JP6877397B2 - Ｍｅｍｓガスセンサ及びｍｅｍｓガスセンサの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ガスセンサ、特に、ＭＥＭＳガスセンサ及びその製造方法に関する。
半導体式ガスセンサの感ガス材は、金属酸化物半導体（酸化スズなど）からなる。還元ガスが高温状態の酸化スズに接触すると、表面の酸素が還元ガスと反応して取り去られる。その結果、酸化スズ中の電子が自由になる（つまり、酸化スズの抵抗が減少する）。以上の原理により、半導体式ガスセンサにおいてガスが検出される。
半導体式ガスセンサの一種であるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ガスセンサは、主に、半導体チップと、それを収容するパッケージとから構成されている。
半導体式ガスセンサの一種であるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ガスセンサは、主に、半導体チップと、それを収容するパッケージとから構成されている。
半導体チップには、キャビティが形成されている。キャビティの開口部には絶縁膜が形成され、絶縁膜に感ガス部が設けられている。感ガス部は、感ガス材と、薄膜ヒータとを有している。感ガス部はさらに配線を有している。配線は、感ガス材及び薄膜ヒータからキャビティの外部まで引き出され、電極パッドに接続されている（例えば、特許文献１を参照）。
一般的にＭＥＭＳガスセンサのヒータ層にはＰｔが用いられている。しかし、Ｐｔヒータは寿命が短いので、ＮｉＣｒヒータが検討されている。
ＮｉＣｒヒータの開発において、発明者は、層間絶縁膜にＳｉＮ膜を用いることを検討した。しかし、ＳｉＮ膜は成膜速度が低いので、生産性が良くなかった。
そこで、発明者は、成膜速度を高めるために、層間絶縁膜にＳｉＯ２膜を用いることを検討した。しかし、ＳｉＯ２膜では、ヒータ寿命試験において、抵抗値変化が大きくそのため寿命が短いことが分かった。
ＮｉＣｒヒータの開発において、発明者は、層間絶縁膜にＳｉＮ膜を用いることを検討した。しかし、ＳｉＮ膜は成膜速度が低いので、生産性が良くなかった。
そこで、発明者は、成膜速度を高めるために、層間絶縁膜にＳｉＯ２膜を用いることを検討した。しかし、ＳｉＯ２膜では、ヒータ寿命試験において、抵抗値変化が大きくそのため寿命が短いことが分かった。
本発明の目的は、ＭＥＭＳガスセンサの寿命を延ばすことにある。
以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。
本発明の一見地に係るＭＥＭＳガスセンサは、絶縁体と、感ガス材と、第１保護膜及び第２保護膜と、ヒータ配線と、ガスバリア層と、を備えている。
絶縁体は、キャビティを有する。
感ガス材は、キャビティに対応して設けられている。
第１保護膜及び第２保護膜は、絶縁体に設けられ、平面視で重なるように配置されている。
ヒータ配線は、感ガス材を加熱するためのものであり、第１保護膜と第２保護膜との間に配置されている。
ガスバリア層は、ヒータ配線の両面及び側面を密着して覆っている。
絶縁体は、キャビティを有する。
感ガス材は、キャビティに対応して設けられている。
第１保護膜及び第２保護膜は、絶縁体に設けられ、平面視で重なるように配置されている。
ヒータ配線は、感ガス材を加熱するためのものであり、第１保護膜と第２保護膜との間に配置されている。
ガスバリア層は、ヒータ配線の両面及び側面を密着して覆っている。
このセンサでは、ヒータ配線の両面及び側面をガスバリア層で覆うことで、ヒータの抵抗値変化を小さくでき、そのため寿命を長くできる。その理由は、第１保護膜と第２保護膜のガスバリア性が低かったり、その内部にある水素や酸素などのガス成分が外部に出ていったりする場合でも、ガスバリア層がガスの移動を制限するので、ヒータ配線がガスの影響を受けないからである。
ヒータ配線の側面の少なくとも一部は、側方視において斜めに延びていてもよい。
このガスセンサでは、ヒータ配線の側面が斜めになっているので、ヒータの配線の側面においてガスバリア層を形成しやすくなり、そのためガスバリア層の密着度が高くなる。
このガスセンサでは、ヒータ配線の側面が斜めになっているので、ヒータの配線の側面においてガスバリア層を形成しやすくなり、そのためガスバリア層の密着度が高くなる。
第１保護膜及び第２保護膜はＳｉＯ２からなっていてもよい。
このセンサでは、第１保護膜及び第２保護膜の成膜速度が速くなり、厚膜を容易に形成できる。
このセンサでは、第１保護膜及び第２保護膜の成膜速度が速くなり、厚膜を容易に形成できる。
ヒータ配線はＮｉＣｒからなっていてもよい。
このセンサでは、ヒータの寿命が延びる。
このセンサでは、ヒータの寿命が延びる。
ガスバリア層は金属酸化膜でもよい。
このセンサでは、ガスバリア層をスパッタ成膜で形成することが可能であり、さらに、ガスバリア層は、絶縁性又は抵抗値がヒータ配線に比べて大幅に高くなっている。
このセンサでは、ガスバリア層をスパッタ成膜で形成することが可能であり、さらに、ガスバリア層は、絶縁性又は抵抗値がヒータ配線に比べて大幅に高くなっている。
ガスバリア層はＴａ２Ｏ５からなっていてもよい。
このセンサでは、ガスバリア層の密着性が高い。
このセンサでは、ガスバリア層の密着性が高い。
ヒータ配線は、感ガス材に対応する位置において平面視で環状に形成されていてもよい。
このセンサでは、ヒータは中心部分が形成されていない。したがって、ヒータの中心側と外周側との温度差が少なくなる。その結果、ヒータ寿命が長くなり、センサ特性も安定する。
従来であれば、ヒータ中心部はパターンが密集しているため、中心部の温度が高くなり、そのため温度分布が悪くなっていた。
このセンサでは、ヒータは中心部分が形成されていない。したがって、ヒータの中心側と外周側との温度差が少なくなる。その結果、ヒータ寿命が長くなり、センサ特性も安定する。
従来であれば、ヒータ中心部はパターンが密集しているため、中心部の温度が高くなり、そのため温度分布が悪くなっていた。
本発明の他の見地に係るＭＥＭＳガスセンサの製造方法は、下記のステップを備えている。なお、ステップの実行の順番は特に限定されない。
◎キャビティを有する絶縁体に第１保護膜を形成するステップ
◎第１保護膜の上に第１ガスバリア層を形成するステップ
◎感ガス材を加熱するためのヒータ配線を第１ガスバリア層の上に形成するステップ
◎ヒータ配線の上面及び側面を覆う第２ガスバリア層を形成するステップ
◎第１保護膜との間に前記ヒータ配線を挟むように第２保護膜を形成するステップ
◎絶縁体のキャビティに対応して感ガス材を形成するステップ
この方法では、ヒータ配線の両面及び側面を第１及び第２ガスバリア層で覆うことで、ヒータの抵抗値変化を小さくでき、そのため寿命を長くできる。その理由は、第１保護膜と第２保護膜のガスバリア性が低かったり、その内部にある水素や酸素などのガス成分が外部に出ていったりする場合でも、第１及び第２ガスバリア層がガスの移動を制限するので、ヒータ配線がガスの影響を受けないからである。
◎キャビティを有する絶縁体に第１保護膜を形成するステップ
◎第１保護膜の上に第１ガスバリア層を形成するステップ
◎感ガス材を加熱するためのヒータ配線を第１ガスバリア層の上に形成するステップ
◎ヒータ配線の上面及び側面を覆う第２ガスバリア層を形成するステップ
◎第１保護膜との間に前記ヒータ配線を挟むように第２保護膜を形成するステップ
◎絶縁体のキャビティに対応して感ガス材を形成するステップ
この方法では、ヒータ配線の両面及び側面を第１及び第２ガスバリア層で覆うことで、ヒータの抵抗値変化を小さくでき、そのため寿命を長くできる。その理由は、第１保護膜と第２保護膜のガスバリア性が低かったり、その内部にある水素や酸素などのガス成分が外部に出ていったりする場合でも、第１及び第２ガスバリア層がガスの移動を制限するので、ヒータ配線がガスの影響を受けないからである。
ＭＥＭＳガスセンサの製造方法は、下記のステップをさらに備えていてもよい。
◎ヒータ配線の側面の少なくとも一部を、側方視において斜めに延びるように加工するステップ
この方法では、ヒータ配線の側面が斜めになっているので、ヒータの配線の側面において第２ガスバリア層を形成しやすくなり、そのため第２ガスバリア層の密着度が高くなる。
◎ヒータ配線の側面の少なくとも一部を、側方視において斜めに延びるように加工するステップ
この方法では、ヒータ配線の側面が斜めになっているので、ヒータの配線の側面において第２ガスバリア層を形成しやすくなり、そのため第２ガスバリア層の密着度が高くなる。
本発明に係るＭＥＭＳガスセンサは、寿命が長くなる。
１．第１実施形態
（１）ＭＥＭＳガスセンサ
図１〜図３を用いて、本発明の一実施形態としてのＭＥＭＳガスセンサ１（以下、ガスセンサ１という）を説明する。図１は、本発明の第１実施形態としてのＭＥＭＳガスセンサの平面図である。図２は、ＭＥＭＳガスセンサの一部に横断面を有する平面図である。図３は、ＭＥＭＳガスセンサの模式的断面図である。
（１）ＭＥＭＳガスセンサ
図１〜図３を用いて、本発明の一実施形態としてのＭＥＭＳガスセンサ１（以下、ガスセンサ１という）を説明する。図１は、本発明の第１実施形態としてのＭＥＭＳガスセンサの平面図である。図２は、ＭＥＭＳガスセンサの一部に横断面を有する平面図である。図３は、ＭＥＭＳガスセンサの模式的断面図である。
ガスセンサ１は、図３に示すように、ベース３（絶縁体の一例）を有している。ベース３は、厚み方向に対向する第１主面３ａ及び第２主面３ｂを有している。ベース３の材料は、例えば、シリコン、サファイヤガラス、石英ガラス、セラミックウェハ、ＳｉＣである。ベース３の厚みは、１００〜８００μｍである。
ベース３は、キャビティ３ｃ（キャビティの一例）を有している。キャビティ３ｃは、第１主面３ａ側に開口する開口部５を有している。キャビティ３ｃの深さは、１００〜８００μｍである。キャビティ３ｃは、底部から開口に向かうに従って横断面積が大きくなる四角錐形状である。ただし、キャビティの形状は、垂直穴でもよいし、平面形状は正方形、長方形、丸であってもよい。
なお、ベース３の第１主面３ａには第１酸化膜６（第１保護膜の一例）が形成されている。ベース３の第２主面３ｂには第２酸化膜８が形成されている。第１酸化膜６および第２酸化膜８それぞれの厚みは０．０５〜２μｍである。
ベース３は、キャビティ３ｃ（キャビティの一例）を有している。キャビティ３ｃは、第１主面３ａ側に開口する開口部５を有している。キャビティ３ｃの深さは、１００〜８００μｍである。キャビティ３ｃは、底部から開口に向かうに従って横断面積が大きくなる四角錐形状である。ただし、キャビティの形状は、垂直穴でもよいし、平面形状は正方形、長方形、丸であってもよい。
なお、ベース３の第１主面３ａには第１酸化膜６（第１保護膜の一例）が形成されている。ベース３の第２主面３ｂには第２酸化膜８が形成されている。第１酸化膜６および第２酸化膜８それぞれの厚みは０．０５〜２μｍである。
ガスセンサ１は、ベース絶縁層７を有している。ベース絶縁層７は、ベース３の第１主面３ａに形成されている。ベース絶縁層７は、層間絶縁膜１３（第２保護膜の一例）を有している。以上のように、層間絶縁膜１３は、ベース絶縁層７として、第１酸化膜６に対して平面視で互いに重なるように配置されている。
層間絶縁膜１３の厚みは１〜５μｍである。
層間絶縁膜１３の材料は、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＣＮである。一例として、層間絶縁膜１３がＳｉＯ２からなる場合は、層間絶縁膜１３の成膜速度が高くなり、厚膜を容易に形成できる。
層間絶縁膜１３の厚みは１〜５μｍである。
層間絶縁膜１３の材料は、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＣＮである。一例として、層間絶縁膜１３がＳｉＯ２からなる場合は、層間絶縁膜１３の成膜速度が高くなり、厚膜を容易に形成できる。
ベース絶縁層７は、図２に示すように、ベース３の第１主面３ａに固定される固定部１５と、固定部１５と一体に設けられてベース３の開口部５に対応して位置する薄板状のブリッジ部１７とを有する。ブリッジ部１７は、キャビティ３ｃの開口部５を塞ぐようにベース３上に形成された薄膜状の支持膜である。ブリッジ部１７は、平面視では、図２に示すように、中央部１９と、中央部１９と固定部１５とを連結する４本の連結部２１とを有する。連結部２１同士の間は、切り欠き２１ａとなっている。切り欠き２１ａは、キャビティ３ｃの開口部５を外部に連通させる部分である。この実施形態では、図２に示すように、４本の連結部２１のブリッジ形状は概ねＸ形状であり、正確には４本クロス角丸めタイプである。これは、プッシュ強度、温度分布の結果から、好ましい。
連結部は、例えば、２〜５本であり、卍形状、×形状、＋形状などである。また、薄板状部分は、ブリッジ部の代わりに、切り欠きがないメンブレン部であってもよい。
連結部は、例えば、２〜５本であり、卍形状、×形状、＋形状などである。また、薄板状部分は、ブリッジ部の代わりに、切り欠きがないメンブレン部であってもよい。
ガスセンサ１は、図２及び図３に示すように、ヒータ配線パターン２３（ヒータ配線の一例）を有している。ヒータ配線パターン２３は、感ガス材３３（後述）を加熱するためのものである。ヒータ配線パターン２３は、第１酸化膜６と層間絶縁膜１３との間に配置されている。
ヒータ配線パターン２３の層構造は、図３に示すように、ヒータ層２３ａを有している。ヒータ層２３ａの厚みは、０．１〜１μｍである。ヒータ層２３ａの材料は、例えば、ＮｉＣｒ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、ＮｉＣｒＦｅ、ＮｉＣｒＦｅＭｏ、ＮｉＣｒＡｌ、ＦｅＣｒＡｌ、ＮｉＦｅＣｒＮｂＭｏである。一例として、ヒータ層２３ａがＮｉＣｒからなる場合は、ヒータの寿命が延びる。
なお、ヒータ層２３ａがＮｉＣｒ以外の場合は、ヒータ層密着膜が設けられていても良い。ヒータ層密着膜の材料は、例えば、Ｔｉ、Ｔａ、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３である。ヒータ層密着膜の厚みは、０．０１〜０．５μｍである。
ヒータ配線パターン２３の層構造は、図３に示すように、ヒータ層２３ａを有している。ヒータ層２３ａの厚みは、０．１〜１μｍである。ヒータ層２３ａの材料は、例えば、ＮｉＣｒ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、ＮｉＣｒＦｅ、ＮｉＣｒＦｅＭｏ、ＮｉＣｒＡｌ、ＦｅＣｒＡｌ、ＮｉＦｅＣｒＮｂＭｏである。一例として、ヒータ層２３ａがＮｉＣｒからなる場合は、ヒータの寿命が延びる。
なお、ヒータ層２３ａがＮｉＣｒ以外の場合は、ヒータ層密着膜が設けられていても良い。ヒータ層密着膜の材料は、例えば、Ｔｉ、Ｔａ、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３である。ヒータ層密着膜の厚みは、０．０１〜０．５μｍである。
図４及び図５に示すように、ヒータ配線パターン２３は、下側保護膜１１（ガスバリア層、第１ガスバリア層の一例）と上側保護膜２０（ガスバリア層、第２ガスバリア層の一例）によって覆われている。図４は、ＭＥＭＳガスセンサのヒータ配線の断面図である。図５は、ＭＥＭＳガスセンサのヒータ配線の断面写真である。ヒータ配線パターン２３は、上面２３ｃ、下面２３ｄ及び側面２３ｅを有しており、下面２３ｄが下側保護膜１１によって覆われており、上面２３ｃ及び側面２３ｅが上側保護膜２０によって覆われている。
図５の（ｂ）のＮｉＣｒがヒータ配線パターン２３に対応しており、ＴＥＯＳ−ＳｉＯ２が第１酸化膜６及び層間絶縁膜１３に対応しており、Ｔａ２Ｏ５が下側保護膜１１及び上側保護膜２０に対応している。
下側保護膜１１及び上側保護膜２０は、例えば、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ、ＳｉＯ、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＢ２、Ｃｒ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｒＯ２、ＣｒＮ、ＡｌＮからなる。下側保護膜１１及び上側保護膜２０の厚みは０．０５〜０．２０μｍの範囲である。
図５の（ｂ）のＮｉＣｒがヒータ配線パターン２３に対応しており、ＴＥＯＳ−ＳｉＯ２が第１酸化膜６及び層間絶縁膜１３に対応しており、Ｔａ２Ｏ５が下側保護膜１１及び上側保護膜２０に対応している。
下側保護膜１１及び上側保護膜２０は、例えば、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ、ＳｉＯ、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＢ２、Ｃｒ２Ｏ３、ＨｆＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｒＯ２、ＣｒＮ、ＡｌＮからなる。下側保護膜１１及び上側保護膜２０の厚みは０．０５〜０．２０μｍの範囲である。
このようにヒータ配線パターン２３の全面をガスバリア層である下側保護膜１１と上側保護膜２０で覆うことで、ヒータ配線パターン２３の抵抗値変化を小さくでき、そのため寿命を長くできる。その理由は、第１酸化膜６と層間絶縁膜１３のガスバリア性が低かったり、その内部にある水素や酸素などのガス成分が外部に出ていったりする場合でも、ガスバリア層である下側保護膜１１と上側保護膜２０がガスの移動を制限するので、ヒータ配線パターン２３がガスの影響を受けないからである。
側面２３ｅは、側方視において斜めに延びており、つまり傾斜面になっている。このため、ヒータ配線パターン２３の側面２３ｅにおいて上側保護膜２０を形成しやすくなり、そのため上側保護膜２０の密着度が高くなっている。なお、側面２３ｅの傾斜角度は例えば３０〜８０度である。
上側保護膜２０が例えば金属酸化膜からなる場合、上側保護膜２０をスパッタ成膜で形成することが可能であり、さらに、上側保護膜２０は、絶縁性又は抵抗値がヒータ配線パターン２３に比べて大幅に高くなる。
上側保護膜２０は主にＴａ２Ｏ５からなっていることが好ましい。この場合、上側保護膜２０のヒータ配線パターン２３への密着性が高い。
上側保護膜２０は主にＴａ２Ｏ５からなっていることが好ましい。この場合、上側保護膜２０のヒータ配線パターン２３への密着性が高い。
ヒータ配線パターン２３は、図１から図３に示すように、ブリッジ部１７の中央部１９内に電気ヒータ部２５を有する。電気ヒータ部２５は、一対のヒータ用電極パッド２７、２７に接続されている。電気ヒータ部２５は、感ガス材３３（後述）を加熱して、測定ガスと感ガス材３３の反応を促進させ、反応した後は速やかに吸着したガス及び水分を発散させる機能を有する。
電気ヒータ部２５は、ブリッジ部１７の中央部１９の中心に対応して、環状部５２を有している。具体的には、環状部５２は、各連結部５４（後述）が中央部で枝分かれしてつながって環状になっている。このように電気ヒータ部２５は中心部分が形成されていない。したがって、電気ヒータ部２５の中心側と外周側との温度差が少なくなる。その結果、ヒータ寿命が長くなり、センサ特性も安定する。
電気ヒータ部２５は、ブリッジ部１７の中央部１９の中心に対応して、環状部５２を有している。具体的には、環状部５２は、各連結部５４（後述）が中央部で枝分かれしてつながって環状になっている。このように電気ヒータ部２５は中心部分が形成されていない。したがって、電気ヒータ部２５の中心側と外周側との温度差が少なくなる。その結果、ヒータ寿命が長くなり、センサ特性も安定する。
電気ヒータ部２５は、ブリッジ部１７の中央部１９内において、約２７０度円周方向に延びる連結部５４を有している。連結部５４の一端は、環状部５２に接続されている。
ガスセンサ１は、電極配線パターン２９を有している。電極配線パターン２９の層構造は、センス層２９ａと、センス層密着膜２９ｂである（図２０を参照）。センス層２９ａの厚みは０．１〜１μｍである。センス層密着膜２９ｂの厚みは０．０１〜０．５μｍである。センス層２９ａの材料は、例えば、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉである。センス層密着膜２９ｂの材料は、例えば、Ｔｉ、Ｔａ、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３である。
電極配線パターン２９は、図２及び図３に示すようにブリッジ部１７の中央部１９に検出用電極部３１を構成している。検出用電極部３１は、層間絶縁膜１３の表面上に形成されている。検出用電極部３１は、一対の検出用電極パッド２８、２８に接続されている。検出用電極部３１は、感ガス材３３（後述）に検出対象のガスが付着したときに、ガスセンサ１内の抵抗値変化を検出する機能を有する。
電極配線パターン２９は、図２及び図３に示すようにブリッジ部１７の中央部１９に検出用電極部３１を構成している。検出用電極部３１は、層間絶縁膜１３の表面上に形成されている。検出用電極部３１は、一対の検出用電極パッド２８、２８に接続されている。検出用電極部３１は、感ガス材３３（後述）に検出対象のガスが付着したときに、ガスセンサ１内の抵抗値変化を検出する機能を有する。
ガスセンサ１は、感ガス材３３を有する。感ガス材３３は、被測定ガスに感応（反応）する性質を有する。具体的には、感ガス材３３は、被測定ガスの濃度変化に応じて、抵抗値が変化する。感ガス材３３は、検出用電極部３１を覆うようにブリッジ部１７の中央部１９上に形成されている。つまり、感ガス材３３は、キャビティ３ｃに対応して設けられている。
感ガス材３３の厚みは、３〜５０μｍである。感ガス材３３の材料は、例えば、ＳｎＯ２、ＷＯ３、ＺｎＯ、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＦｅＯ、Ｉｎ２Ｏ３である。感ガス材３３の形成方法は、例えば、スクリーン印刷、ディスペンサ塗布、インクジェット塗布、スパッタリングである。
なお、ベース絶縁層７の表面には、表面保護膜３０が形成されている。表面保護膜３０は、公知の材料からなる。
感ガス材３３の厚みは、３〜５０μｍである。感ガス材３３の材料は、例えば、ＳｎＯ２、ＷＯ３、ＺｎＯ、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＦｅＯ、Ｉｎ２Ｏ３である。感ガス材３３の形成方法は、例えば、スクリーン印刷、ディスペンサ塗布、インクジェット塗布、スパッタリングである。
なお、ベース絶縁層７の表面には、表面保護膜３０が形成されている。表面保護膜３０は、公知の材料からなる。
（２）ガスセンサの製造方法
図６〜図２０を用いて、ガスセンサ１の製造方法を説明する。図６〜図２０は、ＭＥＭＳガスセンサの製造工程を示す断面図である。なお、製造工程の途中であっても、完成品の各構成に対応する構成には同じ符号を付している場合がある。
図６〜図２０を用いて、ガスセンサ１の製造方法を説明する。図６〜図２０は、ＭＥＭＳガスセンサの製造工程を示す断面図である。なお、製造工程の途中であっても、完成品の各構成に対応する構成には同じ符号を付している場合がある。
図６に示すように、ベース３の材料として、例えばシリコン単結晶基板からなる大面積のウェハ３Ａの投入が行われる。ウェハ３Ａは、第１主面３ａと第２主面３ｂとを有している。
さらに、ウェハ３Ａの第１主面３ａと第２主面３ｂに第１酸化膜６と第２酸化膜８がそれぞれ形成される。酸化膜は例えば熱酸化法によって形成される。
さらに、ウェハ３Ａの第１主面３ａと第２主面３ｂに第１酸化膜６と第２酸化膜８がそれぞれ形成される。酸化膜は例えば熱酸化法によって形成される。
次に、図７〜図９を用いて、ウェハ３Ａにヒータ配線パターン２３を形成するステップを説明する。
図７では、さらに、下側保護膜１１が、スパッタリングによって形成される。ただし、図７では、下側保護膜１１は図示されていない。
さらに、図７では、ヒータベタ層２３Ａが下側保護膜１１の上に形成される。
図７では、さらに、下側保護膜１１が、スパッタリングによって形成される。ただし、図７では、下側保護膜１１は図示されていない。
さらに、図７では、ヒータベタ層２３Ａが下側保護膜１１の上に形成される。
図８に示すように、所定パターンのレジスト４８がヒータベタ層２３Ａの上に形成される。所定のパターンは、レジスト塗布、露光、現像工程によって形成される。
図９に示すように、ヒータベタ層２３Ａがドライエッチングされる。さらに、レジスト４８が除去される。この結果、ヒータ配線パターン２３が得られる。
図９に示すように、ヒータベタ層２３Ａがドライエッチングされる。さらに、レジスト４８が除去される。この結果、ヒータ配線パターン２３が得られる。
次に、図２１に示すように、イオンミリング装置４１を用いて、ヒータ配線パターン２３の側面２３ｅを斜面形状になるように加工する。図２１は、Ａｒイオンによるミリング加工の原理を説明する模式図である。
イオンミリング装置４１は、物体の表面に弱いアルゴンイオンビームを照射することで、エッチングを行う装置である。イオンミリング装置４１は、チャンバ４６と、Ａｒイオン源４５、およびウェハ保持部４７を有している。Ａｒイオン源４５及びウェハ保持部４７は、チャンバ４６内に配置されている。ウェハ保持部４７は、Ａｒイオン源４５に対向しており、複数のウェハ３Ａを搭載している。ウェハ保持部４７は、Ａｒイオンの照射方向に対して傾いた状態で回転する。
その結果、図４に示すように、ヒータ配線パターン２３の側面２３ｅが斜面になる。
イオンミリング装置４１は、物体の表面に弱いアルゴンイオンビームを照射することで、エッチングを行う装置である。イオンミリング装置４１は、チャンバ４６と、Ａｒイオン源４５、およびウェハ保持部４７を有している。Ａｒイオン源４５及びウェハ保持部４７は、チャンバ４６内に配置されている。ウェハ保持部４７は、Ａｒイオン源４５に対向しており、複数のウェハ３Ａを搭載している。ウェハ保持部４７は、Ａｒイオンの照射方向に対して傾いた状態で回転する。
その結果、図４に示すように、ヒータ配線パターン２３の側面２３ｅが斜面になる。
さらに、ヒータ配線パターン２３の上に、スパッタリングによって上側保護膜２０を形成する。ただし、図９では、上側保護膜２０は図示されていない。
上側保護膜２０は、図４に示すように、ヒータ配線パターン２３の上面２３ｃ及び側面２３ｅの上に形成される。このとき、側面２３ｅが傾斜面であるので、上側保護膜２０の密着性が良い。
上側保護膜２０は、図４に示すように、ヒータ配線パターン２３の上面２３ｃ及び側面２３ｅの上に形成される。このとき、側面２３ｅが傾斜面であるので、上側保護膜２０の密着性が良い。
以下、図１０〜図１２を用いて、電極配線パターン２９をウェハ３Ａに形成するステップを説明する。
図１０に示すように、層間絶縁膜１３が、ヒータ配線パターン２３の上にＴＥＯＳによって形成される。
さらに、電極配線ベタ層２９Ａが、層間絶縁膜１３の上に形成される。
図１１に示すように、所定のパターンのレジスト４９が電極配線ベタ層２９Ａの上に形成される。所定のパターンは、レジスト塗布、露光、現像工程によって形成される。
図１０に示すように、層間絶縁膜１３が、ヒータ配線パターン２３の上にＴＥＯＳによって形成される。
さらに、電極配線ベタ層２９Ａが、層間絶縁膜１３の上に形成される。
図１１に示すように、所定のパターンのレジスト４９が電極配線ベタ層２９Ａの上に形成される。所定のパターンは、レジスト塗布、露光、現像工程によって形成される。
図１２に示すように、電極配線ベタ層２９Ａがドライエッチングされる。ドライエッチングは例えばプラズマ・エッチングである。さらに、レジスト４９が除去される。以上の結果、電極配線パターン２９が得られる。
図１３に示すように、電極配線パターン２９の上に、表面保護膜３０が形成される。
図１３に示すように、電極配線パターン２９の上に、表面保護膜３０が形成される。
図１４に示すように、所定パターンのレジスト５０が、表面保護膜３０のセンスパッド開口４３及び感ガス形成部開口以外の上に形成される。その後、露出した部分の表面保護膜３０が除去される。レジスト５０も除去される。
図１５に示すように、新たにレジスト５０がヒータパッド開口４２及びダイシングライン開口４４以外を覆い、それらがエッチングにより形成される。
図１５に示すように、新たにレジスト５０がヒータパッド開口４２及びダイシングライン開口４４以外を覆い、それらがエッチングにより形成される。
図１６に示すように、ダイシングライン開口４４にレジスト５０が埋められる。また、センスパッド開口４３が形成される。
図１７に示すように、リフトオフによって、ヒータ用電極パッド２７、検出用電極パッド２８を形成する。その後、レジスト５０が除去される。
図１７に示すように、リフトオフによって、ヒータ用電極パッド２７、検出用電極パッド２８を形成する。その後、レジスト５０が除去される。
図１８に示すように、レジスト５１が形成され、さらに、キャビティ３ｃの絶縁膜開口が形成される。つまり、連結部２１同士の間となる切り欠き２１ａが形成される。これにより、中央部１９も形成される。
図１９に示すように、レジスト５１が除去される。
さらに、ウェハ３Ａにキャビティ３ｃが形成される。具体的には、異方性エッチングを施すことで、開口部５を有するキャビティ３ｃを形成する。
図１９に示すように、レジスト５１が除去される。
さらに、ウェハ３Ａにキャビティ３ｃが形成される。具体的には、異方性エッチングを施すことで、開口部５を有するキャビティ３ｃを形成する。
図２０に示すように、ウェハ３Ａに対してダイシングが行われ、ベース３が得られる。
最後に、図３に示すように、感ガス材３３が形成される。感ガス材３３は、中央部１９の検出用電極部３１の上に形成される。つまり、感ガス材３３は、検出用電極部３１を覆うように中央部１９の表面に形成される。一例として、感ガス材３３は、Ｉｎ２Ｏ３を主成分とする金属化合物半導体をペースト化したものを中央部１９の表面に塗布し、６５０℃以上で焼成することにより形成する。
最後に、図３に示すように、感ガス材３３が形成される。感ガス材３３は、中央部１９の検出用電極部３１の上に形成される。つまり、感ガス材３３は、検出用電極部３１を覆うように中央部１９の表面に形成される。一例として、感ガス材３３は、Ｉｎ２Ｏ３を主成分とする金属化合物半導体をペースト化したものを中央部１９の表面に塗布し、６５０℃以上で焼成することにより形成する。
この結果、ガスセンサ１が得られる。
なお、感ガス材３３の形成は、ダイシングの前でもよい。
なお、感ガス材３３の形成は、ダイシングの前でもよい。
２．第２実施形態
第１実施形態では４本の連結部２１のブリッジ形状はＸ字形状であったが、他の形状でもよい。
そのような実施例を図２２及び図２３を用いて説明する。図２２は、第２実施形態としてのＭＥＭＳガスセンサの一部横断面を有する平面図である。図２３は、ヒータ配線パターンの平面図である。なお、基本的な構成は第１実施形態と同じであるので、以下は異なる点を中心に説明する。
連結部２１の本数は３本であり、３本の連結部２１は半径方向に直線状に延びており、正確には３本ストレートタイプである。
なお、電気ヒータ部２５はジグザグパターンである。
第１実施形態では４本の連結部２１のブリッジ形状はＸ字形状であったが、他の形状でもよい。
そのような実施例を図２２及び図２３を用いて説明する。図２２は、第２実施形態としてのＭＥＭＳガスセンサの一部横断面を有する平面図である。図２３は、ヒータ配線パターンの平面図である。なお、基本的な構成は第１実施形態と同じであるので、以下は異なる点を中心に説明する。
連結部２１の本数は３本であり、３本の連結部２１は半径方向に直線状に延びており、正確には３本ストレートタイプである。
なお、電気ヒータ部２５はジグザグパターンである。
３．第３〜第６実施形態
第１実施形態及び第２実施形態ではヒータ配線パターン２３の電気ヒータ部２５はジグザグパターンであったが、他の形状であってもよい。下記の第３〜第６実施形態での電気ヒータ部２５の他の形状の実施形態を説明する。なお、基本的な構成は第１実施形態と同じであるので、以下は異なる点を中心に説明する。
第１実施形態及び第２実施形態ではヒータ配線パターン２３の電気ヒータ部２５はジグザグパターンであったが、他の形状であってもよい。下記の第３〜第６実施形態での電気ヒータ部２５の他の形状の実施形態を説明する。なお、基本的な構成は第１実施形態と同じであるので、以下は異なる点を中心に説明する。
（１）第３実施形態
図２４を用いて、第３実施形態を説明する。図２４は、第３実施形態のヒータ配線パターンの平面図である。
電気ヒータ部２５Ａは、ブリッジ部１７の中央部１９に対応して、環状部５２を有している。具体的には、環状部５２は、各連結部５３（後述）が中央部で枝分かれしてつながって環状になっている。このように電気ヒータ部２５Ａは中心部分が形成されていない。したがって、電気ヒータ部２５Ａの中心側と外周側との温度差が少なくなる。その結果、ヒータ寿命が長くなり、センサ特性も安定する。
図２４を用いて、第３実施形態を説明する。図２４は、第３実施形態のヒータ配線パターンの平面図である。
電気ヒータ部２５Ａは、ブリッジ部１７の中央部１９に対応して、環状部５２を有している。具体的には、環状部５２は、各連結部５３（後述）が中央部で枝分かれしてつながって環状になっている。このように電気ヒータ部２５Ａは中心部分が形成されていない。したがって、電気ヒータ部２５Ａの中心側と外周側との温度差が少なくなる。その結果、ヒータ寿命が長くなり、センサ特性も安定する。
電気ヒータ部２５Ａは、ブリッジ部１７の中央部１９内において、例えば約２５０度円周方向に延びる一対の連結部５３を有している。各連結部５３の一端は、環状部５２に接続されている。一対の連結部５３は、環状部５２を中心として三重円のように配置されている。
なお、電気ヒータ部２５Ａは、例えば、ＮｉＣｒからなり、例えばＰｔの場合に比べて線幅が広い。
なお、電気ヒータ部２５Ａは、例えば、ＮｉＣｒからなり、例えばＰｔの場合に比べて線幅が広い。
（２）第４実施形態
図２５を用いて、第４実施形態を説明する。図２５は、第４実施形態のヒータ配線パターンの平面図である。
電気ヒータ部２５Ｂは、ブリッジ部１７の中央部１９の中心に対応して、環状部５２を有している。具体的には、環状部５２は、各連結部５５（後述）から延びる一対の並列の線からなる連続した環状である。このように電気ヒータ部２５Ｂは中心部分が形成されていない。したがって、電気ヒータ部２５Ｂの中心側と外周側との温度差が少なくなる。その結果、ヒータ寿命が長くなり、センサ特性も安定する。
図２５を用いて、第４実施形態を説明する。図２５は、第４実施形態のヒータ配線パターンの平面図である。
電気ヒータ部２５Ｂは、ブリッジ部１７の中央部１９の中心に対応して、環状部５２を有している。具体的には、環状部５２は、各連結部５５（後述）から延びる一対の並列の線からなる連続した環状である。このように電気ヒータ部２５Ｂは中心部分が形成されていない。したがって、電気ヒータ部２５Ｂの中心側と外周側との温度差が少なくなる。その結果、ヒータ寿命が長くなり、センサ特性も安定する。
電気ヒータ部２５Ｂは、ブリッジ部１７の中央部１９内において、円周方向に延びてさらに折り返して延びる一対の連結部５５を有している。このように連結部５５が折り返されていることで、電気ヒータ部２５Ｂの外周側部分は密になっている。各連結部５５の一端は、環状部５２に接続されている。
なお、電気ヒータ部２５Ｂは、例えば、ＮｉＣｒからなり、例えばＰｔの場合に比べて線幅が広い。
なお、電気ヒータ部２５Ｂは、例えば、ＮｉＣｒからなり、例えばＰｔの場合に比べて線幅が広い。
（３）第５実施形態
図２６を用いて、第５実施形態として説明する。図２６は、第５実施形態のヒータ配線パターンの平面図である。
電気ヒータ部２５Ｃは、ブリッジ部１７の中央部１９の中心に対応して、平面視で環状部５２を有している。具体的には、環状部５２は、各連結部５７（後述）から延びる一対の並列の線からなる連続した環状である。このように電気ヒータ部２５Ｃは中心部分が形成されていない。したがって、電気ヒータ部２５Ｃの中心側と外周側との温度差が少なくなる。その結果、ヒータ寿命が長くなり、センサ特性も安定する。
図２６を用いて、第５実施形態として説明する。図２６は、第５実施形態のヒータ配線パターンの平面図である。
電気ヒータ部２５Ｃは、ブリッジ部１７の中央部１９の中心に対応して、平面視で環状部５２を有している。具体的には、環状部５２は、各連結部５７（後述）から延びる一対の並列の線からなる連続した環状である。このように電気ヒータ部２５Ｃは中心部分が形成されていない。したがって、電気ヒータ部２５Ｃの中心側と外周側との温度差が少なくなる。その結果、ヒータ寿命が長くなり、センサ特性も安定する。
電気ヒータ部２５Ｃは、ブリッジ部１７の中央部１９内において、例えば約２９０度円周方向に延びる一対の連結部５７を有している。各連結部５７の一端は、環状部５２に接続されている。
なお、電気ヒータ部２５Ｃは、例えば、Ｐｔからなり、例えばＮｉＣｒの場合に比べて線幅が狭い。
なお、電気ヒータ部２５Ｃは、例えば、Ｐｔからなり、例えばＮｉＣｒの場合に比べて線幅が狭い。
（４）第６実施形態
図２７を用いて、第６実施形態を説明する。図２７は、第６実施形態のヒータ配線パターンの平面図である。
電気ヒータ部２５Ｄは、ブリッジ部１７の中央部１９の中心に対応して、平面視で環状部５２を有している。具体的には、環状部５２は、各連結部５９（後述）から延びる一対の並列の線からなる連続した環状である。このように電気ヒータ部２５Ｄは中心部分が形成されていない。したがって、電気ヒータ部２５Ｄの中心側と外周側との温度差が少なくなる。その結果、ヒータ寿命が長くなり、センサ特性も安定する。
図２７を用いて、第６実施形態を説明する。図２７は、第６実施形態のヒータ配線パターンの平面図である。
電気ヒータ部２５Ｄは、ブリッジ部１７の中央部１９の中心に対応して、平面視で環状部５２を有している。具体的には、環状部５２は、各連結部５９（後述）から延びる一対の並列の線からなる連続した環状である。このように電気ヒータ部２５Ｄは中心部分が形成されていない。したがって、電気ヒータ部２５Ｄの中心側と外周側との温度差が少なくなる。その結果、ヒータ寿命が長くなり、センサ特性も安定する。
電気ヒータ部２５Ｄは、ブリッジ部１７の中央部１９内において、円周方向に延びてさらに折り返して延びる一対の連結部５９を有している。このように連結部５９が折り返されていることで、電気ヒータ部２５Ｄの外周側部分は密になっている。各連結部５９の一端は、環状部５２に接続されている。
なお、電気ヒータ部２５Ｄは、例えば、Ｐｔからなり、例えばＮｉＣｒの場合に比べて線幅が狭い。
なお、電気ヒータ部２５Ｄは、例えば、Ｐｔからなり、例えばＮｉＣｒの場合に比べて線幅が狭い。
４．実施形態の共通事項
ＭＥＭＳガスセンサ１は、絶縁体（例えば、ベース３）と、感ガス材（例えば、感ガス材３３）と、第１保護膜（例えば、第１酸化膜６）及び第２保護膜（例えば、層間絶縁膜１３）と、ヒータ配線（例えば、ヒータ配線パターン２３）と、ガスバリア層（例えば、下側保護膜１１、上側保護膜２０）と、を備えている。
絶縁体は、キャビティ（例えば、キャビティ３ｃ）を有する。
感ガス材は、キャビティに対応して設けられている。
第１保護膜及び第２保護膜は、絶縁体に設けられ、平面視で重なるように配置されている。
ヒータ配線は、感ガス材を加熱するためのものであり、第１保護膜と第２保護膜との間に配置されている。
ガスバリア層は、ヒータ配線の両面（例えば、上面２３ｃ、下面２３ｄ）及び側面（例えば、側面２３ｅ）を密着して覆っている。
ＭＥＭＳガスセンサ１は、絶縁体（例えば、ベース３）と、感ガス材（例えば、感ガス材３３）と、第１保護膜（例えば、第１酸化膜６）及び第２保護膜（例えば、層間絶縁膜１３）と、ヒータ配線（例えば、ヒータ配線パターン２３）と、ガスバリア層（例えば、下側保護膜１１、上側保護膜２０）と、を備えている。
絶縁体は、キャビティ（例えば、キャビティ３ｃ）を有する。
感ガス材は、キャビティに対応して設けられている。
第１保護膜及び第２保護膜は、絶縁体に設けられ、平面視で重なるように配置されている。
ヒータ配線は、感ガス材を加熱するためのものであり、第１保護膜と第２保護膜との間に配置されている。
ガスバリア層は、ヒータ配線の両面（例えば、上面２３ｃ、下面２３ｄ）及び側面（例えば、側面２３ｅ）を密着して覆っている。
このセンサでは、ヒータ配線の両面及び側面をガスバリア層で覆うことで、ヒータの抵抗値変化を小さくでき、そのため寿命を長くできる。その理由は、第１保護膜と第２保護膜のガスバリア性が低かったり、その内部にある水素や酸素などのガス成分が外部に出ていったりする場合でも、ガスバリア層がガスの移動を制限するので、ヒータ配線がガスの影響を受けないからである。
５．他の実施形態
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
第３〜第６実施形態では、電気ヒータ部の環状部は各連結部から延びる一対の並列の線からなる無端の環状であったが、環状部は互いに接近した両端部を有しており、一方の端部が一方の連結部から延び、他方の端部が他方の連結部から延びる形状であってもよい。
キャビティは下側が開口していてもよい。
感ガス材、ヒータ配線パターン等は絶縁材の第２主面に設けられていてもよい。
キャビティは下側が開口していてもよい。
感ガス材、ヒータ配線パターン等は絶縁材の第２主面に設けられていてもよい。
本発明は、ＭＥＭＳガスセンサ及びその製造方法に広く適用できる。
１ ：ＭＥＭＳガスセンサ
３ ：ベース
３ｃ ：キャビティ
５ ：開口部
１１ ：下側保護膜
１３ ：層間絶縁膜
２０ ：上側保護膜
２３ ：ヒータ配線パターン
２３ａ ：ヒータ層
２３ｃ ：上面
２３ｄ ：下面
２３ｅ ：側面
２５ ：電気ヒータ部
２７ ：ヒータ用電極パッド
２８ ：検出用電極パッド
２９ ：電極配線パターン
３１ ：検出用電極部
３３ ：感ガス材
３ ：ベース
３ｃ ：キャビティ
５ ：開口部
１１ ：下側保護膜
１３ ：層間絶縁膜
２０ ：上側保護膜
２３ ：ヒータ配線パターン
２３ａ ：ヒータ層
２３ｃ ：上面
２３ｄ ：下面
２３ｅ ：側面
２５ ：電気ヒータ部
２７ ：ヒータ用電極パッド
２８ ：検出用電極パッド
２９ ：電極配線パターン
３１ ：検出用電極部
３３ ：感ガス材
Claims (9)
- キャビティを有する絶縁体と、
前記キャビティに対応して設けられた感ガス材と、
前記絶縁体の上に形成された第１保護膜と、
前記第１保護膜の上に形成された、前記感ガス材を加熱するヒータ配線と、
前記ヒータ配線の下面を密着して覆い、ガスの移動を制限する下側保護膜と、
前記ヒータ配線の上面と側面を密着して覆い、表面が前記ヒータ配線の形状に沿った凹凸形状をした、ガスの移動を制限する上側保護膜と、
前記上側保護膜の上に形成された第２保護膜とを備えた、ＭＥＭＳガスセンサ。 - 前記ヒータ配線の側面の少なくとも一部は傾斜面である、請求項１に記載のＭＥＭＳガスセンサ。
- 前記第１保護膜及び前記第２保護膜はＳｉＯ２からなる、請求項１又は２に記載のＭＥＭＳガスセンサ。
- 前記ヒータ配線はＮｉＣｒからなる、請求項１〜３のいずれかに記載のＭＥＭＳガスセンサ。
- 前記上側保護膜及び前記下側保護膜は金属酸化物からなる、請求項１〜４のいずれかに記載のＭＥＭＳガスセンサ。
- 前記上側保護膜及び前記下側保護膜はＴａ２Ｏ５からなる、請求項５に記載のＭＥＭＳガスセンサ。
- 前記ヒータ配線は、前記感ガス材に対応する位置において平面視で環状に形成されている、請求項１〜６のいずれかに記載のＭＥＭＳガスセンサ。
- キャビティを有する絶縁体に第１保護膜を形成するステップと、
前記第１保護膜の上に、ガスの移動を制限する下側保護膜を形成するステップと、
前記下側保護膜の上に、ヒータ配線を、前記ヒータ配線の下面が前記下側保護膜に密着して覆われるように形成するステップと、
前記ヒータ配線の上面と側面を密着して覆い、表面が前記ヒータ配線の形状に沿った凹凸形状をした、ガスの移動を制限する上側保護膜を形成するステップと、
前記上側保護膜の上に第２保護膜を形成するステップと、
前記絶縁体の前記キャビティに対応して、前記ヒータ配線により加熱される感ガス材を形成するステップとを備えた、ＭＥＭＳガスセンサの製造方法。 - 前記ヒータ配線の側面の少なくとも一部を傾斜面に加工するステップをさらに備えた、請求項８に記載のＭＥＭＳガスセンサの製造方法。
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