JP6413070B2 - 赤外線検出素子、及び赤外線検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、赤外線の受光により赤外線検出素子が発熱し、この温度の上昇により変化する電気的性質を検知する、赤外線検出素子、及びその赤外線検出素子を用いた赤外線検出装置に関するものである。

赤外線検出素子には、温度変化によって表面に電荷を生じる焦電体材料を利用した焦電型、温度変化によって抵抗値が変化する抵抗ボロメータ材料を利用した抵抗ボロメータ型、温度差で熱起電力を生じるゼーベック効果を利用した熱電対（サーモパイル）型等の熱型赤外線検出素子がある。

図８、図９は、焦電体材料を用いた従来の熱型の赤外線検出素子であり、対向して設けられた支持部５０Ａ、５０Ｂを介して、赤外線受光部６０が基板６５に設けられた空洞６６に浮いて設けられている。

赤外線受光部６０は、上面視においてダイアフラム基部６１が矩形状に形成され、このダイアフラム基部６１の上に、下部電極層６２、赤外線を受光する焦電体層６３、上部電極層６４が順次積層されている。

２つの支持部５０Ａ、５０Ｂには、支持部基部５１の上に配線５２Ａ、５２Ｂが夫々形成され、一方の支持部の配線５２Ａは赤外線受光部６０の下部電極層６２に接続され、他方の支持部の配線５２Ｂは赤外線受光部６０の上部電極層６４に接続されている。夫々の支持部５０Ａ、５０Ｂの上層には絶縁膜５３が形成されている。

このような赤外線受光部６０を基板６５から離間した構造は、入射した赤外線を吸収して昇温した赤外線受光部６０の熱を基板６５に拡散し難くした断熱構造であり、これにより赤外線検出感度を高めることができる。

特開２０００−２３０８５９号公報

このような従来の赤外線検出素子は、赤外線受光部と支持部とが接続する連結部近傍に応力が加わり、連結部近傍が変形し易くなっている。この変形により、使用環境において、連結部が破損したり、支持部に接する赤外線受光部の焦電体層にクラックが生じて感度が低下し、信頼性が低下するという課題があった。

本発明は、信頼性に優れた赤外線検出素子を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明は、空洞を有する基板と、下部電極層と上部電極層とに挟まれた焦電体層を有する赤外線受光部と、前記空洞において前記赤外線受光部を支持する支持部と、を備え、前記赤外線受光部の焦電体層が前記支持部に延在し、前記焦電体層が延在するに従い前記焦電体層の膜厚が小さくなる傾斜部が前記支持部の一部に設けられた、赤外線検出素子である。

以上のように本発明によれば、焦電体層の傾斜部を設けることにより、連結部近傍における支持部の機械的強度を改善し連結部近傍の変形を抑制でき、また赤外線受光部の集電体層における支持部近傍の側面が補強される。そのため赤外線受光部の焦電体層にクラックが生じ難くなり、信頼性を向上することができる。

実施の形態における赤外線検出素子のＡ−Ａ断面模式図 実施の形態における赤外線検出素子の上面模式図 実施の形態における赤外線受光部のＢ−Ｂ断面模式図 実施の形態における一方の支持部の横断面模式図 実施の形態における他方の支持部の横断面模式図 実施の形態における上部平坦部を有する傾斜部を示す断面模式図 実施の形態における下部平坦部を有する傾斜部を示す断面模式図 実施の形態における赤外線検出装置の構成を示すブロック図 従来の赤外線検出素子のＣ−Ｃ断面模式図 従来の赤外線検出素子の上面模式図

（実施の形態）
図１は、実施の形態における赤外線検出素子の断面模式図、図２は同上面模式図である。

図１、図２に示すように、実施の形態の赤外線検出素子は、凹部状に形成された空洞１３を有する基板１２と、入射した赤外線のエネルギーを電気的信号に変換する赤外線受光部１５と、基板１２の枠部１４に接続され、赤外線受光部１５を空洞１３において空中に保持する支持部２０Ａ、２０Ｂとを備えている。

基板１２の空洞１３は、基板１２の一主面における中央に設けられ、枠部１４は空洞１３の開口部の外周に設けられている。

基板１２の構成材料は、例えば、Ｓｉ等の半導体材料、ステンレス、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｇ等の金属材料、ＭｇＯ等の金属酸化物やＣａＦ₂等の単結晶材料、ホウケイ酸ガラス等のガラス材料、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂等のセラミック系材料を用いることができる。基板１２の空洞１３は、ウェットエッチング法などを用いて基板１２をエッチングすることにより形成することができる。

また、絶縁体層２１が基板１２の上に形成され、絶縁体層２１は、基板１２の主面と略平行に延在され、支持部２０Ａ、２０Ｂと赤外線受光部１５の基部を構成している。

絶縁体層２１は、ＳｉＯ₂等のシリコン酸化物を主成分とする絶縁性材料を用いている。また、絶縁体層２１として、ＳｉＮ、シリコン窒化膜（ＳｉＯＮ）等のシリコン窒化物、ＨｆＯ₂などを用いてもよい。

図３に示すように、赤外線受光部１５は、下部電極層２２、焦電体層２３、上部電極層２４が順次積層された検出部を有し、検出部は赤外線受光部１５の全体に設けられた絶縁体層２１の少なくとも一部の上に設けられている。

赤外線検出素子は、焦電効果を用いて赤外線を検知する。赤外線受光部１５の焦電体層２３には焦電体が用いられ、焦電体層２３は、赤外線により焦電体の温度が上昇すると焦電体表面の分極が変化し、その結果、下部電極層２２と上部電極層２４に電荷が生じる。この電荷を電気信号として外部に取り出すことにより、赤外線を検知できる。

この焦電型の赤外線検出素子は、熱型赤外線検出素子の中では信号出力が高く、雑音出力が低いためＳ／Ｎ比が高く、低コストで人体検知が可能であるため、自動照明や機器の消費電力削減のための自動スイッチとして広く使用されている。

焦電体層２３の焦電体は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分とするペロブスカイト型酸化物強誘電体を用いることができ、例えば、ＰＺＴを主成分としてＬａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ａｌ等の元素をＰＺＴの元素の一部と置換したものが挙げられる。ＰＺＴは正方晶系の（００１）面に配向したものが好ましく、赤外線検出感度を高めることができる。

他の焦電体の構成材料として、ＰＭＮ（化学式Ｐｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃） やＰＺＮ（化学式Ｐｂ（Ｚｎ₁／３Ｎｂ_2/3）Ｏ₃）を用いることができる。

また、下部電極層２２の構成材料は、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ₃）、コバルト酸ランタンストロンチウム（（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ₃）、マンガン酸ランタンストロンチウム（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃）などを主成分とするペロブスカイト型酸化物を用いることができ、これらの酸化物は金属的電気伝導性を有している。またはＡｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｃｒ等の金属材料、これらのうち少なくとも１種を含む合金を用いることができる。

上部電極層２４の構成材料は、Ａｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｃｒ等の金属材料、これらのうち少なくとも１種を含む合金を用いることができる。これらの金属の単層で構成されてもよく、複数の層が積層した積層体で構成されてもよい。上部電極層２４は、例えばＴｉとＡｕとが順次積層されたものとすることができる。上部電極層２４の膜厚は、５〜５００ｎｍの範囲が用いられる。

図２に示すように、赤外線受光部１５は、空洞１３の開口部に略矩形状に設けられている。赤外線受光部１５は、この矩形形状に限らず、丸形、多角形等に設けられてもよい。支持部２０Ａ、２０Ｂは、赤外線受光部１５の外周から突出して細長く直線状に設けられている。また支持部２０Ａ、２０Ｂは、この直線形状に限らず、Ｌ字型等に折り曲げられて設けられてもよい。

赤外線受光部１５は、少なくとも２つの支持部２０Ａ、２０Ｂによって、空洞１３の表面から離間され、基板１２の枠部１４との接続面積が小さくなっているため、赤外線受光部１５の熱が基板１２に拡散することを抑制でき、基板１２に対して熱絶縁性が高い構造となっている。

２つの支持部２０Ａ、２０Ｂは、赤外線受光部１５の中心に対し互いに対向して配設されている。

この２つの支持部２０Ａ、２０Ｂの他に、他の支持部を設けてもよい。他の支持部は、赤外線受光部１５の中心に対し互いに対向して配設されている。他の支持部には引出配線を設けないことが好ましく、赤外線受光部１５の熱絶縁性を高めることができる。

さらに、赤外線受光部１５の上層に赤外線吸収層２５が設けられることが好ましく、赤外線検出感度を向上できる。図３に示すように、赤外線吸収層２５は赤外線受光部１５の上部全体を被覆している。

赤外線吸収層２５の構成材料は、ＳｉＯ₂や、白金黒膜、金黒膜と呼ばれるような金属黒膜等を用いることができる。

図１に示すように、仮想線１Ｃと仮想線２Ｃ間が赤外線受光部１５であり、仮想線１Ｃと仮想線１Ｄ間が一方の支持部２０Ａであり、仮想線２Ｃと仮想線２Ｄ間が他方の支持部２０Ｂである。

一方の支持部２０Ａには、下部電極層２２と接続される導電性の下部引出配線２７が設けられ、他方の支持部２０Ｂには、上部電極層２４と接続される導電性の上部引出配線２８が設けられている。

また、一方の支持部２０Ａの下部引出配線２７と他方の支持部２０Ｂの上部引出配線２８は、夫々下部電極層２２、上部電極層２４と同じ構成材料を用いている。これにより製造工程を簡略化できる。

なお、下部引出配線２７、上部引出配線２８は、下部電極層２２、上部電極層２４と異なる金属等の導電性材料を用いてもよい。

下部引出配線２７、上部引出配線２８は、赤外線受光部１５の電気信号を赤外線検出素子の外部に取り出すための外部引出部４２に接続されている。外部引出部４２は、例えば、電気信号を処理する信号処理回路に接続される。

赤外線受光部１５の焦電体層２３は、上面視において赤外線受光部１５と同形状に形成され、赤外線受光部１５の外周縁に沿って設けられている。

さらに、赤外線受光部１５と支持部２０Ａ、２０Ｂとが接続される連結部４０に隣接する赤外線受光部１５の焦電体層２３が、支持部２０Ａ、２０Ｂに延在して支持部２０Ａ、２０Ｂの少なくとも一部に設けられている。

支持部２０Ａ、２０Ｂに延在した焦電体層２３は、連結部４０近傍において傾斜部３０を形成している。傾斜部３０は、集電体層２３が赤外線受光部１５から離れる方向に延在するに従い、焦電体層２３の膜厚が徐々に小さくなっている。焦電体層２３の傾斜部３０を設けることにより、赤外線受光部１５の焦電体層２３にクラックが生じ難くなり、赤外線検出素子の信頼性を向上することができる。

傾斜部３０において、一方の支持部２０Ａでは、絶縁体層２１、下部引出配線２７、傾斜部３０の焦電体層２３が順次積層され、他方の支持部２０Ｂでは、絶縁体層２１、傾斜部３０の焦電体層２３、上部引出配線２８が順次積層され、さらに一方と他方の支持部２０Ａ、２０Ｂの上層には赤外線吸収層２５が積層されている。

図１に示すように、傾斜部３０の上端から下端に向かって焦電体層２３の膜厚が連続して小さくなっている。傾斜部３０の上端は赤外線受光部１５の焦電体層２３に連結し赤外線受光部１５の焦電体層２３と同じ膜厚であり、傾斜部３０の下端では焦電体層２３がなくなり、傾斜部３０の下端から基板１２の枠部１４間では焦電体層２３が設けられていない。このように傾斜部３０より先で焦電体層２３が設けられていないため、赤外線受光部１５の熱が支持部２０Ａ、２０Ｂを介して拡散することを抑制でき、赤外線検出感度の低下を低減できる。

図４Ａ、図４Ｂは、支持部２０Ａ、２０Ｂの延在方向に垂直な傾斜部３０の断面を示す。傾斜部３０の焦電体層２３は支持部２０Ａ、２０Ｂの幅全体に渡って設けられている。一方の支持部２０Ａでは、下部引出配線２７が絶縁体層２１と焦電体層２３に囲まれ、他方の支持部２０Ｂでは、上部引出配線２８が焦電体層２３と赤外線吸収層２５に囲まれ、これにより下部引出配線２７、上部引出配線２８が保護されている。

図５は、支持部２０Ａ、２０Ｂの焦電体層２３に傾斜部３０の上端３０Ａに連結する上部平坦部３１を設けた場合を示す。上部平坦部３１は、略一定の膜厚に設けられ、赤外線受光部１５の焦電体層２３に連結し赤外線受光部１５の焦電体層２３と略同じ膜厚であり、傾斜部３０の下端では膜厚が０となり、傾斜部３０の下端から基板１２の枠部間では焦電体層２３を設けられていない。

上部平坦部３１を設けることにより、赤外線受光部１５と支持部２０Ａ、２０Ｂとの連結部４０近傍における支持部２０Ａ、２０Ｂの機械的強度を改善でき連結部４０近傍の変形を抑制でき、信頼性をさらに向上することができる。

図６は、支持部２０Ａ、２０Ｂの焦電体層２３に傾斜部３０の下端３０Ｂに連結する下部平坦部３２を設けた場合を示す。下部平坦部３２は、傾斜部３０の下端３０Ｂから基板１２の枠部間に渡って設けられ、略一定の膜厚に設けられ、傾斜部３０の下端３０Ｂの略同じ膜厚である。一方、傾斜部３０の上端は赤外線受光部１５の焦電体層２３と同じ膜厚に設けられる。

下部平坦部３２を設けることにより、支持部２０Ａ、２０Ｂ全体の機械的強度を改善でき、連結部４０近傍に加わる応力を低減でき、信頼性をさらに向上させることができる。

また、支持部２０Ａ、２０Ｂの焦電体層２３に、傾斜部３０に連結する上部平坦部３１と下部平坦部３２とを設けてもよい。

次に、本実施の形態の赤外線検出素子の製造方法について説明する。

まず、空洞を形成していない基板の上に、順に絶縁体層、下部電極層、焦電体層、上部電極層、赤外線吸収膜を形成した積層膜を準備する。

基板は、焦電体層より線熱膨張係数が大きいものを用いることが好ましく、焦電体層の成膜過程において熱応力による圧縮応力を成膜する膜に印加することができる。具体的には鉄やクロムを主成分とするＳＵＳ４３０等のステンレスを用いている。この圧縮応力により焦電体層は分極軸である（００１）方向への選択的に配向し、高い焦電係数γが得られる。

次に、積層膜の製造方法は、基板の上に絶縁体層を形成するためにシリコン酸化物前駆体溶液を塗布し、シリコン酸化物前駆膜を形成する。そしてシリコン酸化物前駆膜を加熱により緻密化し、シリコン酸化物の絶縁体層を形成する。

続いて、絶縁体層の上に下部電極層と下部引出配線となる下部導電膜を形成する。下部導電膜は、ニッケル酸ランタン（以降「ＬＮＯ」と記す）を主成分とする材料が好ましく、下部電極層のＬＮＯの単位格子と焦電体層のＰＺＴの単位格子との格子整合性をとることができ、焦電体層を配向制御することができる。

下部導電膜を形成するためにＬＮＯ前駆体溶液を塗布し、ＬＮＯ前駆体膜を形成する。その後、ＬＮＯ前駆体膜を急速加熱し結晶化させ、下部導電膜を形成する。なお、ＬＮＯ系材料からなる下部導電膜は、スパッタリング法等の気相成長法や、水熱合成法等の種々の公知の成膜方法を用いても良い。

次に、フォトリソグラフィ法などを用いて下部導電膜上に下部電極層と下部引出配線に対応するマスクを形成し、ドライエッチング法やウェットエッチング法などを用いて下部導電層をパターニングした後、マスクを除去する。これにより、下部電極層と下部引出配線が形成される。

さらに、下部電極層と下部引出配線を含む基板の主面の上にＰＺＴ前駆体溶液を塗布し、ＰＺＴ前駆体膜を形成する。そしてＰＺＴ前駆体膜を加熱し、ＰＺＴ前駆体膜を結晶化させ、ＰＺＴ膜を形成する。ＰＺＴ膜をパターニングすることにより、焦電体層が形成される。さらに焦電体層をエッチングして傾斜部を形成する。

次に、焦電体層の上にイオンスパッター等のドライプロセスにより上部導電膜を形成する。上部導電膜をパターニングすることにより、上部電極層と上部引出配線が形成される。最後に、赤外線吸収膜がプラズマＣＶＤ法により最上層に形成される。このようにして積層膜を形成する。

続いて、積層膜を形成した後、開口部となる基板の一部を露出させた後、さらに絶縁体層の裏面が、基板表面から離間させるまでウェットエッチングを行う。このようにして赤外線検出素子を作製する。

次に、赤外線検出素子を用いた赤外線検出装置を示す。この赤外線装置は一例を示し、これに限定されない。

図７は、赤外線検出装置の構成を示すブロック図である。光学系ブロックは、赤外線の入射光を集光するレンズや赤外線を選択的に透過するフィルタ等の光学部材を有する。赤外線が光学系ブロックを介して赤外線センサに受光される。赤外線は、人体等の対象物に照射した赤外線ビームの反射光、対象物の移動等により遮蔽される赤外線ビーム、人から放出された赤外線等が利用できる。

赤外線センサは、単数の赤外線検出素子、２次元的にマトリックス状に配列された複数の赤外線検出素子、又は一列に配列された複数の赤外線検出素子を有する。複数の赤外線検出素子に対応して、光学系ブロックにレンズアレイを用いてもよい。

信号処理回路は、赤外線検出素子の出力信号を増幅する増幅回路、アナログデジタル変換回路等を有し、赤外線検出素子の出力信号を入力し、物体検知信号、物体の移動信号や動作信号、画像信号、温度信号等を出力する。

赤外線検出装置は、入射光がチョッパなどによって変調されている場合には、チョッパを制御する制御回路、同調増幅回路を用いることができる。物体検出を示すランプ、画像信号等を表示するモニター、温度信号等を記録するメモリ等の記録媒体等を有していてもよい。

以上のように、本発明を用いることで、赤外線受光部の焦電体のクラックの発生を低減し信頼性を向上できる赤外線検出素子を提供することが可能であることから、本発明の赤外線検出素子は、人感センサ、赤外線カメラ、サーモグラフィー、ナイトビジョン等の電子機器の用途に有用である。

１２ 基板
１３ 空洞
１４ 枠部
１５ 赤外線受光部
２０Ａ、２０Ｂ 支持部
２１ 絶縁体層
２２ 下部電極層
２３ 焦電体層
２４ 上部電極層
２５ 赤外線吸収層
２７ 下部引出配線
２８ 上部引出配線
３０ 傾斜部
３１ 上部平坦部
３２ 下部平坦部
４０ 連結部

Claims (4)

1. 空洞を有する基板と、
   下部電極層と上部電極層とに挟まれた焦電体層を有する赤外線受光部と、
   前記空洞において前記赤外線受光部を支持する支持部と、を備え、
   前記赤外線受光部の焦電体層が前記支持部に延在し、前記焦電体層が延在するに従い前記焦電体層の膜厚が小さくなる傾斜部が前記支持部の一部に設けられ、
   前記支持部の焦電体層は、前記傾斜部の上端に連結する上部平坦部を有する赤外線検出素子。
2. 前記支持部の焦電体層は、前記傾斜部の下端に連結する下部平坦部を有する請求項１に記載の赤外線検出素子。
3. 空洞を有する基板と、
   下部電極層と上部電極層とに挟まれた焦電体層を有する赤外線受光部と、
   前記空洞において前記赤外線受光部を支持する支持部と、を備え、
   前記赤外線受光部の焦電体層が前記支持部に延在し、前記焦電体層が延在するに従い前記焦電体層の膜厚が小さくなる傾斜部が前記支持部の一部に設けられ、
   前記支持部の焦電体層は、前記傾斜部の下端に連結する下部平坦部を有する赤外線検出素子。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の前記赤外線検出素子を用いた赤外線検出装置。
   

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