JP2003168685A

JP2003168685A - 配線電極構造及びその製造方法

Info

Publication number: JP2003168685A
Application number: JP2001366519A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Takeyama; 啓之竹山
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2003-06-13

Abstract

(57)【要約】【課題】マイクロリアクタ等を構成する微小基板上に
微細配線として形成した場合であっても、比較的抵抗率
が低く、かつ、周辺の絶縁膜との接合性や密着性に優れ
た配線電極構造及びその製造方法を提供する。【解決手段】ヒータ配線５０は、金又はその合金材料
等の低抵抗特性を有する第２の導電性配線層５２ａ、５
２ｂと、酸化物又は窒化物等からなる薄膜ヒータ（抵抗
体層）４０又は絶縁性の保護膜６０との間に、タングス
テン又はその合金材料等の高融点金属材料からなる第１
の導電性配線層５１ａ、５１ｂ又は第３の導電性配線層
５３ａ、５３ｂが介挿された積層構造を有している。ま
た、第１の導電性配線層５１ｂのパターン幅が、第２の
導電性配線層５２ｂ及び第３の導電性配線層５３ｂのパ
ターン幅よりも広く構成された段差を備えた断面構造を
有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、配線電極構造及び
その製造方法に関し、特に、化学反応装置等の薄膜ヒー
タの配線や電極に適用して良好な配線電極構造及びその
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、化学反応工学の分野においては、
流体化された混合物質を反応流路（チャネル）内に設け
られた触媒による化学反応（触媒反応）により、所望の
流体物質を生成する化学反応装置（流路反応器、又は、
チャネルリアクタともいう）が知られている。

【０００３】近年、このような化学反応装置の技術分野
に、集積回路等の半導体デバイス製造技術で蓄積された
微細加工技術（マイクロテクノロジー）をはじめとす
る、いわゆる、マイクロマシン製造技術を適用して、例
えば、単一のシリコンチップ上の微小空間にミリメート
ルオーダー又はミクロンオーダーの混合器や反応流路、
分析器等の各種機能要素を集積化したマイクロリアクタ
（又は、マイクロチャネルリアクタともいう）の研究開
発が活発に行われている。

【０００４】ここで、マイクロリアクタにおける主要な
構成である反応流路部について、図９を参照して簡単に
説明する。マイクロリアクタの反応流路部は、概略、図
９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、シリコン等の
微小な基板１０ｐの一面側にフォトエッチング技術等を
用いて、例えば、ミクロンオーダーの幅及び深さを有す
る溝部からなる反応流路（マイクロチャネル）２０ｐを
形成し、該反応流路２０ｐの内壁面に所定の膜厚で触媒
２１を付着形成した後、該基板１０ｐの一面側に、上記
反応流路２０ｐの開放部を閉止するようにガラス等の閉
止基板３０ｐを接合した構成を有している。

【０００５】特に、マイクロリアクタにおける化学反応
（触媒反応）が所定の熱条件による吸熱反応を伴う場合
には、化学反応時に反応流路２０ｐ（詳しくは、触媒２
１）に所定の熱エネルギーを供給するために、図９
（ｂ）、（ｃ）に示すように、基板１０ｐの他面側に、
上記反応流路２０ｐが形成された領域に対応して設けら
れた薄膜ヒータ４０ｐと、該薄膜ヒータ４０ｐに所定の
電気エネルギー（電圧）を供給するヒータ配線５０ｐ
と、を備えた構成が適用される。なお、図９（ａ）、
（ｃ）においては、反応流路２０ｐ及び薄膜ヒータ４０
ｐの形状を明確にするために、便宜的にハッチングを施
して示した。

【０００６】このような構成を有するマイクロリアクタ
において、例えば、メタノールと水からなる混合物質を
気化した流体物質（混合ガス）を上記反応流路の導入部
２０ａ側から導入するとともに、図示を省略したヒータ
電源からヒータ配線５０ｐを介して、薄膜ヒータ４０ｐ
に所定の電圧を印加して加熱し、反応流路２０ｐが所定
の温度となるように所定の熱エネルギーを供給すること
により、反応流路２０ｐ内に付着形成された触媒２１に
よる吸熱触媒反応が生じて、水素ガスと少量の二酸化炭
素等が生成される（メタノール水蒸気改質反応）。な
お、メタノール等のアルコール系原料から上述したよう
な水蒸気改質反応により水素ガスを生成する技術は、近
年、実用化に向けての研究開発が目覚ましい燃料改質型
の燃料電池における燃料（水素）供給装置にも適用され
る技術である。

【０００７】そして、このようなマイクロリアクタにお
いては、反応流路の構成を微細化することにより、次に
示すような種々の特徴を有している。（１）反応流路における反応容積が小さくなるので、反
応流路とヒータと間の表面積／反応流路の体積の比が高
く、触媒反応時の伝熱特性が向上して反応効率が改善す
るという利点がある。（２）反応流路の径が小さいので、混合物質を構成する
反応分子の拡散混合時間が短くなるので、反応流路内に
おける触媒反応の進行速度（反応速度）が向上するとい
う利点がある。（３）マイクロリアクタ自体が小型であるので、大型炉
を製造するときに行われるような、小型実験炉での検証
結果に合わせた段階的なスケールアップ（装置規模の大
型化や流体物質の生成能力の向上）に伴う煩雑な反応工
学的な検討が不要となるという利点がある。なお、マイクロリアクタの具体的な構成例については、
後述する発明の実施の形態の記載において詳しく説明す
る。

【０００８】ところで、上述したようなマイクロリアク
タに適用される薄膜ヒータ４０ｐ及びヒータ配線５０ｐ
の具体的な断面構造は、例えば、図１３に示すように、
シリコン等の基板１０ｐの一面側（図９に示した構成で
は、他面側に相当）の所定の領域に、酸化物や窒化物等
の抵抗体材料からなる薄膜ヒータ４０ｐが設けられ、該
薄膜ヒータ４０ｐの所定の領域（図１３においては、端
部に沿って）上に低抵抗の配線材料からなるヒータ配線
５０ｐが積層され、さらに、少なくともヒータ配線５０
ｐ及び薄膜ヒータ４０ｐを被覆（図１３においては、基
板１０ｐ上も被覆）して保護する絶縁性の保護膜６０ｐ
が設けられた構成を有している。なお、反応流路が形成
される基板１０ｐとして、シリコン等の半導体材料を適
用する場合にあっては、基板表面に、図示を省略した熱
酸化膜が形成されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たようなマイクロリアクタの場合に限らず、基板上に各
種機能要素や配線層を微細化して集積化する電子デバイ
スやマイクロマシン等の技術分野においては、後述する
表１に示すように、抵抗率が他の導電性材料に比較して
顕著に低いアルミニウムや銅等を配線層として適用する
場合、次のような問題を有していることが知られてい
る。

【００１０】すなわち、アルミニウム等を適用した配線
層に高い電流密度を有する電流を流すと、アルミニウム
原子等が粒界に沿って移動することにより、粒界にボイ
ドが成長して、配線が断線するエレクトロマイグレーシ
ョンが発生する問題を有している。また、エレクトロマ
イグレーションがほとんど発生しない銅等の金属材料を
配線層に適用した場合、重金属イオンである銅イオンが
酸化物や窒化物等からなる絶縁膜（上述した図１３の構
成においては、薄膜ヒータ４０ｐや保護膜６０ｐ）中に
拡散して、周辺の膜質や電気的な特性に影響を与える問
題を有している。

【００１１】また、アルミニウムのヒータ配線５０ｐ上
に保護膜６０を形成する際に数百度の高温に処理する場
合や、マイクロリアクタとして反応促進のために熱が加
えられた場合に、高温から室温に下がる過程で保護膜６
０とヒータ配線５０ｐとの間の熱膨張係数の差により生
じる物理的応力によりアルミニウムがストレスマイグレ
ーションを起こして断線する恐れがある。また、金は良
導体であるが、基板表面に設けられた酸化物や窒化物か
らなる保護膜６０ｐや、酸化物や窒化物等の抵抗体材料
からなる薄膜ヒータ４０ｐとの密着性が悪く、基板から
剥離する恐れがあった。一方、金と同様に良導体である
銅は金ほど密着性が悪くないが、シリコン中に拡散して
しまいやすいという問題があった。

【００１２】そのため、比較的抵抗率が低く、上述した
ようなマイグレーションや重金属イオンの拡散を生じに
くい安定的な物性を有する導電性材料として、金等の配
線材料を適用することが考えられるが、このような導電
性は、薄膜ヒータや絶縁保護膜を構成する酸化物や窒化
物等との接合性や密着性が極めて悪く、加熱の繰り返し
により生じる応力等のための剥離や、マイクロリアクタ
に適用される細い配線の場合に局所的に高い電流密度の
ために変形してしまい、電気的特性の劣化等を生じやす
いため、配線材料としての信頼性に欠けるという問題を
有していた。

【００１３】そこで、本発明は、上述した問題点に鑑
み、マイクロリアクタ等を構成する微小基板上に微細配
線として形成した場合であっても、比較的抵抗率が低
く、かつ、周辺の絶縁膜との接合性や密着性に優れた配
線電極構造及びその製造方法を提供することを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る配線電極構
造は、基板の一面側に所定のパターン形状を有して設け
られた温度調整層と、前記温度調整層上に所定の配線パ
ターン形状を有して順次積層された、第１の導電性配線
層及び第２の導電性配線層を備えた積層配線と、を具備
し、前記第１の導電性配線層は、前記第２の導電性配線
層の前記導電性材料よりも線膨張率の低い材料を有し、
前記第２の導電性配線層は、前記第１の導電性配線層よ
り抵抗率の低い導電性材料を有することを特徴としてい
る。

【００１５】すなわち、薄膜の温度調整層上に配線とし
て形成される積層配線は、第１の導電性配線層より抵抗
率の低い導電性材料を有する第２の導電性配線層により
高い電圧を迅速に印加することができ、温度調整層が迅
速に所定の温度に達することができる。また、このよう
な良導体は、一般的に線膨張率が高く、温度調整層によ
り変化する温度による膨張あるいは収縮により生じる温
度調整層等との間での物理適応力の歪みにより剥離して
しまう恐れがあるが、第２の導電性配線層と温度調整層
との間に第２の導電性配線層よりも線膨張率の低い第１
の導電性配線層を設けたので、歪みを緩衝して剥がれを
抑制することができる。

【００１６】ここで、上記の各構成として、例えば、第
２の導電性配線層として、金又は金を含有する合金材料
を適用することが特に望ましいが、銅又は銅を含有する
合金材料を適用してもよい。抵抗体層として、酸化物又
は窒化物を適用し、また、保護膜として、絶縁性の酸化
物又は窒化物を適用するものであってもよい。さらに、
第１の導電性配線層及び第３の導電性配線層として、タ
ングステン又はタングステンを含有する合金材料を適用
するものであってもよい。

【００１７】また、上記積層配線は、第１、第２及び第
３の導電性配線層が各々同一のパターン幅からなる所定
の配線パターン形状を有するように構成されているもの
であってもよいし、第１の導電性配線層のパターン幅
が、少なくとも、第３の導電性配線層のパターン幅より
も広く構成されているものであってもよい。後者の構成
によれば、積層配線の断面構造（形状）が、少なくと
も、第１の導電性配線層とそれ以外の導電性配線との間
で段差を有することになるので、積層配線の上面と抵抗
体層の上面又は基板上面との間の急峻な段差の変化を緩
和して、保護膜のステップカバレッジ（段差被覆性）を
改善して、良好な絶縁保護特性を実現することができ
る。

【００１８】また、上記配線電極構造は、少なくとも他
面側に、所定の流路を有する反応流路が設けられた化学
反応装置の全部又は一部が微細化されて形成された微小
基板に適用することができ、薄膜ヒータとなる抵抗体層
に対して、該積層配線を介して所定の電気エネルギーを
供給して所定の熱エネルギーを発生させることにより、
反応流路内で吸熱を伴う化学反応を生じさせて、所望の
物質を生成することができる。ここで、抵抗体層は、反
応流路内で生じる化学反応の進行に寄与する所定の熱エ
ネルギーを発生するように発熱特性が設定されている。
これによれば、各種機能要素が微小空間に集積化された
化学反応装置（マイクロリアクタ）を良好に実現するこ
とができるとともに、比較的高いエネルギー利用効率で
所定の化学反応を生じさせて所望の物質を生成すること
ができる。

【００１９】本発明に係る他の配線電極構造は、基板の
一面側に所定のパターン形状を有して設けられた温度調
整層と、前記温度調整層上に形成された積層配線と、前
記積層配線を被覆する保護膜と、が設けられ、前記積層
配線は、所定の配線パターン形状を有する第１の導電性
配線層と、前記第１の導電性配線層と前記保護膜との間
に形成され、前記第１の導電性配線層よりも高い線膨張
率材料で形成された第２の導電性配線層と、を有するこ
とを特徴としている。

【００２０】すなわち、第１の導電性配線層よりも高い
線膨張率の第２の導電性配線層を保護膜に接するように
配置したので、保護膜が酸化物や窒化物であっても密着
性に優れているので保護膜が剥離することを防止するこ
とができる。このような第１の導電性配線層及び第２の
導電性配線層をそれぞれ金を含む金属元素のみの材料及
びタングステンを主成分とする材料で構成すると、互い
に接合性に優れ低抵抗かつ常温及び急峻な温度変化に対
する剥離強度の高い配線を得ることができる。

【００２１】本発明に係る他の配線電極構造は、少なく
とも表面の一部に酸化膜又は窒化膜からなる基板上に設
けられた酸化物又は窒化物からなる温度調整層と、前記
温度調整層及び前記の前記一部の少なくとも何れか一方
の上に、タングステンを含む第１の導電性配線層、前記
第１の導電性配線層上に金を含む第２の導電性配線層、
及び前記第２の導電性配線層上にタングステンを含む第
３の導電性配線層を有する積層配線と、前記積層配線を
覆う酸化膜又は窒化膜からなる保護膜を有することを特
徴としている。

【００２２】すなわち、薄膜の温度調整層上に配線とし
て形成される積層配線は、第１の導電性配線層より抵抗
率の低い導電性材料である金を有する第２の導電性配線
層により高い電圧を迅速に印加することができ、温度調
整層が迅速に所定の温度に達することができる。そし
て、このような良導体は、一般的に線膨張率が高く、温
度調整層により変化する温度による膨張あるいは収縮に
より生じる温度調整層や保護膜との間での物理適応力の
歪みにより剥離してしまう恐れがあるが、第２の導電タ
ングステンを含む性配線層と温度調整層との間に第２の
導電性配線層よりも線膨張率の低いタングステンを含む
第１の導電性配線層を設け、第２の導電性配線層と保護
層との間に第２の導電性配線層よりも線膨張率の低い第
３の導電性配線層を設けたので、第２導電性配線層が基
板や保護膜から剥離することを防止できる。

【００２３】そして、上述した配線電極構造のうち、断
面構造に段差を備えた配線電極構造の製造方法は、基板
の一面側に、例えば、酸化物又は窒化物からなり、所定
の発熱特性を有する抵抗膜を形成する工程と、前記抵抗
膜上に、例えば、タングステン又はタングステンを含有
する合金材料等の高融点導電性材料からなる第１の導電
性膜と、例えば、金又は金を含有する合金材料等の低抵
抗特性を有する導電性材料からなる第２の導電性膜と、
例えば、タングステン又はタングステンを含有する合金
材料等の高融点導電性材料からなる第３の導電性膜を、
順次積層する工程と、前記第３の導電性膜上に、第１の
パターン形状を有する第１のレジスト膜を形成し、該第
１のレジスト膜を用いて、前記第３の導電性膜及び前記
第２の導電性膜を順次エッチングすることにより、前記
第１のパターン形状を有する第３の導電性配線層及び第
２の導電性配線層を形成する工程と、前記第１のパター
ンに対応し、該第１のパターンよりもパターン幅が広く
設定された第２のパターン形状を有し、少なくとも、前
記第３の導電性配線層及び第２の導電性配線層の上面及
び側面を被覆する第２のレジスト膜を形成し、該第２の
レジスト膜を用いて、前記第１の導電性膜をエッチング
することにより、前記第２のパターン形状を有する第１
の導電性配線層を形成する工程と、を含むことを特徴と
している。

【００２４】すなわち、積層配線を構成する第１乃至第
３の導電性配線層のうち、第２及び第３の導電性配線層
を構成する導電性膜（第２及び第３の導電性膜）を単一
のレジスト膜（第１のレジスト膜）を用いて、所定のパ
ターン幅でエッチングする第１のエッチング工程の後、
第１の導電性配線層を構成する導電性膜（第１の導電性
膜）をさらに別のレジスト膜（第２のレジスト膜）を用
いて、上記パターン幅よりも広いパターン幅でエッチン
グする第２のエッチング工程を含んでいる。ここで、第
２のエッチング工程においては、第１のエッチング工程
においてすでにパターニングされた第２及び第３の導電
性配線層の上面及び側面を被覆するようにレジスト膜が
形成される。

【００２５】このような工程を有する製造方法によれ
ば、第２のエッチング工程の際に、少なくとも第３の導
電性配線層の側面が露出することがないので、第１及び
第３の導電性配線層を同一の導電性材料、例えば、タン
グステン又はタングステンを含有する合金材料等の高融
点導電性材料により構成する場合であっても、先の工程
においてパターニングされた第３の導電性配線層側面の
オーバーエッチング（サイドエッチング）を防止して、
パターン幅の減少や、それに伴う第２の導電性配線層と
保護膜との接触面積の増加を抑制することができ、金又
は金を含有する合金材料と、酸化物又は窒化物との接触
特有の接合性や密着性の劣化を抑制することができる。

【００２６】また、第１及び第２のエッチング工程にお
いて、異なるレジスト膜を用いて各導電性配線層を構成
する導電性膜をエッチングしているので、エッチングの
諸条件によりエッチング耐性が低いレジスト膜を使用し
なければならない場合であっても、レジスト膜のエッチ
ング耐性を良好に保持しつつ、各導電性配線層を良好に
パターニングすることができる。さらに、第２及び第３
の導電性配線層のパターン幅に比較して、第１の導電性
配線層のパターン幅が広く設定されているので、第１の
エッチング工程における第２及び第３の導電性配線層の
位置精度を緩和することができ、当該導電性配線層のパ
ターン位置を規定するフォトマスクの位置合わせを比較
的容易に行うことができる。

【００２７】また、第１の導電性配線層を形成する工程
の後に、少なくとも、前記第１、第２及び第３の導電性
配線層からなる積層配線の上面及び側面を被覆する第３
のパターン形状を有する第３のレジスト膜を形成し、該
第３のレジスト膜を用いて、前記抵抗膜をエッチングす
ることにより、前記第３のパターン形状を有する抵抗体
層を形成する工程を加えてもよく、あるいは、第１の導
電性膜を積層する工程の前に、予め抵抗膜上に所定のレ
ジスト膜を用いてパターニングすることで抵抗体層を形
成する工程を加えてもよい。そして、少なくとも、前記
抵抗体層及び前記積層配線を被覆し、例えば、絶縁性の
酸化物又は窒化物からなる保護膜を形成する工程を最終
的に追加してもよい。

【００２８】なお、上記配線電極構造の製造方法は、少
なくとも他面側に、所定の流路を有する反応流路が設け
られた化学反応装置の全部又は一部が微細化されて形成
された微小基板に適用することができる。これによれ
ば、各種機能要素が微小空間に集積化された化学反応装
置（マイクロリアクタ）において、断線や剥離、電気的
特性の劣化等が抑制された信頼性の高いヒータ配線を良
好に実現することができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る配線電極構造
及びその製造方法について、実施の形態を示して詳しく
説明する。＜配線電極構造＞図１は、本発明に係る配線電極構造を
適用した化学反応装置の一実施形態を示す概略構成図で
あり、図２は、本実施形態に係る化学反応装置に適用さ
れる配線電極構造を示す断面構造図である。ここでは、
化学反応装置として、各種機能要素のうち、吸熱触媒反
応を生じる反応流路部の構成のみを示して説明する。

【００３０】図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施
形態に係る化学反応装置は、概略、少なくとも後述する
薄膜ヒータ４０側の面に熱酸化処理により生成された酸
化シリコンからなる熱酸化膜１１が形成されたシリコン
等の微小基板１０と、微小基板１０の一面側に所定の溝
形状を有して形成された反応流路２０と、該反応流路２
０の内壁面のうち、少なくとも一面（本実施形態におい
ては、反応流路２０の底面）に付着形成された触媒２１
と、反応流路２０の開放端側を閉止するように微小基板
１０の一面側に対向して接合されたガラス基板等の閉止
基板３０と、微小基板１０の他面側に所定の形状でパタ
ーニング形成された薄膜ヒータ４０と、該薄膜ヒータ４
０の両端部に沿って所定の形状でパターニング形成され
たヒータ配線５０と、を備えて構成されている。なお、
図中、５４は、図示を省略したヒータ電源と電気的に接
続するための電極パッドであって、例えば、ヒータ配線
５０の端部等の所定の位置に設けられる。

【００３１】このような構成に適用されるヒータ配線
（配線電極構造）５０を含む断面構造の第１の例は、図
２（ａ）に示すように、微小基板１０上に、所定の発熱
特性を有する薄膜ヒータ（抵抗体層）４０と、高融点導
電性材料からなる第１の導電性配線層５１ａと、低抵抗
特性を有する第２の導電性配線層５２ａと、第１の導電
性配線層と同様に、高融点導電性材料からなる第３の導
電性配線層５３ａと、少なくとも、上記薄膜ヒータ４０
及び第３の導電性配線層５３ａの上面の所定の領域を被
覆するように設けられた絶縁性の保護膜６０と、が順次
積層された構成を有している。ここで、第１、第２及び
第３の導電性配線層５１ａ、５２ａ、５３ａが所定の配
線パターン形状を有して順次積層された積層構造の配線
は、本発明における積層配線を構成し、図２（ａ）に示
した配線電極構造においては、積層配線を構成する各導
電性配線層５１ａ、５２ａ、５３ａがいずれも同一のパ
ターン幅を有する同一の配線パターン形状に設定された
断面構造を有している。

【００３２】また、ヒータ配線（配線電極構造）５０を
含む断面構造の第２の例は、図２（ｂ）に示すように、
上述した第１の例と同様に、微小基板１０上に、薄膜ヒ
ータ４０と、第１の導電性配線層５１ｂと、第２の導電
性配線層５２ｂと、第３の導電性配線層５３ｂと、保護
膜６０と、が順次積層され、特に、第１の導電性配線層
５１ｂのパターン幅が、少なくとも、第３の導電性配線
層５３ｂ（図では、第２及び第３の導電性配線層５２
ｂ、５３ｂ）のパターン幅よりも広くなるように配線パ
ターン形状が設定された、段差を備えた断面構造を有し
ている。ここで、ヒータ配線５０を構成する第２の導電
性配線層５２ａ、５２ｂは、少なくとも所定の低抵抗特
性を有し、上述した化学反応装置におけるヒータ配線と
して、高い電気伝導効率で薄膜ヒータ４０に電気エネル
ギーを供給することができる導電性材料、例えば、金
（Ａｕ）又はその合金材料により構成されている。

【００３３】また、第２の導電性配線層５２ａ、５２ｂ
は、例えば、金のように低抵抗率の材料で構成され、第
１の導電性配線層５１ａ、５１ｂは、薄膜ヒータ４０上
及び基板１０の表面の熱酸化膜１１上に配置しており、
薄膜ヒータ４０及び熱酸化膜１１に対して剥離や電気的
特性の劣化等を生じにくく、かつ、接合性又は密着性の
高い特性を有する導電性材料であるとともに、第２の導
電性配線層５２ａ、５２ｂとの間の接合性に優れている
材料であり、第３の導電性配線層５３ａ、５３ｂは、第
２の導電性配線層５２ａ、５２ｂ、及び、保護膜６０の
双方との直接的な接合に対して、剥離や電気的特性の劣
化等を生じにくく、かつ、接合性又は密着性の高い特性
を有する導電性材料であり、第１の導電性配線層５１
ａ、５１ｂ並びに第３の導電性配線層５３ａ、５３ｂ
は、例えば、タングステン（Ｗ）又はその合金材料等の
高融点導電性により構成されている。具体的には、金又
はその合金材料等（第２の導電性配線層５２ａ、５２
ｂ）、及び、酸化物又は窒化物等（薄膜ヒータ４０、保
護膜６０）に対して密着性の向上を図ることができる成
分、例えば、タングステンに、チタン（Ｔｉ）、アルミ
ニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、モリブデン（Ｍ
ｏ）、タンタル（Ｔａ）から選択された材料を適当な比
率（Atomic比）で含有するように生成された導電性材料
を良好に適用することができる。なお、本願発明者が各
種比率で検討した結果、タングステンに対して、チタン
（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）等
から任意に選択された成分を、概ね１０atomic％以下、
より望ましくは、４atomic％程度で含有した導電性材料
を良好に適用できることが確認された。ここで、第１の
導電性配線層５１ａ、５１ｂ及び第３の導電性配線層５
３ａ、５３ｂに適用される材料、並びに第２の導電性配
線層５２ａ、５２ｂに適用される材料を表１に示す。

【００３４】

【表１】

【００３５】ヒータ配線５０ｐに適用される第２の導電
性配線層５２ａ、５２ｂは、低抵抗層として機能する
が、この配線材料は抵抗率が低い材料であることが望ま
しく、表１に示すような各種導電性材料のうち、特に金
（Ａｕ）のような比較的抵抗率が低く、酸化されにく
く、基板中に拡散しにくい材料が望ましい。また、金よ
りも酸化されやすく、また、基板中に拡散しやすいが、
銅を適用することも可能である。さらには、金を含有す
る合金や銅を含有する合金を適用してもよい。第１の導
電性配線層５１ａ、５１ｂ並びに第３の導電性配線層５
３ａ、５３ｂに適用されるタングステンは、基板表面の
酸化膜により容易に接触面を酸化されやすく、窒化物や
同じ酸化物に対し密着性に優れ、また金のような低抵抗
導電性材料との密着性にも優れている。

【００３６】このような材料からなる第１の導電性配線
層５１ａ、５１ｂは、接触することにより基板１０の表
面の熱酸化膜１１の酸素と結合して薄い酸化膜を形成す
ることができるので、熱酸化膜１１との密着性に優れ、
また主成分となるタングステンの線膨張率が１．０×１
０^−５／Ｋ未満なので、基板１０の表面との線膨張率の
差が小さく、第２の導電性配線層５２ａ、５２ｂと薄膜
ヒータ４０との間における、薄膜ヒータ４０での温度変
化による熱膨張や収縮による歪みを緩衝することができ
る。さらに、第１の導電性配線層５１ａ、５１ｂ自体は
金属元素のみで構成されているので、第２の導電性配線
層５２ａ、５２ｂの金属元素との密着性にも極めて優れ
ている。

【００３７】そして、このような材料からなる第２の導
電性配線層５２ａ、５２ｂは、延性、展性に富み、さら
には、抵抗率が３．０×１０^−６Ω・ｃｍ未満と低抵抗
なので、全体の配線抵抗を下げることができ、特に後述
するようなマイクロリアクタに用いられるような微細な
配線であって、かつ、迅速に高温に達するような電圧を
供給することができる。第３の導電性配線層５３ａ、５
３ｂは、絶縁性の酸化物又は窒化物からなる保護膜６０
との密着性に優れており、加えて、金属元素のみで構成
されているので第２の導電性配線層５２ａ、５２ｂの金
属元素との密着性にも極めて優れている。

【００３８】また、薄膜ヒータ４０は、酸化物や窒化物
を含み、所定の発熱特性を有する抵抗体層であって、図
１（ｃ）に示すように、上述した化学反応装置の反応流
路２０の形成領域に対応した所定のパターン形状を有し
て設けられている。ここで、薄膜ヒータ４０の発熱特性
は、上記ヒータ配線５０を介して供給される電気エネル
ギー（電圧）により、微小基板１０の他面側に形成され
た反応流路２０内を流れる流体を加熱して所望の物質を
生成するための吸熱触媒反応の進行に寄与する所定の熱
エネルギーを発生するように設定されている。

【００３９】また、保護膜６０は、シリコン酸化膜（Ｓ
ｉＯ_２）や窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ _４）等からなる絶縁
膜であって、例えば、図１（ｃ）における微小基板１０
及び薄膜ヒータ４０と、該薄膜ヒータ４０上に積層され
たヒータ配線５０の所定の領域を被覆保護するように設
けられている。なお、ヒータ配線５０の端部に設けられ
た電極パッド５４は、図示を省略したヒータ電源との電
気的な接続を確保するため、保護膜６０に開口部が設け
られ、露出するように構成されている。

【００４０】このような構成を有するヒータ配線５０に
よれば、金やその合金材料元素等からなる金属元素のみ
で構成される低抵抗特性を有する第２の導電性配線層５
２ａ、５２ｂと、酸化物又は窒化物等からなる薄膜ヒー
タ（抵抗体層）４０又は絶縁性の保護膜６０との間に、
相互の材料に対して密着性の高い、タングステン又はそ
の合金材料等の高融点導電性材料を含む第１の導電性配
線層５１ａ、５１ｂ又は第３の導電性配線層５３ａ、５
３ｂが介挿されて、間接的に接合された積層構造を有し
ているので、薄膜ヒータ４０又は保護膜６０との剥離や
電気的特性の劣化等を抑制し、接合性や密着性を向上さ
せた信頼性の高いヒータ配線を実現することができる。

【００４１】また、図２（ｂ）に示したヒータ配線５０
によれば、第１の導電性配線層５１ｂのパターン幅が、
第２の導電性配線層５２ｂ及び第３の導電性配線層５３
ｂのパターン幅よりも広く構成された段差を備えた断面
構造を有しているので、ヒータ配線５０（第３の導電性
配線層５３ｂ）の上面と薄膜ヒータ４０上面又は微小基
板１０上面との間の急峻な段差の変化（図２（ａ）参
照）を、パターン幅が広く形成された第１の導電性配線
層５１ｂにより緩和することができ、保護膜６０のステ
ップカバレッジ（段差被覆性）を改善して、良好な絶縁
保護特性を実現することができる。

【００４２】さらに、このような断面構造を有するヒー
タ配線５０によれば、実質的に、薄膜ヒータ４０への電
気エネルギーの伝達に寄与する低抵抗特性を有する第２
の導電性配線層５２ａ、５２ｂとして、金又はその合金
材料を適用することができるので、図示を省略したヒー
タ電源から薄膜ヒータ４０への電気エネルギーの伝達に
際して、エネルギー損失を抑制して高いエネルギー利用
効率を実現することができる。

【００４３】＜配線電極構造の製造方法＞次に、上述し
たような構成を有する配線電極構造の製造方法につい
て、図面を参照して説明する。ここでは、上述した配線
電極構造のうち、図２（ｂ）に示した断面構造を有する
ヒータ配線の製造方法について説明する。なお、上述し
た配線電極構造と同等の構成については、同一の符号を
付して説明する。図３乃至図５は、本発明に係る配線電
極構造が適用されるヒータ配線の製造方法の一例を示す
プロセス断面図である。また、図６は、断面構造に段差
を有していない積層配線の製造方法における問題点を示
すプロセス断面図である。

【００４４】本実施形態に係るヒータ配線の製造方法
は、大別して、抵抗膜上に順次積層形成された第１乃至
第３の導電性膜に対して、第１のレジスト膜を用いて、
第３の導電性膜及び第２の導電性膜を順次エッチングす
るエッチング工程（便宜的に、「第１のエッチング工
程」と記す）と、第２のレジスト膜を用いて、第１の導
電性膜をエッチングするエッチング工程（便宜的に、
「第２のエッチング工程」と記す）と、第３のレジスト
膜を用いて、抵抗膜をエッチングするエッチング工程
（便宜的に、「第３のエッチング工程」と記す）と、を
含んでいる。

【００４５】以下具体的に説明すると、まず、図３
（ａ）に示すように、表面にシリコン等からなる微小基
板１０に設けられた熱酸化膜１１が形成された上に、酸
素ガス（Ｏ_２）と窒素（Ｎ_２）ガスが混合されたＡｒ雰
囲気でタンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）のストライ
プターゲットを用いたスパッタリング法等を用いて、Ｔ
ａ、Ｓｉ、Ｏ、Ｎ元素で組成されたＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ
系薄膜からなる抵抗膜４０ｘを形成する。Ｔａ−Ｓｉ−
Ｏ−Ｎ系薄膜では、Ｔａ元素とＳｉ元素のモル比Ｓｉ／
Ｔａが下記の式０．３５＜Ｓｉ／Ｔａ＜０．６を満たしており、より望ましくは、０．３５＜Ｓｉ／Ｔａ＜０．４５を満たしていればよい。そして、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系
薄膜中のＯ元素のmol％Ｍ１が、２５mol％≦Ｍ１≦４５mol％に設定され、薄膜中のＮ元素のmol％Ｍ２が、５mol％≦Ｍ２≦１５mol％に設定されている。

【００４６】この抵抗膜４０ｘは、アモルファス構造で
あり、Ｘ線分校分析において発現するピーク角が３７．
５度以下でかつ抵抗率が４ｍΩ・ｃｍ以上であり、また
０．５ｅＶ〜１．０ｅＶでの光の吸収係数が７００００
／ｃｍ未満である。次いで、該抵抗膜４０ｘ上に、スパ
ッタリング法等を用いて、タングステンに対して概ね４
Atomic％のチタンが含有されたタングステン・チタン合
金（Ｗ−Ｔｉ）からなる第１の導電性膜５１ｘを積層形
成する。次いで、第１の導電性膜５１ｘ上に、蒸着法や
メッキ法等を用いて、金（Ａｕ）からなる第２の導電性
膜５２ｘを形成し、さらに、スパッタリング法等によ
り、第１の導電性膜５１ｘと同様の材料を用いてタング
ステン・チタン合金（Ｗ−Ｔｉ）からなる第３の導電性
膜５３ｘを積層形成する。

【００４７】次いで、図３（ｂ）に示すように、第３の
導電性膜５３ｘ上の所定の位置に、フォトリソグラフィ
技術を用いて、ヒータ配線５０のパターン形状（第１の
パターン形状）を有する第１のレジスト膜７１を形成し
た後、図３（ｃ）に示すように、第１のレジスト膜７１
をマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法
等を用いて、第１のレジスト膜７１に被覆されていない
第３の導電性膜（Ｔｉ−Ｗ）５３ｘ及び第２の導電性膜
（Ａｕ）５２ｘを連続的にエッチングする（第１のエッ
チング工程）。そして、第１のレジスト膜７１を除去す
ることにより、図３（ｄ）に示すように、第１のパター
ン形状を有する第３の導電性配線層５３ｂ及び第２の導
電性配線層５２ｂが形成される。

【００４８】次いで、フォトリソグラフィ技術を用い
て、図４（ａ）に示すように、第３の導電性配線層５３
ｂ及び第２の導電性配線層５２ｂの形成領域（第１のパ
ターン形状）を含み、かつ、第３の導電性配線層５３ｂ
及び第２の導電性配線層５２ｂの配線幅よりもパターン
幅が広く設定された第２のパターン形状を有し、さら
に、第３の導電性配線層５３ｂ及び第２の導電性配線層
５２ｂの上面及び側面を被覆する第２のレジスト膜７２
を形成した後、図４（ｂ）に示すように、第２のレジス
ト膜７２をマスクとして、反応性イオンエッチング法等
を用いて、第２のレジスト膜７２に被覆されていない第
１の導電性膜（Ｔｉ−Ｗ）５１ｘをエッチングする（第
２のエッチング工程）。そして、第２のレジスト膜７２
を除去することにより、図４（ｃ）に示すように、ヒー
タ配線５０のパターン形状に対応し、パターン幅のみが
広く設定された第２のパターン形状を有する第１の導電
性配線層５１ｂ上に、ヒータ配線５０のパターン形状を
有する第３の導電性配線層５３ｂ及び第２の導電性配線
層５２ｂが形成された積層配線が得られる。

【００４９】次いで、フォトリソグラフィ技術を用い
て、図５（ａ）に示すように、第１、第２及び第３の導
電性配線層５１ｂ、５２ｂ、５３ｂの形成領域（第１の
パターン形状、第２のパターン形状）を含む薄膜ヒータ
４０の所定の形成領域に設定された第３のパターン形状
を有し、さらに、第１、第２及び第３の導電性配線層５
１ｂ、５２ｂ、５３ｂの側面を被覆する第３のレジスト
膜７３を形成した後、図５（ｂ）に示すように、第３の
レジスト膜７３をマスクとして、ドライエッチング法等
を用いて、第３のレジスト膜７３に被覆されていない抵
抗膜（Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）４０ｘをエッチングする
（第３のエッチング工程）。そして、第３のレジスト膜
７３を除去することにより、図５（ｃ）に示すように、
所定の形状にパターニングされた薄膜ヒータ４０（抵抗
体層）上に、ヒータ配線５０のパターン形状を有する積
層配線が形成された構成が得られる。

【００５０】その後、図２（ｂ）に示すように、スパッ
タリング法等を用いて、タンタル（Ｔａ）、シリコン
（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）元素を含むＴａ−Ｓｉ−Ｏ系薄膜
からなる絶縁性の保護膜６０を形成する。ここで、例え
ば、図１（ｃ）に示したように、ヒータ配線５０の端部
に電極パッド５４が設けられている場合には、フォトリ
ソグラフィ技術を用いて、当該電極パッド５４上の保護
膜６０をエッチングすることにより、電極パッド５４部
分が露出する開口部を形成する。

【００５１】このような工程を有する製造方法によれ
ば、第１のエッチング工程により単一のレジスト膜（第
１のレジスト膜７１）を用いて、積層配線を構成する第
１、第２及び第３の導電性配線層５１ｂ、５２ｂ、５３
ｂのうち、第２及び第３の導電性配線層５２ｂ、５３ｂ
がパターニングされ、次いで、第２のエッチング工程の
際に、第２及び第３の導電性配線層５２ｂ、５３ｂの上
面及び側面を被覆するように形成されたレジスト膜（第
２のレジスト膜７２）を用いて、第１の導電性配線層５
１ｂがパターニングされるので、第１及び第３の導電性
配線層５１ｂ、５３ｂを、例えば、タングステンを含有
する同等の合金材料により形成する場合であっても、第
２のエッチング工程の際にすでに形成された第３の導電
性配線層５３ｂのオーバーエッチングを防止することが
できる。

【００５２】すなわち、第１、第２及び第３の導電性配
線層が同一のパターン幅を有する断面構造を有する積層
配線であって、かつ、図６（ａ）〜（ｄ）に示すよう
に、単一のレジスト膜７４を用いて、第３、第２及び第
１の導電性膜５３ｘ、５２ｘ、５１ｘを順次エッチング
する製造方法を有する場合にあっては、該エッチング工
程の初期の段階でパターニングされた第３の導電性配線
層５３ｂは、後続の第１の導電性膜５１ｘをエッチング
する期間中、その側面部分が常時露出した状態となり、
第１及び第３の導電性配線層５１ｂ、５３ｂが同等の導
電性材料で構成されている場合には、エッチング条件が
同等となるため、第３の導電性配線層５３ｂの側面部分
がオーバーエッチング（図中、破線矢印参照）される問
題が生じる。

【００５３】これに対して、本実施形態に係る製造方法
おいては、第１の導電性膜５１ｘをエッチングする工程
において、先行するエッチング工程においてパターニン
グされた第２及び第３の導電性配線層５２ｂ、５３ｂの
上面及び側面をレジスト膜（第２のレジスト膜７２）に
より被覆して、上記オーバーエッチングの発生を防止し
ているので、第３の導電性配線層５３ｂのパターン幅の
減少に伴う金又は金を含有する合金材料（第２の導電性
配線層５２ｂ）と酸化物又は窒化物（保護膜６０）との
接触面積の増加を抑制することができ、積層配線の接合
性や密着性の劣化を抑制することができる。

【００５４】また、第１及び第２のエッチング工程にお
いて、異なるレジスト膜を用いて各導電性配線層をエッ
チングすることができるので、該レジスト膜のエッチン
グ耐性が低い場合であっても、各導電性配線層を良好に
パターニングすることができる。さらに、積層配線の最
下層となる第１の導電性配線層のパターン幅が、上層と
なる第２及び第３の導電性配線層よりも広く設定されて
いるので、第１のエッチング工程における第２及び第３
の導電性配線層のフォトマスクの位置合わせを比較的容
易に行うことができる。

【００５５】そして、以上説明したような配線電極構造
及びその製造方法により、剥離や断線、電気特性の劣化
等が抑制されたヒータ配線は、各種機能要素が微小空間
に集積化された化学反応装置（マイクロリアクタ）に良
好に適用することができるので、化学物質や薬品等の生
成装置、あるいは、近年、実用化のための研究開発が著
しい燃料電池における改質器等として良好に適用するこ
とができる。

【００５６】なお、上記各実施形態では、ヒータ配線５
０のパターニング後に薄膜ヒータ４０をパターニングし
たが、予め薄膜ヒータ４０をパターニングしてからヒー
タ配線５０の各層を堆積後にパターニングして、ヒータ
配線５０を形成してもよい。この場合、ヒータ配線５０
は、薄膜ヒータ４０上のみならず、基板１０（熱酸化膜
１１）上にも設けることができるので、配線の引き回し
設計を容易にすることができる。また、ヒータ配線５０
は、下層にタングステン又はタングステン合金を含む第
１の導電性配線層５１ａ、５１ｂを有して構成されてい
ることにより、基板１０の表面に熱酸化膜１１あるいは
窒化膜が形成されても親和性に優れているので、容易に
剥がれることはない。

【００５７】以下に、本発明に係る配線電極構造を備え
た化学反応装置を、燃料電池システムの改質器として適
用した場合について説明する。図７は、本発明に係る配
線電極構造を備えた化学反応装置の適用が可能な燃料電
池システム３００の要部構成及び燃料電池システム３０
０より駆動されるデバイスＤＶＣを示すブロック図であ
り、図８は、本発明に係る配線電極構造を備えた改質部
の具体構成例を示す概略構成図である。なお、ここで
は、燃料電池の例として、燃料改質方式を採用した固体
高分子型の燃料電池に適用した場合について説明する。

【００５８】図７に示すように、本発明に係る配線電極
構造を備えた化学反応装置の適用が可能な発電モジュー
ル１００は、大別して、燃料改質方式の固体高分子型燃
料電池の構成を有する発電部（燃料電池本体）１１０
と、燃料パック２１０の燃料封入部１９０に貯蔵、封入
された発電用燃料（例えば、水素を含む液体燃料、液化
燃料及び気体燃料や水）ＦＬの発電部１１０への供給量
を制御する燃料制御部１２０と、発電部１１０への空気
（酸素）の供給量を制御する空気制御部１３０と、燃料
制御部１２０により供給された発電用燃料を改質して、
発電用燃料に含有される水素をガス化して発電部１１０
に供給する改質部１４０と、発電部１１０及び改質部１
４０を必要に応じて加熱するための温度制御部１５０
と、発電部１１０により生成された電力の一部若しくは
全部を受けて充電するコンデンサを有する充電部１６０
と、発電モジュール１００内の発電動作、充電動作、後
述する動作制御部１８０が充電部１６０の蓄電状態を検
知する動作等、に必要な電力を出力する副電源部１７０
と、発電モジュール１００内の駆動動作を演算処理する
動作制御部１８０と、を有して構成されている。

【００５９】燃料制御部１２０は、燃料封入部１９０か
ら毛細管現象等の物理的手段により送出された燃料を、
動作制御部１８０からの指令信号にしたがって、改質部
１４０に所定量供給するように設定されている。空気制
御部１３０は、燃料電池システム３００外の空気を取込
み、発電部１１０に酸素（Ｏ）又は空気を供給するよう
に設定されている。

【００６０】改質部１４０は、燃料パック２１０内のア
ルコール(ALCOHOL)及び水（Ｈ_２Ｏ）から構成される燃
料を燃料制御部１２０から受け、水素（Ｈ_２）と副生成
物の二酸化炭素（ＣＯ_２）、さらに、微量の一酸化炭素
（ＣＯ）を生成する水蒸気改質反応部１４０ａと、次に
示す一酸化炭素改質部と、を有する。一酸化炭素改質部
は、水蒸気改質反応部１４０ａから供給された一酸化炭
素（ＣＯ）を燃料制御部１２０及び／又は発電部１１０
から供給された水（Ｈ_２Ｏ）と反応させ、二酸化炭素
（ＣＯ_２）及び水素（Ｈ_２）を生成する水性シフト反応
部１４０ｂと、水性シフト反応部１４０ｂで反応しきれ
なかった一酸化炭素（ＣＯ）を酸素（Ｏ）と反応させて
二酸化炭素（ＣＯ_２）を生成する選択酸化反応部１４０
ｃのうち、少なくとも一方を備えた構成を有している。

【００６１】温度制御部１５０は、動作制御部１８０か
らの指令信号により、水蒸気改質反応部１４０ａ、水性
シフト反応部１４０ｂ、選択酸化反応部１４０ｃにそれ
ぞれ設けられたヒータ薄膜４０に、上述した構成を有す
るヒータ配線５０を介して電力を供給することで加熱さ
せるように設定されている。また、発電部１１０にもヒ
ータ薄膜４０が設けられている場合にあっては、上述し
た構成を有するヒータ配線５０を介して電力を供給する
ように設定されている。

【００６２】発電部１１０は、改質部１４０から供給さ
れた水素（Ｈ_２）及び空気制御部１３０から供給された
酸素（Ｏ）により発電するように設定され、充電部１６
０は、発電部１１０で発電された電力により充電される
ように設定され、発電部１１０及び充電部１６０の少な
くとも一方は、デバイスＤＶＣの負荷ＬＤに電力を供給
するように設定されている。副電源部１７０は、動作制
御部１８０からの指令信号に応じて、充電部１６０で蓄
電された電力により燃料制御部１２０、温度制御部１５
０、後述する動作制御部１８０、そして、必要に応じて
発電部１１０に、電力を供給するように設定されてい
る。

【００６３】動作制御部１８０は、充電部１６０で蓄電
されたチャージが所定値まで小さくなることを検知する
ために常時駆動し、充電部１６０で蓄電されたチャージ
が所定値まで小さくなったことを検知すると、燃料制御
部１２０、温度制御部１５０、必要に応じて発電部１１
０に電力を供給するように指令信号を副電源部１７０に
出力するとともに、燃料制御部１２０が必要量の燃料を
供給し、かつ、温度制御部１５０が改質部１４０の反応
炉を所定の時間、必要温度に達するように指令信号を出
力する。

【００６４】そして、発電モジュール１００と着脱自在
の燃料パック２１０は、燃料が封入された燃料封入部１
９０と、発電部１１０により生成された副生成物を回収
する副生成物回収部２００と、を有する。発電モジュー
ル１００及び燃料パック２１０で構成された燃料電池シ
ステム３００は、デバイスＤＶＣの負荷ＬＤに駆動電力
を供給することにより、コントローラＣＮＴの制御にし
たがって正常に駆動させることができる。

【００６５】ここで、発電部１１０は、周知の固体高分
子型の燃料電池本体の構成を有し、概略、白金や白金・
ルテニウム等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなる
燃料極（カソード）と、白金等の触媒微粒子が付着した
炭素電極からなる空気極（アノード）と、該燃料極と空
気極の間に介装されたフィルム状のイオン導電膜（交換
膜）と、を有して構成されている。そして、このような
構成を有する発電部１１０の燃料極に、改質部１４０を
介して抽出された水素ガス（Ｈ_２）が供給されることに
より、次の化学反応式（１）に示すように、上記触媒に
より電子（ｅ⁻）が分離した水素イオン（プロトン；Ｈ
^＋）が発生し、イオン導電膜を介して空気極側に通過す
るとともに、燃料極を構成する炭素電極により電子（ｅ
⁻）が取り出されて負荷に供給される。３Ｈ_２ → ６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ ・・・（１）

【００６６】一方、空気極に空気制御部１３０を介して
大気中の酸素ガス（Ｏ_２）が供給されることにより、次
の化学反応式（２）に示すように、上記触媒により負荷
を経由した電子（ｅ⁻）とイオン導電膜を通過した水素
イオン（Ｈ^＋）と空気中の酸素ガス（Ｏ_２）が反応して
水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。６Ｈ^＋＋（３／２）Ｏ_２＋６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ・・・（２）すなわち、このような一連の電気化学反応（（１）式及
び（２）式）は、概ね室温〜８０℃の比較的低温の環境
下で進行し、電力以外の副生成物は、基本的に水（Ｈ_２
Ｏ）のみとなる。なお、上述したような電気化学反応に
より負荷に供給される電力（電圧・電流）は、上記化学
反応式（１）及び（２）に示したように、発電部１１０
の燃料極に供給される水素ガス（Ｈ_２）の量に依存す
る。

【００６７】したがって、燃料制御部１２０は、発電部
１１０において、所定の電力を生成、出力するために必
要な量の水素ガス（Ｈ_２）となる分の燃料や水等を取り
込んで、後述する改質部１４０により水素ガスに改質し
て、発電部１１０の燃料極に供給する制御を行う。な
お、空気制御部１３０は、発電部１１０の空気極に供給
する酸素ガス（Ｏ_２）の量を制御する機能を有している
が、発電部１１０における単位時間あたりの酸素の最大
消費量に相当する空気を供給可能であれば、発電部１１
０の空気極に供給する酸素ガスの量を制御することな
く、発電部１１０の駆動時に常時酸素ガスを供給するも
のであってもよく、また、別の構成として、発電部１１
０における電気化学反応の進行状態を、燃料制御部１２
０において調整される水素ガスの供給量のみで制御し、
空気制御部１３０の代わりに通気孔を設け、発電部１１
０における電気化学反応に用いられる上記最大消費量以
上の空気（大気）が通気孔を介して供給されるように構
成されているものであってもよい。

【００６８】また、改質部１４０は、燃料制御部１２０
により所定の供給量で供給される発電用燃料に対して、
所定の吸熱触媒反応（水蒸気改質反応）を利用して発電
用燃料に含まれる水素成分を抽出して上記発電部１１０
に供給する機能を有するものであって、上述した実施形
態に示した配線電極構造を備えた化学反応装置（図１参
照）の構成を良好に適用することができる。具体的に
は、メタノール等の水素を含む液体燃料（アルコール
類）から、吸熱触媒反応である水蒸気改質反応を利用し
て、水素ガス（Ｈ_２）を生成する。ここで、現在、研究
開発が行われている燃料改質方式の燃料電池に適用され
ている発電用燃料としては、上記発電部１１０により、
比較的高いエネルギー変換効率で電気エネルギーを生成
することができる燃料であって、例えば、メタノール、
エタノール、ブタノール等のアルコール系の液体燃料
や、ジメチルエーテル、イソブタン、天然ガス（ＣＮ
Ｇ）等の液化ガス等の常温常圧で気化される炭化水素か
らなる液化燃料、あるいは、水素ガス等の気体燃料等の
流体物質を良好に適用することができる。

【００６９】ここで、改質部１４０における水素ガスの
生成に利用される吸熱触媒反応の例としては、液体燃料
の一例であるメタノールを適用した場合には、次の化学
反応式（３）に示すような水蒸気改質反応が生じ、ま
た、常温常圧で気体となる液化燃料の一例であるジメチ
ルエーテルを適用した場合には、次の化学反応式（４）
に示すような水蒸気改質反応が生じる。ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ３Ｈ_２＋ＣＯ_２・・・（３）ＣＨ_３ＯＣＨ_３＋３Ｈ_２Ｏ → ６Ｈ_２＋２ＣＯ_２・・・（４）

【００７０】なお、いずれの水蒸気改質反応において
も、概ね３００℃の熱条件の下で当該反応が良好に進行
する。また、この改質反応により生成される水素以外の
微量の生成物（主に、ＣＯ_２）は、大気中に排出され
る。したがって、上述した実施形態に示したような化学
反応装置（図１参照）を改質部に適用することにより、
ヒータ電源からヒータ配線を介して、基板の他面側に設
けられた薄膜ヒータに所定の電気エネルギーを供給して
加熱し、基板の一面側に形成された反応流路（触媒）に
対して、上記各化学反応式（３）、（４）に示した吸熱
を伴う水蒸気改質反応の進行に寄与する所定の熱エネル
ギーを供給することができ、水素ガスを良好に生成する
ことができる。

【００７１】ここで、改質部１４０に適用される具体的
な構成例は、例えば、図８（ａ）に示すように、シリコ
ン等の微小基板１４１の一面側に、半導体製造技術等の
微細加工技術を用いて、所定の溝形状及び所定の平面パ
ターンを有するように設けられた燃料吐出部１４２ａ、
水吐出部１４２ｂ、燃料気化部１４３ａ、水気化部１４
３ｂ、混合部１４３ｃ、改質反応流路１４４、水素ガス
排気部１４５と、上記改質反応流路１４４の形成領域に
対応する領域であって、微小基板１４１の他面側に設け
られた薄膜ヒータ１４６（上述した薄膜ヒータ４０に相
当）及びヒータ配線（図示を省略）と、を備えて構成さ
れている。

【００７２】燃料吐出部１４２ａ及び水吐出部１４２ｂ
は、上述したような水蒸気改質反応における原料物質と
なる発電用燃料及び水を、例えば、所定の単位量ごとに
液状粒として流路内に吐出する流体吐出機構を有してい
る。したがって、燃料吐出部１４２ａ及び水吐出部１４
２ｂにおける発電用燃料又は水の吐出量に基づいて、例
えば、上記化学反応式（３）式に示した水蒸気改質反応
の進行状態が制御されることになるため（詳しくは、薄
膜ヒータ１４６から供給される熱エネルギーも密接に関
連する）、燃料吐出部１４２ａ及び水吐出部１４２ｂ
は、燃料供給量の調整機能を担う構成を有している。

【００７３】燃料気化部１４３ａ及び水気化部１４３ｂ
は、それぞれ発電用燃料及び水の沸点等の揮発条件に応
じて加熱されるヒータであって、燃料吐出部１４２ａ及
び水吐出部１４２ｂから液状粒として吐出された発電用
燃料又は水を、加熱処理あるいは減圧処理等することに
より気化し、混合部１４３ｃにおいて、燃料ガスと水蒸
気の混合ガスを生成する。

【００７４】改質反応流路１４４及び薄膜ヒータ１４６
は、上述した各実施形態に示した反応流路部に相当し、
上記混合部１４３ｃにおいて生成された混合ガスを改質
反応流路１４４に導入し、改質反応流路１４４の内壁面
に付着形成された銅-亜鉛（Ｃｕ-Ｚｎ）系の触媒（図示
を省略）、及び、改質反応流路１４４の形成領域に対応
して設けられた薄膜ヒータ１４６から、改質反応流路１
４４に供給される所定の熱エネルギーに基づいて、上記
化学反応式（３）、（４）に示した水蒸気改質反応を生
じさせて、水素ガス（Ｈ_２）を生成する。

【００７５】水素ガス排気部１４５は、改質反応流路１
４４において生成された水素ガスを排出して、上述した
発電部１１０を構成する燃料電池の燃料極に供給する。
これにより、発電部１１０において、上記化学反応式
（１）及び（２）に基づく一連の電気化学反応が生じ
て、所定の電力が生成される。温度制御部１５０は、改
質部１４０及び発電部１１０での各反応に必要なそれぞ
れの熱量を供給するために、改質部１４０及び発電部１
１０の各薄膜ヒータ１４６に電力を供給する。

【００７６】そして、このような構成を有する改質部１
４０において、微小基板に形成された反応流路等の形成
領域に対応して、上述した実施形態に示した薄膜ヒータ
４０やヒータ配線５０が、微細加工技術を用いて形成さ
れた構成を適用することができる。これにより、化学反
応装置の構成の全体又は一部を微小空間に集積化するこ
とができ、例えば、日本工業規格（ＪＩＳ）に則った汎
用の乾電池の１つと略同一の外形形状及び外形寸法を有
するように小型化することができ、既存の乾電池市場に
おいて互換可能なポータブル電源を実現することができ
る。

【００７７】なお、上述した実施形態に示した薄膜ヒー
タ４０及びヒータ配線５０が適用される化学反応装置に
おける第１の流体物質から第２の流体物質への変換（化
学反応）は、上述したメタノール水蒸気改質反応に限定
されるものではなく、少なくとも、所定の熱条件の下で
生じる化学反応（吸熱反応）であれば、良好に適用する
ことができる。また、上述した化学反応装置が適用され
る電源システムについても、化学反応装置により生成さ
れる所定の流体物質を発電用燃料として用いて、発電を
行うことができるものであれば、上記燃料電池に限定さ
れるものではない。したがって、化学反応装置により生
成された流体物質の燃焼反応に伴う熱エネルギーによる
もの（温度差発電）や、燃焼反応等に伴う圧力エネルギ
ーを用いて発電器を回転させて電力を発生する力学的な
エネルギー変換作用等によるもの（ガス燃焼タービンや
ロータリーエンジン、スターリングエンジン等の内燃、
外燃機関発電）、また、発電用燃料ＦＬの流体エネルギ
ーや熱エネルギーを電磁誘導の原理等を利用して電力に
変換するもの（電磁流体力学発電、熱音響効果発電等）
等、種々の形態を有する発電装置に適用することができ
る。

【００７８】また、図８（ａ）に示した構成において
は、上記化学反応式（３）において、発電用燃料として
メタノール等と水を、別個の吐出部１４２ａ、１４２ｂ
及び供給経路を介して供給、気化して混合する構成を備
えた化学反応装置を示したが、予めメタノール等に水が
混合された発電用燃料を直接化学反応装置に供給して、
水素ガスを生成する水蒸気改質反応を実行するものであ
ってもよい。このような場合にあっては、例えば、図８
（ｂ）に示すように、改質部１４０の構成として、微小
基板１４１の一面側に、単一の燃料吐出部１４２ｃ及び
燃料気化部１４３ｃと、上述した改質反応流路１４４、
水素ガス排気部１４５からなる単一の流路を備えた構成
を適用することができる。

【００７９】ここで、改質部１４０では、上記化学反応
式（３）や（４）での反応以外に極微量の一酸化炭素
（ＣＯ）を生成する恐れがあるが、図７に示すように、
生成された一酸化炭素を無害化するような反応部を設け
てもよい。すなわち、発電モジュール１００の改質部１
４０は、上述したように、燃料パック２１０内のアルコ
ール及び水から構成される燃料を燃料制御部１２０から
供給され、水素（Ｈ_２）と副生成物の二酸化炭素（ＣＯ
_２）、さらに、微量の一酸化炭素（ＣＯ）を生成する水
蒸気改質反応部１４０ａに加えて、水蒸気改質反応部１
４０ａから供給された一酸化炭素（ＣＯ）を燃料制御部
１２０及び／又は発電部１１０から供給された水（Ｈ_２
Ｏ）と反応させ、二酸化炭素（ＣＯ_２）及び水素
（Ｈ_２）を生成する水性シフト反応部１４０ｂ、及び、
水性シフト反応部１４０ｂで反応しきれなかった一酸化
炭素（ＣＯ）を酸素（Ｏ）と反応させて二酸化炭素（Ｃ
Ｏ_２）を生成する選択酸化反応部１４０ｃのうちの少な
くとも一方からなる一酸化炭素改質部を備えた構成を有
し、燃料パック２１０に封入された燃料を、改質して得
られる水素（Ｈ_２）を発電部１１０に供給するととも
に、微量に生じる一酸化炭素（ＣＯ）を無毒化するもの
である。下記に示す実施形態では、一酸化炭素改質部が
水性シフト反応部１４０ｂ及び選択酸化反応部１４０ｃ
の両方を有する構成になっている。

【００８０】以下、改質部１４０の各構成と図８に示し
た構成との関係について説明する。改質部１４０の水蒸
気改質反応部１４０ａは、図８（ａ）に示す構造と概略
同一であり、燃料気化部１４３ａ及び水気化部１４３ｂ
は、薄膜ヒータ１４６同様に上述の三層配線及びＴａ−
Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系薄膜からなる抵抗膜を備えている。ここ
で、温度制御部１５０により制御された電力により配線
を介して上記抵抗膜が所定温度に加熱され、メタノール
（ＣＨ_３ＯＨ）及び水（Ｈ_２Ｏ）を気化させる。

【００８１】そして、水蒸気改質反応過程においては、
上記気化したメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）及び水（Ｈ
_２Ｏ）に対して、薄膜ヒータ１４６で概ね３００℃の温
度条件の雰囲気を設定することにより、４９．４kJ/mol
程度の熱エネルギーを吸熱して、上述した化学反応式
（３）に示すように、水素（Ｈ_２）と微量の二酸化炭素
（ＣＯ_２）が生成される。この二酸化炭素（ＣＯ_２）
は、選択的に発電モジュール１００の外側に排出され
る。なお、この水蒸気改質反応においては、水素
（Ｈ_２）と二酸化炭素（ＣＯ_２）以外に副生成物として
微量の一酸化炭素（ＣＯ）が生成される場合がある。

【００８２】ここで、水蒸気改質反応において、副生成
物として生成される一酸化炭素（ＣＯ）を除去するため
の水性シフト反応部１４０ｂ及び選択酸化反応部１４０
ｃを水蒸気改質反応部１４０ａの後段に付設して、水性
シフト反応及び選択酸化反応からなる各過程を介して、
一酸化炭素（ＣＯ）を二酸化炭素（ＣＯ_２）及び水素
（Ｈ_２）に変換して、有害物質の排出を抑止するように
構成されている。具体的には、水性シフト反応部１４０
ｂは、図８（ａ）に示す構造と概略同一であるが、燃料
吐出部１４２ａの代わりに水蒸気改質反応部１４０ａで
改質後の残存する一酸化炭素（ＣＯ）を微量に含む水素
ガス（Ｈ_２）を吐出する吐出部が設けられ、かつ、薄膜
ヒータ１４６と同様に上述した三層配線及びＴａ−Ｓｉ
−Ｏ−Ｎ系薄膜からなる抵抗膜を備えている。

【００８３】水性シフト反応部１４０ｂでの水性シフト
反応過程において、一酸化炭素（ＣＯ）に対して水（水
蒸気；Ｈ_２Ｏ）を反応させることにより４０．２kJ/mol
程度の熱エネルギーを発熱して、次の化学反応式（５）
に示すように、二酸化炭素（ＣＯ_２）と水素（Ｈ_２）が
生成される。ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ →ＣＯ_２＋Ｈ_２・・・（５）このとき発生される二酸化炭素（ＣＯ_２）は、発電モジ
ュール１００の外側に選択的に排出される。

【００８４】水性シフト反応部１４０ｂの少なくとも一
方の後段に付設された選択酸化反応部１４０ｃは、水性
シフト反応部１４０ｂで未反応の一酸化炭素（ＣＯ）を
二酸化炭素（ＣＯ_２）に改質するものであり、概略図８
（ａ）から燃料気化部１４３ａ、水気化部１４３ｂを省
略し、燃料吐出部１４２ａ、水吐出部１４２ｂの代わり
に、それぞれ水性シフト反応部１４０ｂからの気体を吐
出する吐出部と、発電モジュール１００の外側から取り
込んだ空気あるいは酸素（Ｏ）を吐出する吐出部と、が
設けられ、かつ、薄膜ヒータ１４６と同様に上述した三
層配線及びＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系薄膜からなる抵抗膜を
備えている。

【００８５】選択酸化反応過程において、水性シフト反
応により二酸化炭素（ＣＯ_２）と水素（Ｈ_２）に変換さ
れなかった一酸化炭素（ＣＯ）に対して酸素（Ｏ_２）を
反応させることにより２８３．５kJ/mol程度の熱エネル
ギーを発熱して、次の化学反応式（６）に示すように、
二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成される。ＣＯ＋（１／２）Ｏ_２ →ＣＯ_２・・・（６）なお、選択酸化反応部１４０ｃは、水蒸気改質反応部１
４０ａと水性シフト反応部１４０ｂとの間に設けてもよ
い。

【００８６】上記一連の燃料改質反応により生成される
水素（Ｈ_２）以外の微量の生成物（主に、二酸化炭素
（ＣＯ_２））は、発電モジュール１００に設けられた排
出孔を介して、外気に排出される。上記各実施形態にお
いては、第１の導電性配線層５１及び第３の導電性配線
層５３は、いずれもに同じ材料で構成されたものを示し
たが、それぞれタングステン（Ｗ）に混入される材料を
チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓ
ｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）の中から
選択された材料であってかつ互いに異なるものとしても
よい。また、上記各実施形態においては、微小基板１０
としてシリコンを用いたが、酸化珪素（ＳｉＯ_２）で構
成されるガラス基板を適用してもよい。ガラス基板は、
熱を吸収しにくい材質なので、効率よくヒータを加熱す
ることができる。

【００８７】次いで、本発明に係る電源システムに上述
した各電池形状を適用した場合の発電モジュール１００
及び燃料パック２１０の装着自在及び取り外し自在構造
と、電極構造との関係について、図面を参照して詳しく
説明する。（装着自在及び取り外し自在構造の一実施例）図１０
（ａ）〜図１０（ｄ）及び図１０（ｅ）〜図１０（ｈ）
は、それぞれ本発明の一実施例に係る電源システムの燃
料パック及びホルダー部を上方向、前方向、横方向、後
方向から見た外形形状を示す概略構成図であり、図１１
は、本実施例に係る電源システムにおける発電モジュー
ル及び燃料パックの装着自在及び取り外し自在構造を示
す概略図である。ここで、上述した各実施形態と同等の
構成については、その説明を簡略化又は省略する。

【００８８】図１０（ａ）〜図１０（ｄ）及び図１０
（ｅ）〜図１０（ｈ）に示すように、本実施例に係る電
源システムは、発電用燃料が所定の条件で封入された燃
料パック２１０と、前記燃料パック２１０が装着自在及
び取り外し自在に構成された発電モジュール１００を収
容したホルダー部２２０と、を備えて構成されている。
ここで、燃料パック２１０は、燃料ＦＬを封入する透明
の分解性高分子ケースであって、未使用の場合、バクテ
リア等の分解要因から保護するパッケージ２１１でケー
スの周囲を覆われている。そして、燃料パック２１０の
装着時には、後述するように、燃料パック２１０からパ
ッケージ２１１を剥がせばよい。また、燃料パック２１
０を透明なケースで構成するとともに、図１０（ａ）に
示すように、その側面の適当な位置に指標２１０ｃを設
けた構成を適用することにより、燃料パック２１０内に
残存する発電用燃料の量（残量）を視覚的に確認するこ
とができる。

【００８９】ホルダー部２２０は、大別して、上述した
実施形態と同等の構成を有する発電モジュール１００が
収納され、正極端子ＥＬ（＋）が設けられた発電部２２
０ａと、負極端子ＥＬ（−）が設けられた対向部２２０
ｂと、発電部２２０ａと対向部２２０ｂを連結するとと
もに、発電部２２０ａと負極端子ＥＬ（−）を電気的に
接続する連結部２２０ｃと、を有して構成されている。
ここで、発電部２２０ａ、対向部２２０ｂ及び連結部２
２０ｃにより囲まれた貫通した空間ＳＰ１が、上記燃料
パック２１０を結合した際の収納位置となる。

【００９０】さらに、ホルダー部２２０は、対向部２２
０ｂの当接部分の周囲にバネ材等の弾性を有し、中央に
孔を有する凸部２２０ｄと、凸部２２０ｄの孔及び発電
モジュール１００の副生成物供給経路１０４を連結する
副生成物回収経路２２０ｅと、を備えている。なお、ホ
ルダー部２２０の連結部２２０ｃには、図１０（ｅ）に
示すように、図１０（ａ）に示した燃料パック２１０の
指標２１０ｃに代えて、又は、指標２１０ｃと併設し
て、指標２２０ｈが刻まれた構成を適用することができ
る。これにより、ホルダー部２２０に燃料パック２１０
を結合した際に、発電用燃料の残量がどれだけあるかを
簡易かつ正確に確認することができる。この場合、連結
部２２０ｃは、不透明である方が指標２２０ｈを視認し
やすい。

【００９１】このような構成を有する電源システムにお
いて、図１１（ａ）に示すように、指ＦＮ１及び指ＦＮ
２でパッケージ２１１を剥がした燃料パック２１０を支
えながら、発電部２２０ａ、対向部２２０ｂ及び連結部
２２０ｃにより構成される空間ＳＰ１に対して、燃料パ
ック２１０の燃料供給弁２１０ｄ（後述する図１２参
照）が設けられた燃料送出口（一端側）２１０ａをホル
ダー部２２０に当接させて支点とし、燃料パック２１０
の他端側２１０ｂを旋回させて押し込むことにより（図
中、矢印Ｐ９）、図１１（ｂ）に示すように、前記燃料
パック２１０の底部（他端側）２１０ｂが対向部２２０
ｂに当接して、燃料パック２１０が空間ＳＰ１に収納さ
れる。

【００９２】このとき、燃料送出経路となる燃料送出管
２２０ｆ（後述する図１２参照）が、バネで姿勢が固定
されている燃料供給弁２１０ｄを押し下げて、燃料パッ
ク２１０の漏出防止機能が解除されて、燃料パック２１
０に封入された発電用燃料ＦＬが、毛細管２１０ｆ内及
び燃料送出管２２０ｆ内での表面張力により自動的に搬
送されて発電モジュール１００に供給される。

【００９３】なお、図１１（ｃ）に示すように、燃料パ
ック２１０をホルダー部２２０にセットした未使用の電
源システムの周囲をバクテリア等の分解要因から保護す
るパッケージ２３０でケースの周囲全体を覆った状態で
市場に流通させるようにしてもよい。この場合、デバイ
ス等の電源として利用する際には、パッケージ２３０を
剥がして装着すればよい。ここで、充電部１６０で蓄電
されたチャージが所定値まで低下したことを検知するた
めに常時駆動している動作制御部１８０に電力を供給す
るために副電源部１７０が出力する電力を、発電部１１
０で生成して充電部１６０を介して供給しているが、こ
のとき、発電部１１０から生成される二酸化炭素（ＣＯ
_２）を電源システム３００の外部に放出するための孔２
３０ａがパッケージ２３０に設けられている。

【００９４】ここで、電源システムは、燃料パック２１
０が空間ＳＰ１に収納され、ホルダー部２２０に結合さ
れた状態において、例えば、上述した円柱形状の汎用の
化学電池と略同等の外形形状及び寸法を有するように構
成されている。また、このとき、燃料パック２１０が空
間ＳＰ１に正常に収納された状態で、燃料パック２１０
の燃料送出口２１０ａが、発電部２２０ａ側の燃料送出
経路に良好に当接して接続するように、燃料パック２１
０の他端側２１０ｂを適当な力で押圧するとともに、燃
料パック２１０がホルダー部２２０から不用意に脱落す
ることを防止するために、燃料パック２１０の他端側２
１０ｂと対向部２２０ｂの当接部分が、適当な押圧力で
係合するように構成されていることが望ましい。

【００９５】具体的には、図１１（ａ）、（ｂ）に示す
ように、例えば、副生成物である水等を回収するために
燃料パック２１０の他端側２１０ｂに形成された副生成
物取込弁２１０ｅが配置された凹部と、対向部２２０ｂ
の当接部分の周囲にバネ材等の弾性を有する凸部２２０
ｄと、の間での係合機構を適用することができる。この
とき、凸部２２０ｄに押し上げられることにより、副生
成物取込弁２１０ｅが閉じた状態から開いた状態になる
とともに、副生成物回収経路２２０ｅと連結するため、
副生成物回収経路２２０ｅからの副生成物が、燃料パッ
ク２１０内に設けられた副生成物回収部２００に回収可
能となる。

【００９６】これにより、上述した全体動作において説
明したように、副電源部１７０から発電モジュール１０
０内の動作制御部１８０に動作電力が供給される。ま
た、本実施形態に係る電源システムが所定のデバイスＤ
ＶＣに装着されることにより、充電部１６０あるいは発
電部１１０から出力された電力の一部が正極端子ＥＬ
（＋）及び対向部２２０ｂに設けられた負極端子ＥＬ
（−）を介して、デバイスＤＶＣに内蔵されたコントロ
ーラＣＮＴに駆動電力（コントローラ電力）として供給
される（初期動作）。

【００９７】したがって、汎用の化学電池と同様に簡易
に取り扱うことができ、汎用の化学電池と同一又は同等
の外形形状及び寸法（ここでは、円柱形状）を有すると
ともに、同一又は同等の電気的特性を有する電力を供給
することができる完全互換の電源システムを実現するこ
とができるので、既存の携帯機器等のデバイスに対し
て、汎用の化学電池と全く同様に、動作電力として適用
することができる。

【００９８】特に、本実施例に係る電源システムにおい
て、発電モジュールとして燃料電池を備えた構成を適用
し、かつ、発電部２２０ａ（発電モジュール１００）に
対して装着自在及び取り外し自在に構成された燃料パッ
ク２１０として、上述した分解性プラスチック等の材料
を適用することにより、環境への影響（負担）を抑制し
つつ、高いエネルギー利用効率を実現することができる
ので、既存の化学電池の投棄や埋め立て処理による環境
問題やエネルギー利用効率の問題等を良好に解決するこ
とができる。

【００９９】また、本実施例に係る電源システムによれ
ば、燃料パック２１０が収納されるホルダー部２２０側
の空間ＳＰ１が、２つの開口部を有する貫通形状を有し
ているので、指ＦＮ１及び指ＦＮ２で燃料パック２１０
の対向する側面部を把持しながらホルダー部２２０に容
易に装着することができ、また、２つの開口部の一方か
ら燃料パック２１０を押すことによって、２つの開口部
の他方から燃料パック２１０が押し出されるので、燃料
パック２１０の取り外しを簡易かつ確実に行うことがで
きる。

【０１００】（具体的構成例）次に、上述した各実施形
態（各構成例を含む）のいずれかを適用した電源システ
ム全体の具体構成例について、図面を参照して説明す
る。図１２は、本発明に係る電源システム全体の具体構
成例を示す概略構成図である。ここでは、発電モジュー
ルに設けられる副電源部１７０が、充電部１６０で蓄電
されたチャージにより充電され、発電部１１０の燃料セ
ルとして燃料改質方式の燃料電池が適用されているもの
とする。また、上述した各実施形態及び各構成例を適宜
参照し、同等の構成については、同一の符号を付して、
その説明を簡略化する。

【０１０１】図１２に示すように、本具体構成例に係る
電源システム３００は、発電モジュール１００と燃料パ
ック２１０が装着自在及び取り外し自在に構成され、全
体として円柱形状からなる外形形状を有している。ま
た、これらの構成（特に、発電モジュール１００）が、
マイクロマシン製造技術等を用いて微小空間に構成さ
れ、汎用の化学電池と同等の外形寸法を有するように構
成されている。

【０１０２】発電モジュール１００は、概略、円柱形状
の円周側面に沿って延在する発電部１１０と、円柱状の
発電モジュール１００内部に、深さ及び幅がそれぞれ５
００μｍ以下の燃料流路及び流路内の空間を所定温度に
設定するヒータが形成された水蒸気改質反応部（水蒸気
改質反応炉）１４０ａと、深さ及び幅がそれぞれ５００
μｍ以下の燃料流路及び流路内の空間を所定温度に設定
するヒータが形成された水性シフト反応部（水性シフト
反応炉）１４０ｂと、深さ及び幅がそれぞれ５００μｍ
以下の燃料流路及び流路内の空間を所定温度に設定する
ヒータが形成された選択酸化反応部（選択酸化反応炉）
１４０ｃと、発電モジュール１００内部にマイクロチッ
プ化されて収納された動作制御部１８０と、発電モジュ
ール１００の円柱側面から上記発電部１１０の空気極ま
で貫通し、外部の空気を取り入れる複数の通気孔（スリ
ット）１３０ａと、上記空気極側において生成される副
生成物（水等）を液化（凝縮）して分離回収する分離回
収部１０２と、回収した副生成物の一部を水蒸気改質反
応部１４０ａに供給する副生成物供給経路２２０ｅと、
円柱上面から上記発電部１１０の空気極まで貫通し、少
なくとも、発電部の燃料極側や水蒸気改質反応部１４０
ａ、水性シフト反応部１４０ｂ、選択酸化反応部１４０
ｃにおいて生成され、非回収物質である副生成物（二酸
化炭素等）を発電モジュールの外部に排出する排出孔１
０６と、記載はないが副電源部１７０と、を備えて構成
されている。

【０１０３】水蒸気改質反応部１４０ａ及び水性シフト
反応部１４０ｂは、反応に必要な水として、副生成物供
給経路１０４を介して供給される発電部１１０で生成さ
れた水及び燃料パック２１０内の燃料ＦＬ内の水の少な
くとも一方を利用する。また水蒸気改質反応部１４０
ａ、水性シフト反応部１４０ｂ及び選択酸化反応部１４
０ｃ内で各反応により生じた二酸化炭素は、排出孔１０
６を介して発電モジュール１００の外部に排出される。

【０１０４】燃料パック２１０は、発電部１１０に供給
される発電用燃料ＦＬが充填、封入される燃料封入部１
９０と、上記分離回収部１０２により回収された副生成
物（水）を固定的に保持する副生成物回収部２００と、
発電モジュール１００との境界にあって、発電用燃料Ｆ
Ｌの漏出を防止する燃料供給弁２１０ｄ（燃料漏出防止
手段）と、回収保持された副生成物（回収物）の漏出を
防止する副生成物取込弁２１０ｅ（回収物漏出防止手
段）と、を有して構成されている。ここで、燃料パック
２１０は、上述したような分解性プラスチックにより形
成されている。

【０１０５】このような構成を有する燃料パック２１０
を発電モジュール１００と結合すると、燃料送出管２２
０ｆがバネで姿勢が固定されている燃料供給弁２１０ｄ
を押し下げて燃料パック２１０の漏出防止機能が解除さ
れ、燃料パック２１０に封入された発電用燃料ＦＬが毛
細管２１０ｆ内及び燃料送出管２２０ｆ内での表面張力
により発電モジュール１００まで自動的に搬送される。
また、燃料パック２１０を発電モジュール１００から外
すと、燃料供給弁２１０ｄがバネの復元力で元の閉じた
状態になって、発電用燃料ＦＬが漏れないようになる。

【０１０６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る配線
電極構造によれば、薄膜の温度調整層上に配線として形
成される積層配線は、第１の導電性配線層より抵抗率の
低い導電性材料を有する第２の導電性配線層により高い
電圧を迅速に印加することができ、温度調整層が迅速に
所定の温度に達することができる。また、このような良
導体は一般的に線膨張率が高く、温度調整層により変化
する温度による膨張あるいは収縮により生じる温度調整
層等との間での物理適応力の歪みにより剥離してしまう
恐れがあるが、第２の導電性配線層と温度調整層との間
に第２の導電性配線層よりも線膨張率の低い第１の導電
性配線層を設けたので、歪みを緩衝して剥がれを抑制す
ることができる。

【０１０７】ここで、上記積層配線は、第１、第２及び
第３の導電性配線層が各々同一のパターン幅からなる所
定の配線パターン形状を有するように構成されているも
のであってもよいし、第１の導電性配線層のパターン幅
が、少なくとも、第３の導電性配線のパターン幅よりも
広く構成されているものであってもよい。後者の構成に
よれば、積層配線の断面構造（形状）が、少なくとも、
第１の導電性配線層とそれ以外の導電性配線との間で段
差を有することになるので、積層配線の上面と抵抗体層
の上面又は基板上面との間の急峻な段差の変化を緩和し
て、保護膜のステップカバレッジ（段差被覆性）を改善
して、良好な絶縁保護特性を実現することができる。

【０１０８】また、上記配線電極構造は、少なくとも他
面側に、所定の流路を有する反応流路が設けられた化学
反応装置の全部又は一部が微細化されて形成された微小
基板に適用することができ、薄膜ヒータとなる抵抗体層
に対して、該積層配線を介して所定の電気エネルギーを
供給して所定の熱エネルギーを発生させることにより、
反応流路内で吸熱を伴う化学反応を生じさせて、所望の
物質を生成することができる。ここで、抵抗体層は、反
応流路内で生じる化学反応の進行に寄与する所定の熱エ
ネルギーを発生するように発熱特性が設定されている。
これによれば、各種機能要素が微小空間に集積化された
化学反応装置（マイクロリアクタ）を良好に実現するこ
とができるとともに、比較的高いエネルギー利用効率で
所定の化学反応を生じさせて所望の物質を生成すること
ができる。

【０１０９】本発明に係る他の配線電極構造によれば、
第１の導電性配線層よりも高い線膨張率の第２の導電性
配線層を保護膜に接するように配置したので、保護膜が
酸化物や窒化物であっても密着性に優れているので保護
膜が剥離することを防止することができる。このような
第１の導電性配線層及び第２の導電性配線層をそれぞれ
金を含む金属元素のみの材料及びタングステンを主成分
とする材料で構成すると、互いに接合性に優れ低抵抗か
つ常温及び急峻な温度変化に対する剥離強度の高い配線
を得ることができる。

【０１１０】本発明に係るさらに他の配線電極構造によ
れば、薄膜の温度調整層上に配線として形成される積層
配線は、第１の導電性配線層より抵抗率の低い導電性材
料である金を有する第２の導電性配線層により高い電圧
を迅速に印加することができ、温度調整層が迅速に所定
の温度に達することができる。そして、このような良導
体は一般的に線膨張率が高く、温度調整層により変化す
る温度による膨張あるいは収縮により生じる温度調整層
や保護膜との間での物理適応力の歪みにより剥離してし
まう恐れがあるが、第２の導電タングステンを含む性配
線層と温度調整層との間に第２の導電性配線層よりも線
膨張率の低いタングステンを含む第１の導電性配線層を
設け、第２の導電性配線層と保護層との間に第２の導電
性配線層よりも線膨張率の低い第３の導電性配線層を設
けたので、第２導電性配線層が基板や保護膜から剥離す
ることを防止できる。

【０１１１】そして、上述した配線電極構造のうち、断
面構造に段差を備えた配線電極構造の製造方法では、積
層配線を構成する第１乃至第３の導電性配線層のうち、
第２及び第３の導電性配線層を構成する導電性膜（第２
及び第３の導電性膜）を単一のレジスト膜（第１のレジ
スト膜）を用いて、所定のパターン幅でエッチングする
第１のエッチング工程の後、第１の導電性配線層を構成
する導電性膜（第１の導電性膜）をさらに別のレジスト
膜（第２のレジスト膜）を用いて、上記パターン幅より
も広いパターン幅でエッチングする第２のエッチング工
程を含んでいる。ここで、第２のエッチング工程におい
ては、第１のエッチング工程においてすでにパターニン
グされた第２及び第３の導電性配線層の上面及び側面を
被覆するようにレジスト膜が形成される。

【０１１２】このような工程を有する製造方法によれ
ば、第２のエッチング工程の際に、少なくとも第３の導
電性配線層の側面が露出することがないので、第１及び
第３の導電性配線層を同一の導電性材料、例えば、タン
グステン又はタングステンを含有する合金材料等の高融
点導電性材料により構成する場合であっても、先の工程
においてパターニングされた第３の導電性配線層側面の
オーバーエッチング（サイドエッチング）を防止して、
パターン幅の減少や、それに伴う第２の導電性配線層と
保護膜との接触面積の増加を抑制することができ、金又
は金を含有する合金材料と、酸化物又は窒化物との接触
特有の接合性や密着性の劣化を抑制することができる。

【０１１３】また、第１及び第２のエッチング工程にお
いて、異なるレジスト膜を用いて各導電性配線層を構成
する導電性膜をエッチングしているので、エッチングの
諸条件によりエッチング耐性が低いレジスト膜を使用し
なければならない場合であっても、レジスト膜のエッチ
ング耐性を良好に保持しつつ、各導電性配線層を良好に
パターニングすることができる。さらに、第２及び第３
の導電性配線層のパターン幅に比較して、第１の導電性
配線層のパターン幅が広く設定されているので、第１の
エッチング工程における第２及び第３の導電性配線層の
位置精度を緩和することができ、当該導電性配線層のパ
ターン位置を規定するフォトマスクの位置合わせを比較
的容易に行うことができる。

【０１１４】なお、上記配線電極構造の製造方法は、少
なくとも他面側に、所定の流路を有する反応流路が設け
られた化学反応装置の全部又は一部が微細化されて形成
された微小基板に適用することができる。これによれ
ば、各種機能要素が微小空間に集積化された化学反応装
置（マイクロリアクタ）において、断線や剥離、電気的
特性の劣化等が抑制された信頼性の高いヒータ配線を良
好に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る配線電極構造を適用した化学反応
装置の一実施形態を示す概略構成図である。

【図２】本実施形態に係る化学反応装置に適用される配
線電極構造を示す断面構造図である。

【図３】本発明に係る配線電極構造が適用されるヒータ
配線の製造方法の一例（第１のエッチング工程）を示す
プロセス断面図である。

【図４】本発明に係る配線電極構造が適用されるヒータ
配線の製造方法の一例（第２のエッチング工程）を示す
プロセス断面図である。

【図５】本発明に係る配線電極構造が適用されるヒータ
配線の製造方法の一例（第３のエッチング工程）を示す
プロセス断面図である。

【図６】断面構造に段差を有していない積層配線の製造
方法における問題点を示すプロセス断面図である。

【図７】本発明に係る配線電極構造を備えた化学反応装
置の適用が可能な燃料電池の要部構成を示すブロック図
である。

【図８】本発明に係る配線電極構造を備えた改質部の具
体構成例を示す概略構成図である。

【図９】マイクロリアクタにおける反応流路部を示す概
略構成図である。

【図１０】本発明の電源システムの燃料パック及びホル
ダー部の外形形状を示す概略構成図である。

【図１１】本実施例の発電モジュール及び燃料パックの
装着自在及び取り外し自在構造を示す概略図である。

【図１２】本発明に係る電源システム内部の具体構成例
を示す概略構成図である。

【図１３】マイクロリアクタに適用される薄膜ヒータ及
びヒータ配線の具体的な断面構造を示す図である。

【符号の説明】

１０微小基板４０薄膜ヒータ５０ヒータ配線４０ｘ抵抗膜５１ａ、５１ｂ第１の導電性配線層５２ａ、５２ｂ第２の導電性配線層５３ａ、５３ｂ第３の導電性配線層５４電極パッド６０保護膜７１〜７４レジスト膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｌ 21/88 Ｒ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の一面側に所定のパターン形状を有
して設けられた温度調整層と、前記温度調整層上に所定の配線パターン形状を有して順
次積層された、第１の導電性配線層及び第２の導電性配
線層を備えた積層配線と、を具備し、前記第１の導電性
配線層は、前記第２の導電性配線層の前記導電性材料よ
りも線膨張率の低い材料を有し、前記第２の導電性配線
層は、前記第１の導電性配線層より抵抗率の低い導電性
材料を有することを特徴とする配線電極構造。
【請求項２】前記温度調整層は、酸化物あるいは窒化
物を含むことを特徴とする請求項１記載の配線電極構
造。
【請求項３】前記基板は、シリコンで形成され、前記
基板の前記一面には、シリコン酸化膜あるいはシリコン
窒化膜が被膜されていることを特徴とする請求項１又は
２記載の配線電極構造。
【請求項４】前記積層配線は、前記第２の導電性配線
層上に、前記第２の導電性配線層よりも高い線膨張率材
料で形成された第３の導電性配線層を備え、少なくと
も、前記積層配線を被覆する保護膜が設けられているこ
とを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の配線
電極構造。
【請求項５】前記保護膜は、絶縁性の酸化物又は窒化
物からなることを特徴とする請求項４記載の配線電極構
造。
【請求項６】前記積層配線は、前記第１の導電性配線
層のパターン幅が、少なくとも、前記第３の導電性配線
のパターン幅よりも広く設定されていることを特徴とす
る請求項４又は５記載の配線電極構造。
【請求項７】前記積層配線は、前記第２の導電性配線
層のパターン幅が、前記第３の導電性配線のパターン幅
と同一に設定されていることを特徴とする請求項４乃至
６のいずれかに記載の配線電極構造。
【請求項８】前記第１の導電性配線層及び第３の導電
性配線層は、タングステン、モリブデン、タンタル、タ
ングステンを含有する合金、モリブデンを含有する合
金、及びタンタルを含有する合金の中から選択された材
料からなることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか
に記載の配線電極構造。
【請求項９】前記第２の導電性配線層は、金、銅、金
を含有する合金、及び銅を含有する合金の中から選択さ
れた材料からなることを特徴とする請求項１乃至８のい
ずれかに記載の配線電極構造。
【請求項１０】前記基板は、少なくとも他面側に、所
定の流路を有する反応流路が設けられ、該反応流路内で
吸熱又は発熱を伴う化学反応を生じることにより、所望
の物質を生成する化学反応装置の全部又は一部が微細化
されて形成された微小基板であって、前記温度調整層は、前記積層配線を介して供給される電
気エネルギーにより、前記反応流路内で生じる化学反応
に寄与する所定の熱エネルギーを発生する発熱特性又は
吸熱特性を有することを特徴とする請求項１乃至９のい
ずれかに記載の配線電極構造。
【請求項１１】基板の一面側に所定のパターン形状を
有して設けられた温度調整層と、前記温度調整層上に形成された積層配線と、前記積層配線を被覆する保護膜と、が設けられ、前記積層配線は、所定の配線パターン形状
を有する第１の導電性配線層と、前記第１の導電性配線
層と前記保護膜との間に形成され、前記第１の導電性配
線層よりも高い線膨張率材料で形成された第２の導電性
配線層と、を有することを特徴とする配線電極構造。
【請求項１２】前記保護膜は、絶縁性の酸化物又は窒
化物からなることを特徴とする請求項１１記載の配線電
極構造。
【請求項１３】前記第２の導電性配線層は、タングス
テン、モリブデン、タンタル、タングステンを含有する
合金、モリブデンを含有する合金、及びタンタルを含有
する合金の中から選択された材料からなることを特徴と
する請求項請求項１１又は１２記載の配線電極構造。
【請求項１４】前記第１の導電性配線層は、金、銅、
金を含有する合金、及び銅を含有する合金の中から選択
された材料からなることを特徴とする請求項１１乃至１
３のいずれかに記載の配線電極構造。
【請求項１５】前記積層配線は、前記温度調整層と前
記第１の導電性配線層との間に、前記第１の導電性配線
層よりも高い線膨張率材料で形成された第３の導電性配
線層を有することを特徴とする請求項１１乃至１４のい
ずれかに記載の配線電極構造。
【請求項１６】少なくとも表面の一部に酸化膜又は窒
化膜からなる基板上に設けられた酸化物又は窒化物から
なる温度調整層と、前記温度調整層及び前記の前記一部の少なくとも何れか
一方の上に、タングステンを含む第１の導電性配線層、
前記第１の導電性配線層上に金を含む第２の導電性配線
層、及び、前記第２の導電性配線層上にタングステンを
含む第３の導電性配線層を有する積層配線と、前記積層配線を覆う酸化膜又は窒化膜からなる保護膜を
有することを特徴とする配線電極構造。
【請求項１７】基板の一面側に、所定の発熱特性を有
する抵抗膜を形成する工程と、前記抵抗膜上に、第１の導電性膜と、前記第１の導電性
配線層の前記導電性材料よりも抵抗率が低く、前記第１
の導電性配線層の前記導電性材料よりも線膨張率の高い
材料で構成される第２の導電性膜と、前記第２の導電性
配線層の前記導電性材料よりも線膨張率の低い材料で構
成される第３の導電性膜を、順次積層する工程と、前記第３の導電性膜上に、第１のパターン形状を有する
第１のレジスト膜を形成し、該第１のレジスト膜を用い
て、前記第３の導電性膜及び前記第２の導電性膜を順次
エッチングすることにより、前記第１のパターン形状を
有する第３の導電性配線層及び第２の導電性配線層を形
成する工程と、前記第１のパターンに対応し、該第１のパターンよりも
パターン幅が広く設定された第２のパターン形状を有
し、少なくとも、前記第３の導電性配線層及び第２の導
電性配線層の上面及び側面を被覆する第２のレジスト膜
を形成し、該第２のレジスト膜を用いて、前記第１の導
電性膜をエッチングすることにより、前記第２のパター
ン形状を有する第１の導電性配線層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする配線電極構造の製造方法。
【請求項１８】前記第２の導電性配線層は、金、銅、
金を含有する合金、及び銅を含有する合金の中から選択
された材料からなり、前記抵抗膜は、酸化物又は窒化物
からなり、前記保護膜は、絶縁性の酸化物又は窒化物か
らなることを特徴とする請求項１７記載の配線電極構造
の製造方法。
【請求項１９】前記第１の導電性膜及び第３の導電性
膜は、タングステン、モリブデン、タンタル、タングス
テンを含有する合金、モリブデンを含有する合金、及び
タンタルを含有する合金の中から選択された材料からな
ることを特徴とする請求項１７又は１８記載の配線電極
構造の製造方法。
【請求項２０】前記基板は、少なくとも他面側に、所
定の流路を有する反応流路が設けられ、該反応流路内で
吸熱又は発熱を伴う化学反応を生じることにより、所望
の物質を生成する化学反応装置の全部又は一部が微細化
されて形成された微小基板であることを特徴とする請求
項１７乃至１９のいずれかに記載の配線電極構造の製造
方法。