JP2502693B2 - 焦電型赤外線撮像素子及びその製造方法 - Google Patents
焦電型赤外線撮像素子及びその製造方法Info
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- JP2502693B2 JP2502693B2 JP63171244A JP17124488A JP2502693B2 JP 2502693 B2 JP2502693 B2 JP 2502693B2 JP 63171244 A JP63171244 A JP 63171244A JP 17124488 A JP17124488 A JP 17124488A JP 2502693 B2 JP2502693 B2 JP 2502693B2
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- electrode thin
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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お
よびその製造方法に関するものである。
よびその製造方法に関するものである。
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
の波長依存性が大きい。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
の波長依存性が大きい。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、検出部としてショットキー障壁を
形成し、電荷結合素子（CCD）により電子走査をする二
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、イ
ンフレアード フィジックス（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。また、Int.Conf.onアドバンスト（A
dvanced）IRセンサ（Sensors）andシステム（System）4
9（1983）には、CCDへの熱伝導を抑制するため、CCD上
にレジストの突起部を形成し、その上に設けた電極と焦
電材料の下部電極とをハンダバンプで結合する構造が提
案されている。
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、検出部としてショットキー障壁を
形成し、電荷結合素子（CCD）により電子走査をする二
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、イ
ンフレアード フィジックス（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。また、Int.Conf.onアドバンスト（A
dvanced）IRセンサ（Sensors）andシステム（System）4
9（1983）には、CCDへの熱伝導を抑制するため、CCD上
にレジストの突起部を形成し、その上に設けた電極と焦
電材料の下部電極とをハンダバンプで結合する構造が提
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・PbZrxTi1-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））と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
は体積比熱、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・PbZrxTi1-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））と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
は体積比熱、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
グネトロンスパッタリング法により作製したｃ軸配向Pb
TiO3系薄膜は、分極処理をしなくとも、PbTiO3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
グネトロンスパッタリング法により作製したｃ軸配向Pb
TiO3系薄膜は、分極処理をしなくとも、PbTiO3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 ところで、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
界がある。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。
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
界がある。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。
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。
バンプ等で接合した焦電型CCDでは、バンプを通してC
CDへの熱拡散が生じ感度が低下した。CCDと焦電材料の
間にレジストを介してCCDへの熱伝導を抑制する構造の
ものも、CCDとセンサ部の熱膨張差による接触不良やク
ラックが生じた。また、センサ部がバンプと接触してい
るため熱容量が増大し、応答性も低下した。
CDへの熱拡散が生じ感度が低下した。CCDと焦電材料の
間にレジストを介してCCDへの熱伝導を抑制する構造の
ものも、CCDとセンサ部の熱膨張差による接触不良やク
ラックが生じた。また、センサ部がバンプと接触してい
るため熱容量が増大し、応答性も低下した。
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。
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。
本発明は、このような従来技術の課題を解決すること
を目的とする。
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、前記焦電薄
膜の基板側の面に形成された赤外線を受ける受光電極薄
膜と、前記電極薄膜群の各々の上方にコンタクトホール
をもち前記焦電薄膜と前記電極薄膜群の一部を被覆する
ように形成された有機薄膜と、前記有機薄膜上に前記電
極薄膜群に対応した第２の電極薄膜群と、各コンタクト
ホールを通して前記電極薄膜群と第２の電極薄膜群とを
電気的に接続する取り出し電極薄膜群と、前記第２の電
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を少な
くとも有した構成である。
薄膜上に二次元に配列された電極薄膜群と、前記焦電薄
膜の基板側の面に形成された赤外線を受ける受光電極薄
膜と、前記電極薄膜群の各々の上方にコンタクトホール
をもち前記焦電薄膜と前記電極薄膜群の一部を被覆する
ように形成された有機薄膜と、前記有機薄膜上に前記電
極薄膜群に対応した第２の電極薄膜群と、各コンタクト
ホールを通して前記電極薄膜群と第２の電極薄膜群とを
電気的に接続する取り出し電極薄膜群と、前記第２の電
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を少な
くとも有した構成である。
作用 本発明は、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であるから、焦電薄膜が高性能指数
であること、バンプを介して電荷転送素子への熱拡散が
低減したことにより感度の大幅アップを図ることができ
るばかりでなく、薄膜のはがれ・割れを防止できる。ま
た、自然分極を有する焦電薄膜を用いることにより、分
極処理をおこなう必要が無く、歩留まり良く、高性能の
焦電型赤外線撮像素子が実現できる。
電型赤外線撮像素子であるから、焦電薄膜が高性能指数
であること、バンプを介して電荷転送素子への熱拡散が
低減したことにより感度の大幅アップを図ることができ
るばかりでなく、薄膜のはがれ・割れを防止できる。ま
た、自然分極を有する焦電薄膜を用いることにより、分
極処理をおこなう必要が無く、歩留まり良く、高性能の
焦電型赤外線撮像素子が実現できる。
実施例 以下に、本発明を、図面を参照しながら説明する。
第１図及び第２図は本発明の焦電型赤外線撮像素子の
一実施例の構造及び製造方法を示す図である。
一実施例の構造及び製造方法を示す図である。
（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
Pb1-xLaxTi1-0.75xO3（PLT）を３μｍ成長させた（第２
図（ａ））。雰囲気ガスにはAr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
Pb1-xLaxTi1-0.75xO3（PLT）を３μｍ成長させた（第２
図（ａ））。雰囲気ガスにはAr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NiCr電極
薄膜群３を蒸着により作製した（第２図（ｂ））。前記
NiCr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。
薄膜群３を蒸着により作製した（第２図（ｂ））。前記
NiCr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。
次にこれらの上に有機薄膜４を設けた（第２図
（ｃ））。上記有機薄膜４は感光性ポリイミド系樹脂を
スピンナーで塗布し、紫外線に照射した後300℃で熱処
理したものである。膜厚は４μｍであった。電極薄膜群
３上の一部にはコンタクトホール５を設けた。前記有機
薄膜４上に第２の電極薄膜群６として蒸着によりNiCr電
極群を作製した（第２図（ｄ））。電極薄膜群３と第２
の電極薄膜群６とは取り出し電極薄膜群７で接続させ
た。
（ｃ））。上記有機薄膜４は感光性ポリイミド系樹脂を
スピンナーで塗布し、紫外線に照射した後300℃で熱処
理したものである。膜厚は４μｍであった。電極薄膜群
３上の一部にはコンタクトホール５を設けた。前記有機
薄膜４上に第２の電極薄膜群６として蒸着によりNiCr電
極群を作製した（第２図（ｄ））。電極薄膜群３と第２
の電極薄膜群６とは取り出し電極薄膜群７で接続させ
た。
前記第２の電極薄膜群６は、その上に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
第２の電極薄膜群６上の一部を除き、レジストを形成
し、電解メッキにより前記第２の電極薄膜群６上に、Au
バンプ８を５μｍ作製した（第２図（ｅ））。次に、前
記CrAu蒸着膜をエッチングで除去し、前記第２の電極薄
膜群６を分離した後、前記Auバンプ８により前記第２の
電極薄膜群６と電荷転送素子９の入力ダイオード10上に
設けたAl電極群11とを300℃の雰囲気で熱圧着し接合し
た（第２図（ｆ））。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
チングして開口部12を設けて、前記焦電薄膜２の前記基
板側の面に赤外線を受けるNiCr受光電極薄膜13を作製し
た（第２図（ｇ））。このときエッチング面積を焦電薄
膜２の面積より大きくして、焦電薄膜２はMgO基板１に
接触しないようにしている。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は分極処理をしなくとも、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＝1.8×10-8C
/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。
示せず）を作製して、各々電気的に接続された後、前記
第２の電極薄膜群６上の一部を除き、レジストを形成
し、電解メッキにより前記第２の電極薄膜群６上に、Au
バンプ８を５μｍ作製した（第２図（ｅ））。次に、前
記CrAu蒸着膜をエッチングで除去し、前記第２の電極薄
膜群６を分離した後、前記Auバンプ８により前記第２の
電極薄膜群６と電荷転送素子９の入力ダイオード10上に
設けたAl電極群11とを300℃の雰囲気で熱圧着し接合し
た（第２図（ｆ））。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
チングして開口部12を設けて、前記焦電薄膜２の前記基
板側の面に赤外線を受けるNiCr受光電極薄膜13を作製し
た（第２図（ｇ））。このときエッチング面積を焦電薄
膜２の面積より大きくして、焦電薄膜２はMgO基板１に
接触しないようにしている。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は分極処理をしなくとも、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＝1.8×10-8C
/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。
このように本実施例では、分極処理をしなくとも、高
性能指数を示す焦電材料を用い、焦電材料の薄膜化によ
り高感度化を図り、しかも、本構造により焦電薄膜から
電荷転送素子への熱伝導が激減し、焦電薄膜の高材料性
能指数を十分生かし高感度を実現できる。さらに、焦電
薄膜のはがれ、割れを防止できる。電荷転送素子とセン
サ部の熱膨張差による接触不良やクラックの問題も解消
した。
性能指数を示す焦電材料を用い、焦電材料の薄膜化によ
り高感度化を図り、しかも、本構造により焦電薄膜から
電荷転送素子への熱伝導が激減し、焦電薄膜の高材料性
能指数を十分生かし高感度を実現できる。さらに、焦電
薄膜のはがれ、割れを防止できる。電荷転送素子とセン
サ部の熱膨張差による接触不良やクラックの問題も解消
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この
効果が得られる。さらに焦電薄膜を形成後、エッチング
によりこの薄膜を２次元に分離することにより、各エレ
メント間のクロストークを顕著に低減することが可能で
ある。
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この
効果が得られる。さらに焦電薄膜を形成後、エッチング
によりこの薄膜を２次元に分離することにより、各エレ
メント間のクロストークを顕著に低減することが可能で
ある。
発明の効果 本発明に係る焦電型赤外線撮像素子は、高性能指数を
示す焦電薄膜を用い、焦電薄膜から電荷転送素子への熱
伝導を激減する構造により、焦電薄膜の高材料性能指数
を十分生かし高感度化を実現できるばかりでなく、焦電
薄膜のはがれ、割れを防止できる。また、電荷転送素子
とセンサ部の熱膨張差による接触不良やクラックの問題
も解消し、歩留まり良く製造することができる。
示す焦電薄膜を用い、焦電薄膜から電荷転送素子への熱
伝導を激減する構造により、焦電薄膜の高材料性能指数
を十分生かし高感度化を実現できるばかりでなく、焦電
薄膜のはがれ、割れを防止できる。また、電荷転送素子
とセンサ部の熱膨張差による接触不良やクラックの問題
も解消し、歩留まり良く製造することができる。
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（ａ），（ｂ），
（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ），（ｇ）は、同焦電型
赤外線撮像素子の製造方法を示す図である。 １……MgO基板、２……焦電薄膜、３……電極薄膜群、
４……有機薄膜、５……コンタクトホール、６……第２
の電極薄膜群、７……取り出し電極薄膜群、８……Auバ
ンプ、９……電荷転送素子、11……Al電極群、12……開
口部、13……受光電極
子の構造を示す断面図、第２図（ａ），（ｂ），
（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ），（ｇ）は、同焦電型
赤外線撮像素子の製造方法を示す図である。 １……MgO基板、２……焦電薄膜、３……電極薄膜群、
４……有機薄膜、５……コンタクトホール、６……第２
の電極薄膜群、７……取り出し電極薄膜群、８……Auバ
ンプ、９……電荷転送素子、11……Al電極群、12……開
口部、13……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 (2)
- 【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、前記焦電薄
膜の基板側の面に形成された赤外線を受ける受光電極薄
膜と、前記電極薄膜群の各々の上方にコンタクトホール
をもち前記焦電薄膜と前記電極薄膜群の一部を被覆する
ように形成された有機薄膜と、前記有機薄膜上に前記電
極薄膜群に対応した第２の電極薄膜群と、各コンタクト
ホールを通して前記電極薄膜群と第２の電極薄膜群とを
電気的に接続する取り出し電極薄膜群と、前記第２の電
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を少な
くとも有した構成を特徴とする焦電型赤外線撮像素子。 - 【請求項２】基板上に分極が一方向に揃った配向性焦電
薄膜を形成し、前記焦電薄膜上に二次元に配列された電
極薄膜群を形成し、前記電極薄膜群の各々の上方にコン
タクトホールをもち前記焦電薄膜と前記電極薄膜群の一
部を被覆する有機薄膜を形成した後、前記有機薄膜上に
前記電極薄膜群に対応した第２の電極薄膜群を作製し、
各コンタクトホールを通して前記電極薄膜群と取り出し
電極薄膜群により電気的に接続し、前記第２の電極薄膜
群上に金属バンプを形成し、前記金属バンプにより前記
第２の電極薄膜群と電荷転送素子の入力ダイオード上に
設けた電極群とを接続した後、前記基板の一部あるいは
全部をエッチングにより取り除き、前記焦電薄膜の前記
基板側の面に赤外線を受ける受光電極薄膜を作製するこ
とを特徴とする焦電型赤外線撮像素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63171244A JP2502693B2 (ja) | 1988-07-08 | 1988-07-08 | 焦電型赤外線撮像素子及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63171244A JP2502693B2 (ja) | 1988-07-08 | 1988-07-08 | 焦電型赤外線撮像素子及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0221224A JPH0221224A (ja) | 1990-01-24 |
| JP2502693B2 true JP2502693B2 (ja) | 1996-05-29 |
Family
ID=15919717
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63171244A Expired - Fee Related JP2502693B2 (ja) | 1988-07-08 | 1988-07-08 | 焦電型赤外線撮像素子及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2502693B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100298576B1 (ko) * | 1998-11-27 | 2001-10-29 | 김충환 | 열영상검출용초전소자제조방법 |
| KR100298575B1 (ko) * | 1998-11-27 | 2001-10-29 | 김충환 | 열영상검출용초전소자제조방법 |
-
1988
- 1988-07-08 JP JP63171244A patent/JP2502693B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0221224A (ja) | 1990-01-24 |
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