(57)【要約】【課題】赤外線の放射効率を向上させることが可能な赤外光源を提供する。【解決手段】赤外光源１００は、赤外線放射素子１と、パッケージ１０と、窓材２６と、反射素子４０とを備えている。赤外線放射素子１は、第１基板２と、第１基板２の一表面側に形成された第１絶縁層３と、第１絶縁層３に積層された発熱体層４と、発熱体層４に電気的に接続された２つのパッド９と、発熱体層４に積層された第２絶縁層５とを備え、第１基板２に貫通孔２ａが形成されている。第２絶縁層５及び第１絶縁層３は、発熱体層４から放射される赤外線に対して透明な材料により形成されている。反射素子４０は、第２基板４１と、第２基板４１の一表面側に設けられ発熱体層４から放射された赤外線を反射する反射膜４２とを備える。反射素子４０は、反射膜４２を赤外線放射素子１の第１絶縁層３側として貫通孔２ａ内に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線放射素子と、前記赤外線放射素子が収納されたパッケージと、前記パッケージにおける前記赤外線放射素子の一面側の窓孔を塞ぎ前記赤外線放射素子から放射された赤外線を透過させる窓材と、前記赤外線放射素子から前記一面側とは反対側に放射された赤外線を反射する反射素子とを備え、前記赤外線放射素子は、第１基板と、前記第１基板の一表面側に形成された第１絶縁層と、前記第１絶縁層に積層された発熱体層と、前記発熱体層に電気的に接続された複数のパッドと、前記発熱体層に積層された第２絶縁層とを備え、前記第１基板は、前記第１絶縁層における前記発熱体層側とは反対側の表面を露出させる貫通孔が形成されてなり、前記第２絶縁層及び前記第１絶縁層は、前記発熱体層から放射される赤外線に対して透明な材料により形成され、反射素子は、第２基板と、前記第２基板の一表面側に設けられ前記発熱体層から放射された赤外線を反射する反射膜とを備え、前記反射膜を前記第１絶縁層側として前記貫通孔内に配置されていることを特徴とする赤外光源。
【請求項２】
前記第２基板は、シリコン基板からなることを特徴とする請求項１記載の赤外光源。
【請求項３】
前記反射膜は、Ａｕ膜、Ａｌ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜、Ａｌ−Ｃｕ膜の群から選択される１つの金属膜であることを特徴とする請求項１又は２記載の赤外光源。
【請求項４】
前記パッケージは、前記赤外線放射素子及び前記反射素子の両方が接合される基体と、前記窓孔を有する蓋とを備え、前記赤外線放射素子は、第１ダイボンド材からなる第１接合部を介して前記基体に接合され、前記反射素子は、第２ダイボンド材からなる第２接合部を介して前記基体に接合され、前記第１ダイボンド材と前記第２ダイボンド材とは、同じ材料であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の赤外光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、赤外光源として、赤外線放射素子と、この赤外線放射素子が収納されたパッケージと、このパッケージにおける赤外線放射素子の前方に配置された窓とを備えた赤外光源が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１には、この種の赤外光源の従来例として、図４に示す構成を有する赤外線放射器が記載されている。この赤外線放射器は、マイクロブリッジ構造の赤外線放射素子１１０と、赤外線放射素子１１０がマウントされたケース基板１２０と、円筒ケース１２５と、円筒ケース１２５の上面を覆う窓１２６とを備えている。また、この赤外線放射器は、ケース基板１２０を貫通しケース基板１２０に固定されたリード端子１２１、１２２を備えている。赤外線放射素子１１０の電極１１４、１１５とリード端子１２１、１２２とは、金ワイヤー１２３、１２４でそれぞれ接続されている。
【０００４】
また、特許文献１には、例えば、図５及び図６に示すように、素子基板１３１と、補強基板１４３とを備えた赤外線放射素子１３０が提案されている。ここで、素子基板１３１は、ｎ型シリコンで形成されている。一方、補強基板１４３は、アルミナやサファイアにより形成されている。
【０００５】
素子基板１３１は、一面１３１ａ側から反対面１３１ｂ側に貫通する穴１３２が形成されている。また、赤外線放射素子１３０は、素子基板１３１の一面１３１ａ側に発熱部１３３ａを有している。発熱部１３３ａは、穴１３２の開口面の中央を横切る橋梁状に形成されている。
【０００６】
また、赤外線放射素子１３０は、補強基板１４３の上面１４３ａのうち、素子基板１３１の穴１３２の底を形成する部分に、赤外線に対して高い反射率を有する反射膜１４４が設けられている。特許文献１には、この赤外線放射素子１３０によれば、発熱部１３３ａから補強基板１４３側へ放射された赤外線が、反射膜１４４によって素子基板１３１の一面１３１ａ側へ反射されるので、赤外線の放射効率が高くなる旨が記載されている。
【０００７】
また、特許文献１には、素子基板１３１の一面１３１ａ側で発熱部１３３ａを枠状体とカバーとで覆うことで、発熱部１３３ａの汚れなどによる劣化がなく、信頼性が高くなる旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２３６１１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の赤外線放射素子１３０では、素子基板１３１の反対面１３１ｂ側に固定される補強基板１４３の上面１４３ａに反射膜１４４が形成されている。このため、上述の赤外線放射素子１３０では、反射膜１４４で反射された赤外線が、素子基板１３１の穴１３２の内側面に入射し、反射されたり、素子基板１３１で吸収されてしまう懸念がある。
【００１０】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、赤外線の放射効率を向上させることが可能な赤外光源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の赤外光源は、赤外線放射素子と、前記赤外線放射素子が収納されたパッケージと、前記パッケージにおける前記赤外線放射素子の一面側の窓孔を塞ぎ前記赤外線放射素子から放射された赤外線を透過させる窓材と、前記赤外線放射素子から前記一面側とは反対側に放射された赤外線を反射する反射素子とを備え、前記赤外線放射素子は、第１基板と、前記第１基板の一表面側に形成された第１絶縁層と、前記第１絶縁層に積層された発熱体層と、前記発熱体層に電気的に接続された複数のパッドと、前記発熱体層に積層された第２絶縁層とを備え、前記第１基板は、前記第１絶縁層における前記発熱体層側とは反対側の表面を露出させる貫通孔が形成されてなり、前記第２絶縁層及び前記第１絶縁層は、前記発熱体層から放射される赤外線に対して透明な材料により形成され、反射素子は、第２基板と、前記第２基板の一表面側に設けられ前記発熱体層から放射された赤外線を反射する反射膜とを備え、前記反射膜を前記第１絶縁層側として前記貫通孔内に配置されていることを特徴とする。
【００１２】
この赤外光源において、前記第２基板は、シリコン基板からなることが好ましい。
【００１３】
この赤外光源において、前記反射膜は、Ａｕ膜、Ａｌ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜、Ａｌ−Ｃｕ膜の群から選択される１つの金属膜であることが好ましい。
【００１４】
この赤外光源において、前記パッケージは、前記赤外線放射素子及び前記反射素子の両方が接合される基体と、前記窓孔を有する蓋とを備え、前記赤外線放射素子は、第１ダイボンド材からなる第１接合部を介して前記基体に接合され、前記反射素子は、第２ダイボンド材からなる第２接合部を介して前記基体に接合され、前記第１ダイボンド材と前記第２ダイボンド材とは、同じ材料であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の赤外光源においては、赤外線の放射効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態の赤外光源の概略断面図である。
【図２】実施形態の赤外光源における赤外線の進行経路の模式的な説明図である。
【図３】（ａ）は実施形態の赤外光源における赤外線放射素子の概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。
【図４】従来例の赤外線放射器の説明図である。
【図５】他の従来例を示す赤外線放射素子の平面図である。
【図６】図５のＢ−Ｂ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下では、本実施形態の赤外光源１００について図１〜図３に基づいて説明する。
【００１８】
赤外光源１００は、赤外線放射素子１と、赤外線放射素子１が収納されたパッケージ１０と、パッケージ１０における赤外線放射素子１の一面側の窓孔２５ａを塞ぎ赤外線放射素子１から放射された赤外線（赤外光）を透過させる窓材２６とを備えている。また、赤外光源１００は、赤外線放射素子１から上記一面側とは反対側に放射された赤外線を反射する反射素子４０とを備えている。
【００１９】
赤外線放射素子１は、第１基板２と、第１基板２の一表面側に形成された第１絶縁層３と、第１絶縁層３に積層された発熱体層４と、発熱体層４に電気的に接続された２つのパッド９と、発熱体層４に積層された第２絶縁層５とを備えている。なお、図１（ａ）は、第２絶縁層５の図示を省略してある。
【００２０】
第１基板２は、第１絶縁層３における発熱体層４側とは反対側の表面を露出させる貫通孔２ａが形成されている。
【００２１】
第２絶縁層５及び第１絶縁層３は、発熱体層４から放射される赤外線に対して透明な材料により形成されている。
【００２２】
また、赤外線放射素子１は、図３に示すように、第１基板２の上記一表面側で発熱体層４の周部に接するように形成された一対の電極７，７を備えており、各電極７の各々に配線８を介して上述のパッド９が電気的に接続されている。
【００２３】
反射素子４０は、第２基板４１と、第２基板４１の一表面側に設けられ発熱体層４から放射された赤外線を反射する反射膜４２とを備えている。反射素子４０は、反射膜４２を赤外線放射素子１の第１絶縁層３側として貫通孔２ａ内に配置されている。
【００２４】
パッケージ１０は、赤外線放射素子１及び反射素子４０の両方が接合される基体２０と、窓孔２５ａを有する蓋２５とを備えている。ここで、赤外線放射素子１は、第１ダイボンド材からなる第１接合部２７を介して基体２０に接合されている。また、反射素子４０は、第２ダイボンド材からなる第２接合部２８を介して基体２０に接合されている。赤外線放射素子１及び反射素子４０は、基体２０の一表面側において同一平面上に配置されているのが好ましい。
【００２５】
図２は、発熱体層４から放射された赤外線の進行経路を模式的に説明するための図である。図２中の一点鎖線は、発熱体層４から第２絶縁層５側へ放射された赤外線の進行経路を示している。また、図２中の破線は、発熱体層４から第１絶縁層３側へ放射された赤外線の進行経路を示している。図２から分かるように、赤外光源１００は、発熱体層４から第２絶縁層５側へ放射された赤外線が窓材２６を通して外部へ出射されるだけでなく、発熱体層４から第１絶縁層３側へ放射された赤外線が反射素子４０の反射膜４２で反射され、第１絶縁層２３、発熱体層４、第２絶縁層２５及び窓材２６を通して外部へ出射される。
【００２６】
以下では、赤外光源１００の各構成要素について詳細に説明する。
【００２７】
赤外線放射素子１の第１基板２は、上記一表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板により形成されているが、これに限らず、（１１０）面の単結晶のシリコン基板により形成してもよい。また、第１基板２は、単結晶のシリコン基板に限らず、多結晶のシリコン基板でもよいし、シリコン基板以外でもよい。第１基板２の材料は、第１絶縁層３の材料よりも熱伝導率が大きく且つ熱容量が大きな材料が好ましい。
【００２８】
第１基板２の外周形状は、矩形状である。第１基板２の外形サイズは、特に限定するものではないが、例えば、１０ｍｍ□以下（１０ｍｍ×１０ｍｍ以下）に設定するのが好ましい。第１基板２の外周形状は、矩形状であれば、正方形状に限らず、長方形状でもよい。また、第１基板２の外周形状は、矩形状に限らず、例えば、矩形以外の多角形状でもよい。
【００２９】
また、第１基板２は、貫通孔２ａの開口形状を矩形状としてある。第１基板２の貫通孔２ａは、上記一表面側に比べて他表面側での開口面積が大きくなる形状に形成されている。ここで、第１基板２の貫通孔２ａは、第１絶縁層３から離れるほど開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されている。要するに、貫通孔２ａは、四角錐台状の形状に形成されている。第１基板２の貫通孔２ａは、第１基板２をエッチングすることにより形成されている。第１基板２として上記一表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板を採用している場合、第１基板２の貫通孔２ａは、アルカリ系溶液をエッチング液として用いた異方性エッチングにより形成することができる。第１基板２の貫通孔２ａの開口形状は、特に限定するものではなく、例えば、矩形以外の多角形状や円形状などでもよい。また、第１基板２の貫通孔２ａは、上記一表面側から上記他表面側にかけて開口面積が一様な形状に形成してもよい。
【００３０】
また、赤外線放射素子１は、製造時において貫通孔２ａを形成する際のマスク層が無機材料からなる場合、第１基板２の上記他表面側に、マスク層が残っていてもよい。なお、マスク層としては、例えば、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜などを採用することができる。
【００３１】
第１絶縁層３は、図３に示すように、貫通孔２ａと発熱体層４とを隔離するダイヤフラム部３Ｄと、第１基板２の上記一表面側で貫通孔２ａの周部に形成されダイヤフラム部３Ｄを支持する支持部３Ｓとからなる。
【００３２】
また、第１絶縁層３は、第１基板２側のシリコン酸化膜３１と、シリコン酸化膜３１における第１基板２側とは反対側に積層されたシリコン窒化膜３２とからなる。第１絶縁層３は、シリコン酸化膜３１とシリコン窒化膜３２との積層膜に限らず、例えば、シリコン酸化膜３１やシリコン窒化膜３２の単層構造でもよいし、その他の材料からなる単層構造や、２層以上の積層構造でもよい。
【００３３】
第１絶縁層３は、赤外線放射素子１の製造時において第１基板２の上記他表面側から第１基板２をエッチングして貫通孔２ａを形成する際のエッチングストッパ層としての機能も有している。
【００３４】
発熱体層４は、平面形状を矩形状としてある。発熱体層４の平面サイズは、第１絶縁層３において貫通孔２ａに臨む表面の平面サイズよりも小さく設定するのが好ましい。つまり、発熱体層４は、ダイヤフラム部３Ｄの平面サイズよりも小さく設定するのが好ましい。ここで、ダイヤフラム部３Ｄの平面サイズは、特に限定するものではないが、例えば、５ｍｍ□以下に設定するのが好ましい。
【００３５】
発熱体層４の平面サイズは、各電極７の各々が重なる各コンタクト領域を除いた放射領域の平面サイズが３ｍｍ□以下となるように設定するのが好ましい。発熱体層４の平面形状は、矩形状に限らず、例えば、矩形以外の多角形状、円形状、楕円形状、格子状などでもよい。
【００３６】
発熱体層４の材料は、窒化タンタルを採用している。つまり、発熱体層４は、窒化タンタル層からなる。発熱体層４の材料は、窒化タンタルに限らず、例えば、窒化チタン、ニッケルクロム、タングステン、チタン、トリウム、白金、ジルコニウム、クロム、バナジウム、ロジウム、ハフニウム、ルテニウム、ボロン、イリジウム、ニオブ、モリブデン、タンタル、オスミウム、レニウム、ニッケル、ホルミウム、コバルト、エルビウム、イットリウム、鉄、スカンジウム、ツリウム、パラジウム、ルテチウムなどを採用してもよい。また、発熱体層４の材料としては、導電性ポリシリコンを採用してもよい。つまり、発熱体層４は、導電性ポリシリコン層により構成してもよい。発熱体層４について、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は、窒化タンタル層もしくは導電性ポリシリコン層を採用することが好ましい。窒化タンタル層は、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。導電性ポリシリコン層は、不純物濃度など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。導電性ポリシリコン層は、ｎ形不純物もしくはｐ形不純物が高濃度にドーピングされたｎ形ポリシリコン層もしくはｐ形ポリシリコン層により構成することができる。導電性ポリシリコン層をｎ形ポリシリコン層とし、ｎ形不純物として例えばリンを採用する場合には、不純物濃度を例えば、１×１０１８ｃｍ−３〜５×１０２０ｃｍ−３程度の範囲で適宜設定すればよい。また、導電性ポリシリコン層をｐ形ポリシリコン層とし、ｐ形不純物として例えばボロンを採用する場合には、不純物濃度を１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３程度の範囲で適宜設定すればよい。なお、発熱体層４の材料について、第１基板２と発熱体層４との線膨張係数差に伴う熱応力に起因して発熱体層４が破壊されるのを防止するという観点からは、第１基板２の材料との線膨張係数差が小さい材料が好ましい。
【００３７】
赤外線放射素子１は、発熱体層４への通電により発熱体層４から赤外線が放射される。赤外線放射素子１において発熱体層４から放射される赤外線のピーク波長は、発熱体層４の温度に依存する。ここで、発熱体層４の絶対温度をＴ〔Ｋ〕、ピーク波長をλ〔μｍ〕とすれば、これらは、λ＝２８９８／Ｔの関係を満足している。つまり、発熱体層４の絶対温度Ｔと発熱体層４から放射される赤外線のピーク波長λとの関係は、ウィーンの変位則を満足している。したがって、赤外線放射素子１では、発熱体層４が黒体を構成している。
【００３８】
赤外線放射素子１は、例えば、図示しない外部電源から一対のパッド９，９間に与える入力電力を調整することにより、発熱体層４に発生するジュール熱を変化させることができ、発熱体層４の温度を変化させることができる。したがって、赤外線放射素子１は、発熱体層４への入力電力に応じて発熱体層４の温度を変化させることができる。また、赤外線放射素子１は、発熱体層４の温度を変化させることで発熱体層４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。このため、赤外線放射素子１は、広範囲の赤外線波長域において赤外線を放射させることが可能となる。例えば、赤外光源１００をガスセンサの赤外光源として使用する場合には、発熱体層４から放射される赤外線のピーク波長λを４μｍ程度にするのが好ましく、発熱体層４の温度を８００Ｋ程度とすればよい。ここにおいて、赤外線放射素子１は、発熱体層４が上述のように黒体を構成している。これにより、赤外線放射素子１は、発熱体層４の単位面積が単位時間に放射する全エネルギＥがＴ４に略比例するものと推測される（つまり、シュテファン−ボルツマンの法則を満足するものと推測される）。なお、赤外線放射素子１は、発熱体層４の温度を高くするほど赤外線の放射量を増大させることが可能となる。
【００３９】
第２絶縁層５は、シリコン窒化膜により構成してある。第２絶縁層５は、これに限らず、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。第２絶縁層５は、発熱体層４への通電時に発熱体層４から放射される所望の波長ないし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。
【００４０】
同様に、上述の第１絶縁層３は、発熱体層４への通電時に発熱体層４から放射される所望の波長ないし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。
【００４１】
赤外線放射素子１は、第１絶縁層３と発熱体層４と第２絶縁層５とで構成されるサンドイッチ構造の応力バランスを考慮して、第１絶縁層３及び第２絶縁層５それぞれの材料や厚さなどを設定することが好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、上述のサンドイッチ構造の応力バランスを向上させることが可能となり、このサンドイッチ構造の反りや破損を、より抑制することが可能となって、機械的強度のより一層の向上を図ることが可能となる。
【００４２】
上述の発熱体層４の厚さは、発熱体層４の低熱容量化を図るという観点から０．２μｍ以下とするのが好ましい。
【００４３】
第１絶縁層３の厚さと発熱体層４の厚さと第２絶縁層５の厚さとの合計厚さは、１０μｍ以下が好ましい。また、この合計厚さは、第１絶縁層３と発熱体層４と第２絶縁層５との積層構造の低熱容量化を図るという観点や赤外線の放射効率を向上させるという観点から、例えば、０．１μｍ〜１μｍ程度の範囲で設定することが好ましく、０．７μｍ以下とするのがより好ましい。
【００４４】
一対の電極７，７は、第１基板２の上記一表面側において、発熱体層４の周部（図３（ａ）における左右両端部）と接する形で形成されている。各電極７は、第２絶縁層５に形成されたコンタクトホール５ａを通して発熱体層４上に形成され、発熱体層４と電気的に接続されている。ここで、各電極７は、発熱体層４とオーミック接触をなしている。
【００４５】
各電極７の材料としては、アルミニウム合金（Ａｌ−Ｓｉ）を採用している。各電極７の材料は、特に限定するものではなく、例えば、金、銅などを採用してもよい。また、各電極７は、少なくとも、発熱体層４と接する部分が発熱体層４とオーミック接触が可能な材料であればよく、単層構造に限らず、多層構造でもよい。例えば、各電極７は、発熱体層４側から順に、第１層、第２層、第３層が積層された３層構造として、発熱体層４に接する第１層の材料を高融点金属（例えば、クロムなど）とし、第２層の材料をニッケルとし、第３層の材料を金としてもよい。
【００４６】
各配線８及び各パッド９は、各電極７と同じ材料により形成され、同じ層構造、同じ厚さに設定するのが好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、各配線８及び各パッド９を各電極７と同時に形成することが可能となる。パッド９の厚さは、０．５〜２μｍ程度の範囲で設定することが好ましい。
【００４７】
赤外線放射素子１の製造にあたっては、例えば、第１基板２の上記一表面側に、第１絶縁層３、発熱体層４、第２絶縁層５を順次形成してから、第２絶縁層５にコンタクトホール５ａを形成し、その後、各電極７、各配線８及び各パッド９を形成し、続いて、第１基板２に貫通孔２ａを形成すればよい。
【００４８】
第１絶縁層３のシリコン酸化膜３１の形成方法は、例えば、熱酸化法やＣＶＤ（ChemicalVapor Deposition）法などの薄膜形成技術を採用することができ、熱酸化法が好ましい。また、第１絶縁層３のシリコン窒化膜３２の形成方法は、ＣＶＤ法などの薄膜形成技術を利用することができ、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法が好ましい。
【００４９】
発熱体層４の形成方法は、例えば、スパッタ法や蒸着法やＣＶＤ法などの薄膜形成技術と、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用した加工技術とを利用することができる。
【００５０】
第２絶縁層５の形成方法は、例えば、ＣＶＤ法などの薄膜形成技術と、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用した加工技術とを利用することができる。第２絶縁層５を形成する際のＣＶＤ法としては、プラズマＣＶＤ法が好ましい。
【００５１】
コンタクトホール５ａの形成にあたっては、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用すればよい。
【００５２】
また、各電極７、各配線８及び各パッド９の形成にあたっては、例えば、スパッタ法、蒸着法及びＣＶＤ法などの薄膜形成技術と、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用した加工技術とを利用することができる。また、貫通孔２ａの形成にあたっては、第１基板２の上記他表面側のシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜（図示せず）をマスク層として、第１基板２を上記他表面側からエッチングすることにより形成すればよい。マスク層を形成するにあたっては、例えば、まず、第１絶縁層３のシリコン酸化膜３１の形成と同時に第１基板２の上記他表面側にマスク層の基礎となるシリコン酸化膜を形成し、第１絶縁層３のシリコン窒化膜３２の形成と同時に第１基板２の上記他表面側にシリコン窒化膜を形成する。マスク層の基礎となるシリコン酸化膜とシリコン窒化膜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すればよい。
【００５３】
本実施形態の赤外線放射素子１の製造方法では、貫通孔２ａの形成時に、第１絶縁層３をエッチングストッパ層として利用することにより、第１絶縁層３の厚さの精度を高めることが可能となるとともに、第１絶縁層３における貫通孔２ａ側に第１基板２の一部や残渣が残るのを防止することが可能となる。この製造方法では、赤外線放射素子１ごとの、第１絶縁層３の機械的強度のばらつきや、第１絶縁層３のダイヤフラム部３Ｄ全体の熱容量のばらつきを抑制することが可能となる。
【００５４】
上述の赤外線放射素子１の製造にあたっては、貫通孔２ａの形成が終了するまでのプロセスを、ウェハレベルで行い、貫通孔２ａを形成した後、個々の赤外線放射素子１に分離すればよい。つまり、赤外線放射素子１の製造にあたっては、例えば、第１基板２の基礎となるシリコンウェハを準備して、このシリコンウェハに複数の赤外線放射素子１を上述の製造方法に従って形成し、その後、個々の赤外線放射素子１に分離すればよい。
【００５５】
上述の赤外線放射素子１の製造方法から分かるように、赤外線放射素子１は、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）の製造技術を利用して製造することができる。
【００５６】
ところで、発熱体層４は、パッケージ１０内において、第２絶縁層５が接する雰囲気（例えば、窒素ガス雰囲気など）とのインピーダンス不整合による赤外線の放射率の低下を抑制するようにシート抵抗を設定してある。
【００５７】
例えば、発熱体層４の材料として窒化タンタルを採用する場合、発熱体層４のシート抵抗は、発熱体層４の基礎となる窒化タンタル層を反応性スパッタ法により成膜する際の窒素ガスの分圧によって制御することが可能である。要するに、発熱体層４の材料として窒化タンタルを採用する場合、窒化タンタル層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。また、発熱体層４の材料として導電性ポリシリコンを採用する場合、発熱体層４のシート抵抗は、発熱体層４の基礎となる導電性ポリシリコン層の不純物濃度などを変えることにより、変えることが可能である。導電性ポリシリコン層の不純物濃度を制御する方法として、ノンドープのポリシリコン層を形成した後で不純物をドーピングする方法、成膜時に不純物をドーピングする方法などがある。
【００５８】
赤外線放射素子１において、第２絶縁層５が接する雰囲気が窒素ガス雰囲気であり、発熱体層４の材料として窒化タンタルを採用し、発熱体層４を所望の使用温度として例えば５００℃に加熱して使用する場合、この使用温度で発熱体層４からの赤外線の放射率が最大となるシート抵抗は、１８９Ω／□（１８９Ω／sq.）であり、放射率の最大値は、５０％である。つまり、赤外線放射素子１は、発熱体層４のシート抵抗を１８９Ω／□とすれば、空気とのインピーダンスマッチングにより、赤外線の放射率を最大とすることが可能となる。したがって、放射率の低下を抑制して例えば４０％以上の放射率を確保するためには、発熱体層４のシート抵抗を７３〜４９３Ω／□の範囲で設定すればよい。なお、所望の使用温度において放射率が最大となるシート抵抗を規定シート抵抗と呼ぶことにすれば、所望の使用温度での発熱体層４のシート抵抗は、規定シート抵抗±１０％の範囲で設定するのが、より好ましい。
【００５９】
赤外線放射素子１は、基板２の上記一表面側に形成された積層構造（ここでは、第１絶縁層３、発熱体層４及び第２絶縁層５）の熱容量を低減することにより、一対のパッド９，９間へ与える電圧波形に対する発熱体層４の温度変化の応答を速くすることが可能となって発熱体層４の温度が上昇しやすくなり、高出力化及び応答速度の高速化を図ることが可能となる。
【００６０】
また、赤外線放射素子１は、第１基板２を単結晶のシリコン基板から形成し、第１絶縁層３をシリコン酸化膜３１とシリコン窒化膜３２とで構成してある。これにより、赤外線放射素子１は、第１絶縁層３に比べて第１基板２の熱容量及び熱伝導率それぞれが大きく、第１基板２がヒートシンクとしての機能を有するので、小型化、入力電力に対する応答速度の高速化、赤外線の放射特性の安定性の向上を図ることが可能となる。また、赤外線放射素子１では、発熱体層４の材料として、シリコンよりも高融点の窒化タンタルを採用すれば、発熱体層４の温度をシリコンの最高使用温度（シリコンの融点よりもやや低い温度）まで上昇させることが可能となり、赤外線発光ダイオードに比べて赤外線の放射量を大幅に増大させることが可能となる。また、赤外線放射素子１は、各電極７において少なくとも発熱体層４に接する部位がシリコンよりも高融点の金属により形成されていれば、発熱体層４の温度を各電極７の材料に制約されることなく上昇させることが可能となる。
【００６１】
赤外線放射素子１は、発熱体層４、電極７、配線８及びパッド９が、平面視において一対の電極７，７の並ぶ方向に直交する赤外線放射素子１の中心線を対称軸として線対称に配置されていることが好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、機械的強度のより一層の向上を図ることが可能となるとともに、発熱体層４の温度の面内ばらつきを抑制することが可能なる。
【００６２】
反射素子４０の第２基板４１は、上記一表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板により形成されているが、これに限らず、（１１０）面の単結晶のシリコン基板により形成してもよい。また、第２基板４１は、単結晶のシリコン基板に限らず、例えば、金属基板、ガラス基板などでもよい。第２基板４１としては、上記一表面の表面粗さが小さなものが好ましい。表面粗さについては、例えば、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１−２００１（ＩＳＯ  ４２８７−１９９７）で規定されている算術平均粗さＲａが１０ｎｍ以下であることが好ましく、数ｎｍ以下であることが、より好ましい。
【００６３】
第２基板４１の外周形状は、矩形状である。第２基板４１の外形サイズは、第１基板２の貫通孔２ａの開口サイズよりも小さい。第２基板４１の外周形状は、赤外線放射素子１の第１絶縁層３において貫通孔２ａに臨む表面と相似形であるのが好ましい。また、第２基板４１の外形サイズは、赤外線放射素子１に接触しない範囲で大きく設定することが好ましい。反射素子４０の反射膜４２と赤外線放射素子１の第１絶縁層３との相対的な位置関係については、反射素子４０が発熱体層４の温度に影響を与えないとみなせる範囲で、より近づけるのが好ましい。反射素子４０が発熱体層４の温度に影響を与えないとみなせるとは、反射素子４０と発熱体層４とが熱絶縁されているとみなせることを意味し、発熱体層４への通電時に、反射素子４０の影響で発熱体層４の温度上昇が抑制されないことを意味する。ここで、反射素子４０の反射膜４２と赤外線放射素子１の第１絶縁層３との距離は、例えば、５０〜１００μｍ程度の範囲で設定すればよい。そこで、第２基板４１の厚さ寸法は、第１基板４１の厚さ寸法よりも小さく設定してある。このため、第２基板４１の元となるシリコンウェハの厚さ寸法は、第１基板２の元となるシリコンウェハの厚さ寸法よりも小さく設定してある。
【００６４】
反射素子４０の反射膜４２は、例えば、Ａｕ膜、Ａｌ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜、Ａｌ−Ｃｕ膜の群から選択される１つの金属膜であることが好ましい。反射素子４０は、反射膜４２としてＡｕ膜を採用すれば、Ａｌ膜を採用する場合に比べて、反射率が高く且つ耐腐食性が高いので、反射性及び信頼性を向上させることが可能となる。また、反射素子４０は、反射膜４２として、Ａｌ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜、Ａｌ−Ｃｕ膜などを採用すれば、Ａｕ膜を採用する場合に比べて、低コスト化を図ることが可能となる。また、反射素子４０は、反射膜４２として、Ａｇ膜やＣｕ膜などの他の金属膜を採用してもよい。
【００６５】
反射膜４２は、金属膜により構成する場合、この金属膜の表面が鏡面となる成膜条件で成膜することが好ましい。
【００６６】
反射膜４２は、金属膜に限らず、誘電体多層膜でもよい。反射素子４０は、反射膜４２として金属膜や誘電体多層膜を採用する場合、反射膜４２を蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などによって容易に形成することが可能となる。
【００６７】
反射素子４０は、第２基板４１としてシリコン基板を採用することにより、一般的な半導体製造プロセスを利用して製造することが可能となる。この場合、反射素子４０の製造にあたっては、反射膜４２の形成が終了するまでのプロセスを、ウェハレベルで行い、その後、個々の反射素子４０に分離すればよい。つまり、反射素子４０の製造にあたっては、例えば、第２基板４１の基礎となるシリコンウェハを準備して、このシリコンウェハに複数の反射素子４０を形成し、その後、個々の反射素子４０に分離すればよい。反射素子４０は、第２基板４１としてシリコン基板を採用することにより、上記一表面を鏡面とすることができる。言い換えれば、シリコンウェハは、少なくとも一表面が鏡面であるのが一般的であり、第２基板４１の元としてシリコンウェハを利用すれば、第２基板４１の上記一表面を鏡面とすることができる。また、反射素子４０は、上述の製造方法を採用することにより、個々の反射素子４０を個別に製造する場合に比べて、生産性を向上させることが可能となり、低コスト化を図ることが可能となる。
【００６８】
反射素子４０は、反射膜４２を赤外線放射素子１の第１絶縁層３側として貫通孔２ａ内に配置されている。
【００６９】
パッケージ１０の基体２０は、赤外線放射素子１及び反射素子４０がそれぞれ第１接合部２７及び第２接合部２８を介して接合されている。第１接合部２７の第１ダイボンド材としては、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、低融点ガラス、半田などを採用することができる。また、第２接合部２８の第２ダイボンド材としては、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、低融点ガラス、半田などを採用することができる。ところで、例えば、第１ダイボンド材と第２ダイボンド材との一方をエポキシ樹脂、他方をシリコーン樹脂とした場合には、これらが混じることでシリコーン樹脂の硬化が阻害されてしまうことがある。本実施形態の赤外光源１００では、第１接合部２７と第２接合部２８との距離が短いので、第１ダイボンド材と第２ダイボンド材とが混じることで接合性能が低下してしまうのを抑制するために、第１ダイボンド材と第２ダイボンド材とを同じ材料とすることが好ましい。赤外光源１００は、第１ダイボンド材と第２ダイボンド材とを同じ材料とすることにより、製造時に、赤外線放射素子１と反射素子４０とを同一工程で実装することが可能となり、生産性を向上させることが可能となる。なお、赤外線放射素子１及び反射素子４０は、第１ダイボンド材及び第２ダイボンド材を用いずに、例えば、表面活性化接合法や、共晶接合法などによって、基体２０と接合してもよい。
【００７０】
基体２０は、金属製のステムにより構成されている。基体２０は、円板状に形成されている。基体２０には、この基体２０の厚み方向に貫通する２つのリード端子２１，２２が設けられている。赤外光源１００は、赤外線放射素子１の一対のパッド９，９のうちの一方のパッド９が一方のリード端子２１にワイヤ２３を介して電気的に接続され、他方のパッドが他方のリード端子２２にワイヤ２４を介して電気的に接続されている。ワイヤ２３，２４としては、例えば、金ワイヤやＡｌワイヤなどを採用することができる。
【００７１】
一方のリード端子２１は、基体２０の第１孔２０ｂに挿通され、電気絶縁性を有する封着用のガラスからなる第１封止部２０ｄにより封着されている。また、他方のリード端子２２は、基体２０の第２孔（図示せず）に挿通され、第２封止部（図示せず）により封着されている。第２封止部の材料としては、電気絶縁性を有する封着用のガラスを採用してもよいし、封着用の金属材料を採用してもよい。赤外光源１００は、第２封止部の材料として金属材料を採用することにより、リード端子２２と基体２０とを同電位とすることができる。
【００７２】
蓋２５は、金属製のキャップにより構成されている。蓋２５は、有底円筒状の形状に形成されており、開放端側（後面側）が基体２０により閉塞されている。また、蓋２５は、赤外線放射素子１の上記一面側に位置する前壁に窓孔２５ａが形成されている。窓孔２５ａの開口形状は、矩形状としてあるが、これに限らず、例えば、矩形以外の多角形状や円形状などでもよい。
【００７３】
パッケージ１０は、基体２０の周部に形成されたフランジ部２０ｃと、蓋２５の開放端（後端縁）から外方に延設された外鍔部２５ｃとが溶接により封着されている。
【００７４】
基体２０及び蓋２５の外周形状は、円形状としてあるが、円形状に限らず、例えば、矩形状でもよい。
【００７５】
上述の説明から分かるように、パッケージ１０は、キャンパッケージにより構成されているが、これに限らず、表面実装型のパッケージとしてもよい。この場合、基体２０は、例えば、適宜の導体パターンが設けられたセラミック基板により構成することが好ましい。セラミック基板は、平板状の形状でもよいし、一表面が開放された箱状（例えば、矩形箱状）の形状としてもよい。基体２０を構成するセラミック基板が平板状の場合、蓋２５は、例えば、基体２０側の一面が開放された箱状の金属キャップにより構成することができる。また、基体２０を構成するセラミック基板が、上記一表面が開放された箱状の場合、蓋２５は、例えば、基体２０の上記一表面を塞ぐ平板状の金属板により構成することができる。
【００７６】
基体２０がセラミック基板の場合には、基体２０の周部に枠状の金属パターンを設けて、蓋２５と基体２０の金属パターンとを、シーム溶接（抵抗溶接法）により金属接合することにより、気密性を高めることができる。なお、この場合、蓋２５は、例えば、コバールにより形成され、ニッケルのめっきが施されていることが好ましい。また、基体２０の金属パターンは、例えば、コバールにより形成され、ニッケルのめっきが施され、さらに金のめっきが施されていることが好ましい。
【００７７】
窓材２６は、例えば、シリコン基板やサファイア基板などを採用することができる。窓材２６の材料は、シリコンやサファイアに限らず、例えば、ゲルマニウム、硫化亜鉛や砒化ガリウムなどを採用することもできる。ただし、窓材２６の材料は、硫化亜鉛や砒化ガリウムなどに比べて環境負荷が少なく且つ、ゲルマニウムに比べて低コスト化が可能であり、しかも、硫化亜鉛に比べて波長分散が小さなシリコンを採用することが好ましい。窓材２６の材料は、赤外線放射素子１から放射させる赤外線のピーク波長λなどに基づいて適宜の材料を採用すればよい。
【００７８】
また、窓材２６は、赤外線入射面２６ａ側と赤外線出射面２６ｂ側との両方に、赤外線放射素子１から放射される赤外線の反射を防止する反射防止膜（ＡＲコート：anti-reflection coat）を設けることが好ましい。窓材２６は、反射防止膜の代わりに、光学フィルタ膜を設けてもよい。光学フィルタ膜の光学特性（フィルタ特性）は、赤外線放射素子１から放射させる赤外線のピーク波長や波長帯に基づいて適宜設計すればよい。光学フィルタ膜は、例えば、屈折率の異なる複数種類の薄膜を交互に積層することにより形成することができる。この種の薄膜の材料としては、例えば、ゲルマニウム、硫化亜鉛、硫化セレン、アルミナ、酸化シリコン、窒化シリコン、フッ化マグネシウムなどを採用することができる。赤外光源１００は、窓材２６に適宜の光学フィルタ膜を設けることにより、所望の波長域以外の不要な波長域の赤外線や可視光を光学フィルタ膜によりカットすることが可能となる。
【００７９】
また、窓材２６は、赤外線入射面２６ａ側と赤外線出射面２６ｂ側との一方に光学フィルタ膜を設け、他方に赤外線の反射を防止する反射防止膜を設けた構成としてもよい。反射防止膜については、光学フィルタ膜と同様の材料を採用し、積層構造を適宜設計すればよい。
【００８０】
上述の光学フィルタ膜や反射防止膜などの光学膜は、蒸着法やスパッタ法などの薄膜形成技術を利用して成膜した後で、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パターニングするようにしてもよいし、レーザ光によるパターニングやダイシングソーを利用したパターニングを行うようにしてもよい。また、上述の光学膜を蒸着法やスパッタ法などの薄膜形成技術を利用して成膜する際に、適宜のシャドーマスクを配置して所定領域のみに光学膜を形成するようにすれば、光学膜の成膜後に光学膜をパターニングする工程が不要となる。
【００８１】
窓材２６は、蓋２５に接合部２９を介して接合されている。ここで、赤外光源１００は、窓材２６の周部と蓋２５における窓孔２５ａの周部とが全周に亘って接合されている。窓材２６と蓋２５とを接合している接合部２９の材料としては、例えば、半田、エポキシ樹脂、低融点ガラスなどを採用することができる。
【００８２】
接合部２９の材料として半田を採用する場合には、窓材２６において接合部２９に対応する領域に、半田に対する濡れ性の良い金属材料からなるメタライズ膜（金属膜）を設けることが好ましい。低融点ガラスとしては、鉛フリーの低融点ガラスを用いることが好ましい。
【００８３】
窓材２６は、蓋２５における窓孔２５ａの内周面および周部に位置決めされる段差部２６ｃを、周部の全周に亘って形成してある。窓材２６は、段差部２６ｃを、接合部２９を介して蓋２５の窓孔２５ａの周部の全周に亘って接合すればよい。また、赤外光源１００は、窓材２６に段差部２６ｃを設けてあることにより、接合部２９の材料が窓材２６の赤外線入射面２６ａや赤外線出射面２６ｂへ流れ込むのを抑制することが可能となる。段差部２６ｃは、例えば、分割前のシリコンウェハの段階でダイシングブレードなどを利用して形成してもよいし、ダイシング工程よりも前にフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して形成するようにしてもよい。
【００８４】
窓材２６は、平板状であり、周部に段差部２６ｃが形成されているが、この形状に限らない。
【００８５】
例えば、窓材２６は、レンズ部とレンズ部を全周に亘って囲むフランジ部とが連続一体に形成されている半導体レンズにより構成してもよい。半導体レンズは、例えば、所望のレンズ形状に応じて半導体基板（例えば、シリコン基板など）との接触パターンを設計した陽極を半導体基板の一表面側に半導体基板との接触がオーミック接触となるように形成した後に半導体基板の構成元素の酸化物をエッチング除去する溶液からなる電解液中で半導体基板の他表面側を陽極酸化することで除去部位となる多孔質部を形成してから当該多孔質部を除去することにより形成することができる。この種の半導体レンズの製造方法については、例えば、特許第３８９７０５５号公報、特許第３８９７０５６号公報などに開示されている半導体レンズの製造方法などを適用できる。なお、上述の半導体レンズは、例えば、半導体基板として半導体ウェハ（例えば、シリコンウェハ）を用い、多数の半導体レンズ（シリコンレンズ）を形成した後に、ダイシングなどによって個々の半導体レンズに分離すればよい。また、上述の半導体レンズは、フランジ部に、段差部２６ｃを形成してもよい。
【００８６】
赤外光源１００は、パッケージ１０と窓材２６とで囲まれた内部空間（気密空間）を、窒素ガス雰囲気としてあるが、これに限らず、例えば、真空雰囲気としてもよい。また、赤外光源１００は、パッケージ１０の内部空間を真空雰囲気とする場合、パッケージ１０内の残留ガスなどを吸着するゲッタをパッケージ１０内に設けることが好ましい。ここで、ゲッタの材料としては、例えば、ジルコニウムの合金やチタンの合金などからなる非蒸発ゲッタを採用すればよい。
【００８７】
以上説明した本実施形態の赤外光源１００は、赤外線放射素子１と、パッケージ１０と、窓材２６と、反射素子４０とを備えている。ここで、赤外線放射素子１は、第１基板２と、第１基板２の一表面側に形成された第１絶縁層３と、第１絶縁層３に積層された発熱体層４と、発熱体層４に電気的に接続された２つのパッド９と、発熱体層４に積層された第２絶縁層５とを備え、第１基板２に貫通孔２ａが形成されている。また、第２絶縁層５及び第１絶縁層３は、発熱体層４から放射される赤外線に対して透明な材料により形成されている。また、反射素子４０は、第２基板４１と、第２基板４１の一表面側に設けられ発熱体層４から放射された赤外線を反射する反射膜４２とを備え、反射膜４２を赤外線放射素子１の第１絶縁層３側として貫通孔２ａ内に配置されている。しかして、本実施形態の赤外光源１００では、反射素子４０で反射された赤外線が赤外線放射素子１における第１基板２の貫通孔２ａの内周面に入射するのを抑制することが可能となり、赤外線の放射効率を向上させることが可能となる。ここにおいて、本実施形態の赤外光源１００では、第１基板２の厚さ寸法と反射素子４０の厚さ寸法との差により、第１絶縁層３と反射膜４２との距離を決めることが可能となり、反射膜４２を第１絶縁層３に接触させることなく、近づけることが可能となる。
【符号の説明】
【００８８】
１  赤外線放射素子
２  第１基板
２ａ  貫通孔
３  第１絶縁層
４  発熱体層
５  第２絶縁層
１０  パッケージ
２０  基体
２５  蓋
２５ａ  窓孔
２６  窓材
２７  第１接合部
２８  第２接合部
４０  反射素子
４１  第２基板
４２  反射膜
１００  赤外光源
【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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