JP2013134080A - Terahertz camera and electronic apparatus - Google Patents
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- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
【課題】波長が100μm以上、1000μm以下のテラヘルツ波を検出する焦電型検出器も用い、温度に基づいて焦電体材料の分極量が変化する検出原理に鑑み、キャパシターを還元ガスから保護し、しかも焦電型検出素子から熱が散逸することを抑制して高い検出特性を実現できるテラヘルツカメラを提供すること。
【解決手段】焦電型検出器200は、温度に基づいて分極量が変化するキャパシター230と、キャパシターを還元ガスから保護する第1還元ガスバリア膜240とを含む焦電型検出素子220と、焦電型検出素子を搭載した支持部材210と、支持部材の一部を支持して焦電型検出素子を熱分離する支持部104とを有する。支持部材は、キャパシターが搭載される搭載部材210Aと、搭載部材に連結されたアーム部材210Bとを含み、第1還元ガスバリア膜240は、搭載部材210Aの第1外周縁P1と、キャパシター230の第2外周縁P2との間に第3外周縁P3を有する孤立パターンで形成されている。
【選択図】図1A pyroelectric detector that detects a terahertz wave with a wavelength of 100 μm or more and 1000 μm or less is used to protect a capacitor from a reducing gas in view of the detection principle that the amount of polarization of a pyroelectric material changes based on temperature. In addition, the present invention provides a terahertz camera capable of realizing high detection characteristics by suppressing heat dissipation from a pyroelectric detection element.
A pyroelectric detector includes a capacitor having a polarization amount that changes based on temperature, and a pyroelectric detection element including a first reducing gas barrier film that protects the capacitor from reducing gas. It has a support member 210 on which an electric detection element is mounted, and a support portion 104 that supports a part of the support member and thermally separates the pyroelectric detection element. The support member includes a mounting member 210A on which the capacitor is mounted and an arm member 210B connected to the mounting member, and the first reducing gas barrier film 240 includes the first outer peripheral edge P1 of the mounting member 210A and the first of the capacitor 230. It is formed in the isolated pattern which has the 3rd outer periphery P3 between 2 outer periphery P2.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、テラヘルツカメラ及び当該テラヘルツカメラを用いた電子機器に関する。 The present invention relates to a terahertz camera and an electronic apparatus using the terahertz camera.
テラヘルツ波は、赤外線と電波の中間に位置する電磁波である。このテラヘルツ波を用いた画像計測技術は各種方面への活用が研究されている。例えば、テラヘルツカメラによる特定物質探知装置、偽造紙幣の判定、封筒内の薬品検出、建造物の非破壊検査等がある。
一方、赤外線カメラとしては、焦電型検出器を用いるカメラがある。出願人は、テラヘルツ波の波長が赤外線に近いことから、テラヘルツカメラに焦電型検出器を用いる技術を発明した。
Terahertz waves are electromagnetic waves located between infrared and radio waves. The image measurement technology using terahertz waves has been studied for use in various fields. For example, there are a specific substance detection device using a terahertz camera, determination of counterfeit bills, detection of chemicals in envelopes, non-destructive inspection of buildings, and the like.
On the other hand, as an infrared camera, there is a camera using a pyroelectric detector. The applicant has invented a technique of using a pyroelectric detector in a terahertz camera because the wavelength of the terahertz wave is close to infrared.
焦電型検出装置のセルは、上部電極と下部電極とに接続された焦電体から成るキャパシターを含む検出素子を有し、電極や焦電体の材料や電極配線構造に関して、各種の提案がなされている(特許文献1,2)。 The pyroelectric detector cell has a detection element including a capacitor composed of a pyroelectric body connected to the upper electrode and the lower electrode, and various proposals have been made regarding the material of the electrode and the pyroelectric body and the electrode wiring structure. (Patent Documents 1 and 2).
また、上部電極と下部電極とに接続された強誘電体を含むキャパシターは強誘電体メモリーに用いられており、強誘電体メモリーに適した電極や強誘電体の材料に関しても、各種の提案がなされている(特許文献3,4)。 Capacitors including ferroelectrics connected to the upper and lower electrodes are used in ferroelectric memories, and various proposals have been made regarding electrodes suitable for ferroelectric memories and ferroelectric materials. (Patent Documents 3 and 4).
キャパシターは製造時または実使用時に還元ガスによる酸素欠損が生ずると、特性が劣化する。この点、特許文献1,2ではキャパシターを還元ガスから保護することについては無言である。 Capacitors deteriorate in characteristics when oxygen deficiency due to a reducing gas occurs during production or actual use. In this respect, Patent Documents 1 and 2 are silent about protecting the capacitor from the reducing gas.
また、特許文献1では、下部電極自体が引き回されて下部電極配線として兼用され、かつ、上部電極自体が引き回されて上部電極配線層として兼用されている。キャパシターの下部電極及び上部電極は、求められる電気的特性上から電気抵抗が低い材料(例えばPtまたはIr等)が用いられ、熱伝導率性も高い(Ptは71.6W/mK、Irは147W/mK)。よって、特許文献1の技術では、検出素子の熱が下部電極配線または上部電極配線を介して外部に伝熱されてしまう。このため、温度に基づいて焦電体材料の分極量が変化する検出原理の焦電型検出器として高い特性を担保できない。 Further, in Patent Document 1, the lower electrode itself is routed and used as a lower electrode wiring, and the upper electrode itself is routed and used also as an upper electrode wiring layer. The lower electrode and the upper electrode of the capacitor are made of a material having low electric resistance (for example, Pt or Ir) in view of required electric characteristics, and also have high thermal conductivity (Pt is 71.6 W / mK, Ir is 147 W). / MK). Therefore, in the technique of Patent Document 1, the heat of the detection element is transferred to the outside through the lower electrode wiring or the upper electrode wiring. For this reason, a high characteristic cannot be secured as a pyroelectric detector based on a detection principle in which the amount of polarization of the pyroelectric material changes based on temperature.
特許文献2は、特許文献1とは異なるプレーナー型のキャパシターを開示している。特許文献2は、単結晶半導体基板(4)上に形成される結晶性を有するAl203薄膜(6)上に下部金属薄膜である下部プラチナ膜(8)を形成し、下部金属薄膜(8)の上面の一部分上のみに強誘電体薄膜(10)を積層し、強誘電体薄膜(8)の上面の一部分上のみに上部金属薄膜である上部プラチナ膜(12)を積層している(図2,3及び請求項1)。下部金属薄膜(8)及び上部金属薄膜(12)の上面には、絶縁膜(14)に覆われない露出部に、金属薄膜にて形成される配線(16)が接続されている(段落0033)。 Patent Document 2 discloses a planar type capacitor different from Patent Document 1. In Patent Document 2, a lower platinum film (8) as a lower metal thin film is formed on an Al203 thin film (6) having crystallinity formed on a single crystal semiconductor substrate (4), and the lower metal thin film (8) is formed. A ferroelectric thin film (10) is laminated only on a part of the upper surface, and an upper platinum film (12), which is an upper metal thin film, is laminated only on a part of the upper surface of the ferroelectric thin film (8) (FIG. 2). , 3 and claim 1). On the upper surfaces of the lower metal thin film (8) and the upper metal thin film (12), the wiring (16) formed of the metal thin film is connected to the exposed portion not covered with the insulating film (14) (paragraph 0033). ).
しかし、特許文献2は下部金属薄膜(8)、強誘電体薄膜(10)及び上部金属薄膜(129の結晶性に専ら関心があり、キャパシターを還元ガスから保護することや、配線(16)からの熱の散逸については無関心である。 However, Patent Document 2 is exclusively concerned with the crystallinity of the lower metal thin film (8), the ferroelectric thin film (10), and the upper metal thin film (129, protecting the capacitor from reducing gas, and from the wiring (16). I am not interested in the heat dissipation.
本発明の幾つかの態様によれば、温度に基づいて焦電体材料の分極量が変化する検出原理に鑑み、キャパシターを還元ガスから保護し、しかも焦電型検出素子から熱が散逸することを抑制して高い検出特性を実現できる焦電型検出器を用いたテラヘルツカメラを提供することができる。 According to some embodiments of the present invention, in view of the detection principle that the amount of polarization of the pyroelectric material changes based on temperature, the capacitor is protected from the reducing gas, and heat is dissipated from the pyroelectric detection element. It is possible to provide a terahertz camera using a pyroelectric detector that can realize high detection characteristics while suppressing the above.
本発明の一態様に係るテラヘルツカメラは、
第1電極と、第2電極と、前記第1,第2電極間に配置された焦電材料とから成り、温度に基づいて分極量が変化するキャパシターと、前記キャパシターを還元ガスから保護する第1還元ガスバリア膜と、を含み、波長が100μm以上、1000μm以下のテラヘルツ波を検出する焦電型検出素子と、
第1面と、前記第1面に対向する第2面とを含み、前記第2面が空洞部に臨んで配置され、前記第1面に前記焦電型検出素子を搭載した支持部材と、
前記支持部材の前記第2面の一部を支持する支持部と、
を有し、
前記支持部材は、前記キャパシターが搭載される搭載部材と、前記搭載部材に連結されたアーム部材とを含み、
前記第1還元ガスバリア膜は、前記搭載部材の第1外周縁と、前記キャパシターの第2外周縁との間に第3外周縁を有する孤立パターンで形成されていることを特徴とする。
A terahertz camera according to one embodiment of the present invention is provided.
A capacitor comprising a first electrode, a second electrode, and a pyroelectric material disposed between the first and second electrodes, a capacitor whose polarization amount changes based on temperature, and a first that protects the capacitor from a reducing gas. A pyroelectric detection element that detects a terahertz wave having a wavelength of 100 μm or more and 1000 μm or less.
A support member including a first surface and a second surface facing the first surface, the second surface facing the cavity, and mounting the pyroelectric detection element on the first surface;
A support part for supporting a part of the second surface of the support member;
Have
The support member includes a mounting member on which the capacitor is mounted, and an arm member connected to the mounting member,
The first reducing gas barrier film is formed in an isolated pattern having a third outer peripheral edge between a first outer peripheral edge of the mounting member and a second outer peripheral edge of the capacitor.
ここで、キャパシターは、キャパシターの形成後の工程で還元ガス(水素、水蒸気、OH基、メチル基など)がキャパシターに侵入することを抑制する還元ガスバリア層に覆われている。キャパシターの焦電体(例えばPZT等)は酸化物であり、酸化物が還元されると酸素欠損を生じて、焦電効果が損なわれるが、第1還元ガスバリア膜によりキャパシターを保護できる。 Here, the capacitor is covered with a reducing gas barrier layer that suppresses a reducing gas (hydrogen, water vapor, OH group, methyl group, etc.) from entering the capacitor in a step after the formation of the capacitor. The pyroelectric body (for example, PZT) of the capacitor is an oxide. When the oxide is reduced, oxygen deficiency is generated and the pyroelectric effect is impaired. However, the capacitor can be protected by the first reducing gas barrier film.
また、キャパシターと、それを覆う第1還元ガスバリア膜とは、支持部材の搭載部上にて孤立パターンとして形成されるので、第1還元ガスバリア膜を支持部材の全面に形成するものに比べて、検出素子の熱容量が小さくなり、熱分離性も向上する。 Further, since the capacitor and the first reducing gas barrier film covering the capacitor are formed as an isolated pattern on the mounting portion of the support member, compared to the case where the first reducing gas barrier film is formed on the entire surface of the support member, The heat capacity of the detection element is reduced, and the heat separation property is also improved.
本発明の一態様では、前記第1還元ガスバリア膜は、SiNよりも熱伝達率の小さい材料にて形成することができる。
つまり、第1還元ガスバリア膜は、強誘電体メモリーに用いられる同機能の膜(代表的にはSiN)よりも熱伝達率の小さい材料にて形成することができる。こうすると、キャパシターの熱が、キャパシターと接触する第1還元ガスバリア膜を介して外部に散逸することを抑制できる。
In one aspect of the present invention, the first reducing gas barrier film can be formed of a material having a smaller heat transfer coefficient than SiN.
That is, the first reducing gas barrier film can be formed of a material having a smaller heat transfer coefficient than a film having the same function (typically, SiN) used in the ferroelectric memory. In this way, it is possible to suppress the heat of the capacitor from being dissipated to the outside through the first reducing gas barrier film that is in contact with the capacitor.
熱伝達率の小さい第1還元ガスバリア膜として、金属酸化物、例えば酸化アルミニウム(Al2O3)を挙げることができる。酸化アルミニウム(Al2O3)の熱伝導率は29W/mKであり、SiNの熱伝導率70W/mKよりも格段に低い。しかも、酸化アルミニウム(Al2O3)はSiNと比較して還元ガスバリア性、例えば水素バリア性が高い点でも優れている。水素バリア性が高い酸化アルミニウム(Al2O3)を第1還元ガスバリア膜として用いれば、SiNで形成する場合よりも膜厚を薄くできる。よって、検出素子の熱容量を小さくできる。 As the first reducing gas barrier film having a small heat transfer coefficient, a metal oxide such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) can be used. The thermal conductivity of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is 29 W / mK, which is much lower than the thermal conductivity of SiN, 70 W / mK. Moreover, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is superior in that it has a reducing gas barrier property, such as a hydrogen barrier property, as compared with SiN. If aluminum oxide (Al 2 O 3 ) having a high hydrogen barrier property is used as the first reducing gas barrier film, the film thickness can be made thinner than that formed with SiN. Therefore, the heat capacity of the detection element can be reduced.
本発明の一態様では、前記第1還元ガスバリア膜は、前記キャパシターに接する第1層膜と、前記第1層膜に積層される第2層膜とを含み、前記第1層膜は前記第2層膜よりも膜密度を低くすることができる。 In one aspect of the present invention, the first reducing gas barrier film includes a first layer film in contact with the capacitor and a second layer film stacked on the first layer film, and the first layer film includes the first layer film. The film density can be made lower than that of the two-layer film.
こうすると、膜密度の低い第1層膜の熱伝導率を、膜密度の厚い第2層膜よりも低くできる。キャパシターに接触する側の第1層膜の熱伝導率を低くすることで、検出素子の熱分離性が向上する。なお、膜密度の低い第1層膜は、還元ガスバリア性も低くなるが、第1層膜を覆う第2層膜の膜密度が高いので、第1還元ガスバリア膜としての還元ガスバリア性を確保できる。 Thus, the thermal conductivity of the first layer film having a low film density can be made lower than that of the second layer film having a high film density. By reducing the thermal conductivity of the first layer film on the side in contact with the capacitor, the thermal separation property of the detection element is improved. The first layer film having a low film density also has a reduced reducing gas barrier property. However, since the second layer film covering the first layer film has a high film density, the reducing gas barrier property as the first reducing gas barrier film can be ensured. .
本発明の一態様では、前記支持部材は、前記第1面を形成する第1層部材と、前記第1層部材よりも前記第2面側にて前記第1層部材に積層される第2層部材を含み、前記第2層部材は、還元ガスバリア性を有することができる。 In one aspect of the present invention, the support member includes a first layer member that forms the first surface, and a second layer that is stacked on the first layer member closer to the second surface than the first layer member. Including a layer member, the second layer member may have a reducing gas barrier property.
こうすると、第1還元ガスバリア膜では保護できない、キャパシターの下方側からの還元ガスの侵入を、支持部材の第2層部材にて抑制することができる。 If it carries out like this, the penetration | invasion of the reducing gas from the lower side of a capacitor which cannot be protected with a 1st reducing gas barrier film | membrane can be suppressed by the 2nd layer member of a supporting member.
本発明の一態様では、前記焦電型検出素子は、前記キャパシターの頂面を覆う前記第1還元ガスバリア膜に形成されたコンタクトホールと、前記コンタクトホールに配置されて前記第2電極に接続されるプラグと、前記プラグに接続される配線層とをさらに有し、前記プラグは、還元ガスバリア性を有する材料にて形成することができる。 In one aspect of the present invention, the pyroelectric detection element includes a contact hole formed in the first reducing gas barrier film covering a top surface of the capacitor, and is disposed in the contact hole and connected to the second electrode. And a wiring layer connected to the plug, the plug can be formed of a material having a reducing gas barrier property.
このように、第1還元ガスバリア膜を、キャパシターと配線層との間の層間絶縁膜として機能させることができる。この際、第1還元ガスバリア膜にはコンタクトホールが形成され、この領域にて還元ガスバリア性は担保できなくなる。そこで、コンタクトホールに充填されるプラグとして、還元ガスバリア性を有する材料を用い、第1還元ガスバリア膜とプラグとによりキャパシターを保護できる。 Thus, the first reducing gas barrier film can function as an interlayer insulating film between the capacitor and the wiring layer. At this time, a contact hole is formed in the first reducing gas barrier film, and the reducing gas barrier property cannot be secured in this region. Therefore, a material having a reducing gas barrier property is used as the plug filled in the contact hole, and the capacitor can be protected by the first reducing gas barrier film and the plug.
本発明の一態様では、前記焦電型検出素子は、前記第1還元ガスバリア膜を覆う層間絶縁膜と、前記キャパシターの頂面を覆う前記第1還元ガスバリア膜及び前記層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールと、前記コンタクトホールに配置されて前記第2電極に接続されるプラグと、前記プラグに接続される配線層とをさらに有することができる。 In one aspect of the present invention, the pyroelectric detection element is formed in an interlayer insulating film covering the first reducing gas barrier film, the first reducing gas barrier film covering the top surface of the capacitor, and the interlayer insulating film. It may further include a contact hole, a plug disposed in the contact hole and connected to the second electrode, and a wiring layer connected to the plug.
このように、第1還元ガスバリア膜とは別個に層間絶縁膜を設けることができる。一般に、層間絶縁膜の原料ガス(TEOS)が化学反応する際には、水素ガスや水蒸気等の還元ガスが発生する。キャパシターの周囲に設けた還元ガスバリア層は、この層間絶縁膜の形成中に発生する還元ガスからもキャパシターを保護することができる。また、層間絶縁膜を設けると、層間絶縁膜上の配線層をパターンエッチングする際に、その下層の還元ガスバリア層がエッチングされてバリア性が低下することを防止できる。また、層間絶縁膜は、同じ絶縁膜である支持部よりも含有水分を少なくし、または水素含有率を低くすることができる。こうすると、層間絶縁膜が形成された後に高温に晒されても、層間絶縁膜からの還元ガスの発生を抑制できる。 Thus, an interlayer insulating film can be provided separately from the first reducing gas barrier film. In general, when a source gas (TEOS) for an interlayer insulating film chemically reacts, a reducing gas such as hydrogen gas or water vapor is generated. The reducing gas barrier layer provided around the capacitor can protect the capacitor from the reducing gas generated during the formation of the interlayer insulating film. In addition, when the interlayer insulating film is provided, it is possible to prevent the barrier property from being lowered due to the etching of the reducing gas barrier layer below the wiring layer on the interlayer insulating film when the pattern etching is performed. Further, the interlayer insulating film can contain less water or have a lower hydrogen content than the support portion that is the same insulating film. In this way, even when the interlayer insulating film is formed and exposed to a high temperature, generation of reducing gas from the interlayer insulating film can be suppressed.
ここで、前記層間絶縁膜は、前記載置部材の第1外周縁と前記第1還元ガスバリア膜の前記第3外周縁との間に第4外周縁を有する孤立パターンに形成することができる。
こうして、層間絶縁膜を設ける場合でも、検出素子の熱容量を小さくし、熱分離性を向上させることができる。
Here, the interlayer insulating film may be formed in an isolated pattern having a fourth outer peripheral edge between the first outer peripheral edge of the mounting member and the third outer peripheral edge of the first reducing gas barrier film.
In this manner, even when an interlayer insulating film is provided, the heat capacity of the detection element can be reduced and the thermal separation property can be improved.
本発明の一態様では、前記層間絶縁膜は、前記支持部よりも水素含有率を小さくすることができる。層間絶縁膜の形成後にアニーリング等によって脱水処理することで、脱水処理されない他の絶縁膜である支持部よりも、層間絶縁膜を低水分膜とすることができる。こうすると、第1還元ガスバリア膜の近傍での還元ガスの発生を抑制することができ、層間絶縁膜形成後にキャパシターが高温に晒されても、焦電材料は酸素欠損することを低減できる。 In one embodiment of the present invention, the interlayer insulating film can have a hydrogen content smaller than that of the support portion. By performing dehydration treatment by annealing or the like after the formation of the interlayer insulation film, the interlayer insulation film can be made to be a low moisture film rather than a support portion that is another insulation film that is not subjected to dehydration treatment. In this way, generation of reducing gas in the vicinity of the first reducing gas barrier film can be suppressed, and the pyroelectric material can be reduced from oxygen deficiency even if the capacitor is exposed to a high temperature after the formation of the interlayer insulating film.
本発明の一態様では、前記焦電型検出素子は、前記層間絶縁膜よりも電磁波入射方向の上流側に設けられた電磁波吸収膜をさらに有し、前記層間絶縁膜は、前記電磁波吸収膜が吸収する波長帯域に吸収特性を有することができる。層間絶縁膜が電磁波吸収膜として機能することで、焦電型検出器の感度が向上する。 In one aspect of the present invention, the pyroelectric detection element further includes an electromagnetic wave absorbing film provided upstream of the interlayer insulating film in an electromagnetic wave incident direction, and the interlayer insulating film includes the electromagnetic wave absorbing film. The absorption wavelength band can have absorption characteristics. Since the interlayer insulating film functions as an electromagnetic wave absorbing film, the sensitivity of the pyroelectric detector is improved.
本発明の一態様では、前記焦電型検出素子は、前記キャパシターよりも電磁波入射方向の上流側に設けられた電磁波吸収膜と、前記キャパシター及び前記電磁波吸収膜を覆って設けられた第2還元ガスバリア膜とをさらに有することができる。こうすると、第1,第2還元ガスバリア膜によりバリア性がさらに向上する。 In one aspect of the present invention, the pyroelectric detection element includes an electromagnetic wave absorbing film provided upstream of the capacitor in an electromagnetic wave incident direction, and a second reduction provided to cover the capacitor and the electromagnetic wave absorbing film. And a gas barrier film. In this case, the barrier property is further improved by the first and second reducing gas barrier films.
本発明の一態様では、前記焦電型検出素子は、前記キャパシターよりも電磁波入射方向の上流側に設けられた電磁波吸収膜と、前記キャパシター及び前記電磁波吸収膜を覆って設けられた第2還元ガスバリア膜とをさらに有し、前記支持部材は、前記キャパシターの周辺に沿って前記第1層部材が孤立状にパターニングされて、前記第2層部材が前記キャパシターの周辺に沿って露出され、前記第2還元ガスバリア膜は、前記キャパシターから前記第2層部材の露出面に至る領域を覆うことができる。 In one aspect of the present invention, the pyroelectric detection element includes an electromagnetic wave absorbing film provided upstream of the capacitor in an electromagnetic wave incident direction, and a second reduction provided to cover the capacitor and the electromagnetic wave absorbing film. A gas barrier film, wherein the support member has the first layer member patterned in isolation along the periphery of the capacitor, and the second layer member is exposed along the periphery of the capacitor. The second reducing gas barrier film may cover a region from the capacitor to the exposed surface of the second layer member.
こうすると、キャパシターの下方側を、支持部材の第2層部材と第2還元ガスバリア膜とで包囲することができ、バリア性がさらに向上する。 In this case, the lower side of the capacitor can be surrounded by the second layer member of the support member and the second reducing gas barrier film, and the barrier property is further improved.
本発明の他の態様に係るテラヘルツカメラは、上述した焦電型検出器が二軸方向に沿って二次元配置して構成される。このテラヘルツカメラは、各セルの焦電型検出器にて検出感度が高められるので、明瞭なエネルギー分布画像を提供できる。 A terahertz camera according to another aspect of the present invention is configured by two-dimensionally arranging the above-described pyroelectric detectors along two axial directions. This terahertz camera can provide a clear energy distribution image because the detection sensitivity is enhanced by the pyroelectric detector of each cell.
本発明のさらに他の態様に係る電子機器は、上述したテラヘルツカメラをセンサーとして用いることで、特定物質探知装置、偽造紙幣の判定、封筒内の薬品検出、建造物の非破壊検査等に適用できる。 The electronic apparatus according to still another aspect of the present invention can be applied to a specific substance detection device, determination of counterfeit bills, detection of chemicals in envelopes, nondestructive inspection of buildings, and the like by using the above-described terahertz camera as a sensor. .
1.焦電型検出装置
支持部材210及びそれに搭載される焦電型検出素子(検出素子)220を各セルがそれぞれ備えた複数セルの焦電型検出器200が、二軸方向例えば直交二軸方向に配列された焦電型検出装置を、図4に示す。なお、1セル分のみの焦電型検出器にて焦電型検出装置が構成されても良い。図4において、基部(固定部ともいう)100から複数のポスト104が立設され、例えば2本のポスト(支持部)104に支持された1セル分の焦電型検出器200が、直交二軸方向に配列されている。1セル分の焦電型検出器200が占める領域は、例えば100×100μmである。
1. Pyroelectric detection device A plurality of
図4に示すように、焦電型検出器200は、2本のポスト(支持部)104に連結された支持部材(メンブレン)210と、焦電型検出素子220と、を含んでいる。1セル分の焦電型検出素子220が占める領域は、例えば80×80μmである。
As shown in FIG. 4, the
1セル分の焦電型検出器200は、2本のポスト104と接続される以外は非接触とされ、焦電型検出器200の下方には空洞部102(図4参照)が形成され、平面視で焦電型検出器200の周囲には、空洞部102に連通する開口部102Aが配置される。これにより、1セル分の焦電型検出器200は、基部100や他のセルの焦電型検出器200から熱的に分離されている。
The
支持部材210は、検出素子220を搭載して支持する搭載部(搭載部材)210Aと、搭載部210Aに連結された2本のアーム(アーム部材)210Bとを有し、2本のアーム210Bの自由端部がポスト104に連結されている。2本のアーム210Bは、検出素子220を熱分離するために、細幅でかつ冗長に延在形成される。
The
図4は、上部電極に接続される配線層より上方の部材を省略した平面図であり、図4には検出素子220に接続された第1電極(下部電極)配線層222及び第2電極(上部電極)配線層224が示されている。第1,第2電極配線層222,224の各々は、アーム210Bに沿って延在され、ポスト104を介して基部100内の回路に接続される。第1,第2電極配線層222,224も、検出素子220を熱分離するために、細幅でかつ冗長に延在形成される。
4 is a plan view in which members above the wiring layer connected to the upper electrode are omitted. FIG. 4 shows a first electrode (lower electrode)
2.焦電型検出素子と支持部材の基本構造
図1(A)(B)は、本発明の一実施形態に係る検出素子220の基本構造を示し、支持部材210と検出素子220とが示されている。検出素子220は、第1電極(下部電極)234と、第2電極(上部電極)236と、それらの間に配置された焦電材料(焦電体)232とから成り、温度に基づいて分極量が変化するキャパシター230を有する。検出素子220はさらに、キャパシター230を還元ガスから保護する第1還元ガスバリア膜240を有する。
2. FIGS. 1A and 1B show the basic structure of a
検出素子220を支持する支持部材210は、第1面211Aと、第1面211Aに対向する第2面211Bとを含む。支持部材210は、搭載部210Aの第1面211Aに検出素子220を搭載している。支持部材210の第2面211Bは、空洞部102に臨んで配置されている。
The
第1還元ガスバリア膜240は、搭載部210Aの第1外周縁P1と、キャパシター230の第2外周縁P2との間に第3外周縁P3を有する孤立パターンで形成されている。
The first reducing
ここで、キャパシター230は、キャパシター230の形成後の工程で還元ガス(水素、水蒸気、OH基、メチル基など)がキャパシター230に侵入することを抑制する第1還元ガスバリア膜240に覆われている。キャパシター230の焦電体(例えばPZT等)232は酸化物であり、酸化物が還元されると酸素欠損を生じて、焦電効果が損なわれるが、第1還元ガスバリア膜240によりキャパシター230を保護できる。
Here, the
また、キャパシター230と、それを覆う第1還元ガスバリア膜240とは、図1(B)のように支持部材210の搭載部210A上にて孤立パターンとして形成されるので、第1還元ガスバリア膜240を支持部材210の全面に形成するものに比べて、検出素子220の熱分離性が向上する。
Further, since the
第1還元ガスバリア膜は、強誘電体メモリーに同機能の膜として用いられるSiNよりも熱伝達率の小さい材料にて形成することができる。こうすると、キャパシター230の熱が、キャパシター230と接触する第1還元ガスバリア膜240を介して外部に散逸することを抑制できる。
The first reducing gas barrier film can be formed of a material having a smaller heat transfer coefficient than SiN used as a film having the same function in the ferroelectric memory. In this way, it is possible to suppress the heat of the
熱伝達率の小さい第1還元ガスバリア膜240として、金属酸化物例えば酸化アルミニウム(Al2O3)を挙げることができる。酸化アルミニウム(Al2O3)の熱伝導率は29W/mKであり、SiNの熱伝導率70W/mKよりも格段に低い。しかも、酸化アルミニウム(Al2O3)はSiNと比較して還元ガスバリア性例えば水素バリア性が高い点でも優れている。水素バリア性が高い酸化アルミニウム(Al2O3)を第1還元ガスバリア膜240として用いれば、SiNで形成する場合よりも膜厚を薄くできる。例えば、SiN膜で水素ガスバリア性を高めようとすると膜厚200nmを要するが、酸化アルミニウム(Al2O3)膜では膜厚60nmで足りる。よって、検出素子220の熱容量を小さくできる。
As the first reducing
図1(A)にて拡大して示すように、第1還元ガスバリア膜240は、キャパシター230に接する第1層膜242と、第1層膜242に積層される第2層膜244とを含むことができる。さらに、第1層膜242は第2層膜244よりも膜密度を低くすることができる。
As shown in an enlarged view in FIG. 1A, the first reducing
こうすると、膜密度の低い第1層膜242の熱伝導率を、膜密度の厚い第2層膜244よりも低くできる。キャパシター230に接触する側の第1層膜242の熱伝導率を低くすることで、検出素子220の熱分離性が向上する。
Thus, the thermal conductivity of the
膜密度の低い第1層膜242は、還元ガスバリア性も低くなるが、第1層膜242を覆う第2層膜244の膜密度が高いので、第1還元ガスバリア膜240としての還元ガスバリア性を確保できる。
The
図1(A)にて拡大して示すように、支持部材210は、第1面211Aを形成する第1層部材212と、第1層部材212よりも第2面211B側にて第1層部材212に積層される第2層部材214を含むことができる。第2層部材214は、還元ガスバリア性を有することができる。
1A, the
こうすると、第1還元ガスバリア膜240では保護できない、キャパシター230の下方側からの還元ガスの侵入を、支持部材210の第2層部材214にて抑制することができる。なお、支持部材210はさらに第3層部材216を有することができるが、この点については後述する。
In this way, intrusion of the reducing gas from the lower side of the
図2に示すように、検出素子220は、キャパシター230の頂面を覆う第1還元ガスバリア膜240に形成されたコンタクトホール254と、コンタクトホール254に配置されて第2電極に接続されるプラグ228と、プラグ228に接続される配線層224とをさらに有することができる。プラグ228は、還元ガスバリア性を有する材料にて形成することができる。
As shown in FIG. 2, the
このように、第1還元ガスバリア膜240を、キャパシター230と配線層224との間の層間絶縁膜として機能させることができる。この際、第1還元ガスバリア膜240にはコンタクトホール254が形成され、この領域にて還元ガスバリア性は担保できなくなる。そこで、コンタクトホール254に充填されるプラグ228として、還元ガスバリア性を有する材料を用い、第1還元ガスバリア膜240とプラグ228とによりキャパシター230を保護できる。
Thus, the first reducing
図2とは異なる構造を示す図3において、検出素子220は、第1還元ガスバリア膜240を覆う層間絶縁膜250と、キャパシター230の頂面を覆う第1還元ガスバリア膜240及び層間絶縁膜250に形成されたコンタクトホール254と、コンタクトホール254に配置されて第2電極236に接続されるプラグ228とをさらに有することができる。
In FIG. 3, which shows a structure different from FIG. 2, the
図3では、図2とは異なり、第1還元ガスバリア膜240とは別個に層間絶縁膜250を設けている。この場合、層間絶縁膜250は、搭載部210Aの第1外周縁P1と第1還元ガスバリア膜240の第3外周縁P3との間に第4外周縁P4を有する孤立パターンに形成することができる。こうして、層間絶縁膜250を設ける場合でも、検出素子220の熱容量を小さくし、熱分離性を向上させることができる。また、層間絶縁膜250は、同じ絶縁膜であるポスト(支持部)104(図4参照)よりも水素含有率を小さくすることができる。こうすると、層間絶縁膜250が形成された後に高温に晒されても、層間絶縁膜250からの還元ガスの発生を抑制できる。なお、層間絶縁膜250は、電磁波吸収膜としても機能させることができる。この場合、層間絶縁膜250は、後述する電磁波吸収体270が吸収する波長帯域に吸収特性を有する。こうして、吸収特性を向上させることで、テラヘルツ波検出精度を高めることができる。
In FIG. 3, unlike FIG. 2, an
3.熱分離された焦電型検出器の課題とその対策
検出素子220は、第1,第2電極配線層222,224や、第1,第2電極配線層222,224と第1,第2電極234,236とを接続する第1,第2プラグ226,228(図5参照)が、熱伝導路として機能してしまう不適事項がある。
3. Problems and Countermeasures for Thermally Separated Pyroelectric Detector The
つまり、焦電型キャパシター230を駆動するには第1,第2電極配線層222,224及び第1,第2プラグ226,228は不可欠である一方で、キャパシター230の熱が第1,第2電極配線層222,224及び第1,第2プラグ226,228から放熱されてしまう。
That is, in order to drive the
そこで、本実施形態では、第1,第2電極配線層222,224の材料や、第1,第2プラグ226,228の少なくとも一部を形成する材料の熱伝導率を、第1,第2プラグ226,228と接続される部分の第1,第2電極234,236を形成する材料(単層であればその単層電極材料であり、複数層であれば最上層の電極材料)の熱伝導率よりも低くしている。
Therefore, in the present embodiment, the thermal conductivity of the material forming the first and second electrode wiring layers 222 and 224 and the material forming at least a part of the first and
第1,第2電極234,236の材料の熱伝導率は、例えばプラチナ(Pt)は71.6W/mKであり、イリジウム(Ir)は147W/mKである。一方、一般の配線材料であるアルミニウム(Al)は237W/mK、銅(Cu)は403W/mKと、熱伝導率が第1,第2電極234,236高くなるのが通常である。
The thermal conductivity of the material of the first and
本実施形態では、第1,第2電極234,236の電極材料として好適な金属材料、例えばプラチナ(Pt)やイリジウム(Ir)よりも熱伝導率の低い材料として、例えば窒化チタン(TiN)またはチタン・アルミ・ナイトライド(TiAlN)により、第1,第2電極配線層222,224や、第1,第2プラグ226,228の少なくとも一部を形成している。例えば窒化チタン(TiN)の熱伝導率は29W/mKであり、チタン・アルミ・ナイトライド(TiAlN)の熱伝導率は5〜10W/mKであり、第1,第2電極234,236の電極材料として好適な金属材料である例えばプラチナ(Pt)やイリジウム(Ir)よりも熱伝導率が充分に低い。
In the present embodiment, a metal material suitable as an electrode material for the first and
こうすると、キャパシター230の駆動に不可欠な第1,第2電極配線222,224及び第1,第2プラグ226,228を介して、焦電体232の熱が放熱されることを抑制でき、検出素子220の熱分離性が向上する。
In this way, the heat of the
4.焦電型検出器の概要
以下、本実施形態の焦電型検出器200をより具体的に説明する。図5は、焦電型検出器200の全体を示す断面図である。また、図6は、製造工程途中の焦電型検出器200の部分断面図である。図6では、図5の空洞部102が犠牲層150により埋め込まれている。この犠牲層150は、支持部材210及び焦電型検出素子220の形成工程前から形成工程後まで存在しており、焦電型検出素子220の形成工程後に等方性エッチングにより除去されるものである。
4). Outline of Pyroelectric Detector Hereinafter, the
図5に示すように、基部100は、基板例えばシリコン基板110と、シリコン基板110上の絶縁膜(例えばSiO2)にて形成されるスペーサー層120とを含んでいる。ポスト(支持部)104は、スペーサー層120をエッチングすることで形成され、例えばSiO2にて形成されている。ポスト(支持部)104には、第1,第2電極配線層222,224の一方に接続されるプラグ106を配置することができる。このプラグ106は、シリコン基板110上に設けられる行選択回路(行ドライバー)か、または列線を介して検出器からのデータを読み出す読み出し回路に接続される。空洞部102は、スペーサー層120をエッチングすることで、ポスト104と同時に形成される。図4に示す開口部102Aは、支持部材210をパターンエッチングすることで形成される。
As shown in FIG. 5, the
支持部材210の第1面211A上に搭載される検出素子220は、キャパシター230を含んでいる。キャパシター230は、焦電体232と、焦電体232の下面に接続される第1電極(下部電極)234と、焦電体232の上面に接続される第2電極(上部電極)236とを含んでいる。第1電極234は、支持部材210の第1層部材(例えばSiO2支持層)212(図6参照)との密着性を高める密着層234Dを含むことができる。
The
キャパシター230は、キャパシター230の形成後の工程で還元ガス(水素、水蒸気、OH基、メチル基など)がキャパシター230に侵入することを抑制する第1還元ガスバリア膜240に覆われている。キャパシター230の焦電体(例えばPZT等)232は酸化物であり、酸化物が還元されると酸素欠損を生じて、焦電効果が損なわれるからである。
The
第1還元ガスバリア膜240は、図6に示すように、第1バリア層(第1層膜)242と第2バリア層(第2層膜)244とを含むことができる。第1バリア層242は、金属酸化物例えば酸化アルミニウムAl2O3をスパッタ法により成膜して形成することができる。スパッタ法では還元ガスが用いられないので、キャパシター230が還元されることはない。第2バリア層244は、例えば酸化アルミニウムAl2O3を例えば原子層化学気相成長(ALCVD:Atomic Layer Chemical Vapor Deposition)法により成膜して形成すことができる。通常のCVD(Chemical Vapor Deposition)法は還元ガスを用いるが、第1層バリア層242によりキャパシター230は還元ガスから隔離される。
As shown in FIG. 6, the first reducing
ここで、第1還元ガスバリア膜240のトータル膜厚は50〜70nm、例えば60nmとする。このとき、CVD法で形成される第1バリア層242の膜厚は原子層化学気相成長(ALCVD)法により形成される第2バリア層244よりも厚く、35〜65nm例えば40nmとなる。これに対して、原子層化学気相成長(ALCVD)法により形成される第2バリア層244の膜厚は薄くでき、例えば酸化アルミニウムAl2O3を5〜30nm例えば20nmで成膜して形成される。原子層化学気相成長(ALCVD)法は、スパッタ法等と比較して、優れた埋め込み特性を有するため、微細化に対応することが可能となり、第1,第2バリア層242,244にて還元ガスバリア性を高めることができる。また、スパッタ法で成膜される第1バリア層242は第2バリア層244に比べて緻密ではないが、それが効を奏して伝熱率を下げる要因となるので、熱伝導率の低い第1バリア層242がキャパシター230と第2バリア層244間に介在することで、キャパシター230からの熱の散逸を防止できる。
Here, the total film thickness of the first reducing
第1還元ガスバリア膜240上には層間絶縁膜250が形成されている。一般に、層間絶縁膜250の原料ガス(TEOS)が化学反応する際には、水素ガスや水蒸気等の還元ガスが発生する。キャパシター230の周囲に設けた第1還元ガスバリア膜240は、この層間絶縁膜250の形成中に発生する還元ガスからキャパシター230を保護するものである。
An interlayer insulating
層間絶縁膜250上に、図4及び図5にも示した第1電極(下部電極)配線層222と第2電極(上部電極)配線層224とが配置される。層間絶縁膜250には、電極配線形成前に予め、第1コンタクトホール252と第2コンタクトホール254が形成される。その際、第1還元ガスバリア膜240にも同様にコンタクトホールが形成される。第1コンタクトホール252に埋め込まれた第1プラグ226により、第1電極(下部電極)234と第1電極配線層222とが導通される。同様に第2コンタクトホール254に埋め込まれた第2プラグ228により、第2電極(上部電極)236と第2電極配線層224とが導通される。
On the
ここで、層間絶縁膜250が存在しないと、第1電極(下部電極)配線層222と第2電極(上部電極)配線層224をパターンエッチングする際に、その下層の第1還元ガスバリア膜240の第2バリア層244がエッチングされて、バリア性が低下してしまう。層間絶縁膜250は、第1還元ガスバリア膜240のバリア性を確保する上でも、第1還元ガスバリア膜240上に形成することが好ましい。ただし、図2に示すように、第1還元ガスバリア膜240を層間絶縁膜として機能させても良い。
Here, when the
ここで、層間絶縁膜250は含有水分が少なく、あるいは水素含有率が低いことが好ましい。そこで、層間絶縁膜250はアニーリングにより脱ガス処理される。こうして、層間絶縁膜250の水素含有率または含水率は、第1,第2電極配線層222,224を覆うパッシベーション膜260や、絶縁膜であるポスト(支持部)104よりも低くされる。こうすると、層間絶縁膜250が形成された後にキャパシター230が高温に晒されても、層間絶縁膜250からの還元ガスの発生を抑制できる。
Here, the
なお、キャパシター230の頂面の第1還元ガスバリア膜240は、層間絶縁膜250の形成時にはコンタクトホールがなく閉じているので、層間絶縁膜250の形成中の還元ガスがキャパシター230に侵入することはない。しかし、第1還元ガスバリア膜240にコンタクトホールが形成された後は、バリア性が劣化する。なお、例えば第2コンタクトホール254は、第2電極(上部電極)236の面積の0.03〜3%程度とすることができるが、バリア性の劣化は否めない。これを防止する一例として、例えば図6に示すように第1,第2プラグ226,228を複数層(第1層228A,第2層228B)(図6では第2プラグ228のみ図示)とし、その第1層228Aにバリアメタル層を採用している。第1層228Aのバリアメタルにより還元ガスバリア性が担保される。第1層228Aのバリアメタルは、チタンTiのように拡散性の高いものは好ましくなく、拡散性が少なくかつ還元ガスバリア性の高いチタン・アルミ・ナイトライドTiAlNを採用できる。なお、コンタクトホールからの還元ガスの侵入を絶つ方法として、図7に示すように、少なくとも第2プラグ228を包囲して還元性ガスバリア膜290を増設しても良い。この還元性ガスバリア膜290は、第2プラグ228の第1層(バリアメタル層)228Aを併用しても良いし、第1層228Aを排除しても良い。なお、還元性ガスバリア膜290は、第1プラグ226を被覆しても良い。
Since the first reducing
第1,第2電極配線層222,224を覆って、SiO2またはSiNのパッシベーション膜260が設けられている。少なくともキャパシター230の上方には、パッシベーション膜260上に電磁波吸収体270が設けられている。パッシベーション膜260もSiO2またはSiNにて形成されるが、電磁波吸収体270のパターンエッチングの必要上、下層のパッシベーション膜260とはエッチング選択比が大きい異種材料とすることが好ましい。この電磁波吸収体270に電磁波が図5の矢印方向から入射され、電磁波吸収体270は吸収した電磁波量に応じて発熱する。その熱が焦電体232に伝熱されることで、キャパシター230の自発分極量が熱によって変化し、自発分極による電荷を検出することで電磁波を検出できる。なお、層間絶縁膜250も電磁波吸収体として機能させることができる。
A SiO 2 or
パッシベーション膜260や電磁波吸収体270のCVD形成時に還元ガスが発生しても、キャパシター230は第1還元ガスバリア膜240及び第1,第2プラグ226,228中のバリアメタルにより保護される。
Even if reducing gas is generated during the formation of the
この電磁波吸収体270を含む焦電型検出器200の外表面を覆って、第2還元ガスバリア膜280が設けられている。この第2還元ガスバリア層280は、電磁波吸収体270に入射する電磁波の透過率を高くするために、例えば第1還元ガスバリア膜240よりも薄肉に形成される必要がある。このために、原子の大きさレベルで膜厚が調整できる原子層化学気相成長(ALCVD)法が採用される。通常のCVD法では厚すぎて電磁波透過率が悪化してしまうからである。本実施形態では、例えば酸化アルミニウムAl2O3を10〜50nm、例えば20nmの厚さで成膜して形成される。上述の通り、原子層化学気相成長(ALCVD)法は、スパッタ法等と比較して、優れた埋め込み特性を有するため、微細化に対応して原子レベルで緻密な膜を形成することが可能となり、薄くても還元ガスバリア性を高めることができる。
A second reducing
また、基部100側では、空洞部102を規定する壁部、つまり空洞部102を規定する底壁110Aと側壁104Aには、焦電型検出器200を製造する過程で空洞部102に埋め込まれていた犠牲層150(図6参照)を等方性エッチングする時のエッチングストップ膜130が形成されている。同様に、支持部材210の下面(犠牲層150の上面)にもエッチングストップ膜140が形成されている。本実施形態では、エッチングストップ膜130,140と同一材料により第2還元ガスバリア膜280を形成している。つまり、エッチングストップ膜130,140も還元ガスバリア性を有することになる。このエッチングストップ膜130,140も、酸化アルミニウムAl2O3が原子層化学気相成長(ALCVD)法により膜厚20〜50nmで成膜されて形成される。
Further, on the base 100 side, the walls defining the
エッチングストップ膜130が還元ガスバリア性を有することで、犠牲層150をフッ酸により還元雰囲気で等方性エッチングしたとき、支持部材210を透過してキャパシター230に還元ガスが侵入することを抑制できる。また、基部100を覆うエッチングストップ膜140が還元ガスバリア性を有することで、基部100内に配置される回路のトランジスターや配線が還元されて劣化することを抑制できる。
Since the
5.支持部材の構造
図5に示すように、下層から上層に向う第1方向D1に沿って、基部100上に、支持部104、支持部材210及び焦電型検出素子220が積層されている。支持部材210は、第1面211A側に密着層234Dを介して焦電型検出素子220を搭載し、第2面211B側は空洞部102に面している。なお、密着層234Dは、焦電型検出素子220の一部(最下層)である。
5. Structure of Support Member As shown in FIG. 5, the
支持部材210は、図7に示すように、少なくとも密着層234Dと接する第1面側の第1層部材212を絶縁層例えばSiO2支持層としている。このSiO2支持層(第1層部材)212は、図5に示す第1方向D1とは逆方向を第2方向D2としたとき、SiO2支持層(第1層部材)212よりも第2方向D2に位置する他のSiO2層である例えばポスト(支持部)104より水素含有率が小さい。これはCVD膜成膜時にO2流量を通常の層間絶縁膜CVD時よりも多くして水素や水分の膜中含有量を低減することにより得られる。こうして、SiO2支持層(第1層部材)212は、水素含有率が他のSiO2層である例えばポスト(支持部)104よりも低い低水分膜となる。
As shown in FIG. 7, in the
密着層234Dと接する支持部材210の最上層のSiO2支持層(第1層部材)212の水素含有率が小さいと、焦電体232の形成後に熱処理により高温に晒されても、SiO2支持層(第1層部材)212自体から還元ガス(水素、水蒸気)が発生することを抑制できる。こうして、キャパシター230中の焦電体232に対して、そのキャパシター230の直下の下方(支持部材210側)から侵入する還元種を抑制することができ、焦電体232が酸素欠損することを抑制できる。
When the hydrogen content of the uppermost SiO 2 support layer (first layer member) 212 of the
SiO2支持層(第1層部材)212よりも第2方向D2に位置する他のSiO2層である例えばポスト(支持部)104の水分も還元種となり得るが、キャパシター230から離れているので、SiO2支持層(第1層部材)212よりも影響度は少ない。ただし、ポスト(支持部)104の水分も還元種となり得るので、SiO2支持層(第1層部材)212よりも第2方向D2に位置する支持部材210中に、還元ガスバリア性のある膜を形成しておくことが好ましい。この点も含め、支持部材210のより具体的構造について以下に説明する。
For example, moisture in the post (support) 104, which is another SiO 2 layer positioned in the second direction D2 than the SiO 2 support layer (first layer member) 212, can also be a reducing species, but is away from the
支持部材210は、図5に示す第2方向D2に沿って、図6に示すように、上述したSiO2支持層(第1層部材)212と、中間層(第2層部材)214と、他のSiO2層(第3層部材)216とを積層して形成することができる。
As shown in FIG. 6, the
つまり、本実施形態では、単一材料では反りが生じてしまう支持部材210を、複数の異種材料を積層することで形成している。具体的には、第1,第3層部材212,216を酸化膜(SiO2)とし、中間層である第2層部材214を窒化膜(例えばSi3N4)で形成することができる。
That is, in this embodiment, the
例えば第1層部材212及び第3層部材216に生ずる例えば圧縮残留応力と、第2層部材214に生ずる引張残留応力とを互いに相殺する方向に作用させる。これにより、支持部材210全体としての残留応力をさらに低減するか消滅させることができる。特に、第2層部材214の窒化膜が有する強い残留応力を、上下2層の酸化膜である第1,第3層部材212,216の逆向きの残留応力にて相殺するように作用させて、支持部材210に反りを生じさせる応力を低減できる。支持部材210を、密着層234Dと接する酸化膜(SiO2)と、窒化膜(例えばSi3N4)との二層で形成しても、反りを抑制する効果がある。なお、支持部材210を、例えば特願2010−109035に開示された方法により形成すれば反りの発生を防止できるので、支持部材210は必ずしも積層構造でなくてもよく、例えばSiO2層等の絶縁層の単層にて形成しても良い。
For example, the compressive residual stress generated in the
ここで、第2層部材214を形成する窒化膜(例えばSi3N4)は、還元ガスバリア性を有する。これにより、キャパシター230の焦電体232に支持部材210側から侵入する還元性阻害要因をブロックする機能を、支持部材210自体に持たせることができる。このため、第2層部材214よりも、図5の第2方向D2に位置する第3層部材216が、SiO2支持層(第1層部材)212よりも水素含有率が多い他のSiO2層であっても、第3層部材216中の還元種(水素、水蒸気)が焦電体232に侵入することを、還元ガスバリア性を有する第2層部材214により抑制することができる。
Here, the nitride film (for example, Si 3 N 4 ) forming the
6.キャパシターの構造
6.1.熱コンダクタンス
図8は、本実施形態の要部を説明するための概略断面図である。上述した通り、キャパシター230は、第1電極(下部電極)234と第2電極(上部電極)236との間に焦電体232を含む。このキャパシター230は、入射された電磁波によって焦電体232の自発分極量が変化すること(焦電効果またはパイロ電子効果)を利用して電磁波を検出できる。本実施形態では、入射された電磁波が電磁波吸収体270にて吸収されて電磁波吸収体270が発熱し、電磁波吸収体270と焦電体232との間にある固体熱伝導路を介して、電磁波吸収体270の発熱が伝達される。
6). Capacitor structure 6.1. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining the main part of the present embodiment. As described above, the
本実施形態のキャパシター230では、支持部材210と接する第1電極(下部電極)234の熱コンダクタンスG1を、第2電極(上部電極)236の熱コンダクタンスG2よりも小さくしている。こうすると、キャパシター230は、電磁波に起因した熱が第2電極(上部電極)236を介して焦電体232に伝達されやすく、しかも、焦電体232の熱が第1電極(下部電極)234を介して支持部材210に逃げ難くなり、検出素子220の信号感度が向上する。しかも、第2電極236に電気的に接続される第2電極配線層224の熱伝導率も上述のように低いので、焦電型検出器200の熱分離特性は向上する。
In the
上述した特性を有するキャパシター230の構造を、図8を参照してさらに詳細に説明する。先ず、第1電極(下部電極)234の厚さT1は、第2電極(上部電極)236よりも厚い(T1>T2)である。第1電極(下部電極)234の熱伝導率をλ1とすると、第1電極(下部電極)234の熱コンダクタンスG1は、G1=λ1/T1となる。第2電極(上部電極)236の熱伝導率をλ2としたとき、第2電極(上部電極)236の熱コンダクタンスG2は、G2=λ2/T2となる。
The structure of the
熱コンダクタンスの関係をG1<G2とするためには、例えば第1,第2電極234,236の材質を例えば共に白金PtまたはイリジウムIr等の同一の単一材料とすれば、λ1=λ2となり、図8からT1>T2であるのでG1<G2の関係を満足できる。
In order to make the relationship of thermal conductance G1 <G2, for example, if the materials of the first and
そこで先ず、第1,第2電極234,236の各々を、それぞれ同一材料にて形成することについて考察する。キャパシター230は、焦電体232の結晶方向を揃えるために、焦電体232が形成される下層の第1電極234との界面の結晶格子レベルを整合させる必要がある。つまり、第1電極234は結晶のシード層としての機能を有するが、白金Ptは自己配向性が強いので、第1電極234として好ましい。イリジウムIrもシード層材料として好適である。
First, consider that each of the first and
また、第2電極(上部電極)236は、焦電体232の結晶性を崩さずに、第1電極234、焦電体232から第2電極236に至るまで結晶配向が連続的につながることが好ましい。そのため、第2電極236は第1電極234と同一材料にて形成することが好ましい。
Further, the crystal orientation of the second electrode (upper electrode) 236 may be continuously connected from the
このように、第2電極236を第1電極234と同一材料例えばPtまたはIr等の金属にて形成すると、第2電極236の上面を反射面とすることができる。この場合、図8に示すように、電磁波吸収体270の頂面から第2電極236の頂面までの距離Lをλ/4(λは電磁波の検出波長)とすると良い。こうすると、電磁波吸収体270の頂面と第2電極236の頂面との間で、検出波長λの電磁波が多重反射されるので、検出波長λの電磁波を電磁波吸収体270にて効率よく吸収できる。
Thus, when the
6.2.電極多層構造
次に、図8に示す本実施形態のキャパシター230の構造について説明する。図8に示すキャパシター230は、焦電体232、第1電極234及び第2電極236の結晶配向は、その優先配向方位が例えば(111)面方位で揃えられている。(111)面方位に優先配向されることで、他の面方位に(111)配向の配向率が例えば90%以上に制御される。焦電係数を大きくするには(111)配向よりもむしろ(100)配向などが好ましいが、印加電界方向に対して分極を制御しやくするために(111)配向としている。ただし、優先配向方位はこれに限定されない。
6.2. Next, the structure of the
第1電極234は、支持部材210から順に、第1電極234を例えば(111)面に優先配向するように配向制御する配向制御層(例えばIr層)234Aと、第1還元ガスバリア層(例えばIrOx層)234Bと、優先配向のシード層(例えばPt層)234Cとを含むことができる。
The
第2電極236は、焦電体232側から順に、焦電体232と結晶配向が整合する配向整合層(例えばPt層)236Aと、第2還元ガスバリア層(例えばIrOx層)236Bと、第2電極236に接続される第2プラグ228との接合面を低抵抗化する低抵抗化層(例えばIr層)236Cとを含むことができる。
The
本実施形態にてキャパシター230の第1,第2電極234,236を多層構造とした理由は、熱容量の小さい検出素子220でありながら、能力を低めずに低ダメージで加工して界面での結晶格子レベルを整合させ、しかも、キャパシター230の周囲が製造時または使用時に還元雰囲気となっても焦電体(酸化物)232を還元ガスから隔離することにある。
In this embodiment, the reason why the first and
焦電体232は例えばPZT(Pb(Zr,Ti)O3の総称:チタン酸ジルコン酸鉛)またはPZTN(PZTにNbを添加したものの総称)等を例えば(111)方位で優先配向させて結晶成長させている。PZTNを用いると、薄膜になっても還元されにくく酸化欠損を抑制できる点で好ましい。焦電体232を配向結晶化させるために、焦電体232の下層の第1電極234の形成段階から配向結晶化させている。
The
このために、下部電極234には配向制御層として機能するIr層234Aがスパッタ法で形成される。なお、図8に示すように、配向制御層234Aの下に密着層234Dとしてたとえばチタン・アルミ・ナイトライド(TiAlN)層または窒化チタン(TiN)層を形成すると良い。支持部材210の最上層であるSiO2支持層(第1層部材)212のSiO2との密着性を確保できるからである。この種の密着層234Dとしてチタン(Ti)も適用可能であるが、チタン(Ti)のように拡散性の高いものは好ましくなく、拡散性が少なくかつ還元ガスバリア性の高いチタン・アルミ・ナイトライド(TiAlN)または窒化チタン(TiN)の方が好ましい。
For this purpose, an
また、密着層234Dの下層に位置する支持部材210の第1層部材212をSiO2で形成するとき、該SiO2層の前記第1電極と接する密着層側の表面ラフネスRaは30nm未満とすることが好ましい。こうすると、支持部材210がキャパシター230を搭載する表面の平坦性を確保できるからである。もし、配向制御層234Aが形成される面が粗面であれば、結晶成長中に粗面の凹凸が反映されてしまうから好ましくない。
In addition, when the
この密着層234Dは、還元ガスバリア性を有することができる。チタン・アルミ・ナイトライド(TiAlN)または窒化チタン(TiN)は、還元ガスバリア性を有する。よって、支持部材210のSiO2支持層から還元性ガスが漏れたとしても、還元ガスバリア性の密着層234Dによって還元性ガスがキャパシター230に侵入することを阻止できる。
The
密着層234Dの熱伝導率は第1電極234を形成する金属材料の熱伝導率よりも小さくすることができる。こうすると、キャパシター230の熱が密着層234Dを介して支持部材210側に逃げにくくなり、焦電体232での温度変化に基づく信号精度を高めることができる。上述の通り、SiO2支持層212との密着性が良好な密着層234Dはチタン(Ti)系とすることができ、チタン(Ti)の熱伝導率は21.9(W/mK)と、第1電極234に好適な金属例えば白金(Pt)の熱伝導率71.6(W/m・K)やイリジウム(Ir)の熱伝達率147(W/m・K)よりも格段に小さく、チタンの窒化物であるチタン・アルミ・ナイトライド(TiAlN)または窒化チタン(TiN)の熱伝導率は、窒素/チタンの混合率に応じてさらに低くなる。
The thermal conductivity of the
密着層234Dの水分解触媒活性度は、第1電極234の他の材料の水分解触媒活性度よりも低いことが好ましい。密着層234Dが、水分解触媒活性度例えば水分と反応して水素を発生させる触媒活性度が低ければ、下層の層間絶縁膜中や表面のOH基や吸着水との反応によって還元ガスが発生することを抑制できる。
The water splitting catalyst activity of the
第1電極234中にて還元ガスバリア層として機能するIrOx層234Bは、キャパシター230の下方からの還元性の阻害因子から焦電体232を隔離するために、還元ガスバリア性を呈する支持部材210の第2層部材(例えばSi3N4)及び支持部材210のエッチングストップ膜(例えばAl2O3)140と共に用いられる。例えば焦電体(セラミック)232の焼成時や他のアニール工程での基部100からの脱ガスや、犠牲層150の等方性エッチング工程に用いる還元ガスが、還元性阻害因子となる。
The
なお、焦電体232の焼成工程中など、高温処理時にはキャパシター230内部で蒸発気体が生成されることがあるが、その蒸発気体の逃げ道が、支持部材210の第1層部材212にて確保される。つまり、キャパシター230内部で発生する蒸発気体を逃がすには、第1層部材212にはガスバリア性を備えず、第2層部材214にガスバリア性を備える方が良い。
It should be noted that evaporative gas may be generated inside the
また、IrOx層234Bは、それ自体の結晶性は少ないが、Ir層234Aとは金属−金属酸化物の関係となって相性が良いので、Ir層234Aと同一の優先配向方位を持つことができる。
In addition, the
第1電極234中にてシード層として機能するPt層234Cが、焦電体232の優先配向のシード層となり、(111)配向される。本実施形態では、Pt層234Cは二層構造となっている。第1層目のPt層で(111)配向の基礎をつくり、第2層目のPt層で表面にマイクロラフネスを形成して、焦電体232の優先配向のシード層として機能させる。焦電体232は、シード層234Cにならつて(111)配向される。
The
第2電極236では、スパッタ法で成膜されるとは物理的に界面が荒れ、トラップサイトが生じて特性が劣化する虞があるので、第1電極234、焦電体232、第2電極236の結晶配向が連続的につながるように、結晶レベル格子整合の再構築を行なっている。
When the
第2電極236中のPt層236Aはスパッタ法で形成されるが、スパッタ直後で界面の結晶方向は不連続となる。そこで、その後にアニール処理してPt層236Aを再結晶化させている。つまり、Pt層236Aは、焦電体232と結晶配向が整合する配向整合層として機能する。
The
第2電極236中のIrOx層236Bは、キャパシター230の上方からの還元性劣化因子のバリアとして機能する。また、第2電極236中のIr層236Cは、IrOx層236Bの抵抗値が大きいので、第2プラグ228との間の抵抗値を低抵抗化させるために用いられる。Ir層236Cは、IrOx層236Bと金属酸化物−金属の関係で相性がよく、IrOx層236Bと同一の優先配向方位を持つことができる。
The
このように、本実施形態では、第1,第2電極234,236は、焦電体232側から順に、Pt、IrOx、Irと多層に配置され、焦電体232を中心として、形成材料が対称配置されている。
As described above, in the present embodiment, the first and
ただし、第1,第2電極234,236を形成する多層構造の各層の厚さは、焦電体232を中心として非対称となっている。先ず、第1電極234のトータル厚さT1と、第2電極236のトータル厚さT2とは、上述したよりも関係(T1>T2)を満足している。ここで、第1電極234のIr層234A、IrOx層234B、Pt層234Cの各熱伝導率をλ1、λ2、λ3とし、各厚さをT11、T12、T13とする。第2電極のIr層236C、IrOx層236B、Pt層236Aの各熱伝導率は第1電極234と同じくλ1、λ2、λ3となり、その各厚さをT21、T22、T23とする。
However, the thickness of each layer of the multilayer structure forming the first and
また、第1電極234のIr層234A、IrOx層234B、Pt層234Cの各熱コンダクタンスをG11、G12、G13とすると、G11=λ1/T11、G12=λ2/T12、G13=λ3/C13となる。
第2電極236のIr層236C、IrOx層236B、Pt層236Aの各熱コンダクタンスをG21、G22、G23とすると、G21=λ1/T21、G22=λ2/T22、G13=λ3/T23となる。
Further, assuming that the thermal conductances of the
When the thermal conductances of the
第1電極234のトータル熱コンダクタンスG1は、1/G1=(1/G11)+(1/G12)+(1/G13)で表わされるので、
G1=(G11×G12×G13)/(G11+G12+G13)…(1)
同様に、第2電極236のトータル熱コンダクタンスG2は、1/G2=(1/G21)+(1/G22)+(1/G23)で表わされるので、
G2=(G21×G22×G23)/(G21+G22+G23)…(2)
となる。
Since the total thermal conductance G1 of the
G1 = (G11 × G12 × G13) / (G11 + G12 + G13) (1)
Similarly, the total thermal conductance G2 of the
G2 = (G21 × G22 × G23) / (G21 + G22 + G23) (2)
It becomes.
次に、第1,第2電極234,236を形成する多層構造の各層の厚さは、T11+T12+T13=T1>T2=T21+T22+T23を満たす条件下でほぼ次の通りの関係である。
Next, the thickness of each layer of the multilayer structure forming the first and
Ir層234A,236C T11:T21=1:0.7
IrOx層234B,236B T12:T22=0.3:1
Pt層234C,236A T13:T23=3:1
このような膜厚関係とした理由は以下の通りである。まず、Ir層234A,236Cについて言えば、第1電極234中のIr層234Aは配向制御層として機能するから、配向性を有するには所定の膜厚が必要であるのに対して、第2電極236のIr層236Cの目的は低抵抗化にあり、薄くするほど低抵抗化を実現できる。
IrOx layers 234B, 236B T12: T22 = 0.3: 1
The reason for this film thickness relationship is as follows. First, regarding the Ir layers 234A and 236C, the
次に、IrOx層234B,236Bについて言えば、キャパシター230の下方及び上方からの還元性阻害因子のバリア性は他のバリア膜(第2層部材214、第1還元ガスバリア膜240、エッチングストップ膜140兼第2還元ガスバリア膜280)を併用しており、第1電極234のIrOx層234Bは薄くしているが、第2電極236のIrOx層236Bは第2プラグ228でのバリア性が低いことに備えて厚くしている。
Next, regarding the IrOx layers 234B and 236B, the barrier property of the reducing inhibitor from the lower side and the upper side of the
最後に、Pt層234C,236Aに関して言えば、第1電極234中のPt層234Cは焦電体232の優先配向を決定付けるシード層として機能するから所定の膜厚が必要であるのに対して、第2電極236のPt層236Aの目的は焦電体232の配向と整合する配向整合層として機能するので、第1電極234中のPt層234Cよりも薄く形成しても良い。
Finally, with regard to the Pt layers 234C and 236A, the
また、第1電極234のIr層234A、IrOx層234B、Pt層234Cの肉厚比は、例えばT11:T12:T13=10:3:15とし、第2電極236のIr層236C、IrOx層236B、Pt層236Aの肉厚比は、例えばT21:T22:T23=7:10:5とした。
The thickness ratio of the
ここで、Ptの熱伝達率λ3=71.6(W/m・K)であり、Irの熱伝達率λ1は、λ1=147(W/m・K)とPtの熱伝達率λ3のほぼ2倍である。IrOxの熱伝導率λ2は熱度や酸素/金属比(O/M)によって変化するが、Irの熱伝達率λ1を超えることはない。上述した膜厚の関係と熱伝達率の関係を式(1)(2)に代入してG1,G2の大小関係を求めると、G1<G2が成立することが分かる。このように、本実施形態のように第1,第2電極234,236を多層構造にしても、熱伝達率と膜厚の関係からG1<G2が満足される。
Here, the heat transfer coefficient λ3 of Pt is 71.6 (W / m · K), and the heat transfer coefficient λ1 of Ir is approximately λ1 = 147 (W / m · K), which is approximately the heat transfer coefficient λ3 of Pt. 2 times. The thermal conductivity λ2 of IrOx varies depending on the heat degree and the oxygen / metal ratio (O / M), but does not exceed the thermal conductivity λ1 of Ir. Substituting the relationship between the film thickness and the heat transfer coefficient into the equations (1) and (2) to obtain the magnitude relationship between G1 and G2, it can be seen that G1 <G2. Thus, even if the first and
また、上述した通り、第1電極234が支持部材210との接合面に密着層234Dを有する場合には、第1電極234の熱コンダクタンスC1はより小さくなるので、G1<G2の関係を満足し易くなる。
Further, as described above, when the
なお、キャパシター230のエッチングマスクはエッチングの進行に従い劣化するので、多層構造とするほどキャパシター230の側壁は、図8に示すように上側ほど狭く下側ほど広いテーパ形状となる。しかし、水平面に対するテーパ角は80度程なので、キャパシター230の全高がナノメートルオーダーであることを考慮すれば、第2電極236に対する第1電極234の面積拡大は小さい。よって、第1,第2電極234,236の熱コンダクタンスの関係から、第1電極234での熱伝達量を第2電極236での熱伝達量よりも小さくできる。
Since the etching mask of the
6.3.キャパシター構造の変形例
以上の通り、キャパシター230の第1,第2電極234,236の各々について、単層構造及び多層構造を説明したが、キャパシター230の機能を維持しながら、熱コンダクタンスの関係をG1<G2とする他の種々の組み合わせが考えられる。
6.3. Modification of Capacitor Structure As described above, the single-layer structure and the multilayer structure have been described for each of the first and
先ず、第2電極236のIr層236Cを削除することができる。この場合、第2プラグ228の材料に例えばIrを用いれば、同様に低抵抗化の目的は達成されるからである。こうすると、第2電極236の熱コンダクタンスG2は図8の場合よりも大きくなるので、G1<G2の関係を満足させ易くなる。また、この場合には、図8に示すL=λ/4を規定する反射面は、第2電極236のPt層236Aに代わるが、同様に多重反射面を担保できる。
First, the
次に、図8の第2電極236中のIrOx層236Bの厚さを、第1電極234中のIrOx層234Bと同一厚さ以下とすることができる。上述の通り、キャパシター230の下方及び上方からの還元性阻害因子のバリア性は他のバリア膜(第2層部材214、第1還元ガスバリア膜240、エッチングストップ膜140兼第2還元性ガスバリア膜280)を併用しているからで、第2プラグ228での還元ガスバリア性が例えば図7のようにして高められれば、第2電極236中のIrOx層236Bの厚さを第1電極234中のIrOx層234Bより厚くする必要はない。こうすると、第2電極236の熱コンダクタンスG2はより大きくなり、よりG1<G2の関係を成立がし易くなる。
Next, the thickness of the
次に、図8の第1電極234中のIrOx層234Bを削除することができる。IrOx層234Bを削除しても、Ir層234AとPt層234Cとの結晶の連続性は妨げられないので、結晶配向に関して何ら問題はない。IrOx層234Bを削除することで、キャパシター230はその下方からの還元性阻害因子に対してバリア膜を持たないことになる。ただし、キャパシター230を支持する支持部材210にて第2層部材214が、支持部材210の下面にはエッチングストップ膜140が、それぞれ存在し、第2層部材214及びエッチングストップ膜140が還元ガスバリア性を有する膜で形成されれば、キャパシター230はその下方からの還元性阻害因子に対するバリア性を担保できる。
Next, the
ここで、第1電極234中のIrOx層234Bを削除すると、第1電極234の熱コンダクタンスG1は大きくなる。よって、G1<G2の関係を成立させるには、第2電極236の熱コンダクタンスG2も大きくする必要が生ずるかもしれない。その場合、例えば第2電極236中のIrOx層236Bを削除することが考えられる。IrOx層236Bを削除できれば、Ir層236Cもまた不要となる。Ir層236Cに代えてPt層236Aが低抵抗層として機能するからである。キャパシター230の上方からの還元性阻害因子についてのバリア性は、上述した第1還元ガスバリア膜240や、図6に示す第1層228Aや、あるいは図7の還元性ガスバリア膜290により担保できる。
Here, when the
図8の第2電極234は上述した通りPt層236Aのみで形成したとき、第1電極234は、Pt層234Cの単層か、Ir層234A及びPt層234Cの二層か、あるいは図8の通りIr層234A、IrOx層234B及びPt層234Cの三層とすることができる。これらの場合のいずれでも、例えば第1電極234のPt層234Cの厚さT11を第2電極236のPt層236Aの厚さT21よりも厚くすれば(T11>T21)、G1<G2の関係を容易に成立させることができる。
When the
以上の通り、本実施形態では、第1,第2プラグ226,228と接続される部分の第1,第2電極234,236を形成する材料(単層であればその単層電極材料であり、複数層であれば最上層の電極材料)として、プラチナ(Pt)またはイリジウム(Ir)を採用している。いずれの場合であって、第1,第2電極配線層222,224として例えば窒化チタン(TiN)またはチタン・アルミ・ナイトライド(TiAlN)を用いることで、第1,第2電極配線層222,224の熱伝導率を第1,第2電極234,236の熱伝導率の低くでき、焦電型検出器200の熱分離特性を改善できる。
As described above, in the present embodiment, the material for forming the first and
図9は、図5〜図8とは異なり、支持部材210の第2層部材214と第2還元ガスバリア膜280とでキャパシター230の下方のバリア性をさらに向上させた焦電型検出器の概略断面図である。
Unlike FIG. 5 to FIG. 8, FIG. 9 is an outline of a pyroelectric detector in which the barrier property below the
図9では、支持部材210の第1層部材212は、下部電極234の直下の領域にのみ形成されている。つまり、支持部材210の第1層部材212は、キャパシター230をパターニングする時に同時にパターニングされている。これにより、第1層部材212は、下部電極234の直下の領域にのみ形成され、キャパシター230の周囲を含む他の領域では、第2層部材214が露出する。
In FIG. 9, the
よって、図9に示すように、第2還元ガスバリア膜280は、支持部材210の第2層部材214と接触して形成されることになる。上述した通り、第2層部材214は窒化膜(例えばSi3N4)で形成され、還元ガスバリア性を有する。
Therefore, as shown in FIG. 9, the second reducing
このため、キャパシター230の下部周囲では、第2還元ガスバリア膜280が支持部材210の第2層部材214と接触して配置されるので、キャパシター230の下部は第2還元ガスバリア膜280及び第2層部材214で完全に包囲することができる。こうすることで、図5〜図8の構造とは異なり、キャパシター230の下方からの劣化要因(還元ガス)の侵入ルートを、2還元ガスバリア膜280及び第2層部材214で完全に遮断することができる。
For this reason, since the second reducing
7.電子機器
図10に本実施形態の焦電型検出器を含む電子機器の構成例を示す。この電子機器は、光学系400、センサーデバイス(焦電型検出器)410、画像処理部420、処理部430、記憶部440、操作部450、表示部460を含む。なお本実施形態の電子機器は図10の構成に限定されず、その構成要素の一部(例えば光学系、操作部、表示部等)を省略したり、他の構成要素を追加したりするなどの種々の変形実施が可能である。
7). Electronic Device FIG. 10 shows a configuration example of an electronic device including the pyroelectric detector of the present embodiment. This electronic apparatus includes an
光学系400は、例えば1又は複数のレンズや、これらのレンズを駆動する駆動部などを含む。そしてセンサーデバイス410への物体像の結像などを行う。また必要であればフォーカス調整なども行う。
The
センサーデバイス410は、上述した本実施形態の焦電型検出器200を二次元配列させて構成され、複数の行線(ワード線、走査線)と複数の列線(データ線)が設けられる。センサーデバイス410は、二次元配列された検出器に加えて、行選択回路(行ドライバー)と、列線を介して検出器からのデータを読み出す読み出し回路と、A/D変換部等を含むことができる。二次元配列された各検出器からのデータを順次読み出すことで、物体像の撮像処理を行うことができる。
The
画像処理部420は、センサーデバイス410からのデジタルの画像データ(画素データ)に基づいて、画像補正処理などの各種の画像処理を行う。
The
処理部430は、電子機器の全体の制御や、電子機器内の各ブロックの制御を行う。この処理部430は、例えばCPU等により実現される。記憶部440は、各種の情報を記憶するものであり、例えば処理部430や画像処理部420のワーク領域として機能する。操作部450は、ユーザが電子機器を操作するためのインターフェースとなるものであり、例えば各種ボタンやGUI(Graphical User Interface)画面などにより実現される。表示部460は、例えばセンサーデバイス410により取得された画像やGUI画面などを表示するものであり、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイなどの各種のディスプレイにより実現される。
The
このように、1セル分の焦電型検出器をセンサーとして用いる他、1セル分の焦電型検出器を二軸方向例えば直交二軸方向に二次元配置することでセンサーデバイス410を構成することができ、こうすると電磁波に起因する熱分布画像を提供することができる。このセンサーデバイス410を用いて、特定物質探知装置、偽造紙幣の判定、封筒内の薬品検出、建造物の非破壊検査などのテラヘルツカメラを用いる電子機器を構成することができる。
As described above, the
図11(A)に図10のセンサーデバイス410の構成例を示す。このセンサーデバイスは、センサーアレイ500と、行選択回路(行ドライバー)510と、読み出し回路520を含む。またA/D変換部530、制御回路550を含むことができる。このセンサーデバイスを用いることで、高性能なテラヘルツカメラを実現できる。
FIG. 11A shows a configuration example of the
センサーアレイ500には、例えば図4に示すように二軸方向に複数のセンサーセルが配列(配置)される。また複数の行線(ワード線、走査線)と複数の列線(データ線)が設けられる。なお行線及び列線の一方の本数が1本であってもよい。例えば行線が1本である場合には、図11(A)において行線に沿った方向(横方向)に複数のセンサーセルが配列される。一方、列線が1本である場合には、列線に沿った方向(縦方向)に複数のセンサーセルが配列される。
In the
図11(B)に示すように、センサーアレイ500の各センサーセルは、各行線と各列線の交差位置に対応する場所に配置(形成)される。例えば図11(B)のセンサーセルは、行線WL1と列線DL1の交差位置に対応する場所に配置されている。他のセンサーセルも同様である。
行選択回路510は、1又は複数の行線に接続される。そして各行線の選択動作を行う。例えば図11(B)のようなQVGA(320×240画素)のセンサーアレイ500(焦点面アレイ)を例にとれば、行線WL0、WL1、WL2・・・・WL239を順次選択(走査)する動作を行う。即ちこれらの行線を選択する信号(ワード選択信号)をセンサーアレイ500に出力する。
As shown in FIG. 11B, each sensor cell of the
The
読み出し回路520は、1又は複数の列線に接続される。そして各列線の読み出し動作を行う。QVGAのセンサーアレイ500を例にとれば、列線DL0、DL1、DL2・・・・DL319からの検出信号(検出電流、検出電荷)を読み出す動作を行う。
The
A/D変換部530は、読み出し回路520において取得された検出電圧(測定電圧、到達電圧)をデジタルデータにA/D変換する処理を行う。そしてA/D変換後のデジタルデータDOUTを出力する。具体的には、A/D変換部530には、複数の列線の各列線に対応して各A/D変換器が設けられる。そして、各A/D変換器は、対応する列線において読み出し回路520により取得された検出電圧のA/D変換処理を行う。なお、複数の列線に対応して1つのA/D変換器を設け、この1つのA/D変換器を用いて、複数の列線の検出電圧を時分割にA/D変換してもよい。
The A /
制御回路550(タイミング生成回路)は、各種の制御信号を生成して、行選択回路510、読み出し回路520、A/D変換部530に出力する。例えば充電や放電(リセット)の制御信号を生成して出力する。或いは、各回路のタイミングを制御する信号を生成して出力する。
The control circuit 550 (timing generation circuit) generates various control signals and outputs them to the
図12に本実施形態の焦電型検出器を含むテラヘルツカメラの例を示す。前述のセンサーデバイス410の電磁波吸収材は、その吸収波長がテラヘルツ波で最適になるように設定されており、テラヘルツ光照射ユニットと組み合わせてテラヘルツカメラ1000を構成した例を示す。
FIG. 12 shows an example of a terahertz camera including the pyroelectric detector according to the present embodiment. The electromagnetic wave absorbing material of the above-described
テラヘルツカメラ1000は、制御ユニット1010と、照射光ユニット1020と、光学フィルター1030と、撮像ユニット1040と、表示部1050とを備えて構成されている。撮像ユニット1040は、図示しないレンズなどの光学系と前述の焦電型検出器の電磁波吸収材の吸収波長をテラヘルツ域で最適化したセンサーデバイスを含んで構成されている。
The
制御ユニット1010は、本装置全体を制御するシステムコントローラーを含み、該システムコントローラーは制御ユニットに含まれる光源駆動部および画像処理ユニットを制御する。照射光ユニット1020は、テラヘルツ光(波長が100μm〜1000μmの範囲にある電磁波を指す。)出射するレーザー装置と光学系を含み、テラヘルツ光を検査対象の人物1060に照射する。人物1060からの反射テラヘルツ光は、探知対象である特定物質1070の分光スペクトルのみを通過させる光学フィルター1030を介して撮像ユニット1040に受光される。撮像ユニット1040で生成された画像信号は、制御ユニット1010の画像処理ユニットで所定の画像処理が施され、その画像信号が表示部1050へ出力される。そして人物1060の衣服内等に特定物質1070が存在するか否かにより受光信号の強度が異なるので特定物質1070の存在が判別できる。
The
以上、いくつかの実施形態について説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるものである。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。 Although several embodiments have been described above, it is easily understood by those skilled in the art that many modifications can be made without substantially departing from the novel matters and effects of the present invention. Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention. For example, a term described at least once together with a different term having a broader meaning or the same meaning in the specification or the drawings can be replaced with the different term in any part of the specification or the drawings.
本発明は、種々の焦電型検出器に広く適用することができる。なお、検出する電磁波の波長は、特にテラヘルツ波である場合に有効な技術である。 The present invention can be widely applied to various pyroelectric detectors. Note that the wavelength of the electromagnetic wave to be detected is an effective technique particularly when the wavelength is a terahertz wave.
100 基部(固定部)、102 空洞部、104 支持部(ポスト)、200 焦電型検出器、210 支持部材、211A 第1面、211B 第2面、212 第1層部材、214 第2層部材、220 検出素子(焦電型検出素子)、222 第1電極配線層、224 第2電極配線層、226 第1プラグ、228 第2プラグ、228A 第1層(バリアメタル層)、230 キャパシター、232 焦電体、234 第1電極、236 第2電極、240 還元ガスバリア膜(第1還元ガスバリア膜)、242 第1層膜(第1バリア層)、244 第2層膜(第2バリア層)、250 層間絶縁膜、260 パッシベーション膜、270 電磁波吸収部材(電磁波吸収体)、280 還元ガスバリア膜(第2還元ガスバリア膜)、1000 テラヘルツカメラ、1020 照射光ユニット、1040 撮像ユニット。
DESCRIPTION OF
Claims (14)
第1面と、前記第1面に対向する第2面とを含み、前記第2面が空洞部に臨んで配置され、前記第1面に前記焦電型検出素子を搭載した支持部材と、
前記支持部材の前記第2面の一部を支持する支持部と、
を有し、
前記支持部材は、前記キャパシターが搭載される搭載部材と、前記搭載部材に連結されたアーム部材とを含み、
前記第1還元ガスバリア膜は、前記搭載部材の第1外周縁と、前記キャパシターの第2外周縁との間に第3外周縁を有する孤立パターンで形成されていることを特徴とするテラヘルツカメラ。 A capacitor comprising a first electrode, a second electrode, and a pyroelectric material disposed between the first and second electrodes, a capacitor whose polarization amount changes based on temperature, and a first that protects the capacitor from a reducing gas. A pyroelectric detection element that detects a terahertz wave having a wavelength of 100 μm or more and 1000 μm or less.
A support member including a first surface and a second surface facing the first surface, the second surface facing the cavity, and mounting the pyroelectric detection element on the first surface;
A support part for supporting a part of the second surface of the support member;
Have
The support member includes a mounting member on which the capacitor is mounted, and an arm member connected to the mounting member,
The terahertz camera, wherein the first reducing gas barrier film is formed in an isolated pattern having a third outer peripheral edge between a first outer peripheral edge of the mounting member and a second outer peripheral edge of the capacitor.
前記第1還元ガスバリア膜は、SiNよりも熱伝達率の小さい材料にて形成されていることを特徴とするテラヘルツカメラ。 In claim 1,
The terahertz camera, wherein the first reducing gas barrier film is formed of a material having a smaller heat transfer coefficient than SiN.
前記第1還元ガスバリア膜は、金属酸化物であることを特徴とするテラヘルツカメラ。 In claim 2,
The terahertz camera, wherein the first reducing gas barrier film is a metal oxide.
前記第1還元ガスバリア膜は、酸化アルミニウムであることを特徴とするテラヘルツカメラ。 In claim 3,
The terahertz camera, wherein the first reducing gas barrier film is aluminum oxide.
前記第1還元ガスバリア膜は、前記キャパシターに接する第1層膜と、前記第1層膜に積層される第2層膜とを含み、
前記第1層膜は前記第2層膜よりも膜密度が低いことを特徴とするテラヘルツカメラ。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
The first reducing gas barrier film includes a first layer film in contact with the capacitor, and a second layer film stacked on the first layer film,
The terahertz camera, wherein the first layer film has a lower film density than the second layer film.
前記支持部材は、前記第1面を形成する第1層部材と、前記第1層部材よりも前記第2面側にて前記第1層部材に積層される第2層部材を含み、
前記第2層部材は、還元ガスバリア性を有することを特徴とするテラヘルツカメラ。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
The support member includes a first layer member that forms the first surface, and a second layer member that is stacked on the first layer member on the second surface side of the first layer member,
The terahertz camera, wherein the second layer member has a reducing gas barrier property.
前記焦電型検出素子は、
前記キャパシターの頂面を覆う前記第1還元ガスバリア膜に形成されたコンタクトホールと、
前記コンタクトホールに配置されて前記第2電極に接続されるプラグと、
前記プラグに接続される配線層と、を有し、
前記プラグは、還元ガスバリア性を有する材料にて形成されていることを特徴とするテラヘルツカメラ。 In any one of Claims 1 thru | or 6.
The pyroelectric detection element is
A contact hole formed in the first reducing gas barrier film covering the top surface of the capacitor;
A plug disposed in the contact hole and connected to the second electrode;
A wiring layer connected to the plug,
The terahertz camera, wherein the plug is formed of a material having a reducing gas barrier property.
前記焦電型検出素子は、
前記第1還元ガスバリア膜を覆う層間絶縁膜と、
前記キャパシターの頂面を覆う前記第1還元ガスバリア膜及び前記層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールと、
前記コンタクトホールに配置されて前記第2電極に接続されるプラグと、
前記プラグに接続される配線層と、
をさらに有し、
前記層間絶縁膜は、前記搭載部材の第1外周縁と前記第1還元ガスバリア膜の前記第3外周縁との間に第4外周縁を有する孤立パターンに形成されていることを特徴とするテラヘルツカメラ。 In any one of Claims 1 thru | or 6.
The pyroelectric detection element is
An interlayer insulating film covering the first reducing gas barrier film;
Contact holes formed in the first reducing gas barrier film and the interlayer insulating film covering the top surface of the capacitor;
A plug disposed in the contact hole and connected to the second electrode;
A wiring layer connected to the plug;
Further comprising
The interlayer insulating film is formed in an isolated pattern having a fourth outer peripheral edge between a first outer peripheral edge of the mounting member and the third outer peripheral edge of the first reducing gas barrier film. camera.
前記層間絶縁膜は、前記支持部よりも水素含有率が小さいことを特徴とするテラヘルツカメラ。 In claim 8,
The interlayer insulating film has a hydrogen content smaller than that of the support portion.
前記焦電型検出素子は、前記層間絶縁膜よりも電磁波入射方向の上流側に設けられた電磁波吸収膜を有し、
前記層間絶縁膜は、前記電磁波吸収膜が吸収する波長帯域に吸収特性を有することを特徴とするテラヘルツカメラ。 In claim 8 or 9,
The pyroelectric detection element has an electromagnetic wave absorbing film provided on the upstream side in the electromagnetic wave incident direction from the interlayer insulating film,
The terahertz camera, wherein the interlayer insulating film has an absorption characteristic in a wavelength band absorbed by the electromagnetic wave absorbing film.
前記焦電型検出素子は、
前記キャパシターよりも電磁波射方向の上流側に設けられた電磁波吸収膜と、
前記キャパシター及び前記電磁波吸収膜を覆って設けられた第2還元ガスバリア膜と、
をさらに有することを特徴とするテラヘルツカメラ。 In any of claims 1 to 9,
The pyroelectric detection element is
An electromagnetic wave absorbing film provided on the upstream side of the electromagnetic wave radiation direction from the capacitor;
A second reducing gas barrier film provided over the capacitor and the electromagnetic wave absorbing film;
A terahertz camera, further comprising:
前記焦電型検出素子は、
前記キャパシターよりも電磁波入射方向の上流側に設けられた電磁波吸収膜と、
前記キャパシター及び前記電磁波吸収膜を覆って設けられた第2還元ガスバリア膜と、
を有し、
前記支持部材は、前記キャパシターの周辺に沿って前記第1層部材が孤立状にパターニングされて、前記第2層部材が前記キャパシターの周辺に沿って露出され、
前記第2還元ガスバリア膜は、前記キャパシターから前記第2層部材の露出面に至る領域を覆うことを特徴とするテラヘルツカメラ。 In claim 6,
The pyroelectric detection element is
An electromagnetic wave absorbing film provided on the upstream side of the electromagnetic wave incident direction from the capacitor;
A second reducing gas barrier film provided over the capacitor and the electromagnetic wave absorbing film;
Have
In the supporting member, the first layer member is patterned in an isolated manner along the periphery of the capacitor, and the second layer member is exposed along the periphery of the capacitor.
The terahertz camera, wherein the second reducing gas barrier film covers a region from the capacitor to an exposed surface of the second layer member.
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