JPH05258735A - 光源用白熱体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】アスペクト比の大きな微細な空洞を光放射体の
表面に形成する。 【構成】集束イオンビームを用いてタングステンの薄膜
５よりなる母材に対してアルミニウムイオンを注入す
る。アルミニウムイオンの注入領域は、光放射体の表面
に平行な断面形状になるように設定する。アルミニウム
を注入した領域は、タングステンとアルミニウムとの混
合物によるマスク３になる。次に、６フッ化硫黄ガスを
導入してタングステンにドライエッチングを施す。これ
によって、マスク３を設けていない部分が空洞となった
光放射体が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主として白熱電球の発
光体として用いる光源用白熱体の製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】一般に、白熱電球は、光源用白熱体であ
るフィラメントに通電することによってフィラメントを
白熱させて光を放射するものであるから、放射エネルギ
のうちの大部分は赤外線であり可視光線のエネルギは少
なく効率が低いという問題がある。また、白熱電球では
連続スペクトルが得られるが、赤色に偏った分光分布を
示すから、色温度が低いという問題があり、色温度を高
めるためにフィラメントを高温にすればフィラメントが
蒸発しやすくなって寿命が短くなるという問題が生じ
る。

【０００３】このような問題を解決する光源用白熱体と
して、図３および図４に示すように、通電により白熱す
る光放射体１の表面に微細な多数の空洞２を形成するこ
とによって光源用白熱体から放射される光の波長領域を
制限することが考えられている（特開平３−１０２７０
１号公報）。この光源用白熱体は、多数の微細な空洞２
を光放射体１の表面に形成し、空洞２内で光の放射場を
制限することによって所定エネルギ以下の光子の存在確
率を著しく低減させるという量子電磁力学的効果を用い
たものであって、所定の波長以上の波長領域の光を遮断
することができるものである。すなわち、空洞２内では
電子と光子とが常に相互作用するが、所定エネルギ以下
の光子は存在確率が非常に小さくなり、有限時間内では
観測されないのである。

【０００４】空洞２の効果を古典物理学的に解釈すれ
ば、空洞２を同調度の低い導波管とみなすことができ
る。したがって、光放射体１から放射された電磁波のう
ちカットオフ波長以上の波長領域の光の伝送を禁止して
いると考えることができる。カットオフ波長を可視光よ
り波長が長い領域、すなわち赤外線領域の光を遮断する
ように設定すれば、光放射体１からの赤外線の放射を抑
制することができる。このような光放射体１を用いれ
ば、赤外線領域の光が遮断されることによって光源用白
熱体の表面温度を下げることができ、白熱電球の発光効
率の向上および長寿命化につながることになる。

【０００５】特開昭３−１０２７０１号公報に記載され
た光源用白熱体は、タングステンやモリブデンよりなる
光放射体１の表面に開口形状が正方形である微細な多数
の空洞２が形成されているものである。また、赤外線の
放射を抑制するために各空洞２のカットオフ波長として
は７００ｎｍが選択され、このカットオフ波長を満たす
設計条件として空洞２の開口断面の一辺の寸法Ｌは３５
０ｎｍに設定されている。隣接する空洞２の間隔ｄは、
７００ｎｍの波長に対するスキンデプス程度である１５
０ｎｍに設定されている。すなわち、各空洞２は独立し
て導波管として機能するのであって、空洞２の連結によ
ってカットオフ波長が長くなることが防止されているの
である。さらに、空洞２の深さＤは７０００ｎｍに設定
されている。

【０００６】上記寸法に設定した場合、導波管理論によ
れば、各空洞２の底面から放射された電磁波のうち開口
寸法の２倍以上の波長の電磁波は遮断されるから、開口
寸法Ｌが３５０ｎｍであれば、７００ｎｍ以上の波長の
光は放射されないのである。一方、空洞２の側壁内で発
生した電磁波の電磁界は各空洞２間の壁を貫通しかつ連
続するという条件を満たすことが必要である。隣接する
空洞２間の側壁の厚みはカットオフ波長に対するスキン
デプス程度に設定されているから、波長がカットオフ波
長以上であると上記条件が満たされないことになる。し
たがって、空洞２間の壁内でもカットオフ波長以上の波
長の電磁波は発生せず、結果的に７００ｎｍ以上の電磁
波は空洞２の壁面からも放射されないことになる。

【０００７】結局、カットオフ波長以上の波長の電磁波
が放射される部位は、空洞２の開口面を含む光放射体１
の表面のうち隣接する空洞２間であって、カットオフ波
長に対するスキンデプス程度の厚み範囲ということにな
る。空洞２が光放射体１の表面のほぼ全面に亙って等間
隔に配列されているとすれば、光放射体１の光放射面に
対する空洞２の開口率は約５０％になるから、カットオ
フ波長以上の波長の光が放射される面は、光放射体１の
光放射面に対して高々５０％ということになる。また、
カットオフ波長以上の波長の光を放射する領域がカット
オフ波長のスキンデプス以下の薄い領域に制限され、同
一波長の光子が内部から供給されないから、熱力学的平
衡状態に達することがなく輻射量は黒体輻射よりも少な
くなる。黒体輻射での放射量に対して光束が２０％にな
るとすれば、カットオフ波長以上の波長の光の量は、空
洞２を設けていない場合の１０分の１程度になる。一
方、カットオフ波長より波長の短い光は空洞２間の壁内
からも発生するから、熱力学的平衡状態に達することが
でき黒体輻射による光束に達することができる。その結
果、カットオフ波長よりも短い光の光束に対するカット
オフ波長以上の光の光束が大幅に低減されるのである。

【０００８】このような構成の光源用白熱体を用いた白
熱電球は、従来より提供されているタングステンフィラ
メントを用いた白熱電球と比較して、可視光領域におい
て同程度の発光輝度を得るために放射面の温度を下げる
ことができるから、発光効率が高くなり、また、光源用
白熱体の蒸発量も低減して寿命が長くなるのである。す
なわち、図５に実線で示すように、赤外線領域でのパワ
ースペクトルが従来（図５に破線で示す）よりも大幅に
小さくなった結果、可視光領域で同じエネルギを得るた
めの供給エネルギが大幅に低減することになって効率が
高くなるのである。

【０００９】ところで、上記形状の光源用白熱体では、
空洞２の深さは開口幅に対して２倍以上に形成すること
が必要である。ここに、開口幅に対する空洞２の深さを
アスペクト比と呼ぶことにする。空洞２は微細であるか
ら、光源用白熱体の製造には半導体リソグラフィ技術が
応用されている。すなわち、半導体リソグラフィの技術
を用いて微細な空洞を有するシリコンのレプリカを形成
し、このレプリカに対して熱ＣＶＤ等の化学蒸着を施す
ことによってレプリカのシリコンをタングステンに置換
して光放射体１を形成するのである。この方法では、ソ
ースガスとして６フッ化タングステンが用いられ、シリ
コンとの反応によって、タングステンが析出し、４フッ
化シリコンが蒸散するのである。

【００１０】しかしながら、上記方法では半導体リソグ
ラフィによって形成したシリコンのレプリカをタングス
テンに置換するから、アスペクト比の大きい微細な空洞
を形成するのが困難である。また、化学蒸着においてソ
ースガスとして用いる６フッ化タングステンに含まれる
フッ素が光放射体１の中に残留するから、光放射体１を
白熱させたときに、フッ素がタングステンに反応するこ
とによってタングステンが腐食され微細な空洞２が消失
するという問題がある。

【００１１】一方、Ｘ線リソグラフィ用のマスクを形成
する方法として、タングステンの薄膜にアルミニウムの
薄膜を積層した積層体に対して集束イオンビームを用い
てガリウムイオンを注入することによって、アルミニウ
ムをタングステンに混合し、タングステンとアルミニウ
ムとの混合物によるマスクをサブミクロンオーダで形成
する方法が考えられている（Proceedings of the 16th
symposium on Ion Im-plantation and Submicron fabri
cation, pp.29-32, The Institute of Physi-cal and C
hmical Research, 1985）。このようにしてマスクを形
成した後に、反応性イオンエッチングを施してマスクを
形成していない部分を除去し、タングステンの表面に微
細なパターンを形成するのである。この方法を用いれ
ば、アスペクト比の大きい微細な空洞を形成できること
が予想される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記方
法で光放射体を形成するには、タングステンの薄膜上に
アルミニウムの薄膜を形成する工程が必要であって、工
程数が多いという問題があり、また、アルミニウムに対
してガリウムイオンを衝突させることによって、アルミ
ニウムがタングステンに混合されるようにしているか
ら、マスクを形成する条件としてガリウムイオンの放射
量以外にアルミニウム層の厚さなども考慮する必要があ
り、しかも、ガリウムイオンの注入量がマスクの膜質に
影響を与えるから、適切なマスクを形成するための最適
条件を設定するのが難しいという問題がある。

【００１３】本発明は上記問題点の解決を目的とするも
のであり、アスペクト比の大きな微細な空洞を精度よく
形成することができる光源用白熱体の製造方法を提供し
ようとするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明では、上
記目的を達成するために、光放射体の表面に微細な空洞
を形成した光源用白熱体を製造する方法であって、集束
イオンビームを用いて母材に対して母材とは異なる物質
のイオンを注入することによって形成すべき光放射体の
表面に平行な断面形状を有したマスクを形成し、次にマ
スクには反応せず母材の物質に選択的に反応する物質を
用いてエッチングを施すことにより、マスクの形状に相
当する断面形状を有した光放射体を形成するのである。

【００１５】請求項２の発明では、母材としてタングス
テンを用いるとともに、母材にアルミニウムイオンを注
入することによってタングステンとアルミニウムとの混
合物のマスクを形成した後、ドライエッチングを施すこ
とによってマスクを形成していない部分に空洞を形成す
るのである。

【００１６】

【作用】請求項１の方法によれば、母材に対して集束イ
オンビームを用いてイオンを注入することによって、母
材にイオンをドープしたマスクを形成することができる
のであって、マスクの生成条件として基本的にはイオン
の放射量のみを制御すればよいことになる。また、マス
クを形成した後にエッチングを施すことによりマスクを
形成していない部分を除去して空洞を形成するから、サ
ブミクロンオーダの微細な空洞を形成しながらも空洞の
アスペクト比を大きくとることができるのである。しか
も、空洞以外の部分を化学蒸着法で形成するのではな
く、エッチングによって空洞を形成するから、光放射体
の内部に不要物質がほとんど残留しないのであって、化
学蒸着法によって光放射体を形成する場合に比較すれば
使用時の加熱による空洞の消失を防止できるものであ
る。

【００１７】請求項２の方法は、望ましい実施態様であ
る。

【００１８】

【実施例】本発明方法では、まず図１に示すように、シ
リコンの基材４の上に母材としてタングステンの薄膜５
を形成する。この薄膜５は、緻密かつ表面が十分に滑ら
かになるように形成される。次に薄膜５に対して集束イ
オンビームを用いてアルミニウムイオンを注入すること
によって、形成すべき光放射体の表面に平行な断面形状
を有するマスク３を形成する。すなわち、マスク３は光
放射体において空洞間を仕切る壁の形状になる。このよ
うに、タングステンの薄膜５にアルミニウムイオンを注
入することによってタングステンとアルミニウムとの混
合物としてのマスク３を形成するのである。その後、ド
ライエッチングによってマスク３を形成していない部分
のタングステンを除去すれば、除去された部分を空洞２
とした光放射体１が形成される（図３参照）。

【００１９】実施例では、タングステンの薄膜５は、た
とえば１０μｍ以上の厚みを有するように形成した。ま
た、薄膜５の反りはほぼ０であり、薄膜のストレスは１
０⁸dyn/cm² 以下であった。また、薄膜５の密度は１．
８g/cm³ であった。集束イオンビームによるイオン注入
の条件は、以下の通りである。イオン源としてはＡｌを
用いた。加速電圧は３０ｋＶ、ビーム電流は４ｐＡ、ビ
ーム径は１００ｎｍとした。また、質量分析器を用いて
シリコンイオンのみを抽出して基材４に注入した。アル
ミニウムイオンの放射量（ドーズ量）は実験的に求め、
最適値になるように設定した。ここでは、幅が１５０ｎ
ｍである格子状にマスク３を形成した。マスク３を形成
した後、電子サイクロトロン共鳴プラズマエッチング装
置を用いてドライエッチングを行った。エッチングガス
には６フッ化硫黄ガスを用いた。このとき、マスク３を
設けていない部分はマスク３を設けた部分に対して、エ
ッチング速度が７０倍程度であって、マスク３を設けて
いない部分には空洞２が形成された。エッチングは空洞
２が２μｍの深さに達するまで続けた。

【００２０】上述のようにして形成した光源用白熱体
を、空洞２を設けていない光源用白熱体と比較したとこ
ろ、図２に示すような結果が得られた。すなわち、空洞
２がある白熱体と空洞２がない白熱体とについて、それ
ぞれ光放射体１に通電して約２１００°Ｋに加熱し、発
光スペクトルを測定した。空洞２がない光放射体１では
破線のように長波長領域の放射が見られたのに対して、
空洞２を設けた光放射体１では実線のように７００ｎｍ
以上の波長領域の放射が抑制され、発光効率が大幅に向
上した。

【００２１】上述したように、微細な空洞２を表面に形
成した光放射体１では空洞２の開口寸法によって放射す
る波長領域を調節することができるから、開口幅を複数
段階に設定すれば、異なる分光分布を有した光が混合さ
れ、光色を調節することができる。上記方法を採用すれ
ば、集束イオンビームによるイオンの注入幅を制御する
ことによって、開口幅を複数段階に設定することが容易
にできるから、所望の光色を得るのが容易になる。

【００２２】

【発明の効果】本発明は、母材に対して集束イオンビー
ムを用いてイオンを注入することによって、母材にイオ
ンをドープしたマスクを形成することができるのであっ
て、マスクの生成条件として基本的にはイオンの放射量
のみを制御すればよいという利点がある。また、マスク
を形成した後にエッチングを施すことによりマスクを形
成していない部分を除去して空洞を形成するから、サブ
ミクロンオーダの微細な空洞を形成しながらも空洞のア
スペクト比を大きくとることができるという効果があ
る。しかも、空洞以外の部分を化学蒸着法で形成するの
ではなく、エッチングによって空洞を形成するから、光
放射体の内部に不要物質がほとんど残留しないのであっ
て、化学蒸着法によって光放射体を形成する場合に比較
すれば使用時の加熱による空洞の消失を防止できるとい
う効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例においてマスクを形成した状態を示す斜
視図である。

【図２】実施例により形成した光放射体の動作特性例を
示す説明図である。

【図３】本発明に係る光源用白熱体を示す斜視図であ
る。

【図４】本発明に係る光源用白熱体を示す断面図であ
る。

【図５】本発明に係る光源用白熱体の動作特性例を示す
説明図である。

【符号の説明】

１ 光放射体 ２ 空洞 ３ マスク ４ 基材 ５ 薄膜

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年１１月９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】上記寸法に設定した場合、導波管理論によ
れば、各空洞２の底面から放射された電磁波のうち開口
寸法の２倍以上の波長の電磁波は遮断されるから、開口
寸法Ｌが３５０ｎｍであれば、７００ｎｍ以上の波長の
光は放射されないのである。一方、空洞２の側壁内で発
生した電磁波の電磁界は各空洞２間の壁側面において連
続するという条件を満たすことが必要である。隣接する
空洞２間の側壁の厚みはカットオフ波長に対するスキン
デプス程度に設定されているから、波長がカットオフ波
長以上であると上記条件が満たされないことになる。し
たがって、空洞２間の壁内でもカットオフ波長以上の波
長の電磁波は発生せず、結果的に７００ｎｍ以上の電磁
波は空洞２の壁面からも放射されないことになる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】結局、カットオフ波長以上の波長の電磁波
が放射される部位は、空洞２の開口面を含む光放射体１
の表面のうち隣接する空洞２間であって、カットオフ波
長に対するスキンデプス程度の厚み範囲ということにな
る。空洞２が光放射体１の表面のほぼ全面に亙って等間
隔に配列されているとすれば、光放射体１の光放射面に
対する空洞２の開口率は約５０％になるから、カットオ
フ波長以上の波長の光が放射される面は、光放射体１の
光放射面に対して高々５０％ということになる。また、
カットオフ波長以上の波長の光を放射する領域がカット
オフ波長のスキンデプス程度の薄い領域に制限され、同
一波長の光子が内部から供給されないから、熱力学的平
衡状態に達することがなく輻射量は黒体輻射よりも少な
くなる。黒体輻射での放射量に対して光束が２０％にな
るとすれば、カットオフ波長以上の波長の光の量は、空
洞２を設けていない場合の１０分の１程度になる。一
方、カットオフ波長より波長の短い光は空洞２間の壁内
からも発生するから、熱力学的平衡状態に達することが
でき黒体輻射による光束に達することができる。その結
果、カットオフ波長よりも短い光の光束に対するカット
オフ波長以上の光の光束が大幅に低減されるのである。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】実施例では、タングステンの薄膜５は、た
とえば１０μｍ以上の厚みを有するように形成した。ま
た、薄膜５の反りはほぼ０であり、薄膜のストレスは１
０⁸dyn/cm² 以下であった。また、薄膜５の密度は１．
８g/cm³ であった。集束イオンビームによるイオン注入
の条件は以下の通りである。イオン源としてはＡｌ−Ｃ
ｕを用いた。加速電圧は３０ｋＶ、ビーム電流は４ｐ
Ａ、ビーム径は１００ｎｍとした。また、質量分析器を
用いてアルミニウムイオンのみを抽出して基材４に注入
した。アルミニウムイオンの放射量（ドーズ量）は実験
的に求め、最適値になるように設定した。ここでは、幅
が１５０ｎｍである格子状にマスク３を形成した。マス
ク３を形成した後、電子サイクロトロン共鳴プラズマエ
ッチング装置を用いてドライエッチングを行った。エッ
チングガスには６フッ化硫黄ガスを用いた。このとき、
マスク３を設けていない部分はマスク３を設けた部分に
対して、エッチング速度が７０倍程度であって、マスク
３を設けていない部分には空洞２が形成された。エッチ
ングは空洞２が２μｍの深さに達するまで続けた。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光放射体の表面に微細な空洞を形成した
   光源用白熱体を製造する方法であって、集束イオンビー
   ムを用いて母材に対して母材とは異なる物質のイオンを
   注入することによって形成すべき光放射体の表面に平行
   な断面形状を有したマスクを形成し、次にマスクには反
   応せず母材の物質に選択的に反応する物質を用いてエッ
   チングを施すことにより、マスクの形状に相当する断面
   形状を有した光放射体を形成することを特徴とする光源
   用白熱体の製造方法。
2. 【請求項２】 母材としてタングステンを用いるととも
   に、母材にアルミニウムイオンを注入することによって
   タングステンとアルミニウムとの混合物のマスクを形成
   した後、ドライエッチングを施すことによってマスクを
   形成していない部分に空洞を形成することを特徴とする
   請求項１記載の光源用白熱体の製造方法。