JPS63313023A - 焦電型赤外線アレイセンサ及びその製造方法 - 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量の赤外線検出器で、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には、ＴＧＳ系・Ｌ
ｉＴａＯ３系等の単結晶、Ｐ　ｂ　Ｔ　ｉ　Ｏ３系・Ｐ
ｂｘＺｒｌ−ｘＴｉＯ２系のセラミック、Ｐ　Ｖ　Ｆ　
２系等の有機膜等がある。

Ｐ　ｂ　Ｔ　ｉ　Ｏｓは焦電材料の性能指数であるＦｖ
（−ｒ／εＣｖ）及びＦｍ（−ｒ／ＣｖＪ　ｅ　　ｄ　
ｔａｎδ）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、Ｐ　ｂ　Ｔ　ｉ　Ｏｓは焦電係数
の温度変化が小さく、キュリ一点が十分高い等の特長を
もっている。焦電型検出器には、ＰｂＴｉＯ３磁器が用
いられる場合が多い。磁器は多結晶であり、結晶軸の配
列に方向性は無＜、シたがって自発分極Ｐｓもランダム
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、Ｐｓが一方向に揃っているとき、
最大出力が得られる。そこで、磁器には高電界を印加し
てＰｓの向きを揃える分極処理が必要である。

また、Ｃ軸配向したＰ　ｂ　Ｔ　ｉ　Ｏ２薄膜の配向軸
方向に発生する焦電気を利用した場合、Ｃ軸方向の誘電
率が低下し、焦電係数が増大するので、ＰｂＴ　ｉ　Ｏ
２磁器の約３倍のＦｖを示す高感度焦電材料を実現でき
ることが、第３０回送用物理学関係連合講演予稿集７Ｐ
−ｚ−２に報告されている。

赤外線アレイセンサは光学系との関係で空間分解能をよ
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（なるほど、雑音が小さくなり、検
出能：Ｄ本は増大する。Ｐ　ｂ　Ｔ　ｉ　Ｏ３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（してＤＩを向上することは限度がある。また、
各エレメント間のクロストークが太き（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形化も困
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）分極処理により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。感度を向上するため焦電薄膜と接した基板の一部を
除去する構造では、この熱応力により焦電薄膜の割れが
生じた。またこれらの焦電薄膜は圧電体であるので、振
動や音による雑音も生じた。

間履点を解決するための手段 基板と、前記基板上に形成された焦電薄膜群と、前記焦
電薄膜群上に形成された複数の分離した電極薄膜群と、
前記焦電薄膜の基板側の面に形成された第２の電極薄膜
と、前記焦電薄膜の少なくとも片面を被覆する有機薄膜
とを有し、少なくとも前記焦電薄膜と接する基板の一部
を除去した構成とする。

作用 上記のような焦電薄膜及び構成を用いた赤外線アレイセ
ンサにおいては、熱拡散によるクロストークを低減しか
つ感度の向上を図ることができるばかりでな（、熱応力
による薄膜のはがれ・割れを防止できる。また有機薄膜
を用いることによりセンザ部の機械的Ｑを低減でき、振
動・音による雑音を抑制することができる。

実施例 第１図及び第２図は本発明の焦電型赤外線アレイ素子の
構造及び製造方法を示す図である。

（１００）でへき関し鏡面研摩したＭｇＯ単結晶基板１
上に、高周波マグネトロンスパッタ法で焦電薄膜群２と
して、Ｐｂ＋−ｘ　Ｌａｘ　Ｔｉｔ−ｏ、７ｓｘ　０３
　（ＰＬＴ）４μｍ成長させた。上記焦電薄膜は各エレ
メントごとにメタルマスクにより分離されている。雰囲
気ガスにはＡｒと０２の混合ガスを用い、スパッタリン
グターゲットは、 １　（１−Ｙ）　Ｐｂ＋−ｘ　Ｌａｘ　Ｔｉｔ−ｏ、７
ｓｘ　０３　＋Ｙ　ＰｂＯ１の粉末である。表１にスパ
ッタリング条件を示す。

次に、この焦電薄膜群２上に厚さ約０．２μｍの複数の
Ａｕ電極薄膜３を蒸着により作製した。前記Ａｕ電極薄
膜３は、フォトグラフィの手法によリアレイのピッチに
合わせて格子状に分離、配列されている。　次にこれら
の上に有機薄膜４を設けた。上記有機薄膜４は感光性ポ
リイミド系樹脂をスピンナーで塗布し、紫外線に照射し
た後２００℃で熱処理したものである。膜厚は３．５μ
ｍであった。電極薄膜３上の一部にはコンタクトホール
５を設けて取り出し電極６と接触させた。

表　　１ さらに、焦電薄膜群２の下部におけるＭｇＯ基板１を熱
濃燐酸によりエツチングし、開口部７を設けた。このと
きエツチング幅を焦電薄膜群２の幅より太き（して、焦
電薄膜群２はＭｇＯ基板１に接触しないようにしている
。上記構成において、焦電薄膜群２とＭｇＯ基板１との
熱膨張の違いによる熱応力を有機薄膜４は緩和している
。前記開口部７を通して前記焦電薄膜群２の基板側の面
にＮｉＣｒ電極薄膜８を蒸着により作製した。

ＰＬＴ焦電薄膜が分極軸の７５零以上が一方向に配向し
ているとき、焦電係数：γは５×ＩＯ−〇Ｃ／　ｃａ　
Ｋとなり、この値は２００℃で１ｏＯｋＶ／ｃｍ印加し
て分極処理を行ったＰｂＴｉＯ３セラミクス（γ＝１．
８ｘｌＯ−θＣ／ｃ＋＃Ｋ）と（らべかなり大きい。配
向率９ｏｚの場合焦電係数は６．８ｘｌＯ−８Ｃ／　ｃ
ｎ？にである。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
り大きい。誘電率は、配向率９０零の場合、セラミクス
とほぼ同等の値で約２００である。

このように本実施例に用いたＰＬＴ薄膜では、薄膜作製
時に十分にＣ軸に配向しておれば分極処理を行わな（で
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
も太き（なる。２００℃で１０分間１００ｋＶ／ｃｍ印
加して分極処理を行ったＰｂＴｉ０ａセラミクスの値と
比較して、ＰＬＴ薄膜は３倍強の値を示した。

ＰＬＴ焦電薄膜のＣ軸配向率は、ＭｇＯ基板に作製した
下地電極上より、直接Ｍ　ｇ　Ｏ基板上に作製した方が
高く、性能指数の点でも分ｔｉ処理不要の点でも有利で
ある。

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ＤＩは５倍以上増大した。また、
クロストークは第３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、本発明による焦電型赤外線アレイセ
ンサは、ＭｇＯ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 本発明による焦電型赤外線アレイセンサは、熱拡散によ
るクロストークを低減しかつ感度の向上を図ることがで
きるばかりでな（、焦電薄膜の熱応力による薄膜のはが
れ・割れを防止できる。また有機薄膜を用いる構成によ
りセンサ部の機械的Ｑを低減でき、振動・音による雑音
を抑制することができる。

アレイセンサの製造方法を示す断面図、第３図は本発明
の一実施例に於ける焦電型赤外線アレイセンサのクロス
トーク特性を示すグラフである。

１・・・・ＭｇＯ基板　　　２・・・・焦電薄膜３・・
・・電極薄膜　　　　４・・・・有機薄膜６・・・・取
り出し電極　　７・・・・開口部８・・・・第２の電極
薄膜 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　ほか１名第１図 、９ ５コンタクト木−ル 第２図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板と、前記基板上に形成された焦電薄膜群と、
   前記焦電薄膜群上に形成された複数の分離した電極薄膜
   群と、前記焦電薄膜の基板側の面に形成された第２の電
   極薄膜と、前記焦電薄膜の少なくとも片面を被覆する有
   機薄膜とを有し、少なくとも前記焦電薄膜と接する基板
   の一部を除去したことを特徴とする焦電型赤外線アレイ
   センサ。
2. （２）焦電薄膜が化学式（Ｐｂ＿ｘＬａ＿ｙ）（Ｔｉ＿
   ｚＺｒ＿ｗ）Ｏ＿３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
   していることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   焦電型赤外線アレイセンサ。
3. （３）焦電薄膜が化学式（Ｐｂ＿ｘＬａ＿ｙ）（Ｔｉ＿
   ｚＺｒ＿ｗ）Ｏ＿３で表され、 ａ）ｘ＝１、ｙ＝０、０．１≦ｚ≦０．４、ｚ＋ｗ＝１
   ｂ）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
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の焦電型
   赤外線アレイセンサ。
4. （４）焦電薄膜が基板に直接接触せず、有機薄膜を介し
   て基板に支持されることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の焦電型赤外線アレイセンサ。
5. （５）有機薄膜がポリイミド系樹脂であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の焦電型赤外線アレイセ
   ンサ。
6. （６）基板上に化学式（Ｐｂ＿ｘＬａ＿ｙ）（Ｔｉ＿ｚ
   Ｚｒ＿ｗ）Ｏ＿３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
   している焦電薄膜群、あるいは、 ａ）ｘ＝１、ｙ＝０、０．１≦ｚ≦０．４、ｚ＋ｗ＝１
   ｂ）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
   る焦電薄膜群を形成し、前記焦電薄膜上に複数の分離し
   た電極薄膜を形成し、その上に有機薄膜を被覆し、前記
   有機薄膜上に前記電極薄膜と接触した取り出し電極を作
   製し、少なくとも前記焦電薄膜と接触する前記基板の一
   部をエッチング等により取り除いて前記有機薄膜を介し
   て支持した後、前記基板側から蒸着等により第２の電極
   薄膜を作製することを特徴とする焦電型赤外線アレイセ
   ンサの製造方法。