赤外線サーマルディテクタ及びその製造方法
【課題】赤外線サーマルディテクタ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】赤外線サーマルディテクタ１０は、基板２０と、検知部３０と、サーマルレッグ５０とを含む。検知部３０は、基板２０から離隔され、入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収し、吸収された赤外線による温度変化によって、抵抗値が変わるように設けられサーマルレッグ５０は、検知部３０からの信号を基板２０に伝達する。
【解決手段】赤外線サーマルディテクタ１０は、基板２０と、検知部３０と、サーマルレッグ５０とを含む。検知部３０は、基板２０から離隔され、入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収し、吸収された赤外線による温度変化によって、抵抗値が変わるように設けられサーマルレッグ５０は、検知部３０からの信号を基板２０に伝達する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線サーマルディテクタ及びその製造方法に係り、さらに詳細には、温度を有する物体から放射される赤外線を受光してこれを検知する赤外線サーマルディテクタ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
任意の温度Ｔを有している物体は、黒体輻射によって、特定波長で最大値を示す広域の光を放射する。周囲に存在する常温の物体から放射された光は、ほぼ１０μｍの波長帯域で最大値を示す赤外線を放射する。このように放射された赤外線が、その周囲とサーマルレッグ（ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅｇ）で連結されたサーマルマス（ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｓｓ）に入射すれば、温度が上昇する。このような赤外線入射による温度変化により、材料の性質によって、抵抗変化、極性変化、起電力変化、反り変化のような特性を得ることができ、これをイメージアレイ（ｉｍａｇｅ ａｒｒａｙ）化させてサーマルイメージを得る。特に、材料の抵抗変化を利用したサーマルイメージの実現方式をボロメータ（ｂｏｌｏｍｅｔｅｒ）という。
【０００３】
ピクセルの温度変化量を決定する主要因子は、与えられた波長帯域でのピクセルの平均光吸収率とピクセル面積との積に比例する入射エネルギー量、ピクセルの熱容量（ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｓｓ）及び熱伝導度（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）がある。
【０００４】
高解像度の高い温度精度を有するサーマルカメラの実現のために、ピクセルの小型化を介したＶＧＡ（ｖｉｄｅｏ ｇｒａｐｈｉｃｓ ａｒｒａｙ）クラス以上のフォーマット（ｆｏｒｍａｔ）を有するアレイが開発されている。しかし、このようなピクセルサイズの小型化においては、ピクセル面積の縮小によって、入射エネルギー量が減少し、またサーマルレッグ長の縮小に伴う熱伝導度の上昇によって、温度変化量が減少する。従って、温度ノイズ指数が増大し、現在では、使用波長（〜１０μｍ）の回折限界より大きいサイズを有するピクセルが、小型化の限界であると見られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、局部的な表面プラズモン共鳴現象を起こすことができる構造を介して、小面積に光を集束させることによって、同じ入射エネルギー量下で小さいサーマルマス及び小さい熱伝導度を確保し、超小型／高感度特性を有する赤外線サーマルディテクタ及びその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタは、基板と、前記基板から離隔されており、入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収し、吸収された赤外線による温度変化によって、抵抗値が変わるように設けられた検知部と、前記検知部からの信号を前記基板に伝達するサーマルレッグと、を含む。
【０００７】
前記検知部は、入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収するようにパターニングされた構造を有する金属層と、金属層の下部側に、吸収された赤外線による温度変化を抵抗変化に変換する物質を含むように設けられた熱電材料層と、を含んでもよい。
【０００８】
前記検知部は、ディスク形態、リング形態、バー形態、あるいはバー形態を組み合わせた形態を有するようにパターニングされてもよい。
【０００９】
前記サーマルレッグは、前記熱電材料層と同一材料で一体に形成されてもよい。
【００１０】
前記熱電材料層は、前記金属層に対応する構造にパターニングされてもよい。
【００１１】
前記熱電材料層は、平板構造に形成されてもよい。
【００１２】
前記熱電材料層は、非晶質シリコン、酸化バナジウムまたは酸化ニッケルのように、温度変化によって抵抗値が変わる材料のうち少なくとも一つを含んでもよい。
【００１３】
前記金属層は、金、アルミニウム、銅、チタン、白金、銀を含むグループのうちから選択された少なくとも１つの物質を含んでもよい。
【００１４】
前記検知部は、前記金属層と前記熱電材料層との間に誘電体層をさらに含んでもよい。
【００１５】
前記サーマルレッグは、電気的連結が可能な材料で、前記検知部と別途に形成されてもよい。
【００１６】
前記基板と前記検知部との間に空気層が存在しうる。
【００１７】
前記基板と前記検知部との間に熱伝導を遮断する物質層が存在しうる。
【００１８】
前記検知部及び前記サーマルレッグの下側の基板上には、光を透過させない金属反射層をさらに含んでもよい。
【００１９】
本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタの製造方法は、基板を準備する段階と、サーマルレッグの両端と電気的な連結がなされる前記基板上の金属配線部分に開口を有する犠牲層を、前記基板上に形成する段階と、前記開口及び前記犠牲層の上に電気的連結が可能な材料を積層してこれをパターニングし、前記金属配線にその両端だけが電気的に連結され、残りの部分は、前記基板から離隔されたサーマルレッグを形成する段階と、前記サーマルレッグと電気的に連結され、入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収し、吸収された赤外線による温度変化によって、抵抗値が変わるように設けられた検知部を形成する段階と、を含む。
【００２０】
前記熱電材料層は、前記サーマルレッグと同一材料で、前記サーマルレッグ形成時に、前記サーマルレッグと一体に製造される。
【００２１】
前記犠牲層を除去し、前記基板と前記サーマルレッグとの間に空気層を形成する段階をさらに含んでもよい。
【００２２】
前記犠牲層は、熱伝導を遮断する物質から形成され、前記サーマルレッグと前記基板との間の熱伝導を遮断するように形成される。
【００２３】
前記検知部及び前記サーマルレッグの下側に該当する前記基板上に、光を透過させないように形成された金属反射層をさらに含み、前記金属反射層の形成後に、前記犠牲層を形成することができる。
【００２４】
前記金属反射層は、前記金属配線の形成時に、同時に形成することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタ及びこれを製造する方法によれば、局部的な表面プラズモン共鳴現象を起こすことができる構造を介して、小面積に光を集束させることによって、同じ入射エネルギー量下で、小さいサーマルマス及び小さい熱伝導度を確保し、超小型／高感度特性を有する赤外線サーマルディテクタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】赤外線サーマルディテクタの概略構成を示す概念図である。
【図２】通常の構造の場合と、サーマルレッグ長を２倍増大させたときの温度変化ΔＴの差を比較して示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態による局部的な表面プラズモン共鳴を利用した光吸収技術を適用した赤外線サーマルディテクタを概略的に示す図面である。
【図４】本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタの概略断面図である。
【図５】図３及び図４の検知部を拡大して示す概略斜視図である。
【図６】本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタでの検知部の他の例を概略的に示す図面である。
【図７】本発明の他の実施形態による赤外線サーマルディテクタの概略断面図である。
【図８】発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタを製造する方法を示す図面である。
【図９】発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタを製造する方法を示す図面である。
【図１０】発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタを製造する方法を示す図面である。
【図１１】発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタを製造する方法を示す図面である。
【図１２】発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタを製造する方法を示す図面である。
【図１３】発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタを製造する方法を示す図面である。
【図１４】本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタの断面図を概略的に示す図面である。
【図１５】本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタの断面図を概略的に示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の望ましい実施形態について詳細に説明する。
【００２８】
図１は、赤外線サーマルディテクタの概略構成を示す概念図である。放射された赤外線光が、その周囲とサーマルレッグ（ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅｇ）３で連結されたサーマルマス（ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｓｓ）１、すなわち、検知部に入射すれば、サーマルマス１の温度が上昇する。この温度変化ΔＴは、平衡状態で、下記数式１のように表現される。
【００２９】
【数１】
【００３０】
数式１で、εは、光吸収率、Φ０は、入射される赤外線光放射フラックス、Ａｄは、サーマルマス１の検知面積、Ｇｔｈは、サーマルレッグ３の熱伝導度、ωは、検知器で信号を受け入れる周波数、Ｃｔｈは、サーマルマス１の熱容量を示す。
【００３１】
数式１から、赤外線サーマル検知効率を良好にするためには、サーマルレッグの熱伝導度Ｇｔｈ及びサーマルマス１の熱容量Ｃｔｈを小さくし、入射エネルギー量Φ０及び検知部面積Ａｄを大きくする必要があることが分かる。
【００３２】
図２は、通常の構造の場合と、サーマルレッグ長を２倍増大させたときとの温度変化ΔＴの差を比較して示すグラフである。図２で、横軸は、ピクセルサイズ（単位μｍ）を示し、縦軸は、温度変化ΔＴを示す。図２で、横軸と縦軸との数値は、絶対的な意味があると限定されるものではない。同一ピクセルサイズ下で、サーマルレッグ長を２倍増大させた場合、温度変化ΔＴがさらに大きくなることが分かる。併せて、ピクセルサイズが大きくなるほど、温度変化ΔＴが大きくなることが分かる。
【００３３】
ところで、高解像度の高い温度精度を有するサーマルカメラなどを実現するために、ピクセルを小型化した場合、ピクセル面積縮小によって、入射エネルギー量が減少するだけではなく、サーマルレッグ長の縮小によって熱伝導度も上昇し、温度変化量の低減につながる。従って、温度ノイズ指数が増大するようになり、使用波長約１０μｍの回折限界（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔ）より大きいサイズを有するピクセル、例えば、約１７μｍのサイズを有するピクセルが小型化の限界であると見なされている。
【００３４】
本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタによれば、局部的な表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ：ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）現象を起こす構造を介して、小面積に光を集束させることによって、同じ入射エネルギー量下で、小さいサーマルマス及び小さい熱伝導度を確保し、超小型／高感度特性を有する赤外線サーマルディテクタを実現することができる。
【００３５】
局部的な表面プラズモン共鳴を利用した素子は、ナノ光学（ｎａｎｏｏｐｔｉｃｓ）分野で多くの研究がなされている。局部的な表面プラズモン共鳴現象を利用した完全に近い吸収現象は、パターニングされた金属層／パターニングされた金属層または平らな金属層形態で積層構造を形成しつつ、使用する金属の材料または形態を調節することによって、入射光との電気的な結合（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を調節し、熱電材料層の種類または厚さを調節することによって、入射光との磁気的な結合（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を調節し、入射光の透過及び反射を最大限抑制して実現することができる。局部的な表面プラズモン共鳴を利用した光吸収の場合、光学的な断面積が広いので、小さい構造物で広い領域の光を吸収することが可能であり、局部的な表面プラズモン共鳴現象を介した入射光と金属構造物との結合が発生すれば、非常に狭い領域に光が集中するので、サーマルマスを従来に比べて極めて小さくできる。例えば、サーマルマスを従来に比べて、ほぼ１／５以下に小さくできる。これにより、サーマルレッグを長く製作するための物理的空間を確保できるので、熱伝導度を、ほぼ１／５以下に減らすことができる。
【００３６】
このような局部的な表面プラズモン共鳴を利用した吸収技術を適用すれば、赤外線サーマルディテクタにおいて現在の最小ピクセルを有する技術に比べて、ほぼ半分以下のピクセルサイズで同じ温度変化量を確保することができ、同じピクセルサイズでは、ほぼ３倍以上の温度変化量を確保することができる。
【００３７】
図３は、本発明の実施形態による局部的な表面プラズモン共鳴を利用した光吸収技術を適用した赤外線サーマルディテクタを概略的に示す図面である。図４は、本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタの概略断面図である。図３では、図示の明確化のために、便宜上、基板の図示を省略した。
【００３８】
図３及び図４を参照すれば、本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタ１０は、基板２０と、検知部３０と、サーマルレッグ５０と、を含む。検知部３０は、基板２０から離隔されており、入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収し、吸収された赤外線による温度変化によって、抵抗値が変わるように設けられる。サーマルレッグ５０は、温度変化によって得られる検知部３０からの信号を、基板２０に伝達するように設けられる。
【００３９】
基板２０には、読み取り回路（ｒｅａｄ−ｏｕｔ ＩＣ：図示せず）が設けられてもよい。この基板２０には、サーマルレッグ５０と基板２０の読み取り回路との電気的な連結のための金属配線２１が形成されてもよい。
【００４０】
図５は、図３及び図４の検知部３０を拡大して示す概略斜視図である。
【００４１】
図３ないし図５を参照すれば、検知部３０は、入射される赤外線光ＩＲを、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収するようにパターニングされた構造を有する金属層３１、及びその下部側に設けられた熱電材料層３５を含む層構造を有する。入射される赤外線光ＩＲによって、金属層３１を含む構造において局部的な表面プラズモン共鳴が起こり、これによって、赤外線光ＩＲが吸収される。熱電材料層３５は、局部的な表面プラズモン共鳴によって赤外線光を吸収することによる検知部３０の温度変化を、抵抗変化によって示すように設けられる。すなわち、熱電材料層３５は、吸収された赤外線による温度変化を、抵抗変化に変換する物質を含むように形成される。
【００４２】
金属層３１は、金、アルミニウム、銅、チタン、白金、銀を含むグループのうちから選択された少なくとも１つの物質を含んで形成される。金属層３１は、入射される赤外線光ＩＲによって、局部的な表面プラズモン共鳴が起こり、赤外線光を吸収するようにパターニングされた構造を有する。このような局部的な表面プラズモン共鳴によって、赤外線光を吸収するように、共鳴が発生する金属層３１構造物の長さあるいは幅は、入射される赤外線光の波長λのほぼ半分以下のサイズを有するように形成される。
【００４３】
熱電材料層３５は、吸収された赤外線による温度変化を、抵抗変化に変換する物質を含むように形成される。すなわち、熱電材料層３５は、サーミスター材料を使用して形成される。例えば、熱電材料層３５は、非晶質シリコン、酸化バナジウムまたは酸化ニッケルのように、温度変化によって抵抗値が変わる材料を含む物質から形成される。このように、熱電材料層３５を、温度変化を抵抗変化に変換する物質から形成する場合、金属層３１において、入射された赤外線光ＩＲを局部的な表面プラズモン共鳴によって吸収して得られた温度変化は、熱電材料層３５において抵抗変化として現れる。このような抵抗変化による信号は、サーマルレッグ５０を介して、基板２０に設けられた読み取り回路に伝えられる。
【００４４】
ここで、検知部３０は、ディスク形態、リング形態、バー形態、あるいはバー形態を組み合わせた形態を有するようにパターニングされてもよい。
【００４５】
すなわち、金属層３１は、局部的な表面プラズモン共鳴を介して入射される赤外線光を吸収するようにパターニングされた構造を有してもよく、熱電材料層３５は、金属層３１に対応する構造にパターニングされてもよい。ここで、熱電材料層３５は、金属層３１と同じ構造であり、また、そのサイズは、同一であっても異なってもよい。
【００４６】
例えば、図３ないし図５に示すように、検知部３０は、リング状構造に形成されてもよい。すなわち、金属層３１は、リング状構造に形成され、熱電材料層３５も、これに対応するリング状構造に形成される。図３ないし図５では、熱電材料層３５が、金属層３１より広い形態のリング状構造を有する場合を示すが、熱電材料層３５は、金属層３１と同一サイズに形成されてもよく、小さく形成されてもよい。
【００４７】
検知部３０は、図６に示すように、バー状構造や、バー状構造の組み合わせとして形成されてもよい。
【００４８】
検知部３０は、ディスク形態に形成されてもよい。また、検知部３０は、金属層３１をリング形態やバー形態、バー形態を組み合わせた形態に形成され、熱電材料層３５をディスク形態などの平板構造に形成することも可能である。図１４は、検知部３０の金属層３１をリング形態に形成し、熱電材料層３５をディスク形態などの平板構造に形成した例を示している。
【００４９】
ここで、検知部３０は、金属層３１と熱電材料層３５との間に、図１５に示すように、誘電体層１３５をさらに具備してもよい。図１５に示すように、誘電体層１３５をさらに含む場合、金属層３１と誘電体層１３５との界面１３３においても、表面プラズモン共鳴によって吸収が起きる。図１５では、誘電体層１３５をさらに具備する検知部３０が、リング形態である例を示している。検知部３０が誘電体層１３５をさらに具備する場合にも、前述の通り、検知部３０は、多様な形態を有することができる。
【００５０】
一方、サーマルレッグ５０は、検知部３０からの抵抗変化による信号を、基板２０の読み取り回路に伝達すると同時に、検知部３０の熱が、サーマルレッグ５０を介して基板２０に伝わらずに、短時間で十分に除去されるように設けられる。図３及び図４に示すように、サーマルレッグ５０は、所定の面積内で、サーマルレッグ５０の長さを最大化するようにパターニングされた形態に形成されてもよい。
【００５１】
サーマルレッグ５０は、既定の面積内で、その長さが最大になるように、例えば図３に示すように、中心からの距離が異なる複数の半リング５１と、半リング５１を連結する第１連結部５３と、を含む構造を有し、半リング５１及び第１連結部５３を含む構造一対が、検知部３０を中心に互い対向すべく配置されるように設けられる。検知部３０の熱電材料層３５と、サーマルレッグ５０の最内側の半リングは、第２連結部５５によって、電気的に連結されてもよい。サーマルレッグ５０は、パターニングによって、第１連結部５３及び第２連結部５５と半リング５１とを含む構造に形成される。最外側の半リングは、ポスト２３に電気的に連結されるように延長される構造にパターニングされてもよい。
【００５２】
サーマルレッグ５０の両端と、基板２０に形成された金属配線２１とを電気的に連結する部分は、サーマルレッグ５０を基板２０に対して離隔させて支持するように、ポスト２３として形成される。このポスト２３は、サーマルレッグ５０と同一材質であり、サーマルレッグ５０の製造工程において形成される。また、このポスト２３は、サーマルレッグ５０と異なる材質で形成されてもよい。
【００５３】
一方、サーマルレッグ５０は、熱電材料層３５と同一材料で一体に形成されてもよい。すなわち、サーマルレッグ５０及び熱電材料層３５は、同一材料で、同一製造工程において形成されてもよい。
【００５４】
他の例として、サーマルレッグ５０は、電気的連結が可能な材料で、熱電材料３５と別途に形成されてもよい。すなわち、サーマルレッグ５０は、熱電材料層３５と異なる材料で、異なる製造工程において、熱電材料層３５と電気的に連結されるように形成されてもよい。例えば、サーマルレッグ５０は、熱電材料層３５と積層されて形成されてもよい。
【００５５】
本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタ１０は、上記のような検知部３０及びサーマルレッグ５０が形成された二次元アレイの構造を具備してもよく、二次元ピクセル配列を有する赤外線サーマルディテクタ、例えば、赤外線サーマルカメラとして実現されてもよい。
【００５６】
本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタ１０によれば、検知部３０のサイズを小さくすることが可能であるので、決まったサイズの１つのピクセル面積内で、従来に比べてサーマルレッグ５０が占める面積をさらに大きくすることができ、サーマルレッグ５０の長さを長くすることができる。
【００５７】
従って、検知部３０は、金属層３１を含む構造によって入射される赤外線光を吸収するので、検知部３０のサイズを少なくとも赤外線波長より何倍も小さいサイズに形成することができる。また、サーマルレッグ５０をさらに長く形成しつつも、ピクセルサイズを小さくすることが可能になる。このように、検知部３０のサイズを小さくすることにより、サーマルマスを小さくすることができ、サーマルレッグ５０をさらに長くすることにより、熱伝導度も小さくすることができる。したがって、同じ入射エネルギー量下で、小さいサーマルマス及び小さい熱伝導度を確保し、超小型／高感度特性を有する赤外線サーマルディテクタを実現することができる。このとき、ピクセルサイズを従来に比べて著しく縮小させることができる。
【００５８】
また、本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタ１０は、図４に示すように、検知部３０で吸収された赤外線によって生じた熱が、基板２０に直ちに伝わらないように、基板２０と検知部３０との間に、空気層６０が存在するように構成されてもよい。
【００５９】
また、本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタ１０は、図７に示すように、基板２０と検知部３０との間に、熱伝導を遮断する物質層７０が存在するように構成されてもよい。この物質層７０は、後述する本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタの製造方法における犠牲層に該当する。図４は、犠牲層を除去した構造に該当し、図７は、犠牲層を残した構造に該当する。
【００６０】
また、本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタ１０は、検知部３０やサーマルレッグ５０の下側の基板２０上に光を透過させない金属反射層２５をさらに含むことができる。基板２０には、サーマルレッグ５０と、基板２０に設けられた読み取り回路とを電気的に連結するための金属配線２１が形成され、金属反射層２５は、金属配線２１の形成時に、金属配線２１と同一材質で同時に形成されてもよい。また、金属反射層２５は、金属配線２１とは異なる材質で形成されてもよい。金属反射層２５は、パターニングされた形態で形成されてもよい。
【００６１】
以下、図８ないし図１３を参照しつつ、本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタ１０を製造する方法について説明する。
【００６２】
まず、基板２０を準備する。そして、この準備された基板２０上に、この基板２０から離隔され、その両端だけ基板２０に電気的に連結されるように、サーマルレッグ５０を形成する。そして、形成されたサーマルレッグ５０に電気的に連結されるように、入射される赤外線光を局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収し、吸収された赤外線による温度変化によって抵抗値が変わるように設けられた検知部３０を形成する。
【００６３】
図８を参照すれば、基板２０には、読み取り回路（図示せず）とサーマルレッグ５０との電気的な連結のための金属配線２１が設けられ、検知部３０やサーマルレッグ５０の下に該当する部分に、金属反射層２５が設けられてもよい。金属配線２１と金属反射層２５は、同一材質または互いに異なる材質から形成される。金属反射層２５は、検知部３０やサーマルレッグ５０の下側に該当する基板２０上に、光を透過させないように形成される。この金属反射層２５は、平らな構造であるか、またはパターニングされた構造に形成される。金属反射層２５は、金属配線２１の形成時に、同時に形成されてもよい。
【００６４】
基板２０から離隔され、その両端だけ基板２０上の金属配線２１に電気的に連結されるようにサーマルレッグ５０を形成するために、まず、図９に示すように、準備された基板２０上の金属配線２１とサーマルレッグ５０との連結部分に、開口１００ａを有する犠牲層１００を形成する。金属反射層２５を具備する構造である場合、金属反射層２５の形成後に犠牲層１００を形成することができる。この犠牲層１００は、検知部３０の形成後に除去される。その場合、基板２０とサーマルレッグ５０との間に、空気層６０が存在する。他の例として、犠牲層１００を、熱伝導を遮断する物質から形成し、この犠牲層１００が、図７におけるサーマルレッグ５０と基板２０との間の熱伝導を遮断する物質層７０として使われるようにすることができる。ここでは、犠牲層１００を除去する場合を例に挙げて説明する。
【００６５】
次に、図１０に示すように、開口１００ａ及び犠牲層１００の上に、電気的連結が可能な材料からなる層２００、すなわち、サーマルレッグ５０を構成する層を積層する。
【００６６】
その後、図１１及び図１２に示すように、層２００をパターニングし、金属配線２１にその両端だけが電気的に連結され、残りの部分は基板２０から離隔されたサーマルレッグ５０を形成する。
【００６７】
図１１及び図１２では、熱電材料層３５を、サーマルレッグ５０と同一材料で、サーマルレッグ５０の形成時に同一製造工程において、サーマルレッグ５０と一体に形成する例を示している。また、図１１及び図１２では、層２００上に、検知部３０のパターニングされた金属層３１をまず形成し、この金属層３１を基に、金属層の下部側の熱電材料層３５及びサーマルレッグ５０を、同一材料で一体に形成する例を示している。熱電材料層３５及びサーマルレッグ５０を、まずパターニングして形成した後、熱電材料層３５上の適正な位置上に、金属層３１を形成してもよい。検知部３０は、金属層３１と熱電材料層３５とを含み、金属層３１は、入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収するようにパターニングされた構造に形成される。金属層３１は、金、アルミニウム、銅、チタン、白金、銀を含むグループのうちから選択された少なくとも１つの物質を含んで形成される。熱電材料層３５は、吸収された赤外線による温度変化を抵抗変化に変換する物質から形成される。例えば、熱電材料層３５は、非晶質シリコン、酸化バナジウム、酸化ニッケルのように、温度変化によって、抵抗値が変わる材料のうち少なくとも一つを含むように形成される。熱電材料層３５を形成する材料は、電気的連結が可能な材料であり、またサーマルレッグ５０を構成する。従って、このような材料を使用し、熱電材料層３５とサーマルレッグとを同一製造工程において一体に形成することができる。熱電材料層３５は、金属層３１に対応する構造にパターニングされてもよい。他の例として、熱電材料層３５は、図１４に示すように、平板構造に形成されてもよい。
【００６８】
ここでは、検知部３０がリング形態に形成された例を示すが、この検知部３０は、前述したように、ディスク形態、リング形態、バー形態またはバー形態を組み合わせた形態に形成されてもよい。
【００６９】
また、層２００は、犠牲層１００の開口１００ａを充填する部分が、前述のポスト２３に該当する。ポスト２３は、その上端のサーマルレッグ５０と同じ高さに形成された厚み部分までも含む。
【００７０】
次に、図１３に示すように、犠牲層１００を除去し、基板２０とサーマルレッグ５０との間に空気層６０を存在させることができる。前述のように、犠牲層１００を、熱伝導を遮断する物質から形成する場合、この犠牲層１００を残し、図７に示すような熱伝導を遮断する物質層７０を有する赤外線サーマルディテクタ１０を実現してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明の赤外線サーマルディテクタ及びその製造方法は、例えば、サーマルカメラ関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１ サーマルマス、
３ サーマルレッグ、
１０ 赤外線サーマルディテクタ、
２０ 基板、
２１ 金属配線、
２３ ポスト、
２５ 金属反射層、
３０ 検知部、
３１ 金属層、
３５ 熱電材料層、
５０ サーマルレッグ、
５１ 半リング、
５３ 第１連結部、
５５ 第２連結部、
６０ 空気層、
７０ 物質層、
１００ 犠牲層、
１００ａ 開口、
１３３ 界面、
１３５ 誘電体層、
２００ 層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線サーマルディテクタ及びその製造方法に係り、さらに詳細には、温度を有する物体から放射される赤外線を受光してこれを検知する赤外線サーマルディテクタ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
任意の温度Ｔを有している物体は、黒体輻射によって、特定波長で最大値を示す広域の光を放射する。周囲に存在する常温の物体から放射された光は、ほぼ１０μｍの波長帯域で最大値を示す赤外線を放射する。このように放射された赤外線が、その周囲とサーマルレッグ（ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅｇ）で連結されたサーマルマス（ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｓｓ）に入射すれば、温度が上昇する。このような赤外線入射による温度変化により、材料の性質によって、抵抗変化、極性変化、起電力変化、反り変化のような特性を得ることができ、これをイメージアレイ（ｉｍａｇｅ ａｒｒａｙ）化させてサーマルイメージを得る。特に、材料の抵抗変化を利用したサーマルイメージの実現方式をボロメータ（ｂｏｌｏｍｅｔｅｒ）という。
【０００３】
ピクセルの温度変化量を決定する主要因子は、与えられた波長帯域でのピクセルの平均光吸収率とピクセル面積との積に比例する入射エネルギー量、ピクセルの熱容量（ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｓｓ）及び熱伝導度（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）がある。
【０００４】
高解像度の高い温度精度を有するサーマルカメラの実現のために、ピクセルの小型化を介したＶＧＡ（ｖｉｄｅｏ ｇｒａｐｈｉｃｓ ａｒｒａｙ）クラス以上のフォーマット（ｆｏｒｍａｔ）を有するアレイが開発されている。しかし、このようなピクセルサイズの小型化においては、ピクセル面積の縮小によって、入射エネルギー量が減少し、またサーマルレッグ長の縮小に伴う熱伝導度の上昇によって、温度変化量が減少する。従って、温度ノイズ指数が増大し、現在では、使用波長（〜１０μｍ）の回折限界より大きいサイズを有するピクセルが、小型化の限界であると見られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、局部的な表面プラズモン共鳴現象を起こすことができる構造を介して、小面積に光を集束させることによって、同じ入射エネルギー量下で小さいサーマルマス及び小さい熱伝導度を確保し、超小型／高感度特性を有する赤外線サーマルディテクタ及びその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタは、基板と、前記基板から離隔されており、入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収し、吸収された赤外線による温度変化によって、抵抗値が変わるように設けられた検知部と、前記検知部からの信号を前記基板に伝達するサーマルレッグと、を含む。
【０００７】
前記検知部は、入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収するようにパターニングされた構造を有する金属層と、金属層の下部側に、吸収された赤外線による温度変化を抵抗変化に変換する物質を含むように設けられた熱電材料層と、を含んでもよい。
【０００８】
前記検知部は、ディスク形態、リング形態、バー形態、あるいはバー形態を組み合わせた形態を有するようにパターニングされてもよい。
【０００９】
前記サーマルレッグは、前記熱電材料層と同一材料で一体に形成されてもよい。
【００１０】
前記熱電材料層は、前記金属層に対応する構造にパターニングされてもよい。
【００１１】
前記熱電材料層は、平板構造に形成されてもよい。
【００１２】
前記熱電材料層は、非晶質シリコン、酸化バナジウムまたは酸化ニッケルのように、温度変化によって抵抗値が変わる材料のうち少なくとも一つを含んでもよい。
【００１３】
前記金属層は、金、アルミニウム、銅、チタン、白金、銀を含むグループのうちから選択された少なくとも１つの物質を含んでもよい。
【００１４】
前記検知部は、前記金属層と前記熱電材料層との間に誘電体層をさらに含んでもよい。
【００１５】
前記サーマルレッグは、電気的連結が可能な材料で、前記検知部と別途に形成されてもよい。
【００１６】
前記基板と前記検知部との間に空気層が存在しうる。
【００１７】
前記基板と前記検知部との間に熱伝導を遮断する物質層が存在しうる。
【００１８】
前記検知部及び前記サーマルレッグの下側の基板上には、光を透過させない金属反射層をさらに含んでもよい。
【００１９】
本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタの製造方法は、基板を準備する段階と、サーマルレッグの両端と電気的な連結がなされる前記基板上の金属配線部分に開口を有する犠牲層を、前記基板上に形成する段階と、前記開口及び前記犠牲層の上に電気的連結が可能な材料を積層してこれをパターニングし、前記金属配線にその両端だけが電気的に連結され、残りの部分は、前記基板から離隔されたサーマルレッグを形成する段階と、前記サーマルレッグと電気的に連結され、入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収し、吸収された赤外線による温度変化によって、抵抗値が変わるように設けられた検知部を形成する段階と、を含む。
【００２０】
前記熱電材料層は、前記サーマルレッグと同一材料で、前記サーマルレッグ形成時に、前記サーマルレッグと一体に製造される。
【００２１】
前記犠牲層を除去し、前記基板と前記サーマルレッグとの間に空気層を形成する段階をさらに含んでもよい。
【００２２】
前記犠牲層は、熱伝導を遮断する物質から形成され、前記サーマルレッグと前記基板との間の熱伝導を遮断するように形成される。
【００２３】
前記検知部及び前記サーマルレッグの下側に該当する前記基板上に、光を透過させないように形成された金属反射層をさらに含み、前記金属反射層の形成後に、前記犠牲層を形成することができる。
【００２４】
前記金属反射層は、前記金属配線の形成時に、同時に形成することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタ及びこれを製造する方法によれば、局部的な表面プラズモン共鳴現象を起こすことができる構造を介して、小面積に光を集束させることによって、同じ入射エネルギー量下で、小さいサーマルマス及び小さい熱伝導度を確保し、超小型／高感度特性を有する赤外線サーマルディテクタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】赤外線サーマルディテクタの概略構成を示す概念図である。
【図２】通常の構造の場合と、サーマルレッグ長を２倍増大させたときの温度変化ΔＴの差を比較して示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態による局部的な表面プラズモン共鳴を利用した光吸収技術を適用した赤外線サーマルディテクタを概略的に示す図面である。
【図４】本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタの概略断面図である。
【図５】図３及び図４の検知部を拡大して示す概略斜視図である。
【図６】本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタでの検知部の他の例を概略的に示す図面である。
【図７】本発明の他の実施形態による赤外線サーマルディテクタの概略断面図である。
【図８】発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタを製造する方法を示す図面である。
【図９】発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタを製造する方法を示す図面である。
【図１０】発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタを製造する方法を示す図面である。
【図１１】発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタを製造する方法を示す図面である。
【図１２】発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタを製造する方法を示す図面である。
【図１３】発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタを製造する方法を示す図面である。
【図１４】本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタの断面図を概略的に示す図面である。
【図１５】本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタの断面図を概略的に示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の望ましい実施形態について詳細に説明する。
【００２８】
図１は、赤外線サーマルディテクタの概略構成を示す概念図である。放射された赤外線光が、その周囲とサーマルレッグ（ｔｈｅｒｍａｌ ｌｅｇ）３で連結されたサーマルマス（ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｓｓ）１、すなわち、検知部に入射すれば、サーマルマス１の温度が上昇する。この温度変化ΔＴは、平衡状態で、下記数式１のように表現される。
【００２９】
【数１】
【００３０】
数式１で、εは、光吸収率、Φ０は、入射される赤外線光放射フラックス、Ａｄは、サーマルマス１の検知面積、Ｇｔｈは、サーマルレッグ３の熱伝導度、ωは、検知器で信号を受け入れる周波数、Ｃｔｈは、サーマルマス１の熱容量を示す。
【００３１】
数式１から、赤外線サーマル検知効率を良好にするためには、サーマルレッグの熱伝導度Ｇｔｈ及びサーマルマス１の熱容量Ｃｔｈを小さくし、入射エネルギー量Φ０及び検知部面積Ａｄを大きくする必要があることが分かる。
【００３２】
図２は、通常の構造の場合と、サーマルレッグ長を２倍増大させたときとの温度変化ΔＴの差を比較して示すグラフである。図２で、横軸は、ピクセルサイズ（単位μｍ）を示し、縦軸は、温度変化ΔＴを示す。図２で、横軸と縦軸との数値は、絶対的な意味があると限定されるものではない。同一ピクセルサイズ下で、サーマルレッグ長を２倍増大させた場合、温度変化ΔＴがさらに大きくなることが分かる。併せて、ピクセルサイズが大きくなるほど、温度変化ΔＴが大きくなることが分かる。
【００３３】
ところで、高解像度の高い温度精度を有するサーマルカメラなどを実現するために、ピクセルを小型化した場合、ピクセル面積縮小によって、入射エネルギー量が減少するだけではなく、サーマルレッグ長の縮小によって熱伝導度も上昇し、温度変化量の低減につながる。従って、温度ノイズ指数が増大するようになり、使用波長約１０μｍの回折限界（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔ）より大きいサイズを有するピクセル、例えば、約１７μｍのサイズを有するピクセルが小型化の限界であると見なされている。
【００３４】
本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタによれば、局部的な表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ：ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）現象を起こす構造を介して、小面積に光を集束させることによって、同じ入射エネルギー量下で、小さいサーマルマス及び小さい熱伝導度を確保し、超小型／高感度特性を有する赤外線サーマルディテクタを実現することができる。
【００３５】
局部的な表面プラズモン共鳴を利用した素子は、ナノ光学（ｎａｎｏｏｐｔｉｃｓ）分野で多くの研究がなされている。局部的な表面プラズモン共鳴現象を利用した完全に近い吸収現象は、パターニングされた金属層／パターニングされた金属層または平らな金属層形態で積層構造を形成しつつ、使用する金属の材料または形態を調節することによって、入射光との電気的な結合（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を調節し、熱電材料層の種類または厚さを調節することによって、入射光との磁気的な結合（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を調節し、入射光の透過及び反射を最大限抑制して実現することができる。局部的な表面プラズモン共鳴を利用した光吸収の場合、光学的な断面積が広いので、小さい構造物で広い領域の光を吸収することが可能であり、局部的な表面プラズモン共鳴現象を介した入射光と金属構造物との結合が発生すれば、非常に狭い領域に光が集中するので、サーマルマスを従来に比べて極めて小さくできる。例えば、サーマルマスを従来に比べて、ほぼ１／５以下に小さくできる。これにより、サーマルレッグを長く製作するための物理的空間を確保できるので、熱伝導度を、ほぼ１／５以下に減らすことができる。
【００３６】
このような局部的な表面プラズモン共鳴を利用した吸収技術を適用すれば、赤外線サーマルディテクタにおいて現在の最小ピクセルを有する技術に比べて、ほぼ半分以下のピクセルサイズで同じ温度変化量を確保することができ、同じピクセルサイズでは、ほぼ３倍以上の温度変化量を確保することができる。
【００３７】
図３は、本発明の実施形態による局部的な表面プラズモン共鳴を利用した光吸収技術を適用した赤外線サーマルディテクタを概略的に示す図面である。図４は、本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタの概略断面図である。図３では、図示の明確化のために、便宜上、基板の図示を省略した。
【００３８】
図３及び図４を参照すれば、本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタ１０は、基板２０と、検知部３０と、サーマルレッグ５０と、を含む。検知部３０は、基板２０から離隔されており、入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収し、吸収された赤外線による温度変化によって、抵抗値が変わるように設けられる。サーマルレッグ５０は、温度変化によって得られる検知部３０からの信号を、基板２０に伝達するように設けられる。
【００３９】
基板２０には、読み取り回路（ｒｅａｄ−ｏｕｔ ＩＣ：図示せず）が設けられてもよい。この基板２０には、サーマルレッグ５０と基板２０の読み取り回路との電気的な連結のための金属配線２１が形成されてもよい。
【００４０】
図５は、図３及び図４の検知部３０を拡大して示す概略斜視図である。
【００４１】
図３ないし図５を参照すれば、検知部３０は、入射される赤外線光ＩＲを、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収するようにパターニングされた構造を有する金属層３１、及びその下部側に設けられた熱電材料層３５を含む層構造を有する。入射される赤外線光ＩＲによって、金属層３１を含む構造において局部的な表面プラズモン共鳴が起こり、これによって、赤外線光ＩＲが吸収される。熱電材料層３５は、局部的な表面プラズモン共鳴によって赤外線光を吸収することによる検知部３０の温度変化を、抵抗変化によって示すように設けられる。すなわち、熱電材料層３５は、吸収された赤外線による温度変化を、抵抗変化に変換する物質を含むように形成される。
【００４２】
金属層３１は、金、アルミニウム、銅、チタン、白金、銀を含むグループのうちから選択された少なくとも１つの物質を含んで形成される。金属層３１は、入射される赤外線光ＩＲによって、局部的な表面プラズモン共鳴が起こり、赤外線光を吸収するようにパターニングされた構造を有する。このような局部的な表面プラズモン共鳴によって、赤外線光を吸収するように、共鳴が発生する金属層３１構造物の長さあるいは幅は、入射される赤外線光の波長λのほぼ半分以下のサイズを有するように形成される。
【００４３】
熱電材料層３５は、吸収された赤外線による温度変化を、抵抗変化に変換する物質を含むように形成される。すなわち、熱電材料層３５は、サーミスター材料を使用して形成される。例えば、熱電材料層３５は、非晶質シリコン、酸化バナジウムまたは酸化ニッケルのように、温度変化によって抵抗値が変わる材料を含む物質から形成される。このように、熱電材料層３５を、温度変化を抵抗変化に変換する物質から形成する場合、金属層３１において、入射された赤外線光ＩＲを局部的な表面プラズモン共鳴によって吸収して得られた温度変化は、熱電材料層３５において抵抗変化として現れる。このような抵抗変化による信号は、サーマルレッグ５０を介して、基板２０に設けられた読み取り回路に伝えられる。
【００４４】
ここで、検知部３０は、ディスク形態、リング形態、バー形態、あるいはバー形態を組み合わせた形態を有するようにパターニングされてもよい。
【００４５】
すなわち、金属層３１は、局部的な表面プラズモン共鳴を介して入射される赤外線光を吸収するようにパターニングされた構造を有してもよく、熱電材料層３５は、金属層３１に対応する構造にパターニングされてもよい。ここで、熱電材料層３５は、金属層３１と同じ構造であり、また、そのサイズは、同一であっても異なってもよい。
【００４６】
例えば、図３ないし図５に示すように、検知部３０は、リング状構造に形成されてもよい。すなわち、金属層３１は、リング状構造に形成され、熱電材料層３５も、これに対応するリング状構造に形成される。図３ないし図５では、熱電材料層３５が、金属層３１より広い形態のリング状構造を有する場合を示すが、熱電材料層３５は、金属層３１と同一サイズに形成されてもよく、小さく形成されてもよい。
【００４７】
検知部３０は、図６に示すように、バー状構造や、バー状構造の組み合わせとして形成されてもよい。
【００４８】
検知部３０は、ディスク形態に形成されてもよい。また、検知部３０は、金属層３１をリング形態やバー形態、バー形態を組み合わせた形態に形成され、熱電材料層３５をディスク形態などの平板構造に形成することも可能である。図１４は、検知部３０の金属層３１をリング形態に形成し、熱電材料層３５をディスク形態などの平板構造に形成した例を示している。
【００４９】
ここで、検知部３０は、金属層３１と熱電材料層３５との間に、図１５に示すように、誘電体層１３５をさらに具備してもよい。図１５に示すように、誘電体層１３５をさらに含む場合、金属層３１と誘電体層１３５との界面１３３においても、表面プラズモン共鳴によって吸収が起きる。図１５では、誘電体層１３５をさらに具備する検知部３０が、リング形態である例を示している。検知部３０が誘電体層１３５をさらに具備する場合にも、前述の通り、検知部３０は、多様な形態を有することができる。
【００５０】
一方、サーマルレッグ５０は、検知部３０からの抵抗変化による信号を、基板２０の読み取り回路に伝達すると同時に、検知部３０の熱が、サーマルレッグ５０を介して基板２０に伝わらずに、短時間で十分に除去されるように設けられる。図３及び図４に示すように、サーマルレッグ５０は、所定の面積内で、サーマルレッグ５０の長さを最大化するようにパターニングされた形態に形成されてもよい。
【００５１】
サーマルレッグ５０は、既定の面積内で、その長さが最大になるように、例えば図３に示すように、中心からの距離が異なる複数の半リング５１と、半リング５１を連結する第１連結部５３と、を含む構造を有し、半リング５１及び第１連結部５３を含む構造一対が、検知部３０を中心に互い対向すべく配置されるように設けられる。検知部３０の熱電材料層３５と、サーマルレッグ５０の最内側の半リングは、第２連結部５５によって、電気的に連結されてもよい。サーマルレッグ５０は、パターニングによって、第１連結部５３及び第２連結部５５と半リング５１とを含む構造に形成される。最外側の半リングは、ポスト２３に電気的に連結されるように延長される構造にパターニングされてもよい。
【００５２】
サーマルレッグ５０の両端と、基板２０に形成された金属配線２１とを電気的に連結する部分は、サーマルレッグ５０を基板２０に対して離隔させて支持するように、ポスト２３として形成される。このポスト２３は、サーマルレッグ５０と同一材質であり、サーマルレッグ５０の製造工程において形成される。また、このポスト２３は、サーマルレッグ５０と異なる材質で形成されてもよい。
【００５３】
一方、サーマルレッグ５０は、熱電材料層３５と同一材料で一体に形成されてもよい。すなわち、サーマルレッグ５０及び熱電材料層３５は、同一材料で、同一製造工程において形成されてもよい。
【００５４】
他の例として、サーマルレッグ５０は、電気的連結が可能な材料で、熱電材料３５と別途に形成されてもよい。すなわち、サーマルレッグ５０は、熱電材料層３５と異なる材料で、異なる製造工程において、熱電材料層３５と電気的に連結されるように形成されてもよい。例えば、サーマルレッグ５０は、熱電材料層３５と積層されて形成されてもよい。
【００５５】
本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタ１０は、上記のような検知部３０及びサーマルレッグ５０が形成された二次元アレイの構造を具備してもよく、二次元ピクセル配列を有する赤外線サーマルディテクタ、例えば、赤外線サーマルカメラとして実現されてもよい。
【００５６】
本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタ１０によれば、検知部３０のサイズを小さくすることが可能であるので、決まったサイズの１つのピクセル面積内で、従来に比べてサーマルレッグ５０が占める面積をさらに大きくすることができ、サーマルレッグ５０の長さを長くすることができる。
【００５７】
従って、検知部３０は、金属層３１を含む構造によって入射される赤外線光を吸収するので、検知部３０のサイズを少なくとも赤外線波長より何倍も小さいサイズに形成することができる。また、サーマルレッグ５０をさらに長く形成しつつも、ピクセルサイズを小さくすることが可能になる。このように、検知部３０のサイズを小さくすることにより、サーマルマスを小さくすることができ、サーマルレッグ５０をさらに長くすることにより、熱伝導度も小さくすることができる。したがって、同じ入射エネルギー量下で、小さいサーマルマス及び小さい熱伝導度を確保し、超小型／高感度特性を有する赤外線サーマルディテクタを実現することができる。このとき、ピクセルサイズを従来に比べて著しく縮小させることができる。
【００５８】
また、本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタ１０は、図４に示すように、検知部３０で吸収された赤外線によって生じた熱が、基板２０に直ちに伝わらないように、基板２０と検知部３０との間に、空気層６０が存在するように構成されてもよい。
【００５９】
また、本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタ１０は、図７に示すように、基板２０と検知部３０との間に、熱伝導を遮断する物質層７０が存在するように構成されてもよい。この物質層７０は、後述する本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタの製造方法における犠牲層に該当する。図４は、犠牲層を除去した構造に該当し、図７は、犠牲層を残した構造に該当する。
【００６０】
また、本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタ１０は、検知部３０やサーマルレッグ５０の下側の基板２０上に光を透過させない金属反射層２５をさらに含むことができる。基板２０には、サーマルレッグ５０と、基板２０に設けられた読み取り回路とを電気的に連結するための金属配線２１が形成され、金属反射層２５は、金属配線２１の形成時に、金属配線２１と同一材質で同時に形成されてもよい。また、金属反射層２５は、金属配線２１とは異なる材質で形成されてもよい。金属反射層２５は、パターニングされた形態で形成されてもよい。
【００６１】
以下、図８ないし図１３を参照しつつ、本発明の実施形態による赤外線サーマルディテクタ１０を製造する方法について説明する。
【００６２】
まず、基板２０を準備する。そして、この準備された基板２０上に、この基板２０から離隔され、その両端だけ基板２０に電気的に連結されるように、サーマルレッグ５０を形成する。そして、形成されたサーマルレッグ５０に電気的に連結されるように、入射される赤外線光を局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収し、吸収された赤外線による温度変化によって抵抗値が変わるように設けられた検知部３０を形成する。
【００６３】
図８を参照すれば、基板２０には、読み取り回路（図示せず）とサーマルレッグ５０との電気的な連結のための金属配線２１が設けられ、検知部３０やサーマルレッグ５０の下に該当する部分に、金属反射層２５が設けられてもよい。金属配線２１と金属反射層２５は、同一材質または互いに異なる材質から形成される。金属反射層２５は、検知部３０やサーマルレッグ５０の下側に該当する基板２０上に、光を透過させないように形成される。この金属反射層２５は、平らな構造であるか、またはパターニングされた構造に形成される。金属反射層２５は、金属配線２１の形成時に、同時に形成されてもよい。
【００６４】
基板２０から離隔され、その両端だけ基板２０上の金属配線２１に電気的に連結されるようにサーマルレッグ５０を形成するために、まず、図９に示すように、準備された基板２０上の金属配線２１とサーマルレッグ５０との連結部分に、開口１００ａを有する犠牲層１００を形成する。金属反射層２５を具備する構造である場合、金属反射層２５の形成後に犠牲層１００を形成することができる。この犠牲層１００は、検知部３０の形成後に除去される。その場合、基板２０とサーマルレッグ５０との間に、空気層６０が存在する。他の例として、犠牲層１００を、熱伝導を遮断する物質から形成し、この犠牲層１００が、図７におけるサーマルレッグ５０と基板２０との間の熱伝導を遮断する物質層７０として使われるようにすることができる。ここでは、犠牲層１００を除去する場合を例に挙げて説明する。
【００６５】
次に、図１０に示すように、開口１００ａ及び犠牲層１００の上に、電気的連結が可能な材料からなる層２００、すなわち、サーマルレッグ５０を構成する層を積層する。
【００６６】
その後、図１１及び図１２に示すように、層２００をパターニングし、金属配線２１にその両端だけが電気的に連結され、残りの部分は基板２０から離隔されたサーマルレッグ５０を形成する。
【００６７】
図１１及び図１２では、熱電材料層３５を、サーマルレッグ５０と同一材料で、サーマルレッグ５０の形成時に同一製造工程において、サーマルレッグ５０と一体に形成する例を示している。また、図１１及び図１２では、層２００上に、検知部３０のパターニングされた金属層３１をまず形成し、この金属層３１を基に、金属層の下部側の熱電材料層３５及びサーマルレッグ５０を、同一材料で一体に形成する例を示している。熱電材料層３５及びサーマルレッグ５０を、まずパターニングして形成した後、熱電材料層３５上の適正な位置上に、金属層３１を形成してもよい。検知部３０は、金属層３１と熱電材料層３５とを含み、金属層３１は、入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収するようにパターニングされた構造に形成される。金属層３１は、金、アルミニウム、銅、チタン、白金、銀を含むグループのうちから選択された少なくとも１つの物質を含んで形成される。熱電材料層３５は、吸収された赤外線による温度変化を抵抗変化に変換する物質から形成される。例えば、熱電材料層３５は、非晶質シリコン、酸化バナジウム、酸化ニッケルのように、温度変化によって、抵抗値が変わる材料のうち少なくとも一つを含むように形成される。熱電材料層３５を形成する材料は、電気的連結が可能な材料であり、またサーマルレッグ５０を構成する。従って、このような材料を使用し、熱電材料層３５とサーマルレッグとを同一製造工程において一体に形成することができる。熱電材料層３５は、金属層３１に対応する構造にパターニングされてもよい。他の例として、熱電材料層３５は、図１４に示すように、平板構造に形成されてもよい。
【００６８】
ここでは、検知部３０がリング形態に形成された例を示すが、この検知部３０は、前述したように、ディスク形態、リング形態、バー形態またはバー形態を組み合わせた形態に形成されてもよい。
【００６９】
また、層２００は、犠牲層１００の開口１００ａを充填する部分が、前述のポスト２３に該当する。ポスト２３は、その上端のサーマルレッグ５０と同じ高さに形成された厚み部分までも含む。
【００７０】
次に、図１３に示すように、犠牲層１００を除去し、基板２０とサーマルレッグ５０との間に空気層６０を存在させることができる。前述のように、犠牲層１００を、熱伝導を遮断する物質から形成する場合、この犠牲層１００を残し、図７に示すような熱伝導を遮断する物質層７０を有する赤外線サーマルディテクタ１０を実現してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明の赤外線サーマルディテクタ及びその製造方法は、例えば、サーマルカメラ関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１ サーマルマス、
３ サーマルレッグ、
１０ 赤外線サーマルディテクタ、
２０ 基板、
２１ 金属配線、
２３ ポスト、
２５ 金属反射層、
３０ 検知部、
３１ 金属層、
３５ 熱電材料層、
５０ サーマルレッグ、
５１ 半リング、
５３ 第１連結部、
５５ 第２連結部、
６０ 空気層、
７０ 物質層、
１００ 犠牲層、
１００ａ 開口、
１３３ 界面、
１３５ 誘電体層、
２００ 層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板から離隔されており、入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収し、吸収された赤外線による温度変化によって、抵抗値が変わるように設けられた検知部と、
前記検知部からの信号を前記基板に伝達するサーマルレッグと、を含む赤外線サーマルディテクタ。
【請求項２】
前記検知部は、
入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収するようにパターニングされた構造を有する金属層と、
前記金属層の下部側に、吸収された赤外線による温度変化を抵抗変化に変換する物質を含むように設けられた熱電材料層と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項３】
前記検知部は、ディスク形態、リング形態、バー形態、あるいはバー形態を組み合わせた形態を有するようにパターニングされたことを特徴とする請求項２に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項４】
前記サーマルレッグは、前記熱電材料層と同一材料で一体に形成されるか、または前記熱電材料層と異なる材料で積層されて形成されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項５】
前記熱電材料層は、前記金属層に対応する構造にパターニングされたことを特徴とする請求項４に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項６】
前記熱電材料層は、平板構造に形成されたことを特徴とする請求項４に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項７】
前記熱電材料層は、非晶質シリコン、酸化バナジウムまたは酸化ニッケルのように、温度変化によって抵抗値が変化する材料のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項８】
前記金属層は、金、アルミニウム、銅、チタン、白金、銀を含むグループのうちから選択された少なくとも１つの物質を含むことを特徴とする請求項２〜７のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項９】
前記検知部は、前記金属層と前記熱電材料層との間に誘電体層をさらに含むことを特徴とする請求項２〜８のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項１０】
前記サーマルレッグは、電気的連結が可能である材料で、前記検知部と別途に形成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項１１】
前記サーマルレッグは、中心からの距離が異なる複数の半リングと、前記半リング間を連結する第１連結部と、を含む構造を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項１２】
前記サーマルレッグは、前記半リング及び前記第１連結部を含む構造一対が、前記検知部を中心に互いに対向すべく配置されるように設けられることを特徴とする請求項１１に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項１３】
前記基板と前記検知部との間に空気層が存在することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項１４】
前記基板と前記検知部との間に、熱伝導を遮断する物質層が存在することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項１５】
前記検知部及び前記サーマルレッグの下側の基板上には、光を透過させない金属反射層をさらに含むことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項１６】
基板を準備する段階と、
サーマルレッグの両端と電気的な連結がなされる前記基板上の金属配線部分に開口を有する犠牲層を、前記基板上に形成する段階と、
前記開口及び前記犠牲層の上に電気的連結が可能な材料を積層してこれをパターニングし、前記金属配線にその両端だけが電気的に連結され、残りの部分は、前記基板から離隔されたサーマルレッグを形成する段階と、
前記サーマルレッグと電気的に連結され、入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収し、吸収された赤外線による温度変化によって、抵抗値が変わるように設けられた検知部を形成する段階と、を含む赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項１７】
前記検知部は、入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収するようにパターニングされた構造を有する金属層と、
前記金属層の下部側に、吸収された赤外線による温度変化を抵抗変化に変換する物質を含むように設けられた熱電材料層と、を含むことを特徴とする請求項１６に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項１８】
前記検知部は、ディスク形態、リング形態、バー形態またはバー形態を組み合わせた形態を有するように形成されることを特徴とする請求項１７に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項１９】
前記サーマルレッグは、前記熱電材料層と同一材料で一体に形成されるか、または前記熱電材料層と異なる材料で積層されて形成されることを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２０】
前記熱電材料層は、前記金属層に対応する構造にパターニングされることを特徴とする請求項１９に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２１】
熱電材料層は、平板構造に形成されることを特徴とする請求項１９に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２２】
前記熱電材料層は、非晶質シリコン、酸化バナジウム、酸化ニッケルのように、温度変化によって抵抗値が変わる材料のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１７〜請求項２１のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２３】
前記金属層は、金、アルミニウム、銅、チタン、白金、銀を含むグループのうちから選択された少なくとも１つの物質を含むことを特徴とする請求項１７〜２２のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２４】
前記犠牲層を除去し、前記基板と前記サーマルレッグとの間に空気層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１６〜２３のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２５】
前記犠牲層は、熱伝導を遮断する物質から形成され、前記サーマルレッグと前記基板との間の熱伝導を遮断することを特徴とする請求項１６〜２４のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２６】
前記サーマルレッグは、中心からの距離が異なる複数の半リングと、前記半リング間を連結する第１連結部と、を含む構造を有することを特徴とする請求項１６〜２５のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２７】
前記サーマルレッグは、前記半リング及び前記第１連結部を含む構造一対が、前記検知部を中心に互いに対向すべく配置されるように設けられることを特徴とする請求項２６に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２８】
前記検知部及び前記サーマルレッグの下側に該当する前記基板上に、光を透過させないように形成された金属反射層をさらに含み、
前記金属反射層の形成後に、前記犠牲層を形成することを特徴とする請求項１６〜２７のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２９】
前記金属反射層は、前記金属配線の形成時に、同時に形成されることを特徴とする請求項２８に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項１】
基板と、
前記基板から離隔されており、入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収し、吸収された赤外線による温度変化によって、抵抗値が変わるように設けられた検知部と、
前記検知部からの信号を前記基板に伝達するサーマルレッグと、を含む赤外線サーマルディテクタ。
【請求項２】
前記検知部は、
入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収するようにパターニングされた構造を有する金属層と、
前記金属層の下部側に、吸収された赤外線による温度変化を抵抗変化に変換する物質を含むように設けられた熱電材料層と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項３】
前記検知部は、ディスク形態、リング形態、バー形態、あるいはバー形態を組み合わせた形態を有するようにパターニングされたことを特徴とする請求項２に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項４】
前記サーマルレッグは、前記熱電材料層と同一材料で一体に形成されるか、または前記熱電材料層と異なる材料で積層されて形成されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項５】
前記熱電材料層は、前記金属層に対応する構造にパターニングされたことを特徴とする請求項４に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項６】
前記熱電材料層は、平板構造に形成されたことを特徴とする請求項４に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項７】
前記熱電材料層は、非晶質シリコン、酸化バナジウムまたは酸化ニッケルのように、温度変化によって抵抗値が変化する材料のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項８】
前記金属層は、金、アルミニウム、銅、チタン、白金、銀を含むグループのうちから選択された少なくとも１つの物質を含むことを特徴とする請求項２〜７のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項９】
前記検知部は、前記金属層と前記熱電材料層との間に誘電体層をさらに含むことを特徴とする請求項２〜８のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項１０】
前記サーマルレッグは、電気的連結が可能である材料で、前記検知部と別途に形成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項１１】
前記サーマルレッグは、中心からの距離が異なる複数の半リングと、前記半リング間を連結する第１連結部と、を含む構造を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項１２】
前記サーマルレッグは、前記半リング及び前記第１連結部を含む構造一対が、前記検知部を中心に互いに対向すべく配置されるように設けられることを特徴とする請求項１１に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項１３】
前記基板と前記検知部との間に空気層が存在することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項１４】
前記基板と前記検知部との間に、熱伝導を遮断する物質層が存在することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項１５】
前記検知部及び前記サーマルレッグの下側の基板上には、光を透過させない金属反射層をさらに含むことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタ。
【請求項１６】
基板を準備する段階と、
サーマルレッグの両端と電気的な連結がなされる前記基板上の金属配線部分に開口を有する犠牲層を、前記基板上に形成する段階と、
前記開口及び前記犠牲層の上に電気的連結が可能な材料を積層してこれをパターニングし、前記金属配線にその両端だけが電気的に連結され、残りの部分は、前記基板から離隔されたサーマルレッグを形成する段階と、
前記サーマルレッグと電気的に連結され、入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収し、吸収された赤外線による温度変化によって、抵抗値が変わるように設けられた検知部を形成する段階と、を含む赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項１７】
前記検知部は、入射される赤外線光を、局部的な表面プラズモン共鳴を介して吸収するようにパターニングされた構造を有する金属層と、
前記金属層の下部側に、吸収された赤外線による温度変化を抵抗変化に変換する物質を含むように設けられた熱電材料層と、を含むことを特徴とする請求項１６に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項１８】
前記検知部は、ディスク形態、リング形態、バー形態またはバー形態を組み合わせた形態を有するように形成されることを特徴とする請求項１７に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項１９】
前記サーマルレッグは、前記熱電材料層と同一材料で一体に形成されるか、または前記熱電材料層と異なる材料で積層されて形成されることを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２０】
前記熱電材料層は、前記金属層に対応する構造にパターニングされることを特徴とする請求項１９に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２１】
熱電材料層は、平板構造に形成されることを特徴とする請求項１９に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２２】
前記熱電材料層は、非晶質シリコン、酸化バナジウム、酸化ニッケルのように、温度変化によって抵抗値が変わる材料のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１７〜請求項２１のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２３】
前記金属層は、金、アルミニウム、銅、チタン、白金、銀を含むグループのうちから選択された少なくとも１つの物質を含むことを特徴とする請求項１７〜２２のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２４】
前記犠牲層を除去し、前記基板と前記サーマルレッグとの間に空気層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１６〜２３のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２５】
前記犠牲層は、熱伝導を遮断する物質から形成され、前記サーマルレッグと前記基板との間の熱伝導を遮断することを特徴とする請求項１６〜２４のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２６】
前記サーマルレッグは、中心からの距離が異なる複数の半リングと、前記半リング間を連結する第１連結部と、を含む構造を有することを特徴とする請求項１６〜２５のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２７】
前記サーマルレッグは、前記半リング及び前記第１連結部を含む構造一対が、前記検知部を中心に互いに対向すべく配置されるように設けられることを特徴とする請求項２６に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２８】
前記検知部及び前記サーマルレッグの下側に該当する前記基板上に、光を透過させないように形成された金属反射層をさらに含み、
前記金属反射層の形成後に、前記犠牲層を形成することを特徴とする請求項１６〜２７のいずれか一項に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【請求項２９】
前記金属反射層は、前記金属配線の形成時に、同時に形成されることを特徴とする請求項２８に記載の赤外線サーマルディテクタの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−８３６５１（Ｐ２０１３−８３６５１Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２２５２１６（Ｐ２０１２−２２５２１６）
【出願日】平成２４年１０月１０日（２０１２．１０．１０）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ−ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１０月１０日（２０１２．１０．１０）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ−ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
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