」ト - 焦電形赤外線感受素子の高感度化 - 赤外線吸収方式CO2ガスセンサの性能及び信頼性向上に関する研究

第 3章焦電形赤外線感受素子の高感度化

Ul 1 」ト

( ) c

焦電形赤外線センサの素子構造 (

) バルクタイプ )(b 薄膜タイプ )c( バルク薄片タイプ

-38-函3^・7

第3章

3 -4

. バルク薄片タイプ焦電形センサの製作

3 -4 -1

. 素子構造

図

8 - 3

は、本研究で、提案するバルク薄片タイプ焦電センサの素子構造を示す。

i S

基板は、

その中央部分に中空領域を持ち、この領域に

2 0 i / S N i S 2 0 i S / N i S /

により構成される、

3

~4μm 厚のダイヤブラムが形成されている。更に、ダイヤブラム上には約 1μm 厚の接

着眉を介し、表裏に電気信号取り出しのための金属電極を形成した約 10μm 淳の PZT セラミックが接着されている。 PZT セラミック上の電極は、セラミックの片方の麗よりり…

ド線を取り出せるように単位素子が直列接続されたパターンを用いた。また、赤外線入射には吸技効率を向上させるため、金黒化膜

k c a l b - u A C

^{:金黒〉を形成した。}

-39-ご

iμ m

ど

0 5 3

^長

m

z O . 5 ^五 ^品

ど

t 3 t

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ご

0 1 f t

^鼠

第

3

章

IR 0 i S

S i

A d h e s i v e T Z C c i l l o r e

l e c t r o d e

図 38- バルク PZT 薄片を用いた焦電形赤外線センサの素子構造

- 4 0

^ー

第 3章

3 -4 -2

. 製作方法

素子の製作方法のフロー図を図 93- に示す。個々の製作プロセスの詳細は以下に述べるとおりである。

( l ) P Z

T

セラミックの焼成とウエーハ化加工

P b O

、

2 0 Z r

、

2 0 i T

粉体を出発原料としてセラミック焼成プロセスにより、円柱状の

P Z T

セラミックインゴットを得た。次に、

P Z T

セラミックインゴットをマルチワイヤソーによ

り、月板形状に分離加工後、平面研磨機による研磨加工及び、ダイシングソーによる切断加工を行い、

3 0 m m X 3 0 m m X 0 . 3 m m

の

P Z T

ウエーハを得た。更に、受光電極として、

P Z T

ウエーハの接着側面に電子ビーム蒸着法により、

r C

電極 (約

5 0 0 A

厚、面積

1 X 2 m m 2 /

単位素子

X 2

素子)を形成した。

( 2 ) S

i

基板への

2 0 i S

、

S i N

ダイヤブラム膜の形成

S

i

ウエーハ

5 m m ( 0 . 3

厚，

) 0 0 1 (

菌)の表裏面に

2 0 i S

膜(約

5 . μ 0

思厚)を熱酸化法により形成した。この

2 0 i S

膜は、異方性エッチンクゃ時のマスクとして用いる。次に、

P Z T

チップ接着側の

i S

ウエーハ面ヘダイヤブラム用の

N i S / 2 0 i S / N i S

層(約

3μ m

厚)をプラズマ

C V D

法

により形成した。

( 3 ) P Z

T

ウエーハと

i S

基板の接着

(

1 )

で製作した

P Z T

ウエーノ、と

) 2 (

で製作した

i S

・ダイヤブラム基薮とを接着した。接着剤は、パールス・ペトロ・プロダクツ社製ペトロポキシ 154 を用いた。接着剤の乾燥条件は

0 8

⁰

C

、

0 1

分とした。この接着条件により得られた接蒼剤の厚みは、約

1μ m

であった。

( 4 ) P Z

T

セラミックスの研磨

(

3 )

で製作した接着済みの試料の

P Z T

セラミック部を研磨機にてセラミック厚

1 0μ m

ま

- 4 1

-第 3章

で研磨加工した。

( 5

) 裏面電極の形成

PZT セラミックの研磨面に裏面電極として電子ビーム蒸着法により Cr 膜(約 00λ 厚5 ) を形成した。

( 6 ) S

i

^{異方性エッチング}

( 2

) において熱酸化により形成した

2 0 i S

摸への異方性エッチング用の窓開けをホトリソグラフィ法により行った。次に、この

2 0 i S

窓をマスクとし、

i S

基板の異方性エッチングを行いダイヤフラム領域を形成した。異方性エッチングの条件は、エッチング液にエチレ

ンジアミン.ピロカテコール水溶液を用い、液温021: ⁰C、エッチンク会時間:0 分とした。01

( 7

) 金黒膜の形成

ダイヤブラム領域の

i S

異方性エッチングにより形成した窓側に、金黒膜を形成した。金黒膜は、Pa400"'60"2 の

N 2

雰盟気中で金をタングステンボードにより蒸着し形成した。金黒膜の厚さは、約 1μm で、光波長 10μm における反射率は約 1%、透過率はほぼ 0%であった。なお、比較のため金黒膜を付けていない素子も製作した。

( 8

) 分離加工

単位素子への分離加工をダイシングソーによって行った。

(9)/'~ ッケージング

製作したチップをインピーダンス変換用電子回路と共に金属パッケージ中に収納した。

-42-第 3章

‘ ‘ ‘

•• ，

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aa-S211111111t

i

P

bQ ， 2 0 r Z ， 0 2 i T (

P o w d e r )

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一一

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一一丸

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D e p o s i t i o

n f f o t n o r e d o r t o e l e

( 3

) ⁰ ⁸ ^I ^凶 ^{g P} ⁿ ^w ^T ^Z ^r ^e ^f ^a ^S ^o ^t ^e ^t ^a ^r ^t ^s ^b ^u ^s ^- ⁱ

( 4

) ^l ^o ^P ^I ^g ⁿ ⁱ ^h ^s ⁱ ^w ^T ^Z ^P ^r ^e ^f ^a (

5 ) ⁿ ^o ⁱ ^t ⁱ ^s ^o ^p ^e ^D ^I ^r ^f ^o ^r ^a ^e ^e ^d ^o ^r ^t ^o ^e ^l ^e

( 6

) ^o ⁱ ^p ^o ^r ^t ^o ^s ⁱ ⁿ ^A ^I ^g ⁿ ⁱ ^t ^o ^t ^E ^S ^f ^o ^ト ^s ^山 ^e ^t ^a ^r ^t

( 7

) ⁿ ^o ⁱ ^t ⁱ ^s ^o ^p ^e ^D ^I ^G ^f ^o ^k ^o ^a ^l ⁸ ^- ^d ^l ^o (

9 ) ^e ^s ^s ^A ^I ^的 ^o ^I ^g ⁿ ⁱ ^s ^f ^p ⁱ ^h ^c ^- ^r ^o ^s ⁿ ^e

函3^・9 バルク薄片タイプ焦電形赤外線センサの製作フローチャート

- 4 3

-第

3

章

3 -4 -3

. 素子製作結果

図

3

^・

1 0

に製作したバルク薄片タイプ焦電センサの素子の走査型電子顕微鏡

( S E M )

写真を示す。)a(は

i S

エッチング側より見た素子全体の外観、(b)は

i S

エッチング部の断面、

( c

)

はPZTI ダイヤブラム部の断面を示す。図より、厚みが約

4μm

、

P Z T

層が約

1 2μ m

となっており、所望とおりの寸法に加工できていることが確認できた。

研露、異方性エッチング等の素子製作過程における

P Z T

セラミックの変質がある場合、

残留結晶歪み等があれば結晶系に変化が見られるものと判断して、 X線屈折による結晶構造解析により評価した。留

1 1 - 3

に素子製作過程における加工前と加工後の

P Z T

セラミッ

クチップのX線屈折パターンの結果を示す。加工の前後で X線回折パターンは、ほとんど変化していない。この結果より、素子製作過程では

P Z T

セラミックの結晶系は大きな影響を受けていないと考えられる。

-44 ー

第 3章

( a )

1 μm

やーー→

←encastubsi-S

100μm

+一一一一→

←PZT -sicmrace

←02/SiNSi

←Adhesive

←PZT -icseramc

10μm

r 、

、，

図

3

^・

0 1

バルク薄片タイプ焦電形赤外線センサチップの

S E M

写真 (

) チップ全体の外観 (b) iS基板の断面化〉ダイヤフラムの断面ーノ

/'¥ 'hu

( c )

- 4 5

-剥け門真〈』〉

権叶口明(吋〉蝋柏崎牢固様凶

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ロ・ ∞ 図

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，

第3章

3 -5

. バルク薄片タイプ焦電形センサの特性及び評価

3 -5 -1

. 特性評価方法

製作したバルク薄片タイプ焦電センサの評価は、信号電圧の測定値より計算した電圧感度

R v

と雑音電圧の測定値より求めた雑音等価入力及び応答速度の測定値により行った。また、バルク薄片タイプ焦電センサの特性の改良度合を評価するために、現状のバルクタイプ焦電センサについても間様の評倍を行った。

臨3^・21は、焦電センサの電子回路留を示す。焦電体チップは、単位素子がそれぞれ矢印のように対向する方向に分極し、 2倍直列に接続されており、一方は赤外線検出、また他方は温度補償用である。焦、電体チップに発生する焦電電荷による電流をオペアンプにより電圧信号に変換し出力する。

図3^・31は、特性評価装置の概要を示す。熱源より輯射された赤外緯は、チョッパによって断続され、光学フィルタを透過した後、焦電センサに入射する。熱源には、温度制御されたNiCr ヒーターを用い、設定温度 1000 ⁰Cとした。この条件で輯射赤外線は波長3μ.2

m付近にピークを有するエネルギー分布をもっ。焦、電センサの設置位置での赤外線強度は 620μW/cm ²であった。赤外線強度の測定には、赤外鰻パワーメータ(LASER PRECISION

社製RK-5100 型)を用いた。このとき焦電センサへの入射赤外娘ノ fワーは、赤外隷強度と素子の電極面積の積によって求められ、 12μW 程度となる。センサの前方には、長波長透過赤外線フィルタを設置した。光学フィルタは、 iS基板上に干渉膜を形成した構造で、透過特性はカットオフ波長 6.5μm で 7.5~14μm で平均透過率 70%以上を有する。赤外様パワーを断続するために、信号出力郡定時には 3枚羽田転チョッパを使用した。検出した信号の分析は、スペクトラムアナライザ(ADVANTEST 製TR9404 型)によった。

-47-図能回

u m

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第 3章

検， ‘ o u

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3

^・

3 1

焦電形赤外掠センサの特性評価装置

- 4 9

^ー

第 3章

3 -5 -2

測定結果

図3^・14は、信号電圧及び雑音電圧の測定結果を示す。これは、周波数 1Hz でチョッゼングした赤外線をセンサに入射したとき、センサから出力される信号電圧とチョッパを止め、センサへの赤外線入射を零としたときにセンサから出力される雑音電圧を示す。 ()a は金黒を形成したバルク薄片タイプの場合、(b)は金黒を形成していないバルク薄片タイプの場合、 ()c は比較のための一般的な金黒を形成しないバルクタイプの場合である。赤外録入力時のセンサ出力の 40秒間における(最大値一最小値)を信号電圧とした。 )c(に示すよう

に、バルクタイプの信号出力が 70mV 程度に対して、(b)のバルク薄片タイプは、 300mV 程度と約 4倍向上しており、さらに()a の金黒を形成したバルク薄片タイプでは、 420mV 程度と 6倍近く向上していることがわかる。一方、雑音電圧はバルクタイプが0.5mV 程度、

バルク薄片タイプは金黒の有無に関係なく、 1mV ^{程度である。}

表3^・2に金黒無しのバルク薄片タイプ焦電センサ4倍、金黒有りのバノレク薄片タイプ焦電センサ2個、及び比較用のバルクタイプ焦電センサ2儒についての測定結果を示す。表には、信号電圧、雑音電正の測定値と信号電圧、雑音電圧より求めた電圧感度 R"" 雑音等価入力NEP を示す。

ここで、

Rv= (信号電圧) / (入射赤外線量) [mV /μW] NEP=( 雑音電庄) / Rv μW]

で、 Rvは単位赤外線入力パワーに対して得られるセンサ出力電庄値を示し、 NEP は雑音電圧値に相当する入射赤外線パワーでセンサの検出限界を示す。また、表3^・2において、

梧対僅はパjレク焦電センサの典型値に対する各特性値の比を示す。

この結果より、バルクタイプとバルク薄片タイプの特性鐘を比較すると、 Rvはバルクタイプが 5.7~7.3mV/μW に対し、バルク薄片タイプは金黒無しの場合、 26.6~28.2m/μV W で 4.0~4.2 倍、金黒有りの場合 36.3~37.9mV/μW で 5.5~5.7 倍改善されている。雑音電圧は、バルクタイプが 0.4~0.5mV に対して、バルク薄片タイプは 0.7~ 1.2mV で1. 4

-50

-第 3章

-2 .4倍に悪化している ^o このため、 NEP はバルクタイプが0X'7."".86 10^・2μW であるのに対して、バルク薄片タイプは金黒無しの場合5X4."'6"2. 10^・2μW で1.5.2'""4 倍、金黒有

りの場合1.3.3'""8 X 1.0 2μW で3.3'""0.2 倍の改善にとどまっている。

また、表3^・2には応答速度の測定値も示す。応答時間は、赤外線断続用のシャツタを院から聞にしステップ状の赤外線入力を与えたとき、センサ出力信号が零からピーク値へ到達するまでの時間である。応答時間は、バルクタイプが 38ms に対してバルク薄片タイプが29""'35ms で10""'20% の改善が確認された。

-51-サFt

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ドキュメント内赤外線吸収方式CO2ガスセンサの性能及び信頼性向上に関する研究 (ページ 47-61)

」 ト

第 3章 焦電形赤外線感受素子の高感度化

Ul 1 」 ト

( ) c

3 -4

. バルク薄片タイプ焦電形センサの製作

3 -4 -1

. 素子構造

8 - 3

i S

2 0 i / S N i S 2 0 i S / N i S /

3

k c a l b - u A C

iμ m

0 5 3

m

z O . 5 五 品

t 3 t

0 1 f t

3

IR 0 i S

S i

A d h e s i v e T Z C c i l l o r e

l e c t r o d e

- 4 0

3 -4 -2

. 製作方法

( l ) P Z

T

P b O

2 0 Z r

2 0 i T

P Z T

P Z T

3 0 m m X 3 0 m m X 0 . 3 m m

P Z T

P Z T

r C

5 0 0 A

1 X 2 m m 2 /

X 2

( 2 ) S

i

2 0 i S

S i N

S

i

5 m m ( 0 . 3

) 0 0 1 (

2 0 i S

5 . μ 0

2 0 i S

P Z T

i S

N i S / 2 0 i S / N i S

3μ m

C V D

( 3 ) P Z

T

i S

(

1

)

P Z T

) 2 (

i S

0 8

C

0 1

1μ m

( 4 ) P Z

T

(

3

)

P Z T

1 0μ m

- 4 1

( 6 ) S

i

」ト

第 3章焦電形赤外線感受素子の高感度化

Ul 1 」ト

z O . 5 ^五 ^品

一一

一一

一一丸

) ⁰ ⁸ ^I ^凶 ^{g P} ⁿ ^w ^T ^Z ^r ^e ^f ^a ^S ^o ^t ^e ^t ^a ^r ^t ^s ^b ^u ^s ^- ⁱ

) ^l ^o ^P ^I ^g ⁿ ⁱ ^h ^s ⁱ ^w ^T ^Z ^P ^r ^e ^f ^a (

) ⁿ ^o ⁱ ^t ⁱ ^s ^o ^p ^e ^D ^I ^r ^f ^o ^r ^a ^e ^e ^d ^o ^r ^t ^o ^e ^l ^e

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) ^e ^s ^s ^A ^I ^的 ^o ^I ^g ⁿ ⁱ ^s ^f ^p ⁱ ^h ^c ^- ^r ^o ^s ⁿ ^e

ロ・ ∞ 図

( 。 ) 。。

・・