JP4984706B2 - マイクロ構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ構造体の製造方法に関する。

従来より、ガス分子は特定波長の光を吸収することが知られており、この性質を利用した様々なガス濃度検出装置が知られている。このような装置でガス濃度を測定する場合、ガス分子に吸収される光の強度は、計測する光の光路長とガス濃度とによって決まるため、ガス濃度が極端に低い場合では長い光路長が必要となる。これに伴い、ガス濃度検出装置が大型化してしまうという問題が生じる。

そこで、特許文献１では、特定波長の光を特定ガスが存在するガスセルに入光させると共に、ガスセル内に配置させた平面鏡で光を多重反射させた後、ガスセルから射出した光を受光して、ガス濃度を検出する装置が提案されている。このように、ガスセル内に導いた光をガスセル内で多重反射させることによって、その光の光路長を長くしている。このため、小サイズのガスセルであっても長い光路長を確保することができると共に、低濃度のガスであってもガス分子による光吸収を充分に行うことができるようになっている。

上記のようなガス濃度検出装置を実現するためには、ガスセル内に光を閉じこめることができる一対のミラー、特に凹面ミラーが必要となる。このような凹面ミラーは、ガス濃度を検知する場合に必要な中赤外領域から遠赤外の波長領域に対して透過する材料で形成される必要があり、材料としてＳｉ、Ｇｅ、ＺｎＳｅなどがある。しかしながら、これらの材料で凹面ミラーを形成する場合、機械加工後に表面を研磨しなければならず、コスト高の要因となっている。そのため、高精度加工を平易に実現することが求められている。

このような要求に対して、特許文献２では、シリコン基板を用いて凹面ミラーを製造する方法が提案されている。具体的に、特許文献２では、第１層としてのシリコン基板上にエッチング率の異なる第２層を形成し、第２層上にマスクパターンを形成する。この後、エッチングを行うことで、各層を各層のエッチング率に従ってエッチングする。このようにして、シリコン基板の表面にレンズを形成している。
特開２００５−１４７９６２号公報 特開２００５−１８１９６１号公報

しかしながら、特許文献１では、入射光をガスセル内の鏡面部で多重反射させて出光させることから、ＬＤ（レーザダイオード）やＬＥＤ（発光ダイオード）など、指向性の高い光を用いることが必要である。そこで、ガスの吸収係数が高く、高感度検出ができる中赤外領域〜遠赤外領域（波長：２μｍ以上）の波長を扱う量子カスケードレーザ光源を用いることが考えられる。しかし、量子カスケードレーザ光源は高価であり、実用的ではない。

したがって、一般には光源として熱線を用いた電球光源が用いられる。しかしながら、電球光源は、光源温度に依存した連続的な波長を発光するものの、ＬＤやＬＥＤと比較して指向性が低い。すなわち、特許文献１のようなガスセルでは、ガスセル内で光線が定まらず、安定した光路長を確保することができない。

また、特許文献２では、各層のエッチング率が異なることを利用して凹面ミラーを形成するようになっているが、第２層の厚さのばらつきに応じてミラー形状にばらつきが生じてしまう。

なお、特開２００３−１８５８０３号公報には、予め基板にトレンチを形成した後に、等方性エッチングによってトレンチの形状を凹面に整える方法が開示されている。この方法は、上記特許文献２に示される手法よりも形状を制御する上で有利である。しかしながら、ガス濃度検出のための多重反射用ミラーは例えばミリオーダーのサイズであり、上記公報による方法では、ミクロンサイズのミラーを形成できたとしても、ミリオーダーのサイズのミラーを形成することはできない。

本発明は、上記点に鑑み、光学式ガス濃度検出器に用いられるミラーとしてのマイクロ構造体の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴では、平面を３次元加工することで、光学式ガス濃度検出器に用いられる凹面ミラーとしてのマイクロ構造体を製造する製造方法において、基板（１１０）を用意し、この基板上に異なる面積を有する複数の開口部を備えたマスク（２００）を形成する。そして、マスクの開口部の面積に応じて基板をドライエッチングすることで、開口部の面積が広いほど深くエッチングされる深さの異なる溝を形成し、基板の表面にマイクロ構造体の表面形状の少なくとも一部を形成する。

このように、基板上に面積が異なる複数の開口部を有するマスクを形成してエッチングすることで、開口部の面積が広いほど深くエッチングされるというマイクロローディング効果を利用して、基板上に深さの異なる溝を形成することができる。すなわち、形成したい表面形状に応じてマスクの開口部の面積を調整することで、任意の３次元構造を形成することができる。

この手法は、基板の厚さやマスクの厚さに関係なく、マスクに設けられた開口部の面積によって基板に対する加工度合いを調整することができるので、基板に形成する３次元構造体の形状ばらつきを低減させることができる。また、マスクに設けた複数の開口部によって基板に深さの異なる溝を形成していくので、ミリオーダーのサイズの加工物を容易に形成することができる。

この場合、基板として、酸化工程を行うことが可能なものを用意することが好適である。すなわち、エッチングによって基板表面を加工した後の表面処理を容易にすることができる。

また、マスクを形成する工程では、少なくとも２つの開口部を分離する領域として、幅が酸化工程で完全に酸化される狭いものを形成し、酸化可能な基板を用いることで、開口部を分離する領域を酸化して完全に除去することもできる。

本発明の第２の特徴として、マイクロ構造体の表面形状の少なくとも一部を形成する工程では、開口部を分離する領域をウェットエッチングにより除去することができる。基板を液体に浸すだけであるので、容易にエッチングを行うことができる。

開口部を分離する領域を除去する工程の後では、水素雰囲気中で熱処理を行うことで表面を平滑化処理することができる。好適には、さらにその後、表面を酸化して除去する工程と水素雰囲気中での熱処理による平滑化処理する工程とを複数回行うことで、基板の加工による凹凸をより滑らかな表面にすることができる。

そして、本発明の第３の特徴として、上記のようにして、基板の表面を３次元加工することでマクロ構造体の凹面を製造するにあたり、マスクを形成する際、凹面の周辺部から中心部にかけて、マスクの開口部の面積が漸次大きくなるようにする。これにより、上記マイクロローディング効果を利用して凹部となる中心部分を深く、周辺部分を浅くエッチングすることができる。

また、マスクを形成する工程では、マスクを複数の同心円状に形成すると共に、半径の異なる各同心円間を開口部としており、当該各同心円間の開口部が外径方向に向かうほど小さくなるようにマスクを形成する。このようにすることで、凹面の形状の基礎となる溝を形成することができる。ここで、基板として、酸化工程を行うことが可能なものを用意する。マスクを形成する工程では、少なくとも２つの開口部を分離する領域として、幅が酸化工程で完全に酸化される狭いものを形成し、酸化可能な基板を用いることで、開口部を分離する領域を酸化して完全に除去することもできる。さらに、開口部を分離する領域を除去する工程の後、水素雰囲気中で熱処理を行うことで平滑化処理する。これにより、凹面を形成できる。

そして、基板の表面をエッチングし、各開口部を分離する領域を酸化して除去することで基板の表面に凹面部（２１、３１）を形成した後、凹面部に反射膜（３００）を形成すると共に、基板のうち凹面部が形成された面とは反対側の平面部（２２、３２）に反射防止膜（３１０）を形成することもできる。これにより、基板を凹面鏡として構成することができる。

上記反射膜を形成する工程では、赤外光に対して幅広い反射特性を持つ金などの金属膜が好適である。さらに、当該金属膜をパターニングすることも可能である。このパターニングした金属膜を例えば光源として用いることができる。

一方、基板の表面をエッチングし、各開口部を分離する領域を酸化して除去することで基板の表面に凹面部（２１、３１）を形成した後、凹面部の外縁部に絶縁膜（２５）を形成すると共に、この絶縁膜上に金属膜を形成してパターニングし、マイクロヒータ（２３）を形成することもできる。これにより、凹面部の外周に形成した当該マイクロヒータを光源として用いることができる。

また、マスクを形成する際、当該マスクを構成する各同心円を繋ぐ梁（２０１）をマスクの一部として形成することもできる。このような梁として、マスクを構成する各同心円の接線に垂直なものを形成することができる。これにより、エッチングされたことによって薄くなった開口部を分離する同心円状の領域が割れてしまうことを防止することができる。

上記のようにして梁を形成する場合、各同心円を構成する部分と梁を構成する部分との各幅が同じになるようにマスクを形成することが好ましい。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。以下で示されるガス濃度検出器は、例えばＣＯ_２（二酸化炭素）やＨＣ（炭化水素）等のガスが空気中に含まれる濃度を検出するものとして用いられる。これらのガスは、例えば中赤外域の波長の光を吸収することが知られているため、本実施形態では中赤外域の波長の光強度を検出することでガス濃度を検出するガス濃度検出器について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係るガス濃度検出器の全体構成図である。この図に示されるように、ガス濃度検出器Ｓ１は、筒状の筐体１０に一対の第１、第２ミラー２０、３０が固定されている。

これら一対のミラー２０、３０は、それぞれ平凹構造として構成されている。そして、各ミラー２０、３０の各凹面部２１、３１が対向すると共に、一方のミラー２０、３０の焦点が対向する他方のミラー２０、３０の凹面部２１、３１の中心に位置するように配置されている。すなわち、各ミラー２０、３０の間隔は、凹面部２１、３１の焦点距離に相当する。

上記各ミラー２０、３０は、赤外光に対して透過率が高い材質で形成されており、ＳｉやＧｅ等の材料が採用される。このような各ミラー２０、３０のうち各凹面部２１、３１には、９０％以上の高い反射率となる反射膜がそれぞれ形成されている。本実施形態では、各凹面部２１、３１の反射率は９５％になっており、一対のミラー２０、３０に導かれた光の光路長は各ミラー２０、３０間の間隔の１０倍を得ることができる。

また、各ミラー２０、３０において各凹面部２１、３１とは反対側はそれぞれ平面部２２、３２になっている。これら平面部２２、３２には、低反射率の反射防止膜がそれぞれ形成されている。なお、各ミラー２０、３０の径は例えば凹面部２１、３１の直径が３ｍｍのサイズになっている。

そして、筐体１０のうち各ミラー２０、３０が配置された間に空気孔１１、１３が設けられている。これにより、この空気孔１１、１３からガス４０が筐体１０内に流入することで、ガス４０が筐体１０の内壁面および各ミラー２０、３０の凹面部２１、３１により形成される空間１２内に閉じこめられる。

また、筐体１０の端部のうちの一方、すなわち第１ミラー２０の平面部２２に対向する位置に光源部５０が固定されている。この光源部５０には図示しない光源が備えられている。本実施形態では、光源として、１０００℃程度の高温フィラメントを持つ赤外光源が採用される。このような約１０００℃の高温フィラメントを用いることで、赤外領域に強い発光強度の光を発することができる。

上記光源部５０から光が発せられると、第１ミラー２０を透過して筐体１０の空間１２に光が導かれると共に、各ミラー２０、３０の各凹面部２１、３１で多重反射することとなる。

さらに、筐体１０の端部のうちの他方、すなわち第２ミラー３０の平面部３２に対向する位置にバンドパスフィルタ６０が固定されている。このバンドパスフィルタ６０は、可視光〜近赤外、遠赤外の波長の光を除去するものである。

このバンドパスフィルタ６０において第２ミラー３０とは反対側に分光デバイス７０が配置されている。この分光デバイス７０は、例えばファブリペロー型のものとして構成され、分光素子が備えられている。この分光素子は、バンドパスフィルタ６０を介して入射された光の波長のうち特定波長を分光して射出するものである。

ただし、分光デバイス７０では、原理的にある数μｍの波長域以外の波長を分光することができない。このため、中赤外域の波長を測定する場合、本実施形態で測定しない波長域、例えば可視光〜近赤外、遠赤外の波長をバンドパスフィルタ６０により除去している。

なお、分光デバイス７０は周知の光学デバイスであり、本実施形態ではその詳細な説明を割愛する。この分光デバイス７０については、例えば『光マイクロマシン』（オーム社、澤田廉士、羽根一博、日暮栄治著、ｐ３０〜３３、ｐ２０５〜２１０）等に詳細な説明の記載がある。

また、分光デバイス７０においてバンドパスフィルタ６０の反対側には赤外線センサデバイス８０が配置されている。この赤外線センサデバイス８０は、受光素子を備えており、分光デバイス７０から射出された特定波長の光を受光すると共に、受光した光の強度に相当する電圧信号を外部に出力する。

上記バンドパスフィルタ６０、分光デバイス７０、および赤外線センサデバイス８０は１つのパッケージとして構成され、筐体１０のうち一対のミラー２０、３０において光源部５０とは反対側に設置される。

本実施形態では、光源部５０、第１、第２ミラー２０、３０、バンドパスフィルタ６０、分光デバイス７０、赤外線センサデバイス８０が筐体１０の長軸上に配置されている。これにより、光源部５０から射出された光は、第１ミラー２０を透過して一対のミラー２０、３０間に閉じこめられて各ミラー２０、３０間で多重反射すると共に、第２ミラー３０を透過してバンドパスフィルタ６０、分光デバイス７０を介して赤外線センサデバイス８０に入射するようになっている。以上が、本実施形態に係るガス濃度検出器Ｓ１の全体構成である。

次に、上記ガス濃度検出器Ｓ１に用いられる各ミラー２０、３０の製造方法について、図を参照して説明する。まず、各ミラー２０、３０の各凹面部２１、３１の形成手法について説明する。本実施形態では、ＳｉやＧｅなどの基板を任意形状に加工することにより、各ミラー２０、３０を製造する。

具体的には、基板をエッチングするに際し、マスクの開口部の開口幅が狭い場所は浅くエッチングされ、逆に、マスクの開口部の開口幅が広い場所は深くエッチングされるマイクロローディング効果を利用する。

実際に、基板に形成したトレンチの幅（≒マスクの開口幅）を０．８μｍ〜１８μｍの範囲で変化させたときの基板のエッチングレートを測定した。図２は、トレンチ幅（抜き幅）とエッチングレートとの相関関係を示した図である。この図に示されるように、トレンチ幅が大きくなるほど、エッチングレートも大きくなり、より深くエッチングされることがわかる。

そこで、本実施形態では、用意したＳｉ基板に各ミラー２０、３０の各凹面部２１、３１を形成すべく、図３（ａ）に示される形状のマスクを用いることにより、マイクロローディング効果を利用してＳｉ基板をエッチングする。

図３（ａ）は、Ｓｉ基板上にマスクを形成したものの平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、マスクの開口部の開口幅に応じてエッチングされたＳｉ基板の断面図を示したものである。

図３（ａ）に示されるように、Ｓｉ基板１００上に同心円状のマスク２００を形成する。ここで、図３（ａ）の実線部分がＳｉ基板１００上に形成されるマスクとなる部分であり、実線（黒色）以外の部分が開口した領域を示している。

そして、図３（ａ）に示されるように、マスク２００の各同心円の間隔が、外径方向に向かうほど小さくなっている。これにより、図３（ｂ）に示されるように、円状のマスク２００の中心部分を深くエッチングすると共に、円状マスク２００の外径方向へ向かうほど浅くエッチングすることができる。このように、マスク２００の開口部の開口幅に応じてＳｉ基板に対するエッチング深さを制御し、各ミラー２０、３０の各凹面部２１、３１となる形状を得ることができる。

なお、図３（ｂ）では、Ｓｉ基板１００の裏面がエッチングされないように、Ｓｉ基板１００の裏面全体にマスク２１０が形成されている。

当該マイクロローディング効果を利用したエッチング方法は、マスク２００の開口部の開口幅を制御するだけでＳｉ基板の所望の場所を所望の深さにエッチングすることができるので、凹面形状に限らず、凸面形状のマクロ的な外郭を形成することもできる。また、３次元的な形状が必要な場合でも、自由に曲面を形成することができる。以下、上記のマイクロローディング効果を利用した各ミラー２０、３０の製造方法を説明する。

図４は、図１に示されるガス濃度検出器Ｓ１に用いられる第１、第２ミラー２０、３０の製造工程を示した図である。図４は、図３（ｂ）に示される断面図に対応している。

本実施形態では、光源部５０から発した中赤外から遠赤外領域の波長の光を各ミラー２０、３０で透過させるため、中赤外から遠赤外領域の波長領域で光を透過する材料を選択する必要がある。上述のように、材料としてＳｉ、Ｇｅ、ＺｎＳｅなどが採用され、本工程ではＳｉ基板１１０が採用される。

図４（ａ）に示す工程では、Ｓｉ基板１１０に図３（ａ）に示されるものと同様のマスクを形成する。具体的には、Ｓｉ基板１１０を用意すると共に、このＳｉ基板１１０を熱酸化（１１５０℃、２時間）して、Ｓｉ基板１１０の表裏面に厚さが例えば１μｍの熱酸化膜を形成する。

この後、Ｓｉ基板１１０のうち表面側に形成された熱酸化膜をパターニングすることで、マスク２００を形成する。このように熱酸化膜をパターニングする際、上述のように、凹面部２１、３１の中心部分が凹面部２１、３１の外縁部分よりも開口幅が大きくなるようにマスク２００を形成する。すなわち、図３（ａ）および図４（ａ）に示されるように、同心円状の各マスク２００の間隔が、外径方向に向かうほど狭くされている。この際、酸化膜を残す部分は開口部を分離する領域となる。この部分はその後の図４（ｃ）の酸化時に、完全に酸化されるように細いことが好適であり、本実施例では１μｍ幅とした。

また、Ｓｉ基板１１０の裏面に形成した熱酸化膜をＳｉ基板１１０の裏面側のマスク２５１として用いる。

図４（ｂ）に示す工程では、Ｓｉ基板１１０をドライエッチングする。上述のように、マスク２００の開口部の開口幅に応じてエッチングされる深さが異なることから、図４（ｂ）に示されるように、凹面部２１、３１となる中心部分は深くエッチングされ、エッチングされた部分の中でもっとも深い凹部１１１が形成される。また、凹面部２１、３１の外縁部となる部分はマスク２００の各開口部の間隔が狭いため、中心部分の凹部１１１よりも浅い凹部１１２が形成される。

図４（ｃ）に示す工程では、Ｓｉ基板１１０が露出した部分を熱酸化する。すなわち、本工程では、図４（ｂ）に示す工程でエッチングされずに残された部位を、図４（ａ）に示す工程と同様に熱酸化する。これにより、エッチングされたことで露出したＳｉ基板１１０を酸化させ、Ｓｉ基板１１０の表面全体に熱酸化膜２６０を形成する。

図４（ｄ）に示す工程では、図４（ｂ）に示す工程でエッチングされずに残された部位を除去する。本実施形態では、フッ酸でＳｉ基板１１０の表裏面に形成された熱酸化膜２６０を除去する。これにより、Ｓｉ基板１１０の表面にマクロ的な凹形状を得ることができる。なお、本工程の段階では、この凹形状は各マスク２００の間隔に応じた凹凸が残されている。

図４（ｅ）に示す工程では、Ｓｉ基板１１０に熱処理を施す。本実施形態では、図４（ｄ）に示す工程を終えたＳｉ基板１１０に対し、水素雰囲気中で１１００℃の熱処理を実施する。これにより、Ｓｉ基板１１０の表面側の凹形状部分で流動化が生じると共に、凹凸が激減する。こうしてＳｉ基板１１０の表面側がミラーとして十分機能を持つ表面へと変化する。

図４（ｆ）に示す工程では、反射膜３００および反射防止膜３１０を形成する。まず、Ｓｉ基板１１０の表面側（凹構造が形成された側）に広帯域の反射特性を持つ厚さ０．２μｍのＡｕ（金）を蒸着して反射膜３００を形成する。次に、Ｓｉ基板１１０の裏面側に厚さ０．５μｍのＳｉＮ膜を反射防止膜３１０として形成する。こうして、図１に示されるガス濃度検出器Ｓ１に用いられる各ミラー２０、３０が完成する。以上のようにして製造された各ミラー２０、３０は、図１に示されるガス濃度検出器Ｓ１の一構成部品として用いられることとなる。

上記構成を有するガス濃度検出器Ｓ１において、ガス濃度は以下のようにして得られる。まず、空気孔１１、１３から空気を導入する。そして、光源部５０から光を射出させる。光源部５０から射出された光は、第１ミラー２０を透過して筐体１０の空間１２に導かれると共に、各ミラー２０、３０の各凹面部２１、３１で多重反射する。これにより、光の光路を長光路化することができる。

そして、各ミラー２０、３０間で多重反射する光は、空間１２内に導入された空気に含まれるＣＯ_２分子などにより特定波長のみが吸収されるため、特定波長の光は減衰され、強度が弱くなる。この後、光は第２ミラー３０を透過して、バンドパスフィルタ６０で可視光〜近赤外、遠赤外の波長の光が除去され、分光デバイス７０で分光されて赤外線センサデバイス８０に入射する。

赤外線センサデバイス８０では、分光デバイス７０を介して入射された光の強度に応じたレベルの電圧信号が検出され、外部に出力される。そして、電圧信号に応じたガス濃度が取得されることとなる。

以上説明したように、本実施形態では、マイクロローディング効果を利用してＳｉ基板１１０に凹面部２１、３１を形成すると共に、このような手法により形成した各ミラー２０、３０を用いてガス濃度検出器Ｓ１を構成したことが特徴となっている。

すなわち、Ｓｉ基板１１０上に面積が異なる複数の開口部を有するマスク２００を形成してエッチングすることで、開口部の面積が広いほど深くエッチングされるというマイクロローディング効果を利用することで、Ｓｉ基板１１０に深さの異なる溝を形成することができる。つまり、マスク２００の開口部の面積や配置を調整することで、Ｓｉ基板１１０に任意の３次元構造を容易に形成することができる。

また、マイクロローディング効果を利用した加工方法は、マスク２００に設けられた開口部の面積のみによってＳｉ基板１１０に対する加工度合いを調整することができる。このため、マスク２００の厚さやエッチングレート等を考慮する必要はない。したがって、エッチングによる加工精度の低下も防止することができ、各Ｓｉ基板１１０における加工ばらつきや形状ばらつきも抑制することができる。

さらに、マスク２００に設けた複数の開口部によってＳｉ基板１１０に深さの異なる溝を形成していくので、従来では形成できなかったサイズの構造物を形成することができる。すなわち、ミリオーダーのサイズの加工物を容易に形成することができる。

上記のようにして形成したミラー２０、３０を用いてガス濃度検出器Ｓ１を構成することができる。すなわち、各ミラー２０、３０の各凹面部２１、３１を対向配置させて、各ミラー２０、３０間で光を多重反射させることで、光の光路長を確保することができる。

このように、光の光路を確保することができるので、低濃度のガスであっても、測定対象となるガス４０に光の特定の波長を吸収させることができる。すなわち、光源としてＬＤやＬＥＤを用いる必要はなく、上記光源部５０を用いたとしても、安定した光路長を確保することができると共に、低濃度のガスの濃度を検出することができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。第１実施形態では、第１ミラー２０の平面部２２に対向する位置に光源部５０を配置すると共に、光源部５０から発した光を、第１ミラー２０を透過させて空間１２に導いていた。

しかし、第１ミラー２０の反射率が高いため、このような構造では各ミラー２０、３０間に入射される光の量が少なくなっている。そのため、大きな光量を持つ光源が必要となると共に、長時間光源を駆動させると筐体１０自体が温まるという問題が生じる可能性がある。

そこで、本実施形態で、第１ミラー２０に光源を内蔵し、第１実施形態で用いられた光源部５０を無くしてしまったことが特徴となっている。以下、本実施形態に係るガス濃度検出器について、図を参照して説明する。

図５は、本発明の第２実施形態に係るガス濃度検出器の全体構成図である。この図に示されるように、本実施形態に係るガス濃度検出器Ｓ２は、光源が備えられた第１ミラー２０を有している。

図６（ａ）は、本実施形態に係る第１ミラー２０のＢ矢視図であり、図６（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。図６（ａ）に示されるように、第１ミラー２０の表面側（凹面部２１が形成された側）の外縁部に光源となるマイクロヒータ（薄膜ヒータ）２３が形成されている。マイクロヒータ２３の両端には電極２４がそれぞれ形成されており、各電極２４間に電流が流れることでマイクロヒータ２３が発光するようになっている。

また、図６（ｂ）に示されるように、Ｓｉ基板１１０の表面側のうち外縁部に絶縁膜としてメンブレン下部膜２５が形成されており、このメンブレン下部膜２５上にマイクロヒータ２３が形成されている。そして、マイクロヒータ２３を覆うように絶縁膜としてメンブレン上部膜２６が形成されている。また、Ｓｉ基板１００のうちマイクロヒータ２３に対向する部分が除去され、凹部２７が形成されている。

このように光源となるマイクロヒータ２３を第１ミラー２０に備えることで、マイクロヒータ２３から発せられた光における空間１２への入射効率を高めることができる。

次に、本実施形態に係る第１ミラー２０の製造方法について、図を参照して説明する。図７は、本実施形態に係る第１ミラー２０の製造工程を示した図である。本実施形態では、図４（ｅ）に示す工程までの工程は、第１実施形態と同様である。ただし、メンブレン形成を行うため、Ｓｉ（１００）の基板を採用している。なお、図７は、マイクロヒータ２３および電極２４を貫く場所に対応した断面図になっている。

図７（ａ）に示す工程では、メンブレン下部膜２５を形成する。まず、Ｓｉ基板１１０の表面全体にＬＰＣＶＤ法によるＳｉＮ膜とＳｉＯ_２膜との絶縁膜を組み合わせて形成する。なお、この場合、膜種や形成方法などは、マイクロヒータ２３を形成できるメンブレンを作ることができれば膜の種類および形成方法は問わない。

この後、当該絶縁膜上にマイクロヒータ２３としてＰｔ（白金）膜を形成すると共にエッチングし、図６（ａ）のようにパターニングする。さらにマイクロヒータ２３およびメンブレン下部膜２５を覆うように、メンブレン上部膜２６としてＳｉＮ膜とＳｉＯ_２膜を形成する。

図７（ｂ）に示す工程では、マイクロヒータ２３に通電するための電極２４となる部位のメンブレン上部膜２６、および凹面部２１に形成されたメンブレン下部膜２５およびメンブレン上部膜２６をエッチングして除去する。

図７（ｃ）に示す工程では、Ｓｉ基板１１０の表面側（凹面部２１側）に広帯域の反射特性を持つ厚さ０．２μｍのＡｕ（金）を蒸着してパターニングすることで、凹面部２１に反射膜３００を形成すると共に、メンブレン上部膜２６のうち開口した部分に電極２４を形成する。

図７（ｄ）に示す工程では、Ｓｉ基板１１０の裏面側に反射防止膜３１０として厚さ０．５μｍのＳｉＮ膜を形成する。また、Ｓｉ基板１１０の裏面に形成された反射防止膜３１０うち、マイクロヒータ２３と対向する部分をパターニングにより除去する。そして、Ｓｉ基板１１０を裏面からエッチング液に浸すことでＳｉ基板１１０の裏面のうち反射防止膜３１０が開口した部分を異方性エッチングして凹部２７を形成する。これにより、メンブレンを形成することができる。

以上のようにして、図６に示される本実施形態に係る第１ミラー２０が完成する。このように、第１ミラー２０に光源（マイクロヒータ２３）を一体化させることもできる。

（第３実施形態）
本実施形態では、各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。上記第２実施形態では、メンブレン下部膜２５上にマイクロヒータ２３を形成することで発熱効率を高めると共に、発光効率を向上させていた。しかしながら、マイクロヒータ２３の熱がメンブレンを通してＳｉ基板１１０に放熱される場合や空気中へ放熱される場合によって、その放熱分がロスとなる。そこで、本実施形態では、ブリッジ型のマイクロヒータ２３とすることで、Ｓｉ基板１１０への放熱を低減することが特徴となっている。

図８（ａ）は、本実施形態に係る第１ミラー２０の平面図であり、図８（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。図８（ａ）に示されるように、第１ミラー２０の表面側（凹面部２１が形成された側）の外縁部に光源となるマイクロヒータ２３および電極２４が形成されている。本実施形態では、マイクロヒータ２３はＳｉ基板１１０上で三角波状に配置されている。

また、図８（ｂ）に示されるように、マイクロヒータ２３はメンブレン下部膜２５およびメンブレン上部膜２６に挟まれていると共に、メンブレン下部膜２５およびメンブレン上部膜２６で構成されるメンブレンによってブリッジ状になっている。すなわち、マイクロヒータ２３は、凹部２８が設けられたＳｉ基板１１０と、凹部１２１が形成された真空封止用基板１２０とに挟まれた構造になっている。本実施形態では、Ｓｉ基板１１０の凹部２８と真空封止用基板１２０の凹部１２１とによって構成される空間は真空になっている。

次に、本実施形態に係る第１ミラー２０の製造方法について、図を参照して説明する。図９は、本実施形態に係る第１ミラー２０の製造工程を示した図である。本実施形態では、図７（ａ）に示す工程までの工程は、第２実施形態と同様である。なお、図９で、マイクロヒータ２３および電極２４を貫く場所に対応した断面図になっている。また、メンブレン形成を行うため、Ｓｉ基板１１０としてＳｉ（１００）を用いている。

図９（ａ）に示す工程では、マイクロヒータ２３に通電するための電極２４となる部位のメンブレン上部膜２６、および凹面部２１に形成されたメンブレン下部膜２５およびメンブレン上部膜２６をエッチングして除去する。さらに、マイクロヒータ２３のブリッジ構造を形成するため、メンブレン上部膜２６およびメンブレン下部膜２５をエッチングすることでマイクロヒータ２３の内周側および外周側にそれぞれ開口部２９を形成する。

図９（ｂ）に示す工程では、図７（ｃ）に示す工程と同様に、凹面部２１に反射膜３００を形成すると共に、メンブレン上部膜２６のうち開口した部分に電極２４を形成する。

図９（ｃ）に示す工程では、Ｓｉ基板１１０の裏面側に反射防止膜３１０としてＳｉＮ膜を形成する。さらに、Ｓｉ基板１１０の表面側をシリコンエッチング液に浸すことで、開口部２９からＳｉ基板１１０を異方性エッチングする。これにより、Ｓｉ基板１１０のうちマイクロヒータ２３に対向する部分を除去し、凹部２８を形成する。こうして、メンブレン上部膜２６およびメンブレン下部膜２５で構成されるメンブレンのブリッジを形成することができる。

図９（ｄ）に示す工程では、凹部１２１が設けられた真空封止用基板１２０を真空中でＳｉ基板１１０に接合することで、ブリッジを真空封止した図８に示される構造を形成する。

このように、マイクロヒータ２３をＳｉ基板１１０および真空封止用基板１２０で真空中に封止することで、マイクロヒータ２３から空気への放熱が無くなり、極めて高効率なマイクロヒータ２３を実現することができる。

（第４実施形態）
本実施形態では、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。上記第２、第３実施形態では、光源としてのマイクロヒータ２３は第１ミラー２０の表面側のうち凹面部２１の外縁部に設けられていた。本実施形態では、この光源としてのマイクロヒータ２３を凹面部２１に設けることで、各ミラー２０、３０間で多重反射される光の効率をより高めることが特徴となっている。

図１０（ａ）は、本実施形態に係る第１ミラー２０の平面図であり、図１０（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。図１０（ａ）に示されるように、第１ミラー２０の凹面部２１に光源となるマイクロヒータ２３が形成されており、マイクロヒータ２３から引き伸ばされた配線が凹面部２１の外縁部に設けられた電極２４に接続されている。また、図１０（ｂ）に示されるように、第１ミラー２０の裏面側に凹部２７ａが形成されており、マイクロヒータ２３は薄膜メンブレンとしての反射膜３００に形成されている。

次に、本実施形態に係る第１ミラー２０の製造方法について、図を参照して説明する。図１１は、本実施形態に係る第１ミラー２０の製造工程を示した図である。本実施形態では、図４（ｅ）に示す工程までの工程は、第１実施形態と同様である。なお、図１１は、マイクロヒータ２３および電極２４を貫く場所に対応した断面図になっている。また、メンブレン形成を行うため、Ｓｉ基板１１０としてＳｉ（１００）を用いている。

図１１（ａ）に示す工程では、メンブレン下部膜２５を形成する。本実施形態では、図７（ａ）に示す工程と同様に、ＬＰＣＶＤ法によるＳｉＮ膜とＳｉＯ_２膜の絶縁膜を組み合わせて用いた。

図１１（ｂ）に示す工程では、メンブレン下部膜２５上に反射膜３００として広帯域の反射特性を持つ厚さ０．２μｍのＡｕを蒸着し、パターニングする。また、図１０（ａ）に示されるようにマイクロヒータ２３をパターニングする。

図１１（ｃ）に示す工程では、Ｓｉ基板１１０の裏面側に反射防止膜３１０としてＳｉＮ膜を形成する。さらに、Ｓｉ基板１１０のうちマイクロヒータ２３と対向する部分の反射防止膜３１０を開口し、Ｓｉ基板１１０の裏面をシリコンエッチング液に浸すことで、Ｓｉ基板１１０の裏面を異方性エッチングする。これにより、凹面部２１においてマイクロヒータ２３が形成された部分をメンブレンとして形成することができる。

以上説明したように、第１ミラー２０の凹面部２１にマイクロヒータ２３を形成することもできる。

（第５実施形態）
本実施形態では、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。上記各実施形態では、各ミラー２０、３０の各凹面部２１、３１を形成する際、Ｓｉ基板１１０上に図３（ａ）に示されるマスク２００を形成してエッチングを行っていた。このような場合、図３（ｂ）に示されるように、マスク２００によって残されたＳｉ基板１１０は筒状の壁となって残るが、Ｓｉ基板１１０の歪みや洗浄等によって壁が割れる可能性がある。

そこで、本実施形態では、各ミラー２０、３０の各凹面部２１、３１を形成するためのエッチングを施す場合、複数の同心円で構成されるマスク２００を梁で連結することにより、Ｓｉ基板１１０の強度を確保することが特徴となっている。

図１２は、本実施形態に係るマスク２００の平面図である。この図に示されるように、各同心円を繋ぐ梁２０１が設けられている。この梁２０１は、各同心円の中心を貫く直線状になっており、複数設けられている。言い換えると、梁２０１は、各同心円の接線に垂直な直線になっている。

このようにして設けられる梁２０１の幅は、マスク２００を構成する各同心円の幅と同じになっている。もちろん、この梁２０１の幅は、同心円の部分と異なる幅になっていても構わない。

以上説明したように、複数の同心円で構成されるマスク２００に梁２０１を設けることで、エッチング後のＳｉ基板１１０の強度を確保することができ、Ｓｉ基板１１０の割れを防止することができる。

（他の実施形態）
上記第１実施形態では、図４（ｃ）、図４（ｄ）に示す工程で酸化膜処理、エッチングという工程順で説明したが、図４（ｂ）に示す工程の後、シリコンウェットエッチング処理を施しても良い。

また、第１実施形態において、図４（ｃ）および図４（ｄ）に示す工程を繰り返すことで、Ｓｉ基板１１０の表面側の凹凸をさらに低減でき、さらに好適である。

上記第１実施形態では、図４（ｆ）に示す工程において反射膜３００の材質としてＡｕを採用したが、ＧｅやＺｎＳｅなどで多層膜を形成して反射膜３００を形成しても良い。

上記各実施形態では、各ミラー２０、３０の基板の材質としてＳｉ基板１１０を採用したが、Ｇｅ基板など酸化膜が形成できる材料のウェハであれば構わない。

また、上記第２実施形態では、各ミラー２０、３０の各凹面部２１、３１の径が同じサイズであった。そこで、図１３（ａ）に示されるように各ミラー２０、３０を構成することもできる。図１３（ａ）は、第２ミラー３０の凹面部３１の径を第１ミラー２０の凹面部３１よりも大きくした模式図である。第２ミラー３０をこのような構造とすることで、マイクロヒータ２３からの発光強度を効率的に多重反射させることができる。

さらに、第２実施形態では、第１ミラー２０のみに光源であるマイクロヒータ２３が形成されていたが、図１３（ｂ）に示されるように、各ミラー２０、３０にマイクロヒータ２３を設けるようにしても構わない。このように、各ミラー２０、３０に光源を設けることで、光の量を２倍にすることが可能となり、好適である。なお、図１３ではメンブレン下部膜２５およびメンブレン上部膜２６を省略してある。

上記第３実施形態では、マイクロヒータ２３をブリッジ構造とすること、および真空封止することの両方で記載したが、いずれか一方の方法のみでも十分効果的に光量を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係るガス濃度検出器の全体構成図である。 トレンチ幅（抜き幅）とエッチングレートとの相関関係を示した図である。 （ａ）は、Ｓｉ基板上にマスクを形成したものの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図１に示されるガス濃度検出器に用いられる第１、第２ミラーの製造工程を示した図である。 本発明の第２実施形態に係るガス濃度検出器の全体構成図である。 （ａ）は、第２実施形態に係る第１ミラーのＢ矢視図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。 第２実施形態に係る第１ミラーの製造工程を示した図である。 （ａ）は、第３実施形態に係る第１ミラーの平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。 第３実施形態に係る第１ミラーの製造工程を示した図である。 （ａ）は、第４実施形態に係る第１ミラーの平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。 第４実施形態に係る第１ミラーの製造工程を示した図である。 第５実施形態に係るマスクの平面図である。 他の実施形態として、（ａ）は、第２ミラーの凹面部の径を第１ミラーの凹面部よりも大きくした模式図、（ｂ）は各ミラーに光源としてのマイクロヒータを設けた模式図である。

符号の説明

２０…第１ミラー、３０…第２ミラー、２１、３１…凹面部、２２、３２…平面部、２３…光源としてのマイクロヒータ、２５、２６…絶縁膜としてのメンブレン下部膜およびメンブレン上部膜、５０…光源部、１１０…Ｓｉ基板、１２０…封止用基板、２０１…梁、２００…マスク、３００…反射膜、３１０…反射防止膜。

Claims (12)

1. 平面を３次元加工することで、光学式ガス濃度検出器に用いられる凹面ミラーとしてのマイクロ構造体を製造する製造方法であって、
   基板（１１０）を用意する工程と、
   前記基板上に、異なる面積を有する複数の開口部を備えたマスク（２００）を形成する工程と、
   前記マスクの前記開口部の面積に応じて前記基板をドライエッチングすることで、前記開口部の面積が広いほど深くエッチングされる深さの異なる溝を形成し、前記基板の表面にマイクロ構造体の表面形状の少なくとも一部を形成する工程と、を含んでおり、
   前記基板を用意する工程では、前記基板として、酸化工程を行うことが可能なものを用意し、
   前記マイクロ構造体の表面形状の少なくとも一部を形成する工程では、前記開口部を分離する領域を酸化して除去する工程を含んでおり、
   前記溝を形成する工程では、前記開口部を分離する領域が前記酸化工程で完全に酸化される幅となるように溝を形成し、
   前記マスクを形成する工程では、前記マスクを複数の同心円状に形成すると共に、半径の異なる各同心円間を開口部としており、当該各同心円間の開口部が外径方向に向かうほど小さくなるように前記マスクを形成し、
   前記開口部を分離する領域を除去する工程の後、水素雰囲気中で熱処理を行うことで平滑化処理することを特徴とするマイクロ構造体の製造方法。
2. 平面を３次元加工することで、光学式ガス濃度検出器に用いられる凹面ミラーとしてのマイクロ構造体を製造する製造方法であって、
   基板（１１０）を用意する工程と、
   前記基板上に、異なる面積を有する複数の開口部を備えたマスク（２００）を形成する工程と、
   前記マスクの前記開口部の面積に応じて前記基板をドライエッチングすることで、前記開口部の面積が広いほど深くエッチングされる深さの異なる溝を形成し、前記基板の表面にマイクロ構造体の表面形状の少なくとも一部を形成する工程と、を含んでおり、
   前記マイクロ構造体の表面形状の少なくとも一部を形成する工程では、前記開口部を分離する領域をウェットエッチングにより除去し、
   前記マスクを形成する工程では、前記マスクを複数の同心円状に形成すると共に、半径の異なる各同心円間を開口部としており、当該各同心円間の開口部が外径方向に向かうほど小さくなるように前記マスクを形成し、
   前記開口部を分離する領域を除去する工程の後、水素雰囲気中で熱処理を行うことで平滑化処理することを特徴とするマイクロ構造体の製造方法。
3. 前記熱処理後に、表面を酸化して除去する工程と水素雰囲気中での熱処理による平滑化処理する工程とを複数回行うこと特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ構造体の製造方法。
4. 平面を３次元加工することで、光学式ガス濃度検出器に用いられるミラーとしてのマイクロ構造体の凹面を製造する製造方法であって、
   基板（１１０）を用意する工程と、
   前記基板上に、異なる面積を有する複数の開口部を備えたマスク（２００）を形成する工程と、
   前記マスクの前記開口部の面積に応じて前記基板をドライエッチングすることで、前記開口部の面積が広いほど深くエッチングされる深さの異なる溝を形成し、前記基板の表面にマイクロ構造体の表面形状の少なくとも一部を形成する工程と、を含んでおり、
   前記マスクを形成する工程では、前記凹面の周辺部から中心部にかけて、開口部の面積が漸次大きくなるように複数の開口部を有するマスクを形成し、前記マスクを複数の同心円状に形成すると共に、半径の異なる各同心円間を開口部としており、当該各同心円間の開口部が外径方向に向かうほど小さくなるように前記マスクを形成し、
   前記基板を用意する工程では、前記基板として、酸化工程を行うことが可能なものを用意し、
   前記マイクロ構造体の表面形状の少なくとも一部を形成する工程では、前記開口部を分離する領域を酸化して除去する工程を含んでおり、
   前記溝を形成する工程では、前記開口部を分離する領域が前記酸化工程で完全に酸化される幅となるように溝を形成し、
   さらに、前記開口部を分離する領域を除去する工程の後、水素雰囲気中で熱処理を行うことで平滑化処理することを特徴とするマイクロ構造体の製造方法。
5. 前記熱処理後に、表面を酸化して除去する工程と水素雰囲気中での熱処理による平滑化処理する工程とを複数回行うこと特徴とする請求項４に記載のマイクロ構造体の製造方法。
6. 前記マスクを用いて前記基板の表面をエッチングすると共に、前記開口部を分離する領域を酸化して除去する工程によって前記基板の表面に凹面部（２１、３１）を形成した後、前記凹面部に反射膜（３００）を形成する工程を含んでいることを特徴とする請求項４または５に記載のマイクロ構造体の製造方法。
7. 前記基板のうち前記凹面部が形成された面とは反対側の平面部（２２、３２）に反射防止膜（３１０）を形成する工程を含んでいることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ構造体の製造方法。
8. 前記反射膜を形成する工程は、金属膜を塗布する工程を含んでいることを特徴とする請求項６または７に記載のマイクロ構造体の製造方法。
9. 前記マスクを用いて前記基板の表面をエッチングすると共に、前記開口部を分離する領域を酸化して除去する工程によって前記基板の表面に凹面部（２１、３１）を形成した後、 前記凹面部の外縁部に絶縁膜（２５）を形成する工程と、
   前記絶縁膜上に金属膜を形成してパターニングし、マイクロヒータ（２３）を形成する工程と、を含んでいることを特徴とする請求項４に記載のマイクロ構造体の製造方法。
10. 前記マスクを形成する工程では、当該マスクを構成する前記各同心円を繋ぐ梁（２０１）を前記マスクの一部として形成することを特徴とする請求項４ないし９のいずれか１つに記載のマイクロ構造体の製造方法。
11. 前記マスクを形成する工程では、前記梁として、前記マスクを構成する前記各同心円の接線に垂直なものを形成することを特徴とする請求項１０に記載のマイクロ構造体の製造方法。
12. 前記マスクを形成する工程では、前記各同心円を構成する部分と前記梁を構成する部分との各幅が同じになるように前記マスクを形成することを特徴とする請求項１０または１１に記載のマイクロ構造体の製造方法。

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