JP2553559B2

JP2553559B2 - 焦電型赤外線アレイセンサ

Info

Publication number: JP2553559B2
Application number: JP62148550A
Authority: JP
Inventors: 良一高山; 佳宏富田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1987-06-15
Filing date: 1987-06-15
Publication date: 1996-11-13
Anticipated expiration: 2011-11-13
Also published as: JPS63311124A

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アレイセン
サに関するものである。

［従来の技術］焦電型赤外線検出器は熱型の赤外線検出器で、常温動
作が可能で、感度の波長依存性が小さく、熱型検出器の
なかでは高感度である。

焦電型検出器に使用されている材料としては、TGS
系、LiTaO₃系等の単結晶、PbTiO₃系、系のセラミック、PVF₂系等の有機膜等がある。

PbTiO₃は、焦電材料の性能指数であるFv（＝γ／εC
v）及びが高い。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。また、PbTiO₃は、焦電係数の温
度変化が小さく、キュリー点が十分に高い等の特長を有
している。焦電型検出器には、PbTiO₃磁器が用いられる
場合が多い。PbTiO₃磁器は多結晶で、結晶軸の配列に方
向性が無いため、自発分極Psもランダンムに配列してい
る。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、自発分極Psが一方向に揃っているときに、最大出
力が得られる。そこで、PbTiO₃磁器には高電界を印加し
て自発分極Psの向きを揃える分極処理が必要となる。

また、Ｃ軸配向したPbTiO₃薄膜の配向軸方向に発生す
る焦電気を利用した場合には、Ｃ軸方向の誘電率が低下
し、焦電係数が増大するので、PbTiO₃磁器の約３倍のFv
を示す高感度焦電材料を実現することができる（第30回
応用物理学関係連合講演予稿集7P−ｚ−２）。

赤外線アレイセンサは、光学系との関係で空間分解能
を良くするために、微細な配列にすることが望ましい。

［発明が解決しようとする問題点］焦電材料の厚さが薄くなるほど、雑音が小さくなり、
検出能:D＊は増大する。PbTiO₃磁器でアレイを構成する
場合、磁器の薄膜化には限界があり、厚さを薄くしてＤ
＊を向上させることには限界がある。また、各エレメン
ト間のクロストークが大きくなり、空間分解能が低下す
る。そのため、各エレメントを分離することが必要とな
る。面積を小さくすると電気容量が小さくなるため、外
部からの静電容量、浮遊容量の点から小型化も困難とな
る。

さらに、焦電材料に分極処理を施すとき、次のような
問題点が生じる。

（１）分極処理によって絶縁破壊が生じる場合がある。

（２）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。

（３）半導体デバイス上に焦電薄膜を形成した集積化デ
バイスでは、分極処理そのものが不可能な場合がある。

一方、焦電薄膜はスパッタリングなどにより高温で作
製されるため、基板との熱膨張の違いによる熱応力が生
じる。感度を向上させるために焦電薄膜と接した基板の
一部を除去する構造では、この熱応力によって焦電薄膜
の割れが生じる。また、これらの焦電薄膜は圧電体であ
るため、振動や音による雑音も生じる。

本発明は、従来技術における前記課題を解決すること
のできる焦電型赤外線アレイセンサを提供するこを目的
とするものである。

［問題点を解決するための手段］前記目的を達成するため、本発明に係る焦電型赤外線
アレイセンサの構成は、基板と、前記基板上に形成され
た絶縁薄膜と、前記絶縁薄膜上に形成された下部電極薄
膜と、前記絶縁薄膜及び前記下部電極薄膜上に形成され
た複数の分離した焦電薄膜群と、前記焦電薄膜群の分離
した個々の焦電薄膜の上に形成された複数の分離した上
部電極薄膜群と、前記焦電薄膜群及び前記上部電極薄膜
群を被覆する有機薄膜とを備え、感光部に相当する基板
の一部が除去されていることを特徴とする。

［作用］前記本発明の構成によれば、熱拡散によるクロストー
クを低減することができ、かつ感度の向上を図ることが
できると共に、熱応力による焦電薄膜の剥がれ・割れを
防止することができる。また、有機薄膜を用いることに
より、センサ部の機械的Ｑを低減することができるの
で、振動・音による雑音を抑制することができる。

［実施例］以下、本発明を用いて本発明をさらに詳細に説明す
る。

第１図（Ａ）は本発明に係る焦電型赤外線アレイセン
サの一実施例を示す平面図、第１図（Ｂ）は第１図
（Ａ）のＡ−Ａ′断面図である。第１図に示すように、
（100）でへき開し鏡面研磨したMgO単結晶基板１上に、
高周波マグネトロンスパッタ法で絶縁薄膜２として厚さ
300オングストロームのSiO₂を形成した。絶縁薄膜２の
上に、高周波マグネトロンスパッタ法で下部電極薄膜３
としてPt薄膜を形成した。

次に、絶縁薄膜２及び下部電極薄膜３の上に、各エレ
メントごとにメタルマスクによって分離された複数の焦
電薄膜４を形成した。焦電薄膜４は、化学式（Pb_xLa_y）
（Ti_zZr_w）O₃で表され、ａ）0.7≦ｘ≦1,0.9≦ｘ＋ｙ≦1,0.95≦ｚ≦1,w＝０ｂ）ｘ＝1,y＝0,0.45≦ｚ≦1,z＋ｗ＝１ｃ）0.83≦ｘ≦1,x＋ｙ＝1,0.5≦ｚ≦1,0.96≦ｚ＋ｗ≦
１のいずれかの組成をもち、分極軸が〈001〉方向にある
もの、又は化学式（Pb_xLa_y）（Ti_zZr_w）O₃で表され、ａ）ｘ＝1,y＝0,0.1≦ｚ≦0.4,z＋ｗ＝１ｂ）0.92≦ｘ≦1,x＋ｙ＝1,0.3≦ｚ≦0.45,0.98≦ｚ＋
ｗ≦１のいずれかの組成をもち、分極軸が〈111〉方向にある
ものを、高周波マグネトロンスパッタ法で４μｍ成長さ
せて形成した。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には、焦電薄膜４の各組
成よりも過剰のPbOが混合されたものを用いた。（表
１）に、スパッタリング条件を示す。

次に、各焦電薄膜４上に、NiCrからなる上部電極薄膜
５を蒸着によって形成した。

上部電極薄膜５は、フォトグラフィの手法によりアレ
イのピッチに合わせて格子状に分離、配列されている。

次に、MgO単結晶基板１上に、焦電薄膜４及び上部電
極薄膜５を被覆するように有機薄膜６を形成した。有機
薄膜６は感光性ポリイミド系樹脂をスピンナーで塗布
し、紫外線を照射した後に200℃で熱処理したものであ
る。膜厚は3.5μｍであった。上部電極薄膜５上の一部
にコンタクトホール７を設け、上部電極薄膜５を取り出
し電極８と接触させた。

さらに、焦電薄膜４の直下のMgO単結晶基板１の部分
を熱濃燐酸によってエッチングし、開口部９を設けた。
このとき、エッチング幅を焦電薄膜４の幅よりも大きく
し、焦電薄膜４が絶縁薄膜２を介してMgO単結晶基板１
に支持された構成を採っている。

焦電薄膜４は、600℃近傍の温度でMgO単結晶基板１上
に形成されるため、焦電薄膜４とMgO単結晶基板１との
熱膨張係数の違いにより、焦電薄膜４は大きな熱応力が
生じる。しかし、上記のような構成を採用すれば、絶縁
薄膜２と有機薄膜６がこの熱応力を緩和することになる
ので、焦電薄膜４の剥がれや割れは防止される。有機薄
膜６として、ポリイミド系、エポキシ系、シリコーン系
等の樹脂を用いたが、ポリイミド系を採用した場合に、
焦電薄膜４の剥がれや割れ及び樹脂のクラックは皆無と
なった。これは、ある程度の伸張性と大きな引っ張り強
度によるものと考えられる。また、絶縁薄膜２は、エッ
チング時の保護膜として効果が大きい。

焦電薄膜４の分極軸が75％以上一方向に配向している
とき、焦電係数：γは５×10^-8C/cm²Kとなった、この値
は、200℃で100kV/cm印加して分極処理を行ったPbTiO₃
セラミックス（γ＝1.8×10^-8C/cm²K）と比べてかなり
大きい。配向率90％の場合、焦電係数：γは6.8×10^-8C
/cm²Kである。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
りも大きい。誘電率は、配向率90％の場合、セラミック
スとほぼ同等の値で約200である。

このように、本実施例で用いた焦電薄膜４では、薄膜
形成時に十分〈001〉方向又は〈111〉方向に配向してい
れば、分極処理を行わなくても自発分極が揃っており、
特に配向率75％以上の薄膜でその効果が大きいことが明
らかになった。また、焦電材料としての性能指数である
Fv（＝γ／εCv）の値も大きくなる。200℃で10分間100
kV/cm印加して分極処理を行ったPbTiO₃セラミックスの
値と比較して、本実施例の焦電薄膜４は３倍強の値を示
した。

尚、絶縁薄膜２の膜厚が薄いとき、焦電薄膜４の配向
率はほとんど低下しなかった。

焦電型赤外線アレイセンサとしての特性も、材料性能
指数のアップ及び各エレメント間の熱拡散を小さくした
構成により大幅に向上した。焦電薄膜が各エレメントで
分離されていなくてその両端で基板に接触しているセン
サと比較して、感度及び検出能Ｄ＊は５倍以上増大し
た。また、クロストークは第２図に示すように、一桁低
減された。

さらに、振動・音波によるセンサの出力電圧も著しく
低下した。

以上述べたように、本発明の焦電型赤外線アレイセン
サは、MgO単結晶基板への熱拡散を抑制して高感度・低
クロストークを実現することができる。

［発明の効果］本発明に係る焦電型赤外線アレイセンサによれば、熱
拡散によるクロストークを低減することができ、かつ感
度の向上を図ることができると共に、熱応力による焦電
薄膜の剥がれ・割れを防止することができる。また、有
機薄膜を用いることにより、センサ部の機械的Ｑを低減
することができるので、振動・音による雑音を抑制する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明に係る焦電型赤外線アレイセンサ
の一実施例を示す平面図、第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）
のＡ−Ａ′断面図、第２図は本発明に係る焦電型赤外線
アレイセンサの一実施例におけるクロストーク特性を示
す図である。１……MgO単結晶基板、２……絶縁薄膜３……下部電極薄膜、４……焦電薄膜５……上部電極薄膜、６……有機薄膜８……取り出し電極、９……開口部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、前記基板上に形成された絶縁薄膜
と、前記絶縁薄膜上に形成された下部電極薄膜と、前記
絶縁薄膜及び前記下部電極薄膜上に形成された複数の分
離した焦電薄膜群と、前記焦電薄膜群の分離した個々の
焦電薄膜の上に形成された複数の分離した上部電極薄膜
群と、前記焦電薄膜群及び前記上部電極薄膜群を被覆す
る有機薄膜とを備え、感光部に相当する基板の一部が除
去されていることを特徴とする焦電型赤外線アレイセン
サ。
【請求項２】焦電薄膜が化学式（Pb_xLa_y）（Ti_zZr_w）O₃
で表され、ａ）0.7≦ｘ≦1,0.9≦ｘ＋ｙ≦1,0.95≦ｚ≦1,w＝０ｂ）ｘ＝1,y＝0,0.45≦ｚ≦1,z＋ｗ＝１ｃ）0.83≦ｘ≦1,x＋ｙ＝1,0.5≦ｚ≦1,0.96≦ｚ＋ｗ≦
１のいずれかの組成をもち、〈001〉方向に高度に配向し
ている特許請求の範囲第１項に記載の焦電型赤外線アレ
イセンサ。
【請求項３】焦電薄膜が化学式（Pb_xLa_y）（Ti_zZr_w）O₃
で表され、ａ）ｘ＝1,y＝0,0.1≦ｚ≦0.4,z＋ｗ＝１ｂ）0.92≦ｘ≦1,x＋ｙ＝1,0.3≦ｚ≦0.45,0.98≦ｚ＋
ｗ≦１のいずれかの組成をもち、〈111〉方向に配向している
特許請求の範囲第１項に記載の焦電型赤外線アレイセン
サ。
【請求項４】焦電薄膜の直下の基板の部分が除去され、
前記焦電薄膜が絶縁薄膜を介して前記基板に支持されて
いる特許請求の範囲第１項に記載の焦電型赤外線アレイ
センサ。
【請求項５】有機薄膜がポリイミド系樹脂である特許請
求の範囲第１項に記載の焦電型赤外線アレイセンサ。