JP2009210287A - 赤外線放射素子 - Google Patents

Abstract

【課題】入力電力に対する応答速度が速く且つ赤外線の出力の高出力化が可能な赤外線放射素子を提供する。
【解決手段】シリコン基板からなる半導体基板１の一表面側に形成されたＩｒ膜からなるヒータ層３と、半導体基板１の上記一表面側で半導体基板１とヒータ層３との間に形成された多孔質シリコン層からなる多孔質部２とを備え、ヒータ層３へ電力を与えることによりヒータ層３から赤外線が放射される赤外線放射素子であり、半導体基板１と多孔質部２との界面がヒータ層３から多孔質部２側へ放射された赤外線を反射する凹曲面状の赤外線反射ミラー６を構成している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、赤外線放射素子に関するものである。

従来から、赤外線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）が提供されているが、これらの分析装置で用いられている赤外線放射源として代表的なものは、ハロゲンランプであって、大型で且つ寿命が比較的短いので、赤外線を利用してガスを検出する小型のガスセンサへの適用は難しい。なお、透光性の気密容器内にフィラメント（タングステンフィラメント）を収納したハロゲンランプのような赤外線放射源においては、フィラメントなどを工夫することにより小型化を図ったものもあるが、気密容器を必要とするから、小型のガスセンサへの適用は難しいのが現状である。

そこで、小型化が可能な赤外線放射源として、マイクロマシニング技術などを利用して形成されシリコン基板からなる支持基板の一表面側にヒータ層が形成されたマイクロブリッジ構造の赤外線放射素子が提案されている（例えば、特許文献１〜３）。なお、上記特許文献１，２では、アルカリ系溶液を用いた異方性エッチング技術を利用してヒータ層の裏面側に空洞を形成し、上記特許文献３では、シリコン基板の一部を陽極酸化することにより形成した多孔質部を選択的にエッチング除去することによって、ヒータ層の裏面側に空洞を形成している。

また、上記特許文献１〜３と同様に小型化が可能な赤外線放射源として、半導体基板の一部を陽極酸化することにより形成した多孔質部からなる断熱層をヒータ層と半導体基板との間に備えた赤外線放射素子が提案されている（例えば、特許文献４）。なお、上記特許文献４に開示された赤外線放射素子は、マイクロブリッジ構造の赤外線放射素子に比べて、熱膨張率差や構造などに起因したヒータ層の破損をより確実に防止することができて信頼性を高めることができるとともに、応答速度の高速化を図れるという利点を有している。
特開平６−８４６０４号公報 特開２００６−１０４２３号公報 特開２００７−２２２９９０号公報 特開２００６−１２４５９号公報

しかしながら、上記特許文献４に開示された赤外線放射素子においても、上述のハロゲンランプに比べて、小型で入力電力に対する応答速度が速いという利点を有する一方で赤外線の出力が小さいという問題があった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、入力電力に対する応答速度が速く且つ赤外線の出力の高出力化が可能な赤外線放射素子を提供することにある。

請求項１の発明は、半導体基板の一表面側に形成されたヒータ層と、半導体基板の前記一表面側で半導体基板とヒータ層との間に形成された多孔質部とを備え、ヒータ層へ電力を与えることによりヒータ層から赤外線が放射される赤外線放射素子であって、半導体基板と多孔質部との界面がヒータ層から多孔質部側へ放射された赤外線を反射する凹曲面状の赤外線反射ミラーを構成していることを特徴とする。

この発明によれば、半導体基板の一表面側で半導体基板とヒータ層との間に形成された多孔質部が断熱層として機能するので、入力電力に対する応答速度が速く、しかも、半導体基板と多孔質部との界面がヒータ層から多孔質部側へ放射された赤外線を反射する凹曲面状の赤外線反射ミラーを構成しているので、ヒータ層から放射された赤外線を効率良く取り出すことができ、赤外線の出力の高出力化が可能となる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記多孔質部における前記ヒータ層側の表面が凹曲面状に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ヒータ層から表面側へ放射される赤外線を集光することができるとともに、前記赤外線反射ミラーにより反射された赤外線を集光することができるので、高出力の赤外線ビームを得ることが可能となる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記多孔質部における前記ヒータ層側の表面が凸曲面状に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、高出力の点光源として利用することが可能となる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記多孔質部は、前記半導体基板側に屈折率の異なる複数の多孔質層により構成され所望の波長域の赤外線を選択的に反射する多層反射部を有することを特徴とする。

この発明によれば、前記ヒータ層から前記多孔質部側へ放射された赤外線に対する波長選択性を向上させることができる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記多孔質部は、前記ヒータ層側に封孔層が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、酸素や水分などの反応性物質や不純物が前記多孔質部に吸着したり付着したりして前記多孔質部の熱物性が変化するのを抑制することができ、前記多孔質部の経時変化による出力低下を抑制できる。

請求項１の発明では、入力電力に対する応答速度が速く且つ赤外線の出力の高出力化が可能となるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の赤外線放射素子は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、単結晶のシリコン基板からなる半導体基板１の一表面側（図１（ｂ）における上面側）にヒータ層（発熱体層）３が形成されるとともに、ヒータ層３と半導体基板１との間に多孔質シリコン層からなる多孔質部２が形成されており、半導体基板１の上記一表面側にヒータ層３の両端部それぞれと電気的に接続される一対のパッド４，４が形成されている。したがって、本実施形態の赤外線放射素子では、一対のパッド４，４を介してヒータ層３へ電力を与えることによりヒータ層３から赤外線が放射される。

上述の半導体基板１の外周形状は矩形状であって、多孔質部２の平面形状は円形状、ヒータ層３の平面形状は短冊状に形成してある。ここにおいて、多孔質部２は、半導体基板１に比べて熱伝導率および熱容量が小さく、ヒータ層３と半導体基板１との間の断熱層として機能する。ヒータ層３の平面形状は短冊状に限らず、例えば、つづら折れ状の形状など蛇行した形状としてもよく、蛇行した形状とすることにより、ヒータ層３の抵抗を大きくしつつ加熱面積を大きくすることができるので、低電流駆動でも効率良く温度上昇させることが可能となる。また、ヒータ層３を蛇行した形状とする場合、コーナー部を滑らかに連続する曲線とすることにより、コーナー部の電界集中を緩和することができるので、高電圧で駆動する場合などの耐久性および信頼性を向上させることができる。

また、本実施形態の赤外線放射素子は、半導体基板１の上記一表面側に各パッド４，４およびヒータ層３と半導体基板１とを電気的に絶縁する絶縁膜（例えば、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜など）５が形成されており、各パッド４，４は、ヒータ層３の端部と絶縁膜５のうち半導体基板１の上記一表面上に形成された部位とに跨って形成されている。なお、絶縁膜５のうち多孔質部２上に形成された部位は、ヒータ層３よりもやや幅広の短冊状にパターニングされている。

本実施形態では、上述のように半導体基板１として単結晶のシリコン基板を用いており、多孔質部２を多孔質シリコン層により構成しているので、後述のように半導体基板１の一部を陽極酸化処理することにより多孔質部２を形成することができる。ここにおいて、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り、例えば、熱伝導率が１４８〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、熱容量が１．６３×１０^６〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕の単結晶のシリコン基板を陽極酸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１〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、熱容量が０．７×１０^６〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕であることが知られている。なお、本実施形態では、上述のように多孔質部２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成してあり、多孔質部２の熱伝導率が０．１２〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、熱容量が０．５×１０^６〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕となっている。ここで、多孔質部２の多孔度は特に限定するものではないが、少なくとも、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４のような絶縁材料よりも断熱性が高くなるように設定する。

上述のヒータ層３の材料としては、半導体基板１の材料であるＳｉに比べて高融点の金属を採用することが好ましく、本実施形態では、Ｉｒを採用しているが、Ｉｒに限らず、例えば、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｔｉなどの金属やＮｉＣｒなどの電熱合金や、ポリシリコンなどを採用してもよい。ただし、ヒータ層３の材料として採用する金属としては、熱応力に起因してヒータ層３や多孔質部２が破壊されるのを防止するという観点から、半導体基板１の材料であるＳｉの熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する金属を採用することが好ましい。

また、ヒータ層３と多孔質部２との間に密着性改善用の密着層として例えばＴｉ膜を介在させてもよいし、ヒータ層３の表面側に当該ヒータ層３に比べて放射率の高い材料（例えば、金黒、Ｃｒなど）からなる高放射率層を設けてもよい。ここにおいて、密着層や高放射率層を設けることにより、ヒータ層３の材料の制約が少なくなるという利点がある。なお、上記密着層の材料はＴｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどでもよい。

また、各パッド４，４は、Ａｌにより形成してあるが、Ａｌに限らず、Ａｕなどを採用してもよいし、単層構造に限らず、例えば、多層構造（例えば、Ｃｒ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜）を採用してもよい。

本実施形態の赤外線放射素子においてヒータ層３から放射される赤外線のピーク波長λは、ヒータ層３の温度に依存し、ピーク波長をλ〔μｍ〕、ヒータ層３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、ヒータ層３の絶対温度Ｔとヒータ層３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足している。要するに、本実施形態の赤外線放射素子では、ヒータ層３が黒体を構成しており、図示しない外部電源からパッド４，４間に与える入力電力を調整することにより、ヒータ層３に発生するジュール熱を変化させる（つまり、ヒータ層３の温度を変化させる）ことができる。したがって、ヒータ層３への最大入力電力に応じてヒータ層３の温度を変化させることができ、また、ヒータ層３の温度を変化させることでヒータ層３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。ここにおいて、本実施形態では、ヒータ層３が上述のように黒体を構成し、ヒータ層３の単位面積が単位時間に放射する全エネルギＥがＴ^４に比例している（つまり、シュテファン−ボルツマンの法則を満足している）ので、ヒータ層３の温度を高くするほど赤外線の放射量を増大させることができ、広範囲の赤外線波長域において高出力の赤外線光源（赤外線放射源）として用いることが可能となる。

ところで、本実施形態の赤外線放射素子では、半導体基板１と多孔質部２との界面がヒータ層３から多孔質部２側へ放射された赤外線を反射する凹曲面状の赤外線反射ミラー６を構成している。

以下、本実施形態の赤外線放射素子の製造方法について図２（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明する。

まず、図２（ａ）に示す半導体基板（後述のダイシングを行うまではウェハ）１の他表面側（図２（ａ）の下面側）に後述の陽極酸化工程で利用する平面形状が円形状の陽極１２を形成する陽極形成工程を行うことによって、図２（ａ）に示す構造を得る。この陽極形成工程では、半導体基板１の他表面側に陽極１２の基礎となる所定膜厚（例えば、１μｍ）の導電性膜（例えば、Ａｌ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜など）からなる導電性層を形成する導電性層形成工程を行い、その後、導電性層を円形状にパターニングするパターニング工程を行うことで、円形状の陽極１２を形成する。ここにおいて、導電性層形成工程では、例えばスパッタ法や蒸着法などによって半導体基板１０の上記他表面上に導電性層を成膜した後、Ｎ_２ガスおよびＨ_２ガス雰囲気中で導電性層のシンタ（熱処理）を行うことで、導電性層と半導体基板１とのオーミック接触を得ている。また、パターニング工程では、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して導電性層をパターニングする。また、陽極形成工程において形成する陽極１２は、上述の赤外線反射ミラー６の所望の曲面形状（ここでは、半導体基板１における多孔質部２との界面の形状）に応じて半導体基板１との接触パターン（ここでは、陽極１２の平面形状）を設計してある。

上述の陽極形成工程の後、半導体基板１の上記一表面側における多孔質部２の形成予定部位を陽極酸化処理にて多孔質化することで多孔質シリコン層からなる多孔質部２を形成する陽極酸化工程を行うことによって、図２（ｂ）に示す構造を得る。ここにおいて、陽極酸化工程では、電解液として５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合した混合液を用い、電解液中で半導体基板１の上記一表面側に対向配置される陰極と陽極１２との間に所定電流密度（例えば、３０ｍＡ／ｃｍ^２）の電流を所定時間（例えば、１２０分）だけ通電して半導体基板１の上記一表面側に多孔質部２を形成する。なお、電解液としては、半導体基板１の構成元素であるＳｉの酸化物であるＳｉＯ_２をエッチング除去する溶液として、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合したフッ酸系溶液を用いているが、フッ化水素水溶液の濃度やフッ化水素水溶液とエタノールとの混合比は特に限定するものではない。また、フッ化水素水溶液と混合する液体もエタノールに限らず、メタノール、プロパノール、イソプロパノール（ＩＰＡ）などのアルコールなど、陽極酸化反応で発生した気泡を除去できる液体であれば、特に限定するものではない。また、陽極酸化工程の処理条件は特に限定するものではなく、上述の所定電流密度および上記所定時間はそれぞれ適宜設定すればよい。また、陽極酸化処理工程では、所定電流密度の条件で通電を行っているが、所定電圧の条件で通電を行うようにしてもよい。

ところで、本実施形態では、半導体基板１として用いる単結晶のシリコン基板の導電形がｐ形であり、半導体基板１の一部を陽極酸化工程において多孔質化する際には、ホールをｈ^＋、電子をｅ⁻とすると、以下の反応が起こっていると考えられる。
Ｓｉ＋２ＨＦ＋（２−ｎ）ｈ^＋→ＳｉＦ_２＋２Ｈ^＋＋ｎｅ⁻
ＳｉＦ_２＋２ＨＦ→ＳｉＦ_４＋Ｈ_２
ＳｉＦ_４＋２ＨＦ→ＳｉＨ_２Ｆ_６
すなわち、ｐ形のシリコン基板からなる半導体基板１の陽極酸化では、Ｆイオンの供給量とホールｈ^＋の供給量との兼ね合いで多孔質化あるいは電解研磨が起こることが知られており、Ｆイオンの供給量の方がホールの供給量よりも多い場合には多孔質化が起こり、ホールｈ^＋の供給量がＦイオンの供給量よりも多い場合には電解研磨が起こる。したがって、本実施形態のように半導体基板１としてｐ形のシリコン基板を用いている場合には、陽極酸化による多孔質化の速度はホールｈ^＋の供給量で決まるから、半導体基板１中を流れる電流の電流密度で多孔質化の速度が決まり、多孔質部２の厚みが決まることになる。ここにおいて、半導体基板１の上記一表面側では、半導体基板１の厚み方向に沿った陽極１２の中心線から離れるほど電流密度が徐々に小さくなるような電流密度の面内分布を有することとなり、半導体基板１の上記一表面側に形成される多孔質部２は、陽極１２の中心線から離れるほど徐々に薄くなっている。なお、上述の電流密度の面内分布は、陽極１２と陰極との間に通電しているときに陽極１２と半導体基板１との接触パターンなどにより決まる半導体基板１内の電界強度の分布に応じて発生し、電界強度が強いほど電流密度が大きくなり、電界強度が弱いほど電流密度が小さくなる。

上述の陽極酸化工程の終了後、陽極１２をエッチング除去する陽極除去工程を行ってから、半導体基板１の上記一表面側に絶縁膜５を形成する絶縁膜形成工程を行うことによって、図２（ｃ）に示す構造を得る。なお、絶縁膜形成工程では、例えば、スパッタ法やＣＶＤ法などによって絶縁膜５の基礎となるＳｉ_３Ｎ_４膜もしくはＳｉＯ_２膜からなる絶縁層を成膜してから、当該絶縁層をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることで絶縁膜５を形成する。

上述の絶縁膜形成工程の後、ヒータ層３を形成するヒータ層形成工程を行うことによって、図２（ｄ）に示す構造を得る。なお、ヒータ層形成工程では、例えば、各種のスパッタ法、各種の蒸着法、各種のＣＶＤ法などによってヒータ層３の基礎となるヒータ材料層を成膜してから、当該ヒータ材料層をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることでヒータ層３を形成する。

上述のヒータ層形成工程の後、パッド４，４を形成するパッド形成工程を行うことによって、図２（ｅ）に示す構造の赤外線放射素子を得ることができるので、その後、個々の赤外線放射素子に分離するダイシング工程を行えばよい。

上述の赤外線放射素子の製造方法によれば、陽極形成工程にて形成する陽極１２と半導体基板１との接触パターンにより陽極酸化工程において半導体基板１に流れる電流の電流密度の面内分布が決まるので、陽極酸化工程にて形成する多孔質部２の厚みの面内分布を制御することができて厚みが連続的に変化した多孔質部２を形成することが可能であり、当該多孔質部２と半導体基板１との界面が赤外線反射ミラー６となるから、任意形状で且つ滑らかな赤外線反射ミラー６を容易に形成することができる。

ところで、上述の赤外線放射素子の製造方法においては、陽極酸化工程において半導体基板１に流れる電流の電流密度の面内分布によって赤外線反射ミラー６の曲面形状が決まるので、半導体基板１の抵抗率や厚み、陽極酸化工程にて用いる電解液の電気抵抗値や、半導体基板１と陰極との間の距離、陰極の平面形状（半導体基板１に対向配置した状態において半導体基板１に平行な面内での形状）、陽極１２の形状や大きさなどを適宜設定することにより、凹曲面である赤外線反射ミラー６の曲面形状を制御することができる。

ここにおいて、半導体基板１の抵抗率としては、例えば、数Ωｃｍ〜数１００Ωｃｍ程度の範囲内で設定すればよく、抵抗率が小さいほど曲率半径の大きな緩やかな凹曲面からなる赤外線反射ミラー６を形成することができ、抵抗率が大きいほど曲率半径の小さな凹曲面からなる赤外線反射ミラー６を形成することができる。また、半導体基板１の厚みが薄いほど曲率半径の小さな凹曲面からなる赤外線反射ミラー６を形成することができ、厚みが厚いほど曲率半径の大きな緩やかな凹曲面からなる赤外線反射ミラー６を形成することができる。

また、電解液の電気抵抗値は、例えば、フッ化水素水溶液の濃度や、フッ化水素水溶液とエタノールとの混合比などを変えることにより調整することができるので、陽極１２の形状の他に、陽極１２の形状以外の条件（例えば、電解液の電気抵抗値）を適宜設定することによって、赤外線反射ミラー６の曲面形状をより制御しやすくなる。

また、その他に、曲面形状を制御するパラメータとして、陽極酸化工程における陽極酸化の処理時間（上記所定時間）があり、処理時間が長く多孔質部２の厚みが厚くなるほど、多孔質部２において厚い部分の厚さと薄い部分の厚さとの差が大きくなって曲率半径の小さな凹曲面を形成でき、処理時間が短く多孔質部２の厚みが薄くなるほど、多孔質部２において厚い部分の厚さと薄い部分の厚さとの差が小さくなって曲率半径の大きな凹曲面を形成できる。

また、上述の陽極酸化工程では、通電開始から所定時間が経過すると直ちに通電を終了するようにしているが、通電終了前に電流密度を連続的ないし段階的に減少させることで半導体基板１の多孔質化の速度および多孔度を低下させれば、多孔質部２と半導体基板１との界面をより滑らかな凹曲面とすることが可能となる。要するに、上記通電時に、多孔質部２における表面側の部分の多孔度よりも半導体基板１との界面側（境界側）の部分の多孔度を小さくするように通電条件を変化させるようにすれば、多孔質部２における半導体基板１との界面側の部分の多孔度が表面側の部分の多孔度に比べて小さくなって、より滑らかな凹曲面からなる赤外線反射ミラー６を有する赤外線放射素子を形成することが可能となる。

また、赤外線反射ミラー６となる凹曲面の形状によっては、上述の製造方法によらず、陽極形成工程において半導体基板１の上記他表面側の全面に陽極１２を形成した後、半導体基板１の上記一表面側に絶縁膜５を形成する絶縁膜形成工程を行い、陽極酸化工程において絶縁膜５をマスクとして半導体基板１を上記一表面側から多孔質化することで多孔質部２を形成するようにしてもよい。

以上説明した本実施形態の赤外線放射素子によれば、半導体基板１の上記一表面側で半導体基板１とヒータ層３との間に形成された多孔質部２が断熱層として機能するので、従来のヒータ層の裏面側に空洞が形成されたマイクロブリッジ構造の赤外線放射素子に比べてヒータ層３の膜厚をより薄くできて熱容量を低減することができ、しかも、マイクロブリッジ構造を実現するための梁部が不要となり、多孔質部２が梁部の材料として一般的に採用されているＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ，ＳｉＮなどよりも熱容量、熱伝導率が小さく断熱性に優れており、ヒータ層３を効率良く温度を上昇させることができるから、入力電力に対する応答速度が速く、より高い周波数の入力電圧に追随して赤外線を放射させることが可能となり、しかも、半導体基板１と多孔質部２との界面がヒータ層３から多孔質部２側へ放射された赤外線を反射する凹曲面状の赤外線反射ミラー６を構成しているので、ヒータ層３から放射された赤外線を効率良く取り出すことができ、赤外線の出力の高出力化が可能となる。ここで、本実施形態の赤外線放射そしをパルス駆動する場合（パルス状の電圧を印加して駆動する場合）、ヒータ層３を瞬時に所定温度（例えば、５００℃）まで昇温させて必要な赤外線を放射させることができる。なお、マイクロブリッジ構造の赤外線放射素子では、上記所定温度まで昇温するのにｍｓｅｃオーダの時間を要するのに対して、本実施形態の赤外線放射素子では、μｓｅｃオーダの時間で昇温することができるので、より高速でのパルス駆動が可能となり、時間平均でみた入力電力も桁違いに小さくできる。

（実施形態２）
本実施形態の赤外線放射素子の基本構成は実施形態１と略同じであって、図３（ａ），（ｂ）に示すように、多孔質部２におけるヒータ層３側の表面が凹曲面状に形成されており、ヒータ層３が当該多孔質部２の凹曲面状の表面の一部に沿った断面形状に形成されている点が相違するだけである。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の赤外線放射素子の製造方法は実施形態１で説明した製造方法と略同じであり、実施形態１にて説明した陽極酸化工程で多孔質部１３（図２（ｂ）参照）を形成する前に、半導体基板１の上記一表面側に多孔質部２の凹曲面状の表面の基準となる凹曲面を形成するための除去部位となる多孔質部を陽極酸化処理により形成してから当該多孔質部を除去し、その後、陽極酸化工程を行うことにより多孔質部２を形成すればよい。

しかして、本実施形態の赤外線放射素子によれば、ヒータ層３から表面側へ放射される赤外線を集光することができるとともに、赤外線反射ミラー６により反射された赤外線を集光することができるので、高出力の赤外線ビームを得ることが可能となる。

なお、本実施形態の赤外線放射素子は、実施形態１と同様に入力電力に対する高速応答が可能である上に、高出力の赤外線ビームを得ることが可能なので、高速の赤外光通信用の赤外線光源として利用することが可能となる。

（実施形態３）
本実施形態の赤外線放射素子の基本構成は実施形態１と略同じであって、図４（ａ），（ｂ）に示すように、多孔質部２におけるヒータ層３側の表面が凸曲面状に形成されており、ヒータ３が当該多孔質部２の凸曲面状の表面の一部に沿った断面形状に形成されている点が相違するだけである。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の赤外線放射素子の製造方法は実施形態１で説明した製造方法と略同じであり、実施形態１にて説明した陽極酸化工程で多孔質部２（図２（ｂ）参照）を形成する前に、半導体基板１の上記一表面側に多孔質部２の凸曲面状の表面の基準となる凸曲面を形成するための除去部位となる多孔質部を形成してから当該多孔質部を除去し、その後、陽極酸化工程を行うことにより多孔質部２を形成すればよい。

しかして、本実施形態の赤外線放射素子は、高出力の点光源として利用することが可能となる。

なお、本実施形態の赤外線放射素子は、実施形態１と同様に入力電力に対する高速応答が可能である上に、高出力の点光源として利用することが可能なので、例えば、赤外分光装置に利用する場合、瞬間的に赤外線を放射させることができ、測定対象物を加熱せずに測定することが可能となる。

（実施形態４）
本実施形態の赤外線放射素子の基本構成は実施形態１と略同じであって、図５（ａ），（ｂ）に示すように、多孔質部２が、半導体基板１側に屈折率の異なる複数（本実施形態では、２つであるが、３つ以上でもよい）の多孔質層２ｂ，２ｃにより構成され所望の波長域の赤外線を選択的に反射する多層反射部７を有している点が相違する。ここで、多孔質層２ｂ，２ｃの屈折率と厚さとを適宜設定することにより、波長選択性を持たせることができる。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

上述の多孔質層２ｂ，２ｃは、多孔度を異ならせることにより、屈折率を異ならせてあり、半導体基板１に近い多孔質層２ｃに比べて、半導体基板１から遠い多孔質層２ｂの多孔度を低く設定してある。上述の多孔質層２ｂ，２ｃは、実施形態１にて説明した陽極酸化工程において、陽極酸化処理の条件を適宜設定することにより形成することができる。なお、多孔質層２ｃの多孔度は、多孔質部２において多層反射部７以外の部分からなる断熱部２ａの多孔度と同じに設定してあるが、必ずしも同じに設定する必要はない。

本実施形態の赤外線放射素子によれば、ヒータ層３から多孔質部２側へ放射された赤外線に対する波長選択性を向上させることができる。なお、実施形態１〜３においても、多孔質部２に本実施形態と同様の多層反射部７を設けるようにしてもよい。

（実施形態５）
本実施形態の赤外線放射素子の基本構成は実施形態２と略同じであって、図６（ａ），（ｂ）に示すように、多孔質部２におけるヒータ層３側に封孔処理を施すことにより封孔層２ｄが形成されている点、多孔質部２に実施形態４にて説明した多層反射部７が設けられている点、ヒータ層３における多孔質部２側と反対側の表面に当該表面側へ放射される赤外線をカットする（阻止する）ための絶縁膜（例えば、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜など）８により覆われている点が相違する。なお、実施形態２，４と同様の構成要素には同一の符合を付して説明を省略する。

封孔層２ｄは、実施形態１にて説明した陽極酸化工程において、陽極酸化処理の条件を適宜設定することにより形成した封孔用多孔質層（多孔質部２における断熱部２ａに比べて、多孔度および細孔径が小さく設定してある）を酸化する封孔処理工程を行うことにより形成してあり、電気絶縁性を有している。ここで、封孔処理工程では、封孔用多孔質層を高温高湿（例えば、温度が１２０℃、湿度が８５％）の雰囲気に曝して酸化する（つまり、酸化種を含む雰囲気において少なくとも封孔用多孔質層を加熱した状態で酸化する）ことで封孔層２ｄを形成している。

以上説明した本実施形態の赤外線放射素子によれば、多孔質部２におけるヒータ層３側に封孔層２ｄが形成されていることにより、酸素や水分などの反応性物質や不純物が多孔質部２に吸着したり付着したりして多孔質部２の熱物性が変化するのを抑制することができ、多孔質部２の経時変化による出力低下を抑制できる。

また、本実施形態の赤外線放射素子では、多孔質部２に実施形態４にて説明した多層反射部７が設けられる一方で、ヒータ層３における多孔質部２側と反対側の表面が絶縁膜８により覆われているので、赤外線放射素子全体として放射する赤外線の波長の選択性を高めることができ、不要は波長域の赤外線が放射されるのを抑制することができ、例えばガスセンサなどの赤外線放射源として用いる場合に、ガスセンサの高感度化を図れる。

実施形態１の赤外線放射素子を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略断面図である。 同上の赤外線放射素子の製造方法を説明するための主要工程断面図である。 実施形態２の赤外線放射素子を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略断面図である。 実施形態３の赤外線放射素子を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略断面図である。 実施形態４の赤外線放射素子を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略断面図である。 実施形態５の赤外線放射素子を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略断面図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ 多孔質部
２ａ 断熱部
２ｂ 多孔質層
２ｃ 多孔質層
２ｄ 封孔層
３ ヒータ層
４ パッド
５ 絶縁膜
６ 赤外線反射ミラー
７ 多層反射部
８ 絶縁膜

Claims (5)

1. 半導体基板の一表面側に形成されたヒータ層と、半導体基板の前記一表面側で半導体基板とヒータ層との間に形成された多孔質部とを備え、ヒータ層へ電力を与えることによりヒータ層から赤外線が放射される赤外線放射素子であって、半導体基板と多孔質部との界面がヒータ層から多孔質部側へ放射された赤外線を反射する凹曲面状の赤外線反射ミラーを構成していることを特徴とする赤外線放射素子。
2. 前記多孔質部における前記ヒータ層側の表面が凹曲面状に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線放射素子。
3. 前記多孔質部における前記ヒータ層側の表面が凸曲面状に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線放射素子。
4. 前記多孔質部は、前記半導体基板側に屈折率の異なる複数の多孔質層により構成され所望の波長域の赤外線を選択的に反射する多層反射部を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の赤外線放射素子。
5. 前記多孔質部は、前記ヒータ層側に封孔層が形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の赤外線放射素子。

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