入射方向の違いによる焦点の横方向のずれを説
明するための図である。
【符号の説明】
1,19,26 半導体基板 2,20 走査回路 3,12,21 酸化膜 4,22 空洞 5,23,28,31 熱電変換素子 6 凸部 7 入射赤外線 8 反射防止膜 9,32 マイクロレンズ 10,29 梁 11 窒化膜 12 酸化膜 13 赤外線吸収層 24 ダイヤフラム 25 アルミ 27 赤外線反射膜 30 センサ基板 33 凹部

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上に2次元にマトリクス状に配
    列されそれぞれが空中に保たれた凸状にカーブを描く形
    状よりなる複数の梁と、この梁上に置かれ赤外線を電気
    信号に変換する熱電変換素子と、半導体基板表面でかつ
    画素領域外に設けられた凸部と、この熱電変換素子に入
    射赤外線が集光するように配置され、レンズ面を熱電変
    換素子に対向させたマイクロレンズを有することを特徴
    とする赤外線撮像素子。
  2. 【請求項2】半導体基板上に2次元にマトリクス状に配
    列されそれぞれが空中に保たれた複数の梁と、この梁上
    に置かれ赤外線を電気信号に変換する熱電変換素子と、
    半導体基板表面でかつ画素領域外に設けられたシリコン
    酸化膜よりなる凸部と、この熱電変換素子に入射赤外線
    が集光するように配置され、レンズ面を熱電変換素子に
    対向させたマイクロレンズを有することを特徴とする赤
    外線撮像素子。
  3. 【請求項3】半導体基板上に2次元にマトリクス状に配
    列されそれぞれが空中に保たれて下層が窒化膜、上層が
    酸化膜の積層構造よりなる複数の梁と、この梁上に置か
    れ赤外線を電気信号に変換する熱電変換素子と、半導体
    基板表面でかつ画素領域外に設けられた凸部と、この熱
    電変換素子に入射赤外線が集光するように配置され、レ
    ンズ面を熱電変換素子に対向させたマイクロレンズを有
    することを特徴とする赤外線撮像素子。
  4. 【請求項4】半導体基板上に2次元にマトリクス状に配
    列されそれぞれが空中に保たれた複数の梁と、この梁上
    に置かれ赤外線を電気信号に変換する熱電変換素子と、
    この梁上に設けられた赤外線吸収層と、半導体基板表面
    でかつ画素領域外に設けられた凸部と、この赤外線吸収
    層に入射赤外線が集光するように配置され、レンズ面を
    赤外線吸収層に対向させたマイクロレンズを有すること
    を特徴とする赤外線撮像素子。
  5. 【請求項5】半導体基板上に2次元にマトリクス状に配
    列されそれぞれが空中に保たれた複数の梁と、この梁上
    に置かれ赤外線を電気信号に変換する熱電変換素子と、
    半導体基板表面でかつ画素領域外に設けられた凸部と、
    この熱電変換素子に入射赤外線が集光するように配置さ
    れ、レンズ面を熱電変換素子に対向させたマイクロレン
    ズを有する赤外線撮像素子の製造方法において、凸部が
    化学的気相成長により形成されたシリコン酸化膜である
    ことを特徴とする請求項2記載の赤外線撮像素子の製造
    方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6218667B1 (en) 1997-09-09 2001-04-17 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Sensor element with small area light detecting section of bridge structure
US7265402B2 (en) 2001-11-05 2007-09-04 Zycube Co., Ltd. Solid-state image sensor including a microlens
JP2007333558A (ja) * 2006-06-15 2007-12-27 Nissan Motor Co Ltd 赤外線検出装置
JP2009042164A (ja) * 2007-08-10 2009-02-26 Hitachi Maxell Ltd 赤外線カメラ

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6218667B1 (en) 1997-09-09 2001-04-17 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Sensor element with small area light detecting section of bridge structure
US7265402B2 (en) 2001-11-05 2007-09-04 Zycube Co., Ltd. Solid-state image sensor including a microlens
JP2007333558A (ja) * 2006-06-15 2007-12-27 Nissan Motor Co Ltd 赤外線検出装置
JP2009042164A (ja) * 2007-08-10 2009-02-26 Hitachi Maxell Ltd 赤外線カメラ

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