TW201407659A - 紅外線放射元件 - Google Patents

Abstract

本發明之紅外線放射元件1包含：基板2；薄膜部3，設於該基板2之一表面201側；貫通孔2a，在該基板2的厚度方向上貫通該基板2；格子狀的第1紅外線放射層4a，係設在與該薄膜部3之該基板2側相反的一側。另外，紅外線放射元件1更包含：複數的墊片9，與該第1紅外線放射層4a電性連接；及第2紅外線放射層4b，以與第1紅外線放射層4a離開的方式，配置在該第1紅外線放射層4a的開口部4aa中，且其紅外線放射率高於該薄膜部3。

Description

紅外線放射元件

本發明係關於一種紅外線放射元件。

以往研究開發一種使用微機電系統(MEMS；micro electro mechanical systems)之製造技術等所製造的紅外線放射元件。此種紅外線放射元件，可作為氣體偵測器及光學分析裝置等的紅外線源(紅外光源)使用。

作為此種紅外線放射元件，例如在日本專利申請公開號9-184757(以下稱為「文獻1」)中，揭示一種如圖3及圖4所示之構成的放射源。

該放射源包含：基板13；第1絶緣層22，形成於基板13上；放射表面層11，形成於第1絶緣層22上；第2絶緣層24，形成於放射表面層11上；及極細的複數白熾燈絲10，形成於第2絶緣層24上。另外，該放射源更包含：第3絶緣層26，以覆蓋各白熾燈絲10的方式形成，以保護各白熾燈絲10；一對金屬墊片15、15，透過形成於第3絶緣層26的開口與各白熾燈絲10的兩端部連接。第2絶緣層24，係設置用來使放射表面層11與白熾燈絲10電性絶緣。另外，文獻1中記載下述內容：白熾燈絲10，被其他元件(第1絶緣層22、放射表面層11、第2絶緣層24、第3絶緣層26)所圍住，該等其他元件形成作為均勻平面板的多層構造。另外，文獻1中記載了「設置第1絶緣層22及第3絶緣層26的目的，係為了保護白熾燈絲10及放射表面層11不被氧化」的內容。

此外，基板13上，對應放射表面層11，形成開口部14。文獻1中記載，可將氫氧化鉀(KOH)水溶液、添加少量苯二酚(Pyrocatechol)的乙二胺水溶液，氫氧化四甲銨(TMAH；Tetramethylammonium hydroxide)作為用來形成開口部14的蝕刻液。

基板13，係由(100)定向的矽晶片所形成。另外，第1絶緣層22係由厚度為200nm的氮化矽層所構成。另外，放射表面層11之厚度約為1μm，係由摻雜硼、磷或砷的多晶矽膜所構成。另外，第2絶緣層24係由厚度約為50nm的氮化矽層所構成。另外，白熾燈絲10係由厚度約為400nm的鎢層所構成。另外，第3絶緣層26係由厚度約為200nm的氮化矽層所構成。金屬墊片15，係由例如鋁所形成，透過形成於第3絶緣層26的開口，與白熾燈絲10歐姆接觸(Ohmic contact)。

另外，放射源中，放射表面層11具有1mm²的面積。關於白熾燈絲10的尺寸，例如使其厚度為0.1-1μm，使其寬度為2-10μm，使其間隔為20-50μm。

放射源中，白熾燈絲10雖是以流過該白熾燈絲10的電流加熱，但白熾燈絲10係專門用於放射表面層11的加熱，故放射表面層11係用以作為主要的熱放射源。

另外，作為紅外線放射元件，從低耗電化等的觀點來看，大多期望一種能以更高效率放射紅外線的元件。

然而，上述放射源中，白熾燈絲10，係專門用於放射表面層11之加熱，而放射表面層11係用以作為主要的熱放射源，故因為第2絶緣層24及放射表面層11各別的熱容量，而難以高效率放射紅外線。

本發明係鑑於上述事由所形成者，其目的係提供一種可以更高效率放射紅外線的紅外線放射元件。

本發明之紅外線放射元件(1)包含：基板(2)；薄膜部(3)，設於該基板(2)之一表面(201)側；貫通孔(2a)，在厚度方向上貫通該基板(2)；格子狀的第1紅外線放射層(4a)，係設於該薄膜部(3)上，與該基板(2)相反的一側；複數的墊片(9)，與該第1紅外線放射層(4a)電性連接；及複數第2紅外線放射層(4b)，分別配置在比設於該第1紅外線放射層(4a)的複數開口部(4aa)之邊緣(4ae)更為內側；該第2紅外線放射層(4b)，分別具有比該薄膜部(3)更高的紅外線放射率。

本發明之一實施態樣中，該第1紅外線放射層(4a)與該第2紅外線放射層(4b)，宜以同一材料形成且具有相同厚度。

本發明之一實施態樣中，該複數開口部(4aa)具備：設於該第1紅外線放射層(4a)之中心部(4ad)側的開口部(4aa)、及設於該第1紅外線放射層(4a)之外周部(4ac)側的開口部(4aa)，設於該中心部(4ad)側之該開口部(4aa)的尺寸，宜小於該外周部(4ac)側之開口部(4aa)的尺寸。

本發明的另一實施態樣中，該第1紅外線放射層(4a)，該開口部(4aa)的尺寸，宜從邊緣越接近中心部越變小。

本發明之一實施態樣中，更宜具備第3紅外線放射層(4c)，位於比該第1紅外線放射層(4a)的外周部(4ac)更外側的位置，且以與該第1紅外線放射層(4a)離開的方式配置，具有比該薄膜部更高的紅外線放射率。

本發明之一實施態樣中，該薄膜部(3)具備隔膜部(3D)及支持部(3S)，該第1紅外線放射層(4a)，設於該隔膜部(3D)上，該第1紅外線放射層(4a)的外形尺寸，宜小於該隔膜部(3D)之平面尺寸。

本發明之一實施態樣中，該貫通孔(2a)，宜在該基板(2)之一表面(201)側上，具備封閉面(2aa)，並沿著該封閉面(2aa)的邊緣(2c)，設有第3紅外線放射層(4c)。

本發明之紅外線放射元件，可以更高的效率放射紅外線。

1‧‧‧紅外線放射元件

2‧‧‧基板

2b‧‧‧開口面

2a‧‧‧貫通孔

2aa‧‧‧封閉面

2ab‧‧‧開口面

2c‧‧‧邊緣

3‧‧‧薄膜部

3S‧‧‧支持部

3D‧‧‧隔膜部

4ca‧‧‧第1端部

4aa‧‧‧開口部

4af‧‧‧外周端部

4cb‧‧‧第2端部

4ab‧‧‧第1紅外線放射層4a的一表面

4ac‧‧‧外周部

4ad‧‧‧中心部

4ae‧‧‧邊緣

4af‧‧‧外周端部

4c‧‧‧第3紅外線放射層

4b‧‧‧第2紅外線放射層

4a‧‧‧第1紅外線放射層

5‧‧‧保護層

5a‧‧‧接觸孔

7‧‧‧配線

8‧‧‧電極

9‧‧‧墊片

10‧‧‧白熾燈絲

11‧‧‧放射表面層

13‧‧‧基板

14‧‧‧開口部

15‧‧‧金屬墊片

22‧‧‧第1絶緣層

24‧‧‧第2絶緣層

26‧‧‧第3絶緣層

31‧‧‧氧化矽膜

32‧‧‧氮化矽膜

201‧‧‧基板2的第1面

202‧‧‧基板2的第2面

301‧‧‧薄膜部3的第1面

302‧‧‧薄膜部3的第2面

501‧‧‧保護層5的第1面

502‧‧‧保護層5的第2面

3101‧‧‧氧化矽膜31的第1面

3202‧‧‧氮化矽膜32的第2面

F‧‧‧框

D1‧‧‧第1方向

D2‧‧‧第2方向

D3‧‧‧第3方向

【圖1】圖1A係實施態樣之紅外線放射元件的概略俯視圖，圖1B係圖1A之A-A概略剖面圖，圖1C係圖1A之B-B概略剖面圖。

【圖2】圖2A-2E係用以說明實施態樣之紅外線放射元件的製造方法的主要步驟剖面圖。

【圖3】圖3係習知例之放射源的俯視圖。

【圖4】圖4係圖3之放射源的A-A剖面圖。

以下根據圖1，對本實施態樣之紅外線放射元件1進行說明。

本實施態樣之紅外線放射元件1中，基板2在為基板2之厚度方向的第1方向D1之第1及第2側，分別具有第1面201及第2面202。該基板2的第1面201上設有薄膜部3。薄膜部3具有第1面301及第2面302。圖1B及圖1C的範例中，基板2之第1面201與薄膜部3之第2面302接觸。薄膜部3之第1面301的一部分上，分別以隔著既定間隔的方式，設置格子狀的第1紅外線放射層4a、第2紅外線放射層4b、及第3紅外線放射層4c；第1紅外線放射層4a、第2紅外線放射層4b、及第3紅外線放射 層4c，在薄膜部3之第1面301側被保護層5所覆蓋。保護層5具有第1面501及第2面502。圖1B及圖1C的範例中，第1紅外線放射層4a、第2紅外線放射層4b、及第3紅外線放射層4c，與薄膜部3之第1面301接觸，薄膜部3之第1面301的剩餘部份，與保護層5的第2面502接觸。 另外，保護層5的第1面501上，設有電極7、7與配線8、8及墊片9、9，係形成電性連接的態樣。圖1A及圖1B的例中，配線8、8及墊片9、9與保護層5的第1面501接觸。另外，保護層5中，設有接觸孔5a、5a。上述電極7、7，分別通過接觸孔5a、5a，與第1紅外線放射層4a的一表面4ab接觸，係以與第1紅外線放射層4a電性連接的方式形成。

上述薄膜部3，係由氧化矽膜31與氮化矽膜32所形成，氧化矽膜31具有第1面3101及第2面，該氧化矽膜31的第1面3101上設有氮化矽膜32。氮化矽膜32具有第1面及第2面3202。圖1B及圖1C的範例中，氧化矽膜31的第1面3101與氮化矽膜32的第2面3202接觸。另外，上述氧化矽膜31的第2面與薄膜部3的第2面302對應，上述氮化矽膜32的第1面與薄膜部3的第1面301對應。

上述基板2上，以使薄膜部3的第2面302的一部分露出的方式，設置貫通的貫通孔2a；基板2形成框狀基板2。該貫通孔2a，在第1方向的第1及第2側上，分別具有封閉面2aa及開口面2ab。另外，為框狀基板2的基板2，在與第1方向D1垂直的第2方向D2的第1及第2側，分別具有第1端部2a及第2端部2b。亦即，框狀基板2的第1面及第2面，分別與基板2的第1面201及第2面202對應。第1端部2a及第2端部2b的第1面201、201側，分別設有墊片9、9。墊片9、9，係沿著與第2方向D2垂直的第3方向D3配置。

上述薄膜部3包含：支持部3S、3S，分別位於框狀基板2所具有之第1端部2a及第2端部2b的第1面201、201側；及隔膜部3D，位於上述封閉面2aa的邊緣2c的內側。該隔膜部3D，位於設有上述貫通孔2a之框狀基板2的第1面201側，支持部3S、3S位於框狀基板2之第1面201上。 各支持部3S的第1面及第2面，分別與薄膜部3的第1面301及第2面302對應，隔膜部3D的第1面及第2面，分別與薄膜部3的第1面301及第2面302對應。

如圖1A之範例中，上述第3紅外線放射層4c、4c，係沿著上述封閉面2aa的邊緣2c設置。各第3紅外線放射層4c，在第2方向D2的第1及第2側，分別具有第1端部4ca及第2端部4cb。第3紅外線放射層的第1端部4ca、4ca，在第3方向上隔開，以夾住配置上述配線8的位置。另外，第3紅外線放射層的第2端部4cb、4cb，於第3方向D3上隔開，以夾住配置配線8的位置。

上述第1紅外線放射層4a，與第3紅外線放射層4c、4c隔開，設於比第3紅外線放射層4c、4c之各內緣的更內側。另外，第1紅外線放射層4a，在第2方向D2的第1及第2側分別具有外周端部4af、4af。第1紅外線放射層4a的外周端部4af、4af，分別與電極7、7連接。第1紅外線放射層4a，更具有複數開口部4aa。上述複數開口部4aa中，設於第1紅外線放射層4a的中心部4ad側的各開口部4aa之尺寸，小於設在第1紅外線放射層4a的外周部4ac側的各開口部4aa之尺寸。上述複數開口部4aa的邊緣4ae的內側，分別設有第2紅外線放射層4b。藉此，薄膜部3的第1面301(隔膜部3D的第1面301)上，配置有複數的第2紅外線放射層4b。

紅外線放射元件1具備：基板2；薄膜部3，設於該基板2的一表面(第1面)201側；貫通孔2a，在基板2的厚度方向(第1方向D1)上貫通基板2；格子狀的第1紅外線放射層4a，設在與薄膜部3之基板2側(薄膜部3的第2面302側)相反側的薄膜部3的第1面301側。簡而言之，紅外線放射元件1中，於基板2之中形成貫通孔2a，使與薄膜部3上的第1紅外線放射層4a側(薄膜部3中，設有第1紅外線放射層4a的第1面301側)之相反側表面(薄膜部3的第2面302)露出。藉此露出為薄膜部3一部分的隔膜部3D的第2面302。該紅外線放射元件1，係藉由對第1紅外線放射層4a通電，而從第1紅外線放射層4a放射紅外線。

另外，紅外線放射元件1具備：2個墊片9，與第1紅外線放射層4a電性連接；第2紅外線放射層4b，設置在第1紅外線放射層4a的開口部4aa中，從第1紅外線放射層4a離開的位置，且具有比薄膜部3更高的紅外線放射率。另外，紅外線放射元件1，更具備第3紅外線放射層4c，位於第1紅外線放射層4a的外周部4ac側，配置在與第1紅外線放射層4a離開的位置，具有比薄膜部3更高的紅外線放射率。

另外，紅外線放射元件1，更具備一對電極7、7，在基板2的第1面201側，以分別與第1紅外線放射層4a的外周端部4af、4af連接的方式形成，各電極7透過配線8與上述的墊片9電性連接。

另外，紅外線放射元件1，在與薄膜部3的第2面302(薄膜部3中的基板2側)之相反側的薄膜部3的第1面301側，具備覆蓋第1紅外線放射層4a、第2紅外線放射層4b及第3紅外線放射層4c的保護層5。保護層5，係以相對於從第1紅外線放射層4a、第2紅外線放射層4b及第3紅外線放射層4c所放射的紅外線為透明的材料所形成。又，圖1A中省略保護層5的圖示。

紅外線放射元件1，藉由對第1紅外線放射層4a通電，使第1紅外線放射層4a發熱。藉此，在紅外線放射元件1中，使第1紅外線放射層4a的溫度上升。接著，在第1紅外線放射層4a產生的熱，透過保護膜5，朝向第2紅外線放射層4b及第3紅外線放射層4c傳遞。藉此，第2紅外線放射層4b及第3紅外線放射層4c的溫度亦上升。因此，紅外線放射元件1，不僅從第1紅外線放射層4a放射紅外線，亦從第2紅外線放射層4b及第3紅外線放射層4c放射紅外線。

以下，就紅外線放射元件1的各構成元件進行詳細說明。

基板2，雖係以第1面201為(100)面的單晶矽基板形成，但並不僅限於此，亦可由例如(110)面的單晶矽基板形成。另外，基板2並不限於單晶矽基板，亦可為多晶矽基板，亦可為矽基板以外的基板。基板2的材料，宜為熱傳導率大於薄膜部3的材料，且宜為熱容量較大的材料。

基板2的外周形狀為矩形。基板2的外形尺寸，雖未特別限定，但宜設為例如，10mm²(sq.)以下(10mm×10mm以下)。另外，基板2中，貫通孔2a的開口形狀為矩形。基板2的貫通孔2a，與第1面201側相比，形成其開口面積大於另一表面(第2面202)側之開口面積的形狀。此處，基板2的貫通孔2a，形成越離開薄膜部3，開口面積逐漸變大的形狀。基板2的貫通孔2a，係由對基板2進行蝕刻所形成。在使用第1面201為(100)面的單晶矽基板作為基板2的情況中，基板2的貫通孔2a，可藉由例如，使用鹼系溶液作為蝕刻液以進行異向性蝕刻來形成。基板2的貫通孔2a的開口形狀，並未特別限定。因此，作為基板2之貫通孔2a的形成方法，不限於使用鹼系溶液作為蝕刻液的異向性蝕刻，亦可採用例如，使用感應耦合電漿型的乾式蝕刻裝置的乾式蝕刻。另外，在製造紅外線放射元件1時，形成貫通孔2a時的遮罩層係以無機材料所構成的情況中，亦可在基板2的第2面202側留有遮罩層。又，可採用例如，氧化矽膜與氮化矽膜的層積膜等作為遮罩層。

薄膜部3，在基板2的第1面201側封蓋貫通孔2a的部分，構成隔膜部3D，在基板2的第1面201側，形成在比貫通孔2a的封閉面2aa的邊緣2c更外側的部分，構成支持隔膜部3D的支持部3S。

另外，薄膜部3，係由形成於基板2的第1面201側的氧化矽膜31、層積於氧化矽膜31的第1面3101側(與氧化矽膜31的基板2側相反側)的氮化矽膜32所構成。薄膜部3，不限於氧化矽膜31及氮化矽膜32的層積膜，亦可為例如，氧化矽膜31或氮化矽膜32的單層構造，亦可為SiO₂、Si₃N₄以外的電性絶緣材料所構成的單層構造，或2層以上的層積構造。

在紅外線放射元件1的製造時，薄膜部3具有在從基板2的第2面202側蝕刻基板2以形成貫通孔2a時，作為蝕刻阻止層的功能。

第1紅外線放射層4a、第2紅外線放射層4b及第3紅外線放射層4c，係以抑制因為與保護層5接觸之氣體(例如空氣、氮氣等)的阻抗不匹配所造成的紅外之線放射率低落的方式設定面電阻。

在第1紅外線放射層4a中，使平面形狀為格子狀。第1紅外線放射層4a的外形尺寸，宜設定為小於薄膜部3中面向貫通孔2a之隔膜部3D表面的平面尺寸。亦即，第1紅外線放射層4a的外形尺寸，宜設定為小於上述隔膜部3D的平面尺寸。此處，隔膜部3D的平面尺寸，雖未特別限定，但宜設為例如5mm²以下。

第1紅外線放射層4a的外形尺寸，宜將除了分別與各電極7重疊的各接觸區域外之區域的外形尺寸設為3mm²以下。

使用氮化鉭作為第1紅外線放射層4a的材料。亦即，第1紅外線放射層4a，係由氮化鉭層所構成。第1紅外線放射層4a的材料，不限於氮化鉭，可使用例如，氮化鈦、鎳鉻、鎢、鈦、釷、鉑、鋯、鉻、釩、銠、鉿、釕、硼、銥、鈮、鉬、鉭、鋨、錸、鎳、鈥、鈷、鉺、釔、鐵、鈧、銩、鈀、鑥等。另外，作為第1紅外線放射層4a的材料，亦可採用導電性多晶矽。亦即，第1紅外線放射層4a，亦可由導電性多晶矽層所構成。第1紅外線放射層4a，從高溫下其化學性質穩定且容易設計面電阻的觀點來看，宜使用氮化鉭層或是導電性多晶矽層。可藉由改變氮化鉭層的組成而改變其面電阻。導電性多晶矽層，可藉由改變雜質濃度等而改變其面電阻。導電性多晶矽層，可由摻雜高濃度n型雜質的n型多晶矽層，或是摻雜高濃度p型雜質的p型多晶矽層所構成。在以導電性多晶矽層作為n型多晶矽層，並使用例如磷作為n型雜質的情況中，亦可將雜質濃度適當的設定在例如，1×10¹⁸cm^-3~5×10²⁰cm^-30左右的範圍。另外，在以導電性多晶矽層作為p型 多晶矽層，並以例如硼作為p型雜質的情況中，亦可將雜質濃度設在1×10¹⁸cm^-3~1×10²⁰cm^-3左右的範圍。

在上述氣體為空氣，使用氮化鉭作為第1紅外線放射層4a的材料，使第1紅外線放射層4a加熱至期望的使用溫度(例如500℃)以使用的情況中，在該使用溫度下，使從第1紅外線放射層4a而來的紅外線放射率成為最大的面電阻為189Ω/□(189Ω/sq.)，而放射率的最大值為50%。亦即，紅外線放射元件1中，若使第1紅外線放射層4a的面電阻為189Ω/□，因為與空氣阻抗匹配，可使紅外線的放射率為最大。因此，為了抑制放射率的低落，並確保例如40%以上的放射率，亦可將第1紅外線放射層4a的面電阻設於73~493Ω/□的範圍。又，若將在預期的使用溫度下，放射率成為最大之面電阻稱為『規定之面電阻』，宜將在預期之使用溫度下的第1紅外線放射層4a的面電阻，設定在規定面電阻的±10%的範圍內。

紅外線放射元件1中，從第1紅外線放射層4a放射的紅外線峰值波長λ，與第1紅外線放射層4a的溫度相依。此處，若使第1紅外線放射層4a的絶對溫度為T[K]，峰值波長為λ[μm]，則該等參數滿足λ=2898/T的關係。亦即，第1紅外線放射層4a的絶對溫度T與從第1紅外線放射層4a所放射的紅外線之峰值波長λ的關係，滿足維恩位移定律。因此，紅外線放射元件1中，第1紅外線放射層4a構成黑體。

紅外線放射元件1中，例如從圖中未顯示的外部電源，調整給予至一對墊片9、9之間的輸入電力，可藉此改變產生於第1紅外線放射層4a的焦耳熱，而能夠改變第1紅外線放射層4a的溫度。因此，紅外線放射元件1，可與第1紅外線放射層4a的輸入電力對應，改變第1紅外線放射元件4a的溫度。另外，紅外線放射元件1，可藉由改變第1紅外線放射層4a的溫度，來改變從第1紅外線放射層4a放射的紅外線之峰值波長λ。因此，紅外線放射元件1可在大範圍的紅外線波長區域中，作為高輸出的紅外線光源。例如，在將紅外線放射元件1使用為氣體偵測器的紅外光源的情況中，宜使從第1紅外線放射層4a所放射的紅外線的峰值波長λ為4μm左 右，只要使第1紅外線放射層4a的溫度為800K左右即可。其中，紅外線放射元件1中，第1紅外線放射層4a構成上述的黑體。藉此，紅外線放射元件1中，推測第1紅外線放射層4a的單位面積在單位時間內放射的總能量E，與T⁴略成正比(亦即，推測其滿足史蒂芬-波茲曼定律)。又，紅外線放射元件1中，第1紅外線放射層4a的溫度越增高，則能使紅外線放射量越增大。

第1紅外線放射層4a，形成在與薄膜部3的第2面302(薄膜部3中的基板2側)的相反側表面(薄膜部3的第1面301)上。另外，第1紅外線放射層4a中，上述的平面形狀為格子狀。第1紅外線放射層4a中，各開口部4aa的尺寸雖亦可為相同，但宜如圖1A所示，從外周部4ac起越接近中心部4ad，開口部4aa的尺寸越變小。亦即，第1紅外線放射層4a中，與外周部4ac側的開口部4aa相比，宜縮小靠近中心部4ad之開口部4aa的尺寸。藉此，在紅外線放射元件1中，可謀求第1紅外線放射層4a的溫度分布的均勻化，而能夠抑制因為第1紅外線放射層4a的位置所導致的紅外線波長不平均。

第2紅外線放射層4b，係形成在位於薄膜部3的第1面301(與薄膜部3之第2面302的相反側)。因此，第2紅外線放射層4b與第1紅外線放射層4a係形成在同一平面上。

第2紅外線放射層4b的平面形狀，係略小於格子狀的第1紅外線放射層4a的開口部4aa的矩形(圖式中為正方形)。紅外線放射元件1中，從以更高的效率放射紅外線的觀點來看，第2紅外線放射層4b，較宜配置在比第1紅外線放射層4a中所有開口部4aa之各邊緣4ae更為內側的位置。

第2紅外線放射層4b的材料，雖可使用與第1紅外線放射層4a不同的材料，但宜使用與第1紅外線放射層4a相同的材料。另外，第2紅外線放射層4b的厚度，宜與第1紅外線放射層4a的厚度相同。紅外線放射元件1中，第1紅外線放射層4a與第2紅外線放射層4b，係由相同材料形成 且為相同厚度，藉此在製造時，可同時形成第1紅外線放射層4a與第2紅外線放射層4b，而能夠謀求低成本化。

第2紅外線放射層4b，在不與第1紅外線放射層4a中的開口部4aa的內側面接觸的範圍內，宜為較大的平面尺寸。藉此使第2紅外線放射層4b的溫度更接近第1紅外線放射層4a的溫度，而能更有效率的放射紅外線。

第3紅外線放射層4c，形成於薄膜部3的第1面301(與薄膜部3中的基板2側相反側的表面)上。因此，第3紅外線放射層4c、第2紅外線放射層4b及第1紅外線放射層4a，形成於相同平面上。

在圖1A至1C的範例中，設置2個第3紅外線放射層4c，其平面形狀分別為C字型。然而，並未限定於此，本實施態樣的紅外線放射元件1中，複數的第3紅外線放射層4c，夾住框F且圍住第1紅外線放射層4a，該等的第3紅外線放射層4c，可以與第1紅外線放射層4a隔著間隔的方式配置。此處，上述的框F，係由保護膜5所構成，沿著第1紅外線放射層4a的外形，配置於隔膜部3D的第1面301上。另外，第3紅外線放射層4c，雖以跨越薄膜部3的隔膜部3D與支持部3S的方式形成，但亦可至少形成於隔膜部3D的第1面301上。

第3紅外線放射層4c的材料，雖可使用與第1紅外線放射層4a不同的材料用，但宜使用與第1紅外線放射層4a相同的材料。另外，第3紅外線放射層4c的厚度，宜與第1紅外線放射層4a的厚度相同。

紅外線放射元件1中，第1紅外線放射層4a與第3紅外線放射層4c，係以相同材料形成且為相同厚度，故在製造時，可同時形成第1紅外線放射層4a與第3紅外線放射層4c，而能謀求低成本化。

紅外線放射元件1中，第1紅外線放射層4a與第2紅外線放射層4b與第3紅外線放射層4c，係以相同材料形成且為相同厚度，藉此在製造時， 可同時形成第1紅外線放射層4a、第2紅外線放射層4b與第3紅外線放射層4c，而能謀求低成本化。

保護層5，係以氮化矽膜構成。保護層5，不限於氮化矽膜，例如，亦可由氧化矽膜所構成，亦可為具有氧化矽膜與氮化矽膜的層積構造。保護層5，在對第1紅外線放射層4a通電時，相對於從第1紅外線放射層4a放射之預期的波長乃至波長區域之紅外線的穿透率雖宜為較高，但穿透率並不一定要為100%。

紅外線放射元件1中，考慮到以薄膜部3、第1紅外線放射層4a、第2紅外線放射層4b、第3紅外線放射層4c及保護層5構成的三明治構造之應力平衡，宜分別設定薄膜部3及保護層5的材料及厚度。藉此，紅外線放射元件1中，可提升上述三明治構造的應力平衡，更能抑制該三明治構造的翹曲與破損，而可謀求機械強度的更加提升。

第1紅外線放射層4a、第2紅外線放射層4b及第3紅外線放射層4c的厚度，從謀求第1紅外線放射層4a、第2紅外線放射層4b及第3紅外線放射層4c的低熱容量化的觀點來看，宜為0.2μm以下。

薄膜部3之厚度、第1紅外線放射層4a之厚度與保護層5之厚度的合計厚度，從謀求薄膜部3、第1紅外線放射層4a、保護層5之層積構造的低熱容量化的觀點來看，宜設定於例如，0.1μm~1μm左右的範圍，更宜為0.7μm以下(具體而言，0.1μm~0.7μm)。又，紅外線放射元件1中，例如，使薄膜部3的氧化矽膜31的厚度為160nm，使薄膜部3的氮化矽膜32的厚度為160nm，使保護層5的厚度為100nm，而第1紅外線放射層4a的厚度只要適當地設定即可。該等數值僅為一例，並非係特別限定者。

一對的電極7、7，在基板2的第1面201側，分別形成與第1紅外線放射層4a的外周端部4af、4af(圖1A中的左右兩端部)連接的態樣。各電極7，透過形成於保護層5的接觸孔5a，形成於第1紅外線放射層4a的一表 面4ab上，而與第1紅外線放射層4a電性連接。此處，各電極7，與第1紅外線放射層4a歐姆接觸。

作為各電極7的材料，採用為鋁合金之一種的Al-Si。各電極7的材料，並未特別限定，亦可使用例如，Al-Cu、Al等。另外，各電極7中，只要至少與第1紅外線放射層4a接觸的部分為能與第1紅外線放射層4a歐姆接觸的材料即可，並未限於單層構造，亦可為多層構造。例如，各電極7，以從第1紅外線放射層4a側依序堆疊第1層、第2層、第3層的層疊構造，使與第1紅外線放射層4a接觸的第1層的材料為高融點金屬(例如Cr等)，使第2層材料為Ni，使第3層的材料為Au。紅外線放射元件1中，只要各墊片9中至少與第1紅外線放射層4a接觸的部位係由高融點金屬形成即可，可使第1紅外線放射層4a的溫度上升而不被各墊片9的材料限制。

各配線8及各墊片9，宜以與各電極7相同的材料形成，且設為相同的層構造、相同厚度為較佳。藉此，紅外線放射元件1中，可使各配線8、各墊片9與各電極7同時形成。墊片9的厚度，宜設於0.5~2μm左右的範圍。

墊片9的數量，並不限於2個，亦可為複數。例如，亦可分別對於各電極7，各連接2個墊片9。簡而言之，紅外線放射元件1中，只要能對第1紅外線放射層4a通電而使第1紅外線放射層4a發熱，則並不特別限定墊片9的數量。

另外，紅外線放射元件1中，作為紅外線放射層，只要至少具備第1紅外線放射層4a與第2紅外線放射層4b即可，亦可為不具備第3紅外線放射層4c的構成。

以下，就紅外線放射元件1的製造方法，根據圖2進行說明。

在製造紅外線放射元件1時，首先準備基板2(係以第1面201為(100)面的單晶矽基板等所形成，參照圖2A)。

在準備基板2之後，進行在基板2的第1面201側形成薄膜部3的第1步驟，藉此得到如圖2B所示的構造。薄膜部3的氧化矽膜31的形成方法，可使用例如，熱氧化法、化學汽相沉積(CVD；Chemical Vapor Deposition)法等的薄膜形成技術，宜為熱氧化法。另外，薄膜部3的氮化矽膜的形成方法，可使用CVD法等薄膜形成技術，宜為低壓化學汽相沉積(LPCVD；Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法。

第1步驟之後，進行在薄膜部3的第1面301上形成第1紅外線放射層4a、第2紅外線放射層4b及第3紅外線放射層4c的第2步驟，藉此得到圖2C所示的構造。第1紅外線放射層4a、第2紅外線放射層4b及第3紅外線放射層4c的形成方法，可使用例如，濺鍍法、蒸鍍法及CVD法等薄膜形成技術，以及使用微影技術及蝕刻技術的加工技術。

第2步驟之後，進行形成保護層5的第3步驟，接著進行形成接觸孔5a的第4步驟，之後進行形成各電極7、各配線8及各墊片9的第5步驟，藉此得到如圖2D所示的構造。第3步驟中的保護層5的形成方法，可使用例如，CVD法等的薄膜形成技術，及利用微影技術及蝕刻技術的加工技術。作為形成保護層5時的CVD法，電漿CVD法為較佳。在第4步驟中形成接觸孔5a時，只要使用微影技術及蝕刻技術即可。第4步驟中的蝕刻，可為濕式蝕刻，亦可為乾式蝕刻。第5步驟中的各電極7、各配線8及各墊片9的形成時，可使用例如，濺鍍法、蒸鍍法及CVD法等的薄膜形成技術，及使用微影技術及蝕刻技術的加工技術。第5步驟中的蝕刻，可為濕式蝕刻，亦可為乾式蝕刻。

第5步驟之後，進行藉由在基板2上形成貫通孔2a而形成隔膜部3D的第6步驟，藉此得到如圖2E所示之構造的紅外線放射元件1。貫通孔2a的形成，只要以例如，在基板2的第2面202側形成氧化矽膜與氮化矽膜的層積膜(圖中未顯示)以作為遮罩層，並從第2面202側蝕刻基板2的方式形成即可。形成遮罩層時，例如，首先在形成薄膜部3的氧化矽膜31的同 時，於基板2的第2面202側形成為遮罩層基礎的氧化矽膜，之後，在形成薄膜部3的氮化矽膜32的同時，於基板2的第2面202側形成氮化矽膜。 成為遮罩層基礎的氧化矽膜與氮化矽膜之層積膜的圖案化，只要利用微影技術及蝕刻技術即可。基板2的蝕刻，雖係採用使用鹼系溶液的異向性蝕刻，但並不僅限於此，亦可藉由例如，使用感應耦合電漿型的乾式蝕刻裝置的蝕刻形成。此處，本實施態樣的紅外線放射元件1的製造方法中，在形成貫通孔2a時，藉由將薄膜部3使用為蝕刻阻止層，可提高薄膜部3之厚度的精度，同時可防止在隔膜部3D的第2面302(薄膜部3中的貫通孔2a側)上，留有基板2的一部分及殘渣。另外，本實施態樣的紅外線放射元件1的製造方法中，在形成貫通孔2a時，藉由將薄膜部3使用為蝕刻阻止層，可提高薄膜部3之厚度的精度，而可抑制各紅外線放射元件1中，薄膜部3之機械強度的不平均，及隔膜部3D之熱容量的不平均。

在上述的紅外線放射元件1的製造中，到貫通孔2a的形成結束為止的製程，係以晶圓等級進行，在形成貫通孔2a後，亦可分離為各別的紅外線放射元件1。亦即，在製造紅外線放射元件1時，例如，準備作為基板2之基礎的矽晶圓，並以上述製造方法，在該矽晶圓上形成複數紅外線放射元件1，之後，只要將各個紅外線放射元件1分離即可。

如同由上述的紅外線放射元件1的製造方法所得知，可以MEMS的製造技術製造紅外線放射元件1。

以上說明的本實施態樣的紅外線放射元件1，具備：基板2；薄膜部3，設於該基板2的第1面201側；貫通孔2a，在基板2的厚度方向上貫通基板2；及格子狀的第1紅外線放射層4a，設於隔膜部3D的第1面301側(與薄膜部3中的基板2側的相反側)。接著，紅外線放射元件1，具備：複數的墊片9，與第1紅外線放射層4a電性連接；及第2紅外線放射層4b，在第1紅外線放射層4a的開口部4aa中，以離開第1紅外線放射層4a的方式配置，且紅外線放射率高於薄膜部3。藉此，紅外線放射元件1，藉由對第1紅外線放射層4a通電而使其發熱，可從第1紅外線放射層4a及第2紅外 線放射層4b放射紅外線。此處，紅外線放射元件1中，因為第1紅外線放射層4a形成格子狀，故可降低第1紅外線放射層4a的熱容量，容易使溫度上升，且因為第2紅外線放射層4b配置於第1紅外線放射層4a的開口部4aa中，可降低第2紅外線放射層4b與第1紅外線放射層4a的溫度差。因此，紅外線放射元件1，可以更高的效率放射紅外線。又，紅外線放射元件1中，藉由降低基板2之第1面201側的層積構造的熱容量，可使相對於施加至一對墊片9、9間的電壓波形，第1紅外線放射層4a的溫度變化之回應速度加快，而使第1紅外線放射層4a的溫度容易上升，進而能夠謀求高輸出化及回應速度的高速化。

另外，紅外線放射元件1中，更具備第3紅外線放射層4c，其位於比第1紅外線放射層4a的外周部4ac更為外側的位置，係以離開第1紅外線放射層4a的方式配置，具有比薄膜部3更高的紅外線放射率。藉此，紅外線放射元件1，可以更高的效率放射紅外線。

另外，紅外線放射元件1中，關於第1紅外線放射層4a、第2紅外線放射層4b及第3紅外線放射層4c，係以抑制因為與保護層5接觸之氣體的阻抗不匹配所造成的紅外線放射率的低落的方式，設定面電阻。於是在紅外線放射元件1中，可抑制第1紅外線放射層4a、第2紅外線放射層4b及第3紅外線放射層4c的放射率的低落。因此，本實施態樣的紅外線放射元件1中，可達成低耗電化。

另外，紅外線放射元件1中，基板2係由單晶矽基板所形成，而薄膜部3係由氧化矽膜31與氮化矽膜32構成。藉此，紅外線放射元件1中，基板2的熱容量及熱傳導率分別大於薄膜部3，而因為基板2具有作為散熱片的功能，故可謀求小型化、與輸入電力相對的對應速度的高速化、紅外線的放射特性之穩定性的提升。

紅外線放射元件1中，第1紅外線放射層4a、第2紅外線放射層4b、第3紅外線放射層4c、電極7、配線8及墊片9，在俯視下，宜將與一對電 極7、7之並排方向垂直的紅外線放射元件1的中心線作為對稱軸，而線對稱地配置。

換言之，紅外線放射元件1中，通過第1紅外線放射層4a的中心部4ad的第2方向的軸線成為對稱軸，第1紅外線放射層4a、第2紅外線放射層4b、第3紅外線放射層4c、電極7、配線8及墊片9，宜相對於上述軸線，線對稱地配置。

藉此，紅外線放射元件1，可謀求機械強度的更加提升，同時可抑制第1紅外線放射層4a之溫度的表面不均勻性。

紅外線放射元件1，並不限於氣體偵測器用的紅外光源(紅外線光源)，亦可使用例如，火焰檢測用的紅外光源、紅外光通信用的紅外光源、分光分析用的紅外光源等。

1‧‧‧紅外線放射元件

2‧‧‧基板

2b‧‧‧開口面

2a‧‧‧貫通孔

2aa‧‧‧封閉面

2ab‧‧‧開口面

2c‧‧‧邊緣

3‧‧‧薄膜部

3S‧‧‧支持部

3D‧‧‧隔膜部

4aa‧‧‧開口部

4ab‧‧‧第1紅外線放射層4a的一表面

4ac‧‧‧外周部

4ad‧‧‧中心部

4ae‧‧‧邊緣

4af‧‧‧外周端部

4ca‧‧‧第1端部

4cb‧‧‧第2端部

4a‧‧‧第1紅外線放射層

4b‧‧‧第2紅外線放射層

4c‧‧‧第3紅外線放射層

5‧‧‧保護層

5a‧‧‧接觸孔

7‧‧‧配線

8‧‧‧電極

9‧‧‧墊片

31‧‧‧氧化矽膜

32‧‧‧氮化矽膜

201‧‧‧基板2的第1面

202‧‧‧基板2的第2面

301‧‧‧薄膜部3的第1面

302‧‧‧薄膜部3的第2面

501‧‧‧保護層5的第1面

502‧‧‧保護層5的第2面

3101‧‧‧氧化矽膜31的第1面

3202‧‧‧氮化矽膜32的第2面

D1‧‧‧第1方向

D2‧‧‧第2方向

D3‧‧‧第3方向

F‧‧‧框

Claims (5)

1. 一種紅外線放射元件，其特徵為包含：基板；薄膜部，設於該基板的一表面側；貫通孔，在該基板的厚度方向貫通該基板；格子狀的第1紅外線放射層，設在與該薄膜部中的該基板側相反的一側；複數墊片，與該第1紅外線放射層電性連接；及第2紅外線放射層，以與該第1紅外線放射層離開的方式配置在該第1紅外線放射層的開口部中，且其紅外線放射率高於該薄膜部。
2. 如申請專利範圍第1項之紅外線放射元件，其中，該第1紅外線放射層與該第2紅外線放射層，係以同一材料形成且為相同厚度。
3. 如申請專利範圍第1項之紅外線放射元件，其中，該第1紅外線放射層中，該開口部的尺寸從邊緣起越接近中心部越變小。
4. 如申請專利範圍第2項之紅外線放射元件，其中，該第1紅外線放射層中，該開口部的尺寸從邊緣起越接近中心部越變小。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之紅外線放射元件，其中更包含：第3紅外線放射層，以與該第1紅外線放射層離開的方式配置在該第1紅外線放射層的外側，其紅外線放射率高於該薄膜部。