JP4852886B2

JP4852886B2 - 赤外線放射素子

Info

Publication number: JP4852886B2
Application number: JP2005151732A
Authority: JP
Inventors: 崇幡井; 弘高上ミ
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2025-05-25
Also published as: JP2006329732A

Description

本発明は、赤外線放射素子に関し、特に、熱応答速度が速く、赤外線の発光効率および製造管理を改善した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。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、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提案されている（例えば、特許文献１）。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い。

このような要求に沿うように、上記特許文献１に開示された赤外線放射素子は、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。そのため、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、この特許文献１に開示された赤外線放射素子は、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、赤外線放射素子を間欠的に駆動する場合において、赤外線放射素子の断熱層の断熱性が高いほど高周波とすることができるという知見に基づいて、本願特許出願人は、特願２００５−１８７１０号において、断熱層の断熱性を高めて応答速度を速くしながらワイヤボンディングする際の衝撃によって断熱層が破損するのを防止できる赤外線放射素子を提案している。
特開平９−１５３６４０号公報

しかしながら、上記出願の赤外線放射素子では、断熱層が半導体基板の中に孤立した状態で存在しているのみであり、放熱が多く、断熱性を向上して赤外線の放射効率を高める余地があった。

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、断熱性を向上して赤外線の放射効率を高めると共に、製造を容易にする赤外線放射素子を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本願に係る赤外線放射素子は、陽極酸化処理によってシリコンからなる支持基板の一方の表面から他方の表面に貫いてシリコンを多孔質化することにより形成された断熱層と、該断熱層の他方の表面上に形成されて該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と、該発熱体層の表面に形成された一対のパッドを有してなり、前記支持基板の側面側それぞれに多孔質化されていないシリコンからなる高強度構造部を設け、前記シリコンからなる支持基板の多孔質層の面積は前記一方の表面側が前記他方の表面側より広くなるよう形成したことを特徴とする。

請求項２の発明に係る赤外線放射素子は、請求項１記載の発明において、支持基板の一方の表面から他方の表面に貫いて多孔質化する途中で陽極酸化処理の電流密度の変化により前記他方の表面側の多孔度の方を、前記一方の表面側の多孔度よりも大きく形成したことを特徴とする。

請求項３の発明に係る赤外線放射素子は、請求項２記載の発明において、前記一方の表面側が全面にわたって多孔質化されていることを特徴とする。

本願請求項１記載の発明に係る赤外線放射素子によれば、断熱層を厚くできるので断熱性が向上し、効率が向上するとともに、支持基板を発熱体層として用いるので、別途、発熱体層を形成するので層厚の管理を多孔質化時にしなくてもよく、製造が容易となる。

請求項２記載の発明に係る赤外線放射素子は、請求項１記載の赤外線放射素子の効果に加えて、断熱特性を維持しつつ、強度の向上が図れるという効果が得られる。

請求項３の発明に係る赤外線放射素子は、側面の多孔質化されていない部分を通じて、熱が台座などに逃げるのを防ぐことができるので、放射特性が一層向上する。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

（実施例１）図１は本発明の赤外線放射素子の一実施例を示す断面図である。図１に示すように、赤外線放射素子１は、半導体基板の厚み方向の一表面（図１における下面）側から他方表面に貫通して、半導体基板よりも熱伝導率が十分に小さな断熱層２が形成されている。断熱層２の表面にこの層よりも熱伝導率および電気伝導率それぞれが大きな材料から発熱体層３が形成されている。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。赤外線放射素子１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。

半導体基板は、本実施例では、単結晶のシリコン基板が用いられ、支持基板を構成し、その平面形状は矩形に形成されている。断熱層２は多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成され、高多孔度断熱層となっており、熱伝導率が単結晶シリコンよりも十分に小さくされている。シリコン基板の多孔質化は、シリコン基板の厚み方向の一表面側から、他表面側に貫通するまでフッ化水素水溶液中で陽極酸化処理することにより行われ、断熱層２となる多孔質シリコン層が形成される。断熱層２の平面形状は矩形状としてあり、また、発熱体層３の平面形状も矩形状としてある。

発熱体層３は、熱伝導率および電気伝導率が断熱層２よりもそれぞれが大きな材料から層状に形成されている。発熱体層３の材料としては、例えばタングステンやモリブデンなどの高融点金属、白金やイリジウムなどの貴金属、ニクロムなどの合金、アモルファスシリコンや多結晶シリコンなどの半導体材料、炭素系材料、ケイ素化合物など使用される。

各パッド４，４は、金属材料（例えば、アルミニウム、白金、金など）により、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。ここに、発熱体層３は、本実施例では、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。本実施例の場合、断熱層形成前のシリコン基板の厚さを３５０μｍ、発熱体層の厚さを５０ｎｍ、パットの厚さを０．１μｍとしている。この厚さの例は一例であって特に限定されない。

ここで、断熱層２は、例えば、シリコン基板を５０wt％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合した電解液に浸し、電解液中でシリコン基板の一表面（図１における下面）と対向する位置に白金電極の陰極を配置して、シリコン基板の他表面側（図１における上面）に接して陽極を配置して、陰極と陽極との間に電流を通電することにより陽極酸化処理を施して、シリコン基板を厚み方向の一表面（図１における下面）側から多孔質化することによって形成している。また、発熱体層３は、断熱層２の表面上にスパッター方等により形成される。さらに、各パッド４，４は、発熱体層３の両端部それぞれの上にスパッター法等によって形成している。

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１６８[Ｗ／（ｍ・Ｋ）]、熱容量が１．６７×１０６ [ Ｊ／（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１[Ｗ／（ｍ・Ｋ）]、熱容量が０．７×１０６[Ｊ／（ｍ３・Ｋ）]であることが知られている。上述の半導体基板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、半導体基板としてはｐ形のシリコン基板を用いることが好ましい。また、抵抗率、面方位など特に制限はないが、シリコン基板の条件によって多孔質化した際の孔のサイズや形状、多孔度などが異なるため、断熱層として必要な性能に応じてシリコン基板の条件を選択する必要がある。なお、支持基板として用いる半導体基板の一部を陽極酸化処理にて多孔質化する際の電流密度やフッ化水素水溶液の濃度は半導体基板の導電形および導電率等に応じて適宜設定すればよい。

本実施例の赤外線放射素子では、シリコン基板の厚み方向において、一方の表面から他方の表面に貫いて全て多孔質化されて断熱層となっているので、従来のように基板の一部のみが断熱層となっている場合に比べて断熱層の断熱性能が向上する。このため、発熱体層に通電を行うと、発熱体層だけが効率的に発熱するために、熱応答速度が速く発光効率の高い赤外線放射素子を得ることができる。さらに、本実施例の赤外線放射素子では、多孔質化されないシリコン基板を残さないから、そのまま多孔質化するため、残すシリコン層を制御する必要がなく、工程の簡略化が図れる。

以上説明したように、本発明の赤外線放射素子では、シリコンからなる支持基板の一方の表面から他方の表面に貫いて多孔質化させることにより断熱層が形成されているので、従来のように基板の一部のみが断熱層となっている場合に比べて断熱層の断熱性能が向上する。このため、発熱体層に通電を行うと、発熱体層だけが効率的に発熱するために、熱応答速度が速く発光効率の高い赤外線放射素子を得ることができる。

（実施例２）図２は本発明に係る赤外線放射素子の他の実施例を示す断面図である。本実施例の赤外線放射素子１の構成は上記実施例１と略同じであり、図２に示すように、シリコン基板の厚み方向において、発熱体層３に近い部分の断熱層２は多孔度が高い高多孔度断熱層となり、遠い部分の低多孔度断熱層２ａは多孔度が低くなっている点で上記実施例１と相違する。上記実施例１と同様な作用をなす部分については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施例の赤外線放射素子１では、発熱体層３に近い部分の断熱層２は高多孔度であるため高い断熱性を有している。一方、発熱体層３に遠い部分の低多孔度断熱層２ａは低多孔度であるため、ある程度の断熱性は有しながら、高多孔度領域に比べて高い機械的強度を有している。このため、素子全体としては、高い断熱性と機械的強度を併せ持った構造となっており、製造途中や実装時の破壊を防ぐことができるため、歩留まりの向上を図ることができる。

本実施例のように厚み方向で多孔度が異なる多孔質シリコン層は、陽極酸化の途中で電流密度を変化させることにより作製することができる。すなわち、電流密度が高いほど多孔度は高くなるため、陽極酸化の初期は電流密度を小さくしておき、途中から電流密度を大きくすれば良い。

なお、図２では多孔度の異なる断熱層２、２ａの２層となっている例で示したが、さらに多層の構造にしても良い。また、多孔度がステップ状に変化するのではなく、連続的に変化するようにしても良い。

上記のように構成してなる、本実施例の赤外線放射素子は、製造途中やパッケージヘの実装時に素子が破壊するのを少なくすことができる。実施例１の赤外線放射素子では断然層全体が高多孔度となっているために、断熱層の機械的強度が弱く、製造途中やパッケージヘの実装時に素子が破壊するおそれがあったが、本実施例のように構成することで、それを改善できる。

（実施例３）図３は本発明に係る赤外線放射素子の他の実施例を示す断面図である。

本実施例の赤外線放射素子１は、図３に示すように、シリコン基板の一表面（図３における下面）側において所定領域のみに多孔質シリコン層からなる断熱層２を形成している点で相違する。概略構成においては、上記実施例１と略同じであるが、上記所定領域の周辺部分のシリコン基板の厚み方向において、各パッドそれぞれと重複する部位は陽極酸化されずに単結晶シリコンのまま残った構造をしている点で、上記実施例と相違している。上記実施例と同様な作用の部分については詳細な説明は省略する。

すなわち、本実施例の赤外線放射素子１では、シリコン基板の上記一表面側において各パッド４，４それぞれと重複する部位である側部に、断熱層２に比べで機械的強度が高い高強度構造部５を有している。

本実施例の赤外線放射素子１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５を有していることにより、素子の機械的強度を強くすることができる。その結果、各パッドへボンディングワイヤをボンディングする際の衝撃によって断熱層が破損するのを防止することができる。なお、シリコン基板の上記一表面側において断熱層が形成されていない上記周辺部分は、必ずしも各パッドの全域に重複している必要はない。ここで、このような構造は、高強度構造部５の表面部分をフッ素樹脂等によりマスキングした状態で、陽極酸化をすることにより作製することができる。

なお、本実施例においては、赤外線放射素子１を、例えばキャンパッケージの金属製ベースやリードフレームなどのベース部材にダイボンディングした場合、発熱体層３で発生した熱の一部が多孔質化されていない高強度構造部５を通じてベース部材に放熱されてしまうことがあり、発熱体層３への通電時の応答速度の低下につながってしまうおそれがある。

（実施例４）図４は本発明に係る赤外線放射素子のさらに他の実施例を示す図で、図４（ａ）はその断面図、図４（ｂ）はその変形例を示す断面図である。本案施例の赤外線放射素子１は、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、シリコン基板の厚み方向の一表面（図における下面）側から発熱体層３側にかけては多孔質化の厚みが変わっている点で上記実施例と相違する。同様な作用の部分については詳細な説明は省略する。

図４（ａ）に示す実施例の赤外線放射素子１は、シリコン基板の下面は全面が多孔質化され、発熱体層３側には多孔質化されていない高強度構造部５部分が存在している。図４（ｂ）に示す実施例の赤外線放射素子１は、シリコン基板の下面は全面が多孔質化され、発熱体層３側に多孔質化されていない高強度構造部５部分が順次広くなって存在している。このため、本実施例の赤外線放射素子１では、半導体基板の厚み方向の一表面側から熱が放熱されにくくなるので、応答速度が向上する。

なお、本実施例の構造は、図４（ａ）に示すように多孔質化されている領域が階段状の構造でもよいし、図４（ｂ）に示すように連続的に変化している構造でもよい。図４（ａ）に示すような構造は、高強度構造部５の表面部分にマスキング（図示せず）を施して途中まで陽極酸化をした後に、このマスキングをはずしてさらに陽極酸化をすることによって作製することができる。また、図４（ｂ）に示すような構造は、例えば、大きさの異なる陽極と陰極を用いて陽極酸化処理をすることにより、シリコン基板中を流れる電流密度を不均一とした状態で多孔質化をすることによって作製することができる。

本実施例の赤外線放射素子は、キャンバッケージの金属製ベースやリードフレームなどのベース部材にダイボンディングした場合でも、発熱体層で発生した熱の一部が陽極酸化されていない高強度構造部を通じてベース部材に放熱されることを良好に減らすことができる。発熱体層への通電時の応答速度の低下を防ぐことができる。

上述のように、本発明の赤外線放射素子によれば、シリコン基板の厚み方向において、貫通させて断熱層としているので断熱層の断熱性能が向上する。このため、発熱体層に通電を行うと、発熱体層だけが効率的に発熱するために、熱応答速度が遠く発光効率の高い赤外線放射素子を得ることができる。

さらに、断熱層の上に形成される発熱体層をシリコン基板とは別に形成するので、その抵抗値を適宜選択することができるので、小さい値にすると発熱体層に印加する電圧を小さくすることができる。

本発明の赤外線放射素子の１実施例の断面図である。本発明の赤外線放射素子の他の実施例を示す断面図である。本発明の赤外線放射素子のさらに他の実施例を示す断面図である。（ａ）は本発明の赤外線放射素子のさらに他の実施例を示す断面図、（ｂ）はその変形例の断面図である。

符号の説明

１赤外線放射素子
２断熱（多孔質化）層
３発熱体層
４パッド
５高強度構造部

Claims

陽極酸化処理によってシリコンからなる支持基板の一方の表面から他方の表面に貫いてシリコンを多孔質化することにより形成された断熱層と、該断熱層の他方の表面上に形成されて該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と、該発熱体層の表面に形成された一対のパッドを有してなり、前記支持基板の側面側それぞれに多孔質化されていないシリコンからなる高強度構造部を設け、前記シリコンからなる支持基板の多孔質層の面積は前記一方の表面側が前記他方の表面側より広くなるよう形成したことを特徴とする赤外線放射素子。
前記支持基板の一方の表面から他方の表面に貫いて多孔質化する途中で陽極酸化処理の電流密度の変化により前記他方の表面側の多孔度の方を、前記一方の表面側の多孔度よりも大きく形成したことを特徴とする請求項１に記載の赤外線放射素子。
前記支持基板の発熱体層が形成されていない前記一方の表面側が全面にわたって多孔質化されていることを特徴とする請求項２に記載の赤外線放射素子。