JP4501705B2 - 赤外線放射素子 - Google Patents

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Description

本発明は、赤外線放射素子に関するものである。
従来から、赤外放射源を利用した各種の分析装置（例えば、赤外線ガス分析計など）が提供されているが、これらの分析装置で用いられている赤外放射源として代表的なものは、ハロゲンランプであって、大型で且つ寿命が比較的短いので、赤外線を利用してガスを検出する小型のガスセンサへの適用は難しい。なお、透光性の気密容器内に放射体としてのフィラメントを収納したハロゲンランプのような赤外放射源においては、フィラメントの形状や放射特性などを工夫することにより小型化を図ったものもあるが、気密容器を必要とするから、小型のガスセンサへの適用は難しいのが現状である。
そこで、小型化が可能な赤外放射源として、マイクロマシンニング技術を利用して形成する赤外線放射素子が各所で研究開発されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。
ここにおいて、上記特許文献１〜３には、シリコン基板などをマイクロマシンニング技術により加工して形成した矩形枠状の支持基板の一表面側において２点間に線状の発熱体を架け渡した所謂マイクロブリッジ構造の赤外線放射素子が記載されている。なお、この種のマイクロブリッジ構造の赤外線放射素子は、線状の発熱体への通電に伴うジュール熱により発熱体から赤外線を放射させるものである。
ところで、赤外線の吸収を利用してガスを検出するガスセンサにおいて検出精度を高くするためには、赤外線放射素子から放射される赤外線の放射量を安定させ短時間で計測することが望ましく、上述のマイクロブリッジ構造の赤外線放射素子では、支持基板が矩形枠状に形成されており、線状の発熱体の周囲が空気なので、発熱体と発熱体周囲との熱容量差を大きくすることができ、発熱体へ流す電流のオンオフに高速で応答するようになっている。
しかしながら、上記特許文献１〜３に開示された赤外線放射素子では、線状の発熱体の両端に設けたパッド間へ印加する電圧のオンオフに伴う応答速度を向上させるために、発熱体の周囲を空気または真空として発熱体と周囲との熱容量の差を大きくしてあるが、発熱体が線状の形状に形成されており両端部が支持基板に支持されているだけなので、発熱体が破損したり熱により溶断したりして寿命が短くなってしまうことがあった。
そこで、上記特許文献１〜３に開示された赤外線放射素子に比べて赤外線の放射量を増大させることができるとともに長寿命化を図ることが可能な赤外線放射素子として、多孔質シリコン層のような多孔質層を断熱層として採用した平面型の赤外線放射素子が提案されており、この種の平面型の赤外線放射素子としては、例えば、図７に示す構成ものがある。
図７に示す構成の赤外線放射素子Ａは、シリコン基板からなる半導体基板１の一表面側に多孔質シリコン層からなる断熱層２が形成されるとともに、断熱層２上に金属薄膜からなる発熱体層３が形成され、発熱体層３の両端部上それぞれにパッド４，４が形成されている。
特開平９−１５３６４０号公報（段落番号〔００２７〕、〔００２８〕、図２参照） 特開２０００−２３６１１０号公報（段落番号〔００１７〕、〔００１８〕、〔００１９〕、図１、図２参照） 特開平１０−２９４１６５号公報（段落番号〔００１４〕、〔００１５〕、図１参照）
ところで、赤外線放射素子Ａを間欠的に駆動する際の周波数については、赤外線放射素子Ａの断熱層２の断熱性が高いほど高周波とすることができるので、断熱層２の断熱性を高めて応答速度を速くしたいという要望があり、多孔質シリコン層からなる断熱層２の断熱性を高めるには多孔質シリコン層の多孔度を大きくすればよい。
しかしながら、図７に示した構成の赤外線放射素子Ａでは、発熱体層３上の各パッド４，４が半導体基板１の厚み方向において断熱層２に重複しており、発熱体層３の厚さが数μｍなので、断熱層２を構成する多孔質シリコン層の多孔度や厚さによっては、各パッド４，４それぞれへボンディングワイヤをワイヤボンディングする際の衝撃によって断熱層２が破損したり断熱層２にクラックが発生することがあった。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、応答速度の向上を図りながらも各パッドそれぞれへボンディングワイヤをワイヤボンディングする際の衝撃によって破損するのを防止することができる赤外線放射素子を提供することにある。
請求項１の発明は、支持基板の一表面側に前記支持基板よりも熱伝導率の小さな多孔質層からなる断熱層が形成されるとともに、前記断熱層よりも熱伝導率および導電率それぞれが大きな発熱体層が前記断熱層の表面側に形成され、前記支持基板の前記一表面側に前記発熱体層と接する一対のパッドが形成された赤外線放射素子であって、前記支持基板の前記一表面側において前記発熱体層よりも前記支持基板側で各パッドそれぞれと重複する部位に、前記断熱層の中央部に比べて機械的強度が高い高強度構造部を有し、前記支持基板が半導体基板からなるとともに、前記多孔質層が前記支持基板の前記一表面側の所定領域を多孔質化することにより形成された多孔質半導体層からなり、前記半導体基板の前記一表面側における前記所定領域の周辺部分であって前記半導体基板の厚み方向において前記各パッドそれぞれと重複する部位が、前記高強度構造部を構成するとともに、前記支持基板の前記一表面上に前記所定領域を陽極酸化処理にて多孔質化する際のマスクとして用いられ互いに離間した一対の導電性層が形成され、前記発熱体層が前記各導電性層それぞれの一部の上まで延設され、前記各導電性層それぞれにおける露出部位が前記パッドを構成してなることを特徴とする。
この発明によれば、応答速度の向上を図りながらも各パッドそれぞれへボンディングワイヤをワイヤボンディングする際の衝撃によって破損するのを防止することができる。
また、前記半導体基板の前記一表面側における前記所定領域の周辺部分であって前記半導体基板の厚み方向において前記各パッドそれぞれと重複する部位が前記高強度構造部を構成しているので、前記各パッドそれぞれへボンディングワイヤをワイヤボンディングする際の衝撃によって破損するのをより確実に防止することができる。
さらに、製造時に前記断熱層を形成する際のマスクを形成する工程と前記パッドを形成する工程とが別々に必要な場合に比べて、製造工程の簡略化による低コスト化を図れるとともに、前記半導体基板の前記厚み方向において前記各パッドが前記断熱層に重複するのを防止することができる。
請求項２の発明は、支持基板の一表面側に前記支持基板よりも熱伝導率の小さな多孔質層からなる断熱層が形成されるとともに、前記断熱層よりも熱伝導率および導電率それぞれが大きな発熱体層が前記断熱層の表面側に形成され、前記支持基板の前記一表面側に前記発熱体層と接する一対のパッドが形成された赤外線放射素子であって、前記支持基板の前記一表面側において前記発熱体層よりも前記支持基板側で各パッドそれぞれと重複する部位に、前記断熱層の中央部に比べて機械的強度が高い高強度構造部を有し、前記支持基板が半導体基板からなるとともに、前記多孔質層が前記支持基板の前記一表面側の所定領域を多孔質化することにより形成された多孔質半導体層からなり、前記半導体基板の前記一表面側における前記所定領域の周辺部分であって前記半導体基板の厚み方向において前記各パッドそれぞれと重複する部位が、前記高強度構造部を構成するとともに、前記支持基板の前記一表面上に前記所定領域を陽極酸化処理にて多孔質化する際のマスクとして用いられ互いに離間した一対のマスク部が形成され、各マスク部が前記支持基板の前記一表面上の絶縁膜と当該絶縁膜上の導電性層とからなり、前記発熱体層が前記各導電性層それぞれの一部の上まで延設され、前記各導電性層それぞれにおける露出部位が前記パッドを構成していることを特徴とする。
この発明によれば、応答速度の向上を図りながらも各パッドそれぞれへボンディングワイヤをワイヤボンディングする際の衝撃によって破損するのを防止することができる。また、前記半導体基板の前記一表面側における前記所定領域の周辺部分であって前記半導体基板の厚み方向において前記各パッドそれぞれと重複する部位が前記高強度構造部を構成しているので、前記各パッドそれぞれへボンディングワイヤをワイヤボンディングする際の衝撃によって破損するのをより確実に防止することができる。さらに、前記半導体基板の厚み方向において前記パッドと前記高強度構造部との間に絶縁膜が存在するので、前記発熱体層への通電時に前記支持基板を通るリーク電流が流れるのを抑制することができ、応答速度が速くなるとともに、低消費電力化を図れる。しかも、製造時に前記断熱層を形成する際のマスクを形成する工程と絶縁膜を形成する工程と前記パッドを形成する工程とが別々に必要な場合に比べて、製造工程の簡略化による低コスト化を図れる。また、前記半導体基板の前記厚み方向において前記各パッドが前記断熱層に重複するのを防止することができ、前記発熱体層が前記高強度構造部に接するのを確実に防止することができ、前記リーク電流が流れるのをより抑制することができる。
請求項１および請求項２の発明では、応答速度の向上を図りながらも各パッドそれぞれへボンディングワイヤをワイヤボンディングする際の衝撃によって破損するのを防止することができるという効果がある。
（参考例１）
以下、本参考例の赤外線放射素子Ａについて図１を参照しながら説明する。
本参考例の赤外線放射素子Ａは、発熱体層３への通電により発熱体層３を発熱させることで発熱体層３から赤外線が放射される赤外線放射素子であって、半導体基板１の厚み方向の一表面（図１における上面）側に半導体基板１よりも熱伝導率が十分に小さな断熱層２が形成され、断熱層２よりも熱伝導率および導電率それぞれが大きな発熱体層３が断熱層２上に形成され、発熱体層３上に通電用の一対のパッド（電極）４，４が形成されている。なお、半導体基板１の平面形状は矩形状であって、断熱層２および発熱体層３の平面形状も矩形状としてある。ここに、発熱体層３は、パッド４，４の並設方向における寸法を同じ方向における断熱層２の寸法よりも大きく設定してある。また、パッド４，４は、発熱体層３の両端部それぞれの上に発熱体層３と接する形で形成されている。なお、本参考例では、半導体基板１が支持基板を構成している。
本参考例では、半導体基板１として単結晶のシリコン基板を用いており、断熱層２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成しているので、半導体基板１の一部を例えば５０ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した電解液中で陽極酸化処理することにより断熱層２となる多孔質シリコン層を形成することができる。ここに、陽極酸化処理の条件（例えば、電流密度および処理時間）を適宜設定することにより、断熱層２となる多孔質シリコン層の多孔度および厚みをそれぞれ所望の値とすることができる。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなり、例えば、熱伝導率が１６８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６７×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化処理にて多孔質化して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．７×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）であることが知られている。上述の半導体基板１として用いるシリコン基板の導電形はｐ形、ｎ形のいずれでもよいが、ｐ形のシリコン基板の方が陽極酸化処理により多孔質化を行った際に多孔度が大きくなりやすい傾向にあるので、半導体基板１としてはｐ形のシリコン基板を用いることが好ましい。なお、半導体基板１の一部を陽極酸化処理にて多孔質化する際の電流密度は半導体基板１の導電形および導電率に応じて適宜設定すればよい。
また、発熱体層３は、例えば、炭素層（例えば、アモルファスカーボン層、グラファイト層、グラファイトライクカーボン層、ダイヤモンド層、ダイヤモンドライクカーボン層など）、電熱合金層（例えば、ＮｉＣｒ層など）、貴金属層（イリジウム層）、高融点金属層（例えば、タングステン層など）、断熱層２に比べて多孔度の小さな多孔質シリコン層などにより構成すればよい。
また、各パッド４，４は、金属材料（例えば、アルミニウム、白金など）により形成すればよい。
本参考例の赤外線放射素子Ａは、多孔質層を利用した平面型の赤外線放射素子であって、発熱体層３から放射される赤外線のピーク波長をλ（μｍ）、発熱体層３の絶対温度をＴ（Ｋ）とすれば、ピーク波長λは、
λ＝２８９８／Ｔ
となり、発熱体層３の絶対温度Ｔと発熱体層３から放射される赤外線のピーク波長λとの関係がウィーンの変位則を満たしている。要するに、本参考例の赤外線放射素子Ａでは、発熱体層３が擬似黒体を構成しており、外部電源からパッド４，４間に印加する電圧を調整することにより、発熱体層３に発生するジュール熱を変化させることができて、発熱体層３から放射される赤外線のピーク波長λを変化させることができる。
なお、本参考例の赤外線放射素子Ａでは、半導体基板１の厚さを５２５μｍ、断熱層２の厚さを５０μｍ、発熱体層３の厚さを５０ｎｍ、パッド４の厚さを３００ｎｍとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。
ところで、本参考例の赤外線放射素子Ａは、半導体基板１の上記一表面側において所定領域のみに多孔質層としての多孔質シリコン層からなる断熱層２を形成してあり、半導体基板１の上記一表面側における上記所定領域の周辺部分１ａのうち半導体基板１の厚み方向において各パッド４，４それぞれと重複する部位が、断熱層２の中央部に比べて機械的強度が高い高強度構造部を構成している。言い換えれば、本参考例の赤外線放射素子Ａでは、半導体基板１の上記一表面側において発熱体層３よりも半導体基板１側で各パッド４，４それぞれと重複する部位に、断熱層２の中央部に比べて機械的強度が高い高強度構造部を有している。
しかして、本参考例の赤外線放射素子Ａでは、断熱層２を構成する多孔質シリコン層の多孔度を大きくすることで応答速度の向上を図りながらも、上記高強度構造部を有していることにより、各パッド４，４それぞれへボンディングワイヤをワイヤボンディングする際の衝撃によって断熱層２が破損したり断熱層２にクラックが発生するのを防止することができる。ここで、半導体基板１の上記一表面側において断熱層２が形成されていない上記周辺部分１ａは、必ずしも各パッド４，４の全域に重複している必要はない。
なお、発熱体層３を断熱層２よりも多孔度の小さな多孔質シリコン層により構成する場合には、各パッド４，４の材料としてシリコン基板からなる半導体基板１の一部を陽極酸化処理にて多孔質化する際に用いる電解液に対する耐性を有する導電性材料（例えば、Ｐｔなど）を採用し、製造時に、半導体基板１上にパッド４，４を形成してから、パッド４，４を陽極酸化処理時のマスクとして、半導体基板１の露出部位に対して陽極酸化処理を施して発熱体層３と断熱層２とを連続的に形成するようにすれば、製造工程の簡略化を図れるとともにパッド４，４と断熱層２との相対的な位置関係の位置精度を高めることが可能となるという利点がある。
（参考例２）
ところで、図７に示した従来構成や参考例１では、発熱体層３と半導体基板１との間に断熱層２が介在しているが、一対のパッド４，４を介して発熱体層３へ通電した際に半導体基板１を通るリーク電流が流れる可能性があり、このようなリーク電流が流れると、応答速度の低下や消費電力の増加につながると考えられる。
これに対して、本参考例の赤外線放射素子Ａの構成は参考例１と略同じであり、図２に示すように、発熱体層３と断熱層２との間に、断熱層２よりも導電率の小さな絶縁層７を設けている点が相違する。なお、他の構成は参考例１と同様である。
絶縁層７の材料としては、半導体基板１としてシリコン基板を用いている場合には、例えば、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４などを採用すればよい。
しかして、本参考例の赤外線放射素子Ａでは、発熱体層３と断熱層２との間に絶縁層７が設けられているので、発熱体層３への通電時に半導体基板１を通るリーク電流が流れるのを抑制することができ、応答速度が速くなるとともに、低消費電力化を図れる。また、本参考例の赤外線放射素子Ａでは、絶縁層７のうち半導体基板１の厚み方向において各パッド４，４と重複する部位がワイヤボンディング時の衝撃を緩和する衝撃緩和層として機能し、ワイヤボンディング時の衝撃による断熱層２の破損をより確実に防止することができる。
（参考例３）
本参考例では、図７に示した従来構成の赤外線放射素子Ａにおいて、多孔質層としての多孔質シリコン層からなる断熱層２を、各パッド４，４に重複する部位の多孔度が中央部の多孔度に比べて小さくなるように形成する点が相違するだけなので図示および説明を省略する。ここにおいて、本参考例では、断熱層２のうち半導体基板１の厚み方向において各パッド４，４それぞれと重複する部位が、断熱層２の中央部に比べて機械的強度が高い高強度構造部を構成している。したがって、本参考例の赤外線放射素子Ａも、参考例１，２と同様、半導体基板１の上記一表面側において発熱体層３よりも半導体基板１側で各パッド４，４それぞれと重複する部位に、断熱層２の中央部に比べて機械的強度が高い高強度構造部を有している。
しかして、本参考例では、各パッド４，４それぞれへボンディングワイヤをワイヤボンディングする際の衝撃により断熱層２が破損したりクラックが発生するのを防止することができ、且つ、参考例１，２のように半導体基板１の上記一表面側において断熱層２が形成されていない部分と各パッド４，４とが半導体基板１の厚み方向において重複している場合に比べて、発熱体層３で発生した熱が半導体基板１へ伝わりにくくなって応答速度が向上する。
（実施形態１）
ところで、上記参考例１の赤外線放射素子Ａの製造にあたっては、例えば、支持基板たる半導体基板１の上記一表面上に断熱層２を形成する陽極酸化処理時のマスクとしてゴム系のフォトレジストからなるレジスト層を形成し、当該レジスト層をマスクとして陽極酸化処理にて半導体基板１の露出部位を所定深さまで多孔質化することにより断熱層２を形成し、上記レジスト層を除去した後、半導体基板１の上記一表面側に発熱体層３を形成する発熱体層形成工程、発熱体層３の両端部上それぞれにパッド４，４を形成するパッド形成工程を順次行うプロセスを採用することが考えられる。
これに対して、本実施形態の赤外線放射素子Ａの基本構成は参考例１と略同じであって、図３（ｅ）に示す（なお、図３の（ａ）〜（ｅ）は赤外線放射素子Ａの製造方法の説明図であって、（ａ）〜（ｅ）それぞれにおける左側の図は平面図、右側の図は断面図を示している）ように、半導体基板１の上記一表面上に断熱層２の形成予定領域からなる所定領域を陽極酸化処理にて多孔質化する際のマスクとして用いられ互いに離間した一対の導電性層１２ａ，１２ａが形成され、発熱体層３が各導電性層１２ａ，１２ｂそれぞれの一部の上まで延設され、各導電性層１２ａ，１２ａそれぞれにおける露出部位がパッド４，４を構成している点が相違する。なお、本実施形態においても、半導体基板１の上記一表面側における上記所定領域の周辺部分１ａのうち半導体基板１の厚み方向において各パッド４，４それぞれと重複する部位が、断熱層２の中央部に比べて機械的強度が高い高強度構造部を構成している。
本実施形態では、半導体基板１として、導電形がｐ形、抵抗率が１０Ωｃｍ、上記一表面が（１００）面、厚さが５２５μｍの単結晶のシリコン基板を用いており、断熱層２を多孔度が７５％、厚さが５０μｍの多孔質シリコン層により構成し、発熱体層３を膜厚が５０ｎｍのタングステン薄膜により構成し、各パッド４，４となる各導電性層１２ａ，１２ａを膜厚が３００ｎｍの白金薄膜により構成しているが、これらの数値は特に限定するものではない。ここで、各導電性層１２ａ，１２ａの材料は、白金に限らず、半導体基板１を陽極酸化処理にて多孔質化する際に用いる電解液に対する耐性を有し且つパッド４，４として使用できる程度に導電率の高い導電性材料であればよく、例えば、金、イリジウムなどの貴金属、およびこれらを主成分とする合金や、Ｎｉ−Ｃｒ（４５％）−Ｍｏ（１％）、Ｎｉ−Ｃｒ（３８％）−Ｍｏ（５％）、Ｎｉ−Ｃｒ（１６％）−Ｍｏ（１６％）−Ｗ（４％）−Ｆｅ（５％）、Ｎｉ−Ｃｒ（２２％）−Ｍｏ（１３％）−Ｗ（３％）−Ｆｅ（４％）などのようにニッケルとクロムとモリブデンとを主成分として含む合金などを採用することができる。
以下、本実施形態の赤外線放射素子Ａの製造方法について図３を参照しながら説明する。
まず、フォトリソグラフィ技術を利用して、シリコン基板からなる半導体基板１における断熱層２の形成予定領域からなる所定領域上にレジスト層１１を形成するレジスト層形成工程を行うことによって、図３（ａ）に示す構造を得る。
その後、半導体基板１の上記一表面側に所定膜厚（例えば、３００ｎｍ）の白金薄膜からなる導電性層１２ａ，１２ａ，１２ｂを例えばスパッタ法により成膜する成膜工程を行うことによって、図３（ｂ）に示す構造を得る。なお、導電性層１２ａ，１２ａ，１２ｂの成膜方法は、スパッタ法に限らず、例えば、電子ビーム蒸着法、レーザーアブレーション法などを採用してもよい。
その後、レジスト層１１およびレジスト層１１上の堆積物である導電性層１２ｂをリフトオフするリフトオフ工程を行うことによって、図３（ｃ）に示す構造を得る。すなわち、リフトオフ工程を行うことによって、導電性層１２ａ，１２ａ，１２ｂのうち半導体基板１の上記一表面上の導電性層１２ａ，１２ａのみが残る（言い換えれば、半導体基板１の上記一表面上に所定パターンの導電性層１２ａ，１２ａのみが残る）。なお、半導体基板１上に所定パターンの導電性層１２ａ，１２ａを形成するプロセスは、上述のレジスト層形成工程と成膜工程とリフトオフ工程との組み合わせに限るものではなく、例えば、メタルマスクを利用して半導体基板１の上記一表面上に所定パターンの導電性層１２ａ，１２ａを成膜する工程を採用してもよいし、半導体基板１の上記一表面の全面に上記導電性材料（例えば、白金）からなる導電性膜を成膜する工程と、当該導電性膜のうち導電性層１２ａ，１２ａとなる部分上にレジスト層を形成する工程と、レジスト層をマスクとして導電性膜の露出部位をエッチング除去する工程とを組み合わせてもよい。ここにおけるエッチング除去工程では、上記導電性材料の種類に応じて、例えば、ウェットエッチング、反応性イオンエッチング、アルゴンイオンエッチング、イオンミリングなどの方法の中から適宜決めればよい。
次に、例えば、５０ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した電解液を用い、半導体基板１を陽極、電解液中において半導体基板１の上記一表面側に対向配置した白金電極を陰極として、電源から陽極と陰極との間に所定電流密度（ここでは、５０ｍＡ／ｃｍ２）の電流を所定時間（ここでは、８分）だけ流す陽極酸化処理にて半導体基板１の上記一表面の露出部位を所定深さ（ここでは、５０μｍ）まで多孔質化することで断熱層２を形成する断熱層形成工程を行うことによって、図３（ｄ）に示す構造を得る。ここにおいて、断熱層形成工程では、陽極酸化処理にて半導体基板１の上記所定領域を多孔質化することで断熱層２を形成する際に上記導電性層１２ａ，１２ａをマスクとして用いている。なお、陽極酸化処理時の条件は特に限定するものではなく、所定電流密度や所定時間は半導体基板１の導電形や抵抗率、断熱層２の多孔度や厚さ（上記所定深さ）などに応じて適宜設定すればよい。
上述の断熱層形成工程の後、半導体基板１の上記一表面側に所定パターンのタングステン薄膜からなる発熱体層３を形成する発熱体層形成工程を行うことによって、図３（ｅ）に示す構造の赤外線放射素子Ａが得られる。なお、発熱体層形成工程では、例えば、導電性層１２ａ，１２ａのうちパッド４，４となる部位に対応した開口パターンを有するメタルマスクを半導体基板１の上記一表面側にセットした後で、発熱体層３となるタングステン薄膜をスパッタ法などにより成膜するようなプロセスを採用してもよいし、上述の導電性層１２ａ，１２ａを形成するプロセスと同様にリフトオフ技術を利用したプロセスや、成膜技術とフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを組み合わせたプロセスを採用してもよい。
以上説明した本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、上述のように、半導体基板１の上記一表面上に上記所定領域を陽極酸化処理にて多孔質化する際のマスクとして用いられ互いに離間した一対の導電性層１２ａ，１２ａが形成され、発熱体層３が各導電性層１２ａ，１２ａそれぞれの一部の上まで延設され、各導電性層１２ａ，１２ａそれぞれにおける露出部位がパッド４，４を構成しているので、製造時に断熱層２を形成する際のマスクを形成する工程とパッド４，４を形成する工程とが別々に必要な場合に比べて、製造工程の簡略化による低コスト化を図れるとともに、半導体基板１の厚み方向において各パッド４，４が断熱層２に重複するのを防止することができる。
（参考例４）
本参考例の赤外線放射素子Ａの基本構成は参考例１と略同じであって、図４（ｆ）に示す（なお、図４の（ａ）〜（ｆ）は赤外線放射素子Ａの製造方法の説明図であって、（ａ）〜（ｆ）それぞれにおける左側の図は平面図、右側の図は断面図を示している）ように、半導体基板１の上記一表面上に断熱層２の形成予定領域からなる所定領域を陽極酸化処理にて多孔質化する際のマスクとして用いられ互いに離間した一対の絶縁膜１３ａ，１３ａが形成され、発熱体層３が各絶縁膜１３ａ，１３ａそれぞれの一部の上まで延設され、パッド４，４が発熱体層３のうち絶縁膜１３ａ，１３ａ上まで延設された部位３ｂ，３ｂの上に形成されている点が相違する。なお、本参考例においても、半導体基板１の上記一表面側における上記所定領域の周辺部分１ａのうち半導体基板１の厚み方向において各パッド４，４それぞれと重複する部位が、断熱層２の中央部に比べて機械的強度が高い高強度構造部を構成している。
本参考例では、半導体基板１として、導電形がｐ形、抵抗率が１０Ωｃｍ、上記一表面が（１００）面、厚さが５２５μｍの単結晶のシリコン基板を用いており、断熱層２を多孔度が７５％、厚さが５０μｍの多孔質シリコン層により構成し、絶縁膜１３ａ，１３ａを膜厚が３００ｎｍの炭化珪素薄膜により構成し、発熱体層３を膜厚が５０ｎｍのタングステン薄膜により構成し、各パッド４，４を膜厚が５００ｎｍのアルミニウム薄膜により構成しているが、これらの数値は特に限定するものではない。また、発熱体層３や各パッド４，４の材料も特に限定するものではない。ここで、絶縁膜１３ａ，１３ａの材料は、炭化珪素に限らず、半導体基板１を陽極酸化処理にて多孔質化する際に用いる電解液に対する耐性を有し且つ電気絶縁性を有する絶縁性材料であればよく、例えば、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナなどのセラミックス材料を採用してスパッタ法などの成膜方法により成膜してもよいし、テフロン（登録商標）などのフッ素系樹脂材料を採用してプラズマ重合法などの成膜方法で成膜してもよい。
以下、本参考例の赤外線放射素子Ａの製造方法について図４を参照しながら説明する。
まず、フォトリソグラフィ技術を利用して、シリコン基板からなる半導体基板１における断熱層２の形成予定領域からなる所定領域上にレジスト層１１を形成するレジスト層形成工程を行うことによって、図４（ａ）に示す構造を得る。
その後、半導体基板１の上記一表面側に所定膜厚（例えば、３００ｎｍ）の炭化珪素薄膜からなる絶縁膜１３ａ，１３ａ，１３ｂを例えばスパッタ法により成膜する成膜工程を行うことによって、図４（ｂ）に示す構造を得る。
その後、レジスト層１１およびレジスト層１１上の堆積物である絶縁膜１３ｂをリフトオフするリフトオフ工程を行うことによって、図４（ｃ）に示す構造を得る。すなわち、リフトオフ工程を行うことによって、絶縁膜１３ａ，１３ａ，１３ｂのうち半導体基板１の上記一表面上の絶縁膜１３ａ，１３ａのみが残る（言い換えれば、半導体基板１の上記一表面上に所定パターンの絶縁膜１３ａ，１３ａのみが残る）。なお、半導体基板１上に所定パターンの絶縁膜１３ａ，１３ａを形成するプロセスは、上述のレジスト層形成工程と成膜工程とリフトオフ工程の組み合わせに限るものではなく、例えば、メタルマスクを利用して半導体基板１の上記一表面上に所定パターンの絶縁膜１３ａ，１３ａを成膜する工程を採用してもよいし、半導体基板１の上記一表面の全面に上記絶縁性材料（例えば、炭化珪素）からなる絶縁層を成膜する工程と、当該絶縁層のうち絶縁膜１３ａ，１３ａとなる部分上にレジスト層を形成する工程と、レジスト層をマスクとして絶縁層のの露出部位をエッチング除去する工程とを組み合わせてもよい。ここにおけるエッチング除去工程では、上記絶縁性材料の種類に応じて、例えば、ウェットエッチング、反応性イオンエッチング、アルゴンイオンエッチング、イオンミリングなどの方法の中から適宜決めればよい。
次に、例えば、５０ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した電解液を用い、半導体基板１を陽極、電解液中において半導体基板１の上記一表面側に対向配置した白金電極を陰極として、電源から陽極と陰極との間に所定電流密度（ここでは、５０ｍＡ／ｃｍ２）の電流を所定時間（ここでは、８分）だけ流す陽極酸化処理にて半導体基板１の上記一表面の露出部位を所定深さ（ここでは、５０μｍ）まで多孔質化することで断熱層２を形成する断熱層形成工程を行うことによって、図４（ｄ）に示す構造を得る。ここにおいて、断熱層形成工程では、陽極酸化処理にて半導体基板１の上記所定領域を多孔質化することで断熱層２を形成する際に上記絶縁膜１３ａ，１３ａをマスクとして用いている。なお、陽極酸化処理時の条件は特に限定するものではなく、所定電流密度や所定時間は半導体基板１の導電形や抵抗率、断熱層２の多孔度や厚さ（上記所定深さ）などに応じて適宜設定すればよい。
上述の断熱層形成工程の後、半導体基板１の上記一表面側に所定パターンのタングステン薄膜からなる発熱体層３を形成する発熱体層形成工程を行うことによって、図４（ｅ）に示す構造を得る。なお、発熱体層形成工程では、例えば、絶縁膜１３ａ，１３ａの一部を露出可能とするメタルマスクを半導体基板１の上記一表面側にセットした後で、発熱体層３となるタングステン薄膜をスパッタ法などにより成膜するようなプロセスを採用してもよいし、上述の絶縁膜１３ａ，１３ａを形成するプロセスと同様にリフトオフ技術を利用したプロセスや、成膜技術とフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを組み合わせたプロセスを採用してもよい。ただし、発熱体層３は、半導体基板１の上記一表面側の全面に成膜するようにしてもよい。
その後、発熱体層３のうち絶縁膜１３ａ，１３ａ上まで延設された部位３ｂ，３ｂ上にアルミニウム薄膜からなるパッド４，４を形成するパッド形成工程を行うことによって、図４（ｆ）に示す構造の赤外線放射素子Ａが得られる。なお、パッド形成工程では、メタルマスクを利用して発熱体層３の上記各部位３ｂ，３ｂ上に所定パターンのパッド４，４を電子ビーム蒸着法などの成膜方法により成膜する工程を採用してもよいし、上述の絶縁膜１３ａ，１３ａを形成するプロセスと同様にリフトオフ技術を利用したプロセスや、成膜技術とフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを組み合わせたプロセスを採用してもよい。
以上説明した本参考例の赤外線放射素子Ａでは、各パッド４，４が発熱体層３のうち絶縁膜１３ａ，１３ａ上まで延設された部位３ｂ，３ｂの上に形成されており、半導体基板１の厚み方向においてパッド４，４と上記高強度構造部との間に絶縁膜１３ａ，１３ａが存在するので、発熱体層３への通電時に半導体基板１を通るリーク電流が流れるのを抑制することができ、応答速度が速くなるとともに、低消費電力化を図れる。
また、本参考例の赤外線放射素子Ａでは、上述の絶縁膜１３ａ，１３ａが断熱層２を形成する際のマスクとして用いられているので、製造時に断熱層２を形成する際のマスクを形成する工程と絶縁膜を形成する工程とが別々に必要な場合に比べて、製造工程の簡略化による低コスト化を図れるとともに、発熱体層３が上記高強度構造部に接するのを防止することができ、上述のリーク電流が流れるのをより抑制することができる。
（実施形態２）
本実施形態の赤外線放射素子Ａの基本構成は参考例１と略同じであって、図５（ｅ）に示す（なお、図５の（ａ）〜（ｅ）は赤外線放射素子Ａの製造方法の説明図であって、（ａ）〜（ｅ）それぞれにおける左側の図は平面図、右側の図は断面図を示している）ように、半導体基板１の上記一表面上に断熱層２の形成予定領域からなる所定領域を陽極酸化処理にて多孔質化する際のマスクとして用いられ互いに離間した一対のマスク部１４ａ，１４ａが形成され、各マスク部１４ａ，１４ａが半導体基板１の上記一表面上の絶縁膜１３ａ，１３ａと当該絶縁膜１３ａ，１３ａ上の導電性層１２ａ，１２ａとからなり、発熱体層３が各導電性層１２ａ，１２ａそれぞれの一部の上まで延設され、各導電性層１２ａ，１２ａそれぞれにおける露出部位がパッド４，４を構成している点が相違する。なお、本実施形態においても、半導体基板１の上記一表面側における上記所定領域の周辺部分１ａのうち半導体基板１の厚み方向において各パッド４，４それぞれと重複する部位が、断熱層２の中央部に比べて機械的強度が高い高強度構造部を構成している。
本実施形態では、半導体基板１として、導電形がｐ形、抵抗率が１０Ωｃｍ、上記一表面が（１００）面、厚さが５２５μｍの単結晶のシリコン基板を用いており、断熱層２を多孔度が７５％、厚さが５０μｍの多孔質シリコン層により構成し、発熱体層３を膜厚が５０ｎｍのタングステン薄膜により構成し、各パッド４，４となる各導電性層１２ａ，１２ａを膜厚が３００ｎｍの白金薄膜により構成しているが、これらの数値は特に限定するものではない。ここで、各導電性層１２ａ，１２ａの材料としては実施形態１で説明した導電性材料を採用することができ、絶縁膜１３ａ，１３ａの材料としては参考例４にて説明した絶縁性材料を採用することができる。
以下、本実施形態の赤外線放射素子Ａの製造方法について図５を参照しながら説明するが、実施形態１において説明した工程と同様の工程については説明を適宜省略する。
まず、フォトリソグラフィ技術を利用して、シリコン基板からなる半導体基板１における断熱層２の形成予定領域からなる所定領域上にレジスト層１１を形成するレジスト層形成工程を行うことによって、図５（ａ）に示す構造を得る。
その後、半導体基板１の上記一表面側に炭化珪素薄膜からなる絶縁膜１３ａ，１３ａ，１３ｂを成膜し、各絶縁膜１３ａ，１３ａ，１３ｂ上に白金薄膜からなる導電性層１２ａ，１２ａ，１２ｂを成膜する成膜工程を行うことによって、絶縁膜１３ａ，１３ａ，１３ｂと導電性層１２ａ，１２ａ，１２ｂとの積層膜を有する図５（ｂ）に示す構造を得る。なお、絶縁膜１３ａ，１３ａ，１３ｂの成膜方法としては参考例４において説明した絶縁膜１３ａ，１３ａの成膜方法を採用でき、導電性層１２ａ，１２ａ，１２ｂの成膜方法としては、実施形態１において説明した導電性層１２ａ，１２ａの成膜方法を採用することができるが、絶縁膜１３ａ，１３ａ，１３ｂと導電性層１２ａ，１２ａ，１２ｂとを同一のスパッタ装置で連続して成膜するようにすれば、製造期間の短縮化を図れる。
その後、レジスト層１１およびレジスト層１１上の堆積物（絶縁膜１３ｂと導電性層１２ｂとの積層膜）をリフトオフするリフトオフ工程を行うことによって、図５（ｃ）に示す構造を得る。すなわち、リフトオフ工程を行うことによって、絶縁膜１３ａ，１３ａ，１３ｂと導電性層１２ａ，１２ａ，１２ｂとの積層膜のうち半導体基板１の上記一表面上の絶縁膜１３ａ，１３ａと当該絶縁膜１３ａ，１３ａ上の導電性層１２ａ，１２ａとの積層膜からなるマスク部１４ａ，１４ａのみが残る（言い換えれば、半導体基板１の上記一表面上に所定パターンのマスク部１４ａ，１４ａのみが残る）。
次に、実施形態１において説明した製造方法と同様に、陽極酸化処理にて半導体基板１の上記一表面の露出部位を所定深さ（ここでは、５０μｍ）まで多孔質化することで断熱層２を形成する断熱層形成工程を行うことによって、図５（ｄ）に示す構造を得る。ここにおいて、断熱層形成工程では、陽極酸化処理にて半導体基板１の上記所定領域を多孔質化することで断熱層２を形成する際に上記マスク部１４ａ，１４ａをマスクとして用いている。
上述の断熱層形成工程の後、実施形態１において説明した製造方法と同様に、半導体基板１の上記一表面側に所定パターンのタングステン薄膜からなる発熱体層３を形成する発熱体層形成工程を行うことによって、図５（ｅ）に示す構造の赤外線放射素子Ａが得られる。
以上説明した本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、半導体基板１の厚み方向においてパッド４，４と上記高強度構造部との間に絶縁膜１３ａ，１３ａが存在するので、発熱体層３への通電時に半導体基板１を通るリーク電流が流れるのを抑制することができ、応答速度が速くなるとともに、低消費電力化を図れる。
また、本実施形態の赤外線放射素子Ａでは、半導体基板１の上記所定領域に断熱層２を形成する際のマスクとして用いるマスク部１４ａ，１４ａが半導体基板１の上記一表面上の絶縁膜１３ａ，１３ａと当該絶縁膜１３ａ，１３ａ上の導電性層１２ａ，１２ａとからなり、発熱体層３が各導電性層１２ａ，１２ａそれぞれの一部の上まで延設され、各導電性層１２ａ，１２ａそれぞれにおける露出部位がパッド４，４を構成しているので、製造時に断熱層２を形成する際のマスクを形成する工程と絶縁膜１３ａ，１３ａを形成する工程とパッド４，４を形成する工程とが別々に必要な場合に比べて、製造工程の簡略化による低コスト化を図れる。また、半導体基板１の厚み方向において各パッド４，４が断熱層２に重複するのを防止することができ、発熱体層３が上記高強度構造部に接するのを確実に防止することができ、上述のリーク電流が流れるのをより抑制することができる。
（参考例５）
ところで、上記実施形態１，２および参考例４のいずれの赤外線放射素子Ａも発熱体層３に段差が形成されてしまうが、発熱体層３の膜厚は５０ｎｍ程度と薄いので、段差部分で断線してしまう恐れがある。
これに対して、本参考例の赤外線放射素子Ａの基本構成は参考例１と略同じであって、図６（ｄ）に示す（なお、図６の（ａ）〜（ｄ）は赤外線放射素子Ａの製造方法の説明図であって、（ａ）〜（ｄ）それぞれにおける左側の図は平面図、右側の図は断面図を示している）ように、シリコン基板からなる半導体基板１の上記一表面側に上記所定領域を陽極酸化処理にて多孔質化する際のマスクとして用いられ互いに離間した一対のマスク部１５，１５が形成され、各マスク部１５，１５が半導体基板１における上記一表面側の一部を上記所定領域に比べて高抵抗率化することにより形成された高抵抗率部からなり、各パッド４，４が、発熱体層３のうち各高抵抗率部１５，１５それぞれの上まで延設された部位３ｃ、３ｃ上に形成されている点に特徴がある。なお、本参考例では、半導体基板１の一部からなる各高抵抗率部１５，１５のうち半導体基板１の厚み方向において各パッド４，４それぞれと重複する部位が、断熱層２の中央部に比べて機械的強度が高い高強度構造部を構成している。
本参考例では、半導体基板１として、導電形がｐ形、抵抗率が１０Ωｃｍ、上記一表面が（１００）面、厚さが５２５μｍの単結晶のシリコン基板を用いており、断熱層２を多孔度が７５％、厚さが５０μｍの多孔質シリコン層により構成し、発熱体層３を膜厚が５０ｎｍのタングステン薄膜により構成し、各パッド４，４を膜厚が５００ｎｍのアルミニウム薄膜により構成しているが、これらの数値は特に限定するものではない。また、高抵抗率部１５，１５は、半導体基板１とは異なる導電形のドーパントを導入することで半導体基板１に比べて導電率を小さくすることによって形成されている。
以下、本参考例の赤外線放射素子Ａの製造方法について図６を参照しながら説明するが、実施形態１において説明した工程と同様の工程については説明を適宜省略する。
まず、フォトリソグラフィ技術を利用して、シリコン基板からなる半導体基板１における上記一表面側に高抵抗率部１５，１５の形成予定領域に対応してパターニングされたレジスト層（図示せず）を形成し、当該レジスト層をマスク材層として、半導体基板１の上記一表面側から半導体基板１へ半導体基板１の導電形（ここでは、ｐ形）とは異なる導電形（ここでは、ｎ形）のドーパントをイオン注入し、上記マスク材層を除去してから、アニールを行うことで高抵抗率部１５，１５を形成することにより、図６（ａ）に示す構造を得る。なお、本参考例では、イオン注入の条件として、イオン種をリン、加速電圧を５０ｋｅＶ、ドーズ量を１×１０16ｃｍ-2とし、アニールの条件（ここでは、イオン注入後の活性化条件）として、雰囲気を窒素ガス、アニール温度を１０００℃、アニール時間を３０分としたが、イオン注入の条件やアニールの条件は特に限定するものではない。また、イオン注入を行う際の上記マスク材層はレジスト層に限らず、例えば、シリコン酸化膜を採用してもよい。また、上記ドーパントを導入する方法は、イオン注入法に限らず、熱拡散法でもよい。なお、半導体基板１において高抵抗率部１５，１５となる領域に対して、酸素イオンなどの絶縁用のイオン注入を行って高抵抗率部１５，１５を形成するようにしてもよい。
その後、実施形態１において説明した製造方法と同様に、陽極酸化処理にて半導体基板１の上記所定領域を所定深さ（ここでは、５０μｍ）まで多孔質化することで断熱層２を形成する断熱層形成工程を行うことによって、図６（ｂ）に示す構造を得る。ここにおいて、断熱層形成工程では、陽極酸化処理にて半導体基板１の上記所定領域を多孔質化することで断熱層２を形成する際に上記高抵抗率部１５，１５をマスクとして用いている。なお、断熱層形成工程においてマスクとして用いる上記高抵抗率部１５，１５は上記所定領域に比べて抵抗率が高いので、上記所定領域に比べて多孔質化が進行しにくく、断熱層２に比べて多孔度が小さくなる。
上述の断熱層形成工程の後、実施形態１において説明した製造方法と同様に、半導体基板１の上記一表面側に所定パターンのタングステン薄膜からなる発熱体層３を形成する発熱体層形成工程を行うことによって、図６（ｃ）に示す構造を得る。
次に、発熱体層３において高抵抗率部１５，１５上まで延設された部位３ｃ，３ｃ上にパッド４，４を形成するパッド形成工程を行うことによって、図６（ｄ）に示す構造の赤外線放射素子Ａが得られる。
以上説明した本参考例の赤外線放射素子Ａでは、断熱層２の表面と高抵抗率部１５，１５の表面とが略面一であり、発熱体層３に段差が形成されないので、実施形態１，２および参考例４の赤外線放射素子Ａに比べて、発熱体層３が断線しにくくなる。
また、高強度構造部が各高抵抗率部１５，１５により構成されるので、発熱体層３への通電時に半導体基板１を通るリーク電流が流れるのを抑制することができ、応答速度が速くなるとともに、低消費電力化を図れる。また、高抵抗率部１５，１５が断熱層２を形成する際のマスクとして用いられているので、製造時に断熱層２を形成する際のマスクを形成する工程と高抵抗率部１５，１５を形成する工程とが別々に必要な場合に比べて、製造工程の簡略化による低コスト化を図れる。
ところで、上記各実施形態および各参考例では、半導体基板１の材料としてＳｉを採用しているが、半導体基板１の材料はＳｉに限らず、例えば、Ｇｅ，ＳｉＣ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよい（つまり、上述の多孔質シリコン層の代わりに、Ｓｉ以外の半導体材料からなる多孔質半導体層を採用してもよい）。
参考例１を示す概略断面図である。 参考例２を示す概略断面図である。 実施形態１における赤外線放射素子の製造方法の説明図である。 参考例４における赤外線放射素子の製造方法の説明図である。 実施形態２における赤外線放射素子の製造方法の説明図である。 参考例５における赤外線放射素子の製造方法の説明図である。 従来例を示す概略断面図である。
符号の説明
Ａ 赤外線放射素子
１ 半導体基板
２ 断熱層
３ 発熱体層
４ パッド

Claims (2)

  1. 支持基板の一表面側に前記支持基板よりも熱伝導率の小さな多孔質層からなる断熱層が形成されるとともに、前記断熱層よりも熱伝導率および導電率それぞれが大きな発熱体層が前記断熱層の表面側に形成され、前記支持基板の前記一表面側に前記発熱体層と接する一対のパッドが形成された赤外線放射素子であって、前記支持基板の前記一表面側において前記発熱体層よりも前記支持基板側で各パッドそれぞれと重複する部位に、前記断熱層の中央部に比べて機械的強度が高い高強度構造部を有し、前記支持基板が半導体基板からなるとともに、前記多孔質層が前記支持基板の前記一表面側の所定領域を多孔質化することにより形成された多孔質半導体層からなり、前記半導体基板の前記一表面側における前記所定領域の周辺部分であって前記半導体基板の厚み方向において前記各パッドそれぞれと重複する部位が、前記高強度構造部を構成するとともに、前記支持基板の前記一表面上に前記所定領域を陽極酸化処理にて多孔質化する際のマスクとして用いられ互いに離間した一対の導電性層が形成され、前記発熱体層が前記各導電性層それぞれの一部の上まで延設され、前記各導電性層それぞれにおける露出部位が前記パッドを構成してなることを特徴とする赤外線放射素子。
  2. 支持基板の一表面側に前記支持基板よりも熱伝導率の小さな多孔質層からなる断熱層が形成されるとともに、前記断熱層よりも熱伝導率および導電率それぞれが大きな発熱体層が前記断熱層の表面側に形成され、前記支持基板の前記一表面側に前記発熱体層と接する一対のパッドが形成された赤外線放射素子であって、前記支持基板の前記一表面側において前記発熱体層よりも前記支持基板側で各パッドそれぞれと重複する部位に、前記断熱層の中央部に比べて機械的強度が高い高強度構造部を有し、前記支持基板が半導体基板からなるとともに、前記多孔質層が前記支持基板の前記一表面側の所定領域を多孔質化することにより形成された多孔質半導体層からなり、前記半導体基板の前記一表面側における前記所定領域の周辺部分であって前記半導体基板の厚み方向において前記各パッドそれぞれと重複する部位が、前記高強度構造部を構成するとともに、前記支持基板の前記一表面上に前記所定領域を陽極酸化処理にて多孔質化する際のマスクとして用いられ互いに離間した一対のマスク部が形成され、各マスク部が前記支持基板の前記一表面上の絶縁膜と当該絶縁膜上の導電性層とからなり、前記発熱体層が前記各導電性層それぞれの一部の上まで延設され、前記各導電性層それぞれにおける露出部位が前記パッドを構成してなることを特徴とする赤外線放射素子。
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