JP2013238538A - 赤外線放射素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】低消費電力化および高出力化を図ることが可能であり、且つ、信頼性の向上を図ることが可能な赤外線放射素子を提供する。
【解決手段】赤外線放射素子１は、基板２と、基板２の一表面側に形成された発熱体層３および発熱体層３を覆う保護層４を有する機能層５と、基板２の上記一表面側で基板２と機能層５との間に介在し機能層５を支持する絶縁層６と、基板２の上記一表面側で発熱体層３に電気的に接続された一対のパッド９，９とを備えている。基板２は、絶縁層６における発熱体層３側とは反対側の表面を露出させる開口部２ａが形成されている。絶縁層６は、開口部２ａと発熱体層３とを隔離するダイヤフラム部６Ｄと、基板２の上記一表面側で開口部２ａの周部に設けられダイヤフラム部６Ｄを支持する支持部６Ｓとを備える。絶縁層６および保護層４は、パッド９，９よりも発熱体層３に近い線膨張率を有する材料からなる。
【選択図】図１
【解決手段】赤外線放射素子１は、基板２と、基板２の一表面側に形成された発熱体層３および発熱体層３を覆う保護層４を有する機能層５と、基板２の上記一表面側で基板２と機能層５との間に介在し機能層５を支持する絶縁層６と、基板２の上記一表面側で発熱体層３に電気的に接続された一対のパッド９，９とを備えている。基板２は、絶縁層６における発熱体層３側とは反対側の表面を露出させる開口部２ａが形成されている。絶縁層６は、開口部２ａと発熱体層３とを隔離するダイヤフラム部６Ｄと、基板２の上記一表面側で開口部２ａの周部に設けられダイヤフラム部６Ｄを支持する支持部６Ｓとを備える。絶縁層６および保護層４は、パッド９，９よりも発熱体層３に近い線膨張率を有する材料からなる。
【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、ＭＥＭＳ（micro electro mechanicalsystems）の製造技術などを利用して製造される赤外線放射素子が研究開発されている。この種の赤外線放射素子は、ガスセンサや光学分析装置などの赤外線源（赤外光源）として使用することができる。
この種の赤外線放射素子としては、例えば、図９および図１０に示す構成の放射源が知られている（特許文献１）。
この放射源は、基板１３と、基板１３上に形成された第１絶縁層２２と、第１絶縁層２２上に形成された放射表面層１１と、放射表面層１１上に形成された第２絶縁層２４、第２絶縁層２４上に形成された極めて細い複数の白熱フィラメント１０とを備えている。また、この放射源は、各白熱フィラメント１０を覆うように形成され各白熱フィラメント１０を保護する第３絶縁層２６と、第３絶縁層２６に形成された開口を通して各白熱フィラメント１０の両端部に接続された一対の金属パッド１５，１５とを備えている。第２絶縁層２４は、放射表面層１１と白熱フィラメント１０とを電気的に絶縁するために設けてある。また、特許文献１には、白熱フィラメント１０が、均一平面板としての多層構造をなす他の要素（第１絶縁層２２、放射表面層１１、第２絶縁層２４、第３絶縁層２６）により囲まれている旨が記載されている。また、特許文献１には、第１絶縁層２２および第３絶縁層２６を設ける目的は、白熱フィラメント１０および放射表面層１１が酸化しないように保護することである旨が記載されている。
また、基板１３には、放射表面層１１に対応して開口部１４が形成されている。特許文献１には、開口部１４を形成するために使用できるエッチング液として、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液、少量のピロカテコールを添加したエチレンジアミン水溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）が記載されている。
基板１３は、（１００）配向のシリコンチップにより形成されている。また、第１絶縁層２２は、厚さが２００ｎｍの窒化シリコン層からなる。また、放射表面層１１は、厚さが約１μｍで、ホウ素、リンまたは砒素がドープされたポリシリコン膜からなる。また、第２絶縁層２４は、厚さが約５０ｎｍの窒化シリコン層からなる。また、白熱フィラメント１０は、厚さが約４００ｎｍのタングステン層からなる。また、第３絶縁層２６は、厚さが約２００ｎｍの窒化シリコン層からなる。金属パッド１５は、例えば、アルミニウムから形成されており、第３絶縁層２６に形成された開口を通して白熱フィラメント１０とオーム性接触を形成している。
また、放射源は、放射表面層１１が１ｍｍ２の面積を有している。白熱フィラメント１０の寸法については、例えば厚さを０．１−１μｍ、幅を２−１０μｍとし、その間隔を２０−５０μｍとしてある。
放射源は、白熱フィラメント１０が当該白熱フィラメント１０に流れる電流により加熱されるが、白熱フィラメント１０を、専ら放射表面層１１の加熱のために用いるものであり、放射表面層１１が主熱放射源として振る舞う。
ところで、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には、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比を向上できることが知られている。
しかしながら、図９および図１０に示した放射源の構成では、白熱フィラメント１０の熱容量だけでなく、第１絶縁層２２、放射表面層１１、第２絶縁層２４および第３絶縁層２６それぞれの熱容量に起因して、白熱フィラメント１０へ与える電圧波形に対する放射表面層１１の温度変化の応答が遅くなる。このため、上述の放射源では、放射表面層１１の温度が上昇しにくくなり、高出力化、低消費電力化および応答速度の高速化が難しい。
そこで、上述の放射源では、第１絶縁層２２の熱容量を小さくするために、第１絶縁層２２の厚さを薄くすることが考えられる。しかしながら、上述の放射源では、動作中に発生する熱応力に起因して第１絶縁層２２が破壊されやすくなる懸念がある。また、上述の放射源では、白熱フィラメント１０と第２絶縁層２４との線膨張率差に起因した応力で第２絶縁層２４が破損しやすくなってしまう懸念がある。
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、低消費電力化および高出力化を図ることが可能であり、且つ、信頼性の向上を図ることが可能な赤外線放射素子を提供することにある。
本発明の赤外線放射素子は、基板と、前記基板の一表面側に形成された発熱体層および前記発熱体層を覆う保護層を有する機能層と、前記基板の前記一表面側で前記基板と前記機能層との間に介在し前記機能層を支持する絶縁層と、前記基板の前記一表面側で前記発熱体層に電気的に接続された一対のパッドとを備え、前記発熱体層への通電により前記発熱体層から赤外線が放射される赤外線放射素子であって、前記基板は、前記絶縁層における前記発熱体層側とは反対側の表面を露出させる開口部が形成されてなり、前記絶縁層は、前記開口部と前記発熱体層とを隔離するダイヤフラム部と、前記基板の前記一表面側で前記開口部の周部に設けられ前記ダイヤフラム部を支持する支持部とを備え、前記絶縁層および前記保護層は、前記パッドよりも前記発熱体層に近い線膨張率を有する材料からなることを特徴とする。
この赤外線放射素子において、前記各パッドは、前記ダイヤフラム部と前記支持部との境界まで近づけて配置されてなることが好ましい。
この赤外線放射素子において、前記発熱体層と前記各パッドの各々とを電気的に接続する配線部を備え、前記各配線部は、前記パッドよりも前記発熱体層に近い線膨張率を有する配線材料からなることが好ましい。
この赤外線放射素子において、前記発熱体層と前記各パッドの各々とを電気的に接続する配線部を備え、前記各配線部は、前記発熱体層と同じ材料により形成されてなることが好ましい。
この赤外線放射素子において、前記機能層は、応力緩和構造を有することが好ましい。
この赤外線放射素子において、前記応力緩和構造は、前記保護層と前記発熱体層とを貫通する少なくとも１つのスリットからなることが好ましい。
この赤外線放射素子において、前記スリットは、前記一対のパッドの並設方向に平行な方向を長手方向とする細長の形状であることが好ましい。
この赤外線放射素子において、前記応力緩和構造は、前記発熱体層の外周縁に形成された切込溝からなることが好ましい。
本発明の赤外線放射素子においては、低消費電力化および高出力化を図ることが可能であり、且つ、信頼性の向上を図ることが可能となる。
（実施形態１）
以下では、本実施形態の赤外線放射素子１について図１に基づいて説明する。
以下では、本実施形態の赤外線放射素子１について図１に基づいて説明する。
赤外線放射素子１は、基板２と、この基板２の一表面側に形成された発熱体層３および発熱体層３を覆う保護層４を有する機能層５と、基板２の上記一表面側で基板２と機能層５との間に介在し機能層５を支持する絶縁層６とを備えている。なお、図１（ａ）では、保護層４の図示を省略してある。
また、赤外線放射素子１は、基板２の上記一表面側で発熱体層３に電気的に接続された一対のパッド９，９を備えており、発熱体層３への通電により発熱体層３から赤外線が放射される。
基板２は、絶縁層６における発熱体層３側とは反対側の表面を露出させる開口部２ａが形成されている。
また、赤外線放射素子１は、発熱体層３と各パッド９，９の各々とを電気的に接続する配線部８，８を備えている。
以下、赤外線放射素子１の各構成要素について詳細に説明する。
基板２は、上記一表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板により形成されているが、これに限らず、（１１０）面の単結晶のシリコン基板により形成してもよい。また、基板２は、単結晶のシリコン基板に限らず、多結晶のシリコン基板でもよいし、シリコン基板以外でもよい。基板２の材料は、絶縁層６の材料よりも熱伝導率が大きく且つ熱容量が大きな材料が好ましい。
基板２の外周形状は、矩形状である。基板２の外形サイズは、特に限定するものではないが、例えば、１０ｍｍ□以下（１０ｍｍ×１０ｍｍ以下）に設定するのが好ましい。また、基板２は、開口部２ａの開口形状を矩形状としてある。基板２の開口部２ａは、上記一表面側に比べて他表面側での開口面積が大きくなる形状に形成されている。ここで、基板２の開口部２ａは、絶縁層６から離れるほど開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されている。基板２の開口部２ａは、基板２をエッチングすることにより形成されている。基板２として上記一表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板を採用している場合、基板２の開口部２ａは、アルカリ系溶液をエッチング液として用いた異方性エッチングにより形成することができる。基板２の開口部２ａの開口形状は、特に限定するものではない。また、赤外線放射素子１は、製造時において開口部２ａを形成する際のマスク層が無機材料からなる場合、基板２の上記他表面側に、マスク層が残っていてもよい。なお、マスク層としては、例えば、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜などを採用することができる。
絶縁層６は、開口部２ａと発熱体層３とを隔離するダイヤフラム部６Ｄと、基板２の上記一表面側で開口部２ａの周部に形成されダイヤフラム部６Ｄを支持する支持部６Ｓとからなる。
また、絶縁層６は、基板２側のシリコン酸化膜と、このシリコン酸化膜における基板２側とは反対側に積層されたシリコン窒化膜とからなる。絶縁層６は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜に限らず、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜の単層構造でもよいし、その他の材料からなる単層構造や、２層以上の積層構造でもよい。
絶縁層６は、赤外線放射素子１の製造時において基板２の上記他表面側から基板２をエッチングして開口部２ａを形成する際のエッチングストッパ層としての機能も有している。
発熱体層３は、平面形状を矩形状としてあるが、特に矩形状に限定するものではなく、例えば、円形状や多角形状などでもよい。
発熱体層３の平面サイズは、絶縁層６において開口部２ａに臨む表面６ａの平面サイズよりも小さく設定するのが好ましい。つまり、発熱体層３は、ダイヤフラム部６Ｄの平面サイズよりも小さく設定するのが好ましい。ここで、ダイヤフラム部６Ｄの平面サイズは、特に限定するものではないが、例えば、５ｍｍ□以下に設定するのが好ましい。
発熱体層３の平面サイズは、例えば、３ｍｍ□以下となるように設定するのが好ましい。ただし、発熱体層３の平面形状は、正方形状に限らず、例えば、長方形状、円形状、多角形状などでもよい。
発熱体層３の材料は、窒化タンタルを採用している。つまり、発熱体層３は、窒化タンタル層からなる。発熱体層３の材料は、窒化タンタルに限らず、例えば、窒化チタンなどを採用してもよい。また、発熱体層３の材料としては、導電性ポリシリコンを採用してもよい。つまり、発熱体層３は、導電性ポリシリコン層により構成してもよい。発熱体層３について、高温で化学的に安定であり、且つ、シート抵抗の設計容易性という観点からは、窒化タンタル層もしくは導電性ポリシリコン層を採用することが好ましい。窒化タンタル層は、その組成を変えることにより、シート抵抗を変えることが可能である。導電性ポリシリコン層は、不純物濃度などを変えることにより、シート抵抗を変えることが可能である。導電性ポリシリコン層は、ｎ形不純物もしくはｐ形不純物が高濃度にドーピングされたｎ形ポリシリコン層もしくはｐ形ポリシリコン層により構成することができる。導電性ポリシリコン層をｎ形ポリシリコン層とし、ｎ形不純物として例えばリンを採用する場合には、不純物濃度を例えば、１×１０１８ｃｍ−３〜５×１０２０ｃｍ−３程度の範囲で適宜設定すればよい。また、導電性ポリシリコン層をｐ形ポリシリコン層とし、ｐ形不純物として例えばボロンを採用する場合には、不純物濃度を１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３程度の範囲で適宜設定すればよい。
赤外線放射素子１において発熱体層３から放射される赤外線のピーク波長λは、発熱体層３の温度に依存する。ここで、発熱体層３の絶対温度をＴ〔Ｋ〕、ピーク波長をλ〔μｍ〕とすれば、ピーク波長λは、
λ＝２８９８／Ｔ
となり、発熱体層３の絶対温度Ｔと発熱体層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、赤外線放射素子１では、発熱体層３が黒体を構成している。赤外線放射素子１は、例えば、図示しない外部電源から一対のパッド９，９間に与える入力電力を調整することにより、発熱体層３に発生するジュール熱を変化させることができ、発熱体層３の温度を変化させることができる。したがって、赤外線放射素子１は、発熱体層３への入力電力に応じて発熱体層３の温度を変化させることができ、また、発熱体層３の温度を変化させることで発熱体層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。また、本実施形態の赤外線放射素子１では、発熱体層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可能となる。このため、赤外線放射素子１は、広範囲の赤外線波長域において高出力の赤外線光源として用いることが可能となる。例えば、赤外線放射素子１をガスセンサの赤外光源として使用する場合には、発熱体層３から放射される赤外線のピーク波長λを４μｍ程度にするのが好ましく、発熱体層３の温度を８００Ｋ程度とすればよい。ここにおいて、本実施形態の赤外線放射素子１では、発熱体層３が上述のように黒体を構成している。これにより、赤外線放射素子１は、発熱体層３の単位面積が単位時間に放射する全エネルギＥがＴ４に略比例するものと推測される（つまり、シュテファン−ボルツマンの法則を満足するものと推測される）。
λ＝２８９８／Ｔ
となり、発熱体層３の絶対温度Ｔと発熱体層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、赤外線放射素子１では、発熱体層３が黒体を構成している。赤外線放射素子１は、例えば、図示しない外部電源から一対のパッド９，９間に与える入力電力を調整することにより、発熱体層３に発生するジュール熱を変化させることができ、発熱体層３の温度を変化させることができる。したがって、赤外線放射素子１は、発熱体層３への入力電力に応じて発熱体層３の温度を変化させることができ、また、発熱体層３の温度を変化させることで発熱体層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。また、本実施形態の赤外線放射素子１では、発熱体層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可能となる。このため、赤外線放射素子１は、広範囲の赤外線波長域において高出力の赤外線光源として用いることが可能となる。例えば、赤外線放射素子１をガスセンサの赤外光源として使用する場合には、発熱体層３から放射される赤外線のピーク波長λを４μｍ程度にするのが好ましく、発熱体層３の温度を８００Ｋ程度とすればよい。ここにおいて、本実施形態の赤外線放射素子１では、発熱体層３が上述のように黒体を構成している。これにより、赤外線放射素子１は、発熱体層３の単位面積が単位時間に放射する全エネルギＥがＴ４に略比例するものと推測される（つまり、シュテファン−ボルツマンの法則を満足するものと推測される）。
保護層４は、シリコン窒化膜により構成してある。保護層４は、これに限らず、例えば、シリコン酸化膜により構成してもよいし、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層構造を有していてもよい。保護層４は、発熱体層３への通電時に発熱体層３から放射される所望の波長ないし波長域の赤外線に対する透過率が高いほうが好ましいが、透過率が１００％であることを必須とするものではない。
赤外線放射素子１は、絶縁層６と発熱体層３と保護層４とで構成されるサンドイッチ構造の応力バランスを考慮して、絶縁層６および保護層４それぞれの材料や厚さなどを設定することが好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、上述のサンドイッチ構造の応力バランスを向上させることが可能となり、このサンドイッチ構造の反りや破損を、抑制することが可能となって機械的強度のより一層の向上を図ることが可能となる。なお、保護層４は、図１（ｂ）に示すように、少なくとも、発熱体層３と、配線部８においてパッド９が重なっていない領域を覆っていればよいが、絶縁層６の支持部６Ｓにおいてパッド９が形成されていない領域にも形成するのが、より好ましい。
上述の発熱体層３の厚さは、発熱体層３の低熱容量化を図るという観点から０．２μｍ以下とするのが好ましい。
絶縁層６の厚さと発熱体層３の厚さと保護層４の厚さとの合計厚さは、絶縁層６と発熱体層３と保護層４との積層構造の低熱容量化を図るという観点から、例えば、０．１μｍ〜１μｍ程度の範囲で設定することが好ましく、０．７μｍ以下とするのがより好ましい。
各配線部８は、発熱体層３と同じ材料により形成されている。ここで、各配線部８は、基板２の上記一表面側において、一端側が、発熱体層３の両端部（図１（ａ）における左右両端部）それぞれと連続する形で形成され電気的に接続されている。また、各配線部８は、基板２の上記一表面側において、他端側が、パッド９と電気的に接続されている。ここで、各配線部８とパッド９とは、オーミック接触をなしている。
各パッド９の厚さは、０．５〜２μｍ程度の範囲で設定することが好ましい。各パッド９の材料としては、アルミニウムを採用している。各パッド９の材料は、アルミニウムに限らず、例えば、アルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ）や金などでもよい。
赤外線放射素子１の製造にあたっては、例えば、基板２の上記一表面側に、絶縁層６、発熱体層３と各配線部８、保護層４を順次形成してから、その後、各パッド９を形成し、続いて、基板２に開口部２ａを形成すればよい。
絶縁層６のシリコン酸化膜の形成方法は、例えば、熱酸化法やＣＶＤ（ChemicalVapor Deposition）法などの薄膜形成技術を採用することができ、熱酸化法が好ましい。また、絶縁層６のシリコン窒化膜の形成方法は、ＣＶＤ法などの薄膜形成技術を利用することができ、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法が好ましい。
発熱体層３の形成方法は、例えば、スパッタ法や蒸着法やＣＶＤ法などの薄膜形成技術と、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た加工技術とを利用することができる。また、各配線部８の材料および厚さが発熱体層３の材料および厚さと同じに設定してある場合には、各配線部８を発熱体層３と同時に形成することができる。
保護層４の形成方法は、例えば、ＣＶＤ法などの薄膜形成技術と、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た加工技術とを利用することができる。保護層４を形成する際のＣＶＤ法としては、プラズマＣＶＤ法が好ましい。
また、各パッド９の形成にあたっては、例えば、スパッタ法、蒸着法およびＣＶＤ法などの薄膜形成技術と、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た加工技術とを利用することができる。また、開口部２ａの形成にあたっては、基板２の上記他表面側のシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜（図示せず）をマスク層として、基板２を上記他表面側からエッチングすることにより形成すればよい。マスク層を形成するにあたっては、例えば、まず、絶縁層６のシリコン酸化膜の形成と同時に基板２の上記他表面側にマスク層の基礎となるシリコン酸化膜を形成し、絶縁層６のシリコン窒化膜の形成と同時に基板２の上記他表面側にシリコン窒化膜を形成する。マスク層の基礎となるシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜のパターニングは、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用すればよい。
本実施形態の赤外線放射素子１の製造方法では、開口部２ａの形成時に、絶縁層６をエッチングストッパ層として利用することにより、絶縁層６の厚さの精度を高めることが可能となるとともに、絶縁層６における開口部２ａ側に基板２の一部や残渣が残るのを防止することが可能となる。この製造方法では、赤外線放射素子１ごとの、絶縁層６の機械的強度のばらつきや、絶縁層６のダイヤフラム部６Ｄ全体の熱容量のばらつきを抑制することが可能となる。
上述の赤外線放射素子１の製造にあたっては、開口部２ａの形成が終了するまでのプロセスを、ウェハレベルで行い、開口部２ａを形成した後、個々の赤外線放射素子１に分離すればよい。つまり、赤外線放射素子１の製造にあたっては、例えば、基板２の基礎となるシリコンウェハを準備して、このシリコンウェハに複数の赤外線検出素子１を上述の製造方法に従って形成し、その後、個々の赤外線検出素子１に分離すればよい。
上述の赤外線放射素子１の製造方法から分かるように、赤外線放射素子１は、ＭＥＭＳの製造技術を利用して製造することができる。
ところで、本実施形態の赤外線放射素子１における絶縁層６および保護層４は、パッド９よりも発熱体層３に近い線膨張率を有する材料からなる。本実施形態の赤外線放射素子１では、発熱体層３の材料として、高温（例えば、８００℃以上）でも化学的に安定であり且つ抵抗率を金属に比べて大きくすることが可能な窒化タンタル（ＴａＮ）を採用することが好ましく、絶縁層６の材料として酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）などを採用し、保護層４の材料として、ＳｉＮ、ＳｉＯ２などを採用することができる。ＴａＮは、その組成を変えることにより、抵抗率およびシート抵抗を変えることが可能である。本実施形態の赤外線放射素子１では、発熱体層３を、線膨張率が３．６×１０−６（Ｋ−１）で抵抗率が２．４×１０−４Ω・ｍのＴａＮとしてある。これに対して、パッド９の材料であるＡｌの線膨張率および抵抗率は、それぞれ、２４×１０−６Ｋ−１、２．７×１０−８Ω・ｍである。また、ＳｉＯ２、ＳｉＮの線膨張率は、それぞれ、２．３×１０−６Ｋ−１、２．７×１０−６Ｋ−１である。なお、Ｔａの線膨張率および抵抗率は、それぞれ、６．３×１０−６Ｋ−１、１２×１０−８Ω・ｍである。また、Ｓｉの線膨張率は、２．８×１０−６Ｋ−１である。なお、赤外線放射素子１の信頼性を向上させる観点からは、絶縁層６および保護層４それぞれの線膨張率と、発熱体層３の線膨張率との差が、より小さい方が好ましい。
赤外線放射素子１において、保護層４が接する気体が空気であり、発熱体層３の材料としてＴａＮを採用し、発熱体層３を所望の使用温度として例えば５００℃に発熱させて使用する場合、この使用温度で発熱体層３からの赤外線の放射率が最大となるシート抵抗は、１８９Ω／□（１８９Ω／sq.）であり、放射率の最大値は、５０％である。つまり、赤外線放射素子１は、発熱体層３のシート抵抗を１８９Ω／□とすれば、空気とのインピーダンスマッチングにより、赤外線の放射率を最大とすることが可能となる。したがって、放射率の低下を抑制して例えば４０％以上の放射率を確保するためには、発熱体層３のシート抵抗を７３〜４９３Ω／□の範囲で設定すればよい。なお、所望の使用温度において放射率が最大となるシート抵抗を規定シート抵抗と呼ぶことにすれば、所望の使用温度での発熱体層３のシート抵抗は、規定シート抵抗±１０％の範囲で設定するのが、より好ましい。
赤外線放射素子１は、基板２と、発熱体層３および発熱体層３を覆う保護層４を有する機能層５と、絶縁層６と、一対のパッド９，９とを備え、発熱体層３への通電による発熱体層３の発熱に伴い発熱体層３から赤外線が放射されるものであり、基板２に、絶縁層６における発熱体層３側とは反対側の表面を露出させる開口部２ａが形成されている。ここで、絶縁層６は、開口部２ａと発熱体層３とを隔離するダイヤフラム部６Ｄと、基板２の上記一表面側で開口部２ａの周部に設けられダイヤフラム部６Ｄを支持する支持部６Ｓとを備えている。また、絶縁層６および保護層４は、パッド９，９よりも発熱体層３に近い線膨張率を有する材料からなる。しかして、本実施形態の赤外線放射素子１は、低消費電力化および高出力化を図ることが可能であり、且つ、信頼性の向上を図ることが可能となる。
さらに説明すれば、赤外線放射素子１は、基板２の上記一表面側に形成される積層構造が、絶縁層６と発熱体層３と保護層４とで構成されるので、積層構造の熱容量を低減することが可能となり、低消費電力化および応答速度の高速化が可能となる。また、赤外線放射素子１は、積層構造の熱容量を低減することが可能であり且つ発熱体層３に通電することにより発熱体層３から赤外線が放射されるから、高出力化を図ることが可能となる。また、赤外線放射素子１は、絶縁層６および保護層４が、パッド９，９よりも発熱体層３に近い線膨張率を有する材料からなるので、発熱体層３の温度変化に起因して積層構造に発生する応力を低減することが可能となり、積層構造の破損を抑制することが可能となって、信頼性の向上を図ることが可能となる。なお、基板２の上記一表面側の積層構造が破損する現象としては、例えば、絶縁層６のダイヤフラム部６Ｄから発熱体層３が剥れる現象や、積層構造が割れる現象などがある。
この赤外線放射素子１において、各パッド９は、ダイヤフラム部６Ｄと支持部６Ｓとの境界まで近づけて配置されていることが好ましい。具体的には、平面視における各パッド９の各々の外周線の一部と、絶縁層６の厚み方向への投影視における開口部２ａの内側の内周線（基板２の上記一表面と開口部２ａの内側面との境界線）とが、重なるように配置されていることが好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、各パッド９と発熱体層３の間の配線部８の長さを短くすることが可能となり、基板２の上記一表面側の積層構造の破損を、より抑制することが可能となる。
また、本実施形態の赤外線放射素子１は、発熱体層３と各パッド９の各々とを電気的に接続する配線部８を備え、各配線部８が、発熱体層３と同じ材料により形成されている。これにより、赤外線放射素子１は、基板２の上記一表面側の積層構造の破損を、より抑制することが可能となる。
また、赤外線放射素子１は、基板２を単結晶のシリコン基板から形成し、絶縁層６をシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とで構成してある。これにより、赤外線放射素子１は、絶縁層６に比べて基板２の熱容量および熱伝導率それぞれが大きく、基板２がヒートシンクとしての機能を有するので、小型化、入力電力に対する応答速度の高速化、赤外線の放射特性の安定性の向上を図ることが可能となる。また、赤外線放射素子１では、発熱体層３の材料として、Ｓｉよりも高融点のＴａＮを採用すれば、発熱体層３の温度をＳｉの最高使用温度（Ｓｉの融点よりもやや低い温度）まで上昇させることが可能となり、赤外線発光ダイオードに比べて赤外線の放射量を大幅に増大させることが可能となる。
赤外線放射素子１は、一対のパッド９，９の並ぶ方向に直交し且つ発熱体層３の厚み方向に直交する赤外線放射素子１の中心線を対称軸として、発熱体層３、配線部８およびパッド９それぞれが、線対称に配置されていることが好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、機械的強度のより一層の向上を図ることが可能となるとともに、発熱体層３の温度の面内ばらつきを抑制することが可能なる。
（実施形態２）
以下では、本実施形態の赤外線放射素子１について図２に基づいて説明する。
以下では、本実施形態の赤外線放射素子１について図２に基づいて説明する。
本実施形態の赤外線放射素子１は、各配線部８が、パッド９よりも発熱体層３に近い線膨張率を有する配線材料からなる点が実施形態１の赤外線放射素子１と相違する。各配線部８の配線材料としては、例えば、ＴａやＴｉなどを採用することができる。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同様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１では、各配線部８が、パッド９よりも発熱体層３に近い線膨張率を有する配線材料からなるので、実施形態１の赤外線放射素子１に比べて、発熱体層３を効率的に発熱させることが可能となる。これにより、本実施形態の赤外線放射素子１は、実施形態１の赤外線放射素子１に比べて、低消費電力化および高出力化を図ることが可能となる。
図２に示した赤外線放射素子１では、配線部８の平面形状が、パッド９から離れるにつれて幅寸法（図２（ａ）の上下方向の寸法）が徐々に小さくなる台形状の形状となっているが、これに限らない。例えば、配線部８の平面形状は、図３に示す赤外線放射素子１のように、パッド９からの距離によらず幅寸法が一定の長方形状の形状でもよい。また、配線部８の平面形状は、図４に示す赤外線放射素子１のように、パッド９からの距離によらず幅寸法が一定で発熱体層３の幅寸法と同じとなる長方形状の形状でもよい。
（実施形態３）
以下では、本実施形態の赤外線放射素子１について図５に基づいて説明する。
以下では、本実施形態の赤外線放射素子１について図５に基づいて説明する。
本実施形態の赤外線放射素子１は、機能層５が、応力緩和構造５０を有している点が実施形態２の赤外線放射素子１と相違する。なお、実施形態２と同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
応力緩和構造５０は、保護層４と発熱体層３とを貫通する複数のスリット５１により構成されている。各スリット５１は、図５（ｂ）に示すように、保護層４と発熱体層３とを貫通するだけでなく絶縁層６も貫通するように形成することが好ましい。
応力緩和構造５０のスリット５１の数は、特に限定するものではなく、少なくとも１つであればよい。
赤外線放射素子１は、スリット５１が、一対のパッド９，９の並ぶ方向に沿った発熱体層３の中心線を対称軸として線対称に配置されていることが好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、機械的強度のより一層の向上を図ることが可能となるとともに、発熱体層３の温度の面内ばらつきを抑制することが可能なる。
スリット５１は、例えば、一対のパッド９，９の並設方向に平行な方向を長手方向とする細長の形状であることが好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、応力緩和構造５０を設けたことに起因する発熱体層３の抵抗の増大を、抑制することが可能となる。
応力緩和構造５０におけるスリット５１の形状や配置は、図５の例に限らない。例えば、図６に示すように、スリット５１を円形状の形状として、仮想三角格子の各格子点にスリット５１を配置してもよい。
本実施形態で説明した応力緩和構造５０は、実施形態１の赤外線放射素子１に設けてもよい。
（実施形態４）
以下では、本実施形態の赤外線放射素子１について図７に基づいて説明する。
以下では、本実施形態の赤外線放射素子１について図７に基づいて説明する。
本実施形態の赤外線放射素子１は、機能層５（図２（ｂ）参照）が、応力緩和構造５０を有している点が実施形態２の赤外線放射素子１と相違する。なお、実施形態２と同様の構成要素については、同様の符号を付して説明を省略する。
応力緩和構造５０は、発熱体層３の外周縁に形成された切込溝５２により構成されている。ここにおいて、赤外線放射素子１は、発熱体層３の平面形状が矩形状であり、一対のパッド９，９の並設方向に沿った２つの外周縁の各々に複数の切込溝５２が並設されている。
応力緩和構造５０における切込溝５２の配置は、図７の例に限らない。例えば、図８に示すように、上記並設方向に沿った２つの外周縁のうち一方の外周縁における切込溝５２の形成位置と他方の外周縁における切込溝５２の形成位置とを上記並設方向においてずらすようにしてもよい。なお、図８の例の赤外線放射素子１では、発熱体層３に応力緩和構造５０を設けることにより、発熱体層３の平面形状が蛇腹状の形状となっている。
本実施形態で説明した応力緩和構造５０は、実施形態１の赤外線放射素子１に設けてもよい。
なお、各実施形態の赤外線放射素子１は、ガスセンサ用の赤外光源に限らず、例えば、炎検知用の赤外光源、赤外光通信用の赤外光源、分光分析用の赤外光源などに使用可能である。
１ 赤外線放射素子
２ 基板
２ａ 開口部
３ 発熱体層
４ 保護層
５ 機能層
６ 絶縁層
６Ｄ ダイヤフラム部
６Ｓ 支持部
８ 配線部
９ パッド
５０ 応力緩和構造
５１ スリット
５２ 切込溝
２ 基板
２ａ 開口部
３ 発熱体層
４ 保護層
５ 機能層
６ 絶縁層
６Ｄ ダイヤフラム部
６Ｓ 支持部
８ 配線部
９ パッド
５０ 応力緩和構造
５１ スリット
５２ 切込溝
Claims (8)
- 基板と、前記基板の一表面側に形成された発熱体層および前記発熱体層を覆う保護層を有する機能層と、前記基板の前記一表面側で前記基板と前記機能層との間に介在し前記機能層を支持する絶縁層と、前記基板の前記一表面側で前記発熱体層に電気的に接続された一対のパッドとを備え、前記発熱体層への通電により前記発熱体層から赤外線が放射される赤外線放射素子であって、前記基板は、前記絶縁層における前記発熱体層側とは反対側の表面を露出させる開口部が形成されてなり、前記絶縁層は、前記開口部と前記発熱体層とを隔離するダイヤフラム部と、前記基板の前記一表面側で前記開口部の周部に設けられ前記ダイヤフラム部を支持する支持部とを備え、前記絶縁層および前記保護層は、前記パッドよりも前記発熱体層に近い線膨張率を有する材料からなることを特徴とする赤外線放射素子。
- 前記各パッドは、前記ダイヤフラム部と前記支持部との境界まで近づけて配置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。
- 前記発熱体層と前記各パッドの各々とを電気的に接続する配線部を備え、前記各配線部は、前記パッドよりも前記発熱体層に近い線膨張率を有する配線材料からなることを特徴とする請求項２記載の赤外線放射素子。
- 前記発熱体層と前記各パッドの各々とを電気的に接続する配線部を備え、前記各配線部は、前記発熱体層と同じ材料により形成されてなることを特徴とする請求項２記載の赤外線放射素子。
- 前記機能層は、応力緩和構造を有す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。
- 前記応力緩和構造は、前記保護層と前記発熱体層とを貫通する少なくとも１つのスリットからなることを特徴とする請求項５記載の赤外線放射素子。
- 前記スリットは、前記一対のパッドの並設方向に平行な方向を長手方向とする細長の形状であることを特徴とする請求項６記載の赤外線放射素子。
- 前記応力緩和構造は、前記発熱体層の外周縁に形成された切込溝からなることを特徴とする請求項５記載の赤外線放射素子。
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| A711 | Notification of change in applicant |
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