JPH09184757A - 電気変調可能な熱放射源 - Google Patents

電気変調可能な熱放射源

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JPH09184757A
JPH09184757A JP8311951A JP31195196A JPH09184757A JP H09184757 A JPH09184757 A JP H09184757A JP 8311951 A JP8311951 A JP 8311951A JP 31195196 A JP31195196 A JP 31195196A JP H09184757 A JPH09184757 A JP H09184757A
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filament
radiation
incandescent filament
insulating layer
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Blomberg Martti
ブロンベルグ マルッティ
Torukkeri Arutti
トルッケリ アルッティ
Lindblad Stefan
リンドブラド ステファン
Lecht Ali
レヒト アリ
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Vaisala Oy
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速で電気変調可能な熱放射源を提供する。 【解決手段】 基板１３、基板上に形成された第１絶縁
層２２、第１絶縁層上に形成された放射表面層１１、放
射表面層上に形成された第２絶縁層２４、第２絶縁層上
に形成された第１金属層１０、第１金属層上に形成され
た第３絶縁層２６、および第３絶縁層上に形成された接
触用の第２金属層からなり、上記第１金属層１０は極め
て細い白熱フィラメント１０を形成し、これが均一平面
板としての多層構造をなす他の要素２２、１１、２４お
よび２６により囲まれている、電気変調可能な熱放射
源。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は電気変調可能な熱放射源に関す
る。
【０００２】赤外放射源は、ＩＲ源として光学分析法で
使われ、また若干の他の用途例えば熱源として使われ
る。幾つかの異なる型のＩＲ源、例えば“グローバー”
源、白熱電球、厚膜放射器などが前者の用途に使われ
る。ＩＲ源から発せられる放射ビームの強さは、ＩＲ源
への入力を変えることで源温度を変えることにより、ま
たは源温度を出来る限り一定に保ちながら“チョッパ”
と呼ばれる機械的ビーム遮断手段を使うことにより、変
調できる。
【０００３】ビームを変調するために機械的に作動する
チョッパを使うときは、放射源ユニットの破損までの平
均時間は、普通、チョッパの機構寿命により限定され、
連続作動させる場合、典型的には１年乃至２年である。
電気的に変調される源は、破損までの時間が遥かに長
い。
【０００４】本発明は、光学分析において、高速で電気
的に変調可能な熱放射源として主に利用される。
【０００５】当該技術において、熱放射源を提供するた
めに、種々の方法が知られている。その名に似て、“グ
ローバー（ｇｌｏｂａｒ）”は白熱する棒（ｇｌｏｗｉ
ｎｇｂａｒ）である。その棒は普通は電流で加熱される
セラミック材料から作られる。典型的には、“グローバ
ー”装置は、太さ数ｍｍ，長さ数ｃｍであり、その熱時
間定数は数秒である。通常、“グローバー”は装置への
入力を変えて変調することはない。加熱入力は、典型的
には数ワットから１００ワットの範囲内である。“グロ
ーバー”装置の１つの変形は、棒の周りに巻かれた抵抗
線をもつセラミック棒である。この変形装置の熱的性質
は、単純な“グローバー”と同等である。
【０００６】白熱電球は、数１０Ｈｚまで、あるいは数
１００Ｈｚまでさえ、周波数により電気的に変調できる
が、電球のガラス球が赤外領域の放射線を吸収し、連続
操作下では黒化し、そこで電球から出る放射線の出力の
強さは時間と共に減少する。必要な加熱入力は典型的に
は数ワット乃至数１０ワットである。
【０００７】厚膜放射器は、典型的にはアルミナ基板上
に形成され、電流により加熱される厚膜抵抗器からな
る。抵抗器の寸法は、典型的には厚さ０．５ｍｍで数平
方ｍｍ程度である。抵抗器の熱時間定数は、典型的には
数秒程度であり、必要な入力は数ワットである。
【０００８】マイクロエレクトロニクスおよびマイクロ
メカニクスで使われる従来の製造技術によれば、シリコ
ンから縮小寸法の電気的に変調可能な放射源を製造する
ことができる1,2,3 。そのような装置は、約１μｍの典
型的厚さと数百μｍの長さをもつ単結晶または多結晶シ
リコンの薄膜構造をもつ。薄膜抵抗素子の幅は、数μｍ
から数１０μｍの範囲であり得る。上記シリコン白熱フ
ィラメントの熱容量は、数１００Ｈｚまでの周波数でそ
の変調を許すような低さである。純粋なシリコンは電流
に対しては不良導体である。しかし、それを例えばホウ
素またはリンのような適当なドーパントでドープするこ
とにより、優れた導電性が得られる。ドーパントとして
のホウ素は、その活性化水準が安定でなく、むしろシリ
コン白熱フィラメントの初期の操作温度に依存するとい
う点で不利である。これは、活性化水準が新しい平衡状
態に向かって動くため、フィラメントの抵抗が時間と共
に変動し、入力水準を外部から安定化させなければフィ
ラメントへの加熱入力が変動することを意味する。ドー
パントとしてホウ素を用いたときのシリコン中への可能
な最高不純物濃度は約５×１０19原子／ｃｍ3 である。
他の通常のドーパントはヒ素およびアンチモンである。
ドーパントとしてのこれらの元素で遭遇する問題は、低
電圧使用のための十分な高伝導度を得るための適当な高
不純物濃度を達成することが困難なことである。
【０００９】引用した刊行物１で議論されている白熱フ
ィラメントは、５０Ω／スクウエア以上のシート抵抗を
達成するためリンでドープして作られる。白熱フィラメ
ントは、長さ１００μｍ、幅２０μｍで、基板から１．
２μｍ上がっている。上記構造では、基板への空気間隙
を介した放射による損失は特に高く、フィラメントが基
板に付着する高い危険は、加熱中のフィラメントのたる
みから明らかである。ホウ素およびリンのドーピング
は、いずれもドーパント原子の移動に関する問題をも
つ。これは、フィラメントからドーパント原子が消散す
る端に加熱帯域という形で現れる。その結果、白熱フィ
ラメントの放射強度プロフィルは徐々に変化し、これは
長期間の不安定性として観測される。
【００１０】引用した刊行物２で議論されている白熱フ
ィラメントの構造は、薄膜窓の下に、真空で白熱フィラ
メントを収め、これにより燃えつきるのを防いでいる。
そのような窓は数１０μｍより広くできず、このためフ
ィラメントの全表面積、従ってその放射出力を大きくは
できない。フィラメントの付着を避けるために、Ｖ型溝
を基板中にエッチング形成する。
【００１１】引用刊行物３で議論されたＩＲ放射器は、
１００μｍ×１００μｍの寸法をもち、加熱素子として
２個の蛇行するポリシリコン抵抗器を使う。そのような
構造は、加熱中に反る傾向があり、このような方法では
大面積の放射素子を製造できない。この加熱素子は連続
した形状を有するが、加熱素子の寸法がその周りの開口
に比べて小さいから、基板のエッチングの間に発生する
気泡は問題を起こさない。
【００１２】しかし、引用刊行物の図２から明らかなよ
うに、この構造の温度分布パターンはあまり良好ではな
い。
【００１３】ドープしたポリシリコンから作った白熱フ
ィラメントは、特性温度を有し、その温度以上ではフィ
ラメント抵抗の温度係数が負に変わる、すなわち温度の
上昇と共にフィラメントは一層電流を通しやすくなる。
従って、そのような要素は電圧で制御できず、電流によ
り制御される。電流は最小抵抗すなわち最高温度をもつ
フィラメントに集中する傾向があるから、放射源面積を
増すために、上記のようなフィラメントを直接並列には
接続できない。他方、直列接続は、１フィラメント電圧
の数倍の入力電圧を要求する。高いホウ素不純物濃度は
約６００℃という低い特性温度しか与えないから、ホウ
素ドーピングは満足な高い特性温度を与えることができ
ない。フィラメントの操作温度がこれより高いときは、
フィラメントの抵抗は時間と共に変動する傾向がある。
引用刊行物４による実施態様では、白熱フィラメントは
薄膜金属層から作られる。酸化を防ぐために、白熱フィ
ラメントは真空で収められる。
【００１４】本発明の目的は、上記の従来技術の欠点を
克服し、全く新規な電気的に変調可能な熱放射源を達成
するにある。
【００１５】タングステン、チタン−タングステン合
金、タンタルまたはモリブデンのような金属から白熱フ
ィラメントを作り、その後フィラメントを例えば窒化シ
リコンのような耐酸化性絶縁材料の薄い均一な層で完全
に被覆することにより、発明の目的は達成される。従っ
て、白熱フィラメントを真空収納する必要がない。更
に、金属白熱フィラメントは、白熱フィラメントの加熱
に使われる通常の電流密度ではマイグレーションを起こ
さない。従って、金属白熱フィラメントの長期間安定性
は、ホウ素またはリンをドープしたポリシリコン白熱フ
ィラメントのそれより非常に優れている。しかし、金属
の赤外放射率はドープしたシリコンより劣るから、本発
明では、極めて細い金属フィラメントを、専ら実際の熱
放射層例えばポリシリコンを加熱するために用いる。こ
りポリシリコンは導電性材料であるため金属白熱フィラ
メントから電気的に隔離する必要がある。その低い熱伝
導度のために、シリコン基板まで下方に伸びている連続
自己支持層を形成する支持構造として、窒化シリコンを
有利に使用できる。また、ポリシリコン層は窒化シリコ
ンで被覆するのに適合している。
【００１６】本発明は著しい利点を提供する。
【００１７】本発明に従う構造は、分離した白熱フィラ
メントからなる放射部分をもつ源より に高い放出強度
をもたらす。本構造の放射表面は均一であり、従って源
の有用面積を最大にする。
【００１８】放射領域を加熱する金属白熱フィラメント
は細く長く作れるから、本発明に従う放射源の作動電圧
は、これに接続する電子回路の電圧に等しく容易に適合
できる。
【００１９】層の均一表面は、本発明の構造に優れた機
械的強度を与える。それは基板ウエハのエッチスルーお
よびウエハの切断に良く耐え、１００％に近づく製造収
率を達成できる。
【００２０】層の厚さを広い範囲で調節できるから、薄
い金属白熱フィラメントによる相互作用なしに、源が発
する放射スペクトルの形を、多層構造の干渉性により改
変できる。設計上の有利な点は、所望の波長で膜をλ／
２またはその整数倍の層に形成することができることで
ある。こうして、発光スペクトルは所望の波長にピーク
をもつ。
【００２１】放射領域の温度は均一に分布していないか
ら、小型放射源の温度測定は困難な仕事である。表面の
放射率は温度の関数であることがあり、これは温度測定
に更に複雑さを加える。本発明に従う実施態様では、源
構造と一体に設計され、既知の温度係数をもつ分離した
抵抗器により、放射源温度を測定する。抵抗器の抵抗値
は、４点測定回路を用いて感知され、それにより温度測
定を放射源の最も熱い点に集中できる。上記温度測定
は、異なる設計の放射源の比較において、また使用寿命
を短縮し得る過度に高い操作温度からの放射源の保護に
おいて、非常に有用である。
【００２２】源の加熱に使われる金属白熱フィラメント
は極めて幅が狭いので、フィラメントを発光源の上に配
置できる。すなわちフィラメントは著しい放射率減少効
果をもたらさないから、フィラメントを源の上表面にお
いてそこで接触させることが容易であり、したがって最
上の絶縁層に開口を備えるだけでよい。
【００２３】放射源を基板に緊密に結合しようとすると
きは、多層構造に課せられる機械的応力を減少するため
に、層状構造中に圧力均等化用の開口を形成することが
できる。
【００２４】本発明を、添付図面に示した実施態様例を
用いて詳細に説明する。
【００２５】図１ａおよび１ｂを参照すると、電気的に
変調可能な放射源の二つの説明が示されている。図で、
線影をつけてない大きな矩形はシリコンチップ１３であ
り、破線でしめした線影のつけてない小さな矩形１４は
多層構造により覆われた開口である。白熱フィラメント
１０の金属は黒で書かれており、フィラメントと接触す
る金属１５は傾斜の線影をつけてある。領域１１が放射
表面である。白熱フィラメント１０は並列に接続され、
それらは金属１５に電気的に接続される。図１ａで、フ
ィラメント１０はチップの縁に向かって一層密に配置さ
れ、並列に接続されている。図１ｂでは、フィラメント
は互いに一定の距離で間隔を置かれ、一層高電圧で操作
できるように一部分直列で接続されている。図の断面
Ａ、Ｂが図３ａ、３ｂに示されている。
【００２６】要求される薄膜層の析出は、マイクロエレ
クトロニクスの従来の標準プロセスを用いて行うことが
できる5 。放射表面１１は、例えば１ｍｍ2 の面積をも
つことができる。白熱フィラメント１０は、その全長が
絶縁層により被覆されている。そこで、白熱フィラメン
ト１０の構造も自己支持性である。基板ウエハ１３の裏
側から始め、基板ウエハ１３を貫通してエッチングする
ことにより、白熱フィラメント１０に開口を作る。フィ
ラメント１０の寸法は、例えば厚さ０．１−１μｍ、幅
２−１０μｍとし、その間隔を２０−５０μｍとするこ
とができる。フィラメント１０は、それを流れる電流に
より加熱される。必要な入力電圧は、フィラメント長さ
対その断面の比およびフィラメントの電気的配置形態に
依存する。典型的には、操作電圧は１ボルトから数ボル
トまでである。
【００２７】金属白熱フィラメント１０は、絶縁材料に
より完全に被覆されているから、その金属の酸化速度が
白熱フィラメントの使用寿命を決定する。放射源を通常
の室内雰囲気中で８００℃以下の温度で使う場合、絶縁
材料として窒化シリコンを使うとき、放射源の使用寿命
は数年である。必要な放射線出力窓をもつ特別な気密収
納は必要ではない。
【００２８】白熱フィラメント１０の下の開口１４は、
水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液中で作ることができ
る。ここで使うエッチング液は、少量のピロカテコール
を添加したエチレンジアミン水溶液であってもよい。更
に、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）もエ
ッチング液として使用できる。
【００２９】白熱フィラメント１０はそれに窓を重ねな
いで操作するから、フィラメント１０上に落ちた有機汚
染物は燃え去る。白熱フィラメント１０の横方向の温度
分布は、フィラメント間の間隔を変えることにより調整
できる。フィラメント１０をチップの縁に向かって次第
に密に配置することにより、均一な温度分布が得られ
る。フィラメントの縦方向の温度分布は、フィラメント
をその先端に向かって先細りにして消散電力密度を増加
させることにより改良できる。
【００３０】放射源の最大使用可能な変調速度は、熱損
失の割合に依存する。そのような損失の大部分は、周り
の空気中への対流およびフィラメント端からシリコン基
板への対流により起こる。全損失のうち放射損失の割合
は数％であるから、白熱フィラメントの温度は加熱入力
電力の殆ど線形の関数である。ここに記載の構造では、
約１０ｍｓの熱時定数が得られ、約２００Ｈｚまでの電
気変調を可能にする。
【００３１】図２ａおよび２ｂを参照すると、温度測定
を組み込んだ放射源の基本素子が示されている。図２ａ
において、白熱フィラメント１０の一部は温度依存型抵
抗器１６として働き、その抵抗は４点測定形態で感知さ
れる。加熱電流は接点１−２を通って流れ、当該抵抗器
での電圧降下は接点３−４で感知される。図２ｂでは、
温度測定回路は白熱フィラメント１０を加熱する回路か
ら全く隔離されている。加熱電流は接点１−２間を流
れ、測定電流は接点５−６間を流れ、電圧降下は接点３
−４間で感知される。温度感知フィラメント１７を一層
長くするために、それを蛇行させる。上記放射源構造
は、このプロセスで作られる他の放射源の試験における
基準として使用できる。
【００３２】放射源を基板に緊密に結合するときは、放
射源の内圧が源を加熱するたびに増加する。これはエッ
チングされた空洞内の空気も加熱されるためである。圧
力は多層構造を外へ膨れ上がらせ、それに機械的応力を
課する。この応力を軽減するために、窒化シリコン膜に
より覆われた区域内に図２ａに示した圧力均等化開口３
０を備えることができる。
【００３３】図３を参照すると、放射源の層構造がいっ
そう詳細に示されている。最も多くの場合、基板は、典
型的にはその上に２００ｎｍの厚さに析出した窒化シリ
コン層である絶縁層２２をもつ（１００）配向シリコン
チップ１３により形成される。窒化シリコン層２２の表
面上には、典型的には熱放射線のエミッターとして作用
するドープしたポリシリコン膜からなる、典型的には約
１μｍの厚さの放射表面１１が析出される。この膜上に
は、約５０ｎｍの厚さの典型的には窒化シリコンからな
る薄い絶縁層２４が析出され、さらにその上には典型的
にはタングステンからなる約４００ｎｍの厚さの金属層
が析出され、この金属層はマイクロエレクトロニクス製
造で使われるホトリソグラフィーおよびプラズマエッチ
ング技術を用いて、白熱フィラメント１０および接触パ
ッド領域にパターニングされている。次に、典型的には
窒化シリコンからなる約２００ｎｍの厚さの上部絶縁層
２６が析出される。絶縁層２２および２６の目的は白熱
フィラメント１０および放射表面１１の金属を酸化から
保護することである。絶縁層２４の機能は、放射表面１
１を金属１０から電気的に隔離することである。
【００３４】電気接触手段は、最も有利にはアルミニウ
ムから作ることのできる金属パッド１５からなる。これ
らのパッドは、例えばプラズマエッチングにより上部絶
縁層２６内に作られた開口を経て金属白熱フィラメント
１０とオーム性接触を形成する。金属形成の他の可能な
材料は例えば金、パラジウムなどである。
【００３５】絶縁層は、最も有利には酸化速度が極めて
遅い窒化シリコンから作ることができる。他の可能な材
料は、例えば二酸化シリコン、酸化アルミニウムなどで
ある。ここで、絶縁材料という用語は、誘電材料を指
す。本発明に従い、各層は最も高い熱伝導度をもつべき
である。白熱フィラメントは、最も有利にはタングステ
ンから作られる。他の適当なフィラメント材料は、チタ
ン−タングステン合金、タンタルおよびモリブデンであ
る。
【００３６】上記の全材料は当該技術で典型的なもので
ある。明らかに、材料技術の進歩とともに、他の適当な
材料を、本発明に従う構造のために選択できる。
【００３７】多層構造を、望むＩＲ範囲の波長で干渉計
として作用させ、そこで発光スペクトルの形を調整でき
るように、層２２、１１、２４および２６の全体の厚さ
を定めることができる。基板１３を形成するシリコン
は、最後にはフィラメント１０の下からエッチングで除
去され、それにより開口１４を形成する。開口１４の壁
の傾斜は、基板として使われるシリコンウエハの結晶軸
配向により定まる。エッチング除去は基板チップの下側
から行われる。
【００３８】例えばドープしたポリシリコン層により形
成される放射表面１１は、用途に従って自由に輪郭を作
ることができる。最も普通に用いられるドーパントはホ
ウ素、リンまたはヒ素である。
【００３９】参考文献 １．H.Guckel and D.W.Burns,「加熱ポリシリコン膜か
らの黒体放射に基づく集積変換器」(“Integrated tran
sducers based on black-body radiation fromheated p
olysilicon films”)，Transducers '85,364-366(June
11-14, 1985)． ２．Carlos H.Mastrangelo,James Hsi-Jen Yeh, and Ri
chard S.Muller,「真空密封したポリシリコンマイクロラ
ンプの電気的および光学的特性」(“Electricaland opti
cal characteristics of vacuum sealed polysilicon m
icrolamps”)，IEEE Transactions on Electron Device
s,39，6,1363-1375（June1992）． ３．M.Parameswaran,A.M.Robinson,D.L.Blackburn,M.Ga
itan, and J.Geist,「商業ＣＭＯＳ法からの微細加工熱
放射エミッター」（“Micromachined thermalradiation
emitter from a commercial CMOS process”），IEEE
Elect-ron Device Lett.,12,2,57-59 （1991）． ４．Semiconductor International,p.17,November 199
2. ５．S.M.Sze,「VLSI技術」(“VLSI technology”)，McG
raw-Hill Book Company,3rd.printi-ng, 1985, Chapter
s 5 and 6.
【図面の簡単な説明】
【図１】図１ａおよび１ｂは、本発明に従う熱放射源の
二つの類似の変形の上面図である。
【図２】図２ａおよび２ｂは、温度測定装置を備えた、
本発明に従う熱放射源の二つの類似の変形の上面図であ
る。
【図３】図３ａおよび３ｂは、図１ａおよび１ｂに示し
た放射源の断面Ａ、Ｂである。
【符号の説明】 １０ 白熱フィラメント １１ 放射表面層 １３ 基板 １４ 開口 １５ 金属層 １７ 温度感知フィラメント ２２ 絶縁層 ２４ 絶縁層 ２６ 絶縁層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ステファン リンドブラド フィンランド国．66530 コイヴュラハテ ィ，ルイスクカンティエ ３ (72)発明者 アリ レヒト フィンランド国．00700 ヘルシンキ，ラ エクヤ ３

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板（１３）、上記基板上に形成された
    第１絶縁層（２２）、上記第１絶縁層上に形成された放
    射表面層（１１）、上記放射表面層上に形成された第２
    絶縁層（２４）、上記第２絶縁層上に形成された第１金
    属層（１０）、上記第１金属層上に形成された第３絶縁
    層（２６）、および上記第３絶縁層上に形成された接触
    用の第２金属層（１５）からなる電気変調可能な熱放射
    源において、極めて細い白熱フィラメント（１０）が上
    記第１金属層（１０）から形成され、均一平面板として
    の多層構造の他の要素（２２、１１、２４、２６）によ
    り囲まれていることを特徴とする放射源。
  2. 【請求項２】 当該放射表面層（１１）に対応して、開
    口（１４）が当該シリコン基板（１３）内にエッチング
    形成されている、請求項１の放射源。
  3. 【請求項３】 当該第１絶縁層（２２）が窒化シリコ
    ン、二酸化シリコンまたは酸化アルミニウムから作られ
    ている、請求項１の放射源。
  4. 【請求項４】 当該第２絶縁層（２４）が窒化シリコ
    ン、二酸化シリコンまたは酸化アルミニウムから作られ
    ている、請求項１の放射源。
  5. 【請求項５】 当該放射表面層（１１）が多結晶シリコ
    ンから作られている、請求項１の放射源。
  6. 【請求項６】 当該放射表面層（１１）がドープされた
    多結晶シリコンから作られている、請求項５の放射源。
  7. 【請求項７】 当該第１金属層（１０）がタングステ
    ン、チタン−タングステン合金、タンタルまたはモリブ
    デンから作られている、請求項１の放射源。
  8. 【請求項８】 当該第３絶縁層（２６）が窒化シリコ
    ン、二酸化シリコンまたは酸化アルミニウムから作られ
    ている、請求項１の放射源。
  9. 【請求項９】 当該白熱フィラメント（１０）が、当該
    放射表面層（１１）を主熱放射源として振る舞わせる程
    細い、請求項１の放射源。
  10. 【請求項１０】 当該絶縁および放射層の全体としての
    光学的厚さが、望む波長においてλ／２またはその整数
    倍である、請求項１の放射源。
  11. 【請求項１１】 当該個々の白熱フィラメント（１０）
    が並列で電気的に接続されている、請求項１の放射源。
  12. 【請求項１２】 当該個々の白熱フィラメント（１０）
    が直列で電気的に接続されている、請求項１の放射源。
  13. 【請求項１３】 少なくとも当該個々の白熱フィラメン
    ト（１０）が並列−直列形態で電気的に接続されてい
    る、請求項１の放射源。
  14. 【請求項１４】 当該個々の白熱フィラメント（１０）
    がその端に向かって先細になっている、請求項１の放射
    源。
  15. 【請求項１５】 当該個々の白熱フィラメント（１０）
    がシリコン基板の縁に向かって次第に密に配置されてい
    る、請求項１の放射源。
  16. 【請求項１６】 当該放射源が内部温度測定用の手段
    （１６、１７）を組み込んだ、請求項１の放射源。
  17. 【請求項１７】 当該放射源が少なくとも一つの圧力均
    等化開口（３０）を組み込んだ、請求項１の放射源。
  18. 【請求項１８】 当該白熱フィラメント（１０）の幅が
    典型的には約２乃至１０μｍであり、厚さが０．１乃至
    １μｍおよびフィラメント間間隔が２０乃至５０μｍで
    ある、請求項１の放射源。
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