JPH11264901A - 光学的黒色表面およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 所定の波長範囲にわたって吸収体または放射
源の役目を果たす光学的黒色表面を含むような、超小型
電子工学の製造技術による製造に適した構造を提供す
る。 【解決手段】構造が、電気的に不伝導性の支持層１、前
記支持層１の上に製作された金属ミラー層２および、前
記支持層１とその上に重ねられた金属ミラー層２の上に
製作された損失のある層４を含む。ミラー層２は支持層
１の上部表面の上に製作され、損失のある層４はドーピ
ングされた半導体材料から製作される。多層構造３、
４、７の厚さと損失のある層４のドーピングは、ミラー
層２が吸収または放射の所定の波長範囲にわたって構造
を取り囲む媒体と光学的に整合するように互いに調和さ
せられる。本発明は前記表面を製造する方法にも関す
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、請求項１の前文に
記載の構造と、請求項６の前文に記載の方法に関する。

【０００２】

【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】光
学的黒色表面は、光放射の検出器における制限された波
長範囲の吸収体および、その光波長範囲の熱放射源にお
ける放射表面として使用される。特にボロメータおよび
サーモパイル形の赤外線検出器では、広範な光波長スペ
クトルにわたって有効に放射を吸収できる表面が必要で
ある。それに対応して、赤外線放射源は高い放射率の表
面を必要とする。相反の原理によれば、良好な吸収体は
また良好な放射源でもあるので、同じ表面が両方の用途
に適することになる。

【０００３】本特許出願の場合では、所定の波長範囲に
わたって機能する黒色表面とは前記波長範囲にわたって
高い吸収率を有する表面のことであることを理解された
い。また、所定の波長範囲にわたって機能する白色表面
とは前記波長範囲にわたって高い反射率を有する表面の
ことであることを理解されたい。こうした光学的黒色表
面を前記波長範囲にわたって機能する検出器において使
用したい場合、検出器の理想的な表面は前記波長範囲に
わたって黒色表面として機能し、前記波長範囲の外では
白色または透明な表面として機能する。すなわち、前記
波長範囲の外にある波長は実行される測定を妨害するこ
とができない。

【０００４】従来の技術では、ポリマーを使用した広帯
域吸収体の製造が実行されてきた。この種の吸収体は、
例えばビスマス層の上に被覆された薄いポリマー・フィ
ルムを有する。さらに、基部ポリマーにはカーボンブラ
ック粒子といった吸収改良剤が混合されることがある。
ポリマーベースとなる吸収体は製造が容易で経済的であ
るが、一方多数の欠点によって阻害されてきた。吸収体
層として使用されるポリマーは、動作環境、特に湿気に
対して敏感であり、ポリマー吸収体の性能は完璧にはほ
ど遠かった。さらに、検出器の熱質量は比較的大きいの
で、ポリマー吸収体形検出器の応答速度は比較的低速で
あった。ポリマー・フィルムのもう１つの欠点は高温特
性が劣ることであって、そのため加熱赤外線放射源の放
射表面としては使用することができなかった。

【０００５】半導体技術に基づく吸収体および放射源構
成部品も知られている。刊行物「赤外線物理学」、１９
９３年、第３４、４巻、３７９ページから記載されてい
るＫ．Ｃ．Ｌｉｄｄｉａｒｄによって書かれた論文で
は、最上層が半透明金属薄膜であり、その下が損失のな
い誘電体層であり、一番下のもう１つの金属薄膜が赤外
線ミラーの役割を果たす多層フィルム構造が説明されて
る。この多層構造は薄くないガラス基板の上で成長す
る。この構造の根本的な欠点は低応答速度と低感度であ
り、どちらもその比較的大きな熱質量から生じる。この
構造はさらに、基板への伝導によるかなり高い熱損失を
特徴とする。半透明金属薄膜は正確な厚さに製造するこ
とが困難で、さらに検出器の外部表面として使用する場
合容易に破壊される。

【０００６】刊行物「Ｅｕｒｏｓｅｎｓｏｒｓ Ｘ会
報」、１９９６年、ルーフェン（Ｌｏｅｗｅｎ）、１４
３３ページから記載されたＬ．Ｄｏｂｒｚａｎｓｋｉ他
によって発表された論文では、吸収体を１００〜２００
μｍ厚さのシリコン・ウェハの上に成膜することによっ
て上記で説明された種類のものからさらに発展させた構
造が説明される。この構造では、まずシリコン・ウェハ
の上に０．２〜１．５μｍ厚の窒化シリコンの損失のな
いフィルムが成膜され、次いでその上に０．１〜１．５
μｍ厚のドーピングされた多結晶シリコンの損失のある
フィルムが成膜される。最上部層の材料として多結晶シ
リコンを選択する理由は高温での良好な性能と抵抗率の
温度係数が比較的高いことである。シリコンおよび窒化
シリコンの層の下には、基板に形成された開口を通じて
下からタングステンまたはニッケル・クロム合金の層を
スパッタリングすることによって赤外線反射ミラーが形
成される。

【０００７】上記で説明された構造は多数の欠点を有す
る。構成部品の下側金属化層は基板への高い側方熱伝導
性を許容する。金属化層の上には保護フィルムがないた
め、この構造は熱放射源での使用にも適していない。さ
らに、この構造では層の厚さを熱と光について同時に最
適化することは不可能である。

【０００８】本発明の目的は、上記で説明された技術の
欠点を克服し、放射源および吸収体構成部品用のまった
く新しい種類の光学的黒色表面を前記表面の製造方法と
共に提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の目標は、誘電体
の単数または複数の層と共に、シリコンまたはゲルマニ
ウムの層のようなドーピングされた半導体材料層によっ
て形成される多層構造によって、望ましい波長範囲にわ
たって損失のある金属表面をその周囲の媒体と光学的に
整合することによって達成される。それ故、金属ミラー
表面は、前記望ましい波長範囲にわたってミラーの役目
を果たすことを防止される。一方、本発明はまた、望ま
しい波長範囲にわたって周囲の媒体と光学的に整合され
た金属ミラー表面が光学的黒色表面の役目を果たすよう
製造されることを特徴とする。従って、前記波長範囲に
わたって前記金属ミラーに入射する放射は前記光学的黒
色表面と光学的に整合し、ミラー材料と整合層として使
用される損失のある材料とにほとんど完全に吸収され
る。逆に、本発明は、望ましい波長帯にわたって放射源
としても利用される。本発明はさらに、前記半導体層の
ドーピングを変更することによって前記光学的黒色表面
の吸収体の位置をずらすことができることを特徴とす
る。

【００１０】吸収体で使用する場合、本発明による装置
は光学的整合によって吸収される放射エネルギーの大部
分が金属ミラーに到達することを許容するという点で、
本発明は従来技術の半導体技術による構成部品と異なっ
ている。この種の光学的整合は、光学的に機能する厚さ
の単一の層を使用することによってすでに達成されてい
る。それと対照的に、Ｌｉｄｄｉａｒｄによって開示さ
れた上記で説明された吸収体は反転反射防止コーティン
グの使用に基づいており、それによって半透明ミラー層
を通過した放射の部分は第２金属ミラー層から反射して
戻され、損失のある層の位相シフトによって、少なくと
も部分的に半透明ミラー層から反射された放射を打ち消
す。Ｄｏｂｒｚａｎｓｋｉによって開示された吸収体
は、Ｌｉｄｄｉａｒｄの構造で最上層を形成している半
透明ミラーがＤｏｂｒｚａｎｓｋｉの吸収体では０．１
〜１．５μｍ厚のドーピングされた多結晶シリコン層で
置き換えられている点で、Ｌｉｄｄｉａｒｄの吸収体と
光学的に異なっている。反射防止の原理はＬｉｄｄｉａ
ｒｄによって使用されたものと同じであり、この吸収体
でも吸収は、装置の下側表面の金属ミラー層の上に成膜
された層で凝集されることによって、本発明とは異なっ
た方法で達成される。

【００１１】より詳細には、本発明による構造は、請求
項１の特徴を表す部分に述べられたことを特徴とし、方
法は、請求項６の特徴を表す部分に述べられたことを特
徴とする。

【００１２】本発明は大きな利益を提供する。本発明に
よる構造では、波長軸上の吸収帯域の位置が半導体層の
厚さとドーピングの両方を変化させることを通じて調整
できるので、構造の最適化が容易であり、それによって
光学的特性の設計と共に機械的および熱的要求も満足で
きる。一方、本発明は有効な検出器範囲に対してきわめ
て良好な断熱性を提供する。検出器範囲の熱質量を小さ
くすることができるので、検出器の変調速度応答の高い
カットオフ周波数を容易にする。さらに、本発明による
吸収体構造の応答は、検出器構造が湿気を吸収しないた
め周囲の湿気に関して安定である。本発明による構造は
８００℃程度までの高い動作温度を許容するので、光放
射源形の構成部品でも使用することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１に示すように、本吸収体は、
シリコン基板５の上に成長した自立的誘電体層１、前記
誘電体層１の上に成膜された金属ミラー層２、前記金属
ミラー層２の上に成膜された誘電体層の保護層３およ
び、その上に成膜された損失のある層４を含む。図１で
例示された構造にはまた、基板にエッチングされた開口
６が含まれるが、前記開口は前記吸収金属ミラー層２か
ら周囲への伝導による熱損失を減少させる働きをする。
図２に示す構造は、前記損失のある層４の上に成膜され
た追加保護層７を有する点だけが図１のものと異なって
いる。この保護層７は、構成部品が高温で動作する場合
損失のある層４の上に必要となる。実際には、保護層７
は、構成部品が光波長範囲の放射源の役目を果たす場合
常に必要である。

【００１４】上記で言及した以外に、吸収体および放射
源として使用される構成部品には、例えばヒータ・エレ
メント、抵抗性エレメントおよび／または熱エレメント
といった追加エレメントが含まれる。この構成部品は、
例えば、真空中に封入され、構成部品の放射／吸収範囲
の周囲からの断熱を改善することもできる。しかし、本
発明はこれらの構成部品の一部分に関するものであり、
本発明による光学的黒色表面は多様な異なった構成部品
に同様に適用されるものであるため、この構成部品の構
造的実現は図１および図２では解明されない。

【００１５】本発明によれば、金属ミラー層２は、吸収
（または放射）される波長範囲にわたる損失のある層４
によってその周囲の媒体と整合される。損失のある層４
は有利にも、望ましい波長範囲とその隣接した範囲にわ
たって高い透過率を有する材料から製造される。すなわ
ち、吸収体は吸収（または放射）する波長に関して選択
的にできる。光学的特性だけでなく熱的、機械的および
製造上の品質に関する本構造の最適化を促進するため
に、損失のある層４は、その屈折率が構成部品の製造工
程中に容易に変化させられる材料から製造されることが
望ましい。明らかに、この層の材料はまた、その機械的
および熱的性能と加工性を満足しなければならない。

【００１６】損失のある層４が有利にも適切な半導体か
ら製造される場合、完全整合の波長帯は損失のある層４
の適切なドーピングによって調整できる。このアプロー
チは、損失のある層の屈折率は材料のプラズマ共振パラ
メータに依存し、さらに後者は材料中の自由電荷キャリ
アの濃度に依存するという事実に基づいている。この関
係は、ドーパント濃度に対する有効誘電率の依存を通じ
て以下のように表される。

【数１】 但し、−ε_effは、有効誘電率、 −εは、材料の固有誘電率、 −ｎは、自由電荷キャリアの濃度、 −ｍ^*は、電子の有効質量、 −ｅは、電気素量、 −ωは、放射の角周波数、である。０．１〜１０μｍの
波長範囲にわたって動作する吸収体では、損失のある層
４のために特に有利な半導体材料は多結晶シリコンであ
る。多結晶シリコンは従来のシリコン技術を使用して構
成部品の上に容易に成膜でき、例えば、イオン注入およ
び熱処理によって屈折率を変化させることができる。

【００１７】吸収特性に対する屈折率変更の作用が図
３、図４および図５で示される。図３では、ドーピング
された多結晶シリコンの４８３ｎｍ厚の層から製造され
た損失のある層４を有する構造中の異なった燐イオン注
入量（Ｄｐ、１／ｃｍ²）に対する波長軸に沿った吸収
帯域の形状と位置を示す。図４では、異なった厚さの４
つの構造中の燐イオン注入量の関数としての吸収が最大
となる波長について測定された実験による数値が示され
る。さらに図５では、ドーパントの量の関数としての実
験で測定されたものと計算で得られたものの両方の吸収
最大量の波長のグラフが示される。積層構造における電
磁平面波伝播の一般理論は、例えばＥｄｗａｒｄ Ｄ．
Ｐａｌｉｋ「固体の光定数ハンドブック」、Ａｃａｄｅ
ｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｉｎｃ．１９８５年といったテキ
ストで説明されている。本発明はこの一般理論を利用し
ている。また、図５の計算上の曲線は、上記の参考文献
の第２節で説明された理論に基づいて計算されている。

【００１８】多結晶シリコン（または他の適切な材料）
の前記損失のある層４の物理的厚さは、熱的および製造
上両方のパラメータについて利用可能な屈折率数値の制
約の範囲内で、層の光学的厚さが望ましい波長範囲にわ
たって他の層と共に光学的整合を実現するように層を最
適化することによって決定される。図４および図５で
は、一定の波長で本発明が実現できるいくつかの可能な
パラメータの組合せが作図される。図３〜図５に示す吸
収体構造はモリブデンから製造された金属ミラー層２、
窒化シリコンのミラー層１の保護層３および、燐でドー
ピングされた多結晶シリコンの損失のある層４を有す
る。この吸収体構造では、保護層は約５０ｎｍ厚であ
り、金属ミラー層２は約１００ｎｍ厚である。例示とし
ての吸収体構造は、損失のある層４の上に製作された保
護層７を有さない。

【００１９】とりわけ図４および図５から見られるよう
に、この吸収体構造で吸収帯域の吸収が最大になる波長
が約４．５μｍ波長に一致することが望ましい場合、上
記で説明された構造中の多結晶シリコンの損失のある層
４の厚さ（図中でｄｐｏｌｙとして示される）は、例え
ば、４５０ｎｍまたは５７８ｎｍが選択される。層４の
厚さが４５０ｎｍの場合、燐注入量は約６．０・１０¹⁵
燐イオン／ｃｍ²でなければならない。５７８ｎｍ厚の
層の場合、燐注入量は約７．５・１０¹⁵イオン／ｃｍ²
でなければならない。注入濃度が損失のある層４とおそ
らく使用される保護層３、７の厚さによって調整される
ならば、明らかに、吸収が最大となる波長ピークは他の
厚さの損失のある層４を使用してもこの例示としての数
値に設定できる。この寸法決定処理は、図４および図５
のグラフに基づき、またより一般的には上記の参考文献
で示された一般理論に基づく計算技術を使用して実行さ
れる。通常損失のある層４の厚さは０．１〜１．５μｍ
の範囲が選択される。

【００２０】損失のある層４が多結晶シリコンから製造
される場合、金属ミラー層２の材料は、モリブデン、タ
ンタルおよびタングステンのグループから選択されるこ
とが好適である。モリブデンは特に好適なミラー材料で
あるが、それはモリブデンの反射における複合屈折率が
ドーピングされたシリコンと誘電体層によって周囲の媒
体とほとんど理想的に整合できるからである。モリブデ
ンがミラー材料として使用される場合、金属ミラー層２
の厚さは有利にも５０〜４００ｎｍである。金属層はエ
ッチングまたはリフトオフ加工によって所定の寸法のミ
ラー部分２にパターン成形され、それによって検出器部
分と基板５の間の金属熱伝導経路が除去される。

【００２１】誘電体層１は、厚さ１００〜２００ｎｍの
窒化シリコンから製造されるので有利である。また、誘
電体層１は、例えば二酸化シリコンから製造されること
もある。金属ミラー層２と損失のある層４の保護層３、
７も、窒化シリコンである誘電体材料から製造されるの
ことが好適である。保護層３、７は支持および保護エレ
メントの役目を果たすので、構造全体の吸収特性への貢
献はわずかであるべきである。このことは層３、７を窒
化シリコンから製造することによって確保される。保護
層３、７は電気絶縁体としても機能する。保護層７は４
０〜２００ｎｍの厚さを有し、保護層３は２０〜２００
ｎｍ、好適には２０〜１００ｎｍの厚さを有する。

【００２２】図１および図２に示す構成部品構造の検出
器部分を通じた光放射の伝導は、金属ミラー層２が光に
対して不透明なためゼロである。従って、光放射の放出
は主として損失のある層４に隣接した金属ミラー層２の
側から行われるが、これは金属層のもう一方の側では放
射表面がきわめて放射率の低い金属表面だからである。
その結果、保護層７によって覆われた損失のある層４を
有する図２に示す構造は放射源としての使用にも適して
いる。

【００２３】上記で説明されたものと異なった代替実施
形態も本発明の範囲と精神の中で企図される。本発明の
上記の説明は、光学的黒色表面の設計とその製造材料の
選択の一般原理を開示する。例えば、金属ミラー層２と
損失のある層４の間の光学的整合の規則を満足できる可
能なすべての材料の組合せが必ずしも言及されたわけで
はないが、他の適切な材料の組合せがある場合、当業技
術分野に熟練した者によって探求され発見される。従っ
て、基板５がシリコンから製造され、支持層１が窒化シ
リコンから製造されることは強制的ではない。本発明に
よる吸収体または放射源構造は、この構造がボロメー
タ、サーモパイルまたは熱放射源のどれで使用されるか
によって異なった種類の導体および絶縁体材料によって
補完される。しかし、こうした追加材料の実現は本発明
の範囲外にあるので、これらは図１および図２の図面か
ら省略されている。

【図面の簡単な説明】

以下では、本発明は添付の図面を参照しつつ、例示とし
ての実施形態によってより詳細に検討される。

【図１】所定の波長範囲にわたって動作する本発明によ
る光学的黒色表面を有する吸収体の縦断面図を示す。

【図２】所定の波長範囲にわたって動作する本発明によ
る光学的黒色表面を有する吸収体−放射源の縦断面図を
示す。

【図３】本発明によるいくつかの光学的表面に関する吸
収対波長のグラフを示す。

【図４】本発明によるいくつかの構造に関する吸収最大
波長対燐イオン注入量のグラフを示す。

【図５】理論的に計算された数値に対する比較を伴う本
発明によるいくつかの構造に関する吸収最大波長対燐イ
オン注入量のグラフを示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マルッティ ユハニ ブロムベルグ フィンランド国．エフアイエヌ − 01600 ヴァンタァ，ヨンサクセンポルク ４ エー ７ (72)発明者 アルッティ カレヴァ トルッケリ フィンランド国．エフアイエヌ − 02770 エスポー，キルタクヤ １ エフ 52 (72)発明者 アリ レート フィンランド国．エフアイエヌ − 00700 ヘルシンキ，レイクヤ ３

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の波長範囲にわたって吸収体または
   放射源の役目を果たす光学的黒色表面を含むような超小
   型電子工学の製造技術を使用して製造される構造であっ
   て、該構造が、 −電気的に不伝導性の支持層（１）と、 −前記支持層（１）の上に製作された金属ミラー層
   （２）と、 −前記支持層（１）とその上に重ねられた前記金属ミラ
   ー層（２）の上に製作された損失のある層（４）とを含
   み、 −前記金属ミラー層（２）が前記支持層（１）の上部表
   面の上に製作されていることと、 −前記損失のある層（４）がドーピングされた半導体材
   料から製作されていることと、 −上に重なる多層構造（３、４）と共に前記金属ミラー
   層（２）によって形成される前記構造が、吸収または放
   射の前記所定の波長範囲にわたって前記構造を取り囲む
   媒体に光学的に整合されるように、前記損失のある層
   （４）の厚さとドーピングが互いに調和されることとを
   特徴とする構造。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の構造において、前記損
   失のある層（４）が、 −前記半導体材料の層と、 −前記光学的黒色表面の吸収／放射波長範囲を望ましい
   所定の数値に設定するように前記半導体材料に適用され
   たドーパントの量とを含むことを特徴とする構造。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の構造において、前記損
   失のある層（４）の前記半導体材料が多結晶シリコンま
   たはゲルマニウムであることを特徴とする構造。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の構造において、前記ミ
   ラー材料がモリブデン、タンタルまたはタングステンで
   あることを特徴とする構造。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の構造において、 −前記金属ミラー層（２）の上の、前記金属ミラー層
   （２）と前記損失のある層（４）の間に薄い保護層
   （３）が提供されることと、 −前記損失のある層（４）の前記上部表面の上に別の薄
   い保護層（７）が提供されることとを特徴とする構造。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の構造において、前記第
   １および第２の薄い保護層（３、７）と前記支持層
   （１）の材料が二酸化シリコン、窒化シリコンまたは二
   酸化シリコンと窒化シリコンの複合材料であることを特
   徴とする構造。
7. 【請求項７】 基板（１）上に所定の波長範囲にわたっ
   て機能する光学的黒色表面を製造する方法であって、適
   切な金属および第１および第２誘電体材料がまず選択さ
   れた後、薄膜材料層がその支持基板（１）と共に、光学
   的に稠密な金属層から製造されたミラー層（２）と、前
   記第１誘電体材料から製造された損失のある層（４）と
   を含む多層構造（２、３、４、７）を形成するように、
   前記材料が前記薄膜構造に成膜され、 −前記ミラー層（２）が前記基板（１）の表面に成膜さ
   れることと、 −前記ミラー層（２）の上部表面に、前記第１および前
   記第２誘電体材料から、前記ミラー層（２）がその上に
   重なる多層構造（３、４）と共に所定の波長範囲にわた
   って前記構造を取り囲む媒体と光学的に整合するような
   材料選択によって決定される層の厚さを有する多層構造
   （３、４、７）が成膜されることとを特徴とする方法。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の方法において、 −前記基板（１）の上に金属層が成膜され、それがミラ
   ー（２）を形成するようにパターン成形されることと、 −前記ミラー（２）の上に前記第２誘電体材料の保護層
   （３）が成膜されることと、 −前記保護層（３）の上に前記第１誘電体材料の損失の
   ある層（４）が成膜され、それが必要な場合パターン成
   形されることと、 −前記損失のある層（４）の上に前記第２誘電体材料の
   第２保護層（７）が成膜されることとを特徴とする方
   法。
9. 【請求項９】 請求項７または請求項８に記載の方法に
   おいて、 −前記第１誘電体材料が多結晶シリコンであるよう選択
   されることと、 −前記金属がモリブデン、タンタルおよびタングステン
   のグループから選択されることとを特徴とする方法。
10. 【請求項１０】 請求項７〜請求項９の何れかに記載の
    方法において、前記第２誘電体材料が窒化シリコンであ
    るよう選択されることを特徴とする方法。
11. 【請求項１１】 請求項７〜請求項１０に記載の方法に
    おいて、前記第１誘電体材料がその固有の形態とドーピ
    ング原子種から製造されることを特徴とし、前記方法
    が、 −必要な厚さの前記損失のある層（４）のために固有の
    形態の前記第１誘電体材料を成膜するステップと、 −前記層の相対誘電率を制御し、ひいては前記光学的黒
    色表面の吸収／放射波長範囲を所定の限度内に制御する
    損失のある層（４）を形成するために、前記固有材料層
    を前記ドーピング原子種でドーピングするステップとを
    含む方法。