JP4207128B2 - 赤外線光源装置と赤外線ガス分析計 - Google Patents

Description

本発明は、性能、寿命が向上され、製作が容易な寿命が向上され製作赤外線光源装置に関するものである。

赤外線光源装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開２００１−２２１７３７号公報

ガス分析においては、ガスの種類によって吸収される赤外線の波長が異なることを利用し、この吸収量を検出することによりそのガス濃度を測定する、非分散赤外線（Ｎｏｎ−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ＩｎｆｒａＲｅｄ）ガス分析計（以下、ＮＤＩＲガス分析計と記す）が使用されている。

ＮＤＩＲガス分析計は、寸法を特定したセル内に被測定ガスを導入し、被測定ガスに赤外光を入射し、ある特定した赤外波長帯の強度の減衰量から被測定ガス成分の濃度を測定するもので、例えば二酸化炭素を測定する場合には、４．２５μｍ近傍の赤外線の透過量を測定すれば良い。

図４はＮＤＩＲガス分析計の構成図である。図４において、ＮＤＩＲガス分析計は、セル１００と、赤外線光源１０１と、波長選択フィルタ１０２と、赤外線検出器１０３と、赤外線検出器の信号を処理する信号処理回路（図示しない）とから構成されている。

セル１００の内部には被測定ガスが供給され、赤外線光源から放射されて被測定ガスに照射された赤外光は、波長選択フィルタ１０２に入射する。そして、被測定ガスの吸収特性に対応した波長帯域近傍の赤外光が波長選択フィルタ１０２を透過し、赤外線検出器１０３により検出され、信号処理回路は、赤外線検出器１０３からの信号に基づいて被測定ガスの濃度を算出する。

図５（ａ）は、従来の赤外線光源の平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した赤外線光源のＡ−Ａ‘断面図である。
図５（ａ），（ｂ）において、赤外線光源は、シリコン基板１０に形成された凹部１１の両端に、マイクロブリッジ状のフィラメント１２が固定されるように形成されている。

フィラメント１２は、シリコン基板１０上に形成された二酸化シリコン１３の上に、ボロンが高濃度にドープされた多結晶シリコン層１４を形成した後、この多結晶シリコン層１４を直線状にパターニングすることによりその平面形状が形成されている。

そして、シリコン基板１０の両面に形成された二酸化シリコン１３をマスクとして、フィラメント１２下部のシリコン基板１０を異方性の濃度差エッチングして凹部１１を形成することにより、直線状のフィラメント１２が凹部１１上の中空に浮き、その両端が凹部１１の両端に固定されたマイクロブリッジ構造を形成している。

そして、多結晶シリコン層１４上に形成された二酸化シリコン１５を窓開け加工した後、フィラメント１１に通電可能に電極１６ａ，１６ｂを形成し、この電極１６ａ，１６ｂを介してフィラメント１２に電流を流すと、フィラメント１２は発熱しその温度に対応した赤外線を放出する。

このような赤外線光源は、熱応答特性が高速であると共に、赤外線放射率が高く、簡単な駆動回路で駆動することができる。また、その製造においては、半導体製造プロセスを使用するので、高性能な赤外線光源を低コストに大量生産することができる。

しかしながら、このような装置においては、フィラメントは不純物の拡散により形成されるので、いずれもフィラメントとなるシリコン梁の厚さ方向の不純物濃度に拡散による分布が生じ、その分布差により内部応力が生じ、反りなどの変形が生じる。
また拡散の深さも物理的に限界があり、設計の自由度が少ない。

本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、前述のフィラメントの不純物濃度分布を解消し、機械的にも均一な成膜方法を用い、かつより安価な赤外線光源装置を提供することを目的とする。

このような課題を達成するために、本発明では、請求項１の赤外線光源装置においては、
基板にマイクロブリッジ状に形成されるフィラメントを有し、このフィラメントに通電して発熱させることにより赤外線を発光させる赤外線光源装置において、
厚さ方向に不純物濃度が均等になるように不純物が添加されたシリコンからなりエピタキシャル装置を利用して不純物が添加されつつ堆積されてエッチング形成されたフィラメントを具備したことを特徴とする赤外線光源装置。

被測定ガスに赤外線を照射する光源と、被測定ガスを透過した赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、前記赤外線検出器の出力に基づいて前記被測定ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計において、
前記光源として、請求項１記載の赤外線光源装置が使用されたこと
を特徴とする赤外線ガス分析計。

本発明の請求項１によれば、次のような効果がある。
厚さ方向に不純物濃度が均等になるように不純物が添加されつつ堆積されたポリシリコンからなり、エッチング形成されたフィラメントが使用されたので、フィラメントとなる梁の厚さ方向に不純物濃度が均一となり、不純物濃度に起因する梁の初期ひずみを低減することができ、性能、寿命が向上され、製作が容易な赤外線光源装置が得られる。

また、フィラメントは、エピタキシャル装置を利用して不純物が添加されつつ堆積されてエッチング形成されることで、高い堆積レートで、残留応力も少なく、膜厚分布も少ないフィラメント厚さの広い設計範囲が実現でき、設計自由度の高い赤外線光源装置が得られる。
高価なＳＯＩ基板を必要としないためので、エピタキシャル装置は市場性があり比較的安価に入手出来るので、安価な赤外線光源装置が得られる。

本発明の請求項２によれば、次のような効果がある。
請求項１記載の赤外線光源装置を使用することで、性能、寿命が向上され、部品の交換頻度が減少でき、また部品コストを低減できる赤外線ガス分析計が得られる。
請求項１記載の赤外線光源装置を使用するようにしたので、機能、寿命が向上され製作し易い赤外線光源装置が得られる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例の要部構成説明図である。

図において、フィラメント２１は、厚さ方向に不純物濃度が均等になるように不純物が添加されつつ堆積されたポリシリコンからなりエッチング形成されている。
この場合は、フィラメント２１は、エピタキシャル装置を利用して不純物が添加されつつ堆積されてエッチング形成されている。
この場合、凹部２２は裏面から異方性エッチングを用いて形成されている。

以上の構成において、フィラメント２１となる梁の部分として、エピタキシャル装置などで不純物を添加しつつ堆積させた多結晶シリコンを用い、空中に浮かんだ梁構造に加工し、この梁に通電し発生するジュール熱でもって赤外線光源とする。

この結果、
厚さ方向に不純物濃度が均等になるように不純物が添加されつつ堆積されたポリシリコンからなり、エッチング形成されたフィラメント２１が使用されたので、フィラメント２１となる梁の厚さ方向に不純物濃度が均一となり、不純物濃度に起因する梁の初期ひずみを低減することができ、性能、寿命が向上され、製作が容易な赤外線光源装置が得られる。

フィラメント２１は、エピタキシャル装置を利用して不純物が添加されつつ堆積されてエッチング形成されることで、高い堆積レートで、残留応力も少なく、膜厚分布も少ないフィラメント厚さの広い設計範囲が実現でき、設計自由度が高い赤外線光源装置が得られる。
高価なＳＯＩ基板を必要としないためので、エピタキシャル装置は市場性があり比較的安価に入手出来るので、安価な赤外線光源装置が得られる。

裏面から異方性エッチングを用いて凹部２２が形成されているので、最も容易な半導体プロセスで実現が可能である。但し、異方性エッチングの開口により、集積度に難が生ずる赤外線光源装置が得られる。。

図２は本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
本実施例においては、フィラメント３１は、厚さ方向に不純物濃度が均等になるように不純物が添加されつつ堆積されてエッチング形成されポリシリコンからなる。

この場合は、フィラメント３１は、エピタキシャル装置を利用して不純物が添加されつつ堆積されてエッチング形成されている。
この場合、凹部３２は表面から異方性エッチングを用いて形成されている。

この結果、特別な装置なしで実現可能であるが、半導体プロセスの難度が最も高い。
集積化も可能で、裏面が全面使用できるので放熱に関して有利な赤外線光源装置が得られる。

図３は本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
本実施例においては、フィラメント４１は、厚さ方向に不純物濃度が均等になるように不純物が添加されつつ堆積されてエッチング形成されポリシリコンからなる。

この場合は、フィラメント３１は、エピタキシャル装置を利用して不純物が添加されつつ堆積されてエッチング形成されている。
この場合、凹部４２は裏面からＤＲＹエッチングを用いて形成されている。

この結果、ＤＲＹエッチングでは、特別な装置が必要であるが、半導体プロセス容易であり、集積化も可能な赤外線光源装置が得られる。

なお、被測定ガスに赤外線を照射する光源と、被測定ガスを透過した赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、赤外線検出器の出力に基づいて被測定ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計の光源として、上記の赤外線光源装置が使用出来る。

この結果、性能、寿命が向上され、部品の交換頻度が減少でき、また部品コストを低減できる赤外線ガス分析計が得られる。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。

本発明の一実施例の要部構成説明図でプラテンの平面図である。 本発明の他の実施例の要部構成説明図でプラテンの平面図である。 本発明の他の実施例の要部構成説明図でプラテンの平面図である。 従来より一般に使用されている従来例の構成説明図である。 従来より一般に使用されている他の従来例の構成説明図である。

符号の説明

１０ シリコン基板
１１ 凹部
１２ フィラメント
１３ 二酸化シリコン
１４ 多結晶シリコン層
１５ 二酸化シリコン
１６ａ 電極
１６ｂ 電極
２１ フィラメント
２２ 凹部
３１ フィラメント
３２ 凹部
４１ フィラメント
４２ 凹部
１００ セル
１０１ 赤外線光源
１０２ 波長選択フィルタ
１０３ 赤外線検出器

Claims (2)

1. 基板にマイクロブリッジ状に形成されるフィラメントを有し、このフィラメントに通電して発熱させることにより赤外線を発光させる赤外線光源装置において、
   厚さ方向に不純物濃度が均等になるように不純物が添加されたシリコンからなりエピタキシャル装置を利用して不純物が添加されつつ堆積されてエッチング形成されたフィラメント
   を具備したことを特徴とする赤外線光源装置。
2. 被測定ガスに赤外線を照射する光源と、被測定ガスを透過した赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、前記赤外線検出器の出力に基づいて前記被測定ガスの濃度を測定する赤外線ガス分析計において、
   前記光源として、請求項１記載の赤外線光源装置が使用されたこと
   を特徴とする赤外線ガス分析計。

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