JP2000295528A - 熱型赤外線撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】容易、迅速かつ高精度で各画素間の感度補正を
行なうことの出来る熱型赤外線撮像素子を提供する。 【解決手段】加熱手段４１と温度検出手段４０とによっ
て半導体基板１１を所定温度に加熱し、赤外線検知部
（抵抗体１６）を搭載したダイアフラム部１４に設けた
電極３０と半導体基板１１との間に電圧を印加し、静電
力によってダイアフラム部１４を半導体基板１１に接触
させることにより、全画素の赤外線検知部を半導体基板
１１と同じ温度に統一し、このときの各画素の出力電圧
を記憶し、その値に応じて各画素の感度補正を行なう熱
型赤外線撮像素子。従来のような均一温度の物体が必要
ないので感度補正に要する手順が極めて容易で迅速にな
り、かつ各画素の温度を正確に同じ温度にすることが出
来るので、感度補正が高精度で出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、性能補正のための
手段を有する熱型赤外線撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱型赤外線撮像素子は多数の画素（例え
ば数万〜数十万画素程度）を平面上に配列した構造にな
っているが、それらの各画素の感度は、均一性を欠いて
いる。そのため各画素の感度の補正を行なわないで撮像
を行なうと、撮像された画面が実際の被写体と異なって
しまう可能性がある。したがって、熱型赤外線撮像素子
の使用時には、画像の画質向上のため、素子の各画素の
感度補正を行なう必要がある。図３に示した熱型赤外線
撮像素子の平面図によって説明すると、熱型赤外線撮像
素子は、熱吸収層２を有する熱型赤外線センサ１を画素
として、多数の画素がｍ列×ｎ行のアレイ状に配列され
ている。各画素にはスイッチング回路部３が形成されて
おり、ｘアドレス線４とｙアドレス線５を介して、各画
素の信号を外部に読み出すようになっている（外部回路
は図示省略）。

【０００３】従来の熱型赤外線撮像素子においては、図
５に示すように、各画素の出力電圧（画素の状態変化を
電圧信号に変換したものとして説明）は画素毎にアンバ
ランスであるのが常である。このため、素子に外付けで
増幅回路、Ａ／Ｄ変換部、信号補正の記憶部などの信号
処理部を設け、撮影する毎に各画素間のアンバランスを
補正する必要が生じる。この画素間のアンバランスを補
正する方法としては、熱型赤外線撮像素子を赤外線撮像
カメラとして利用する際に、赤外線撮像カメラの前方に
温度が比較的均一な物体を置いて、その時の入射赤外線
エネルギーが均一であると仮定して各画素の出力電圧を
記憶部に記憶させ、そのときの出力値に応じて各画素の
感度を補正する方法がある。一般には室温に近い金属板
や黒色板などを赤外線撮像カメラの前方に設置し、それ
を撮像した際の各画素の出力電圧に応じて感度補正を行
なっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記ごとき補
正方法では、赤外線撮像カメラを使用する度毎に赤外線
撮像カメラの視野に入る大きさで、温度が均一な物体を
準備して補正を行なう必要がある。例えば、実用的に正
確な画像を得るためには、使用中でも１０分間隔程度で
補正をする必要があるので、非常に手間がかかるという
問題があった。また、カメラの前に均一温度の物体を置
く場合に、環境温度によっては、物体の熱容量にもよる
が全面積で均一な温度に保持することが困難である。特
に最近の赤外線カメラの場合には、ＮＥＴＤ（雑音等価
温度差）が０.１℃前後の性能のものも出現しているの
で、それに適応するような正確な均一温度に保持するこ
とは非常に困難となる。また、環境温度よりも高い温度
の物体を用いるときも困難性が増す。

【０００５】本発明は、上記のごとき従来技術の問題を
解決するためになされたものであり、容易、迅速かつ高
精度で各画素間の感度補正を行なうことの出来る熱型赤
外線撮像素子を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明においては、特許請求の範囲に記載するように
構成している。すなわち、請求項１に記載の発明におい
ては、赤外線検知部を搭載したダイアフラムを支持基板
に接触、離反させる手段と、前記支持基板を加熱する加
熱手段と、前記支持基板もしくは前記ダイアフラムの温
度を検出する温度検出手段と、前記ダイアフラムと前記
支持基板とを接触させた際の温度と、そのときの画素の
出力信号とを記憶する記憶手段と、前記記憶手段の記憶
値に基づいて各画素の出力信号を補正する手段と、を備
えるように構成している。なお、上記の温度とは、物体
の温度そのもの（単位は℃でもＫでも可）を示し、温度
差を意味するものではない。また、上記記憶手段と各画
素の出力信号を補正する手段は外付け回路として設けれ
ばよいが、素子上に空き領域があればその部分に形成し
てもよい。

【０００７】上記のように構成したことにより、加熱手
段によって所定温度に加熱された支持基板にダイアフラ
ムを接触させることで全画素を支持基板の温度と同じ所
定温度に統一することが出来るので、そのときの各画素
の出力信号を検出することによって各画素の感度を補正
することが出来る。そして、従来のような均一温度の物
体を準備する必要がないので感度補正に要する手順が極
めて容易で迅速になり、かつ各画素の温度を正確に同じ
温度にすることが出来るので、感度補正を高精度で行な
うことが出来る。また、熱型赤外線撮像素子自体に加熱
手段と温度検出手段とを備えているので、素子自身で温
度設定が可能であり、高精度で温度の設定と検出が出来
るので、精度をより向上させることが出来る。

【０００８】また、請求項２に記載の発明においては、
静電的にダイアフラムと支持基板とを接触させるので、
極めて迅速かつ容易に撮像の準備を行なうことが出来
る。

【０００９】また、請求項３に記載の発明においては、
感度補正を精密に行なうことが出来、特に各画素の温度
特性が直線的でない場合であっても、３点以上の異なっ
た温度における出力を検出することにより、非直線な特
性でも正確な感度補正が可能になる。

【００１０】

【発明の効果】本発明によれば、赤外線撮像素子を構成
する各画素の温度を、容易、迅速かつ正確に基板温度と
同じ所定の温度にすることが出来る。したがって、その
ときの出力信号に応じて各画素の性能の補正を容易に行
なうことができる。また、各画素となる赤外線センサの
温度特性が直線的でない場合でも補正可能である。した
がって、従来のような均一温度の物体を準備することな
く、容易、迅速かつ高精度で、熱型赤外線撮像素子の各
画素の感度補正が可能になるという効果が得られる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１および図２は本発明の熱型赤
外線撮像素子を構成する一つの赤外線センサ（画素）の
実施の形態を示す図であり、図１は平面図、図２は断面
図を示す。また、図３は上記のセンサを用いて形成した
熱型赤外線撮像素子の概略構成を示す平面図である。

【００１２】まず、図１と図２を用いて画素の構造につ
いて説明する。ここでは、センサ（画素）として温度検
出が可能なボロメータ型の赤外線センサについて説明す
る。ボロメータ型赤外線センサは温度変化により、抵抗
体の電気抵抗が変化する特性を利用するものである。図
１および図２において、１１は支持基板となる半導体基
板（例えばシリコン基板）である。１２はダイアフラム
であり、梁部１３に支持されて、半導体基板１１と微小
な空隙２０（例えば数μｍ程度）を隔てて対向してい
る。このダイアフラム１２上に抵抗体１６、層間絶縁膜
１７、層間絶縁層１９、熱吸収層２５、電極３０が形成
され、全体としてダイアフラム部１４を構成している。
このダイアフラム部１４は空隙２０によって半導体基板
１１から熱的に分離されている。また、梁部１３上には
抵抗体１６を外部に接続する配線１５、電極３０を外部
に接続する配線３１が形成され、その上を層間絶縁膜１
７で覆っている。また、半導体基板１１上には温度検出
手段４０と加熱手段４１が設けられている。このような
画素が半導体基板１１上に必要な個数だけアレイ状に形
成されている（図３参照）。なお、図２から判るよう
に、電極３０の上に抵抗体１６が形成され、さらにその
上に熱吸収層２５が形成されており、図１では実際には
熱吸収層２５だけが見えることになるが、説明の都合
上、図示のように抵抗体１６を表示し、電極３０と熱吸
収層２５はほぼ同じ平面に形成されるので、電極３０は
黒破線で、熱吸収層２５は黒太実線で示している。

【００１３】半導体基板１１には、信号処理回路たとえ
ばｘ，ｙアドレス用デコーダやプリアンプなどが形成さ
れていてもよい。この半導体基板１１の空き領域を用い
て温度検出手段４０（例えばボロメータ型またはｐｎ接
合型の温度センサ等）と加熱手段４１（例えば金属膜の
抵抗体等）を形成する。この加熱手段４１は熱型赤外線
撮像素子全体が均一の温度になるように加熱するので全
体にわたって配置することが好ましい。温度検出手段４
０は各画素毎に設けてもよいが、半導体基板１１全体の
温度が均一であれば全体で１個設ければよい。なお、図
では一例として温度検出手段４０の存在する画素を示し
ている。

【００１４】また、電極３０と半導体基板１１との間に
電圧を印加する回路や温度検出とそのときの各画素の出
力信号を記憶するメモリ（詳細後述）等が必要である
が、それらについては図示を省略している。これらの回
路は素子に空き領域が有れば、その部分に形成してもよ
いし、或いは外付け回路にしてもよい。

【００１５】また、図２においては、加熱手段４１を半
導体基板１１内に設けた例を示したが、半導体基板１１
に形成した層間絶縁層１７の上や半導体基板１１の下部
に形成しても構わない。また、温度検出手段４０も素子
内ならば何処に設けても構わない。

【００１６】図３は、図１および図２に示した赤外線セ
ンサ１を用いた熱型赤外線撮像素子の平面図である。赤
外線センサ１（画素）は熱吸収層２（図１、図２の２５
に相当）を有し、多数の画素がｍ列×ｎ行のアレイ状に
配列されている。各画素にはスイッチング回路部３が形
成されており、ｘアドレス線４とｙアドレス線５を介し
て、外部に信号を読み出すようになっている。なお、外
付け回路や出力電圧を補正する回路等は図示省略してい
る。

【００１７】以下、作用について説明する。上記のごと
きボロメータ型赤外線センサでは、入射した赤外線を熱
吸収層２５で吸収し、それによる温度変化に対応して生
じる抵抗体１６の抵抗値の変化を検出（例えば電圧変化
として検出）することにより、入射した赤外線に対応し
た信号を得るものである。

【００１８】本実施の形態においては、温度検出手段４
０で温度を検出しながら加熱手段４１に電流を流して加
熱することにより、半導体基板１１の温度を所定の温度
に保っておき、その状態で、各画素の赤外線検知部が形
成されている熱分離構造のダイアフラム部１４を半導体
基板１１に接触させて熱的に短絡させ、ダイアフラム部
１４に形成されている赤外線検知部（熱吸収層２５、抵
抗体１６）の温度を基板温度と同じにする。なお、ダイ
アフラム部１４の厚さは例えば数μｍ程度と極めて薄
く、その熱容量は非常に小さいので、極めて短時間接触
させれば同じ温度にすることが出来る。このように全て
の画素を同一の温度にすれば、従来、赤外線カメラの前
方に一定温度の物体を置いたときと同じ効果を得ること
が出来る。なお、上記のごとき半導体基板１１の温度制
御は温度検出手段４０の出力をフィードバックして所定
温度に一致させるように加熱手段４１を制御することに
よって達成できる。或いは加熱手段４１を適当に作動さ
せて加熱し、その時の温度を温度検出手段４０で検出す
る方法も可能である。上記のようにダイアフラム部１４
を半導体基板１１に接触させて温度を所定値にした後、
ダイアフラム部１４を半導体基板１１から離反させれ
ば、撮像の準備状態が完了する。

【００１９】次に、上記のようにダイアフラム部１４を
半導体基板１１に接触させたり離反させたりする機能に
ついて説明する。本実施の形態においては、ダイアフラ
ム部１４と半導体基板１１とを静電力で接触させる。す
なわち、ダイアフラム部１４に形成されている電極３０
と半導体基板１１との間に電界を印加する（電圧印加回
路は図示省略）。例えば、半導体基板１１側をアース
に、電極側に正電圧を印加すると、静電力によってダイ
アフラム部１４が引き寄せられ、梁部１３が撓んで、ダ
イアフラム部１４と半導体基板１１が密着する。この
時、半導体基板１１側の温度がダイアフラム部１４側に
伝導し、熱容量の小さいダイアフラム部１４は急速に半
導体基板１１と同じ温度になる。温度検出手段４０でこ
のときの温度を測定する。なお、ダイアフラム部１４の
大きさは１辺が例えば数十〜数百μｍ程度で、空隙２０
は例えば１〜数μｍ程度であるから、低い電圧の印加で
容易に密着させることが出来る。

【００２０】上記の印加電圧を除去すれば、梁部１３の
弾性力でダイアフラム部１４は半導体基板１１から離反
する。なお、ダイアフラム部１４が半導体基板１１から
容易に離れるように、半導体基板１１側に金属層を設け
たり、シリコン窒化膜との密着性の低い材料の層を形成
してもよい。また、これらの層とダイアフラム部１４と
の密着性を緩和するために、それらの層に溝を形成して
もよい。

【００２１】なお、上記の説明は、半導体基板１１が低
抵抗（高不純物濃度）で電極として用いることが可能な
場合の例であるが、半導体基板１１の抵抗値が高い場合
（低不純物濃度）や絶縁材料の支持基板を用いた場合に
は、支持基板上の電極３０と対向する位置（ダイアフラ
ム部１４と空隙２０を隔てて対向する位置）に第２の電
極を設け、電極３０と第２の電極との間に電圧を印加す
るように構成すればよい。

【００２２】次に、上記のような温度制御を用いて各画
素の性能補正（感度較正）を行なう構成（各画素の出力
信号を補正する手段）を説明する。図４は、（ｍ−１，
ｎ−１）番目の画素と（ｍ，ｎ）番目の画素について温
度Ｔ１とＴ２の時の出力信号の概念を示した図である。
なお、ここで云う温度とは物体の温度そのもの（単位は
℃でもＫでも可）を示し、温度差を意味するものではな
い。図３に示すような熱型赤外線撮像素子全体を加熱手
段４１を用いた前記のような方法により、温度Ｔ１に設
定し、各画素のダイアフラム部１４を基板に接触させた
とする。この時は（ｍ−１、ｎ−１）番目の画素と
（ｍ，ｎ）番目の画素の両方が同じ温度Ｔ１になる。こ
の温度Ｔ１における（ｍ−１，ｎ−１）番目の画素の出
力信号Ｖ１と（ｍ，ｎ）番目の画素の出力信号Ｖ１'を
得る。なお、画素自体での温度変化は抵抗体１６の抵抗
値変化であるが、ここではそれを電圧に変換して出力し
たものとして扱う。次に、熱型赤外線撮像素子全体を温
度Ｔ２（例えばＴ２＞Ｔ１）に設定し、各画素のダイア
フラム部１４を基板に接触させ、温度Ｔ２における（ｍ
−１，ｎ−１）番目の画素の出力信号Ｖ２と（ｍ，ｎ）
番目の画素の出力信号Ｖ２'を得る。

【００２３】上記の温度Ｔ１とＴ２の差（Ｔ２−Ｔ１）
をΔＴとし、各画素の出力信号の差（Ｖ２−Ｖ１）をΔ
Ｖ１、（Ｖ２'−Ｖ１'）をΔＶ１'とすれば、（ｍ−
１，ｎ−１）番目の画素では △Ｖ１／△Ｔ＝（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｔ２−Ｔ１） （ｍ，ｎ）番目の画素では △Ｖ１'／△Ｔ＝（Ｖ２'−Ｖ１'）／（Ｔ２−Ｔ１） が温度変化に対する出力信号変化となり、この値をそれ
ぞれの素子についての出力信号の温度変化を示す比例定
数として扱うことが出来る。同様のことを全画素につい
て行い、全画素のこれらのデータを記憶部に保存し、赤
外線カメラを利用する際に各画素の性能補正を実施す
る。

【００２４】以下、各画素の性能補正（較正）の例とし
て、平均値を用いる場合について説明する。前記のよう
にして求めた（ｍ，ｎ）番目の画素の比例定数（前記の
△Ｖ１'／△Ｔに相当）をＡ(ｍ，ｎ）、全画素の比例定
数の平均値をＡとして、（ｍ，ｎ）番目の画素について
の感度補正を考える。温度Ｔ１における（ｍ，ｎ）番目
の画素の出力電圧Ｖ１と全画素の出力電圧の平均値Ｖと
の差は（Ｖ−Ｖ１）となる。或る温度Ｔｘにおける
（ｍ，ｎ）番目の画素の出力電圧をＶｘとすると、補正
値は 〔Ｖｘ＋（Ｖ−Ｖ１）〕×Ａ／Ａ(ｍ，ｎ） となる。他の画素においても同様の補正を行なう。この
ような補正を行なうことにより、平均値を基準として全
画素の性能補正が可能になる。

【００２５】次に、或る画素を基準として性能補正を行
なう場合について説明する。例えば基準画素を（１，
１）番目の画素とし、この（１，１）画素の比例定数を
Ａ０とする。温度Ｔ１における（ｍ，ｎ）番目の画素の
出力電圧Ｖ１と（１，１）画素の出力電圧Ｖ０との差が
（Ｖ０−Ｖ１）となる。或る温度Ｔｘにおける（ｍ，
ｎ）番目の画素の出力電圧をＶｘとすると、補正値は 〔Ｖｘ＋（Ｖ０−Ｖ１）〕×Ａ０／Ａ(ｍ，ｎ） となる。他の画素においても同様の補正を行なう。この
ような補正を行なうことにより、平均値を基準として全
画素の性能補正が可能になる。上記のようにして各画素
の感度の差を解消することが出来る。

【００２６】また、各画素の性能補正については、２点
のデータから比例定数を求め、これによって、データの
補正を行なう方法について述べたが、画素の出力信号と
温度の関係が直線的な関係でない場合には、設定温度を
３点以上にして、各温度での出力信号を計測し、各画素
の温度特性曲線を求め、それに対応した補正を行なえ
ば、高精度の性能補正ができる。また、性能補正を行な
う際の温度Ｔ１、Ｔ２等の設定は、例えば撮像する被写
体の温度に近い値に設定することが望ましい。

【００２７】以上のような補正は、赤外線カメラをとお
して赤外線が入射し、赤外線センサに照射されたとして
も、半導体基板１１を加熱するまでには至らないため、
環境からの影響が無い。さらに、電気的方法を用いて加
熱、温度検出を行なうため、性能補正のための均一温度
物体が不要である。したがって、赤外線カメラの準備を
素速く行なうことができる。

【００２８】次に、図１〜図３に示した素子の製造方法
について説明する。まず、半導体基板１１の上で、空隙
２０となる領域に犠牲層となる酸化膜（例えばＰＳＧ
膜）を形成する。ここで、ＰＳＧの犠牲層の形成方法に
ついて説明する。半導体基板１１に厚さ１μｍ前後のＰ
ＳＧ酸化膜をＣＶＤ法などで形成する。このＰＳＧ酸化
膜は犠牲エッチング層であるため、ポリイミドなどでも
よい。このＰＳＧ酸化膜に格子状の溝（幅１μｍ前後）
をエッチングにより形成する。この上に同じＰＳＧ酸化
膜をＣＶＤ法で形成し、一部を残してエッチング除去す
る。こうして空隙２０となる部分（ダイアフラム部１４
と梁部１３の下部）に犠牲層が形成される。犠牲層とな
る酸化膜は２μｍ位の厚さの単層でもよいが、上記のよ
うに溝を形成した上に再度ＰＳＧ酸化膜を形成する方法
を用いると、各溝に小さなトンネル（空洞もしくは
「す」の入った状態）が形成され、犠牲層のエッチング
時にそのトンネルを通ってエッチング液が浸透するの
で、エッチング速度を速くすることができる。

【００２９】次に、上記犠牲層の上にダイアフラムにな
る膜、例えばシリコン窒化膜をＬＰＣＶＤ法で形成す
る。これが梁部１３とダイアフラム１２の構造材とな
る。ダイアフラム１２の上には電極３０を形成する。電
極３０としては金属膜であればなんでもよいが、ＣＭＯ
Ｓプロセスを考えるとＡ１膜が好ましい。この電極３０
の上に層間絶縁膜１７例えばシリコン酸化物を形成し、
さらに、温度変化に応じて電気抵抗が変化する抵抗体１
６を形成し、必要に応じてパターン化する。この上に層
間絶縁膜１９を形成した後、エッチング穴１８を形成す
る。次に熱吸収層２５を形成する。なお、熱吸収層２５
と層間絶縁層１９の間に熱吸収層２５の密着を高めるた
めに、アモルファスＳｉの層を形成していてもよい。こ
の場合には、熱吸収層２５としては金黒膜が適当であ
る。次に、上記エッチング穴１８からエッチング液を注
入して上記ＰＳＧ酸化膜の犠牲層をエッチング除去する
ことにより、空隙２０を形成してダイアフラム部１４を
分離形成する。

【００３０】なお、これまでの説明は、ボロメータ型の
赤外線センサを画素にする場合について説明してきた
が、ｐｎ接合型の赤外線センサでも同様に構成すること
が出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱型赤外線撮像素子に用いる赤外線セ
ンサ（画素）の一実施の形態を示す平面図。

【図２】本発明の熱型赤外線撮像素子に用いる赤外線セ
ンサ（画素）の一実施の形態を示す断面図。

【図３】本発明の熱型赤外線撮像素子のアレイ構成を示
す平面図。

【図４】二つの画素の出力信号の状態を示す特性図。

【図５】熱型赤外線撮像素子における各画素の出力信号
のバラツキを示す特性図。

【符号の説明】

１…赤外線センサ ２…熱吸収層 ３…スイッチング回路部 ４…ｘアドレ
ス線 ５…ｙアドレス線 １１…半導体基
板 １２…ダイアフラム １３…梁部 １４…ダイアフラム部 １５…配線 １６…抵抗体 １７…層間絶縁
層 １８…エッチング穴 １９…層間絶縁
層 ２０…空隙 ２５…熱吸収層 ３０…電極 ３１…配線 ４０…温度検出手段 ４１…加熱手段

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】支持基板から空隙を隔てて熱分離構造のダ
   イアフラムが形成され、該ダイアフラム上に赤外線検知
   部が形成されている熱型赤外線センサを画素とし、複数
   の画素でアレイを形成した熱型赤外線撮像素子におい
   て、 前記ダイアフラムを前記支持基板に接触、離反させる手
   段と、 前記支持基板を加熱する加熱手段と、 前記支持基板もしくは前記ダイアフラムの温度を検出す
   る温度検出手段と、 前記ダイアフラムと前記支持基板とを接触させた際の温
   度と、そのときの画素の出力信号とを記憶する記憶手段
   と、 前記記憶手段の記憶値に基づいて、各画素の出力信号を
   補正する手段と、 を備えたことを特徴とする熱型赤外線撮像素子。
2. 【請求項２】前記ダイアフラムを前記支持基板に接触、
   離反させる手段は、前記ダイアフラムに形成された電極
   と前記支持基板または支持基板に設けた電極との間に電
   圧を印加することにより、静電力によって前記ダイアフ
   ラムと前記支持基板とを接触させるものであることを特
   徴とする請求項１に記載の熱型赤外線撮像素子。
3. 【請求項３】前記各画素の出力信号を補正する手段は、
   少なくとも二つの異なる温度およびそれぞれの温度にお
   ける出力信号の値に応じて各画素の出力信号を補正する
   ものであることを特徴とする請求項１または請求項２に
   記載の熱型赤外線撮像素子。
4. 【請求項４】前記赤外線検知部はボロメータ型またはｐ
   ｎ接合型の赤外線センサであることを特徴とする請求項
   １乃至請求項３の何れかに記載の熱型赤外線撮像素子。