JPH11153481A

JPH11153481A - 焦電型赤外線検出素子及びその製造方法と製造装置

Info

Publication number: JPH11153481A
Application number: JP32093097A
Authority: JP
Inventors: Kazuki Komaki; 一樹小牧; Tsutomu Nakanishi; 努中西; Koji Nomura; 幸治野村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-11-21
Filing date: 1997-11-21
Publication date: 1999-06-08

Abstract

(57)【要約】【課題】焦電体を用いて赤外線を検出する焦電型赤外
線検出素子に関し、焦電体素子の面積を増加させること
なく焦電体素子の出力を向上させ高感度で小型の焦電型
赤外線検出素子を提供することを目的とする。【解決手段】少なくとも単結晶からなる基板１５と、
この基板１５上に複数個の下部電極１２を設け、この下
部電極１２上に略同一形状で複数個の焦電体薄膜１１を
設け、さらにその焦電体薄膜１１上に略同一形状で層間
電極２２と焦電体薄膜２１とからなる積層構造を少なく
とも１回以上繰り返し設け、この上に赤外線吸収効果を
有する複数個の上部電極１３を設けた赤外線検出部とか
らなり、前記赤外線検出部が接する基板１５の表層部に
開口部１６を有した構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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と
製造装置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特徴を活かして、電子レ
ンジの調理物等の温度測定、エアコンの室内温度制御あ
るいは自動照明、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。

【０００４】以下に、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。図９、図１０は従来
の焦電型赤外線検出素子の構成を示す上面図と断面図で
ある。図９、図１０において、１１は焦電体薄膜で赤外
線検出部である。１２，１３は電極で、特に電極１３は
赤外線の吸収膜としての機能を有している。１４はポリ
イミド系樹脂で素子を支持するためのものである。１５
は基板で焦電体薄膜１１を支持するための基板である。
１６は開口部で焦電体薄膜１１からの熱伝導を小さくす
るためのものである。１７は開口部を形成するためのエ
ッチング穴である。

【０００５】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、以下にその製造方法について説明する。
まず、酸化マグネシウム単結晶の基板１５上に、下部電
極１２として２００ｎｍの膜厚を有するＰｔ膜を高周波
マグネトロンスパッタ法により成長させ、その下部電極
１２上に焦電体薄膜１１としてランタン、マグネシウ
ム、マンガンの内の少なくとも１種以上を添加したチタ
ン酸鉛を高周波マグネトロンスパッタ法を用いて成長さ
せる。そしてフォトリソグラフィ工程を施して所定の形
状に焦電体薄膜１１、下部電極１２をそれぞれパターニ
ングする。次にそれらの上層に電極１３として２０ｎｍ
程度の膜厚を有するニクロム薄膜を蒸着法で形成する。
さらに、それらの上層に膜厚３μｍ程度のポリイミド系
樹脂１４を形成する。その後、ポリイミド系樹脂１４に
設けた複数のエッチング穴１７からエッチング液を供給
し基板１５の表層部をエッチングすることで開口部１６
を形成する。

【０００６】前記の赤外線検出部に用いられる焦電体の
特性の向上あるいは集積化のためには、その薄膜化が非
常に重要となる。またこの薄膜を焦電型赤外線検出素子
として利用する場合、いかに結晶性良く薄膜を成長させ
るかによるところが大きく、下地となる材料の影響も充
分に考慮する必要がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】焦電型赤外線検出素子
において、より高精度な温度の測定あるいはより微小な
人体の動作検出を行うためには、赤外線検出部である焦
電体素子の高感度化が最重要課題となる。基板上に形成
した複数の焦電体を電極で直列に接続することで焦電体
素子の高感度化は可能であり、接続する焦電体の数に比
例して素子の出力は増加するが、それにともない素子面
積が増加し１枚の基板から得られる赤外線検出素子の数
が減少しコストアップにつながるという問題があった。

【０００８】本発明は前記のような問題点を解決するも
のであり、焦電体素子の面積を増加させることなく焦電
体素子の出力を向上させ高感度で小型の焦電型赤外線検
出素子を提供すること、さらには、前記焦電型赤外線検
出素子の安定な製造方法及び製造装置を提供することを
目的とする。

【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、少なくとも単結晶
からなる基板と、この基板上に複数個の下部電極を設
け、この下部電極上に略同一形状で複数個の第一の焦電
体薄膜を設け、さらにその第一の焦電体薄膜上に略同一
形状で電極と焦電体薄膜とからなる積層構造を少なくと
も１回以上繰り返し設け、この上に赤外線吸収効果を有
する複数個の上部電極を設けた赤外線検出部とからな
り、前記赤外線検出部が接する基板の表層部に空洞を設
けたものである。

【００１０】この構成により高感度で小型の焦電型赤外
線検出素子が得られることになる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、少なくとも単結晶からなる基板と、この基板上に複
数個の下部電極を設け、この下部電極上に略同一形状で
複数個の第一の焦電体薄膜を設け、さらにその第一の焦
電体薄膜上に略同一形状で電極と焦電体薄膜とからなる
積層構造を少なくとも１回以上繰り返し設け、この上に
赤外線吸収効果を有する複数個の上部電極を設けた赤外
線検出部とからなり、この赤外線検出部が接する基板の
表層部に空洞を有した焦電型赤外線検出素子であり、厚
み方向に焦電体薄膜を積層したことで、赤外線検出部の
面積を増加させること無く素子特性を向上できるという
作用を有する。

【００１２】請求項２に記載の発明は、第一の焦電体薄
膜上に設ける電極の厚みを１５〜２５ｎｍとしたもので
あり、出力の優れたものとすることができる。

【００１３】請求項３に記載の発明は、第一の焦電体薄
膜上に設ける電極と第二の焦電体薄膜の寸法を第一の焦
電体薄膜の各端部から少なくとも１０μｍ以上小さくし
たものであり、電極間の絶縁に優れたものとすることが
できる。

【００１４】請求項４に記載の発明は、焦電体薄膜に
（Ｐｂ_1-(x+y)Ｌａ_xＭｇ_y）Ｔｉ_1-(x+ _y)/4Ｏ₃からなる
ペロブスカイト型複合化合物材料を用いたものであり、
優れた特性とすることができる。

【００１５】請求項５に記載の発明は、単結晶基板上に
電極を形成する工程と、その電極上に焦電体の（Ｐｂ
_1-(x+y)Ｌａ_xＭｇ_y）Ｔｉ_1-(x+y)/4Ｏ₃薄膜を形成する
工程との２つの工程を少なくとも２回以上繰り返すこと
からなる焦電型赤外線検出素子であり、優れた焦電型赤
外線検出素子生産性を得ることができる。

【００１６】請求項６に記載の発明は、第二の焦電体薄
膜を形成する工程において、第一の焦電体薄膜を形成し
た基板加熱温度より少なくとも５℃以上高い基板加熱温
度で焦電体薄膜を形成する方法であり、これにより高感
度化が実現できる。

【００１７】請求項７に記載の発明は、第二の焦電体薄
膜を形成する工程において、第一の焦電体薄膜を形成し
た高周波印加電力より少なくとも２０Ｗ以上低い電力で
焦電体薄膜を形成するものであり、結晶構造の優れたも
のとすることができる。

【００１８】請求項８に記載の発明は、単結晶基板上に
電極を形成する工程と電極上に焦電体の（Ｐｂ_1-(x+y)
Ｌａ_xＭｇ_y）Ｔｉ_1-(x+y)/4Ｏ₃薄膜を形成する工程との
２つの工程を少なくとも２回以上繰り返すために、基板
ホルダーとターゲット間に自動で可動する開口度が１よ
り小さい遮蔽板を設けた焦電型赤外線検出素子の製造装
置であり、薄膜を安定して形成することができる。

【００１９】（実施の形態１）以下、本発明の実施の形
態１を図面とともに説明する。

【００２０】図１、図２は本発明の焦電型赤外線検出素
子の一実施の形態の平面図及び断面図である。図１、図
２において１１は第一の焦電体薄膜で２１は第二の焦電
体薄膜であり、これらはともに赤外線検出部である。１
２，１３，２２は電極で、特に上部電極１３は赤外線の
吸収膜としての機能を有している。また２２は第一の焦
電体薄膜１１と第二の焦電体薄膜２１との焦電体薄膜間
を直列に接続する層間電極である。１４はポリイミド系
樹脂で素子を支持するためのものである。１５は基板で
焦電体薄膜１１を支持するための基板である。１６は開
口部で焦電体薄膜１１からの熱伝導を小さくするための
ものである。１７は開口部１６を形成するためのエッチ
ング穴である。

【００２１】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、以下にその製造方法について説明する。
まず、ＭｇＯの基板１５上に下部電極１２として２００
ｎｍの膜厚を有するＰｔ膜を高周波マグネトロンスパッ
タ法により成長させ、その下部電極１２上に第一の焦電
体薄膜１１としてＰＬＭＴ薄膜を高周波マグネトロンス
パッタ法を用いて２μｍ程度成長させる。次にその第一
の焦電体薄膜１１上に層間電極２２として５０ｎｍ程度
のＰｔ膜を高周波マグネトロンスパッタ法により成長さ
せ、さらにその層間電極２２上に第二の焦電体薄膜２１
であるＰＬＭＴを同様の高周波マグネトロンスパッタを
用いて２μｍ程度成長させた。そしてフォトリソグラフ
ィ工程を施して所定の形状にＰＬＭＴ、Ｐｔ薄膜をそれ
ぞれパターニングする。次にそれらの上層に上部電極１
３として２０ｎｍ程度の膜厚を有するＮｉＣｒ薄膜を蒸
着法で形成する。さらに、それらの上層に膜厚３μｍ程
度のポリイミド系樹脂１４を形成する。その後、ポリイ
ミド系樹脂１４に設けた複数のエッチング穴１７からエ
ッチング液を供給し基板１５をエッチングすることで開
口部１６を形成する。

【００２２】以上のように本実施の形態１では、赤外線
受光方向から上部電極１３、第二の焦電体薄膜２１、層
間電極２２、第一の焦電体薄膜１１、下部電極１２の積
層構造をした素子形状を実現し、焦電体であるＰＬＭＴ
薄膜を２段の積層構造にした。これにより上部電極１３
と下部電極１２間で取り出される素子出力は、第一の焦
電体薄膜１１と第二の焦電体薄膜２１の直列接続分の出
力が得られ、焦電体の材料性能を向上しなくても検出素
子の出力を向上させることができる。

【００２３】この他の形態として、基板の表面に対して
水平方向に並んだ複数個の焦電体薄膜を電極によって直
列接続することによっても素子出力を向上できる。しか
しながら、基板の表面に対して水平方向に並んだ焦電体
薄膜を複数個使用して一つの赤外線検出素子にする場
合、接続する焦電体の数が増加するほど出力の増加が得
られる一方で、これに比例して１つの赤外線検出素子の
面積が増加することで１枚の基板から得られる赤外線検
出素子の個数が減少し、結果的にコストアップにつなが
ってしまう。

【００２４】これに対して本実施の形態１では基板１５
の表面に対して垂直方向に積層した焦電体薄膜１１，２
１を電極１２，１３，２２で直列接続していることから
１枚の基板１５から得られる赤外線検出素子の数は素子
の直列接続数に関係なく通常の１素子と同じ取れ数が確
保できる。また、基板１５の表面に対して水平方向に並
んだ焦電体の接続の場合に必要となる焦電体間を接続す
る電極の配線スペースや配線形成の工程等も全く不必要
となり、生産性が高く小型で高性能の焦電型赤外線検出
素子が実現する。さらに、基板１５の表面に対して厚み
方向への焦電体薄膜の積層は、膜厚増加と同様の効果と
して焦電体材料自身の熱容量の増加をともなうため素子
の高感度化には望ましい構造となる。

【００２５】（実施の形態２）以下、本発明の実施の形
態２を図面とともに説明する。

【００２６】図３は本発明の焦電型赤外線検出素子の実
施の形態２の断面図である。図３において、１１は第一
の焦電体薄膜で２１は第二の焦電体薄膜であり、これら
はともに赤外線検出部である。１２，１３，２２は電極
で、特に上部電極１３は赤外線の吸収膜としての機能を
有している。また２２は第一の焦電体薄膜１１と第二の
焦電体薄膜２１との焦電体薄膜間を直列に接続する層間
電極である。１４はボリイミド系樹脂で素子を支持する
ためのものである。

【００２７】前記実施の形態１の焦電型赤外線検出素子
を製造する工程において、フォトリソグラフィ工程やエ
ッチング工程における微小なマスクズレやエッチング不
足によって下部電極１２と層間電極２２とが電気的に接
触しショート不良を生じる問題がある。そこで本実施の
形態２では、第一の焦電体薄膜１１上に設ける層間電極
２２と第二の焦電体薄膜２１の寸法を第一の焦電体薄膜
１１の各端部から少なくとも１０μｍ以上小さくした。

【００２８】この構造によって１０μｍ以下のマスクズ
レあるいはパターンズレが生じた場合でも層間電極２２
あるいは上部電極１３と下部電極１２との電極間の絶縁
が良好な焦電体素子が実現し、電極間でのショート不良
を著しく低減できる。さらに、第二の焦電体薄膜２１が
第一の焦電体薄膜１１より小さい本実施の形態２の焦電
型赤外線素子の構造はポリイミド系樹脂１４のカバー性
からも望ましい構造である。

【００２９】（実施の形態３）以下、本発明の実施の形
態３を図面とともに説明する。図４、図５は薄膜形成に
一般的に用いられる高周波マグネトロンスパッタ装置の
基本構成図と要部の断面図である。図４、図５において
３１は基板加熱用ヒーター、３２は基板ホルダー、１５
はＭｇＯの基板である。３４はスパッタ材料となるター
ゲットでスパッタリングガスにはアルゴン３５と酸素３
６を用いる。真空排気系は真空排気ポンプ３７にて行
う。

【００３０】薄膜成長の原材料であるターゲット３４に
は電極形成用にはＰｔを用いた。また、焦電体であるＰ
ＬＭＴ薄膜の化学組成は（Ｐｂ_1-(x+y)Ｌａ_xＭｇ_y）Ｔ
ｉ_1-( _x+y)/4Ｏ₃で表されるが、本実施の形態３では焼結
した（Ｐｂ_0.9Ｌａ_0.1）Ｔｉ₀ _.975Ｏ₃（＋ＰｂＯを２０
ｍｏｌ％過剰に添加した）の１０インチのセラミックを
用い、そのターゲット３４のエロージョン部分の真上に
ＭｇＯの基板１５が位置するようにセットした。さらに
ＭｇＯの基板１５とスパッタターゲット３４との距離は
１００mmである。

【００３１】以上のような電極形成用及び焦電体薄膜形
成用の２台の薄膜形成装置を用いて、まずＭｇＯの基板
１５上にＰｔの下部電極１２を２００ｎｍ程度形成し、
その上層に第一の焦電体薄膜１１を２μｍ程度形成し
た。さらにその第一の焦電体薄膜１１の上層に層間電極
２２を５０ｎｍ程度形成した。そして層間電極２２上に
第二の焦電体薄膜２１を２μｍ程度形成した。Ｐｔ電極
の形成条件は下部電極１２の形成時及び層間電極２２の
形成時のいずれにおいても、基板加熱温度６００℃、高
周波印加電力１００Ｗ、Ａｒ／Ｏ₂ガス流量４／１、ガ
ス圧１０ｍＴｏｒｒとした。また第一及び第二の焦電体
薄膜１１，２１の形成条件はいずれも、基板加熱温度６
００℃、高周波印加電力１０００Ｗ、Ａｒ／Ｏ₂ガス流
量１０／１、ガス圧２ｍＴｏｒｒとした。

【００３２】さらに第二の焦電体薄膜２１上にＮｉＣｒ
の上部電極１３を蒸着し、第二の焦電体薄膜２１の焦電
特性を評価した。その結果、第二の焦電体薄膜２１の比
誘電率は２５０、焦電係数は３．０×１０^-8Ｃ／cm²で
あった。焦電型赤外線検出素子の出力は焦電体の焦電係
数に比例し比誘電率に反比例する。従って、焦電係数／
比誘電率を性能指数とすると、いかに性能指数の高い焦
電体薄膜を形成するかが赤外線検出素子の高感度化には
重要となる。前記方法で形成した第二の焦電体薄膜２１
の性能指数は１．２であった。

【００３３】さらに、本実施の形態３では層間電極２２
の厚みを２０ｎｍに薄型化させて膜厚制御を行った。下
部電極１２及び第一と第二の焦電体薄膜１１，２１の形
成条件は前記実施の形態と同一にして同様に第二の焦電
体薄膜２１の焦電特性を測定した結果、比誘電率は２２
０、焦電係数は３．５×１０^-8Ｃ／cm²であり、性能指
数は１．６と層間電極２２の膜厚制御を行うことで１．
３倍の出力を得ることができた。

【００３４】これらの焦電体材料にかかわらず、材料の
特性の向上のためにはいかに結晶性良く薄膜を成長させ
るかによるところが大きく、下地となる基板や電極層の
格子常数や熱膨張係数といった材質や結晶性に大きく影
響する。本実施の形態３で行った層間電極２２の薄型化
の制御は、層間電極２２上に形成する第二の焦電体薄膜
２１の初期成長過程の結晶性を劣化させること無く良好
な結晶成長を行わせる上で重要な制御である。但し１５
ｎｍより薄い層間電極２２は充分に結晶成長を行わずポ
ーラスな電極構造となる問題があることから、層間電極
２２の膜厚は１５〜２５ｎｍとすることが望ましい。

【００３５】（実施の形態４）次に、本発明の実施の形
態４を図面とともに説明する。実施の形態３と同様に図
４、図５の電極形成用及び焦電体薄膜形成用の２台の薄
膜形成装置を用いて、まずＭｇＯの基板１５上にＰｔの
下部電極１２を２００ｎｍ程度形成し、その上層に第一
の焦電体薄膜１１を２μｍ程度形成した。さらにその第
一の焦電体薄膜１１の上層に層間電極２２を２０ｎｍ程
度形成した。そして層間電極２２上に第二の焦電体薄膜
２１を２μｍ程度形成した。Ｐｔ電極の形成条件は下部
電極１２の形成時及び層間電極２２の形成時のいずれに
おいても、基板加熱温度６００℃、高周波印加電力１０
０Ｗ、Ａｒ／Ｏ₂ガス流量４／１、ガス圧１０ｍＴｏｒ
ｒとした。また第一及び第二の焦電体薄膜１１，２１の
形成条件はいずれも、基板加熱温度６００℃、高周波印
加電力１０００Ｗ、Ａｒ／Ｏ₂ガス流量１０／１、ガス
圧２ｍＴｏｒｒとした。

【００３６】こうして形成した第一の焦電体薄膜１１と
第二の焦電体薄膜２１の膜組成をＸ線マイクロアナリシ
ス（ＸＭＡ）を用いて分析した。その結果、第一の焦電
体薄膜１１のＰｂ／Ｔｉ組成比は０．９３とほぼ化学量
論組成（Ｐｂ／Ｔｉ＝０．９２３）に近い組成の膜にな
っていたのに対して、第二の焦電体薄膜２１は第一の焦
電体薄膜１１と全く同一形成条件で成膜したにもかかわ
らず、その組成比Ｐｂ／Ｔｉは１．０６と第一の焦電体
薄膜１１または化学量論組成に比べてＰｂ過剰な組成の
膜となっていた。焦電体素子の高感度化を達成するため
には、焦電体薄膜をいかに組成制御するかかつ結晶性良
く形成するかが重要な問題となる。この場合、同一形成
条件で形成したにもかかわらず第二の焦電体薄膜２１の
組成ズレが確認され、素子全体の特性低下を引き起こす
原因となることが考えられた。従って、第一と第二の焦
電体薄膜１１，２１を積層した焦電型赤外線検出素子の
さらなる高感度化のためには、第二の焦電体薄膜２１の
組成ズレを改善する必要がある。

【００３７】一般に焦電体薄膜の形成工程において基板
加熱期間温度が高いほど膜のＰｂ／Ｔｉ組成比は減少す
る。これは６００℃以上の高い温度によって加熱された
焦電体から外部にＰｂが再蒸発するためである。従って
第二の焦電体薄膜２１の組成ズレ（Ｐｂ過剰）を改善す
る手段として、第二の焦電体薄膜２１の形成時において
のみ第一の焦電体薄膜１１形成の基板加熱温度より５℃
高い温度で膜形成を行った。

【００３８】すなわち、本実施の形態４の焦電体薄膜の
形成方法は次のようになる。まずＭｇＯの基板１５上に
Ｐｔの下部電極１２を２００ｎｍ程度形成し、その上層
に第一の焦電体薄膜１１を２μｍ程度形成した。さらに
その第一の焦電体薄膜１１の上層に層間電極２２を２０
ｎｍ程度形成した。そして層間電極２２上に第二の焦電
体薄膜２１を２μｍ程度形成した。Ｐｔ電極の形成条件
は下部電極１２の形成時及び層間電極２２の形成時のい
ずれにおいても、基板加熱温度６００℃、高周波印加電
力１００Ｗ、Ａｒ／Ｏ₂ガス流量４／１、ガス圧１０ｍ
Ｔｏｒｒとした。また第一の焦電体薄膜１１の形成条件
は、基板加熱温度６００℃、高周波印加電力１０００
Ｗ、Ａｒ／Ｏ₂ガス流量１０／１、ガス圧２ｍＴｏｒｒ
とし、第二の焦電体薄膜２１の形成条件は、基板加熱温
度６０５℃、高周波印加電力１０００Ｗ、Ａｒ／Ｏ₂ガ
ス流量１０／１、ガス圧２ｍＴｏｒｒとした。

【００３９】こうして形成した第一の焦電体薄膜１１と
第二の焦電体薄膜２１の膜組成を同様にＸＭＡを用いて
分析した結果、第一の焦電体薄膜１１のＰｂ／Ｔｉ組成
比は０．９３、第二の焦電体薄膜２１のＰｂ／Ｔｉ組成
比は０．９４と両者ともほぼ化学量論組成に近い組成の
膜になっていた。これらのことより、第二の焦電体薄膜
２１を形成する工程において、第一の焦電体薄膜１１を
形成した基板加熱温度より少なくとも５℃以上高い基板
加熱温度で焦電体薄膜を形成することによって、第二の
焦電体薄膜２１の組成ズレを改善することができた。こ
の焦電体薄膜の形成方法は、焦電型赤外線検出素子のさ
らなる高感度化のために有望な形成方法である。

【００４０】（実施の形態５）次に、本発明の実施の形
態５を説明する。

【００４１】本実施の形態５は前記実施の形態４と同様
に第二の焦電体薄膜２１の組成ズレを改善するもう一つ
の手段についてである。一般に焦電体薄膜の形成工程に
おいて高周波印加電力が低いほど膜のＰｔ／Ｔｉ組成比
は減少する。これは原料となるターゲット３４からスパ
ッタされたＰｂ及びＴｉスパッタ粒子が基板１５付近へ
飛来する際のＰｂ／Ｔｉの存在量の比が高周波印加電力
に比例するためである。従って第二の焦電体薄膜２１の
組成ズレ（Ｐｂ過剰）を改善する手段として、第二の焦
電体薄膜２１の形成時においてのみ第一の焦電体薄膜１
１を形成した高周波印加電力より２０Ｗ低い電力で膜形
成を行った。

【００４２】すなわち、本実施の形態４の焦電体薄膜の
形成方法は次のようになる。まずＭｇＯの基板１５上に
Ｐｔの下部電極１２を２００ｎｍ程度形成し、その上層
に第一の焦電体薄膜１１を２μｍ程度形成した。さらに
その第一の焦電体薄膜１１の上層に層間電極２２を２０
ｎｍ程度形成した。そして層間電極２２上に第二の焦電
体薄膜２１を２μｍ程度形成した。Ｐｔ電極の形成条件
は下部電極１２の形成時及び層間電極２２の形成時のい
ずれにおいても、基板加熱温度６００℃、高周波印加電
力１００Ｗ、Ａｒ／Ｏ₂ガス流量４／１、ガス圧１０ｍ
Ｔｏｒｒとした。また第一の焦電体薄膜１１の形成条件
は、基板加熱温度６００℃、高周波印加電力１０００
Ｗ、Ａｒ／Ｏ₂ガス流量１０／１、ガス圧２ｍＴｏｒｒ
とし、第二の焦電体薄膜２１の形成条件は、基板加熱温
度６００℃、高周波印加電力９８０Ｗ、Ａｒ／Ｏ₂ガス
流量１０／１、ガス圧２ｍＴｏｒｒとした。

【００４３】こうして形成した第一の焦電体薄膜１１と
第二の焦電体薄膜２１の膜組成を同様にＸＭＡを用いて
分析した結果、第一の焦電体薄膜１１のＰｂ／Ｔｉ組成
比は０．９３、第二の焦電体薄膜２１のＰｂ／Ｔｉ組成
比は０．９３と両者ともほぼ化学量論組成に近い組成の
膜になっていた。これらのことより、第二の焦電体薄膜
２１を形成する工程において、第一の焦電体薄膜１１を
形成した高周波印加電力より少なくとも２０Ｗ以上低い
印加電力で焦電体薄膜を形成することによって、第二の
焦電体薄膜２１の組成ズレを改善することができた。こ
の焦電体薄膜の形成方法は、焦電型赤外線検出素子のさ
らなる高感度化のために有望な形成方法である。

【００４４】（実施の形態６）以下、本発明の実施の形
態６を図面とともに説明する。

【００４５】前記実施の形態３あるいは４あるいは５で
は、下部電極１２を形成後に第一の焦電体薄膜１１を形
成し、そしてさらに層間電極２２を形成した後に第二の
焦電体薄膜２１を順に形成した。従ってＰｔの電極と焦
電体を交互に形成することになるが、ここで電極と焦電
体薄膜の形成にはそれぞれ別の形成装置を用いているた
め、形成工程毎に装置から取り出して別の装置に装着し
直す工程が必要となる。各工程毎に基板ホルダー３２の
脱着や装置内の真空排気、さらには基板加熱の昇降温を
行うことでかなりの工程時間を要した。

【００４６】図６、図７は本実施の形態６に用いた高周
波マグネトロンスパッタ装置の基本構成図と要部の断面
図である。図６、図７において３１は基板加熱用ヒータ
ー、３２は基板ホルダー、１５はＭｇＯの基板である。
３４はスパッタ材料となるターゲットでスパッタリング
ガスにはアルゴン３５と酸素３６を用いる。真空排気系
は真空排気ポンプ３７にて行う。さらに３８は可動式遮
蔽板、３９は制御モータである。

【００４７】薄膜成長の原材料であるターゲット３４は
３つの６インチターゲットから構成し、３４ａには電極
形成用のＰｔ、３４ｂには第一の焦電体薄膜１１の形成
用として化学組成が（Ｐｂ_0.9Ｌａ_0.1)Ｔｉ_0.975Ｏ
₃（＋ＰｂＯを２０ｍｏｌ％過剰に添加した）のセラミ
ック、そして３４ｃには第二の焦電体薄膜２１形成用と
して化学組成が（Ｐｂ_0.9Ｌａ_0.1）Ｔｉ_0.975Ｏ₃（＋Ｐ
ｂＯを１５ｍｏｌ％過剰に添加した）のセラミックを装
着した。

【００４８】以上のような電極及び焦電体薄膜形成用の
薄膜形成装置を用いた焦電体素子の製造方法を以下に説
明する。

【００４９】まずＭｇＯの基板１５を基板ホルダー３２
に設置し、３ｒｐｍで基板ホルダー３２を回転させる。
そして装置内を１０^-6Ｔｏｒｒ以下の真空に排気してか
ら基板加熱温度を６００℃に昇温する。その後、下部電
極１２、第一の焦電体薄膜１１、層間電極２２、そして
第二の焦電体薄膜２１と４層の薄膜を同一真空装置内で
連続して成膜する。各４層の成膜工程に対してそれぞれ
の成膜条件及び遮蔽板３８の開口部の位置を図８（ａ）
〜（ｄ）に示すように自動的に変動するようにプログラ
ムされている。例えば、Ｐｔの下部電極１２、第一の焦
電体薄膜１１、層間電極２２、そして第二の焦電体薄膜
２１という積層であれば、遮蔽板３８は制御モータ３９
によって、下部電極１２の形成時には図８（ａ）、第一
の焦電体薄膜１１の形成時には図８（ｂ）、層間電極２
２の形成時には図８（ｃ）、さらに第二の焦電体薄膜２
１の形成時には図８（ｄ）の位置に自動的に可動する。
これによって積層成膜が連続的にかつ自動的に行うこと
が可能となった。

【００５０】本実施の形態６の形成装置を用いて、Ｐｔ
の下部電極１２を２００ｎｍ程度形成し、その上層に第
一の焦電体薄膜１１を２μｍ程度形成し、その第一の焦
電体薄膜１１の上層に層間電極２２を５０ｎｍ程度形成
し、さらにその層間電極２２上に第二の焦電体薄膜２１
を２μｍ程度形成した場合、基板１５の投入から取り出
しまで約１６時間で完了し、従来の電極形成装置と焦電
体薄膜形成装置の複数の形成装置を用いた工法に比べて
約半分以下のプロセス時間に短縮できた。

【００５１】さらに本実施の形態６の装置は遮蔽板３８
を用いていることが特徴であるが、この遮蔽板３８は円
の約１／３部分が開口している。基板ホルダー３２に設
置された基板１５は基板ホルダー３２ごと常に回転して
いるため、基板１５が遮蔽板３８の開口部上に存在する
とき（全体の約１／３の時間）のみターゲット３４から
のスパッタ粒子が基板１５付近に飛来する。従って、基
板１５は遮蔽板３８の開口部上にある時のみ膜成長が行
われ、それ以外の遮蔽板３８上に基板１５がある時は膜
形成は行われず、基板加熱によるアニールされた状態に
なる。このことから、遮蔽板３８を用いたこの装置での
膜成長メカニズムは、常に膜成長とアニールを周期的に
繰り返しながら薄膜を随時安定化させて膜形成を行う特
徴をも持ち合わせている。

【００５２】

【発明の効果】以上説明した通り本発明によれば、少な
くとも単結晶からなる基板と、この基板上に複数個の下
部電極を設け、この下部電極上に略同一形状で複数個の
焦電体薄膜を設け、さらにその焦電体薄膜上に略同一形
状で電極と焦電体薄膜とからなる積層構造を少なくとも
１回以上繰り返し設け、この上に赤外線吸収効果を有す
る複数個の受光電極を設けた赤外線検出部とからなり、
前記赤外線検出部が接する基板の表層部に空洞を有した
焦電型赤外線検出素子を実現し、厚み方向に焦電体薄膜
を積層したことで、赤外線検出部の面積を増加させるこ
と無く素子特性を向上できる。

【００５３】また、焦電型赤外線検出素子の形成工程に
おいて、単結晶の基板上に電極を形成する工程と、その
電極上に焦電体薄膜を形成する工程の２つの工程を少な
くとも２回以上繰り返して形成する際、第二の焦電体薄
膜の形成を第一の焦電体薄膜の形成時より加熱温度を少
なくとも５℃以上増加させてあるいは高周波印加電力を
少なくとも２０Ｗ減少させて形成したものであり、焦電
体素子の厚み方向の組成制御を行うことで第二の焦電体
薄膜の結晶構造を改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の焦電型赤外線検出素子
の構成を示す平面図

【図２】同断面図

【図３】本発明の他の実施の形態の焦電型赤外線検出素
子の構成を示す断面図

【図４】同薄膜形成用の高周波マグネトロンスパッタ装
置の基本構成図

【図５】同要部の断面図

【図６】本発明の焦電型赤外線検出素子の製造装置の一
実施の形態の基本構成図

【図７】同要部の断面図

【図８】（ａ）下部電極の形成時の遮蔽板位置を示す説
明図（ｂ）第一の焦電体薄膜の形成時の遮蔽板位置を示す説
明図（ｃ）層間電極の形成時の遮蔽板位置を示す説明図（ｄ）第二の焦電体薄膜の形成時の遮蔽板位置を示す説
明図

【図９】従来の焦電型赤外線検出素子を示す上面図

【図１０】同断面図

【符号の説明】

１１第一の焦電体薄膜１２下部電極１３上部電極１４ポリイミド系樹脂１５基板１６開口部１７エッチング穴２１第二の焦電体薄膜２２層間電極３１基板加熱用ヒーター３２基板ホルダー３４ターゲット３４ａＰｔ３４ｂ第一のＰＬＭＴ３４ｃ第二のＰＬＭＴ３５アルゴンガス３６酸素ガス３７真空排気ポンプ３８可動式遮蔽板３９制御モータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも単結晶からなる基板と、この
基板上に複数個の下部電極を設け、この下部電極上に略
同一形状で複数個の第一の焦電体薄膜を設け、さらにそ
の第一の焦電体薄膜上に略同一形状で電極と焦電体薄膜
とからなる積層構造を少なくとも１回以上繰り返し設
け、この上に赤外線吸収効果を有する複数個の上部電極
を設けた赤外線検出部とからなり、この赤外線検出部が
接する基板の表層部に空洞を有した焦電型赤外線検出素
子。
【請求項２】第一の焦電体薄膜上に設ける電極の厚み
を１５〜２５ｎｍとした請求項１に記載の焦電型赤外線
検出素子。
【請求項３】第一の焦電体薄膜上に設ける電極と第二
の焦電体薄膜の寸法を第一焦電体薄膜の各端部から少な
くとも１０μｍ以上小さくした請求項１または２に記載
の焦電型赤外線検出素子。
【請求項４】焦電体薄膜に（Ｐｂ_1-(x+y)Ｌａ_xＭ
ｇ_y）Ｔｉ_1-(x+y)/4Ｏ₃からなるペロブスカイト型複合
化合物材料を用いた請求項１〜３のいずれか一つに記載
の焦電型赤外線検出素子。
【請求項５】単結晶基板上に電極を形成する工程と、
その電極上に焦電体の（Ｐｂ_1-(x+y)Ｌａ_xＭｇ_y）Ｔｉ
_1-(x+y)/4Ｏ₃薄膜を形成する工程との２つの工程を少な
くとも２回以上繰り返す焦電型赤外線検出素子の製造方
法。
【請求項６】第二の焦電体薄膜を形成する工程におい
て、第一の焦電体薄膜を形成した基板加熱温度より少な
くとも５℃以上高い基板加熱温度で焦電体薄膜を形成す
ることによる請求項５に記載の焦電型赤外線検出素子の
製造方法。
【請求項７】第二の焦電体薄膜を形成する工程におい
て、第一の焦電体薄膜を形成した高周波印加電力より少
なくとも２０Ｗ以上低い電力で焦電体薄膜を形成するこ
とによる請求項５に記載の焦電型赤外線検出素子の製造
方法。
【請求項８】単結晶基板上に電極を形成する工程と電
極上に焦電体の（Ｐｂ _1-(x+y)Ｌａ_xＭｇ_y）Ｔｉ
_1-(x+y)/4Ｏ₃薄膜を形成する工程との２つの工程を少な
くとも２回以上繰り返すために、基板ホルダーとターゲ
ット間に自動で可動する開口度が１より小さい遮蔽板を
設けた焦電型赤外線検出素子の製造装置。