JPH02188962A - 焦電型赤外線固体撮像装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、物体の温度分布を２次元の映像として表示さ
せるための焦電型赤外線固体撮像装置及びその製造方法
に関するものである。

従来の技術 従来、赤外線を検出するセンサとして、赤外線を熱に変
換する焦電材料を用いたものがあり、センサの冷却不要
、感度波長の均一性といった特徴のため広く利用されて
いる。このセンサの２次元化について、光学走査、電子
走査、自己走査方式のものが種々考案されている。これ
らの中で、電荷結合素子（ＣＯＤ）のような信号の自己
走査機能を有する２次元固体電子走査部と２次元センサ
部とで構成した自己走査方式は前２方式に比べ、小型、
高性能、高信頼性といった利点が考えられ有望視されて
いる。この素子の構造は例えばイシ万トッドフィシーツ
クス（Ｉｎｆｒａｒｅｄ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ）誌、　　
１９巻、　５１１頁の第３図に記載されているように、
ＣＣＤ等の固体電子走査部２１０表面に形成した人力信
号電極２２と、Ｐｂ’ｒ　１ｏ３（以下Ｐ　ｉ’と略す
）やＰ　））Ｌ　ａｘＴ　ｔ　＋−ｘｚｓｏ３（以下、
ＰＬＴと略す）等の焦電材料からなる３　７１ｍ程度の
膜厚を有する薄膜で構成したセンサ部２３０表面に形成
した出力信号電Ｆ！！２４との間を１ｎバンブ等の導電
性金属支柱２３を用いて結線する。

本構造のよ−５な２次元センサにおいては、１画素を構
成する単位センサは各々確実に分離されていることが、
隣接センサ間のクロストークを減少さＶる上で極めて重
要なことである。しかし、センサ材料として用いられる
［）′ｒやＩ）　Ｌ　ｉ”等は、ケミカルエツチングが
きわめて難しい。例えば、４０°Ｃの過酸化水素水とア
ンモニアとエチレンジアミンテトラアセテートとの混合
液でのこれらの薄膜のエツチング速度は２０ＯＡ／ｍｉ
ｎ程度である。

更に、本溶液中ではエツチングマスクとしてのレジスト
膜は数分で剥離してしまう、また、１股の形成時にメタ
ルマスクを用いて所定領ト★のみにＰＴやＰＬＴ薄膜を
選択的に形成する方法も通常よく用いられるが、本セン
サの場合には単位センサ、及びそのピッチが１００μｍ
程度と微細であるため上述のメタルマスク法を適用する
のは非常に難しい。

発明が解決しようとする課題 そこで、従来法では、第４図に示すようにセンサ基板全
面にＰＴもしくはＰＬＴ膜を形成し、その上にＮｉＣ＋
・などて形成した電極を単位センサ勿に外通してセンサ
の１画素を規定していた。

そのため、焦電を才料としてＰＬＴ膜を用いて、形状が
８０７ｚ　ｍ口の単位センサを１００μｍピッチで１２
８行、１２８列配置した２次元センサでは、隣接単位セ
ンサ間のクロストークは３０〜５０％もあり、センサの
空間分解能を大幅に低下させていた。

本発明は、そのような従来の技術の課題を解決し、感度
及び空間分解能が改良され、高解像度が得られる、小型
で冷却の必要のない焦電型赤外線固体撮像装置とその製
造方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 本発明の焦電型光外線固体撮像装置は、２次元に配列し
た単位センサ間の各間隙に存在する焦電材料膜の全部も
しくは大部分をイオンビームエツチング法により除去し
た構造により構成されている。

作用 ２次元焦電型赤外線固体撮像装置における各筆位センサ
間のクロストークには電気的な要因と熱的な要因とがあ
る。電気的なりロストークは各単位センサ間の電気容量
を介してのものであるため電気容量が小さい程クロスト
ークも小さくなる。

本発明による２次元′＠電型赤外線固体撮像装置は、単
位センサ間の間隙は従来のＰＬＴを除去してポリイミド
を充填している。隣接センサ間の電気容量をＣとすると
、 Ｃ＝ε０εｒ　Ｓ　／　ｌ　　である。

ここて　ε、は比誘電率 Ｓ　は隣接センサ間の断面積 １　は隣接センサ間の距離である。

この式から明かなように、センサの形状が同一の場合に
は、ε１が小さい程Ｃは小さくなり、隣接センサ閘の電
気的なりロストークも少なくなる。

ＰＬＴのε、が約２００であるのに対してポリイミドの
それは約３であるので、本発明の構造にすることにより
電気的なりロストークは従来に比へ約ｌ／７０に低減で
きる。

次に、熱的なりロストークは各単位センサ間の充填材料
の熱拡散定数Ｄｒが小さい程少なくなる。

熱拡散定数ＤＴは熱伝導率に、熱容量Ｈを用いてＤＴ　
”に／Ｈと表せる。

ｐｃ　（Ｗ／ｃｍ　・’Ｃ）　　及びＨ（ｊ／ｃｍ３）
の値が各々ＰＬＴでは、　　　　　３．２Ｘ１０−２．
　３．２ポリイミドでは、　　１．２Ｘ１０　３，２．
０　　であるので、Ｄ　ｙ（ｃｍ２／５ｅｅ）の値はＰ
ＬＴでは、　　　　　１．０Ｘ１０−２ポリイミドでは
、　　６．０ＸｌＯａ　　となる。

これより明かなようにポリイミドを用いた本発明の構造
にすることにより熱的なりロストークは従来に比べ約ｌ
ン１５に低減できる。

このような理由により、本発明の焦電型赤外線固体撮像
装置においては２次元に配置した隣接単位センサ間のク
ロストークは従来のものに比へ大幅に低減できるため、
感度及び空間分解能が改良され、高解像度が得られる。

実施例 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の焦電型赤外線固体撮像装置の一実施例
をしめず断面図である。

ｌは数μｍの膜厚を有するＰ　ｂＴ　：Ｏｇ　（Ｐ　Ｔ
　）やＰ　ｂ＋−ｘＬ　ａ＋ｃ’Ｔ　１ｌ−ｘ　、ａｏ
：　（Ｐ　Ｌ　Ｔ　）等の焦電材料からなる薄膜であり
赤外線センサとして作用する。

この焦電薄膜は、Ｍ　、Ｏ等の、その表面にＰＴやＰＬ
′「等の焦電材料からなる薄膜をエピタキシアル成長で
きる基板上にスパッタ法等により所定の厚さの薄膜を形
成後、適当な工程で例えは熱燐酸により前記基板のみを
エツチング除去することによって実現できる。２は前記
ＰＴもしくはＰＬＴ膜１に形成した単位センサを規定す
るための溝である。この溝により、ＰＴもしくはＰＬＴ
膜１を完全に分離しても良いし、あるいはセンサの強度
を確保するためＰＴ゛もしくはＰＬＴＭ：ｌを薄く残し
ても良い。３は前記単位センサ上に形成した５００Ａ程
度の厚さのＮｉＣ，等の金属層からなるセンサ電極であ
る。４は前記センサ電極３及び溝上に形成した数μｍの
膜厚を有するポリイミド等からなる絶縁膜であり、前記
センサ電極３上の所定の領域にコンタクトホール５を有
する。６は前記絶縁膜４上に前記コンタクトホール５を
介して前記センサ電極に接するように形成したＡ１等の
金属層からなる取出電極である６　７はＰＴもしくはＰ
ＬＴ膜１上に形成した２００．へ程度の厚さのＮｉＣ。

等の赤外光の反射率が小さい金属層からなる共通電極で
ある。

次に、第２図を用いて本発明の焦電型赤外線固体撮像装
置の製造方法の一実施例を示す。

（１００）でへき開し鏡面研磨したＭｇＯ単結晶基板１
０上に、高周波マグネトロンスパッタ法で焦電３１１１
１として　０＜Ｘ＜０．２の範囲でＰｂ＋−ｘＬａｘＴ
ｚ−１Ｉ７５ｘｏ３　（ＰＬＴ）を約３μｍ成長させる
。雰囲気ガスにはＡ、（９０％〉と０２（１０％）との
混合ガスを用い、スパッタターゲットは（（Ｉ　　Ｙ）
　Ｐｂ１−ｘＬａｘＴ、１−０．７５ｘ０３＋Ｙ　　ｐ
ｈｏ）の粉末である。良好なＰ　Ｌ、　Ｔ膜が得られる
条件はスパッタ時のＲＦ電力が９０Ｗ、ガス圧力がＩ　
Ｐａ。

基板温度が６００℃である（第２Ａ図）。

次に、前記ＰＬＴ膜ｌ上に単位センサを規定する形状の
フォトレジスト膜を形成した後、前記フォトレジスト膜
をマスクとしてイオンビームエツチング法により前記Ｐ
ＬＴ膜ｌを所定の深さだけ除去し溝２を形成する。本発
明の特徴であるイオンビームエツチングとは、真空容器
中のイオン生成領域でＡｒガスと電子との衝突により発
生させたＡ、イオンをイオン生成領域全面のグリ・ソド
電圧により、前記基板ｌＯが設置されているエツチング
領域に引き出し、前記Ａ、イオンを数１００ｅＶのエネ
ルギーで前記ＰＬＴ膜ｌに衝突させることにより、前記
基板１を物理的にエツチングする方法である。この方法
では、イオン生成領域とエツチング領域とが分離されて
いるため基板ｌＯがイオン生成領域で発生した高濃度プ
ラズマにさらされることはなく、基板への制御不可能な
損傷は非常に少なくなる。今、１％０２９９％へ、ガス
をＩＸ　１０−’Ｔ、、、、　　イオン加速電圧を５０
０　Ｖ、　　イオン電流を２００ｍＡに設定すると、前
記基板１のエツチング速度は約５００Ａ／ｍｉｎとなる
。この条件で約６０分間エツチングを行なうと前記溝２
の部分のＰ　Ｌ　Ｔ　ＩＩ！　１は完全に除去できる。

この時、エツチング面の温度上昇は１２０℃程度である
。この程度の温度が長時間になると通常のイオンビーム
エツチングではエツチングマスクとして使用したフォト
レジスト膜の表面は硬化して、次のレジスト除去の工程
が非常に困難になる。しかし、本発明の方法では、雰囲
気中に添加した微量の０２がフォトレジスト膜と反応し
て、その表面の硬化層を常に除去しているのでレジスト
にはほとんど損傷を与えずレジストの除去は容易におこ
なえる。

雰囲気中に添加する０２の濃度は、Ａ、中で１〜５％が
適当であった。０２の濃度がこれ以上になるとレジスト
の除去量が多くなりエツチングマスクとして役をなさな
くなる（第２Ｂ図）。

前記フォトレジスト膜を除去した後、周知の真空蒸着法
による薄膜形成とフォトリソグラフィ技術により単位セ
ンサとなる航記ＰＬＴ膜１１に５００Ａ程度の厚さのＮ
ｉＣ，等の金属層からなるセンサ電極３を形成する。こ
の後、所定形状のコンタクトボール５を有した膜厚が３
７１℃程度のポリイミド膜４を前記センサ電極３及び溝
２上に形成する。しかる後、前記コンタクトホール５を
介して前記センサ電極３“と接続するＡ＋からなる取出
電極６を形成する（第２Ｃ図）。

次に、前記基板１０の裏面周辺部に所定の形状で形成し
たフォトレジスト膜をマスクとして、８０℃の熱燐酸に
より前記基板１０をエツチング除去し、前記ＰＬＴ膜１
もしくはポリイミド膜４を露出する。この後、前記露出
面上に周知の真空蒸着法により２００Ａ程度の厚さのＮ
ｉＣ，等の赤外光の反射率が小さい金属層を形成し共通
電極７とする（第２Ｄ図）。

第３図は、形状が８０１１ｍ口の単位センサを１２８行
、１２８列配置した２次元センサにおいて、隣接単位セ
ンサ間の距離ｌとクロストークとの関係を測定した結果
である。単位センサ間のＰ　Ｌ　Ｔを分離してポリイミ
ド膜を充填した本発明の方法を実線で、ＰＬＴ膜を分離
しない従来法を破線で示している。本発明の方法では、
１が２０μｍでも隣接単位センサ間のクロストークは１
０％以下であり、高解像度の赤外線固体撮像装置が実現
できる事がわかる。

発明の効果 本発明の焦電型赤外線固体撮像装置とその製造方法によ
れは、単位センサ間のＰＬＴ膜を除去し、電気的、熱的
クロストークを減少させる事により、感度が良く、高解
像度が得られ、冷却の必要のない赤外線固体撮像装置を
容易に製造することができるものであり、産業上の利用
価値は高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の焦電型赤外線固体撮像装置の構造の一
実施例を示す断面図、第２図は本発明の焦電型赤外線固
体撮像装置の製造方法の一実施例を示す図、第３図は本
発明の焦電型赤外線固体撮像装置の隣接単位センサ間の
距離ｌとクロストークとの関係を示す図、第４図は従来
例の焦電型赤外線固体撮像装置の構造の一実施例を示す
断面図である。 １・・・焦電材料薄膜、２・・・溝、３・・・センサ電
極、４・・・絶縁膜、６・・・取り出し電極。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝はか１名第１図 第 図 第 図 隣接単イ立ｔンサ間距離 （、ｔＩｍ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）その表面及び裏面に電極を具備した所定形状の焦
   電材料膜により単位センサが構成され、２次元に配列し
   た前記単位センサ間の各間隙には、前記焦電材料膜が存
   在せず、又は少ししか存在していない事を特徴とする焦
   電型赤外線固体撮像装置。
2. （２）基板上に形成した焦電材料膜をイオンビームスパ
   ッタ法により、分離、分割し単位センサを規定する工程
   と、前記単位センサ表面にセンサ電極を形成した後、前
   記センサ電極及び前記単位センサの間隙に単位センサ保
   持膜を形成する工程と、前記基板を除去した後、前記単
   位センサ裏面に共通電極を形成する工程とを含む事を特
   徴とする焦電型赤外線固体撮像装置の製造方法。
3. （３）前記イオンビームスパッタを微量の酸素ガスを含
   んだアルゴンガス雰囲気で行なう工程を含む事を特徴と
   する請求項２項記載の焦電型赤外線固体撮像装置の製造
   方法。