JP3334377B2

JP3334377B2 - 焦電型赤外線検出素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP3334377B2
Application number: JP28197094A
Authority: JP
Inventors: 徳巳小谷; 和司森杉; 幸治野村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-11-16
Filing date: 1994-11-16
Publication date: 2002-10-15
Anticipated expiration: 2017-10-15
Also published as: JPH08145799A

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及びその製造方法に関
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、或
いは自動ドア、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
分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、従来の焦電型赤外線検出素子につい
て図面を参照しながら説明する。

【０００５】図６（ａ），（ｂ）は従来の焦電型赤外線
検出素子構成の平面図、断面図を示すものである。この
図において、４１は酸化マグネシウム単結晶基板（以
下、ＭｇＯ単結晶基板と略す）で、４２ａ，４２ｂは電
極で、特に電極４２ｂは赤外線の吸収膜としての機能を
有している。４３は焦電薄膜で、これら焦電薄膜４３と
電極４２ａおよび４２ｂが積層して接続されている部分
が赤外線検出部である。４４ａ，４４ｂはポリイミド系
樹脂で赤外線検出部及び電極４２ａ，４２ｂの引き出し
部を保護し、かつ支持するためのもので、特に４４ａは
電極４２ａ，４２ｂ間の層間絶縁膜である。４５は開口
部で焦電薄膜４３の熱容量を小さくするためのものであ
る。

【０００６】以上のように構成される焦電型赤外線検出
素子について、図７の製造工程フローチャートを用いて
以下にその製造方法を説明する。まず、ＭｇＯ単結晶基
板４１上に、焦電薄膜４３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リング法で形成する。次
に、それらの上層に膜厚１μｍ程度のポリイミド系樹脂
４４ａを層間絶縁膜として形成する。そしてＭｇＯ単結
晶基板４１、層間絶縁膜４４ａ及び焦電薄膜４３上に電
極４２ｂとして２０ｎｍ程度の膜厚を有するニクロム
（以下、ＮｉＣｒと略す）薄膜をスパッタリング法で形
成し、フォトリソグラフィ法で所定の形状にパターニン
グする。さらに、それら上層に膜厚３μｍ程度のポリイ
ミド系樹脂４４ｂを形成する。その後、赤外線検出部を
形成していないＭｇＯ単結晶基板４１の裏面をエッチン
グマスクを介して燐酸で焦電薄膜４３に到達するまでエ
ッチング除去する。次に、ＭｇＯ単結晶基板を取り除い
た側の焦電薄膜４３面に電極４２ａとして２００ｎｍ程
度の膜厚を有するＮｉＣｒ薄膜をスパッタリング法で形
成し、フォトリソグラフィ法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】一般に、焦電型赤外線
センサは赤外線検出部における熱応答性を向上させて赤
外線検出素子の感度を良好にしようとした場合、赤外線
検出部の下層部分に相当する基板と赤外線検出部との接
触部分を縮小させて、赤外線検出部における熱容量を減
少させる必要がある。この際、赤外線検出部と接触する
基板の一部に開口部を設けて赤外線検出部における熱容
量を減少させるが、開口部をより大きくして熱容量を一
層減少させようとすれば、赤外線検出部を構成する焦電
薄膜やポリイミド系樹脂の内部応力により、焦電薄膜に
歪、断線、破壊が生じるとともに、焦電薄膜を開口部上
で保持することが困難になり、また開口部の拡大により
エッチング工程での工程時間が長くなるという問題点を
有していた。また、赤外線検出素子の基板部分が大きい
ものとなるので、素子全体が大型になってしまうという
問題点も有していた。

【０００８】本発明はこのような上記問題点を解決する
ものであり、焦電薄膜に歪、断線、破壊を生じさせず、
焦電薄膜の熱応答性を向上させるとともに、赤外線検出
部の小型・薄型化、工程の簡素化を図った焦電型赤外線
検出素子及びその製造方法を提供することを目的とする
ものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この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、表面が（１００）
面の単結晶からなる基板と、この表面上にある穴と、こ
の穴の周囲にあり外周の辺が基板上に基板の（０１０）
面方位に対しほぼ４５°の線上にある焦電体とこの焦電
体と前記穴との下部に設けた空洞とから構成したもので
ある。

【００１０】

【作用】本発明は上記構成により、エッチング穴より入
ったエッチング液は、単結晶基板の結晶の格子方向に進
むエッチングの速さが、その他の方向に進むエッチング
の速さよりも速いので、ほぼ四角い形状でエッチングに
よる空洞が出来ていく。立体的に表現すると、ピラミッ
ド（を逆さまにした）形状で空洞が出来ていく。この空
洞の一辺は結晶の格子方向に対して４５°傾いている。
そして、この空洞の真上に焦電薄膜が丁度形成されてい
るので、焦電薄膜は断熱性が良く、しかも広い受光エリ
アを確保出来る。このように最小限の大きさの空洞によ
り、広い受光面積を得ることが出来るので、基板にムダ
な部分が少ないだけセンサとして小型化され、また、し
っかりとした基板部分で焦電薄膜を保持できるので、焦
電薄膜に歪、断線、破壊が生じにくくなる。

【００１１】

【実施例】（実施例の概要）以下、実施例の概要について図面を参照しながら説明す
る。図１（ａ），（ｂ）は実施例の概要における焦電型
赤外線検出素子の平面図、断面図である。この図に示す
ように、焦電型赤外線検出素子は、ＭｇＯ単結晶基板１
１と、このＭｇＯ単結晶基板１１の（１００）面上に第
一の電極１２ａを有し、この第一の電極１２ａ上に辺を
前記単結晶基板１１の（０１０）面方位に対してほぼ４
５°の方向にした焦電薄膜１３を有し、この焦電薄膜１
３上に赤外線吸収効果を有する第二の電極１２ｂを有し
た赤外線検出部とからなり、赤外線検出部の外側の（０
１０）面に対して略４５°の線上に並べて設けた２個の
エッチング穴１４によって。赤外線検出部が接するＭｇ
Ｏ単結晶基板１１の表層部の真下に微小空洞１５を有し
た構成である。

【００１２】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２の製造工程フローチャートを用いて
そ製造方法を以下に説明する。まず、基板１１としてＭ
ｇＯ単結晶基板を用いる。そして、第一の電極１２ａを
形成する工程としてＭｇＯ単結晶基板１１上に１５０ｎ
ｍ程度の膜厚を有するＰｔ薄膜をスパッタリング法で形
成する。次に焦電薄膜１３を形成する工程として第一の
電極１２ａ上にＰＬＴ等の焦電薄膜を高周波マグネトロ
ンスパッタリング法で形成する。次にフォトリソグラフ
ィ法で焦電薄膜１３を辺を前記ＭｇＯ単結晶基板１１の
（０１０）面方位に対してほぼ４５°の方向にパターニ
ングする。次に赤外線吸収効果を有する第二の電極１２
ｂを形成する工程として焦電薄膜１３上に、２０ｎｍ程
度の膜厚を有する赤外光の反射率が少なく吸収効果の高
いＮｉＣｒ薄膜をスパッタリング法で形成し、続いてフ
ォトリソグラフィ法により下の焦電薄膜よりひとまわり
小さい所定の形状にパターニングする。最後に微小空洞
１５を形成する工程として、初めにフォトリソグラフィ
法によりフォトレジストを用いて赤外線検出部の外側に
（０１０）面に対して４５°の方向に並ぶ２個のエッチ
ング穴１４を設け、このエッチング穴１４を介してエッ
チング液を注入して、前記基板に前記第一の電極と接す
る側より、微小空洞１５を形成する。このときのエッチ
ング液として燐酸を用いる。その結果格子方向のエッチ
ング時間の進行が非常に速いことを確認している。すな
わち、２つのピラミッド状の空洞が一つにつながったよ
うな空洞が出来る。

【００１３】このときのエッチングの進みかたを図５を
用いて詳しく説明する。図５は立方晶の単結晶基板の斜
視図である。エッチング穴１４から入ったエッチング液
によって、結晶が溶けていくスピードは各方向によって
異なり、図上の矢印ＡからＰまでで表した矢印の長さの
ようになっている。即ち、Ａ，Ｅ，Ｉ，Ｍの各方向が選
択的に速くエッチングされる。下方向も真下方向が選択
的に速い。この結果逆ピラミッド型の空洞が出来るわけ
である。

【００１４】上記のように構成された焦電型赤外線検出
素子について、以下その特性について説明する。赤外線
検出部の周辺に配列した二個のエッチング穴１４を介し
て微小空洞１５を有しているので、赤外線検出部が、Ｍ
ｇＯ単結晶基板１１の表層部に設けられた微小空洞１５
を介して保持されている。これにより、ＮｉＣｒ薄膜か
らなる電極１２ｂを介して受けた赤外線エネルギーを熱
に変換したものが放散しにくいので、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、感度を良好にすることができる。また、エ
ッチング穴１４で微小空洞１５が開口されているため熱
が微小空洞１５に蓄熱されず熱応答性を優れたものにす
ることができる。また、ＭｇＯ単結晶基板１１の一部領
域に微小空洞１５が設けられた構造であるため、残りの
ＭｇＯ単結晶基板がセンサー部の支持基板としてそのま
ま使用でき、素子の小型化が可能となる。また、この構
造では、製造方法も単純化され、かつ、しっかりとした
基板で保持するので、信頼性の高い検出素子が形成され
る。

【００１５】また。本実施例の概要の製造方法によれ
ば、基板として用いたＭｇＯ単結晶基板１１のエッチン
グ液に燐酸を用いることで、赤外線検出部の真下にある
ＭｇＯ単結晶基板１１の必要な領域のみを短時間で取り
除くことができ、効率よくＭｇＯ単結晶基板１１の表層
部に微小空洞１５を形成できる。さらに、赤外線検出素
子をライン化、二次元化する場合、素子間にエッチング
穴１４を配置するので、熱的なクロストークを抑制する
ことができる。

【００１６】このように本実施例の概要によれば、赤外
線検出部における熱応答性を向上させるために、赤外線
検出部と基板との接触面積を縮小させて熱容量を減少さ
せても、赤外線検出部を構成する焦電薄膜やポリイミド
系樹脂の内部応力によって、焦電薄膜に歪、断線、破壊
を生じさせず、かつ基板開口部上での保持を容易にし、
焦電薄膜の信頼性を向上させるとともに、さらに赤外線
検出部の小型・薄型化、工程の簡素化を向上させること
ができるものである。

【００１７】多くの場合、一個ずつの素子を単独に製造
するのでなく、多数を縦横に並べた集合基板により製造
を行う。この時、ほぼ出来上がった素子を一個ずつに切
断するのに、きれいに割れやすいので（０１０）面と
（００１）面とで縦と横に分割する方法がとられる。本
実施例の概要の素子を、このように分割した時は四隅が
広く使えるので、この四隅にワイヤーボンド用のパッド
を配置すると、パッドの下部が丈夫であるので、壊れに
くい。

【００１８】（実施例１）以下、本発明の第一の実施例について図面を参照しなが
ら説明する。図３（ａ）及び（ｂ）は本発明の第一の実
施例における焦電型赤外線検出素子を示す平面図及び断
面図である。図３において、２１は基板、２２ａ，２２
ｂは電極、２３は焦電薄膜、以上は図１の構成及び製造
方法も実施例の概要で示したものと同様である。図１の
構成及び製造方法と異なるのは赤外線検出部の内部中心
に一個のエッチング穴２４を設けた構成になっている点
である。

【００１９】上記のように構成された焦電型赤外線検出
素子について、以下その特性について説明する。エッチ
ング穴２４を、赤外線検出部の内部中心に設けたことに
より、エッチングにより広がる微小空洞２５の大きさは
方形の赤外線検出部より、ひとまわり大きいところでエ
ッチングを終了させることにより、全体の素子の小型化
が可能となり、生産性を向上させることができるもので
ある。

【００２０】（実施例２）以下、本発明の第二の実施例について図面を参照しなが
ら説明する。図４（ａ）及び（ｂ）は本発明の第二の実
施例における焦電型赤外線検出素子を示す平面図及び断
面図である。図４において、３１は基板、３２ａ，３２
ｂは電極、３３は焦電薄膜、以上は図１の構成及び製造
方法も実施例の概要で示したものと同様である。図１の
構成及び製造方法と異なるのは赤外線検出部の内部に
（０１０）面に対して略４５°の線を一辺とする方形の
各角部分に設けた４個のエッチング穴３４を設けた構成
になっている点である。

【００２１】上記のように構成された焦電型赤外線検出
素子について、以下その特性について説明する。エッチ
ング穴３４を、赤外線検出部の内部中心に複数個設けた
ことにより、エッチング穴３４から赤外線検出部までの
エッチング到達距離が短くなり、エッチングの工程時間
を短縮し、生産性を向上させるとともに、エッチング穴
３４により、赤外線検出部から基板への熱伝導もより抑
制させることもできる。このように本実施例によれば、
ポリイミド系樹脂を介して熱的なクロストークを起こす
ことがなく、焦電薄膜の熱応答性を向上させるととも
に、エッチングの工程時間を短縮し、生産性を向上させ
ることができるものである。

【００２２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、空洞が最
小限で済み、空洞の上の断熱エリアに効率的に焦電薄膜
を配置できるので、赤外線検出部を構成する焦電薄膜や
ポリイミド系樹脂の内部応力によって、焦電薄膜に歪、
断線、破壊を生じさせず、かつ基板開口部上での保持を
容易にし、焦電薄膜の信頼性を向上させるとともに、赤
外線検出素子のライン化、二次元化を図っても、ポリイ
ミド系樹脂を介して熱的なクロストークを起こすことが
なく、焦電薄膜の熱応答性を向上させ、さらに赤外線検
出部の小型・薄型化、工程の簡素化を図ることができる
ものである。

【００２３】エッチング穴を４５°の線上に並べるの
は、２つ以上の空洞を効率的に連結させる為の最適の配
置である為である。このような空洞は、その端辺部分は
（０１０）面に対しやはり４５°をなすので、この端部
ぎりぎりまで焦電体を設置したい時には、焦電体の外周
の辺も、当然４５°の角度をなすものが好ましい。

【００２４】また、実施例に示したように、焦電体のパ
ターンエリアは、穴と穴の間のみに限定する必要はな
く、外周部分が穴から外側に広がっていても、空洞の上
である限り、効果は同様である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の概要における焦電型赤外線検出素子の
平面と断面を示す説明図

【図２】実施例の概要における焦電型赤外線検出素子の
製造工程図

【図３】本発明の第一の実施例における焦電型赤外線検
出素子の平面と断面を示す説明図

【図４】本発明の第二の実施例における焦電型赤外線検
出素子の平面と断面を示す説明図

【図５】立方晶の単結晶基板の斜視図

【図６】従来の焦電型赤外線検出素子の平面と断面を示
す説明図

【図７】従来の焦電型赤外線検出素子の製造工程図

【符号の説明】

１１基板１２ａ電極１３焦電薄膜１４エッチング穴１５空洞

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平７−318420（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−243817（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−16699（ＪＰ，Ａ) Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．, 日本，Ｖｏｌ32，Ｎｏ．12Ｂ，ｐ．6297 −6300 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01J 5/00 - 5/62 G01J 1/00 - 1/60 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】表面が（１００）面の立方晶の単結晶か
らなる基板と、この表面上にある穴と、この穴の周囲に
あり外周の辺が（０１０）面に対して略４５°の線上に
ある焦電体と、この焦電体と前記穴との下部に設けた空
洞とからなる焦電型赤外線検出素子。
【請求項２】表面が（１００）面の立方晶の単結晶か
らなる基板と、この表面上にあり（０１０）面に対して
略４５°の線を一辺とする方形の各角部分に設けた穴
と、前記基板上にあり前記方形の中央部に設けた焦電体
と、この焦電体と前記穴との下部に設けた空洞とからな
る焦電型赤外線検出素子。
【請求項３】表面が（１００）面の立方晶の単結晶か
らなる基板の表面に、電極と、外周の辺が（０１０）面
に対して略４５°の線上にある方形の焦電体を設け、こ
の焦電体の中央部分に穴を設け、この穴に基板材質のエ
ッチング液を注入して基板に空洞を設ける焦電型赤外線
検出素子の製造方法。
【請求項４】表面が（１００）面の立方晶の単結晶か
らなる基板の表面に電極と焦電体膜を設け、前記基板上
に、前記焦電体を中心として、（０１０）面に対して略
４５°の線を一辺とする方形の各角部分に穴を設け、こ
の穴に基板材質のエッチング液を注入して基板に空洞を
設ける焦電型赤外線検出素子の製造方法。