JPWO2018168151A1 - 焦電センサ - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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。)。
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。
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ABO3 (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。)
(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。)
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。
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。
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。
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。
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。
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%O2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O2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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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