DE60006749T2

DE60006749T2 - Infrarotdetektormatrix mit Mikrobrückenstruktur

Info

Publication number: DE60006749T2
Application number: DE60006749T
Authority: DE
Inventors: Katsuya Minato-ku Kawano; Naoki Minato-ku Oda
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-07-26
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2020-07-26
Also published as: DE60006749D1; KR100343869B1; JP2001099705A; EP1072875B1; KR20010039752A; EP1072875A1; US6441374B1; JP3460810B2

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp mit einem Wärme-Isolieraufbau.
2. Beschreibung des verwandten Stands der Technik
Als eine Infrarotstrahlen-Erfassungsvorrichtung ist eine Erfassungsvorrichtung mit einem Wärme-Isolieraufbau als "Monolithic Silicon Micro-bolometer Arrays" in "Uncooled Infrared Imaging Arrays and Systems" von R. A. Wood, (Semiconductors and Semimetals, Band 47, Bandeditoren P. W. Kruse und D. D. Skatrud, Academic Press, 1997, Seite 103) bekannt. Die 1 und 2 zeigen einen derartigen Wärme-Isolieraufbau eines Bildelements einer ungekühlten Infrarot-Strahlendetektoranordnung vom Bolometertyp. Wie in den 1 und 2 gezeigt, wird ein Ausleseschaltkreis 102 für einen Bolometer in einem Si-Substrat 101 ausgebildet, und eine Membran 105 wird zur Bildung eines Luftspalts 103 zwischen einem Si-Substrat 101 und der Membran 105 von zwei Trägern 104 getragen. Der Werkstoff des Trägers 104 ist ein Schutzisolierfilm 106 aus Siliziumnitrid, und die Dicke eines Verdrahtungsleitungsfilms, der aus NiCr auf dem Träger 104 ausgebildet ist, beträgt 50 nm. Die Membran 105 als Lichtempfangsabschnitt setzt sich aus einem Dünnfilm 107 aus Vanadiumoxid mit einem Widerstand von 20 kΩ als Bolometerwerkstoff und einem Schutzisolierfilm 106 aus Siliziumnitrid mit der Dicke von 800 nm zusammen. Ein vollständiger Reflexionsfilm 108 wird auf der Oberfläche des Ausleseschaltkreises 102 durch den Schutzisolierfilm ausgebildet.
Wenn Infrarotstrahlen 109 auf die Membran 105 in einem derartigen Wärme-Isolieraufbau einfallen, werden die Infrarotstrahlen 109 durch den dünnen Siliziumnitrid-Film 106 absorbiert. Ein Teil der Infrarotstrahlen 109 gelangt durch die Membran 105 und wird anschließend durch den Reflexionsfilm 108 in die Richtung der Membran 105 reflektiert. So werden die reflektierten Infrarotstrahlen noch einmal von dem dünnen Siliziumnitrid-Film 106 absorbiert. Auf diese Weise werden die Infrarotstrahlen derart absorbiert, dass sich die Temperatur der Membran 105 verändert. Der Widerstand des Bolometer-Dünnfilms 107 verändert sich durch die Temperaturveränderung und wird vom Ausleseschaltkreis in eine Spannungsänderung umgewandelt. Auf diese Weise wird ein Infrarotbild erhalten.
Weiter ist als Infrarotstrahlen-Erfassungsvorrichtung eine ungekühlte Infrarotstrahlen-Detektoranordnung von der Art eines Bolometers nach H. Wada et al., (SPIE Band 3224, 1997, Seite 40) bekannt. Die 3 und 4 zeigen einen Wärme-Isolieraufbau eines Bildelements der ungekühlten Infrarotstrahlen-Detektoranordnung von der Art eines Bolometers. 3 ist eine das Bildelement zeigende Draufsicht, und 4 ist eine Schnittansicht des Bildelements entlang einer unterbrochenen Linie, die durch eine Punktlinie A1-A2-A3-A4-A5-A6-A7-A8-A9- A10 gezeigt ist. Eine Membran 113 wird zur Bildung eines Luftspalts zwischen der Membran 113 und einem Siliziumsubstrat 111 mit einem Ausleseschaltkreis von zwei Trägern 112 getragen. Der Werkstoff des Trägers 112 ist ein Schutzisolierfilm 114 aus Siliziumnitrid, und ein Werkstoff der Verdrahtungsleitung 115 auf dem Träger 112 ist ein Ti-Film mit der Dicke von 100 nm. Die Membran 113 als Lichtempfangsabschnitt ist aus einem Dünnfilm 116 aus Vanadiumoxid mit einem Schichtwiderstand von 10 bis 30 kΩ/sq als Bolometerwerkstoff, einem Schutzisolierfilm 117 aus Siliziumnitrid mit der Dicke von 400 nm und einem Infrarot-Absorptionsfilm 118 aus einem TiN-Dünnfilm mit der Dicke von 15 nm gebildet.
Die Verdrahtungsleitung 115 auf dem Träger 112 ist mit dem Ausleseschaltkreis in dem Siliziumsubstrat 111 über Verdrahtungsleitungs-Stecker 121 durch einen in einem Bankabschnitt 119 vorgesehenen Kontakt 120 verbunden. Darüber hinaus werden ein Reflexionsfilm 122 aus einem WSi-Film mit der Dicke von 20 nm und ein Schutzisolierfilm 123 auf dem Siliziumsubstrat durch einen Wärmeoxidationsfilm ausgebildet.
Der Abstand zwischen dem Reflexionsfilm 122 und dem Infrarot-Absorptionsfilm 118 wird auf 1/(4n) der Wellenlänge eines zu erfassenden Infrarotstrahls eingestellt (n ist der wirksame Brechungskoeffizient). Die Infrarotstrahlen werden vom Infrarot-Absorptionsfilm 118 absorbiert. Ein Teil der Infrarotstrahlen gelangt durch den Infrarot-Absorptionsfilm 118 und wird von dem Reflexionsfilm 122 in die Richtung der Membran 113 reflektiert. In der Membran 113 überlagern sich die Infrarotstrahlen gegenseitig, so dass eine Komponente der Infrarotstrahlen mit der zu erfassenden Wellenlänge vom Infrarot-Absorptionsfilm 118 absorbiert wird. Auf diese Weise wird die Veränderung der Temperatur der Membran verursacht. Der Widerstand des Bolometer-Dünnfilms 116 verändert sich aufgrund der Temperaturveränderung, und die Veränderung des Widerstands wird vom Ausleseschaltkreis in eine Spannungsänderung umge wandelt. Auf diese Weise wird ein Infrarotbild erhalten.
Des Weiteren ist als Infrarotstrahlen-Erfassungsvorrichtung eine Mikro-Bolometer-Anordnung nach Cunningham et al., (US-Patent Nr. 5,688,699) bekannt. 5 zeigt einen Wärme-Isolieraufbau eines Bildelements der Mikro-Bolometeranordnung. Wie in 5 gezeigt, wird eine Epitaxialschicht 131 auf einem Siliziumsubstrat 130 ausgebildet, und ein Ausleseschaltkreis für den Bolometer wird in der Epitaxialschicht 131 ausgebildet. Eine Membran 133 ist auf der Epitaxialschicht 131 vorgesehen und wird zur Bildung eines Luftspalts zwischen der Membran 133 und der Epitaxialschicht 131 von zwei Trägern 132 und 132' getragen.
Bei dem Werkstoff des Trägers 132 oder 132' handelt es sich um Siliziumnitrid 134, und eine Verdrahtungsleitung 135 auf dem Träger 132 oder 132' ist aus einem Cr-Film mit der Dicke von 10 nm und einem Ni-Film mit der Dicke von 20 nm gebildet. Die Membran 133 als Lichtempfangsabschnitt ist aus einem dünnen Vanadiumoxidfilm 136 aus Bolometerwerkstoff mit dem Schichtwiderstand von 15 bis 30 kΩ gebildet. Darüber hinaus setzt sich die Membran 133 weiter als einem Schutzisolierfilm 137 aus Siliziumnitrid mit der Dicke von 100 nm und einem Infrarot-Absorptionsfilm aus einem Gold-Dünnfilm mit der Dicke von 10 nm zusammen. In 5 ist der Absorptionsfilm nicht gezeigt.
Die Membran 133 und die Verdrahtungsleitungsfilme sind durch Kontaktabschnitte 138a und 138b aus dem Bolometerwerkstoff elektrisch verbunden. Zudem sind die Verdrahtungsleitungsfilme und der Ausleseschaltkreis in der Epitaxialschicht durch einen Kontakt 139 elektrisch miteinander verbunden. Darüber hinaus ist die Epitaxialschicht 131 von einem SiO₂-Schutzisolierfilm 140 und einem Reflexionsfilm bedeckt, der sich aus einem Pt-Film mit der Dicke von 50 nm und einem Cr-Film mit der Dicke von 5 nm zusammensetzt. In 5 ist kein Reflexionsfilm gezeigt.
Der Abstand zwischen dem Reflexionsfilm und dem Infrarot-Absorptionsfilm ist auf 1/4n einer Erfassungswellenlänge eingestellt (n: wirksamer Brechungskoeffizient). Die vom Infrarot-Absorptionsfilm absorbierten Infrarotstrahlen sowie die Infrarotstrahlen, die durch den Infrarot-Absorptionsfilm gelangen und dann vom Reflexionsfilm in die Richtung der Membran reflektiert werden, überlagern sich gegenseitig. Als Ergebnis werden die Infrarotstrahlen mit der Erfassungswellenlänge durch den Infrarot-Absorptionsfilm absorbiert, so dass sich die Temperatur der Membran verändert. Der Widerstand des Bolometer-Dünnfilms ändert sich aufgrund der Temperaturveränderung, und die Veränderung des Widerstands wird vom Ausleseschaltkreis in eine Spannungsänderung umgewandelt. Auf diese Weise wird ein Infrarotbild erhalten.
Darüber hinaus ist als Infrarotstrahlen-Erfassungsvorrichtung eine pyroelektrische Anordnung nach Hanson et al. (SPIE Band 3379, 1998, Seite 60) bekannt. Die 6 und 7 stellen einen Wärme-Isolieraufbau eines Bildelements der pyroelektrischen Anordnung dar. Wie in den 6 und 7 gezeigt, wird eine Membran 152 zur Bildung eines Luftspalts zwischen der Membran 152 und einem Siliziumsubstrat 150 mit einem Ausleseschaltkreis von zwei Trägern 151 getragen. Die Membran 152 setzt sich aus einer unteren Elektrode 153 aus Pt/Ti, einem pyroelektrischen Dünnfilm 154 aus (Pb,La)(Zr,Ti)O₃ mit der Dicke von 250 bis 350 nm auf der Elektrode 153 und einer oberen Elektrode 155 aus einem Nickel-Chrom-Dünnfilm zusammen. Einer der beiden Träger 151 setzt sich aus der unteren Elektrode 153 und dem pyroelektrischen Dünnfilm 154 zusammen, und der andere Träger 151 setzt sich aus dem pyroelektrischen Dünnfilm 154 und der oberen Elektrode 155 zusammen. Die Wärmeleitung eines solchen gutbekannten Wärme-Isolieraufbaus wird basierend auf dem Pt der unteren Elektrode bestimmt.
Die obere Elektrode und die untere Elektrode sind über Kontakte 156 an den Ausleseschaltkreis in dem Siliziumsubstrat 150 angeschlossen. Die Infrarotstrahlen fallen auf die Membran 152 ein und überlagern sich zwischen der oberen und der unteren Elektrode, um sich gegenseitig aufzuheben. Als Ergebnis werden die Infrarotstrahlen mit einer spezifischen Wellenlänge von der oberen Elektrode absorbiert, so dass sich die Temperatur der Membran verändert. Die elektrische Oberflächen-Ladungsmenge des pyroelektrischen Dünnfilms 154 verändert sich entsprechend der Veränderung der Temperatur, und die Veränderung der Ladungsmenge wird vom Ausleseschaltkreis in eine Spannungsänderung umgewandelt. Auf diese Weise wird ein Infrarotbild erhalten.
Es sollte die Tatsache berücksichtigt werden, dass die Empfindlichkeit des Infrarot-Strahlendetektors vom Wärmetyp der vorstehend genannten herkömmlichen Beispiele proportional zu einem Füllfaktor ist. Bei dem Füllfaktor handelt es sich um das Verhältnis der Membran als Lichtempfangsabschnitt zu einem Bildelement. Die Verdrahtungsleitungen, beispielsweise eine Signalleitung, erstrecken sich auf einem Bankabschnitt 119 in dem in den 3 und 4 gezeigten herkömmlichen Beispiel. Daher kann der Füllfaktor der Membran als Lichtempfangsabschnitt in dem herkömmlichen Beispiel nicht groß gemacht werden. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, dass die Verdrahtungsleitungen zur Verbesserung der Empfindlichkeit des Detektors unter der Membran angeordnet sind.
Darüber hinaus sollte auch die Tatsache berücksichtigt werden, dass die Empfindlichkeit des herkömmlichen Beispiels für den Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp umgekehrt proportional zu einer Wärmeleitfähigkeit ist, was später noch beschrieben wird. Der Werkstoff der Verdrahtungsleitung und der Werkstoff auf dem Träger in den vorstehend genannten vier herkömmlichen Beispielen sind wie folgt: ein NiCr-Film mit der Dicke von 800 nm und ein Siliziumnitrid-Dünnfilm mit der Dicke von 50 nm in den 1 und 2; ein Ti-Film mit der Dicke von 100 nm und der Vielzahl von Mehrfach-Dünnfilm aus Siliziumnitrid und Siliziumoxid mit der Gesamtdicke von ungefähr 600 nm in den 3 und 4; eine Schichtaufbau-Verdrahtungsleitung aus einem Cr-Film mit der Dicke von 10 nm und einem Ni-Film mit der Dicke von 20 nm und dem Siliziumnitridfilm in 5; und einer der Träger ist aus einem Ti- und Pt-Dünnfilm gebildet, und der ferroelektrische Dünnfilm 30 ist bis 60 nm dick und der andere Träger in den 6 und 7 setzt sich aus einem NiCr-Dünnfilm und einem ferroelektrischen Dünnfilm zusammen: Im Falle der 6 und 7 wird die Wärmeleitfähigkeit abhängig vom Pt-Dünnfilm bestimmt. Daher ist es wünschenswert, einen optimalen Werkstoff für den Werkstoff der Verdrahtungsleitung auszuwählen, um die Empfindlichkeit des Detektors zu verbessern.
In Zusammenhang mit der obigen Beschreibung ist in der Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung (JP-A-Heisei 10-19671) ein Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp beschrieben. In dieser Druckschrift setzt sich der auf dem Halbleitersubstrat 1 ausgebildete Infrarot-Strahlendetektor 20 aus einem Infrarotlicht-Empfangsabschnitt 21 und Brückenabschnitten 24 zusammen. Der Infrarotlicht-Empfangsabschnitt 21 wandelt einfallende Infrarotstrahlen in Wärmeenergie um und gibt den physikalischen Wert elektrisch aus, wobei sich der Wert entsprechend der umgewandelten Wärmeenergie verändert. Für den Brückenabschnitt 24 ist eine Verdrahtungsleitungsschicht 24A vorgesehen, um den Infrarotlicht-Empfangsabschnitt und das Halbleitersubstrat 1 elektrisch miteinander zu verbinden. Zumindestens entweder der vorstehend genannte Infrarotlicht-Empfangsabschnitt 21 oder der Brückenabschnitt 24 wird von isolierenden Beinabschnitten 25, 26 und 27 gestützt. Es wird die Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Infrarotlicht-Empfangsabschnitt 21 und dem Halbleitersubstrat 1 angestrebt.
Darüber hinaus ist eine Infrarot-Festkörper-Abbildungsvorrichtung in der Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung (JP-A-Heisei 10-332480) offenbart. In dieser Druckschrift wird in einer 2-dimensionalen Infrarotstrahlen-Festkörper-Ab bildungsvorrichtung mit einem Wärme-Infrarotstrahlendetektor ein Licht-Detektorabschnitt vom Wärmetyp mit Hilfe von Stützbeinen mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit auf einem Halbleitersubstrat getragen. Die Temperaturveränderung des Detektorabschnitts vom Wärmetyp beim Einfall von Infrarotstrahlen wird über die Verdrahtungsleitungen in den Stützbeinen erfasst. Eine Vielzahl von Verdrahtungsleitungen sind parallel oder geschichtet in mindestens einem Stützbein angeordnet.
Des Weiteren ist ein Infrarot-Detektor in dem japanischen Patent 2,834,202 offenbart, welches der am 12. August 1988 eingereichten US-Patentanmeldung 231,797 entspricht. In dieser Druckschrift setzt sich eine Bolometer-Anordnung zur Strahlungserfassung in einem Infrarot-Spektrumsbereich aus einem Substrat zusammen, das eine Anordnung von Bolometer-Schaltkreiselementengruppen in der Nähe der Oberfläche des Substrats einschließt. Eine Anordnung von Widerständen ist von der Oberfläche um 1/4 der Wellenlänge in der Mitte des Infrarotstrahlen-Ausstrahlungsspektrumsbereichs beabstandet angeordnet. Alle Widerstände und Leitungen der Widerstände setzen sich aus einer Baugruppe zusammen, die eine erste leitende Schicht, eine Widerstandsschicht und eine zweite leitende Schicht aufweist. Die zweite leitende Schicht liegt am nähesten an der Oberfläche. Alle Widerstände sind zur Aufnahme der Strahlung ausgerichtet und über einer entsprechenden der Bolometer-Schaltkreisgruppen vorgesehen, damit sie mit der jeweiligen Bolometer-Schaltkreisgruppe elektrisch verbunden sind. Die Schichtwiderstände der ersten leitenden Schicht und der zweiten leitenden Schicht bewirken eine Aufnahme von mindestens 50% in dem Spektralbereich. Zudem weist die Bolometeranordnung weiter einen mechanischen Unterbrecher zur Unterbrechung der Strahlung an den Widerstand auf. Die zweite leitende Schicht weist eine inaktive Schicht auf, und die Oberfläche ist reflektierend. Der Raum zwischen der Oberfläche und der inaktiven Schicht ist luftleer. Die Baugruppe weist eine erste inaktive Schicht auf der ersten leitenden Schicht und eine zwei te inaktive Schicht auf der zweiten leitenden Schicht auf. Die erste inaktive Schicht und die zweite inaktive Schicht sind aus Siliziumdioxid gebildet. Die erste leitende Schicht und die zweite leitende Schicht sind aus Titannitrid gebildet. Die Widerstandsschicht ist aus amorphem Silizium gebildet.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp mit einem Wärme-Isolieraufbau zu schaffen, bei dem ein Füllfaktor erhöht werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp mit einem Wärme-Isolieraufbau zu schaffen, bei dem die Verdrahtungsleitung unter einer Membran angeordnet ist.
Eine weitere erfindungsgemäße Aufgabe liegt darin, einen Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp mit einem Wärme-Isolieraufbau zu schaffen, bei dem die Empfindlichkeit des Detektors verbessert werden kann, indem ein optimaler Werkstoff gewählt wird.
Zum Erreichen eines Aspekts der vorliegenden Erfindung weist ein Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp mit einem Wärme-Isolieraufbau eine Vielzahl von Bildelementen auf, wobei jedes Bildelement einen in einem Substrat für jedes Bildelement ausgebildeten Schaltkreis sowie einen Lichtempfangsabschnitt aufweist, der Infrarotstrahlen in eine Veränderung des Widerstands oder in eine Veränderung der Ladungsmenge umwandelt. Der Schaltkreis erzeugt ein Spannungssignal aus der Widerstandsveränderung oder der Veränderung der Ladungsmenge. Träger stützen den Lichtempfangsabschnitt von dem Substrat aus mechanisch, um einen Spalt zwischen dem Lichtempfangsabschnitt und dem Substrat zu bilden, und verbinden den Lichtempfangsabschnitt elektrisch mit dem Schaltkreis. Jeder der Träger weist einen Verdrahtungsleitungsfilm auf, der aus einer Ti-Legierung gebildet ist und den Lichtempfangsabschnitt mit dem Schaltkreis verbindet, sowie einen schützenden Isolierfilm, welche den Verdrahtungsleitungsfilm umgibt. In diesem Fall kann es sich bei der Ti-Legierung um TiAl6V4 handeln.
Der Lichtempfangsabschnitt kann auch über Kontaktanschlussflächen an den Schaltkreis angeschlossen sein. In diesem Fall ist es wünschenswert, dass die Kontaktanschlussfläche für ein erstes aus der Vielzahl von Bildelementen und die Kontaktanschlussfläche für ein zweites aus der Vielzahl von Bildelementen, das in diagonaler Richtung zum ersten Bildelement angeordnet ist, baulich zusammengeschlossen und elektrisch isoliert sind.
Darüber hinaus ist es wünschenswert, dass eine Signalleitung zum Übertragen des Spannungssignals an den Schaltkreis und an eine Erdleitung in dem Substrat ausgebildet sind.
Des Weiteren kann der Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp weiter eine auf dem Substrat ausgebildete Reflexionsschicht aufweisen, damit der Infrarot-Strahl, der durch den Lichtempfangsabschnitt gelangt ist, perfekt in Richtung des Lichtempfangsabschnitts reflektiert wird.
Zudem kann die Umwandlungsschicht auch eine Bolometer-Werkstoffschicht aufweisen. In diesem Fall kann der Lichtempfangsabschnitt weiter einen schützenden Isolierfilm aufweisen, der zur Abdeckung der Bolometer-Werkstoffschicht ausgebildet ist.
Anstelle dessen kann der Lichtempfangsabschnitt eine untere Elektrode, einen auf der unteren Elektrode ausgebildeten Dünnfilm aus einem ferroelektrischen Werkstoff und eine auf dem ferroelektrischen Werkstoff-Dünnfilm ausgebildete obere Elek trode aufweisen. In diesem Fall kann der Lichtempfangsabschnitt weiter einen schützenden Isolierfilm aufweisen, der zur Abdeckung der oberen Elektrode ausgebildet ist.
Zum Erreichen einer weiteren Aufgabe der vorliegenden Erfindung weist ein Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp mit einem Wärme-Isolieraufbau eine Vielzahl von Bildelementen, wobei jedes Bildelement einen Schaltkreis aufweist, der in einem Substrat für jedes Bildelement ausgebildet ist, sowie einen Lichtempfangsabschnitt auf, der Infrarotstrahlen in eine Veränderung des Widerstands oder in eine Veränderung der Ladungsmenge umwandelt. Der Schaltkreis erzeugt ein Spannungssignal aus der Widerstandsveränderung oder der Veränderung der Ladungsmenge. Träger stützen den Lichtempfangsabschnitt vom Substrat aus mechanisch, um einen Spalt zwischen dem Lichtempfangsabschnitt und dem Substrat auszubilden, und um den Lichtempfangsabschnitt mit dem Schaltkreis elektrisch zu verbinden. Jeder der Träger weist einen Verdrahtungsleitungsfilm aus einer Ti-Legierung auf, welcher den Lichtempfangsabschnitt mit dem Schaltkreis verbindet, sowie einen schützenden Isolierfilm, welcher den Verdrahtungsleitungsfilm umgibt. Darüber hinaus sind eine Signalleitung zum Übertragen des Spannungssignals an den Schaltkreis und eine Erdleitung in dem Substrat ausgebildet. In diesem Fall ist es wünschenswert, dass die Ti-Legierung TiAl6V4 ist.
Der Lichtempfangsabschnitt kann auch über Kontaktanschlussflächen an den Schaltkreis angeschlossen sein. In diesem Fall ist es wünschenswert, dass die Kontaktanschlussfläche für ein erstes aus der Vielzahl von Bildelementen und die Kontaktanschlussfläche für ein zweites aus der Vielzahl von Bildelementen, das in diagonaler Richtung zum ersten Bildelement angeordnet ist, baulich zusammengeschlossen und elektrisch isoliert sind.
Des Weiteren kann der Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp weiter eine auf dem Substrat ausgebildete Reflexionsschicht aufweisen, damit der Infrarot-Strahl, der durch den Lichtempfangsabschnitt gelangt ist, perfekt in Richtung des Lichtempfangsabschnitts reflektiert wird.
Zudem kann die Umwandlungsschicht auch eine Bolometer-Werkstoffschicht aufweisen. In diesem Fall kann der Lichtempfangsabschnitt weiter einen schützenden Isolierfilm aufweisen, der zur Abdeckung der Bolometer-Werkstoffschicht ausgebildet ist.
Anstelle dessen kann der Lichtempfangsabschnitt eine untere Elektrode, einen auf der unteren Elektrode ausgebildeten Dünnfilm aus einem ferroelektrischen Werkstoff, und eine auf dem ferroelektrischen Werkstoff-Dünnfilm ausgebildete obere Elektrode aufweisen. In diesem Fall kann der Lichtempfangsabschnitt weiter einen schützenden Isolierfilm aufweisen, der zur Abdeckung der oberen Elektrode ausgebildet ist.
Zum Erreichen einer noch weiteren Aufgabe der vorliegenden Erfindung weist ein Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp mit einem Wärme-Isolieraufbau eine Vielzahl von Bildelementen, wobei jedes Bildelement einen Schaltkreis aufweist, der in einem Substrat für jedes Bildelement ausgebildet ist, sowie einen Lichtempfangsabschnitt auf, der Infrarotstrahlen in eine Veränderung des Widerstands oder in eine Veränderung der Ladungsmenge umwandelt. Der Schaltkreis erzeugt ein Spannungssignal aus der Widerstandsveränderung oder der Veränderung der Ladungsmenge. Träger stützen den Lichtempfangsabschnitt vom Substrat aus mechanisch, um einen Spalt zwischen dem Lichtempfangsabschnitt und dem Substrat auszubilden, und um den Lichtempfangsabschnitt mit dem Schaltkreis der Kontaktanschlussflächen elektrisch zu verbinden. Jeder der Träger weist einen Verdrahtungsleitungsfilm aus einer Ti-Legierung auf, welche den Lichtempfangsabschnitt mit dem Schaltkreis verbindet, sowie einen schützenden Isolierfilm, welcher den Verdrahtungsleitungsfilm umgibt. Die Kontaktanschlussfläche für ein erstes aus der Vielzahl von Bildelementen und die Kontaktanschlussfläche für ein zweites aus der Vielzahl von Bildelementen, das in diagonaler Richtung zum ersten Bildelement angeordnet ist, sind baulich zusammengeschlossen und elektrisch isoliert. In diesem Fall ist es wünschenswert, dass die Ti-Legierung TiAl6V4 ist.
Es ist auch wünschenswert, dass eine Signalleitung zur Übertragung des Spannungssignals an den Schaltkreis und eine Erdleitung in dem Substrat ausgebildet sind.
Des Weiteren kann der Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp weiter eine auf dem Substrat ausgebildete Reflexionsschicht aufweisen, damit der Infrarot-Strahl, der durch den Lichtempfangsabschnitt gelangt ist, perfekt in Richtung des Lichtempfangsabschnitts reflektiert wird.
Zudem kann die Umwandlungsschicht auch eine Schicht aus Bolometer-Werkstoff aufweisen. In diesem Fall kann der Lichtempfangsabschnitt weiter einen schützenden Isolierfilm aufweisen, der zur Abdeckung der Bolometer-Werkstoffschicht ausgebildet ist.
Anstelle dessen kann der Lichtempfangsabschnitt eine untere Elektrode, einen auf der unteren Elektrode ausgebildeten Film aus einem ferroelektrischen Werkstoff und eine auf dem ferroelektrischen Werkstofffilm ausgebildete obere Elektrode aufweisen. In diesem Fall kann der Lichtempfangsabschnitt weiter einen schützenden Isolierfilm aufweisen, der zur Abdeckung der oberen Elektrode ausgebildet ist.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Kurzbeschreibung der Erfindung anhand der Zeichnungen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine Perspektivansicht eines ersten herkömmlichen Beispiels für einen Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp;
2 eine vordere Querschnittsansicht des ersten herkömmlichen Beispiels für einen Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp;
3 eine Draufsicht auf ein zweites herkömmliches Beispiel für einen Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp;
4 eine Querschnittsansicht des zweiten herkömmlichen Beispiels für den Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp entlang einer Linie A1–A10 in 3;
5 eine Perspektivansicht eines dritten herkömmlichen Beispiels für einen Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp;
6 eine Perspektivansicht eines vierten herkömmlichen Beispiels für einen Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp;
7 eine Querschnittsansicht eines vierten herkömmlichen Beispiels für einen Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp entlang einer Linie A-A in 6;
8 eine Draufsicht, welche einen Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp mit einem Wärme-Isolieraufbau gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
9 eine Querschnittsansicht des Infrarot-Strahlendetektors vom Wärmetyp mit dem Wärme-Isolieraufbau in der ersten Ausführungsform entlang einer gebrochenen Linie X-Y in 8;
10 eine Draufsicht, welche den Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp mit dem Wärme-Isolieraufbau gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
11 eine Querschnittsansicht des Infrarot-Strahlendetektors vom Wärmetyp mit dem Wärme-Isolieraufbau in der zweiten Ausführungsform entlang einer Linie A1–A10 in 10;
12 eine Tabelle, die die Wärmeleitfähigkeit des metallischen Werkstoffs anzeigt;
13 eine Tabelle, die die Wärmeleitfähig Gth des metallischen Werkstoffs und die relative Empfindlichkeit angibt; und
14 eine Tabelle, die die Gehaltsprozent verschiedener Ti-Legierungen anzeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Nachfolgend wird ein erfindungsgemäßer Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp mit einem Wärme-Isolieraufbau ausführlich mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.
8 zeigt den Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp mit dem Wärme-Isolieraufbau gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform. 9 ist eine Querschnittsansicht des Infrarot-Strahlendetektors vom Wärmetyp mit dem Wärme-Isolieraufbau in der ersten Ausführungsform entlang der unterbrochenen Linie X-Y in 8. Mit Bezug auf 8 ist eine Infrarotstrahlen-Detektoranordnung vom Bolometer-Typ als der Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp mit dem Wärme-Isolieraufbau in der ersten Ausführungsform gezeigt. Ein Bildelementaufbau des Infrarot-Strahlendetektors vom Bolometer-Typ setzt sich aus einem Lichtempfangsabschnitt in einer Membran 4 zusammen.
Die Membran 4 wird zur Bildung eines Luftspalts 2 zwischen der Membran 4 und einem Siliziumsubstrat 1 mit einem Ausleseschaltkreis von zwei Trägern 3 gestützt. Die Membran 4 setzt sich aus einem Schutz-Isolierfilm 5 aus Siliziumnitrid SiN mit der Dicke von 300 nm und einem Dünnfilm 6 aus Bolometer-Werkstoff aus VOx mit der Dicke von 160 nm, der auf dem Schutz-Isolierfilm 5 aus SiN gebildet ist, zusammen. Ein Mehrschichtenfilm aus einem Schutz-Isolierfilm 7 aus SiN mit der Dicke von 50 nm und aus einem Siliziumoxid-Schutz-Isolierfilm 8 mit der Dicke von 60 nm wird auf dem Dünnfilm 6 aus Bolometer-Werkstoff ausgebildet.
Die Verdrahtungsleitung 11 des Trägers 3 vom Lichtempfangsabschnitt einer Zelle C1 und ein Drain-Anschluss 17 eines Transistors der Zelle C1 sind über eine Kontaktanschlussfläche D1, 13 eines Al/TiN/Ti-Schichtaufbaus und über einen Stecker 14 aus Wolfram an eine Al-Verdrahtungsleitung in dem Siliziumsubstrat 1 angeschlossen. Die Kontaktanschlussfläche 13 kann einen Ti/Al/TiN/Ti-Schichtaufbau oder einen Ti-Einzelschichtaufbau aufweisen. Ebenso ist die Verdrahtungsleitung 11 des Trägers 3 vom Lichtempfangsabschnitt einer Zelle C1 über eine Kontaktanschlussfläche SIG1 13 eines Al/TiN/Ti-Schichtaufbaus und über einen Stecker 14a aus Wolfram an eine Signalleitung 18 angeschlossen. Die Kontaktanschlussfläche SIG1 13 kann den Ti/Al/TiN/Ti-Schichtaufbau oder einen Ti-Einzelschichtaufbau aufweisen. Natürlich weist die Nachbarzelle den selben Aufbau auf.
Eine Zelle C2 ist in Diagonalrichtung einer Zelle C1 angeord net, und eine Zelle C3 ist in einer zur Diagonalrichtung entgegengesetzten Richtung angeordnet. Die Kontakt-Anschlussfläche D1 des Drain-Anschlusses des Transistors der Zelle C1 und die Kontakt-Anschlussfläche SIG2 der Signalleitung der Zelle C2 sind elektrisch isoliert und bilden mit Hilfe des Schutz-Isolierfilms aus SiN eine Einheit. Darüber hinaus sind die Kontakt-Anschlussfläche SIG1 der Signalleitung der Zelle C1 und die Kontakt-Anschlussfläche D3 des Drain-Anschlusses der Zelle C3 elektrisch isoliert und bilden durch den Schutz-Isolierfilm aus SiN eine Einheit. Auf diese Weise kann eine Erhöhung des Füllfaktors und die Verbesserung der Montagefestigkeit zwischen dem Träger und dem Siliziumsubstrat erzielt werden. Auf diese Weise kann durch die elektrische Isolierung mit Hilfe des Schutz-Isolierfilms und der Bereitstellung einer mechanischen Einheit zwischen den Kontakt-Anschlussflächen der Zellen, welche in Diagonalrichtung aneinander angrenzen, ein Raum zwischen den Anschlussflächen so klein wie möglich gehalten werden. Darüber hinaus kann eine weitere Erhöhung des Füllfaktors und die Verbesserung der Montagefestigkeit zwischen dem Träger und dem Substrat durch den Zusammenschluss der Anschlussflächen erzielt werden.
Der Drain-Anschluss, das Gate und der Source-Anschluss des Transistors und die Erdleitung sowie die Signalleitung erstrecken sich in dem Substrat 1 direkt unterhalb des Lichtempfangsabschnitts 4. Diese Anordnung dient der Erhöhung des Füllfaktors. Der Besetzungs-Prozentsatz der Erd-Verdrahtungsleitung in der Zelle liegt bei über 90%, damit diese beständig gegenüber Störsignalen ist.
Die Verdrahtungsleitung 11 aus der Ti-Legierung wie beispielsweise TiAl6V4 mit der Dicke von 100 nm ist von den Schutz-Isolierfilmen 5, 7 und 9 aus Siliziumnitrid mit der Gesamtdicke von 600 nm und dem anderen Schutz-Isolierfilm 8 umgeben. Die Verdrahtungsleitung 11 gelangt durch die beiden Träger 3. Der Dünnfilm 6 aus Bolometer-Werkstoff in der Membran 4 ist mit dem Ausleseschaltkreis in dem Siliziumsubstrat 1 über die vorstehend genannte Kontakt-Anschlussfläche 13 und dem Verdrahtungsleitungs-Stecker 14 aus Wolfram elektrisch verbunden.
Ein Infrarotstrahl-Reflexionsfilm 15 aus Ti mit der Dicke von 200 nm wird auf der Oberfläche des Si-Substrats 1 mit dem Ausleseschaltkreis ausgebildet. Wenn die Infrarotstrahlen auf die Membran 4 einfallen, wird ein Teil der einfallenden Infrarotstrahlen von den Siliziumnitrid-Dünnfilmen 5, 7 und 9 absorbiert. Der verbleibende Teil der Infrarotstrahlen gelangt durch die Siliziumnitrid-Dünnfilme, wird von dem Infrarotstrahlen-Reflexionsfilm 15 in Richtung zur Membran 4 reflektiert, und wird von den Siliziumnitrid-Dünnfilmen 5, 7 und 9 absorbiert. Die Entfernung zwischen dem Infrarotstrahlen-Reflexionsfilm 15 und dem Siliziumnitrid-Dünnfilm 5 ist auf ungefähr 1,5 μm festgelegt. Dieser Raum 2 wird zunächst mit Polyimid gefüllt, dann jedoch in einem Aschvorgang durch Sauerstoffplasma entfernt.
Die Größe des Bildelements dieser Ausführungsform ist ein Quadrat von 37 μm. Die Länge bzw. Breite eines jeden Siliziumnitrid-Schutz-Isolierfilms 5, 7 und 9 des Trägers 3 beträgt 29 μm bzw. 1,8 μm, und die Gesamtdicke beträgt 0,6 μm. Die Länge, Breite bzw. Dicke der Verdrahtungsleitung 11 aus einer TiAl6V4-Legierung betragen 29 μm, 1 μm bzw. 0,1 μm. In diesem Fall beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Wärme-Isolieraufbaus aus den 8 und 9 0,1 μW/K (siehe Tabelle 2), und ist identisch mit dem besten Wert von 81% von 0,126 im Fall von NiCr in dem herkömmlichen Beispiel. Die Ansprechzeit oder Empfindlichkeit wird um das 1,24-fache verbessert. Darüber hinaus wird durch den baulichen Zusammenschluss der Kontaktanschlussflächen 13 und durch die Verbindung des Lichtempfangsabschnitts 4 mit der Zelle 16 des Auslese-Schaltkreises über die Verdrahtungsleitungs-Stecker 14 und 14a der hohe Füllfaktor von 71% realisiert.
In Tabelle 2 sind die Wärmeleitfähigkeit und die relative Empfindlichkeit gezeigt, wenn eine andere Ti-Legierung als TiAl6V4 als Verdrahtungsleitungs-Werkstoff verwendet wird. Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass die bessere Empfindlichkeit im Vergleich zum herkömmlichen Beispiel bei Verwendung von NiCr erzielt werden kann, wenn die Ti-Legierungen verwendet werden.
In dieser Ausführungsform wird ein Dünnfilm aus Bolometer-Werkstoff VOx verwendet. Es kann jedoch auch ein anderer Werkstoff eingesetzt werden, der einen wirksamen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes aufweist. Auf die selbe Art und Weise wird TiAl6V4 als die Ti-Legierung für den Verdrahtungsleitungs-Werkstoff des Trägers in der Ausführungsform verwendet. Wenn jedoch die andere Ti-Legierung aus Tabelle 3 von 14 verwendet wird, ist die Empfindlichkeit höher als die größte Empfindlichkeit, die in dem herkömmlichen Beispiel bei Verwendung von NiCr erhalten wurde.
In der vorliegenden Erfindung sind die Elektroden des Lichtempfangsabschnitts elektrisch mit dem Drain-Anschluss oder dem Kollekor des Transistors der Zelle 16 des Ausleseschaltkreises verbunden, und über den Verbindungs-Dünnfilm, d. h. ein Dünnfilm 11 aus einem Verdrahtungsleitungs-Werkstoff, einer Kontaktanschlussfläche 13, und einen Verdrahtungsleitungs-Stecker 14a aus Wolfram, mit einer Signalleitung 18.
Ein Gate oder eine Basis 19 des Transistors der Zelle 16 ist eine Verdrahtungsleitung aus Polysilizium, in die Phosporionen diffundiert sind, und die mit einem Schieberegister oder einem Decoder des Ausleseschaltkreises verbunden sind. Ein Source-Anschluss oder Emitter 20 ist mit der Erd-Verdrahtungsleitung GND verbunden, welche einen Großteil der Zelle ausfüllt. Es versteht sich, dass die Anordnung von 3 × 3 ursprünglich in 8 gezeichnet werden sollte, wobei jedoch zur leichteren Betrachtung der Zeichnung nur die Zellen gezeigt sind, die in einer Diagonalbeziehung angeordnet sind.
Durch die Anordnung der Verdrahtungsleitung direkt unter dem Lichtempfangsabschnitt kann auf diese Weise der Füllfaktor im Vergleich zu dem herkömmlichen Beispiel weiter gesteigert werden.
Auf diese Weise werden die Kontakt-Anschlussflächen der Zellen, die diagonal und angrenzend angeordnet sind, elektrisch isoliert und mechanisch zusammengeschlossen. Daher fällt der Spalt zwischen den Anschlussflächen so klein wie möglich aus, so dass der Füllfaktor erhöht wird. Des Weiteren ermöglicht der Zusammenschluss der Anschlussflächen eine Verbesserung der Montagefestigkeit zwischen dem Träger und dem Substrat.
Durch die Annahme des vorstehend genannten Aufbaus können die Detektor-Empfindlichkeitsverbesserung durch die Erhöhung des Füllfaktors und der Wärme-Isolieraufbau, insbesondere die Verbesserung der Montagefestigkeit zwischen dem Träger und dem Si-Substrat, erzielt werden.
In der obigen Beschreibung sind die herkömmlichen Werkstoffe der Verdrahtungsleitung und des Aufbaus und die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs der Verdrahtungsleitung, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, in der Tabelle 1 von 12 gezeigt. Die Berechnungswerte der Wärmeleitfähigkeit des Trägers mit einem spezifischen Wärme-Isolieraufbau, d. h. eine spezifische Größe und die relative Empfindlichkeit des Infrarot-Sensors, sind in der Tabelle 2 von 13 gezeigt. Aus den Tabellen könnte sich eventuell ergeben, dass der in den herkömmlichen Beispielen verwendete Werkstoff der Verdrahtungsleitung nicht optimal ist. Auf der anderen Seite ergibt sich, dass eine Ti-Legierung weitaus besser als jeder beliebige andere in den herkömmlichen Beispielen verwendete Werkstoff ist. Insbesondere TiAl6V4 ist äußerst hervorragend.
Die 10 und 11 zeigen den Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp mit einem Wärme-Isolieraufbau gemäß der zweiten er findungsgemäßen Ausführungsform. In dem Bildelementaufbau des Infrarot-Strahlendetektors vom ferroelektrischen Typ wird eine Membran 4 von zwei Trägern 3 zur Bildung eines Luftspalts 2 zwischen der Membran 4 und der Oberfläche eines Siliziumsubstrats 1 mit einem Ausleseschaltkreis gestützt, wie es in den 10 und 11 gezeigt ist. Die Membran 4 setzt sich aus einer unteren Elektrode 21 als Mehrschichtenfilm zusammen, der sich aus einem Pt-Film mit der Dicke von 300 nm und einem Ti-Legierungsfilm aus beispielsweise TiAl6V4 mit der Dicke von 100 nm zusammensetzt. Ein ferroelektrischer Film 22 aus (Pb,La)(Zr,Ti)O₃ wird auf der unteren Elektrode 21 ausgebildet, und die obere Elektrode 23 aus der Ti-Legierung wie z. B. ein TiAl6V4-Dünnfilm mit der Dicke von 100 nm, wird auf dem ferroelektrischen Film 22 ausgebildet.
Die beiden Träger 3 und die Membran 4 sind von schützenden Isolierfilmen 5, 8 und 9 umgeben, die aus Siliziumnitrid gebildet sind, damit sie die Gesamtdicke von 600 nm aufweisen. Eine Verdrahtungsleitung 12 aus einer Ti-Legierung, wie z. B. ein TiAl6V4-Film mit der Dicke von 100 nm gelangt durch den Träger 3. Die obere Elektrode 23 und die untere Elektrode 21 in der Membran 4 sind mit dem Auslese-Schaltkreis in dem Siliziumsubstrat 1 über Kontakte 26 eines Bankabschnitts 25 und über Verdrahtungsleitungs-Stecker 27 verbunden.
Die Dicke des TiAl6V4-Legierungsfilms der oberen Elektrode 23 wird auf 5 nm eingestellt, wobei diese Dicke einer Vakuum-Impedanz des Schichtwiderstands von 377 Ω entspricht. Auf diese Weise können die auf die Membran 4 einfallenden Infrarotstrahlen wirksam durch die Interferenz der Infrarotstrahlen zwischen der oberen Elektrode 23 und der unteren Elektrode 21 absorbiert werden. Andererseits liegt der Brechungskoeffizient von (Pb,La)(Zr,Ti)O₃ bei den Infrarotstrahlen bei ungefähr 2.4 (Hanson et al. (SPIE Band 3379, 1998, S. 60)). Daher wird die Dicke des ferroelektrischen Dünnfilms zwischen der oberen Elektrode 23 und der unteren Elektrode 21 auf 1 μm (= λ/(4n) (λ = Wellenlänge und 10 μm in diesem Beispiel, und n ist der Brechungskoeffizient des ferroelektrischen Werkstoffs) festgelegt.
Die Größe des Bildelements in der zweiten Ausführungsform ist ein 37 μm-Quadrat. Die Länge, Breite bzw. Dicke aller Schutz-Isolierfilme 5 und 9 aus Siliziumnitrid betragen 29 μm, 1,8 μm bzw. 0,3 μm. Die Siliziumnitrid-Schutz-Isolierfilme 5 und 9 sind auch die Bauteile der Träger 3. Die Länge, Breite bzw. Dicke der Verdrahtungsleitung 12 aus der TiAl6V4-Legierung betragen 29 μm, 1 μm bzw. 0,1 μm. In diesem Fall beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Wärme-Isolieraufbaus von 10 und 11 0,1 μW/K (siehe Tabelle 2). Zudem ist dieser Wert 81% des besten Werts im Falle der Verwendung von NiCr in dem herkömmlichen Beispiel. Somit wird die Ansprechzeit oder Empfindlichkeit um das 1,24-fache verbessert. Darüber hinaus wird wie in der zuvor erwähnten Ausführungsform der hohe Füllfaktor von 71% erzielt.
Die Wärmeleitfähigkeit und die relative Empfindlichkeit, wenn eine andere Ti-Legierung als TiAl6V4 als Werkstoff für die Verdrahtungsleitung verwendet wird, sind in Tabelle 2 gezeigt. Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass eine höhere Empfindlichkeit im Vergleich zum besten Ergebnis im Falle der Verwendung von NiCr in dem herkömmlichen Beispiel dann erzielt wird, wenn diese Ti-Legierungen verwendet werden.
In der zweiten Ausführungsform wird der ferroelektrische Dünnfilm aus (Pb,La)(Zr,Ti)O₃ verwendet. Jedoch kann jeder andere beliebige Werkstoff eingesetzt werden, der den selben wirksamen pyroelektrischen Koeffizienten aufweist. Ähnlich wie der Werkstoff der Verdrahtungsleitung auf dem Träger 3 kann eine bessere Ansprechzeit als die beste Ansprechzeit im Falle der Verwendung von NiCr in dem herkömmlichen Beispiel erzielt werden, indem die andere in der Tabelle 3 aufgelistete Ti-Legierung anstelle von TiAl6V4 verwendet wird.
Die Infrarotstrahlen fallen auf die Membran (den Licht-Empfangsabschnitt) 4 ein und werden vom Schutz-Isolierfilm (siehe 8 und 9) absorbiert. Zudem werden die in Richtung der Membran 4 von dem Reflexionsfilm 15 reflektierten Infrarotstrahlen von dem Schutz-Isolierfilm absorbiert, um die Temperatur der Membran zu verändern. Der Widerstand des Bolometer-Dünnfilms verändert sich durch diese Veränderung, und die Veränderung des Widerstands wird vom Ausleseschaltkreis in die Spannungsänderung umgewandelt. Somit wird ein Infrarotbild erhalten. Auf diese Weise kann die Strahlungsmenge der Infrarotstrahlen in das elektrische Signal umgewandelt werden.
Wenn R_V(bol) eine direkte Spannungs-Ansprechzeit ist, dann ist α ein Temperaturkoeffizient des Widerstandes des Bolometer-Werkstoffs, η ist das Infrarot-Absorptionsvermögen, V_B ist eine Vorspannung, Gth ist eine Wärmeleitfähigkeit des Wärme-Isolieraufbaus, f ist eine Unterbrechungsfrequenz, und _T ist eine Wärme-Zeit-Konstante, wobei die Ansprechzeit R_V(bol) des Infrarot-Sensors vom Wärmetyp, der einen Dünnfilm aus Bolometer-Werkstoff verwendet, in der folgenden Gleichung dargestellt ist:
Auf diese Weise ist die Ansprechempfindlichkeit des Infrarotsensors vom Bolometer-Typ invers proportional zur Wärmeleitfähigkeit. Aus diesem Grund kann die Ansprechzeit des Infrarot-Sensors vom Wärme-Typ durch die Verringerung der Wärmeleitfähigkeit verbessert werden.
Im Falle der Infrarot-Sensoranordnung vom ferroelektrischen Typ (siehe 11) fällt ein Teil der Infrarotstrahlen mit einer spezifischen Wellenlänge auf die Membran 4 ein, die Infrarotstrahlen werden durch ihre gegenseitige Interferenz zwischen der oberen Elektrode 23 und der unteren Elektrode 21 absorbiert. Als Ergebnis verändert sich die Temperatur der Membran. Die elektrische Ladungsmenge an der Oberfläche des ferroelektrischen Dünnfilms verändert sich entsprechend der Temperaturänderung, und die Veränderung der Ladungsmenge wird von dem Ausleseschaltkreis in eine Spannungsänderung umgewandelt. Die Strahlungsmenge der Infrarotstrahlen kann auf diese Art und Weise in das elektrische Signal umgewandelt werden.
Wenn der wirksame pyroelektrische Koeffizient γ ist, die Dicke des ferroelektrischen Dünnfilms d ist, die Dielektrizitätskonstante des Dünnfilms ε ist, das Infrarot-Absorptionsvermögen η ist, und die Wärmeleitfähigkeit des Wärme-Isolieraufbaus Gth ist, dann wird die direkte Spannungs-Ansprechzeit RV0(ferro) des Infrarot-Sensors vom pyroelektrischen Typ, der einen ferroelektrischen Dünnfilm verwendet, durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
Die Ansprechzeit des Infrarot-Strahlendetektors vom pyroelektrischen Typ ist auf diese Weise ebenfalls umgekehrt proportional zur Wärmeleitfähigkeit. Daher kann die Ansprechzeit des Infrarot-Strahlendetektors vom pyroelektrischen Typ durch die Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit verbessert werden.
Im Infrarot-Strahlendetektor vom Wärme-Typ mit dem Wärme-Isolieraufbau der vorliegenden Erfindung wird die Ti-Legierung mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als beim herkömmlichen Beispiel als Werkstoff der Verdrahtungsieitung auf dem Träger verwendet, wodurch die Wärmeleitfähigkeit des Trägers redu ziert wird. Somit kann die Empfindlichkeit des Infrarotdetektors vom Wärme-Typ verbessert werden.
In dem Infrarot-Strahlendetektor vom Wärme-Typ mit dem Wärme-Isolieraufbau der vorliegenden Erfindung werden die Kontaktanschlussfläche eines Bildelements und die Kontaktanschlussfläche eines diagonal zu diesem liegenden anderen Bildelements in dem Aufbau zusammengeschlossen und elektrisch isoliert. Somit wird der Füllfaktor erhöht, um die Empfindlichkeit des Detektors zu verbessern und um die Bindefestigkeit zwischen dem Träger und dem Substrat zu stärken. Zudem kann durch die Verwendung der Ti-Legierung mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als im herkömmlichen Beispiel als Werkstoff der Verdrahtungsleitung auf dem Träger die Wärmeleitfähigkeit des Trägers verringert werden, so dass die Empfindlichkeit des Detektors verbessert werden kann.

Claims

Infrarot-Strahlendetektor vom Wärmetyp mit einem Wärme-Isolieraufbau, der eine Vielzahl von Bildelementen aufweist, wobei jedes Bildelement Folgendes aufweist: einen Schaltkreis, der in einem Substrat für jedes Bildelement ausgebildet ist; einen Licht-Empfangsabschnitt, der Infrarot-Strahlen in eine Veränderung des Widerstands oder eine Veränderung der Ladungsmenge umwandelt, wobei der Schaltkreis ein Spannungssignal aus der Veränderung des Widerstands oder der Veränderung der Ladungsmenge erzeugt; und Träger, die den Licht-Empfangsabschnitt von dem Substrat mechanisch stützen, um einen Spalt zwischen dem Licht-Empfangsabschnitt und dem Substrat zu bilden, und die den Licht-Empfangsabschnitt elektrisch mit dem Schaltkreis verbinden; wobei jeder Träger Folgendes aufweist: einen Verdrahtungsleitungsfilm aus einer Ti-Legierung, welche den Licht-Empfangsabschnitt mit dem Schaltkreis verbindet; und einen Schutz-Isolierfilm, der den Verdrahtungsleitungsfilm umgibt.
Infrarotstrahlen-Detektor vom Wärmetyp nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ti-Legierung TiAl6V4 ist.
Infrarotstrahlen-Detektor vom Wärmetyp nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Licht-Empfangsabschnitt mit dem Schaltkreis über Kontakt-Anschlussflächen verbunden ist, dass die Kontakt-Anschlussfläche für ein erstes aus der Vielzahl von Bildelementen und die Kontakt-Anschlussfläche für ein zweites aus der Vielzahl von Bildelementen, das in diagonaler Richtung zu dem ersten Bildelement angeordnet ist, strukturell verbunden und elektrisch isoliert sind.
Infrarotstrahlen-Detektor vom Wärmetyp nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalleitung zum Weiterleiten des Spannungssignals an den Schaltkreis und eine Erdleitung in dem Substrat ausgebildet sind.
Infrarotstrahlen-Detektor vom Wärmetyp nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er weiter Folgendes aufweist: einen auf dem Substrat ausgebildeten Reflexionsfilm für das perfekte Reflektieren des Infrarotstrahls, der durch den Licht-Empfangsabschnitt hindurch in Richtung zu dem Licht-Empfangsabschnitt gelangt.
Infrarotstrahlen-Detektor vom Wärmetyp nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Licht-Empfangsabschnitt einen Umwandlungsfilm aus einem Bolometer-Materialfilm aufweist.
Infrarotstrahlen-Detektor vom Wärmetyp nach Anspruch 6, der weiter einen schützenden Isolierfilm aufweist, der zur Ab deckung des Bolometer-Materialfilms ausgebildet ist.
Infrarotstrahlen-Detektor vom Wärmetyp nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Licht-Empfangsabschnitt Folgendes aufweist: eine untere Elektrode; einen auf der unteren Elektrode ausgebildeten dünnen Film aus einem ferroelektrischen Material; und eine auf dem dünnen Film aus ferroelektrischem Material ausgebildete obere Elektrode.
Infrarotstrahlen-Detektor vom Wärmetyp nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Licht-Empfangsabschnitt weiter einen Schutzfilm aufweist, der zum Bedecken der oberen Elektrode ausgebildet ist.