DE102007033717A1

DE102007033717A1 - Optischer Gaskonzentrationsdetektor und Verfahren zur Herstellung einer in dem Detektor verwendeten Struktur

Info

Publication number: DE102007033717A1
Application number: DE200710033717
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Kariya Wado; Kazuhiko Kariya Kanoh
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2008-01-31
Also published as: JP4984706B2; JP2008023627A; US20080190175A1; US7807061B2

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur durch dreidimensionale Bearbeitung eines flachen Bauteils weist einen Vorbereitungsschritt, einen ersten Ausbildungsschritt und einen zweiten Ausbildungsschritt auf. In dem Vorbereitungsschritt wird ein Substrat (110) vorbereitet. In dem ersten Ausbildungsschritt wird eine Ätzmaske (200) auf dem Substrat (110) ausgebildet. Die Ätzmaske (200) weist wenigstens zwei Öffnungen auf, und die Flächen der zwei Öffnungen unterscheiden sich voneinander. In dem zweiten Ausbildungsschritt wird wenigstens ein Teil einer dreidimensionalen Oberflächenform der Struktur auf einer Oberfläche des Substrats (110) durch einen Trockenätzvorgang an dem Substrat (110) in Übereinstimmung mit der Fläche der Öffnung der Ätzmaske (200) ausgebildet.

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft einen optischen Gaskonzentrationsdetektor und ein Verfahren zum Herstellen einer in dem Detektor verwendeten Struktur.
Ein Gasmolekül weist eine Eigenschaft auf, Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge zu absorbieren, und diese Eigenschaft wird in einer Vielzahl von Gaskonzentrationsdetektoren verwendet. Die Intensität eines durch das Gasmolekül absorbierten Lichts hängt von einer optischen Weglänge des zu messenden Lichtes und einer zu erfassenden Gaskonzentration ab. Daher benötigt der Detektor eine lange optische Weglänge, wenn die Gaskonzentration extrem niedrig ist. So kann es sein, dass eine Größe des Gaskonzentrationsdetektors groß wird.
JP-A-2005-147962 offenbart einen Gaskonzentrationsdetektor. Licht mit der vorbestimmten Wellenlänge tritt in eine Gaszelle des Gaskonzentrationsdetektors, in welchem ein vorbestimmtes Gas vorhanden ist, ein. Ein in der Gaszelle angeordneter ebener Spiegel führt mehrfache Reflexionen des Lichts aus, und das reflektierte Licht wird empfangen, um die Gaskonzentration zu erfassen. So kann die optische Weglänge durch die Mehrfachreflexionen verlängert werden. Daher kann die Gaszelle mit einer vergleichsweise geringen Größe eine vergleichsweise lange optische Weglänge sicherstellen. Ferner kann Gas mit vergleichsweise niedriger Konzentration Licht in ausreichendem Maße absorbieren.
Der vorstehend beschriebene Gaskonzentrationsdetektor benötigt ein Paar von Spiegeln, insbesondere konkaven Spiegeln, die in der Lage sind, Licht in der Gaszelle einzuschließen. Der konkave Spiegel ist aus einem Material wie z.B. Si, Ge oder ZnSe hergestellt, welches bewirkt, dass Licht hindurchtritt, und das Licht weist eine Wellenlänge auf, die vom mittleren Infrarot bis zum fernen Infrarot reicht, um die Gaskonzentration zu erfassen. Wenn jedoch der konkave Spiegel aus diesem Material hergestellt ist, muß eine Oberfläche des konkaven Spiegels nach maschineller Verarbeitung geschliffen werden. In diesem Fall kann es sein, dass die Kosten zur Herstellung des konkaven Spiegels steigen. Daher ist es erforderlich, dass die maschinelle Verarbeitung mit hoher Genauigkeit auf einfache Weise durchgeführt wird.
Im Gegensatz dazu offenbart die US 2005/0133478 A1 (entsprechend der JP-A-2005-181961 ) ein Verfahren zum Herstellen eines konkaven Spiegels durch Verwendung eines Siliziumsubstrats (erste Schicht). Insbesondere ist auf der ersten Schicht eine zweite Schicht ausgebildet. Eine Ätzrate unterscheidet sich zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht. Dann wird ein Maskenmuster auf der zweiten Schicht ausgebildet. Danach wird jede Schicht mit einer Ätzrate geätzt. So kann eine Linse auf dem Siliziumsubstrat ausgebildet werden.
In der JP-A-2005-147962 ist jedoch eine Laserdiode (LD) oder eine Licht emittierende Diode (LED) bzw. Leuchtdiode mit einer hohen Richtwirkung erforderlich, um die mehrfachen Reflexionen des Lichts durchzuführen. In diesem Fall kann eine Quantenkaskaden-Laserlichtquelle als eine Lichtquelle verwendet werden, da die Quantenkaskaden-Laserlichtquelle Licht mit einer Wellenlänge gleich oder größer als 2 μm in dem Bereich von dem mittleren Infrarot bis zu dem fernen Infrarot abgeben kann. Wenn die Quantenkaskaden-Laserlichtquelle verwendet wird, kann Gas einen hohen Lichtabsorbtionskoeffizienten aufweisen, sodass das Gas mit einer hohen Empfindlichkeit erfaßt werden kann. Die Quantenkaskaden-Laserlichtquelle ist jedoch teuer, sodass es sein kann, dass die Quantenkaskaden-Laserlichtquelle in der Praxis nicht verwendet wird.
Daher wird im Allgemeinen eine elektrische Glühbirne unter Verwendung eines heißen Drahts (Wärmestrahlung) als die Lichtquelle verwendet. Die elektrische Glühbirne kann Licht mit kontinuierlicher Wellenlänge abgeben, die von einer Temperatur der Lichtquelle abhängt. Die Richtwirkung der elektrischen Glühbirne ist jedoch im Vergleich mit derjenigen der LD oder der LED gering. D.h., ein Lichtstrahl in der in der JP-A-2005-147962 offenbarten Gaszelle ist nicht stabil, so dass die optischen Weglänge nicht stabil sichergestellt werden kann.
Des weiteren wird in der JP-A-2005-181961 die Differenz in der Ätzrate zwischen der ersten und der zweiten Schicht verwendet, um den konkaven Spiegel herzustellen. Aufgrund einer Unebenheit (Abweichung) in einer Dicke der zweiten Schicht kann jedoch eine Unebenheit (Abweichung) in einer Form des konkaven Spiegels erzeugt werden.
Zusätzlich offenbart die JP-A-2003-185803 ein Verfahren zum Ausbilden einer konkaven Oberfläche in einem in einem Substrat ausgebildeten Graben durch Verwendung isoptopen Ätzens. Dieses Verfahren kann dem in der JP-A-2005-181961 offenbarten Verfahren in einem Punkt eines Steuerns der Form des konkaven Spiegels überlegen sein. Um jedoch die mehreren Reflexionen durchzuführen, muß der Spiegel eine Größe in der Größenordnung beispielsweise von Millimetern aufweisen. Das in der JP-A-2003-185803 offenbarte Verfahren ist in der Lage, einen Spiegel mit einer Größe in der Größenordnung von Mikrometern auszubilden, kann jedoch keinen Spiegel mit einer Größe in der Größenordnung von Millimetern ausbilden.
In Anbetracht der vorstehenden und anderer Probleme besteht eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen optischer Gaskonzentrationsdetektor zu schaffen, bei welchem eine lange optische Weglänge auch dann sichergestellt werden kann, wenn eine elektrische Glühbirne als eine Lichtquelle verwendet wird. Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur als ein Spiegel, der in dem optischer Gaskonzentrationsdetektor verwendet wird, anzugeben.
Gemäß einem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen einer Struktur durch dreidimensionales Bearbeiten eines flachen Bauteils einen Vorbereitungsschritt, einen ersten Ausbildungsschritt und einen zweiten Ausbildungsschritt auf. In dem Vorbereitungsschritt wird ein Substrat vorbereitet. In dem ersten Ausbildungsschritt wird eine Ätzmaske auf dem Substrat ausgebildet. Die Ätzmaske weist wenigstens zwei Öffnungen auf, und die Flächen der zwei Öffnungen unterscheiden sich voneinander. In dem zweiten Ausbildungsschritt wird wenigstens ein Teil einer dreidimensionalen Oberflächenform der Struktur auf einer Oberfläche des Substrats durch einen Trockenätzvorgang auf dem Substrat in Übereinstimmung mit der Fläche der Öffnung der Maske ausgebildet.
Gemäß einem zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung weist ein optischer Gaskonzentrationsdetektor zum Messen einer Gaskonzentration einen ersten Spiegel, einen zweiten Spiegel, eine Lichtquelle und eine Detektor auf. Der erste Spiegel weist eine erste konkave Oberfläche als eine Reflexionsfläche auf. Der zweite Spiegel, der mit dem ersten Spiegel ein Paar bildet, weist eine zweite konkave Oberfläche als eine Reflexionsfläche auf. Die Lichtquelle gibt Licht ab. Der Detektor erfaßt eine Intensität von Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge. Die erste konkave Oberfläche und die zweite konkave Oberfläche sind einander gegenüberliegend angeordnet, um einen Raum auszubilden, in welchen ein zu messendes Gas enthaltende Luft eingeführt wird. Der erste Spiegel und der zweite Spiegel führen mehrfache Reflexionen des abgegebenen Lichts zwischen der ersten konkaven Oberfläche und der zweiten konkaven Oberfläche durch.
Demgemäß kann die lange optische Weglänge in dem optischer Gaskonzentrationsdetektor sichergestellt werden.
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden genauen Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen angefertigt wurde, deutlich ersichtlich werden. In den Zeichnungen:
ist 1 ein schematisches Diagramm, welches einen Gaskonzentrationsdetektor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
ist 2 ein Graph, welcher eine Beziehung zwischen einer Grabenbreite und einer Ätzrate zeigt;
ist 3A eine Draufsicht, welche eine Maske auf einem Siliziumsubstrat zeigt, während 3B eine schematische Querschnittsansicht ist, welche die Maske und das Siliziumsubstrat zeigt, und die entlang einer Linie IIIB-IIIB in 3A genommen ist;
ist 4A eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Prozeß zum Ausbilden der Maske zeigt, ist 4B eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Prozeß eines Ätzens zeigt, ist 4C ein schematische Querschnittsansicht, welche einen Prozeß eines Oxidierens zeigt, ist 4D eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Prozeß eines Entfernens zeigt, ist 4E eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Prozeß einer Wärmebehandlung zeigt, und ist 4F eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Prozeß eines Ausbildens eines Reflexionsfilms und eines Antireflexionsfilms zeigt;
ist 5 ein schematisches Diagramm, welches einen Gaskonzentrationsdetektor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
ist 6A eine schematische Draufsicht, welche einen ersten Spiegel in einer Richtung eines Pfeils VIA in 5 zeigt, während 6B eine schematische Querschnittsansicht ist, die entlang einer Linie VIB-VIB in 6A genommen ist;
ist 7A eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Prozeß eines Ausbildens einer Membran zeigt, ist 7B eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Prozeß eines Ätzens zeigt, ist 7C eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Prozeß eines Ausbildens eines Reflexionsfilms und einer Elektrode zeigt, und ist 7D eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Prozeß eines Ausbildens eines Antireflexionsfilms und eines Ätzens zeigt;
ist 8A eine schematische Draufsicht, welche einen ersten Spiegel gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, während 8B eine schematische Querschnittsansicht ist, die entlang einer Linie VIIIB-VIIIB in 8A genommen ist;
ist 9A eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Prozeß eines Ätzens zeigt, ist 9B eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Prozeß eines Ausbildens eines Reflexionsfilms und einer Elektrode zeigt, ist 9C eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Prozeß eines Ausbildens eines Antireflexionsfilms und eines konkaven Teils zeigt, und ist 9D eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Prozeß eines Ausbildens einer Vakuumversiegelungsplatte zeigt;
ist 10A eine schematische Draufsicht, welche einen ersten Spiegel gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, während 10B eine schematische Querschnittsansicht ist, die entlang einer Linie XB-XB in 10A genommen ist;
ist 11A eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Prozeß eines Ausbildens einer Membran zeigt, ist 11B eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Prozeß eines Ausbildens eines Reflexionsfilms, eines Mikroheizelements und einer Elektrode zeigt, und ist 11 C eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Prozeß eines Ausbildens eines Antireflexionsfilms und eines Äztens zeigt;
ist 12 eine Draufsicht, welche eine Maske gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
ist 13A eine schematische Querschnittsansicht, welche einen ersten Spiegel und einen zweiten Spiegel gemäß einer anderen Ausführungsform, bei welcher ein Durchmesser des zweiten Spiegels größer als derjenige des ersten Spiegels ist, zeigt, während 13B eine schematische Querschnittsansicht ist, welche einen ersten Spiegel und einen zweiten Spiegel gemäß einer anderen Ausführungsform, bei welcher der erste bzw. der zweite Spiegel Mikroheizelemente aufweist, zeigt.
(Erste Ausführungsform)
Ein in 1 gezeigter Gaskonzentrationsdetektor Si erfaßt eine Konzentration eines Gases, z.B. CO₂ oder HC, in Luft. Das Gas absorbiert z.B. Licht mit einer Wellenlänge im mittleren infraroten Bereich. Der Gaskonzentrationsdetektor Si mißt eine Gaskonzentration durch Erfassen einer Intensität des Lichts mit der Wellenlänge in dem mittleren infraroten Bereich.
Gemäß der Darstellung in 1 weist der Gaskonzentrationsdetektor Si ein rohrförmiges Gehäuse 10 auf, in welchem ein erster Spiegel 20 und ein zweiter Spiegel 30, der mit dem ersten Spiegel 20 ein Paar bildet, befestigt sind.
Sowohl der erste Spiegel 20 als auch der zweite Spiegel 30 weist eine eben-konkave Struktur auf. Der erste Spiegel 20 weist eine konkave Oberfläche 21 auf, und der zweite Spiegel 30 weist eine konkave Oberfläche 31 auf. Die konkave Oberfläche 21 und die konkave Oberfläche 31 stehen einander gegenüber. Ein Brennpunkt des ersten Spiegels 20 ist näherungsweise im Zentrum der konkaven Oberfläche 31 des zweiten Spiegels 30 angeordnet. Ein Brennpunkt des zweiten Spiegels 30 ist näherungsweise im Zentrum der konkaven Oberfläche 21 des ersten Spiegels 20 angeordnet. D.h., ein Abstand zwischen dem ersten Spiegel 20 und dem zweiten Spiegel 30 entspricht einem Abstand der Brennpunkte zwischen den konkaven Oberflächen 21, 31.
Der Spiegel 20, 30 ist aus einem Material wie etwa Si oder Ge hergestellt, das eine hohe Durchlässigkeit bezüglich infraroten Lichts aufweist. Die konkave Oberfläche 21, 31 des Spiegels 20, 30 weist hierauf einen Reflexionsfilm auf und weist einen hohen Reflexionskoeffizienten auf, der gleich oder größer als 90% ist. In der ersten Ausführungsform weist die konkave Oberfläche 21, 31 den Reflexionskoeffizienten von 95% auf. Zwischen dem Paar der Spiegel 20, 30 eingeleitetes Licht kann eine optische Weglänge aufweisen, die zehnmal länger als der Abstand zwischen den Spiegeln 20, 30 ist.
Der Spiegel 20 weist eine flache Seite 22 auf, die der konkaven Oberfläche 21 gegenüberliegt, und der Spiegel 30 weist eine flache Seite 32 auf, die der konkaven Oberfläche 31 gegenüberliegt. Die flache Seite 22, 32 weist einen Antireflexionsfilm hierauf auf und weist einen vergleichsweise niedrigen Reflexionskoeffizienten auf. Die konkave Oberfläche 21, 31 weist einen Durchmesser von beispielsweise 3 mm auf.
Das Gehäuse 10 weist ein Luftloch 11, 13 zwischen den Spiegeln 20, 30 auf. Gas 40 tritt durch das Luftloch 11, 13 in das Gehäuse 10 ein. Hierdurch wird das Gas 40 in einem Raum 12, der durch eine Innenwand des Gehäuses 10 und die konkaven Oberflächen 21, 31 der Spiegel 20, 30 ausgebildet ist, eingeschlossen.
Eine Lichtquelle 50 ist an einem ersten Ende des Gehäuses 10 befestigt. Das erste Ende des Gehäuses 10 steht der flachen Seite 22 des ersten Spiegels 20 gegenüber. Die Lichtquelle 50 weist eine Licht abgebende Quelle (nicht näher dargestellt) auf. Die Licht abgebende Quelle ist eine Infrarotlichtquelle und weist ein Filament einer hohen Temperatur von z.B. etwa 1000° Celsius auf. So kann die Lichtquelle 50 Licht mit einer Wellenlänge im Infrarotbereich abgeben.
Von der Lichtquelle 50 abgegebenes Licht tritt durch den ersten Spiegel 20 hindurch und wird in den Raum 12 des Gehäuses 10 eingeführt. Die Spiegel 20, 30 führen mehrere Reflexionen des eingeführten Lichts zwischen den konkaven Oberflächen 21, 31 durch.
Des weiteren ist ein Bandpassfilter 60 an einem zweiten Ende des Gehäuses 10 befestigt. Das zweite Ende des Gehäuses 10 steht der flachen Seite 32 des zweiten Spiegels 30 gegenüber. Das Bandpassfilter 60 entfernt Licht mit einer Wellenlänge in einem Bereich vom sichtbaren Licht bis zum nahen Infrarot und im fernen Infrarot.
Eine spektroskopische Vorrichtung 70 ist gegenüber dem zweiten Spiegel 30 an das Bandpassfilter 60 angrenzend angeordnet. Die spektroskopische Vor richtung 70 ist beispielsweise mit einer Vorrichtung vom Fabry-Perot-Typ aufgebaut und weist ein spektroskopisches Element auf. Das spektroskopische Element verteilt durch das Bandpassfilter 60 hindurchtretendes Licht und gibt Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge ab.
Gemäß einem Prinzip der spektroskopischen Vorrichtung 70 kann die spektroskopische Vorrichtung 70 jedoch nur Licht einer Wellenlänge von einigen Mikrometern verteilen. Daher wird das Bandpassfilter 60 verwendet, um Licht mit einer Wellenlänge in dem Bereich vom sichtbaren Licht bis zum nahen Infraroten und im fernen Infraroten, d.h., mit Ausnahme des mittleren Infraroten, zu beseitigen.
Die spektroskopischen Vorrichtung 70 ist eine bekannte optische Vorrichtung, sodass eine Beschreibung der Einzelheiten der spektroskopischen Vorrichtung 70 hier weggelassen wird. Die spektroskopischen Vorrichtung 70 ist im Einzelnen in dem Fachbuch mit dem Titel "HIKARI MAIKUROMASHIN" von Sawada Renshi, Hane Kazuhiro und Higurashi Eiji, veröffentlicht von Ohmsha, Ltd., auf Seiten 30 bis 33 und 205 bis 210 beschrieben.
Eine Infrarotsensorvorrichtung 80 ist gegenüber dem Bandpassfilter 60 an die spektroskopischen Vorrichtung 70 angrenzend angeordnet. Die Infrarotsensorvorrichtung 80 weist ein Licht empfangendes Element zum Empfangen des Lichts mit der vorbestimmten Wellenlänge, das von der spektroskopischen Vorrichtung 70 aus abgegeben wird, auf. Dann gibt die Infrarotsensorvorrichtung 80 ein Spannungssignal nach außen aus, wobei das Spannungssignal einer Intensität des empfangenen Lichts entspricht.
Das Bandpassfilter 60, die spektroskopischen Vorrichtung 70 und die Infrarotsensorvorrichtung 80 bilden konstruktiv eine Einheit bzw. Baugruppe. Die Einheit ist an dem zweiten Ende des Gehäuses 10 gegenüber dem ersten Ende des Gehäuses 10, an welchem die Lichtquelle 50 angeordnet ist, angeordnet.
Die Lichtquelle 50, der erste Spiegel 20, der zweite Spiegel 30, das Bandpassfilter 60, die spektroskopischen Vorrichtung 70 und die Infrarotsensorvorrichtung 80 sind entlang einer Längsachse des Gehäuses 10, d.h., in Ausrichtung zueinander angeordnet. Hierdurch tritt von der Lichtquelle 50 aus abgegebenes Licht durch den ersten Spiegel 20 hindurch und wird zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel 20, 30 eingeschlossen. Der erste und der zweite Spiegel 20, 30 führen die mehrfachen Reflexionen des eingeschlossenen Lichts durch, und das mehrfach reflektierte Licht tritt durch den zweiten Spiegel 30 hindurch. Dann tritt das Licht durch das Bandpassfilter 60 und die spektroskopischen Vorrichtung 70 in die Infrarotsensorvorrichtung 80 ein.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen eines Spiegels 20, 30, der in dem Gaskonzentrationsdetektor Si verwendet wird, unter Bezugnahme auf 2, 3A und 3B beschrieben werden. In der ersten Ausführungsform wird der Spiegel 20, 30 durch Bearbeiten eines Substrats, das aus Si oder Ge hergestellt ist, in einer vorbestimmten Form hergestellt.
Insbesondere wird die Bearbeitung durch Verwendung eines Microloading-Effekts durchgeführt, bei welchem ein Ätzen des Substrats bei einer Maske mit einer vergleichsweise engen Öffnungsbreite seicht ist und ein Ätzen bzw. Ätzresultat des Substrats an einer Maske mit einer vergleichsweise breiten Öffnungsbreite tief ist, wie es in 3B gezeigt ist.
2 zeigt eine Beziehung zwischen einer Grabenbreite, d.h., einer Öffnungsbreite der Maske, in dem Substrat und einer Ätzrate des Substrats, die gemessen wird, wenn die Grabenbreite in einem Bereich von 0,8–18 μm geändert wird. Gemäß der Darstellung in 2 wird die Ätzrate mit steigender Grabenbreite größer, so dass die Ätzung tief wird.
In der ersten Ausführungsform wird gemäß der Darstellung in 3A und 3B ein Substrat 100 aus Silizium (Si) vorbereitet und mit einer Maske 200 durch Verwendung des Microloading-Effekts geätzt, um die konkave Oberfläche 21, 31 des Spiegels 20, 30 auszubilden.
Die Maske 200 weist eine Form konzentrischer Kreise auf dem Siliziumsubstrat 100 auf. Ein schraffierter Teil in 3A ist die Maske 200, die auf dem Siliziumsubstrat 100 in 3B belassen ist, und ein blanker Teil von 3A ist ein offener Bereich, unter welchem das Siliziumsubstrat 100 geätzt wird, wie es in 3B gezeigt ist.
Ein Abstand zwischen aneinander angrenzenden konzentrischen Kreisen der Maske 200 wird in Richtung eines Randteils der Maske 200 kleiner. Dadurch wird, wie es in 3B gezeigt ist, die Ätzung in Richtung eines mittleren Teils des Substrats 100 tiefer und wird die Ätzung in Richtung eines Randbereichs des Substrats 100 flacher bzw. seichter. So kann die Tiefe der Ätzung in Bezug auf das Siliziumsubstrat 100 in Übereinstimmung mit der Breite der Öffnung der Maske 200 gesteuert werden, um die konkave Oberfläche 21, 31 des Spiegels 20, 30 auszubilden. Zusätzlich wird eine andere Maske 210 auf einer gesamten Rückseite des Siliziumsubstrats 100 ausgebildet, um zu verhindern, dass die Rückseite des Siliziumsubstrats 100 geätzt wird.
Gemäß einem Ätzverfahren unter Verwendung des Microloading-Effekts kann eine Ätzung an einer vorbestimmten Position des Siliziumsubstrats 100 in einer vorbestimmten Tiefe durch bloßes Steuern der Breite der Öffnung der Maske 200 durchgeführt werden. Daher kann das Ätzverfahren eine makroskopische äußere Form einer konvexen Oberfläche, welche nicht die konkaven Oberfläche 21, 31 ist, ausbilden. Des weiteren kann, falls eine dreidimensionale Form benötigt wird, eine gekrümmte Oberfläche frei ausgebildet werden.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 4A, 4B, 4C, 4D, 4E und 4F ein Verfahren zum Herstellen des Spiegels 20, 30 unter Verwendung des Microloading-Effekts beschrieben werden.
Der Spiegel 20, 30 ist aus einem Material hergestellt, welches in der Lage ist, Licht mit einer Wellenlänge in einem Bereich vom mittleren Infrarot zum fernen Infrarot hindurchtreten zu lassen. Das Material ist beispielsweise Si, Ge oder ZnSe. In der ersten Ausführungsform wird ein Siliziumsubstrat 110 als das Material verwendet.
Gemäß der Darstellung in 4A wird die Maske 200 auf dem Siliziumsubstrat 110 ausgebildet. insbesondere wird das Siliziumsubstrat 110 vorbereitet, und eine Vorderseite und eine Rückseite des Siliziumsubstrats 110 werden bei etwa 1150°C für näherungsweise zwei Stunden thermisch oxidiert. So wird auf der Vorderseite und der Rückseite des Siliziumsubstrats 110 ein Oxidfilm mit einer Dicke von z.B. etwa 1 μm ausgebildet.
Danach wird die Maske 200 ausgebildet, indem dem auf der Vorderseite des Siliziumsubstrats 110 ausgebildeten oxidierten Film ein Muster gegeben wird. Zu dieser Zeit ist die Öffnungsbreite in dem mittleren Teil der Maske 200 größer als diejenige in dem Randteil der Maske 200. D.h., der Abstand zwischen den konzentrischen Kreisen der Maske 200 wird zu dem Randteil der Maske 200 hin enger, wie es in 4A gezeigt ist. Zu dieser Zeit trennt bzw. separiert der verbleibende Oxidfilm die Öffnungen und weist eine geringe Breite von 1 μm auf, um in einem in 4C gezeigten Oxidationsprozeß vollständig oxidiert zu werden. Zusätzlich wird der auf der Rückseite des Siliziumsubstrats 110 ausgebildete Film als eine andere Maske 251 verwendet.
Gemäß der Darstellung in 4B wird eine Trockenätzung an dem Siliziumsubstrat 110 durchgeführt. Da die Tiefe der Ätzung von der Breite der Öffnung der Maske 200 abhängt, wird der mittlere Teil des Substrats 110 tief geätzt, um ein mittlerer tiefster Teil der konkaven Oberfläche 21, 31 zu sein. Insbesondere ist ein konkaver Teil 111 so definiert, dass er unter den geätzten Teilen am tiefsten ist. Im Gegensatz dazu ist ein konkaver Teil 112, der der Randteil der konkaven Oberfläche 21, 31 ist, seichter als der konkave Teil 111, da der Abstand zwischen den Öffnungen der Maske 200 in dem Randteil eng ist.
Gemäß der Darstellung in 4C wird das nach außen freiliegende Siliziumsubstrat 110 thermisch oxidiert. D.h., das Siliziumsubstrat 110, das in dem in 4B gezeigten Prozeß nicht geätzt wird, wird ähnlich dem in 4a gezeigten Prozeß thermisch oxidiert. Hierdurch kann das freiliegende Siliziumsubstrat so oxidiert werden, dass es einen oxidierten Film 260 auf der gesamten Oberfläche des Siliziumsubstrats 110 ausbildet.
Gemäß der Darstellung in 4D wird das Siliziumsubstrat, das in dem in 4B gezeigten Prozessen nicht geätzt wird, entfernt. Zur Entfernung des Oxidfilms 260 wird beispielsweise Fluorinatsäure verwendet. Hierdurch kann eine makroskopische konkave Form auf der vorderen Oberfläche des Siliziumsubstrats 110 ausgebildet werden. Die makroskopische konkave Form weist noch immer Vorsprünge und Vertiefungen in Übereinstimmung mit dem Abstand zwischen den Öffnungen der Maske 200 auf.
Gemäß der Darstellung in 4E wird an dem Siliziumsubstrat 110 eine Wärmebehandlung bei z.B. etwa 1100 °C beispielsweise in einer Wasserstoffatmosphäre durchgeführt. Hierdurch wird die konkave Form auf der vorderen Oberfläche des Siliziumsubstrats 110 verflüssigt, so dass die Vorsprünge und Vertiefungen verschwinden. So kann die vordere Oberfläche des Siliziumsubstrats 110 als ein Spiegel dienen.
Gemäß der Darstellung in 4F wird auf der vorderen Oberfläche des Siliziumsubstrats 110 ein Reflexionsfilm 300 ausgebildet und wird auf der Rückseite des Siliziumsubstrats 110 ein Antireflexionsfilms 310 ausgebildet. Insbesondere wird auf der vorderen Oberfläche (konkaver Gestalt) des Siliziumsubstrats 110 Gold (Au) aufgedampft und abgelegt, um den Reflexionsfilm 300 auszubilden. Der Reflexionsfilm 300 weist eine Dicke von etwa 0,2 μm und eine reflektierende Eigenschaft in einem Bereich eines vergleichsweise breiten Bandes auf. Als nächstes wird auf der Rückseite des Siliziumsubstrats 110 ein SiN-Film mit einer Dicke von etwa 0,5 μm als der Antireflexionsfilm 310 ausgebildet. So kann der in der in dem Gaskonzentrationsdetektor Si verwendete Spiegel 20, 30 hergestellt werden. Der Spiegel 20, 30 wird als ein Teil des Gaskonzentrationsdetektors Si verwendet.
Der Gaskonzentrationsdetektor S1 erfaßt eine Gaskonzentration, wie es nachstehend beschrieben ist. Durch das Luftloch 11,13 wird Luft in den Gaskonzentrationsdetektor Si eingeleitet, und die Lichtquelle 50 gibt Licht ab. Das von der Lichtquelle 50 aus abgegebene Licht durchläuft den ersten Spiegel 20 und wird in den Raum 12 des Gehäuses 10 eingeleitet. Die Spiegel 20, 30 führen die mehrfachen Reflexionen des eingeleiteten Lichts zwischen den konkaven Oberflächen 21, 31 durch. Hierdurch kann Licht eine lange optische Weglänge aufweisen.
In den Raum 12 eingeleitete Luft enthält z.B. CO₂-Moleküle, und die Moleküle absorbieren (während der mehrfachen Reflexionen) Licht mit der vorbestimmten Wellenlänge. Daher wird das Licht mit der vorbestimmten Wellenlänge gedämpft und sinkt eine Intensität des Lichts mit der vorbestimmten Wellenlänge. Hiernach durchläuft das Licht den zweiten Spiegel 30, und das Bandpassfilter 60 entfernt Licht mit einer Wellenlänge in dem Bereich vom sichtbaren Licht bis zum nahen Infrarot und des Infraroten. Dann verteilt die spektroskopische Vorrichtung 70 Licht, und das verteilte Licht tritt in die Infrarotsensorvorrichtung 80 ein.
Die Infrarotsensorvorrichtung 80 gibt ein Spannungssignal nach außen aus, und das Spannungssignal entspricht einer Intensität des durch die spektroskopische Vorrichtung 70 in die Infrarotsensorvorrichtung 80 einfallenden Lichts. So kann eine Gaskonzentration entsprechend dem Spannungssignal bereitgestellt werden.
Gemäß der ersten Ausführungsform wird die konkave Oberfläche 21, 31 auf dem Siliziumsubstrat 110 durch Verwenden des Microloading-Effekts ausgebildet und wird der Spiegel 20, 30 mit der konkaven Oberfläche 21, 31 in dem Gaskonzentrationsdetektor Si verwendet.
Aufgrund des Microloading-Effekts können Gräben mit unterschiedlicher Tiefe in dem Siliziumsubstrat 110 ausgebildet werden, wenn die Maske 200 mehrere sich voneinander unterscheidende Öffnungsflächen aufweist, da die Ätzung um so tiefer wird, je größer die Öffnungsfläche wird. D.h., eine vorbestimmte drei dimensionale Struktur kann in dem Siliziumsubstrat 110 auf einfache Weise durch Steuern der Fläche und der Position der Öffnungen der Maske 200 ausgebildet werden.
Des weiteren kann ein Bearbeitungsgrad des Siliziumsubstrats 110 nur durch die Fläche der Öffnung der Maske 200 gesteuert werden, wenn der Microloading-Effekt zur Bearbeitung des Substrats 110 verwendet wird. Daher ist es nicht erforderlich, eine Dicke der Maske 200 und eine Ätzrate einzustellen. So kann die Bearbeitungsgenauigkeit besser gehalten werden. Ferner kann eine Unebenheit (Abweichung) der Bearbeitung reduziert werden und kann eine Unebenheit (Abweichung) in der Form des Siliziumsubstrats 110 verringert werden.
Ferner kann eine Struktur mit einer Größe in der Größenordnung von Millimetern auf einfache Weise hergestellt werden, was nach dem Stand der Technik nicht machbar ist. Dies liegt daran, dass die Gräben, die unterschiedliche Tiefen aufweisen, aufgrund der mehreren Öffnungen, die in der Maske 200 vorgesehen sind, in dem Siliziumsubstrat 110 ausgebildet werden können.
Der Gaskonzentrationsdetektor Si kann wie vorstehend beschrieben mit dem ersten und dem zweiten Spiegel 20, 30 aufgebaut sein. D.h., die konkaven Oberflächen 21, 31 der Spiegel 20, 30 sind so angeordnet, dass sie einander gegenüberstehen, und die mehrfachen Reflexionen des Lichts werden zwischen den Spiegeln 20, 30 durchgeführt. So kann sichergestellt werden, dass die optische Weglänge des Lichts lang ist.
Da sichergestellt werden kann, dass die optische Weglänge des Lichts lang ist, kann das zu messende Gas 40 Licht mit der vorbestimmten Wellenlänge in ausreichendem Maße absorbieren, auch wenn die Konzentration des Gases 40 vergleichsweise niedrig ist. D.h., es wird keine Laserdiode (LD) oder Leuchtdiode (LED) als die Licht abgebende Quelle benötigt. Wenn die Lichtquelle 50 verwendet wird, kann sichergestellt werden, dass die optische Weglänge des Lichts stabil ist, sodass Gas mit einer vergleichsweise niedrigen Konzentration erfaßt werden kann.
Die konkave Oberfläche 21, 31 kann Licht sammeln und das gesammelte Licht in die gegenüberliegende konkave Oberfläche einleiten. Hierdurch kann die Intensität des zwischen den konkaven Oberflächen 21, 31 reflektierten Lichts höher gehalten werden, sodass das Licht auf einfache und genaue Weise erfaßt werden kann. D.h., wenn z.B. eine elektrische Glühbirne als die Lichtquelle 50 anstelle der LD oder LED verwendet wird, kann sichergestellt werden, dass die optische Weglänge stabil ist.
(Zweite Ausführungsform)
Falls der erste Spiegel 20 einen vergleichsweise hohen Reflexionsgrad aufweist, kann eine Menge des von der Lichtquelle 50 aus in den ersten Spiegel 20 einfallenden Lichts reduziert werden. In diesem Fall ist es möglich, dass eine Lichtquelle erforderlich ist, die in der Lage ist, eine große Menge an Licht abzugeben. Ferner kann es sein, dass das Gehäuse 10 erhitzt wird, wenn die Lichtquelle 50 für eine lange Zeit betrieben wird.
Im Gegensatz dazu ist in einer zweiten Ausführungsform ein Mikro-(Membran)-Heizelement 23 in einem ersten Spiegel 20 als die Lichtquelle eingebettet, die in der Lage ist, die große Menge an Licht abzugeben. Gleichzeitig wird die Lichtquelle 50 der ersten Ausführungsform in der zweiten Ausführungsform beseitigt. Die anderen teile in der zweiten Ausführungsform können gleich oder ähnlich denen der ersten Ausführungsform sein. Nachstehend wird ein Gaskonzentrationsdetektor S2 der zweiten Ausführungsform beschrieben werden.
Gemäß der Darstellung in 5 weist der Gaskonzentrationsdetektor S2 den ersten Spiegel 20 auf, in welchem das Mikroheizelement 23 eingebettet ist. Gemäß der Darstellung in 6A und 6B ist das Mikroheizelement 23 in einem Randteil einer vorderen Oberfläche des ersten Spiegels 20 angeordnet. Die konkave Oberfläche 21 ist auf der gleichen Seite der vorderen Oberfläche ausgebildet. Die vordere Oberfläche des ersten Spiegels 20 entspricht einer unteren Oberfläche des ersten Spiegels 20 in 5. Eine Elektrode 24 ist an jedem Ende des Mikroheizelements 23 ausgebildet. Das Mikroheizelement 23 gibt Licht ab, wenn zwischen den Elektroden 24 elektrischer Strom zugeführt wird.
Ferner ist der Darstellung in 6B auf dem Randteil der vorderen Oberfläche des Siliziumsubstrats 110 ein unterer Membranfilm 25 als ein Isolationsfilm ausgebildet. Das Mikroheizelement 23 ist auf dem unteren Membranfilm 25 ausgebildet. Ein oberer Membranfilm 26 ist so ausgebildet, dass er das Mikroheizelement 23 als ein Isolationsfilm abdeckt. Durch den unteren Membranfilm 25 und den oberen Membranfilm 26 ist eine Membran definiert. Ferner ist das Siliziumsubstrat 110, das einer Position des Mikroheizelements 23 entspricht, entfernt, um einen konkaven Teil 27 auszubilden.
So kann ein Wirkungsgrad des von dem Mikroheizelement 23 aus in den Raum 12 einfallenden Lichts erhöht werden, wenn das Mikroheizelement 23 in dem ersten Spiegel 20 als die Lichtquelle eingebettet ist.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen des ersten Spiegels 20 der zweiten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 7A, 7B, 7C und 7D beschrieben werden. Die zweite Ausführungsform weist die gleichen Prozesse der ersten Ausführungsform auf, die in 4A, 4B, 4C, 4D und 4E gezeigt sind. Um die Membran auszubilden, wird ein aus Si (100) hergestelltes Substrat als das Siliziumsubstrat 110 verwendet.
Gemäß der Darstellung in 7A wird die Membran auf dem Siliziumsubstrat 110 ausgebildet. Zuerst wird der untere Membranfilm 25 auf dem Siliziumsubstrat 110 ausgebildet. Insbesondere wird ein Isolationsfilm, welcher einen SiN-Film und einem SiO₂-Film kombiniert, auf der gesamten vorderen Oberfläche des Siliziumsubstrats 110 als der untere Membranfilm 25 unter Verwendung eines Verfahren zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase unter niedrigem Druck (LPCVD – Low Pressure Chemical Vapor Deposition) ausgebildet. Der Isolationsfilm kann jede geeignete Art von Isolationsfilm sein, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, und das Verfahren zum Ausbilden des Isolationsfilms kann jedes geeignete Verfahren sein, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Hiernach wird ein Platin-(Pt)-Film auf dem unteren Membranfilm 25 ausgebildet und ein Ätzprozeß ausgeführt, um dem in 6A gezeigten Mikroheizelement 23 ein Muster zu geben. Ferner wird ein anderer Isolationsfilm, der den SiN-Film und den SiO₂-Film kombiniert, als der obere Membranfilm 26 ausgebildet, um das Mikroheizelement 23 und den unteren Membranfilm 25 zu bedecken.
Gemäß der Darstellung in 76 wird ein Teil des oberen Membranfilms 26 durch Ätzen entfernt, um die Elektrode 24 zum Zuführen elektrischen Stroms an das Mikroheizelement 23 anzuordnen, und werden der untere Membranfilm 25 und der obere Membranfilm 26, die auf der konkaven Oberfläche 21 ausgebildet sind, durch Ätzen entfernt.
Gemäß der Darstellung in 7C wird Gold (Au) auf der vorderen Oberfläche (konkaven Oberfläche 21) des Siliziumsubstrats 110 aufgedampft und abgelegt, um den Reflexionsfilm 300 auszubilden. Der Reflexionsfilm 300 weist eine Dicke von etwa 0,2 μm und eine reflektierende Eigenschaft in einem breitbandigen Bereich auf. Ferner ist die Elektrode 24 an dem geätzten Teil des oberen Membranfilms 26 angeordnet.
Gemäß der Darstellung in 7B wird ein SiN-Film mit einer Dicke von etwa 0,5 μm auf einer Rückseite des Siliziumsubstrats 110 als der Antireflexionsfilm 310 ausgebildet. Ferner wird der Antireflexionsfilm 310, der dem Mikroheizelement 23 gegenüberliegt, durch Bemustern entfernt. Dann wird das Siliziumsubstrat 110 von der Rückseite aus in einer Ätzflüssigkeit getränkt. Daher kann der konkave Teil 27 ausgebildet werden, da an der Rückseite des Siliziumsubstrats 110 eine anisotropische Ätzung von dem entfernten Teil des Antireflexionsfilms 310 aus durchgeführt wird. So kann der erste Spiegel 20 der zweiten Ausführungsform ausgebildet werden, sodass die Lichtquelle (Mikroheizelement 23) in den ersten Spiegel 20 integriert werden kann.
Gemäß der zweiten Ausführungsform können ein Erwärmungswirkungsgrad und ein Lichtabgabewirkungsgrad verbessert werden, da das Mikroheizelement 23 auf dem unteren Membranfilm 25 angeordnet ist.
(Dritte Ausführungsform)
Falls Wärme von dem Mikroheizelement 23 durch die Membran an das Siliziumsubstrat 110 oder nach außen abgestrahlt wird, kann die abgestrahlte Wärme ein Wärmeverlust werden. Im Gegensatz dazu weist in einer dritten Ausführungsform das Mikroheizelement 23 eine Brückenstruktur auf, um die Wärmeabstrahlung in Richtung des Siliziumsubstrats 110 zu verringern. Die anderen Teile in der dritten Ausführungsform können denjenigen der vorgenannten Ausführungsform gleich oder ähnlich sein.
Gemäß der Darstellung in 8A sind ein Mikroheizelement 23 (d.h. eine Lichtquelle) und eine Elektrode 24 auf einem Randteil einer vorderen Oberfläche eines ersten Spiegels 20 ausgebildet. Die konkave Oberfläche 21 ist auf der gleichen Seite der vorderen Oberfläche ausgebildet. Das Mikroheizelement 23 weist beispielsweise eine Form einer dreieckigen Welle oder einer Zickzacklinie oberhalb des Siliziumsubstrats 110 auf. Gemäß der Darstellung in 8B ist das Mikroheizelement 23 zwischen dem unteren Membranfilm 25 und dem oberen Membranfilm 26 angeordnet und weist aufgrund der mit dem unteren Membranfilm 25 und dem oberen Membranfilm 26 aufgebauten Membran die Brückenstruktur auf. D.h., das Mikroheizelement 23 ist zwischen einem konkaven Teil 28 des Siliziumsubstrats 110 und einem konkaven Teil 121 einer Vakuumversiegelungsplatte 120 angeordnet. Ein zwischen dem konkaven Teil 28 des Siliziumsubstrats 110 und dem konkaven Teil 121 der Vakuumversiegelungsplatte 120 ausgebildeter Raum befindet sich in einem Vakuum.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen des ersten Spiegels 20 der dritten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 9A, 9B, 9C und 9D beschrieben werden. Die dritte Ausführungsform weist die gleichen Prozesse der ersten Ausführungsform, die in 4A, 4B, 4C, 4D und 4E gezeigt sind, und die gleichen Prozesse der zweiten Ausführungsform, die in 7A gezeigt sind, auf. Um die Membran auszubilden, wird ein aus Si(100) hergestelltes Substrat als das Siliziumsubstrat 110 verwendet.
Gemäß der Darstellung in 9a wird ein Teil des oberen Membranfilms 26 durch Ätzen entfernt, um die Elektrode 24 zum Zuführen elektrischen Stroms an das Mikroheizelement 23 anzuordnen. Ferner werden der untere Membranfilm 25 und der obere Membranfilm 26, die auf der konkaven Oberfläche 21 ausgebildet sind, durch Ätzen entfernt. Des weiteren wird zur Ausbildung der Brückenstruktur des Mikroheizelements 23 ein Teil des unteren Membranfilms 25 und des oberen Membranfilms 26 durch Ätzen entfernt, so dass eine Öffnung 29 auf jeder (der linken und der rechten) Randseite des Mikroheizelements 23 ausgebildet werden kann.
Gemäß der Darstellung in 9B wird ähnlich wie in 7C der Reflexionsfilm 300 auf der konkaven Oberfläche 21 ausgebildet und wird die Elektrode 24 an dem geätzten Teil des oberen Membranfilms 26 angeordnet.
Gemäß der Darstellung in 9C wird ein SiN-Film auf der Rückseite des Siliziumsubstrats 110 als der Antireflexionsfilm 310 ausgebildet und wird das Siliziumsubstrat 110 von der hinteren Oberfläche aus in einer Siliziumätzflüssigkeit getränkt. Daher wird eine anisotropische Ätzung in dem Siliziumsubstrat 110 von der Öffnung 29 aus durchgeführt. D.h., das dem Mikroheizelement 23 gegenüberliegende Siliziumsubstrat 110 wird entfernt, sodass der konkave Teil 28 des Siliziumsubstrats 110 ausgebildet werden kann. So kann die Brückenstruktur der mit dem unteren Membranfilm 25 und dem oberen Membranfilm 26 aufgebauten Membran ausgebildet werden.
Gemäß der Darstellung in 9D wird die Vakuumversiegelungsplatte 120, die den konkaven Teil 121 aufweist, durch die Membran derart mit dem Siliziumsubstrat 110 verbunden, dass die Brückenstruktur in einem Vakuum versiegelt wird.
So wird das Mikroheizelement 23 in dem Vakuum zwischen dem Siliziumsubstrat 110 und der Vakuumversiegelungsplatte 120 versiegelt. Daher kann verhindert werden, dass eine Wärmeabstrahlung von dem Mikroheizelement 23 an Luft stattfindet, sodass das Mikroheizelement 23 einen hohen Wirkungsgrad aufweisen kann.
(Vierte Ausführungsform)
Das Mikroheizelement 23 ist in der zweiten und dritten Ausführungsform auf dem Randteil des ersten Spiegels 20 angeordnet. In einer vierten Ausführungsform ist ein Mikroheizelement 23 auf einer konkaven Oberfläche 21 angeordnet, wie es in 10A und 10B gezeigt ist, sodass ein Wirkungsgrad der mehrfachen Reflexionen von Licht zwischen den Spiegeln 20, 30 weiter erhöht werden kann. Die anderen Teile in der vierten Ausführungsform können denjenigen der vorgenannten Ausführungsformen gleich oder ähnlich sein.
Gemäß der Darstellung in 10A ist das Mikroheizelement 23 (d.h., die Lichtquelle) auf der konkaven Oberfläche 21 des ersten Spiegels 20 ausgebildet und ist eine sich von dem Mikroheizelement 23 aus erstreckende Verdrahtung mit der auf dem Randteil eines ersten Spiegels 20 angeordneten Elektrode 24 verbunden. Ferner ist gemäß der Darstellung in 10B ein konkaver Teil 27a in einer Rückseite des ersten Spiegels 20 vorgesehen und ist das Mikroheizelement 23 in dem eine Membran ausbildenden Reflexionsfilm 300 zusammen mit dem unteren Membranfilm 25 und dem oberen Membranfilm 26 eingebettet.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen des ersten Spiegels 20 der vierten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 11A, 11B und 11C beschrieben werden. Die vierte Ausführungsform weist die gleichen Prozesse der ersten Ausführungsform auf, die in 4A, 4B, 4C, 4D und 4E gezeigt sind. Um die Membran auszubilden, wird ein aus Si(100) hergestelltes Substrat als das Siliziumsubstrat 110 verwendet.
Gemäß der Darstellung in 11A wird die mit dem unteren Membranfilm 25 und dem oberen Membranfilm 26 aufgebaute Membran auf der vorderen Oberfläche des Siliziumsubstrats 110 ausgebildet. Wie in 7A wird das Verfahren der chemischen Abscheidung aus der Dampfphase unter niedrigem Druck (LPCVD) verwendet, um einen einen SiN-Film und einen SiO₂-Film kombinierenden Isolationsfilm als den unteren Membranfilm 25 auszubilden. Dann wird ein anderer den SiN-Film und den SiO₂-Film kombinierender Isolationsfilm als der obere Membranfilm 26 auf dem unteren Membranfilm 25 ausgebildet.
Gemäß der Darstellung in 11B wird Gold (Au) auf dem oberen Membranfilm 26 aufgedampft und abgelegt, um den Reflexionsfilm 300 mit einer Dicke von etwa 0,2 μm und einer reflektierenden Eigenschaft in einem breitbandigen Bereich auszubilden. Dann wird an dem Reflexionsfilm 300 ein Bemusterungsprozeß durchgeführt. Ferner wird an dem in 10A gezeigten Mikroheizelement 23 ein Bemusterungsprozeß durchgeführt.
Gemäß der Darstellung in 11C wird auf einer Rückseite des Siliziumsubstrats 110 ein SiN-Film als der Antireflexionsfilm 310 ausgebildet. Ferner wird der dem Mikroheizelement 23 gegenüberliegende Antireflexionsfilm 310 entfernt und wird das Siliziumsubstrat 110 von der Rückseite aus in der Siliziumätzflüssigkeit getränkt, sodass an der Rückseite des Siliziumsubstrats 110 ein anisotropes Ätzen durchgeführt wird. Hierdurch kann ein konkaver Teil 27a so ausgebildet werden, dass die konkave Oberfläche 21, die das Mikroheizelement 23 aufweist, in der Membran hergestellt werden kann. So kann das Mikroheizelement 23 auf der konkaven Oberfläche 21 des ersten Spiegels 20 ausgebildet werden.
(Fünfte Ausführungsform)
Die konkave Oberfläche 21, 31 des Spiegels 20, 30 wird durch Verwenden der in 3A gezeigten Maske 200 in den vorgenannten Ausführungsformen ausgebildet. In diesem Fall wird gemäß der Darstellung in 3B aufgrund der Maske 200 ein Teil des Siliziumsubstrats 110 als eine röhrenförmige Wand belas sen, und die Wand kann durch eine Verformung des Siliziumsubstrats 110 oder durch Waschen beschädigt werden.
In der fünften Ausführungsform sind die mehreren konzentrischen Kreise der Maske 200 gemäß der Darstellung in 12 durch einen Balken 210 verbunden, um eine Festigkeit des Siliziumsubstrats 110 sicherzustellen, wenn das Ätzen durchgeführt wird, um die konkave Oberfläche 21, 31 des Spiegels 20, 30 auszubildenq. Die anderen Teile in der fünften Ausführungsform können denjenigen der vorgenannten Ausführungsformen gleich oder ähnlich sein.
Der Balken 201 weist eine lineare Form auf, die durch eine Mitte der konzentrischen Kreise hindurchreicht. In 12 sind mehrere Balken 201 vorgesehen. Es könnte jedoch nur ein Balken 201 vorgesehen sein. Der Balken 201 weist einen näherungsweise rechten Winkel zu einer Tangentenlinie der konzentrischen Kreise auf.
Der Balken 201 weist eine Breite auf, die näherungsweise gleich derjenigen des die Maske 200 aufbauenden konzentrischen Kreises ist, wie es in 12 gezeigt ist. Die Breite des Balkens 201 kann sich jedoch von derjenigen der konzentrischen Kreise unterscheiden.
Gemäß der fünften Ausführungsform kann die Festigkeit des Siliziumsubstrats 110 sichergestellt werden, wenn die konzentrischen Kreise, welche die Maske 200 aufbauen, durch den Balken 201 verbunden sind. So kann die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs des Siliziumsubstrats 110 verringert werden.
(Andere Ausführungsformen)
In den vorgenannten Ausführungsformen wird gemäß der Darstellung in 4C der thermische Oxidationsprozess durchgeführt und wird der in 4E gezeigte Ätzprozess durchgeführt. Alternativ kann nach dem in 4B gezeigten Prozess ein Siliziumnassätzprozess durchgeführt werden. Ferner können die in 4C und 4D gezeigten Prozesse wiederholte werden. So können die Vor spränge und Vertiefungen der vorderen Oberfläche es Siliziumsubstrats 110 weiter reduziert werden.
In den vorgenannten Ausführungsformen ist der Reflexionsfilm 300 aus Gold hergestellt. Alternativ kann der Reflexionsfilm 300 ein mehrschichtiger Film sein, der aus Ge oder ZnSe hergestellt ist.
In den vorstehenden Ausführungsformen ist der Spiegel 20, 30 aus dem Siliziumsubstrat 110 hergestellt. Alternativ kann der Spiegel 20, 30 ein Wafer sein, der aus einem Material wie etwa Ge hergestellt ist, das in der Lage ist, einen Oxidfilm hierauf auszubilden.
In den vorstehenden Ausführungsformen weisen die konkave Oberfläche 21 des ersten Spiegels 20 und die konkave Oberfläche 31 des zweiten Spiegels 30 näherungsweise den gleichen Durchmesser auf. Gemäß der Darstellung in 13A kann die konkave Oberfläche 31 des zweiten Spiegels 30 einen größeren Durchmesser aufweisen als denjenigen der konkaven Oberfläche 21 des ersten Spiegels 20. In diesem Fall kann das von dem Mikroheizelement 23 aus abgegebene Licht wirksam und mehrfach reflektiert werden.
In den vorstehenden Ausführungsformen ist das Mikroheizelement 23 in dem ersten Spiegel 20 ausgebildet. Gemäß der Darstellung in 13B kann das Mikroheizelement 23 in jedem des ersten Spiegels 20 und des zweiten Spiegels 30 ausgebildet sein. In diesem Fall kann eine Menge an Licht im Vergleich mit derjenigen der vorstehenden Ausführungsform das Doppelte betragen.
In der dritten Ausführungsform weist das Mikroheizelement 23 die Brückenstruktur auf und ist das Mikroheizelement 23 in einem Vakuum versiegelt. Alternativ kann das Mikroheizelement 23 nicht in einem Vakuum versiegelt sein, wenn das Mikroheizelement 23 die Brückenstruktur aufweist. Alternativ kann das Mikroheizelement 23 nicht die Brückenstruktur aufweisen, wenn das Mikroheizelement 23 in dem Vakuum versiegelt ist. In diesen Fällen kann eine ausreichende Menge an Licht bereitgestellt werden.
Das Siliziumsubstrat 110 ist in der Lage, oxidiert zu werden, und umfasst einen Separierungsteil zum Separieren der Öffnungen der Maske 200. Der Separierungsteil des Substrats 110 wird durch Oxidieren entfernt, um die konkave Oberfläche 21, 31 auszubilden. So kann eine Oberflächenbehandlung auf einfache Weise durchgeführt werden, nachdem die Oberfläche des Substrats 110 durch den Ätzvorgang bearbeitet wurde. Insbesondere wenn eine Breite des Separationsteils eng ist, kann der Separationsteil auf einfache Weise entfernt werden.
Das Substrat 110 weist den Separierungsteil zum Separieren der Öffnungen der Maske 200 auf, und der Separierungsteil des Substrats 110 kann durch einen Nassätzvorgang entfernt werden, um die konkave Oberfläche 21, 31 auszubilden.
In diesem Fall kann der Ätzvorgang des Substrats 110 auf einfache Weise durchgeführt werden, indem das Substrat 110 in einer Ätzflüssigkeit getränkt wird.
Das Substrat 110 wird durch eine Wärmebehandlung in einer Wasserstoffatmosphäre geglättet, nachdem der Separierungsteil des Substrats 110 entfernt wurde. Ferner kann die Oberfläche des Substrats 110 durch Oxidieren entfernt werden, nachdem das Substrat 110 geglättet wurde. Das Entfernen der Oberfläche des Substrats 110 und die Glättung des Substrats 110 können mehrere Male wiederholt werden, nachdem das Substrat 110 geglättet wurde. In diesem Fall können Vorsprünge und Vertiefungen auf dem Substrat 110, die bei der Bearbeitung des Substrats 110 erzeugt wurden, weiter reduziert werden.
Der Reflexionsfilm 300 kann durch Applizieren eines Metallfilms wie etwa eines Goldfilms mit einer breiten Reflexionseigenschaft bezüglich infraroten Lichts ausgebildet werden. Ferner kann dem Metallfilm ein Muster gegeben werden (man kann auch sagen, er wird bemustert). Der bemusterte Metallfilm kann z.B. als eine Lichtquelle verwendet werden.
Solche Änderungen und Abwandlungen sind als in den Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, umfasst zu verstehen.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Mikrostruktur durch dreidimensionale Bearbeitung eines flachen Bauteils, wobei das Verfahren aufweist: Vorbereiten eines Substrats (110) als das flache Bauteil; Ausbilden einer Maske (200) auf dem Substrat (110), wobei die Maske (200) wenigstens zwei Öffnungen aufweist und sich die Flächen der zwei Öffnungen voneinander unterscheiden; und Ausbilden wenigstens eines Teils einer Oberflächenform der Mikrostruktur auf einer Oberfläche des Substrats (110) durch einen Trockenätzvorgang an dem Substrat (110) in Übereinstimmung mit der Fläche der Öffnung der Maske (200).
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (110) in der Lage ist, oxidiert zu werden, und einen Separierungsteil zum Separieren der Öffnungen aufweist, und der Separierungsteil des Substrats (110) durch Oxidieren bei der Ausbildung wenigstens des Teils der Oberflächenform der Mikrostruktur entfernt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (110) einen Separierungsteil zum Separieren der Öffnungen aufweist, und der Separierungsteil des Substrats (110) durch einen Nassätzvorgang beim Ausbilden wenigstens des Teils der Oberflächenform der Mikrostruktur entfernt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (110) durch eine Wärmebehandlung in einer Wasserstoffatmosphäre geglättet wird, nachdem der vorzugsweise oxidierte Separierungsteil des Substrats (110) entfernt wurde.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung des vorzugsweise oxidierten Separierungsteils des Substrats (110) und die Glättung des Substrats (110) mehrere Male wiederholt werden, nachdem das Substrat (110) geglättet wurde.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung eine einer Mehrzahl von Öffnungen ist, und die Mehrzahl der Öffnungen eine Fläche aufweist, die von einem Randteil der Ätzmaske (200) zu einem mittleren Teil der Ätzmaske (200) allmählich größer wird, sodass eine konkave Oberfläche (21, 31) auf dem Substrat (110) als die dreidimensionale Oberflächenform der Struktur ausgebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzmaske (200) eine Form einer Mehrzahl konzentrischer Kreise unterschiedlichen Durchmessers aufweist, die Öffnung zwischen zwei aneinander angrenzenden konzentrischen Kreisen vorgesehen ist, und die Mehrzahl der Öffnungen eine Fläche aufweist, die in eine Richtung auf einen Außendurchmesser des konzentrischen Kreises zu allmählich kleiner wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, weiter gekennzeichnet durch: Ausbilden eines Reflexionsfilms (300) auf der konkaven Oberfläche (21, 31), nachdem die konkave Oberfläche (21, 31) durch den Trockenätzvorgang und die Entfernung eines Separierungsteils zum Separieren der Öffnungen ausgebildet wurde.
Verfahren gemäß Anspruch 8, weiter gekennzeichnet durch: Ausbilden eines Antireflexionsfilms (310) auf einer näherungsweise flachen Seite (22, 32) des Substrats (110), die der konkaven Oberfläche (21, 31) gegenüberliegt.
Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflexionsfilm (300) durch Applizieren eines Metallfilms ausgebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, weiter gekennzeichnet durch: Ausbilden eines Isolationsfilms (25) auf dem Substrat (110) außerhalb der konkaven Oberfläche (21, 31), nachdem die konkave Oberfläche (21, 31) auf dem Substrat (110) durch den Trockenätzvorgang und das Entfernen eines Separationsteils zum Separieren der Öffnungen ausgebildet wurde; und Ausbilden eines Mikroheizelements (23) durch Bemustern eines Metallfilms auf dem Isolationsfilm (25).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzmaske (200) einen Balken (201) aufweist, der die konzentrischen Kreise verbindet.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Balken (201) näherungsweise senkrecht zu einer Tangentenlinie der konzentrischen Kreise angeordnet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Balken (201) eine Breite aufweist, die näherungsweise gleich derjenigen der konzentrischen Kreise ist.
Optischer Gaskonzentrationsdetektor zum Messen einer Gaskonzentration, wobei der Detektor aufweist: einen ersten Spiegel (20) mit einer ersten konkaven Oberfläche (21) als einer Reflexionsfläche; einen zweiten Spiegel (30), der mit dem ersten Spiegel (20) ein Paar bildet, wobei der zweite Spiegel (30) eine zweite konkave Oberfläche (31) als eine Reflexionsfläche aufweist; eine Lichtquelle (23, 50) zum Abgeben von Licht; und einen Detektor (80) zum Erfassen einer Intensität von Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge, wobei die erste konkave Oberfläche (21) und die zweite konkave Oberfläche (31) einander gegenüberliegend angeordnet sind, um einen Raum (12) auszubilden, in welchen Luft, welche ein zu messendes Gas (40) aufweist, eingeleitet wird, und der erste Spiegel (20) und der zweite Spiegel (30) mehrfache Reflexionen des abgegebenen Lichts zwischen der ersten konkaven Oberfläche (21) und der zweiten konkaven Oberfläche (31) durchführen.
Optischer Gaskonzentrationsdetektor gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spiegel (20) eine näherungsweise flache Seite (22) gegenüber der ersten konkaven Oberfläche (21) aufweist und der zweite Spiegel (30) eine näherungsweise flache Seite (32) gegenüber der zweiten konkaven Oberfläche (31) aufweist, die Lichtquelle (50) der näherungsweise flachen Seite (22) des ersten Spiegels (20) gegenüberliegend derart angeordnet ist, dass die Lichtquelle (50), der erste Spiegel (20), der zweite Spiegel (30) und der Detektor (80) in Ausrichtung zueinander in dieser Reihenfolge angeordnet sind, und der Detektor (80) Licht, welches durch den zweiten Spiegel (30) hindurchtritt, nachdem der erste und der zweite Spiegel (20, 30) den mehrfachen Reflexionen des abgegebenen Lichts zwischen der ersten konkaven Oberfläche (21) und der zweiten konkaven Oberfläche (31) durchgeführt haben, erfasst.
Optischer Gaskonzentrationsdetektor gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spiegel (20) eine näherungsweise flache Seite (22) gegenüber der ersten konkaven Oberfläche (21) aufweist und der zweite Spiegel (30) eine näherungsweise flache Seite (32) gegenüber der zweiten konkaven Oberfläche (31) aufweist, die Lichtquelle (23) in einem Randteil wenigstens eines des ersten Spiegels (20) und des zweiten Spiegels (30) außerhalb der ersten konkaven Oberfläche (21) und/oder der zweiten konkaven Oberfläche (31) angeordnet ist, und der Detektor (80) Licht, welches durch einen des ersten und des zweiten Spiegels (20, 30) hindurchtritt, nachdem der erste und der zweite Spiegel (20, 30) die mehrfachen Reflexionen des abgegebenen Lichts zwischen der ersten konkaven Oberfläche (21) und der zweiten konkaven Oberfläche (31) durchgeführt haben, erfasst.
Optischer Gaskonzentrationsdetektor gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (23) ein Mikroheizelement ist, welches in einer mit einem Isolationsfilm (25, 26) aufgebauten Membran angeordnet ist.
Optischer Gaskonzentrationsdetektor gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroheizelement (23) in einem zwischen einem ersten Substrat (120) zur Versiegelung und einem zweiten Substrat (110), welches den ersten Spiegel (20) oder den zweiten Spiegel (30) bildet, vorgesehenen Vakuumraum versiegelt ist.
Optischer Gaskonzentrationsdetektor gemäß Anspruch 15, weiter gekennzeichnet durch: einen Reflexionsfilm (300) auf sowohl der ersten als auch der zweiten konkaven Oberfläche (21, 31) des ersten und des zweiten Spiegel (20, 30); und einen Antireflexionsfilm (310) auf jeder von näherungsweise flachen Seiten (22, 32) des ersten und des zweiten Spiegels (20, 30), wobei der erste Spiegel (20) die näherungsweise flache Seite (22) gegenüber der ersten konkaven Oberfläche (21) aufweist und der zweite Spiegel (30) die näherungsweise flache Seite (32) gegenüber der zweiten konkaven Oberfläche (31) aufweist.
Optischer Gaskonzentrationsdetektor gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (23, 50) ein Mikroheizelement (23) ist, welches auf wenigstens einer der ersten und der zweiten konkaven Oberfläche (21, 31) des ersten und des zweiten Spiegels (20, 30) angeordnet ist, das Mikroheizelement (23) als die Lichtquelle Licht abgibt und als ein Reflexionsfilm Licht reflektiert, und der Detektor (80) Licht, welches durch einen des ersten und des zweiten Spiegels (20, 30) hindurchtritt, nachdem der erste und der zweite Spiegel (20, 30) die mehrfachen Reflexionen des abgegebenen Lichts zwischen der ersten konkaven Oberfläche (21) und der zweiten konkaven Oberfläche (31) durchgeführt haben, erfasst.
Optischer Gaskonzentrationsdetektor gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spiegel (20) eine näherungsweise flache Seite (22) gegenüber der ersten konkaven Oberfläche (21) aufweist und der zweite Spiegel (30) eine näherungsweise flache Seite (32) gegenüber der zweiten konkaven Oberfläche (31) aufweist, und die näherungsweise flachen Seiten (22, 32) hierauf jeweils Antireflexionsfilme (310) aufweisen.
Optischer Gaskonzentrationsdetektor gemäß einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (23, 50) in einem des ersten Spiegels (20) und des zweiten Spiegels (30) angeordnet ist, und der eine Spiegel (20, 30) eine konkave Oberfläche (21) aufweist, die einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als derjenige einer konkaven Oberfläche (31) des anderen Spiegels (30), der dem einen Spiegel (20) der Spiegel gegenüberliegt.