JP2014053088A

JP2014053088A - 赤外線光源

Info

Publication number: JP2014053088A
Application number: JP2012195075A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Kitagawa; 均北川
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2012-09-05
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2014-03-20

Abstract

【課題】容易に且つ精度良く作製することができ、放射効率が低下しない赤外線光源を提供することを目的とする。
【解決手段】発熱体１５と、最表面が第１金属層Ｌ２１からなるからなる放射体２３とを備えた所定の波長にピークを有する赤外線を輻射する赤外線光源１０１であって、第１金属層Ｌ２１の表面には、直径が波長のオーダーである寸法で円筒形のマイクロキャビティＭＣが複数配列され、マイクロキャビティＭＣの円筒の半径をＲ、深さをＤとした場合に、Ｄ／２Ｒが、０．３から０．７であることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種センサや検出器、特定媒体の加熱等に利用される赤外線光源に関する。

赤外線光源は、医療分野や自動車分野等で検出器やセンサとして広く用いられており、抵抗体に通電することにより発熱して放射される放射光を赤外線光源として用いることが一般的に知られている。

上述した赤外線光源として、特許文献１に、プラズモン共鳴を利用し表面にマイクロキャビティ９０５を有した波長選択性熱放射材料９００が提案されている。図９は、特許文献１の従来例における波長選択性熱放射材料９００を説明する図であって、図９（ａ）は、波長選択性熱放射材料９００のコンピュータシミュレーション数値解析法（ＲＣＷＡ法）に用いた解析モデル図であって、図９（ｂ）は、波長選択性熱放射材料９００の表面を拡大して示す走査型電子顕微鏡写真である。

従来例の波長選択性熱放射材料９００は、図９（ａ）に示すように、シリコン基板９０２の平面上に周期的に繰り返される多数のマイクロキャビティ９０５と、マイクロキャビティ９０５を覆う被覆層９０７を有して構成されている。そして、多数のマイクロキャビティ９０５は、「ふく射性ガス」の光吸収帯波長と実質的に同じ周期か又は１μｍ短い周期で格子状に配列して形成されている。なお、ここで言う「ふく射性ガス」とは、赤外領域（波長１〜１０μｍ）に強い吸収をもつ気体または気液混合体のことを言う。

また、マイクロキャビティ９０５は、図９（ａ）に示す矩形状または図９（ｂ）に示す矩形のコーナーが丸くなった形状（円形状）に開口し、所定の開口比（図９（ａ）では、幅Ｗ／周期Ｐ）及び所定のアスペクト比（図９（ａ）では、深さＤ／幅Ｗ）を有している。そして、このマイクロキャビティ９０５の開口比は、０．５〜０．９の範囲であり、このマイクロキャビティ９０５のアスペクト比は、０．８〜３．０の範囲であることを特徴としている。このように構成された従来例の波長選択性熱放射材料９００は、赤外領域（波長１〜１０μｍ）の熱ふく射電磁波を選択的に放射し、「ふく射性ガス」を効率良く加熱することができるとしている。

特開２００４−２３８２３０号公報

この従来例のような波長選択性熱放射材料９００を実用的に用いる場合、アスペクト比を小さくすると、放射効率が極端に低下するため、深い穴の加工が必要であった。しかしながら、金属材料への小さく深い穴の加工は制御が難しく、しかも設計された通りの深さＤ、幅Ｗからずれるようになる。このため、波長選択性熱放射材料９００から発せられる赤外線強度のピーク波長と所望の波長とがずれてしまうと言う課題があった。

本発明は、上述した課題を解決するもので、容易に且つ精度良く作製することができ、放射効率が低下しない赤外線光源を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の請求項１による赤外線光源は、発熱体と、最表面が第１金属層からなるからなる放射体とを備えた所定の波長にピークを有する赤外線を輻射する赤外線光源であって、前記第１金属層の表面には、直径が前記波長のオーダーである寸法で円筒形のマイクロキャビティが複数配列され、前記マイクロキャビティの円筒の半径をＲ、深さをＤとした場合に、Ｄ／２Ｒが、０．３から０．７であることを特徴としている。

また、本発明の請求項２による赤外線光源は、前記第１金属層が、主たる成分が金であることを特徴としている。

また、本発明の請求項３による赤外線光源は、前記第１金属層の下には、チタンまたはチタンを含有する合金からなる第２金属層が設けられたことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、本発明の赤外線光源は、マイクロキャビティの円筒の半径をＲ、深さをＤとした場合に、Ｄ／２Ｒが、０．３から０．７であるので、従来例の波長選択性熱放射材料と比較して、マイクロキャビティを加工する際のアスペクト比（本発明では、Ｄ／２Ｒ）が小さく、最表面が金属からなる放射体の表面に形成するマイクロキャビティを容易に且つ精度良く作製することができる。更にマイクロキャビティが円筒形であるので、従来例の波長選択性熱放射材料の角柱形と比較して、角柱形のコーナー部分の寸法違い（所望の寸法と実際に得られる寸法との違い）が無く、より精度良く加工することができる。しかも従来例の波長選択性熱放射材料と比較して、アスペクト比が小さいのにも関わらず、放射効率が低下しない。したがって、容易に且つ精度良く作製することができ、放射効率が低下しない赤外線光源を提供することができる。

請求項２の発明によれば、本発明の赤外線光源は、第１金属層が主たる成分が金であるので、従来例の波長選択性熱放射材料に用いられるタングステンと比較して、より半値幅の小さい波形を得ることができる。このことにより、波長領域の狭い赤外線光源を使用する製品、例えばガスセンサ等に好適に用いることができる。

請求項３の発明によれば、本発明の赤外線光源は、最表面の第１金属層の下には、チタンまたはチタンを含有する合金からなる第２金属層が設けられているので、第１金属層の微細構造の穴加工を行う際に、第２金属層の表面に形成された不動態膜により、第１金属層の深さ方向の穴加工が確実に止まるようになる。このため、第２金属層を第１金属層の深さ方向の穴加工用ストッパーとしてより良く利用することができ、穴の深さを精度良く加工することができる。このことにより、最表面の微細構造を設計寸法通りに精度良く作製することができ、赤外線の強度のピーク波長を所望の波長と精度良く一致させることができる。

したがって、本発明の赤外線光源は、容易に且つ精度良く作製することができ、放射効率が低下しない赤外線光源を提供できる。

本発明の第１実施形態の赤外線光源を説明する斜視図である。本発明の第１実施形態の赤外線光源を説明する図であって、図１に示すＺ１側から見た平面図である。本発明の第１実施形態の赤外線光源を説明する図であって、図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。本発明の第１実施形態の赤外線光源についてのシミュレーションに用いたモデル図である。本発明の第１実施形態の赤外線光源のシミュレーション結果を示したグラフである。本発明の第１実施形態の赤外線光源のシミュレーション結果と従来例とを比較してまとめたグラフである本発明の第１実施形態の赤外線光源の作製方法を説明する工程図であって、図７（ａ）は、第２金属層が形成された状態を示し、図７（ｂ）は、図７（ａ）の上層に第１金属層が形成された状態を示し、図７（ｃ）は、レジスト膜がパターニングされた状態を示し、図７（ｄ）は、第１金属層がエッチングされた状態を示し、図７（ｅ）は、レジスト膜が剥離された状態を示している。従来例の波長選択性熱放射材料９００シミュレーション結果を示したグラフである。従来例における波長選択性熱放射材料を説明する図であって、図９（ａ）は、波長選択性熱放射材料のコンピュータシミュレーション数値解析法（ＲＣＷＡ法）に用いた解析モデル図であって、図９（ｂ）は、波長選択性熱放射材料の表面を拡大して示す走査型電子顕微鏡写真である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１を説明する斜視図である。図２は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１を説明する図であって、図１に示すＺ１側から見た平面図である。図３は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１を説明する図であって、図２に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。なお、図１ないし図３は、模式的に構成を示すもので、実際のサイズを正確に示していない。

本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１は、図１ないし図３に示すように、発熱体１５と、最表面が第１金属層Ｌ２１からなる放射体２３とを備えて構成され、第１金属層Ｌ２１の下には、第１金属層Ｌ２１とは異なる材質からなる第２金属層Ｌ２２が設けられている。また、図３に示すように、第１金属層Ｌ２１の表面には、直径が２Ｒ（Ｒは半径）、深さがＤの円筒形のマイクロキャビティＭＣが一定の周期Ｐで複数配列されている。

発熱体１５は、板状の形状をしており、アルミナ等のセラミックヒータを用いている。発熱体１５は、放射体２３の裏面側に密着させて配置し、放射体２３を加熱するためのヒータである。なお、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１の発熱体１５に、セラミックヒータを用いたが、放射体２３を加熱できれば良く、電熱線ヒータやハロゲンヒータ等でも良い。

放射体２３の第１金属層Ｌ２１は、金または金を主たる成分とする合金で作製されている。また、第１金属層Ｌ２１の表面には、図１ないし図３に示すように、波長のオーダーである寸法で微細な加工が施されており、前述したマイクロキャビティＭＣが形成された微細構造を有している。このため、発熱体１５による放射体２３の加熱により、マイクロキャビティＭＣの内部で表面プラズモン共鳴が発現し、特定の波長の赤外線だけが放射するようになる。この放射される赤外線の強度のピーク波長は、マイクロキャビティＭＣの一定の周期Ｐ、マイクロキャビティＭＣの半径Ｒ（直径は２Ｒ）及びマイクロキャビティＭＣの深さＤを適切に選ぶことで任意に設定できる。これにより、所定の波長にピークを有する赤外線を輻射する赤外線光源１０１を得ることができる。その際には、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１は、Ｄ／２Ｒが、０．３から０．７の条件を満たしている。

放射体２３の第２金属層Ｌ２２は、図１及び図３に示すように、第１金属層Ｌ２１とは異なる材質で、チタンまたはチタンを含有する合金で作製されており、マイクロキャビティＭＣの底面２４ｐを形成している。第２金属層Ｌ２２は、チタンまたはチタンを含有する合金からなる金属なので、表面に露出している底面２４ｐの部分が不動態膜を形成している。

このように構成された本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１について、モデルを作成して、赤外線光源１０１から放射される赤外線のシミュレーションを行った。このシミュレーションは、解析手法にＲＣＷＡ法（Rigorous Coupled Wave Analysis）を用い、解析計算モデルとして、放射体の外部から、ある波長の光を放射体に入射した際の放射体の吸収効率を求め、その結果（吸収効率）が放射効率と等価であるとし、放射体から放射される、ある波長に対する強度とした。

図４は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１についてのシミュレーションに用いたモデル図である。このモデルに用いた赤外線光源１０１は、第１金属層Ｌ２１を金として、マイクロキャビティＭＣの形状が、一定の周期Ｐ＝４．６μｍ、直径２Ｒ＝２．３μｍとし、深さＤを１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍと変化させてシミュレーションを行った。なお、図４は、模式的に構成を示すもので、実際のサイズを正確に示していない。図５は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１のシミュレーション結果を示したグラフである。図５のグラフは、横軸が波長、縦軸が赤外線の強度を示している。なお、赤外線の強度は、黒体の完全輻射を１として規格化したものである。また、図中のＡ１は深さＤを１μｍ、Ａ２は深さＤを２μｍ、Ａ３は深さＤを３μｍ、Ａ４は深さＤを４μｍとしたデータである。

その結果、放射体２３の第１金属層Ｌ２１の表面に形成された円筒形のマイクロキャビティＭＣにより、表面プラズモン共鳴が発現し、図５に示すように、波長が４．８μｍ付近にピーク強度を有する赤外線が得られた。一定の周期Ｐが４．６μｍ、直径２Ｒが２．３μｍであるため、一定の周期Ｐ及び直径２Ｒはピーク波長のオーダーの寸法である。そして、図示はしていないが、従来例の波長選択性熱放射材料９００に用いられるタングステンと比較して、より半値幅の小さい波形となっている。これは、第１金属層Ｌ２１に金を用いたことに起因する。また、第１金属層Ｌ２１に、金または主たる成分が金である合金を用いたので、レアアースのような稀少金属を用いることが無く、容易に放射体２３を形成することができる。

また、図５に示すように、深さＤが深くなるにつれてピーク強度が徐々にではあるが下がっていく傾向が見られる。つまり、円筒形のマイクロキャビティＭＣのアスペクト比（本発明では、深さＤ／直径２Ｒとしている）が小さくなるにつれてピーク強度が徐々に下がっていく傾向である。なお、得られるピーク波長（図５に示すピーク波長は４．８μｍ）は、一定の周期Ｐ、半径Ｒ（直径は２Ｒ）、深さＤを適切に選定することにより、容易に変えることができる。例えば、二酸化炭素ガス（ＣＯ_２ガス）センサに要求される４．２６μｍ付近にピーク強度を有する赤外線や、一酸化炭素ガス（ＣＯガス）センサに要求される４．６６μｍ付近にピーク強度を有する赤外線等の波長にすることができる。ピーク波長は、一定の周期Ｐと近い値となり、直径２Ｒと比較しても同じオーダー（数分の１から数倍）の寸法になる。

次に、比較のため、図９（ａ）に示す従来例についても、同様な解析手法でシミュレーションを行った。この比較例（従来例）のモデルに用いた波長選択性熱放射材料９００は、被覆層９０７を金として、マイクロキャビティ９０５の形状が、周期Ｐ＝４．６μｍ、幅Ｗ＝２．３μｍと同じにし、深さＤも１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍと変化させて行った。図８は、従来例（比較例）の波長選択性熱放射材料９００シミュレーション結果を示したグラフであり、図５と比較している。図８のグラフも、横軸が波長、縦軸が赤外線の強度を示している。図中のＣ１は深さＤを１μｍ、Ｃ２は深さＤを２μｍ、Ｃ３は深さＤを３μｍ、Ｃ４は深さＤを４μｍとしたデータである。

その結果、図８に示すように、深さＤが深くなるにつれてピーク強度が大きく下がっていく傾向が見られる。つまり、角柱形のマイクロキャビティ９０５のアスペクト比が小さくなるにつれてピーク強度が大きく下がっていく傾向である。

そこで、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１と従来例の波長選択性熱放射材料９００とを分かり易く比較した。図６は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１のシミュレーション結果と従来例とを比較してまとめたグラフである。図６のグラフは、横軸がアスペクト比、縦軸が赤外線のピーク強度を示している。図中のＡＡは本発明の結果であり、図中のＣＣは従来例（比較例）の結果である。なお、本発明の第１実施形態のアスペクト比は、Ｄ／２Ｒとし、従来例のアスペクト比は、Ｄ／Ｗとしている。

図６に示すように、アスペクト比が１．２以上であれば、本発明の結果ＡＡと従来例の結果ＣＣは、ほぼ同等の赤外線の強度であるが、アスペクト比が１．２以下になると、従来例ＣＣは、大きく赤外線の強度が低下している。一方、本発明ＡＡは、０．７以下で少し赤外線の強度の低下が見られるが、０．３まで外挿しても大幅に低下していない。これにより、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１は、従来例の波長選択性熱放射材料９００と比較して、アスペクト比が小さいのにも関わらず、放射効率が低下していないといえる。

次に、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１の作製方法について説明する。図７は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１の作製方法を説明する工程図であって、図７（ａ）は、第２金属層Ｌ２２が形成された状態を示し、図７（ｂ）は、図７（ａ）の上層に第１金属層Ｌ２１が形成された状態を示し、図７（ｃ）は、レジスト膜Ｒ１がパターニングされた状態を示し、図７（ｄ）は、第１金属層Ｌ２１がエッチングされた状態を示し、図７（ｅ）は、レジスト膜Ｒ１が剥離された状態を示している。

先ず、真空蒸着やスパッタリング法により、図７（ａ）に示すように、発熱体１５上にチタンまたはチタンを含有する合金を成膜して第２金属層Ｌ２２を形成する。更に、同様な成膜方法で、図７（ｂ）に示すように、第２金属層Ｌ２２上に金または主たる成分が金である合金を成膜して第１金属層Ｌ２１を形成する。

次に、フォトリソグラフィー法によって、図７（ｃ）に示すように、第１金属層Ｌ２１上にレジスト膜Ｒ１をパターニングする。そして、例えばヨウ素が含まれたエッチング液のように、金とチタンとで十分に選択比がとれるエッチング液を用いて、第１金属層Ｌ２１にエッチング加工を行う。エッチング加工は、図７（ｄ）に示すように、第１金属層Ｌ２１のエッチングが第２金属層Ｌ２２に達するまで行われ、エッチングは、第２金属層Ｌ２２によって、深さ方向にはそれ以上ほとんど進行しないようになる。つまり、ウェット加工による加工レートが、第１金属層Ｌ２１が大きく第２金属層Ｌ２２が小さくなっているので、第１金属層Ｌ２１の穴の径方向の更なる加工が進む前、及び第２金属層Ｌ２２の穴の深さ方向の加工が進む前に、エッチング加工を終了することができる。

特に、本発明の第１実施形態では、第２金属層Ｌ２２が不動態膜を形成するチタンまたはチタンを含有する合金からなるので、この第２金属層Ｌ２２の表面に形成された不動態膜により、第１金属層Ｌ２１の深さ方向の穴加工が確実に止まるようになる。このようにして、第１金属層Ｌ２１の微細構造の穴加工を行う際に、第２金属層Ｌ２２を第１金属層Ｌ２１の深さ方向の穴加工用ストッパーとしてより良く利用することができる。このことにより、穴の深さを精度良く加工することができ、最表面の微細構造を設計寸法通りに精度良く作製することができる。

また、エッチングストッパーとなる第２金属層Ｌ２２を設けない場合であっても、マイクロキャビティＭＣの円筒の半径をＲ、深さをＤとした場合に、Ｄ／２Ｒが、０．３から０．７であるので、従来例の波長選択性熱放射材料９００と比較して、マイクロキャビティＭＣを加工する際のアスペクト比が小さいので、最表面が金属からなる放射体２３の表面に形成するマイクロキャビティＭＣを容易に且つ精度良く作製することができる。さらに、第１金属層Ｌ２１の微細構造の穴加工を行う際に、開口が広くて浅い穴を加工することになるので、穴加工が容易になるばかりでなく、マイクロキャビティＭＣの直径２Ｒ（Ｒは半径）の寸法精度が良い加工を行うことができる。

また、エッチングストッパーとなる第２金属層Ｌ２２を設けない場合であっても、マイクロキャビティＭＣが円筒形であるので、従来例の波長選択性熱放射材料９００の角柱形と比較して、より精度良く加工することができる。なぜなら、従来例の波長選択性熱放射材料９００は、エッチング加工時に、レジストパターンや面方向への等方エッチングのため、図９（ｂ）に示すように、角柱形のコーナー部分にＲ形状を有してしまう。このため、所望の設計寸法と実際に得られる寸法との違いが大きくなる。一方、本発明の第１実施形態では、マイクロキャビティＭＣが円円筒形であるので、レジストパターにコーナー部分は存在せず、しかも面方向に等方エッチングされても円周方向に均等にエッチングされる。このため、所望の設計寸法と実際に得られる寸法との違いが小さくなる。

なお、ドライ加工においても、例えば、反応性イオンエッチング法を用い、酸化窒素を含むエッチングガスのプラズマ中でドライ加工することにより、加工レートが、第１金属層Ｌ２１を大きく第２金属層Ｌ２２を小さくすることができる。このため、第２金属層Ｌ２２を第１金属層Ｌ２１の深さ方向の穴加工用ストッパーとして良く利用することができ、穴の深さを精度良く加工することができる。

最後に、図７（ｅ）に示すように、レジスト膜Ｒ１を剥離すると、マイクロキャビティＭＣが形成された放射体２３を有した赤外線光源１０１が得られる。

以上により、本発明の赤外線光源１０１は、マイクロキャビティＭＣの円筒の半径をＲ、深さをＤとした場合に、Ｄ／２Ｒが、０．３から０．７であるので、従来例の波長選択性熱放射材料９００と比較して、マイクロキャビティＭＣを加工する際のアスペクト比（本発明では、深さＤ／直径２Ｒ）が小さく、最表面が金属からなる放射体２３の表面に形成するマイクロキャビティＭＣを容易に且つ精度良く作製することができる。更にマイクロキャビティＭＣが円筒形であるので、従来例の波長選択性熱放射材料９００の角柱形と比較して、角柱形のコーナー部分の寸法違い（所望の寸法と実際に得られる寸法との違い）が無く、より精度良く加工することができる。しかも従来例の波長選択性熱放射材料９００と比較して、アスペクト比が小さいのにも関わらず、放射効率が低下しない。したがって、容易に且つ精度良く作製することができ、放射効率が低下しない赤外線光源１０１を提供することができる。

また、第１金属層Ｌ２１が主たる成分が金であるので、従来例の波長選択性熱放射材料９００に用いられるタングステンと比較して、より半値幅の小さい波形を得ることができる。このことにより、波長領域の狭い赤外線光源を使用する製品、例えばガスセンサ等に好適に用いることができる。

また、最表面の第１金属層Ｌ２１の下には、チタンまたはチタンを含有する合金からなる第２金属層Ｌ２２が設けられているので、第１金属層Ｌ２１の微細構造の穴加工を行う際に、第２金属層Ｌ２２の表面に形成された不動態膜により、第１金属層Ｌ２１の深さ方向の穴加工が確実に止まるようになる。このため、第２金属層Ｌ２２を第１金属層Ｌ２１の深さ方向の穴加工用ストッパーとしてより良く利用することができ、穴の深さを精度良く加工することができる。このことにより、最表面の微細構造を設計寸法通りに精度良く作製することができ、赤外線の強度のピーク波長を所望の波長と精度良く一致させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば次のように変形して実施することができ、これらの実施形態も本発明の技術的範囲に属する。

＜変形例１＞
上記第１実施形態では、第１金属層Ｌ２１の下に第２金属層Ｌ２２を設けて放射体２３と構成したが、第２金属層Ｌ２２がなく、第１金属層Ｌ２１のみで放射体を構成しても良い。

本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

Ｌ２１第１金属層
Ｌ２２第２金属層
２３放射体
１５発熱体
ＭＣマイクロキャビティ
１０１赤外線光源

Claims

発熱体と、最表面が第１金属層からなるからなる放射体とを備えた所定の波長にピークを有する赤外線を輻射する赤外線光源であって、
前記第１金属層の表面には、直径が前記波長のオーダーである寸法で円筒形のマイクロキャビティが複数配列され、
前記マイクロキャビティの円筒の半径をＲ、深さをＤとした場合に、
Ｄ／２Ｒが、０．３から０．７であることを特徴とする赤外線光源。
前記第１金属層は、主たる成分が金であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線光源。
前記第１金属層の下には、チタンまたはチタンを含有する合金からなる第２金属層が設けられたことを特徴とする請求項２に記載の赤外線光源。