JPH10209414A - 熱型赤外線イメージセンサ - Google Patents

熱型赤外線イメージセンサ

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JPH10209414A
JPH10209414A JP9009233A JP923397A JPH10209414A JP H10209414 A JPH10209414 A JP H10209414A JP 9009233 A JP9009233 A JP 9009233A JP 923397 A JP923397 A JP 923397A JP H10209414 A JPH10209414 A JP H10209414A
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JP
Japan
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light receiving
light
image sensor
infrared image
thermal
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JP9009233A
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English (en)
Inventor
Kenji Udagawa
賢司 宇田川
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロレンズアレイを使用して、高い感度
が得られる熱型赤外線イメージセンサを提供する。 【解決手段】 支持基板7に縦横に一定ピッチで多数の
マイクロレンズ3aを配置することによってマイクロレ
ンズアレイ3を形成し、シリコン基板1上で各マイクロ
レンズ3aによる赤外線の集光スポットが形成される位
置にそれぞれ受光部2を配置する。マイクロレンズ3a
による集光スポットの大きさに受光部2の大きさを合わ
せることによって、受光部2に入射する熱エネルギー量
を減少させることなく受光部2の熱容量を小さくする。
これによって受光部2の温度変化量が大きくなって感度
が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は熱型赤外線イメージ
センサに関し、例えばリモートセンシングや天体観測等
に利用される赤外線カメラ等の撮像素子に使用して好適
なものである。
【0002】
【従来の技術】赤外線カメラは、常温付近の物体ならば
照明することなしに観察できるため、従来よりリモート
センシング、警備、又は防衛等の諸分野で使用されてい
る。また、赤外線カメラは赤外線の放射分布を画像とし
て捉えることができるため、天体観測等の分野でもその
重要性が増している。更に、熱画像としての情報も得ら
れるため、医療分野や工場の製造工程におけるラインモ
ニタ等でもその応用分野はますます拡大している。
【0003】赤外線カメラは、高感度化と共に低価格化
も要求されており、近年、赤外線カメラ用の撮像素子と
して熱型赤外線イメージセンサの開発が進んでいる。熱
型赤外線センサを各画素として用いた熱型赤外線イメー
ジセンサは、従来の量子型赤外線センサを使用した撮像
素子に比べて極低温の冷却機構を必要としないため、低
価格化が可能である。そこで、その熱型赤外線イメージ
センサを用いた安価で高感度の赤外線カメラが開発され
つつある。
【0004】これらの熱型赤外線イメージセンサは、赤
外線を受光してその熱エネルギーを電気信号に変換する
受光部(熱型赤外線センサ)からなる画素、及びこの画
素からの電気信号を外部に取り出すための信号転送回路
を2次元的に多数配列して形成されている。更に、最近
では感度を高めるために、それらの受光部上に赤外線を
集光するためのマイクロレンズをアレイ化したマイクロ
レンズアレイを設置して、各受光部に対して赤外線を集
光することによって赤外線の集光効率を高める方法(例
えば特開平7−147433号公報参照)が提案されて
いる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来の熱型赤外線イメ
ージセンサでは、上記のようにマイクロレンズアレイを
備えることにより、集光による感度の向上が期待でき
る。しかしながら、従来の赤外線の受光部の形状は周囲
の配線等が可能な限り大きく設定されており、その受光
部の一部に赤外線が集光されるような状態になってい
た。即ち、受光部の形状は特に考慮されていなかったた
めに、受光部の熱容量が大きく、マイクロレンズアレイ
を使用していても、入射する赤外線の熱エネルギーに対
する電気信号の変化量の比の値である感度を上げる効果
が十分でないという不都合があった。
【0006】本発明は斯かる点に鑑み、マイクロレンズ
アレイを使用して、高い感度が得られる熱型赤外線イメ
ージセンサを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明による熱型赤外線
イメージセンサは、半導体基板(1)上に配列されそれ
ぞれ赤外線を吸収して電気信号に変換する複数個の受光
部(2)と、これら複数個の受光部のそれぞれに対応し
て配置され、入射する赤外線を対応する受光部上に集光
する複数個の集光素子(3a)よりなるマイクロレンズ
アレイ(3)と、を備えた熱型赤外線イメージセンサに
おいて、それら複数個の受光部(2)の中心はそれぞれ
実質的に対応する集光素子(3a)の焦点上に配置さ
れ、且つそれら複数個の受光部(2)の大きさはそれぞ
れ対応する集光素子(3a)による赤外線の集光スポッ
トと実質的に同じ大きさに設定されたものである。
【0008】斯かる本発明によれば、受光部(2)の大
きさは対応する集光素子(3a)によって集光される赤
外線の集光スポット程度の大きさまで小さくされてい
る。従って、受光部(2)の熱容量を小さくできると共
に、集光された赤外線はほぼ全部が吸収できるため、入
射する赤外線のエネルギーに対する受光部(2)の温度
上昇の割合が高くなって感度が大幅に向上する。
【0009】この場合、マイクロレンズアレイ(3)の
複数個の集光素子(3a)をそれぞれ対応する受光部
(2)に対して空間(9)を隔てて配置し、それら複数
個の受光部(2)の幅を実質的に入射する赤外線の平均
波長程度にすることが望ましい。このようにマイクロレ
ンズアレイ(3)と受光部(2)とを隔てて配置するこ
とによって、受光部(3)から逃げる熱エネルギーが減
少して感度が更に高まる。更に、回折理論より、マイク
ロレンズアレイ(3)の各集光素子(3a)の半径を
a、焦点距離をf、入射する赤外線の平均波長をλとす
ると、各集光素子(3a)によって集光される赤外線の
集光スポットの半径Rは、ほぼ次式で表される。
【0010】R≒0.61・f・λ/a (1) また、通常の光学レンズにおける0.61・f/aの値
の最小値はほぼ0.5程度であるため、理論的にはその
集光スポットの直径2・Rの下限値はほぼ平均波長λ程
度である。従って、受光部(2)の幅を平均波長λ程度
にすることは、集光素子(3a)による集光スポットの
大きさをほぼ理論的な限界まで小さくすることを意味
し、これによって感度が大幅に高くなる。
【0011】更に、複数個の受光部(2)とマイクロレ
ンズアレイ(3)との間の空間を真空に保つことが望ま
しい。この場合の真空とは、ほぼ1×10-3torr以
下程度であればよい。これによって、受光部(2)の断
熱性が高まってそれらの受光部での感度が更に向上す
る。また、複数個の受光部(2)はそれぞれ円形か、又
は正n角形(nは4以上の整数)であることが望まし
い。集光素子(3a)を用いた場合、赤外線の集光スポ
ットの形状は円形になる。従って、受光部(2)を円形
にすることによって、その受光部(2)の大きさを集光
スポットの大きさにより近付けることができる。また、
製造方法等によっては受光部(2)の形状を円形より
も、正方形や正8角形等の正n角形にする方が都合のよ
いこともある。
【0012】また、複数個の受光部(2)をそれぞれ半
導体基板(1)に対して複数個の脚部(4A,4B)を
介して浮くように支持し、それら複数個の脚部をそれぞ
れ熱伝導率が低く、且つ断面積が小さく長い材料(チタ
ンTi等)より形成することが望ましい。それらの受光
部を浮くように支持することで、それらの受光部から外
部に逃げる熱エネルギーが減少する。また、脚部(4
A,4B)を介して外部に逃げる熱エネルギーも減少す
るため、受光部(2)での感度が更に向上する。
【0013】また、複数個の受光部(2)は一例とし
て、それぞれ入射する赤外線を吸収して熱エネルギーに
変換する熱吸収部(12)と、この熱吸収部によって吸
収された熱エネルギーを電気信号に変換する熱電変換部
(11)とを有し、熱吸収部(12)の大きさはそれぞ
れ対応する集光素子(3a)による赤外線の集光スポッ
トと実質的に同じ大きさに設定されると共に、熱電変換
部(11)の大きさは対応する熱吸収部(12)以下の
大きさとなるものである。これによって、熱電変換部
(11)としては、赤外線を透過する材料をも使用でき
ると共に、熱電変換部の大きさを赤外線の集光スポット
よりも小さくできるため、更なる感度向上が期待でき
る。
【0014】また、マイクロレンズアレイ(3)の一例
は、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、及びサ
ファイア(Al2 3)からなる赤外線透過材料群から選
択される少なくとも1つの材料から構成されるものであ
る。これにより、マイクロレンズアレイ(3)を通常の
フォトリソグラフィ技術を用いて容易に製造できる。ま
た、以上の材料はマイクロレンズアレイ(3)と対向す
る受光部(2)との間の空間を真空状態に保持できる強
度と稠密度とを持っている。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明による熱型赤外線イ
メージセンサの第1の実施の形態につき図1〜図5及び
図10を参照して説明する。図1(b)は、本例の熱型
赤外線イメージセンサの一部の平面図を示し、この図1
(b)に示すように、本例の熱型赤外線イメージセンサ
は、多数の円形のマイクロレンズ3aを縦横に一定ピッ
チで2次元的に配列してなるマイクロレンズアレイ3
を、シリコン(Si)基板1上に固定して形成されてい
る。図1(a)は、図1(b)のAA線に沿う拡大断面
図の一部を示し、この図1(a)に示すように、マイク
ロレンズアレイ3はシリコン基板よりなる支持基板7に
一体的に多数のマイクロレンズ3aを形成したものであ
り、且つ支持基板7の底面に深さhの凹部7aが形成さ
れている。本例のマイクロレンズ3aは、赤外線5の入
射方向に凸面を向けた半球面状の平凸レンズである。
【0016】また、シリコン基板1の表面には多数のマ
イクロレンズ3aのそれぞれに対応して、縦横に一定ピ
ッチで赤外線を受光する多数の受光部2が配置されてい
る。受光部2は、それぞれシリコン基板1の表面に形成
された凹部10の中央に左右から支持脚4A,4Bを介
して浮いた状態で支持され、それらの受光部2の間のシ
リコン基板1上に、対応する受光部の電気信号を転送す
る信号転送回路6が設けられている。即ち、それぞれマ
イクロレンズ3a及び受光部2よりなる多数の画素が2
次元的に配列され、それらの画素からの電気信号が信号
転送回路6を介して外部の信号処理系へ時系列的に出力
されるように構成されている。
【0017】図2は、本例のマイクロレンズ3aによる
集光スポットと受光部2との関係を更に詳しく説明する
ための斜視図であり、この図2に示すように、受光部2
の表面である受光面13は一辺の幅Dの正方形であり、
受光面13の中心はほぼマイクロレンズ3aの焦点位置
に配置されている。そして、ほぼ平行光束となって入射
する赤外線5は、マイクロレンズ3aによって受光面1
3上の半径Rの円形の集光スポット14に集光されてい
る。本例の受光部2の受光面13は、集光スポット14
が全部収まる範囲で最も小さくなるように設定されてい
る。即ち、本例の正方形の受光面13の1辺の幅Dは集
光スポット14の直径2・Rとほぼ等しくなるように設
定されている。
【0018】この場合、マイクロレンズ3aの半径を
a、マイクロレンズ3aの焦点距離をf、入射する赤外
線の平均波長をλとすると、マイクロレンズ3aによっ
て集光される赤外線の集光スポット14の直径2・R
は、回折理論よりほぼ1.2・f・λ/aである。ま
た、光学レンズにおいては、1.2・f/aの値の最小
値は1程度であり、本例でもその値をほぼ1程度に設定
する。この結果、集光スポット14の直径2・R、ひい
ては受光面13の幅Dはほぼ平均波長λ程度となってい
る。本例で常温付近(即ち、300K程度)の物体を検
出対象とすると、温度が300K程度の物体から放射さ
れる赤外線は10μm付近の波長にエネルギーのピーク
がある。そこで、そのような物体からの赤外線の平均波
長λはほぼ10μmとなるため、受光部2の受光面13
の幅Dはほぼ10μmである。
【0019】次に、図3は、受光部2及びこの支持構造
を示す拡大断面図であり、この図3に示すように、受光
部2は、赤外線を吸収する赤外線吸収層12、及びその
赤外線吸収層12に接するように設けられた熱電変換素
子11を有し、赤外線吸収層12と熱電変換素子11と
で左右の支持脚4A,4Bを挟み込む構造となってい
る。本例の熱電変換素子11はシリコン(Si)より形
成され、赤外線吸収層12は所謂金黒と呼ばれている金
(Au)の薄膜であり、支持脚4A,4Bはチタン(T
i)より形成されている。また、熱電変換素子11及び
支持脚4A,4Bと赤外線吸収層12との間に、窒化シ
リコン又は酸化シリコン等からなる絶縁膜(不図示)が
形成されている。
【0020】この場合、入射する赤外線は赤外線吸収層
12で熱エネルギーに変換され、この熱エネルギーで熱
電変換素子11は加熱される。熱電変換素子11として
のシリコンは赤外線を透過させるが、本例では赤外線は
赤外線吸収層12で吸収されるため、入射する赤外線が
無駄なく熱エネルギーに変換される。そして、支持脚4
A,4Bを介して熱電変換素子11にバイアス電流を通
電しておき、シリコンよりなる熱電変換素子11は温度
によって電気抵抗値が変化することを利用して、熱電変
換素子11に流れる電流値より熱電変換素子11の温
度、ひいては受光部2に入射する赤外線量を検出する。
即ち、各受光部2の熱電変換素子11を流れる電流値が
信号転送回路6を介して外部の信号処理回路によって読
み出され、各電流値より入射する赤外線のエネルギー分
布が画像化される。
【0021】このとき、受光部2は、支持脚4A,4B
によってシリコン基板1上の凹部10上に浮くように支
持され、受光部2から周囲の気体を介して逃げる熱エネ
ルギー、及び放射によって失われる熱エネルギーは僅か
であるため、受光部2から逃げる熱エネルギーは、主に
支持脚4A,4Bを介してシリコン基板1に伝達される
ものだけとなる。これに対応して、本例の支持脚4A,
4Bは、熱伝導率の低い導体より形成され、且つ断面積
が小さく長い形状であるため、支持脚4A,4Bを介し
てシリコン基板1に伝導する熱エネルギーも僅かとな
り、入射する赤外線の熱エネルギーは殆どが熱電変換素
子11の温度上昇に使用される。
【0022】また、上述のように本例の熱型赤外線イメ
ージセンサの受光部2の受光面は、対応するマイクロレ
ンズ3aによって集光される赤外線の集光スポット程度
の大きさに設定されている。このようにした場合の受光
部2の感度について図10を参照して説明する。図10
は、図1の熱型赤外線イメージセンサの1つの受光部2
におけるエネルギーの吸収及び放出の説明図であり、こ
の図10において、受光部2の受光面上で面積A(cm
2)の照射領域に単位面積当たりのパワーがP(W/cm
2 )の赤外線が入射しているものとすると、所定の変換
係数k(0<k<1)を用いて、受光部2に入射する熱
エネルギーのパワーQ(W)はk・A・Pで表される。
また、その発生した熱エネルギーの一部は受光部2に接
続された支持脚4A,4Bを介して熱伝導により失わ
れ、残りの一部は周囲の気体を介するか、又は熱放射に
より失われる。図10において、受光部2から支持脚4
A,4Bへの熱コンダクタンスをG1(W/K)、受光部
2から周辺気体への熱コンダクタンスをG2(W/K)、
受光部2からの放射による熱コンダクタンスをG3(W/
K)として、受光部2の熱容量をC(J/K)、入射す
る赤外線Qが角周波数ω(1/s)で変化しているとす
ると、受光部2の温度変化の熱時定数τT(s)及び受光
部2の温度変化量ΔT(K)は、例えば次の式により求
められる(E.L.Dereniak and D.G.Growe:"Optical Rad
iation Detectors",pp.135-136(Wiley,1984)参照)。
【0023】τT =C/G (2) ΔT=2・Q/{(G2 +ω2 2 1/2 } (3) 但し、(3)式中のコンダクタンスGは次のように各熱
コンダクタンスの和である。 G=G1 +G2 +G3 (4) (3)式より分かるように、受光部2に単位時間当たり
に入って来る熱エネルギーQと、受光部2から出ていく
熱エネルギーに対応する熱コンダクタンスG及び受光部
2の熱容量Cとによって、受光部2の温度変化量ΔTが
変化する。この場合、熱容量Cは受光部2の体積に比例
し、熱コンダクタンスG1 は支持脚4A,4Bの断面積
に比例してその長さに反比例する。そして、熱コンダク
タンスG 2 ,G3 は受光部2の表面積に比例する。従っ
て、赤外線の照度分布が一様な照射面上では、受光部2
と支持脚4A,4Bとの形状や構造が相似になっている
ならば、受光部2の大きさには係わらず、同じ温度変化
量ΔTが得られることが分かる。即ち、その場合の温度
変化量ΔTは、赤外線の照射エネルギーの密度(照度)
のみに依存する。
【0024】また、受光部2の感度(電気信号の変化量
/入射する熱エネルギー)は、入射する赤外線によって
発生する温度変化量ΔTが大きければ大きい程高くな
る。従って、初めの状態に対して相似の関係を保ったま
ま、入射する赤外線をレンズによって集光して受光部2
を縮小できれば、(3)式中の入射する熱エネルギーの
パワーQが同一で、且つ受光部2の熱容量Cが小さくな
って温度変化量ΔTが大きくなるために感度が増加す
る。これらの関係から、対応するマイクロレンズ3aに
よる赤外線の集光スポットが受光部2上に全部含まれて
いる状態で、受光部2を縮小すればする程感度が上がる
という考えが導き出される。一方、既に説明したように
回折理論より、赤外線の集光スポットの直径は平均波長
λ程度以下にはできない。従って、感度を高めるため
に、入射する赤外線のエネルギー損失が生じない状態で
受光部2を縮小するものとすると、受光部2の最小の大
きさはその集光スポットの最小の大きさである。
【0025】そこで、本例ではマイクロレンズ3aによ
る集光スポットの大きさを赤外線の平均波長λ程度と
し、受光部2の受光面13の幅Dを平均波長λ程度とし
ている。これによって、受光部2の感度はほぼ最大とな
り、高感度の熱型赤外線イメージセンサが得られる。な
お、本例では受光面13を正方形に形成したが、後述の
ように受光面13の形状はこれに限定されない。
【0026】次に、本例のマイクロレンズアレイ3及び
受光部2等の製造方法の一例につき簡単に説明する。本
例ではマイクロレンズアレイ3の支持基板7として赤外
線を透過するシリコン基板を使用し、通常のフォトリソ
グラフィ工程及びエッチング工程を適用して2次元的に
配列された多数のマイクロレンズを製造する。図4及び
図5は、マイクロレンズアレイ3の製造工程を説明する
ための拡大断面図の一部をそれぞれ示し、先ず図4
(a)に示すように、製造対象のマイクロレンズの焦点
距離にほぼ等しい厚さ(約300μm)のウエハ状のシ
リコン基板21を用意し、シリコン基板21の上面(第
1面)22の全面に点線で示すように、フォトレジスト
25Aを約1.2μmの厚さで塗布し、所定のマスクを
使用してシリコン基板21上にほぼ正方形のレジスト層
25が縦横に一定ピッチで2次元的に配列された状態で
残されるように、露光及び現像を行う。また、シリコン
基板21の下面(第2面)23には、その下面を保護す
るための例えば窒化膜(Si3 4 膜)等からなるエッ
チング保護膜24を形成しておく。
【0027】次に、レジスト層25をマスクとして、等
方性のエッチング液でシリコン基板21をエッチングす
る。等方性のエッチング液としては、フッ化水素(H
F)溶液及び硝酸(HNO3 )の混合液が用いられる。
レジスト層25とシリコン基板21との界面にこのエッ
チング液が滲み込むため、エッチング後のシリコン基板
21の表面に図4(b)に示すように、半球面状の多数
の凸部21aが形成される。フッ化水素(HF)溶液及
び硝酸(HNO3 )の組成比によって、エッチング液の
滲み込む程度が異なるため、この組成比を調整してその
凸部21aの形状を制御できる。
【0028】次に、シリコン基板21の第2面23のエ
ッチング保護膜24を除去した後、図4(c)に示すよ
うに、その第2面23に点線で示すSiO2 膜26Aを
成膜する。そして、そのSiO2 膜26A上にフォトレ
ジストを塗布しフォトリソグラフィ工程によって、その
第2面23の周辺部分のレジスト層28以外のレジスト
を除去する。そして、レジスト層28をマスクとして、
SiO2 膜26Aをフッ化水素(HF)を含むエッチン
グ溶液でエッチングして、周辺のSiO2 膜26のみを
残す。その後、シリコン基板21の第1面22側にもS
iO2 膜27を成膜し、第2面23側のレジスト層28
を剥離する。
【0029】次に、図5(a)に示すように、シリコン
基板21の第2面23側で残されたSiO2 膜26をマ
スクとして異方性エッチング液、例えばTMAH(テト
ラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)を用いて、
シリコン基板21を所定の深さhまでエッチングして凹
部21bを形成する。この深さhは、図1の受光部2の
受光面とこれに対向するマイクロレンズ3aの下面との
間隔となるもので、エッチング時間を制御することによ
りこの間隔を所望の値に正確に設定できる。その深さh
はマイクロレンズ3aが受光部2に接触しないようにす
るため、少なくとも10μm以上であることが望まし
い。次に、残ったSiO2 膜26,27を剥離する。以
上の工程により、図5(b)に示すように、シリコン基
板21を支持基板7として、凸部21aがそれぞれマイ
クロレンズ3aとされ、底面に凹部7aが形成されたマ
イクロレンズアレイ3が製造できる。
【0030】次に、図3を参照して受光部2の製造方法
の一例につき説明する。本例の熱電変換素子11の材料
はシリコン基板1と同じシリコンであるため、先ず凹部
10の無いシリコン基板を用意し、このシリコン基板の
上にチタンの薄膜よりなる支持脚4A,4Bを形成し、
この支持脚4A,4Bの端部を含み、赤外線吸収層12
となるべき領域の上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜の上
に金の薄膜よりなる赤外線吸収層12を成膜する。その
後、赤外線吸収層12の周囲の部分のシリコン基板のエ
ッチングを行って凹部10を形成する。この際に、エッ
チング時間の制御等によって熱電変換素子11として残
されるシリコンの厚さを制御することができ、これによ
って受光部2が製造できる。また、シリコン基板1上の
信号転送回路6は通常の半導体素子の製造方法によって
製造できる。
【0031】その後、以上の方法により形成されたマイ
クロレンズアレイ3を、図1に示すように、受光部2及
び信号転送回路6が形成されたシリコン基板1上で位置
合わせして圧着し、酸化雰囲気中で数100℃に加熱す
ることにより両者を張り合わせる。これによって、マイ
クロレンズアレイ3とシリコン基板1とが一体化された
熱型赤外線イメージセンサが完成する。
【0032】なお、本例では図1に示すように、マイク
ロレンズ3aの凸部が外面に出ているが、凸部が内面
(受光部2)側に出るようにしてもよく、更にはマイク
ロレンズ3aとして両凸レンズを使用してもよい。ま
た、マイクロレンズとして、回折を利用したフレネルレ
ンズを用いてもよい。このフレネルレンズを用いた変形
例について図9を参照して説明する。なお、マイクロレ
ンズ以外の構成は図1の実施の形態と同様であるため、
図9において図1に対応する部分には同一符号を付して
その詳細説明を省略する。
【0033】図9(b)は、本変形例の熱型赤外線イメ
ージセンサの一部の拡大平面図であり、この図9(b)
に示すようにシリコン基板1上に、縦横にフレネルレン
ズ31aを一定ピッチで配列してなるマイクロレンズア
レイ31が設置されている。図9(a)は図9(b)の
BB線に沿う拡大断面図の一部を示し、この図9(a)
に示すように、各フレネルレンズ31aは支持基板7の
表面にそれぞれ輪帶状の溝を同心円状に複数形成するこ
とによって構成され、その複数の溝の間隔は中心に向か
う程広くなっている。また、本変形例でも各フレネルレ
ンズ31aに対向してそれぞれシリコン基板1上に支持
脚4A,4Bを介して浮くように受光部2が配置され、
受光部2の中心はほぼ対応するフレネルレンズ31aの
焦点に位置している。また、支持基板7の受光部2側に
は凹部7aが形成され、受光部2は空間9を介してフレ
ネルレンズ31aに対向している。その他の構成は図1
の実施の形態と同様である。
【0034】本変形例のフレネルレンズ31aも、図1
のマイクロレンズ3aと同様にシリコン基板を使用した
通常のフォトリソグラフィ技術により形成することがで
きる。但し、フレネルレンズ31aの場合には、等方性
エッチングが困難な材料でも容易に形成できる。なお、
マイクロレンズアレイ3,31の材料としては、シリコ
ン(Si)以外に、赤外線を透過できるゲルマニウム
(Ge)又はサファイア等を使用してもよい。例えば、
ゲルマニウムを用いた場合もシリコンと同様な工程でマ
イクロレンズアレイ3を製造できる。その場合、ゲルマ
ニウムの異方性エッチング液としては、例えばフッ化水
素(HF)溶液及び過酸化水素(H2 2)の混合液を使
用すればよい。また、ゲルマニウムの等方性エッチング
液としては、例えばフッ化水素(HF)、硝酸(HNO
3 )、及び酢酸(CH3 COOH)の混合液を使用する
ことができる。
【0035】一方、マイクロレンズアレイ3,31の材
料としてサファイアを使用する場合は、現状では適当な
エッチング液が見当たらないため、例えば反応性イオン
エッチングにより加工する。この際のサファイアの異方
性ドライエッチングは、例えばフルオロホルム(CHF
3 )32cm3/minute、四フッ化炭素(CF4 )16c
3/minute、及びヘリウム(He)98cm3/minuteの
混合気体を圧力0.5torrとした条件で、且つイオ
ンパワーを200W(400kHz)とした条件で行う
ことができる。但し、サファイアの等方性エッチング
は、現状では適当な条件のものがないので、図1に示す
凸レンズ状のマイクロレンズ3aを形成する代わりに、
異方性エッチングによって図9(a)に示す回折格子状
のフレネルレンズ31aを形成すればよい。
【0036】なお、マイクロレンズアレイ3,31に反
射防止膜を成膜してもよい。これによって入射する赤外
線の利用効率を高めることができる。次に、本発明の第
2の実施の形態について図6を参照して説明する。本例
は受光部の形状を円形にしたものであり、他の構成は図
1の実施の形態と同様であるため、図6において図1に
対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略
する。
【0037】図6は、本例の概略構成の一部を示す斜視
図であり、この図6において、入射する赤外線5はマイ
クロレンズアレイ3の各々の円形のマイクロレンズ3a
により集光され、それぞれの焦点位置を中心として配置
された円形の受光部2Aの受光面13Aに入射する。こ
の場合、円形の受光部2Aは支持脚4A,4Bを介して
シリコン基板1上の凹部に浮くように支持され、その受
光面13Aは、マイクロレンズ3aによる赤外線5の円
形の集光スポットとほぼ同じ大きさで形成されている。
また、受光部2Aは図1の受光部2と同様に赤外線吸収
層及び熱電変換素子等から構成されており、受光面13
Aに入射した赤外線の熱エネルギーは熱電変換素子によ
り電気信号(抵抗変化)に変換され、その電気信号は、
支持脚4A,4B及び信号転送回路6を介して読み取ら
れる。
【0038】この際に本例では、受光部2Aの受光面1
3Aは、赤外線の集光スポットとほぼ同じ大きさの円形
にされている。従って、図1の実施の形態と比べて、受
光部2Aの熱容量Cはより小さくなり、且つ受光部2A
に入射する赤外線量はほぼ同じであるため、(3)式よ
り受光部2Aの温度変化量ΔTが大きくなって感度が向
上する。また、(2)式より熱時定数τT が小さくなる
ため、応答速度が大きくなる。具体的に、集光スポット
の半径をRとして、図1(図2)のように1辺が2Rの
正方形の受光部2と、図6のように半径Rの円形の受光
部2Aとを比較すると、円形の受光部2Aの方が熱容量
Cが約22%小さくなる。従って、受光部の温度変化量
ΔTは、円形の受光部2Aの方が正方形の受光部2に比
べて約24%大きくなる。また、熱時定数τT は円形の
受光部2Aの方が約22%小さくなる。このように、受
光部を円形にすることにより応答速度を速くして、且つ
感度を高くすることができる。
【0039】なお、例えば製造工程上で円形の受光部2
Aを形成するのが煩雑であるような場合には、円形の受
光部2Aの代わりに円形の集光スポットに外接する正n
角形(nは4以上の整数)を輪郭とする受光部を形成し
てもよい。図7(a)は、円形の集光スポット14に外
接する輪郭を有する正n角形の受光部2Bを示し、この
図7(a)において、集光スポット14を半径Rとする
と、正n角形の受光部2Bの面積Sは次のようになる。
【0040】 S=n・R2 ・tan(180°/n) (5) 図2に示すように、正方形の受光部2は整数nが4の場
合であり、正方形の受光部2の面積Sは4・R2 とな
る。そして、整数nの値を次第に大きくした場合の正n
角形の面積S、及び正方形の面積に対する正n角形の面
積の比の値CSをを計算した結果を表1に示す。
【0041】
【表1】
【0042】表1に示すように、正n角形の場合、整数
nが大きいほど面積Sが減少する。即ち、整数nが大き
くなる程、受光部2Bの形状は集光スポット14を含む
範囲で小さくなって熱容量が次第に減少する。従って、
受光部の温度変化量ΔTが大きくなって感度が高くな
り、且つ応答速度も向上する。なお、正n角形の受光部
2Bを使用する場合、感度面からは整数nは大きい程よ
いが、製造の容易さという観点からは図1(図2)の正
方形の受光部2が有利であることもある。更に、シリコ
ン基板1に対する配線を考慮した場合には、図7(b)
に示すように、正8角形の受光部2Cが都合のよいこと
もある。即ち、正8角形の受光部2Cに対しては、リー
ド線としての支持脚を支持脚4A,4Bで示すように横
方向に渡すこともでき、必要に応じて支持脚4C,4D
で示すように縦方向に渡しても電気的な特性は同じであ
るため、設計の自由度が増す利点がある。
【0043】次に、本発明の第3の実施の形態につき図
8を参照して説明する。本例は、図1の熱型赤外線イメ
ージセンサのシリコン基板1とマイクロレンズアレイ3
との間の空間9を真空状態にしたものであり、それ以外
の構成は図1の実施の形態と同様である。以下では、そ
の空間9を真空状態にする方法の一例について簡単に説
明する。
【0044】図8は、本例の熱型赤外線イメージセンサ
のシリコン基板1及びマイクロレンズアレイ3を示し、
この図8において、マイクロレンズアレイ3を構成する
支持基板7の底面側の凹部7aを囲む枠状の領域を接着
面44として、接着面44に対応するシリコン基板1の
表面の枠状の領域を接着面45とする。そして、接着面
44,45にそれぞれ薄い酸化膜を形成しておき、真空
炉内にシリコン基板1及びマイクロレンズアレイ3を入
れて、接着面44,45を密着させた状態で数100℃
に加熱してマイクロレンズアレイ3とシリコン基板1と
を張り付ける。この場合、接着面44,45に薄い酸化
膜が形成されているため、真空雰囲気でも酸化雰囲気中
と同様に強固な張り付けができる。これによって、マイ
クロレンズアレイ3の支持基板7の凹部7a(図1の空
間9)は真空状態に維持される。その真空の程度は気体
による熱伝導を有効に防止するために、1×10-3to
rr以下が望ましい。
【0045】本例によれば、シリコン基板1上の各受光
部(図1の受光部2)の周辺の空間は真空に保たれるた
め、(4)式のコンダクタンスG中の受光部から周辺気
体への熱コンダクタンスG2 が小さくなる。従って、コ
ンダクタンスGが全体として小さくなるために(3)式
の受光部の温度変化量ΔTは更に大きくなり、感度が更
に向上する。
【0046】なお、本発明は上述の実施の形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取
り得ることは勿論である。
【0047】
【発明の効果】本発明の熱型赤外線イメージセンサによ
れば、マイクロレンズアレイの個々の集光素子による赤
外線の集光スポットと、対応する受光部の大きさとが実
質的に同じ大きさであるため、受光部の大きさは入射す
る赤外線を漏れなく受光できる範囲でほぼ最小にされて
いる。従って、受光部の熱容量が小さくなり受光部での
温度変化量が大きくなるため、受光部の感度が大幅に向
上する利点がある。
【0048】また、マイクロレンズアレイは各受光部に
対して保護蓋の効果を発揮し、本発明の熱型赤外線イメ
ージセンサの例えば組立工程におけるダイシング等の処
理も特別な注意を払わずに実行できる。従って、その熱
型赤外線イメージセンサの製造が容易になると共に歩留
まりも向上し、製造コストが低下するという利点もあ
る。
【0049】また、マイクロレンズアレイの複数個の集
光素子はそれぞれ対応する受光部に対して空間を隔てて
配置され、それら複数個の受光部の幅は実質的に入射す
る赤外線の平均波長程度である場合には、その受光部は
ほぼ断熱構造で支持されることなって逃げる熱エネルギ
ーが減少するために感度がより向上する。このとき、各
集光素子による赤外線の集光スポットの最小径は平均波
長程度であるため、その赤外線の集光スポットを理論的
な限界まで絞って、対応する受光部の幅を平均波長程度
にすることによって、受光部の感度を高めることができ
る。
【0050】また、それら複数個の受光部とそのマイク
ロレンズアレイとの間の空間が真空に保たれている場合
には、それらの受光部の断熱性が高まって感度が更に向
上する。また、それら複数個の受光部がそれぞれ円形で
ある場合には、赤外線を円形の集光スポットに絞った際
に、受光部の形状をその集光スポットの形状に最も近付
けることができるため、受光部の感度が最も高くなる。
また、それら複数個の受光部が正n角形(nは4以上の
整数)である場合には、受光部が円形の場合に近い感度
が得られる。更に、正n角形の受光部は製造が容易であ
る場合がある。
【0051】また、それら複数個の受光部はそれぞれ半
導体基板に対して複数個の脚部を介して浮くように支持
され、それら複数個の脚部はそれぞれ熱伝導率が低く、
且つ断面積が小さく長い材料より形成されている場合に
は、それらの受光部から半導体基板へ逃げる熱エネルギ
ーが減少して断熱性が高まるため、受光部での感度が更
に向上する。このように、その受光部が更に脚部を介し
て浮遊体として空間中に支持される場合には、その受光
部が小さい程その脚部の強度は低くてもよいため、支持
構造の製造プロセスが簡単になるという利点もある。更
に、機械的に弱い浮遊体部分の割合を小さくすることが
できるので、その熱型赤外線イメージセンサ全体の信頼
性が増すという効果もある。
【0052】また、それら複数個の受光部はそれぞれ入
射する赤外線を吸収して熱エネルギーに変換する熱吸収
部と、この熱吸収部によって吸収された熱エネルギーを
電気信号に変換する熱電変換部とを有し、その熱吸収部
の大きさはそれぞれ対応する集光素子による赤外線の集
光スポットと実質的に同じ大きさに設定されると共に、
その熱電変換部の大きさは対応するその熱吸収部以下の
大きさであるときには、その熱電変換部として赤外線を
透過する材料も使用できるため、感度の高い材料を使用
できる利点がある。更に、その熱電変換部を小さくする
ことによって感度をより高めることも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明による熱型赤外線イメージセン
サの第1の実施の形態を示す一部を切り欠いた拡大断面
図、(b)はその熱型赤外線イメージセンサを示す平面
図である。
【図2】図1(a)のマイクロレンズ3aの集光スポッ
トと対応する受光部2との関係を示す斜視図である。
【図3】図2の受光部2の支持構造を示す拡大断面図で
ある。
【図4】第1の実施の形態のマイクロレンズアレイの製
造工程の説明図である。
【図5】図4に続く第1の実施の形態のマイクロレンズ
アレイの製造工程の説明図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態の熱型赤外線イメー
ジセンサの一部を示す拡大斜視図である。
【図7】(a)は図6の受光部の変形例を示す拡大平面
図、(b)はその変形例の特別な場合を示す拡大平面図
である。
【図8】本発明の第3の実施の形態の製造工程の説明に
供する斜視図である。
【図9】(a)は第1の実施の形態の変形例を示す一部
を切り欠いた拡大断面図、(b)はその変形例の一部を
示す拡大平面図である。
【図10】第1の実施の形態の熱型赤外線イメージセン
サの受光部に入射する熱エネルギー、及びその受光部か
ら放出される熱エネルギーを示す図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板 2,2A,2B,2C 受光部 3,31 マイクロレンズアレイ 3a マイクロレンズ 4A,4B 支持脚 6 信号転送回路 7 支持基板 9 空間 10 凹部 11 赤外線吸収層 12 熱電変換素子 14 集光スポット 31a フレネルレンズ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に配列されそれぞれ赤外線
    を吸収して電気信号に変換する複数個の受光部と、 前記複数個の受光部のそれぞれに対応して配置され、入
    射する赤外線を対応する受光部上に集光する複数個の集
    光素子よりなるマイクロレンズアレイと、を備えた熱型
    赤外線イメージセンサにおいて、 前記複数個の受光部の中心はそれぞれ実質的に対応する
    前記集光素子の焦点上に配置され、且つ前記複数個の受
    光部の大きさはそれぞれ対応する前記集光素子による赤
    外線の集光スポットと実質的に同じ大きさに設定された
    ことを特徴とする熱型赤外線イメージセンサ。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の熱型赤外線イメージセン
    サであって、 前記マイクロレンズアレイの前記複数個の集光素子はそ
    れぞれ対応する前記受光部に対して空間を隔てて配置さ
    れ、 前記複数個の受光部の幅は実質的に入射する赤外線の平
    均波長程度であることを特徴とする熱型赤外線イメージ
    センサ。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の熱型赤外線イメージセン
    サであって、 前記複数個の受光部と前記マイクロレンズアレイとの間
    の空間は真空に保たれていることを特徴とする熱型赤外
    線イメージセンサ。
  4. 【請求項4】 請求項1、2、又は3記載の熱型赤外線
    イメージセンサであって、 前記複数個の受光部はそれぞれ円形か、又は正n角形
    (nは4以上の整数)であることを特徴とする熱型赤外
    線イメージセンサ。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4の何れか一項記載の熱型赤
    外線イメージセンサであって、 前記複数個の受光部はそれぞれ前記半導体基板に対して
    複数個の脚部を介して浮くように支持され、 前記複数個の脚部はそれぞれ熱伝導率が低く、且つ断面
    積が小さく長い材料より形成されていることを特徴とす
    る熱型赤外線イメージセンサ。
  6. 【請求項6】 請求項1〜5の何れか一項記載の熱型赤
    外線イメージセンサであって、 前記複数個の受光部はそれぞれ入射する赤外線を吸収し
    て熱エネルギーに変換する熱吸収部と、該熱吸収部によ
    って吸収された熱エネルギーを電気信号に変換する熱電
    変換部とを有し、 前記熱吸収部の大きさはそれぞれ対応する前記集光素子
    による赤外線の集光スポットと実質的に同じ大きさに設
    定されると共に、 前記熱電変換部の大きさは対応する前記熱吸収部以下の
    大きさであることを特徴とする熱型赤外線イメージセン
    サ。
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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003041174A1 (fr) * 2001-11-05 2003-05-15 Mitsumasa Koyanagi Capteur d'images a semi-conducteur et procede de fabrication associe
JP2007227676A (ja) * 2006-02-23 2007-09-06 Matsushita Electric Works Ltd 赤外線デバイス集積装置
JP2007225932A (ja) * 2006-02-23 2007-09-06 Matsushita Electric Works Ltd 赤外線通信用モジュール
JP2008288449A (ja) * 2007-05-18 2008-11-27 Nippon Hoso Kyokai <Nhk> 撮像装置
JP2010177605A (ja) * 2009-02-02 2010-08-12 Disco Abrasive Syst Ltd 赤外線撮像素子の製造方法
WO2012005852A3 (en) * 2010-06-29 2012-04-12 Lightwire, Inc. Vent structures for encapsulated components on an soi-based photonics platform
WO2012096239A1 (ja) 2011-01-14 2012-07-19 住友電気工業株式会社 受光装置、光学装置および受光装置の製造方法
JP2014130200A (ja) * 2012-12-28 2014-07-10 Asahi Glass Co Ltd 投影装置
JP2015075484A (ja) * 2013-10-07 2015-04-20 ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツングDr. Johannes Heidenhain Gesellschaft Mitbeschrankter Haftung 測定目盛及びその測定目盛を備えた光電式位置測定装置
US9939561B2 (en) 2012-12-28 2018-04-10 Asahi Glass Company, Limited Projector having diffuser
JP2019029752A (ja) * 2017-07-27 2019-02-21 大日本印刷株式会社 ウエハキャップ、遠赤外線センサ、遠赤外線検出装置、キャップ
WO2020070985A1 (ja) * 2018-10-02 2020-04-09 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 温度検出素子及び撮像装置
JP2023080119A (ja) * 2015-05-20 2023-06-08 日亜化学工業株式会社 発光装置

Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2003041174A1 (ja) * 2001-11-05 2005-03-03 小柳 光正 固体イメージセンサおよびその製造方法
US7265402B2 (en) 2001-11-05 2007-09-04 Zycube Co., Ltd. Solid-state image sensor including a microlens
WO2003041174A1 (fr) * 2001-11-05 2003-05-15 Mitsumasa Koyanagi Capteur d'images a semi-conducteur et procede de fabrication associe
JP5105695B2 (ja) * 2001-11-05 2012-12-26 カミヤチョウ アイピー ホールディングス 固体イメージセンサおよびその製造方法
JP2007227676A (ja) * 2006-02-23 2007-09-06 Matsushita Electric Works Ltd 赤外線デバイス集積装置
JP2007225932A (ja) * 2006-02-23 2007-09-06 Matsushita Electric Works Ltd 赤外線通信用モジュール
JP2008288449A (ja) * 2007-05-18 2008-11-27 Nippon Hoso Kyokai <Nhk> 撮像装置
JP2010177605A (ja) * 2009-02-02 2010-08-12 Disco Abrasive Syst Ltd 赤外線撮像素子の製造方法
US9341792B2 (en) 2010-06-29 2016-05-17 Cisco Technology, Inc. Vent structures for encapsulated components on an SOI-based photonics platform
WO2012005852A3 (en) * 2010-06-29 2012-04-12 Lightwire, Inc. Vent structures for encapsulated components on an soi-based photonics platform
WO2012096239A1 (ja) 2011-01-14 2012-07-19 住友電気工業株式会社 受光装置、光学装置および受光装置の製造方法
US8809985B2 (en) 2011-01-14 2014-08-19 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Light receiving device, optical device, and method for producing light receiving device
JP2014130200A (ja) * 2012-12-28 2014-07-10 Asahi Glass Co Ltd 投影装置
US9939561B2 (en) 2012-12-28 2018-04-10 Asahi Glass Company, Limited Projector having diffuser
JP2015075484A (ja) * 2013-10-07 2015-04-20 ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツングDr. Johannes Heidenhain Gesellschaft Mitbeschrankter Haftung 測定目盛及びその測定目盛を備えた光電式位置測定装置
JP2023080119A (ja) * 2015-05-20 2023-06-08 日亜化学工業株式会社 発光装置
JP2019029752A (ja) * 2017-07-27 2019-02-21 大日本印刷株式会社 ウエハキャップ、遠赤外線センサ、遠赤外線検出装置、キャップ
WO2020070985A1 (ja) * 2018-10-02 2020-04-09 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 温度検出素子及び撮像装置
US12061121B2 (en) 2018-10-02 2024-08-13 Sony Semiconductor Solutions Corporation Temperature detecting element and imaging apparatus

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