JPWO2018168151A1 - 焦電センサ - Google Patents

Abstract

Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板の一面に、その一面側から無機材料からなる熱吸収層、下部電極、圧電体膜および上部電極がこの順に積層されてなる積層部と、Ｓｉ基板の他面の積層部に対向する位置に備えられた、赤外線を選択的に透過させる光学フィルタとを有し、光学フィルタ側からＳｉ基板を経て積層部に入射される赤外線を感知する焦電センサとする。

Description

本発明は、赤外線センサとして利用される、焦電素子を備えた焦電センサに関する。

赤外線センサは測定対象物からの熱放射（赤外線）を検出するセンサである。
特開２００６−３１７２３２号公報には、図６に示すように、赤外線センサ１０１として、シリコン（Ｓｉ）基板１０２と、Ｓｉ基板１０２の第１の表面１０２ａ上に備えられた赤外線センシング部１０３とを備え、赤外線センシング部１０３が位置するＳｉ基板１０２の第１の表面１０２ａには熱絶縁のための空洞部１０５が形成されており、Ｓｉ基板１０２の第２の表面１０２ｂ上には、赤外線のみを所定透過させる光学フィルタＦを備えた構成が開示されている。また、感度を向上させるために赤外線センシング部１０３に赤外線吸収膜１０３ａを備えている。特開２００６−３１７２３２号公報において、赤外線センシング部１０３の詳細な構成は開示されておらず、サーモパイル、サーミスタ、焦電素子などを用いて形成できる、と記載されている。

特開２００６−３１７２３２号公報には、赤外線センシング部の構成が十分開示されておらず、赤外線センシング部の厚みについても言及されていない。しかしながら、赤外線センシング部が空洞部上に配置されていることから、構成上ある程度の剛性を有するバルク状の素子が用いられる。

特開２００６−３１７２３２号公報のみならず、従来の赤外線センサにおける赤外線センシング部は、バルク状の素子が用いられている。そのような素子としては、圧電セラミックスの一種である焦電セラミックスを用いた焦電素子があり、焦電素子を備えた焦電センサが赤外線センサとしてよく知られている。焦電素子は、温度変化によって分極（表面電荷）が生じる焦電効果を利用して赤外線を検出するものである。

従来の焦電センサに備えられている焦電セラミックスはバルク材料を用いるため概ね１ｍｍ以上の厚みを有する。また、焦電センサには、誤検出を防止するために、検出しようとする測定対象物の特定波長の赤外線のみを透過し、その他の波長をカットする機能を持った赤外線フィルタ（光学フィルタ）が取付けられている。このような光学フィルタは、一般にガラス板上に多層成膜されて構成されるため、ガラス板の厚みを含めて０．５ｍｍ以上の厚みを有している。したがって、従来の焦電センサの厚み（デバイス高さ）は１．５ｍｍ以上となっている。

しかしながら、スマートフォンなど薄型の携帯端末に焦電センサを搭載するためには、センサ全体として高さを１．０ｍｍ以下程度に抑える必要があり、焦電センサの薄型化（低背化）が望まれている。

薄型化するためには焦電セラミックスを研磨して用いることが考えられるが、研磨作業や、研磨により薄型化されハンドリング性が低下した焦電セラミックスは貼り付け作業が困難であり、製造が非常に煩雑なものとなる。そのため、スマートフォンなどの厚みの薄い携帯端末への適用が可能な、十分に薄型化された焦電センサは実現されていない。

本発明は上記事情に鑑み、十分な薄型化が実現できる焦電センサを提供することを目的とする。

本発明の焦電センサは、Ｓｉ基板と、
Ｓｉ基板の一面に、その一面側から無機材料からなる熱吸収層、下部電極、圧電体膜および上部電極がこの順に積層されてなる積層部と、
Ｓｉ基板の他面の、積層部に対向する位置に備えられた、赤外線を選択的に透過させる光学フィルタとを有し、
光学フィルタ側からＳｉ基板を経て積層部に入射される赤外線を感知する焦電センサである。

ここで、圧電体膜とは、厚み１０μｍ以下の薄膜の圧電体をいう。

本発明の焦電センサにおいて、上記下部電極が金属からなり、上記熱吸収層を構成する無機材料が上記下部電極を構成する金属の酸化物であることが好ましい。

本発明の焦電センサにおいて、上記熱吸収層を構成する無機材料が貴金属の酸化物であることが好ましい。

本発明の焦電センサにおいて、圧電体膜はスパッタ膜であることが好ましい。

本発明の焦電センサにおいて、上記積層部に入射される赤外線が透過するＳｉ基板の厚みが２５０μｍ以下であることが好ましい。

本発明の焦電センサにおいて、Ｓｉ基板が、上記積層部が設けられている領域の周縁部に、その領域の厚みよりも厚い肉厚部を備えていてもよい。

本発明の焦電センサにおいて、Ｓｉ基板が中空部を備えていてもよい。
このとき、平面視において、Ｓｉ基板の面積が積層部の面積よりも大きく、中空部が積層部と重畳し、かつ積層部が中空部の領域の内側に位置する構成であることが好ましい。

本発明の焦電センサにおいては、圧電体膜がペロブスカイト型酸化物の（１００）配向膜であることが好ましい。

本発明の焦電センサは、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板の一面に、その一面側から無機材料からなる熱吸収層、下部電極、圧電体膜および上部電極がこの順に積層されてなる積層部と、Ｓｉ基板の他面の、積層部に対向する位置に備えられた、赤外線を選択的に透過させる光学フィルタとを有し、光学フィルタ側からＳｉ基板を経て積層部に入射される赤外線を感知する。Ｓｉ基板の一面の圧電体膜を含む積層部を備え、他面に光学フィルタを備えた構成であるため、薄型化を実現することができる。Ｓｉ基板と下部電極との間に熱吸収層を備えていることから、高い感度で赤外線を検出することができる。

第１の実施形態の焦電センサの断面模式図である。 第２の実施形態の焦電センサの断面模式図である。 第３の実施形態の焦電センサの平面模式図および断面模式図である。 焦電センサがアレイ状に配列されてなるイメージセンサの概略構成を示す平面図および断面図である。 実施例２で用いた基板を示す断面模式図である。 従来の赤外センサの断面図である。

以下、図面を参照して本発明の焦電センサの実施の形態について説明する。

「第１の実施形態の焦電センサ」
図１は、本発明の第１の実施形態の焦電センサ１の断面模式図である。なお、視認容易のため、各層の膜厚やそれらの比率は、適宜変更して描いており、必ずしも実際の膜厚や比率を反映したものではない（以下の図面において同様とする。）。

本実施形態の焦電センサ１は、Ｓｉ基板１０と、Ｓｉ基板１０の一面１０ａに、無機材料からなる熱吸収層１８、下部電極２２、（１００）配向の圧電体膜２３および上部電極２４がこの順に積層されてなる積層部２０と、Ｓｉ基板１０の他面１０ｂの、積層部２０に対向する位置に備えられた、赤外線を選択的に透過させる光学フィルタ３０とを有し、光学フィルタ３０側からＳｉ基板１０を経て積層部２０に入射される赤外線ＩＲを感知する。

[焦電センシング部]
焦電センサ１において下部電極２２、圧電体膜２３および上部電極２４がセンシング部２５を構成する。なお、センシング部２５は平面視において積層部２０と一致する。センシング部２５に赤外線が入射すると温度が上昇し、焦電効果により焦電体である圧電体膜２３に表面電荷が発生する。この表面電荷を下部電極２２および上部電極２４に接続された図示しないリード線を介して取り出し、適切な電気回路を用いて出力信号として計測することで赤外線の検知が可能となる。ここで、「下部」および「上部」は天地を意味するものではない。圧電体膜を挟んで設けられる一対の電極に関し、Ｓｉ基板１０側に配置される一方の電極を下部電極、他方の電極を上部電極と称しているに過ぎない。

−下部電極および上部電極−
下部電極２２の主成分としては、特に制限はなく、一般に電極として利用できる材料を適宜用いることができるが、金属を用いることが好ましい。特には、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ等の貴金属が好ましい。

上部電極２４の主成分としては、特に制限なく、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、およびＣｕ等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、およびこれらの組合せが挙げられる。

下部電極２２および上部電極２４の厚みには、特に制限はないが、あまり薄いと抵抗値が高くなり電極としての機能が悪くなり、厚いと密着性や熱容量が大きくなるという問題がある。そのため、電極２２、２４の厚みはいずれも５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。

−圧電体膜−
圧電体膜２３は、下記一般式（Ｐ）で表される１種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなるものであることが好ましい。
一般式ＡＢＯ_３ （Ｐ）
（一般式Ｐ中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂ，Ｂａ，Ｌａ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｍｇ，及びＫからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，ＦｅおよびＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｏ：酸素原子、
Ａサイト元素のモル数が１．０であり、かつＢサイト元素のモル数が１．０である場合が標準であるが、Ａサイト元素とＢサイト元素のモル数はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１．０からずれてもよい。）

上記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、およびこれらの混晶系；チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ビスマスフェライト等の非鉛含有化合物、およびこれらの混晶系が挙げられる。

また、圧電体膜２３は、下記一般式ＰＸで表される１種または２種以上のペロブスカイト型酸化物を含むことがより好ましい。

Ａ_ａ（Ｚｒ_ｘ，Ｔｉ_ｙ，Ｍ_{ｂ−ｘ−ｙ}）_ｂＯ_ｃ （ＰＸ）
（一般式ＰＸ中、ＡはＡサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素、Ｍが、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、およびＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙであり、ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）

ペロブスカイト型酸化物（ＰＸ）は、真性ＰＺＴ、あるいはＰＺＴのＢサイトの一部がＭで置換されたものである。被置換イオンの価数よりも高い価数を有する各種ドナーイオンを添加したＰＺＴでは、真性ＰＺＴよりも圧電性能等の特性が向上することが知られている。Ｍは、４価のＺｒ，Ｔｉよりも価数の大きい１種又は２種以上のドナーイオンであることが好ましい。かかるドナーイオンとしては、Ｖ^５＋，Ｎｂ^５＋，Ｔａ^５＋，Ｓｂ^５＋，Ｍｏ^６＋，およびＷ^６＋等が挙げられる。

ｂ−ｘ−ｙは、ペロブスカイト構造を取り得る範囲であれば特に制限されない。例えば、ＭがＮｂである場合、Ｎｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）モル比が０．０５以上０．２５以下であることが好ましく、０．０６以上０．２０以下であることがより好ましい。

なお、鉛系のペロブスカイト型の圧電体材料のみならず、非鉛系のペロブスカイト型の圧電体材料（例えば、（Ｋ,Ｎａ）ＮｂＯ_３）も好適に用いることができる。また、本発
明の焦電素子における圧電体膜には、薄膜形成することができる圧電体材料であればペロブスカイト型酸化物からなる圧電体材料のみならず、いかなる材料を採用してもよい。

また、圧電体膜２３は、基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状結晶体からなる柱状構造膜であることが好ましい。高い圧電性能が得られるからである。基板面に対して非平行に延びる多数の柱状結晶からなる膜構造では、結晶方位の揃った配向膜が得られる。ＰＺＴ系の圧電体膜を、５００℃以上の基板温度で気相成長あるいはゾルゲルなどにより成膜することにより、ペロブスカイト構造の（１００）配向膜を得ることができる。成膜により配向膜を得ることができれば、分極処理が不要であるため好ましい。柱状結晶の成長方向は基板面に対して非平行であればよく、略垂直方向でも斜め方向でも構わない。圧電体膜をなす多数の柱状結晶の平均柱径は特に制限なく、３０ｎｍ以上１μｍ以下が好ましい。

（１００）配向膜とは、（１００）面に優先配向したペロブスカイト構造を有している膜を意味する。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。具体的には、「（１００）面に優先配向する」とは、Ｘ線回折広角法によって、圧電体膜を測定した際に生じる（１００）面、（１１０）面及び（１１１）面の回折強度の比率（１００）／（（１００）＋（１１０）＋（１１１））が０．５より大きいことを意味する。

圧電体膜２３の膜厚は１０μｍ以下であれば特に制限なく、通常１μｍ以上であり、例えば、１〜５μｍである。１０μｍ以下である圧電体膜を用いているので、従来のバルク圧電体を用いた焦電センサに比べて、特に厚み方向でのサイズダウンが可能であり、焦電センサ全体としての低背化が可能となる。

［Ｓｉ基板］
Ｓｉ基板１０の厚みは薄い方が好ましい。厚みが薄い方ほど熱容量が小さく、レスポンスが速いためである。具体的には６００μｍ以下が好ましく、より好ましくは４００μｍ以下であり、特に好ましくは２５０μｍ以下である。一方で、本実施形態のような平板状の基板を用いる場合には、圧電体膜形成時に生じる応力による反りを抑制するために、厚みが１００μｍ以上であることが好ましく、２００μｍ以上であることがより好ましい。なお、Ｓｉ基板１０は、応力調整層などを含んでいても構わない。

Ｓｉ基板１０は赤外線を透過する必要がある。したがって、Ｓｉ基板１０としては、ドープされている不純物の少ないもの、すなわち抵抗率が高いウエハを用いることが好ましい。具体的には、１０Ωｃｍ以上、より好ましくは１００Ωｃｍ以上の体積抵抗率を有することが好ましい。

Ｓｉ基板１０は、精度の高い光学フィルタ３０を形成するために、少なくとも他面１０ｂが鏡面研磨されており、表面粗さＲａが１ｎｍ以下であることが好ましい。

[熱吸収層]
熱吸収層１８は、赤外線（熱）を吸収し、センシング部２５に熱を効率的に伝える。この熱吸収層１８を備えることにより、センシング感度を向上させることができる。熱吸収層１８を備えておらず、下部電極２２がＩｒやＰｔなど金属電極である場合、赤外線ＩＲが金属電極で反射して、熱を効率的にセンシング部２５に伝えることができず、性能が十分に発揮できない場合がある。

熱吸収層１８は、無機の黒色材料から構成されている。一般的な熱吸収層としては、色素を含有する有機材料からなる黒色吸収体層がよく知られているが、有機材料は耐熱性が低い。本発明の焦電センサにおいては、熱吸収層は耐熱性の高い無機材料から構成されている。
焦電センサ１の構成上、圧電体膜２３より先に熱吸収層１８を基板上に成膜しておく必要があり、圧電体膜２３の成膜工程が後工程となる。有機材料などからなる耐熱性が低い熱吸収層では、圧電体膜２３の成膜工程において高い温度での処理ができない。本発明では熱吸収層に耐熱性の高い無機材料を用いているので、５００℃以上の温度に曝されるような圧電体膜の成膜工程を実施することも可能であり、製造の自由度が高い。

熱吸収層１８としては、上述した下部電極２２に適用できる金属のうち酸化物が黒色であるものを用いることが好ましい。基板材料であるＳｉと密着性が高く、かつ耐熱性があることから貴金属の酸化物が好ましい。具体的には、ＰｔＯｘ、ＩｒＯｘおよびＲｕＯなどが好ましい。

なお、熱吸収層１８と下部電極２２とがシームレスに形成されていることが密着性の観点から好ましい。下部電極２２を構成する金属と熱吸収層１８を構成する金属酸化物の金属とを同一とし、連続的に成膜することで熱吸収層１８と下部電極２２をシームレスに形成することができる。例えば、下部電極２２をＩｒからなるものとする場合、スパッタ等の気相成膜においてＯ_２とＡｒの混合ガスを成膜ガスとしてフローさせつつ、Ｉｒをターゲットとして用い、反応性スパッタによりＩｒＯｘ膜を成膜し、そのスパッタ中にＯ_２の流入を停止することにより、ＩｒＯｘ膜に引き続き、徐々に膜中に取り込まれる酸素量が少なくなりＩｒのみの膜を成膜することができ、ＩｒＯｘ膜とＩｒ膜をシームレスに形成することができる。このとき、ＩｒＯｘ膜とＩｒ膜とは境界が明確でなく、徐々にＯの含有量が少なくなる領域を有する。

熱吸収層１８の厚みは赤外線を効率よく吸収するために１ｎｍ以上とすることが好ましい。また、良好な密着性を保ち、かつ熱容量を大きくし過ぎないために、１００ｎｍ以下の厚みとすることが好ましい。

[光学フィルタ]
光学フィルタ３０は、ノイズ源となる検出対象外の赤外線を極力カットし、検出対象である赤外線波長を透過する赤外線フィルタである。光学フィルタとしては、無機材料の多層膜フィルタを用いてもよいし、有機材料の塗布型フィルタを用いてもよい。性能の良好なフィルタを形成するために、光学フィルタの成膜面の表面粗さＲａは１ｎｍ以下であることが好ましい。そのため、裏面研磨してあるＳｉウエハを用いることが好ましい。

光学フィルタ３０の透過波長は、目的とする検出対象によって選択することができる。人感センサとして使用する場合には、人体が発する赤外線に相当する９〜１０μｍ前後の波長のみを透過するバンドパスフィルタを用いることが理想的である。但し、誤検出を生じ得る波長帯を排除できればよく、コストなどの観点から５μｍ超の波長を透過する（５μｍ以下の波長をカットする）公知のロングパスフィルタを用いてもよい。

＜製造方法＞
上記第１の実施形態の焦電センサ１の製造方法の一例を説明する。
両面研磨されたＳｉウエハ（例えば、厚み２５０μｍ）をＳｉ基板１０として用いる。Ｓｉウエハは熱酸化膜が形成されていても、されていなくても構わない。
まず、Ｓｉ基板１０上に熱吸収層１８および下部電極２２をスパッタ法によって順次成膜する。例えば、熱吸収層１８としてＩｒＯｘ膜、下部電極２２としてＩｒ膜をシームレスに成膜する。例えば、Ｉｒをターゲットとして用い、成膜ガスとしてＡｒ＋３０％Ｏ_２ガスをフローさせ、反応性スパッタによりＩｒＯｘ膜を約１０ｎｍ形成し、スパッタのプラズマをＯＦＦにしないまま、成膜ガス中のＯ_２を０％とし、Ａｒのみとしてスパッタを継続して、Ｉｒ膜を約１５０ｎｍ形成する。なお、ＩｒＯｘとＳｉ基板の密着性を向上させるために、数ｎｍ以下のＴｉなどの密着層をＩｒＯｘの成膜前にＳｉ基板上に形成しても良い。但し、密着層を数ｎｍ以下とするのは、厚すぎると熱吸収層としてのＩｒＯｘの機能が低下するためである。

次に下部電極２２上に圧電体膜２３を成膜する。例えば、ＰＺＴが結晶化する温度（５００〜６５０℃）に基板を加熱し、ＰＺＴ膜を圧電体膜２３として成膜する。このように基板温度を５００℃以上の高温にする場合、有機材料からなる熱吸収層を備えていると、熱ダメージを受け、熱吸収層としての機能を発揮しなくなる。本発明においては熱吸収層が、耐熱性が高い無機材料を用いているため、このような高温処理を経ても熱吸収層として有効に機能する。

得られた圧電体膜２３を一部エッチングしてパターニングし、その後、圧電体膜２３上に上部電極２４を成膜する。

次に、Ｓｉ基板１０の他の面１０ｂに光学フィルタ３０を形成する。光学フィルタ３０は、例えば、蒸着によって形成することができる。あるいは、Ｓｉ基板１０の他の面１０ｂに有機材料の吸収体を塗布して光学フィルタを形成してもよい。

以上の工程により、第１の実施形態の焦電センサ１を作製することができる。
本構成の焦電センサ１は、センシング部２５に従来のバルク圧電体に代えて厚み１０μｍ以下の圧電体膜を備えており、１枚の基板の一面にセンシング部２５を備え、他面に光学フィルタ３０を備えているので、全体としての厚みを薄くすることができ、センサ全体としての厚みを１ｍｍ以下に抑えた低背化の焦電センサを実現できる。

「第２の実施形態の焦電センサ」
図２は、第２の実施形態の焦電センサ２の断面模式図である。図１に示した焦電センサ１と同じ構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する（以下の図において同様とする。）。
本実施形態の焦電センサ２は、第１の実施形態における平板状のＳｉ基板１０に代えて、ダイアフラム構造を有するＳｉ基板１１を備えている。積層部２０（センシング部２５）はダイアフラム１２の一面１２ａに設けられており、光学フィルタ３０はダイアフラム１２の他面１２ｂに設けられている。すなわち、積層部２０が設けられたダイアフラム１２の周縁部に、ダイアフラム１２の厚みよりも厚い肉厚部からなるダイアフラム支持部を備えたダイアフラム構造のＳｉ基板１１を用いている。

本実施形態のＳｉ基板１１であれば、センシング部２５に入射する赤外線ＩＲが通過するＳｉ部分の厚みを薄くすることができる。赤外線が通過する部分のＳｉ基板が薄いほど、熱容量を下げることができ、センサとしてのレスポンス性能を向上させることができる。

既述の通り、センシング部２５に入射する赤外線ＩＲが通過するＳｉ基板の厚みは２５０μｍ以下とすることが好ましい。一方で、Ｓｉ基板全体が薄いとハンドリング性が低下する。本構成によれば、センシング部２５が設けられている部分の厚みを薄くしてレスポンスを向上させることができ、かつ、周縁に肉厚部を備えることにより、良好なハンドリング性を実現することができる。ダイアフラム１２の厚みは２００μｍ以下が好ましく、１００μｍ以下がより好ましく、５０μｍ以下がさらに好ましい。

上記の通り、第２の実施形態の焦電センサ２は、第１の実施形態の焦電センサ１で得られる効果に加えて、さらにレスポンスを向上させることができる。

「第３の実施形態の焦電センサ」
図３は、第３の実施形態の焦電センサ３の平面模式図およびＢ−Ｂ線断面模式図である。

第３の実施形態の焦電センサ３は、第１の実施形態の焦電センサ１のＳｉ基板１０に代えて、中空部１４ａを有するＳｉ基板１４を備えている。積層部２０は、Ｓｉ基板１４の表面全域でなく、中空部１４ａ上に備えられている。図３の平面模式図に示されているように、平面視においてＳｉ基板１４の面積は積層部２０（センシング部２５）の面積よりも大きく、中空部１４ａに重畳して積層部２０は設けられており、かつ積層部２０は中空部１４ａの領域の内側の中空部１４ａよりも小さい領域に設けられている。

中空部１４ａは、真空もしくは減圧されていることが好ましく、真空がより好ましい。真空に近いほど空気による影響を受けにくく、ノイズを抑制することができるからである。

Ｓｉ基板１４が中空部１４ａを有するので、光学フィルタ３０に入射する赤外線ＩＲは中空部１４ａを通過し、熱吸収層１８に到達する。光学フィルタ３０に入射した赤外線ＩＲが通過するＳｉ基板１４の実態部分は、中空部１４ａを構成する表裏面の薄い層のみであるため、応答性が速いセンシングが可能となる。

本実施形態の焦電センサ３においても、第１の実施形態の焦電センサ１で得られる効果に加えて、さらにレスポンスを向上させることができる。また、ダイアフラム構造の基板を備えた第２の実施形態の焦電センサ２よりもハンドリング性が高い。光学フィルタ３０を形成する面が全面平らな面であるため、焦電センサ２の場合と比べて、光学フィルタ３０の成膜が容易であり、精度の高い光学フィルタ３０を形成することができる。

なお、中空部１４ａを備えた基板１４は、例えば、次のようにして作製することができる。２枚のＳＯＩ（Silicon on Insulator)ウエハを用意し、１枚のＳＯＩウエハについ
てＲＩＥ（Reactive Ion Etching)にて深掘りし、凹部を形成する。そのＳＯＩウエハの
凹部を覆うように、もう１枚のＳＯＩウエハを貼り付ける。その後、表面を研磨および／またはエッチングすることによりキャビティＳＯＩウエハ（中空部を備えた基板）を作製することができる。

「イメージセンサ」
上記のような焦電センサをアレイ状に配列形成して、イメージセンサとして用いることができる。図４は、アレイ状に配列された焦電センサを備えたイメージセンサの一例の概略構成を示す平面図およびＣ−Ｃ線断面図である。

イメージセンサ５は、中空部１４ａを備えたＳｉ基板１４の一面に熱吸収層１８が備えられており、熱吸収層１８上に、下部電極２２、圧電体膜２３および上部電極２４が積層されてなるセンシング部２５が複数、縦横に配列された構成を有する。下部電極２２は複数のセンシング部２５に共通する一様な共通電極である。一方、圧電体膜２３および上部電極２４はパターニングされてセンシング部２５毎に分離されている。また、イメージセンサ５はＳｉ基板１４の他面の全面に光学フィルタ３０を備えている。

イメージセンサ５は、第３の実施形態と同様の焦電センサを複数備えたものであり、厚みも同等であるため、イメージセンサ５としても非常に低背化したデバイスを構成することができる。

以下、本発明の焦電センサの具体的な実施例および比較例を挙げてその効果について説明する。

［実施例１］
２５０μｍ厚の両面研磨されたＳｉウエハをＳｉ基板として用いた。なお、Ｓｉ基板として、赤外線を透過させるためにドープ量が少なく、体積抵抗の大きい１００Ωｃｍ以上の仕様ものを用いた。

Ｓｉウエハは熱酸化膜が形成されていても、されていなくても構わない。次に光吸収層をＳｉ基板上に酸イリジウム膜（ＩｒＯｘ膜）をスパッタ法によって、３００℃に基板を加熱し、Ａｒ＋３０％Ｏ２ガスの組成にて約１０ｎｍ形成した。その後、スパッタのプラズマをＯＦＦにしないまま、成膜ガス中の酸素を０％とし、Ａｒのみでスパッタし、Ｉｒ金属を下部電極として約１５０ｎｍ形成した。これにより、ＩｒＯｘからＩｒをシームレスに密着性良く成膜した。

次に、基板を５５０℃に加熱した状態で、Ｉｒ電極上に圧電体膜を３μｍ形成した。成膜ガスは９７．５％Ａｒ＋２．５％Ｏ_２の混合ガスを用い、ターゲット材料としてＰｂ_１．３（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）_０．８８Ｎｂ_０．１２）Ｏ_３の組成のものを用いた。

得られた圧電体膜（以下においてＮｂ−ＰＺＴ膜という。）の一部をウエットエッチングにてパターニングし、さらにＮｂ−ＰＺＴ膜上に上部電極としてＩｒを形成し、実施例１の焦電センサとした。

なお、本発明は、Ｓｉ基板の他面に光学フィルタを備えるものであるが、ここでは光学フィルタを備えない状態で評価を行った。以下の実施例および比較例についても同様とした。光学フィルタの有無は、レスポンスの応答速度および特定波長の赤外線に対する感度に直接影響しないため、本発明の効果の評価には影響しない。

上記の通り、本実施例では、Ｓｉ基板裏面への光学フィルタを備えていないが、Ｓｉ基板の裏面に一般的な光学フィルタ（概ね７μｍ程度の厚み）を直接蒸着形成した場合、光学フィルタの厚みを含めてトータルで厚み約２７０μｍ程度である超薄型の焦電センサを作製することができる。この厚みであれば、パッケージを含めても１ｍｍ厚以下を問題なく達成できる。
なお、従来のように、光学フィルタを０．５ｍｍ厚の石英ガラス上に形成して備えた場合、焦電センサとしてのトータルの厚みは０．８５ｍｍ以上となり、パッケージを含めると１．０ｍｍを超える厚みになり、高さ制限のある電子デバイスには適用しにくいものとなる。

[比較例１]
上記実施例１の焦電センサにおいて、熱吸収層を備えない構成の焦電センサを比較例１として作製した。熱吸収層を形成しない以外の作製工程は実施例１と同様とした。

上記実施例１および比較例１について、赤外線センサとして評価を行った。
室温２５℃の室内にセンサを設置し、７０℃の熱源を１００ｍｍの距離に設置した場合の焦電電流および応答性を調べた。

実施例１のセンサは、熱源設置の約１０秒後に３５ｎＡの焦電電流が観測された。一方、熱吸収層を備えてない比較例１のセンサは、熱源設置の約１０秒後に３ｎＡの焦電電流が観測された。すなわち、熱吸収層の有無により感度が大きく異なり、熱吸収層を備えることにより高い感度が得られることが確認できた。

なお、従来のバルク材料の圧電体をセンシング部に備えた焦電センサで、同様の測定を行ったところ、熱源設置の２０秒後に大きな焦電電流が観測され、本実施例のセンサは従来のものと比較して応答性が良好であることが確認できた。

[実施例２]
実施例１における板状のＳｉ基板に代えて、内部が減圧状態とされた中空部を備えたキャビディウエハを基板として用いた。基板１４として、図５に示すように、Ｓｉウエハの内部に中空部１４ａを有し、中空部１４ａを囲む上層１４ｂおよび下層１４ｃの厚みがそれぞれ２０μｍ、ウエハの厚みが５００μｍのものを用いた。
基板以外は実施例１と同様の作製工程により実施例２の焦電センサを作製した。なお、圧電体膜のパターニングの際には、図３に示したように中空部１４ａの領域内において中空部１４ａよりも狭い領域にセンシング部２５が形成されるようにした。

上記のようにして実施例２の焦電センサを作製した。本例においても光学フィルタは備えていないが、光学フィルタ（概ね７μｍ程度の厚み）を基板の裏面に直接蒸着形成した場合、トータル厚み約５１０μｍ以下のセンサを作製することができる。

[実施例３]
実施例２と同様のキャビティウエハを基板として用い、実施例１と同様の作製工程により焦電センサを作製した。但し、圧電体膜のパターニングを行わず、基板の全面にセンシング部を備えた構成とした。

実施例２および実施例３について、上記実施例１、比較例１と同様の方法で焦電電流および応答性を評価した。
実施例２の焦電センサは、熱源設置の約１秒後には３５ｎＡの焦電電流が観察され、非常の良好な応答性が得られた。なお、実施例３の焦電センサは実施例２の焦電センサと比較すると、焦電電流のピーク値が約１．５秒後となり応答性が少し悪かった。

センシング部に入射する赤外線が通過する基板厚みが実施例１と比較して薄いため、熱容量が小さくなり、応答性が向上したと考えられる。また、全面にセンシング部を備えた場合、中空部上にのみセンシングを備えた場合と比較して基板の熱の影響を受けやすく、応答性が相対的に低くなったと考えられる。

１、２、３ 焦電センサ
５ イメージセンサ
１０ Ｓｉ基板
１０ａ Ｓｉ基板の一面
１０ｂ Ｓｉ基板の他面
１１ Ｓｉ基板
１２ ダイアフラム
１２ａ ダイアフラムの一面
１２ｂ ダイアフラムの他面
１４ Ｓｉ基板
１４ａ 中空部
１８ 熱吸収層
２０ 積層部
２２ 下部電極
２３ 圧電体膜
２４ 上部電極
２５ センシング部
３０ 光学フィルタ
１０１ 赤外線センサ
１０２ Ｓｉ基板
１０２ａ 第１の表面
１０２ｂ 第２の表面
１０３ 赤外線センシング部
１０３ａ 赤外線吸収膜
１０５ 空洞部

Claims (9)

1. Ｓｉ基板と、
   該Ｓｉ基板の一面に、該一面側から無機材料からなる熱吸収層、下部電極、圧電体膜および上部電極がこの順に積層されてなる積層部と、
   前記Ｓｉ基板の他面の、前記積層部に対向する位置に備えられた、赤外線を選択的に透過させる光学フィルタとを有し、
   該光学フィルタ側から前記Ｓｉ基板を経て前記積層部に入射される赤外線を感知する焦電センサ。
2. 前記下部電極が金属からなり、
   前記無機材料が前記金属の酸化物である請求項１記載の焦電センサ。
3. 前記無機材料が貴金属の酸化物である請求項１または２記載の焦電センサ。
4. 前記圧電体膜がスパッタ膜である請求項１から３いずれか１項記載の焦電センサ。
5. 前記積層部に入射される赤外線が透過する前記Ｓｉ基板の厚みが２５０μｍ以下である請求項１から４いずれか１項に記載の焦電センサ。
6. 前記Ｓｉ基板が、前記積層部が設けられている領域の周縁部に、前記領域の厚みよりも厚い肉厚部を備えている請求項１から５いずれか１項に記載の焦電センサ。
7. 前記Ｓｉ基板が中空部を備えている請求項１から５いずれか１項記載の焦電センサ。
8. 平面視において、前記Ｓｉ基板の面積が前記積層部の面積よりも大きく、前記中空部が前記積層部と重畳し、かつ前記積層部が前記中空部の領域の内側に位置する請求項７記載の焦電センサ。
9. 前記圧電体膜がペロブスカイト型酸化物の（１００）配向膜である請求項１から８いずれか１項記載の焦電センサ。