JPH1183620A

JPH1183620A - 熱型赤外線検出器

Info

Publication number: JPH1183620A
Application number: JP9238055A
Authority: JP
Inventors: Tei Narui; 禎成井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-09-03
Filing date: 1997-09-03
Publication date: 1999-03-26

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、赤外線による温度上昇を検出する
熱型赤外線検出器に関し、検出分解能を一段と高めた熱
型赤外線検出器を提供することを目的とする。【解決手段】基板（１１）と、基板から支持部（１２
ａ）を介して支持され、入射する赤外線を熱エネルギー
に変換して検知する一個もしくは複数個の赤外線検出部
（１４）と、赤外線検出部の赤外線透過方向に配置さ
れ、赤外線の少なくとも一部を反射する反射部（２４）
とを備えた熱型赤外線検出器において、反射部（２４）
は、光反射率が温度に応じて変化することを特徴とす
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、赤外線による温度
上昇を検出する熱型赤外線検出器に関する。特に、検出
部における赤外線の吸収効率に温度依存性を持たせるこ
とにより、赤外線検出の分解能を向上するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、赤外線検出器として、量子型およ
び熱型の２種類が知られている。この種の量子型赤外線
検出器としては、水銀カドミウムテルライドその他の狭
バンドギャップを用いたものや、ＰｔＳｉ、ＩｒＳｉに
代表されるショットキーバリアダイオードを用いたもの
などが知られている。

【０００３】このような量子型赤外線検出器は、熱によ
る電子の励起が無視できる程度まで検出部を冷却しなけ
ればならない。そのため、冷却装置に組み込んで使用す
る必要があり、装置全体が大きくかつ高価になるという
欠点があった。もう一方の熱型赤外線検出器は、赤外線
吸収に伴う温度上昇を検出するものである。この種の熱
型赤外線検出器としては、温度による自発分極の変化を
検出する焦電型、電気抵抗の温度変化を検出するボロメ
ータ、ショットキバリアサーミスタなど異種物質間の熱
起電力を利用するサーモパイルなどが知られている。

【０００４】これらの熱型赤外線検出器は、赤外線によ
る温度上昇を検出するため、特に冷却の必要性がない。
そのため、装置全体が小型かつ安価になるという利点を
有する。しかしながら、熱型赤外線検出器は、量子型赤
外線検出器と比べ、一般的に感度が低く、温度分解能が
小さく、かつ応答速度が遅いという欠点を有している。

【０００５】このような欠点を改善するため、近年で
は、熱型赤外線検出器の検出部をフローティング状態に
するなどの構造が提案されている。図１０は、この種の
フローティング構造をとる熱型赤外線検出器を示す一部
切り欠け図である。図１１は、この熱型赤外線検出器の
断面構造を説明する図である。

【０００６】図１０において、シリコン基板９１の上面
には、アルミニウムからなる反射膜９２が形成される。
この反射膜９２の上方には、窒化シリコンからなる脚部
９３ａにより支持されたフローティング部９３が形成さ
れる。このフローティング部９３は、窒化シリコン膜９
４を台座にして形成される。この窒化シリコン膜９４の
上には、張り巡らさせるようにチタン９５のパターンが
形成される。このチタン９５のパターンは、脚部９３ａ
を通って、シリコン基板９１上の検出回路（図示せず）
に接続される。

【０００７】さらに、フローティング部９３の最上面に
は、チタン９５を覆って保護用の窒化シリコン膜９６が
形成される。このような構造の熱型赤外線検出器におい
ては、細長い脚部９３ａを介してシリコン基板９１とフ
ローティング部９３とが熱的にほぼ独立した状態におか
れる。その上、フローティング部９３は小さく形成され
るため、フローティング部９３の熱容量は極めて小さく
なる。

【０００８】そのため、フローティング部９３は、赤外
線入射量の少量の変化に応じて敏感に温度変化が生じ
る。また、フローティング部９３を通過した赤外線は、
反射膜９２に反射されて再びフローティング部９３に戻
る。その結果、赤外線の熱変換効率を無駄なく一層高め
ることができる。

【０００９】このとき、フローティング部９３と反射膜
９２との間隔を、赤外線波長の（１／４）倍程度の光学
長に設定することにより、フローティング部９３の赤外
線吸収量を最大限に高めることもできる（光学的共振効
果）。チタン９５は、このようなフローティング部９３
内にあって、赤外線を主に吸収する役割を果たし、温度
変化を生じる。チタン９５の抵抗値は、このような温度
変化に従って変化する。この抵抗値を検知することによ
り、赤外線入射量を検出することが可能となる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、赤外線検出
器では、検出対象の僅かな温度変化を検出するため、検
出分解能のより一層の向上が望まれる。特に、検出部を
縦横に配置したイメージセンサにおいては、検出対象の
温度分布を僅かな温度差に基づいて識別することが強く
望まれる。

【００１１】これらの要望に応えて、赤外線検出器の検
出分解能をさらに高めるためには、赤外線入射量の微少
変化に対するフローティング部９３の温度変化ΔＴを大
きく確保しなければならない。

【００１２】この温度変化ΔＴは、次の（１）式により
決定される。 ΔＴ＝（ａ・ΔΦ／Ｋ）（１−ｅｘｐ（−ｔＫ／Ｈ））・・・（１）なお、（１）式中において、Ｋは「フローティング部９
３と周囲との間の熱コンダクタンス」を表す。Ｈは「フ
ローティング部９３の熱容量」を表す。ΔΦは「赤外線
入射量の微少変化」を表す。ａは「フローティング部９
３の赤外線吸収率」を表す。ｔは「照射開始からの経過
時間」を表す。

【００１３】この（１）式からわかるように、熱コンダ
クタンスＫをできるだけ小さくすれば、温度変化△Ｔを
大きく確保することができる。しかし、熱コンダクタン
スＫを小さくするためには、脚部９３ａをさらに細長く
しなければならず、脚部９３ａの機械的強度が不足する
という不具合が生じる。そのため、熱コンダクタンスＫ
は材料力学的な観点から、あまり小さくすることができ
ない。

【００１４】一方、フローティング部９３の赤外線吸収
率ａをできるだけ大きくすれば、温度変化ΔＴを大きく
確保することができる。しかし、赤外線吸収率ａを大き
くするためには、一般的にフローティング部９３を厚く
しなければならない。このようにフローティング部９３
を厚くすると、フローティング部９３の熱容量Ｈが大き
くなってしまう。その結果、（１）式中に示される熱時
定数（Ｈ／Ｋ）が大きくなり、温度変化の応答速度が遅
くなってしまう。

【００１５】そこで、図１０に示した従来例では、反射
膜９２を設けることにより、熱容量Ｈを大きくすること
なく、赤外線吸収率ａを高めていた。しかしながら、最
近の熱型赤外線検出器においては、さらに一層高い検出
分解能が望まれている。そこで、本発明では、より一層
高い検出分解能を得ることができる熱型赤外線検出器を
提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、基板と、基板から支持部を介して支持され、入射す
る赤外線を熱エネルギーに変換して検知する一個もしく
は複数個の赤外線検出部と、赤外線検出部の赤外線透過
方向に配置され、赤外線の少なくとも一部を反射する反
射部とを備えた熱型赤外線検出器において、反射部は、
光反射率が温度に応じて変化することを特徴とする。

【００１７】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の熱型赤外線検出器において、反射部は、赤外線検出部
に対し間隙をおいて配置され、かつ基板もしくは赤外線
検出部から、支持部を介して支持されることを特徴とす
る。請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の熱型赤
外線検出器において、反射部は、赤外線検出部の裏面側
に密着して形成されることを特徴とする。

【００１８】請求項４に記載の発明は、請求項１ないし
請求項３のいずれか１項に記載の熱型赤外線検出器にお
いて、赤外線検出部と反射部との光路長は、赤外線波長
のｍ／４倍（ｍは奇数）の光学的長さに設定されてなる
ことを特徴とする。請求項５に記載の発明は、請求項１
ないし請求項４のいずれか１項に記載の熱型赤外線検出
器において、反射部は、温度に依存して金属−半導体転
移を生じる物質から形成されることを特徴とする。

【００１９】請求項６に記載の発明は、請求項５に記載
の熱型赤外線検出器において、反射部は、酸化バナジウ
ムからなることを特徴とする。請求項７に記載の発明
は、請求項６に記載の熱型赤外線検出器において、酸化
バナジウムには、光反射率が変化する温度範囲を調節す
るための不純物が添加されてなることを特徴とする。

【００２０】請求項８に記載の発明は、請求項１ないし
請求項７のいずれか１項に記載の熱型赤外線検出器にお
いて、基板の温度を、反射部の光反射率が変化する温度
範囲に保持する温度安定化手段を備えたことを特徴とす
る。

【００２１】請求項９に記載の発明は、請求項５ないし
請求項７のいずれか１項に記載の熱型赤外線検出器にお
いて、基板の温度を、反射部が金属−半導体転移を生じ
る温度Ｔｃ近傍に保持する温度安定化手段を備えたこと
を特徴とする。

【００２２】（作用）請求項１にかかわる熱型赤外線検
出器では、入射した赤外線の一部が、赤外線検出部を透
過して反射部に到達する。この反射部では、到達する赤
外線量に応じて温度変化が生じる。このような反射部の
温度変化に伴って、反射部の光反射率が変化する。

【００２３】この反射率が温度上昇に伴って高くなる範
囲では、赤外線入射量の増加に従って、赤外線検出部に
戻る赤外線量が相乗的に増加する。したがって、赤外線
入射量の微少変化に伴う赤外線検出部の温度変化ΔＴを
拡大することができる。このような作用により、本発明
では、光反射率が温度上昇に伴って高く変化する範囲に
おいて、赤外線入射量の検出分解能を高めることができ
る。

【００２４】ちなみに、光反射率が温度上昇に伴って低
くなる場合には、赤外線入射量の増加に従って、赤外線
検出部に戻る赤外線量の割合が徐々に低くなる。したが
って、過大な赤外線量が入射された際に、赤外線検出部
の温度上昇を従来よりも低く抑えることが可能となる。
このような作用により、過大な赤外線入射後において、
赤外線検出部の放熱に要する時間が効果的に短縮され、
赤外線量の測定可能な状態へ迅速に復帰することが可能
となる。

【００２５】このように本発明では、反射部の温度依存
性を種々に設定することにより、上記のような有益な特
性を適宜に得ることが可能となる。請求項２にかかわる
熱型赤外線検出器では、反射部が支持部を介して支持さ
れる。そのため、反射部と基板とは、熱的にほぼ独立す
る。

【００２６】このような構造により、赤外線入射量の変
化に伴う反射部の温度変化が大きくなる。そのため、光
反射率の変化が一層拡大し、請求項１の効果を一段と高
めることができる。請求項３にかかわる熱型赤外線検出
器では、反射部が、赤外線検出部の裏面側に密着して形
成される。

【００２７】したがって、反射部を独立したフローティ
ング構造とすることなく、反射部と基板とを熱的に独立
させることができる。このような構造により、赤外線入
射量の変化に伴う反射部の温度変化が大きくなる。その
ため、光反射率の変化が一層拡大し、請求項１の効果を
一段と高めることができる。

【００２８】さらに、赤外線検出部と反射部とが一体に
形成されるため、構造が一段と単純化される。また、赤
外線検出部と反射部とを一体に形成するため、赤外線検
出部の下方の基板表面が空きスペースとなる。したがっ
て、この空きスペースに別の回路部分などを形成するこ
とができ、一層の高集積化を図ることができる。

【００２９】さらに、赤外線検出部と反射部とを一体に
形成するため、フローティング構造の機械的強度が増
し、フローティング構造の各部にかかる機械的な応力が
一段と均一化される。その結果、外部からの衝撃等によ
るフローティング構造の変形などを格段に小さくするこ
とができる。請求項４にかかわる熱型赤外線検出器で
は、赤外線検出部と反射部との光路長が、赤外線波長の
ｍ／４倍（ｍは奇数）の光学的長さに設定される。

【００３０】このような光学的長さに設定することによ
り、赤外線検出部に入射する赤外線と、反射部から赤外
線検出部に戻る赤外線との位相の腹が揃う。その結果、
両方向からの赤外線が互いに強め合い、光学的共振状態
が得られる。このような共振状態においては、赤外線検
出部に戻る反射光の吸収効率を最大限に高めることがで
きる。

【００３１】請求項５にかかわる熱型赤外線検出器で
は、反射部が、温度に依存して金属−半導体転移を生じ
る物質から形成される。このような物質は、金属−半導
体転移に伴って光反射率が鋭敏に変化する。したがっ
て、このような物質を採用することにより、温度に応じ
て敏感に光反射率の変化する反射部を確実に形成するこ
とができる。

【００３２】請求項６にかかわる熱型赤外線検出器で
は、反射部を、温度Ｔｃを境にして金属−半導体転移を
生じる酸化バナジウムから形成する。請求項７にかかわ
る熱型赤外線検出器では、酸化バナジウムに不純物を添
加することにより、光反射率が変化する温度範囲を調節
する。通常、検出分解能が高くなる範囲は、光反射率が
変化する前後の温度範囲に限られる。そこで、上記のよ
うに不純物添加により光反射率が変化する温度範囲を調
節することにより、検出分解能が高くなる範囲を、設計
仕様や使用環境などに合わせて柔軟に変更することが可
能となる。

【００３３】請求項８にかかわる熱型赤外線検出器で
は、温度安定化手段が、基板の温度を、反射部の光反射
率が変化する温度範囲に保持する。通常、反射部の熱容
量に蓄積された熱量は、基板との間の熱コンダクタンス
を経て徐々に放熱される。そのため、赤外線が入射され
ない定常状態において、反射部の温度は、基板の温度と
平衡してほぼ一定する。

【００３４】このような作用により、赤外線が入射され
ない定常状態において、反射部の温度は、光反射率が変
化する温度範囲に保たれる。この状態で、微少な赤外線
が入射すると、光反射率が敏感に変化する。そのため、
赤外線検出部に吸収される赤外線量が急変する。その結
果、微少レベルの赤外線量に関する検出分解能が著しく
高くなる。

【００３５】請求項９にかかわる熱型赤外線検出器で
は、温度安定化手段が、基板の温度を、「反射部が金属
−半導体転移を生じる温度Ｔｃ」の近傍に保持する。通
常、反射部の熱容量に蓄積された熱量は、基板との間の
熱コンダクタンスを経て徐々に放熱される。そのため、
赤外線が入射されない定常状態において、反射部の温度
は、基板の温度と平衡してほぼ一定する。

【００３６】このような作用により、赤外線が入射され
ない定常状態において、反射部の温度は、温度Ｔｃの近
傍に保持される。この状態で、微少な赤外線が入射する
と、反射部が半導体から金属に変化して光反射率が顕著
に変化する。そのため、赤外線検出部において吸収され
る赤外線量が急激に変化する。その結果、微少レベルの
赤外線量に関する検出分解能が一段と高くなる。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明にお
ける実施の形態を説明する。（第１の実施形態）第１の実施形態は、請求項１，２，
４〜９に記載の発明に対応した実施形態である。

【００３８】図１は、第１の実施形態を示す一部切り欠
け図である。図２は、第１の実施形態におけるフローテ
ィング部の形状を示す図である。図３は、第１の実施形
態の断面構造を示す概略図である。これらの図１〜図３
において、シリコン基板１１の上面には、窒化シリコン
からなる脚部１２ａで支持された第１のフローティング
部１２が形成される。

【００３９】この第１のフローティング部１２は、窒化
シリコン膜１３を台座にして形成される。この窒化シリ
コン膜１３の上には、張り巡らさせるようにチタン１４
のパターンが形成される。このチタン１４のパターン
は、脚部１２ａおよびコンタクトホールなどを介して、
シリコン基板１１上の検出回路（図示せず）に接続され
る。

【００４０】さらに、第１のフローティング部１２の最
上面には、チタン１４を覆って保護用の窒化シリコン膜
１５が形成される。一方、第１のフローティング部１２
の下方には、シリコン基板１１の開口部１１ａが設けら
れる。この開口部１１ａには、窒化シリコンからなる脚
部２２ａで橋渡しされるようにして、第２のフローティ
ング部２２が形成される。

【００４１】この第２のフローティング部２２は、窒化
シリコン膜２３を台座にして形成される。この窒化シリ
コン膜２３の上には、酸化バナジウムからなる反射膜２
４が面状に形成される。この反射膜２４とチタン１４と
の間隔（図３中に示すｄ１）は、２．５μｍ程度に設定
される。さらに、この反射膜２４の上には、保護用の窒
化シリコン膜２５が形成される。

【００４２】また、シリコン基板１１の裏面側には、ペ
ルチェ素子２７が貼り付けられる。ペルチェ素子２７に
は電流源２８が接続され、シリコン基板１１の基板温度
を３６℃程度に維持する。なお、請求項１，２，４〜９
に記載の発明と第１の実施形態との対応関係について
は、基板はシリコン基板１１に対応し、赤外線検出部は
「チタン１４からなるボロメータ」に対応し、反射部は
「酸化バナジウムを主成分とした反射膜２４」に対応
し、温度安定化手段はペルチェ素子２７および電流源２
８に対応する。

【００４３】次に、第１の実施形態の製造工程について
説明する。図４および図５は、第１の実施形態の製造工
程を示す説明図である。まず、（１１１）型のシリコン
基板１１に対し、必要に応じて公知の半導体プロセスを
用いて読み出しのための回路等を設ける。次に、図４
（ａ）に示すように、シリコン基板１１の上に窒化シリ
コン膜２３を減圧ＣＶＤ法により３０００Å程度の厚さ
で付着させる。

【００４４】この窒化シリコン膜２３を、フォトリソグ
ラフィおよびドライエッチングにより、第２のフローテ
ィング部２２の形状にパターニングする。このとき、そ
の他の回路部分などについては、後述するシリコンエッ
チング工程から保護するため、窒化シリコン膜２３を適
宜に残しておく。その後、光反射率に温度依存性を持つ
酸化バナジウムをスパッタ法により２０００Å程度の厚
さで付着させる。

【００４５】この酸化バナジウムには、タングステンな
どの不純物が予め添加される。このように不純物を添加
することにより、金属−半導体転移を生じる温度Ｔｃ
を、６７℃から３６℃程度に低温化することができる
（Jpn.J.Appl.Phys, Vol.35 [Part2 No.4A](1996) I.Ta
kahashi,M.Hibino and T.Kudo:"Thermochromic V(1-x)W
(x)O2 ThinFilmsPrepared by WetCoating Using Polyva
nadate Solution" p.L438-L440 ）。

【００４６】その後、フォトリソグラフィおよびドライ
エッチングを用いて、酸化バナジウムを、図２に示す反
射膜２４の形状にパターニングする。さらに、反射膜２
４を保護するための窒化シリコン膜２５をＣＶＤ法で５
００Å程度の厚さで形成し、フォトリソグラフィおよび
ドライエッチングを用いてパターニングを施す。

【００４７】その後、多結晶シリコンをＣＶＤ法により
約２．５μｍ程度の厚さで付着させる。ここで、フォト
リソグラフィおよびドライエッチングを用いて余分な多
結晶シリコンを取り除き、図４（ｂ）に示すような、犠
牲層３１を形成する。次に、図４（ｃ）に示すように、
窒化シリコン膜１３を１０００Å程度の厚さで付着させ
て、第１のフローティング部１２の台座部分と脚部１２
ａとなる部分を形成する。

【００４８】その後、必要に応じて拡散層等にコンタク
トホール等を開け、シリコン基板１１上の回路との電気
的な接続路を確保する。続いて、スパッタ法等を用い
て、窒化シリコン膜１３の上にチタン１４を２００Å程
度の厚さで形成する。このチタン１４を、フォトリソグ
ラフィおよびドライエッチングでパターニングすること
により、図２に示すような配線形状のチタン１４を得
る。

【００４９】さらに、その上に保護膜としての窒化シリ
コン膜１５を５００Å程度の厚さで付着させる。これら
の窒化シリコン膜１３と窒化シリコン膜１５とに対し、
同時にフォトリソグラフィおよびドライエッチングを施
し、図２に示す第１のフローティング部１２および脚部
１２ａの形状を形成する。

【００５０】次に、図５（ｄ）に示すように、ＣＶＤ法
を用いて、表面に酸化膜３２などを形成する。さらに、
シリコン基板１１の裏面に窒化シリコン膜３３をＬＰＣ
ＶＤ法により３０００Å形成する。さらに、基板裏面の
窒化シリコン膜３３を、図５（ｄ）に示すように、フォ
トリソグラフィー、ドライエッチングにより除去し、開
口部１１ａを形成する際のマスクを完成する。

【００５１】最後に、シリコン基板１１表面の酸化膜３
２をＨＦ溶液などで剥離する。その後、図５（ｅ）に示
すように、裏面の窒化シリコン膜３３をマスクにして、
ＴＭＡＨ等の異方性エッチング液により、開口部１１ａ
および犠牲層３１を同時にエッチング除去する。以上の
製造工程により、第１のフローティング部１２および第
２のフローティング部２２の二重構造が、完成する。

【００５２】次に、第１の実施形態の動作について説明
する。第１の実施形態の熱型赤外線検出器では、赤外線
入射に伴うチタン１４の温度変化を、チタン１４の抵抗
値の変化として検出する。

【００５３】ここで、検出対象の温度がＴ０からＴ１に
変化した場合、チタン１４の温度変化ΔＴは、 ΔＴ＝［（ａ／Ｋ）｛Φ(Ｔ１)−Φ(Ｔ０)｝｛１−ｅｘｐ(−ｔＫ／Ｈ)｝］・・・（２）となる。ここで、Φ(Ｔ)は、温度Ｔの対象物体を観察し
た場合に、第１のフローティング部１２に到達する光量
（反射光量も含む）を表す。また、ａは第１のフローテ
ィング部１２における赤外線吸収率である。Ｋは、第１
のフローティング部１２と周囲との間の熱コンダクタン
スである。Ｈは、第１のフローティング部１２の熱容量
である。

【００５４】従来の反射膜は光反射率が一定であるた
め、フローティング部に到達する光量Φ（Ｔ）は、赤外
線入射量と単純な比例関係にあった。しかしながら、本
実施形態では、反射膜２４に酸化バナジウムを使用す
る。この酸化バナジウムに代表される金属酸化物は、あ
る温度以上（Ｔｃ）になると電気抵抗が低くなる金属的
な特性を示し、それ以下であると半導体的な特性を示
す。

【００５５】また、このような特性の変化に伴って、光
（特に赤外光）に対しても、温度Ｔｃ以上では光を多く
反射し、温度Ｔｃ以下の温度では光を多く透過するとい
う特性を有する。そのため、赤外線量の増加に伴って第
２のフローティング部２２の温度が上昇すると、反射膜
２４の光反射率が増加し、第１のフローティング部１２
へ戻る赤外線量が相乗的に増加する。

【００５６】逆に、赤外線量の減少に伴って、第２のフ
ローティング部２２の温度が低下すると、反射膜２４の
光反射率が低下し、第１のフローティング部１２へ戻る
赤外線量が相乗的に減少する。したがって、本実施形態
では、第１のフローティング部１２に到達する赤外線量
の変化｛Φ(Ｔ１)−Φ(Ｔ０)｝が拡大し、第１のフロー
ティング部１２に生じる温度変化ΔＴが一段と大きくな
る。

【００５７】例えば、検出対象の温度が、３００Ｋから
３０１Ｋに変化する場合を考える。このような検出対象
の温度変化に伴う赤外線量の増加により、反射膜２４の
光反射率は４５％から５５％へ変化する。このとき、検
出対象の温度変化に伴って、第１のフローティング部１
２に到達する赤外線量の差△Φ：Φ（３０１Ｋ）−Φ
（３００Ｋ）は、１．０３Ｅ−３（Ｗ／ｃｍ²）程度と
なる。（入射光学系のＦ値を１として計算）なお、従来技術では同一条件において、赤外線量の差△
Φ：Φ（３０１Ｋ）−Φ（３００Ｋ）は、２．００Ｅ−
４（Ｗ／ｃｍ²）であった。

【００５８】したがって、本実施形態では、従来技術に
比べて、おおよそ５倍以上の検出分解能が得られる。ま
た、第１の実施形態では、反射膜２４をフローティング
状態に配置する。このような構造により、反射膜２４と
シリコン基板１１とが熱的にほぼ独立する。そのため、
赤外線入射量の変化に伴う反射膜２４の温度変化が拡大
し、光反射率が鋭敏に変化するようになる。このような
作用により、検出分解能を一段と高めることができる。

【００５９】さらに、第１の実施形態では、チタン１４
と反射膜２４との間隔ｄ１が、２．５μｍ程度に設定さ
れる。そのため、波長１０μｍ程度の赤外線に関して、
チタン１４と反射膜２４との間に光学的な共振状態が生
じる。このような共振状態により、チタン１４は、反射
膜２４から戻る波長１０μｍ程度の赤外線を効率良く吸
収することができる。その結果、波長１０μｍ程度の赤
外線については、反射膜２４の反射率変化による作用効
果が最大限に生じ、検出分解能が相乗的に高くなる。

【００６０】また、酸化バナジウムにタングステンなど
の不純物を添加しているので、光反射率が変化する温度
範囲が常温近くまで低くなる。したがって、赤外線検出
器を常温近くで使用した際に、高い検出分解能を得るこ
とができるようになる。さらに、第１の実施形態では、
ペルチェ素子２７を用いて、シリコン基板１１を、反射
膜２４の光反射率が変化する温度範囲に維持している。

【００６１】この状態では、微少な赤外線が入射しただ
けで、反射膜２４の光反射率が即座に変化する。そのた
め、チタン１４に戻る赤外線量が大きく変化する。この
ように、反射膜２４の光反射率が変化する温度範囲に基
板温度を安定化させることにより、微少レベルの赤外線
量に関する検出分解能を著しく高めることができる。な
お、第１の実施形態では、開口部１１ａを穿孔すること
により、第２のフローティング部２２を島状に形成して
いるが、この構成に限定されるものではない。例えば、
第１フローティング部と第２のフローティング部とを二
重屋根状に形成してもよい。このような構成は、基板上
に犠牲層を２段階にわたって形成し、各犠牲層の上に、
台座部分をそれぞれ形成することにより実現することが
できる。

【００６２】また、第１の実施形態では、反射膜２４の
主成分として酸化バナジウムを使用しているが、これに
限定されるものではない。一般的には、温度に依存して
光反射率が変化する物質であれば、反射膜２４として使
用することができる。特に、温度に依存して金属ー半導
体転移を生じる物質であれば、金属光沢の変化に伴って
光反射率が顕著に変化するため、反射膜２４の主成分と
して好適である。

【００６３】なお、第１の実施形態では、光反射率の変
化する温度範囲を調節するため、酸化バナジウムにタン
グステンを添加しているが、これに限定されるものでは
ない。例えば、このような作用を有する添加物として
は、リチウム、ニオブ、モリブデンなどの物質が知られ
ている。次に、別の実施形態について説明する。

【００６４】（第２の実施形態）第２の実施形態は、請
求項１，３，４〜９に記載の発明に対応した実施形態で
ある。

【００６５】図６は、第２の実施形態を示す一部切り欠
け図である。図７は、第２の実施形態の断面構造を示す
概略図である。図６および図７において、シリコン基板
４１の上面には、脚部４２ａで支持されたフローティン
グ部４２が形成される。このフローティング部４２は、
窒化シリコン膜４３を台座にして形成される。この窒化
シリコン膜４３の上には、張り巡らさせるようにチタン
４４のパターンが形成される。このチタン４４のパター
ンは、脚部４２ａおよびコンタクトホールなどを通っ
て、シリコン基板４１上の検出回路（図示せず）に接続
される。

【００６６】さらに、フローティング部４２の最上面に
は、チタン４４を覆って保護用の窒化シリコン膜４５が
形成される。一方、フローティング部４２の裏面には、
酸化バナジウムからなる反射膜４６が付着する。この反
射膜４６とチタン４４との間隔（図７中に示すｄ２）
は、１μｍ程度に設定される。

【００６７】さらに、この反射膜４６を覆うように、保
護用の窒化シリコン膜４７が形成される。また、シリコ
ン基板４１の裏面には、ペルチェ素子４８が貼り付けら
れる。ペルチェ素子４８には電流源４９が接続され、シ
リコン基板４１の基板温度を３６℃程度に維持する。

【００６８】なお、請求項１，３，４〜９に記載の発明
と第１の実施形態との対応関係については、基板はシリ
コン基板４１に対応し、赤外線検出部は「チタン４４か
らなるボロメータ」に対応し、反射部は「酸化バナジウ
ムを主成分とした反射膜４６」に対応し、温度安定化手
段はペルチェ素子４８および電流源４９に対応する。次
に、第２の実施形態の製造工程について説明する。

【００６９】図８は、第２の実施形態の製造工程を示す
説明図である。まず、シリコン基板４１に対し、必要に
応じて公知の半導体プロセスを用いて読み出しのための
回路等を設ける。次に、図８（ａ）に示すように、シリ
コン基板４１の表面に、保護用の窒化シリコン膜４１ａ
を減圧ＣＶＤ法により５００Å程度の厚さで付着させ
る。

【００７０】この窒化シリコン膜４１ａの上に、多結晶
シリコンをＣＶＤ法により２．５μｍ以上の厚さで付着
させる。この多結晶シリコンをドライエッチングして余
分な部分を除去し、図８（ａ）に示すような犠牲層５１
を形成する。次に、図８（ｂ）に示すように、犠牲層５
１の上にＬＰＣＶＤ法を用いて窒化シリコン膜４７を５
００Å程度の厚さで付着させる。この窒化シリコン膜４
７をフォトリソグラフィおよびドライエッチングを用い
てパターニングする。

【００７１】その後、窒化シリコン膜４７の上に、酸化
バナジウムをスパッタ法により２０００Å程度の厚さで
付着させる。その後、フォトリソグラフィおよびドライ
エッチングを用いて酸化バナジウムをパターニングし、
反射膜４６を形成する。次に、図８（ｃ）に示すよう
に、犠牲層５１を覆って窒化シリコン膜４３を１μｍ程
度の厚さで付着させる。

【００７２】このような窒化シリコン膜４３を形成した
後に、必要に応じて拡散層等にコンタクトホールを開
け、シリコン基板４１上の回路との電気的な接続路を確
保しておく。その後、スパッタ法などを用いて、窒化シ
リコン膜４３の上にチタン４４を付着させる。このチタ
ン４４をフォトリソグラフィをドライエッチングによ
り、図６に示すような配線形状にパターニングする。

【００７３】このチタン４４の上に、保護用の窒化シリ
コン膜４５を５００Å程度の厚さで付着させる。ここ
で、フォトリソグラフィおよびドライエッチングを用い
て、窒化シリコン膜４３，４５を図６に示すような形状
にパターニングし、フローティング部４２を形成する。

【００７４】さらに、シリコン基板４１の裏面に窒化シ
リコン膜５２をＬＰＣＶＤ法により５０００Åの厚さで
形成する。ここで、アンモニアやＴＭＡＨ等のエッチン
グ液、もしくはドライエッチングなどにより犠牲層５１
である多結晶シリコンを除去する。このような工程を経
て、図８（ｄ）に示すような構造が完成する。

【００７５】このような構成では，温度に依存して反射
率変化を生じる酸化バナジウムを主成分として、反射膜
４６が形成される。そのため、第２の実施形態において
も、第１の実施形態に挙げた効果とほぼ同様の効果を得
ることができる。特に、第２の実施形態では、フローテ
ィング部４２内にチタン４４と反射膜４６とが層状に形
成される。そのため、反射膜４６は、チタン４４と共に
シリコン基板４１から熱的にほぼ独立する。したがっ
て、反射膜４６では、赤外線入射に伴う反射率変化が拡
大し、検出分解能の向上効果が高くなる。

【００７６】さらに、第２の実施形態では、チタン４４
と反射膜４６との間隔ｄ２が、１μｍ程度に設定され
る。そのため、波長４μｍ程度の赤外線に関して、チタ
ン４４と反射膜４６との間に光学的な共振状態が生じ
る。このような共振状態により、チタン４４は、反射膜
４６から戻る波長４μｍ程度の赤外線を効率良く吸収す
ることができる。したがって、波長４μｍ程度の赤外線
については、反射膜４６の反射率変化による作用効果が
特に強く生じ、検出分解能が相乗的に高くなる。

【００７７】また、第２の実施形態では、フローティン
グ部を二重に形成する必要がないため、構造が単純とな
る。したがって、製造工程を大幅に省略することが可能
となる。さらに、シリコン基板４１に開口部を設ける必
要がない。そのため、イメージセンサを構成するような
ケースでは、開口部に妨害されることなく、画素の高集
積化を図ることが可能となる。

【００７８】また、反射膜４６をフローティング部４２
内に形成するので、フローティング部４２の下方の基板
スペースを別の用途に使用することができる。したがっ
て、この基板スペースに、読み出し回路などを形成する
ことにより、より一層の高集積化を図ることも可能とな
る。次に、本発明の熱型赤外線検出器を用いて、熱型赤
外線イメージセンサを構成した実施形態について説明す
る。

【００７９】（第３の実施形態）図９は、熱型赤外線イ
メージセンサを示す図である。図９において、半導体基
板５９の上には、上述した構造（図１または図６）のチ
タンボロメータ６０が垂直水平方向に複数配列される。
これらチタンボロメータ６０の一端は接地側に接続され
る。また、チタンボロメータ６０の他端は、垂直スイッ
チ６２を介して垂直読み出し線６３に接続される。これ
ら垂直スイッチ６２の制御端子は、水平列ごとにまとめ
られ、垂直走査回路６４にそれぞれ接続される。

【００８０】一方、垂直読み出し線６３は、水平スイッ
チ６５を介して、水平読み出し線６６に接続される。こ
れら水平スイッチ６５の制御端子は、水平走査回路６７
にそれぞれ接続される。また、水平読み出し線６６に
は、チタンボロメータ６０の抵抗値を検出するための抵
抗検出回路６８が接続される。

【００８１】このような第３の実施形態では、垂直スイ
ッチ６２および水平スイッチ６５を順次に切り換えるこ
とにより、所定の走査順に従って、特定箇所のチタンボ
ロメータ６０を抵抗検出回路６８に接続することができ
る。抵抗検出回路６８は、各々のチタンボロメータ６０
の抵抗値を検出し、赤外線画像の信号として出力する。

【００８２】なお、第１〜第３の実施形態では、赤外線
検出部としてチタンボロメータを使用しているが、これ
に限定されるものではない。一般的には、熱型の赤外線
検出素子であれば、本発明の赤外線検出部に使用して効
果を得ることができる。例えば、酸化バナジウムのボロ
メータ，サーモパイル，焦電型などを用いて赤外線検出
部を構成することができる。

【００８３】また、第１〜第２の実施形態では、基板の
表面側から赤外線が入射される場合について述べたが、
これに限定されるものではない。一般に、反射部と赤外
線検出部との位置関係を入れ替えることにより、基板の
裏面側から入射する赤外線を検出することが可能とな
る。

【００８４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
発明では、反射部の光反射率が温度に応じて変化する。

【００８５】この光反射率が温度上昇に伴って高くなる
範囲では、赤外線入射量の変化に伴う赤外線検出部の温
度変化ΔＴが拡大する。したがって、光反射率が変化す
る範囲において、赤外線入射量の検出分解能を高くする
ことができる。請求項２に記載の発明では、反射部をフ
ローティング状態に配置する。そのため、赤外線入射量
の変化に伴う反射部の温度変化が大きくなり、反射部に
おける反射率変化の度合いが大きくなる。したがって、
請求項１における検出分解能の向上効果をより一層高め
ることができる。

【００８６】請求項３に記載の発明では、反射部が、赤
外線検出部の裏面側に密着して形成される。そのため、
反射部について独立したフローティング構造を形成する
ことなく、反射部と基板とを熱的に独立させることがで
きる。したがって、請求項２とほぼ同程度の作用効果を
得つつ、熱型赤外線検出器の構造を単純化することが可
能となる。

【００８７】また、赤外線検出部と反射部とを一体に形
成するので、赤外線検出部の下方の基板表面に空きスペ
ースを確保することができる。したがって、この空きス
ペースに回路などを形成することにより、一層の高集積
化を図ることが可能となる。さらに、赤外線検出部と反
射部とを一体に形成するので、フローティング構造の機
械的強度が増し、衝撃等によるフローティング構造の変
形を小さく抑えることが可能となる。

【００８８】請求項４に記載の発明では、赤外線検出部
と反射部とが光学的に共振するので、赤外線検出部に戻
る反射光の吸収効率を最大限に高めることができる。し
たがって、請求項１〜３の熱型赤外線検出器における検
出分解能の向上効果をいずれも最大限に高めることがで
きる。請求項５，６に記載の発明では、反射部が、温度
に依存して金属−半導体転移を生じる。このような金属
−半導体転移の前後では光反射率が変化し、赤外線検出
部の温度変化ΔＴが拡大する。

【００８９】したがって、このような金属−半導体転移
の前後において、赤外線検出器の検出分解能を確実に高
めることができる。請求項７に記載の発明では、酸化バ
ナジウムに不純物を添加して、光反射率が変化する温度
範囲を調節する。このような温度範囲の調節により、
「検出分解能が高くなる範囲」を柔軟に変更することが
可能となる。

【００９０】請求項８に記載の発明では、温度安定化手
段が、基板の温度を、反射部の光反射率が変化する温度
範囲に保持する。したがって、赤外線が入射されない定
常状態において、反射部の温度は、基板の温度と平衡し
て、光反射率が変化する温度範囲に保たれる。この状態
で、微少な赤外線が入射すると、光反射率が敏感に変化
し、赤外線検出部に吸収される赤外線量が急変する。し
たがって、微少レベルの赤外線量に関する検出分解能を
特に高めることができる。

【００９１】請求項９に記載の発明では、温度安定化手
段が、基板の温度を、反射部が金属−半導体転移を生じ
る温度Ｔｃに保持する。したがって、赤外線が入射され
ない定常状態において、反射部の温度は、基板の温度と
平衡して、温度Ｔｃの近傍に保たれる。この状態で、微
少な赤外線が入射すると、反射部が半導体から金属に変
化して光反射率が敏感に変化する。したがって、微少レ
ベルの赤外線量に関する検出分解能を特に高めることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態を示す一部切り欠け図である。

【図２】第１の実施形態におけるフローティング部の形
状を示す図である。

【図３】第１の実施形態の断面構造を示す概略図であ
る。

【図４】第１の実施形態の製造工程を示す説明図（１／
２）である。

【図５】第１の実施形態の製造工程を示す説明図（２／
２）である。

【図６】第２の実施形態を示す一部切り欠け図である。

【図７】第２の実施形態の断面構造を示す概略図であ
る。

【図８】第２の実施形態の製造工程を示す説明図であ
る。

【図９】熱型赤外線イメージセンサを構成した実施形態
を示す図である。

【図１０】従来の熱型赤外線検出器の構造を示す一部切
り欠け図である。

【図１１】従来の熱型赤外線検出器の断面構造を説明す
る図である。

【符号の説明】

１１シリコン基板１１ａ開口部１２第１のフローティング部１２ａ脚部１３窒化シリコン膜１４チタン１５窒化シリコン膜２２第２のフローティング部２２ａ脚部２３窒化シリコン膜２４反射膜２５窒化シリコン膜２７ペルチェ素子２８電流源３１犠牲層３２酸化膜３３窒化シリコン膜４１シリコン基板４１ａ窒化シリコン膜４２フローティング部４２ａ脚部４３窒化シリコン膜４４チタン４５窒化シリコン膜４６反射膜４７窒化シリコン膜４８ペルチェ素子４９電流源５１犠牲層５２窒化シリコン膜６０チタンボロメータ６２垂直スイッチ６３垂直読み出し線６４垂直走査回路６５水平スイッチ６６水平読み出し線６７水平走査回路６８抵抗検出回路９１シリコン基板９２反射膜９３フローティング部９３ａ脚部９４窒化シリコン膜９５チタン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、前記基板から支持部を介して支持され、入射する赤外線
を熱エネルギーに変換して検知する一個もしくは複数個
の赤外線検出部と、前記赤外線検出部の赤外線透過方向に配置され、赤外線
の少なくとも一部を反射する反射部とを備えた熱型赤外
線検出器において、前記反射部は、光反射率が温度に応じて変化することを
特徴とする熱型赤外線検出器。
【請求項２】請求項１に記載の熱型赤外線検出器にお
いて、前記反射部は、前記赤外線検出部に対し間隙をおいて配置され、かつ前
記基板もしくは前記赤外線検出部から、支持部を介して
支持されることを特徴とする熱型赤外線検出器。
【請求項３】請求項１に記載の熱型赤外線検出器にお
いて、前記反射部は、前記赤外線検出部の裏面側に密着して形成されることを
特徴とする熱型赤外線検出器。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれか１項
に記載の熱型赤外線検出器において、前記赤外線検出部と前記反射部との光路長は、赤外線波
長のｍ／４倍（ｍは奇数）の光学的長さに設定されてな
ることを特徴とする熱型赤外線検出器。
【請求項５】請求項１ないし請求項４のいずれか１項
に記載の熱型赤外線検出器において、前記反射部は、温度に依存して金属−半導体転移を生じ
る物質から形成されることを特徴とする熱型赤外線検出
器。
【請求項６】請求項５に記載の熱型赤外線検出器にお
いて、前記反射部は、酸化バナジウムからなることを特徴とす
る熱型赤外線検出器。
【請求項７】請求項６に記載の熱型赤外線検出器にお
いて、前記酸化バナジウムには、光反射率が変化する温度範囲
を調節するための不純物が添加されてなることを特徴と
する熱型赤外線検出器。
【請求項８】請求項１ないし請求項７のいずれか１項
に記載の熱型赤外線検出器において、前記基板の温度を、前記反射部の光反射率が変化する温
度範囲に保持する温度安定化手段を備えたことを特徴と
する熱型赤外線検出器。
【請求項９】請求項５ないし請求項７のいずれか１項
に記載の熱型赤外線検出器において、前記基板の温度を「前記反射部が金属−半導体転移を生
じる温度Ｔｃ」の近傍に保持する温度安定化手段を備え
たことを特徴とする熱型赤外線検出器。