JP4214178B2 - 赤外光源およびその製造方法 - Google Patents
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Description
P 3.0マイクロ・メータ
D 1.0マイクロ・メータ
T 0.35マイクロ・メータ
発熱体温度は、250℃、格子部面積8mm×8mmの赤外光源で単位面積当たりの放射強度は0.01〜 0.1W/cm2/μm程度である。
本発明によれば、構造が簡単であり、広い分野に応用することのできる、特定波長の赤外光源が得られる。
本実施形態では、基板上に成膜された平坦表面に直接、格子部を形成する。ガラス等の基板(1a)表面に金等(1b)を成膜し、その上にレジストを塗布し、電子線描画、干渉露光、マスク露光等により格子パターンを形成する。ドライエッチング等により表面に格子を作製する。あるいはマスター格子を直接インプリンティングし表面に格子を作製する方法である。基板と金との間に樹脂(プラスチック)やガラス等を挟んだ構造でもよい。
格子部を形成するための基板(2a)(樹脂、金属、半導体等、本実施形態ではSi基板)にレジスト(2b)を塗布する(図22(a))。つぎに電子線描画あるいは干渉露光、マスク露光により格子パターンを形成し(図22(b))、ドライエッチング等により突起のアレイを作製する(図22(c))。以上の突起アレイを作製する工程にはナノインプリンティング技術を用いても良い。
本実施形態では表面に溝のアレイが加工された金型(3b)を用いて、熱可塑性樹脂やゴムの基板等(3a)の表面に突起のアレイを転写する(図23(a))。金型は、Si基板等にレジストを塗布し、電子線描画、干渉露光、マスク露光等により格子パターンを形成する方法、金型表面に直接レジスト塗布し、電子線描画、干渉露光、マスク露光等により格子パターンを形成、ドライエッチング等により微細パターンを形成する方法、機械的な加工により形成する方法などにより作製することができる。熱可塑性樹脂としては耐熱性を有する樹脂等が利用できる。また、転写方法としては、射出成形、ナノインプリンティング成形等が利用できる。
本実施形態ではSi基板(4a)の上にSiO2層(4b)さらにその上にSi層(4g)が形成されたSOI基板を用いる。最表面のSi層(図24の4g)の面方位を110方向とし、厚さを作製したい格子の深さに設定しておく。SOI基板にレジスト(4c)を塗布し(図24(a))、電子線描画、干渉露光、マスク露光等により格子パターンを形成する(図24(b))。これをKOH水溶液でエッチングすると、結晶面によるエッチング速度の違いにより、Si層は表面に垂直にエッチングが進み、SiO2層に到達したところでエッチングが終了し、Siの矩形格子を作製できる(図24(c))。つぎに、レジストを除去した後にSiの格子上にAu等(4d)を成膜する(図24(d))。この時の膜厚は全ての面について表皮深さ(Auの場合20〜30nm)の数倍の膜厚が必要である。成膜法は、真空蒸着法やスパッタリング法のほか、特に膜厚の均一性の高い原子層堆積(ALD)法が有効である。比較的厚い膜が得やすい方法として、Au超微粒子分散液をスピンコートなどで塗布した後、焼結する方法や、電解メッキ、無電解メッキなどの電気化学的手法などがある。
本実施形態ではSi基板(5a)の上にSiO2層(5b)さらにその上にSi層(5e)が形成されたSOI基板を用いる。図24の例と同様に、最表面のSi層(5e)の面方位を110方向とし、厚さを作製したい格子の深さに設定しておく。また、Si基板(5a)の面方位は100方向とする。
本実施形態では、表面に格子深さより厚い熱酸化膜(SiO2膜)(6b)を有するSi基板(6a)を使用する。Si基板の面方位は100方向とする。
本実施形態では表面に格子深さと等しい熱酸化膜(SiO2)(7b)を有するSi基板(7a)を使用する。Si基板の面方位は100方向とする。基板にレジスト(7c)を塗布し(図7(a))、電子線描画、干渉露光、マスク露光等により格子パターンを形成する(図27(b))。角度のついた格子パターンは、描画速度の制御や加工の前後の温度処理などで制御が可能である。ドライエッチング等で格子を作製する際に、エッチングの最中にエッチング角度を制御することでテーパーの付いた格子を作成する(図27(c))。レジスト除去後にこの格子溝部にAu等(7d)を成膜法などによって成膜する(図27(e))。成膜法は、真空蒸着法やスパッタリング法のほか、特に膜厚の均一性の高い原子層堆積(ALD)法が有効である。比較的厚い膜が得やすい方法として、Au超微粒子分散液をスピンコートなどで塗布した後、焼結する方法や、電解メッキ、無電解メッキなどの電気化学的手法などがある。またAuの埋め込み後に塗布する接着剤との密着を確保するためにCrなどの密着層を成膜しても良い。
本実施形態では表面に格子深さと等しいAu(8b)を有するSi基板(8a)を使用する。Si基板の面方位は100方向とする。基板にレジスト(8c)を塗布し(図28(a))、電子線描画、干渉露光、マスク露光等により格子パターンを形成する(図28(b))。ドライエッチング等により表面にテーパーの付いた格子を作製する(図28(c))。レジスト除去後にこの格子溝部に、成膜法によって酸化膜(SiO2)等を成膜し、流体研磨やMCP(Mechanochemical polishing)などでAu表面が現れるまで平坦にした後、表面にAu膜(8b)を形成する(図28(e))。成膜法は、真空蒸着法やスパッタリング法のほか、特に膜厚の均一性の高い原子層堆積(ALD)法が有効である。またAuに塗布する接着剤との密着を確保するためにCrなどの密着層を成膜しても良い。
本実施形態では、表面に格子深さと等しいか薄い熱酸化膜(SiO2)(9b)を有するSi基板(9a)を使用する。Si基板の面方位は100方向とする。基板にレジスト(9c)を塗布し(図29(a))、電子線描画、干渉露光、マスク露光等により格子パターンを形成する(図29(b))。ドライエッチング等によりSiO2を加工し表面に突起のアレイを作製する(図29(c))。この格子表面にAu等(9d)を成膜する(図29(d))。成膜するAuの膜厚は全ての面について表皮深さ(Auの場合20〜30nm)の数倍の膜厚が必要である。成膜法は、真空蒸着法やスパッタリング法のほか、特に膜厚の均一性の高い原子層堆積(ALD)法が有効である。比較的厚い膜が得やすい方法として、Au超微粒子分散液をスピンコートなどで塗布した後、焼結する方法や、電解メッキ、無電解メッキなどの電気化学的手法などがある。またAuの成膜後に塗布する接着剤との密着を確保するためにAu膜上にCrなどの密着層を成膜しても良い。
本実施形態では、フレキシブルで大面積の赤外光源を実現する例を示すものである.
たとえば、一方の表面に溝のアレイが加工された一対のローラー(10a、10b)を用い、加熱して押圧することにより、プラスチックシートの片面に突起のアレイをエンボス加工する(図30(a))。厚さ10〜100μm程度のポリエステル、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレンなどにホログラムのような微細構造を転写する技術は十分に確立されている。
図31は、熱絶縁された赤外光源の具体的な実施形態を示す。赤外光源は、図25に示した方法によって作製される。
図32は、1個の発熱体上に複数種類の格子を設けた赤外光源の格子の配置を示す図である。1種類の格子とは、一つの方向に偏光した、一つの特定波長の赤外光を放射する格子である。複数種類の格子とは偏光の方向あるいは特定波長の異なる赤外光を放射する格子である。
図33は、赤外光源パッケージの製造方法を示す図である。赤外光源パッケージとは、1個または複数の赤外光源を内蔵し、外部から電力を供給する端子を有するものである。複数の赤外光源はそれぞれ発熱体を備え、それぞれの発熱体に独立に電力を供給できる。赤外光源パッケージの一つの形態は、金属、セラミック、ガラスなどの筐体に密閉され、内部は真空であるか、あるいはN2、Ar、Kr、Xeなどの不活性ガス、あるいはその他の気体が封入され,必要に応じて不要な気体を吸着するゲッター材料も封入されたものである。その窓材は、Si、Ge、サファイア、ZnS、BaF2、CaF2、PbF2などの赤外線透過材料でできている。赤外光源パッケージのもう一つの形態は,窓材がなく,密閉されておらず,赤外光源が外界に露出したものである。
図34は、赤外光源パッケージの種々の形態を示す図である。窓(14j)は、レンズ機能を有していてもよい。窓(14j)の材料は、赤外線を透過させるSi,Ge、サファイア、ZnSe、BaF2、CaF2、PbF2などである。
図35は、半導体チップ(15d)を使用して作製された赤外光源の構成を示す図である。集積化された各赤外光源を異なる偏光方向、異なる波長、異なる面積にすることにより、半導体チップ(15d)上に様々な組み合わせの赤外光源を作製することができる。半導体チップ(15d)上には、電極パッド(15a)、格子部(15b)、熱絶縁される領域(15c)が設けられる。熱絶縁のための開口(15c)は、中空または熱絶縁物質で充填される。
1. MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術等で作製することが可能であり作製が容易である。
2. 熱絶縁された構造である為、動作時の熱の影響による不良率低減が可能である。
3. 赤外光源格子部以外は熱絶縁された構造である為、熱時定数を小さくすることが出来るので高速変調が可能となる。
4. MEMS技術等を利用すれば1チップ上に独立した赤外光源を集積化できる。
1. 電気的に各赤外光源を切り替えることにより、可動部の無い波長スキャン発光素子となる。
2. 赤外光源の集積化、アレイ化により、コンパクトな、多波長赤外光源、赤外波長スキャン素子、赤外分光器などを実現できる。
2. 赤外光源の集積化、アレイ化により、コンパクトな、多波長赤外光源、赤外波長スキャン素子、赤外分光器などを実現できる。
図38は、赤外光源(18a)のアレイ、電極パッド(18b)、変調回路(18c)、温度制御回路(18d)ノイズカット回路(18e)などを集積化した装置の構成を示す図である。電子回路をチップ内に集積化すると、電極パッドの数を削減できるので、スペースを小さくすることもできる。
図39は、1チップ(27d)上に赤外光源(27b)および赤外検出素子(27c)を搭載した投受光素子の構成を示す図である。気体導入部(27f)から気体を測定セル(27e)に導入し気体排出部(27g)から排出する。分析したい気体の吸収波長に合致した波長の赤外光源を発光させて、反射鏡(27d)からの反射光を検出することにより、気体濃度を測定することができる。1チップ上に赤外光源(27b)および赤外検出素子(27c)を設けたことによりコンパクトな分析システムが得られる。
実施形態20は、実施形態8と同じである。実施形態8においては、主に製造方法を記載した。ここでは、設計方法および機能について記載する。
D 0.01−0.8マイクロ・メータの範囲で最適化
T 0.1マイクロ・メータ
λ 4.0マイクロ・メータ
図42に示すように、格子深さDおよび所定の角度θを調整することにより、所定の角度が90度の格子の赤外線強度比よりも高い赤外線強度比が得られる。図42は、所定の角度が90度以下の場合について示しているが、90度よりも大きな場合も同様に所定の角度が90度の格子の赤外線強度比よりも高い赤外線強度比が得られる。
実施形態21は、負の誘電体として機能する部分Aおよび正の誘電体として機能する部分Bの一方または両方が複数の物質から形成される格子である。
二酸化炭素が特定の赤外光を吸収することを利用し、その波長の赤外線の減衰率を検出することにより、二酸化炭素濃度を検出する。
赤外線分光器においては、従来、シリコンカーバイド光源、ハロゲン光源、セラミック光源などが使用されており、これらの光源からの光を、フィルタや回折格子などを使用して分光する。本発明による赤外光源を使用することにより、フィルタや回折格子の負荷が軽減し、効率が向上する。
赤外線を利用した分析装置は、シリコンカーバイド光源、ハロゲン光源、セラミック光源などからの光を、赤外線分光器で特定の波長成分に分離し、標本に照射し、標本の反射量や透過量を測定することにより、標本の状態を分析する。本発明による赤外光源を使用することにより、赤外線分光器の負荷が軽減し、場合によっては、赤外線分光器が不要となる。
路面に、水分の吸収波長である2乃至7マイクロ・メータの赤外線を照射し、反射量をセンサによって観察することにより、路面状況に関する情報を取得する。また、土が吸収する波長の赤外線を路面に照射し、反射量をセンサによって観察することにより、路面状況に関する情報を取得する。
8乃至14マイクロ・メータの遠赤外線を人体に照射する医療器具が使用されている。光源としてはランプ、発光ダイオードおよびレーザダイオードなどが使用されている。発光ダイオードおよびレーザダイオードは、特定の波長のものしか存在しない。ランプの場合には、光の波長範囲が広いので、入力電力のほとんどが不要な光として放射されている。本発明による赤外光源を使用することにより、所望の波長の光源が得られるので、効率的に治療を行うことができる。
糖度計は、赤外光を対象物に照射し、透過量または吸収量を測定することにより糖度または酸度を測定する。光源としては、従来、ハロゲンランプ、発光ダイオードおよびレーザダイオードなどが使用されている。ハロゲンランプなどを使用すると、冷却装置が必要となり装置が大型化する。発光ダイオードおよびレーザダイオードは、特定の波長のものしか存在しない。本発明による赤外光源を使用することにより、所望の波長の光源が得られるので、糖度に関する、より多くの情報を取得することができる。
水分計は、赤外光を対象物に照射し、水分子による吸収量を測定することによって水分量を測定する。光源としては、従来、ハロゲンランプなどが使用されている。ハロゲンランプは、光の波長範囲が広いので、入力電力のほとんどが不要な光として放射されている。本発明による赤外光源を使用することにより、所望の波長の光源が得られるので、効率的に水分量を測定することができる。
赤外光の光源を備えた投光器と赤外光のセンサ備えた受光器からなる。光源から射出された赤外光が、光径路中の物体によって遮蔽されセンサによって検出されない場合に、物体が存在することを検出する。光径路に反射板を備え、投光器と受光器を一体型としたものもある。本発明による赤外光源を使用することにより、たとえば、太陽光や照明光のスペクトル成分が小さい波長を選択して使用することが可能となり、太陽光や照明光によるノイズを低減することができる。
車載レーダは、ミリ波や赤外光を発射し、その反射を測定することにより、たとえば、先行車や障害物の位置を検出するのに使用される。車載レーダとして、高価なミリ波レーダに代わり、発光ダイオードやレーザダイオード光源のレーダが使用され始めている。発光ダイオードおよびレーザダイオードは、特定の波長のものしか存在しない。本発明による赤外光源を使用することにより、所望の波長の光源が得られるので、より多くの情報を取得することができる。
赤外ランプに金をコーティングした反射鏡を組み合わせた赤外線ヒータが、非接触で対象物を加熱するために使用されている。従来の赤外ランプは、プランク則に基づいて広い波長範囲の赤外光を対象物に照射する。対象物が吸収しにくい波長の赤外光は、有効に加熱に利用されることなく、無駄に散逸されるため効率が低かった。
実施形態10(図30)に示したような、表面に特定の波長の赤外光を放射するような格子を有するシートは、それを有限の(絶対零度ではない)温度を持つ任意の物体の表面に貼り付けることにより、その物体を、特定の波長および特定の偏光を持つ赤外光を放射する赤外光源に変えることができる。あるいはその物体の放射スペクトル分布を適当に変更することにより、他から赤外光により検知されやすくしたり、逆に検知されにくくしたりすることもできる。例えば、オーブンの内壁に水の吸収しやすい赤外光を放射するシートを貼り付けておくと、水分を選択的に効率良く加熱して調理することができる。最近では、夜間や見通しの悪い気象条件下でも歩行者の視認を容易にするために赤外線カメラが自動車などに搭載され始めている。このカメラの感度の高い波長に設定したシートを衣服や靴に組み込み,人体を熱源として赤外光を放射すれば、その歩行者が自動車から認知される確率を向上し、さらに安全性を高めることができる。あるいは、逆に、ある物体が、特定の波長の赤外光を追尾する装置により検知されることを回避したい場合には、物体の高温になる部分を特定の波長とは異なる波長の赤外光を放射するようなシートで覆っておけば,輻射による熱放出機能は保ったままで、検知を困難にすることができる。
図36および図37に示したように、赤外光源を1次元または2次元のアレイとして1チップ上に搭載する。この場合アレイの各赤外光源は全体として熱容量の小さい形態にすることにより高速応答可能な複数の波長を発光する、赤外光源アレイを実現することができる。熱容量の小さな赤外光源は、たとえば、実施形態11による赤外光源である。発熱体温度として300℃程度とすれば、波長数μm以上の赤外領域全体をカバーできる。ミリ秒〜秒オーダー程度の熱時定数が実現可能であるので、動作周波数としては10-2〜102Hzオーダー程度が得られる。
Claims (22)
- 発熱体と、正の誘電体として機能する部分および負の誘電体として機能する部分を一定方向に一定周期で交互に形成した格子とを備え、前記発熱体の放射エネルギを、前記格子の配列方向と直交する偏光面を有する、前記格子の形状によって定まる特定の波長の赤外線に集中させて放射する赤外光源であって、
前記格子が、前記一定周期をP、前記正の誘電体として機能する部分の上面における、前記一定方向の幅をT、格子深さをD、前記負の誘電体として機能する部分と前記正の誘電体として機能する部分との境界面の、前記格子の面に対する角度をθとし、特定の波長をλとした場合に
- 発熱体と、正の誘電体として機能する部分および負の誘電体として機能する部分を一定方向に一定周期で交互に形成した格子とを備え、前記発熱体の放射エネルギを、前記格子の配列方向と直交する偏光面を有する、前記格子の形状によって定まる特定の波長の赤外線に集中させて放射する赤外光源であって、
前記負の誘電体として機能する部分の表面のみが負の誘電体材料からなる赤外光源。 - 発熱体と、正の誘電体として機能する部分および負の誘電体として機能する部分を一定方向に一定周期で交互に形成した格子とを備え、前記発熱体の放射エネルギを、前記格子の配列方向と直交する偏光面を有する、前記格子の形状によって定まる特定の波長の赤外線に集中させて放射する赤外光源であって、
前記負の誘電体として機能する部分が複数種類の負の誘電体材料からなる赤外光源。 - 発熱体と、正の誘電体として機能する部分および負の誘電体として機能する部分を一定方向に一定周期で交互に形成した格子とを備え、前記発熱体の放射エネルギを、前記格子の配列方向と直交する偏光面を有する、前記格子の形状によって定まる特定の波長の赤外線に集中させて放射する赤外光源であって、
前記正の誘電体として機能する部分が複数種類の正の誘電体材料からなる赤外光源。 - 発熱体と、正の誘電体として機能する部分および負の誘電体として機能する部分を一定方向に一定周期で交互に形成した格子とを備え、前記発熱体の放射エネルギを、前記格子の配列方向と直交する偏光面を有する、前記格子の形状によって定まる特定の波長の赤外線に集中させて放射する赤外光源であって、
複数の特定波長にそれぞれ対応する複数の格子を備えた赤外光源。 - 発熱体と、正の誘電体として機能する部分および負の誘電体として機能する部分を一定方向に一定周期で交互に形成した格子とを備え、前記発熱体の放射エネルギを、前記格子の配列方向と直交する偏光面を有する、前記格子の形状によって定まる特定の波長の赤外線に集中させて放射する赤外光源であって、
異なる方向に配列された2種類以上の格子を備えた赤外光源。 - 発熱体と、正の誘電体として機能する部分および負の誘電体として機能する部分を一定方向に一定周期で交互に形成した格子とを備え、前記発熱体の放射エネルギを、前記格子の配列方向と直交する偏光面を有する、前記格子の形状によって定まる特定の波長の赤外線に集中させて放射する赤外光源であって、
複数種類の格子を備え、各種類の格子からの放射強度が希望の比率となるように、各種類の格子の面積の比率を調整した赤外光源。 - 発熱体と、正の誘電体として機能する部分および負の誘電体として機能する部分を一定方向に一定周期で交互に形成した格子とを備え、前記発熱体の放射エネルギを、前記格子の配列方向と直交する偏光面を有する、前記格子の形状によって定まる特定の波長の赤外線に集中させて放射する赤外光源であって、
前記一定方向に沿って、前記特定の波長が変化するように前記格子の形状を変化させた赤外光源。 - 発熱体と、正の誘電体として機能する部分および負の誘電体として機能する部分を一定方向に一定周期で交互に形成した格子とを備え、前記発熱体の放射エネルギを、前記格子の配列方向と直交する偏光面を有する、前記格子の形状によって定まる特定の波長の赤外線に集中させて放射する赤外光源であって、
フレキシブルなシートとして形成された赤外光源。 - それぞれが、発熱体と、正の誘電体として機能する部分および負の誘電体として機能する部分を一定方向に一定周期で交互に形成した格子とを備え、前記発熱体の放射エネルギを、前記格子の配列方向と直交する偏光面を有する、前記格子の形状によって定まる特定の波長の赤外線に集中させて放射する、複数の赤外光源と、
前記複数の赤外光源のそれぞれの発熱体に電力を供給する電源と、を備え、
前記複数の赤外光源のそれぞれの発熱体に電力を供給するタイミングを時間的にシフトさせ、前記複数の赤外光源のそれぞれが時間的にシフトしたタイミングで赤外線を放射するように構成した赤外光源装置。 - それぞれが、発熱体と、正の誘電体として機能する部分および負の誘電体として機能する部分を一定方向に一定周期で交互に形成した格子とを備え、前記発熱体の放射エネルギを、前記格子の配列方向と直交する偏光面を有する、前記格子の形状によって定まる特定の波長の赤外線に集中させて放射する、複数の赤外光源と、
前記複数の赤外光源のそれぞれの発熱体に電力を供給する電源と、を備え、
前記複数の赤外光源のそれぞれは、前記電源によって電力を供給されると異なる波長の赤外線を放射するように構成した赤外光源装置。 - それぞれが、発熱体と、正の誘電体として機能する部分および負の誘電体として機能する部分を一定方向に一定周期で交互に形成した格子とを備え、前記発熱体の放射エネルギを、前記格子の配列方向と直交する偏光面を有する、前記格子の形状によって定まる特定の波長の赤外線に集中させて放射する、複数の赤外光源が半導体チップ上に配置された赤外光源装置。
- 前記複数の赤外光源の偏光面の方向が異なる請求項12に記載の赤外光源装置。
- 前記複数の赤外光源の特定の波長が異なる請求項12に記載の赤外光源装置。
- 前記複数の赤外光源の面積が異なる請求項12に記載の赤外光源装置。
- 発熱体と、正の誘電体として機能する部分および負の誘電体として機能する部分を一定方向に一定周期で交互に形成した格子とを備え、前記発熱体の放射エネルギを、前記格子の配列方向と直交する偏光面を有する、前記格子の形状によって定まる特定の波長の赤外線に集中させて放射する赤外光源の製造方法であって、プラスチックによって前記格子の型を形成し、該型の表面に負の誘電体材料を成膜することによって、前記負の誘電体として機能する部分を形成する赤外光源の製造方法。
- 発熱体と、正の誘電体として機能する部分および負の誘電体として機能する部分を一定方向に一定周期で交互に形成した格子とを備え、前記発熱体の放射エネルギを、前記格子の配列方向と直交する偏光面を有する、前記格子の形状によって定まる特定の波長の赤外線に集中させて放射する赤外光源の製造方法であって、基板上に前記格子の前記正の誘電体として機能する部分を形成し、前記正の誘電体として機能する部分の表面を覆うように前記負の誘電体として機能する部分の材料を埋め込み、前記基板と反対側の面において前記負の誘電体として機能する部分に発熱体を接続し、その後前記基板を除去する赤外光源の製造方法。
- 前記正の誘電体として機能する部分と前記負の誘電体として機能する部分との境界をなす前記格子の側面が、前記基板の面に対して所定の角度をなすように制御する請求項17に記載の赤外光源の製造方法。
- 請求項1から9のいずれか一項に記載された赤外光源を備えた分析システム。
- 請求項10から15のいずれか一項に記載された赤外光源装置を備えた分析システム。
- 請求項1から9のいずれか一項に記載された赤外光源を備えた監視システム。
- 請求項10から15のいずれか一項に記載された赤外光源装置を備えた監視システム。
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