JP2009210289A - 赤外線検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線検出感度の高い赤外線検出システムを提供する。
【解決手段】第１の半導体基板１１とヒータ層１３との間に形成された第１の多孔質部１２を有する赤外線放射素子１０と、第２の半導体基板２１と感温部２３との間に形成された第２の多孔質部２２を有し赤外線放射素子１０から放射された赤外線を検出する赤外線検出素子２０と、赤外線放射素子１０への入力電力を制御して赤外線放射素子１０から赤外線を放射させる制御部（図示せず）とを備える。赤外線放射素子１０は、第１の多孔質部１２におけるヒータ層１３側に第１の多孔質部１２の表層部を酸化することにより形成された第１の封孔層１２ｄを有し、赤外線検出素子２０は、第２の多孔質部２２における感温部２３側に第２の多孔質部２２の表層部を酸化することにより形成された第２の封孔層２２ｄを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、赤外線放射素子と当該赤外線放射素子から放射された赤外線を検出する赤外線検出素子とを備えた赤外線検出システムに関するものである。

従来から、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の赤外線検出システム）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放射体としてのフィラメントを収納したハロゲンランプのような赤外放射源においては、フィラメントの形状や放射特性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放射源として、マイクロマシンニング技術を利用して形成する赤外線放射素子が各所で研究開発されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

ここにおいて、上記特許文献１〜３には、シリコン基板などをマイクロマシン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。なお、この種のマイクロブリッジ構造の赤外線放射素子は、線状の発熱体への通電に伴うジュール熱により発熱体から赤外線を放射させるものであって、中赤外領域の赤外線を放射可能であり且つ電気的な入力に対する高速応答性を有している。

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高くするためには、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短時間で計測することが望ましく、上述のマイクロブリッジ構造の赤外線放射素子では、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なので、発熱体と発熱体周囲との熱容量差を大きくすることができ、発熱体へ流す電流のオンオフに高速で応答するようになっている。

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、線状の発熱体の両端に設けたパッド間へ印加する電圧のオンオフに伴う応答速度を向上させるために、発熱体の周囲を空気または真空として発熱体と周囲との熱容量の差を大きくしてあるが、発熱体が線状の形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、発熱体が破損したり熱により溶断したりして寿命が短くなってしまうことがあった。

そこで、上記特許文献１〜３に開示された赤外線放射素子に比べて長寿命化を図ることが可能な赤外線放射素子として、多孔質シリコンからなる多孔質部を断熱層として採用した赤外線放射素子が提案されている（例えば、特許文献４）。ここにおいて、上記特許文献４に記載された赤外線放射素子は、例えば、シリコン基板の一表面側に多孔質シリコンからなる断熱層が形成されるとともに、断熱層上に発熱体層（ヒータ層）が形成され、発熱体層の両端部上それぞれにパッドが形成されている。

このような赤外線放射素子を例えば分光式ガスセンサ用の赤外線源として用いる場合、赤外線放射素子を間欠的に駆動することで赤外線を間欠的に放射させ、赤外線を検出する受光素子（赤外線検出素子）の出力をロックインアンプにより増幅することで、ガスセンサの出力のＳ／Ｎを向上させることができる。

ところで、上記特許文献４には、受光素子の具体的な構造について記載されていないが、応答速度を向上させるために、図８に示すように、単結晶のシリコン基板１０１の一表面側に多孔質シリコンからなる多孔質部１０２が形成され、多孔質部１０２上にシリコン酸化膜からなる絶縁膜１０３が形成され、当該絶縁膜１０３上にサーモパイル型のセンシングエレメントからなる感温部１０４が形成された赤外線検出素子（特許文献５参照）を用いることが考えられる
特開平９−１５３６４０号公報（段落番号〔００２７〕、〔００２８〕、図２参照） 特開２０００−２３６１１０号公報（段落番号〔００１７〕、〔００１８〕、〔００１９〕、図１、図２参照） 特開平１０−２９４１６５号公報（段落番号〔００１４〕、〔００１５〕、図１参照） 特開２００６−１３４１５号公報 特開平９−１４５４７９号公報

ところで、図８に示した構成の赤外線検出素子では、感温部１０４と多孔質部１０２との間にシリコン酸化膜からなる絶縁膜１０３が形成されているので、絶縁膜１０３が形成されていない場合に比べて断熱性が低下して赤外線検出感度が低下してしまうという問題があった。また、上記特許文献４に記載された赤外線放射素子では、断熱層を構成している多孔質部の熱物性が、空気中に含まれる酸素などとの反応や不純物の吸着や付着などに起因して変化し、赤外線の出力が低下したり不安定となってしまい、結果的に赤外線検出素子での赤外線検出感度が低下してしまう。

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、赤外線検出感度の高い赤外線検出システムを提供することにある。

請求項１の発明は、第１の半導体基板の一表面側に形成されたヒータ層および第１の半導体基板の前記一表面側で第１の半導体基板とヒータ層との間に形成された第１の多孔質部を有する赤外線放射素子と、第２の半導体基板の一表面側に形成された感温部および第２の半導体基板の前記一表面側で第２の半導体基板と感温部との間に形成された第２の多孔質部を有し赤外線放射素子から放射された赤外線を検出する赤外線検出素子と、赤外線放射素子への入力電力を制御して赤外線放射素子から赤外線を放射させる制御部とを備え、赤外線放射素子は、第１の多孔質部におけるヒータ層側に第１の多孔質部の表層部を酸化することにより形成された第１の封孔層を有し、赤外線検出素子は、第２の多孔質部における感温部側に第２の多孔質部の表層部を酸化することにより形成された第２の封孔層を有することを特徴とする。

この発明によれば、赤外線放射素子が、第１の多孔質部におけるヒータ層側に第１の多孔質部の表層部を酸化することにより形成された第１の封孔層を有しているので、空気中に含まれる酸素や水分などの反応性物質や不純物が第１の多孔質部に吸着したり付着したりして熱物性が変化するのを抑制することができて、第１の多孔質部の経時変化による出力低下を抑制でき、しかも、赤外線検出素子が、第２の多孔質部における感温部側に第２の多孔質部の表層部を酸化することにより形成された第２の封孔層を有しているので、感温部と第２の多孔質部との間にシリコン酸化膜などの絶縁膜を介在させてある場合に比べて赤外線検出素子の赤外線検出感度を高めることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記赤外線検出素子は、前記感温部が、前記第２の多孔質部よりも不純物濃度の高い高不純物濃度多孔質部と、当該高不純物濃度多孔質部の表層部を酸化することにより形成された高不純物濃度封孔層とからなることを特徴とする。

この発明によれば、前記感温部を、前記第２の多孔質部および前記第２の封孔層を形成してから不純物を選択的にイオン注入することにより形成することができる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記赤外線検出素子は、前記第２の多孔質部が多孔質の酸化シリコン、多孔質の酸化シリコン系ポリマー、多孔質酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択される材料により形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記第２の多孔質部が多孔質シリコンにより形成されている場合に比べて熱浸透率を小さくできて、前記第２の多孔質部の断熱性が向上し、赤外線検出感度のより一層の高感度化を図れる。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記赤外線検出素子は、前記第２の多孔質部が前記第２の半導体基板の一部を陽極酸化処理することにより形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記第２の多孔質部を前記第２の半導体基板の所望の領域に精度良く形成することが可能となる。

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、前記赤外線検出素子は、前記感温部の周辺に前記第２の封孔層が露出していることを特徴とする。

この発明によれば、前記第２の封孔層のうち前記感温部の周辺に露出した部位や当該部位下の前記第２の多孔質部で赤外線が吸収されるから、赤外線をより効率良く検出することができ、赤外線検出感度を高めることができる。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記赤外線検出素子は、前記感温部の熱浸透率が前記第２の多孔質部の熱浸透率よりも大きいことを特徴とする。

この発明によれば、赤外線をより効率良く検出することができ、赤外線検出感度を高めることができる。

請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記赤外線検出素子は、前記感温部が、抵抗ボロメータ型のセンシングエレメントもしくはサーモパイル型のセンシングエレメントからなり、前記第２の多孔質部の熱拡散長が前記感温部の幅寸法よりも大きいことを特徴とする。

この発明によれば、前記感温部が抵抗ボロメータ型のセンシングエレメントもしくはサーモパイル型のセンシングエレメントからなる構成において、赤外線をより効率良く検出することができ、赤外線検出感度を高めることができる。

請求項８の発明は、請求項１または請求項４または請求項６の発明において、前記赤外線検出素子は、前記感温部が、抵抗ボロメータ型のセンシングエレメントからなり、前記第２の半導体基板の前記一表面側において前記第２の多孔質部および前記第２の封孔層が形成された部位上に形成され、前記第２の半導体基板の前記一表面側において前記第２の多孔質部および前記第２の封孔層が形成された部位以外の領域上に形成された絶縁膜上に３つの感温抵抗体が形成され、前記感温部と当該３つの感温抵抗体とからなる４つの抵抗がブリッジ接続されてなることを特徴とする。

この発明によれば、赤外線検出感度をより高めることができる。

請求項９の発明は、請求項１ないし請求項８の発明において、前記赤外線放射素子は、前記第１の半導体基板と前記第１の多孔質部との界面が前記ヒータ層から前記第１の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、前記赤外線放射素子において、前記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り、結果的に、赤外線検出感度を高めることができる。

請求項１の発明は、赤外線検出感度を高めることができるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の赤外線検出システムは、赤外線を放射する赤外線放射素子１０と、赤外線放射素子１０から放射された赤外線を検出する赤外線検出素子２０と、赤外線放射素子１０の駆動電源（例えば、電池など）から赤外線放射素子１０への入力電力を制御して赤外線を放射させるマイクロコンピュータなどからなる制御部（図示せず）とを備えている。また、本実施形態の赤外線検出システムは、ガスセンサであり、赤外線検出素子２０の出力に基づいてガス濃度を演算するマイクロコンピュータなどからなる信号処理部（図示せず）と、信号処理部により求められたガス濃度を表示する表示部（図示せず）とを備えており、検知対象ガス成分の分子構造から決定する吸収波長の赤外線の吸光度に基づいてガス濃度を求めるようになっている。

赤外線放射素子１０は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、単結晶のシリコン基板からなる第１の半導体基板１１の一表面側（図２（ｂ）における上面側）にヒータ層（発熱体層）１３が形成されるとともに、ヒータ層１３と第１の半導体基板１１との間に多孔質シリコン層からなる第１の多孔質部１２が形成されており、第１の半導体基板１１の上記一表面側にヒータ層１３の両端部それぞれと電気的に接続される一対のパッド１４，１４が形成されている。したがって、赤外線放射素子１０は、一対のパッド１４，１４を介してヒータ層１３へ入力電力が与えることによりヒータ層１３から赤外線を放射する。

上述の第１の半導体基板１１の外周形状は矩形状であって、第１の多孔質部１２の平面形状は円形状、ヒータ層１３の平面形状は短冊状に形成してあるが、これらの平面形状は特に限定するものではない。ここにおいて、第１の多孔質部１２は、第１の半導体基板１１に比べて熱伝導率および熱容量が小さく、ヒータ層１３と第１の半導体基板１１との間の断熱層として機能する。

また、赤外線放射素子１０は、第１の半導体基板１１の上記一表面側に各パッド１４，１４およびヒータ層１３と半導体基板１１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）１５が形成されており、各パッド１４，１４は、ヒータ層１３の端部と絶縁膜１５のうち第１の半導体基板１１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。

本実施形態では、上述のように第１の半導体基板１１として単結晶のシリコン基板を用いており、第１の多孔質部１２を多孔質シリコン層により構成しているので、第１の半導体基板１１の一部を電解液中で陽極酸化処理することにより第１の多孔質部１２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、第１の多孔質部１２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、第１の多孔質部１２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、第１の多孔質部１２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、第１の半導体基板１１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１３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１３や第１の多孔質部１２が破壊されるのを防止するという観点から、第１の半導体基板１１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と第１の多孔質部１２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１３の表面側に当該ヒータ層１３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１３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１４，１４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１３から放射される赤外線のピーク波長λは、ヒータ層１３の温度に依存し、ピーク波長をλ〔μｍ〕、ヒータ層１３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１３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１３が黒体を構成しており、上記駆動電源からパッド１４，１４間に与える入力電力を調整することにより、ヒータ層１３に発生するジュール熱を変化させる（つまり、ヒータ層１３の温度を変化させる）ことができる。したがって、ヒータ層１３への最大入力電力に応じてヒータ層１３の温度を変化させることができ、また、ヒータ層１３の温度を変化させることでヒータ層１３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。

ところで、上述の赤外線放射素子１０は、第１の半導体基板１１と第１の多孔質部１２との界面がヒータ層１３から第１の多孔質部１２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１６を構成しており、第１の多孔質部１２におけるヒータ層１３側の表面が凹曲面状に形成されており、ヒータ層１３が当該第１の多孔質部１２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ので、ヒータ層１３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１６により反射された赤外線を集光することができるので、入力電力に対する応答速度が速い高出力の赤外線ビームを得ることが可能となる（なお、図１中の矢印は、赤外線放射素子１０から放射された赤外線を模式的に示している）。図３に、室温（３００〔Ｋ〕）下にある赤外線放射素子１０に対してヒータ層１３の温度が１００３〔Ｋ〕になるような入力電力を単パルス的に与えた場合のヒータ層１３の室温からの温度上昇値ΔＴ〔Ｋ〕を測定した結果を示す。ここに、図３の横軸は時間であって、縦軸は入力電力および温度上昇値ΔＴそれぞれのピークを１として正規化してあり、同図中の「イ」が入力電力の時間変化（つまり、入力波形）を示し、「ロ」が温度上昇値ΔＴの時間変化（つまり、入力波形に対する応答波形）を示している。この図３から、ヒータ層１３へ入力電力を単パルス的に与えることによりヒータ層１３の温度が瞬時に上昇・下降していることが分かり（入力波形の半値幅は５．３μｓｅｃ、応答波形の半値幅は２０μｓｅｃである）、高速応答が可能であることが確認された。

なお、上述の赤外線放射素子１０において、第１の多孔質部１２におけるヒータ層１３側の表面を凹曲面状に形成するには、第１の多孔質部１２を形成するにあたって、まず、第１の半導体基板１１の上記一表面側に当該凹曲面状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、陽極酸化処理を行うことにより第１の多孔質部１２を形成すればよい。

また、上述の赤外線放射素子１０は、第１の多孔質部１２が、第１の半導体基板１１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１２ｂ，１２ｃ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１７を有しており、多孔質層１２ｂ，１２ｃ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ので、ヒータ層１３から第１の多孔質部１２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、上述の多孔質層１２ｂ，１２ｃ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、第１の半導体基板１１に近い多孔質層１２ｃに比べて、第１の半導体基板１１から遠い多孔質層１２ｂの多孔度を低く設定してある。上述の多孔質層１２ｂ，１２ｃは、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。

また、赤外線放射素子１０は、第１の多孔質部１２におけるヒータ層１３側に封孔処理を施すことにより第１の封孔層１２ｄが形成され、ヒータ層１３における第１の多孔質部１２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）１８が形成されている。

第１の封孔層１２ｄは、第１の多孔質部１２の表層部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、第１の多孔質部１２の表層部は、第１の多孔質部１２を形成する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第１の断熱部１２ａとなる部位に比べて多孔度および細孔径を小さくしてある。封孔処理工程では、第１の多孔質部１２の表層部を高温高湿（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第１の多孔質部１２の表層部を加熱した状態で酸化する）ことで第１の封孔層１２ｄを形成している。

以上説明した赤外線放射素子１０によれば、第１の多孔質部１２におけるヒータ層１３側に第１の封孔層１２ｄ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第１の多孔質部１２に吸着したり付着したりして第１の多孔質部１２の熱物性が変化するのを抑制することができ、第１の多孔質部１２の経時変化による出力低下を抑制できる。

また、赤外線放射素子１０は、第１の多孔質部１２に上述の多層反射部１７が設けられる一方で、ヒータ層１３における第１の多孔質部１２側と反対側の表面が絶縁膜１８により覆われているので、赤外線放射素子１０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、ガスセンサの高感度化を図れる。

次に、赤外線検出素子２０について図４（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。

赤外線検出素子２０は、単結晶のシリコン基板からなる第２の半導体基板２１の一表面側（図４（ｂ）における上面側）に形成された感温部２３および第２の半導体基板２１の上記一表面側で第２の半導体基板２１と感温部２３との間に形成された多孔質シリコン層からなる第２の多孔質部２２を有している。また、赤外線検出素子２０は、感温部２３が抵抗ボロメータ型のセンシングエレメント（感温抵抗）により構成されており、第２の半導体基板２１の上記一表面側に感温部２３の両端部それぞれと電気的に接続される一対のパッド２４，２４が形成されている。なお、感温部２３の材料としては、Ｐｔを採用しているが、Ｐｔに限らず、例えば、Ｔｉなどの抵抗温度依存性のある金属などを採用すればよい。

上述の第２の半導体基板２１の外周形状は矩形状であって、第２の多孔質部２２の平面形状は矩形状、感温部２３の平面形状はつづら折れ状の形状に形成してあるが、これらの平面形状は特に限定するものではない。ここにおいて、第２の多孔質部２２は、第２の半導体基板２１に比べて熱伝導率および熱容量が小さく、感温部２３と第２の半導体基板２１との間の断熱層として機能する。

また、赤外線検出素子２０は、第２の半導体基板２１の上記一表面側に各パッド２４，２４および感温部２３と第２の半導体基板２１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）２５が形成されており、各パッド２４，２４は、感温部２３の端部と絶縁膜２５のうち第２の半導体基板２１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。

本実施形態では、上述のように第２の半導体基板２１として単結晶のシリコン基板を用いており、第２の多孔質部２２を多孔質シリコン層により構成しているので、第２の半導体基板２１の一部を電解液中で陽極酸化処理することにより第２の多孔質部２２を形成することができる。

また、赤外線検出素子２０は、第２の多孔質部２２における感温部２３側に第２の多孔質部２２の表層部を酸化することにより形成された第２の封孔層２２ｄを有している。なお、第２の多孔質部２２は、第２の半導体基板２１の一部を陽極酸化処理することにより形成されているので、第２の多孔質部２２を第２の半導体基板２１の所望の領域に精度良く形成することが可能となる。ここにおいて、本実施形態では、第２の半導体基板２１の上記一表面上に上述の絶縁膜２５を形成するとともに第２の半導体基板２１の他表面側に陽極を形成した後に陽極酸化処理を行うことにより厚みが一様な第２の多孔質部２２を形成している。

第２の封孔層２２ｄは、第２の多孔質部２２の表層部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、第２の多孔質部２２の表層部は、第２の多孔質部２２を形成する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他の部位に比べて多孔度および細孔径を小さくしてある。封孔処理工程では、第２の多孔質部２２の表層部を高温高湿（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第２の多孔質部２２の表層部を加熱した状態で酸化する）ことで第２の封孔層２２ｄを形成している。

しかして、本実施形態における赤外線検出素子２０では、第２の多孔質部２２における感温部２３側に第２の多孔質部２２の表層部を酸化することにより形成された第２の封孔層２２ｄを有しており、当該第２の封孔層２２ｄは第２の多孔質部２２の多孔質の性状が残っている（ただし、封孔処理工程前よりも細孔径は小さくなっている）ので、ＣＶＤ法やスパッタ法などにより成膜されるシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などに比べて断熱性が高く、感温部２３と第２の多孔質部２２との間にシリコン酸化膜などの絶縁膜を介在させてある場合に比べて赤外線検出素子２０の赤外線検出感度を高めることができる。

また、本実施形態における赤外線検出素子２０は、感温部２３の周辺に第２の封孔層２２ｄが露出しているので、第２の封孔層２ｄのうち感温部２３の周辺に露出した部位や当該部位下の第２の多孔質部２２で赤外線が吸収され、多孔質では熱容量が小さく赤外線が照射されると赤外線吸収による温度変化が大きくなるから、赤外線をより効率良く検出することができ、赤外線検出感度を高めることができる。

また、本実施形態における赤外線検出素子２０は、感温部２３の熱浸透率が第２の多孔質部２２の熱浸透率よりも大きいので、赤外線をより効率良く検出することができ、赤外線検出感度を高めることができる。なお、熱浸透率は、熱伝導率をα〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、熱容量をＣ〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕とするとき、熱浸透率＝（α・Ｃ）^１／２で表される。

また、本実施形態における赤外線検出素子２０は、感温部２３が、抵抗ボロメータ型のセンシングエレメントからなり、第２の多孔質部２２の熱拡散長が感温部２３の幅寸法よりも大きいので、感温部２３が抵抗ボロメータ型のセンシングエレメントからなる構成において、第２の多孔質部２２で受けた赤外線による熱が第２の半導体基板２１側へ伝達する前に感温部２３の温度を上昇させることができるから、赤外線をより効率良く検出することができ、赤外線検出感度を高めることができる。

以上説明した本実施形態の赤外線検出システムによれば、マイクロブリッジ構造の赤外線放射素子を用いる場合に比べて赤外線放射素子１０の応答速度が速いので、ヒータ層１３を所定温度（例えば、５００℃）まで昇温するのに要する時間が短いので、省電力化を図れ、また、赤外線放射素子１０が、第１の多孔質部１１におけるヒータ層１３側に第１の多孔質部１１の表層部を酸化することにより形成された第１の封孔層１２ｄを有しているので、第１の多孔質部１２の経時変化による出力低下を抑制でき、しかも、赤外線検出素子２０が、第２の多孔質部２２における感温部２３側に第２の多孔質部２２の表層部を酸化することにより形成された第２の封孔層２２ｄを有しているので、感温部２３と第２の多孔質部２２との間にシリコン酸化膜などの絶縁膜を介在させてある場合に比べて赤外線検出素子２０の赤外線検出感度を高めることができる。

ところで、本実施形態では、第２の多孔質部２２を多孔質シリコンにより形成しているが、第２の多孔質部２２を多孔質の酸化シリコン、多孔質の酸化シリコン系ポリマー、多孔質酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択される材料により形成するようにしてもよく、第２の多孔質部２２をこれらの材料により形成した場合には、多孔質シリコンにより形成されている場合に比べて熱浸透率を小さくできて、第２の多孔質部２２の断熱性が向上し、赤外線検出感度のより一層の高感度化を図れる。なお、第２の多孔質部２２をこれらの材料により形成する場合には、例えば、第２の半導体基板２２において第２の多孔質部２２の形成予定領域に凹所を形成し、その後、ゾルゲル溶液を第２の半導体基板２２の上記一表面側に回転塗布して凹所を埋め込んでから、乾燥させるプロセスを採用することができ、第２の多孔質部２２を容易に形成することができる。

（実施形態２）
本実施形態の赤外線検出システムの基本構成は実施形態１と同じであり、図５（ａ），（ｂ）に示す赤外線検出素子２０の構成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適宜省略する。

本実施形態における赤外線検出素子２０は、感温部２３が、抵抗ボロメータ型のセンシングエレメントからなり、第２の半導体基板２１の上記一表面側において第２の多孔質部２２および第２の封孔層２２ｄが形成された部位上に形成され、第２の半導体基板２１の上記一表面側において第２の多孔質部２２および第２の封孔層２２ｄが形成された部位以外の領域上に形成された絶縁膜２５上に３つの感温抵抗体２７が形成され、感温部２３と当該３つの感温抵抗体２７とからなる４つの抵抗が金属配線（例えば、Ａｌ配線など）２６によりブリッジ接続され、隣り合う抵抗同士を接続する金属配線２６間にパッド２４が形成されている。ここにおいて、各抵抗２３，２７は、平面形状がつづら折れ状の形状に形成されている。なお、本実施形態では、感温部２３および各感温抵抗体２７の材料としてＴｉを採用しているが、Ｔｉに限らず、Ｐｔなどを採用してもよい。

しかして、本実施形態の赤外線検出システムでは、実施形態１に比べて、赤外線検出感度をより高めることができる。また、本実施形態における赤外線検出素子２０も、感温部２３の周辺に第２の封孔層２２ｄが露出しているので、第２の封孔層２ｄのうち感温部２３の周辺に露出した部位や当該部位下の第２の多孔質部２２で赤外線が吸収され、多孔質では熱容量が小さく赤外線が照射されると赤外線吸収による温度変化が大きくなるから、赤外線をより効率良く検出することができ、赤外線検出感度を高めることができる。

（実施形態３）
本実施形態の赤外線検出システムの基本構成は実施形態１と同じであり、図６（ａ），（ｂ）に示す赤外線検出素子２０の構成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適宜省略する。

本実施形態における赤外線検出素子２０は、抵抗ボロメータ型のセンシングエレメントからなる感温部２３が、第２の多孔質部２２よりもボロンなどの不純物濃度の高い高不純物濃度多孔質部２３ｅと、当該高不純物濃度多孔質部２３ｅの表層部を酸化することにより形成された高不純物濃度封孔層２３ｆとから構成されている。

しかして、本実施形態では、感温部２３を、第２の多孔質部２２および第２の封孔層２２ｄを形成してから、第２の多孔質部２２および第２の封孔層２２ｄにおける感温部２３の形成予定領域に不純物（例えば、ボロンなど）を選択的にイオン注入することにより形成することができる。このため実施形態１のように感温部２３の材料としてＰｔ、Ｔｉなどの金属を採用している場合に比べて、感温部２３を容易に形成することができるとともに、低コスト化を図れる。また、本実施形態では、感温部２３が高不純物濃度多孔質部２３ｅと高不純物濃度封孔層２３ｆとで構成されていることにより、感温部２３自体で赤外線を吸収できるため、Ｐｔ、Ｔｉなどの金属に比べて、赤外線を効率良く検出することができる。また、本実施形態における赤外線検出素子２０も、感温部２３の周辺に第２の封孔層２２ｄが露出しているので、第２の封孔層２ｄのうち感温部２３の周辺に露出した部位や当該部位下の第２の多孔質部２２で赤外線が吸収され、多孔質では熱容量が小さく赤外線が照射されると赤外線吸収による温度変化が大きくなるから、赤外線をより効率良く検出することができ、赤外線検出感度を高めることができる。

（実施形態４）
本実施形態の赤外線検出システムの基本構成は実施形態１と同じであり、図７（ａ），（ｂ）に示す赤外線検出素子２０の構成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適宜省略する。

本実施形態における赤外線検出素子２０は、感温部２３が、サーモパイル型のセンシングエレメントからなり、第２の多孔質部２２の熱拡散長が感温部２３の幅寸法よりも大きい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。

本実施形態における赤外線検出素子２０の感温部２３は、異種材料からなる熱電要素２３ａ，２３ｂの対からなる複数（ここでは、３つ）の熱電対が直列接続されたサーモパイル型のセンシングエレメントであって、３つの冷接点部が第２の半導体基板２０の上記一表面上の絶縁膜２５上に配置されるとともに、３つの温接点部が第２の封孔層２２ｄ上に配置されている。ここで、各熱電対は、対となる熱電要素２３ａ，２３ｂの一方をｐ形ポリシリコンにより形成するとともに他方をｎ形ポリシリコンにより形成し、対となる短冊状の熱電要素２３ａ，２３ｂの長手方向の一端部同士が各半導体エレメント２３ａ，２３ｂそれぞれの材料に比べて熱伝導率の高い材料（例えば、Ａｌなどの金属材料）からなる接合部２３ｃを介して接続されており、対となる熱電要素２３ａ，２３ｂの各一端部と接合部２３ｃとで温接点部を構成している。また、感温部２３は、隣り合う２つの熱電対の一方の熱電対の熱電要素２３ｂの他端部と他方の熱電対の熱電要素２３ａの他端部とが金属材料（例えば、Ａｌなど）からなる接合部２３ｄを介して接続されており、上記一方の熱電対の熱電要素２３ｂの他端部と上記他方の熱電対の熱電要素２３ａの他端部と接合部２３ｄとで冷接点部を構成している。なお、対となる熱電要素２３ａ，２３ｂの材料は、ｐ形ポリシリコンとｎ形ポリシリコンとの組み合わせに限らず、例えば、Ａｌとポリシリコンとの組み合わせや、ポーラスのｐ形シリコンとｎ形シリコンとの組み合わせなどでもよい。

本実施形態では、上述のように、感温部２３が、サーモパイル型のセンシングエレメントからなり、第２の多孔質部２２の熱拡散長が感温部２３の幅寸法よりも大きいので、赤外線検出素子２０の感温部２３がサーモパイル型のセンシングエレメントからなる構成において、赤外線をより効率良く検出することができ、赤外線検出感度を高めることができる。また、本実施形態における赤外線検出素子２０も、感温部２３の周辺に第２の封孔層２２ｄが露出しているので、第２の封孔層２ｄのうち感温部２３の周辺に露出した部位や当該部位下の第２の多孔質部２２で赤外線が吸収され、多孔質では熱容量が小さく赤外線が照射されると赤外線吸収による温度変化が大きくなるから、赤外線をより効率良く検出することができ、赤外線検出感度を高めることができる。

実施形態１における赤外線検出システムの概略構成図である。 同上における赤外線放射素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。 同上における赤外線放射素子の特性説明図である。 同上における赤外線検出素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。 実施形態２における赤外線検出素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。 実施形態３における赤外線検出素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。 実施形態４における赤外線検出素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。 従来例における赤外線検出素子の概略断面図である。

符号の説明

１０ 赤外線放射素子
１１ 第１の半導体基板
１２ 第１の多孔質部
１２ｄ 第１の封孔層
１３ ヒータ層
１４ パッド
１５ 絶縁膜
１６ 赤外線反射ミラー
２０ 赤外線検出素子
２１ 第２の半導体基板
２２ 第２の多孔質部
２２ｄ 第２の封孔層
２３ 感温部
２３ａ 熱電要素
２３ｂ 熱電要素
２３ｅ 高不純物濃度多孔質部
２３ｆ 高不純物濃度封孔層
２４ パッド
２５ 絶縁膜
２７ 感温抵抗体

Claims (9)

1. 第１の半導体基板の一表面側に形成されたヒータ層および第１の半導体基板の前記一表面側で第１の半導体基板とヒータ層との間に形成された第１の多孔質部を有する赤外線放射素子と、第２の半導体基板の一表面側に形成された感温部および第２の半導体基板の前記一表面側で第２の半導体基板と感温部との間に形成された第２の多孔質部を有し赤外線放射素子から放射された赤外線を検出する赤外線検出素子と、赤外線放射素子への入力電力を制御して赤外線放射素子から赤外線を放射させる制御部とを備え、赤外線放射素子は、第１の多孔質部におけるヒータ層側に第１の多孔質部の表層部を酸化することにより形成された第１の封孔層を有し、赤外線検出素子は、第２の多孔質部における感温部側に第２の多孔質部の表層部を酸化することにより形成された第２の封孔層を有することを特徴とする赤外線検出システム。
2. 前記赤外線検出素子は、前記感温部が、前記第２の多孔質部よりも不純物濃度の高い高不純物濃度多孔質部と、当該高不純物濃度多孔質部の表層部を酸化することにより形成された高不純物濃度封孔層とからなることを特徴とする請求項１記載の赤外線検出システム。
3. 前記赤外線検出素子は、前記第２の多孔質部が多孔質の酸化シリコン、多孔質の酸化シリコン系ポリマー、多孔質酸化シリコン系無機ポリマーの群から選択される材料により形成されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線検出システム。
4. 前記赤外線検出素子は、前記第２の多孔質部が前記第２の半導体基板の一部を陽極酸化処理することにより形成されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線検出システム。
5. 前記赤外線検出素子は、前記感温部の周辺に前記第２の封孔層が露出してい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項に記載の赤外線検出システム。
6. 前記赤外線検出素子は、前記感温部の熱浸透率が前記第２の多孔質部の熱浸透率よりも大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の赤外線検出システム。
7. 前記赤外線検出素子は、前記感温部が、抵抗ボロメータ型のセンシングエレメントもしくはサーモパイル型のセンシングエレメントからなり、前記第２の多孔質部の熱拡散長が前記感温部の幅寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の赤外線検出システム。
8. 前記赤外線検出素子は、前記感温部が、抵抗ボロメータ型のセンシングエレメントからなり、前記第２の半導体基板の前記一表面側において前記第２の多孔質部および前記第２の封孔層が形成された部位上に形成され、前記第２の半導体基板の前記一表面側において前記第２の多孔質部および前記第２の封孔層が形成された部位以外の領域上に形成された絶縁膜上に３つの感温抵抗体が形成され、前記感温部と当該３つの感温抵抗体とからなる４つの抵抗がブリッジ接続されてなることを特徴とする請求項１または請求項４または請求項６記載の赤外線検出システム。
9. 前記赤外線放射素子は、前記第１の半導体基板と前記第１の多孔質部との界面が前記ヒータ層から前記第１の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請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の赤外線検出システム。

Images