JPH0864183A - 電気的に調節可能な熱放射源 - Google Patents
電気的に調節可能な熱放射源Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01K—ELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
- H01K7/00—Lamps for purposes other than general lighting
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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- G01J5/52—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using comparison with reference sources, e.g. disappearing-filament pyrometer
- G01J5/53—Reference sources, e.g. standard lamps; Black bodies
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- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 従来技術の欠点を解消し、また全体的に新規
である電気的に調節可能な熱放射源を提供する。 【構成】 本質的に平らな基体１、基体１中に形成され
たウェル２ないし穴、基体２に取り付けられ、前記ウェ
ル２ないし穴に整列された少なくとも１つの白熱フィラ
メント３、基体１上に、白熱フィラメント３に電流を供
給するために白熱フィラメント３の両端において形成さ
れた接点パッド５からなる、電気的に調節可能な放射源
に関し、白熱フィラメント３が金属から作られまた少な
くとも基体１から自由に浮き上がる部分に対して連続し
た薄膜により被覆されている。
である電気的に調節可能な熱放射源を提供する。 【構成】 本質的に平らな基体１、基体１中に形成され
たウェル２ないし穴、基体２に取り付けられ、前記ウェ
ル２ないし穴に整列された少なくとも１つの白熱フィラ
メント３、基体１上に、白熱フィラメント３に電流を供
給するために白熱フィラメント３の両端において形成さ
れた接点パッド５からなる、電気的に調節可能な放射源
に関し、白熱フィラメント３が金属から作られまた少な
くとも基体１から自由に浮き上がる部分に対して連続し
た薄膜により被覆されている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、請求項１の前文のよう
な電気的に調節可能な熱放射源に関するものである。
な電気的に調節可能な熱放射源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】赤外線放射源は光学分析法においてはＩ
Ｒ放射源として、また他の用途において熱源として、使
用されている。前者の用途については、「グロバー（ｇ
ｌｏｂａｒ）源、白熱ランプ、並びに厚フィルム放射器
のような、いくつかの異なるタイプのＩＲ源が使用され
ている。ＩＲ源から放出された放射ビームの強度は、源
への入力電力を変化させて源温度を変えることで、ある
いは、源温度をできるだけ一定に保持しつつ、「チョッ
パー（ｃｈｏｐｐｅｒ）」と呼ばれる機械的なビーム遮
断装置を使用することで、調節することができる。
Ｒ放射源として、また他の用途において熱源として、使
用されている。前者の用途については、「グロバー（ｇ
ｌｏｂａｒ）源、白熱ランプ、並びに厚フィルム放射器
のような、いくつかの異なるタイプのＩＲ源が使用され
ている。ＩＲ源から放出された放射ビームの強度は、源
への入力電力を変化させて源温度を変えることで、ある
いは、源温度をできるだけ一定に保持しつつ、「チョッ
パー（ｃｈｏｐｐｅｒ）」と呼ばれる機械的なビーム遮
断装置を使用することで、調節することができる。
【０００３】ビームを調節するために機械的に可動なチ
ョッパーを使用した時には、放射源の平均故障間隔は、
通常は、一般的には１年か２年であるチョッパーの機械
的な寿命により制限される。電気的に調節される源の場
合はより長い故障間時間である。その名の通り、「グロ
バー」は、白熱するバー（ｇｌｏｗｉｎｇ ｂａｒ）で
ある。このバーは従来は電流により加熱されるセラミッ
ク材料から作られている。「グロバー」装置は通常は数
ミリメートルの厚さであり、また数センチメートルの長
さであり、またその熱時定数は数秒である。「グロバ
ー」は通常は装置への電力入力を変えることにより調節
されるものではない。入力電力は通常は２ワットから１
００ワットの範囲である。「グロバー」装置の変形例
は、バーの回りに抵抗ワイヤが巻回されたセラミックバ
ーである。この変形例の熱特性は単純な「グロバー」の
ものと等しい。
ョッパーを使用した時には、放射源の平均故障間隔は、
通常は、一般的には１年か２年であるチョッパーの機械
的な寿命により制限される。電気的に調節される源の場
合はより長い故障間時間である。その名の通り、「グロ
バー」は、白熱するバー（ｇｌｏｗｉｎｇ ｂａｒ）で
ある。このバーは従来は電流により加熱されるセラミッ
ク材料から作られている。「グロバー」装置は通常は数
ミリメートルの厚さであり、また数センチメートルの長
さであり、またその熱時定数は数秒である。「グロバ
ー」は通常は装置への電力入力を変えることにより調節
されるものではない。入力電力は通常は２ワットから１
００ワットの範囲である。「グロバー」装置の変形例
は、バーの回りに抵抗ワイヤが巻回されたセラミックバ
ーである。この変形例の熱特性は単純な「グロバー」の
ものと等しい。
【０００４】白熱ランプは数十Ｈｚまで、さらに数百Ｈ
ｚまでの周波数により電気的に調節することができる
が、ランプのガラス電球が赤外線領域の放射を吸収し、
長期使用後は黒ずんでしまう。これにより、ランプによ
り運ばれる放射線の出力強度が時間とともに減少する。
必要とされる入力電力は通常は数ワットから数十ワット
である。厚膜放射器は通常は厚いアルミナ基体上に形成
された厚膜抵抗から構成され、電流により加熱される。
抵抗の寸法は通常は数平方ミリメートル程度であり、ま
た１／２ミリメートルの厚さである。抵抗の熱時定数は
通常は数秒程度であり、また必要な電力入力は数ワット
である。
ｚまでの周波数により電気的に調節することができる
が、ランプのガラス電球が赤外線領域の放射を吸収し、
長期使用後は黒ずんでしまう。これにより、ランプによ
り運ばれる放射線の出力強度が時間とともに減少する。
必要とされる入力電力は通常は数ワットから数十ワット
である。厚膜放射器は通常は厚いアルミナ基体上に形成
された厚膜抵抗から構成され、電流により加熱される。
抵抗の寸法は通常は数平方ミリメートル程度であり、ま
た１／２ミリメートルの厚さである。抵抗の熱時定数は
通常は数秒程度であり、また必要な電力入力は数ワット
である。
【０００５】マイクロエレクトロニクスおよびマイクロ
メカニクスで使用されている従来の製造方法では、電気
的に調節された放射源をシリコン1,2,3 からミニチュア
寸法に作る能力がある。このような装置は、約１マイク
ロメートルの通常の厚さと長さ数百マイクロメートルの
ポリシリコンの薄膜構造を有している。薄膜抵抗素子の
幅は、数マイクロメートルから数十マイクロメートルま
で変わっている。このようなシリコン白熱フィラメント
の熱容量は低く、数百ヘルツまでの周波数の調節が可能
である。純粋なシリコンは電流には低級な導体である。
しかしながら、例えば硼素や燐のような適切なドーパン
トをドーピングすることで、優れた導電性が得られる。
ドーパントとしての硼素は、その活性レベルが安定でな
く、むしろシリコン白熱フィラメントの早期の動作温度
に依存するという事実によりハンディキャップを持って
いる。これにより、活性レベルが断続的に新しい平衡状
態を探すようになり、電力入力が外部的に安定化されな
い限り、フィラメントの抵抗、並びにフィラメントへの
入力電力が時間とともに変動する。シリコンにドーパン
トしての硼素を添加することが可能な最も高い不純物濃
度は約５・１０19原子／ｃｍ3 である。他の従来のドー
パントは、ヒ素とアンチモンである。これらの元素にお
けるドーパントとしての問題は、低電圧用途でも十分に
高い導電性を得るために、十分に高い不純物濃度を達成
することが困難であることである。
メカニクスで使用されている従来の製造方法では、電気
的に調節された放射源をシリコン1,2,3 からミニチュア
寸法に作る能力がある。このような装置は、約１マイク
ロメートルの通常の厚さと長さ数百マイクロメートルの
ポリシリコンの薄膜構造を有している。薄膜抵抗素子の
幅は、数マイクロメートルから数十マイクロメートルま
で変わっている。このようなシリコン白熱フィラメント
の熱容量は低く、数百ヘルツまでの周波数の調節が可能
である。純粋なシリコンは電流には低級な導体である。
しかしながら、例えば硼素や燐のような適切なドーパン
トをドーピングすることで、優れた導電性が得られる。
ドーパントとしての硼素は、その活性レベルが安定でな
く、むしろシリコン白熱フィラメントの早期の動作温度
に依存するという事実によりハンディキャップを持って
いる。これにより、活性レベルが断続的に新しい平衡状
態を探すようになり、電力入力が外部的に安定化されな
い限り、フィラメントの抵抗、並びにフィラメントへの
入力電力が時間とともに変動する。シリコンにドーパン
トしての硼素を添加することが可能な最も高い不純物濃
度は約５・１０19原子／ｃｍ3 である。他の従来のドー
パントは、ヒ素とアンチモンである。これらの元素にお
けるドーパントとしての問題は、低電圧用途でも十分に
高い導電性を得るために、十分に高い不純物濃度を達成
することが困難であることである。
【０００６】引用された文献１で論議された白熱フィラ
メントは、シート抵抗が５０Ω／平方より多くの燐をド
ーピングすることにより達成している。白熱フィラメン
トは１００μｍの長さであり、２０μｍの幅で基体から
１．２μｍ持ち上がっている。このような構造では、基
体までのエアギャップによりロスする放射電力は特に高
く、また基体に付随したフィラメントの高いリスクは、
加熱の間におけるフィラメントのたるみとして現れる。
メントは、シート抵抗が５０Ω／平方より多くの燐をド
ーピングすることにより達成している。白熱フィラメン
トは１００μｍの長さであり、２０μｍの幅で基体から
１．２μｍ持ち上がっている。このような構造では、基
体までのエアギャップによりロスする放射電力は特に高
く、また基体に付随したフィラメントの高いリスクは、
加熱の間におけるフィラメントのたるみとして現れる。
【０００７】硼素と燐のドーピングはドーパント原子移
動に関連した問題を有している。これは、ドーパント原
子が移動するフィラメントの端における熱領域の発生の
形で現れる。この結果、白熱フィラメントの放出密度輪
郭が次第に変化し、これが長期間における不安定さを招
いてしまう。引用された文献２において論議された白熱
フィラメントの構造は、薄膜ウインドでカプセル化する
ことを含み、また白熱フィラメントを真空にして燃え切
ることを防止している。このようなウインドは数十マイ
クロメータよりも広くすることはできず、これによりフ
ィラメントの全表面積、およびしたがって、その放射出
力は小さいままとなる。フィラメントの貼着を防止する
ため、Ｖ溝が基体内にエッチングされている。
動に関連した問題を有している。これは、ドーパント原
子が移動するフィラメントの端における熱領域の発生の
形で現れる。この結果、白熱フィラメントの放出密度輪
郭が次第に変化し、これが長期間における不安定さを招
いてしまう。引用された文献２において論議された白熱
フィラメントの構造は、薄膜ウインドでカプセル化する
ことを含み、また白熱フィラメントを真空にして燃え切
ることを防止している。このようなウインドは数十マイ
クロメータよりも広くすることはできず、これによりフ
ィラメントの全表面積、およびしたがって、その放射出
力は小さいままとなる。フィラメントの貼着を防止する
ため、Ｖ溝が基体内にエッチングされている。
【０００８】引用された文献３で論議されているＩＲ放
出器は、１００μｍ×１００μｍの寸法であり、また２
つの曲がったポリシリコン抵抗を加熱素子として使用し
ている。このような構造は加熱の間にゆがむ傾向があ
り、また大領域の放出素子はこのような方法では製造す
ることができない。加熱素子は連続であるけれども、加
熱素子の寸法が回りの開口に比べて小さく、基体のエッ
チング相の間にガス気泡が発生しても問題がない。しか
しながら、この構造の温度分布パターンは、引用された
文献の第２図から分かるように特に良好ではない。
出器は、１００μｍ×１００μｍの寸法であり、また２
つの曲がったポリシリコン抵抗を加熱素子として使用し
ている。このような構造は加熱の間にゆがむ傾向があ
り、また大領域の放出素子はこのような方法では製造す
ることができない。加熱素子は連続であるけれども、加
熱素子の寸法が回りの開口に比べて小さく、基体のエッ
チング相の間にガス気泡が発生しても問題がない。しか
しながら、この構造の温度分布パターンは、引用された
文献の第２図から分かるように特に良好ではない。
【０００９】ドーピングされたポリシリコンから作れた
白熱フィラメントには、フィラメント抵抗の温度係数が
それより上では負に変わる、つまり、フィラメントの温
度上昇とともにより多くの電流がフィラメントを通過す
る、特性温度がある。この結果、このような構成要素は
電圧により、むしろ電流によっては制御することができ
ない。このようなフィラメントは、最も低い抵抗、つま
り最も高い温度を有するフィラメント上で電流が集中す
る傾向があるので、放射源面積を増大するために直接並
列接続することはできない。他方、直列接続すること
は、単一のフィラメント電圧の数倍の入力電圧の上昇が
必要となる。高い硼素不純物濃度が約６００℃の特性温
度を達成するだけであるので、硼素ドーピングにより満
足のいく高い温度特性が得られない。フィラメントの動
作温度がこれより高い場合には、フィラメントの抵抗は
時間とともに変動する傾向になる。
白熱フィラメントには、フィラメント抵抗の温度係数が
それより上では負に変わる、つまり、フィラメントの温
度上昇とともにより多くの電流がフィラメントを通過す
る、特性温度がある。この結果、このような構成要素は
電圧により、むしろ電流によっては制御することができ
ない。このようなフィラメントは、最も低い抵抗、つま
り最も高い温度を有するフィラメント上で電流が集中す
る傾向があるので、放射源面積を増大するために直接並
列接続することはできない。他方、直列接続すること
は、単一のフィラメント電圧の数倍の入力電圧の上昇が
必要となる。高い硼素不純物濃度が約６００℃の特性温
度を達成するだけであるので、硼素ドーピングにより満
足のいく高い温度特性が得られない。フィラメントの動
作温度がこれより高い場合には、フィラメントの抵抗は
時間とともに変動する傾向になる。
【００１０】引用された文献４による実施例において
は、白熱フィラメントは薄フィルムの金属層により作ら
れる。酸化を防止するため、白熱フィルムは真空中にカ
プセル化されている。
は、白熱フィラメントは薄フィルムの金属層により作ら
れる。酸化を防止するため、白熱フィルムは真空中にカ
プセル化されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した従来技術の欠点を解消し、また全体的に新規である
電気的に調節可能な熱放射源を提供することにある。
した従来技術の欠点を解消し、また全体的に新規である
電気的に調節可能な熱放射源を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の目標は、タング
ステン、チタン−タングステン合金あるいはモリブデン
のような金属から白熱フィラメントを作ることにより達
成され、その後、フィラメントは全体的に、例えば、窒
化シリコンのような酸化−抵抗材料の薄膜で被覆され
る。
ステン、チタン−タングステン合金あるいはモリブデン
のような金属から白熱フィラメントを作ることにより達
成され、その後、フィラメントは全体的に、例えば、窒
化シリコンのような酸化−抵抗材料の薄膜で被覆され
る。
【００１３】より詳しくは、本発明による電気的に調節
可能な熱放射源は、請求の範囲第１項の特徴部分により
述べられている。本発明は顕著な利点がある。本発明に
よれば白熱フィラメントの回りに真空カプセル化を必要
としない。さらに、金属製の白熱フィラメントはフィラ
メントが動作する電流密度における移動現象がない。こ
の結果、硼素または燐をドーピングしたポリシリコンか
ら作られたフィラメントよりも、金属製の白熱フィラメ
ントは長期間に亘る安定性がある。
可能な熱放射源は、請求の範囲第１項の特徴部分により
述べられている。本発明は顕著な利点がある。本発明に
よれば白熱フィラメントの回りに真空カプセル化を必要
としない。さらに、金属製の白熱フィラメントはフィラ
メントが動作する電流密度における移動現象がない。こ
の結果、硼素または燐をドーピングしたポリシリコンか
ら作られたフィラメントよりも、金属製の白熱フィラメ
ントは長期間に亘る安定性がある。
【００１４】金属製の白熱フィラメントの抵抗温度係数
はその全体の動作範囲に亘って正であり、これにより、
白熱フィラメントを並列に接続し、また電圧源から供給
することができる。本発明の製造方法において使用され
た窒素カプセル化により、放射源を長期間の使用寿命と
することができる。
はその全体の動作範囲に亘って正であり、これにより、
白熱フィラメントを並列に接続し、また電圧源から供給
することができる。本発明の製造方法において使用され
た窒素カプセル化により、放射源を長期間の使用寿命と
することができる。
【００１５】
【実施例】以下に、本発明を添付した図面に示した実施
例に基づいて、より詳しく説明する。本発明は、高速度
で電気的に調節可能な熱放射源として光学分析に使用す
ることを意図したものである。必要な薄フィルム層の組
成は、従来の標準的なマイクロエレクトロニクスのプロ
セスを使用して作ることができる。
例に基づいて、より詳しく説明する。本発明は、高速度
で電気的に調節可能な熱放射源として光学分析に使用す
ることを意図したものである。必要な薄フィルム層の組
成は、従来の標準的なマイクロエレクトロニクスのプロ
セスを使用して作ることができる。
【００１６】図１と図２を図３と図４を共に参照して、
多数の白熱フィラメントが電気的に並列に接続された、
放射源の構造が示されている。図１を参照して、大きな
方形１は単結晶のシリコンチップであり、斜めの端を備
えたより小さい方形２は白熱フィラメント３の下に位置
するウェル（ｗｅｌｌ）であり、また図３と図４におい
て斜線領域は６は窒化層である。白熱フィラメント３と
それらの端における金属化した部分５は太線で示してあ
る。白熱フィラメント３は並列に接続されており、また
外部の電気接続は金属化した部分５にとられている。図
１と図２に示した実施例では、フィラメント３はそれら
の全長に亘って互いに分離されて示されている。図３と
図４は改良された構造を示したものであり、白熱フィラ
メント３は窒化シリコンブリッジ６により機械的に接続
されている。窒化ブリッジ内の開口は、白熱フィラメン
トの下からのエッチングの間において形成されるガスの
放出を容易とするものである。この配置によりエッチン
グ結果が改善される。このような開口はエッチング速度
が低く維持される場合には必要となる。
多数の白熱フィラメントが電気的に並列に接続された、
放射源の構造が示されている。図１を参照して、大きな
方形１は単結晶のシリコンチップであり、斜めの端を備
えたより小さい方形２は白熱フィラメント３の下に位置
するウェル（ｗｅｌｌ）であり、また図３と図４におい
て斜線領域は６は窒化層である。白熱フィラメント３と
それらの端における金属化した部分５は太線で示してあ
る。白熱フィラメント３は並列に接続されており、また
外部の電気接続は金属化した部分５にとられている。図
１と図２に示した実施例では、フィラメント３はそれら
の全長に亘って互いに分離されて示されている。図３と
図４は改良された構造を示したものであり、白熱フィラ
メント３は窒化シリコンブリッジ６により機械的に接続
されている。窒化ブリッジ内の開口は、白熱フィラメン
トの下からのエッチングの間において形成されるガスの
放出を容易とするものである。この配置によりエッチン
グ結果が改善される。このような開口はエッチング速度
が低く維持される場合には必要となる。
【００１７】放出領域は例えば１ｍｍ2 である。白熱フ
ィラメント３は、その全長に亘って空中に浮き上がって
おり、その両端において支持されているだけである。フ
ィラメント３の下側のシリコン１は、１００μｍのエッ
チング深さが一般的であるが、少なくとも１０μｍの深
さでエッチングされている。フィラメント３の両端は、
それぞれの端に位置した金属化されたパッド５により並
列に接続されている。フィラメントの寸法は、例えば、
厚さ１μｍで幅２０μｍで長さ１ｍｍであり、フィラメ
ントの間は５μｍの間隔である。フィラメント３は、そ
れらを流れる電流により加熱される。必要な入力電圧
は、１ボルトから数ボルトである。
ィラメント３は、その全長に亘って空中に浮き上がって
おり、その両端において支持されているだけである。フ
ィラメント３の下側のシリコン１は、１００μｍのエッ
チング深さが一般的であるが、少なくとも１０μｍの深
さでエッチングされている。フィラメント３の両端は、
それぞれの端に位置した金属化されたパッド５により並
列に接続されている。フィラメントの寸法は、例えば、
厚さ１μｍで幅２０μｍで長さ１ｍｍであり、フィラメ
ントの間は５μｍの間隔である。フィラメント３は、そ
れらを流れる電流により加熱される。必要な入力電圧
は、１ボルトから数ボルトである。
【００１８】本発明によれば、金属製の白熱フィラメン
ト３は全体的に窒化シリコン中にカプセル化されてお
り、窒化物の酸化速度はフィラメント３のサービス寿命
を決定する。放射源が通常の室内空気中において８００
℃以下の温度で使用される時には、そのサービス寿命は
数年である。必要な出力ウインドを備えた特別な密封性
の真空カプセル化は不要である。窒化された白熱フィラ
メント３のエッチング処理はＫＯＨの水溶液中において
実行される。使用されるエッチング剤はまた、水酸化テ
トラメチルアンモニア、あるいは少量のピロカテコール
を加えたエチレンジアミンの水溶液である。
ト３は全体的に窒化シリコン中にカプセル化されてお
り、窒化物の酸化速度はフィラメント３のサービス寿命
を決定する。放射源が通常の室内空気中において８００
℃以下の温度で使用される時には、そのサービス寿命は
数年である。必要な出力ウインドを備えた特別な密封性
の真空カプセル化は不要である。窒化された白熱フィラ
メント３のエッチング処理はＫＯＨの水溶液中において
実行される。使用されるエッチング剤はまた、水酸化テ
トラメチルアンモニア、あるいは少量のピロカテコール
を加えたエチレンジアミンの水溶液である。
【００１９】白熱フィラメント３は重ねられたウインド
なしに動作するので、フィラメント３上に落下した有機
性汚染物は燃え尽きる。放射源がパルスモードで動作す
る場合には、白熱フィラメントの下の空気は迅速に加熱
されて、落下した塵を吹き流す。したがって、本発明の
実施例は固有の自己清浄機構を組み込んでいる。白熱フ
ィラメント３の横方向の温度分布は設計形状を変えるこ
とによる調節することができる。均一な温度分布は、フ
ィラメント幅を２０μｍないしこれより狭くすることで
達成される。横方向の温度分布は、例えば窒化シリコン
ブリッジ６によりフィラメント３を熱的に相互接続する
ことにより、さらに改善される。
なしに動作するので、フィラメント３上に落下した有機
性汚染物は燃え尽きる。放射源がパルスモードで動作す
る場合には、白熱フィラメントの下の空気は迅速に加熱
されて、落下した塵を吹き流す。したがって、本発明の
実施例は固有の自己清浄機構を組み込んでいる。白熱フ
ィラメント３の横方向の温度分布は設計形状を変えるこ
とによる調節することができる。均一な温度分布は、フ
ィラメント幅を２０μｍないしこれより狭くすることで
達成される。横方向の温度分布は、例えば窒化シリコン
ブリッジ６によりフィラメント３を熱的に相互接続する
ことにより、さらに改善される。
【００２０】次いで図５を参照して、白熱フィラメント
３の横の温度輪郭はフィラメント３の両端をテーパ状と
することで改良され、これによりテーパ付けされた端領
域７における単位長あたりの電気抵抗が増大し、これら
の領域でより大きな加熱電力が集中する。フィラメント
の両端において単位長あたりの加熱電力が増大すること
は必要である。つまり、熱はフィラメント３の両端７か
ら基体に伝達するので、フィラメント３の両端７は迅速
に冷却されるからである。テーパ付けされたフィラメン
ト３により、フィラメント３の中央部分８はフィラメン
ト両端７とほぼ同じ温度となり、これにより放射源の効
率的な放射面が増大する。このようにテーパ付けされた
フィラメント３の両端７は、図１から図４に示された一
定幅のフィラメントの両端よりも高い温度に達する。テ
ーパ状の形状は段階的にしても良く、あるいは、段階な
しに連続した態様で両端をテーパ付けしても良い。
３の横の温度輪郭はフィラメント３の両端をテーパ状と
することで改良され、これによりテーパ付けされた端領
域７における単位長あたりの電気抵抗が増大し、これら
の領域でより大きな加熱電力が集中する。フィラメント
の両端において単位長あたりの加熱電力が増大すること
は必要である。つまり、熱はフィラメント３の両端７か
ら基体に伝達するので、フィラメント３の両端７は迅速
に冷却されるからである。テーパ付けされたフィラメン
ト３により、フィラメント３の中央部分８はフィラメン
ト両端７とほぼ同じ温度となり、これにより放射源の効
率的な放射面が増大する。このようにテーパ付けされた
フィラメント３の両端７は、図１から図４に示された一
定幅のフィラメントの両端よりも高い温度に達する。テ
ーパ状の形状は段階的にしても良く、あるいは、段階な
しに連続した態様で両端をテーパ付けしても良い。
【００２１】放射源の最大使用可能な調整速度は、熱損
失の比率に依存する。この様な損失の多くはフィラメン
ト３の下の空気層を経て、またフィラメント両端を経て
シリコン基体に生じる。全体の損失における放射損失の
比率は数パーセントであるので、白熱フィラメント３の
温度は入力電力のほぼ直線状の関数となる。フィラメン
トの動作温度は通常は４００℃より上であり、また好適
な実施例では５００℃より上である。調節の最大速度
は、フィラメント３の下のウェル２の深さを変えること
により調整される。ウェル２の深さは約５０から３００
μｍである。このような構成により、熱時定数は約１ｍ
ｓとなり、電気的な調節は約１ｋＨｚまで可能となる。
失の比率に依存する。この様な損失の多くはフィラメン
ト３の下の空気層を経て、またフィラメント両端を経て
シリコン基体に生じる。全体の損失における放射損失の
比率は数パーセントであるので、白熱フィラメント３の
温度は入力電力のほぼ直線状の関数となる。フィラメン
トの動作温度は通常は４００℃より上であり、また好適
な実施例では５００℃より上である。調節の最大速度
は、フィラメント３の下のウェル２の深さを変えること
により調整される。ウェル２の深さは約５０から３００
μｍである。このような構成により、熱時定数は約１ｍ
ｓとなり、電気的な調節は約１ｋＨｚまで可能となる。
【００２２】図６を参照して、放射源の層構造がより詳
しく説明されている。ここに示した実施例において、放
出された放射は反射防止層３７を通って下側に向かう。
領域３１は通常は、その上に約２００ｎｍの厚さの窒化
シリコン層３６を蒸着した（１００）−の向きの単結晶
シリコンの基体チプにより形成される。窒化層３６は白
熱フィラメントを導電性の基体３１から隔離するために
必要であり、また同時に白熱フィラメント３３の下側の
保護層としても機能する。窒化層３６の面上には通常は
０．５μｍ厚の金属層３３が付着されており、これは、
マイクロエレクトロニクス技術において使用されている
ホトリソグラフおよびプラズマエッチング技術により白
熱フィラメント中にパターン付けされている。次いで、
上側の窒化シリコン層３２が付着され、これにより、金
属層３３からパターン付けされた白熱フィラメントが全
体的に窒化層内にカプセル化される。上側の窒化層３２
は通常は２００ｎｍの厚さである。入力電圧を供給する
手段は、金属化されたパッド３４であり、これは例えば
アルミニウムから作られる。これらのパッドは、例えば
プラズマエッチングにより上側の窒化層３２内に作られ
た開口を経て、金属製の白熱フィラメント３３の抵抗性
の接点を形成する。基体３１を構成する単結晶シリコン
は最終的にフィラメントの下側からエッチング除去さ
れ、これによりウェル３５が形成される。このエッチン
グ工程は、フィラメントの間に作られた開口、並びにフ
ィラメントの外周側を経て起こる。層３７は、例えば窒
化シリコンから作られた、薄い非反射層である。このλ
／４層の厚さは、所望の動作波長に依存し、例えば４０
０から５００ｎｍである。
しく説明されている。ここに示した実施例において、放
出された放射は反射防止層３７を通って下側に向かう。
領域３１は通常は、その上に約２００ｎｍの厚さの窒化
シリコン層３６を蒸着した（１００）−の向きの単結晶
シリコンの基体チプにより形成される。窒化層３６は白
熱フィラメントを導電性の基体３１から隔離するために
必要であり、また同時に白熱フィラメント３３の下側の
保護層としても機能する。窒化層３６の面上には通常は
０．５μｍ厚の金属層３３が付着されており、これは、
マイクロエレクトロニクス技術において使用されている
ホトリソグラフおよびプラズマエッチング技術により白
熱フィラメント中にパターン付けされている。次いで、
上側の窒化シリコン層３２が付着され、これにより、金
属層３３からパターン付けされた白熱フィラメントが全
体的に窒化層内にカプセル化される。上側の窒化層３２
は通常は２００ｎｍの厚さである。入力電圧を供給する
手段は、金属化されたパッド３４であり、これは例えば
アルミニウムから作られる。これらのパッドは、例えば
プラズマエッチングにより上側の窒化層３２内に作られ
た開口を経て、金属製の白熱フィラメント３３の抵抗性
の接点を形成する。基体３１を構成する単結晶シリコン
は最終的にフィラメントの下側からエッチング除去さ
れ、これによりウェル３５が形成される。このエッチン
グ工程は、フィラメントの間に作られた開口、並びにフ
ィラメントの外周側を経て起こる。層３７は、例えば窒
化シリコンから作られた、薄い非反射層である。このλ
／４層の厚さは、所望の動作波長に依存し、例えば４０
０から５００ｎｍである。
【００２３】フィラメント３３の放射率は通常は０．４
より大きく、また好ましい実施例では０．５より大き
く、さらに特に好ましい実施例では０．７より大きい。
放射源の放出スペクトルは、シリコン基体３７の下側面
上に設けられた、図７に示したファブリーペロー干渉フ
ィルタによりフィルタ処理される。この構成により、放
射源が不要な波長において放出をすることがなくなり、
改良された信号対ノイズ比が得られる。干渉フィルタ
は、二酸化シリコンのλ／４層４１およびシリコンのλ
／４層４２により形成される。中央層４１はλ／２層で
ある。放射源の開口は、開口４５を有した金属層４４に
より形成される。金属層４４の厚さは通常は１００ｎｍ
である。
より大きく、また好ましい実施例では０．５より大き
く、さらに特に好ましい実施例では０．７より大きい。
放射源の放出スペクトルは、シリコン基体３７の下側面
上に設けられた、図７に示したファブリーペロー干渉フ
ィルタによりフィルタ処理される。この構成により、放
射源が不要な波長において放出をすることがなくなり、
改良された信号対ノイズ比が得られる。干渉フィルタ
は、二酸化シリコンのλ／４層４１およびシリコンのλ
／４層４２により形成される。中央層４１はλ／２層で
ある。放射源の開口は、開口４５を有した金属層４４に
より形成される。金属層４４の厚さは通常は１００ｎｍ
である。
【００２４】図９を参照して、そこには上記したフィル
タの伝送特性が示されている。伝送曲線の形は、干渉フ
ィルタ内の反射層の数により決定される。層の数が多く
なればなる程、通過帯域が狭くなる。タングステンフィ
ラメントの放射率は３マイクロメータより大きな波長に
おいて迅速に減少する。このようなより長い波長におけ
る放射率の減少は、金属層を図８に示した単結晶シリコ
ン３９により被覆することで補償することができる。図
８に示した実施例では、白熱する金属フィラメント３３
は単結晶シリコン３９を加熱し、これは放射源として機
能する。シリコン層３９の厚さは通常は１００から１０
００ｎｍの範囲である。放出された放射のスペクトル
は、窒化シリコン層３２および金属層３３上に付着され
た放出−改善したポリシリコン層３９内における干渉に
よっても影響される。放出されたスペクトルは、単結晶
シリコン層３９とその上に付着された窒化層３２が各層
における光学的な１／４波長に等しい結合された厚さを
有するような波長においてピークを形成する明確な傾向
を有する。放出出力を改善するため、本構造はさらに、
基体３１の下側面に付着されたミラー４３を有してお
り、このミラーは実際には５０から１００ｎｍの厚さの
金属層として形成される。
タの伝送特性が示されている。伝送曲線の形は、干渉フ
ィルタ内の反射層の数により決定される。層の数が多く
なればなる程、通過帯域が狭くなる。タングステンフィ
ラメントの放射率は３マイクロメータより大きな波長に
おいて迅速に減少する。このようなより長い波長におけ
る放射率の減少は、金属層を図８に示した単結晶シリコ
ン３９により被覆することで補償することができる。図
８に示した実施例では、白熱する金属フィラメント３３
は単結晶シリコン３９を加熱し、これは放射源として機
能する。シリコン層３９の厚さは通常は１００から１０
００ｎｍの範囲である。放出された放射のスペクトル
は、窒化シリコン層３２および金属層３３上に付着され
た放出−改善したポリシリコン層３９内における干渉に
よっても影響される。放出されたスペクトルは、単結晶
シリコン層３９とその上に付着された窒化層３２が各層
における光学的な１／４波長に等しい結合された厚さを
有するような波長においてピークを形成する明確な傾向
を有する。放出出力を改善するため、本構造はさらに、
基体３１の下側面に付着されたミラー４３を有してお
り、このミラーは実際には５０から１００ｎｍの厚さの
金属層として形成される。
【００２５】本発明の範囲を技術思想を逸脱することな
く、白熱フィラメントは、例えば、基体のウェルの一側
上に２つの入力電圧パッドを配置することにより対で直
列に接続され、一方、白熱フィラメントの各隣接対は、
それらの他の端をウェルの他側において結合することに
より電気的に直列に接続される。さらに、フィラメント
の下側のウェルは、本発明の範囲内において、基体を通
って延在する穴に置き換えることができる。
く、白熱フィラメントは、例えば、基体のウェルの一側
上に２つの入力電圧パッドを配置することにより対で直
列に接続され、一方、白熱フィラメントの各隣接対は、
それらの他の端をウェルの他側において結合することに
より電気的に直列に接続される。さらに、フィラメント
の下側のウェルは、本発明の範囲内において、基体を通
って延在する穴に置き換えることができる。
【００２６】誘電特性を備えた他の基体材料は、アルミ
ナ、サファイア、水晶、および水晶硝子である。窒化シ
リコンの代わりに、酸化アルミニウムあるいは酸化シリ
コンから作られる薄フィルムも同様に白熱フィラメント
３を被覆するために使用することができる。
ナ、サファイア、水晶、および水晶硝子である。窒化シ
リコンの代わりに、酸化アルミニウムあるいは酸化シリ
コンから作られる薄フィルムも同様に白熱フィラメント
３を被覆するために使用することができる。
【００２７】本明細書で使用した放出の用語は、放射放
出、特に赤外線放出を意味する。 参考文献 １． Ｈ．ＧｕｃｋｅｌおよびＤ．Ｗ．Ｂｕｒｎｓ，
「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ｂａ
ｓｅｄ ｏｎ ｂｌａｃｋ−ｂｏｄｙ ｒｄａｔｉｏｎ
ｆｒｏｍ ｈｅａｔｅｄ ｐｏｌｉｓｉｌｉｃｏｎ
ｆｉｌｍｓ」， Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ´８５，３
６４−３６６（１９８５年６月１１−１ ４日）。 ２． Ｃａｒｌｏｓ Ｈ．Ｍａｓｔｒａｎｇｅｌｏ，Ｊ
ａｍｅｓ Ｈｓｉ−Ｊｅｎ Ｙｅｈ，ａｎｄ Ｒｉｃｈ
ａｒｄ Ｓ．Ｍｕｌｌｅｒの「Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ
ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉ
ｃｓ ｏｆｖａｃｕｕｍ ｓｅａｌｅｄ ｐｏｌｙｓｉ
ｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｌａｍｐｓ」，ＩＥＥＥ Ｔｒ
ａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅ
ｖｉｃｅｓ，３９，６，１３６３−１３７５（１９９２
年６月）。 ３． Ｍ．Ｐａｒａｍｅｓｗａｒａｎ，Ａ．Ｍ．Ｒｏｂ
ｉｎｓｏｎ，Ｄ．Ｌ．Ｂｌａｃｋｂｕｒｎ，Ｍ．Ｇａｉ
ｔａｎ ａｎｄ Ｊ．Ｇｅｉｓｔの「Ｍｉｃｒｏｍａｃ
ｈｉｎｅｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｅ
ｍｉｔｔｅｒｆｒｏｍ ａ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ｃ
ＭＯＳ ｐｒｏｃｅｓｓ」，ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔ．，１２，２，５７−５９
（１９９１年）。 ４． Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔ
ｉｏｎａｌ，ｐ．１７，！ １９９２年１１月。 ５． Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ、「ＶＬＳＩ ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ」，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ Ｂｏｏｋ Ｃｍｐａ
ｎｙ，第３版、１９８５年，第５および６章。
出、特に赤外線放出を意味する。 参考文献 １． Ｈ．ＧｕｃｋｅｌおよびＤ．Ｗ．Ｂｕｒｎｓ，
「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ｂａ
ｓｅｄ ｏｎ ｂｌａｃｋ−ｂｏｄｙ ｒｄａｔｉｏｎ
ｆｒｏｍ ｈｅａｔｅｄ ｐｏｌｉｓｉｌｉｃｏｎ
ｆｉｌｍｓ」， Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ´８５，３
６４−３６６（１９８５年６月１１−１ ４日）。 ２． Ｃａｒｌｏｓ Ｈ．Ｍａｓｔｒａｎｇｅｌｏ，Ｊ
ａｍｅｓ Ｈｓｉ−Ｊｅｎ Ｙｅｈ，ａｎｄ Ｒｉｃｈ
ａｒｄ Ｓ．Ｍｕｌｌｅｒの「Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ
ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉ
ｃｓ ｏｆｖａｃｕｕｍ ｓｅａｌｅｄ ｐｏｌｙｓｉ
ｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｌａｍｐｓ」，ＩＥＥＥ Ｔｒ
ａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅ
ｖｉｃｅｓ，３９，６，１３６３−１３７５（１９９２
年６月）。 ３． Ｍ．Ｐａｒａｍｅｓｗａｒａｎ，Ａ．Ｍ．Ｒｏｂ
ｉｎｓｏｎ，Ｄ．Ｌ．Ｂｌａｃｋｂｕｒｎ，Ｍ．Ｇａｉ
ｔａｎ ａｎｄ Ｊ．Ｇｅｉｓｔの「Ｍｉｃｒｏｍａｃ
ｈｉｎｅｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｅ
ｍｉｔｔｅｒｆｒｏｍ ａ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ｃ
ＭＯＳ ｐｒｏｃｅｓｓ」，ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔ．，１２，２，５７−５９
（１９９１年）。 ４． Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔ
ｉｏｎａｌ，ｐ．１７，！ １９９２年１１月。 ５． Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ、「ＶＬＳＩ ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ」，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ Ｂｏｏｋ Ｃｍｐａ
ｎｙ，第３版、１９８５年，第５および６章。
【００２８】
【発明の効果】本発明によれば、従来技術の欠点を解消
した、新規な、電気的に調節可能な熱放射源を提供する
ことができる。
した、新規な、電気的に調節可能な熱放射源を提供する
ことができる。
【図１】本発明による放射源の上面図である。
【図２】図１に示した放射源のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明による他の放射源の上面図である。
【図４】図３に示した放射源のＡ−Ａ断面図である。
【図５】図１〜図４に示した白熱フィラメントに対する
本発明による他の形状を示したダイアグラムである。
本発明による他の形状を示したダイアグラムである。
【図６】非反射層を備えた本発明による放射源の層構造
の、長手方向の断面側面図である。
の、長手方向の断面側面図である。
【図７】必須の光学フィルタと開口を組み付けた本発明
による放射源の層構造の、長手方向の断面側面図であ
る。
による放射源の層構造の、長手方向の断面側面図であ
る。
【図８】放出改善層を組み付けた本発明による放射源の
層構造の、長手方向の断面側面図である。
層構造の、長手方向の断面側面図である。
【図９】図７に示した放射源に使用したフィルタの透過
率特性を示したグラフである。
率特性を示したグラフである。
３ 白熱フィラメント ５ パッド ６ 窒化シリコンブリッジ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マルック オルパナ フィンランド国．02340 エスポー，カス キサヴ ２ エフ 23 (72)発明者 アリ レート フィンランド国．00700 ヘルシンキ，ラ エクヤ ３ (72)発明者 ハンヌ カッテルス フィンランド国．01670 ヴァンター，ヴ ァンターンラークソンライッティ ３ デ ー 20
Claims (20)
- 【請求項１】 本質的に平らな基体（１）、 基体（１）中に形成されたウェル（２）ないし穴、 基体（２）に取り付けられ、前記ウェル（２）ないし穴
に整列された少なくとも１つの白熱フィラメント
（３）、 基体（１）上に、白熱フィラメント（３）に電流を供給
するために白熱フィル面と（３）の両端において形成さ
れた接点パッド（５）からなり、 前記白熱フィラメント（３）が、金属製であり少なくと
も基体（１）から自由に浮き上がる部分に対して連続し
た放出−改善薄膜（３２、３６）により被覆されている
ことを特徴とする電気的に調節可能な放射源。 - 【請求項２】 前記薄膜（３２、３６）が窒化シリコン
で作られることを特徴とする請求項１記載の放射源。 - 【請求項３】 白熱フィラメント（３）の少なくとも２
つが電気的に直列に接続されていることを特徴とする請
求項１記載の放射源。 - 【請求項４】 白熱フィラメント（３）の少なくとも２
つが電気的に並列に接続されていることを特徴とする請
求項１記載の放射源。 - 【請求項５】 少なくとも白熱フィラメント（３）の部
分が電気的に並列および直列に接続されていることを特
徴とする請求項１記載の放射源。 - 【請求項６】 白熱フィラメント（３）のそれぞれがタ
ングステンで作られることを特徴とする請求項１記載の
放射源。 - 【請求項７】 白熱フィラメント（３）のそれぞれがチ
タン−タングステン合金で作られることを特徴とする請
求項１記載の放射源。 - 【請求項８】 白熱フィラメント（３）のそれぞれがモ
リブデンで作られることを特徴とする請求項１記載の放
射源。 - 【請求項９】 個々の白熱フィラメント（３）が互いに
機械的に接続されていることを特徴とする請求項１から
８のいずれかに記載の放射源。 - 【請求項１０】 個々の白熱フィラメント（３）が、連
続した窒化シリコンブリッジ（６）により互いに機械的
に接続されていることを特徴とする請求項９に記載の放
射源。 - 【請求項１１】 個々の白熱フィラメント（３）が、開
口を有する連続した窒化シリコンブリッジ（６）により
互いに機械的に接続されていることを特徴とする請求項
９に記載の放射源。 - 【請求項１２】 白熱フィラメント（３）の下にミラー
構造体（４３）が設けられていることを特徴とする請求
項１から１１のいずれかに記載の放射源。 - 【請求項１３】 白熱フィラメント（３）の下に反射防
止層（３７）が設けられていることを特徴とする請求項
１から１２のいずれかに記載の放射源。 - 【請求項１４】 放射源がファブリーペロー干渉計に組
み込んでいることを特徴とする請求項１から１３のいず
れかに記載の放射源。 - 【請求項１５】 放射源が開口（４５）が形成される非
透明層（４４）を組み込んでいることを特徴とする請求
項１から１４のいずれかに記載の放射源。 - 【請求項１６】 白熱フィラメント（３）の層の上にポ
リシリコン層（３９）が形成されていることを特徴とす
る請求項１から１５のいずれかに記載の放射源。 - 【請求項１７】 前記ポリシリコン層（３９）およびそ
の上に付着された層（３２）が測定波長の１／４波長に
等しい結合厚さを有することを特徴とする請求項１６記
載の放射源。 - 【請求項１８】 白熱フィラメント（３）の端（７）が
白熱フィラメント（３）の中央部（８）よりも薄く形成
されていることを特徴とする請求項１から１７のいずれ
かに記載の放射源。 - 【請求項１９】 フィラメント３３の放射率が通常は
０．４より大きく、有利な実施例では０．５よりも大き
く、また特に有利な実施例では０．７より大きいことを
特徴とする請求項１から１８のいずれかに記載の放射
源。 - 【請求項２０】 フィラメントの動作温度が通常は４０
０℃より上であり、有利な実施例では５００℃より上で
あることを特徴とする請求項１から１９のいずれかに記
載の放射源。
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