JP2008175720A - 赤外線センサおよび赤外線センサアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】検出波長が２０μｍ以下、特に１０μｍ程度の赤外線に対しても、高い検出感度を有する小型化された赤外線センサを提供する。
【解決手段】赤外線検知部に入射する光を検出する赤外線センサが、基板と、基板に形成された空洞部と、空洞部上に支持脚で支持された矩形の赤外線検知部と、赤外線検知部の一辺のみに沿って、基板上に設けられたミラーとを含む。ミラーに入射した光は、ミラーに反射されて赤外線検知部に入射する。
【選択図】図２

Description

本発明は、小型化された赤外線センサおよび赤外線センサアレイに関し、特に、波長が１０μｍ程度の赤外線を検出する熱型赤外線センサおよび赤外線センサアレイに関する。

従来の赤外線センサでは、赤外線受光部を備えたセンサアレイ上に、赤外線入射用の複数の貫通孔を備えた集光ミラーを固着することにより、赤外線受光部を集光ミラーで囲み、受光面積を大きくして検出感度の向上を図っている（例えば、特許文献１参照）。
また、検出感度を向上させるために、３Ｄホーン型アンテナと呼ばれる集光ミラーを設けたマイクロボロメータも提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
特開２００５−２６８６６０号公報 K. Kim et al.: "3D-feed horn antenna-coupled microbolometer", Sensors and Actuators A 110 (2004) pp.196-205

赤外線カメラに適用されるアレイ型の赤外線センサでは、高精細化、多画素化、光学系の小型化のために、画素形成領域の小型化が必要とされる。画素ピッチとしては、現状の１００μｍから２０μｍのオーダに小型化が進められている。このような赤外線センサでは、略矩形形状の赤外線検知部の一辺の長さが１０μｍ程度となり、赤外線受光部を囲む集光ミラーの開口部の一辺の長さも１０μｍ程度となる。

しかしながら、このような赤外線センサを、波長が１０μｍ程度の赤外線の検出に使用した場合、集光ミラーを設けても検出感度が向上しないという問題があった。これに対して、発明者らが鋭意検討した結果、赤外線センサに入射する赤外線の波長（検出波長）が、開口部の寸法と同程度となると、開口部を通過するべき赤外線が反射され、赤外線検知部に入射する赤外線の量が減少し、検出感度が低下することを見出した。即ち、発明者らは、赤外線センサの高精細化を進める過程でこのような課題を見出し、これを解決すべく本願発明を完成させた。

即ち、本発明は、検出波長が２０μｍ以下、特に１０μｍ程度の赤外線に対しても、高い検出感度を有する小型化された赤外線センサおよび赤外線センサアレイの提供を目的とする。

本発明は、赤外線検知部に入射する光を検出する赤外線センサであって、基板と、基板に形成された空洞部と、空洞部上に支持脚で支持された矩形の赤外線検知部と、赤外線検知部の一辺のみに沿って、基板上に設けられたミラーとを含み、ミラーに入射した光が、ミラーに反射されて赤外線検知部に入射することを特徴とする赤外線センサである。

また、本発明は、基板と、基板に形成された空洞部と、空洞部上に支持脚で支持された矩形の赤外線検知部とを含む赤外線センサを、基板に含まれる直交する２軸方向にアレイ状に並置した赤外線センサアレイであって、直交する２軸方向の内の１軸方向にのみ、赤外線検知部に沿って基板上にミラーが形成され、ミラーに入射した光がミラーに反射されて赤外線検知部に入射することを特徴とする赤外線センサアレイでもある。

以上のように、本発明では、波長が１０μｍ程度の赤外線に対しても高い検出効率を有する、小型化、高精細化された赤外線センサを提供できる。

また、かかる赤外線センサは、モノリシック工程で作製できるため、製造方法の簡略化が可能となる。

実施の形態１．
図１は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態１にかかる赤外線検出装置の斜視図である。赤外線検出装置は、例えばシリコンからなる基板７を有する。基板７の上には、複数の熱型の赤外線センサ（赤外線検知素子）１００が、アレイ状に配置されている。赤外線センサ１００の周囲には、赤外線センサ１００から得られた電気信号を処理する外部回路２１０が設けられている。

図２は、本実施の形態１にかかる赤外線センサ１００であり、図２（ａ）に平面図、図２（ｂ）の、図２（ａ）をＩＩ−ＩＩ方向に見た場合の断面図を示す。ＩＩ−ＩＩ方向は、図１のＩ−Ｉ方向に相当する。なお、図２では、４つ（２×２）の赤外線センサ１００を示している。

図２に示すように、赤外線センサ１００は、例えばシリコンからなる基板７を含む。基板７には、例えば酸化シリコンからなる絶縁体５を、基板７に一部が埋め込まれるように形成する。また、絶縁体５は、その上に形成された配線層６を覆うように形成されている。配線層６は、例えばＡｌ−Ｃｕ等にアルミニウム合金や、アルミニウムから形成される。基板７には中空部８が設けられており、その上に、支持脚３で支持された赤外線検知部４が設けられている。中空部８を設けた断熱構造により、赤外線検知部４に入射した光が効率よく熱に変換される。

赤外線検知部４は、例えば矩形形状であり、横幅（短辺）は、２０μｍ以下、ここでは１０μｍ程度であり、これは赤外線検知部４による検出波長と同程度の大きさである。また、縦幅（長辺）は１０μｍより大きくなっている。また、支持脚３は、例えば図２（ａ）に示すように、赤外線検知部４の左右にそれぞれ接続され、蛇行形状を有している。赤外線センサ１００では、赤外線検知部４の横側に支持脚３が設けられているため、この領域への入射光は検出されない。このため、後述するミラー２は、赤外線検知部４の横側で支持脚３の一部を覆うように形成し、この領域への入射光を検出できるように形成している。

赤外線検知部４は、例えば、シリコンのダイオードからなるが、この他に酸化バナジウム、ポリシリコン、アモルファスシリコンなどのボロメータ薄膜から形成しても良い。赤外線検知部４と配線層６は、支持脚３に設けられた配線（図示せず）により接続されている。
なお、縦方向に配置された配線６が、横方向に配置された配線６を跨ぐ部分におけるジャンパ配線、配線６間の接続配線、外部回路２１０への接続配線等は、従来の赤外線センサと同様であり、ここでは省略する。

絶縁体５の上には、支持体９が、空洞部８の上に張り出すように設けられ、その上にミラー２が所定の角度で固定されている。ミラー２は、例えば、酸化シリコン膜と白金膜の積層構造からなる。ミラー２は、図２（ａ）に示すように、縦方向（図２（ａ）では上下方向）に延びて横方向に並ぶように配置され、横方向（図２（ａ）では左右方向）に延びるようには設けない。図２（ａ）に示すように、複数の赤外線センサ１００に対して、ミラー２は共通ミラーとして一体的に形成されることが好ましい。

また、ミラー２の角度は、概ね、基板７の法線方向から入射した光が反射されて、赤外線検知部４に照射されるような角度である。
ミラー２には、ミラー支持体貫通孔２ａを形成して強度を高くして所望の形状を維持しているが、小規模のアレイである場合などでミラー２がアレイ端で支えられる場合にはミラー支持体貫通孔２ａはなくても構わない。

なお、本実施の形態１では、ミラー２の形状を平板状としたが、湾曲した表面等、平坦でないミラー２としても構わない。以下の実施の形態２、３においても同様である。

かかる赤外線センサ１００では、赤外線検知部４に検出光が入射すると、赤外線検知部４で光エネルギーが熱エネルギーに変わり、赤外線検知部４の温度が変化する。これに伴い、例えば抵抗値のような赤外線検知部４の物性値が変化し、これを支持脚３に設けた配線（図示せず）を介して検出することにより、入射光を検出する。本実施の形態１にかかる赤外線センサ１００では、赤外線検知部４に直接入射する検出光に加えて、ミラー２上に入射する入射光も反射されて赤外線検知部４に入射する。即ち、実質的に赤外線検知部４の面積（開口率）が増大し、入射光の検出感度が向上する。

上述のように、開口部の一辺が検出波長（１０μｍ程度）と同程度の長さの集光ミラーを設けた場合、開口部を通過するべき赤外線が反射され、検出効率が低下していたが、本実施の形態１にかかる赤外線センサ１００のように、ミラー２を、赤外線検知部４を囲まず一方向に形成することにより、縦方向（図２(a)では上下方向）に関しては、赤外線検知部４が受光領域の大半を占めているため、無駄となる入射光成分が少なく、かつ、ミラー２を設けていないために効率の低下がない。支持脚３を蛇行形状として赤外線検知部４を挟み込むように配置しているため、１つの赤外線検知部４と横方向に隣接する赤外線検知部４に検知が出来ない領域をまとめることができ、その上の一部にミラー２を設けることで入射光を有効に検知するようにした。支持脚３を形成している領域全てにミラー２を形成してもよい。図２に示すように赤外線検知部４の幅が検知波長と同程度で全てを覆うと入射光の反射が強くなり、一部だけを覆うように形成した方が高効率となる場合には、支持脚３を形成している領域の一部にミラー２を形成してもよい。このように、入射光は赤外線検知部４に入射し検出感度の高い赤外線センサ１００を得ることができる。

次に、図３〜５を参照しながら、本実施の形態１にかかる赤外線センサ１００の製造方法について説明する。かかる製造方法は、以下の工程１〜４を含む。
なお、図３〜５においては、図２と同様に、（ａ）に４つ（２×２）の赤外線センサ１００の平面図、（ｂ）に、その断面図を示し、また、図２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。

工程１：図３に示すように、まず、例えばシリコンからなる基板７が準備される。続いて、例えば酸化シリコンからなる絶縁体５を、基板７に一部が埋め込まれるように形成する。また、絶縁体５は、その上に形成された、例えばアルミニウム合金からなる配線層６を覆うようにも形成する。
基板７の表面には、例えば酸化シリコンからなる絶縁層を形成し、これをエッチングして支持脚３を形成する。また、両側が支持脚３に接続されるように、支持脚３の中央に赤外線検知部４を形成する。赤外線検知部４は、例えば、シリコンのｐｎダイオードからなる。なお、ここでは図示しないが、赤外線検知部４と配線層６とは、支持脚３に配線を形成することにより電気的に接続する。

工程２：図４に示すように、支持脚３、赤外線検知部４を覆うように、例えば、ポリイミドからなる埋め込み犠牲層１０を形成する。埋め込み犠牲層１０の表面は、絶縁体５の表面と同じ高さとし、絶縁体５の表面は埋め込み犠牲層１０から露出している。
続いて、全面を覆うように、例えば酸化シリコン膜を形成し、これをエッチングして支持体９を形成する。

工程３：図５に示すように、膜厚が２０μｍ程度のフォトレジスト層を形成した後、フォトリソグラフィ技術を用いてこれを加工し、断面形状が台形になるミラー支持体２０を形成する。フォトリソグラフィには、光強度が入射面内で変わるように、露光光の強度を変調させた露光方式を用いる。更に、フォトリソグラフィ技術を用いてミラー支持体貫通孔２ａを形成する。
続いて、ミラー支持体２０上に、例えば酸化シリコン膜と白金膜とを形成した後、これを選択的に除去してミラー２を形成する。ミラー２は、下部において支持体９に固定されている。かかる工程では、ミラー支持体貫通孔２ａを形成しないことも可能である。
なお、ミラー支持体２０の位置等を高精度で形成するためには、フォトレジストのスプレーコート法や長焦点露光法など、既存の高段差リソグラフィ法を用いることが好ましい。

工程４：ミラー支持体２０、埋め込み犠牲層１０を、酸素プラズマ等を用いて除去する、続いて、基板８をエッチングして、空洞部８を形成する。
これにより、図２に示すような、空洞部８の上に、支持脚３で赤外線検知部４が支持され、更に、支持体９の上にミラー２が固定された赤外線センサ１００が完成する。

かかる製造方法を用いることにより、従来の赤外線センサのように、赤外線検知部を形成した基板と集光ミラーとを別々に作製しこれらを貼り合わせる（ハイブリッド構造）製造方法を用いると、ミラー２を形成する基板の厚さが数十μｍと薄く、かつ、１０μｍ程度の幅で、場合によっては数ｍｍから数ｃｍの複数の梁を有する基板となるため、歪みなく１μｍオーダで張り合わせていくなど極めて作製が困難であったミラー２の作製が可能となる。
また、赤外線検知部４を形成した基板７上に、フォトリソグラフィ技術を用いてミラー２を形成する（モノリシック構造）ため、赤外線検知部４とミラー２との位置合わせを容易かつ正確に行うことができる。

実施の形態２．
図６は、全体が２００で表される、本実施の形態２にかかる赤外線センサの断面図であり、図１のＩ−Ｉ方向に見た場合の断面図である。なお、図６では、２つの赤外線センサ２００を示している。

赤外線センサ２００では、実施の形態１の製造工程３で、断面形状が台形になるミラー支持体２０を形成し、その上にミラー２を形成した後に、ミラー２をマスクに用いたＲＩＥ等の異方性エッチングにより、図６に示すようなミラー支持体２０を形成する。
続いて、等方性エッチングにより犠牲層１０を除去し、更に、空洞部８を形成する。
これにより、図６に示す赤外線センサ２００が完成する。他の製造工程は、上述の赤外線センサ１００と同様である。

本実施の形態２にかかる赤外線センサ２００では、ミラー２の下部にミラー支持体２０が設けられているため、ミラー２の支持強度を高くすることが可能となる。
特に、簡単な製造工程で、このようなミラー支持体２０を有する赤外線センサ２００の製造が可能となる。

実施の形態３．
図７は、全体が３００で表される、本実施の形態３にかかる赤外線センサの断面図であり、図１のＩ−Ｉ方向に見た場合の断面図である。なお、図７では、２つの赤外線センサ３００を示している。

赤外線センサ３００では、赤外線検知部４の両側に、ライン状のミラー２が設けられ、赤外線検知部４の両側から、ミラー２での反射光が赤外線検知部４に入射するようになっている。かかる構造を用いることにより、検出感度の高い赤外線センサ３００を得ることができる。

なお、かかる赤外線センサ３００は、両側をミラー２で囲むため、赤外線検知部４の面積が比較的大きい場合に適用することが好ましい。

本発明の実施の形態１にかかる赤外線検出装置の斜視図である。 本発明の実施の形態１にかかる赤外線センサの平面図及び断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる赤外線センサの製造工程における平面図及び断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる赤外線センサの製造工程における平面図及び断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる赤外線センサの製造工程における平面図及び断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる赤外線センサの平面図及び断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる赤外線センサの平面図及び断面図である。

符号の説明

２ ミラー、３ 支持脚、４ 赤外線検知部、５ 絶縁体、６ 配線層、７ 基板、８ 中空部、９ 支持体、１０ 犠牲層、２０ ミラー支持体、１００ 赤外線センサ。

Claims (7)

1. 赤外線検知部に入射する光を検出する赤外線センサであって、
   基板と、
   該基板に形成された空洞部と、
   該空洞部上に支持脚で支持された該赤外線検知部と、
   該赤外線検知部の一辺のみに沿って、少なくとも該支持脚の一部を覆うように形成された該基板上に設けられたミラーとを含み、
   該ミラーに入射した光が、該ミラーに反射されて該赤外線検知部に入射することを特徴とする赤外線センサ。
2. 上記赤外線検知部の、上記一辺と対向する他の一辺に沿って該基板上に設けられた対向ミラーを含み、
   該ミラーおよび該対向ミラーで反射された光が、該ミラーと該対向ミラーとに挟まれた該赤外線検知部に入射することを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 上記赤外線検知部を挟み込むように、上記赤外線検知部の上記一辺側と、これに対向する他の一辺側とにのみ、一対の上記支持脚を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線センサ。
4. 上記赤外線センサが検出する光の波長が２０μｍ以下であり、上記赤外線検知部の少なくとも１辺が２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の赤外線センサ。
5. 基板と、該基板に形成された空洞部と、該空洞部上に支持脚で支持された赤外線検知部とを含む赤外線センサを、該基板に含まれる直交する２軸方向にアレイ状に並置した赤外線センサアレイであって、
   該直交する２軸方向の内の１軸方向にのみ、該赤外線検知部に沿って該基板上にミラーが形成され、該ミラーに入射した光が該ミラーに反射されて該赤外線検知部に入射することを特徴とする赤外線センサアレイ。
6. 上記赤外線検知部を挟んで、上記ミラーと対向するように配置された対向ミラーを含み、該ミラーおよび該対向ミラーで反射された光が、該ミラーと該対向ミラーとに挟まれた該赤外線検知部に入射することを特徴とする請求項５に記載の赤外線センサアレイ。
7. 上記ミラーおよび／または上記対向ミラーが、上記１軸方向に配置された少なくとも２つの上記赤外線センサに対して、一体として形成された共通ミラーからなることを特徴とする請求項５または６に記載の赤外線センサアレイ。

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