(57)【要約】【課題】周辺部から入射する外乱となる赤外線輻射を遮断することで赤外線計測精度が高く、小型、軽量、及び低価格な熱型赤外線検知器を提供する。【解決手段】赤外線入射用開口部４を有する真空容器３に格納された赤外線検出素子２において、赤外線検出素子２上にアレイ状に配置された画素の間を仕切るようにしてマイクロシールド１０を立設する。マイクロシールド１０の高さは、画素間を結ぶ方向の厚さよりも大きく、赤外線入射用開口部４以外からの赤外線輻射を遮断するように設定する。そして、マイクロシールド１０の温度を電子冷却素子７により一定に保つ。また、外部に電気的に接続可能な外部接続端子９と赤外線検出素子２とを１本のボンディングワイヤ１９により直接接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の画素が１次元又は２次元的に表面に配置された赤外線検出素子と、前記赤外線検出素子の動作温度を制御する電子冷却素子と、前記赤外線検出素子と前記電子冷却素子とが格納され赤外線を前記赤外線検出素子に入射させる赤外線入射用開口部が形成された真空容器と、を有し、前記赤外線検出素子は前記画素の間を仕切るようにして前記赤外線素子の表面に立設されたマイクロシールドを有し、このマイクロシールドは前記赤外線検出素子の表面に垂直な方向の高さが前記画素間を結ぶ方向の厚さよりも大きいことを特徴とする熱型赤外線検知器。
【請求項２】
前記マイクロシールドは前記各画素の周囲を囲むようにして前記赤外線検出素子の表面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱型赤外線検知器。
【請求項３】
前記赤外線検出素子の熱検出部がボロメータを有するボロメータ型であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱型赤外線検知器。
【請求項４】
前記電子冷却素子がペルチェ素子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱型赤外線検知器。
【請求項５】
前記赤外線検出素子はシリコン基板上に形成され、このシリコン基板内部には信号読み出し回路が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱型赤外線検知器。
【請求項６】
前記真空容器には外部に電気的に接続するための外部接続用端子が設けられ、この外部接続用端子と前記赤外線検出素子とが１本のボンディングワイヤにより直接接続されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱型赤外線検知器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱物体からの赤外線輻射を検知し、熱物体の温度分布等の検出を行う熱型赤外線検知器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボロメータ型の熱型赤外線検知器は、赤外線入射による検知素子の温度変化を抵抗の変化として検知し、その抵抗の変化から測定対象物の温度を計測するものである。ボロメータ型検知器における検知素子は、シリコンウェハ上から細い梁により熱的に分離されたダイアフラムを持ち、このダイアフラム上に抵抗（ボロメータ）が形成されている。熱型赤外線検知器の赤外線検出素子は、この検知素子をアレイ状に配置して構成され、２次元の赤外線画像が得られるようになっている。
【０００３】
上述のように、上記検知器は熱を画像化するものである。通常、測定対象物から発せられた赤外線は光学系を用いて検知器面に結像され画像化される。しかし、検知器周囲の温度が変化すると、測定対象物から発せられ光学系を通過して入射する赤外線の他に、周囲の熱輻射も検知器に入射し、測定対象物からの赤外線量と検知器周囲からの赤外線量とが判別できないため、本来測定したい測定対象物からの赤外線画像を画像化できないという問題があった。
【０００４】
この問題に対して、特許文献１には、検知器周囲からの熱輻射を遮断する輻射シールドを備えた熱型赤外線検知器が開示されている。図５は、特許文献１に記載の熱型赤外線検知器の断面構成を示す概念図であり、図６は、特許文献１の図２をもとに、赤外線検出素子の１画素の断面構成を模式的に示した概念図であり、更に、図７は図５におけるＡ部の拡大図である。
【０００５】
図５に示すように、熱型赤外線検知器１０１では、シリコンウェハ１１０と後述するダイアフラム間の熱的な分離を向上させるため、赤外線検出素子１０２は真空容器１０３に保持されている。赤外線検出素子１０２は検知素子である画素をアレイ状に２次元配置して構成される。図６に示すように、ボロメータ（抵抗）１１２が形成されたダイアフラム１１３はシリコンウェハ１１０上から細い梁１１４により空洞１２１を隔てて熱的に分離されている。
【０００６】
赤外線１１１の入射に起因するダイアフラム１１３部分の温度上昇による抵抗値の変化は、バイアス電流を印加することにより読み出される。このため、バイアス電流によって生じるジュール熱による検知素子自体の温度上昇が問題となる。この温度上昇は、測定対象物からの赤外線入射によるダイアフラム１１３部分の温度上昇を遙かに上回る。通常、この発熱による検知素子の温度上昇を抑える目的で、赤外線検出素子１０２は電子冷却素子１０７上に置かれ、一定温度に保たれる。
【０００７】
上述のように、熱型赤外線検知器１０１は測定対象物から発せられた赤外線を吸収して抵抗の変化を電気的信号として読み出すため、外界の温度変化により真空容器１０３の温度が変化し、その赤外線輻射が赤外線検出素子１０２に入射すると、測定対象物から入射する赤外線量と、周辺部から入射する赤外線輻射とを判別することができない。
【０００８】
そこで、特許文献１に開示された技術においては、輻射シールド１０９と称する開口部を有する金属部品を赤外線検出素子１０２の前面及び側面に配置し、光学系の絞りをこの開口に一致させることにより、赤外線検出素子１０２に入射する赤外線輻射を、光学系を透過した輻射及び輻射シールド１０９からの輻射に制限している。なお、輻射シールド１０９は、電子冷却素子１０７上に配置されたシリコンウェハ１１０の上に形成されているため、その温度が一定に保たれていることが特徴である。
【０００９】
赤外線検出素子に対して、輻射シールド１０９は赤外線入射用開口部以外に開口部を有さないようになっているため、外部と電気的に接続可能な外部接続用端子１０５と、赤外線検出素子１０２とを電気的に接続するための工夫が必要となる。図７に示すように、内部ボンディングパット１１６及び外部ボンディングパット１１７を、夫々輻射シールド１０９を挟んでシリコンウェハ１１０上に設け、多層のシリコンウェハ１１０の間を層間配線１２０する。そして、赤外線検出素子１０２上に形成されたボンディングパット１１５と内部ボンディングパット１１６とを第１ボンディングワイヤ１１８を介してボンディングし、更に、外部ボンディングパット１１７と外部接続用端子１０５とを第２ボンディングワイヤ１１９を介してボンディングすることにより、外部接続用端子１０５と赤外線検出素子１０２とが電気的に接続される。
【００１０】
また、上記の目的とは異なるが、特許文献２においては、輻射温度の検出精度及び感度がよく、鮮明な画像が得られるような熱型赤外線センサが提案されている。この熱型赤外線センサは焦電効果を利用したセンサである。図８は、特許文献２に記載の赤外線センサの１実施例を示す断面図である。図８に示すように、２０１ａ、２０１ｂ及び２０１ｃは焦電特性を有する薄膜状の焦電エレメントであり、焦電薄膜エレメント２０１ａ、２０１ｂ及び２０１ｃの各上面の赤外線受光面側には受光電極２０３ａ、２０３ｂ及び２０３ｃを、同下面の赤外線非受光面側には下部電極２０２ａ、２０２ｂ及び２０２ｃを具備してセンサエレメント２０１Ａ，２０１Ｂ及び２０１Ｃが構成されている。センサエレメント２０１Ａ、２０１Ｂ及び２０１Ｃは、保持層２０４上に各々が所定の間隔を有して埋設され、さらにこの保持層２０４は基板２０５により保持されている。また、保持層２０４上面の赤外光受光面側には、センサエレメント２０１Ａ、２０１Ｂ及び２０１Ｃの非配置領域に入射した赤外線２０７を反射するための金属製の赤外光反射金属膜２０８が設けられている。この赤外光反射金属膜２０８の機能は、センサエレメント非配置領域に入射した赤外線が保持層２０４に吸収され、この部分が温度上昇することでセンサエレメントに熱が流れ込み、その結果、輻射温度の検出精度が劣化することを防止することである。
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−２９２２５３号公報
【特許文献２】特開平９−２１８０８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述の従来の技術には以下に示すような問題点がある。
【００１３】
特許文献１に記載の従来の熱型赤外線検知器においては、赤外線検出素子全体を輻射シールドで覆い、電子冷却素子を利用して輻射シールドを一定の温度に保つことにより開口部以外からの輻射の影響を排除している。そのため、構成物を格納する真空容器は必然的に大きくなり、熱型赤外線検知器の小型化及び軽量化ができないという問題点がある。更に、輻射シールドが配置されているため、赤外線検出素子と外部接続用端子とを接続するためには、第１ボンディングワイヤ、シリコンウェハ間の層間配線、第２ボンディングワイヤ、と配線する必要があり、コストがかかるという問題点がある。
【００１４】
また、特許文献２に記載の赤外線センサにおいては、センサエレメント間に赤外光反射金属膜が設けられているが、これらはセンサエレメント非配置領域に入射する赤外線を反射するためのものであり、その形状は膜状であれば十分に効果的である。そのため、周辺部から入射する外乱となる赤外線を遮断するためのシールド状のものとは異なり、外乱となる赤外線に起因する温度計測精度の低下という問題に対処するものではない。
【００１５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、周辺部から入射する外乱となる赤外線輻射を遮断することで赤外線計測精度が高く、小型、軽量、及び低価格の熱型赤外線検知器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る熱型赤外線検知器は、複数個の画素が１次元又は２次元的に表面に配置された赤外線検出素子と、前記赤外線検出素子の動作温度を制御する電子冷却素子と、前記赤外線検出素子と前記電子冷却素子とが格納され赤外線を前記赤外線検出素子に入射させる赤外線入射用開口部が形成された真空容器と、を有し、前記赤外線検出素子は前記画素の間を仕切るようにして前記赤外線素子の表面に立設されたマイクロシールドを有し、このマイクロシールドは前記赤外線検出素子の表面に垂直な方向の高さが前記画素間を結ぶ方向の厚さよりも大きいことを特徴とする。
【００１７】
本発明においては、赤外線検出素子全体に赤外線遮断用のシールドを設けるのではなく、各画素の間を仕切るようにして赤外線検出素子表面にマイクロシールドを立設する。このとき、マイクロシールドの高さは画素間を結ぶ方向の厚さよりも大きい。このように、マイクロシールドを設置することにより、赤外線検出素子の各画素に入射する赤外線は、赤外線入射用開口部を通過した輻射及びマイクロシールドからの輻射に限定され、周辺部からの外乱となる赤外線輻射はマイクロシールドに遮断されて各画素に直接入射することが防止される。また、マイクロシールドは電子冷却素子により温度が一定に保たれているため、外界の温度変化には影響されず、そのため、赤外線検出素子に入射する外乱となる赤外線輻射の影響が排除される。このため、赤外線検知器の検出精度が高い。そして、従来技術に見られるように、赤外線検出素子全体を輻射シールドで囲む必要がないので、熱型赤外線検知器を小型及び軽量化することが可能である。
【００１８】
マイクロシールドは各画素の周囲を囲むようにして配置することもでき、各画素を格子状に囲むように配置することもできる。
【００１９】
熱型赤外線検知器は、赤外線検出素子の熱検出部にボロメータが形成されたボロメータ型とすることができる。
【００２０】
また、電子冷却素子はペルチェ効果を利用した電子冷却素子とすることができる。
【００２１】
赤外線検出素子がシリコンウェハ上に形成され、このシリコンウェハ内部には信号読み出し回路が形成されていてもよい。読み出し回路を構成する素子は例えばＭＯＳ型とすることができる。
【００２２】
真空容器に外部に電気的に接続するための外部接続用端子を設け、この外部接続用端子と赤外線検出素子とを１本のボンディングワイヤにより直接接続することが可能である。したがって、特許文献１に記載の従来の接続手段と比較して、コストの削減が可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、赤外線検出素子の画素の間を仕切るようにしてマイクロシールドを配置することにより、測定対象物以外からの外乱となる赤外線輻射を遮断し、赤外線検出精度を向上させることができる。更に、従来の熱型赤外線検知器と比較して、本発明の熱型赤外線検知器は、小型、軽量、及び低価格になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態に係る熱型赤外線検知器について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本実施形態に係る熱型赤外線検知器の断面構造を示す概念図であり、図２は、本実施形態に係る熱型赤外線検知器の画素を上面から見た場合の構造を示す概念図であり、更に、図３は、前記１画素を側面から見た場合の構造を示す概念図である。
【００２５】
図１に示すように、本実施形態における熱型赤外線検知器１においては、真空容器３の内底面上にペルチェ効果を利用した電子冷却素子７が配置されており、その上にシリコンウェハ６が接着されている。そして、赤外線検出素子２はシリコンウェハ６上に形成されている。赤外線検出素子２上には、マイクロシールド１０が赤外線検出素子２を構成する各画素の周囲を囲むようにして形成されている。赤外線検出素子２の上部の真空容器３の一部には赤外線入射用開口部４が設けられ、この開口部を覆うようにして窓５が真空容器３に溶接されている。
【００２６】
また、電子冷却装置７はシリコンウェハ６及び赤外線検出素子２の温度を一定に保つ一方で、真空容器３底部の平板に熱を放出する。真空容器３の下部には、外部と電気的に接続するための外部接続端子９が真空容器３の下部を貫通するようにして設置されている。赤外線検出素子２と外部接続端子９との間には、赤外線検出素子２を駆動させるための入力信号及び赤外線検出素子２からの出力信号を伝達するための配線がなされ、赤外線検出素子２上のボンディングパット（図示せず）と外部接続端子９とがボンディングワイヤ１９により直接接続されている。また、真空容器３には金属製の排気管８が接続され、排気管８を真空排気装置に接続して真空容器３内を所定の圧力にした後、排気管８を外部から圧切りすることにより、真空容器３内を封止する。
【００２７】
次に、赤外線検出素子２の１画素の断面構造を、図６及び図３を参照して説明する。図６に示すように、シリコンウェハ１１０上には２つの梁１１４が形成され、ボロメータ（抵抗）１１２の形成されたダイアフラム１１３はこれら２つの梁１１４によってダイアフラム１１３とシリコンウェハ１１０との間に形成された空洞１２１を隔てて支持されている。したがって、ダイアフラム１１３はシリコンウェハ１１０の表面から熱的に分離されている。また、ボロメータ（抵抗）１１２の下方のシリコンウェハ１１０上には赤外線反射膜１２３が形成されている。また、シリコンウェハ１１０の下層部には、例えばＭＯＳ型の信号読み出し回路１２２が設けられている。本実施形態における赤外線検出素子はこれらの画素が２次元的に配置されて構成されたものであり、さらに、各画素の周囲を囲むようにしてマイクロシールドが形成されている。
【００２８】
図３は、本実施形態における１画素の構造を側面から見た場合の概念図である。図３に示すように、シリコンウェハ６上に形成された赤外線検知器１画素１４は、マイクロシールド１０によって隣接する左右の画素と仕切られている。マイクロシールド１０は、赤外線検知器１画素１４が赤外線入射用開口部を経て入射する赤外線を受光し、一方、周辺からの輻射１３を遮断するようにその高さが設定されている。そのため、マイクロシールドの１０の高さはその幅よりも大きい。
【００２９】
また、図２は、熱型赤外線検知器の画素の構造を上面から見た場合の概念図である。赤外線検出素子を構成する各画素はマイクロシールド１０により格子状に仕切られている。また、梁１１はダイアフラム１２の外周に沿って延びており、上述のように、ダイアフラム１２とその背面に存在するシリコンウェハとの間に熱遮断のための空洞が形成されている。
【００３０】
図４に、半導体製造プロセスを利用したマイクロシールドの作成方法の一例を示す。図４（ａ）に示すように、ダイアフラム１２とシリコンウェハ６との間に空洞を形成するために、シリコンウェハ６上に犠牲層１６を形成する。次に、形成された犠牲層１６の上にダイアフラム１２を形成し、赤外線受光部に相当する部分の表面上に温度検出部となるボロメータ１５を成膜形成する。更に、ボロメータ１５部分を除いて、赤外線検出素子を犠牲層１６で覆う。そして、犠牲層１６の一部にマイクロシールド形成用の溝１７を掘る。次に、図４（ｂ）に示すように、溝１７にマイクロシールドの材料を形成する。マイクロシールドの材料は、例えばアルミニウムである。最後に、図４（ｃ）に示すように、全ての犠牲層１６をエッチングすることにより、ボロメータ１５及びマイクロシールド１０が形成される。なお、図４（ｄ）は、図４（ｃ）において示されたダイアフラム１２部分の更に詳細な図であり、前述の梁１１、入射赤外線を吸収して熱を発生する吸収膜１８、及び赤外線を反射する反射板２０が図示されている。
【００３１】
次に、上述の如く構成された本実施形態に係る熱型赤外線検知器の動作について説明する。赤外線入射開口部４を通過して入射した測定対象物からの赤外線は赤外線検出素子２の画素を構成するダイアフラム１２に吸収され、ダイアフラム１２の温度が上昇する。この温度上昇によるボロメータ（抵抗）１５の抵抗値の変化は、バイアス電流を印加することにより読み出される。ただし、バイアス電流により生じるジュール熱による赤外線検出素子２自体の温度上昇を抑える目的で、赤外線検出素子２は電子冷却素子７により温度が一定に保たれている。また、外界の温度変化により真空容器３の温度が変化し、その赤外線輻射が赤外線検出素子２に入射することにより計測精度が劣化する可能性がある。このため、赤外線検出素子２を構成する画素の周囲にはマイクロシールド１０が配置されており、外乱となる周辺部からの赤外線輻射が遮断される。マイクロシールド１０もシリコンウェハ６及び赤外線検出素子２を介して電子冷却素子７により温度が一定となっており、外乱となる赤外線輻射が除外される。
【００３２】
次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態に係る熱型赤外線検知器においては、赤外線検出素子２を構成する各画素の周囲にマイクロシールド１０が配置されているため、測定対象物以外からの外乱となる赤外線輻射が遮断され、赤外線計測精度が向上する。更に、赤外線検出素子全体を輻射シールドで覆う従来技術に比べて、検知器の小型軽量化が可能となり、また、赤外線検出素子２と外部接続用端子９とを１本のボンディングワイヤ１９により直接接続するので、従来技術に比べて、低価格な熱型赤外線検知器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態に係る熱型赤外線検知器の断面構造を示す概念図である。
【図２】本発明の実施形態に係る熱型赤外線検知器の画素を上面から見た場合の構造を示す概念図である。
【図３】本発明の実施形態に係る熱型赤外線検知器の１画素を側面から見た場合の構造を示す概念図である。
【図４】本実施形態におけるマイクロシールドの作成方法の一例を示す概念図である。
【図５】特許文献１に記載の熱型赤外線検知器の断面構成を示す概念図である。
【図６】特許文献１に記載の図２をもとに、赤外線検出素子の１画素の断面構成を模式的に示した概念図である。
【図７】図５におけるＡ部の拡大図である。
【図８】特許文献２に記載の赤外線センサの断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１；熱型赤外線検知器
２；赤外線検出素子
３；真空容器
４；赤外線入射用開口部
５；窓
６；シリコンウェハ
７；電子冷却素子
８；排気管
９；外部接続用端子
１０；マイクロシールド
１１；梁
１２；ダイアフラム
１３；輻射
１４；赤外線検知器１画素
１５；ボロメータ
１６；犠牲層
１７；溝
１８；吸収膜
１９；ボンディングワイヤ
２０；反射板
１０１；熱型赤外線検知器
１０２；赤外線検出素子
１０３；真空容器
１０４；赤外線入射用開口部
１０５；外部接続用端子
１０６；窓
１０７；電子冷却素子
１０８；排気管
１０９；輻射シールド
１１０；シリコンウェハ
１１１；赤外線
１１２；ボロメータ（抵抗）
１１３；ダイアフラム
１１４；梁
１１５；ボンディングパット
１１６；内部ボンディングパット
１１７；外部ボンディングパット
１１８；第１ボンディングワイヤ
１１９；第２ボンディングワイヤ
１２０；層間配線
１２１；空洞
１２２；読み出し回路
１２３；赤外線反射膜
２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｃ；センサエレメント
２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ；焦電薄膜エレメント（薄膜）
２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ；下部電極
２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ；受光電極
２０４；保持層
２０５；基板
２０７；赤外線
２０８；赤外光反射金属膜
【図１】
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【図２】
2007127496.tif 000004
【図３】
2007127496.tif 000005
【図４】
2007127496.tif 000006
【図５】
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【図６】
2007127496.tif 000008
【図７】
2007127496.tif 000009
【図８】
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