JPH08313355A

JPH08313355A - 焦電型赤外線検出素子

Info

Publication number: JPH08313355A
Application number: JP7120984A
Authority: JP
Inventors: Koji Nomura; 幸治野村; Tokumi Kotani; 徳巳小谷; Kazuji Morisugi; 和司森杉
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-05-19
Filing date: 1995-05-19
Publication date: 1996-11-29

Abstract

(57)【要約】【目的】焦電体を用いて赤外線を検出する焦電型赤外
線検出素子に関し、熱容量が小さく熱応答性に優れ、低
コスト、小型化そして集積化が可能で生産性に優れた信
頼性の高い焦電型赤外線検出素子を提供することを目的
とする。【構成】基板１１として（１００）ＭｇＯ基板を用
い、その上層に電極１２ａとして１００ｎｍ程度の膜厚
を有するＰｔ薄膜を設け、その上層に焦電薄膜１３とし
てＰｂＴｉＯ₃やＰｂ_1-xＬａ_xＴｉ_1-x/4Ｏ₃等の焦電材
料からなる薄膜を設け、さらにその上にポリイミド樹脂
からなる層間絶縁膜１７を設け、それら上層の少なくと
も一部に、電極１２ｂとして赤外光の反射率の少ないＮ
ｉＣｒ薄膜を設ける。その後、焦電薄膜群と同一基板表
面上からエッチング穴１４を介して微小空洞１５が形成
され、前記微小空洞１５の側面に少なくとも一個の開口
部が形成されるように基板を切断して得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は焦電体を用いて赤外線を
検出する焦電型赤外線検出素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、焦電型赤外線検出素子は、非接触
で物体の検知や温度検出ができる点を生かして電子レン
ジの調理物の温度測定、エアコンの室内温度制御あるい
は自動照明、自動ドア、警報装置での人体検知等に利用
されており、今後その利用範囲は拡大していくと見られ
る。

【０００３】焦電型赤外線検出素子は、強誘電体の焦電
効果を利用したセンサーである。強誘電体は内部に一定
方向の自発分極を有しており、その表面に正及び負電荷
を発生させる。大気中における定常状態では、大気中の
イオンや電子が持つ電荷と結合して中性状態になってい
る。すべての物体は温度に応じた赤外線を放出してお
り、赤外線検出部に入射した赤外線量に応じた温度変化
を強誘電体に生じさせる。そのため、赤外線検出部の熱
応答性を良好にする必要があり、その部分での熱容量は
焦電薄膜のみが望ましいと考えられる。

【０００４】以下に、従来の焦電型赤外線検出素子につ
いて説明する。図３（ａ），（ｂ）は従来の焦電型赤外
線検出素子の構成図を示すものである。図３（ａ）にお
いて、３１は酸化マグネシウム単結晶基板（以下、（１
００）ＭｇＯ単結晶基板と略す）で、３３は焦電薄膜で
赤外線検出部である。３２ａ，３２ｂは電極で、特に電
極３２ｂは赤外線の吸収膜としての機能を有している。
３４は層間絶縁膜で素子を支持する機能も持ち合わせて
いる。３５は開口部で、焦電薄膜３３から基板への熱の
逃げを抑え、かつ熱容量を小さくして、高速応答性およ
び感度を改善するために設けられる。

【０００５】以上のように構成された焦電型赤外線検出
素子について、図３（ｂ）を用いて以下にその製造方法
について説明する。まず、（１００）ＭｇＯ単結晶基板
３１上に、焦電薄膜３３としてランタンを含有したチタ
ン酸鉛（以下、ＰＬＴと略す）をメタルマスクを用いて
高周波マグネトロンスパッタ法でエピタキシャル成長さ
せる。次に、それらの上層に膜厚１μｍ程度のポリイミ
ド系樹脂を層間絶縁膜３４として形成する。さらにその
上層に電極３２ｂとして２０ｎｍ程度の膜厚を有するニ
クロム（以下、ＮｉＣｒと略す）薄膜をマグネトロンス
パッタ法で形成し、フォトリソグラフィで所定の形状に
パターニングする。

【０００６】その後、赤外線検出部を形成した（１０
０）ＭｇＯ単結晶基板３１の裏面より、所望のエッチン
グマスクを介して、燐酸を用いてエッチングを行い、焦
電薄膜３３を露出させる。次に、（１００）ＭｇＯ単結
晶基板３１を取り除いた側に電極３２ａとして２００ｎ
ｍ程度の膜厚を有するＮｉＣｒ薄膜をスパッタ法で形成
し、フォトリソグラフィで所定の形状にパターニングす
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、赤外線検出部における熱応答性を向上させ
て赤外線検出部の感度を良好にしようとした場合、赤外
線検出部と全体を保持している（１００）ＭｇＯ単結晶
基板３１との間隔を十分にとり、熱伝導を小さくして熱
の逃げを最小限にする必要がある。このためには、開口
部３５をより大きくする必要があるが、赤外線検出部を
構成する焦電薄膜３３やポリイミド系樹脂の層間絶縁膜
３４の内部応力が増し、焦電薄膜３３に歪、断線、破壊
が生じるという問題点を有していた。

【０００８】また、赤外線検出部がライン化、二次元す
る場合、大きな基板面積を必要とし、さらに上記の問題
が増し、コスト高になるという問題点も有していた。

【０００９】本発明はこのような上記問題点を解決する
ものであり、熱容量が小さく熱応答性に優れ、低コス
ト、小型化そして集積化が可能で生産性に優れた信頼性
の高い焦電型赤外線検出素子を提供することを目的とす
るものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の焦電型赤外線検出素子は、少なくとも単結晶
からなる基板と、前記基板上に第一の電極を有しこの第
一の電極上に焦電薄膜を有しこの焦電薄膜上に赤外線吸
収効果を有する第二の電極を有した赤外線検出部とから
なり、前記赤外線検出部が接する前記基板の表層部に空
洞を有し、前記空洞の側面の少なくとも一部に開口部を
有した構成である。

【００１１】また、少なくとも単結晶からなる基板と、
前記基板上に第一の電極を有しこの第一の電極上に焦電
薄膜を有しこの焦電薄膜上に赤外線吸収効果を有する第
二の電極を有した赤外線検出部とからなり、前記赤外線
検出部が接する前記基板の表層部に空洞を有し、前記赤
外線検出部が少なくとも偶数個でかつ同個数の逆極性部
からなり、一つの赤外線検出部が少なくとも２以上の同
個数でかつ同極性の素子に分割され、それぞれの素子が
たがいに逆極性となるように接続された構成である。

【００１２】

【作用】本発明は上記構成により、赤外線検出部の下層
部分に相当する基板の表層部に空洞が設けられ、空洞の
側面の少なくとも一部に開口部を有した構成であるた
め、焦電薄膜から基板への熱伝達経路を小さくすること
ができ、従来のように赤外線検出部での開口部を大きく
して、熱容量並びに熱伝導を減少させなくても、赤外線
検出部の熱容量を十分に小さくかつ基板への熱伝導も十
分に減少させることができ、開口部の拡大にともなう焦
電薄膜の歪、断線、破壊を防止しつつ、赤外線検出部の
熱応答性を改善し、さらに、検出感度を向上させること
ができる。また、全体素子の寸法を最小限にすることが
でき、低コスト化が可能となる。

【００１３】さらに、もう一つの本発明の構成では、一
つの赤外線検出素子が複数個の同極性素子で構成され、
素子の感度が個数倍されて高感度となるため、その分赤
外線検出部の開口部の大きさを小さくでき、最小の面積
で全体素子を構成することができ、上記と同様の効果を
有する。また、それぞれの素子がたがいに逆極性となる
ように接続されるため、層間絶縁膜に第一の電極と第二
の電極を接続するためのコンタクトホールを必要とせ
ず、工程の簡略化ならびに小型化が可能となる。

【００１４】

【実施例】以下本発明の実施例について、図面を参照し
ながら説明する。

【００１５】（実施例１）図１（ａ），（ｂ）は発明の
第１の実施例における焦電型赤外線検出素子の構成を示
す平面図および断面図である。図１（ａ），（ｂ）にお
いて、１１は基板、１２ａ，１２ｂは電極、１３は焦電
薄膜、１４はエッチング穴、１５は微小空洞、１６は微
小空洞１５の側面に設けられた開口部、１７は層間絶縁
膜である。

【００１６】以上のように構成された焦電型赤外線検出
素子について、その製造方法を以下に説明する。まず、
基板１１として酸化マグネシウム単結晶基板（以下、
（１００）ＭｇＯ単結晶基板と略す）を用い、前記（１
００）ＭｇＯ単結晶基板１１上に電極１２ａとして１０
０ｎｍ程度の膜厚を有する白金（以下、Ｐｔと略す）薄
膜をマグネトロンスパッタ法により、基板温度：６００
℃、入射電力密度：０．１６ｗ／cm²、スパッタガス
比：Ａｒ／Ｏ₂＝２／１、ガス圧：１．０６Ｐａの条件
下でエピタキシャル成長させる。

【００１７】次にその上層に、焦電薄膜１３としてＰｂ
ＴｉＯ₃やＰｂ_1-xＬａ_xＴｉ_1-x/4Ｏ ₃等の焦電材料から
なる薄膜を高周波マグネトロンスパッタ法により、基板
温度：６００℃、入射電力密度：１．６ｗ／cm²、スパ
ッタガス比：Ａｒ／Ｏ₂＝９／１、ガス圧：１．０Ｐａ
の条件下でエピタキシャル成長させる。このとき（１０
０）ＭｇＯ単結晶基板１１と焦電薄膜１３の熱膨張係数
の差により、焦電薄膜１３の格子が歪、基板面に対して
垂直方向にｃ軸が伸びることにより一定方向の自発分極
が現れる。

【００１８】次に、焦電薄膜１３をフォトリソグラフィ
により所定の形状にパターニングし、その後、第一の電
極１２ａもフォトリソグラフィにより所定の形状にパタ
ーニングする。次に、層間絶縁膜１７として感光性を有
するポリイミド系樹脂を用いて、フォトリソグラフィに
より所定の形状にパターニングする。次に焦電薄膜１３
の上層の少なくとも一部に、第二の電極１２ｂとして２
０ｎｍ程度の膜厚を有する赤外光の反射率の少ないＮｉ
Ｃｒ薄膜をスパッタ法により、基板温度：１００℃、入
射電力密度：０．５５ｗ／cm²、スパッタガス：Ａｒ、
ガス圧：１．０Ｐａの条件下で形成し、フォトリソグラ
フィにより所定の形状にパターニングする。

【００１９】最後に焦電薄膜１３群と同一表面上から
（１００）ＭｇＯ単結晶基板１１の特定の領域にフォト
リソグラフィにより作製したエッチング用レジストマス
クを介して微小空洞１５を作製する。このときのエッチ
ング液として、濃度が１０ｖｏｌ％、液温が８０℃の燐
酸を用いる。その結果、微小空洞１５の大きさは、エッ
チング時間が６０分のとき水平方向：３００μｍ、垂直
方向：８０μｍであることを確認している。

【００２０】以上のような焦電型赤外線検出素子は、例
えば図のｘ方向で（１００）ＭｇＯ単結晶基板１１に保
持され、かつｙ方向で焦電薄膜１３に沿って極近傍の基
板を切断すれば、微小空洞１５の側面の少なくとも一部
に開口部１６を有した構成が得られる。

【００２１】以上のように本実施例の焦電型赤外線検出
素子の構造によれば、ＮｉＣｒ薄膜からなる電極１２ｂ
が受けた赤外線エネルギーを熱に変換し、焦電薄膜１３
が熱エネルギーを効率よく吸収することが可能となり、
応答速度が速く、高感度の赤外線検出素子が形成され
る。また、微小空洞１５の一部領域に開口部１６が設け
られた構造であるため、基板とセンサーの支持膜である
電極１２ａや層間絶縁膜１７との接続面積を最小限とす
ることができ、焦電薄膜１３から基板への熱伝達を抑制
し、さらに素子の感度を高めることができる。また、素
子全体の面積を最小限とすることができ、一度にたくさ
んの素子を形成できるため、製造コストも大幅に削減す
ることが可能である。

【００２２】また、開口部１６では焦電薄膜１３や電極
薄膜の内部応力が解放端となるため緩和され、焦電薄膜
１３の歪、断線、破壊を防止することができる。

【００２３】今回、基板として結晶面が（１００）面の
ＭｇＯ基板を用いることにより、焦電材料の結晶構造に
おいて、（００１）面との整合性に特に優れており、焦
電薄膜１３の結晶成長を促進し、高温、高電界中での分
極処理を施すことなく、分極を効率よく一方向に揃える
ことが実現できる。しかし、（１００）面以外の結晶面
を有するＭｇＯ基板、またはアルミナ、チタン酸ストロ
ンチウム、シリコン等の単結晶基板あるいはガラス等非
晶質基板を用いても同様の効果が得られることが確認さ
れている。

【００２４】本実施例では第一の電極１２ａと第二の電
極１２ｂとの間に層間絶縁膜１７を有した構造となって
おり、焦電薄膜１３の保持は主に層間絶縁膜１７により
行っている。このような構造とすることで、電極の面積
を最小限にすることができ、一般に金属からなる電極に
比べて有機膜あるいは無機膜からなる層間絶縁膜１７で
は、熱伝導係数が約百分の一と小さく、焦電薄膜１３か
ら基板１１への熱伝達をさらに抑制し、より素子の感度
を高めることが可能となる。

【００２５】基板１１の微小空洞１５と第一の電極１２
ａとの接触面において、前記第一の電極１２ａの接触面
積を前記基板１１の微小空洞１５の接触面積よりも小さ
くすることにより、上記と同様の理由で熱伝導を最小限
に抑えられ、感度向上とｘ方向の焦電薄膜１３以外の支
持部の面積を小さくしても同様の特性が得られるため、
さらに小型化が可能となる。

【００２６】微小空洞１５の側面の開口部１６が焦電薄
膜１３の端面に沿った構造とすることで、素子の熱容量
を最小にすると共に、素子全体の面積も最小とすること
ができ、高速応答、高感度、ならびに低コスト化を実現
できる。

【００２７】以上で述べてきた効果は、少なくとも２個
の焦電型赤外線検出素子からなり、それぞれの素子が逆
極性となるように接続されたリニアあるいは二次元に配
列された焦電型赤外線検出素子において、特に素子の小
型化、低コスト化の効果が大となる。

【００２８】（実施例２）以下本発明の第２の実施例に
ついて、図面を参照しながら説明する。

【００２９】図２（ａ），（ｂ）は本発明の第２の実施
例における焦電型赤外線検出素子の構成を示す平面図お
よび断面図である。図２（ａ），（ｂ）において、２１
は基板、２２ａ，２２ｂは電極、２３は焦電薄膜、２４
はエッチング穴、２５は微小空洞、２６は層間絶縁膜で
ある。赤外線検出部である焦電薄膜２３は少なくとも偶
数個でかつ同個数の逆極性部（本実施例では２個）から
構成され、一つの赤外線検出部が少なくとも２以上の同
個数（本実施例では３個）でかつ同極性の素子に分割さ
れ、それぞれの素子がたがいに逆極性となるように接続
されている。

【００３０】以上のように構成された焦電型赤外線検出
素子は実施例１で示したのと同様の製造方法により作製
可能である。

【００３１】本実施例によれば、一つの赤外線検出部の
出力は複数個の同極性素子の出力の和となり本実施例で
は３倍となる。したがって、焦電薄膜２３から基板２１
への熱伝達を抑制するのに寸法上限界がある場合にも、
素子の感度を高めることができるため小型化が可能とな
る。したがって、一度にたくさんの素子を形成できるた
め製造コストも大幅に削減することが可能である。

【００３２】また、それぞれの素子がたがいに逆極性と
なるように接続するには、第一の電極２２ａと第二の電
極２２ｂとを図に示すように隣合う逆極性となる電極間
をそれぞれ順に接続することにより実現することができ
る。このようにすることで、同極性どうしを接続するこ
となく、一素子からの出力を外部に取り出すことができ
る。したがって、同極性どうしを接続する場合には、第
一の電極２２ａと第二の電極２２ｂを接続するためのコ
ンタクトホールを層間絶縁膜２６に設ける必要がある
が、本構成ではこれが不要となるため工程の簡略化なら
びに小型化が可能となる。

【００３３】実施例１でも述べたように、基板２１とし
て結晶面が（１００）面のＭｇＯ基板を用いることによ
り、焦電材料の結晶構造において、（００１）面との整
合性に特に優れており、焦電薄膜２３の結晶成長を促進
し、高温、高電界中での分極処理を施すことなく、分極
を効率よく一方向に揃えることが実現できる。

【００３４】また、本実施例では第一の電極２２ａと第
二の電極２２ｂとの間に層間絶縁膜２６を有した構造と
なっており、焦電薄膜２３の保持は主に層間絶縁膜２６
により行っている。このような構造とすることで、同様
に焦電薄膜２３から基板２１への熱伝達をさらに抑制す
ることができ、素子をより高感度にすることができる。

【００３５】本素子は偶数個でかつ同個数の逆極性部か
ら構成され、一つの赤外線検出部が少なくとも２以上の
同個数でかつ同極性の素子に分割されているが、それぞ
れの素子がたがいに逆極性となるように接続するのに、
隣合う赤外線検出部が互いに逆極性となるように配列さ
れた焦電型赤外線検出素子では、接続経路をそれぞれ最
短距離とすることができ、素子の小型化が可能となる。

【００３６】また、赤外線検出部が電気容量の等しい素
子に分割された場合には、同一素子面積で最大の直列合
成電気容量が得られ、素子の電気ノイズがこの容量に逆
比例することから、最適な信号／ノイズ特性が得られ
る。

【００３７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、少なくと
も単結晶からなる基板と、前記基板上に第一の電極を有
しこの第一の電極上に焦電薄膜を有しこの焦電薄膜上に
赤外線吸収効果を有する第二の電極を有した赤外線検出
部とからなり、前記赤外線検出部が接する前記基板の表
層部に微小空洞を有し、この微小空洞の側面の少なくと
も一部に開口部を有した構成とすることで、焦電薄膜か
ら基板への熱伝達経路を小さくすることができ、従来の
ように赤外線検出部での開口部を大きくして熱容量並び
に熱伝導を減少させなくても、赤外線検出部の熱容量を
十分に小さくかつ基板への熱伝導も十分に減少させるこ
とができ、開口部の拡大にともなう焦電薄膜の歪、断
線、破壊を防止しつつ、赤外線検出部の熱応答性を改善
し、さらに、検出感度を向上させることができる。ま
た、全体素子の寸法を最小限にすることができ、低コス
ト化を図ることができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の実施例１における焦電型赤外線
検出素子の平面図（ｂ）本発明の実施例１における焦電型赤外線検出素子
の断面図

【図２】（ａ）本発明の実施例２における焦電型赤外線
検出素子の平面図（ｂ）本発明の実施例２における焦電型赤外線検出素子
の断面図

【図３】（ａ）従来の焦電型赤外線検出素子の平面図（ｂ）従来の焦電型赤外線検出素子の断面図

【符号の説明】

１１基板１２ａ，１２ｂ電極１３焦電薄膜１４エッチング穴１５微小空洞１６空洞の開口部１７層間絶縁膜２１基板２２ａ，２２ｂ電極２３焦電薄膜２４エッチング穴２５微小空洞２６層間絶縁膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも単結晶からなる基板と、前記
基板上に第一の電極を有しこの第一の電極上に焦電薄膜
を有しこの焦電薄膜上に赤外線吸収効果を有する第二の
電極を有した赤外線検出部とからなり、前記赤外線検出
部が接する前記基板の表層部に微小空洞を有し、この微
小空洞の側面の少なくとも一部に開口部を有した焦電型
赤外線検出素子。
【請求項２】基板が少なくとも酸化マグネシウム（Ｍ
ｇＯ）を主成分とする単結晶基板からなる請求項１記載
の焦電型赤外線検出素子。
【請求項３】第一の電極と第二の電極との間に層間絶
縁膜を有した請求項１記載の焦電型赤外線検出素子。
【請求項４】基板の微小空洞と第一の電極との接触面
において、前記第一の電極の接触面積を前記基板の微小
空洞の接触面積よりも小さくした請求項１記載の焦電型
赤外線検出素子。
【請求項５】微小空洞の側面の開口部が焦電薄膜の端
面に沿った請求項１記載の焦電型赤外線検出素子。
【請求項６】少なくとも２個の焦電型赤外線検出素子
からなり、それぞれの素子が逆極性となるように接続さ
れた請求項１記載の焦電型赤外線検出素子。
【請求項７】少なくとも単結晶からなる基板と、前記
基板上に第一の電極を有しこの第一の電極上に焦電薄膜
を有しこの焦電薄膜上に赤外線吸収効果を有する第二の
電極を有した赤外線検出部とからなり、前記赤外線検出
部が接する前記基板の表層部に微小空洞を有し、前記赤
外線検出部が少なくとも偶数個でかつ同個数の逆極性部
からなり、一つの赤外線検出部が少なくとも２以上の同
個数でかつ同極性の素子に分割され、それぞれの素子が
互いに逆極性となるように接続された焦電型赤外線検出
素子。
【請求項８】基板が少なくとも酸化マグネシウム（Ｍ
ｇＯ）を主成分とする単結晶基板からなる請求項７記載
の焦電型赤外線検出素子。
【請求項９】第一の電極と第二の電極との間に層間絶
縁膜を有した請求項７記載の焦電型赤外線検出素子。
【請求項１０】隣合う赤外線検出部が互いに逆極性と
なるように配列された請求項７記載の焦電型赤外線検出
素子。
【請求項１１】赤外線検出部が電気容量の等しい素子
に分割された請求項７記載の焦電型赤外線検出素子。