JPWO2015045343A1 - 赤外線放射素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

電極部の熱劣化を防止することが可能な赤外線放射素子及びその製造方法を提供する。赤外線放射素子（１）は、基板（１１）と、絶縁層（１２）と、発熱層（１３）と、電極部（１５）と、下地部（１７）と、配線部（１６）と、を備える。基板（１１）は、絶縁層（１２）の裏面の一部を露出させる空洞部（１１０）を有する。下地部（１７）は、空洞部（１１０）の基板（１１）の表面における開口端の、絶縁層（１２）の厚さ方向に投影方向が沿った垂直投影領域の内側と外側とに跨っている。配線部（１６）は、下地部（１７）の表面上に設けられる。発熱層（１３）の端部は、配線部（１６）を覆う被覆部（１８）として設けられる。電極部（１５）は、垂直投影領域の外側において被覆部（１８）の表面に接している。配線部（１６）は、電極部（１５）よりも融点が高く、且つ、下地部（１７）及び発熱層（１３）よりも電気抵抗が小さい。

Description

本発明は、赤外線放射素子及びその製造方法に関し、より詳細には、赤外線を放射する赤外線放射素子及びその製造方法に関する。

従来、室内の二酸化炭素濃度を測定するために赤外線を放射する赤外線放射素子は、放射層の温度を上げることで放射層から赤外線を放射させている。

このような赤外線放射素子は、基板と、この基板の表面上に設けた絶縁層と、この絶縁層の表面上方に設けた発熱層と、を備えた構成となっている。この構成に類似する構成が開示された文献としては、例えば、日本国特許出願公開番号２０１２−２２５８２９（以下、「文献１」という）、日本国特許出願公開番号２００６−７１６０１（以下、「文献２」という）が存在する。

上記従来例に示された赤外線放射素子においては、絶縁層の基板側に、前記基板を貫通させた貫通孔を設けることで発熱層の放熱を抑制し、それにより、発熱層が短時間で所定の温度まで上昇し、赤外線を放射することができるようにしている。つまり、上記従来例に示された赤外線放射素子は、絶縁層の発熱層とは反対側の部分に、基板に貫通孔を設けることで空間を形成し、これにより、発熱層の放熱を抑制しようとしたものである。

このような構成において課題となるのは、発熱層に接続する電極部が熱劣化してしまうことである。つまり、赤外線放射素子は、文献２に記載された赤外線光源と同様の構成を有する場合、発熱層に接続する電極部が、基板の貫通孔の上方にあることにより、電極部からの放熱が抑制される結果として、電極部が熱劣化してしまう懸念がある。

本発明の目的は、電極部の熱劣化を防止することが可能な赤外線放射素子及びその製造方法を提供することにある。

本発明の赤外線放射素子は、基板と、前記基板の表面上に設けた絶縁層と、前記絶縁層の表面側に設けた発熱層と、電極部と、下地部と、配線部と、を備える。前記基板は、前記絶縁層における前記表面とは反対の裏面の一部を露出させる空洞部が形成されている。前記絶縁層は、電気絶縁性を有する。前記下地部は、前記空洞部の前記基板の前記表面における開口端の、前記絶縁層の厚さ方向に投影方向が沿った垂直投影領域の内側と外側とに跨っている。前記配線部は、前記下地部の表面上に設けられている。前記発熱層の端部は、前記配線部を覆う被覆部として設けられている。前記電極部は、前記垂直投影領域の外側において前記被覆部の表面に接している。前記配線部は、前記電極部よりも融点の高い導電性材料により形成されており、且つ、前記下地部及び前記発熱層よりも電気抵抗が小さい。

本発明の赤外線放射素子の製造方法は、前記基板の前記表面側に前記絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の表面に前記形状安定化層を形成する工程と、前記形状安定化層の表面に前記下地部の元になる第１の窒化タンタル層を形成する工程と、前記第１の窒化タンタル層上に前記配線部の元になるタンタル層を形成する工程と、前記第１の窒化タンタル層と前記タンタル層との積層膜をパターニングすることで前記下地部及び前記配線部を形成する工程と、前記形状安定化層の前記表面側に前記発熱層の元になる第２の窒化タンタル層を形成する工程と、前記第２の窒化タンタル層をパターニングすることで前記発熱層を形成する工程と、前記電極部を形成する工程と、前記空洞部を形成する工程と、を備える。

本発明の赤外線放射素子においては、電極部の熱劣化を防止することが可能となる。

本発明の赤外線放射素子の製造方法においては、電極部の熱劣化を防止することが可能な赤外線放射素子を提供することが可能となる。

図１は、本発明の実施形態にかかる赤外線放射素子の断面図である。 図２は、本発明の実施形態にかかる赤外線放射素子の上面図である。 図３は、本発明の実施形態にかかる赤外線放射素子の別の例の上面図である。 図４は、図３のＸ−Ｘ断面図である。 図５は、赤外線放射素子の動作時の温度分布の一例の模式的な説明図である。 図６Ａは、実施形態の赤外線放射素子の製造方法の説明図である。図６Ｂは、実施形態の赤外線放射素子の製造方法の説明図である。図６Ｃは、実施形態の赤外線放射素子の製造方法の説明図である。図６Ｄは、実施形態の赤外線放射素子の製造方法の説明図である。 図７Ａは、実施形態の赤外線放射素子の製造方法の説明図である。図７Ｂは、実施形態の赤外線放射素子の製造方法の説明図である。図７Ｃは、実施形態の赤外線放射素子の製造方法の説明図である。 図８は、実施形態の赤外線放射素子の製造方法の説明図である。 図９Ａは、本発明の実施形態にかかる赤外線放射素子の内部応力を説明する模式図である。図９Ｂは、本発明の実施形態にかかる赤外線放射素子の内部応力を説明する模式図である。 図１０Ａは、熱膨張係数の異なる薄膜の積層構造を説明する模式図である。図１０Ｂは、熱膨張係数の異なる薄膜の積層構造を説明する模式図である。 図１１Ａは、熱膨張係数の異なる薄膜の積層構造を説明する模式図である。図１１Ｂは、熱膨張係数の異なる薄膜の積層構造を説明する模式図である。 図１２は、本発明の実施形態にかかる光源部の斜視図である。 図１３は、本発明の実施形態にかかる光源部の分解斜視図である。 図１４は、本発明の実施形態にかかる赤外線センサの断面図である。

以下、本願発明に係る実施形態について図面を用いて説明する。

図１、図２に示すように、本実施形態の赤外線放射素子１は、基板１１と、絶縁層１２と、発熱層１３と、形状安定化層１４と、を備える。

基板１１は、板状のシリコン（Ｓｉ）から形成されている。より詳細には、基板１１は、単結晶のシリコン基板から形成されている。赤外線放射素子１は、基板１１の板表面の一方の側に絶縁層１２が形成される。本実施形態では、基板１１は、一辺が３ｍｍの正方形の板状で、厚さが５００μｍである。なお、本明細書では、以降、基板１１から見て絶縁層１２がある側を上側、絶縁層１２と反対の側を下側と表現する。また、本明細書では、板形状である基板１１の厚さ方向に沿って、上側の方向を上方向、下側の方向を下方向とする。また、図１は、図２のＸ−Ｘ断面図である。

基板１１の板表面について、以降では、絶縁層１２が形成される一方の側の板表面を「表面」又は「上面」と呼び、他方の側の板表面を「裏面」又は「下面」と呼ぶ。基板１１の表面は、例えば、単結晶のシリコン基板の（１００）面であるのが好ましい。

さらに、本明細書では、基板１１の厚さ方向と垂直な面におけるサイズを、平面サイズと呼ぶ。これらの定義を用いると、図１は、本実施形態の赤外線放射素子１の、厚さ方向での断面図であり、図２は、本実施形態の赤外線放射素子１を上方から見た上面図である。ここで、赤外線放射素子１に対して、図２の紙面上での上方向を奥、下方向を手前、左右方向をそれぞれ左、右と呼ぶ。

また、基板１１は、基板１１の厚さ方向に貫通する貫通孔１１１を有する。貫通孔１１１は、平面視において、矩形形状となっている。貫通孔１１１は、基板１１の厚さ方向に垂直な断面での断面形状（開口形状）が矩形となっている。矩形形状とは、直角四辺形形状を意味し、長方形形状及び正方形形状を含む。矩形とは、直角四辺形を意味し、長方形及び正方形を含む。本実施形態の貫通孔１１１は、平面視において、正方形となっている。さらに、本実施形態では、貫通孔１１１は、上に行くほど開口が小さく、下に行くほど開口が大きくなる。つまり、貫通孔１１１の壁面は、下方が拡開したテーパ状になっている。開口が小さくなるとは、開口面積が小さくなることを意味する。開口が大きくなるとは、開口面積が大きくなることを意味する。したがって、貫通孔１１１は、基板１１の表面における開口面積に比べて、基板１１の裏面における開口面積が大きい。貫通孔１１１は、基板１１の厚さ方向において絶縁層１２から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されている。

なお、本実施形態では、基板１１が貫通孔１１１を有しているが、貫通孔１１１を設ける代わりに、図３及び４に示すように、基板１１の表面に上側が開口した凹部１１２を設けてもよい。つまり、本実施形態では、基板１１が貫通孔１１１を有しているが、絶縁層１２の下面の一部が、基板１１ではなく気体層に接する構成であればよい。図３に示す凹部１１２を備える場合には、絶縁層１２と形状安定化層１４と保護層１９との積層構造の厚さ方向に貫通するスリット１０９が形成されている。これにより、製造時には、スリット１０９を通して、基板１１を表面からエッチングすることができる。

絶縁層１２は、シリコン酸化膜からなる。要するに、絶縁層１２は、酸化ケイ素により形成されている。酸化ケイ素は、ＳｉＯ_２であるのが好ましい。シリコン酸化膜は、ＳｉＯ_２膜であるのが好ましい。絶縁層１２は、基板１１の表面側で貫通孔１１１の上側の開口を塞ぐように基板１１上に形成される。つまり、絶縁層１２は、貫通孔１１１よりも平面サイズが大きい。絶縁層１２は、貫通孔１１１の上部の構成において最下層となり、絶縁層１２の上部の構成を支持する。本実施形態では、絶縁層１２は、基板１１の平面サイズと略同じサイズの薄膜として形成される。絶縁層１２は、厚さが０．２μｍであり、基板１１よりも非常に薄い。また、絶縁層１２は、上部の発熱層１３や後述する電極部１５、配線部１６と、下部の基板１１や貫通孔１１１内の気体と、の間を電気的に絶縁する。つまり、絶縁層１２は、電気絶縁性を有する。

形状安定化層１４は、シリコン窒化膜からなる。要するに、形状安定化層１４は、窒化ケイ素により形成されている。窒化ケイ素は、Ｓｉ_３Ｎ_４であるのが好ましい。シリコン窒化膜は、Ｓｉ_３Ｎ_４膜であるのが好ましい。形状安定化層１４は、絶縁層１２上に形成される。本実施形態では、形状安定化層１４は、基板１１と略同じ平面サイズ、つまり絶縁層１２とも略同じ平面サイズの薄膜である。形状安定化層１４は、絶縁層１２とともに、貫通孔１１１の上方で自己より上部の構成を支持する。形状安定化層１４は、基板１１や絶縁層１２と略同じ平面サイズであるので、貫通孔１１１よりも平面サイズが大きい。形状安定化層１４の厚さは、絶縁層１２と同様に０．２μｍである。形状安定化層１４は、電気絶縁性を有している。

形状安定化層１４の上面の一部には、窒化タンタル（ＴａＮ）からなる下地部１７が形成される。下地部１７は、長方形で、厚さが０．０３μｍの薄膜状である。下地部１７は、形状安定化層１４の上面において、真ん中より右側と左側に１つずつ配置される。要するに、赤外線放射素子１は、一対の下地部１７を備えている。下地部１７は、奥行き方向に長辺が、横方向に短辺がくるように配置される。本実施形態では、下地部１７は、貫通孔１１１の上側の開口の、横方向の縁を跨ぐ位置に形成されている。図２に示すように、本実施形態では下地部１７が半分ほどの位置で貫通孔１１１の上側の開口の縁を跨いでいるが、下地部１７は、内側（貫通孔１１１側）の長辺が貫通孔１１１の上側の開口の縁より内側に位置し、かつ、外側の長辺が貫通孔１１１の上側の開口の縁より外側に位置していればよい。下地部１７は、左右方向において、貫通孔１１１の上側の開口の縁より内側に位置する部分の長さが、貫通孔１１１の上側の開口の縁より外側に位置する部分の長さよりも長いのが、より好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、発熱層１３をより効率良く発熱させることが可能となる。貫通孔１１１の上側の開口の縁は、貫通孔１１１の基板１１の表面における開口端である。赤外線放射素子１は、構造上、貫通孔１１１の上側の開口の縁の付近に応力が集中する傾向にあるが、貫通孔１１１の上側の開口の縁の直上に基板１１以外の部材の境界が来ないようにすることで、応力集中の緩和が期待できる。

下地部１７の上には、下地部１７と同様の平面形状を有する配線部１６が形成される。配線部１６は、下地部１７の上に重ねるように形成される。配線部１６は、厚さが０．０７μｍの薄膜状である。配線部１６は、下地部１７と同様、左右に１つずつ配置される。要するに、赤外線放射素子１は、一対の配線部１６を備えている。配線部１６は、タンタル（Ｔａ）により形成される。配線部１６は、下地部１７に重なる位置に形成されている。つまり、配線部１６は、一部が、貫通孔１１１の上側の開口の上方に位置している。貫通孔１１１内には、気体が存在する。このため、貫通孔１１１内は、シリコンにより形成された基板１１と比べて熱引きが悪い。発熱層１３を発熱させて赤外線を放射する際、配線部１６は、一部が貫通孔１１１の上側の開口の上方に位置しているため、熱がこもり、非常に高温となる。例えば、この配線部１６をアルミニウム（Ａｌ）等の融点の低い材料を用いて形成してある場合には、高温で劣化や融解が起こり、断線する可能性もある。一方、本実施形態では、アルミニウムや、基板１１を形成するシリコンよりも融点が高いタンタルで配線部１６を形成しているので、融解による断線の可能性が低くなり、配線機能の信頼性が向上する。また、本実施形態では、配線部１６の、融解による断線の可能性が低いので、配線部１６を薄くすることが可能となり、赤外線放射素子１全体の薄型化にもつながる。

発熱層１３は、窒化タンタルからなり、形状安定化層１４と配線部１６の上に形成される。発熱層１３は、左右方向に長い長方形の薄膜状である。より詳細には、発熱層１３は、平面視形状が長方形である。発熱層１３は、一対の配線部１６の並ぶ方向に長手方向が一致するように配置されている。発熱層１３は、長手方向の長さが、貫通孔１１１の上側の開口の辺の長さよりも長く、短手方向の長さが、貫通孔１１１の上側の開口の辺の長さよりも短い。図１に示すように、発熱層１３は、左右方向の両端縁が下地部１７及び配線部１６の外側の端縁と一致するように、両端部それぞれが、配線部１６上に形成される。発熱層１３は、左右方向の両端部それぞれが、配線部１６に重なるように形成されている。発熱層１３は、基板１１と平面サイズが略同じの絶縁層１２や形状安定化層１４よりも平面サイズが小さい。ここで、本明細書では、発熱層１３のうち、配線部１６上に形成された部分を被覆部１８と定義する。つまり、タンタルで形成される配線部１６は、窒化タンタルからなる下地部１７と窒化タンタルからなる被覆部１８とに上下から挟まれている。より詳細には、配線部１６は、被覆部１８と下地部１７との間に介在している。ここで、被覆部１８と下地部１７とは、同じ材料、つまり、窒化タンタル、により形成されている。また、発熱層１３は、左右の配線部１６の間に位置する中央部が、形状安定化層１４上に形成される。つまり、下地部１７と配線部１６は、発熱層１３の横方向の両端部それぞれと重なるように位置する。発熱層１３の断面形状は、図１のように、左右方向の中央部と両端部それぞれとの間に段差部のある形状となっている。

発熱層１３の奥行き方向の長さ（短辺の長さ）は、下地部１７及び配線部１６の奥行き方向の長さ（長辺の長さ）よりも短い。下地部１７及び配線部１６の奥側と手前側の端は、それぞれ少しずつ、発熱層１３の奥側と手前側の端よりも外側に形成されている。また、発熱層１３の奥行き方向の長さは、貫通孔１１１の上側の開口の辺の長さよりも短く設定されている。本実施形態では、発熱層１３の奥行き方向の長さは１ｍｍである。ここで、下地部１７及びその上の配線部１６は、奥行き方向に沿った２つの辺のうちの一方の辺が、貫通孔１１１の上側の開口の縁よりも内側に位置するように配置されている。そのため、発熱層１３のうち、少なくとも形状安定化層１４上に形成されている部分は、貫通孔１１１の上側の開口の上方に位置している。つまり、発熱層１３のうち、被覆部１８の一部以外の部分は、貫通孔１１１の上側の開口の上方に位置している。これにより、赤外線放射素子１では、発熱層１３が基板１１と比べて断熱性のより高い貫通孔１１１の上方にあるので、赤外線を放射させるために発熱層１３に通電した場合の温度上昇時に、発熱層１３からの放熱が少なくなり発熱層１３の温度をより早く上昇させることができる。赤外線放射素子１は、熱放射により赤外線を放射するように構成されている。より詳細には、赤外線放射素子１は、発熱層１３に通電されることにより、発熱層１３が発熱して発熱層１３から赤外線が放射される。赤外線放射素子１は、基板１１に比べて断熱性の高い貫通孔１１１の上方に配置されているので、発熱層１３の温度をより早く上昇させることが可能となる。

発熱層１３は、厚さが０．０３μｍであり、絶縁層１２や形状安定化層１４に比べても非常に薄い。逆に言えば、形状安定化層１４の厚さは、発熱層１３の厚さよりも大きい。赤外線放射素子１は、発熱層１３が厚い場合と比べて発熱層１３の熱容量が小さくなり、発熱層１３の温度上昇にかかる時間が短くてすむ。発熱層１３は、厚さが非常に薄いと、横方向に放熱しにくくなり、冷めにくくなる。発熱層１３の温度上昇は、周りより高温になると、周りに放熱しながらの上昇となるが、発熱層１３の薄膜化により冷めにくくなると、より早く、無駄なく温度を上昇させられる。本実施形態の赤外線放射素子１では、基板１１を貫通する貫通孔１１１を設けたが、貫通孔１１１を設ける代わりに、基板１１において、絶縁層１２に接する上面側に凹部１１２を設けることで、この凹部１１２の上方に発熱層１３がある状態とし、これにより、発熱層１３の放熱を少なくし、早く温度を上昇させるようにしてもよい。発熱層１３の低熱容量化の観点から、発熱層１３の厚さは、０．１μｍ以下が好ましく、０．０５μｍ以下がより好ましく、０．０３μｍ以下が更に好ましい。

また、本実施形態では、タンタルの配線部１６の下に窒化タンタルの下地部１７を設けている。下地部１７の下は窒化ケイ素の形状安定化層１４であるが、窒化ケイ素は電気絶縁性を有している。タンタルは、配線としては電気抵抗が高い物質であるが、タンタル層をスパッタ法により形成する際、窒化タンタルのように導電性を有する物質の上で形成すると、絶縁性の物質の上に形成する場合よりも抵抗率を低くすることが可能である。さらに、本実施形態では、下地部１７と同じ物質からなる被覆部１８を配線部１６上に形成している。つまり、本実施形態では、下地部１７と配線部１６と被覆部１８とを重なり合うように積層してあり、配線部１６を上下から同じ物質で挟むことにより、配線部１６の内部の応力を低減させることができる。配線部１６は、タンタルで形成しているので、窒化タンタルで形成した発熱層１３や下地部１７よりも電気抵抗が小さい。その結果として、赤外線放射素子１では、下地部１７と配線部１６と被覆部１８とを重ね合わせた部分において流れる電流が主に配線部１６に流れるので、被覆部１８の発熱量は発熱層１３の中央部の発熱量に比べて無視できる程度に小さい。このため、赤外線放射素子１では、被覆部１８の発熱が実質的に発生しない状態とみなすことができる。より詳細には、発熱層１３は、形状安定化層１４上に直接形成されている中央部のみを、熱放射により赤外線を放射する赤外線放射部とみなすことができ、被覆部１８のうち基板１１の上方にある部分では発熱温度が無視できる程度に低いことが分かる。図５は、赤外線放射素子１の動作時の温度分布の一例の模式的な説明図である。ここで、赤外線放射素子１は、発熱層１３の抵抗率が９０００ｎΩ・ｍ、シート抵抗が３００Ω／□（言い換えれば、３００Ω／sq.）である。また、赤外線放射素子１は、配線部１６の抵抗率が１４００ｎΩ・ｍ、シート抵抗が２０Ω／□である。また、赤外線放射素子１は、下地部１７と配線部１６と被覆部１８とを重ね合わせた部分の抵抗率が９００ｎΩ・ｍ、シート抵抗が７Ω／□である。窒化タンタルにより形成された被覆部１８は、タンタルにより形成された配線部１６の酸化を防止する酸化防止膜としての機能も有することができる。

発熱層１３の材料は、窒化タンタルに限らず、例えば、窒化チタン等を採用してもよい。発熱層１３については、高温で化学的に安定であり、且つ、シート抵抗の設計容易性という観点から、窒化タンタル層、窒化チタン層等を採用することが好ましい。窒化タンタル層及び窒化チタン層の各々は、その組成を変えることにより、シート抵抗を変えることが可能である。発熱層１３の材料として窒化チタンを採用する場合、被覆部１８の材料も窒化チタンとなるので、下地部１７の材料としては、窒化チタンを採用するのが好ましい。

発熱層１３の上には、窒化ケイ素からなる保護層１９が形成される。保護層１９は、基板１１上に絶縁層１２、形状安定化層１４、下地部１７、配線部１６及び発熱層１３（被覆部１８を含む）が形成された状態で、その上部に０．３μｍの厚さで形成されている。よって、保護層１９の表面は、図１に示すように、配線部１６等のあたりでは高さが高くなり、配線部１６等や発熱層１３がないあたりでは最も低くなり、発熱層１３の上部では発熱層１３の分だけ高くなる。ここで、高さは、例えば、絶縁層１２の表面からの高さである。なお、図２、３では、保護層１９の図示を省略してある。

保護層１９の平面形状は、基板１１と略同じである。保護層１９は、発熱層１３の上部で発熱層１３を覆っており、発熱層１３が環境影響で経年変質することを防ぐ。

保護層１９は、シリコン窒化膜により構成してある。保護層１９は、シリコン窒化膜に限らず、例えば、シリコン酸化膜により構成してもよいし、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層構造を有していてもよい。保護層１９は、耐湿性等の信頼性を確保するためのパッシベーション膜である。保護層１９は、発熱層１３から放射される所望の波長域の赤外線に対する透過率が高いほうが好ましいが、透過率が１００％であることを必須とするものではない。

電極部１５は、アルミニウムで形成され、貫通孔１１１の外側の基板１１部分の上方に設けられる。電極部１５を形成するアルミニウムは、純アルミニウムに限らず、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｃ等の異種金属を含んだアルミニウム合金でもよい。電極部１５は、アルミニウム合金により形成されているのが好ましい。アルミニウム合金としては、ＡｌＳｉ、ＡｌＳｉＣｕ、ＡｌＣｕ、ＡｌＴｉＣｕ、ＡｌＳｃ等を挙げることができる。電極部１５は、配線部１６に対応して設けられるので、配線部１６と同様、左右に１つずつ１対が配置される。つまり、赤外線放射素子１は、一対の電極部１５を備える。電極部１５の平面形状は、図２に示すように、奥行き方向にのびて発熱層１３より外側に設置される支持部１５１と、支持部１５１の中ほどからのびて発熱層１３と支持部１５１とをつなぐ接続部１５２とを備えている。支持部１５１の平面形状は、長方形状であり、長手方向が奥行き方向となるように配置されている。電極部１５は、支持部１５１と接続部１５２とが一体に形成されている。

接続部１５２は、図１に示すように、エッチング等により保護層１９に設けられた第１の貫通孔（第１の孔）１９１内を通って被覆部１８に到達する接続片１５２１を、１つの配線部１６に対して複数備えている。要するに、接続部１５２は、被覆部１８に対して複数の接続片１５２１を備えており、各接続片１５２１それぞれが、保護層１９において各接続片１５２１それぞれに対応して設けられた第１の貫通孔１９１を通して被覆部１８に到達している。接続片１５２１は、保護層１９に設けられた第１の貫通孔１９１内に形成されている。接続片１５２１は、導電性を有する被覆部１８と電気的に接続されている。これにより、電極部１５は、被覆部１８を介して配線部１６と電気的に接続している。接続片１５２１の数は、複数に限らず、１つでもよい。第１の貫通孔１９１の開口サイズは、接続片１５２１の数、被覆部１８の大きさ、被覆部１８と接続片１５２１との接触抵抗、等に応じて適宜設定すればよい。

支持部１５１は、図１に示すように、エッチング等により保護層１９に設けられた第２の貫通孔（第２の孔）１９２内を通って形状安定化層１４に到達している。支持部１５１は、形状安定化層１４に密着している。支持部１５１は、接続部１５２を支持している。支持部１５１は、絶縁層１２、形状安定化層１４を介して基板１１に熱的に接続している。熱的に接続しているとは、支持部１５１が基板１１に比べて高温のときに、支持部１５１の熱を、絶縁層１２及び形状安定化層１４を通して基板１１へ熱伝導可能な状態にあることを意味する。また、熱的に接続しているとは、支持部１５１と基板１１とが熱的に結合されていることを意味する。形状安定化層１４に至る保護層１９の第２の貫通孔１９２は、発熱層１３、配線部１６及び下地部１７を露出させないよう、これらよりも外側に設けられている。これにより、電極部１５は、基板１１をヒートシンクとして利用することができる。より詳細には、赤外線放射素子１は、支持部１５１の一部を埋め込む第２の貫通孔１９２が、発熱層１３、配線部１６及び下地部１７よりも、貫通孔１１１の上側の開口の、絶縁層１２の厚さ方向に投影方向が沿った垂直投影領域から離れた位置に形成されており、基板１１を、電極部１５の熱を放熱させるためのヒートシンクとして利用することが可能となる。赤外線放射素子１は、形状安定化層１４及び絶縁層１２それぞれがシリコンに比べて熱伝導率の低い材料により形成されているので、電極部１５の熱を基板１１へ熱伝導させる観点から、形状安定化層１４の厚さと絶縁層１２の厚さとの合計厚さが１μｍ以下であるのが好ましく、０．７μｍ以下であるのがより好ましく、０．４μｍ以下であるのが更に好ましい。第２の貫通孔１９２の開口形状は、支持部１５１の長手方向に沿った長方形とするのが好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、第２の貫通孔１９２の下端での開口面積により、支持部１５１と形状安定化層１４との接触面積を規定することができ、また、横方向への熱伝導を保護層１９により抑制することが可能なので、支持部１５１の熱をより効率良く放熱させることが可能となる。電極部１５の熱をより効率良く基板１１へ熱伝導させる観点から、支持部１５１及び保護層１９の第２の貫通孔１９２の長手方向の長さは、接続部１５２の長手方向の長さよりも長いのが好ましい。

赤外線放射素子１は、支持部１５１がボンディングパッドを構成している。赤外線放射素子１は、例えば、プリント基板や後述のパッケージ２（図１２参照）の一部を構成するステム２１等に実装して使用することができる。ステム２１は、赤外線放射素子１を支持する台座である。赤外線放射素子１は、例えば、支持部１５１に金属細線（ボンディングワイヤ）がボンディングされるときに、支持部１５１の材料と金属細線の材料との組み合わせによっては支持部１５１の表面側の部分が合金化することがある。このため、電極部１５は、一定以上の厚さが必要である。また、電極部１５は、ワイヤボンディング時に印加される圧力や超音波等が形状安定化層１４や絶縁層１２に悪影響を与えないようにする観点からも、一定以上の厚さが必要である。本実施形態においては、支持部１５１の高さは１．５μｍである。要するに、電極部１５の厚さは、１．５μｍに設定してある。赤外線放射素子１は、絶縁層１２の厚さを０．２μｍとし、形状安定化層１４の厚さを０．２μｍとし、発熱層１３の厚さを０．０３μｍとし、下地部１７の厚さを０．０３μｍ、配線部１６の厚さを０．０７μｍ、保護層１９の厚さを０．３μｍとしてある。したがって、赤外線放射素子１は、貫通孔１１１上において、絶縁層１２の下面から、保護層１９の最上面までの厚さがおよそ０．７μｍである。よって、電極部１５は、基板１１上の他の部材よりもかなり厚い部材である。本実施形態では、この厚い電極部１５を貫通孔１１１の上側の開口よりも外側の基板１１上の部分にのみ配置することで、貫通孔１１１上の部材に、電極部１５に起因する応力を極力かけないようにすることができる。より詳細には、赤外線放射素子１は、電極部１５に起因する応力が、絶縁層１２、形状安定化層１４、発熱層１３、下地部１７及び配線部１６等にかかるのを抑制することが可能となる。ここで、赤外線放射素子１は、より薄い発熱層１３に、電極部１５に起因する応力がかかるのを抑制することが可能となる。

本実施形態の赤外線放射素子１の製造方法の一例については、図６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、７Ａ、７Ｂ、７Ｃ及び８に基づいて説明する。

赤外線放射素子１の製造方法では、まず、基板１１を準備する（図６Ａ参照）。そして、赤外線放射素子１の製造方法では、板状のシリコンの両面を酸化させることで、基板１１の表面にシリコン酸化膜（以下、「第１のシリコン酸化膜」ともいう。）からなる絶縁層１２を形成するとともに、基板１１の裏面に第２のシリコン酸化膜１２２を形成する（図６Ｂ参照）。ここで、絶縁層１２及び第２のシリコン酸化膜１２２は、熱酸化法により形成する。

次に、赤外線放射素子１の製造方法では、絶縁層１２上にシリコン窒化膜（以下、「第１のシリコン窒化膜」ともいう。）からなる形状安定化層１４を形成するとともに、第２のシリコン酸化膜１２２上に第２のシリコン窒化膜１４２を形成する（図６Ｂ参照）。ここで、形状安定化層１４及び第２のシリコン窒化膜１４２は、ＬＰＣＶＤ法により形成する。

次に、赤外線放射素子１の製造方法では、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用し、基板１１の裏面側の第２のシリコン窒化膜１４２のうちエッチングマスクの開口部に対応する部分を除去する（図６Ｃ参照）。

次に、赤外線放射素子１の製造方法では、形状安定化層１４上に、スパッタ法により、一対の下地部１７の元になる第１の窒化タンタル層を形成する。ここで、第１の窒化タンタル層は、スパッタ法により形成する。

次に、赤外線放射素子１の製造方法では、第１の窒化タンタル層の上に、一対の配線部１６の元になるタンタル層を形成する。ここで、タンタル層は、スパッタ法により形成する。

次に、赤外線放射素子１の製造方法では、第１の窒化タンタル層とタンタル層との積層膜をパターニングすることで、一対の下地部１７と一対の配線部１６とを形成する（図６Ｄ参照）。第１の窒化タンタル層とタンタル層との積層膜のパターニングは、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して行う。

次に、赤外線放射素子１の製造方法では、基板１１の表面側に発熱層１３の元になる第２の窒化タンタル層１３０（図９Ａ及び９Ｂ参照）を形成する。ここで、第２の窒化タンタル層１３０は、スパッタ法により形成する。また、赤外線放射素子１の製造方法では、第２の窒化タンタル層１３０のアニール処理を行うのが好ましい。アニール処理の方法としては、ＲＴＡ（rapid thermal annealing）が好ましい。アニール処理では、アニール温度を、赤外線放射素子１の動作温度よりも高い温度に設定する。

次に、赤外線放射素子１の製造方法では、第２の窒化タンタル層１３０をパターニングすることで、形状安定化層１４よりも狭い面積の発熱層１３を形成する（図７Ａ参照）。第２の窒化タンタル層１３０のパターニングは、例えば、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して行う。

次に、赤外線放射素子１の製造方法では、基板１１の表面側に、窒化ケイ素からなる保護層１９を形成する（図７Ｂ参照）。保護層１９は、例えば、プラズマＣＶＤ法により形成する。次に、赤外線放射素子１の製造方法では、保護層１９に、電極部１５を配置するための第１の貫通孔１９１及び第２の貫通孔１９２を形成する（図７Ｂ参照）。第１の貫通孔１９１及び第２の貫通孔１９２は、例えば、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して形成する。第１の貫通孔１９１及び第２の貫通孔１９２を形成するためのエッチャントとしては、フッ酸を用い、基板１１の裏面側の第２のシリコン酸化膜１２２の不要部分もエッチングする。なお、基板１１の裏面側の第２のシリコン酸化膜１２２の不要部分をエッチングするとき、基板１１の裏面側の第２のシリコン窒化膜１４２は、レジストにより保護した状態にしておく。

次に、赤外線放射素子１の製造方法では、電極部１５を形成する（図７Ｃ参照）。電極部１５は、例えば、スパッタ法によりアルミニウム膜を形成した後、アルミニウム膜をパターニングすることで形成することができる。アルミニウム膜のパターニングは、例えば、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して行う。

次に、赤外線放射素子１の製造方法では、基板１１の裏面側から、貫通孔１１１を形成する。貫通孔１１１を形成するエッチングを行うときには、マスキングのために、基板１１の下面のうち、貫通孔１１１を形成しない部分に、第２のシリコン酸化膜１２２と第２のシリコン窒化膜１４２との積層膜からなるエッチングマスク層を設けてある。貫通孔１１１を形成するエッチングは、アルカリ系溶液を用いた異方性エッチングであるのが好ましい。

赤外線放射素子１の製造方法では、貫通孔１１１を形成する工程を最後として、前工程が終了する。

赤外線放射素子１の製造にあたっては、貫通孔１１１を形成する工程が終了するまでの全工程をウェハレベルで行う。赤外線放射素子１の製造方法では、その後、ダイシング工程を行うことにより個々の赤外線放射素子１に分割するようにしている。貫通孔１１１を形成する工程が終了するまでの全工程をウェハレベルで行うとは、基板１１の元になるシリコンのウェハ１０（図６Ａ等参照）に複数の赤外線放射素子１を製造することを意味する。したがって、赤外線放射素子１の製造方法では、上述の説明における基板１１を、ウェハ１０と読み替えることができる。ウェハレベルで行われる全工程は、前工程と呼ばれ、ウェハプロセスとも呼ばれる。

一般に、このような赤外線放射素子の製造方法では、赤外線放射素子において安定した発熱動作を実現させるため、製造中に赤外線放射素子１の動作温度以上の高温雰囲気をプロセス条件とする工程が行われることがある。動作温度は、発熱層１３に通電したときの発熱層１３の温度を意味する。動作温度は、例えば、１００〜７００℃である。赤外線放射素子１は、動作温度を変えることにより、赤外線の放射スペクトルのピーク波長を変化させることができる。本実施形態の赤外線放射素子１の製造方法では、例えば、絶縁層１２となるシリコン酸化膜を形成する工程が約１０００℃、形状安定化層１４となる第１のシリコン窒化膜を形成する工程が約８００℃、第１の窒化タンタル層を形成する工程が約２００℃、第２の窒化タンタル層１３０を形成する工程が約２００℃のプロセス温度で行われる。プロセス温度は、熱的な反応や効果を利用する工程におけるプロセス条件のうち雰囲気の温度或いは基板温度である。これらの工程では、雰囲気の温度或いは基板温度を常温からプロセス温度まで上昇させてプロセス温度を所定の処理時間だけ維持させた後、常温まで低下させるが、層の材料によって熱膨張係数が異なるため、接する層間の熱膨張係数の差に応じて層内部にひずみが生じる。ここで、層は、第１のシリコン酸化膜からなる絶縁層１２、第１のシリコン窒化膜からなる形状安定化層１４、第２の窒化タンタル層及び発熱層１３等である。基板１１は、他の層と比べると非常に厚いため、他の層による影響はほとんど受けない。基板１１への貫通孔１１１の形成前であれば、基板１１上に各層が密着して形成されているため、各層は、内部にひずみがあったとしても、形状には現れにくい。この状態では、各層は、応力が開放されていれば図９Ａのように伸び縮みするところ、基板１１が支えているために、図９Ｂのように基板１１と同じサイズに固定されている。つまり、応力が開放されれば縮む層は、無理やり引き伸ばされている状態であり、縮む方向の内部応力を有している。逆に、応力が開放されれば伸びる層は、伸びる方向の内部応力を有している。しかし、貫通孔１１１を形成すると、各層は、内部にひずみをかかえた状態のまま貫通孔１１１の部分が開放されてしまう。縮む方向の内部応力は、圧縮応力である。また、伸びる方向の内部応力は、引張応力である。図９Ｂでは、引張応力の向きを左向きの矢印で模式的に示し、圧縮応力の向きを右向きの矢印で示し、内部応力の大小を矢印の長さの長短で模式的に示してある。矢印の長さは、矢尻から矢先までの長さを意味する。内部応力は、矢印の長さが長いほど大きく、短いほど小さい。

各層は、薄膜であり、応力設計をしていない場合、例えば、形状安定化層１４を備えていない比較例の場合、基板１１に貫通孔１１１が形成されたときに、基板１１において貫通孔１１１に相当する部分での支持がなくなったことによる機械的強度の低下と、層内部のひずみが相互作用し、層が変形してしまうこと等が考えられる。本実施形態の構成の場合、絶縁層１２を構成するシリコン酸化膜は、基板１１のシリコンよりも、温度低下による収縮が少ない。ここで、温度低下は、例えば、製造中のプロセス温度からの温度降下時や、使用中の発熱層１３への通電が停止された後の温度降下時等に起こる。したがって、比較例の場合、絶縁層１２は、応力が開放されると、基板１１と比べて絶縁層１２が相対的に伸びたような状態となる。そうすると、比較例の場合、貫通孔１１１上において、絶縁層１２は、皺になり、その上部に形成されている発熱層１３も影響を受ける。「皺になり」とは、皺が寄ることを意味する。絶縁層１２が皺になるということは、絶縁層１２が変形することを意味する。比較例では、本実施形態の構成と同様に発熱層１３が非常に薄いため、絶縁層１２が皺になって折れたりすると、その上の発熱層１３が裂けてしまう可能性がある。比較例では、仮に、温度低下時には破損しなくても、発熱層１３へ通電した際に、熱膨張や収縮に起因して貫通孔１１１上の部分が変形するときに発生する衝撃で発熱層１３が破損してしまう可能性がある。

これに対して、本実施形態においては、第１のシリコン酸化膜からなる絶縁層１２の上に、第１のシリコン窒化膜からなる形状安定化層１４を重ねている。第１のシリコン窒化膜は、第１のシリコン酸化膜とは逆に、基板１１のシリコンよりも温度低下による収縮が大きい薄膜である。つまり、本実施形態では、絶縁層１２の熱膨張係数が基板１１の熱膨張係数よりも小さく、形状安定化層１４の熱膨張係数が基板１１の熱膨張係数よりも大きい。要するに、形状安定化層１４は、絶縁層１２とは逆に、基板１１よりも熱膨張係数が大きい。この構成であれば、赤外線放射素子１は、伸びる方向の内部応力が発生している絶縁層１２と、縮む方向の内部応力が発生している形状安定化層１４とを重ねて一体化していることにより、内部応力が一部相殺される。より詳細には、絶縁層１２の内部応力の少なくとも一部と形状安定化層１４の内部応力の少なくとも一部とが相殺される。これにより、赤外線放射素子１は、発熱層１３の直下が絶縁層１２だけの比較例の場合よりも、絶縁層１２が皺等になりにくい。形状安定化層１４の内部応力は、例えば、形状安定化層１４となる第１のシリコン窒化膜をＬＰＣＶＤ法により形成する場合、プロセス条件を適宜設定することによって調整することが可能である。また、形状安定化層１４の内部応力は、第１のシリコン窒化膜の形成方法を適宜変更することによっても調整することが可能である。

なお、赤外線放射素子１は、絶縁層１２の熱膨張係数が基板１１の熱膨張係数よりも大きく、形状安定化層１４の熱膨張係数が基板１１の熱膨張係数よりも小さくてもよい。また、赤外線放射素子１は、基板１１に対する熱膨張係数の関係が上記のように絶縁層１２と形状安定化層１４とで逆になるのではなく、形状安定化層１４の熱膨張係数が絶縁層１２の熱膨張係数と基板１１の熱膨張係数の間になるようにしても、皺等の発生を緩和できる。

上述のように形状安定化層１４は、絶縁層１２の変形を抑制し、つまり絶縁層１２の形状をより安定化させ、これによって、本実施形態では、上部の発熱層１３の形状をより安定化させることができる。要するに、形状安定化層１４は、発熱層１３が絶縁層１２上に直接形成されている場合に比べて絶縁層１２及び発熱層１３それぞれの形状を安定化させる機能層として設けられている。

また、本実施形態では、形状安定化層１４の上の、発熱層１３の元になる第２の窒化タンタル層１３０は、基板１１よりも温度低下による収縮が少ない窒化タンタルである。つまり、本実施形態では、熱膨張係数が基板１１より小さい絶縁層１２と発熱層１３とで、熱膨張係数が基板１１より大きい形状安定化層１４を挟んでいる。図１０Ａに示すように温度降下に伴う収縮による縮み方の異なる２つの層Ａ２、Ｂ２だけを重ねた場合には、２つの層Ａ２、Ｂ２が図１０Ｂのように反る可能性がある。これによってその上部の発熱層１３が反ってしまう場合には、機械的な強度の問題の他に、赤外線の放射方向に影響が出ることが考えられる。なお、図１０Ａでは、２つの層Ａ２、Ｂ２それぞれの、一面内方向（図１０Ａにおける左右方向）の収縮量の大小を矢印の長短で模式的に表してある。また、図１０Ｂでは、層Ａ２と層Ｂ２との積層体に作用する曲げ応力の向きを白抜きの矢印で模式的に表してある。

これに対して、本実施形態のように、図１１Ａに示すように相対的に熱膨張係数の小さい２つの層Ｃ２、Ｅ２の間に相対的に熱膨張係数の大きい層Ｄ２を介在させて一体化させると、図１１Ｂのように、応力が一部相殺して、反りにくくなる。層Ｃ２、Ｅ２は、本実施形態の発熱層１３、絶縁層１２に対応し、層Ｄ２は形状安定化層１４に対応する。なお、挟む層Ｃ２、Ｅ２と挟まれる層Ｄ２の熱膨張係数の大小関係については、逆でもよい。また、本実施形態では熱膨張係数の大小の基準を基板１１としているが、反るか反らないかは、挟む２つの層と挟まれる１つの層の熱膨張係数の相対的な大小関係に大きく影響されるので、これら３つの層の熱膨張係数の相対的な大小関係で論じてもよい。なお、図１１Ａでは、２つの層Ｃ２、Ｄ２及びＥ２それぞれの、一面内方向（図１１Ａにおける左右方向）の収縮量の大小を矢印の長短で模式的に表してある。また、図１１Ｂでは、層Ｃ２と層Ｄ２と層Ｅ２との積層体に作用する曲げ応力の向きを白抜きの矢印で模式的に表してある。

本実施形態の赤外線放射素子１は、図１２に示すように、金属製のステム２１と金属製のキャップ２２とを備えるパッケージ２に収納して赤外光源１００の構成要素として使用することができる。ステム２１は、円板状の形状に形成されている。ステム２１は、赤外線放射素子１を支持する台座である。ステム２１には、赤外線放射素子１への通電用の端子ピン３が取り付けられている。赤外光源１００は、端子ピン３を、２本備えている。端子ピン３は、ステム２１の厚さ方向に貫通して設けられている。端子ピン３は、ステム２１に対して、電気絶縁性の封止材で固定されており、ステム２１と電気的に絶縁されている。封止材としては、例えば、ガラスを採用できる。キャップ２２は、赤外線放射素子１の上方に窓孔２２０が形成されており、窓孔２２０を塞ぐようにレンズ２２１が配置されている。赤外線放射素子１は、図１３のように、ステム２１の略中央に実装される。赤外光源１００は、ワイヤボンディングによって、電極部１５の支持部１５１と端子ピン３とが導電性のワイヤ４を介して電気的に接続される。ワイヤ４は、金属細線である。ステム２１に赤外線放射素子１が実装された状態では、ステム２１の上面が、貫通孔１１１の下側の開口を塞いでいる。これにより、赤外光源１００は、貫通孔１１１の内部が閉空間となっている。キャップ２２は、赤外線放射素子１及びワイヤ４を覆うようにステム２１に固着される。

赤外光源１００を備えた光源部１０１は、図１４のように、受光部２００及び導光部３００とともに、赤外線センサを構成する。受光部２００は、赤外線を受光し、赤外線の吸収量や反射量等を計測する。導光部３００は、光源部１０１と受光部２００の間に配置されて検知空間３０１を形成する。より詳細には、導光部３００は、筒状に形成されており、その内部空間が、検知空間３０１を形成する。赤外線センサは、導光部３００の軸方向の一端部側に光源部１０１が配置され、導光部３００の軸方向の他端部側に受光部２００が配置されている。導光部３００は、内壁面側が、光源部１０１から放射された赤外線を鏡面反射するように処理されており、光源部１０１から出た赤外線が効率的に受光部２００に届くよう、設計されている。光源部１０１から放射される赤外線は、赤外線放射素子１から放射されてレンズ２２１を通して出射される赤外線である。導光部３００は、例えば、合成樹脂により形成されている場合、赤外線を反射する反射層を内壁面側に備えた構成とすることができる。導光部３００の材料は、合成樹脂に限らず、例えば、金属を採用してもよい。この赤外線センサは、光源部１０１から放射されて検知空間３０１を通過した赤外線を受光部２００で検出することにより、検知空間３０１内を通る赤外線が、検知空間３０１内の物質による吸収や反射によって減衰したことを検出するものである。ここで、検知空間内の物質は、例えば、検知対象のガス、検知対象のガスを含む気体である。検知対象のガスは、例えば、二酸化炭素である。赤外線の吸収波長は、検知対象のガスの種類によって異なる。吸収波長は、例えば、メタンが３．３μｍ、二酸化炭素が４．３μｍ、一酸化炭素が４．７μｍ、一酸化窒素が５．３μｍそれぞれの付近に存在する。

導光部３００は、その内部空間と外部とを連通させる複数の通気孔３０９が形成されている。これにより、導光部３００は、検知対象のガスの出入りが可能となっている。導光部３００は、通気孔３０９を通して外部からの気体が導入されたり、内部空間の気体が導出されたりする。

赤外線センサは、例えば、赤外線式ガスセンサを構成することができる。赤外線式ガスセンサは、検知対象のガスの種類によって赤外線の吸収波長が異なることを利用して、ガスを検知するので、ガスの識別性を高めることが可能となる。赤外線式ガスセンサは、通気孔３０９を通って導光部３００の検知空間３０１の内部空間に、例えば、外部からの検知対象のガス、あるいは検知対象のガスを含む気体が導入される。赤外線式ガスセンサは、検知空間３０１にある検知対象のガスの濃度が増加すると、受光部２００へ入射する赤外線の光量が低下し、検知空間３０１にある検知対象のガスの濃度が低下すると、受光部２００へ入射する赤外線の光量が増加する。受光部２００は、例えば、パッケージ内に第１検出エレメントと第２検出エレメントとが配置されている。第１検出エレメント及び第２検出エレメントは、例えば、焦電素子により構成することができる。受光部２００は、第１検出エレメントの受光面の前方に第１光学フィルタが配置され、第２検出エレメントの受光面の前方に第２光学フィルタが配置されている。第１光学フィルタは、検知対象のガスの吸収波長の赤外線を透過するように第１透過波長域が設定されている。第２光学フィルタは、ガスに吸収されない参照波長の赤外線を透過し且つ第１透過波長域に重複しないように第２透過波長域が設定されている。

受光部２００は、例えば、信号処理回路を備えている。信号処理回路は、第１検出エレメントの第１出力信号と第２検出エレメントの第２出力信号との比に基づいてガスの濃度を求めるのが好ましい。これにより、赤外線式ガスセンサは、測定精度の向上を図ることが可能となる。

また、赤外線式ガスセンサは、赤外線放射素子１に間欠的に通電する駆動回路と、駆動回路を制御する制御部と、を備える。制御部は、例えば、マイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより構成されている。

赤外線式ガスセンサは、駆動回路から赤外線放射素子１の一対の電極部１５間に与える入力電力を調整することにより、発熱層１３に発生するジュール熱を変化させることができ、発熱層１３の動作温度を変化させることができる。

駆動回路は、赤外線放射素子１に対して、所定パルス幅の電圧（以下、「パルス電圧」ともいう。）を一定の時間間隔で印加する。したがって、赤外線式ガスセンサは、駆動回路から赤外線放射素子１へ、パルス電圧が周期的に印加される。赤外線放射素子１は、パルス電圧が印加されている期間が通電期間となり、パルス電圧が印加されていない期間が非通電期間となる。赤外線放射素子１を駆動することは、赤外光源１００を駆動することと同じ意味である。駆動回路は、制御部にて決定された所定パルス幅の電圧を赤外線放射素子１へ供給するように構成されている。

赤外光源１００は、赤外線放射素子１が、上述の図１２に示すように、金属製のステム２１と金属製のキャップ２２とを備えるパッケージ２に収納され、キャップ２２の窓孔２２０に、レンズ２２１が配置されており、一態様として、パッケージ２内に、気体である空気が存在する状態としている。したがって、本明細書では、絶縁層１２の下面の一部は、基板１１ではなく気体層に接する構成と表現している。これに対して、パッケージ２内を、真空状態とした場合、絶縁層１２の下面の一部は、真空層に接するとも解されるが、このようなパッケージ２において、絶対的真空状態というのは現実的には存在しない。絶対的真空状態とは、絶対真空を意味する。そして、本明細書では、真空状態とは、大気圧より低い圧力の気体の状態を意味する。言い換えれば、真空状態とは、減圧雰囲気を意味する。本明細書では、真空状態は、圧力が０．１Ｐａ以下の空間の状態を意味する。つまり、パッケージ２内を真空状態とした場合、何らかの気体は存在するのであって、この場合にも、絶縁層１２の下面の一部は、基板１１ではなく気体層に接する構成と表現できる。赤外光源１００は、赤外線放射素子１の貫通孔１１１内に存在する気体が気体層を構成している。気体層を構成する気体としては、不活性ガスが好ましい。不活性ガスとしては、例えば、Ｎ_２ガス、Ａｒガス等を採用することができる。

赤外光源１００は、気体層を備えていることにより、所定パルス幅の通電期間に発熱層１３を、より効率的に昇温させることが可能であり、所定パルス幅の短縮化を図りながらも所望の赤外線量を確保することが可能となる。また、赤外光源１００は、気体層を備えていることにより、非通電期間においても、通電期間よりも長い期間にわたって赤外線を放射させることが可能となる。赤外線式ガスセンサは、所定パルス幅の短縮化により、低消費電力化を図ることが可能となる。

赤外線放射素子１は、パッケージ２内に収納されていなくても、絶縁層１２の下面の一部が、貫通孔１１１内の気体層に接している。

以上のごとく、本実施形態における赤外線放射素子１は、基板１１と、この基板１１の表面上に設けた絶縁層１２と、この絶縁層１２の表面上方に設けた発熱層１３と、を備え、絶縁層１２の基板１１側には、基板１１を貫通させた貫通孔１１１、または、基板１１を絶縁層１２とは反対側に窪ませた凹部１１２を設け、絶縁層１２の表面上で、貫通孔１１１の内周から外方にかけて、または凹部１１２の内周から外方にかけて、下地部１７を設け、この下地部１７の表面上に、この下地部１７よりも電気抵抗の小さな配線部１６を設け、この配線部１６の表面上を、発熱層１３の被覆部１８（外周部）で覆い、この発熱層１３の被覆部１８の表面上で、かつ貫通孔１１１または凹部１１２よりも外周部分に電極部１５を電気的に接続したので、電極部１５の熱劣化を防止することができる。

すなわち、本実施形態においては、絶縁層１２の基板１１側には、基板１１を貫通させた貫通孔１１１、または、基板１１を絶縁層１２とは反対側に窪ませた凹部１１２を設け、絶縁層１２の表面上で、貫通孔１１１の内周から外方にかけて、または凹部１１２の内周から外方にかけて、下地部１７を設け、この下地部１７の表面上に、この下地部１７よりも電気抵抗の小さな配線部１６を設け、この配線部１６の表面上を、発熱層１３の被覆部１８（外周部）で覆い、この発熱層１３の被覆部１８の表面上で、かつ貫通孔１１１または凹部１１２よりも外周部分に電極部１５を電気的に接続した。このため、本実施形態においては、電極部１５が、基板１１の貫通孔１１１または凹部１１２よりも外周において、発熱層１３と接続されるので、発熱層１３の熱が基板１１で十分に放熱され、その結果として、電極部１５の熱劣化を防止することができるのである。

また、本実施形態においては、発熱層１３における被覆部１８が、配線部１６及び下地部１７に重ね合わされた状態となっているので、被覆部１８に流れる電流が小さく、発熱層１３のうち被覆部１８での発熱は無視できる程度に少ない。このことからも、本実施形態においては、発熱層１３に接続される電極部１５の熱劣化を防止することができるのである。

上記従来例に示された赤外線放射素子においては、基板上に、絶縁層と発熱層とを、熱酸化、ＣＶＤ法によって順次形成するようにしている。これらを形成する工程は、一般的に高温雰囲気下で処理が行われる。工程終了後、基板は常温まで冷却される。これに起因して、上記従来例に示された赤外線放射素子においては、発熱層に皺が発生し、その結果として、その後の通電時に発熱層が損傷してしまうおそれがあった。すなわち、基板と、絶縁層および発熱層は、熱膨張係数が大きく異なり、しかも、基板は、絶縁層および発熱層よりもはるかに肉厚な状態となっているので、基板の熱収縮による影響を発熱層が受けてしまうのである。

これに対して、本実施形態の赤外線放射素子１は、基板１１と、基板１１の表面上に設けた絶縁層１２と、絶縁層の表面上方に設けた発熱層１３と、を備え、絶縁層１２と発熱層１３との間に発熱層１３の形状安定化層１４を介在させ、基板１１と絶縁層１２と形状安定化層１４と発熱層１３は、それぞれ一体化したものであるので、赤外線放射素子１の損傷を防止することができる。すなわち、本実施形態の赤外線放射素子１は、絶縁層１２と発熱層１３との間に発熱層１３の形状安定化層１４を介在させ、基板１１と絶縁層１２と形状安定化層１４と発熱層１３は、それぞれ一体化したものであるので、発熱層１３が、基板１１の熱収縮の影響を受けにくくなり、その結果として赤外線放射素子１の損傷を防止することができるのである。

以下では、本実施形態の赤外線放射素子１について、更に詳細に説明する。なお、本明細書では、基板１１の厚さ方向に貫通した貫通孔１１１と、基板１１の表面に形成された凹部１１２（以下、「穴１１２」ともいう。）と、の両方を含む概念として、空洞部１１０を定義する。つまり、図１では、貫通孔１１１が、空洞部１１０を構成している。また、図３では、穴１１２が、空洞部１１０を構成している。

赤外線放射素子１は、発熱層１３への通電により発熱層１３が発熱し、発熱層１３から熱放射により赤外線が放射される。

赤外線放射素子１は、シリコン酸化膜からなる絶縁層１２とシリコン窒化膜からなる形状安定化層１４との積層膜により薄膜部を構成し、薄膜部の表面側に発熱層１３が形成されている。赤外線放射素子１は、絶縁層１２と形状安定化層１４とで互いの内部応力の向きが逆であり、形状安定化層１４が、薄膜部を絶縁層１２のみにより構成する場合に比べて発熱層１３の形状を安定化させる機能を有する機能層を構成する。

図２では、空洞部１１０の基板１１の表面における開口端の、絶縁層１２の厚さ方向に投影方向が沿った垂直投影領域（すなわち、絶縁層１２の厚さ方向に直交する面への垂直投影領域）の外周線１１３（以下、「第１外周線１１３」ともいう。）を二点鎖線で示してある。また、図２では、空洞部１１０の基板１１の裏面における開口端の、絶縁層１２の厚さ方向に投影方向が沿った垂直投影領域の外周線１１４（以下、「第２外周線１１４」ともいう。）を二点鎖線で示してある。赤外線放射素子１は、空洞部１１０の開口形状が矩形状であり、第１外周線１１３、第２外周線１１４それぞれが互に大きさの異なる矩形状となっている。赤外線放射素子１は、基板１１の表面における空洞部１１０の開口面積に比べて、基板１１の裏面における空洞部１１０の開口面積が大きくなっている。よって、赤外線放射素子１は、第２外周線１１４が第１外周線１１３よりも大きい。基板１１の空洞部１１０は、基板１１の厚さ方向において絶縁層１２から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されている。

発熱層１３は、平面視形状が長方形状であるのが好ましい。発熱層１３は、一対の電極部１５の並ぶ方向に長手方向が一致するように配置されているのが好ましい。発熱層１３は、平面視において、長手方向の長さが、発熱層１３の長手方向に沿った方向における第１外周線１１３の辺の長さよりも長い。また、発熱層１３は、平面視において、短手方向の長さが、発熱層１３の短手方向に沿った方向における第１外周線１１３の辺の長さよりも短い。

赤外線放射素子１は、一対の電極部１５の並ぶ方向において発熱層１３の一対の被覆部１８それぞれが、第１外周線１１３の内側と外側とに跨っている。

また、赤外線放射素子１は、発熱層１３における一対の被覆部１８の間の中央部が形状安定化層１４の表面上、つまり、薄膜部の表面上に直接形成されている。発熱層１３の中央部は、第１外周線１１３の内側に位置している。また、赤外線放射素子１は、一対の被覆部１８の各々と形状安定化層１４との間に、下地部１７と、配線部１６と、の積層膜を介在させてある。よって、赤外線放射素子１は、下地部１７及び配線部１６も、第１外周線１１３の内側と外側とに跨っている。配線部１６は、基板１１よりも融点の高い導電性材料により形成されている。下地部１７は、発熱層１３と同じ材料により形成されているのが好ましい。赤外線放射素子１は、互いに同じ材料により形成された下地部１７と発熱層１３の被覆部１８とで、配線部１６が挟まれていることにより、配線部１６の内部の応力を低減させることが可能となる。下地部１７の厚さは、発熱層１３の被覆部１８と同じ厚さが好ましい。下地部１７及び配線部１６は、長方形状に形成されている。

また、赤外線放射素子１は、接続部１５２の接続片１５２１が、保護層１９に形成された第１の孔１９１を通して被覆部１８上に形成され、被覆部１８と電気的に接続されている。また、赤外線放射素子１は、電極部１５の支持部１５１が、保護層１９に形成された第２の孔１９２を通して形状安定化層１４上に形成されている。保護層１９の第２の孔１９２は、第２外周線１１４よりも外側に位置している。

以上説明した本実施形態の赤外線放射素子１は、基板１１と、基板１１の表面上に設けた絶縁層１２と、絶縁層１２の表面側に設けた発熱層１３と、電極部１５と、下地部１７と、配線部１６と、を備える。基板１１は、絶縁層１２における表面とは反対の裏面の一部を露出させる空洞部１１０を有する。絶縁層１２は、電気絶縁性を有する。下地部１７は、空洞部１１０の基板１１の表面における開口端の、絶縁層１２の厚さ方向に投影方向が沿った垂直投影領域の内側と外側とに跨っている。配線部１６は、下地部１７の表面上に設けられている。発熱層１３の端部は、配線部１６を覆う被覆部１８として設けられている。電極部１５は、垂直投影領域の外側において被覆部１８の表面に接している。配線部１６は、電極部１５よりも融点の高い導電性材料により形成されており、且つ、下地部１７及び発熱層１３よりも電気抵抗が小さい。よって、赤外線放射素子１は、電極部１５の温度上昇を抑制することが可能となり、電極部１５の熱劣化を抑制することが可能となる。

赤外線放射素子１は、発熱層１３と下地部１７とが同じ材料により形成されているのが好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、配線部１６の内部の応力を低減させることが可能となる。

ここで、赤外線放射素子１は、発熱層１３が、窒化タンタルにより形成され、下地部１７が、窒化タンタルにより形成され、配線部１６が、タンタルにより形成され、電極部１５が、アルミニウムにより形成されているのが好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、被覆部１８に流れる電流を配線部１６に流れる電流に比べて低減でき、被覆部１８の発熱を抑制することが可能となり、電極部１５の発熱を抑制することが可能となる。ここで、アルミニウムは、純アルミニウムに限らず、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｃ等の異種金属を含んだアルミニウム合金でもよい。

赤外線放射素子１は、絶縁層１２と発熱層１３との間に介在し発熱層１３の形状を安定化する形状安定化層１４を備えるのが好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、発熱層１３の形状をより安定化させることが可能となり、発熱層１３が破損するのを抑制することが可能となる。よって、赤外線放射素子１は、信頼性を向上させることが可能となる。

赤外線放射素子１は、絶縁層１２の熱膨張係数が基板１１の熱膨張係数よりも小さく、形状安定化層１４の熱膨張係数が、基板１１の熱膨張係数よりも大きいのが好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、絶縁層１２に皺が発生するのを抑制することが可能となり、発熱層１３が破損するのを抑制することが可能となる。

赤外線放射素子１は、形状安定化層１４が、窒化ケイ素により形成され、絶縁層１２が、酸化ケイ素により形成されているのが好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、形状安定化層１４及び絶縁層１２それぞれの緻密性を向上させることが可能となり、また、絶縁層１２と形状安定化層１４との密着性を向上させることが可能となり、機械的強度の向上を図ることが可能となる。

赤外線放射素子１は、発熱層１３の厚さが、形状安定化層１４の厚さよりも小さいのが好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、発熱層１３の低熱容量化を図ることが可能となり、発熱層１３へ通電されたときに、発熱層１３の温度をより早く上昇させることが可能となる。

赤外線放射素子１は、発熱層１３と形状安定化層１４とを覆う保護層１９を備えるのが好ましい。基板１１は、絶縁層１２よりも熱伝導率の高い材料により形成されているのが好ましい。また、電極部１５は、発熱層１３よりも外側に配置された支持部１５１と、支持部１５１と被覆部１８とを繋ぐ接続部１５２と、を備えるのが好ましい。電極部１５は、接続部１５２が、保護層１９に形成された第１の孔１９１を通して被覆部１８と電気的に接続され、支持部１５１が、保護層１９に形成された第２の孔１９２を通して形状安定化層１４の表面上に形成されているのが好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、電極部１５に起因する応力が発熱層１３に発生するのを抑制することが可能となる。

赤外線放射素子１における空洞部１１０は、基板１１の厚さ方向に貫通した孔１１１であるのが好ましい一態様である。これにより、赤外線放射素子１は、発熱層１３の温度をより効率良く上昇させることが可能となる。

赤外線放射素子１における空洞部１１０は、基板１１の表面に形成された穴１１２であるのも好ましい一態様である。これにより、赤外線放射素子１は、基板１１の機械的強度の向上を図ることが可能となる。

赤外線放射素子１の製造方法では、基板１１の表面側に絶縁層１２を形成する工程と、絶縁層１２の表面に形状安定化層１４を形成する工程と、形状安定化層１４の表面に下地部１７の元になる第１の窒化タンタル層を形成する工程と、第１の窒化タンタル層上に配線部１６の元になるタンタル層を形成する工程と、第１の窒化タンタル層とタンタル層との積層膜をパターニングすることで下地部１７及び配線部１６を形成する工程と、形状安定化層１４の表面側に発熱層１３の元になる第２の窒化タンタル層１３０を形成する工程と、第２の窒化タンタル層１３０をパターニングすることで発熱層１３を形成する工程と、電極部１５を形成する工程と、空洞部１１０を形成する工程と、を備える。よって、赤外線放射素子１の製造方法では、配線部１６の元になるタンタル層を形状安定化層１４上に直接形成する場合に比べて、配線部１６の元になるタンタル層の抵抗率を低くすることが可能となり、配線部１６の耐熱性の向上及び低抵抗化を図れ、電極部１５の熱劣化を抑制することが可能な赤外線放射素子１を提供することが可能となる。

実施形態において説明した各図は、模式的な図であり、各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。また、実施形態に記載した材料、数値等は、好ましい例を示しているだけであり、それに限定する主旨ではない。更に、本願発明は、その技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、構成に適宜変更を加えることが可能である。

Claims (11)

1. 基板と、前記基板の表面上に設けた絶縁層と、前記絶縁層の表面側に設けた発熱層と、電極部と、下地部と、配線部と、を備え、
   前記基板は、前記絶縁層における前記表面とは反対の裏面の一部を露出させる空洞部が形成されており、
   前記絶縁層は、電気絶縁性を有し、
   前記下地部は、前記空洞部の前記基板の前記表面における開口端の、前記絶縁層の厚さ方向に投影方向が沿った垂直投影領域の内側と外側とに跨っており、
   前記配線部は、前記下地部の表面上に設けられ、
   前記発熱層の端部は、前記配線部を覆う被覆部として設けられ、
   前記電極部は、前記垂直投影領域の外側において前記被覆部の表面に接しており、
   前記配線部は、前記電極部よりも融点の高い導電性材料により形成されており、且つ、前記下地部及び前記発熱層よりも電気抵抗が小さい、
   ことを特徴とする赤外線放射素子。
2. 前記発熱層と前記下地部とが同じ材料により形成されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の赤外線放射素子。
3. 前記発熱層は、窒化タンタルにより形成され、
   前記下地部は、窒化タンタルにより形成され、
   前記配線部は、タンタルにより形成され、
   前記電極部は、アルミニウムにより形成されている、
   ことを特徴とする請求項２記載の赤外線放射素子。
4. 前記絶縁層と前記発熱層との間に介在し前記発熱層の形状を安定化する形状安定化層を備える、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の赤外線放射素子。
5. 前記絶縁層の熱膨張係数が前記基板の熱膨張係数よりも小さく、前記形状安定化層の熱膨張係数が、前記基板の熱膨張係数よりも大きい、
   ことを特徴とする請求項４記載の赤外線放射素子。
6. 前記形状安定化層は、窒化ケイ素により形成され、前記絶縁層は、酸化ケイ素により形成されている、
   ことを特徴とする請求項５記載の赤外線放射素子。
7. 前記発熱層の厚さは、前記形状安定化層の厚さよりも小さい、
   ことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載の赤外線放射素子。
8. 前記発熱層と前記形状安定化層とを覆う保護層を備え、
   前記基板は、前記絶縁層よりも熱伝導率の高い材料により形成され、
   前記電極部は、前記発熱層よりも外側に配置された支持部と、前記支持部と前記被覆部とを繋ぐ接続部と、を備え、
   前記電極部は、前記接続部が、前記保護層に形成された第１の孔を通して前記被覆部と電気的に接続され、前記支持部が、前記保護層に形成された第２の孔を通して前記形状安定化層の前記表面上に形成されている、
   ことを特徴とする請求項４乃至７のいずれか一項に記載の赤外線放射素子。
9. 前記空洞部は、前記基板の厚さ方向に貫通した孔である、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の赤外線放射素子。
10. 前記空洞部は、前記基板の前記表面に形成された穴である、
    ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の赤外線放射素子。
11. 請求項４記載の赤外線放射素子の製造方法であって、
    前記基板の前記表面側に前記絶縁層を形成する工程と、
    前記絶縁層の表面に前記形状安定化層を形成する工程と、
    前記形状安定化層の表面に前記下地部の元になる第１の窒化タンタル層を形成する工程と、
    前記第１の窒化タンタル層上に前記配線部の元になるタンタル層を形成する工程と、
    前記第１の窒化タンタル層と前記タンタル層との積層膜をパターニングすることで前記下地部及び前記配線部を形成する工程と、
    前記形状安定化層の前記表面側に前記発熱層の元になる第２の窒化タンタル層を形成する工程と、
    前記第２の窒化タンタル層をパターニングすることで前記発熱層を形成する工程と、
    前記電極部を形成する工程と、
    前記空洞部を形成する工程と、を備える、
    ことを特徴とする赤外線放射素子の製造方法。

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