TWI492417B - 紅外線放射元件及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種紅外線放射元件以及其製造方法。
自以往，關於紅外線放射元件，吾人正對於利用半導體製程等所製造的紅外線放射元件進行研究開發。此種紅外線放射元件，可當作氣體感測器或光學分析裝置等的紅外線光源使用。
關於此種紅外線放射元件，例如，圖8A、8B所示之構造的紅外線光源100已為人所習知(日本專利申請公開號2005-207891：專利文獻1)。
該紅外線光源100，係由以下構件所構成：基板110；薄膜120，其設置在該基板110上，成為包含電阻體115在內的薄板部；以及集光透鏡130，其成為設置在該薄膜120表面上的集光構件。
基板110，係由矽所構成的半導體基板，設有與薄膜120的形成區域對應的空洞部111。包含電阻體115在內的薄膜120，形成相對於基板110懸跨在空洞部111上的狀態，且膜厚比紅外線光源100的其他部位更薄。
另外，在基板110的底面設置了氮化矽膜112，在基板110的頂面設置了絶緣膜113(例如氮化矽膜)。然後，在絶緣膜113上設置了氧化矽膜114。
在氧化矽膜114上的薄膜120的形成區域內，由多結晶矽膜所構成的電阻體115以既定形狀設置。然後，電阻體115，隔著由BPSG(Boron-doped Phospho-Silicate Glass硼磷矽玻璃)所構成的層間絶緣膜116，與配線部117連接，該配線部117使電阻體115與接墊部117a電連接。
另外，在除了接墊部117a以外的配線部117之上設置了保護膜118(例如氮化矽膜)。因此，紅外線光源100，在基板110的空洞部111上以絶緣膜113、氧化矽膜114、電阻體115、層間絶緣膜116、配線部117以及保護膜118構成薄膜120。
然後，紅外線光源100，在薄膜120的形成區域內的保護膜118上設置了集光透鏡130，其作為集光構件，使電阻體115發熱所放射的紅外線對紅外線感測器集中。集光透鏡130，係以與保護膜118所接觸之面互相對向的頂面130a形成具備如圖8B所示之既定的R的凹狀的方式，對氧化矽膜加工所形成的凹透鏡。由於紅外線光源100對紅外線感測器放射紅外線的頂面130a具有具備既定之R的凹狀，故從集光透鏡130所放射出去的紅外線可對紅外線感測器集中。
紅外線光源100，以集光透鏡130的光軸與電阻體115的中心位置大略一致的方式設置。
在專利文獻1中記載了以半導體製程形成集光透鏡130的技術內容。亦即，在專利文獻1中記載了以下要旨：在薄膜120的形成區域內的保護膜118上，利用例如CVD法形成氧化矽膜，並利用微影技術以及蝕刻技術對該氧化矽膜進行加工，以形成集光透鏡130。
另外，已知當將紅外線放射元件當作例如紅外線式氣體感測器用的紅外線光源使用時，將紅外線放射元件間歇性地驅動以使紅外線間歇性地放射，並將檢測紅外線的受光元件的輸出以鎖相放大器增幅，藉此便可提高
紅外線式氣體感測器的輸出的S/N比。
然而，在上述的紅外線光源100中，因為集光透鏡130的熱容量的關係，相對於賦予電阻體115的電壓波形，電阻體115的溫度變化的反應變慢，電阻體115的溫度變得難以上升，高輸出化以及反應速度的高速化有其困難。
於是，在上述的紅外線光源100中，為了使集光透鏡130的熱容量變小，遂考慮使作為集光透鏡130的基本構件的氧化矽膜的厚度更薄。然而，在上述的紅外線光源100中，作為集光透鏡130的基本構件的氧化矽膜的厚度，會因為集光透鏡130的頂面130a的R而受到限制。
有鑑於上述問題，本發明之目的在於提供一種可提高指向性且可提高輸出的紅外線放射元件以及其製造方法。
本發明之紅外線放射元件包含：基板；薄膜部，其設置於該基板的一表面側；以及發熱體層，其設置於該薄膜部中的該基板側之相反側；該紅外線放射元件利用對該發熱體層的通電使該發熱體層放射出紅外線；該紅外線放射元件的特徵為：該基板在厚度方向上貫穿設置了開孔部，使該薄膜部的該發熱體層側的相反側的表面露出；該薄膜部包含：隔膜部，其將該開孔部與該發熱體層隔離；以及支持部，其在該基板的該一表面側設置於該開孔部的周圍部位且支持該隔膜部；該隔膜部包含向該開孔部側凹入且內面為凹曲面的凹部；該發熱體層至少沿著該凹部的該內面形成。
在該紅外線放射元件中，該凹曲面宜為迴轉二次曲面狀。
在該紅外線放射元件中，該隔膜部的複數個該凹部宜設置成陣列狀。
在該紅外線放射元件中，該隔膜部的外周形狀宜為圓形。
在該紅外線放射元件中，該隔膜部的外周形狀宜為矩形。
本發明的紅外線放射元件的製造方法，係上述紅外線放射元件的製造方法，其特徵為包含：第1步驟，其在該基板的上述一表面側形成窪部，該窪部用來形成該隔膜部的凹部；第2步驟，其在該第1步驟之後於該基板的該一表面側形成薄膜部；第3步驟，其在該第2步驟之後於該薄膜部上形成該發熱體層；以及第4步驟，其在該第3步驟之後從該基板的另一表面側蝕刻該基板的該開孔部的預定形成區域，以形成具備該凹部的該隔膜部。
本發明的紅外線放射元件可提高指向性且可提高輸出。
本發明的紅外線放射元件的製造方法可提供一種紅外線放射元件，其可提高指向性且可提高輸出。
1、1’‧‧‧紅外線放射元件
2‧‧‧基板
2a‧‧‧開孔部
3‧‧‧發熱體層
5‧‧‧薄膜部
7‧‧‧接墊
10‧‧‧照射部
21‧‧‧第1矽氧化膜
22‧‧‧第2矽氧化膜
23‧‧‧窪部
51‧‧‧隔膜部
52‧‧‧支持部
53‧‧‧凹部
53a‧‧‧內面
100‧‧‧紅外線光源
110‧‧‧基板
111‧‧‧空洞部
112‧‧‧氮化矽膜
113‧‧‧絶緣膜
114‧‧‧氧化矽膜
115‧‧‧電阻體
116‧‧‧絶緣膜
117‧‧‧配線部
117a‧‧‧接墊部
118‧‧‧保護膜
120‧‧‧薄膜
130‧‧‧集光透鏡
130a‧‧‧頂面
A-A‧‧‧剖面線
圖1A係實施態樣1的紅外線放射元件的概略俯視圖。圖1B係實施態樣1的紅外線放射元件的概略剖面圖。
圖2A~2E係用來說明實施態樣1的紅外線放射元件的製造方法的主要步驟剖面圖。
圖3係實施態樣1的紅外線放射元件的動作說明圖。
圖4係比較例的紅外線放射元件的動作說明圖。
圖5A係實施態樣2的紅外線放射元件的概略俯視圖。圖5B係實施態樣2的紅外線放射元件的概略剖面圖。
圖6A~6E係用來說明實施態樣2的紅外線放射元件的製造方法的主要步驟剖面圖。
圖7係實施態樣2的紅外線放射元件的動作說明圖。
圖8A係以往的紅外線光源的俯視圖。圖8B係圖8A的A-A線剖面圖。
(實施態樣1)
以下根據圖1A、1B說明本實施態樣的紅外線放射元件1。
紅外線放射元件1具備：基板2；設置於該基板2的一表面側的薄膜部5；以及設置於薄膜部5的基板2側的相反側的發熱體層3。該紅外線放射元件1，對發熱體層3通電以從發熱體層3放射出紅外線。
基板2在厚度方向上貫穿設置了開孔部2a，使薄膜部5的發熱體層3側的相反側的表面露出。
薄膜部5具備：將開孔部2a與發熱體層3隔離的隔膜部51；以及在基板2的上述一表面側設置於開孔部2a的周圍部位並支持隔膜部51的支持部52。
隔膜部51具備向開孔部2a側凹入的凹部53。凹部53的內面53a為凹曲面。
發熱體層3沿著凹部53的內面53a形成。發熱體層3只要至少沿著凹部53的內面53a形成即可。
另外，紅外線放射元件1具備在基板2的上述一表面側以與發熱體層3的一部分接觸的方式形成的一對接墊7、7。另外，紅外線放射元件1亦可在各接墊7、7與發熱體層3之間設置配線。
以下詳細說明紅外線放射元件1的各構成要件。
基板2，係由上述一表面為(100)面的單結晶的矽基板所形成，惟並不限於此，亦可由(110)面的單結晶的矽基板所形成。另外，基板2，不限於單結晶的矽基板，亦可為多結晶的矽基板，或矽基板以外的基板。基板2的材料宜為比起薄膜部5的材料而言熱傳導率更大且熱容量較大的材料。
基板2的外周形狀為矩形。基板2的外形尺寸，亦即，晶片尺寸，並無特別限定，惟宜設定在例如10mm×10mm以下。另外，基板2將開孔部2a的開口形狀設為圓形。另外，基板2的開孔部2a形成從基板2的上述一表面側
到上述另一表面側開口面積大略固定的形狀。此時，基板2的開孔部2a，例如，可用電感耦合電漿型的乾蝕刻裝置以蝕刻形成。紅外線放射元件1，亦可在基板2的上述另一表面側留下形成開孔部2a時的遮罩層。另外，關於遮罩層，例如，可使用矽氧化膜與矽氮化膜的堆疊膜等。
薄膜部5，如上所述的，具備：將開孔部2a與發熱體層3隔離的隔膜部51；以及在基板2的上述一表面側設置於開孔部2a的周圍部位並支持隔膜部51的支持部52。隔膜部51的外周形狀為圓形。亦即，紅外線放射元件1，如上所述的將開孔部2a的開口形狀設為圓形，故從基板2的上述另一表面側觀察的隔膜部51的形狀形成圓形。
薄膜部5，例如，可由基板2側的矽氧化膜以及堆疊於該矽氧化膜的基板2側的相反側的矽氮化膜所構成。薄膜部5的堆疊構造並無特別限定。另外，薄膜部5的層構造，不限於矽氧化膜與矽氮化膜的堆疊構造，亦可為矽氧化膜或矽氮化膜的單層構造，或是由其他材料所構成的單層構造，或2層以上的堆疊構造。薄膜部5，亦具有在製造紅外線放射元件1時從基板2的上述另一表面側蝕刻基板2以形成開孔部2a之際作為蝕刻阻擋層的功能。
隔膜部51，如上所述的，具備向開孔部2a側凹入且內面53a為凹曲面的凹部53。構成凹部53的內面53a的凹曲面，宜為迴轉二次曲面狀。構成凹部53的內面53a的凹曲面，為曲率半徑大略固定的凹曲面，然而若為迴轉二次曲面狀的形狀，例如，旋轉拋物面狀等的形狀亦可。簡而言之，構成凹部53的內面53a的凹曲面，可由曲率連續變化的非球面的一部分所構成，或不限於旋轉拋物面狀，例如，亦可為雙曲面狀的形狀。
發熱體層3的外周形狀為矩形。亦即，發熱體層3的俯視形狀為矩形。發熱體層3的俯視形狀不限於矩形，例如，亦可為圓形或多角形狀等。另外，發熱體層3，形成在俯視下覆蓋隔膜部51整體的大小。發熱體層3，亦可在俯視下比隔膜部51的外周形狀更小，此時，只要設置將發熱體層3與各接墊7電連接的由金屬膜所構成的配線即可。無論如何，紅外線放射元件1，宜
以發熱體層3的沿著基板2的厚度方向的中心軸(圖中未顯示)與隔膜部51的沿著基板2的厚度方向的中心軸對齊一致的方式，設計發熱體層3的圖案。另外，紅外線放射元件1，宜設定發熱體層3的膜厚，使發熱體層3之中堆疊於凹部53的部分的表面形成沿著凹部53的內面53a的凹曲面(例如，迴轉二次曲面狀)的形狀。
發熱體層3的材料係採用氮化鉭，惟並不限於此。發熱體層3的材料，例如，亦可採用氮化鈦、鎳鉻合金、鎢、鈦、釷、白金、鋯、鉻、釩、銠、鉿、釕、硼、銥、鈮、鉬、鉭、鋨、錸、鎳、鈥、鈷、鉺、釔、鐵、鈧、銩、鈀、鎦等。另外，發熱體層3的材料，亦可採用導電性的多晶矽或導電性的非晶矽等。關於發熱體層3的材料，從防止發熱體層3因為基板2與發熱體層3的線膨脹係數差所造成的熱應力而受到破壞的觀點來看，宜為與基板2的材料的線膨脹係數差較小的材料。
薄膜部5的厚度與發熱體層3的厚度的合計厚度，例如，宜設定在0.1μm~10μm左右的範圍內。
一對接墊7、7，在基板2的上述一表面側，以分別與發熱體層3的兩端部(圖1A、1B中的左右兩端部)各自的一部分接觸的方式形成。各接墊7與發熱體層3形成歐姆接觸。
各接墊7的材料採用鋁合金的一種亦即Al-Si。各接墊7的材料，並無特別限定，例如，亦可採用Al-Si以外的鋁合金或金、銅等。另外，各接墊7，只要至少與發熱體層3接觸的部分係可與發熱體層3歐姆接觸的材料即可，不限於單層構造，亦可為多層構造。例如，各接墊7，係從發熱體層3側依序堆疊第1層、第2層、第3層的3層構造，與發熱體層3接觸的第1層的材料為高熔點金屬(例如鉻等)，第2層的材料為鎳，第3層的材料為金，如是亦可。各接墊7的厚度宜設定在0.5~2μm左右的範圍內。
以下，參照圖2A~2E說明本實施態樣的紅外線放射元件1的製造方法的
一例。
在欲製造紅外線放射元件1時，首先，準備好由上述一表面為(100)面的單結晶的矽基板等所構成的基板2(參照圖2A)。
在準備好基板2之後，進行第1步驟，在基板2的上述一表面側形成窪部23，其用來形成隔膜部51的凹部53，得到圖2B所示的構造。在第1步驟中，首先，利用熱氧化法或CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沉積)法等方法，在基板2的上述一表面側形成第1矽氧化膜21，同時在另一表面側形成第2矽氧化膜22。之後，利用微影技術以及蝕刻技術，使第1矽氧化膜21形成圖案。之後，以第1矽氧化膜21以及第2矽氧化膜22為遮罩，對基板2從上述一表面側進行等向性蝕刻，以形成窪部23。
在第1步驟之後，利用蝕刻除去第1矽氧化膜21以及第2矽氧化膜22，之後，進行第2步驟，在基板2的上述一表面側形成薄膜部5，以獲得圖2C所示的構造。薄膜部5的形成方法，例如，可採用CVD法等。
在第2步驟之後，進行第3步驟，在薄膜部5上形成發熱體層3。發熱體層3的形成方法，可採用濺鍍法、蒸鍍法或CVD法等。
在第3步驟之後，形成各接墊7(參照圖2D)，之後，進行第4步驟，從基板2的上述另一表面側蝕刻基板2的開孔部2a的預定形成區域，以形成具備凹部53的隔膜部51，藉此獲得圖2E所示之構造的紅外線放射元件1。關於各接墊7的形成，例如，可利用濺鍍法、蒸鍍法或CVD法等的薄膜形成技術、微影技術以及蝕刻技術。另外，關於開孔部2a的形成，例如，先在基板2的上述另一表面側利用CVD法等方法形成由矽氧化膜與矽氮化膜的堆疊膜(圖中未顯示)所構成的遮罩材料層，之後，利用微影技術以及蝕刻技術使遮罩材料層形成圖案，藉此形成遮罩層，之後，對基板2從上述另一表面側進行蝕刻以形成開孔部2a即可。基板2的開孔部2a，例如，可藉由使用電感耦合電漿型的乾蝕刻裝置的蝕刻步驟形成。在紅外線放射元件1的製造方法中，於形成開孔部2a時，將薄膜部5當作蝕刻阻擋層使用，藉此可提高薄
膜部5的厚度的精度，同時可防止在薄膜部5的開孔部2a側殘留基板2的一部分或殘渣。另外，在紅外線放射元件1的製造方法中，於形成開孔部2a時，將薄膜部5當作蝕刻阻擋層使用，藉此可提高薄膜部5的厚度的精度，並可抑制各個紅外線放射元件1的薄膜部5在機械性強度上產生差異，或在隔膜部51的熱容量上產生差異。
在紅外線放射元件1的製造中，到開孔部2a的形成結束為止的程序，係以晶圓等級進行，只要在開孔部2a形成之後，分離成各個紅外線放射元件1即可。亦即，在紅外線放射元件1的製造中，例如，準備好作為基板2的基本構件的矽晶圓，利用上述的製造方法在該矽晶圓上形成複數個紅外線放射元件1，之後，將各個紅外線放射元件1分離即可。
另外，在紅外線放射元件1中從發熱體層3放射出去的紅外線的峰值波長λ相依於發熱體層3的溫度。在此，當峰值波長為λ〔μm〕，發熱體層3的絶對溫度為T〔K〕時，峰值波長λ為：λ=2898/T
發熱體層3的絶對溫度T與發熱體層3所放射出去的紅外線的峰值波長λ的關係滿足維恩位移定律。簡而言之，在紅外線放射元件1中，發熱體層3構成模擬黑體。在紅外線放射元件1中，例如，藉由調整從圖中未顯示的外部電源對一對接墊7、7之間所賦予的輸入電力，便可改變發熱體層3所產生的焦耳熱，進而改變發熱體層3的溫度。因此，紅外線放射元件1，可因應輸入到發熱體層3的最大輸入電力改變發熱體層3的溫度，而且，可藉由改變發熱體層3的溫度來改變發熱體層3所放射出去的紅外線的峰值波長λ。另外，在本實施態樣的紅外線放射元件1中，發熱體層3的溫度越高，紅外線的放射量越大。因此，紅外線放射元件1可在廣範圍的紅外線波長範圍中作為高輸出的紅外線光源使用。例如，在將紅外線放射元件1當作氣體感測器的紅外線光源使用時，宜使發熱體層3所放射之紅外線的峰值波長λ為4μm左右，此時只要使發熱體層3的溫度在800K左右即可。在此，在本實施態樣的紅外線放射元件1中，發熱體層3以上述的方式構成模擬黑體。藉此，吾人推測，在紅外線放射元件1中，發熱體層3的單位面積在單位時間內所放
射的全部能量E大略與T4
成正比(亦即，吾人推測其滿足史蒂芬-波茲曼定律)。
以上所說明的本實施態樣的紅外線放射元件1具備：基板2；設置於該基板2的一表面側的薄膜部5；以及設置於薄膜部5的基板2側的相反側的發熱體層3。在此，紅外線放射元件1，在基板2上貫穿設置開孔部2a，使薄膜部5的發熱體層3側的相反側的表面露出，薄膜部5具備：將開孔部2a與發熱體層3隔離的隔膜部51；以及在基板2的上述一表面側設置於開孔部2a的周圍部位並支持隔膜部51的支持部52。另外，在紅外線放射元件1中，隔膜部51具備向開孔部2a側凹入的凹部53，凹部53的內面53a為凹曲面。然後，在紅外線放射元件1中，發熱體層3沿著凹部53的內面53a形成。因此，在紅外線放射元件1中，由於發熱體層3係沿著凹部53的內面53a形成，故可提高指向性。構成凹部53的內面53a的凹曲面宜為迴轉二次曲面狀。藉此，紅外線放射元件1便可使正面方向(圖1B的上方向)的指向性提高。圖3係紅外線放射元件1的動作說明圖，在一對接墊7、7之間通電時從發熱體層3所放射之紅外線的放射方向用附箭號的實線以示意方式表示。另一方面，圖4係隔膜部51為平板狀且發熱體層3的表面為平面的比較例的紅外線放射元件1’的動作說明圖，在一對接墊7、7之間通電時從發熱體層3所放射之紅外線的放射方向用附箭號的實線以示意方式表示。另外，在圖3、4中，從紅外線放射元件1、1’放射出去的紅外線所欲照射的照射部10也以示意方式表示。該照射部10，例如，係接收紅外線的受光元件等。
在紅外線放射元件1中，發熱體層3堆疊於隔膜部51上的部分的表面形成凹曲面。藉此，紅外線放射元件1，比起如圖4所示之比較例的紅外線放射元件1’使紅外線等向性地放射而無指向性的態樣而言，如圖3所示的可使所放射的紅外線的指向性增強。亦即，在紅外線放射元件1中，向正面方向(圖3的上方向)的指向性提高，例如，當與圖4的比較例的輸入電力相同，照射部10的大小也相同時，其可提高對照射部10的照射效率，並可減少所放射之紅外線的損失。在此，當照射部10為受光元件時，可使該受光元件的受光效率提高。
本實施態樣的紅外線放射元件1，不但可使指向性提高，比起如圖8A、8B所示之習知例的具備集光透鏡130的紅外線光源100而言，更可降低包含隔膜部51在內的堆疊構造整體的熱容量。因此，紅外線放射元件1，可使相對於在一對接墊7、7之間所賦予的電壓波形的發熱體層3的溫度變化的反應更快速，使發熱體層3的溫度更容易上升，進而達到高輸出化以及反應速度高速化之目的。
另外，本實施態樣的紅外線放射元件1，以單結晶的矽基板形成基板2，並以矽氧化膜與矽氮化膜構成薄膜部5。藉此，在紅外線放射元件1中，比起薄膜部5而言基板2的熱容量以及熱傳導率比較大，基板2具有散熱器的功能，故可使元件更小型而對輸入電力的反應速度更快，且可提高紅外線的放射特性的穩定性。另外，在本實施態樣的紅外線放射元件1中，發熱體層3的材料若採用比矽熔點更高的氮化鉭，便可使發熱體層3的溫度上升到矽的最高使用溫度(比矽的熔點稍微更低一點的溫度)，比起紅外線發光二極體而言可更使紅外線的放射量大幅增加。另外，紅外線放射元件1，若在各接墊7中至少與發熱體層3接觸的部位係由比矽熔點更高的金屬所形成的話，便可使發熱體層3的溫度的上升不會受到各接墊7的材料的限制。
另外，根據本實施態樣的紅外線放射元件1的製造方法，具備上述的第1步驟、第2步驟、第3步驟以及第4步驟，藉此便可提供出一種可提高指向性且可提高輸出的紅外線放射元件1。
(實施態樣2)
以下，根據圖5A、5B說明本實施態樣的紅外線放射元件1。另外，與實施態樣1的紅外線放射元件1相同的構成要件會附上相同的符號並適當省略說明。
本實施態樣的紅外線放射元件1，在隔膜部51上以陣列狀(在圖式之例中為2維陣列狀)設置複數個凹部53。亦即，隔膜部51具備複數個凹部53。
各凹部53，與實施態樣1同樣，向開孔部2a側凹入，內面53a形成凹曲面。在此，紅外線放射元件1，例如，在與基板2的厚度方向正交的2維平面上，凹部53宜以具有2維的周期構造的方式排列。在圖5A、5B所示之例中，各凹部53的中心係位於單位格子為正方形的假想的2維正方形格子的各格子的中心點，惟並不限於此，例如，各凹部53的中心亦可位於單位格子為正三角形的假想的2維三角格子的各格子的中心點。另外，紅外線放射元件1，例如，亦可將複數個凹部53以隔著間隔的方式排列在1個假想圓的圓周方向上。另外，紅外線放射元件1，例如，亦可將複數個凹部53以隔著間隔的方式排列在2維平面形狀為漩渦狀的假想漩渦上。在隔膜部51上，各凹部53的大小相同，惟不一定要相同大小也是可以。
複數個凹部53，宜以沿著與一對接墊7、7的並排方向以及基板2的厚度方向正交的方向的發熱體層3的中心線為對稱軸，配置成線對稱。藉此，紅外線放射元件1，比起複數個凹部53未以發熱體層3的中心線為對稱軸配置成線對稱的情況而言，更可抑制發熱體層3的溫度在平面上產生差異。
在基板2中，將開孔部2a的開口形狀設為矩形。基板2的開孔部2a，形成比起基板2的上述一表面側而言在另一表面側的開口面積更大的形狀。該基板2的開孔部2a，形成在基板2的厚度方向上離薄膜部5越遠開口面積越大的形狀。基板2的開孔部2a係蝕刻基板2所形成。基板2的開孔部2a，例如，在基板2為(100)面的單結晶的矽基板的情況下，可藉由使用鹼系溶液作為蝕刻液的異向性蝕刻而形成。
發熱體層3的外周形狀為矩形。亦即，發熱體層3的俯視形狀為矩形。雖俯視形狀為矩形，惟並非特別限定於矩形，例如，亦可為圓形或多角形等。
薄膜部5，與實施態樣1同樣，具備：將開孔部2a與發熱體層3隔離的隔膜部51；以及在基板2的上述一表面側設置於開孔部2a的周圍部位並支持隔膜部51的支持部52。隔膜部51的外周形狀為矩形。亦即，紅外線放射元件1，
如上所述的將開孔部2a的開口形狀設為矩形，從基板2的上述另一表面側觀察隔膜部51的形狀也為矩形。
發熱體層3的外周形狀為矩形。亦即，發熱體層3的俯視形狀為矩形。發熱體層3的俯視形狀並不限於矩形，例如，亦可為圓形或多角形等。紅外線放射元件1，宜設定發熱體層3的膜厚，使發熱體層3之中堆疊於凹部53的部分的表面形成沿著凹部53的內面53a的凹曲面(例如，迴轉二次曲面狀)的形狀。
以下，參照圖6A~6E說明本實施態樣的紅外線放射元件1的製造方法的一例。
在製造紅外線放射元件1時，首先，準備好由上述一表面為(100)面的單結晶的矽基板等所構成的基板2(參照圖6A)。
準備好基板2之後，進行第1步驟，在基板2的上述一表面側形成複數個窪部23，用以形成隔膜部51的各凹部53，藉此獲得圖6B所示的構造。在第1步驟中，首先，利用熱氧化法或CVD法等，在基板2的上述一表面側形成第1矽氧化膜21，同時在另一表面側形成第2矽氧化膜22。之後，利用微影技術以及蝕刻技術，使第1矽氧化膜21形成圖案。之後，以第1矽氧化膜21以及第2矽氧化膜22為遮罩，對基板2從上述一表面側進行等向性蝕刻，藉此形成複數個窪部23。
在第1步驟之後，利用蝕刻除去第1矽氧化膜21以及第2矽氧化膜22，之後，進行第2步驟，在基板2的上述一表面側形成薄膜部5，獲得圖6C所示的構造。薄膜部5的形成方法，例如，可採用CVD法等。
在第2步驟之後，進行第3步驟，在薄膜部5上形成發熱體層3。發熱體層3的形成方法，可採用濺鍍法、蒸鍍法或CVD法等。
在第3步驟之後，形成各接墊7(參照圖6D)，之後，進行第4步驟，從
基板2的上述另一表面側蝕刻基板2的開孔部2a的預定形成區域以形成具備複數個凹部53的隔膜部51，藉此獲得圖6E所示之構造的紅外線放射元件1。關於各接墊7的形成，例如，可使用濺鍍法、蒸鍍法或CVD法等的薄膜形成技術、微影技術以及蝕刻技術。另外，關於開孔部2a的形成，例如，只要在基板2的上述另一表面側利用CVD法等方法形成由矽氧化膜與矽氮化膜的堆疊膜(圖中未顯示)所構成的遮罩材料層，之後，利用微影技術以及蝕刻技術使遮罩材料層形成圖案，藉此形成遮罩層，之後，對基板2從上述另一表面側進行蝕刻，藉此形成開孔部2a即可。基板2的開孔部2a，例如，在基板2為(100)面的單結晶的矽基板的情況下，只要利用將鹼系溶液當作蝕刻液使用的異向性蝕刻形成即可。在紅外線放射元件1的製造方法中，於形成開孔部2a時，將薄膜部5當作蝕刻阻擋層使用，藉此可提高薄膜部5的厚度的精度，同時可防止在薄膜部5的開孔部2a側殘留基板2的一部分或殘渣。在紅外線放射元件1的製造方法中，於形成開孔部2a時，將薄膜部5當作蝕刻阻擋層使用，藉此可提高薄膜部5的厚度的精度，並可抑制各紅外線放射元件1的薄膜部5在機械性強度上產生差異，或是在隔膜部51的熱容量上產生差異。
在本實施態樣的紅外線放射元件1中，隔膜部51具備向開孔部2a側凹入的複數個凹部53，各凹部53的各自的內面53a為凹曲面。然後，在紅外線放射元件1中，發熱體層3沿著各凹部53的各自的內面53a形成。因此，在本實施態樣的紅外線放射元件1中，由於發熱體層3沿著各凹部53的各自的內面53a形成，故可使指向性提高。構成各凹部53的各自的內面53a的凹曲面宜為迴轉二次曲面狀。藉此，紅外線放射元件1可使正面方向(圖5B的上方向)的指向性提高。圖7係紅外線放射元件1的動作說明圖，在對一對接墊7、7之間通電時從發熱體層3所放射出去的紅外線的放射方向用附箭號的實線以示意方式表示。另外，在圖7中，從紅外線放射元件1放射出去的紅外線所欲照射的照射部10亦以示意方式表示。該照射部10，例如，為可接收紅外線的受光元件等構件。
在紅外線放射元件1中，發熱體層3堆疊於隔膜部51的各凹部53上的各
部分的表面為凹曲面。藉此，紅外線放射元件1，比起如圖4所示之比較例的紅外線放射元件1’使紅外線等向性地放射而無指向性的態樣而言，如圖7所示的可增強所放射之紅外線的指向性。亦即，紅外線放射元件1，向正面方向(圖7的上方向)的指向性提高，例如，當與圖4的比較例的輸入電力相同，且照射部10的大小也相同時，可提高對照射部10的照射效率，並可減少所放射之紅外線的損失。在此，當照射部10為受光元件時，可使該受光元件的受光效率提高。
本實施態樣的紅外線放射元件1，不但可提高指向性，比起如圖8A、8B所示之習知例的具備集光透鏡130的紅外線光源100而言，更可降低包含隔膜部51在內的堆疊構造整體的熱容量。因此，紅外線放射元件1，可使相對於在一對接墊7、7之間所賦予的電壓波形的發熱體層3的溫度變化的反應更快速，使發熱體層3的溫度變得更容易，進而達到高輸出化以及反應速度高速化之目的。
另外，根據本實施態樣的紅外線放射元件1的製造方法，具備上述的第1步驟、第2步驟、第3步驟以及第4步驟，藉此便可提供出一種可提高指向性且可提高輸出的紅外線放射元件1。
另外，各實施態樣的紅外線放射元件1，除了使用於氣體感測器用的紅外線光源之外，更可使用於例如：火焰檢測用的紅外線光源、紅外光通信用的紅外線光源、光譜分析用的紅外線光源等。
1‧‧‧紅外線放射元件
2‧‧‧基板
2a‧‧‧開孔部
3‧‧‧發熱體層
5‧‧‧薄膜部
7‧‧‧接墊
51‧‧‧隔膜部
52‧‧‧支持部
53‧‧‧凹部
53a‧‧‧內面
Claims (6)
- 一種紅外線放射元件，包含：基板；薄膜部，其設置於該基板的一表面側；以及發熱體層，其設置於該薄膜部中的該基板側之相反側；並利用對該發熱體層的通電使該發熱體層放射出紅外線；其特徵為：該基板在厚度方向上貫穿設置了開孔部，使該薄膜部的該發熱體層側的相反側的表面露出；該薄膜部包含：隔膜部，其將該開孔部與該發熱體層隔離；以及支持部，其在該基板的該一表面側設置於該開孔部的周圍部位並支持該隔膜部；該隔膜部具備向該開孔部側凹入且內面為凹曲面的凹部；該發熱體層至少沿著該凹部的該內面形成。
- 如申請專利範圍第1項之紅外線放射元件，其中，該凹曲面為迴轉二次曲面狀。
- 如申請專利範圍第1或2項之紅外線放射元件，其中，該隔膜部係由複數個該凹部以陣列狀設置所形成。
- 如申請專利範圍第1或2項之紅外線放射元件，其中，該隔膜部的外周形狀為圓形。
- 如申請專利範圍第1或2項之紅外線放射元件，其中，該隔膜部的外周形狀為矩形。
- 一種紅外線放射元件的製造方法，其係申請專利範圍第1項之紅外線放射元件的製造方法，其特徵為包含：第1步驟，其在該基板的上述一表面側形成窪部，該窪部用來形成該隔膜部的凹部；第2步驟，其在該第1步驟之後於該基板的該一表面側形成薄膜部；第3步驟，其在該第2步驟之後於該薄膜部上形成該發熱體層；以及第4步驟，其在該第3步驟之後從該基板的另一表面側蝕刻該基板的該 開孔部的預定形成區域，藉此形成具備該凹部的該隔膜部。
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