JP5260985B2

JP5260985B2 - 赤外線放射素子

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Publication number: JP5260985B2
Application number: JP2008051005A
Authority: JP
Inventors: 由明本多; 祥文渡部
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2028-02-29
Also published as: JP2009210290A

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、赤外線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線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フィラメント（タングステンフィラメント）を収納したハロゲンランプのような赤外線放射源においては、フィラメント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線放射源として、マイクロマシニング技術などを利用して形成されシリコン基板からなる支持基板の一表面側にヒータ層が形成された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１〜３）。なお、上記特許文献１，２では、アルカリ系溶液を用いた異方性エッチング技術を利用してヒータ層の裏面側に空洞を形成し、上記特許文献３では、シリコン基板の一部を陽極酸化することにより形成した多孔質半導体部を選択的にエッチング除去することによって、ヒータ層を支持している絶縁膜の裏面側に空洞を形成している。
特開平６−８４６０４号公報特開２００６−１０４２３号公報特開２００７−２２２９９０号公報

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、上述のハロゲンランプに比べて、小型で入力電力に対する応答速度が速いという利点を有する一方で赤外線の出力が小さいという問題があった。なお、赤外線放射素子の前方に光取出し効率を高めるためのレンズを配置することも考えられるが、この場合には、コストが高くなってしまうとともに、レンズを含めた赤外線放射素子のサイズが大きくなってしまうという問題がある。

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、入力電力に対する応答速度が速く且つ赤外線の出力の高出力化が可能な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、半導体基板の一表面側に形成された凹所の周部の複数箇所の間に架け渡された絶縁膜からなる梁部にヒータ層が設けられ、前記ヒータ層へ電力を与えることにより前記ヒータ層から赤外線が放射される赤外線放射素子であって、前記凹所が、前記半導体基板の前記一表面側の一部を陽極酸化することにより形成した多孔質部を除去することにより形成され、前記凹所の内面が前記ヒータ層から放射された赤外線を所望の赤外線取出し方向へ反射する凹面ミラーを構成しており、前記梁部は、前記半導体基板の前記一表面を含む仮想平面から前記凹所側に凹んだ仮想凹曲面上に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、半導体基板の一表面側で前記半導体基板とヒータ層とが凹所内の空気などの気体により断熱されるので、入力電力に対する応答速度が速く、しかも、前記凹所が、前記半導体基板の前記一表面側の一部を陽極酸化することにより形成した多孔質部を除去することに形成され、前記凹所の内面が前記ヒータ層から放射された赤外線を所望の赤外線取出し方向へ反射する凹面ミラーを構成しているので、前記ヒータ層から放射された赤外線を効率良く取り出すことができ、赤外線の出力の高出力化が可能となる。また、この発明によれば、前記梁部は、前記半導体基板の前記一表面を含む仮想平面から前記凹所側に凹んだ仮想凹曲面上に形成されてなるので、前記ヒータ層から表面側へ放射される赤外線を集光することができるとともに、裏面側へ放射される赤外線を前記凹面ミラーで反射させて集光することができるので、高出力の赤外線ビームを得ることが可能となる。
請求項２の発明は、半導体基板の一表面側に形成された凹所の周部の複数箇所の間に架け渡された絶縁膜からなる梁部にヒータ層が設けられ、前記ヒータ層へ電力を与えることにより前記ヒータ層から赤外線が放射される赤外線放射素子であって、前記凹所が、前記半導体基板の前記一表面側の一部を陽極酸化することにより形成した多孔質部を除去することにより形成され、前記凹所の内面が前記ヒータ層から放射された赤外線を所望の赤外線取出し方向へ反射する凹面ミラーを構成しており、前記梁部は、前記半導体基板の前記一表面を含む仮想平面から前記凹所側とは反対側に凸となる仮想凸曲面上に形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、半導体基板の一表面側で前記半導体基板とヒータ層とが凹所内の空気などの気体により断熱されるので、入力電力に対する応答速度が速く、しかも、前記凹所が、前記半導体基板の前記一表面側の一部を陽極酸化することにより形成した多孔質部を除去することに形成され、前記凹所の内面が前記ヒータ層から放射された赤外線を所望の赤外線取出し方向へ反射する凹面ミラーを構成しているので、前記ヒータ層から放射された赤外線を効率良く取り出すことができ、赤外線の出力の高出力化が可能となる。また、この発明によれば、前記梁部は、前記半導体基板の前記一表面を含む仮想平面から前記凹所側とは反対側に凸となる仮想凸曲面上に形成されてなるので、高出力の点光源として利用することが可能となる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記ヒータ層は、前記梁部における前記凹所に臨む裏面側に形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ヒータ層から放射される赤外線が直接、前記凹面ミラーで反射されて外部へ取り出されるので、外部への赤外線取出し効率を向上させることができる。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記梁部における前記凹所側とは反対の表面側に、前記ヒータ層から前記梁部側へ放射された赤外線を反射する赤外線反射膜が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ヒータ層から前記梁部側へ放射された赤外線が赤外線反射膜で反射されて前記凹面ミラーで反射されるので、外部への赤外線取出し効率をより向上させることができる。

請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記凹面ミラーに赤外線を反射する赤外線反射膜が積層されてなることを特徴とする。

この発明によれば、外部への赤外線取出し効率をより向上させることができる。

請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記赤外線反射膜は、金属膜からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記赤外線反射膜の反射率を略１００％とすることができる。

請求項７の発明は、請求項５の発明において、前記赤外線反射膜は、光学多層膜からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記ヒータ層から放射された赤外線に対する波長選択性を向上させることができる。

請求項１の発明では、入力電力に対する応答速度が速く且つ赤外線の出力の高出力化が可能となるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の赤外線放射素子は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、単結晶のシリコン基板からなる半導体基板１の一表面側（図１（ｂ）における上面側）に形成された凹所２の周部の複数箇所（本実施形態では、２箇所）の間に架け渡された絶縁膜からなる梁部６にヒータ層３が設けられ、半導体基板１の上記一表面側にヒータ層３の両端部それぞれと電気的に接続される一対のパッド４，４が形成されている。したがって、本実施形態の赤外線放射素子では、一対のパッド４，４を介してヒータ層３へ電力を与えることによりヒータ層３から赤外線が放射される。

上述の半導体基板１の外周形状は矩形状であって、凹所２の開口形状は円形状、ヒータ層３の平面形状は短冊状に形成してある。ここにおいて、本実施形態の赤外線放射素子では、凹所２内の空気などの気体が、半導体基板１に比べて熱伝導率および熱容量が小さく、ヒータ層３と半導体基板１との間の断熱層として機能する。

また、本実施形態の赤外線放射素子は、半導体基板１の上記一表面側に各パッド４，４およびヒータ層３と半導体基板１とを電気的に絶縁する絶縁膜（例えば、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜など）５が形成されており、各パッド４，４は、ヒータ層３の端部と絶縁膜５のうち半導体基板１の上記一表面上に形成された部位とに跨って形成されている。なお、絶縁膜５の一部が上述の梁部６を構成しており、梁部６は、ヒータ層３よりもやや幅広の短冊状にパターニングされている。

なお、本実施形態の赤外線放射素子では、絶縁膜５を構成する下層のシリコン酸化膜および上層のシリコン窒化膜それぞれの膜厚を１μｍ、０．１μｍに設定し、凹所２の深さ寸法を１００μｍに設定してあるが、これらの数値は特に限定するものでない。ただし、凹所２の深さ寸法は、ヒータ層３で発生した熱が半導体基板１に吸熱されるのを防止するうえでは大きいほうが望ましい。また、本実施形態では、絶縁膜５をシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜により構成しているが、絶縁膜５の材料はＳｉＯ_２やＳｉＮに限らず、例えば、ＵＬＳＩなでで層間絶縁膜の材料として用いられている多孔質シリカのような低誘電率（low-k）絶縁材料を採用してもよく、low-k絶縁材料を採用することにより、断熱性を向上させることができる。

本実施形態では、上述のように半導体基板１として単結晶のシリコン基板を用いており、後述のように半導体基板１の一部を陽極酸化処理することにより形成した多孔質シリコン部からなる多孔質部１３（図２（ｂ）参照）をエッチング除去することにより凹所２を形成している。

上述のヒータ層３の材料としては、半導体基板１の材料であるＳｉに比べて高融点の金属を採用することが好ましく、本実施形態では、Ｉｒを採用しているが、Ｉｒに限らず、例えば、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｔｉなどの金属やＮｉＣｒなどの電熱合金や、ポリシリコンなどを採用してもよい。ただし、ヒータ層３の材料として採用する金属としては、熱応力に起因してヒータ層３が破壊されるのを防止するという観点から、半導体基板１の材料であるＳｉの熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する金属を採用することが好ましい。

また、ヒータ層３と梁部６との間に密着性改善用の密着層として例えばＴｉ膜を介在させてもよいし、ヒータ層３の表面側に当該ヒータ層３に比べて放射率の高い材料（例えば、金黒、Ｃｒなど）からなる高放射率層を設けてもよい。ここにおいて、密着層や高放射率層を設けることにより、ヒータ層３の材料の制約が少なくなるという利点がある。なお、上記密着層の材料はＴｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどでもよい。

また、各パッド４，４は、Ａｌにより形成してあるが、Ａｌに限らず、Ａｕなどを採用してもよいし、単層構造に限らず、例えば、多層構造（例えば、Ｃｒ膜とＮｉ膜とＡｕ膜との積層膜）を採用してもよい。

本実施形態の赤外線放射素子においてヒータ層３から放射される赤外線のピーク波長λは、ヒータ層３の温度に依存し、ピーク波長をλ〔μｍ〕、ヒータ層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、ヒータ層３の絶対温度Ｔとヒータ層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足している。要するに、本実施形態の赤外線放射素子では、ヒータ層３が黒体を構成しており、図示しない外部電源からパッド４，４間に与える入力電力を調整することにより、ヒータ層３に発生するジュール熱を変化させる（つまり、ヒータ層３の温度を変化させる）ことができる。したがって、ヒータ層３への最大入力電力に応じてヒータ層３の温度を変化させることができ、また、ヒータ層３の温度を変化させることでヒータ層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。ここにおいて、本実施形態では、ヒータ層３が上述のように黒体を構成し、ヒータ層３の単位面積が単位時間に放射する全エネルギＥがＴ^４に比例している（つまり、シュテファン−ボルツマンの法則を満足している）ので、ヒータ層３の温度を高くするほど赤外線の放射量を増大させることができ、広範囲の赤外線波長域において高出力の赤外線光源（赤外線放射源）として用いることが可能となる。

ところで、本実施形態の赤外線放射素子は、上述のように、凹所２が、半導体基板１の上記一表面側の一部を陽極酸化することにより形成した多孔質部１３（図２（ｂ）参照）を除去することにより形成され、凹所２の内面がヒータ層３から放射された赤外線を所望の赤外線取出し方向へ反射する凹面ミラー２ａを構成している（なお、図１（ｂ）中の矢印は、ヒータ層３から放射された赤外線の進行方向を模式的に示している）。

以下、本実施形態の赤外線放射素子の製造方法について図２（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明する。

まず、単結晶のシリコン基板からなる半導体基板１の上記一表面側（図２（ａ）における上面側）に除去部位として形成する多孔質シリコン部からなる多孔質部１３（図２（ｂ）参照）の形状に応じてパターン設計した陽極１２を半導体基板１の他表面側（図２（ａ）における下面側）に形成する陽極形成工程を行うことによって、図２（ａ）に示す構造を得る。この陽極形成工程では、半導体基板１の上記他表面側に陽極１２の基礎となる所定膜厚（例えば、１μｍ）の導電性膜（例えば、Ａｌ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜など）からなる導電性層を形成する導電性層形成工程を行い、その後、導電性層を円形状にパターニングするパターニング工程を行うことで、円形状の陽極１２を形成する。ここにおいて、導電性層形成工程では、例えばスパッタ法や蒸着法などによって半導体基板１０の上記他表面上に導電性層を成膜した後、Ｎ_２ガスおよびＨ_２ガス雰囲気中で導電性層のシンタ（熱処理）を行うことで、導電性層と半導体基板１とのオーミック接触を得ている。また、パターニング工程では、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して導電性層をパターニングする。また、陽極形成工程において形成する陽極１２は、上述の凹面ミラー２ａ（図２（ｅ）参照）の所望の曲面形状（ここでは、半導体基板１における多孔質部１３との界面の形状）に応じて半導体基板１との接触パターン（ここでは、陽極１２の平面形状）を設計してある。

上述の陽極形成工程の後、半導体基板１の上記一表面側における多孔質部１３の形成予定部位を陽極酸化処理にて多孔質化することで多孔質シリコン層からなる多孔質部１３を形成する陽極酸化工程を行うことによって、図２（ｂ）に示す構造を得る。ここにおいて、陽極酸化工程では、電解液として５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合した混合液を用い、電解液中で半導体基板１の上記一表面側に対向配置される陰極と陽極１２との間に所定電流密度（例えば、３０ｍＡ／ｃｍ^２）の電流を所定時間（例えば、１２０分）だけ通電して半導体基板１の上記一表面側に多孔質部１３を形成する。なお、電解液としては、半導体基板１の構成元素であるＳｉの酸化物であるＳｉＯ_２をエッチング除去する溶液として、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合したフッ酸系溶液を用いているが、フッ化水素水溶液の濃度やフッ化水素水溶液とエタノールとの混合比は特に限定するものではない。また、フッ化水素水溶液と混合する液体もエタノールに限らず、メタノール、プロパノール、イソプロパノール（ＩＰＡ）などのアルコールなど、陽極酸化反応で発生した気泡を除去できる液体であれば、特に限定するものではない。また、陽極酸化工程の処理条件は特に限定するものではなく、上述の所定電流密度および上記所定時間はそれぞれ適宜設定すればよい。また、陽極酸化処理工程では、所定電流密度の条件で通電を行っているが、所定電圧の条件で通電を行うようにしてもよい。なお、本実施形態では、半導体基板１として、導電形がｐ形のものを用いているので、陽極酸化工程において半導体基板１の上記一表面側に光を照射する必要はないが、半導体基板１として導電形がｎ形のものを用いる場合には光を照射する必要がある。

ところで、本実施形態では、半導体基板１として用いる単結晶のシリコン基板を用いているので、半導体基板１の一部を陽極酸化工程において多孔質化する際には、ホールをｈ^＋、電子をｅ⁻とすると、以下の反応が起こっていると考えられる。
Ｓｉ＋２ＨＦ＋（２−ｎ）ｈ^＋→ＳｉＦ_２＋２Ｈ^＋＋ｎｅ⁻
ＳｉＦ_２＋２ＨＦ→ＳｉＦ_４＋Ｈ_２
ＳｉＦ_４＋２ＨＦ→ＳｉＨ_２Ｆ_６
すなわち、シリコン基板からなる半導体基板１の陽極酸化では、Ｆイオンの供給量とホールｈ^＋の供給量との兼ね合いで多孔質化あるいは電解研磨が起こることが知られており、Ｆイオンの供給量の方がホールの供給量よりも多い場合には多孔質化が起こり、ホールｈ^＋の供給量がＦイオンの供給量よりも多い場合には電解研磨が起こる。したがって、本実施形態のように半導体基板１としてｐ形のシリコン基板を用いている場合には、陽極酸化による多孔質化の速度はホールｈ^＋の供給量で決まるから、半導体基板１中を流れる電流の電流密度で多孔質化の速度が決まり、多孔質部１３の厚みが決まることになる。ここにおいて、半導体基板１の上記一表面側では、半導体基板１の厚み方向に沿った陽極１２の中心線から離れるほど電流密度が徐々に小さくなるような電流密度の面内分布を有することとなり、半導体基板１の上記一表面側に形成される多孔質部１３は、陽極１２の中心線から離れるほど徐々に薄くなっている。なお、上述の電流密度の面内分布は、陽極１２と陰極との間に通電しているときに陽極１２と半導体基板１との接触パターンなどにより決まる半導体基板１内の電界強度の分布に応じて発生し、電界強度が強いほど電流密度が大きくなり、電界強度が弱いほど電流密度が小さくなる。

上述の陽極酸化工程の終了後、半導体基板１の上記一表面側に絶縁膜５の基礎となるＳｉ_３Ｎ_４膜もしくはＳｉＯ_２膜からなる絶縁層５ａをスパッタ法やＣＶＤ法などにより形成する絶縁層形成工程を行うことによって、図２（ｃ）に示す構造を得る。

上述の絶縁膜形成工程の後、ヒータ層３を形成するヒータ層形成工程を行い、続いて、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２（ｄ）に示す構造を得る。なお、ヒータ層形成工程では、例えば、各種のスパッタ法、各種の蒸着法、各種のＣＶＤ法などによってヒータ層３の基礎となるヒータ材料層を成膜してから、当該ヒータ材料層をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることでヒータ層３を形成する。また、パッド形成工程では、例えば、各種のスパッタ法、各種の蒸着法、各種のＣＶＤ法などによってパッド４，４の基礎となるパッド材料層を成膜してから、当該パッド材料層をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることでパッド４，４を形成する。

上述のパッド形成工程の後、上述の絶縁層形成工程にて形成した絶縁層５ａをフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることで絶縁膜５を形成してから（この段階では、絶縁膜５は、半導体基板１の上記一表面上の部位と梁部６に対応する部位が残り且つ梁部６の周辺部位の多孔質部１３が露出するようにパターニングされている）、多孔質部１３を選択的にエッチング除去して凹所２を形成するとともに絶縁膜５の一部からなる梁部６を形成する分離工程を行うことによって、図２（ｅ）に示す構造の赤外線放射素子を得ることができるので、その後、ダイシング工程を行えばよい。ここにおいて、多孔質部１３を選択的にエッチング除去するエッチング液としては、例えばＫＯＨ水溶液やＴＭＡＨ水溶液などのアルカリ系溶液を用いればよく、バルクのシリコン基板とは異なり、室温でも多孔質部１３をエッチングすることができるので、エッチング選択比を高めることができる。ここで、多孔質シリコン部からなる多孔質部１３のエッチング速度は、バルクのシリコン基板に比べて速く、多孔度にもよるが、室温でのエッチング速度として８０℃〜１００℃でのシリコン基板のエッチング速度の２０〜３０倍程度の値を得ることが可能であり、凹所２の形成に要するエッチング時間を大幅に短縮することができる。また、分離工程においてエッチング液としてアルカリ系溶液を用いることで、Ａｌ膜からなる陽極１２を分離工程においてエッチング除去することができるので、陽極１２を除去するための工程を別途に設ける必要がないという利点もある。

上述の赤外線放射素子の製造方法によれば、陽極形成工程にて形成する陽極１２と半導体基板１との接触パターンにより陽極酸化工程において半導体基板１に流れる電流の電流密度の面内分布が決まるので、陽極酸化工程にて形成する多孔質部１３の厚みの面内分布を制御することができて厚みが連続的に変化した多孔質部１３を形成することが可能であり、当該多孔質部１３を分離工程で選択的にエッチング除去して凹所２を形成することで、当該凹所２の内面からなる凹面ミラー２ａを形成することができるから、任意の曲面形状で且つ滑らかな凹面ミラー２ａを容易に形成することができる。

ところで、上述の赤外線放射素子の製造方法においては、陽極酸化工程において半導体基板１に流れる電流の電流密度の面内分布によって凹面ミラー２ａの曲面形状が決まるので、半導体基板１の抵抗率や厚み、陽極酸化工程にて用いる電解液の電気抵抗値や、半導体基板１と陰極との間の距離、陰極の平面形状（半導体基板１に対向配置した状態において半導体基板１に平行な面内での形状）、陽極１２の形状や大きさなどを適宜設定することにより、凹面ミラー２ａの曲面形状を制御することができる。

ここにおいて、半導体基板１の抵抗率としては、例えば、数Ωｃｍ〜数１００Ωｃｍ程度の範囲内で設定すればよく、抵抗率が小さいほど曲率半径の大きな緩やかな凹曲面からなる凹面ミラー２ａを形成することができ、抵抗率が大きいほど曲率半径の小さな凹曲面からなる凹面ミラー２ａを形成することができる。また、半導体基板１の厚みが薄いほど曲率半径の小さな凹曲面からなる凹面ミラー２ａを形成することができ、厚みが厚いほど曲率半径の大きな緩やかな凹曲面からなる凹面ミラー２ａを形成することができる。

また、電解液の電気抵抗値は、例えば、フッ化水素水溶液の濃度や、フッ化水素水溶液とエタノールとの混合比などを変えることにより調整することができるので、陽極１２の形状の他に、陽極１２の形状以外の条件（例えば、電解液の電気抵抗値）を適宜設定することによって、凹面ミラー２ａの曲面形状をより制御しやすくなる。

また、その他に、曲面形状を制御するパラメータとして、陽極酸化工程における陽極酸化の処理時間（上記所定時間）があり、処理時間が長く多孔質部１３の厚みが厚くなるほど、多孔質部１３において厚い部分の厚さと薄い部分の厚さとの差が大きくなって曲率半径の小さな凹曲面からなる凹面ミラー２ａを形成でき、処理時間が短く多孔質部１３の厚みが薄くなるほど、多孔質部１３において厚い部分の厚さと薄い部分の厚さとの差が小さくなって曲率半径の大きな凹曲面からなる凹面ミラー２ａを形成できる。

また、上述の陽極酸化工程では、通電開始から所定時間が経過すると直ちに通電を終了するようにしているが、通電終了前に電流密度を連続的ないし段階的に減少させることで半導体基板１の多孔質化の速度および多孔度を低下させれば、多孔質部１３と半導体基板１との界面をより滑らかな凹曲面とすることが可能となる。要するに、上記通電時に、多孔質部１３における表面側の部分の多孔度よりも半導体基板１との界面側（境界側）の部分の多孔度を小さくするように通電条件を変化させるようにすれば、多孔質部１３における半導体基板１との界面側の部分の多孔度が表面側の部分の多孔度に比べて小さくなって、より滑らかな凹曲面からなる凹面ミラー２ａを有する赤外線放射素子を形成することが可能となる。

以上説明した本実施形態の赤外線放射素子によれば、半導体基板１の上記一表面側で半導体基板１とヒータ層３とが凹所２内の空気などの気体により断熱されるので、入力電力に対する応答速度が速く、しかも、凹所２が、半導体基板１の上記一表面側の一部を陽極酸化することにより形成した多孔質部１３を除去することに形成され、凹所２の内面がヒータ層３から放射された赤外線を所望の赤外線取出し方向へ反射する凹面ミラー２ａを構成しているので、ヒータ層３から放射された赤外線を効率良く取り出すことができ、赤外線の出力の高出力化が可能となる。

（実施形態２）
本実施形態の赤外線放射素子の基本構成は実施形態１と略同じであって、図３に示すように、梁部６が、半導体基板１の上記一表面を含む仮想平面から凹所２側に凹んだ仮想凹曲面上に形成されている点が相違するだけである。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の赤外線放射素子の製造方法は実施形態１で説明した製造方法と略同じであり、実施形態１にて説明した陽極酸化工程で多孔質部１３（図２（ｂ）参照）を形成する前に、半導体基板１の上記一表面側に上記仮想凹曲面の基準となる凹曲面を形成するための除去部位となる多孔質部を形成してから当該多孔質部を除去し、その後、陽極酸化工程を行うことにより多孔質部１３を形成し、その後、多孔質部１３を除去することで凹面ミラー２ａを形成すればよい。

しかして、本実施形態の赤外線放射素子によれば、ヒータ層３から表面側（図３における上面側）へ放射される赤外線を集光することができるとともに、裏面側（図３における下面側）へ放射される赤外線を凹面ミラー２ａで反射させて集光することができるので、高出力の赤外線ビームを得ることが可能となる。

なお、本実施形態の赤外線放射素子は、実施形態１と同様に入力電力に対する高速応答が可能である上に、高出力の赤外線ビームを得ることが可能なので、高速の赤外光通信用の赤外線光源として利用することが可能となる。

（実施形態３）
本実施形態の赤外線放射素子の基本構成は実施形態１と略同じであって、図４に示すように、梁部６が、半導体基板１の上記一表面を含む仮想平面から凹所２側とは反対側に凸となる仮想凸曲面上に形成されている点が相違するだけである。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の赤外線放射素子の製造方法は実施形態１で説明した製造方法と略同じであり、実施形態１にて説明した陽極酸化工程で多孔質部１３（図２（ｂ）参照）を形成する前に、半導体基板１の上記一表面側に上記仮想凸曲面の基準となる凸曲面を形成するための除去部位となる多孔質部を形成してから当該多孔質部を除去し、その後、陽極酸化工程を行うことにより多孔質部１３を形成し、その後、多孔質部１３を除去することで凹面ミラー２ａを形成すればよい。

しかして、本実施形態の赤外線放射素子は、高出力の点光源として利用することが可能となる。

なお、本実施形態の赤外線放射素子は、実施形態１と同様に入力電力に対する高速応答が可能である上に、高出力の点光源として利用することが可能なので、例えば、赤外分光装置に利用する場合、瞬間的に赤外線を放射させることができ、測定対象物を加熱せずに測定することが可能となる。

（実施形態４）
本実施形態の赤外線放射素子の基本構成は実施形態１と略同じであって、図５に示すように、ヒータ層３が、梁部６における凹所２に臨む裏面側（図５における下面側）に形成されており、ヒータ層３と各パッド４，４とが梁部６に形成したコンタクトホール６ａ，６ａを通して電気的に接続されている点、梁部６における凹所２側とは反対の表面側（図５における上面側）にヒータ層３から梁部３側へ放射された赤外線を反射する赤外線反射膜７が形成されている点が相違するだけである。ここで、赤外線反射膜７を赤外線の反射率が略１００％の金属（例えば、Ａｕなど）からなる金属膜により構成すれば、当該赤外線反射膜７での赤外線の反射率を略１００％とすることが可能となる。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

しかして、本実施形態の赤外線放射素子によれば、ヒータ層３から放射される赤外線が直接、凹面ミラー２ａで反射されて外部へ取り出されるので、外部への赤外線取出し効率を向上させることができる。また、本実施形態の赤外線放射素子によれば、ヒータ層３から梁部６側へ放射された赤外線が赤外線反射膜７で反射されて凹面ミラー２ａで反射されるので、外部への赤外線取出し効率をより向上させることができるとともに、赤外線の取出し方向を凹面ミラー２ａの曲面形状のみで制御することが可能となる。

（実施形態５）
本実施形態の赤外線放射素子の基本構成は実施形態１と略同じであって、図６に示すように、ヒータ層３が、梁部６における凹所２に臨む裏面側（図６における下面側）に形成されており、ヒータ層３と各パッド４，４とが梁部６に形成したコンタクトホール６ａ，６ａ，を通して電気的に接続されている点、凹面ミラー２ａに赤外線を反射する赤外線反射膜８が積層されている点が相違するだけである。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

しかして、本実施形態の赤外線放射素子では、外部への赤外線取出し効率をより向上させることができる。ここで、赤外線反射膜８を赤外線の反射率が略１００％の金属（例えば、Ａｕなど）からなる金属膜により構成すれば、当該赤外線反射膜８での赤外線の反射率を略１００％とすることが可能となる。

また、本実施形態の赤外線放射素子では、赤外線反射膜８を光学多層膜により構成すれば、ヒータ層３から放射された赤外線に対する波長選択性を向上させることができる。なお、本実施形態に限らず、他の実施形態において、赤外線反射膜８を設けるようにしてもよい。また、本実施形態において、赤外線反射膜８を光学多層膜により構成し、さらに実施形態４にて説明した赤外線反射膜７（図５参照）を設けるようにすれば、赤外線放射素子全体として放射する赤外線の波長の選択性を高めることができ、不要は波長域の赤外線が放射されるのを抑制することができ、例えばガスセンサなどの赤外線放射源として用いる場合に、ガスセンサの高感度化を図れる。

（実施形態６）
本実施形態の赤外線放射素子の基本構成は実施形態２と略同じであって、図７に示すように、ヒータ層３が、梁部６における凹所２に臨む裏面側（図７における下面側）に形成されており、ヒータ層３と各パッド４，４とが梁部６に形成したコンタクトホール６ａ，６ａ，を通して電気的に接続されている点が相違するだけである。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

しかして、本実施形態の赤外線放射素子では、ヒータ層３から放射される赤外線が直接、凹面ミラー２ａで反射されて外部へ取り出されるので、外部への赤外線取出し効率を向上させることができる。

なお、本実施形態の赤外線放射素子において、実施形態４で説明した赤外線反射膜７や実施形態８で説明した赤外線反射膜８を設けてもよい。

ところで、上記各実施形態では、梁部６が半導体基板１の凹所２の周部の２箇所の間に架け渡されているが、２箇所に限らず、複数箇所の間に架け渡されていればよく、例えば、３箇所や４箇所でもよい。

実施形態１の赤外線放射素子を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略断面図である。同上の赤外線放射素子の製造方法を説明するための主要工程断面図である。実施形態２の赤外線放射素子を示す概略断面図である。実施形態３の赤外線放射素子を示す概略断面図である。実施形態４の赤外線放射素子を示す概略断面図である。実施形態５の赤外線放射素子を示す概略断面図である。実施形態６の赤外線放射素子を示す概略断面図である。

符号の説明

１半導体基板
２凹所
２ａ凹面ミラー
３ヒータ層
４パッド
５絶縁膜
６梁部
７赤外線反射膜（金属膜）
８赤外線反射膜（金属膜、光学多層膜）

Claims

半導体基板の一表面側に形成された凹所の周部の複数箇所の間に架け渡された絶縁膜からなる梁部にヒータ層が設けられ、前記ヒータ層へ電力を与えることにより前記ヒータ層から赤外線が放射される赤外線放射素子であって、前記凹所が、前記半導体基板の前記一表面側の一部を陽極酸化することにより形成した多孔質部を除去することにより形成され、前記凹所の内面が前記ヒータ層から放射された赤外線を所望の赤外線取出し方向へ反射する凹面ミラーを構成しており、前記梁部は、前記半導体基板の前記一表面を含む仮想平面から前記凹所側に凹んだ仮想凹曲面上に形成されてなることを特徴とする赤外線放射素子。
半導体基板の一表面側に形成された凹所の周部の複数箇所の間に架け渡された絶縁膜からなる梁部にヒータ層が設けられ、前記ヒータ層へ電力を与えることにより前記ヒータ層から赤外線が放射される赤外線放射素子であって、前記凹所が、前記半導体基板の前記一表面側の一部を陽極酸化することにより形成した多孔質部を除去することにより形成され、前記凹所の内面が前記ヒータ層から放射された赤外線を所望の赤外線取出し方向へ反射する凹面ミラーを構成しており、前記梁部は、前記半導体基板の前記一表面を含む仮想平面から前記凹所側とは反対側に凸となる仮想凸曲面上に形成されてなることを特徴とする赤外線放射素子。
前記ヒータ層は、前記梁部における前記凹所に臨む裏面側に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線放射素子。
前記梁部における前記凹所側とは反対の表面側に、前記ヒータ層から前記梁部側へ放射された赤外線を反射する赤外線反射膜が形成されてなることを特徴とする請求項３記載の赤外線放射素子。
前記凹面ミラーに赤外線を反射する赤外線反射膜が積層されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線放射素子。
前記赤外線反射膜は、金属膜からなることを特徴とする請求項５記載の赤外線放射素子。
前記赤外線反射膜は、光学多層膜からなることを特徴とする請求項５記載の赤外線放射素子。