JP2007057456A - 赤外線放射素子、ガスセンサ、及び赤外線放射素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスセンサ等に利用される赤外線放射素子を改良するものであり、応答速度の早い赤外線放射素子の開発を課題とする。
【解決手段】 発熱体層４へ通電して発熱させることにより発熱体層４から赤外線が放射される赤外線放射素子Ａである。赤外線放射素子Ａでは、支持基板（半導体基板）１の厚み方向の一表面（図１における上面）側に主断熱層２が形成されている。この主断熱層２は、支持基板１の一部を多孔質化したものであり、支持基板１の主要部（主断熱層２以外の部位）よりも熱伝導率が十分に小さい。主断熱層２の上に発熱体層４が積層されている。発熱体層４上に通電用の一対のパッド（電極）６，６が形成されている。支持基板１の表面側であって各パッド６，６それぞれと支持基板１との間に空隙層８が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、赤外線放射素子及びその製造方法に関するものである。また本発明は、赤外線放射素子を使用したガスセンサに関するものである。

赤外放射源を利用した各種の分析装置（例えば、赤外線ガス分析計など）が知られている。旧来、これらの分析装置に使用される赤外放射源としては、ハロゲンランプが広く採用されてきたが、ハロゲンランプは、大型で且つ比較的寿命が短いので、赤外線を利用してガスを検出する小型のガスセンサ等への適用は難しい。

そこで、ハロゲンランプに代わって、より小型化が可能な赤外放射源として、マイクロマシニング技術を利用して製造する赤外線放射素子の活用が提案されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。

上記した特許文献１〜３には、シリコン基板などをマイクロマシニング技術により加工して形成した矩形枠状の支持基板の一表面側において、２点間に線状の発熱体を架け渡した所謂マイクロブリッジ構造の赤外線放射素子が記載されている。

ところで赤外線の吸収を利用してガスを検出するガスセンサにおいて、検出精度を向上させるためには、赤外線放射素子から放射される赤外線の放射量を安定させた状態で、短時間の内に計測を終了することが望ましい。
この観点から見ると、上述したマイクロブリッジ構造の赤外線放射素子は、支持基板が矩形枠状に形成されており、線状の発熱体の周囲が空気雰囲気や真空雰囲気であり、発熱体と発熱体周囲との熱容量差が大きく、赤外線の輻射量を発熱体へ流す電流のオンオフに高速で応答させることができるので好ましい。

しかしながら、上記特許文献１〜３に開示された赤外線放射素子では、発熱体が線状に形成されており、両端部が支持基板に支持されているだけなので、剛性が低く、耐久性が劣る。即ち特許文献１〜３に開示された赤外線放射素子は、発熱体が破損したり熱によって溶断したりして寿命が短くなってしまうことがあった。
また特許文献１〜３に開示された赤外線放射素子は、赤外線の放射量が少ないという不満もあった。

そこで更に改良が進められ、上記した特許文献１〜３に開示された赤外線放射素子に比べて赤外線の放射量を増大させることができるとともに長寿命化を図ることが可能な赤外線放射素子として、多孔質シリコン層のような多孔質層を断熱層として採用した平面型の赤外線放射素子が提案されている。この種の平面型の赤外線放射素子としては、例えば、図１２に示す構成のものがある。

図１２に示す構成の赤外線放射素子Ａは、シリコン基板からなる支持基板としての半導体基板１０１の一表面側に多孔質シリコン層からなる断熱層１０２が形成されるとともに、断熱層１０２上に金属薄膜からなる発熱体層１０４が形成され、発熱体層１０４の両端部上それぞれにパッド１０６，１０６が形成されている。
特開平９−１５３６４０号公報 特開２０００−２３６１１０号公報 特開平１０−２９４１６５号公報

ところで、赤外線放射素子Ａの用途によっては、これを間欠的に駆動したい場合があり、この様な用途に使用する場合には、駆動間隔をできるだけ短くしたいという要望がある。ここで赤外線放射素子Ａを駆動する際の周波数については、赤外線放射素子Ａの断熱層１０２の断熱性が高いほど高周波とすることができる。そのため上記した要望に応えるためには、断熱層１０２の断熱性能を向上させることが必要であり、具体的には、多孔質シリコン層の多孔度（空隙率）を大きくすればよい。

しかしながら、多孔質シリコン層（断熱層）の多孔度を上げると、多孔質シリコン層自体の剛性が低下し、後工程でクラックが生じるという問題点があった。即ち図１２に示した構成の赤外線放射素子Ａでは、発熱体層１０４上の各パッド１０６，１０６が半導体基板１０１の厚み方向において断熱層１０２に重複している。一方、発熱体層１０４の厚さは数μｍであり、発熱体層１０４自体は剛性を持たない。そのため断熱層１０２を構成する多孔質シリコン層の多孔度を上げると、パッド１０６，１０６にボンディングワイヤをワイヤボンディングする際の衝撃によって断熱層１０２が破損したり断熱層１０２にクラックが発生することがあった。

そこで本出願人は、研究を重ね、この問題を解決することができる発明を完成し、先に特許出願を行った（特願２００５−１８７１０号）。なおこの特許出願は、本願出願時において、未公開である。

特願２００５−１８７１０号に記載された発明は、「支持基板の一表面側に支持基板よりも熱伝導率の小さな多孔質層からなる断熱層が形成されるとともに、断熱層よりも熱伝導率および導電率それぞれが大きな発熱体層が断熱層の表面側に形成され、支持基板の前記一表面側に発熱体層と接する一対のパッドが形成された赤外線放射素子であって、支持基板の前記一表面側において発熱体層よりも支持基板側で各パッドそれぞれと重複する部位に、断熱層の中央部に比べて機械的強度が高い高強度構造部を有することを特徴とする赤外線放射素子。」である。

そして本出願人は、前記した特許出願を行った後もさらに試作研究を続け、さらに高性能の赤外線放射素子の実現を目指した。即ち、赤外線放射素子を、より早い応答速度で駆動させるための研究を重ねた。
その結果、特願２００５−１８７１０号に記載した赤外線放射素子は、支持基板に熱が洩れることが判明し、この熱洩れを阻止することができれば応答速度がより早いものとなることが判った。
即ち特願２００５−１８７１０号に記載された発明は、発熱体層の下に断熱層を設けた点に特徴を有し、断熱層で支持基板に熱が洩れることを防ぐものであり、旧来の構造に比べて格段に優れた性能を有するものではあるが、研究の結果、断熱層を迂回したり、パッド側に迂回することによって熱が支持基板に伝わることが判った。

特願２００５−１８７１０号に記載された赤外線放射素子において、支持基板に熱が洩れる際の経路は次の通りである。
図１３は、特願２００５−１８７１０号に記載された赤外線放射素子Ａにおいて、支持基板２０１に熱が洩れる際の第一の経路を示す赤外線放射素子の断面図である。
図１４は、特願２００５−１８７１０号に記載された赤外線放射素子Ａにおいて、支持基板２０１に熱が洩れる際の第二の経路を示す赤外線放射素子の断面図である。

特願２００５−１８７１０号に記載された赤外線放射素子Ａは、支持基板（半導体基板）２０１の一表面側に多孔質シリコン層からなる断熱層２０２が形成され、断熱層２０２よりも熱伝導率および導電率それぞれが大きな発熱体層２０４及び絶縁層２０５が支持基板２０１及び断熱層２０２上に形成され、発熱体層２０４上に一対のパッド２０６、２０６が形成されたものである。
断熱層２０２は半導体基板２０１の一表面において、所定領域のみを多孔質層としたものである。そして半導体基板２０１の上記一表面側における上記所定領域の周辺部分２０１ａのうち、半導体基板２０１の厚み方向において、各パッド２０６，２０６それぞれと重複する部位が、高強度構造部２０７を構成している。高強度構造部２０７は、断熱層２０２の中央部に比べて機械的強度が高い。

第一の経路は、図１３の様に、発熱体層２０４で発生した熱が、発熱体層２０４の端部に伝導し、絶縁層２０５を介して支持基板２０１側に逃げるものである。即ち発熱体層２０４は、ジュール熱によってパッド２０６，２０６間が発熱するが、発熱体層２０４自体の熱伝導率が高いため、発熱体層２０４の中央部分で発生した熱がパッド側に伝導される。特願２００５−１８７１０号に記載された赤外線放射素子Ａでは、断熱層２０２は発熱体層２０４の中央部分に厚く設けられており、パッド２０６と重なる部位は、断熱層２０２が無いか、あっても薄い。そのためパッド側に伝導された熱が、絶縁層２０５を介して支持基板２０１側に洩れる。

第二の経路は、図１４の様に発熱体層２０４で発生した熱の斜放射成分が支持基板２０１側へ洩れるものである。
即ち特願２００５−１８７１０号に記載された赤外線放射素子Ａでは、前記した様に断熱層２０２は発熱体層２０４の中央部分にあり、略垂直方向に延びている。これに対して熱は、放射状に拡散して行くので、斜め方向に拡散する熱に対して断熱層２０２は薄いと言える。そのため発熱体層２０４で発生した熱の内、斜放射状に拡散する成分に対しては断熱効果が低く、多くの熱が支持基板２０１側に洩れる。

そこで本発明は、上記した問題点及び研究によって得られた知見に基づき、より応答速度の早い赤外線放射素子の開発を課題とするものである。

本発明は、次の様な構成を採用した。
即ち請求項１に記載の発明は、支持基板を有し、前記支持基板の表面側に、前記支持基板の主要部よりも熱伝導率の小さな多孔質層からなる主断熱層が形成され、さらに発熱体層が主断熱層の表面側の位置に形成されると共に発熱体層の表面側に一対のパッドが形成されており、前記支持基板の前記表面側であって各パッドそれぞれと重複する部位に、前記主断熱層の中央部に比べて機械的強度が高い高強度構造部を有する赤外線放射素子であって、前記パッドと支持基板との間に空隙層を有することを特徴とする赤外線放射素子である。

本発明の赤外線放射素子は、前記した第一の経路を遮断するものであり、パッドと支持基板との間に空隙層が設けられている。本発明では、パッドと支持基板との間に空隙層が設けられているので、中央で発生した熱が発熱体層のパッド側に伝導されるものの、支持基板には伝わりにくい。即ち本発明では、パッドの下部に断熱効果の高い中空部を設けることによって、支持基板側への伝熱を抑制できる。よって放射効率を向上できる。
また本発明の赤外線放射素子は、パッドと重複する部位に、機械的強度が高い高強度構造部を有するものであるから、応答速度の向上を図りながらも後工程における破損を防止することができる。例えば本発明の構成によると、各パッドそれぞれへボンディングワイヤをワイヤボンディングする際の衝撃によって素子が破損されるのを防止することができる。

また空隙層は、支持基板の表面に対して平行に設けられていることが望ましい（請求項２）。

請求項３に記載の発明は、空隙層との重複部分に、主断熱層よりも多孔度が高い補助断熱層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線放射素子である。

空隙層との重複部分に、主断熱層よりも多孔度が高くて断熱効果の高い補助断熱層を設けることによって、発熱体層から支持基板への伝熱をさらに抑制できるので、放射効率を向上することができる。

請求項４に記載の発明は、補助断熱層の厚さが主断熱層の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項３に記載の赤外線放射素子である。

本発明の赤外線放射素子では、補助断熱層の厚さが主断熱層の厚さよりも薄いので、高強度構造部の強度を低下させることがない。

請求項５に記載の発明は、主断熱層の側面側に断熱溝が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の赤外線放射素子である。

本発明の赤外線放射素子は、前記した第二の経路を遮断するものであり、主断熱層の側面側に断熱溝が設けられている。本発明の赤外線放射素子では、断熱層から支持基板への伝熱を抑制できるので、放射効率をさらに向上させることができる。

請求項６に記載の発明は、断熱溝の側面側に主断熱層よりも多孔度が高い補助断熱層を有することを特徴とする請求項５に記載の赤外線放射素子である。

本発明によると、主断熱層側から支持基板への伝熱をさらに抑制できるので、放射効率をさらに向上することができる。

請求項７に記載の発明は、赤外放射源から赤外線を所定空間へ放射させて所定空間内の検知対象ガスでの赤外線の吸収を利用して検知対象ガスを検出するガスセンサであって、赤外放射源として請求項１乃至６のいずれかに記載の赤外線放射素子を備えてなることを特徴とするガスセンサである。

本発明のガスセンサは、応答性の良い赤外放射源を採用しているので、高精度でありながら、省電力である。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の赤外線放射素子の製造方法において、空隙層を構成させる部位に固形物の補助層を積層し、少なくとも補助層に重ねて他の層を積層した後に前記補助層を除去する工程を有することを特徴とする赤外線放射素子の製造方法である。

本発明の製造方法によれば、請求項１乃至６のいずれかに記載の特徴を有する赤外線放射素子が容易に製造できる。

本発明の赤外線放射素子は、応答速度のより一層の向上を図ることができる効果がある。また本発明の赤外線放射素子は、パッドへボンディングワイヤをワイヤボンディングする際の衝撃による破損を防止することができるという効果も併せ持っている。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第一の実施形態の赤外線放射素子Ａの斜視図である。

本実施形態の赤外線放射素子Ａは、発熱体層４への通電により発熱体層４を発熱させることで発熱体層４から赤外線が放射される赤外線放射素子Ａである。そして本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、支持基板（半導体基板）１の厚み方向の一表面（図１における上面）側に主断熱層２が形成されている。この主断熱層２は、支持基板１の一部を多孔質化したものであり、支持基板１の主要部（主断熱層２以外の部位）よりも熱伝導率が十分に小さい。
また主断熱層２の上に発熱体層４が積層されている。発熱体層４は、通電によって発熱するものである。発熱体層４は、前記した主断熱層２よりも熱伝導率および導電率のいずれもが大きい。

発熱体層４上に通電用の一対のパッド（電極）６，６が形成されている。なお、支持基板１の平面形状は矩形状であり、主断熱層２および発熱体層４の平面形状も矩形状である。ここに、発熱体層４は、パッド６，６の並設方向における寸法を同じ方向における主断熱層２の寸法よりも大きく設定してある。また、パッド６，６は、発熱体層４の両端部それぞれの上に発熱体層４と接する形で形成されている。

そして本実施形態に特有の構成として、支持基板の表面側であって各パッド６，６それぞれと支持基板１との間に空隙層８が設けられている。
前記した主断熱層２と、発熱体層４、パッド６，６及び空隙層８の位置関係を説明すると、主断熱層２は、発熱体層４の中央部分のみと重複しており、発熱体層４の両端部側には主断熱層２は無い。またパッド６，６は、発熱体層４の両端部側に設けられているので、パッド６，６と重複する部位には主断熱層２は無い。
発熱体層４の厚さは、いずれの部位も略均一であるが、両端部側は、中央部分に比べて外側に突出しており、発熱体層４の両端部側と支持基板１の間に空隙層（空隙部）８が形成されている。前記した発熱体層４の両端部側は、支持基板１の表面に対して平行であり、前記した空隙層８についても、支持基板１及び発熱体層４の双方に対して平行である。なお製造過程においては、空隙層８は水平姿勢となる。このように支持基板の表面に対して平行に設けられた空隙層を、以下、「水平空隙層」という。

本実施形態の赤外線放射素子Ａは、多孔質層を利用した平面型の赤外線放射素子であって、発熱体層４から放射される赤外線のピーク波長をλ（μｍ）、発熱体層４の絶対温度をＴ（Ｋ）とすれば、ピーク波長λは、「λ＝２８９８／Ｔ」となり、発熱体層４の絶対温度Ｔと発熱体層４から放射される赤外線のピーク波長λとの関係がウィーンの変位則を満たしている。要するに、本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、発熱体層４が擬似黒体を構成しており、外部電源からパッド６，６間に印加する電圧を調整することにより、発熱体層４に発生するジュール熱を変化させることができて、発熱体層４から放射される赤外線のピーク波長λを変化させることができる。

なお、本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、支持基板１の厚さを５２５μｍ、主断熱層２の厚さを５０μｍ、発熱体層４の厚さを５０ｎｍ、パッド６の厚さを３００ｎｍとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。

本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、発熱体層４の中間部（パッド６，６同士の間）が発熱するが、この発熱部位の裏面側には主断熱層２が設けられている。従って発熱体層４の中間部から支持基板１側に洩れる熱は少ない。
また発熱部位の熱は、発熱体層４の両端部側（パッド６，６の部位）に伝導されるが、発熱体層４の両端部側と支持基板１との間には空隙層（水平空隙層）８が設けられている。
そのため発熱体層４の両端部側から支持基板１への熱伝導も阻止される。そのため本発明の赤外線放射素子Ａは、発熱体層４からの無駄な熱放散が少なく、電流のオンオフに対する応答が早い。

加えて本実施形態の赤外線放射素子Ａは、支持基板１の上記一表面側において所定領域のみに多孔質層としての多孔質シリコン層からなる主断熱層２を形成してあり、支持基板１の上記一表面側における上記所定領域の周辺部分１ａのうち支持基板１の厚み方向において各パッド６，６それぞれと重複する部位が、主断熱層２の中央部に比べて機械的強度が高い高強度構造部７を構成している。言い換えれば、本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、支持基板１の上記一表面側において発熱体層４よりも支持基板１側で各パッド６，６それぞれと重複する部位に、主断熱層２の中央部に比べて機械的強度が高い高強度構造部７を有している。

そのため本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、主断熱層２を構成する多孔質シリコン層の多孔度を大きくすることで応答速度の向上を図りながらも、上記高強度構造部７を有していることにより、各パッド６，６それぞれへボンディングワイヤをワイヤボンディングする際の衝撃によって主断熱層２が破損したり主断熱層２にクラックが発生するのを防止することができる。ここで、支持基板１の上記一表面側において主断熱層２が形成されていない上記周辺部分１ａは、必ずしも各パッド６，６の全域に重複している必要はない。

次に赤外線放射素子Ａの製造方法について説明する。
図２は、図１に示す赤外線放射素子Ａの製造工程を示す平面図と、側面断面図である。即ち図２の（ａ）〜（ｇ）は赤外線放射素子Ａの製造方法の説明図であって、（ａ）〜（ｇ）それぞれにおける左側の図は平面図、右側の図は断面図を示している。

本実施形態の赤外線放射素子Ａは、支持基板１の一部を陽極酸化処理して主断熱層２を形成し、その上に絶縁層（補助層）５と発熱体層４及びパッド６を構成する膜を形成し、その後に、絶縁層（補助層）５を除去して空隙層８を成形することによって製造される。即ち本実施形態の赤外線放射素子Ａは「主断熱層形成工程」、「絶縁層（補助層）形成工程」、「発熱体層形成工程」、「パッド形成工程」及び「補助層除去工程（空隙形成工程）」を順次行うことによって完成される。

最初に、支持基板１の一部に主断熱層２を形成する工程（主断熱層形成工程）を説明する。
主断熱層２を形成するのに際しては、ゴム系のフォトレジストからなるレジスト層１０ａを形成し（図２（ａ））、所定の部位をマスクする。具体的には、図２（ａ）の様に平面視で長方形の枠内の両端部をフォトレジストによってマスクする。なお実際の製造工程においては、一枚の基板から多数の赤外線放射素子Ａを作るので、一枚の基板に多数の長方形の枠があり、そのそれぞれの両端部がフォトレジストによってマスクされることとなる。
支持基板（半導体基板）１として用いるシリコン基板の導電形はｐ型、ｎ型のいずれでもよいが、ｐ型のシリコン基板の方が陽極酸化処理により多孔質化を行った際に多孔度が大きくなりやすい傾向にあるので、支持基板１としてはｐ型のシリコン基板を用いることが好ましい。なお、支持基板１の一部を陽極酸化処理して多孔質化する際の電流密度は、支持基板１の導電形および導電率に応じて適宜設定すればよい。
例えば支持基板１としてｐ型の単結晶シリコン基板であって、抵抗率１０Ωcm、面方位（１００）、厚さ５２５μｍのものが採用可能である。

レジスト層１０ａを形成することにより、断熱層となる部分のみが開口し、高強度構造部７となる領域の表面のみにレジスト層が形成された構造を作る。

続いて、レジスト層１０ａをマスクとして陽極酸化処理し、支持基板１の露出部位を所定深さまで多孔質化することにより、主断熱層２を形成する（図２（ｂ））。
例えば５０ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合した電解液を用い、シリコン基板の裏面を陽極とし、電解液中においてシリコン基板表面に対向配置した白金電極を陰極とし、電源から陽極と陰極との間に電流を流し陽極酸化を行うことにより、多孔質シリコン（ナノ結晶シリコン）からなる主断熱層２を作製する（図２（ｂ））。シリコン基板が抵抗率１０Ωｃｍのｐ型基板の場合、５０ｍＡ／ｃｍ²の電流を８分間流すことにより、深さ５０μｍ、多孔度７５％の多孔質シリコン層が形成される。

もちろん陽極酸化処理の条件（例えば、電流密度および処理時間）を適宜設定することにより、主断熱層２となる多孔質シリコン層の多孔度および厚みをそれぞれ所望の値とすることができる。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなる。例えば、熱伝導率が１６８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６７×１０⁶Ｊ／（ｍ³・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化処理によって多孔質化して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．７×１０⁶Ｊ／（ｍ³・Ｋ）であることが知られている。

陽極酸化処理が終了すると、レジスト層１０ａを除去する（図２（ｃ））。

前記した主断熱層形成工程が終了すると、絶縁層（補助層）形成工程を行う。絶縁層（補助層）形成工程においては、上記したレジスト層１０ａを除去した後（図２（ｃ））、支持基板１の上記一部表面に絶縁層５を形成する（図２（ｄ））。なお絶縁層５は、後の工程で除去されるので、本発明においては、補助層として機能する。

絶縁層（補助層）５の成膜は、例えばスパッタ法やＣＶＤ法により行うことができる。例えば支持基板１の上記一表面に所定膜厚（例えば１．０μｍ）の酸化膜系からなる絶縁膜を、スパッタ法やＣＶＤ法により成膜する。
絶縁層５の材料としては、シリコン基板を用いている場合は二酸化珪素（ＳｉＯ₂ ）や窒化珪素（ＳｉＮ）を採用し、成膜のパターニング方法としては、絶縁膜の一部を露出可能とするメタルマスクを支持基板１の上記一表面にセットした後で成膜する方策や、主断熱層２の一表面のみにレジストをパターニングし、支持基板１の上記一表面に絶縁膜を堆積させた上で主断熱層２表面のレジスト及び絶縁膜をリフトオフする方策が採用可能である。
あるいは支持基板１の上記一表面に絶縁膜を堆積させた上で、その上にレジストを塗布し、主断熱層２表面のみを開口したパターンにして、プラズマエッチングまたは反応性イオンエッチングなどにより、主断熱層２表面の絶縁膜を除去する方策を採用することもできる。

絶縁層（補助層）形成工程が終了すると、発熱体層形成工程を行う。発熱体層形成工程では、支持基板１の上記一表面側に発熱体層４を形成する（図２（ｅ））。
発熱体層４は、例えば、炭素層（例えば、アモルファスカーボン層、グラファイト層、グラファイトライクカーボン層、ダイヤモンド層、ダイヤモンドライクカーボン層など）、電熱合金層（例えば、ＮｉＣｒ層など）、貴金属層（イリジウム層）、高融点金属層（例えば、タングステン層など）、主断熱層２に比べて多孔度の小さな多孔質シリコン層などにより構成すればよい。
より具体的には、発熱体層４としては、スパッタ法によって５０ｎｍのタングステン薄膜を形成する。

発熱体層形成工程が終了すると、パッド形成工程を行う。パッド形成工程は、発熱体層４の両端部上それぞれにパッド６を形成する工程である（図２（ｆ））。
各パッド６，６は、金属材料（例えばアルミニウム、白金、金）により形成すればよい。例えば膜厚５００ｎｍのアルミニウム薄膜を電子ビーム蒸着法で形成する。パターニングには、メタルマスク法、リフトオフ法、エッチング法のいずれの手法を用いてもよい。

そして最後に補助層除去工程（空隙形成工程）を実施する。補助層除去工程（空隙形成工程）は、絶縁層（補助層）５を除去し水平空隙層８を形成する工程である（図２（ｇ））。絶縁層５除去は、例えばエッチングによって行うことができる。エッチングによる補助層除去工程では、フッ酸系および燐酸などの水溶液またはガスなどを用いることで絶縁層５（二酸化珪素や窒化珪素）を除去することができる。この工程を経て発熱体層４と高強度構造部７間には水平空隙層８が形成される。

（実施形態２）
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。
図３は、本発明の第二実施形態の赤外線放射素子Ａの斜視図である。
図３に示す赤外線放射素子Ａは、先の実施形態の赤外線放射素子Ａをさらに改良したものであり、空隙層８との重複部分に、主断熱層２よりも多孔度が高い補助断熱層３が設けられている。補助断熱層３の厚さは、主断熱層２の厚さよりも薄い。
即ち本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、支持基板１の表面側（発熱体層４及びパッド層側）に補助断熱層３が設けられている。言い換えれば、支持基板１の本体部分と空隙層８との間に補助断熱層３が設けられた構成である。

本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、発熱体層４の両端部側と支持基板１との間に、先の実施形態と同様に空隙層８が設けられ、さらに加えて補助断熱層３があるから、発熱体層４の両端部側から支持基板１への熱伝導がより完全に阻止される。そのため本発明の赤外線放射素子Ａは、発熱体層４からの無駄な熱放散が少なく、電流のオンオフに対する応答がより早い。

次に赤外線放射素子Ａの製造方法について説明する。
図４は、図３に示す赤外線放射素子Ａの製造工程を示す平面図と、側面断面図である。即ち図４の（ａ）〜（ｊ）は赤外線放射素子Ａの製造方法の説明図であって、（ａ）〜（ｊ）それぞれにおける左側の図は平面図、右側の図は断面図を示している。

本実施形態の赤外線放射素子Ａは、先述した第一実施形態の赤外線放射素子Ａに比べて、補助断熱層３が新たに付加された構成である。従って製造方法は、先の実施形態の製造方法に対して補助断熱層３を形成させる工程（補助断熱層形成工程）が追加されたものである。
即ち本実施形態の赤外線放射素子Ａは、「主断熱層形成工程」、「補助断熱層形成工程」、「絶縁層（補助層）形成工程」、「発熱体層形成工程」、「パッド形成工程」及び「補助層除去工程（空隙形成工程）」を順次行うことによって完成される。

本実施形態の赤外線放射素子Ａの製造に際して実施される「主断熱層形成工程」は、第一実施形態で行われた工程と全く同一であり、レジスト層１０ａを形成し（図４（ａ））、レジスト層１０ａをマスクとして陽極酸化処理し、支持基板１の露出部位を所定深さまで多孔質化することにより、主断熱層２を形成した後（図４（ｂ））、レジスト層１０ａを除去する（図４（ｃ））。

主断熱層形成工程が終了すると、続いて補助断熱層形成工程を実施する。
補助断熱層形成工程においては、上記したレジスト層１０ａを除去した後、主断熱層２の表面に新たなレジスト層１０ｂを形成する。レジスト層１０ｂは、支持基板１の上記一表面上に補助断熱層３を形成する際における陽極酸化処理時のマスクとして機能する。

当該レジスト層１０ｂをマスクとして陽極酸化処理によって支持基板１の露出部位を所定深さ（例えば５μｍ）まで多孔質化することにより、補助断熱層３を形成する。
高強度構造部７の強度を保持し、かつ、断熱性を向上させるために、補助断熱層３の深さは主断熱層２よりも浅くし、多孔度は主断熱層２よりも大きくする必要がある。

補助断熱層３は、前記した主断熱層２に比べて厚さが薄く、且つ多孔度が高いため、陽極酸化処理の条件が、主断熱層２を形成する場合とはやや異なる。具体的には、処理における電流密度が高く、処理時間が短い。
補助断熱層３を形成する条件として、５０ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合した電解液を用い、シリコン基板の裏面を陽極とし、電解液中においてシリコン基板表面に対向配置した白金電極を陰極とし、電源から陽極と陰極との間に電流を流し陽極酸化を行うことにより、多孔質シリコン（ナノ結晶シリコン）からなる補助断熱層３を作製する（図４（ｅ））。シリコン基板が抵抗率１０Ωｃｍのｐ型基板の場合、１００ｍＡ／ｃｍ²の電流を４８秒間流すことにより、深さ５μｍ、多孔度８５％の多孔質シリコン層が形成される。

そして続いて絶縁層（補助層）形成工程を実施する。即ち上記レジスト層１０ｂを除去した後、支持基板１の上記一部表面に絶縁層（補助層）５を形成する。

さらに続いて「発熱体層形成工程」、「パッド形成工程」及び「補助層除去工程（空隙形成工程）」を順次行う。これらの工程は、先の実施形態と同一である。
即ち絶縁層（補助層）形成工程が終了すると、支持基板１の表面側にタングステン薄膜からなる発熱体層４を形成する（図４（ｈ））。
発熱体層形成工程が終了すると、発熱体層４の両端部上それぞれにパッド６を形成する。
そして最後に補助層除去工程（空隙形成工程）を実施し、エッチング等の方策によって絶縁層５（二酸化珪素や窒化珪素）を除去し、発熱体層４と高強度構造部７間には水平空隙層８を形成させる（図４（ｊ））。

（実施形態３）
次に、本発明の第三の実施形態について説明する。
図５は、本発明の第三実施形態の赤外線放射素子Ａの斜視図である。
図５に示す赤外線放射素子Ａについても、第一実施形態の赤外線放射素子Ａをさらに改良したものであり、主断熱層２の側面側に断熱溝９が設けられた構成である。言い換えれば高強度構造部７側の支持基板１と、主断熱層２の間に、支持基板１の表面に対して垂直な溝状の空隙部（以下、「垂直空隙部」ともいう。）を設けたものである。

本実施形態の赤外線放射素子では、発熱体層４の両端部側と支持基板１との間に、先の実施形態と同様に水平空隙層８が設けられているから、発熱体層４の両端部側から支持基板１への熱伝導が阻止される。さらに加えて本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、主断熱層２の側面側に断熱溝９が設けられているから、前述した支持基板１に熱が洩れる際の第二の経路が遮断される。即ち熱は、放射状に拡散し、斜め方向に拡散する熱に対して主断熱層２が薄いものの、本実施形態では、主断熱層２の側面側に断熱溝９が設けられているから、斜め方向に拡散する熱が支持基板１（高強度構造部７側）に洩れることが阻止される。

そのため本発明の赤外線放射素子Ａは、発熱体層４からの無駄な熱放散が少なく、電流のオンオフに対する応答がより早い。

次に赤外線放射素子Ａの製造方法について説明する。
図６は、図５に示す赤外線放射素子Ａの製造工程を示す平面図と、側面断面図である。即ち図６の（ａ）〜（ｊ）は赤外線放射素子Ａの製造方法の説明図であって、（ａ）〜（ｊ）それぞれにおける左側の図は平面図、右側の図は断面図を示している。

本実施形態の赤外線放射素子Ａは、先述した第一実施形態の赤外線放射素子Ａに比べて、主断熱層２の側面側に断熱溝９が付加された構成である。従って製造方法は、先の実施形態の製造方法に対して断熱溝９を形成させる工程（断熱溝形成工程）が追加されたものである。
即ち本実施形態の赤外線放射素子Ａは、「主断熱層形成工程」、「断熱溝形成工程」、「絶縁層（補助層）形成工程」、「発熱体層形成工程」、「パッド形成工程」及び「補助層除去工程（空隙形成工程）」を順次行うことによって完成される。

本実施形態の赤外線放射素子Ａの製造に際して実施される「主断熱層形成工程」は、第一実施形態で行われた工程と全く同一であり、レジスト層１０ａを形成し（図６（ａ））、レジスト層１０ａをマスクとして陽極酸化処理し、支持基板１の露出部位を所定深さまで多孔質化することにより、主断熱層２を形成した後（図６（ｂ））、レジスト層１０ａを除去する（図６（ｃ））。

主断熱層形成工程が終了すると、続いて断熱溝形成工程を実施する。
断熱溝形成工程においては、上記したレジスト層１０ａを除去した後、支持基板１の表面上に垂直空隙部を形成するドライエッチングのマスクとして新たなレジスト層１０ｂを形成し、当該レジスト層１０ｂをマスクとしてドライエッチングを行い、支持基板１の露出部位を所定深さ（例えば５０μｍ）までエッチングすることにより、断熱溝（垂直空隙部）９を形成する（図６（ｅ））。
なお、後の工程で断熱溝（垂直空隙部）９上に発熱体層４を成膜する際、あらかじめ絶縁膜５をもって断熱溝９上部を塞ぐ必要があるため、断熱溝９のエッチング幅は狭くする（例えば２．０μｍ）。

また、ドライエッチングには深堀り反応性イオンエッチングを採用し、レジスト厚み２．０μｍに対し、エッチング時間が１２０分の場合、エッチング深さ５０μｍの断熱溝（垂直空隙部）９が形成される。

上記レジスト層１０ｂを除去した後、「絶縁層（補助層）形成工程」を実施し、支持基板１の表面の一部に絶縁層５を形成する（図６（ｇ））。
例えば支持基板１の表面に所定膜厚（例えば１．０μｍ）の絶縁膜を, スパッタ法やＣＶＤ法により成膜する。絶縁層５の材料としては、シリコン基板を用いている場合は二酸化珪素（ＳｉＯ₂ ）や窒化珪素（ＳｉＮ）を採用することが推奨される。

また後の工程で発熱体層４を成膜する際、成膜の土台として、絶縁膜で断熱溝（垂直空隙部）９上部を埋める必要がある。この手法としてはスパッタ成膜法の場合は、斜方スパッタ法を用いることにより、絶縁膜を効率よく断熱溝（垂直空隙部）９の上部に堆積させる方策が考えられる。また熱酸化により、断熱溝（垂直空隙部）９内部を酸化膜（二酸化珪素ＳｉＯ₂ ）で埋める方策も有効である。

さらに続いて「発熱体層形成工程」、「パッド形成工程」及び「補助層除去工程（空隙形成工程）」を順次行う。これらの工程は、先の実施形態と同一である。
即ち絶縁層（補助層）形成工程が終了すると、支持基板１の表面側にタングステン薄膜からなる発熱体層４を形成する（図６（ｈ））。
発熱体層形成工程が終了すると、発熱体層４の両端部上それぞれにパッド６，６を形成する。
そして最後に補助層除去工程（空隙形成工程）を実施し、エッチング等の方策によって絶縁層５（二酸化珪素や窒化珪素）を除去し、発熱体層４と高強度構造部７間には水平空隙層８を形成させる（図６（ｊ））。

（実施形態４）
次に、本発明の第四の実施形態について説明する。
図７は、本発明の第四実施形態の赤外線放射素子Ａの斜視図である。
図７に示す赤外線放射素子Ａは、前記した第三実施形態の赤外線放射素子Ａをさらに改良したものであり、断熱溝９の側面側に主断熱層２よりも多孔度が高い補助断熱層３を設けた構成である。言い換えれば高強度構造部７側の支持基板と、断熱溝９の間に、さらに補助断熱層３を設けたものである。

本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、発熱体層４の両端部側と支持基板１との間に、先の実施形態と同様に水平空隙層８が設けられているから、発熱体層４の両端部側から支持基板１への熱伝導が阻止される。加えて本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、主断熱層２の側面側に断熱溝９が設けられているから、前述した支持基板１に熱が洩れる際の第二の経路が遮断される。さらに加えて本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、断熱溝９の側面側に補助断熱層３を設けたので、前述した支持基板１に熱が洩れる際の第二の経路が完全に遮断される。即ち熱は、放射状に拡散し、斜め方向に拡散する熱に対して主断熱層２が薄いものの、本実施形態では、主断熱層２の側面側に断熱溝９と補助断熱層３が設けられているから、斜め方向に拡散する熱が支持基板１（高強度構造部７側）に洩れることが阻止される。

そのため本発明の赤外線放射素子Ａは、発熱体層４からの無駄な熱放散が少なく、電流のオンオフに対する応答がより早い。

次に赤外線放射素子Ａの製造方法について説明する。
図８、図９は、図７に示す赤外線放射素子Ａの製造工程を示す平面図と、側面断面図である。即ち図８、図９の（ａ）〜（ｍ）は赤外線放射素子Ａの製造方法の説明図であって、（ａ）〜（ｍ）それぞれにおける左側の図は平面図、右側の図は断面図を示している。

本実施形態の赤外線放射素子Ａは、先述した第三実施形態の赤外線放射素子Ａに比べて、断熱溝９の側面側に補助断熱層３が付加された構成である。従って製造方法は、先の実施形態の製造方法に対して補助断熱層３を形成させる工程（補助断熱層形成工程）が追加されたものである。
即ち本実施形態の赤外線放射素子Ａは、「主断熱層形成工程」、「補助断熱層形成工程」、「断熱溝形成工程」、「絶縁層（補助層）形成工程」、「発熱体層形成工程」、「パッド形成工程」及び「補助層除去工程（空隙形成工程）」を順次行うことによって完成される。

本実施形態の赤外線放射素子Ａの製造に際して実施される「主断熱層形成工程」は、第一実施形態で行われた工程と全く同一であるので詳細な説明を省略する。

主断熱層形成工程が終了すると、続いて「補助断熱層形成工程」を実施する。
補助断熱層形成工程においては、上記したレジスト層１０ａを除去した後、支持基板１の表面上に補助断熱層３を形成する陽極酸化処理時のマスクとして新たなレジスト層１０ｂを形成し、当該レジスト層１０ｂをマスクとして陽極酸化処理によって支持基板１の露出部位を所定深さ（例えば５０μｍ）まで多孔質化することにより、補助断熱層３を形成する（図８（ｅ））。

例えば５０ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合した電解液を用い、シリコン基板の裏面を陽極とし、電解液中においてシリコン基板表面に対向配置した白金電極を陰極とし、電源から陽極と陰極との間に電流を流し陽極酸化を行うことにより、多孔質シリコン（ナノ結晶シリコン）からなる補助断熱層３を作製する。シリコン基板が抵抗率１０Ωｃｍのｐ型基板の場合、５０ｍＡ／ｃｍ²の電流を８分間流すことにより、深さ５０μｍ、多孔度７５％の多孔質シリコン層が形成される。

高強度構造部７の強度を保持しつつ、断熱性を向上させるために、補助断熱層３の幅は主断熱層２よりも狭くし( 例えば１０μｍ)、多孔度は高くする必要がある。

続いて断熱溝形成工程を実施する。断熱溝形成工程は先の実施形態と同様である。即ち 断熱溝形成工程においては、上記したレジスト層１０ｂを除去した後（図８（ｆ））、支持基板１の表面上に垂直空隙部を形成するドライエッチングのマスクとしてレジスト層１０ｃを形成し（図８（ｇ））、当該レジスト層１０ｃをマスクとしてドライエッチングを行い、支持基板１の露出部位を所定深さ（例えば５０μｍ）までエッチングすることにより、断熱溝９（垂直空隙部）を形成する（図８（ｈ））。

上記レジスト層１０ｃを除去した後（図８（ｉ））、「絶縁層（補助層）形成工程」を実施し、半導体基板の表面の一部に絶縁層５を形成する（図９（ｊ））。「絶縁層（補助層）形成工程」は先の実施形態と同一である。

さらに続いて「発熱体層形成工程」、「パッド形成工程」及び「補助層除去工程（空隙形成工程）」を順次行う。これの工程は、先の実施形態と同一である。
即ち絶縁層（補助層）形成工程が終了すると、支持基板１の表面側にタングステン薄膜からなる発熱体層４を形成する（図９（ｋ））。
発熱体層形成工程が終了すると、発熱体層４の両端部上のそれぞれにパッド６を形成する。そして最後に補助層除去工程（空隙形成工程）を実施し、エッチング等の方策によって絶縁層５（二酸化珪素や窒化珪素）を除去し、発熱体層４と高強度構造部７間には水平空隙層８を形成させる（図９（ｍ））。

（実施形態５）
次に、本発明の第五の実施形態について説明する。
図１０は、本発明の第五実施形態の赤外線放射素子の斜視図である。
図１０に示す赤外線放射素子は、前記した各実施形態の特徴的構成を全て取り入れたものである。
即ち図１０に示す赤外線放射素子Ａは、発熱体層４への通電により発熱体層４を発熱させることで発熱体層４から赤外線が放射される赤外線放射素子Ａであり、支持基板１の厚み方向の一表面（図１における上面）を多孔質化して主断熱層２が形成されている。また主断熱層２の上に発熱体層４が積層されている。発熱体層４上に通電用の一対のパッド（電極）６，６が形成されている。
そして支持基板１の表面側であって各パッド６，６それぞれと支持基板１との間に水平空隙層８が設けられている。
さらに水平空隙層８との重複部分に、主断熱層２よりも多孔度が高く支持基板１の表面に平行な水平補助断熱層３ａが設けられている。水平補助断熱層３ａの厚さは、主断熱層２の厚さよりも薄い。また主断熱層２の側面側に断熱溝９が設けられている。さらに断熱溝９の側面側に主断熱層２よりも多孔度が高く支持基板１の表面に垂直な垂直補助断熱層３ｂが設けられている。

以上、説明した実施形態１〜４では、空隙部（空隙層）は平行又は垂直であり、その空隙部の壁面は平滑である様に図示している。しかしながら実際にはこの様に平滑に成形することは困難であり、ある程度の凹凸は存在する。また空隙部を構成する壁面は、その全域において非接触状態であることが望ましいが、ある程度の部分で接触している場合もある。
また各実施形態では、水平に設けた空隙部（水平空隙層８）は、いずれも支持基板１であるシリコン基板（補助断熱層３を含む）の上面に設けたが、シリコン基板の上面に他の層が積層され、その上に空隙部（空隙層）が設けられていてもよい。また空隙部と発熱体層４の間に他の層が介在されていてもよい。
垂直に設けた空隙部（断熱溝９）についても同様であり、主断熱層２との間に他の層が介在されていてもよい。

（実施形態６）
以上は、いずれも赤外線放射素子の変形例について説明したが、次に赤外線放射素子Ａを採用したガスセンサ２０について説明する。
図１１は、本実施形態のガスセンサ２０の分解斜視図である。
本実施形態のガスセンサ２０は、赤外線光源２１と、光学的なフィルター２２と、検出素子２３によって構成される。そして赤外線光源２１には、上述した第一乃至第五の実施形態の赤外線放射素子Ａが採用されている。

ガスセンサ２０は、ガス通過部２４を有し、当該ガス通過部２４にガスＧを通過させる。本実施形態のガスセンサ２０は、赤外線放射素子Ａから放射される赤外線Ｒの吸収量を測定することによって、空気中に存在する特定ガス（メタン、二酸化炭素、一酸化炭素、窒素酸化物その他）の濃度を測定することができる。

本実施形態のガスセンサ２０は、赤外線光源２１の熱漏れが改善されることにより、赤外線光源２１の放射効率が向上し（高精度化）、ガスセンサ２０に対する供給電力量を抑えることができる（省電力化）効果がある。

本発明の第一実施形態の赤外線放射素子Ａの斜視図である。 図１に示す赤外線放射素子Ａの製造工程を示す平面図と、側面断面図である。 本発明の第二実施形態の赤外線放射素子Ａの斜視図である。 図３に示す赤外線放射素子Ａの製造工程を示す平面図と、側面断面図である。 本発明の第三実施形態の赤外線放射素子Ａの斜視図である。 図５に示す赤外線放射素子Ａの製造工程を示す平面図と、側面断面図である。 本発明の第四実施形態の赤外線放射素子Ａの斜視図である。 図７に示す赤外線放射素子Ａの製造工程を示す平面図と、側面断面図である。 図７に示す赤外線放射素子Ａの製造工程であって図８に示す工程に続く工程を示す平面図と、側面断面図である。 本発明の第五実施形態の赤外線放射素子Ａの斜視図である。 本実施形態のガスセンサ２０の分解斜視図である。 従来技術の赤外線放射素子Ａの断面図である。 特願２００５−１８７１０号に記載された赤外線放射素子Ａにおいて、支持基板に熱が洩れる際の第一の経路を示す赤外線放射素子Ａの断面図である。 特願２００５−１８７１０号に記載された赤外線放射素子Ａにおいて、支持基板に熱が洩れる際の第二の経路を示す赤外線放射素子Ａの断面図である。

符号の説明

Ａ 赤外線放射素子
１ 支持基板（半導体基板）
２ 主断熱層
３ 補助断熱層
４ 発熱体層
５ 絶縁層
６ パッド
７ 高強度構造部
８ 水平空隙層
９ 断熱溝（垂直空隙部）
２０ ガスセンサ

Claims (8)

1. 支持基板を有し、前記支持基板の表面側に、前記支持基板の主要部よりも熱伝導率の小さな多孔質層からなる主断熱層が形成され、さらに発熱体層が主断熱層の表面側の位置に形成されると共に発熱体層の表面側に一対のパッドが形成されており、前記支持基板の前記表面側であって各パッドそれぞれと重複する部位に、前記主断熱層の中央部に比べて機械的強度が高い高強度構造部を有する赤外線放射素子であって、前記パッドと支持基板との間に空隙層を有することを特徴とする赤外線放射素子。
2. 空隙層は、支持基板の表面に対して平行に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線放射素子。
3. 空隙層との重複部分に、主断熱層よりも多孔度が高い補助断熱層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線放射素子。
4. 補助断熱層の厚さが主断熱層の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項３に記載の赤外線放射素子。
5. 主断熱層の側面側に断熱溝が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の赤外線放射素子。
6. 断熱溝の側面側に主断熱層よりも多孔度が高い補助断熱層を有することを特徴とする請求項５に記載の赤外線放射素子。
7. 赤外放射源から赤外線を所定空間へ放射させて所定空間内の検知対象ガスでの赤外線の吸収を利用して検知対象ガスを検出するガスセンサであって、赤外放射源として請求項１乃至６のいずれかに記載の赤外線放射素子を備えてなることを特徴とするガスセンサ。
8. 請求項１乃至６のいずれかに記載の赤外線放射素子の製造方法において、空隙層を構成させる部位に固形物の補助層を積層し、少なくとも補助層に重ねて他の層を積層した後に前記補助層を除去する工程を有することを特徴とする赤外線放射素子の製造方法。

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