JPH0663992B2 - ガス・センサ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は周囲ガス内の或る化学成分を検出できる作動温
度まで加熱される半導体薄膜を包含するガス・センサ装
置に関する。一層詳しくは、本発明はガス感知薄膜が断
熱部のところで加熱されてセンサの残部への加熱の影響
を最少限に抑える半導体ガス・センサ装置に関する。

化学成分の存在に応答して電気抵抗値が変化する適当な
半導体材料の薄膜を使用して複合ガス内の或る化学成分
を検出することは公知である。たとえば、半導体酸化錫
薄膜は窒素酸化物NO_Xを検出するのに使用できる（例え
ば米国特許第4,169,369号）。ガスにさらされた薄膜の
電気抵抗が測定され、化学成分の濃度を決定する根拠と
なる。薄膜の応答性は温度に依存する。一般的には、特
定の化学成分についての感度を最適化すべく所定の高い
温度まで薄膜を加熱する必要がある。

このデリケートな薄膜はかなり厚い基体上に載っていて
取扱いを便利にしている。共通の基体上に複数の半導体
薄膜を取り付けることが提案されている。たとえば、第
２の薄膜を用いて当該一次化学成分以外の化学成分によ
る干渉を検出することができる。これらの薄膜（同じ成
分であることもあるし、異なった成分であることもあ
る）は異なった感知温度を持つかも知れない。基体が電
気抵抗測定値を判断するための集積回路を包含すること
もあり、この集積回路の動作が熱による悪影響を受ける
可能性もある。センサの他の部分で温度をより良く制御
するためには、薄膜の隣接部位の加熱を制限することが
望ましい。しかしながら、薄膜を加熱してもその下の基
体への熱損失があり、これは装置の他の部位へ熱を伝え
ることになる。

本発明の目的は少なくとも一枚の半導体薄膜とこの薄膜
を作動温度まで加熱する手段とを包含し、これら薄膜、
加熱手段が装置の残部から断熱された基体上の部分に設
けてあり、装置の他の部分への熱伝達を最少限に抑える
改良したガス・センサ装置を提供することにある。基体
はエッチング加工して基体への熱の流れを減じ、したが
って、基体を介して周囲領域へ熱が伝わるのを防ぐ部位
に薄い領域を形成してある。こうして、薄膜は、センサ
の端の部位に設置してある構成要素から独立して、選択
的に加熱される。

好ましい実施例においては、本発明のガス・センサ装置
は断熱処理してあって個別に加熱されるガス相互作用部
を有する。このセンサはチップ状のシリコン基体を包含
し、その薄い部分がガス相互作用部のための基部とな
る。前記絶縁性二酸化シリコン・コーティングがこのガ
ス相互作用部のところで基体の第１面に配置してあり、
これは基体の隣接領域まで延びている。ガス感知半導体
薄膜はガス相互作用部のところで電気絶縁性コーティン
グ上に支えられ、周囲ガスにさらされるように位置して
いる。電気抵抗加熱要素が基体とガス感知薄膜の間に挿
設してある。本発明によれば、基体の、薄膜および加熱
要素と反対の側をエッチング加工して基体厚さをかなり
減じてある。好ましい基体は全体的にほぼ350〜400マイ
クロメートルの厚さであるが、ガス相互作用部のところ
では２マイクロメートルの厚さまでエッチングする。

作動中、ガス感知薄膜は周囲ガスにさらされ、ガス内の
或る化学成分の存在を検出する。加熱要素には電流が流
されてガス感知薄膜を作動温度まで選択的に加熱する。
薄膜の電気抵抗を測定し、これが周囲ガス内に存在する
化学成分の濃度を示す。本発明によれば、装置の残部へ
のガス相互作用部からの熱の流れはエッチング加工した
基体によって与えられた薄い基部の結果として減ずる。
これは薄膜加熱効率を改善するばかりでなく、このガス
相互作用部を隣接の部分（異なった温度に加熱される第
２のガス感知薄膜を含み得る）あるいは高温によって悪
影響を受けるおそれのある集積回路要素から熱的に遮断
する。

以下、添付図面を参照しながら本発明を一層詳しく説明
する。

本発明の好ましい実施例によれば、第１図、第２図を参
照して、ここに示すガス・センサ装置10（以下、単にセ
ンサと呼ぶこともある）の部分は空気にさらされていて
その中にあるエタノール蒸気の存在を検知する部分12を
包含する。このセンサ10は空気中の複数種類の成分を検
出するための、部分12に類似した複数のガス相互作用部
分と、これらの部分で得た測定値を判断する集積回路と
を包含し得る。センサ10は第１、第２の主要面16、18を
有するシリコン・チップ14を包含し、このシリコン・チ
ップ14は２マイクロメートル未満の厚さｄを有し、ガス
相互作用部12のための基部となる薄い領域20と、この薄
い領域20を囲み、350〜400マイクロメートルの厚さＤを
有する厚さ領域21とを包含する。

シリコン・チップ14は主要面16に隣接して一体のホウ素
含浸表面層22を包含する。主要面16上で領域20、21を覆
って１マイクロメートル厚の電気絶縁性二酸化シリコン
が形成してある。ポリシリコン電気抵抗加熱要素26が層
24上で領域20を覆って配置してある。さらに、１マイク
ロメートル厚の電気絶縁性化学蒸気付着二酸化シリコン
層28が加熱要素26と層24を覆っている。こうして、この
実施例によれば、二酸化シリコン層24、28は協働して基
体14の薄い領域20および隣接の領域21を覆って広がる電
気絶縁性コーティングを形成する。

別個に付着させたクロム・インターフェース31を有する
第１対のアルミ製電気コネクタ30が二酸化シリコン層28
にある間隔を置いた開口32を通して加熱要素26と接触し
ており、ガス相互作用部12から層28を覆って延在し、電
流を加熱要素26に電流を与える遠隔の電源に接続できる
ようになっている。加熱要素26に隣接したクロム・イン
ターフェース31は特に高温での電気接触の信頼性を改善
する。

酸化錫製薄膜33が加熱要素26の上に位置する層28に付着
してあり、この薄膜は薄い不連続のパラジウム・金触媒
薄膜（図示せず）を支持するガス接触面36を包含する。
第２対のアルミ製電気コネクタ34が対向した周縁部分で
薄膜33と接触しており、これらの電気コネクタはガス相
互作用部12から延びており、電気コネクタ34間および薄
膜33を横切っての電気抵抗を測定する適当なメターに接
続できるようになっている。コネクタ34は二酸化シリコ
ン層28によってポリシリコン層26から電気的に絶縁され
ており、また、インターフェース31に匹敵する別個付着
式クロム・インターフェース35を包含し、薄膜33と共に
電気接触信頼性を改善している。

基体の主要面18は全体的に平坦であるが、面取り側面40
を有するエッチングくぼみ38を包含し、ホウ素含浸層22
を露出している。こうして、基体14の薄膜支持領域20は
ホウ素含浸シリコン層22で形成される。

好ましい実施例では、集積回路製作に代表される要領で
複数のセンサ10がシリコン・ウェファの別々の部分に同
時に作られ、これらの部分がそれぞれチップ14を形成す
る。このウェファの厚さは約350〜400マイクロメートル
であり、ガス相互作用領域20を囲む領域21の厚さＤに等
しい。層22はホウ素イオン含浸によって形成される。約
200KeVの加速電圧を有するホウ素イオンのビームを主要
面16に投映し、次いで、熱拡散段階を100℃で実施して
毎立方センチメートルあたり５×10^{１ ９}ホウ素原子を含
み、約２マイクロメートルの厚さを有するホウ素含浸層
22を作る。ホウ素含浸の後、チップ14を酸素の存在の下
で加熱し、約１マイクロメートル厚の二酸化シリコン層
24を形成する。次に、化学蒸気蒸着法によってポリシリ
コン層を二酸化シリコン層24上に付着させる。加熱要素
26は写真平版法を用いて構成し、不要のポリシリコンは
サルファ・ヘキサフルオライドを用いるプラズマ・エッ
チングによって除去する。シランと酸素の反応によって
二酸化シリコン層28を形成し、層24とポリシリコン要素
26上に付着させる。

約100ナノメートルの厚さを有する半導体酸化錫の層を
層28の表面にスパッター蒸着させる。スパッター蒸着は
８部のアルゴンと２部の酸素からなる雰囲気中で、酸化
錫で形成したターゲットを利用して実施する。ガス感知
薄膜を形成する酸化錫材料のスパッター蒸着は米国特許
第4,169,369号に記載されており、これを本明細書に参
考資料として援用する。酸化錫材料を蒸着させた後、薄
膜33を写真平版法によって形成し、余分な酸化錫材料を
三塩化シリコン反応イオン・エッチングによって除去す
る。

層28の表面および薄膜33にホトレジスト材料を塗布し、
開口32をエッチングできるように層28を露出すべく現像
する。開口32は緩衝剤処理した弗化水素溶液を用いて湿
式化学エッチングによって形成する。ホトレジスト材料
を除去してから、約500ナノメートル厚のクロム・フラ
ッシュを表面に真空蒸着し、次いで、約１マイクロメー
トル圧にアルミ層を真空蒸着する。コネクタ30、34は写
真平版法で形成する。不要なアルミは、16部の燐酸、１
部の硝酸、１部の酢酸、２部の水からなるエッチング溶
液を利用して除去する。不要なクロムは、市販のエッチ
ング溶液を使用して除去して層28、33を再露光させる。
薄膜33の露出面36を含む表面に、2.5ナノメートルの平
均薄膜厚さに等しい量において金とパラジウムを同時に
真空蒸着するが、これは連続した均一な薄膜を形成せ
ず、むしろ、分散して隔離した付着物を形成する。

主要面16の上にある多層構造を保護しながら、ホトレジ
スト・コーティングを主要面18に塗布し、ガス相互作用
部12のところで基体14を露出するように現像する。基体
14は、35.1モルパーセントのエチレンジアミンと3.7モ
ルパーセントのピロカテコールとを含有する水様EDP溶
液に浸漬することによって異方性エッチングを行なう。
一般に、EDP溶液は純粋なシリコンを急速に侵すが、ホ
ウ素ドープしたシリコンを侵す速度は遅い。したがっ
て、ホウ素含浸層22は効果的なエッチング阻止作用を持
つ。

空気サンプル内のエタノールを検知するために、半導体
酸化錫の漠膜33をこの空気サンプルにさらす。約40ミリ
アンペア、約３ボルトの所定の電流をコネクタ30間でポ
リシリコン加熱要素26に通し、薄膜33を約250℃の作動
温度まで加熱する。薄膜33の抵抗値をコネクタ34間で測
定する。薄膜33の抵抗値は空気サンプル内のエタノール
濃度が高いほど減少する。第２図を参照して、ガス感知
薄膜33は二酸化シリコン層28によって加熱要素26から隔
離されており、同様に、二酸化シリコン層24によって基
体14から隔離されている。こうして、特に長時間にわた
る作業で、領域20は薄膜33に匹敵するレベルまで加熱さ
れると予想される。エッチングしたくぼみ38の結果とし
て、領域20の量が減り、基体14への熱損失を減じ、した
がって、薄膜33を加熱するのに必要な電力を減らす。さ
らに、領域20から周囲領域21への熱の流れはかなり減
る。したがって、ガス相互作用部12から遠い方でセンサ
10に実施される作業のときの熱の悪影響が減じる。一般
に、チップの厚さはウェファに等しく、破損することな
く取扱いに便利な厚さである。ガス相互作用部12のとこ
ろで薄膜33および加熱要素26のための支えは領域20に架
橋する層24、28によって形成されたコーティングによっ
て強められる。

上述の実施例では、半導体薄膜は露出面にパラジウム・
金触媒を有する酸化錫からなる。空気中に存在する化学
成分を検出するには、触媒のない同様のスパッター処理
した酸化錫薄膜も利用できる。一般に、半導体薄膜は酸
化亜鉛、酸化チタン、酸化インジウム、酸化パナジウ
ム、酸化コバルトを含む任意の適当な半導体材料で作り
得る。随時に、薄膜は前述の実施例におけるように表面
に不連続に塗布した、あるいは薄膜中に分散させた貴金
属触媒を含んでもよい。適当な薄膜材料およびオプショ
ンとしての触媒の選定は分析しようとしているガスおよ
び検出しようとしている化学成分に依存する。また、本
発明はスパッター処理によって形成した薄膜に限定され
ず、薄膜は半導体材料の性質に応じて任意適当な方法で
形成し得る。

上述の実施例では、シリコン・チップをエッチングして
EDP溶液を利用して薄い領域を作っているが、シリコン
をエッチングする他の技術、たとえば、水酸化ポタジウ
ム溶液を利用する湿式エッチングを使用することもでき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による好ましいガス・センサの平面図で
ある。 第２図は第１図の２−２線に沿った矢視方向の横断面図
である。 主要図第２図 ＜主要部分の符号の説明＞ 10……ガス・センサ装置、 12……ガス相互作用部、 14……シリコン・チップ、 16、18……主要面、 20……薄い領域、 21……厚い領域、 22……ホウ素含浸表面層、 24……層、 26……加熱要素、 28……二酸化シリコン層、 30、34……コネクタ、32……開口、 33……酸化錫薄膜、 38……エッチング処理くぼみ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−143945（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−103653（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−287142（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−108762（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−124454（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−124453（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気絶縁コーティング28上でガス感知半導
   体膜33を支持する基体14を具備する周囲ガスの或る化学
   成分を検出するガス・センサ装置10において、 断熱される局部的ガス相互作用部12を具備し、 前記基体14はシリコン基体であるとともに前記ガス相互
   作用部12で薄膜支持領域20を備えかつこの薄膜支持領域
   20に隣接した領域21を備え、前記基体14のガス相互作用
   部12とは反対の側がエッチングによってくぼませてお
   り、薄膜支持領域20の厚さを隣接の領域21に比べて実質
   的に小さくしてあり、 前記電気絶縁コーティング28が前記基体の薄膜支持領域
   20の上方に重なり、 前記ガス感知半導体膜33が前記ガス相互作用部12におい
   て電気絶縁コーティング28上に支持されかつ周囲ガスに
   さらされるように構成され、 前記ガス相互作用部12に加熱手段26が設けられ、この加
   熱手段26が前記ガス感知半導体膜33を化学成分を検出す
   るように作動する温度まで選択的に加熱でき、 ガス相互作用部12から基体14を通る熱の流れが薄膜支持
   領域20が薄いことの結果として実質的に減じられること
   によって、前記ガス相互作用部12と他のガス相互作用部
   または集積回路要素との間を熱的に遮断することを特徴
   とするガス・センサ装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載のガス・センサ
   装置において、前記基体14がガス相互作用部12の位置す
   る第１の主要面16と反対側の第２の主要面18とを有し、
   ガス相互作用部12の反対側のくぼみ38が前記第２の主要
   面18にエッチング加工してあり、薄膜支持領域20のとこ
   ろで基体の第１の主要面16に重なっている電気絶縁コー
   ティングが二酸化シリコンであり、前記加熱手段が前記
   ガス相互作用部12のところで前記基体14と前記ガス感知
   薄膜33の間に挿設した電気抵抗加熱要素26であり、この
   加熱要素26が前記電気絶縁コーティングの層28によって
   前記ガス感知薄膜33から電気的に絶縁してあることを特
   徴とするガス・センサ装置。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項記載のガス・センサ
   装置において、前記加熱手段が前記ガス相互作用部12の
   ところで前記基体14と前記ガス感知薄膜33との間に挿設
   したポリシリコン加熱要素26であり、この加熱要素が前
   記電気絶縁コーティングの第１層28によって前記ガス感
   知薄膜33から電気的に絶縁され、前記電気絶縁コーティ
   ングの第２層24によって前記基体14から電気的に絶縁さ
   れており、コネクタ30がポリシリコン加熱要素26を電源
   に接続していてこの加熱要素26を化学成分を検出するよ
   うに作動できる温度まで抵抗加熱することができ、更に
   コネクタ34が前記薄膜33を遠隔の電気抵抗手段に接続し
   ていてガス検知薄膜33の電気抵抗を測定できるようにし
   ており、この電気抵抗値がガス内の化学成分の存在を検
   知する基礎となることを特徴とするガス・センサ装置。