JPH0719963A

JPH0719963A - 強誘電体薄膜装置

Info

Publication number: JPH0719963A
Application number: JP5165658A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Matsuda; 佳昭松田; Toshio Matsuda; 俊夫松田; Toshiharu Kawabata; 敏治川端
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-07-05
Filing date: 1993-07-05
Publication date: 1995-01-20

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】赤外線吸収効率と熱変換効率を向上する。【構成】表面側電極１５の強誘電体薄膜２と重なる領
域の膜１５ａを、１５０オングストローム以上で５００
オングストローム以下の厚さに形成している。その周域
の薄く形成された膜１５ｂの熱伝導は抑制され、赤外線
の吸収によって変換された熱は表面側電極１５の全てに
放散されることなく表面側電極１５の厚く形成された膜
１５ａの部分に蓄熱されることとなり、赤外線吸収効率
が高いばかりでなく、熱変換効率も最も高いものとな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、強誘電体焦電薄膜を
用いて赤外線を検出する強誘電体薄膜装置（焦電型赤外
線センサ）に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】通常、赤外線センサに用いられる焦電素
子にはセラミックや単結晶のバルク材料などが用いられ
てきたが、近年では、装置の小型化やアレイ化を目的と
して、強誘電体薄膜材料を用いた強誘電体薄膜装置が作
製されるようになっている。また、上記用途に強誘電体
を用いようとした場合、強誘電体素子の分極方向を一方
向に揃えるために分極処理が不可欠であったが、成膜と
ともに一方向に揃った分極を得ることができる強誘電体
素子製造技術も開発されている。

【０００３】以下、従来の強誘電体薄膜装置の構成につ
いて説明する。図６は従来の強誘電体薄膜装置の構成を
示す。図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）はそのＤ−Ｄ断
面図、図７は従来の強誘電体薄膜装置の製造工程を示す
工程説明図である。これらの図に示すように、従来の強
誘電体薄膜装置は、強誘電体薄膜２を裏面側電極４と表
面側電極５０によって挟み込み、その周域を有機薄膜３
によって保持した構造で構成されている。

【０００４】焦電型赤外線センサは、赤外線吸収による
強誘電体薄膜２の温度変化を検出するものであり、強誘
電体薄膜２からの熱放散を極力抑え赤外線吸収効率を向
上させる必要がある。そのため、ＭｇＯ基板１は取り除
かれ、薄く形成された有機薄膜３でのみ保持された構造
となっている。さらに、強誘電体薄膜２に接続された電
極４，５０についても薄膜化するとともに、裏面側電極
引出し部６を細く形成するなど、徹底して熱放散を抑制
している。

【０００５】つぎに、図７（ａ）〜（ｃ）を参照して、
従来の強誘電体薄膜装置の製造工程を説明する。まず、
図７（ａ）に示すように、単結晶であるＭｇＯ基板１上
にＲＦマグネトロンスッパッタ法によってチタン酸鉛系
の強誘電体薄膜２を成膜する。この成膜法とその最適成
膜条件によって、あえて分極処理の必要がなく一方向に
分極が揃った強誘電体薄膜２を得ることができる。

【０００６】つぎに、図７（ｂ）に示すように、有機薄
膜３をスピンコートとフォトリソグラフィ工程により所
望の形状に形成し、強誘電体薄膜２の上部に裏面側電極
４と接続するための窓をあけ、裏面側電極４を形成す
る。つぎに、ＭｇＯ基板１をエッチングによって除去
し、図７（ｃ）に示すように、強誘電体薄膜２の裏面側
電極４と相対する面に表面側電極５０を形成する。

【０００７】強誘電体薄膜装置は、ダイアフラムを構成
するために、全てのＭｇＯ基板１を除去する場合と、強
誘電体薄膜２を含む有効領域のみを除去する場合とがあ
るが、ここでは全てのＭｇＯ基板１を除去する場合につ
いて説明した。この強誘電体薄膜装置は、表面側電極５
０が形成された側がセンサ面となり、検出すべき赤外線
はまず表面側電極５０を透過して入射する。通常、表面
側電極５０はＮｉＣｒからなる金属材によって形成され
ているが、１００オングストローム以下の極めて薄い膜
厚のため可視的にもある程度は透明であり、かつ、赤外
線の波長が長波長（人体の場合で約１０μｍ）であるた
め容易に透過することができる。

【０００８】表面側電極５０を透過した赤外線は強誘電
体薄膜２、裏面側電極４の順に透過していくが、裏面側
電極４は構造上の強度などの理由から表面側電極５０よ
り１桁以上厚い膜厚が採用されているため、その表面は
ＮｉＣｒバルク材と同様の金属光沢を有するためほとん
どが反射し、入射とは逆の順路で出射していく。これら
の過程において、電極４，５０のいずれかに吸収された
赤外線が熱に変換され検出される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の強誘電体薄膜装置では、強誘電体薄膜２が長波
長の赤外線に対して透明な材料であるため赤外線を吸収
することができず、残る電極４，５０によって赤外線の
吸収が行われない限り機能することができない。裏面側
電極４は前述したように、その表面はＮｉＣｒバルク材
と同様の金属光沢を有するためほとんどが反射され赤外
線の吸収に寄与することができず、表面側電極５０によ
る吸収の効果によって機能しているのが現状である。し
かしながら、表面側電極５０のみでは高い吸収の効果を
得ることができず、充分といえる検出機能を有するに至
っていない。

【００１０】また、もう一つの問題点として表面側電極
５０の断線があげられ、例えば、有機薄膜３の変形など
のわずかな応力によってクラックが発生し、その程度が
大きい場合は断線に至ってしまう。極めて薄く形成され
た表面側電極５０は金属粒子レベルに等しい膜厚であ
り、強度は金属粒界の結合力によって決定されることか
ら、金属粒界が極めて少ない状態ではその強度は皆無に
等しい。

【００１１】したがって、この発明の目的は、赤外線の
吸収効果の高い構造を有し、優れた検出機能の強誘電体
薄膜装置を提供することである。この発明の他の目的
は、表面側電極の断線を防止し、高い信頼性を有する強
誘電体薄膜装置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の強誘電体
薄膜装置は、有機薄膜と、この有機薄膜により周域を保
持された強誘電体薄膜と、この強誘電体薄膜を挟み込む
ように形成された表面側電極および裏面側電極とを備
え、表面側電極の厚さを、１５０オングストローム以上
で３００オングストローム以下の範囲としている。

【００１３】請求項２記載の強誘電体薄膜装置は、有機
薄膜と、この有機薄膜により周域を保持された強誘電体
薄膜と、この強誘電体薄膜を挟み込むように形成された
表面側電極および裏面側電極とを備え、表面側電極の強
誘電体薄膜と重なる領域の厚さを、１５０オングストロ
ーム以上で５００オングストローム以下の範囲としてい
る。

【００１４】請求項３記載の強誘電体薄膜装置は、有機
薄膜と、この有機薄膜により周域を保持された強誘電体
薄膜と、この強誘電体薄膜を挟み込むように形成された
表面側電極および裏面側電極とを備え、表面側電極を金
系の合金材料によって形成し、表面側電極の強誘電体薄
膜と重なる領域に赤外線吸収膜を形成している。

【００１５】

【作用】請求項１記載の強誘電体薄膜装置によれば、表
面側電極を１５０オングストローム以上で３００オング
ストローム以下の厚さに形成しているので、表面側電極
は最も高い赤外線吸収効率を有し、その効果、優れた検
出機能を得ることができる。また、表面側電極の厚さが
増加したので、断線も防止できる。

【００１６】請求項２記載の強誘電体薄膜装置によれ
ば、表面側電極の強誘電体薄膜と重なる領域を１５０オ
ングストローム以上で５００オングストローム以下の厚
さに形成しているので、その周域の薄く形成された表面
側電極の熱伝導は抑制され、赤外線の吸収によって変換
された熱は表面側電極の全てに放散されることなく表面
側電極の厚く形成された部分に蓄熱されることとなり、
赤外線吸収効率が高いばかりでなく、熱変換効率も最も
高いものとなるため、より優れた検出機能を得ることが
できる。

【００１７】請求項３記載の強誘電体薄膜装置によれ
ば、表面側電極を金属粒子の小さい金系の合金材料によ
って形成しているので、従来と同様の膜厚であっても多
く存在する金属粒界によって金属粒子間の結合力が向上
し高い強度を有することと、材料自身が展延性に富んで
いるため柔軟に有機薄膜の変形に追従できることから、
応力の影響による断線を防止できる。一方、金系の合金
材料では赤外線の吸収に劣るが、表面側電極の強誘電体
薄膜と重なる領域に赤外線吸収膜を形成しているため、
検出機能を損なうことはなく、むしろ検出機能を向上す
ることができる。

【００１８】

【実施例】この発明の第１の実施例について図面を参照
しながら説明する。図１はこの発明の第１の実施例であ
る強誘電体薄膜装置（強誘電体薄膜を用いた焦電型赤外
線センサ）の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はそ
のＡ−Ａ断面図である。ＮｉＣｒからなる表面側電極５
を１５０オングストローム以上で３００オングストロー
ム以下の膜厚に形成したことを除いて、従来の強誘電体
薄膜装置と同様の構造であり、同様の製造工程により製
造することができる。

【００１９】図２は焦電形赤外線センサの赤外線吸収率
と焦電感度の表面側電極膜厚依存性を示す特性図であ
る。この図に示すように、焦電形赤外線センサの焦電感
度は表面側電極５の膜厚に大きく依存し、表面側電極５
の膜厚の薄い領域では赤外線吸収率に伴い焦電感度も変
化し、赤外線吸収率が最大となる２００オングストロー
ム近傍の膜厚で焦電感度も最大になる。表面側電極５が
従来のように１００オングストローム以下の膜厚では、
赤外線の吸収の効果を有効に利用できないため低い焦電
感度しか得られず、表面側電極５の膜厚が２００オング
ストローム近傍以上では、熱伝導の影響により放散され
る熱が増加するため、赤外線吸収率の低下よりも大きく
焦電感度は低下する。したがって、表面側電極５を膜厚
の制御性などを考慮し、赤外線吸収率が高く、熱放散が
小さい、２００オングストローム近傍を中心とした１５
０オングストローム以上で３００オングストローム以下
の膜厚に選択的に形成したことで最も焦電感度が高くな
る構成にすることができるのである。

【００２０】この発明の第２の実施例について図面を参
照しながら説明する。図３はこの発明の第２の実施例で
ある強誘電体薄膜装置（強誘電体薄膜を用いた焦電型赤
外線センサ）の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は
そのＢ−Ｂ断面図である。この第２の実施例も第１の実
施例と同様に表面側電極１５を従来よりも厚い膜１５ａ
で形成しているが、その領域を強誘電体薄膜２と重なる
領域のみにとどめ、それ以外の領域については従来と同
様に１００オングストローム以下の膜１５ｂで形成して
いる。

【００２１】この構成によって、図４の第２の実施例の
焦電形赤外線センサの赤外線吸収率と焦電感度の表面側
電極膜厚依存性を示す特性図に示すように、周域の薄く
形成された膜１５ｂの熱伝導は抑制され、赤外線の吸収
によって変換された熱は表面側電極１５の全てに放散さ
れることなく表面側電極の厚く形成された膜１５ａに蓄
熱されることとなり、赤外線吸収効率が高いばかりでな
く熱変換効率も最も高いものとなり、焦電感度と赤外線
吸収率がともに最大となる２００オングストローム近傍
の膜厚以上においても、急激な焦電感度の低下はなく、
１５０オングストローム以上で５００オングストローム
以下の範囲の膜厚で第１の実施例と等しい効果が得ら
れ、表面側電極１５の膜厚の選択幅が広がるとともに、
より優れた検出機能を得ることができる。また、強誘電
体薄膜２の面積や膜厚の縮小によって熱容量を小さくす
ることでも熱変換効率は向上し、それに伴う大幅な検出
機能の向上が確認されている。

【００２２】この発明の第３の実施例について図面を参
照しながら説明する。図５はこの発明の第３の実施例で
ある強誘電体薄膜装置（強誘電体薄膜を用いた焦電型赤
外線センサ）の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は
そのＣ−Ｃ断面図である。この第３の実施例では、表面
側電極９を金ーパラジュウム合金などの金系の合金材料
によって形成している。金系の合金材料は金属粒子が小
さいため、従来と同様の膜厚であっても、多く存在する
金属粒界によって金属粒子間の結合力が向上し高い強度
を有することと、材料自身が展延性に富んでいるため柔
軟に有機薄膜３の変形に追従できることから、応力の影
響による断線を防止できる。

【００２３】一方、金系の合金材料では赤外線の吸収に
劣るが、この第３の実施例は、強誘電体薄膜２と重なる
表面側電極９の領域に赤外線吸収膜１０を形成し、検出
機能を損なうことはなく、むしろ検出機能を向上するこ
とができる。赤外線吸収膜１０は第２の実施例と同様に
１５０オングストローム以上で５００オングストローム
以下の膜厚のＮｉＣｒ材でもよい。

【００２４】

【発明の効果】請求項１記載の強誘電体薄膜装置によれ
ば、表面側電極を１５０オングストローム以上で３００
オングストローム以下の厚さに形成しているので、赤外
線吸収効率を向上し、優れた検出機能を実現することが
できる。また、表面側電極の断線を防止し、高い信頼性
を確保することができる。

【００２５】請求項２記載の強誘電体薄膜装置によれ
ば、表面側電極の強誘電体薄膜と重なる領域を１５０オ
ングストローム以上で５００オングストローム以下の厚
さに形成しているので、赤外線吸収効率を向上し、優れ
た検出機能を実現することができる。請求項３記載の強
誘電体薄膜装置によれば、表面側電極を金属粒子の小さ
い金系の合金材料によって形成しているので、表面側電
極の断線を防止し、高い信頼性を確保することができ
る。また、表面側電極の強誘電体薄膜と重なる領域に赤
外線吸収膜を形成しているため、赤外線吸収効率を向上
し、優れた検出機能を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）はこの発明の第１の実施例である強誘電
体薄膜装置の平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図であ
る。

【図２】第１の実施例の焦電形赤外線センサの赤外線吸
収率と焦電感度の表面側電極膜厚依存性を示す特性図で
ある。

【図３】（ａ）はこの発明の第２の実施例である強誘電
体薄膜装置の平面図、（ｂ）は断面図である。

【図４】第２の実施例の焦電形赤外線センサの赤外線吸
収率と焦電感度の表面側電極膜厚依存性を示す特性図で
ある。

【図５】（ａ）はこの発明の第３の実施例である強誘電
体薄膜装置の平面図、（ｂ）は断面図である。

【図６】（ａ）は従来の強誘電体薄膜装置の平面図、
（ｂ）は断面図である。

【図７】（ａ）〜（ｃ）は従来の強誘電体薄膜装置の製
造工程を示す説明図である。

【符号の説明】

１ＭｇＯ基板２強誘電体薄膜３有機薄膜４裏面側電極５表面側電極９表面側電極１０赤外線吸収膜１５表面側電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】有機薄膜と、この有機薄膜により周域を
保持された強誘電体薄膜と、この強誘電体薄膜を挟み込
むように形成された表面側電極および裏面側電極とを備
え、前記表面側電極の厚さを、１５０オングストローム
以上で３００オングストローム以下の範囲とした強誘電
体薄膜装置。
【請求項２】有機薄膜と、この有機薄膜により周域を
保持された強誘電体薄膜と、この強誘電体薄膜を挟み込
むように形成された表面側電極および裏面側電極とを備
え、前記表面側電極の前記強誘電体薄膜と重なる領域の
厚さを、１５０オングストローム以上で５００オングス
トローム以下の範囲とした強誘電体薄膜装置。
【請求項３】有機薄膜と、この有機薄膜により周域を
保持された強誘電体薄膜と、この強誘電体薄膜を挟み込
むように形成された表面側電極および裏面側電極とを備
え、前記表面側電極を金系の合金材料によって形成し、
前記表面側電極の前記強誘電体薄膜と重なる領域に赤外
線吸収膜を形成した強誘電体薄膜装置。