(57)【要約】【課題】最表面の微細構造の溝の深さが精度良く加工された赤外線光源を提供することを目的とする。【解決手段】発熱体１５と、最表面が第一の金属層Ｌ２１からなる放射体２３とを備えた赤外線の赤外線光源１０１であって、前記第一の金属層Ｌ２１が、前記放射体２３から放射される赤外線がピークを有するよう、表面プラズモン共鳴を発現可能とする波長オーダーの微細構造を有し、前記第一の金属層Ｌ２１の下には、前記第一の金属層Ｌ２１とは異なる材質からなる第二の層Ｌ２２が積層されていることを特徴とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体と、最表面が第一の金属層からなる放射体とを備えた赤外線の赤外線光源であって、
前記第一の金属層は、前記放射体から放射される赤外線がピークを有するよう、表面プラズモン共鳴を発現可能とする波長オーダーの微細構造を有し、
前記第一の金属層の下には、前記第一の金属層とは異なる材質からなる第二の層が積層されていることを特徴とする赤外線光源。
【請求項２】
前記第二の層の材質の屈折率の虚部が、前記第一の金属層の材質の屈折率の虚部に対して３０％以上の差があることを特徴とする請求項１に記載の赤外線光源。
【請求項３】
前記第二の層の下に、前記第二の層とは異なる材質からなる第三の金属層が積層されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の赤外線光源。
【請求項４】
前記第二の層が不動態膜を形成する金属からなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の赤外線光源。
【請求項５】
前記第一の金属層が金または金を含有する合金であり、前記第二の層がチタンまたはチタンを含有する合金であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の赤外線光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種センサや検出器等に利用される赤外線光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線光源は、医療分野や自動車分野等で検出器やセンサとして広く用いられており、抵抗体に通電することにより発熱して放射される放射光を赤外線光源として用いることが一般的に知られている。このような赤外線光源は、表面温度に応じた幅広い波長の光を放射するが、例えばセンサ等に用いる場合には、特定の波長の赤外線だけを用いるように、バンドパスフィルタや光学フィルタを通してその一部を用いるようにしている。これにより、大部分の波長は、利用されずエネルギー効率が悪い上に、フィルタを通すことにより有用な特定波長の赤外線の一部も吸収されてしまうと言う問題があった。このため、センサの出力変化を確保して十分な感度を得るために、赤外線光源から放射される特定波長の赤外線エネルギーを大きくしたいという要望があった。
【０００３】
そこで、特許文献１では、図１２に示すようなプラズモン共鳴を利用した回折格子型の赤外光源９００が提案されている。図１２に示す赤外光源９００は、特定波長の赤外線を発する赤外線光源であって、格子９０１とセラミックヒータ等の発熱体９０７とを備え、格子９０１には、金属等の負の誘電体材料部９０３と中空またはシリコンなどの半導体を用いた正の誘電体材料部９０５とから構成されている。そして、格子９０１の周期をＰ、格子９０１の深さをＤ、正の誘電体材料部９０５の幅をＴ、特定の波長をλとした場合に、０＜Ｐ＜２.０λ及びＴ＜０.５ＰであるＰ、ＴおよびＤに対して、赤外光源９００から発せられる赤外線強度のピーク波長が所望の波長と一致するようにＰ、Ｔ及びＤを定めるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３２４１２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そして、この従来例のような赤外光源９００を実用的に用いる場合、赤外光源９００から発せられる赤外線強度のピーク波長と所望の波長とを一致させるためには、設計された周期Ｐ、深さＤ、幅Ｔの寸法を正確に作製する必要があった。しかしながら、このような最表面の微細構造を設計寸法通りに精度良く加工することが難しかった。特に、フォトリソグラフィー法を用いてある程度精度良く決められる周期Ｐ及び幅Ｔの寸法に対して、加工条件を制御して決められる深さＤの寸法を精度良く得ることが難しいと言う課題があった。
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するもので、最表面の微細構造の溝の深さが精度良く加工された赤外線光源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題を解決するために、本発明の請求項１による赤外線光源は、発熱体と、最表面が第一の金属層からなる放射体とを備えた赤外線の赤外線光源であって、前記第一の金属層が、前記放射体から放射される赤外線がピークを有するよう、表面プラズモン共鳴を発現可能とする波長オーダーの微細構造を有し、前記第一の金属層の下には、前記第一の金属層とは異なる材質からなる第二の層が積層されていることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の請求項２による赤外線光源は、前記第二の層の材質の屈折率の虚部が、前記第一の金属層の材質の屈折率の虚部に対して３０％以上の差があることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の請求項３による赤外線光源は、前記第二の層の下に、前記第二の層とは異なる材質からなる第三の金属層が積層されていることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の請求項４による赤外線光源は、前記第二の層が不動態膜を形成する金属からなることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明の請求項５による赤外線光源は、前記第一の金属層が金または金を含有する合金であり、前記第二の層がチタンまたはチタンを含有する合金であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の発明によれば、本発明の赤外線光源は、最表面の第一の金属層の下には、第一の金属層とは異なる材質からなる第二の層が積層されているので、第一の金属層の微細構造の溝加工を行う際に、第二の層により深さ方向の溝加工が止まり、第二の層を第一の金属層の深さ方向の溝加工用ストッパーとして利用することができる。このため、溝の深さを精度良く加工することができる。このことにより、最表面の微細構造を設計寸法通りに精度良く作製することができ、赤外線の強度のピーク波長を所望の波長と精度良く一致させることができる。したがって、最表面の微細構造の溝の深さが精度良く加工された赤外線光源を提供することができる。
【００１３】
請求項２の発明によれば、本発明の赤外線光源は、第二の層の材質の屈折率の虚部が、第一の金属層の材質の屈折率の虚部に対して３０％以上の差がある際に、第二の層の膜厚の変化による強度のピーク波長の半値幅の変化が顕著になる。このため、第二の層の膜厚を任意に変えることにより、ピーク波長の半値幅の調節を任意に行うことができる。これにより、赤外線光源が用いられる用途によって、赤外線光源の赤外線のスペクトル波形を用途から要望されるスペクトル波形に任意に合わせることができる。このことにより、用途に合わせた赤外線光源の設計を容易にすることができる。
【００１４】
請求項３の発明によれば、本発明の赤外線光源は、最表面の微細構造によるプラズモン共鳴が第二の層の膜厚が薄いことに起因して、更に下層の影響を受けるような場合であっても、第二の層の下層に、第二の層とは異なる材質からなる第三の金属層が積層されているので、第二の層の更に下層の影響を抑制することができる。このため、第二の層の膜厚を薄く形成させることができるので、第二の層の膜厚がより薄い側での半値幅の調節が可能となる。このことにより、第二の層の膜厚を変える範囲が広がり、ピーク波長の半値幅の調節範囲を広くすることができる。また、第二の層の膜厚を薄く形成するので、第二の層の成膜工程を短くすることができ、製造コストを安価にすることができる。
【００１５】
請求項４の発明によれば、本発明の赤外線光源は、第二の層が不動態膜を形成する金属からなるので、第一の金属層の微細構造の溝加工を行う際に、この不動態膜により深さ方向の溝加工が確実に止まり、第二の層を第一の金属層の深さ方向の溝加工用ストッパーとしてより良く利用することができる。このことにより、溝の深さをより精度良く加工することができ、最表面の微細構造を設計寸法通りにより精度良く作製することができる。
【００１６】
請求項５の発明によれば、本発明の赤外線光源は、第一の金属層が金または金を含有する合金であり、第二の層がチタンまたはチタンを含有する合金であるので、ドライ加工またはウェット加工による加工レートが、第一の金属層が大きく第二の層が小さくなっている。このため、第二の層の溝加工が更に進む前に、第一の金属層の溝加工を終了することができ、第一の金属層の微細構造の溝加工を行う際に、第二の層により深さ方向の溝加工が確実に止まり、第二の層を第一の金属層の深さ方向の溝加工用ストッパーとしてより一層良く利用することができる。このことにより、溝の深さをより一層精度良く加工することができ、最表面の微細構造を設計寸法通りにより一層精度良く作製することができる。
【００１７】
したがって、本発明の赤外線光源は、最表面の微細構造の溝の深さが精度良く加工された赤外線光源を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態の赤外線光源を説明する斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態の赤外線光源についてのシミュレーション結果を説明する構成図であって、図２（ａ）は、シミュレーションのモデル図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のモデル図における電界強度分布の模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態の赤外線光源のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図４】本発明の第１実施形態の赤外線光源のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図５】本発明の第１実施形態の赤外線光源の作製方法を説明する工程図であって、図５（ａ）は、第三の金属層及び第二の層が形成された状態を示し、図５（ｂ）は、図５（ａ）の上層に第一の層が形成された状態を示し、図５（ｃ）は、レジスト膜がパターニングされた状態を示し、図５（ｄ）は、第一の金属層がエッチングされた状態を示し、図５（ｅ）は、レジスト膜が剥離された状態を示している。
【図６】本発明の第２実施形態の赤外線光源を説明する斜視図である。
【図７】本発明の第２実施形態の赤外線光源についてのシミュレーションのモデル図である。
【図８】本発明の第１実施形態の赤外線光源の変形例を説明したグラフであり、図８（ａ）は、第二の層の材質をクロムに変えた変形例１のシミュレーション結果を示し、図８（ｂ）は、第二の層の材質をニッケルに変えた変形例２のシミュレーション結果を示している。
【図９】本発明の第１実施形態の赤外線光源の比較例を説明したグラフであり、図９（ａ）は、第二の層の材質を銅に変えた比較例１のシミュレーション結果を示し、図９（ｂ）は、第二の層の材質をアルミニウムに変えた比較例２のシミュレーション結果を示している。
【図１０】本発明の第１実施形態の赤外線光源の変形例を説明したグラフであり、図１０(ａ)は、第二の層の材質を二酸化シリコンに変えた変形例３のシミュレーション結果を示し、図１０（ｂ）は、第二の層の材質をシリコンに変えた変形例４のシミュレーション結果を示している。
【図１１】本発明の第１実施形態の赤外線光源に関して行ったシミュレーション結果をまとめたグラフである。
【図１２】従来例における赤外光源の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１を説明する構成図である。なお、図１は、模式的に構成を示すもので、実際のサイズを正確に示していない。
【００２１】
本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１は、図１に示すように、発熱体１５と、最表面層が第一の金属層Ｌ２１からなる放射体２３とを備えて構成され、第一の金属層Ｌ２１の下層には、第一の金属層Ｌ２１とは異なる材質からなる第二の層Ｌ２２が積層されており、更に、第二の層Ｌ２２の下層には、第二の層Ｌ２２とは異なる材質からなる第三の金属層Ｌ２３が積層されている。また、放射体２３の最表面には、一定方向に延びる凹溝２４が一定な周期Ｐで形成されており、第一の金属層Ｌ２１を貫通して第二の層Ｌ２２の表面まで達する凹溝２４は、幅Ｗ、深さＤの矩形状の断面を有している。
【００２２】
発熱体１５は、板状の形状をしており、アルミナ等のセラミックヒータを用いている。発熱体１５は、放射体２３の裏面側に密着させて配置し、放射体２３を加熱するためのヒータである。なお、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１の発熱体１５に、セラミックヒータを用いたが、放射体２３を加熱できれば良く、電熱線ヒータやハロゲンヒータ等でも良い。
【００２３】
放射体２３の第一の金属層Ｌ２１は、金または金を含有する合金で作製されており、図１示すように、第一の金属層Ｌ２１に波長オーダーの微細な加工が施されており、放射体２３の最表面には、前述した凹溝２４が形成された微細構造を有している。このため、発熱体１５による放射体２３の加熱により、凹溝２４の内部で表面プラズモン共鳴が発現し、特定の波長の赤外線だけが放射するようになる。放射される赤外線の強度のピーク波長は、凹溝２４の一定な周期Ｐ、凹溝２４の幅Ｗ及び凹溝２４の深さＤを適切に選ぶことで任意に設定できる。その際には、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１は、Ｗ＞０.５Ｐ、及びＤ／Ｗ＜０.５の条件を満たしているのが好ましい。なお、凹溝２４の一定方向に延びた長さは、１００μｍ前後である。
【００２４】
放射体２３の第二の層Ｌ２２は、第一の金属層Ｌ２１とは異なる材質で、チタンまたはチタンを含有する合金で作製されており、凹溝２４の底面２４ｂを形成している。第二の層Ｌ２２は、チタンまたはチタンを含有する合金からなる金属なので、表面に露出している底面２４ｂの部分が不動態膜を形成している。
【００２５】
放射体２３の第三の金属層Ｌ２３は、第二の層Ｌ２２とは異なる材質で、金または金を含有する合金で作製されており、発熱体１５の上面側に積層されている。
【００２６】
このように構成された本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１について、モデルを作成して、赤外線光源１０１から放射される赤外線のシミュレーションを行った。このシミュレーションは、解析手法にＲＣＷＡ法（Rigorous Coupled Wave Analysis）を用い、解析計算モデルとして、放射体の外部から、ある波長の光を放射体に入射した際の放射体の吸収効率を求め、その結果（吸収効率）が放射効率と等価であるとし、放射体から放射される、ある波長に対する強度とした。
【００２７】
図２は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１についてのシミュレーション結果を説明する構成図であって、図２（ａ）は、シミュレーションのモデル図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のモデル図における電界強度分布の模式図である。図３は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１のシミュレーション結果を示したグラフである。図３のグラフは、横軸が波長、縦軸が赤外線の強度を示している。また、モデルに用いた赤外線光源１０１は、第一の金属層Ｌ２１を金として、凹溝２４の形状が、周期Ｐ＝４.２４μｍ、幅Ｗ＝２.５μｍ、深さＤ＝０.１６μｍとし、第二の層Ｌ２２をチタンとして、この厚みをＴ２２＝０.０５μｍとし、第三の金属層Ｌ２３を金として、この厚みをＴ２３＝１.０μｍとした。なお、図２は、模式的に構成を示すもので、実際のサイズを正確に示していない。
【００２８】
その結果、図２（ｂ）に示すように、放射体２３の最表面に形成された微細構造により、表面プラズモン共鳴が発現し、図３に示すように、波長λ＝４.２５μｍ付近にピーク強度を有する赤外線が得られた。このピーク波長λｐ１１が、二酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）が吸収する波長λＣＯ２＝４.２６μｍとほぼ一致するので、二酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）センサ用の赤外線光源１０１として好適に利用することができる。
【００２９】
更に、上述したモデルを用いて、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１についてシミュレーションをおこなった。図４は、本発明の第２実施形態の赤外線光源１０１のシミュレーション結果を示したグラフであり、図４（ａ）は、第二の層Ｌ２２の厚みＴ２２を変えた場合の放射体２３から放射される波長と赤外線の強度とを示したグラフであり、図４（ｂ）は、第二の層Ｌ２２の厚みを変えた場合の第二の層Ｌ２２の厚みとピーク波長λｐｎの半値幅とを示したグラフである。
【００３０】
その結果、放射体２３の最表面に形成された微細構造により、表面プラズモン共鳴が発現し、図４（ａ）に示すように、第二の層Ｌ２２の厚みＴ２２＝１０ｎｍ、厚みＴ２２＝３０ｎｍ、厚みＴ２２＝５０ｎｍのそれぞれにおいて、いずれも波長λ＝４.２５μｍ付近にピーク強度を有する赤外線が得られた。また、第二の層Ｌ２２の厚みＴ２２が、厚くなるにともない、このピーク波長λｐｎの半値幅が広くなっている。この半値幅が広くなる傾向は、図４（ｂ）に示すように、第二の層Ｌ２２の厚みＴ２２が１００ｎｍ〜１５０ｎｍ程度変化したところ迄続き、それ以上の厚みＴ２２の変化では半値幅が変わらず、一定となっていた。
【００３１】
以上の結果により、本発明の赤外線光源１０１を二酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）センサ用として利用する際に、本発明の赤外線光源１０１は、二酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）が吸収する波長λＣＯ２の半値幅、具体的には１００ｎｍ程度に対して、赤外線光源１０１の第二の層Ｌ２２の厚みＴ２２を１００ｎｍ〜１５０ｎｍ程度に選択することで、赤外線光源１０１のピーク波長λｐｎの半値幅を４０ｎｍ程度とすることができ、波長λＣＯ２の半値幅の１００ｎｍ程度に近づけることができる。このことにより、赤外線光源１０１のピーク波長λｐｎの半値幅が狭い場合と比較して、より効率的に二酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）が吸収して、二酸化炭素ガス（ＣＯ２ガス）センサの感度を向上させることができる。
【００３２】
このように、赤外線光源１０１の用途によっては、赤外線光源１０１のピーク波長λｐｎの半値幅が狭ければ狭いほど良いと言うものではなく、例えば吸収される波形になるべく合わせたいと言う要望があった。そのような場合、従来例では、周期Ｐ、幅Ｔ（幅Ｗ）、深さＤをそれぞれ変えて設計を行い波形が合うようにするが、１つのパラメータを変えるとピーク波長が変化してしまい、他のパラメータを変えて合わせ込もうとしても、ピーク波長と半値幅を所望の値に合わせ込むのは非常に困難であった。
【００３３】
本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１では、第二の層Ｌ２２の厚みＴ２２を変えるだけで、ピーク波長λｐｎを大きく変化させることなく半値幅を変化させることができ、設計を容易にすることができる。このように行えるのは、第二の層Ｌ２２のチタンの屈折率の虚部が、第一の金属層Ｌ２１の金の屈折率の虚部に対して３０％以上の差があることが起因していると考える。つまり、金の屈折率の虚部をＩｍ（Ａｕ）、チタンの屈折率の虚部をＩｍ（Ｔｉ）として、第一の金属層Ｌ２１と第二の層Ｌ２２との屈折率の虚部の比率差＝｛Ｉｍ（Ｔｉ）−Ｉｍ（Ａｕ）｝／Ｉｍ（Ａｕ）×１００とすると、この比率差が−７３（％）と、大きな値になっている。
【００３４】
ここで、第二の層Ｌ２２の材質をチタンから別の金属の材質に変えて、シミュレーションを行った。図８は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１の変形例を説明したグラフであり、図８(ａ)は、第二の層Ｌ２２の材質をクロム（Ｃｒ）に変えた変形例１のシミュレーション結果を示し、図８（ｂ）は、第二の層Ｌ２２の材質をニッケル（Ｎｉ）に変えた変形例２のシミュレーション結果を示している。図９は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１の比較例を説明したグラフであり、図９(ａ)は、第二の層Ｌ２２の材質を銅（Ｃｕ）に変えた比較例１のシミュレーション結果を示し、図９（ｂ）は、第二の層Ｌ２２の材質をアルミニウム（Ａｌ）に変えた比較例２のシミュレーション結果を示している。
【００３５】
本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１のチタン（Ｔｉ）と同様に、第二の層Ｌ２２がクロムの場合、図８（ａ）に示すように、第二の層Ｌ２２のクロムの厚みＴＣ１２が、厚くなるにともない、ピーク波長の半値幅が広くなっており、クロムの厚みＴＣ１２が１００ｎｍ程度変化したところ迄続き、それ以上の厚みＴＣ１２の変化では半値幅が変わらず、一定となっていた。また、第二の層Ｌ２２がニッケルの場合も同様、図８（ｂ）に示すように、第二の層Ｌ２２のニッケルの厚みＴＣ２２が、厚くなるにともない、ピーク波長λｐｎの半値幅が広くなっており、ニッケルの厚みＴＣ２２が７０ｎｍ程度変化したところ迄続き、それ以上の厚みＴＣ２２の変化では半値幅が変わらず、一定となっていた。
【００３６】
一方、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１のチタンとは違い、第二の層Ｌ２２が銅の場合、図９（ａ）に示すように、銅の厚みＴｐ１２が厚くなってもピーク波長λｐｎの半値幅に全く変化が見られなかった。また、第二の層Ｌ２２がアルミニウムの場合、図９（ｂ）に示すように、アルミニウムの厚みＴｐ２２が厚くなってもピーク波長λｐｎの半値幅に殆ど変化が見られなかった。同様にして、図示はしないが、第二の層Ｌ２２がタングステンの場合、タングステンの厚みが厚くなってもピーク波長λｐｎの半値幅に殆ど変化が見られなかった。
【００３７】
次に、第二の層Ｌ２２の材質を金属から別の材質に変えて、シミュレーションを行った。図１０は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１の変形例を説明したグラフであり、図１０(ａ)は、第二の層Ｌ２２の材質を二酸化シリコン（ＳｉＯ２）に変えた変形例３のシミュレーション結果を示し、図１０（ｂ）は、第二の層Ｌ２２の材質をシリコン（Ｓｉ）に変えた変形例４のシミュレーション結果を示している。なお、金の屈折率の虚部Ｉｍ（Ａｕ）と二酸化シリコンの屈折率の虚部Ｉｍ（ＳｉＯ２）との屈折率の虚部の比率差＝｛Ｉｍ（ＳｉＯ２）−Ｉｍ（Ａｕ）｝／Ｉｍ（Ａｕ）×１００は、＋１００（％）であり、金の屈折率の虚部Ｉｍ（Ａｕ）とシリコンの屈折率の虚部Ｉｍ（Ｓｉ）との屈折率の虚部の比率差は、＋１００（％）である。
【００３８】
本発明の赤外線光源１０１の金属と同様に、第二の層Ｌ２２がセラミックの二酸化シリコンの場合、図１０（ａ）に示すように、第二の層Ｌ２２の二酸化シリコンの厚みＴＣ３２が、厚くなるにともない、ピーク波長λｐｎの半値幅が広くなっており、二酸化シリコンの厚みＴＣ３２が１５０ｎｍ程度変化したところ迄続き、それ以上の厚みＴＣ３２の変化では半値幅が変わらず、一定となっていた。また、第二の層Ｌ２２が半導体のシリコンの場合、図１０（ｂ）に示すように、第二の層Ｌ２２のシリコンの厚みＴＣ４２が、厚くなればなるほど、ピーク波長λｐｎの半値幅が広くなっており、シミュレーションの範囲内では、一定にならなく、半値幅が広くなる傾向であった。
【００３９】
以上のシミュレーション結果をまとめたグラフを図１１に示す。図１１のグラフは、横軸に上述した比率差、縦軸に第二の層Ｌ２２が無い場合の半値幅に対する最大に変化した場合の半値幅の変化率を示している。図１１中の黒丸で示した点が本シミュレーションの結果であり、Ｔｉはチタン、Ｃｒはクロム、Ｎｉはニッケル、Ｃｕは銅、Ａｌはアルミニウム、Ｗはタングステン、ＳｉＯ２は二酸化シリコンの場合の結果を示している。なお、シリコンの結果は、今回行ったシミュレーションの中で、半値幅の変化が一定にならなかったので、グラフの中の最大の変化率の値にして、仮に黒三角で示している。
【００４０】
図１１に示すように、第二の層Ｌ２２の金属の材質の屈折率の虚部が、第一の金属層Ｌ２１の材質の屈折率の虚部に対して３０％以上の差がある際に、第二の層Ｌ２２の膜厚の変化によるピーク波長λｐｎの半値幅の変化が顕著になる。また、第二の層Ｌ２２が金属でなくても、例えばセラミック，半導体であっても、第二の層Ｌ２２の材質の屈折率の虚部が、第一の金属層Ｌ２１の材質の屈折率の虚部に対して３０％以上の差があれば差があるほど、第二の層Ｌ２２の膜厚変化に対するピーク波長の半値幅の変化が大きい。これにより、第二の層Ｌ２２の膜厚を任意に変えることにより、ピーク波長λｐｎの半値幅の調節を任意に行うことができる。このことにより、赤外線光源１０１が用いられる用途によって、赤外線光源１０１の赤外線のスペクトル波形を用途から要望されるスペクトル波形に合わせることができる。このことにより、用途に合わせた赤外線光源１０１の設計を容易にすることができる。
【００４１】
また、第一の金属層Ｌ２１と第二の層Ｌ２２とで形成された凹溝２４によるプラズモン共鳴が、第二の層Ｌ２２の膜厚が薄いことに起因して、更に下層の影響を受けるような場合がある。このような際に、第二の層Ｌ２２の下層に、第二の層Ｌ２２とは異なる材質からなる第三の金属層Ｌ２３が積層されているので、第二の層Ｌ２２の更に下層の影響が抑制されるようになる。特に、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１の第三の金属層Ｌ２３が第一の金属層Ｌ２１と同じ材質の金なので、最表面の微細構造によるプラズモン共鳴は第三の金属層Ｌ２３による影響を殆ど受けない。このため、第二の層Ｌ２２の膜厚を薄く形成させることができるので、第二の層Ｌ２２の膜厚がより薄い側での半値幅の調節が可能となる。このことにより、第二の層Ｌ２２の膜厚を変える範囲が広がり、ピーク波長λｐｎの半値幅の調節範囲を広くすることができる。また、第二の層Ｌ２２の膜厚を薄く形成するので、第二の層Ｌ２２の成膜工程を短くすることができ、製造コストを安価にすることもできる。
【００４２】
以上により、本発明の赤外線光源１０１は、最表面の第一の金属層Ｌ２１の下には、第一の金属層Ｌ２１とは異なる材質からなる第二の層Ｌ２２が積層されているので、第一の金属層Ｌ２１の微細構造の溝加工を行う際に、第二の層Ｌ２２により深さ方向の溝加工が止まり、第二の層Ｌ２２を第一の金属層Ｌ２１の深さ方向の溝加工用ストッパーとして利用することができる。このため、溝の深さを精度良く加工することができる。このことにより、最表面の微細構造を設計寸法通りに精度良く作製することができ、赤外線の強度のピーク波長を所望の波長と精度良く一致させることができる。したがって、最表面の微細構造の溝の深さが精度良く加工された赤外線光源１０１を提供することができる。
【００４３】
また、第二の層Ｌ２２の材質の屈折率の虚部が、第一の金属層Ｌ２１の材質の屈折率の虚部よりも３０％以上小さい際に、第二の層Ｌ２２の膜厚の変化による強度のピーク波長λｐｎの半値幅の変化が顕著になる。このため、第二の層Ｌ２２の膜厚を任意に変えることにより、ピーク波長の半値幅の調節を任意に行うことができる。これにより、赤外線光源１０１が用いられる用途によって、赤外線光源１０１の赤外線のスペクトル波形を用途から要望されるスペクトル波形に合わせることができる。このことにより、用途に合わせた赤外線光源１０１の設計を容易にすることができる。
【００４４】
次に、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１の作製方法について説明する。図５は、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１の作製方法を説明する工程図であって、図５（ａ）は、第三の金属層Ｌ２３及び第二の層Ｌ２２が形成された状態を示し、図５（ｂ）は、図５（ａ）の上層に第一の金属層Ｌ２１が形成された状態を示し、図５（ｃ）は、レジスト膜Ｒ１がパターニングされた状態を示し、図５（ｄ）は、第一の金属層Ｌ２１がエッチングされた状態を示し、図５（ｅ）は、レジスト膜Ｒ１が剥離された状態を示している。
【００４５】
先ず、真空蒸着やスパッタリング法により、図５（ａ）に示すように、発熱体１５上に金または金を含有する合金を成膜して第三の金属層Ｌ２３を形成し、更に、第三の金属層Ｌ２３上にチタンまたはチタンを含有する合金を成膜して第二の層Ｌ２２を形成する。
【００４６】
次に、同様な成膜方法で、図５（ｂ）に示すように、第二の層Ｌ２２上に金または金を含有する合金を成膜して第一の金属層Ｌ２１を形成する。更に、フォトリソグラフィー法によって、図５（ｃ）に示すように、第一の金属層Ｌ２１上にレジスト膜Ｒ１をパターニングする。
【００４７】
そして、例えばヨウ素が含まれたエッチング液のように、金とチタンとで十分に選択比がとれるエッチング液を用いて、第一の金属層Ｌ２１にエッチング加工を行う。エッチング加工は、図５（ｄ）に示すように、第一の金属層Ｌ２１のエッチングが第二の層Ｌ２２に達するまで行われ、エッチングは、第二の層Ｌ２２によって、深さ方向にはそれ以上ほとんど進行しない。このようにして、第一の金属層Ｌ２１の微細構造の溝加工を行う際に、第二の層Ｌ２２を第一の金属層Ｌ２１の深さ方向の溝加工用ストッパーとして利用することができる。このため、溝の深さを精度良く加工することができ、最表面の微細構造を設計寸法通りに精度良く作製することができる。また、第二の層Ｌ２２が不動態膜を形成するチタンまたはチタンを含有する合金からなるので、この第二の層Ｌ２２の表面に形成された不動態膜により、第一の金属層Ｌ２１の深さ方向の溝加工が確実に止まり、第二の層Ｌ２２を第一の金属層Ｌ２１の深さ方向の溝加工用ストッパーとしてより良く利用することができる。
【００４８】
更に、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１の第一の金属層Ｌ２１が金または金を含有する合金であり、第二の層Ｌ２２がチタンまたはチタンを含有する合金であるので、ウェット加工による加工レートが、第一の金属層Ｌ２１が大きく第二の層Ｌ２２が小さくなっている。このため、第二の層Ｌ２２の溝加工が更に進む前に、第一の金属層Ｌ２１の溝加工を終了することができる。このことにより、第一の金属層Ｌ２１の微細構造の溝加工を行う際に、第二の層Ｌ２２により深さ方向の溝加工が確実に止まり、第二の層Ｌ２２を第一の金属層Ｌ２１の深さ方向の溝加工用ストッパーとしてより一層良く利用することができる。なお、ドライ加工においても、例えば、反応性イオンエッチング法を用い、酸化窒素を含むエッチングガスのプラズマ中でドライ加工することにより、加工レートが、第一の金属層Ｌ２１を大きく第二の層Ｌ２２を小さくすることができ、第二の層Ｌ２２を第一の金属層Ｌ２１の深さ方向の溝加工用ストッパーとしてより一層良く利用することができる。
【００４９】
最後に、図５（ｅ）に示すように、レジスト膜Ｒ１を剥離すると、凹溝２４が形成された放射体２３を有した赤外線光源１０１が得られる。また、本発明の第１実施形態の赤外線光源１０１は、Ｗ ＞０.５Ｐ、及びＤ／Ｗ＜０.５の条件を満たしているので、凹溝２４の深さＤと凹溝２４の幅Ｗとのアスペクト比が小さくなっている。このことにより、第一の金属層Ｌ２１の微細構造の溝加工を行う際に、幅が広くて浅い溝を加工することになるので、溝加工が容易になるばかりでなく、凹溝２４の幅Ｗの寸法精度が良い加工を行うことができる。
【００５０】
以上により、本発明の赤外線光源１０１は、最表面の微細構造によるプラズモン共鳴が第二の層Ｌ２２の膜厚が薄いことに起因して、第二の層Ｌ２２の更に下層の影響を受けるような場合であっても、第二の層Ｌ２２の下層に、第二の層Ｌ２２とは異なる材質からなる第三の金属層Ｌ２３が積層されているので、第二の層Ｌ２２の更に下層の影響を抑制することができる。このため、第二の層Ｌ２２の膜厚を薄く形成させることができるので、第二の層Ｌ２２の膜厚がより薄い側での半値幅の調節が可能となる。このことにより、第二の層Ｌ２２の膜厚を変える範囲が広がり、ピーク波長λｐｎの半値幅の調節範囲を広くすることができる。また、第二の層Ｌ２２の膜厚を薄く形成するので、第二の層Ｌ２２の成膜工程を短くすることができ、製造コストを安価にすることができる。
【００５１】
また、第二の層Ｌ２２が不動態膜を形成する金属からなるので、第一の金属層Ｌ２１の微細構造の溝加工を行う際に、この不動態膜により深さ方向の溝加工が確実に止まり、第二の層Ｌ２２を第一の金属層Ｌ２１の深さ方向の溝加工用ストッパーとしてより良く利用することができる。このことにより、溝の深さをより精度良く加工することができ、最表面の微細構造を設計寸法通りにより精度良く作製することができる。
【００５２】
また、第一の金属層Ｌ２１が金または金を含有する合金であり、第二の層Ｌ２２がチタンまたはチタンを含有する合金であるので、ドライ加工またはウェット加工による加工レートが、第一の金属層Ｌ２１が大きく第二の層Ｌ２２が小さくなっている。このため、第二の層Ｌ２２の溝加工が更に進む前に、第一の金属層Ｌ２１の溝加工を終了することができ、第一の金属層Ｌ２１の微細構造の溝加工を行う際に、第二の層Ｌ２２により深さ方向の溝加工が確実に止まり、第二の層Ｌ２２を第一の金属層Ｌ２１の深さ方向の溝加工用ストッパーとしてより一層良く利用することができる。このことにより、溝の深さをより一層精度良く加工することができ、最表面の微細構造を設計寸法通りにより一層精度良く作製することができる。
【００５３】
［第２実施形態］
図６は、本発明の第２実施形態の赤外線光源５０１を説明する斜視図である。図７は、本発明の第２実施形態の赤外線光源５０１についてのシミュレーションのモデル図である。但し、図６及び図７は、あくまでも模式的に構成を示したもので、実際のサイズを正確に示したものではない。この第２実施形態の赤外線光源５０１は、第１実施形態の第二の層Ｌ２２を厚くして第二の層Ｌ５２とし、第１実施形態の第三の金属層Ｌ２３を設けていない点が異なる。なお、第１実施形態と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５４】
本発明の第２実施形態の赤外線光源５０１は、図６に示すように、発熱体１５と、最表面層が第一の金属層Ｌ５１からなる放射体５３とを備えて構成され、第一の金属層Ｌ５１の下層には、第一の金属層Ｌ５１とは異なる材質からなる第二の層Ｌ５２が積層されている。また、放射体５３の最表面には、一定方向に延びる凹溝５４が一定な周期Ｐで形成されており、第一の金属層Ｌ５１を貫通して第二の層Ｌ５２の表面まで形成された凹溝５４は、幅Ｗ、深さＤの矩形状の断面を有している。
【００５５】
発熱体１５は、第１実施形態と同様に、板状の形状をしており、アルミナ等のセラミックヒータを用いている。発熱体１５は、放射体５３の裏面側に密着させて配置し、放射体５３を加熱するためのヒータである。
【００５６】
放射体５３の第一の金属層Ｌ５１は、第１実施形態と同様に、金または金を含有する合金で作製されており、図６示すように、第一の金属層Ｌ５１に波長オーダーの微細な加工が施されており、放射体５３の最表面には、前述した凹溝５４が形成された微細構造を有している。このため、第１実施形態と同様に、発熱体１５による放射体５３の加熱により、凹溝５４の内部で表面プラズモン共鳴が発現し、特定の波長の赤外線だけが放射するようになる。放射される赤外線の強度のピーク波長は、凹溝５４の一定な周期Ｐ、凹溝５４の幅Ｗ及び凹溝５４の深さＤを適切に選ぶことで任意に設定できる。その際には、本発明の第２実施形態の赤外線光源５０１は、Ｗ ＞０.５Ｐ、及びＤ／Ｗ＜０.５の条件を満たしているのが好ましい。なお、凹溝５４の一定方向に延びた長さは、光の波長よりも十分に長ければよく、例えば１００μｍ程度である。
【００５７】
放射体５３の第二の層Ｌ５２は、第１実施形態と同様に、チタンまたはチタンを含有する合金で作製されており、凹溝５４の底面５４ｂを形成している。第二の層Ｌ５２は、チタンまたはチタンを含有する合金からなる金属なので、表面に露出している底面５４ｂの部分が不動態膜を形成している。
【００５８】
このように構成された本発明の第２実施形態の赤外線光源５０１は、第１実施形態と同様な方法で作製される。先ず、真空蒸着やスパッタリング法により、発熱体１５上にチタンまたはチタンを含有する合金を成膜して第二の層Ｌ５２を形成し、同様な成膜方法で、第二の層Ｌ５２上に金または金を含有する合金を成膜して第一の金属層Ｌ５１を形成する。
【００５９】
次に、フォトリソグラフィー法によって、第一の金属層Ｌ５１上にレジスト膜をパターニングした後、反応性イオンエッチング法を用い、酸化窒素を含むエッチングガスのプラズマ中で、第一の金属層Ｌ５１にドライエッチング加工を施す。そして、第一の金属層Ｌ５１のドライエッチング加工が第二の層Ｌ５２に達するまで行われ、第二の層Ｌ５２によって深さ方向のドライエッチング加工が止められる。このようにして、第一の金属層Ｌ５１の微細構造の溝加工を行う際に、第二の層Ｌ５２を第一の金属層Ｌ５１の深さ方向の溝加工用ストッパーとして利用することができる。このため、溝の深さを精度良く加工することができ、最表面の微細構造を設計寸法通りに精度良く作製することができる。また、第二の層Ｌ５２が不動態膜を形成するチタンまたはチタンを含有する合金からなるので、この第二の層Ｌ５２の表面に形成された不動態膜により、第一の金属層Ｌ５１の深さ方向の溝加工が確実に止まり、第二の層Ｌ５２を第一の金属層Ｌ５１の深さ方向の溝加工用ストッパーとしてより良く利用することができる。
【００６０】
このように構成された本発明の第２実施形態の赤外線光源５０１について、図７に示すモデルを作成して、第１実施形態と同様な方法を用いて、赤外線光源５０１から放射される赤外線のシミュレーションを行った。このモデルは、実質的に図４（ｂ）の第二の層Ｌ２２の厚みが２００ｎｍ程度より厚くなった場合に相当し、第二の層Ｌ５２がより厚くなってもほぼ同様の結果となり、下にある発熱体１５の影響はほとんどなくなる。その結果、図示はしないが、第１実施形態と同様に、放射体５３の最表面に形成された微細構造により、表面プラズモン共鳴が発現し、ピーク強度を有する赤外線が得られた。
【００６１】
以上により、本発明の赤外線光源５０１は、最表面の第一の金属層Ｌ５１の下には、第一の金属層Ｌ５１とは異なる材質からなる第二の層Ｌ５２が積層されているので、第一の金属層Ｌ５１の微細構造の溝加工を行う際に、第二の層Ｌ５２により深さ方向の溝加工が止まり、第二の層Ｌ５２を第一の金属層Ｌ５１の深さ方向の溝加工用ストッパーとして利用することができる。このため、溝の深さを精度良く加工することができる。このことにより、最表面の微細構造を設計寸法通りに精度良く作製することができ、赤外線の強度のピーク波長を所望の波長と精度良く一致させることができる。したがって、最表面の微細構造の溝の深さが精度良く加工された赤外線光源５０１を提供することができる。
【００６２】
また、第二の層Ｌ５２が不動態膜を形成する金属からなるので、第一の金属層Ｌ５１の微細構造の溝加工を行う際に、この不動態膜により深さ方向の溝加工が確実に止まり、第二の層Ｌ５２を第一の金属層Ｌ５１の深さ方向の溝加工用ストッパーとしてより良く利用することができる。このことにより、溝の深さをより精度良く加工することができ、最表面の微細構造を設計寸法通りにより精度良く作製することができる。
【００６３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば次のように変形して実施することができ、これらの実施形態も本発明の技術的範囲に属する。
【００６４】
＜変形例５＞
上記第１実施形態では、放射体２３の第一の金属層Ｌ２１に、金または金を含有する合金を用いた構成にしたが、プラズモン共鳴が生じる金属として、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、タングステン、クロムのいずれかを含む金属を用いても良い。これにより、レアアースのような稀少金属を用いることが無く、容易に放射体２３を形成することができる。特に、金以外の金属を用いると、安価に作製することができる。更に、高融点金属のタングステンや金より融点が大幅に高いクロムやチタニウムを用いると、放射体２３をより一層高温にすることができるので、ステファン・ボルツマンの法則により、放射体２３から放射される赤外線の放射強度より強くすることができる。
【００６５】
＜変形例６＞
上記第１実施形態では、第三の金属層Ｌ２３が金であったが、第二の層Ｌ２２とは異なる材質からなる第三の金属層Ｌ２３であれば良く、金に限るものではない。例えば、金の屈折率の虚部との差が小さい、銅、アルミニウム等を好適に用いることができる。
【００６６】
本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００６７】
２３、５３  放射体
１５  発熱体
１０１、５０１  赤外線光源
Ｌ２１、Ｌ５１  第一の金属層
Ｌ２２、Ｌ５２  第二の層
Ｌ２３  第三の金属層
【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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