(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、この基板上に設けられた第一の電極上に薄膜焦電体を形成しその上に、第一の電極の熱伝導率より小さな熱伝導率を有する材料からなる第二の電極を形成した赤外線検出部と、前記赤外線検出部が接する前記基板の表層部に設けた空洞と、前記赤外線検出部が前記基板で支えられるように設けた保持体とから構成される焦電型赤外線検出素子において、基板の空洞を形成していない同一表面上の領域に第一の電極材料と同一材料を用いて外部接続端子を設け、前記赤外線検出部と外部接続端子を電気的に接続する第一の電極の引き出し部の材料が第二の電極と同じ材料あるいは第一の電極の熱伝導率より小さな熱伝導率を有する材料のいずれかである焦電型赤外線検出素子。
【請求項２】
第二の電極または第一の電極の引き出し部の材料がＴａ，Ｔｉ，Ｓｎ，Ａｌ−Ｃｕ合金、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ａｌ−Ｔｉ合金、またはＣｕ−Ｚｎ合金等のいずれかからなる請求項１記載の焦電型赤外線検出素子。
【請求項３】
保持体は少なくとも５０％以上の領域に穴を備えかつその厚さが２μｍ以下の構成とした請求項１記載の焦電型赤外線検出素子。
【請求項４】
１つの基板上に少なくとも２個以上のマトリックス状に構成された赤外線検出部の厚み方向の両端で発生した電気信号は、第二の電極と同一材料あるいは第一の電極の熱伝導率より小さな熱伝導率を有する材料のいずれかを用いた引き出し部を介して外部接続端子を引き出す構成とした請求項１記載の焦電型赤外線検出素子。
【請求項５】
マトリックス状に構成された赤外線検出部どうしは第二の電極と同一材料あるいは第一の電極の熱伝導率より小さな熱伝導率を有する材料のいずれかを用いた引き出し部で電気的に接続された請求項１記載の焦電型赤外線検出素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は焦電体を用いて赤外線を検出する焦電型赤外線検出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
焦電型赤外線検出素子は、人体または物体の有無・位置・動作・温度等の情報を非接触で検出できる利点を活かして、電子レンジでの調理材の温度測定・エアコンでの室内温度制御あるいは自動照明コントロール・自動ドア・警報装置での人体検知などに利用されており、今後さらにその利用分野は拡大していくと見られている。
【０００３】
焦電型赤外線検出素子は強誘電体の焦電効果を利用したセンサで、強誘電体材料は一様に分極する性質を有し、一様に分極した状態では正および負の電荷を帯びている。大気中に放置された状態では、大気中の浮遊電荷と結合して電気的に中性状態を保っている。すべての物体は温度に応じた赤外線エネルギーを放出しており、物体から放出された赤外線エネルギーが焦電体で構成する赤外線検出素子の赤外線検出部に入射されると焦電体に温度変化が生じ、そのとき分極が変化することにより焦電体表面に電荷が誘起される。このとき誘起された電荷を電圧または電流として検出している。
【０００４】
以下に、従来の焦電型赤外線検出素子について説明する。
図８（ａ），（ｂ）は従来の焦電型赤外線検出素子の構成図を示すものである。図において焦電型赤外線検出素子は、８１は基板、８２ａ，８２ｂは電極、８３は焦電体薄膜、８４ａ，８４ｂは有機膜、８５は開口部の構成からなる。
【０００５】
以上のように構成された焦電型赤外線検出素子について、以下にその製造方法について説明する。まず基板８１として（１００）酸化マグネシウム（以下、（１００）ＭｇＯと略す）を用い、その上に焦電体薄膜８３としてランタンを添加したチタン酸鉛（以下、ＰＬＴと略す）をメタルマスクを用いて所定の形状に高周波マグネトロンスパッタ法によりエピタキシャル成長させる。次に層間絶縁膜として有機膜８４ａをフォトリソグラフィで所定の形状にパターニングし、エッチング形成する。そして、それら上部に電極８２ａとしてＮｉ−Ｃｒ合金薄膜を真空蒸着法で形成し、フォトリソグラフィおよび湿式エッチングで所定の形状にパターニング形成する。さらに、それら上部に保持体として有機膜８４ｂをフォトリソグラフィで所定の形状にパターニングし、エッチング形成する。続いて、焦電体薄膜８３を形成した（１００）ＭｇＯ基板面をレジストで保護し、焦電体薄膜８３の領域を裏面からエッチングし、開口部８５を形成する。最後に（１００）ＭｇＯ基板８１を取り除いた側に、電極８２ｂとしてＮｉ−Ｃｒ合金薄膜を真空蒸着法で形成し、フォトリソグラフィおよび湿式エッチングで所定の形状にパターニング形成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の方法では、赤外線検出部での熱応答性を向上させて赤外線検出部の感度を良好にしようとした場合、赤外線検出部と全体を保持している（１００）ＭｇＯ基板８１との間隔を十分にとり、熱伝導を小さくして熱の逃げを最小限にする必要がある。このためには、開口部８５をより大きくする必要があるが、赤外線検出部を保持する有機膜８４ａ，８４ｂの内部応力の影響が強くなり、焦電体薄膜８３および電極８２ａ，８２ｂの断線・歪み・破壊を生じるという問題点を有していた。
【０００７】
また、有機膜８４ａ，８４ｂの内部応力での電極８２ａ，８２ｂの引き出し部の断線を避けるため、特に電極８２ｂの引き出し部のパターン幅を焦電体薄膜のパターン形状と同程度にしてあるので、電極の引き出し部から（１００）ＭｇＯ基板８１への熱の伝達量が大きくなっている。さらに赤外線検出部を保持する有機膜８４ｂは、赤外線検出部上層から基板にかけて一体構造になっているので、赤外線検出部に入射する赤外線エネルギは前記有機膜で熱エネルギとして吸収されると同時に、吸収された熱エネルギはこれを介して（１００）ＭｇＯ基板８１へ逃げてしまう。従ってこの構成では、赤外線検出部での熱吸収量が少なく、検出感度が十分に得られないといった問題点を有している。
【０００８】
本発明はこのような上記問題点を解決するものであり、感度・熱応答性に優れ、低コスト・小型化・集積化が可能で生産性に富んだ信頼性の高い焦電型赤外線検出素子を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の焦電型赤外線検出素子は、基板と、この基板上に設けられた第一の電極上に薄膜焦電体を形成しその上に、第一の電極の熱伝導率より小さな熱伝導率を有する材料からなる第二の電極を形成した赤外線検出部と、前記赤外線検出部が接する前記基板の表層部に設けた空洞と、前記赤外線検出部が前記基板で支えられるように設けた保持体とから構成される焦電型赤外線検出素子において、基板の空洞を形成していない同一表面上の領域に第一の電極材料と同一材料を用いて外部接続端子を設け、前記赤外線検出部と外部接続端子を電気的に接続する第一の電極の引き出し部の材料が第二の電極と同じ材料あるいは第一の電極の熱伝導率より小さな熱伝導率を有する材料のいずれかである焦電型赤外線検出素子としたものである。
【００１０】
この構成とすることにより、感度、熱応答性に優れた焦電型赤外線検出素子が得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、基板と、この基板上に設けられた第一の電極上に薄膜焦電体を形成しその上に、第一の電極の熱伝導率より小さな熱伝導率を有する材料からなる第二の電極を形成した赤外線検出部と、前記赤外線検出部が接する前記基板の表層部に設けた空洞と、前記赤外線検出部が前記基板で支えられるように設けた保持体とから構成される焦電型赤外線検出素子において、基板の空洞を形成していない同一表面上の領域に第一の電極材料と同一材料を用いて外部接続端子を設け、前記赤外線検出部と外部接続端子を電気的に接続する第一の電極の引き出し部の材料が第二の電極と同じ材料あるいは第一の電極の熱伝導率より小さな熱伝導率を有する材料のいずれかである焦電型赤外線検出素子を構成し、この構成によって空洞が小さくできて引き出し部への歪を緩和し断線、破壊を抑制でき、基板への熱伝達を抑え感度、熱応答性の優れたものとすることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、第二の電極または第一の電極の引き出し部の材料がＴａ，Ｔｉ，Ｓｎ，Ａｌ−Ｃｕ合金、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ｓｎ合金、Ａｌ−Ｔｉ合金、またはＣｕ−Ｚｎ合金等のいずれかからなる請求項１記載の焦電型赤外線検出素子であり、基板への熱伝導を抑制することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、保持体は少なくとも５０％以上の領域に穴を備えかつその厚さが２μｍ以下の構成とした請求項１記載の焦電型赤外線検出素子であり、基板への熱伝導を抑制することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、１つの基板上に少なくとも２個以上のマトリックス状に構成された赤外線検出部の厚み方向の両端で発生した電気信号は、第二の電極と同一材料あるいは第一の電極の熱伝導率より小さな熱伝導率を有する材料のいずれかを用いた引き出し部を介して外部接続端子を引き出す構成とした請求項１記載の焦電型赤外線検出素子であり、基板への熱伝導を抑制し、集積度を高めるものである。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、マトリックス状に構成された赤外線検出部どうしは第二の電極と同一材料あるいは第一の電極の熱伝導率より小さな熱伝導率を有する材料のいずれかを用いた引き出し部で電気的に接続された請求項１記載の焦電型赤外線検出素子であり、基板への熱伝導を抑制し、集積度を高めるものである。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１および図２は、本発明の第一の実施の形態における焦電型赤外線検出素子の構成を示す平面図および断面図である。図１および図２において、１１は基板、１２ａは第一の電極、１２ｂは第一の電極の引き出し部、１３は外部接続端子、１４は焦電体薄膜、１５ａは第二の電極、１５ｂは第二の電極の引き出し部、１６は層間絶縁膜、１７は赤外線検出部の保持体、１８は空洞である。
【００１９】
以上のように構成された焦電型赤外線検出素子について、以下にその製造方法について説明する。まず基板１１として（１００）酸化マグネシウム（以下、（１００）ＭｇＯと略す）を用い、前記（１００）ＭｇＯ基板１１上に第一の電極１２ａとして１５０ｎｍ程度の膜厚を有する白金（以下、Ｐｔと略す）薄膜をマグネトロンスパッタ法により、基板温度：６００℃、入射電力密度：０．１６Ｗ／ｃｍ2、スパッタガス雰囲気：Ａｒ／Ｏ2＝２／１、ガス圧：１．０６Ｐａの成膜条件のもとエピタキシャル成長させる。
【００２０】
次にその上層に、焦電体薄膜１４としてＰｂＴｉＯ3あるいはＰｂ1-xＬａxＴｉ1-x/4Ｏ3等の焦電材料からなる薄膜を高周波マグネトロンスパッタ法により、基板温度：６００℃、入射電力密度：１．６Ｗ／ｃｍ2、スパッタガス雰囲気：Ａｒ／Ｏ2＝９／１、ガス圧：１Ｐａの成膜条件のもとエピタキシャル成長させる。このとき（１００）ＭｇＯ基板１１と焦電体薄膜１４の熱膨張係数の差により、焦電体薄膜１４の結晶格子がキューリ点を境に歪み、基板面に対して垂直方向にＣ軸が伸びることにより一方向の自発分極が現れる。
【００２１】
次に焦電体薄膜１４をフォトリソグラフィおよび湿式エッチングで所定の形状にパターニング形成し、続いて第一の電極１２ａもフォトリソグラフィおよび乾式エッチングで所定の形状にパターニング形成する。このとき同時に、第一の電極の引き出し部１２ｂと外部接続端子１３をそれぞれパターニング形成し、外部接続端子１３の一方と第一の電極の引き出し部１２ｂを介して第一の電極１２ａとが電気的に接続している。
【００２２】
次に層間絶縁膜１６として感光性を有するポリイミド系樹脂を用いて、その前駆体をフォトリソグラフィで所定の形状にパターニングし、３００℃程度の温度雰囲気でイミド化を促進し、熱硬化させる。このとき、少なくとも焦電体薄膜１４と第二の電極１５ａが、直接電気的に接続できる領域と、それを除く部分の５０％以上の領域で穴を設けるパターニング形状とする。
【００２３】
次にそれら上層に第二の電極１５ａとして２０ｎｍ程度の膜厚を有するＮｉ−Ｃｒ合金薄膜をスパッタ法により、基板温度：１００℃、入射電力密度：０．５５Ｗ／ｃｍ2、スパッタガス雰囲気：Ａｒ、ガス圧：１Ｐａの成膜条件のもとで形成する。その後、フォトリソグラフィおよび湿式エッチングにより、所定の形状にパターニング形成する。このとき同時に、第二の電極１５ａの引き出し部１５ｂを第二の電極１５ａと電気的につながった状態にパターニング形成し、さらにもう一方の外部接続端子１３と電気的に接続する。
【００２４】
次に、保持体１７として感光性を有するポリイミド系樹脂を用いて、その前駆体をフォトリソグラフィで所定の形状にパターニングし、３００℃程度の温度雰囲気でイミド化を促進し、熱硬化させる。このとき、赤外線検出部にかかる部分を除く５０％以上の領域で穴を設けるパターニング形状とする。
【００２５】
最後に、赤外線検出部を同一表面上から（１００）ＭｇＯ基板１１の特定領域にフォトリソグラフィで作製したエッチング用保護マスクを介して空洞１８をエッチング形成する。このときのエッチング液として、濃度：１０％、液温：８０℃の燐酸を用いる。その結果、エッチング時間６０分のとき、空洞の大きさは水平方向：０．３ｍｍ、垂直方向０．０８ｍｍであることを確認している。
【００２６】
上記のように本実施の形態の焦電型赤外線検出素子の構成によれば、赤外線検出部が（１００）ＭｇＯ基板１１の表層部に設けた空洞１８上を５０％以上の領域で穴がパターニングされている多穴構造のポリイミド系樹脂の保持体１７を介して支持されているので、従来の焦電型赤外線検出素子の開口部に比べて非常に小さくなり、開口部の拡大に伴う赤外線検出部および電極の引き出し部への歪みを緩和できるので断線・破壊を抑制することができている。また入射赤外線エネルギに対して赤外線検出部の熱応答性の高速化が図れる。さらに赤外線検出部と基板１１上の外部接続端子との距離に対して十分に長い、具体的には２倍以上の長さの引き出し電極と保持体の多穴構造により、基板への熱伝導を十分に抑えられるので赤外線検出部での熱吸収量が増大し、検出感度を向上させることができる。加えて熱時定数が増大することにより、特に低速物体検知での大きな出力応答を得ることができる。
【００２７】
また、上記素子構成では、集積化・小型化が可能な信頼性の高い赤外線検出素子を実現できる。
【００２８】
本実施の形態では、第一の電極１２ａとして（１００）面にエピタキシャル成長したＰｔ薄膜を用いている。これは、焦電体薄膜１４および基板１１との格子整合性に優れているので、焦電体薄膜１４のＣ軸方向へのエピタキシャル成長を促進する効果がある。さらに化学的に非常に安定で、高温酸化雰囲気中でも熱酸化しないという特徴を有しているためである。第二の電極１５ａとしてＮｉ−Ｃｒ合金薄膜を用いているが、請求項５に挙げたいずれの材料を用いても本実施の形態と同様の効果が得られていることは確認している。さらに、本実施の形態では層間絶縁膜１６および保持体１７としてポリイミド系樹脂を使用したが、これに限るものではなく、１０10Ωｃｍ以上の体積抵抗率を有する膜で耐熱温度が高く信頼性に優れているものであれば、他の有機膜やガラス系無機膜でもかまわない。
【００２９】
（実施の形態２）
図３および図４は、本発明の第二の実施の形態における焦電型赤外線検出素子の構成を示す平面図および断面図である。図３および図４において、１１は基板、１２ａは第一の電極、１２ｂは第一の電極の引き出し部、１３は外部接続端子、１４は焦電体薄膜、１５ａは第二の電極、１５ｂは第二の電極の引き出し部、１６は層間絶縁膜、１７は赤外線検出部の保持体、１８は空洞である。
【００３０】
本発明の第二の実施の形態における焦電型赤外線検出素子の基本構成および基本的な製造方法は、本発明の第一の実施の形態で示したものと同様である。本発明の第一の実施の形態と異なるのは、第一の電極１２ａと外部接続端子１３との電気的接続方法である。本発明の第二の実施の形態では、第一の電極１２ａをフォトリソグラフィおよび乾式エッチングで所定の形状にパターニング形成するとき、第一の電極１２ａの引き出し部１２ｂとの接続パッドを設けるとともに、外部接続端子１３も同時形成しておく。
【００３１】
次に前記接続パッドと重なり合う層間絶縁膜１６の位置にスルーホールを形成する。そして第二の電極１５ａの形成と同時に、Ｎｉ−Ｃｒ合金薄膜を用いて第一の電極の引き出し部１２ｂを形成し、それを介して第二の電極１５ａと電気的に接続されていないもう一方の外部接続端子１３と第一の電極１２ａを電気的に接続する。
【００３２】
上記のように本実施の形態の焦電型赤外線検出素子の構成によれば、第一の電極１２ａの引き出し電極１２ｂを第一の電極材料の熱伝導率より小さい材料を用いることにより、基板への熱伝達を十分に抑えられるので赤外線検出部での熱吸収量が増大し、検出感度・熱時定数をさらに向上させることができる。また特に、低速物体検知での大きな出力応答を得ることができる。
【００３３】
本実施の形態では、上記引き出し電極１２ｂの材料を第二の電極１５ａの材料と同一のものを使用したが、これに限るものではなく、第一の電極材料より熱伝導率が小さくほどほどの電気伝導率があれば、他の単体金属や合金または低抵抗半導体でもかまわない。
【００３４】
（実施の形態３）
図５および図６は、本発明の第三の実施の形態における焦電型赤外線検出素子の構成を示す平面図および断面図である。図５および図６において、１１は基板、１２ａは第一の電極、１２ｂは第一の電極の引き出し部、１３は外部接続端子、１４は焦電体薄膜、１５ａは第二の電極、１５ｂは第二の電極の引き出し部、１６は層間絶縁膜、１７は赤外線検出部の保持体、１９は赤外線検出部と引き出し電極の保護膜、１８は空洞である。
【００３５】
本発明の第三の実施の形態における焦電型赤外線検出素子の基本構成および基本的な製造方法は、本発明の第一および第二の実施の形態で示したものと同様である。本発明の第一および第二の実施の形態と異なるのは、赤外線検出部を層間絶縁膜１６で保持し、赤外線検出部と引き出し電極の領域のみに保護膜１９を具備する点である。
【００３６】
上記のように本実施の形態の焦電型赤外線検出素子の構成によれば、赤外線検出部で吸収される熱エネルギが、保持体１７および層間絶縁膜１６を介して起こる基板１１への熱の逃げを最小限度に抑えることができるので赤外線検出部での熱吸収量が増大し、なお一層、検出感度を向上させることができる。加えて熱時定数が増大することにより、特に低速物体検知での大きな出力応答を得ることができる。
【００３７】
本実施の形態では層間絶縁膜１６および引き出し電極保護膜１９としてポリイミド系樹脂を使用したが、これに限るものではなく、１０10Ωｃｍ以上の体積抵抗率を有する膜で耐熱温度が高く信頼性に優れているものであれば、他の有機膜やガラス系無機膜でもかまわない。
【００３８】
（実施の形態４）
図７は、本発明の第四の実施の形態における焦電型赤外線検出素子の構成を示す平面図である。図７において、１１は基板、１２ａは第一の電極、１２ｂは第一の電極の引き出し部、１３は外部接続端子、１４は焦電体薄膜、１５ａは第二の電極、１５ｂは第二の電極の引き出し部、１６は層間絶縁膜、１７は赤外線検出部の保持体、１９は赤外線検出部と引き出し電極の保護膜、１８は空洞である。
【００３９】
本発明の第四の実施の形態における焦電型赤外線検出素子の基本構成および製造方法は、本発明の第一、第二および第三の実施の形態で示したものと同様である。本発明の前記実施の形態と異なるのは、赤外線検出部をマトリックス状に形成しているところで、赤外線検出部どうしが第二の電極１５ａと同一材料あるいは第一の電極１２ａの熱伝導率より低い材料を用いた引き出し電極で接続し、本発明の第三の実施の形態と同様に、赤外線検出部と引き出し電極上のみに保護膜１９を形成する点である。
【００４０】
上記のように本実施の形態の焦電型赤外線検出素子の構成によれば、保持体１７および引き出し電極を介して起こる赤外線検出部の間での熱クロストークを最小限抑えることができるので、各々の赤外線検出部での熱吸収量が増大し、検出感度および熱時定数を向上させることができる。これにより、近距離、中距離における物体の微弱な動きを検知できる高速・高出力マトリックス赤外線素子が実現できる。
【００４１】
本実施の形態では２行２列のマトリックス素子を使用したが、これに限るものではなく、多次元化していくことにより、さらに高分解能・高感度化が実現できるものである。
【００４２】
以上のように本発明によれば、基板と、この基板上に設けられた第一の電極上に薄膜焦電体を形成しその上に、第一の電極の熱伝導率より小さな熱伝統率を有する材料からなる第二の電極を形成した赤外線検出部と、前記赤外線検出部が接する前記基板の表層部に設けた空洞と、前記赤外線検出部が前記基板で支えられるように設けた保持体とから構成される焦電型赤外線検出素子において、基板の空洞を形成していない同一表面上の領域に第一の電極材料と同一材料を用いて外部接続端子を設け、前記赤外線検出部と外部接続端子を電気的に接続する第一の電極の引き出し部の材料が第二の電極と同じ材料あるいは第一の電極の熱伝導率より小さな熱伝導率を有する材料のいずれかである焦電型赤外線検出素子とすることにより、引き出し部または保持体を介して起こる基板あるいは隣接する赤外線検出部への熱エネルギの伝達を最小限抑えることができるので、赤外線検出部での熱吸収量が増大し、検出感度・熱時定数を向上させることができ、これにより高感度・高分解能を実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態における焦電型赤外線検出素子の平面図
【図２】同焦電型赤外線検出素子の断面図
【図３】本発明の第二の実施の形態における焦電型赤外線検出素子の平面図
【図４】同焦電型赤外線検出素子の断面図
【図５】本発明の第三の実施の形態における焦電型赤外線検出素子の平面図
【図６】同焦電型赤外線検出素子の断面図
【図７】本発明の第四の実施の形態における焦電型赤外線検出素子の平面図
【図８】（ａ），（ｂ）は従来の焦電型赤外線検出素子の平面図と断面図
【符号の説明】
１１  基板
１２ａ  第一の電極
１２ｂ  第一の電極の引き出し部
１３  外部接続端子
１４  焦電体薄膜
１５ａ  第二の電極
１５ｂ  第二の電極の引き出し部
１６  層間絶縁膜
１７  保持体
１８  空洞
【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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