JP4300305B2 - 熱型赤外線撮像素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、性能補正のための手段を有する熱型赤外線撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱型赤外線撮像素子は多数の画素（例えば数万〜数十万画素程度）を平面上に配列した構造になっているが、それらの各画素の感度は、均一性を欠いている。そのため各画素の感度の補正を行なわないで撮像を行なうと、撮像された画面が実際の被写体と異なってしまう可能性がある。したがって、熱型赤外線撮像素子の使用時には、画像の画質向上のため、素子の各画素の感度補正を行なう必要がある。図３に示した熱型赤外線撮像素子の平面図によって説明すると、熱型赤外線撮像素子は、熱吸収層２を有する熱型赤外線センサ１を画素として、多数の画素がｍ列×ｎ行のアレイ状に配列されている。各画素にはスイッチング回路部３が形成されており、ｘアドレス線４とｙアドレス線５を介して、各画素の信号を外部に読み出すようになっている（外部回路は図示省略）。
【０００３】
従来の熱型赤外線撮像素子においては、図５に示すように、各画素の出力電圧（画素の状態変化を電圧信号に変換したものとして説明）は画素毎にアンバランスであるのが常である。このため、素子に外付けで増幅回路、Ａ／Ｄ変換部、信号補正の記憶部などの信号処理部を設け、撮影する毎に各画素間のアンバランスを補正する必要が生じる。この画素間のアンバランスを補正する方法としては、熱型赤外線撮像素子を赤外線撮像カメラとして利用する際に、赤外線撮像カメラの前方に温度が比較的均一な物体を置いて、その時の入射赤外線エネルギーが均一であると仮定して各画素の出力電圧を記憶部に記憶させ、そのときの出力値に応じて各画素の感度を補正する方法がある。一般には室温に近い金属板や黒色板などを赤外線撮像カメラの前方に設置し、それを撮像した際の各画素の出力電圧に応じて感度補正を行なっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記ごとき補正方法では、赤外線撮像カメラを使用する度毎に赤外線撮像カメラの視野に入る大きさで、温度が均一な物体を準備して補正を行なう必要がある。例えば、実用的に正確な画像を得るためには、使用中でも１０分間隔程度で補正をする必要があるので、非常に手間がかかるという問題があった。また、カメラの前に均一温度の物体を置く場合に、環境温度によっては、物体の熱容量にもよるが全面積で均一な温度に保持することが困難である。特に最近の赤外線カメラの場合には、ＮＥＴＤ（雑音等価温度差）が０.１℃前後の性能のものも出現しているので、それに適応するような正確な均一温度に保持することは非常に困難となる。また、環境温度よりも高い温度の物体を用いるときも困難性が増す。
【０００５】
本発明は、上記のごとき従来技術の問題を解決するためになされたものであり、容易、迅速かつ高精度で各画素間の感度補正を行なうことの出来る熱型赤外線撮像素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため本発明においては、特許請求の範囲に記載するように構成している。すなわち、請求項１に記載の発明においては、赤外線検知部を搭載したダイアフラムを支持基板に接触、離反させる手段と、前記支持基板を加熱する加熱手段と、前記支持基板もしくは前記ダイアフラムの温度を検出する温度検出手段と、前記ダイアフラムと前記支持基板とを接触させた際の温度と、そのときの画素の出力信号とを記憶する記憶手段と、前記記憶手段の記憶値に基づいて各画素の出力信号を補正する手段と、を備えるように構成している。なお、上記の温度とは、物体の温度そのもの（単位は℃でもＫでも可）を示し、温度差を意味するものではない。また、上記記憶手段と各画素の出力信号を補正する手段は外付け回路として設ければよいが、素子上に空き領域があればその部分に形成してもよい。
【０００７】
上記のように構成したことにより、加熱手段によって所定温度に加熱された支持基板にダイアフラムを接触させることで全画素を支持基板の温度と同じ所定温度に統一することが出来るので、そのときの各画素の出力信号を検出することによって各画素の感度を補正することが出来る。そして、従来のような均一温度の物体を準備する必要がないので感度補正に要する手順が極めて容易で迅速になり、かつ各画素の温度を正確に同じ温度にすることが出来るので、感度補正を高精度で行なうことが出来る。また、熱型赤外線撮像素子自体に加熱手段と温度検出手段とを備えているので、素子自身で温度設定が可能であり、高精度で温度の設定と検出が出来るので、精度をより向上させることが出来る。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明においては、静電的にダイアフラムと支持基板とを接触させるので、極めて迅速かつ容易に撮像の準備を行なうことが出来る。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明においては、感度補正を精密に行なうことが出来、特に各画素の温度特性が直線的でない場合であっても、３点以上の異なった温度における出力を検出することにより、非直線な特性でも正確な感度補正が可能になる。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、赤外線撮像素子を構成する各画素の温度を、容易、迅速かつ正確に基板温度と同じ所定の温度にすることが出来る。したがって、そのときの出力信号に応じて各画素の性能の補正を容易に行なうことができる。また、各画素となる赤外線センサの温度特性が直線的でない場合でも補正可能である。したがって、従来のような均一温度の物体を準備することなく、容易、迅速かつ高精度で、熱型赤外線撮像素子の各画素の感度補正が可能になるという効果が得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１および図２は本発明の熱型赤外線撮像素子を構成する一つの赤外線センサ（画素）の実施の形態を示す図であり、図１は平面図、図２は断面図を示す。また、図３は上記のセンサを用いて形成した熱型赤外線撮像素子の概略構成を示す平面図である。
【００１２】
まず、図１と図２を用いて画素の構造について説明する。ここでは、センサ（画素）として温度検出が可能なボロメータ型の赤外線センサについて説明する。ボロメータ型赤外線センサは温度変化により、抵抗体の電気抵抗が変化する特性を利用するものである。図１および図２において、１１は支持基板となる半導体基板（例えばシリコン基板）である。１２はダイアフラムであり、梁部１３に支持されて、半導体基板１１と微小な空隙２０（例えば数μｍ程度）を隔てて対向している。このダイアフラム１２上に抵抗体１６、層間絶縁膜１７、層間絶縁層１９、熱吸収層２５、電極３０が形成され、全体としてダイアフラム部１４を構成している。このダイアフラム部１４は空隙２０によって半導体基板１１から熱的に分離されている。また、梁部１３上には抵抗体１６を外部に接続する配線１５、電極３０を外部に接続する配線３１が形成され、その上を層間絶縁膜１７で覆っている。また、半導体基板１１上には温度検出手段４０と加熱手段４１が設けられている。このような画素が半導体基板１１上に必要な個数だけアレイ状に形成されている（図３参照）。なお、図２から判るように、電極３０の上に抵抗体１６が形成され、さらにその上に熱吸収層２５が形成されており、図１では実際には熱吸収層２５だけが見えることになるが、説明の都合上、図示のように抵抗体１６を表示し、電極３０と熱吸収層２５はほぼ同じ平面に形成されるので、電極３０は黒破線で、熱吸収層２５は黒太実線で示している。
【００１３】
半導体基板１１には、信号処理回路たとえばｘ，ｙアドレス用デコーダやプリアンプなどが形成されていてもよい。この半導体基板１１の空き領域を用いて温度検出手段４０（例えばボロメータ型またはｐｎ接合型の温度センサ等）と加熱手段４１（例えば金属膜の抵抗体等）を形成する。この加熱手段４１は熱型赤外線撮像素子全体が均一の温度になるように加熱するので全体にわたって配置することが好ましい。温度検出手段４０は各画素毎に設けてもよいが、半導体基板１１全体の温度が均一であれば全体で１個設ければよい。なお、図では一例として温度検出手段４０の存在する画素を示している。
【００１４】
また、電極３０と半導体基板１１との間に電圧を印加する回路や温度検出とそのときの各画素の出力信号を記憶するメモリ（詳細後述）等が必要であるが、それらについては図示を省略している。これらの回路は素子に空き領域が有れば、その部分に形成してもよいし、或いは外付け回路にしてもよい。
【００１５】
また、図２においては、加熱手段４１を半導体基板１１内に設けた例を示したが、半導体基板１１に形成した層間絶縁層１７の上や半導体基板１１の下部に形成しても構わない。また、温度検出手段４０も素子内ならば何処に設けても構わない。
【００１６】
図３は、図１および図２に示した赤外線センサ１を用いた熱型赤外線撮像素子の平面図である。赤外線センサ１（画素）は熱吸収層２（図１、図２の２５に相当）を有し、多数の画素がｍ列×ｎ行のアレイ状に配列されている。各画素にはスイッチング回路部３が形成されており、ｘアドレス線４とｙアドレス線５を介して、外部に信号を読み出すようになっている。なお、外付け回路や出力電圧を補正する回路等は図示省略している。
【００１７】
以下、作用について説明する。
上記のごときボロメータ型赤外線センサでは、入射した赤外線を熱吸収層２５で吸収し、それによる温度変化に対応して生じる抵抗体１６の抵抗値の変化を検出（例えば電圧変化として検出）することにより、入射した赤外線に対応した信号を得るものである。
【００１８】
本実施の形態においては、温度検出手段４０で温度を検出しながら加熱手段４１に電流を流して加熱することにより、半導体基板１１の温度を所定の温度に保っておき、その状態で、各画素の赤外線検知部が形成されている熱分離構造のダイアフラム部１４を半導体基板１１に接触させて熱的に短絡させ、ダイアフラム部１４に形成されている赤外線検知部（熱吸収層２５、抵抗体１６）の温度を基板温度と同じにする。なお、ダイアフラム部１４の厚さは例えば数μｍ程度と極めて薄く、その熱容量は非常に小さいので、極めて短時間接触させれば同じ温度にすることが出来る。このように全ての画素を同一の温度にすれば、従来、赤外線カメラの前方に一定温度の物体を置いたときと同じ効果を得ることが出来る。なお、上記のごとき半導体基板１１の温度制御は温度検出手段４０の出力をフィードバックして所定温度に一致させるように加熱手段４１を制御することによって達成できる。或いは加熱手段４１を適当に作動させて加熱し、その時の温度を温度検出手段４０で検出する方法も可能である。
上記のようにダイアフラム部１４を半導体基板１１に接触させて温度を所定値にした後、ダイアフラム部１４を半導体基板１１から離反させれば、撮像の準備状態が完了する。
【００１９】
次に、上記のようにダイアフラム部１４を半導体基板１１に接触させたり離反させたりする機能について説明する。本実施の形態においては、ダイアフラム部１４と半導体基板１１とを静電力で接触させる。すなわち、ダイアフラム部１４に形成されている電極３０と半導体基板１１との間に電界を印加する（電圧印加回路は図示省略）。例えば、半導体基板１１側をアースに、電極側に正電圧を印加すると、静電力によってダイアフラム部１４が引き寄せられ、梁部１３が撓んで、ダイアフラム部１４と半導体基板１１が密着する。この時、半導体基板１１側の温度がダイアフラム部１４側に伝導し、熱容量の小さいダイアフラム部１４は急速に半導体基板１１と同じ温度になる。温度検出手段４０でこのときの温度を測定する。なお、ダイアフラム部１４の大きさは１辺が例えば数十〜数百μｍ程度で、空隙２０は例えば１〜数μｍ程度であるから、低い電圧の印加で容易に密着させることが出来る。
【００２０】
上記の印加電圧を除去すれば、梁部１３の弾性力でダイアフラム部１４は半導体基板１１から離反する。なお、ダイアフラム部１４が半導体基板１１から容易に離れるように、半導体基板１１側に金属層を設けたり、シリコン窒化膜との密着性の低い材料の層を形成してもよい。また、これらの層とダイアフラム部１４との密着性を緩和するために、それらの層に溝を形成してもよい。
【００２１】
なお、上記の説明は、半導体基板１１が低抵抗（高不純物濃度）で電極として用いることが可能な場合の例であるが、半導体基板１１の抵抗値が高い場合（低不純物濃度）や絶縁材料の支持基板を用いた場合には、支持基板上の電極３０と対向する位置（ダイアフラム部１４と空隙２０を隔てて対向する位置）に第２の電極を設け、電極３０と第２の電極との間に電圧を印加するように構成すればよい。
【００２２】
次に、上記のような温度制御を用いて各画素の性能補正（感度較正）を行なう構成（各画素の出力信号を補正する手段）を説明する。
図４は、（ｍ−１，ｎ−１）番目の画素と（ｍ，ｎ）番目の画素について温度Ｔ１とＴ２の時の出力信号の概念を示した図である。なお、ここで云う温度とは物体の温度そのもの（単位は℃でもＫでも可）を示し、温度差を意味するものではない。図３に示すような熱型赤外線撮像素子全体を加熱手段４１を用いた前記のような方法により、温度Ｔ１に設定し、各画素のダイアフラム部１４を基板に接触させたとする。この時は（ｍ−１、ｎ−１）番目の画素と（ｍ，ｎ）番目の画素の両方が同じ温度Ｔ１になる。この温度Ｔ１における（ｍ−１，ｎ−１）番目の画素の出力信号Ｖ１と（ｍ，ｎ）番目の画素の出力信号Ｖ１'を得る。なお、画素自体での温度変化は抵抗体１６の抵抗値変化であるが、ここではそれを電圧に変換して出力したものとして扱う。次に、熱型赤外線撮像素子全体を温度Ｔ２（例えばＴ２＞Ｔ１）に設定し、各画素のダイアフラム部１４を基板に接触させ、温度Ｔ２における（ｍ−１，ｎ−１）番目の画素の出力信号Ｖ２と（ｍ，ｎ）番目の画素の出力信号Ｖ２'を得る。
【００２３】
上記の温度Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２−Ｔ１）をΔＴとし、各画素の出力信号の差（Ｖ２−Ｖ１）をΔＶ１、（Ｖ２'−Ｖ１'）をΔＶ１'とすれば、
（ｍ−１，ｎ−１）番目の画素では
△Ｖ１／△Ｔ＝（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｔ２−Ｔ１）
（ｍ，ｎ）番目の画素では
△Ｖ１'／△Ｔ＝（Ｖ２'−Ｖ１'）／（Ｔ２−Ｔ１）
が温度変化に対する出力信号変化となり、この値をそれぞれの素子についての出力信号の温度変化を示す比例定数として扱うことが出来る。同様のことを全画素について行い、全画素のこれらのデータを記憶部に保存し、赤外線カメラを利用する際に各画素の性能補正を実施する。
【００２４】
以下、各画素の性能補正（較正）の例として、平均値を用いる場合について説明する。前記のようにして求めた（ｍ，ｎ）番目の画素の比例定数（前記の△Ｖ１'／△Ｔに相当）をＡ(ｍ，ｎ）、全画素の比例定数の平均値をＡとして、（ｍ，ｎ）番目の画素についての感度補正を考える。
温度Ｔ１における（ｍ，ｎ）番目の画素の出力電圧Ｖ１と全画素の出力電圧の平均値Ｖとの差は（Ｖ−Ｖ１）となる。或る温度Ｔｘにおける（ｍ，ｎ）番目の画素の出力電圧をＶｘとすると、補正値は
〔Ｖｘ＋（Ｖ−Ｖ１）〕×Ａ／Ａ(ｍ，ｎ）
となる。他の画素においても同様の補正を行なう。このような補正を行なうことにより、平均値を基準として全画素の性能補正が可能になる。
【００２５】
次に、或る画素を基準として性能補正を行なう場合について説明する。例えば基準画素を（１，１）番目の画素とし、この（１，１）画素の比例定数をＡ０とする。温度Ｔ１における（ｍ，ｎ）番目の画素の出力電圧Ｖ１と（１，１）画素の出力電圧Ｖ０との差が（Ｖ０−Ｖ１）となる。或る温度Ｔｘにおける（ｍ，ｎ）番目の画素の出力電圧をＶｘとすると、補正値は
〔Ｖｘ＋（Ｖ０−Ｖ１）〕×Ａ０／Ａ(ｍ，ｎ）
となる。他の画素においても同様の補正を行なう。このような補正を行なうことにより、平均値を基準として全画素の性能補正が可能になる。
上記のようにして各画素の感度の差を解消することが出来る。
【００２６】
また、各画素の性能補正については、２点のデータから比例定数を求め、これによって、データの補正を行なう方法について述べたが、画素の出力信号と温度の関係が直線的な関係でない場合には、設定温度を３点以上にして、各温度での出力信号を計測し、各画素の温度特性曲線を求め、それに対応した補正を行なえば、高精度の性能補正ができる。
また、性能補正を行なう際の温度Ｔ１、Ｔ２等の設定は、例えば撮像する被写体の温度に近い値に設定することが望ましい。
【００２７】
以上のような補正は、赤外線カメラをとおして赤外線が入射し、赤外線センサに照射されたとしても、半導体基板１１を加熱するまでには至らないため、環境からの影響が無い。さらに、電気的方法を用いて加熱、温度検出を行なうため、性能補正のための均一温度物体が不要である。したがって、赤外線カメラの準備を素速く行なうことができる。
【００２８】
次に、図１〜図３に示した素子の製造方法について説明する。
まず、半導体基板１１の上で、空隙２０となる領域に犠牲層となる酸化膜（例えばＰＳＧ膜）を形成する。ここで、ＰＳＧの犠牲層の形成方法について説明する。半導体基板１１に厚さ１μｍ前後のＰＳＧ酸化膜をＣＶＤ法などで形成する。このＰＳＧ酸化膜は犠牲エッチング層であるため、ポリイミドなどでもよい。このＰＳＧ酸化膜に格子状の溝（幅１μｍ前後）をエッチングにより形成する。この上に同じＰＳＧ酸化膜をＣＶＤ法で形成し、一部を残してエッチング除去する。こうして空隙２０となる部分（ダイアフラム部１４と梁部１３の下部）に犠牲層が形成される。犠牲層となる酸化膜は２μｍ位の厚さの単層でもよいが、上記のように溝を形成した上に再度ＰＳＧ酸化膜を形成する方法を用いると、各溝に小さなトンネル（空洞もしくは「す」の入った状態）が形成され、犠牲層のエッチング時にそのトンネルを通ってエッチング液が浸透するので、エッチング速度を速くすることができる。
【００２９】
次に、上記犠牲層の上にダイアフラムになる膜、例えばシリコン窒化膜をＬＰＣＶＤ法で形成する。これが梁部１３とダイアフラム１２の構造材となる。ダイアフラム１２の上には電極３０を形成する。電極３０としては金属膜であればなんでもよいが、ＣＭＯＳプロセスを考えるとＡ１膜が好ましい。この電極３０の上に層間絶縁膜１７例えばシリコン酸化物を形成し、さらに、温度変化に応じて電気抵抗が変化する抵抗体１６を形成し、必要に応じてパターン化する。この上に層間絶縁膜１９を形成した後、エッチング穴１８を形成する。次に熱吸収層２５を形成する。なお、熱吸収層２５と層間絶縁層１９の間に熱吸収層２５の密着を高めるために、アモルファスＳｉの層を形成していてもよい。この場合には、熱吸収層２５としては金黒膜が適当である。次に、上記エッチング穴１８からエッチング液を注入して上記ＰＳＧ酸化膜の犠牲層をエッチング除去することにより、空隙２０を形成してダイアフラム部１４を分離形成する。
【００３０】
なお、これまでの説明は、ボロメータ型の赤外線センサを画素にする場合について説明してきたが、ｐｎ接合型の赤外線センサでも同様に構成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱型赤外線撮像素子に用いる赤外線センサ（画素）の一実施の形態を示す平面図。
【図２】本発明の熱型赤外線撮像素子に用いる赤外線センサ（画素）の一実施の形態を示す断面図。
【図３】本発明の熱型赤外線撮像素子のアレイ構成を示す平面図。
【図４】二つの画素の出力信号の状態を示す特性図。
【図５】熱型赤外線撮像素子における各画素の出力信号のバラツキを示す特性図。
【符号の説明】
１…赤外線センサ ２…熱吸収層
３…スイッチング回路部 ４…ｘアドレス線
５…ｙアドレス線 １１…半導体基板
１２…ダイアフラム １３…梁部
１４…ダイアフラム部 １５…配線
１６…抵抗体 １７…層間絶縁層
１８…エッチング穴 １９…層間絶縁層
２０…空隙 ２５…熱吸収層
３０…電極 ３１…配線
４０…温度検出手段 ４１…加熱手段

Claims (4)

1. 支持基板から空隙を隔てて熱分離構造のダイアフラムが形成され、該ダイアフラム上に赤外線検知部が形成されている熱型赤外線センサを画素とし、複数の画素でアレイを形成した熱型赤外線撮像素子において、
   前記ダイアフラムを前記支持基板に接触、離反させる手段と、
   前記支持基板を加熱する加熱手段と、
   前記支持基板もしくは前記ダイアフラムの温度を検出する温度検出手段と、
   前記ダイアフラムと前記支持基板とを接触させた際の温度と、そのときの画素の出力信号とを記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段の記憶値に基づいて、各画素の出力信号を補正する手段と、
   を備えたことを特徴とする熱型赤外線撮像素子。
2. 前記ダイアフラムを前記支持基板に接触、離反させる手段は、前記ダイアフラムに形成された電極と前記支持基板または支持基板に設けた電極との間に電圧を印加することにより、静電力によって前記ダイアフラムと前記支持基板とを接触させるものであることを特徴とする請求項１に記載の熱型赤外線撮像素子。
3. 前記各画素の出力信号を補正する手段は、少なくとも二つの異なる温度およびそれぞれの温度における出力信号の値に応じて各画素の出力信号を補正するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱型赤外線撮像素子。
4. 前記赤外線検知部はボロメータ型またはｐｎ接合型の赤外線センサであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の熱型赤外線撮像素子。

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