熱式光檢測器、熱式光檢測裝置及電子設備的製作方法

2023-08-04 14:21:51

專利名稱：熱式光檢測器、熱式光檢測裝置及電子設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及熱式光檢測 器、熱式光檢測裝置及電子設備等。
背景技術：
作為熱式光檢測裝置，已知的有熱電型或測輻射熱計型紅外線檢測裝置。紅外線檢測裝置利用熱電材料的自發極化量隨接收的紅外線光量(溫度)而變化這一現象(熱電效應或熱電子效應)來檢測熱電體兩端是否產生電動勢(極化產生的電荷)(熱電型)，或根據溫度來改變電阻(測輻射熱計型)，從而檢測紅外線。熱電型紅外線檢測裝置與測輻射熱計型紅外線檢測裝置相比，雖然製造工序複雜，但具有檢測靈敏度高的優點。熱式光檢測元件的結構通常不具備冷卻裝置。因此，需要一種將元件容納於氣密包裝中等將元件置於減壓環境下，並將該元件與基板或外周膜(peripheral films)進行熱分離，使接收的光(紅外線等)產生的熱量儘量不向周圍擴散的結構。為了防止熱量向基板逸散以抑制熱式光檢測元件的檢測性能降低，例如在基板和熱式光檢測元件之間設置用於熱分離的空腔部的結構是有效的(例如參見專利文獻1和專利文獻2)。專利文獻1中公開了具有熱分離用空腔部的熱式紅外形陣列傳感器，專利文獻2中公開了具有熱分離用空腔部的熱電型紅外線檢測元件。在先技術文獻專利文獻專利文獻1 日本特開2000-205944號公報專利文獻2 日本特開2002-214038號公報

發明內容
熱式光檢測元件安裝在支撐於基板上的薄膜上。在薄膜與基板之間與熱式光檢測元件相對的區域上形成空腔部。在製造過程中，在基板的空腔部中埋入形成犧牲層，在該犧牲層上形成薄膜，並在薄膜上形成熱式光檢測元件。在該製造過程中，只要犧牲層平坦，薄膜也會具有平坦性，但如果在最終工序中用各向同性蝕刻除去犧牲層，則會出現薄膜發生彎曲的問題。在本發明的幾種實施方式中，提供了能夠抑制支撐熱式檢測元件的部件發生彎曲的熱式光檢測器、熱式光檢測裝置及電子設備。(1)本發明的一個方面涉及的熱式光檢測器具有熱式檢測元件；支撐部件，包括第一面和與上述第一面相對的第二面，上述第一面面向空腔部，上述熱式檢測元件安裝並支撐在上述第二面上；以及固定部，支撐上述支撐部件，其中，上述支撐部件具有第一層部件，配置在上述第二面側，並具有朝向第一方向的殘留應力；以及
第二層部件，在上述第一面側層疊到上述第一層部件上，並具有朝向與上述第一方向相反的第二方向的殘留應力，上述第一層部件的熱導小於上述第二層部件的熱導。 根據本發明的一個方面，由於支撐部件中第一層部件例如產生壓縮殘留應力，第二層部件產生拉伸殘留應力，因此彼此反向的應力作用在相互抵消的方向上，使支撐部件整體的殘留應力減少或消除。從而，能夠抑制支撐部件的彎曲。而且，由異種部件形成的支撐部件中與熱式光檢測元件相接觸的第一層部件的熱導小於第二層部件，從而還能夠降低熱量從熱式檢測元件中逸散。(2)在本發明的一個方面中，上述支撐部件可以還具有第三層部件，上述第三層部件在與上述第二層部件層疊到上述第一層部件的面相反的面處層疊在上述第二層部件上， 上述第三層部件具有朝向上述第一方向的殘留應力。這樣，僅通過兩層部件還不能完全抑制的殘留應力可以通過第三層部件進一步抑制，從而能夠使支撐部件整體的殘留應力進一步減少或消除。(3)在本發明的一個方面中，上述第一層部件和上述第二層部件中的一個可以由氧化膜形成，另一個可以由氮化膜形成。這樣，由於氧化膜和氮化膜的應力方向相反，因此能夠減少使支撐部件發生彎曲的應力。(4)在本發明的一個方面中，上述第一層部件和上述第三層部件可以由相同材料構成。所作用的氮化膜的強殘留應力被兩層氧化膜的反向殘留應力抵消，從而能夠減少使支撐部件發生彎曲的應力。(5)在本發明的一個方面中，上述熱式檢測元件可以包括電容器，上述電容器在第一電極和第二電極之間含有熱電體，並且上述電容器的極化量隨溫度而變化。即定義了本發明的一個方面適用於熱電型光檢測器。(6)在本發明的一個方面中，上述第一層部件和上述第二層部件中的一個可以具有還原氣體阻隔性。在熱電型光檢測器中，電容器的熱電體受還原氣體影響發生氧化缺損時，其特性會劣化。由於構成支撐部件的第一層部件和第二層部件中的一個具有還原氣體阻隔性，因此能夠使用配置在支撐部件內的還原氣體阻隔層對來自支撐部件側的還原性阻礙因素進行阻隔。(7)在本發明的一個方面中，上述熱式光檢測器可以還具有至少覆蓋上述電容器的側面的還原氣體阻隔層，上述第二層部件具有還原氣體阻隔性。在熱電體的燒成工序中等高溫處理時電容器內部可能會產生蒸發氣體，但該蒸發氣體的逸出通道可以由支撐部件的第一層部件確保。(8)在本發明的一個方面中，上述第一電極可以包括控制上述熱電體的取向性的取向控制層以及比上述取向控制層更靠近上述支撐部件一側、用於提高與上述支撐部件的上述第一層部件之間的密合性的密合層。由於取向控制層與基底層之間有凹凸或者空隙時取向控制層的取向控制性會劣化，因此通過設置密合層來確保取向控制性。(9)在本發明的一個方面中，上述支撐部件可以形成在蝕刻停止膜上，上述蝕刻停止膜形成在配置在上述空腔部中的犧牲層上，通過去除上述犧牲層，上述支撐部件在上述第二面側的最外層具有上述蝕刻停止膜。支撐部件的材質相對於犧牲層的材質蝕刻的非選擇性高時，需要使用蝕刻停止膜。該蝕刻停止膜也有助於緩和支撐部件的應力。即，蝕刻停止膜可以兼用為第二層部件或第三層部件，也可以增加為第四層部件。(10)在本發明的一個方面中，上述蝕刻停止膜可以具有還原氣體阻隔性。即，在蝕刻停止膜兼用為支撐部件的第二層部件或第三層部件以緩和應力的情況下，或者在蝕刻停止膜作為第四層部件增加的情況下，該蝕刻停止膜也能發揮還原氣體阻隔性。因此，能夠作為來自電容器的支撐部件側的還原性阻礙因素的阻隔層進行強化或增加。

(11)本發明的另一方面涉及的熱式光檢測裝置由上述熱式光檢測器沿著兩軸方向二維配置而構成。該熱式光檢測裝置由於各個單元的熱式光檢測器的檢測靈敏度提高， 因此能夠提供清晰的光(溫度)分布圖像。(12)本發明的又一方面涉及的電子設備具有上述熱式光檢測器或熱式光檢測裝置，通過將一個單元或多個單元的熱式光檢測器用作傳感器，除了輸出光(溫度)分布圖像的熱成像裝置、車載夜視儀或監控攝像機以外，還適用於對物體的物理信息進行分析(測量)的分析設備(測量設備)、檢測火或發熱的安全設備、設置在工廠等地的FA(Factory Automation，工廠自動化)設備等。


圖1的(A) ⑶是用於說明安裝了本發明的實施方式所涉及的熱式檢測元件的支撐部件發生彎曲及消除該問題的機理的概略說明圖。圖2是本發明的實施方式所涉及的熱電型紅外線檢測裝置的概略俯視圖。圖3是圖2所示的熱電型紅外線檢測裝置的一個單元熱電型檢測器的概略截面圖。圖4是示出形成在犧牲層上的支撐部件及紅外線檢測元件的製造工序的概略截面圖。圖5是強化接線插塞(wiring plug)附近的還原氣體阻隔性的變形例的概略截面圖。圖6是用於說明本發明的實施方式涉及的熱電型紅外線檢測器的電容器構造的概略截面圖。圖7是包括熱式光檢測器或熱式光檢測裝置的電子設備的框圖。圖8的(A)和(B)是二維配置熱電型光檢測器的熱電型光檢測裝置的結構示例圖。
具體實施例方式下面對本發明的優選實施方式進行詳細說明。此外，以下所述的本實施方式並不對權利要求書中記載的技術方案進行不合理的限定，而且並不是本實施方式中所述的所有結構都是本發明的解決手段所必要的。1.熱式紅外線檢測裝置圖2顯示了將多個單元熱電型紅外線檢測器(廣義稱為熱式光檢測器)沿正交的兩軸方向排列的熱電型紅外線檢測裝置(廣義稱為熱式光檢測裝置)，各個單元熱電型紅外線檢測器分別具有如圖I(D)所示消除了後述如圖I(A) 圖I(C)所示發生的彎曲的支撐部件以及安裝在該支撐部件上的熱電型光檢測元件(廣義稱為熱式光檢測元件)。另外， 熱電型紅外線檢測裝置也可以僅由一個單元熱電型紅外線檢測器構成。在圖2中，從基部 (也稱固定部)100豎直設立了多個支柱104，例如由兩根支柱104支撐的一個單元熱電型紅外線檢測器200沿正交的兩軸方向排列。一個單元熱電型紅外線檢測器200所佔的區域例如為 30 μ mX 30 μ m。如圖2所示，熱電型紅外線檢測器200包括與兩根支柱104連接的支撐部件(薄膜)210和紅外線檢測元件(廣義稱為熱式光檢測元件)220。一個單元熱電型紅外線檢測元件220所佔的區域例如為ΙΟμπιΧΙΟμπι。一個單元熱電型紅外線檢測器200除 了與兩根支柱104連接以外不和其他部分接觸，在熱電型紅外線檢測器200的下方形成空腔部102 (參見圖3)，俯視時，熱電型紅外線檢測器200的周圍配置了連通空腔部102的開口部102Α。這樣，一個單元熱電型紅外線檢測器200與基部100及其他單元熱電型紅外線檢測器200熱分離。支撐部件210具有安裝並支撐紅外線檢測元件220的安裝部210Α以及與安裝部 210Α連接的兩根臂210Β，兩根臂210Β的自由端與支柱104連接。兩根臂210Β以寬度窄且冗長的方式延伸形成，以將紅外線檢測元件220熱分離。圖2是省略了與上部電極連接的布線層上方的部件的平面圖，圖2中顯示了與紅外線檢測元件220連接的第一電極(下部電極)布線層222及第二電極(上部電極)布線層224。第一電極布線層222和第二電極布線層224各自沿著臂2IOB延伸，並通過支柱104 與基部100內的電路相連接。第一電極布線層222和第二電極布線層224也以寬度窄且冗長的方式延伸形成，以將紅外線檢測元件220熱分離。2.熱電型紅外線檢測器的概述圖3是圖2所示的熱電型紅外線檢測器200的截面圖。圖4是製造過程中的熱電型紅外線檢測器200的部分截面圖。在圖4中，圖3中的空腔部102通過犧牲層150埋入。 該犧牲層150在支撐部件210及熱電型紅外線檢測元件220的形成工序之前到形成工序後都存在，在熱電型紅外線檢測元件220的形成工序之後通過各向同性蝕刻去除該犧牲層 150。如圖3所示，基部100包括基板(如矽基板)110以及由矽基板110上的層間絕緣膜形成的隔離層120。支柱104通過蝕刻隔離層120而形成。可以在支柱104上配置與第一電極布線層222和第二電極布線層224中的一個相連接的插塞106。該插塞106與設置在矽基板110上的行選擇電路(行驅動器)相連接，或者與通過列線從光檢測器中讀取數據的讀取電路相連接。通過蝕刻隔離層120，空腔部102與支柱104同時形成。通過對支撐部件210進行圖形蝕刻形成圖2所示的開口部102Α。安裝在支撐部件210上的紅外線檢測元件220包括電容器230。電容器230包括熱電體232、與熱電體232的下表面連接的第一電極(下部電極)234以及與熱電體232的上表面連接的第二電極(上部電極)236。第一電極234可以包括用於提高與支撐部件210 的第一層部件(例如SiO2)之間的密合性的密合層234D。電容器230被還原氣體阻隔層240覆蓋，還原氣體阻隔層240用於抑制在電容器230形成後的工序中還原氣體(氫、水蒸氣、OH基、甲基等)侵入電容器230。這是因為電容器230的熱電體(例如PZT等)232是氧化物，氧化物被還原後會發生氧短缺，導致熱電效果受損。 如圖4所示，還原氣體阻隔層240包括第一阻隔層242和第二阻隔層244。第一阻隔層242例如可以通過濺射法使氧化鋁(Al2O3)成膜而形成。由於在濺射法中不使用還原氣體，因此不會還原電容器230。第二阻隔層244例如可以通過原子層化學氣相沉積法 (ALCVD =Atomic Layer Chemical Vapor Deposition)使例如氧化鋁(Al2O3)成膜而形成。 雖然普通的CVD (Chemical Vapor D印osition，化學氣相沉積)法使用還原氣體，但是通過第一阻隔層242可以將電容器230與還原氣體隔離。在此，還原氣體阻隔層240的總膜厚為50 70nm之間，例如為60nm。此時，通過 CVD法形成的第一阻隔層242的膜厚比通過原子層化學氣相沉積法(ALCVD)形成的第二阻隔層244更厚，厚度至少在35 65nm之間，例如40nm。而通過原子層化學氣相沉積法 (ALCVD)形成的第二阻隔層244的膜厚可以較薄，例如使氧化鋁(Al2O3)成膜形成至5nm 30nm之間，例如20nm。原子層化學氣相沉積法(ALCVD)與濺射法等方法相比具有更好的埋入性能，因而能實現微細化，並能夠提高第一阻隔層242和第二阻隔層244的還原氣體阻隔性。此外，通過濺射法成膜的第一阻隔層242與第二阻隔層244相比不夠緻密，這一點發揮效用使熱導率下降，因此能夠防止熱量從電容器230中逸散出去。在還原氣體阻隔層240上形成層間絕緣膜250。一般，層間絕緣膜250的原料氣體 (TEOS)發生化學反應時，會產生氫氣或水蒸氣等還原氣體。設置在電容器230周圍的還原氣體阻隔層240用於保護電容器230不受該層間絕緣膜250的形成過程中產生的還原氣體的影響。在層間絕緣膜250上配置了圖2中也顯示的第一電極(下部電極)布線層222和第二電極(上部電極)布線層224。在形成電極布線前預先在層間絕緣膜250上形成第一接觸孔252和第二接觸孔254。此時，在還原氣體阻隔層240上也同樣形成接觸孔。通過埋入於第一接觸孔252的第一插塞226使第一電極(下部電極)與第一電極布線層222導通。同樣地，通過埋入於第二接觸孔254的第二插塞228使第二電極(上部電極)236與第二電極布線層224導通。在此，如果沒有層間絕緣膜250，則在對第一電極(下部電極)布線層222和第二電極(上部電極)布線層224進行圖形蝕刻時，其下層的還原氣體阻隔層240的第二阻隔層244會被蝕刻，阻隔性將降低。層間絕緣膜250確保了還原氣體阻隔層240的阻隔性，因此是必要的。在此，優選層間絕緣膜250的含氫率較低。因此，通過退火對層間絕緣膜250進行脫氣處理。這樣，層間絕緣膜250的含氫率比覆蓋第一電極布線層222和第二電極布線層 224的鈍化膜260更低。此外，電容器230頂面上的還原氣體阻隔層240由於在層間絕緣膜250形成時沒有接觸孔而封閉，因此在層間絕緣膜250的形成過程中還原氣體不會侵入電容器230。但是，還原氣體阻隔層240上形成了接觸孔後，還原氣體阻隔層240的阻隔性會劣化。作為防止這種情況發生的一個示例，例如如圖4所示，將第一插塞226和第二插塞228做成多層 228A、228B (圖4中僅標示了第二插塞228)，並且其第一層228A採用阻隔金屬層。通過第一層228A的阻隔金屬確保還原氣體阻隔性。第一層228A的阻隔金屬不優選金屬Ti這樣的擴散性高的金屬，可以採用擴散性低且還原氣體阻隔性高的氮化鋁鈦(TiAlN)。此外，作為杜絕還原氣體從接觸孔侵入的方法，如圖5所示，可以增設至少包圍第二插塞228的還原性氣體阻隔層290。該還原性氣體阻隔層290既可以與第二插塞228的阻隔金屬228A並用，也可以排除阻隔金屬228A來使用。此外，還原性氣體阻隔層290也可以覆蓋第一插塞 226。以覆蓋第一電極布線層222和第二電極布線層224的方式設置了 SiO2或SiN的鈍化膜260。至少在電容器230的上方且在鈍化膜260上設置了紅外線吸收體(廣義稱為光吸收部件)270。雖然鈍化膜260也由SiO2或SiN形成，但是出於紅外線吸收體270圖形蝕刻的需要，優選採用與下層的鈍化膜260的蝕刻選擇比(etching selection ratio)大的不同種的材料。紅外線從圖2中的箭頭方向入射到該紅外線吸收體270上，紅外線吸收體270根據吸收的紅外線的量發熱。通過將該熱量傳遞到熱電體232上，電容器230的自發極化量根據熱量發生變化，通過檢測自發極化產生的電荷可以檢測紅外線。此外，紅外線吸收體270不限於與電容器230分開設置，當電容器230內部存在紅外線吸收體270時，無需再設置紅外線吸收體270。即使在通過CVD形成鈍化膜260或紅外線吸 收體270時產生還原氣體，也可以通過還原氣體阻隔層240以及第一插塞226、第二插塞228中的阻隔金屬來保護電容器230。以覆蓋包括該紅外線吸收體270的紅外線檢測器200的外表面的方式設置了還原氣體阻隔層280。為了提高入射至紅外線吸收體270的紅外線(波長範圍為8μπι 14μπι) 的透過率，該還原氣體阻隔層280需要比還原氣體阻隔層240形成得更薄。因此，採用能夠以原子大小級調整膜厚的原子層化學氣相沉積法(ALCVD)。這是因為普通的CVD法形成的膜厚過厚會使紅外線透過率惡化。在本實施方式中，例如將氧化鋁(Al2O3)成膜形成 IOnm 50nm，如20nm的厚度。如上所述，原子層化學氣相沉積法(ALCVD)與濺射法等方法相比由於具有更好的埋入性能，因而能夠實現微細化，能以原子級形成緻密的膜，不僅薄而且能夠提高還原氣體阻隔性。此外，對於基部100側，在限定空腔部102的壁部即限定空腔部102的底壁100A 和側壁104A上形成在製造熱電型紅外線檢測器200的過程中對埋入到空腔部102中的犧牲層150(參照圖4)進行各向同性蝕刻時的蝕刻停止膜130。同樣地，在支撐部件210的下表面(犧牲層150的上表面)也形成蝕刻停止膜140。在本實施方式中，使用與蝕刻停止膜 130、140相同的材料形成還原氣體阻隔膜280。即，蝕刻停止膜130、140也具有還原氣體阻隔性。該蝕刻停止膜130、140也通過原子層化學氣相沉積法(ALCVD)將氧化鋁(Al2O3)成膜至膜厚20nm 50nm而形成。由於蝕刻停止膜130具有還原氣體阻隔性，因此在使用氫氟酸在還原氣氛中對犧牲層150進行各向同性蝕刻時，能夠抑制還原氣體透過支撐部件210侵入到電容器230。此夕卜，由於覆蓋基部100的蝕刻停止膜140具有還原氣體阻隔性，因此能夠抑制基部100內配置的電路的電晶體及布線被還原而劣化。3.支撐部件的結構圖1 (A) 圖1 (D)是用於說明安裝了本發明的實施方式所涉及的熱式檢測元件的支撐部件發生彎曲及消除該問題的機理的概略說明圖。如圖I(A)中所示，在基部100的空腔部102中埋入犧牲層150的狀態下形成支撐部件210使其兩端與基部100接合，然後形成熱電型紅外線檢測元件220。在該狀態下，犧牲層150埋入形成在空腔部102中之後，通過CMP等使其頂面平坦化。因此，只要犧牲層150的頂面被平坦化，支撐部件210也具有平坦性。然後，通過各向同性蝕刻去除犧牲層150。在去除犧牲層150的瞬間，只要支撐部件210中存在殘留應力，支撐部件210就會發生彎曲。在圖1 (B)中，如果支撐部件210中存在壓縮殘留應力CS，彎矩Ml將作用在支撐部件210的兩端。這樣，支撐部件210將產生向下凸的彎曲。另一方面，在圖I(C)中，如果支撐部件210中存在拉伸殘留應力TS，彎矩M2將作用在支撐部件210的兩端。這樣，支撐部件210將產生向上凸的彎曲。 如圖1⑶和(C)所示，支撐部件210受其形成材料中產生的殘留應力的影響將發生向上凸或向下凸的彎曲。雖然如圖I(A)所示存在犧牲層150的製造過程中不會發生彎曲，但在最終工序中支撐部件210將會彎曲。在本實施方式中，對使用單一材料會發生彎曲的支撐部件使用多種不同材料的第一層部件212和第二層部件214層疊形成。即，雖然第一層部件212單體具有例如圖I(B) 中的特性，第二層部件214單體具有例如圖I(C)中的特性，但是通過將這些部件層疊，如圖 KD)所示，可以抑制支撐部件210的彎曲。這是由於第一層部件212中產生的例如壓縮殘留應力CS與第二層部件214中產生的拉伸殘留應力TS在彼此抵消的方向上作用的結果。具體地說，第一層部件212及第二層部件214中的一個可以由氧化膜形成，另一個可以由氮化膜形成。這樣，由於氧化膜和氮化膜的應力方向相反，因此能夠降低使支撐部件 210發生彎曲的應力。而且，通過使由不同種類部件形成的支撐部件210中的與熱電型光檢測元件220相接觸的第一層部件212的熱導比第二層部件214低，能夠減少熱量從熱電型檢測元件220中逸散。在圖4所示的實施方式中，如圖6及圖4所示，安裝了電容器230的支撐部件210 由於在單層情況下會因殘留應力而發生彎曲，因此例如由三層形成，以使拉伸及壓縮殘留應力與發生彎曲的應力相互抵消。從電容器230側開始依次為第一層部件212由氧化膜(例如SiO2)形成，第二層部件214由氮化膜(例如Si3N4)形成，第三層部件216由氧化膜(例如與第一層部件212 相同材料的SiO2)形成。這樣，僅由圖I(D)中所示的兩層部件212、214不能完全抑制的殘留應力可以通過第三層部件216進一步抑制，從而能夠進一步減少或消除支撐部件210整體的殘留應力。特別是，通過上下兩層的氧化膜即第一層部件212和第三層部件216的反向殘留應力對第二層部件214的氮化膜具有的強殘留應力的抵消作用，能夠減少使支撐部件210發生彎曲的應力。此外，由於氮化膜(例如Si3N4)具有還原氣體阻隔性，因此支撐部件210也具有阻隔從支撐部件210側侵入電容器230的熱電體232的還原性阻礙要素的功能。關於這點將在後文描述。4.電容器的結構4. 1 熱導(thermal conductance)圖6是用於說明本實施方式的主要部分的概略截面圖。如上所述，電容器230在第一電極(下部電極)234與第二電極(上部電極)236之間包括熱電體232。該電容器230 安裝並支撐在與支撐部件210面向空腔部102的第一面(圖6中的下表面)相對的第二面 (圖6中的上表面)上。並且，能夠利用熱電體232的自發極化量隨著入射的紅外線的光量 (溫度)變化這一現象(熱電效應或熱電子效應)來檢測紅外線。在本實施方式中，入射的紅外線被紅外線吸收體270吸收後，紅外線吸收體270發熱，通過位於紅外線吸收體270與熱電體232之間的固體熱傳導路徑來傳遞紅外線吸收體270的發熱。在本實施方式中的電容器230中，與支撐部件210相接觸的第一電極(下部電極)234的熱導Gl比第二電極(上部電極)236的熱導G2小。這樣，電容器230能容易地將紅外線引起的熱量通過第二電極(上部電極)236傳遞至熱電體232，並且熱電體232的熱量不易通過第一電極(下部電極)234逸散到支撐部件210中，從而提高了紅外線檢測元件220的信號靈敏度。下面，參考圖6對具有上述特性 的電容器230的結構進一步詳細說明。首先，第一電極(下部電極)234的厚度Tl比第二電極(上部電極)236的厚度T2厚(Tl > T2)。 如果將第一電極(下部電極)234的熱導率設為λ 1，則第一電極(下部電極)234的熱導 Gl為Gl = λΙ/Tl。將第二電極(上部電極)236的熱導率設為λ2時，第二電極(上部電極)236的熱導G2為G2 = λ 2/Τ2。為了使熱導的關係滿足Gl Τ2，所以能夠滿足Gl <G2的關係。因此，首先對第一電極234和第二電極236各自使用同一材料形成的情況進行考察。為了對齊熱電體232的結晶方向，需要使電容器230中熱電體232與形成有熱電體232 的下層第一電極234之間的界面的晶格層級(level)對準(align，整合)。即，第一電極234 具有作為結晶種子層的功能，由於鉬金Pt的自取向性較高，因此優選用作第一電極234。銥 Ir作為種子層的材料也是優選的。此外，對於第二電極(上部電極)236，優選不破壞熱電體232的結晶性地從第一電極234、熱電體232到第二電極236使結晶取向連續相接。因此，第二電極236優選與第一電極234使用同一材料形成。這樣，如果第二電極236與第一電極234使用同一材料例如Pt或Ir等金屬形成， 可以將第二電極236的頂面作為反射面。在此情況下，如圖6所示，可以將紅外線吸收體 270的頂面到第二電極236的頂面的距離L設為λ/4(λ是紅外線的檢測波長)。這樣，檢測波長為λ的紅外線在紅外線吸收體270的頂面與第二電極236的頂面之間被多重反射， 因此紅外線吸收體270能夠有效地吸收檢測波長為λ的紅外線。4. 2電極多層結構下面對圖6所示的本實施方式中的電容器230的結構進行說明。圖6所示的電容器230中，熱電體232、第一電極234及第二電極236的結晶取向的優先取向方位例如以 (111)晶面方位對齊。通過在(111)晶面方位優先取向，相對於其他晶面方位，(111)取向的取向率可以控制在例如90%以上。為了增大熱電係數，相比於(111)取向更優選(100) 取向等，但是為了便於相對外加電場方向來控制極化，採用(111)取向。但優先取向方位不限於此。
第一電極234從支撐部件210開始可以依次包括對第一電極234進行取向控制以將其優先取向於(111)晶面的取向控制層(例如Ir)234A、第一還原氣體阻隔層(例如 IrOx) 234B及優先取向的種子層(例如Pt)234C。 第二電極236從熱電體232側開始可以依次包括結晶取向與熱電體232對準的取向對準層(例如Pt) 236A、第二還原氣體阻隔層(例如IrOx) 236B、以及將第二電極236與連接於第二電極236的第二插塞228的接合面低電阻化的低電阻化層(例如Ir)236C。在本實施方式中，將電容器230的第一電極234和第二電極236形成多層結構是為了形成熱容量小的紅外線檢測元件220同時以不降低其能力且低損害的方式進行加工使界面上的晶格層級對準，並且在製造或使用時即使電容器230的周圍為還原氣氛也能將熱電體(酸化物)232與還原氣體隔離。熱電體232例如將PZT (Pb (Zr，Ti) O3的總稱鋯鈦酸鉛)或PZTN(在PZT中添加 Nb所得物質的總稱)等在例如(111)方位優先取向並進行結晶成長。如果使用pztnjph 為薄膜也不易被還原從而能夠抑制氧化缺損，因而優選。為了使熱電體232取向結晶化，從熱電體232下層的第一電極234的形成階段開始進行取向結晶化。為此，通過濺射法在下部電極234中形成用作取向控制層的Ir層234A。此外，如圖6所示，可以在取向控制層234A的下方形成作為密合層234D的例如氮化鋁鈦(TiAlN) 層或氮化鈦(TiN)層。這是因為根據支撐部件210的材質有時難以確保密合性。此外，使用SiO2形成位於密合層234D下層的支撐部件210的第一層部件212時，第一層部件212優選使用顆粒比多晶矽更小的材料或者非晶材料形成。這是因為這樣支撐部件210能夠確保安裝電容器230的表面的平坦性。如果取向控制層234A的形成面為粗糙面，在結晶成長中粗糙面的凹凸會反映出來，因而不優選。為了將熱電體232與電容器230下方的還原性阻礙因素隔離，第一電極234中用作還原氣體阻隔層的IrOx層234B可以與具有還原氣體阻隔性的支撐部件210的第二層部件(例如Si3N4)以及支撐部件210的蝕刻停止膜(例如Al2O3) 140同時使用。例如在熱電體(陶瓷)232的燒成時或其他退火工序中從基部100脫離的氣體以及犧牲層150的各向同性蝕刻工序中使用的還原氣體成為還原性阻礙因素。此外，雖然在熱電體232的燒成工序中等高溫處理時電容器230內部可能會產生蒸發氣體，但該蒸發氣體的逸散通道可以由支撐部件210的第一層部件212確保。即，為了放掉電容器230內部產生的蒸發氣體，優選使第一層部件212不具備氣體阻隔性，使第二層部件214具備氣體阻隔性。此外，IrOx層234B雖然其自身的結晶性較低，但由於其與Ir層234A為金屬與金屬氧化物的關係，兼容性較好，因此能夠具有與Ir層234A相同的優先取向方位。在第一電極234中用作種子層的Pt層234C成為熱電體232的優先取向種子層，具有(111)取向。在本實施方式中，Pt層234C具有兩層結構。以第一層的Pt層作為(111) 取向的基礎，在第二層的Pt層表面形成微粗糙度，從而Pt層234C用作熱電體232的優先取向種子層。熱電體232可以依照種子層234C進行(111)取向。在第二電極236中，由於通過濺射法成膜會使界面存在物理上的粗糙，產生凹陷點(trap site)從而可能導致性能劣化，因此進行晶格級別對準的重建，以使第一電極 234、熱電體232及第二電極236的結晶取向連續相接。
第二電極236中的Pt層236A通過濺射法形成，但剛剛濺射後界面的結晶方向將變得不連續。因此，其後進行退火處理使Pt層236A再結晶。S卩，Pt層236A用作結晶取向與熱電體232對準的取向對準層(orientation alignment layer)。第二電極236中的IrOx層236B用作電容器230上方的還原性劣化因素的阻隔層。 此外，由於IrOx層236B的電阻值較大，因此第二電極236中的Ir層236C用於降低第二電極236與第二插塞228之間的電阻值。Ir層236C與IrOx層236B是金屬氧化物與金屬的關系所以兼容性很好，能夠具有與IrOx層236B相同的優先取向方位。這樣，在本實施方式中，第一電極234和第二電極236從熱電體232側開始依次按照Pt、IrOx, Ir多層配置，其形成材料以熱電體232為中心對稱配置。但是，形成第一電極234和第二電極236的多層結構的各層的厚度並不以熱電體 232為中心對稱。首先，第一電極234的總厚度Tl與第二電極236的總厚度T2如上所述滿足Tl > T2的關係。在此，第一電極234的Ir層 234A、Ir0x層234B、Pt層234C各自的熱導率以λ 、λ 2、人3表示，各自的厚度以111、112、113表示。第二電極的Ir層236C、 IrOx層236B、Pt層236Α各自的熱導率與第一電極232同樣以λ 1、λ 2、λ 3表示，其各自的厚度以Τ21、Τ22、Τ23表示。此外，第一電極234的Ir層234Α、IrOx層234Β、Pt層234C各自的熱導以G11、 G12、G13 表示，則 Gll = λ 1/T11,G12 = λ 2/T12,G13 = λ 3/C13。第二電極 236 的 Ir 層 236C、Ir0x 層 236B.Pt 層 236A 各自的熱導以 G21、G22、G23 表示，貝丨J G21 = λ 1/T21,G22 = λ2/Τ22, G13 = λ3/Τ23。由於第一電極234的總熱導Gl由1/G1 = (1/G11) + (1/G12) + (1/G13)表示，因此Gl = (G11+G12+G13)/(G11XG12+G12XG13+G11XG13) · · · (1)同樣，第二電極236的總熱導G2由1/G2 = (1/G21) + (1/G22) + (1/G23)表示，因此G2 = (G21+G22+G23)/(G21XG22+G22XG23+G21XG23) ...⑵。其次，形成第一電極234和第二電極236的多層結構的各層的厚度在滿足 T11+T12+T13 = Tl > T2 = T21+T22+T23的條件下大致具有下面的關係。Ir 層 234A、236C Tll T21 = 1 0. 7IrOx 層 234B、236B T12 T22 = 0. 3 1Pt 層 234C、236A T13 T23 = 3 1膜厚具有上述關係的原因如下。首先，就Ir層234A、236C而言，由於第一電極234 中的Ir層234A用作取向控制層，因此對於具有取向性，需要規定的膜厚，而第二電極236C 的Ir層的目的在於低電阻化，越薄越能實現低電阻化。其次，就IrOx層234B、236B而言，對電容器230下方及上方的還原性阻礙因素的阻隔性與其他的阻隔膜(第二層部件214、還原性氣體阻隔層240、蝕刻停止膜兼還原性氣體阻隔層140、280)並用，並且第一電極234的IrOx層234B較薄，第二電極236的IrOx層 236B較厚以防第二插塞228的阻隔性低。最後，就Pt層234C、236A而言，第一電極234中的Pt層234C由於用作確定熱電體232的優先取向的種子層，因此需要規定的膜厚，而由於第二電極236的Pt層236A的目的是用作取向與熱電體232的取向對準的取向對準層，因此可以比第一電極234中的Pt層 234C更薄地形成。
此外，第一電極234的Ir層234A、IrOx層234B、Pt層234C的厚度比例如為 Tll T12 T13 = 10 3 15，第二電極 236 的 Ir 層 236C、Ir0x 層 236B、Pt 層 236A 的厚度比例如為 T21 T22 T23 = 7 10 5。在此，Pt的熱導率 A3 = 71.6(ff/m. K), Ir 的熱導率 λ 1 = 147 (W/m. K)，約為 Pt 的熱導率λ 3的兩倍。IrOx的熱導率λ 2隨著熱度或氧元素與金屬之比(0/Μ)而發生變化，但是不會超過Ir的熱導率λ 1。將上述膜厚關係以及熱導率的關係代入式(1)、(2)中， 求出G1、G2的大小關係，可知Gl < G2成立。這樣，即使如本實施方式所述將第一電極234 和第二電極236形成多層結構，也可以由熱導率和膜厚的關係滿足Gl < G2。此外，如上所述，在第一電極234與支撐部件210的接合面上具有密合層234D的情況下，由於第一電極234的熱導Gl變得更小，因而更容易滿足Gl < G2的關係。此外，由於電容器230的蝕刻掩模隨著蝕刻的進行而劣化，因此越是多層結構，電容器230的側壁越會變成如圖6所示的上窄下寬的錐形。但是，由於相對於水平面的錐角為80度左右，因此考慮到電容器230的總高度 為納米級，第一電極234相對第二電極236的面積擴大較小。因此，從第一電極234與第二電極236的熱導關係可以使第一電極234的熱傳遞量比第二電極236的熱傳遞量小。4. 3電容器結構的變形例如上所述，分別對電容器230的第一電極234和第二電極236的單層結構及多層結構進行了說明，但是在維持電容器230的功能的同時，可以考慮使熱導的關係滿足Gl < G2的其他各種組合。首先，可以去掉第二電極236的Ir層236C。這是因為這種情況下只要第二插塞 228的材料使用例如Ir，同樣可以達到低電阻化的目的。這樣，由於第二電極236的熱導G2 比圖6中的情況更大，因此更容易滿足Gl < G2的關係。此外，在這種情況下，圖6所示限定為L = λ /4的反射面由第二電極236的Pt層236Α代替，同樣能夠確保多重反射面。其次，圖6的第二電極236中的IrOx層236Β的厚度可以在第一電極234中的IrOx 層234Β的厚度以下。如上所述，由於對電容器230下方及上方的還原性阻礙因素的阻隔性並用其他的阻隔膜(第二層部件214、還原性氣體阻隔層240、蝕刻停止膜兼還原性氣體阻隔層140、280)，因此只要如圖5所示提高第二插塞228的還原氣體阻隔性，第二電極236中的IrOx層236Β的厚度就無需比第一電極234中的IrOx層234Β厚。這樣，第二電極236 的熱導G2變得更大，更容易滿足Gl <G2的關係。其次，可以去除圖6中的第一電極234中的IrOx層234B。即使去除IrOx層234B， 也不會妨礙Ir層234A與Pt層234C的結晶連續性，因此在結晶取向方面不會有任何問題。 通過去除IrOx層234B，電容器230將不具有對其下方的還原性阻礙因素的阻隔膜。但是， 只要支撐電容器230的支撐部件210中存在第二層部件214，支撐部件210的底面上存在蝕刻停止膜140，並且第二層部件214及蝕刻停止膜140由具有還原氣體阻隔性的膜形成，電容器230就能夠確保對其下方的還原性阻礙因素的阻隔性。在此，如果去除第一電極234中的IrOx層234B，第一電極234的熱導Gl將變大。 因此，為了使Gl T21)，就可以容易地使Gl < G2的關係成立。5.電子設備 圖7顯示了包括本實施方式的熱式光檢測器或熱式光檢測裝置的電子設備的結構例。該電子設備包括光學系統400、傳感器裝置(熱式光檢測裝置)410、圖像處理部420、 處理部430、存儲部440、操作部450以及顯示部460。此外，本實施方式的電子設備不限於圖7中的結構，可以省略其中一部分結構要素(例如光學系統、操作部、顯示部等)或增加其他結構要素等進行各種變形。光學系統400例如包括一個或多個透鏡以及驅動這些透鏡的驅動部等。光學系統 400進行將物體圖像成像在傳感器裝置410上等的處理。而且如有必要還可以進行焦距調整等。傳感器裝置410由上述本實施方式的熱式光檢測器200 二維排列構成，設置有多條行線(字線、掃描線)和多條列線(數據線)。除了二維排列的光檢測器，傳感器裝置410 還可以包括行選擇電路(行驅動器)、通過列線從光檢測器中讀取數據的讀取電路以及A/ D轉換部等。通過從二維排列的各光檢測器中依次讀出數據，能夠對物體圖像進行攝像處理。圖像處理部420基於來自傳感器裝置410的數字圖像數據(像素數據)進行圖像校正處理等各種圖像處理。處理部430對電子設備整體進行控制，或控制電子設備內的各個模塊。該處理部 430例如通過CPU等實現。存儲部440用於存儲各種信息，例如用作處理部430或者圖像處理部420的工作區。操作部450為用於使用戶操作電子設備的接口，例如通過各種按鈕或 ⑶I (Graphical User Interface,圖形用戶界面)畫面等實現。顯示部460用於顯示例如傳感器裝置410獲取的圖像或GUI界面等，可以通過液晶顯示器或有機EL顯示器等各種顯示器實現。這樣，除了將1單元(cell)熱式光檢測器用作紅外線傳感器等傳感器，還可以通過將1單元熱式光檢測器沿正交的兩軸方向進行二維配置來構成傳感器裝置410，這樣能夠提供熱(光)分布圖像。使用該傳感器裝置410可以構成熱成像裝置、車載夜視儀或監控攝像機等電子設備。當然，通過使用一單元或多單元的熱式光檢測器作為傳感器，還可以構成對物體的物理信息進行分析(測量)的分析設備(測量設備)、檢測火或發熱的安全設備以及設置在工廠等地的FA(Factory Automation，工廠自動化)設備等各種電子設備。圖8(A)顯示了圖7中的傳感器裝置410的結構例。該傳感器裝置包括傳感器陣列500、行選擇電路(行驅動器)510以及讀取電路520。還可以包括A/D轉換部530和控制電路550。通過使用該傳感器裝置，能夠實現例如夜視設備等中使用的紅外攝像機等。
在傳感器陣列500中，例如圖2所示在兩軸方向上排列(配置)了多個傳感器單元。還設置有多條行線(字線、掃描線)和多條列線(數據線)。此外，行線及列線中一者的條數可以為一條。例如在行線為一條的情況下，在圖8(A)中在沿著行線的方向(橫向) 上排列多個傳感器單元。而在列線為一條的情況下，在沿著列線的方向(縱向)上排列多個傳感器單元。如圖8(B)所示，傳感器陣列500中的各傳感器單元配置(形成)在各行線與各列線的交叉位置所對應的地方。例如圖8(B)中的傳感器單元配置在行線WLl與列線DLl的交叉位置所對應的地方。其他的傳感器單元也同樣如此。行選擇電路510與一條或多條行線連接。並進行對各行線的選擇操作。例如以圖8(B)中的QVGA(320X240像素)的傳感器陣列500(焦平面陣列)為例，進行依次選擇(掃描)行線WL0、WL1、WL2……WL239的操作。也就是說，將選擇這些行線的信號(字選擇信號)輸出至傳感器陣列500。 讀取電路520與一條或多條列線相連接。並進行對各列線的讀取操作。以QVGA 的傳感器陣列500為例，進行從列線DLO、DLU DL2….DL319中讀取檢測信號(檢測電流、 檢測電荷)的操作。A/D轉換部530進行將讀取電路520獲取的檢測電壓(測定電壓、達到的電壓)A/ D轉換成數字數據的處理。然後輸出A/D轉換後的數字數據D0UT。具體來說，A/D轉換部 530中對應多條列線中的各條列線設置了 A/D轉換器。並且，各A/D轉換器對讀取電路520 在相應列線中獲取的檢測電壓進行A/D轉換處理。此外，也可以對應多條列線設置一個A/ D轉換器，使用該A/D轉換器對多條列線的檢測電壓進行時分A/D轉換。控制電路550 (定時生成電路)生成各種控制信號，並將該控制信號輸出至行選擇電路510、讀取電路520和A/D轉換部530。例如生成並輸出充電或放電(復位)的控制信號。或者，生成並輸出控制各個電路的定時的信號。以上對本發明的幾個實施方式進行了說明，但本領域技術人員應能容易理解在實質不脫離本發明的新內容及效果的範圍內可以進行多種變形。因此，這樣的變形例均包含在本發明的範圍之內。例如，在說明書或附圖中至少一次與更廣義或同義的不同術語同時記載的術語在說明書或附圖中的任何位置都可以被替換為該不同術語。根據本發明的至少一個實施方式，例如能夠減少支撐熱式光檢測元件的支撐部件的彎曲。由於能夠發揮這個效果，本發明能夠廣泛適用於各種熱式光檢測器(例如熱電偶元件(熱電堆)、熱電元件、測輻射熱計等)。所檢測的光的波長不限。符號說明100基部(固定部)；102空腔部130、140還原氣體阻隔層(蝕刻停止膜)；200熱式光檢測器210支撐部件；220紅外線檢測元件222、224第一、第二電極布線層；226、228第一、第二插塞；228A 阻隔金屬；230電容器232熱電體；234第一電極；234A取向控制層234B第一還原氣體阻隔層；234C種子層；234D密合層236第二電極；236A取向匹配層；236B第二還原氣體阻隔層236C低電阻化層；240還原氣體阻隔層；250層間絕緣膜
260鈍化膜；270光吸收部件(紅外線吸收體)

280還原氣體阻隔層(蝕刻停止膜)；290還原氣體阻隔層。
權利要求
1.一種熱式光檢測器，其特徵在於，具有 熱式檢測元件；支撐部件，包括第一面和與所述第一面相對的第二面，所述第一面面向空腔部，所述熱式檢測元件安裝並支撐在所述第二面上；以及固定部，支撐所述支撐部件， 其中，所述支撐部件具有第一層部件，配置在所述第二面側，並具有朝向第一方向的殘留應力；以及第二層部件，在所述第一面側層疊到所述第一層部件上，並具有朝向與所述第一方向相反的第二方向的殘留應力，所述第一層部件的熱導小於所述第二層部件的熱導。
2.根據權利要求1所述的熱式光檢測器，其特徵在於，所述支撐部件還具有第三層部件，所述第三層部件在與所述第二層部件層疊到所述第一層部件的面相反的面處層疊在所述第二層部件上，所述第三層部件具有朝向所述第一方向的殘留應力。
3.根據權利要求1或2所述的熱式光檢測器，其特徵在於，所述第一層部件和所述第二層部件中的一個由氧化膜形成，另一個由氮化膜形成。
4.根據權利要求3所述的熱式光檢測器，其特徵在於， 所述第一層部件和所述第三層部件由相同材料構成。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的熱式光檢測器，其特徵在於，所述熱式檢測元件包括電容器，所述電容器在第一電極和第二電極之間含有熱電體， 並且所述電容器的極化量隨溫度而變化。
6.根據權利要求5所述的熱式光檢測器，其特徵在於，所述第一層部件和所述第二層部件中的一個具有還原氣體阻隔性。
7.根據權利要求5所述的熱式光檢測器，其特徵在於，所述熱式光檢測器還具有至少覆蓋所述電容器的側面的還原氣體阻隔層， 所述第二層部件具有還原氣體阻隔性。
8.根據權利要求6所述的熱式光檢測器，其特徵在於， 所述第一電極包括控制所述熱電體的取向性的取向控制層；以及比所述取向控制層更靠近所述支撐部件一側、用於提高與所述支撐部件的所述第一層部件之間的密合性的密合層。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的熱式光檢測器，其特徵在於，所述支撐部件形成在蝕刻停止膜上，所述蝕刻停止膜形成在配置在所述空腔部中的犧牲層上，通過去除所述犧牲層，所述支撐部件在所述第二面側的最外層具有所述蝕刻停止膜。
10.根據權利要求9所述的熱式光檢測器，其特徵在於， 所述蝕刻停止膜具有還原氣體阻隔性。
11.一種熱式光檢測裝置，其特徵在於，沿正交的兩軸方向二維配置權利要求1至10中任一項所述的熱式光檢測器。
12.一種電子設備，其特徵在於，具有權利要求1至10中任一項所述的熱式光檢測器。
13.一種電子設備，其特徵在於，具有權利要求11所述的熱式光檢測裝置。
全文摘要
本發明提供了一種熱式光檢測器、熱式光檢測裝置及電子設備。熱式光檢測器具有熱式檢測元件；支撐部件，熱式檢測元件安裝並支撐在支撐部件的與面向空腔部的第一面相對的第二面上；以及固定部，支撐該支撐部件。支撐部件具有第一層部件，配置在第二面側，並具有朝向第一方向的殘留應力；以及第二層部件，在第一面側層疊到第一層部件上，並具有朝向與第一方向相反的第二方向的殘留應力。第一層部件的熱導小於第二層部件的熱導。
文檔編號G01J5/10GK102221411SQ201110074618
公開日2011年10月19日 申請日期2011年3月25日 優先權日2010年3月26日
發明者瀧澤順, 野田貴史 申請人:精工愛普生株式會社