JP3636213B2 - 電気的に変調可能な熱放射源およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は電気的に変調可能な熱放射源に関する。
【０００２】
本発明は、また、その製造方法に関する。
【０００３】
【従来の技術および発明が解決しようとする問題点】
赤外線放射源は、光学的分析法でＩＲ放射源として、また、その他種々の利用分野で熱源として使用される。光学的分析法の分野では、“グローバー”放射源や、白熱電球および厚膜放射体のような種々のタイプのＩＲ放射源が使用されている。放射源によって発せられる放射ビームの強度は、放射源への入力電力を変化させて放射源の温度を変えることによって変調され得、あるいは、放射源の温度を可能な限り一定に保つと同時に“チョッパー”と呼ばれる機械的なビーム遮断装置を使用することによって変調され得る。
【０００４】
機械的に可動なチョッパーをビームの変調用に使用すると、放射源が故障するまでの平均時間は、通常はチョッパーの寿命によって決まり、一般的に１〜２年である。電気的に変調される放射源は、より長い耐用期間をもたらす。
【０００５】
その名の示すとおり、“グローバー”は発光する棒である。棒は、通常、電流で加熱されるセラミック材料から作られる。“グローバー”装置は、その標準的なものは数ミリメートルの厚さおよび数センチメートルの長さを有しており、その熱時定数は数秒である。通常、“グローバー”は、装置に加えられる入力電力を変化させることによっては変調されない。一般的に入力電力は数ワットから百ワットの範囲にある。“グローバー”の変形は、その周りに巻回される抵抗線を有するセラミック棒である。この変形の特性は単純な“グローバー”の特性と同等である。
【０００６】
白熱電球は数十ヘルツ、更には数百ヘルツまでの周波数で電気的に変調され得るが、電球のガラス球部は赤外線領域の放射線を吸収して長期間経つと黒くなり、これにより、電球から出る放射線強度は時間と共に減少する。必要な入力電力は一般的に数ワットないし数十ワットである。
【０００７】
厚膜放射体は、通常、アルミナ基材の上に形成され且つ電流によって加熱される厚膜抵抗体を備えている。通常、抵抗体の寸法は０．５ミリメートルの厚さで数平方ミリメートルのオーダーである。抵抗体の熱時定数は、通常、秒のオーダーであり、所要の入力電力は数ワットである。
【０００８】
後述する引用文献１，２，３に記載されているような、マイクロエレクトロニクスおよびマイクロメカニクスで使用されている在来の製造技術は、シリコンからミニアチュアサイズの電気的に変調可能な放射源を製造することを可能にする。そのような装置は、通常、約１ミクロメータの厚さおよび数百ミクロメータの長さを備えたポリシリコンの薄膜構造を有している。薄膜抵抗素子の幅は数ミクロメータから数十ミクロメータの間である。このようなシリコン白熱フィラメントの熱容量は低く、数百ヘルツまでの周波数でその変調が可能である。純粋なシリコンは、電流の導体としては劣っている。しかしながら、硼素または燐のような適当なドーパントでそれをドーピングすることにより、良好な導電性を得ることができる。ドーパントとしての硼素は、その活性化レベルが、安定せず、シリコン白熱フィラメントの初期の動作温度に影響されるということにより、ハンディキャップを背負わされている。これは、活性化レベルが更に新たな平衡状態を連続的に探し求めるということを引き起こし、そして、このことは、フィラメントの抵抗が時間の経過と共にドリフトし、入力電力が外部的に安定化されない限り、入力電力もドリフトするということを意味する。ドーパントとしての硼素を使用したシリコンにおける最高の可能な不純物濃度は約５×１０¹⁹原子／ｃｍ³ である。他の一般的に使用されるドーパントは砒素とアンチモンである。ドーパントとしてのこれらの元素に遭遇する問題点は、低電圧で使用する場合でも十分に高い導電性を達成するための、適切な高い不純物濃度を得ることが困難であるということである。
【０００９】
引用文献１（H. Guckel および D. W. Burns,“Integrated transducers based on black-body radiation from heated polysilicon films（加熱ポリシリコン膜からの黒体放射による集積変換器）” Transducers '85, 364-366 (1985年6月11〜14日)）に記載されている白熱フィラメントは、燐でドーピングすることによって作られ、５０Ω/平方超の面積抵抗率を得ることができる。白熱フィラメントは１００μｍの長さ、２０μｍの幅であり、基材から１．２μｍ上にある。そのような構造では基材との空隙による放射強度損失が非常に大きく、また、フィラメントは加熱中にたわむので、フィラメントが基材に付着するという大きな危険性がある。
【００１０】
引用文献２（Carlos H. Mastrangelo, James Hsi-Jen Yeh および Richard S.Muller:“Electrical and optical characteristics of vacuum sealed polysilicon microlamps（真空密封されたポリシリコンマイクロランプの電気的および光学的特性）” IEEE Transactions on Electron Device, 39, 6, 1363-1375 (1992年6月)）に記載されている白熱フィラメントは、薄膜の窓を備えたカプセルであって、断線を防ぐために白熱フィラメントを真空下に置くものの中に収容されている。そのような窓は数十ミクロンメートルよりも幅広くはなり得ず、このため、フィラメントの全表面積、従って、その放射出力は小さいままである。フィラメントの付着を避けるために、基材にはＶ字形の溝がエッチングされている。
【００１１】
引用文献３（M. Parameswaran, A. M. Robinson, D. L. Blackburn, M. Gaitan および J. Geist, “Micromachined thermal radiation emitter from a commercial CMOS process（市販のＣＭＯＳプロセスから微小加工された熱放射エミッター）”, IEEE Electron Device Lett., 12, 2, 57-59 (1991年)）に記載されているＩＲエミッターは１００μｍ×１００μｍの寸法を持ち、加熱素子として、２つの“蛇行状”のポリシリコン抵抗体を用いている。そのような構造は加熱中に歪む傾向があり、この設計では大面積の放射素子を製造することはできない。加熱素子は連続しているが、加熱素子の寸法がその周りの開口部に比べて小さいので、基材のエッチング工程の間に発生する気泡は、問題を引き起こさない。しかしながら、この構造の温度分布パターンは、引用文献３の図２から明らかなように、特には優れていない。
【００１２】
ドーピングされたポリシリコンから作られる白熱フィラメントは、特性温度を有しており、この特性温度を超えるとフィラメント抵抗の温度係数が負になる、即ち、温度上昇と共にフィラメントに更に多くの電流が流れるようになる。従って、そのような素子は、電圧によってではなく、電流によって制御され得る。電流は最低の抵抗値即ち最高温度を有するフィラメントに集中する傾向があるので、そのようなフィラメントを、放射源の表面を増加させるべく、並列に直接接続することはできない。他方、直列接続では単一のフィラメント電圧の何倍もの電圧に入力電圧を高める必要がある。硼素ドーピングでは満足できる高い特性温度が得られない。何故ならば、硼素の高い不純物濃度では特性温度が約６００℃にしか到達しないからである。もし、フィラメントの動作温度がこれよりも高ければ、フィラメントの抵抗値は時間と共に変動する傾向を示す。
【００１３】
本発明の目的は上述した従来技術の欠点を克服して、全く新規な電気的に変調可能な熱放射源およびその製造方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多結晶シリコンから作られる放射源の白熱フィラメントを燐で多量にドーピングして、白熱フィラメントの特性温度をフィラメントの動作温度よりも実質的に高くすることを基本としている。
【００１５】
特に、本発明による電気的に変調可能な熱放射源は、白熱フィラメントが少なくとも５×１０¹⁹原子／ｃｍ³ の不純物濃度まで燐でドーピングされていることを特徴としている。
【００１６】
更に、本発明による製造方法は、少なくとも１つの白熱フィラメントへと造形されたポリシリコン層が少なくとも５×１０¹⁹原子／ｃｍ³ の不純物濃度まで燐でドーピングされることを特徴としている。
【００１７】
本発明は多くの利点を提供する。
【００１８】
本発明は、硼素でドーピングされた白熱フィラメントよりも極めて優れた安定特性をもたらす。燐の活性化レベルは温度では変化せず、面積抵抗率は与えられた温度で一定である。従って、フィラメントの抵抗は設計温度では一定であるので、そのような白熱フィラメントは動作中は極めて安定である。燐で多量にドーピングすることの別の利点は、特性温度が動作温度（最高８００℃）よりも実質的に高くなることである。そこから引き出せる結論は、フィラメントの温度係数は全動作温度範囲にわたって正のままであり、従って、フィラメントの並列接続およびそれらの電圧制御操作が可能となるということである。燐でドーピングされたフィラメントの特性温度は約９００℃のオーダーになることもある。燐で多量にドーピングすることの更に別の利点は、そのフィラメントの動作電圧が、対応する面積を有する硼素でドーピングされたフィラメントの動作電圧よりも低いことである。加えて、硼素でのドーピングによって得られる自由電荷キャリヤよりも、燐での多量のドーピングで得られる高濃度自由電荷キャリヤの方が、白熱フィラメントを光学的により不透明にし、この事が本発明に関する最大の利点である。
【００１９】
本発明の製造方法で使用される窒化物でのカプセル化により、放射源の耐用年数が長くなる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を、添付図面に示されている実施例を参照して更に詳しく説明する。
【００２１】
本発明は高速で電気的に変調可能な熱放射源として光学分析に使用されることを意図している。
【００２２】
本発明による実施例は、白熱フィラメントの面積抵抗率が１０Ω／平方以下、通常は５Ω/平方であり、これにより、１μｍの厚さの膜の抵抗率が０．００１Ωｃｍとなるような、燐の高い不純物濃度を使用する。燐の不純物濃度は硼素ドーピングで得られるものよりも１０倍も高くなり得る。本発明による面積抵抗率は、５×１０¹⁹原子／ｃｍ³ を超える燐ドーピング濃度によって得られる。
【００２３】
燐ドーピングおよび必要とされる異なる膜層の付着は、マイクロエレクトロニクスの在来の標準的な方法を使用して行うことができる（例えば、S. M. Sze,“VLSI technology（ＶＬＳＩ技術）”, McGraw-Hill Book Company, 第３刷, １９８５年，第５章および第６章参照）。
【００２４】
図１〜図４を参照するに、そのような放射源の構造は、複数の白熱フィラメントが電気的に並列に接続されているものとして示されている。
【００２５】
図１に関し、単結晶シリコンチップ１が大きな四角形で示されている一方、白熱フィラメント３の下に形成された凹部は面取りされた四角形で示されている。図３および図４の斜めにハッチングされた箇所は後述する窒化物である。白熱フィラメント３およびその両端にある金属化パッド５は黒線で描かれている。フィラメント３は並列に接続されており、そして、入力電圧は金属化パッド５に印加される。図１および図２はフィラメント３がその全長に沿って互いに離れ離れである構造を示している。図３および図４に示されている改良された構造は、フィラメント３を機械的に相互接続する窒化珪素ブリッジ６を有している。そのブリッジの開口部は、エッチング中にフィラメントの下から発生するガスを逃がし易くするために必要である。エッチング工程が、これにより改良される。遅いエッチング速度が使用されるならば、開口部は不要である。
【００２６】
放射領域は、例えば１ｍｍ² であってよい。白熱フィラメント３はその端だけが支持されていて全長は空気中に浮いている。フィラメント３の下のシリコンチップ１は少なくとも１０μｍ、通常１００μｍの深さにエッチングされる。フィラメント３の端は各々の両端に置かれた金属化パッド５によって並列に接続されている。フィラメント３の寸法は、例えば１μｍの厚さ×２０μｍの幅×１ｍｍの長さで、しかもフィラメント間の隙間は５μｍであってよい。フィラメント３はそれらを流れる電流によって加熱される。所要の入力電圧は数ボルトである。
【００２７】
本発明により、燐で多量にドーピングされたポリシリコン白熱フィラメント３は窒化珪素で完全にカプセル化されており、これにより、窒化物の酸化速度がフィラメント３の耐用年数を決定する。放射源が通常の室内大気中で８００℃より低い温度で使用されると、耐用年数は１０年を超える。必要な出力窓を備えた特別の真空状態は、不要である。
【００２８】
本技術による、硼素での多量のドーピングが用いられるならば、白熱フィラメントのアンダーエッチングはフィラメントを窒化することなく行うことができる。何故ならば、硼素で多量にドーピングされたシリコンはＫＯＨ水溶液でのエッチングに耐えるからである。しかしながら、燐でのドーピングが用いられるときは、フィラメント３は、フィラメントの周りに形成される、例えば窒化物の助けを借りてエッチング液から保護されなければならない。使用されるエッチング液は、水酸化テトラメチルアンモニウムであってもよく、あるいは、少量のピロカテコールが添加されたエチレンジアミン水溶液であってもよい。
【００２９】
白熱フィラメント３は、その上に設けられる窓を使用することなく動作するので、フィラメント３の上に落ちる有機汚染物は、すべて焼き尽くされる。もし放射源がパルスモードで動作させられるならば、白熱フィラメントの下の空気は、急速に昇温し、溜まっている塵をすべて吹き飛ばす。従って、本発明による実施例は固有の自浄機構を備えている。
【００３０】
白熱フィラメント３の横方向の温度分布は、フィラメントの配列を変えることによって調整され得る。均等な温度分布は、フィラメント幅を２０μｍ以下にすることによってもたらされ得る。例えば窒化珪素ブリッジ６によってフィラメント３を互いに熱的に相互接続することにより、横方向の温度分布が更に改良され得る。
【００３１】
放射源の使用可能な最大変調速度は、熱損失の割合に依存する。そのような損失の大部分はフィラメント３の下の空気層およびシリコン基材と接合しているフィラメント端によって生じる。全損失中の放射損失の割合は数パーセントであるから、白熱フィラメント３の温度は入力電力のほぼ１次関数である。最大変調速度はフィラメント３の下の凹部２の深さを変えることによって容易に調整され得る。凹部の適切な深さは、５０〜３００μｍである。本明細書に記載されている構造では、約１ｍｓの熱時定数が、約１ｋＨｚまでの電気的変調を可能にしつつ、達成され得る。
【００３２】
図５には、放射源の積層構造が詳細に示されている。基材３１は、（１００）配向の単結晶シリコンチップで形成されており、その上には通常２００ｎｍの厚さの窒化珪素層３６が付着させられている。窒化珪素層３６は、白熱フィラメントを導電性の基材３１から隔離するために必要である。誘電性基材が使用されるときは、隔離層３６は凹部領域以外では明らかに不要である。隔離層３６の表面上に、燐でドーピングされた通常１μｍの厚さのポリシリコン層３３が付着させられている。続いて、ポリシリコン層３３は、マイクロエレクトロニクス製造業で使用される写真平版およびプラズマエッチング技術によって白熱フィラメントへと造形される。次に、上部窒化珪素層３２が付着させられ、これにより、ポリシリコン層３３に形成された白熱フィラメントは、窒化物層内に完全にカプセル化される。入力電圧を供給する手段は金属化パッド３４からなっており、この金属化パッドは例えばアルミニウムから作られる。これらのパッドは、例えばプラズマエッチングによって上部窒化珪素層３２に作られた開口部を介してポリシリコン層３３とオーム接触を形成する。基材３１を形成している単結晶シリコンは最後にフィラメントの下からエッチングでくり抜かれ、もって、凹部３５が形成される。このエッチング工程はフィラメント間に作られた開口部と最外部フィラメントの側部とで行われる。
【００３３】
放射源の放射率は、白熱フィラメントを、例えばタングステンであって、凹部３５のエッチングに先立って上部窒化物層３２上にスパッタリングされ得るもので被覆することによって改良され得る。フィラメントは最初に空気中で加熱されるので、金属被覆物は酸化される。知られているように、酸化物は窒化されたポリシリコン膜単体よりも高いＩＲ放射率を有する。
【００３４】
図６を参照するに、燐不純物濃度に対するポリシリコンの抵抗率依存性は、単調関数である。本発明の利点は、５×１０¹⁹原子／ｃｍ³ 以上の不純物濃度を使用することによって達成される。有利な結果が、８×１０¹⁹原子／ｃｍ³ の不純物濃度で得られる。図（細いハッチング部）によると、そのようなドーパント濃度は０．００１Ωｃｍ以下の抵抗率に対応する。
【００３５】
本発明の範囲および精神から逸脱することなく、白熱フィラメントは、例えば、それらの隣接する各対が、凹部の一方の側でそれらの一方の端部を結合することによって電気的に直列に接続される一方、凹部の他方の側に２つの入力電圧供給パッドを配置することにより、対をなす状態で直列に接続され得る。
【００３６】
更に、フィラメントの下の凹部は、本発明の範囲内で、基材を貫通する穴で代替され得る。
【００３７】
誘電性を有する代替可能な基材は、アルミナ、サファイア、石英および石英ガラスである。
【００３８】
導電性を有する代替可能な基材は、例えば金属である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による放射源の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】本発明による別の放射源の平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図５】本発明による放射源の積層構造を示す断面図である。
【図６】燐不純物濃度に対するポリシリコンの抵抗率依存性を示す図である。
【符号の説明】
１ シリコンチップ
２ 凹部
３ 白熱フィラメント
５ 金属化パッド
６ 窒化珪素ブリッジ
３１ 基材
３２ 上部窒化珪素層
３３ ポリシリコン層
３４ 金属化パッド
３５ 凹部
３６ 窒化珪素層

Claims (15)

1. 電気的に変調可能な熱放射源であって、
   平面の基材（１）と、
   基材（１）に形成されている凹部（２）または穴と、
   基材（１）に装着される少なくとも１つの白熱フィラメント（３）であって、前記凹部（２）または穴と整合させられているものと、
   基材（１）上で白熱フィラメント（３）の両端に形成される接触パッド（５）であって、白熱フィラメント（３）に電流を供給するものと、
   を具備するものにおいて、
   前記白熱フィラメント（３）が、５×１０¹⁹原子／ｃｍ^３〜５×１０ ²² 原子／ｃｍ^３の範囲内の不純物濃度まで燐でドーピングされていることを特徴とする放射源。
2. 基材が多結晶シリコンからなっており、且つ、５×１０¹⁹原子／ｃｍ^３〜５×１０ ²² 原子／ｃｍ^３の範囲内の不純物濃度まで燐でドーピングされた白熱フィラメント（３）がポリシリコンで作られている請求項１に記載の放射源。
3. 白熱フィラメント（３）のうちの少なくとも２つが電気的に直列に接続されている請求項１または２に記載の放射源。
4. 白熱フィラメント（３）のうちの少なくとも２つが電気的に並列に接続されている請求項１に記載の放射源。
5. 白熱フィラメント（３）が、基材（１）の凹部（２）上方における、基材（１）から離隔している部分において、隣接する窒化珪素層で取り囲まれている請求項１に記載の放射源。
6. 白熱フィラメント（３）の数が２以上である場合において、個々の白熱フィラメント（３）が、互いに機械的に相互接続されている請求項４または５に記載の放射源。
7. 個々の白熱フィラメント（３）が、隣接する窒化珪素ブリッジ（６）により、互いに機械的に相互接続されている請求項６に記載の放射源。
8. 個々の白熱フィラメント（３）が、隣接する窒化珪素ブリッジ（６）であってその中に開口部を有するものにより、互いに機械的に相互接続されている請求項６に記載の放射源。
9. 白熱フィラメント（３）が、周囲空気に囲まれている請求項１に記載の放射源。
10. 白熱フィラメント（３）が、金属酸化物層で被覆されている請求項１〜９のいずれか一項に記載の放射源。
11. 凹部（２）の深さが、１０μｍ〜３００μｍの範囲内にある請求項１に記載の放射源。
12. 単結晶シリコンの基材（１）上に電気的に変調可能な放射源を製造する方法であって、
    基材（１）上に窒化珪素層（３６）を形成する工程と、
    窒化珪素層（３６）上に燐でドーピングされたポリシリコン層（３３）を形成する工程と、
    燐でドーピングされたポリシリコン層（３３）を少なくとも１つの白熱フィラメント（３）へと造形する工程と、
    燐でドーピングされたポリシリコン層（３３）上に窒化珪素層（３２）を付着させる工程と、
    燐でドーピングされたポリシリコン層（３３）から形成された白熱フィラメント（３）を介して電流を供給する導電性接触パッド（３４）を形成する工程と、
    を具備するものにおいて、
    少なくとも１つの白熱フィラメントへと造形されたポリシリコン層（３３）が、５×１０¹⁹原子／ｃｍ^３〜５×１０ ²² 原子／ｃｍ^３の範囲内の不純物濃度まで燐でドーピングされることを特徴とする方法。
13. ５×１０¹⁹原子／ｃｍ^３〜５×１０ ²² 原子／ｃｍ^３の範囲内の不純物濃度まで燐でドーピングされた前記層（３３）が、少なくとも２つの白熱フィラメント（３）を形成すべく造形される請求項１２に記載の方法。
14. ５×１０¹⁹原子／ｃｍ^３〜５×１０ ²² 原子／ｃｍ^３の範囲内の不純物濃度まで燐でドーピングされた層（３３）から形成され且つ窒化珪素層で被覆されている白熱フィラメントが、酸化可能な金属で被覆される請求項１２に記載の方法。
15. ５×１０¹⁹原子／ｃｍ^３〜５×１０ ²² 原子／ｃｍ^３の範囲内の不純物濃度まで燐でドーピングされた層（３３）から形成され且つ窒化珪素層で被覆されている白熱フィラメントが、タングステンで被覆される請求項１４に記載の方法。

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