JP3745793B2 - 電気的に調節可能な熱放射源 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、請求項１の前文のような電気的に調節可能な熱放射源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
赤外線放射源は光学分析法においてはＩＲ放射源として、また他の用途において熱源として、使用されている。前者の用途については、「グロバー（ｇｌｏｂａｒ）源、白熱ランプ、並びに厚フィルム放射器のような、いくつかの異なるタイプのＩＲ源が使用されている。ＩＲ源から放出された放射ビームの強度は、源への入力電力を変化させて源温度を変えることで、あるいは、源温度をできるだけ一定に保持しつつ、「チョッパー（ｃｈｏｐｐｅｒ）」と呼ばれる機械的なビーム遮断装置を使用することで、調節することができる。
【０００３】
ビームを調節するために機械的に可動なチョッパーを使用した時には、放射源の平均故障間隔は、通常は、一般的には１年か２年であるチョッパーの機械的な寿命により制限される。電気的に調節される源の場合はより長い故障間時間である。
その名の通り、「グロバー」は、白熱するバー（ｇｌｏｗｉｎｇ ｂａｒ）である。このバーは従来は電流により加熱されるセラミック材料から作られている。「グロバー」装置は通常は数ミリメートルの厚さであり、また数センチメートルの長さであり、またその熱時定数は数秒である。「グロバー」は通常は装置への電力入力を変えることにより調節されるものではない。入力電力は通常は２ワットから１００ワットの範囲である。「グロバー」装置の変形例は、バーの回りに抵抗ワイヤが巻回されたセラミックバーである。この変形例の熱特性は単純な「グロバー」のものと等しい。
【０００４】
白熱ランプは数十Ｈｚまで、さらに数百Ｈｚまでの周波数により電気的に調節することができるが、ランプのガラス電球が赤外線領域の放射を吸収し、長期使用後は黒ずんでしまう。これにより、ランプにより運ばれる放射線の出力強度が時間とともに減少する。必要とされる入力電力は通常は数ワットから数十ワットである。
厚膜放射器は通常は厚いアルミナ基体上に形成された厚膜抵抗から構成され、電流により加熱される。抵抗の寸法は通常は数平方ミリメートル程度であり、また１／２ミリメートルの厚さである。抵抗の熱時定数は通常は数秒程度であり、また必要な電力入力は数ワットである。
【０００５】
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従来の製造方法では、電気的に調節された放射源をシリコン^1,2,3 からミニチュア寸法に作る能力がある。このような装置は、約１マイクロメートルの通常の厚さと長さ数百マイクロメートルの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、数マイクロメートルから数十マイクロメートルまで変わっている。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の調節が可能である。純粋なシリコンは電流には低級な導体である。しかしながら、例えば硼素や燐のような適切なドーパントをドーピングすることで、優れた導電性が得られる。ドーパントとしての硼素は、その活性レベルが安定でなく、むしろシリコン白熱フィラメントの早期の動作温度に依存するという事実によりハンディキャップを持っている。これにより、活性レベルが断続的に新しい平衡状態を探すようになり、電力入力が外部的に安定化されない限り、フィラメントの抵抗、並びにフィラメントへの入力電力が時間とともに変動する。シリコンにドーパントしての硼素を添加することが可能な最も高い不純物濃度は約５・１０¹⁹原子／ｃｍ³ である。他の従来のドーパントは、ヒ素とアンチモンである。これらの元素におけるドーパントとしての問題は、低電圧用途でも十分に高い導電性を得るために、十分に高い不純物濃度を達成することが困難であることである。
【０００６】
引用された文献１で論議された白熱フィラメントは、シート抵抗が５０Ω／平方より多くの燐をドーピングすることにより達成している。白熱フィラメントは１００μｍの長さであり、２０μｍの幅で基体から１．２μｍ持ち上がっている。このような構造では、基体までのエアギャップによりロスする放射電力は特に高く、また基体に付随したフィラメントの高いリスクは、加熱の間におけるフィラメントのたるみとして現れる。
【０００７】
硼素と燐のドーピングはドーパント原子移動に関連した問題を有している。これは、ドーパント原子が移動するフィラメントの端における熱領域の発生の形で現れる。この結果、白熱フィラメントの放出密度輪郭が次第に変化し、これが長期間における不安定さを招いてしまう。
引用された文献２において論議された白熱フィラメントの構造は、薄膜ウインドでカプセル化することを含み、また白熱フィラメントを真空にして燃え切ることを防止している。このようなウインドは数十マイクロメータよりも広くすることはできず、これによりフィラメントの全表面積、およびしたがって、その放射出力は小さいままとなる。フィラメントの貼着を防止するため、Ｖ溝が基体内にエッチングされている。
【０００８】
引用された文献３で論議されているＩＲ放出器は、１００μｍ×１００μｍの寸法であり、また２つの曲がったポリシリコン抵抗を加熱素子として使用している。このような構造は加熱の間にゆがむ傾向があり、また大領域の放出素子はこのような方法では製造することができない。加熱素子は連続であるけれども、加熱素子の寸法が回りの開口に比べて小さく、基体のエッチング相の間にガス気泡が発生しても問題がない。しかしながら、この構造の温度分布パターンは、引用された文献の第２図から分かるように特に良好ではない。
【０００９】
ドーピングされたポリシリコンから作れた白熱フィラメントには、フィラメント抵抗の温度係数がそれより上では負に変わる、つまり、フィラメントの温度上昇とともにより多くの電流がフィラメントを通過する、特性温度がある。この結果、このような構成要素は電圧により、むしろ電流によっては制御することができない。このようなフィラメントは、最も低い抵抗、つまり最も高い温度を有するフィラメント上で電流が集中する傾向があるので、放射源面積を増大するために直接並列接続することはできない。他方、直列接続することは、単一のフィラメント電圧の数倍の入力電圧の上昇が必要となる。高い硼素不純物濃度が約６００℃の特性温度を達成するだけであるので、硼素ドーピングにより満足のいく高い温度特性が得られない。フィラメントの動作温度がこれより高い場合には、フィラメントの抵抗は時間とともに変動する傾向になる。
【００１０】
引用された文献４による実施例においては、白熱フィラメントは薄フィルムの金属層により作られる。酸化を防止するため、白熱フィルムは真空中にカプセル化されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を解消し、また全体的に新規である電気的に調節可能な熱放射源を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の目標は、タングステン、チタン−タングステン合金あるいはモリブデンのような金属から白熱フィラメントを作ることにより達成され、その後、フィラメントは全体的に、例えば、窒化シリコンのような酸化−抵抗材料の薄膜で被覆される。
【００１３】
より詳しくは、本発明による電気的に調節可能な熱放射源は、請求の範囲第１項の特徴部分により述べられている。
本発明は顕著な利点がある。
本発明によれば白熱フィラメントの回りに真空カプセル化を必要としない。さらに、金属製の白熱フィラメントはフィラメントが動作する電流密度における移動現象がない。この結果、硼素または燐をドーピングしたポリシリコンから作られたフィラメントよりも、金属製の白熱フィラメントは長期間に亘る安定性がある。
【００１４】
金属製の白熱フィラメントの抵抗温度係数はその全体の動作範囲に亘って正であり、これにより、白熱フィラメントを並列に接続し、また電圧源から供給することができる。
本発明の製造方法において使用された窒素カプセル化により、放射源を長期間の使用寿命とすることができる。
【００１５】
【実施例】
以下に、本発明を添付した図面に示した実施例に基づいて、より詳しく説明する。
本発明は、高速度で電気的に調節可能な熱放射源として光学分析に使用することを意図したものである。
必要な薄フィルム層の組成は、従来の標準的なマイクロエレクトロニクスのプロセスを使用して作ることができる。
【００１６】
図１と図２を図３と図４を共に参照して、多数の白熱フィラメントが電気的に並列に接続された、放射源の構造が示されている。
図１を参照して、大きな方形１は単結晶のシリコンチップであり、斜めの端を備えたより小さい方形２は白熱フィラメント３の下に位置するウェル（ｗｅｌｌ）であり、また図３と図４において斜線領域は６は窒化層である。白熱フィラメント３とそれらの端における金属化した部分５は太線で示してある。白熱フィラメント３は並列に接続されており、また外部の電気接続は金属化した部分５にとられている。図１と図２に示した実施例では、フィラメント３はそれらの全長に亘って互いに分離されて示されている。図３と図４は改良された構造を示したものであり、白熱フィラメント３は窒化シリコンブリッジ６により機械的に接続されている。窒化ブリッジ内の開口は、白熱フィラメントの下からのエッチングの間において形成されるガスの放出を容易とするものである。この配置によりエッチング結果が改善される。このような開口はエッチング速度が低く維持される場合には必要となる。
【００１７】
放出領域は例えば１ｍｍ² である。白熱フィラメント３は、その全長に亘って空中に浮き上がっており、その両端において支持されているだけである。フィラメント３の下側のシリコン１は、１００μｍのエッチング深さが一般的であるが、少なくとも１０μｍの深さでエッチングされている。フィラメント３の両端は、それぞれの端に位置した金属化されたパッド５により並列に接続されている。フィラメントの寸法は、例えば、厚さ１μｍで幅２０μｍで長さ１ｍｍであり、フィラメントの間は５μｍの間隔である。フィラメント３は、それらを流れる電流により加熱される。必要な入力電圧は、１ボルトから数ボルトである。
【００１８】
本発明によれば、金属製の白熱フィラメント３は全体的に窒化シリコン中にカプセル化されており、窒化物の酸化速度はフィラメント３のサービス寿命を決定する。放射源が通常の室内空気中において８００℃以下の温度で使用される時には、そのサービス寿命は数年である。必要な出力ウインドを備えた特別な密封性の真空カプセル化は不要である。
窒化された白熱フィラメント３のエッチング処理はＫＯＨの水溶液中において実行される。使用されるエッチング剤はまた、水酸化テトラメチルアンモニア、あるいは少量のピロカテコールを加えたエチレンジアミンの水溶液である。
【００１９】
白熱フィラメント３は重ねられたウインドなしに動作するので、フィラメント３上に落下した有機性汚染物は燃え尽きる。放射源がパルスモードで動作する場合には、白熱フィラメントの下の空気は迅速に加熱されて、落下した塵を吹き流す。したがって、本発明の実施例は固有の自己清浄機構を組み込んでいる。
白熱フィラメント３の横方向の温度分布は設計形状を変えることによる調節することができる。均一な温度分布は、フィラメント幅を２０μｍないしこれより狭くすることで達成される。横方向の温度分布は、例えば窒化シリコンブリッジ６によりフィラメント３を熱的に相互接続することにより、さらに改善される。
【００２０】
次いで図５を参照して、白熱フィラメント３の横の温度輪郭はフィラメント３の両端をテーパ状とすることで改良され、これによりテーパ付けされた端領域７における単位長あたりの電気抵抗が増大し、これらの領域でより大きな加熱電力が集中する。フィラメントの両端において単位長あたりの加熱電力が増大することは必要である。つまり、熱はフィラメント３の両端７から基体に伝達するので、フィラメント３の両端７は迅速に冷却されるからである。テーパ付けされたフィラメント３により、フィラメント３の中央部分８はフィラメント両端７とほぼ同じ温度となり、これにより放射源の効率的な放射面が増大する。このようにテーパ付けされたフィラメント３の両端７は、図１から図４に示された一定幅のフィラメントの両端よりも高い温度に達する。テーパ状の形状は段階的にしても良く、あるいは、段階なしに連続した態様で両端をテーパ付けしても良い。
【００２１】
放射源の最大使用可能な調整速度は、熱損失の比率に依存する。この様な損失の多くはフィラメント３の下の空気層を経て、またフィラメント両端を経てシリコン基体に生じる。全体の損失における放射損失の比率は数パーセントであるので、白熱フィラメント３の温度は入力電力のほぼ直線状の関数となる。フィラメントの動作温度は通常は４００℃より上であり、また好適な実施例では５００℃より上である。調節の最大速度は、フィラメント３の下のウェル２の深さを変えることにより調整される。ウェル２の深さは約５０から３００μｍである。このような構成により、熱時定数は約１ｍｓとなり、電気的な調節は約１ｋＨｚまで可能となる。
【００２２】
図６を参照して、放射源の層構造がより詳しく説明されている。ここに示した実施例において、放出された放射は反射防止層３７を通って下側に向かう。領域３１は通常は、その上に約２００ｎｍの厚さの窒化シリコン層３６を蒸着した（１００）−の向きの単結晶シリコンの基体チプにより形成される。窒化層３６は白熱フィラメントを導電性の基体３１から隔離するために必要であり、また同時に白熱フィラメント３３の下側の保護層としても機能する。窒化層３６の面上には通常は０．５μｍ厚の金属層３３が付着されており、これは、マイクロエレクトロニクス技術において使用されているホトリソグラフおよびプラズマエッチング技術により白熱フィラメント中にパターン付けされている。次いで、上側の窒化シリコン層３２が付着され、これにより、金属層３３からパターン付けされた白熱フィラメントが全体的に窒化層内にカプセル化される。上側の窒化層３２は通常は２００ｎｍの厚さである。入力電圧を供給する手段は、金属化されたパッド３４であり、これ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り上側の窒化層３２内に作られた開口を経て、金属製の白熱フィラメント３３の抵抗性の接点を形成する。基体３１を構成する単結晶シリコンは最終的にフィラメントの下側からエッチング除去され、これによりウェル３５が形成される。このエッチング工程は、フィラメントの間に作られた開口、並びにフィラメントの外周側を経て起こる。層３７は、例えば窒化シリコンから作られた、薄い非反射層である。このλ／４層の厚さは、所望の動作波長に依存し、例えば４００から５００ｎｍである。
【００２３】
フィラメント３３の放射率は通常は０．４より大きく、また好ましい実施例では０．５より大きく、さらに特に好ましい実施例では０．７より大きい。
放射源の放出スペクトルは、シリコン基体３７の下側面上に設けられた、図７に示したファブリーペロー干渉フィルタによりフィルタ処理される。この構成により、放射源が不要な波長において放出をすることがなくなり、改良された信号対ノイズ比が得られる。干渉フィルタは、二酸化シリコンのλ／４層４１およびシリコンのλ／４層４２により形成される。中央層４１はλ／２層である。放射源の開口は、開口４５を有した金属層４４により形成される。金属層４４の厚さは通常は１００ｎｍである。
【００２４】
図９を参照して、そこには上記したフィルタの伝送特性が示されている。伝送曲線の形は、干渉フィルタ内の反射層の数により決定される。層の数が多くなればなる程、通過帯域が狭くなる。
タングステンフィラメントの放射率は３マイクロメータより大きな波長において迅速に減少する。このようなより長い波長における放射率の減少は、金属層を図８に示した単結晶シリコン３９により被覆することで補償することができる。図８に示した実施例では、白熱する金属フィラメント３３は単結晶シリコン３９を加熱し、これは放射源として機能する。シリコン層３９の厚さは通常は１００から１０００ｎｍの範囲である。放出された放射のスペクトルは、窒化シリコン層３２および金属層３３上に付着された放出−改善したポリシリコン層３９内における干渉によっても影響される。放出されたスペクトルは、単結晶シリコン層３９とその上に付着された窒化層３２が各層における光学的な１／４波長に等しい結合された厚さを有するような波長においてピークを形成する明確な傾向を有する。放出出力を改善するため、本構造はさらに、基体３１の下側面に付着されたミラー４３を有しており、このミラーは実際には５０から１００ｎｍの厚さの金属層として形成される。
【００２５】
本発明の範囲を技術思想を逸脱することなく、白熱フィラメントは、例えば、基体のウェルの一側上に２つの入力電圧パッドを配置することにより対で直列に接続され、一方、白熱フィラメントの各隣接対は、それらの他の端をウェルの他側において結合することにより電気的に直列に接続される。
さらに、フィラメントの下側のウェルは、本発明の範囲内において、基体を通って延在する穴に置き換えることができる。
【００２６】
誘電特性を備えた他の基体材料は、アルミナ、サファイア、水晶、および水晶硝子である。
窒化シリコンの代わりに、酸化アルミニウムあるいは酸化シリコンから作られる薄フィルムも同様に白熱フィラメント３を被覆するために使用することができる。
【００２７】
本明細書で使用した放出の用語は、放射放出、特に赤外線放出を意味する。
参考文献
１． Ｈ．ＧｕｃｋｅｌおよびＤ．Ｗ．Ｂｕｒｎｓ，「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂｌａｃｋ−ｂｏｄｙ ｒｄａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｈｅａｔｅｄ ｐｏｌｉｓｉｌｉｃｏｎ ｆｉｌｍｓ」， Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ´８５，３６４−３６６（１９８５年６月１１−１ ４日）。
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３． Ｍ．Ｐａｒａｍｅｓｗａｒａｎ，Ａ．Ｍ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ，Ｄ．Ｌ．Ｂｌａｃｋｂｕｒｎ，Ｍ．Ｇａｉｔａｎ ａｎｄ Ｊ．Ｇｅｉｓｔの「Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｅｍｉｔｔｅｒｆｒｏｍ ａ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ＣＭＯＳ ｐｒｏｃｅｓｓ」，ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔ．，１２，２，５７−５９ （１９９１年）。
４． Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，ｐ．１７，！ １９９２年１１月。
５． Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ、「ＶＬＳＩ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ Ｂｏｏｋ Ｃｍｐａｎｙ，第３版、１９８５年，第５および６章。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、従来技術の欠点を解消した、新規な、電気的に調節可能な熱放射源を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による放射源の上面図である。
【図２】図１に示した放射源のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明による他の放射源の上面図である。
【図４】図３に示した放射源のＡ−Ａ断面図である。
【図５】図１〜図４に示した白熱フィラメントに対する本発明による他の形状を示したダイアグラムである。
【図６】非反射層を備えた本発明による放射源の層構造の、長手方向の断面側面図である。
【図７】必須の光学フィルタと開口を組み付けた本発明による放射源の層構造の、長手方向の断面側面図である。
【図８】放出改善層を組み付けた本発明による放射源の層構造の、長手方向の断面側面図である。
【図９】図７に示した放射源に使用したフィルタの透過率特性を示したグラフである。
【符号の説明】
３ 白熱フィラメント
５ パッド
６ 窒化シリコンブリッジ

Claims (18)

1. 本質的に平らな基体（１）、
   基体（１）中に形成されたウェル（２）ないし穴、
   基体（２）に取り付けられ、前記ウェル（２）ないし穴に整列された複数の白熱フィラメント（３）、
   基体（１）上に、白熱フィラメント（３）に電流を供給するために白熱フィラメント（３）の両端において形成された接点パッド（５）からなり、
   前記白熱フィラメント（３）が、金属製であり少なくとも基体（１）から自由に浮き上がる部分に対して連続した酸化−抵抗材料からなる薄膜（３２、３６）により被覆されており、
   前記ウェルないし穴、前記白熱フィラメント、及び接点パッドは前記基体の一面に形成されており、
   複数の前記白熱フィラメント（３）を機械的に接続する窒化シリコンブリッジ（６）を更に有する、
   ことを特徴とする電気的に調節可能な放射源。
2. 前記薄膜（３２、３６）が窒化シリコンで作られることを特徴とする請求項１記載の放射源。
3. 白熱フィラメント（３）の少なくとも２つが電気的に直列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の放射源。
4. 白熱フィラメント（３）の少なくとも２つが電気的に並列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の放射源。
5. 少なくとも白熱フィラメント（３）の部分が電気的に並列および直列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の放射源。
6. 白熱フィラメント（３）のそれぞれがタングステンで作られることを特徴とする請求項１記載の放射源。
7. 白熱フィラメント（３）のそれぞれがチタン−タングステン合金で作られることを特徴とする請求項１記載の放射源。
8. 白熱フィラメント（３）のそれぞれがモリブデンで作られることを特徴とする請求項１記載の放射源。
9. 個々の白熱フィラメント（３）が、開口を有する連続した窒化シリコンブリッジ（６）により互いに機械的に接続されていることを特徴とする請求項９に記載の放射源。
10. 前記白熱フィラメント（３）に対応する前記基体の他の面上の位置にミラー構造体（４３）が設けられていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の放射源。
11. 前記白熱フィラメント（３）に対応する前記基体の他の面上の位置に反射防止層（３７）が設けられていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の放射源。
12. 前記放射源が前記基体の他の面において、ファブリーペロー干渉計と接合され、前記ファブリーペロー干渉計を組み込んでいることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の放射源。
13. 前記放射源が前記基体の他の面において、開口（４５）が形成される非透明層（４４）を組み込んでいることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の放射源。
14. 白熱フィラメント（３）の層の上にポリシリコン層（３９
    ）が形成されていることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の放射源。
15. 前記ポリシリコン層（３９）およびその上に付着された層（３２）が測定波長の１／４波長に等しい結合厚さを有することを特徴とする請求項１４記載の放射源。
16. 白熱フィラメント（３）の端（７）が白熱フィラメント（３）の中央部（８）よりも細く形成されていることを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載の放射源。
17. フィラメント３３の放射率が通常は０．４より大きく、有利な実施例では０．５よりも大きく、また特に有利な実施例では０．７より大きいことを特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の放射源。
18. フィラメントの動作温度が通常は４００℃より上であり、有利な実施例では５００℃より上であることを特徴とする請求項１から１７のいずれかに記載の放射源。

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