JP2010145296A - 赤外線放射素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力、高周波駆動が可能で、低消費電力化が図られた赤外線放射素子及びその製造方法を提供する
【解決手段】半導体基板１と、半導体基板１の一面に形成された保持層２と、半導体基板１の一面及び保持層２の一面によって囲まれた空間からなる気体層３と、保持層２の一面に形成された一乃至複数の長尺状の突部４と、保持層２の他面に積層され、電気入力されることによる発熱によって赤外線を放射する赤外線放射層５とを備え、気体層３は、赤外線放射層５に印加される電圧の周波数に基づいてその厚みが設定され、赤外線放射層５の昇温時には断熱層として働き、赤外線放射層５の降温時には放熱層として働く。
【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。

従来より、赤外線を放射する赤外線放射素子と、当該赤外線放射素子から放射される赤外線の内で検出対象ガスが吸収する波長の赤外線のみを通過させるフィルタを介して赤外線を受光して、当該受光した赤外線量に対応したレベルの検出信号を出力する受光素子とを備えたガスセンサ装置がある。そして、前記赤外線放射素子は、１回の計測で断続的に複数回赤外線を放射する。その際、検出精度を高くすると共に省電力化を図るためには、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、赤外線放射素子の高周波駆動化が望まれている。

そして、前記赤外線放射素子として、図７に示すような電球型の赤外線放射素子４０や図８に示すようなダイヤフラム型の赤外線放射素子５０が提供されている（例えば、特許文献１参照）。

電球型の赤外線放射素子４０は、発光部のフィラメント４２が、タングステン（Ｗ）または白金（Ｐｔ）からなる線材をコイル状に巻いたものや、コイルの表面をアルミナなどのセラミックで被覆したものから構成されている。そして、フィラメント４２に電圧が印加されて昇温すると赤外線を放射する。また、赤外線放射素子４０は、発光部となるフィラメント４２の熱容量が大きいため、フィラメント４２に電圧の印加を開始してから放射する赤外線の強度が所定の強度に達するまでの時間（昇温時間）が長い。また、赤外線を放射しているフィラメント４２の印加電圧をオフしてから、赤外線の放射が停止するまでの時間（降温時間）も長い。従って、断続放射される赤外線の振幅差を大きくするためには、フィラメント４２に印加される電圧の周波数を０．１〜１０Ｈｚ程度に設定する必要がある。

また、ダイヤフラム型の赤外線放射素子５０は、赤外線放射層５０の裏面に設けられた半導体基板５１をエッチングにより掘り込むことで凹部５２を形成している。そして、赤外線放射層５０は、金属からなる電極５６に接続された発熱層５３と当該発熱層５３によって間接的に加熱される発光層５４とを備える絶縁層５５から構成されている。そして、発光層５４は、電極５６を介して電圧が印加された発熱層５３の発熱によって間接的に加熱されることで赤外線を放射する。また、ダイヤフラム型の赤外線放射素子５０は、絶縁層５５が凹部５２で接する空気の断熱効果によって断熱されているため発光層５４の昇温時間が短い。しかし、当該断熱効果によって、発光層５４は放熱効果が十分に得られないため降温時間が長い。従って、断続放射される赤外線の振幅差を大きくするためには、電極５６に印加される電圧の周波数を例えば２００Ｈｚ程度に設定する必要がある。
特開平９−１８４７５７号公報

従って、ガスセンサ装置等に上記赤外線放射素子４０または、赤外線放射素子５０を用いた場合には、赤外線放射素子４０、５０に印加される入力電圧の変調周波数周期が低く、計測に時間がかかり、低消費電力化を行うことは困難であった。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、高出力、高周波駆動が可能で、低消費電力化が図られた赤外線放射素子及びその製造方法を提供することにある。

請求項１の発明は、半導体基板と、半導体基板の一面に形成された薄膜状の保持層と、半導体基板の一面及び保持層の一面によって囲まれた空間からなる気体層と、保持層の一面に形成された一乃至複数の長尺状の突部と、保持層の他面に積層され、電気入力されることによる発熱によって赤外線を放射する赤外線放射層とを備え、前記気体層は、赤外線放射層に印加される電圧の周波数に基づいてその厚みが設定され、赤外線放射層の昇温時には断熱層として働き、赤外線放射層の降温時には放熱層として働くことを特徴とする赤外線放射素子。

この発明によれば、赤外線放射層の昇温時には、赤外線放射層から保持層に伝達した熱が気体層によって断熱されるため、断熱層として働く気体層によって赤外線放射層の昇温が阻害されず昇温時間が短くなり、赤外線放射層の降温時には、赤外線放射層から保持層に伝達した熱が、気体層を介して半導体基板へと放熱されるため、放熱層として働く気体層によって赤外線放射層の降温時間が短くなる。従って、赤外線放射層の昇降温が高速で行われて赤外線放射素子を高出力、高周波駆動させることができ、更には、計測時間を短縮できて低消費電力化を図ることができる。

また、突部によって保持層が補強されることで保持層の機械的強度が大きくなり、赤外線放射層の昇降温による熱膨張差によって、保持層が半導体基板に付着することを防止でき、昇温阻害や破損を防止でき、また、製造時のウェット処理後の乾燥時などで保持層が半導体基板に付着することも防止できる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記突部は、保持層の互いに対向する周縁間に形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、保持層の機械的強度を容易に向上させることができる。

請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記突部は、略格子状に形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、保持層の機械的強度を更に容易に向上させることができる。

請求項４の発明は、請求項１乃至３いずれかの発明において、前記突部は、単結晶シリコンからなることを特徴とする。

この発明によれば、多孔質層に比べて機械的強度の高い単結晶シリコンを突部に用いることで、赤外線放射層の昇降温による熱膨張差によって、保持層が半導体基板へ付着することや、製造時のウェット処置後の乾燥時などで保持層が半導体基板に付着することもより効果的に防止することができる。

請求項５の発明は、請求項１乃至４いずれかの発明において、前記保持層の他面には、赤外線放射層が複数箇所に積層され、赤外線放射層間に露出する保持層の一面側に突部が設けられていることを特徴とする。

この発明によれば、熱伝導率が保持層に比べて高い赤外線放射層が、突部に直接接していないことで、赤外線放射層で発生する熱が突部へ放熱されることを抑制でき、赤外線放射層の発光効率を高めることができる。

また、赤外線放射層と突部とが直接接していないことで、赤外線放射層と突部との間に大きな温度勾配が発生することを抑制でき、当該温度勾配に起因する大きな熱応力によって赤外線放射層と突部とが破損することを防止できる。

請求項６の発明は、請求項１乃至５いずれかの発明において、前記保持層は、多孔質層からなることを特徴とする。

この発明によれば、多孔質層は、緻密な絶縁材料に比べて熱容量や熱伝導率が小さいため、赤外線放射層の昇温を阻害せず昇温時間を短縮でき、小さなエネルギーで大きく昇温することで低消費電力化を図ることができる。

請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記多孔質層は、ポーラスシリコン、またはポーラスポリシリコンからなることを特徴とする。

この発明によれば、多孔質層ポーラスシリコン、またはポーラスポリシリコンからなることから、赤外線放射層の昇温温度に耐える耐熱性を確保できる。

請求項８の発明は、請求項１乃至７いずれかの発明において、前記保持層は、その周縁が半導体基板に固定されていることを特徴とする。

この発明によれば、保持層周縁部が全て半導体基板に接合されて保持強度が高められているため、保持層に接合された赤外線放射層の昇降温時に発生する熱膨張差によって保持層が変形し破損することを防止できる。

請求項９の発明は、請求項８の発明において、前記半導体基板と保持層とが接合する箇所は、保持層と半導体基板の接合を補強する補強部を備えることを特徴とする。

この発明によれば、保持層と半導体基板の接合部の強度を高めることができ、保持層の変形による破損を更に防止することができる。

請求項１０の発明は、半導体基板の一面における所定領域において、一乃至複数の長尺状の領域に不純物ドープを施す第一のドープ工程と、前記所定領域の周縁に陽極酸化マスクを施すマスク工程と、前記所定領域を陽極酸化することで多孔質層を形成する多孔質化工程と、前記多孔質層に対向する半導体基板の厚み方向の領域、及び前記不純物ドープの厚み方向における半導体基板を陽極酸化により電解研磨することで気体層を形成すると共に、前記不純物ドープが施された箇所に一乃至複数の長尺状の突部を形成する電解研磨工程と、前記多孔質層の他面側に赤外線放射層を形成する赤外線放射層形成工程とを備え、前記気体層は赤外線放射層に印加される電圧の周波数に基づいてその厚みが設定され、赤外線放射層の昇温時には断熱層として働き、赤外線放射層の降温時には放熱層として働くことを特徴とする。

この発明によれば、本製造方法によって製造された赤外線放射素子は、赤外線放射層の昇温時には、赤外線放射層から保持層に伝達した熱が気体層によって断熱されるため、断熱層として働く気体層によって赤外線放射層の昇温が阻害されず昇温時間が短くなり、赤外線放射層の降温時には、赤外線放射層から保持層に伝達した熱が、気体層を介して半導体基板へと放熱されるため、放熱層として働く気体層によって赤外線放射層の降温時間が短くなる。従って、赤外線放射層の昇降温が高速で行われて赤外線放射素子を高出力、高周波駆動させることができ、更には、計測時間を短縮できて低消費電力化を図ることができる。

また、本製造方法により、陽極酸化による多孔質層の形成と当該多孔質層を介して行う陽極酸化による電解研磨との２段階の陽極酸化によって、低熱容量及び気体層による高い断熱性を備えた多孔質層を中空上に形成することができる。更に、保持層を形成する面の内、突部を形成する箇所に不純物ドープを施すことで、保持層上に別途陽極酸化マスクを行う必要がなく、保持層に積層される赤外線放射層の段切れや、不均一な抵抗部を無くすことができ、安定動作可能な赤外線放射素子を製造できる。加えて、突部によって保持層が補強されることで保持層の機械的強度が大きくなり、前記電解研磨工程の後に保持層が乾燥するまでの間に半導体基板へ付着することを防止することができる。

請求項１１の発明は、請求項１０の発明において、前記不純物ドープは、所定領域の互いに対向する周縁間に施されることを特徴とする。

この発明によれば、保持層の機械的強度を容易に向上させることができる。

請求項１２の発明は、請求項１０または１１いずれかの発明において、前記不純物ドープは、略格子状に施されることを特徴とする。

この発明によれば、保持層の機械的強度を更に容易に向上させることができる。

請求項１３の発明は、請求項１０乃至１２いずれかの発明において、前記マスク工程の前に、半導体基板の一面において陽極酸化マスクと所定領域との境界において、陽極酸化マスクと所定領域の両方にかかる不純物ドープを施す第二のドープ工程を備え、当該不純物ドープが施された箇所には、当該ドープと前記多孔質化工程によって多孔質化されず前記電解研磨工程によってドープの厚み方向に研磨されずに残存する半導体基板とから補強部が形成され、不純物ドープが施されていない箇所には、前記多孔質化工程によってポーラスシリコン層が形成され、前記電解研磨工程において前記ポーラスシリコン層の厚み方向に対向する半導体基板の領域に気体層が形成されることを特徴とする。

この発明によれば、前記電解研磨工程により気体層が形成された際に、等方的に処理が進行するため、保持層と半導体基板との接続部に不純物ドープが施されていない場合には、当該接続部が除去されてしまい保持層の周縁は陽極酸化マスクのみによって支持されることになるが、保持層と半導体基板との接続部に不純物ドープが施されていることで保持層と半導体基板との接続部にドープによるマスク領域が残存することで当該接続部の強度を高めることができ、、昇降温時の赤外線放射層の熱膨張差によって保持層が変形して破損することを防止することができる。

以上説明したように、本発明では、高出力、高周波駆動が可能で、低消費電力化が図られた赤外線放射素子及びその製造方法を提供することができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
本実施形態の赤外線放射素子Ａについて図１、２を用いて説明を行った後に、赤外線放射素子Ａの製造方法について図３（ａ）〜（ｅ）を用いて説明を行う。なお図１における上下左右を基準として上下左右方向と直交する方向を前後方向とする。

本実施形態の赤外線放射素子Ａは、図１に示すように、半導体基板１と、半導体基板１の上面に形成された薄膜状の保持層２と、半導体基板１の上面及び保持層２の下面によって囲まれた空間からなる厚みの薄い気体層３と、保持層２の下面に形成されて保持層２を補強する突部４と、保持層２の上面に積層され、通電による発熱によって赤外線を放射する赤外線放射層５と、赤外線放射層５上に形成される通電用の一対の電極６とを備えている。

半導体基板１は、略矩形状の単結晶のシリコン基板が用いられており、その上面の所定の領域をフッ化水素水溶液中で陽極酸化することにより多孔度が７０％の多孔質シリコン層（ポーラスシリコン層）からなる略矩形状の保持層２が形成されている。また、半導体基板１で用いられるシリコン基板の導電形は、ｐ形、ｎ形のどちらでもよいが、ｐ形のシリコン基板の方が陽極酸化による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、半導体基板１としてはｐ形のシリコン基板を用いることが好ましい。なお、半導体基板１の一部を陽極酸化する際の電流密度は、半導体基板１の導電形及び導電率に応じて適宜設定すればよい。また、保持層２を形成する多孔質層は、ポーラスポリシリコン層であってもよい。また、電気的絶縁や前後左右方向への熱伝導を抑制する効果を備えるため、ポーラスシリコンやポーラスポリシリコンの一部または全部が酸化、或いは窒化されていてもよい。

保持層２は、ポーラスシリコン層により構成されており多孔度が高くなるにつれて熱伝導率及び体積熱容量が小さくなる。

電極６は、金属材料（例えばアルミニウムなど）により形成され、赤外線放射層５の左右両端にそれぞれ積層され、図４（ａ）で示す略正弦波状の電圧が印加される。

そして、赤外線放射素子Ａは、一対の電極６を介して赤外線放射層５に入力電圧が印加されると、赤外線放射層５が昇温して赤外線を放射し、入力電圧をオフされると赤外線放射層５が降温して赤外線の放射を停止する。

ここで、保持層２の厚みＬ_ｐは、当該保持層２の熱容量をα_ｐ、熱伝導率をＣ_ｐ、赤外線放射層５に印加される入力電圧の変調周波数をｆとすると、
Ｌ_ｐ＜√（α_ｐ／πｆＣ_ｐ）・・・（式１）
であることが望ましい。

そして、本実施形態におけるポーラスシリコン層から形成された保持層２の厚みＬ_ｐは１ｕｍに設定されており、赤外線放射層５に印加される入力電圧の周波数ｆ＝１０ｋＨｚ、保持層の熱伝導率Ｃ_ｐ＝１．１Ｗ／ｍＫ、及び体積熱容量α_ｐ＝１．０５×１０^６Ｊ／ｍ^３Ｋを上記式１に代入すると、Ｌ_ｐ＝１ｕｍ＜５．７ｕｍとなって前記式１を満足している。これにより、保持層２は、赤外線放射層５の昇温を阻害せず、赤外線放射層５と保持層２とは全体として体積熱容量が小さいものとなる。そのため、保持層２の厚みＬ_ｐを、式１の範囲で調節することで、赤外線放射層５は印加される電圧の周波数に対応して高速に昇温が行われ、入力電圧の変調周波数を高くしても大きな赤外線強度振幅を得ることができる。

また、保持層２は、多孔質シリコン層からなることから緻密な絶縁材料から形成される場合に比べて材料的に体積熱容量が小さいため熱応答時間が短く、小さなエネルギーで昇温することから、赤外線放射層５の昇温効率をより高めることができる。加えて、保持層２は、ポーラスシリコンから形成されていることから赤外線放射層５の発熱に耐える耐熱性を有している。

次に、気体層３は、半導体基板１の上面と保持層２の下面との間に形成されており、その厚みＬ_ｇは、気体層３の体積熱容量をα_ｇ、熱伝導率をＣ_ｇ、赤外線放射層５に印加される入力電圧の変調周波数をｆとすると、
（１／２０）×√（α_ｇ／πｆＣ_ｇ）＜Ｌ_ｇ＜３√（α_ｇ／πｆＣ_ｇ）・・・（式２）
で表される。

そして、気体層３の厚みＬ_ｇは、２５ｕｍに設定されており、赤外線放射層５に印加される入力電圧の周波数ｆ＝１０ｋＨｚ、気体層３の熱伝導率Ｃ_ｐ＝０．０２５４Ｗ／ｍＫ、及び体積熱容量α_ｐ＝１．２１×１０^３Ｊ／ｍ^３Ｋを上記式１に代入すると、３．８ｕｍ＜Ｌ_ｇ＝２５ｕｍ＜７７ｕｍとなって前記式２を満足している。一般に、気体層３は、厚みＬ_ｇに応じた時間の経過までは主に断熱層として働き、それ以降は主に放熱層として働くことになる。従って、気体層３の厚みＬ_ｇを式２の範囲で調節することで、図４（ａ）、（ｂ）で示すように、赤外線放射層５の昇温時間Ｔ１では気体層３が断熱層として働き、赤外線放射層５の降温時間Ｔ２では放熱層として働くように設定できる。而して、気体層３が断熱層から放熱層に切り替わるタイミングと、赤外線放射層５に印加される電圧が昇圧から降圧に切り替わるタイミングとを略一致させることができ、赤外線放射層５に印加される電圧が高周波変調されている場合であっても、電圧の周波数に略同期して赤外線放射層５を昇降温させることができると共に、大きな赤外線放射振幅を得ることができる。 ここで、気体層３を備えていない場合には、断熱性能が不足して放熱性能が断熱性能を上回る。従って、１０ｋＨｚで変調された入力電圧が印加された場合、赤外線放射層５の温度は図４（ｃ）で示すように、昇温時間Ｔ１で所定の赤外線強度を得ることができる温度まで上昇せず、降温時間Ｔ２で放熱されて低温状態を維持することから上記効果を得ることができない。

また、図８に示す従来例のダイヤフラム型赤外線放射素子５０において、凹部５２を気体層３とすると、基板５１の厚み（５２５ｕｍ）と凹部５２の深さが略等しいことから、気体層３の厚みＬ_ｇがＬ_ｇ＝５２５ｕｍとなり、前記式２を満たさず放熱性能が不足する。従って、１０ｋＨｚで変調された入力電圧が印加された場合、赤外線放射層５の温度は図４（ｄ）で示すように、昇温時間Ｔ１には気体層３が断熱層として働き昇温する。しかし、降温時間Ｔ２においては放熱性能が不足するため、発光層５４の温度は昇降温を繰り返す度に上昇し、過熱状態となって上記効果を得ることができない。

次に、突部４は、保持層２の下面において、多孔質層よりも機械的強度の高い単結晶シリコンによって略格子状に形成されており、前後左右方向の各両端部が半導体基板１と接続されている。ここで、シリコンからなる半導体基板１の熱膨張係数は０．４２×１０^−４／Ｋであり、半導体基板１の上面が陽極酸化により多孔質化されたポーラスシリコン層からなる保持層２の熱膨張係数は、半導体基板１の熱膨張係数と略同等若しくはそれ以下であることから、イリジウムからなる赤外線放射層５の熱膨張係数０．６８×１０^−４／Ｋとの差から、突部４が形成されていない場合には赤外線放射層５の昇降温による熱膨張差によって、保持層２が半導体基板１に付着する虞がある。

しかし、本実施形態では、突部４によって保持層２が補強されていることで上記不具合を防止でき、赤外線放射層５の昇温阻害や変形による破損を防止することができる。なお、本実施形態では、突部４が保持層２の下面に形成されているが、突部４が保持層２を貫通した状態で形成されていてもよい。

ところで、本実施形態の赤外線放射素子Ａにおいて赤外線放射層５から放射される赤外線のピーク波長は、赤外線放射層５の温度に依存し、ピーク波長をλ（μｍ）、赤外線放射層５の絶対温度をＴ（Ｋ）とすれば、ピーク波長は、
λ＝２８９８／Ｔ・・・（式３）
となり、赤外線放射層５の絶対温度Ｔと赤外線放射層５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側を満たしている。要するに、図示しない外部電源から一対の電極６間に印加する電圧を調整することにより、赤外線放射層５に発生するジュール熱を変化させる（つまり、赤外線放射層５の温度を変化させる）ことができて、赤外線放射層５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。

そして、本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、例えば、一対の電極６間に２００Ｖ程度の電圧を印加することによりピーク波長λが３μｍ〜４μｍの赤外線を放射させることが可能であり、電極６間に印加する電圧を適宜調整することにより、ピーク波長λが４μｍ以上の赤外線を放射させることも可能である。

上記構成からなる本実施形態の赤外線放射素子Ａは、赤外線放射層５の昇温時に赤外線放射層５から保持層２に伝達した熱が気体層３によって断熱されるため、断熱層として働く気体層３によって赤外線放射層５の昇温が阻害されず昇温時間Ｔ１が短くなり、降温時には、赤外線放射層５から保持層２に伝達した熱が、気体層３を介して半導体基板１へと放熱されるため、放熱層として働く気体層３によって赤外線放射層５の降温時間Ｔ２を短くできる。従って、図４（ｂ）で示す赤外線放射層５の温度変化が、図４（ａ）で示す入力電圧の波形に同期して昇降温し、赤外線放射素子Ａは高出力な赤外線を放射すると共に高周波駆動することができ、低消費電力化を図ることができる。

以下、本実施形態の赤外線放射素子Ａの製造方法について図３（ａ）〜（ｅ）を用いて説明する。なお、上記赤外線放射素子Ａでは、突部４が略格子状に形成されているが、本製造方法の説明では、保持層２の下面の左右方向略中央に長尺状の突部４が形成されているものとして説明を行う。

まず、図３（ａ）に示すように、例えば、比抵抗が８０〜１２０Ωｃｍ程度の略矩形板状のｐ型半導体基板１の上面において所定の矩形領域を囲むＰ^＋の不純物ドープ８を施すドープ工程を行い、当該矩形領域の左右方向略中央において前後方向で互いに対向する周縁間にＰ^＋の不純物ドープ７を施すドープ工程を行う。

次に、アニール処置を行い不純物ドープ７，８を拡散及び活性化する。これにより、不純物ドープ７，８が施された領域は、ｎ型の陽極酸化マスクとなる。その後、図３（ｂ）に示すように、半導体基板１の上面において矩形枠状に形成された不純物ドープ８と当該不純物ドープ８よりも外側の領域とにかかる領域に、酸化処理（パイロ酸化）を行うことでシリコン酸化膜からなる陽極酸化マスク１１を施すマスク工程を行い。そして、半導体基板１の裏面のシリコン酸化膜を除去した後、バックコンタクト用のアルミ電極９をスパッタにより形成する。

そして、図３（ｃ）に示すように、前記矩形領域に陽極酸化処理を施す多孔質化工程を行うことによって、前記矩形領域内で不純物ドープ７，８が施された箇所を除いた領域が多孔質化され、多孔質層の保持層２が形成される。ここで、陽極酸化処理では、当該電解液として、フッ化水素水溶液とエタノールとを混合したフッ化水素３０％の溶液を用い、陽極酸化を行う表面のみを電解液に接触させ、半導体基板１の上面に図示しない白金電極を配置して、下面より通電可能な治具にセットし、所定の電流密度（例えば、１００ｍＡ／ｃｍ^２）の電流を所定時間だけ流すことにより１ｕｍの厚みを持った多孔質層を形成する。

また、保持層２の厚みは、前記式１に基づいて形成されることで、赤外線放射層５は印加される電圧の周波数に対応して高速に昇温が行われ、大きな赤外線強度振幅を得ることができる。

続いて、図３（ｄ）に示すように、前記多孔質層からなる保持層２を介して保持層２に対向する半導体基板１の厚み方向の領域、及び不純物ドープ７に対向する半導体基盤１の厚み方向の領域を電解研磨する電解研磨工程を行うことで気体層３を形成すると共に、不純物ドープ７が施された箇所が残存することで突部４が同時形成される。ここで、電解研磨処理では、当該電解液として、フッ化水素水溶液とエタノールとを混合したフッ化水素１５％の溶液を用い、陽極酸化を行う表面のみを電解液に接触させ、半導体基板１の上面に図示しない白金電極を配置して、下面から通電可能な治具にセットし、所定の電流密度（例えば、１０００ｍＡ／ｃｍ^２）の電流を所定時間だけ流すことにより２５ｕｍの厚みを持った気体層３を形成する。

ここで、気体層３の厚みは、前記式２に基づいて形成されることで、気体層３が断熱層から放熱層に切り替わるタイミングと、赤外線放射層５に印加される電圧が上昇から下降に切り替わるタイミングとを略一致させることができ、赤外線放射層５に印加される電圧が高周波変調されている場合であっても、電圧の周波数に略同期して赤外線放射層５を昇降温させることができると共に、大きな赤外線放射振幅を得ることができる。

また、上記多孔質化工程及び電解研磨工程では等方的に処理が進行するため、不純物ドープ８が施されていない場合には、図５に示すように保持層２の周縁が陽極酸化マスク１１のみによって支持された状態となって機械的強度が小さいものとなる。しかし、本実施形態では、保持層２の周縁と半導体基板１の境界に不純物ドープ８が施されていることで、保持層２の周縁は不純物ドープ８によって形成されるｎ型シリコン基板を介して半導体基板１と接続されて機械的強度の大きいものとなっている。

そして、図３（ｅ）に示すように、陽極酸化マスク１１に囲まれた領域に、通電により発熱する貴金属（Ｉｒ）からなる赤外線放射層５を１００ｎｍ程度積層する赤外線放射層形成工程を行い、その後に当該赤外線放射層５の左右両端に一対の電極６を設ける電極形成工程を行う。ここで、電極６は、メタルマスクなどを利用した蒸着法などによって設けられる。なお、本実施形態では、赤外線放射層５として貴金属のＩｒから形成しているが材料はこれに限定されず、耐熱性金属、金属窒化物、金属炭化物等、通電により発熱する耐熱性材料であればよく、好ましくは放射率の高いものが望ましい。

以上、図３（ａ）〜（ｅ）で示される赤外線放射素子Ａの製造方法によれば、陽極酸化による多孔質化工程と陽極酸化による電解研磨工程の２段階の陽極酸化を施すことによって、低体積熱容量及び高断熱性を有する多孔質層（保持層２）を容易に中空上に形成することができる。

また、半導体基板１の上面において突部４を形成する箇所に不純物ドープ７を施していることで、突部４を形成する箇所に前記マスク工程で別途段差を伴う陽極酸化マスクを施す必要がないため、その上面に積層される赤外線放射層５に段切れや不均一な抵抗部の発生が起こらず、安定動作可能な赤外線放射素子Ａを製造できる。

更に、突部４が形成されることで、前記電解研磨工程の陽極酸化後に行われる乾燥過程において保持層２が半導体基板１に付着することを防止することができる。

なお、本実施形態の製造方法の説明では、長尺状の突部４を１本形成しているが、不純物ドープ７を施す際に略格子状に施すことで突部４を略格子状に形成することができ、保持層２の機械的強度を更に高めることができる。

また、本実施形態では、入力電圧として略正弦波状の電圧が印加されるが、入力電圧はこれに限定されず略矩形パルス状の電圧であってもよい。

（実施形態２）
本実施形態における赤外線放射素子Ｂは、前記実施形態１の赤外線放射素子Ａと、赤外線放射層５の配置、及び突部３の形状が異なる。なお、実施形態１の赤外線放射素子Ａと同様の機能を有するものについては同一の符号を付して説明を省略する。

前記実施形態１では、赤外線放射層５が保持層２の上面全面に積層されていたが、本実施形態では、図６に示すように、赤外線放射層５は、保持層２の上面において前後方向に３分割されて配設されており、３つの赤外線放射層５間に露出する２箇所の保持層２の下面に左右両端が半導体基板１と接続された長尺状の突部４がそれぞれ形成されている。なお、本実施形態では、赤外線放射層５は３箇所に分割されているが、分割数はこれに限定されず、２箇所または４箇所以上であってもよいものとする。

以上により、熱伝導率が保持層２に比べて高い赤外線放射層５が、突部４に直接接しないため、赤外線放射層５で発生する熱が突部４へ放熱されることを抑制でき、赤外線放射層５の発光効率を高めることができる。
また、赤外線放射層５と突部４とが直接接していないことで、赤外線放射層５と突部４との間に大きな温度勾配が発生することを抑制でき、当該温度勾配に起因する大きな熱応力によって赤外線放射層５と突部４とが破損することを防止できる。

本発明の実施形態１における赤外線放射素子の断面外略図である。 同上における赤外線放射素子の上面図である。 本発明の実施形態１における赤外線放射素子の製造方法の説明図である。 （ａ）〜（ｄ）は、同上における赤外線放射素子の電圧波形または、温度波形を示し、（ａ）は、印加電圧波形、（ｂ）は、式２を満たす場合の温度波形、（ｃ）は、気体層を有さない場合の温度波形、（ｄ）は、式２を満たさない場合の温度波形を示す。 同上における赤外線放射素子で、保持層の周縁に不純物ドープが施されていない場合の概略図を示す。 本発明の実施形態２における赤外線放射素子の上面図である。 従来例におけるコイル状フィラメントを備える電球型の赤外線放射素子の正面図である。 同上における、ダイヤフラム型の赤外線放射素子の断面外略図である。

符号の説明

１ 基板
２ 保持層
３ 気体層
４ 突部
５ 赤外線放射層

Claims (13)

1. 半導体基板と、
   半導体基板の一面に形成された薄膜状の保持層と、
   半導体基板の一面及び保持層の一面によって囲まれた空間からなる気体層と、
   保持層の一面に形成された一乃至複数の長尺状の突部と、
   保持層の他面に積層され、電気入力されることによる発熱によって赤外線を放射する赤外線放射層とを備え、
   前記気体層は、赤外線放射層に印加される電圧の周波数に基づいてその厚みが設定され、赤外線放射層の昇温時には断熱層として働き、赤外線放射層の降温時には放熱層として働くことを特徴とする赤外線放射素子。
2. 前記突部は、保持層の互いに対向する周縁間に形成されていることを特徴とする請求項１記載の赤外線放射素子。
3. 前記突部は、略格子状に形成されていることを特徴とする請求項２記載の赤外線放射素子。
4. 前記突部は、単結晶シリコンからなることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の赤外線放射素子。
5. 前記保持層の他面には、赤外線放射層が複数箇所に積層され、赤外線放射層間に露出する保持層の一面側に突部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の赤外線放射素子。
6. 前記保持層は、多孔質層からなることを特徴とする請求項１乃至５いずれか記載の赤外線放射素子。
7. 前記多孔質層は、ポーラスシリコン、またはポーラスポリシリコンからなることを特徴とする請求項６記載の赤外線放射素子。
8. 前記保持層は、その周縁が半導体基板に固定されていることを特徴とする請求項１乃至７いずれか記載の赤外線放射素子。
9. 前記半導体基板と保持層とが接合する箇所は、保持層と半導体基板の接合を補強する補強部を備えることを特徴とする請求項８記載の赤外線放射素子。
10. 半導体基板の一面における所定領域において、一乃至複数の長尺状の領域に不純物ドープを施す第一のドープ工程と、
    前記所定領域の周縁に陽極酸化マスクを施すマスク工程と、
    前記所定領域を陽極酸化することで多孔質層を形成する多孔質化工程と、
    前記多孔質層に対向する半導体基板の厚み方向の領域、及び前記不純物ドープの厚み方向における半導体基板を陽極酸化により電解研磨することで、気体層を形成すると共に、前記不純物ドープが施された箇所に一乃至複数の長尺状の突部を形成する電解研磨工程と、
    前記多孔質層の他面側に赤外線放射層を形成する赤外線放射層形成工程とを備え、
    前記気体層は、赤外線放射層に印加される電圧の周波数に基づいてその厚みが設定され、赤外線放射層の昇温時には断熱層として働き、赤外線放射層の降温時には放熱層として働くことを特徴とする赤外線放射素子の製造方法。
11. 前記不純物ドープは、所定領域の互いに対向する周縁間に施されることを特徴とする請求項１０記載の赤外線放射素子の製造方法。
12. 前記不純物ドープは、略格子状に施されることを特徴とする請求項１１記載の赤外線放射素子の製造方法。
13. 前記マスク工程の前に、半導体基板の一面において陽極酸化マスクと所定領域との境界において、陽極酸化マスクと所定領域の両方にかかる不純物ドープを施す第二のドープ工程を備え、当該不純物ドープが施された箇所には、当該ドープと前記多孔質化工程によって多孔質化されず前記電解研磨工程によってドープの厚み方向に研磨されずに残存する半導体基板とから補強部が形成され、不純物ドープが施されていない箇所には、前記多孔質化工程によってポーラスシリコン層が形成され、前記電解研磨工程において前記ポーラスシリコン層の厚み方向に対向する半導体基板の領域に気体層が形成されることを特徴とする請求項１０乃至１２いずれか記載の赤外線放射素子の製造方法。

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