JPH07174623A - 焦電型赤外線センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は出力の低下が少なく、またクロス
トークの影響を低減した構造の焦電型赤外線センサと、
焦電型赤外線センサを容易に製造する。 【構成】 焦電型赤外線センサの表面の絶縁層上に形
成した複数の焦電型検知素子と、該検知素子が設けられ
た部分の基板裏面に形成された凹部と、凹部の内面のみ
に形成された光学膜とを設ける。また、基板表面側に複
数の焦電型検知素子を形成した後、基板をその裏側から
異方性エッチングして薄質な赤外線透過部を形成し、該
赤外線透過部のみ光学膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、物体から放射される
赤外線を検知して信号を発する焦電型赤外線センサに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】焦電型赤外線センサは、チタン酸鉛（Ｐ
ｂＴｉＯ３）等の焦電効果を有する材料を感知素子とし
て利用するセンサである。焦電効果とは感知素子に赤外
線が入射すると素子表面の温度が変化し、これに伴い今
まで安定であった電荷の中和状態が崩れ電気的に不平衡
となり、電荷を発生する特性をいう。このとき発生する
電荷はインピーダンス変換回路により電圧として取り出
される。

【０００３】この焦電型赤外線センサは赤外線の強度変
化があって始めて検知可能となるため、応答性や出力を
高めるために検知部の熱容量を小さくする等の工夫がな
されている。

【０００４】図３に従来の焦電型赤外線センサの要部の
概略断面図を示す。焦電型赤外線センサは、基板１、絶
縁層２、検知部３、赤外線入射部４とから構成されてい
る。

【０００５】基板１は、赤外線に透明なシリコン単結晶
ウエハ等が使用され、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜
等からなる絶縁層２が基板１の表面に積層されている。
また、基板１は、検知部３の熱容量を小さくするため、
更には赤外線の入射通路を形成するために、検知部３の
下部の部分を所定の厚さまで検知部３側から裏面方向に
向けてエッチングされ、空間５が形成されている。

【０００６】検知部３には、絶縁層２上に、下部電極
６、焦電性薄膜７、上部電極８が積層状に形成された検
知素子９が二つ以上設けられている。さらに検知素子９
の上面には赤外線吸収層１０が形成されている。

【０００７】赤外線入射部４は、基板１の厚みが薄くな
っているため入射赤外線の減衰が少なく、また基板１の
裏面に形成された光学膜１１によって赤外線の特定波長
だけを透過させる機能を有している。

【０００８】赤外線入射部４から入射した赤外線が検知
部３に達すると、赤外線吸収層１０で熱に変換され、検
知素子９は出力電圧を発生する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、赤外線
が赤外線入射部４から検知部３に達するためには空間５
および絶縁層２を通過しなければならず、その際、赤外
線入射部４と空間５の界面、あるいは空間５と絶縁層２
の界面等において赤外線の反射が生ずる。そのため検知
部３への赤外線入射量が低減し、焦電型赤外線センサの
出力が下がるという欠点や、検知部３は二つ以上の検知
素子９が一体に形成されているため、検知素子９相互間
の熱拡散によるクロストークが大きいという欠点があっ
た。

【００１０】そこで、本発明は出力の低下が少なく、ま
たクロストークの影響を低減した構造の焦電型赤外線セ
ンサと、焦電型赤外線センサを容易に製造する方法を提
供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、次のような構成及び製造方法が用いられ
る。

【００１２】焦電型赤外線センサは、表面に絶縁層を有
する赤外線に対して透明な基板と、絶縁層上に形成され
た複数の焦電型検知素子と、該検知素子が設けられた部
分の基板裏面に形成された凹部と、凹部に形成された光
学膜とから構成される。

【００１３】焦電型赤外線センサを製造する場合には、
基板表面側に焦電型検知素子を形成した後、基板をその
裏面側から異方性エッチングして薄質な赤外線透過部を
形成し、該赤外線透過部のみ光学膜を形成することによ
って製造する。

【００１４】

【作用】検知素子が赤外線透過部に直接形成されている
ため、入射赤外線を反射する界面が少なく、赤外線のも
つエネルギーが多く検知素子に与えられ、赤外線センサ
の検出感度が向上する。また、赤外線の反射防止をする
光学膜が赤外線透過部の部分のみに設けられ、それ以外
の部分には設けられていないので赤外線透過部を通過す
る赤外線量は多くなる反面、それ以外の部分では赤外線
の反射が促進される。このため基板全体の温度の上昇が
抑制される。このことから、検知素子のノイズが小さく
なる。また、検知素子を形成した面と反対の面から基板
を異方性エチッングし凹部を形成するので、検知素子を
設けた区域のみに薄質な赤外線透過部が形成される。

【００１５】

【実施例】本発明の焦電型赤外線センサを図１を用いて
説明する。

【００１６】焦電型赤外線センサは、基板１、絶縁層
２、下部電極６、焦電性薄膜７、上部電極８とから形成
される二つ以上の検知素子９、光学膜１１、スリット１
２とから構成されている。

【００１７】基板１としては、赤外線に対して透明であ
るシリコン、ゲルマニウム単結晶ウエハ、またはガリウ
ムアセナイド（ＧａＡｓ）等の金属間化合物半導体ウエ
ハが使用される。基板１の上部表面には、窒化シリコン
膜、酸化シリコン膜、ダイヤモンド薄膜等が絶縁層２と
して積層されている。また、基板１の裏面には、凹部１
３が形成され、基板１の厚みが３０μｍ以下の赤外線透
過部１４が形成されている。３０μｍ以下としたのは、
これ以上だと赤外線透過部１４の熱容量が大きくなって
熱変化が顕著に小さくなるためである。

【００１８】検知素子９は、赤外線透過部１４の絶縁層
２の上に、下部電極６、焦電性薄膜７、上部電極８が積
層状に下から順に形成され、また、赤外線透過部１４の
部分には、複数の検知素子９が一列状にあるいはマトリ
ックス状に配設されている。

【００１９】下部電極６は、リード線１５Ａを介して赤
外線透過部１４以外の絶縁層２の上に形成した共通の下
部電極端子１６に接続されており、また上部電極８はリ
ード部１５Ｂを介して赤外線透過部１４以外の絶縁層２
の上に形成した上部電極端子１７に接続されている。

【００２０】凹部１３の内壁には、赤外線の反射防止の
ためあるいは特定波長だけを透過させるための光学膜１
１が形成されている。

【００２１】基板１の裏面の凹部１３以外の裏面部分１
８には光学膜１１は形成されていない。このため入射す
る赤外線を反射する割合が高くなり、基板全体の温度上
昇が小さいものとなる。

【００２２】スリット１２は、検知素子９の間に基板１
の表裏を貫通して設けられている。

【００２３】このため、隣接する検知素子間の熱的クロ
ストークが減少する。

【００２４】次に、焦電型赤外線センサの製造方法を図
１（ａ）乃至（ｊ）を用いて説明する。

【００２５】図１（ａ）において、基板１はカット面が
（１００）面である厚みが３５０μｍのシリコンまたは
ゲルマニウムの単結晶ウエハ、またはガリウムアセナイ
ド（ＧａＡｓ）の金属間化合物半導体ウエハで、基板１
の表裏面は熱酸化あるいはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって厚み
２００ｎｍの酸化シリコン層、窒化シリコン層またはダ
イアモンド薄膜層等の絶縁層２が形成されている。

【００２６】絶縁層２の上には、図１（ｂ）のように、
例えば商品名ＯＦＰＲ等のレジスト膜１９を塗布する。
基板表面（図面上の上面）のレジスト膜１９をフォトリ
ソグラフィ技術を用いて、露光、現像を行った後、基板
１のエッチングをしたい部分のみのレジスト膜を除去
し、図１（ｃ）のように、所定パターンのレジストマス
ク２０Ａを形成する。

【００２７】レジストマスク２０Ａを形成した基板１
は、図１（ｄ）のように、塩素ガスを用いた低温ＲＩＥ
（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）による
物理的方法により、先ず絶縁層２がエッチングされ、次
に基板１が表面から６０μｍの深さまで異方性エッチン
グされて幅２０μｍのスリット１２が形成される。スリ
ット１２が形成された後、レジストマスク２０Ａは酸素
（Ｏ２）プラズマを用いて除去され、絶縁層２が露出さ
れる。異方性エッチングとは、基板表面に垂直な方向に
はエッチングがよく進むが、基板表面と水平方向にはエ
ッチングが進みにくいという特性を利用するエッチング
方法である。スリット１２の形成により基板１の表面は
３つの部分Ａ、Ｂ、Ｃに区分される。

【００２８】次に露出された絶縁層２の上には、図１
（ｅ）のように、下部電極６をニッケル（Ｎｉ）とクロ
ム（Ｃｒ）の合金、あるいはニッケル（Ｎｉ）とクロム
（Ｃｒ）とアルミニウム（Ａｌ）の合金を蒸着後、所定
形状にエッチングして、表面区分Ａ、Ｂ、Ｃ、における
スリット１２の両側に下部電極６を形成する。この下部
電極６は、電極としての機能だけではなく、赤外線吸収
層としての役割も果たす。

【００２９】さらに、各下部電極６の上を含む絶縁層２
の上には、ＣＶＤ法、スパッター法、ゾルーゲル法等を
用いてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛
（ＰＴ）等の焦電性薄膜を堆積させ、エッチングによっ
て下部電極６を覆う部分以外の焦電性薄膜部分を除去し
て、所定形状の焦電性薄膜層７を形成する。

【００３０】焦電性薄膜７には、リフトオフ法により、
クロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）の順に金属膜を堆積するこ
とによって、下部電極７に対向するように上部電極８を
形成する。リフトオフ法とは、金属を蒸着する前に、あ
らかじめ所定パターンのレジストマスクを形成し、この
上から金属を蒸着した後にレジストマスクを溶剤で除去
し、所定の金属パターンを形成する方法である。

【００３１】下部電極６および上部電極８を形成する場
合、リード線１５Ａ、下部電極端子１６は、下部電極６
の形成時に同じ方法で、またリード線１５Ｂ、上部電極
端子１７は、上部電極８の形成時に同じ方法で形成され
る。

【００３２】次に、基板１の裏面に形成してあるレジス
ト膜１９を、フォトリソグラフィ技術を用いて、所定パ
ターンのレジストマスク２０Ｂに形成する。この後、水
酸化カリウム（ＫＯＨ）、テトラメチルアンモニウム
（ＴＭＡ）等の薬品を用いた化学的方法により、図１
（ｆ）のように、スリット１２が基板１の表裏を貫通す
るまで基板１の裏面から表面方向に向けて異方性エッチ
ングを行い、凹部１３を形成し、基板１の厚みが３０μ
ｍ以下の赤外線透過部１４を形成する。次に、裏面に残
存するレジストマスク２０Ｂは基板表面の場合と同様の
方法で除去される。

【００３３】図１（ｇ）のように、基板１の裏面には、
硫化亜鉛（ＺｎＳ）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）等を施
した単層膜、あるいは亜鉛／ゲルマニウム（Ｚｎ／Ｇ
ｅ）等から構成される多層膜を蒸着して光学膜１１を形
成する。この単層膜は赤外線の反射を防止し、多層膜は
干渉フィルターの機能を有する。

【００３４】光学膜１１の上には、図１（ｈ）のよう
に、フォトレジスト等の粘性の低い樹脂２１を凹部１３
を満たす如く基板１の裏面全体に塗布し硬化させる。

【００３５】次に、図１（ｉ）のように、アルゴン（Ａ
ｒ）あるいはアルゴンと酸素（ＡｒとＯ２）の混合ガス
を用いたイオンミリング法により基板の裏面側をエッチ
バックして、絶縁層２も除去して基板１を露出させる。
イオンミリング法とは、イオンを基板表面に衝突させて
表面をエッチングしていく方法である。

【００３６】この後、図１（ｊ）のように、凹部１３に
残存した樹脂２１を酸素（Ｏ２）プラズマまたは溶剤等
によって完全に除去する。

【００３７】このような工程によって、焦電型赤外線セ
ンサを製造することができる。

【００３８】

【発明の効果】本発明は、上記の様に構成されているの
で下記の効果を有する。

【００３９】赤外線透過部と検知素子は密着しているの
で、従来に比べて入射赤外線の反射が少なく、また赤外
線透過部の厚みが薄いために熱容量が小さいので検知素
子の出力が大きくなる。また、赤外線透過部以外の部分
には反射防止膜としての光学膜が形成されていないの
で、その部分での光の反射率が高く、赤外線吸収による
基板の温度上昇が少ないので検出素子の出力が小さくな
る。

【００４０】更に、隣接の検知素子の間に設けたスリッ
トによって検知素子相互間の熱拡散を防ぐことができ、
検知素子相互間のクロストークが低減でき、焦電型赤外
線センサの分解能が向上する。

【００４１】焦電型赤外線センサの製造方法において
は、赤外線受光面の凹形状の内面のみに均一な光学膜を
形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の焦電型赤外線センサで、（ａ）は上面
図、（ｂ）は断面図である。

【図２】本発明の、焦電型赤外線センサを製造するとき
の様子を説明する概略断面図である。

【図３】従来の、焦電型赤外線センサである。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 絶縁層 ３ 検知部 ４ 赤外線入射部 ５ 空間 ６ 下部電極 ７ 焦電性薄膜 ８ 上部電極 ９ 検知素子 １０ 赤外線吸収層 １１ 光学膜 １２ スリット １３ 凹部 １６ 下部電極端子 １７ 上部電極端子 １９ レジスト膜 ２１ 樹脂

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面に絶縁層を有する赤外線に対して透
   明な基板と、絶縁層上に形成された複数の焦電型検知素
   子と、該検知素子が設けられた部分の基板裏面に形成さ
   れた凹部と、凹部に形成された光学膜とから構成したこ
   とを特徴とする焦電型赤外線センサ。
2. 【請求項２】 基板表面側に焦電型検知素子を形成した
   後、基板をその裏面側から異方性エッチングして薄質な
   赤外線透過部を形成し、該赤外線透過部のみ光学膜を形
   成することを特徴とする焦電型赤外線センサの製造方
   法。