JP2014032078A - Infrared radiation element - Google Patents

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昌男 桐原
Koji Tsuji
幸司 辻
Takaaki Yoshihara
孝明 吉原
Yoshitada Nagatani
吉祥 永谷
Hiroki Matsunami
弘貴 松浪
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an infrared radiation element capable of efficiently applying infrared radiation.SOLUTION: An infrared radiation element 1 comprises: a substrate 2; a thin film 3 formed over one surface of the substrate 2; a through hole 2a which goes through in a thickness direction of the substrate 2; a lattice-like first infrared radiation 4a formed at the opposite side of the substrate 2 in the thin film 3. The infrared radiation element 1 also comprises: plural pads 9 which are electrically connected to the first infrared radiation layer 4a; and a second infrared radiation layer 4b which is disposed separated away from the radiation layer 4a in an opening 4aa of the first infrared radiation layer 4a and which has the infrared radiation ratio higher than that of the thin film 3.

Description

本発明は、赤外線放射素子に関するものである。   The present invention relates to an infrared radiation element.

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。   2. Description of the Related Art Conventionally, an infrared emitting element manufactured using a manufacturing technology of MEMS (micro electro mechanical systems) has been researched and developed. This type of infrared radiation element can be used as an infrared source (infrared light source) such as a gas sensor or an optical analyzer.

この種の赤外線放射素子としては、例えば、図3及び図4に示す構成の放射源が知られている(特許文献1)。   As this type of infrared radiation element, for example, a radiation source having the configuration shown in FIGS. 3 and 4 is known (Patent Document 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と、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及び第3絶縁層26を設ける目的は、白熱フィラメント10及び放射表面層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。   The radiation source includes a substrate 13, a first insulating layer 22 formed on the substrate 13, a radiation surface layer 11 formed on the first insulation layer 22, and a second surface formed on the radiation surface layer 11. An insulating layer 24 and a plurality of extremely thin incandescent filaments 10 formed on the second insulating layer 24 are provided. In addition, the radiation source is formed so as to cover each incandescent filament 10, a third insulating layer 26 that protects each incandescent filament 10, and both ends of each incandescent filament 10 through openings formed in the third insulating layer 26. A pair of metal pads 15 and 15 connected to each other is provided. The second insulating layer 24 is provided to electrically insulate the radiating surface layer 11 from the incandescent filament 10. Further, in Patent Document 1, the incandescent filament 10 is formed by other elements (first insulating layer 22, radiation surface layer 11, second insulating layer 24, third insulating layer 26) having a multilayer structure as a uniform flat plate. It is written that it is surrounded. Patent Document 1 describes that the purpose of providing the first insulating layer 22 and the third insulating layer 26 is to protect the incandescent filament 10 and the radiating surface layer 11 from oxidation.

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。   An opening 14 is formed in the substrate 13 corresponding to the radiation surface layer 11. Patent Document 1 describes an aqueous potassium hydroxide (KOH) solution, an ethylenediamine aqueous solution to which a small amount of pyrocatechol is added, and tetramethylammonium hydroxide (TMAH) as an etching solution that can be used to form the opening 14. Yes.

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。   The substrate 13 is formed of a (100) -oriented silicon chip. The first insulating layer 22 is made of a silicon nitride layer having a thickness of 200 nm. The radiation surface layer 11 is made of a polysilicon film having a thickness of about 1 μm and doped with boron, phosphorus or arsenic. The second insulating layer 24 is made of a silicon nitride layer having a thickness of about 50 nm. The incandescent filament 10 is made of a tungsten layer having a thickness of about 400 nm. The third insulating layer 26 is made of a silicon nitride layer having a thickness of about 200 nm. The metal pad 15 is made of, for example, aluminum, and forms ohmic contact with the incandescent filament 10 through an opening formed in the third insulating layer 26.

また、放射源は、放射表面層11が1mm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。 In the radiation source, the radiation surface layer 11 has an area of 1 mm 2 . Regarding the dimensions of the incandescent filament 10, for example, the thickness is 0.1-1 μm, the width is 2-10 μm, and the interval is 20-50 μm.

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。   Although the incandescent filament 10 is heated by the current flowing through the incandescent filament 10, the incandescent filament 10 is used exclusively for heating the radiating surface layer 11, and the radiating surface layer 11 is the main heat radiating source. Behave as.

特開平9−184757号公報JP-A-9-184757

ところで、赤外線放射素子としては、低消費電力化などの観点から、より高効率で赤外線を放射可能なものが望まれることが多い。   By the way, as an infrared radiation element, an element capable of emitting infrared radiation with higher efficiency is often desired from the viewpoint of reducing power consumption.

しかし、上述の放射源は、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、放射表面層11が主熱放射源として振る舞うものであり、第2絶縁層24及び放射表面層11それぞれの熱容量に起因して、高効率で赤外線を放射させることが難しい。   However, the radiation source described above uses the incandescent filament 10 exclusively for heating the radiation surface layer 11, and the radiation surface layer 11 behaves as the main heat radiation source, and the second insulating layer 24 and the radiation surface layer 11. Due to the respective heat capacities, it is difficult to emit infrared rays with high efficiency.

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、より高効率で赤外線を放射させることが可能な赤外線放射素子を提供することにある。   This invention is made | formed in view of the said reason, The objective is to provide the infrared rays radiating element which can radiate | emit infrared rays with higher efficiency.

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設けられた薄膜部と、前記基板の厚み方向に貫通した貫通孔と、前記薄膜部における前記基板側とは反対側に設けられた格子状の第1赤外線放射層と、前記第1赤外線放射層に電気的に接続された複数のパッドと、前記第1赤外線放射層の開口部において前記第1赤外線放射層から離れて配置され且つ前記薄膜部よりも赤外線放射率の高い第2赤外線放射層とを備えることを特徴とする。   The infrared radiation element of the present invention is provided on the opposite side of the substrate, the thin film portion provided on one surface side of the substrate, the through-hole penetrating in the thickness direction of the substrate, and the substrate side in the thin film portion. A grid-shaped first infrared radiation layer, a plurality of pads electrically connected to the first infrared radiation layer, and an opening of the first infrared radiation layer spaced apart from the first infrared radiation layer And a second infrared radiation layer having an infrared emissivity higher than that of the thin film portion.

この赤外線放射素子において、前記第1赤外線放射層と前記第2赤外線放射層とは、同一の材料で形成され且つ同じ厚さであることが好ましい。   In this infrared radiation element, it is preferable that the first infrared radiation layer and the second infrared radiation layer are formed of the same material and have the same thickness.

この赤外線放射素子において、前記第1赤外線放射層は、周部から中心部に近づくにつれて前記開口部のサイズが小さくなっていることが好ましい。   In this infrared radiating element, it is preferable that the first infrared radiating layer has a size of the opening portion that decreases from the peripheral portion toward the central portion.

この赤外線放射素子において、前記第1赤外線放射層の外側で前記第1赤外線放射層から離れて配置され前記薄膜部よりも赤外線放射率の高い第3赤外線放射層を備えることが好ましい。   The infrared radiation element preferably includes a third infrared radiation layer that is disposed outside the first infrared radiation layer and spaced apart from the first infrared radiation layer and has a higher infrared emissivity than the thin film portion.

本発明の赤外線放射素子においては、より高効率で赤外線を放射させることが可能となる。   In the infrared radiation element of the present invention, infrared radiation can be emitted with higher efficiency.

(a)は実施形態の赤外線放射素子の概略平面図、(b)は(a)のA−A’概略断面図、(c)は(a)のB−B’概略断面図である。(A) is a schematic plan view of the infrared radiation element of embodiment, (b) is A-A 'schematic sectional drawing of (a), (c) is B-B' schematic sectional drawing of (a). 実施形態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。It is principal process sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the infrared rays radiating element of embodiment. 従来例の放射源の平面図である。It is a top view of the radiation source of a prior art example. 図3の放射源のA−A’断面図である。It is A-A 'sectional drawing of the radiation source of FIG.

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。   Below, the infrared radiation element 1 of this embodiment is demonstrated based on FIG.

赤外線放射素子1は、基板2と、この基板2の一表面側に設けられた薄膜部3と、基板2の厚み方向に貫通した貫通孔2aと、薄膜部3における基板2側とは反対側に設けられた格子状の第1赤外線放射層4aとを備えている。要するに、赤外線放射素子1は、基板2に、薄膜部3における第1赤外線放射層4a側とは反対側の表面を露出させる貫通孔2aが形成されている。この赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4aへの通電により第1赤外線放射層4aから赤外線が放射される。   The infrared radiation element 1 includes a substrate 2, a thin film portion 3 provided on one surface side of the substrate 2, a through hole 2a penetrating in the thickness direction of the substrate 2, and a side opposite to the substrate 2 side in the thin film portion 3. And a grid-shaped first infrared radiation layer 4a. In short, in the infrared radiation element 1, the substrate 2 is formed with a through hole 2a that exposes the surface of the thin film portion 3 opposite to the first infrared radiation layer 4a side. The infrared radiation element 1 emits infrared rays from the first infrared radiation layer 4a by energization to the first infrared radiation layer 4a.

また、赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4aに電気的に接続された2つのパッド9と、第1赤外線放射層4aの開口部4aaにおいて第1赤外線放射層4aから離れて配置され且つ薄膜部3よりも赤外線放射率の高い第2赤外線放射層4bとを備えている。また、赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4aの外側で第1赤外線放射層4aから離れて配置され薄膜部3よりも赤外線放射率の高い第3赤外線放射層4cを備えている。   In addition, the infrared radiation element 1 is disposed away from the first infrared radiation layer 4a at the two pads 9 electrically connected to the first infrared radiation layer 4a and the opening 4aa of the first infrared radiation layer 4a. And a second infrared radiation layer 4b having a higher infrared emissivity than the thin film portion 3. In addition, the infrared radiation element 1 includes a third infrared radiation layer 4 c that is disposed outside the first infrared radiation layer 4 a and is separated from the first infrared radiation layer 4 a and has a higher infrared emissivity than the thin film portion 3.

また、赤外線放射素子1は、基板2の上記一表面側で第1赤外線放射層4aの周部に接するように形成された一対の電極7,7を備えており、各電極7の各々に配線8を介して上述のパッド9が電気的に接続されている。   Further, the infrared radiation element 1 includes a pair of electrodes 7 formed so as to be in contact with the peripheral portion of the first infrared radiation layer 4a on the one surface side of the substrate 2, and a wiring is connected to each of the electrodes 7. The above-described pad 9 is electrically connected through 8.

また、赤外線放射素子1は、薄膜部3における基板2側とは反対側で第1赤外線放射層4a、第2赤外線放射層4b及び第3赤外線放射層4cを覆う保護層5を備えている。保護層5は、第1赤外線放射層4a、第2赤外線放射層4b及び第3赤外線放射層4cから放射される赤外線に対して透明な材料により形成されている。なお、図1(a)は、保護層5の図示を省略してある。   The infrared radiation element 1 includes a protective layer 5 that covers the first infrared radiation layer 4a, the second infrared radiation layer 4b, and the third infrared radiation layer 4c on the opposite side of the thin film portion 3 from the substrate 2 side. The protective layer 5 is formed of a material that is transparent to infrared rays emitted from the first infrared radiation layer 4a, the second infrared radiation layer 4b, and the third infrared radiation layer 4c. In FIG. 1A, the protective layer 5 is not shown.

赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4aへの通電により第1赤外線放射層4aが発熱する。これにより、赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4aの温度が上昇し、第2赤外線放射層4b及び第3赤外線放射層4cも温度が上昇する。よって、赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4aから赤外線が放射されるだけなく、第2赤外線放射層4b及び第3赤外線放射層4cからも赤外線が放射される。   In the infrared radiation element 1, the first infrared radiation layer 4a generates heat by energizing the first infrared radiation layer 4a. Thereby, as for the infrared radiation element 1, the temperature of the 1st infrared radiation layer 4a rises, and the temperature of the 2nd infrared radiation layer 4b and the 3rd infrared radiation layer 4c also rises. Therefore, the infrared radiation element 1 emits not only infrared rays from the first infrared radiation layer 4a but also infrared rays from the second infrared radiation layer 4b and the third infrared radiation layer 4c.

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。   Hereinafter, each component of the infrared radiation element 1 will be described in detail.

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、例えば、(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、薄膜部3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。   The substrate 2 is formed of a single crystal silicon substrate having a (100) plane on the one surface. However, the substrate 2 is not limited thereto, and may be formed of a single crystal silicon substrate having a (110) plane. The substrate 2 is not limited to a single crystal silicon substrate, but may be a polycrystalline silicon substrate or other than a silicon substrate. The material of the substrate 2 is preferably a material having a higher thermal conductivity and a larger heat capacity than the material of the thin film portion 3.

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、貫通孔2aの開口形状を矩形状としてある。基板2の貫通孔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の貫通孔2aは、薄膜部3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の貫通孔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の貫通孔2aは、例えば、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の貫通孔2aの開口形状は、特に限定するものではない。よって、基板2の貫通孔2aの形成方法として、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限らず、例えば、誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置などを用いたドライエッチングを採用することもできる。また、赤外線放射素子1は、製造時において貫通孔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。   The outer peripheral shape of the substrate 2 is rectangular. Although the external size of the board | substrate 2 is not specifically limited, For example, it is preferable to set to 10 mm □ or less (10 mm × 10 mm or less). Moreover, the board | substrate 2 makes the opening shape of the through-hole 2a rectangular. The through-hole 2a of the substrate 2 is formed in a shape in which the opening area on the other surface side is larger than that on the one surface side. Here, the through hole 2 a of the substrate 2 is formed in a shape in which the opening area gradually increases as the distance from the thin film portion 3 increases. The through hole 2 a of the substrate 2 is formed by etching the substrate 2. In the case where a single crystal silicon substrate having one (100) surface is employed as the substrate 2, the through hole 2a of the substrate 2 is formed by, for example, anisotropic etching using an alkaline solution as an etching solution. be able to. The opening shape of the through hole 2a of the substrate 2 is not particularly limited. Therefore, the method for forming the through hole 2a of the substrate 2 is not limited to anisotropic etching using an alkaline solution as an etching solution, but employs dry etching using, for example, an inductively coupled plasma type dry etching apparatus. You can also. In addition, in the infrared emitting element 1, when the mask layer when forming the through hole 2 a is made of an inorganic material during manufacturing, the mask layer may remain on the other surface side of the substrate 2. As the mask layer, for example, a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film can be employed.

薄膜部3は、基板1の上記一表面側で貫通孔2aを塞いでいる部分が、ダイヤフラム部3Dを構成し、基板2の上記一表面側で貫通孔2aの周部に形成され部分が、ダイヤフラム部3Dを支持する支持部3Sを構成している。   In the thin film portion 3, the portion of the substrate 1 that covers the through hole 2a on the one surface side constitutes a diaphragm portion 3D, and the portion of the substrate 2 that is formed on the peripheral portion of the through hole 2a on the one surface side of the substrate 1, A support portion 3S that supports the diaphragm portion 3D is configured.

また、薄膜部3は、基板2側のシリコン酸化膜31と、このシリコン酸化膜31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32とからなる。薄膜部3は、シリコン酸化膜31とシリコン窒化膜32との積層膜に限らず、例えば、シリコン酸化膜31やシリコン窒化膜32の単層構造でもよいし、SiO、Si以外の電気絶縁材料からなる単層構造や、2層以上の積層構造でもよい。 The thin film portion 3 includes a silicon oxide film 31 on the substrate 2 side and a silicon nitride film 32 laminated on the opposite side of the silicon oxide film 31 from the substrate 2 side. The thin film portion 3 is not limited to the laminated film of the silicon oxide film 31 and the silicon nitride film 32. For example, the thin film portion 3 may have a single layer structure of the silicon oxide film 31 or the silicon nitride film 32, or other than SiO 2 and Si 3 N 4 A single layer structure made of an electrically insulating material or a laminated structure of two or more layers may be used.

薄膜部3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をエッチングして貫通孔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。   The thin film portion 3 also has a function as an etching stopper layer when the substrate 2 is etched from the other surface side of the substrate 2 to form the through hole 2a when the infrared radiation element 1 is manufactured.

第1赤外線放射層4a、第2赤外線放射層4b及び第3赤外線放射層4cは、保護層5が接する気体(例えば、空気、窒素ガスなど)とのインピーダンス不整合による赤外線の放射率の低下を抑制するようにシート抵抗を設定してある。   The 1st infrared radiation layer 4a, the 2nd infrared radiation layer 4b, and the 3rd infrared radiation layer 4c reduce the emissivity of infrared rays by impedance mismatch with the gas (for example, air, nitrogen gas, etc.) which the protective layer 5 contacts. The sheet resistance is set so as to suppress it.

第1赤外線放射層4aは、平面形状を格子状としてある。第1赤外線放射層4aの外形サイズは、薄膜部3において貫通孔2aに臨む表面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、第1赤外線放射層4aは、上述のダイヤフラム部3D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3D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。   The first infrared radiation layer 4a has a lattice shape in plan view. The outer size of the first infrared radiation layer 4a is preferably set smaller than the planar size of the surface facing the through hole 2a in the thin film portion 3. That is, it is preferable to set the first infrared radiation layer 4a to be smaller than the planar size of the diaphragm portion 3D described above. Here, the planar size of the diaphragm portion 3D is not particularly limited, but is preferably set to 5 mm □ or less, for example.

第1赤外線放射層4aの外形サイズは、各電極7の各々が重なる各コンタクト領域を除いた領域の外形サイズが3mm□以下となるように設定するのが好ましい。   The outer size of the first infrared radiation layer 4a is preferably set so that the outer size of the region excluding the contact regions where the electrodes 7 overlap each other is 3 mm □ or less.

第1赤外線放射層4aの材料は、窒化タンタルを採用している。つまり、第1赤外線放射層4aは、窒化タンタル層からなる。第1赤外線放射層4aの材料は、窒化タンタルに限らず、例えば、窒化チタン、ニッケルクロム、タングステン、チタン、トリウム、白金、ジルコニウム、クロム、バナジウム、ロジウム、ハフニウム、ルテニウム、ボロン、イリジウム、ニオブ、モリブデン、タンタル、オスミウム、レニウム、ニッケル、ホルミウム、コバルト、エルビウム、イットリウム、鉄、スカンジウム、ツリウム、パラジウム、ルテチウムなどを採用してもよい。また、第1赤外線放射層4a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、第1赤外線放射層4aは、導電性ポリシリコン層により構成してもよい。第1赤外線放射層4a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。 The material of the first infrared radiation layer 4a is tantalum nitride. That is, the first infrared radiation layer 4a is made of a tantalum nitride layer. The material of the first infrared radiation layer 4a is not limited to tantalum nitride, and for example, titanium nitride, nickel chromium, tungsten, titanium, thorium, platinum, zirconium, chromium, vanadium, rhodium, hafnium, ruthenium, boron, iridium, niobium, Molybdenum, tantalum, osmium, rhenium, nickel, holmium, cobalt, erbium, yttrium, iron, scandium, thulium, palladium, lutetium, or the like may be employed. Further, as the material of the first infrared radiation layer 4a, conductive polysilicon may be adopted. That is, the first infrared radiation layer 4a may be composed of a conductive polysilicon layer. For the first infrared radiation layer 4a, it is preferable to employ a tantalum nitride layer or a conductive polysilicon layer from the viewpoint of chemical stability at high temperatures and ease of design of sheet resistance. The tantalum nitride layer can change the sheet resistance by changing its composition. The conductive polysilicon layer can change the sheet resistance by changing the impurity concentration and the like. The conductive polysilicon layer can be composed of an n-type polysilicon layer or a p-type polysilicon layer doped with an n-type impurity or a p-type impurity at a high concentration. In the case where the conductive polysilicon layer is an n-type polysilicon layer and phosphorus is used as the n-type impurity, the impurity concentration is, for example, in the range of about 1 × 10 18 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3. What is necessary is just to set suitably. Further, when the conductive polysilicon layer is a p-type polysilicon layer and boron is used as the p-type impurity, the impurity concentration is in the range of about 1 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3. What is necessary is just to set suitably.

上述の気体が空気であり、第1赤外線放射層4aの材料として窒化タンタルを採用し、第1赤外線放射層4aを所望の使用温度として例えば500℃に加熱して使用する場合、この使用温度で第1赤外線放射層4a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、第1赤外線放射層4a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、第1赤外線放射層4a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第1赤外線放射層4a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。   When the above-mentioned gas is air, tantalum nitride is employed as the material of the first infrared radiation layer 4a, and the first infrared radiation layer 4a is heated to a desired use temperature of, for example, 500 ° C. The sheet resistance at which the infrared emissivity from the first infrared emitting layer 4a is maximized is 189 Ω / □ (189 Ω / sq.), And the maximum emissivity is 50%. That is, if the sheet resistance of the first infrared radiation layer 4a is 189 Ω / □, the infrared radiation element 1 can maximize the infrared emissivity by impedance matching with air. Therefore, in order to suppress the decrease in emissivity and ensure emissivity of, for example, 40% or more, the sheet resistance of the first infrared radiation layer 4a may be set in the range of 73 to 493Ω / □. If the sheet resistance at which the emissivity is maximized at a desired use temperature is called a prescribed sheet resistance, the sheet resistance of the first infrared radiation layer 4a at the desired use temperature is a prescribed sheet resistance of ± 10%. It is more preferable to set the range.

赤外線放射素子1において第1赤外線放射層4aから放射される赤外線のピーク波長λは、第1赤外線放射層4aの温度に依存する。ここで、第1赤外線放射層4aの絶対温度をT〔K〕、ピーク波長をλ〔μm〕とすれば、これらは、λ=2898/Tの関係を満足している。つまり、第1赤外線放射層4aの絶対温度Tと第1赤外線放射層4aから放射される赤外線のピーク波長λとの関係は、ウィーンの変位則を満足している。したがって、赤外線放射素子1では、第1赤外線放射層4aが黒体を構成している。   The infrared peak wavelength λ emitted from the first infrared radiation layer 4a in the infrared radiation element 1 depends on the temperature of the first infrared radiation layer 4a. Here, if the absolute temperature of the first infrared radiation layer 4a is T [K] and the peak wavelength is λ [μm], these satisfy the relationship of λ = 2898 / T. That is, the relationship between the absolute temperature T of the first infrared radiation layer 4a and the peak wavelength λ of the infrared radiation emitted from the first infrared radiation layer 4a satisfies the Vienna displacement law. Therefore, in the infrared radiation element 1, the first infrared radiation layer 4a constitutes a black body.

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、第1赤外線放射層4aに発生するジュール熱を変化させることができ、第1赤外線放射層4a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、第1赤外線放射層4aへの入力電力に応じて第1赤外線放射素子4aの温度を変化させることができる。また、赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4aの温度を変化させることで第1赤外線放射層4a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、第1赤外線放射層4a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、第1赤外線放射層4aの温度を800K程度とすればよい。ここにおいて、赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4a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、第1赤外線放射層4aの単位面積が単位時間に放射する全エネルギEがT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)。なお、赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4a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。 The infrared radiation element 1 can change Joule heat generated in the first infrared radiation layer 4a by adjusting input power applied between the pair of pads 9 and 9 from an external power source (not shown), for example. The temperature of the infrared radiation layer 4a can be changed. Therefore, the infrared radiation element 1 can change the temperature of the first infrared radiation element 4a in accordance with the input power to the first infrared radiation layer 4a. In addition, the infrared radiation element 1 can change the peak wavelength λ of infrared radiation emitted from the first infrared radiation layer 4a by changing the temperature of the first infrared radiation layer 4a. For this reason, the infrared radiation element 1 can be used as a high-power infrared light source in a wide infrared wavelength range. For example, when the infrared radiation element 1 is used as an infrared light source of a gas sensor, it is preferable that the peak wavelength λ of infrared radiation emitted from the first infrared radiation layer 4a is about 4 μm. The temperature may be about 800K. Here, in the infrared radiation element 1, the first infrared radiation layer 4a forms a black body as described above. Thus, the infrared radiation element 1, the total energy E is assumed to be approximately proportional to T 4 the unit area of the first infrared radiation layer 4a is radiated per unit time (i.e., Stefan - satisfy the Boltzmann's Law Guessed) The infrared radiation element 1 can increase the amount of infrared radiation as the temperature of the first infrared radiation layer 4a is increased.

第1赤外線放射層4aは、薄膜部3における基板2側とは反対側の表面上に形成されている。また、第1赤外線放射層4aは、上述のように平面形状が格子状である。第1赤外線放射層4aは、各開口部4aaのサイズが同じでもよいが、図1(a)のように周部から中心部に近づくにつれて開口部4aaのサイズが小さくなっているのが好ましい。つまり、第1赤外線放射層4aは、周部の開口部4aaに比べて、中心部に近い開口部4aaのサイズが小さくなっていることが好ましい。これにより、赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4aの温度分布の均一化を図ることが可能となり、赤外線の波長が第1赤外線放射層4aの位置によってばらつくのを抑制することが可能となる。   The first infrared radiation layer 4a is formed on the surface of the thin film portion 3 opposite to the substrate 2 side. The first infrared radiation layer 4a has a lattice shape in plan view as described above. In the first infrared radiation layer 4a, the size of each opening 4aa may be the same, but it is preferable that the size of the opening 4aa decreases as it approaches the center from the periphery as shown in FIG. That is, in the first infrared radiation layer 4a, it is preferable that the size of the opening 4aa close to the center is smaller than that of the opening 4aa in the periphery. Thereby, the infrared radiation element 1 can achieve a uniform temperature distribution of the first infrared radiation layer 4a, and can suppress the variation of the infrared wavelength depending on the position of the first infrared radiation layer 4a. Become.

第2赤外線放射層4bは、薄膜部3における基板2側とは反対側の表面上に形成されている。よって、第2赤外線放射層4bと第1赤外線放射層4aとは、同一平面上に形成されている。   The second infrared radiation layer 4b is formed on the surface of the thin film portion 3 opposite to the substrate 2 side. Therefore, the second infrared radiation layer 4b and the first infrared radiation layer 4a are formed on the same plane.

第2赤外線放射層4bの平面形状は、格子状の第1赤外線放射層4aの開口部4aaよりもやや小さな矩形状(図示例では、正方形状)としてある。赤外線放射素子1は、より高効率で赤外線を放射させるという観点から、第2赤外線放射層4bを、第1赤外線放射層4aにおける全ての開口部4aaの内側に配置されているのが好ましい。   The planar shape of the second infrared radiation layer 4b is a rectangular shape (in the illustrated example, a square shape) that is slightly smaller than the opening 4aa of the lattice-shaped first infrared radiation layer 4a. In the infrared radiation element 1, it is preferable that the second infrared radiation layer 4b is disposed inside all the openings 4aa in the first infrared radiation layer 4a from the viewpoint of radiating infrared rays with higher efficiency.

第2赤外線放射層4bの材料は、第1赤外線放射層4aと同様の材料を採用することができるが、第1赤外線放射層4aと同じ材料を採用することが好ましい。また、第2赤外線放射層4bの厚さは、第1赤外線放射層4aの厚さと同じであることが好ましい。赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4aと第2赤外線放射層4bとが、同一の材料で形成され且つ同じ厚さであることにより、製造時に第1赤外線放射層4aと第2赤外線放射層4bとを同時に形成することが可能となり、低コスト化を図ることが可能となる。   Although the material similar to the 1st infrared radiation layer 4a can be employ | adopted for the material of the 2nd infrared radiation layer 4b, it is preferable to employ | adopt the same material as the 1st infrared radiation layer 4a. The thickness of the second infrared radiation layer 4b is preferably the same as the thickness of the first infrared radiation layer 4a. The infrared radiation element 1 includes the first infrared radiation layer 4a and the second infrared radiation layer 4b formed of the same material and having the same thickness. The layer 4b can be formed at the same time, and the cost can be reduced.

第2赤外線放射層4bは、第1赤外線放射層4aにおける開口部4aaの内側面に接しない範囲でより大きな平面サイズであるのが好ましい。これにより、第2赤外線放射層4bの温度が第1赤外線放射層4aの温度により近くなり、より効率的に赤外線を放射させることが可能となる。   The second infrared radiation layer 4b preferably has a larger planar size as long as it does not contact the inner surface of the opening 4aa in the first infrared radiation layer 4a. Thereby, the temperature of the 2nd infrared radiation layer 4b becomes closer to the temperature of the 1st infrared radiation layer 4a, and it becomes possible to radiate infrared rays more efficiently.

第3赤外線放射層4cは、薄膜部3における基板2側とは反対側の表面上に形成されている。よって、第3赤外線放射層4cと第2赤外線放射層4bと第1赤外線放射層4aとは、同一平面上に形成されている。   The third infrared radiation layer 4c is formed on the surface of the thin film portion 3 opposite to the substrate 2 side. Therefore, the 3rd infrared radiation layer 4c, the 2nd infrared radiation layer 4b, and the 1st infrared radiation layer 4a are formed on the same plane.

第3赤外線放射層4cは、2つ設けられており、各々の平面形状をC字状としてある。赤外線放射素子1は、2つの第3赤外線放射層4cで第1赤外線放射層4aを囲むように、これら2つの赤外線放射層4cを配置してある。第3赤外線放射層4cは、薄膜部3のダイヤフラム部3Dと支持部3Sとに跨って形成されているが、少なくともダイヤフラム部3D上に形成されていればよい。   Two third infrared radiation layers 4c are provided, and each planar shape is C-shaped. In the infrared radiation element 1, the two infrared radiation layers 4c are arranged so that the two third infrared radiation layers 4c surround the first infrared radiation layer 4a. Although the 3rd infrared radiation layer 4c is formed ranging over the diaphragm part 3D and the support part 3S of the thin film part 3, what is necessary is just to be formed at least on the diaphragm part 3D.

第3赤外線放射層4cの材料は、第1赤外線放射層4aと同様の材料を採用することができるが、第1赤外線放射層4aと同じ材料を採用することが好ましい。また、第3赤外線放射層4cの厚さは、第1赤外線放射層4aの厚さと同じであることが好ましい。   Although the material similar to the 1st infrared radiation layer 4a can be employ | adopted for the material of the 3rd infrared radiation layer 4c, it is preferable to employ | adopt the same material as the 1st infrared radiation layer 4a. The thickness of the third infrared radiation layer 4c is preferably the same as the thickness of the first infrared radiation layer 4a.

赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4aと第3赤外線放射層4cとが、同一の材料で形成され且つ同じ厚さであることにより、製造時に第1赤外線放射層4aと第3赤外線放射層4cとを同時に形成することが可能となり、低コスト化を図ることが可能となる。   The infrared radiation element 1 includes the first infrared radiation layer 4a and the third infrared radiation layer 4c formed of the same material and having the same thickness. The layer 4c can be formed at the same time, and the cost can be reduced.

赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4aと第2赤外線放射層4bと第3赤外線放射層4cとが、同一の材料で形成され且つ同じ厚さであることにより、製造時に第1赤外線放射層4aと第2赤外線放射層4bと第3赤外線放射層4cとを同時に形成することが可能となり、低コスト化を図ることが可能となる。   The infrared radiation element 1 includes the first infrared radiation layer 4a, the second infrared radiation layer 4b, and the third infrared radiation layer 4c formed of the same material and having the same thickness. The layer 4a, the second infrared radiation layer 4b, and the third infrared radiation layer 4c can be formed at the same time, and the cost can be reduced.

保護層5は、シリコン窒化膜により構成してある。保護層5は、シリコン窒化膜に限らず、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5は、第1赤外線放射層4aへの通電時に第1赤外線放射層4a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。   The protective layer 5 is composed of a silicon nitride film. The protective layer 5 is not limited to a silicon nitride film, and may be formed of, for example, a silicon oxide film, or may have a stacked structure of a silicon oxide film and a silicon nitride film. The protective layer 5 preferably has a high transmittance with respect to infrared rays of a desired wavelength or wavelength range emitted from the first infrared radiation layer 4a when the first infrared radiation layer 4a is energized, but the transmittance is 100%. Is not a requirement.

赤外線放射素子1は、薄膜部3と第1赤外線放射層4a、第2赤外線放射層4b及び第3赤外線放射層4cと保護層5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、薄膜部3及び保護層5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、より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。   The infrared radiation element 1 is a thin film in consideration of the stress balance of the sandwich structure composed of the thin film portion 3, the first infrared radiation layer 4a, the second infrared radiation layer 4b, the third infrared radiation layer 4c, and the protective layer 5. It is preferable to set the material and thickness of each of the portion 3 and the protective layer 5. Thereby, the infrared radiation element 1 can improve the stress balance of the above-described sandwich structure, and can further suppress the warpage and breakage of the sandwich structure, thereby further improving the mechanical strength. Can be achieved.

第1赤外線放射層4a、第2赤外線放射層4b及び第3赤外線放射層4cの厚さは、第1赤外線放射層4a、第2赤外線放射層4b及び第3赤外線放射層4c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。   The thicknesses of the first infrared radiation layer 4a, the second infrared radiation layer 4b, and the third infrared radiation layer 4c are reduced in the heat capacity of the first infrared radiation layer 4a, the second infrared radiation layer 4b, and the third infrared radiation layer 4c. From the viewpoint of achieving this, the thickness is preferably 0.2 μm or less.

薄膜部3の厚さと第1赤外線放射層4aの厚さと保護層5の厚さとの合計厚さは、薄膜部3と第1赤外線放射層4aと保護層5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。なお、赤外線放射素子1は、例えば、薄膜部3のシリコン酸化膜31の厚さを160nm、薄膜部3のシリコン窒化膜32の厚さを160nm、保護層5の厚さを100nmとして、第1赤外線放射層4aの厚さを適宜設定すればよい。これらの数値は、一例であり、特に限定するものではない。   The total thickness of the thickness of the thin film portion 3, the thickness of the first infrared radiation layer 4a, and the thickness of the protective layer 5 reduces the heat capacity of the laminated structure of the thin film portion 3, the first infrared radiation layer 4a, and the protective layer 5. From the viewpoint of achieving this, for example, it is preferably set in the range of about 0.1 μm to 1 μm, and more preferably 0.7 μm or less. For example, the infrared radiation element 1 is configured such that the thickness of the silicon oxide film 31 of the thin film portion 3 is 160 nm, the thickness of the silicon nitride film 32 of the thin film portion 3 is 160 nm, and the thickness of the protective layer 5 is 100 nm. What is necessary is just to set the thickness of the infrared radiation layer 4a suitably. These numerical values are examples and are not particularly limited.

一対の電極7,7は、基板2の上記一表面側において、第1赤外線放射層4aの周部(図1(a)における左右両端部)と接する形で形成されている。各電極7は、保護層5に形成されたコンタクトホール5aを通して第1赤外線放射層4a上に形成され、第1赤外線放射層4aと電気的に接続されている。ここで、各電極7は、第1赤外線放射層4aとオーミック接触をなしている。   The pair of electrodes 7 are formed on the one surface side of the substrate 2 so as to be in contact with the peripheral portion of the first infrared radiation layer 4a (the left and right end portions in FIG. 1A). Each electrode 7 is formed on the first infrared radiation layer 4a through a contact hole 5a formed in the protective layer 5, and is electrically connected to the first infrared radiation layer 4a. Here, each electrode 7 is in ohmic contact with the first infrared radiation layer 4a.

各電極7の材料としては、アルミニウム合金の一種であるAl−Siを採用している。各電極7の材料は、特に限定するものではなく、例えば、Al−Cu、Alなどを採用してもよい。また、各電極7は、少なくとも、第1赤外線放射層4aと接する部分が第1赤外線放射層4aとオーミック接触が可能な材料であればよく、単層構造に限らず、多層構造でもよい。例えば、各電極7は、第1赤外線放射層4a側から順に、第1層、第2層、第3層が積層された3層構造として、第1赤外線放射層4aに接する第1層の材料を高融点金属(例えば、Crなど)とし、第2層の材料をNiとし、第3層の材料をAuとしてもよい。赤外線放射素子1は、各パッド9において少なくとも第1赤外線放射層4aに接する部位が高融点金属により形成されていれば、第1赤外線放射層4aの温度を各パッド9の材料に制約されることなく上昇させることが可能となる。   As a material of each electrode 7, Al-Si which is a kind of aluminum alloy is adopted. The material of each electrode 7 is not particularly limited, and for example, Al—Cu, Al or the like may be adopted. Moreover, each electrode 7 should just be a material in which the part which contact | connects the 1st infrared radiation layer 4a at least can make ohmic contact with the 1st infrared radiation layer 4a, and not only a single layer structure but a multilayer structure may be sufficient as it. For example, each electrode 7 has a three-layer structure in which a first layer, a second layer, and a third layer are laminated in order from the first infrared radiation layer 4a side, and the first layer material in contact with the first infrared radiation layer 4a. May be a refractory metal (such as Cr), the second layer material may be Ni, and the third layer material may be Au. In the infrared radiating element 1, the temperature of the first infrared radiating layer 4 a is limited by the material of each pad 9 as long as at least a portion in contact with the first infrared radiating layer 4 a is formed of a refractory metal in each pad 9. It is possible to raise without any loss.

各配線8及び各パッド9は、各電極7と同じ材料により形成され、同じ層構造、同じ厚さに設定するのが好ましい。これにより、赤外線放射素子1は、各配線8及び各パッド9を各電極7と同時に形成することが可能となる。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。   Each wiring 8 and each pad 9 are preferably made of the same material as each electrode 7 and set to the same layer structure and the same thickness. Thereby, the infrared radiation element 1 can form each wiring 8 and each pad 9 simultaneously with each electrode 7. The thickness of the pad 9 is preferably set in the range of about 0.5 to 2 μm.

パッド9の数は、2つに限らず、複数であればよい。例えば、各電極7の各々に対して、パッド9を2つずつ接続してもよい。要するに、赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4aへ通電して第1赤外線放射層4aを発熱させることができれば、パッド9の数を特に限定するものではない。   The number of pads 9 is not limited to two and may be plural. For example, two pads 9 may be connected to each electrode 7. In short, the number of the pads 9 is not particularly limited in the infrared radiation element 1 as long as the first infrared radiation layer 4a can be energized to cause the first infrared radiation layer 4a to generate heat.

また、赤外線放射素子1は、赤外線放射層として、少なくとも第1赤外線放射層4aと第2赤外線放射層4bとを備えていればよく、第3赤外線放射層4cを備えていない構成でもよい。   Moreover, the infrared radiation element 1 should just be equipped with at least the 1st infrared radiation layer 4a and the 2nd infrared radiation layer 4b as an infrared radiation layer, and the structure which is not equipped with the 3rd infrared radiation layer 4c may be sufficient.

以下では、赤外線放射素子1の製造方法について図2に基づいて説明する。   Below, the manufacturing method of the infrared radiation element 1 is demonstrated based on FIG.

赤外線放射素子1を製造するにあたっては、まず、上記一表面が(100)面の単結晶のシリコン基板などからなる基板2を準備する(図2(a)参照)。   In manufacturing the infrared radiation element 1, first, a substrate 2 made of a single crystal silicon substrate or the like whose one surface is a (100) plane is prepared (see FIG. 2A).

基板2を準備した後には、基板2の上記一表面側に薄膜部3を形成する第1工程を行うことによって、図2(b)に示す構造を得る。薄膜部3のシリコン酸化膜31の形成方法は、例えば、熱酸化法やCVD(Chemical Vapor 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、薄膜部3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。   After the substrate 2 is prepared, the first step of forming the thin film portion 3 on the one surface side of the substrate 2 is performed to obtain the structure shown in FIG. As a method for forming the silicon oxide film 31 in the thin film portion 3, for example, a thin film forming technique such as a thermal oxidation method or a CVD (Chemical Vapor Deposition) method can be adopted, and a thermal oxidation method is preferable. Moreover, as a method for forming the silicon nitride film of the thin film portion 3, a thin film forming technique such as a CVD method can be used, and a LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) method is preferable.

第1工程の後には、薄膜部3上に第1赤外線放射層4a、第2赤外線放射層4b及び第3赤外線放射層4cを形成する第2工程を行うことによって、図2(c)に示す構造を得る。第1赤外線放射層4a、第2赤外線放射層4b及び第3赤外線放射層4c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及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。   After the first step, the second step of forming the first infrared radiation layer 4a, the second infrared radiation layer 4b, and the third infrared radiation layer 4c on the thin film portion 3 is performed, as shown in FIG. Get the structure. As a method for forming the first infrared radiation layer 4a, the second infrared radiation layer 4b, and the third infrared radiation layer 4c, for example, a thin film formation technique such as a sputtering method, a vapor deposition method, or a CVD method, and a photolithography technique and an etching technique are used. Can be used.

第2工程の後には、保護層5を形成する第3工程を行い、続いて、コンタクトホール5aを形成する第4工程を行い、その後、各電極7、各配線8及び各パッド9を形成する第5工程を行うことによって、図2(d)に示す構造を得る。第3工程における保護層5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及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5を形成する際のCVD法としては、プラズマCVD法が好ましい。第4工程におけるコンタクトホール5aの形成にあたっては、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用すればよい。第4工程でのエッチングは、ウェットエッチングでもよいし、ドライエッチングでもよい。第5工程における各電極7、各配線8及び各パッド9の形成にあたっては、例えば、スパッタ法、蒸着法及びCVD法などの薄膜形成技術と、フォトリソグラフィ技術及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。第5工程でのエッチングは、ウェットエッチングでもよいし、ドライエッチングでもよい。   After the second step, a third step for forming the protective layer 5 is performed, followed by a fourth step for forming the contact hole 5a, and then each electrode 7, each wiring 8, and each pad 9 are formed. By performing the fifth step, the structure shown in FIG. As a method for forming the protective layer 5 in the third step, for example, a thin film forming technique such as a CVD method and a processing technique using a photolithography technique and an etching technique can be used. As a CVD method for forming the protective layer 5, a plasma CVD method is preferable. In forming the contact hole 5a in the fourth step, a photolithography technique and an etching technique may be used. Etching in the fourth step may be wet etching or dry etching. In forming each electrode 7, each wiring 8, and each pad 9 in the fifth step, for example, a thin film forming technique such as a sputtering method, a vapor deposition method and a CVD method, and a processing technique using a photolithography technique and an etching technique are used. Can be used. Etching in the fifth step may be wet etching or dry etching.

第5工程の後には、基板2に貫通孔2aを形成することでダイヤフラム部3Dを形成する第6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1を得る。貫通孔2aの形成にあたっては、例えば、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、薄膜部3のシリコン酸化膜31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、薄膜部3のシリコン窒化膜32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。基板2のエッチングは、アルカリ系溶液を用いた異方性エッチングを採用しているが、これに限らず、例えば、誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置を用いたエッチングにより形成することもできる。ここで、本実施形態の赤外線放射素子1の製造方法では、貫通孔2aの形成時に、薄膜部3をエッチングストッパ層として利用することにより、薄膜部3の厚さの精度を高めることが可能となるとともに、薄膜部3における貫通孔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。また、本実施形態の赤外線放射素子1の製造方法では、貫通孔2aの形成時に、薄膜部3をエッチングストッパ層として利用することにより、薄膜部3の厚さの精度を高めることが可能となり、赤外線放射素子1ごとの、薄膜部3の機械的強度のばらつきや、ダイヤフラム部3Dの熱容量のばらつきを抑制することが可能となる。   After the fifth step, the infrared radiation element 1 having the structure shown in FIG. 2E is obtained by performing the sixth step of forming the diaphragm portion 3D by forming the through hole 2a in the substrate 2. In forming the through hole 2a, for example, the substrate 2 is etched from the other surface side using a laminated film (not shown) of the silicon oxide film and the silicon nitride film on the other surface side of the substrate 2 as a mask layer. May be formed. In forming the mask layer, for example, first, a silicon oxide film serving as a base of the mask layer is formed on the other surface side of the substrate 2 simultaneously with the formation of the silicon oxide film 31 of the thin film portion 3, and the silicon of the thin film portion 3 is formed. A silicon nitride film is formed on the other surface side of the substrate 2 simultaneously with the formation of the nitride film 32. The patterning of the laminated film of the silicon oxide film and the silicon nitride film that is the basis of the mask layer may be performed using a photolithography technique and an etching technique. The etching of the substrate 2 employs anisotropic etching using an alkaline solution, but is not limited thereto, and can be formed by etching using, for example, an inductively coupled plasma type dry etching apparatus. Here, in the manufacturing method of the infrared radiation element 1 of the present embodiment, it is possible to increase the accuracy of the thickness of the thin film portion 3 by using the thin film portion 3 as an etching stopper layer when forming the through hole 2a. In addition, it is possible to prevent a part of the substrate 2 or residue from remaining on the through hole 2a side in the thin film portion 3. Moreover, in the manufacturing method of the infrared radiation element 1 of this embodiment, it becomes possible to increase the accuracy of the thickness of the thin film portion 3 by using the thin film portion 3 as an etching stopper layer when forming the through hole 2a. It is possible to suppress variations in mechanical strength of the thin film portion 3 and variations in heat capacity of the diaphragm portion 3D for each infrared radiation element 1.

上述の赤外線放射素子1の製造にあたっては、貫通孔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、貫通孔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。   In the manufacture of the infrared radiation element 1 described above, the process until the formation of the through hole 2a is completed at the wafer level, and after forming the through hole 2a, the individual infrared radiation elements 1 may be separated. That is, in manufacturing the infrared radiation element 1, for example, a silicon wafer as a base of the substrate 2 is prepared, and a plurality of infrared detection elements 1 are formed on the silicon wafer according to the above-described manufacturing method. What is necessary is just to isolate | separate to the detection element 1. FIG.

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。   As can be seen from the method for manufacturing the infrared radiating element 1 described above, the infrared radiating element 1 can be manufactured using MEMS manufacturing technology.

以上説明した本実施形態の赤外線放射素子1は、基板2と、この基板2の一表面側に設けられた薄膜部3と、基板2の厚み方向に貫通した貫通孔2aと、薄膜部3における基板2側とは反対側に設けられた格子状の第1赤外線放射層4aとを備えている。そして、赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4aに電気的に接続された複数のパッド9と、第1赤外線放射層4aの開口部4aaにおいて第1赤外線放射層4aから離れて配置され且つ薄膜部3よりも赤外線放射率の高い第2赤外線放射層4bとを備えている。これにより、赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4aに通電して発熱することで第1赤外線放射層4a及び第2赤外線放射層4bから赤外線が放射される。ここで、赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4aが格子状に形成されているので、第1赤外線放射層4aの熱容量を低減することが可能となり、温度が上昇しやすくなり、しかも、第2赤外線放射層4bが第1赤外線放射層4aの開口部4aaに配置されているので、第2赤外線放射層4bと第1赤外線放射層4bとの温度差を低減することが可能となる。よって、赤外線放射素子1は、より高効率で赤外線を放射させることが可能となる。なお、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熱容量を低減することにより、一対のパッド9,9間へ与える電圧波形に対する第1赤外線放射層4aの温度変化の応答を速くすることが可能となって第1赤外線放射層4aの温度が上昇しやすくなり、高出力化および応答速度の高速化を図ることが可能となる。   The infrared radiation element 1 of the present embodiment described above includes a substrate 2, a thin film portion 3 provided on one surface side of the substrate 2, a through hole 2 a penetrating in the thickness direction of the substrate 2, and the thin film portion 3. A grid-like first infrared radiation layer 4a provided on the side opposite to the substrate 2 side is provided. The infrared radiation element 1 is disposed away from the first infrared radiation layer 4a at the plurality of pads 9 electrically connected to the first infrared radiation layer 4a and the opening 4aa of the first infrared radiation layer 4a. And a second infrared radiation layer 4b having a higher infrared emissivity than the thin film portion 3. Thereby, the infrared radiation element 1 emits infrared rays from the first infrared radiation layer 4a and the second infrared radiation layer 4b by energizing the first infrared radiation layer 4a to generate heat. Here, in the infrared radiation element 1, since the first infrared radiation layer 4a is formed in a lattice shape, it becomes possible to reduce the heat capacity of the first infrared radiation layer 4a, the temperature is likely to rise, Since the second infrared radiation layer 4b is disposed in the opening 4aa of the first infrared radiation layer 4a, the temperature difference between the second infrared radiation layer 4b and the first infrared radiation layer 4b can be reduced. Therefore, the infrared radiation element 1 can emit infrared rays with higher efficiency. The infrared radiation element 1 reduces the heat capacity of the laminated structure on the one surface side of the substrate 2, thereby responding to the temperature change of the first infrared radiation layer 4 a with respect to the voltage waveform applied between the pair of pads 9, 9. It becomes possible to increase the speed, and the temperature of the first infrared radiation layer 4a is likely to rise, and it becomes possible to increase the output and the response speed.

また、赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4aの外側で第1赤外線放射層4aから離れて配置され薄膜部3よりも赤外線放射率の高い第3赤外線放射層4cを備えている。これにより、赤外線放射素子1は、より高効率で赤外線を放射させることが可能となる。   In addition, the infrared radiation element 1 includes a third infrared radiation layer 4 c that is disposed outside the first infrared radiation layer 4 a and is separated from the first infrared radiation layer 4 a and has a higher infrared emissivity than the thin film portion 3. Thereby, the infrared radiation element 1 can emit infrared rays with higher efficiency.

また、赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4a、第2赤外線放射層4b及び第3赤外線放射層4cに関し、保護層5が接する気体とのインピーダンス不整合による赤外線の放射率の低下を抑制するようにシート抵抗を設定してある。しかして、赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4a、第2赤外線放射層4b及び第3赤外線放射層4cの放射率の低下を抑制することが可能となる。よって、本実施形態の赤外線放射素子1では、低消費電力化が可能となる。   In addition, the infrared radiation element 1 suppresses a decrease in infrared emissivity due to impedance mismatch with the gas in contact with the protective layer 5 with respect to the first infrared radiation layer 4a, the second infrared radiation layer 4b, and the third infrared radiation layer 4c. The sheet resistance is set so as to. Therefore, the infrared radiation element 1 can suppress a decrease in the emissivity of the first infrared radiation layer 4a, the second infrared radiation layer 4b, and the third infrared radiation layer 4c. Therefore, the infrared radiation element 1 of the present embodiment can reduce power consumption.

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、薄膜部3をシリコン酸化膜31とシリコン窒化膜32とで構成してある。これにより、赤外線放射素子1は、薄膜部3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。   In the infrared radiation element 1, the substrate 2 is formed from a single crystal silicon substrate, and the thin film portion 3 is composed of a silicon oxide film 31 and a silicon nitride film 32. As a result, the infrared radiation element 1 has a larger heat capacity and thermal conductivity of the substrate 2 than the thin film portion 3, and the substrate 2 has a function as a heat sink. It is possible to improve the stability of infrared radiation characteristics.

赤外線放射素子1は、第1赤外線放射層4a、第2赤外線放射層4b、第3赤外線放射層4c、電極7、配線8及びパッド9が、平面視において一対の電極7,7の並ぶ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、第1赤外線放射層4aの温度の面内ばらつきを抑制することが可能なる。   In the infrared radiation element 1, the first infrared radiation layer 4a, the second infrared radiation layer 4b, the third infrared radiation layer 4c, the electrode 7, the wiring 8 and the pad 9 are arranged in a direction in which the pair of electrodes 7 and 7 are arranged in plan view. It is preferable that the orthogonal infrared radiation elements 1 are arranged in line symmetry with the center line as the axis of symmetry. Thereby, the infrared radiation element 1 can further improve the mechanical strength, and can suppress in-plane variation of the temperature of the first infrared radiation layer 4a.

赤外線放射素子1は、ガスセンサ用の赤外光源(赤外線光源)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することが可能である。   The infrared radiation element 1 is not limited to an infrared light source (infrared light source) for a gas sensor, but is used for an infrared light source for flame detection, an infrared light source for infrared light communication, an infrared light source for spectroscopic analysis, and the like. Is possible.

1 赤外線放射素子
2 基板
2a 貫通孔
3 薄膜部
4a 第1赤外線放射層
4aa 開口部
4b 第2赤外線放射層
4c 第3赤外線放射層
9 パッド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Infrared radiation element 2 Board | substrate 2a Through-hole 3 Thin film part 4a 1st infrared radiation layer 4aa Opening part 4b 2nd infrared radiation layer 4c 3rd infrared radiation layer 9 Pad

Claims (4)

基板と、前記基板の一表面側に設けられた薄膜部と、前記基板の厚み方向に貫通した貫通孔と、前記薄膜部における前記基板側とは反対側に設けられた格子状の第1赤外線放射層と、前記第1赤外線放射層に電気的に接続された複数のパッドと、前記第1赤外線放射層の開口部において前記第1赤外線放射層から離れて配置され且つ前記薄膜部よりも赤外線放射率の高い第2赤外線放射層とを備えることを特徴とする赤外線放射素子。   A substrate, a thin film portion provided on one surface side of the substrate, a through-hole penetrating in the thickness direction of the substrate, and a lattice-shaped first infrared ray provided on the opposite side of the thin film portion from the substrate side A radiation layer; a plurality of pads electrically connected to the first infrared radiation layer; and an opening of the first infrared radiation layer that is spaced apart from the first infrared radiation layer and is more infrared than the thin film portion. An infrared radiation element comprising: a second infrared radiation layer having a high emissivity. 前記第1赤外線放射層と前記第2赤外線放射層とは、同一の材料で形成され且つ同じ厚さであることを特徴とする請求項1記載の赤外線放射素子。   The infrared radiation element according to claim 1, wherein the first infrared radiation layer and the second infrared radiation layer are formed of the same material and have the same thickness. 前記第1赤外線放射層は、周部から中心部に近づくにつれて前記開口部のサイズが小さくなっていることを特徴とする請求項1又は2記載の赤外線放射素子。   3. The infrared radiation element according to claim 1, wherein the first infrared radiation layer has a size of the opening that decreases from the periphery toward the center. 4. 前記第1赤外線放射層の外側で前記第1赤外線放射層から離れて配置され前記薄膜部よりも赤外線放射率の高い第3赤外線放射層を備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の赤外線放射素子。   4. The apparatus according to claim 1, further comprising a third infrared radiation layer that is disposed outside the first infrared radiation layer and spaced apart from the first infrared radiation layer and has a higher infrared emissivity than the thin film portion. The infrared radiation element according to item 1.
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