JPH0629781B2 - 焦電型赤外線撮像素子 - Google Patents
焦電型赤外線撮像素子Info
- Publication number
- JPH0629781B2 JPH0629781B2 JP63216514A JP21651488A JPH0629781B2 JP H0629781 B2 JPH0629781 B2 JP H0629781B2 JP 63216514 A JP63216514 A JP 63216514A JP 21651488 A JP21651488 A JP 21651488A JP H0629781 B2 JPH0629781 B2 JP H0629781B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pyroelectric
- thin film
- imaging device
- infrared imaging
- pyroelectric infrared
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/34—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using capacitors, e.g. pyroelectric capacitors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は焦電薄膜を用いた焦電型赤外線撮像素子に関す
るものである。
るものである。
従来の技術 物体の温度分布を非接触で測定する赤外線撮像装置に
は、赤外線を光量子として検出する量子型検出器、ある
いは熱として吸収して素子の温度変化を電気信号に変換
する熱型検出器が採用される。前者は応答速度が速く高
感度であるが、液体窒素温度への冷却を必要とし、感度
の波長依存が大きい。後者は応答は遅いが、常温動作が
可能で長波長での感度が高いという特長を有し、家庭
用、一般民需用として期待されている。
は、赤外線を光量子として検出する量子型検出器、ある
いは熱として吸収して素子の温度変化を電気信号に変換
する熱型検出器が採用される。前者は応答速度が速く高
感度であるが、液体窒素温度への冷却を必要とし、感度
の波長依存が大きい。後者は応答は遅いが、常温動作が
可能で長波長での感度が高いという特長を有し、家庭
用、一般民需用として期待されている。
現在、実用化されている赤外線撮像装置には、ポイント
あるいは少数の素子よりなるリニアアレイ型の検出器と
光学系の機械的走査とを組合せたものが多く用いられて
いる。最近になり、検出部としてシヨツトキー障壁を形
成し、電荷結合素子（ＣＣＤ）により電子走査する二次
元赤外線撮像装置が実用化された。一方、熱型検出器を
用いた赤外線撮像装置には、真空管タイプの焦電ビジコ
ンが既に実用化されている。焦電型赤外線検出器とＣＣ
Ｄとを一体化した固体化焦電ＣＣＤは研究開発中であ
り、赤外線物理(Infrared Phys).22,259(1982)等に焦電
素子とＣＣＤをＩｎバンプで結合する方式が提案されて
いる。
あるいは少数の素子よりなるリニアアレイ型の検出器と
光学系の機械的走査とを組合せたものが多く用いられて
いる。最近になり、検出部としてシヨツトキー障壁を形
成し、電荷結合素子（ＣＣＤ）により電子走査する二次
元赤外線撮像装置が実用化された。一方、熱型検出器を
用いた赤外線撮像装置には、真空管タイプの焦電ビジコ
ンが既に実用化されている。焦電型赤外線検出器とＣＣ
Ｄとを一体化した固体化焦電ＣＣＤは研究開発中であ
り、赤外線物理(Infrared Phys).22,259(1982)等に焦電
素子とＣＣＤをＩｎバンプで結合する方式が提案されて
いる。
焦電型赤外線撮像装置に使用されている材料にはＴＧＳ
系・ＬiＴaＯ3系等の単結晶、ＰbＴiＯ3系・ＰbＺrxＴi
1-xO3系のセラミクス、ＰＶＦ２系等の有機膜等があ
る。焦電材料の性能指数であるＦv(＝γ／(εCv))及び
Ｆm(＝γ／(Cv(εdtanδ)1/2))は一般に無機系では高
く、有機系材料では低い。ここでγは焦電係数、εは誘
電率、Cvは堆積比熱、dは厚さである。焦電素子そのも
のの熱容量を下げ応答性を速くするとともに感度を上げ
るために焦電材料を薄くする必要がある。特に、高密度
の一次元、二次元検出器には、性能指数の高い焦電薄膜
材料が要望されている。
系・ＬiＴaＯ3系等の単結晶、ＰbＴiＯ3系・ＰbＺrxＴi
1-xO3系のセラミクス、ＰＶＦ２系等の有機膜等があ
る。焦電材料の性能指数であるＦv(＝γ／(εCv))及び
Ｆm(＝γ／(Cv(εdtanδ)1/2))は一般に無機系では高
く、有機系材料では低い。ここでγは焦電係数、εは誘
電率、Cvは堆積比熱、dは厚さである。焦電素子そのも
のの熱容量を下げ応答性を速くするとともに感度を上げ
るために焦電材料を薄くする必要がある。特に、高密度
の一次元、二次元検出器には、性能指数の高い焦電薄膜
材料が要望されている。
また、焦電材料は自発分極Ｐsの変化を出力として取り
出すため、Ｐsが一方向に揃っているとき、最大出力が
得られる。そこで、焦電材料には高電界を印加してＰs
の向きを揃える分極処理が必要である。しかしながら、
ｒｆマクネトロンスパッタリング法により作製したｃ軸
配向ＰbＴiＯ3系薄膜は、分極処理をしなくとも、ＰbＴ
iＯ3セラミクスの約３倍のＦvを示す高感度焦電材料を
実現できることが、第30回応用物理学関係連合講演予稿
集7P-z-2に報告されている。
出すため、Ｐsが一方向に揃っているとき、最大出力が
得られる。そこで、焦電材料には高電界を印加してＰs
の向きを揃える分極処理が必要である。しかしながら、
ｒｆマクネトロンスパッタリング法により作製したｃ軸
配向ＰbＴiＯ3系薄膜は、分極処理をしなくとも、ＰbＴ
iＯ3セラミクスの約３倍のＦvを示す高感度焦電材料を
実現できることが、第30回応用物理学関係連合講演予稿
集7P-z-2に報告されている。
発明が解決しようとする課題 そこで、感度、検出能、空間分解能、応答性をよくする
ために、赤外線撮像装置に用いる焦電材料の厚さを薄く
することが重要となる。そのための研磨工程が必要とな
り、焦電材料の割れ防止に対する管理をしなければなら
ない。また、単結晶、セラミクスの薄膜化には限界があ
り、厚さを薄くして検出能：Ｄ‡を向上することは限度
がある。薄くなると、膜厚の制御も困難で感度バラツキ
の原因となった。
ために、赤外線撮像装置に用いる焦電材料の厚さを薄く
することが重要となる。そのための研磨工程が必要とな
り、焦電材料の割れ防止に対する管理をしなければなら
ない。また、単結晶、セラミクスの薄膜化には限界があ
り、厚さを薄くして検出能：Ｄ‡を向上することは限度
がある。薄くなると、膜厚の制御も困難で感度バラツキ
の原因となった。
さらに、焦電材料に分極処理を施すとき、絶縁破壊が生
じたり、高密度に配列している高分解能アレイ素子で
は、それらを均一に分極することが困難であるという問
題が発生した。したがって、高感度で感度バラツキの小
さい焦電型ＣＣＤは、未だ開発されていない。
じたり、高密度に配列している高分解能アレイ素子で
は、それらを均一に分極することが困難であるという問
題が発生した。したがって、高感度で感度バラツキの小
さい焦電型ＣＣＤは、未だ開発されていない。
一方、高性能指数を示す焦電薄膜とＣＣＤをバンプなど
により接合する場合、焦電薄膜に機械的強度も要求さ
れ、焦電薄膜の割れ・破壊が生じた。また、ＣＣＤとセ
ンサ部の熱膨張下による接触不良やクラックが生じた。
により接合する場合、焦電薄膜に機械的強度も要求さ
れ、焦電薄膜の割れ・破壊が生じた。また、ＣＣＤとセ
ンサ部の熱膨張下による接触不良やクラックが生じた。
本発明は、従来技術のこのような課題を解決した焦電型
赤外線撮像素子を提供することを目的とする。
赤外線撮像素子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 本発明は、基板上に形成された化学式が、(PbxLay)(Tiz
Zrw)O3で表わされる焦電薄膜と、前記焦電薄膜上に二次
元に配列された電極薄膜群と、前記電極薄膜群上に電荷
転送素子の各エレメントの入力ダイオードに接続される
ように設けられた金属バンプと、前記焦電薄膜と前記電
荷転送素子との間に充填した樹脂とを有し、前記電荷転
送素子に前記焦電薄膜が固着した構成とする。また、前
記焦電薄膜は＜００１＞方向あるいは＜１１１＞方向に
高度に配向しており、分極の方向も一方向に揃った配向
薄膜で構成する。但し、上式におけるｘ，ｙ，ｚおよび
ｗは上記のａ、ｂまたはｃの条件を満足するものとす
る。
Zrw)O3で表わされる焦電薄膜と、前記焦電薄膜上に二次
元に配列された電極薄膜群と、前記電極薄膜群上に電荷
転送素子の各エレメントの入力ダイオードに接続される
ように設けられた金属バンプと、前記焦電薄膜と前記電
荷転送素子との間に充填した樹脂とを有し、前記電荷転
送素子に前記焦電薄膜が固着した構成とする。また、前
記焦電薄膜は＜００１＞方向あるいは＜１１１＞方向に
高度に配向しており、分極の方向も一方向に揃った配向
薄膜で構成する。但し、上式におけるｘ，ｙ，ｚおよび
ｗは上記のａ、ｂまたはｃの条件を満足するものとす
る。
a)0.7≦ｘ≦１ 0.9≦x+y≦１ 0.95≦ｚ≦１ ｗ＝０ b)ｘ＝１ ｙ＝０ 0.1≦ｚ≦１ z+w＝１ c)0.83≦ｘ≦１ x+y＝１ 0.3≦ｚ≦１ 0.96≦z+w≦１ 作用 上記のような焦電薄膜及び構成を用いた焦電型赤外線撮
像素子においては焦電薄膜が高性能指数であるから、高
感度を図ることができるばかりでなく、薄膜のはがれ・
割れを防止できる。また、上記の焦電薄膜は、これをス
パッタリング法により作製するさい、充分に＜００１＞
あるいは＜１１１＞方向に配向していれば、分極処理を
行なわなくとも自発分極が揃っている（特開昭６２−２
０５２６６号公報参照）。したがって、この焦電薄膜を
利用すると、自発分極が既に揃った自然分極が得られ、
分極処理を行なう必要がなく、歩留まりよく高性能の焦
電型赤外線撮像素子が提供できる。
像素子においては焦電薄膜が高性能指数であるから、高
感度を図ることができるばかりでなく、薄膜のはがれ・
割れを防止できる。また、上記の焦電薄膜は、これをス
パッタリング法により作製するさい、充分に＜００１＞
あるいは＜１１１＞方向に配向していれば、分極処理を
行なわなくとも自発分極が揃っている（特開昭６２−２
０５２６６号公報参照）。したがって、この焦電薄膜を
利用すると、自発分極が既に揃った自然分極が得られ、
分極処理を行なう必要がなく、歩留まりよく高性能の焦
電型赤外線撮像素子が提供できる。
実施例 以下に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第1図及び第2図は本発明の焦電型赤外線撮像素子の構造
及び製造工程を示す図である。
及び製造工程を示す図である。
(100)でへき開し鏡面研摩したＭｇＯ単結晶基板１上
に、高周波マグネトロンスパッタ法で焦電薄膜２として
Ｐｂ０．９Ｌａ０．１Ｔｉ０．９７５Ｏ３（ＰＬＴ）を
３μｍ成長させた（第２図（ａ））。雰囲気ガスにはＡ
rとＯ2の混合ガスを用い、スパッタリングターゲットは ｛０．８ＰＬＴ＋０．２ＰbＯ｝ の粉末である。表１にスパッタリング条件を示す。
に、高周波マグネトロンスパッタ法で焦電薄膜２として
Ｐｂ０．９Ｌａ０．１Ｔｉ０．９７５Ｏ３（ＰＬＴ）を
３μｍ成長させた（第２図（ａ））。雰囲気ガスにはＡ
rとＯ2の混合ガスを用い、スパッタリングターゲットは ｛０．８ＰＬＴ＋０．２ＰbＯ｝ の粉末である。表１にスパッタリング条件を示す。
この焦電薄膜２上に厚さ約０．２μｍの複数のＣｒＡu
電極薄膜群３を蒸着により作製した（第２図（ｂ））。
前記ＣrＡu電極薄膜群３はフォトリソグラフィの手法に
より二次元に配列されている。さらに、ＣrＡu蒸着膜
（図示せず）を作製して、各々電気的に接続された後、
前記電極薄膜群３上の一部を除き、レジストを形成し、
電界メッキにより前記電極薄膜群３上に、Ａuバンプ４
を５μｍ作製した（第２図（ｃ））。次に、前記ＣrＡu
蒸着膜をエッチングで除去し、前記電極薄膜群３を分離
した後、前記焦電薄膜上に樹脂５を塗布する（第２図
（ｄ））．前記Ａuバンプ４電荷転送素子６の入力ダイ
オード７上に設けたＡl電極群８とを位置合わせし、Ｍ
ｇＯ基板１側から紫外線を照射し、樹脂５を硬化させ、
前記Ａuバンプ４を介して前記電極薄膜群３と電荷転送
素子６のＡl電極群８とを接合した（第２図（ｅ））。
その後、焦電薄膜２の下部におけるＭｇＯ基板１の一部
あるいは全部を熱濃燐酸によりエッチングし開口部９を
設けて、前記焦電薄膜２の前記基板側の面にＮiＣr受光
電極薄膜１０を作製した（第２図（ｆ））。
電極薄膜群３を蒸着により作製した（第２図（ｂ））。
前記ＣrＡu電極薄膜群３はフォトリソグラフィの手法に
より二次元に配列されている。さらに、ＣrＡu蒸着膜
（図示せず）を作製して、各々電気的に接続された後、
前記電極薄膜群３上の一部を除き、レジストを形成し、
電界メッキにより前記電極薄膜群３上に、Ａuバンプ４
を５μｍ作製した（第２図（ｃ））。次に、前記ＣrＡu
蒸着膜をエッチングで除去し、前記電極薄膜群３を分離
した後、前記焦電薄膜上に樹脂５を塗布する（第２図
（ｄ））．前記Ａuバンプ４電荷転送素子６の入力ダイ
オード７上に設けたＡl電極群８とを位置合わせし、Ｍ
ｇＯ基板１側から紫外線を照射し、樹脂５を硬化させ、
前記Ａuバンプ４を介して前記電極薄膜群３と電荷転送
素子６のＡl電極群８とを接合した（第２図（ｅ））。
その後、焦電薄膜２の下部におけるＭｇＯ基板１の一部
あるいは全部を熱濃燐酸によりエッチングし開口部９を
設けて、前記焦電薄膜２の前記基板側の面にＮiＣr受光
電極薄膜１０を作製した（第２図（ｆ））。
樹脂５にはエポキシ，シリコーン，アクリル等の紫外線
硬化型を用いたが、加熱温度が焦電薄膜２のキュリー温
度より低ければ、加熱硬化型の樹脂を用いてもよい。
硬化型を用いたが、加熱温度が焦電薄膜２のキュリー温
度より低ければ、加熱硬化型の樹脂を用いてもよい。
本実施例に用いたＰＬＴ焦電薄膜は、分極軸（＜001＞
方向）の90%が一方向に配向しているとき、焦電係数：
γは6.8×10-8C/cm2kとなり、この値は、200℃で100kV/
cm印加して分極処理を行ったＰｂＴiＯ3セラミクス(γ
＝1.8x10-8C/cm2k)と比べてかなり大きい。また、分極
処理後の値と比べ殆ど変わらないばかりでなく、配向率
が小さい場合の分極後の値より大きい。誘電率は、配向
率90%の場合、セラミクスとほぼ同等の値で約200であ
る。したがって、焦電材料としての性能指数である
Ｆv，Ｆｍの値も大きなり、ＰbＴiＯ3セラミクスの値と
比較して３倍強の値を示した。
方向）の90%が一方向に配向しているとき、焦電係数：
γは6.8×10-8C/cm2kとなり、この値は、200℃で100kV/
cm印加して分極処理を行ったＰｂＴiＯ3セラミクス(γ
＝1.8x10-8C/cm2k)と比べてかなり大きい。また、分極
処理後の値と比べ殆ど変わらないばかりでなく、配向率
が小さい場合の分極後の値より大きい。誘電率は、配向
率90%の場合、セラミクスとほぼ同等の値で約200であ
る。したがって、焦電材料としての性能指数である
Ｆv，Ｆｍの値も大きなり、ＰbＴiＯ3セラミクスの値と
比較して３倍強の値を示した。
また、焦電材料としてＰbＴiＯ3系薄膜をあげたが、化
学式(PbxLay)(TizZrw)O3で表わされ、 a)0.7≦ｘ≦１ 0.9≦x+y≦１ 0.95≦ｚ≦１ ｗ＝０ b)ｘ＝１ ｙ＝０ ０．１≦ｚ≦１ z+w＝１ c)0.83≦ｘ≦１ x+y＝１ 0.3≦ｚ≦１ 0.96≦z+w≦１ のいずれかの組成を有する焦電薄膜材料についても高性
能指数、分極処理不要の効果が得られる。このように高
性能指数を示す焦電薄膜を用い、樹脂により電荷転送素
子と焦電薄膜を固着した構成とすることにより、高感度
化・高空間分解能化を図り、焦電薄膜の割れ・破壊を防
止しすることができた。また、ＣＣＤセンサ部の熱膨張
差による接触不良やクラックも防止することができた。
学式(PbxLay)(TizZrw)O3で表わされ、 a)0.7≦ｘ≦１ 0.9≦x+y≦１ 0.95≦ｚ≦１ ｗ＝０ b)ｘ＝１ ｙ＝０ ０．１≦ｚ≦１ z+w＝１ c)0.83≦ｘ≦１ x+y＝１ 0.3≦ｚ≦１ 0.96≦z+w≦１ のいずれかの組成を有する焦電薄膜材料についても高性
能指数、分極処理不要の効果が得られる。このように高
性能指数を示す焦電薄膜を用い、樹脂により電荷転送素
子と焦電薄膜を固着した構成とすることにより、高感度
化・高空間分解能化を図り、焦電薄膜の割れ・破壊を防
止しすることができた。また、ＣＣＤセンサ部の熱膨張
差による接触不良やクラックも防止することができた。
発明の効果 本発明による焦電型赤外線撮像素子は、高性能指数を示
し分極処理不要である焦電薄膜を用い、電荷転送素子と
焦電薄膜を樹脂により固着した構成とすることにより、
高感度化・高空間分解能化を図り、焦電薄膜の割れ・破
壊を防止しすることができる。また、ＣＣＤとセンサ部
の熱膨張差による接触不良やクラックも防止することが
できる。また、分極処理による焦電薄膜の割れ、分極の
不均一性を防止でき、著しく歩留まりを向上できる。
し分極処理不要である焦電薄膜を用い、電荷転送素子と
焦電薄膜を樹脂により固着した構成とすることにより、
高感度化・高空間分解能化を図り、焦電薄膜の割れ・破
壊を防止しすることができる。また、ＣＣＤとセンサ部
の熱膨張差による接触不良やクラックも防止することが
できる。また、分極処理による焦電薄膜の割れ、分極の
不均一性を防止でき、著しく歩留まりを向上できる。
第１図は本発明の一実施例における焦電型赤外線撮像素
子の構造を示す断面図、第２図は、その焦電型赤外線撮
像素子の製造工程を示す簡略図である。 １……ＭｇＯ基板、２……焦電薄膜、３……電極薄膜
群、４……Ａuバンプ、５……樹脂、６……電荷転送素
子、８……Ａｌ電極群、９……開口部、１０……受光電
極
子の構造を示す断面図、第２図は、その焦電型赤外線撮
像素子の製造工程を示す簡略図である。 １……ＭｇＯ基板、２……焦電薄膜、３……電極薄膜
群、４……Ａuバンプ、５……樹脂、６……電荷転送素
子、８……Ａｌ電極群、９……開口部、１０……受光電
極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小川 久仁 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 阿部 惇 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内
Claims (3)
- 【請求項１】基板上に形成された焦電薄膜と、前記焦電
薄膜上に二次元に配列された電極薄膜群と、前記電極薄
膜群上に電荷転送素子の各エレメントの入力ダイオード
に接続されるように設けられた金属バンプと、前記焦電
薄膜と前記電荷転送素子との間に充填した樹脂とを有
し、前記電荷転送素子に前記焦電薄膜が固着されたこと
を特徴とする焦電型赤外線撮像素子。 - 【請求項２】焦電薄膜が化学式(PbxLay)(TizZrw)O3で表
わされ、 a)0.7≦ｘ≦１ 0.9≦x+y≦１ 0.95≦ｚ≦１ ｗ＝０ b)ｘ＝１ ｙ＝０ 0.1≦ｚ≦１ z+w＝１ c)0.83≦ｘ≦１ x+y＝１ 0.3≦ｚ≦１ 0.96≦z+w≦１ のいずれかの組成をもち、＜００１＞方向あるいは＜１
１１＞方向に高度に配向しており、分極の方向も一方向
に揃っていることを特徴とする請求項１記載の焦電型赤
外線撮像素子。 - 【請求項３】紫外線硬化型の樹脂を用いたことを特徴と
する請求項１記載の焦電型赤外線撮像素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63216514A JPH0629781B2 (ja) | 1988-08-31 | 1988-08-31 | 焦電型赤外線撮像素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63216514A JPH0629781B2 (ja) | 1988-08-31 | 1988-08-31 | 焦電型赤外線撮像素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0264420A JPH0264420A (ja) | 1990-03-05 |
| JPH0629781B2 true JPH0629781B2 (ja) | 1994-04-20 |
Family
ID=16689630
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63216514A Expired - Lifetime JPH0629781B2 (ja) | 1988-08-31 | 1988-08-31 | 焦電型赤外線撮像素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0629781B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06333504A (ja) * | 1993-05-26 | 1994-12-02 | Nec Corp | 直視型受光デバイス |
-
1988
- 1988-08-31 JP JP63216514A patent/JPH0629781B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0264420A (ja) | 1990-03-05 |
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