(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板上に一定の間隙をおいて設けた一対のＰｔからなる電極と、該電極上に両電極およびその間隙をまたぐように成膜されたＰｄＯからなる薄膜状の半導体を有することを特徴とする位置検出素子。
【請求項２】
絶縁性基板上に一定の間隙をおいて設けた一対の金属からなる電極を設け、該電極上に両電極およびその間隙をまたぐように半導体を構成する金属元素の有機金属錯体の有機金属薄膜を成膜した後、大気中で焼成することにより薄膜状の半導体を形成することを特徴とする位置検出素子の製造方法。
【請求項３】
前記有機金属薄膜を金属元素の有機金属錯体を溶媒に溶解した溶液を塗布して成膜する請求項２記載の位置検出素子の製造方法。
【請求項４】
前記有機金属薄膜を金属元素の有機金属錯体を溶媒に溶解した溶液をインクジェットを用いて成膜する請求項２記載の位置検出素子の製造方法。
【請求項５】
前記半導体が酸化物からなる請求項２記載の位置検出素子。
【請求項６】
請求項１記載の位置検出素子を用いた位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光スポットの位置を検出する半導体位置検出素子、その製造方法およびそれを用いた位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光スポットの位置を検出する半導体位置検出としては、２分割フォトディテクタ（ＰＤ）やＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｖｉｃｅ）などがある。２分割ＰＤは２つのＰＤを逆向きに直列に接続するように１チップに作り込み、それぞれの領域のアースからみた同極性の出力信号の差をとることで光スポットの位置を検出するもので、例えば、特許第２６０３６１６号などにその動作や該素子を用いた位置検出装置が示されている（図１１参照、但しアースは不図示）。
【０００３】
これと概ね同様な構成であるが、２つのＰＤからの差と和を計算し、それらの商を計算することで位置検出精度を向上させた装置もある（特開平０５−００７１４６号公報、図１２参照）。
【０００４】
一方、ＰＳＤは、図１３に示すような構造のものが実用されている。ＰＳＤはシリコンフォトダイオードを応用した光スポットの位置検出センサで、非分割型の素子であり、連続した電気信号力が得られ、位置分解能において優れている。同図に示すように、高抵抗シリコン基板５１（ｉ層）の表面側にｐ型抵抗層５２（ｐ層）を形成するとともに、裏面にｎ層５３を形成し、ｐ型抵抗層の両側には光電流を取り出すための一対の信号取り出し電極５４、５５を形成し、また、ｎ型には逆バイアスを印加するため共通電極５６を形成している。光の入射位置で生成された光電流は、入射位置から一対の信号取り出し電極５４、５５までの距離に逆比例した形で抵抗分割され、出力される。そして、得られた２つの光電流の比によって、光の入射位置を所定方向（一対の信号取り出し用電極を結ぶ直線方向）で求めることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
通常、２分割ＰＤは、１チップに併設された２つの受光領域をもったＰＤが形成されるが、その境目には１０μｍ程度の間隙（ギャップ）がある。この領域は、２分割されたＰＤのクロストークを回避するために必要なものである。そこで、２分割ＰＤに使用する光スポットは２分割領域に十分にまたがって照射されるような径の光が用いられ、当然、前記間隙よりも十分に大きいものである。よって、上記間隙よりも小さいミクロンオーダー径の光スポットを用いた場合は、その位置は検出困難となる。
【０００６】
一方、ＰＳＤはシリコンフォトダイオードを応用した光スポットの位置検出センサで、非分割型の素子であるから、連続した電気信号力が得られ、位置分解能、応答性において優れており、上記２分割ＰＤでは困難であったミクロンオーダー径の光スポットの検出も可能である。しかし、その構造は複雑であり、単結晶半導体をベースに微量不純物の量や分布の制御によるｐｎ接合の形成には高度な製法技術が要求され、結果コストも高価となる。
【０００７】
本発明の目的は、この様な従来技術の欠点を改善し、ミクロンオーダーの小さい光スポット径に対しても、検出できるような位置検出分解能をもち、しかも低コストで簡易に製造できる位置検出素子、その製造方法およびそれを用いた位置検出装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、絶縁性基板上に一定の間隙をおいて設けた一対のＰｔからなる電極と、該電極上に両電極およびその間隙をまたぐように成膜されたＰｄＯからなる薄膜状の半導体を有することを特徴とする位置検出素子である。
【００１０】
また、本発明は、絶縁性基板上に一定の間隙をおいて設けた一対の金属からなる電極を設け、該電極上に両電極およびその間隙をまたぐように半導体を構成する金属元素の有機金属錯体の有機金属薄膜を成膜した後、大気中で焼成することにより薄膜状の半導体を形成することを特徴とする位置検出素子の製造方法である。
【００１１】
前記有機金属薄膜を金属元素の有機金属錯体を溶媒に溶解した溶液を塗布して成膜するのが好ましい。
前記有機金属薄膜を金属元素の有機金属錯体を溶媒に溶解した溶液をインクジェットを用いて成膜するのが好ましい。
前記半導体が酸化物からなるのが好ましい。
また、本発明は、上記の位置検出素子を用いた位置検出装置である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、位置検出素子を以下に示す構成とした。
すなわち、絶縁性基板上に一定の間隙をおいて配置された一対の金属からなる電極（金属電極と記す）と、該電極上に該両電極およびその間隙をまたぐように成膜された薄膜状の半導体（薄膜半導体と記す）からなることを特徴とする位置検出素子である。
【００１３】
また、半導体が酸化物からなることを持徴とする上記に記載の位置検出素子であり、さらには金属電極がＰｔからなり、薄膜半導体がＰｄＯからなることを特徴とする位置検出素子である。
【００１４】
加えて、酸化物半導体を構成する金属元素の有機金属錯体を溶媒に溶かし、これをインクジェットを用いて成膜し、大気中で焼成することにより酸化物半導体を作成することにより安価に該素子を提供できる。
【００１５】
本発明は薄膜半導体と金属電極の接合面に形成されたショットキーバリアにおける光起電力を利用したものであるが、上記構成の素子によれば、２つの電極のどちらか片方にのみ光スポットが位置している場合、その電極の電圧の極性ともう一つの電極の電圧の極性が逆となる。よって、予め金属電極材料と薄膜半導体材料の組み合せで決る極性を確認しておけば、両電極の電位差の方向で該位置検出素子の間隙のどちら側に光スポットが位置しているのかが判別される。
【００１６】
さらに、２つの電極にまたがるように光スポットが位置している場合は、それぞれの電極に照射される光スポットの照射面積に応じて、極性が逆の電圧がそれぞれその領域に発生し、その差分の電圧が両電極に発生する。最終的に、両電極からの出力電圧がほばゼロとなるところが光スポットが該素子の間隙の中心に位置しているときである。この電極間隙の幅を任意に設定することで、ミクロンオーダー径の光スポットの位置を検出することが可能である。
このような機能を有した位置検出素子が、単純な構造と比較的簡易な方法で作製できるため、安価で提供できる。
【００１７】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の位置検出素子の一実施態様を示す概略図である。本発明の位置検出素子は、ガラス基板からなる絶縁性基板１上に、金属電極２、３を電極間隙４を任意にとって配置し、その上に薄膜半導体５を形成してなるものである。
【００１８】
絶縁性基板の材料は絶縁物ならば何でもよいが、使用環境に応じて耐熱性、ガス放出、化学的安定性などを考慮する必要がある。
電極材料は金属一般であればよく、例えばＮｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｇなどが挙げられる。膜厚は数十ｎｍから数百μｍの範囲であればよいが、薄膜半導体の電極エッジでのカバレッジやコストなどを考えると、電気的に十分な導通がとれる範囲でできるだけ薄い方が望ましく、特に数十ｎｍ〜数μｍが好ましい。
【００１９】
電極間隙は、位置の検出分解能を決める重要な要素であり、光スポットととの相対的な大きさで位置検出機能が左右されるが、常に光スポットの大きさ＞電極間隙幅の関係を満たすことが必要である。概ね間隙幅は数十ｎｍ〜数十μｍの範囲が望ましい。
【００２０】
成膜方法は加熱蒸着、スパッタ、ＣＶＤ、印刷などを用いることができる。
パターニングはコンベショナルなフォトリソやレーザー／ＦＩＢなどによるトリミングによっても作製することができる。
【００２１】
薄膜半導体材料は、電極金属とショットキーバリアを形成するものが選ばれる。半導体としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰなど、酸化物半導体としてはＰｄＯ（ｐ）、ＳｎＯ２  （ｎ）、ＮｉＯ（ｐ）、ＶＯ２  （ｎ）、ＺｎＯ（ｎ）などが挙げられる（（）内は半導体の伝導型を示す）。
【００２２】
薄膜半導体の成膜方法は、スパッタ、反応性スパッタ、ＣＶＤ、スピンコート、インクジェットなどを用いることができる。特にスピンコートやインクジェットなどを用いて、有機金属錯体を塗布し、大気中で焼成することで得られる酸化物半導体の場合、プロセスが全て大気中で行えるため、比較的容易に安価に素子を作製することができる。
【００２３】
薄膜半導体の膜厚は、金属電極との界面において照射した光が到達しなければならないことから、サブミクロンオーダー以下、望ましくは数十ｎｍが好適である。
【００２４】
該薄膜半導体のパターニングは本素子の特性を決める上で不可欠なものであり、その理由については後述の素子の動作のところで詳述する。パターニングの手法はフォトリソ→リフトオフ、レーザーやＦＩＢなどによるトリミングが使用でき、インクジェットを用いる場合はマスクレスで成膜できる。
【００２５】
照射する光の波長は、半導体のバンドギャップ相当以上のエネルギーが望ましい。波長のそろった光強度の強いレーザー光であればより望ましいが、可視域の波長を含む光源（例えば、キセノンランプなど）であっても良い。また、より短波長のＵＶ、Ｘ線なども用いることができる。
【００２６】
このようにして作製した素子の動作を図２、図３および図４を用いて説明する。
いま、光スポット６の径Ｄｐ＞電極間隙４の幅ｔという関係を満たしており、光スポットの断面形状は概ね円で中心ほど光強度が強いような分布をしているとする。
【００２７】
例えば、今、２つの電極２、３のうち、電極３上の薄膜半導体５に光スポット６が位置している場合（図２）、電極３と薄膜半導体５の間には光起電力が発生する。この時、電極２には電極３と逆極性の電圧が発生している。これは電極２は薄膜半導体５が発生する電圧の極性と同じ極性になるからである。よって、予め電極金属材料と薄膜半導体材料の組み合せで決る極性を確認しておけば、両電極の電位差の方向を測定することで電極３の方に光スポット６が位置していることが判別される。
【００２８】
なお、電極間隙から光スポットの距離が遠ざかるにつれて、両電極に発生する起電力は低下する（図４）。これは光照射部において発生したキャリアが、そこから間隙までの間の非光照射部の薄膜半導体／金属電極界面において再結合するためである。よって、間隙に最も近い電極エッジ付近に光スポットが近づいた時、起電力の絶対値は最大になる。
【００２９】
光を検出できる間隙からの距離は、生成キャリアの再結合による起電力の低下の程度と、検出できる電圧によって決ってくる。上述した薄膜半導体、金属電極においては、検出する最低電圧を数十マイクロボルトとすると、間隙から光を検出できる距離の範囲は概ね数ミリオーダーで、望ましくは数百ミクロン以下が好適である。
【００３０】
このような非光照射部における生成キャリアの再結合は、光照射部の間隙とは反対側の非光照射部においても発生する。そのため、この光照射部の間隙とは反対側の非光照射部の範囲が広い（電極方向に長い）とキャリアの再結合する距離も長くなり、その分電極から取り出せる電圧は低下する。このような理由から、薄膜半導体の形成される範囲には制約があり、本発明の位置検出素子において薄膜半導体のパターニングは必要不可欠である。薄膜半導体の形成される範囲としては、前記と同様に考えて、間隙から数ミリオーダー、好ましく数百μｍ以下が望ましい。
【００３１】
２つの電極２、３にまたがるように光スポット６が位置している場合は（図３）、それぞれの電極に照射される光スポット６の照射面積に応じて、極性が逆の電圧がそれぞれその領域に発生し、その差分の電圧が両電極に発生する。よって、両電極２、３をまたがるように光スポット６が移動した場合の電極２に対する電極３の電位差は図４のように変化する。最終的に、両電極からの出力電圧がほぼゼロとなるところが光スポット６が該位置検出素子の間隙４の中心に位置しているときである。
【００３２】
このように本発明による位置検出素子は、位置検出を極性で判断するというクリティカルな挙動を利用していることから、光スポットの位置を敏感に検出できる。さらに、電極間隙４の幅を狭くしていくこととの相乗効果で、より高精度に径の小さな光スポットの位置を検出することができる。
【００３３】
従来例で述べたように、通常の２分割ＰＤは、その接続部がアースにバイアスされ、このアースからみたそれぞれのＰＤの出力の差分から位置を検出するが、本発明の位置検出素子は２つのＰＤの半導体層が直列に接続されているのみで、その接続部はアースに落ちていないので（等価回路を図５に示す）、素子からの出力そのものが２つのＰＤの差分となる。このように、ハード的に差動作用があるため、位置検出装置としてのシステムを組んだときに、作動増幅期や割り算器が不要で、回路構成を簡略化できうる。
【００３４】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。
【００３５】
実施例１
図１と同様の構成の位置検出素子を製造した。図６〜図８はその製造方法を示した工程図である。図１および図６〜図８を用い、本実施例の位置検出素子の製造方法を説明する。
【００３６】
絶縁性基板１として石英基板を用い、これを洗剤、純水および有機溶剤により十分に洗浄（図６（ａ））後、レジスト材ＲＤ−２０００Ｎのレジスト１０を２５００ｒｐｍ、４０秒でスピンナー塗布し、８０℃、２５分加熱してプリベークした（図６（ｂ））。
【００３７】
電極間隙はｌ０μｍ、電極間隙方向の長さは５ｍｍ、電極間隙方向と直角方向の長さ２０ｍｍの電極形状に対応するマスクを用いて密着露光し、ＲＤ−２０００Ｎ用現像液で現像した（図６（ｃ））。１２０℃、２０分加熱してポストベークした。
【００３８】
電極の材料として導電性を有するものであればどのようなものであっても構わないが、本実施例では金属Ｐｔを用いた。Ａｒ雰囲気中のスパッタリングで膜厚が３００ｎｍになるまで蒸着した（図６（ｄ））。
【００３９】
アセトンでリフトオフし、アセトン、イソプロピルアルコール、つづいて酢酸ブチルで洗浄後、乾燥し金属電極２、３を形成した（図６（ｅ））。両電極間に電極間隙４が設けられた。
【００４０】
クロム１１を基板全面に５００Åの厚さに蒸着した（図６（ｆ））。
レジスト材ＡＺｌ３７０を２５００ｒｐｍ、３０秒でスピンナー塗布し、９０℃、３０分加熱しプリベークした（図７（ｇ））。
次いで、薄膜半導体を塗布するパターンを有するマスクを用いて露光し（図７（ｈ））、現像液ＭＩＦ３１２で現像した（図７（ｉ））。その後、１２０℃、３０分加熱しポストベークした。
【００４１】
次に、（ＮＨ４  ）Ｃｅ（ＮＯ３  ）６  ／ＨＣｌＯ４  ／Ｈ２  Ｏ＝１７ｇ／５ｃｃ／１００ｃｃの組成の溶液に３０秒浸漬し、クロムをエッチングした（図８（ｊ））。
次に、アセトン中、１０分間超音波撹拌してレジストを剥離した（図８（ｋ））。その後、酢酸パラジウムジプロピルアミンを酢酸ブチルを溶媒とし、８００ｒｐｍ、３０秒スピンナー塗布し、有機金属薄膜５ａを形成した（図８（１））。これを、空気中で３００℃、１時間焼成し、酸化パラジウム（ＰｄＯ）を主体とする薄膜半導体５を形成した。
【００４２】
その後、クロムをリフトオフした（図８（ｍ））。
このようにして作製した素子に、波長〜６００ｎｍ、スポット径〜０．５ｍｍφの半導体レーザーを電極３上のＰｄＯに照射したところ、電極３には電極２に対して約−ｌｍＶ程度の電位差が生じた。これとは逆に電極２上のＰｄＯに照射したところ、今度は約ｌｍＶの電位差が電極３に生じた。
【００４３】
次に、電極２から電極３の方向に向かってレーザー光を移動させ、電極間隙をまたぐようにレーザー光が照射されると電位差は次第に小さくなり、電極間隙に光の中心が位置した時に概ね０Ｖになった。そこを過ぎると電位差の極性は反転し（電極３はマイナスを示す）、電極３上のＰｄＯに照射される光の照射の面積が増加するとともに電位差の絶対値は大きくなってゆく。電極２に対する電極３の電位差の光の位置に対する変化は図４のようになる。
このように、単純な素子構造で、両電極の電位差から照射される光の位置を検出することができる。
【００４４】
実施例２
実施例１と同様な方法で、石英基板上にＰｔ電極を形成する。ただし、電極間隙はｌμｍとした。酢酸パラジウムジプロピルアミンを酢酸ブチルを溶媒とし、バブルジェットを用いて、バブルジェットヘッド７から有機金属からなるドット状の有機金属薄膜５ｂを形成した。ドットの径は約１００μｍφであった。これを、空気中で３００℃、１時間焼成し、酸化パラジウム（ＰｄＯ）を主体とする薄膜半導体５を形成した（図９→図８（ｍ）の工程に相当）。ＰｄＯの膜厚は、約１０ｎｍであった。
【００４５】
バブルジェットを用いた場合、ＰｄＯのパターニングが不要でプロセスの短縮、短時間化でき効率化でき、材料の無駄がなく省エネルギーなどのメリットがある。なお、ピエゾジェットを用いても同様に薄膜半導体５を成膜することができる。
【００４６】
この素子に、Ａｒレーザー（５１４．５ｎｍ）、スポット径〜ｌμｍφを電極間隙近傍に照射して、レーザーを固定した状態で、素子をｌμｍピッチで左右に移動させ、電極２に対する電極３の電位差を測定した。レーザー光が間隙の近傍を横切る時に、ｌμｍの移動で、電位差の極性が反転することが確認できた。
【００４７】
このように、電極間隙で位置分解能を向上させることが可能で、ＦＩＢなどによって電極間隙を形成すれは数十ｎｍの間隙形成も可能であり、さらなる位置分解能の向上が達成できる。
【００４８】
実施例３
本発明による位置検出素子は、ハード的に作動作用があるため、位置検出装置としてシステムを組んだ場合、従来例図１１、１２で示したような差動増幅器や割り算器を不要にできる。例えば、従来例図１１、１２と同様なシステムを組んだ場合、図１０のようにシンプルな構成が可能である。
【００４９】
すなわち、図１０に示す様に、投光素子３１を含む光学系手段と、位置検出素子８と、演算判別部３６からなる位置検出装置において、本発明による位置検出素子８からの出力は前述したように２つの検出領域の差として出力されるために、差動増幅器や割り算器を介さず直接位置情報が得られる。よって、この出力を増幅器９を通し、比較器４２において位置決めのためのしきし値設定回路４３からの値と比較し、被検物３０の位置を知ることができる。さらに、被検物３０の位置の制御装置（不図示）に、この出力をフィードバックすれば、被検物３０を所定の位置に移動させることができる。このように、単純な回路構成で位置検出装置を提供できる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明による位置検出素子は、極性で判断されるため位置検出がクリティカルな領域で判断されることと電極間隔で位置検出精度を決定できるために位置検出精度に優れる。
【００５１】
また、構造が単純で作製方法が容易であるため安価で作製することができる。さらに、本発明の位置検出素子を用いた位置検出装置は、ハード的に差動作用があるため、位置検出のための差動増幅器、割り算器などの演算回路部が不可欠でなく、回路構成を簡略化できうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位置検出素子の一実施態様を示す概略図である。
【図２】本発明による位置検出素子の動作を説明するための図である。
【図３】本発明による位置検出素子の動作を説明するための図である。
【図４】本発明による位置検出素子の出力信号を示す説明図である。
【図５】本発明による位置検出素子の等価回路図である。
【図６】本発明による位置検出素子の製造方法の前工程を示す工程図である。
【図７】本発明による位置検出素子の製造方法の中工程を示す工程図である。
【図８】本発明による位置検出素子の製造方法の後工程を示す工程図である。
【図９】本発明による位置検出素子の他の製造方法の一部を示す説明図である。
【図１０】本発明による位値検出素子を用いた位置検出装置を示す概略図である。
【図１１】従来の位置検出装置の例（２分割フォトタイオードを用いた位置検出装置）を示す説明図である。
【図１２】従来の位置検出装置の例（２分割フォトタイオードを用いた位置検出装置）を示す説明図である。
【図１３】従来の位置検出素子（ＰＳＤの素子断面構造図）を示す説明図である。
【符号の説明】
１  絶縁性基板
２  金属電極
３  金属電極
４  電極間隙
５  薄膜半導体
５ａ，５ｂ  有機金属薄膜
６  光スポット
７  バブルジェットヘッド
８  本発明による受光素子（位置検出素子）
９  増幅器
１０  レジスト
１１  Ｃｒ
２０  複合型フォトダイオード
２１、２２  増幅器
２３  差動増幅器
２４  波形整形回路
２５  出力回路
３０  被検物
３１  投光素子
３２  投光レンズ
３３  投光部
３４  受光レンズ
３５  受光素子
３６  演算判別部
３７  Ｉ／Ｖ変換器
３８  Ｉ／Ｖ変換器
３９  減算器
４０  加算器
４１  割り算器
４２  比較器
４３  しきし値設定回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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