JP3994955B2

JP3994955B2 - 赤外線光源

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Publication number: JP3994955B2
Application number: JP2003348677A
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Inventors: 久則与倉
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Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-10-07
Filing date: 2003-10-07
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2023-10-07
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Description

本発明は、基板に対して浮いた膜状態（メンブレン構造）にある抵抗体を発熱させて、赤外線を発光させる赤外線光源に関するものである。

基板に対して浮いた膜状態にある抵抗体を発熱させて、赤外線を発光させる赤外線光源が、例えば、特開２００１−２２１６８９号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１に開示されている赤外線光源は、特定波長の赤外線吸収量により被測定ガスの種類と濃度を測定する赤外線検知式ガスセンサの赤外線光源として用いられるものである。

図１０（ａ），（ｂ）に、２種類の赤外線検知式ガスセンサの模式的な断面図を示す。

図１０（ａ），（ｂ）において、符号９０は、赤外線を発光させる赤外線光源である。赤外線光源９０は、基板９０ｓに対して浮いた膜状態のメンブレン構造にある抵抗体９０ｒを有し、抵抗体９０ｒを通電して発熱させることによって赤外線を発光させる赤外線光源である。発熱部である抵抗体９０ｒをメンブレン構造とすることで、基板９０ｓとの熱分離ができ、抵抗体９０ｒを効率よく発熱させることができる。

図１０（ａ），（ｂ）において、符号９１は赤外線を検出する赤外線検出素子であり、符号９２は被測定ガスに応じた赤外線波長選択フィルタである。また、符号９５は被測定ガスの出入口であり、図中の白抜き矢印は赤外線の進行経路である。

図１０（ａ）の赤外線検知式ガスセンサ９０１では、赤外線光源９０と赤外線検出素子９１が、赤外線波長選択フィルタ９２を介して、円筒状容器の両端に互いに向き合って配置されている。赤外線光源９０によって赤外線検出素子９１に向かって照射された赤外線は、被測定ガス中を通過する間に特定波長の赤外線が吸収され、赤外線検出素子９１に到達する。被測定ガスの濃度に応じて赤外線検出素子９１に到達する赤外線の強度が変わり、それに応じて赤外線検出素子９１の出力が変化し、被測定ガスの濃度が測定される。

図１０（ｂ）の赤外線検知式ガスセンサ９０２では、赤外線光源９０と赤外線検出素子９１が、円筒状容器の一方の端部に並べて配置されている。円筒状容器のもう一方の端部は凹面鏡９４となっており、赤外線光源９０から照射された赤外線は、凹面鏡９４で反射されて赤外線検出素子９１に到達する。従って、図１０（ｂ）の赤外線検知式ガスセンサ９０２では、赤外線が被測定ガス中を往復し、その間に特定波長の赤外線が吸収され、上記と同じ原理で被測定ガスの濃度が測定される。
特開２００１−２２１６８９号公報

図１０（ａ），（ｂ）に示す赤外線検知式ガスセンサ９０１，９０２においては、赤外線光源９０から放射される赤外線のエネルギーが大きいほど、赤外線検出素子９１の出力変化が大きくなって、感度が向上する。

しかしながら、図１０（ａ），（ｂ）に示す従来の赤外線光源９０では、抵抗体９０ｒを加熱して赤外線を等方的に放射させており、赤外線検出素子９１と反対の方向へ放射された赤外線は、周りの部材に吸収され、減衰してしまう。このため、赤外線検出素子９１と反対の方向へ放射された赤外線は、被測定ガスの測定に利用されず、赤外線光源９０におけるエネルギー利用効率が低い。

そこで本発明は、基板に対して浮いた膜状態にある抵抗体を有し、当該抵抗体を発熱させて赤外線を発光させる、エネルギー利用効率が高い赤外線光源を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、基板上に抵抗体が形成され、前記抵抗体の下部の基板に空隙が形成されて、基板に対して浮いた膜状態にある抵抗体を通電して発熱させることによって赤外線を発光させる赤外線光源であって、前記空隙を構成する面の一部に、前記抵抗体に対向して、金属からなる赤外線反射部材が、基板に対して浮いた膜状態で配置されてなることを特徴としている。

これによれば、発熱により抵抗体から等方的に放射される赤外線を、抵抗体に対向して配置された金属からなる赤外線反射部材によって反射させ、赤外線反射部材と反対の抵抗体の前面側に集中して、赤外線を照射させることができる。これによって、従来周りの部材に吸収されていた赤外線も利用することができ、エネルギー利用効率が高い赤外線光源とすることができる。
また、赤外線反射部材が基板に対して浮いた膜状態で配置されるように構成することで、平坦性のよい赤外線反射部材を抵抗体の近くに配置することができ、さらにエネルギー利用効率が高い赤外線光源とすることができる。

請求項２に記載のように、上記構成の赤外線光源は、前記基板が半導体基板であり、当該半導体基板上に、赤外線反射部材、半導体層、絶縁膜、前記抵抗体が順に膜形成され、前記空隙が、前記絶縁膜に形成された開口部を介して、前記抵抗体の下部に位置する半導体層をエッチングすることによって形成されると共に、前記基板に対して浮いた膜状態の赤外線反射部材が、前記半導体基板の抵抗体が形成された面と反対側の面から、前記抵抗体の下部に位置する半導体基板をエッチングすることによって形成されることが好ましい。これによれば、半導体基板の選択エッチング技術を利用して、上記赤外線反射部材が、基板に対して浮いた膜状態で配置される構成の赤外線光源を、安定的で安価に製造することができる。

請求項３に記載のように、前記赤外線反射部材は、赤外線反射率が高い金、白金、アルミニウム、クロムの少なくともいずれか一つを含むことが好ましい。

また、請求項４に記載のように、前記赤外線光源は、特定波長の赤外線吸収量により被測定ガスの種類および濃度を測定する、赤外線検知式ガスセンサの赤外線光源として好適である。前記赤外線光源は、抵抗体から等方的に放射される赤外線を一方の側に集中して照射することができるため、従来と同じ電力消費量で被測定ガスに対する赤外線照射強度を高めることができ、ガスセンサの検出感度を向上させることができる。尚、請求項５に記載のように、前記赤外線光源を赤外線検知式ガスセンサに適用する場合には、赤外線を効率良く反射するために、抵抗体と前記赤外線反射部材の間隔を、被測定ガスの赤外線吸収波長より、大きく設定することが好ましい。

以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
図１（ａ），（ｂ）は、本実施形態における赤外線光源１０１の模式図で、図１（ａ）は、赤外線光源１０１の平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

図１（ａ），（ｂ）に示す赤外線光源１０１は、ポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）からなる抵抗体４ａを有する赤外線光源である。図１（ｂ）に示すように、シリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板１上に、窒化シリコン膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）２と酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜３からなる２層の絶縁膜が形成されている。抵抗体４ａは、この２層の絶縁膜上に形成され、ＢＰＳＧからなる層間絶縁膜５を介して、アルミニウム（Ａｌ）からなる電極配線６ａが接続されている。尚、図１（ｂ）において、符号７は窒化シリコン膜（ＳｉＮ）からなる保護膜であり、符号７ｐはパッド開口部である。図１（ａ），（ｂ）に示す赤外線光源１０１では、抵抗体４ａを通電して発熱させ、赤外線を発光させる。

図１（ｂ）において、符号Ｓａは、半導体基板１に形成された空隙である。空隙Ｓａは、図１（ａ）に示す絶縁膜２，３に形成された４つの丸い小さな開口部８ａを介して、抵抗体４ａの下部に位置する半導体基板１を溝状に選択エッチングして形成される。抵抗体４ａは、その下部に溝（空隙）Ｓａが形成されて、半導体基板１に対して浮いた膜状態（メンブレン構造）にある。このように、発熱部である抵抗体４ａをメンブレン構造とすることで、半導体基板１と熱分離することができ、抵抗体４ａを効率よく発熱させることができる。

図１（ａ），（ｂ）に示す赤外線光源１０１では、赤外線反射部材９ａからなる膜が、溝Ｓａの表面に形成されている。赤外線反射部材９ａは、任意の金属材料であってよいが、特に、赤外線反射率が高い金、白金、アルミニウム、クロムの少なくともいずれか一つを含むことが好ましい。

図１（ｂ）中に白抜き矢印で示したように、赤外線光源１０１では、発熱により抵抗体４ａから等方的に放射される赤外線を、抵抗体４ａに対向して配置された赤外線反射部材９ａによって反射させる。これによって、赤外線を、赤外線反射部材９ａと反対の抵抗体４ａの前面側に集中して、照射させることができる。これにより、従来周りの部材に吸収されていた赤外線も利用することができ、エネルギー利用効率が高い赤外線光源とすることができる。特に、図１（ａ），（ｂ）の半導体基板１に溝Ｓａを形成した赤外線光源１０１では、赤外線反射部材９ａが抵抗体４ａの近くに配置されるため、周りの部材における赤外線吸収割合がより低減される。

図２（ａ），（ｂ）は、異なる開口部形状を持つ赤外線光源１０２の模式図である。図２（ａ）は、赤外線光源１０２の平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。尚、図２（ａ），（ｂ）の赤外線光源１０２において、図１（ａ），（ｂ）の赤外線光源１０１と同様の部分については、同一の符号を付けた。

図２（ａ）に示すように、赤外線光源１０２では、図１（ａ）に示す赤外線光源１０１と異なり、２層の絶縁膜２，３に、台形形状の４つの大きな開口部８ｂが形成されている。赤外線光源１０２における溝（空隙）Ｓｂは、図１（ａ），（ｂ）の赤外線光源１０１の場合と同様に、開口部８ｂを介して、抵抗体４ｂの下部に位置する半導体基板１を溝状に選択エッチングすることによって形成される。赤外線光源１０２の抵抗体４ｂと電極配線６ｂは、図２（ａ）に示すように、４つの大きな開口部８ｂに挟まれた十字部分に配置され、ブリッジ形状をなすメンブレン構造となっている。また、大きな開口部８ｂを成膜時の窓にして、赤外線反射部材９ｂが、溝Ｓｂの表面に膜形成されている。

以上のように、赤外線光源１０１，１０２における開口部８ａ，８ｂは、メンブレン構造を形成するためのエッチングホール、および赤外線反射部材９ａ，９ｂを溝Ｓａ，Ｓｂ内に成膜する時の窓の役割を果たす。また、絶縁膜２，３における開口部８ａ，８ｂに挟まれた部分が、抵抗体４ａ，４ｂが配置されたメンブレンとなる。このため、開口部８ａ，８ｂの大きさは、上記３項目を考慮して、適宜設定される。

次に、図２（ａ），（ｂ）の赤外線光源１０２を例にして、その製造方法を説明する。

図３は、赤外線光源１０２の製造工程を示すフロー図である。また、図４〜６は、図２（ａ），（ｂ）に対応した、赤外線光源１０２の製造途中における平面図と断面図である。

図３に示すように、最初に、シリコン基板１上に、絶縁膜である窒化シリコン膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）２と酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜３を、順次堆積する。図４は、絶縁膜２，３形成後の状態を示す断面図である。

次に、図３に示すように、抵抗体４ｂを形成する。抵抗体４ｂは、ポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）膜を堆積した後、不純物を導入し、パターニングして形成する。

次に、図３に示すように、層間絶縁膜５を形成する。ＢＰＳＧからなる層間絶縁膜５を堆積した後、コンタクトホールのパターニングを行なう。

次に、図３に示すように、電極配線６ｂを形成する。電極配線６ｂは、ポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）膜を堆積した後、不純物を導入し、パターニングして形成する。

次に、図３に示すように、保護膜７を形成する。窒化シリコン膜（ＳｉＮ）からなる保護膜７を堆積した後、パターニングしてパッド開口部７ｐを形成し、電極配線６ｂの両端を露出させる。

次に、図３に示すように、溝（空隙）Ｓｂを形成して、メンブレン構造を形成する。溝（空隙）Ｓｂの形成は、最初に、絶縁膜２，３および保護膜７に、エッチング用の開口部８ｂを形成する。次に、開口部８ｂを介して、抵抗体４ｂの下部に位置する半導体基板１を選択エッチングし、溝（空隙）Ｓｂを形成して、半導体基板１に対して浮いた膜状態（メンブレン構造）の抵抗体４ｂとする。このメンブレン構造の形成は、一般的なシリコン基板１の選択エッチング技術を利用しており、安価に行なうことができる。図５（ａ），（ｂ）は、それぞれ、メンブレン構造形成後の状態を示す平面図と断面図である。

最後に、図３に示すように、赤外線反射部材９ｂを、溝（空隙）Ｓａの表面に膜形成する。赤外線反射部材９ｂの形成は、レジスト等によりメンブレンの表面を適宜マスクした後、開口部８ｂを成膜時の窓にして、金（Ａｕ）を溝Ｓａ内に回り込むように堆積させて膜形成する。その後、メンブレンの表面に付着した余分な金を除去する。

以上で、図２（ａ），（ｂ）に示す赤外線光源１０２が完成する。

上記の製造方法は、一般的な半導体装置の製造技術を用いるものであり、特別な製造工程を必要としない。従って、シリコン基板１に溝Ｓｂを形成してメンブレン構造の抵抗体４ｂを形成し、溝Ｓｂの表面に赤外線反射部材９ｂを膜形成した図２（ａ），（ｂ）に示す赤外線光源１０２を、安価に製造することができる。

図１および図２に示す赤外線光源１０１，１０２は、図１０（ａ），（ｂ）に示したような、特定波長の赤外線吸収量により被測定ガスの種類および濃度を測定する赤外線検知式ガスセンサ９０１，９０２の赤外線光源として好適である。図１および図２に示す赤外線光源１０１，１０２は、加熱された抵抗体４ａ，４ｂから等方的に放射される赤外線を一方の側に集中して照射することができるため、従来と同じ電力消費量で、被測定ガスに対する赤外線照射強度を高めることができ、ガスセンサの検出感度を向上させることができる。

（第２の実施形態）
第１実施形態の赤外線光源は、メンブレン構造の抵抗体を有する赤外線光源であって、基板に溝が形成され、赤外線反射部材が溝の表面に配置された赤外線光源であった。第２の実施形態は、抵抗体を底とする有底孔が基板に形成され、有底孔を蓋する台座に赤外線反射部材が配置される赤外線光源に関する。以下、本実施形態について図に基づいて説明する。

図７は、本実施形態における赤外線光源１０３の模式的な断面図である。尚、図７の赤外線光源１０３において、図１（ｂ）の赤外線光源１０１と同様の部分については同一の符号を付け、その説明は省略する。

図７に示す赤外線光源１０３において、半導体基板１上の絶縁膜２，３、抵抗体４ａ、層間絶縁膜５、電極配線６ａおよび保護膜７からなる上部構造は、図１（ｂ）の赤外線光源１０１と同様である。一方、図７の赤外線光源１０３においては、絶縁膜２，３の下側の下部構造が、図１（ｂ）の赤外線光源１０１と異なっている。

図７において、符号Ｓｃは、半導体基板１に形成された空隙である。空隙Ｓｃは、半導体基板１の抵抗体４ａが形成された面と反対側の面から、抵抗体４ａの下部に位置する半導体基板１をエッチングすることによって形成される。このようにして形成された空隙Ｓｃは抵抗体４ａを底とする有底孔であり、抵抗体４ａは、その下部に有底孔（空隙）Ｓｃが形成されて、半導体基板１に対して浮いた膜状態にあるメンブレン構造をなしている。従って、図７の赤外線光源１０３においても、発熱部である抵抗体４ａを半導体基板１と熱分離することができ、抵抗体４ａを効率よく発熱させることができる。

図７の赤外線光源１０３では、有底孔Ｓｃを蓋するように、メンブレン構造の抵抗体４ａが形成された半導体基板１を保持する台座１０ｃが、接着剤層１１により接着されて配置されている。また、台座１０ｃの表面には、赤外線反射部材９ｃが膜として形成され、抵抗体４ａに対向して配置されている。尚、図８の赤外線光源１０４に示すように、台座９ｄが赤外線を反射する材料からなる場合には、鏡面処理された台座１０ｄの表面を、赤外線反射部材９ｄとすることができる。

図７および図８の赤外線光源１０３，１０４においても、発熱により抵抗体４ａから等方的に放射される赤外線を、抵抗体４ａの一方の側に配置された赤外線反射部材９ｃ，９ｄによって反射させ、抵抗体４ａのもう一方の側に集中して照射させることができる。これにより、従来周りの部材に吸収されていた赤外線も利用することができ、エネルギー利用効率が高い赤外線光源とすることができる。また、図７および図８の赤外線光源１０３，１０４では、赤外線反射部材９ｃ，９ｄを台座１０ｃ，１０ｄの表面に配置するため、赤外線反射部材９ｃ，９ｄの形成が容易であり、赤外線光源全体の製造コストを低減することができる。

（第３の実施形態）
第１実施形態と第２実施形態の赤外線光源は、溝または台座に赤外線反射部材が配置された赤外線光源であった。第３の実施形態は、赤外線反射部材が基板に対して浮いた膜状態で配置される赤外線光源に関する。以下、本実施形態について図に基づいて説明する。

図９は、本実施形態における赤外線光源１０５の模式的な断面図である。尚、図９の赤外線光源１０５において、図１（ｂ）の赤外線光源１０１および図７の赤外線光源１０３と同様の部分については同一の符号を付け、その説明は省略する。

図９に示す赤外線光源１０５においても、絶縁膜２，３、抵抗体４ａ、層間絶縁膜５、電極配線６ａおよび保護膜７からなる上部構造は、図１（ｂ）の赤外線光源１０１と同様である。一方、図９の赤外線光源１０５においては、絶縁膜２，３の下側の下部構造が、図１（ｂ）の赤外線光源１０１と異なっている。

図９の赤外線光源１０５では、半導体基板１上に、赤外線反射部材９ｅ、半導体層１ｅ、絶縁膜２，３、抵抗体４ａが順に膜形成され、赤外線反射部材９ｅが、基板に対して浮いた膜状態で配置されている。

図９において、符号Ｓｅは、半導体層１ｅに形成された空隙である。空隙Ｓｅは、図１の赤外線光源１０５における溝（空隙）Ｓａと同様に、絶縁膜２，３に形成された開口部を介して、抵抗体４ａの下部に位置する半導体層１ｅを選択エッチングして形成される。これにより、抵抗体４ａは、その下部に空隙Ｓｅが形成されて、メンブレン構造をなす。

また、図９において、符号Ｓｄは、半導体基板１に形成された空隙である。空隙Ｓｄは、図７および図８の赤外線光源１０３，１０４における有底孔（空隙）Ｓｃと同様に、半導体基板１の抵抗体４ａおよび赤外線反射部材９ｅが形成された面と反対側の面から、抵抗体４ａおよび赤外線反射部材９ｅの下部に位置する半導体基板１をエッチングすることによって形成される。このようにして形成された空隙Ｓｄは、赤外線反射部材９ｅを底とする有底孔であり、赤外線反射部材９ｅは、その両側に空隙Ｓｄ，Ｓｅが形成されて、第２のメンブレン構造をなす。

図９の赤外線光源１０５は、平坦性のよい赤外線反射部材９ｅが抵抗体４ａの近くに配置されるため、エネルギー利用効率が高い赤外線光源とすることができる。但し、抵抗体４ａから放射される赤外線を赤外線反射部材９ｅで効率良く反射するためには、抵抗体４ａと赤外線反射部材９ｅの間隔を、赤外線の波長以上に設定する必要がある。従って、図９の赤外線光源１０５を図１０（ａ），（ｂ）の赤外線検知式ガスセンサ９０１，９０２に適用する場合には、抵抗体４ａと赤外線反射部材９ｅの間隔を、ガス検知に必要な波長帯域（１〜１０μｍ）以上の間隔に設定する。

尚、図９に示す赤外線反射部材９ｅが基板に対して浮いた膜状態で配置された赤外線光源１０５も、一般的な半導体基板の選択エッチング技術を利用して製造できる。従って、図９の赤外線光源１０５についても、安定的で安価に製造することができる。

（他の実施形態）
上記の各実施形態では、半導体基板上に形成されたメンブレン構造の抵抗体を有し、抵抗体に対向して、赤外線反射部材を配置した赤外線光源の例を示した。メンブレン構造の抵抗体は、半導体基板上に限らず、ガラス基板等の別材料の基板に形成されてもよい。

（ａ）は、第１実施形態における赤外線光源の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。（ａ）は、第１実施形態における異なる開口部形状を持つ別の赤外線光源の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。第１実施形態の赤外線光源の製造工程を示すフロー図である。図２の赤外線光源の製造途中における断面図である。（ａ），（ｂ）は、図２の赤外線光源の製造途中における平面図と断面図である。（ａ），（ｂ）は、図２の赤外線光源の製造途中における平面図と断面図である。第２実施形態における赤外線光源の断面図である。第２実施形態における別の赤外線光源の断面図である。第３実施形態における赤外線光源の断面図である。（ａ），（ｂ）は、２種類の赤外線検知式ガスセンサの模式的な断面図である。

符号の説明

９０，１０１〜１０５赤外線光源
９０ｓ，１（半導体）基板
２，３絶縁膜
９０ｒ，４ａ，４ｂ抵抗体
５層間絶縁膜
６ａ，６ｂ電極配線
７保護膜
８ａ，８ｂ開口部
９ａ〜９ｅ赤外線反射部材
１０ｃ，１０ｄ台座
Ｓａ〜Ｓｅ空隙
９０１，９０２赤外線検知式ガスセンサ

Claims

基板上に抵抗体が形成され、
前記抵抗体の下部の基板に空隙が形成されて、基板に対して浮いた膜状態にある抵抗体を通電して発熱させることによって赤外線を発光させる赤外線光源であって、
前記空隙を構成する面の一部に、前記抵抗体に対向して、金属からなる赤外線反射部材が、基板に対して浮いた膜状態で配置されてなることを特徴とする赤外線光源。
前記基板が半導体基板であり、
当該半導体基板上に、赤外線反射部材、半導体層、絶縁膜、前記抵抗体が順に膜形成され、
前記空隙が、前記絶縁膜に形成された開口部を介して、前記抵抗体の下部に位置する半導体層をエッチングすることによって形成されると共に、
前記基板に対して浮いた膜状態の赤外線反射部材が、前記半導体基板の抵抗体が形成された面と反対側の面から、前記抵抗体の下部に位置する半導体基板をエッチングすることによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の赤外線光源。
前記赤外線反射部材が、金、白金、アルミニウム、クロムの少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線光源。
前記赤外線光源が、特定波長の赤外線吸収量により被測定ガスの種類および濃度を測定する、赤外線検知式ガスセンサの赤外線光源として用いられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の赤外線光源。
前記抵抗体と前記赤外線反射部材の間隔が、前記被測定ガスの赤外線吸収波長より、大きく設定されることを特徴とする請求項４に記載の赤外線光源。