(57)【要約】【課題】高出力、高周波駆動が可能で、低消費電力化が図られた赤外線放射素子及びその製造方法を提供する【解決手段】半導体基板１と、半導体基板１の一面に形成された保持層２と、半導体基板１の一面及び保持層２の一面によって囲まれた空間からなる気体層３と、気体層３内において基板１の一面と保持層２の一面とを連結すると共に保持層２を支持する支持部４と、保持層２の他面に積層され、電気入力されることによる発熱によって赤外線を放射する赤外線放射層５とを備え、気体層３は、赤外線放射層５に印加される電圧の周波数に基づいてその厚みが設定され、赤外線放射層５の昇温時には断熱層として働き、赤外線放射層５の降温時には放熱層として働く。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
半導体基板の一面に形成された薄膜状の保持層と、
半導体基板の一面及び保持層の一面によって囲まれた空間からなる気体層と、
保持層の他面に積層され、電気入力されることによる発熱によって赤外線を放射する赤外線放射層とを備え、
前記気体層は、赤外線放射層に印加される電圧の周波数に基づいてその厚みが設定され、赤外線放射層の昇温時には断熱層として働き、赤外線放射層の降温時には放熱層として働くことを特徴とする赤外線放射素子。
【請求項２】
前記気体層には、半導体基板と保持層とを連結し、保持層を支持する支持部が設けられることを特徴とする請求項１記載の赤外線放射素子。
【請求項３】
前記支持部は、単結晶シリコンからなることを特徴とする請求項２記載の赤外線放射素子。
【請求項４】
前記保持層の他面には、赤外線放射層が複数箇所に積層され、赤外線放射層間に露出する保持層の一面側に支持部が設けられていることを特徴とする請求項２または３記載の赤外線放射素子。
【請求項５】
前記保持層は、多孔質層からなることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の赤外線放射素子。
【請求項６】
前記多孔質層は、ポーラスシリコン、またはポーラスポリシリコンからなることを特徴とする請求項５記載の赤外線放射素子。
【請求項７】
前記保持層は、その周縁が半導体基板に固定されていることを特徴とする請求項１乃至６いずれか記載の赤外線放射素子。
【請求項８】
前記半導体基板と保持層とが接合する箇所は、保持層と半導体基板の接合を補強する補強部を備えることを特徴とする請求項７記載の赤外線放射素子。
【請求項９】
前記保持層は、熱伝導率が半導体基板よりも小さく、赤外線放射層の通電に伴う赤外線放射層からの伝熱による一部の温度上昇と、赤外線放射層から入射する赤外線の反射との少なくとも一方により、赤外線放射層に向かう向きに赤外線を放射し、
前記赤外線放射層は、保持層から放射された赤外線を通過させる機能を有することを特徴とする請求項１乃至８いずれか記載の赤外線放射素子。
【請求項１０】
前記保持層の厚み寸法は、目的波長の赤外線に対する光路長が当該赤外線の半波長の自然数倍となる寸法に設定されていることを特徴とする請求項１乃至９いずれか記載の赤外線放射素子。
【請求項１１】
前記保持層は、加熱時に空洞放射により赤外線を放射するマクロポアがバルク半導体に形成され、かつマクロポア内にナノポアが形成された構造であることを特徴とする請求項１乃至１０いずれか記載の赤外線放射素子。
【請求項１２】
前記保持層は、半導体の酸化物を含む電気絶縁膜により形成されていることを特徴とする請求項１乃至１０いずれか記載の赤外線放射素子。
【請求項１３】
前記赤外線放射素子は、負の抵抗温度係数を持つ材料により形成されていることを特徴とする請求項１乃至１２いずれか記載の赤外線放射素子。
【請求項１４】
前記赤外線放射素子は、ＴａＮ，ＴｉＮから選択されることを特徴とする請求項１乃至１３いずれか記載の赤外線放射素子。
【請求項１５】
請求項１乃至１４いずれか記載の赤外線放射素子、及び赤外線放射素子に電力を供給して赤外線を放射させる駆動手段を有する赤外線送信器と、
所定の波長を有する赤外線のみを透過させるフィルタ、及び前記波長を有する赤外線に対して最も高い感度を有し、フィルタを透過した赤外線を受光して受光信号を出力する赤外線受光手段、及び受光信号に基づいて検知信号を出力する検知手段を有する赤外線検知器と備えることを特徴とする赤外線式ガス検知器。
【請求項１６】
半導体基板の一面における所定領域の周縁に陽極酸化マスクを施すマスク工程と、
前記所定領域を陽極酸化することで多孔質層を形成する多孔質化工程と、
前記多孔質層に対向する半導体基板の厚み方向の領域を陽極酸化により電解研磨することで気体層を形成する電解研磨工程と、
前記多孔質層の他面側に赤外線放射層を形成する赤外線放射層形成工程とを備え、
前記気体層は、赤外線放射層に印加される電圧の周波数に基づいてその厚みが設定され、赤外線放射層の昇温時には断熱層として働き、赤外線放射層の降温時には放熱層として働くことを特徴とする赤外線放射素子の製造方法。
【請求項１７】
前記マスク工程の前に、前記所定領域の所定の箇所に不純物ドープを施す第一のドープ工程を備え、当該不純物ドープが施された箇所は、前記多孔質化工程によって多孔質化されず前記電解研磨工程においてドープの厚み方向に研磨されずに残存する半導体基板とから支持部が形成され、不純物ドープが施されていない箇所は、前記多孔質化工程によって多孔質層が形成され、前記電解研磨工程において前記多孔質層の厚み方向に対向する半導体基板の領域に気体層が形成されることを特徴とする請求項１６記載の赤外線放射素子の製造方法。
【請求項１８】
前記マスク工程の前に、半導体基板の一面において陽極酸化マスクと所定領域との境界において、陽極酸化マスクと所定領域の両方にかかる不純物ドープを施す第二のドープ工程を備え、当該不純物ドープが施された箇所には、当該ドープと前記多孔質化工程によって多孔質化されず前記電解研磨工程によってドープの厚み方向に研磨されずに残存する半導体基板とから補強部が形成され、不純物ドープが施されていない箇所には、前記多孔質化工程によってポーラスシリコン層が形成され、前記電解研磨工程において前記ポーラスシリコン層の厚み方向に対向する半導体基板の領域に気体層が形成されることを特徴とする請求項１６または１７記載の赤外線放射素子の製造方法。
【請求項１９】
半導体基板の一面の所定の領域に犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
前記犠牲層の表面に不純物ドープされたポリシリコン層を形成するポリシリコン層形成工程と、
前記ポリシリコン層を陽極酸化することにより多孔質層を形成する多孔質化工程と、
前記多孔質層を介して犠牲層をエッチングすることで犠牲層を除去し、多孔質層の一面と半導体基板の一面との間に気体層を形成するエッチング工程と、
前記多孔質層の他面に赤外線放射層を形成する赤外線放射層形成工程とを備え、
前記気体層は、赤外線放射層に印加される電圧の周波数に基づいてその厚みが設定され、赤外線放射層の昇温時には断熱層として働き、赤外線放射層の降温時には放熱層として働くことを特徴とする赤外線放射素子の製造方法。
【請求項２０】
前記ポリシリコン層形成工程と多孔質化工程との間に、ポリシリコン層の厚み方向において当該ポリシリコン層の犠牲層と対向する領域の所定の位置に不純物ドープを施すドープ工程を備え、当該不純物ドープが施された箇所は、多孔質化工程によって陽極酸化されず、当該ドープが施された箇所とドープが施された箇所に対向する犠牲層の一部とが、エッチング工程で除去されず残存することで支持部を形成し、不純物ドープが施されていない箇所は、多孔質化工程によって多孔質層が形成され、エッチング工程により前記支持部となる箇所を除いて犠牲層を除去することで気体層が形成されることを特徴とする請求項１９記載の赤外線放射素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線放射素子及び当該赤外線放射素子を備えた赤外線式ガス検知器及び当該赤外線放射素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、赤外線を放射する赤外線放射素子と、当該赤外線放射素子から放射される赤外線の内で検出対象ガスが吸収する波長の赤外線のみを通過させるフィルタを介して赤外線を受光して、当該受光した赤外線量に対応したレベルの検出信号を出力する受光素子とを備えたガスセンサ装置がある。そして、前記赤外線放射素子は、１回の計測で断続的に複数回赤外線を放射する。その際、検出精度を高くすると共に省電力化を図るためには、赤外線放射素子から放射される赤外線の放射量を安定させ短時間で計測することが望ましく、赤外線放射素子の高周波駆動化が望まれている。
【０００３】
そして、前記赤外線放射素子として、図１１に示すような電球型の赤外線放射素子４０や図１２に示すようなダイヤフラム型の赤外線放射素子５０が提供されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
電球型の赤外線放射素子４０は、発光部のフィラメント４２が、タングステン（Ｗ）または白金（Ｐｔ）からなる線材をコイル状に巻いたものや、コイルの表面をアルミナなどのセラミックで被覆したものから構成されている。そして、フィラメント４２に電圧が印加されて昇温すると赤外線を放射する。また、赤外線放射素子４０は、発光部となるフィラメント４２の熱容量が大きいため、フィラメント４２に電圧の印加を開始してから放射する赤外線の強度が所定の強度に達するまでの時間（昇温時間）が長い。また、赤外線を放射しているフィラメント４２の印加電圧をオフしてから、赤外線の放射が停止するまでの時間（降温時間）も長い。従って、断続放射される赤外線の振幅差を大きくするためには、フィラメント４２に印加される電圧の周波数を０．１〜１０Ｈｚ程度に設定する必要がある。
【０００５】
また、ダイヤフラム型の赤外線放射素子５０は、赤外線放射層５０の裏面に設けられた半導体基板５１をエッチングにより掘り込むことで凹部５２を形成している。そして、赤外線放射層５０は、金属からなる電極５６に接続された発熱層５３と当該発熱層５３によって間接的に加熱される発光層５４とを備える絶縁層５５から構成されている。そして、発光層５４は、電極５６を介して電圧が印加された発熱層５３の発熱によって間接的に加熱されることで赤外線を放射する。また、ダイヤフラム型の赤外線放射素子５０は、絶縁層５５が凹部５２で接する空気の断熱効果によって断熱されているため発光層５４の昇温時間が短い。しかし、当該断熱効果によって、発光層５４は放熱効果が十分に得られないため降温時間が長い。従って、断続放射される赤外線の振幅差を大きくするためには、電極５６に印加される電圧の周波数を例えば２００Ｈｚ程度に設定する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１８４７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、ガスセンサ装置等に上記赤外線放射素子４０または、赤外線放射素子５０を用いた場合には、赤外線放射素子に印加される入力電圧の変調周波数が低く、計測に時間がかかり、低消費電力化を行うことは困難であった。
【０００８】
本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、高出力、高周波駆動が可能で、低消費電力化が図られた赤外線放射素子及び当該赤外線放射素子を備えた赤外線式ガス検知器及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明は、半導体基板と、半導体基板の一面に形成された薄膜状の保持層と、半導体基板の一面及び保持層の一面によって囲まれた空間からなる気体層と、保持層の他面に積層され、電気入力されることによる発熱によって赤外線を放射する赤外線放射層とを備え、前記気体層は、赤外線放射層に印加される電圧の周波数に基づいてその厚みが設定され、赤外線放射層の昇温時には断熱層として働き、赤外線放射層の降温時には放熱層として働くことを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、赤外線放射素子において、赤外線放射層の昇温時には、赤外線放射層から保持層に伝達した熱が気体層によって断熱されるため、断熱層として働く気体層によって赤外線放射層の昇温が阻害されず昇温時間が短くなり、赤外線放射層の降温時には、赤外線放射層から保持層に伝達した熱が、気体層を介して半導体基板へと放熱されるため、放熱層として働く気体層によって赤外線放射層の降温時間が短くなる。従って、赤外線放射層の昇降温が高速で行われて赤外線放射素子を高出力、高周波駆動させることができ、更には計測時間を短縮できて低消費電力化を図ることができる。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記気体層には、半導体基板と保持層とを連結し、保持層を支持する支持部が設けられることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、赤外線放射層の昇降温による熱膨張差によって、保持層が半導体基板に付着することを防止でき、昇温阻害や破損を防止でき、また、製造時のウェット処理後の乾燥時などで保持層が半導体基板に付着することも防止できる。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記支持部は、単結晶シリコンからなることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、多孔質層に比べて機械的強度の高い単結晶シリコンを支持部に用いることで、赤外線放射層の昇降温による熱膨張差によって、保持層が半導体基板へ付着することや、製造時のウェット処置後の乾燥時などで保持層が半導体基板に付着することもより効果的に防止することができる。特に、基板が単結晶シリコンで、支持部がその一部を残存した単結晶シリコンで形成される場合、支持部と基板の接続部に発生する応力はゼロとなって支持部の強度は更に高くなり、より効果的である。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項２または３の発明において、前記保持層の他面には、赤外線放射層が複数箇所に積層され、赤外線放射層間に露出する保持層の一面側に支持部が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、熱伝導率が保持層に比べて高い赤外線放射層が、支持部に直接接していないことで、赤外線放射層で発生する熱が支持部を介して半導体基板側へ放熱されることを抑制でき、赤外線放射層の発光効率を高めることができる。
【００１７】
また、赤外線放射層と支持部とが直接接していないことで、赤外線放射層と支持部との間に大きな温度勾配が発生することを抑制でき、当該温度勾配に起因する大きな熱応力によって赤外線放射層と支持部とが破損することを防止できる。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項１乃至４いずれかの発明において、前記保持層は、多孔質層からなることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、多孔質層は、緻密な絶縁材料に比べて熱容量や熱伝導率が小さいため、赤外線放射層の昇温を阻害せず昇温時間を短縮でき、小さなエネルギーで大きく昇温することで低消費電力化を図ることができる。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記多孔質層は、ポーラスシリコン、またはポーラスポリシリコンからなることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、多孔質層ポーラスシリコン、またはポーラスポリシリコンからなることから、赤外線放射層の昇温温度に耐える耐熱性を確保できる。
【００２２】
請求項７の発明は、請求項１乃至６いずれかの発明において、前記保持層は、その周縁が半導体基板に固定されていることを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、保持層周縁部が全て半導体基板に接合されて保持強度が高められているため、保持層に接合された赤外線放射層の昇降温時に発生する熱膨張差によって保持層が変形し破損することを防止できる。
【００２４】
請求項８の発明は、請求項７の発明において、前記半導体基板と保持層とが接合する箇所は、保持層と半導体基板の接合を補強する補強部を備えることを特徴とする。
【００２５】
この発明によれば、保持層と半導体基板の接合部の強度を高めることができ、保持層の変形による破損を更に防止することができる。
【００２６】
請求項９の発明は、請求項１乃至８いずれか記載の発明において、前記保持層は、熱伝導率が半導体基板よりも小さく、赤外線放射層の通電に伴う赤外線放射層からの伝熱による一部の温度上昇と、赤外線放射層から入射する赤外線の反射との少なくとも一方により、赤外線放射層に向かう向きに赤外線を放射し、前記赤外線放射層は、保持層から放射された赤外線を通過させる機能を有することを特徴とする。
この発明によれば、赤外線放射層から保持層に向かって放射されるエネルギーの一部が赤外線放射のエネルギーとして利用されることになり、投入電力に対する赤外線の放射効率を高めることができる。言い換えると、所望の赤外線を放射するのに必要な投入電力の低減につながる。
【００２７】
請求項１０の発明は、請求項１乃至９いずれか記載の発明において、前記保持層の厚み寸法は、屈折率をｎとし膜厚をｄとした際、目的波長の赤外線に対する光路長が当該赤外線の半波長の自然数倍となる光学膜厚ｎｄとなるように設定されていることを特徴とする。
この発明によれば、目的波長の赤外線に対して保持層において共鳴の条件が成立し、目的波長の赤外線について相対的な放射強度を高めることができる。この形態では、発熱による保持層の熱変形を防止するため、請求項２記載の支持部を設けることが望ましい。
【００２８】
請求項１１の発明は、請求項１乃至１０ずれか記載の発明において、前記保持層は、加熱時に空洞放射により赤外線を放射するマクロポアがバルク半導体に形成され、かつマクロポア内にナノポアが形成された構造であることを特徴とする。
この発明によれば、マクロポアによる空洞放射を利用することで、赤外線の放射効率を高めることがでる。しかも、マクロポア内にナノポアが形成されているから、マクロポアによる空洞放射を阻害せずにマクロポアの形成に伴う保持層の強度低下を補うことができる。さらに、マクロポア内にナノポアが存在するポーラス半導体を保持層に用いることにより、保持層に高い断熱性能が得られる。
【００２９】
請求項１２の発明は、請求項１乃至１０いずれか記載の発明において、前記保持層は、半導体の酸化物を含む電気絶縁膜により形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、半導体を熱酸化などの処理により酸化させるか、酸化物を含む材料のＣＶＤを行うかにより保持層を形成することができるから、製造プロセスが比較的簡単であり、半導体を多孔質化する場合よりも量産性を高めることができる。
【００３０】
請求項１３の発明は、請求項１乃至１２いずれか記載の発明において、前記赤外線放射素子は、負の抵抗温度係数を持つ材料により形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、駆動電圧が同じであっても温度上昇に伴ってシート抵抗が低下して赤外線放射層を流れる電流が増加するから、温度上昇に伴って投入電力が増加し、到達最高温度を高くすることができる。また、発熱層に印加する電圧を得るために電源電圧を昇圧回路により昇圧している場合に、到達最高温度を高めながらも昇圧回路の昇圧比の増加を制御することができることになり、昇圧回路での電力損失を抑制できる。
【００３１】
請求項１４の発明は、請求項１乃至１３いずれか記載の発明において、前記赤外線放射素子は、ＴａＮ，ＴｉＮから選択されることを特徴とする。
この発明によれば、赤外線放射層の耐酸化性が高いから、赤外線放射層を空気中に露出させて使用することが可能になる。つまり、真空中あるいは不活性ガス中で使用する必要がなく、パッケージの構造が簡単になる上に、密封のための窓材が不要であって窓材による赤外線の減衰がなく、放射した赤外線の利用効率を高めることができる。さらに、これらの材料は窒素含有率を調整することによりシート抵抗を調整することができるから、所望のシート抵抗を得るのに必要な厚み寸法を調整して熱容量の小さい赤外線放射層を形成することができ、結果的に、高速応答が可能になる。
【００３２】
請求項１５の発明は、請求項１乃至１４いずれか記載の赤外線放射素子、及び赤外線放射素子に電力を供給して赤外線を放射させる駆動手段を有する赤外線送信器と、所定の波長を有する赤外線のみを透過させるフィルタ、及び前記波長を有する赤外線に対して最も高い感度を有し、フィルタを透過した赤外線を受光して受光信号を出力する赤外線受光手段、及び受光信号に基づいて検知信号を出力する検知手段を有する赤外線検知器と備えることを特徴とする。
【００３３】
この発明によれば、赤外線式ガス検知器において、請求項１乃至１４いずれかの効果を有して、高精度、低消費電力化を図ることができる.
請求項１６の発明は、半導体基板の一面における所定領域の周縁に陽極酸化マスクを施すマスク工程と、前記所定領域を陽極酸化することで多孔質層を形成する多孔質化工程と、前記多孔質層に対向する半導体基板の厚み方向の領域を陽極酸化により電解研磨することで気体層を形成する電解研磨工程と、前記多孔質層の他面側に赤外線放射層を形成する赤外線放射層形成工程とを備え、前記気体層は、赤外線放射層に印加される電圧の周波数に基づいてその厚みが設定され、赤外線放射層の昇温時には断熱層として働き、赤外線放射層の降温時には放熱層として働くことを特徴とする。
【００３４】
この発明によれば、本製造方法によって製造される赤外線放射素子は、赤外線放射層の昇温時に赤外線放射層から保持層に伝達した熱が気体層によって断熱されるため、断熱層として働く気体層によって赤外線放射層の昇温が阻害されず昇温時間が短くなり、赤外線放射層の降温時には、赤外線放射層から保持層に伝達した熱が、気体層を介して半導体基板へと放熱されるため、放熱層として働く気体層によって赤外線放射層の降温時間が短くなる。従って、赤外線放射層の昇降温が高速で行われて赤外線放射素子を高出力、高周波駆動させることができ、更には、計測時間を短縮できて低消費電力化を図ることができる。また、本製造方法により、陽極酸化による多孔質層の形成と当該多孔質層を介して行う陽極酸化による電解研磨との２段階の陽極酸化によって、低熱容量及び気体層による高い断熱性を備えた多孔質層を中空上に形成することができる。
【００３５】
請求項１７の発明は、請求項１６の発明において、前記マスク工程の前に、前記所定領域の所定の箇所に不純物ドープを施す第一のドープ工程を備え、当該不純物ドープが施された箇所には、当該ドープと、前記多孔質化工程によって多孔質化されず前記電解研磨工程においてドープの厚み方向に研磨されずに残存する半導体基板とから支持部が形成され、不純物ドープが施されていない箇所は、前記多孔質化工程によって多孔質層が形成され、前記電解研磨工程において前記多孔質層の厚み方向に対向する半導体基板の領域に気体層が形成されることを特徴とする。
【００３６】
この発明によれば、保持層を形成する面の内、支持部を形成する箇所に不純物ドープを施すことで、保持層上に別途陽極酸化マスクを行う必要がなく、保持層に積層される赤外線放射層の段切れや、不均一な抵抗部を無くすことができ、安定動作可能な赤外線放射素子を製造できる。また、支持部が形成されることで、前記電解研磨工程の後に保持層が乾燥するまでの間に半導体基板へ付着することを防止することができる。
【００３７】
請求項１８の発明は、請求項１６または１７の発明において、前記マスク工程の前に、半導体基板の一面において陽極酸化マスクと所定領域との境界において、陽極酸化マスクと所定領域の両方にかかる不純物ドープを施す第二のドープ工程を備え、当該不純物ドープが施された箇所には、当該ドープと前記多孔質化工程によって多孔質化されず前記電解研磨工程によってドープの厚み方向に研磨されずに残存する半導体基板とから補強部が形成され、不純物ドープが施されていない箇所には、前記多孔質化工程によってポーラスシリコン層が形成され、前記電解研磨工程において前記ポーラスシリコン層の厚み方向に対向する半導体基板の領域に気体層が形成されることを特徴とする。
【００３８】
この発明によれば、前記電解研磨工程により気体層が形成される際に、等方的に処理が進行するため、保持層と半導体基板との接続部に不純物ドープが施されていない場合には、当該接続部が除去されてしまい保持層の周縁は陽極酸化マスクのみによって支持されることになるが、保持層と半導体基板との接続部に不純物ドープが施されていることで保持層と半導体基板との接続部にドープによるマスク領域が残存することで当該接続部の強度を高めることができ、昇降温時の赤外線放射層の熱膨張差によって保持層が変形して破損することを防止することができる。
【００３９】
請求項１９の発明は、半導体基板の一面の所定の領域に犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、前記犠牲層の表面に不純物ドープされたポリシリコン層を形成するポリシリコン層形成工程と、前記ポリシリコン層を陽極酸化することにより多孔質層を形成する多孔質化工程と、前記多孔質層を介して犠牲層をエッチングすることで犠牲層を除去し、多孔質層の一面と半導体基板の一面との間に気体層を形成するエッチング工程と、前記多孔質層の他面に赤外線放射層を形成する赤外線放射層形成工程とを備え、前記気体層は、赤外線放射層に印加される電圧の周波数に基づいてその厚みが設定され、赤外線放射層の昇温時には断熱層として働き、赤外線放射層の降温時には放熱層として働くことを特徴とする。
【００４０】
この発明によれば、本製造方法によって製造された赤外線放射素子は、赤外線放射層の昇温時に赤外線放射層から保持層に伝達した熱が気体層によって断熱されるため、断熱層として働く気体層によって赤外線放射層の昇温が阻害されず昇温時間が短くなり、赤外線放射層の降温時には、赤外線放射層から保持層に伝達した熱が、気体層を介して半導体基板へと放熱されるため、放熱層として働く気体層によって赤外線放射層の降温時間が短くなる。従って、赤外線放射層の昇降温が高速で行われて赤外線放射素子を高出力、高周波駆動させることができ、更には、計測時間を短縮できて低消費電力化を図ることができる。また、本製造方法により、エッチングにより除去される犠牲層を設けた後に、犠牲層に覆設するポリシリコンを陽極酸化により多孔質層とし、当該多孔質層を介して犠牲層をエッチングすることで、多孔質層を中空上に容易に形成することができる。
【００４１】
請求項２０の発明は、請求項１９の発明において、前記ポリシリコン層形成工程と多孔質化工程との間に、ポリシリコン層の厚み方向において当該ポリシリコン層の犠牲層と対向する領域の所定の位置に不純物ドープを施すドープ工程を備え、当該不純物ドープが施された箇所は、多孔質化工程によって陽極酸化されず、当該ドープが施された箇所とドープが施された箇所に対向する犠牲層の一部とが、エッチング工程で除去されず残存することで支持部を形成し、不純物ドープが施されていない箇所は、多孔質化工程によって多孔質層が形成され、エッチング工程により前記支持部となる箇所を除いて犠牲層を除去することで気体層が形成されることを特徴とする。
【００４２】
この発明によれば、ポリシリコン層に不純物ドープを施すことにより、ポリシリコンに陽極酸化されない領域を形成でき、ポリシリコンを陽極酸化した後に犠牲層をエッチングすることで支持部を容易に同時形成することができる。
【発明の効果】
【００４３】
以上説明したように、本発明では、高出力、高周波駆動が可能で、低消費電力化が図られた赤外線放射素子及びその製造方法及び当該赤外線放射素子を備えた赤外線式ガス検出器を提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態１における赤外線放射素子の断面外略図である。
【図２】同上における赤外線放射素子の上面図である。
【図３】同上における赤外線放射素子の製造方法の説明図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、同上における赤外線放射素子の電圧波形または、温度波形を示し、（ａ）は、印加電圧波形、（ｂ）は、式２を満たす場合の温度波形、（ｃ）は、気体層を有さない場合の温度波形、（ｄ）は、式２を満たさない場合の温度波形を示す。
【図５】同上における赤外線放射素子の保持層における温度特性を示す図である。
【図６】同上における赤外線放射素子で、保持層の周縁に不純物ドープが施されていない場合の概略図を示す。
【図７】同上における赤外線放射素子の保持層の構造を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態２における赤外線放射素子の上面図である。
【図９】本発明の実施形態３における赤外線放射素子の製造方法の説明図である。
【図１０】本発明の実施形態４における赤外線式ガス検知器の概略図を示す。
【図１１】従来例におけるコイル状フィラメントを備える電球型の赤外線放射素子の正面図である。
【図１２】同上における、ダイヤフラム型の赤外線放射素子の断面外略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００４６】
（実施形態１）
本実施形態の赤外線放射素子Ａについて図１、２を用いて説明を行った後に、赤外線放射素子Ａの製造方法について図３（ａ）〜（ｅ）を用いて説明を行う。なお図１における上下左右を基準として上下左右方向と直交する方向を前後方向とする。
【００４７】
本実施形態の赤外線放射素子Ａは、図１に示すように、半導体基板１と、半導体基板１の上面に形成された薄膜状の保持層２と、半導体基板１の上面及び保持層２の下面によって囲まれた空間からなる厚みの薄い気体層３と、気体層３内において半導体基板１の上面と保持層２の下面とを連結すると共に保持層２を支持する支持部４と、保持層２の上面に積層され、通電による発熱によって赤外線を放射する赤外線放射層５と、赤外線放射層５上に形成される通電用の一対の電極６とを備えている。
【００４８】
半導体基板１は、略矩形状の単結晶のシリコン基板が用いられており、その上面の所定の領域をフッ化水素水溶液中で陽極酸化することにより多孔度が７０％の多孔質シリコン層（ポーラスシリコン層）からなる略矩形状の保持層２が形成されている。また、半導体基板１で用いられるシリコン基板の導電形は、ｐ形、ｎ形のどちらでもよいが、ｐ形のシリコン基板の方が陽極酸化による多孔質化を行った際に多孔度が大きくなりやすい傾向にあるので、半導体基板１としてはｐ形のシリコン基板を用いることが好ましい。なお、半導体基板１の一部を陽極酸化する際の電流密度は、半導体基板１の導電形及び導電率に応じて適宜設定すればよい。また、保持層２を形成する多孔質層は、ポーラスポリシリコン層であってもよい。また、電気的絶縁や前後左右方向への熱伝導を抑制する効果を備えるため、ポーラスシリコンやポーラスポリシリコンの一部または全部が酸化、或いは窒化されていてもよい。
【００４９】
保持層２は、ポーラスシリコン層により構成されており多孔度が高くなるにつれて熱伝導率及び体積熱容量が小さくなる。
【００５０】
一方、陽極酸化により多孔質化する代わりに熱酸化により半導体酸化膜を形成し、この半導体酸化膜を保持層２としてもよい。保持層２として半導体酸化膜を用いる場合には、半導体基板１を熱酸化することにより保持層２を形成したり、酸化物を含む材料でＣＶＤにより保持層２を形成すれば、多孔質化に比較して製造プロセスが簡単になり、量産性を高めることが可能になる。ＣＶＤにより保持層２を形成する場合には、アルミナのような熱絶縁性の高い酸化物を用いたり、この種の酸化物を含む材料を用いることが可能である。更には、この種の材料の多孔体を保持層２として形成することも可能である。
【００５１】
赤外線放射層５は、ＴａＮまたはＴｉＮからなるものを選択するのが望ましい。これらの材料は耐熱性及び耐酸化性に優れている。従って、赤外線放射層５を空気雰囲気で使用することが可能であって、赤外線放射素子Ａをパッケージに収納せずにベアチップとして基板に実装することが可能になる。また、パッケージに収納する場合でも赤外線を透過させるためにパッケージに形成した窓孔を封止する必要がなく、当該窓孔に装着する窓部材による赤外線の減衰がないから、赤外線の放射効率を高めることができる。
【００５２】
また、これらの材料は、赤外線放射層５として形成するのに適した厚み寸法（数十ｎｍ）において、シート抵抗が後述する所望値になるという物性を有している。しかも、シート抵抗成膜時の窒素ガスの分圧によって制御することが可能である。ただし、赤外線放射層５を形成する材料は、ＴａＮ，ＴｉＮ以外も使用可能であり、他の窒化金属や炭化金属を用いてもよい。
【００５３】
電極６は、金属材料（例えばアルミニウムなど）により形成され、赤外線放射層５の左右両端にそれぞれ積層され、図４（ａ）で示す略正弦波状の電圧が印加される。
【００５４】
そして、赤外線放射素子Ａは、一対の電極６を介して赤外線放射層５に入力電圧が印加されると、赤外線放射層５が昇温して赤外線を放射し、入力電圧をオフされると赤外線放射層５が降温して赤外線の放射を停止する。赤外線放層５への印加電圧を断続させる場合だけではなく、正弦波状に変化する電圧を印加した場合も電圧の増加期間に温度を上昇させ、電圧の減少期間に温度を下降させることが可能である。つまり、電極６への印加電圧に応じて赤外線の強度を変調することができる。
【００５５】
ところで、上述の構成の赤外線放射素子Ａの電極６に正弦波状の電圧を印加するものとして保持層２の熱伝導率をαｐ〔Ｗ／ｍＫ〕、保持層２の体積熱容量（比熱容量と密度との積）をＣｐ〔Ｊ／ｍ３Ｋ〕、赤外線放射層５が応答可能な周波数（印加電圧の周波数の２倍）をｆ〔Ｈｚ〕とすれば、保持層２の熱拡散長μは、次式で表される。
μ＝（２αｐ／ωＣｐ）１／２・・・（式１）
ただし、ω＝２πｆである。
【００５６】
保持層２は、赤外線放射層５から交流的に変化する熱が与えられたときに、赤外線放射層５から保持層２に向かって放射された赤外線が、保持層２の下面において気体層３に接触するように、保持層２の厚み寸法Ｌｐを設定する必要がある。すなわち、保持層２の厚み寸法Ｌｐは少なくとも熱拡散長μよりも小さな値に設定する（Ｌｐ＜μ）ことが望ましい。
【００５７】
いま、保持層２をポーラスシリコンにより形成するものとし、赤外線放射層５の応答可能な周波数ｆ、保持層２の体積熱容量Ｃｐ、保持層２の熱伝導率αｐを、それぞれ、ｆ＝１０〔ｋＨｚ〕、Ｃｐ＝１．１〔Ｗ／ｍＫ〕、及び熱伝導率αｐ＝１．０５×１０６〔Ｊ／ｍ３Ｋ〕として、上記式１に代入すると、μ＝５．８×１０−６〔ｍ〕になり、保持層２の厚み寸法Ｌｐは、５．８〔μｍ〕よりも小さくする必要がある。
【００５８】
更に、赤外線の放射効率を高めるには、所望の赤外線の真空中での波長をλ〔ｍ〕、保持層２の屈折率をｎとして、次式で表される共鳴条件を成立させるのが望ましい。
ｎ×Ｌｐ＝ｍ×λ／２・・・（式２）
ただし、ｍは自然数である。
【００５９】
本実施形態におけるポーラスシリコンにより形成した保持層２の厚み寸法Ｌｐは、所望の赤外線の波長を４〔μｍ〕とし、上記式２において、ｎ＝１．３５、ｍ＝１とすれば、Ｌｐ＝１．５〔μｍ〕になる。すなわち、Ｌｐ＝１．５〔μｍ〕＜５．８〔μｍ〕＝μであるから上記式１も満たし、本実施形態において要求される条件を満足することができる。
【００６０】
すなわち、保持層２は、赤外線放射層５の昇温を阻害せず、赤外線放射層５と保持層２との全体としての体積熱容量を小さくすることができる。そのため、赤外線放射層５は、印加された電圧の変化に高速に応答し、印加電圧の変調周波数を高くすることが可能になる。
【００６１】
また、保持層２をポーラスシリコン層から形成することにより、緻密な絶縁材料から形成する場合に比べて材料的に体積熱容量を低減して熱応答時間を短くし、赤外線放射層５の昇温度効率をより高めることができる。しかも、保持層２の下面は気体層３に接しており、一般に気体は保持層２よりも熱伝導率が小さいから、保持層２の下面を断熱することによって、保持層２から赤外線放射層５の周辺への熱伝導の経路を減少させ赤外線放射層５の周辺への放熱を抑制することになる。したがって、図５の曲線ロで示すように、赤外線放射層５を支持している保持層２は、赤外線放射層５の発熱時に、深さ方向において大きな温度差が生じないように温度上昇することになる。なお、図５の曲線イは、気体層３が設けられていない場合の保持層２の深さ方向における温度の変化を示している。
【００６２】
次に、気体層３は、半導体基板１の上面と保持層２の下面との間に形成されており、その厚みＬｇは、以下の条件で設定するのが望ましい。赤外線放射層５への印加電圧を正弦波状とし、印加電圧の周波数をｆ〔Ｈｚ〕、気体層３の熱伝導率をαｇ〔Ｗ／ｍＫ〕、気体層３の体積熱容量をＣｇ〔Ｊ／ｍ３Ｋ〕とするとき、気体層５の厚み寸法Ｌｇを次式で表される範囲に設定する。
０．           ０５Ｌｇ´＜Ｌｇ＜３Ｌｇ´・・・（式３）
ただし、Ｌｇ´＝（２αｇ／ωＣｇ）１／２、ω＝２πｆである。
【００６３】
例えば、赤外線放射層５への印加電圧を周波数ｆ＝１０〔ｋＨｚ〕の正弦波とし、気体層３の体積熱容量Ｃｇ、気体層３の熱伝導率αｇをそれぞれ、αｇ＝０．０２５４〔Ｊ／ｍ３Ｋ〕、Ｃｇ＝１．２１×１０３〔Ｊ／ｍＫ〕とすれば、上記式３から、１．３〔μｍ〕＜Ｌｇ＜７７．５〔μｍ〕になるから、気体層３の厚み寸法Ｌｇを、例えば２５〔μｍ〕に設定することにより、上記式５を満足することができる。望ましくは、この範囲内で温度振幅比が最大となる厚みに設定する。
【００６４】
また、気体層３は、半導体基板１の温度を一定とすれば保持層２の温度と気体層３の厚み寸法Ｌｇとに依存して断熱性と放熱性とのいずれかの機能を持つから、気体層３の厚み寸法Ｌｇを上記式３の条件範囲において適宜に調節することにより、赤外線放射層５への印加電圧が上昇する期間には気体層３に断熱性を持たせ、赤外線放射層５への印加電圧が下降する期間には気体層３の放熱性をもたせることが可能になる。
【００６５】
すなわち、気体層３の断熱性と放熱性とを利用するタイミングを、赤外線放射層５への印加電圧の増減のタイミングにほぼ一致させることが可能になり、赤外線放射層５への印加電圧が高周波で変調されている場合でも、赤外線放射層５の温度を電圧の周波数に略同期するように変化させることが可能になる。つまり、気体層３を設けることで応答性を高めることが可能になる。
【００６６】
また、赤外線放射層５に印加する駆動電圧で赤外線の放射強度を制御する場合に、赤外線放射層５に投入する電力が同じであれば、シート抵抗が小さい赤外線放射層５ほど駆動電圧を低減することができる。駆動電圧が低ければ、昇圧による損失を低減できると共に、赤外線放射素子Ａ内の電界強度が小さくなって破損の可能性を低減できるから、シート抵抗は小さいほうが望ましい。
【００６７】
更に、赤外線放射層５は、温度上昇に伴ってシート抵抗が低下する負の抵抗温度係数を持っている。したがって、駆動電圧が同じであっても温度上昇に伴ってシート抵抗が低下して赤外線放射層５を流れる電流が増加する。すなわち、温度上昇に伴って投入電力が増加し、到達最高点温度を高くすることができる。
【００６８】
ちなみに、赤外線放射層５にＴａＮを用いて抵抗温度係数をー０．００１〔℃―１〕に設定し、駆動時の最高到達温度を５００〔℃〕として、その温度でのシート抵抗を３００〔Ωｓｑ〕とすれば、室温でのシート抵抗は５７１〔Ωｓｑ〕になる。
【００６９】
上述のように赤外線放射層５に負の抵抗温度係数を持たせることで、赤外線放射層５に印加する電圧を得るために電源電圧を昇圧回路により昇圧している場合に、到達最高点温度を高めながらも昇圧回路の昇圧比の増加を抑制することができることになり、昇圧回路での電力損失を抑制できる。
【００７０】
ここで、気体層３を備えていない場合には、断熱性能が不足して放熱性能が断熱性能を上回る。従って、１０ｋＨｚで変調された入力電圧が印加された場合、赤外線放射層５の温度は図４（ｃ）で示すように、昇温時間Ｔ１で所定の赤外線強度を得ることができる温度まで上昇せず、降温時間Ｔ２で放熱されて低温状態を維持することから上記効果を得ることができない。
【００７１】
また、図１２に示す従来例のダイヤフラム型赤外線放射素子５０において、凹部５２を気体層３とすると、基板５１の厚み（５２５μｍ）と凹部５２の深さが略等しいことから、気体層３の厚みＬｇがＬｇ＝５２５μｍとなり、前記式２を満たさず放熱性能が不足する。従って、１０ｋＨｚで変調された入力電圧が印加された場合、赤外線放射層５の温度は図４（ｄ）で示すように、昇温時間Ｔ１には気体層３が断熱層として働き昇温する。しかし、降温時間Ｔ２においては放熱性能が不足するため、発光層５４の温度は昇降温を繰り返す度に上昇し、過熱状態となって上記効果を得ることができない。
【００７２】
次に、支持部４は、多孔質層よりも機械的強度の高い単結晶シリコンによって下から上に向かって拡径する略円錐台状に形成されており、４つの支持部４が気体層３内において互いに所定の間隔を空けて設けられ、半導体基板１の上面と保持層２の下面とを連結すると共に保持層２を支持している。そのため、赤外線放射層５の昇降温による熱膨張差によって、保持層２が半導体基板１に付着することを防止でき、赤外線放射層５の昇温阻害や変形による破損を防止することができる。なお、本実施形態では、支持部４が保持層２の下面を支持しているが、支持部４が保持層２を貫通した状態で支持していてもよい。
【００７３】
また、特に半導体基板１が単結晶シリコンで、支持部４がその一部を残存した単結晶シリコンで形成される場合、支持部４と半導体基板１の接続部に発生する応力はゼロとなって支持部４の強度は更に高くなり、より効果的である。
【００７４】
ところで、本実施形態の赤外線放射素子Ａにおいて赤外線放射層５から放射される赤外線のピーク波長は、赤外線放射層５の温度に依存し、ピーク波長をλ（μｍ）、赤外線放射層５の絶対温度をＴ（Ｋ）とすれば、ピーク波長は、
λ＝２８９８／Ｔ・・・（式３）
となり、赤外線放射層５の絶対温度Ｔと赤外線放射層５から放射される赤外線のピーク波長λとの関係がウィーンの変位側を満たしている。要するに、図示しない外部電源から一対の電極６間に印加する電圧の振幅や波形を調整することにより、赤外線放射層５に単位時間当たりに発生するジュール熱を変化させる（つまり、赤外線放射層５の温度を変化させる）ことができて、赤外線放射層５から放射される赤外線のピーク波長λを変化させることができる。
【００７５】
例えば、一対の電極６間に１００Ｖ程度の電圧を印加することによりピーク波長λが３μｍ〜４μｍの赤外線を放射させることが可能であり、電極６間に印加する電圧を適宜調整することにより、ピーク波長λが４μｍ以上の赤外線を放射させることも可能である。
【００７６】
また、本実施形態の構成では、電極６への電圧印により赤外線放射層５に通電されると、図１にＥ１として示しているように、赤外線放射層５から上方へ赤外線が放射されると共に、赤外線放射層５から保持層２への伝熱により保持層２が加熱され、図１にＥ２として示しているように、保持層２の一部の温度上昇により保持層２からも赤外線が放射される。保持層２は、赤外線放射層５を支持しているから、赤外線放射層５から直接伝熱されることになり、赤外線放射層５を熱源として直熱型の赤外線放射源を構成していると言える。
【００７７】
ここで、赤外線放射層５は、赤外線透過性を有しており、保持層２から赤外線放射層５に向かう向きに放射された赤外線は赤外線放射層５を透過して赤外線放射層５の上方へ放射される。つまり、赤外線放射素子Ａからは、赤外線放射層５から上方へ放射される赤外線Ｅ１と、保持層２から赤外線放射層５を透過して赤外線放射層５の上方へ放射される赤外線Ｅ２とが併せて放射され、結果的に投入電力に対する赤外線の放射効率を高めることができる。
【００７８】
上記構成からなる本実施形態の赤外線放射素子Ａは、赤外線放射層５の昇温時に赤外線放射層５から保持層２に伝達した熱が気体層３によって断熱されるため、断熱層として働く気体層３によって赤外線放射層５の昇温が阻害されず昇温時間Ｔ１が短くなり、降温時には、赤外線放射層５から保持層２に伝達した熱が、気体層３を介して半導体基板１へと放熱されるため、放熱層として働く気体層３によって赤外線放射層５の降温時間Ｔ２を短くできる。従って、図４（ｂ）で示す赤外線放射層５の温度変化が、図４（ａ）で示す入力電圧の波形に同期して昇降温し、赤外線放射素子Ａは高出力な赤外線を放射すると共に高周波駆動することができ、低消費電力化を図ることができる。
【００７９】
以下、本実施形態の赤外線放射素子Ａの製造方法について図３（ａ）〜（ｅ）を用いて説明する。なお、上記赤外線放射素子Ａでは、支持部４が４つ形成されているが、本製造方法の説明においては、支持部４が１つであるものとして説明を行う。
【００８０】
まず、図３（ａ）に示すように、例えば、比抵抗が８０〜１２０Ωｃｍ程度の略矩形板状のｐ型半導体基板１の上面において所定の矩形領域を囲むＰ＋の不純物ドープ８を施すドープ工程を行い、当該矩形領域の左右方向略中央にＰ＋の不純物ドープ７を施すドープ工程を行う。その際、当該不純物ドープ７の径は、支持部４の径よりも大きくなるように施され、更に気体層３の厚みと同程度の厚みを持つように施される。
【００８１】
次に、アニール処置を行い不純物ドープ７，８を拡散及び活性化する。これにより、不純物ドープ７，８が施された領域は、ｎ型の陽極酸化マスクとなる。その後、図３（ｂ）に示すように、半導体基板１の上面において矩形枠状に形成された不純物ドープ８と当該不純物ドープ８よりも外側の領域とにかかる領域に、酸化処理（パイロ酸化）を行うことでシリコン酸化膜からなる陽極酸化マスク１１を施すマスク工程を行い。そして、半導体基板１の裏面のシリコン酸化膜を除去した後、バックコンタクト用のアルミ電極９をスパッタにより形成する。
【００８２】
そして、図３（ｃ）に示すように、前記矩形領域に陽極酸化処理を施す多孔質化工程を行うことによって、前記矩形領域内で不純物ドープ７，８が施された箇所を除いた領域が多孔質化され、多孔質層の保持層２が形成される。ここで、陽極酸化処理では、当該電解液として、フッ化水素水溶液とエタノールとを混合したフッ化水素３０％の溶液を用い、陽極酸化を行う表面のみを電解液に接触させ、半導体基板１の上面に図示しない白金電極を配置して、下面より通電可能な治具にセットし、所定の電流密度（例えば、１００ｍＡ／ｃｍ２）の電流を所定時間だけ流すことにより１μｍの厚みを持った多孔質層を形成する。
【００８３】
また、保持層２の厚みは、前記式１に基づいて形成されることで、赤外線放射層５は印加される電圧の周波数に対応して高速に昇温が行われ、大きな赤外線強度振幅を得ることができる。
【００８４】
続いて、図３（ｄ）に示すように、前記多孔質層からなる保持層２を介して保持層２と対向する半導体基板１の厚み方向の領域を電解研磨する電解研磨工程を行うことで気体層３を形成する。その際、不純物ドープ７が施された箇所の下方の半導体基板１を残存することで略円錐台状の支持部４が同時形成される。ここで、電解研磨処理では、当該電解液として、フッ化水素水溶液とエタノールとを混合したフッ化水素１５％の溶液を用い、陽極酸化を行う表面のみを電解液に接触させ、半導体基板１の上面に図示しない白金電極を配置して、下面から通電可能な治具にセットし、所定の電流密度（例えば、１０００ｍＡ／ｃｍ２）の電流を所定時間だけ流すことにより２５μｍの厚みを持った気体層３を形成する。
【００８５】
ここで、気体層３の厚みは、前記式２に基づいて形成されることで、気体層３が断熱層から放熱層に切り替わるタイミングと、赤外線放射層５に印加される電圧が昇圧から降圧に切り替わるタイミングとを略一致させることができ、赤外線放射層５に印加される電圧が高周波変調されている場合であっても、電圧の周波数に略同期して赤外線放射層５を昇降温させることができると共に、大きな赤外線放射振幅を得ることができる。
【００８６】
また、上記多孔質化工程及び電解研磨工程では等方的に処理が進行するため、不純物ドープ８が施されていない場合には、図６に示すように保持層２の周縁が陽極酸化マスク１１のみによって支持された状態となって機械的強度が小さいものとなる。しかし、本実施形態では、保持層２の周縁と半導体基板１の境界に不純物ドープ８が施されていることで、保持層２の周縁は不純物ドープ８によって形成されるｎ型シリコン基板を介して半導体基板１と接続されて機械的強度の大きいものとなっている。
【００８７】
そして、図３（ｅ）に示すように、陽極酸化マスク１１に囲まれた領域に、通電により発熱する貴金属（Ｉｒ）からなる赤外線放射層５を１００ｎｍ程度積層する赤外線放射層形成工程を行い、その後に当該赤外線放射層５の左右両端に一対の電極６を設ける電極形成工程を行う。ここで、電極６は、メタルマスクなどを利用した蒸着法などによって設けられる。なお、本実施形態では、赤外線放射層５として貴金属のＩｒから形成しているが材料はこれに限定されず、耐熱性金属、金属窒化物、金属炭化物等、通電により発熱する耐熱性材料であればよく、好ましくは放射率の高いものが望ましい。
【００８８】
以上、図３（ａ）〜（ｅ）で示される赤外線放射素子Ａの製造方法によれば、陽極酸化による多孔質化工程と陽極酸化による電解研磨工程の２段階の陽極酸化を施すことによって、低体積熱容量及び高断熱性を有する多孔質層（保持層２）を容易に中空上に形成することができる。
【００８９】
また、半導体基板１の上面において支持部４を形成する箇所に不純物ドープ７を施していることで、支持部４を形成する箇所にマスク工程で別途段差を伴う陽極酸化マスクを施す必要がないため、その上面に積層される赤外線放射層５に段切れや不均一な抵抗部の発生が起こらず、安定動作可能な赤外線放射素子Ａを製造できる。
【００９０】
更に、支持部４が形成されることで、電解研磨工程の後に行われる乾燥過程において保持層２が半導体基板１に付着することを防止することができる。
【００９１】
なお、本実施形態では、入力電圧として略正弦波状の電圧が印加されるが、入力電圧はこれに限定されず略矩形パルス状の電圧であってもよい。
【００９２】
また、本実施形態では、上述したように半導体基板１を陽極酸化により多孔質化したポーラス半導体を保持層２として用い、赤外線放射層５の発熱により赤外線を発生させるのに加えて、赤外線放射層５で保持層２を加熱することにより赤外線を発生させ、赤外線の放射効率を高めているが、保持層２として以下の構造を採用することにより、赤外線の放射効率を更に高めることが可能になる。
【００９３】
すなわち、保持層２は、図７に示すように、バルク状シリコンからなる数μｍのマクロポア（図示していないが、バルク状シリコンの表面が微視的に波打っている）内に、数ｎｍのナノポアが形成された構造を有する。この構成は、陽極酸化の際に、半導体基板１の導電型、比抵抗、陽極酸化の条件（電解液の組成、電流密度、処理時間）を調節することにより形成する。たとえば、半導体基板１として、１００Ωｃｍ程度の高抵抗のｐ型シリコン基板を用い、陽極酸化の条件としてはフッ酸濃度が２５％程度の高濃度のフッ酸溶液を用い、１００ｍＡ／ｃｍ２程度の比較的大きな電流密度で処理すればいい。
【００９４】
保持層２として図７に示す構造を採用すると、赤外線放射層５からの熱で保持層２が加熱されると、マクロポアによる空洞放射が生じて赤外線の放射率を一層高くすることができる。しかも、マクロポア内にナノポアが形成されていることにより、保持層２の表面にナノサイズの微細な凹凸が生じるだけであって、保持層２の表面状態が赤外線放射層５にほどんど影響しないから、赤外線放射層５を数十ｎｍ程度の厚みに形成することが可能である。
【００９５】
保持層２を赤外線の放射に寄与させるには、保持層２の厚み寸法を０．５μｍ以上に設定する必要がある。この厚み寸法は、前記式１を用いて、赤外線放射層５に印加する電圧の周波数との関係により設定される。
【００９６】
（実施形態２）
本実施形態における赤外線放射素子Ｂは、前記実施形態１の赤外線放射素子Ａと、赤外線放射層５の配置のみが異なる。なお、実施形態１の赤外線放射素子Ａと同様の機能を有するものについては同一の符号を付して説明を省略する。
【００９７】
前記実施形態１では、赤外線放射層５が保持層２の上面全面に積層されていたが、本実施形態では、図８に示すように、赤外線放射層５は、保持層２の上面において前後方向に３分割されて配設されており、３つの赤外線放射層５間に露出する２箇所の保持層２の下面側に左右方向に所定の間隔を空けて２つの支持部４がそれぞれ設けられている。なお、本実施形態では、赤外線放射層５は３箇所に分割されているが、分割数はこれに限定されず、２箇所または４箇所以上であってもよいものとする。
【００９８】
以上により、熱伝導率が保持層２に比べて高い赤外線放射層５が、支持部４に直接接しないため、赤外線放射層５で発生する熱が支持部４を介して半導体基板１側へ放熱されることを抑制でき、赤外線放射層５の発光効率を高めることができる。
【００９９】
また、赤外線放射層５と支持部４とが直接接していないことで、赤外線放射層５と支持部４との間に大きな温度勾配が発生することを抑制でき、当該温度勾配に起因する大きな熱応力によって赤外線放射層５と支持部４とが破損することを防止できる。
【０１００】
（実施形態３）
本実施形態における赤外線放射素子Ｃの製造方法について図９（ａ）〜（ｆ）を用いて説明を行う。なお、実施形態１の赤外線放射素子Ａと同様の機能を有するものについては、同一の符号を付して説明を省略する。また、図９における上下左右を基準として上下左右方向と直交する方向を前後方向とする。
【０１０１】
まず、図９（ａ）に示すように、半導体基板１の上面側において気体層３を形成する箇所に、プラズマＣＶＤによって５μｍ程度の厚みをもった犠牲層１３を積層する犠牲層形成工程を行う。
【０１０２】
次に、図９（ｂ）に示すように、半導体基板１の下面に陽極酸化処理時にバックコンタクト用に用いられるアルミ電極９を形成した後、不純物ドープ７が施された厚み１μｍのポリシリコン層（保持層）２によって犠牲層１３を覆設するポリシリコン層形成工程を行う。
【０１０３】
ここで、ポリシリコン層２の厚みは、前記式１に基づいて形成されることで、赤外線放射層５は印加される電圧の周波数に対応して高速に昇温が行われ、大きな赤外線強度振幅を得ることができる。
【０１０４】
そして、図９（ｃ）に示すように、犠牲層１３に略対向するポリシリコン層２の厚み方向の領域に、左右方向に所定の間隔を空けてＰ＋の不純物ドープ７をイオン注入法によって２箇所に施すドープ工程を行う。
【０１０５】
続いて、図９（ｄ）に示すように、ポリシリコン層２を陽極酸化することにより多孔質化を行う多孔質化工程を行う。これにより、前記不純物ドープ７が施された箇所は多孔質化されず、不純物ドープ７が施されていない箇所は多孔質化される。ここで、陽極酸化処理では、当該電解液として、フッ化水素水溶液とエタノールとを混合したフッ化水素３０％の溶液を用い、陽極酸化を行う表面のみを電解液に接触させ、ポリシリコン層２の上面に図示しない白金電極を配置して、下面から通電可能な治具にセットし、所定の電流密度（例えば、１００ｍＡ／ｃｍ２）の電流を所定時間だけ流すことにより多孔質層を形成する。
【０１０６】
更に、図９（ｅ）に示すように、犠牲層１３において、ポリシリコン層２の厚み方向で前記不純物ドープ７と対向する箇所は、エッチングによって除去せずに残存することで支持部を形成し、不純物ドープ７と対向していない箇所は、エッチングによって除去することで気体層３を形成するエッチング工程を行う。ここで、エッチングには、ＨＦ溶液が用いられる。
【０１０７】
ここで、気体層３の厚みは、前記式２に基づいて形成されることで、気体層３が断熱層から放熱層に切り替わるタイミングと、赤外線放射層５に印加される電圧が昇圧から降圧に切り替わるタイミングとを略一致させることができ、赤外線放射層５に印加される電圧が高周波変調されている場合であっても、電圧の周波数に略同期して赤外線放射層５を昇降温させることができると共に、大きな赤外線放射振幅を得ることができる。
【０１０８】
そして、図９（ｆ）に示すように、保持層２の上面に、通電により発熱する貴金属（Ｉｒ）かからなる赤外線放射層５を１００ｎｍ程度積層する赤外線放射層形成工程を行い、その後に当該赤外線放射層５の左右両端に一対の電極６を設ける電極形成工程を行う。ここで、電極６は、メタルマスクなどを利用した蒸着法などによって設けられる。なお、本実施形態では、赤外線放射層５として貴金属のＩｒから形成しているが材料はこれに限定されず、耐熱性金属、金属窒化物、金属炭化物等であってもよい。
【０１０９】
以上、図９（ａ）〜（ｆ）で示される赤外線放射素子Ｃの製造方法によれば、エッチングにより除去される犠牲層１３を設けた後に、犠牲層１３に覆設するポリシリコン層２を陽極酸化により多孔質層とし、当該多孔質層を介して犠牲層１３をエッチングすることで、気体層３を形成すると共に多孔質層を中空上に容易に形成することができる。
【０１１０】
また、予めポリシリコン層２に不純物ドープ７を施すことにより、ポリシリコン層２に陽極酸化されない領域を形成でき、犠牲層１３をエッチングする際にその厚み方向において不純物ドープ７と対向する箇所を残存することで、気体層３と支持部４とを容易に同時形成することができる。
【０１１１】
（実施形態４）
本発明の実施形態について図１０を用いて説明を行う。
【０１１２】
本実施形態における赤外線式ガス検知器は、図１０に示すように、赤外線放射素子Ａを有する赤外線送信器２０と、赤外線送信器２０から送信される赤外線を受光する赤外線検知器３０と、赤外線送信器２０から送信される赤外線を赤外線検知器３０へと導く導光管４０とを備え、例えば、ガス漏れ検知に用いられる。なお、本実施形態では、実施形態１で示す赤外線放射素子Ａを用いているが、実施形態２で示した赤外線放射素子Ｂ、または、実施形態３で示した赤外線放射素子Ｃであってもよい。
【０１１３】
赤外線送信器２０は、赤外線放射素子Ａと、赤外線放射素子Ａに単パルス電力を周期的に供給して赤外線を放射させる駆動回路（駆動手段）２１と、赤外線放射素子Ａを収納する中空箱型の第一の筐体２２と、第一の筐体２２の一面に貫設されると共に赤外線放射素子Ａから放射される赤外線を透過させて導光管４０へ導入させるレンズ２３とから構成される。なお、パルス電力は、単パルス、または、連続的な複数のパルスのいずれであってもよい。
【０１１４】
赤外線検知器３０は、中空箱型の第二のケース３１と、第二のケース３１の一面に貫設されて導光管４０から入射する赤外線の内で後述の検出ガスが吸収する波長帯の成分のみを透過させるフィルタ３２と、第二のケース３１内に配設されてフィルタ３２を透過する赤外線を受光する焦電型の赤外線受光素子（赤外線受光手段）３３と、赤外線受光素子３３の受光結果に基づいて検知信号を出力する検知回路（検知手段）３４とから構成される。
【０１１５】
フィルタ３２は、互いに異なる波長帯の赤外線を透過させる２つのバンドパスフィルタ３２１、３２２が、並設されることで構成されている。ここで、バンドパスフィルタ３２１，３２２は、検出対象とするガス（検出ガス）の種類によって通過させる赤外線の波長が決定される。
【０１１６】
そして、バンドパスフィルタ３２１、３２２には、それぞれ対向して赤外線受光素子３３１、３３２設けられている。なお、赤外線受光素子３３１，３３２を区別しない場合には、赤外線受光素子３３と称す。
【０１１７】
導光管４０は、金等の金属薄膜がスパッタ法によって内面全体に形成された筒状に形成され、一端が赤外線送信器２０のレンズ２３に対向し、他端が赤外線検知器３０のフィルタ３２に対向して大気中に設けられる。そして、導光管４０の筒壁には、検出対象のガスが流入または流出する複数の流入出孔４０ａが形成されており、大気中にガスが存在する場合には、流入出孔４０ａを介して導光管４０内にもガスが流入する。
【０１１８】
そして、導光管４０内にガスが流入した状態で赤外線送信器２０から導光管４０内へ赤外線が送出されると、当該赤外線は導光管４０内をガスを含んだ大気を介して赤外線検知器３０に到達する。
【０１１９】
ところで、検出ガスとしては、例えば、一酸化炭素や二酸化炭素、メタンガスを対象としており、ガスの種類によって吸収される赤外線の波長帯が異なっている（例えば、二酸化炭素を検出する場合には、４．２５μｍ）。そのため、導光管４０内にガスが存在する場合には、導光管４０内にガスが存在しない場合と比べて、当該導光管４０を介して赤外線検知器３０に入射する赤外線において、前記ガスによって吸収される波長帯の成分が、減少する。
【０１２０】
そして、赤外線検知器３０に到達した赤外線の内、バンドパスフィルタ３２１、３２２を透過する赤外線だけが、赤外線受光素子３３１、３３２にそれぞれ受光される。続いて、赤外線受光素子３３１，３３２は受光した赤外線量に基づいて受光信号を検知回路３４へ出力し、検知回路３４は、赤外線受光素子３３１、３３２から入力される受光信号の差分に基づいてガスの有無を判定し、検知信号を出力する。
【０１２１】
そして、上記赤外線式ガス検知器は、高出力、高周波駆動が可能な赤外線放射素子Ａを備えていることから、高精度、低消費電力化を図ることができる。
【０１２２】
なお、本実施形態では、フィルタ３２が２つのバンドパスフィルタ３２１，３２２を有しているが、バンドパスフィルタの数は３つ以上であってもよい。
【符号の説明】
【０１２３】
１  半導体基板
２  保持層
３  気体層
４  支持部
５  赤外線放射層
６  電極
２１  駆動回路（駆動手段）
３２  フィルタ
３３  赤外線受光素子（赤外線受光手段）
３４  検知回路（検知手段）
Ａ〜Ｃ  赤外線放射素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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