JPWO2019171488A1

JPWO2019171488A1 - 電磁波センサ

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Publication number: JPWO2019171488A1
Application number: JP2020504547A
Authority: JP
Inventors: 尚城太田; 晋治原; 青木　進; 進青木; 英嗣小村; 明政海津
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2021-03-11
Anticipated expiration: 2038-03-07
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Abstract

局所熱源からの熱がボロメータ膜に与える影響が抑制された電磁波センサが提供される。
電磁波センサ１は第１の基板２と、第１の基板２と対向して位置し、第１の基板２との間に内部空間７を形成する、赤外線を透過する第２の基板３と、内部空間７に設けられ、第２の基板３に支持された複数のボロメータ膜８と、第１の基板２に形成された局所熱源９と、第１の基板２を第２の基板３に接続する第１の電気接続部材５と、第２の基板３上または第２の基板３内を延び、第１の電気接続部材５をボロメータ膜８に接続するリード１０と、を有している。

Description

本発明は電磁波センサに関し、特にボロメータ膜を備えた赤外線センサに関する。

ボロメータ膜を備え、対象物の温度分布を赤外波長領域で検出する赤外線センサが知られている。このような赤外線センサでは、外部からボロメータ膜に入射しボロメータ膜に吸収された赤外線によってボロメータ膜に温度変化が生じ、ボロメータ膜の温度変化が抵抗変化として取り出される。対象物の温度とその対象物から放射される放射度（輻射エネルギー）との間には相関関係（Stefan-Boltzmannの法則）がある。従って、対象物から放射される輻射熱によるボロメータ膜の温度変化を検出することで対象物の温度分布を測定することができる。

以上のことから、ボロメータ膜を備えた赤外線センサでは輻射熱以外の熱の影響を極力排除することが必要である。このため、一般的にはボロメータ膜は、対流の影響を抑制するため、赤外線を透過する窓を備えた真空ハウジングに設置されている。また、ボロメータ膜を備えた赤外線センサは、ボロメータ膜の抵抗変化を電気信号に変換するＲＯＩＣ（Read Out Integrated Circuit）などの部材を備えている。このような部材は局所熱源であることから、ボロメータ膜の測定結果に大きな影響を与える可能性がある。すなわち、赤外線センサを搭載した赤外線カメラでは、このような局所熱源が画像に写り込む可能性がある。

特許第５９２３６１７号公報には、第１ウエハにＲＯＩＣが形成され、第２ウエハにマイクロボロメータが支持されたＭＥＭＳセンサが開示されている。マイクロボロメータはミアンダ形状のリードを介して第２ウエハに支持されており、第２ウエハのマイクロボロメータと対向する面は凹部とされている。これによって、マイクロボロメータは第１ウエハと第２ウエハとの間の空間に浮くように配置される。ＲＯＩＣとマイクロボロメータは、第１ウエハと第２ウエハとの間をウエハと直交する方向に延びる半田材によって電気的に接続されている。

特許第５９２３６１７号公報に開示されたＭＥＭＳセンサは、局所熱源であるＲＯＩＣとマイクロボロメータが別々のウエハ（基板）に設置されているため、ＲＯＩＣによる熱の影響を抑制することが可能である。しかし、ＲＯＩＣからの熱は半田材を介して第２ウエハに伝達され、さらにリードによってマイクロボロメータに伝達されるため、依然としてＲＯＩＣからの熱の影響を十分に抑制することができない。

本発明は局所熱源からの熱がボロメータ膜に与える影響が抑制された電磁波センサを提供することを目的とする。

本発明の電磁波センサは第１の基板と、第１の基板と対向して位置し、第１の基板との間に内部空間を形成する、電磁波を透過する第２の基板と、この内部空間に設けられ、第２の基板に支持された複数のボロメータ膜と、第１の基板に形成された局所熱源と、第１の基板を第２の基板に接続する第１の電気接続部材と、第２の基板上または第２の基板内を延び、第１の電気接続部材をボロメータ膜に接続するリードと、を有する。

リードは第２の基板上または第２の基板内を延びている。換言すれば、リードはその経路に沿って第２の基板に物理的に接触している。局所熱源から第１の電気接続部材を介してリードに伝達された熱は、その経路に沿った物理的な接触部を通じて第２の基板に拡散される。すなわち、第２の基板はリードの熱を吸収する吸熱材として機能するため、局所熱源からの熱がボロメータ膜に与える影響を抑制することができる。

上述した、およびその他の、本出願の目的、特徴、および利点は、本出願を例示した添付の図面を参照する以下に述べる詳細な説明によって明らかとなろう。

本発明の第１の実施形態の赤外線センサの概略側面図である。図１のＺ方向上方から見た赤外線センサの概略平面図である。図１に示す赤外線センサの斜視図である。第２の反射防止膜の概略断面図である。本発明の第２の実施形態の赤外線センサの概略側面図である。本発明の第３の実施形態の赤外線センサの概略平面図である。第３の実施形態の変形例の赤外線センサの概略平面図である。本発明の第４の実施形態の赤外線センサの概略側面図である。本発明の第５の実施形態の赤外線センサの概略側面図である。第５の実施形態の変形例の赤外線センサの概略側面図である。本発明の第６の実施形態の赤外線センサの概略断面図である。比較例の赤外線センサの概略断面図である。本発明の第７の実施形態の赤外線センサの概略断面図である。本発明の赤外線センサの製造方法の一例の概略フローを示す図である。本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。本発明の赤外線センサの製造方法の一例のステップを示す図である。

１赤外線センサ（電磁波センサ）
２第１の基板
３第２の基板
４側壁
５第１の電気接続部材
５ａ第１の行電気接続部材
５ｂ第１の列電気接続部材
６第２の電気接続部材
６ａ第２の行電気接続部材
６ｂ第２の列電気接続部材
７内部空間
８ボロメータ膜
９局所熱源
１０リード
１０ａ行リード
１０ｂ列リード
１１選択トランジスタ
１２輻射シールド
１３支持部材
１４第１の反射防止膜
１５第２の反射防止膜
１６熱拡散板
１７ゲッタ膜
２１反射膜
３１フィルタ膜
４１第１の凸状領域
４３第２の凸状領域
５１ブラインドセル
５３赤外線遮蔽部
６１コンデンサ
Ｘ第１の方向
Ｙ第２の方向
Ｚ第３の方向

以下、図面を参照して本発明の電磁波センサの様々な実施形態を説明する。以下の説明及び図面において、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙは第１の基板２及び第２の基板３の主面と平行な向きであり、第１の方向Ｘはボロメータ膜８のアレイの行に対応し、第２の方向Ｙはボロメータ膜８のアレイの列に対応している。第３の方向Ｚは第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙと直交する方向であり、第１の基板２及び第２の基板３の主面と垂直な方向である。

以下の実施形態では、複数のボロメータ膜が２次元のアレイ状に配列した赤外線センサを対象とする。このような赤外線センサは主に赤外線カメラの撮像素子として利用される。赤外線カメラは暗所での暗視スコープ、暗視ゴーグルとして利用できるほか、人や物の温度測定などに利用可能である。また、複数のボロメータ膜が１次元状に配列した赤外線センサは、各種の温度ないし温度分布を測定するセンサとして利用することができる。説明は省略するが、複数のボロメータ膜が１次元状に配列した赤外線センサも本発明の範囲に含まれる。また、検出する電磁波は赤外線に限定されず、本発明の電磁波センサは、例えば波長１００μｍ〜１ｍｍのテラヘルツ波を検出するものであってもよい。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態の赤外線センサ１の概略側面図、図２は図１の赤外線センサ１のボロメータ膜８とリード１０と第１及び第２の電気接続部材５，６だけを示す、Ｚ方向上方から見た平面図である。図３は図１の赤外線センサ１の分解斜視図であり、第１の基板２と第２の基板３を離して示している。赤外線センサ１は、第１の基板２と、第１の基板２に対向して位置する第２の基板３と、第１の基板２と第２の基板３とを接続する側壁４と、を有している。第１の基板２と第２の基板３と側壁４は密閉された内部空間７を形成しており、内部空間７は負圧ないしは真空にされている。これによって、内部空間７での気体の対流が防止または抑制され、ボロメータ膜８への熱的影響を軽減することができる。内部空間７は大気圧とすることもできる。この場合ボロメータ膜８への熱的影響は増加するが、本発明の効果を得ることは可能である。

第１の基板２はシリコン基板２ａと絶縁膜２ｂとを有し、シリコン基板２ａの表面ないし絶縁膜２ｂの内部に様々な素子や配線が形成されている。第２の基板３はシリコン基板３ａと、シリコン基板３ａの両面を覆う第１の反射防止膜１４及び第２の反射防止膜１５と、を有している。第２の基板３は長波長赤外線を透過させる窓基板として機能するため、シリコン基板３ａの代わりにゲルマニウム基板等を用いることもできるが、後述する理由により、シリコン基板３ａを用いることがより好ましい。長波長赤外線の波長は概ね８〜１４μｍである。

内部空間７には概ね正方形状の複数のボロメータ膜８が設けられている。複数のボロメータ膜８は、第１の方向Ｘに一定の間隔Ａｘで配列された複数の行Ｒと、第１の方向Ｘと交差する方向、好ましくは第１の方向Ｘと直交する第２の方向Ｙに一定の間隔Ａｙで配列された複数の列Ｃと、からなる２次元の格子状のアレイをなしている。各ボロメータ膜８はこのアレイにおける一つのセルないし画素を構成する。アレイの行列数としては例えば６４０行×４８０列、１０２４行×７６８列などが挙げられるが、これらに限定されない。ボロメータ膜８はシリコン基板と、シリコン基板上に形成された酸化バナジウム（ＶＯｘ）ないしアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）の膜とを有している。ボロメータ膜８はさらに内部空間７の真空度を維持するためのゲッタ膜１７を有している。

第１の基板２の内部にはＲＯＩＣ、レギュレータ、Ａ／Ｄコンバータ、マルチプレクサなどの素子が形成されている。ＲＯＩＣは複数のボロメータ膜８の抵抗変化を電気信号に変換する集積回路である。これらの素子は第１の基板２の所定の位置に設けられた局所熱源９である。第１の基板２と第２の基板３は第１の電気接続部材５によって接続されている。これらの素子は第１の基板２の内部配線１８、内部配線１８に接続された導通路１９及び導通路１９に接続された端子２０を介して第１の電気接続部材５に接続されている。

第１の電気接続部材５は円形断面のピラー状の形状をした導体で、例えばめっきによって作成することができる。第１の電気接続部材５は後述する第２の電気接続部材６よりもＺ方向の寸法が大きい（高い）ため、製作性を考慮して第２の電気接続部材６よりも大きな断面積を有している。第１の電気接続部材５は、第２の基板３で後述する行リード１０ａに接続された第１の行電気接続部材５ａと、第２の基板３で後述する列リード１０ｂに接続された第１の列電気接続部材５ｂとからなっている。図２に示すように、複数の第１の行電気接続部材５ａはボロメータ膜８の行Ｒの一端側に、複数の第１の列電気接続部材５ｂはボロメータ膜８の列Ｃの一端側にそれぞれ集中配置されている。

第２の基板３には、各ボロメータ膜８が一対の第２の電気接続部材６を介して支持されている。第２の電気接続部材６も円形断面のピラー状の形状をした導体で、例えばめっきによって作成することができる。一対の第２の電気接続部材６は行リード１０ａに接続された第２の行電気接続部材６ａと、列リード１０ｂに接続された第２の列電気接続部材６ｂとからなっている。第２の行電気接続部材６ａ及び第２の列電気接続部材６ｂはそれぞれ行リード１０ａと列リード１０ｂから第１の基板２に向けてＺ方向下向きに延び、第１の基板２と第２の基板３との間で終端している。従って、ボロメータ膜８は第１の基板２及び第２の基板３からＺ方向に間隔をおいて内部空間７内に懸架されている。ボロメータ膜８は、その対角線上の２つの角部で、第２の行電気接続部材６ａと第２の列電気接続部材６ｂとによって支持されている。第２の電気接続部材６はボロメータ膜８を支持するとともに、ボロメータ膜８にセンス電流を供給する。

第２の基板３には、第１の電気接続部材５をボロメータ膜８に接続し、ボロメータ膜８にセンス電流を供給するリード１０が形成されている。リード１０は銅などの導体から形成されている。リード１０はボロメータ膜８の行Ｒ毎及び列Ｃ毎に、且つ格子状に形成されている。すなわち、リード１０は行方向（第１の方向Ｘ）に延びる行リード１０ａと、列方向（第２の方向Ｙ）に延びる列リード１０ｂとからなっている。行リード１０ａは第１の行電気接続部材５ａを第２の行電気接続部材６ａに接続し、列リード１０ｂは第１の列電気接続部材５ｂを第２の列電気接続部材６ｂに接続する。行リード１０ａは対応する行Ｒに含まれるボロメータ膜８を順次接続し、列リード１０ｂは対応する列Ｃに含まれるボロメータ膜８を順次接続している。図１では便宜上行リード１０ａがボロメータ膜８と対向する位置で分断されているが、図２，３に示すように、行リード１０ａは連続的に延びている。列リード１０ｂについても同様である。

リード１０は互いに隣接するボロメータ膜８の間を延びている。これによって、リード１０とボロメータ膜８の干渉が避けられるとともに、リード１０が赤外線の輻射熱で加熱されることによるボロメータ膜８への影響を抑制することができる。行リード１０ａと列リード１０ｂは互いに導通しないで交差するように、間に絶縁膜１５２（図４参照）を挟んでＺ方向の異なる位置を延びている。本実施形態では、行リード１０ａが列リード１０ｂの上方、すなわちＺ方向において第２の基板３により近い位置を延びているが、行リード１０ａが列リード１０ｂの下方にあってもよい。また、シリコン基板３ａは多少の導電性を有しているため、シリコン基板３ａと行リード１０ａとの間も絶縁膜１５１（図４参照）で絶縁されている。これらの絶縁膜１５１，１５２は後述するように、第２の反射防止膜１５の一部を構成する。

第１の行電気接続部材５ａと、第１の行電気接続部材５ａに最も近接するボロメータ膜８と、の間の行リード１０ａの配線長Ｂｘは、ボロメータ膜８の第１の方向Ｘにおける配置間隔Ａｘより長い。同様に、第１の列電気接続部材５ｂと、第１の列電気接続部材５ｂに最も近接するボロメータ膜８と、の間の列リード１０ｂの配線長Ｂｙは、ボロメータ膜８の第２の方向Ｙにおける配置間隔Ａｙより長い。ここで、配線長Ｂｘ，Ｂｙとは、ボロメータ膜８と第１の行電気接続部材５ａまたは第１の列電気接続部材５ｂとの間の直線距離ではなく、行リード１０ａまたは列リード１０ｂの経路に沿った長さ、すなわち行リード１０ａまたは列リード１０ｂの中心線の長さである。図示の例ではリード１０は第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに直線状に延びているが、配線長Ｂｘ，Ｂｙを確保するために蛇行形状またはミアンダ形状で延びていてもよい。

第２の基板３のシリコン基板３ａには、複数のボロメータ膜８から一つのボロメータ膜８を選択するための複数の選択トランジスタ１１が形成されている。各選択トランジスタ１１は各ボロメータ膜８に対応している。選択トランジスタ１１は第２の基板３のボロメータ膜８と対向する領域（以下、窓領域３ｃという）を避けて配置されている。これによって、赤外線の乱反射や入射効率の低下が避けられる。なお、第２の基板３がシリコン基板３ａを備えている理由はシリコン基板３ａが赤外線の透過性を有するだけではない。第２の基板３がシリコン基板３ａを備えることによって、第２の基板３に選択トランジスタ１１を形成することができる点に留意されたい。

第２の基板３の外側表面の少なくとも一部、好ましくは全部は第１の反射防止膜１４で形成されている。ここで、第２の基板３の外側表面とは、第２の基板３の窓領域３ｃを含むＸ−Ｙ平面に広がる面を意味し、第２の基板３の側面は含まない。第２の基板３の内側表面は第２の反射防止膜１５で形成されている。ここで、第２の基板３の内側表面とは、第２の基板３の内部空間７に接する面である。換言すれば、シリコン基板３ａの外側表面と内側表面はそれぞれ、第１の反射防止膜１４と第２の反射防止膜１５で覆われている。第１の反射防止膜１４は入射光の反射を防止または抑制し、赤外線の入射効率を改善する。第２の反射防止膜１５は第２の基板３を通過した赤外線が第２の基板３の内側表面で反射することを防止し、赤外線をスムーズにボロメータ膜８に入射させる。第１の反射防止膜１４と第２の反射防止膜１５は屈折率の異なる層が交互に積層された積層膜であり、各層で反射する波の干渉を利用して特定の波長領域の光の反射率を低減させる。第１の反射防止膜１４と第２の反射防止膜１５は、例えば酸化膜、窒化膜、硫化膜、フッ化膜、ホウ化膜、臭化膜、塩化膜、セレン化膜、Ｇｅ膜，ダイヤモンド膜、カルコゲナイド膜、Ｓｉ膜などを積層することで形成される複数の絶縁膜の積層膜である。

図４は第２の反射防止膜１５の概略断面図である。行リード１０ａ及び列リード１０ｂは第２の反射防止膜１５に埋め込まれている。第２の反射防止膜１５は絶縁層１５１〜１５５からなり、行リード１０ａは絶縁層１５１と絶縁層１５２の間に、列リード１０ｂは絶縁層１５２と絶縁層１５３の間に埋め込まれている。絶縁層１５１〜１５５はそれぞれＺｎＳ，ＳｉＯ_２，ＡｌＯｘ，ＳｉＮ，ＡｌＮ，ＭｇＦ，ＣａＦ，Ｇｅ，ＹＦ，ＺｎＳｅ，ＫＢｒ，ＮａＣｌ，ＢａＦ，ダイヤモンド、カルコゲナイド、Ｓｉなどから形成することができる。絶縁層１５４，１５５は第２の反射防止膜１５の機能を高めるために設けられ、３層以上の多層構成であってもよい。

第１の反射防止膜１４と第２の反射防止膜１５のいずれか一方または双方を省略することもできる。第２の反射防止膜１５を省略した場合も、行リード１０ａと列リード１０ｂは絶縁層で絶縁されている必要がある。行リード１０ａと列リード１０ｂのいずれかは内部空間７に暴露されていてもよい。すなわち、行リード１０ａと列リード１０ｂの一方が第２の基板３の内部を延び、他方が第２の基板３の表面を延びていてもよい。

各ボロメータ膜８と第１の基板２との間には第１の基板２からの輻射を減衰させまたは遮蔽する輻射シールド１２が設けられている。輻射シールド１２は第２の基板３から第１の基板２に向けてＺ方向下向きに延びる複数の（例えば４本の）支持部材１３によって支持されている。支持部材１３の一端は輻射シールド１２の角部に接続され、他端は第２の基板３に接続されている。支持部材１３が熱伝導率の低い物質で形成される場合、支持部材１３を第１の基板２に支持させてもよい。

輻射シールド１２はＡｕ，Ｃｕ，Ａｌなど、赤外線に対して高い反射率を有する材料から形成されている。構造的強度を保つため、ＳｉＯ_２，ＡｌＯｘ，ＳｉＮ，ＡｌＮ，ＭｇＦ，ＣａＦ，Ｇｅなどの膜を輻射シールド１２の第１の基板２の対向する面に形成してもよい。輻射シールド１２のボロメータ膜８と対向する面１２ａは赤外線を反射する。一部の赤外線はボロメータ膜８を透過する。輻射シールド１２はボロメータ膜８を透過した赤外線を反射し、ボロメータ膜８に裏側から入射させる。これによってボロメータ膜８への赤外線の入射効率を高めることができる。ボロメータ膜８と輻射シールド１２との間の間隔は入射される赤外線の波長λの１／４程度とされている。このため、入射する赤外線と反射する赤外線の干渉が避けられ、赤外線をボロメータ膜８に効率的に取り込むことができる。赤外線の波長λは概ね８〜１４μｍであるため、ボロメータ膜８と輻射シールド１２との間の間隔は２〜３．５μｍ程度が好ましく、赤外線の入射効率が最大となる２．５〜３．０μｍ程度がさらに好ましい。

第１の基板２のボロメータ膜８と対向する領域には熱拡散板１６が形成されている。熱拡散板１６は好ましくはすべてのボロメータ膜８と対向する１枚の連続した金属層であり、その熱伝導率は第１の基板２の熱伝導率より高くされている。熱拡散板１６は高い熱伝導率をもつ金属、例えば銅で形成することができる。熱拡散板１６はその直下にあるＲＯＩＣなどの局所熱源９から発せられる熱を効率よく拡散させ第１の基板２の表面の温度分布を平滑化する。

輻射シールド１２の第１の基板２と対向する面にゲッタ膜１７が形成されている。ゲッタ膜１７はＴｉ，ＴｉＷ，Ｚｎ，ＺｎＣｏなどから形成され、内部空間７の残留気体を吸着して、内部空間７の真空度の低下を抑制する。ゲッタ膜１７は内部空間７のどこに配置されていてもよく、例えば第１の基板２の熱拡散板１６の上に形成されてもよい。

赤外線センサ１に第２の基板３の窓領域３ｃから入射した赤外線はボロメータ膜８のアレイに入射する。センス電流が第１の行電気接続部材５ａ、行リード１０ａ、第２の行電気接続部材６ａ、選択されたボロメータ膜８、第２の列電気接続部材６ｂ、列リード１０ｂ、第１の列電気接続部材５ｂを順次流れる。センス電流の抵抗変化は電圧の変化として取り出され、電気信号（電圧信号）が第１の基板２のＲＯＩＣに供給される。ＲＯＩＣはこの電圧信号を輝度温度に変換する。ボロメータ膜８は選択トランジスタ１１によって時系列的に順次選択され、選択されたボロメータ膜８から取り出された抵抗変化が順次輝度温度に変換される。このようにしてすべてのボロメータ膜８が走査され、１画面分の撮像データが得られる。

本実施形態の赤外線センサ１では、ＲＯＩＣなどの局所熱源９で発生する熱のボロメータ膜８への影響が抑制されている。まず、ボロメータ膜８は局所熱源９が設けられた第１の基板２ではなく、第２の基板３で支持されている。局所熱源９からの熱伝導による伝熱は第１の基板２、第１の電気接続部材５、リード１０、第２の電気接続部材６を通る経路にほぼ限られる（側壁４を通る熱伝導もあり得るが、熱量は無視できる）。このため、ボロメータ膜８を第１の基板２で支持している従来の構成と比べて熱の伝達経路長が長く、ボロメータ膜８に局所熱源９からの熱が伝わりにくい。

さらに、本実施形態では、リード１０がその全長に渡って第２の基板３（より正確には第２の反射防止膜１５）と物理的に接触しているため、リード１０を伝達する熱が第２の基板３に拡散される。拡散される熱量はリード１０の長さと正の相関があり、リード１０が長いほど、すなわちリード１０が第２の基板３と接触する長さが長いほど熱が第２の基板３に拡散され、ボロメータ膜８に熱が伝わりにくくなる。第１の電気接続部材５に最も近接するボロメータ膜８はボロメータ膜８のアレイの中でも最も熱の影響を受けやすいが、前述の通り、第１の電気接続部材５までの配線長Ｂｘ（Ｂｙ）が、ボロメータ膜８の配置間隔Ａｘ（Ａｙ）より長くされている。このため、第１の電気接続部材５に最も近接するボロメータ膜８でも熱伝導の影響が生じにくい。また、リード１０はその全長に渡って第２の基板３と物理的に接触している必要はなく、少なくとも、第１の電気接続部材５に最も近接する（つまり、熱的な影響を最も受けやすい）ボロメータ膜８と第１の電気接続部材５との間の区間で第２の基板３と物理的に接触していればよい。

なお、第２の基板３は赤外線（及び明るい場所では可視光）の輻射熱でほぼ均一に加熱される。第２の基板３全体を加熱する輻射熱の影響はバックグランドノイズとして容易に処理することが可能である。赤外線センサ１で問題となるのは、局所熱源９によって、一部のボロメータ膜８が他のボロメータ膜８に対して局所的に高温となる現象である。しかしながら、上述の通り、本実施形態の赤外線センサ１ではこのような局所的な加熱による影響は効果的に緩和される。また、第２の基板３に設置される選択トランジスタ１１は広範囲に設置され且つ順次駆動されることから、局所熱源としての性質を呈さず、しかもセンス電流しか流れないため発熱量も軽微である。よって、選択トランジスタ１１がボロメータ膜８に及ぼす熱的影響はほぼ無視できるレベルである。

さらに、本実施形態ではボロメータ膜８と第１の基板２との間に輻射シールド１２が設けられている。輻射シールド１２は局所熱源９から生じる輻射熱を遮蔽し、ボロメータ膜８への輻射熱の影響を軽減する。また、熱拡散板１６によって第１の基板２のボロメータ膜８のアレイと対向する領域の温度が均一化されるため、局所熱源９の影響が一層軽減される。

本実施形態ではボロメータ膜８は第２の電気接続部材６によって内部空間７に懸架されている。しかし、上述したように、本実施形態では第１の基板２からボロメータ膜８までの熱の伝達経路長が長いため、第２の電気接続部材６を省略することもできる。この場合、ボロメータ膜８は第２の基板３に直接接触した状態で、第２の基板３に支持される。

（第２の実施形態）
図５は本発明の第２の実施形態の赤外線センサ１の概略側面図である。ここでは主に第１の実施形態との違いを説明する。説明を省略した構成及び効果については第１の実施形態と同様である。赤外線センサ１は、ボロメータ膜８の第１の基板２と対向する面８ａに形成された反射膜２１を有している。第２の基板３の窓領域３ｃから入射した赤外線はボロメータ膜８で吸収されるが、一部の赤外線はボロメータ膜８を透過する。反射膜２１は透過した赤外線を反射し、ボロメータ膜８に裏側から入射させる。これによって赤外線の入射効率を高めることができる。反射膜２１と第２の基板３との間隔は入射される赤外線の波長λの１／４程度、すなわち２〜３．５μｍ程度が好ましく、赤外線の入射効率が最大となる２．５〜３．０μｍ程度がさらに好ましい。このため、入射する赤外線と反射する赤外線の干渉が避けられ赤外線を効率的にボロメータ膜８に取り込むことができる。後述するように、ボロメータ膜８は第２の基板３と同一のウエハ工程で作成されるため、ボロメータ膜８と第２の基板３のＺ方向の間隔は精密に制御できる。従って、ボロメータ膜８に積層される反射膜２１と第２の基板３との間隔も同様に精密に制御できる。

（第３の実施形態）
図６は本発明の第３の実施形態の赤外線センサ１の図２と同様の平面図である。ここでは主に第１の実施形態との違いを説明する。説明を省略した構成及び効果については第１の実施形態と同様である。ボロメータ膜８は第１の実施形態と同様、行Ｒと列Ｃからなるアレイをなしている。本実施形態では、複数の行リード１０ａの行Ｒにそれぞれ接続される複数の第１の行電気接続部材５ａの一部が行Ｒの一端側に位置し、他の第１の行電気接続部材５ａが行Ｒの他端側に位置している。複数の第１の行電気接続部材５ａは複数の行Ｒの一端側と他端側とに交互に位置している。同様に、複数の列リード１０ｂの列Ｃにそれぞれ接続される複数の第１の列電気接続部材５ｂの一部が列Ｃの一端側に位置し、他の第１の列電気接続部材５ｂが列Ｃの他端側に位置している。複数の第１の列電気接続部材５ｂは複数の列Ｃの一端側と他端側とに交互に位置している。前述したとおり、第１の電気接続部材５は第２の電気接続部材６より断面積が大きい。このため、ボロメータ膜８の大きさ（間隔）によっては第１の電気接続部材５が十分な断面積を確保できない可能性がある。十分な断面積を確保するためにボロメータ膜８の間隔を広げると、赤外線センサ１のサイズが増加する可能性がある。本実施形態では、複数の第１の電気接続部材５ａ（５ｂ）が、リード１０ａ（１０ｂ）の複数の行Ｒ（列Ｃ）の一端側と他端側とに一つおきに配置されるため、２つの行Ｒ（列Ｃ）の領域に一つの第１の電気接続部材５ａ（５ｂ）を設置することが可能である。このため、第１の電気接続部材５の設置領域が実質的に２倍になる。従って、本実施形態では、第１の電気接続部材５の十分な断面積を確保しつつ、赤外線センサ１のサイズの増加を抑制することができる。

図７は本実施形態の変形例の赤外線センサ１の概略平面図である。複数の行リード１０ａの行Ｒの一端側に位置する複数の第１の行電気接続部材５ａと、行Ｒの他端側に位置する複数の第１の行電気接続部材５ａのいずれか、好ましくは双方が第１の方向Ｘに関し相互にずらされている。図示は省略するが、同様に、複数の列リード１０ｂの列Ｃの一端側に位置する複数の第１の列電気接続部材５ｂと、列Ｃの他端側に位置する複数の第１の列電気接続部材５ｂの少なくともいずれか、好ましくは双方が第２の方向Ｙに関し相互にずらされている。図６に示す第１の電気接続部材５の配置パターンと比べ、第１の電気接続部材５の断面形状の制約がさらに軽減されるため、第１の電気接続部材５の十分な断面積を確保することが一層容易となる。

（第４の実施形態）
図８は本発明の第４の実施形態の赤外線センサ１の概略側面図である。ここでは主に第１の実施形態との違いを説明する。説明を省略した構成及び効果については第１の実施形態と同様である。本実施形態では第２の基板３の外側表面に、選択トランジスタ１１のエネルギーバンドギャップより大きいエネルギーを持つ波長の光を減衰させまたは遮断するフィルタ膜３１が形成されている。第２の基板３が選択トランジスタ１１のエネルギーバンドギャップより大きなエネルギーを持つ光を受けると、第２の基板３に形成されている選択トランジスタ１１が誤動作する可能性がある。フィルタ膜３１はこのような光を遮断し、または透過を抑制し、選択トランジスタ１１の誤作動を起こりにくくする。フィルタ膜３１は第２の基板３の側面に形成してもよい。フィルタ膜３１は第２の基板３の一部として形成してもよい。フィルタ膜３１は例えばＧｅ，Ｓｉ，カルコゲナイド，ＹＦ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅなどから形成することができる。フィルタ膜３１は第１の反射防止膜１４の一部として形成してもよい。

（第５の実施形態）
図９は本発明の第５の実施形態の赤外線センサ１の第２の基板３の付近の概略側面図である。ここでは主に第１の実施形態との違いを説明する。説明を省略した構成及び効果については第１の実施形態と同様である。第２の基板３の外側表面は第１の凸状領域４１がアレイ状に配列したマイクロレンズ構造を有している。各第１の凸状領域４１は対応するボロメータ膜８と対向する位置に形成されている。第１の凸状領域４１は微小な凸レンズであり、各ボロメータ膜８の実効開口径Ｄｅｆｆを増加させる（図１と比較されたい）。第２の基板３が平板である場合、窓領域３ｃはリード１０（行リード１０ａ及び列リード１０ｂ）や選択トランジスタ１１が設置されていない領域の大きさで決まる。換言すれば、ボロメータ膜８の受光部の大きさはリード１０や選択トランジスタ１１の設置スペースで制約される。これに対し、第２の基板３にマイクロレンズ構造を採用した本実施形態では、リード１０や選択トランジスタ１１と対向する領域、つまりボロメータ膜８が設置されていない領域から入射する赤外線もボロメータ膜８に取り込むことができ、赤外線の受光効率を高めることができる。

図１０は本実施形態の変形例を示す赤外線センサ１の概略側面図である。本変形例では、第２の基板３の外側表面はボロメータ膜８と対向する第１の凸状領域４１より外側に突き出た第２の凸状領域４３を有している。すなわち、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙにおいて、第２の基板３の外側表面はボロメータ膜８と対向する第１の凸状領域４１と、第１の凸状領域４１の端部と同じ膜厚の平坦領域４２と、第１の凸状領域４１の頂部より膜厚の大きい第２の凸状領域４３とがこの順で繰り返し配列している。後述するように、赤外線センサ１は第１の基板２と第２の基板３を別々に作成し、これらを側壁４及び第１の電気接続部材５を介して貼り合わせることで作成される。第２の基板３を作成するときは、選択トランジスタ１１やリード１０が形成されるウエハ面を上側にしてウエハプロセスが行われるが、マイクロレンズを作成するときはマイクロレンズが作成されるウエハ面を上側にする必要がある。このため、まず、ウエハにマイクロレンズを作成し、その後ウエハを上下反転させ、マイクロレンズが形成されたウエハ面をホルダに吸着させてリード１０等を作成することとなる。この際、本実施形態では、第２の凸状領域４３だけがホルダに当接するため、第１の凸状領域４１とホルダとの接触が防止され、第１の凸状領域４１の劣化や損傷が生じにくくなる。

（第６の実施形態）
図１１Ａは本発明の第６の実施形態の赤外線センサ１の概略側面図である。ここでは主に第１の実施形態との違いを説明する。説明を省略した構成及び効果については第１の実施形態と同様である。赤外線センサ１は、アクティブセル５２であるボロメータ膜８の出力の温度補正を行うためのブラインドセル５１を有している。ブラインドセル５１はアクティブセル５２であるボロメータ膜８と同様の構成を有し、アクティブセル５２と同様の態様で第２の基板３に支持されている。ブラインドセル５１は周辺構造物、例えば第１の基板２や第２の基板３からアクティブセル５２と同様の輻射を受けるが、外部からの赤外線の輻射を受けない。このため、ブラインドセル５１は、外部からの赤外線の輻射以外の要因で発生するバックグランドノイズを取り除くための校正用セルとして用いられる。このため、ブラインドセル５１は外部からの赤外線の輻射を受けないように構成されることが必要である。本実施形態では、第２の基板３のブラインドセル５１と対向する領域に赤外線遮蔽部５３が形成されている。図１１Ｂの比較例に示すように、従来のブラインドセル１６１は第１の基板２に形成された遮蔽部１６４で覆われている。しかしながら、このような遮蔽部１６４は製造プロセスが複雑であり、製造コスト増加の要因となっている。本実施形態では、第２の基板３の製造工程の中で赤外線遮蔽部５３を容易に作成することができるため、製造コストへの影響が抑えられる。

ブラインドセル５１と第１の基板２との間には、第１の基板２からの輻射を抑制する遮蔽シールド５４が設けられている。遮蔽シールド５４は輻射シールド１２と一体化されているが、輻射シールド１２と別々に設けられてもよい。遮蔽シールド５４を設けることによって、アクティブセル５２とブラインドセル５１との間で第１の基板２から受ける輻射の影響を同程度とすることができ、ブラインドセル５１の校正セルとしての機能を高めることができる。

（第７の実施形態）
図１２は本発明の第７の実施形態の赤外線センサ１の概略側面図である。ここでは主に第１の実施形態との違いを説明する。説明を省略した構成及び効果については第１の実施形態と同様である。第２の電気接続部材６はコンデンサ６１を有している。具体的には、コンデンサ６１は第２の行電気接続部材６ａ及び第２の列電気接続部材６ｂに挿入され、第２の行電気接続部材６ａ及び第２の列電気接続部材６ｂをＺ方向に分断している。第２の電気接続部材６ａ，６ｂはセンス電流を供給するため、導電性の材料で形成されている。このため熱伝導率も絶縁材料より高く、リード１０ａ，１０ｂを伝達してくる熱をボロメータ膜８に伝える可能性がある。本実施形態ではコンデンサ６１が熱伝導を遮断または抑制するため、リード１０ａ，１０ｂからの熱がボロメータ膜８に伝わりにくくなる。なお、本実施形態ではセンス電流は交流で供給されるため、ボロメータ膜８の状態は電界の変化として出力される。コンデンサ６１は第２の行電気接続部材６ａと第２の列電気接続部材６ｂの双方に設けられるが、いずれか一方のみに設けることもできる。

（赤外線センサ１の製造方法）
次に、図１３、１４Ａ〜１４Ｊを参照して本発明の赤外線センサ１の製造方法の一例を示す。赤外線センサ１はウエハプロセスによって製造されるため、以下の説明において、第１の基板２、第２の基板３、シリコン基板３ａはウエハを意味する。図１３は赤外線センサ１の製造方法の概略フローを示している。本発明の赤外線センサ１は第１の基板２にＲＯＩＣ等を形成する工程１と、第２の基板３にボロメータ膜８等を形成する工程２と、第１の基板２と第２の基板３を貼り合わせる工程３と、によって製造される。工程３は真空雰囲気中で行われる。第１の基板２の製造工程は特に説明を要しないため、詳細は割愛する。以下では主に第２の基板３にボロメータ膜８等を形成する工程を説明する。

まず、図１４Ａに示すように、シリコン基板３ａの上に選択トランジスタ１１を形成する。選択トランジスタ１１の側方には絶縁層９１を形成する。

次に、図１４Ｂに示すように、シリコン基板３ａの選択トランジスタ１１の側方領域に第２の反射防止膜１５の一部である絶縁膜１５１を形成する。具体的には、絶縁層９１の窓領域３ｃとなる領域にフォトレジスト工程及びミリング工程によって開口を形成し、開口にアークデポジション法によって絶縁膜１５１を形成する。

次に、図１４Ｃに示すように、行リード１０ａを形成する。具体的には、フォトレジスト工程及びミリング工程によってレジストの開口を形成し、デポジションによって開口に行リード１０ａを形成し、レジストを除去する。

次に、図１４Ｄに示すように、選択トランジスタ１１の上方に第２の反射防止膜１５の一部である絶縁膜１５２を形成する。具体的には、フォトレジスト工程及びミリング工程によってレジストの開口を形成し、デポジションによって開口に絶縁膜１５２を形成し、レジストを除去する。

次に、図１４Ｅに示すように、絶縁膜１５２の上方に列リード１０ｂを形成する。具体的には、フォトレジスト工程及びミリング工程によってレジストの開口を形成し、デポジションによって開口に列リード１０ｂを形成し、レジストを除去する。

次に、図１４Ｆに示すように、第１の電気配線部材５の下側部分と第２の電気配線部材６を形成する。具体的には、第１の犠牲層９２を形成し、フォトレジスト工程及びミリング工程によって第１の犠牲層９２の開口を形成し、めっきによって第１の電気配線部材５の下側部分と第２の電気配線部材６を形成する。

次に、図１４Ｇに示すように、互いに隣接する第２の電気配線部材６の上にボロメータ膜８を形成する。具体的には、互いに隣接する第２の電気配線部材６とそれらの間の第１の犠牲層９２の上にボロメータ膜８を形成し、互いに隣接する第２の電気配線部材６とボロメータ膜８を電気的に接続する。

次に、図１４Ｈに示すように、第２の犠牲層９３を形成し、フォトレジスト工程及びミリング工程によって第２の犠牲層９３の開口を形成し、めっきによって第１の電気配線部材５の上側部分を形成する。

次に、図１４Ｉに示すように、第１及び第２の犠牲層９２，９３をアッシングによって除去する。

次に、図１４Ｊに示すように、第２の基板３を上下反転させ、第１の基板２と貼り合わせる。第１の電気配線部材５の下端部はＲＯＩＣ等と接続されたパッド２０と接合される。また、図示は省略するが、第１の基板２と第２の基板３はそれぞれ側壁４に接合され、第１の基板２と第２の基板３の間に内部空間７が形成される。

本発明のいくつかの好ましい実施形態を詳細に示し、説明したが、添付された請求項の趣旨または範囲から逸脱せずに様々な変更および修正が可能であることを理解されたい。

Claims

第１の基板と、
前記第１の基板と対向して位置し、前記第１の基板との間に内部空間を形成する、赤外線を透過する第２の基板と、
前記内部空間に設けられ、前記第２の基板に支持された複数のボロメータ膜と、
前記第１の基板に形成された局所熱源と、
前記第１の基板を前記第２の基板に接続する第１の電気接続部材と、
前記第２の基板上または前記第２の基板内を延び、前記第１の電気接続部材を前記ボロメータ膜に接続するリードと、を有する電磁波センサ。
前記第２の基板から前記第１の基板に向けて延びる第２の電気接続部材を有し、前記ボロメータ膜は、前記第２の電気接続部材によって、前記第２の基板から間隔をおいて支持されている、請求項１に記載の電磁波センサ。
前記第２の電気接続部材はコンデンサを有している、請求項２に記載の電磁波センサ。
前記第２の基板に形成され、前記複数のボロメータ膜から一つのボロメータ膜を選択する複数の選択トランジスタを有している、請求項１から３のいずれか１項に記載の電磁波センサ。
前記選択トランジスタは前記第２の基板の前記ボロメータ膜と対向する領域を避けて配置されている、請求項４に記載の電磁波センサ。
前記第２の基板の外側表面に形成され、前記選択トランジスタのエネルギーバンドギャップよりエネルギーが大きい光を減衰させるフィルタ膜を有している、請求項４または５に記載の電磁波センサ。
前記複数のボロメータ膜は少なくとも第１の方向に一定の間隔で行をなして配列され、前記第１の電気接続部材は前記複数のボロメータ膜の前記行の一端側または他端側に位置し、前記第１の電気接続部材に最も近接する前記ボロメータ膜と前記第１の電気接続部材とを接続する前記リードの長さは前記間隔より長い、請求項１から６のいずれか１項に記載の電磁波センサ。
前記複数のボロメータ膜は、複数の前記行と、前記第１の方向と交差する第２の方向に一定の間隔で配列された前記複数のボロメータ膜の複数の列と、からなるアレイをなしており、複数の前記第１の電気接続部材の一部が前記複数の行の一端側と他端側に交互に位置し、前記複数の第１の電気接続部材の残りが前記複数の列の一端側と他端側に交互に位置している、請求項７に記載の電磁波センサ。
前記行の前記一端側に位置する複数の前記第１の電気接続部材と、前記行の前記他端側に位置する複数の前記第１の電気接続部材の少なくとも一方は、前記第１の方向に関し相互にずらされている、請求項８に記載の電磁波センサ。
前記列の前記一端側に位置する複数の前記第１の電気接続部材と、前記列の前記他端側に位置する複数の前記第１の電気接続部材の少なくとも一方は、前記第２の方向に関し相互にずらされている、請求項８または９に記載の電磁波センサ。
前記ボロメータ膜と前記第１の基板との間に位置し、前記第１の基板からの輻射を減衰させる第１の輻射シールドを有している、請求項１から１０のいずれか１項に記載の電磁波センサ。
前記第２の基板から前記第１の基板に向けて延びる支持部材を有し、前記第１の輻射シールドは前記支持部材によって支持されている、請求項１１に記載の電磁波センサ。
前記第１の輻射シールドの前記ボロメータ膜と対向する面は赤外線を反射する反射面となっており、前記反射面と前記ボロメータ膜との間隔は２〜３．５μｍである、請求項１１または１２に記載の電磁波センサ。
前記内部空間に位置するゲッタ膜を有している、請求項１から１３のいずれか１項に記載の電磁波センサ。
前記第２の基板の外側表面の少なくとも一部を形成する第１の反射防止膜を有している、請求項１から１４のいずれか１項に記載の電磁波センサ。
前記第２の基板の内側表面の少なくとも一部を形成する第２の反射防止膜を有している、請求項１から１５のいずれか１項に記載の電磁波センサ。
前記第２の反射防止膜は複数の絶縁膜の積層膜からなり、前記リードは前記積層膜の内部に位置している、請求項１６に記載の電磁波センサ。
前記第２の基板の外側表面の前記ボロメータ膜と対向する領域に第１の凸状領域が形成されている、請求項１から１７のいずれか１項に記載の電磁波センサ。
前記第２の基板の前記外側表面の前記ボロメータ膜と対向しない領域に前記第１の凸状領域より外側に突き出た第２の凸状領域が形成されている、請求項１８に記載の電磁波センサ。
前記ボロメータ膜からの出力の温度補正を行うためのブラインドセルと、前記第２の基板の前記ブラインドセルと対向する領域に形成された電磁波遮蔽部と、を有している、請求項１から１９のいずれか１項に記載の電磁波センサ。
前記ブラインドセルと前記第１の基板との間に第１の基板からの輻射を抑制する第２の輻射シールドが配置されている、請求項２０に記載の電磁波センサ。
前記第１の基板の前記複数のボロメータ膜と対向する領域に形成され、前記第１の基板より熱伝導率の高い熱拡散板を有している、請求項１から２１のいずれか１項に記載の電磁波センサ。