JP2022089431A - サーミスタ素子及び電磁波センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】サーミスタ膜の面直方向に電流を適切に流すことができるサーミスタ素子を提供する。【解決手段】サーミスタ膜５と、サーミスタ膜５の一方の面に接触して設けられた第１の電極６ａと、サーミスタ膜５の他方の面に接触して設けられた一対の第２の電極６ｂとを備え、サーミスタ膜５は、第１の電極６ａの周囲を覆うように設けられている。【選択図】図５
Description
本発明は、サーミスタ素子及び電磁波センサに関する。
例えば、サーミスタ素子を用いた温度センサがある（例えば、下記特許文献１を参照。）。また、サーミスタ素子を用いた電磁波センサがある（例えば、下記特許文献２を参照。）。
サーミスタ素子が有するサーミスタ膜の電気抵抗は、サーミスタ膜の温度変化に応じて変化する。電磁波センサでは、サーミスタ膜に入射した赤外線（電磁波）がサーミスタ膜又はサーミスタ膜の周辺の材料に吸収されることによって、このサーミスタ膜の温度が変化する。これにより、サーミスタ素子は、赤外線（電磁波）を検出する。
ここで、シュテファン＝ボルツマンの法則から、測定対象の温度と、この測定対象から熱輻射により放出される赤外線（輻射熱）との間には相関関係がある。したがって、測定対象から放出される赤外線をサーミスタ素子を用いて検出することで、測定対象の温度を非接触により測定することが可能である。
また、このようなサーミスタ素子は、アレイ状に複数配列されることによって、測定対象の温度分布を二次元的に検出（撮像）する赤外線撮像素子（赤外線イメージセンサ）などの電磁波センサに応用されている。
ところで、上述したサーミスタ素子の素子構造としては、サーミスタ膜の面内方向に電流を流すＣＩＰ（Current-In-Plane）構造と、サーミスタ膜の面直方向に電流を流すＣＰＰ（Current-Perpendicular-to-Plane）構造とがある。
このうち、ＣＩＰ構造では、サーミスタ膜の抵抗が高くなる。一方、ＣＰＰ構造では、ＣＩＰ構造よりもサーミスタ膜の低抵抗化が可能である。
しかしながら、サーミスタ素子にＣＰＰ構造を採用した場合、サーミスタ膜の下面に接触する下部電極と、サーミスタ膜の上面に接触する一対の上部電極とが、サーミスタ膜の端部を挟んで面直方向に接近した状態となる。
このため、サーミスタ膜の端部を挟んで下部電極と上部電極との間に短絡（ショートパス）が生じてしまうと、サーミスタ膜の面直方向に電流を適切に流すことができなくなる。したがって、このようなサーミスタ素子を備えた電磁波センサでは、所望の特性が得られなくなるため、信頼性の低下を招く虞がある。
本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、サーミスタ膜の面直方向に電流を適切に流すことができるサーミスタ素子、並びに、そのようなサーミスタ素子を備えることによって、信頼性を高めることを可能とした電磁波センサを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
（１） サーミスタ膜と、
前記サーミスタ膜の一方の面に接触して設けられた第１の電極と、
前記サーミスタ膜の他方の面に接触して設けられた一対の第２の電極とを備え、
前記サーミスタ膜は、前記第１の電極の周囲を覆うように設けられていることを特徴とするサーミスタ素子。
（２） 平面視において、前記第１の電極の前記サーミスタ膜と接触する領域の内側に、前記一対の第２の電極の前記サーミスタ膜と接触する領域がそれぞれ位置することを特徴とする前記（１）に記載のサーミスタ素子。
（３） 前記第２の電極は、前記サーミスタ膜の他方の面上に、第１の導電層と第２の導電層とが順に積層された構造を有し、
前記第１の導電層は、白金、金、パラジウム、ルテニウム、銀、ロジウム、イリジウム、及びオスミウムの中から選ばれる１種若しくは２種以上を含む合金からなり、
前記第２の導電層は、アルミニウム、タングステン、チタン、タンタル、窒化チタン、窒化タンタル、窒化クロム、及び窒化ジルコニウムの中から選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載のサーミスタ素子。
（４） 前記第２の電極は、前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に第３の導電層を有し、
前記第３の導電層は、ＮｉＣｒ合金、ＮｉＦｅ合金、及びルテニウムの中から選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とする前記（３）に記載のサーミスタ素子。
（５） 前記（１）～（４）の何れか一項に記載のサーミスタ素子を備える電磁波センサ。
（６） 前記サーミスタ素子は、アレイ状に複数配列されていることを特徴とする前記（５）に記載の電磁波センサ。
（１） サーミスタ膜と、
前記サーミスタ膜の一方の面に接触して設けられた第１の電極と、
前記サーミスタ膜の他方の面に接触して設けられた一対の第２の電極とを備え、
前記サーミスタ膜は、前記第１の電極の周囲を覆うように設けられていることを特徴とするサーミスタ素子。
（２） 平面視において、前記第１の電極の前記サーミスタ膜と接触する領域の内側に、前記一対の第２の電極の前記サーミスタ膜と接触する領域がそれぞれ位置することを特徴とする前記（１）に記載のサーミスタ素子。
（３） 前記第２の電極は、前記サーミスタ膜の他方の面上に、第１の導電層と第２の導電層とが順に積層された構造を有し、
前記第１の導電層は、白金、金、パラジウム、ルテニウム、銀、ロジウム、イリジウム、及びオスミウムの中から選ばれる１種若しくは２種以上を含む合金からなり、
前記第２の導電層は、アルミニウム、タングステン、チタン、タンタル、窒化チタン、窒化タンタル、窒化クロム、及び窒化ジルコニウムの中から選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載のサーミスタ素子。
（４） 前記第２の電極は、前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に第３の導電層を有し、
前記第３の導電層は、ＮｉＣｒ合金、ＮｉＦｅ合金、及びルテニウムの中から選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とする前記（３）に記載のサーミスタ素子。
（５） 前記（１）～（４）の何れか一項に記載のサーミスタ素子を備える電磁波センサ。
（６） 前記サーミスタ素子は、アレイ状に複数配列されていることを特徴とする前記（５）に記載の電磁波センサ。
本発明によれば、サーミスタ膜の面直方向に電流を適切に流すことができるサーミスタ素子、並びに、そのようなサーミスタ素子を備えることによって、信頼性を高めることを可能とした電磁波センサを提供することが可能である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがあり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らないものとする。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
なお、以下の説明で用いる図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがあり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らないものとする。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
また、以下に示す図面では、ＸＹＺ直交座標系を設定し、Ｘ軸方向を電磁波センサの特定の面内における第１の方向Ｘとし、Ｙ軸方向を電磁波センサの特定の面内において第１の方向Ｘと直交する第２の方向Ｙとし、Ｚ軸方向を電磁波センサの特定の面内に対して直交する第３の方向Ｚとして、それぞれ示すものとする。
〔電磁波センサ〕
先ず、本発明の一実施形態として、例えば図１～図３に示す電磁波センサ１について説明する。
なお、図１は、電磁波センサ１の構成を示す平面図である。図２は、電磁波センサ１の構成を示す分解斜視図である。図３は、電磁波センサ１の構成を示す断面図である。
先ず、本発明の一実施形態として、例えば図１～図３に示す電磁波センサ１について説明する。
なお、図１は、電磁波センサ１の構成を示す平面図である。図２は、電磁波センサ１の構成を示す分解斜視図である。図３は、電磁波センサ１の構成を示す断面図である。
本実施形態の電磁波センサ１は、測定対象から放出される赤外線（電磁波）を検出することによって、この測定対象の温度分布を二次元的に検出（撮像）する赤外線撮像素子（赤外線イメージセンサ）に本発明を適用したものである。
赤外線は、波長が０．７５μｍ以上、１０００μｍ以下である電磁波である。赤外線イメージセンサは、赤外線カメラとして屋内や屋外の暗視などに利用されるほか、非接触式の温度センサとして人や物の温度測定などに利用されている。
具体的に、この電磁波センサ１は、図１～図３に示すように、互いに対向して配置された第１の基板２及び第２の基板３と、これら第１の基板２と第２の基板３との間に配置された複数のサーミスタ素子４とを備えている。
第１の基板２及び第２の基板３は、ある特定の波長の電磁波（本実施形態では波長８～１４μｍの長波長赤外線）（以下、「赤外線」という。）ＩＲに対して透過性を有するシリコン基板からなる。また、赤外線ＩＲに対して透過性を有する基板としては、ゲルマニウム基板などを用いることができる。
第１の基板２及び第２の基板３は、互いに対向する面の周囲をシール材（図示せず。）により封止することによって、その間に密閉された内部空間Ｋを構成している。また、内部空間Ｋは、高真空に減圧されている。これにより、電磁波センサ１では、内部空間Ｋでの対流による熱の影響を抑制し、サーミスタ素子４に対して測定対象から放出される赤外線ＩＲ以外の熱による影響を排除している。
なお、本実施形態の電磁波センサ１は、上述した密閉された内部空間Ｋを減圧した構成に必ずしも限定されるものではなく、大気圧のまま密閉又は開放された内部空間Ｋを有する構成であってもよい。
サーミスタ素子４は、赤外線ＩＲを検出するサーミスタ膜５と、サーミスタ膜５の一方の面に接触して設けられた第１の電極６ａと、サーミスタ膜５の他方の面に接触して設けられた一対の第２の電極６ｂと、サーミスタ膜５を覆う誘電体膜７とを備え、サーミスタ膜５の面直方向に電流が流れるＣＰＰ（Current-Perpendicular-to-Plane）構造を有している。
すなわち、このサーミスタ素子４では、一方の第２の電極６ｂから第１の電極６ａに向けてサーミスタ膜５の面直方向に電流を流すと共に、第１の電極６ａから他方の第２の電極６ｂに向けてサーミスタ膜５の面直方向に電流を流すことが可能となっている。
サーミスタ膜５としては、例えば、酸化バナジウム、非晶質シリコン、多結晶シリコン、マンガンを含むスピネル型結晶構造の酸化物、酸化チタン、又はイットリウム－バリウム－銅酸化物などを用いることができる。
第１の電極６ａ及び第２の電極６ｂとしては、例えば、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銀（Ａｇ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）などの導電膜を用いることができる。
誘電体膜７としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化タングステン、酸化ビスマス、酸化カルシウム、酸窒化アルミニウム、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウムマグネシウム、ホウ化ケイ素、窒化ホウ素、又はサイアロン（ケイ素とアルミニウムとの酸窒化物）などを用いることができる。
誘電体膜７は、少なくともサーミスタ膜５の少なくとも一部を覆うように設けられた構成であればよい。本実施形態では、サーミスタ膜５の両面を覆うように誘電体膜７が設けられている。
複数のサーミスタ素子４は、互いに同じ大きさで平面視で矩形状（本実施形態では正方形状）に形成されている。また、複数のサーミスタ素子４は、第１の基板２及び第２の基板３と平行な面内（以下、「特定の面内」という。）にアレイ状に配列されている。すなわち、これら複数のサーミスタ素子４は、特定の面内において互いに交差（本実施形態では直交）する第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとにマトリックス状に並んで配置されている。
また、各サーミスタ素子４は、第１の方向Ｘを行方向とし、第２の方向Ｙを列方向として、第１の方向Ｘに一定の間隔で並んで配置されると共に、第２の方向Ｙに一定の間隔で並んで配置されている。
なお、上記サーミスタ素子４の行列数としては、例えば６４０行×４８０列、１０２４行×７６８列などが挙げられるが、これら行列数に必ずしも限定されるものではなく、適宜変更することが可能である。
第１の基板２側には、第１の絶縁体層８と、後述する回路部１５と電気的に接続された配線部９と、各サーミスタ素子４と配線部９との間を電気的に接続する第１の接続部１０とが設けられている。
第１の絶縁体層８は、第１の基板２の一方の面（第２の基板３と対向する面）側において積層された絶縁膜からなる。絶縁膜としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化タングステン、酸化ビスマス、酸化カルシウム、酸窒化アルミニウム、酸窒化ケイ素、酸化アルミニウムマグネシウム、ホウ化ケイ素、窒化ホウ素、サイアロン（ケイ素とアルミニウムの酸窒化物）などを用いることができる。
配線部９は、複数の第１のリード配線９ａと、複数の第２のリード配線９ｂとを有している。第１のリード配線９ａ及び第２のリード配線９ｂは、例えば銅や金などの導電膜からなる。
複数の第１のリード配線９ａと複数の第２のリード配線９ｂとは、第１の絶縁体層８の第３の方向Ｚにおいて異なる層内に位置して、立体的に交差するように配置されている。このうち、複数の第１のリード配線９ａは、第１の方向Ｘに延在し、且つ、第２の方向Ｙに一定の間隔で並んで設けられている。一方、複数の第２のリード配線９ｂは、第２の方向Ｙに延在し、且つ、第１の方向Ｘに一定の間隔で並んで設けられている。
各サーミスタ素子４は、平面視において、これら複数の第１のリード配線９ａと複数の第２のリード配線９ｂとによって区画された領域毎に設けられている。各サーミスタ膜５と第１の基板２の厚さ方向において対向する領域（平面視で重なる領域）には、第１の基板２とサーミスタ膜５との間で赤外線ＩＲを透過させる窓部Ｗが存在している。
第１の接続部１０は、複数のサーミスタ素子４の各々に対応して設けられた一対の第１の接続部材１１ａ，１１ｂを有している。また、一対の第１の接続部材１１ａ，１１ｂは、一対のアーム部１２ａ，１２ｂと、一対のレッグ部１３ａ，１３ｂとを有している。
各アーム部１２ａ，１２ｂは、例えばチタンや窒化チタンなどの薄膜によってサーミスタ素子４の周囲に沿って形成された折り曲げ線状の導体パターンからなる。各レッグ部１３ａ，１３ｂは、例えば銅、金、ＦｅＣｏＮｉ合金又はＮｉＦｅ合金（パーマロイ）などのめっきによって第３の方向Ｚに延在して形成された断面円形状の導体ピラーからなる。
一方の第１の接続部材１１ａは、一方の第２の電極６ｂと電気的に接続された一方のアーム部１２ａと、一方のアーム部１２ａと第１のリード配線９ａとの間を電気的に接続する一方のレッグ部１３ａとを有して、一方の第２の電極６ｂと第１のリード配線９ａとの間を電気的に接続している。
他方の第１の接続部材１１ｂは、他方の第２の電極６ｂと電気的に接続された他方のアーム部１２ｂと、他方のアーム部１２ｃと第２のリード配線９ｂとの間を電気的に接続する他方のレッグ部１３ｂとを有して、他方の第２の電極６ｂと第２のリード配線９ｂとの間を電気的に接続している。
これにより、サーミスタ素子４は、その面内の対角方向に位置する一対の第１の接続部材１１ａ，１１ｂにより第３の方向Ｚに吊り下げられた状態で支持されている。また、サーミスタ素子４と第１の絶縁体層８との間には、空間Ｇが設けられている。
第１の基板２の一方の面（第２の基板３と対向する面）側には、図示を省略するものの、複数のサーミスタ素子４の中から１つのサーミスタ素子４を選択するための複数の選択用トランジスタ（図示せず。）が設けられている。複数の選択用トランジスタは、第１の基板２の複数のサーミスタ素子４の各々に対応した位置に設けられている。また、各選択用トランジスタは、赤外線ＩＲの乱反射や入射効率の低下を防ぐため、上述した窓部Ｗを避けた位置に設けられている。
第２の基板３側には、第２の絶縁体層１４と、サーミスタ素子４から出力される電圧の変化を検出して輝度温度に変換する回路部１５と、各サーミスタ素子４と回路部１５との間を電気的に接続する第２の接続部１６とが設けられている。
第２の絶縁体層１４は、第２の基板３の一方の面（第１の基板２と対向する面）側において積層された絶縁膜からなる。絶縁膜としては、上記第１の絶縁体層８で例示した絶縁膜と同じものを用いることができる。
回路部１５は、読み出し集積回路（ＲＯＩＣ：Read Out Integrated Circuit）やレギュレータ、Ａ／Ｄコンバータ（Analog-to-Digital Converter）、マルチプレクサなどからなり、第２の絶縁体層１４の層内に設けられている。
また、第２の絶縁体層１４の面上には、複数の第１のリード配線９ａ及び複数の第２のリード配線９ｂの各々に対応した複数の接続端子１７ａ，１７ｂが設けられている。接続端子１７ａ，１７ｂは、例えば銅や金などの導電膜からなる。
一方の接続端子１７ａは、回路部１５の周囲を囲む第１の方向Ｘの一方側の領域に位置して、第２の方向Ｙに一定の間隔で並んで設けられている。他方の接続端子１７ｂは、回路部１５の周囲を囲む第２の方向Ｙの一方側の領域に位置して、第１の方向Ｘに一定の間隔で並んで設けられている。
第２の接続部１６は、複数の第１のリード配線９ａ及び複数の第２のリード配線９ｂの各々に対応して設けられた複数の第２の接続部材１８ａ，１８ｂを有している。複数の第２の接続部材１８ａ，１８ｂは、例えば銅や金などのめっきによって第３の方向Ｚに延在して形成された断面円形状の導体ピラーからなる。
一方の第２の接続部材１８ａは、第１のリード配線９ａの一端側と一方の接続端子１７ａとの間を電気的に接続している。他方の第２の接続部材１８ｂは、第２のリード配線９ｂの一端側と他方の接続端子１７ｂとの間を電気的に接続している。これにより、複数の第１のリード配線９ａと回路部１５との間が一方の第２の接続部材１８ａ及び一方の接続端子１７ａを介して電気的に接続されている。また、複数の第２のリード配線９ｂと回路部１５との間が他方の第２の接続部材１８ｂ及び他方の接続端子１７ｂを介して電気的に接続されている。
以上のような構成を有する本実施形態の電磁波センサ１では、測定対象から放出された赤外線ＩＲが第１の基板２側から窓部Ｗを通してサーミスタ素子４に入射する。
サーミスタ素子４では、サーミスタ膜５の近傍に形成された誘電体膜７に入射した赤外線ＩＲが誘電体膜７に吸収されること、並びに、サーミスタ膜５に入射した赤外線ＩＲがサーミスタ膜５に吸収されることによって、このサーミスタ膜５の温度が変化する。また、サーミスタ素子４では、サーミスタ膜５の温度変化に対して、このサーミスタ膜５の電気抵抗が変化することで、一対の第２の電極６の間の出力電圧が変化する。本実施形態の電磁波センサ１では、サーミスタ素子４がボロメータ素子として機能する。
本実施形態の電磁波センサ１では、測定対象から放出される赤外線ＩＲを複数のサーミスタ素子４により平面的に検出した後、各サーミスタ素子４から出力される電気信号（電圧信号）を輝度温度に変換することによって、測定対象の温度分布（温度画像）を二次元的に検出（撮像）することが可能である。
なお、サーミスタ素子４では、サーミスタ膜５に定電圧を印加する場合、このサーミスタ膜５の温度変化に対して、サーミスタ膜５に流れる電流の変化を検出して輝度温度に変換することも可能である。
〔サーミスタ素子〕
（第１の実施形態）
次に、本発明の第１の実施形態として、例えば図４～図７に示すサーミスタ素子４について説明する。
なお、図４は、サーミスタ素子４の構成を示す平面図である。図５は、図４中に示す線分Ａ－Ａによるサーミスタ素子４の断面図である。図６は、サーミスタ素子４の第１の電極６ａ及び第２の電極６ｂの配置を示す透視平面図である。図７は、図６中に示す線分Ｂ－Ｂによるサーミスタ素子４の断面図である。
（第１の実施形態）
次に、本発明の第１の実施形態として、例えば図４～図７に示すサーミスタ素子４について説明する。
なお、図４は、サーミスタ素子４の構成を示す平面図である。図５は、図４中に示す線分Ａ－Ａによるサーミスタ素子４の断面図である。図６は、サーミスタ素子４の第１の電極６ａ及び第２の電極６ｂの配置を示す透視平面図である。図７は、図６中に示す線分Ｂ－Ｂによるサーミスタ素子４の断面図である。
本実施形態のサーミスタ素子４は、図４及び図５に示すように、サーミスタ膜５と、サーミスタ膜５の一方の面（図５及び図７では下面）に接触して設けられた第１の電極６ａと、サーミスタ膜５の他方の面（図５及び図７では上面）に接触して設けられた一対の第２の電極６ｂとを備えたＣＰＰ構造を有している。
本実施形態のサーミスタ素子４では、例えば、サーミスタ膜５として、コバルト、マンガン、ニッケルを含むスピネル型結晶構造の酸化物（以下、「Ｃｏ－Ｍｎ－Ｎｉ酸化物」という。）を用い、第１の電極６ａ及び第２の電極６ｂとして、白金（Ｐｔ）を用いている。このサーミスタ素子４は、ＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）と呼ばれる温度上昇と共に電気抵抗が低下する素子である。
以上のような構成を有する本実施形態のサーミスタ素子４では、一方の第２の電極６ｂから第１の電極６ａに向けてサーミスタ膜５の面直方向に電流を流すと共に、第１の電極６ａから他方の第２の電極６ｂに向けてサーミスタ膜５の面直方向に電流を流すことが可能となっている。
サーミスタ膜５の抵抗値は、このサーミスタ膜５の厚さと、第１の電極６ａと第２の電極６ｂとの対向面積の大きさとに依存する。したがって、上述したＣＰＰ構造を採用することで、サーミスタ膜５の低抵抗化が可能である。
ところで、本実施形態のサーミスタ素子４では、図６及び図７に示すように、第１の電極６ａの周囲を覆うようにサーミスタ膜５が設けられている。すなわち、このサーミスタ素子４では、平面視において、第１の電極６ａのサーミスタ膜５と接触する領域Ｅ１がサーミスタ膜５よりも内側に位置している。
これにより、本実施形態のサーミスタ素子４では、第１の電極６ａと第２の電極６ｂとの間に短絡（ショートパス）が生じることを防ぐことができ、サーミスタ膜５の面直方向に電流を適切に流すことが可能である。
一方、平面視において、第１の電極６ａとサーミスタ膜５とを同じ形状（同じ大きさ）とした場合、第１の電極６ａとサーミスタ膜５とを同時にパターニングした際に、サーミスタ膜５の端部に第１の電極６ａのリデポが形成される。この場合、サーミスタ膜５の端部を挟んで第１の電極６ａと第２の電極６ｂとの間にリデポを介して短絡（ショートパス）が生じてしまうため、サーミスタ膜５の面直方向に電流を適切に流すことができなくなる。したがって、この場合、上記サーミスタ素子４として機能しなくなる。
また、本実施形態のサーミスタ素子４では、平面視において、第１の電極６ａのサーミスタ膜５と接触する領域Ｅ１の内側に、一対の第２の電極６ｂのサーミスタ膜５と接触する領域Ｅ２がそれぞれ位置している。
これにより、本実施形態のサーミスタ素子４では、一対の第２の電極６ｂの面内における配置にバラツキが生じたとしても（図６中の破線で示す。）、第１の電極６ａと第２の電極６ｂとの対向面積は変わらないため、サーミスタ膜５の抵抗値のバラツキを抑えることが可能である。
なお、本実施形態では、サーミスタ膜５、第１の電極６ａ及び第２の電極６ｂが平面視で略矩形状に形成された場合を例示しているが、これらサーミスタ膜５、第１の電極６ａ及び第２の電極６ｂの形状については、適宜変更することが可能である。
次に、上記サーミスタ素子４の製造工程について、図８～図１１を参照しながら説明する。
なお、図８～図１１は、サーミスタ素子４の製造工程を順に説明するための断面図である。
なお、図８～図１１は、サーミスタ素子４の製造工程を順に説明するための断面図である。
上記サーミスタ素子４を製造する際は、先ず、図８に示すように、上記誘電体膜７の一部となるＳｉＯ２膜５１の面上に、Ｐｔ膜５２を全面に亘って成膜した後、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、第１の電極６ａを形成する。なお、ＳｉＯ２膜５１とＰｔ膜５２との間には、密着性を改善するためにＴａ膜を介在させてもよい。
次に、図９に示すように、Ｃｏ－Ｍｎ－Ｎｉ酸化物膜５３を全面に亘って成膜する。
次に、Ｃｏ－Ｍｎ－Ｎｉ酸化物膜５３の上に、Ｐｔ膜５４を全面に亘って成膜した後、図１０に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、平面視で第１の電極６ａの内側に位置するように、一対の第２の電極６ｂを形成する。
次に、図１１に示すように、Ｃｏ－Ｍｎ－Ｎｉ酸化物膜５３をフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、第１の電極６ａの周囲を覆うように、サーミスタ膜５を形成する。
以上の工程を経ることにより、上記サーミスタ素子４を作製することが可能である。
以上の工程を経ることにより、上記サーミスタ素子４を作製することが可能である。
上記サーミスタ素子４の製造工程では、サーミスタ膜５の端部に第１の電極６ａのリデポが形成されることを防ぐことができる。したがって、本実施形態のサーミスタ素子４では、第１の電極６ａと第２の電極６ｂとの間にリデポを介した短絡（ショートパス）が生じることを防ぐことが可能である。
上記電磁波センサ１では、本実施形態のサーミスタ素子４を用いることによって、信頼性を高めることが可能である。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態として、例えば図１２に示すサーミスタ素子４Ａについて説明する。
なお、図１２は、サーミスタ素子４Ａの構成を示す断面図である。また、以下の説明では、上記サーミスタ素子４と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
次に、本発明の第２の実施形態として、例えば図１２に示すサーミスタ素子４Ａについて説明する。
なお、図１２は、サーミスタ素子４Ａの構成を示す断面図である。また、以下の説明では、上記サーミスタ素子４と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
本実施形態のサーミスタ素子４Ａは、図１２に示すように、サーミスタ膜５の面上に、第１の導電層４１と第２の導電層４２とが順に積層された２層構造を有する一対の第２の電極６ｂを備えている。それ以外は、上記サーミスタ素子４と基本的に同じ構成を有している。
第１の導電層４１は、白金（Ｐｔ）、金（Ｐｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銀（Ａｇ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、及びオスミウム（Ｏｓ）の中から選ばれる１種若しくは２種以上を含む合金からなる。
第２の導電層４２は、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化クロム（ＴａＣｒ）、及び窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）の中から選ばれる少なくとも１種からなる。
具体的に、このサーミスタ素子４Ａの製造工程について、図１３～図２３を参照しながら説明する。
なお、図１３～図２３は、サーミスタ素子４Ａの製造工程を順に説明するための断面図である。
なお、図１３～図２３は、サーミスタ素子４Ａの製造工程を順に説明するための断面図である。
上記サーミスタ素子４Ａを製造する際は、先ず、図１３に示すように、上記誘電体膜７の一部となるＳｉＯ２膜５１の面上に、第１の導電層４１となる膜として、例えばＰｔ膜５２を全面に亘って成膜した後、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、第１の電極６ａを形成する。
なお、ＳｉＯ２膜５１の下には、硬化した有機材料層７０に上記電磁波センサ１の一対のレッグ部１３ａ，１３ｂが埋め込まれた状態で設けられている。
次に、図１４に示すように、Ｃｏ－Ｍｎ－Ｎｉ酸化物膜５３を全面に亘って成膜する。
次に、Ｃｏ－Ｍｎ－Ｎｉ酸化物膜５３の上に、Ｐｔ膜５４を全面に亘って成膜した後、図１５に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、平面視で第１の電極６ａの内側に位置するように、一対の第２の電極６ｂとなる一対の第１の導電層４１を形成する。
次に、図１６に示すように、Ｃｏ－Ｍｎ－Ｎｉ酸化物膜５３をフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、第１の電極６ａの周囲を覆うように、サーミスタ膜５を形成する。
次に、図１７に示すように、ＳｉＯ２膜５５を全面亘って成膜する。
次に、図１８に示すように、一対の第１の導電層４１の上に、ＳｉＯ２膜５５を貫通する一対の孔部５６を形成する。一対の孔部５６を形成する際は、ＳｉＯ２膜５５の面上に、各孔部５６に対応した位置に開口部を有するマスク層（図示せず。）を形成した後に、塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行う。このとき、上述した材料からなる第１の導電層４１をエッチングストッパーとして機能させることが可能である。
次に、図１９に示すように、一対のレッグ部１３ａ，１３ｂの上に、ＳｉＯ２膜５５，５１を貫通する一対の孔部５７を形成する。
次に、図２０に示すように、第２の導電層４２及びアーム部１２ａ，１２ｂを形成するＴｉ膜５８を全面亘って成膜した後、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、第１の導電層４１及び第２の導電層４２を順に積層した第２の電極６ｂを形成する。
次に、図２１に示すように、ＳｉＯ２膜５９を全面亘って成膜する。
次に、図２２に示すように、ＮｉＣｒ膜６０を全面に亘って成膜した後に、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、上記電磁波センサ１の一対のアーム部１２ａ，１２ｂに対応した形状のマスク層６０ａを形成する。
次に、図２３に示すように、塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行う。このとき、有機材料層７０が露出するまで、Ｔｉ膜５８及びＳｉＯ２膜５９，５５，５１をパターニングしながら除去した後、ＳｉＯ２膜５９の面上からマスク層６０ａを除去する。これにより、一対のアーム部１２ａ，１２ｂを形成する。
以上の工程を経ることにより、上記サーミスタ素子４Ａを作製することが可能である。
以上の工程を経ることにより、上記サーミスタ素子４Ａを作製することが可能である。
上記サーミスタ素子４Ａの製造工程では、上述した第１の導電層４１に、サーミスタ膜５への原子拡散が生じにくい上述した導電材料（本実施形態ではＰｔ膜５４）を用いている。これにより、サーミスタ膜５の特性劣化を抑制することが可能である。
一方、第２の導電層４２に、塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＯ２膜５９，５５，５１と共にエッチング可能な上述した導電材料（本実施形態ではＴｉ膜５８）を用いている。これにより、一対のアーム部１２ａ，１２ｂを容易にパターン形成することが可能である。
上記電磁波センサ１では、上記サーミスタ素子４の代わりに、本実施形態のサーミスタ素子４Ａを用いることができる。上記電磁波センサ１では、本実施形態のサーミスタ素子４Ａを用いることによって、信頼性を高めることが可能である。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態として、例えば図２４に示すサーミスタ素子４Ｂについて説明する。
なお、図２４は、サーミスタ素子４Ｂの構成を示す断面図である。また、以下の説明では、上記サーミスタ素子４Ａと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
次に、本発明の第３の実施形態として、例えば図２４に示すサーミスタ素子４Ｂについて説明する。
なお、図２４は、サーミスタ素子４Ｂの構成を示す断面図である。また、以下の説明では、上記サーミスタ素子４Ａと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
本実施形態のサーミスタ素子４Ｂは、図２５に示すように、第１の導電層４１と第２の導電層４２との間に第３の導電層４３を有する一対の第２の電極６ｂを備えている。すなわち、この第２の電極６ｂは、サーミスタ膜５の面上に、第１の導電層４１と第３の導電層４３と第２の導電層４２とが順に積層された３層構造を有している。
第３の導電層４３は、ＮｉＣｒ合金、ＮｉＦｅ合金、及びルテニウム（Ｒｕ）の中から選ばれる少なくとも１種からなる。
具体的に、このサーミスタ素子４Ｂの製造工程について、図２５～図３２を参照しながら説明する。
なお、図２５～図３２は、サーミスタ素子４Ｂの製造工程を順に説明するための断面図である。
なお、図２５～図３２は、サーミスタ素子４Ｂの製造工程を順に説明するための断面図である。
上記サーミスタ素子４Ｂを製造する際は、上記図１３及び図１４に示す工程の後に、Ｐｔ膜５４及びＮｉＣｒ膜６１を全面に亘って順次成膜した後、図２５に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、平面視で第１の電極６ａの内側に位置するように、Ｐｔ膜５４からなる一対の第１の導電層４１及びＮｉＣｒ膜６１からなる第３の導電層４３を形成する。
次に、図２６に示すように、Ｃｏ－Ｍｎ－Ｎｉ酸化物膜５３をフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、第１の電極６ａの周囲を覆うように、サーミスタ膜５を形成する。
次に、図２７に示すように、ＳｉＯ２膜５５を全面亘って成膜する。
次に、図２８に示すように、一対の第３の導電層４４ｃの上に、ＳｉＯ２膜５５を貫通する一対の孔部５６を形成する。一対の孔部５６を形成する際は、ＳｉＯ２膜５５の面上に、各孔部５６に対応した位置に開口部を有するマスク層（図示せず。）を形成した後に、塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行う。このとき、上述した材料からなる第３の導電層４４ｃをエッチングストッパーとして機能させることが可能である。
次に、図２９に示すように、一対のレッグ部１３ａ，１３ｂの上に、ＳｉＯ２膜５５，５１を貫通する一対の孔部５７を形成する。
次に、図３０に示すように、第２の導電層４２及びアーム部１２ａ，１２ｂを形成するＴｉ膜５８を全面亘って成膜した後、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、第１の導電層４１、第３の導電層４３及び第２の導電層４２を順に積層した第２の電極６ｂを形成する。
次に、図３１に示すように、ＳｉＯ２膜５９を全面亘って成膜する。
次に、図３２に示すように、ＮｉＣｒ膜６０を全面に亘って成膜した後に、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、上記電磁波センサ１の一対のアーム部１２ａ，１２ｂに対応した形状のマスク層６０ａを形成する。
次に、図３３に示すように、塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行う。このとき、有機材料層７０が露出するまで、Ｔｉ膜５８及びＳｉＯ２膜５９，５５，５１をパターニングしながら除去した後、ＳｉＯ２膜５９の面上からマスク層６０ａを除去する。これにより、一対のアーム部１２ａ，１２ｂを形成する。
以上の工程を経ることにより、上記サーミスタ素子４Ｂを作製することが可能である。
以上の工程を経ることにより、上記サーミスタ素子４Ｂを作製することが可能である。
上記サーミスタ素子４Ｂの製造工程では、上述した第３の導電層４３に、塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のエッチングストッパーとなる効果の高い上述した導電材料（本実施形態ではＮｉＣｒ膜６１）を用いている。これにより、一対のアーム部１２ａ，１２ｂを容易にパターン形成することが可能である。
上記電磁波センサ１では、上記サーミスタ素子４の代わりに、本実施形態のサーミスタ素子４Ｂを用いることができる。上記電磁波センサ１では、本実施形態のサーミスタ素子４Ｂを用いることによって、信頼性を高めることが可能である。
なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本発明を適用した電磁波センサは、上述した複数のサーミスタ素子４をアレイ状に配列した赤外線イメージセンサの構成に必ずしも限定されるものではなく、サーミスタ素子４を単体で用いた電磁波センサや、複数のサーミスタ素子４を線状に並べて配列した電磁波センサなどにも本発明を適用することが可能である。また、サーミスタ素子４を温度を測定する温度センサとして用いることも可能である。
例えば、本発明を適用した電磁波センサは、上述した複数のサーミスタ素子４をアレイ状に配列した赤外線イメージセンサの構成に必ずしも限定されるものではなく、サーミスタ素子４を単体で用いた電磁波センサや、複数のサーミスタ素子４を線状に並べて配列した電磁波センサなどにも本発明を適用することが可能である。また、サーミスタ素子４を温度を測定する温度センサとして用いることも可能である。
また、本発明を適用した電磁波センサは、電磁波として、上述した赤外線を検出するものに必ずしも限定されるものではなく、例えば波長が３０μｍ以上、３ｍｍ以下のテラヘルツ波を検出するものであってもよい。
１…電磁波センサ ２…第１の基板 ３…第２の基板 ４，４Ａ，４Ｂ…サーミスタ素子 ５…サーミスタ膜 ６ａ…第１の電極 ６ｂ…第２の電極 ７…誘電体膜 ８…第１の絶縁体層 ９…配線部 ９ａ…第１のリード配線 ９ｂ…第２のリード配線 １０…第１の接続部 １１ａ，１１ａ…第１の接続部材 １２ａ，１２ｂ…アーム部 １３ａ，１３ｂ…レッグ部 １４…第２の絶縁体層 １５…回路部 １６…第２の接続部 １７ａ，１７ｂ…接続端子 １８ａ，１８ｂ…第２の接続部材 ４１…第１の導電層 ４２…第２の導電層 ４３…第３の導電層 ＩＲ…赤外線（電磁波） Ｇ…空間 Ｋ…内部空間
Claims (6)
- サーミスタ膜と、
前記サーミスタ膜の一方の面に接触して設けられた第１の電極と、
前記サーミスタ膜の他方の面に接触して設けられた一対の第２の電極とを備え、
前記サーミスタ膜は、前記第１の電極の周囲を覆うように設けられていることを特徴とするサーミスタ素子。 - 平面視において、前記第１の電極の前記サーミスタ膜と接触する領域の内側に、前記一対の第２の電極の前記サーミスタ膜と接触する領域がそれぞれ位置することを特徴とする請求項１に記載のサーミスタ素子。
- 前記第２の電極は、前記サーミスタ膜の他方の面上に、第１の導電層と第２の導電層とが順に積層された構造を有し、
前記第１の導電層は、白金、金、パラジウム、ルテニウム、銀、ロジウム、イリジウム、及びオスミウムの中から選ばれる１種若しくは２種以上を含む合金からなり、
前記第２の導電層は、アルミニウム、タングステン、チタン、タンタル、窒化チタン、窒化タンタル、窒化クロム、及び窒化ジルコニウムの中から選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のサーミスタ素子。 - 前記第２の電極は、前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に第３の導電層を有し、
前記第３の導電層は、ＮｉＣｒ合金、ＮｉＦｅ合金、及びルテニウムの中から選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とする請求項３に記載のサーミスタ素子。 - 請求項１～４の何れか一項に記載のサーミスタ素子を備える電磁波センサ。
- 前記サーミスタ素子は、アレイ状に複数配列されていることを特徴とする請求項５に記載の電磁波センサ。
Priority Applications (2)
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| JP2020201816A JP2022089431A (ja) | 2020-12-04 | 2020-12-04 | サーミスタ素子及び電磁波センサ |
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-
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-
2021
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