JP2000065773A - 薄膜ガスセンサの製造方法 - Google Patents

薄膜ガスセンサの製造方法

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克己 小野寺
Fumihiro Inoue
文宏 井上
Koichi Tsuda
孝一 津田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 適当なエッチング溶液がない場合でも、破断
なく積層が可能な加工方法を提供する。 【解決手段】 Ｓｉ基板にＳｉＯ2 膜を形成した上にＡ
ｌ等を形成（第１層）した後、Ｃｒ等を積層（第２層）
して２層膜を形成し（図１（ａ）の参照）、この第２
層をフォトエッチング加工により所望の線幅にパターン
加工した後、これをマスクとして第１層をオーバエッチ
ング加工し２層膜を支える支柱としたきのこ状２層構造
体を形成し（図１（ａ）の参照）、さらに、この構造
体をマスクとして被加工物質をスパッタや蒸着等で成膜
したのち、最後に構造体をエッチングして取り除くこと
により（図１（ａ）の参照）、被加工物質が逆台形に
形成されないようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ガス漏れ警報器
などに搭載される薄膜ガスセンサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガス漏れ警報器などの用途に用いられる
ガスセンサは、一般的には、ＣＯ，ＣＨ4 ，Ｃ3 Ｈ8 ，
ＣＨ2 ＯＨ等を選択的に検知することを目的として作ら
れたデバイスであり、特に、家庭用ガス漏れ警報器とし
て用いられる場合には、高感度かつ高信頼性で低消費電
力であることなどが要求され、加えてコストや設置性な
ども非常に重要な観点とされる。ところで、家庭用とし
て普及しているガス漏れ警報器には、都市ガス用やプロ
パンガス用の可燃性ガスの検知を目的としたもの、燃焼
機器の不完全燃焼ガスの検知を目的としたもの、また
は、その両方の機能を合わせ持ったものなどがあるが、
いずれも普及率はそれ程高くない。コストや設置性の悪
さが普及の足かせになっていると考えられるが、コスト
の観点からはＩＣプロセスと同様なＳｉウエハー上への
微細加工によるセンサ形成方法を用いれば、大量生産に
よるコストの大幅な引下げが期待される。また、従来の
焼結タイプやスクリーン印刷による厚膜センサに比べて
より小さくすることが比較的容易であることから、低消
費電力という点においても優れている。
【０００３】一般的に、微細加工方法にはウエットエッ
チ法とドライエッチ法があるが、ガスセンサの加工とし
ては特殊な設備が不要でかつ簡便なウエットエッチ法
が、通常良く用いられる。ウエットエッチ法の中には、
通常のフォトエッチング法のほかに、通常のフォトエッ
チングやドライエッチでは困難な場合に広く用いられる
リバースエッチ法（リフトオフ法：図１（ｂ）参照）が
ある。通常のフォトエッチング法の場合は、レジストを
マスクとして被エッチング物質を酸やアルカリ溶液によ
りエッチングする。これに対しリフトオフ法の場合は、
一旦レジストやＡｌ等のマスクをパターン形成した上部
に被加工物質をスパッタ等により形成した後、マスクを
除去するといった方法をとる。つまり、エッチング溶液
としてはレジストやＡｌの除去溶液さえ準備すれば良い
ので、適用範囲が広い。ガスセンサの加工では、通常の
フォトエッチングによりＰｔヒータ層，ＳｉＯ2 絶縁
層，Ｐｔ電極層を順次積層して行き、さらにＳｉＯ2 膜
をリフトオフ法により形成した後、最後に裏面からＳｉ
をダイアフラム様にＫＯＨ溶液等を用いてくり抜く。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】一般に、ヒータ層とし
て良く用いられるＰｔの場合には、王水等を用いること
で通常のフォトエッチング工程により形成することが可
能である。しかし、より熱容量の小さい微小センサを形
成し、４００℃程度の高温で動作をさせようとすると、
電流密度の観点からＰｔヒータは必ずしも好ましくな
い。そこで、ＮｉＣｒやＦｅＮｉ系の金属合金や高融点
金属シリサイドなどの比抵抗の比較的高い物質を用いる
必要がある。ところが、ＮｉＣｒやＦｅＮｉ系の金属合
金や高融点金属シリサイドなどの場合、５μｍ程度の線
幅を通常のフォトエッチング工程により形成しようとす
ると、適当なエッチャント（エッチング溶液）が見当た
らないか、または、エッチングが極めて困難であるとい
う問題がある。そこで、リフトオフ法を用いることが検
討されたが、この手法の最大の難点は断面形状が逆台形
となるために、さらに膜を積層して行った場合、重ね合
わせ部で破断が生じやすいことにある。したがって、こ
の発明の課題は、適当なエッチャントがない場合でも、
破断を生じることなく積層を可能にし得る製造方法を提
供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
べく、請求項１の発明では、Ｓｉ基板の一側面中央部が
ダイアフラム様にくり抜かれた基板面上に、ＳｉＯ
2 膜，窒化Ｓｉ膜を含む支持膜を介して、薄膜ヒータを
スパッタ法または蒸着法によって形成した後、ＳｉＯ2
膜，窒化Ｓｉ膜を含む電気絶縁膜を介して感知膜電極を
ＰｔまたはＡｕによって形成した上にＳｎＯ2 からなる
感知膜を形成したことを特徴としている。
【０００６】上記請求項１の発明において、前記薄膜ヒ
ータを形成するに当たっては、まずＡｌを形成（第１
層）したのち、ＣｒまたはＡｕを積層（第２層）し、所
定の線幅にパターン加工した前記第２層をマスクとして
前記第１層をオーバエッチングした２層構造体をマスク
としてスパッタまたは蒸着により形成することができ
（請求項２の発明）、または、前記薄膜ヒーターとして
ＮｉＣｒ，ＦｅＮｉ系金属合金または高融点金属シリサ
イドのいずれかを用いることができる（請求項３の発
明）。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１はこの発明の実施の形態を示
す工程図である。同図（ａ）はこの発明による方法、同
図（ｂ）は従来のリフトオフ法を示す。以下、両者を比
較して説明する。すなわち、従来のリフトオフ法では、
Ａｌ等の金属をエッチングしマスクとして用いるため
に、このマスク上に被加工物質を形成してマスクを取り
除くと、被加工物質は逆台形を形成し、さらに薄膜を積
層して行く過程においては破断の原因となるおそれがあ
る。マスクとしてレジストを用いる方法も考えられる
が、あまり良い解決方法とは言えない。というのは、被
加工物質の成膜温度が制約を受ける、つまり、スパッタ
で形成する場合室温成膜が必要であろうし、室温成膜が
可能な物質は極めて限られるからである。
【０００８】これに対し、図１（ａ）に示すこの発明の
方法では、ＣｒやＡｕ等の第２層をパターンニングした
時点では、従来のリフトオフ法のＡｌマスクと同様に台
形をしているが（参照）、さらに、第２の層をマスク
としてオーバエッチングすることにより、きのこ状のか
さを持つ構造体をのように形成することが出来る。そ
して、この構造体をマスクとして用いると、かさ（第１
層）の部分がスパッタや蒸着による物質の回り込みを抑
える作用をし、被加工物質はスロープを持った台形状の
パターンとなる（参照）。
【０００９】図２に以上のようにして製造された薄膜ガ
スセンサ例を示す。まず、Ｓｉ基板１の両面にＳｉＯ2
熱酸化膜２１，２２を３０００Å形成し、さらに、表面
にのみ低応力スパッタ法によるＳｉＯ2 薄膜３１を１μ
ｍ形成し、ダイアフラムの支持層とした。この基板上
に、ヒータ層としてＮｉＣｒスパッタ膜４をこの発明に
よる方法に従って５０００Å形成し、ＳｉＯ2 絶縁膜３
２を再び低応力スパッタ法により２０００Å形成した。
ＮｉＣｒヒータと電極パッド部の導通を確保するため
に、ＮｉＣｒヒーター上部のＳｉＯ2 膜を通常のフォト
エッチングにより窓あけ加工を行なった。
【００１０】次に、電極層５１，５２としてＰｔ／Ｔｉ
膜をスパッタによりそれぞれ２０００Å／５００Å形成
し、通常のフォトエッチング加工によりパターニングし
た。ここで、Ｔｉ膜はＰｔ層とＳｉＯ2 層との密着力を
高めるために用いている。次に、Ａｌ膜をマスクとした
リフトオフ法によりＳｎＯ2 スパッタ層６を形成し、最
後に、裏面からＳｉ基板をドライエッチ法により加工
し、ダイアフラム構造を形成した。なお、上記支持層に
はＣＶＤ（化学的気相成長法または化学的蒸着法）によ
るＳｉＯ2 層、または窒化Ｓｉ膜とすることができ、ヒ
ータは蒸着法で形成しても良い。電極にはＰｔに代えて
Ａｕを用いることもできる。
【００１１】図３にこの発明によるセンサの動作温度に
対する消費電力の関係を示す。図示のように、リニアな
関係になっていることが分かる。図４にこの発明におけ
るヒーターの応答性を示す。約５ｍｓｅｃで４５０℃ま
で昇温し、その際の消費電力は図３から約１８．５ｍＷ
となり、焼結タイプや厚膜タイプのものに比べて著しく
低いことが分かる。
【００１２】
【発明の効果】この発明によれば、ＡｌとＣｒまたはＡ
ｕからなるきのこ状のかさを持つ２層構造体をマスクと
して用いることで、従来被エッチング物質が逆台形に生
成されることによって生じる膜破断の問題が解決されて
信頼性が向上するだけでなく、ヒーター層としてＰｔ以
外の特殊な金属やセラミックス層をその種類によらず、
正確な線幅で形成することが可能となる利点がもたらさ
れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による製造工程を従来のものと比較し
て説明する説明図である。
【図２】図１（ａ）の過程で製造された薄膜ガスセンサ
例を示す断面図である。
【図３】この発明によるセンサの温度−消費電力の関係
を示す説明図である。
【図４】この発明におけるヒータの応答性を示すグラフ
である。
【符号の説明】
１…Ｓｉ層、２１，２２…熱酸化ＳｉＯ2 層、３１，３
２…ＳｉＯ2 スパッタ層、４…ヒータ層、５１，５２…
電極層、６…ＳｎＯ2 層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 津田 孝一 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2G046 AA02 BA01 BA09 BB02 BB04 BC05 BE03 BE08 DB04 DE01 EA04 EA08 EA11 EB01 FB02 FE10 FE12 FE25 FE38 FE39

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 Ｓｉ基板の一側面中央部がダイアフラム
    様にくり抜かれた基板面上に、ＳｉＯ2 膜，窒化Ｓｉ膜
    を含む支持膜を介して、薄膜ヒータをスパッタ法または
    蒸着法によって形成した後、ＳｉＯ2 膜，窒化Ｓｉ膜を
    含む電気絶縁膜を介して感知膜電極をＰｔまたはＡｕに
    よって形成した上にＳｎＯ2 からなる感知膜を形成した
    ことを特徴とする薄膜ガスセンサの製造方法。
  2. 【請求項２】 前記薄膜ヒータを形成するに当たって
    は、まずＡｌを形成（第１層）したのち、ＣｒまたはＡ
    ｕを積層（第２層）し、所定の線幅にパターン加工した
    前記第２層をマスクとして前記第１層をオーバエッチン
    グした２層構造体をマスクとしてスパッタまたは蒸着に
    より形成することを特徴とする請求項１に記載の薄膜ガ
    スセンサの製造方法。
  3. 【請求項３】 前記薄膜ヒーターとしてＮｉＣｒ，Ｆｅ
    Ｎｉ系金属合金または高融点金属シリサイドのいずれか
    を用いることを特徴とする請求項１または２のいずれか
    に記載の薄膜ガスセンサの製造方法。
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