DE69512141T2

DE69512141T2 - Elektrisch modulierbare thermische Strahlungsquelle

Info

Publication number: DE69512141T2
Application number: DE69512141T
Authority: DE
Inventors: Martti Blomberg; Hannu Kattelus; Ari Lehto; Markku Orpana
Original assignee: Instrumentarium Oyj; Vaisala Oy
Current assignee: Instrumentarium Oyj; Vaisala Oy
Priority date: 1994-06-23
Filing date: 1995-06-21
Publication date: 2000-04-20
Anticipated expiration: 2015-06-22
Also published as: JP3745793B2; EP0689229A3; DE69512141D1; FI943037A; US5644676A; EP0689229B1; FI110727B; JPH0864183A; EP0689229A2; FI943037A0; CN1121679A; CN1066855C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrisch modulierbare thermische Strahlungsquelle gemäß der Präambel von Anspruch 1.
Infrarot-Strahlungsquellen werden in optischen Analyseverfahren als IR-Strahlungsquellen verwendet, und in einigen anderen Anwendungen als Wärmequellen. Mehrere verschiedene Arten von IR-Quellen werden für die erstere Anwendung verwendet, wie zum Beispiel die "Globar"-Quelle, die Glühlampe und der Dickfilmstrahler. Die Intensität des von der IR-Quelle emittierten Strahlenbündels kann moduliert werden, indem man die Temperatur der Quelle durch variieren der Eingangsleistung zu der Quelle ändert, oder alternativ, indem man eine mechanische, das Strahlenbündel unterbrechende Vorrichtung, "Chopper" genannt, verwendet, wobei man gleichzeitig die Temperatur der Quelle so konstant wie möglich hält.
Wenn ein mechanisch beweglicher Chopper verwendet wird, um das Strahlenbündel zu modulieren, wird die mittlere Zeit zwischen dem Versagen der Strahlungsquelle üblicherweise durch die Lebensdauer des Choppermechanismus begrenzt, die typischerweise von einem Jahr bis zwei dauert. Eine elektrisch modulierte Quelle liefert eine viel längere Zeit zwischen dem Versagen.
Analog zu seinem Namen ist ein "Globar" ein glühender Stab (glowing bar). Der Stab wird konventionellerweise aus einem Keramikmaterial gemacht, das mit einem elektrischen Strom geheizt wird. Einem "Globar"-Vorrichtung ist typischerweise einige Millimeter dick und einige Zentimeter lang, wobei seine thermische Zeitkonstante einige Sekunden beträgt. Der "Globar" wird üblicherweise nicht durch Variieren der Eingangsleistung zu der Vorrichtung modul iert. Die Eingangsleistung liegt typischerweise im Bereich von einigen Watt bis zu hundert Watt. Eine Variante der "Globar"-Vorrichtung ist eine Keramikstange mit einem Widerstandsdraht, der um die Stange herum gewickelt ist. Die thermischen Eigenschaften der Variante sind äquivalent zu jenen des einfachen "Globar".
Eine Glühlampe bzw. Wärmelichtquelle kann elektrisch mit Frequenzen bis zu einigen 10 Hz moduliert werden, sogar bis zu einigen 100 Hz, aber der Glaskolben der Lampe absorbiert Strahlung im Infrarotbereich und wird auf lange Sicht schwarz bzw. verdunkelt sich, wodurch die von der Lampe gelieferte Ausgangsintensität der Strahlung mit der Zeit abnimmt. Die erforderliche Eingangsleistung beträgt typischerweise einige Watt bis einige 10 Watt.
Ein Dickfilmstrahler weist typischerweise einen Dickfilmwiderstand auf, der auf einem Aluminiumoxidsubstrat ausgebildet ist und durch einen elektrischen Strom geheizt wird. Die Größe des Widerstands liegt typischerweise in der Größenordnung von einigen Quadratmillimetern, und er besitzt eine Dicke von einem halben Millimeter. Die thermische Zeitkonstante des Widerstands liegt typischerweise in der Größenordnung von Sekunden, und die erforderliche Eingangsleistung beträgt einige Watt.
Konventionelle Produktionstechniken, die in der Mikroelektronik und Mikromechanik verwendet werden, liefern das Vermögen bzw. die Fähigkeit, elektrisch modulierte Strahlungsquellen in Miniaturgröße aus Silizium herzustellen1,2,3. Solche Vorrichtungen besitzen eine Dünnfilmstruktur aus Polysilizium mit einer typischen Dicke von ungefähr einem Mikrometer und einer Länge von einigen Hunderten von Mikrometern. Die Breite des Dünnfilmwiderstandselementes kann von einigen Mikrometern zu einigen 10 Mikrometern variieren. Die Wärmekapazität solch eines Silizium- Glühdrahtes ist niedrig und ermöglicht seine Modulation mit Frequenzen bis zu Hunderten von Hertz. Reines Silizium ist ein minderwertiger Leiter für den elektrischen Strom. Jedoch, indem man es mit einem geeigneten Dotanden wie, zum Beispiel Bor oder Phosphor dotiert, erhält man eine exzellente Leitfähigkeit. Bor als Dotand hat den Nachteil, daß sein Aktivierungsniveau nicht stabil ist sondern von der früheren Betriebstemperatur des Silizium-Glühdrahtes abhängt. Dies bewirkt, daß das Aktivierungsniveau kontinuierlich einen neuen Gleichgewichtszustand sucht, was bedeutet, daß der Widerstand des Drahtes mit der Zeit driftet, und das gilt auch für die Eingangsleistung zu dem Draht, sofern die Eingangsleistung nicht extern stabilisiert wird. Die höchste Fremdatomkonzentration, die in Silizium mit Bor als Dotand möglich ist, beträgt ungefähr 5 · 10¹&sup9; Atome/cm³. Andere konventionelle Dotierungsstoffe sind Arsen und Antimon. Ein Problem, das mit diesen Elementen als Dotanten auftritt, ist die Schwierigkeit, hinreichend hohe Fremdatomkonzentrationen zum Erreichen einer hinreichend hohen Leitfähigkeit für den Niedrigspannungsgebrauch zu erreichen.
Der in der zitierten Veröffentlichung 1 diskutierte Glühdraht wird hergestellt, indem man mit Phosphor dotiert, um einen Schichtwiderstand größer als 50 Ω/Quadrat zu erreichen. Der Glühdraht ist 100 um lang, 20 um breit und befindet sich 1,2 um über dem Substrat. In solch einer Struktur ist der Strahlungsleistungsverlust über den Luftspalt zu dem Substrat besonders hoch, und ein hohes Risiko, daß der Draht an dem Substrat anhaftet, ist offensichtlich, da der Draht während des Heizens durch- bzw. absackt.
Sowohl die Bor- als auch Phosphor-Dotierung besitzt ein Problem, das mit der Migration bzw. Wanderung der Dotieratome zusammenhängt. Dies manifestiert sich in der Form einer heissen Zone, die sich an dem Ende des Drahtes entwickelt, von dem die Dotieratome weggewandert sind. Als Folge davon unterliegt das Emissionsintensitätsprofil des Glühdrahtes einer allmählichen Änderung, die als eine Langzeitinstabilität beobachtet wird.
Die Struktur des in der zitierten Veröffentlichung 2 diskutierten Glühdrahtes weist eine Einkapselung unter einem Dünnfilmfenster und ein Anordnen des Glühdrahtes in einem Vakuum, um Ausbrennen zu vermeiden, auf. Solch ein Fenster kann nicht breiter als einige 10 um sein, wodurch der gesamte Oberflächenbereich des Drahtes und dementsprechend seine Strahlungsausgabe klein bleiben. Um ein Anhaften des Drahtes zu vermeiden, ist eine V-Kerbe in das Substrat geätzt.
Der in der zitierten Veröffentlichung 3 diskutierte IR- Emitter besitzt eine Größe von 100 um mal 100 um und verwendet zwei mäandernde Polysiliziumwiderstände als das Heizelement. Solch eine Struktur neigt dazu, sich während des Heizens zu wölben, und grossflächig emittierende Elemente können mittels dieses Konzepts nicht hergestellt werden. Obwohl das Heizelement kontinuierlich ist, verursachen die Gasblasen, die während der Ätzphase des Substrates auftauchen, keine Probleme, da die Größe des Heizelementes im Vergleich mit den Öffnungen um es herum klein ist. Jedoch ist das Muster der Temperaturverteilung dieser Struktur nicht besonders gut, wie aus Fig. 2 der zitierten Veröffentlichung offensichtlich ist.
Ein aus dotiertem Polysilizium hergestellter Glühdraht ist mit einer charakteristischen Temperatur assoziiert, oberhalb welcher der Temperatur-Koeffizient des Drahtwiderstandes negativ wird, d. h., es dem Draht gestattet, mit steigender Temperatur mehr Strom hindurch zu lassen. Folglich kann solch eine Komponente nicht mittels Spannung kontrolliert bzw. gesteuert werden sondern vielmehr durch Strom. Solche Drähte können auch nicht direkt parallel verbunden werden, um die Oberfläche der Strahlungsquelle zu vergrößern, da der Strom dazu neigt, sich auf den Draht zu konzentrieren, der den niedrigsten Widerstand besitzt, d. h., die höchste Temperatur. Andererseits erfordert Verbindung in Reihe ein Anheben der Eingangsspannung auf ein Vielfaches der Spannung des einzelnen Drahtes. Bor-Dotierung kann keine hinreichend hohe charakteristische Temperatur bereitstellen, da eine hohe Bor-Fremdatomkonzentration nur eine charakteristische Temperatur von ungefähr 600ºC erreicht. Falls die Betriebstemperatur des Drahtes höher als diese ist, neigt der Drahtwiderstand dazu, mit der Zeit zu driften.
In der Ausführungsform gemäß der zitierten Veröffentlichung 4 ist der Glühdraht aus einer metallischen Dünnfilmschicht gemacht. Um Oxidation zu vermeiden, ist der Glühdraht in einem Vakuum eingekapselt.
EP-A-0125859, gegenüber der Anspruch 1 abgegrenzt ist, offenbart eine LED, die ein Siliziumsubstrat aufweist, das eine Vertiefung besitzt, die von einem mit Carbonat überzogenen Wolframleiter überbrückt wird.
US-A-5021711 offenbart eine Quarzlampe. Die Lampe umfasst eine versiegelte Lampenhülle um eine Molybdänfolie herum, die über Molybdänleitungen verbunden ist. Ein oxidationsverhinderndes Material wie zum Beispiel Chrom oder Aluminium ist in einer Oberflächenschicht der Molybdänfolie mittels Ionenimplantation eingebettet. Eine Siliziumnitridschicht ist auf den Molybdänleitungen mittels plasmaunterstützter chemischer Abscheidung aus der Gasphase abgelagert.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der oben beschriebenen Techniken aus dem Stand der Technik zu überwinden und eine gänzlich neuartige elektrisch modulierbare thermische Strahlungsquelle bereitzustellen.
Das Ziel der Erfindung wird erreicht, indem man die Glühdrähte aus einem Metall wie Wolfram, einer Titan- Wolfram-Legierung oder Molybdän macht, wonach der Draht gänzlich mit einem Dünnfilm aus oxidationsbeständigem Material wie Siliziumnitrid, zum Beispiel, überzogen wird. Genauer gesagt, wird die elektrisch modulierbare thermische Strahlungsquelle gemäß der Erfindung durch das gekennzeichnet, was in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben ist.
Die Erfindung bietet beträchtliche Vorteile.
Der Ansatz gemäß der Erfindung erfordert keine Vakuum- Einkapselung um die Glühdrähte herum. Weiterhin ist ein metallischer Glühdraht bei jenen Stromdichten, bei dem beabsichtigt ist, den Draht zu betreiben, frei von dem Phänomen der Migration. Folglich ist die Langzeitstabilität eines metallisches Glühdrahtes bemerkenswert besser als jene eines Glühdrahtes aus mit Bor oder Phosphor dotiertem Polysilizium.
Der Widerstand-Temperatur-Koeffezient eines metallisches Glühdrahtes ist über seinem gesamten Betriebsbereich hinweg positiv, wodurch die Glühdrähte parallel verbunden und von einer Spannungsquelle gespeist werden können.
Die Nitrid-Einkapselung, die in der Strahlungsquelle gemäß der Erfindung verwendet wird, gewährleistet eine lange Lebensdauer für die Strahlungsquelle.
Die Erfindung wird als nächstes ausführlicher mit der Hilfe von beispielhaften Ausführungsformen, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind, untersucht werden, wobei
Fig. 1a eine Draufsicht auf eine Strahlungsquelle gemäß der Erfindung ist;
Fig. 1b der Abschnitt A-A der in Fig. 1a veranschaulichten Strahlungsquelle ist;
Fig. 2a eine Draufsicht auf eine weitere Strahlungsquelle gemäß der Erfindung ist;
Fig. 2b der Abschnitt A-A der in Fig. 2a veranschaulichten Strahlungsquelle ist;
Fig. 3 ein Diagramm ist, das eine alternative Geometrie gemäß der Erfindung für die in den Diagrammen von Fig. 1a bis 2b gezeigten Glühdrähten veranschaulicht;
Fig. 4 eine Querschnittslängsansicht der Schichtstruktur einer Strahlungsquelle gemäß der Erfindung ist, die mit einer Antireflexschicht vervollständigt wurde;
Fig. 5 eine Querschnittslängsansicht einer Strahlungsquelle gemäß der Erfindung ist, die mit einem integralen optischen Filter und einer Apertur vervollständigt wurde;
Fig. 6 eine Querschnittslängsansicht einer Strahlungsquelle gemäß der Erfindung ist, die mit einer emissionsverbessernden Schicht vervollständigt wurde; und
Fig. 7 eine graphische Darstellung ist, die die Transmissionseigenschaften des in der in Fig. 5 gezeigten Strahlungsquelle verwendeten Filters veranschaulicht. Die Erfindung ist dazu gedacht, in der optischen Analyse als eine thermische Strahlungsquelle verwendet zu werden, die mit einer hohen Geschwindigkeit elektrisch moduliert werden kann.
Die Ablagerung der erforderlichen Dünnfilmschichten kann unter Verwendung konventioneller Standardprozesse der Mikroelektronik gemacht werden. &sup5;
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1a und 1b ebenso wie 2a und 2b, ist die Struktur einer Strahlungsquelle mit mehreren Glühdrähten gezeigt, die parallel elektrisch verbunden sind.
Das große Quadrat 1 in Fig. 1 ist ein monokristalliner Siliziumchip, das kleinere Quadrat 2 mit abgeschrägten Ecken ist eine Vertiefung, die unter den Glühdrähten 3 angeordnet ist, und der in den Fig. 2a und 2b markierte schräg-schraffierte Bereich 6 ist eine Nitridschicht. Die Glühdrähte 3 und die Metallisierungen 5 an ihren Enden sind in dickem Schwarz gezeichnet. Die Glühdrähte 3 sind parallel verbunden und die externen elektrischen Verbindungen sind zu den Metallisierungen 5 geführt. In der Ausführungsform der Fig. 1a und 1b ist gezeigt, daß die Drähte 3 über ihre gesamte Länge hinweg voneinander separiert sind. Die Fig. 2a und 2b veranschaulichen eine verbesserte Struktur, in der die Glühdrähte 3 durch eine Siliziumnitridbrücke 6 mechanisch verbunden sind. Die Öffnungen in der Nitridbrücke sind notwendig, um einen leichteren Austritt des Gases, das während des Ätzens gebildet wird, von unter den Glühdrähten bereitzustellen. Diese Anordnung verbessert das Ätzergebnis. Solche Öffnungen sind unnötig, falls die Ätzgeschwindigkeit niedrig gehalten wird.
Der emittierende Bereich kann, zum Beispiel, 1 mm² sein. Die Glühdrähte 3 schweben in der Luft bzw. liegen über ihre gesamte Länge hinweg frei und werden nur an ihren Enden gestützt. Das Silizium 1 unter den Drähten 3 wird für eine Tiefe von wenigstens 10 um weggeätzt, wobei eine Ätztiefe von 100 um typisch ist. Die Enden der Drähte 3 werden parallel mittels der metallisierten Flecken bzw. Flächen 5 verbunden, die jeweils an jedem Ende angeordnet sind. Die Abmessungen der Drähte 3 können, zum Beispiel, eine Dicke von 1 um mal einer Breite von 20 um mal einer Länge von 1 mm sein, mit einem Abstand von 5 um zwischen den Drähten. Die Drähte 3 werden durch den Strom, der über sie fliesst, aufgeheizt. Die erforderliche Eingangsspannung geht von einem Volt bis zu einigen Volt.
Gemäß der Erfindung sind metallische Glühdrähte 3 gänzlich in Siliziumnitrid eingekapselt, wodurch die Oxidationsgeschwindigkeit des Nitrids die Lebensdauer des Drahtes 3 bestimmt. Falls die Strahlungsquelle bei einer Temperatur unterhalb von 800ºC in normaler Raumluft verwendet wird, so beträgt ihre Lebensdauer mehrere Jahre. Keine spezielle hermetische Vakuumeinkapselung bzw. -versiegelung mit dem erforderlichen Ausgabefenster wird benötigt.
Das Unterätzen der nitrifizierten Glühdrähte 3 kann in einer wässrigen Lösung aus KOH durchgeführt werden. Das verwendete Ätzmittel kann ebenfalls Tetramethylammoniumhydroxid sein, oder alternativ eine wässrige Lösung aus Ethylendiamin mit einer kleinen Menge von hinzugefügten Pyrocatechol.
Da die Glühdrähte 3 ohne ein darüber liegendes Fenster betrieben werden, wird jede organische Kontamination, die auf den Draht 3 fällt, weggebrannt. Falls die Strahlungsquelle in einem Puls-Modus betrieben wird, heizt sich die Luft unter den Glühdrähten schnell auf und bläst jeden eingefangenen Staub hinweg. Dementsprechend umfasst die Ausführungsform gemäß der Erfindung einen inhärenten Selbstreinigungsmechanismus.
Die kreuzweise Temperaturverteilung des Glühdrahtes 3 kann durch Variieren der Geometrie der Konstruktion abgestimmt werden. Eine gleichmäßige Temperaturverteilung wird erhalten, wenn die Drahtbreite 20 um oder schmaler ist. Die kreuzweise Temperaturverteilung kann weiter verbessert werden, indem man die Drähte 3 mittels, zum Beispiel, der Siliziumnitridbrücke 3 thermisch verbindet.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, kann das laterale Temperaturprofil der Glühdrähte 3 verbessert werden, indem man die Enden 7 der Drähte 3 spitz zulaufen lässt, wodurch der elektrische Widerstand pro Einheitslänge bei den verjüngten Endbereichen 7 zunimmt, wodurch eine größere Heizleistung an diesen Bereichen konzentriert wird. Das Erhöhen der Heizleistung pro Einheitslänge an den Enden der Drähte ist notwendig, da die Enden 7 der Drähte 3 dazu neigen, sich schneller abzukühlen, während die Wärme von den Enden 7 der Drähte 3 zu dem Substrat geleitet wird. Vermöge der spitz zulaufenden Drahtenden 7 wird der mittlere Bereich bzw. die Mittelpartie 8 des Drahtes 3 ungefähr die selbe Temperatur wie die Drahtenden 7 besitzen, wodurch die effektive emittierende Oberfläche der Strahlungsquelle vergrößert wird. Die so verjüngten Enden 7 der Drähte 3 erreichen eine höhere Temperatur als die Enden der in den Fig. 1a bis 2b veranschaulichten Drähte konstanter Breite. Die verjüngte Geometrie kann gestuft sein, oder die Enden können alternativ auf kontinuierliche Weise ohne Stufen spitz zulaufen.
Die maximal nutzbare Modulationsrate der Strahlungsquelle hängt von der Größe der thermischen Verluste ab. Der Großteil solcher Verluste findet über die Luftschicht unter den Drähten 3 und über die Drahtenden zu dem Siliziumsubstrat statt. Da die Größe bzw. der Anteil der Strahlungsverluste in Bezug auf den Gesamtverlust einige Prozent beträgt, ist die Temperatur des Glühdrahtes 3 fast eine lineare Funktion der Eingansleistung. Die Betriebstemperatur der Drähte liegt typischerweise oberhalb 400ºC und vorzugsweise oberhalb von 500ºC. Die maximale Geschwindigkeit der Modulation kann am besten durch Variieren der Tiefe der Vertiefung 2 unter den Drähten 3 abgestimmt bzw. eingestellt werden. Die Tiefe der Vertiefung 2 beträgt ungefähr 50 bis 300 um. Mit der hier beschriebenen Struktur kann eine thermische Zeitkonstante von ungefähr 1 ms erreicht werden, was eine elektrische Modulation bis zu ungefähr 1 kHz ermöglicht.
In Fig. 4 ist die Schichtstruktur der Strahlungsquelle in größerem Detail gezeigt. In der dort gezeigten Ausführungsform wird die emittierte Strahlung durch eine Antireflexschicht 37 hindurch nach unten gerichtet. Der Bereich 31 wird typischerweise mittels eines Substratchips aus (100)-orientiertem monokristallinem Silizium gebildet, der eine typische 200 nm dicke Siliziumnitridschicht 36 besitzt, die auf ihm abgelagert bzw. angeordnet ist. Die Nitridschicht 36 ist erforderlich, um die Glühdrähte von dem leitenden Substrat 31 zu isolieren, und gleichzeitig fungiert sie als eine untere Schutzschicht für die Glühdrähte 33. Auf der Oberfläche der Nitridschicht 36 ist eine typischerweise 0,5 um dicke metallische Schicht 33 abgelagert bzw. angeordnet, die mittels Photolithographie und Plasmaätztechniken, die in der Mikroelektronikherstellung verwendet werden, in Glühdrähte strukturiert wird. Als nächstes wird eine obere Siliziumnitridschicht 32 abgelagert bzw. angeordnet, wodurch die aus der metallischen Schicht 33 strukturierten Glühdrähte gänzlich innerhalb einer Nitridschicht eingekapselt werden. Die obere Nitridschicht 32 ist typischerweise 200 nm dick. Mittel zum Einspeisen der Eingangsspannung umfassen metallisierte Flächen 34, die aus Aluminium, zum Beispiel, bestehen können. Diese Flächen bzw. Flecken bilden mit den metallischen Glühdrähten 33 ohmsche Kontakte über Öffnungen, die in die obere Nitridschicht 32 mittels, zum Beispiel, Plasmaätzen gemacht werden. Das monokristalline Silizium, daß das Substrat 31 bildet, wird schliesslich von unter dem Draht weggeätzt, wodurch eine Mulde bzw. Vertiefung 35 ausgebildet wird. Dieser Ätzschritt findet über Öffnungen statt, die zwischen den Drähten und an der Seite der äussersten Drähte gemacht wurden. Die Schicht 37 ist eine dünne Antireflexschicht, die, zum Beispiel, aus Siliziumnitrid besteht. Die Dicke dieser λ/4-Schicht kann, zum Beispiel, 400 bis 500 nm betragen, in Abhängigkeit von der erwünschten Betriebswellenlänge.
Der Emissionsgrad der Drähte 33 ist typischerweise größer als 0,4, vorzugsweise größer als 0,5 und besonders vorzugsweise größer als 0,7.
Das Emissionsspektrum der Strahlungsquelle kann ebenfalls mittels eines in Fig. 5 veranschaulichten Fabry- Perot-Interferenzfilters gefiltert werden, der auf der unteren Oberfläche des Siliziumsubstrates 37 hergestellt werden kann. Diese Anordnung liefert den Vorteil, daß die Strahlungsquelle nicht bei einer unnötigen Wellenlänge emittiert, was zu einem verbesserten Signal-Rausch- Verhältnis führt. Der Interferenzfilter wird aus λ/4- Schichten 41 aus Siliziumdioxid und λ/4-Schichten 42 aus Silizium gebildet. Die mittlere Schicht 41 ist eine λ/2- Schicht. Die Apertur bzw. Öffnung der Strahlungsquelle wird aus einer metallischen Schicht 44 mit einer Öffnung 45 gebildet. Die Dicke der metallischen Schicht 44 beträgt typischerweise 100 nm.
In Fig. 7 ist eine graphische Darstellung gezeigt, die die Transmissionseigenschaften des oben beschriebenen Filters veranschaulicht. Die Gestalt der Transmissionskurve wird durch die Anzahl der reflektierenden Schichten in dem Interferenzfilter bestimmt. Je größer die Anzahl der Schichten ist, desto schmaler ist der Durchlassbereich.
Der Emissionsgrad eines Wolframdrahtes nimmt bei Wellenlängen größer als drei Mikrometer schnell ab. Solch eine Abnahme des Emissionsgrades bei längeren Wellenlängen kann dadurch kompensiert werden, daß man die metallische Schicht wie in Fig. 6 gezeigt mit polykristallinem Silizium 39 überzieht bzw. beschichtet. In der in Fig. 6 veranschaulichten Ausführungsform heizt der glühende Metalldraht 33 das polykristalline Silizium 39 auf, welches so als die Strahlungsquelle fungiert. Die Dicke der Siliziumschicht 39 kann typischerweise im Bereich von 100 bis 1000 nm liegen. Das Spektrum der emittierten Strahlung wird ebenfalls durch Interferenz innerhalb der Siliziumnitridschichten 32 und der emissionsverbessernden Polysiliziumschichten 39, die auf der metallischen Schicht 33 angeordnet sind, beeinflusst. Das emittierte Spektrum besitzt eine ausgeprägte Tendenz Maxima bzw. Spitzen bei solchen Wellenlängen zu bilden, bei der die Polysiliziumschicht 39 und die darauf angeordnete Nitridschicht 32 eine zusammengerechnete Dicke bzw. kombinierte Dicke besitzen, die gleich einem Viertel der optischen Wellenlänge in den Schichten ist. Um die Emissionsausgabe zu verbessern, besitzt die Struktur weiter einen Spiegel 43, der auf der unteren Oberfläche des Substrates 31 angeordnet ist, wobei der Spiegel in der Praxis als eine metallische Schicht mit einer Dicke von 50 bis 100 nm hergestellt wird.
Ohne vom Anwendungsbereich der Ansprüche abzuweichen, können die Glühdrähte alternativ verbunden werden, zum Beispiel paarweise in Reihe, indem man die zwei Eingangsspannungsspeiseflächen auf einer Seite der Substratvertiefung anordnet, während jedes benachbarte Paar der Glühdrähte dann elektrisch in Reihe verbunden wird, indem man ihre anderen Enden auf der anderen Seite der Vertiefung verbindet.
Weiterhin kann die Vertiefung bzw. Mulde unter den Drähten innerhalb des Anwendungsbereichs der Erfindung durch ein Loch ersetzt werden, daß sich durch das Substrat hindurch erstreckt.
Alternative Substratmaterialien mit dielektrischen Eigenschaften sind solche wie Aluminiumoxid, Saphir, Quarz und Quarzglas.
Anstelle von Siliziumnitrid können ebenfalls Dünnfilme aus Aluminiumoxid oder Siliziumoxid für das Überziehen bzw. Beschichten der Glühdrähte 3 verwendet werden.
Der Begriff Emission wird hier verwendet, um Strahlungsemission und insbesondere infrarote Emission zu bezeichnen.
Referenzen:
1. H. Guckel und D. W. Burns, "Integrated transducers based on black-body radiation from heated polysilicon films", Transducers '85, 364-366 (Juni 11-14, 1985).
2. Carlos H. Mastrangelo, James Hsi-Jen Yeh, und Richard S. Muller: "Electrical and optical characteristics of vacuum sealed polysilicon microlamps", IEEE Transactions on Electron Devices, 39, 6, 1363, 1375 (Juni 1992).
1. M. Parameswaran, A. M. Robinson, D. L. Blackburn, M. Gaitan and J. Geist, "Micromachined thermal radiation emitter from a commercial CMOS process", IEEE Electron Device Lett., 12, 2, 57-59 (1991).
4. Semiconductor International, S. 17, November 1992. 5. S. M. Sze, "VLSI technology", McGraw Hill Book Company, 3. Auflage, 1985, Kapitel 5 and 6.

Claims

1. Elektrisch modulierbare Strahlungsquelle, umfassend

- ein im wesentlichen planes Substrat (1),

- eine im Substrat (1) gebildete Vertiefung (2) oder Öffnung,

- mindestens einen am Substrat (1) befestigten metallischen Glühdraht (3), der an der Vertiefung (2) oder der Öffnung angeordnet ist, und

- auf dem Substrat (1) an beiden Enden des oder jeden Glühdrahtes (3) gebildete Kontaktflächen (5) zur Zuführung von elektrischem Strom in den oder jeden Glühdraht (3),

dadurch gekennzeichnet, daß

- der oder jeder Glühdraht (3) gänzlich mindestens über die von dem Substrat (1) freiliegenden Teile mit einem oxidationsbeständingen Dünnfilm (32, 36) überzogen ist.

2. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilm (32, 36) aus Siliziumnitrid gefertigt ist.

3. Strahlungsquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Glühdrähten vorgesehen ist und der oder mindestens zwei der Glühdrähte (3) elektrisch seriegeschaltet sind.

4. Strahlungsquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Glühdrähten vorgesehen ist und der oder mindestens zwei der Glühdrähte (3) elektrisch parallelgeschaltet sind.

5. Strahlungsquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Glühdrähten vorgesehen ist und mindestens einige der Glühdrähte (3) elektrisch sowohl parallel- als auch seriegeschaltet sind.

6. Strahlungsquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Glühdraht (3) aus Wolfram gefertigt ist.

7. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Glühdraht (3) aus einer Titan-Wolfram-Legierung gefertigt ist.

8. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Glühdraht (3) aus Molybdän gefertigt ist.

9. Strahlungsquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Glühdrähten angeordnet ist und die Glühdrähte (3) mechanisch miteinander verbunden sind.

10. Strahlungsquelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Glühdrähte (3) mittels einer kontinuierlichen Siliziumnitridbrücke (6) mechanisch miteinander verbunden sind.

11. Strahlungsquelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Glühdrähte (3) mittels einer kontinuierlichen, Öffnungen aufweisenden Siliziumnitridbrücke (6) mechanisch miteinander verbunden sind.

12. Strahlungsquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spiegelstruktur (43) unter dem Glühdraht oder den Glühdrähten (3) angeordnet ist.

13. Strahlungsquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antireflexschicht (37) unter dem Glühdraht oder den Glühdrähten (3) angeordnet ist.

14. Strahlungsquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle einen Fabry-Perot-Interferometer umfaßt.

15. Strahlungsquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine nontransparente Schicht (44) umfaßt, in der eine Apertur (45) gebildet ist.

16. Strahlungsquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Glühdrähten in einer Schicht angeordnet ist und eine Polysiliziumschicht (39) auf der Schicht von Glühdrähten (3) gebildet ist.

17. Strahlungsquelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Polysiliziumschicht (39) und eine auf dieser angeordnete Schicht (32) eine zusammengerechnete Dicke aufweisen, die einem Viertel einer Messungswellenlänge entspricht.

18. Strahlungsquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (7) des oder jedes Glühdrahtes (3) dünner sind als die Mittelpartien (8) des oder jedes Glühdrahtes (3).

19. Strahlungsquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Emissionsgrad der Glühdrähte (33) typischerweise mehr als 0,4, vorzugsweise mehr als 0,5 und besonders vorzugsweise mehr als 0,7 beträgt.

20. Strahlungsquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebstemperatur des oder jedes Glühdrahtes typischerweise über 400ºC, vorzugsweise über 500ºC beträgt.